申请/专利权人：山东赛蒙斯生物技术有限公司

申请日：2016-10-17

公开（公告）日：2020-07-03

公开（公告）号：CN107957395B

主分类号：G01N21/21(20060101)

分类号：G01N21/21(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.03#授权;2018.05.18#实质审查的生效;2018.04.24#公开

摘要：本发明公开了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。

主权项：1.一种用于透明半透明产品中异物的检测装置，其特征在于，包括：照明系统，用于对异物目标提供照明，所述照明系统包括光源，所述光源为短波红外光源，所述光源包括宽带准直光管和偏振器件，所述照明系统产生一个波长、偏振态已知的短波红外入射光照射待测透明瓶，通过多角度、多方位照明设计，保证待测透明瓶的瓶壁和瓶底的有效照明；图像采集系统，用于采集照明后异物目标的偏振图像，所述图像采集系统由多台方位优化设计的短波红外偏振相机组成，不同位置的相机对应特定的照明形式，保证异物偏振光谱特性的最佳灵敏度；旋转照明设备，用于使得待测透明瓶跟随输送带旋转，保证异物顺序排列以其最长的一面横向至少有一个位置面对照明系统和图像采集系统；数据处理系统，用于对采集到的偏振图像数据进行融合，完成异物目标多光谱偏振特性的解析，其中：短波红外入射光经过异物后其偏振特性发生改变，在异物与液体的界面上产生偏振梯度，设定合适的梯度阈值实现异物的检测；目标识别系统，用于获取异物的偏振传递矩阵，实现异物识别，其中：根据出射光的偏振特性，反演异物的穆勒矩阵，通过对穆勒矩阵进行不同的分解，获取异物的固有属性，实现异物的检测，所述异物的固有属性包括异物的材质和形状。

全文数据：用于透明半透明产品中异物的检测装置技术领域[0001]本发明涉及分析及测量控制技术领域，特别是指一种用于透明半透明产品中异物的检测装置。背景技术[0002]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。目前检测食品常利用X射线实时成像，一方面观测食品中的硬质异物如金属、玻璃、陶瓷、石粒、骨骼、塑料等），另一方面也能识别出产品瑕疵，如包装裂缝、气泡、内容缺损等，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。根据产品、异物的材质和形态不同，异物在瓶内的附着位置可能为瓶底、悬浮以及侧壁三种状态，为了实现全方位的异物图像采集，当前大多数成像设备均采用高速旋转急停方法，获取异物目标的运动学特性，进而实现异物的有效检测。现有检测方法对光源、产品介质、异物、成像相机全链路的物理过程理解不够深入，无法揭示异物与产品之间的本质差异。同时对于高速旋转急停的方法，一方面，这种方法会增加检测的时间开销，降低检测效率;另一方面，多帧动态的处理与识别也较复杂，无法满足在线高速检测的需求。发明内容[0003]本发明要解决的技术问题是提供一种用于透明半透明产品中异物的检测装置。本发明通过采用短波红外偏振光谱探测的方法实现透明半透明产品中异物检测，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。[0004]为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：[0005]—种用于透明半透明产品中异物的检测装置，包括：[0006]照明系统，用于对异物目标提供照明，所述照明系统包括光源，所述光源为短波红外光源；[0007]图像采集系统，用于采集照明后异物目标的偏振图像，所述图像采集系统包括短波红外偏振相机；[0008]数据处理系统，用于对采集到的偏振图像数据进行融合，完成异物目标多光谱偏振特性的解析。[0009]优选的，所述的用于透明半透明产品中异物的检测装置，还包括目标识别系统，用于获取异物的偏振传递矩阵，实现异物识别。[0010]其中，所述光源包括宽带准直光管和偏振器件。[0011]对于所述短波红外偏振相机，包括成像镜头、滤光片、偏振分光组件、铟砷化镓焦面组件以及信号、数据通信接口。[0012]进一步的，所述短波红外偏振相机的曝光时间控制在50ms之内，数据传输的时间控制在50ms之内。[0013]相应的，所述数据处理系统的数据处理时间也控制在50ms之内。[0014]使用的光源和短波红外偏振相机的数量分别至少为一台。[0015]本发明具有以下有益效果：[0016]本发明能克服现有技术的不足，针对医药、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的需要，通过探索基于短波红外多光谱偏振探测的异物检测方法，研究红外多光谱偏振成像技术实现异物探测的理论原理，解决谱段灵敏度分析及优化配置、多方位立体照明及探测、多光谱偏振特征解析与识别等关键技术，开展实验室异物检测验证实验，解决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、半透明液体中玻璃、金属、毛发等异物检测的需求，同时为后续样机研制奠定理论和实验基础。附图说明[0017]图1为本发明的用于透明半透明产品中异物的检测装置的异物检测简化模型示意图；[0018]图2为本发明的用于透明半透明产品中异物的检测装置的异物检测系统构成示意图；[0019]图3为本发明的用于透明半透明产品中异物的检测装置的图像采集系统示意图；[0020]图4为本发明的用于透明半透明产品中异物的检测装置的数据处理系统流程图。具体实施方式[0021]本发明提供了一种用于透明半透明产品中异物的检测装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0022]首先，从原理上，根据偏振光学的基本原理可知，物质与光作用后，光的偏振状态会发生改变，不同物质的偏振特性不同，同一物质的偏振特性也与多种因素有关，包括入射光的波长、入射角度以及探测角度等，穆勒矩阵MullerMatrix可以全面地描述在一定条件下某个目标的偏振特性，定义如下：[0023]1[0024]穆勒矩阵是一个四阶实方阵，可以表示物质对入射光的双向衰减、位相延迟以及起偏退偏等效应。通过对穆勒矩阵进行不同的分解，可以获取目标的多方面信息，在目标探测、生物医学等领域有重要应用。[0025]在目标探测与识别领域，透射、反射光的圆偏振分量较小，此时穆勒矩阵退化为三阶方阵，即：[0026]2[0027]透明液体异物检测属于目标识别领域，假设照明光源的辐照度的斯托克斯矢量为dE，透明容器的偏振传输矩阵为Ml，液体的偏振传输矩阵为M2，异物的偏振传输矩阵为M3，经过液体和异物后透射、反射、散射光辐亮度的斯托克斯矢量为dLl，无异物时透射、反射、散射光辐亮度的斯托克斯矢量为dL2,简化模型如图1所示。[0028]由图1可知，光源发出的光束与容器、液体、异物作用后出射光的偏振光谱特性为：[0029][0030][0031]由式3、式4可知，入射光经过异物后，其偏振光谱特性将发生改变，至少通过以下两种手段可以实现异物的检测：[0032]第一，在同一光源照明条件下，根据出射光的偏振特性，实现异物检测。照明光束经过异物后其偏振特性将发生改变，在异物与液体的界面上产品显著的偏振梯度，设定合适的梯度阈值可以实现异物的检测，将传统的强度探测具有更高的灵敏度。[0033]第二，特定的偏振光源照明下，根据出射光的偏振特性，反演异物的偏振传输矩阵即穆勒矩阵），通过对穆勒矩阵进行不同的分解，获取异物的材质、形状等固有属性，进而实现异物的检测。[0034]其次，从技术操作上，基于短波红外偏振光谱特性的异物检测系统包括立体照明系统、图像采集系统、数据处理系统、目标识别系统四大部分，如图2所示。[0035]照明系统产生一个波长、偏振态已知的短波红外入射光照射样品，通过多角度、多方位照明设计，保证待测透明瓶壁、瓶底的有效照明；图像采集系统由多台方位优化设计的铟砷化镓偏振相机组成，不同位置的相机对应特定的照明形式，保证异物偏振光谱特性的最佳灵敏度;数据处理系统将多相机、多通道的偏振图像数据进行融合，并完成异物多光谱偏振特性的解析；目标识别系统根据检测产品的类型、状态和辅助数据，自动完成异物的识另IJ，为残次品剔除提供原始指令数据。[0036]照明系统的具体实施方案为:根据产品、异物的材质和形态不同，异物在瓶内的附着位置可能为瓶底、悬浮以及侧壁三种状态，为了实现全方位的异物图像采集，选用多角度复合照明的方法。[0037]同时，为了满足纤维、毛发等细长异物的检测，可以在允许的条件下增加旋转照明和图像采集设备。待检瓶身跟随输送带旋转，保证异物顺序排列以其最长的一面横向（大尺寸维度至少有一个位置面对光源和图像采集设备，这样，即使小的异物也能可靠的检测出来。[0038]图像采集系统的具体实施方案为:短波红外相机相对待检瓶身、光源的方位角度关系，可以根据照明仿真结果确定，保证能够采集到最大的短波红外偏振特性，提高偏振识别的灵敏度，如图3所示。[0039]数据处理系统的具体实施方案为:数据处理系统负责将多相机、多通道的偏振图像数据进行融合，并完成异物多光谱偏振特性的解析，如图4所示。在此技术方案中，由于基于异物短波红外波段的偏振特性，异物与周围液体偏振特性差异较大，对灰度图像进行滤波和二值化即能实现异物的特征识别。通过调整照明光的强度，铟砷化镓相机的曝光、数据传输可以控制在50ms以内，数据处理可以通过专业的硬件系统实现，以满足单个工位曝光、数据传输以及数据处理总时间小于150ms。[0040]目标识别系统的具体实施方案为：当目标的红外、偏振特征得到有效提取后，目标的识别属于成熟的图像处理技术，根据已有的特征信息，通过设定合适的阈值和匹配算法，即可实现异物数量、大小的识别，并提供异物剔除指令数据。[0041]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。[0042]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种用于透明半透明产品中异物的检测装置，其特征在于，包括：照明系统，用于对异物目标提供照明，所述照明系统包括光源，所述光源为短波红外光源；图像采集系统，用于采集照明后异物目标的偏振图像，所述图像采集系统包括短波红外偏振相机；数据处理系统，用于对采集到的偏振图像数据进行融合，完成异物目标多光谱偏振特性的解析。2.根据权利要求1所述的用于透明半透明产品中异物的检测装置，其特征在于，还包括目标识别系统，用于获取异物的偏振传递矩阵，实现异物识别。3.根据权利要求1所述的用于透明半透明产品中异物的检测装置，其特征在于，所述光源包括宽带准直光管和偏振器件。4.根据权利要求1所述的用于透明半透明产品中异物的检测装置，其特征在于，所述短波红外偏振相机包括成像镜头、滤光片、偏振分光组件、铟砷化镓焦面组件以及信号、数据通信接口。5.根据权利要求4所述的用于透明半透明产品中异物的检测装置，其特征在于，所述短波红外偏振相机的曝光时间在50ms之内，数据传输的时间在50ms之内。6.根据权利要求1所述的用于透明半透明产品中异物的检测装置，其特征在于，所述数据处理系统的数据处理时间在50ms之内。7.根据权利要求1所述的用于透明半透明产品中异物的检测装置，其特征在于，所述光源和短波红外偏振相机的数量分别至少为一台。

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