CN113834439B - 菲涅尔光栅微透镜阵列、光谱仪及光谱共焦面型测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种菲涅尔光栅微透镜阵列、光谱仪及光谱共焦面型测量系统，其中菲涅尔光栅微透镜阵列是由聚合物PDMS压制形成的透镜模块，其中该透镜模块的一面为阵列排列的菲涅尔微透镜结构，另一面为闪耀光栅结构。菲涅尔光栅光谱仪，包括阵列式光源狭缝模块、面阵CCD和菲涅尔光栅微透镜阵列，阵列式光源狭缝模块中阵列排列的光源狭缝之间的间距与阵列排列的菲涅尔微透镜结构中各个菲涅尔微透镜的中心之间的间距相等。光谱共焦面型测量系统包括光源、光纤耦合器、光谱共焦测头和菲涅尔光栅光谱仪。本发明提出的光谱仪及光谱共焦面型测量系统，体积小、重量轻、测量维度适应性强，加工成本低。

Description

菲涅尔光栅微透镜阵列、光谱仪及光谱共焦面型测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种菲涅尔光栅微透镜阵列、光谱仪及光谱共焦面型测量系统。

背景技术

科学技术的发展越来越依赖于制造业的进步。制造业生产过程中需要对产线进行精密测控，确保产品质量。位移测量是精密测控技术中重要的领域，位移测量技术作为精密测控技术的基础手段，可以获取产品的形貌、厚度、振动等关键尺度信息。

光谱共焦技术是非接触位移测量领域一种重要的技术手段，具有精度高、适应性强、成本低等优势。光谱共焦技术是色散现象和共聚焦技术的创造性结合，它是将白光光源中不同波长的光聚焦在不同的轴向位置，相当于对光轴上的无限个点位进行波长编码，通过分析待测表面的反射光谱的聚焦波长，根据响应曲线获取待测表面的轴向位置。

光谱共焦测量技术主要集中于光谱共焦测头。白光光源发出的光经过针孔后可近似看做点光源，点光源经分光棱镜和色散物镜后，由于色散物镜的光学特性依赖于波长，因此在光轴上会形成一系列连续分布的不同波长的聚焦光斑。将被测样品置于光谱共焦测头下，入射光束在物体表面发生反射，被测物体表面全部的光谱信息会以相反的方向再次通过色散物镜和分光棱镜到达光谱仪。当被测样品在不同波长的聚焦光斑范围内上下移动时，每个位置就形成了不同波长的共焦系统。

商品化的微型光谱仪主要是基于平面反射光栅与平场凹面光栅两种分光方式类型。平面光栅研究和应用较成熟，除了核心色散元件平面光栅以外，还需要配合准直系统和聚焦成像系统，因此系统复杂，难以小型化，装调难度大。平场凹面光栅，集成了光栅和透镜的优点，即核心元件凹面光栅同时具有准直和色散的功能，还具有平像场的特点，但是凹面光栅制作工艺复杂，尤其是闪耀角的制作难度很大，成本高，难以批量化生产。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种菲涅尔光栅微透镜阵列、光谱仪及光谱共焦面型测量系统，体积小、重量轻、测量维度适应性强，加工成本低。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种菲涅尔光栅微透镜阵列，是由聚合物PDMS压制形成的透镜模块，其中该透镜模块的一面为阵列排列的菲涅尔微透镜结构，另一面为闪耀光栅结构。

优选地，所述菲涅尔光栅微透镜阵列是通过采用精密机械加工或者光刻技术制作的菲涅尔面阵列模板和闪耀光栅模板压制聚合物PDMS而形成的透镜模块。

优选地，阵列排列的菲涅尔微透镜结构是由多个菲涅尔微透镜单元阵列排列形成，其中每个菲涅尔微透镜单元的周围与四个或六个相同尺寸的菲涅尔微透镜单元相接，以对应形成矩阵式结构或者蜂窝状结构。

优选地，闪耀光栅结构采用等栅距闪耀光栅结构或者变栅距闪耀光栅结构。

本发明还公开了一种菲涅尔光栅光谱仪，包括阵列式光源狭缝模块、面阵CCD和上述的菲涅尔光栅微透镜阵列，其中所述阵列式光源狭缝模块中阵列排列的光源狭缝之间的间距与阵列排列的菲涅尔微透镜结构中各个菲涅尔微透镜的中心之间的间距相等。

优选地，所述阵列式光源狭缝模块中阵列排列的光源狭缝的数量与阵列排列的菲涅尔微透镜结构中菲涅尔微透镜的数量相同且一一对应。

优选地，所述阵列式光源狭缝模块与所述菲涅尔光栅透镜阵列相互平行。

优选地，所述面阵CCD与所述菲涅尔光栅透镜阵列之间呈预设角度以使得衍射光聚焦在所述面阵CCD上。

本发明另外还公开了一种光谱共焦面型测量系统，包括光源、光纤耦合器、光谱共焦测头和上述的菲涅尔光栅光谱仪，所述光源连接所述光纤耦合器，所述光纤耦合器分别连接所述光谱共焦测头和所述菲涅尔光栅光谱仪，其中所述光谱共焦测头用于将光源色散为多束共焦测量光，所述多束共焦测量光通过所述光纤耦合器输入给所述菲涅尔光栅光谱仪。

优选地，所述光源为白光光源，所述光纤耦合器采用X型光纤耦合器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明公开的菲涅尔光栅微透镜阵列是基于聚合物PDMS压制形成的透镜模块，通过模压成型将多个菲涅尔光栅元件整合在同一平面，减少了安装过程，提高了安装精度，减轻了整个模组的重量。

本发明公开的菲涅尔光栅光谱仪，重构了传统光谱仪结构，整合为“多光源-多聚焦透镜-光栅-面阵CCD”的紧凑型布局，而不是多个光谱仪的简单加和，装调容易，结构紧凑，重量较轻，能够满足多个临近点的同步测距需求，实现了小型化和集成化。

本发明公开的光谱共焦面型测量系统，基于菲涅尔光栅光谱仪搭配光谱共焦测头，可以用于对多个点或者是表面形貌的测量，相比现有的面型测量系统体积大减小、重量减轻，方便携带，而且测量维度适应性强、加工成本低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种菲涅尔光栅微透镜阵列阵元俯视图；

图2为本发明实施例提供的一种菲涅尔光栅微透镜阵列阵元剖面图；

图3为本发明实施例提供的一种菲涅尔光栅微透镜阵列(正六边形排列法)俯视图；

图4本发明实施例提供的一种菲涅尔光栅微透镜阵列(正四边形排列法)俯视图；

图5为本发明实施例提供的一种菲涅尔光栅微透镜阵列剖面图；

图6a至图6d为本发明实施例提供的一种菲涅尔光栅微透镜阵列制备的工艺流程图；

图7为本发明实施例提供的一种基于菲涅尔光栅微透镜阵列的光谱仪系统图；

图8为本发明实施例提供的一种搭配光谱共焦测头形成的光谱共焦面形测量系统。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

当前光谱共焦技术只能测量与某个待测点之间的距离，如果想要测量待测物的表面形貌，就需要对光谱共焦测头和光谱仪进行重新构造。商用光谱仪内部的各个原件参数与空间位置都是固定不变的，要想实现空间多个位置的输入，需要布置多台光谱仪或者切换多个光纤接口，改造过程不经济也不方便，容易导致设备体积庞大，测量便利性降低。基于此，本发明提出一种高集成度的菲涅尔光栅微透镜阵列，基于阵列式菲涅尔光栅的光谱仪，再搭配光谱共焦测头形成一种适应多个点或者是表面形貌测量的测距系统；该新型阵列式菲涅尔光栅光谱仪体积比传统光谱仪体积更小、重量更轻、测量维度适应性更强、加工成本更低，具有巨大的应用优势。

如图1和图2所示，作为一种新型衍射光学元件，菲涅尔光栅的一面为菲涅尔面，一面为光栅面，性能上兼具聚焦、准直和色散的功能。其中菲涅尔光栅结构的光学F数小，结构更紧凑，可以进一步缩小为微型光谱仪的尺寸；制作工艺简单，成本低，便于批量化生产；平面光栅的闪耀角制作简单，相较于平场凹面光栅具有更高的衍射效率。菲涅尔光栅兼具平面光栅光谱仪和平场凹面光栅光谱仪的优点，又避免了两种光谱仪系统的劣势，具有广阔的应用前景。

目前国内外厂商制作的短焦距小型菲涅尔透镜普遍尺寸较大，缺乏微型化的产品；例如深圳晶创和立科技有限公司焦距15mm的菲涅尔透镜直径为28mm；THORLABS焦距10mm的菲涅尔透镜直径为12.7mm；Edmund焦距3.048mm的菲涅尔透镜直径为14.986mm。由于菲涅尔透镜面型是由多个微结构组成，在透镜微型化过程中，新的微结构对加工精度提出了更高的要求，所以加工难度也更大。随着精密加工技术的进步，微型光学系统在许多领域都开始发挥巨大的作用。微透镜阵列作为基本光学元件之一，不仅可以实现与传统光学元件相同的聚焦和成像等功能，还由于其体积小、集成度高和可阵列化等优点，被广泛应用于光刻机、光场相机、太阳能电池系统和3D显示器等多种光学器件与仪器中。菲涅尔光栅微透镜阵列即是在菲涅尔光栅的基础上进一步创新。在本发明中，通过用光刻的手段在压制模板上实现微型结构的菲涅尔光栅微透镜阵列模板，然后使用PDMS材料通过软光刻技术以“三明治”形式压制制造菲涅尔光栅微透镜阵列，使得菲涅尔透镜阵元直径可以在1mm以下，而焦距与现有产品保持在同一水平，具有小型化、轻量化的优势，并且可以做到低成本批量化生产。

本发明的一个实施例提出一种基于菲涅尔光栅结构的菲涅尔光栅微透镜阵列，是由聚合物PDMS压制形成的透镜模块，其中该透镜模块的一面为阵列排列的菲涅尔微透镜结构，另一面为闪耀光栅结构。

具体地，菲涅尔光栅微透镜阵列的菲涅尔面可以有两种排布方式。方式一为菲涅尔微透镜单元均采用正六边形结构，每个菲涅尔微透镜单元的周围与六个相同尺寸的菲涅尔微透镜相接，形成蜂窝状结构，蜂窝状结构的菲涅尔光栅微透镜阵列俯视图如图3所示。方式二为菲涅尔微透镜单元均采用正四边形结构，每个菲涅尔微透镜单元的周围与四个相同尺寸的菲涅尔微透镜相接，形成矩阵式结构，矩阵式结构的菲涅尔光栅微透镜阵列俯视图如图4所示。每个菲涅尔透镜单元结构厚度相同，都处在同一水平面上。菲涅尔光栅微透镜阵列的光栅面可以有两种栅线结构，一种是等栅距闪耀光栅，一种是变栅距闪耀光栅。两种栅线结构的菲涅尔光栅微透镜阵列剖视图相同，如图5所示。

软光刻是一种应用于制造与微制造的基础技术，其利用高分子高弹体作为掩膜、印章或者模板来制造纳米尺度的结构。本发明中的菲涅尔光栅微透镜阵列使用聚合物材料PDMS，运用“软光刻”技术一次性模压成型，可形成一面是菲涅尔阵列面，一面是光栅面的新型衍射元件。该元件将多个菲涅尔光栅元件整合在同一平面，减少了安装过程，提高了安装精度，减轻了整个模组的重量。本发明中微透镜均为凸透镜，从加工工艺考虑，凹面结构比凸起结构更容易加工，所以如果先加工出与凸透镜相同曲率的凹透镜，那么就要以凹透镜为模板来实现透镜面型的二次复制，获取凸透镜面型。闪耀光栅结构可以通过闪耀光栅直接用“软光刻”的方法复制出来。其中的凸透镜阵列压制模板为菲涅尔微透镜阵列(凹透镜阵列)模板，可运用电子束直写技术直接在金属基底上刻写出来；闪耀光栅可以是等栅距或变栅距闪耀光栅，可运用刻蚀技术在金属或非金属氧化物基底上制作完成。菲涅尔光栅微透镜阵列制作过程如图6a至图6d所示。先使用精密机械加工或者光刻技术制作出菲涅尔面阵列(凹透镜阵列)模板(如图6a所示)和闪耀光栅模板(如图6b所示)，将菲涅尔面阵列模板和闪耀光栅模板位置固定；然后将PDMS材料的预聚物按照一定比例混合搅拌去气泡后浇铸在菲涅尔面阵列模板和闪耀光栅模板之间，菲涅尔面阵列模板、PDMS和闪耀光栅模板形成一个类三明治结构，如图6c所示，PDMS经加热固化或紫外灯照射固化后脱模，即可形成菲涅尔光栅微透镜阵列，如图6d所示。

如图7所示，本发明的另一实施例提出了一种菲涅尔光栅光谱仪100，由菲涅尔光栅微透镜阵列10、阵列式光源狭缝20和面阵CCD 30组成。菲涅尔光栅微透镜阵列10为光谱仪的核心结构，阵列式光源狭缝20与光纤单元40配合使用，光纤单元40包括多束光纤41，狭缝21为横向排列阵列，狭缝21间间距与菲涅尔光栅微透镜11面心间间距相等；狭缝21数目与光纤41数目、菲涅尔光栅微透镜11的数目均相同，单个狭缝21与单根光纤41、菲涅尔微光栅透镜11彼此一一对应。阵列式光源狭缝20与菲涅尔光栅微透镜阵列10相互平行，面阵CCD30与菲涅尔光栅微透镜阵列10呈一定角度，以保证衍射光基本都聚焦在面阵CCD 30上。本实施例提出的新型面型测量菲涅尔光栅光谱仪重构了传统光谱仪结构，整合为“多光源-多聚焦透镜-光栅-面阵CCD”的紧凑型布局，而不是多个光谱仪的简单加和，装调容易，结构紧凑，重量较轻，能够满足多个临近点的同步测距需求，实现了小型化和集成化。

如图8所示，本发明的另一实施例提出了一种光谱共焦面形测量系统，包括菲涅尔光栅光谱仪100、光谱共焦测头200、白光光源300和光纤耦合器400，其中白光光源300连接光纤耦合器400，光纤耦合器400分别连接菲涅尔光栅光谱仪100和光谱共焦测头200；其中光谱共焦测头200是基于分区域的衍射光学元件制造的，可以将白光光源300发出的光色散为多束共焦测量光，多束共焦测量光经光纤耦合器以光纤单元40的形式射入菲涅尔光栅光谱仪100，不同的测量光经菲涅尔光栅微透镜阵列10中不同的菲涅尔光栅微透镜11衍射，在面阵CCD 30上将分区域获得对应的光强信息，解算光强数据即可获得对应点的距离信息，解算面阵CCD 30各区域即可获得整个面形的形貌数据。

在本实施例中，菲涅尔光栅微透镜阵列10是光谱仪的核心部分，它的作用是将光束准直后分解成光谱。调整阵列式光源狭缝20与菲涅尔光栅微透镜阵列10的相对位置，使各束共焦测量光可以相对于菲涅尔光栅微透镜11垂直入射；各入射测量光在菲涅尔光栅微透镜阵列10的菲涅尔面阵列得到准直，在菲涅尔光栅微透镜阵列10的光栅面发生衍射并出射；调整菲涅尔光栅微透镜阵列10与面阵CCD 30的相对位置，使面阵CCD 30接收到各透镜单元的一级衍射光且光斑最小，从而达到最佳聚焦效果；面阵CCD 30的信号经过解算即可获得各根光纤中测量光的光谱信息。

在面阵CCD 30的不同区域可以获得聚焦在面阵CCD 30上的共焦光谱信息，根据聚焦像素的位置即可反推出待测点的距离。通过合理设计光谱共焦测头200的参数和菲涅尔光栅微透镜阵列10的参数，可以使共焦测量光被严格限制在菲涅尔光栅微透镜单元区域内，从而保证各菲涅尔光栅微透镜单元在面阵CCD上的衍射光移动范围都被限制在一定的区域内，避免串扰和计算误差。

其中，本实施例中的新型光谱共焦位移测量系统基于共轴自参考策略，直接利用测量光路来获取参考光谱，进行无效色散校正，即利用预扫描的操作获取参考光谱，使得归一化后的光谱曲线能够契合无源模块的传递函数，从而修正光源光谱以及待测表面对反射光谱的影响，提高测量精度。本实施中，进一步可以利用X型光纤耦合器的分光特性，将测量光路和参考光路分别安装在同一输出侧的两臂，只需分别配备可调光阑(即阵列式光源狭缝20)，通过光阑即可实现所需光谱的采集，进一步获取面形的形貌数据。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (8)

1.一种光谱共焦面型测量系统，其特征在于，包括光源、光纤耦合器、光谱共焦测头和菲涅尔光栅光谱仪，其中：

所述菲涅尔光栅光谱仪包括阵列式光源狭缝模块、面阵CCD和菲涅尔光栅微透镜阵列，所述菲涅尔光栅微透镜阵列是由聚合物PDMS压制形成的透镜模块，其中该透镜模块的一面为阵列排列的菲涅尔微透镜结构，另一面为闪耀光栅结构；所述阵列式光源狭缝模块中阵列排列的光源狭缝之间的间距与阵列排列的菲涅尔微透镜结构中各个菲涅尔微透镜的中心之间的间距相等；

所述光源连接所述光纤耦合器，所述光纤耦合器分别连接所述光谱共焦测头和所述菲涅尔光栅光谱仪，其中所述光谱共焦测头用于将光源色散为多束共焦测量光，所述多束共焦测量光通过所述光纤耦合器输入给所述菲涅尔光栅光谱仪。

2.根据权利要求1所述的光谱共焦面型测量系统，其特征在于，所述菲涅尔光栅微透镜阵列是通过采用精密机械加工或者光刻技术制作的菲涅尔面阵列模板和闪耀光栅模板压制聚合物PDMS而形成的透镜模块。

3.根据权利要求1所述的光谱共焦面型测量系统，其特征在于，阵列排列的菲涅尔微透镜结构是由多个菲涅尔微透镜单元阵列排列形成，其中每个菲涅尔微透镜单元的周围与四个或六个相同尺寸的菲涅尔微透镜单元相接，以对应形成矩阵式结构或者蜂窝状结构。

4.根据权利要求1所述的光谱共焦面型测量系统，其特征在于，闪耀光栅结构采用等栅距闪耀光栅结构或者变栅距闪耀光栅结构。

5.根据权利要求1所述的光谱共焦面型测量系统，其特征在于，所述阵列式光源狭缝模块中阵列排列的光源狭缝的数量与阵列排列的菲涅尔微透镜结构中菲涅尔微透镜的数量相同且一一对应。

6.根据权利要求1所述的光谱共焦面型测量系统，其特征在于，所述阵列式光源狭缝模块与所述菲涅尔光栅透镜阵列相互平行。

7.根据权利要求1所述的光谱共焦面型测量系统，其特征在于，所述面阵CCD与所述菲涅尔光栅透镜阵列之间呈预设角度以使得衍射光聚焦在所述面阵CCD上。

8.根据权利要求1所述的光谱共焦面型测量系统，其特征在于，所述光源为白光光源，所述光纤耦合器采用X型光纤耦合器。