CN110044932B - 一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法 - Google Patents

一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，属于曲面玻璃检测领域，以平行于曲面玻璃平面部分的线偏振光从曲面玻璃侧面入射至待检测曲面玻璃中，采用偏振相机在曲面玻璃平面部分的垂直线方向上采集待检测曲面玻璃的出射光，获得出射光的斯托克斯矢量S’，根据入射至曲面玻璃的线偏振光的斯托克斯矢量S，获得反应曲面玻璃的Mueller矩阵M’，最后根据M’和内部无任何缺陷的标准曲面玻璃样品的Mueller矩阵M，获得待检测曲面玻璃内部缺陷信息，完成检测，其中，线偏振光自身为平行光，而非发散光。本发明方法高效、成本低、能较好的检测曲面玻璃的表面和内部缺陷。

Description

一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法
技术领域
本发明属于曲面玻璃内部缺陷检测领域，更具体地，涉及一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法。
背景技术
玻璃作为一种无机非晶材料，一般是用多种无机矿物作为原料，另外加入少量辅助原料制成，其应用极为广泛。在某些领域，要求玻璃不能有任何裂缝和气泡等缺陷，这就需要一种能够快速识别玻璃中细小裂缝和气泡缺陷的方法。
现有技术中，用于检测平面玻璃微小缺陷的方法无法应用在曲面玻璃微小缺陷的检测上。曲面玻璃是近几年出现的新型事物，iwatch手表、华为新一代手机这类智能设备上会普遍使用曲面玻璃作为屏幕，其符合人的视觉特性。曲面玻璃具有较好的应用前景。典型的曲面玻璃的结构并非市面所看到的弧形液晶电视屏幕那种整体均为曲面的形状，典型曲面玻璃主体部分是一个平面部分，该平面部分呈矩形状，平面部分的四周是一圈曲面，类似于手机壳，主体部分是平面，四周为一圈内扣的弧形状。
这类应用场景中要求曲面玻璃不能有微小的裂缝和气泡，需要对曲面玻璃表面和次表面的微小缺陷进行检测，以剔除次品，保留良品。这类玻璃厚度较小，一般是毫米级别，其次表面也即玻璃内部和表面均要求不能存在微小裂纹、气泡等缺陷。
因此，需要开发一种新型的检测方法或者装置，以能高效、低成本的检测以上所述曲面玻璃的表面和内部缺陷。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，其目的在于，利用斯托克斯矢量和米勒矩阵，对曲面玻璃内部缺陷进行检测。
为实现上述目的，本发明提供了一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，以平行于曲面玻璃平面部分的线偏振光从曲面玻璃侧面入射至待检测曲面玻璃中，采用偏振相机在曲面玻璃平面部分的垂直线方向上采集待检测曲面玻璃的出射光，获得出射光的斯托克斯矢量S’，根据入射至曲面玻璃的线偏振光的斯托克斯矢量S，获得反应曲面玻璃的Mueller矩阵M’，最后根据M’和内部无任何缺陷的标准曲面玻璃样品的Mueller矩阵M，获得待检测曲面玻璃内部缺陷信息，完成检测，其中，线偏振光自身为平行光，而非发散光。
进一步的，其具体包括如下步骤：
S1：以平行于曲面玻璃平面部分的线偏振光从曲面玻璃侧面入射至待检测曲面玻璃中，入射至曲面玻璃的线偏振光的斯托克斯矢量S，
S2：采用偏振相机在曲面玻璃平面部分的垂直线方向上采集待检测曲面玻璃的出射光，获得出射光的斯托克斯矢量S’，
S3：根据公式S'＝M*S，获得反应待检测曲面玻璃的Mueller矩阵M’，
S4：一一对应地比对M’和内部无任何缺陷的标准曲面玻璃样品的Mueller矩阵M各自包含的十六个参数，根据十六个函数各自含义，获得待检测曲面玻璃内部缺陷信息。
进一步的，所述偏振相机采集待检测曲面玻璃出射光时位于曲面玻璃平面部分的中心轴线上。
进一步的，所述曲面玻璃的俯视图为四角为圆弧状的矩形，在曲面玻璃的四个侧面均设置有可开关的线偏振光，以根据实际需要开启所需侧面的线偏振光。
进一步的，所需的线偏振光为LED光源发出的光经过起偏器后获得。
进一步的，所述内部缺陷信息包括是否具有缺陷，缺陷位置以及缺陷类型，具体为，缺陷位于内部还是表面位置，缺陷是裂缝、划痕还是气泡类型。
进一步的，步骤S1和步骤S2发生在暗室环境下。
进一步的，所述待检测曲面玻璃的厚度不大于6mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明方法能够在众多待检测样本中快速找到可能含有缺陷的样本，在已知含有缺陷的样本中快速找到缺陷所在的区域，还能根据Mueller矩阵的不同，判断出缺陷具体是一种什么样类型的缺陷，例如气泡、划痕等等。
附图说明
图1是偏振相机中的微偏振序列示意图；
图2是本发明中检测方法原理图；
图3是Mueller矩阵排列示意图；
图4是本发明实施例中曲面玻璃示意图；
图5是本发明方法中光线分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种偏振成像对曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法。本方法使用了基于偏振阵列集成与成像焦平面的方法，解决了曲面缺陷检测精度低，检测结构和方法复杂的问题。利用此方法，能快速筛选出存在缺陷的曲面样品，以及缺陷所在的大致方位，大大节省了时间，还可有效提高缺陷检测精度，大大节约了成本。
为更好地解释本发明原理和方法，下面对偏振成相的相关基础知识、原理以及可行性进行阐述。
物体在反射、散射一束光的过程中，会产生由其本身性质(表面粗糙度、材料属性等)所导致的偏振信息。对于不同物体，或者同一物体的不同位置都会产生不同的偏振状态，由此，能从偏振光中得出目标的相关信息。利用反射或散射回来的光波偏振信息，间接获取探测目标信息的手段，被称为偏振成像。其被广泛的使用在复杂背景下的精密目标探测领域。
关于偏振光的描述方式，通常使用四个实数作为参数描述各种偏振态的斯托克斯(Stokes)向量法。它包含偏振光的振幅、相位及偏振信息。Stokes向量的量纲是光强。四个分量是光强度的时间平均值。其物理含义为：S0表示总入射光的光强；S1表示水平I0、垂直I90分量光强的差；S2表示45°、135°分量光强的差；S3表示右旋圆偏振分量光强IR、左旋圆偏振分量光强IL的差。
Figure BDA0002037669880000041
其中，Ex(t)为X轴上光的振幅，Ey(t)为Y轴上光的振幅，δx(t)为X轴上光的相位，δy(t)为Y轴上光的相位，<>表示测量的时间平均值。
除了Stokes向量中的参数外，还使用了偏振度(Degree of LinearPolarization,DoLP)和偏振角(Angle of Linear Polarization,AoLP)表征偏振光信息。偏振度通常被认为代表偏振光强度在整体光强度中的比例，与I、Q、U三个参量有关，偏振度的定义如式：
Figure BDA0002037669880000051
当DoLP＝1时，光波为完全偏振光；DoLP＝0时，光波为自然光，其他情况下就是部分偏振光。偏振角则表示线偏振光振动方向和定义的参考方向间的夹角。
Figure BDA0002037669880000052
表1.不同参数表征图像中不同的特点
参数名 参数的含义和作用
I(或S<sub>0</sub>) 图像中表示整体光强度信息，反映场景的整体轮廓
Q(或S<sub>1</sub>) 图像中反映物体的表面材质特征
U(或S<sub>2</sub>) 图像中代表边缘和轮廓等细节信息
AoLP 体现物体的表面边缘信息，能够有效突出人造目标的表面特征
DoLP 包含有物体的偏振信息，图像中的亮度越高，表明物体偏振特性越强
偏振相机对目标场景进行成像，获取四幅偏振方向角0°、45°、90°、135°上的线偏振图像I0、I45、I90、I135，再经过配准、去除噪声等图像预处理后，计算出Stokes矢量图像I、Q、U，最后计算得到偏振特征图像DoLP和AoLP。
可以根据实际情况的不同，选择一个或多个参数进行缺陷的识别和提取。例如，S0参数能够表示可见光的光强信息，这个参数是最符合人眼观察的特性的。S0参数虽然贴近人眼观察特性，但也存在人眼观察所带来的局限性。基于S0参数产生的图像容易受到干扰，例如在环境中灰尘较大或者被测物体与背景颜色差距较小的场景(例如玻璃内部的细小划痕，和玻璃都是透明白色)中，使用S0参数的效果就不容乐观。而偏振角参数和偏振度参数能够很好的表征出物体的偏振信息，但是由于其包含大量偏振信息，导致很不符合人眼观察的习惯。因此，如果将S0表征的光强图像和偏振角或偏振度图像进行融合，可以取长补短，获得既符合人眼观察的图像，又可以获得物体偏振信息，从而获得缺陷的信息。除此之外，将Stokes参数S1和DoLP参数进行融合，可以处理被测物体与背景颜色较小时的物体提取的问题(在复杂背景中找到想要处理的物体)。
利用Stokes矢量可以快速筛选有缺陷的物体。利用基于Stokes矢量表示偏振光不仅简单直观，而且还特别适合在拥有大量样本(不知道其中哪一些为正常样本，哪一些为有缺陷的样本)的情况下快速在众多样本中找寻到可能存在缺陷的潜在样本。其具体方法为，通过技术人员指导，选取若干正常样本，在测试系统中进行成像操作，获取由偏振相机收集到的光并进行Stokes矢量的计算。之后将Stokes矢量进行分析，获得光源照射在正常样本时，Stokes矢量四个参数的极大值和极小值。之后，再进行其他样本的Stokes矢量的获取，当发现有些样本的Stokes矢量的值明显异常时，既可以判断此样本存在一定的缺陷。将所有通过上述方法判断拥有缺陷的样本全部找出来之后，可以再集中进行缺陷的详细寻找和判断。因此，利用Stokes矢量可以解决在大样本时的第一步筛选工作，而这一步在人工检查时往往是最费时费力的。使用本发明中的方法，可以显著提高效率和节约时间。
根据之前所述，使用Stokes矢量必须获得检测对象在0°、45°、90°、135°四个方向上反射光的线偏振图像。目前，为了获取这四个方向上的偏振图像，主流方法有两种。首先，可以选择运用一个旋转装置，在四个角度之间进行旋转,但这样比较浪费时间，且旋转精度无法保证。而且，对于曲面玻璃，曲面相对于平面来说对于旋转的精准度要求更高，旋转之后的校正配准难度更大，这也大大制约了这种方法在曲面玻璃中的应用。其二，使用分光系统，将一束光分为四束，在分别进行偏振操作，这样带来的结果是光束强度降低，且结构复杂，需要在四个光路上分别设置四个相机，成本高。
为了能够快速精准识别曲面玻璃中缺陷，本发明使用了基于偏振阵列集成于成像焦平面的方式，偏振阵列的具体结构如图1所示。基于偏振阵列集成与成像焦平面的方法(A.G.Andreau and Z.K.Kalayjian.Polarization imaging:principles and integratedpolarimeters[C],IEEE Sens.J,2002,2(2002):566-576)的核心是将微米(um)量级的偏振单元与成像焦平面结合组成微偏振序列。
图1为本发明实施例中偏振阵列结构图，由图1所示，微偏振序列以2*2像素矩阵为一组，每一组又由偏振方向为0°、45°、90°、135°偏振单元构成。因此，当一束光经过这一组偏振序列将同时产生0°、45°、90°、135°四个方向上的偏振信息。将获得的一副包含四个偏振方向上信息的图像，利用插值恢复的图像处理算法进行处理，便可以实时获取偏振方向分别为0°、45°、90°、135°的四幅偏振图像。根据四幅偏振图像能直接获得携带曲面玻璃缺陷的Stokes参数。该方式能一次获得四幅图，具有操作简便、精度高、成像稳定等优点，特别适合曲面这种复杂的结构，大大节省了检测的时间和成本。
下面将更为详细介绍这种基于偏振阵列集成与成像焦平面的方法的曲面玻璃表面缺陷检测方法的基本原理：
图2为本发明检测方法原理示意图，如图2所示，曲面玻璃拥有一定的曲率半径，所以当由同一方向入射平行的线偏振光经过曲面的不同位置时，由于其入射角不同，所以会产生不同的效果(在某些角度反射光远大于透射光，在某些角度反射光远小于透射光)，具体的：(1)例如1、2号光线，在曲面表面进行反射，可在直接反射区(表面反射区)观察到前表面的偏振光信息。(2)由布鲁斯特定理可知，当光波从光密介质进入光疏介质时，且入射角等于临界角时，反射率可以达到100％，此时无透射发生。因此，通过调整入射光的角度，可以使3号光线在曲面玻璃内部进行全内反射传输。此时，如再遇到次表面缺陷时，会导致传输不再满足布鲁斯特条件，从而导致光波的传输发生变化，经过表面玻璃透射到空气当中，从而可在次表面(在本发明的曲面玻璃中，可以认为次表面为玻璃内部)反射区观察到次表面的偏振光信息。由此，利用不同偏振光所传播到的区域的不同，可以分别对前表面缺陷和次表面缺陷进行检测。
偏振光学系统可以看做一种能对偏振光进行“转换”的偏振器件。这种转换涉及退偏、偏振状态的非纯态描述等。本发明还使用了米勒(Mueller)矩阵来表征偏振光学系统。Mueller矩阵是一个4*4矩阵，其可以处理曲面玻璃中所存在的退偏振类问题。Mueller矩阵表示法建立在Stokes向量的基础上，可以完全描述偏振光在偏振光学系统中的传输，能反映物质的属性，下面是Mueller矩阵表达式以及其包括的十六个参数m00、m01、m02······m32、m33。
Figure BDA0002037669880000081
入射波的Stokes向量S右乘该系统的4*4阶Mueller矩阵M便得到出射波的Stokes向量S’，即
S'＝M*S
如果入射光依次通过多个光学系统或介质(这些光学器件或介质的Mueller矩阵分别为M1、M2、…、Mn)，那么出射光的Stokes向量S’为：
S'＝Mn…M3M2M1S
当入射光通过偏振光学系统时，光的偏振态、传播方向、振幅及相位都会发生变化，如果入射光的偏振信息已知，则通过Mueller矩阵就可以解得出射光的偏振态。这种描述光偏振态的方法，被称为Stokes-Mueller体系。
根据Stokes-Mueller体系，可以定量的计算出不同角度入射到曲面玻璃不同区域的Mueller矩阵。使用偏振阵列聚焦于成像焦平面的方法，可以快速的获得入射到曲面玻璃表面的偏振光的Stokes向量S。
Mueller矩阵的具有面属性，图3为本发明中表征Mueller矩阵面属性的示意图，M11、M12、M21分别代表不同目标区域的Mueller矩阵。将一块较大的区域按图3所示分为若干排列整齐规则的小区域。每块小区域由于本身特性属性不同，会有不同的Mueller矩阵，可以分别记为M11、M12……。在实际工程实践中，通过比对米勒矩阵，能分区域快速发现曲面玻璃的缺陷，是一种快速高效的缺陷检测方法。
可以得到曲面玻璃在自身毫无缺陷的理想状态下的出射光Stokes向量S1。还可以将直接反射区(表面发射区)和次表面反射区获得的偏振光进行计算处理，得到直接反射区的Stokes向量S2和次表面反射区的Stokes向量S3。将理想状态下的Stokes向量S1同实际待测曲面玻璃的Stokes向量S进行对比，这样就可以快速得到玻璃存在缺陷的区域，缩小了缺陷存在的范围，节约了时间和成本。
对存在问题的偏振光区域进行处理，得到出射光Stokes矢量图像I、Q、U，最后计算得到偏振特征图像DoLP和AoLP。单一的Stokes矢量或者偏振特征参数无法完全表征物体的特征。经过计算处理，采用多参数图像融合的方式，使得在一幅图像中同时获得物体多种特征的表征，使得图像兼顾了人眼判断的难度和细节信息的精准，从而使得缺陷检测更加精确。
本发明中的曲面玻璃指的是屏幕中间大部分为平面，只有在玻璃边缘较小的区域为曲面的玻璃，这种曲面玻璃的特点是曲面区域小，但曲面变化大。这样的曲面玻璃并非市面所看到的弧形液晶电视那种整体均为曲面的形状，而是手机或者iwatch这类电子设备中屏幕所使用的曲面玻璃，其主体部分是一个平面部分，该平面部分呈矩形状，平面部分的四周是一圈曲面，类似于手机壳，主体部分是平面，四周为一圈内扣的弧形或者两侧为内扣的弧形，图4为本发明中所述的曲面玻璃的结构示意图，图4为俯视角度下的曲面玻璃的视图，其大部分为顶部的平面部分，其两侧为内扣的弧形，是曲面状。
图5是本发明方法中光线分布示意图，由图可知，采用本发明方法对待检测的曲面玻璃进行检测时候，LED光源经过起偏后，到达待检测曲面玻璃表面，一部分光线在平滑表面反射，一部分光线在粗糙表面漫反射，这两部分光线均成像在前表面区。还有一部分光线进入次表面区，在曲面玻璃内部发生透射或者全反射，曲面玻璃内部的全反射光遇到次表面缺陷时候，成像在该处，由偏振相机采集信息。如果次表面没有缺陷，则全反射光一直在玻璃充传播直至消逝。
基于以上原理分析，本发明提供了一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，以平行于曲面玻璃平面部分的线偏振光从曲面玻璃侧面入射至待检测曲面玻璃中，采用偏振相机在曲面玻璃平面部分的垂直线方向上采集待检测曲面玻璃的出射光，获得出射光的斯托克斯矢量S’，根据入射至曲面玻璃的线偏振光的斯托克斯矢量S，获得反应曲面玻璃的Mueller矩阵M’，最后根据M’和内部无任何缺陷的标准曲面玻璃样品的Mueller矩阵M，获得待检测曲面玻璃内部缺陷信息，完成检测，其中，线偏振光自身为平行光，而非发散光。
本发明方法具体包括如下步骤：
S1：以平行于曲面玻璃平面部分的线偏振光从曲面玻璃侧面入射至待检测曲面玻璃中，入射至曲面玻璃的线偏振光的斯托克斯矢量S，所述曲面玻璃的俯视图为四角为圆弧状的矩形，在曲面玻璃的四个侧面均设置有可开关的线偏振光，以根据实际需要开启所需侧面的线偏振光。有的时候开启一侧的偏正光，有的时候需要开启所有四个侧面的偏正光。所需的线偏振光为LED光源发出的光经过起偏器后获得，这是因为线偏振光相比自然光能够携带更多信息，且能够削弱表面反射光带来的噪声影响，防止缺陷信息被埋没在背景信息中，适合玻璃这种高反射材质。所述待检测曲面玻璃的厚度不大于6mm，这是因为厚度过大，偏振光在玻璃内部传播消逝速度显著增强，由此在偏振相机出收集到的光强显著降低，无法准确计算出Stokes参数旳值。其中，线偏振光自身为平行光，而非发散光。
S2：采用偏振相机在曲面玻璃平面部分的垂直线方向上采集待检测曲面玻璃的出射光，获得出射光的斯托克斯矢量S’。具体的，所述偏振相机采集待检测曲面玻璃出射光时位于曲面玻璃平面部分的中心轴线上。
步骤S1和步骤S2发生在暗室环境下，这是因为可以最大限度的减小自然光带来的信息对偏振光的干扰。
S3：根据公式S'＝M*S，获得反应待检测曲面玻璃的Mueller矩阵M’，
S4：一一对应地比对M’和内部无任何缺陷的标准曲面玻璃样品的Mueller矩阵M各自包含的十六个参数，根据十六个函数各自含义，获得待检测曲面玻璃内部缺陷信息。所述内部缺陷信息包括是否具有缺陷，缺陷位置以及缺陷类型，具体为，缺陷位于内部还是表面位置，缺陷是裂缝、划痕还是气泡类型。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，其特征在于,
以平行于曲面玻璃平面部分的线偏振光从曲面玻璃侧面入射至待检测曲面玻璃中，该线偏振光在曲面玻璃表面反射形成直射反射区，获得该直射反射区反射光的偏振光信息；
所述线偏振光在曲面玻璃内部遇到缺陷，使得光波的传输发生变化，经过表面玻璃透射到空气当中，形成次表面反射区，采用偏振相机在曲面玻璃平面部分的垂直线方向上采集所述次表面反射区的出射光，获得该次表面反射区出射光的偏振光信息；利用所述直射反射区和次表面反射区出射光的偏振光信息实现对曲面玻璃表面和内部缺陷的检测，其中，利用所述次表面反射区的偏振光信息进行内部缺陷检测按照下列步骤进行：
获得出射光的斯托克斯矢量S’，根据入射至曲面玻璃的线偏振光的斯托克斯矢量S，获得反应曲面玻璃的Mueller矩阵M’，最后根据M’和内部无任何缺陷的标准曲面玻璃样品的Mueller矩阵M，获得待检测曲面玻璃内部缺陷信息，完成检测，
其中，线偏振光自身为平行光，而非发散光；
所述检测方法具体包括如下步骤：
S1：以平行于曲面玻璃平面部分的线偏振光从曲面玻璃侧面入射至待检测曲面玻璃中，入射至曲面玻璃的线偏振光的斯托克斯矢量为S，
S2：采用偏振相机在曲面玻璃平面部分的垂直线方向上采集待检测曲面玻璃的出射光，获得出射光的斯托克斯矢量S’，
S3：根据公式S'＝M’*S，获得反应待检测曲面玻璃的Mueller矩阵M’，
S4：一一对应地比对M’和内部无任何缺陷的标准曲面玻璃样品的Mueller矩阵M各自包含的十六个参数，根据十六个函数各自含义，获得待检测曲面玻璃内部缺陷信息。
2.如权利要求1所述的一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，其特征在于，所述偏振相机采集待检测曲面玻璃出射光时位于曲面玻璃平面部分的中心轴线上。
3.如权利要求1所述的一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，其特征在于，所述曲面玻璃的俯视图为四角为圆弧状的矩形，在曲面玻璃的四个侧面均设置有可开关的线偏振光，以根据实际需要开启所需侧面的线偏振光。
4.如权利要求1所述的一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，其特征在于，所需的线偏振光为LED光源发出的光经过起偏器后获得。
5.如权利要求1所述的一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，其特征在于，所述内部缺陷信息包括是否具有缺陷，缺陷位置以及缺陷类型，具体为，缺陷位于内部还是表面位置，缺陷是裂缝、划痕还是气泡类型。
6.如权利要求1所述的一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，其特征在于，步骤S1和步骤S2发生在暗室环境下。
7.如权利要求1所述的一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，其特征在于，所述待检测曲面玻璃的厚度不大于6mm。
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