肖長江，張景超，魏 勇，李興元，胡學(xué)良

(1.燕山大學(xué)理學(xué)院，秦皇島066004;2.燕山大學(xué)里仁學(xué)院，秦皇島066004)

引 言

平板玻璃廣泛用于建筑、汽車、制鏡、顯示、光伏等行業(yè)，氣泡、結(jié)石、裂紋等缺陷的存在不僅影響其美觀還直接關(guān)系到玻璃的機械強度和透光性能［1］，進一步的加工處理也很難消除缺陷。由于下游產(chǎn)業(yè)對玻璃原片的質(zhì)量要求不斷提高［2-4］，這就需要對玻璃的缺陷進行嚴格的監(jiān)控［5］。人眼對浮法玻璃上的缺陷并不敏感，且容易產(chǎn)生漏檢。目前，德、英、美等發(fā)達國家已具備較成熟的玻璃在線檢測系統(tǒng)，但設(shè)備價格昂貴。國內(nèi)一些公司也在試制玻璃缺陷在線自動檢測系統(tǒng)，但檢測及識別速率、精度方面與國外還有較大差距［1］。檢測設(shè)備性能的提高可有效保障玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量，提高其市場競爭力［6］。激光視覺檢測技術(shù)［7-11］是一種可行有效的玻璃缺陷檢測技術(shù)。本文中主要探討玻璃氣泡的激光視覺檢測原理，采用線結(jié)構(gòu)光激光器(linear laser diode，LLD)、線陣 CCD 相機(linear array charge coupled device camera，LCCD)以及一套速率可調(diào)的運動平臺在實驗室搭建了玻璃氣泡尺寸視覺測量系統(tǒng)，從理論和實驗兩方面研究氣泡圖像的失真原因及失真情況下氣泡尺寸的測量問題。

1 激光視覺測量原理

視覺測量原理如圖1所示。圖1a中，LLD是線結(jié)構(gòu)激光器，LCCD是線陣CCD相機，n，t，l分別是平板玻璃法向、橫向和縱向。LLD發(fā)射一線結(jié)構(gòu)激光照射在平板玻璃上，成像透鏡將線光斑成像在LCCD像元陣列上，LCCD最大行頻由下式確定:

式中，νmax為最大行頻(單位為kHz)，ν為像素時鐘頻率(單位為MHz)，M為分辨率(即LCCD光敏單元上的像元個數(shù))。圖1b為n-O-t平面上的系統(tǒng)示意圖，其中，V為相機視場(單位為mm)，d為工作距離(單位為mm)，f為成像透鏡焦距(單位為mm)，s為像元尺寸(單位為μm)，由幾何光學(xué)可知，LCCD的視場由下式計算:

Fig.1 Sketch of laser vision measurement

LCCD的視場在橫向上是1維的，每次只采集一行，只有橫向信息，如果要獲取1幅圖像，浮法玻璃板必須沿縱向運動。

圖像的橫向精度可表示為:

式中，pt為圖像橫向精度(單位為mm)，即圖像橫向相鄰兩個像元間距代表玻璃板上橫向的實際尺寸(由于像元之間排列緊密，這里近似認為像元間距與像元尺寸相等)。將(2)式代入(3)式得:

可以看出，在相機工作距離、焦距和像元尺寸確定的情況下，圖像的橫向精度是確定的。

縱向精度與LCCD的工作行頻和被攝物體的運動速率有關(guān)，其計算公式如下:

式中，pl為圖像縱向精度(單位為mm)，即圖像縱向相鄰兩行間距代表玻璃板上縱向的實際距離，vl為玻璃板的縱向運動速率(單位為mm/s)，νwork為LCCD的工作行頻(單位為kHz)。由(1)式可知，工作行頻νwork與工作像素時鐘頻率ν′的關(guān)系為:

將(6)式代入(5)式可得縱向精度與工作像素時鐘頻率之間的關(guān)系:

由(5)式和(7)式可知，當(dāng)玻璃板縱向速率vl=0時，即使LCCD處于工作狀態(tài)(νwork≠0)，但由于此時pl=0，說明此時只能獲取線結(jié)構(gòu)光斑處的橫向信息，不能獲得玻璃氣泡的視覺圖像;當(dāng)玻璃板縱向速率vl≠0時，LCCD將獲得的1維橫向圖像信息進行拼接從而采集玻璃表面的2維圖像信息。

根據(jù)(4)式和(7)式，由已知參量便可計算出圖像的橫向和縱向理論精度，利用獲取的玻璃氣泡橫向和縱向像素數(shù)，便可以計算出氣泡的橫向和縱向尺寸。

式中，sl和st分別為氣泡縱向和橫向尺寸，Nl和Nt分別為氣泡縱向和橫向所占像素數(shù)。

將(8)式中兩式相比得:

對于確定的氣泡，比值sl/st是恒定的，如圖2a所示;若pl=pt，則Nl/Nt=sl/st，說明圖像縱橫所占像素比等于實際氣泡的縱橫尺寸比，圖像反映了真實的氣泡形狀，如圖2b 所示;若 pl＞ pt，則 Nl/Nt＜ sl/st，說明圖像縱橫所占像素比小于實際氣泡的縱橫尺寸比，圖像存在壓縮變形，如圖2c所示;若pl＜pt，則 Nl/Nt＞sl/st，說明圖像縱橫所占像素比大于實際氣泡的縱橫尺寸比，圖像存在拉伸變形，如圖2d所示。

Fig.2 Sketch of bubble distortion

由(4)式和(5)式可得:

此式為保證圖像不失真時，LCCD當(dāng)前工作行頻νwork與玻璃板縱向運動速率vl之間的關(guān)系。相機的當(dāng)前工作行頻隨縱向運動速率成線性變化，當(dāng)縱向運動速率增大時相機的工作行頻相應(yīng)增大，當(dāng)物體運動速率減小時相機的工作行頻相應(yīng)減小，二者比值保持不變。

由(4)式和(7)式可得:

即要保持玻璃氣泡不失真，工作像素時鐘頻率ν′與玻璃板縱向運動速率vl之間必須滿足的關(guān)系式，在相機焦距、工作距離、像元尺寸和分辨率確定的情況下，二者之間亦是一個線性關(guān)系，(10)式和(11)式就是LCCD與運動系統(tǒng)掃描匹配的關(guān)系式。

2 實驗系統(tǒng)及參量

實驗系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。其參量如下:LLD是美國Prophotonix Ltd公司生產(chǎn)的inviso單線激光光源，激光線強度呈非高斯均勻分布，強度波動10%以內(nèi)，功率19mW，峰值波長690nm，最高工作溫度33℃，扇角60°;LCCD相機由加拿大Dalsa公司生產(chǎn)，型號P2-22-06K40，像元尺寸 7μm ×7μm，分辨率 6144 ×1，最大行頻12kHz，相機接口采用Base Camera Link高速標準接口，采用相關(guān)雙采樣和嵌入式平場糾錯算法保證其輸出均勻性，其波長響應(yīng)度在690nm達到峰值38DN/(nJ/cm2)@10dB，可以實現(xiàn)LLD和LCCD的最佳匹配。數(shù)據(jù)采集卡采用Dalsa公司的X64-CL iPro高速圖像采集卡，像素時鐘頻率達85MHz，數(shù)據(jù)密度為(8～16)bit/pixel，主機總線為 PCI-X66，幀緩存為32MB，軟件為Sapera LT 32 bit。相機鏡頭采用Nikon尼克爾自動變焦鏡頭，焦距(24～85)mm可調(diào)，浮動光圈F/(2.8～4)。運動平臺為東莞市奧普特自動化科技有限公司生產(chǎn)的往返式運動平臺，型號為OPTLBLS10，運動速率(0～200)mm/s，速率由廿博公司生產(chǎn)的高載頻脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變頻控制器調(diào)節(jié)，型號NS32，可以顯示工作頻率 f′為(0～30)Hz，工作臺行程(240 ～340)mm，工作臺尺寸220mm×220mm。

Fig.3 Experiment system

3 實驗結(jié)果與分析

實驗中采用的玻璃樣品(來自耀華玻璃廠)中心區(qū)有一橢圓形氣泡。根據(jù)平臺制造商提供的平臺運動參考速率與速率控制器工作頻率的數(shù)據(jù)，計算得到各工作頻率對應(yīng)的速率近似值如表1所示。實驗中，工作距離d=420mm，焦距f=35mm，光圈選擇F/2.8，幀速10frame/s，圖像分辨率 2000pixel×480line，圖像壓縮率90%，工作像素時鐘頻率ν′=20MHz。按表1調(diào)節(jié)運動平臺縱向運動速率，利用Sapera CamExpert圖像采集軟件抓取氣泡缺陷圖像如圖4所示，f′為速率控制器工作頻率。可以明顯看到隨速率的增大，氣泡圖像的縱向尺寸逐漸減小，而橫向尺寸幾乎不變，這與(4)式和(7)式的理論討論相符。

Table 1 Experiment data

Fig.4 Bubble images at the different velocities

3．1 氣泡圖像失真分析

將系統(tǒng)參量 f=35mm，M=6144，d=420mm，s=7μm和最大縱向運動速率vl，max=200mm/s代入(11)式得最大工作像素時鐘頻率νmax′≈15MHz，即當(dāng)玻璃板以最大縱向速率運動時，需匹配的工作像素時鐘頻率約為15MHz，速率小于200mm/s時，工作時鐘頻率必然小于15MHz，然而Sapera CamExpert中顯示可調(diào)節(jié)的最小時鐘頻率為20MHz，因此，在上述選定的焦距、工作距離內(nèi)，所觀察到的氣泡圖像必然發(fā)生變形失真。由(4)式和(7)式計算可得橫向精度 pt=0.084mm，最大縱向精度pl≈0.061mm，利用表1中的數(shù)據(jù)計算圖4中各圖像的縱向精度，可知pl＜pt，即氣泡圖像存在拉伸變形。

3．2 氣泡尺寸計算與誤差分析

利用Dalsa公司的Sapera Architect軟件可獲得氣泡圖像的縱向和橫向所占像素數(shù)Nl和Nt，利用(4)式和(7)式可計算得到pt和pl，列于表1中，進而利用(8)式可計算出氣泡尺寸。利用表1中的數(shù)據(jù)可得氣泡縱向和橫向測量尺寸隨平臺運動速率的變化關(guān)系曲線，如圖5所示，可見，平臺運動速率對氣泡縱向尺寸測量的影響遠大于對橫向氣泡尺寸的測量，結(jié)果如表2所示，氣泡尺寸的橫向測量誤差較小，在誤差允許的范圍內(nèi);縱向誤差較大，已超出了誤差的允許范圍。

Fig.5 Influence of platform velocity on bubble size measurement

Table 2 Measurement results of bubble size

產(chǎn)生誤差的原因是:(1)計算采用的縱向運動速率只是一個均值，對于往返式運動平臺來說，必然存在速率或大或小的情況，這就造成縱向精度其實是隨時間變化的;(2)利用Sapera Architect軟件獲取縱向最大像素數(shù)時，對興趣區(qū)的選擇存在一定的主觀性，不容易確定氣泡圖像的邊緣范圍;(3)利用Sapera CamExpert抓取氣泡圖像時，由于軟件響應(yīng)時間不同，也會帶來縱向測量誤差;(4)玻璃板在平臺上不規(guī)則的微小移動對橫向和縱向測量都會或多或少的產(chǎn)生誤差。

4 結(jié)論

玻璃氣泡等缺陷的測量是玻璃生產(chǎn)過程中的必要環(huán)節(jié)，激光視覺測量是一種缺陷測量的有效手段，對于線陣CCD相機來說，相機橫向掃描和玻璃運動的縱向掃描之間的匹配可以實現(xiàn)氣泡圖像的采集，在相機工作距離、焦距和像元尺寸確定的情況下，橫向精度通常保持不變，但縱向精度卻隨玻璃運動速率的變化而變化，當(dāng)縱向精度大于橫向精度時，圖像發(fā)生壓縮變形;當(dāng)縱向精度小于橫向精度時，圖像又發(fā)生拉伸變形;只有縱向精度與橫向精度相等時，才能獲得無失真的圖像。理論分析和實驗表明，縱向尺寸測量誤差較大，而橫向精度卻不隨玻璃運動速率變化，在誤差允許的范圍內(nèi)，可以有效的測量氣泡橫向尺寸?？梢灶A(yù)見，該方法對于玻璃中的其它類型缺陷，如結(jié)石、夾雜等的橫向尺寸測量同樣適用。

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