激光全息无损检测技术Word格式.doc

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脱层和气泡是轮胎的内部主要缺陷之一。

在轮胎制造过程的压延和成型等工序中，如果胶与胶、帘布与胶之间夹杂油污或污垢，或者帘布与胶之间的气体没有完全排出，就会导致轮胎内部产生脱层和气泡。

新轮胎使用一段时间后，胎体内部粘合不牢处也会在剪切应力的作用下脱开，形成新的脱层。

脱层和气泡采用常规检测手段很难检测出来，通常需要采用激光全息无损检测技术n"

。

激光全息轮胎无损检测技术是一种非接触和非破坏性的检测技术。

通过真空加载使轮胎形变前后进行两次曝光，轮胎加载前后的相位和光强记录在全息干板上形成全息干涉图。

全息干板经过显影、定影、水洗、风干后进行光学再现，就可观察到轮胎形变前后的干涉条纹。

缺陷的干涉条纹必然是独立存在的，其圆形外缘与正常干涉条纹有界线，圆环中条纹的疏密程度表示形变大小口副，条纹密表示轮胎形变大，条纹疏表示轮胎形变小n引。

同时，缺陷离表面的深浅程度与圆环中条纹的粗细有关，条纹粗的缺陷离表面远，条纹细的缺陷离表面近。

因此通过全息干涉图的再现图像可以很容易地判读出轮胎内部缺陷的位置和大小。

现代的数字全息术采用CCD代替全息干板记录全息图，不仅继承了传统全息的特点，而且还具有其自身的特点。

与传统光学全息技术相比，数字全息技术的最大优点是：

1）曝光时间短，能够用来记录运动物体的各个瞬间状态，而且由于没有烦琐的化学湿处理过程，记录和再现过程都比传统光学全息更加方便快捷。

2）数字全息再现可以直接得到再现像的复振幅分布，而不单纯是光强分布，因此被记录物体的表面亮度和轮廓分布都可通过复振幅得到，可方便地实

现多种定量测量。

3）由于数字全息采用计算机数字记录和再现，因此可以方便地对所记录的数字全息图进行图像处理，减少或消除全息图在记录过程中的像差、噪声、畸变及记录过程中CCD器件非线性等因素的影响，便于对测量对象进行定量测量和分析，并可对最后检测结果进行自动归类和整理。

但是，与传统光学全息记录材料的高分辨率性能相比，数字全息也存在不足。

一方面，由于CCD光敏面尺寸小，使得数字再现像的分辨率低，像质较差；

另一方面，由于CCD的像素尺寸较大，使数字全息记录的参考光和物光的夹角较小，只能记录物体空间频谱中的低频部分，且再现像与孪生像的分离困难。

因此，目前数字全息仅适应于小物体、远距离记录，从而使得再现像面散斑尺寸大，横向分辨率低。

因此，在目前CCD等光敏电子成像器件性能限制的情况下，提高数字全息术的分辨率和再现像的清晰度、实现再现像与其它成分的良好分离、获得较大视场的全息记录是目前数字全息技术发展和应用中首先需要解决的三个关键问题。

2轮胎无损检测的国内外发展动态

近年来，国内的上海光学精密机械研究所、天津大学、山东师范大学、西安光学精密机械研究所和西北工业大学等一些单位都在这一领域积极开始研究工作，并取得一些初步成果降矧。

我国自行研制生产的首台激光全息轮胎无损检测仪出自曙光橡胶工业研究设计院口引。

它主要用于检测航空轮胎内部的气泡和脱层陷，也可以用于检测各种汽车轮胎。

S2JOL21500型激光全息轮胎无损检测仪采用息干板记录条纹，适用于外直径小于1500m、内直径大于300mm的轮胎，可检测轮胎上胎肩到下胎肩的部分，灵敏度为elm，检测速度可达每小时10条。

国外的激光数字错位散斑轮胎无损检测技术已非常成熟，轮胎行业应用该检测技术已进入普及阶段。

德国Steinbichler公司专为轮胎行业设计生产了全场快速非接触、非破坏实时显示的激光数字错位散斑轮胎无损检测仪啪1。

该检测系统由高分率的CCD、剪切元器件、大功率半导体激光器及图像处理与分析软件构成。

Intact1200型激光错位散斑轮胎无损检测仪适用于外直径小于1250m的轮胎检测，由于该检测仪采用双检测头，因此可以将检测速度提高l倍。

这种新型的检测仪检测周期短，检测速度可达每小时50条；

检测范围更全面，能够检测轮胎肩部、胎圈、胎冠和胎侧；

采用激光波长为532nm，目前检测出的最小缺陷为2咖2。

比较后可以看出，国内利用全息干板进行检测，检测速度慢，但是检测精度较高，而国外利用CCD采集全息图像，检测速度快，但是检测精度较使用全息干板检测时低。

国外轮胎生产厂家已普遍将激光无损检测仪用于新轮胎和翻新轮胎的检测。

米其林和固特异等大型轮胎企业是应用该种检测仪的大户。

一般国外轮胎翻新企业均配备两台激光无损检测仪，一台用于翻新前检测，淘汰内部缺陷较严重的轮胎，另一台用于翻新后检测，保证到达客户手中的轮胎是合格品。

在国内，银川橡胶厂（现银川佳通轮胎有限公司）1992年率先引进美国生产的激光全息轮胎无损检测仪。

至1J2004年，已有沈阳三橡轮胎有限公司、上海轮胎橡胶（集团）股份有限公司和曙光橡胶工业研究设计院分别引进了德国生产的激光错位散斑轮胎无损检测仪。

数字全息的基本原理

全息记录和再现的基本原理

1全息基本原理

全息记录的过程就是用记录介质记录物光和参考光的干涉图样，而全息重现是重现光波照射全息圈后发生衍射的结果。

用激光束照射物体表面的同时，引入一束标准激光波成为参考光波与物光波进行干涉，其干涉光场的分布（包括干涉条纹的形状、疏密及明暗分布）与两束光波的波面特性（振幅及相位）密切相关。

全息技术利用光的干涉原理，将物体反射的特定光波波前以干涉条纹的形式记录

下来，达到冻结物光波相位信息的目的。

涉条纹与物体表面的高低信息的关系非常复杂，因此直接观察干涉条纹全息圈是无法知道物体表面的高低信息的。

在传统全息图中，干涉条纹是记录在感光胶片上的。

如果用与参考光波相同的再现光波去照射全息圈，可以完全再现原来的三维物光波，如图2—2所示。

数字全息用CCD取代全息胶片记录干涉条纹，并在计算机上进行全息的数字再现过程．即以数字再现算法模拟光学衍射的过程。

．1数字全息中的取样与离散化

数字全息图用CCD记录下干涉图样。

由于CCD是由单元像素排列成的点阵，所以它记录的全息图也是对连续全息面的一个取样。

当CCD由MXN个像素组成，则CCD对全息面的取样可以通过下式来描述：

其中分别表示CCD像素横向和纵向的尺寸；

表示CCD靶面的尺寸，rect表示矩形函数，comb表示梳状函数。

若全息图的曝光强度为，则用CCD记录的全息图q（x，Y）则可以用下式表示：

如果设息图经过取样和量化后用q（m，n）来表示。

CCD记录的正是这样一系列的点阵数据，这些数据是对空间物光波与参考光干涉场光强的一个取样，用灰度值的大小来表示光强的强度。

全息面用CCD记录后由点阵数据所组成，所以在进行数字再现时计算公式都需要进行量化，使其保持一致性.

2数字全息的分辨率与记录距离的关系

数字全息主要应用于测量领域，．其系统分辨率是非常重要的评价指标。

数字全息的横向分辨率与传统成像光学仪器的分辨本领具有相同的物理意义，其大小主要取决于再现像位置以及CCD尺寸。

根据菲涅耳全息理论，数字全息再现像分辨率可定义为:

式中为再现光波波长，Z，为再现像平面与CCD记录面之间的距离，Lxccd为CCD

光敏面的尺寸。

为了避免再现畸变，一般情况下使等于记录波长，并让再现距离与记录距离相等即Z0=Z1一般来说，CCD的光敏面尺寸是固定不变的，也是定值，那么再现像的分辨率就只与记录距离Z0有关，当Z0越小，数字再现像的分辨率就越高。

数字全息术

·

数字全息术（DigitalHolography）也称电子散斑干涉技术（ESPI，’ElectronicSpecklePatternInterferometer）或是TV全息摄影术（TVHolography）计算机图像处理技术、激光技术以及全息干涉技术相结合的一种新技术。

一束激光经透镜扩束后照射到被测物表面上，其反射光与直接照射至UCCD的参考光束发生干涉，就会形成一系列的散斑图像。

通过图像比较可以显示出散斑结构中的变化并产生相关条纹，它们是由于记录图像之间的表面位移与变形而产生的，通过智能软件可以自动分析这些条纹并计算出位移大小。

先进的ESPI系统利用若干个激光照射，可以测量位移和变形的三维信息以及轮廓信息（3D-ESPI系统），并根据这些数据获得应变、应力、振动模式以及更多的信息。

1二次曝光的原理

所有干涉仪的工作原理都是比较两个或多个波面的形状。

二次曝光法是将初始物光波面与变形以后的物光波面相比较∞1。

在记录过程中对一张全息干板作二次曝光，一次是记录初始物光波（标准波面）的全息图：

一次是记录变化以后的物光波（变形波面）的全息图。

这两张全息图记录在同一张干板上，当用照明光波再现时，可再现出两个物光波面，这两个波面是相干的，因而观察到的是它们之间的干涉条纹。

通过干涉条纹的分布情况，可以了解波面的变化。

二次曝光法记录光路如图3-13（a）所示，在底片平面上，参考光波为初始物光波为

变形后的物光波为

假定两次曝光时间相同，则总的曝光光强为

在线性记录条件下，全息图的复振幅透过率正比于曝光光强。

零级衍射斑的消除原理

设传播至UCCD上的物光波波前为O（x，Y），参考光波波前为R（x，Y），则通过CCD记录的物光和参考光波的干涉图像，其光强分布为：

其中R（x，y）R*（x，y）为参考光强度，O（x，y）O*（x，y）为物光强度，O（x，y）R*（x，Y）和O（x，y）R*（x，y）为物光和参考光的干涉项。

当采用再现光波和参考光波完全相同

时，全息图的重建波前复振幅可表示为

3-13

式中，第1项为零级像，是物体的自相关像，OR+R对应着物光的准确再现，为+l级衍射像，而腼协e＆，∥对应着共轭像，为一1级衍射像。

利用图像相减以消除零级衍射斑主要分以下两个步骤。

首先用CCD记录干涉条纹的强度分布，并把离散化的数据输入计算机存储。

然后保持实际光路不变，分别挡住参考光和物波，用同一个CCD摄像机记录下它们各自的强度分布I，，Iz，分别把它们输入计算机存储。

软件设计

3．1．1软件组成结构

在轮胎的流水线检测上，从CCD直接采集出来的图像并不是非常理想，需要经过图像处理和软件计算后，才能得到最终结果。

另外，为了实现流水线上实时的自动检测，方便工人操作和处理，还需要良好的人机交互界面及自动判别、归类、存储档等功能。

软件主要由图像读入、图像预处理、二次曝光、全息重现、判决评定、文件归档和人机交互几个部分组成，其信号流程如下图所示：

1．图像读入

数字式CCD摄像机可直接输出数字化的图像，如SKC系列的CCD摄像机都可以以RS644格式输出数字图像。

通过专用接口卡可以把数字图像直接输入到计算机中处理或保存。

2．图像预处理

直接获得的原始图像含有许多随机和系统噪声，因此处理前要对图像进行预处理。

图像增强是图像预处理的一个重要步骤，它可以改善图像的视觉效果，并把图像处理成适于分析或控制的某种形式。

图像增强内容广泛，包括去除噪声、锐化、边缘提取等。

对于全息干涉图像，预处理可以降低图像噪声，提高对比度，提取图像的特征等。

．二次曝光

实际操作时，通常采用真空加载使轮胎表面产生形变。

加载前记录第一幅全息图，加载后记录第二幅全息图。

将两幅全息图进行对比后，可以得到加载前后橡胶表面的形貌变化。

异常变形的区域就是缺陷存在的区域。

‘4．全息重现

CCD记录全息图后，需要进行数字全息重现，即用软件模拟光学重现的过程。

由于本课题应用于流水线检测，要求再现速度快，对图像细节损失小，因此本文选择菲涅尔衍射法进行全息重现。

5．气泡尺寸判别

由于气泡的存在，加载前后异常变形的区域一般表现为“蝴蝶斑”图案。

“蝴蝶斑”图案的方位和大小反应了气泡的尺寸和方位，因此对测量结果要进行识别和判断。

首先要确定是否是“蝴蝶斑’’，其次要探测“蝴蝶斑’’的具体方位，最后要计算“蝴蝶斑”的尺寸，从而判别气泡的大小。

为了判断轮胎缺陷是否超过样品标准，需要对图像库的“蝴蝶斑”图像进行比较，最终进行归档和分类。

6．人机交互界面

检测前需要预先设定不同的系统参数，如被测轮胎外径，内径及基本型号；

设置判决参数和样板库，用于对检测结果进行分级和管理；

以及设置文件归档目录、数据库入口等。

同时，软件还需要有中断处理功能，方便进行多种人工干预，如修改工作参数、修正判别结果、保存特殊数据等。

7．资料归档

根据图像处理的结果和用户设定的参数，自动将探测结果与图像库进行比对，并自动进行分类和存储，便于以后的数据库管理和查询。

3．1．2性能指标

具体指标要经过实际处理、现场实验和工艺要求来最终确定。

1．处理时间：

满足当前生产线时序要求。

每个轮胎图像处理时间不大于30秒。

2．检测精度：

按照样本库的图样，准确判决出气泡的存在和大小。

3．准确率：

漏判率小于0．5％，误判率小于0．5％

．2数字全息图记录和再现

3．2．1记录过程

全息记录的过程如上图所示。

．2重现过程

我们用重现光照射全息图，全息面后的光场经菲涅耳衍射传播距离z后到达

像面。

3实验仿真与结果

这是用VCNET编程模拟计算，按照干涉强度公式，生成全息干涉图。

本文模拟的是距离全息记录中心为05m的点光源与成角度入射的平面波干涉情况，设CCD像元大小为10m，像素数为512*512，波长=630rm。

根据所设参数．由公式3-17求得分离0级和±

1级衍射像时所需物参光夹角为o=088。

而采用本文方法实行零级条纹去除后，利用公式3一19可知，最小可分离的物参光夹角为e=O29。

即可。

物光和参考光之间所需最小夹角的减小．有利于降低对CCD分辨率和像面大小等性能的要求，提供系统的性价比。

对比两种方法可以看到，两种方法都属于非接触测量，且处理结果中的相干条纹强度都与物体表面变形大小有关，通过计算相关条纹便可得到物体表面相位的变化。

但是两种方法有各有优缺点。

用二次曝光法检测物体形变，必须要经过全息重现的过程，因此检测速度较慢，但是没有高频分量的干扰。

而用电子散斑干涉法检测物体形变，检测速度快，但由于相减后的光强信息包含着随机散斑相位a，因此会产生随机的高频散斑噪声，这使得电子散斑干涉法不能达到很高的分辨率，限制了该方法的检测精度。

传统全息术采用全息干板来记录全息条纹。

用全息干板所得到的全息缺陷条纹图，平滑细致，全息照片的干涉图样具有非常精细的结构，分辨率较高。

而目前采用CCD来记录条纹，分辨率和像面尺寸较全息干板要低很多，因此记录条件苛刻，高频分量无法记录而导致再现像效果变差，同时再现像很难分离，导致有用信息无法提取。

基于目前CCD的分辨率和再现分离条件，用离轴全息来进行大视场检测很难得到清晰的、高分辨率的再现像。

因此，采用高分辨率的CCD，并将相移技术引入实际工业检测中，可以部分解决这类问题。

结论

本章主要是设计实际的全息光路，对实物进行了实验研究。

得到的结论如下。

1．利用两平面镜进行干涉实验，对采集到的条纹进行处理，并进行了二次曝光和消除零级衍射斑的实验，与前面模拟的结果一致。

2．针对实际实物表面为漫反射的物体，利用离轴全息检测时再现像分离困难，因此本章设计并搭建光路，采用电子散斑技术检测橡胶表面形变。

光路设计时，不仅应保证物光和参考光的光程差应小于激光的相干长度，还应尽量使得物光和参考光的光强基本相等。

同时由于光的空间相干性，采集干涉图像时，CCD应通过透镜对物体表面成像。

3．散斑大小与相干光波长，透镜F数以及成像系统放大倍数有关。

视场增大后，散斑尺寸变大，同时系统分辨率降低。

由此可见，大视场和分辨率是一对矛盾体，需要从中取得平衡。

4．目前用二次曝光法和电子散斑干涉法检测橡胶表面形变，两者检测结果条纹相似，明暗相反。

由于二次曝光进行全息重现后，有零级衍射斑的影响，所以图像对比度较低，条纹没有电子散斑处理的结果清晰。

5．本系统的检测范围已达到138．1mmX112．4m，对于一幅1300X1024的图像处理时间需要62ms。

因此，本系统的检测范围和检测速度已经基本达到实际工业流水线检测上的要求，可应用于现场检测。

．3展望

1、光纤数字全息测量脚1把光纤应用于数字全息术，不仅取代了传统全息中的分立光学元件，使整个系统结构更加简单，而且由于光纤具有细小柔韧，抗电磁干扰，耐腐蚀，可绕曲

的优点，使整个系统可以用于复杂结构，封闭结构，远距离，危险有腐蚀性的环境中。

全光纤全息系统体积小，结构简单，光路稳定抗震，在工业和医学领域有很大的应用前景。

光纤数字全息术采用的光路可以分成两类。

一种是光纤只用于传光，CCD直接接收参考光和物光。

而另一种光纤数字全息系统中，光纤不仅用于传光，也用于传像，光纤须将物光信息传递到CCD靶面上。

2、数字全息术与相移技术相结合

相移技术与数字全息术相结合，全息图平面上物光相位信息的获取就可以通过实验的手段即引入相移技术而实现，记录光路可采用同轴全息的形式。

与采用离轴全息光路的数字全息术相比，相移数字全息术不需要载波条纹，能够更为有效地利用CCD的带宽。

同时还免去消除共轭像等数字滤波过程。

随着科学技术的不断发展，数字全息的应用前景将会是无法估量的。

数字全息术必将从实验室走出，走到真正的工业流水线生产和应用上，数字全息术的应用范围也将更加广泛。