全自动修复玻璃划痕的方法与流程

本发明涉及一种全自动修复玻璃划痕的方法。

背景技术：

目前，专利公开号为cn204019302u的中国专利公开了一种半自动划痕修复机，该修复机采用三个平移轴，将抛光盘移动到合适位置，再用一个旋转轴，旋转抛光盘，实现半自动抛光。磨头只有一个，对于划痕较深的样品，先研磨再抛光，磨头需要来回更换，耗时较长。半自动划痕修复，相对于手动修复，效率提高五到八倍；但更换玻璃样品，仍由人工完成，效率较低。无法测量划痕3d形貌，尤其是划痕深度。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种全自动修复玻璃划痕的方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

全自动修复玻璃划痕的方法，特点是：包括以下步骤：

1)用相机对玻璃拍照，识别划痕；反射式光源照明玻璃，并入射到面阵相机中；玻璃尺寸为x英寸，采用y英寸的相机，则镜头倍数小于y/x；低倍镜头，焦深长，对各种厚度玻璃均可成像，选择曝光时间和增益，调整亮度和对比度，得到玻璃数码照片；

将照片转化为黑白图像，计算各横坐标下，划痕的白色区域的纵坐标的最大值和最小值，求出划痕纵坐标中心；横坐标和纵坐标对构成划痕中心轨迹；

2)沿轨迹扫描，测量划痕所处平面及深度；

划痕位于上表面或下表面，选取无划痕处任意坐标点，二维位移台和压电陶瓷z轴单元移动物镜，测试不同z轴坐标下相机光强；光强与z轴曲线的两个极大值处对应的z轴坐标，即为上下表面的焦点；二维位移台上设置压电陶瓷z轴单元，构成三维运动平台，移动带划痕的玻璃；多像素线阵相机探测中心光强；

采用激光扫描共聚焦装置测试划痕区域深度，激光扫描共聚焦装置包含激光器、半反半透镜、振镜以及扫描物镜，激光器的输出光路上布置半反半透镜，半反半透镜的反射光路上依次布置振镜和扫描物镜，透射光路上布置成像探测模组，激光器发出激光，经过半反半透镜反射到振镜中，振镜控制激光二维偏转，经过扫描物镜后，聚焦在二维位移台上压电陶瓷z轴单元上的样品，二维位移台实现x-y轴的二维移动，压电陶瓷z轴单元实现z轴上下移动；激光入射到样品后发生反射，原路返回扫描物镜和振镜，经过半反半透镜后进入成像探测模组；测量得到划痕的3d形貌，测得划痕区域及周边的粗糙度，区域各点的最大高度值rp，区域个点的最小高度值rv，划痕峰谷值等于rp–rv；

根据深度判断是否需研磨以及各坐标抛光所需时间，进而沿轨迹修复玻璃；

3)干法研磨；采用干磨型研磨片，细磨有划痕的玻璃，用相机观察；磨光片直径大于划痕宽度，按划痕中心轨迹进行研磨，根据划痕深度调整研磨，当影像中的划痕宽度达到磨光片直径时，磨光完成；

4)干法抛光；采用干型抛光片按划痕中心轨迹进行抛光，抛光片大于研磨片，根据划痕深度调整抛光时间，获得镜面玻璃。

进一步地，上述的全自动修复玻璃划痕的方法，其中，步骤1)，用otsu二值化方法将图片转化为黑白图像。

进一步地，上述的全自动修复玻璃划痕的方法，其中，所述成像探测模组由mcp成像探测器、光纤光学板和多行线阵相机组成，激光经过mcp成像探测器放大，光纤光学板将mcp成像探测器放大的信号无偏移地传递给多行线阵相机。

进一步地，上述的全自动修复玻璃划痕的方法，其中，所述mcp成像探测器将光信号转化为电信号，电子在荧光屏上成像，光纤光学板将荧光屏上的成像传递到线阵相机上；

透镜后的束腰半径w0表示为：

式中λ和w1分别表示波长和透镜前的入射光斑尺寸；瑞利距离z0＝πw0²/(λm²)，m²表示光束质量因子；距离z处的腰斑半径wz表示如下：

式中z＝-zc表示束腰的坐标位置，坐标z轴沿着激光传播方向；扫描物镜的焦距为f，采用200mm的像距，像距远大于f，利用高斯成像公式，物距约等于f；物镜的放大倍数为ma＝200/f，线阵相机上的光斑尺寸为mawz；

线阵相机像素尺寸为s，x和y表示相机面上的坐标；只移动z轴，像方测到的功率与物方激光功率成正比，像方总功率为p0；当物方坐标为z时，峰值光强为iz，入射到相机上的光斑中心的功率ps(z)表示为：

当像素尺寸s足够大时，相机上探测到的功率ps(z)始终等于像方总功率p0，与坐标z无关；当采用单个相机像素时，ps(z)随z轴变化，当束腰处于样品表面时，ps(z)最大，探测出该点的高度。

进一步地，上述的全自动修复玻璃划痕的方法，其中，一个mcp成像探测器放大信号10⁴倍，两个mcp成像探测器放大信号10⁶～10⁷倍。

进一步地，上述的全自动修复玻璃划痕的方法，其中，干法研磨过程中，玻璃粉尘在离心力作用下飞溅，形成椒盐噪声，对椒盐噪声进行降噪平滑处理，再经二值化识别出粗磨或者抛光区域。

进一步地，上述的全自动修复玻璃划痕的方法，其中，所述干型抛光片由氧化铈与海绵用双面胶黏在一起构成。

进一步地，上述的全自动修复玻璃划痕的方法，其中，所述激光器为峰值功率200mw的405nm激光器。

进一步地，上述的全自动修复玻璃划痕的方法，其中，所述扫描物镜为50倍物镜。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①本发明全自动玻璃修复方法，利用机器视觉技术识别缺陷位置，采用激光扫描共聚焦装置测试划痕区域深度，用磨光盘及抛光盘全自动地修复缺陷；通过激光扫描共聚焦装置测量划痕深度，由相机拍照识别缺陷，进而生成路径进行选择性修复；

②自动生成修复轨迹、自动研磨及自动抛光，操作员仅需批量更换料盒，工作强度低，一个人可掌管多台设备，工作效率高，人力成本低；

③采用激光扫描共聚焦法测量得到划痕的3d形貌，调整研磨及抛光工序及时间，效率显著提高；

④采用干法研磨及干法抛光，磨料、抛光粉分别集成到研磨盘、抛光盘上，无需湿法修复用到的磨料、抛光粉耗材，研磨盘、抛光盘中的磨料、抛光粉不会飞溅污染环境；研磨和抛光属于冷加工，修复过程温度低，不会引起修复面背面有机物的热损伤或变形；沿修复轨迹研磨或抛光，作用区域小，对玻璃的非修复区副作用极小。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明的流程示意图；

图2：激光扫描共聚焦装置的光路结构示意图；

图3a：不同像素尺寸下，激光功率与轴向位置的关系示意图(像素尺寸等于束腰直径乘以放大率)；

图3b：不同像素尺寸下，激光功率与轴向位置的关系示意图(像素尺寸下降到束腰直径)；

图4：不同针孔尺寸下，归一化功率与轴向位置的关系示意图；

图5：不同焦距透镜下，归一化功率与轴向位置的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明全自动修复玻璃划痕的方法，基于机器视觉技术识别缺陷位置，利用激光扫描共聚焦装置测试划痕区域深度，再用磨光盘及抛光盘全自动地修复缺陷；如图1所示，具体包括以下步骤：

1)用相机对玻璃拍照，识别划痕；用反射式光源照明玻璃，并入射到面阵相机中；玻璃尺寸为6英寸，采用0.5英寸的相机，则镜头倍数小于0.5/6＝1/12；低倍镜头，焦深长，对各种厚度玻璃均可成像，选择曝光时间和增益，调整亮度和对比度，得到玻璃数码照片；如果玻璃上有胶，比较有胶的玻璃的图像和无划痕参照物，识别缺陷；

用otsu二值化方法或其他二值化方法将图片转化为黑白图像，计算各横坐标下，划痕的白色区域的纵坐标的最大值和最小值，求出划痕纵坐标中心；横坐标和纵坐标对构成划痕中心轨迹，研磨和抛光沿划痕中心轨迹进行；

2)沿轨迹扫描，测量划痕所处平面及深度；

划痕位于上表面或下表面，选取无划痕处任意坐标点，二维位移台和压电陶瓷z轴单元移动物镜，测试不同z轴坐标下相机光强；光强与z轴曲线的两个极大值处对应的z轴坐标，即为上下表面的焦点；二维位移台上设置压电陶瓷z轴单元，构成三维运动平台，移动带划痕的玻璃；高刷新率的多像素线阵相机快速探测中心光强；

采用激光扫描共聚焦装置测试划痕区域深度，激光扫描共聚焦装置，如图2所示，包含激光器10、光闸20、半反半透镜30、振镜40以及扫描物镜50，激光器10的输出光路上布置半反半透镜30，半反半透镜30的反射光路上依次布置振镜40和扫描物镜50，透射光路上布置成像探测模组4，峰值功率为200mw的405nm激光器3(长春新产业光电技术有限公司，型号mdl-xs-405)发出激光，经过半反半透镜30入射到振镜40(索雷博，型号gvs002)中，振镜40控制激光二维偏转，经过扫描物镜50(奥林巴斯，50倍物镜)或透镜后，聚焦在二维位移台70的压电陶瓷z轴单元60上样品，二维位移台70(索雷博，型号mls203-1)实现x轴与y轴的二维移动，压电陶瓷z轴单元60(索雷博，型号mzs500-e)实现z轴上下移动；激光入射到样品后发生反射，原路返回扫描物镜50和振镜40，经过半反半透镜30后进入成像探测模组80；

成像探测模组80由mcp成像探测器、光纤光学板和多行线阵相机组成，像方激光经过mcp成像探测器放大，光纤光学板(szphoton，型号fop-dsp)将mcp成像探测器放大的信号无偏移地传递给多行线阵相机(basler，型号sprint，spl2048-140km)；测量划痕表面形貌。

采用一个mcp成像探测器(dmphotonics，型号mcp-ifp25/2)放大信号10⁴倍，两个mcp成像探测器放大信号10⁶～10⁷倍，相机前的信号强度与pmt相当；二维振镜一方面用于调整光路，将激光调节到双线阵相机上；另一方面，并测试局部划痕区域的深度，入射光斑用到入瞳直径的一半，允许入射光倾斜一半；振镜转速100rad/s，4mm焦距透镜，速度可达400mm/s；平台惯性大，加减速时间长达100ms，振镜轻，加减速时间短，扫描延迟约为260μs，图形连贯处理，采用振镜扫描方式，减少加减速时间；

mcp成像探测器将光信号转化为电信号，电子在荧光屏上成像，光纤光学板将荧光屏上的成像传递到线阵相机上；光纤光学板传递的像畸变小且无渐晕；相比于透镜，光纤光学板传递的像整体偏移小；光纤光学板已应用于手机的光学指纹模组中，将指纹图像准确无误地传递给cmos或ccd相机，因此光纤光学板成本低；mcp成像探测器、光纤光学板和线阵相机构成成像探测模组80，不仅可以替代针孔和pmt，而且成本更低、稳定性更好；

透镜后的束腰半径w0表示为：

式中λ和w1分别表示波长和透镜前的入射光斑尺寸；瑞利距离z0＝πw0²/(λm²)，m²表示光束质量因子；距离z处的腰斑半径wz表示如下：

式中z＝-zc表示束腰的坐标位置，坐标z轴沿着激光传播方向；扫描物镜的焦距为f，采用200mm的像距，像距远大于f，利用高斯成像公式，物距约等于f；物镜的放大倍数为ma＝200/f，线阵相机上的光斑尺寸为mawz；

线阵相机像素尺寸为s，x和y表示相机面上的坐标；只移动z轴，像方测到的功率与物方激光功率成正比，像方总功率为p0；当物方坐标为z时，峰值光强为iz，入射到相机上的光斑中心的功率ps(z)表示为：

当像素尺寸s足够大时，相机上探测到的功率ps(z)始终等于像方总功率p0，与坐标z无关；当采用单个相机像素时，ps(z)随z轴变化，当束腰处于样品表面时，ps(z)最大，探测出该点的高度；纵向精度与针孔尺寸和焦距有关；

像素尺寸等于束腰直径乘以放大率时，峰值功率等于总功率的86.5％，如图3a所示；像素尺寸下降到束腰直径时，峰值功率下降到总功率的1.98％，如图3b所示。

测量得到划痕的3d形貌，测试划痕区域及周边的粗糙度，该区域各点的最大高度值rp为2.65μm，该区域个点的最小高度值rv为-2.72μm，划痕峰谷值等于rp–rv＝5.4μm。采用50倍物镜扫描一次完成，单次扫描幅面维280μm×200μm，扫描角度分别为4.0°和3.0°。

如图4，不同针孔尺寸下，归一化功率与轴向位置的关系；针孔尺寸减小，半高宽减小，纵向精度越高；但尺寸越小，强度越低，且受到衍射限制；提高纵向精度，除了减小针孔尺寸，还可以通过减小透镜焦距来实现。

如图5，不同焦距透镜下，归一化功率与轴向位置的关系；固定在1个点，通过压电陶瓷移动物镜测量表面位置。扫描透镜焦距从20mm降低至10mm，半高宽从5μm降低到1μm。配合高灵敏光电探测器和模数转化器，提高纵向分辨率。10倍物镜，小孔直径等于束腰直径的5倍时，当位置变化220nm，归一化功率下降到中心功率的97.9％，2.1％的差别能够被光电探测器测试出来，因此纵向精度可以达到240nm。20倍物镜，小孔直径等于束腰直径的10倍时，当位置变化55nm，归一化功率下降到中心功率的97.9％，因此纵向精度可以达到55nm。

根据划痕深度判断是否需研磨以及各坐标抛光所需时间，进而沿轨迹修复玻璃；研磨时不仅会形成凹凸层，还会形成10～15μm裂纹层，因此15μm以内的划痕，不适宜细磨，直接抛光；湿法抛光的速度通常为8～15μm/h；

3)干法研磨；采用干磨型研磨片，干型抛光片由氧化铈与海绵用双面胶黏在一起构成，细磨有划痕的玻璃；研磨过程未加水，研磨过的区域无需擦拭，用相机观察；磨光片直径大于划痕宽度，按划痕中心轨迹进行研磨，根据划痕深度调整研磨，当影像中的划痕宽度达到磨光片直径时，磨光完成，用水冲掉干磨产生的玻璃粉尘，以免玻璃粉尘损伤下一道工序用的抛光片；研磨片同时干磨其他带划痕区域，研磨效率高；干法研磨过程中，玻璃粉尘在离心力作用下飞溅，形成椒盐噪声，对椒盐噪声进行降噪平滑，再经过二值化识别出粗磨或者抛光区域；

4)干法抛光；采用干型抛光片按划痕中心轨迹进行抛光，抛光片大于研磨片，根据划痕深度调整抛光时间，获得镜面玻璃。干型抛光片无需抛光粉，避免环境污染；只需加水，抛光时可随时观察抛光效果。

综上所述，本发明全自动玻璃修复方法，利用机器视觉技术识别缺陷位置，采用激光扫描共聚焦装置测试划痕区域深度，用磨光盘及抛光盘全自动地修复缺陷；通过激光扫描共聚焦装置测量划痕深度，由相机拍照识别缺陷，进而生成路径进行选择性修复。

自动生成修复轨迹、自动研磨及自动抛光，操作员仅需批量更换料盒，工作强度低，一个人可掌管多台设备，工作效率高，人力成本低。

采用激光扫描共聚焦法测量得到划痕的3d形貌，调整研磨及抛光工序及时间，效率显著提高。

采用干法研磨及干法抛光，磨料、抛光粉分别集成到研磨盘、抛光盘上，无需湿法修复用到的磨料、抛光粉耗材，研磨盘、抛光盘中的磨料、抛光粉不会飞溅污染环境；研磨和抛光属于冷加工，修复过程温度低，不会引起修复面背面有机物的热损伤或变形；沿修复轨迹研磨或抛光，作用区域小，对玻璃的非修复区副作用极小。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。