CN114941998A - 三维线光谱共焦传感方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维线光谱共焦传感方法与装置，包含：光源模块，色散透镜模块，分束器，强度探测模块，滤波模块，光谱探测模块。光源模块采用双光源输入，单个光源在相应的波段范围具有较高的光谱均匀性，增大了光谱范围，提升了光谱一致性。采用色散透镜模块对两个波段的照明光进行色散调制，双波段的叠加可以实现更大的轴向探测范围。强度探测模块采用狭缝和探测器，有效记录了物体焦点处的能量分布，获得对应的全强度图，实现更高准确率的横向二维测量。光谱探测模块采用双光谱解调探测系统，与双光源的波段范围对应，获得对应的光谱分布图，提升光谱分辨率和轴向分辨力。结合强度探测的全强度图和光谱探测的光谱图，通过线扫描的方式，获得更高的横向分辨力和轴向分辨力的三维测量。因此，本发明提出的一种三维线光谱共焦传感方法与装置，在线扫描快速检测的基础上，可以实现更大的轴向探测范围，更高的横向分辨力以及更高的轴向分辨力的三维测量。

Description

三维线光谱共焦传感方法与装置

技术领域

本发明涉及一种精密测量方法与装置，特别是用于一种基于光谱共焦线扫描进行物体表面三维的测量方法和装置。

背景技术

随着现代化加工制造业的快速发展，精密制造能力的突飞猛进，因此对于高精度传感器的需求也与日俱增。物体三维表面测量的方式一般分为传统接触式测量和非接触式测量，接触式测量虽然测量精度高，但一般会划伤物体表面，容易对器件本身造成影响，对于柔性材料，接触式测量会使材料变形，导致测量结果不准去。因此，基于接触式测量的不利影响，一般采用非接触式测量。

光谱共焦传感器是一种基于波长的色散聚焦特性的进行测量，采用光谱解调建立波长和物体表面高度关系的装置。复色光源经过色散透镜组按照波长不同聚焦在不同深度位置，形成轴向分布的一系列焦点，在物体表面的焦点处的光束会被以最大能量反射，通过光谱解调系统，对应波长呈现最大强度值，从而建立波长和物体表面高度的关系。鉴于检测精度高，测量速度快，光谱共焦传感器已经成为非接触检测重要的一种手段。

光谱共焦传感器具有点扫描和线扫描两种方式，点扫描光谱共焦传感器横向分辨力高，但扫描速度慢，不适用于快速检测，现在更多的采用扫描速度快的线扫描共焦传感器。线扫描共焦传感器采用狭缝或者柱透镜获得线型光照明，单次探测可以获得更大的检测范围，但同样面临分辨力较低的问题。光源的光谱均匀性，二维横向扫描探测和光谱解调系统，都是影响三维测量分辨力的主要因素。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种三维线光谱共焦传感方法与装置，用于解决线扫描光谱共焦传感器测量分辨力低的问题。

本发明提供一种三维线光谱共焦传感装置，包括：光源模块，色散透镜模块，分束器，强度探测模块，滤波模块，光谱探测模块；

所述光源模块包含两个光谱均匀性高的宽波段光源，Y型光纤，通过Y型光纤输出端连接光源，输出端产生线型照明光；

所述色散透镜模块，包括：消色差准直镜，分束器和聚焦镜，消色差准直镜对全谱段内的线型照明光进行准直，产生平行光场，经过聚焦镜后得到不同深度位置的焦点分布，分束器用于将物体反射的光分束至后续探测系统中；。

所述分束器，用于将物体反射的光分束至不同的探测系统中，一部分用于强度探测，一部分用于光谱解调探测；

所述强度探测模块，包括：聚焦镜，狭缝和探测器，聚焦镜用于聚焦物体反射的光到狭缝处，狭缝用于过滤非焦点的光，探测器用于接收通过狭缝后的光束，获得全强度图；

所述滤波模块，包括：聚焦镜，狭缝和准直镜，聚焦镜用于聚焦物体反射的光到狭缝处，狭缝用于过滤非焦点的光，准直镜用于对经过狭缝后的光准直，进入后续光谱解调系统；

所述光谱探测模块，包含：二向色镜，双光谱解调探测系统，二向色镜用于将双光源对应的波段范围λ₁～λ₂和λ₂～λ₃的光束分开，至对应的光谱分光器件，光谱分光器件用于对波段范围λ₁～λ₂和λ₂～λ₃的光束进行分光，两个探测器分别用于接收对应的光谱分光后的光场分布，不同像元对应不同的波长，获得对应的光谱图；

结合强度探测模块获得的全强度图和光谱探测模块获得的光谱图，通过线扫描的方式，可以更准确的获得物体的三维信息；

在一些实施例中，所述的一种三维线光谱共焦传感装置光源模块中的光源可以采用LED或者白光激光器，光源的波段范围分别是λ₁～λ₂和λ₂～λ₃，且在对应波段范围内具有较高一致性的强度分布。

在一些实施例中，所述的一种三维线光谱共焦传感装置色散透镜模块中色散透镜可以采用透镜组实现轴向色散聚焦，也可以采用非球面透镜实现轴向色散聚焦，同时非球面透镜能够减少透镜数目，简化光学结构。

在一些实施例中，所述的一种三维线光谱共焦传感装置强度探测模块中的探测器可以是COMS，CCD或者光电倍增管阵列，用于记录经过狭缝以后的光场强度，获得全强度图像。

在一些实施例中，所述的一种三维线光谱共焦传感装置光谱探测模块中包括两路光谱解调系统分别对应λ₁～λ₂和λ₂～λ₃波段范围，采用的光谱分光器件可以是线性渐变滤光片，光栅和棱镜，经过光谱分光器件后的不同波长的光束被探测器不同像元接收，探测器可以是CMOS和CCD。

此外，本发明还公开一种三维线光谱共焦传感方法，实现对物体的三维测量，特征在于，包括：

步骤1，利用光源模块产生光谱一致性高的线型照明光，波段范围分别是λ₁～λ₂和λ₂～λ₃；

步骤2，通过色散透镜模块对线型光束进行轴向色散，使不同波长的光束聚焦在不同的深度；

步骤3，利用分束器将物体反射的光分束至不同的探测系统中，一部分用于强度探测，一部分用于光谱解调探测；

步骤4，利用强度探测系统获得是没有经过光谱解调的信号，记录的是从物体反射回来的光束强度图像；

步骤5，利用滤波模块获得经过狭缝后，对应被测物体表面焦点处波长的光束；

步骤6，利用光谱解调探测模块，获得经过滤波模块的光束，对其进行光谱拆分，记录不同波长的分布，获得对应光谱图；

步骤7，利用获得的强度图和光谱图，采用线扫描的方式对物体表面进行扫描，可以获得更准确的物体形貌三维数据。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

本发明提出的一种三维线光谱共焦传感方法与装置采用两个不同波段的光源通过Y型光纤耦合，提供线型光照明，两个光源在对应波段范围具有很高的光谱均匀性，增加了轴向探测范围，并且采用对应的双光谱解调系统，获得更高的轴向分辨力。双光谱解调系统通过从物体反射的光束进行波段分光进入不同的光谱解调探测系统中，获取相应的光谱图像，充分利用光谱分光器件的能力以及探测器的像素，提高轴向分辨力。采用强度探测系统，不进行光谱解调，获取的是二维横向的强度图像，相应地横向分辨力会更高。结合双光谱解调探测系统获得的光谱图以及强度探测系统获得的全强度图像，通过线扫描的方式，重建获得分辨力更高的物体三维信息。本发明提出的一种三维线光谱共焦传感方法与装置在线扫描高速测量的基础上，采用两个不同波段的光源进行照明，提供了光谱均匀性高的线型光，通过双光谱解调探测系统获得对应的光谱图结合强度探测系统获得的全强度图像，实现了更大探测范围，更高轴向分辨力，以及更高横向分辨力的物体三维测量。

附图说明

图1是本发明实施例中一种三维线光谱共焦传感装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中色散透镜模块中光线的色散示意图；

图3是本发明实施例中强度探测模块中强度记录示意图；

图4(a)是本发明实施例中采用线性渐变滤光片进行光谱分光的示意图；

图4(b)是本发明实施例中采用棱镜进行光谱分光的示意图；

图4(c)是本发明实施例中采用光栅进行光谱分光的示意图。

具体实施方式

结合图1所示，本发明的一种三维线光谱共焦传感装置的具体结构包括：光源模块10，色散透镜模块20，分束器30，强度探测模块40，滤波模块50，光谱解调模块60.

所述光源模块10包含两个光谱均匀性高的波段范围为λ₁～λ₂的光源11和波段范围为λ₂～λ₃的光源12，Y型光纤13，通过Y型光纤13输入端连接光源11和光源12，输出端产生线型照明光；

所述色散透镜模块20，包括：消色差准直镜21，分束镜22，和聚焦镜23，消色差准直镜21对全谱段内的线型照明光进行准直，产生平行光场，经过聚焦镜23后得到不同深度位置的焦点分布，分束器22用于将物体反射的光分束至后续探测系统中；

所述分束器30，用于将物体反射的光分束至不同的探测系统中，一部分用于强度探测，一部分用于光谱解调探测系统；

所述强度探测模块40，包括：聚焦镜41，狭缝42和探测器43，聚焦镜41用于聚焦物体反射的光到狭缝42处，狭缝42用于过滤非焦点的光，探测器43用于接收通过狭缝后的光束，获得全强度图；

所述滤波模块50，包括：聚焦镜51，狭缝52和准直镜53，聚焦镜51用于聚焦物体反射的光到狭缝52处，狭缝52用于过滤非焦点的光，准直镜53用于对经过狭缝后的光准直，进入后续光谱解调系统；

所述光谱探测模块60，包含：二向色镜61，光谱分光器件62，探测器63，光谱分光器件64，探测器65，二向色镜61用于将双光源对应的波段范围λ₁～λ₂和λ₂～λ₃分别分离至对应的光谱分光器件，光谱分光器件62用于将波段范围λ₁～λ₂的光束进行分光，探测器63用于接收经过光谱分光后的光场分布，不同像元对应不同的波长，获得对应的光谱图，光谱分光器件64用于将波段范围λ₁～λ₂的光束进行分光，探测器65用于接收经过光谱分光后的光场分布，不同像元对应不同的波长，获得对应的光谱图；

结合强度探测模块获得的全强度图和光谱探测模块获得的光谱图，通过线扫描的方式，可以更准确的获得物体的三维信息。

三维线光谱共焦传感方法与装置采用两个不同波段范围的光源作为输入，波段范围如400nm-550nm和550nm-700nm，分别具有很高的光谱均匀性，有利于后续光谱解调，并且增加了光谱范围。色散透镜将两个波段范围分别进行轴向色散，如波段范围400nm-550nm和550nm-700nm对应色散范围都为0.6mm，两者叠加总的色散范围为1.2mm。对应光谱探测模块，可以获得更高的分辨率，如采用的探测器横向像素为1500，则单波段范围内，单个像素对应的光谱范围为0.1nm。对比采用单一光谱解调系统，相同光谱范围和探测器条件下，单个像素对应的光谱范围为0.2nm。全强度图像的获取，可以更充分的利用探测器的像素，通过线扫描可以获得完整的物体表面图像。同时，结合光谱探测系统获得的光谱图，提供物体深度信息，可以实现完整的三维测量。

结合图2所示，三维线光谱共焦传感装置的色散透镜模块20，包括的色散透镜23用于产生轴向色散，不同波长的光束聚焦在不同的深度，结合光源模块10的波段范围λ₁～λ₂和λ₂～λ₃，得到更大的轴向色散范围。色散透镜23可以是多个透镜组合，也可以是非球面透镜。

结合图3所示，强度探测模块40包含聚焦透镜41，狭缝42和探测器43，从物体反射回来的光束经过聚焦透镜41和狭缝42后，进入到探测器43。探测器43可以是CMOS，CCD和线阵探测器，记录沿狭缝的能量分布，获得全强度图，通过线扫描的方式，可以获得完整的物体表面二维信息。全强度图的获取有利于构建分辨率更高的物体二维图像。

结合图4所示，光谱分光器件62包含多种形式，(a)线性渐变滤光片进行光谱分光，(b)棱镜色散进行光谱分光，(c)光栅色散进行光谱分光。(a)采用线性渐变滤光片进行光谱拆分，得到不同波长的光场分布，具备装置简单的优点。(b)采用棱镜621进行光谱拆分，之后经过聚焦镜622，不同波长的光聚焦在探测器不同像元上。(c)采用光栅621进行光谱拆分，之后经过反射聚焦镜622，将不同波长的光聚焦在探测器不同像元上。经过光谱分光器件后，不同波长的光强度被不同的像元记录，获得相应的光谱图。

本实施例还提供一种三维线光谱共焦传感方法，步骤如下，包括：

步骤1，利用光源模块产生光谱一致性高的线型照明光，波段范围分别是λ₁～λ₂和λ₂～λ₃；

步骤2，通过色散透镜模块对线型光束进行轴向色散，使不同波长的光束聚焦在不同的深度；

步骤3，利用分束器将物体反射的光分束至不同的探测系统中，一部分用于强度探测，一部分用于光谱解调探测；

步骤4，利用强度探测系统获得是没有经过光谱解调的信号，记录的是从物体反射回来的光束强度图像；

步骤5，利用滤波模块获得经过狭缝后，对应被测物体表面焦点处波长的光束；

步骤6，利用光谱解调探测模块，获得经过滤波模块的光束，对其进行光谱拆分，记录不同波长的分布，获得对应光谱图。

步骤7，利用获得的强度图和光谱图，采用线扫描的方式对物体表面进行扫描，可以获得更准确的物体形貌三维数据。

与现有技术对比，本发明实施例具有以下优点：

1，采用两个光谱一致性高的光源进行分波段照明，增加了轴向探测范围。

2，结合双光谱解调系统，对应双波段照明，实现双波段探测，获得更高的轴向分辨力。

3，将强度探测和光谱探测结合，同时采用线扫描的方式，在高速探测的基础上，实现了更为准确的物体形貌三维测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维线光谱共焦传感装置，其特征在于，包括：光源模块，色散透镜模块，分束器，强度探测模块，滤波模块，光谱探测模块；

所述光源模块用于产生光谱均匀性高的宽光谱范围线型照明光；

所述色散透镜模块用于对所述线型照明光进行轴向色散，使不同波长的光聚焦在不同的深度；

所述分束器，用于将物体反射光按照比例进行分光，进入不同探测系统中；

所述强度探测模块，用于接收从物体反射的光，记录通过焦平面狭缝后的全强度图；

所述滤波模块，用于过滤从物体反射的光，使焦点位置波段范围的光进入后续光谱探测系统；

所述光谱探测模块，用于接收经过滤波模块后的光束，并通过光谱解调，记录不同波长的强度分布，获得相应的光谱图。

2.基于权利要求1所述的一种三维线光谱共焦传感装置，其特征在于，所述光源模块包括：波段不同的两个光源，波段范围分别是λ₁～λ₂和λ₂～λ₃，光源可以是LED，或者白光激光器，两个光源输出的照明光具备一定的波段范围，以及在此波段范围内具有较高一致性的强度分布。

3.基于权利要求2所述的一种三维线光谱共焦传感装置，其特征在于，所述光源模块还包括：Y型光纤，Y型光纤将输入端连接光源，输出端耦合一起产生线型光照明。

4.基于权利要求1所述的一种三维线光谱共焦传感装置，其特征在于，所述色散透镜组包括：消色差准直镜，分束器和聚焦镜，消色差准直镜对全谱段内的线型照明光进行准直，产生平行光场，经过聚焦镜后得到不同深度位置的焦点分布，分束器用于将物体反射的光分束至后续探测系统。

5.基于权利要求4所述的一种三维线光谱共焦传感装置，其特征在于，所述色散透镜组还包括：聚焦镜可以是非球面聚焦镜，非球面聚焦镜可以获得深度方向更大的焦点分布范围，并且可以将像差控制在更小的范围内。

6.基于权利要求1所述的一种三维线光谱共焦传感装置，其特征在于，所述分束器，一般是半透半反镜，用于将从物体反射回来的光进行分离，一路进入强度探测模块，一路进入滤波器。

7.基于权利要求1所述的一种三维线光谱共焦传感装置，其特征在于，所述强度探测模块，包括：聚焦镜，狭缝和探测器，聚焦镜用于聚焦物体反射的光到狭缝处，狭缝用于过滤非焦点的光，探测器用于接收通过狭缝后的光束，获得全强度图。

8.基于权利要求1所述的一种三维线光谱共焦传感装置，其特征在于，所述滤波模块，包括：聚焦镜，狭缝和准直镜，聚焦镜用于聚焦物体反射的光到狭缝处，狭缝用于过滤非焦点的光，准直镜用于对经过狭缝后的光准直，进入后续光谱解调系统。

9.基于权利要求1所述的一种三维线光谱共焦传感装置，其特征在于，所述光谱探测模块，包含：二向色镜，双光谱解调探测系统，二向色镜用于将双光源对应的波段范围λ₁～λ₂和λ₂～λ₃的光束分开，至对应的光谱分光器件，光谱分光器件用于对波段范围λ₁～λ₂和λ₂～λ₃的光束进行分光，两个探测器分别用于接收对应的光谱分光后的光场分布，不同像元对应不同的波长，获得对应的光谱图。

10.一种利用如权利要求1所述的装置对物体三维测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用光源模块产生光谱一致性高的线型照明光，波段范围分别是λ₁～λ₂和λ₂～λ₃；

步骤2，通过色散透镜模块对线型光束进行轴向色散，使不同波长的光束聚焦在不同的深度；

步骤3，利用分束器将物体反射的光分束至不同的探测系统中，一部分用于强度探测，一部分用于光谱解调探测；

步骤4，利用强度探测系统获得是没有经过光谱解调的信号，记录的是从物体反射回来的光束强度图像；

步骤5，利用滤波模块获得经过狭缝后，对应被测物体表面焦点处波长的光束；

步骤6，利用光谱解调探测模块，获得经过滤波模块的光束，对其进行光谱拆分，记录不同波长的分布，获得对应光谱图；

步骤7，利用获得的强度图和光谱图，采用线扫描的方式对物体表面进行扫描，可以获得更准确的物体形貌三维数据。

Images