[发明专利]与3D轮廓术组合的相位步进错位干涉法的低相干干涉系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种借助于干涉条纹投影法或波纹法测量物体的三维形状（或3D形状）、和借助于错位干涉法（shearography）（特别是相位步进错位干涉法）探测在物体内的结构缺陷的方法。 

本发明也涉及一种用来实现该方法的设备。 

背景技术

条纹投影法（或波纹法） 

在最近几年已经开发了多种非接触式光学测量方法，并且应用在多个工业和研究领域中。一些装置例如利用偏振状态分裂技术来产生和移动多个正弦杨氏干涉图案，这些多个正弦杨氏干涉图案投影在扫描表面上。 

它们通常用来从纳米至千米尺度抽取表面的范围数据。在用来测量通常大小物体的形状、表面轮廓及位移的最常用手段中包括投影条纹技术。它们允许可靠、精确及快速的全场获取。此外，它们得益于为干涉系统开发的良好建立过程，如相移和相位展开算法。 

按典型方式，将一个或多个结构化光图案投影在待分析的表面上。它们的通常特征在于按这样一种方式的周期性强度变化，从而可将具体相位与物体的每个照明点相关联。通过用CCD或CMOS摄影机记录场景，可能的是，由于第一校准步骤，将图像点的相位分布与非失真栅格的线性增长相位相比较。这种相位差包含基于三角公式对于表面高度变化计算要求的信息。 

用于良好投影图案的有利特征是完美的正弦照射函数、非常高的对比度、高强度照射及巨大景深。当环境光不能关闭时，比如在室外 现场条件下，对比度问题特别关键。 

在干涉条纹投影系统中，杨氏干涉图案是理论完美正弦波，该理论完美正弦波可具有非常高的对比度。另外，干涉条纹是非定域的，这意味着，无论投影距离如何，照射函数和对比度都保持不变，所以没有景深问题。它形成用于基于波纹的技术装置的理想基础。单色激光的使用也是用来从环境光滤除相关信号的有益手段。 

然而，动态移动或定标干涉投影图案常常要求精确和复杂的机电或光电系统，这些机电或光电系统的重复性和可靠性不被保证。内部振动也是牺牲条纹稳定性的麻烦的可能原因。在要求设置的主要品质中包括简单性、可靠性、对于振动的不敏感性、及低成本。 

在适于测量物体的3D形状的结构化光投影方法（或3D激光轮廓法）方面的技术概况在WO 2005/049840中给出。 

错位干涉法

另一方面，本发明也涉及散斑错位干涉法或错位干涉法的领域，并且在无损检测中是一种有价值的技术。相位步进错位干涉法的概况在US 6,717,681B1中给出。 

错位干涉显示产生图像的形成，该图像由同一物体的两个横向移位图像组成。错位干涉法是全场光学散斑干涉过程，该全场光学散斑干涉过程能够测量由刺激源，如真空或压力、微波、热、振动、超声波激励、等等，引起的表面的小变形。 

在电子错位干涉系统的基本设置中，相干激光散开以均匀地照射物体表面的一部分，从表面反射，通过光学错位装置，及进入CCD投影机。然后人们通过上述机构之一，像例如加热，使表面变形。表面因此轻微地膨胀，并且表面变形的效果可在视频监视器上以图像的形式观看，或者存储在计算机存储器中。物体从一种状态到另一种状态的这种变形在微米范围中。表面的变形可由表面下缺陷生成。 

对于组合错位干涉法和干涉条纹投影两者的研究

Shang等（Beam-splitting cube for fringe-projection,holographic,and shearographic interferometry，Applied Optics,Vol.40,No. 31(2001),pp.5615-5623）提出了用于条纹投影和错位干涉法的分束立方体。这种提出设置非常简单，并且需要光学元件非常良好的定位，并只给出定性结果。