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自动光学(视觉)检测技术及其在缺陷检测中的应用综述(二)

发布时间:2020-05-29     来源:中国视觉网       访问次数:526


3.3 光谱分辨检测技术

   在色彩分辨检测技术中,所用的彩色光源在电磁波谱0.4~0.74μm的可见光范围内;如图 15 所示[34],该波段在整个电磁波谱范围内只是非常窄小的一部分,从图 15 可以看出,色彩与光源的波长或频率有密切联系,色彩分辨检测技术中的图像传感器是利用彩色光源在被测物体表面反射或散射的波谱能量成像的,大多数情况下没有用到物体本身的红外辐射能成像,是一种主动照明成像技术。

图 15 紫外、可见光和红外波段在电磁波谱中的位置

   实际上所有物体在温度达到绝对0K以上都会辐射红外光谱,红外辐射能量大小取决于物体的温度和和物体的发射率,发射的波谱范围从可见光红光波长最长的边缘0.74μm到微波的开始端1000μm。物体温度越高,在辐射的所有波长范围内辐射能量越大,最大值对应的波长越短,如图 16 所示[35]。很多物体在可见光范围内看起来似乎一样,但在红外波段表现出非常大的差异,如图 17所示[36],通过红外成像可以实现可见光看不见的许多信息,实现红外视觉测量与检测[37]。  

图 16 温度与红外辐射光谱曲线


图 17 可见光与红外光谱成像比较

   鉴于红外成像的对比度主要取决于被测表面材料的成分,而不是表面的颜色,可以采用红外分辨检测技术消除在色彩分辨情况下由于被测表面颜色不同造成的对比度变化干扰,即红外成像具有较好的滤波作用,图 18 展示了红外成像这种本领[21]。图 18 (a)是漫反射纸张在白光照明下的成像结果,纸张表面分成白色和黄色两个区域,并且在黄色背景区域上有红色和黑色字母。图 18 (b)为红外光照明下的成像结果,背景得到均匀化,并且红色文字也消失了,红外光起到了非常好的滤波作用。

图 18 红外成像滤波效果。(a)白光照明效果;(b)红外光照明效果

图 19 红外光穿透性能。(a)660nm红光背光照明效果;(b)880nm红外背光照明效果

   图 19 展示了红外光穿透性能。图中被成像的物体是PCB板,图 19 (a)用的是660nm红光背光照明,图 19 (b)用的是880nm红外背光照明。由于红光波长比较短,红光在绿色塑料板中更加容易散射和分散,而红外光波长较长,穿透性能比较好,能穿透PCB板,得到更清晰的图像,所以图 19 (b)明显比图 19 (a)清晰。图中上端中部的圆孔成像效果也说明了这一点:在红光照明下,由于红光光线的散射溢出,圆孔看上去比较大,而红外成像的圆孔边缘清晰,效果较好。

   受红外探测器探测能力的限制,红外辐射通常根据各种探测器的响应性能分为四个比较小的波段范围:1)近红外NIR(near-infrared), 波长0.7~1μm;2)短波红外SWIR(short-wave IR),波长1~2.5μm; 3)中波红外MWIR(medium-wave IR),波长3~5μm; 4)长波红外LWIR(long-wave IR),波长7.5~14μm。常用的典型红外长传感器材料能感受的光谱范围参考文献[38][39][40][41][42]。根据红外辐射源是来自照射的光源还是来自被测物体自身热辐射,红外AOI技术可以分为非热红外AOI技术和热红外AOI技术。

3.3.1  非热红外成像

   非热红外AOI技术需要通过主动照明,使用图像传感器探测从待测物体表面反射或从物体透射NIR和SWIR辐射能进行成像,成像方法与可见光成像非常相似。它是基于在这两个波段范围内,红外光谱具有如下的特性:可以穿透有些材料,并被其它材料反射,如水蒸气、雾气、单晶硅等材料对SWIR透明。非热红外AOI常用的波段范围主要在SWIR波段,即波长处在0.9~2.5μm,可用的光源有850nm、1064nm和1550nm的激光光源,LED和卤素灯(halogen lamps),如图 20 所示[36]。SWIR波段的红外相机镜头需要精心设计优化,并涂上抗反射膜,典型的成像传感器是采用铟镓砷化物InGaAs(indium gallium arsenide)制造的,光谱覆盖可以扩展到0.55~2.50μm,非热红外AOI还需要精心选择视觉照明光源和成像滤波器,以获得更好的成像效果。

图 20 非热红外视觉与热红外AOI技术


 许多应用在可见光范围内很难或者不可能实现视觉成像检测,但是可以采用非热红外成像技术实现,如食品、塑料、药物分选,垃圾分选,材料成分、涂层和其他特性的无损识别,半导体电路板、太阳能电池的缺陷检测、识别和分类,质量控制等[43][44][45][46]。

3.3.2  热红外成像

   热红外AOI技术也称红外热成技术,它是利用传感器接收物体自身红外辐射产生的热红外实现成像的,波段范围涵盖图 15 中的MWIR和LWIR区域,波长范围MWIR为3~5μm,LWIR为7.5~14μm。图像质量的好坏主要决于物体的温度和物体的红外发射率;物体温度越高,辐射能量越多,图像越明亮。红外热成像图像质量比NIR、SWIR波段受环境和大气中的烟雾、霾、灰尘的影响更小。

   MWIR波段的热红外成像主要目的是获得高质量的图像,而不是聚焦在温度和迁移率的测量。由于黑体辐射的原因,该波段的辐射波谱对比度比LWIR大,这是因为LWIR容易受到地面物体的热辐射影响,而MWIR辐射波谱的变化不容易受到大气的影响,因此常常用于目标探测和故障诊断,如飞机、轮船的探测等。根据Planck定律,地面物体主要辐射LWIR红外波谱,所以LWIR热成像系统常常用于温度测量与控制,故障预测和气体泄漏检测等。

   同非热红外视觉成像通常使用单一图像执行检测相比,热红外成像在无损检测中需要在时间和空间中采集多幅图像。红外热成像检测可以采用主动和被动两种方式实现,即使用或不使用外部加热(或制冷)源激励提升被测物体的红外热谱图对比度。总的来说,在无损检测中主动方式比被动方式更常用,主动激励方法有:1)光学激励,使用闪光灯、卤素灯、红外灯、激光和其他产生热辐射光源对被测物体进行热激励[47];2)超声激励,使用频率15~40kHz的高频声波或超声波进行激励[48];3)涡流激励[49][50][51],基于涡流加热原理进行激励。激励能量的形式有:几毫秒范围的脉冲、方波、几秒到几分钟的阶跃、幅度或频率调制波、动态扫描(点、线或面)等[52][53],建模方法可参考文献[54]。常用的主动红外成像激励方法与应用技术可参考文献[38][55]。

3.3.3  紫外成像

 1)紫外波谱波段。除了上述基于红外光谱分辨成像实现AOI以外,从图 15 所示的电磁波谱中可以看出,可见光的左侧是紫外波谱。紫外波谱(UV)是波长100~400nm的电磁辐射,紫外光具有比可见光更短的波长,能被许多材料吸收,受表面特征散射的能力更强。所以紫外光可用于机器视觉应用中,用于检测用可见光无法检测到的特征。紫外波谱可分4个不同的波段。

   ①长波紫外。UV-A波段,波长范围315~400nm,又称为长波黑斑效应紫外线。该波段的紫外线有很强的穿透力,可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。UV-A可以直达肌肤的真皮层,破坏弹性纤维和胶原蛋白纤维,将我们的皮肤晒黑。可透过完全截止可见光的特殊着色玻璃灯管,仅辐射出以365nm为中心的近紫外光,可用于矿石鉴定、舞台装饰、验钞等场所。

   ②中波紫外。UV-B波段,波长范围280~315nm,又称为中波红斑效应紫外线。中等的穿透力,其波长较短的部分会被透明玻璃吸收,日光中含有的中波紫外线大部分被臭氧层吸收,只有不足2%能到达地球表面,在夏天和午后会特别强烈。紫外线保健灯、植物生长灯发出的就是使用特殊透紫玻璃(不透过254nm以下的光)和峰值在300nm附近的荧光粉制成。

   ③短波紫外。UV-C波段,波长范围200~280nm,又称为短波灭菌紫外线。它的穿透能力最弱,无法穿透大部分的透明玻璃及塑料,日光中含有的短波紫外线几乎被臭氧层完全吸收。

   ④真空紫外。UV-D波段,波长范围100~200nm,又称为真空紫外线。其穿透能力极弱,能使空气中的氧气氧化成臭氧,称为臭氧发生线。

   2)紫外光源及选用。目前常用的UV光源有UV-LED、激光器和水银灯,但相互之间的光谱能量分布差别比较大,如图 21 所示[56],水银灯发射的光谱带宽大,UV-LED的带宽比较窄。值得注意的是,UV-LED在发射紫外线的同时,也向外辐射热能,超过额定温度使用范围会导致LED性能降低,发光能量减弱和使用寿命缩短。其基本规则是在典型的操作温度范围内,温度每增加1℃,LED发光流明数下降0.3%~0.5%[57]。为了保证光输出稳定,减小工作温度是必要的。

   波长较短的紫外对人的身体是有害的,能够导致物体成分的化学变化,因此在食品工业中有些紫外波长是禁止使用的[58]。随着紫外LED光源的发展,光源成本越来越低,紫外成像AOI技术在工业领域逐步得到应用。尽管有许多发射光位于UV-A、UV-B和UV-C波段的LED,但是在许多机器视觉应用中,常用的紫外波长位于UV-A波段,最常用的LED还是发射波长为365,385, 395nm的UV-LED[59]。然而,哪些波长最有效,只能通过照明待测产品来判断。

图 21水银灯与UV-LED光谱分布

   随着LED制造技术的进步,出现了大电流UV-LED,单个封装可以高达10W以上,并且其输出功率已经增加至前几代产品的10~30倍。这样的紫外大电流LED也可能以选通方式增加光输出——这是高速机器视觉应用中一个重要因素。这种紫外大电流LED的另一个优势是可以被设计带有抛物面镜和透镜,以产生集中的聚焦光图案,因此可以在更长的工作距离下使用[60][61]。

   紫外照明能以两种不同的方式应用到机器视觉系统中, 即紫外反射/散射成像检测和紫外荧光成像检测。在紫外反射成像应用中,用紫外光照射物体,并使用对紫外光敏感的单色或彩色相机捕获图像。在紫外荧光成像中,用紫外光照射物体表面,在添加有荧光增白剂的涂料、塑料、印刷油墨和染料等产品中,这些荧光材料将吸收紫外辐射,然后发射出波长更长的荧光,实现荧光成像AOI。

   需要强调的是,紫外反射成像不同与紫外荧光成像,虽然二者都使用紫外光,但是两者在技术上是有明显差异的。紫外反射成像虽然也使用紫外光源,但使用紫外图像传感器接收光源反射或散射紫外光,光的波长不发生偏移。紫外荧光成像则使用的是可见或红外波段的图像传感器,接收由紫外光激发产生的比紫外光本身波长长的光波,激发产生的荧光不再发生反射,而是发生漫反射。

   ①紫外反射成像。在紫外散射成像应用中,紫外光与物体材料产生独特的相互作用,能够使物体的某些特征和特性变得可见,但在可见光和红外光下或使用其他方法难以探测。紫外光可以被许多材料强力吸收,这样可以用紫外光在没有进入物体表层的情况下可视化物体表面特性。紫外光由于波长较短,容易被表面特征散射,散射能力强于可见光和红外。因此,表面较小的特征能够通过紫外反射/散射进行分辨。

   紫外反射成像AOI在工业上有两种应用场合,主要取决于不同的紫外光谱范围,以及相机和光学系统的光谱响应特性。一种是在UV-A和UV-B近紫外波段,波谱范围大约300~400nm,常用的照明波长为365~395nm。另一种是小于300nm的场合,常用的照明波长为250~280nm,也被称为深紫外deep-UV(DUV)或UV-C波段,标准的光学系统对紫外光具有很强的吸收性能,因此,紫外反射成像AOI需要精心配置光源、相机和镜头[62]。

   紫外反射成像的典型应用是检测表面的划伤和微观颗粒,波长较短的紫外光比可见光和近红外有更强散射性能,在可见光与近红外难以成像的情况下,利用紫外光可获得比较清晰的图像,图 22 展示了不同波长情况下的成像效果[63]。在半导体领域,光刻流程需要检查掩模板上非常细小的线条与特征中的缺陷,利用紫外照明共焦显微检测是一个可行的途径,比可见光成像更能发现硅片上划痕和纳米颗粒[64]。

图 22 紫外光对颗粒物散射能力比较。(a)266 nm;(b)470 nm;(c)532 nm;(d)633 nm

   紫外反射成像AOI的另一典型应用是检测表面小面积污染,主要利用UV光容易被有机物(如油、脂等)吸收,尤其深紫外吸收性能更强。如图 23 所示,甚至能区分汽车外表新涂漆层与旧涂漆层的差异,虽然两者在可见光下显示同一种色彩。

大多数常规的CCD和CMOS相机对UV波段成像效果不好,这是由于图像传感器的光学带宽不能也没必要同时覆盖可见到紫外的范围,且紫外光对这些单色和彩色相机的成像质量会产生干扰,任何对UV敏感的图像传感器在点光源附件会产生紫晕,降低图像的锐度,故许多CCD和CMOS图像传感器在封装时,会植入吸收UV光的膜片,消除紫晕的影响。为了在UV波段成像,需要选择没有UV吸收膜的CCD或CMOS相机,即使用对紫外敏感的相机,而不是简单的选用可见光相机。标准镜头对深紫外波段的成像效果也不好,因为典型的镜头玻璃吸收300nm以下的光波,通常需要特制的熔融石英镜头,或钙萤石镜头。

   ②紫外荧光成像。当紫外光或波长较短的可见光照射到某些物质时,被照射的光能量激发引起物质电子轨道向高能轨道跃迁,并最终释放能量回归基态,在这个过程中这些物质会发射出各种颜色和不同强度的可见光,而当光源停止照射时,这种光线随之消失。这种在激发光诱导下产生的光被称为荧光,能发出荧光的物质被称为荧光物质。几乎所有物质分子都有吸收光谱,但不是所有物质都会发出荧光,只有当该物质分子与激发光具有相同的频率,并在吸收该能量后具有高的荧光效率而非将能量消耗于分子间碰撞过程中,才激发出可被接收的荧光信号,如图 24 所示。激发出来的荧光波长比物质吸收的激发光波长长,二者间的差异被称为斯托克斯位移(Stokes’ shift),如图 25 所示。

   紫外荧光成像与紫外反射成像不同,紫外荧光成像采用可见光相机成像。在紫外照明下,被测物体表面激发产生荧光,荧光漫反射到图像传感器成像。其优点是能够使用相对便宜的光源和对紫外敏感的可见光谱相机。为了获得更加清晰的图像,通常需要采取两种途径:1)增加照明光源的发光功率,产生尽可能大的光能照射在被测物体表面上,从而激发更强的荧光;2)在相机前面使用UV滤光片,阻挡从被测表面反射的紫外光[65]。在典型的荧光成像应用中,通常用紫外激发出青色光,470nm或505nm带通滤光片将使青色光通过、同时阻挡所有其他波长,因此能够限制图像中不需要的光和环境光。最常用的紫外带通滤波器是BP470、BP505、BP525、BP590和BP635。在面向机器视觉的荧光应用中,最常用的紫外带通滤波器是BP470,当与黑白或彩色相机一起使用时,能够增强捕获图像的对比度[66]。

   紫外荧光成像可以用于下列场合:1)制药行业可用来检查激素生物碱、维生素等各种能产生荧光的药品质量;2)染料涂料橡胶、石油等化学行业测定各种荧光材料、荧光指示剂及添加剂、原油和橡胶制品;3)纺织化学纤维中可测定不同种类的原材料,如羊毛、真丝人造纤维、棉花、合成纤维,并可检查成品质量;4)食品部门可用于检查毒素(如黄曲霉素等)、食品添加剂、变质蔬菜,鉴定水果、可可豆、巧克力、脂肪、蜂蜜、糖蛋等的质量[67];5)地质、考古等部门,可用于发现各种矿物质、判别文物化石的真伪。

3.4 偏振分辨检测技术

   光是物体辐射的电磁波,经典的电磁波理论把原子发光看作原子内部的电偶极子的辐射过程,当电偶极子沿着某个特定方向振动时,辐射的光波就具有方向性,即偏振性。且由于原子间的不断碰撞,辐射过程不停地中断,因此发出的光是一段段有限长的波列,持续时间是原子两次碰撞的时间间隔。对于由大量原子和分子组成普通光源,电偶极子的振动方向杂乱无章,并不沿着某个特定的方向,因此发出的光波电磁场振动方向和初相位无规则,不具有偏振性,不过可以使用一些物理方法让非偏振光转变为偏振光,如选择性吸收(dichroism)、反射(reflection)、散射(scattering)和双折射(birefringence)等[68]。偏振光按偏振态划分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光和非偏振光。

   光本质是一种电磁波,当与物质相互作用时具有反射、折射、散射和吸收等现象,光与物质的相互作用可分为两类:1)光在电介质-电介质分界面的反射和折射;2)光在电介质-金属表面的反射和透射。与不导电的电介质相比,金属一般为良导体,存在大量的自由电子,在电场作用下可以产生电流,由此产生了金属/电介质两种物质的本质区别。根据麦克斯韦方程组(Maxwell's equations)可知,电介质的折射率为实数 ,金属的折射率 为复数

   一束光在界面发生反射和折射(透射)时,可以将其振动分解为垂直于入射面(s分量)和平行于入射面(p分量)的两个分量,如图 26 所示[69]。

   1)对于电介质-电介质界面,当光从光疏介质射到光密介质,从界面反射出的p分量相对很少,如光从空气(n1=1)进入折射率n2=1.5的玻璃时,在入射角等于56.3°时(布儒斯特角Brewster's angle),p分量的反射比为0,此时所有的反射光都是s分量的光[70]。如果光从光密介质射向光疏介质,在一定的入射角度(临界角)时,发生全反射,如从光从玻璃射向空气中个,临界角大约为41°。

   2)对于介质-金属界面,光波入射到金属表面时,由于大多数金属都是良导体,自由电子在表面层形成表层电流,这一电流的存在使入射光产生强烈的反射,并使透入金属内部的波迅速地耗散为电流的焦耳热,导致光波只能透入金属表面很薄的一层内,所以金属是不透明的[71]。

   图 27 所示是银和铜两种金属的反射率随入射角 变化的曲线(入射光波长为450nm),当入射角为90°时,趋于1, 有一个极小值,但不等于零。由于 和 均为复数,入射光中不同偏振分量的反射系数不同,最重要的是相位改变也不同。如果入射光为线偏振光,反射光很可能变为椭圆偏振光。另外,对于同一种金属,入射光波长不同,反射率也不同。

根据上面介绍的光与物质的相互作用机理,在表面检测中,可以实现下列功能。

   1)偏振成像,提高特征清晰度。有些物体表面具有很强的反射特征,如抛光金属表面、玻璃和晶片等,或者从某个角度照明会产生强烈的反射,视场范围会产生极其明亮的区域或亮斑,此时相机如果直接成像,图像特征可能淹没在亮斑区域里,无法分辨,如果采用如下偏振分辨技术,能够有效解决以上成像带来的困扰。

   ①利用偏振片消除强反光。在对大多数非金属光滑表面进行缺陷检测时,从表面反射出的光线其偏振分量s部分大于p部分,如果照明光源的入射角为50~60°,即接近接近布儒斯特角,表面反射光基本上是s偏振光。若在相机镜头前安装一个偏振片,过滤掉强反射的s偏振光,就可以消除来自反射表面的眩光或亮斑的影响,增强图像对比度,突出表面细节,得到一张满意的图像,如图 28 所示[72]。

   ②偏振光照明与成像。对于不透明材料(如半导体和金属等)表面缺陷的检测,如果有强反光干扰,可以采取图 29 反射式偏振照明与成像技术。如图所示,首先用偏振片把照明光源转变成线偏振光,照射在被测表面上,线偏振光经过被测表面反射后,一般形成椭圆偏振光。如果在相机前面放置一个偏振片和一个补偿滤波镜(如1/4波片),转动偏振片到合适位置,就可以消除强反光,得到效果理想的图像。

   如图 30 所示[72],图 30 (a)是采用带有漫反射板的环形LED照明光源,这样可以得到均匀漫反射照明,如果不加偏振,成像结果可能会发生眩光或镜面反射。若在光源和镜头上前加偏振片,即可减少这种影响并呈现出表面细节,如图 30 (b)所示。

   2)透明材料内部的应力与微裂纹检测。对于有些材质均匀各向同性的透明材料,在自然状态下其折射率在各个方向上处处相等,但由于材料原因或者制造过程形成的应力,会使材料的结构发生形变或产生微裂纹,导致材料的折射率发生变化。即受到应力作用时,成为光学各向异性,出现双折射现象,这种双折射是暂时的,应力解除后即消失,称之为光弹性效应。具有明显光弹性效应的物质有环氧树脂、玻璃、塞璐珞等;对于各向异性的透明材料,如方解石和石英晶体,在机械应力的作用下也发生折射率的变化。这种外力作用下折射率的变化,在某些产品中是不允许的,另外应力集中也会产生微裂纹,导致产品开裂等。

材料在应力作用下发生折射率改变时,受力点透过的偏振光o光与e光折射率 与 的差异与该点内应力成正比[73],即

   式中:k为常数。若把被测材料放在透振方向正交的起偏镜、检偏镜之间,用单色光源照明,即可看分布条纹,条纹密处是应力较大的部位,条纹疏处是应力较小的部位,如图 31 所示[74],这样即可利用条纹分布情况检测被测件的内应力的分布。

   这种应力变化的测量可以采用图 32 所示的偏振成像方法进行[68][75][76]。首先利用起偏器A将照明光源转变成线偏振光对透明物体进行背光照明,光源经过被测物体B后,在应力的作用下变为椭圆偏振光,经过 1/4波片C可将透过的椭圆偏振光再次转换成线偏振光,与原偏振光偏振方向相比,二者之间存在一个角度差,角度大小与延迟量成正比,角度值可以通过旋转检偏器D,使观测点处光透过强度达到最小来测定。

   检偏器B与起偏器A之间的初始夹角为90°,在没有放入被测物体时,将会得到一幅黑色图像。当放入透明的被测物体时,应力的变化将导致局部产生明亮区域。对于物体上的垂直与水平方向的应力与起偏角的夹角为45°,光能量只有一部分能通过检偏器,转动检偏器,光强度会随之改变,当光的偏振面与检偏器的偏振方向相垂直时,光强度达到最小。延迟量

   上述方法不足之处在于精度和重复性不高,只有与起偏器轴向成45°角的应力才能被测量得到,其他方向将会衰减,并且测量前需将被测件对准。测量非均匀性的应力分布时,对于每一个测量点,需要将被测件旋转到正确的位置,或者被测件不动,改变起偏器的轴方向位置,自动化程度不高,难以用于在线自动测量。为了解决这些问题,已经发展出一些有效的自动测量方案,如通过线性偏振相机扫描,实现大面积测量,如图 33 所示[76][77]。

   图 33 (a)所示的传感器由4行2048个CMOS像元组成,用透光轴分别为0°,90°,135°的偏振片分别覆盖在每行的像元上,用来解析接收光线不同的偏振态,还有一行像元表面没有覆盖偏振片,用来接收未解析的光束。相机按行输出 4路光强信号图像,如图 33 (b)所示,则被测件的偏振态可用公式(4)所表述的Stokes参数评价[78]。

   比直接阴影成像更好的光路系统如图 39 所示[87],采用激光光源,透镜扩束准直;或者采用白光照明,抛物面反射镜扩束准直。阴影图像可以投射在白色屏和感光片上,或投在屏上之后用相机成像接收,转变成数字图像进行后续图像处理。另一种阴影成像方法为聚焦阴影法,如图 40 所示。假设在平面M处放置一个屏幕,距离待测区域距离为g,则形成简单的阴影图像。但在图39中,用场镜L2将平行光束聚焦,与纹影成像不同的是,在聚焦位置并不放置刀口,而是用另个一聚焦镜将阴影图像平面M聚焦到屏幕M'。

   3)阴影与纹影成像方法的异同。阴影法最大的优点在于系统极其简单,可以用于大视场检测,且对光学系统的要求也比较低,在许多应用中,只要使用单个透镜、Fresnel透镜和便宜的反射镜等即可。

   阴影成像反映了折射率场的二阶导数(Laplacian)变化,材料非均匀的边界越锐利,成像越清晰,对于纹影物体(schlieren-object)特征比较小情况,只要边界锐利,阴影成像仍然具有很高的灵敏度。因此,阴影法表达了材料均匀性发生变化的复杂特征的轮廓,而纹影成像方法注重于这种变化的细节。

   阴影法的主要缺点在于其固有的模糊性,即“Ashadowgram is not a focused optical image, it is a mere shadow”[88]。阴影不是一个聚焦图像,只是一个影子,物和像之间没有一对一的映射关系;而纹影法物体与像之间是光学共轭关系。

   阴影法获得的图像并不能反映物体特征的尺度,仅阴影图中的黑色部分反映了光线折射的起点,明亮区域反映了光线的结束。阴影图可能是光学的互叠、交错、相交造成,如果成像面与被测物体距离足够远,会形成非常强的焦散现象。这也是阴影成像技术的显著缺点,因为其容易造成特征之间的混跌。

   如果被测特征在光轴方向延展较大,光轴方向上的远近特征在阴影图中的放大倍数差距将比较显著,与成像面近的特征放大倍数小,反之放大倍数大。这种差距造成的图像畸变在需要评价特征折射率引起的折射角度变化时,是一个非常严重的问题。

总的来说,阴影成像方法不适合定量检测,即不适合定量评估折射率的变化[88][83]。

3.6 干涉分辨检测技术

   光学干涉测量以光源波长为基准,具有很高的灵敏度与检测分辨率,因此在几何量测量中得到广泛的应用。AOI中常用的干涉检测方法有数字全息成像(digital holographic imaging)技术、散斑干涉(speckle interferometry)技术、微分干涉差(differential interference contrast,DIC)技术和大视场白光干涉(white light interferometry)技术等。

   1) 数字全息成像技术。AOI中典型的全息干涉成像技术如图 41 所示[86],图 41 (a)为参考干涉图生成与记录过程,图 41 (b)为散斑干涉测试过程。在参考干涉图记录时,用相干光束照明标准参考物体,被物体表面反射形成物光;同时从激光器发出的相干光束被分光镜分束直接反射形成参考光束;物光和参考光束在感光介质上交汇,形成参考干涉图被记录下来。感光介质可以是湿化学照相底片,也可以是CCD/CMOS等图像传感器。在测试过程中,参考物体被待测物体替换,如图图 41 (b)所示,待测物体的物光和参考物体的全息重建目标参考光在相机的感光面上形成干涉图案,通过干涉图案可以计算出对应的相位差和光程差,即可以测量出被测物体与参考物体之间的差异,并且具有亚波长分辨率和精度。

   不同的干涉图案表征了不同的表面或亚表面缺陷,通过干涉图案的形状可以识别缺陷的种类,虽然干涉图案和缺陷种类千差万别,但大量实验和理论分析表明:表征缺陷的干涉条纹可以归纳成5个有限集,即所谓的5中基本形态:牛眼、沟槽、弯曲、位移、压缩,如图 42 所示[90]。

   图 41 所示的光学结构缺点是体积较大,需要参考光路和测量光路两套装置。更简便的方法是采用数字全息技术[91][92][93][94][95][96]。常用的数字全息成像光路结构有数字Gabor全息术、数字同轴全息术、数字像面全息术和数字菲涅耳全息术[97]。在数字全息成像中,参考目标全息图和被测目标全息图均用图像传感器获取,没有物理干涉图案,干涉相位通过Huygens’ principle逐点重构,可以定量计算被测目标与参考目标之间的差异。

   在所有的数字全息系统中,被测件的最大空间频率必须与图像传感器的分辨率相匹配,空间频率过大会导致整个全息图的对比度降低,极端情况下甚至丢失整个全息信息。遇到这种情况,需要调整系统的孔径大小,限制物光横向传播。如果被测物体较大,图像传感器与物体距离比较远(如几米),需要采取措施减小成像的视场角。一种可行的方案如图 43 所示[91],在全息装置成像光路前放置一个发散透镜,产生一个比被测物体小的虚物,用来自这个虚物的光波与参考光叠加记录全息图,从而减小物体表面的空间频率而不改变被测视场大小。

(本文连载:请在学术论文搜索自动光学(视觉)检测技术及其在缺陷检测中的应用综述(三)


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