閆 璽，張景超，李賀光，肖長(zhǎng)江，丁 瑞，王曉磊

（燕山大學(xué)a.理學(xué)院；b.里仁學(xué)院，河北秦皇島066004）

1 引 言

玻璃厚度是評(píng)定玻璃生產(chǎn)質(zhì)量的重要參量，傳統(tǒng)的玻璃厚度檢測(cè)方法主要是利用螺旋千分尺或者具有相同精度的測(cè)量?jī)x器，對(duì)待測(cè)玻璃進(jìn)行人工接觸式測(cè)量.傳統(tǒng)方法測(cè)量的速度較慢，效率低下，而且在一些工業(yè)生產(chǎn)中特定的生產(chǎn)環(huán)境（如高溫、輻射以及有害氣體等）下，無法進(jìn)行有效的接觸測(cè)量.近些年來，隨著光電檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，電荷耦合器件CCD（charge couple device）圖像傳感器已在圖像傳感和信號(hào)處理、產(chǎn)品外部尺寸檢測(cè)、分類、表面質(zhì)量評(píng)估、智能化測(cè)控及機(jī)器視覺中的精確定位等諸多領(lǐng)域中被廣泛地應(yīng)用[1－2]，已成為非接觸檢測(cè)的主要工具，目前針對(duì)平板玻璃厚度的非接觸式測(cè)量技術(shù)，已有不少人做了大量的工作和研究[3－9]，主要測(cè)量方法有激光多普勒技術(shù)[10－11]、透射法[6，12]、激光三角法[13－14]等.本測(cè)量主要采用雙路透射法，測(cè)量原理簡(jiǎn)單，采用USB圖像采集卡實(shí)時(shí)提取圖像，以自適應(yīng)閾值法定位邊界，灰度重心法提取中心像素，對(duì)不同的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析，力求準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、快速地操作.

2 光學(xué)主要測(cè)量原理

光束以一定方向斜射入待測(cè)平板玻璃時(shí)，根據(jù)光的折射定律，光線傳播方向?qū)l(fā)生偏移，光束中透射出玻璃的光與無待測(cè)玻璃時(shí)的光線方向平行，只是位置平移了一段距離.

如圖1所示，設(shè)光束以θ為入射角，玻璃的折射率為n，空氣折射率可近似為1，待測(cè)平板玻璃厚度為d，光束平移量為Δs.

圖1 折射原理圖

依據(jù)圖1中的幾何關(guān)系可以得到：

根據(jù)光的折射定律

以上各式中θ和n為已知量，可以令H＝sinθcosθ·tanβ，式（3）即可寫為Δs＝dH，從而玻璃的厚度

如果更準(zhǔn)確地計(jì)算光束平移量，可通過線陣CCD圖像傳感器接收檢測(cè)信號(hào)，采用對(duì)稱的雙光束，如圖2所示，實(shí)線部分為光束通過玻璃的實(shí)際光路，虛線為沒有加載待測(cè)玻璃時(shí)的光路，經(jīng)過對(duì)稱的平面鏡反射過來的2束光線，根據(jù)前后2次光束位置的變化來求得光束偏移量，同樣在對(duì)稱的反射鏡面光束也發(fā)生同樣的平移.在圖2中，每個(gè)反射平面鏡上，屬于入射光線的實(shí)線與虛線部分的間距與屬于反射光束的實(shí)線與虛線的間距相等.從而式（3）變?yōu)?/p>

玻璃的厚度表達(dá)式變?yōu)?/p>

根據(jù)鏡頭成像倍率公式

由式（4）～（6）可得厚度公式為

式中：M為鏡頭放大倍率，N為像素?cái)?shù).

圖2 對(duì)稱雙光路圖

3 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)量系統(tǒng)主要有光學(xué)設(shè)計(jì)部分和圖像采集部分，結(jié)構(gòu)裝置如圖3所示.

光學(xué)系統(tǒng)部分由對(duì)稱安裝的激光器、反射鏡組和慮光片以及成像鏡頭組成.光源根據(jù)CCD的光譜特性曲線（參照CCD產(chǎn)品簡(jiǎn)介及說明書），采用半導(dǎo)體激光器，功率為3mW，波長(zhǎng)為532nm，光束形狀為一字線型，光束出口線寬L≤0.5mm.反射鏡組的功能主要是將對(duì)稱雙路激光轉(zhuǎn)變?yōu)閮善叫泄馐?采用濾波片是因?yàn)榧す饪赡茌敵瞿芰窟^大，避免CCD輸出飽和.鏡頭采用ZENITAR－F2／50mm型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，焦距50mm，光學(xué)成像放大率為M＝1∶5，最大光圈可達(dá)f／2.

圖3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

光學(xué)圖像采集部分主要由線陣CCD傳感接收器、傳感器驅(qū)動(dòng)電源、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)和顯示器組成.CCD傳感器采用日本TOSHIBA－TCD1501D型號(hào)，該型號(hào)器件是一款具有高靈敏度、低噪聲、低暗電流等特性線陣電荷耦合器件，有效光敏像元數(shù)目為5 000像素，單位像元間距p＝7μm.

圖像采集卡采用KXUSB－SDK系列，采用USB總線數(shù)據(jù)接口，接口芯片與主機(jī)USB接口相連，圖像以黑白圖像GRAY8數(shù)字圖像格式顯示.系統(tǒng)通過CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過傳輸后，通過A／D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字信號(hào)，圖像數(shù)據(jù)被采集卡讀取后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)保存和顯示，以數(shù)字圖像類型BMP，JPEG及TIFF等格式文件保存.采集到線激光條紋以灰度圖像顯示，如圖4所示；圖像的數(shù)據(jù)以矩陣的形式存儲(chǔ)，如圖5所示.

圖4 線激光灰度圖像

圖5 數(shù)字圖像數(shù)據(jù)格式

4 圖像中心像素提取算法

提取條紋圖像中心像素是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的關(guān)鍵，由于實(shí)驗(yàn)裝置中采用的是線激光光源，激光產(chǎn)生的條紋是一字線型（如圖4所示），在線激光光束截面上，對(duì)應(yīng)光強(qiáng)能量一般呈現(xiàn)的是強(qiáng)度對(duì)稱的高斯分布，圖像灰度由條紋中心向兩側(cè)遞減，直到與背景灰度值融合，如圖6所示，左邊白色部分為目標(biāo)線光帶圖像，右邊黑色為背景部分，中間為邊界過渡區(qū)域.理論上灰度中心兩邊鄰域像素對(duì)稱分布，由于系統(tǒng)采集過程中產(chǎn)生各種隨機(jī)噪聲，對(duì)圖像采集或多或少帶來不穩(wěn)定的影響.往往會(huì)造成圖像灰度可能分布部分不對(duì)稱或者條紋中心偏移等.

圖6 光帶邊界鄰域灰度圖

在數(shù)字圖像理論中，根據(jù)圖像灰度特征的分割理論對(duì)圖像邊界處理有多種方法[15]，由于實(shí)驗(yàn)采集的線激光灰度圖像結(jié)構(gòu)分布簡(jiǎn)單，主要由背景與2束平行的目標(biāo)光條紋構(gòu)成，為了提高灰度中心的準(zhǔn)確度，采用自適應(yīng)邊界閾值定位[16]，通過灰度重心法[17]，提取目標(biāo)像素中心.

首先根據(jù)圖像灰度曲線可以快速粗略地找到灰度圖像數(shù)據(jù)某一行i光強(qiáng)中心的粗略位置Ci，如圖7所示，然后在Ci左右各n個(gè)像素之間范圍，要求該范圍寬度大于光線帶寬.該范圍內(nèi)的灰度平均值為f（i）M，計(jì)算在Ci－n至Ci＋n之間灰度小于f（i）M的灰度平均值f（i）th，

式中n′為灰度值f（i，j）小于f（i）M的像素?cái)?shù)，以此f（i）M為邊界閾值，l和r為對(duì)應(yīng)邊界位置，灰度重心法求得光帶中心位置為

圖7 中心像素提取示意圖

5 實(shí)驗(yàn)及分析

固定好各實(shí)驗(yàn)裝置，雙路激光入射角為45°，調(diào)整好對(duì)稱的兩反射鏡角度，系統(tǒng)參考標(biāo)定時(shí)采集到的條紋灰度圖像如8所示，圖像尺寸為5 000像素×1 024像素，沿某一行的掃描對(duì)應(yīng)光強(qiáng)分布圖即灰度曲線如圖9所示，對(duì)采集的圖像進(jìn)行Matlab處理，圖10為圖像灰度統(tǒng)計(jì)直方圖，其中左右區(qū)域分別為背景與目標(biāo)像素統(tǒng)計(jì)，中間為邊界過渡區(qū).通過圖9和10可以粗略找到條紋中心與邊界區(qū)域，圖11為冪次變換后圖像灰度曲線，參考圖11分析，依據(jù)式（8）～（10）對(duì)圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得各條紋中心位置，最后完成參考標(biāo)定，可得未加載玻璃情況下條紋寬度.

圖8 條紋灰度圖像

圖9 灰度曲線圖

圖10 灰度統(tǒng)計(jì)直方圖

圖11 冪次變換后灰度曲線

完成系統(tǒng)參考標(biāo)定后，實(shí)驗(yàn)采用樣品玻璃折射率為1.512，分別對(duì)厚度不同的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示.其中，ΔN為光束與標(biāo)稱比較變化的像素?cái)?shù)，d為玻璃厚度，Δd為誤差量.以樣品厚度為5.336mm（千分尺測(cè)定）為例，由表1中的數(shù)據(jù)可以求得厚度測(cè)試的平均值為5.340 7mm，與標(biāo)準(zhǔn)值比較測(cè)量中最大偏差為0.029mm.表2為不同厚度樣本比較，從表中可以看出隨著厚度的增加，測(cè)量的示值偏差逐漸減小.結(jié)果表明測(cè)量平均值在玻璃厚度標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差范圍內(nèi)，能夠滿足測(cè)量要求.

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 不同厚度的測(cè)量數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

采用激光透射法，以對(duì)稱雙路激光透射測(cè)量方式，利用機(jī)器視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了玻璃厚度的非接觸測(cè)量.本實(shí)驗(yàn)裝置主要是針對(duì)玻璃生產(chǎn)在線方式為構(gòu)造基礎(chǔ)，可在玻璃退火處設(shè)計(jì)檢測(cè).生產(chǎn)中玻璃退火溫度較高，熱氣流上升，而CCD置于下方可以避免退火時(shí)上升熱流對(duì)傳感器的干擾，采用雙路對(duì)稱光路可以減少單束激光透射造成的平移誤差.使用該方法檢測(cè)玻璃厚度，測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，操作方便，能夠滿足國(guó)家規(guī)定的厚度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（GB11614－1999）的要求，厚度測(cè)量范圍可以在2～20mm內(nèi).本課題將進(jìn)一步研究和改進(jìn)，可應(yīng)用于圖像的亞像素提取、圖像濾波去噪處理及高溫環(huán)境下檢測(cè)的可靠性能檢測(cè)研究.

[1] 陳東雷，王清元，張?zhí)祉?CCD傳感器及其應(yīng)用研究[J].傳感器世界，2007（7）：22－26.

[2] 楊冰，丁蔻，李麗華，等.塞曼效應(yīng)數(shù)據(jù)分析與處理方法改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（5）：36－38.

[3] Liu Chien－h(huán)ang，Li Zong－h(huán)an.Application of the thickness measurement of glass substrites[J].Applied Optics，2008（21）：3968－3970.

[4] Novikov M A，Tertyshnik A D，Ivanov V V.Optical interference system for controlling float－glass ribbon thickness at hot Stages of production[J].Glass and Ceramics，2004，61（2）：37－41.

[5] Mamedov F I，Dadashov M G，Gabibov S S.Device for continuous glass thickness determination[J].Glass and Ceramics，1990，47（5）：184－186.

[6] 趙育良，王偉.基于CCD的航空相機(jī)平板玻璃厚度的測(cè)量系統(tǒng)[J].傳感器技術(shù)，2003，22（1）：58－60.

[7] 劉瑾，楊海馬，張菁.基于CCD在線厚度測(cè)量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：1217－1218.

[8] 杜曉強(qiáng)，王偉，王召巴.玻璃厚度在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].紅外，2008，29（12）：36－39.

[9] 張銚，王寶亞，梁洪峰，等.一種新型光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)那在高溫環(huán)境中的應(yīng)用研究[J].傳感器與系統(tǒng)，2008，27（5）：73－75.

[10] 宋晨，呂岑，郭琪，等.一種激光多普勒玻璃厚度的測(cè)量方法[J].光子學(xué)報(bào)，2008，37（8）：1635－1638.

[11] 李彥超，章亮，楊彥玲，等.多光束激光外差高精度測(cè)量玻璃厚度方法[J].物理學(xué)報(bào)，2009，58（8）：5475－5477.

[12] 胡玉禧，張紅強(qiáng)，周紹祥.一直測(cè)量折射率的新方法[J].光電工程，1997，24（4）：26－29.

[13] 王曉嘉，高雋，王磊.激光三角法綜述[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（4）：601－604.

[14] 黃戰(zhàn)華，蔡懷宇，李賀橋，等.三角法激光測(cè)量系統(tǒng)的誤差分析及消除方法[J].光電工程，2002，29（3）：58－59.

[15] 劉文耀.數(shù)字圖像采集與處理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：272－280.

[16] 吳家勇，王平江，陳吉紅，等.基于梯度重心法的線結(jié)構(gòu)光中心亞像素提取算法[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2009，14（7）：1354－1360.

[17] 吳慶陽(yáng)，蘇顯渝，李景鎮(zhèn)，等.一種新的線結(jié)構(gòu)光光帶中心提取算法[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39（4）：151－155.