虛擬莫爾技術(shù)測(cè)量浮法玻璃斑馬角

近幾年我國(guó)玻璃行業(yè)發(fā)展迅猛，截止目前全國(guó)已有超過(guò)100條的浮法玻璃生產(chǎn)線，產(chǎn)量超過(guò)2億重箱，大部分國(guó)家排名靠前。

在浮法玻璃質(zhì)量檢驗(yàn)指標(biāo)中，光學(xué)變形是較重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，也是衡量一個(gè)國(guó)家浮法玻璃技術(shù)水平的重要指標(biāo)。

所謂光學(xué)變形是指人透過(guò)玻璃觀察景物時(shí)，因玻璃表面的不平整和內(nèi)部折射率的不均勻而產(chǎn)生的景物變形程度，目前國(guó)內(nèi)外都統(tǒng)一采用斑馬法來(lái)測(cè)試評(píng)價(jià)浮法玻璃的光學(xué)變形。
二、光學(xué)變形的斑馬法測(cè)試原理
浮法玻璃光學(xué)變形的斑馬法測(cè)試原理如下圖：

觀察者透過(guò)玻璃觀察均勻照明的斑馬幕，上條紋的變形情況。試樣按拉引方向垂直放置，視線透過(guò)試樣觀察屏幕條紋，首先讓條紋明顯變形，然后慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)試樣直到變形消失。記錄此時(shí)的入射角度（《浮法玻璃》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）。這個(gè)入射角就是業(yè)內(nèi)所稱(chēng)的斑馬角，或稱(chēng)光學(xué)變形角。用這個(gè)角度來(lái)評(píng)價(jià)浮法玻璃的光學(xué)變形質(zhì)量。
三、國(guó)內(nèi)外斑馬法測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
我國(guó)的浮法玻璃標(biāo)準(zhǔn)要求建筑級(jí)玻璃斑馬角達(dá)到50度，汽車(chē)級(jí)和制鏡級(jí)的玻璃要求60度以上，國(guó)外高等浮法玻璃的斑馬角可以達(dá)到70度以上。但由于我國(guó)的浮法玻璃技術(shù)相對(duì)落后，這項(xiàng)指標(biāo)一般在45~65度之間，質(zhì)量差的甚至低于40度，2002年浮法玻璃國(guó)家監(jiān)督抽查5 家企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量不合格，其中4家就是因?yàn)榘唏R角達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。
斑馬法評(píng)價(jià)浮法玻璃光學(xué)變形質(zhì)量是非�？茖W(xué)和直觀的，因此全部標(biāo)準(zhǔn)化籌備（ISO）和世界各國(guó)都采用這種方法，但這種方法存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是在9米遠(yuǎn)，人眼視神經(jīng)的分辨率不足以準(zhǔn)確判定斑馬線變形的臨界角，全部公認(rèn)由人眼判定斑馬角時(shí)，測(cè)量的不確定度為±3度。而如果采用數(shù)碼攝像機(jī)取代人眼，目前市場(chǎng)上數(shù)碼攝像機(jī)較高的分辨率為2048×1280，仍然不足以分辨由玻璃引起的斑馬線的微小變形。
因此，為了解決斑馬法評(píng)價(jià)浮法玻璃光學(xué)變形質(zhì)量的自動(dòng)化測(cè)試難題，目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究工作并研制了相應(yīng)的商品化的測(cè)試設(shè)備，這些測(cè)試設(shè)備的測(cè)試方法主要分以下兩類(lèi)：
靠前類(lèi)是采用其他光學(xué)方法進(jìn)行變形測(cè)量，然后將所測(cè)的參數(shù)換算為斑馬角。生產(chǎn)這種方法測(cè)試設(shè)備的主要國(guó)外公司有德國(guó)的Innomess公司，德國(guó)Lasor公司，英國(guó)的Image Automation公司和Inspection Systems公司。國(guó)內(nèi)也有幾家單位對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行了多年研發(fā)，但都沒(méi)有成功。這種方法的主要特點(diǎn)是測(cè)量速度快，非常適合浮法玻璃產(chǎn)品生產(chǎn)線的質(zhì)量檢驗(yàn)，其主要用途為檢驗(yàn)浮法玻璃生產(chǎn)過(guò)程中的各種缺點(diǎn)，所以這類(lèi)測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備在國(guó)內(nèi)外浮法玻璃生產(chǎn)線上普遍使用。但對(duì)于斑馬法這一評(píng)價(jià)浮法玻璃光學(xué)變形質(zhì)量重要參數(shù)，這類(lèi)方法并不是強(qiáng)項(xiàng)，它是將光學(xué)變形也作為一種缺點(diǎn)來(lái)處理，所以，雖然這類(lèi)設(shè)備也能給出斑馬角的測(cè)試數(shù)據(jù)，但也只能定性地表征斑馬角在某一角度范圍，而并不能準(zhǔn)確測(cè)量出浮法玻璃光學(xué)變形質(zhì)量的斑馬角，以滿足浮法玻璃質(zhì)量分級(jí)的要求。因此，國(guó)內(nèi)外浮法玻璃生產(chǎn)廠家一般還需要配備專(zhuān)門(mén)用于測(cè)量斑馬角的測(cè)試設(shè)備。另外，這類(lèi)設(shè)備體積龐大、造價(jià)昂貴，安裝調(diào)試非常復(fù)雜，并不適合于質(zhì)量檢驗(yàn)部門(mén)的評(píng)價(jià)測(cè)試使用。
第二類(lèi)斑馬角測(cè)試設(shè)備就是完全按照經(jīng)典的斑馬角測(cè)試方法要求，采用莫爾條紋技術(shù)將玻璃的光學(xué)變形角度進(jìn)行放大，并采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對(duì)放大后的變形圖像進(jìn)行處理，從而提高測(cè)試精度和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，并有效的提高了質(zhì)量評(píng)估的可靠性。
在光學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，莫爾條紋具有光學(xué)干涉使得變形具有放大的特性是光學(xué)測(cè)量中的基本原理，采用此項(xiàng)技術(shù)在很多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，如各種變形測(cè)量、曲面形狀測(cè)量和溫度測(cè)量等方面。但這些測(cè)量基本上都是定性，而要用于定量的準(zhǔn)確測(cè)量，由于涉及到的技術(shù)難度很大，以及其它的一些光學(xué)器件技術(shù)問(wèn)題，莫爾條紋技術(shù)現(xiàn)在一般很少采用。所以在浮法玻璃光學(xué)變形質(zhì)量評(píng)估中，目前國(guó)外也只有美國(guó)的Strainoptic Technologies公司研發(fā)出采用這種測(cè)試方法的測(cè)試設(shè)備，但從該公司的網(wǎng)址上看，此設(shè)備并不是該公司的主推產(chǎn)品，資料也很少。我們經(jīng)過(guò)廣泛的資料調(diào)研和與國(guó)外同行的交流，發(fā)現(xiàn)此種設(shè)備并沒(méi)有在浮法玻璃光學(xué)變形質(zhì)量評(píng)估中得到廣泛的使用。從這些表面現(xiàn)象來(lái)看，這種技術(shù)未得到廣泛的使用，一定有其技術(shù)上的難點(diǎn)和未克服問(wèn)題而不能滿足質(zhì)量評(píng)估的需求。
下圖為Strainoptic Technologies公司采用莫爾條紋技術(shù)研制的斑馬角測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖：

四、浮法玻璃光學(xué)變形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的研制
1．國(guó)外莫爾條紋斑馬角測(cè)試方法的存在的問(wèn)題
我們通過(guò)對(duì)美國(guó)Strainoptic Technologies公司SD-1900光學(xué)變形測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了仔細(xì)的分析，并做了大量的模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)所采用的方法在軟硬件上存在以下問(wèn)題：
（1） 在測(cè)試系統(tǒng)中采用了莫爾屏作為投影條紋，并使其投影在探測(cè)系統(tǒng)中的莫爾板上，從而形成干涉條紋，如果被檢玻璃存在光學(xué)變形，那么在莫爾板上所形成的干涉條紋將對(duì)玻璃的光學(xué)變形進(jìn)行放大顯示，然后由CCD鏡頭拍攝下變形圖形，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算出光學(xué)變形量的大小，由所計(jì)算的光學(xué)變形量的大小，結(jié)合被檢玻璃所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度確定出斑馬角的準(zhǔn)確數(shù)值。雖然這種方法從理論上這是十分可行的，并且采用莫爾條紋技術(shù)可以將用人眼所觀察到的變形量放大十幾到幾十倍，但由于莫爾屏要通過(guò)透鏡系統(tǒng)成象在莫爾板上，如果要保證干涉條紋的成象質(zhì)量以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，這就對(duì)鏡頭系統(tǒng)提出了非常高的要求。而要達(dá)到這樣的鏡頭要求，費(fèi)用將非常昂貴，并且根本無(wú)法保證批量化生產(chǎn)。
（3） 由于莫爾板內(nèi)的莫爾條紋比較細(xì)，從外觀上看，莫爾板基本上是黑色的，所以為保證干涉圖形有很強(qiáng)的對(duì)比度，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，就必須要求莫爾屏有很高的明暗對(duì)比度，而實(shí)際情況是很難達(dá)到，這樣就不得不通過(guò)復(fù)雜計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)干涉條紋圖形進(jìn)行處理，從而占有大量的測(cè)試時(shí)間，使得測(cè)試周期非常緩慢而在實(shí)際檢驗(yàn)中并無(wú)實(shí)用效果。如果采用提高計(jì)算機(jī)或圖像處理硬件速度的方法，將大大加大測(cè)試設(shè)備的成本
綜上所述，通過(guò)以上的分析可以看出，美國(guó)公司此套斑馬角測(cè)試系統(tǒng)確實(shí)有很大的局限性，如果在實(shí)際檢驗(yàn)中使用，也只能近距離檢驗(yàn)小塊玻璃的光學(xué)變形，而此設(shè)備的實(shí)際使用技術(shù)條件也確實(shí)如此。由此可知，其技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)法提高莫爾干涉條紋的成象質(zhì)量。
2．采用虛擬莫爾技術(shù)的斑馬角測(cè)試裝置
通過(guò)對(duì)國(guó)外測(cè)試裝置的分析研究，結(jié)合我們?cè)趯?shí)際玻璃質(zhì)量評(píng)估中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們提出了采用虛擬莫爾技術(shù)來(lái)作為準(zhǔn)確測(cè)試斑馬角的方法。
所謂虛擬莫爾技術(shù)，就是由計(jì)算機(jī)生成虛擬的莫爾板。而從莫爾屏所投來(lái)的條紋圖像與虛擬莫爾板的疊加、干涉和處理都由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。而虛擬莫爾技術(shù)在保留了普通莫爾技術(shù)所具有放大光學(xué)變形量的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，通過(guò)我們對(duì)此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的打破，使得虛擬莫爾技術(shù)恰恰還具有速度快、精度高和易于自動(dòng)化處理的特點(diǎn)。
將虛擬莫爾技術(shù)應(yīng)用于斑馬角測(cè)試中，其結(jié)構(gòu)就是在以上的國(guó)外測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，去掉鏡頭成象系統(tǒng)和莫爾板，CCD鏡頭直接采集莫爾屏經(jīng)過(guò)被檢玻璃后的投影圖像，此投影圖像經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的莫爾干涉模擬計(jì)算，自動(dòng)得到光學(xué)變形的量值大小。
采用虛擬莫爾技術(shù)，除了此技術(shù)本身所具有的優(yōu)點(diǎn)外，還避免了上面所分析的國(guó)外測(cè)試方法所存在的問(wèn)題，通過(guò)本公司單獨(dú)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的算法和軟件，采用普通的數(shù)碼攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有效的保證了投影條紋的質(zhì)量，在能夠檢驗(yàn)出條紋微小變形的同時(shí)，還可以保證檢驗(yàn)的實(shí)時(shí)性。根據(jù)此方案，我們研制出了這種測(cè)試設(shè)備，通過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，目前已經(jīng)能分辨玻璃轉(zhuǎn)動(dòng)0.2度所引起的變形，測(cè)量的重復(fù)性優(yōu)于1度，大大優(yōu)于國(guó)標(biāo)所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。目前該設(shè)備已在國(guó)家玻璃質(zhì)檢中心和安徽方興科技股份有限公司使用，效果良好。
該項(xiàng)技術(shù)目前已由秦皇島先河科技發(fā)展有限公司向國(guó)家專(zhuān)利局申請(qǐng)了發(fā)明專(zhuān)利和實(shí)用新型專(zhuān)利。
五、測(cè)試結(jié)果和分析
六、公司簡(jiǎn)介
秦皇島先河科技發(fā)展有限公司是位于秦皇島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)的民營(yíng)高科技企業(yè)，公司主要致立于光機(jī)電整體化的自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器、設(shè)備的開(kāi)發(fā)、制造及計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)。公司主要產(chǎn)品玻璃透光率測(cè)試儀、濁度儀、汽車(chē)前照燈霧度儀在玻璃和汽車(chē)行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，公司開(kāi)發(fā)的玻璃和型材優(yōu)化切割和軟件在玻璃和門(mén)窗行業(yè)受到客戶好評(píng)。