基于投影光源的薄膜缺陷检测系统及方法

技术领域

本发明涉及薄膜缺陷的光学检测，特别地是，基于投影光源的薄膜缺陷检测系统及方法。

背景技术

偏光膜作为光学薄膜的一种。偏光膜的结构通常包括保护层、TAC层、PVA层、TAC层及离型层。其中，PVA层是起偏振作用。膜层之间都是通过涂胶压合而成，导致在压合过程中可能会出现薄膜缺陷部，诸如，竖纹、凹凸及压印等。

中国发明申请CN111024729A公开的“一种偏光片表面轻微压迹的检测方法及检测系统”的缺点在于：LED光源及CCD面阵相机必须处于偏光片同侧，否则无法对薄膜缺陷部进行光学检测。

发明内容

本发明要解决现有技术中的问题，提供一种新型的基于投影光源的薄膜缺陷检测系统及方法。

为了实现这一目的，本发明的技术方案如下：基于投影光源的薄膜缺陷检测系统，其用于光学检测待检光学薄膜的薄膜缺陷部。所述基于投影光源的薄膜缺陷检测系统包括光源装置、投影用背景板及拍摄装置，所述光源装置与所述投影用背景板分别位于所述待检光学薄膜的相对两侧，所述光源装置朝向所述投影用背景板的背景板表面，使得所述光源装置的出射光束能够透过所述待检光学薄膜到达所述投影用背景板的背景板表面，所述拍摄装置的视场覆盖所述背景板表面，使得所述拍摄装置能够采样到所述薄膜缺陷部在所述背景板表面的投影光斑。

作为基于投影光源的薄膜缺陷检测系统的优选方案，所述待检光学薄膜包括但不限于偏光膜。

作为基于投影光源的薄膜缺陷检测系统的优选方案，所述待检光学薄膜是水平的。

作为基于投影光源的薄膜缺陷检测系统的优选方案，所述待检光学薄膜是倾斜的，所述待检光学薄膜与竖直方向形成有小于90°的夹角γ。

作为基于投影光源的薄膜缺陷检测系统的优选方案，所述光源装置包括LED光源且所述LED光源的数量为1个。

作为基于投影光源的薄膜缺陷检测系统的优选方案，所述LED光源采用侧打光方式并且确保所述LED光源的灯珠投影落在所述拍摄装置的视场外。

作为基于投影光源的薄膜缺陷检测系统的优选方案，所述背景板表面选用磨砂纹材质面；进一步地，所述背景板表面的表面粗糙度由所述基于投影光源的薄膜缺陷检测系统的缺陷检测精度决定。

作为基于投影光源的薄膜缺陷检测系统的优选方案，所述拍摄装置包括工业相机，所述工业相机是基于CCD或CMOS传感器，所述工业相机是面阵相机或线扫相机。

本发明还提供基于投影光源的薄膜缺陷检测方法，包括：

步骤S1，提供基于投影光源的薄膜缺陷检测系统；

步骤S2，由所述拍摄装置采样所述薄膜缺陷部在所述背景板表面的投影光斑；以及，

步骤S3，根据所述投影光斑与所述薄膜缺陷部的对应关系，基于所述投影光斑确定所述薄膜缺陷部的形状、大小和/或类型。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：提供一种新型的薄膜缺陷检测方式，先利用拍摄装置采样待检光学薄膜的薄膜缺陷部在投影用背景板的背景板表面的投影光斑，再根据投影光斑与薄膜缺陷部的对应关系，基于所述投影光斑确定所述薄膜缺陷部的形状、大小和/或类型。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果之外，本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将连接附图作出进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明中光源装置的原理示意图(单光源)。

图4为本发明中光源装置的原理示意图(多光源)。

图5为本发明的方法流程图。

图6为本发明中光源装置的投影效果示意图。

图7为本发明中光源装置的光学结构图。

图8为本发明中光源装置的透镜二次配光映射示意图。

图9为本发明中北半球极坐标系网格划分图。

图10为本发明中东西半球极坐标网格划分图。

图11为本发明中网格划分映射关系示意图。

图12为本发明中网格划分下的LED光强分布图。

图13为本发明中自由曲面“脊线”和“肋线”映射关系图。

图14为本发明中广义卵形面构造自由曲面原理图。

图15为本发明中透镜上表面自由曲面构造映射关系图。

图中序号：

1.待检光学薄膜；2.光源装置；3.投影用背景板；4.拍摄装置；10.薄膜缺陷部；30.投影光斑。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参见图1和2，图中示出的是基于投影光源的薄膜缺陷检测系统。

所述基于投影光源的薄膜缺陷检测系统用于检测待检光学薄膜的薄膜缺陷部。所述待检光学薄膜是透射型的薄膜，即能够被光束所透射穿过。所述待检光学薄膜包括但不限于偏光膜、增透膜等。

所述基于投影光源的薄膜缺陷检测系统包括光源装置、投影用背景板及拍摄装置。

所述光源装置包括LED光源及配光透镜。所述光源装置与所述投影用背景板分别位于所述待检光学薄膜的相对两侧。所述光源装置朝向所述投影用背景板的背景板表面，使得所述光源装置的出射光束能够透过所述待检光学薄膜到达所述投影用背景板的背景板表面。所述拍摄装置包括工业相机。所述拍摄装置的视场覆盖所述背景板表面，使得所述拍摄装置能够采样到所述薄膜缺陷部在所述背景板表面的投影光斑。若所述待检光学薄膜具有所述薄膜缺陷部，则所述光源装置的出射光束被所述薄膜缺陷部遮挡而在所述背景板表面形成有所述投影光斑。

较佳地，所述LED光源的数量为1个。即所述光源装置采用单光源设计。请参见图3，所述单光源设计的有益效果在于，其投影特性使得所述薄膜缺陷部能够清晰地投影至所述背景板表面。再请参见图4，若所述光源装置采用多光源设计，则所述背景板表面对于同一所述薄膜缺陷部形成有不同的投影光斑并且各所述投影光斑的图像对比度相对于单光源设计下的所述投影光斑要低。

较佳地，所述LED光源采用侧打光方式并且确保所述LED光源的灯珠投影落在所述拍摄装置的视场外。

较佳地，所述背景板表面选用磨砂纹材质面(诸如，表面粗糙度Ra0.05)，以提高所述投影光斑的投影效果。进一步地，所述背景板表面的表面粗糙度由所述基于投影光源的薄膜缺陷检测系统的缺陷检测精度决定。在缺陷检测精度精度不高的情况下，可以适当增加表面粗糙度，以得到最佳的投影效果。

较佳地，所述工业相机可基于CCD或CMOS传感器。

较佳地，所述工业相机是面阵相机或线扫相机。

请参见图5，图中示出的是基于投影光源的薄膜缺陷检测方法。所述基于投影光源的薄膜缺陷检测方法包括：

步骤S1，提供基于投影光源的薄膜缺陷检测系统。

步骤S2，由所述拍摄装置采样所述薄膜缺陷部在所述背景板表面的投影光斑。以及，

步骤S3，根据所述投影光斑与所述薄膜缺陷部的对应关系，基于所述投影光斑确定所述薄膜缺陷部的形状、大小和/或类型。

实施例1：

再请参见图1，本实施例中，所述待检光学薄膜是水平的。所述LED光源位于所述待检光学薄膜右上方。所述投影用背景板水平延伸并且位于所述待检光学薄膜左下方。所述拍摄装置位于所述投影用背景板左上方。

所述LED光源采用侧打光方式。所述LED光源的出光中轴与竖直方向形成有小于90°的夹角α。通常，夹角α∈[20°,60°]。所述LED光源的出光中轴处于所述薄膜缺陷部右侧且两者距离一水平偏移量。通过控制所述水平偏移量，以确保所述LED光源的灯珠投影落在所述拍摄装置的视场外。

考虑到所述产线运动机构的遮挡问题，所述拍摄装置采用斜向拍摄方式。所述拍摄装置的入光中轴与竖直方向形成有小于90°的夹角β。并且为了避免所述光源装置的灯珠投影落在所述拍摄装置的视场，夹角β小于夹角α。通常，夹角β∈[0°,40°]。

实施例2：

再请参见图2，本实施例中，所述待检光学薄膜是倾斜的。所述待检光学薄膜与竖直方向形成有小于90°的夹角γ。所述LED光源位于所述待检光学薄膜右上方。所述投影用背景板水平延伸并且位于所述待检光学薄膜左下方。所述拍摄装置位于所述投影用背景板正上方(无需考虑所述产线运动机构的问题)。

所述LED光源的出光中轴处于所述薄膜缺陷部右侧且两者距离一水平偏移量。通过控制所述水平偏移量，以确保所述LED光源的灯珠投影落在所述拍摄装置的视场外。

由于所述待检光学薄膜是倾斜的，故所述投影光斑的大小相对于所述薄膜缺陷部被压缩，其图像对比度得到增加，提高检测精度。

现对所述投影光斑与所述薄膜缺陷部的对应关系进行如下分析：

本发明的核心部件为光源装置，光源装置具有光斑均匀的特性外，光斑在传播的过程中，在不同距离下均保持较高的映射关系，该效果与投影仪将投影图片投影到幕布上的图像之间的关系类似，投影图片与幕布上的图像之间均为一一对应关系，因此在本发明中，将光源装置称为投影光源。为更为清晰的认识投影光源的光学特性，参考图6，投影光源source所处在xoy平面，光线传播方向沿z轴正方向传播，分别在检测平面detection plane和目标平面Target plane对投影光源的光斑进行考察。上述考察的区域以矩形区域为例，对投影光源在检测面上的矩形区域光斑进行网格划分，可以发现，该矩形区域光斑继续沿着z轴方向传播，在离投影光源更远出的目标平面上形成新的矩形光斑区域，同样对其进行网格划分，在检测平面上的矩形光斑区域和目标面上的矩形光斑区域存在一一对应的映射关系。同时，说明矩形光斑的杂散光较小，在垂直于z方向任意位置放置接收面，该接收面上的任意位置光线反向追迹均可以视为支来自该任意位置对应的一点，如落在目标平面上的网格点光线均来自于检测平面上对应的网格点位置的光线。

投影光源主要部件包含LED光源与透镜组成，LED光源光强角分布通常为朗伯型分布I＝I

自由曲面具有高自由度，结构紧凑，光效高等特点。投影光源的透镜上面表和下表面均采用自由曲面用来构建LED光源与目标面的映射关系。如图8所示，O点处为LED光源，Ω

Φ

其中，Φ表示光通量(LED光源、透镜下表面、透镜上表面)，

透镜通过上下两个自由曲面实现从光源光分布到目标平面光分布的映射关系，可以视为：

在透镜配光设计过程中，透镜上下表面对应的自由曲面实现的功能不一样，LED光源发出的光线从透镜下表面入射从上表面出射至目标平面。为方便描述，透镜下表面和上表面对应的自由曲面分别称为自由曲面a和自由曲面b。自由曲面a负责将光源的光源分布实现再分配，实现光斑均匀化，规定光线的落点位置。自由曲面b负责将该应落点位置光线利用折射定律重新分配光线的传播方向以实现投影的照明效果，具体细节后续给出。

由于LED光源光分布通常为朗伯分布，对于均匀圆形光斑的二次配光利用网格划分来实现映射关系通常较为简单，本发明主要强调矩形均匀光斑的配光方法。针对矩形光斑常用的配光方法如图9和图10所示，分别为利用南北半球和东西半球极坐标系构建从LED光源半球空间到目标平面矩形区域的光斑映射关系。该映射关系的缺点在于存在奇点，如南北半球极坐标系在θ＝0位置处或东西半球极坐标系在β＝0∪β＝π，出现奇点会导致该点对应位置上具有多个法向矢量，导致构建出的自由曲面存在不光滑，最后影响到自由曲面的光学特性。本发明所采用配光方法如图11所示，采用映射关系的逆向思路，从针对半球空间采用逆向映射从矩形方格(x,y)向LED光源半球空间(u,v)映射。需要说明的是，该方格并不代表目标平面矩形光斑的网格分布，而是为了得到更优的LED光源在半球空间的网格分布，便于后续配光设计。具体映射关系如下：

其中，a和b分别为矩形方格长宽，本发明中取a＝1,b＝1。可以看出，该方式的映射方法不存在上述所存在奇点，避免所得自由曲面不均匀的现象。在本发明中，投影光源的透镜下表面2采用图11所述方式的网格划分。考虑LED光源光强分布为I＝I

如图7所示，

则可将式(6)改写成：

与图11所类似，在图12中LED光源与目标平面光斑网格分布如下所示：

采用分离变量法，针对v＝0位置处分别生成自由曲面的“脊线”，则参考公式(8)可得：

根据公式(5)可知

同理，在u＝u

类似的，根据公式(5)可知公式(11)中

通过上述网格映射关系的建立，后续还要继续求解出自由曲面上的数据点。利用广义笛卡尔卵形面的性质，如图13所示，实现LED光源从坐标原点发出的光线均落在所需网格上，即每个网格点需要一个对应的卵形面对应。自由曲面由多个卵形面“凸出”部分组成，即图14中实线部分所描述的[S

由于透镜下表面对应的自由曲面只规定了均匀光斑中光线的落点，但没有对光线传播方向进行重新分配，需要在透镜上表面上用一个自由曲面来进行配光。如图15所示，均匀光斑Spot plane上某一区域的边界点(四点)上的光线传播方向[i

以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但且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后提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。