激光全息無損檢測技術(shù)

1、 摘要脫層和氣泡是輪胎主要的內(nèi)部缺陷之一，采用常規(guī)檢測手段很難檢測出來，所以一般采用激光全息無損檢測技術(shù)。早期的全息無損檢測一般采用全息干板來記錄全息圖，檢測周期長，檢測效率低，不能適應現(xiàn)代工業(yè)流水線上的檢測。數(shù)字全息技術(shù)用CCD代替?zhèn)鹘y(tǒng)全息記錄材料記錄全息圖，用計算機模擬光學衍射過程來實現(xiàn)數(shù)字再現(xiàn)，實現(xiàn)了全息記錄、存儲和再現(xiàn)全過程的數(shù)字化，給全息技術(shù)的發(fā)展和應用增加了新的內(nèi)容和方法。本文從理論和實驗兩方面探討了數(shù)字全息術(shù)的原理及其在輪胎內(nèi)部缺陷無損檢測方面的應用，并取得了較為滿意的結(jié)果。所作的主要工作如下：1模擬實現(xiàn)了全息記錄和重現(xiàn)的全過程，包括：模擬生成理想全息圖；采用傅立葉變換法進行數(shù)字

2、全息重現(xiàn)；提取相位，進行物體表面三維形貌恢復等。2深入分析和研究了二次曝光和消除零級衍射斑的理論，同時進行模擬仿真和實驗測試，得到了較好的結(jié)果，且實驗結(jié)果與模擬的結(jié)果吻合。3搭建數(shù)字全息系統(tǒng)測量橡膠表面形變，獲得了滿意的形變測量結(jié)果，并進行了光路計算和實驗中各參數(shù)的分析和討論。4針對現(xiàn)場檢測要求，提出新的光路，實現(xiàn)了更大視場的檢測。實驗證明，本系統(tǒng)的檢測范圍己達到138Ira×1124mm，處理一幅1300x 1024的圖像只需62ms，已經(jīng)達到實際工業(yè)流水線檢測上的要求，可應用于現(xiàn)場檢測。關(guān)鍵詞： 數(shù)字全息 全息重現(xiàn) 電子散斑 輪胎檢測 無損檢測激光全息無損檢測技術(shù)的發(fā)展數(shù)字全息技

3、術(shù)是由Goodman和Lawrence在1967年提出的n1，其基本原理是用光敏電子成像器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)全息記錄材料記錄全息圖，用計算機模擬再現(xiàn)過程取代光學衍射來實現(xiàn)波前的數(shù)字再現(xiàn)，從而實現(xiàn)了全息記錄、存儲和再現(xiàn)全過程的數(shù)字化，給全息技術(shù)的發(fā)展和應用增加了新的內(nèi)容和方法。90年代中期以來數(shù)字全息技術(shù)已成功應用于顯微成像、干涉計量，粒子場的測試、信息存儲、學信息加密、活體生物成像和三維形貌成像等領(lǐng)域瞳。輪胎制造和檢測行業(yè)中，也同樣需要用到數(shù)字全息技術(shù)。脫層和氣泡是輪胎的內(nèi)部主要缺陷之一。在輪胎制造過程的壓延和成型等工序中，如果膠與膠、簾布與膠之間夾雜油污或污垢，或者簾布與膠之間的氣體沒有完全排出，就

4、會導致輪胎內(nèi)部產(chǎn)生脫層和氣泡。新輪胎使用一段時間后，胎體內(nèi)部粘合不牢處也會在剪切應力的作用下脫開，形成新的脫層。脫層和氣泡采用常規(guī)檢測手段很難檢測出來，通常需要采用激光全息無損檢測技術(shù)n"。激光全息輪胎無損檢測技術(shù)是一種非接觸和非破壞性的檢測技術(shù)。通過真空加載使輪胎形變前后進行兩次曝光，輪胎加載前后的相位和光強記錄在全息干板上形成全息干涉圖。全息干板經(jīng)過顯影、定影、水洗、風干后進行光學再現(xiàn)，就可觀察到輪胎形變前后的干涉條紋。缺陷的干涉條紋必然是獨立存在的，其圓形外緣與正常干涉條紋有界線，圓環(huán)中條紋的疏密程度表示形變大小口副，條紋密表示輪胎形變大，條紋疏表示輪胎形變小n引。同時，缺陷離

5、表面的深淺程度與圓環(huán)中條紋的粗細有關(guān)，條紋粗的缺陷離表面遠，條紋細的缺陷離表面近。因此通過全息干涉圖的再現(xiàn)圖像可以很容易地判讀出輪胎內(nèi)部缺陷的位置和大小?，F(xiàn)代的數(shù)字全息術(shù)采用CCD代替全息干板記錄全息圖，不僅繼承了傳統(tǒng)全息的特點，而且還具有其自身的特點。與傳統(tǒng)光學全息技術(shù)相比，數(shù)字全息技術(shù)的最大優(yōu)點是：1) 曝光時間短，能夠用來記錄運動物體的各個瞬間狀態(tài)，而且由于沒有煩瑣的化學濕處理過程，記錄和再現(xiàn)過程都比傳統(tǒng)光學全息更加方便快捷。2) 數(shù)字全息再現(xiàn)可以直接得到再現(xiàn)像的復振幅分布，而不單純是光強分布，因此被記錄物體的表面亮度和輪廓分布都可通過復振幅得到，可方便地實現(xiàn)多種定量測量。3) 由于數(shù)字

6、全息采用計算機數(shù)字記錄和再現(xiàn)，因此可以方便地對所記錄的數(shù)字全息圖進行圖像處理，減少或消除全息圖在記錄過程中的像差、噪聲、畸變及記錄過程中CCD器件非線性等因素的影響，便于對測量對象進行定量測量和分析，并可對最后檢測結(jié)果進行自動歸類和整理。但是，與傳統(tǒng)光學全息記錄材料的高分辨率性能相比，數(shù)字全息也存在不足。一方面，由于CCD光敏面尺寸小，使得數(shù)字再現(xiàn)像的分辨率低，像質(zhì)較差；另一方面，由于CCD的像素尺寸較大，使數(shù)字全息記錄的參考光和物光的夾角較小，只能記錄物體空間頻譜中的低頻部分，且再現(xiàn)像與孿生像的分離困難。因此，目前數(shù)字全息僅適應于小物體、遠距離記錄，從而使得再現(xiàn)像面散斑尺寸大，橫向分辨率低。

7、因此，在目前CCD等光敏電子成像器件性能限制的情況下，提高數(shù)字全息術(shù)的分辨率和再現(xiàn)像的清晰度、實現(xiàn)再現(xiàn)像與其它成分的良好分離、獲得較大視場的全息記錄是目前數(shù)字全息技術(shù)發(fā)展和應用中首先需要解決的三個關(guān)鍵問題。2輪胎無損檢測的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)近年來，國內(nèi)的上海光學精密機械研究所、天津大學、山東師范大學、西安光學精密機械研究所和西北工業(yè)大學等一些單位都在這一領(lǐng)域積極開始研究工作，并取得一些初步成果降矧。我國自行研制生產(chǎn)的首臺激光全息輪胎無損檢測儀出自曙光橡膠工業(yè)研究設(shè)計院口引。它主要用于檢測航空輪胎內(nèi)部的氣泡和脫層陷，也可以用于檢測各種汽車輪胎。S2JOL21500型激光全息輪胎無損檢測儀采用息干板記

8、錄條紋，適用于外直徑小于1500m、內(nèi)直徑大于300mm的輪胎，可檢測輪胎上胎肩到下胎肩的部分，靈敏度為elm，檢測速度可達每小時10條。國外的激光數(shù)字錯位散斑輪胎無損檢測技術(shù)已非常成熟，輪胎行業(yè)應用該檢測技術(shù)已進入普及階段。德國Steinbichler公司專為輪胎行業(yè)設(shè)計生產(chǎn)了全場快速非接觸、非破壞實時顯示的激光數(shù)字錯位散斑輪胎無損檢測儀啪1。該檢測系統(tǒng)由高分率的CCD、剪切元器件、大功率半導體激光器及圖像處理與分析軟件構(gòu)成。Intact 1200型激光錯位散斑輪胎無損檢測儀適用于外直徑小于1250m的輪胎檢測，由于該檢測儀采用雙檢測頭，因此可以將檢測速度提高l倍。這種新型的檢測儀檢測周期短

9、，檢測速度可達每小時50條；檢測范圍更全面，能夠檢測輪胎肩部、胎圈、胎冠和胎側(cè)；采用激光波長為532nm，目前檢測出的最小缺陷為2咖2。比較后可以看出，國內(nèi)利用全息干板進行檢測，檢測速度慢，但是檢測精度較高，而國外利用CCD采集全息圖像，檢測速度快，但是檢測精度較使用全息干板檢測時低。國外輪胎生產(chǎn)廠家已普遍將激光無損檢測儀用于新輪胎和翻新輪胎的檢測。米其林和固特異等大型輪胎企業(yè)是應用該種檢測儀的大戶。一般國外輪胎翻新企業(yè)均配備兩臺激光無損檢測儀，一臺用于翻新前檢測，淘汰內(nèi)部缺陷較嚴重的輪胎，另一臺用于翻新后檢測，保證到達客戶手中的輪胎是合格品。在國內(nèi)，銀川橡膠廠(現(xiàn)銀川佳通輪胎有限公司)199

10、2年率先引進美國生產(chǎn)的激光全息輪胎無損檢測儀。至1J2004年，已有沈陽三橡輪胎有限公司、上海輪胎橡膠(集團)股份有限公司和曙光橡膠工業(yè)研究設(shè)計院分別引進了德國生產(chǎn)的激光錯位散斑輪胎無損檢測儀。數(shù)字全息的基本原理全息記錄和再現(xiàn)的基本原理1全息基本原理全息記錄的過程就是用記錄介質(zhì)記錄物光和參考光的干涉圖樣，而全息重現(xiàn)是重現(xiàn)光波照射全息圈后發(fā)生衍射的結(jié)果。用激光束照射物體表面的同時，引入一束標準激光波成為參考光波與物光波進行干涉，其干涉光場的分布(包括干涉條紋的形狀、疏密及明暗分布)與兩束光波的波面特性(振幅及相位)密切相關(guān)。全息技術(shù)利用光的干涉原理，將物體反射的特定光波波前以干涉條紋的形式記錄下

11、來，達到凍結(jié)物光波相位信息的目的。涉條紋與物體表面的高低信息的關(guān)系非常復雜，因此直接觀察干涉條紋全息圈是無法知道物體表面的高低信息的。在傳統(tǒng)全息圖中，干涉條紋是記錄在感光膠片上的。如果用與參考光波相同的再現(xiàn)光波去照射全息圈，可以完全再現(xiàn)原來的三維物光波，如圖22所示。數(shù)字全息用CCD取代全息膠片記錄干涉條紋，并在計算機上進行全息的數(shù)字再現(xiàn)過程即以數(shù)字再現(xiàn)算法模擬光學衍射的過程。1數(shù)字全息中的取樣與離散化數(shù)字全息圖用CCD記錄下干涉圖樣。由于CCD是由單元像素排列成的點陣，所以它記錄的全息圖也是對連續(xù)全息面的一個取樣。當CCD由MXN個像素組成，則CCD對全息面的取樣可以通過下式來描述：其中分別

12、表示CCD像素橫向和縱向的尺寸；表示CCD靶面的尺寸，rect表示矩形函數(shù)，comb表示梳狀函數(shù)。若全息圖的曝光強度為，則用CCD記錄的全息圖q(x，Y)則可以用下式表示： 如果設(shè)息圖經(jīng)過取樣和量化后用q(m，n)來表示。CCD記錄的正是這樣一系列的點陣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是對空間物光波與參考光干涉場光強的一個取樣，用灰度值的大小來表示光強的強度。全息面用CCD記錄后由點陣數(shù)據(jù)所組成，所以在進行數(shù)字再現(xiàn)時計算公式都需要進行量化，使其保持一致性.2數(shù)字全息的分辨率與記錄距離的關(guān)系數(shù)字全息主要應用于測量領(lǐng)域，其系統(tǒng)分辨率是非常重要的評價指標。數(shù)字全息的橫向分辨率與傳統(tǒng)成像光學儀器的分辨本領(lǐng)具有相同的物理

13、意義，其大小主要取決于再現(xiàn)像位置以及CCD尺寸。根據(jù)菲涅耳全息理論，數(shù)字全息再現(xiàn)像分辨率可定義為: 式中為再現(xiàn)光波波長，Z，為再現(xiàn)像平面與CCD記錄面之間的距離，Lxccd為CCD光敏面的尺寸。為了避免再現(xiàn)畸變，一般情況下使等于記錄波長，并讓再現(xiàn)距離與記錄距離相等即Z0=Z1一般來說，CCD的光敏面尺寸是固定不變的，也是定值，那么再現(xiàn)像的分辨率就只與記錄距離Z0有關(guān)，當Z0越小，數(shù)字再現(xiàn)像的分辨率就越高。數(shù)字全息術(shù)·數(shù)字全息術(shù)(Digital Holography)也稱電子散斑干涉技術(shù)(ESPI，Electronic Speckle Pattern Interferometer)或是

14、TV全息攝影術(shù)(TVHolography)計算機圖像處理技術(shù)、激光技術(shù)以及全息干涉技術(shù)相結(jié)合的一種新技術(shù)。一束激光經(jīng)透鏡擴束后照射到被測物表面上，其反射光與直接照射至UCCD的參考光束發(fā)生干涉，就會形成一系列的散斑圖像。通過圖像比較可以顯示出散斑結(jié)構(gòu)中的變化并產(chǎn)生相關(guān)條紋，它們是由于記錄圖像之間的表面位移與變形而產(chǎn)生的，通過智能軟件可以自動分析這些條紋并計算出位移大小。先進的ESPI系統(tǒng)利用若干個激光照射，可以測量位移和變形的三維信息以及輪廓信息(3D-ESPI系統(tǒng))，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)獲得應變、應力、振動模式以及更多的信息。1二次曝光的原理所有干涉儀的工作原理都是比較兩個或多個波面的形狀。二次曝

15、光法是將初始物光波面與變形以后的物光波面相比較1。在記錄過程中對一張全息干板作二次曝光，一次是記錄初始物光波(標準波面)的全息圖：一次是記錄變化以后的物光波(變形波面)的全息圖。這兩張全息圖記錄在同一張干板上，當用照明光波再現(xiàn)時，可再現(xiàn)出兩個物光波面，這兩個波面是相干的，因而觀察到的是它們之間的干涉條紋。通過干涉條紋的分布情況，可以了解波面的變化。二次曝光法記錄光路如圖3-13(a)所示，在底片平面上，參考光波為初始物光波為變形后的物光波為假定兩次曝光時間相同，則總的曝光光強為在線性記錄條件下，全息圖的復振幅透過率正比于曝光光強。零級衍射斑的消除原理設(shè)傳播至UCCD上的物光波波前為O(x，Y)

16、，參考光波波前為R(x，Y)，則通過CCD記錄的物光和參考光波的干涉圖像，其光強分布為：其中R(x，y)R*(x，y）為參考光強度，O(x，y)O*(x，y)為物光強度，O(x，y)R*(x，Y)和O(x，y)R*(x，y)為物光和參考光的干涉項。當采用再現(xiàn)光波和參考光波完全相同時，全息圖的重建波前復振幅可表示為3-13式中，第1項為零級像，是物體的自相關(guān)像，OR+R對應著物光的準確再現(xiàn)，為+l級衍射像，而靦協(xié)e，對應著共軛像，為一1級衍射像。利用圖像相減以消除零級衍射斑主要分以下兩個步驟。首先用CCD記錄干涉條紋的強度分布，并把離散化的數(shù)據(jù)輸入計算機存儲。然后保持實際光路不變，分別擋住參考光

17、和物波，用同一個CCD攝像機記錄下它們各自的強度分布I，Iz，分別把它們輸入計算機存儲。軟件設(shè)計311軟件組成結(jié)構(gòu)在輪胎的流水線檢測上，從CCD直接采集出來的圖像并不是非常理想，需要經(jīng)過圖像處理和軟件計算后，才能得到最終結(jié)果。另外，為了實現(xiàn)流水線上實時的自動檢測，方便工人操作和處理，還需要良好的人機交互界面及自動判別、歸類、存儲檔等功能。軟件主要由圖像讀入、圖像預處理、二次曝光、全息重現(xiàn)、判決評定、文件歸檔和人機交互幾個部分組成，其信號流程如下圖所示：1圖像讀入數(shù)字式CCD攝像機可直接輸出數(shù)字化的圖像，如SKC系列的CCD攝像機都可以以RS644格式輸出數(shù)字圖像。通過專用接口卡可以把數(shù)字圖像直

18、接輸入到計算機中處理或保存。2圖像預處理直接獲得的原始圖像含有許多隨機和系統(tǒng)噪聲，因此處理前要對圖像進行預處理。圖像增強是圖像預處理的一個重要步驟，它可以改善圖像的視覺效果，并把圖像處理成適于分析或控制的某種形式。圖像增強內(nèi)容廣泛，包括去除噪聲、銳化、邊緣提取等。對于全息干涉圖像，預處理可以降低圖像噪聲，提高對比度，提取圖像的特征等。二次曝光實際操作時，通常采用真空加載使輪胎表面產(chǎn)生形變。加載前記錄第一幅全息圖，加載后記錄第二幅全息圖。將兩幅全息圖進行對比后，可以得到加載前后橡膠表面的形貌變化。異常變形的區(qū)域就是缺陷存在的區(qū)域。4全息重現(xiàn)CCD記錄全息圖后，需要進行數(shù)字全息重現(xiàn)，即用軟件模擬光

19、學重現(xiàn)的過程。由于本課題應用于流水線檢測，要求再現(xiàn)速度快，對圖像細節(jié)損失小，因此本文選擇菲涅爾衍射法進行全息重現(xiàn)。5氣泡尺寸判別由于氣泡的存在，加載前后異常變形的區(qū)域一般表現(xiàn)為“蝴蝶斑”圖案。“蝴蝶斑”圖案的方位和大小反應了氣泡的尺寸和方位，因此對測量結(jié)果要進行識別和判斷。首先要確定是否是“蝴蝶斑，其次要探測“蝴蝶斑的具體方位，最后要計算“蝴蝶斑”的尺寸，從而判別氣泡的大小。為了判斷輪胎缺陷是否超過樣品標準，需要對圖像庫的“蝴蝶斑”圖像進行比較，最終進行歸檔和分類。6人機交互界面檢測前需要預先設(shè)定不同的系統(tǒng)參數(shù)，如被測輪胎外徑，內(nèi)徑及基本型號；設(shè)置判決參數(shù)和樣板庫，用于對檢測結(jié)果進行分級和管理

20、；以及設(shè)置文件歸檔目錄、數(shù)據(jù)庫入口等。同時，軟件還需要有中斷處理功能，方便進行多種人工干預，如修改工作參數(shù)、修正判別結(jié)果、保存特殊數(shù)據(jù)等。7資料歸檔根據(jù)圖像處理的結(jié)果和用戶設(shè)定的參數(shù)，自動將探測結(jié)果與圖像庫進行比對，并自動進行分類和存儲，便于以后的數(shù)據(jù)庫管理和查詢。312性能指標具體指標要經(jīng)過實際處理、現(xiàn)場實驗和工藝要求來最終確定。1處理時間：滿足當前生產(chǎn)線時序要求。每個輪胎圖像處理時間不大于30秒。2檢測精度：按照樣本庫的圖樣，準確判決出氣泡的存在和大小。3準確率：漏判率小于05，誤判率小于052數(shù)字全息圖記錄和再現(xiàn)321記錄過程全息記錄的過程如上圖所示。2重現(xiàn)過程我們用重現(xiàn)光照射全息圖，全

21、息面后的光場經(jīng)菲涅耳衍射傳播距離z后到達像面。3實驗仿真與結(jié)果這是用VC NET編程模擬計算，按照干涉強度公式，生成全息干涉圖。本文模擬的是距離全息記錄中心為0 5m的點光源與成角度入射的平面波干涉情況，設(shè)CCD像元大小為10m，像素數(shù)為512*512，波長=630rm。根據(jù)所設(shè)參數(shù)由公式3-17求得分離0級和±1級衍射像時所需物參光夾角為o=0 88。而采用本文方法實行零級條紋去除后，利用公式3一19可知，最小可分離的物參光夾角為e=O 29。即可。物光和參考光之間所需最小夾角的減小有利于降低對CCD分辨率和像面大小等性能的要求，提供系統(tǒng)的性價比。對比兩種方法可以看到，兩種方法都屬

22、于非接觸測量，且處理結(jié)果中的相干條紋強度都與物體表面變形大小有關(guān)，通過計算相關(guān)條紋便可得到物體表面相位的變化。但是兩種方法有各有優(yōu)缺點。用二次曝光法檢測物體形變，必須要經(jīng)過全息重現(xiàn)的過程，因此檢測速度較慢，但是沒有高頻分量的干擾。而用電子散斑干涉法檢測物體形變，檢測速度快，但由于相減后的光強信息包含著隨機散斑相位a，因此會產(chǎn)生隨機的高頻散斑噪聲，這使得電子散斑干涉法不能達到很高的分辨率，限制了該方法的檢測精度。傳統(tǒng)全息術(shù)采用全息干板來記錄全息條紋。用全息干板所得到的全息缺陷條紋圖，平滑細致，全息照片的干涉圖樣具有非常精細的結(jié)構(gòu)，分辨率較高。而目前采用CCD來記錄條紋，分辨率和像面尺寸較全息干板

23、要低很多，因此記錄條件苛刻，高頻分量無法記錄而導致再現(xiàn)像效果變差，同時再現(xiàn)像很難分離，導致有用信息無法提取?；谀壳癈CD的分辨率和再現(xiàn)分離條件，用離軸全息來進行大視場檢測很難得到清晰的、高分辨率的再現(xiàn)像。因此，采用高分辨率的CCD，并將相移技術(shù)引入實際工業(yè)檢測中，可以部分解決這類問題。結(jié)論本章主要是設(shè)計實際的全息光路，對實物進行了實驗研究。得到的結(jié)論如下。1利用兩平面鏡進行干涉實驗，對采集到的條紋進行處理，并進行了二次曝光和消除零級衍射斑的實驗，與前面模擬的結(jié)果一致。2針對實際實物表面為漫反射的物體，利用離軸全息檢測時再現(xiàn)像分離困難，因此本章設(shè)計并搭建光路，采用電子散斑技術(shù)檢測橡膠表面形變。光路設(shè)計時，不僅應保證物光和參考光的光程差應小于激光的相干長度，還應盡量使得物光和參考光的光強基本相等。同時由于光的空間相干性，采