激光雙路對稱透射法在線測量平板玻璃厚度

1、第42卷第10期紅外與激光工程2013年10月激光雙路對稱透射法在線測量平板玻璃厚度閆璽，李賀光，胡學(xué)良張景超，朱艷英，李潮洋，河北秦皇島066004)(燕山大學(xué)理學(xué)院，摘提出一種雙路激光對稱透射法，要：針對傳統(tǒng)測量平板玻璃厚度的不足，基于光的折射原理，設(shè)計以對稱平面鏡組為光路轉(zhuǎn)換裝置，將對稱分布的光了在線測量平板玻璃厚度的裝置，以線激光做光源，線陣CCD傳感器作為視覺探測工具，并針對測量圖像的特點，選定背路調(diào)制為兩束相互平行的線激光，使用改進(jìn)灰度重心法提取線光帶中景與目標(biāo)的過渡區(qū)域段的灰度值，作為單束線光帶圖像的邊界閾值，心像素。通過對待測樣品的實驗檢測，結(jié)果表明該方法測量精確可達(dá)0.1mm

2、，該精度符合玻璃生產(chǎn)線中并具有良好的實用價值。對其厚度檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求。由此證明了該方法的可行性，關(guān)鍵詞：玻璃厚度；線激光；CCD；灰度圖像；在線測量中圖分類號：TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1007-2276(2013)10-2812-05MethodforonlinemeasuringthicknessofglassbyusinglasertwowaysymmetricaltransmissionwayZhangJingchao,YanXi,ZhuYanying,LiChaoyang,LiHeguang,HuXueliang(CollegeofScience,YanshanUnive

3、rsity,Qinhuangdao066004,China)Abstract:Fortheshortcomingsofthetraditionalflatglassthicknessmeasurement,onemethodwhichwasbasedontheprincipleoflightrefraction,withtheduallasersymmetricaltransmissionmethodwasproposed,andthewholemeasuredsystemofonlinemeasurementofflatglassthicknesswasdesigned,inwhichlin

4、elaserwasthelightsourceandthesymmetryplaneofmirrorsweretheopticalpathswitchingdevicetomodulatethesymmetricallydistributedopticalpathsintotwoparallellinelasers,andalineararrayCCDsensorwassetasavisualexplorationtool,meanwhile,thegreylevelofthetransitionareaofthebackgroundandtargetwasselectedasthebound

5、arythresholdvalueofthesinglebeamlineslightbandimageaccordingtothecharacteristicsofcapturedimage,thealgorithmforobtaininglightbandcenterpixelwasmademodifiedgraygravity.Aftertheexperimentofthemeasurementonthesampleglassthickness,theresultsshowthattheaccuracyofthesemeasurementmethodscanreachto0.1mm.The

6、measuringaccuracyiscorrespondwiththerequirementsofthetestingstandards.Thereforethefeasibilityisverified,thathaveagoodpracticalvalue.Keywords:glassthickness;linearlaser;CCD;grayimage;onlinemeasurement收稿日期：2013-02-05；修訂日期：2013-03-03基金項目：國家自然科學(xué)基金(60977061)作者簡介：張景超(1960-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光電檢測技術(shù)及紅外激光測試技術(shù)研

7、究。Email:zjc-ysu0引言目前，國內(nèi)外平板玻璃生產(chǎn)線的主流方式多采用浮法工藝，其生產(chǎn)流程基本在高溫環(huán)境下，玻璃溶漿在錫液的上表面成形，在經(jīng)退火硬化定型后進(jìn)行裁切。傳統(tǒng)的玻璃厚度檢測方法主要是通過測量儀器(千分尺或游標(biāo)卡尺)對待測玻璃進(jìn)行人工接觸式計數(shù)測量。這些傳統(tǒng)測量方法效率低、極易造成材料浪費，加之一些特殊的制造環(huán)境(如輻射、有害氣體、高溫等)很難進(jìn)行接觸式的實際測量。隨著激光、圖像傳感、計算機(jī)視覺等等技術(shù)的快速發(fā)展1術(shù)已成為非接觸式光電檢測的主要工具，尤，這其被些技廣泛應(yīng)用于微光測量、實時監(jiān)測、產(chǎn)品外部尺寸檢測、表面質(zhì)量評估等諸多領(lǐng)域2的研究，國內(nèi)外已有研究單位。對做平了大板玻璃

8、量的厚工作度測量3-9其方法主要有激光二次折射反射法5-6，法7-8、象散法9等。但這些方法的測量裝、激置光結(jié)構(gòu)多普復(fù)勒雜、成本高、且在玻璃高溫環(huán)境下不易長久跟蹤測試等。針對這些問題文中提出激光雙路對稱透射法，并設(shè)計整個測量裝置系統(tǒng)，對樣品進(jìn)行在線實時測量，該測量系統(tǒng)操作簡單、適用于高溫環(huán)境非接觸測量。1測量原理根據(jù)光的折射定律，光束入射到平板玻璃上，在平板玻璃的上表面和下表面均發(fā)生折射，從下表面折射的光線與入射光線方向平行，但光線位置平移了一段距離。如圖1所示為激光測量原理圖。設(shè)空氣圖1測量原理圖Fig.1Diagramofmeasurementprinciple折射率為n0(n0度為T，光

9、束平移1)量，為玻璃x折。射依率據(jù)為圖n1，中待幾測何平關(guān)板系玻璃可得厚x=T(sintan(1)由光的折射定律n=sin(2)式中：n為已知量，可令H=sin-costan，則公式(1)變?yōu)閤=T·H。從而玻璃的厚度為：T=x/H(3)為了減小單光束測量誤差，筆者設(shè)計了如圖2所示的對稱雙路測量光路測量裝置，分別由對稱的圖2對稱雙光路圖Fig.2Principlediagramofsymmetricdualbeam線激光光源、對稱的平面鏡組CCD(ChargeCoupleDevice)傳感器構(gòu)成，對稱平面鏡組為光路調(diào)置裝置，可將對稱分布的光路調(diào)制為兩束相互平行的線激光，CCD為光路接

10、受裝置。測量中光束偏移量通過CCD傳感器進(jìn)行測試和標(biāo)定，圖中兩對稱光束經(jīng)過平面鏡組反射后，成為一組相互平行的線光束，其光束平移量相等，分別為x1x=x、x2，x則：1=x2=(x2-1)/2(4)則玻璃厚度為：T=|x2-x1|/2H(5)鏡頭成像公式為：式中：M為鏡頭放大x=倍率N·；p/NM為像素數(shù)；p為單元(6)像素；為成像定標(biāo)系數(shù)，即線光束像素與位置變化的線性系數(shù)，可由事先未放置玻璃時測定，根據(jù)公式(4)(6)可得厚度測量公式為T=：(7)2測量系統(tǒng)設(shè)計與裝置文中選擇玻璃生產(chǎn)線上的透明平板玻璃為檢測對象，可在玻璃退火冷卻端進(jìn)行非接觸在線實時測量?？傮w方案設(shè)計如圖3所示，該測試

11、系統(tǒng)由光源，光線處理裝置(包括濾波、準(zhǔn)直、激光校正及穩(wěn)定裝置)組成，成像系統(tǒng)由在一定范圍內(nèi)成像的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭組成。圖像采集系統(tǒng)由CCD傳感器、圖像采集卡以及CCD驅(qū)動裝置組成，所采集的圖像以數(shù)字圖像形式保留下來，經(jīng)過計算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)處理，最后在顯示器顯示出來。圖3測量系統(tǒng)框架圖Fig.3Structurediagramofmeasurementsystem測量裝置如4所示，其中光源依據(jù)圖5中CCD光譜響應(yīng)曲線，響應(yīng)曲線敏感區(qū)域主要集中在可見光波段，在線測量時玻璃熱輻射為紅外區(qū)域波段，該波段不圖4系統(tǒng)測量裝置示意圖Fig.4Systemmodelofexperimentaldevice圖5CCD光譜響

12、應(yīng)曲線Fig.5CCDspectralresponsecurve在CCD光譜響應(yīng)區(qū)域范圍內(nèi)。采用半導(dǎo)體線激光器，波長為632nm，功率為3mW，出口線寬L0.5mm。鏡頭采用ZENITAR-F2/50mm型號標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，鏡頭焦距為50mm，光學(xué)成像放大倍率為M=1:5。CCD傳感器采用日本東芝TOSHIBA-TCD1501D型號，像元數(shù)目為5000像素，有效像元尺寸35mm，單位像元間距p=7m。采集卡使用KXUSB-SDK系列，采用USB總線數(shù)據(jù)接口，使接口芯片與主機(jī)USB接口相連，圖像以灰度圖像GRAY8數(shù)字圖像格式顯示出來，圖像可以JPG、BMP等格式存儲。3光帶中心識別算法這里提取光條紋

13、圖像中心像素是系統(tǒng)整個實驗測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)裝置中線激光產(chǎn)生的光條紋如圖6(a)所示是個一字線型，在線激光光束的截面上，對應(yīng)光強(qiáng)能量通常呈現(xiàn)的是強(qiáng)度對稱的高斯分布，圖像條紋的灰度由光條紋中心向兩側(cè)逐步遞減，直到與背景灰度值融合。圖6(b)為邊界區(qū)域灰度圖像，右邊黑色為背景部分情況，中間灰色狀態(tài)為邊界過渡區(qū)域即高斯發(fā)散區(qū)域部分。圖7為圖6中對應(yīng)的光帶灰度直方統(tǒng)計圖，可以確定其邊界閾值。圖6線光帶灰度圖像Fig.6Grayscaleimageoflinelightbandline圖7光帶灰度直方統(tǒng)計圖Fig.7Graystraightpartystatistics由于系統(tǒng)采集過程中產(chǎn)生各種隨機(jī)噪

14、聲對圖像采集可能或多或少帶來不穩(wěn)定的影響。有時會造成圖像灰度分布不對稱或者光條紋中心偏移等(灰度中心理論認(rèn)為兩邊鄰域像素對稱分布)。針對圖像特點中心像素提取有多種方法9-10法11-12進(jìn)行改進(jìn)，首先可通過閾值，文法中對對邊灰界度進(jìn)行重心粗定位，選定背景與目標(biāo)的過渡區(qū)域段的灰度值，作為單束線光帶圖像的邊界閾值，以確定光帶中心鄰域范圍。則線光帶中心像素計算如圖8所示，Ci為中心像素，基于物理學(xué)中剛體質(zhì)心原理，則中心像素灰度重心表達(dá)式為：Ci=rj=lf(i，(ljr)(7)i=lj)由于線激光呈高斯分布，為使計算中心更為接近實際光帶中心，采用加權(quán)式計算灰度質(zhì)心，可增強(qiáng)那些離實際光強(qiáng)灰度中心近的像

15、素對所求中心像素的影響，則公式(7)變?yōu)椋篊i=rj=lth2×P(i，j)f(i，2，(ljr)(8)i=lj)-fth式中：Ci為線光帶某一行中心像素；f(i，j)為光帶中心鄰域灰度值，即光強(qiáng)灰度表示；P(i，j)為坐標(biāo)像素；fth為圖像目標(biāo)與背景分割的閾值；f(i，j)-fth可在運算中降低背景噪聲對光強(qiáng)分布的影響。通過平方的形式加權(quán)，可增大光強(qiáng)大的像素在定位光帶中心時的權(quán)重，適合呈高斯分布的光帶圖像。圖8中心像素計算示意圖Fig.8Sketchofsearchingcenterpixel4實驗及分析選定線激光光線入射平板玻璃的入射角為45°，首先在未加載玻璃樣品時，

16、對兩條線狀光條紋位置做一個參考標(biāo)定；然后在玻璃樣品加載之后，確定兩個平行光束間隔距離與像素變化之間的線性比例關(guān)系，即定標(biāo)系數(shù)。最后分別對厚度不同玻璃樣品進(jìn)行實驗測量。實驗中樣品玻璃折射率為1.512，測量的數(shù)據(jù)如表1所示，測量以20個測量點為一組單元，計算所得平均厚度為6.0078mm，測量的平均誤差為0.0217mm。對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)與誤差表述如圖9所示。表16mm玻璃厚度實測數(shù)據(jù)(單位院mm)Tab.1Experimentaldateofthicknessmeasurementof6mmglass(Unit:mm)No.N2147.515.9768-0.03113148.576.02110.

17、01334149.096.04110.03335148.656.02350.01576148.566.01990.01217147.755.9867-0.02118149.066.03990.03219149.116.04220.034410147.765.98010.027711147.635.9821-0.025712147.315.9688-0.039013148.816.02990.022114148.516.01750.009715148.656.02340.015616147.545.9784-0.029417147.725.9857-0.022118148.326.00980.0

18、02019148.516.01790.010120148.676.02430.0165圖9測量值與誤差圖Fig.9Measuredvaluesanderrordiagram表2是對其他厚度玻璃進(jìn)行測量。從測量的實驗數(shù)據(jù)中得知，各厚度測量的誤差均小于0.1mm，該精度達(dá)到玻璃厚度測量標(biāo)準(zhǔn)的要求。表2不同樣品測量數(shù)據(jù)表(單位院mm)Tab.2Measurementdateofdifferentthicknesssample(Unit:mm)Sample341015Measuredvalue3.03934.041110.004215.0181Evenerror0.0360.0260.0230.019

19、5結(jié)論文中針對玻璃厚度非接觸在線測量的問題，提出一種激光雙路透射法，設(shè)計出玻璃厚度測量裝置系統(tǒng)，可以在玻璃退火冷卻過程中對玻璃厚度進(jìn)行實時在線檢測。實際生產(chǎn)過程中玻璃退火溫度比較高，熱氣流往上升，把CCD置于玻璃下方就是為了避免上升的熱流對CCD傳感器的影響和干擾，實際測量時采用雙路對稱光路，基于改進(jìn)灰度重心法，可大大降低測量過程中的系統(tǒng)誤差，可以滿足國家現(xiàn)在規(guī)定的厚度檢測標(biāo)準(zhǔn)(GB11614-1999)，厚度實際測量范圍在220mm內(nèi)。同時，該系統(tǒng)通過改裝，還可對玻璃表面平整度以及玻璃應(yīng)力進(jìn)行定性分析。該方法對玻璃厚度非接觸式在線測量的精度、靈敏度及穩(wěn)定性均有很大提高，且對環(huán)境要求不高，具有

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