CN111487038B - 一种集成微色散透镜阵列面板和并行彩色共聚焦测量系统 - Google Patents

一种集成微色散透镜阵列面板和并行彩色共聚焦测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集成微色散透镜阵列面板和并行彩色共聚焦测量系统。该集成微色散透镜阵列面板包括：基片和微色散透镜阵列，所述微色散透镜阵列布设在所述基片上，所述微色散透镜阵列用于对复色光源发出的光进行分束和并行色散，所述基片用于固定所述微色散透镜阵列。本发明能够实现多点并行测量，提高测量效率和精度。

Description

一种集成微色散透镜阵列面板和并行彩色共聚焦测量系统
技术领域
本发明涉及微光学元件技术领域，特别是涉及集成微色散透镜阵列面板和并行彩色共聚焦测量系统。
背景技术
物体表面三维形貌测量作为获取物体形态特征的一种重要手段，在自动加工、机器视觉、工业检测以及产品质量控制等领域均具有重要的意义和广阔的应用前景。随着科技和生产力的发展，越来越多的科学研究者投身于这一领域并研究出了许多高科技测量方法应用于物体表面三维形貌测量领域。
在众多测量方法中，基于彩色共聚焦原理，采用复色光作为光源的彩色共聚焦三维形貌测量系统，与传统的三维形貌测量系统相比，不仅具有轴向层析的能力，还在检测速度方面有着一定的优势。彩色共聚焦作为实现物体表面三维形貌测量的一种新兴的重要技术，其核心是色散透镜的设计，色散透镜是绝对系统测量范围的关键因素，并且它还在很大程度上影响系统的轴向分辨率。
2012年，金博石等人在《光谱共焦测量系统中的色散透镜组设计》一文中，设计了一组色散透镜用于光谱共焦，该色散透镜组利用了衍射透镜较强的色散能力和折射透镜的聚焦能力，该设计利用的光谱范围为500～700nm，位移测量范围为2.2mm，线性度较好。该色散透镜组很好地满足了光谱共焦系统对色散透镜组的要求，保证了测量系统的高精度、高分辨率等重要性能。
2017年，崔长彩等人在《彩色共焦系统可调制色散物镜设计》一文中，针对彩色共焦距测量系统中测量范围和分辨率的调制问题，采用色散和聚焦分离的思路设计了一款色散物镜，其色散功能由纯球面折射透镜组成的色散管镜来实现，聚焦功能则采用商业物镜实现，且色散管镜结合不同聚焦能力的物镜能够具有高线性度的轴向色散区域。该色散物镜实现了测量范围和分辨率的调制。
然而，上述的两种关于色散透镜的设计均只能实现单点轴向色散，在远离光轴的位置色散特性较差，测量效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成微色散透镜阵列面板和并行彩色共聚焦测量系统，能够实现多点并行测量，提高测量效率和精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种集成微色散透镜阵列面板，包括：基片和微色散透镜阵列，所述微色散透镜阵列布设在所述基片上，所述微色散透镜阵列用于对复色光源发出的光进行分束和并行色散，所述基片用于固定所述微色散透镜阵列。
可选的，所述微色散透镜阵列由若干个微色散透镜单元按阵列的方式排列组成。
可选的，各所述微色散透镜单元均采用折射型透镜，所述折射型透镜包括入射光面和出射光面，所述入射光面与所述基片相贴，所述出射光面面向被测物。
可选的，所述基片采用玻璃基片。
可选的，所述基片表面通过耦接方式与所述微色散透镜阵列相贴。
一种并行彩色共聚焦测量系统，包括：集成微色散透镜阵列面板和并行彩色共聚焦测量系统本体，所述集成微色散透镜阵列面板包括基片和微色散透镜阵列，所述微色散透镜阵列布设在所述基片上，所述微色散透镜阵列用于对复色光源发出的光进行分束和并行色散，所述基片用于固定所述微色散透镜阵列；
所述并行彩色共聚焦测量系统本体包括从上至下依次排列的复色光源、分光镜、载物台以及在所述分光镜一侧依次排列的聚焦透镜、小孔阵列和彩色相机；
所述集成微色散透镜阵列面板位于所述分光镜和所述载物台之间；所述被测物放置在所述载物台上；
所述复色光源发出复色光线，通过所述分光镜到达所述集成微色散透镜阵列面板，由所述集成微色散透镜阵列面板同时实现分光和并行色散，将不同波长的光聚焦在各自轴向的不同高度处，光线到达被测物表面，并由所述被测物表面反射至所述分光镜中，由所述分光镜对光线再次进行反射，其中，聚焦在所述被测物表面的波长的光线，经反射后由所述聚焦透镜聚焦，通过所述小孔阵列，由所述彩色相机接收相应的彩色图像。
可选的，所述载物台为二维运动载物台。
可选的，所述小孔阵列和所述微色散透镜阵列成像在所述彩色相机上的光点具有一一共轭对应的关系。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1.测量效率高：微色散透镜单元的阵列化可以实现并行测量，大大提高了测量效率；
2.测量精度高：在彩色共聚焦测量装置中，通过小孔阵列滤除非焦平面的杂散信号，获取位于焦平面的锐利信号，使得系统具有很高的测量精度和测量分辨率；
3.结构简单：与现有技术相比，通过玻璃板基片与微色散透镜之间的直接耦合即可实现集成，技术简单，不需要液体进行填充，比较简单方便。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明集成微色散透镜阵列面板的立体图；
图2为本发明集成微色散透镜阵列面板的平面图；
图3为本发明并行彩色共聚焦测量系统的组成图；
图4为本发明集成微色散透镜阵列面板的色散光路图。
符号说明：1是基片，2是微色散透镜阵列单元，3是复色光源，4是分光镜，5是被测物，6是载物台，7是聚焦透镜，8是小孔阵列，9是彩色相机。
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做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。
本发明的目的是提供集成微色散透镜阵列面板和并行彩色共聚焦测量系统，能够实现多点并行测量，提高测量效率和精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
目前市场上微透镜阵列比较常见，微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，即相同的透镜按一定的周期排列在一个平面上，便构成了透镜阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。用于将光束进行分割并分别聚焦的微透镜阵列是微光学领域的重要器件之一，在光通信、光计算、光互连、光电探测阵列、成像、光束整形与控制、光显示、传感等诸多领域有广泛应用。
但是近年来尚没有能够将色散管镜搭建为类似于微透镜阵列的产品出现。因此本发明提供一种集成微色散透镜阵列面板。图1为本发明集成微色散透镜阵列面板的立体图。图2为本发明集成微色散透镜阵列面板的平面图。如图1-2所示，一种集成微色散透镜阵列面板包括：基片1和微色散透镜阵列2，微色散透镜阵列2布设在基片1上，微色散透镜阵列2用于对复色光源发出的光进行分束和并行色散，基片1用于固定微色散透镜阵列2。
作为一种优选的实施方式，微色散透镜阵列2由若干个微色散透镜单元按阵列的方式排列组成。各微色散透镜单元均采用折射型透镜，折射型透镜包括入射光面和出射光面，入射光面与基片1相贴，出射光面面向被测物5。
作为一种优选的实施方式，基片1采用玻璃基片。基片1表面通过耦接方式与微色散透镜阵列2相贴。
本实施例提供的一种集成微色散透镜阵列面板具有分束和并行色散的功能。这里可以把各个微色散透镜单元看作是一个个实现色散的子系统，整个微色散透镜阵列相当于许多个子系统的集合。一方面，将复色光源发出的复色光按阵列排布方式分为多束复色光；另一方面，各个微色散透镜单元对分束光实现沿光轴的色散，即将不同波长的光聚焦到各自光轴的不同高度位置处，从而实现对复色光的分束和并行色散的功能，使得本发明可以用于并行彩色共聚焦测量系统，并结合横向扫描得到整个被测物面的三维形貌。
实施例2：
图3为本发明并行彩色共聚焦测量系统的组成图。如图3所示，一种并行彩色共聚焦测量系统包括：集成微色散透镜阵列面板和并行彩色共聚焦测量系统本体，集成微色散透镜阵列面板包括基片1和微色散透镜阵列2，微色散透镜阵列2布设在基片1上，微色散透镜阵列2用于对复色光源发出的光进行分束和并行色散，基片1用于固定微色散透镜阵列2。
并行彩色共聚焦测量系统本体包括从上至下依次排列的复色光源3、分光镜4、载物台6以及在分光镜一侧依次排列的聚焦透镜7、小孔阵列8和彩色相机9。集成微色散透镜阵列面板位于分光镜4和载物台6之间；被测物5放置在载物台6上。
复色光源3发出复色光线，通过分光镜4到达集成微色散透镜阵列面板，由集成微色散透镜阵列面板同时实现分光和并行色散，将不同波长的光聚焦在各自轴向的不同高度处，光线到达被测物表面，并由被测物5表面反射至分光镜4中，由分光镜4对光线再次进行反射，其中，聚焦在被测物5表面的波长的光线，经反射后由聚焦透镜7聚焦，通过小孔阵列8，由彩色相机9接收相应的彩色图像。而对于非聚焦在被测物表面的波长的光线，会被小孔阵列8滤除。最后，通过计算机对彩色图像进行图像处理，还原被测物5表面三维形貌特征。
作为一种优选的实施方式，小孔阵列8和微色散透镜阵列单元成像在彩色相机9上的光点具有一一共轭对应的关系，使得只有聚焦在被测物5表面的波长的光线，经反射后由聚焦透镜7聚焦，通过小孔阵列8，由彩色相机9接收相应的彩色图像。之所以这样设置，目的是用来滤除杂散光和干扰光的影响，避免相邻光点之间的横向干扰。
作为一种优选的实施方式，为了方便移动并满足被测物5表面的全覆盖，并行彩色共聚焦测量系统中的载物台6为二维运动载物台，二维运动载物台用于带动被测物5进行二维运动。
本发明中，图4为本发明集成微色散透镜阵列面板的色散光路图。如图4所示，复色光经过每个微色散透镜单元后，不同波长的光被聚焦在各自轴向的不同高度位置上，达到并行色散的效果。
作为一种优选的实施方式，微色散透镜阵列2由若干个微色散透镜单元按阵列的方式排列组成。各微色散透镜单元均采用折射型透镜，折射型透镜包括入射光面和出射光面，入射光面与基片1相贴，出射光面面向被测物5。
作为一种优选的实施方式，基片1采用玻璃基片。基片1表面通过耦接方式与微色散透镜阵列2相贴。基片1用于固定并与微色散透镜阵列2相耦合。
本发明微色散透镜单元的阵列化可以实现并行测量，大大提高了测量效率；在并行彩色共聚焦测量系统中，通过小孔阵列滤除非焦平面的杂散信号，获取位于焦平面的锐利信号，使得系统具有很高的测量精度和测量分辨率；与现有技术相比，通过基片与微色散透镜阵列之间的直接耦合即可实现集成，技术简单，不需要液体进行填充，比较简单方便。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种集成微色散透镜阵列面板，其特征在于，包括：基片和微色散透镜阵列，所述微色散透镜阵列布设在所述基片上，所述微色散透镜阵列用于对复色光源发出的光进行分束和并行色散，所述基片用于固定所述微色散透镜阵列；所述微色散透镜阵列由若干个微色散透镜单元按阵列的方式排列组成；
各所述微色散透镜单元均采用折射型透镜，所述折射型透镜包括入射光面和出射光面，所述入射光面与所述基片相贴，所述出射光面面向被测物。
2.根据权利要求1所述的集成微色散透镜阵列面板，其特征在于，所述基片采用玻璃基片。
3.根据权利要求1所述的集成微色散透镜阵列面板，其特征在于，所述基片表面通过耦接方式与所述微色散透镜阵列相贴。
4.一种并行彩色共聚焦测量系统，其特征在于，包括：集成微色散透镜阵列面板和并行彩色共聚焦测量系统本体，所述集成微色散透镜阵列面板包括基片和微色散透镜阵列，所述微色散透镜阵列布设在所述基片上，所述微色散透镜阵列用于对复色光源发出的光进行分束和并行色散，所述基片用于固定所述微色散透镜阵列；所述微色散透镜阵列由若干个微色散透镜单元按阵列的方式排列组成；各所述微色散透镜单元均采用折射型透镜，所述折射型透镜包括入射光面和出射光面，所述入射光面与所述基片相贴，所述出射光面面向被测物；
所述并行彩色共聚焦测量系统本体包括从上至下依次排列的复色光源、分光镜、载物台以及在所述分光镜一侧依次排列的聚焦透镜、小孔阵列和彩色相机；
所述集成微色散透镜阵列面板位于所述分光镜和所述载物台之间；所述被测物放置在所述载物台上；
所述复色光源发出复色光线，通过所述分光镜到达所述集成微色散透镜阵列面板，由所述集成微色散透镜阵列面板同时实现分光和并行色散，将不同波长的光聚焦在各自轴向的不同高度处，光线到达被测物表面，并由所述被测物表面反射至所述分光镜中，由所述分光镜对光线再次进行反射，其中，聚焦在所述被测物表面的波长的光线，经反射后由所述聚焦透镜聚焦，通过所述小孔阵列，由所述彩色相机接收相应的彩色图像。
5.根据权利要求4所述的并行彩色共聚焦测量系统，其特征在于，所述载物台为二维运动载物台。
6.根据权利要求4所述的并行彩色共聚焦测量系统，其特征在于，所述小孔阵列和所述微色散透镜阵列成像在所述彩色相机上的光点具有一一共轭对应的关系。
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