高精度柔性玻璃平面度及表面缺陷测量仪

尹宏 农旭安

广东理工学院 广东 肇庆 526122

引言

随着智能电子产物向轻便、智能性发展。从我国技术的研发情况观察，其他国家的玻璃公司可能有全套的柔性玻璃的生产科技。而我国还处于研究阶段，柔性玻璃是电子产业中特别有应用价值的，也是特别重要的必要材料，为防止它的生产科技和产物被其他国家垄断，我国要快速对相关科技进行研究与制造。

从20世纪80年代至今，我国研究人员便通过光学特性来实现对缺陷的识别和分类。Liu等，利用2次一维Otsu缺陷分割法且采用BP神经网络，从而对缺陷的有效分割与识别，但这方法要很高的图像收集系统，方法不太适用。Latif等，将小波理论和共生矩阵的概念结合在了一起，应用了马氏分类器把图像子窗口分为了缺陷和非缺陷两个部分，但这种算法特别复杂，并且前期还要特别多的资料来练这些分类器。Li等，提出了缺陷检测系统，应用了灰度波动曲线来还原图像，来进行缺陷检测，抗噪性能差是这个方法的缺陷，检测过程也要人操作，无法完全自动化。此外，K均值聚类算法也可以用于缺陷检测，它是无监督学习的方法，灵活性较高，分类好，无须样本与标签等优势，所以常用来缺陷检测。因为K均值聚类会受到影响，导致效率较低，使其陷入部分的最优解。

现在，在前人研究的基础上，设计一套基于高精度白光共聚焦高度测量仪和高精度平台的检测设备，采用纳米级高精度白光共聚焦高度测量仪动态测量柔性玻璃表面高度。通过分析柔性玻璃表面高度数据及其承载物的高度差，计算柔性玻璃的厚度和表面平面度参数。通过分析柔性玻璃表面高度变化，了解油性玻璃表面是否存在凹坑、突起和波浪等瑕疵。从而及早发现柔性玻璃在生产过程当中的瑕疵，提高产品的良品率。

1 测量设备

为对柔性玻璃进行图像的采集，文中根据了柔性玻璃表面凹凸的特点，设计了一套基于高精度白光共聚焦高度测量仪和高精度平台的图像采集系统，整个系统包括1个高精度xy平台和纳米级标准的白光共聚焦高度测量仪构成的设备、1个运动控制卡、白光共聚焦设备数据采集盒和高性能计算机，及形成三维点云数据图的软件。

1.1 硬件

如效果图所示，系统主要有高精度xy平台和纳米级标准的白光共聚焦高度测量仪构成。测量过程中xy平台带动高度测量仪扫描柔性玻璃表面，高密度获取柔性玻璃表面数据。必须保证在移动过程当中不会发生形变或者抖动。

图1 设备效果图

系统控制与数据收集部分主要是包含，运动控制卡、白光共聚焦设备数据收集盒与高性能计算机。

1.1.1 运动控制卡主要是驱动xy平台的移动。采集白光共聚焦高度测量仪的实时位置数据，本项目使用了高精度X1移动平台，定位精度读数可达一个微米，重复定位精度可达5μm。

1.1.2 白光共聚焦设备数据采集盒的用途是对白光共聚焦高度测量仪采集到的数据进行存储和传输，白光共聚焦移动传感器是进行辨别白光分解来的波长与调节的焦距各自配对，后透过接收端上的分析仪分析出传来的光的主要波长，从而确定高度值。理论精确可达到纳米，实测为0.1微米级且对表面没有别的条件，不管是漫反射还是全反射，表面都可以被测量。合适玻璃等主要的平整度，和厚度、小孔深度、透明、非透明液面的测量[1]。

1.1.3 高效的计算机首先，是决定平台设备的运动；其次，对采集回来的白光共聚焦高度测量仪xy平台位置坐标和从白光共聚焦高度测量仪高度数据进行匹配和拟合，最终形成柔性玻璃表明三维数据。最后、对前面收集来的海量（20万组）三维数据进行分析和处理，计算玻璃的平面度，并对其表面凹坑、突起和波浪等瑕疵的检测。检测结果通过三维图像显示给测试人员。

1.2 软件

对柔性玻璃的测量内容目前主要包括：整体和局部平面度测量，表面瑕疵检测，具体包括凹坑、突起和波浪等瑕疵。

1.2.1 平面度测量。平面的公差是来限定平面形态的误差。两个平行的面中间形成的地方是公差带。目前的主要方法有：最小包容法、最小二乘法、对角线平面法、三远点平米法。目前工厂主要采用对角线法手工检测，本项目采用三坐标的平面度计算方法，三坐标检测平面度的时候要在取多个检测点，用检测点用最小二乘法拟合一个平面，使全部检测点的两个平行的面间形成平面度。这两个平行的面平行于形成的最小二乘的面，全部检测点与拟合要素的平方和最小。根据论文资料可知，最小二乘法与测量物体两个的结论基本一致。

1.2.2 表面瑕疵。柔性玻璃表面主要存在凹坑、突起和波浪等瑕疵，他们一个重要的特点是在某个区域范围内玻璃表面高度数据有较大的起伏。对于这种特征可以通过判定的扫描数据起伏高度差来识别凹坑、突起和波浪等瑕疵。

进一步我们可以通过判断扫描数据中，一个平面区域的高度数值差值确定是否有凹坑、突起和波浪等瑕疵，凡是在这个区域之内高度数据差值是比较大的，既可能为瑕疵。同时也可以根据高度差值的特性判定是凹坑、还是突起和波浪。最后在整体方位内，对全部扫描数据进行卷积计算即可判定整个柔性玻璃表明瑕疵所在，同时将这些瑕疵区域标注出来。

1.2.3 测量结果的三维表示。项目最终结果将通过三维点云数据图、表述出来给测量人员使用。主要有两类三维数据。一个是表面高度的三维数据图、另外一个是能够显示瑕疵区域的三维差分数据图。

图2 软件界面效果图

图3 柔性玻璃高度热力图

图4 柔性玻璃瑕疵热力图

1.2.4 数据后期分析。对于工厂在线测量而言上述的两种三维点云数据图已经能够解决生产线上所需要的功能。但是对于需要进一步的数据分析的科研人员是不够的，本项目需要将三维点云数据导出到其他的标准软件进行进一步的分析，程序中预留了数据导出接口导出功能，导出的数据可以直接在其他的三维点云数据分析软件中打开、使用和进一步分析[2]。

2 平面度测量算法

平面的公差是来限定平面形态的误差。两个平行的面中间形成的地方是公差带。目前的主要方法有：最小包容法、最小二乘法、对角线平面法、三远点平米法。

2.1 最小包含法

决定平面度的误差，用两个平行的面包括主要平面，两个平行的面与主要平面要有3到4接触地方，有三种方法：第一种是三角形方法：每个包含平面检测后平面要有3个以上的标记点（3个标记构成三角形）；后面平面检测后有唯一的标记点（最大和小值之一），这个标记点在三角形平面的投影的时候在平面里，也可能在三角形一条边上。第二种是交叉方法：每个包含平面检测后平面要有2个以上的标记点；后面平面检测后也有2个标记点（都是最值），4个标记点形成两个相交直线。第三种是直线方法：两个相反的标记点排成一条直线[3]。

2.2 最小二乘法

最小二乘法是以最小二乘平面为基础的算法，这个算法简单好操作，一直都特别的受欢迎，使得许多国家使用。

设检测平面后取任何一坐标mi（x1,y1,z1），有平面方程式：z=Ax+By+C。最小二乘法的思路，检测点拟合的该平面应该使检测点到平面的坐标的平方和为最小值，所以有函数为：

使S取极小值的必要条件是：

因此得出方程组：

其中：N—测量点的数目。

算出这三元一次方程就可以知道A,B,C，然后知道平面所在的地方，把各个检测点的坐标mi（x1,y1,z1）代入进去，就可以知道z的坐标值，使得平面度误差：

2.3 对角线平面法

对角平面法是以对角线来判定平面度的办法。制作办法是用被检测表面两条对角线平行的一个平面[4]。

一共有7种算法：①截面计算法：可以知道平面上每一个点对理想平面最值的偏差代数差就是平面度的误差。②简化计算法：可以知道所有标记点和理想平面的两个最值(大与小)偏差就是检测的平面度的误差。③通式计算法：可以知道所有检测的点对理想平面两个最值（大与小）的差就是平面度的误差。④坐标值计算法：可以知道所有检测的点对理想平面坐标的最值的差就是平面度的误差。⑤变换计算式法：可以知道所有检测的点偏差值的两个最值(大与小)的差就是平面度的误差。⑥中心高不变计算法：可以知道所有检测的点相差理想平面和被测截面交线值的两个最值（大与小）的差就是平面度的误差。⑦插入计算法：可以知道所有检测的点对理想平面的两个最值（大与小）的差就是平面度的误差。

2.4 三远点平米法

该方法是用检测表面的一条对角线，和平行的另外一条对角线所用的判定基础[5]。

3 结束语

文中应用了高精度xy平台和纳米级标准的白光共聚焦高度测量仪在将三维点云数据导出到其他的标准软件进行进一步的分析，程序中预留了数据导出接口导出功能，导出的数据可以直接在其他的三维点云数据分析软件中打开、使用和进一步分析。可以完成对柔性玻璃的平面度及表面凹坑、突起和波浪等瑕疵的检测，及早发现柔性玻璃在生产过程当中的瑕疵，提高产品的良品率。