一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测装置的制作方法

本发明属于曲面玻璃内部缺陷检测领域，更具体地，涉及一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测装置。

背景技术：

在智能化越来越发达的时代下，玻璃的品种、属性也越来越丰富，应用也越来越规范。曲面玻璃由于更适合人类眼睛视觉的特点，目前被广泛应用于手机、电脑等电子产品领域。而曲面上的细小裂缝往往规格较小且隐藏在玻璃之中，因此很难通过传统的装备和方法进行检测。

典型的曲面玻璃的结构并非市面所看到的弧形液晶电视屏幕那种整体均为曲面的形状，典型曲面玻璃主体部分是一个平面部分，该平面部分呈矩形状，平面部分的四周是一圈曲面，类似于手机壳，主体部分是平面，四周为一圈内扣的弧形状。

传统的检测方法是用大量的有缺陷的样品训练工作人员，利用他们长时间观察和学习得到的经验来判断曲面玻璃上是否拥有裂缝。然而，这种方法在批量生产的过程中显然是费时费力，且精准度较低的。总之，对于曲面玻璃上的缺陷检测，现在还处在一个较低的水平，还没有一种较好的检测装置能够既精准，又快速的检测曲面玻璃的表面和内部缺陷。

因此，需要开发一种检测装置能够既精准，又快速的检测曲面玻璃的表面和内部缺陷。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测装置，其目的在于,利用偏振成像对曲面玻璃表面缺陷进行检测，其能同时检测曲面玻璃内部和表面的缺陷，检测精确，效率高，成本低。

为实现上述目的，本发明提供了一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测装置，其包括LED光源、起偏器、成像镜头和偏振相机，其中，所述起偏器设置在LED光源出射端，用于将通过自身的LED光起偏为偏振方向可调的线偏振光，工作时，线偏振光自身为平行光束，线偏振光位于待检测曲面玻璃侧面，且线偏振光平行于曲面玻璃的平面部分，所述偏振相机设置在曲面玻璃平面部分的垂直线上，用于采集从待检测曲面玻璃出射的携带后曲面玻璃缺陷信息的出射光，所述成像镜头设置在偏振相机上，用于与偏振相机协同工作而成像。

进一步的，其还包括PC机，所述PC机与所述偏振相机的输出端相连，以能接收所述偏振相机获得的数据，并用于对反应待检测曲面玻璃信息的数据进行处理。

进一步的，其还包括载物台，所述载物台用于放置待检测的曲面玻璃，所述载物台为透明玻璃材质。

进一步的，所述偏振相机位于待检测曲面玻璃平面部分的中心轴线上。

进一步的，在待检测曲面玻璃的两侧均设置有LED光源。

进一步的，在待检测曲面玻璃的上下左右一共四个侧面均设置有LED光源。

进一步的，其工作时，处于暗室环境下。

进一步的，每个LED光源出射光前端均配置有一个起偏器。所述起偏器的数量与所述LED光源的数量相同。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明装置需要的光学元器件较少，仅仅需要偏振相机、成像镜头、LED光源以及起偏器就能实现对曲面玻璃内部和表面缺陷的检测，其结构简单，无需特备复杂贵重的设备，检测成本较低。进一步的，其采用PC机进行数据处理，具有较快的处理速度，检测效率高。采用玻璃载物台在硬件和功能扩展上提供了可能，具有较强的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例中偏振阵列结构图；

图2是本发明实施例装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中光源分布示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-偏振相机，2-成像镜头，3-LED光源，4-PC机，5-玻璃载物台，6-起偏器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为更好地解释本发明原理和方法，下面对偏振成相的相关基础知识、原理以及可行性进行阐述。

物体在反射、散射一束光的过程中，会产生由其本身性质(表面粗糙度、材料属性等)所导致的偏振信息。对于不同物体，或者同一物体的不同位置都会产生不同的偏振状态，由此，能从偏振光中得出目标的相关信息。利用反射或散射回来的光波偏振信息，间接获取探测目标信息的手段，被称为偏振成像。其被广泛的使用在复杂背景下的精密目标探测领域。

关于偏振光的描述方式，通常使用四个实数作为参数描述各种偏振态的斯托克斯(Stokes)向量法。它包含偏振光的振幅、相位及偏振信息。Stokes向量的量纲是光强。四个分量是光强度的时间平均值。其物理含义为：S0表示总入射光的光强；S1表示水平I0、垂直I90分量光强的差；S2表示45°、135°分量光强的差；S3表示右旋圆偏振分量光强IR、左旋圆偏振分量光强IL的差。

其中，Ex(t)为X轴上光的振幅，Ey(t)为Y轴上光的振幅，δx(t)为X轴上光的相位，δy(t)为Y轴上光的相位，<>表示测量的时间平均值。

除了Stokes向量中的参数外，还使用了偏振度(Degree of Linear Polarization,DoLP)和偏振角(Angle of Linear Polarization,AoLP)表征偏振光信息。偏振度通常被认为代表偏振光强度在整体光强度中的比例，与I、Q、U三个参量有关，偏振度的定义如式：

当DoLP＝1时，光波为完全偏振光；DoLP＝0时，光波为自然光，其他情况下就是部分偏振光。偏振角则表示线偏振光振动方向和定义的参考方向间的夹角。

表1.不同参数表征图像中不同的特点

偏振相机对目标场景进行成像，获取四幅偏振方向角0°、45°、90°、135°上的线偏振图像I0、I45、I90、I135，再经过配准、去除噪声等图像预处理后，计算出Stokes矢量图像I、Q、U，最后计算得到偏振特征图像DoLP和AoLP。

可以根据实际情况的不同，选择一个或多个参数进行缺陷的识别和提取。例如，S0参数能够表示可见光的光强信息，这个参数是最符合人眼观察的特性的。S0参数虽然贴近人眼观察特性，但也存在人眼观察所带来的局限性。基于S0参数产生的图像容易受到干扰，例如在环境中灰尘较大或者被测物体与背景颜色差距较小的场景(例如玻璃内部的细小划痕，和玻璃都是透明白色)中，使用S0参数的效果就不容乐观。而偏振角参数和偏振度参数能够很好的表征出物体的偏振信息，但是由于其包含大量偏振信息，导致很不符合人眼观察的习惯。因此，如果将S0表征的光强图像和偏振角或偏振度图像进行融合，可以取长补短，获得既符合人眼观察的图像，又可以获得物体偏振信息，从而获得缺陷的信息。除此之外，将Stokes参数S1和DoLP参数进行融合，可以处理被测物体与背景颜色较小时的物体提取的问题(在复杂背景中找到想要处理的物体)。

利用Stokes矢量可以快速筛选有缺陷的物体。利用基于Stokes矢量表示偏振光不仅简单直观，而且还特别适合在拥有大量样本(不知道其中哪一些为正常样本，哪一些为有缺陷的样本)的情况下快速在众多样本中找寻到可能存在缺陷的潜在样本。其具体方法为，通过技术人员指导，选取若干正常样本，在测试系统中进行成像操作，获取由偏振相机收集到的光并进行Stokes矢量的计算。之后将Stokes矢量进行分析，获得光源照射在正常样本时，Stokes矢量四个参数的极大值和极小值。之后，再进行其他样本的Stokes矢量的获取，当发现有些样本的Stokes矢量的值明显异常时，既可以判断此样本存在一定的缺陷。将所有通过上述方法判断拥有缺陷的样本全部找出来之后，可以再集中进行缺陷的详细寻找和判断。因此，利用Stokes矢量可以解决在大样本时的第一步筛选工作，而这一步在人工检查时往往是最费时费力的。使用本发明中的方法，可以显著提高效率和节约时间。

根据之前所述，使用Stokes矢量必须获得检测对象在0°、45°、90°、135°四个方向上反射光的线偏振图像。目前，为了获取这四个方向上的偏振图像，主流方法有两种。首先，可以选择运用一个旋转装置，在四个角度之间进行旋转,但这样比较浪费时间，且旋转精度无法保证。而且，对于曲面玻璃，曲面相对于平面来说对于旋转的精准度要求更高，旋转之后的校正配准难度更大，这也大大制约了这种方法在曲面玻璃中的应用。其二，使用分光系统，将一束光分为四束，在分别进行偏振操作，这样带来的结果是光束强度降低，且结构复杂，需要在四个光路上分别设置四个相机，成本高。

为了能够快速精准识别曲面玻璃中缺陷，本发明使用了基于偏振阵列集成于成像焦平面的方式，偏振阵列的具体结构如图1所示。基于偏振阵列集成与成像焦平面的方法(A.G.Andreau and Z.K.Kalayjian.Polarization imaging:principles and integrated polarimeters[C],IEEE Sens.J,2002,2(2002):566-576)的核心是将微米(um)量级的偏振单元与成像焦平面结合组成微偏振序列。

图1为本发明实施例中偏振阵列结构图，由图1所示，微偏振序列以2*2像素矩阵为一组，每一组又由偏振方向为0°、45°、90°、135°偏振单元构成。因此，当一束光经过这一组偏振序列将同时产生0°、45°、90°、135°四个方向上的偏振信息。将获得的一副包含四个偏振方向上信息的图像，利用插值恢复的图像处理算法进行处理，便可以实时获取偏振方向分别为0°、45°、90°、135°的四幅偏振图像。根据四幅偏振图像能直接获得携带曲面玻璃缺陷的Stokes参数。该方式能一次获得四幅图，具有操作简便、精度高、成像稳定等优点，特别适合曲面这种复杂的结构，大大节省了检测的时间和成本。

下面将更为详细介绍这种基于偏振阵列集成与成像焦平面的方法的曲面玻璃表面缺陷检测方法的基本原理：

曲面玻璃拥有一定的曲率半径，所以当由同一方向入射平行的线偏振光经过曲面的不同位置时，由于其入射角不同，所以会产生不同的效果(在某些角度反射光远大于透射光，在某些角度反射光远小于透射光)，具体的：有些光线在曲面表面进行反射，可在直接反射区(表面反射区)观察到前表面的偏振光信息。由布鲁斯特定理可知，当光波从光密介质进入光疏介质时，且入射角等于临界角时，反射率可以达到100％，此时无透射发生。因此，通过调整入射光的角度，可以使一些光线在曲面玻璃内部进行全内反射传输。此时，如再遇到次表面缺陷时，会导致传输不再满足布鲁斯特条件，从而导致光波的传输发生变化，经过表面玻璃透射到空气当中，从而可在次表面(在本发明的曲面玻璃中，可以认为次表面为玻璃内部)反射区观察到次表面的偏振光信息。由此，利用不同偏振光所传播到的区域的不同，可以分别对前表面缺陷和次表面缺陷进行检测。

偏振光学系统可以看做一种能对偏振光进行“转换”的偏振器件。这种转换涉及退偏、偏振状态的非纯态描述等。本发明还使用了米勒(Mueller)矩阵来表征偏振光学系统。Mueller矩阵是一个4*4矩阵，其可以处理曲面玻璃中所存在的退偏振类问题。Mueller矩阵表示法建立在Stokes向量的基础上，可以完全描述偏振光在偏振光学系统中的传输，能反映物质的属性，下面是Mueller矩阵表达式以及其包括的十六个参数m00、m01、m02······m32、m33。

入射波的Stokes向量S右乘该系统的4*4阶Mueller矩阵M便得到出射波的Stokes向量S’，即

S'＝M*S

如果入射光依次通过多个光学系统或介质(这些光学器件或介质的Mueller矩阵分别为M1、M2、…、Mn)，那么出射光的Stokes向量S’为：

S'＝Mn…M3M2M1S

当入射光通过偏振光学系统时，光的偏振态、传播方向、振幅及相位都会发生变化，如果入射光的偏振信息已知，则通过Mueller矩阵就可以解得出射光的偏振态。这种描述光偏振态的方法，被称为Stokes-Mueller体系。

根据Stokes-Mueller体系，可以定量的计算出不同角度入射到曲面玻璃不同区域的Mueller矩阵。使用偏振阵列聚焦于成像焦平面的方法，可以快速的获得入射到曲面玻璃表面的偏振光的Stokes向量S。

Mueller矩阵的具有面属性，将一块较大的区域按图3所示分为若干排列整齐规则的小区域。每块小区域由于本身特性属性不同，会有不同的Mueller矩阵，可以分别记为M11、M12…….。在实际工程实践中，通过比对米勒矩阵，能分区域快速发现曲面玻璃的缺陷，是一种快速高效的缺陷检测方法。

可以得到曲面玻璃在自身毫无缺陷的理想状态下的出射光Stokes向量S1。还可以将直接反射区(表面发射区)和次表面反射区获得的偏振光进行计算处理，得到直接反射区的Stokes向量S2和次表面反射区的Stokes向量S3。将理想状态下的Stokes向量S1同实际待测曲面玻璃的Stokes向量S进行对比，这样就可以快速得到玻璃存在缺陷的区域，缩小了缺陷存在的范围，节约了时间和成本。

对存在问题的偏振光区域进行处理，得到出射光Stokes矢量图像I、Q、U，最后计算得到偏振特征图像DoLP和AoLP。单一的Stokes矢量或者偏振特征参数无法完全表征物体的特征。经过计算处理，采用多参数图像融合的方式，使得在一幅图像中同时获得物体多种特征的表征，使得图像兼顾了人眼判断的难度和细节信息的精准，从而使得缺陷检测更加精确。

本发明中的曲面玻璃指的是屏幕中间大部分为平面、只有在玻璃边缘较小的区域为曲面的玻璃，这种曲面玻璃的特点是曲面区域小，但曲面变化大。这样的曲面玻璃并非市面所看到的弧形液晶电视那种整体均为曲面的形状，而是手机或者iwatch这类电子设备中屏幕所使用的曲面玻璃，其主体部分是一个平面部分，该平面部分呈矩形状，平面部分的四周是一圈曲面，有的类似于手机壳，主体部分是平面，四周为一圈内扣的弧形。

基于以上原理分析，本发明提供了一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测方法，以平行于曲面玻璃平面部分的线偏振光从曲面玻璃侧面入射至待检测曲面玻璃中，采用偏振相机在曲面玻璃平面部分的垂直线方向上采集待检测曲面玻璃的出射光，获得出射光的斯托克斯矢量S’，根据入射至曲面玻璃的线偏振光的斯托克斯矢量S，获得反应曲面玻璃的Mueller矩阵M’，最后根据M’和内部无任何缺陷的标准曲面玻璃样品的Mueller矩阵M，获得待检测曲面玻璃内部缺陷信息，完成检测，其中，线偏振光自身为平行光，而非发散光。

本发明方法具体包括如下步骤：

S1：以平行于曲面玻璃平面部分的线偏振光从曲面玻璃侧面入射至待检测曲面玻璃中，入射至曲面玻璃的线偏振光的斯托克斯矢量S，所述曲面玻璃的俯视图为四角为圆弧状的矩形，在曲面玻璃的四个侧面均设置有可开关的线偏振光，以根据实际需要开启所需侧面的线偏振光。有的时候开启一侧的偏正光，有的时候需要开启所有四个侧面的偏正光。所需的线偏振光为LED光源发出的光经过起偏器后获得，这是因为线偏振光相比自然光能够携带更多信息，且能够削弱表面反射光带来的噪声影响，防止缺陷信息被埋没在背景信息中，适合玻璃这种高反射材质。所述待检测曲面玻璃的厚度不大于6mm，这是因为厚度过大，偏振光在玻璃内部传播消逝速度显著增强，由此在偏振相机出收集到的光强显著降低，无法准确计算出Stokes参数旳值。其中，线偏振光自身为平行光，而非发散光。

S2：采用偏振相机在曲面玻璃平面部分的垂直线方向上采集待检测曲面玻璃的出射光，获得出射光的斯托克斯矢量S’。具体的，所述偏振相机采集待检测曲面玻璃出射光时位于曲面玻璃平面部分的中心轴线上。

步骤S1和步骤S2发生在暗室环境下，这是因为可以最大限度的减小自然光带来的信息对偏振光的干扰。

S3：根据公式S'＝M*S，获得反应待检测曲面玻璃的Mueller矩阵M’，

S4：一一对应地比对M’和内部无任何缺陷的标准曲面玻璃样品的Mueller矩阵M各自包含的十六个参数，根据十六个函数各自含义，获得待检测曲面玻璃内部缺陷信息。所述内部缺陷信息包括是否具有缺陷，缺陷位置以及缺陷类型，具体为，缺陷位于内部还是表面位置，缺陷是裂缝、划痕还是气泡类型。

为了实现以上方法，本发明提供了一种提供了一种曲面玻璃表面和内部缺陷的检测装置，其包括LED光源、起偏器、成像镜头和偏振相机，其中，所述起偏器设置在LED光源出射端，用于将通过自身的LED光起偏为偏振方向可调的线偏振光，工作时，线偏振光自身为平行光束，线偏振光位于待检测曲面玻璃侧面，且线偏振光平行于曲面玻璃的平面部分，所述偏振相机设置在曲面玻璃平面部分的垂直线上，用于采集从待检测曲面玻璃出射的携带后曲面玻璃缺陷信息的出射光，所述成像镜头设置在偏振相机上，用于与偏振相机协同工作而成像。

在本发明的一个实施例中，其还包括PC机和载物台，所述PC机与所述偏振相机的输出端相连，以能接收所述偏振相机获得的数据，并用于对反应待检测曲面玻璃信息的数据进行处理。所述载物台用于放置待检测的曲面玻璃，所述载物台为透明玻璃材质。

在本发明的又一个实施例中，所述偏振相机位于待检测曲面玻璃平面部分的中心轴线上。每个LED光源出射光前端均配置有一个起偏器。所述起偏器的数量与所述LED光源的数量相同。在实际工程实践中，在待检测曲面玻璃的两侧均设置有LED光源(针对左右两侧面具有曲面，两端无曲面的玻璃)。或者，在待检测曲面玻璃的上下左右一共四个侧面均设置有LED光源。本发明装置在工作时，处于暗室环境下。

图2是本发明实施例装置的结构示意图，由图1可知，一种偏振成像对曲面玻璃表面缺陷的检测装置包括偏振相机1、安装在偏振相机下的成像镜头2、LED光源3、PC机4、玻璃载物台5和起偏器6。所述偏振相机和PC机相连，以处理获得的数据。在本发明中，选取偏振相机1进行图像的采集工作。因为偏振相机是一种专门用于偏振光成像的一种相机。其可对每个像素单元的斯托克斯偏振矢量进行实时测量，并且偏振相关参数可实时显示，如斯托克斯参量、偏振度、偏振角、椭圆度等，这大大方便了数据的处理过程。使用了成像镜头2对玻璃表面以及内部进行成像。LED光源3的波长范围长、使用寿命长、性价比高，是一种常见的应用于缺陷检测的光源。在PC机4进行图像处理，其中集成有图像处理模块，图像处理模块使用了多种斯托克斯参数融合的方法。由于不同的参数能够展现不同的物体性质，因此采用多种斯托克斯参数融合的方法能够将物体更为清晰地展现在一副图像中，充分发挥各个参数的优势，扬长避短。使用多种参数融合的方法既提高了成像质量，又节约了检测时间。考虑到曲面检测的复杂性，单一光源无法应对全部的产品，例如对于极高反射率的表面。因此，使用玻璃载物台5为以后系统增加别的种类的光源(例如背向光源)提供了硬件上的可能性。除此之外，玻璃相比于金属板材质较硬，当样品放在玻璃载物台时，玻璃载物台不会轻易发生形变，从而能够确保待检测的曲面玻璃是水平的，提高了检测的精度。起偏器6可以将通过的LED光起偏为偏振方向可调的线偏振光，线偏振光能提供给偏振相机处理的信息相比于普通自然光更多，且能够削弱表面反射光带来的噪声影响，防止缺陷信息被埋没在背景信息中，适合玻璃这种高反射材质。出射偏振光上所携带的信息由偏振相机收集处理，用来判断缺陷信息

本发明装置工作时，处于暗室环境，可以最大限度的减小自然光带来的信息对偏振光的干扰。通过使用暗室环境，可以观察到图像上的散点和白线显著减小，提高了判断缺陷的精准度。

图3是本发明实施例中光源分布示意图，由图可知，在曲面玻璃的四个侧面均设置有可开关的线偏振光，以根据实际需要开启所需侧面的线偏振光。有的时候开启一侧的偏正光，有的时候需要开启所有四个侧面的偏正光。这样的设置能够增强装置的使用灵活性。

本发明的偏振成像对曲面玻璃表面缺陷的检测装置，无论从检测时间还是精准度和成本上来说，都具有较为显著的进步。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。