CN102292629A - 光学测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种用于检测样品(310)中的缺陷的检测系统，所述检测系统包括照明组件(320，322)和检测组件(350，354)，所述照明组件具有红外光源(322)和照明光学器件(322)，所述照明光学器件用于将光束从所述光源引导到样品上或样品内的斑点(346)；所述检测组件具有检测器(354)和检测光学器件(350)，所述检测器用于检测来自样品上或样品内受照明的斑点的光线，所述检测光学器件用于将来自样品上或样品内受照明的斑点的光线引导到所述检测器(354)。所述系统可以用于测定样品如涡轮叶片上的热障层或牙科元件或其他医学元件中的缺陷。特别是，所述系统可以用于测定陶瓷样品中的缺陷。本发明进一步描述了一种用于检测样品中的缺陷的方法。

Description

光学测量方法及系统

技术领域

本发明涉及光学测量技术。

背景技术

由材料制造产品可能引入缺陷。例如，如果对材料进行加工，这可能引入裂纹，或者如果进行热处理，这可能引入因热梯度引起的应力开裂。有利的是，检查所制造的部件并排除具有缺陷的任何部件，因为这样的部件可能无法使用。不幸的是，对于一定的材料或部件构造，除了破坏所述部件之外，无法确定该部件是否具有任何缺陷。因此，需要一种无损检测方法。优选的是，所述方法可以作为工业处理的部分使用。

作为高韧度、高强度和生物相容性材料，氧化钇稳定的四方氧化锆多晶体(Tetragonal Zirconia Polycrystal，Y-TZP)具有很多医学用途，其中需要定制部件制造。目前的加工技术，包括机械研磨和激光器处理，可能引入开裂，导致强度下降。在制造或加工过程中引入的缺陷的确切形状、尺寸和分布的不确定性需要可靠的检测技术。

非常需要鉴定例如涡轮发动机元件上的陶瓷热障层中的缺陷。在该领域中，用于鉴定缺陷的无损方法包括压电分光术、红外热像图和使用中等波长红外照相机的反射成像，如J.I Eldridge在他们的文章′MonitoringDelamination Progression in Thermal Barrier coatings by Mid-InfraredReflectance Imaging′(在the International Journal of applied Ceramic Technology，3[2]94-104(2006)中公布)所述。如所述那样的中等波长红外线照相机成像仅提供任意缺陷的二维检查，但是不能给出与材料中发生缺陷的的深度有关的任何信息。另外，来自该技术的信息受限于照相机的分辨率，而且照相机是昂贵的。

发明内容

因此，本发明提供了一种用于检测材料中的缺陷的改善的检测系统和方法。

本发明的第一方面提供了一种用于检测样品中的缺陷的检测系统，所述检测系统包括：

照明组件，所述照明组件具有红外光源和照明光学器件，所述照明光学器件用于将光束从所述光源引导到样品上或样品内的斑点；和

检测组件，所述检测组件具有检测器和检测光学器件，所述检测器用于检测来自样品上或样品内受照明的斑点的光线，所述检测光学器件用于将来自样品上或样品内受照明的斑点的光线引导到所述检测器。

优选的是，所述检测系统进一步包括用于处理受检光线的处理器。所述检测系统可以是红外检测系统。特别是，所述检测系统可以是中红外检测系统。

所述检测系统可以设置在壳体内；所述壳体可以附接到例如坐标定位装置上和/或铰接头上。

优选的是，所述样品包括陶瓷材料。特别是，所述样品可以包含氧化锆。所述红外光源可以使中等波长红外光源。所述红外光源可以具有3μm至10μm的波长。优选的是，所述红外光源可以具有3μm至7μm的波长。更优选的是，所述红外光源可以具有3μm至5μm的波长。可替代的是或者另外是，所述检测器可以是用于检测中红外光的检测器。特别是，所述检测器可以是仅用于检测中红外光的检测器。

所述红外光源可以是空间延长光源。所述红外光源可以是时间非相干。所述红外光源可以是宽带宽光源。

空间延长光源可以是被所述检测器接收的光线斑点的尺寸的至少2倍。空间延长光源可以是被所述检测器接收的光线斑点的尺寸的约10倍。空间延长光源可以是大于被所述检测器接收的光线斑点的尺寸的10倍。优选的是，所述光源选择成焦点处的照度充分最大化，并且散斑对比度充分最小化。

宽带宽的光源可以使照度充分最大化并且使散斑对比度充分最小化。

用于将来自所述光源的光束引导到样品上或样品内的斑点的所述照明光学器件包括一个或更多个镜头。所述照明光学器件可以包括一个或更多个镜子。所述照明光学器件可以例如包括光圈(aperture)如针孔；所述光圈可以提供共焦照明斑点。

将光束从所述光源引导到样品上或样品内的斑点可以包括将所述光束聚焦到所述斑点。所述样品上或样品内的所述斑点可以是所述照明组件的焦点。所述照明组件可以包括用于将光束从所述光源引导到样品上或样品内的焦点的照明光学器件。

所述照明组件可以布置成使在照明点(即样品上的受照明的斑点)的所选波长的照度最大化。所述照明部件可以布置成使在所述检测器处的散斑对比度最小化。

检测来自样品上或样品内受照明的斑点可以包括检测来自所述检测器的焦点的光线。用于将来自样品上或样品内受照明的斑点的光线引导到所述检测器的所述检测光学器件可以是用于将来自所述检测器的焦点的光线引导到所述检测器的检测光学器件。

用于将来自样品上或样品内受照明的斑点的光线引导到检测器的所述检测光学器件包括用于产生共焦光束的光学器件。所述光学器件可以包括例如光圈。在所述检测光学器件产生共焦光束时，被所述检测器接收的所述光线斑点可以是共焦光光线斑点。所述检测光学器件可以包括一个或更多个镜头。所述检测光学器件可以包括一个或更多个镜子。

所述检测器可以包括单个红外传感器。可替代的是，所述检测器可以包括多个红外传感器。来自所述多个传感器的输出可以加在一起得到总输出。

所述检测组件可以布置成检测透射通过样品的光线。可替代的是或者另外是，所述检测组件可以布置成检测被样品反射或反向散射的光线。

所述检测组件可以具有照明光轴。所述检测组件可以具有检测光轴。术语“光轴”在本领域中是熟知的。所述照明光轴和所述检测光轴的平分线是以最小的角度等分所述照明光轴和所述检测光轴的矢量。

在所述检测器布置成检测被样品反射或反向散射的光线的情况下，优选所述照明光轴和所述检测光轴的平分线基本不平行于待检样品的表面的法线。

所述检测系统和照明系统可以相对移动。在该情况中，用于将来自所述光源的光束引导到样品上或样品内的斑点上的照明光学器件可以布置成使样品上或样品内的斑点保持与被所述检测器检测到的光线大体对齐(align)。被所述检测器检测到的所述光线可以是斑点；所述斑点可以是共焦斑点。因此，所述照明组件的照明焦点可以被保持与所述红外检测器系统的所述共焦斑点大体对齐。

所述斑点可以是相对于样品而言为小的照明区域。所述斑点可以是所述照明组件的焦点。所述斑点可以是圆形、方形或任意其他形状。在所述样品上可以有多个亚斑点；所述多个亚斑点可以各自为单个检测器或分开的检测器所检测。可以有多个受照明的斑点。各斑点或亚斑点可以通过单个照明源或多个照明源产生。

所述检测系统可以包括样品保持器。所述检测系统的所述样品保持器和照明组件可以相对移动。所述检测系统的所述样品保持器和检测组件可以相对移动。所述样品保持器可以相对于所述所述检测系统的所述照明组件和检测组件移动。所述样品保持器可以以一个、两个或三个线性自由度移动。所述样品保持器可以旋转。例如，所述样品保持器可以倾斜。

用于处理受检光线的处理器可以包括信号放大器。所述信号放大器可以位于所述检测系统壳体内。用于处理受检光线的处理器可以包括数字化电子器件。所述数字化电子器件可以位于所述检测系统壳体内。

用于处理受检光线的所述处理器可以包括计算机处理器。所述计算机处理器可以位于用于定位装置的控制器内，所述检测系统可以安装在所述定位装置上。然而，本领域技术人员应当理解的是，所述处理器的元件可以位于其它位置。

所述检测系统可以安装到定位装置上。例如，所述定位装置可以是坐标定位装置如机床、定位机器人或坐标测量机。所述定位装置可以具有一个、两个或优选为三个线性自由度。所述定位装置可以具有其它的自由度，例如至少一个旋转自由度。所述定位装置可以具有例如两个或三个旋转自由度。

所述检测系统可以安装在铰接头上。所述检测系统可以安装在铰接头上，该铰接头可以安装到定位装置上。所述铰接头可以例如是机动的或手动的。所述铰接头可以是分度头或连续旋转头。所述铰接头可以具有至少一个旋转自由度。优选的是，所述铰接头具有至少两个旋转自由度。所述铰接头可以具有多个旋转自由度。

本发明的第二方面提供了一种用于检测样品中的缺陷的方法，所述方法包括如下步骤：

将来自红外光源的光束引导到样品上或样品内的斑点上；

检测来自所述样品内或样品上受照明的斑点的光线，和

分析来自所述样品的光线以鉴定任意缺陷。

优选的是，所述方法采用前文所述的检测系统进行。将来自红外光源的光束引导到样品上或样品内的斑点上的步骤以及检测来自所述样品内或样品上受照明的斑点的光线的步骤可以通过安装在坐标定位装置上的检测系统进行。检测来自所述样品内或样品上受照明的斑点的光线的步骤可以通过具有焦点的检测器进行。

所述方法可以另外包括如下步骤：

遍及或通过所述样品扫描所述检测器的焦点；和

在遍及或通过所述样品扫描所述检测器的焦点的同时检测来自所述样品的光线。

所述方法还可以包括如下步骤：

遍及或通过所述样品移动所述受照明的斑点。

所述检测系统的焦点可以与所述受照明的斑点同步地遍及或通过所述样品移动。

在所述样品或所述样品保持器相对于所述照明组件、或检测组件、或者相对于所述照明组件和检测组件相对移动的情况下，所述方法可以另外包括扫描所述样品的步骤。扫描所述样品可以包括相对移动所述光线的斑点和所述样品。相对移动所述光线的斑点和所述样品可以包括相对移动所述样品和从红外光源被引导到样品上或样品内的斑点的所述光束。相对移动从红外光源被引导到样品上或样品内的斑点的所述光束可以包括移动所述光源或照明光学器件，或者包括移动所述光源和照明光学器件。

可以设置X、X，Y或X，Y，Z运动工作台(motion stage)(在所述运动工作台上可以放置样品、所述检测组件和/或照明组件)，以实现所述相对移动。可以设置具有其它自由度如旋转自由度的运动工作台。有利的是，所述运动工作台具有三个平移自由度和两个旋转自由度；然而，根据用途，其它自由度可能也是有利的。所述样品和所述检测系统之间的相对移动可以通过在定位机如坐标定位机上安装所述检测系统来实现。特别是，所述样品和所述检测系统之间的相对移动可以通过将所述检测系统安装在铰接头上来实现，所述铰接头又安装在坐标定位机上。所述样品例如可以安装在坐标定位机的床体上。

所述方法可以包括收集来自所述样品上或样品内多个受照明的斑点的数据。在扫描过程中从各个在样品上或样品内受照明的斑点检测到的数据可以累积。采用这种方法，可以建立被样品部分透射、反射、散射或吸收的光线的量的地图。

例如，可以通过进行一维样品扫描获得线性数据(line data)。可以通过进行二维扫描获得平面数据(plane data)。可以通过进行三维样品扫描获得体数据(volume data)；在该情况中，所述光线斑点可以移动通过样品体。

所述方法可以包括校准步骤。所述校准步骤可以包括确定从所述样品上或样品内受照明的斑点检测到的光线的位置与所述坐标定位装置的坐标系之间的关系。从所述样品上或样品内受照明的斑点检测到的光线可以是从所述检测器的焦点检测到的光线。

所述方法可以进一步包括如下步骤：使用第一检查系统检查所述样品以从所述样品获得数据。

使用第一检查系统检查所述样品以从所述样品获得数据的步骤可以通过安装在坐标定位装置上的所述第一检查系统进行。

所述方法可以进一步包括确定从所述样品上或样品内受照明的斑点检测到的光线的位置与采用所述第一检查系统从所述样品获得的所述数据之间的关系的校准步骤。

从所述样品上或样品内受照明的斑点检测到的光线的位置是所述样品上所述检测器检测到的光线的位置，换言之，即是所述检测系统的所述焦点。

确定从所述样品上或样品内受照明的斑点检测到的光线的位置与采用所述第一检查系统从所述样品获得的所述数据之间的关系的所述校准步骤可以包括如下步骤：

使用所述第一检查系统测定校准矫作物的第一点的位置；

使用所述检测系统测定所述校准矫作物的所述第一点的位置；和

确定所述第一点的所述位置之间的偏差。

可以提供校准矫作物。所述校准矫作物可以是例如基准球体。其中校准矫作物是已知的并适用于所述检测系统；所述校准矫作物的一个实例是立方体的角部。所述校准矫作物可以包括氧化锆。所述矫作物可以具有可以被本发明的所述第一检查系统(例如接触触发式探头、扫描探头或表面光洁度探头)和所述检测系统所测量的已知形式。所述校准矫作物具有由本发明的所述第一检查系统和所述检测系统三维定位的几何学特征。所述第一检查系统和所述检测系统可以具有相同的参考坐标系。所述校准矫作物可以安装在坐标定位装置的床体上。

优选的是，所述检测系统是本发明的所述检测系统。在所述校准矫作物是球体时，所述校准矫作物的所述第一点可以是所述球体的中心。在所述校准矫作物是立方体时，所述第一点可以是所述立方体的第一角部。

所述方法可以进一步包括将在所述校准步骤中测定的偏差应用于通过所述检测系统获得的数据。

本发明还包括计算机程序代码，所述计算机程序代码包括在被例如计算机或控制器内的处理设备执行时导致所述处理设备进行前文所述的方法的指令。另外，本发明还提供携带有计算机程序代码的计算机可读介质，所述计算机程序代码包括在被例如计算机或控制器内的处理设备执行时导致所述处理设备进行前文所述的方法的指令。

在又一个实施方式中，本发明提供了一种处理设备，所述处理设备包括：

处理器；和

存储器，其中，至少一个所述处理器和所述存储器适合进行前文所述的方法。

处理设备可以定位于临时性或永久性地附接到所述检测系统上的计算机或控制器中。所述计算机可以是孤立单元、与检测系统一体化、或者连接到检测设备上。

本发明还描述了一种用于检测样品中的缺陷的方法，所述方法包括如下步骤：

将来自红外光源的光线引导到样品上；

检测来自所述样品的光线，和

分析来自所述样品的所述光线以鉴定任意缺陷。

本发明进一步描述了一种用于检测材料中的缺陷的检测系统。优选的是，所述材料是陶瓷，特别是氧化锆。

所述检测系统可以包括：

红外光源；

用于将来自所述光源的光线引导到样品上的发射光学器件；

用于将来自样品的光线引导到检测器上的检测光学器件；

用于检测来自样品的光线的检测器；和

用于处理检测到的光线的处理器。

就吸收和散射而言，陶瓷材料具有独特的光学性质，这使得难以研发出快速和强力的光学测量技术。对于这些半透明的陶瓷，可见光的散射特别成问题。中红外线(MIR)测量技术是利用光学透射通过样品、被样品发射或被样品吸收的成像方法，这样的透射、反射和吸收由于在这些波长散射减少而成为可能。来自宽带红外光源的光线照明样品，通过红外传感器观察样品。当观察通过样品的光学透射时，图片中出现的暗区指示在基体材料中存在特征(feature)如裂纹或其他缺陷。

陶瓷的光学检查可能受到在这些半透明材料中发生的大量散射所妨碍。这可以通过使用具有与结构中晶体的尺寸类似的波长的光线来克服。在牙科氧化锆和热障层的情况中，所述波长为1μm至10μm量级。氧化锆的光学透射特性是在该范围内的较长波长被吸收，并且较短波长散射到更大的范围。因此，存在约3μm至5μm的光线被透射的光学“窗口”，并允许检查埋在表面下数微米的特征。可以使用约3μm至7μm的波长；然后优选3μm至5μm的范围，这是因为已发现这对于这种材料会产生最佳效果。

在一个实例中，将以微米级波长红外光处操作的扫描共焦显微镜布置方案应用于透射或发射。将来自于红外光源的光束引导到样品上，并且照相机或其他传感器接收所得光束，然后分析该光束。

附图说明

现在将通过参考附图以举例方式描述本发明，其中：

图1显示了透射式红外照相机成像系统；

图2显示了透射式红外斑点检测系统的实例；

图3显示了由氧化锆样品拍得的MIR图片和随后的ESEM图片；

图4显示了反射式检测系统的实例；

图5显示了离轴反射式检测系统的实例；

图6显示了安装在铰接头上的红外成像系统的实例，所述铰接头又安装在坐标定位装置上；和

图7显示了图6所示的所述红外成像系统和铰接头的全貌图。

具体实施方式

图1显示了透射式红外成像系统。样品10通过红外光源20(例如白炽灯)展示，并且通过红外敏感式照相机30测定通过所述样品10的辐射光28。

来自红外光源20的光线通过准直光学器件22以产生准直光束24，所述准直光束24入射到受到检查的所述样品10上。通过所述样品10的辐射光28由红外照相机30接收。来自所述照相机的数据32使用例如图片处理软件34处理以产生所述样品的图片(如图3所示)。

所述样品的由所述透射式红外照相机成像系统获得的图片将提供与临近所述照相机30的焦平面的所述样品10的透射性质有关的信息。图1的所述红外照相机成像系统具有一些限制其使用领域的缺点，例如仅提供二维信息；所述信息受限于照相机的分辨率；和所述照相机是昂贵的。

图2显示了透射式红外检测系统，所述检测系统包括照明组件41和检测组件51，所述照明组件41具有光源40和用于将所述光源聚焦到斑点46上的第一聚焦光学器件48，所述检测组件具有聚焦镜头50、光圈52和红外敏感式检测器54。安装在运动工作台60上的样品110位于所述照明组件41和所述检测组件51之间。来自所述红外检测器54的数据通过数据线132传送到处理器134。

在如图2所示的检测系统中，不需要大面积的红外照明(如图1的装置中所使用的)。相反，使用第一聚焦光学器件48将来自光源40的光线聚焦到所述样品110上或样品110内的斑点46上；对于给定功率的光源，这通过提高斑点处的照度而提高所述光源的效率。使用聚焦镜头50、光圈52和单个红外敏感式检测器54来检测从所述样品110透射的光线。光圈52在检测器聚焦光学器件50的共轭点处并用以将光线阻挡在所述光学器件的焦平面外，即，其确保仅有来自一个深度的光线透射到检测器54，因此所述检测系统是共焦的。单个红外敏感式检测器54的使用比大量的红外传感器的使用便宜。

图2所示的光源40是白炽灯。这种光源带宽宽、空间延长并且时间非相干。样品的照明不是共焦的。所有这些因素使所述成像系统具有低的散斑对比度。

所述光源的使用对所述成像系统的设计提出了进一步的要求。首先，由于所述光源带宽宽，为了使共焦成像系统具有一致的焦距(因此聚焦到距离物镜一致距离的点上)，所述成像光学器件在组合光源和检测器布置方案的光学带宽上应当具有有效的消色差性。使用空间延长的光源增加了照明的最小焦斑的尺寸，因而降低了共焦成像系统聚焦的点的辐照度。也是由于这个焦点处的辐照度降低，时间非相干光源往往具有比时间相干光源(即激光光源)低的功率。因此重要的是，尽可能多的来自这种低强度光源的光线到达共焦系统的焦点，并且尽可能多的透射光能够到达所述检测器。因此具有良好的通过受到检测的陶瓷的透射性能的光线波长是有利的。

热障层、陶瓷医学植入物(例如牙体修复物、置换关节、合成骨植入物)和其它结构性陶瓷元件通常由氧化锆或类似的陶瓷构成。所述陶瓷需要3μm至8μm的中等波长红外区中的波长(Byrnes，James(2009).″UnexplodedOrdnance Detection and Mitigation.″Springer，pp.21-22.ISBN9781402092527)，优选的是3μm至5μm的波长。

图2中显示的照明组件41(40，48)和检测器51(50，52，54)组件(也称为发射器-检测器组件41，51)相互之间为固定的空间关系。通过所述样品110部分透射的光线的量的地图可以通过将所述样品110相对于通过所述检测器组件的焦点扫描所述部分的感兴趣的区域的发射器-检测器组件41，51移动来建立。相对于所述发射器-检测器组件41，51移动所述样品110的一种方法是设置X、X，Y、或X，Y，Z(如图所示)运动工作台60，该所述运动工作台60上放置所述样品110。可替代的是，所述发射器-检测器组件41，51可以相对于所述样品移动，或者所述发射器和所述检测器可以相互间相对移动。在所述发射器和所述检测器相对移动的情况下，发射器系统的照明焦点应该与红外检测系统的共焦斑点保持大体对齐。所述相对移动可以克服部件阴影并使照明和返回信号必须通过的材料最小化。

可以通过对透射响应进行空间过采样并用所述检测系统的点扩散函数对结果进行去卷积来改善所述系统的空间分辨率。这导致用于陶瓷检查的高分辨率、3D、无损检查系统。

来自图2所示的红外检测器54的数据通过数据线132传送到处理器134。有利的是，处理器134又将移动指令传送到上面安装有所述样品110的运动工作台60。这使得容易将来自传感器的数据处理成所述样品的图片，这是因为所述处理器具有与所述样品110的位置相关的坐标信息和与由所述红外检测器54接收的数据相关的坐标信息。

相对于图1所示的红外照相机系统，图2的所述组件明显没有那么昂贵并且更加灵敏。通过将所述样品110相对于所述发射器-检测器41，51移动不仅能够获得样品的2D透射响应，而且由于光圈将光线阻挡在焦平面之外，因此还能够回收深度信息。因而可以产生样品的3D地图。

所述系统中的光学器件的位置和光学器件的焦距是已知的，因此可以确定焦点的位置。另外，在共焦系统中，检测器接收的光线来自焦点所在的平面，这是因为所有其他的光线都被针孔所阻挡。因此，所述红外检测系统可以确定每一份信息来自于样品中的哪一点，并能够产生3D地图。

在图2的实施方式中可以使用的其他光源包括荧光灯和脉冲氙灯。所述灯提供低的散斑对比度。

在一个可替代的实施方式中，所述光源可以是例如激光器光源。激光器或其他光源可以光纤发射(fibre launched)。通过光线发射光，所述光源的空间范围由所述光纤的的芯直径限定。单模光纤光学器件具有小的芯直径，例如小于10微米；因此，光源的空间范围为小于10微米量级。

与白炽灯相比，例如激光和光纤发射光可以在样品中感兴趣的点提供高的照度。这样的光源可以在需要更深地穿透所述样品时使用。所述激光器光源或光纤发射光源可以是共焦的以实现对样品的更深穿透。然而，所述光源可能产生高的散斑对比度，这又在任意所得数据上叠加固定图案随机噪音(fixed pattern random noise)。所述固定图案随机噪音必须过滤；然而，滤波器的作用不能区分噪音和信号(例如微细裂纹或空隙)，因此还过滤与散斑噪音具有相同量级规模的特征。通过使用高对比度散斑产生光源会明显损害到分辨小特征的能力。

在图3中提供的样品包含激光器加工孔，在这些孔之间由于在激光处理期间出现的高热梯度而形成裂纹。这些裂纹200，202在MIR图片中是明显的。为了证实这些裂纹的存在，在切割所述样品后制作所述样品的ESEM图片，并且检测到的裂纹可分别在300和302处看到。

由于陶瓷的有利的光学性质(就MIR波长处的散射和吸收而言)，即使在6mm厚的材料中，在裂纹检测时缺陷以微米规模(单微米量级)出现的区域中，有足够的光透射和对比度变化。此前，只能够使用不适合于最终部件检查的破坏性技术(即切割)检测这些厚度的陶瓷中的缺陷。因此，这种中等波长红外线透射成像(MIR-TI)技术提供了一种用于检查厚的氧化锆材料部件的新型的、可靠的解决方案。

图4显示了反射式检测器系统。在该实例中，来自红外光源220的光线通过第一聚焦光学器件222到达光束分光片224。使用第二聚焦光学器件226将来自所述光束分光片的光线聚焦进入所述样品210上的斑点246中。来自样品210反射或反向散射的光线230反向通过所述第二聚焦光学器件226并通过所述光束分光片224、通过光圈252并到达红外传感器254。来自所述传感器254的数据在处理器234中进行处理。

如果如图4那样将样品安装在可移动工作台260上，则优选与这种移动有关的指令240通过所述处理器234送达所述工作台的马达(未示出)。

在如图4所示的发射式系统中，瑕疵会产生反向散射光，因此没有缺陷的材料在检测器给出暗响应，而瑕疵或缺陷给出光响应。实际上，发射式系统给出与透射式系统接收的图像相对的负像。

在一个可替代的反射式布置方案中，镜子放置在样品的后面，并适合于在评价涡轮叶片上的陶瓷涂层中使用。然而，在一些系统中，镜子可能扰乱所检测到的光线，检测器可以接收从镜子反射的光线和由材料中的缺陷反向散射的光线。在没有后面的镜子的情况下，可以采用参考图4和5描述的反射式系统检查热障层。

图5显示了离轴反射式红外检测系统的实例。在该实例中，来自红外光源320的光线通过第一聚焦光学器件322聚焦到样品310上或样品310内的斑点346上。来自所述样品310上或样品310内的斑点346的反射或反向散射的光线通过第二聚焦光学器件350、通过光圈352并到达红外传感器354.来自所述传感器354的数据在处理器334中处理。

在该实例中，样品310包括涡轮叶片312上的热障层311.所述样品310安装在可转动并且可倾斜的工作台360。所述工作台360可以在X轴、Y轴、Z轴和两个旋转轴上移动(如箭头a、b、c所示)。同样的，优选与这种移动相关的指令340通过处理器334传送到所述工作台的马达(未示出)。

所述工作台360是运动系统，该运动系统能够使所述样品310移动以确保受到检测的所述样品310的表面基本不垂直于照明系统和成像系统的光轴的平分线。这减少了镜面反射光400到达传感器354和遮掩从所述样品310上或样品310内的斑点346反射的光线的几率。

在所述样品310是复合体(complex)时，将所述样品310定位成受到检查的所述样品310的表面基本不垂直于照明系统和成像系统的光轴的平分线可以导致难以造成遮掩，并且同轴系统可以是优选的。如果所述反射式系统是“离轴”的，可以在该系统中设置偏振滤波器以消除来自表面的镜面反射光线400遮掩反向散射光线的可能性。然而，尽管所述滤波器可以避免镜面反射到达检测器的问题，但是有一半的信号被弃掉。在辐照度低时，在使散斑最小化的实施方式中，弃掉一半信号可能是不利的。

在同轴系统中，离轴系统的信号强度可以通过使同轴系统进行测量的速度减半来保持。可替代的是，可以使用较高数值光圈的成像系统，该成像系统有效地收集更多的反向散射光。这是昂贵的、笨重的并且获得受限，但是有利之处在于其可以进一步降低散斑对比度，并提高系统的深度分辨能力。在一个实用系统中，必须就以下方面达成妥协：是否需要同轴系统以及何种尺寸的数值光圈基于成本、速度、获得性和分辨率是适合的，这些因素根据用途进行正确衡量。

使用参考图2、4和5所述的共焦成像系统可以定位观察光学现象如散射、透射、反射和吸收的深度。为了产生与样品相关的数据，焦点必须扫描通过刚兴趣的部分(volume)。对于线性数据，一维扫描就足够了，对于平面数据，要求二维扫描，而对于立体数据，要求三维扫描。这种扫描除了要求测量复合物形式的部件上的保形涂层(例如高压涡轮叶片)外，可能是耗时的。因此，将成像系统安装在如参考图6描述的坐标定位机上可能是有利的。

图6显示了安装在铰接头510上的红外检查系统500的实例，所述铰接头510又安装在定位装置(在该情况中为坐标测量机520)上；图7显示了安装在铰接头510上的所述红外检查系统500的进视图。还显示了校准矫作物540。

所述坐标测量机520包括机床522和带有臂部526的可相对移动的支撑架524。所述坐标测量机的所述臂部526可以以如箭头528所示的三维线性轴X、Y和Z移动。铰接头510附接到所述坐标测量机520的所述臂部526上以一起移动。

所述铰接头510可以分别绕第一轴A和第二轴B旋转。所述铰接头510分别包括第一容纳部511和第二容纳部512。所述第一容纳部511适于附接到所述坐标测量机520的所述臂部526上，并容纳用于执行围绕第一轴A的第一杆(未示出)的角位移的第一马达(未示出)。与所述第一杆附接的是第二容纳部512，所述容纳部512容纳用于执行围绕第二轴B的第二杆(未示出)的角位移的第二马达(未示出)。红外检查系统500附接到所述第二杆以与所述第二杆一起旋转。在坐标测量机上使用的铰接头在Renishaw的编号为WO2006/114570的专利申请中有更充分的描述。

所述坐标定位机的线性轴允许所述红外检查系统500通过感兴趣的陶瓷体的斑点焦点进行扫描。通过利用铰接头增加旋转轴允许到达视线难以企及的体积部并能够避免所述红外检查系统的照明系统和成像系统的光轴不重合时的遮掩问题。旋转轴可以允许所述红外检查系统避免面向表面导致镜面发射反向进入所述红外检查系统的所述检测器中的姿态(即确保所述表面的法线没有与照明光轴和检测光轴的平分线平行)。

所述红外检查系统500是参考图4和5所描述的反射式红外检测系统。来自所述红外检查系统500的所述照明组件的光线被带到焦点502；当检查目标物时，所述焦点502将定位至所述目标物的基体材料的表面上或基体材料内的目标点。

所述红外检查系统500安装到铰接头510(在例如测量探头的位置)。在目标物上进行操作的过程中，所述红外检查系统500可以与不同类型的检查系统如扫描探头、接触触发式测量探头或表面光洁度探头切换。所述切换可以例如手动进行，或者通过如下方法进行：操作所述坐标测量机以将铰接头移动到存有其他检查系统的检查系统架上，并操作所述机构将所述红外检查系统500与保持在所述检查系统架中的另外检查系统进行切换。因此，使用所述红外检查系统500的成像操作可以在其他检查操作之前、之后或其他检查操作过程中进行。

将氧化锆基准球体540形式的校准矫作物安装在所述坐标测量机520的床体522上。可以使用氧化锆基准球体540进行校准处理以确定所述红外检查系统500的焦点502与所述坐标测量机520的坐标系之间的关系。

所述氧化锆基准球体540具有可以通过第一检查系统(如本文所述)和所述红外检查系统500测量的已知形式。所述基准球体540的中心位置通过第一检查系统然后通过所述红外检查系统(或反之亦然)进行定位；所述两个中心之间的偏差用来确定所述红外检查系统500的焦点502相对于所述第一检查系统的测量中心的位置。于是，这种偏差应用到任何所获得的数据，使得将通过安装在坐标定位装置上的其他检查系统确定的坐标几何学和其他数据与有关于通过所述红外检查系统500确定的所述陶瓷元件内的缺陷的数据关联。

除了氧化锆基准球体，可以使用任何其他基准矫作物，通过所述其他基准矫作物，可以使用第一检查系统和所述红外检查系统唯一地确立单个点。

当通过在相同坐标定位装置利用所述所述红外检查系统以外的其他系统进行样品检查时，与所述样品相关的几何学和/或其他数据需要在与所述红外成像系统数据相同的坐标系中。这允许进行复杂的处理，其中例如在相对于部分坐标系的已知位置的表面光洁度可以在应用热胀层之前就可以进行准确评价，并且可以在涂层处理之后，通过检查相同部分坐标系中的部件确定缺点或这种表面光洁度对热胀层生长的影响。这允许进行多得多的系统而准确的处理的形成和控制。在航空和医学领域的自动检查数据的校正也提供强力而自动的质量控制和记录保持容量(record keeping capability)，进一步限制人为误差的范围。这对于航空和医学认证机关核准是有利的。

尽管描述了坐标测量机，但是例如其他定位装置如机床或机器手等也可以使用。包括如前文所述的定位装置和铰接头的系统可以描述为定位机器人。特别是，包括坐标定位装置和铰接头的系统可以描述为坐标定位机器人。

所述铰接头可以例如是机动或者手动。所述铰接头可以是分度头或连续旋转头。

另外，所述红外检查系统500本身可以附接到用于一起移动的定位装置上，而不是附接到铰接头或者其他附接到定位装置上的中间设备上。

图1、2和4所示的样品是陶瓷牙科元件。牙科和很多其他领域中的陶瓷元件中的缺陷检查是必需的。牙科领域的无损检测限于“验蛋”(通过目标物发明亮的光线并查看阴影或瑕疵)、染料渗透和X-射线。除了染料渗透之外，所有其他方法具有低的分辨率并且只能鉴定最大的裂纹，而染料渗透不适用于陶瓷元件并且具有毒性问题。不能通过X-射线或验蛋鉴定的小裂纹对元件的机械完整性具有严重的不利影响。

因此，本发明可以提供一种使用中红外透射或反射技术，通过利用陶瓷材料尤其是氧化锆材料的无损检验进行的缺陷检测方法。本发明允许检查深埋在陶瓷部件内达数微米的小得多的瑕疵，包括比按照现有技术可以实现的限度的裂纹小得多的裂纹。

虽然实例和具体说明涉及氧化锆材料及其用途(特别是在牙科领域)，但是所述方法和检测系统可以用于其它陶瓷领域和不容许有缺陷或只容许有非常微小缺陷的领域。例如，如图5所示，红外检查系统可以用来测定热胀层。

如果使用不同的材料，则所使用的波长范围可以不同于在本说明书中给出的波长范围，但是，本领域技术人员应当能够通过分析目标材料的红外光谱来确定光学波长范围。

显示样品检查结果的一种容易的方法是使用图片；但是信息也可以以不同的例如表格的形式提供。

Claims (28)

1.一种用于检测样品中的缺陷的检测系统，所述检测系统包括：

照明组件，所述照明组件具有红外光源和照明光学器件，所述照明光学器件用于将光束从所述光源引导到样品上或样品内的斑点；和

检测组件，所述检测组件具有检测器和检测光学器件，所述检测器用于检测红外光，所述检测光学器件用于将来自样品上或样品内受照明的斑点的光线引导到所述检测器。

2.如权利要求1所述的检测系统，所述检测系统用于检测陶瓷材料中的缺陷。

3.如前述权利要求中任一项所述的检测系统，所述检测系统用于检测氧化锆中的缺陷。

4.如前述权利要求中任一项所述的检测系统，其中，所述红外光源是中等波长红外光源。

5.如权利要求4所述的检测系统，其中，所述红外光源具有3μm至7μm的波长。

6.如权利要求5所述的检测系统，其中，所述红外光源具有3μm至5μm的波长。

7.如前述权利要求中任一项所述的检测系统，其中，所述红外光源是空间延长的。

8.如前述权利要求中任一项所述的检测系统，其中，所述红外光源是时间非相干的。

9.如前述权利要求中任一项所述的检测系统，其中，所述光源是宽带宽光源。

10.如前述权利要求中任一项所述的检测系统，其中，用于将来自所述样品上或样品内受照明的斑点的光线引导到检测器的所述检测光学器件包括用于产生共焦光束的光圈。

11.如前述权利要求中任一项所述的检测系统，其中，所述检测组件布置成检测已经透射通过样品的光线。

12.如权利要求1至10中任一项所述的检测系统，其中，所述检测组件布置成检测由样品反射或反向散射的光线。

13.如权利要求12所述的检测系统，其中，所述照明组件具有照明光轴，并且所述检测组件具有检测光轴，并且其中所述照明光轴和所述检测光轴的平分线基本不平行于待检平面的法线。

14.如前述权利要求中任一项所述的检测系统，其中，所述检测系统安装在铰接头上。

15.如权利要求14所述的检测系统和铰接头，其中，所述铰接头安装在坐标定位机上。

16.如前述权利要求中任一项所述的检测系统，所述检测系统进一步包括样品保持器，其中，所述样品保持器相对于所述检测组件和所述照明组件是可移动的。

17.如前述权利要求中任一项所述的检测系统，所述检测系统进一步包括用于处理所检测到的光线的处理器。

18.一种用于检测样品中的缺陷的方法，所述方法包括如下步骤：

将来自红外光源的光束引导到样品上或样品内的斑点上；

检测来自所述样品内或样品上受照明的斑点的光线，和

分析来自所述样品的光线以鉴定任意缺陷。

19.如权利要求18所述的方法，其中，将来自红外光源的光束引导到样品上或样品内的斑点上的所述步骤和检测来自所述样品内或样品上受照明的斑点的光线的步骤通过安装在坐标定位装置上的检测系统进行。

20.如权利要求19所述的方法，其中，所述方法进一步包括确定从所述样品上或样品内受照明的斑点检测到的光线的位置与所述坐标定位装置的坐标系之间的关系的校准步骤。

21.如权利要求19至20中任一项所述的方法，所述方法进一步包括使用第一检查系统检查所述样品以获得来自于所述样品的数据的步骤。

22.如权利要求21所述的方法，其中，使用所述第一检查系统检查所述样品以获得来自于所述样品的数据的步骤通过所述第一检查系统进行，所述第一检查系统安装在所述坐标定位装置上。

23.如权利要求21和22中任一项所述的方法，所述方法进一步包括测定从所述样品上或样品内受照明的斑点检测到的光线的所述位置与采用所述第一检查系统从所述样品获得的所述数据之间的关系的校准步骤。

24.如权利要求23所述的方法，其中，所述校准步骤包括如下步骤：

使用所述第一检查系统测定校准矫作物的第一点的位置；

使用所述检测系统测定所述校准矫作物的所述第一点的位置；和

测定所述第一点的所述位置之间的偏差。

25.如权利要求18至24中任一项所述的方法，其中，通过具有焦点的检测器检测来自所述样品上或样品内受照明的斑点的光线，所述方法还包括如下步骤：

遍及或通过所述样品扫描所述检测器的所述焦点；和

在遍及或通过所述样品扫描所述检测器的所述焦点的同时检测来自所述样品的光线。

26.如权利要求25所述的方法，所述方法还包括如下步骤：遍及或通过所述样品移动所述受照明的斑点。

27.如权利要求26所述的方法，其中，所述检测器的所述焦点与所述受照明的斑点同步地遍及或通过所述样品移动。

28.如权利要求18至27中任一项所述的方法，所述方法包括如下步骤：

获得样品，其中所述样品为陶瓷。

Images