CN113465517A - 一种快照式光谱共焦传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快照式光谱共焦传感器及其测量方法，涉及传感器技术领域，包括准直透镜组、分光镜一、校正板、微透镜阵列、聚焦镜一、体光栅和面阵探测器，所述准直透镜组呈水平设置，所述分光镜一处于准直透镜组的正下方，且分光镜一呈45°倾斜设置，所述校正板呈水平设置并处于分光镜一的正下方，所述聚焦镜一竖直设置并处于分光镜一所在平面，且聚焦镜一设置于分光镜一的一侧，所述聚焦镜一与校正板呈反射镜像对称，所述微透镜阵列呈水平设置并处于校正板的正下方；本发明采用面阵色散阵列和系统一体化非线性色散补偿方法，实现快照式面区域的形貌信息获取，具有微米甚至几十纳米的高度或位移分辨率。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种快照式光谱共焦传感器及其测量方法。
背景技术
光谱共焦测量传感器可应用于非接触式、快速位移和距离测量。目前市面上采用的点式光谱共焦位移传感器，基本原理是点光源发出的宽波段光束通过光纤进入色散物镜，在物镜的轴向色散作用下不同波长的光沿轴向会聚不同位置处，当聚焦光斑由被测面反射或散射后，再经色散物镜重现回聚于光纤端面，光纤端面芯径可作为共焦成像中的小孔用于降低其他波长的干扰，当回聚光经光纤传输后被光谱仪接收并形成高斯形状的谱线，那么光谱的峰值位置应该就是某波长光的最佳焦点的反射信号，又由于不同波长的焦点位置不同而使波长与被测面高低或远近位置形成对应关系。传感器中的色散物镜轴向色散的大小决定了测量范围深度的大小，光纤芯径、物镜的数值孔径和色散距离、波长范围、光谱仪的分辨率等决定了传感器轴向位置的分辨率。点式光谱共焦位移传感器仅能测量被测面的一个点，若要测量一定的区域形貌，需要再通过移动平台带动被测物或者测量传感器进行二维扫描，由此需要的成像时间会很长，系统会变得庞大复杂，扫描过程中的抖动等因素都会影响测量精度。
发明内容
本发明提供一种快照式光谱共焦传感器及其测量方法，解决了现有的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种快照式光谱共焦传感器，包括准直透镜组、分光镜一、校正板、微透镜阵列、聚焦镜一、体光栅和面阵探测器，所述准直透镜组呈水平设置，所述分光镜一处于准直透镜组的正下方，且分光镜一呈45°倾斜设置，所述校正板呈水平设置并处于分光镜一的正下方，所述聚焦镜一竖直设置并处于分光镜一所在平面，且聚焦镜一设置于分光镜一的一侧，所述聚焦镜一与校正板呈反射镜像对称，所述微透镜阵列呈水平设置并处于校正板的正下方，所述聚焦镜一远离分光镜一的一侧设置有呈竖直设置的准直镜一，所述准直镜一与聚焦镜一之间的中间位置设置有呈竖直设置的小孔面板，所述准直镜一远离小孔面板的一侧设置有呈竖直设置的体光栅，所述体光栅远离准直镜一的一侧设置有呈竖直设置的面阵探测器，所述面阵探测器与体光栅之间的中间位置设置有呈竖直设置的聚焦镜二，还包括校正板校正光路，所述校正板校正光路由宽波段点光源、准直镜二、分光镜二、窄带滤光片一、反射镜、窄带滤光片二和聚焦镜三组成，所述聚焦镜三呈水平设置并处于微透镜阵列的正下方，所述窄带滤光片二呈水平设置并处于聚焦镜三的正下方，所述反射镜呈倾斜设置并处于窄带滤光片二的正下方，所述准直镜二设置于反射镜的一侧上部，所述分光镜二处于准直镜二的上部一侧，所述窄带滤光片一处于分光镜二的上部一侧，所述准直镜二、分光镜二和窄带滤光片一处于同一条直线上。
优选的，所述微透镜阵列上等间距设置有多个径向渐变折射率的微透镜子单元。
优选的，所述小孔面板上设置有多个小通孔，且小通孔的位置与微透镜阵列上的微透镜子单元的中心一一对应。
优选的，所述校正板的被照射表面涂敷有全息记录介质。
优选的，宽波段点光源发出的光束经准直镜二准直后，作为参考光束再经分光镜二和窄带滤光片一直接照射校正板，从分光镜二分出的光经转折反射镜和窄带滤光片二后再经聚焦镜三汇聚成点状光斑，点状光斑的位置正好处于微透镜子单元正常工作时的相应波长的聚焦光斑处，这样从微透镜子单元射出的光为平行光束，由于窄带滤光片一和窄带滤光片二通过波长一致，在校正板形成相应波长的波前干涉条纹，在曝光一段时间后，更换窄带滤光片一和窄带滤光片二的透过波长，并移动聚焦镜三到微透镜子单元正常工作时的其他相应波长的聚焦光斑处，这样相应波长的波前与参考光又形成一套干涉条纹，反复经过多次可形成多套干涉条纹，由此当使用校正板时，能够校正微透镜单元的不同波长的球差。
优选的，所述体光栅采用渐变折射率周期。
优选的，渐变折射率周期的体光栅与微透镜子单元的色散特性形成互补，从而使微透镜阵列的不同波长的聚焦位置与探测上的色散条带的波长位置形成线性对应关系。
一种快照式光谱共焦传感器的测量方法，宽波段光束经过具有色差校正能力的准直透镜组后，形成宽波段的平行光，再经分光镜一后照射校正板，被校正板处理后的光束进入微透镜阵列，微透镜阵列进行光束分割得到用于测量的面阵式色散带，当被测目标表面处于微透镜子单元色散光斑的测量范围内时，光线被反射或散射后重新进入微透镜阵列，微透镜阵列收集反射或散射回来的光，经校正板和分光镜一后进入聚焦镜一，从而形成聚焦的光斑阵列，小孔面板对光斑阵列进行处理，去除非共焦波长的光束，经小通孔后的光束继续传输并经过准直镜一变成平行光，再经过体光栅色散后形成多组色散光束，再经聚焦镜二收集后在面阵探测器上形成两维阵列的色散条带。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明采用径向渐变折射率的微透镜子单元构成微透镜阵列实现大色散距离的探测阵列；采用校正板校正微透镜阵列球差，消除球差对轴向色差的影响；采用渐变折射率周期的体光栅，与色散物镜互补实实现不同波长的色散距离与波长间隔成线性关系，不需要复杂的非线性校正即可实现简单的距离或位置与色散一一对应关系。
本发明在校正板形成相应波长的波前干涉条纹，在曝光一段时间后，更换窄带滤光片一和窄带滤光片二的透过波长，并移动聚焦镜三到微透镜子单元正常工作时的其他相应波长的聚焦光斑处，这样相应波长的波前与参考光又形成一套干涉条纹，反复经过多次可形成多套干涉条纹，由此当使用校正板时，能够校正微透镜单元的不同波长的球差。
附图说明
图1为本发明的快照式光谱共焦传感器的主体部分示意图；
图2为本发明的校正板校正光路示意图；
图3为本发明的微透镜阵列上的微透镜子单元的阵列分布示意图；
图4为本发明的小孔面板上小孔的阵列分布示意图；
图5为本发明的体光栅示意图；
图6为本发明的微透镜子单元的色散和体光栅衍射色散的补偿示意图。
图中标号：101、点光源；102、准直透镜组；103、分光镜一；104、校正板；105、微透镜阵列；106、聚焦镜一；107、小孔面板；108、准直镜一；109、体光栅；110、聚焦镜二110；111、面阵探测器；201、宽波段点光源；202、准直镜二；203、分光镜二；204、窄带滤光片一；205、反射镜；206、窄带滤光片二；207、聚焦镜三。
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。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种快照式光谱共焦传感器，包括准直透镜组102、分光镜一103、校正板104、微透镜阵列105、聚焦镜一106、体光栅109和面阵探测器111，准直透镜组102呈水平设置，分光镜一103处于准直透镜组102的正下方，且分光镜一103呈45°倾斜设置，校正板104呈水平设置并处于分光镜一103的正下方，聚焦镜一106竖直设置并处于分光镜一103在平面，且聚焦镜一106设置于分光镜一103的一侧，聚焦镜一106与校正板104呈反射镜像对称，微透镜阵列105呈水平设置并处于校正板104的正下方，聚焦镜一106远离分光镜一103的一侧设置有呈竖直设置的准直镜一108，准直镜一108与聚焦镜一106之间的中间位置设置有呈竖直设置的小孔面板107，准直镜一108远离小孔面板107的一侧设置有呈竖直设置的体光栅109，体光栅109远离准直镜一108的一侧设置有呈竖直设置的面阵探测器111，面阵探测器111与体光栅109之间的中间位置设置有呈竖直设置的聚焦镜二110，还包括校正板校正光路，校正板校正光路由宽波段点光源201、准直镜二202、分光镜二203、窄带滤光片一204、反射镜205、窄带滤光片二206和聚焦镜三207组成，聚焦镜三207呈水平设置并处于微透镜阵列105的正下方，窄带滤光片二206呈水平设置并处于聚焦镜三207的正下方，反射镜205呈倾斜设置并处于窄带滤光片二206的正下方，准直镜二202设置于反射镜205的一侧上部，分光镜二203处于准直镜二202的上部一侧，窄带滤光片一204处于分光镜二203的上部一侧，准直镜二202、分光镜二203和窄带滤光片一204处于同一条直线上。
进一步，优选的，微透镜阵列105上等间距设置有多个径向渐变折射率的微透镜子单元，例如图3所示，微透镜子单元共有k行、u列，横向间距和纵向间距为a和b，微透镜子单元直径为c，可根据需要设置这些参数，如采用1000行、1000列，横向间距、纵向间距、子单元直径都为30um，那么一次可可以测量30mm×30mm区域的三维形貌。
进一步，优选的，小孔面板107上设置有多个小通孔，且小通孔的位置与微透镜阵列105上的微透镜子单元的中心一一对应，如图4所示，小通孔共有k行、u列，横向间距和纵向间距为a和b，小通孔直径一般几个微米。
进一步，优选的，校正板104的被照射表面涂敷有全息记录介质。
进一步，优选的，体光栅109采用渐变折射率周期，与微透镜子单元的色散特性形成互补，从而使微透镜阵列105的不同波长的聚焦位置与探测上的色散条带的波长位置形成线性对应关系。
工作原理：点光源101产生的宽波段光束经过具有色差校正能力的准直透镜组102后，形成宽波段的平行光，再经分光镜一103后照射校正板104，校正板104可以进行复色光的波前调制，以消除球差对轴向色差的影响，被校正板104处理后的光束进入微透镜阵列105，微透镜阵列105进行光束分割得到用于测量的面阵式色散带，每个色散带是沿微透镜子单元的轴向分布的连续色散光斑，这样每个微透镜子单元就构成了一个点式光谱共焦测量传感器的色散模块，当被测目标表面处于微透镜子单元色散光斑的测量范围内时，光线被反射或散射后重新进入微透镜阵列105，微透镜阵列105收集反射或散射回来的光，经校正板104和分光镜一103后进入聚焦镜一106，从而形成聚焦的光斑阵列，小孔面板107对光斑阵列进行处理，去除非共焦波长的光束，从而提高系统分辨率，经小通孔后的光束继续传输并经过准直镜一108变成平行光，再经过体光栅109色散后形成多组非线性色散光束，再经聚焦镜二110收集后在面阵探测器111上形成两维阵列的色散条带，每个色散条带对应着一组光谱数据，波长信息与被测目标表面被测点的位置信息一一对应，这里的体光栅109采用渐变折射率周期，与微透镜子单元的色散特性形成互补，从而使微透镜阵列105的不同波长的聚焦位置与探测上的色散条带的波长位置形成线性对应关系；
校正板校正光路在运行时，宽波段点光源201发出的光束经准直镜二202准直后，作为参考光束再经分光镜二203和窄带滤光片一204直接照射校正板104，从分光镜二203分出的光经转折反射镜205和窄带滤光片二206后再经聚焦镜三207汇聚成点状光斑，点状光斑的位置正好处于微透镜子单元正常工作时的相应波长的聚焦光斑处，这样从微透镜子单元射出的光为平行光束，由于窄带滤光片一204和窄带滤光片二206通过波长一致，在校正板104形成相应波长的波前干涉条纹，在曝光一段时间后，更换窄带滤光片一204和窄带滤光片二206的透过波长，并移动聚焦镜三207到微透镜子单元正常工作时的其他相应波长的聚焦光斑处，这样相应波长的波前与参考光又形成一套干涉条纹，反复经过多次可形成多套干涉条纹，由此当使用校正板104时，能够校正微透镜单元的不同波长的球差；
色散特性由玻璃材料决定，一般在长波时色散率变小，如图样301中显示的从短波s到长波l色散率逐渐变小，体光栅109通过折射率非线性调整形成在长波端大色散率，如图样302，这样整个测量传感器就形成线性的色散测量关系，如图样303。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种快照式光谱共焦传感器，其特征在于，包括准直透镜组(102)、分光镜一(103)、校正板(104)、微透镜阵列(105)、聚焦镜一(106)、体光栅(109)和面阵探测器(111)，所述准直透镜组(102)呈水平设置，所述分光镜一(103)处于准直透镜组(102)的正下方，且分光镜一(103)呈45°倾斜设置，所述校正板(104)呈水平设置并处于分光镜一(103)的正下方，所述聚焦镜一(106)竖直设置并处于分光镜一(103)所在平面，且聚焦镜一(106)设置于分光镜一(103)的一侧，所述聚焦镜一(106)与校正板(104)呈反射镜像对称，所述微透镜阵列(105)呈水平设置并处于校正板(104)的正下方，所述聚焦镜一(106)远离分光镜一(103)的一侧设置有呈竖直设置的准直镜一(108)，所述准直镜一(108)与聚焦镜一(106)之间的中间位置设置有呈竖直设置的小孔面板(107)，所述准直镜一(108)远离小孔面板(107)的一侧设置有呈竖直设置的体光栅(109)，所述体光栅(109)远离准直镜一(108)的一侧设置有呈竖直设置的面阵探测器(111)，所述面阵探测器(111)与体光栅(109)之间的中间位置设置有呈竖直设置的聚焦镜二(110)，还包括校正板校正光路，所述校正板校正光路由宽波段点光源(201)、准直镜二(202)、分光镜二(203)、窄带滤光片一(204)、反射镜(205)、窄带滤光片二(206)和聚焦镜三(207)组成，所述聚焦镜三(207)呈水平设置并处于微透镜阵列(105)的正下方，所述窄带滤光片二(206)呈水平设置并处于聚焦镜三(207)的正下方，所述反射镜(205)呈倾斜设置并处于窄带滤光片二(206)的正下方，所述准直镜二(202)设置于反射镜(205)的一侧上部，所述分光镜二(203)处于准直镜二(202)的上部一侧，所述窄带滤光片一(204)处于分光镜二(203)的上部一侧，所述准直镜二(202)、分光镜二(203)和窄带滤光片一(204)处于同一条直线上。
2.根据权利要求1所述的一种快照式光谱共焦传感器，其特征在于，所述微透镜阵列(105)上等间距设置有多个径向渐变折射率的微透镜子单元。
3.根据权利要求2所述的一种快照式光谱共焦传感器，其特征在于，所述小孔面板(107)上设置有多个小通孔，且小通孔的位置与微透镜阵列(105)上的微透镜子单元的中心一一对应。
4.根据权利要求1所述的一种快照式光谱共焦传感器，其特征在于，所述校正板(104)的被照射表面涂敷有全息记录介质。
5.根据权利要求1所述的一种快照式光谱共焦传感器，其特征在于，宽波段点光源(201)发出的光束经准直镜二(202)准直后，作为参考光束再经分光镜二(203)和窄带滤光片一(204)直接照射校正板(104)，从分光镜二(203)分出的光经转折反射镜(205)和窄带滤光片二(206)后再经聚焦镜三(207)汇聚成点状光斑，点状光斑的位置正好处于微透镜子单元正常工作时的相应波长的聚焦光斑处，这样从微透镜子单元射出的光为平行光束，由于窄带滤光片一(204)和窄带滤光片二(206)通过波长一致，在校正板(104)形成相应波长的波前干涉条纹，在曝光一段时间后，更换窄带滤光片一(204)和窄带滤光片二(206)的透过波长，并移动聚焦镜三(207)到微透镜子单元正常工作时的其他相应波长的聚焦光斑处，这样相应波长的波前与参考光又形成一套干涉条纹，反复经过多次可形成多套干涉条纹，由此当使用校正板(104)时，能够校正微透镜单元的不同波长的球差。
6.根据权利要求1所述的一种快照式光谱共焦传感器，其特征在于，所述体光栅(109)采用渐变折射率周期。
7.根据权利要求6所述的一种快照式光谱共焦传感器，其特征在于，渐变折射率周期的体光栅(109)与微透镜子单元的色散特性形成互补，从而使微透镜阵列(105)的不同波长的聚焦位置与探测上的色散条带的波长位置形成线性对应关系。
8.一种快照式光谱共焦传感器的测量方法，其特征在于，宽波段光束经过具有色差校正能力的准直透镜组(102)后，形成宽波段的平行光，再经分光镜一(103)后照射校正板(104)，被校正板(104)处理后的光束进入微透镜阵列(105)，微透镜阵列(105)进行光束分割得到用于测量的面阵式色散带，当被测目标表面处于微透镜子单元色散光斑的测量范围内时，光线被反射或散射后重新进入微透镜阵列(105)，微透镜阵列(105)收集反射或散射回来的光，经校正板(104)和分光镜一(103)后进入聚焦镜一(106)，从而形成聚焦的光斑阵列，小孔面板(107)对光斑阵列进行处理，去除非共焦波长的光束，经小通孔后的光束继续传输并经过准直镜一(108)变成平行光，再经过体光栅(109)色散后形成多组色散光束，再经聚焦镜二(110)收集后在面阵探测器(111)上形成两维阵列的色散条带。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110899634.5A Pending CN113465517A (zh) | 2021-08-06 | 2021-08-06 | 一种快照式光谱共焦传感器及其测量方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114018157A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-02-08 | 上海兰宝传感科技股份有限公司 | 一种光谱共焦的面阵位移测量装置、测量方法及标定方法 |
| CN115200508A (zh) * | 2022-07-28 | 2022-10-18 | 华侨大学 | 一种面阵式超精密彩色共聚焦显微镜三维测量装置和方法 |
-
2021
- 2021-08-06 CN CN202110899634.5A patent/CN113465517A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114018157A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-02-08 | 上海兰宝传感科技股份有限公司 | 一种光谱共焦的面阵位移测量装置、测量方法及标定方法 |
| CN115200508A (zh) * | 2022-07-28 | 2022-10-18 | 华侨大学 | 一种面阵式超精密彩色共聚焦显微镜三维测量装置和方法 |
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