CN110426397B - 光学检测系统、装置及方法 - Google Patents

光学检测系统、装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学检测系统、装置及方法，以精准完成物体表面的缺陷检测。本发明系统包括：多光谱光源；位于所述多光谱光源与待测物体之间的多点聚焦装置，用于将来自所述多光谱光源出射的不同波长的光波分别聚焦到光轴上与波长大小相对应的不同位置上，并将由所述待测物体导致的反射光束逆向传输；数据处理装置，用于接收由所述待测物体导致的反射光束，并对反射光束进行光谱分析以确定最大反射率所对应的波长，并根据该最大反射率波长计算所述待测物体表面所对应缺陷的空间坐标。

Description

光学检测系统、装置及方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光学检测系统、装置及方法。
背景技术
随着现代工业技术的发展，对高精度加工技术的要求越来越高，与此同时，表面检测也成为工业发展必不可少的一环，在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平。
表面检测通常是利用材料表面结构异常或缺陷或异物引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化技术和设备，对被测件表面缺陷(或异物)的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检测。
传统光学表面缺陷检测，多采用散射能量分析法、傅里叶频谱分析法、双光束干涉法、滤波成像法等，这些方法都具有各自的局限性。例如散射能量分析法系统复杂，检测速度慢，并且无法确定缺陷的具体位置；频谱分析法受缺陷深层构造影响较大,不能够反映出缺陷表层的面积大小；双光束干涉法干涉条纹易漂移，且不适应多种缺陷检测；滤波成像法针对光束空间频谱中高频成分或低频成分成像，受噪声干扰大。
发明内容
本发明目的在于公开一种光学检测系统、装置及方法，以精准完成物体表面的缺陷检测。
为达上述目的，本发明公开一种光学检测系统，包括：
多光谱光源；
位于所述多光谱光源与待测物体之间的多点聚焦装置，用于将来自所述多光谱光源出射的不同波长的光波分别聚焦到光轴上与波长大小相对应的不同位置上；并将由所述待测物体导致的反射光束逆向传输；
数据处理装置，用于接收由所述待测物体导致的反射光束，并对反射光束进行光谱分析以确定最大反射率所对应的波长，并根据该最大反射率波长计算所述待测物体表面所对应缺陷的空间坐标。
为达上述目的，本发明公开一种光学检测系统用装置，位于多光谱光源与待测物体之间，所述装置用于将来自所述多光谱光源出射的不同波长的光波分别聚焦到光轴上与波长大小相对应的不同位置上；并将由所述待测物体导致的反射光束逆向传输；所述多点聚焦装置包括：
线性偏振器；
超透镜，对入射的左旋圆偏振光发散，右旋圆偏振光会聚，或者对入射的右旋圆偏振光会聚，左旋圆偏振光发散；
以及设置在所述线性偏振器与所述超透镜之间的1/4波片。
可选的，所述数据处理装置还包括：用于辅助反射光束接收的分光器；所述分光器置于所述多光谱光源与所述多点聚焦装置之间。优选地，同一所述分光器还可用于对所述多光谱光源射向所述多点聚焦装置的光束进行分光处理。为简化系统，更进一步的，所述分光器采用集成线性偏振器功能于一体的偏振分束器。
为达上述目的，本发明还公开一种光学检测方法，包括：
设置多光谱光源，并在所述多光谱光源与待测物体之间设置多点聚焦装置；
由所述多点聚焦装置将来自所述多光谱光源出射的不同波长的光波分别聚焦到光轴上与波长大小相对应的不同位置上；并将由所述待测物体导致的反射光束逆向传输；
接收由所述待测物体导致的反射光束，并对反射光束进行光谱分析以确定最大反射率所对应的波长，并根据该最大反射率波长计算所述待测物体表面所对应缺陷的空间坐标。
本发明具有以下有益效果：
利用不同波长的光波在多点聚焦装置中所对应焦距细微的变化所导致，在待测物体表面作用下，不同波长光波之间反射率的差异，来敏感捕捉待测物体表面的缺陷；能高精度地准确完成物体表面的缺陷检测，部署简单、操作便捷、实用性非常强。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的一种光学检测系统的示意图；
图2是本发明实施例公开的超透镜正焦点与波长的映射关系示意图；
图3是本发明实施例公开的定位表面缺陷的空间坐标等几何关系示意图；
图4是本发明实施例公开的又一种光学检测系统的示意图；
图5是本发明实施例公开的另一种更简化的光学检测系统的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一
本实施例公开一种光学检测系统，包括：多光谱光源、多点聚焦装置和数据处理装置。
其中，多点聚焦装置位于所述多光谱光源与待测物体之间的，用于将来自所述多光谱光源出射的不同波长的光波分别聚焦到光轴上与波长大小相对应的不同位置上；并将由所述待测物体导致的反射光束逆向传输。
数据处理装置用于接收由所述待测物体导致的反射光束，并对反射光束进行光谱分析以确定最大反射率所对应的波长，并根据该最大反射率波长计算所述待测物体表面所对应缺陷的空间坐标。
可选的，本实施例多点聚焦装置包括：线性偏振器、超透镜、以及设置在所述线性偏振器与所述超透镜之间的1/4波片。其中，本实施例超透镜具体用于：对入射的左旋圆偏振光发散，右旋圆偏振光会聚，或者对入射的右旋圆偏振光会聚，左旋圆偏振光发散。又或者，该超透镜还用于：将入射的非偏振自然光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光两路光束，其中一束会聚，另一束发散。
其中，当所述超透镜邻近所述多光谱光源、且所述线性偏振器邻近所述待测物体部署时，所述线性偏振器的偏振方向与会聚光束经1/4波片之后的偏振方向平行、并与发散光束经1/4波片之后的偏振方向正交。
下述结合具体应用场景对上述的情况做例举：
【应用场景一】
如图1，是本发明应用场景一提供的一种多点聚焦光学表面检测装置示意图。包括：多光谱光源1、准直镜2(可选的)、分光器件3、线性偏振器4、1/4波片5、超透镜6以及接收器7、被测物8。其中，线性偏振器4的偏振方向和1/4波片5的快轴方向成45度夹角。从光源1发出的光为多光谱成分的混合光。
从光源1发出的各个波长的混合光束L1经过准直镜2之后，入射到分光器件3上。分光器3将入射光L1分解成L2、L3两束光。L1的光谱成分是已知的，分光器件3具有确定的分束比，从分光器件3出射的L2、L3两束光的光谱成分也是已知的。其中光束L3从分光器件3出射后，再经过线性偏振器4变成线性偏振光、线性偏振光经过1/4波片5后变成圆偏振光。圆偏振光经过超透镜6之后，变成会聚的光束L4。其中L4中不同波长的光波成分聚焦到光轴上的不同点位，焦距f是波长λ的函数，记为f(λ),f(λ)是由超透镜的本身性质和入射光特性决定的，是已知项，如图2所示。
会聚光束L4入射到待测物体8表面上，将会发生反射。如图3，我们选定某一平面为基准平面，假设待测物体放置在一个水平测量台上，可选定测量台平面为基准平面，即xy平面，基准平面上任意点位置可以用(x,y,0)来表示，那么待测物体表面任意点的三维坐标可以用(x,y,h)来表示，x,y是已经的，只需要知道h的值，即可确定待测物体表面任意一点的三维坐标。在待测物体表面与光轴相交处，是L4中某一特定波长为λ的光波的聚焦点,该特定波长的光的反射率最大，且反射率最大的位置与波长λ有确定的对应关系。设反射光束为L5，L5经过分光器件3变成L6和L7两路光束，其中L7会被接收器件7接收。通过匹配出接收光谱中反射率最大的光波波长λn，可以知道该波长对应的聚焦焦距f(λn)。基准面距离超透镜的距离z是已知的，那么h＝z-f(λn)。由此，可以通过本应用场景装置计算得出待测物体表面任意一点的三维坐标(x,y,z),从而实现待测物体的表面检测。
优选地，本发明可以与一个高精度的三维位移台集成，通过位移台调节本发明中表面检测装置的位置，以确保光源光谱范围内的有某一波长的光都可以聚焦到待测物体表面。
在该应用场景一中，光束L3从分光器中出射后，依次经过线性偏振器、1/4波片和超透镜。实际应用场景中，还存在其他变形而不限于图1给出的器件排列顺序，下述应用场景二给出另一种排列顺序的实施例二。
【应用场景二】
如图4，本应用场景包括多光谱光源1、准直镜2(可选的)、分光器件3、超透镜6、1/4波片5、线性偏振器4、接收器7以及被测物体8。线性偏振器4的偏振方向和1/4波片5的快轴方向成45度夹角。
从光源1发出的光为多光谱成分的混合光，经过准直镜2之后，入射到分光器件3上。分光器3将入射光L1分解成L2、L3两束光。L1的光谱成分是已知的，分光器件3具有确定的分束比，从分光器件13出射的L2、L3两束光的光谱成分也是已知的。其中光束L3从分光器件3出射后，再经过超透镜6分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振两束光，其中一束圆偏振光发散，另一束圆偏振光会聚。两束圆偏振光(左旋和右旋)经过1/4波片5后变成两束正交的线偏振光，其中一束线偏振光发散，且偏振方向与线性偏振器4的偏振方向正交，不能透过，另一束线偏振光会聚，且偏振方向与线性偏振器4的偏振方向平行，可以透过。两束线偏振光经过线性偏振器4之后，只剩下会聚的光束L4。同应用场景一，L4中不同波长的光波成分也聚焦到光轴上的不同点位，焦距f是波长λ的函数，记为f(λ),f(λ)是由超透镜的本身性质和入射光特性决定的，是已知项。
上述应用场景一、二中分光器件设定为普通分光器件，不改变分束后的偏振态。多光谱光源发出来的为混合波段的自然光，分光器件出射的仍然为自然光。为进一步简化本发明中的系统，提高光能利用率，我们提供了应用场景三，将分光器件设定为偏振分光器(PBS)，该偏振分光器又称偏振分束器，即将上述应用场景一和二中的分光器3与线性偏振器4集成于一体，即如图5中的偏振分光器件34。
【应用场景三】
如图5，本应用场景包括多光谱光源1、准直镜2(可选的)、偏振分光器件34、1/4波片5、超透镜6以及接收器7。
从光源1发出的多光谱成分的混合光，经过准直镜2之后，入射到偏振分光器件34上。偏振分光器34将入射光L1分解成振动方向相互垂直的L2、L3两束线偏振光。L1的光谱成分已知，偏振分光器件34具有确定的分束比，从偏振分光器件34出射的L2、L3两束光的光谱成分也是已知的。其中光束L3从偏振分光器件34出射后，再入射到1/4波片5上。1/4波片5的快轴方向与光束L3的偏振方向成45度夹角，光束L3经过1/4波片5后变成圆偏振光。圆偏振光经过超透镜6之后，变成会聚的光束L4。同理，L4中不同波长的光波成分聚焦到光轴上的不同点位，焦距f是波长λ的函数，记为f(λ),f(λ)是由超透镜的本身性质和入射光特性决定的，是已知项。
实施例二
与上述实施例一相对应的，本实施例公开一种光学检测系统用装置，位于多光谱光源与待测物体之间，所述装置用于将来自所述多光谱光源出射的不同波长的光波分别聚焦到光轴上与波长大小相对应的不同位置上；并将由所述待测物体导致的反射光束逆向传输；所述多点聚焦装置包括：线性偏振器、超透镜以及设置在所述线性偏振器与所述超透镜之间的1/4波片。其中，超透镜用于对入射的左旋圆偏振光发散，右旋圆偏振光会聚，或者对入射的右旋圆偏振光会聚，左旋圆偏振光发散。
可选的，本实施例装置还可以进一步集成上述的分光器、多光谱光源和/或三维位移台。此等变形皆属于本发明内容所能显而易见得出的，不做赘述。
实施例三
与上述实施例相对应的，本实施例公开一种光学检测方法，包括以下步骤：
步骤S1、设置多光谱光源，并在所述多光谱光源与待测物体之间设置多点聚焦装置。
可选的，该步骤将所述多点聚焦装置按以下组件进行部署，该组件包括：线性偏振器、超透镜以及设置在所述线性偏振器与所述超透镜之间的1/4波片。其中，超透镜用于对入射的左旋圆偏振光发散，右旋圆偏振光会聚，或者对入射的右旋圆偏振光会聚，左旋圆偏振光发散。
可选的，具体部署包括但不限于：将所述超透镜邻近所述多光谱光源、且所述线性偏振器邻近所述待测物体部署。所述超透镜还用于：将入射的非偏振自然光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光两路光束，其中一束会聚，另一束发散。该部署方法还包括：设置所述线性偏振器的偏振方向与会聚光束经1/4波片之后的偏振方向平行、并与发散光束经1/4波片之后的偏振方向正交。
步骤S2、由所述多点聚焦装置将来自所述多光谱光源出射的不同波长的光波分别聚焦到光轴上与波长大小相对应的不同位置上；并将由所述待测物体导致的反射光束逆向传输。
步骤S3、接收由所述待测物体导致的反射光束，并对反射光束进行光谱分析以确定最大反射率所对应的波长，并根据该最大反射率波长计算所述待测物体表面所对应缺陷的空间坐标。
优选地，本实施例方法还包括：
步骤S0、通过三维位移台调节所述多点聚焦装置和/或所述待测物体之间的相对位置，以确保所述多光源光谱范围内有至少一特定波长的光能聚焦到所述待测物体表面。
综上，本发明上述各实施例所分别公开的光学检测系统、装置及方法，至少具有以下有益效果：
利用不同波长的光波在多点聚焦装置中所对应焦距细微的变化所导致，在待测物体表面作用下，不同波长光波之间反射率的差异，来敏感捕捉待测物体表面的缺陷；能高精度地准确完成物体表面的缺陷检测，部署简单、操作便捷、实用性非常强。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光学检测系统，其特征在于，包括：
产生非偏振自然光的多光谱光源；
位于所述多光谱光源与待测物体之间的多点聚焦装置，用于将来自所述多光谱光源出射的不同波长的光波分别聚焦到光轴上与波长大小相对应的不同位置上；并将由所述待测物体导致的反射光束逆向传输；
数据处理装置，用于接收由所述待测物体导致的反射光束，并对反射光束进行光谱分析以确定最大反射率所对应的波长，并根据该最大反射率波长计算所述待测物体表面所对应缺陷的空间坐标；
所述多点聚焦装置包括：
线性偏振器；
超透镜，对入射的左旋圆偏振光发散，右旋圆偏振光会聚，或者对入射的右旋圆偏振光会聚，左旋圆偏振光发散；以及将入射的非偏振自然光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光两路光束，其中一束会聚，另一束发散；
以及设置在所述线性偏振器与所述超透镜之间的1/4波片；
所述线性偏振器的偏振方向被设置为：当所述超透镜邻近所述多光谱光源、且所述线性偏振器邻近所述待测物体部署时，与会聚光束经1/4波片之后的偏振方向平行、并与发散光束经1/4波片之后的偏振方向正交。
2.根据权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，还包括：
三维位移台，用于调节所述多点聚焦装置和所述待测物体之间的相对位置，以确保所述多光谱光源光谱范围内有至少一特定波长的光能聚焦到所述待测物体表面。
3.根据权利要求1至2任一所述的光学检测系统，其特征在于，所述数据处理装置还包括：
用于辅助反射光束接收的分光器；
所述分光器置于所述多光谱光源与所述多点聚焦装置之间。
4.根据权利要求3所述的光学检测系统，其特征在于，同一所述分光器还用于对所述多光谱光源射向所述多点聚焦装置的光束进行分光处理。
5.一种光学检测系统用装置，位于多光谱光源与待测物体之间，其特征在于，所述装置用于将来自产生非偏振自然光的多光谱光源出射的不同波长的光波分别聚焦到光轴上与波长大小相对应的不同位置上；并将由所述待测物体导致的反射光束逆向传输；所述装置包括：
线性偏振器；
超透镜，对入射的左旋圆偏振光发散，右旋圆偏振光会聚，或者对入射的右旋圆偏振光会聚，左旋圆偏振光发散；以及将入射的非偏振自然光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光两路光束，其中一束会聚，另一束发散；
以及设置在所述线性偏振器与所述超透镜之间的1/4波片；
其中，所述线性偏振器的偏振方向被设置为：当所述超透镜邻近所述多光谱光源、且所述线性偏振器邻近所述待测物体部署时，与会聚光束经1/4波片之后的偏振方向平行、并与发散光束经1/4波片之后的偏振方向正交。
6.一种光学检测方法，其特征在于，包括：
设置产生非偏振自然光的多光谱光源，并在所述多光谱光源与待测物体之间设置多点聚焦装置；
由所述多点聚焦装置将来自所述多光谱光源出射的不同波长的光波分别聚焦到光轴上与波长大小相对应的不同位置上；并将由所述待测物体导致的反射光束逆向传输；
接收由所述待测物体导致的反射光束，并对反射光束进行光谱分析以确定最大反射率所对应的波长，并根据该最大反射率波长计算所述待测物体表面所对应缺陷的空间坐标；
将所述多点聚焦装置按以下组件进行部署，该组件包括：
线性偏振器；
超透镜，对入射的左旋圆偏振光发散，右旋圆偏振光会聚，或者对入射的右旋圆偏振光会聚，左旋圆偏振光发散；以及将入射的非偏振自然光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光两路光束，其中一束会聚，另一束发散；
以及设置在所述线性偏振器与所述超透镜之间的1/4波片；
所述线性偏振器的偏振方向被设置为：当所述超透镜邻近所述多光谱光源、且所述线性偏振器邻近所述待测物体部署时，与会聚光束经1/4波片之后的偏振方向平行、并与发散光束经1/4波片之后的偏振方向正交。
7.根据权利要求6所述的光学检测方法，其特征在于，还包括：
通过三维位移台调节所述多点聚焦装置和/或所述待测物体之间的相对位置，以确保所述多光谱光源 范围内有至少一特定波长的光能聚焦到所述待测物体表面。
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