CN106643581A - 玻璃平整度检测仪及检测方法 - Google Patents

玻璃平整度检测仪及检测方法 Download PDF

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韩定安
曾亚光
王茗祎
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Abstract

本发明公开了一种玻璃平整度检测仪，包括：光源、与所述光源相连接的光纤耦合器、以及分别与所述光纤耦合器的另三个端口相连接的参考端、样品端和数据采集及处理装置；本发明利用待测玻璃表面上的点为凸起或凹陷时与平整的点所对应的深度值不相等而引起低相干干涉信号强度不同的原理对玻璃平整度进行检测，样品端设置面阵光开关，可使多条测量光束依次穿过待测玻璃上下表面的各个位置，即上下表面的平整度同时测量，大大提高了检测的效率，数据采集及处理装置自动记录干涉的图像信号并拟合出三维图像而获得平整度信息，采用非接触的光学检测方法，测量时无需接触到玻璃，可避免因接触对待测玻璃造成的损伤，且检测精度高可达微米级别。

Description

玻璃平整度检测仪及检测方法
技术领域
本发明涉及玻璃质量检测领域，特别涉及一种玻璃平整度检测仪及检测方法。
背景技术
使用平整度差和厚薄不均的钢化玻璃不仅容易造成玻璃的反射光学变形，还会产生光学畸变，特别是将其应用于夹层玻璃时，容易造成合片后的夹层玻璃厚薄不均引起光学上的变形从而影响产品的视觉效果，更严重的是，夹层玻璃的局部变薄还会影响产品的粘结性能，影响外观和密封质量，造成局部超厚而影响安装，因此，控制玻璃的平整度非常重要。
目前用来判定或测量玻璃的平整度的方法，主要采用劈尖干涉法、机器视觉或接触式测量等方法。其中，机器视觉法的检测效率低，而接触式测量存在接触玻璃会对玻璃造成损伤等问题，劈尖干涉法实质上是等厚干涉，将其作为劈尖的下底面得出干涉图样，观察干涉图样的凹凸性就可简单的判定部件的平整度，即间接地检测部件平整度，通过分析光程差，易得当平面平整时厚度是均匀变化的，则在显微镜得到的干涉条纹为平滑的直线，当有一下凹则条纹向靠近劈棱方向偏；若有一凸起则条纹向远离劈棱的方向偏，从而利用劈尖干涉原理得出干涉图样，可以对玻璃的平整度进行简单的检测，但劈尖干涉法检测所得的结果准确率低，精准度不高，而且需要通过显微镜等仪器观察，检测效率低。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种无需与待测玻璃接触对玻璃无损伤、检测效率高和超高精度的玻璃平整度检测仪以解决现有技术的不足。
本发明的另一个目的是提供一种信噪比高、检测效率高、可操作性强、重复性高而且准确率高的玻璃平整度的检测方法。
本发明通过以下技术方案来实现发明目的：
玻璃平整度检测仪，包括：光源、与所述光源相连接的光纤耦合器、以及分别与所述光纤耦合器的另三个端口相连接的参考端、样品端和数据采集及处理装置；
光源为低相干光；
光纤耦合器为2×2光纤耦合器，用于将所述光源发射出的光束分成一个测量光束和一个参考光束；
参考端，用于所述参考光束的传播；
样品端，用于所述测量光束的传播；
数据采集及处理装置，用于采集和处理所述参考光束和测量光束分别在参考端和样品端中反射回来后在所述光纤耦合器中结合所产生干涉光的图像信号。
进一步地，所述参考端包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜、第一会聚透镜和反射镜，所述参考光束经第一准直镜准直后变成平行光，再通过会聚透镜射到反射镜上被反射回来；
所述样品端包括面阵光开关、待测玻璃以及带动待测玻璃移动的步进电机，所述待测玻璃的表面与面阵光开关射出的光束垂直，所述测量光束经面阵光开关准直后分成多路等光程的光并依次透过待测玻璃的上表面和下表面再原路返回，所述待测玻璃厚度不超过7mm；
所述数据采集及处理装置包括第二准直镜、衍射光栅、第二会聚透镜、CCD相机和电脑，所述样品端中测量光束的反射光和参考端中参考光束的反射光在光纤耦合器中产生干涉光，第二准直镜将干涉光变成平行光，再由衍射光栅进行分光处理，接着经过第二会聚透镜使CCD相机接收并采集干涉光的信号，电脑对采集到的信号进行处理。
进一步地，所述面阵光开关由电脑控制开与关以对所述待测玻璃实现检测范围内逐个点的扫描检测。
进一步地，所述待测玻璃的宽度与面阵光开关的检测宽度相等，由此，在步进电机的带动下沿长度方向前进分次检测待测玻璃表面的各个区域段。
进一步地，所述数据采集及处理装置将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间。
一种玻璃平整度检测方法，包括如下步骤：
(1)开启光源通过光纤藕合器分别向样品端的待测玻璃发射测量光束和参考端发射参考光束；
(2)数据采集及处理装置中的电脑控制面阵光开关逐个开与关，检测完一个面阵光开关面积范围内的待测玻璃的深度，步进电机带动待测玻璃直线移动以使面阵光开关检测待测玻璃的下一段，如此，直至将待测玻璃表面所在的点全部检测完；
(3)数据采集及处理装置记录待测玻璃的干涉信号；
(4)电脑接收CCD相机的干涉信号并拟合得出三维图像，获得平整度信息。
进一步地，所述步骤(1)中光纤藕合器为2×2光纤耦合器，光源为低相干光；
所述步骤(1)中参考端包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜、第一会聚透镜和反射镜，所述参考光束经第一准直镜准直后变成平行光，再通过会聚透镜射到反射镜上被反射回来，样品端包括面阵光开关、待测玻璃以及带动待测玻璃移动的步进电机，所述待测玻璃的表面与面阵光开关射出的光束垂直，所述测量光束经面阵光开关准直后分成多路等光程的光并依次透过待测玻璃的上表面和下表面再原路返回；
所述步骤(3)中数据采集及处理装置包括第二准直镜、衍射光栅、第二会聚透镜、CCD相机和电脑。
进一步地，所述步骤(4)中图像处理是将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间，坐标空间下的干涉光信号强度IRS(z)与待测玻璃表面的深度z具有以下关系，可表示为：
其中，z表示待测玻璃表面上任意点的深度，当且仅当z＝zi为反射面位置时，IRS(zi)>>IRS(zi’),zi≠zi’，zi’是指i点沿待测玻璃的厚度方向除反射面zi对应位置外的其它点，由此可判断反射点深度，即凸起或凹陷的点与平整的点所对应的zi值不相等。。
本发明提供的玻璃平整度检测仪及检测方法具有以下优点：
1、采用非接触光学方法，测量时无需接触到玻璃，避免因接触对待测玻璃造成的损伤。
2、基于低相干光光源而产生干涉光，采用CCD相机记录，检测灵敏度高，检测精度高可达到微米级别。
3、采用面阵光开关，可使多条测量光束依次穿过待测玻璃上下表面的各个位置，即上下表面的平整度同时测量，大大提高了检测的效率，并通过步进电机移动待测玻璃，从而获得待测玻璃各个位置的平整度，利用待测玻璃上各位置的平整度信息拟合出超高精度的三维图像。
4、通过电脑输出模拟信号使步进电机带动玻璃进行x方向上的平移后，电脑信号实现对面阵光开关准直装置上的光开关逐个开与闭，对待测玻璃上的每一点依次测量，达到了扫描式检测的效果。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的结构示意图；
其中：1—光源，2—光纤耦合器，3—参考端，31—第一准直镜，32—第一会聚透镜，33—反射镜，4—样品端，41—面阵光开关，42—待测玻璃，43—步进电机，5—数据采集及处理装置，51—第二准直镜，52—衍射光栅，53—第二会聚透镜，54—CCD相机，55—电脑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，玻璃平整度检测仪，包括：光源1、与光源1相连接的光纤耦合器2、以及分别与光纤耦合器2的另三个端口相连接的参考端3、样品端4和数据采集及处理装置5，其中，光源1为低相干光；光纤耦合器2为2×2光纤耦合器，用于将光源1发射出的光束分成一个测量光束和一个参考光束；
参考端3，用于参考光束的传播，包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜31、第一会聚透镜32和反射镜33，参考光束经第一准直镜31准直后变成平行光，再通过会聚透镜32射到反射镜33上被反射回来，待测玻璃厚度为6mm；
样品端4，用于测量光束的传播，包括面阵光开关41、待测玻璃42以及带动待测玻璃42移动的步进电机43，待测玻璃42的表面与面阵光开关41射出的光束垂直，测量光束经面阵光开关42准直后分成多路等光程的光并依次透过待测玻璃42的上表面和下表面再原路返回；
数据采集及处理装置5，用于采集和处理参考光束和测量光束分别在参考端3和样品端4中反射回来后再在光纤耦合器2中结合而产生的干涉光的图像信号，数据采集及处理装置5包括第二准直镜51、衍射光栅52、第二会聚透镜53、CCD相机54和电脑55，样品端4中测量光束的后向散射光和参考端3中参考光束的反射光在光纤耦合器2中产生干涉光，第二准直镜51将干涉光变成平行光，再由衍射光栅52进行分光处理，接着经过第二会聚透镜53使CCD相机54接收并采集干涉光的信号，电脑55对采集到的信号进行处理。
此外，面阵光开关41由电脑55控制开与关以对待测玻璃42实现检测范围内逐个点的扫描检测。
其中，待测玻璃42的宽度与面阵光开关41的宽度相等以便面阵光开关41对沿长度方向对待测玻璃42进行分段扫描，数据采集及处理装置5将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间。
使用上述玻璃平整度检测仪进行玻璃平整度检测的方法，包括如下步骤：
(1)开启光源1通过光纤藕合器2分别向样品端4的待测玻璃42发射测量光束和参考端3发射参考光束；
(2)数据采集及处理装置5中的电脑55控制面阵光开关41逐个开与关，检测完一个面阵光开关面积41范围内的待测玻璃42的深度，步进电机43带动待测玻璃42沿x方向直线移动以使面阵光开关41检测待测玻璃42的下一段，如此，直至将待测玻璃42表面所有的点全部检测完；
(3)数据采集及处理装置5记录待测玻璃42的干涉信号；
(4)电脑55接收CCD相机54的干涉信号并拟合得出三维图像，获得平整度信息。
步骤(4)中平整度信息的获得是：将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间，坐标空间下的干涉光信号强度IRS(z)与待测玻璃表面的深度z具有以下关系，可表示为：
其中，z表示待测玻璃表面上任意点的深度，当且仅当z＝zi为反射面位置时，IRS(zi)>>IRS(zi’),zi≠zi’，zi’是指i点沿待测玻璃的厚度方向除反射面zi对应位置外的其它点，由此可判断反射点深度，即凸起或凹陷的点与平整的点所对应的zi值不相等，即深度不相等，可判断出这点凸起或凹陷。根据测得各点的相应数值，通过电脑55算出待测玻璃42上表面和下表面干涉信号的相对距离即可获得待测玻璃42上任意一点的深度，通过电脑55将待测玻璃42表面所有点的厚度拟合三维图像从而得出待测玻璃42的平整度。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.玻璃平整度检测仪，其特征在于，包括：光源、与所述光源相连接的光纤耦合器、以及分别与所述光纤耦合器的另三个端口相连接的参考端、样品端和数据采集及处理装置；
光源为低相干光；
光纤耦合器为2×2光纤耦合器，用于将所述光源发射出的光束分成一个测量光束和一个参考光束；
参考端，用于所述参考光束的传播；
样品端，用于所述测量光束的传播；
数据采集及处理装置，用于采集和处理所述参考光束和测量光束分别在参考端和样品端中反射回来后再在所述光纤耦合器中结合所产生干涉光的图像信号。
2.根据权利要求1所述的玻璃平整度检测仪，其特征在于，
所述参考端包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜、第一会聚透镜和反射镜，所述参考光束经第一准直镜准直后变成平行光，再通过第一会聚透镜射到反射镜上被反射回来；
所述样品端包括面阵光开关、待测玻璃以及带动待测玻璃移动的步进电机，所述待测玻璃的表面与面阵光开关射出的光束垂直，所述测量光束经面阵光开关准直后分成多路等光程的光并依次透过待测玻璃的上表面和下表面再原路返回，所述待测玻璃厚度不超过7mm；
所述数据采集及处理装置包括第二准直镜、衍射光栅、第二会聚透镜、CCD相机和电脑，所述样品端中测量光束的反射光和参考端中参考光束的反射光在光纤耦合器中产生干涉光，第二准直镜将干涉光变成平行光，再由衍射光栅进行分光处理，接着经过第二会聚透镜使CCD相机接收并采集干涉光的信号，电脑对采集到的信号进行处理。
3.根据权利要求2所述的玻璃平整度检测仪，其特征在于，所述面阵光开关由电脑控制开与关以对所述待测玻璃实现检测范围内逐个点的扫描检测。
4.根据权利要求2所述的玻璃平整度检测仪，其特征在于，所述待测玻璃的宽度与面阵光开关的检测宽度相等。
5.根据权利要求2所述的玻璃平整度检测仪，其特征在于，所述数据采集及处理装置将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间。
6.一种玻璃平整度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)开启光源通过光纤藕合器分别向样品端的待测玻璃发射测量光束和参考端发射参考光束；
(2)数据采集及处理装置中的电脑控制面阵光开关逐个开与关，检测完一个面阵光开关面积范围内的待测玻璃，步进电机带动待测玻璃直线移动以使面阵光开关检测待测玻璃下一段，如此，直至将待测玻璃表面所在的点全部检测完；
(3)数据采集及处理装置记录待测玻璃的干涉信号；
(4)电脑接收CCD相机的干涉信号并拟合得出三维图像，获得平整度信息。
7.根据权利要求6所述的玻璃平整度检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中光纤藕合器为2×2光纤耦合器，光源为低相干光；
所述步骤(1)中参考端包括光学中心设置在同一直线上的第一准直镜、第一会聚透镜和反射镜，所述参考光束经第一准直镜准直后变成平行光，再通过会聚透镜射到反射镜上被反射回来，样品端包括面阵光开关、待测玻璃以及带动待测玻璃移动的步进电机，所述待测玻璃的表面与面阵光开关射出的光束垂直，所述测量光束经面阵光开关准直后分成多路等光程的光并依次透过待测玻璃的上表面和下表面再原路返回；
所述步骤(3)中数据采集及处理装置包括第二准直镜、衍射光栅、第二会聚透镜、CCD相机和电脑。
8.根据权利要求6所述的玻璃平整度检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中图像处理是将采集到的干涉光信号强度经傅里叶变换使干涉光强度信号从波失空间变换到坐标空间，坐标空间下的干涉光信号强度IRS(z)与待测玻璃表面的深度z具有以下关系，可表示为：
其中，z表示待测玻璃表面上任意点的深度，当且仅当z＝zi为反射面位置时，IRS(zi)>>IRS(zi’),zi≠zi’，zi’是指i点沿待测玻璃的厚度方向除反射面zi对应位置外的其它点，由此可判断反射点深度，即凸起或凹陷的点与平整的点所对应的zi值不相等。
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