虚拟莫尔技术测量浮法玻璃斑马角

作者：何小瓦 林志强

欢迎访问e展厅 展厅 10 建材机械展厅 水泥设备, 免烧砖机/制砖机, 砌块成型机, 玻璃生产设备, 水泥制管机, ... 近几年我国玻璃行业发展迅猛，截止目前全国已有超过100条的浮法玻璃生产线，产量超过2亿重箱，全球排名第一。 在浮法玻璃质量检验指标中，光学变形是最重要的一项技术指标，也是衡量一个国家浮法玻璃技术水平的重要指标。 所谓光学变形是指人透过玻璃观察景物时，因玻璃表面的不平整和内部折射率的不均匀而产生的景物变形程度，目前国内外都统一采用斑马法来测试评价浮法玻璃的光学变形。 一、光学变形的斑马法测试原理 浮法玻璃光学变形的斑马法测试原理如下图： 观察者透过玻璃观察均匀照明的斑马幕，上条纹的变形情况。试样按拉引方向垂直放置，视线透过试样观察屏幕条纹，首先让条纹明显变形，然后慢慢转动试样直到变形消失。记录此时的入射角度（《浮法玻璃》国家标准）。这个入射角就是业内所称的斑马角，或称光学变形角。用这个角度来评价浮法玻璃的光学变形质量。 二、国内外斑马法测试技术发展现状和趋势 我国的浮法玻璃标准要求建筑级玻璃斑马角达到50度，汽车级和制镜级的玻璃要求60度以上，国外高档浮法玻璃的斑马角可以达到70度以上。但由于我国的浮法玻璃技术相对落后，这项指标一般在45~65度之间，质量差的甚至低于40度。 斑马法评价浮法玻璃光学变形质量是非常科学和直观的，因此国际标准化组织（ISO）和世界各国都采用这种方法，但这种方法存在一个致命的弱点，就是在9米远，人眼视神经的分辨率不足以精确判定斑马线变形的临界角，国际公认由人眼判定斑马角时，测量的不确定度为±3度。而如果采用数码摄像机取代人眼，目前市场上数码摄像机最高的分辨率为2048×1280，仍然不足以分辨由玻璃引起的斑马线的微小变形。 因此，为了解决斑马法评价浮法玻璃光学变形质量的自动化测试难题，目前国内外开展了大量的研究工作并研制了相应的商品化的测试设备，这些测试设备的测试方法主要分以下两类： 第一类是采用其他光学方法进行变形测量，然后将所测的参数换算为斑马角。生产这种方法测试设备的主要国外公司有德国的Innomess公司，德国Lasor公司，英国的Image Automation公司和Inspection Systems公司。国内也有几家单位对此项工作进行了多年研发，但都没有成功。这种方法的主要特点是测量速度快，非常适合浮法玻璃产品生产线的质量检测，其主要用途为检测浮法玻璃生产过程中的各种缺陷，所以这类测试方法和测试设备在国内外浮法玻璃生产线上普遍使用。但对于斑马法这一评价浮法玻璃光学变形质量重要参数，这类方法并不是强项，它是将光学变形也作为一种缺陷来处理，所以，虽然这类设备也能给出斑马角的测试数据，但也只能定性地表征斑马角在某一角度范围，而并不能精确测量出浮法玻璃光学变形质量的斑马角，以满足浮法玻璃质量分级的要求。因此，国内外浮法玻璃生产厂家一般还需要配备专门用于测量斑马角的测试设备。另外，这类设备体积庞大、造价昂贵，安装调试非常复杂，并不适合于质量检验部门的评价测试使用。 第二类斑马角测试设备就是完全按照经典的斑马角测试方法要求，采用莫尔条纹技术将玻璃的光学变形角度进行放大，并采用计算机图像处理技术，对放大后的变形图像进行处理，从而提高测试精度和实现自动化测量，并有效的提高了质量评估的可靠性。 在光学测试技术领域，莫尔条纹具有光学干涉使得变形具有放大的特性是光学测量中的基本原理，采用此项技术在很多领域中得到了应用，如各种变形测量、曲面形状测量和温度测量等方面。但这些测量基本上都是定性，而要用于定量的精确测量，由于涉及到的技术难度很大，以及其它的一些光学器件技术问题，莫尔条纹技术现在一般很少采用。所以在浮法玻璃光学变形质量评估中，目前国外也只有美国的Strainoptic Technologies公司研发出采用这种测试方法的测试设备，但从该公司的网址上看，此设备并不是该公司的主推产品，资料也很少。我们经过广泛的资料调研和与国外同行的交流，发现此种设备并没有在浮法玻璃光学变形质量评估中得到广泛的使用。从这些表面现象来看，这种技术未得到广泛的使用，一定有其技术上的难点和未克服问题而不能满足质量评估的需求。 下图为Strainoptic Technologies公司采用莫尔条纹技术研制的斑马角测试设备结构示意图： 三、浮法玻璃光学变形自动测量系统的研制 1．国外莫尔条纹斑马角测试方法的存在的问题 我们通过对美国Strainoptic Technologies公司SD-1900光学变形测试系统进行了仔细的分析，并做了大量的模拟试验，发现此系统所采用的方法在软硬件上存在以下问题： （1） 在测试系统中采用了莫尔屏作为投影条纹，并使其投影在探测系统中的莫尔板上，从而形成干涉条纹，如果被检玻璃存在光学变形，那么在莫尔板上所形成的干涉条纹将对玻璃的光学变形进行放大显示，然后由CCD镜头拍摄下变形图形，并由计算机进行处理计算出光学变形量的大小，由所计算的光学变形量的大小，结合被检玻璃所转动的角度确定出斑马角的准确数值。虽然这种方法从理论上这是十分可行的，并且采用莫尔条纹技术可以将用人眼所观察到的变形量放大十几到几十倍，但由于莫尔屏要通过透镜系统成象在莫尔板上，如果要保证干涉条纹的成象质量以便于计算机进行处理，这就对镜头系统提出了非常高的要求。而要达到这样的镜头要求，费用将非常昂贵，并且根本无法保证批量化生产。 （2） 另外，这种方法和结构如果要保证干涉图形的成象质量，还对莫尔板提出了很高的精度要求。而目前的技术虽然可以实现，但也是存在造价昂贵的问题。 （3） 由于莫尔板内的莫尔条纹比较细，从外观上看，莫尔板基本上是黑色的，所以为保证干涉图形有很强的对比度，以便于计算机进行分析处理，就必须要求莫尔屏有很高的明暗对比度，而实际情况是很难达到，这样就不得不通过复杂计算机图像处理技术对干涉条纹图形进行处理，从而占有大量的测试时间，使得测试周期非常缓慢而在实际检验中并无实用效果。如果采用提高计算机或图像处理硬件速度的方法，将大大加大测试设备的成本。 综上所述，通过以上的分析可以看出，美国公司此套斑马角测试系统确实有很大的局限性，如果在实际检测中使用，也只能近距离检测小块玻璃的光学变形，而此设备的实际使用技术条件也确实如此。由此可知，其技术的关键是设法提高莫尔干涉条纹的成象质量。 2．采用虚拟莫尔技术的斑马角测试装置 通过对国外测试装置的分析研究，结合我们在实际玻璃质量评估中的实际经验，我们提出了采用虚拟莫尔技术来作为精确测试斑马角的方法。 所谓虚拟莫尔技术，就是由计算机生成虚拟的莫尔板。而从莫尔屏所投来的条纹图像与虚拟莫尔板的叠加、干涉和处理都由计算机来完成。而虚拟莫尔技术在保留了普通莫尔技术所具有放大光学变形量的特点基础上，通过我们对此项关键技术的突破，使得虚拟莫尔技术恰恰还具有速度快、精度高和易于自动化处理的特点。 将虚拟莫尔技术应用于斑马角测试中，其结构就是在以上的国外测试系统结构上，去掉镜头成象系统和莫尔板，CCD镜头直接采集莫尔屏经过被检玻璃后的投影图像，此投影图像经过计算机的莫尔干涉模拟计算，自动得到光学变形的量值大小。 采用虚拟莫尔技术，除了此技术本身所具有的优点外，还避免了上面所分析的国外测试方法所存在的问题，通过我们独立设计开发的算法和软件，采用普通的数码摄像机和计算机系统，有效的保证了投影条纹的质量，在能够检测出条纹微小变形的同时，还可以保证检测的实时性。根据此方案，我们研制出了这种测试设备，通过实际检测，目前已经能分辨玻璃转动0.2度所引起的变形，测量的重复性优于1度，大大优于国标所规定的技术指标。目前该设备已在国家玻璃质检中心和安徽方兴科技股份有限公司使用，效果良好。 该项技术目前已向国家专利局申请了发明专利和实用新型专利。 林志强 电话：0335-8066305 手机：13903354926 E-mail:lzq@glassinfo.com.cn (end)

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