一種番茄色選機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 超，郭 嘉

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利協(xié)作北京中心機(jī)械部，北京100000）

1 前言

番茄色選機(jī)是一種利用成熟番茄與非成熟番茄以及其他異物之間的光學(xué)及色度差之間的區(qū)別進(jìn)行識(shí)別，采用剔除機(jī)構(gòu)將非成熟番茄以及其他異物分選出來的一種新型機(jī)械。

由于目前新疆的實(shí)際情況是大多數(shù)番茄在收獲過程或者工廠深加工過程中，都選用人工進(jìn)行番茄分選，來提高番茄的質(zhì)量，這樣一來難以適應(yīng)大規(guī)模工廠化生產(chǎn)的需要，嚴(yán)重制約了番茄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此番茄色選機(jī)的研制是大勢(shì)所趨的。

番茄色選機(jī)主要由無損傳送系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)以及分選控制系統(tǒng)等部分組成，其中檢測(cè)部分是整個(gè)番茄色選機(jī)的核心部分。在檢測(cè)系統(tǒng)中，被檢測(cè)的番茄必須要求有勻、高亮度的光線進(jìn)行照明，并且在CCD上成很清晰的像來滿足檢測(cè)需要，因此需要我們完成一種滿足要求的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

光學(xué)系統(tǒng)位于檢測(cè)系統(tǒng)的前端，其性能之優(yōu)劣直接影響到采集圖像的質(zhì)量、后續(xù)圖像算法處理。系統(tǒng)由以下幾部分組成：光源系統(tǒng)、成像模塊及接收模式。

2 光源系統(tǒng)

光源需滿足條件：可以調(diào)節(jié)光的照度以提高圖像質(zhì)量、結(jié)構(gòu)緊湊、便安裝于有限的空間內(nèi)；不僅能按照生產(chǎn)線速度，而且能根據(jù)番茄表面的光潔度來調(diào)節(jié)光的照度。

在實(shí)際生產(chǎn)中，環(huán)境光線經(jīng)常發(fā)生變化，光源所發(fā)出的能量也必須做出相應(yīng)的變化，使得攝像系統(tǒng)所獲得的圖像質(zhì)量（包括明暗程度、反差和分辨率）保持不變。因此，在選擇線光源時(shí)，需考慮在特定檢測(cè)線上能使待檢缺陷以盡量高的分辨率得到重現(xiàn)。另外，光源等級(jí)與番茄速度、最大檢測(cè)分辨率有著特定的關(guān)系，其中特別是光源的均勻性和強(qiáng)度必須滿足很高的要求，因?yàn)檫@直接影響圖像質(zhì)量和檢測(cè)性能。

為達(dá)到這一目的，我們選擇了一種新型的綠色LED線光源。在當(dāng)代照明技術(shù)的飛速發(fā)展中LED以其壽命長(zhǎng)、成本低、體積小、重量輕、產(chǎn)生熱量小且沒有噪聲和振動(dòng)、形狀組合自由、顏色選擇方便等優(yōu)點(diǎn)已逐漸成為視覺領(lǐng)域照明光源當(dāng)之無愧的佼佼者，而巧妙的選擇照明色往往會(huì)產(chǎn)生意想不到的效果，穩(wěn)定均勻的照明光源在圖像識(shí)別中有著及其重要的作用。

照度是光通量與被照面積之比值，照度不夠會(huì)降低圖像對(duì)比度，而過大則功耗大并且需要散熱處理。CCD接受的照度應(yīng)該大于它的最低響應(yīng)照度，小于其飽和照度。考慮光譜、照度、均勻性及照射角度對(duì)圖像識(shí)別的影響和設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，選用LED照明光源，能清晰反映中心視場(chǎng)，加強(qiáng)邊緣效果。設(shè)備運(yùn)行中可以根據(jù)芯片與引腳的表面特性靈活選擇照明方式、調(diào)節(jié)照度大小，以滿足圖像識(shí)別的需要。

光源長(zhǎng)度足夠覆蓋整個(gè)皮帶寬（1.04m）以照明板面。這種LED光源具有如下特性：快速達(dá)到照明穩(wěn)定狀態(tài)，高照度輸出，高均勻性，壽命長(zhǎng)（100000h），光源自身實(shí)現(xiàn)線聚焦照明，光源發(fā)光投射在待檢番茄經(jīng)過的皮帶下方方向形成一道狹細(xì)、均勻照明的亮帶。而且，LED線光源照明波長(zhǎng)與我們選用的線陣CCD傳感器件的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)相互匹配，這使得線陣CCD傳感器能以很高的靈敏度完成光電轉(zhuǎn)換。

光源投射在皮帶上形成亮帶的照度，既要確保缺陷暗信號(hào)的有效檢出，又不能使缺陷亮信號(hào)致使CCD曝光飽和，在計(jì)算中以暗信號(hào)的有效檢出為準(zhǔn)，對(duì)于亮域成像，可以調(diào)節(jié)鏡頭光圈來達(dá)到要求。

3 光源系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

為了使表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)易于升級(jí)與維護(hù),表面檢測(cè)系統(tǒng)基于模塊化的設(shè)計(jì)思想。

（1）線光源照明模。線光源設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在特定的檢測(cè)線上能使待檢缺陷以盡量高的分辨率得到復(fù)現(xiàn)。另外，光源等級(jí)與輸送帶板速度、最大檢測(cè)分辨率有著特定的關(guān)系。其特別是光源的均勻性和強(qiáng)度必須滿足很高的要求，因?yàn)檫@直接影響圖像質(zhì)量和檢測(cè)性能。為實(shí)現(xiàn)這一目的，開發(fā)了一種特殊的綠色LED光源，光源長(zhǎng)度足夠覆蓋整個(gè)色選機(jī)輸送帶的帶寬(1.04 m)以照明板面。這種LED光源具有如下特性:快速達(dá)到照明穩(wěn)定狀態(tài)，高照度輸出，高均勻性(±10%)，壽命長(zhǎng)(100000 h)，實(shí)現(xiàn)線聚焦照明。光源發(fā)光投射在輸送皮帶表面板寬方向形成一道狹細(xì)、均勻照明的亮帶。而且LED線光源照明波長(zhǎng)與我們選用的線陣CCD傳感器件的峰值相應(yīng)波長(zhǎng)相互匹配，這使得線陣CCD傳感器能以很高的靈敏度完成光電轉(zhuǎn)換。

（2）CCD成像模塊。番茄色選機(jī)的輸送皮帶寬度為1040 mm，橫向?qū)挾葹?.8mm，因此CCD傳感器的總像元數(shù)N=1040mm/0.8mm=1300。待檢番茄輸送帶運(yùn)行最大速度為1.5 m/s，而縱向分辨率為0.8mm，因此CCD器件的幀轉(zhuǎn)移頻率fsh=(1.5*103mm/s)/(0.8mm)=1875Hz。如果只用一個(gè)CCD傳感器，經(jīng)計(jì)算因成像光路過長(zhǎng)而難以實(shí)現(xiàn)。因此，采用帶寬方向，兩個(gè)CCD傳感器視場(chǎng)分割的辦法，這樣成像光路減為一半而易于實(shí)現(xiàn)。線陣CCD攝像機(jī)采用IL-P4作為圖像傳感器件，該CCD具有7μm的像素、100%的填充比，總像素?cái)?shù)為4096像元，幀轉(zhuǎn)移率高達(dá)14kHz.雙CCD傳感器、并行處理的設(shè)計(jì)使得缺陷檢測(cè)滿足高分辨率、高檢測(cè)速度的要求。而且，攝像機(jī)通過安裝在輥軸上的光電編碼器與輸送帶的運(yùn)行速度同步，以控制線陣CCD傳感器的積分時(shí)間，確保采集圖像具有恒定的縱橫比。為減少輸送帶振動(dòng)的影響，采用遠(yuǎn)心成像光路以獲取高質(zhì)量的圖像。在計(jì)算鏡頭參數(shù)如焦距、數(shù)值孔徑與視場(chǎng)角時(shí)，應(yīng)綜合考慮各方面因素。

根據(jù)缺陷的光學(xué)特性的差異，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)光源、攝象機(jī)及模板間的相對(duì)位置，系統(tǒng)的檢測(cè)光路可相應(yīng)地配置為如下三種形式：明域、暗域和微光域。明域光路主要適于檢測(cè)散射的缺陷類型；暗域光路主要適于檢測(cè)表面上反射光線和吸收光線的缺陷類型；微光域光路則適于檢測(cè)微小的和低對(duì)比度的缺陷類型。

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，我們選擇暗域光路我們建立下面的實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，番茄色選機(jī)的色選過程中青番茄、土塊作為主要檢測(cè)缺陷，并且可以很好地完成檢測(cè)任務(wù)。為了保證系統(tǒng)可靠性，以及所有的上述缺陷最大可能地被檢出，必須配置好相應(yīng)的照明和接收模式，而且這些照明模式并不相互獨(dú)立，而是相互影響。

（3）成像系統(tǒng)及參數(shù)計(jì)算。成像系統(tǒng)采用幅面分割的方式實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，這樣設(shè)計(jì)使得成像光路減為一半并易于實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)系統(tǒng)理論上可以達(dá)到0.22mm的橫向分辨率，0.11 mm的縱向分辨率，因此整個(gè)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可升級(jí)與擴(kuò)展性，以滿足更高的檢測(cè)要求。

對(duì)于單個(gè)CCD，CCD長(zhǎng)度I=4096×7μm=28.7mm，幀轉(zhuǎn)移頻率fsh為14kHz。橫向分辨率HFOV為0.8mm，縱向VFOV分辨率為0.8mm。

單個(gè)CCD對(duì)應(yīng)視場(chǎng)寬度S取1000 mm，帶速為1.5m/s.設(shè)相距為ID，物距為OD，則放大率:β=u/v=[ID]/[OD]=f/([OD]-f)=28.7mm/1000mm=0.0287mm。當(dāng)焦距f=35mm時(shí)，物距為:[OD]=((1/β)+1)×f=(34.84+1)×35mm=1254.51mm。則半視角ω>arctan(I/2f)=(28.7mm/2×35mm)=22.3°則視場(chǎng)角大于44.6°。現(xiàn)在根據(jù)照度匹配來計(jì)算F數(shù)，如圖3所示:所選擇的LED線光源幅出度E為0.1938W/cm2，設(shè)番茄鏡面表面的反射系數(shù)為0.8，則經(jīng)過反射后的輻射出射度R為0.155 W/cm2。設(shè)物方孔徑角為U，鏡頭直徑為D，而在較小的空間立體角范圍內(nèi)，番茄表面可看做是余弦輻射體，那么光亮度為:L=R/U.而:U=2×arctan(D/2/[OD])，設(shè)透鏡的光透比為 Tr，則有CCD傳感器面上的輻照度:E=Tr×π×L×[2(f/D)*(β+1)]2，由于傳感器的面積等于4096×0.7μm×0.7μm=2007μm2，CCD在波長(zhǎng)等于660nm的時(shí)候的靈敏度為10[DN]/(nJ/cm2)，[DN]為CCD攝像機(jī)的轉(zhuǎn)換位數(shù)，當(dāng)傳感器曝光飽和時(shí)，最大[DN]為256，行轉(zhuǎn)移周期Tsh=1/fsh=1/1875Hz=0.5ms。那么飽和時(shí)，入射到傳感器上的總光能為:Q=256/10=25.6nJ/cm2，那么飽和時(shí)CCD面上最大照度為:Es=25.6nJ/cm2/0.5ms=51.2mW/cm2。

注意這里計(jì)算沒有考慮到波長(zhǎng)影響，而且只是計(jì)算光軸上的點(diǎn),考慮到暗域時(shí)的照明及環(huán)境影響,根據(jù)光源計(jì)算的CCD輻照度應(yīng)遠(yuǎn)大于這個(gè)值.對(duì)于暗域時(shí)的照明情況,通過調(diào)節(jié)光圈可以使CCD不至于曝光飽和.通過優(yōu)化計(jì)算,并考慮到更高速度的檢測(cè)情況。

經(jīng)過計(jì)算光亮度L為34988.7W/m2·sr,通過試驗(yàn)驗(yàn)證,滿足傳感器的照明需要。最后系統(tǒng)選擇了選擇F型接口的Nikon鏡頭,法蘭焦距46.50mm±0.10mm,鏡頭焦距為35mm,視場(chǎng)角為45°,F數(shù)為1。

實(shí)驗(yàn)證明，從光源照明到CCD傳感器完成光電轉(zhuǎn)換成像，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足0.8mm×0.8mm檢測(cè)分辨率、1.5m/s檢測(cè)速度的要求?？紤]到檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步完善，以減小現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度變化以及振動(dòng)等帶來的負(fù)面影響。

3 結(jié)語

本文從番茄色選集光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則出發(fā)，對(duì)光源選用、光源系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)進(jìn)行了闡述，該系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，此設(shè)計(jì)方法還可以作為其它種類色選機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的參考。

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