高分子薄膜表面缺陷檢測系統的照明方案設計

摘要：闡述了高分子薄膜表面存在的缺陷類型及其可能造成的危害，著重介紹了工業視覺檢測系統中光源對高分子薄膜表面缺陷特征成像的影響。為尋求能夠最大程度呈現高分子薄膜表面缺陷特征的光源照明方案，通過分析高分子薄膜的光學特性和專用光源的相關特性，結合高分子薄膜表面缺陷的特點，設計了多組光源方案對比實驗。實驗結果顯示，僵塊和黑點類缺陷在紅色、白色和綠色LED光源以正向背光、角度背光和側向角度等照射方式均能較好地呈現特征；條紋和死皺類缺陷受光源顏色影響較小，當光源以側向角度和角度背光照射時這兩類缺陷特征較為明顯，而以正向背光照射時幾乎沒有特征呈現；活皺缺陷僅在綠色光源以角度背光照射時特征較為清楚。綜合各類缺陷在不同照明方案下的特征呈現效果，實現了高分子薄膜表面缺陷檢測系統的照明方案設計。

關鍵詞：高分子薄膜缺陷；機器視覺；光源；缺陷檢測

中圖分類號：TP23；TB43 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.06.010

文章編號：1006-0316 （2024） 06-0067-08

Design of Lighting Solutions for Surface Defect Detection System"of Polymer Films

DENG Haiyun，CHEN Xinhui

（ College of Engineering， Shantou University ， Shantou 515063， China"）

Abstract：This study elaborates on various types of defects on the surface of polymer films and the potential hazards， with a focus on the impact of light sources in industrial visual inspection systems on the imaging of the"surface defect features of polymer films. In order to seek a lighting solution"that can maximize the presentation of the"surface defects of"polymer films， the optical features of polymer films and the relevant features of specialized light sources are"analyzed， combined with the features of surface defects of"polymer films， multiple sets of lighting"solutions"for comparative experiments are"designed. The experimental results show that rigid blocks and black spot defects exhibit the"features well in red， white， and green LED light sources illuminated by forward backlight， angled"backlight， and lateral lighting; stripes and dead wrinkles are less affected by the color of the light source， and"when"the light source is illuminated with lateral and angled"backlight， the features of these two types of defects are more obvious， while forward backlight reveals"almost no features; the wrinkle defects"are"only clearly characterized when the green light source is illuminated with angled"backlight. By integrating the feature presentation of various defects under different lighting solutions， the lighting solution"design of the polymer film surface defect detection system is achieved.

Key words：polymer film defects；machine vision；light source；defect detection

高分子薄膜是一種常見的塑料包裝材料，其生產工藝一般包括原料預處理、熔融擠出、吹脹拉伸、冷卻定型、薄膜牽引和切割卷取等流程^[1]。由于多種因素的影響，高分子薄膜表面容易出現僵塊、黑點、褶皺、晶點等多種質量缺陷。這些缺陷不但會降低產品的美觀性，而且還會對薄膜產品的使用性能帶來潛在風險。因此，工業生產中對高分子薄膜缺陷的檢測不可或缺。

視覺檢測是一種常見的缺陷檢測方法，光源是視覺系統中影響圖像質量最為重要的因素之一。光源照明模塊是否切合待檢測目標的特征，很大程度上決定著整個視覺缺陷檢測系統的成敗。自然環境光會隨時間的變化而改變，因此實時檢測系統最好使用穩定的外部光源。光源的顏色、形狀和照射方式等都會直接影響目標特征的成像效果^[2]，當使用不合適的外部光源時也可能會降低成像質量，因此，需要根據目標特征設計相應的照明方案。

對于高分子薄膜等透明產品的表面缺陷，國內外許多學者進行了相關研究。許恒迎^[3]采用光電轉換器件線陣電荷耦合技術完成了塑料薄膜缺陷檢測系統的總體設計。閆庭輝^[4]通過基于ARM（Advanced RISC Machines）的顯微成像設計了光學薄膜缺損檢測系統。劉艷^[5]搭建了基于CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）掃描聚合物薄膜的缺陷監測系統，能夠測量聚合物寬度、缺陷面積等參數。李寧等^[6]利用機器視覺技術完成了薄膜表面孔洞缺陷的標識和記錄工作?；跈C器視覺的缺陷檢測技術被陸續應用于高分子薄膜等產品的質量監測中，并取得了一些較好的成果，然而僅局限于某一種缺陷的檢測。在光源方案設計方面，湯偉等^[7]針對高檔銅版原紙外觀缺陷設計了適用于基于機器視覺的紙病診斷系統的光源結構方案。基于機器視覺的其他產品缺陷檢測也受到眾多學者的關注和研究，例如關于透明件表面的缺陷檢測，從20世紀末開始，國內學者就已經著手利用機器視覺技術來實現透明件缺陷的自動化檢測^[8]。對于透明物件因各種缺陷混淆而增加的檢測難度，國內外學者對機器視覺檢測系統、透明件圖像處理技術以及如何構造快速可靠的檢測算法做了大量研究^[9]。

近年來對于高分子薄膜表面缺陷的檢測研究大多集中于對單一某一類缺陷的檢測系統的設計和研發，或者是專注于后續對表面缺陷檢測算法的設計和優化，而對于根據待檢測目標如何選擇光源、選擇什么樣的光源，即光源方案設計對目標成像效果的影響相關方面的研究較少，也忽視了對涵蓋不同缺陷類型的檢測識別系統的開發。針對高分子薄膜表面缺陷特征照明方案設計研究的空白，本文將從高分子薄膜的光學特性和光源的相關特性出發，著重分析二者的特點，通過模塊化設計，依據實驗效果選擇出符合高分子薄膜表面缺陷的光源照明方案^[10]，使得其缺陷目標能夠與薄膜背景區域呈現出最大的對比度。本研究也可為其他產品中相似的缺陷特征的光源照明模塊設計提供一定參考。

1"高分子薄膜表面缺陷

在高分子薄膜的生產過程中，受生產設備、生產工藝以及生產壞境等因素的影響，常出現的各種缺陷類型如圖1所示。本文以這五種缺陷類型為研究對象，基于實驗效果設計出能使每類缺陷特征清楚呈現的光源照明方案。

2"高分子薄膜的光學特性

高分子薄膜的光學特性會影響光的反射、折射和透射，進而會對基于機器視覺的薄膜缺陷檢測系統照明方案的設計和選用產生重要影響。前期對薄膜的相關光學特性進行分析可以為其相應的光源照明方案設計提供理論支撐和指導。高分子薄膜的光學特性包括以下方面^[11]。

2.1 透光率

薄膜透光率表征的是單位時間內透過高分子薄膜材料的光通量占其入射光通量的百分率。當薄膜的透光率較低時，僅有少部分光線能夠傳入鏡頭、相機，導致捕獲的物體圖像信息視野變暗，不利于高質量圖像的采集。

2.2 光澤度

光澤度是度量薄膜定向反射入射光能力的指標，表示的是薄膜表面明亮、光滑的程度^[12]。薄膜表面越光滑平整，則對光線的反射越強烈，物體的顏色灰度信息也更加明亮鮮艷。

2.3 霧度

霧度是表征高分子薄膜表面對光的散射能力。在PE（Polyethylene，聚乙烯）吹塑薄膜中，霧度的高低主要受表面不規則引起的光散射影響^[13]。霧度越低意味著薄膜表面清晰度越高，光線經過薄膜后的擴散能力越小。

高分子吹塑薄膜如今可以應用于多種顏色的生產，如白色、黑色和彩色等。此外還可適應從完全透明、高度半透明到不透明等多種外觀的質量要求，不同類型吹塑薄膜的光學特性也具有較大差異。本文所研究的是完全透明的無色和半透明的無色兩種吹塑薄膜。這兩種吹塑薄膜的透光率和光澤度相對較高，霧度則相對較低。其透光率通?？稍?5%以上，光澤度常介于80～100"Gus，即兩種薄膜被大量的光線穿透，視野會更加明亮和清晰透明。本文將以此為基礎分析這兩種吹塑薄膜表面存在的缺陷以及其適合的照明方案。

3"照明方案的光源特性

在整個機器視覺檢測系統中，光源的主要作用有：①提高目標圖像的亮度，形成最有助于圖像處理的成像效果；②克服環境光的干擾，保證圖像的穩定性；③最大程度增大圖像中待檢測目標與背景的對比度等^[14]。在相同條件下使用不同光源采集的圖像中的缺陷特征會呈現不同的效果，如圖2所示^[15]。

因此，需要基于待檢測目標的特點并結合光源的不同屬性特征選用合適的光源，以達到最佳的成像效果。下面將從顏色、形狀以及位置等方面分析光源的一般應用場景及其對缺陷特征呈現的影響，繼而為在整個檢測系統的照明方案設計中選用的光源顏色、形狀及光源安裝方式等提供借鑒和思路。

3.1"顏色

光源的顏色即光譜分布，可由波長、多種光波的混合比以及補色三個角度來衡量。常見的光源顏色有白色、藍色、紅色、綠色、紅外線和紫外線等。在基于機器視覺的高分子薄膜缺陷診斷系統中，鏡頭接收照射在被檢測薄膜表面的反射光線或穿透光線，繼而工業相機可以采集到待檢測的薄膜圖像。由于成像質量會受光源顏色和物體顏色的影響，例如被測物體只會反射與自身顏色相同的光，而不同顏色的光照射在其對應互補色物體上會被大部分甚至完全吸收。因此，需要根據吹塑薄膜表面缺陷本身的顏色屬性選擇適合突出圖像不同缺陷特征的最佳光源顏色。本文采用白色、紅色和綠色三種常用光源顏色進行實驗。

3.2"形狀

LED（Light-Emitting Diode，發光二極管）光源按形狀可以分為環形光源、平行背光源、條形光源、球積分光源等多種類型。不同形狀的LED光源的特點和應用范圍均存在較大差異，需要依據具體目標特征及環境而選擇適合的特定形狀的光源。例如，背光源基于高密度的LED陣列面能夠提供高強度背光照明，從而突出物體的外形輪廓特征；條形光源作為寬大方形結構被測物的首選光源，其顏色、照射角度和安裝自由度高，主要應用于金屬表面檢查、表面裂縫檢測。本文中吹塑薄膜幅寬面積較大、形狀為矩形，因此采用同為矩形形狀的大尺寸面光源，保證光線的均勻性。大尺寸面光源通過LED的高密度排列，能夠突出吹塑薄膜表面缺陷的外形輪廓特征。

3.3"位置

光源的安放位置決定了光源的照射方式。機器視覺系統中，依據相機、光源與被檢測目標三者之間的相對位置關系，可以將光源的照射方式分為多種類型。例如，前向照射是將光源放在相機和被測物體的前方，安裝簡便，需要考慮待檢測目標特征與背景圖像的區別度，主要應用于低速運動物體的表面缺陷的照明；背向照射是將光源置于待檢測物體和相機的后面，需要考慮待檢測物體的透明度和光通量，主要應用于透明物體的疵點檢測。

基于前面的分析，本文采取正向背光、角度背光以及側向角度照射三種光源照射方式，其結構示意圖如圖3所示。

4 照明方案實驗及結果分析

基于對光源顏色、形狀以及照射方式的選擇，實驗設計了白色、紅色和綠色的大尺寸面光源組合不同照射方式的多組光源照明方案。通過比較分析這些方案在實驗中對吹塑薄膜表面常見缺陷實現的缺陷呈現效果，選用最理想的照明方案。

實驗的光源照明方案包括：白色光源側向角度照射（W-La）、白色光源角度背光照射（W-Ab）、白色光源正向背光照射（W-Fb）、紅色光源側向角度照射（R-La）、紅色光源角度背光照射（R-Ab）、紅色光源正向背光照射（R-Fb）、綠色光源側向角度照射（G-La）、綠色光源角度背光照射（G-Ab）、綠色光源正向背光照射（G-Fb）。

4.1"僵塊與黑點

僵塊主要是由于生產過程中某部分聚合物材料沒有完全熔化而導致焦化，黏附在薄膜表面上形成的。僵塊缺陷面積較大，一般呈黃褐色，多組照明方案的成像效果如圖4所示。可以看出，僵塊類缺陷特征均能被凸顯，其中光源以角度背光和正向背光照射最為明顯，此時背景區域在光源照射下均呈現為白色。

黑點是由于聚合物材料純度較低，含有大量雜質，熔化過程中因雜質和原料熔點的差異所造成的。黑點類缺陷顆粒大小不一，常呈現黑褐色且不反光。在照明實驗下黑點缺陷的成像效果如圖5所示。可以看出，黑點缺陷特征也能被較好地凸顯，當光源以角度背光和正向背光照射時，黑點類缺陷成像最為明顯。

4.2"條紋

吹塑薄膜表面的條紋是制造過程中因各種成型工藝參數設置不合理造成的，總體表現為波紋狀亮暗交替的特點。多組照明方案實驗下的條紋缺陷成像效果如圖6所示，可以看出，當光源采用側向角度和角度背光方式照射時，能獲取較為清楚的條紋缺陷特征，呈現出明暗交錯的特點；而采用正向背光照射時幾乎沒有顯示條紋特征。

4.3"褶皺

褶皺主要是薄膜中出現壓應力時在表面發生的一種局部屈曲現象，表現為薄膜部分區域的凹凸不平。薄膜表面的褶皺依據其是否可以通過牽引力或拉力消除又分為“死皺”和“活皺”?！八腊櫋比毕莸男螒B完全定型，不能被改變。多組照明方案實驗“死皺”缺陷的成像效果如圖7所示，可以看出，“死皺”缺陷在光源以側向角度照射和角度背光照射時，缺陷特征較為明顯，以正向背光方式照射時幾乎沒有特征或特征十分微弱。

薄膜“活皺”缺陷可采取后期工藝改善或消除。采用多組光源照明方案對“活皺”缺陷進行實驗后，成像效果如圖8所示?？梢钥闯?，光源以角度背光照射時“活皺”缺陷特征最為明顯；以側向角度照射次之，含有微弱的特征，效果較差；而以正向背光照射時呈現的均是背景特征，幾乎沒有缺陷特征信息。

5"高分子薄膜缺陷檢測系統光源照明設計

基于對薄膜表面缺陷特點的分析以及多組照明實驗方案所實現的成像效果，并結合所研究的吹塑薄膜本身無色完全透明或高度半透明的特性，吹塑薄膜表面質量的視覺檢測系統選擇采用白色光源以側向角度照射、綠色光源以角度背光照射兩種方式相結合的照明方案。將所設計的照明方案應用于檢測系統的結構如圖9所示。圖中虛線框1主要用于吹塑薄膜表面的僵塊、黑點和活皺等類型缺陷的檢測。實驗中發現，無論是將光源與相機單組排布于吹塑薄膜一側，還是雙組分別排布于吹塑薄膜上下兩側，成像效果區別不大，均可實現吹塑薄膜上、下表面此類缺陷較好的成像效果，本著經濟性原則采用光源、相機單組排列于薄膜上表面的方式。虛線框2和3主要用于薄膜條紋和死皺等缺陷的檢測。由于薄膜上、下表面的死皺、條紋缺陷特征會因光源、相機的排布不同而在成像時存在明顯差異，所以采取光源、相機分兩組排列于薄膜上、下兩側的排布方式。

該檢測系統在圖像采集設備與吹塑薄膜平移運動的配合下完成對吹塑薄膜圖像的獲取，經過檢測機、服務器和顯示器等系統完成圖像數據的分析和結果的顯示，最終實現高分子吹塑薄膜表面缺陷的檢測功能。

6 結束語

本文基于高分子薄膜透光率、光澤度和霧度等光學特性的分析，結合光源顏色、形狀和位置等照明方案的適用范圍，以最大程度突出薄膜表面各類缺陷特征為目的，實驗設計了白色、綠色和紅色三種光源的多組不同照射方式的光源照明方案，分別是側向角度照射、角度背光照射和正向背光照射三種打光方式，獲得了各類缺陷的多組成像效果。研究結果表明：

（1）薄膜表面的僵塊和黑點類缺陷在上述九種照明方案下均能實現較好的照明效果，呈現明顯的缺陷特征；

（2）薄膜表面的條紋、死皺類缺陷在光源以側向角度和角度背光兩種照射方式下才能夠明顯突出缺陷特征，光源顏色的差異對其的影響較弱，而在正向背光照射時其呈現的缺陷特征大幅度弱化；

（3）薄膜表面的活皺類缺陷僅在光源以角度背光方式照射下才能突出其缺陷特征，而光源顏色對其的影響較弱。

依托多組成像效果找到了適合于不同缺陷類型的照明方案，以此設計了吹塑薄膜表面質量檢測的光源照明系統，為實現基于機器視覺的高分子薄膜缺陷檢測奠定了良好基礎。

隨著高分子薄膜應用領域范圍的不斷拓寬，工業上生產的多種顏色的高分子薄膜屢見不鮮，同時為適應特殊使用要求而生產的不透明薄膜更是層出不窮。本文所設計的光源照明方案主要針對的是完全透明或者高度半透明的無色高分子吹塑薄膜。因此，針對于白色、黑色和彩色等多種顏色類型，以及低透明度甚至不透明的高分子薄膜表面缺陷的光源照明方案還有待進一步探究。

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