一、引言

在工業(yè)自動(dòng)化持續(xù)升級(jí)的背景下，基于視覺(jué)感知的智能系統(tǒng)已成為高端制造的核心支撐。當(dāng)前產(chǎn)線對(duì)目標(biāo)識(shí)別、精確定位、幾何量測(cè)及外貌瑕疵篩查的需求激增，大幅提升了生產(chǎn)效率與良品率。其中，針對(duì)微米級(jí)缺陷的快速精準(zhǔn)捕捉，更是企業(yè)極需突破的卡點(diǎn)。

近年來(lái)，計(jì)算光學(xué)不斷迭代，為上述挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新突破口。相位偏折技術(shù)以其獨(dú)有特性，在表面質(zhì)量評(píng)估環(huán)節(jié)表現(xiàn)突出：它能夠高保真地還原細(xì)微形貌，可針對(duì)介于二維與三維之間的2.5D缺陷進(jìn)行檢測(cè)，從而為智慧工廠賦予新的技術(shù)動(dòng)能。

二、相位偏折成像原理

成像案例：

橫向條紋四步相移

豎向條紋四步相移

提供橫豎兩種方向及每個(gè)方向四種相位變化的共8種正弦光斑，相機(jī)采集8種條紋原圖。

線掃架設(shè)方案（推薦）	面陣架設(shè)方案（推薦）

相位偏折技術(shù)通過(guò)投射結(jié)構(gòu)光條紋到被測(cè)物表面，并用相機(jī)記錄經(jīng)表面曲率調(diào)制后的形變條紋，從而反演出微觀形貌。其核心在于：當(dāng)正弦條紋遇到高低起伏時(shí)，會(huì)因光程差產(chǎn)生相位偏移，該偏移與表面梯度、反射特性及材料折射率直接相關(guān)。系統(tǒng)依次投射多幅相移條紋，捕捉對(duì)應(yīng)的形變圖像，即可解碼出微米級(jí)的2.5D輪廓信息。

一套典型的相位偏折檢測(cè)裝置由投影單元、成像單元、相位解算單元及人機(jī)交互界面組成。投影單元負(fù)責(zé)輸出高對(duì)比度、多步相移的正弦條紋，保證全幅面均勻覆蓋；成像單元同步抓取被測(cè)件在條紋作用下的反射圖，其靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍與采樣速度決定系統(tǒng)分辨率。相位解算單元對(duì)原始條紋進(jìn)行濾波、解包裹與相位–高度映射，提取細(xì)微曲率特征；三維重建單元利用梯度積分算法將相位場(chǎng)轉(zhuǎn)化為高程模型。

人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)呈現(xiàn)預(yù)處理圖像結(jié)果，并支持參數(shù)調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)導(dǎo)出，方便操作者直觀評(píng)估表面質(zhì)量。

相位偏折檢測(cè)在運(yùn)行過(guò)程中兼顧速度與精度。只需投射一組多步相移條紋并同步拍攝，便可瞬時(shí)捕獲被測(cè)面的全部梯度數(shù)據(jù)，一次完成瑕疵篩查與微結(jié)構(gòu)解析。其算法對(duì)鏡面、類(lèi)鏡面等復(fù)雜反射材質(zhì)保持高容忍度，能準(zhǔn)確捕捉亞微米級(jí)劃痕或凹陷。此外，條紋圖案的光強(qiáng)、周期、波長(zhǎng)均可按需配置與定制，針對(duì)不同材質(zhì)、不同工況靈活切換，確保始終以最優(yōu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)高保真成像。

提供多種正弦光斑可選，面對(duì)不同反光度產(chǎn)品時(shí)可根據(jù)圖像效果進(jìn)行選擇。

正弦4（無(wú)正弦光斑）	正弦24（正弦光斑可見(jiàn)）

相位光控光源類(lèi)型：

在相位偏折技術(shù)的具體實(shí)施中，投影模塊將精心設(shè)計(jì)的正弦條紋序列投射到待測(cè)表面，高速相機(jī)同步捕獲經(jīng)表面梯度調(diào)制后的形變圖案，圖像流直接進(jìn)入相位解析單元。解析后的數(shù)據(jù)生成多幅相位圖與展開(kāi)圖，它們可實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為微米級(jí)高度分布，從而一次性檢出微凹陷、劃痕、塵埃等缺陷。投影模塊的構(gòu)建與同步控制是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵：需保證條紋周期、相位精度、空間均勻性，并觸發(fā)相機(jī)在微秒級(jí)窗口內(nèi)完成曝光，為后續(xù)梯度–高度重建提供充分信息。條紋的周期、波長(zhǎng)、亮度以及投射角度均支持軟件級(jí)調(diào)參，可依據(jù)鏡面、玻璃、曲率變化劇烈的復(fù)雜表面進(jìn)行靈活適配，確保任何材質(zhì)都能獲得最優(yōu)檢測(cè)性能。

鋁殼檢測(cè)：

特點(diǎn)：消除背景干擾。

若檢測(cè)產(chǎn)品具有背景拉絲圖案干擾，會(huì)影響對(duì)產(chǎn)品表面的缺陷（如劃痕、臟污的檢測(cè)）。該系統(tǒng)支持消除背景無(wú)相位變化的特征，從“形狀圖”中提取具有深度變化的特征，從而消除背景干擾。

如想檢測(cè)紋路等更多信息，可從其他預(yù)處理效果圖中進(jìn)行查看。

藍(lán)膜電池：

檢測(cè)藍(lán)膜電池氣泡、表面臟污等缺陷，在形狀圖1中可見(jiàn)氣泡、光澤比圖中可見(jiàn)臟污。

無(wú)圖晶圓： 檢測(cè)拋光不良、臟污，形狀圖1中可見(jiàn)拋光不良、其他效果圖可見(jiàn)臟污。

玻璃蓋板:

檢測(cè)崩邊、表面臟污，其中崩邊缺陷在形狀圖1中可見(jiàn)，臟污在光澤比圖中可見(jiàn)。

總結(jié):

相位偏折技術(shù)具備四大核心優(yōu)勢(shì)：

?高效性——單次投射多步相移條紋并同步成像，即可一次性捕獲全視場(chǎng)梯度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高速缺陷篩查與形貌解析；

?精確性——基于微米級(jí)相位解析與梯度積分算法，可精準(zhǔn)還原鏡面或類(lèi)鏡面物體的2.5D微觀輪廓，識(shí)別微米級(jí)劃傷、凹坑、顆粒；

?適應(yīng)性——對(duì)高反射及透明材質(zhì)均能保持高信噪比，有效克服傳統(tǒng)視覺(jué)在鏡面場(chǎng)景下的失效問(wèn)題；

?靈活性——條紋周期、亮度、投射角度等參數(shù)均可軟件定義，快速匹配不同材質(zhì)、不同工序的檢測(cè)需求。

憑借上述優(yōu)勢(shì)，相位偏折技術(shù)已在3C玻璃、車(chē)載蓋板、半導(dǎo)體封裝等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；涞?，為2.5D缺陷檢測(cè)提供了先進(jìn)可靠的解決方案。