基于光彈法的玻璃缺陷檢測技術的實驗研究

包亦望 周華斌 邱 巖 劉小根 萬德田 王秀芳

（1.中國建筑材料檢驗認證中心有限公司，北京100024； 2.上海理工大學，上海 200093；）

1 引言

我國是平板玻璃制造大國，平板玻璃年產量超過上千萬噸，占世界總產量的30%以上，并且浮法玻璃又被深加工成各種各樣的建筑中空、真空、夾層和鋼化玻璃，各種玻璃作為建筑中的各種圍護和采光材料，玻璃幕墻、玻璃天棚、玻璃地板、玻璃樓梯甚至全玻璃建筑都已廣泛出現。但是浮法玻璃在生產過程中，由于工藝及其他原因會產生諸如氣泡、劃痕、結石、光學畸變、錫滴等雜質或缺陷，不僅影響了玻璃的美觀，同時嚴重影響到玻璃的質量，而且被加工成鋼化玻璃以后，玻璃內部的結石或雜質會使玻璃在使用和安裝過程由于應力集中和不均勻而發生自爆，帶來嚴重的安全隱患，危及人的生命安全造成財產損失[1]。因此玻璃質量檢測起到了非常重要的作用[2]。傳統的玻璃檢測的方式是直接通過CCD攝像機獲取圖像，然后通過對圖像的分析處理達到檢測的目的；另一種是通過激光檢測來獲取玻璃表面與玻璃透射的激光信號與原信號的關系來檢測玻璃缺陷[3]。雖然直接用CCD相機檢測的可視效果不錯，但精度有限，激光檢測設備在安裝上要求比較嚴格。因此，本文提出了一種基于光彈法的玻璃缺陷檢測的方法，該方法不僅可以排除玻璃表面的灰塵等錯誤信號，還可以對玻璃內部的雜質和缺陷進行分類，而且對于缺陷附近的應力大小可以直觀定量地觀察到[4]。

2 檢測原理及實驗裝置

光彈法是實驗應力分析的一種基本方法，是基于平面應力-光性定律提出來的。已被廣泛用于測試汽車玻璃的邊緣應力[5],鋼化玻璃的殘余應力[6]等，光彈性原理如圖1所示。光源發出的光束經準光鏡變為平行光。通過起偏振鏡后，變成只在一個平面內振動的平面偏振光，此時平面偏振光通過模型會按照兩個主應力方向進行分解，通過受力模型后出來的偏振光有了光程差然后又一起通過第二個偏振片，也就是檢偏鏡，最后在屏幕上成像。通常起偏振鏡的偏振軸P與檢偏振鏡的偏振軸A是正交的（如圖1所示），這樣組成的在屏幕上光場背景是暗的，稱為暗場，若兩偏振鏡的偏振軸相平行，此時背景是亮的，稱為明場。各項同性透明的非晶體材料，例如聚碳酸酯、環氧樹脂、玻璃、透明塑料等材料，在無應力狀態下沒有雙折射性質。當這種材料產生應力后，它們的性質如同各向異性晶體一樣，產生雙折射現象。當應力解除后，這種雙折射效應會消失，這就是暫時雙折射現象。當此種受力模型置于偏振光場中，就會觀察到由這種暫時雙折射而引起的干涉條紋[7]。原因是，在通過受力模型后，這兩支平面偏振光波使產生了光程差δ。平面應力光定律指出，此光程差δ由下式表示：

式中：c－材料的應力光學系數，與模型材料及光波波長有關。

t－模型厚度。

σ1?σ2－該點的主應力差。

通過檢偏振鏡后，模型上任一點的光強由下式示：

式中：I0是起偏鏡后光的強度，λ是所用光源的波長（單色光）θ為模型上任一點的主應力σ1與檢偏振鏡偏振軸之間的夾角。將（1）代入（2）式可得：

受力模型上任一點的應力差σ1?σ2和θ均不相同，因此在屏幕上各點的亮度不一樣，即在屏幕上形成明暗相間的條紋,通過對條紋值的讀取可以知道受力模型內部的應力大小。因為本文研究的玻璃內部的缺陷和雜質附近的應力很小，讀不出明顯的條紋值，因此只做定性的判定，只需要檢測到缺陷或雜質引起的應力光斑現象即可，因此對于應力值的讀取不做討論。

圖1 光彈性原理示意圖

根據光彈法的原理，我們設計了該實驗裝置（如圖2），因為自然光光強比較弱，對于缺陷檢測的效果影響較大，因此實驗采用白光作為光源。為了代替準光鏡獲得平行光，采用一塊厚度為5mm的單面磨砂玻璃，這樣通過磨砂面后的光就是平行光，把起偏片貼在磨砂玻璃的光滑面。通過起偏振片后，平行光變成只在一個平面內振動的平面偏振光。平面偏振光通過帶有雜質或缺陷的玻璃，然后通過檢偏片成像，圖2中的檢偏片安裝在CCD鏡頭前面（本實驗采用日本KEYENCE產的VHX-600E數碼顯微鏡）。為了獲得暗場，起偏振鏡的偏振軸與檢偏振鏡的偏振軸必須正交。當未有缺陷或雜質的普通玻璃放置在暗場中時，因為此時的玻璃屬于各向同性透明的，平面偏振光直接透射過玻璃，觀察不到雙折射現象。當玻璃內部存在缺陷或者雜質時，因為其附近會產生應力集中，因此平面偏振光不能直接透射過，雜質或缺陷周圍由于產生雙折射現象，在暗場中可以觀察到明顯的應力光斑或者條紋。因此就可以通過這種方法來檢測出玻璃的雜質或缺陷。

圖2 實驗檢測裝置原理圖

3 實驗結果和分析

為了更好的驗證光彈法檢測技術的優越性，實驗的時候我們用CCD相機4分別獲取了不同玻璃缺陷的圖片進行研究（其中包含了直接通過CCD攝像機拍攝到的玻璃缺陷圖）。

(1)結瘤

結瘤是玻璃中存在的化學不均勻或熱學不均勻顯示出的特別明顯的光學畸變。是玻璃中的常見缺陷。玻璃中結瘤和氣泡都有一個共同點，顏色透明，不像其他夾雜物一樣可以在通過CCD相機下比較容易檢測到。如圖3中，a圖是直接用CCD相機拍攝到的，肉眼比較難分辨出來，可供進一步圖像處理進行判定缺陷類型的信息比較少；b圖是在光彈下拍攝到的，可以看出結瘤周圍存在的光斑，而結瘤中間和玻璃正常部分都是暗場。

圖3 結瘤

(2)錫滴

錫滴是指掉落到玻璃帶上表面含錫的固態或液態物，通常是SnS、SnO2或Sn，也稱為“掉錫點”。掉錫點一般很小，粒徑約為0.1～0.5mm，大部分在0.3mm左右，肉眼很難從運行的玻璃帶上發現它。但能使直徑約5～10mm的周圍玻璃表面產生嚴重的光學扭曲，所以又稱“光畸變點”，使玻璃成品成為廢品。圖4中，c圖是CCD相機直接拍攝的，錫滴呈小黑點；d是光彈下拍攝的，可以看出錫滴因為阻止了平行偏振光的透過，整個錫滴都呈現暗場，因為錫滴通常在玻璃表面，所以只在錫滴周圍有雜亂微小的光點。

圖4 錫滴

(3)結石

結石是玻璃制品中最危險的缺陷,它不僅破壞了玻璃制品的外觀質量和光學均勻性,而且降低了玻璃制品的使用價值,在玻璃生產中應盡量減少結石的產生.結石可分為配合料結石、耐火材料結石、析晶結石、硫酸鹽夾雜物、黑色夾雜物與外來夾雜物.一般使用偏光顯微鏡巖相分析法均可做出鑒定,因為它們有著較明顯的結晶形態和光學特性。結石是在進行配料的時候，或者在玻璃出爐的時候，沒有與其他物質完全反應而保留下來的。結石的種類很多，但結石的圖案在光彈下拍攝的圖片都具有類似的花瓣狀或蝴蝶狀的黑白條紋圖案。如圖5和圖6，分別是斜鋯石和氧化鉻的圖像。e圖和g圖是CCD相機直接拍攝到的圖像；f圖和h圖是光彈下拍攝的圖像，可以看到很漂亮的花瓣狀或蝴蝶狀的黑白條紋圖案。

圖5 斜鋯石

圖6 氧化鉻

（4）真空玻璃支柱

真空玻璃兩層玻璃之間有0.02~0.03mm的真空間隙，這兩層玻璃之間有設置支柱，防止兩層玻璃因外部大氣壓作用而吸在一起。因此在支柱周圍由于受應力集中，可以在光彈下看到明顯的光斑。當支柱周圍出現裂紋或者真空玻璃漏氣導致真空度變化時會引起支柱周圍的光斑大小的變化。文獻[8]報道過利用光彈法測試真空玻璃真空度的可行性辦法。圖7中，i圖是CCD相機直接拍攝的支柱圖像，看不到支柱周圍的光斑；j圖是光彈下拍攝的圖片，可以看到很均勻對稱的梅花狀圖形，通過觀察同一批真空玻璃的光斑大小和玻璃內部真空度的比例關系，可以定性或定量判斷出真空玻璃是否失效。

圖7 真空玻璃支柱

4 結論

本文基于光彈法的玻璃缺陷檢測技術做了一些實驗上的研究，一般CCD攝像機檢測時只給出了由于氣泡、結石等缺陷引起的光強變化，但是任何玻璃上的污漬也會給出錯誤的信號，使其不易與真正的缺陷區別開來。通過光彈法可以觀察出不同的缺陷或雜質引起的光斑，這是一般的攝像機看不到的，并且可以通過光彈下各種缺陷或雜質引起的光斑圖像的不同對其進行分類。正是由于這一點使得光彈法檢測具有更高的可靠性。同時光彈法還可以用于檢測真空玻璃支柱引起的光斑變化，判斷真空玻璃的失效問題。因此光彈法檢測玻璃缺陷，可以在傳統的CCD相機檢測的基礎上，配合光彈法可以檢測到應力光斑這種獨特的優勢，成為玻璃檢測缺陷的新途徑。

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