CN113465547A - 一种线式扫描光谱共聚测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线式扫描光谱共聚测量系统与方法，包括照明模块、线色散模块、线谱接收模块和再成像模块；所述照明模块包括白光光源和聚光镜，提供可见光范围内的照明，通过聚光镜提高光能的利用率。该线式扫描光谱共聚测量系统与方法，通过三个独立的线色散成像光路级联形成具有线视场的光谱共焦测量系统，即通过线视场分光成像、线光谱光复合、线视场再分光成像的过程，同时具有高空间分辨率和高光谱分辨率，一次拍照得到两维空间信息的探测，即狭缝线视场方向的空间分布，以及焦面不同位置的波长反映出的物体表面的高低信息，再通过一维推扫，形成三维空间分布实现3D形貌测量。三个色散成像光路可独立装调测试，简化了系统结构。

Description

一种线式扫描光谱共聚测量系统与方法

技术领域

本发明属于3D形貌检测技术领域，涉及一种线扫描光谱共聚焦测量系统与方法。

背景技术

表面形貌检测是精密加工技术的重要组成部分。随着加工工艺水平的发展，对形貌检测的范围、精度及速率的要求越来越高。在现有的接触式和非接触式表面形貌检测方法中，白光干涉形貌测量和激光共聚焦测量等方法能够通过轴向层析来实现表面形貌的三维恢复，具有精度高、范围大等优势。然而，这些轴向扫描极其耗时，难以满足快速形貌恢复的需求。

光谱共聚焦技术可以解决现有的表面形貌检测方法中耗时这一问题，目前市面上最常见的为点光谱共聚焦位移传感器，白光光源发出的光经过针孔后形成点光源。点光源经过色散物镜后在光轴上形成了一系列连续分布的不同波长的聚焦光斑，不同波长的光斑对应于不同的深度。被测表面若处于某个波长的焦点处，其反射的能量在共焦的小孔处光斑尺寸小，能量分布较集中，因此通过针孔的光通量大。而其他波长处于离焦状态，光斑尺寸大，能量分布较分散，因此通过针孔的光通量小，当经过光谱仪色散并关采集数据进行分析，得到光通量最大处的波长值，进而得到被测物的位置。

点光谱共聚焦的优势就在于替代了系统机械结构的轴向移动，然后若要获取物体3D形貌需要系统在平面内完成二维移动，扫描时间会较长，获取信息的过程也会繁琐。本发明提出了线扫描光谱共聚焦测量系统，利用光谱信息替代机械结构的轴向移动，一维扫描可获取3D形貌信息，过程变得更快，同时优化了系统的结构，便于装调和测试，本发明提出在光学系统中利用棱镜-光栅组合来矫正谱线弯曲和色散的不均匀性，可提高测量精度。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种线式扫描光谱共聚测量系统与方法，能够实现光谱良好线性度和小畸变，一维扫描实现物体的三维形貌信息等优点，解决了背景技术提出的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种线式扫描光谱共聚测量系统，包括照明模块、线色散模块、线谱接收模块和再成像模块。

优选的，通过三个独立的线色散模块形成成像光路级联，形成具有线视场的光谱共焦测量系统。

优选的，所述线色散模块包括狭缝一、准直镜一、分光元件一和成像镜一，且狭缝一、准直镜一、分光元件一和成像镜一依次从高到低向下分布，将通过狭缝一形成的线视场光束进行准直然后产生分光，并成像在距最后一个镜片一定距离的位置，在此处形成具有轴向分量的线状光束色散，狭缝一不同波长的色散像可分布不同的高低位置。

优选的，所述线谱接收模块包括成像镜二、分光元件二、准直镜二和狭缝二，所述成像镜二、分光元件二、准直镜二和狭缝二依次从低到高向上分布，所述线谱接收模块相对于线色散模块左右对称，元件顺序相反，负责接收不同高低位置不同波长的反射或散射光束，依次完成光束的收光、合光、聚光，最终汇聚于狭缝二处，进入下一模块。

优选的，所述分光再成像模块，包括准准直镜三、分光元件三、成像镜三和面阵探测器，可采用常用成像光谱仪相同的光路结构。

根据上述所述的一种线式扫描光谱共聚测量方法，包括如下步骤：

步骤一：从白光光源发出可见光波段光束，经聚光镜收集光并由狭缝一形成线状视场光斑入射到系统，准直镜一将复色光束准直，然后经由分光元件一对复色光束进行分光；

步骤二：色散后的各波长光束经成成像镜一的作用会产生各波长光束的聚焦线，从而汇聚成光谱成像面，其与待测表面垂直，光谱成像面与色散物镜中心波长主光线成一定夹角；

步骤三：经由待测物表面的反射或散射光被成像镜二所接收，依次进入分光元件二和准直镜二，由于光学结构对称，根据光路可逆的原理在狭缝二处合成复色光；

步骤四：最后经由分光再成像模块进入面阵探测器。

(三)有益效果

与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

(1)通过三个独立的线色散成像光路级联形成具有线视场的光谱共焦测量系统，即通过线视场分光成像、线光谱光复合、线视场再分光成像的过程，同时具有高空间分辨率和高光谱分辨率，一次拍照得到两维空间信息的探测，即狭缝线视场方向的空间分布，以及焦面不同位置的波长反映出的物体表面的高低信息，再通过一维推扫，形成三维空间分布实现3D形貌测量。三个色散成像光路可独立装调测试，简化了系统结构。

(2)发明的线扫描光谱共焦测量系统中的两个色散成像模块，即线光谱色散模块和线光谱接收模块为对称结构，元件一致，易于装调，节省成本。

(3)线色散模块和线光谱接收模块的分光器件采用棱镜-光栅组合，实现小的谱线弯曲和线性均匀色散，并通过光路偏轴设计实现具有轴向色散的分光成像，由此能够小角度倾斜光路实现光谱成像平面垂直于待测物表面，不同波长的狭缝像处于不同的高低位置。

附图说明

图1是本发明的线光谱共聚焦测量系统结构示意图。

图2是本棱镜-光栅分光元件结构示意图。

图3是色散成像光路结构。

图4是线色散模块和线谱接收模块的对称结构。

图5是色散成像面示意图。

图中：1、聚光镜；2、狭缝一；3、准直镜一；4、分光元件一；5、成像镜一；6、光谱成像面；7、成像镜二；8、分光元件二；9、准直镜二；10、狭缝二；11、准直镜三；12、分光元件三；13、成像镜三；14、面阵探测器。

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。

实施例

参照图1-5所示，一种线式扫描光谱共聚测量系统，包括照明模块、线色散模块、线谱接收模块和再成像模块。

照明模块包括白光光源和聚光镜1，光源采用白光光源，在450nm～700nm具有较高的光辐射通量，提供可见光范围内的照明，通过聚光镜1提高光能的利用率。

线色散模块包括狭缝一2、准直镜一3、分光元件一4和成像镜一5，且狭缝一2、准直镜一3、分光元件一4和成像镜一5依次从高到低向下分布，将通过狭缝一2形成的线视场光束进行准直然后产生分光，并成像在距最后一个镜片一定距离的位置，在此处形成具有轴向分量的线状光束色散，狭缝一2不同波长的色散像可分布不同的高低位置，

线谱接收模块包括成像镜二7、分光元件二8、准直镜二9和狭缝二10，成像镜二7、分光元件二8、准直镜二9和狭缝二10依次从低到高向上分布，线谱接收模块相对于线色散模块左右对称，元件顺序相反，负责接收不同高低位置不同波长的反射或散射光束，依次完成光束的收光、合光、聚光，最终汇聚于狭缝二10处，进入下一模块。

狭缝一2和狭缝二10采用光刻铬板制作，均匀，且无毛刺，无缺口。准直镜一3和准直镜二9采用透镜组结构，提供狭缝一2和狭缝二10的准直光束，像差较小。分光元件一4和分光元件二8由棱镜、光栅和棱镜胶合而成PGP结构，实现均匀色散、光路的偏折、较小的光谱畸变。成像镜一5和成像镜二7采用双胶合镜实现并离轴使用，为实现高质量成像，可进一步复杂光成像镜结构。

分光再成像模块，包括准准直镜三11、分光元件三12、成像镜三13和面阵探测器14，可采用常用成像光谱仪相同的光路结构。

上述分光元件一4、分光元件二8、分光元件三12皆采用棱镜和光栅组合实现，具体可以采用棱镜+光栅或者棱镜+光栅+棱镜的形式。平行光束经过棱镜后发生偏折，再经过光栅进行色散分光。透射光栅采用平面刻划或平面全息光栅，根据光谱范围、光栅刻线密度和棱镜材料，经过计算选择合适的光栅入射角及棱镜顶角来矫正谱线弯曲问题，从而减少仪器定标和图像处理的难度。图2给出了棱镜+光栅的结构形式。

上述的线色散模块、线谱接收模块和再成像模块都是分光成像光路，线色散模块和线谱接收模块如图3所示，波长范围为450nm-700nm，光路参数如表1所示。棱镜为直角三角形，光栅刻线每毫米400线；准直光线经过分光元件产生色散，色散后光束经过成像透镜产生各个波长的狭缝像，形成光谱成像面6，各波长光束之间距离与波长的关系所呈现的趋势为线性，R2＝0.9979。在光谱维实现了14.26mm的测量范围，8.4mm长的视野，中心波长光学距离为50mm，中心波长的中心光线与光谱面角度为44.6°。

再成像模块的分光成像光路可采用常用的成像光谱仪的光路形式，如C-T结构或Offner同心光学结构等。

根据上述的一种线式扫描光谱共聚测量方法，包括如下步骤：

步骤一：从白光光源发出可见光波段光束，经聚光镜1收集光并由狭缝一2形成线状视场光斑入射到系统，准直镜一3将复色光束准直，然后经由分光元件一4对复色光束进行分光，由于分光元件一4的特点，使得分光后各波长光束色散均匀度良好；

步骤二：色散后的各波长光束经成成像镜一5的作用会产生各波长光束的聚焦线，从而汇聚成光谱成像面6，其与待测表面垂直，光谱成像面6与色散物镜中心波长主光线成一定夹角；

步骤三：经由待测物表面的反射或散射光被成像镜二7所接收，依次进入分光元件二8和准直镜二9，由于光学结构对称，根据光路可逆的原理在狭缝二10处合成复色光；

步骤四：最后经由分光再成像模块进入面阵探测器14。

附表说明：

表1是本发明的分光成像光路参数。

工作原理：需要将散热器主体1和安装板2安装时，通过将螺纹套313套接在第一螺纹杆314外壁随后转动螺纹套313，此时螺纹套313能够与第一螺纹杆314螺纹连接，此时工作人员可以向下拉动限位框319从而带动限位框319套接在固定块317上的凹槽318内部，进而实现限制螺纹套313旋转的效果，确保了散热器主体1与安装板2的稳定性，并且这种操作方式更为方便，提升了散热器主体1的安装效率。

需要对散热器主体1上的风扇清理时，工作人员可以转动第二螺纹杆413从而带动第二螺纹杆413在孔洞414内部旋转并逐渐向前移动，此时第二螺纹杆413带动限位板415转动从而带动限位板415与清理板412外壁脱离，此时清理板412不再受到限位，工作人员可以向前拉动清理板412从而将清理板412取出并对风扇上的扇叶进行清理工作。

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 (6)

1.一种线式扫描光谱共聚测量系统，其特征在于：包括照明模块、线色散模块、线谱接收模块和再成像模块。

2.根据权利要求1所述的一种线式扫描光谱共聚测量系统，其特征在于：通过三个独立的所述线色散模块形成成像光路级联，形成具有线视场的光谱共焦测量系统。

3.根据权利要求1所述的一种线式扫描光谱共聚测量系统，其特征在于：所述线色散模块包括狭缝一(2)、准直镜一(3)、分光元件一(4)和成像镜一(5)，且狭缝一(2)、准直镜一(3)、分光元件一(4)和成像镜一(5)依次从高到低向下分布，将通过狭缝一(2)形成的线视场光束进行准直然后产生分光，并成像在距最后一个镜片一定距离的位置，在此处形成具有轴向分量的线状光束色散，狭缝一(2)不同波长的色散像可分布不同的高低位置。

4.根据权利要求1所述的一种线式扫描光谱共聚测量系统，其特征在于：所述线谱接收模块包括成像镜二(7)、分光元件二(8)、准直镜二(9)和狭缝二(10)，所述成像镜二(7)、分光元件二(8)、准直镜二(9)和狭缝二(10)依次从低到高向上分布，所述线谱接收模块相对于线色散模块左右对称，元件顺序相反，负责接收不同高低位置不同波长的反射或散射光束，依次完成光束的收光、合光、聚光，最终汇聚于狭缝二(10)处，进入下一模块。

5.根据权利要求1所述的一种线式扫描光谱共聚测量系统，其特征在于：所述分光再成像模块，包括准准直镜三(11)、分光元件三(12)、成像镜三(13)和面阵探测器(14)，可采用常用成像光谱仪相同的光路结构。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种线式扫描光谱共聚测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：从白光光源发出可见光波段光束，经聚光镜(1)收集光并由狭缝一(2)形成线状视场光斑入射到系统，准直镜一(3)将复色光束准直，然后经由分光元件一(4)对复色光束进行分光；

步骤二：色散后的各波长光束经成成像镜一(5)的作用会产生各波长光束的聚焦线，从而汇聚成光谱成像面(6)，其与待测表面垂直，光谱成像面(6)与色散物镜中心波长主光线成一定夹角；

步骤三：经由待测物表面的反射或散射光被成像镜二(7)所接收，依次进入分光元件二(8)和准直镜二(9)，由于光学结构对称，根据光路可逆的原理在狭缝二(10)处合成复色光；

步骤四：最后经由分光再成像模块进入面阵探测器(14)。

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