專利名稱：一種無損檢測(cè)平面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(cè)平面物品表面的裝置，屬于光學(xué)無損檢測(cè)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(chǎng)，非接觸表面變形(位移或應(yīng)變) 的測(cè)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(duì)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(chǎng)。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(duì)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(chǎng)、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(cè)結(jié)果不受待測(cè)樣品剛體運(yùn)動(dòng)影響，檢測(cè)儀無需防震裝置，為應(yīng)用于生產(chǎn)檢測(cè) 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(cè)與測(cè)量， 快捷方便。對(duì)測(cè)量樣品的高精度以及對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)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. Hung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(cè)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(cè)儀，可對(duì)整條輪胎進(jìn)行檢測(cè)，一 個(gè)掃描周期可在2min內(nèi)完成，缺陷分辨率為1mm，檢測(cè)輪胎最大外直徑為1600mm，最大斷面 寬度為600mm。但該檢測(cè)儀檢測(cè)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CXD或CMOS面積一般較小，其像素總數(shù)有限。若利用 成像器件對(duì)較大視場(chǎng)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(cè)靈敏度。因此基于面陣CCD的無損檢測(cè)，無法同時(shí)達(dá)到大視場(chǎng)面積和高靈敏 度的要求。另外，若待測(cè)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(cè)平面物品表面的裝 置，根據(jù)待測(cè)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(cè)樣品的像清晰在焦；同時(shí)，線陣CCD相對(duì)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(cè) 成本。技術(shù)方案一種無損檢測(cè)平面物品表面的裝置，其特征在于包括激光器1、顯微物鏡2，剪切 角固定的光楔4，凸透鏡5，線陣(XD6，一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)7和計(jì)算機(jī)8 ；激光器1的 光軸與被測(cè)物品的中心軸線呈0.01° 20°角度放置，在激光器1的光軸上與被測(cè)物品之 間設(shè)置顯微物鏡2 ；在被測(cè)樣品反射光束的中心軸線上依次設(shè)置剪切角固定的光楔4、凸透 鏡5和線陣CCD6 ；線陣CCD6固定于一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)7上，線陣CCD6采集的圖像 信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)輸出至一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)7控制一維方向 移動(dòng)微位移平臺(tái)7的移動(dòng)；所述的線陣CXD位于樣品通過凸透鏡5所成像的像平面上；所述 的剪切元件4緊貼凸透鏡5放置；調(diào)整所述顯微物鏡2距被測(cè)樣品的位置使通過顯微物鏡 2擴(kuò)束后的光束照明整個(gè)被測(cè)樣品表面。所述激光器1采用氦氖激光器。所述線陣CXD 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。本實(shí)用新型的無損檢測(cè)平面物品表面的裝置基本操作步驟為激光器發(fā)出的光束 由擴(kuò)束裝置轉(zhuǎn)化為球面光波或光斑尺寸較大的平面光波后照射待測(cè)樣品，被樣品散射的光 束在樣品表面形成散斑場(chǎng)，該散斑場(chǎng)經(jīng)剪切元件后與成像裝置后在樣品的像平面形成兩互 相錯(cuò)位的散斑像。所述線陣CCD設(shè)置在微位移平臺(tái)上并位于像平面，且像素排列方向與散 斑像的錯(cuò)開方向垂直。微位移平臺(tái)在與之電性連接的計(jì)算機(jī)控制下在垂直于線陣C⑶像素 排列方向上移動(dòng)，并帶動(dòng)線陣CCD對(duì)像平面進(jìn)行連續(xù)掃描采集，形成多幅一維圖像?？梢酝?過控制所述微位移平臺(tái)的步進(jìn)精度的方式來控制移動(dòng)方向的采樣精度；微位移平臺(tái)的步進(jìn) 精度可以小于線陣CCD的單元像素尺寸。多幅一維圖像可由與線陣CCD電性連接的計(jì)算機(jī) 利用數(shù)字圖像處理技術(shù)處理并合成一幅二維剪切散斑圖。利用線陣CCD分別采集所述樣品 變形前后的剪切散斑圖，兩幅變形前后的圖像由計(jì)算機(jī)通過相關(guān)或相減算法和數(shù)字圖像處 理等手段進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，最終獲得清晰的蝴蝶斑形狀的散斑干涉條紋圖。有益效果本實(shí)用新型提出的無損檢測(cè)平面物品表面的裝置，由于通過微位移平臺(tái)帶動(dòng)線陣 CCD對(duì)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(chǎng)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(cè)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(duì)應(yīng)于離焦部分的缺 陷無法檢測(cè)。而利用線陣CCD推掃方法，可以根據(jù)待測(cè)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(cè)的靈敏度。

圖1 實(shí)施例裝置結(jié)構(gòu)示意圖[0017]1-激光器、2-顯微物鏡、3-待測(cè)樣品、4-剪切角固定的光楔、5-凸透鏡、6_線陣 CCD、7-微位移平臺(tái)、8-計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述裝置實(shí)施例請(qǐng)參閱圖1:本實(shí)施例中，激光器采用氦氖激光器，待測(cè)樣品3采用表面為一粗糙平面并可加載應(yīng)力的樣品。本實(shí)施例包括激光器1、擴(kuò)束裝置2，剪切元件4，成像裝置5，線陣(XD6，微位移平 臺(tái)7和計(jì)算機(jī)8 ；激光器1采用氦氖激光器，擴(kuò)束裝置2采用顯微物鏡，剪切元件4為剪切 角固定的光楔，成像裝置5為凸透鏡，微位移平臺(tái)7為一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)。氦氖激光器的光軸與被測(cè)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(cè)物品之間設(shè)置顯微物鏡，將該光束擴(kuò)束成相干球面光波，調(diào)整顯微物鏡距被測(cè)樣 品的位置使通過顯微物鏡擴(kuò)束后的光束照明整個(gè)被測(cè)樣品表面；在被測(cè)樣品反射光束的中 心軸線上依次設(shè)置剪切角固定的光楔、凸透鏡和線陣(XD6，線陣(XD6固定于一維方向移動(dòng) 微位移平臺(tái)；剪切角固定的光楔緊貼凸透鏡，調(diào)整經(jīng)過剪切角固定的光楔的兩束光相對(duì)于 待測(cè)樣品軸線對(duì)稱，且兩束光之間角度為10° ；線陣C⑶置于樣品通過凸透鏡所成像的像 平面上。線陣(XD6采集的圖像信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)8對(duì)(XD6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)7控制微位移平臺(tái)7的移動(dòng)。本實(shí)施例中線陣CCD 6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)光束由顯微物鏡擴(kuò)束為 相干球面光波。球面波照射待測(cè)樣品3后被樣品表面散射，并在樣品表面產(chǎn)生相干散斑場(chǎng)。 樣品表面的散射光波經(jīng)過剪切角固定的光楔后形成傳播方向夾角為10°的兩束散射光波， 兩束散射光波經(jīng)凸透鏡后，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。散斑像由設(shè)置在一維微位移平臺(tái)7上并處于像平面的線陣CCD6采集，并保證線陣 CCD 6的像素排列方向與散斑像的錯(cuò)位方向平行。一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)7在計(jì)算機(jī)8 控制下在垂直于線陣CXD 6像素排列方向上移動(dòng)，并帶動(dòng)線陣CXD 6對(duì)像平面進(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，通過控制微位移平臺(tái)7的步進(jìn)精度的方式 來控制垂直于線陣CCD 6像素排列方向的采樣精度。多幅一維圖像可由與線陣CCD 6電性 連接的計(jì)算機(jī)8處理并合成一幅二維剪切散斑圖像H2,然后對(duì)抽真空前后的兩幅圖像H1和 H2進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到圖像H3,然后對(duì)圖像H3采用均值濾波法或中值濾波法進(jìn)行濾波，去除 出現(xiàn)的多條沿線陣CCD像素排列方向的與線陣CCD像素同寬的亮條紋得到圖像H4,獲得診 斷待測(cè)樣品是否出現(xiàn)損傷得蝴蝶斑形狀的散斑干涉條紋圖。本實(shí)施例的有益效果是通過微位移平臺(tái)帶動(dòng)線陣CCD對(duì)樣品的像平面進(jìn)行推掃 采集從而獲得多幅一維圖像，并由計(jì)算機(jī)將該多幅一維圖像合成一幅二維剪切散斑圖，當(dāng) 線陣CCD的尺寸及像元數(shù)較大時(shí)，該方法可獲得較大幅面的散斑圖，從而實(shí)現(xiàn)較大尺寸樣 品的無損檢測(cè)；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。
權(quán)利要求一種無損檢測(cè)平面物品表面的裝置，其特征在于包括激光器(1)、顯微物鏡(2)，剪切角固定的光楔(4)，凸透鏡(5)，線陣CCD(6)，一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)(7和計(jì)算機(jī)(8)；激光器(1)的光軸與被測(cè)物品的中心軸線呈0.01°～20°角度放置，在激光器(1)的光軸上與被測(cè)物品之間設(shè)置顯微物鏡(2)；在被測(cè)樣品反射光束的中心軸線上依次設(shè)置剪切角固定的光楔(4)、凸透鏡(5)和線陣CCD(6)；線陣CCD(6)固定于一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)(7)上，線陣CCD(6)采集的圖像信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)(8)，計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)輸出至一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)(7)控制一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)(7)的移動(dòng)；所述的線陣CCD位于樣品通過凸透鏡(5)所成像的像平面上；所述的剪切角固定的光楔(4)緊貼凸透鏡(5)放置，調(diào)整經(jīng)過剪切角固定的光楔(4)的兩束光相對(duì)于待測(cè)樣品軸線對(duì)稱，且兩束光之間角度為0.01°～20°；調(diào)整所述顯微物鏡(2)距被測(cè)樣品的位置使通過顯微物鏡(2)擴(kuò)束后的光束照明整個(gè)被測(cè)樣品表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無損檢測(cè)平面物品表面的裝置，其特征在于所述的激光器 (1)采用氦氖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無損檢測(cè)平面物品表面的裝置，其特征在于所述的線陣 CXD(6)為像素呈一維陣列分布的電荷耦合器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的無損檢測(cè)平面物品表面的裝置，其特征在于所述的線 陣CCD (6)為線陣CMOS。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種無損檢測(cè)平面物品表面的裝置，其特征在于激光器的光軸與被測(cè)物品的中心軸線呈0.01°～20°角度放置，在激光器的光軸上與被測(cè)物品之間設(shè)置顯微物鏡；在被測(cè)樣品反射光束的中心軸線上依次設(shè)置剪切角固定的光楔、凸透鏡和線陣CCD；線陣CCD固定于一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)上，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)輸出至一維方向移動(dòng)微位移平臺(tái)控制一維方向移動(dòng)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(cè)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(cè)的靈敏度。
文檔編號(hào)G01N21/49GK201555808SQ20092024534
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)