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；