（电力电子与电力传动专业论文）激光防伪图案检测关键技术研究及其传感器开发.pdf

广东工业大学工学硕：f = 学位论文 应用效果。 关键词：激光防伪图案线阵c i s 传感器纠偏控制f p g a 图像预处理 i i a b s t r a c t t h el a s e rh o l o g r a p h i ca n t i c o u n t e r f 色i tp a t t e r n sh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h e f i e l do fa i l t i c o u n t e r f e i t s i g n a lo b t a i n e df r o ml a s e ra n t i c o u n t e r f e i tp a t t e mi sd i 雎r e n t 行o mt h a tf r o mo t h e rp a t t e m s ，t h e r e f o r c ，i no r d e rt os o i v ep r o b i e m so f q u a i i t yc o n t r o ii n t h ep r o c e s so fl a s e ra n t i c o u n t e r f e i tp a t 七e r n s ，i ti s n e c e s s a r yt os t u d yo nk e y t e c h n o l o g i e s o fl a s e ra n t i - c o u n t e r f c i tp a t t e ma n d d e v e l o p as e n s o rf l o r1 a s e r a 1 1 t i c o u m e r f c i tp a n e md e t e c t i o n ，w h i c hh a s i m p o n a i l tt h e o r ys i g n i f i c a l l c ea n d 印p l i c a t i o ns i g n m c a i l c e ，a l s oh a sg o o de c o n o m i ce 衔c i e n c ya n ds o c i a le m c i e n cy r e s e a r c hi nt h i s p a p e rf b c u so nt h ed e s i g no fs p e c i a l p u i p o s e “g h t s o u r c e ， i n t e l l i g e n td e v i a t i o nr e c t i f y i n gc o n t r o l l e rb a s e do nd e t e c t i o no fc h a r a c t e r i s t i cs y m b o l ， i m a g ec a p t u r i n ga n di t sp r o c e s s i n g s e v e m la s p e c t so fw o r km a i n l yt ob ed o n ea r ea s f o l l o w s ( 1 )t h r o u 曲t h ec o m p a r a s o nb e t w e e nq u a l i t yo fi m a g e so fs e v e r a le m b o s s i n g l a s e ra n t i c o u n t e r f e i tp a t t e m sl l i l d e rd i f 诧r e n tc o n d i t i o n so fd i f f b r e n tw a v el e n g t h ， d i 仃b r e n ti n c i d e n ta 1 1 9 l ea n dd i f f e r e n tl u m i n o u si n t e n s i t y ，c h a r a c t e r i s t i c st h ee m b o s s i n g l a s e ra n t i c o u n t e r f e i tp a t t e m sa r eo b t a i n e da n do n ek i n do fl i g h t s o u r c eu s i n gt h ec o l o r 1 i g h te m i n e rd i o d ew i t ht h r c eb a s i cc 0 1 0 ri sd e s i g n e d ，w h i c ht h ew a v el e n g ma n dt h e i l l u m i n a t i o na i l g l ea n dt h ei n t e n s i t yc a i lb ea d j u s t e d ( 2 )i m a g es i g n a lc a p t u r e db yc c da r et r a n s p o n e d t of p g aa n di m a g e p a r a m e t e r ss u c ha sm e a nv a l u e ，c o n t r a s t 盯a d i e n ta r ec a l c u l a t e di nr e a l t i m e a i l d t r a n s p o n e dt om c u a s 廿l ef c e d b a c ks i g n a l a d j u s t m e n to fp a r a m e t e r sf o r l i g h ts o u r c e a r et r a n s p o n e df r o mm c ut of p g aa n du s e dt oc o n t m lp w m s i g n a l ，w h i c hc o n s t i t u t e c l o s e d l o o pc o n t r o lf o ri m e l l i g e n ta d j u s t m e n to fp a r a m e t e r sf o r l i 曲ts o u r c e ( 3 ) i nm ep r o d u c t i o np r o c e s so fe m b o s s i n gl a s e ra i i t i - c o u n t e r f e i tp a 仕e m s ，c i s i m a g es e n s o ri su s e dt od e t e c tp o s i t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i cs y m b 0 1 d e v i a t i o ni s o b t a i n e db yc o m p a r i n gc u r r e n t p o s i t i o n o ft h ec h a r a c t e r i s t i c s y m b o lw i t h t h e e q u i l i b r i u mp o s i t i o na i l dm es t e pm o t o ri sd r o v et oc o r r e c tt h ed e v i a t i o n ，w h i c h r e a l i z e sm ei n t e l l i g e mc o n t r o lo fd e t e c t i o na n dc o r r e c t i o n ( 4 ) t h et i m i n gd r i v i n gc i r c u i ta 1 1 dt h ei n t e g r a t i o nt i m ea d j u s t m e n tc i r c u i ta r e t 广东工业大学工学硕士学位论文 i n t e g r a t e di nap i e c eo fp r o g r a m m a b l el o g i c a lc o m p o n e n tc p l d ，、v h i c hr e a l i z e dt h e i n t e g r a t i o na n dm i n i a t u r i z a t i o no fi m a g es e n s o li n t e g r a t i o nt i m ea d j u s t m e n tr e a l i z e d b yt h a tm c ue x c h a n g i n gd a t aw i t hc p l dt h r o u g hs p ii n t e r f a c e ( 5 ) s e v e r a lk i n d so fi m a g e sp r e p r o c e s s i n ga l g o r i t h ma r eu s e dt op r o c e s si m a g e o fe m b o s s i n gl a s e ra n t i c o u n t e r f e i tp a t t e mc 印t u r e db yi m a g es e n s o r as u i t a b l ei m a g e p r e p m c e s s i n ga l g o r i t h mi ss e l e c t e df r o mt h o s ea l g o r i t h m st h r o u 曲t h ea n a l y s i sa n d c o m p a r a t i v e o fa ut h ep r e p m c e s s i n gr e s u l t s c i r c u i t so fi m a g ep r e - p r o c e s s i n g a l g o r i t h mb a s e do np a r a l l e lc o m p u t a t i o na n dt h ea s s e m b l yl i n et e c h n o l o g yi nf p g a a r e p r e s e n t e d ( 6 ) t h es e n s o rw h i c hh a sd e t e c t i o na n dc o r r e c t i o nf u n c t i o n sb a s e do nd e t e c t i o n o fc h a r a c t e r i s t i cs y m b o l i cl i n ei sa p p l i e di nt h ep r o d u c t i o nl i n eo fr f i dc a r df o r d e v i a t i o nd e t e c t i o na n dc o r r e c t i o no ft h ea n t e n n af o u n d a t i o np l a t es u c c e s s f u l ly ，a n d e x c e l l e n ta p p l i c a t i o ne f k c ta r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：l a s e ra n t i c o u n t e r f e i tp a t t e m s ，l i n e a rc i s ，s e n s o r ，d e v i a t i o nc o r r e c t i o n c o n t r o l ，f p g a ，i m a g ep r e - p r o c e s s i n g i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 激光防伪图案检测技术的研究背景及意义 在我国社会主义市场经济的初级阶段这个特殊时期，由于人们的观念意识、 消费层次，加之利益驱使和地方保护主义，造假和销假活动在我国几乎所有的地 区都存在，假冒伪劣商品对企业和消费者造成的损失无法估计。为保护企业和消 费者利益，保证社会主义市场经济健康发展，国家和企业每年都要花费大量的人 力和财力用于防伪打假，并制定了完善制度和法规打击假冒伪劣商品。 “防伪”是预先防范，是一种对造假行为的主动出击。常用包装防伪技术有： 1 ) 包装盒加贴防伪标签。包括：激光全息防伪标识，荧光防伪标识，热敏防 伪标识，电话防伪编码标识等等，几乎所有具有防伪功能的标识标签均在包装上 有所应用； 2 1 包装盒外用激光全息薄膜或拉线，如烟盒、药品盒、化妆品盒、光盘以及 磁盘等的激光全息薄膜或拆封拉线； 3 ) 包装盒内容物防伪。包括：使用防伪保修卡，防伪证明，防伪客户服务卡， 防伪授权书，防伪说明书，防伪安装指南，防伪安装协议书等； 4 ) 包装容器本身的专利设计防伪，如乐百氏旋风盖、酒鬼酒等部分酒瓶瓶本 身和瓶口。 防伪技术经过十几年的发展，目前己在国内形成了一个发展十分迅速、前景 良好的产业。一方面使用防伪产品的厂家越来越多，人们的防伪由初期的观望到 有了一定意识，又由此转变为寻找好的防伪技术，应用在自己的产品之上，从而 在市场流通中防止假冒的侵害。这些都可以从名优企业的产品外包装上看到，也 可阱从行业协会的推荐产品、进口产品的防伪标志使用中看出。另一方面，由于 市场需要，一个兴起的产业迅速得以发展，国内防伪企业从开始的几十家迅速膨 胀到上千家。据资料显示，全球防伪市场的年总值为2 0 0 0 亿美元，国内防伪市 场年总值为5 0 0 多亿人民币。 利用全息印刷技术做出防伪标识附于包装物表面是当前最为流行的防伪手 段。模压全息技术自8 0 年代末引进国内，己走过了二十多个年头。到目前为止， 广东： 业大学工学硕士学位论文 全国已有数百条生产线和激光全息模压机，形成了一定的生产规模。目前激光模 压全息防伪图像已广泛应用于各种名牌商品上，是各种防伪技术中使用最多的一 种。全息图象由于综合了激光、精密机械和物理化学等学科的最新成果，技术含 量高。对多数小批量伪造者而言，全套制造技术的掌握和制造设备的购置是难以 做到的，因此这种技术的效果是显著的。 激光全息防伪图像又称彩虹全息图片，激光全息技术在光学中属全息光栅技 术一类。其产品与一般照片大不相同，它刁；仅可以再现原物的主体形象，还能随 着视线方位不同，显现原物不同侧面的形状。激光全息图像一般是用镀铝的聚酯 膜经过模压( 也可以先用聚酯薄膜经过模压再镀铝) 而成，镀铝的作用是增加反 射光的强度使再现的图像更加明亮。照明光和观察方向都在观察者这一侧，这样 的激光彩虹模压全息图是不透明的。透明激光全息图像实际上就是取消了镀铝层， 将全息图像直接模压在透明的聚酯薄膜上。 激光防伪主要利用光与物质相互作用时产生的散射、反射、透射、吸收和衍 射等基本规律，以获得某种特殊的视觉效果，从而达到识别产品真假的目的。激 光模压全息图片可以像印刷一样大批量快速复制，成本较低，还可以与各类印刷 品相结合使用。激光防伪标志具有图案清晰明显、强烈视觉冲击效果、信息显示 大容量、多通道和色彩丰富，识别简单等特点。由于激光全息图的色彩神奇、图 像逼真、信息含量高，并且可进行大批量压膜复制，因而在防伪领域得到了广泛 的关注和应用。 由于激光防伪图案信号的获取方式与常规图案信号的获取方式有很大的差 异，因此，开展对激光防伪图案检测技术的研究，研发激光防伪图案检测传感器， 解决激光防伪图案的动态静态检测及其生产过程的质量控制问题，具有重大的理 论意义和现实意义，具有良好的经济效益和社会效益。 1 2 同类研究在国内外的研究现状及发展方向 在印刷质量检测方面，欧美及日本等国家都已经取得了很大的进步。早在2 0 世纪7 0 年代，就已经有厂商积极致力于采用图像处理系统，对视觉信息数字化， 通过电脑实现印刷质量的“看见”和“认知”，对印刷品进行高速度、高精度的、1 0 0 的实时检测，彻底消除人为的失误，建立统一的、可量化的检验标准j 。从1 9 7 2 年德国曼罗兰公司在先后成功研制出多色胶印机遥控装置和质量控制系统以后的 第一章绪论 三十多年中，印刷机的自动化控制系统得到的迅猛的发展。几乎世界上所有的印 刷机制造商都推出了自己的自动化控制系统，这几乎成了一个潮流。目前能提供 全自动印刷品质量检测设备的有瑞士的b o b s t ，美国的p r o i m a g e ，日本的d a c 和t o k i m e c ，德国的h e i d e r l b e r g 公司和m a n r o l a l l d 公司，以色列的a v t 公司 等川。举例来说，以色列a v t 公司的h e l i o 检测系统具有l o o 扫描检测的能力，使 任何细微的印品缺陷都无法逃过系统的检测。同时它具有先进合理的系统软件设 计，把各种缺陷进行分类记录，实现了用户对印品质量的最佳控制。德国 h e i d e r l b e r g 公司的c p c 2 3 系统采用高分辨率c c d 对整个印张进行数据扫描采 样，并将采样数据传送至计算机处理，与预设值进行比较分析。该系统的数据采 样精度极高，以7 0 c m 1 0 0 c m 的印张为例，c p c 2 3 系统将此区域细分成1 0 0 万个以 上的像素单元，并对其进行逐个采样。c p c 2 3 系统可以容易地监测到直径为0 3 m m 的细小印刷瑕疵，在o 8 m m 0 8 m m 的区域中也可以检查到由于墨皮蹭脏而引起的 不小于d = o 1 的局部密度偏差。当c p c 2 3 系统发现上述种种错误时，会立即对印刷 工进行提示【3 j 。 国内在印刷品质量在线自动检测方面研发的系统比较典型的有中国大恒( 集 团1 有限公司北京图像视觉技术分公司开发的印刷质量在线检测系统，其检测速度 最高可达到6 米秒，检测分辨率最高可达到：0 0 1 m m o 0 1 m m ，系统可以对各种 印刷图案的完整性进行检测，可检测印刷图案的墨色浓淡、线条断线、文字残缺 等【4 1 。武汉三维光之洋电气有限公司自主开发的s w y p 0 0 0 l 系列全自动彩色线阵 扫描视觉检测系统采用了2 0 4 8 线高分辨率高速的3 线式彩色线阵相机，主要用于 跟踪、识别高速印刷机在生产过程中产生的飞墨、刀丝、异物等各种印刷质量缺 陷；检查到缺陷系统会声光报警，贴标识别，打印检查结果和缺陷图像，监视器 显示缺陷点位置、种类和大小等，并将其存入桌面数据库，便于管理。s w y p 0 0 0 l 系列的检测幅宽( 单台相机视野) 为5 0 0 m m ，检测速度为2 8 0 m m i n ，检测对象为 纸、印刷物、复合物等，检测的缺陷对象为飞墨、刀丝、异物、套色偏差、色差 等，x 轴的检测分辨精度为0 1 4 m m ，y 轴的检测分辨精度为o 4 m m 【5 】。深圳科拓 科技开发公司开发的a u t o m a t i cp r i n t 电脑复查检测系统是针对需要离线复 查的印刷品质量检测系统，最大可检查纸张6 5 0 9 2 0 i t l i n ，最小缺陷检查尺寸 o 8 研小2 ，色差为e 3 左右，在印刷速度为2 0 0 m ，m i n 的时候横向检查精度为 o 2 5 m m ，纵向检查精度为0 3 m m 。 广东工业大学工学硕士学位论文 模压激光防伪图案信号的获取方式与普通印刷品图案信号的获取方式有较大 的差异，需要专用的光源和相应的专用光源调整技术。目前，国内自主开发的专 门应用于模压激光防伪图案生产质量在线检测的系统不多，本课题研究的激光防 伪图案检测技术及其传感器开发具有广阔的应用前景。 1 3 本论文的研究工作 本课题研究的是模压激光全息防伪图案检测的综合技术，目的是开发出一种 专门用于模压激光全息防伪图案生产过程质量检测的传感器，为模压激光全息防 伪图案的生产过程提供自动的质量控制，提高产品质量和生产效率。 传感器原理图如图1 一l 所示。系统由传送机构、检测模压激光全息防伪图案 的专用照明光源、自动纠偏控制模块、线阵面阵集成式c c d 图像传感器模块、 嵌入式图像信息处理及显示模块等几大部分组成。检测对象为经过模压后的聚酯 薄膜。聚酯薄膜分镀铝和透明两种，模压后全息图已经转移到聚酯膜上，形成薄 如纸张的彩虹全息图。传送机构把模压后的聚酯膜传送给下一个工序，即模切工 序。由于象聚酯膜这类的可绕性带材在分条切割过程中，可能受到各种干扰力的 作用、卷幅不整齐或不规则地伸缩、传动轴不平行等原因，可绕性带材不能保持 直线运动，而使其特征标志线偏离某一基准位置，形成卷材的跑偏。如果跑偏不 加纠正，就会使后续的模切工序不能准确地把印在一起的全息图一幅幅分开，影 响产品质量甚至造成废品，还会增加能源和原材料的消耗。在进入模切工序前， 使用c c d 图像传感器采集得 到模压彩虹全息图的图像，通 过嵌入式图像处理模块对采集 到的图像作实时处理，检测分 切标志，控制分切机构始终跟 踪分切标志( 线边) ，达到精 确分切的目的。同时，还检测 模压彩虹全息图案与分切边的 距离，以实现生产质量的在线 自动监控和控制。如果发现图 案与分切边的距离超标，则作 图1 1 检测系统结构图 f i g i l r e l - 1s t r t u r e o f d 懈t i o ns y s t e m 出 第一章绪论 声光报警。因此，在c c d 采集图像的前面加入了一个自动纠偏控制模块，确保聚 酯薄膜在高速传送过程中发生的偏移在误差允许的范围之内。 本论文的研究重点是模压激光防伪图案检测的专用光源设计、防伪图案的图 像采集及其图像处理等关键技术的研究，主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 通过比较分析典型的几种模压激光全息防伪图案在不同波长、不同入 射角度和不同光强下采集到的图像质量，得到模压激光全息防伪图案图像获取的 特点，在此基础上设计一种采用红绿蓝三基色混色发光二极管为发光源的波长、 照明角度和强度都可调的专用光源。 ( 2 ) 把采集到的c c d 图像信号经过f p g a 处理后得到的图像灰度平均值、 对比度、直方图分布等信息作为反馈信号，构成光源参数自动调节的闭环控制电 路。利用f p g a 产生多路p w m 输出分别调节混色l e d 的红绿蓝三基色的强度来 实现光源波长、强度、色度的自动调节，并通过分段控制混色l e d 的方法实现光 入射角度的自动调节。 ( 3 ) 在模压激光全息防伪图案生产过程中通过检测图案上特征标志线的位 置实现自动纠偏控制，保证了对运动的防伪图案进行线扫描时能获得空间配准的 采集图像，同时保证了后面的模切工序能准确地进行。 ( 4 ) 在一片可编程逻辑器件c p l d 里集成线阵c c d 驱动电路和积分时间调 节电路，实现了线阵c c d 图像传感器的集成化与小型化，实现运动和静止图象信 息的获取。单片微机通过s p i 同步串口和c p l d 交换数据，实现积分时问调节的 软控制。 ( 5 ) 对采集到的模压激光全息防伪图案图像使用多种图像预处理算法进行 处理，通过比较分析处理结果找出一种处理效果较好的合适的预处理算法，并给 出了基于f p g a 的并行计算和流水线技术的图像预处理算法的实现方法和思路。 ( 6 ) 把研发的集成了传感检测和控制功能的线特征标志检测纠偏控制器成 功应用于r f i d 自动封装生产线的天线基板的纠偏检测与控制中，并获得很好的 应用效果。 1 4 论文结构安排 本论文的结构安排如下： 第一章绪论主要介绍了本课题的研究背景和意义，同类研究目前在国内 广东：l 业大学： = 学硕士学位论文 外的研究现状，最后阐述了本论文的主要研究工作； 第二章比较分析了不同波长、角度和强度的光照下采集获得的图像质量， 在此基础上详细讲述了模压防伪图案检测专用的光源设计及其参数自动调节的实 现方法； 第三章讲述根据特征标志线对运动的模压激光全息防伪图案进行自动纠 偏控制的实现，给出了具体的硬件、软件实现方法，最后给出自动纠偏控制器的 性能测试结果。 第四章比较了不同的图像预处理算法对模压激光全息防伪图案的处理效 果，从中选取较合适的图像预处理算法，并给出图像预处理算法的f p g a 实现方法 和思路。 第五章给出了自动纠偏控制器的一个成功的应用实例，对控制器的实际 应用作了定量的性能分析。 第二章防伪图案检测的光学系统设计 第二章防伪图案检测的光学系统设计 对于成像测量法，光学系统的作用是将被测物体成像在c c d 光敏面上。光学 系统由成像系统和照明系统两部分组成。 光学系统对c c d 的成像质量有着十分重要的影响，它担负着传递目标光学信 息的作用，直接影响c c d 成像系统的工作距离、视场、分辨率、灵敏度和畸变等 多项性能参数。c c d 对光学系统的基本要求是：成像清晰、透光率强、杂散光少、 像面照度分布均匀、图像畸变小、足够的相对孔径等。 2 1 模压激光防伪图案的制作与再现 模压激光防伪图案属于彩虹全息，因此了解彩虹全息图的制作方法、记录光 路和再现光路、彩虹全息原理等基础知识，将对我们设计模压激光防伪图案检测 的光源照明系统有很大的帮助。我们正是在深入了解彩虹全息图基础知识的基础 上，懂得了应该使用镀铝膜等具有较强反射作用的物质作为衬底，并使用一定角 度的入射光，从而获取了较清晰的透明模压激光防伪图案的采集图像。 2 1 1 模压激光防伪图案的制作 激光彩虹模压全息图文防伪技术是应用激光彩虹全息图制版技术和模压复制 技术，在产品上制作的一种可视的图文或信息。彩虹全息图像是以普通全息图像 作为拍摄的物体，经一系列程序处理后制成的彩虹全息照片。如用光致抗蚀刻剂 的感光片代替普通照片拍摄的全息图，经曝光处理后，即得一张浮雕型位相全息 图，即制作彩虹全息图的母版。母版表面充满了凹凸不平的干涉条纹，其精细度 可达每毫米千余条。这些浮雕状的条纹载录了被拍物体的光波强度与位相信息， 实现了全息记录。然后用真空镀膜或化学电镀方法，在母版表面镀上一层很薄有 金属膜，再电镀上适当厚度的镍或其它金属，做成一块机构性能良好的模压金属 板。将此板装在压印机上，热压聚酯类塑料薄膜，把浮雕型全息图压印在薄膜上， 最后在薄膜上再真空蒸镀一层铝膜，以提高膜的反射率。在铝膜上盖镀或涂布保 护层后，便制成全息图片。此即不透明的激光模压全息防伪图。这种全息图可用 白光观察。白光中的每一种波长的光都会被图片上的干涉条纹所衍射，因有不同 广东工业大学工学硕士学位论文 的衍射角，故在不同的角度观看时，有不同颜色的再现图像。 普通的激光全息图像一般是用镀铝的聚酯膜经过模压( 也可以先用聚酯薄膜 经过模压再镀铝) 而成，镀铝的作用是增加反射光的强度使再现图像更加明亮。 照明光和观察方向都在观察者这一侧，这样的激光彩虹模压全息图是不透明的。 透明激光全息图像实际上就是没有镀铝层，将全息图像直接模压在透明的聚酯薄 膜上【“。 本课题对两类模压全息防伪图案做了研究：一种是在镀铝的聚酯膜上模压出 来的激光防伪图案；另一种是在透明的聚酯膜上直接模压出来的激光防伪图案。 图2 1 给出的是用三星5 0 0 万像素数码相机在白光线光源照射下拍摄得到的四个 样本的图像。样本1 是在镀铝聚酯膜上模压出来的激光防伪图案，样本2 、样本3 、 样本4 则是在透明聚酯膜上模压出来的激光防伪图案。 ( a )样本1 ( c ) 样本3 2 1 _ 2 三基色原理 图2 一l 样本图像 f 疃u r e 2 一ls a r n p l e s i m a g e ( d ) 样本4 模压激光防伪图案属于彩虹全息图，彩色全息图是根据三基色原理，利用彩 虹全息术来制作的。 三基色原理的主要内容是：( 1 ) 在自然界中的大多数颜色，都可以用三基色 按一定比例混合得到，同样绝大多数色光也可以分解为三基色。( 2 ) 三基色必须 是相互独立的颜色，即其中任意一种基色都不能由其它两种基色混合产生。( 3 ) 第二章防伪图案检测的光学系统设计 三基色之间的比例，决定了混合色的比例，决定了混合色的色调和饱和度。( 4 ) 混合色的亮度等于三基色的亮度之和。原则上，三基色的选择不是唯一的，由于 人眼对红、绿、蓝三种色光最为敏感，而且由这三种颜色相配所得的彩色范围也 最广，所以一般以红( 7 6 0 n m 一6 3 0 n m ) ，绿色( 5 7 0 n m 一5 0 0 n m ) ，蓝色( 4 5 0 n m 一4 3 0 n m ) 作为三基色，不同比例红、绿、蓝三基色进行相加混色可以得到许多 种不同的颜色( 二次色) 。表示一幅含有千差万别彩色的图像，只用三幅单色图像 就可以了”。 2 1 3 彩虹全息原理 全息图是干涉条纹图，当一束平行光照射时，由于衍射作用，将形成沿不同 方向传播的衍射子波，衍射子波是图像信息的载体，图像越复杂，衍射子波就越 丰富，这些衍射子波的重新组合形成再现像，光栅是一种最简单的干涉条纹图。 为方便起见，用其在原理上来说明。用一束白光平行照射到空间周期为x 的光栅 上，根据光栅方程，一级衍射光波与直射光波的夹角。满足条件： s i n 口：兰 ( 2 1 ) x 式中五是光波的波长，假设白光由红、绿、蓝三基色构成，由于三色光的波 长不同，因此衍射光波将发生色散现象：一级衍射光波中，红光的波长最长，夹 角酿最大，绿光铭次之，蓝光的夹角铭最小。直接透射光波的各色光是混合在一 起的。若在适当的地方放一光阑，只让某一单色光分量通过就能得到单色的一级 衍射波。如果我们让衍射光束是一束会聚成一狭缝形状的光束( 这由记录全息图 时物光束形状决定) ，则不同波长的再现物光将会聚成不同颜色的狭缝在空间分离 开，人眼在不同位置将看到不同颜色的单色像。 彩虹全息正是利用这一原理，它是激光记录、用白光照明再现单色像的一种 全息术。它的基色特点是在记录系统中的适当位置上加入一个狭缝，其作用是限 制再现光波，以降低像的色模糊，从而实行白光再现单色像。在彩虹全息术中， 由于在记录系统中加入狭缝，其狭缝像将在空间沿竖直方向色散成彩虹色，人眼 正是通过这一色散观察窗来观察全息像的，当人眼在竖直方向一动时，将依次观 察到颜色按彩虹色序变化的单色像【7 1 。图2 1 给出的样本图像就是在白光线光源 照射下用5 0 0 万像素数码相机获取的彩虹全息再现图，可以看到明显的彩虹现象。 广东工业大学： 学硕士学位论文 2 1 4 模压激光防伪图案的再现 制作彩虹全息的方法有很多种，如二步彩虹全息法、一步彩虹全息法、全视 场彩虹全息法、体视对彩虹全息法等。彩虹全息属于透射式全息，但在检测模压 激光防伪图案的时候，再现光源和图像传感器都是在防伪图案的同一边，因此对 于模压在透明聚酯膜上的激光防伪图案，我们需要在图案的背面放置一个对光具 有较强反射特性的材质，如镀铝膜，这样再现光源发出的光在穿过透明聚酯膜遇 到镀铝膜后反射回来，相当于在防伪图案的另一边放置了再现光源，就会得到比 较好的再现效果。 彩虹全息实际上是一种假彩色全息，再现时呈现的彩色与原物的颜色无关， 而仪与再现时的波长含量有关。当用单色光再现时，我们看到的是与再现光颜色 相同的虚像；当用白光照射全息图时，我们将得到红、绿、蓝三个相应颜色的虚 像。图2 1 是在白光照射下得到的样本图像，从中可以看到分别有红、绿、蓝三 种颜色。如果在再现光路的适当位置分别放置与红、绿、蓝三种光波波长相应的 狭缝，从某一波长的狭缝出口位置就可以得到该波长光对应的单色虚像f 6 l 。 获取图像信号的c c d 传感器接收光注入电荷： q ，p 2 即日幽。爿t ( 2 2 ) 式中叩为材料的量子效率，g 为电子电荷量，血。为入射光的光子流速率， 为光敏单元的受光面积，r 为光注入时间。本系统使用的是东芝的黑白线阵c c d ， 确定了c c d 之后，叩、g 及彳均为常数，注入到势阱中的信号电荷q ，与入射光的 光子流速率血。及注入时间z 成正比，而与光波的波长无关【8 1 。因此在模压激光 防伪图案的再现过程中，没有必要再放置与各波长相应的狭缝，而采用直接用c c d 接收漫反射回来的光强信号。为了能适应不同的模压激光防伪图案检测的需要， 决定采用红、绿、蓝三基色分别可控且可混色的高亮l e d 作为光源，通过控制 l e d 不同管脚的电流和电压可以分别得到红光、绿光、蓝光和白光，这样就可以 获取到红、绿、蓝单色光照下的图像及白光光照下的图像，然后通过对比分析采 样图像的质量以选取合适的光照颜色。 2 2 成像系统的设计 在模压激光防伪图案检测系统中，光学成像系统比较简单，主要由透镜组、 第二章防伪图案检测的光学系统设计 孔径光阑和电荷耦合器件c c d 组成。一组透镜和光阑组成了c c d 的光学镜头， 光学镜头的主要作用是将成像目标聚焦在c c d 的光敏面上。为了提高测量精度， 成像系统采用物方远心光路，即在透镜组的像方焦平面上设置孔径光阑，使被测 物体成像的主光线方向不受其轴向位置变化的影响。 在一般的工业测量中，多数选用光学放大倍率b 作为设计参数，也可以选定 c c d 器件后，以c c d 器件光敏元总长与被测物体长度之比确定光学放大倍数b 。 物镜的焦距决定拍摄像的大小，用不同焦距对同一位置的某一物体进行拍照时， 焦距越大，拍摄的像也越大，当物体位于有限距离时，根据透镜成像原理，可用下 式表示镜头焦距与物距、像距的关系： 丢：去+ ( 2 f 3 ) d td o 、j 式中，为焦距，d f ，d 。分别为标量的像距和物距。当光学系统位于同一介 质中时，垂轴放大率芦为： ：譬：旦 ( 2 4 )。 d 。y 、 由( 2 3 ) 和( 2 4 ) 两式可求出 亨2 击扣击”；， 亿s ， 因此，当物距d 0 一定时，像的大小2 y 与焦距，的变化趋势相同。焦距越大， 像高越大，对测量精度的提高越有利，但是焦距越大会造成像方视场的减小。 本系统选用t c d l 5 0 l d 型电荷耦合器件，共有5 0 0 0 个光敏单元，每个光敏 元的尺寸为7 u m 长，中心距亦为7 u m 。则其光敏元总长为3 5 0 0 m m 。设定被测物 体长度为5 英寸，也即1 2 7 m m ，这样扫描分辨率为1 0 0 0 d p i ，则光学放大b 确定 为： = 2y 2y = 3 5 0 0 ，l2 7 0 0z 0 2 7 5 6 ( 2 6 ) 式中，2 y = + 占为物体在c c d 传感面上成像的尺寸，n 为c c d 像元个数， 占是c c d 传感面上的像元尺寸，2 y 为物体的尺寸。 广东： 业大学工学硕士学位论文 2 3 光照系统的设计 2 3 1 光源的选择 机器视觉一般使用的人工光源有钨丝白炽灯、卤钨灯、激光器、发光二极管 等。 ( 1 ) 钨丝白炽灯的灯丝是熔点高达3 6 0 0 k 的钨丝，在电流作用下维持钨丝的 温度而发生辐射，属于热辐射。在低温时，热辐射体的发射系数较小，且随波长 的增加而减少。当温度升高时，钨丝温度越高，它发出的辐射出射度越强，短波 长光谱辐射的含量越多。钨丝白炽灯的灯丝温度不能太高，导致发光效率低，且 由于钨丝在高温下蒸发容易使得灯泡发黑，这些都是钨丝白炽灯存在的缺点。 ( 2 ) 卤钨灯是一种改进的白炽灯，常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。由于灯 泡中冲入了碘或溴等卤族元素，使得卤钨灯具有灯丝亮度高、发光效率高、形体 小、成本低的特点。一般卤钨灯用作光纤光源的发光体，光纤光源把一个或多个 卤钨灯发出的高亮度光通过光纤传输到使用端，再通过柱面透镜把光聚焦成高亮 度的线光源，或者通过环形反射镜做成环形光源，适用于对光强要求高及恶劣的 应用环境。p c b 板缺陷检测一般使用的就是这种光纤线光源。 ( 3 ) 发光二极管l e d 光源具有体积小、便于集成、工作电压低、驱动容易控 制、比普通光源单色性好、发光强度及发光效率高等优点。l e d 的发光强度与通 过的电流成正比，与两端的电压成指数关系。目前单色发光二极管的发射光谱峰 值波长和相应的标准波长已经相当接近，纯度比较高，而且响应时间也比较快， 小于1 u s 。完全满足机器视觉照明使用的要求。 ( 4 ) 激光光源常用的是氨氖气体激光器和半导体激光器，激光与其他光源相 比具有单色性好、方向性强、相干性好、光亮度极高的优点，目前在光学工程中 应用很广泛【”。 随着技术的进步，目前发光二极管的发光效率、发光光谱特性、响应时间等 性能有了很大的提高，完全可以满足大多数机器视觉照明系统的设计要求。由多 个l e d 组合而成的l e d 光源具有以下的特性： ( 1 ) 形状的自由度：一个l e d 光源是由许多单个l e d 发光管组合而成的，因 而可以做成多种的形状，满足不同系统的需求。 ( 2 ) 使用寿命长：为了使图像处理单元得到精确的，重复性好的测量结果， 第二章防伪图案检测的光学系统设计 照明系统必须保证相当长的时间内能够提供稳定的图像输入。l e d 光源可以连续 工作1 0 ，o o o 到3 0 ，0 0 0 小时，此外，用控制系统使其间断工作，可抑制发光管发热， 寿命将延长一倍。 ( 3 ) 响应时间短：l e d 发光管响应时间很短，响应时间的真正意义是能按要 求保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换。采用专用光源供电的 时候，l e d 光源达到最大照度的时间小于l o m s 。 ( 4 ) 可自由选择颜色：除了光源的形状外，欲得到稳定图像输入的另一个方 面就是选择光源的颜色。即使对相同形状的光源，由于颜色的不同也可能会得到 有较大差别的图像。l e d 可供选择的颜色有纯红、纯绿、纯蓝、黄色、白色等， 而且各种颜色的发光光谱特性都比较好。 机器视觉系统稳定工作的必要条件是在外部条件不断变化( 外部光噪声，目 标的倾斜、材质和系统类型的变化等) 的情况下，持续获得对比鲜明的图像。l e d 光源以其高亮度、高稳定性、高性价比满足了这一要求。在模压激光全息防伪图 案的检测系统中，需要使用红、绿、蓝等单色光源和白光光源以适应不同的检测 对象，发光二极管可以自由选择颜色，而且控制简单，正满足系统的需求。另外， 激光全息防伪图案表面的反光强度与光照强度、光的波长和入射角密切相关，通 过改变光的波长和入射角，可以显现出高质量的不同的图案。使用l e d 光源可以 方便地控制光的波长和入射角，而且l e d 光源也容易组合成系统需要的光源形状。 因此相对其他光源来说l e d 光源是最适合模压激光防伪图案检测系统使用的| 1 0 l 。 2 3 2 光照方式的选择和照度匹配问题 在设计模压激光全息防伪图案检测系统的光源照明系统时，需要考虑以下问 题： 一、照明方式的选择 机器视觉照明方式一般有透射式照明和反射式照明两种。在模压激光全息防 伪图案的检测中，使用反射式照明方式会更方便光源的安装和调整。在反射式照 明系统中，来自于光源的光线经过物体表面调制后反射回来，被透镜接收后送到 c c d 的光敏面上。模压激光防伪图案的对光线的反射方式有镜面反射和漫反射两 种。镜面反射明亮但不稳定，明亮是因为反射强度与光源强度相当，镜面反射容 易使得c c d 饱和：镜面反射不稳定是由于发光体、物体和透镜之间一个小角度的 广+ 东工业大学：e 学硕士学位论文 改变就可能引起镜面反射完全消失1 。因此，在模压激光防伪图案的检测中，不 使用镜面反射而使用漫反射。漫反射暗淡但稳定，漫反射的反射强度减少到光源 的o 0 1 一o 0 0 1 。 二、照度匹配问题 专用光源的设计需要考虑照明光源和c c d 的照度配配问题。c c d 器件是积 分型器件，输出电流信号既和c c d 器件光敏丽上的照度有关，也和两次采样的间 隔时间( 即积分时间) 有关。若以，代表c c d 输出电流信号，e 代表光敏面的照 度，r 代表两次取样的间隔时间，则在c c d 的正常工作范围内有： ，= k e ，2 k q ( 2 7 ) 式中k 为比例常数，9 = ef 为曝光量。在积分时间一定的情况下，若饱和曝 光量为q 螂，则要求光敏面上任何点的照度应该满足： e 、s 上3 0 了荔一：1 1a1 ? 1 | _ 一 ， 图2 8 专用光源结构图 f i g u r e 2 - 8s t n j c m r c o f s p 外p u r p o s el i g h t s o u r c e 球体内口分别为3 0 。、4 5 。和6 0 。所对应的三个圆周上，各有一个由多个可混色l e d 沿圆周排列成一圈的环形光源，每个环形光源的可分两段分别独立控制，每个l e d 都朝着指向半球球心方向发射光波。彩虹全息图具有视场大的优点，3 0 。、4 5 。和6 0 。 三个入射兔度足够满足模压激光防伪图案检测的需要。 红、绿、蓝三基色可混色l e d 外形图如图2 9 所 、 示，可混色l e d 有一个c o m 公共引脚，分共阳和共阴f1 两种。其余三个引脚分别为红r e d 、绿g r e 、蓝b l u 导亍d l 三个控制端，分别控制这三个引脚的电压可以就可以分 l i | l 别得到红光、绿光和蓝光。根据三基色原理，不同比例 l l | | l 红、绿、蓝三基色进行相加混色可以得到许多种不同的 l l 颜色。通过脉宽调制的方法控制混色l e d 的r e d 、 6 r e ll l u g r e 、b l u 三个引脚的电压，就可以得到不同比例的三 re d l c d 州 基色光，三种颜色的光混合在一起再经过混色l e d 散 图2 9 混色l e d 光性强的乳白胶外壳，就可以得到不同颜色的光。f i 叠u r e 2 。9 c o i o rl e d 2 3 4 专用光源参数的自动调节 从本章的第一节介绍知道，模压激光防伪图案是通过全息母版模压的方法把 彩虹全息图转移到聚酯膜上的，因此在聚酯膜上会重复出现和母板全息图一样的 彩虹全息图。当c c d 对运动的聚酯膜作线扫描的时候，就相当于对一帧