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专利名称：具有延伸成像深度的莫阿干涉测量系统和方法
技术领域：
本发明涉及表面轮廓检测，尤其涉及莫阿干涉测量系统和方法，用于检测大表面的表面轮廓且观看图像具有延伸的深度。
背景技术：
表面测量技术专用于通过尝试辨别凹痕、平斑、皱纹和波纹等形状不规则来检查片状金属板材是否存在缺陷。有各种测量物体表面轮廓的非接触方案。常规的检查技术包括依靠表面上的光亮抛光并使用彩色荧光管来进行肉眼检查。其它方案包括诸如光线仿形、立体观察和形状描影法等范围寻找技术。然而，这些常规的方案本质上是主观的而且容易产生一些问题。
众所周知另一种方案，即莫阿干涉测量术提供了具有灰度值的全视场处理数据，可使这些数据不易受明暗变化、污垢和其它非形状参数的影响。莫阿干涉测量术是一种全视场的非接触方法，用于对结构的平面内形变测量平面外位移。典型的莫阿干涉图案是与表面位置同等变化的一系列明暗条纹线，它们绘出物体轮廓的变化，就象地形地图描绘地面的轮廓一样。通过把两个光栅叠加在一起来形成莫阿干涉测量条纹，一个光栅位于物体上，另一个是通过其观察物体的基准光栅。通过最大限度和最小限度地叠加两个光栅来产生莫阿图案。摄像机或其它观察装置通过子(submaster)光栅划线来观察表面上的光栅划线。
在名为“莫阿检查系统”的5,307,152号美国专利中详细描述了莫阿干涉测量系统的一个例子，通过引用把该专利包括于此。上述引用的系统包括用于把光栅划线投射到一表面上的投影系统，此投影系统具有光源、光栅和投影透镜。此外，莫阿干涉测量系统还包括一对观察系统，每个观察系统包括摄像机镜头、成像透镜和用于通过子光栅划线来观察在表面上的光栅划线的子光栅。摄像机获得所观察的光栅划线的图像并确定莫阿图案，然后用该图案把表面轮廓与黄金部分相比较来确定是否存在缺陷。可绘出表面形状的莫阿图案的灵敏度受到观察角和投射角以及测试表面上光栅周期的影响。
与公知的瞄准线系统不同，莫阿分辨率的深度一般不受摄像机分辨率的限制。可调节莫阿干涉测量术的灵敏度以适合使用需求，此灵敏度一般可容许定位误差或外来的动作。然而，与其它有用的方法相比，公知的莫阿干涉测量技术对光学系统有更多的要求。此外，已有技术的莫阿干涉测量系统一般不适用于以延伸的深度检查大的板材。相反，公知的系统一般能对小的区域并在相对较窄的观察深度内进行范围测量。
一般来说，投影系统和观察系统之间的较大角度给莫阿图案提供了更大的灵敏度。同样，更精细的光栅周期也将提高灵敏度。一般，需要以大的角度对部件表面进行工作或使精细光栅在大表面上成像，这限制了具有高灵敏度尤其是在大的表面区域上具有高灵敏度的愿望。为了在部件表面的内外保持在几何形状上准确的图像，投影透镜和观察透镜的光轴与测试表面近似正交。此条件允许在表面上投射周期均匀的光栅，然后对周期均匀的子光栅重新成像，以产生部件的准确轮廓图。由于光栅周期更精细，所以视场深度以及对部件的光栅的观察深度如光学视场深度的普通表达式那样减小。如果要观察较大且形状变化的部件，则一次只能聚焦轮廓的较浅区域。
获得清晰莫阿轮廓图案的另一个限制因素涉及通常所使用的标准光栅的性质。一些系统使用形成方波图案的光栅划线以在部件表面上产生明暗的方波线。然而，方波具有与周期有关的一次频率，也具有与较精细图案(限定方波边沿锐度)有关的频率的较高次谐波。当把两个方波的周期图案叠加在一起时，获得的拍频图案一般不表现为光滑图案，而是不同频率的多个图案具有难于分离和分析的锯齿状交叉。也可使用具有正弦波图案的光栅；然而，正弦波光栅图案一般难于始终如一地制造，因而不能广泛地用作简单的周期性光栅图案。
于是，想要提供一种莫阿干涉测量系统和方法，它可提供具有延伸的图像观察深度的全视场表面检测。
尤其是，想要提供一种莫阿干涉测量术板材检查系统和方法，它有效地产生正弦波图案并延伸观察图像的深度，以形成清晰的莫阿图案。
也想要提供一种莫阿干涉测量系统和方法，它在子光栅后产生良好的干涉图案并允许用于大角度观察系统。
还想要提供了这样一种莫阿干涉测量系统和方法，它允许使用定制的子光栅，此光栅可产生良好的干涉图案。

发明内容
依据本发明所述，提供了一种莫阿干涉测量系统和方法。包括具有光源、母光栅和成像透镜的投影系统。母光栅具有用于把母光栅划线投射到表面上的光栅划线阵列。也包括用于通过子光栅观察表面上的母光栅划线的观察系统。观察系统包括成像透镜、子光栅上的周期性光栅划线阵列以及用于观察子光栅处产生的拍频图案的摄像机。表面上的投影线与子光栅上的线相交而产生莫阿条纹。可对观察到的莫阿条纹进行处理和分析，以确定表面轮廓信息，并可把该条纹与基准表面相比较，以确定在测试表面中是否存在通常相应于尺寸偏差的缺陷。依据本发明，母光栅产生方波光栅图案。由投影系统的成像透镜来滤除较高的衍射级，从而产生投射到表面上的类似于正弦波的图案线阵列。此滤波消除了来自较高衍射级的干涉并产生延伸观察图像的深度，摄像机可由此聚焦来观察表面上的光栅划线。
本发明的子光栅最好是相对于基准表面而形成的定制光栅。尤其是，最好在观察基准表面时用照相方法记录子光栅。这补偿了诸如当投影系统的成像透镜倾斜时可能存在的任何失真。此外，子光栅产生良好的干涉图案，允许用于大角度的观察系统并增加正弦波图案的观察深度，以形成清晰的莫阿图案。
附图概述在阅读了以下详细描述并参考附图后，将使本发明的其它目的和优点对熟悉本领域内的那些技术人员变得明显起来，在这些附图中

图1是依据本发明获得延伸的图像观察深度的莫阿干涉测量系统的示意图；图2是示出图1所示莫阿干涉测量系统的投影系统的示意图；图3示出对由方波光栅产生并用成像透镜滤光的较高衍射级的滤光；图4是示出莫阿干涉测量系统的观察系统的示意图；图5是示出观察系统一部分的放大图的示意图；图6是示出依据本发明用于产生和使用子相位光栅的方法的流程图；以及图7是示出依据本发明用具有延伸的深度的莫阿光栅测量系统检测表面轮廓的方法的流程图。
本发明较佳实施方式现在转到图1，示出依据本发明的莫阿干涉测量系统10。莫阿干涉测量系统10一般包括投影系统12和观察系统14，它们都聚焦在待检测的部件16的表面上。投影系统12配置成把光栅划线投射到部件16的表面上，而观察系统从不同的角度观察光栅划线。由于莫阿干涉测量术是一种全视场检测技术，所以可以通过莫阿干涉测量系统10一次绘出物体整个区域的轮廓。例如，可使用全视场轮廓技术来检查汽车板材，全视场轮廓技术本质上比公知的逐点或逐线轮廓技术快得多，而且还可允许进行高速表面轮廓测量。
投影系统12一般包括位于会聚透镜20前的光源18。光源18可包括例如产生白光的卤素光源或弧光灯光源。投影系统12还包括位于会聚透镜20和成像透镜24之间的周期性母光栅22，它具有周期性的方波光栅划线。会聚透镜20集中并聚焦通过母光栅22和成像透镜24的光。继而，成像透镜24对通过母光栅22并沿投射角到达部件16表面上的光进行滤光和聚焦。相应地，使明暗线的阵列在部件16的表面上成像或投射到其上。
在图2中更详细地示出依据本发明的投影系统12。会聚透镜20集中接收到的光线并对通过周期性母光栅22的高度定向(最好基本上不相交)的光线进行聚焦。母光栅22具有间隔很近的周期性方波光栅划线的阵列，当该阵列被照亮时产生明暗的方波线。方波光栅图案包括密集排列的平行方波光栅划线的阵列，该阵列具有可见光近场衍射范围数量级的较佳周期。用白光时，此周期最好是大约50微米或更小，但它也可变化以适合各种波长的光线。依据一个例子，母光栅22可包括石英型光栅上的铬。
如上所述，方波图案一般具有与周期有关的一次频率。此外，方波图案具有一般与较精细图案(限定方波边沿的锐度)有关的频率的较高次谐波。相应地，母光栅22的方波图案产生包括一般与正弦波图案有关的一次频率的衍射光线和一般与方波图案的方波边沿有关的较高级衍射光线。最靠近光线原先方向的第一衍射级一般包含有关母光栅22基频或一次频率的信息。依据本发明，如此构成成像透镜24，从而使与一次频率有关的基本光栅频率通过，而除去较高级衍射光线。
为了实现对较高级衍射光线的滤光，成像透镜24最好具有限制信息至正弦波图案的调制转移函数。该透镜继而滤除高频分量。相应地，只有与正弦波图案有关的那些光线才能从中通过，并投射到部件16的表面上或在其上成像。结果，在光投影中对较高级的衍射光线进行滤光，从而减少或不出现可能存在的难于分离和分析的多个图案锯齿状交叉或不同频率。
为了集中足够的光，可能不能完全分离母光栅22的衍射级，而只让所需的正弦波信息通过。还可使用具有脉冲响应(最好刚好超过有关的一次频率)的成像透镜24来增强正弦波图案的分离。即，如此设计成像透镜的性能，从而该透镜将产生一次频率的良好图像，而在较高频率处迅速消失，从而形成圆角，而不再现母光栅22的方波图案。这样在部件16的表面上提供了改进的基本正弦波图案投影。相应地，成像透镜24用作所形成图像中的频率滤波器。通过定制成像透镜24的性能或缩小透镜24的光圈可实现此滤波效果。然而，实现透镜24的光圈造成较少的光通过透镜。
参考图3，其中示出包括各种衍射级的衍射光线并对较高衍射级进行滤光的一个例子。与正弦波图案有关的一次频率一般包含在标号40所表示的+1、0和-1衍射级内。一次频率光线40能通过成像透镜24，而由成像透镜24对标号38所表示的诸如+2、-2、+3和-3级等较高级的衍射光线进行滤光。
从而，一次频率的投影还提供了延伸的图像深度42其图像强度如图2中正弦波40所示。正弦波图案实际上作为白光、公共路径干涉图案形成。投射的干涉图案的深度受到源和光学透镜的相干程度(即如何定向)及其形成的距离。其效果是产生具有延伸的视场深度图像。利用超出母光栅22的阴影效应，光线的定向性也有助于增强深度，但干涉效应实际上产生了起始平的光栅图案的体积图像。
观察系统14一般包括相互光学耦合的成像透镜26和向场镜32，用于观察部件16的成像表面。子光栅30位于成像透镜26和向场镜32之间，用于产生干涉图像。观察系统14还包括摄像机34，用于观察部件16的表面上光栅划线透过向场镜32、子光栅28和成像透镜26的图像。摄像机34可包括图像获取、图像处理和图像显示硬件以及用户进行观察用的显示器。观察系统14处理观察到的图像，确定表面轮廓测量值，并可把表面测量值与基准表面相比较，以确定在给定的表面中是否存在缺陷。
在图4和5中更详细地示出观察系统14。图4示出在成像在部件上产生干涉图案光栅的效果，而图5是一相位图像的放大图，该图示出存在有用的较大视场深度42。参考图5，它示出利用子相位光栅28在延伸的图像深度30上产生透镜干涉图像。此干涉图像的效果是通过子相位光栅28后的空间体积而存在的子光栅28，这样就提供了延伸的有用的图像深度30。此体积干涉图像把来自部件视场的任意图像叠加在所示延伸的视场深度42上。参考图4，来自母光栅22并已投射到部件表面16上的光与子相位光栅28相互作用，以利用通过子相位光栅28后延伸的图像范围的白光干涉来形成莫阿拍频案。如图5所示，由此机构，子光栅28与部件光栅图像相互作用遍及体积子光栅深度，从而把子光栅图案调制成拍频图案，该图案是子体积光栅和部件光栅的产物。获得的图案是两个图案之差的莫阿，也提供了有关部件16的轮廓信息。
子光栅28是一种相位光栅，最好参考基准或“黄金部件”来形成此光栅。即，在观察基准或黄金部件后，形成一相位光栅图案并把它用作子光栅28。由于投射到部件16上的图像是正弦波图案，所以子光栅28将包含相应于正弦波图案(投射到部件16的表面)的光栅图案。光栅28的光栅图案可依据基准表面的表面的表面轮廓、投射角和观察角以及成像透镜24的倾斜角而变化，偏离正弦波图案。
本发明的光学莫阿干涉测量系统10用作滤光和调制系统。通过使成像透镜24向所观察的区域倾斜，可以超出透镜视场角的角度来观察该部件。然而，成像透镜24的倾斜可能使均匀光栅的图像失真。通过此偏离基准表面的倾斜系统来记录子光栅28，可从获得的测试部件的轮廓除去任何失真的影响。如果基准是一平面，则轮廓可把测试部件与一平面相比。或者，基准表面可以是黄金部件，或者甚至是诸如圆柱体或球体等几何形状。为了起作用，子光栅28最好通过一介质来进行记录，如此设计或处理该介质，从而它可在较宽范围的强度和光栅频率内提供高度线性的响应。可使用诸如柯达公司制造和销售的HRP显影化学药品等稀释度为1∶16的高对比度显影剂的照相处理来产生此效果。也可使用光聚合物、光塑料和相位记录晶体中的某些形式以及其它介质来产生此效果。
图4所示的子光栅28是一种在延伸的图像深度上产生体积干涉图案30的子相位光栅。子光栅28最好具有非常精细的周期(例如，50微米或更细)，从而射到平的子光栅28的白光将在子光栅28后的体积内产生白光衍射图案。为了改善结果，也可使用15到20微米的光栅图案。可把通常用作照相记录的黑白振幅光栅用于子光栅28。然而，把相位光栅用于子光栅28可比黑白振幅光栅提供增大的光和衍射效率。
利用观察摄像机34，可从子光栅28后干涉图案30延伸体积内的任何地方取得光栅划线的图像，就象在部件16上看到的一样。干涉图案30允许实现两维光栅在部件16上的延伸的观察深度。此干涉效应产生类似于正弦波的图案，因为较高的衍射级实际上聚焦在离开光栅的不同距离处。相应地，可如此选择一个图案，从而其它的图案本质上离焦。利用观察摄像机34和有关的处理硬件，可检查和处理莫阿条纹。此外，可如此比较基准部件和测试部件之间检查到的图案，从而检测测试部件的表面上是否存在缺陷。
现在参考图6，其中示出形成定制的子光栅28并相对于基准表面检测一部件形状的方法50。方法50在步骤52处开始，从而投影系统132在基准表面上形成一光栅图案。同时，如步骤54所示，观察系统14在基准表面上形成该图案的图像，从而成像光栅周期最好小于50微米。按照步骤56，把照相板或其它记录介质置于基准图像位置处，记录介质记录步骤58中所提供的图像。依据一个实施例，按照步骤60处理记录图像以形成一相位图案。或者，如果使用黑白振幅光栅，则对高分辨率板进行显影并按照漂白照相记录法进行漂白。
因此，依据步骤62，把相位光栅或振幅记录置于观察系统14中并位于基准表面的最佳图像前。在步骤64，使通过子相位光栅28的光衍射成干涉图案30，从而形成与基准表面匹配的体积图像。干涉图案30提供延伸的图像观察深度。相应地，如此形成子光栅28，以在测试测试部件的表面轮廓前与基准表面的特定轮廓匹配。
如步骤66所示，一旦形成子光栅28，则用一测试部件来替换基准表面。然后，相应于基准表面的表面轮廓来检查测试部件。这样做了以后，如步骤68所示，形成一莫阿图案，该图案把基准表面与测试表面相比较。在步骤70，通过数字化或其它记录装置观察莫阿图案。然后，如步骤72所示，收集到的数据提供的信息可应用于识别基准表面和部件形状之间的表面轮廓差异。
转到图7，其中示出用本发明的莫阿干涉测量系统10进行莫阿干涉测量测试的方法74。方法74在步骤76处开始，其中如步骤78所示，定向或点光源18通过会聚透镜20照亮母光栅22的方波光栅划线。如步骤80所示，因母光栅22的方波光栅划线，所以由母光栅22使光线衍射。在步骤82，由成像透镜24集中来自基本正弦波频率的衍射光线，而成像透镜24阻挡较高级的衍射光线。这样在部件16的表面处提供了延伸深度的类似于正弦波的图像投影，而滤除一般与方波图案的边沿有关的较高的衍射级，从而防止照亮部件16的成像表面。
如步骤88所示，响应于部件16表面上明暗光栅划线的投影，部件16反射光栅图案的光。如步骤90所示，观察系统14的成像透镜26把部件16反射的光线引向子光栅28。从而如步骤92所示，子相位光栅28在子光栅28后形成干涉图案。在步骤94，干涉图案按照基准表面的形状，由该形状预先形成子光栅28。如步骤96所示，在子光栅28后的延伸范围上形成部件图像。从而，依据步骤98由部件图像来调制干涉图案，并且如步骤100所示，经调制的图案构成莫阿图案。在步骤102，向场镜32把像光集中到摄像机34或其它观察装置。最后，按照步骤104，通过各种数字化和判读装置来分析图像。
应理解，通过把测试部件和基准表面进行对比，利用经分析的数据可以检查测试部件中是否存在缺陷。这一般是如此实现的，即分析所记录的莫阿条纹并测量测试部件基准表面的偏差以提供三维表面比较。这样实现了以全视场延伸的图像观察深度进行部件检查的系统10和方法。
虽然这里结合本发明的特例揭示了本发明，但除了以下权利要求书所限定的内容以外，对本发明没有限制。这是因为熟练的技术人员在研究了说明书和附图后知道可进行其它修改而不背离本发明的精神。
权利要求
1.一种莫阿干涉测量系统，用于测量有轮廓表面的形状，其特征在于所述系统包括用于把光栅划线投射到有轮廓表面上的投影系统，包括光源和第一周期性光栅，所述第一周期性光栅具有用于产生方波线的第一方波光栅划线阵列，所述投影系统还包括用于对所述方波线的较高衍射级进行滤光从而在所述表面上产生类似于正弦波的光栅划线阵列的装置；以及观察系统，包括具有第二光栅划线阵列的第二周期性光栅，所述观察系统还具有用于观察通过所述第二光栅划线阵列投射到所述表面上的光栅划线的装置，在所述表面上投射的线与子光栅上的线相交产生莫阿条纹。
2.如权利要求1所述的莫阿干涉测量系统，其特征在于所述观察装置包括在延伸的图像观察深度内聚焦的摄像机。
3.如权利要求1所述的莫阿干涉测量系统，其特征在于所述投影系统还包括置于所述第一衍射光栅和所述表面之间的成像透镜，用以形成所述滤波装置。
4.如权利要求3所述的莫阿干涉测量系统，其特征在于所述成像透镜相对于有轮廓的表面倾斜，从而允许以超过所述成像透镜的视场角的角度来进行观察。
5.如权利要求1所述的莫阿干涉测量系统，其特征在于所述第二衍射光栅是相应于基准表面定制的。
6.如权利要求1所述的莫阿干涉测量系统，其特征在于还包括与所述光源光耦合的会聚透镜，用以提供定向光线。
7.如权利要求1所述的莫阿干涉测量系统，其特征在于所述光源产生白色光线。
8.一种莫阿干涉测量系统，用于测量有轮廓表面的形状，其特征在于所述系统包括用于把光栅划线投射到有轮廓表面上的投影系统，包括光源和第一周期性光栅和成像透镜，所述成像透镜相对于有轮廓的表面倾斜；以及观察系统，包括具有一光栅划线阵列的第二衍射光栅以及用于观察通过所述第二衍射光栅投射到所述表面上的光栅划线的装置，其中所述第二衍射光栅相对于基准表面而形成，并补偿倾斜的成像透镜所引起的变化，在所述表面上投射的线与子光栅上的线相交产生莫阿条纹。
9.如权利要求8所述的莫阿干涉测量系统，其特征在于所述第一周期性光栅包括方波光栅划线的阵列。
10.如权利要求8所述的莫阿干涉测量系统，其特征在于所述成像透镜滤除通过第一周期性光栅的较高衍射级的光，从而产生投射到所述表面的正弦波线阵列。
11.如权利要求8所述的莫阿干涉测量系统，其特征在于所述观察装置包括在延伸的图像观察深度内聚焦的摄像机。
12.如权利要求8所述的莫阿干涉测量系统，其特征在于还包括与所述光源光耦合的会聚透镜，用以提供定向光线。
13.一种使用莫阿干涉测量术来测量有轮廓表面的形状的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤通过具有方波光栅划线阵列的第一衍射光栅投射定向光线，从而产生方波线；从所述方波线中滤除较高级的衍射级，从而通过一类似于正弦波的图案；把所述类似于正弦波的图案聚焦在有轮廓表面上；以及通过第二衍射光栅观察所述有轮廓表面上所述类似于正弦波的图案，从而所述表面上的投射线与所述第二衍射光栅划线相交产生莫阿条纹。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括把摄像机聚焦在延伸的图像观察深度内的步骤，该深度是由通过所述第二衍射光栅看到的干涉图案产生的。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括使成像透镜相对于所述有轮廓的表面倾斜的步骤，从而允许以超过所述成像透镜视场角的角度来进行观察。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括在观察所述基准表面上的光栅投影时定制的记录第二衍射光栅的步骤。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括集中光源发出的光线以产生定向光线的步骤。
18.一种使用莫阿干涉测量术来测量有轮廓表面的形状的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤通过具有方波光栅划线阵列的第一衍射光栅投射定向光线，从而产生光的光栅划线；通过成像透镜把所述光的光栅划线聚焦在有轮廓的表面上，所述成像透镜相对于所述有轮廓的表面倾斜；通过第二衍射光栅观察所述光栅划线在所述有轮廓表面上的投影，从而所述表面上投射线与所述第二衍射光栅划线相交产生莫阿条纹，其中所述第二衍射光栅是相对于基准表面定制的。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于通过所述第一衍射光栅投射定向光的所述步骤产生方波光栅划线阵列。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括滤除所述方波光栅划线中的较高衍射级的步骤，从而产生类似于正弦波线的阵列。
全文摘要
一种实现以延伸的图像观察深度获得全视场表面轮廓的莫阿干涉测量系统和方法。莫阿干涉测量系统包括一投影系统,它由光源、成像透镜和方波光栅图案构成。如此构成成像透镜来滤除通过方波光栅图案的较高级光线,从而在所需的表面上投射一类似于正弦波的图案。莫阿干涉测量系统还包括一观察系统,它由成像透镜、子光栅和摄像机构成。子光栅最好是可通过相应于基准表面记录光栅图案而生产的定制光栅。摄像机能观察延伸的图像深度内任何位置的图像并分析莫阿条纹。确定测试部件和基准表面之间的偏差提供了一种部件检测系统。
文档编号G01N21/88GK1196791SQ96195784
公开日1998年10月21日 申请日期1996年7月17日 优先权日1995年7月18日
发明者K·G·哈丁 申请人:工业技术研究所