光学检测的综述

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]
–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。

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0.05µm ，精度⼤±1µm 。

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
φ11mm±1µm 。

– 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： 1212100I I E I I -=?+ （1）
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；
（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SPC
AOI 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名的光学三⾓法原理，其典型的测量范围是5mm~250mm，测量误差在万分之⼀左右，测量频率可以达到40KHz或更⾼。

影响测量准确度的因素主要有两个原因，⼀是聚束点反射和散射光；另⼀个是被测物体表⾯特征与标定表⾯的差异。

⼀般来讲，为了确保测量准确度，应该在于
被测表⾯相似的表⾯进⾏标定。

由于激光的⾼亮度和⽅向性，也由于新的光电扫描
技术与阵列型光电探测器件的发展，加之微机的控制与数据处理，使激光三⾓测量法成为多种三维数字化技术的基础。

激光相对扫描的三维数字化技术，为了避免由于被测表⾯反射率不均匀，使得像点光强变化很⼤，采⽤光强⾃适应调整技术。

为了提⾼测量准确度和速度，提出来直接映射的⽅法。

这种⽅法由于要逐点或逐线扫描，因⽽在速度上受到了限制。

莫尔条纹法
莫尔条纹法由两个光栅即主光栅和参考光栅形成莫尔条纹，并⽤其阴影来描述表⾯的轮廓。

该⽅法可以分为影像莫尔法和投影莫尔法。

1)影像莫尔条纹技术是将主光栅放在靠近被测试件表⾯处，将参考光栅投影
到被测物体表⾯，形成莫尔条纹。

这种技术适⽤于测量较⼩尺⼨的形⾯，
因为主光栅的⾯积必须⼤于被测⾯积，⽽制作⼤⾯积、⾼准确度的光栅⼗
分困难。

所以此⽅法多⽤于形⾯⽐较平缓的物体的测量。

2)投影莫尔技术采⽤⼀幅精密的匹配光栅，⼀个是放置在投影器前的基准光
栅，另⼀个是放置在摄像机前的摄像机光栅，基准光栅在被测物上的投影
与摄像机光栅在摄像机像⾯上形成莫尔条纹等⾼线。

该⽅法的优点是可⽤
⼩光栅来测定⼤物体。

随着计算机技术的发展，⽤于全场表⾯形状测量的计算机辅助光学技术也⽇臻成熟。

由计算机产⽣的图案，⼀般来说，条纹的相位是可以控制的，为此可⽤⼀种相位分离法来决定相位的分布，⽽不需要获取条纹相位分布于表⾯深度之间的数学关系。

总的来讲，莫尔条纹测距技术在检测平滑表⾯的距离时⾮常有效，它不需要扫描，具有12bit的深度分辨⼒和每秒105点的数据获取速度。

但这种⽅法受到被测物体表⾯倾斜度、多义性间隔和阴影的限制，严重依赖于⼴泛的软件分析和严格的硬件操作以产⽣同⼀物体的不同莫尔条纹图案，⽽且物体表⾯反射率的变化严重⼲扰条纹边缘信息。

⼲涉法
⼲涉形状测量的思想是条纹通过灵敏度矩阵的变化形成的，这种矩阵将物体的⼏何形状同被测的光学相位相联系。

矩阵包括三个变量：波长、折射率、照明和观察⽅向。

由此产⽣三中测量⽅法：双频或多频⼲涉法、折射率变化法以及两种光源⼲涉法。

全息⼲涉测量是把⼲涉测量与全息照相结合起来，通过⼲涉条纹有效地把位相变化情况记录下来，对任意形状物体及其表⾯作动态三维⽴体图像摄影，并经图像重叠产⽣⼲涉测量，可分为实测法和双重暴光法计算机全息⼲涉测量是⽤计算机数据模型直接显⽰三维零件的全息图，作为被测标准零件的波⾯，再与实际零件表⾯相⼲，即可检测出实际零件误差。

摄影测量法
⽴体视觉是设置完全相同的两个摄像机。

除了坐标原点不同以外，两摄像机的坐标系完全匹配，根据⽴体视差进⾏测距。

⽴体图像法是依靠找到在两幅图像中均可见到的⼀共同特征⽽⼯作的，只能⽤于测量具有特征的物体表⾯的距离，通常做⼀些明亮的标志，如在被测物体的表⾯上贴⼀些反射点。

⼀般各种模型都是在传统的针孔模型基础上扩展起来的，复杂的⾼准确度的计算还要考虑透镜的畸变。

模型建⽴起来后，要实现物体的三维测量，就必须知道传感器的内部参数(摄像机的参数)和外部参数(两摄像机的位置关系及传感器坐标系与检测系统坐标系的关系)。

因此在测量之前，要进⾏定标，完成内部参数和结构参
数的标定。

⼀般来讲，摄影测量法的准确度较低，⽽且被测物体的形状⽐较简单。

结构光法
结构光法⼜称为主动三⾓法照射到物体上的编码图像被物体调制，变形的条纹图像蕴含了物体的深度信息。

图像传感器记录这些条纹图像，通过图像处理便可以
获得物体的三维形状。

尽管它与莫尔技术有些类似，但三⾓法直接从变形条纹中解
码获得三维形状，不需要⽤参考光栅产⽣莫尔条纹。

三⾓法测量原理是⾮接触测量
⽅法中发展较为成熟，应⽤较为⼴泛的⼀种。

结构光三维视觉⽅法根据照射系统所采⽤的图样不同可以划分为点结构光法、线结构光法、多线结构光法、编码结构光法等点结构光法是投射⼀个光点到物体表
⾯，摄像机拍摄物体图像，获得物体上该光点的三维坐标。

这种⽅法很简单，是结
构光三维映射的基础。

点结构光法必须逐点扫描被测物体才能获得整个物体表⾯的
三维形状。

每点摄取⼀幅图像，致使拍摄时间和图像处理量随被测物⾯的增⼤或测
量分辨⼒的提⾼⽽急剧增加，难以完成实时三维形状检测同时⼆维扫描致使其机械
结构复杂，但在结构光三维视觉⽅法中它的准确度是最⾼的。

线结构光法通过投射⼀个狭缝光到物体表⾯，得到⼀条亮带，使得摄像机可⼀次得到该亮带上所有点的位置数据，从⽽提⾼测量的速度和效率。

总结
随着激光技术和光电⼦技术的崛起，光学检测已发展为光学为主的，并与信息科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电⼦技术等学科紧密交叉和相互渗透的技术。

它包含了许多重要的新兴学科分⽀，如激光技术、光学信息处理、光电显⽰、全息和三维成像、光电⼦和光⼦技术、弱光与红外热成像技术、光电测量、光学遥感技术以及综合光学⼯程技术等。

这些分⽀不仅使光学检测产⽣了质上的跃变，⽽且推动建⽴了⼀个规模迅速扩⼤的前所未有的现代光学产业和光电⼦产业。

参考⽂献
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