CN102168825B - 轮胎脱层气泡检测大视场照明方法与照明光源 - Google Patents

Abstract

一种轮胎脱层气泡检测大视场激光照明方法与照明光源。解决轮胎脱层气泡无损检测中要求在满足测量精度的情况下，实现单次检测面积尽可能最大的问题。照明方法采用5个半导体激光器拼接平顶高斯光束，在满足干涉条纹对比度与散斑干涉图样统计特征一致的前提下实现了大视场照明。照明光源由5个半导体激光器按照轮胎胎侧内表面弧度采用曲面排列方式组成，实现了照明光从轮胎侧内表面散射后的接收光场光强的均匀性。通用的BNC同轴电缆输入接口方便了使用，集成化的激光照明单元方便拆卸与安装。

Description

轮胎脱层气泡检测大视场照明方法与照明光源

【技术领域】：本发明涉及轮胎脱层气泡检测技术领域，轮胎脱层气泡检测使用散斑剪切干涉仪，本发明解决的是散斑剪切干涉仪的照明问题。

【背景技术】：在轮胎生产线上脱层气泡的检测是出厂前的必须检测项目之一，气泡检测由于空气层和轮胎橡胶都易于X光的穿透，使得检测需要采用抽真空测量微表面变形的方法，目前较常用的是相移电子散斑干涉的方法。采用相移电子散斑干涉需要激光照明，单次检测面积受照明面积的制约。本发明基于现场检测的技术背景研究了大视场的照明方法并研制了相应的照明光源。在实际应用中有重要意义。

本申请人主持的国家科技支撑计划(激光与X光轮胎检测与成像技术)中采用了此种照明光源，取得了良好的效果。

【发明内容】：本发明目的是研究大视场的光源照明技术与照明光源，在满足测量精度的情况下，解决轮胎脱层气泡无损检测中单次检测面积最大的问题，提供一种工业生产线上使用的照明方法与照明光源，即轮胎脱层气泡检测大视场激光照明方法与一体化的照明光源。

该方法采用5个半导体激光器同时照明的方式，扩展了检测探头单次测量的照明范围；利用平凹透镜实现了单个半导体激光器的扩束。从照明均匀性与所得到的干涉条纹质量两个方面分析了该方法的理论性；依据现场检测的使用条件设计了单个导体激光器与一体化的照明光源的外形尺寸，满足了照明光源的实用性。采用一体化单独供电的照明方式使得安装简便、快捷。可作为单独的照明产品、又可与检测探头集成作为检测整机，更有利于产品及技术的推广。

本发明的基本原理是利用单个导体激光器所发出的高斯光束拼接出平顶的高斯光束，达到照明均匀的目的；从波长差异与光强差异两个方面论证了该方法的可行性。依据电子散斑干涉测量的相减原理，消除了小范围光强差异带来的影响。

用于轮胎脱层气泡检测的大视场激光照明方法，其特征在于该方法包括：

第一、单个半导体激光器扩束：利用平凹透镜实现单个半导体激光器的光束扩束，半导体激光器的核心部件为激光二极管和平凹镜片；经过软件模拟：使用波长为632.5nm的激光二极管，在距离激光二极管出射端面10mm处放置焦距为-8mm、孔径为6mm的平凹镜片可以实现半导体激光器水平发散角度为20°，垂直发散角为15°；

第二、采用5个半导体激光器组合，构成半导体激光器阵列，拼接成大视场照明，每个半导体激光器发射出的光束为高斯光束，利用高斯光束拼接出均匀的照明光场，这种均匀照明光场对于散斑干涉图像的质量无影响；

第三、照明光源中的5半导体激光器阵列采用曲面排列方式，每个半导体激光器之间的角间距为10°，在90°视场内，光源距轮胎内表面为320mm时，所述曲面弧度等于轮胎胎侧内表面的弧度，当轮胎反射表面与半导体激光器阵列发光表面等距离时，接收光强均匀；

第四、半导体激光器阵列采用统一供电，每个半导体激光器通过接线端子并联安装，方便更换与拆卸维修；

其特征在于第一步中所述的半导体激光器中平凹透镜参数确定依据如下：

激光器发出的光束可以认为是高斯光束，任意一点P(x，z)处的复振幅表达式为

$E(x,z)=E_0\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}\exp [-\frac{x^2}{{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}]\exp \left\{i\right[-k(\frac{x^2}{2R\left(z\right)}+z)+\mathrm{\φ}\left(z\right)\left]\right\}---\left(1\right)$

式中ω₀为z＝0位置处的光斑半径，ω(z)为距离为z处的光斑半径，其中ω(z)称为z处光斑尺寸，R(z)是z处的波面曲率半径，要实现扩束的条件是ω(z)＝Nω₀，必须满足公式2：

${(1-z/f)}^2+\frac{\mathrm{\π}2{{\mathrm{\ω}}_0}^4}{{\mathrm{\λ}}^2{f}^2}=\frac{1}{N^2}---\left(2\right)$

式2中f为透镜焦距，λ为激光波长；

在TracePro软件中模拟半导体激光束扩束，距离激光二极管光束出射端面z＝10mm处放置孔径为6mm、焦距f＝-8mm平凹透镜，在紧贴镜片前放置2.5mm孔径，按照功率降为一半的照明范围计算半导体激光器照明范围为100mm；

第二步中所述的利用5至7个半导体激光器拼接照明依据如下：

N束高斯光束光强和可以表示为：

$I(x,z)=a\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp (-\frac{2{(x-\mathrm{n\Δd})}^2}{{{\mathrm{\ω}}^2}_x\left(z\right)})---\left(3\right)$

式中Δd为相邻两光束之间的错位距离，n为光束的个数，z为被照明物距离束腰的距离，ω_x(z)为光束半径，考虑三光束的光束叠加情况，得到的结论可以推广至多束光束；

采用5个激光器组合，每个半导体激光器的间距为Δd＝70mm，可以在90°视场范围内实现光强起伏度为2.6％的均匀照明，照明范围为550mm；如上所述的多半导体激光器拼接照明方法，采用5个半导体激光器，适合于轿车轮胎的照明面积，针对大尺寸的载重轮胎可以增加半导体激光器的数量，例如承重轮胎可以使用7个半导体激光器照明；

均匀性为2.6％的照明认为是均匀照明依据如下：

如附3所示的光斑叠加图，从点考虑接收像面任意一点P的光强来自物面上两点P₁和P₂反射的光强之和，经过干涉光路后，P的干涉光强可表示为：

$I_p=(U_{p1}+U_{p2}){(U_{p1}+U_{p2})}^{*}=(I_1+I_2)+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\φ}(x,y)---\left(4\right)$

当抽真空加载后得到的相同点P的干涉光强可表示为：

${I_p}^{\′}=(I_1+I_2)+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos (\mathrm{\φ}(x,y)+\mathrm{\Δ\φ}(x,y))---\left(5\right)$

式中Δφ(x，y)为加载气泡变形所导致的物面形变引起的相位变化，将加载前与加载后的干涉光强图相减得到：

$I_I=|I_P-{I_P}^{\′}|=4\sqrt{I_1{I}_2}\left|\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2})\sin \left(\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2}\right)\right|---\left(6\right)$

式6即所得到的最终结果，反映了条纹与表面变形之间的关系，最终得到的散斑干涉条纹图的可见度值的大小影响结果图像的可视程度。由于散斑本质是随机信号，采用条纹可见度的概率密度函数来评价散斑干涉条纹图的质量，如式6所表示的结果光强I₁和I₂的概率密度函数为：

$P_{I_j}\left(I_j\right)=(1/<I_j>)\exp (-I_j/<I_j>),(j=\mathrm{1,2})---\left(7\right)$

最终得到的光强与可见度的概率密度函数可以表示为式8所示的形式，式中<I₁>＝β<I₂>＝β<I>，

$p_{I_{0}v}(I_M,v)=\frac{\frac{I_M}{v}\exp (-\frac{I_M}{<I>}\frac{\mathrm{\&beta;}+1}{\mathrm{\&beta;}}\frac{1}{v})}{\mathrm{\&beta;}{<I>}^2}\frac{v}{\sqrt{1-v^1}}\&times;---\left(8\right)$

$\cosh \left(\frac{I_M}{<I>v}\frac{\mathrm{\&beta;}-1}{\mathrm{\&beta;}}\sqrt{1-v^2}\right)$

所绘制的概率密度曲线如附图6所示，当β＝0.9认为是概率密度函数曲线与β＝1时完全相同，所以本方法所拼接得到的光强差异最大起伏为2.6％，均在10％以内，得到的条纹可见度与均匀照明相同。

如上所述的多激光器拼接照明方法，采用5个半导体激光器，适合于轿车轮胎的照明面积，针对大尺寸的载重轮胎可以使用7个半导体激光器的照明结构。

第三步中所述的半导体激光器排列曲面及每个激光器角间距为10°，依轮胎曲面排列激光器使得每个激光器出射光到轮胎反射面的距离均相等，避免由光程差不等带来的光强不均匀。如附图7所示，OL为144mm，NL为320mm时照明排列曲率与轮胎内表面曲率一致。

半导体激光器光斑的间距为A’B’≈P’B’，在三角形B’BP中计算：

P’B＝PP’+sinθ*B’P                           (9)

θ角可以表示为：

$\mathrm{\&theta;=arcsin}\left(\frac{P^{,}B-{\mathrm{PP}}^{,}}{B^{,}P}\right)---\left(10\right)$

依据前述当A’B’≈P’B’为70mm时照明是均匀的，得到θ＝10°。

本发明同时提供了一种实现以上所述方法的大视场激光照明光源，该光源包括：

(1)激光器：包括5个弧形排列的半导体激光器，每个半导体激光器包括后挡板，外壳，激光二极管，平凹透镜，前挡板；

(2)整体外壳：用于固定弧形排列的半导体激光器组，整体外壳预留与检测探头相连接的接头孔，方便与检测探头相连接；

(3)接线端子：固定在整体外壳底面，用于分别和每个半导体激光器的并联接入并与BNC接头连接；

(4)BNC接头：安装在整体外壳后面，采用BNC同轴电缆接口，用于5个半导体激光器的统一供电。

(5)光源盖：与整体外壳相连接安装，方便维修时打开更换半导体激光器。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出了一种大视场激光照明方法，并研制出实现该方法的大视场激光照明光源。该方法由于采用半导体激光器阵列拼接大视场均匀照明光斑，减小了照明光源的体积，便于与散斑干涉仪的连接；分离式的激光器便于维修更换，便于在生产线上使用和拆装。满足了大视场散斑干涉均匀照明的要求，填补了国内散斑干涉仪照明单元的空白。

【附图说明】：

图1是照明系统示意图，其中1是被测轮胎断面，2是照明光束，3是照明光源；

图2是单个半导体激光器照明光强分布图；

图3是三光束重叠照明示意图；

图4(a)是三光束重叠光强分布图，图4(b)是三光束重叠光强起伏分布图；

图5是5个半导体激光器水平与垂直分布光强图；

图6是不同光强均匀性时的条纹可见度概率密度曲线；

图7是轮胎照明与激光器间距示意图；

图8是单个半导体激光器安装结构图，其中4是后挡板，5是外壳，6是激光二极，7是平凹透镜，8是前挡板；

图9是照明光源整体安装结构图，其中9是单个半导体激光器，10是光源外壳，11是接线端子，12是BNC接头，13是光源盖；

图10是不同波长干涉条纹一维曲线图；

图11是光源照明轮胎图像。

【具体实施方式】：

本发明提供的轮胎脱层气泡检测大视场激光照明方法实施如下：

第一、利用平凹透镜实现半导体激光器的光束扩束，参数由软件设计得到。其中激光二极管与扩束镜片之间的距离参数为10mm，平凹透镜孔径为6mm，焦距为-8mm。

第二、采用5个半导体激光器拼接构成照明光源，实现大视场照明，半导体激光器阵列的间距满足干涉散斑场的统计特征的一致性，满足接收像面光场的光强均匀性。

第三、照明光源中的半导体激光器阵列采用曲面排列方式，所述曲面符合轮胎胎侧内表面的弧度，从而达到接收光强均匀的目的，所述结构的具体参数见附图1；

第四、半导体激光器阵列采用统一供电，单独、并联安装的方式，方便安装、更换与维修；

第五、半导体激光器波长差异影响：在多光束拼接照明使用时，任意一点来自于两束甚至三束光的叠加。由于两束光来自不同的激光器，两束光的波长有微小的差异，所采集到的光强值表示为波长的函数：

$I_{\mathrm{II}/\mathrm{III}}=I_{\mathrm{\&lambda;}1}+I_{\mathrm{\&lambda;}2}=\left|4a_1{a}_2\sin (\mathrm{\&phi;}+\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_1}{2})\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_1}{2}\right)\right|+\left|4{a_1}^{\&prime;}{a_2}^{\&prime;}\sin ({\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;}+\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_2}{2})\sin \left(\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&phi;}}_2}{2}\right)\right|---\left(9\right)$

其中绘出不同波长λ时干涉条纹移动曲线得到图10所示的干涉条纹一维移动曲线，实际使用的波长标称值相同的激光器用光谱仪器测量得到波长差异最大值为15nm，这样与所有半导体激光器波长完全相同时代表的干涉条纹一致。

实现如上所述的轮胎脱层气泡检测大视场激光照明方法的照明光源实施如下：

第一、将稳压电路板放置于外壳5的空腔中并与激光二极管6用导线线相连接，平凹透镜7安装在前挡板8中，前挡板攻外螺纹，与外壳5向连接。前挡板可以在外壳内旋转，方便调节平凹镜片7与激光二极管6之间的距离。

第二、将每个半导体激光器插入光源外壳中固定，半导体激光器引线接入接线端子，接线端子与电源接口BNC向连接。完成后将电源上盖固定。

第三、照明光源中的半导体激光器阵列采用曲面排列方式，间距为10°，即上步中所述的整体外壳中用于安装半导体激光器的5个孔之间的角间距为10°，所述结构的具体参数见附图1。

第四、激光二极管阵列采用统一供电，单独、并联安装的方式，方便安装、更换与维修。

第五、光源照明效果与测量结果：实际检测照明结果如图11所示，使用两个照明光源：分上下两排排列，每排光源采用5至7个半导体激光器。得到在90°视场范围内的均匀统计强度散斑场。

采用本发明所述的大视场激光照明单元，轮胎内部气泡形变条纹清晰。所得到的结果图像对比度良好，这种照明方式适合于轮胎大视场缺陷检测，并且本发明和所述的照明光源内根据所使用的散斑干涉仪的视场调整照明视场，有利于更先进的轮胎气泡缺陷检测设备的开发研制。

Claims (5)

1.用于轮胎脱层气泡检测的大视场激光照明方法，其特征在于该方法包括：

第一、单个半导体激光器扩束：利用平凹透镜实现单个半导体激光器的光束扩束，半导体激光器的核心部件为激光二极管和平凹镜片；经过软件模拟：使用波长为632.5nm的激光二极管，在距离激光二极管出射端面10mm处放置焦距为-8mm、孔径为6mm的平凹镜片可以实现半导体激光器水平发散角度为20°，垂直发散角为15°；

第二、采用5个半导体激光器组合，构成半导体激光器阵列，拼接成大视场照明，每个半导体激光器发射出的光束为高斯光束，利用高斯光束拼接出均匀的照明光场，这种均匀照明光场对于散斑干涉图像的质量无影响；

第三、照明光源中的5个半导体激光器采用曲面排列方式，每个半导体激光器之间的角间距为10°，在90°视场内，光源距轮胎内表面为320mm时，所述曲面弧度等于轮胎胎侧内表面的弧度，当轮胎反射表面与半导体激光器阵列发光表面等距离时，接收光强均匀；

第四、半导体激光器阵列采用统一供电，每个半导体激光器通过接线端子并联安装，方便更换与拆卸维修。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第一步中所述的半导体激光器中平凹透镜参数确定依据如下：

激光器发出的光束可以认为是高斯光束，任意一点P（x,z）处的复振幅表达式为

$E(x,z)=E_0\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{\mathrm{\&omega;}\left(z\right)}\exp [-\frac{x^2}{{\mathrm{\&omega;}}^2\left(z\right)}]\exp \left\{i\right[-k(\frac{x^2}{2R\left(z\right)}+z)+\mathrm{\&phi;}\left(z\right)\left]\right\}---\left(1\right)$

式中ω₀为z=0位置处的光斑半径，ω(z)为距离为z处的光斑半径，其中ω(z)称为z处光斑尺寸,R(z)是z处的波面曲率半径，要实现扩束的条件是ω(z)=Nω₀，必须满足公式2：

${(1-z/f)}^2+\frac{\mathrm{\&pi;}2{{\mathrm{\&omega;}}_0}^4}{{\mathrm{\&lambda;}}^2{f}^2}=\frac{1}{N^2}---\left(2\right)$

式2中f为透镜焦距，λ为激光波长；

在TracePro软件中模拟半导体激光束扩束，距离激光二极管光束出射端面z=10mm处放置孔径为6mm、焦距f＝-8mm平凹透镜，在紧贴镜片前放置2.5mm孔径，按照功率降为一半的照明范围计算半导体激光器照明范围为100mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二步中所述的利用5个半导体激光器拼接均匀照明依据如下：

N束高斯光束光强和可以表示为：

$I(x,z)=a\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\exp (-\frac{2{(x-\mathrm{n\&Delta;d})}^2}{{{\mathrm{\&omega;}}^2}_x\left(z\right)})---\left(3\right)$

式中Δd为相邻两光束之间的错位距离，n为光束的个数，z为被照明物距离束腰的距离，ω_x(z)为光束半径，考虑五个光束的叠加情况，得到的结论可以推广至多束光束；采用5个激光器组合，每个半导体激光器的间距为Δd=70mm，可以在90°视场范围内实现光强起伏度为2.6%的均匀照明，照明范围为550mm；如上所述的多半导体激光器拼接照明方法，采用5个半导体激光器，适合于轿车轮胎的照明面积，针对大尺寸的载重轮胎可以增加半导体激光器的数量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第三步中所述的半导体激光器排列曲面的曲率半径为144mm，每个激光器角间距为10°，依轮胎曲面排列激光器使得每个半导体激光器出射光到轮胎反射面的距离均相等，避免由光程差不等带来的光强不均匀。

5.一种实现权利要求1所述方法的大视场激光照明光源，其特征是该光源包括：

（1）激光器：包括5个弧形排列的半导体激光器，每个半导体激光器包括后挡板，外壳，激光二极管，平凹透镜，前挡板；

（2）整体外壳：用于固定弧形排列的半导体激光器组，整体外壳预留与检测探头相连接的接头孔，方便与检测探头相连接；

（3）接线端子：固定在整体外壳底面，用于分别和每个半导体激光器的并联接入并与BNC接头连接；

（4）BNC接头：安装在整体外壳后面，采用BNC同轴电缆接口，用于5个半导体激光器的统一供电。

（5）光源盖：与整体外壳相连接安装，方便维修时打开更换半导体激光器。

Images