封面解析

       封面展示了基于条纹调制的透明物体表面缺陷检测方法。通过建立基于条纹投影的透明物体混合光学成像模型，利用所提出的多频时域迭代策略估计待测表面的双形貌参数，在消除后表面寄生反射干扰的同时、准确识别和定位出透明物体的表面缺陷，以普通工业相机实现了接近于白光干涉仪的微米级缺陷检测。

《光学学报》2023年第05期封面文章 |许小波; 段明辉; 范鑫; 竺长安; 金一.基于条纹调制的透明物体表面缺陷检测方法[J]. 光学学报, 2023, 43(05): 0512003.

导读

       针对透明物体后表面的寄生反射对单视角下表面缺陷光学检测的干扰问题。本文提出了基于条纹调制的透明物体表面缺陷检测方法，以消除后表面的寄生反射。为分析透明物体对入射光通量的影响，建立了基于条纹投影的透明物体光学成像模型。

研究背景

       透明物体由于其独特的透光性被广泛用于光学透镜、显示面板、挡风玻璃等。

       在生产、运输和使用过程中，透明物体的功能表面会不可避免地出现划痕、凹点等缺陷，这些几何缺陷改变了透明物体的表面形貌和光学性能，进而严重影响其结构稳定性和功能完整性，因此表面缺陷检测对以透明物体为基础组件的系统来说尤为重要。

       然而，现有的基于反射的透明物体表面缺陷检测方法、忽略了经待测物体后表面反射的出射光带来的寄生反射，以及其造成的检测误差。

图1 入射光在透明物体前后表面影响下的光路图

基于条纹调制的透明物体表面缺陷检测方法

       为消除后表面寄生反射的干扰，并且避免引入额外设备与假设的局限性，本文提出了基于反射光场的单视角透明物体表面缺陷检测方法。本文首先分析了条纹调制下入射光通量和相机捕获到的光通量之间的关系并建立了针对透明物体的条纹投影光学模型。模型表明待测物体前后表面的形貌信息可以由两个形貌参数来表征，而它们共同构成了余弦分布中的平均强度和对比强度。然后，本文提出了多频时域迭代策略来估计形貌参数，通过在待测表面投影不同频率的条纹图案，得到条纹频率和条纹调制值之间的余弦分布，并通过对此余弦分布进行精确的迭代估计得到相应的形貌参数。

       在迭代求解过程中，本文还提出了利用条纹相位信息的迭代初值获取算法来提高迭代收敛的速度。最后，对所捕获图像中的每个像素重复同样的步骤得到整体的检测结果，进而在消除后表面寄生反射干扰的同时准确识别和定位出透明物体的表面缺陷。

       对比白光干涉仪所得到参考真值与其他各方法的检测结果（如图2和3所示），可以看出在缺陷检测任务中，条纹调制值相对于表面的相位分布有更好的表征作用。本文的方法在条纹调制基础上、通过建立并分析混合光路模型得到待测表面的检测结果，能清晰地辨别出待测表面的真实缺陷和寄生反射产生的虚假缺陷，并且在缺陷区域与无损区域识别时有更高的对比度和检测准确度，相比其他方法的结果更接近于参考真值。因而验证了本文所提出的基于条纹调制的透明物体表面缺陷检测方法的可行性和先进性。

图2 表面缺陷检测结果，（a）统一平面光场照明检测技术的检测结果，（b）结构光照明检测技术的检测结果，（c）包络曲线检测方法计算的相位分布，（d）双表面同时重建方法计算的相位分布,（e）本文所提出方法的检测结果，（f）不同方法的截面区域对比图

图3 白光干涉仪与不同方法检测结果的局部对比图

后续工作展望

       本文提出的透明物体表面缺陷检测方法是依托于反射光场的，它消除了单视角下透明物体表面后表面寄生反射的干扰，实现了待测表面缺陷的精准识别与定位。在后续工作中，将考虑引入透射光场，与反射光场相结合建立全光场下的单视角检测方法，在进一步提升单表面检测的准确度的同时，实现透明待测物体前后表面缺陷的同步检测。

科学编辑 | 许小波; 金一.

编辑 | 张浩佳