1、光學(xué)檢測的綜述摘要隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，測量檢測技術(shù)在自動化生產(chǎn)、質(zhì)量控制、機(jī)器人視覺、反求工程、CAD/CAM以及生物醫(yī)學(xué)工程等方面的應(yīng)用日益重要。傳統(tǒng)的接觸式測量技術(shù)存在測量力、測量時間長、需進(jìn)行測頭半徑的補(bǔ)償、不能測量彈性或脆性材料等局限性，因而不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要。近年來由于光學(xué)非接觸式測量技術(shù)克服了上述缺陷，其非接觸、高效率、高準(zhǔn)確度和易于實現(xiàn)自動化的特點(diǎn)，成為近年來測量技術(shù)研究的熱點(diǎn)。本文介紹了多種基于各種測量原理的光學(xué)檢測方法。關(guān)鍵詞:光學(xué)檢測；三維測量; 數(shù)字相移; 1. 光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載有被檢測物體信號的光輻射

2、（發(fā)射、反射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號。由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量1。如圖1所示光電檢測系統(tǒng)的組成。圖1 光電檢測系統(tǒng)Ø 光電檢測技術(shù)的特點(diǎn)： 高精度：從地球到月球激光測距的精度達(dá)到1米。 高速度：光速是最快的。 遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測和遙感。 非接觸式檢測：不改變被測物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測量。 壽命長：光電檢測中通常無機(jī)械運(yùn)動部分，故測量裝置壽命長。 數(shù)字化和智能化：強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。Ø 光電檢測的

3、方法：直接作用法差動測量法補(bǔ)償測量法脈沖測量法Ø 光電檢測系統(tǒng) u 主動系統(tǒng)/被動系統(tǒng)(按信息光源分) 主動系統(tǒng)通過信息調(diào)制光源,或者光源發(fā)射的光受被測物體調(diào)制。如圖2所示 圖2 主動系統(tǒng)的組成框圖 被動系統(tǒng)光信號來自被測物體的自發(fā)輻射。如圖3所示 圖3 被動系統(tǒng)的組成框圖u 紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)2 紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測器。 可見光系統(tǒng)多用于民用u 點(diǎn)探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分) 用單元探測器接受目標(biāo)的總輻射功率。 用面接受元件測量目標(biāo)的光強(qiáng)分布。u 模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號處理方式分)u 直接檢測/相干檢測系統(tǒng)(按光波對信號的攜帶

4、方式分) 直接檢測:無論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息。光電探測器直接把接受到的光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化，然后，用解調(diào)電路檢出所攜帶的信息。 相干檢測:利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。因為用光波的相干原理，只能用相干光。類似于無線電外茶檢測，故又稱光外差檢測。2. 光學(xué)掃描檢測技術(shù)光學(xué)系統(tǒng)的光束傳播方向隨時間變化而變化，這種光學(xué)系統(tǒng)稱為光學(xué)掃描系統(tǒng)。掃描技術(shù)是70年代中期以后出現(xiàn)的一種新的動態(tài)檢測測試技術(shù)。它主要利用白光或激光形成對被測對象的掃描運(yùn)動，配合光電器件，電子技術(shù)與計算機(jī)，構(gòu)成各種精密測試方法。這種技術(shù)適合于作精密自動檢測與遠(yuǎn)距離檢測，特別適宜

5、于對彈性體、柔性體、高溫物體作精密測量。近年來這種光掃描技術(shù)發(fā)展很快，其主要原因是：（1）激光器的商品化，即價格大幅度降低，壽命增加，在產(chǎn)品上完全可能應(yīng)用。（2）光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展。數(shù)字顯示，微計算機(jī)的大批量生產(chǎn)與應(yīng)用。（3）體積小，作業(yè)效率高。光學(xué)掃描技術(shù)包括：1）激光掃描技術(shù)2）相位調(diào)制掃描技術(shù)3）光掃描定位技術(shù)4）表面特征檢測掃描技術(shù)。Ø 激光掃描技術(shù)激光掃描檢測的原理主要是利用激光束的掃描運(yùn)動來檢測物體的幾何尺寸，具體來說就是利用激光束的方向性和高能量密度，把掃描的時間轉(zhuǎn)換成物體尺寸3。如圖4所示。圖中1激光器，2掃描反射鏡。當(dāng)2按一定頻率作擺動時，形成激光束的掃描 運(yùn)動，

6、掃描光束通過物鏡3后形成平行光，掃描被測工件4，然后由接收物鏡5，光電器件6將掃描光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大器7，信號處理器8處理后，用顯示器9顯示被測物體4的尺寸。圖4 激光掃描檢測的原理圖Ø 相位調(diào)制掃描技術(shù)提高激光掃描測量的精度到微米級時，必須把掃描的時間測量改變成掃描的位相測量，位相掃描法是提高測量精度的主要方法。歸納起來，從位相測量的角度，光掃描方法主要分兩種： 光調(diào)制掃描法提高激光掃描檢測精度的主要方法是克服工件邊緣的衍射線性。衍射在工件尺寸大于2mm以上時，使被測邊界模糊，用時間脈沖計數(shù)時，必須引入誤差，使光點(diǎn)掃描法的精度限制在±0.01mm左右4。所謂光調(diào)制

7、法，就是不測時間而測相位，即不用光點(diǎn)來掃描工件，而用空間調(diào)制光束來掃描工件。目前光調(diào)制掃描法的讀數(shù)分辨率可達(dá)0.05m，精度大±1m。適合于各種高溫、高壓下作非接觸的現(xiàn)場測量，例如，對反應(yīng)堆燃料包管測量，達(dá)到11mm±1m。 外差掃描法這是一種裝置比光調(diào)制掃描法簡單的位相掃描法。用于，高質(zhì)量的面形測量微小變形測量，特別適合于振動條件下作高精度測量，精度可達(dá)0.1um左右。用一束細(xì)的激光束來掃描有振動的被測物體，檢測反射光和參考光之間的位相，利用參考光與反射光之間微小的頻率差，即用拍頻的方法檢測位相。Ø 光掃描定位技術(shù)激光定位儀的工作原理是定位一個平面需要三個點(diǎn)，如

8、果在工件平面上找 三個不共線的點(diǎn)，把它們調(diào)整到指定的平面內(nèi)，就可以實現(xiàn)定位。根據(jù)這個思想，以激光掃描線所在的平面為基準(zhǔn)平面，并在工件上固定三個二象限光電管接收激光，這種光電管的結(jié)構(gòu)如圖所示，是由兩只相同的半圓形光電管對稱地組成。將光電管的兩個象限輸出電流引入單片機(jī)，經(jīng)處理后顯示偏差值：（1）式中，I1，I2分別為兩個象限的電流脈沖幅度。Ø 表面特征檢測掃描技術(shù)利用激光掃描還可以有效地檢查表面的特征。例如，表面的疵病檢查，表面的異物探測以及形狀不良等等。過去檢查表面疵病的方法是在顯微鏡下作目視作業(yè)，方法比較落后。由于工業(yè)生產(chǎn)的高速化以及表面上圖形的細(xì)微化，直接用眼睛和光學(xué)儀器的組合已不

9、能適應(yīng)工業(yè)和科學(xué)技術(shù)上的要求。利用光掃描可以達(dá)到：（1）高速化；（2）區(qū)別缺陷的分辨率高；（3）可以實現(xiàn)自動化。常用的檢測方法有反射式和干涉式兩種。光學(xué)檢測技術(shù)大量應(yīng)用于： 激光打印機(jī) 條形碼掃描 空間OCT三維掃描 檢測芯片的激光掃描 激光退火掃描3. 自動光學(xué)檢測通常的自動光學(xué)檢測（AOI，automatic optical inspection）是在批量生產(chǎn)中采用的一種在線檢測方法5。自動光學(xué)檢測是將電路板上的器件或者特征（比如焊點(diǎn)）捕捉成像，通過軟件處理，判斷這一器件或者特征是否完好，然后得出檢測結(jié)果，判斷諸如元件缺失、極性反轉(zhuǎn)、焊接錫橋或者焊點(diǎn)質(zhì)量問題等。從廣義來說，現(xiàn)在發(fā)展起來的X

10、射線檢測（AXI，automatic X-ray inspection）,及至最近幾年提出來自動視覺檢查（AVI，automatic visual inspection）仍屬于自動光學(xué)檢測。Ø AOI 測試優(yōu)點(diǎn)PCB(印制電路板)的檢測最早采用人工目測方式，隨著高密度電路布線和高產(chǎn)量的要求，人工目測方式不能滿足可靠性的要求，重復(fù)、單調(diào)、嚴(yán)格的檢測任務(wù)的最好解決方案是采用自動檢測系統(tǒng)。而AOI 可滿足在生產(chǎn)線上對PCB 全面檢測。AOI 系統(tǒng)能夠檢測下面錯誤：元件漏貼、鉭電容的極性錯誤、焊腳定位錯誤或者偏斜、引腳彎曲或折起、焊料過量或者不足、焊點(diǎn)橋接或者虛焊等。AOI 不僅能檢查人工目

11、測無法查出的缺陷外，AOI 可檢測到在線測試中針床無法接觸到的元器件和焊接點(diǎn)，提高缺陷覆蓋率。AOI 還能把生產(chǎn)過程中各工序的工作質(zhì)量以及出現(xiàn)缺陷的類型等情況收集，反饋回來，供工藝控制人員分析和管理，降低PCB 廢品率。Ø AOI 檢測系統(tǒng)各項技術(shù)新型的AOI 系統(tǒng)采用多光源照明、高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、高速線性馬達(dá)、精密機(jī)械傳動和圖形處理軟件，采用PC及其操作系統(tǒng)進(jìn)行實行控制，使得光學(xué)檢測水平得到極大提高。 光源和鏡頭在對物體的檢測過程中，光源起著決定性的作用。常見光源有：白熾燈、鹵鎢燈、氣體放電燈、脈沖燈、LED 光源，激光等。從性價比來考慮，白熾燈光源 AOI 是一般企業(yè)較佳選擇，如果

12、參數(shù)編輯恰當(dāng)，假缺陷誤報會大幅度降度，漏檢率也很低。選用高亮度 LED 作為光源有以下優(yōu)點(diǎn)：光的單色性好，便于提高測量精度，安裝空間較小，可以根據(jù)對照明光強(qiáng)的實際需要方便地增加和減少LED 數(shù)目。至于冷光源，是一種近幾年發(fā)展起來的新型照明光源，用光導(dǎo)纖維傳光束（簡稱光纜）將其發(fā)出的光束傳至照明的地方。它的輸出的可見光具有基本上無熱量、高強(qiáng)度、無陰影、無震動、多級可調(diào)光等優(yōu)點(diǎn)。激光(Laser)光源是現(xiàn)在的AXI檢測系統(tǒng)采用的光源，利用激光光源可以檢測出BGA 封裝的內(nèi)部缺陷。 軟件及其檢測算法和SPCAOI 應(yīng)用軟件的開發(fā)是用戶使用后體現(xiàn)其效果的關(guān)鍵。大多AOI 檢測系統(tǒng)采用了PC 和wind

13、ows 操作系統(tǒng)， 而 MVP 選擇了LINUX 和UNIX 操作系統(tǒng)，以增強(qiáng)其軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。近年來軟件方面，使用了很多電路板圖像的檢測算法，這些算法大致可分為三大類：1) 有參考比較算法有參考比較算法分為兩大類，圖像對比法和模型對比法。這類方法算法簡單，容易實現(xiàn)，但是它不容易檢測線寬、線距違例等瑕疵。2) 無參考校驗法無參考校驗法也稱為設(shè)計規(guī)則校驗法。這類方法雖然在榆測線寬、線距違例這類瑕疵時能夠收到很好的效果，但是其算法復(fù)雜，運(yùn)算量很大，而且易漏柃線、焊盤丟失等大瑕疵。3) 混合型算法。混合型方法是將有參考比較算法與無參考校驗法混合使用，在一定程度上克服了前兩類方法的缺點(diǎn)，從而發(fā)揮它們

14、各自的優(yōu)點(diǎn)。比如，模板匹配法與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法結(jié)合使用，或者連接表方法與數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法結(jié)合使用等。4. 光學(xué)三維檢測在現(xiàn)代工業(yè)中，為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量，就需要對三維物體的形狀進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測量。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字成像裝置、光電元件、激光和其他光源的發(fā)展，三維形狀測量在工業(yè)環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。三維測量技術(shù)可分為接觸式測量和非接觸式測量。以三坐標(biāo)機(jī)為代表的接觸式測量機(jī)，在保證準(zhǔn)確度的同時，卻因為要逐點(diǎn)接觸式測量，從而存在測量速度慢，不適合對大型零部件進(jìn)行測量的缺點(diǎn)。而且，采用這種接觸式接觸會損壞或劃傷其表面。同時測頭的磨損，限定了測量次數(shù)和準(zhǔn)確度。由于它的種種限制，促進(jìn)了基于視覺

15、概念的非接觸三維測量技術(shù)的迅速發(fā)展。這種非接觸三維測量技術(shù)具有效率高、自動化程度高、造價低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)實生活中得以廣泛的應(yīng)用。而光學(xué)測量方法以其非接觸、高效率、高準(zhǔn)確度和易于實現(xiàn)自動化的特點(diǎn)，首當(dāng)其沖的成為非接觸測量技術(shù)的研究熱點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外光學(xué)非接觸三維測量技術(shù)已經(jīng)得到了快速發(fā)展，產(chǎn)生了多種基于各種測量原理的測量方法。Ø 飛行時間測量法飛行時間測量法可以分為脈沖測距法和相位差測距法6。1) 脈沖測距法是由測量儀器發(fā)出一個短脈沖信號，該信號有被測物體反射返回，在經(jīng)過了兩倍的被測距離后被傳感器接收。通過測量同一脈沖信號從發(fā)射到接收的時間間隔t，即可算得被測距離值L=ct/

16、2,c是光速。2) 相位差測距法就是測距儀對激光進(jìn)行調(diào)制，通過測量調(diào)制光波往返被測物體一次所產(chǎn)生的相位延遲來確定被測距離的。飛行時間法的主要優(yōu)點(diǎn)： 共軸光源和發(fā)射波束保證不存在陰影和盲區(qū) 對被測物體的表面性質(zhì)無限制 不需要拍攝圖像和作圖像處理Ø 激光掃描法激光掃描法才用了著名的光學(xué)三角法原理，其典型的測量范圍是5mm250mm，測量誤差在萬分之一左右，測量頻率可以達(dá)到40KHz或更高。影響測量準(zhǔn)確度的因素主要有兩個原因，一是聚束點(diǎn)反射和散射光；另一個是被測物體表面特征與標(biāo)定表面的差異。一般來講，為了確保測量準(zhǔn)確度，應(yīng)該在于被測表面相似的表面進(jìn)行標(biāo)定。由于激光的高亮度和方向性，也由于新

17、的光電掃描技術(shù)與陣列型光電探測器件的發(fā)展，加之微機(jī)的控制與數(shù)據(jù)處理，使激光三角測量法成為多種三維數(shù)字化技術(shù)的基礎(chǔ)。激光相對掃描的三維數(shù)字化技術(shù)，為了避免由于被測表面反射率不均勻，使得像點(diǎn)光強(qiáng)變化很大，采用光強(qiáng)自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)。為了提高測量準(zhǔn)確度和速度，提出來直接映射的方法。這種方法由于要逐點(diǎn)或逐線掃描，因而在速度上受到了限制。Ø 莫爾條紋法莫爾條紋法由兩個光柵即主光柵和參考光柵形成莫爾條紋，并用其陰影來描述表面的輪廓。該方法可以分為影像莫爾法和投影莫爾法。1) 影像莫爾條紋技術(shù)是將主光柵放在靠近被測試件表面處，將參考光柵投影到被測物體表面，形成莫爾條紋。這種技術(shù)適用于測量較小尺寸的形面

18、，因為主光柵的面積必須大于被測面積，而制作大面積、高準(zhǔn)確度的光柵十分困難。所以此方法多用于形面比較平緩的物體的測量。2) 投影莫爾技術(shù)采用一幅精密的匹配光柵，一個是放置在投影器前的基準(zhǔn)光柵，另一個是放置在攝像機(jī)前的攝像機(jī)光柵，基準(zhǔn)光柵在被測物上的投影與攝像機(jī)光柵在攝像機(jī)像面上形成莫爾條紋等高線。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可用小光柵來測定大物體。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用于全場表面形狀測量的計算機(jī)輔助光學(xué)技術(shù)也日臻成熟。由計算機(jī)產(chǎn)生的圖案，一般來說，條紋的相位是可以控制的，為此可用一種相位分離法來決定相位的分布，而不需要獲取條紋相位分布于表面深度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。總的來講，莫爾條紋測距技術(shù)在檢測平滑表面的距離時

19、非常有效，它不需要掃描，具有12bit的深度分辨力和每秒105點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取速度。但這種方法受到被測物體表面傾斜度、多義性間隔和陰影的限制，嚴(yán)重依賴于廣泛的軟件分析和嚴(yán)格的硬件操作以產(chǎn)生同一物體的不同莫爾條紋圖案，而且物體表面反射率的變化嚴(yán)重干擾條紋邊緣信息。Ø 干涉法干涉形狀測量的思想是條紋通過靈敏度矩陣的變化形成的，這種矩陣將物體的幾何形狀同被測的光學(xué)相位相聯(lián)系。矩陣包括三個變量：波長、折射率、照明和觀察方向。由此產(chǎn)生三中測量方法：雙頻或多頻干涉法、折射率變化法以及兩種光源干涉法。全息干涉測量是把干涉測量與全息照相結(jié)合起來，通過干涉條紋有效地把位相變化情況記錄下來，對任意形狀物體及

20、其表面作動態(tài)三維立體圖像攝影，并經(jīng)圖像重疊產(chǎn)生干涉測量，可分為實測法和雙重暴光法計算機(jī)全息干涉測量是用計算機(jī)數(shù)據(jù)模型直接顯示三維零件的全息圖，作為被測標(biāo)準(zhǔn)零件的波面，再與實際零件表面相干，即可檢測出實際零件誤差。Ø 攝影測量法立體視覺是設(shè)置完全相同的兩個攝像機(jī)。除了坐標(biāo)原點(diǎn)不同以外，兩攝像機(jī)的坐標(biāo)系完全匹配，根據(jù)立體視差進(jìn)行測距。立體圖像法是依靠找到在兩幅圖像中均可見到的一共同特征而工作的，只能用于測量具有特征的物體表面的距離，通常做一些明亮的標(biāo)志，如在被測物體的表面上貼一些反射點(diǎn)。一般各種模型都是在傳統(tǒng)的針孔模型基礎(chǔ)上擴(kuò)展起來的，復(fù)雜的高準(zhǔn)確度的計算還要考慮透鏡的畸變。模型建立起來

21、后，要實現(xiàn)物體的三維測量，就必須知道傳感器的內(nèi)部參數(shù)(攝像機(jī)的參數(shù))和外部參數(shù)(兩攝像機(jī)的位置關(guān)系及傳感器坐標(biāo)系與檢測系統(tǒng)坐標(biāo)系的關(guān)系)。因此在測量之前，要進(jìn)行定標(biāo)，完成內(nèi)部參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)定。一般來講，攝影測量法的準(zhǔn)確度較低，而且被測物體的形狀比較簡單。Ø 結(jié)構(gòu)光法結(jié)構(gòu)光法又稱為主動三角法照射到物體上的編碼圖像被物體調(diào)制，變形的條紋圖像蘊(yùn)含了物體的深度信息。圖像傳感器記錄這些條紋圖像，通過圖像處理便可以獲得物體的三維形狀。盡管它與莫爾技術(shù)有些類似，但三角法直接從變形條紋中解碼獲得三維形狀，不需要用參考光柵產(chǎn)生莫爾條紋。三角法測量原理是非接觸測量方法中發(fā)展較為成熟，應(yīng)用較為廣泛的一

22、種。結(jié)構(gòu)光三維視覺方法根據(jù)照射系統(tǒng)所采用的圖樣不同可以劃分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法、線結(jié)構(gòu)光法、多線結(jié)構(gòu)光法、編碼結(jié)構(gòu)光法等點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法是投射一個光點(diǎn)到物體表面，攝像機(jī)拍攝物體圖像，獲得物體上該光點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這種方法很簡單，是結(jié)構(gòu)光三維映射的基礎(chǔ)。點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法必須逐點(diǎn)掃描被測物體才能獲得整個物體表面的三維形狀。每點(diǎn)攝取一幅圖像，致使拍攝時間和圖像處理量隨被測物面的增大或測量分辨力的提高而急劇增加，難以完成實時三維形狀檢測同時二維掃描致使其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)光三維視覺方法中它的準(zhǔn)確度是最高的。線結(jié)構(gòu)光法通過投射一個狹縫光到物體表面，得到一條亮帶，使得攝像機(jī)可一次得到該亮帶上所有點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，從而提高測量的速度和效率。總結(jié)隨著激光技術(shù)和光電子技術(shù)的崛起，光學(xué)檢測已發(fā)展為光學(xué)為主的，并與信息科學(xué)、空間科學(xué)、精密機(jī)械與制造、計算機(jī)科學(xué)及微電子技術(shù)等學(xué)科緊密交叉和相互滲透的技術(shù)。它包含了許多重要的新興學(xué)科分支，如激光技術(shù)、光學(xué)信息處理、光電顯示、全息和三維成像、光電子和光子技術(shù)、弱光與紅外熱成像技術(shù)、光電測量、光學(xué)遙感技術(shù)以及綜合光學(xué)工程技術(shù)等。這些分支不僅使光學(xué)檢測產(chǎn)生了質(zhì)上的躍變，而且推動建立了一個規(guī)模迅速擴(kuò)大的前所未有的現(xiàn)代光學(xué)產(chǎn)業(yè)和光電子產(chǎn)業(yè)。參考文獻(xiàn)【1】H. J. Ti