基于激光透射法測量平板玻璃的厚度

閆 璽，張景超，李賀光，肖長江，丁 瑞，王曉磊

（燕山大學(xué)a.理學(xué)院；b.里仁學(xué)院，河北秦皇島066004）

1 引 言

玻璃厚度是評(píng)定玻璃生產(chǎn)質(zhì)量的重要參量，傳統(tǒng)的玻璃厚度檢測方法主要是利用螺旋千分尺或者具有相同精度的測量儀器，對(duì)待測玻璃進(jìn)行人工接觸式測量.傳統(tǒng)方法測量的速度較慢，效率低下，而且在一些工業(yè)生產(chǎn)中特定的生產(chǎn)環(huán)境（如高溫、輻射以及有害氣體等）下，無法進(jìn)行有效的接觸測量.近些年來，隨著光電檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，電荷耦合器件CCD（charge couple device）圖像傳感器已在圖像傳感和信號(hào)處理、產(chǎn)品外部尺寸檢測、分類、表面質(zhì)量評(píng)估、智能化測控及機(jī)器視覺中的精確定位等諸多領(lǐng)域中被廣泛地應(yīng)用[1－2]，已成為非接觸檢測的主要工具，目前針對(duì)平板玻璃厚度的非接觸式測量技術(shù)，已有不少人做了大量的工作和研究[3－9]，主要測量方法有激光多普勒技術(shù)[10－11]、透射法[6，12]、激光三角法[13－14]等.本測量主要采用雙路透射法，測量原理簡單，采用USB圖像采集卡實(shí)時(shí)提取圖像，以自適應(yīng)閾值法定位邊界，灰度重心法提取中心像素，對(duì)不同的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量分析，力求準(zhǔn)確、簡單、快速地操作.

2 光學(xué)主要測量原理

光束以一定方向斜射入待測平板玻璃時(shí)，根據(jù)光的折射定律，光線傳播方向?qū)l(fā)生偏移，光束中透射出玻璃的光與無待測玻璃時(shí)的光線方向平行，只是位置平移了一段距離.

如圖1所示，設(shè)光束以θ為入射角，玻璃的折射率為n，空氣折射率可近似為1，待測平板玻璃厚度為d，光束平移量為Δs.

圖1 折射原理圖

依據(jù)圖1中的幾何關(guān)系可以得到：

根據(jù)光的折射定律

以上各式中θ和n為已知量，可以令H＝sinθcosθ·tanβ，式（3）即可寫為Δs＝dH，從而玻璃的厚度

如果更準(zhǔn)確地計(jì)算光束平移量，可通過線陣CCD圖像傳感器接收檢測信號(hào)，采用對(duì)稱的雙光束，如圖2所示，實(shí)線部分為光束通過玻璃的實(shí)際光路，虛線為沒有加載待測玻璃時(shí)的光路，經(jīng)過對(duì)稱的平面鏡反射過來的2束光線，根據(jù)前后2次光束位置的變化來求得光束偏移量，同樣在對(duì)稱的反射鏡面光束也發(fā)生同樣的平移.在圖2中，每個(gè)反射平面鏡上，屬于入射光線的實(shí)線與虛線部分的間距與屬于反射光束的實(shí)線與虛線的間距相等.從而式（3）變?yōu)?/p>

玻璃的厚度表達(dá)式變?yōu)?/p>

根據(jù)鏡頭成像倍率公式

由式（4）～（6）可得厚度公式為

式中：M為鏡頭放大倍率，N為像素?cái)?shù).

圖2 對(duì)稱雙光路圖

3 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)裝置

測量系統(tǒng)主要有光學(xué)設(shè)計(jì)部分和圖像采集部分，結(jié)構(gòu)裝置如圖3所示.

光學(xué)系統(tǒng)部分由對(duì)稱安裝的激光器、反射鏡組和慮光片以及成像鏡頭組成.光源根據(jù)CCD的光譜特性曲線（參照CCD產(chǎn)品簡介及說明書），采用半導(dǎo)體激光器，功率為3mW，波長為532nm，光束形狀為一字線型，光束出口線寬L≤0.5mm.反射鏡組的功能主要是將對(duì)稱雙路激光轉(zhuǎn)變?yōu)閮善叫泄馐?采用濾波片是因?yàn)榧す饪赡茌敵瞿芰窟^大，避免CCD輸出飽和.鏡頭采用ZENITAR－F2／50mm型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，焦距50mm，光學(xué)成像放大率為M＝1∶5，最大光圈可達(dá)f／2.

圖3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

光學(xué)圖像采集部分主要由線陣CCD傳感接收器、傳感器驅(qū)動(dòng)電源、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)和顯示器組成.CCD傳感器采用日本TOSHIBA－TCD1501D型號(hào)，該型號(hào)器件是一款具有高靈敏度、低噪聲、低暗電流等特性線陣電荷耦合器件，有效光敏像元數(shù)目為5 000像素，單位像元間距p＝7μm.

圖像采集卡采用KXUSB－SDK系列，采用USB總線數(shù)據(jù)接口，接口芯片與主機(jī)USB接口相連，圖像以黑白圖像GRAY8數(shù)字圖像格式顯示.系統(tǒng)通過CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過傳輸后，通過A／D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字信號(hào)，圖像數(shù)據(jù)被采集卡讀取后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)保存和顯示，以數(shù)字圖像類型BMP，JPEG及TIFF等格式文件保存.采集到線激光條紋以灰度圖像顯示，如圖4所示；圖像的數(shù)據(jù)以矩陣的形式存儲(chǔ)，如圖5所示.

圖4 線激光灰度圖像

圖5 數(shù)字圖像數(shù)據(jù)格式

4 圖像中心像素提取算法

提取條紋圖像中心像素是實(shí)驗(yàn)測量的關(guān)鍵，由于實(shí)驗(yàn)裝置中采用的是線激光光源，激光產(chǎn)生的條紋是一字線型（如圖4所示），在線激光光束截面上，對(duì)應(yīng)光強(qiáng)能量一般呈現(xiàn)的是強(qiáng)度對(duì)稱的高斯分布，圖像灰度由條紋中心向兩側(cè)遞減，直到與背景灰度值融合，如圖6所示，左邊白色部分為目標(biāo)線光帶圖像，右邊黑色為背景部分，中間為邊界過渡區(qū)域.理論上灰度中心兩邊鄰域像素對(duì)稱分布，由于系統(tǒng)采集過程中產(chǎn)生各種隨機(jī)噪聲，對(duì)圖像采集或多或少帶來不穩(wěn)定的影響.往往會(huì)造成圖像灰度可能分布部分不對(duì)稱或者條紋中心偏移等.

圖6 光帶邊界鄰域灰度圖

在數(shù)字圖像理論中，根據(jù)圖像灰度特征的分割理論對(duì)圖像邊界處理有多種方法[15]，由于實(shí)驗(yàn)采集的線激光灰度圖像結(jié)構(gòu)分布簡單，主要由背景與2束平行的目標(biāo)光條紋構(gòu)成，為了提高灰度中心的準(zhǔn)確度，采用自適應(yīng)邊界閾值定位[16]，通過灰度重心法[17]，提取目標(biāo)像素中心.

首先根據(jù)圖像灰度曲線可以快速粗略地找到灰度圖像數(shù)據(jù)某一行i光強(qiáng)中心的粗略位置Ci，如圖7所示，然后在Ci左右各n個(gè)像素之間范圍，要求該范圍寬度大于光線帶寬.該范圍內(nèi)的灰度平均值為f（i）M，計(jì)算在Ci－n至Ci＋n之間灰度小于f（i）M的灰度平均值f（i）th，

式中n′為灰度值f（i，j）小于f（i）M的像素?cái)?shù)，以此f（i）M為邊界閾值，l和r為對(duì)應(yīng)邊界位置，灰度重心法求得光帶中心位置為

圖7 中心像素提取示意圖

5 實(shí)驗(yàn)及分析

固定好各實(shí)驗(yàn)裝置，雙路激光入射角為45°，調(diào)整好對(duì)稱的兩反射鏡角度，系統(tǒng)參考標(biāo)定時(shí)采集到的條紋灰度圖像如8所示，圖像尺寸為5 000像素×1 024像素，沿某一行的掃描對(duì)應(yīng)光強(qiáng)分布圖即灰度曲線如圖9所示，對(duì)采集的圖像進(jìn)行Matlab處理，圖10為圖像灰度統(tǒng)計(jì)直方圖，其中左右區(qū)域分別為背景與目標(biāo)像素統(tǒng)計(jì)，中間為邊界過渡區(qū).通過圖9和10可以粗略找到條紋中心與邊界區(qū)域，圖11為冪次變換后圖像灰度曲線，參考圖11分析，依據(jù)式（8）～（10）對(duì)圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得各條紋中心位置，最后完成參考標(biāo)定，可得未加載玻璃情況下條紋寬度.

圖8 條紋灰度圖像

圖9 灰度曲線圖

圖10 灰度統(tǒng)計(jì)直方圖

圖11 冪次變換后灰度曲線

完成系統(tǒng)參考標(biāo)定后，實(shí)驗(yàn)采用樣品玻璃折射率為1.512，分別對(duì)厚度不同的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示.其中，ΔN為光束與標(biāo)稱比較變化的像素?cái)?shù)，d為玻璃厚度，Δd為誤差量.以樣品厚度為5.336mm（千分尺測定）為例，由表1中的數(shù)據(jù)可以求得厚度測試的平均值為5.340 7mm，與標(biāo)準(zhǔn)值比較測量中最大偏差為0.029mm.表2為不同厚度樣本比較，從表中可以看出隨著厚度的增加，測量的示值偏差逐漸減小.結(jié)果表明測量平均值在玻璃厚度標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差范圍內(nèi)，能夠滿足測量要求.

表1 測量數(shù)據(jù)

表2 不同厚度的測量數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

采用激光透射法，以對(duì)稱雙路激光透射測量方式，利用機(jī)器視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了玻璃厚度的非接觸測量.本實(shí)驗(yàn)裝置主要是針對(duì)玻璃生產(chǎn)在線方式為構(gòu)造基礎(chǔ)，可在玻璃退火處設(shè)計(jì)檢測.生產(chǎn)中玻璃退火溫度較高，熱氣流上升，而CCD置于下方可以避免退火時(shí)上升熱流對(duì)傳感器的干擾，采用雙路對(duì)稱光路可以減少單束激光透射造成的平移誤差.使用該方法檢測玻璃厚度，測量裝置簡單，操作方便，能夠滿足國家規(guī)定的厚度檢測標(biāo)準(zhǔn)（GB11614－1999）的要求，厚度測量范圍可以在2～20mm內(nèi).本課題將進(jìn)一步研究和改進(jìn)，可應(yīng)用于圖像的亞像素提取、圖像濾波去噪處理及高溫環(huán)境下檢測的可靠性能檢測研究.

[1] 陳東雷，王清元，張?zhí)祉?CCD傳感器及其應(yīng)用研究[J].傳感器世界，2007（7）：22－26.

[2] 楊冰，丁蔻，李麗華，等.塞曼效應(yīng)數(shù)據(jù)分析與處理方法改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（5）：36－38.

[3] Liu Chien－h(huán)ang，Li Zong－h(huán)an.Application of the thickness measurement of glass substrites[J].Applied Optics，2008（21）：3968－3970.

[4] Novikov M A，Tertyshnik A D，Ivanov V V.Optical interference system for controlling float－glass ribbon thickness at hot Stages of production[J].Glass and Ceramics，2004，61（2）：37－41.

[5] Mamedov F I，Dadashov M G，Gabibov S S.Device for continuous glass thickness determination[J].Glass and Ceramics，1990，47（5）：184－186.

[6] 趙育良，王偉.基于CCD的航空相機(jī)平板玻璃厚度的測量系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù)，2003，22（1）：58－60.

[7] 劉瑾，楊海馬，張菁.基于CCD在線厚度測量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：1217－1218.

[8] 杜曉強(qiáng)，王偉，王召巴.玻璃厚度在線檢測系統(tǒng)的研究[J].紅外，2008，29（12）：36－39.

[9] 張銚，王寶亞，梁洪峰，等.一種新型光學(xué)測量系統(tǒng)那在高溫環(huán)境中的應(yīng)用研究[J].傳感器與系統(tǒng)，2008，27（5）：73－75.

[10] 宋晨，呂岑，郭琪，等.一種激光多普勒玻璃厚度的測量方法[J].光子學(xué)報(bào)，2008，37（8）：1635－1638.

[11] 李彥超，章亮，楊彥玲，等.多光束激光外差高精度測量玻璃厚度方法[J].物理學(xué)報(bào)，2009，58（8）：5475－5477.

[12] 胡玉禧，張紅強(qiáng)，周紹祥.一直測量折射率的新方法[J].光電工程，1997，24（4）：26－29.

[13] 王曉嘉，高雋，王磊.激光三角法綜述[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（4）：601－604.

[14] 黃戰(zhàn)華，蔡懷宇，李賀橋，等.三角法激光測量系統(tǒng)的誤差分析及消除方法[J].光電工程，2002，29（3）：58－59.

[15] 劉文耀.數(shù)字圖像采集與處理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：272－280.

[16] 吳家勇，王平江，陳吉紅，等.基于梯度重心法的線結(jié)構(gòu)光中心亞像素提取算法[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2009，14（7）：1354－1360.

[17] 吳慶陽，蘇顯渝，李景鎮(zhèn)，等.一種新的線結(jié)構(gòu)光光帶中心提取算法[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39（4）：151－155.