一、引言
　　钢板是工业生产中不可或缺的原材料。近年来，钢板的需求量不断增加，这些钢板要求具有较高的表面质量。而在其轧制过程中，由于钢坯本身、轧制设备、轧制工艺等原因，导致轧制钢板表面出现了裂纹、氧化皮、结疤、辊印、刮伤、孔洞、针眼、鳞片、表皮分层、麻点等缺陷。这些缺陷不仅影响了产品外观，更重要的是降低了产品的抗腐蚀性、抗磨性、疲劳极限等使用性能。目前，美国、日本等发达国家，在冷轧钢板轧机、热轧型钢以及酸洗线和镀锡线上，均采用了表面缺陷在线检测系统，而表面检测系统的发展趋势是采用激光扫描或CCD视觉技术检测钢板表面缺陷。因此，我们提出了采用线阵CCD扫描、图像实时处理及缺陷分类的方法，达到对钢板表面缺陷的计算机视觉无损在线检测。
　　针对设计样机的技术要求（横纵向检测分辨力为0.8mm 0、8mm，单台系统检测钢板宽度小于或等于1580mm，系统正常运行范围：钢板运行速度0—1.5m/s，钢板跳动振幅不大于1mm，缺陷尺寸检测误差不大于1mm），我们对检测系统的前端光学部分做了如下设计。

　　二、光学系统设计及原理
　　光学系统位于检测系统的前端，其性能之优劣直接影响到采集图像的质量、后续图像算法处理。其由以下几部分组成：光源系统、成像模块及接收模式。
　　1 光源系统
　　光源需满足条件：可以调节光的照度以提高图像质量、结构紧凑、便安装于有限的空间内；不仅能按照生产线速度，而且能根据产品表面的光洁度来调节光的照度。
　　在实际生产中，钢板线速度经常发生变化，光源所发出的能量也必须做出相应的变化，使得摄像系统所获得的图像质量（包括明暗程度、反差和分辨率）保持不变。因此，在选择线光源时，需考虑在特定检测线上能使待检缺陷以尽量高的分辨率得到重现。另外，光源等级与钢板速度、最大检测分辨率有着特定的关系，其中特别是光源的均匀性和强度必须满足很高的要求，因为这直接影响图像质量和检测性能。为达到这一目的，我们选择了一种新型的红色LED线光源，光源长度足够覆盖整个板宽（1.58m）以照明板面。这种LED光源具有如下特性：快速达到照明稳定状态，高照度输出，高均匀性，寿命长（100000h），光源自身实现线聚焦照明，光源发光投射在待检钢板表面板宽方向形成一道狭细、均匀照明的亮带。而且，LED线光源照明波长与我们选用的线阵CCD传感器件（IT-P4型CCD器件，加拿大Dalsa公司生产）的峰值响应波长相互匹配，这使得线阵CCD传感器能以很高的灵敏度完成光电转换。
　　光源投射在钢板上形成亮带的照度，既要确保缺陷暗信号的有效检出，又不能使缺陷亮信号致使CCD曝光饱和，在计算中以暗信号的有效检出为准，对于亮域成像，可以调节镜头光圈来达到要求。
　　2 明域、暗域结合接收模式
　　根据缺陷的光学特性的差异，通过优化设计光源、摄像机及钢板间的相对位置，系统的检测光路可相应地配置为如下两种形式：明域、暗域。明域光路主要适于检测散射和吸收光线的缺陷类型;暗域光路主要适于检测明亮钢板表面上散射光线的缺陷类型。组合应用这两种检测光路，可确保检出大多数的钢板表面缺陷。我们建立下面的实验，如图1所示。
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　　经过实验，表皮分层、鳞片、锈斑、粘结、凹坑等为明域缺陷;裂纹、折印、孔洞、针眼、划伤等为暗域缺陷。为了保证系统可靠性，以及所有的上述缺陷最大可能的被检出，必须配置好相应的照明和接收模式，而且这些照明模式并不相互独立，而是相互影响。另外,暗域缺陷成像的光照度为明域缺陷所需的三倍，这对后续的CCD摄像器件的动态范围提出了较高的要求。总之，我们要设计出一套适合所有模式的光学系统，即在相应的位置安放CCD摄像机接收明域、暗域缺陷图像。这样综合实时检测照明模式，几乎可以检测出所有我们感兴趣的缺陷。
　　3 成像系统及参数计算
　　以待检钢板宽度为1580mm为例，横向分辨率为0.8mm，因此单个CCD传感器的总像元数N=(1580mm/0.8mm)=1975。待检钢板运行最大速度为1.5m/s，而纵向分辨率为0.8mm，因此CCD器件的帧转移频率fsh应该满足如下值：即为fsh=(1.5 1000mm/s)/(0.8mm)=1875Hz。
　　满足上面参数要求的线阵CCD很容易选取，但是如果只用一个CCD传感器,经计算成像光路过长而难于实现。这样对照明光源提出了很高的要求，而且光路难以实现。为此，我们采用板宽方向两个CCD传感器视场分割的办法，如图2所示。这样设计使得成像光路减为一半并易于实现。线阵CCD摄像机采用IT-P4型作图像传感器件,该CCD具7μn像素，100%的填充比，总像素数为4096像元。选定这样的CCD器件与成像光路，检测系统理论上可以达到0.22mm的横向分辨率，0.11mm的纵向分辨率。因此整个系统具有很强的可升级与扩展性，以满足更高的检测要求.根据待检钢板与传感器的参数我们进行成像镜头的参数计算，主要从成像要求和照度匹配两方面来考虑镜头的选择，如图2所示。
 
　　光学镜头在CCD摄像机最前端，其主要作用是将被检测钢板表面图像成像于CCD的像敏单元上，基本要求是：成像清晰、图像几何畸变小、透光力强、杂散光少、像面照度分布均匀、足够的视场角和相对孔径。合理选择并安装光学镜头是保证清晰成像并获得正常视频信号的关键，合适的参数指标根据不同镜头接口、CCD光敏面的光学格式、视场、焦距、F数等来确定。对于单个CCD，CCD长度L=4096 7μm= 28.7mm，帧转移频率fsh为14kHz，这样完全满足检测系统要求，横向分辨率HFOV为0.8mm，纵向HFOV分辨率为0.8mm， 单个CCD对应视场宽度S为790mm，板速为1.5m/s。
　　设像素距为[ID]，物距为[OD]，则放大率：
　　β=u/v=[ID]/[OD]=28.7mm/790mm =0.036
　　若取焦距f=35mm，则物距：
　　[OD]=((1/β)+1)×f,则
　　[OD]=(27.78+1)×35mm=1007.30mm
　　半视角：
　　ω>arctan（I/2f）=arctan（28、7mm/2×35mm） =22.3°
　　所以视场角大于44.6°。
　　现在根据照度匹配来计算F数，如图3所示。
 
　　所选择的LED线光源幅出度E为0.1938W/cm2，设钢板镜面表面的反射系数为0.8，则经过反射后的辐射出射度R为0.155W/cm2，即1550W/m2。设物方孔径角为U，镜头直径为D，而在较小的空间立体角范围内，钢板表面被看做是余弦辐射体，那么光亮度为：L=R/U。
　　而：U=2×arctan(D/2/[OD])，设透镜的光透比为Tr，则有CCD传感器面上的辐照度：
　　E=Tr×π×L×[2(f/D)×(β+1)]2。
　　由于传感器的面积等于4096 0.7μm 0.7μm =2007μm2，CCD在波长等于660nm的时候的灵敏度为10[DN]/(nJ/cm2)，[DN]为CCD摄像机的转换位数，当传感器曝光饱和时，最大[DN]为256，行转移周期Tsh=1/fsh= 1/1875Hz=0.5ms。那么饱和时，入射到传感器上的总光能为：Q=256/10=25.6nJ/cm2，CＣD面上最大照度：Esensor=25.6nJ/cm2/0.5ms=51.2mW/cm2=512W/m2。注意这里计算没有考虑到波长影响，而只是计算光轴上的点，考虑到暗域时的照明及环境影响，根据光源计算的CCD辐照度应远大于这个值。对于明域时的照明情况，通过调节光圈可以使CCD不至于曝光饱和。通过优化计算，并考虑到更高速度的检测情况，取f/D为1.4。经过光亮度计算试验验证，能满足传感器的照明需要。最后系统选择了F型接口的Nikon镜头，法兰焦距46.50mm 0.10mm，镜头焦距为35mm，视场角为45°，F数为1.4.在样机实验系统中，采用单CCD摄像机对宽度为790mm的待检样板进行了表面缺陷检测，利用丝杠导轨带动钢板模拟现场辊子高速运动。
　　实验证明，从光源照明到CCD传感器完成光电转换成像，光学系统设计满足0.8mm  0.8mm检测分辨率、1.5m/s检测速度的要求。考虑到检测现场的实际情况，应对系统进一步完善，以减小现场环境温度变化以及振动等带来的负面影响。

　　三、结论
　　本文根据钢板表面缺陷检测系统中的高分辨率、高速、宽幅检测的要求，设计了前端光学模块。选用的新型LED线光源,满足了宽视场高强度均匀照明的要求;明域、暗域成像接收模式相结合，实现了更多缺陷的有效检出;多幅面并接成像的设计简化了光路，降低了光路实现难度，对成像镜头的参数计算和传感器的优化选取，使整个光学系统具有较强的扩展性,满足了钢板表面缺陷的模块化升级的需要。