专利名称：一种光学无损检测物品表面的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光学无损检测物品表面的装置，属于光学无损检测技术领域。
背景技术：
数字剪切散斑干涉技术是一种基于激光的全场，非接触表面变形(位移或应变)
的测量技术。把一个具有微小楔角的剪切镜置于成像透镜的前面，使得物体表面的一点在
像面上产生一对具有很小错位的两个像，由于物体表面被激光照明，使得由于错位产生的
两幅剪切图像相互干涉而形成了一个包含随机干涉图样的剪切散斑场。错位像在像平面上
互相干涉，形成散斑干涉图像并由CCD经图像卡采集到计算机中，对变形前后两幅散斑图
像做相减或相关运算即可以在计算机上实时显示物体变形信息的散斑条纹。 数字剪切散斑干涉技术具有实时、全场、非接触、无损、机构简单、无需防震装置等
优点。由于检测结果不受待测样品刚体运动影响，检测仪无需防震装置，为应用于生产检测
线提供了技术基础。同时，计算机图像处理及分析系统使样品中的缺陷可实时监测与测量，
快捷方便。对测量样品的高精度以及对测量环境的较低要求成为数字剪切散斑干涉技术成
熟应用于轮胎、复合材料和金属领域的基础，其可以检测轮胎内部微小气泡和胎体脱层等
典型缺陷，并可确定缺陷的断面位置。 目前，基于数字剪切散斑原理的无损检测方法及装置所采用的图像采集装置均为 面阵CCD或面阵CMOS，例如，广州华工百川自控科技有限公司公开号为CN1632543A的发 明专利，韩国轮胎株式会社公开号为CN1916563A的发明专利，Y. Y. H皿g等人于2005年在 Materials Science and Engineering上发表的"Shearography :An opticalmeasurement technique and applications"中利用散斑干涉术测量物体变形及离面位移。另外，德国 Steinbichler公司生产的激光数字剪切散斑轮胎无损检测仪，可对整条轮胎进行检测，一 个扫描周期可在2min内完成，缺陷分辨率为lmm，检测轮胎最大外直径为1600mm，最大断面 宽度为600mm。但该检测仪检测系统的感光器件也是由若干个面阵CCD组成。 作为散斑图记录介质的面阵CCD或CMOS面积一般较小，其像素总数有限。若利用 成像器件对较大视场成像，面阵CCD所采集的剪切散斑像的分辨率会降低，进而降低了材 料缺陷的检测灵敏度。因此基于面阵CCD的无损检测，无法同时达到大视场面积和高灵敏 度的要求。另外，若待测材料表面起伏较大，超过成像系统的景深限制，而面阵CCD为一准 平面，成像在面阵CCD表面的像有一部分会产生离焦现象。由于受图像记录介质的影响，数 字剪切散斑干涉技术的灵敏度及分辨率不能进一步提高。
发明内容要解决的技术问题 为了避免现有技术的不足之处，本实用新型提出一种光学无损检测物品表面的装 置，根据待测样品表面形貌可设计相应推扫轨道，以使推扫得到的待测样品的像清晰在焦；同时，线阵CCD相对于相同分辨率的面阵CCD价格便宜，感光面尺寸大，可大幅度降低检测 成本。 技术方案 —种光学无损检测非平面物品表面的装置，其特征在于包括激光器1、扩束准直透 镜组、带镜头的线阵CCD5、微位移平台6和计算机7、可转动的平面反射镜4、可前后移动的 平面反射镜9、分光棱镜8;激光器l的光轴与被测物品的中心轴线呈0.0r 20°角度 放置，在激光器1的光轴上设置扩束准直透镜组；在被测物品反射光束的中心轴线上依次 设置分光棱镜8、可前后移动的平面反射镜9 ;在与被测物品反射光束的中心轴线垂直的方 向上在分光棱镜8的两侧分别设置可转动的平面反射镜4和带镜头的线阵CCD5，且可前后 移动的平面反射镜9到分光棱镜4的距离与可转动的平面反射镜4到分光棱镜4的距离相 等；带镜头的线阵CCD 5固定在微位移平台6上，线阵CCD5采集的图像信号输出至计算机 7，计算机7的控制信号输出至微位移平台6控制微位移平台6的移动；所述扩束准直透镜 组包括显微物镜2和透镜3，显微物镜2设置在激光器1的前端，然后设置透镜3，透镜3的 焦点位于显微物镜2的焦点处；所述显微物镜的放大倍数至少为样品表面面积与激光束截 面面积的比值，使通过扩束准直透镜组扩束后的平行光束照明整个被测样品表面；所述的 线阵CCD5位于样品通过线阵CCD5镜头所成像的像平面上；所述平面反射镜4的中心与分 光棱镜8中心的连线垂直于微位移平台6的移动方向，微调平面反射镜4的旋转角度，使经 过分光棱镜8到线阵CCD5的两束光之间角度为0. 01° 20° 。 所述的微位移平台6为一维方向移动微位移平台。 所述的激光器1采用氦氖激光器。 所述的线阵CCD 5为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件。 所述的线阵CCD 5为线阵CMOS。 有益效果 本实用新型提出的光学无损检测物品表面的装置，由于通过微位移平台带动线阵 CCD对样品的像平面进行推扫采集从而获得多幅一维图像，再将其处理并合成一幅二维散 斑图，有效增大了所记录视场的面积。并且，通过改变线阵CCD推扫过程中微位移平台的步 进值大小来控制推扫精度，若将所述微位移平台的步进精度设置为小于线阵CCD的单元像 素尺寸，还可以提高散斑图沿微位移平台移动方向的采样精度。此外，当待测样品表面起伏 较大时，利用传统面阵CCD获得的散斑图上的像会产生离焦，可导致对应于离焦部分的缺 陷无法检测。而利用线阵CCD推扫方法，可以根据待测样品表面设计相应的微位移平台的 移动轨道，沿所述移动轨道推扫得到的散斑图消除了散斑像的离焦现象，从而有效提高了 缺陷检测的灵敏度。
图1 :实施例装置结构示意图 1-激光器、2_显微物镜、3_透镜、4_可转动的平面反射镜、5_带镜头的线阵CCD、 6_微位移平台、7-计算机、8_分光棱镜、9-可前后移动的平面反射镜。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本实用新型作进一步描述 装置实施例请参阅图l: 本实施例包括激光器1、扩束准直透镜组、带镜头的线阵CCD5、微位移平台6和计 算机7、可转动的平面反射镜4、可前后移动的平面反射镜9、分光棱镜8 ;扩束准直透镜组包 括显微物镜2和透镜3。 激光器1的光轴与被测物品的中心轴线呈10°角度放置，在激光器1的光轴上设 置扩束准直透镜组显微物镜2和透镜3，显微物镜2设置在激光器1的前端，然后设置透镜 3，透镜3的焦点位于显微物镜2的焦点处；在被测物品反射光束的中心轴线上依次设置分 光棱镜8、可前后移动的平面反射镜9 ;在与被测物品反射光束的中心轴线垂直的方向上在 分光棱镜8的两侧分别设置可转动的平面反射镜4和带镜头的线阵CCD5，且可前后移动的 平面反射镜9到分光棱镜8的距离与可转动的平面反射镜4到分光棱镜4的距离相等；带 镜头的线阵CCD 5固定在微位移平台6上，线阵CCD5采集的图像信号输出至计算机7，计 算机7的控制信号输出至微位移平台6控制微位移平台6的移动；所述扩束准直透镜组包 括所述显微物镜的放大倍数至少为样品表面面积与激光束截面面积的比值，使通过扩束准 直透镜组扩束后的平行光束照明整个被测样品表面；所述的线阵CCD5位于样品通过线阵 CCD5镜头所成像的像平面上；所述分光棱镜4的中心与线阵CCD5中心的连线垂直于微位 移平台6的移动方向，调整经过分光棱镜4的两束光相对于待测样品轴线对称，且两束光之 间角度为IO。。 本实施例中线阵CCD 5为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件。 本实施例的主要工作过程为氦氖激光器1发出的细光束经扩束准直透镜组变为 相干平面光波。平面光波照射样品后被样品表面散射，并在样品表面产生相干散斑场。样品 表面的散射光波经过迈克尔逊装置后形成传播方向夹角为IO度的两束散射光波。其中，通 过调节可转动的平面反射镜4的转动角度，可改变两散射光波的夹角；当用到相移方法时， 通过微调可前后移动的平面反射镜9的前后位置，可以改变其中一束光波的光程。两束散 射光波经线阵CCD5后，在所述样品的像平面形成两个互相错位的散斑像，或称之为剪切散 斑像。由设置在微位移平台6上并处于像平面的线阵CCD5采集线阵CCD所在位置的一列 散斑像，并保证线阵CCD 5的像素排列方向与散斑像的错位方向平行。可一维方向移动微 位移平台6在所述计算机7控制下在垂直于所述线阵CCD 5像素排列方向上移动，并带动 带镜头的线阵CCD 5对每个像平面的线阵CCD所在一列进行连续扫描采集，获得多幅一维 图像。在扫描采集过程中，可以通过控制微位移平台6的步进精度的方式来控制垂直于线 阵CCD像素排列方向的采样精度。多幅一维图像可由与线阵CCD 5电性连接的所述计算机 7处理并合成一幅二维剪切散斑图。利用线阵CCD 5分别采集样品变形前后的两幅剪切散 斑图，变形前后的两幅剪切散斑图可由计算机7通过相关算法和数字图像处理等手段进行 数值运算，即可以获得蝴蝶斑形状的散斑干涉条纹图。 本实施例不仅可实现大面积视场的无损检测，而且，所述迈克尔逊干涉装置可提 高本方法的灵活性及灵敏度。通过转动平面反射镜4可任意调整两散斑像的错位量，从而 提高测量灵活性；通过前后微移平面反射镜9，可应用相移技术实现高精度检测。
权利要求一种光学无损物体表面的测量装置，其特征在于包括激光器(1)、扩束准直透镜组、带镜头的线阵CCD(5)、微位移平台(6)和计算机(7)、可转动的平面反射镜(4)、可前后移动的平面反射镜(9)、分光棱镜(8)；激光器(1)的光轴与被测物品的中心轴线呈0.01°～20°角度放置，在激光器(1)的光轴上设置扩束准直透镜组；在被测物品反射光束的中心轴线上依次设置分光棱镜(8)、可前后移动的平面反射镜(9)；在与被测物品反射光束的中心轴线垂直的方向上在分光棱镜(8)的两侧分别设置可转动的平面反射镜(4)和带镜头的线阵CCD(5)，且可前后移动的平面反射镜(9)到分光棱镜(8)的距离与可转动的平面反射镜(4)到分光棱镜(8)的距离相等；带镜头的线阵CCD(5)固定在微位移平台(6)上，线阵CCD(5)采集的图像信号输出至计算机(7)，计算机(7)的控制信号输出至微位移平台(6)控制微位移平台(6)的移动；所述扩束准直透镜组包括显微物镜(2)和透镜(3)，显微物镜(2)设置在激光器(1)的前端，然后设置透镜(3)，透镜(3)的焦点位于显微物镜(2)的焦点处；所述显微物镜的放大倍数至少为样品表面面积与激光束截面面积的比值，使通过扩束准直透镜组扩束后的平行光束照明整个被测样品表面；所述的线阵CCD(5)位于样品通过线阵CCD(5)镜头所成像的像平面上；所述平面反射镜(4)的中心与分光棱镜(8)中心的连线垂直于微位移平台(6)的移动方向，微调平面反射镜(4)的旋转角度，使经过分光棱镜(8)到线阵CCD(5)的两束光之间角度为0.01°～20°。
2. 根据权利要求1所述的光学无损物体表面的测量装置，其特征在于所述的微位移 平台(6)为一维方向移动微位移平台。
3. 根据权利要求1所述的光学无损物体表面的测量装置，其特征在于所述的激光器 (1)采用氦氖激光器。
4. 根据权利要求1所述的光学无损物体表面的测量装置，其特征在于所述的线阵 CCD(5)为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件。
5. 根据权利要求1或4所述的光学无损物体表面的测量装置，其特征在于所述的线 阵CCD(5)为线阵CM0S。
专利摘要本实用新型涉及一种光学无损检测物品表面的装置，其特征在于在激光器的光轴上设置扩束准直透镜组；在被测物品反射光束的中心轴线上依次设置分光棱镜、可前后移动的平面反射镜；在与被测物品反射光束的中心轴线垂直的方向上在分光棱镜的两侧分别设置可转动的平面反射镜和带镜头的线阵CCD，且可前后移动的平面反射镜到分光棱镜的距离与可转动的平面反射镜到分光棱镜的距离相等；带镜头的线阵CCD固定在微位移平台上，线阵CCD采集的图像信号输出至计算机，计算机的控制信号输出至微位移平台控制微位移平台的移动。利用线阵CCD推扫，沿所述移动轨道推扫得到的散斑图消除了散斑像的离焦现象，从而有效提高了缺陷检测的灵敏度。
文档编号G01N21/88GK201540258SQ20092024534
公开日2010年8月4日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者孙伟伟, 焦向阳, 王倩, 赵建林, 邸江磊 申请人:西北工业大学