CN112731345A - 具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置，涉及激光测距领域，包括第一二向色镜、分束器、第二二向色镜、镜头、相机、光谱仪、采集控制单元、可运动的部分反射元件，第一二向色镜的透射光方向上设分束器，分束器反射光方向上设载物台，在载物台和分束器之间设置可运动的部分反射元件，分束器具有四个端口，第一端口正对第一二向色镜，第二端口正对可运动的部分反射元件，第四端口的方向上设有第二二向色镜，第二二向色镜透射光方向上设置镜头，镜头与相机相连，相机与采集控制单元相连，第二二向色镜反射光方向上设置光谱仪，光谱仪连通采集控制单元。本发明装置能减小测量误差，其结构简单、测量快速、测量精度高。

Description

具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置和 方法

技术领域

本发明属于激光测距领域，更具体地，涉及一种具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置和方法。

背景技术

现代工业生产中，零件加工的精密程度越来越成为高性能设备的关键，准确且稳定的生产出所需要的特定尺寸和形貌的零件非常重要。因此，对所生产的零件进行精确的检测是保证高质量生产的重要环节。

现有的技术中，申请号为201910648603.5公开了一种发明名称为“一种物体表面三维坐标测量系统以及测量方法”的专利申请，其处理器用于对测量臂、第一参考臂和第二参考臂返回的激光之间的干涉信号进行分析处理，以获得待测物体在Z轴方向的深度，同时还用于结合二维位移平台反应的待测物体在XY平面坐标生成待测物体三维坐标，这实质上是一种通过逐点扫描获得零件的形貌，其将样品设置在X、Y二维平台上，可以扩展了测量的范围，但其测量过程依赖于机械运动，必然会引入机械扫描误差，也会使得设备面临运动部件老化、不稳定等问题。而且测量速度还会受限于扫描的速度，难以在高灵敏度的同时获得高测量速度，这是点扫描的特性决定的。在测量过程中，因外界环境和操作过程的影响，相关光学元件会发生抖动，使得测量结果有一定的误差。

标题为“Performance analysis of a full-fieldand full-range swept-source OCT system”的英文论文公开了一种核心器件为扫频光源和相机、抗振镜、套筒透镜的面阵层析成像系统。但是其存在如下缺点：系统中使用的LSR为运动式的散斑衰减器，LSR的工作原理是通过元件最高上百赫兹的振动，使相机在一次曝光时间内接收到多种光相位，从而抑制散斑。因此这种工作模式下相机的帧率必须数十倍慢于LSR才能实现散斑抑制效果，且相机越快抑制效果越差。这种动态的抑制散斑的方法严重限制了相机的拍照速度，因而成为测距系统难以高速测量的瓶颈。且其采用显微镜的设计，无法适用于大尺寸物体的单次测距场景。其应用场景为生物组织成像，没有设计抗振防抖功能。

因此，有需要开发一种无需对样品进行点扫描的大幅面、高精度、快速，的测量物体厚度和距离的方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置和方法，旨在解决现有技术中测量几毫米到几十微米厚度或者距离的装置和方法存在测量速度不快、测量精度不高的问题，本发明将参考臂融合到测量臂，增加了系统的抗干扰能力。加入的主动光学防抖系统能够补偿环境的振动，减小测量误差，实现光学防抖功能。本发明装置结构简单、测量快速、测量精度高。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，其包括第一二向色镜、分束器、第二二向色镜、镜头、相机、光谱仪、采集控制单元、可运动的部分反射元件，其中，

第一二向色镜的透射光方向上设置分束器，分束器反射光方向上设置有载物台，用于放置待测距或者测厚的样品，在载物台和分束器之间设置有可运动的部分反射元件，

分束器具有四个端口，四个端口分别位于矩形的四个边上，第一端口和第三端口位于相对的两个边上，第一端口正对第一二向色镜，第二端口正对可运动的部分反射元件，第四端口的方向上设置有第二二向色镜，

第二二向色镜透射光方向上设置镜头，镜头与相机相连，相机与采集控制单元相连，第二二向色镜反射光方向上设置光谱仪，光谱仪连通采集控制单元，采集控制单元具有采集相机和光谱仪的信号以及显示数据的功能。

进一步的，工作时，在第一二向色镜的透射光方向上还设置用于实现面阵扫频以测距或测厚的平行光，该平行光与分束器分别设置在第一二向色镜的两侧，在第一二向色镜的反射光方向上设置有用于实现光学防抖的平行光，用于实现光学防抖的平行光与分束器分别位于第一二向色镜的两个相互垂直的反射光方向上。

进一步的，还包括可调谐激光器、第一准直器、扩束器、宽光谱光源和第二准直器，其中，可调谐激光器出射光方向上依次设置第一准直器和扩束器，扩束器正对第一二向色镜的一侧，扩束器和分束器分别位于第一二向色镜的两侧，宽光谱光源的出射光方向上设置有第二准直器，第二准直器与分束器分别位于第一二向色镜的两个相互垂直的反射光方向上。

进一步的，还包括第三准直器和压电陶瓷位移台，第三准直器位于第二二向色镜与光谱仪之间，可运动的部分反射元件设置在压电陶瓷位移台上，压电陶瓷位移台连接采集控制单元，由采集控制单元根据距离变化控制压电陶瓷位移台移动，进而微调可运动的部分反射元件，以改变光程实现光学防抖和抗振功能。

进一步的，宽光谱光源的波长值为1525nm～1575nm或1290nm～1330nm，宽光谱光源的波长与可调谐激光器的波长不同，宽光谱光源发射的光和可调谐激光器发射的光在光路中通过第一、第二二向色镜以汇合束或分束。

进一步的，工作时，可调谐激光器能发出等波数间隔的触发信号，当输出的光的波数变化相同的波数时，就发出一个触发信号，控制相机开始采集信号。

进一步的，采集控制单元与可调谐激光器相电连接，以能通过电信号控制可调谐激光器，扩束器用于将光束扩束至20mm～40mm的光斑，透镜为带有可调光圈的镜头，工作时，通过调整光圈至合适的大小，能改善相机上发生的散斑现象。

进一步的，当部分反射元件为薄膜反射器时，薄膜反射器反射一定比例的光回到相机，剩下的光穿透薄膜照射到被测物体上，来自被测物体的光与来自薄膜反射器的光形成的干涉图像被相机记录，

当部分反射元件为光学窗口时，光学窗口的上表面反射一定比例的光回到相机，称为第一反射光，剩下的光在穿透光学窗口的下表面时，会再次反射一部分的光回到相机，称为第二反射光，剩下的光照射到被测物体上，相机上来自被测物体的光称为第三反射光，第一反射光、第二反射光、第三反射光两两之间发生干涉，形成的干涉图像被相机记录。

按照本发明的第二个方面，还提供一种如上所述的测距/厚装置进行测距或者测厚的方法，其包括如下步骤：

S1：开启可调谐激光器、宽光谱光源、光谱仪和采集控制单元，使其充分预热，

S2：将被测物体置于载物台上，调节载物台位置使可调谐激光器发出的光束尽量覆盖待测物体，调节第一准直器使宽光谱光源发出的光照射到待测物体上，

S3：对光谱仪采集到的光谱进行傅里叶变换的数据处理，得到变换谱，由变换谱中的信号峰得到待测样品的距离，多次测量以获得多个距离，光学抖动导致测量距离具有变化，根据测量距离的变化量，由采集控制单元驱动可运动反射器件进行运动，以补偿振动，实现光学防抖功能，

在测距或者测厚的整个过程中，持续执行步骤S3，以实时补偿光学振动，实现光学防抖，

S4：启动扫可调谐激光器，开始扫频输出激光，同时相机开始拍摄采集干涉信号，扫频的一个周期结束后，对相机采集到的信号进行变换，得到变换谱，由变换谱中的信号峰得到物体上被相机拍摄到的各点的精确距离。

进一步的，其用于振动干扰较严重的场所，如在工业生产现场精密测量工业产品的形貌特征，主动抗振与被动抗振结合，最大化系统的抗振性能。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的面阵扫频测距/厚系统加入主动光学防抖系统，能大幅面、高精度、快速的测量物体厚度和距离，同时能实现光学防抖。对于零件的形貌测量，利用面阵相机能大幅面采集干涉信号，测量过程中不需要机械运动进行点扫描，测量速度不被机械扫描速度限制，而由扫频光源的扫频速度及相机采集速度决定，测量速度更快。将部分反射元件设置在被测物体和分束器之间，部分反射元件是可移动的，能实时检测到整个系统的振动。主动光学防抖系统能实时获取环境的振动，并进行相应的补偿，减小测量误差，能大幅提高测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例中具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例中具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置，由图可知，本发明的一种具有主动光学防抖功能的面阵扫频测距/厚的装置，其包括一个抗振型面阵扫频测距子系统、一个主动光学防抖子系统。

其中，抗振型面阵扫频测距子系统包括可调谐激光器1、第一准直器2、扩束器3、分束器5和相机15。可调谐激光器1通过光纤连接至第一准直器，第一准直器2为光纤准直器，用于将光纤输出的发散光准直成平行光，3是扩束器，用于将光束扩束至典型值为30mm的光斑，4是第一二向色镜，特点是对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。5是分束器，分束器5具有四个端口，分别是第一、第二、第三以及第四四个端口，四个端口分别位于矩形的四个边上，光从分束器5的第一端口输入，从第二端口输出。由可调谐激光器1发出的光能直接透过第一二向色镜4进入分束器5。从第二端口输出的平行光经部分反射元件10(部分反射元件10比如为光学窗口或者薄膜反射器)入射至被测物品9上，经过物体的反射，光线回穿过部分反射元件10，再经分束器5进入第二二向色镜8、最后经镜头14再照射至相机15上。优选的，镜头14为带有可调光圈的远心镜头，调整光圈至合适的大小，能改善相机15上发生的散斑现象。可运动的部分反射元件10的运动由采集控制单元16控制。

主动光学防抖系统包括宽光谱光源7、第二准直器6、第三准直器11，第二二向色镜8、分束器5、光谱仪12、压电陶瓷位移台13(简称PZT)。宽光谱光源7通过光纤连接至第二准直器6，第二准直器为光纤准直器，光束经第二二向色镜4反射进入分束器5。光从分束器5的第一端口输入，从第二端口输出。从分束器5的第二端口输出的平行光经10入射至被测物品9上，经过物体的反射，光线原路经过分束器5的第二端口，从分束器5的第四端口输出，再经第二二向色镜8、第三准直器11入射至光谱仪12。

其中，可调谐激光器1输出的波长随时间变化的过程称为光频率扫描，简称扫频。可调谐激光器1还可以实现发出等波数间隔的触发信号，即每当输出的光的波数变化了相同的波数时，就发出一个触发信号，控制相机15开始采集。采集控制单元16具有采集相机和光谱仪的信号以及显示数据的功能，同时能通过电信号控制激光器、相机等设备。

本发明的主动光学防抖系统中，宽光谱光源的波长典型值为1525-1575nm或1290-1330nm。SLD光源、普通LED光源、飞秒激光器等宽光谱光源都能实现光学防抖功能。所述宽光谱光源的波长与可调谐激光器的波长不一样，在光路中通过二向色镜以极低的损耗汇合束或分束。

在实际工程时间中，因环境的振动，反射元件与物体的相对距离会发生变化，导致测量得到的光程差变化。将反射元件10与被测物体固定在在分束器的同一端口，使得反射元件10与被测物体朝向同一方向，反射元件10与被测物体就会具有同样的振动模式，因此振动对光程差的影响将会被降低，这是一种被动抗振技术。但事实上，这种被动抗振方式也不能完全消除环境的振动。因而需要引入主动防抖技术根据剩余振动的变化，控制压电陶瓷位移台13运动，以调节部分反射元件与被测物体的距离，实现补偿环境振动，这是一种主动的补偿方式。主动防抖与被动抗振相结合，将系统的抗振性能最大化。

当部分反射元件10为薄膜反射器时，薄膜反射器会反射一定比例的光回到相机，如8％，剩下的光会穿透薄膜照射到被测物体9上。来自物体9的光与来自薄膜反射器10的光形成的干涉图像被相机记录。

当10是光学窗口时，光学窗口的上表面会反射一定比例的光回到相机，如1％，称为第一反射光。剩下的光在穿透光学窗口的下表面时，会再次反射一部分的光回到相机，如0.8％，称为第二反射光。剩下的光照射到被测物体9上。相机上来自被测物体的光称为第三反射光。第一反射光、第二反射光、第三反射光两两之间发生干涉，形成的干涉图像被相机15记录。这样的设计形成了双参考臂结构，可以解决死区以及非模糊距离带来的方向模糊性的问题。相机将图像数据传输至电脑，用于分析并显示物体的表面形貌。

面阵扫频测距系统采用相机作为探测器，收集不同频率下的干涉光强信息，通过信号变换手段，所述的信号变换手段具体是指傅里叶变换等信号处理方法，可以在一个变换谱内对干涉信号进行频率分析，进而换算成距离。将反射元件10与被测物体固定在在分束器的同一端口，使得反射元件10与被测物体朝向同一方向，反射元件10与被测物体就会具有同样的振动模式，因此振动对光程差的影响将会被降低，实现被动抗振。主动光学防抖系统在面阵扫频测距系统的光路基础上实现，能提高光学器件的利用率，降低系统的复杂性。主动光学防抖系统根据光谱仪的数据，经过傅里叶变换等数据处理，可以获得环境的振动，进而驱动PZT位移，带动可运动的反射原件运动，可以进一步补偿环境振动，实现主动光学防抖功能。

本发明中，采用面阵扫频，不需要机械扫描，自然克服了机械扫描引入的振动，更容易实现高精度的大幅面测量，甚至可以达到几百毫米平方的幅面，测量时间更快，对器件的要求很低。比如，同样测量3000点乘以3000点的幅面，第二代点扫描式OCT技术的测量速率为10万点/秒，，那么他测量的时间90s，而对于第三代不受扫频频率的限制，2s即可完成。其实质为，照射在物体上，通过一个面阵相机，分析从物体反射至光探测器，从而获取点的高度信息，面阵相机的每一个像素都可以看作是一个光探测器，对应物体上被测量的小光点。

每一代OCT技术都面临一个问题，就是它们使用的傅里叶变换(FFT)的算法，会浪费一半的量程，因为FFT会在正负半轴上产生一对一模一样的信号，即镜像。使用色散编码的技术，能使得这两个原本一模一样的信号不再一样，从而将量程扩展了一倍。使用双参考臂可以为进一步提升量程提供可能。在第三代面阵OCT中，有多种光路结构。但一个问题是，由于面型照明，被测物体上的每一个点的反射光，都有可能因为漫反射而照射至多个像素甚至整个相机，又由于单色光源的高相干性，串扰的光会发生干涉，在相机上形成大量明暗相间的光斑，称为散斑。散斑的存在使得部分信号过弱，部分信号又过强，影响测量系统的工作。因此需要采取手段去除散斑。

测距应用是指：已知被测物体拥有不透明的表面，只需测量表面相对参考面的距离即可。

测厚应用是指：被测物体具有一定的透明性，且它有两个或多个明显的分层界面，测量这两个分层之间的距离，即为测厚应用。

测厚应用时，系统存在死区的问题。理论上可以使用双参考臂和色散编码法的方案，但是会造成多个信号的互相干扰，并不实用。使用倾斜参考镜法可以去除测量死区，扩大量程至2NMR。使用移动参考臂的相移法，可以去除死区，扩大量程至2NMR。

测距和测厚的具体应用场景比如为：对于芯片、晶圆等工业产品进行测距、测厚，对于精密零部件的形貌特征的测量，本发明的测量和测距主要是集中在几十毫米到几十微米量程的测量，高度测量精度可以达到1纳米。

采用本发明的测距/厚装置进行测距或者测厚的方法，其用于测量精密零部件的形貌特征，其包括如下步骤：

S1：开启可调谐激光器、宽光谱光源、光谱仪和采集控制单元，使其充分预热。

S2：将被测物体置于载物台上，调节载物台位置使可调谐激光器发出的光束尽量覆盖待测物体，调节第一准直器使宽光谱光源发出的光照射到待测物体上。

S3：对光谱仪采集到的光谱进行傅里叶变换的数据处理，得到变换谱，由变换谱中的信号峰得到待测样品的距离，多次测量以获得多个距离，光学抖动导致测量距离具有变化，根据测量距离的变化量，由采集控制单元驱动部分反射元件进行运动，以补偿振动，实现光学防抖功能。在测距或者测厚的整个过程中，持续执行步骤S3，以实时补偿光学振动，实现光学防抖。

S4：启动扫可调谐激光器，开始扫频输出激光，同时相机开始拍摄采集干涉信号，扫频的一个周期结束后，对相机采集到的信号进行变换，得到变换谱，由变换谱中的信号峰得到物体上被相机拍摄到的各点的精确距离。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，其包括第一二向色镜(4)、分束器(5)、第二二向色镜(8)、镜头(14)、相机(15)、光谱仪(12)、采集控制单元(16)、可运动的部分反射元件(10)，其中，

第一二向色镜(4)的透射光方向上设置分束器(5)，分束器(5)反射光方向上设置有载物台，用于放置待测距或者测厚的样品，在载物台和分束器(5)之间设置有可运动的部分反射元件(10)，

分束器(5)具有四个端口，四个端口分别位于矩形的四个边上，第一端口和第三端口位于相对的两个边上，第一端口正对第一二向色镜(4)，第二端口正对可运动的部分反射元件(10)，第四端口的方向上设置有第二二向色镜(6)，

第二二向色镜(8)透射光方向上设置镜头(14)，镜头(14)与相机(15)相连，相机(15)与采集控制单元(16)相连，第二二向色镜(8)反射光方向上设置光谱仪(12)，光谱仪(12)连通采集控制单元(16)，采集控制单元(16)具有采集相机和光谱仪的信号以及显示数据的功能。

2.如权利要求1所述的一种具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，工作时，在第一二向色镜(4)的透射光方向上还设置用于实现面阵扫频以测距或测厚的平行光，该平行光与分束器(5)分别设置在第一二向色镜(4)的两侧，在第一二向色镜(4)的反射光方向上设置有用于实现光学防抖的平行光，用于实现光学防抖的平行光与分束器5分别位于第一二向色镜(4)的两个相互垂直的反射光方向上。

3.如权利要求2所述的一种具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，还包括可调谐激光器(1)、第一准直器(2)、扩束器(3)、宽光谱光源(7)和第二准直器(6)，其中，

可调谐激光器(1)出射光方向上依次设置第一准直器(2)和扩束器(3)，扩束器(3)正对第一二向色镜(4)的一侧，扩束器(3)和分束器(5)分别位于第一二向色镜(4)的两侧，

宽光谱光源(7)的出射光方向上设置有第二准直器(6)，第二准直器(6)与分束器(5)分别位于第一二向色镜(4)的两个相互垂直的反射光方向上。

4.如权利要求3所述的一种具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，还包括第三准直器(11)和压电陶瓷位移台(13)，第三准直器(11)位于第二二向色镜(8)与光谱仪(12)之间，可运动的部分反射元件(10)设置在压电陶瓷位移台(13)上，压电陶瓷位移台(13)连接采集控制单元(16)，由采集控制单元(16)根据距离变化控制压电陶瓷位移台(13)移动，进而微调可运动的部分反射元件(10)，以改变光程实现光学防抖和抗振功能。

5.如权利要求4所述的一种具有主动光学防抖功能的抗振型面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，宽光谱光源的波长值为1525nm～1575nm或1290nm～1330nm，宽光谱光源的波长与可调谐激光器的波长不同，宽光谱光源发射的光和可调谐激光器发射的光在光路中通过第一、第二二向色镜以汇合束或分束。

6.如权利要求5所述的一种具有主动光学防抖功能的面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，工作时，可调谐激光器(1)能发出等波数间隔的触发信号，当输出的光的波数变化相同的波数时，就发出一个触发信号，控制相机(15)开始采集信号。

7.如权利要求6所述的一种具有主动光学防抖功能的面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，采集控制单元(16)与可调谐激光器(1)相电连接，以能通过电信号控制可调谐激光器，扩束器(3)用于将光束扩束至20mm～40mm的光斑，透镜(14)为带有可调光圈的镜头，工作时，通过调整光圈至合适的大小，能改善相机(15)上发生的散斑现象。

8.如权利要求7所述的一种具有主动光学防抖功能的面阵扫频测距/厚的装置，其特征在于，当部分反射元件(10)为薄膜反射器时，薄膜反射器反射一定比例的光回到相机，剩下的光穿透薄膜照射到被测物体(9)上，来自被测物体(9)的光与来自薄膜反射器(10)的光形成的干涉图像被相机记录，

当部分反射元件(10)为光学窗口时，光学窗口的上表面反射一定比例的光回到相机，称为第一反射光，剩下的光在穿透光学窗口的下表面时，会再次反射一部分的光回到相机，称为第二反射光，剩下的光照射到被测物体(9)上，相机(15)上来自被测物体的光称为第三反射光，第一反射光、第二反射光、第三反射光两两之间发生干涉，形成的干涉图像被相机(15)记录。

9.采用如权利要求3-8所述的测距/厚装置进行测距或者测厚的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：开启可调谐激光器、宽光谱光源、光谱仪和采集控制单元，使其充分预热，

S2：将被测物体置于载物台上，调节载物台位置使可调谐激光器发出的光束尽量覆盖待测物体，调节第一准直器使宽光谱光源发出的光照射到待测物体上，

S3：对光谱仪采集到的光谱进行傅里叶变换的数据处理，得到变换谱，由变换谱中的信号峰得到待测样品的距离，多次测量以获得多个距离，光学抖动导致测量距离具有变化，根据测量距离的变化量，由采集控制单元驱动可运动反射器件进行运动，以补偿振动，实现光学防抖功能，

在测距或者测厚的整个过程中，持续执行步骤S3，以实时补偿光学振动，实现光学防抖，

S4：启动扫可调谐激光器，开始扫频输出激光，同时相机开始拍摄采集干涉信号，扫频的一个周期结束后，对相机采集到的信号进行变换，得到变换谱，由变换谱中的信号峰得到物体上被相机拍摄到的各点的精确距离。

10.采用如权利要求9所述的测距/厚装置进行测距或者测厚的方法，其特征在于，其用于振动干扰较严重的场所，如在工业生产现场精密测量工业产品的形貌特征，主动抗振与被动抗振结合，最大化系统的抗振性能。

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