一种基于光纤束的高光谱在线检测系统及方法与流程

1.本发明涉及工业检测技术领域，具体涉及一种基于光纤束的高光谱在线检测系统及方法。


背景技术：

2.随着工业科技的发展，对产品工件的要求也越来越高，一件合格的工件，它的尺寸、颜色、形状、表面质量等技术参数必须要达到一定的精度要求，对于形状尺寸等检测一般有工业尺度法、机器视觉等方法，此类方法只能实现工件外观大小上的检测，但是无法给出检测目标的准确颜色信息，而颜色信息又是物体目标的基础信息，能够直接反应出工件的特性，随着工业化的不断发展，如何方便快捷并且准确地获取颜色信息成为了一个重点研究的方向，特别是在纺织、印刷、涂层检测以及镀层检测等对颜色有一定要求的行业，一个工件产品表面颜色是否符合颜色评价要求，直接决定了产品的质量是否合格，因此，对工件产品进行颜色评价与测量的工作就显得尤为重要。
3.颜色测量系统比较常用的方法大概分为两种，光电积分法和分光光度法，其中光电积分法由于其是利用滤光片匹配光探测器，不能精确测量出色源的三刺激值和色品坐标，无法达到对于颜色精确测量的目的。相对于光电积分法，分光光度法则是利用分光原理直接测出物体的光谱分布，然后经过计算得出三刺激值及其它色度参数，测量精度更高，方便获得表征颜色的各种参数，但是分光光度法属于单点测量，测量效率较慢，无法实时在线检测每个工件的颜色信息。
4.近年来，高光谱技术不断发展，在地质勘探、物质成份分析以及颜色测量等各个领域都展现了重要作用。高光谱技术通过获取可见光范围内的反射光谱，结合色度学相关理论知识，能够更准确客观获取不同颜色系统下的颜色参数，在颜色定量建模分析、颜色差异定量表征等方面具有显著优势，且高光谱成像技术具有图谱合一的特点，能够同时获取连续面状区域反射光谱，但是传统的高光谱测量需要对检测目标进行扫描，检测效率慢。
5.基于以上出现的问题及发现，提出一种在检测工件目标形状尺寸的同时，又能够给出目标表面准确颜色信息且无需扫描的在线检测系统具有重要意义。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于光纤束的高光谱在线检测系统及方法，把光纤束作为传输待测目标的光谱信息的载体，通过将光纤束重整器进行排列组合形成光纤列，一次性得到所需要的光谱图像信息，不仅实现在线测色的功能，对于其表面形状尺寸以及表面缺陷也能够进行监测，再通过配合生产检测流水线前进速率，实现检测自动化，有效地提高检测效率。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：本公开发明提供了一种基于光纤束的高光谱在线检测系统及方法，包括：光源部分、透镜组成像部分、图像分割部分、分光部分、光谱图像信息接收部分。所述光源部分采用
卤素灯、led光源、激光光源或者其组合，包括光源入射口、样品测试口、测量通道，光源的选择一定程度上决定了成像质量，可根据检测目标选择合适的光源，尽可能地使光源利用率以及成像质量达到所需标准；所述透镜组成像部分包括沿光轴从物方空间方向至光纤束的方向依次排列的物方透镜、第一会聚镜、第一凹透镜和第二会聚镜，所述第一凹透镜为双凹透镜，所述物方透镜、第一会聚镜、第二会聚镜的焦距都是正值，且所述第一凹透镜的折射率比其他透镜的高，所述第一凹透镜的阿贝数比透镜组中的其他透镜低，透镜组主要目的是将光源在检测目标上反射的图样成像到光纤束的入光端面；所述光纤束组合部分包括光纤束组合头和光纤束重整器，光纤束组合头用于入射端面的整形，光纤束重整器用于出射面的排列，光纤束入射端面的形状根据检测目标形状改变组合方式，出射端光纤束的排列方式以“z”字形的就近原则排列，入射端光纤束的排列可以增加光纤束的利用率，减少资源浪费，出射端排成一列是使出射光近似看作一道狭缝光，后续分光处理更加容易，按照“z”字形就近原则排列，使其与分光后的光谱信息规则对应，减少再次整合步骤；分光部分采用平场凹面光栅，平场凹面光栅位置与光纤束列位置相对垂直固定且与探测器位置平行，采用平场凹面光栅省去了分光和聚焦的组合，减小了系统体积，增加了可使用性；光谱图像信息接收部分采用ccd相机、cmos相机或者ingaas焦平面阵列相机，对光谱图像进行采集。
8.本发明设计了一种基于光纤束的高光谱在线检测系统及方法，包括如下步骤：步骤a .测量通道两侧光源以45
º
角照射到待测目标表面产生光谱反射，经过透镜组成像到光纤束入光面；步骤b .光纤束入光面将透镜组成的像全部接收，再通过光纤束重整器将进入光纤束的像面进行一定规律的排布，使其在光纤束出光面排布成整齐竖列；作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b中光纤束的入射面的排列方式会影响到整体检测的一个效率，可以根据待测目标的形状大小，有规律地将光纤束进行排列组合，大大提高光纤束整体的利用率，在保证目标光谱图像能完整地入射到光纤束表面的前提下，尽可能地减小了系统的尺寸；步骤c .排布成竖列的光纤束所输出的光条当做狭缝光入射到平场凹面光栅中去；步骤d .平场凹面光栅将条状光分光，将分光之后的光按照探测器像素点位置对应入射到探测器中；步骤e . 探测器对接收到的光谱信息进行处理，按照光纤排布顺序进行解调，还原待测目标的图像信息以及对应的光谱信息，针对高光谱影像进行cie色彩空间转换，获得高光谱影像对应cie xyz色度系统下的三刺激值x、y、z，根据高光谱影像对应cie xyz色度系统下的三刺激值x、y、z，实现待测目标的高光谱影像向目标颜色空间的转换；步骤f .通过上位机信息处理，得到工件颜色信息、形状尺寸信息以及工件表面缺陷信息，进行实时监测并反馈统计，对比标准件参数实现流水线工件的在线检测。
9.在本发明的一个实施例中，所述成像透镜组还包括导光光纤和耦合镜，所述耦合镜用于将所述光源发出的光耦合进入所述导光光纤，所述导光光纤沿和所述传像光纤束并列设置，用于将所述光源发出的光传递至所述透镜组的视场范围内。
10.实施本发明的一种基于光纤束的高光谱在线检测系统及方法，至少具有以下有益效果：
本发明提供的基于光纤束的高光谱在线检测系统及方法，通过连续谱光源产生连续光谱对待检测产品进行照明，经透镜组成像后的图像信息被传递至光纤的一端，图像信息经过光纤束排列组合后，再由平场凹面光栅进行分光，被探测器接收，可以直接获取二维图像的高光谱信息，相较于传统的扫描式高光谱成像系统，整体设备更加简洁，体积重量小；可以对检测目标形状尺寸检测的同时，得到准确的颜色信息以及工件表面缺陷信息；可以对复杂颜色的目标进行检测，在提高检测效率的同时，保留了足够的颜色检测精度，同时不需要通过复杂的光学设备扫描成像，避免由于光路设置复杂导致的检测过程繁琐、实际使用中可靠性不佳等问题；此外由于通过上位机将检测部分与流水线轨道运行速率整合，实现基于光纤束的高光谱在线检测，还具备控制简单、测色效率高等优点。
附图说明
11.下面结合附图作进一步的说明：图1为本发明一种基于光纤束的高光谱在线检测系统的整体结构图；图2为本发明一种基于光纤束的高光谱在线检测方法整体流程图；图3为本发明中图像分割部分光纤束排列组合模块的结构示意图；图4为本发明中光纤束排列组合模块的原理示意图；图中，1测量通道，2光源部分，3成像透镜组，4光纤束组合头，5光纤束重整器，6平常凹面光栅，7探测器
实施方式
12.下面将结合本发明附图，对施例中的技术方案进行完整地表述，所描述的实施例仅仅为本发明专利中的一部分实施例，并不是所有的实施例。基于本发明中所例举的实施例，本领域范围内的相关技术工作人员在没有作出创造性劳动前提下的其他所有实施例，都属于本发明专利保护的范围。
13.本发明设计了一种基于光纤束的高光谱在线测色系统及方法，实际应用当中，如图1所示，具体执行如下步骤a至步骤e。
14.步骤a .首先根据检测目标特性选取合适的光源，作为本实施例的一个优选方案，选择全光谱白光led光源，将光源固定于流水线轨道两侧，以45
°
角照到待测目标表面，透镜组与光纤束入光端表面位置相对固定，反射光谱经过透镜组成像到光纤束表面；实际应用中，光源的选择可以根据具体的检测对象进行选取，不同材料对光谱反射的程度效果不同，选择合适的光源不仅可以减少能量损失，也能够一定程度上提高检测效果，利用全光谱白光led光源可以有效地保留待测工件反射的光谱信息，也可以根据需要，将光源调整为卤素光源、激光光源等。
15.步骤b .待测目标在由透镜组成像到光纤束后，每根光纤都携带着相应位置的光谱信息，将每根光纤通过光纤束重整器按照特定的规律，可以是从上向下或是从左到右，最终排布成一列；实际应用中，对于不同的检测工件可以选择不同的光纤束排列方式，将光纤束的入光面的利用率达到最大，例如方形的工件可以将光纤束按照方形进行排放，通过对光纤束排列组合方式的改变，可以适用于更多的检测对象，扩展检测范围，其次，光纤束出光端
的排布规律可能影响到最后的解调效率，所以在进行光纤束内每根光纤的排布顺序时，尽量使其位置对应排放，减少光纤之间大幅度的位置偏转，使整体解调工作量降到最小。
16.步骤c .排布成竖列的光纤束所输出的光条当做狭缝光入射到平场凹面光栅中去；实际应用中，平场凹面光栅在固定时，其位置要相对于光纤束列垂直且使光位于中心对称位置，因为狭缝光不对称可能会造成的光谱信息的不匹配，并且光纤束列的长度要小于平场凹面光栅长度，防止由于光纤束列部分信息丢失而引起的测量误差。
17.步骤d .平场凹面光栅将条状光分光，将分光之后的光按照探测器像素点位置对应入射到探测器中。
18.步骤e . 探测器对接收到的光谱信息进行处理，按照光纤排布顺序进行解调，还原待测目标的图像信息以及对应的光谱信息，针对高光谱影像进行cie色彩空间转换，获得高光谱影像对应cie xyz色度系统下的三刺激值x、y、z，根据高光谱影像对应cie xyz色度系统下的三刺激值x、y、z，实现待测目标的高光谱影像向目标颜色空间的转换。
19.工作原理：固定于流水线轨道旁的白光光源以45度角照射到待测工件上，经透镜组成像到光纤束表面，出射光纤束排列成光纤束列，光纤选择直径为50
µ
m多模光纤，经过光纤束排列后，可近似看作宽0 .05mm，高12.8mm的狭缝光射入，经由长30mm宽30mm的平场凹面光栅分光，最后经过平场凹面光栅分光后的光谱的像被投射到ccd探测器阵列上，通过软件处理进行光谱分析。
20.本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种基于光纤束的高光谱在线检测系统及方法，其特征在于包括光源部分、透镜组成像部分、图像分割部分、分光部分、光谱图像信息接收部分；光源部分包括光源、测量通道、光源入射区、样品测试区，光源采用卤素灯、led光源、激光光源或者其组合，测量通道即待测产品运输轨道，光源入射区轨道两侧上方，样品测试区位于轨道上；成像部分采用透镜组组合的方式，包括沿光轴从物方空间方向至光纤束的方向按顺序排布的物方透镜、第一会聚镜、第一凹透镜和第二会聚镜，第一凹透镜为双凹透镜，其中物方透镜、第一、第二会聚镜的焦距都是正值，且第一凹透镜的折射率比其他透镜的高，第一凹透镜的阿贝数比透镜组中的其他透镜低；图像分割部分包括光纤束组合头和光纤束重整器，光纤束通过光纤束重整器将光谱图像信息以就近原则排成光纤束列；分光部分采用平场凹面光栅进行分光；光谱图像信息接收部分采用ccd相机、cmos相机或者ingaas焦平面阵列相机。2.所述光纤束组合部分包括光纤束组合头和光纤束重整器，光纤束组合头用于入射端面的整形，光纤束重整器用于出射面的排列，光纤束入射端面的形状根据检测目标形状改变组合方式，出射端光纤束的排列方式以“z”字形就近原则排成光纤束列。3.所述分光部分采用平场凹面光栅，减小整体装置体积，平场凹面光栅位置与光纤束列位置相对垂直固定且与探测器位置平行，光谱图像位置在探测器面上呈规律纵向排布。4.所述基于光纤束获取色谱图像方法，通过透镜组成像的方式获得反射光谱图像，由光纤束进行图像分割，再由平场凹面光栅进行分光后得到其光谱立方图，不仅可以对工件颜色信息进行检测，还能同时检测工件形状尺寸信息以及工件表面缺陷。5.所述测量通道、光源和探测器都与上位机连接，结合轨道运行速率以及光谱图像获取情况，完成信息采集与信息反馈统计，实现工件的在线检测。6.本发明设计了一种基于光纤束的高光谱在线检测系统及方法，包括如下步骤：步骤a .测量通道两侧光源以45
º
角照射到待测目标表面产生光谱反射，经过透镜组成像到光纤束入光面；步骤b .光纤束入光面将透镜组成的像全部接收，再经过光纤束重整器将进入光纤束的像面进行一定规律的排布，使其在光纤束出光面排布成整齐竖列；步骤c .排布成竖列的光纤束所输出的光条当做狭缝光入射到平场凹面光栅中去；步骤d .平场凹面光栅将条状光分光，将分光之后的光按照探测器像素点位置对应入射到探测器中；步骤e . 探测器对接收到的光谱信息进行处理，按照光纤排布顺序进行解调，还原待测目标的图像信息以及对应的光谱信息，针对高光谱影像进行cie色彩空间转换，获得高光谱影像对应cie xyz色度系统下的三刺激值x、y、z，根据高光谱影像对应cie xyz色度系统下的三刺激值x、y、z，实现待测目标的高光谱影像向目标颜色空间的转换。7.步骤f .通过上位机信息处理，得到工件颜色信息、形状尺寸信息以及工件表面缺陷信息，进行实时监测并反馈统计，对比标准件参数实现流水线工件的在线检测。

技术总结
本发明涉及工业检测技术领域，特别涉及一种基于光纤束的高光谱在线检测系统及方法。该检测系统包括光源部分、透镜组成像部分、图像分割部分、分光部分、光谱图像信息接收部分，图像分割部分将检测目标光谱图像信息分成不同的部分并组合成一列，出射光经平场凹面光栅分光，最后到达探测器上，再对光谱图像信息的整合，得到光谱立方图，包含待测目标的颜色信息以及二维图像，可以实现对于颜色高准确率检测，以及检测形状、尺寸等信息，对于工件上存在的色差以及工件表面缺陷也能进行实时的分析，提高工件检测的效率，对于线上工件快速检测具有重要的意义。本发明检测方法具有结构简单、检测精度高、测量参数多、检测效率高以及可以在线测量等优点。在线测量等优点。在线测量等优点。


技术研发人员：冯云鹏 程灏波 闫赛赛
受保护的技术使用者：深圳市三孚北理新材料科学研究有限公司
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/28