CN105486693A - 一种无损检测高精度元件缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无损检测高精度元件缺陷的方法，包括：搭建依次设置的且包含X射线光源、源光栅G0、分束光栅G1、分析光栅G2及探测器的光路，该光路中的源光栅G0的周期与分析光栅G2的周期、分束光栅G1的周期与分析光栅G2的周期满足预设条件；将待检测高精度元件放置于分束光栅G1与分析光栅G2之间，对待检测高精度元件进行相位衬度成像，获得待检测高精度元件的折射信号和吸收信号，从而对其缺陷进行检测。采用本发明公开的方法，可以快速高效地检测高精度元件的微小缺陷，适用于非透明物体。

Description

一种无损检测高精度元件缺陷的方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种无损检测高精度元件缺陷的方法。

背景技术

很多精密元器件都需要极高的均匀性或形状的规则性作为其本身性能的保证，比如平板玻璃、铝反射镜、光栅等。平板玻璃作为重要的光学零件，其自身的平面度将影响着光学系统的光轴方向进而影响成像质量；铝反射镜是在光学平板上真空镀膜形成的，其反射效率与平面度直接相关，另外平面度还关乎图像是否失真、是否出现重影。

针对这些透明的光学精密元件，传统的光学检测有较好的适用方法，像检测平板玻璃有浮法玻璃带缺陷检测器等。此外，有很多非透明的物件需要检测其缺陷，比如透射光栅作为十分精密的成像元件，它的刻线规整度、栅条完整性对光学性能影响巨大；飞机零部件的表面划痕磨损，或者内部裂纹、腐蚀和焊缝等，均需要穿透性的无损检测手段。对于这些高精度的非透明物体以及内部缺陷进行检测，传统的光学检测方法无法很好适用，像透射光栅通过电子显微镜仅能观测小视场的表面形貌，而基于X射线吸收的X射线检测方法虽然可以适用于非透明物体，但其检测精度不高，像飞机零部件的射线检测存在很多的不足，很难达到高精度无损检测的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种无损检测高精度元件缺陷的方法，可以快速高效地检测高精度元件的微小缺陷，适用于非透明物体。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无损检测高精度元件缺陷的方法，包括：

搭建依次设置的且包含X射线光源、源光栅G0、分束光栅G1、分析光栅G2及探测器的光路，该光路中的源光栅G0的周期与分析光栅G2的周期、分束光栅G1的周期与分析光栅G2的周期满足预设条件；

将待检测高精度元件放置于分束光栅G1与分析光栅G2之间，对待检测高精度元件进行相位衬度成像，获得待检测高精度元件的折射信号和吸收信号，从而对其缺陷进行检测。

进一步的，所述光路中的源光栅G0的周期与分析光栅G2的周期、分束光栅G1的周期与分析光栅G2的周期满足预设条件包括：

源光栅G0的周期P₀与分析光栅G2的周期P₂满足：

$\frac{P_0}{l}=\frac{P_2}{d};$

分束光栅G1的周期P₁与分析光栅G2的周期P₂满足：

$\frac{P_1}{l}=\frac{P_2}{l+d};$

其中，l为源光栅G0与分束光栅G1之间的距离，d分束光栅G1与分析光栅G2之间的距离。

进一步的，获得待检测高精度元件的折射信号包括：

通过单步或者多步成像，由探测器采集获得待检测高精度元件的折射信号：

其中，i是复数虚部单位，I_k(x,y,d)是像素(x,y)在相位步进第k步且分束光栅G1与分析光栅G2之间的距离为d时采集到图像的灰度值；是像素(x,y)处测到的折射角；N是相位步进的步数，当采用单步成像时，k＝N＝1，当采用多步成像时，k＝1,...,N。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，在光栅相位衬度成像中，能够测量的相位改变是物体对X射线的折射角，样品对X射线的折射引起探测器平面光强的变化，分析这个变化就能得到折射角信息，结合X射线相位衬度成像同时给出的吸收信号，可以给出物体的形貌信息，实现对物体的高精度无损检测。另外，通过搭建的光路采集图像，针对快速的工业无损检测，可以采用单步成像，大大提高采集速度与检测效率；当需要分析缺陷时，可采用相位步进多步成像，获得较为完整的图像信息，数据准确，信噪比高，也有足够的分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种无损检测高精度元件缺陷的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种无损检测高精度元件缺陷的方法的光路示意图；

图3为本发明实施例提供的一种无损检测高精度元件缺陷的方法的装置示意图；

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种无损检测高精度元件缺陷的方法的流程图。如图1所示，其主要包括：

步骤1、搭建依次设置的且包含X射线光源、源光栅G0、分束光栅G1、分析光栅G2及探测器的光路，该光路中的源光栅G0的周期与分析光栅G2的周期、分束光栅G1的周期与分析光栅G2的周期满足预设条件。

步骤2、将待检测高精度元件放置于分束光栅G1与分析光栅G2之间，对待检测高精度元件进行相位衬度成像，获得待检测高精度元件的折射信号和吸收信号，从而对其缺陷进行检测。

本发明实施例所搭建的光路如图2所示，1为X射线光源，2为源光栅G0，3为分束光栅G1，4为待检测高精度元件，5为分析光栅G2，6为探测器。

所述光路中的源光栅G0的周期与分析光栅G2的周期、分束光栅G1的周期与分析光栅G2的周期满足预设条件包括：

源光栅G0的周期P₀与分析光栅G2的周期P₂满足如下条件，以使所述分束光栅G1在每个小焦点光源下产生的投影像互相错开一个周期并叠加在一起，从而使得条纹对比度得到增强：

$\frac{P_0}{l}=\frac{P_2}{d};$

分束光栅G1的周期P₁与分析光栅G2的周期P₂满足如下条件，以使分束光栅G1投影的周期和分析光栅G2周期相等，从而能够通过相位步进技术完成信息提取：

$\frac{P_1}{l}=\frac{P_2}{l+d};$

其中，l为源光栅G0与分束光栅G1之间的距离，d分束光栅G1与分析光栅G2之间的距离。

本发明实施例中，获得待检测高精度元件的折射信号包括：

通过单步或者多步成像，由探测器采集获得待检测高精度元件的折射信号：

其中，i是复数虚部单位，I_k(x,y,d)是像素(x,y)在相位步进第k步且分束光栅G1与分析光栅G2之间的距离为d时采集到图像的灰度值；是像素(x,y)处测到的折射角；N是相位步进的步数，当采用单步成像时，k＝N＝1，当采用多步成像时，k＝1,...,N。

本发明实施例上述方案的原理如下：

X射线与物体相互作用后，不仅会改变其振幅还会改变其相位。传统的根据X射线振幅的改变获得图像衬度的成像方法叫做X射线吸收衬度成像；本发明实施例中，根据X射线相位的改变获得图像衬度的成像方法叫做X射线相位衬度成像。X射线相位衬度成像的核心思想是通过测量相位的改变获得到物体的形貌信息。在光栅相位衬度成像中，能够测量的相位改变是物体对X射线的折射角，样品对X射线的折射引起探测器平面光强的变化，分析这个变化就能得到折射角信息；再结合X射线相位衬度成像同时给出的吸收信号，可以给出物体的形貌信息，实现对物体的高精度无损检测。

所测的高精度元件，自身形状规则、内部组成均匀，在出现形状微小变化以及诸如裂缝、气泡、位错和杂质等微小缺陷时，对X射线的吸收影响很小，所以传统的X射线吸收衬度成像方法无法有效识别这些缺陷。而这些微小的形位偏差，则会造成X射线的相位变化，在缺陷的边缘造成相位扭曲，最终反映到探测器所接收到的光强信息上，通过检测光强的变化获得物体的微小缺陷信息。如果所测的高精度元件同时存在大的缺陷，这会带来较大的X射线吸收衬度，而通过X射线相位衬度成像同时能给出物体的吸收信号，通过检测这些信号获得物体的较大缺陷信息。

本发明实施例中，可以根据实际用途采用单步或者多步成像。例如，针对快速的工业无损检测，可以采用单步成像，从而提高采集速度与检测效率；当需要分析缺陷时，通过调整分束光栅G1与分析光栅G2位置，采用相位步进多步成像，获得较为完整的图像信息，数据准确，信噪比高，也有足够的分辨率。

本发明实施例的上述方案，主要具有如下优点：

利用本发明提出的方法，主要有以下优点：

1)本方法可以同时检测样品的多种缺陷，如整体的均匀性以及各种缺陷。

2)相比于传统的光学检测，本方法可以实现对非透明物体的检测。

3)本方法可以实现快速检测，可运用于流水线式的工业检测中。

为了便于理解，下面结合一具体的示例进行说明。

如图3所示，为本示例提供的X射线相位衬度成像装置的示意图。图3中标记1-19的含义如下：1.光学平台，2.三维光学精密位移台，3.X光机，4.源光栅G0，5.三维光学精密位移台，6.光学精密倾斜台，7.三维光学精密位移台，8.三维光学精密位移台，9.光学精密旋转台，10.光学精密倾斜台，11.光学精密旋转台，12.分束光栅G1，13.样品室，14.三维光学位移台，15.光学精密旋转台，16.光学精密倾斜台，17.高精密压电陶瓷直线位移台，18.分析光栅G2，19.平板探测器。

本示例中，源光栅G0的周期为120μm，分束光栅G1周期为60μm，分析光栅G2的周期为120μm。源光栅G0与分束光栅G1之间的距离为270mm，分束光栅G1与分析光栅G2之间的距离为270mm。

首先，精确对准三块光栅，使采集到的图像达到如下状态：在一个周期内连续移动分析光栅G2的过程中，成像视场内各个位置的光强从亮到暗的变化几乎是步调一致的。本示例中，采用相位步进扫描，采用的步长为5μm，在每一步均采集10张图像进行平均减噪声处理，每张图像的曝光时间是2秒钟。此处以透射光栅作为样品进行成像分析，周期为60μm。

通过上述扫描过程，获得X射线相位衬度的成像结果，主要包括：透射光栅的折射信号与吸收信号。

根据透射光栅的折射信号可以看出，折射信号中有清晰的大周期的条纹(周期约为2cm)，这表明光刻胶结构在条纹周期方向上有着极其细微的厚度变化。这种厚度的变化在厚光刻胶工艺中是难以避免的，虽然变化很小但通过X射线相位衬度成像可以很好地进行检测。

根据透射光栅的吸收信号可以看出，吸收图像中出现了白色斑点，这是光栅在电铸工艺中在金刻线上形成的凹陷、脱落和倒塌等缺陷。

可以看出，光栅样品中包含着光刻胶和金刻线微结构，本方案通过在光路方向上对样品进行整体投影，基于X射线相位衬度成像可以获得样品整体厚度变化和缺陷情况，灵敏度高，对轻元素物质和重元素样品均能得到检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种无损检测高精度元件缺陷的方法，其特征在于，包括：

搭建依次设置的且包含X射线光源、源光栅G0、分束光栅G1、分析光栅G2及探测器的光路，该光路中的源光栅G0的周期与分析光栅G2的周期、分束光栅G1的周期与分析光栅G2的周期满足预设条件；

将待检测高精度元件放置于分束光栅G1与分析光栅G2之间，对待检测高精度元件进行相位衬度成像，获得待检测高精度元件的折射信号和吸收信号，从而对其缺陷进行检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光路中的源光栅G0的周期与分析光栅G2的周期、分束光栅G1的周期与分析光栅G2的周期满足预设条件包括：

源光栅G0的周期P₀与分析光栅G2的周期P₂满足：

$\frac{P_0}{l}=\frac{P_2}{d};$

分束光栅G1的周期P₁与分析光栅G2的周期P₂满足：

$\frac{P_1}{l}=\frac{P_2}{l+d};$

其中，l为源光栅G0与分束光栅G1之间的距离，d分束光栅G1与分析光栅G2之间的距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得待检测高精度元件的折射信号包括：

通过单步或者多步成像，由探测器采集获得待检测高精度元件的折射信号：

其中，i是复数虚部单位，I_k(x,y,d)是像素(x,y)在相位步进第k步且分束光栅G1与分析光栅G2之间的距离为d时采集到图像的灰度值；是像素(x,y)处测到的折射角；N是相位步进的步数，当采用单步成像时，k＝N＝1，当采用多步成像时，k＝1,...,N。