專利名稱：一種無損檢測物品表面的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無損檢測物品表面的裝置，屬于光學(xué)無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)字剪切散斑干涉技術(shù)是一種基于激光的全場，非接觸表面變形(位移或應(yīng)變) 的測量技術(shù)。把一個(gè)具有微小楔角的剪切鏡置于成像透鏡的前面，使得物體表面的一點(diǎn)在 像面上產(chǎn)生一對具有很小錯(cuò)位的兩個(gè)像，由于物體表面被激光照明，使得由于錯(cuò)位產(chǎn)生的 兩幅剪切圖像相互干涉而形成了一個(gè)包含隨機(jī)干涉圖樣的剪切散斑場。錯(cuò)位像在像平面上 互相干涉，形成散斑干涉圖像并由CCD經(jīng)圖像采集卡采集到計(jì)算機(jī)中，對變形前后兩幅散
斑圖像做相減或相關(guān)運(yùn)算即可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示物體變形信息的散斑條紋。 數(shù)字剪切散斑干涉技術(shù)具有實(shí)時(shí)、全場、非接觸、無損、機(jī)構(gòu)簡單、無需防震裝置等
優(yōu)點(diǎn)。由于檢測結(jié)果不受待測樣品剛體運(yùn)動(dòng)影響，檢測儀無需防震裝置，為應(yīng)用于生產(chǎn)檢測
線提供了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)圖像處理及分析系統(tǒng)使樣品中的缺陷可實(shí)時(shí)監(jiān)測與測量，
快捷方便。對測量樣品的高精度以及對測量環(huán)境的較低要求成為數(shù)字剪切散斑干涉技術(shù)成
熟應(yīng)用于輪胎、復(fù)合材料和金屬領(lǐng)域的基礎(chǔ)，其可以檢測輪胎內(nèi)部微小氣泡和胎體脫層等
典型缺陷，并可確定缺陷的斷面位置。 目前，基于數(shù)字剪切散斑原理的無損檢測方法及裝置所采用的圖像采集裝置均為 面陣CCD或面陣CMOS，例如，廣州華工百川自控科技有限公司公開號(hào)為CN1632543A的發(fā) 明專利，韓國輪胎株式會(huì)社公開號(hào)為CN1916563A的發(fā)明專利，Y. Y. H皿g等人于2005年在 Materials Science and Engineering上發(fā)表的"Shearography :An opticalmeasurement technique and applications"中利用散斑干涉術(shù)測量物體變形及離面位移。另外，德國 Steinbichler公司生產(chǎn)的激光數(shù)字剪切散斑輪胎無損檢測儀，可對整條輪胎進(jìn)行檢測，一 個(gè)掃描周期可在2min內(nèi)完成，缺陷分辨率為lmm，檢測輪胎最大外直徑為1600mm，最大斷面 寬度為600mm。但該檢測儀檢測系統(tǒng)的感光器件也是由若干個(gè)面陣CCD組成。 作為散斑圖記錄介質(zhì)的面陣CCD或CMOS面積一般較小，其像素總數(shù)有限。若利用 成像器件對較大視場成像，面陣CCD所采集的剪切散斑像的分辨率會(huì)降低，進(jìn)而降低了材 料缺陷的檢測靈敏度。因此基于面陣CCD的無損檢測，無法同時(shí)達(dá)到大視場面積和高靈敏 度的要求。另外，若待測材料表面起伏較大，超過成像系統(tǒng)的景深限制，而面陣CCD為一準(zhǔn) 平面，成像在面陣CCD表面的像有一部分會(huì)產(chǎn)生離焦現(xiàn)象。由于受圖像記錄介質(zhì)的影響，數(shù) 字剪切散斑干涉技術(shù)的靈敏度及分辨率不能進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容要解決的技術(shù)問題 為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本實(shí)用新型提出一種無損檢測物品表面的裝置， 根據(jù)待測樣品表面形貌可設(shè)計(jì)相應(yīng)推掃軌道，以使推掃得到的待測樣品的像清晰在焦；同 時(shí)，線陣CCD相對于相同分辨率的面陣CCD價(jià)格便宜，感光面尺寸大，可大幅度降低檢測成本。 技術(shù)方案 —種無損檢測非平面物品表面的裝置，其特征在于包括激光器1、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡 組、剪切元件4、帶鏡頭的線陣CCD5、微位移平臺(tái)6和計(jì)算機(jī)7 ;激光器1的光軸與被測物品 的中心軸線呈0.0r 20°角度放置，在激光器l的光軸上設(shè)置擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組；在被測 物品反射光束的中心軸線上依次設(shè)置剪切元件4、帶鏡頭的線陣CCD5;剪切元件4與帶鏡頭 的線陣CCD5固定在微位移平臺(tái)6上，帶鏡頭的線陣CCD5采集的圖像信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)7， 計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)輸出至微位移平臺(tái)6控制微位移平臺(tái)6的移動(dòng)；所述擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組包 括顯微物鏡2和透鏡3，顯微物2設(shè)置在激光器1的前端，然后設(shè)置透鏡3，透鏡3的焦點(diǎn)位 于顯微物鏡2的焦點(diǎn)處；所述的剪切元件4緊挨帶鏡頭的線陣CCD5放置，調(diào)整經(jīng)過剪切元 件4的兩束光相對于待測樣品軸線對稱，且兩束光之間角度為0.0r 20° ;所述帶鏡頭 的線陣CCD5位于樣品通過帶鏡頭的線陣CCD5鏡頭所成像的像平面上；所述顯微物鏡的放 大倍數(shù)大于樣品表面面積與激光束截面面積的比值，以使通過擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組擴(kuò)束后的平 行光束照明整個(gè)被測樣品表面。 所述的剪切元件4為剪切鏡，且剪切鏡中心與線陣CCD中心的連線垂直于微位移 平臺(tái)的移動(dòng)方向。 所述的微位移平臺(tái)7為一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)。 所述激光器1采用氦氖激光器。 所述線陣CCD 6為像素呈一維陣列分布的電荷耦合器件。 所述的線陣CCD 6為線陣CMOS。 有益效果 本實(shí)用新型提出的無損檢測物品表面的裝置，由于通過微位移平臺(tái)帶動(dòng)線陣CCD 對樣品的像平面進(jìn)行推掃采集從而獲得多幅一維圖像，再將其處理并合成一幅二維散斑 圖，有效增大了所記錄視場的面積。并且，通過改變線陣CCD推掃過程中微位移平臺(tái)的步進(jìn) 值大小來控制推掃精度，若將所述微位移平臺(tái)的步進(jìn)精度設(shè)置為小于線陣CCD的單元像素 尺寸，還可以提高散斑圖沿微位移平臺(tái)移動(dòng)方向的采樣精度。此外，當(dāng)待測樣品表面起伏較 大時(shí)，利用傳統(tǒng)面陣CCD獲得的散斑圖上的像會(huì)產(chǎn)生離焦，可導(dǎo)致對應(yīng)于離焦部分的缺陷 無法檢測。而利用線陣CCD推掃方法，可以根據(jù)待測樣品表面設(shè)計(jì)相應(yīng)的微位移平臺(tái)的移 動(dòng)軌道，沿所述移動(dòng)軌道推掃得到的散斑圖消除了散斑像的離焦現(xiàn)象，從而有效提高了缺 陷檢測的靈敏度。

圖1 :實(shí)施例裝置結(jié)構(gòu)示意圖 1-激光器、2_顯微物鏡、3_透鏡、4_剪切元件、5_帶鏡頭的線陣CCD、6_微位移平 臺(tái)、7-計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述 裝置實(shí)施例請參閱圖l:[0021] 本實(shí)施例包括激光器1、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組，剪切元件4，帶鏡頭的線陣CCD 5，一維 微位移平臺(tái)6和計(jì)算機(jī)7 ;激光器1采用氦氖激光器，擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組由顯微物鏡2和透鏡 3組成，剪切元件4為剪切鏡， 氦氖激光器的光軸與被測物品的中心軸線呈10°角度放置，在氦氖激光器的光軸 上與被測物品之間設(shè)置擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組的顯微物鏡2和透鏡3，顯微物2設(shè)置在激光器1的 前端，然后設(shè)置透鏡3，透鏡3的焦點(diǎn)位于顯微物鏡2的焦點(diǎn)處；在被測物品反射光束的中 心軸線上依次設(shè)置剪切元件4剪切鏡、帶鏡頭的線陣CCD5 ;帶鏡頭的線陣CCD5固定在微位 移平臺(tái)6上，帶鏡頭的線陣CCD5采集的圖像信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)7，計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)輸出至 微位移平臺(tái)6控制微位移平臺(tái)6的移動(dòng)；所述的剪切元件4緊挨帶鏡頭的線陣CCD5放置， 調(diào)整經(jīng)過剪切元件4的兩束光相對于待測樣品軸線對稱，且兩束光之間角度為10° ;所述 帶鏡頭的線陣CCD5位于樣品通過帶鏡頭的線陣CCD5鏡頭所成像的像平面上；所述顯微物 鏡的放大倍數(shù)大于樣品表面面積與激光束截面面積的比值，以使通過擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組擴(kuò)束 后的平行光束照明整個(gè)被測樣品表面。 帶鏡頭的線陣CCD5采集的圖像信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)7，計(jì)算機(jī)7對CCD5采集的圖像 信號(hào)進(jìn)行處理并顯示處理后的圖像；計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)輸出至微位移平臺(tái)6控制微位移平 臺(tái)6的移動(dòng)。 本實(shí)施例中線陣CCD 5為像素呈一維陣列分布的電荷耦合器件。 本實(shí)施例的主要工作過程為所述氦氖激光器1發(fā)出的細(xì)光束經(jīng)所述擴(kuò)束準(zhǔn)直透 鏡組變?yōu)橄喔善矫婀獠?。平面光波照射所述樣品后被樣品表面散射，并在樣品表面產(chǎn)生相 干散斑場。樣品表面的散射光波經(jīng)過剪切鏡4后形成傳播方向夾角為IO度的兩束散射光 波，兩束散射光波經(jīng)所述線陣CCD鏡頭后，在樣品的像平面形成兩個(gè)互相錯(cuò)位的散斑像，或 稱之為剪切散斑像。由設(shè)置在微位移平臺(tái)6上并處于像平面的線陣CCD5采集線陣CCD所 在位置的一列散斑像，并保證線陣CCD 5的像素排列方向與散斑像的錯(cuò)位方向平行?？梢?維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)6在計(jì)算機(jī)8控制下在垂直于線陣CCD 5像素排列方向上移動(dòng)，并 帶動(dòng)所述線陣CCD 5和剪切鏡對每個(gè)像平面的線陣CCD所在一列進(jìn)行連續(xù)掃描采集，獲得 多幅一維圖像。在掃描采集過程中，可以通過控制所述微位移平臺(tái)6的步進(jìn)精度的方式來 控制垂直于線陣CCD像素排列方向的采樣精度。多幅一維圖像可由與線陣CCD 5電性連接 的計(jì)算機(jī)7處理并合成一幅二維剪切散斑圖。利用線陣CCD 5分別采集樣品變形前后的兩 幅剪切散斑圖，變形前后的兩幅剪切散斑圖可由計(jì)算機(jī)7通過相關(guān)算法和數(shù)字圖像處理等 手段進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，即可以獲得蝴蝶斑形狀的散斑干涉條紋圖。 本實(shí)施例的有益效果是當(dāng)樣品尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成像裝置及剪切鏡的尺寸時(shí)，將剪切 鏡、成像裝置與線陣CCD —起固定于微位移平臺(tái)掃描并采集樣品的剪切散斑像，所能采集 到的剪切散斑圖的面積不會(huì)受成像裝置及剪切鏡尺寸的影響，從而可實(shí)現(xiàn)大面積視場的無 損檢測。
權(quán)利要求一種無損檢測物品表面的裝置，其特征在于包括激光器(1)、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組、剪切元件(4)、帶鏡頭的線陣CCD(5)、微位移平臺(tái)(6)和計(jì)算機(jī)(7)；激光器(1)的光軸與被測物品的中心軸線呈0.01°～20°角度放置，在激光器(1)的光軸上設(shè)置擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組；在被測物品反射光束的中心軸線上依次設(shè)置剪切元件(4)、帶鏡頭的線陣CCD(5)；剪切元件(4)與帶鏡頭的線陣CCD(5)固定在微位移平臺(tái)(6)上，帶鏡頭的線陣CCD(5)采集的圖像信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)(7)，計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)輸出至微位移平臺(tái)(6)控制微位移平臺(tái)(6)的移動(dòng)；所述擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組包括顯微物鏡(2)和透鏡(3)，顯微物(2)設(shè)置在激光器(1)的前端，然后設(shè)置透鏡3，透鏡(3)的焦點(diǎn)位于顯微物鏡(2)的焦點(diǎn)處；所述的剪切元件(4)緊挨帶鏡頭的線陣CCD(5)放置，調(diào)整經(jīng)過剪切元件(4的兩束光相對于待測樣品軸線對稱，且兩束光之間角度為0.01°～20°；所述帶鏡頭的線陣CCD(5)位于樣品通過帶鏡頭的線陣CCD(5)鏡頭所成像的像平面上；所述顯微物鏡的放大倍數(shù)大于樣品表面面積與激光束截面面積的比值，以使通過擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組擴(kuò)束后的平行光束照明整個(gè)被測樣品表面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無損檢測物品表面的裝置，其特征在于所述的剪切元件(4) 為剪切鏡，且剪切鏡中心與線陣CCD中心的連線垂直于微位移平臺(tái)的移動(dòng)方向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無損檢測物品表面的裝置，其特征在于所述的微位移平臺(tái) (7)為一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測物品表面損傷的裝置，其特征在于所述的激光器(1)采用氦氖激光器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測物品表面損傷的裝置，其特征在于所述的線陣CCD為像素呈一維陣列分布的電荷耦合器件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的檢測物品表面損傷的裝置，其特征在于所述的線陣CCD (5)為線陣CM0S。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種無損檢測物品表面的裝置，其特征在于激光器的光軸上設(shè)置擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組；在被測物品反射光束的中心軸線上依次設(shè)置剪切元件、帶鏡頭的線陣CCD；剪切元件與帶鏡頭的線陣CCD固定在微位移平臺(tái)上，帶鏡頭的線陣CCD采集的圖像信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)輸出至微位移平臺(tái)控制微位移平臺(tái)的移動(dòng)。利用線陣CCD推掃方法，可以根據(jù)待測樣品表面設(shè)計(jì)相應(yīng)的微位移平臺(tái)的移動(dòng)軌道，沿所述移動(dòng)軌道推掃得到的散斑圖消除了散斑像的離焦現(xiàn)象，從而有效提高了缺陷檢測的靈敏度。
文檔編號(hào)G01N21/88GK201540257SQ20092024534
公開日2010年8月4日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者孫偉偉, 焦向陽, 王倩, 趙建林, 邸江磊 申請人:西北工業(yè)大學(xué)