相位偏折成像实现高效精准2.5D缺陷检测

一、引言

在工业自动化持续升级的背景下，基于视觉感知的智能系统已成为高端制造的核心支撑。当前产线对目标识别、精确定位、几何量测及外貌瑕疵筛查的需求激增，大幅提升了生产效率与良品率。其中，针对微米级缺陷的快速精准捕捉，更是企业极需突破的卡点。

近年来，计算光学不断迭代，为上述挑战提供了创新突破口。相位偏折技术以其独有特性，在表面质量评估环节表现突出：它能够高保真地还原细微形貌，可针对介于二维与三维之间的2.5D缺陷进行检测，从而为智慧工厂赋予新的技术动能。

二、相位偏折成像原理

成像案例：

横向条纹四步相移

竖向条纹四步相移

提供横竖两种方向及每个方向四种相位变化的共8种正弦光斑，相机采集8种条纹原图。

线扫架设方案（推荐）	面阵架设方案（推荐）

相位偏折技术通过投射结构光条纹到被测物表面，并用相机记录经表面曲率调制后的形变条纹，从而反演出微观形貌。其核心在于：当正弦条纹遇到高低起伏时，会因光程差产生相位偏移，该偏移与表面梯度、反射特性及材料折射率直接相关。系统依次投射多幅相移条纹，捕捉对应的形变图像，即可解码出微米级的2.5D轮廓信息。

一套典型的相位偏折检测装置由投影单元、成像单元、相位解算单元及人机交互界面组成。投影单元负责输出高对比度、多步相移的正弦条纹，保证全幅面均匀覆盖；成像单元同步抓取被测件在条纹作用下的反射图，其灵敏度、动态范围与采样速度决定系统分辨率。相位解算单元对原始条纹进行滤波、解包裹与相位–高度映射，提取细微曲率特征；三维重建单元利用梯度积分算法将相位场转化为高程模型。

人机交互界面实时呈现预处理图像结果，并支持参数调节与数据导出，方便操作者直观评估表面质量。

相位偏折检测在运行过程中兼顾速度与精度。只需投射一组多步相移条纹并同步拍摄，便可瞬时捕获被测面的全部梯度数据，一次完成瑕疵筛查与微结构解析。其算法对镜面、类镜面等复杂反射材质保持高容忍度，能准确捕捉亚微米级划痕或凹陷。此外，条纹图案的光强、周期、波长均可按需配置与定制，针对不同材质、不同工况灵活切换，确保始终以最优参数实现高保真成像。

提供多种正弦光斑可选，面对不同反光度产品时可根据图像效果进行选择。

正弦4（无正弦光斑）	正弦24（正弦光斑可见）

相位光控光源类型：

在相位偏折技术的具体实施中，投影模块将精心设计的正弦条纹序列投射到待测表面，高速相机同步捕获经表面梯度调制后的形变图案，图像流直接进入相位解析单元。解析后的数据生成多幅相位图与展开图，它们可实时转化为微米级高度分布，从而一次性检出微凹陷、划痕、尘埃等缺陷。投影模块的构建与同步控制是系统成败的关键：需保证条纹周期、相位精度、空间均匀性，并触发相机在微秒级窗口内完成曝光，为后续梯度–高度重建提供充分信息。条纹的周期、波长、亮度以及投射角度均支持软件级调参，可依据镜面、玻璃、曲率变化剧烈的复杂表面进行灵活适配，确保任何材质都能获得最优检测性能。

铝壳检测：

特点：消除背景干扰。

若检测产品具有背景拉丝图案干扰，会影响对产品表面的缺陷（如划痕、脏污的检测）。该系统支持消除背景无相位变化的特征，从“形状图”中提取具有深度变化的特征，从而消除背景干扰。

如想检测纹路等更多信息，可从其他预处理效果图中进行查看。

蓝膜电池：

检测蓝膜电池气泡、表面脏污等缺陷，在形状图1中可见气泡、光泽比图中可见脏污。

无图晶圆： 检测抛光不良、脏污，形状图1中可见抛光不良、其他效果图可见脏污。

玻璃盖板:

检测崩边、表面脏污，其中崩边缺陷在形状图1中可见，脏污在光泽比图中可见。

总结:

相位偏折技术具备四大核心优势：

➤高效性——单次投射多步相移条纹并同步成像，即可一次性捕获全视场梯度数据，实现高速缺陷筛查与形貌解析；

➤精确性——基于微米级相位解析与梯度积分算法，可精准还原镜面或类镜面物体的2.5D微观轮廓，识别微米级划伤、凹坑、颗粒；

➤适应性——对高反射及透明材质均能保持高信噪比，有效克服传统视觉在镜面场景下的失效问题；

➤灵活性——条纹周期、亮度、投射角度等参数均可软件定义，快速匹配不同材质、不同工序的检测需求。

凭借上述优势，相位偏折技术已在3C玻璃、车载盖板、半导体封装等领域实现规模化落地，为2.5D缺陷检测提供了先进可靠的解决方案。