專利名稱：與3d輪廓術(shù)組合的相位步進(jìn)錯位干涉法的低相干干涉系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種借助于干涉條紋投影法或波紋法測量物體的三維形狀(或3D形狀)、和借助于錯位干涉法(shearography)(特別是相位步進(jìn)錯位干涉法)探測在物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷的方法。本發(fā)明也涉及一種用來實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備。
背景技術(shù)：
條紋投影法(或波紋法)在最近幾年已經(jīng)開發(fā)了多種非接觸式光學(xué)測量方法，并且應(yīng)用在多個工業(yè)和研究領(lǐng)域中。一些裝置例如利用偏振狀態(tài)分裂技術(shù)來產(chǎn)生和移動多個正弦楊氏干涉圖案，這些多個正弦楊氏干涉圖案投影在掃描表面上。它們通常用來從納米至千米尺度抽取表面的范圍數(shù)據(jù)。在用來測量通常大小物體的形狀、表面輪廓及位移的最常用手段中包括投影條紋技術(shù)。它們允許可靠、精確及快速的全場獲取。此外，它們得益于為干涉系統(tǒng)開發(fā)的良好建立過程，如相移和相位展開算法。按典型方式，將一個或多個結(jié)構(gòu)化光圖案投影在待分析的表面上。它們的通常特征在于按這樣一種方式的周期性強(qiáng)度變化，從而可將具體相位與物體的每個照明點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。通過用CCD或CMOS攝影機(jī)記錄場景，可能的是，由于第一校準(zhǔn)步驟，將圖像點(diǎn)的相位分布與非失真柵格的線性增長相位相比較。這種相位差包含基于三角公式對于表面高度變化計(jì)算要求的信息。用于良好投影圖案的有利特征是完美的正弦照射函數(shù)、非常高的對比度、高強(qiáng)度照射及巨大景深。當(dāng)環(huán)境光不能關(guān)閉時，比如在室外現(xiàn)場條件下，對比度問題特別關(guān)鍵。在干涉條紋投影系統(tǒng)中，楊氏干涉圖案是理論完美正弦波，該理論完美正弦波可具有非常高的對比度。另外，干涉條紋是非定域的，這意味著，無論投影距離如何，照射函數(shù)和對比度都保持不變，所以沒有景深問題。它形成用于基于波紋的技術(shù)裝置的理想基礎(chǔ)。單色激光的使用也是用來從環(huán)境光濾除相關(guān)信號的有益手段。然而，動態(tài)移動或定標(biāo)干涉投影圖案常常要求精確和復(fù)雜的機(jī)電或光電系統(tǒng)，這些機(jī)電或光電系統(tǒng)的重復(fù)性和可靠性不被保證。內(nèi)部振動也是犧牲條紋穩(wěn)定性的麻煩的可能原因。在要求設(shè)置的主要品質(zhì)中包括簡單性、可靠性、對于振動的不敏感性、及低成本。在適于測量物體的3D形狀的結(jié)構(gòu)化光投影方法(或3D激光輪廓法)方面的技術(shù)概況在WO 2005/049840中給出。錯位干涉法另一方面，本發(fā)明也涉及散斑錯位干涉法或錯位干涉法的領(lǐng)域，并且在無損檢測中是一種有價值的技術(shù)。相位步進(jìn)錯位干涉法的概況在US 6，717，681B1中給出。錯位干涉顯示產(chǎn)生圖像的形成，該圖像由同一物體的兩個橫向移位圖像組成。錯位干涉法是全場光學(xué)散斑干涉過程，該全場光學(xué)散斑干涉過程能夠測量由刺激源，如真空或壓力、微波、熱、振動、超聲波激勵、等等，引起的表面的小變形。在電子錯位干涉系統(tǒng)的基本設(shè)置中，相干激光散開以均勻地照射物體表面的一部分，從表面反射，通過光學(xué)錯位裝置，及進(jìn)入CXD投影機(jī)。然后人們通過上述機(jī)構(gòu)之一，像例如加熱，使表面變形。表面因此輕微地膨脹，并且表面變形的效果可在視頻監(jiān)視器上以圖像的形式觀看，或者存儲在計(jì)算機(jī)存儲器中。物體從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的這種變形在微米范圍中。表面的變形可由表面下缺陷生成。對于組合錯位干涉法和干涉條紋投影兩者的研究Shang 等(Beam-splitting cube for fringe-projection, holographic, andshearographic interferometry, Applied Optics, Vol.40, N0.31 (2001), pp.5615-5623)提出了用于條紋投影和錯位干涉法的分束立方體。這種提出設(shè)置非常簡單，并且需要光學(xué)元件非常良好的定位，并只給出定性結(jié)果。已經(jīng)開發(fā)了一族基于偏振狀態(tài)分裂技術(shù)和單色光投影的新的非接觸式測量方法，作為對于現(xiàn)場測量克服環(huán)境光的方式(Moreau等，Interferometric fringes projectionsystem for 3D profilometry andrelief investigation, Proc.SPIE vol.5857, pp.62-69，2005;W02005/049840)o在這種普通路徑動態(tài)條紋投影儀中，關(guān)鍵元件是分離偏振狀態(tài)棱鏡，該分離偏振狀態(tài)棱鏡在其斜邊上涂有Bragg光柵。這種設(shè)置證明是高效的，并且適于多種用途，這些用途不同到考古勘測和試驗(yàn)室檢查。盡管有這些良好結(jié)果，但這種裝備不滿足諸如可靠性和快速性之類的工業(yè)需要。為了排除這些缺陷，建造了新的在線干涉儀，該在線干涉儀仍然基于偏振狀態(tài)分離。叫做Savart板的雙折射元件，允許建造更靈活和可靠的干涉儀[Michel等，Nondestructive testing by digitalshearography using a Savart plate, PhotonicsNorth, SPIE, 2009, Quebec;Blain 等,Utilisation d ' une lame de Savart pour unsystem deprojection de franges interferometriques pour la mesure de forme3D，CMOI 16-20 nov.2009，Reims，F(xiàn)rance; Renotte 等，Optical metrologydevices basedon an interferometer，，，3D Stereo Media dec.2009，Liege; Blain 等，Using a Savartplate in optical metrology》，OpticalEngineering+Applications，SPIE，1-5 Aofit2010，San DiegoCalifornia(Proceedings)]。Savart板已經(jīng)選作新的錯位(shearing)裝置，因?yàn)樗试S保留上述優(yōu)點(diǎn)，即在線和幾乎普通路徑設(shè)置，和干涉儀的基本原理，即通過分離兩個正交線性偏振狀態(tài)而錯位物體光束。在各種可用雙折射元件中已經(jīng)挑選Savart板，因?yàn)閮蓚€錯位光束都與裝置的光軸平行地傳播。通過繞干涉儀光軸轉(zhuǎn)動Savart板，將修改錯位方向，并且這不影響錯位量，即干涉儀的靈敏度。由Savart板對上述涂層棱鏡的替代也允許改進(jìn)干涉儀的性能，因?yàn)?-雙折射元件在透射方面的偏振度比涂層棱鏡的偏振度高；-在Savart板的情況下的光譜范圍相對于涂層棱鏡光譜范圍(例如532nm)較寬(350-2500nm)；-Savart板的角效率比棱鏡的角效率寬(由于數(shù)值過程，在視場的邊緣處的較好錯位)；-在由Savart板錯位的光束之間的光程差對于(準(zhǔn))正入射等于零。通過將Savart板用作錯位裝置，那么可采用較短相干長度激光器或可能的良好二極管(空間相干光源)。Savart板由兩個相同的單軸雙折射晶體(石英、方解石或任何雙折射晶體)制成，這兩個相同的單軸雙折射晶體相對于法向平面按45°切割，并且按這樣一種方式粘結(jié)，從而它們的光軸是垂直的。在這種配置中，第一晶體的尋常光線成為第二晶體的非常光線，并且反之亦然。通過雙折射，入射物體光束沿橫向方向按與晶體厚度成比例的錯位量被錯位(M.Born&E.Wolf, Principles of Optics (光學(xué)原理)，6thed.1980，PergamonPress, pp.700-710)。在鋼鐵工業(yè)中，有發(fā)展無損檢測(NDT)集成控制技術(shù)的興趣，該無損檢測(NDT)集成控制技術(shù)可能容許探測深度缺陷，例如在連續(xù)噴漆生產(chǎn)線中使用的聚氨基甲酸酯涂層輥中、和也更一般地對于非涂層輥。用來探測深度缺陷的現(xiàn)有技術(shù)方法是不滿意的:-在涂層輥的情況下，用于肉眼控制的透明聚氨基甲酸酯層不是由用戶始終希望的；-超聲波控制時間冗長，并且對于工業(yè)是不可接受的(30-40分鐘每輥)；-在外部刺激源之后由輥發(fā)射的聲是經(jīng)驗(yàn)的和不可靠的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于除去現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。具體地說，本發(fā)明的目的在于提供一種便攜的、簡單的、快速的及可靠的集成儀器，該集成儀器用來進(jìn)行干涉條紋投影和錯位干涉。仍然具體地說，本發(fā)明的目的在于提供這樣一種集成儀器，該集成儀器從一種測量模式到另一種測量模式的移動不是光學(xué)和機(jī)械臨界的。更具體地說，本發(fā)明的目的在于容許快速控制操作(理想地約或甚至小于5-10分鐘)、外化控制(例如，在鋼鐵工業(yè)中在噴漆生產(chǎn)線的情況下，為了輥襯層或校正由轉(zhuǎn)包人進(jìn)行的控制)，該外化控制具有便攜解決方案，并且具有適于工業(yè)環(huán)境的可靠性，該便攜解決方案允許對幾條生產(chǎn)線進(jìn)行控制。本發(fā)明的第一目的涉及一種便攜工業(yè)儀器，該便攜工業(yè)儀器用來按集成和雙路方式，對待測試的物體進(jìn)行干涉條紋投影和錯位干涉，該便攜工業(yè)儀器包括:-雙路干涉儀，包括產(chǎn)生雙向圓偏振光束的裝置；-相干或準(zhǔn)相干光投影裝置；-記錄或成像裝置；-第一位置和第二位置，在該第一位置處，所述雙路干涉儀定位成在功能上與相干或準(zhǔn)相干光投影裝置相關(guān)聯(lián)，在該第二位置處，所述雙路干涉儀在功能上與記錄或成像裝置相關(guān)聯(lián)，并且反之亦然；-計(jì)算裝置，包括視頻和分析顯示器；-激勵裝置，專用于錯位干涉或條紋投影測量；從而，當(dāng)雙路干涉儀在第一位置處與相干或準(zhǔn)相干投影裝置相關(guān)聯(lián)時，儀器能夠通過干涉條紋投影測量物體的3D形狀，也稱作波紋法，并且當(dāng)雙路干涉儀在第二位置處與記錄或成像裝置相關(guān)聯(lián)時，儀器能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行錯位干涉測量，當(dāng)從一種測量配置移動到另一種時，在干涉儀中的橫向光束的方向反轉(zhuǎn)，相干或準(zhǔn)相干光的方向在兩種操作模式中反轉(zhuǎn)，所述儀器的特征在于:-雙路干涉儀是可反轉(zhuǎn)的,并且關(guān)于Savart板是對稱的,該Savart板是中心,并且-平移裝置包括軌道，該平移裝置用來精確地將所述雙路干涉儀從所述第一位置移動到所述第二位置，并且反之亦然，該軌道在其端部之一處彎曲，具有“J”形狀，從而干涉儀的精確移動與嚴(yán)格幾何平移與角度轉(zhuǎn)動的組合相對應(yīng)，該角度不超過45°。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的儀器包括如下特性之一或適當(dāng)組合:-雙路干涉儀依次包括如下部件:第一線性偏振器或PU第一校準(zhǔn)液晶相位可變延遲器或LCVR1、Savart板、第二校準(zhǔn)液晶相位可變延遲器或LCVR2、及第二線性偏振器或P2 ；-Pl和LCVRUSavart板、LCVR2和P2分別粘結(jié)，并且按塊可繞光軸轉(zhuǎn)動，兩個塊是獨(dú)立的；-在錯位干涉模式中，干涉儀在所述第二位置處與記錄或成像裝置相關(guān)聯(lián)，依次地，Pl確保由物體反射的進(jìn)入相干或準(zhǔn)相干光束的線性偏振，LCVRl設(shè)置為λ /4延遲板、弓丨入在Savart板前面、及轉(zhuǎn)動使其快和慢軸相對于由Pl定義的偏振方向設(shè)置在45°處，從而以由此使進(jìn)入光束圓偏振，Savart板將進(jìn)入圓偏振光束折射成平行尋常和非常光束，LCVR2使其快和慢軸設(shè)置成由Savart板折射的非常和尋常光束的偏振方向與LCVR2的快和慢軸相平行，及在兩個光束之間引入已知相移，Ρ2定向在出射光束偏振的45°處并允許在兩個光束之間的干涉；-在條紋投影模式中，干涉儀在所述第一位置處與相干或準(zhǔn)相干光投影裝置相關(guān)聯(lián)，考慮到橫向光束的方向，干涉儀的部件的順序關(guān)于錯位干涉模式被反轉(zhuǎn)，依次地，Ρ2確保來自相干或準(zhǔn)相干光投影裝置的入射相干光束的線性偏振，LCVR2設(shè)置為λ/4延遲板、引入在Savart板前面、及轉(zhuǎn)動使其快和慢軸相對于由Ρ2定義的偏振方向設(shè)置在45°處，從而以由此使進(jìn)入光束圓偏振，Savart板將進(jìn)入圓偏振光束折射成平行尋常和非常光束，LCVRl使其快和慢軸設(shè)置成由Savart板折射的非常和尋常光束的偏振方向與LCVRl的快和慢軸相平行，并且在兩個光束之間引入已知相移，Pl定向在出射光束偏振的45°處并允許在兩個光束之間的干涉；-相干或準(zhǔn)相干光投影裝置包括至少一個低相干激光光源、光束擴(kuò)展器、光束投影透鏡系統(tǒng)、及接受器，該接受器用來接收雙路干涉儀，當(dāng)在條紋投影模式中使用儀器時，布置在光束擴(kuò)展器與投影透鏡系統(tǒng)之間；-成像裝置包括雙透鏡系統(tǒng)L1、L2、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、及接受器，該接受器用來接收雙路干涉儀，當(dāng)在錯位干涉模式中使用儀器時，布置在LI和L2之間，LI是可調(diào)整的或可平移的；-便攜工業(yè)儀器包括外殼，該外殼包括殼體，該殼體具有透明窗口，以分別容許測試物體的照明和其圖像的形成。本發(fā)明的另一個目的涉及一種使用以上所描述的便攜、集成及雙路工業(yè)儀器，通過干涉條紋投影來測量測試中的物體的三維(3D)形狀、和通過相位步進(jìn)錯位干涉法來探測所述物體的表面下缺陷的方法，該方法在條紋投影模式中包括如下依次步驟:-將入射光束提供到在相干或準(zhǔn)相干光投影裝置中容納的雙路干涉儀上，從而將在相干光投影裝置的輸出處的干涉條紋圖案投影到測試中的物體上；
-將所述干涉條紋圖案反射在物體的表面上；-記錄和/或觀看所述表面的圖像，該圖像包括所述條紋圖案；-計(jì)算所述表面的3D形狀；并且，在錯位干涉模式中包括如下依次步驟:-將入射光束提供到物體上；-將所述入射光束反射在所述物體表面上；-將反射光束提供到在記錄或成像裝置中容納的雙路干涉儀上，從而創(chuàng)建錯位光束的干涉圖案；-當(dāng)物體在不變形狀態(tài)中時，記錄錯位光束的所述干涉圖案的圖像；-通過使用激勵機(jī)構(gòu)，當(dāng)物體在變形狀態(tài)下時，重復(fù)最后步驟；-分析錯位光束的兩個干涉圖案，并且識別表面下缺陷。優(yōu)選地，在錯位干涉模式中記錄錯位光束的所述干涉圖案的圖像的兩個步驟中，當(dāng)物體分別在變形和不變形狀態(tài)中時，使用四步驟或更少步驟算法，該算法捕獲和存儲測試物體的圖像。優(yōu)選地，在分析錯位光束的兩個干涉圖案的步驟中，進(jìn)行如下步驟:-比較存儲圖像；-應(yīng)用平滑算法；-在視頻顯示器上觀看生成圖案。更優(yōu)選地，探測的表面下缺陷位于0_25mm的范圍中。


圖1A示意地表示在本發(fā)明中使用的干涉儀。圖1B是在干涉儀內(nèi)軸線的和偏振方向的簡化表不。圖2A示意地表示在干涉儀靜止的情況下本發(fā)明的整個系統(tǒng)。圖2B表示用于“J”形平移軌道的實(shí)際實(shí)施例。圖3示意地表示在干涉儀在“3D輪廓儀”配置的情況下本發(fā)明的整個系統(tǒng)。圖4示意地表示在干涉儀在“錯位干涉”配置的情況下本發(fā)明的整個系統(tǒng)。圖5表示對于在鋼鐵工業(yè)中在噴漆生產(chǎn)線中使用的聚氨基甲酸酯涂層輥的結(jié)果，這些結(jié)果由錯位干涉法得到(在輥表面下方的缺陷的探測)。圖6表示對于在鋼鐵工業(yè)中在噴漆生產(chǎn)線中使用的聚氨基甲酸酯涂層輥的結(jié)果，這些結(jié)果由3D輪廓測定法得到(輥的形狀測量)。圖7表示在條紋投影模式中在視頻監(jiān)視器上的結(jié)果的顯示例子。圖8表示當(dāng)Savart板轉(zhuǎn)動時在條紋投影中條紋間距離的變化(例如，對于Θ =0°的 A1，對于 Θ =45°，A2SA1X圖例LS:照明系統(tǒng)；PS:投影系統(tǒng)；EX:光束擴(kuò)展；CH:加熱模塊；IN:在線干涉儀；TRANS:平移系統(tǒng)'Ck:成像模塊；PC:個人計(jì)算機(jī):電源；α:軌道轉(zhuǎn)動角。Rot.1和Rot.2是用來將相應(yīng)組P1+LCVR1和LCVR2+Savart板+P2繞它們的軸轉(zhuǎn)動的裝置。Rot.3與馬達(dá)相對應(yīng)，該馬達(dá)允許干涉儀沿軌道平移。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的設(shè)備包括干涉儀，該干涉儀作為多目的度量裝置。一方面，這個干涉儀可設(shè)置在CCD攝影機(jī)前面，以構(gòu)成光學(xué)測量系統(tǒng)，該光學(xué)測量系統(tǒng)是錯位干涉儀。后者允許在相干或準(zhǔn)相干照明下測量所研究的物體的兩個狀態(tài)之間的微位移。另一方面，通過借助于這個干涉儀產(chǎn)生和移動多個正弦楊氏干涉圖案、和使用CXD攝影機(jī)，可能的是，建造3D結(jié)構(gòu)化光輪廓儀。在這種配置中，與以上相同的干涉儀在這時與激光照明系統(tǒng)一起使用，以投影條紋。這種方法，稱作波紋法，通常包括:投影周期光圖案，該周期光圖案能是兩個相干光束的干涉結(jié)果；在所述物體上形成變形線圖案；及由所述變形線圖案和基準(zhǔn)線圖案合成物體的3D形狀。本發(fā)明的系統(tǒng)包括如下子系統(tǒng)(見圖2A):-干涉儀1，-相干或低相干光投影裝置2，-平移裝置3，-記錄或成像裝置4，-激勵機(jī)構(gòu)5，用于錯位干涉測量或可能用于條紋投影測量(見下面)，-計(jì)算子系統(tǒng)6，-電源7，及-外殼(未表不)。在本發(fā)明的框架中使用相干或準(zhǔn)相干光有雙重益處。首先，它允許通過干涉法產(chǎn)生正弦條紋圖案(即，沒有諧波)。第二，由于通過攝影機(jī)關(guān)聯(lián)干擾濾光鏡的讀數(shù)，它向條紋提供關(guān)于環(huán)境光的最大對比度，該攝影機(jī)關(guān)聯(lián)干擾濾光鏡具有適應(yīng)條紋產(chǎn)生源波長(例如，頻率加倍的NdYAG的λ =532nm)的帶通。這種濾光鏡的使用(Λ λ:幾個nm)也容許某些程度上避免通過反射和/或不希望鏡面影響的圖像干擾。攝影機(jī)關(guān)聯(lián)干擾濾光鏡的使用也干預(yù)錯位干涉，并且允許條紋的容易閱讀，即使在重要環(huán)境照明下也如此。在兩種配置中的干涉儀I干涉儀原理在圖1中詳細(xì)地描繪。干涉儀依次包括第一線性偏振器11 (或P1)、第一液晶相位可變延遲器12 (或LCVR1)、Savart板13、第二液晶相位可變延遲器14 (或LCVR2)、及第二線性偏振器15 (或P2)。如已經(jīng)提到的那樣，本發(fā)明的基本特征是，在“3D輪廓儀”模式中(見圖3)和在“錯位干涉”模式中(見圖4)交替地利用干涉儀塊I。液晶可變相位延遲器(或移相器)LCVR通常用作透射元件，該透射元件具有電氣可調(diào)諧光學(xué)相位延遲。最后注意，術(shù)語模式和配置在下面無差異地使用，以指示兩種類型的測量。因而讓我們考慮兩種可能性。在錯位干涉模式中(圖4)，第一線性偏振器11 (Pl)確保激光束的線性偏振，并且然后允許通過干涉儀的偏振狀態(tài)傳播的可靠分析。為了具有獨(dú)立于Savart板取向的光束照射，第一液晶相位可變延遲器12 (LCVRl)設(shè)置為λ/4延遲板，引入在Savart板13前面，及按這樣一種方式轉(zhuǎn)動，從而其快和慢軸相對于由Pl定義的偏振方向在45°處。在這種配置中，光束在穿過Savart板13之前，是圓偏振的(見圖1Β)。進(jìn)入Savart板的光束的圓偏振狀態(tài)容許通過干涉儀的雙向穿過(Savart板和關(guān)聯(lián)LCVR作為延遲板)。
第二液晶相位可變延遲器14 (LCVR2)允許進(jìn)行臨時相移。這種調(diào)制器的快和慢軸設(shè)置成，與相應(yīng)折射光束的線性偏振方向相平行。LCVR2保留由Savart板13折射的光束的線性偏振狀態(tài)，并且在兩個光束之間引入已知相移。第二線性偏振器15 (P2)因而允許在兩個折射光束之間的干涉。P2定向在兩個出射光束偏振的45°處，所以由偏振器選擇相同量的光。Savart板13、LCVR2 14、及P2 15被粘結(jié)，并且可在塊中繞光軸轉(zhuǎn)動。因而可挑選錯位方向，并所以挑選創(chuàng)建的條紋的取向，這對于定量錯位干涉是關(guān)注的，并且也定義干涉儀的靈敏度。在“條紋投影”中，干涉儀塊I關(guān)于光的傳播被簡單地反轉(zhuǎn)。第二線性偏振器15(或P2)確保激光束的線性偏振，并且然后允許通過干涉儀的偏振狀態(tài)傳播的可靠分析。為了具有獨(dú)立于Savart板13的取向的光束照射，第二液晶相位可變延遲器14 (或LCVR2)設(shè)置為λ /4延遲板，引入在Savart板13前面，及按這樣一種方式轉(zhuǎn)動，從而其快和慢軸相對于由Ρ2定義的偏振方向在45°處。在這種配置中，光束在穿過Savart板13之前是圓偏振的。第一液晶相位可變延遲器12 (或LCVR1)允許進(jìn)行臨時相移。這種調(diào)制器的快和慢軸設(shè)置成，與相應(yīng)折射光束的線性偏振方向相平行。LCVRl 12保留由Savart板13折射的光束的線性偏振狀態(tài)，并且在兩個光束之間引入已知相移。線性偏振器11 (Pl)因而允許在兩個折射光束之間的干涉。這個偏振器定向在兩個出射光束偏振的45°處，所以由偏振器選擇相同量的光。由于Savart板13、LCVR2、及P2被粘結(jié)(見上文)，并且可繞光軸轉(zhuǎn)動，所以可挑選錯位方向，并所以挑選條紋的取向。通過轉(zhuǎn)動Savart板，可驅(qū)動條紋間距離(見圖8)。平移裝置3“平移”裝置3確保干涉儀I在投影裝置2與成像裝置4之間的精確移動。應(yīng)該注意，干涉儀的真實(shí)運(yùn)動為了對準(zhǔn)目的，比“直線”平移復(fù)雜一點(diǎn):裝置包括軌道，該軌道在其端部之一處彎曲，具有某種“J”形狀(見圖2B)。然而，為了簡單起見，裝置3在圖中將表示為直軌道。因而，應(yīng)該理解，“平移”指的是，嚴(yán)格幾何平移與角a (alpha)的轉(zhuǎn)動的組合。在優(yōu)選實(shí)施例中，軌道包括300mm的直線部分，在其端部處具有曲線部分，該曲線部分與具有150mm的半徑的圓弧相對應(yīng)，并且關(guān)于圓心對著90°的角。用于本申請的有用曲線部分繞圓心具有角a (alpha)，該角α不超過45°，優(yōu)選地包括在5°與20°之間。干涉儀I連結(jié)在托架上，該托架借助于滾輪(例如成對安裝的四個滾輪)在軌道上滑動。當(dāng)干涉儀I在投影裝置2內(nèi)時，它允許在“條紋投影模式”中工作(圖3);當(dāng)它在成像或記錄裝置4中時，它允許在“錯位干涉模式”中工作(圖4)。投影裝置2包括激光源21 (或者激光器或者激光二極管)、光束擴(kuò)展器22、接受器24、及光束投影透鏡系統(tǒng)23，當(dāng)干涉儀I在條紋投影模式中使用時，該接受器24用來接收干涉儀I。成像裝置4包括雙透鏡系統(tǒng)41、42 (L1、L2)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)43、及接受器44，當(dāng)干涉儀I在錯位干涉模式中使用時，該接受器44用來接收干涉儀I。LI可被數(shù)值地和自動地調(diào)整，或者被平移，以便提高圖像質(zhì)量(或聚焦)。激勵機(jī)構(gòu)5用在錯位干涉配置中，以便刺激在研究中的物體，并且探測在這種物體內(nèi)的缺陷。然而應(yīng)該注意，條紋投影方法也允許測量在兩種狀態(tài)之間的變形。激勵機(jī)構(gòu)5 (例如，熱刺激)因而可由條紋投影方法用在某些用途中(例如，對于輥的缺陷探測)。
外殼(未表示)包括至少一個殼體，該至少一個殼體具有透明窗口，以容許測試物體的激光照明和其圖像的形成。計(jì)算子系統(tǒng)6包括編程計(jì)算機(jī)，該編程計(jì)算機(jī)通過適當(dāng)模數(shù)(ADC)和數(shù)模(DAC)轉(zhuǎn)換器，連接到以上在這里描述的部件上。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)物體分別在變形和不變形狀態(tài)下時，計(jì)算機(jī)驅(qū)動四步驟算法，該四步驟算法捕獲和存儲在相位的四個不同值處測試物體的圖像(例如，通過改變條紋的節(jié)距)。存儲圖像的比較，與平滑算法的應(yīng)用耦合，產(chǎn)生可在視頻顯示器上觀看的圖案(見圖7)。有利地，在通過條紋投影/波紋方法的3D畫輪廓的情況下，成像物體的織構(gòu)為了真實(shí)性，可添加到畫面上。根據(jù)本發(fā)明，同一“可反轉(zhuǎn)”物理干涉儀I分別用在條紋投影模式和錯位干涉模式中。為了從一種配置移動到另一種配置，干涉儀I由于平移裝置3，僅僅必須從接受器24(在投影裝置2中)移動到接受器44 (在記錄或成像裝置4中)，并且反之亦然。在兩種操作模式之間的差別是，在干涉儀中的光路的方向反轉(zhuǎn)。本發(fā)明的基本特征是，提供一種雙路儀器，該雙向儀器是可反轉(zhuǎn)的和對稱的(繞Savart板，該Savart板是中心)，因?yàn)楦缮鎯x從一種測量配置移動到另一種測量配置的某些位移可能對于儀器的機(jī)械和光學(xué)設(shè)置不利，特別是對于光軸的對中。在這方面，干涉儀的對稱配置允許避免后者的任何有害180°轉(zhuǎn)動，因?yàn)闉榱烁淖儨y量模式，需要簡單的“平移”。結(jié)果本發(fā)明的測量和探測技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于輥的聚氨基甲酸酯涂層的質(zhì)量控制，這些輥在鋼鐵工業(yè)中在噴漆生產(chǎn)線中使用。第一目的是探測位于4-5_深度處的近表面缺陷。這些缺陷具有雜質(zhì)或氣泡的形式。另一個目的是按給定精度掃描涂層輥的表面形狀。這種質(zhì)量控制可有利地在煉鋼廠處進(jìn)行，但也可在轉(zhuǎn)包廠處進(jìn)行，如進(jìn)行輥襯里或輥加工/校正的那些轉(zhuǎn)包廠。圖5和圖6示出使用本發(fā)明設(shè)備的以下結(jié)果:錯位干渉樽式(圖5)(a)輥的視圖，呈現(xiàn)在輥表面下隱藏的缺陷(方框區(qū)域)；熱激勵裝置在左側(cè)是可見的；( b )由錯位機(jī)構(gòu)生成的缺陷區(qū)的復(fù)制圖像；(c)由錯位干涉得到的隱藏缺陷的最終3D圖像。3D輪廓儀(圖6)(a)使用正弦條紋的圖案照射的輥端部的四個依次圖像，這些正弦條紋依次移動空間周期Λ的四分之一(從左到右)；(b)輥端部的3D圖像，在處理之后重新建立。
權(quán)利要求
1.一種便攜工業(yè)儀器，該便攜工業(yè)儀器用來按集成和雙路方式，對待測試的物體進(jìn)行干涉條紋投影和錯位干涉，該便攜工業(yè)儀器包括: -雙路干涉儀(I)，包括產(chǎn)生雙向圓偏振光束的裝置； -相干或準(zhǔn)相干光投影裝置(2)； -記錄或成像裝置(4)； -第一位置(24)和第二位置(44),在該第一位置(24)處,所述雙路干涉儀(I)定位成在功能上與相干或準(zhǔn)相干光投影裝置(2)相關(guān)聯(lián)，在該第二位置(44)處，所述雙路干涉儀(I)定位成在功能上與記錄或成像裝置(4)相關(guān)聯(lián)，并且反之亦然； -計(jì)算裝置(6)，包括視頻和分析顯示器； -激勵裝置(5)，專用于錯位干涉或條紋投影測量； 從而，當(dāng)雙路干涉儀(I)在第一位置(24)處與相干或準(zhǔn)相干投影裝置(2 )相關(guān)聯(lián)時，儀器能夠通過干涉條紋投影測量物體的3D形狀，也稱作波紋法，并且當(dāng)雙路干涉儀(I)在第二位置(44)處與記錄或成像裝置(4)相關(guān)聯(lián)時，儀器能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行錯位干涉測量，當(dāng)從一種測量配置移動到另一種時，在干涉儀(I)中的橫向光束的方向反轉(zhuǎn)，相干或準(zhǔn)相干光的方向在兩種操作模式中反轉(zhuǎn)，所述儀器的特征在于: -雙路干涉儀(I)是可反轉(zhuǎn)的，并且關(guān)于Savart板對稱,該Savart板是中心,并且 -平移裝置(3 )包括軌道，該平移裝置(3 )用來精確地將所述雙路干涉儀(I)從所述第一位置(24)移動到所述第二位置(44)，并且反之亦然，該軌道在其端部之一處彎曲，具有“ J”形狀，從而干涉儀的精確移動與嚴(yán)格幾何平移與角度轉(zhuǎn)動的組合相對應(yīng)，該角度不超過45。。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜工業(yè)儀器，其特征在于，雙路干涉儀(I)依次包括如下部件:第一線性偏振器或Pl (11)、第一校準(zhǔn)液晶相位可變延遲器或LCVRl (12)、Savart板(13)、第二校準(zhǔn)液晶相位可變延遲器或LCVR2 (14)、及第二線性偏振器或P2 (15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜工業(yè)儀器，其特征在于，Pl(11)和LCVRl (12),Savart板(13)、LCVR2 (14)和P2 (15)分別粘結(jié)，并且按塊可繞光軸轉(zhuǎn)動，兩個塊是獨(dú)立的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜工業(yè)儀器，其特征在于，在錯位干涉模式中，干涉儀(I)在所述第二位置(44)處與記錄或成像裝置(4)相關(guān)聯(lián)，依次地，Pl (11)確保由物體反射的進(jìn)入相干或準(zhǔn)相干光束的線性偏振，LCVRl (12)設(shè)置為λ /4延遲板、引入在Savart板(13)前面、及轉(zhuǎn)動使其快和慢軸相對于由Pl定義的偏振方向設(shè)置在45°處，從而以由此使進(jìn)入光束圓偏振，Savart板(13)將進(jìn)入圓偏振光束折射成平行尋常和非常光束，LCVR2 (14)使其快和慢軸設(shè)置成由Savart板折射的非常和尋常光束的偏振方向與LCVR2的快和慢軸相平行，及在兩個光束之間引入已知相移，Ρ2 (15)定向在出射光束偏振的45°處并允許在兩個光束之間的干涉。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜工業(yè)儀器，其特征在于，在條紋投影模式中，干涉儀(I)在所述第一位置(24)處與相干或準(zhǔn)相干光投影裝置(2)相關(guān)聯(lián)，考慮到橫向光束的方向，干涉儀(I)的部件的順序關(guān) 于錯位干涉模式被反轉(zhuǎn)，依次地，Ρ2 (15)確保來自相干或準(zhǔn)相干光投影裝置(2)的入射相干光束的線性偏振，LCVR2 (14)設(shè)置為λ/4延遲板、引入在Savart板(13)前面、及轉(zhuǎn)動使其快和慢軸相對于由Ρ2定義的偏振方向設(shè)置在45°處，從而以由此使進(jìn)入光束圓偏振，Savart板(13)將進(jìn)入圓偏振光束折射成平行尋常和非常光束，LCVRl (12)使其快和慢軸設(shè)置成由Savart板折射的非常和尋常光束的偏振方向與LCVRl的快和慢軸相平行，并且在兩個光束之間引入已知相移，Pl (11)定向在出射光束偏振的45°處并允許在兩個光束之間的干涉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜工業(yè)儀器，其特征在于，相干或準(zhǔn)相干光投影裝置(2)包括至少一個低相干激光光源(21)、光束擴(kuò)展器(22)、光束投影透鏡系統(tǒng)(23)、及接受器(24)，該接受器(24)用來接收雙路干涉儀(1)，當(dāng)在條紋投影模式中使用儀器時，布置在光束擴(kuò)展器(22)與投影透鏡系統(tǒng)(23)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜工業(yè)儀器，其特征在于，成像裝置(4)包括雙透鏡系統(tǒng)L1、L2 (41、42)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)(43)、及接受器(44)，該接受器(44)用來接收雙路干涉儀，當(dāng)在錯位干涉模式中使用儀器時，布置在LI (41)和L2 (42)之間，LI是可調(diào)整的或可平移的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜工業(yè)儀器，其特征在于，它包括外殼，該外殼包括殼體，該殼體具有透明窗口，以分別容許測試物體的照明和其圖像的形成。
9.一種使用根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的便攜、集成及雙路工業(yè)儀器，通過干涉條紋投影來測量測試中的物體的三維(3D)形狀、和通過相位步進(jìn)錯位干涉法來探測所述物體的表面下缺陷的方法，該方法在條紋投影模式中包括如下依次步驟: -將入射光束提供到在相干或準(zhǔn)相干光投影裝置(2 )中容納的雙路干涉儀(I)上，從而將在相干光投影裝置(2)的輸出處的干涉條紋圖案投影到測試中的物體上； -將所述干涉條紋圖案反射在物體的表面上； -記錄和/或 觀看所述表面的圖像，該圖像包括所述條紋圖案； -計(jì)算所述表面的3D形狀；并且，在錯位干涉模式中包括如下依次步驟: -將入射光束提供到物體上； -將所述入射光束反射在所述物體表面上； -將反射光束提供到在記錄或成像裝置(4)中容納的雙路干涉儀(I)上，從而創(chuàng)建錯位光束的干涉圖案； -當(dāng)物體在不變形狀態(tài)中時，記錄錯位光束的所述干涉圖案的圖像； -通過使用激勵機(jī)構(gòu)，當(dāng)物體在變形狀態(tài)下時，重復(fù)最后步驟； -分析錯位光束的兩個干涉圖案，并且識別表面下缺陷。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在錯位干涉模式中在記錄錯位光束的所述干涉圖案的圖像的兩個步驟中，當(dāng)物體分別在變形和不變形狀態(tài)中時，使用四步驟或更少步驟算法，該算法捕獲和存儲測試物體的圖像。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在分析錯位光束的兩個干涉圖案的步驟中，進(jìn)行如下步驟: -比較存儲的圖像； -應(yīng)用平滑算法； -在視頻顯示器上觀看生成圖案。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，探測的表面下缺陷位于0-25mm的范圍中。
全文摘要
本發(fā)明涉及與3D輪廓術(shù)組合的相位步進(jìn)錯位干涉法的低相干干涉系統(tǒng)，提供了一種便攜工業(yè)儀器，該便攜工業(yè)儀器用來按集成和雙路方式，對待測試的物體進(jìn)行干涉條紋投影和錯位干涉，從而，當(dāng)雙路干涉儀(1)與相干或準(zhǔn)相干投影裝置(2)相關(guān)聯(lián)時，儀器能夠通過干涉條紋投影，測量物體的3D形狀，也稱作波紋法，并且當(dāng)雙路干涉儀(1)與記錄或成像裝置(4)相關(guān)聯(lián)時，儀器能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行錯位干涉測量，當(dāng)從一種測量配置移動到另一種時，在干涉儀(1)中的橫向光束的方向反轉(zhuǎn)。
文檔編號G01N21/88GK103148778SQ20121051705
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者P·布雷恩, Y·瑞諾特, S·哈布雷肯, P·瓦魯克斯 申請人:考克利爾維修工程, 列日大學(xué)