一种番茄色选机的光学系统设计

李 超，郭 嘉

（国家知识产权局专利局专利协作北京中心机械部，北京100000）

1 前言

番茄色选机是一种利用成熟番茄与非成熟番茄以及其他异物之间的光学及色度差之间的区别进行识别，采用剔除机构将非成熟番茄以及其他异物分选出来的一种新型机械。

由于目前新疆的实际情况是大多数番茄在收获过程或者工厂深加工过程中，都选用人工进行番茄分选，来提高番茄的质量，这样一来难以适应大规模工厂化生产的需要，严重制约了番茄产业的发展。因此番茄色选机的研制是大势所趋的。

番茄色选机主要由无损传送系统、检测系统以及分选控制系统等部分组成，其中检测部分是整个番茄色选机的核心部分。在检测系统中，被检测的番茄必须要求有匀、高亮度的光线进行照明，并且在CCD上成很清晰的像来满足检测需要，因此需要我们完成一种满足要求的光学系统设计。

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。系统由以下几部分组成：光源系统、成像模块及接收模式。

2 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，而且能根据番茄表面的光洁度来调节光的照度。

在实际生产中，环境光线经常发生变化，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，光源等级与番茄速度、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绿色LED线光源。在当代照明技术的飞速发展中LED以其寿命长、成本低、体积小、重量轻、产生热量小且没有噪声和振动、形状组合自由、颜色选择方便等优点已逐渐成为视觉领域照明光源当之无愧的佼佼者，而巧妙的选择照明色往往会产生意想不到的效果，稳定均匀的照明光源在图像识别中有着及其重要的作用。

照度是光通量与被照面积之比值，照度不够会降低图像对比度，而过大则功耗大并且需要散热处理。CCD接受的照度应该大于它的最低响应照度，小于其饱和照度。考虑光谱、照度、均匀性及照射角度对图像识别的影响和设备结构的限制，选用LED照明光源，能清晰反映中心视场，加强边缘效果。设备运行中可以根据芯片与引脚的表面特性灵活选择照明方式、调节照度大小，以满足图像识别的需要。

光源长度足够覆盖整个皮带宽（1.04m）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番茄经过的皮带下方方向形成一道狭细、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。

光源投射在皮带上形成亮带的照度，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。

3 光源系统的模块化设计

为了使表面缺陷检测系统易于升级与维护,表面检测系统基于模块化的设计思想。

（1）线光源照明模。线光源设计时需考虑在特定的检测线上能使待检缺陷以尽量高的分辨率得到复现。另外，光源等级与输送带板速度、最大检测分辨率有着特定的关系。其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。为实现这一目的，开发了一种特殊的绿色LED光源，光源长度足够覆盖整个色选机输送带的带宽(1.04 m)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(±10%)，寿命长(100000 h)，实现线聚焦照明。光源发光投射在输送皮带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传感器件的峰值相应波长相互匹配，这使得线阵CCD传感器能以很高的灵敏度完成光电转换。

（2）CCD成像模块。番茄色选机的输送皮带宽度为1040 mm，横向宽度为0.8mm，因此CCD传感器的总像元数N=1040mm/0.8mm=1300。待检番茄输送带运行最大速度为1.5 m/s，而纵向分辨率为0.8mm，因此CCD器件的帧转移频率fsh=(1.5*103mm/s)/(0.8mm)=1875Hz。如果只用一个CCD传感器，经计算因成像光路过长而难以实现。因此，采用带宽方向，两个CCD传感器视场分割的办法，这样成像光路减为一半而易于实现。线阵CCD摄像机采用IL-P4作为图像传感器件，该CCD具有7μm的像素、100%的填充比，总像素数为4096像元，帧转移率高达14kHz.双CCD传感器、并行处理的设计使得缺陷检测满足高分辨率、高检测速度的要求。而且，摄像机通过安装在辊轴上的光电编码器与输送带的运行速度同步，以控制线阵CCD传感器的积分时间，确保采集图像具有恒定的纵横比。为减少输送带振动的影响，采用远心成像光路以获取高质量的图像。在计算镜头参数如焦距、数值孔径与视场角时，应综合考虑各方面因素。

根据缺陷的光学特性的差异，通过优化设计光源、摄象机及模板间的相对位置，系统的检测光路可相应地配置为如下三种形式：明域、暗域和微光域。明域光路主要适于检测散射的缺陷类型；暗域光路主要适于检测表面上反射光线和吸收光线的缺陷类型；微光域光路则适于检测微小的和低对比度的缺陷类型。

根据实际生产需要，我们选择暗域光路我们建立下面的实验，如图1所示。

经过实验，番茄色选机的色选过程中青番茄、土块作为主要检测缺陷，并且可以很好地完成检测任务。为了保证系统可靠性，以及所有的上述缺陷最大可能地被检出，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。

（3）成像系统及参数计算。成像系统采用幅面分割的方式实现，如图2所示，这样设计使得成像光路减为一半并易于实现。检测系统理论上可以达到0.22mm的横向分辨率，0.11 mm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。

对于单个CCD，CCD长度I=4096×7μm=28.7mm，帧转移频率fsh为14kHz。横向分辨率HFOV为0.8mm，纵向VFOV分辨率为0.8mm。

单个CCD对应视场宽度S取1000 mm，带速为1.5m/s.设相距为ID，物距为OD，则放大率:β=u/v=[ID]/[OD]=f/([OD]-f)=28.7mm/1000mm=0.0287mm。当焦距f=35mm时，物距为:[OD]=((1/β)+1)×f=(34.84+1)×35mm=1254.51mm。则半视角ω>arctan(I/2f)=(28.7mm/2×35mm)=22.3°则视场角大于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，设番茄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0.155 W/cm2。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，番茄表面可看做是余弦辐射体，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，那么饱和时CCD面上最大照度为:Es=25.6nJ/cm2/0.5ms=51.2mW/cm2。

注意这里计算没有考虑到波长影响，而且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.对于暗域时的照明情况,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。

经过计算光亮度L为34988.7W/m2·sr,通过试验验证,满足传感器的照明需要。最后系统选择了选择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。

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。

3 结语

本文从番茄色选集光学系统的设计原则出发，对光源选用、光源系统以及成像系统进行了阐述，该系统的光路结构简单，容易实现，此设计方法还可以作为其它种类色选机光学系统的参考。

[1]番茄酱产业报告.新疆维吾尔自治区统计局，2009，(3).

[2]李江波，坎杂，张若宇.脱绒棉种色选机常用检测元件对比分析[J].新疆农机化，2007（1）：43-44.

[3]马成林,杨秀坤等.农产品品质检测中的计算机视觉及神经网络技术发展与动态.[J].农业工程学报，1997，（9）：236-241.

[4]李峥.基于计算机视觉的蔬菜颜色检测系统研究：[硕士学位论文][M].长春：吉林大学，2001.

[5]张麟.光电色选机及其应用[J].农机与食品机械，1997，（5）：24-27.