CN103148778A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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S·哈布雷肯
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Abstract

本发明涉及与3D轮廓术组合的相位步进错位干涉法的低相干干涉系统，提供了一种便携工业仪器，该便携工业仪器用来按集成和双路方式，对待测试的物体进行干涉条纹投影和错位干涉，从而，当双路干涉仪（1）与相干或准相干投影装置（2）相关联时，仪器能够通过干涉条纹投影，测量物体的3D形状，也称作波纹法，并且当双路干涉仪（1）与记录或成像装置（4）相关联时，仪器能够对物体进行错位干涉测量，当从一种测量配置移动到另一种时，在干涉仪（1）中的横向光束的方向反转。

Description

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
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。 
已经开发了一族基于偏振状态分裂技术和单色光投影的新的非接触式测量方法，作为对于现场测量克服环境光的方式（Moreau等，Interferometric fringes projection system for 3D profilometry andrelief investigation,Proc.SPIE vol.5857,pp.62-69,2005;WO2005/049840）。在这种普通路径动态条纹投影仪中，关键元件是分离偏振状态棱镜，该分离偏振状态棱镜在其斜边上涂有Bragg光栅。这种设置证明是高效的，并且适于多种用途，这些用途不同到考古勘测和试验室检查。尽管有这些良好结果，但这种装备不满足诸如可靠性和快速性之类的工业需要。 
为了排除这些缺陷，建造了新的在线干涉仪，该在线干涉仪仍然基于偏振状态分离。叫做Savart板的双折射元件，允许建造更灵活和可靠的干涉仪[Michel等，Nondestructive testing by digitalshearography using a Savart plate,Photonics North,SPIE,2009,Québec;Blain等，Utilisation d′une lame de Savart pour un systèm deprojection de franges interférométriques pour la mesure de forme 3D,CMOI 16-20 nov.2009,Reims,France;Renotte等,Optical metrologydevices based on an interferometer”,3D Stereo Media déc.2009,Liège;Blain等，Using a Savart plate in optical metrology>>,OpticalEngineering+Applications,SPIE,1-5
Figure BDA00002525665200031
2010,San DiegoCalifornia(Proceedings)]。 
Savart板已经选作新的错位（shearing）装置，因为它允许保留上述优点，即在线和几乎普通路径设置，和干涉仪的基本原理，即通过分离两个正交线性偏振状态而错位物体光束。在各种可用双折射元件中已经挑选Savart板，因为两个错位光束都与装置的光轴平行地传播。 
通过绕干涉仪光轴转动Savart板，将修改错位方向，并且这不 影响错位量，即干涉仪的灵敏度。由Savart板对上述涂层棱镜的替代也允许改进干涉仪的性能，因为： 
-双折射元件在透射方面的偏振度比涂层棱镜的偏振度高； 
-在Savart板的情况下的光谱范围相对于涂层棱镜光谱范围（例如532nm）较宽（350-2500nm）； 
-Savart板的角效率比棱镜的角效率宽（由于数值过程，在视场的边缘处的较好错位）； 
-在由Savart板错位的光束之间的光程差对于（准）正入射等于零。通过将Savart板用作错位装置，那么可采用较短相干长度激光器或可能的良好二极管（空间相干光源）。 
Savart板由两个相同的单轴双折射晶体（石英、方解石或任何双折射晶体）制成，这两个相同的单轴双折射晶体相对于法向平面按45°切割，并且按这样一种方式粘结，从而它们的光轴是垂直的。在这种配置中，第一晶体的寻常光线成为第二晶体的非常光线，并且反之亦然。通过双折射，入射物体光束沿横向方向按与晶体厚度成比例的错位量被错位（M.Born&E.Wolf，Principles of Optics（光学原理）,6thed.1980,Pergamon Press,pp.700-710）。 
在钢铁工业中，有发展无损检测（NDT）集成控制技术的兴趣，该无损检测（NDT）集成控制技术可能容许探测深度缺陷，例如在连续喷漆生产线中使用的聚氨基甲酸酯涂层辊中、和也更一般地对于非涂层辊。用来探测深度缺陷的现有技术方法是不满意的： 
-在涂层辊的情况下，用于肉眼控制的透明聚氨基甲酸酯层不是由用户始终希望的； 
-超声波控制时间冗长，并且对于工业是不可接受的（30-40分钟每辊）； 
-在外部刺激源之后由辊发射的声是经验的和不可靠的。 
发明内容
本发明的目的在于除去现有技术的缺陷。 
具体地说，本发明的目的在于提供一种便携的、简单的、快速的及可靠的集成仪器，该集成仪器用来进行干涉条纹投影和错位干涉。 
仍然具体地说，本发明的目的在于提供这样一种集成仪器，该集成仪器从一种测量模式到另一种测量模式的移动不是光学和机械临界的。 
更具体地说，本发明的目的在于容许快速控制操作（理想地约或甚至小于5-10分钟）、外化控制（例如，在钢铁工业中在喷漆生产线的情况下，为了辊衬层或校正由转包人进行的控制），该外化控制具有便携解决方案，并且具有适于工业环境的可靠性，该便携解决方案允许对几条生产线进行控制。 
本发明的第一目的涉及一种便携工业仪器，该便携工业仪器用来按集成和双路方式，对待测试的物体进行干涉条纹投影和错位干涉，该便携工业仪器包括： 
-双路干涉仪，包括产生双向圆偏振光束的装置； 
-相干或准相干光投影装置； 
-记录或成像装置； 
-第一位置和第二位置，在该第一位置处，所述双路干涉仪定位成在功能上与相干或准相干光投影装置相关联，在该第二位置处，所述双路干涉仪在功能上与记录或成像装置相关联，并且反之亦然； 
-计算装置，包括视频和分析显示器； 
-激励装置，专用于错位干涉或条纹投影测量； 
从而，当双路干涉仪在第一位置处与相干或准相干投影装置相关联时，仪器能够通过干涉条纹投影测量物体的3D形状，也称作波纹法，并且当双路干涉仪在第二位置处与记录或成像装置相关联时，仪器能够对物体进行错位干涉测量，当从一种测量配置移动到另一种时，在干涉仪中的横向光束的方向反转，相干或准相干光的方向在两种操作模式中反转，所述仪器的特征在于： 
-双路干涉仪是可反转的，并且关于Savart板是对称的，该Savart板是中心，并且 
-平移装置包括轨道，该平移装置用来精确地将所述双路干涉仪从所述第一位置移动到所述第二位置，并且反之亦然，该轨道在其端部之一处弯曲，具有“J”形状，从而干涉仪的精确移动与严格几何平移与角度转动的组合相对应，该角度不超过45°。 
根据优选实施例，本发明的仪器包括如下特性之一或适当组合： 
-双路干涉仪依次包括如下部件：第一线性偏振器或P1、第一校准液晶相位可变延迟器或LCVR1、Savart板、第二校准液晶相位可变延迟器或LCVR2、及第二线性偏振器或P2； 
-P1和LCVR1、Savart板、LCVR2和P2分别粘结，并且按块可绕光轴转动，两个块是独立的； 
-在错位干涉模式中，干涉仪在所述第二位置处与记录或成像装置相关联，依次地，P1确保由物体反射的进入相干或准相干光束的线性偏振，LCVR1设置为λ/4延迟板、引入在Savart板前面、及转动使其快和慢轴相对于由P1定义的偏振方向设置在45°处，从而以由此使进入光束圆偏振，Savart板将进入圆偏振光束折射成平行寻常和非常光束，LCVR2使其快和慢轴设置成由Savart板折射的非常和寻常光束的偏振方向与LCVR2的快和慢轴相平行，及在两个光束之间引入已知相移，P2定向在出射光束偏振的45°处并允许在两个光束之间的干涉； 
-在条纹投影模式中，干涉仪在所述第一位置处与相干或准相干光投影装置相关联，考虑到横向光束的方向，干涉仪的部件的顺序关于错位干涉模式被反转，依次地，P2确保来自相干或准相干光投影装置的入射相干光束的线性偏振，LCVR2设置为λ/4延迟板、引入在Savart板前面、及转动使其快和慢轴相对于由P2定义的偏振方向设置在45°处，从而以由此使进入光束圆偏振，Savart板将进入圆偏振光束折射成平行寻常和非常光束，LCVR1使其快和慢轴设置成由Savart板折射的非常和寻常光束的偏振方向与LCVR1的快和慢轴相平行，并且在两个光束之间引入已知相移，P1定向在出射光束偏振的45°处并允许在两个光束之间的干涉； 
-相干或准相干光投影装置包括至少一个低相干激光光源、光束扩展器、光束投影透镜系统、及接受器，该接受器用来接收双路干涉仪，当在条纹投影模式中使用仪器时，布置在光束扩展器与投影透镜系统之间； 
-成像装置包括双透镜系统L1、L2、数字摄像机、及接受器，该接受器用来接收双路干涉仪，当在错位干涉模式中使用仪器时，布置在L1和L2之间，L1是可调整的或可平移的； 
-便携工业仪器包括外壳，该外壳包括壳体，该壳体具有透明窗口，以分别容许测试物体的照明和其图像的形成。 
本发明的另一个目的涉及一种使用以上所描述的便携、集成及双路工业仪器，通过干涉条纹投影来测量测试中的物体的三维（3D）形状、和通过相位步进错位干涉法来探测所述物体的表面下缺陷的方法，该方法在条纹投影模式中包括如下依次步骤： 
-将入射光束提供到在相干或准相干光投影装置中容纳的双路干涉仪上，从而将在相干光投影装置的输出处的干涉条纹图案投影到测试中的物体上； 
-将所述干涉条纹图案反射在物体的表面上； 
-记录和/或观看所述表面的图像，该图像包括所述条纹图案； 
-计算所述表面的3D形状；并且，在错位干涉模式中包括如下依次步骤： 
-将入射光束提供到物体上； 
-将所述入射光束反射在所述物体表面上； 
-将反射光束提供到在记录或成像装置中容纳的双路干涉仪上，从而创建错位光束的干涉图案； 
-当物体在不变形状态中时，记录错位光束的所述干涉图案的图像； 
-通过使用激励机构，当物体在变形状态下时，重复最后步骤； 
-分析错位光束的两个干涉图案，并且识别表面下缺陷。 
优选地，在错位干涉模式中记录错位光束的所述干涉图案的图像 的两个步骤中，当物体分别在变形和不变形状态中时，使用四步骤或更少步骤算法，该算法捕获和存储测试物体的图像。 
优选地，在分析错位光束的两个干涉图案的步骤中，进行如下步骤： 
-比较存储图像； 
-应用平滑算法； 
-在视频显示器上观看生成图案。 
更优选地，探测的表面下缺陷位于0-25mm的范围中。 
附图说明
图1A示意地表示在本发明中使用的干涉仪。图1B是在干涉仪内轴线的和偏振方向的简化表示。 
图2A示意地表示在干涉仪静止的情况下本发明的整个系统。图2B表示用于“J”形平移轨道的实际实施例。 
图3示意地表示在干涉仪在“3D轮廓仪”配置的情况下本发明的整个系统。 
图4示意地表示在干涉仪在“错位干涉”配置的情况下本发明的整个系统。 
图5表示对于在钢铁工业中在喷漆生产线中使用的聚氨基甲酸酯涂层辊的结果，这些结果由错位干涉法得到（在辊表面下方的缺陷的探测）。 
图6表示对于在钢铁工业中在喷漆生产线中使用的聚氨基甲酸酯涂层辊的结果，这些结果由3D轮廓测定法得到（辊的形状测量）。 
图7表示在条纹投影模式中在视频监视器上的结果的显示例子。 
图8表示当Savart板转动时在条纹投影中条纹间距离的变化（例如，对于θ=0°的Λ1，对于θ=45°，Λ2>Λ1）。 
图例 
LS：照明系统；PS：投影系统；EX：光束扩展；CH：加热模块；IN：在线干涉仪；TRANS：平移系统；CA：成像模块；PC：个人计 算机；Alim.：电源；α：轨道转动角。Rot.1和Rot.2是用来将相应组P1+LCVR1和LCVR2+Savart板+P2绕它们的轴转动的装置。Rot.3与马达相对应，该马达允许干涉仪沿轨道平移。 
具体实施方式
本发明的设备包括干涉仪，该干涉仪作为多目的度量装置。 
一方面，这个干涉仪可设置在CCD摄影机前面，以构成光学测量系统，该光学测量系统是错位干涉仪。后者允许在相干或准相干照明下测量所研究的物体的两个状态之间的微位移。 
另一方面，通过借助于这个干涉仪产生和移动多个正弦杨氏干涉图案、和使用CCD摄影机，可能的是，建造3D结构化光轮廓仪。在这种配置中，与以上相同的干涉仪在这时与激光照明系统一起使用，以投影条纹。这种方法，称作波纹法，通常包括：投影周期光图案，该周期光图案能是两个相干光束的干涉结果；在所述物体上形成变形线图案；及由所述变形线图案和基准线图案合成物体的3D形状。 
本发明的系统包括如下子系统（见图2A）： 
-干涉仪1， 
-相干或低相干光投影装置2， 
-平移装置3， 
-记录或成像装置4， 
-激励机构5，用于错位干涉测量或可能用于条纹投影测量（见下面）， 
-计算子系统6， 
-电源7，及 
-外壳（未表示）。 
在本发明的框架中使用相干或准相干光有双重益处。首先，它允许通过干涉法产生正弦条纹图案（即，没有谐波）。第二，由于通过摄影机关联干扰滤光镜的读数，它向条纹提供关于环境光的最大对比度，该摄影机关联干扰滤光镜具有适应条纹产生源波长（例如，频率 加倍的NdYAG的λ=532nm）的带通。这种滤光镜的使用（Δλ：几个nm）也容许某些程度上避免通过反射和/或不希望镜面影响的图像干扰。摄影机关联干扰滤光镜的使用也干预错位干涉，并且允许条纹的容易阅读，即使在重要环境照明下也如此。 
在两种配置中的干涉仪1
干涉仪原理在图1中详细地描绘。干涉仪依次包括第一线性偏振器11（或P1）、第一液晶相位可变延迟器12（或LCVR1）、Savart板13、第二液晶相位可变延迟器14（或LCVR2）、及第二线性偏振器15（或P2）。如已经提到的那样，本发明的基本特征是，在“3D轮廓仪”模式中（见图3）和在“错位干涉”模式中（见图4）交替地利用干涉仪块1。液晶可变相位延迟器（或移相器）LCVR通常用作透射元件，该透射元件具有电气可调谐光学相位延迟。最后注意，术语模式和配置在下面无差异地使用，以指示两种类型的测量。因而让我们考虑两种可能性。 
在错位干涉模式中（图4），第一线性偏振器11（P1）确保激光束的线性偏振，并且然后允许通过干涉仪的偏振状态传播的可靠分析。为了具有独立于Savart板取向的光束照射，第一液晶相位可变延迟器12（LCVR1）设置为λ/4延迟板，引入在Savart板13前面，及按这样一种方式转动，从而其快和慢轴相对于由P1定义的偏振方向在45°处。在这种配置中，光束在穿过Savart板13之前，是圆偏振的（见图1B）。进入Savart板的光束的圆偏振状态容许通过干涉仪的双向穿过（Savart板和关联LCVR作为延迟板）。 
第二液晶相位可变延迟器14（LCVR2）允许进行临时相移。这种调制器的快和慢轴设置成，与相应折射光束的线性偏振方向相平行。LCVR2保留由Savart板13折射的光束的线性偏振状态，并且在两个光束之间引入已知相移。第二线性偏振器15（P2）因而允许在两个折射光束之间的干涉。P2定向在两个出射光束偏振的45°处，所以由偏振器选择相同量的光。Savart板13、LCVR2 14、及P2 15被粘结，并且可在块中绕光轴转动。因而可挑选错位方向，并所以挑选创建的 条纹的取向，这对于定量错位干涉是关注的，并且也定义干涉仪的灵敏度。 
在“条纹投影”中，干涉仪块1关于光的传播被简单地反转。第二线性偏振器15（或P2）确保激光束的线性偏振，并且然后允许通过干涉仪的偏振状态传播的可靠分析。为了具有独立于Savart板13的取向的光束照射，第二液晶相位可变延迟器14（或LCVR2）设置为λ/4延迟板，引入在Savart板13前面，及按这样一种方式转动，从而其快和慢轴相对于由P2定义的偏振方向在45°处。在这种配置中，光束在穿过Savart板13之前是圆偏振的。第一液晶相位可变延迟器12（或LCVR1）允许进行临时相移。这种调制器的快和慢轴设置成，与相应折射光束的线性偏振方向相平行。LCVR1 12保留由Savart板13折射的光束的线性偏振状态，并且在两个光束之间引入已知相移。线性偏振器11（P1）因而允许在两个折射光束之间的干涉。这个偏振器定向在两个出射光束偏振的45°处，所以由偏振器选择相同量的光。由于Savart板13、LCVR2、及P2被粘结（见上文），并且可绕光轴转动，所以可挑选错位方向，并所以挑选条纹的取向。通过转动Savart板，可驱动条纹间距离（见图8）。 
平移装置3
“平移”装置3确保干涉仪1在投影装置2与成像装置4之间的精确移动。应该注意，干涉仪的真实运动为了对准目的，比“直线”平移复杂一点：装置包括轨道，该轨道在其端部之一处弯曲，具有某种“J”形状（见图2B）。然而，为了简单起见，装置3在图中将表示为直轨道。因而，应该理解，“平移”指的是，严格几何平移与角α（alpha）的转动的组合。在优选实施例中，轨道包括300mm的直线部分，在其端部处具有曲线部分，该曲线部分与具有150mm的半径的圆弧相对应，并且关于圆心对着90°的角。用于本申请的有用曲线部分绕圆心具有角α（alpha），该角α不超过45°，优选地包括在5°与20°之间。干涉仪1连结在托架上，该托架借助于滚轮（例如成对安装的四个滚轮）在轨道上滑动。当干涉仪1在投影装置2内时，它允许在“条纹投 影模式”中工作（图3）；当它在成像或记录装置4中时，它允许在“错位干涉模式”中工作（图4）。 
投影装置2包括激光源21（或者激光器或者激光二极管）、光束扩展器22、接受器24、及光束投影透镜系统23，当干涉仪1在条纹投影模式中使用时，该接受器24用来接收干涉仪1。 
成像装置4包括双透镜系统41、42（L1、L2）、数字摄像机43、及接受器44，当干涉仪1在错位干涉模式中使用时，该接受器44用来接收干涉仪1。L1可被数值地和自动地调整，或者被平移，以便提高图像质量（或聚焦）。 
激励机构5用在错位干涉配置中，以便刺激在研究中的物体，并且探测在这种物体内的缺陷。然而应该注意，条纹投影方法也允许测量在两种状态之间的变形。激励机构5（例如，热刺激）因而可由条纹投影方法用在某些用途中（例如，对于辊的缺陷探测）。 
外壳（未表示）包括至少一个壳体，该至少一个壳体具有透明窗口，以容许测试物体的激光照明和其图像的形成。 
计算子系统6包括编程计算机，该编程计算机通过适当模数（ADC）和数模（DAC）转换器，连接到以上在这里描述的部件上。在本发明的优选实施例中，当物体分别在变形和不变形状态下时，计算机驱动四步骤算法，该四步骤算法捕获和存储在相位的四个不同值处测试物体的图像（例如，通过改变条纹的节距）。存储图像的比较，与平滑算法的应用耦合，产生可在视频显示器上观看的图案（见图7）。 
有利地，在通过条纹投影/波纹方法的3D画轮廓的情况下，成像物体的织构为了真实性，可添加到画面上。 
根据本发明，同一“可反转”物理干涉仪1分别用在条纹投影模式和错位干涉模式中。为了从一种配置移动到另一种配置，干涉仪1由于平移装置3，仅仅必须从接受器24（在投影装置2中）移动到接受器44（在记录或成像装置4中），并且反之亦然。在两种操作模式之间的差别是，在干涉仪中的光路的方向反转。 
本发明的基本特征是，提供一种双路仪器，该双向仪器是可反转 的和对称的（绕Savart板，该Savart板是中心），因为干涉仪从一种测量配置移动到另一种测量配置的某些位移可能对于仪器的机械和光学设置不利，特别是对于光轴的对中。在这方面，干涉仪的对称配置允许避免后者的任何有害180°转动，因为为了改变测量模式，需要简单的“平移”。 
结果 
本发明的测量和探测技术已经应用于辊的聚氨基甲酸酯涂层的质量控制，这些辊在钢铁工业中在喷漆生产线中使用。第一目的是探测位于4-5mm深度处的近表面缺陷。这些缺陷具有杂质或气泡的形式。另一个目的是按给定精度扫描涂层辊的表面形状。 
这种质量控制可有利地在炼钢厂处进行，但也可在转包厂处进行，如进行辊衬里或辊加工/校正的那些转包厂。 
图5和图6示出使用本发明设备的以下结果： 
错位干涉模式（图5） 
（a）辊的视图，呈现在辊表面下隐藏的缺陷（方框区域）；热激励装置在左侧是可见的； 
（b）由错位机构生成的缺陷区的复制图像； 
（c）由错位干涉得到的隐藏缺陷的最终3D图像。 
3D轮廓仪（图6）
（a）使用正弦条纹的图案照射的辊端部的四个依次图像，这些正弦条纹依次移动空间周期Λ的四分之一（从左到右）； 
（b）辊端部的3D图像，在处理之后重新建立。 

Claims (12)

1.一种便携工业仪器，该便携工业仪器用来按集成和双路方式，对待测试的物体进行干涉条纹投影和错位干涉，该便携工业仪器包括：
-双路干涉仪（1），包括产生双向圆偏振光束的装置；
-相干或准相干光投影装置（2）；
-记录或成像装置（4）；
-第一位置（24）和第二位置（44），在该第一位置（24）处，所述双路干涉仪（1）定位成在功能上与相干或准相干光投影装置（2）相关联，在该第二位置（44）处，所述双路干涉仪（1）定位成在功能上与记录或成像装置（4）相关联，并且反之亦然；
-计算装置（6），包括视频和分析显示器；
-激励装置（5），专用于错位干涉或条纹投影测量；
从而，当双路干涉仪（1）在第一位置（24）处与相干或准相干投影装置（2）相关联时，仪器能够通过干涉条纹投影测量物体的3D形状，也称作波纹法，并且当双路干涉仪（1）在第二位置（44）处与记录或成像装置（4）相关联时，仪器能够对物体进行错位干涉测量，当从一种测量配置移动到另一种时，在干涉仪（1）中的横向光束的方向反转，相干或准相干光的方向在两种操作模式中反转，所述仪器的特征在于：
-双路干涉仪（1）是可反转的，并且关于Savart板对称，该Savart板是中心，并且
-平移装置（3）包括轨道，该平移装置（3）用来精确地将所述双路干涉仪（1）从所述第一位置（24）移动到所述第二位置（44），并且反之亦然，该轨道在其端部之一处弯曲，具有“J”形状，从而干涉仪的精确移动与严格几何平移与角度转动的组合相对应，该角度不超过45°。
2.根据权利要求1所述的便携工业仪器，其特征在于，双路干涉仪（1）依次包括如下部件：第一线性偏振器或P1（11）、第一校准液晶相位可变延迟器或LCVR1（12）、Savart板（13）、第二校准液晶相位可变延迟器或LCVR2（14）、及第二线性偏振器或P2（15）。
3.根据权利要求2所述的便携工业仪器，其特征在于，P1（11）和LCVR1（12）、Savart板（13）、LCVR2（14）和P2（15）分别粘结，并且按块可绕光轴转动，两个块是独立的。
4.根据权利要求2所述的便携工业仪器，其特征在于，在错位干涉模式中，干涉仪（1）在所述第二位置（44）处与记录或成像装置（4）相关联，依次地，P1（11）确保由物体反射的进入相干或准相干光束的线性偏振，LCVR1（12）设置为λ/4延迟板、引入在Savart板（13）前面、及转动使其快和慢轴相对于由P1定义的偏振方向设置在45°处，从而以由此使进入光束圆偏振，Savart板（13）将进入圆偏振光束折射成平行寻常和非常光束，LCVR2（14）使其快和慢轴设置成由Savart板折射的非常和寻常光束的偏振方向与LCVR2的快和慢轴相平行，及在两个光束之间引入已知相移，P2（15）定向在出射光束偏振的45°处并允许在两个光束之间的干涉。
5.根据权利要求2所述的便携工业仪器，其特征在于，在条纹投影模式中，干涉仪（1）在所述第一位置（24）处与相干或准相干光投影装置（2）相关联，考虑到横向光束的方向，干涉仪（1）的部件的顺序关于错位干涉模式被反转，依次地，P2（15）确保来自相干或准相干光投影装置（2）的入射相干光束的线性偏振，LCVR2（14）设置为λ/4延迟板、引入在Savart板（13）前面、及转动使其快和慢轴相对于由P2定义的偏振方向设置在45°处，从而以由此使进入光束圆偏振，Savart板（13）将进入圆偏振光束折射成平行寻常和非常光束，LCVR1（12）使其快和慢轴设置成由Savart板折射的非常和寻常光束的偏振方向与LCVR1的快和慢轴相平行，并且在两个光束之间引入已知相移，P1（11）定向在出射光束偏振的45°处并允许在两个光束之间的干涉。
6.根据权利要求1所述的便携工业仪器，其特征在于，相干或准相干光投影装置（2）包括至少一个低相干激光光源（21）、光束扩展器（22）、光束投影透镜系统（23）、及接受器（24），该接受器（24）用来接收双路干涉仪（1），当在条纹投影模式中使用仪器时，布置在光束扩展器（22）与投影透镜系统（23）之间。
7.根据权利要求1所述的便携工业仪器，其特征在于，成像装置（4）包括双透镜系统L1、L2（41、42）、数字摄像机（43）、及接受器（44），该接受器（44）用来接收双路干涉仪，当在错位干涉模式中使用仪器时，布置在L1（41）和L2（42）之间，L1是可调整的或可平移的。
8.根据权利要求1所述的便携工业仪器，其特征在于，它包括外壳，该外壳包括壳体，该壳体具有透明窗口，以分别容许测试物体的照明和其图像的形成。
9.一种使用根据以上权利要求任一项所述的便携、集成及双路工业仪器，通过干涉条纹投影来测量测试中的物体的三维（3D）形状、和通过相位步进错位干涉法来探测所述物体的表面下缺陷的方法，该方法在条纹投影模式中包括如下依次步骤：
-将入射光束提供到在相干或准相干光投影装置（2）中容纳的双路干涉仪（1）上，从而将在相干光投影装置（2）的输出处的干涉条纹图案投影到测试中的物体上；
-将所述干涉条纹图案反射在物体的表面上；
-记录和/或观看所述表面的图像，该图像包括所述条纹图案；
-计算所述表面的3D形状；并且，在错位干涉模式中包括如下依次步骤：
-将入射光束提供到物体上；
-将所述入射光束反射在所述物体表面上；
-将反射光束提供到在记录或成像装置（4）中容纳的双路干涉仪（1）上，从而创建错位光束的干涉图案；
-当物体在不变形状态中时，记录错位光束的所述干涉图案的图像；
-通过使用激励机构，当物体在变形状态下时，重复最后步骤；
-分析错位光束的两个干涉图案，并且识别表面下缺陷。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在错位干涉模式中在记录错位光束的所述干涉图案的图像的两个步骤中，当物体分别在变形和不变形状态中时，使用四步骤或更少步骤算法，该算法捕获和存储测试物体的图像。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在分析错位光束的两个干涉图案的步骤中，进行如下步骤：
-比较存储的图像；
-应用平滑算法；
-在视频显示器上观看生成图案。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，探测的表面下缺陷位于0-25mm的范围中。
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