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基于偏振分束的磁光成像技术研究

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  1 引 言

  磁光成像是一种正在发展中的可视化无损检测技术,它通过电磁感应定律和磁致旋光效应对激励出的磁场进行成像测量,通常用来检测飞行器表面蒙皮下的铆钉和其他一些表面及近表面处的金属缺陷[1]。

  磁光成像技术实现了无损检测的可视化且检测速度较常规检测手段提高了 5 ~ 10 倍,因此国内外有众多学者深入研究这一新技术[2-9]。近几年,磁光成像系统中激励源、光路、磁光介质以及图像处理都得到了较快发展,然而对整个面的旋光角度值量化却一直没有一种很好的解决方法。目前采用的两偏振片正交消光的方法是通过光强度来反映旋光角度,容易受到光源强度波动的影响,且测量过程中需手动调节偏振片,并通过人眼来观测消光位置,导致操作复杂、精度低。

  针对以上问题,本文提出一种基于偏振分束的旋光角度场测量新方法,并将其应用于磁光成像测量中,测量结果量化直观,且不受光强波动影响。

  2 偏振分束成像测量旋光角度分布原理

  2. 1 基于偏振分束的旋光角度测量原理

  假设待测样品旋转角度为 γ,其矩阵可表示为

  

  光源出射的激光 E 经起偏角为 45° 的偏振片 P ( 45°) 和待测样品后的出射光 E1矩阵为:

 

  E1经偏振分束棱镜后的两偏振光分别为 EP和ES,有

  经偏振分束棱镜后,输出光的平行分量和垂直分量的光强分别为:

  

  从结果式( 9) 来看,“差除和”处理后的结果与入射光E1的光强无关,只和旋光角度值相关。由此可见,该方法能够消除光源波动的影响,测量出旋光物质的旋光角度。

  2. 2 偏振分束成像测量系统研究设计

  根据以上分析得出的测量原理,本文设计和采用 CCD探测器构建了如图1 所示的偏振分束成像测量系统

  

  为了将光强准确转换为灰度值和方便测量,探测器需要选取线性好的 CCD,并使其工作在不饱和区域内。设每一位置的光强度与对应的成像灰度成正比关系为:

  I = αH                ( 10)

  式中: I 表示光强度,α 表示光强转为成像灰度的转换率且为一定值,H 表示成像灰度值,则两 CCD 成像的灰度值分别:

  

  由式( 13) 可知,旋光角度可通过成像的灰度值“差除和”计算得出,成像中的每个像素灰度值对应一个偏振面的点,那么对 2 幅图片进行“差除和”计算则可得到整个偏振面的旋光角度场信息。

  2. 3 数据处理

  图像滤波即在尽量保留图像细节特征的条件下对目标像的噪声进行抑制,是图像预处理中不可缺少的操作。中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术,中值滤波的基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替,让周围的像素值接近的真实值,从而消除孤立的噪声点,同时能很好的保护边缘轮廓信息,较适合本文实验数据处理研究。

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