CN113029960A - 一种测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***及方法，***包括沿光路依次设置的光源***、偏振光调制子***、待测目标和探测采集***，以及计算机处理***；偏振光调制子***包括沿光路依次设置的光束准直组件和偏振态调制组件两部分。本发明采用偏振光栅实现两束旋向相反的圆偏振光的调制，***简单、紧凑，便于集成和便携；本发明采用分焦平面型偏振探测器，可以同时获取四幅偏振图像，单次曝光可以实现四个相移下的图像，实时解算出待测部件表面缺陷的三维形貌；本发明采用偏振光成像，光束稳定性好，精确度高，可以有效地消除部件表面强烈的反射耀光，使得成像效果更好。
Description
技术领域
本发明属于航空工业无损检测领域，涉及一种用于高精度、实时测量航空部件表面微缺陷三维形貌的***及方法。
背景技术
飞机在长期的工作过程中受到气流冲蚀、高温氧化、机械磨损等多种因素的影响，极易在表面产生微缺陷，如表面划痕、裂纹、各类涂层的氧化腐蚀和表面脱落等，这些早期的微缺陷在高温高压、高速气流冲蚀、大载荷作用下极易发生扩展，形成无法修理的宏观裂纹和缺陷，造成部件失效报废，严重影响飞行安全。
现行一线大多数部件表面缺陷检测主要靠肉眼或者放大镜，缺陷的发现也主要依赖检测人员的经验，因此只能对尺寸较大的缺陷进行识别，且经验丰富检测人员的流动也会带来很大影响。二线维护和大修厂，对缺陷的检测采取的技术有：超声波、磁粉、工业内窥镜技术等。超声检测设备可以对形状简单平整的工件表面进行检测，但检测结果缺乏直观性、需富有经验的检测人员才能辨别缺陷种类；磁粉检测法整套设备体积大，便携性差，且定量精度较差；工业内窥镜可以对被测件肉眼不易观察的隐蔽部位进行直接快速的检测，但图像分辨率低，仅适合部件表面缺陷较大的情况。新时代的发展要求航空部件的缺陷检测必须要早、准、快，为实现部件表面微缺陷形状、大小、损伤模式等信息的智能检测识别与安全性评估预测，必须实现实时、高精度三维检测。
随着科技的日益发展，光学三维测量技术和设备被广泛应用于工业部件的检测，如3D光学轮廓仪，3D激光扫描、结构光三维测量技术等，这类技术可以被用于检测航空部件表面的缺陷，但是，3D光学轮廓仪只能检测小样件和缺陷的表面轮廓，且操作人员必须是专业人员，测量周期长，设备体积大，主要用于实验室测量，无法应用到外场条件下进行实时测量；3D激光扫描技术可以大面积快速地获取被测对象表面的三维数据，具有手持性、实时性等特点，但是对于高光泽度的目标(比如金属)，测量精度会降低；结构光三维测量技术用于微小尺寸的目标测量时，通常***中需要一个空间光调制器件，导致整个***不便于集成手持，且造价昂贵。
相移干涉技术三维成像方法通过获得不同相移的干涉图像，计算目标的相位信息，进而得到目标表面的高度信息，可以实现对目标的三维测量，这种方法具有***简单易实现、非接触性、精确度高、可靠性强的优点。最简单的时间相移干涉技术通过在不同时刻获取不同相移图像来计算目标的三维信息，无法实现实时的三维成像，测量时间效率低，并且环境的振动会直接降低测量的精确度，不满足实际场景测量需求。基于偏振技术的动态偏振相移干涉技术，可以在同一时刻不同空间位置处同时获取多幅具有恒定相移的干涉图像，能够克服时间相移技术无法实现实时的三维成像，测量时间效率低，并且环境的振动直接降低测量精确度的缺点，因此，既提高了测量时间效率，又避免了环境振动对测量结果的影响。但是传统的动态偏振相移干涉技术，在光路中需要采用大量的棱镜、反射镜和波片，元器件数目多、***复杂、光路调准难度大，可集成性、便携性差，难以用于工业部件检测。
发明内容
为了解决现有的动态偏振相移干涉技术***元器件数目多、***复杂，用于航空部件检测可集成性、便携性差的缺点，本发明提供一种测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***及方法。
本发明的技术方案为：
一种测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***，包括沿光路依次设置的光源***、偏振光调制子***、待测目标和探测采集***，以及计算机处理***；
所述光源***满足非相干光，可以根据待检测目标的材料特性选择恰当的波长范围；
所述偏振光调制子***包括沿光路依次设置的光束准直组件和偏振态调制组件两部分，所述光束准直组件包括一个第一透镜，所述偏振态调制组件包括一个线偏振片、一个偏振光栅和一个第二透镜，线偏振片的偏振方向任意放置，所述偏振光栅的衍射角满足：可以将入射光束调制为两束具有一定夹角且又有重叠部分的光束；
所述探测采集***包括成像物镜和探测器，所述成像物镜是具有放大倍率的微距光学成像***，所述探测器是可以同时探测0°，45°，90°和135°四个偏振化方向的分焦平面型偏振探测器；
所述计算机处理***用于保存相关采集到的图像，并进一步计算待测目标表面的三维形貌信息。
进一步的，所述光源***放置在第一透镜的焦点位置，所述光源***的出射光经过第一透镜后被调制为准平行光束。
进一步的，所述偏振态调制组件调制后的两束光偏振态分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
进一步的，所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过第二透镜被调制准平行后入射到待测部件表面。
利用上述测量***高精度实时三维测量航空部件表面微缺陷的方法，包括以下步骤：
步骤1：光源***出射的光经过第一透镜被调制准平行；
步骤2：第一透镜出射的光经过偏振光调制子***后出射的光是两束准平行、旋向相反的圆偏振光；
步骤3：两束旋向相反的圆偏振光在待测部件表面产生干涉；
步骤4：干涉条纹图像经过微距成像***被分焦平面型偏振探测器探测，得到四幅不同偏振化方向(0°，45°，90°和135°)的图像，即四种相移情况下(0°，90°，180°和270°)的图像；
步骤5：采用四步相移法从中解算出部件表面的高度信息，给出部件表面的形貌。
进一步的，所述步骤4获取的四幅不同偏振化方向(0°，45°，90°和135°)的图像，可以根据Stokes矢量法计算得到部件表面的偏振态和偏振角图像，将偏振度和偏振角图像与部件表面高度信息结合，进而步骤5中重建出的图像同时包含部件的三维信息和偏振信息。
有益效果
本发明所具有的优点：
1、本发明提出了一种测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***，采用偏振光栅实现两束旋向相反的圆偏振光的调制，***简单、紧凑，便于集成和便携。
2、本发明采用分焦平面型偏振探测器，可以同时获取四幅偏振图像，即单次曝光可以实现四个相移下的图像，实时解算出待测部件表面缺陷的三维形貌。
3、本发明采用偏振光成像，光束稳定性好，精确度高，并且采用偏振光照射可以有效地消除部件表面强烈的反射耀光，使得成像效果更好。通过选用不同波段的光源，时刻满足测量不同材料部件的应用需求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***的结构示意图；
图2为偏振光栅调制旋向相反圆偏振光示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***的结构示意图：包括光源***、偏振光调制子***、待测目标和探测采集***以及计算机处理***。
光源***可以根据检测部件的材料选择波长，检测部件以金属材料为例，光源采用450nm的蓝光LED。
偏振光调制子***包括沿光路依次设置的光束准直组件和偏振态调制组件两部分，光束准直组件包括一个第一透镜，偏振态调制组件包括一个线偏振片、一个偏振光栅和一个第二透镜，线偏振片的偏振方向任意放置，如图2所示，经过偏振光栅的光束被调制成两束具有一定夹角的光束，其中一束为左旋圆偏振光，另一束为右旋圆偏振光；偏振光栅的衍射角满足：既能将入射光束分开为具有一定夹角两束光，且两束光又有重叠部分。两束旋向相反的光被第二透镜调整准平行后入射到待测部件表面，两束光重叠的部分存在一定的光程差，照在目标上的重叠区域发生干涉，产生条纹。光学成像***采用微距放大***，以满足近距离放大成像检测。
探测采集***采用分焦平面型的偏振探测器，可以在单次曝光的情况下获取四幅偏振图像(0°，45°，90°和135°)，即四个相移下的相移图像(0°，90°，180°和270°)，计算机处理***根据采集到的图像进行计算，得到检测部件表面的三维形貌，进而得到表面微缺陷的三维数据。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***，其特征在于：包括沿光路依次设置的光源***、偏振光调制子***、待测目标和探测采集***，以及计算机处理***；
所述光源***满足非相干光，根据待检测目标的材料特性选择相应的波长范围；
所述偏振光调制子***包括沿光路依次设置的光束准直组件和偏振态调制组件两部分；所述光束准直组件包括一个第一透镜，所述偏振态调制组件包括一个线偏振片、一个偏振光栅和一个第二透镜，线偏振片的偏振方向任意放置，所述偏振光栅的衍射角满足：能够将入射光束调制为两束具有一定夹角且又有重叠部分的光束；
所述探测采集***包括成像物镜和探测器，所述成像物镜是具有放大倍率的微距光学成像***，所述探测器是能够同时探测0°，45°，90°和135°四个偏振化方向的分焦平面型偏振探测器；
所述计算机处理***用于保存采集到的图像，并进一步计算待测目标表面的三维形貌信息。
2.根据权利要求1所述一种测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***，其特征在于：所述光源***放置在第一透镜的焦点位置，所述光源***的出射光经过第一透镜后被调制为准平行光束。
3.根据权利要求1所述一种测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***，其特征在于：所述偏振态调制组件调制后的两束光偏振态分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
4.根据权利要求3所述一种测量航空部件表面微缺陷的高精度实时三维测量***，其特征在于：所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过第二透镜被调制准平行后入射到待测部件表面。
5.利用权利要求1所述测量***高精度实时三维测量航空部件表面微缺陷的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：光源***出射的光经过第一透镜被调制准平行；
步骤2：第一透镜出射的光经过偏振光调制子***后出射的光是两束准平行、旋向相反的圆偏振光；
步骤3：两束旋向相反的圆偏振光在待测部件表面产生干涉；
步骤4：干涉条纹图像经过微距成像***被分焦平面型偏振探测器探测，得到四幅不同偏振化方向：0°，45°，90°和135°的图像，从而得到四种相移情况：0°，90°，180°和270°下的图像；
步骤5：采用四步相移法从中解算出部件表面的高度信息，给出部件表面的形貌。
6.根据权利要求5所述高精度实时三维测量航空部件表面微缺陷的方法，其特征在于：利用所述步骤4获取的四幅不同偏振化方向的图像，通过Stokes矢量法计算得到部件表面的偏振态和偏振角图像，将偏振度和偏振角图像与部件表面高度信息结合，进而在步骤5中重建出的图像内包含部件的三维信息和偏振信息。
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