基于TOF原理的透明物体灰尘异物检测系统的制作方法

基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统
技术领域
1.本发明涉及异物检测技术领域，具体涉及一种基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统。


背景技术：

2.在透明物体的制造工序、包装工序以及使用其的图案形成工序等中，可能会由于各种理由而产生异物。目前，在医药、饮料等领域对透明、半透明药品、输液瓶、口服液等液体产品中异物检测中，经常会遇到异物不经意混入的情况，消费者使用或者食用了含有异物的药品或者食品，会造成身体或精神的伤害。异物检测系统一方面观测食品中的硬质异物，另一方面也能识别出产品瑕疵，如包装裂缝、气泡、内容缺损、表面异物附着等，并检测出包装后产品的遗落以及不良品，实现完全的成品检测。
3.现有的透明物体表面灰尘异物检测方案是使用普通图像传感器及相关算法识别附着在透明物体(如玻璃，亚克力等)表面的灰尘和异物，但这种方法在透明物体上表现较差且距离分辨率较低，甚至在强阳光下(室外)无法使用。
4.如中国专利cn107957395b，公开日2020年7月3日，一种用于透明/半透明产品中异物的检测装置，涉及分析及测量控制技术领域。本发明的一种用于透明/半透明产品中异物的检测装置，包括：用于对异物目标提供照明的照明系统，所述照明系统包括光源，所述光源为短波红外光源；用于采集照明后异物目标的偏振图像的图像采集系统，所述图像采集系统包括短波红外偏振相机；用于对采集到的偏振图像数据进行融合的数据处理系统，完成异物目标多光谱偏振特性的解析。本发明能克服当前人工灯光检测和可见光成像探测效率低、误检率高的缺点，满足各领域对透明/半透明产品中异物检测的需求。其存在距离分辨率较低、强阳光下无法使用的问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是：目前的透明物体表面灰尘异物检测系统存在距离分辨率较低、检测可靠性差的技术问题。提出了一种具有高距离分辨率、高可靠性的基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统。
6.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统，包括发射端、接收端、图像信号处理器和晶体振荡器，所述晶体振荡器与所述图像信号处理器连接，所述接收端通过图像传感器与所述图像信号处理器连接，所述图像信号处理器通过光源驱动器与所述发射端连接。
7.检测系统包括硬件模块，硬件部分主要包括光学镜头(lens)、ccd/cmos图像传感器(image sensor)、图像信号处理器(tof signal processor)、晶体振荡器(crystal)、940nm红外光源(vcsel)以及光源驱动器(driver)等。
8.作为优选，所述接收端包括tof传感器、镜座、滤光片、镜头和接收盖板；所述发射端包括vcsel激光器、匀光片和发射盖板。
9.检测系统还包括光学模块，发射端包括vcsel激光器、匀光片，盖板(匀光片和盖板可能合二为一)；接收端包括tof传感器，镜座，滤光片，镜头，盖板(可能无盖板，镜头直接裸露)。发射端与接收端需进行光学隔断，以保证接收端不受杂光影响。
10.作为优选，本系统通过发射端和接收端进行被测物检测，被测物检测过程包括：通过vcsel激光器发射光线；经过匀光片和盖板后照射到被测物表面；若被测物表面有灰尘或异物则光线会被反射至tof传感器；tof传感器接收到光子后经过光电转换后转化为电子进行深度数据结算和数据传输。
11.装置主要包括光源部分和tof传感器部分。装置内部有940nm主动光源，经过匀光片和盖板后照射到被测物表面，若被测物表面有灰尘或异物则光线会被反射至tof传感器，传感器接收到光子后经过光电转换后转化为电子进行深度数据结算和数据传输。
12.作为优选，图像信号处理器根据接收的数据进行对比分析，判断是否存在灰尘异物，对比分析过程包括：若实际测试距离与设定距离参数差值小于对比值a厘米，则判定当前位置有灰尘或异物并输出相应图像信息；若实际测试距离与设定距离参数差值大于等于对比值a厘米，则当前数据弃用并且不输出图像信息。
13.其中a可取1，对设定距离参数作对比后精确判断出是否存在灰尘异物以及灰尘异物的大小等信息，该设定距离参数需根据实际安装位置确定，即被测透明物体与检测装置的实际安装距离。
14.作为优选，系统进行透明物体异物检测的过程包括如下步骤：固定检测装置安装位置；确定距离参数；进行距离标定，若不符合要求则重新选择检测装置安装位置，若符合要求则发射光源；接收光子；进行光电转换；进行深度值计算；进行灰度深度融合；进行距离数据对比，进行差值判定，若差值大于等于对比值a，则弃用当前数据，若差值小于对比值a，则确定灰尘及污染物大小；保存并输出异物图像。
15.本装置使用的光源为940nm波长的红外vcsel，vcsel具有高输出功率和高转换效率等优点，本装置采用的测距方式为间接测距法(ptof)，使用窄脉宽和深度灰度融合技术，能够快速有效地检测出被测物表面的灰尘或异物等信息。
16.作为优选，深度值计算式为：其中，distance为计算所得的深度值，为发射信号与接收信号的时间差，c为光速，即光波或电磁波在真空或介质中的传播速度，f
mod
为发射光源的调制频率。
17.由公式可以计算出深度数据并根据深度和灰度值做一系列融合后得出有效的距离值和点云图。
18.作为优选，进行灰度深度融合的过程包括：通过设置高低倍曝光参数，获取高低倍交错曝光的图像帧；对获取的图像帧进行像素统计分类，根据统计信息对获取的高低倍图像帧中的深度图与灰度图分别进行融合；深度图融合根据高低倍图像帧对应的每个像素点灰度值线性区范围进行高低倍融合；灰度图融合包括在未过曝区域高低倍图像帧按比例进行融合；在高倍参数过曝区域依据高低倍灰度比例关系，用低倍图像的灰度值按比例替换高倍过曝区域的方式进行融合；在融合后灰度图上进行非线性变换和图像优化得到最终的融合灰度图。
19.通过发射端和接收端完成待测物的数据采集，发射端采用激光驱动技术，提供可编码窄脉冲激光；发射端采用多脉冲累计方式实现目标距离与信号强度编码；接收端通过图像灰度(信号强度)进行目标距离解码；接收端通过融合灰度图和距离图进行目标探测识别。
20.本发明的实质性效果是：本发明包括发射端、接收端、图像信号处理器和晶体振荡器，采用的测距方式为间接测距法，发射端采用激光驱动技术，提供可编码窄脉冲激光，发射端采用多脉冲累计方式实现目标距离与信号强度编码，接收端通过图像灰度进行目标距离解码，接收端通过融合灰度图和距离图进行目标探测识别，本发明应用低占空比脉冲调制、窄脉冲激光技术和深度灰度融合技术，能够快速有效地检测出被测物表面的灰尘或异物等信息；主动光源，减小了检测系统对检测环境的依赖；实施简单，外围软硬件要求较低；提高了透明物体灰尘异物检测距离精度。
附图说明
21.图1为本实施例的组成示意图；图2为本实施例的检测原理示意图；图3为本实施例的检测步骤示意图；图4为本实施例的tof原理示意图；图5为本实施例的tof深度值计算原理示意图。
22.其中：1、发射端，2、接收端，3、图像信号处理器，4、晶体振荡器，5、图像传感器，6、光源驱动器，7、tof传感器，8、镜座，9、滤光片，10、镜头，11、接收盖板，12、vcsel激光器，13、匀光片，14、发射盖板。
具体实施方式
23.下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
24.一种基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统，如图1、图2所示，包括发射端1、接收端2、图像信号处理器3和晶体振荡器4，且待测物与装置间的距离为d，接收端2包括tof传感器7、镜座8、滤光片9、镜头10和接收盖板11；发射端1包括vcsel激光器12、匀光片13和发射盖板14。晶体振荡器4与图像信号处理器3连接，接收端2通过图像传感器5与图像信号处理器3连接，图像信号处理器3通过光源驱动器6与发射端1连接。检测系统包括硬件模块，
硬件部分主要包括光学镜头10(lens)、ccd/cmos图像传感器5(image sensor)、图像信号处理器3(tof signal processor)、晶体振荡器4(crystal)、940nm红外光源(vcsel)以及光源驱动器6(driver)等。检测系统还包括光学模块，发射端1包括vcsel激光器12、匀光片13，盖板(匀光片13和盖板可能合二为一)；接收端2包括tof传感器7，镜座8，滤光片9，镜头10，盖板(可能无盖板，镜头10直接裸露)。发射端1与接收端2需进行光学隔断，以保证接收端2不受杂光影响。
25.本实施例通过发射端1和接收端2完成待测物的数据采集，发射端1采用自研激光驱动技术，提供可编码窄脉冲激光；发射端1采用多脉冲累计方式实现目标距离与信号强度编码；接收端2通过图像灰度(信号强度)进行目标距离解码；接收端2通过融合灰度图和距离图进行目标探测识别。
26.本实施例主要包括光源部分和tof传感器部分。装置内部有940nm主动光源，经过匀光片13和盖板后照射到被测物表面，若被测物表面有灰尘或异物则光线会被反射至tof传感器，传感器接收到光子后经过光电转换后转化为电子进行深度数据结算和数据传输。通过算法层面对特定距离参数作对比后精确判断出是否存在灰尘异物以及灰尘异物的大小等信息。若实际测试距离与特定距离参数差值小于1cm，则判定当前位置有灰尘或异物并输出相应图像信息。若实际测试距离与特定距离参数差值大于等于1cm，则当前数据弃用并且不输出图像信息。该特定距离参数需根据实际安装位置确定，即被测透明物体与检测装置的实际安装距离。系统进行透明物体异物检测的过程包括如下步骤，如图3所示：固定检测装置安装位置；确定距离参数；进行距离标定，若不符合要求则重新选择检测装置安装位置，若符合要求则发射光源；接收光子；进行光电转换；进行深度值计算；进行灰度深度融合；进行距离数据对比，进行差值判定，若差值大于等于对比值a，a可取1cm，则弃用当前数据，若差值小于对比值a，则确定灰尘及污染物大小；保存并输出异物图像。
27.本装置使用的光源为940nm波长的红外vcsel，vcsel具有高输出功率和高转换效率等优点，本装置采用的测距方式为间接测距法(ptof)，使用窄脉宽和深度灰度融合技术，能够快速有效地检测出被测物表面的灰尘或异物等信息。
28.tof原理框图如图4所示，采用了一种测相位偏移的方法，即发射方波与接收方波之间相位差来计算被测物的深度信息。tof测距原理如图5所示，深度值计算式为：之间相位差来计算被测物的深度信息。tof测距原理如图5所示，深度值计算式为：之间相位差来计算被测物的深度信息。tof测距原理如图5所示，深度值计算式为：其中，distance为计算所得的深度值，为发射信号与接收信号的时间差，c1-c4分别是光源发射信号的0度、180度、90度和270度的偏移相位波形。由公式可以计算出深度
数据并根据深度和灰度值做一系列融合后得出有效的距离值和点云图。距离公式推导过程如下：s(t)＝a
·
(1 sin(2πft))n(2πft))n(2πft))n(2πft))n(2πft))n(2πft))n(2πft))n(2πft))公式中s(t)为发射的正弦信号，振幅是a，调制频率是f，
△
t为接收时延，r(t)为接收到的信号，a为衰减后的振幅，b为信号强度偏移，四个采样时间间隔相等，均为t/4，
△
φ为发射和接收的相位偏移，d为物体和深度相机的距离。
29.由上图公式可以计算出深度数据并根据深度和灰度值做一系列融合后得出有效的距离值和点云图。融合过程如下：通过设置高低倍曝光参数，获取高低倍交错曝光的图像帧，对获取的图像帧进行像素统计分类，根据统计信息对获取的高低倍图像帧中的深度图与灰度图分别进行融合。深度图融合根据高低倍图像帧对应的每个像素点灰度值线性区范围进行高低倍融合。灰度图融合分为，在未过曝区域高低倍图像帧按比例进行融合；在高倍参数过曝区域依据高低倍灰度比例关系，用低倍图像的灰度值按比例替换高倍过曝区域的方式进行融合。在融合后灰度图上进行非线性变换和图像优化得到最终的融合灰度图。
30.本文涉及的术语解释如下：tof:飞行时间法测距time of flightvcsel:垂直共振腔面射型激光vertical-cavity surface-emitting laserccd:一种用于探测光从而实现存储和传递电荷信息的固态电子器件charge-coupled devicecmos:互补金属氧化物半导体complementary metal oxide semiconductortof是time of flight的简写，直译为飞行时间的意思。飞行时间技术在广义上可理解为通过测量物体、粒子或波在固定介质中飞越一定距离所耗费时间(介质/距离/时间均为已知或可测量)，从而进一步理解离子或媒介某些性质的技术。ptof是一种间接的tof测量方法。本实施例应用了独有的低占空比脉冲调制以及窄脉冲激光技术的tof技术应用于透明物体灰尘异物检测，可应用于汽车挡风玻璃的灰尘和异物检测，能够有效预警玻璃清洁度，及时配合雨刷等设备进行清理能够有效减少行驶过程中事故发生概率。
31.本实施例具有抗阳光性：低占空比激光脉冲结合光珀特殊原理可有效降低阳光影响；抗干扰性：激光和传感器特殊工作时序可容纳多台设备之间无窜扰运行；高精度：横向可提供优于0.1
°
的角分辨率，纵向可提供cm级距离分辨率，高可靠性，低成本等优点。
32.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统，其特征在于，包括发射端(1)、接收端(2)、图像信号处理器(3)和晶体振荡器(4)，所述晶体振荡器(4)与所述图像信号处理器(3)连接，所述接收端(2)通过图像传感器(5)与所述图像信号处理器(3)连接，所述图像信号处理器(3)通过光源驱动器(6)与所述发射端(1)连接。2.根据权利要求1所述的一种基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统，其特征在于，所述接收端(2)包括tof传感器(7)、镜座(8)、滤光片(9)、镜头(10)和接收盖板(11)；所述发射端(1)包括vcsel激光器(12)、匀光片(13)和发射盖板(14)。3.根据权利要求1或2所述的一种基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统，其特征在于，通过发射端(1)和接收端(2)进行被测物检测，被测物检测过程包括：通过vcsel激光器(12)发射光线；经过匀光片(13)和盖板后照射到被测物表面；若被测物表面有灰尘或异物则光线会被反射至tof传感器；tof传感器接收到光子后经过光电转换后转化为电子进行深度数据结算和数据传输。4.根据权利要求1所述的一种基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统，其特征在于，图像信号处理器(3)根据接收的数据进行对比分析，判断是否存在灰尘异物，对比分析过程包括：若实际测试距离与设定距离参数差值小于对比值a厘米，则判定当前位置有灰尘或异物并输出相应图像信息；若实际测试距离与设定距离参数差值大于等于对比值a厘米，则当前数据弃用并且不输出图像信息。5.根据权利要求1或4所述的一种基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统，其特征在于，系统进行透明物体异物检测的过程包括如下步骤：固定检测装置安装位置；确定距离参数；进行距离标定，若不符合要求则重新选择检测装置安装位置，若符合要求则发射光源；接收光子；进行光电转换；进行深度值计算；进行灰度深度融合；进行距离数据对比，进行差值判定，若差值大于等于对比值a，则弃用当前数据，若差值小于对比值a，则确定灰尘及污染物大小；保存并输出异物图像。6.根据权利要求5所述的一种基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统，其特征在于，深度值计算式为：其中，distance为计算所得的深度值，c为光源发射信号的角度，为发射信号与接收信号的时间差。7.根据权利要求5所述的一种基于tof原理的透明物体灰尘异物检测系统，其特征在于，进行灰度深度融合的过程包括：通过设置高低倍曝光参数，获取高低倍交错曝光的图像帧；对获取的图像帧进行像素统计分类，根据统计信息对获取的高低倍图像帧中的深度图
与灰度图分别进行融合；深度图融合根据高低倍图像帧对应的每个像素点灰度值线性区范围进行高低倍融合；灰度图融合包括在未过曝区域高低倍图像帧按比例进行融合；在高倍参数过曝区域依据高低倍灰度比例关系，用低倍图像的灰度值按比例替换高倍过曝区域的方式进行融合；在融合后灰度图上进行非线性变换和图像优化得到最终的融合灰度图。

技术总结
本发明公开了一种基于TOF原理的透明物体灰尘异物检测系统，包括发射端、接收端、图像信号处理器和晶体振荡器，本发明采用的测距方式为间接测距法，发射端采用激光驱动技术，提供可编码窄脉冲激光，发射端采用多脉冲累计方式实现目标距离与信号强度编码，接收端通过图像灰度进行目标距离解码，接收端通过融合灰度图和距离图进行目标探测识别，本发明应用低占空比脉冲调制、窄脉冲激光技术和深度灰度融合技术，能够快速有效地检测出被测物表面的灰尘或异物等信息；主动光源，减小了检测系统对检测环境的依赖；实施简单，外围软硬件要求较低；提高了透明物体灰尘异物检测距离精度。高了透明物体灰尘异物检测距离精度。高了透明物体灰尘异物检测距离精度。


技术研发人员：张灿伟 胡忠强 缪洛飞 张华
受保护的技术使用者：浙江光珀智能科技有限公司
技术研发日：2021.11.12
技术公布日：2022/5/25