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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【2】I. Moring, H. Ailisto, V. Koivunen, and R. Myllyla, ‘‘Active 3-Dvision system for automatic model-based shape inspection,’’ Opt. LasersEng. 10, 3–4 ~1989!.

【3】J. S. Massa, G. S. Buller, A. C. Walker, S. Cova, M. Umasuthan, andA. Wallace, ‘‘Time of flight optical ranging system based on timec orrelated single photon counting,’’ Appl. Opt. 37~31!, 7298–7304~1998!.

【4】张广军，田叙.结构光三维视觉及其在工业中的应用.北京航空航天大学学报，1996，12(6):650一654

【5】曹向群，曹根宏，朱宝文.莫尔轮廓术的光学特性.光电工程，1991，18(4):29一31

【6】F.Chen,G.M.Brown,M.Song,etal. Overview of three-dimensional Shape measurement using optical methods. Optical Engineering,2000,39(1):10-22.