CN107024488A - 一种玻璃缺陷检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃缺陷检测方法。本发明步骤包括：用光源照射待检测玻璃样本，得到透射光；将透射光附带的相位信息经过傅里叶变换转换为位移信息；根据位移信息判定待检测玻璃样本是否存在缺陷；若存在缺陷，则检测存在缺陷的待检测玻璃样本的缺陷位置。本发明根据物像之间的等光程性通过光程理论建立起光程差和相位差之间的对应关系，并根据傅里叶光学中的频移性质，将待检测玻璃样本的厚度信息以透射光附带相位信息为媒介，再将相位信息转换成位移信息及光照强度信息记录在相机中，进而根据待检测玻璃样本厚度和图像灰度值之间的对应关系，通过对应的求解算法求出不同灰度值对应的样本厚度。能够快速精确的检测玻璃产品的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及质量检测和光学信息处理领域，尤其针对微小缺陷的可视化检测，具体涉及一种玻璃缺陷检测方法。
背景技术
玻璃是一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。又因玻璃具有独特的材料性质，所以玻璃在各行各业都运用得十分广泛。但是，在玻璃生产过程中，由于工艺及其他原因会产生诸如气泡、划痕、光学畸变、锡滴等杂质或者缺陷，不仅影响了玻璃的美观，同时还严重影响到玻璃的质量，尤其是对于精度要求高、厚度很薄、光学特性要求严格的玻璃产品，例如手机屏幕，激光器谐振腔，四分之一波片，平板屏幕，电子产品显示屏，光学镜片等，检测成品的精度和质量是一项关键性技术问题。同时随着社会的不断发展，科技的不断进步，玻璃的使用领域逐渐拓宽的同时，人们对玻璃的要求也变得更加的挑剔，玻璃质量的检测起到了至关重要的作用。由此，便出现了针对玻璃各项指标进行检测的技术。而其中对于玻璃缺陷的检测内容，目前主要针对的便是平整度、裂痕、气泡这三个指标。
传统的玻璃检测方法是应用于大面积玻璃制品的检测，测量精度多是毫米级，有些可以达到微米级。例如基于机器视觉的玻璃检测方法，该方法可以识别图像中的气泡、刮痕区域，但是却无法获得刮痕的深度，同时由微弱的表面起伏所造成的不平整性不会影响图像灰度，因此也无法检测出来。
发明内容
本发明的目的是提供一种玻璃缺陷检测方法，该方法可以快速精确的检测玻璃产品的平整度、刮痕、气泡等缺陷是否存在，并对存在缺陷的区域准确定位，以达到产品筛选和质量评估的目的。
为达上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种玻璃缺陷检测方法，其步骤包括：
步骤1.用光源照射待检测玻璃样本，得到透射光；
步骤2.将上述透射光附带的相位信息经过傅里叶变换转换为位移信息；
步骤3.根据上述位移信息判定待检测玻璃样本是否存在缺陷；
步骤4.若存在缺陷，则检测存在缺陷的待检测玻璃样本的缺陷位置。
进一步地，步骤1中所述光源为亮度均匀可调的单色光。
进一步地，步骤2中所述透射光附带的相位信息是指待检测玻璃样本厚度调制的信息。
进一步地，步骤2中通过傅里叶双胶合透镜进行傅里叶变换。
进一步地，步骤2中所述位移信息由相机拍摄的图像记录。
更进一步地，步骤3中根据相机拍摄图像的灰度值判断所述待检测玻璃样本是否存在缺陷；若图像的灰度值处处相同，则无缺陷；否则存在缺陷。
更进一步地，步骤4中根据图像各点像素的灰度值判定所述存在缺陷的待检测玻璃样本的缺陷位置。
更进一步地，较小的灰度值对应的位置为存在缺陷的待检测玻璃样本的缺陷位置。
更进一步地，根据上述灰度值减小的量和存在缺陷的待检测玻璃样本厚度的对应关系，通过对应的求解算法求出不同灰度值对应的样本厚度。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种玻璃缺陷检测方法，该方法根据物像之间的等光程性通过光程理论建立起光程差和相位差之间的对应关系，使得待检测玻璃样本的厚度信息可以通过透射光的相位信息表示出来。同时该方法根据傅里叶光学中的频移性质，将待检测玻璃样本的厚度信息以透射光附带相位信息为媒介，再将相位信息转换成光照强度信息及位移信息记录在相机中，进而根据待检测玻璃样本厚度和图像灰度值之间的对应关系，通过对应的求解算法求出不同灰度值对应的样本厚度。
附图说明
图1为本发明的一种玻璃缺陷检测方法的光路图。
图2为本发明的光程差与相位差关系示意图。
图3为两个圆心分别为O1、O2的相同大小的圆环重叠面积的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
本发明提供一种玻璃缺陷检测方法，利用亮度均匀的单色光照明，照明光通过待检测玻璃样本后，透射光会附带上由玻璃样本厚度调制的相位信息，经过傅里叶双胶合透镜进行傅里叶变换，在频域面相位信息转换为位移信息，有缺陷的区域透射光所附加的相位因子与其它位置透射光所附加的相位因子相比存在相位差，其成像在频域面会发生位移。两个环形光阑(即环形光阑1和环形光阑2)处于共轭位置，经过不存在缺陷区域的光恰好可以经过环形光阑2且亮度不会降低；而有缺陷位置处透射光的一部分会被环形光阑2遮挡住，使得出射光亮度变低。并且可以从相机中图像的灰度值求出该玻璃样本是否存在缺陷以及存在缺陷的具体位置。该方法的光路图如图1所示，其步骤为：
步骤1、首先选用亮度可调的LED白光光源，在光源之后放置中心波长532nm、带宽10nm的干涉滤波片，使得出射光变为亮度均匀可调的单色光。选择两个相同的环形光阑，其内环半径r和外环半径R，R小于等于50.8mm，r大于等于0.5R；一般r＝30mm、R＝40mm，仅两环中间部分透光，其余部分遮光。此时，经过环形光阑1之后，入射光变成环形。这样就可以使经过环形光阑1的入射光变成环形照明光。其光波的三角函数表示和复数表示分别为：
其中，u代表光波的复振幅，Uo代表光波的振幅大小，p,t两个参数分别代表空间中的位置和时间，ω代表光波角频率，代表相位。
对于单色光场，时间因子e-iωt总是相同的，因此光波可以表示为：
上述公式(3)为单色光波的复振幅表示。其中复振幅U(p)由两部分组成，其模量U0(p)代表振幅在空间的分布，其复角代表相位的空间分布。任何波的强度都正比于振幅的平方，可直接令光强I等于振幅U0(p)的平方，即：
I(p)＝U0 2(p) (4)
因U0(p)是复振幅U(p)的模，故可写为：
I(p)＝U(p)U*(p) (5)
其中U*(p)是U(p)的共轭复数。
步骤2、选取三个焦距相同的的傅里叶双胶合透镜，一般f＝150mm(即傅里叶双胶合透镜1、傅里叶双胶合透镜2和傅里叶双胶合透镜3)，按照光照明方向，在距离环形光阑1为f处放置一个傅里叶双胶合透镜1，并在傅里叶双胶合透镜1后方距离为f处放置待检测玻璃样本，该透镜会将照明光汇聚到该玻璃样本上，并将样本照亮。在待检测玻璃样本后方距离为f处放置傅里叶双胶合透镜2，并在该透镜后方距离为f处放置环形光阑2。这样，傅里叶双胶合透镜1和2组成一个光学4f系统，两个环形光阑位于共轭位置，待检测玻璃样本位于光学4f系统中部的傅里叶频谱面。
假设该玻璃样本的材质几乎处处一致，一面严格平整，另一面上少量区域存在刮痕，则这些刮痕所在的位置厚度相对于整体会薄一些，如图2中凹陷部分所示。
请参考图2，光程OPL＝n×h，其中n为样本的折射率且n>1，同一材质样本的折射率处处相同；h为光的行程，垂直照射情况下即为样本厚度。凹陷处比其余区域要薄，因此凹陷处的透射光与整体相比会存在光程差，进而引入相位差：
公式(6)建立起样本厚度差Δh，以及由此引入的相位差Δ之间的对应关系。
设样本透射光的复振幅为：
则凹陷位置的透射光复振幅为：
经过凹陷位置的透射光复振幅相对于整体存在一个相位差：
下面来推导空域中的相移和傅里叶变换后频域中的位移之间的对应关系。
已知：其中，单向箭头上方表示一次傅里叶变换，则：
其中，ω为空域坐标x在傅里叶面上的坐标表示。因此：
于是可以得出结论：空域中的相移会在频域中引入位移。现在将光波复振幅中的相位与傅里叶变换性质中的相位以物理意义为背景对应起来。即：
在亮度均匀的单色光照明的前提下，上面两项公式的对应关系成立。这样，光波经过样本上刮痕对应的凹陷位置后，透射光相比于整体会存在光程差，进而在透射光中引入了相位差。空域中的相位经过傅里叶变换后，会在其对应频域中变成位移。因此可以得出结论：
①若样本严格平整，则在光波行进路线上样本的厚度处处一致，光走过的光程OPL处处相等，经过玻璃样本的透射光相位相同，各处之间不存在相位差。因为入射光经过样本之后，样本引入的相位信息相同，因此透射光通过傅里叶双胶合透镜2，经过傅里叶变换之后，在环形光阑2处得到的透射光的位移处处相同，经过位置调整可以使得透射光能够无阻碍的通过环形光阑2，光亮度处处相同，没有损失。
②若样本存在气泡、刮痕或不平整等质量问题，则该区域玻璃样本的厚度就会变薄，入射光经过存在缺陷的区域之后，与质量合格的其他区域相比通过的光程会存在差别，相对于整体就会在透射光中引入相位差，因此透射光通过傅里叶双胶合透镜2，经过傅里叶变换之后，在环形光阑2处得到的透射光有缺陷部分像的位移与整体存在差异，透射光无法全部通过环形光阑2，像会被环形光阑2挡住，光亮度会降低。由此可以建立起相机上各点处图像的灰度值与样本厚度之间的对应关系。
步骤3、在环形光阑2后距离f处放置傅里叶双胶合透镜3，然后在该傅里叶双胶合透镜3后方距离f处放置相机，这样，玻璃样本和相机所在平面为共轭面，同时傅里叶双胶合透镜2和傅里叶双胶合透镜3组成另一个光学4f系统，环形光阑2位于4f系统的傅里叶平面上，作用相当于孔径光阑。此时相机的像素面上得到的是全白的图像，若玻璃样本质量合格，则图像像素灰度值处处相同；若样本存在缺陷，则缺陷所在区域的图像像素灰度值会变低。灰度值减小的量和样本的厚度存在严格的对应关系，再通过对应的求解算法求出不同灰度值对应的样本厚度是多少即可。
下面来阐述频域中的位移d以及相机上各点的灰度值如何得到。光路中环形光阑1和2的内外半径分别为r、R。光经过样本后，透射光经过样本调制，会引入相位信息，透射光经过傅里叶双胶合透镜2之后，在环形光阑2上得到其频域像，该图像中，刮痕处的透射光因为与整体相比存在相位差，因此在此处与整体相比会引入位移，设其大小为d。请参考图3，图3为两个圆心分别为O1、O2的相同大小的圆环重叠面积的示意图。圆环的环状部分透光，中间和其它地方不透光，里面不透光的内环部分半径为r，包括外面透光部分的外环部分半径为R，两圆环圆心距为d，θ1、θ2分别表示内圆和外圆交点到圆心连线与两圆环圆心连线之间的夹角，重叠面积如图3中网格部分所示。假设照明光源亮度均匀一致，则相机上接收到的样本透射光亮度A只与环形光阑2平面上样本每一处透射光经过傅里叶变换后在环形光阑2平面与该处圆环重叠面积S成正比，即A∝S。设ΔS代表缺陷部位透射光面积相对于其它地方的减小的差值，此时即重叠面积正比于相位的梯度。此时频域上面的位移d可以通过相机中得到的图像的灰度值I 计算得到。推导公式如下：
设环外半径为R，内半径为r，圆心距为d，圆环重叠部分面积为S，S可以通过两个大小不同的圆的重叠面积相减得到。设大圆重叠部分面积为SR，小圆部分重叠面积为Sr，则S＝SR-Sr，如图3中网格部分所示，即
S＝SR-Sr＝(2θ1·R2-R2·sin2θ1)-(2θ2·r2-r2·sin2θ2) (13)
由A∝S得，即频域的相位会在时域中引入位移。若相机上图像的灰度值I处处相等，则玻璃样本为合格产品；若相机上图像某些像素区域的灰度值I0<I，则该区域存在缺陷。以此来判断玻璃上某一点是否为瑕疵点。
以上实施仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (8)
1.一种玻璃缺陷检测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1.用光源照射待检测玻璃样本，得到透射光；
步骤2.将上述透射光附带的相位信息经过傅里叶变换转换为位移信息；
步骤3.根据上述位移信息判定待检测玻璃样本是否存在缺陷；
步骤4.若存在缺陷，则检测存在缺陷的待检测玻璃样本的缺陷位置。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃缺陷检测方法，其特征在于
步骤1中所述光源为亮度均匀可调的白光，且在光源之后放置中心波长532nm、带宽10nm的干涉滤波片，使得出射光变为亮度均匀可调的单色光。
3.根据权利要求2所述的一种玻璃缺陷检测方法，其特征在于得到透射光的具体操作如下：
选择两个相同的环形光阑，其内环半径r和外环半径R，R小于等于50.8mm，r大于等于0.5R；仅两个环形光阑的中间部分透光，其余部分遮光；单色光经过环形光阑Ⅰ之后，入射光变成环形，从而使经过环形光阑Ⅰ的入射光变成环形照明光；其光波的三角函数表示和复数表示分别为：
其中，u代表光波的复振幅，Uo代表光波的振幅大小，p,t两个参数分别代表空间中的位置和时间，ω代表光波角频率，代表相位；
对于单色光场，时间因子e-iωt总是相同的，因此光波表示为：
上述公式(3)为单色光波的复振幅表示；其中复振幅U(p)由两部分组成，其模量U0(p)代表振幅在空间的分布，其复角代表相位的空间分布；任何波的强度都正比于振幅的平方，可直接令光强I等于振幅U0(p)的平方，即：
I(p)＝U0 2(p) (4)
因U0(p)是复振幅U(p)的模，故可写为：
I(p)＝U(p)U*(p) (5)
其中U*(p)是U(p)的共轭复数。
4.根据权利要求1所述的一种玻璃缺陷检测方法，其特征在于
步骤2中所述透射光附带的相位信息是指待检测玻璃样本厚度调制的信息；所述的傅里叶变换是通过傅里叶双胶合透镜进行傅里叶变换；所述的位移信息由相机拍摄的图像记录。
5.根据权利要求1或4所述的一种玻璃缺陷检测方法，其特征在于步骤2的具体实现过程如下：
选取三个焦距相同的傅里叶双胶合透镜，分别为傅里叶双胶合透镜Ⅰ、傅里叶双胶合透镜Ⅱ和傅里叶双胶合透镜III，按照光照明方向，在距离环形光阑Ⅰ为f处放置一个傅里叶双胶合透镜Ⅰ，并在傅里叶双胶合透镜Ⅰ后方距离为f处放置待检测玻璃样本，该透镜会将照明光汇聚到该玻璃样本上，并将待检测玻璃样本照亮；在待检测玻璃样本后方距离为f处放置傅里叶双胶合透镜Ⅱ，并在该透镜后方距离为f处放置环形光阑Ⅱ；傅里叶双胶合透镜Ⅰ和Ⅱ组成一个光学4f系统，两个环形光阑位于共轭位置，待检测玻璃样本位于光学4f系统中部的傅里叶频谱面；
光程OPL＝n×h，其中n为样本的折射率且n>1，同一材质样本的折射率处处相同；h为光的行程，垂直照射情况下即为样本厚度；凹陷处比其余区域要薄，因此凹陷处的透射光与整体相比会存在光程差，进而引入相位差：
公式(6)建立起样本厚度差Δh，以及由此引入的相位差之间的对应关系；
设样本透射光的复振幅为：
则凹陷位置的透射光复振幅为：
经过凹陷位置的透射光复振幅相对于整体存在一个相位差：
下面来推导空域中的相移和傅里叶变换后频域中的位移之间的对应关系；
已知：其中，单向箭头上方表示一次傅里叶变换，则：
其中，ω为空域坐标x在傅里叶面上的坐标表示；因此：
从而能够得出结论：空域中的相移会在频域中引入位移；现在将光波复振幅中的相位与傅里叶变换性质中的相位以物理意义为背景对应起来；即：
在亮度均匀的单色光照明的前提下，上面两项公式的对应关系成立；这样，光波经过样本上刮痕对应的凹陷位置后，透射光相比于整体会存在光程差，进而在透射光中引入了相位差；空域中的相移经过傅里叶变换后，会在其对应频域中变成位移；因此可以得出结论：
①若样本严格平整，则在光波行进路线上样本的厚度处处一致，光走过的光程OPL处处相等，经过玻璃样本的透射光相位相同，各处之间不存在相位差；因为入射光经过样本之后，样本引入的相位信息处处相同，因此透射光通过傅里叶双胶合透镜Ⅱ，经过傅里叶变换之后，在环形光阑Ⅱ处得到的透射光的位移处处相同，经过位置调整可以使得透射光能够无阻碍的通过环形光阑Ⅱ，光亮度处处相同，没有损失；
②若样本存在气泡、刮痕或不平整等质量问题，则该区域玻璃样本的厚度就会变薄，入射光经过存在缺陷的区域之后，与质量合格的其他区域相比通过的光程会存在差别，相对于整体就会在透射光中引入相位差，因此透射光通过傅里叶双胶合透镜Ⅱ，经过傅里叶变换之后，在环形光阑Ⅱ处得到的透射光有缺陷部分像的位移与整体存在差异，透射光无法全部通过环形光阑Ⅱ，像会被环形光阑Ⅱ挡住，光亮度会降低；由此可以建立起相机上各点处图像的灰度值与样本厚度之间的对应关系。
6.根据权利要求1所述的一种玻璃缺陷检测方法，其特征在于步骤3中根据相机拍摄图像的灰度值判断所述待检测玻璃样本是否存在缺陷；若图像的灰度值处处相同，则无缺陷；否则存在缺陷。
7.根据权利要求5所述的一种玻璃缺陷检测方法，其特征在于步骤3所述的根据上述位移信息判定待检测玻璃样本是否存在缺陷，具体如下：
在环形光阑Ⅱ后距离f处放置傅里叶双胶合透镜III，然后在该傅里叶双胶合透镜III后方距离f处放置相机，玻璃样本和相机所在平面为共轭面，同时傅里叶双胶合透镜Ⅱ和傅里叶双胶合透镜III组成另一个光学4f系统，环形光阑Ⅱ位于4f系统的傅里叶平面上，作用相当于孔径光阑；此时相机的像素面上得到的是全白的图像，若玻璃样本质量合格，则图像像素灰度值处处相同；若样本存在缺陷，则缺陷所在区域的图像像素灰度值会变低。
8.根据权利要求6所述的一种玻璃缺陷检测方法，其特征在于步骤4所述的检测存在缺陷的待检测玻璃样本的缺陷位置，具体如下：根据图像各点像素的灰度值判定所述存在缺陷的待检测玻璃样本的缺陷位置；较小的灰度值对应的位置为存在缺陷的待检测玻璃样本的缺陷位置。
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