CN113483676A - 一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置及使用方法，其装置由多光谱光源、第一聚焦透镜组、第一分光镜、Y型光纤、第二分光镜、第一准直透镜组、色散聚焦透镜组、XY位移平台、第一颜色传感器、第二颜色传感器、第三颜色传感器、混色原件组成而构成光学检测系统，其有结构设计合理简洁，便于制作，使用操作容易，无需触测量，测量稳定可靠，以及成本价格经济合理的特点；其方法利用被测面板表面的反射特性，使得被测面板表面在色散聚焦透镜组的色散焦点范围内，第一颜色传感器、第二颜色传感器、第三颜色传感器相应接收特定的颜色信号，再利用计算机则相应处理得到相应的颜色坐标值，进而计算出被测面板的面型或厚度。

Description

一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置及使用方法

【技术领域】

本发明涉及前沿光学检测领域，特别涉及一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置及使用方法。

【背景技术】

在常见光谱共焦测量传感器装置中，常用光谱仪来分析光谱，使用这种仪器成本价格高昂。对于手机类电子产品透明材料面板的检测，目前国内主流的测量方式还是接触式，而高端无接触测量设备仪器主要为国外生产及使用。此类高精度的面板，其市场需求量大；随着工艺与材料的进步，人们对面板的检测需求也随着增多，同时要求也更高了。主要有如下要求：测量方式更快、更直接、无接触，且不损害被检测产品和测量精度更高，以及要求检测装置及检测工艺成本经济合理，操作便捷。

本发明即针对上述现有技术所存在的问题而提出。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，具有结构设计合理简洁，便于制作，使用操作容易，无需接触测量，测量稳定可靠，以及成本价格经济合理的特点。另外，本发明还提供一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置的使用方法，其利用被测面板表面的反射特性，在XY位移平台轴向移动过程中使得被测面板相应表面在色散聚焦透镜组的色散焦点范围内，由面板相应表面反射光，再由相应的第一颜色传感器、第二颜色传感器、第三颜色传感器接收反射回的特定光信号，与第一颜色传感器、第二颜色传感器、第三颜色传感器相连的计算机则相应处理得到相应的颜色信号。因此，根据XY位移平台对应的颜色信号相应计算出被测面板的面型或厚度，由于采用了第一颜色传感器、第二颜色传感器、第三颜色传感器处理光信号的方式，颜色传感器成本远低于光谱分析仪而且响应更快速,使得在能保证测量效果的情况下，有效降低系统的成本。因此，采用本发明可高效、准确且无接触地测量出被测非透明材料面板的表面形状或透明材料面板的厚度及形状，对采用透明材料面板类的产品有效保证了其质量及性能，具有显著的经济、社会效益，同时对光学制造与光学检测以及其它应用领域的发展亦具有现实意义。

为解决上述技术问题，本发明一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，沿发射光路依次设有多光谱光源1、第一聚焦透镜组2、第一分光镜3、Y型光纤4、第二分光镜5、第一准直透镜组6、色散聚焦透镜组7和XY位移平台9。

所述多光谱光源1用于提供及发射多光谱光束。

所述第一聚焦透镜组2用于聚焦多光谱光源1发射的光能量到第一分光镜3上。

所述第一分光镜3和第二分光镜5用于分光。

所述Y型光纤4具有a端、b1端和b2端，a端为Y型光纤4的主端，b1端和b2端为Y型光纤4的分支端，所述Y型光纤4b1端与背对第一聚焦透镜组2的第一分光镜3一侧连接，所述第一分光镜3第三侧连接有第一颜色传感器10，所述Y型光纤4b2端连接有第二颜色传感器11，所述Y型光纤4a端与第二分光镜5一侧连接，且所述第一准直透镜组6位于第二分光镜5与所述Y型光纤4a端连接的相对侧。

所述第二分光镜5第三侧设有第三颜色传感器19，所述第二分光镜5与第三颜色传感器19之间设有混色元件。

所述第一准直透镜组6用于将通过第二分光镜5的光准直成平行光束。

所述色散聚焦透镜组7用于将经第一准直透镜组6准直的平行光束聚焦到被测的面板8上，聚焦到面板8表面的光再反射，色散聚焦透镜组7则收集由面板8表面反射的反射光，反射光再经第二分光镜5分离透射到Y型光纤4上和反射到混色元件上，所述Y型光纤4则将光传递给第二颜色传感器11，以使得第二颜色传感器11探测到光信号；所述混色元件则将光传递给第三颜色传感器19，以使得第三颜色传感器19探测到光信号。

所述第一颜色传感器10、第二颜色传感器11和第三颜色传感器19用于探测光信号，并与计算机连接，计算机系统根据光信号则可相应计算出被测的面板8的面型及厚度。

进行测量时，被测的面板8位于XY位移平台9上，通过调节XY位移平台9轴向移动以使得面板8上、下表面相应与色散聚焦透镜组7的焦平面重合。

如上所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，在所述第二分光镜5与第三颜色传感器19之间设置的混色元件为毛玻璃片12，所述毛玻璃片12用于将经第二分光镜5反射的光混色，当色散聚焦透镜组7将经第一准直透镜组6准直的平行光束聚焦到被测的面板8上，聚焦到面板8表面的光再反射，色散聚焦透镜组7则收集由面板8表面反射的反射光，反射光再经第二分光镜5分离透射到Y型光纤4上和反射到毛玻璃片12上，所述Y型光纤4则将透射的光传递给第二颜色传感器11，以使得第二颜色传感器11探测到光信号；所述毛玻璃片12则将光传递给第三颜色传感器19，以使得第三颜色传感器19探测到光信号。

如上所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，在所述第二分光镜5与第三颜色传感器19之间设置的混色元件为玻璃棒A13，所述玻璃棒A13用于将经第二分光镜5反射的光混色，当色散聚焦透镜组7将经第一准直透镜组6准直的平行光束聚焦到被测的面板8上，聚焦到面板8表面的光再反射，色散聚焦透镜组7则收集由面板8表面反射的反射光，反射光再经第二分光镜5分离透射到Y型光纤4上和反射到玻璃棒A13上，所述Y型光纤4则将透射的光传递给第二颜色传感器11，以使得第二颜色传感器11探测到光信号；所述玻璃棒A13则将光传递给第三颜色传感器19，以使得第三颜色传感器19探测到光信号。

如上所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，在所述第二分光镜5与第三颜色传感器19之间设置的混色元件为出射端面磨成毛玻璃面的玻璃棒B14，所述玻璃棒B14用于将经第二分光镜5反射的光混色，当色散聚焦透镜组7将经第一准直透镜组6准直的平行光束聚焦到被测的面板8上，聚焦到面板8表面的光再反射，色散聚焦透镜组7则收集由面板8表面反射的反射光，反射光再经第二分光镜5分离透射到Y型光纤4上和反射到玻璃棒B14上，所述Y型光纤4则将透射的光传递给第二颜色传感器11，以使得第二颜色传感器11探测到光信号；所述玻璃棒B14则将光传递给第三颜色传感器19，以使得第三颜色传感器19探测到光信号。

如上所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，在所述第二分光镜5与第三颜色传感器19之间设置的混色元件为微透镜阵列组，所述微透镜阵列组与第二分光镜5之间设有第二准直透镜组15，所述微透镜阵列组与第三颜色传感器19之间设有第二聚焦透镜组18，所述微透镜阵列组用于将经第二分光镜5反射的光混色，当色散聚焦透镜组7将经第一准直透镜组6准直的平行光束聚焦到被测的面板8上，聚焦到面板8表面的光再反射，色散聚焦透镜组7则收集由面板8表面反射的反射光，反射光再经第二分光镜5分离透射到Y型光纤4上和反射到第二准直透镜组15，所述Y型光纤4则将透射的光传递给第二颜色传感器11，以使得第二颜色传感器11探测到光信号；所述第二准直透镜组15则将光依次传递给微透镜阵列组和第二聚焦透镜组18，最终由第二聚焦透镜组18将光聚焦于第三颜色传感器19上，以使得第三颜色传感器19探测到光信号。

如上所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，所述微透镜阵列组包括沿光路设置的第一微透镜阵列16和第二微透镜阵列17。

本发明还提供一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置的使用方法，其使用上述所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，具体步骤如下：

S1、调节多光谱光源1、第一聚焦透镜组2、第一分光镜3、第二分光镜5、第一颜色传感器10、第二颜色传感器11、Y型光纤4、混色元件、第三颜色传感器19、第一准直透镜组6和色散聚焦透镜组7，使之相应等高共轴；

S2、开启多光谱光源1，多光谱光源1射出的入射光线经第一聚焦透镜组2聚焦于第一分光镜3，经第一分光镜3分光后分别聚焦第一分光镜3的两个侧面上，经由第一分光镜3透射光的部分聚焦形成点光源，接入Y型光纤4b1端，经由第一分光镜3反射光的部分聚焦在另一侧面，接入第一颜色传感器10，接收到颜色信号X1Y1；

S3、第一准直透镜组6将经过Y型光纤4a端到第二分光镜5出射的光准直为平行光束射出；

S4、色散聚焦透镜组7将经过第一准直透镜组6的准直平行光束聚焦到被测面板8表面，由被测面板8表面进行反射，并由色散聚焦透镜组7进行收集面板8表面的反射光，面板8表面的反射光经第一准直透镜组6聚光，之后由第二分光镜5透射后入射到Y型光纤4a端上，经由Y型光纤4射入第二颜色传感器11，使得第二颜色传感器11获得颜色信号X3Y3；面板8表面的反射光经第一准直透镜组6聚光，并经第二分光镜5反射到混色元件，混色元件再将光传递到第三颜色传感器19，使得第三颜色传感器19获得颜色信号X2Y2；

S5、当将放置有面板8的XY位移平台9沿轴向移动，在移动过程中使得被测面板8的上表面或下表面将分别与色散聚焦透镜组7的焦平面重合，第二颜色传感器11则可接收到被测面板8相应表面反射的颜色信号X3Y3，第三颜色传感器19则可接收到被测面板8相应表面反射的颜色信号X2Y2，与第一颜色传感器10、第二颜色传感器11和第三颜色传感器19连接的计算机则处理得到得相应的颜色信号X1Y1、X2Y2、X3Y3，经由计算得出被测面板8的相应表面的面型。

当将放置有面板8的XY位移平台9沿轴向移动，在移动过程中使得被测面板8的上、下表面将分别与色散聚焦透镜组7的焦平面重合，第二颜色传感器11则可接收到被测面板8上、下表面反射的颜色信号X3Y3，第三颜色传感器19则可接收到被测面板8上、下表面反射的颜色信号X2Y2，与第一颜色传感器10、第二颜色传感器11和第三颜色传感器19连接的计算机则处理得到相应的颜色信号X1Y1、X2Y2、X3Y3，经由计算可得出被测面板8的厚度。

如上所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置的使用方法，在步骤S4中，混色元件采用毛玻璃片12，面板8表面的反射光经第一准直透镜组6聚光，并由第二分光镜5反射后，经毛玻璃片12射入第三颜色传感器19，使得第三颜色传感器19获得颜色信号X2Y2；

或者在步骤S4中，混色元件采用玻璃棒A13，面板8表面的反射光经第一准直透镜组6聚光，并由第二分光镜5反射后，经玻璃棒A13射入第三颜色传感器19，使得第三颜色传感器19获得颜色信号X2Y2；

或者在步骤S4中，混色元件采用出射端面磨成毛玻璃面的玻璃棒B14，面板8表面的反射光经第一准直透镜组6聚光，并由第二分光镜5反射后，经玻璃棒B14，射入第三颜色传感器19，使得第三颜色传感器19获得颜色信号X2Y2；

或者在步骤S4中，混色元件采用微透镜阵列组，且在所述第二分光镜5与微透镜阵列组之间设有第二准直透镜组15，微透镜阵列组和第三颜色传感器19之间设有第二聚焦透镜组18；面板8表面的反射光经第一准直透镜组6聚光，并由第二分光镜5反射后，依次经过第二准直透镜组15、微透镜阵列组和第二聚焦透镜组18后射入第三颜色传感器19，使得第三颜色传感器19获得颜色信号X2Y2。

与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1、本发明装置，其结构设计具有结构紧凑、简洁合理，便于操作的特点，同时还具有高适应性、测量范围较广的特点，同时还具有测量高效、稳定、精度高和成本经济合理的特点。

2、本发明方法，其利用被测面板表面的反射特性，在XY位移平台轴向移动过程中使得被测面板表面在色散聚焦透镜组的色散焦点范围内，同时设有第一颜色传感器、第二颜色传感器、第三颜色传感器来接收特定的颜色信号，与第一颜色传感器、第二颜色传感器、第三颜色传感器连接的计算机则相应处理得到相应的颜色坐标值，因此，根据调节XY位移平台轴向移动过程中颜色坐标值对应的位置而相应计算出被测面板的面型或厚度。

3、本发明方法由于设计使用了混色元件：毛玻璃片、玻璃棒A、玻璃棒B、微透镜阵列组，解决了被测面板表面反射光经第二分光镜反射后为一复颜色环的问题，能使第二颜色传感器、第三颜色传感器有效地测量。且这种方式实现了无接触即可准确地测出透明材料面板的厚度，避免了现有技术中采用接触式测量而对被测的透明材料面板产生刮花或残留指纹等不良影响。

4、对比传统使用光谱分析仪的光谱共焦测量该方法，本发明具有巨大的成本优势,并且能实现更高的测量效率,具有广泛的应用前景。

【附图说明】

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明装置具体实施方式的结构示意图之一。

图2为本发明装置具体实施方式的结构示意图之二。

图3为本发明装置具体实施方式的结构示意图之三。

图4为本发明装置具体实施方式的结构示意图之四。

图5为采用本发明方法其中一种对被测面板进行标定的示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

本发明中面板包括但不限于手机用的透明材料面板，目前市面上手机用的透明材料面板的厚度范围为0.3mm-0.5mm，故采用本发明装置和方法，可实现了非接触式、高精度，高效率测量其厚度和面型。

如图1、2、3、4所示，本发明一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，沿发射光路依次设有多光谱光源1、第一聚焦透镜组2、第一分光镜3、Y型光纤4、第二分光镜5、第一准直透镜组6、色散聚焦透镜组7和XY位移平台9。

所述Y型光纤4具有a端、b1端和b2端，a端为Y型光纤4的主端，b1端和b2端为Y型光纤4的分支端，所述Y型光纤4b1端与背对第一聚焦透镜组2的第一分光镜3一侧连接，所述第一分光镜3第三侧连接有第一颜色传感器10,探测光源颜色，所述Y型光纤4b2端连接有第二颜色传感器11，所述Y型光纤4a端与第二分光镜5一侧连接，且所述第一准直透镜组6位于第二分光镜5与所述Y型光纤4a端连接的相对侧；所述第二分光镜5第三侧设有第三颜色传感器19探测由被测表面返回光的颜色，所述第二分光镜5与第三颜色传感器19之间设有混色元件；所述第一颜色传感器10、第二颜色传感器11和第三颜色传感器19用于探测光信号，并与计算机连接。

本发明中多光谱光源1用于提供及发射多光谱光束，属于照明光源。而照明光源是共焦光学系统的重要组成部分，在本发明的整个光学系统中，要求照明光源发射的光束具备较高的准直度，同时又因为光学系统中的元件数量较多，对光能的吸收、散射等衰减作用不容忽视，所以还需要照明光源的能量输出功率具有稳定高效的特点，以确保第一颜色传感器10、第二颜色传感器11和第三颜色传感器19能够接收到足够强度的光信号。综合考虑上述因素，优选发散角小且单色性好的辐射源作为光源。

所述第一聚焦透镜组2用于聚焦多光谱光源1发射的光能量并经过第一分光镜3而聚焦于Y型光纤4的b1端上，Y型光纤4的b1端则过滤边缘杂光而形成点光源。

所述第一分光镜3和第二分光镜5用于分光，所述第一准直透镜组6用于将通过第二分光镜5的光准直成平行光。第二分光镜5的主要作用是将色散聚焦透镜组7收集到的被测面板表面的反射光从入射光路中分离出来，经由混色元件混色后出射，由第三颜色传感器19接收颜色信号。

所述色散聚焦透镜组7用于将经第一准直透镜组6准直的平行光束聚焦到被测的面板8上，聚焦到被测面板8表面的光再反射，色散聚焦透镜组7则收集由面板8表面反射的反射光，反射光先经过第一准直透镜组6，且再经第二分光镜5分离透射到Y型光纤4的a端上，经过Y型光纤4，由Y型光纤4的b2端出射并将光传给第二颜色传感器11，以使得第二颜色传感器11探测到光信号；反射光经过第一准直透镜组6且再经第二分光镜5分离反射到混色元件，混色元件则将光传递到第三颜色传感器19上，以使得第三颜色传感器19接收到颜色信号。

进行测量时，被测的面板8位于XY位移平台9上，通过调节XY位移平台9轴向移动以使得面板8上、下表面相应与色散聚焦透镜组7的焦平面重合，面板8表面的反射光则相应由第二颜色传感器11和第三颜色传感器19探测到，由于不同的表面位置会使第二颜色传感器11光的颜色改变,计算机系统则根据所探测到的光信号则可相应计算出被测的面板8的面型及厚度。

如图1所示，作为本发明的一种实施方式，在所述第二分光镜5与第三颜色传感器19之间设置的混色元件为毛玻璃片12，所述毛玻璃片12用于将经第二分光镜5反射的光进行混色，即通过毛玻璃片12将颜色未混合的反射光混色成均匀颜色光斑后，再将该均匀光斑颜色的光传递给第三颜色传感器19，以使得第三颜色传感器19更准确探测到光信号颜色。

如图2所示，作为本发明的另一种实施方式，在所述第二分光镜5与第三颜色传感器19之间设置的混色元件为玻璃棒A13，所述玻璃棒A13用于将经第二分光镜5反射的光进行混色，玻璃棒A13可使得通过其的光损耗更低；当色散聚焦透镜组7收集由面板8表面反射的反射光，部分反射光经第二分光镜5反射到玻璃棒A13上，所述玻璃棒A13则将光传递给第三颜色传感器19，以使得第三颜色传感器19探测到光信号。

如图3所示，作为本发明的又一种实施方式，在所述第二分光镜5与第三颜色传感器19之间设置的混色元件为入射或出射端面磨成毛玻璃面的玻璃棒B14，使用入射或出射端面磨成毛玻璃面的玻璃棒B14，会使通过其的光更均匀，确保检测更精准；当色散聚焦透镜组7收集由面板8表面反射的反射光，部分反射光经第二分光镜5反射到玻璃棒B14上，出射端面磨成由毛玻璃面的玻璃棒B14则将光传递给第三颜色传感器19，以使得第三颜色传感器19探测到光信号。

如图4所示，作为本发明的又一实施方式，在所述第二分光镜5与第三颜色传感器19之间设有第二准直透镜组15，微透镜阵列组和第二聚焦透镜组18，当色散聚焦透镜组7收集由面板8表面反射的反射光，部分反射光经第二分光镜5反射到第二准直透镜组15，第二准直透镜组15则将光依次传递给微透镜阵列组、第二聚焦透镜组18，最终由第二聚焦透镜组18聚焦于第三颜色传感器19上，以使得第三颜色传感器19探测到光信号。

本发明中上述实施例中的混色元件是用于将第二分光镜5反射的具有分层的颜色光环均匀混合成单一颜色，以便第三颜色传感器19探测到光的颜色信号，混色元件可采用毛玻璃片12或玻璃棒A13或出射端面磨成毛玻璃面的玻璃棒B14或微透镜阵列组，其中微透镜阵列组包括沿光路设置的第一微透镜阵列16和第二微透镜阵列17，如图4所示。

进行测量时，被测面板8位于XY位移平台9上，调节位移平台9轴向移动以使得面板8相应表面在色散聚焦透镜组的色散焦点范围内,被测面板8相应表面的反射光返回色散聚焦透镜组7，然后经过第一准直透镜组6，由第二分光镜5分光后反射到混色元件上，经混色元件混色后，光线传递射到第三颜色传感器19上，由第三颜色传感器19接收处理光信号。

从光路可以看出,Y型光纤4的b1端、b2端和主端a与被测面板8表面为光谱共焦，只有聚焦的焦点在被测面板8表面上的光线被反射后，才能被聚焦到Y型光纤的主端a上，其他不聚焦在被测面板8表面上的光谱则不能有效的把光聚焦到Y型光纤的主端a上，再由第二颜色传感器11接收。

本发明还提供一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置的使用方法，使用如图1、2、3、4所示的基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，具体步骤如下：

S1、调节多光谱光源1、第一聚焦透镜组2、第一分光镜3、Y型光纤4、第二分光镜5、第一准直透镜组6、色散聚焦透镜组7、第一颜色传感器10、第二颜色传感器11、混色元件和第三颜色传感器19，使之相应等高共轴；

S2、开启多光谱光源1，多光谱光源1射出的入射光线经第一聚焦透镜组2聚焦于第一分光镜3，经第一分光镜3分光后分别聚焦第一分光镜3的两个侧面上，经由第一分光镜3透射光的部分聚焦形成点光源，接入Y型光纤4b1端，经由第一分光镜3反射光的部分聚焦在另一侧面，接入第一颜色传感器10，接收到颜色信号X1Y1；

S3、第一准直透镜组6将经过Y型光纤4a端到第二分光镜5出射的光准直为平行光束射出；

S4、色散聚焦透镜组7将经过第一准直透镜组6的准直平行光束聚焦到被测面板8表面，由被测面板8表面进行反射，并由色散聚焦透镜组7进行收集面板8表面的反射光，面板8表面的反射光经第一准直透镜组6聚光，之后由第二分光镜5透射后入射到Y型光纤4a端上，经由Y型光纤4射入第二颜色传感器11，使得第二颜色传感器11获得颜色信号X3Y3；面板8表面的反射光经第一准直透镜组6聚光，并经第二分光镜5反射到混色元件，混色元件再将光传递到第三颜色传感器19，使得第三颜色传感器19获得颜色信号X2Y2；

S5、当将放置有面板8的XY位移平台9沿轴向移动，在移动过程中使得被测面板8的上表面或下表面将分别与色散聚焦透镜组7的焦平面重合，第二颜色传感器11则可接收到被测面板8相应表面反射的颜色信号X3Y3，第三颜色传感器19则可接收到被测面板8相应表面反射的颜色信号X2Y2，与第一颜色传感器10、第二颜色传感器11和第三颜色传感器19连接的计算机则处理得到得相应的颜色信号X1Y1、X2Y2、X3Y3，经由计算得出被测面板8的相应表面的面型。

当将放置有面板8的XY位移平台9沿轴向移动，在移动过程中使得被测面板8的上、下表面将分别与色散聚焦透镜组7的焦平面重合，第二颜色传感器11则可接收到被测面板8上、下表面反射的颜色信号X3Y3，第三颜色传感器19则可接收到被测面板8上、下表面反射的颜色信号X2Y2，与第一颜色传感器10、第二颜色传感器11和第三颜色传感器19连接的计算机则处理得到相应的颜色信号X1Y1、X2Y2、X3Y3，经由计算可得出被测面板8的厚度。

第一实施例，如图1所示，在步骤S4中，经过第二分光镜5反射的光，通过毛玻璃片12，由毛玻璃片进行混色，形成单颜色光射出，由第三颜色传感器19接收。

第二实施例，如图2所示，在步骤S4中，经过第二分光镜5反射的光，通过玻璃棒A13，光在玻璃棒A内多次反射，最后形成单颜色光射出，由第三颜色传感器19接收。

第三实施例，如图3所示，在步骤S4中，经过第二分光镜5反射的光，通过出射面磨成毛玻璃片的玻璃棒B14，光在玻璃棒B内多次反射，形成单颜色光射出，由第三颜色传感器19接收。

第四实施例，如图4所示，在步骤S4中，经过第二分光镜5反射的光，先经过第二准直透镜组15准直为平行光，接着先后经过微透镜阵列16和微透镜阵列17以分为不同细小光束，再经过第二聚焦透镜组18聚焦为单颜色光，最后由第三颜色传感器19接收。

本发明所设计的照明光路系统，是将多光谱光源1射出的光进行聚焦形成点光源，之后通过色散聚焦透镜组聚焦在被测面板表面上。对本发明装置进行优化设计时，只需要校正轴上点球差。优选地，经过准直、分光的平行光束充满色散聚焦透镜组7的入瞳，为了提高系统的分辨力，一般色散聚焦透镜组的焦距越短越好。因此，为了保证准直后的光能够充满色散聚焦透镜组7的光瞳，需要适当地选择准直透镜组的焦距。

本发明由第一颜色传感器、第二颜色传感器和第三颜色传感器构成光信号分析系统，通过轴向层析特性及光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，再利用三组颜色坐标信息推算出颜色对应波长，找到对应位置信息，进而准确测量出被测面板的厚度或面型。第一颜色传感器、第二颜色传感器和第三颜色传感器可采用使用三颜色滤波器且型号为TCS230的颜色传感器，通过对固定时间内的脉冲计数，可获得对应的R，G，B的值。

本发明方法，采用1931CIE-XYZ标准色度系统，通过如下公式，对获得的颜色信号X1Y1，X2Y2，X3Y3的R、G、B的值进行处理，获得其对应的色度坐标X1Y1(x1,y1,z1)，X2Y2(x2,y2,z2)，X3Y3(x3,y3,z3)。

X＝2.7689R+1.7517G+1.1302B

Y＝1.0000R+4.5907G+0.0601B

Z＝0.0000R+0.0565G+5.5943B

x＝X/(X+Y+Z)

y＝Y/(X+Y+Z)

z＝Z/(X+Y+Z)

本发明方法步骤中，有一种标定方式，通过该方式与相应坐标进行处理可获得面板的面型或厚度。该标定方式中，为光学系统添加Z轴，Z轴垂直于XY位移平台。在测量时，移动Z轴使得光信号分析系统接收到的信号不变，即色度坐标不变，通过计算单位时间内Z轴位移d的变化，可以测得面板的厚度或面型。

本发明方法还有一种标定方式，如图5所示，将获得的颜色信号X1Y1(x1,y1,z1)作为初始白光信号，得到所测颜色三角空间，再将颜色信号X2Y2(x2,y2,z2)做白光点，并与颜色坐标X3Y3(x3,y3,z3)相连作直线，相交光谱曲线为A点，A点反应了颜色坐标X3Y3(x3,y3,z3)的主波长λ，根据时间间隔内XY位移平台的位移变化，与对应λ的变化量计算出被测面板的面型或厚度。在该标定方式中，采用坐标X2Y2(x2,y2,z2)，X3Y3(x3,y3,z3)处理能够避免材料表面吸收对计算的影响。

Claims (8)

1.一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，其特征在于沿发射光路依次设有多光谱光源(1)、第一聚焦透镜组(2)、第一分光镜(3)、Y型光纤(4)、第二分光镜(5)、第一准直透镜组(6)、色散聚焦透镜组(7)和XY位移平台(9)；

所述多光谱光源(1)用于提供及发射多光谱光束；

所述第一聚焦透镜组(2)用于聚焦多光谱光源(1)发射的光能量并经过第一分光镜(3)而聚焦于上Y型光纤(4)上；

所述第一分光镜(3)和第二分光镜(5)用于分光；

所述Y型光纤(4)具有a端、b1端和b2端，a端为Y型光纤(4)的主端，b1端和b2端为Y型光纤(4)的分支端，所述Y型光纤(4)b1端与背对第一聚焦透镜组(2)的第一分光镜(3)一侧连接，所述第一分光镜(3)第三侧连接有第一颜色传感器(10)，所述Y型光纤(4)b2端连接有第二颜色传感器(11)，所述Y型光纤(4)a端与第二分光镜(5)一侧连接，且所述第一准直透镜组(6)位于第二分光镜(5)与所述Y型光纤(4)a端连接的相对侧；

所述第二分光镜(5)第三侧设有第三颜色传感器(19)，所述第二分光镜(5)与第三颜色传感器(19)之间设有混色元件；

所述第一准直透镜组(6)用于将通过第二分光镜(5)的光准直成平行光束；

所述色散聚焦透镜组(7)用于将经第一准直透镜组(6)准直的平行光束聚焦到被测的面板(8)上，聚焦到面板(8)表面的光再反射，色散聚焦透镜组(7)则收集由面板(8)表面反射的反射光，反射光再经第二分光镜(5)分离透射到Y型光纤(4)上和反射到混色元件上，所述Y型光纤(4)则将光传递给第二颜色传感器(11)，以使得第二颜色传感器(11)探测到光信号；所述混色元件则将光传递给第三颜色传感器(19)，以使得第三颜色传感器(19)探测到光信号；

所述第一颜色传感器(10)、第二颜色传感器(11)和第三颜色传感器(19)用于探测光信号，并与计算机连接，计算机系统根据光信号则可相应计算出被测的面板(8)的面型及厚度；

进行测量时，被测的面板(8)位于XY位移平台(9)上，通过调节XY位移平台(9)轴向移动以使得面板(8)上、下表面相应与色散聚焦透镜组(7)的焦平面重合。

2.如权利要求1所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，其特征在于在所述第二分光镜(5)与第三颜色传感器(19)之间设置的混色元件为毛玻璃片(12)，所述毛玻璃片(12)用于将经第二分光镜(5)反射的光混色，当色散聚焦透镜组(7)将经第一准直透镜组(6)准直的平行光束聚焦到被测的面板(8)上，聚焦到面板(8)表面的光再反射，色散聚焦透镜组(7)则收集由面板(8)表面反射的反射光，反射光再经第二分光镜(5)分离透射到Y型光纤(4)上和反射到毛玻璃片(12)上，所述Y型光纤(4)则将透射的光传递给第二颜色传感器(11)，以使得第二颜色传感器(11)探测到光信号；所述毛玻璃片(12)则将光传递给第三颜色传感器(19)，以使得第三颜色传感器(19)探测到光信号。

3.如权利要求1所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，其特征在于在所述第二分光镜(5)与第三颜色传感器(19)之间设置的混色元件为玻璃棒A(13)，所述玻璃棒A(13)用于将经第二分光镜(5)反射的光混色，当色散聚焦透镜组(7)将经第一准直透镜组(6)准直的平行光束聚焦到被测的面板(8)上，聚焦到面板(8)表面的光再反射，色散聚焦透镜组(7)则收集由面板(8)表面反射的反射光，反射光再经第二分光镜(5)分离透射到Y型光纤(4)上和反射到玻璃棒A(13)上，所述Y型光纤(4)则将透射的光传递给第二颜色传感器(11)，以使得第二颜色传感器(11)探测到光信号；所述玻璃棒A(13)则将光传递给第三颜色传感器(19)，以使得第三颜色传感器(19)探测到光信号。

4.如权利要求1所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，其特征在于在所述第二分光镜(5)与第三颜色传感器(19)之间设置的混色元件为出射端面磨成毛玻璃面的玻璃棒B(14)，所述玻璃棒B(14)用于将经第二分光镜(5)反射的光混色，当色散聚焦透镜组(7)将经第一准直透镜组(6)准直的平行光束聚焦到被测的面板(8)上，聚焦到面板(8)表面的光再反射，色散聚焦透镜组(7)则收集由面板(8)表面反射的反射光，反射光再经第二分光镜(5)分离透射到Y型光纤(4)上和反射到玻璃棒B(14)上，所述Y型光纤(4)则将透射的光传递给第二颜色传感器(11)，以使得第二颜色传感器(11)探测到光信号；所述玻璃棒B(14)则将光传递给第三颜色传感器(19)，以使得第三颜色传感器(19)探测到光信号。

5.如权利要求1所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，其特征在于在所述第二分光镜(5)与第三颜色传感器(19)之间设置的混色元件为微透镜阵列组，所述微透镜阵列组与第二分光镜(5)之间设有第二准直透镜组(15)，所述微透镜阵列组与第三颜色传感器(19)之间设有第二聚焦透镜组(18)，所述微透镜阵列组用于将经第二分光镜(5)反射的光混色，当色散聚焦透镜组(7)将经第一准直透镜组(6)准直的平行光束聚焦到被测的面板(8)上，聚焦到面板(8)表面的光再反射，色散聚焦透镜组(7)则收集由面板(8)表面反射的反射光，反射光再经第二分光镜(5)分离透射到Y型光纤(4)上和反射到第二准直透镜组(15)，所述Y型光纤(4)则将透射的光传递给第二颜色传感器(11)，以使得第二颜色传感器(11)探测到光信号；所述第二准直透镜组(15)则将光依次传递给微透镜阵列组和第二聚焦透镜组(18)，最终由第二聚焦透镜组(18)将光聚焦于第三颜色传感器(19)上，以使得第三颜色传感器(19)探测到光信号。

6.如权利要求1所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，其特征在于所述微透镜阵列组包括沿光路设置的第一微透镜阵列(16)和第二微透镜阵列(17)。

7.一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置的使用方法，其特征在于：使用权利要求1-6任意一项所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置，具体步骤如下：

S1、调节多光谱光源(1)、第一聚焦透镜组(2)、第一分光镜(3)、第二分光镜(5)、第一颜色传感器(10)、第二颜色传感器(11)、Y型光纤(4)、混色元件、第三颜色传感器(19)、第一准直透镜组(6)和色散聚焦透镜组(7)，使之相应等高共轴；

S2、开启多光谱光源(1)，多光谱光源(1)射出的入射光线经第一聚焦透镜组(2)聚焦于第一分光镜(3)，经第一分光镜(3)分光后分别聚焦第一分光镜(3)的两个侧面上，经由第一分光镜(3)透射光的部分聚焦形成点光源，接入Y型光纤(4)b1端，经由第一分光镜(3)反射光的部分聚焦在另一侧面，接入第一颜色传感器(10)，接收到颜色信号X1Y1；

S3、第一准直透镜组(6)将经过Y型光纤(4)a端到第二分光镜(5)出射的光准直为平行光束射出；

S4、色散聚焦透镜组(7)将经过第一准直透镜组(6)的准直平行光束聚焦到被测面板(8)表面，由被测面板(8)表面进行反射，并由色散聚焦透镜组(7)进行收集面板(8)表面的反射光，面板(8)表面的反射光经第一准直透镜组(6)聚光，之后由第二分光镜(5)透射后入射到Y型光纤(4)a端上，经由Y型光纤(4)射入第二颜色传感器(11)，使得第二颜色传感器(11)获得颜色信号X3Y3；面板(8)表面的反射光经第一准直透镜组(6)聚光，并经第二分光镜(5)反射到混色元件，混色元件再将光传递到第三颜色传感器(19)，使得第三颜色传感器(19)获得颜色信号X2Y2；

S5、当将放置有面板(8)的XY位移平台(9)沿轴向移动，在移动过程中使得被测面板(8)的上表面或下表面将分别与色散聚焦透镜组(7)的焦平面重合，第二颜色传感器(11)则可接收到被测面板(8)相应表面反射的颜色信号X3Y3，第三颜色传感器(19)则可接收到被测面板(8)相应表面反射的颜色信号X2Y2，与第一颜色传感器(10)、第二颜色传感器(11)和第三颜色传感器(19)连接的计算机则处理得到得相应的颜色信号X1Y1、X2Y2、X3Y3，经由计算得出被测面板(8)的相应表面的面型；

当将放置有面板(8)的XY位移平台(9)沿轴向移动，在移动过程中使得被测面板(8)的上、下表面将分别与色散聚焦透镜组(7)的焦平面重合，第二颜色传感器(11)则可接收到被测面板(8)上、下表面反射的颜色信号X3Y3，第三颜色传感器(19)则可接收到被测面板(8)上、下表面反射的颜色信号X2Y2，与第一颜色传感器(10)、第二颜色传感器(11)和第三颜色传感器(19)连接的计算机则处理得到相应的颜色信号X1Y1、X2Y2、X3Y3，经由计算可得出被测面板(8)的厚度。

8.根据权利要求7所述的一种基于光谱共焦色度测量的位移传感装置的使用方法，其特征在于：在步骤S4中，混色元件采用毛玻璃片(12)，面板(8)表面的反射光经第一准直透镜组(6)聚光，并由第二分光镜(5)反射后，经毛玻璃片(12)射入第三颜色传感器(19)，使得第三颜色传感器(19)获得颜色信号X2Y2；

或者在步骤S4中，混色元件采用玻璃棒A(13)，面板(8)表面的反射光经第一准直透镜组(6)聚光，并由第二分光镜(5)反射后，经玻璃棒A(13)射入第三颜色传感器(19)，使得第三颜色传感器(19)获得颜色信号X2Y2；

或者在步骤S4中，混色元件采用出射端面磨成毛玻璃面的玻璃棒B(14)，面板(8)表面的反射光经第一准直透镜组(6)聚光，并由第二分光镜(5)反射后，经玻璃棒B(14)，射入第三颜色传感器(19)，使得第三颜色传感器(19)获得颜色信号X2Y2；

或者在步骤S4中，混色元件采用微透镜阵列组，且在所述第二分光镜(5)与微透镜阵列组之间设有第二准直透镜组(15)，微透镜阵列组和第三颜色传感器(19)之间设有第二聚焦透镜组(18)；面板(8)表面的反射光经第一准直透镜组(6)聚光，并由第二分光镜(5)反射后，依次经过第二准直透镜组(15)、微透镜阵列组和第二聚焦透镜组(18)后射入第三颜色传感器(19)，使得第三颜色传感器(19)获得颜色信号X2Y2。

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