一种检测玻璃面板表面缺陷的系统及方法与流程

本发明具体涉及一种检测玻璃面板表面缺陷系统及方法。

背景技术：

随着近年来信息技术飞速发展，玻璃面板以其高强度，高硬度，抗压，抗碰撞等优点，被广泛应用在lcd液晶显示屏、手机屏、平板电脑、家用电器等领域，对其质量要求也随之愈发苛刻。

玻璃面板生产过程包括：开料、cnc、研磨、抛光、离子交换、超声波清洗、丝印、烘烤，镀膜等，生产过程中各个环节都有可能产生缺陷。因此，玻璃面板的缺陷检测至关重要。传统的检测方法基于反射光或透射光光强检测原理，主要包括人工检测与机器视觉检测两种方法。人工检测主要依靠检测人员的视觉以及经验，易于出错并且耗时。目前，国内的玻璃面板缺陷的检测依然主要依靠人工检测，工作量繁重，且对人眼有较大伤害。机器视觉检测采用ccd相机取代了人眼，通过设置合适的光源使得缺陷突出，该方法稳定性高、测量速度快，但光源设计复杂，只有在特定的角度下才可能观察到缺陷，并且当缺陷导致的反射率变化较小时，更难检测出缺陷。此外，该方法属于二维测量，无法检测玻璃面板的三维面形缺陷。故采用光学三维测量技术成为检测玻璃面板进而获取其表面形貌信息的重要手段之一。基于相位测量偏折术的三维形貌测量技术是基于梯度测量的原理，由于小角度可引起较大的相位变化，适用于镜面及类镜面物体的高精度、高灵敏度的三维测量，并且该方法利用普通非相干光源，但具有接近于干涉仪的测量精度，且无需精密的机械扫描装置，可靠性和耐用性更高，成本更低，对环境温度变化及振动不敏感。然而，实际采用相位测量偏折术测量所得相位不仅受到待测物体的梯度调制，而且还受到待测物体的高度调制，在解调得到的相位数据中不能区分梯度和高度，即所谓的系统多义性，而系统多义性会导致相位测量出现误差。故而，如何消除系统多义性，进而提高检测精度和准确度，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种将单透镜、远心光路与相位偏折术相结合进而解决系统多义性问题的检测系统及检测方法，通过本发明检测系统可以获取待测表面的调制度信息，梯度信息和高度信息，以提高玻璃面板缺陷检测的精度与准确性，并且通过分束镜优化系统结构，有利于检测系统微型化。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

技术方案一：

一种检测玻璃面板表面缺陷的系统，包括：编码面结构光显示设备，透镜，分束镜，图像采集装置以及图像处理设备；

图像采集装置设于玻璃面板待测表面正上方，编码面结构光显示设备和图像采集装置均垂直于玻璃面板待测表面放置，分束镜倾斜45°设置于图像采集装置与玻璃面板待测表面之间，使得编码面结构光显示设备产生光线经分束镜至玻璃面板待测表面的入射方向与经玻璃面板待测表面反射至图像采集装置的光线方向平行，其中：编码面结构光显示设备与分束镜之间设有透镜，并使得编码面结构光显示设备位于透镜的物方焦平面图像采集装置内设有物方远心镜头形成远心光路；编码面结构光显示设备分别输出相互垂直的标准n步相移面结构光，光线通过透镜后再通过分束镜折转于玻璃面板待测表面成像，经玻璃面板待测表面调制后得到的变形面结构光进入图像采集装置的光接收面，图像采集装置分别采集在两个方向上经每次相移后得到的变形结构光图像，并通过后端图像处理设备处理。

根据本发明实施例，本发明中编码面结构光显示设备产生的面结构光模式为正弦条纹。

技术方案二：

一种玻璃面板表面缺陷的检测方法，包括以下步骤：

步骤a：搭建如下检测系统：

将图像采集装置设于玻璃面板待测表面正上方，编码面结构光显示设备和图像采集装置均垂直于玻璃面板待测表面放置，分束镜倾斜45°设置于图像采集装置与玻璃面板待测表面之间，使之满足反射定律，其中：图像采集装置内设有物方远心镜头形成远心光路，编码面结构光显示设备与分束镜之间设有透镜，并使得编码面结构光显示设备置于透镜的物方焦平面处；

步骤b：基于步骤a搭建的检测系统，控制编码面结构光显示设备分别产生相互垂直的标准n步相移面结构光并通过分束镜投影至玻璃面板待测表面，经玻璃面板待测表面调制后得到的变形面结构光进入图像采集装置中光接收面，图像采集装置分别采集两个方向上所得到的n帧变形面结构光图像，所述n的取值范围为n≧3，并将采集得到的图像数据通过图像处理设备处理得到变形面结构光的调制度分布图、梯度分布图与高度分布图。

进一步地，在面结构光模式为正弦条纹时，本发明的技术方案如下：

一种玻璃面板表面缺陷的检测方法，包括以下步骤：

步骤a：搭建如下检测系统：

将图像采集装置设于玻璃面板待测表面正上方，编码面结构光显示设备和图像采集装置均垂直于玻璃面板待测表面放置，分束镜倾斜45°设置于图像采集装置与玻璃面板待测表面之间，使之满足反射定律，其中：图像采集装置内设有物方远心镜头形成远心光路，编码面结构光显示设备与分束镜之间设有透镜，并使得编码面结构光显示设备置于透镜的物方焦平面处；

步骤b：检测待测表面缺陷信息；

b1：基于步骤a搭建的检测系统，编码面结构光显示设备分别投影相互垂直的标准n步相移面结构光至玻璃面板待测表面，经玻璃面板待测表面调制后得到的变形面结构光进入图像采集装置中光接收面，图像采集装置分别采集两个方向上得到n帧变形条纹图像，所述n的取值范围为n≧3，假设相互垂直的两个方向分别为x方向和y方向，则：ccd相机采集第n次相移的水平方向变形条纹图像的光强可表示如下：

式中：a(x,y)为背景光强，为x方向条纹对比度，δn为相移大小，是由x方向条纹经玻璃面板待测表面调制后引入的附加相位；

ccd相机采集第n次相移的竖直方向变形条纹图像的光强可表示如下：

式中：a(x,y)为背景光强，为y方向条纹对比度，δn为相移大小，是由y方向条纹经玻璃面板待测表面调制后引入的附加相位；

选择x方向变形条纹图像或y方向变形条纹图像，通过图像处理设备采用如下公式计算得到变形条纹的调制度分布：

式中：in(x,y)为x方向变形条纹或者y方向变形条纹第n次相移后所得变形条纹图像的光强值，δn为相移大小；

b2：将步骤b1所得n帧x方向变形条纹图像数据和n帧y方向变形条纹图像数据分别通过图像处理设备采用最小二乘法计算得到变形条纹的相位均可采用如下表达式：

式中：相位的取值范围为(-π，π)；

b3：通过图像处理设备通过以下公式计算得到玻璃面板待测表面的x、y两个方向的梯度分布：

式中：gx、gy分别表示x方向和y方向的梯度，分别表示x方向和y方向的相位差，px或py为编码面结构光显示设备上正弦条纹的周期，ly为编码面结构光显示设备到玻璃面板待测表面的距离；

b4：通过图像处理设备采用southwell积分模型对x方向和y方向的梯度分别进行积分，得到玻璃面板待测表面的高度分布为：

h＝∫gxdx+gydy。

本发明原理如下：

本发明是在显示设备上分别生成水平和竖直方向的面结构光，通过图像采集装置依次采集经待测表面调制后变形面结构光的虚像，计算得出相位偏折信息，通过测量模型可以得到梯度信息，进而由梯度信息通过积分运算可以恢复出被测高反射物体的三维形貌；

当考虑高度所带来的相位变化的多义性问题时，经待测表面调制得到变形条纹的相位相比经参考面调制所得条纹的相位之差表达如下：

式中：h表示高度变化，ly表示显示屏到参考面之间的距离，α表示显示屏与相机主光线经反射后的夹角，β表示相机主光线与待测平面的夹角，θ表示梯度；

从上式中可以看出：当式中α＝90°，β＝90°时，括号内前一项等于0，且此时高度变化引起的相位误差最小，即系统多义性的影响最小。

因而，本发明检测系统在设计远心光路的基础上，在图像采集装置和待测表面之间增加分束镜，并将分束镜置于与待测平面夹角为45°的位置，图像采集装置和显示屏设备均垂直于待测平面放置，使得编码面结构光显示设备产生光线经分束镜至玻璃面板待测表面的入射方向与经玻璃面板待测表面反射至图像采集装置的光线方向平行，在满足形成同轴光路的条件下，使得检测系统结构更为紧凑；此时，在形成远心光路的情况并且满足同轴光路系统的条件下，显示屏与相机主光线经反射后的夹角以及相机主光线与待测平面的夹角均满足90°，此时高度变化引起的相位误差最小。进一步地，本发明在显示设备与分束镜之间设置单透镜，使显示设备位于单透镜的物方焦平面处，进而将玻璃面板待测表面高度所引起的相位变化经过单透镜成像于相同区域，以达到更彻底地消除系统多义性的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明检测系统结构设计合理，通过将透镜、远心光路与相位测量偏折术相结合形成同轴光路系统，解决了现有技术中相位测量偏折术进行三维形貌测量所存在的系统多义性问题。本发明通过设置远心镜头来减少显示设备产生光线经待测表面调制后在图像采集装置成像平面上所成图像的畸变，即克服了图像采集装置由于调焦不准导致的测量误差，减小所谓近大远小造成的畸变；在形成远心光路的情况下，本发明通过分束镜作用实现了相机主光线与显示设备主光线平行，形成同轴光路系统，进而使得系统多义性最小；进一步地，本发明在显示设备与分束镜之间设置单透镜，使显示设备位于单透镜的物方焦平面处，进而更彻底地消除系统多义性；由于本发明检测系统消除了系统多义性并克服图像采集装置调焦不准导致的测量误差，故本发明检测系统在相位展开时能够准确获取高度信息和梯度信息，提高了玻璃面板表面缺陷检测的精度与准确度。另外，本发明设计中通过分束镜折转光路能够缩小检测系统体积，使得检测系统结构更为紧凑。

附图说明

图1是玻璃面板缺陷检测系统的原理图；图中1为编码面结构光显示设备，2为透镜，3为分束镜，4为远心镜头，5为图像采集装置，6为玻璃面板待测表面；

图2是玻璃面板缺陷检测系统的流程图。

具体实施方式

以下结合本发明具体实施例和说明书附图对本发明原理进行详细说明：

实施例：

如图1所示为本发明检测玻璃面板表面缺陷的系统，包括：编码面结构光显示设备1，透镜2，远心透镜4，分束镜3，图像采集装置5和图像处理设备；

编码面结构光显示设备1、分束镜3、玻璃面板待测表面6与图像采集装置5在空间的位置关系满足反射定律，其中：图像采集装置5设于设有玻璃面板待测表面6正上方，图像采集装置5内设有物方远心镜头形成远心光路，分束镜3倾斜45度设置于图像采集装置5与玻璃面板待测表面6之间，使得系统多义性最小，编码面结构光显示设备1与分束镜3之间设有透镜2，并使得编码面结构光显示设备1位于透镜2的物方焦平面，用以彻底消除系统多义性问题；编码面结构光显示设备1分别输出相互垂直的标准n步相移面结构光，光线通过透镜2后再通过分束镜3折转于玻璃面板待测表面6成像，经玻璃面板待测表面6调制后得到的变形面结构光进入图像采集装置5中的光接收面(即图中光敏面)，图像采集装置5分别采集在两个方向上经每次相移后得到的变形结构光图像，并通过后端图像处理设备处理；

为克服了图像采集装置由于调焦不准导致的测量误差，本发明在图像采集装置中采用物方远心镜头，所述物方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上形成的远心光路。采用上述远心光路即使调焦不准，成的像偏离标尺，在标尺平面上得到的像是由弥散斑构成的投影像。但由于物体上同一点发出的主光线不随物体的位置移动而发生变化(入瞳在无限远，主光线始终平行于光轴，主光线通过物镜后都交于出瞳中心，即孔径光阑中心)，因此通过刻度尺平面上的投影像两端的两个弥散斑中心的主光线位置不变，两个弥散斑中心距离(即物体高度)始终不变。因此，可以克服待测物体由于调焦不准导致的测量误差，即减小所谓近大远小造成的畸变。

进一步地，为解决高度调制在相位解调所导致相位变化的多义性问题，本发明在考虑高度因素的情况下，将经待测表面调制得到变形条纹的相位相比经参考面调制所得条纹的相位之差表达如下：

式中：h表示高度变化，ly表示显示屏到参考面之间的距离，α表示显示屏与相机主光线经反射后的夹角，β表示相机主光线与待测平面的夹角，θ表示梯度；

当式中α＝90°，β＝90°时，括号内前一项等于0，且此时高度变化引起的相位误差最小，即系统多义性的影响最小。

本发明在光路中增加分束镜，并将分束镜置于与待测平面夹角为45°的位置，并使得ccd相机和显示屏均垂直于待测平面放置，使得编码面结构光显示设备产生光线经分束镜至玻璃面板待测表面的入射方向与经玻璃面板待测表面反射至图像采集装置的光线方向平行，此外，在满足形成同轴光路的条件下，使得检测系统结构更为紧凑。

本发明在形成远心光路的情况并且满足同轴光路系统的条件下，显示屏与相机主光线经反射后的夹角以及相机主光线与待测平面的夹角均满足90°，此时高度变化引起的相位误差最小。进一步地，本发明在显示设备与分束镜之间设置单透镜，使显示设备位于单透镜的物方焦平面处，进而将玻璃面板待测表面缺陷高度所引起的相位变化经过单透镜成像于相同区域，以达到更彻底地消除系统多义性的目的。图1中601为参考平面，从编码面结构光显示设备1上a1点发出的入射光线a1交于参考平面于o1点，本实施例图像采集装置5通常采用ccd相机，相应反射光线r1通过ccd相机的光心o成像于b1点；对于在相机坐标系下相同的b1点，则反射光线r1不变，采用光线追踪技术，入射光线变为a2，在编码面结构光显示设备1上对应的点为a2。入射光线r2交于玻璃面板待测表面o2点，假设在点o2处的切面为602与参考平面的夹角为γ，根据反射定律则入射光线r2相对于r1转过了2γ的角度。

如图2所示，本发明提供一种检测玻璃面板表面缺陷的方法：

步骤a：搭建测量系统；

本实施例中编码面结构光显示设备1优选为lcd显示屏；

本实施例中图像采集装置5通常采用ccd相机，具体地，本实施例中ccd相机型号是gt1660/c，并且相机镜头为焦距55mm的远心镜头(computartec-m55)；

本实施例中透镜2的焦距为300mm；

本实施例中分束镜3的分光比为50r/50t；

设置计算机编码的lcd显示屏、分束镜3、玻璃面板待测表面6和ccd相机在空间的位置使得上述四者满足反射定律，其中：lcd显示屏与分束镜3之间设有透镜2，且使得lcd显示屏位于透镜2的物方焦平面处，图像采集装置设于设有玻璃面板待测表面正上方，图像采集装置内设有物方远心镜头形成远心光路，分束镜3倾斜45°设置于ccd相机与玻璃面板待测表面6之间，用于将设于玻璃面板待测表面6一侧的lcd显示屏产生的光线折转于玻璃面板待测表面6成像；

步骤b：检测待测表面缺陷信息；

b1：基于步骤a搭建的检测系统，由于lcd显示屏产生的面结构光通过计算机编码，因此可以方便调节面结构光的方向和周期，本实施例采用的面结构光模式为正弦条纹，定义本实施例中水平方向正弦条纹为x方向，竖直方向正弦条纹为y方向；与参考平面对比，根据玻璃面板待测表面的面形特点，光线经过待测表面时会发生相应的偏折，而且x和y方向的偏折是不相同的，相应的两个方向的正弦条纹的相位偏移也不同；

上述两个方向标准n步相移正弦条纹的产生及图像采集不分先后，本实施例lcd显示屏先产生水平方向正弦条纹，并经透镜2后通过分束镜3折转于玻璃面板待测表面6成像，然后经玻璃面板待测表面6调制后的变形条纹反射至ccd相机的接收平面(即图中光敏面)，采集得到第一帧图像数据，lcd显示屏通过计算机控制产生具有固定相移大小的水平方向条纹图像，分别采集每次相移所得变形条纹图像，一共得到n帧水平方向变形条纹图像数据；

然后lcd显示屏再产生竖直方向正弦条纹，并经透镜2后通过分束镜3折转于玻璃面板待测表面6成像，然后经玻璃面板待测表面6调制后的变形条纹反射至ccd相机的接收平面(即图中光敏面)，采集得到第一帧图像数据，lcd显示屏通过计算机控制产生具有固定相位差的竖直方向条纹图像，分别采集每次相移所得变形条纹图像，一共得到n帧竖直方向变形条纹图像数据；

因此，ccd相机采集第n次相移的水平方向变形条纹图像的光强可表示如下：

式中：a(x,y)为背景光强，为水平方向条纹对比度，δn为相移大小，是由水平方向条纹经玻璃面板待测表面调制后引入的附加相位；

ccd相机采集第n次相移的竖直方向变形条纹图像的光强可表示如下：

式中：a(x,y)为背景光强，为竖直方向条纹对比度，δn为相移大小，是由竖直方向条纹经玻璃面板待测表面调制后引入的附加相位；

选择竖直方向变形条纹图像或水平方向变形条纹图像，通过图像处理设备采用如下公式计算得到变形条纹的调制度分布：

式中：in(x,y)为竖直方向变形条纹或者水平方向变形条纹第n次相移后所得变形条纹图像的光强值，δn为相移大小；

b2：将步骤b1所得n帧水平方向变形条纹图像数据和n帧竖直方向变形条纹图像数据分别通过图像处理设备采用最小二乘法计算得到变形条纹的相位均可采用如下表达式：

由于相移法提取变形条纹信息经过反三角运算，得到的相位是截断的，包裹在[-π,π]之间，故应先采用相位展开算法进行相位展开，因采用本发明光学系统对玻璃面板待测表面进行检测已克服高度调制在相位解调所导致相位变化的多义性问题，故可直接通过如下公式计算玻璃面板待测表面的x、y两个方向的最佳梯度分布：

式中：gx、gy分别表示x方向和y方向的梯度，分别表示x方向和y方向的相位差，px或py为lcd显示屏产生正弦条纹的周期，ly为lcd显示屏到玻璃面板待测表面的距离；

b4：通过图像处理设备采用southwell积分模型对x方向和y方向的最佳梯度进行积分，得到玻璃面板待测表面的最佳高度分布为：

h＝∫gxdx+gydy。

以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。