[发明专利]一种透明材料三维表面及厚度分布同时检测系统及方法

说明书

本发明提供一种透明材料三维表面及厚度分布同时检测系统，包括图像采集模块、深度传感器、面光源、参考面板、透明材料和控制单元；图像采集模块用于采集透明材料的偏振图像和深度图像并传送到控制单元；深度传感器用于采集透明材料的前后深度值；面光源用于发出非偏振白光照射透明材料；参考面板用于放置背景图案；控制单元包括基于偏振特性的法向量计算模块、基于深度传感器的法向量校正模块以及重构和检测模块；本发明能够对大面积大厚度透明材料进行三维表面检测，同时还能对大面积大厚度透明材料的整个表面厚度分布进行检测，检测系统具体结构简单、成本低以及能够实现对大面积大厚度透明材料无接触检测的特点。

技术领域

本发明属于工业检测技术领域，具体涉及一种透明材料三维表面及厚度分布同时检测系统及方法。

背景技术

透明材料表面三维检测一直被认为是一个具有挑战性的问题。困难在于大多数光在遇到透明材料时都会直接穿过材料表面，从而发生折射现象。此外，环境背景会在透明材料表面成像而影响检测。最容易想到的解决方法是在透明材料表面喷涂一层粉末或染料，让透明材料表面变得不透明。但是存在诸如后续清洁之类的各种缺点，并且表面粉末或染料的厚度和均匀性很容易影响检测。

当前广泛用于透明材料非接触三维表面检测方法可大致分为三类：(一)基于透明材料特性的三维表面检测方法。但是，这种方法通常需要复杂且昂贵的专用设备。(二)基于几何信息的三维表面检测方法。这种方法易受环境背景影响从而造成方法失效。(三)基于反射光偏振信息的三维表面检测方法。此类方法仅考虑从透明材料表面反射的光，减少了要求解的未知数，系统简单，不容易被背景环境干扰。然而，仍然存在入射角和方位角的不确定问题，这对三维表面检测有很大的影响。另外，最重要的是，这三类方法都无法在检测大面积大厚度透明材料三维表面的同时检测整个表面的厚度分布。

考虑上述因素，本发明提供一种大面积大厚度透明材料三维表面及厚度分布同时检测系统及方法。根据偏振光的物理模型，使用工业相机通过带刻度可旋转的线性偏振片收集包含大面积大厚度透明材料表面偏振图像。通过拟合偏振图像的每个像素获得像素灰度值和线性偏振片旋转角度之间的关系。使用TOF深度传感器确定折射光与表面法线之间的对应关系。具体是结合格雷码编码和解码以及基线方法，确定唯一方位角并用于校正偏振法向量，从而重构出整个三维表面实现检测。大面积大厚度透明材料表面的厚度分布也同时被测出，实现厚度检测。

发明内容

本发明提供一种透明材料三维表面及厚度分布同时检测系统及方法，其能够对大面积大厚度透明材料进行三维表面检测，同时还能对大面积大厚度透明材料的整个表面厚度分布进行检测，检测系统具体结构简单、成本低以及能够实现对大面积大厚度透明材料无接触检测的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种透明材料三维表面及厚度分布同时检测系统，包括图像采集模块、深度传感器、面光源、参考面板、透明材料和控制单元；所述图像采集模块用于采集透明材料的偏振图像和深度图像并传送到控制单元；所述深度传感器用于采集透明材料的前后深度值；所述面光源用于发出非偏振白光照射透明材料；所述参考面板用于放置背景图案；所述控制单元包括基于偏振特性的法向量计算模块、基于深度传感器的法向量校正模块以及重构和检测模块；所述基于偏振特性的法向量计算模块用于通过采集的偏振图像建立偏振图像像素灰度值与方位角和入射角的数学模型，得到所述透明材料三维表面每个点所对应的初始法向量；所述基于深度传感器的法向量校正模块用于利用基线法消除所述基于偏振特性的法向量计算模块获取的所述透明材料三维表面初始法向量的不确定性，得到校正后的三维表面法向量；所述重构和检测模块用于根据透明材料校正后的三维表面法向量与表面形状之间的对应关系构建出代价函数，利用全局积分算法重构所述透明材料的三维表面，实现三维表面检测；所述重构和检测模块还用于根据所述基于深度传感器的法向量校正模块获取的透明材料的前后三维表面点重构出厚度分布情况，实现全表面厚度检测。

上述方案中，所述图像采集模块包括工业相机和带刻度可旋转的线偏振片；所述线偏振片置于工业相机的镜头前。