基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测技术的实验研究

基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测技术的实验研究

喻宾扬，王召巴，金永

（中北大学信息通信学院太原030051）

摘要：本文分析了莫尔条纹的形成原理，并对基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测方法进行了研究设计，同时根据设计的实验装置，通过CCD摄像机进行了实际图像采集及其分析，为基于莫尔条纹的玻璃缺陷的在线检测研究提供了实验基础。最后本文还对莫尔条纹的应用进行了一定的展望。

关键词：光栅莫尔条纹玻璃缺陷CCD摄像机

Abstract: The paper analyzes the principle of moiré fringe, and researches the glass defect detection methods which based on moiré fringe. The author used a CCD camera to acquire image, then analyses the image. It makes an experimental foundation for on-line detect of defects based on glass moiré fringes. This paper also provides certain prospect for moiré fringe applications.

Keywords：grating moiré fringes defects of glass CCD camera

1 引言

随着玻璃业的不断发展，需求量的不断增加，对其产品的质量要求也是越来越高，此时玻璃质量检测起到了非常重要的作用。传统的玻璃检测的方式是直接通过CCD摄像机获取图像，然后通过对图像的分析处理达到检测的目的，另一种是通过激光检测，它是获取玻璃表面与玻璃透射的激光来信号与原信号的关系来检测玻璃缺陷。虽然直接用CCD相机检测的可视效果不错，但精度有限，激光检测设备却在安装上要求严格。为此，提出了一种基于莫尔条纹的玻璃缺陷检测的方法。

2 莫尔条纹在我们生活中常常见到莫尔现象，当薄的两层丝绸叠加在一起并作相对运动时，形成一种漂动的水波型花样，这就是莫尔条纹（亦称为云纹）。1874年英国物理学家瑞利首次将莫尔图案作为一种计测手段，从而开创了莫尔测试技术。在莫尔测试技术中[1][2][3]，通常利用两块光栅或者光栅的两个像的叠加产生莫尔条纹，如图1所示，以获得各种被测量的信息。

莫尔条纹形成原理[4][5]：我们用两块光栅相叠合说明莫尔条纹的形成，光栅的特性可用它的透射系数或者透射频率表征。设两块光栅在x轴方向的周期分别为d1和d2，

如图2所示。设其空间频率为

1

1

/1d

=

ξ

和

22/1d =ξ，其透射率分别为：

111

1

222

21cos 21cos 2 1cos 21cos 21cos 2 1cos 2x

F x d m x

F x

d m π

πξπππξπ=+=+=+=+=+=+

式中1m 和2m 是光栅的线条序数，并有

x m 11ξ=，x m 22ξ=。设用强度为0φ的平

面波连续通过两块光栅，则透射强度为：

012

012120121212 [1cos 2cos 2 cos 2cos 2] [1cos 2cos 211

cos 2()+cos 2(22 )]F F x x x x x x x φφφπξπξπξπξφπξπξπξξπξξ==+++=+++=

++ 或者写成：

0121212[1cos 2cos 211

cos 2()cos 2()]22

m m m m m m φφππππ=+++

++-式中第一项是平均光强度；第二、三两项是原来的光栅周期结构；第四项为和频项，其空间频率为两光栅空间频率之和，条纹变密；第五项为差频项，其空间频率为两光栅的空间频率之差，条纹变疏。

莫尔条纹原理将作为基于莫尔条纹玻璃缺陷检测研究的基础。 3 检测原理

莫尔条纹玻璃缺陷检测原理是基于光的干涉，当相对放置之的两片光栅相对移动或者弯曲时，就可以看见明显的干涉条纹，即莫尔条纹。原理如图3所示，将一个带有光栅的光源放置在被检测玻璃的下方，其中光栅G 1的栅距较大，光栅G 2的栅距较小。G 1通过玻璃经过透镜成像在光栅G 2上面，形成莫尔条纹。当有缺陷的玻璃移动时，由

干涉产生的莫尔条纹也随之发生变化，因为 干涉方法具有很高的灵敏度，即使在光学畸变很弱的情况下，根据CCD 摄像机采集到的莫尔条纹也能够检测并计算出玻璃缺陷的光畸变形状和强度。

如图4所示，当光线通过光栅再穿过玻璃时，由于其中的缺陷及缺陷周围玻璃密度的分布不均匀，光线穿到这些区域的时候，一部分光被遮挡住，而另一部分则以各种形式发生散射，此时在玻璃的另一端将很明显的看到变形的光栅，整个缺陷部分（包括周围的不均匀部分，如图中A 、B 部分）都能通过CCD 摄像机得到其相关信息。但对于直接用CCD 摄像机拍摄，它却无法获取玻璃不均匀部分A 、B 的信息。 4 实验研究及对比

为了更好的验证莫尔条纹检测技术的优越性，实验的时候我们用CCD 相机分别获取了不同玻璃缺陷的图片进行研究（其中包含了直接通过CCD 摄像机拍摄到的玻璃缺陷图）。

（1）气泡

(a)直接拍摄的气泡

(b)通过莫尔条纹拍摄的气泡

图5 气泡

如图5所示，这是同一个气泡在不同的条件下获取的气泡缺陷。图5(b)中的气泡不但保持了图5(a)中的特点，在周围还有相对明显的光学变化，这样使得在分析通过莫尔条纹获取的气泡缺陷时具有更多的信息。（2）结石

(a)直接拍摄的结石

(b)通过莫尔条纹拍摄的结石

图6 结石

通过图6，我们能够明显看出通过光栅拍摄到的图像不但带有更多的信息，而且图6(b)中产生的变形区域比图6(a)中的大很多，这样不但能够更好的判断出结石缺陷而且还能更好的对其进行分析处理。

（3）夹杂物

(a)直接拍摄的夹杂物

(b)通过莫尔条纹拍摄的夹杂物

图7 夹杂物