2.5D之相位偏折技术介绍

引言

随着工业自动化不断升级，基于视觉感知的智能系统已成为高端制造的关键支撑。当前生产线对目标识别、精准定位、几何量测及外观缺陷检测的需求持续增长，显著提升了生产效率与产品良品率。其中，如何快速、精准地捕捉微米级缺陷，已成为企业亟待攻克的技术难点。近年来，计算光学技术持续迭代升级，为解决上述难题提供了创新路径。相位偏折技术凭借其独特优势，在表面质量检测中表现优异：可高保真还原微小形貌，实现对介于二维与三维之间的 2.5D 缺陷的有效检测，为智慧工厂建设注入新的技术动力。

1. 简介

典型的相位偏折检测系统主要由投影单元、成像单元、相位解算单元与人机交互界面构成。投影单元用于输出高对比度、多步相移的正弦条纹，确保全场均匀照明与覆盖；成像单元同步采集被测表面在条纹照射下的反射图像，其灵敏度、动态范围与采集速率直接决定系统检测分辨率。相位解算单元对原始条纹图像进行滤波、相位解包裹及相位–高度映射，提取表面微小曲率特征；三维重建单元则通过梯度积分算法，将相位场转换为高精度高程模型。

相位偏折技术适用于超光滑、镜面的检测。如果物料打光无法显示条纹的表面，则不适用于相位偏折。相位偏折法使用线阵相机效率高，相机和光源都不动，而被测物需要直线运动；使用面阵相机效率低，但相机、光源和被测物都不需要运动。

图1  线扫架设方案

图2  面阵架设方案

2. 相位偏折技术成像图

相位偏折技术通过向被测物体表面投射结构化光条纹，利用相机记录经表面曲率调制后发生形变的条纹图案，进而反演重建出物体微观表面形貌。其核心原理为：当正弦条纹投射至高低起伏的表面时，会因光程差异产生相位偏移，该偏移量与表面梯度、反射特性及材料折射率直接关联。系统通过依次投射多组相移条纹、采集对应形变图像，可精准解算出微米级精度的 2.5D 轮廓信息。

图3  前8张为相位偏折技术取得的原图，后8张为处理结果图

3. 相控光源类型

在相位偏折技术的实际应用中，投影模块将经过优化设计的正弦条纹序列投射至待测表面，高速相机同步采集经表面梯度调制后的形变条纹图案，图像数据实时传输至相位解析单元。经解算处理后生成相位图与相位展开图，可快速转换为微米级精度的高度分布，一次性实现微凹坑、划痕、粉尘等缺陷的高效检测。

投影模块的设计与同步控制是整个系统的核心关键：需严格保证条纹周期、相位精度与空间均匀性，并在微秒级时间窗口内精准触发相机曝光，为后续梯度 — 高度重建提供可靠数据支撑。条纹周期、波长、亮度及投射角度均可通过软件灵活调节，能够针对镜面、玻璃、曲率变化复杂的各类表面进行自适应匹配，确保不同材质均能达到最佳检测效果。

图4  相位光控光源（推荐线阵）

图5  高亮相位光控光源（推荐线阵）

图6  相位光控光源（推荐面阵）

图7  同轴相位光控光源（推荐面阵）