基于光弹法的玻璃缺陷检测技术的实验研究

包亦望 周华斌 邱 岩 刘小根 万德田 王秀芳

（1.中国建筑材料检验认证中心有限公司，北京100024； 2.上海理工大学，上海 200093；）

1 引言

我国是平板玻璃制造大国，平板玻璃年产量超过上千万吨，占世界总产量的30%以上，并且浮法玻璃又被深加工成各种各样的建筑中空、真空、夹层和钢化玻璃，各种玻璃作为建筑中的各种围护和采光材料，玻璃幕墙、玻璃天棚、玻璃地板、玻璃楼梯甚至全玻璃建筑都已广泛出现。但是浮法玻璃在生产过程中，由于工艺及其他原因会产生诸如气泡、划痕、结石、光学畸变、锡滴等杂质或缺陷，不仅影响了玻璃的美观，同时严重影响到玻璃的质量，而且被加工成钢化玻璃以后，玻璃内部的结石或杂质会使玻璃在使用和安装过程由于应力集中和不均匀而发生自爆，带来严重的安全隐患，危及人的生命安全造成财产损失[1]。因此玻璃质量检测起到了非常重要的作用[2]。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来获取玻璃表面与玻璃透射的激光信号与原信号的关系来检测玻璃缺陷[3]。虽然直接用CCD相机检测的可视效果不错，但精度有限，激光检测设备在安装上要求比较严格。因此，本文提出了一种基于光弹法的玻璃缺陷检测的方法，该方法不仅可以排除玻璃表面的灰尘等错误信号，还可以对玻璃内部的杂质和缺陷进行分类，而且对于缺陷附近的应力大小可以直观定量地观察到[4]。

2 检测原理及实验装置

光弹法是实验应力分析的一种基本方法，是基于平面应力-光性定律提出来的。已被广泛用于测试汽车玻璃的边缘应力[5],钢化玻璃的残余应力[6]等，光弹性原理如图1所示。光源发出的光束经准光镜变为平行光。通过起偏振镜后，变成只在一个平面内振动的平面偏振光，此时平面偏振光通过模型会按照两个主应力方向进行分解，通过受力模型后出来的偏振光有了光程差然后又一起通过第二个偏振片，也就是检偏镜，最后在屏幕上成像。通常起偏振镜的偏振轴P与检偏振镜的偏振轴A是正交的（如图1所示），这样组成的在屏幕上光场背景是暗的，称为暗场，若两偏振镜的偏振轴相平行，此时背景是亮的，称为明场。各项同性透明的非晶体材料，例如聚碳酸酯、环氧树脂、玻璃、透明塑料等材料，在无应力状态下没有双折射性质。当这种材料产生应力后，它们的性质如同各向异性晶体一样，产生双折射现象。当应力解除后，这种双折射效应会消失，这就是暂时双折射现象。当此种受力模型置于偏振光场中，就会观察到由这种暂时双折射而引起的干涉条纹[7]。原因是，在通过受力模型后，这两支平面偏振光波使产生了光程差δ。平面应力光定律指出，此光程差δ由下式表示：

式中：c－材料的应力光学系数，与模型材料及光波波长有关。

t－模型厚度。

σ1−σ2－该点的主应力差。

通过检偏振镜后，模型上任一点的光强由下式示：

式中：I0是起偏镜后光的强度，λ是所用光源的波长（单色光）θ为模型上任一点的主应力σ1与检偏振镜偏振轴之间的夹角。将（1）代入（2）式可得：

受力模型上任一点的应力差σ1−σ2和θ均不相同，因此在屏幕上各点的亮度不一样，即在屏幕上形成明暗相间的条纹,通过对条纹值的读取可以知道受力模型内部的应力大小。因为本文研究的玻璃内部的缺陷和杂质附近的应力很小，读不出明显的条纹值，因此只做定性的判定，只需要检测到缺陷或杂质引起的应力光斑现象即可，因此对于应力值的读取不做讨论。

图1 光弹性原理示意图

根据光弹法的原理，我们设计了该实验装置（如图2），因为自然光光强比较弱，对于缺陷检测的效果影响较大，因此实验采用白光作为光源。为了代替准光镜获得平行光，采用一块厚度为5mm的单面磨砂玻璃，这样通过磨砂面后的光就是平行光，把起偏片贴在磨砂玻璃的光滑面。通过起偏振片后，平行光变成只在一个平面内振动的平面偏振光。平面偏振光通过带有杂质或缺陷的玻璃，然后通过检偏片成像，图2中的检偏片安装在CCD镜头前面（本实验采用日本KEYENCE产的VHX-600E数码显微镜）。为了获得暗场，起偏振镜的偏振轴与检偏振镜的偏振轴必须正交。当未有缺陷或杂质的普通玻璃放置在暗场中时，因为此时的玻璃属于各向同性透明的，平面偏振光直接透射过玻璃，观察不到双折射现象。当玻璃内部存在缺陷或者杂质时，因为其附近会产生应力集中，因此平面偏振光不能直接透射过，杂质或缺陷周围由于产生双折射现象，在暗场中可以观察到明显的应力光斑或者条纹。因此就可以通过这种方法来检测出玻璃的杂质或缺陷。

图2 实验检测装置原理图

3 实验结果和分析

为了更好的验证光弹法检测技术的优越性，实验的时候我们用CCD相机4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)结瘤

结瘤是玻璃中存在的化学不均匀或热学不均匀显示出的特别明显的光学畸变。是玻璃中的常见缺陷。玻璃中结瘤和气泡都有一个共同点，颜色透明，不像其他夹杂物一样可以在通过CCD相机下比较容易检测到。如图3中，a图是直接用CCD相机拍摄到的，肉眼比较难分辨出来，可供进一步图像处理进行判定缺陷类型的信息比较少；b图是在光弹下拍摄到的，可以看出结瘤周围存在的光斑，而结瘤中间和玻璃正常部分都是暗场。

图3 结瘤

(2)锡滴

锡滴是指掉落到玻璃带上表面含锡的固态或液态物，通常是SnS、SnO2或Sn，也称为“掉锡点”。掉锡点一般很小，粒径约为0.1～0.5mm，大部分在0.3mm左右，肉眼很难从运行的玻璃带上发现它。但能使直径约5～10mm的周围玻璃表面产生严重的光学扭曲，所以又称“光畸变点”，使玻璃成品成为废品。图4中，c图是CCD相机直接拍摄的，锡滴呈小黑点；d是光弹下拍摄的，可以看出锡滴因为阻止了平行偏振光的透过，整个锡滴都呈现暗场，因为锡滴通常在玻璃表面，所以只在锡滴周围有杂乱微小的光点。

图4 锡滴

(3)结石

结石是玻璃制品中最危险的缺陷,它不仅破坏了玻璃制品的外观质量和光学均匀性,而且降低了玻璃制品的使用价值,在玻璃生产中应尽量减少结石的产生.结石可分为配合料结石、耐火材料结石、析晶结石、硫酸盐夹杂物、黑色夹杂物与外来夹杂物.一般使用偏光显微镜岩相分析法均可做出鉴定,因为它们有着较明显的结晶形态和光学特性。结石是在进行配料的时候，或者在玻璃出炉的时候，没有与其他物质完全反应而保留下来的。结石的种类很多，但结石的图案在光弹下拍摄的图片都具有类似的花瓣状或蝴蝶状的黑白条纹图案。如图5和图6，分别是斜锆石和氧化铬的图像。e图和g图是CCD相机直接拍摄到的图像；f图和h图是光弹下拍摄的图像，可以看到很漂亮的花瓣状或蝴蝶状的黑白条纹图案。

图5 斜锆石

图6 氧化铬

（4）真空玻璃支柱

真空玻璃两层玻璃之间有0.02~0.03mm的真空间隙，这两层玻璃之间有设置支柱，防止两层玻璃因外部大气压作用而吸在一起。因此在支柱周围由于受应力集中，可以在光弹下看到明显的光斑。当支柱周围出现裂纹或者真空玻璃漏气导致真空度变化时会引起支柱周围的光斑大小的变化。文献[8]报道过利用光弹法测试真空玻璃真空度的可行性办法。图7中，i图是CCD相机直接拍摄的支柱图像，看不到支柱周围的光斑；j图是光弹下拍摄的图片，可以看到很均匀对称的梅花状图形，通过观察同一批真空玻璃的光斑大小和玻璃内部真空度的比例关系，可以定性或定量判断出真空玻璃是否失效。

图7 真空玻璃支柱

4 结论

本文基于光弹法的玻璃缺陷检测技术做了一些实验上的研究，一般CCD摄像机检测时只给出了由于气泡、结石等缺陷引起的光强变化，但是任何玻璃上的污渍也会给出错误的信号，使其不易与真正的缺陷区别开来。通过光弹法可以观察出不同的缺陷或杂质引起的光斑，这是一般的摄像机看不到的，并且可以通过光弹下各种缺陷或杂质引起的光斑图像的不同对其进行分类。正是由于这一点使得光弹法检测具有更高的可靠性。同时光弹法还可以用于检测真空玻璃支柱引起的光斑变化，判断真空玻璃的失效问题。因此光弹法检测玻璃缺陷，可以在传统的CCD相机检测的基础上，配合光弹法可以检测到应力光斑这种独特的优势，成为玻璃检测缺陷的新途径。

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[6]喻宾扬,王召巴,金永. 玻璃缺陷检测新方法的研究.传感器与微系统[J].2008,27（8）：60~62.

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