CN104568990B - 一种基于Mie散射检测玻璃内部气泡缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Mie散射检测玻璃内部气泡缺陷的方法，本发明利用Mie散射原理分析高斯光束经过玻璃内部气泡发生散射的过程，利用CCD探测装置探测到高斯光束经过玻璃内部气泡后散射灰度图像，经过平滑及线性分环计算出散射光强随角度变化的分布曲线，利用单纯形优化算法计算出气泡的粒径大小；并通过改变CCD探测装置的测量位置得到不同位置的光强分布图，根据光强分布极值位置计算出气泡的深度。本发明为玻璃内部气泡缺陷检测提供了一种高精度的无损检测方法，可实现玻璃内部微米及亚微米量级气泡粒径及深度的精确检测。

Description

一种基于Mie散射检测玻璃内部气泡缺陷的方法

技术领域

本发明属于玻璃缺陷无损检测领域，尤其涉及一种基于Mie散射的平板玻璃内部气泡缺陷的检测方法。

背景技术

气泡是玻璃中能看见的气体形态，与玻璃熔体对比，气泡属于另一种物态，在浮法玻璃中是种较难判断和解决的缺陷。气泡缺陷的存在，严重影响玻璃质量的提高。传统玻璃探测技术一般有以下两种：第一种是人工抽样的检测方法，用强集中光源，透射玻璃样品使其在屏幕上成像，与普通平板玻璃标准样板相比较，测量玻璃的缺陷，其缺点是受到人眼分辨能力等主观因素的影响，且检测速度慢，自动化程度低；第二种是在线缺陷检测系统，由光源背向照射玻璃表面，利用CCD获取缺陷图像，然后由计算机通过图像处理获得缺陷的大小及二维位置，其关键问题就是图像处理的过程，信息采集后，寻找合适的算法处理图像，其不同主要表现在图像的预处理，拼接，去噪，分割等过程。其缺点是不能直接得到缺陷深度信息，且散射的作用使所成像与缺陷自身大小不完全一致，因此不能得到缺陷精确的深度及大小信息。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种检测平板玻璃内部气泡缺陷的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于Mie散射检测玻璃内部气泡缺陷的方法，包括以下步骤：

(1)将532nm单色激光器1的能量调至小于0.5mW后，背光照射被测玻璃2，通过CCD探测装置4采集被测玻璃2的散射光光强，得到散射光光强的灰度图像；

(2)对步骤1得到的灰度图像进行平滑及线性分环处理，利用李查逊外推加速法对不同环形分布的强度积分，得到激光束通过玻璃内部气泡的散射光强随角度变化的分布曲线A；

(3)获得被测玻璃内部气泡的粒径大小，具体包括以下子步骤：

(3.1)设定椭球粒子半焦距长度的初值a和长短轴之比的初值b，根据高斯光束对椭球粒子的Mie散射理论得到理论上的椭球粒子的散射光强随角度变化的分布曲线B，作为目标光强分布；

(3.2)利用五点三次法对步骤2得到的分布曲线A进行平滑处理，将分布曲线A、B的误差值作为目标参量，利用单纯形优化算法在分布曲线B的半焦距长度的初值a和长短轴之比的初值b确定的目标区域内寻找半焦距长度和长短轴之比最优解，直至目标参量小于设定阈值，最后得到的最优解即为椭球粒子的粒径数值；

(4)将被测玻璃在水平方向上移动距离z，获得在该位置处的散射光光强的灰度图像；通过步骤2所述方法计算该位置处的散射光强随角度变化的分布曲线C；分布曲线A、C的最大值连线与分布曲线A、C的第一极小值连线的交点即为被测玻璃内部气泡的深度h，具体公式如下：

其中，z₀为CCD探测装置4初始位置时与被测玻璃2的距离，z为玻璃样品的移动距离，x₁，x₂分别为分布曲线A、C的第一极小值位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)本发明利用高斯光束照射椭球粒子的Mie散射原理分析了单色激光通过玻璃内部气泡缺陷的过程，符合实际应用中气泡缺陷检测要求，从原理上对缺陷的检测方法进行解释，有利于玻璃缺陷检测精度的提供。

(2)本发明通过检测不同位置的光强并进行相应的数学处理，计算出玻璃内部气泡缺陷的深度。

(3)本发明通过分析椭球型气泡缺陷前向散射光的光强分布特征计算出了气泡的粒径大小，并且Mie散射的分析可对较大范围内的粒径分布进行精确反演计算。

附图说明

图1为本发明实验装置示意图；

图2为散射光强分布示意图；

图3为本发明CCD线性分环后的示意图；

图4为气泡粒径反演算法示意图；

图5为本发明气泡缺陷深度测量示意图；

图中，激光器1、被测玻璃2、第一平移台3、CCD探测装置4、第二平移台5。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不限于此。

如图1所示，本发明的检测装置包括激光器1、第一平移台3、CCD探测装置4和第二平移台5，第一平移台3用于移动被测玻璃2，第二平移台5用于移动CCD探测装置4。所述CCD探测装置4感光芯片为Sony IC×445，靶面尺寸为1/3英寸，像素大小为3.75um×3.75um。所述激光器为532nm单色激光器，光斑模式为TEM00模，光束直径为1.5mm，光束发散角小于1mrad。

本发明一种基于Mie散射检测玻璃内部气泡缺陷的方法，包括以下步骤：

(1)将532nm单色激光器1的能量调至小于0.5mW后，背光照射被测玻璃2，通过CCD探测装置4采集被测玻璃2的散射光光强，得到散射光光强的灰度图像，如图2所示；

(2)如图3所示，对步骤1得到的灰度图像进行平滑及线性分环处理，利用李查逊外推加速法对不同环形分布的强度积分，得到激光束通过玻璃内部气泡的散射光强随角度变化的分布曲线A；

(3)如图4所示，获得被测玻璃内部气泡的粒径大小，具体包括以下子步骤：

(3.1)设定椭球粒子半焦距长度的初值a和长短轴之比的初值b，根据高斯光束对椭球粒子的Mie散射理论得到理论上的椭球粒子的散射光强随角度变化的分布曲线B，作为目标光强分布；

(3.2)利用五点三次法对步骤2得到的分布曲线A进行平滑处理，将分布曲线A、B的误差值作为目标参量，利用单纯形优化算法在分布曲线B的半焦距长度的初值a和长短轴之比的初值b确定的目标区域内寻找半焦距长度和长短轴之比最优解，直至目标参量小于设定阈值，最后得到的最优解即为椭球粒子的粒径数值；

(4)将被测玻璃在水平方向上移动距离z，获得在该位置处的散射光光强的灰度图像；通过步骤2所述方法计算该位置处的散射光强随角度变化的分布曲线C；分布曲线A、C的最大值连线与分布曲线A、C的第一极小值连线的交点即为被测玻璃内部气泡的深度h，如图5所示，具体公式如下：

其中，z₀为CCD探测装置4初始位置时与被测玻璃2的距离，z为玻璃样品的移动距离，x₁，x₂分别为分布曲线A、C的第一极小值位置。

本发明利用Mie散射原理分析了玻璃内部气泡缺陷的散射过程，将玻璃内部气泡简化为椭球形，该简化可满足实际玻璃内部气泡缺陷的形态探测。通过理论分析，得出玻璃内部气泡散射满足Mie散射的单次不相干散射，因此在处理光强分布时不用考虑气泡间的散射影响。对CCD探测图像进行处理，通过数学方法反演计算出气泡缺陷的具体粒径值。再移动玻璃样品位置，利用不同位置处散射光强随角度变化的分布曲线的第一极小值位置计算出气泡的深度。在玻璃中气泡对光的主要作用是散射，利用可见光波段的激光照射，可用Mie散射理论进行分析。

根据经验考虑到玻璃中气泡缺陷的分布，可以知道此时的Mie散射属于不相关散射，不相关散射是指只研究单个颗粒的散射特性而不考虑其他颗粒对其影响的散射，最后散射的结果可以认为是若干散射颗粒的线性叠加。满足不相关散射发生的条件是微小颗粒在均匀介质中分散的距离足够远，满足不相关散射条件的颗粒粒径分布与浓度关系如下表所示：

表1满足不相关散射条件的颗粒粒径和浓度对应表

颗粒直径/um	0.1	1.0	10.0	100.0	1000.0
						浓度/cm-3	1013	1010	107	104	10

从发生颗粒散射的入射光来源考虑，当只考虑原始入射光线时，颗粒仅是对原始光线进行散射，这种情况称为单次散射。对于光学透明的介质，要满足单次散射的条件，必须控制介质的光学厚度，光学厚度被定义为消光系数τ与光在样品中传播长度的乘积。光通过样品的衰减公式为：

I＝I₀e^-τ

式子中I，I₀分别为通过样品前后的光强，τ称为样品的消光系数。

当光学厚度较小时(τ<0.1)时，单次散射占绝对优势，由现有的文献可知，玻璃的消光系数在可见光波段小于0.1，因此玻璃内部气泡缺陷的散射属于单次散射。

平面波照射球形粒子的Mie散射理论已是本领域的公知内容，不再陈述。高斯光束照射椭球粒子的Mie散射理与经典的Mie散射理论有所不同，其结果表明椭球粒子的光强分布与椭球半焦距长度，长短轴之比有关，本发明分析主要基于上述原理。具体公式如下所述：

将高斯光束用椭球矢量波函数展开：

对于一个均匀，各向同性的椭球形粒子，其散射电场为：

式中E₀为入射光场大小，是高斯光束在椭球坐标系中的展开系数，c＝kf,k＝2π/λ，λ为激光波长，f为椭球的半焦距长度且f＝a[1-(b/a)²]^1/2， 为矢量椭球波函数，a_mn、β_mn为其散射系数，a'_mn、β'_mn为a_mn、β_mn对应的一阶导数。ξ、η、φ为椭球坐标系下相关参量，且x＝f(1-η²)^1/2(ξ²-1)^1/2cosφ，y＝f(1-η²)^1/2(ξ²-1)^1/2sinφ，z＝fηξ。

广义Mie散射理论给出了单个椭球颗粒在空间的散射光强分布，本发明利用CCD对其在环形面积上的光强进行探测。根据CCD原理，当灰度值未达到饱和条件时，可以近似认为CCD灰度值与光强值为线性关系，因此可以用散射光图像的灰度值分布作为散射光强分布，如图2所示，确定散射图像的光强分布中心，为了去除背景噪音的影响，首先要对CCD采集到的像素灰度值进行平滑及线性分环处理，随后利用李查逊外推加速法对不同环形分布的强度积分，计算出环形区域的光强值，最后可得到激光束通过玻璃内部气泡的光强随角度的分布值。

改变CCD探测位置，获得两幅不同位置的散射光强分布图，如图5所示，光强分布极值点与探测距离及角度有关，因此可根据相应的强度分布的第一极小值位置，计算出气泡缺陷的深度。

根据高斯光束下单个椭球粒子的散射光强分布计算公式，在波长、折射率、入射光强和接收位置不变的情况下，其光强-角度分布曲线与椭球半焦距长度，长短轴之比及相对激光束的入射角度有关，在实验条件已知的情况下，通过分析光强分布就可反演计算出椭球粒子半焦距长度，长短轴之比激光束入射角度的值。现在已有的技术，都针对圆形的微粒，通过探测一个固定方位角的强度，根据Mie散射理论的计算公式计算出出微粒的半径。

现有粒度分布求解算法一般包括非独立模式算法和独立模式算法两种，本发明借鉴了非独立模式的反演算法。如图4所示，首先给椭球半焦距长度，长短轴赋初值，根据高斯光束对椭球粒子的Mie散射理论计算出散射光强分布，作为目标光强分布；利用单纯形优化算法计算出一个拟合椭球粒子粒径数值，计算出一个拟合光强分布，通过比较拟合分布和原目标分布来不断优化，在误差小于阈值后就可计算出椭球粒子的粒径大小。

所述单纯形法是一种求解多变量无约束最优化问题的局部直接搜索法。其基本思想是给定n维空间Eⁿ中的一个单纯形后，求出n+1个顶点上的函数值，确定极值点，然后通过反射、扩展或压缩等方法求出一个较好点，以取代最高点而构成一个新的单纯形。

Claims (1)

1.一种基于Mie散射检测玻璃内部气泡缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将532nm单色激光器(1)的能量调至小于0.5mW后，背光照射被测玻璃(2)，通过CCD探测装置(4)采集被测玻璃(2)的散射光光强，得到散射光光强的灰度图像；

(2)对步骤(1)得到的灰度图像进行平滑及线性分环处理，利用李查逊外推加速法对不同环形分布的强度积分，得到激光束通过玻璃内部气泡的散射光强随角度变化的分布曲线A；

(3)获得被测玻璃内部气泡的粒径大小，具体包括以下子步骤：

(3.1)设定椭球粒子半焦距长度的初值a和长短轴之比的初值b，根据高斯光束对椭球粒子的Mie散射理论得到理论上的椭球粒子的散射光强随角度变化的分布曲线B，作为目标光强分布；

(3.2)利用五点三次法对步骤(2)得到的分布曲线A进行平滑处理，将分布曲线A、B的误差值作为目标参量，利用单纯形优化算法在分布曲线B的半焦距长度的初值a和长短轴之比的初值b确定的目标区域内寻找半焦距长度和长短轴之比最优解，直至目标参量小于设定阈值，最后得到的最优解即为椭球粒子的粒径数值；

(4)将被测玻璃在水平方向上移动距离z，获得在该位置处的散射光光强的灰度图像；通过步骤(2)所述方法计算该位置处的散射光强随角度变化的分布曲线C；分布曲线A、C的最大值连线与分布曲线A、C的第一极小值连线的交点与玻璃边界的距离即为被测玻璃内部气泡的深度h，具体公式如下：

$h=\frac{(z_0+z)x_1-z_0{x}_2}{x_2-x_1}$

其中，z₀为CCD探测装置(4)初始位置时与被测玻璃(2)的距离，z为玻璃样品的移动距离，x₁，x₂分别为分布曲线A、C的第一极小值位置。