CN101699272A - 一种利用数字剪切散斑干涉进行无损检测的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用数字剪切散斑干涉进行无损检测的方法及其装置，其特征在于将激光束扩束后照射在待测样品的表面上，以线阵CCD扫描得到两束散射光形成的待测样品表面的两个错开的散斑像H₁，对待测样品抽真空另一幅图像H₂，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；对图像H₃采用均值滤波法或中值滤波法进行滤波，当图像H₄中出现蝴蝶斑形状的干涉条纹时证明待测样品出现损伤，否则证明待测样品无损。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。

Description

一种利用数字剪切散斑干涉进行无损检测的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种利用数字剪切散斑干涉进行无损检测的方法及其装置，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经图像采集卡采集到计算机中，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，本发明提出一种利用数字剪切散斑干涉进行无损检测的方法及其装置，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

一种利用数字剪切散斑干涉进行无损检测的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将激光束扩束后照射在待测样品的表面上，经待测样品表面反射后形成散射光；

步骤2：在与待测样品表面平行，且与待测样品同轴的空间平面上将待测样品反射的散射光分成光强相等的两束光；所述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°；

步骤3：沿垂直于像素排列方向的像平面，以线阵CCD扫描得到两束散射光形成的待测样品表面的两个错开的散斑像H₁；所述线阵CCD的像素排列方向与散斑像的错开方向平行；

步骤4：对包含待测样品在内的样品周围区域抽真空，重复步骤1至步骤3，得到待测样品抽真空后像平面上的对应两束光所成两个散斑像的另一幅图像H₂；所述样品周围的相对真空度为0～-100KPa；

步骤5：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；

步骤6：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；

步骤7：当图像H₄中出现蝴蝶斑形状的干涉条纹时证明待测样品出现损伤，否则证明待测样品无损。

在步骤4中将待测样品加热或冷却，使其温度改变1～1000℃，得到样品加热后像平面上的对应两束光所成两个散斑像的另一幅图像。

在步骤5中对变形前后的两幅图像进行相减运算，得到图像H₃。

在步骤3中，若以线阵CCD扫描得到两束散射光形成的待测样品表面的两个错开的散斑像时，前后移动线阵CCD得到不同清晰度的散斑像。

一种实现上述的利用数字剪切散斑干涉进行无损检测方法的装置，其特征在于：包括激光器1、扩束装置2，剪切元件4，成像装置5，线阵CCD6，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扩束装置2；在被测样品反射光束的中心轴线上依次设置剪切元件4、成像装置5和线阵CCD6；线阵CCD6固定于微位移平台7上，线阵CCD6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微位移平台7控制微位移平台7的移动；所述的线阵CCD位于样品通过成像装置5所成像的像平面上；所述的剪切元件4紧贴成像装置5放置，调整经过剪切元件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°；调整所述扩束装置2距被测样品的位置使通过扩束装置2扩束后的光束照明整个被测样品表面。

当被测物品的表面为平面时，所述的扩束装置2为显微物镜，所述的剪切元件4为剪切角固定的光楔，所述的成像装置5为凸透镜，所述的微位移平台7为一维方向移动微位移平台。

当被测物品的表面为曲面时，所述的扩束装置2为显微物镜，所述的成像装置5为柱透镜，所述的微位移平台7为二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 6为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件。

本发明的数字剪切散斑干涉无损检测装置的基本操作步骤为：激光器发出的光束由所述扩束装置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，该散斑场经剪切元件后与成像装置后在样品的像平面形成两互相错位的散斑像。所述线阵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平行。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

本发明提出的利用数字剪切散斑干涉进行无损检测方法及其装置，以线阵CCD替代面阵CCD后，为了解决线阵CCD推扫得到散斑像时出现的图像质量问题，采用了对图像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，得到高质量图像。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。

附图说明

图1：是本发明在数字剪切散斑干涉方法中利用线阵CCD推扫的光学原理示意图；

图2：是利用本发明方法实现数字剪切散斑干涉的实施例1装置结构示意图；

图3：是利用本发明方法实现数字剪切散斑干涉的实施例2装置结构示意图；

1-激光器、2-扩束装置、3-待测样品、4-剪切元件、5-成像装置、6-线阵CCD、7-微位移平台、8-计算机。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

以本发明方法实现数字剪切散斑干涉方法测量被测物品的表面为平面时的装置，待测样品3采用表面为一粗糙平面并可加载应力的样品，参阅图2。

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CCD6，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为凸透镜，微位移平台7为一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、凸透镜和线阵CCD6，线阵CCD6固定于一维方向移动微位移平台；剪切角固定的光楔紧贴凸透镜，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CCD置于样品通过凸透镜所成像的像平面上。

线阵CCD6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，两束散射光波经凸透镜后，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。散斑像由设置在一维微位移平台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。一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CCD 6像素排列方向上移动，并带动线阵CCD 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。多幅一维图像可由与线阵CCD 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的蝴蝶斑形状的散斑干涉条纹图。

本实施例的有益效果是：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，并由计算机将该多幅一维图像合成一幅二维剪切散斑图，当线阵CCD的尺寸及像元数较大时，该方法可获得较大幅面的散斑图，从而实现较大尺寸样品的无损检测；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。

以本发明方法实现数字剪切散斑干涉方法测量被测物品的表面为非平面时的装置，待测样品采用表面为为曲面时并可加载应力的样品，参阅图3。

与实施例1不同的是，所述成像装置5为柱透镜，柱透镜的轴线方向与实施例1中线阵CCD 6的像素排列方向相同；微位移平台7用可二维方向移动的微位移平台代替了仅一维方向移动的微位移平台，其移动轨迹为一曲线，且与所述样品3的表面所成像的起伏相同。

实施例2的工作方式和过程与实施例1基本相同，不同点在于，在实施例2中，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。

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CCD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。

Claims (10)

1.一种利用数字剪切散斑干涉进行无损检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将激光束扩束后照射在待测样品的表面上，经待测样品表面反射后形成散射光；

步骤2：在与待测样品表面平行，且与待测样品同轴的空间平面上将待测样品反射的散射光分成光强相等的两束光；所述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°；

步骤3：沿垂直于像素排列方向的像平面，以线阵CCD扫描得到两束散射光形成的待测样品表面的两个错开的散斑像H₁；所述线阵CCD的像素排列方向与散斑像的错开方向平行；

步骤4：对包含待测样品在内的样品周围区域抽真空，重复步骤1至步骤3，得到待测样品抽真空后像平面上的对应两束光所成两个散斑像的另一幅图像H₂；所述样品周围的相对真空度为0～100KPa；

步骤5：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；

步骤6：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；

步骤7：当图像H₄中出现蝴蝶斑形状的干涉条纹时证明待测样品出现损伤，否则证明待测样品无损。

2.根据权利要求1所述的利用数字剪切散斑干涉进行无损检测方法，其特征在于：在步骤4中将待测样品加热或冷却，使其温度改变1～1000℃，得到样品加热后像平面上的对应两束光所成两个散斑像的另一幅图像。

3.根据权利要求1所述的利用数字剪切散斑干涉进行无损检测方法，其特征在于：在步骤5中对变形前后的两幅图像进行相减运算，得到图像H₃。

4.根据权利要求1所述的利用数字剪切散斑干涉进行无损检测方法，其特征在于：在步骤3中，若以线阵CCD扫描得到两束散射光形成的待测样品表面的两个错开的散斑像时，前后移动线阵CCD得到不同清晰度的散斑像。

5.一种实现权利要求1～4所述的利用数字剪切散斑干涉进行无损检测方法的装置，其特征在于：包括激光器(1)、扩束装置(2)，剪切元件(4)，成像装置(5)，线阵CCD(6)，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扩束装置(2)；在被测样品反射光束的中心轴线上依次设置剪切元件(4)、成像装置(5)和线阵CCD(6)；线阵CCD(6)固定于微位移平台(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微位移平台(7)控制微位移平台(7)的移动；所述的线阵CCD位于样品通过成像装置(5)所成像的像平面上；所述的剪切元件(4)紧贴成像装置(5)放置，调整经过剪切元件(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°；调整所述扩束装置(2)距被测样品的位置使通过扩束装置(2)扩束后的光束照明整个被测样品表面。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：当被测物品的表面为平面时，所述的扩束装置(2)为显微物镜，所述的剪切元件(4)为剪切角固定的光楔，所述的成像装置(5)为凸透镜，所述的微位移平台(7)为一维方向移动微位移平台。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：当被测物品的表面为非平面时，所述的扩束装置(2)为显微物镜，所述的成像装置(5)为柱透镜，所述的微位移平台(7)为二维方向移动微位移平台。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的激光器(1)采用氦氖激光器。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的线阵CCD(6)为像素呈一维阵列分布的电荷耦合器件。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的线阵CCD(6)为线阵CMOS。

Images