专利名称：一种无损检测非平面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无损检测非平面物品表面的装置，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. Hung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1mm，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CXD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无损检测非平面物品表面的 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。技术方案一种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、显微物镜2，剪 切角固定的光楔4，柱透镜5，线阵CCD6，二维方向移动微位移平台7和计算机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的光轴上与被测物品 之间设置显微物镜2 ；在被测样品反射光束的中心轴线上依次设置剪切角固定的光楔4、柱 透镜5和线阵(XD6 ；线阵(XD6固定于二维方向移动微位移平台7上，线阵(XD6采集的图 像信号输出至计算机8，计算机的控制信号输出至二维方向移动微位移平台7控制二维方 向移动微位移平台7的移动；所述的线阵(XD6位于样品通过柱透镜5所成像的像平面上； 所述的剪切角固定的光楔4紧贴柱透镜5放置，调整经过剪切角固定的光楔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0.01° 20° ；调整所述显微物镜2距被测 样品的位置使通过显微物镜2扩束后的光束照明整个被测样品表面。所述激光器1采用氦氖激光器。所述线阵CXD 6为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件。所述的线阵CCD 6为线阵CMOS。本实用新型的无损检测非平面物品表面的装置基本操作步骤为激光器发出的光 束由显微物镜转化为球面光波或光斑尺寸较大的平面光波后照射待测样品，被样品散射的 光束在样品表面形成散斑场，该散斑场经剪切角固定的光楔后与柱透镜后在样品的像平面 形成两互相错位的散斑像。线阵CCD设置在微位移平台上并位于像平面，且像素排列方向 与散斑像的错开方向垂直。微位移平台在与之电性连接的计算机控制下在垂直于线阵CCD 像素排列方向上移动，并带动线阵CCD对像平面进行连续扫描采集，形成多幅一维图像。可 以通过控制所述微位移平台的步进精度的方式来控制移动方向的采样精度；微位移平台的 步进精度可以小于线阵CCD的单元像素尺寸。多幅一维图像可由与线阵CCD电性连接的计 算机利用数字图像处理技术处理并合成一幅二维剪切散斑图。利用线阵CCD分别采集所述 样品变形前后的剪切散斑图，两幅变形前后的图像由计算机通过相关或相减算法和数字图 像处理等手段进行数值运算，最终获得清晰的蝴蝶斑形状的散斑干涉条纹图。有益效果本实用新型提出的无损检测非平面物品表面的装置，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-待测样品、4-剪切角固定的光楔、5-柱透镜、6_线阵 CCD、7-二维微位移平台、8-计算机。
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1:本实施例中，激光器采用氦氖激光器，待测样品3采用表面为一粗糙非平面并可 加载应力的样品。本实施例包括激光器1、扩束装置2，剪切元件4，成像装置5，线阵(XD6，微位移平 台7和计算机8 ；激光器1采用氦氖激光器，扩束装置2采用显微物镜，剪切元件4为剪切 角固定的光楔，成像装置5为柱透镜，微位移平台7为二维方向移动微位移平台。氦氖激光器的光轴与被测物品的中心轴线呈10°角度放置，在氦氖激光器的光轴 上与被测物品之间设置显微物镜，将该光束扩束成相干球面光波，调整显微物镜距被测样 品的位置使通过显微物镜扩束后的光束照明整个被测样品表面；在被测样品反射光束的中 心轴线上依次设置剪切角固定的光楔、柱透镜和线阵CCD6，线阵CCD6固定于二维方向移动 微位移平台；剪切角固定的光楔紧贴柱透镜，调整经过剪切角固定的光楔的两束光相对于 待测样品轴线对称，且两束光之间角度为10° ；线阵CXD置于样品通过柱透镜所成像的像 平面上。线阵(XD6采集的图像信号输出至计算机8，计算机8按照方法中的步骤5和步骤 6对CCD6采集的图像信号进行处理并显示处理后的图像；计算机的控制信号输出至微位移 平台7控制微位移平台7的移动。本实施例中线阵CCD 6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所述氦氖激光器1发出的细光束由显微物镜扩束为 相干球面光波。球面波照射待测样品3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剪切角固定的光楔后形成传播方向夹角为10°的两束散射光波， 两束散射光波经柱透镜后，在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。散斑像由设置在二维微位移平台7上并处于像平面的线阵CCD6采集，并保证线阵CCD 6的像素排列方向与散斑像的错位方向平行。二维方向移动微位移平台7在计算机8控制 下在垂直于线阵CXD 6像素排列方向上移动，并带动线阵CXD 6对像平面进行连续扫描采 集，获得多幅一维图像。在扫描采集过程中，通过控制微位移平台7的步进精度的方式来控 制垂直于线阵CCD 6像素排列方向的采样精度。样品3的表面由于为一非平面的缘故导致 其经柱透镜3所成像分布在不同平面内，因此，可二维方向移动微位移平台7的移动轨迹为 一与像面起伏一致的曲线，从而使最后合成的二维剪切散斑图中的散斑像清晰在焦。多幅 一维图像可由与线阵CXD 6电性连接的计算机8处理并合成一幅二维剪切散斑图像H2，然 后对抽真空前后的两幅图像H1和H2进行相关运算，得到图像H3,然后对图像H3采用均值滤 波法或中值滤波法进行滤波，去除出现的多条沿线阵CCD像素排列方向的与线阵CCD像素 同宽的亮条纹得到图像H4,获得诊断待测样品是否出现损伤得蝴蝶斑形状的散斑干涉条纹图。 本实施例的有益效果是当待测样品表面起伏较大时，例如轮胎内表面，可根据其内表面椭圆形状设计微位移平台的移动轨迹，从而使获得的剪切散斑图上各像点清晰在 焦；柱透镜的引入，使得在线阵C⑶像素排列方向上不产生像差。而离焦和像差可使散斑像 模糊，进而导致样品内部微小缺陷或形变无法辨别并发现，因此上述两处改进有效提高了 无损检测的灵敏度。
权利要求一种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)、显微物镜(2)，剪切角固定的光楔(4)，柱透镜(5)，线阵CCD(6)，二维方向移动微位移平台(7)和计算机(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)的光轴上与被测物品之间设置显微物镜(2)；在被测样品反射光束的中心轴线上依次设置剪切角固定的光楔(4)、柱透镜(5)和线阵CCD(6)；线阵CCD(6)固定于二维方向移动微位移平台(7)上，线阵CCD(6)采集的图像信号输出至计算机(8)，计算机的控制信号输出至二维方向移动微位移平台(7)控制二维方向移动微位移平台(7)的移动；所述的线阵CCD(6)位于样品通过柱透镜5)所成像的像平面上；所述的剪切角固定的光楔(4)紧贴柱透镜(5)放置，调整经过剪切角固定的光楔(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0.01°～20°；调整所述显微物镜(2)距被测样品的位置使通过显微物镜(2)扩束后的光束照明整个被测样品表面。
2.根据权利要求1所述的无损检测曲面物品表面的装置，其特征在于所述激光器(1) 采用氦氖激光器.
3.根据权利要求1所述的无损检测曲面物品表面的装置，其特征在于所述线阵 CXD(6)为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件。
4.根据权利要求1或3所述的无损检测曲面物品表面的装置，其特征在于所述的线 阵CCD (6)为线阵CMOS。
专利摘要本实用新型涉及一种无损检测非平面物品表面的装置，其特征在于在激光器的光轴上与被测物品之间设置显微物镜；在被测样品反射光束的中心轴线上依次设置剪切角固定的光楔、柱透镜和线阵CCD；线阵CCD固定于二维方向移动微位移平台上，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二维方向移动微位移平台控制二维方向移动微位移平台的移动。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。
文档编号G01N21/88GK201555809SQ20092024534
公开日2010年8月18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