摘要：本文简要介绍了电子内窥镜的成像原理、基本结构、性能特点、使用技巧，并重点说明它在细支烟上的空头质量检测的应用前景、工作原理等
关键词：电子内窥镜成像；细支烟；烟支空头检测
引言：在卷烟包装生产过程中，在烟支输送过程的很多环节，由于振动、人为操作导致烟支空头和倒支现象。传统的检测方式，是采用光电式传感器，测量烟丝与传感器的距离，达到检测的目的。然而该检测方式存在很大的漏洞，如果有烟丝产生干扰，是无法彻底解决该问题，倒装烟支无法检测。而基于机器视觉的发展，成像的检测模式，可以大大提升检测准确度，将来可应用于烟支空头检测的工艺环节。
1、电子内窥镜成像的工作原理
1.1 CCD技术
电荷耦合器件（charge coupled device）英文简称CCD。是美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.史密斯与1969年发明的。它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，为半导体技术应用开拓了新的领域。它具有光电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、功耗低、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存储和处理方面得到了广泛的应用。
其主要的参数有：
1.光谱灵敏度
CCD的光谱灵敏度取决于量子效率、波长、积分时间等参数。量子效率表征CCD芯片对不同波长光信号的光电转换本领。不同工艺制成的CCD芯片，其量子效率不同。灵敏度还与光照方式有关，背照CCD的量子效率高，光谱响应曲线无起伏，正照CCD由于反射和吸收损失，光谱响应曲线上存在若干个峰和谷。
2.CCD的暗电流与噪声
CCD暗电流是内部热激励载流子造成的。CCD在低帧频工作时，可以几秒或几千秒的累积（曝光）时间来采集低亮度图像，如果曝光时间较长，暗电流会在光电子形成之前将势阱填满热电子。由于晶格点阵的缺陷，不同像素的暗电流可能差别很大。在曝光时间较长的图像上，会产生一个星空状的固定噪声图案。这种效应是因为少数像素具有反常的较大暗电流，一般可在记录后从图像中减去，除非暗电流已使势阱中的电子达到饱和。
3.转移效率和转移损失率
电荷包从一个势阱向另一个势阱转移时，需要一个过程。像素中的电荷在离开芯片之前要在势阱间移动上千次或更多，这要求电荷转移效率极其高，否则光电子的有效数目会在读出过程中损失严重。
引起电荷转移不完全的主要原因是表面态对电子的俘获，转移损失造成信号退化。采用“胖零”技术可减少这种损耗。
1.2 工业电子内窥镜成像成像
电子内窥镜的成像主要依赖于镜身前端装备的微型图像传感器（charge coupled device，CCD），CCD就象是一台微型摄像机，它将光能转变为电能，再经过图像处理器“重建”高清晰度的、色彩逼真的图像显示在监视器屏幕上。
电子内窥镜发展最为迅速，同时也是尺寸最小的摄像机，其工作原理如下：
电子内窥镜成像系统主要包括四部分（图1）：1）光学成像系统，2）CCD驱动、图像采集、编码电路（驱动CCD、控制图像采集与编码），3）彩色图像畸变实时校正系统（用于实时在线校正内窥镜光学系统的畸变），4）视频驱动亮度控制系统（调节光源的发光亮度）。
光源发出的光通过传光束（光纤）照射到外部细小的物体，物体内反射的光进入光学系统，在高分辨率彩色面阵CCD上成像由CCD驱动电路控制CCD采集图像，经编码电路输出标准彩色视频信号。亮度控制系统根据CCD输出的视频信号调节光源的亮度，确保输出图像上没有白色高亮度区域。由于光学系统存在畸变，CCD输出带有畸变的视频信号，图像畸变校正系统对其进行在线实时校正，并输出校正后的标准彩色视频信号。
内窥镜采用电荷耦合器件CCD作为图像传感器。CCD图像传感器具有光电转换功能，又具有信号电荷存储、转移和读出功能，其工作过程可分为四步：
第一步是光积分期，即曝光时间，这时CCD像元把入射光量子按比例地转换成光生电荷，完成光—电转换。
第二是在光积分的同时，把每个像元产生的光电荷暂时存储在相应的光敏二极管势阱中，实现信号电荷存储。
第三是在曝光结束后，把存储的光生电荷沿CCD移位寄存器转移到输出区，完成电荷转移。
第四是在读出放大器中把每个光生电荷依次转变成相应的视频信号，完成信号读出，因此CCD图像传感器可以看成一个光—电变换器，它能把一幅空间分布的光学图像变换成按时间顺序分布的视频电压信号。
当光学图像经过物镜成像在CCD传感器上时，在CCD器件上将产生与投射光强相对应的光电荷（光电效应），在光敏元进行下一次光电荷积累的同时，在读出脉冲的作用下，寄存器内的电荷包开始沿移位寄存器向输出端转移，从而获得光电信号输出，由此输出的光电信号经过同步电路、同步叠加电路叠加、消除脉冲干扰、直流电平恢复与控制、线性放大、输出功率放大、二值化处理等电路处理，从而得到全电视信号输出。进一步的处理，则是按使用场合和技术要求的不同而分别进行了。
2 电子内窥镜成像在细支烟空头单支检测应用
随着包装工艺的提高以及设备的生产速度越来越高，对烟支的要求也提高到新的层次。例如，烟支空头的现象，由卷烟机切割、人工的取放等现象，导致烟支空头的产生。一旦流入小盒包装中，将无法对其检测和识别。如果在模组成形后进行检测，单次剔除一组是20支，这样会带来大量的废烟。然而传统的工业相机，个头太大，无法满足在下烟道进行检测。然而工业内窥镜的技术提升，其直径最小达到3mm~5mm，对于检测细支烟来说，是非常适合的检测工具。
2.1细支烟单支烟支空头检测的整体布局
下烟库一共20个烟支通道，采用20个工业电子内窥镜对每一只细支烟进行成像。
本系统采用20个电子内窥镜，通过图像采集卡收集每一张烟支的图片。然后由一台高性能工控机，对20支烟支，进行图像处理和分析，计算烟支的空头系数，判断出烟支是否空头，如果产生空头，通知IO控制板，控制对应的电磁阀动作，把该故障烟支从下烟库中剔除。
2.2细支烟空头检测成像的实施
基于上述的行业背景，单支空头检测安装于下烟库，由于空间受限，电子内窥镜的安装和调试，都是一个非常值得思考的问题。这里，我们采用5mm直径的工业内窥镜，安装布局如下：
从布局上看，由于下烟库是一支一支的下落，下落的角度不一样，从推烟板层叠上来的烟支高度位置也不一样，为了采集到可靠稳定的图像，电子内窥镜必须上下可调，而且中间的内窥镜偏高，两侧的内窥镜偏低。然而烟支与烟支的间距只有7mm，在狭窄的空间内，设计调节的机构，是非常有难度，同时也对的机械加工水平有更高的要求。
内窥镜的视野和物距都比较小，因此，设计的机械结构，必须具备上下、前后、旋转三个维度的调节，保证每个内窥镜能有效的拍摄到对应的烟支，而不会出现烟支只拍到一般的情况。
2.3 实施效果
经过现场的实验，在细支烟上的烟支空头检测安装于GD中速包装机上，前期设计的内窥镜检测结构，可以有效的抓拍到烟支的图片，不会因为视野的问题，导致成像效果较差，无法拍照到整个烟支的图片。实际使用效果如下：
在实际运行过程中，整个细支烟检测成像稳定，也是电子内窥镜成像技术在细支烟的单支空头检测设备的应用首例，有效的解决了细支烟生产的空头问题。
参考文献：
[1] 一种基于机器视觉技术的烟支空头检测方法颜魏伟；赵霙；曾雄伟科技视界2013-03-15
[2] 烟支空头检测单支剔除装置原理及经济效益分析柯林甘肃科技2013-08-30
[3] 基于机器视觉的烟支检测装置设计张义伟；王德胜；黄敬贵；易斌工
论文作者:高雪峰1,李培勇2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/29
标签：内窥镜论文; 空头论文; 电荷论文; 图像论文; 电子论文; 畸变论文; 信号论文; 《电力设备》2018年第29期论文;