導讀

針對激光增材制造高反射金屬工件表面缺陷的高精穩健檢測與評估這一工程難題，國防科技大學智能科學學院石峰教授團隊設計了一種基于高反射抑制效應的偏振檢測系統，能夠有效避免背景雜波干擾，提升復雜檢測環境下的缺陷探測能力。該工作于2023年6月，以“高反射工件表面缺陷偏振檢測光學系統設計”為題，發表在《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、核電等領域利用激光增材制造技術已成功實現了各類合金與金屬的加工，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在可重復性、工件性能、質量檢測和評價等方面仍面臨許多問題和挑戰，難以滿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一直以來都是制約其發展的一項技術難題。雖然國內外很多專家學者在對工件缺陷檢測方面做了大量且富有成效的理論研究與實驗工作，但由于缺陷的產生機理過于復雜、高反射工件表面檢測信息量不足、精度低、檢測工況復雜等原因，使得部分技術難以實現缺陷的高精穩健檢測。因此，如何抑制強反射光對激光增材制造金屬工件表面缺陷檢測的影響是一項重要研究課題。

針對上述問題，石峰教授團隊基于偏振檢測技術設計了一款適用于高反射表面缺陷偏振檢測光學系統，實現激光增材制造高反射工件表面缺陷的快速穩健檢測，為高品質工件的制造夯實理論與工藝優化預研。

二、理論分析

2.1、偏振信息提取

與傳統的光學檢測方法相比，偏振成像技術具有獨特的優勢，可以獲得檢測目標的光譜信息、偏振信息和空間信息。基于偏振技術的缺陷檢測有利于從檢測目標的偏振信息中提取紋理結構、表面材料和表面粗糙度等信息，可有效提高準確性和可靠性。在基于偏振技術的缺陷檢測過程中，為了提取缺陷檢測圖像的偏振態信息，采用斯托勒斯矢量法來進行偏振光的表示。

2.2、偏振檢測系統設計參數

偏振成像系統的設計參數如表1所示。該偏振成像檢測系統的使用需求為：激光增材制造金屬工件表面缺陷在高反射湮沒狀態下的高效穩健檢測，檢測系統工作距離約300 mm，檢測區域范圍約40 mm × 40 mm，室溫下工作，能夠分辨微觀尺度常見孔隙、劃痕等缺陷。該偏振檢測系統是基于分焦平面偏振成像原理，通過將微偏振片陣列直接集成在探測器的感光芯片上，能夠實時成像，無需分光元件，體積小，且具有較高透過率、高消光比、高可靠性、低功耗等特點，更加適用于缺陷檢測。在設計過程中，焦距的選擇與物方分辨率、視場角大小等都有著密切關系，焦距的大小是由檢測區域的面積大小、工作距離和圖像傳感器尺寸共同決定的，該設計選取市面上常見的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 偏振檢測系統設計參數

三、偏振檢測系統光學設計與分析

3.1 設計實例

在偏振成像系統設計中，為簡化光學系統，減少鏡片數目，提升系統的整體像質，引入了非球面的設計。為了保證非球面加工的良品率，在設計過程中需要控制好鏡片的斜率。因此，在偏振成像系統中，基于Q-type非球面進行了像質優化，其Qbsf非球面能夠控制好鏡面的均方根斜率。優化過程中使用調制傳遞函數(MTF)、點列圖、能量圖、場曲和畸變等像質評價，經過上述優化后得到了偏振檢測光學成像系統設計結果，如圖1所示。

3.2公差分析

基于偏振檢測系統光學設計優化的結果，在實際應用前還需考慮加工和裝配過程所產生的誤差，通過完善的公差分析來確定系統誤差范圍，以滿足成像系統的要求。設計方案的公差分析過程中首先對光學系統的光學和結構參數設定初始公差數值并添加補償參數，同時進行蒙特卡洛分析，用MTF平均值作為分析評價標準。根據分析結果，針對個別參數的公差進行適當加緊或者放松，得到滿足加工裝配要求的公差分析結果。

圖1 偏振成像系統光路圖

四、偏振檢測實驗結果

實驗測試的激光增材制造工件表面存在高反射現象的區域，使用常規的可見光相機采集圖像容易導致部分關鍵缺陷信息被湮沒，嚴重影響檢測結果。為了驗證所提出的缺陷偏振檢測光學系統對于檢測表面高反射光的抑制效果，搭建基于所設計的偏振檢測光學系統的裝置，如圖2所示。所搭建的高反射工件表面缺陷偏振檢測系統包括CMOS傳感器、所設計的偏振檢測光學系統、照明裝置、檢測平臺、位移控制器、大理石底座、照明控制器和圖像處理計算機。

圖2 高反射工件表面缺陷偏振檢測系統

實驗結果表明，融合處理后的偏振圖像具有更加豐富的信息量，且圖像細節更清晰，缺陷區域的對比度更高，缺陷的邊緣輪廓信息更為清晰，對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。

結論

五、結論

針對現有的激光增材制造高反射金屬工件表面缺陷的高精穩健檢測與評估難題，開展了基于高反射抑制效應的激光增材制造工件表面缺陷偏振檢測系統的研究。經過實驗驗證分析，結果充分說明，所提出的偏振檢測光學系統能夠有效抑制原始強度檢測圖像高反射區域的負面影響，提升偏振檢測圖像對比度、凸顯缺陷輪廓信息及形貌特征，對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。

來源：江西光學檢驗中心

審核編輯：湯梓紅