基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测技术的实验研究.doc

蒈虿袅膂莄蚈羇羅芀螇蚇膀膆螆蝿羃蒅螅袁膈莁螅肄羁莇螄螃芇芃螃袆肀薁螂羈芅蒇螁肀肈莃袀螀芃艿蒇袂肆膅蒆羄节蒄蒅螄肄蒀蒄袆莀莆蒃罿膃节蒃肁羆薁蒂螁膁蒇蒁袃羄莃薀羅腿艿蕿蚅羂膄薈袇膈薃薇羀肀葿薇肂芆莅薆螁聿芁薅袄芄膇薄羆肇蒆蚃蚆节莂蚂螈肅芈蚁羀芁芄蚁肃膄薂蚀螂羆蒈虿袅膂莄蚈羇羅芀螇蚇膀膆螆蝿羃蒅螅袁膈莁螅肄羁莇螄螃芇芃螃袆肀薁螂羈芅蒇螁肀肈莃袀螀芃艿蒇袂肆膅蒆羄节蒄蒅螄肄蒀蒄袆莀莆蒃罿膃节蒃肁羆薁蒂螁膁蒇蒁袃羄莃薀羅腿艿蕿蚅羂膄薈袇膈薃薇羀肀葿薇肂芆莅薆螁聿芁薅袄芄膇薄羆肇蒆蚃蚆节莂蚂螈肅芈蚁羀芁芄蚁肃膄薂蚀螂羆蒈虿袅膂莄蚈羇羅芀螇蚇膀膆螆蝿羃蒅螅袁膈莁螅肄羁莇螄螃芇芃螃袆肀薁螂羈芅蒇螁肀肈莃袀螀芃艿蒇袂肆膅蒆羄节蒄蒅螄肄蒀蒄袆莀莆蒃罿膃节蒃肁羆薁蒂螁膁蒇蒁袃羄莃薀羅腿艿蕿蚅羂膄薈袇膈薃薇羀肀葿薇肂芆莅薆螁聿芁薅袄芄膇薄羆肇蒆蚃蚆节莂蚂螈肅芈蚁羀芁芄蚁肃膄薂蚀螂羆蒈虿袅膂莄蚈羇羅芀螇蚇膀膆螆蝿羃蒅螅袁膈莁螅肄羁莇螄螃芇芃螃袆肀薁螂羈 基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测技术的实验研究喻宾扬，王召巴，金永（中北大学 信息通信学院 太原 030051）摘要：本文分析了莫尔条纹的形成原理，并对基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测方法进行了研究设计，同时根据设计的实验装置，通过CCD摄像机进行了实际图像采集及其分析，为基于莫尔条纹的玻璃缺陷的在线检测研究提供了实验基础。最后本文还对莫尔条纹的应用进行了一定的展望。关键词：光栅 莫尔条纹 玻璃缺陷 CCD摄像机Abstract: The paper analyzes the principle of moir fringe, and researches the glass defect detection methods which based on moir fringe. The author used a CCD camera to acquire image, then analyses the image. It makes an experimental foundation for on-line detect of defects based on glass moir fringes. This paper also provides certain prospect for moir fringe applications. Keywords：grating moir fringes defects of glass CCD camera1 引言随着玻璃业的不断发展，需求量的不断增加，对其产品的质量要求也是越来越高，此时玻璃质量检测起到了非常重要的作用。传统的玻璃检测的方式是直接通过CCD摄像机获取图像，然后通过对图像的分析处理达到检测的目的，另一种是通过激光检测，它是获取玻璃表面与玻璃透射的激光来信号与原信号的关系来检测玻璃缺陷。虽然直接用CCD相机检测的可视效果不错，但精度有限，激光检测设备却在安装上要求严格。为此，提出了一种基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测的方法。2 莫尔条纹图1 莫尔条纹在我们生活中常常见到莫尔现象，当薄的两层丝绸叠加在一起并作相对运动时，形成一种漂动的水波型花样，这就是莫尔条纹（亦称为云纹）。1874年英国物理学家瑞利首次将莫尔图案作为一种计测手段，从而开创了莫尔测试技术。在莫尔测试技术中123，通常利用两块光栅或者光栅的两个像的叠加产生莫尔条纹，如图1所示，以获得各种被测量的信息。莫尔条纹形成原理45：我们用两块光栅相叠合说明莫尔条纹的形成，光栅的特性可用它的透射系数或者透射频率表征。设两块光栅在x轴方向的周期分别为d1和d2， XX图2 光 栅d 如图2所示。设其空间频率为和，其透射率分别为：式中和是光栅的线条序数，并有，。设用强度为的平面波连续通过两块光栅，则透射强度为：或者写成：式中第一项是平均光强度；第二、三两项是原来的光栅周期结构；第四项为和频项，其空间频率为两光栅空间频率之和，条纹变密；第五项为差频项，其空间频率为两光栅的空间频率之差，条纹变疏。 莫尔条纹原理将作为基于莫尔条纹玻璃缺陷检测研究的基础。3 检测原理莫尔条纹玻璃缺陷检测原理是基于光的干涉，当相对放置之的两片光栅相对移动或者弯曲时，就可以看见明显的干涉条纹，即莫尔条纹。原理如图3所示，将一个带有光栅的光源放置在被检测玻璃的下方，其中光栅G1的栅距较大，光栅G2的栅距较小。G1通过玻璃经过透镜成像在光栅G2上面，形成莫尔条纹。当有缺陷的玻璃移动时，由光源光栅G1玻璃凸透镜光栅G2CCD相机图3 检测原理图干涉产生的莫尔条纹也随之发生变化，因为干涉方法具有很高的灵敏度，即使在光学畸变很弱的情况下，根据CCD摄像机采集到的莫尔条纹也能够检测并计算出玻璃缺陷的光畸变形状和强度。光栅玻璃缺陷变形区域图4 光线通过缺陷示意图AB 如图4所示，当光线通过光栅再穿过玻璃时，由于其中的缺陷及缺陷周围玻璃密度的分布不均匀，光线穿到这些区域的时候，一部分光被遮挡住，而另一部分则以各种形式发生散射，此时在玻璃的另一端将很明显的看到变形的光栅，整个缺陷部分（包括周围的不均匀部分，如图中A、B部分）都能通过CCD摄像机得到其相关信息。但对于直接用CCD摄像机拍摄，它却无法获取玻璃不均匀部分A、B的信息。4 实验研究及对比为了更好的验证莫尔条纹检测技术的优越性，实验的时候我们用CCD相机分别获取了不同玻璃缺陷的图片进行研究（其中包含了直接通过CCD摄像机拍摄到的玻璃缺陷图）。（1）气泡 (a)直接拍摄的气泡 (b)通过莫尔条纹拍摄的气泡图5 气 泡 如图5所示，这是同一个气泡在不同的条件下获取的气泡缺陷。图5(b)中的气泡不但保持了图5(a)中的特点，在周围还有相对明显的光学变化，这样使得在分析通过莫尔条纹获取的气泡缺陷时具有更多的信息。（2）结石 (a)直接拍摄的结石(b)通过莫尔条纹拍摄的结石图6 结 石通过图6，我们能够明显看出通过光栅拍摄到的图像不但带有更多的信息，而且图6(b)中产生的变形区域比图6(a)中的大很多，这样不但能够更好的判断出结石缺陷而且还能更好的对其进行分析处理。（3）夹杂物 (a)直接拍摄的夹杂物(b)通过莫尔条纹拍摄的夹杂物图7 夹杂物如图7所示的夹杂物，由于它在处在玻璃的中层，在加上缺陷本身也比较薄，因而光线在其周围具有较强的穿透力，因而通过CCD摄像机得到的夹杂物图像较为模糊，图7(a)所示。由于穿过光栅的光源没有直接拍摄时那么的强，通过莫尔条纹得到的夹杂物图像不但比图7(a)清晰，而且由于周围的不均匀玻璃成分，而具有更多可供分析的信息。因而通过实验，我们可以看出基于莫尔条纹玻璃缺陷检测法的优势所在。5 实验分析通常的CCD摄像机给出了由于气泡、结石等缺陷引起的光强变化。但是任何玻璃上的污渍也会给出错误的信号，使其不易与真正的缺陷区别开来。莫尔条纹的计算给出了点缺陷周围的屈光值，而且精确度比其它方法高的多。而且污渍不会对干涉条纹产生任何影响，正是由于这一点使得莫尔条纹检测具有更高的可靠性。在激光检测设备上，运用激光扫描仪和最新的激光振荡发光二极管光源技术来计算屈光值的，防止误检的产生。但是在玻璃板带横向上的探测精度却远远不够，其主要原因是：由于点缺陷引起的激光束偏移不是1um，而必须是100以上才会在其放大器输出上有信号，采用振荡发光二极管光源的摄像系统在光强上具有很高的电分辨率，但受到发光二极管尺寸的限制，而不能在缺陷很小及玻璃很厚的时候精确的给出可信的屈光数据6。 通过实验研究，如果光栅的位置不变，在光栅中间放一个可使光线发生偏转的玻璃，干涉条纹的变化与透射光线的偏转有直接的联系，由此可以计算出玻璃每点的屈光值，这种测量屈光值的方法具有很高的精度。6 莫尔条纹应用现状和发展前景近几年莫尔条纹的应用研究取得了进展，从宏观到微观，从常温到高低温，从静态到动态等都有着应用和研究的例子，如在高温高压下等恶劣环境下物体形变的测量、微电子封装组件的热变形研究、在新材料微观力学实验研究中的应用，在现场测试中的应用。因而将莫尔条纹作为一种检测和研究方法有着深远的意义。参考文献1杨淑连虚拟莫尔条纹技术测量浮法玻璃斑马角应用激光2005，第25卷第6期2于美文光学全息及信息处理国防工业出版社19843卿新林云纹干涉法的理论与应用研究评述力学与实践1997，第6期第19卷4赵建林光学高等教育出版社20055张善锺计量光栅技术机械工业出版社19856王丽萍，蓝天，王少丰玻璃缺陷在线自动检测设备性能及实践玻璃2003第5期第170期 袂肅荿蚇蚅羁莈莇袁袇肄葿蚄螃肃薂衿肁肂芁蚂肇肂蒄羇羃肁薆螀衿肀蚈薃膈聿莈螈肄肈蒀薁羀膇薃螇袆膆节蕿螂膆莅螅膀膅薇薈肆膄虿袃羂膃荿蚆袈膂蒁袂螄膁薃蚄肃芁芃袀罿芀莅蚃袅艿蒈袈袁芈蚀蚁膀芇莀薄肆芆蒂蝿羂芅薄薂袈芅芄螈螄莄莆薀肂莃葿螆羈莂薁蕿羄莁莁袄袀莀蒃蚇腿荿薅袂肅荿蚇蚅羁莈莇袁袇肄葿蚄螃肃薂衿肁肂芁蚂肇肂蒄羇羃肁薆螀衿肀蚈薃膈聿莈螈肄肈蒀薁羀膇薃螇袆膆节蕿螂膆莅螅膀膅薇薈肆膄虿袃羂膃荿蚆袈膂蒁袂螄膁薃蚄肃芁芃袀罿芀莅蚃袅艿蒈袈袁芈蚀蚁膀芇莀薄肆