導(dǎo)讀

針對(duì)激光增材制造高反射金屬工件表面缺陷的高精穩(wěn)健檢測(cè)與評(píng)估這一工程難題，國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院石峰教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于高反射抑制效應(yīng)的偏振檢測(cè)系統(tǒng)，能夠有效避免背景雜波干擾，提升復(fù)雜檢測(cè)環(huán)境下的缺陷探測(cè)能力。該工作于2023年6月，以“高反射工件表面缺陷偏振檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為題，發(fā)表在《紅外與激光工程》第52卷第6期。

一、研究背景

迄今為止，航空航天、軍事、核電等領(lǐng)域利用激光增材制造技術(shù)已成功實(shí)現(xiàn)了各類(lèi)合金與金屬的加工，主要包括鋁合金、不銹鋼、鎳基高溫合金和鈦合金等。然而，目前激光增材制造技術(shù)在可重復(fù)性、工件性能、質(zhì)量檢測(cè)和評(píng)價(jià)等方面仍面臨許多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，難以滿(mǎn)足高性能零部件的制造和使用需求。

激光增材制造缺陷檢測(cè)一直以來(lái)都是制約其發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)難題。雖然國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者在對(duì)工件缺陷檢測(cè)方面做了大量且富有成效的理論研究與實(shí)驗(yàn)工作，但由于缺陷的產(chǎn)生機(jī)理過(guò)于復(fù)雜、高反射工件表面檢測(cè)信息量不足、精度低、檢測(cè)工況復(fù)雜等原因，使得部分技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)缺陷的高精穩(wěn)健檢測(cè)。因此，如何抑制強(qiáng)反射光對(duì)激光增材制造金屬工件表面缺陷檢測(cè)的影響是一項(xiàng)重要研究課題。

針對(duì)上述問(wèn)題，石峰教授團(tuán)隊(duì)基于偏振檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款適用于高反射表面缺陷偏振檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光增材制造高反射工件表面缺陷的快速穩(wěn)健檢測(cè)，為高品質(zhì)工件的制造夯實(shí)理論與工藝優(yōu)化預(yù)研。

二、理論分析

2.1、偏振信息提取

與傳統(tǒng)的光學(xué)檢測(cè)方法相比，偏振成像技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以獲得檢測(cè)目標(biāo)的光譜信息、偏振信息和空間信息?；谄窦夹g(shù)的缺陷檢測(cè)有利于從檢測(cè)目標(biāo)的偏振信息中提取紋理結(jié)構(gòu)、表面材料和表面粗糙度等信息，可有效提高準(zhǔn)確性和可靠性。在基于偏振技術(shù)的缺陷檢測(cè)過(guò)程中，為了提取缺陷檢測(cè)圖像的偏振態(tài)信息，采用斯托勒斯矢量法來(lái)進(jìn)行偏振光的表示。

2.2、偏振檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

偏振成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。該偏振成像檢測(cè)系統(tǒng)的使用需求為：激光增材制造金屬工件表面缺陷在高反射湮沒(méi)狀態(tài)下的高效穩(wěn)健檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)工作距離約300 mm，檢測(cè)區(qū)域范圍約40 mm × 40 mm，室溫下工作，能夠分辨微觀尺度常見(jiàn)孔隙、劃痕等缺陷。該偏振檢測(cè)系統(tǒng)是基于分焦平面偏振成像原理，通過(guò)將微偏振片陣列直接集成在探測(cè)器的感光芯片上，能夠?qū)崟r(shí)成像，無(wú)需分光元件，體積小，且具有較高透過(guò)率、高消光比、高可靠性、低功耗等特點(diǎn)，更加適用于缺陷檢測(cè)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，焦距的選擇與物方分辨率、視場(chǎng)角大小等都有著密切關(guān)系，焦距的大小是由檢測(cè)區(qū)域的面積大小、工作距離和圖像傳感器尺寸共同決定的，該設(shè)計(jì)選取市面上常見(jiàn)的50 mm焦距。選用的CMOS圖像傳感器分辨率為2448 pixel × 2048 pixel，單像素尺寸為3.45 μm。

表1 偏振檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

三、偏振檢測(cè)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)與分析

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

在偏振成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)，減少鏡片數(shù)目，提升系統(tǒng)的整體像質(zhì)，引入了非球面的設(shè)計(jì)。為了保證非球面加工的良品率，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要控制好鏡片的斜率。因此，在偏振成像系統(tǒng)中，基于Q-type非球面進(jìn)行了像質(zhì)優(yōu)化，其Qbsf非球面能夠控制好鏡面的均方根斜率。優(yōu)化過(guò)程中使用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、點(diǎn)列圖、能量圖、場(chǎng)曲和畸變等像質(zhì)評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)上述優(yōu)化后得到了偏振檢測(cè)光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖1所示。

3.2公差分析

基于偏振檢測(cè)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化的結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用前還需考慮加工和裝配過(guò)程所產(chǎn)生的誤差，通過(guò)完善的公差分析來(lái)確定系統(tǒng)誤差范圍，以滿(mǎn)足成像系統(tǒng)的要求。設(shè)計(jì)方案的公差分析過(guò)程中首先對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定初始公差數(shù)值并添加補(bǔ)償參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行蒙特卡洛分析，用MTF平均值作為分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)分析結(jié)果，針對(duì)個(gè)別參數(shù)的公差進(jìn)行適當(dāng)加緊或者放松，得到滿(mǎn)足加工裝配要求的公差分析結(jié)果。

圖1 偏振成像系統(tǒng)光路圖

四、偏振檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)試的激光增材制造工件表面存在高反射現(xiàn)象的區(qū)域，使用常規(guī)的可見(jiàn)光相機(jī)采集圖像容易導(dǎo)致部分關(guān)鍵缺陷信息被湮沒(méi)，嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果。為了驗(yàn)證所提出的缺陷偏振檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于檢測(cè)表面高反射光的抑制效果，搭建基于所設(shè)計(jì)的偏振檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的裝置，如圖2所示。所搭建的高反射工件表面缺陷偏振檢測(cè)系統(tǒng)包括CMOS傳感器、所設(shè)計(jì)的偏振檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、照明裝置、檢測(cè)平臺(tái)、位移控制器、大理石底座、照明控制器和圖像處理計(jì)算機(jī)。

圖2 高反射工件表面缺陷偏振檢測(cè)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，融合處理后的偏振圖像具有更加豐富的信息量，且圖像細(xì)節(jié)更清晰，缺陷區(qū)域的對(duì)比度更高，缺陷的邊緣輪廓信息更為清晰，對(duì)激光增材制造高反射金屬工件表面缺陷的特征提取與表征分析具有重要意義。

結(jié)論

五、結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有的激光增材制造高反射金屬工件表面缺陷的高精穩(wěn)健檢測(cè)與評(píng)估難題，開(kāi)展了基于高反射抑制效應(yīng)的激光增材制造工件表面缺陷偏振檢測(cè)系統(tǒng)的研究。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，結(jié)果充分說(shuō)明，所提出的偏振檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)能夠有效抑制原始強(qiáng)度檢測(cè)圖像高反射區(qū)域的負(fù)面影響，提升偏振檢測(cè)圖像對(duì)比度、凸顯缺陷輪廓信息及形貌特征，對(duì)激光增材制造高反射金屬工件表面缺陷的特征提取與表征分析具有重要意義。

來(lái)源：江西光學(xué)檢驗(yàn)中心

審核編輯：湯梓紅