CN106872376A - 光谱平衡的共聚焦测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光谱平衡的共聚焦测量装置及方法，该装置包括光源，用于发出预设的光谱分布特性的出射光，出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势；采样部，用于接收出射光后产生轴向色差照射至被测物，且使由被测物返回的反射光通过；分光部，用于将不同波长的光按规律分配到传感部；传感部；耦合部，用于耦合光源发出的出射光经过采样部照射在被测物上；且使被测物返回的反射光经过采样部传输到分光部。本发明使光源发出的出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势，实现了光谱平衡优化，提高了测量精度。

Description

光谱平衡的共聚焦测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种光谱平衡的共聚焦测量装置及方法。

背景技术

光谱共聚焦测量方法是使用多波长的光，通过色散在光轴上形成一个焦点带，一次测量就可以测量出一个或多个沿光轴方向的距离。光谱共聚焦测量装置从光源发射光，进入耦合部后传递到采样部，再投射到被测物，在被测物的表面形成载有测量信息的反射光后沿着原有的光路反向返回耦合部，其中部分或全部反射光经过传感部后，最终转换成电信号，以解析获取测量结果。

现在的光谱共聚焦装置普遍采用白光LED作为光源，但现有的白光LED主要采用蓝光芯片激发黄色荧光粉的方案，光谱曲线如图1实线所示，图中的实线为光谱的强度曲线，可见其波动很大，其低谷处的光强仅有尖峰处的15％～25％。图1虚线表示在不考虑其它光谱响应的情况下，在不同波长处得到的电信号，其强度也会相应地变化。另外，传感部普遍采用CCD模组或CMOS模组，其光谱响应曲线差异也很大，如图2示例了一种普遍使用的CCD模组的光谱响应曲线，横坐标为光的波长，纵坐标为响应度，该CCD模组在900nm处的响应度仅有550nm处的20％。

可见，现有的光谱共聚焦装置都没有对光谱进行大幅度的平衡，造成光源发出光谱强度曲线与传感部的光谱响应曲线很不匹配，这样转换处理成电信号后也会在不同的波长处产生很大的差异，大大影响了测量精度。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种光谱平衡的共聚焦测量装置及方法，旨在对光源进行优化设置，使光源发出的出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势，实现了光谱平衡优化，提高了测量精度。

为实现上述目的，本发明提出的一种光谱平衡的共聚焦测量装置，包括：

光源，用于发出预设的光谱分布特性的出射光，所述出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势；该描述指传感部、采样部、分光部其中之一或至少两项的组合，优选为全部的组合。以利于使获取的反射光在不同波长强度更平衡。

所述采样部，用于接收所述光源出射的出射光产生轴向色差，使产生该轴向色差的光照射至被测物，且使由所述被测物返回的反射光通过；

所述分光部，用于将不同波长的光按规律分配到传感部，利于所述传感部检测；

所述传感部，用于将所述反射光转换成电信号，以解析获取测量结果；

耦合部，用于耦合所述光源发出的出射光传输经过所述采样部照射在所述被测物上；以及使所述被测物返回的反射光经过所述采样部传输到所述分光部。

优选地，所述光源包括固态激发源和发光物质。

优选地，所述固态激发源为发射波长在350～485nm的发光芯片，所述发光物质包括在激发态下发射峰值在460～520nm的荧光粉、发射峰值在520～641nm的荧光粉和发射峰值大于641nm的荧光粉。

优选地，所述固态激发源为发光芯片，所述发光物质包括量子点发光材料，所述量子点发光材料的发射峰值波长大于激发光波长至少100nm。

优选地，所述固态激发源和/或发光物质为多个，用于产生多种波段的激发光。

优选地，所述光谱平衡的共聚焦测量装置还包括设置在光路中的滤光片，用于使出射光或反射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势。

本发明还提出的一种光谱平衡的共聚焦测量方法，包括如下步骤：

控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性，使所述出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势；

所述出射光经过耦合部耦合后传递至所述采样部；

所述出射光由所述采样部调制后，照射在被测物表面形成反射光；

所述反射光携载所述被测物的测量信息返回，再经过所述采样部传递至所述耦合部；

所述反射光所述反射光通过所述耦合部经由所述分光部，最后进入传感部转换成电信号，以解析获取测量结果。

优选地，所述控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性，使所述出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势这一步骤，具体包括：

所述光源采用固态激发源激发发光物质的发光方式，通过对发光物质的成分进行设置，发出所述出射光。

优选地，所述光谱平衡的共聚焦测量方法还包括：

在工作波长段内不同波长位置由所述传感部转换出的电信号强度幅度差异小于50％。

优选地，所述光谱平衡的共聚焦测量方法还包括：

使光需经过光纤传输，在所述控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性的过程中，考虑光纤的光谱响应特性，使工作波段内不同波长的光返回传感部后转换的电信号更均衡。

本发明技术方案中，光谱平衡的共聚焦测量装置通过对光源进行优化设置，使光源发出的出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势，实现了光谱平衡优化，提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有技术中白光LED的发光光谱曲线图；

图2为现有技术中CCD光谱响应曲线图；

图3为本发明实施例光谱平衡的共聚焦测量装置的结构示意图；

图4为本发明实施例光谱平衡的共聚焦测量装置的原理示意图；

图5为本发明一实施例光谱平衡的共聚焦测量装置实测的不同波长的电信号图。

附图3标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	光源	5	传感部
2	耦合部	6	光纤
				3	采样部	7	被测物
4	分光部	8	电信号

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参见图3，本发明提出的一种光谱平衡的共聚焦测量装置，包括：

光源1，用于发出预设的光谱分布特性的出射光，所述出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部5、采样部3和/或分光部4的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势；

采样部3，用于接收所述光源1出射的出射光产生轴向色差，使产生该轴向色差的光照射至被测物7，且使由所述被测物7返回的反射光通过；

所述分光部4，用于将不同波长的光按规律分配到传感部5，利于所述传感部5检测；

所述传感部5，用于将所述反射光转换成电信号8，以解析获取测量结果；

耦合部2，用于耦合所述光源1发出的出射光传输经过所述采样部3照射在所述被测物7上；以及使所述被测物7返回的反射光经过所述采样部3传输到所述分光部4。

本实施例的测量装置工作过程大致如下：从光源1发射光，进入耦合部2后经由光纤6传递到采样部3，再投射到被测物7，在被测物7的表面形成载有测量信息的反射光后沿着原有的光路反向返回耦合部2，其中部分或全部反射光经过分光部4后，由传感部5转换成电信号8，以解析获取测量结果。

需要指出的是，在本实施例中，光源1可以是各种合适使用的光源，采样部3可以是各种结构的光谱共聚焦镜头，光传感部5可以是CCD、CMOS、硅光电池，但并不局限于本文所描述的特例。同时，由于光源1的化学或物理特性限制，做到光谱曲线的差异完全抵消是很难实现的，所以本实施例使用“走势”一词，走势的意思是大体的弯曲方向或变化趋势，在走势优化的情况下运行有局部小差异或波动。本实施例的共聚焦测量装置还包括设于传感部5之前的分光部4，该分光部4可以是衍射光栅，以将不同波长的光分配到光传感部5不同的位置以利于光谱测量。

另外本实施例描述的工作波段是测量装置标称的量程段所对应的波段，主要工作波段也可以理解工作波段内的大部分区域。由于有时难以凑到合适的发光波长的物质，所以可以允许局部波长达不到走势相反，但主要工作波段内平衡光谱也能达到相当大的一致性提升。

在图4中显示了光谱平衡的原理，实线1表示光传感部、采样部、分光部之一或组合的光谱响应曲线，虚线2表示表示光源出射光光谱曲线，该两条曲线呈反向走势，使得其大部分差异相互抵消，使得转换得到的电信号在不同波长处的强度更平衡。本实施例综合地平衡光谱，通过调节或优选光源1的光谱，使之与其他部件的光谱大致的走势相反，从而使得这种差异性部分或全部的相互抵消，使得测量装置在硬件上就实现转换出来的电信号差异性减少，在工作波长段或主要工作波长段内不同波长处的测量效果比较均衡。由于调节光源1具有能量利用率高、调节范围大的优点，通过对光源1进行优化设置，使光源1发出的出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部5的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势，实现了光谱平衡优化，提高了测量精度。

本实施例综合地平衡光谱，通过调节或优选但不仅限于光源1的光谱，使之与其他部件的光谱大致的走势相反，从而使得这种差异性部分或全部的相互抵消，使得测量装置在硬件上就实现转换出来的电信号差异性减少，在工作波长段或主要工作波长段内不同波长处的测量效果比较均衡。由于调节光源1具有能量利用率高、调节范围大的优点，通过对光源1进行优化设置，使光源1发出的出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部5的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势，实现了光谱平衡优化，提高了测量精度。

优选地，所述光源1包括固态激发源(图未示)和发光物质(图未示)。

作为一种优选实施例，所述光源1包括固态激发源和发光物质，其中固态激发源具有工作寿命长、使用稳定性好的优点，能提高整个测量装置的可靠性。

优选地，所述固态激发源为发射波长在350～485nm的发光芯片，所述发光物质包括在激发态下发射峰值在460～520nm的荧光粉、发射峰值在520～641nm的荧光粉和发射峰值大于641nm的荧光粉。

作为一种优选实施例，所述固态激发源为发射波长在350～485nm的发光芯片，所述发光物质包括在激发态下发射峰值在460～520nm的荧光粉、发射峰值在520～641nm的荧光粉和发射峰值大于641nm的荧光粉，能使光源1发出带宽较大的出射光。如图5所述，本实施例优化后的光，在工作波段的光能占光传感部受光能的比例大于60％，使传感部5转换出的电信号8差异小于50％。

优选地，所述固态激发源为发光芯片，所述发光物质包括量子点发光材料，所述量子点发光材料的发射峰值波长大于激发光波长至少100nm。

作为一种优选实施例，所述固态激发源为发光芯片，所述发光物质包括量子点发光材料，所述量子点发光材料的发射峰值大于激发光波长至少100nm，由于量子点发光材料的激发光吸收峰与发射峰的间距较大，因此上述配置的光源1产生的激发光和出射光的光谱波长差异更加明显，能够提高光源的光效。

优选地，所述固态激发源和/或发光物质为多个，用于产生多种波段的激发光。

作为一种优选实施例，所述固态激发源和/或发光物质为多个，用于产生多种波段的激发光，使出射光的光强分布更加符合预设的光谱分布特性，提高测量精度。

优选地，所述光谱平衡的共聚焦测量装置还包括设置在光路中的滤光片，用于使出射光或反射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部5、采样部3和/或分光部4的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势。

作为一种优选实施例，所述光谱平衡的共聚焦测量装置还包括设置在光路中的滤光片，用于使出射光或反射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部5、采样部3和/或分光部4的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势，具体地，可将此滤光片设置在从光源1到传感部5之间光路的任意位置，滤光片的光谱透过率曲线可以按照需要定制，以进一步对光的强度曲线进行调制，提高测量精度。可以理解的，本实施例还包括设置在各组件上的镀膜，如耦合部2、采样部3、分光部4及传感部5，通过膜层同样能实现滤光片的效果。

本发明提出一种光谱平衡的共聚焦测量方法。

在本发明一实施例中，该方法包括如下步骤：

控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性，使所述出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势；

所述出射光经过耦合部耦合后传递至所述采样部；

所述出射光由所述采样部调制后，照射在被测物表面形成反射光；

所述反射光携载所述被测物的测量信息返回，再经过所述采样部传递至所述耦合部；

所述反射光通过所述耦合部经由所述分光部，最后进入传感部转换成电信号，以解析获取测量结果。

需要指出的是，在本实施例中，光源可以是各种合适使用的光源，采样部可以是各种结构的光谱共聚焦镜头，光传感部可以是CCD、CMOS、硅光电池，但并不局限于本文所描述的特例。同时，由于光源的化学或物理特性限制，做到光谱曲线的差异完全抵消是很难实现的，所以本实施例使用“走势”一词，走势的意思是大体的弯曲方向或变化趋势，在走势优化的情况下运行有局部小差异或波动。

在图4中显示了光谱平衡的原理，实线1表示光传感部、采样部、分光部之一或组合的光谱响应曲线，虚线2表示表示光源出射光光谱曲线，该两条曲线呈反向走势，使得其大部分差异相互抵消，使得转换得到的电信号在不同波长处的强度更平衡。

在图5中显示了光谱平衡后的装置在实际共焦测量时得到的不同波长处的电信号曲线，可以看到强度更平衡。本实施例综合地平衡光谱，通过调节或优选光源的光谱，使之与其他部件的光谱大致的走势相反，从而使得这种差异性部分或全部的相互抵消，使得测量装置在硬件上就实现转换出来的电信号差异性减少，在工作波长段或主要工作波长段内不同波长处的测量效果比较均衡。调节光源具有能量利用率高、调节范围大的优点，通过对光源进行优化设置，使光源发出的出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部与其他部件组合的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势，实现了光谱平衡优化，提高了测量精度。

优选地，所述控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性，使所述出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势这一步骤，具体包括：

所述光源采用固态激发源激发发光物质的发光方式，通过对发光物质的成分进行设置，发出所述出射光。

作为一种优选实施例，所述控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性，使所述出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势这一步骤，具体包括：所述光源采用固态激发源激发发光物质的发光方式，通过对发光物质的成分进行设置，发出所述出射光。其中固态激发源具有工作寿命长、使用稳定性好的优点，能提高整个测量装置的可靠性。

优选地，所述光谱平衡的共聚焦测量方法还包括：

在工作波长段内不同波长位置由所述传感部转换出的电信号强度幅度差异小于50％。

优选地，所述光谱平衡的共聚焦测量方法还包括：

使光需经过光纤传输，在所述控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性的过程中，考虑光纤的光谱响应特性，使工作波段内不同波长的光返回传感部后转换的电信号更均衡。

作为一种优选实施例，还可以综合设置光纤的材质特性，使光经过光纤传输，在所述控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性的过程中，考虑光纤的光谱响应特性，使工作波段内不同波长的光返回传感部后转换的电信号更均衡。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光谱平衡的共聚焦测量装置，其特征在于，包括：

光源，用于发出预设的光谱分布特性的出射光，所述出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势；

所述采样部，用于接收所述光源出射的出射光产生轴向色差，使产生该轴向色差的光照射至被测物，且使由所述被测物返回的反射光通过；

所述分光部，用于将不同波长的光按规律分配到传感部，利于所述传感部检测；

所述传感部，用于将所述反射光转换成电信号，以利于解析获取测量结果；

耦合部，用于耦合所述光源发出的出射光传输经过所述采样部照射在所述被测物上；以及使所述被测物返回的反射光经过所述采样部传输到所述分光部。

2.如权利要求1所述的光谱平衡的共聚焦测量装置，其特征在于，所述光源包括固态激发源和发光物质。

3.如权利要求2所述的光谱平衡的共聚焦测量装置，其特征在于，所述固态激发源为发射波长在350～485nm的发光芯片，所述发光物质包括在激发态下发射峰值在460～520nm的荧光粉、发射峰值在520～641nm的荧光粉和发射峰值大于641nm的荧光粉。

4.如权利要求2所述的光谱平衡的共聚焦测量装置，其特征在于，所述固态激发源为发光芯片，所述发光物质包括量子点发光材料，所述量子点发光材料的发射峰值波长大于激发光波长至少100nm。

5.如权利要求2所述的光谱平衡的共聚焦测量装置，其特征在于，所述固态激发源和/或发光物质为多个，用于产生多种波段的激发光。

6.如权利要求1-5任一项所述的光谱平衡的共聚焦测量装置，其特征在于，所述光谱平衡的共聚焦测量装置还包括设置在光路中的滤光片，用于使出射光或反射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势。

7.一种光谱平衡的共聚焦测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性，使所述出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势；

所述出射光经过耦合部耦合后传递至所述采样部；

所述出射光由所述采样部调制后，照射在被测物表面形成反射光；

所述反射光携载所述被测物的测量信息返回，再经过所述采样部传递至所述耦合部；

所述反射光通过所述耦合部经由所述分光部，最后进入传感部转换成电信号，以解析获取测量结果。

8.如权利要求7所述的光谱平衡的共聚焦测量方法，其特征在于，所述控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性，使所述出射光在不同的波长时的光强分布曲线与传感部、采样部和/或分光部的光谱响应曲线在工作波段呈反向的走势这一步骤，具体包括：

所述光源采用固态激发源激发发光物质的发光方式，通过对发光物质的成分进行设置，发出所述出射光。

9.如权利要求7所述的光谱平衡的共聚焦测量方法，其特征在于，所述光谱平衡的共聚焦测量方法还包括：

在工作波长段内不同波长位置由所述传感部转换出的电信号强度幅度差异小于50％。

10.如权利要求7-9任一项所述的光谱平衡的共聚焦测量方法，其特征在于，所述光谱平衡的共聚焦测量方法还包括：

使光需经过光纤传输，在所述控制光源发出的出射光以预设的光谱分布特性的过程中，考虑光纤的光谱响应特性，使工作波段内不同波长的光返回传感部后转换的电信号更均衡。