高反射工件表面缺陷偏振检测光学系统设计-技术圈

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导读

针对激光增材制造高反射金属工件表面缺陷的高精稳健检测与评估这一工程难题，国防科技大学智能科学学院石峰教授团队设计了一种基于高反射抑制效应的偏振检测系统，能够有效避免背景杂波干扰，提升复杂检测环境下的缺陷探测能力。该工作于2023年6月，以“高反射工件表面缺陷偏振检测光学系统设计”为题，发表在《红外与激光工程》第52卷第6期。

一、研究背景

迄今为止，航空航天、军事、核电等领域利用激光增材制造技术已成功实现了各类合金与金属的加工，主要包括铝合金、不锈钢、镍基高温合金和钛合金等。然而，目前激光增材制造技术在可重复性、工件性能、质量检测和评价等方面仍面临许多问题和挑战，难以满足高性能零部件的制造和使用需求。

激光增材制造缺陷检测一直以来都是制约其发展的一项技术难题。虽然国内外很多专家学者在对工件缺陷检测方面做了大量且富有成效的理论研究与实验工作，但由于缺陷的产生机理过于复杂、高反射工件表面检测信息量不足、精度低、检测工况复杂等原因，使得部分技术难以实现缺陷的高精稳健检测。因此，如何抑制强反射光对激光增材制造金属工件表面缺陷检测的影响是一项重要研究课题。

针对上述问题，石峰教授团队基于偏振检测技术设计了一款适用于高反射表面缺陷偏振检测光学系统，实现激光增材制造高反射工件表面缺陷的快速稳健检测，为高品质工件的制造夯实理论与工艺优化预研。

二、理论分析

2.1、偏振信息提取

与传统的光学检测方法相比，偏振成像技术具有独特的优势，可以获得检测目标的光谱信息、偏振信息和空间信息。基于偏振技术的缺陷检测有利于从检测目标的偏振信息中提取纹理结构、表面材料和表面粗糙度等信息，可有效提高准确性和可靠性。在基于偏振技术的缺陷检测过程中，为了提取缺陷检测图像的偏振态信息，采用斯托勒斯矢量法来进行偏振光的表示。

2.2、偏振检测系统设计参数

偏振成像系统的设计参数如表1所示。该偏振成像检测系统的使用需求为：激光增材制造金属工件表面缺陷在高反射湮没状态下的高效稳健检测，检测系统工作距离约300 mm，检测区域范围约40 mm × 40 mm，室温下工作，能够分辨微观尺度常见孔隙、划痕等缺陷。该偏振检测系统是基于分焦平面偏振成像原理，通过将微偏振片阵列直接集成在探测器的感光芯片上，能够实时成像，无需分光元件，体积小，且具有较高透过率、高消光比、高可靠性、低功耗等特点，更加适用于缺陷检测。在设计过程中，焦距的选择与物方分辨率、视场角大小等都有着密切关系，焦距的大小是由检测区域的面积大小、工作距离和图像传感器尺寸共同决定的，该设计选取市面上常见的50 mm焦距。选用的CMOS图像传感器分辨率为2448 pixel × 2048 pixel，单像素尺寸为3.45 μm。

表1 偏振检测系统设计参数

三、偏振检测系统光学设计与分析

3.1 设计实例

在偏振成像系统设计中，为简化光学系统，减少镜片数目，提升系统的整体像质，引入了非球面的设计。为了保证非球面加工的良品率，在设计过程中需要控制好镜片的斜率。因此，在偏振成像系统中，基于Q-type非球面进行了像质优化，其Qbsf非球面能够控制好镜面的均方根斜率。优化过程中使用调制传递函数(MTF)、点列图、能量图、场曲和畸变等像质评价，经过上述优化后得到了偏振检测光学成像系统设计结果，如图1所示。

3.2公差分析

基于偏振检测系统光学设计优化的结果，在实际应用前还需考虑加工和装配过程所产生的误差，通过完善的公差分析来确定系统误差范围，以满足成像系统的要求。设计方案的公差分析过程中首先对光学系统的光学和结构参数设定初始公差数值并添加补偿参数，同时进行蒙特卡洛分析，用MTF平均值作为分析评价标准。根据分析结果，针对个别参数的公差进行适当加紧或者放松，得到满足加工装配要求的公差分析结果。

图1 偏振成像系统光路图

四、偏振检测实验结果

实验测试的激光增材制造工件表面存在高反射现象的区域，使用常规的可见光相机采集图像容易导致部分关键缺陷信息被湮没，严重影响检测结果。为了验证所提出的缺陷偏振检测光学系统对于检测表面高反射光的抑制效果，搭建基于所设计的偏振检测光学系统的装置，如图2所示。所搭建的高反射工件表面缺陷偏振检测系统包括CMOS传感器、所设计的偏振检测光学系统、照明装置、检测平台、位移控制器、大理石底座、照明控制器和图像处理计算机。

图2 高反射工件表面缺陷偏振检测系统

实验结果表明，融合处理后的偏振图像具有更加丰富的信息量，且图像细节更清晰，缺陷区域的对比度更高，缺陷的边缘轮廓信息更为清晰，对激光增材制造高反射金属工件表面缺陷的特征提取与表征分析具有重要意义。

结论

五、结论

针对现有的激光增材制造高反射金属工件表面缺陷的高精稳健检测与评估难题，开展了基于高反射抑制效应的激光增材制造工件表面缺陷偏振检测系统的研究。经过实验验证分析，结果充分说明，所提出的偏振检测光学系统能够有效抑制原始强度检测图像高反射区域的负面影响，提升偏振检测图像对比度、凸显缺陷轮廓信息及形貌特征，对激光增材制造高反射金属工件表面缺陷的特征提取与表征分析具有重要意义。

来源：江西光学检验中心

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