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1、光学检测的综述 光学检测的综述摘 要随着科学技术和工业的发展，测量检测技术在自动化生产、质量控制、机器人视觉、反求工程、CAD/CAM 以及生物医学工程等方面的应用日益重要。传统的接触式测量技术存在测量力、测量时间长、需进行测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因而不能满足现代工业发展的需要。近年来由于光学非接触式测量技术克服了上述缺陷，其非接触、高效率、高准确度和易于实现自动化的特点，成为近年来测量技术研究的热点。本文介绍了多种基于各种测量原理的光学检测方法。关 键 词 :光 学 检 测 ； 三 维 测 量 ; 数 字 相 移 ; 1. 光 电 检 测 技 术光电检测技术以激光、红
2、外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过 A/D 变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量1。如图 1 所示光电检测系统的组成。图 1 光电检测系统 光 电 检 测 技 术 的 特 点 ： 高精度：从地球到月球激光测距的精度达到 1 米。 高速度：光速是最快的。 远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。 非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。 寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装
3、置寿命长。 数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。光学检测的综述 光 电 检 测 的 方 法 ：直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法 光 电 检 测 系 统 主动系统/被动系统(按信息光源分) 主 动 系 统通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测物体调制。如图 2 所示图 2 主动系统的组成框图 被 动 系 统光信号来自被测物体的自发辐射。如图 3 所示图 3 被动系统的组成框图 红外系统/可见光系统(按光源波长分) 2光学检测的综述 红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器。 可见光系统多用于民用 点探测/面探测系统(按接受系统分) 用单元探测器接受目标的总辐射功率。 用
4、面接受元件测量目标的光强分布。 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) 直接检测/相干检测系统 (按光波对信号的携带方式分) 直 接 检 测 :无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息。光电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的信息。 相 干 检 测 :利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。因为用光波的相干原理，只能用相干光。类似于无线电外茶检测，故又称光外差检测。2. 光 学 扫 描 检 测 技 术光学系统的光束传播方向随时间变化而变化，这种光学系统称为光学扫描系统。扫描技术是 70 年代中期以后出现的一种新的动态检测测试
5、技术。它主要利用白光或激光形成对被测对象的扫描运动，配合光电器件，电子技术与计算机，构成各种精密测试方法。这种技术适合于作精密自动检测与远距离检测，特别适宜于对弹性体、柔性体、高温物体作精密测量。近年来这种光扫描技术发展很快，其主要原因是：（1）激光器的商品化，即价格大幅度降低，寿命增加，在产品上完全可能应用。（2）光电子技术的迅猛发展。数字显示，微计算机的大批量生产与应用。（3）体积小，作业效率高。光学扫描技术包括：1）激光扫描技术2）相位调制扫描技术3）光扫描定位技术4）表面特征检测扫描技术。 激 光 扫 描 技 术激光扫描检测的原理主要是利用激光束的扫描运动来检测物体的几何尺寸，具体来说
6、就是利用激光束的方向性和高能量密度，把扫描的时间转换成物体尺寸 3。如图4所示。图中1激光器，2扫描反射镜。当2按一定频率作摆动时，形成激光束的扫描 运动，扫描光束通过物镜3后形成平行光，扫描被测工件4，然后由接收物镜5，光电器件6将扫描光信号转变成电信号，经放大器7，信号处理器8处理后，用显示器9显示被测物体4的尺寸。光学检测的综述 图 4 激 光 扫 描 检 测 的 原 理 图 相 位 调 制 扫 描 技 术提高激光扫描测量的精度到微米级时，必须把扫描的时间测量改变成扫描的位相测量，位相扫描法是提高测量精度的主要方法。归纳起来，从位相测量的角度，光扫描方法主要分两种： 光 调 制 扫 描
7、法提高激光扫描检测精度的主要方法是克服工件边缘的衍射线性。衍射在工件尺寸大于2mm以上时，使被测边界模糊，用时间脉冲计数时，必须引入误差，使光点扫描法的精度限制在0.01mm左右 4。所谓光调制法，就是不测时间而测相位，即不用光点来扫描工件，而用空间调制光束来扫描工件。目前光调制扫描法的读数分辨率可达0.05m，精度大1m。适合于各种高温、高压下作非接触的现场测量，例如，对反应堆燃料包管测量，达到11mm1m 。 外 差 扫 描 法这是一种装置比光调制扫描法简单的位相扫描法。用于，高质量的面形测量微小变形测量，特别适合于振动条件下作高精度测量，精度可达0.1um左右。用一束细的激光束来扫描有振
8、动的被测物体，检测反射光和参考光之间的位相，利用参考光与反射光之间微小的频率差，即用拍频的方法检测位相。 光 扫 描 定 位 技 术激光定位仪的工作原理是定位一个平面需要三个点，如果在工件平面上找 三个不共线的点，把它们调整到指定的平面内，就可以实现定位。根据这个思想，以激光扫描线所在的平面为基准平面，并在工件上固定三个二象限光电管接收激光，这种光电管的结构如图所示，是由两只相同的半圆形光电管对称地组成。将光电管的两个象限输出电流引入单片机，经处理后显示偏差值：（ 1）120IE式中，I1，I2 分别为两个象限的电流脉冲幅度。 表 面 特 征 检 测 扫 描 技 术利用激光扫描还可以有效地检查
9、表面的特征。例如，表面的疵病检查，表面的异物探测以及形状不良等等。过去检查表面疵病的方法是在显微镜下作目视作业，方法比较落后。由于工业生产的高速化以及表面上图形的细微化，直接用眼睛和光学仪器的组合已不能适应工业和科学技术上的要求。利用光扫描可以达到：（1）高速化；光学检测的综述 （2）区别缺陷的分辨率高；（3）可以实现自动化。常用的检测方法有反射式和干涉式两种。光学检测技术大量应用于： 激光打印机 条形码扫描 空间OCT三维扫描 检测芯片的激光扫描 激光退火扫描3. 自 动 光 学 检 测通常的自动光学检测（AOI，automatic optical inspection）是在批量生产中采用的
10、一种在线检测方法 5。自动光学检测是将电路板上的器件或者特征（比如焊点）捕捉成像，通过软件处理，判断这一器件或者特征是否完好，然后得出检测结果，判断诸如元件缺失、极性反转、焊接锡桥或者焊点质量问题等。从广义来说，现在发展起来的 X 射线检测（AXI， automatic X-ray inspection）,及至最近几年提出来自动视觉检查（AVI，automatic visual inspection）仍属于自动光学检测。 AOI 测 试 优 点PCB(印制电路板) 的检测最早采用人工目测方式，随着高密度电路布线和高产量的要求，人工目测方式不能满足可靠性的要求，重复、单调、严格的检测任务的最好解
11、决方案是采用自动检测系统。而AOI 可满足在生产线上对PCB 全面检测。AOI 系统能够检测下面错误：元件漏贴、钽电容的极性错误、焊脚定位错误或者偏斜、引脚弯曲或折起、焊料过量或者不足、焊点桥接或者虚焊等。AOI 不仅能检查人工目测无法查出的缺陷外，AOI 可检测到在线测试中针床无法接触到的元器件和焊接点，提高缺陷覆盖率。AOI 还能把生产过程中各工序的工作质量以及出现缺陷的类型等情况收集，反馈回来，供工艺控制人员分析和管理，降低PCB 废品率。 AOI 检 测 系 统 各 项 技 术新型的AOI 系统采用多光源照明、高速数字摄像机、高速线性马达、精密机械传动和图形处理软件，采用PC及其操作系
12、统进行实行控制，使得光学检测水平得到极大提高。 光源和镜头在对物体的检测过程中，光源起着决定性的作用。常见光源有：白炽灯、卤钨灯、气体放电灯、脉冲灯、LED 光源，激光等。从性价比来考虑，白炽灯光源 AOI 是一般企业较佳选择，如果参数编辑恰当，假缺陷误报会大幅度降度，漏检率也很低。选用高亮度 LED 作为光源有以下优点：光的单色性好，便于提高测量精度，安装空间较小，可以根据对照明光强的实际需要方便地增加和减少LED 数目。至于冷光源，是一种近几年发展起来的新型照明光源，用光导纤维传光束（简称光缆）将其发出的光束传至照明的地方。它的输出的可见光具有基本上无热量、高强度、无阴影、无震动、多级可调
13、光等优点。激光(Laser)光源是现在的AXI 检测系统采用的光源，利用激光光源可以检测出BGA 封装的内部缺陷。 软件及其检测算法和SPCAOI 应用软件的开发是用户使用后体现其效果的关键。大多AOI 检测系统采用了PC 和windows 操作系统， 而 MVP 选择了LINUX 和光学检测的综述 UNIX 操作系统，以增强其软件系统的稳定性。近年来软件方面，使用了很多电路板图像的检测算法，这些算法大致可分为三大类：1) 有参考比较算法有参考比较算法分为两大类，图像对比法和模型对比法。这类方法算法简单，容易实现，但是它不容易检测线宽、线距违例等瑕疵。2) 无参考校验法无参考校验法也称为设计规
14、则校验法。这类方法虽然在榆测线宽、线距违例这类瑕疵时能够收到很好的效果，但是其算法复杂，运算量很大，而且易漏柃线、焊盘丢失等大瑕疵。3) 混合型算法。混合型方法是将有参考比较算法与无参考校验法混合使用，在一定程度上克服了前两类方法的缺点，从而发挥它们各自的优点。比如，模板匹配法与数学形态学方法结合使用，或者连接表方法与数学形态学方法结合使用等。4. 光 学 三 维 检 测在现代工业中，为了确保产品的质量，就需要对三维物体的形状进行快速准确的测量。近年来，随着计算机技术的发展以及数字成像装置、光电元件、激光和其他光源的发展，三维形状测量在工业环境中得到了广泛的应用。三维测量技术可分为接触式测量和
15、非接触式测量。以三坐标机为代表的接触式测量机，在保证准确度的同时，却因为要逐点接触式测量，从而存在测量速度慢，不适合对大型零部件进行测量的缺点。而且，采用这种接触式接触会损坏或划伤其表面。同时测头的磨损，限定了测量次数和准确度。由于它的种种限制，促进了基于视觉概念的非接触三维测量技术的迅速发展。这种非接触三维测量技术具有效率高、自动化程度高、造价低等优点，在工业生产和现实生活中得以广泛的应用。而光学测量方法以其非接触、高效率、高准确度和易于实现自动化的特点，首当其冲的成为非接触测量技术的研究热点。近年来，国内外光学非接触三维测量技术已经得到了快速发展，产生了多种基于各种测量原理的测量方法。 飞行时间测量法飞行时间测量法可以分为脉冲测距法和相位差测距法 6。1) 脉冲测距法是由测量仪器发出一个短脉冲信号，该信号有被测物体反射返回，在经过了两倍的被测距离后被传感器接收。通过测量同一脉冲信号从发射到接收的时间间隔t ，即可算得被测距离值 L=ct/2,c是光速。2) 相位差测距法就是测距仪对激光进行调制，通过测量调制光波往返被测物体一次所产生的相位延迟来确定被测距离的。飞行时间法的主要优点： 共轴光源和发射波束保证不存在阴影和盲区 对被测物体的表面性质无限制 不需要拍摄图像和作图像处理 激光扫描法激光扫描法才用了著
