CN115655154A - 一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置及方法，涉及光学检测领域，其中检测装置包括显示屏、半透半反镜、用于系统初始背景信号的采集的参考平面反射镜、供参考平面反射镜和待测镜面放置的第一三维平移台、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、CCD相机、供CCD相机放置的第二三维平移台和计算机。本发明通过使用一个半透半反镜，使CCD相机主光线与参考平面的夹角近似90度，以增加系统结构对多义性误差的抑制能力；结合双聚焦透镜组成的4f系统，利用待测镜面和CCD相机靶面的物像关系，提高缺陷检测装置的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别涉及一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置及方法。
背景技术
相位测量偏折术是基于条纹反射法的一种光学测量技术，其主要用于镜面物体的检测和测量，该技术由显示屏显示计算机产生的正弦条纹，该正弦条纹经被测镜面反射的条纹图因被测镜面面形的变化而变形，利用CCD相机捕捉被被测镜面调制的条纹图，结合相应的条纹解调算法对采集到的条纹图进行信息解调，再对解调后的信息进行相位展开，同时进行斜率信息计算，最后借助系统的标定参数，结合斜率对待测镜面进行三维形貌重建。相位测量偏折术作为一种理想的缺陷检测方法之一，其在医学、天文学、工业应用等领域的巨大潜在应用而在国内外备受关注。在医学中，相位测量偏折术被德国萨尔州大学首次应用于人工晶状体的缺陷检测，并获得了可观的检测结果，对实现更高精度的检测工作具有重要意义；在天文学中，该技术用于测量直径为5m的大巡天望远镜次镜，其缺陷检测精度不逊于干涉仪；在工业应用领域，该技术可应用于检测手机外壳的缺陷，其高度分辨率可达亚微米级。相位测量偏折术在各领域中的应用日益增加，而对基于相位测量偏折术的缺陷检测装置和检测方法的研究也日趋重要。
一般相位测量偏折术检测装置的CCD相机记录的是从待测镜面反射的变形条纹光束传输一段距离后的强度分布，传输距离往往限制了检测装置的检测精度。而随着工业检测的要求不断提高，人们对于检测精度要求越来越高。而检测精度又取决于采图的分辨率是否能够提高。因此基于相位测量偏折术在工业检测中如何能够获得高分辨率的图片是人们目前研究的重点方向之一。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置，其通过使用一个半透半反镜，使CCD相机主光线与参考平面的夹角近似90度，以增加系统结构对多义性误差的抑制能力；结合双聚焦透镜组成的4f系统，利用待测镜面和CCD相机靶面的物像关系，即通过4f系统的物像共轭关系缩短衍射传输的距离，从而提升分辨率，提高缺陷检测装置的检测精度。
实现本发明第一个目的的技术方案是：本发明中高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置，包括显示屏、半透半反镜、用于系统初始背景信号的采集的参考平面反射镜、供参考平面反射镜和待测镜面放置的第一三维平移台、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、CCD相机、供CCD相机放置的第二三维平移台和计算机；
所述显示屏发出的条纹光束经过所述的半透半反镜后达到所述的参考平面反射镜以及待测镜面，然后再经过第一聚焦透镜和第二聚焦透镜后到达所述的CCD相机。
进一步，上述显示屏用于显示所述计算机生成的彩色正交条纹结构光，将出射的光束准直后作为入射光源。
进一步，上述第一聚焦透镜和第二聚焦透镜构成4f系统；所述的待测镜面放置于该4f系统的物平面上，所述的CCD相机放置于该4f系统的像平面上。
进一步，上述计算机分别与第一三维平移台和第二三维平移台通信连接，并用于控制第一三维平移台和第二三维平移台的移动；
上述显示屏和CCD相机均与所述的计算机通信连接。
进一步，上述计算机包括存储器、处理器以及存储在存储器内并能通过处理器运行以下步骤的程序：
A、根据设定生成的彩色正交条纹结构光；
B、根据设定控制第一三维平移台和第二三维平移台进行移动，用于调节待测镜面和CCD相机配合的采图位置；
C、接收来自CCD相机记录的经待测镜面反射后得到变形的彩色正交条纹强度图；
D、根据彩色正交条纹强度图进行计算获得待测镜面的曲率大小，并根据待测镜面的曲率大小计算获得检测结果。
本发明的第二个目的是提供一种利用上述高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置进行的检测方法，能够对有式样书检测装置记录的变形的彩色正交条纹强度图进行有效处理，获得适合判断待测镜面缺陷的曲率大小。
实现本发明第二个目的技术方案是：本发明中利用上述的一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置进行的检测方法，包括以下步骤：
S1、开启所述的显示屏，将该显示屏发出的彩色正交条纹结构光准直后作为入射光束；
S2、将所述的参考平面反射镜固定在所述的第一三维平移台上，用于系统初始背景信号的采集；当系统初始背景信号采集完后，将固定在所述的第一三维平移台的所述的参考平面反射镜换成所述的待测镜面，该入射彩色正交条纹光束经所述的待测镜面反射后得到变形的彩色正交条纹，利用所述的CCD相机记录该变形的彩色正交条纹强度图；
S3、将采集到的强度数据进行色彩分离，得到水平方向和垂直方向的单色条纹强度图，将分离的单色条纹强度图分别做傅里叶变换，并从得到的频谱图中提取水平方向和垂直方向的相位分量；
S4、根据相位分量可分别得到所述的待测镜面在水平方向和垂直方向上的表面梯度分量，通过对该表面梯度分量求一阶导数，可得到所述的待测镜面表面结构的曲率分布，两垂直方向的曲率分布平均值即为所述待测镜面的曲率大小；
S5、根据曲率大小判断待测镜面的缺陷情况，并获得检测结果。
之所以曲率大小能够用于缺陷检测，是因为曲率能较好地衡量几何物体的不平坦程度、对物体表面梯度变化十分敏感，能直接反映待测镜面的表面微小形貌变化，因此，曲率可用于缺陷检测。
本发明具有积极的效果：本发明通过使用半透半反镜使CCD相机主光线与参考平面的夹角近似90度，以增加系统结构对多义性误差的抑制能力；结合双聚焦透镜组成的4f系统，利用待测镜面和CCD相机靶面的物像关系，提高缺陷检测装置的检测精度。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明中高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置的结构示意图。
具体实施方式
见图1，本发明中高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置，包括显示屏1、半透半反镜2、用于系统初始背景信号的采集的参考平面反射镜3、供参考平面反射镜3和待测镜面4放置的第一三维平移台5、第一聚焦透镜6、第二聚焦透镜7、CCD相机8、供CCD相机8放置的第二三维平移台9和计算机10；
所述显示屏1发出的条纹光束经过所述的半透半反镜2后达到所述的参考平面反射镜3以及待测镜面4，然后再经过第一聚焦透镜6和第二聚焦透镜7后到达所述的CCD相机8。
所述显示屏1用于显示所述计算机10生成的彩色正交条纹结构光，将出射的光束准直后作为入射光源。
所述第一聚焦透镜6和第二聚焦透镜7构成4f系统；所述的待测镜面4放置于该4f系统的物平面上，所述的CCD相机8放置于该4f系统的像平面上。
如图1所示，第一聚焦透镜6和第二聚焦透镜7的焦距分别为f1和f2。
所述计算机10分别与第一三维平移台5和第二三维平移台9通信连接，并用于控制第一三维平移台5和第二三维平移台9的移动；
所述显示屏1和CCD相机8均与所述的计算机10通信连接。
所述计算机10包括存储器、处理器以及存储在存储器内并能通过处理器运行以下步骤的程序：
A、根据设定生成的彩色正交条纹结构光；
B、根据设定控制第一三维平移台5和第二三维平移台9进行移动，用于调节待测镜面4和CCD相机8配合的采图位置；
C、接收来自CCD相机8记录的经待测镜面4反射后得到变形的彩色正交条纹强度图；
D、根据彩色正交条纹强度图进行计算获得待测镜面4的曲率大小，并根据待测镜面4的曲率大小计算获得检测结果。
本发明中利用上述的高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置进行的检测方法，包括以下步骤：
S1、开启所述的显示屏1，将该显示屏1发出的彩色正交条纹结构光准直后作为入射光束；
S2、将所述的参考平面反射镜3固定在所述的第一三维平移台5上，用于系统初始背景信号的采集；当系统初始背景信号采集完后，将固定在所述的第一三维平移台5的所述的参考平面反射镜3换成所述的待测镜面4，该入射彩色正交条纹光束经所述的待测镜面4反射后得到变形的彩色正交条纹，利用所述的CCD相机8记录该变形的彩色正交条纹强度图；
S3、将采集到的强度数据进行色彩分离，得到水平方向和垂直方向的单色条纹强度图，将分离的单色条纹强度图分别做傅里叶变换，并从得到的频谱图中提取水平方向和垂直方向的相位分量；
S4、根据相位分量可分别得到所述的待测镜面4在水平方向和垂直方向上的表面梯度分量，通过对该表面梯度分量求一阶导数，可得到所述的待测镜面4表面结构的曲率分布，两垂直方向的曲率分布平均值即为所述待测镜面4的曲率大小；
S5、根据曲率大小判断待测镜面4的缺陷情况，并获得检测结果。
之所以曲率大小能够用于缺陷检测，是因为曲率能较好地衡量几何物体的不平坦程度、对物体表面梯度变化十分敏感，能直接反映待测镜面4的表面微小形貌变化，因此，曲率可用于缺陷检测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置，其特征在于：包括显示屏（1）、半透半反镜（2）、用于系统初始背景信号的采集的参考平面反射镜（3）、供参考平面反射镜（3）和待测镜面（4）放置的第一三维平移台（5）、第一聚焦透镜（6）、第二聚焦透镜（7）、CCD相机（8）、供CCD相机（8）放置的第二三维平移台（9）和计算机（10）；
所述显示屏（1）发出的条纹光束经过所述的半透半反镜（2）后达到所述的参考平面反射镜（3）以及待测镜面（4），然后再经过第一聚焦透镜（6）和第二聚焦透镜（7）后到达所述的CCD相机（8）。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置，其特征在于：所述显示屏（1）用于显示所述计算机（10）生成的彩色正交条纹结构光，将出射的光束准直后作为入射光源。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置，其特征在于：所述第一聚焦透镜（6）和第二聚焦透镜（7）构成4f系统；所述的待测镜面（4）放置于该4f系统的物平面上，所述的CCD相机（8）放置于该4f系统的像平面上。
4.根据权利要求1所述的一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置，其特征在于：所述计算机（10）分别与第一三维平移台（5）和第二三维平移台（9）通信连接，并用于控制第一三维平移台（5）和第二三维平移台（9）的移动；
所述显示屏（1）和CCD相机（8）均与所述的计算机（10）通信连接。
5.根据权利要求4所述的一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置，其特征在于：所述计算机（10）包括存储器、处理器以及存储在存储器内并能通过处理器运行以下步骤的程序：
A、根据设定生成的彩色正交条纹结构光；
B、根据设定控制第一三维平移台（5）和第二三维平移台（9）进行移动，用于调节待测镜面（4）和CCD相机（8）配合的采图位置；
C、接收来自CCD相机（8）记录的经待测镜面（4）反射后得到变形的彩色正交条纹强度图；
D、根据彩色正交条纹强度图进行计算获得待测镜面（4）的曲率大小，并根据待测镜面（4）的曲率大小计算获得检测结果。
6.利用权利要求1所述的一种高分辨率相位测量偏折术动态缺陷检测装置进行的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、开启所述的显示屏（1），将该显示屏（1）发出的彩色正交条纹结构光准直后作为入射光束；
S2、将所述的参考平面反射镜（3）固定在所述的第一三维平移台（5）上，用于系统初始背景信号的采集；当系统初始背景信号采集完后，将固定在所述的第一三维平移台（5）的所述的参考平面反射镜（3）换成所述的待测镜面（4），该入射彩色正交条纹光束经所述的待测镜面（4）反射后得到变形的彩色正交条纹，利用所述的CCD相机（8）记录该变形的彩色正交条纹强度图；
S3、将采集到的强度数据进行色彩分离，得到水平方向和垂直方向的单色条纹强度图，将分离的单色条纹强度图分别做傅里叶变换，并从得到的频谱图中提取水平方向和垂直方向的相位分量；
S4、根据相位分量可分别得到所述的待测镜面（4）在水平方向和垂直方向上的表面梯度分量，通过对该表面梯度分量求一阶导数，可得到所述的待测镜面（4）表面结构的曲率分布，两垂直方向的曲率分布平均值即为所述待测镜面（4）的曲率大小；
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