CN115096212B - 一种三维形貌测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维形貌测量装置与方法，该装置包括位于移动载物台正上方的多通道光谱共焦镜头，多通道光谱共焦镜头具有一个轴向的中心测量通道和多个倾斜的边缘测量通道；光源与分束系统的光源对接端对接，光纤束一端的光纤单根端面分别与多通道光谱共焦镜头各个测量通道的上端对接，光纤束另一端的光纤集体端面与分束系统的光纤对接端对接；分束系统的光谱仪对接端与多通道光谱仪狭缝处对接，计算机与位移控制器、多通道光谱仪信号连接，位移控制器与移动载物台信号连接。本发明能够对大角度的倾斜物体或者物体表面大角度倾斜结构进行有效探测，具有更高的分辨率，且可通过多通道形式形成亚采样进一步提高分辨率。

Description

一种三维形貌测量装置与方法

技术领域

本发明属于光谱共焦测量技术领域，涉及一种三维形貌测量装置与方法。

背景技术

光谱共焦测量技术广泛应用在工件表面形貌、平板厚度、物体移动距离和生物医学特征等方面。光谱共焦测量是依靠待测物体反射的光谱信号的峰值波长位置获取距离信息，不需要轴向移动，并具有普通共焦技术的高分辨率特性。

目前，市面上的光谱共焦镜头是利用光学元件轴向色差设计而成，即在沿光轴方向上形成一定范围的色散，当物体放置于该色散范围内时就会反射所处位置的波长光信号，反射回去的光谱中会出现相应波长的波峰，其余波长的光在物体表面形成离焦状态的光斑使反射信号弱，此面的其他波长的光即使有反射光也因为不能和传感器内的小孔形成共轭关系，从而进一步削弱了其他波长的影响，由此提高了分辨率。

但当物件倾斜放置或者物体上的特征具有大倾角时，聚焦位置的斑点反射的光就不能被获取到，或者由于大的倾角导致多处波长的光信号具有相同的光谱响应，从而导致分辨率降低，测量精度降低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种三维形貌测量装置与方法，能够对大角度的倾斜物体或者物体表面大角度倾斜结构进行有效探测。

为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种三维形貌测量装置，包括多通道光谱共焦镜头、光纤束、光源、分束系统、多通道光谱仪、计算机、位移控制器和移动载物台；所述多通道光谱共焦镜头位于所述移动载物台的正上方，所述多通道光谱共焦镜头具有一个轴向的中心测量通道和多个倾斜的边缘测量通道，所述多通道光谱共焦镜头各个测量通道的下端均向下对准所述移动载物台的上表面；所述分束系统包括光源对接端、光纤对接端和光谱仪对接端，所述光源与所述分束系统的光源对接端对接，所述光纤束一端的光纤单根端面分别与所述多通道光谱共焦镜头各个测量通道的上端对接，所述光纤束另一端的光纤集体端面与所述分束系统的光纤对接端对接；所述分束系统的光谱仪对接端与所述多通道光谱仪狭缝处对接，所述多通道光谱仪能够实现狭缝上多个视场点的色散，所述计算机分别与所述位移控制器和所述多通道光谱仪信号连接，所述位移控制器与所述移动载物台信号连接。

所述移动载物台，用于放置待测物，或带动待测物进行一维或二维的精密移动。

所述光源，负责为所述移动载物台上的待测物提供测量用的光线。

所述分束系统，一方面负责接收所述光源发出的光，聚焦并传输到所述光纤束，另一方面负责收集并准直所述光纤束传回的光，最后传输并聚焦到所述多通道光谱仪。

所述光纤束，一方面负责通过其内部的不同光纤将由所述分束系统传来的光分别传输到所述多通道光谱共焦镜头各个测量通道的不同像点处，另一方面负责通过其内部的不同光纤将由所述多通道光谱共焦镜头传回的光传输至所述分束系统。

所述多通道光谱共焦镜头，一方面负责将由所述光纤束传来的光分别沿中心光轴（中心测量通道）和一定倾斜角度（边缘测量通道）进行色散，并照射到位于所述移动载物台的待测物上形成反射，另一方面负责接收从待测物上反射回来的部分能量的色散的光，并传输至所述光纤束。

所述多通道光谱仪，能够实现狭缝上多个视场点（测量通道）的色散，负责采集由所述分束系统传来的光，并形成多条光谱信号传输至所述计算机。

所述位移控制器，负责驱动所述移动载物台使待测物或者所述多通道光谱共焦镜头进行一维或者二维的精密运动，以便所述多通道光谱仪采集到整个待测物表面的光谱信号。

所述计算机，负责控制所述位移控制器，并负责对由所述多通道光谱仪传输来的多条光谱信号进行计算分析，得到所述多通道光谱共焦镜头各个测量通道的光谱数据，然后通过数据反演得到待测物上对应测量点的高度（距离），最后把中心测量通道和边缘测量通道的有效数据融合，得到待测物整个面的三维形貌信息。

进一步的，所述光源为波长450~750nm的宽波段光源，其波长范围覆盖所述多通道光谱共焦镜头的工作波长范围，并具有高辐射通量。

进一步的，所述分束系统由分束镜以及分别位于所述分束镜前后两侧的准直镜和聚焦镜构成；

所述分束镜，采用具有分光膜的分束平面镜或者具有分光膜的立方镜，其分束能量比一般为1：1，一方面作为所述分束系统的光源对接端，负责接收所述光源发出的光，并反射传递给所述准直镜，另一方面负责接收所述准直镜收集的光，并传输给所述聚焦镜；

所述准直镜，由单片或多个镜片组成，一方面负责接收所述分束镜反射来的光，并经聚焦后传输到所述光纤束内，另一方面作为所述分束系统的光纤对接端，负责接收所述光纤束收集来的光，并经准直后经所述分束镜传输给所述聚焦镜；

所述聚焦镜，作为所述分束系统的光谱仪对接端，负责经所述分束镜接收所述准直镜收集的光，并聚焦到所述多通道光谱仪的狭缝处。

进一步的，所述多通道光谱共焦镜头具有一个轴向的中心测量通道和多个倾斜的边缘测量通道，中心测量通道对应中心视场，边缘测量通道对应边缘倾斜视场，中心视场沿轴向色散，而边缘视场的中心主光线与光轴成一定夹角，即聚焦光束非对称，为倾斜锥形光束；所有测量通道的某一波长处的聚焦点构成平场面，即这些聚焦点构成的平场面与所述多通道光谱共焦镜头的光轴垂直，主要便于测量标定以及保持大的测量范围。

进一步的，所述光纤束的两端分别设计为分散端和一字端两种不同的形式，所述光纤束的分散端采用单根光纤分开的分散式排布形式，令每根光纤处于所述多通道光谱共焦镜头各个测量通道的像点位置，并与镜头物方各波长聚焦点共轭，形成共焦特色；所述光纤束的一字端采用所有光纤并排的一字型排布形式，并与所述多通道光谱仪的狭缝平行，令输出的光经所述分束系统后聚焦在所述多通道光谱仪的狭缝处时，所成的光纤端面像平行于所述多通道光谱仪的狭缝。

进一步的，所述多通道光谱仪的色散通道的色散范围一般为450~750nm，也可以根据光源和探测器的波长响应范围做出调整。

本发明还提供了一种三维形貌测量方法，其步骤包括：

将光源发出的光经多通道光谱共焦镜头的中心测量通道和边缘测量通道的色散，形成轴向色散的光和倾斜色散的光，然后将轴向色散的光和倾斜色散的光照射到位于移动载物台的待测物上，并形成反射或散射；

由计算机操作位移控制器驱动所述移动载物台使待测物或所述多通道光谱共焦镜头作一维或二维的精密运动；运动的同时，多通道光谱仪不断采集经所述多通道光谱共焦镜头收集的由待测物表面反射回来的光，并形成多条与中心测量通道和边缘测量通道相对应的光谱信号；

将多条光谱信号传输至所述计算机，由所述计算机进行计算分析，得到待测物整个面的光谱数据，然后通过数据反演得到待测物各个测量面的高度信息，最后把中心测量通道和边缘测量通道的有效数据融合，得到待测物整个面的三维形貌信息。

进一步的，所述光源为宽波段的光源，其波长范围覆盖所述多通道光谱共焦镜头的工作波长范围，并具有高辐射通量；所述光源发出的光经分束系统收集和聚焦后进入光纤束内的每根光纤中，所述光纤束内的每根光纤把光传输到多通道光谱共焦镜头中一个轴向的中心测量通道和多个倾斜的边缘测量通道的不同像点处，并与镜头物方各波长聚焦点共轭，形成共焦特色，所述多通道光谱共焦镜头的中心测量通道和边缘测量通道分别将光沿中心光轴和一定倾斜角度进行色散，色散的光照射到位于移动载物台上的待测物上，并形成反射或散射。

进一步的，色散的光在照射到待测物后，部分能量反射回所述多通道光谱共焦镜头，并通过其内部的中心测量通道和边缘测量通道将反射回来的这部分色散的光回传至所述光纤束内的每根光纤中，所述光纤束内的每根光纤将回传的光输至所述分束系统，经所述分束系统收集、准直后传输并聚焦到所述多通道光谱仪的狭缝处，所述多通道光谱仪对采集到的反射光进行处理，形成多条与中心测量通道和边缘测量通道相对应的光谱信号。

进一步的，所述计算机在接收到多条与中心测量通道和边缘测量通道相对应的光谱信号后，先进行计算分析，得到中心测量通道和各个边缘测量通道的光谱数据，然后根据中心测量通道和各个边缘测量通道的波长峰值与测量距离的对应关系，通过数据反演得到待测物对应测量点的高度（距离）信息，最后把中心测量通道和边缘测量通道的有效数据进行融合，得到待测物整个面的三维形貌信息。

进一步的，当需要形成待测物表面整个区域的形貌信息时，所述计算机就控制所述位移控制器，驱动所述移动载物台前后左右移动，使得所述多通道光谱共焦镜头完整扫描待测物的所有测量面，从而得到待测物表面整个测量面的形貌数据。

进一步的，当待测物不存在大倾斜角度的待测面时，通过所述多通道光谱共焦镜头的中心测量通道成像即可完成待测物表面的形貌测量，获取待测物表面的形貌信息；当待测物存在大倾斜角度的待测面时，通过所述多通道光谱共焦镜头的边缘测量通道成像完成待测物表面的形貌测量，获取待测物表面的形貌信息；根据不同的倾斜方位，可以布置边缘测量通道的方向，使边缘倾斜色散的光照射到待测物倾斜结构面时，反射或者散射光能够被所述多通道光谱共焦镜头收集，即在所述多通道光谱共焦镜头的物方数值孔径内，便于测量装置能够探测响应。

进一步的，当对待测物的大倾斜角度待测面进行扫描测量时，若所述多通道光谱共焦镜头的倾斜测量通道主光线与中心测量通道光轴夹角为α，大倾斜角度待测与水平面的夹角为β，倾斜测量通道相比中心测量通道采样分辨率和高度分辨率变为原来的

，从而提高探测精度。

进一步的，当所述多通道光谱共焦镜头的数值孔径值为m，倾斜测量通道的中心光线角度若能与中心测量通道最大的探测角度能够衔接，则倾斜测量通道的中心光线角度与光轴夹角应该在控制在acsin(m)角度附近，且小于此值，便于探测数据的衔接。

本发明的有益效果为：

1、本发明克服了现有共焦测量装置的不足，能够对大角度的倾斜物体或者物体表面大角度倾斜结构进行有效探测，和普通轴向光谱共焦方式相比具有更高的分辨率，且可通过多通道形式形成亚采样进一步提高分辨率。

2、本发明利用同一光谱共焦镜头内，多个边缘倾斜测量通道的测量与常规中心轴向测量通道的测量的结合，一起实现大斜切角物体和微结构特征测量。

3、本发明光谱共焦镜头内的多个边缘倾斜测量通道和常规中心轴向测量通道一起扫描待测物的测量表面，通过图像组合实现了更高分辨率的三维微结构特征。

4、本发明每个测量通道对应一条光纤，把这些光纤并排送入到多通道光谱仪，一次曝光成像以获取多条谱线，降低了仪器的复杂性。

5、本发明能够使边缘测量通道测量倾斜面高度信息时获取的光信号能量和中心测量通道测量水平面时获取的光信号能量是一样的，从而大大扩展了共焦光谱测量装置的测量较大倾斜面的能力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明三维形貌测量装置的整体系统构成图；

图2为本发明的光纤束一字端的光纤端面排列的示意图；

图3为本发明的多通道光谱仪的色散谱面；

图4为本发明的多通道光谱共焦镜头的中心测量通道和边缘测量通道的扫描区域示意图；

图5为本发明的多通道光谱共焦镜头具有1个中心测量通道和2个边缘测量通道的光束聚焦点位置分布俯视图；

图6为本发明的多通道光谱共焦镜头具有1个中心测量通道和4个边缘测量通道的光束聚焦点位置分布俯视图；

图7为本发明三维形貌测量装置的倾斜测量分辨率提高示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。此处所作说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图1所示，一种三维形貌测量装置，包括多通道光谱共焦镜头1、光纤束2、光源3、分束系统、多通道光谱仪7、计算机8、位移控制器9和移动载物台10；所述多通道光谱共焦镜头1位于所述移动载物台10的正上方，所述多通道光谱共焦镜头1具有一个轴向的中心测量通道和多个倾斜的边缘测量通道，所述多通道光谱共焦镜头1各个测量通道的下端均向下对准所述移动载物台10的上表面；所述分束系统包括光源对接端、光纤对接端和光谱仪对接端，所述光源3与所述分束系统的光源对接端对接，所述光纤束2一端的光纤单根端面S1，S2，S3，…，Sn分别与所述多通道光谱共焦镜头1各个测量通道的上端对接，所述光纤束2另一端的光纤集体端面S0与所述分束系统的光纤对接端对接，其中n为大于1的正整数，以包含3根光纤的所述光纤束2为例，所述光纤束2一端的光纤单根端面S1，S2，S3分别与所述多通道光谱共焦镜头1各个测量通道的上端对接，所述光纤束2另一端的光纤集体端面S0与所述分束系统的光纤对接端对接；所述分束系统的光谱仪对接端与所述多通道光谱仪7狭缝处对接，所述多通道光谱仪7能够实现狭缝上多个视场点的色散，所述计算机8分别与所述位移控制器9和所述多通道光谱仪7信号连接，所述位移控制器9与所述移动载物台10信号连接。

所述移动载物台10，用于放置待测物，或带动待测物进行一维或二维的精密移动。

所述光源3，负责为所述移动载物台10上的待测物提供测量用的光线。

所述分束系统，一方面负责接收所述光源3发出的光，聚焦并传输到所述光纤束2，另一方面负责收集并准直所述光纤束2传回的光，最后传输并聚焦到所述多通道光谱仪7。

所述光纤束2，一方面负责通过其内部的不同光纤将由所述分束系统传来的光分别传输到所述多通道光谱共焦镜头1各个测量通道的不同像点处，另一方面负责通过其内部的不同光纤将由所述多通道光谱共焦镜头1传回的光传输至所述分束系统。

所述多通道光谱共焦镜头1，一方面负责将由所述光纤束2传来的光分别沿中心光轴（中心测量通道）和一定倾斜角度（边缘测量通道）进行色散，并照射到位于所述移动载物台10的待测物上形成反射，另一方面负责接收从待测物上反射回来的部分能量的色散的光，并传输至所述光纤束2。

所述多通道光谱仪7，能够实现狭缝上多个视场点（测量通道）的色散，负责采集由所述分束系统传来的光，并形成多条光谱信号传输至所述计算机8。

所述位移控制器9，负责驱动所述移动载物台10使待测物或者所述多通道光谱共焦镜头1进行一维或者二维的精密运动，以便所述多通道光谱仪7采集到整个待测物表面的光谱信号。

所述计算机8，负责控制所述位移控制器9，并负责对由所述多通道光谱仪7传输来的多条光谱信号进行计算分析，得到所述多通道光谱共焦镜头1各个测量通道的光谱数据，然后通过数据反演得到待测物上对应测量点的高度（距离），最后把中心测量通道和边缘测量通道的有效数据融合，得到待测物整个面的三维形貌信息。

进一步的，所述光源3为宽波段的光源，其波长范围覆盖所述多通道光谱共焦镜头1的工作波长范围，并具有高辐射通量。

进一步的，所述光源3的波长范围为450~750nm。

进一步的，所述光源3选择卤钨灯或白光激光器。

进一步的，参见图1所示，所述分束系统由分束镜5以及分别位于所述分束镜5前后两侧的准直镜4和聚焦镜6构成；

所述分束镜5，采用具有分光膜的分束平面镜或者具有分光膜的立方镜，其分束能量比一般为1：1，一方面作为所述分束系统的光源对接端，负责接收所述光源3发出的光，并反射传递给所述准直镜4，另一方面负责接收所述准直镜4收集的光，并传输给所述聚焦镜6；

所述准直镜4，由单片或多个镜片组成，一方面负责接收所述分束镜5反射来的光，并经聚焦后传输到所述光纤束2内，另一方面作为所述分束系统的光纤对接端，负责接收所述光纤束2收集来的光，并经准直后经所述分束镜5传输给所述聚焦镜6；

所述聚焦镜6，作为所述分束系统的光谱仪对接端，负责经所述分束镜5接收所述准直镜4收集的光，并聚焦到所述多通道光谱仪7的狭缝处。

进一步的，所述多通道光谱共焦镜头1具有一个轴向的中心测量通道和多个倾斜的边缘测量通道，中心测量通道对应中心视场，边缘测量通道对应边缘倾斜视场，中心视场沿轴向色散，而边缘视场的中心主光线与光轴成一定夹角，即聚焦光束非对称，为倾斜锥形光束；所有测量通道的某一波长处的聚焦点构成平场面，即这些聚焦点构成的平场面与所述多通道光谱共焦镜头1的光轴垂直，主要便于测量标定以及保持大的测量范围；若由于设计、加工装调等原因导致聚焦点偏离设计的平场面，需要使偏离距离小于测量范围或者中心轴色散距离的10%，否则造成测量范围严重缩小，偏离量通过定标进行修正。

进一步的，所述光纤束2的两端分别设计为分散端和一字端两种不同的形式，所述光纤束2的分散端采用单根光纤分开的分散式排布形式，令每根光纤处于所述多通道光谱共焦镜头1各个测量通道的像点位置，并与镜头物方各波长聚焦点共轭，形成共焦特色；所述光纤束2的一字端采用所有光纤并排的一字型排布形式，并与所述多通道光谱仪7的狭缝平行，令输出的光经所述分束系统后聚焦在所述多通道光谱仪7的狭缝处时，所成的光纤端面像平行于所述多通道光谱仪7的狭缝。参见图2所示，给出了所述光纤束2一字端的三根光纤的排列，每根光纤均由一根纤芯202以及包裹在所述纤芯202外部的包层201组成。

进一步的，参见图3所示，给出了所述多通道光谱仪7的三条色散通道，即λ1~λn，所述多通道光谱仪7的色散通道的色散范围一般为450~750nm，也可以根据光源和探测器的波长响应范围做出调整。

参见图1所示，本发明还提供了一种三维形貌测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1）通过标准高度板或高精度距离测量仪器作为距离计量传递标准，建立多通道光谱共焦镜头1的中心探测通道、边缘探测通道的光谱数据与测量高度（距离）之间的对应关系。

步骤2）选择波长范围在450~750nm之间的宽波段光线作为光源3，如卤钨灯或白光激光器等，其波长范围能够覆盖所述多通道光谱共焦镜头1的工作波长范围，并具有高辐射通量。

步骤3）打开光源3，将光源3发出的光射入分束系统的分束镜5，该分束镜5采用具有分光膜的分束平面镜或者具有分光膜的立方镜，其分束能量比一般为1：1，分束镜5将光反射传递给单片或多个镜片组成的准直镜4，该准直镜4再将光聚焦后传输到光纤束2一字端的每根光纤中。

步骤4）光纤束2通过其内部的光纤将光从一字端传输至分散端，光纤束2的分散端采用单根光纤分开的分散式排布形式，光纤束2分散端的每根光纤分别处于多通道光谱共焦镜头1中心探测通道和边缘探测通道的像点位置，并与镜头物方各波长聚焦点共轭，形成共焦特色。

步骤5）光纤束2分散端的不同光纤把光分别传输到多通道光谱共焦镜头1中的一个轴向的中心测量通道和多个倾斜的边缘测量通道的不同像点处；中心测量通道将光沿中心光轴进行色散，边缘测量通道将光沿一定倾斜角度进行色散，然后并将轴向色散的光和倾斜色散的光照射到位于移动载物台10上的待测物上。

步骤6）色散的光在照射到待测物后形成反射或散射，部分光线被反射回多通道光谱共焦镜头1，多通道光谱共焦镜头1通过其内部的中心测量通道和边缘测量通道将这些反射回来光进行收集并回传至光纤束2分散端的每根光纤中。

步骤7）光纤束2通过其内部的光纤将反射回来的光从分散端回传至一字端，光纤束2的一字端采用所有光纤并排的一字型排布形式，光纤束2一字端的每根光纤分别将回传的光输至分束系统的准直镜4；光纤束2一字端所有光纤的一字型排布形式与多通道光谱仪7的狭缝平行，令输出的光经所述分束系统后聚焦在多通道光谱仪7的狭缝处时，所成的光纤端面像平行于多通道光谱仪7的狭缝。

步骤8）准直镜4将回传的光进行收集并准直，然后传输给聚焦镜6，聚焦镜6将准直后的光进行收集，然后聚焦并传输到多通道光谱仪7的狭缝处。

步骤9）在光源3持续照射的过程中，由计算机8操作位移控制器9驱动移动载物台10使待测物或多通道光谱共焦镜头1做前、后、左、右的一维或二维精密运动，令多通道光谱共焦镜头1能够完整扫描待测物的所有测量面，从而使得多通道光谱仪7能够采集到待测物表面整完整的光谱信号；因为多通道光谱共焦镜头1的中心探测通道和各个边缘探测通道之间的有距离间隔，移动时必须考虑使各个测量通道的扫描区域都能够覆盖待测物的测量面。

步骤10）在多通道光谱共焦镜头1逐步扫描待测物的所有测量面的同时，多通道光谱仪7不断采集回传的反射光，并形成多条光谱信号，这些光谱信号对应着多通道光谱共焦镜头1中的中心测量通道和各个边缘测量通道的光谱信号，然后将这些光谱信号传输至计算机8。

步骤11）计算机8对接收到的多条光谱信号进行计算分析，得到中心测量通道和各个边缘测量通道的光谱数据，然后通过数据反演得到待测物各个测量点的高度（距离）信息，最后把中心测量通道和边缘测量通道的有效数据进行融合，得到待测物整个面的三维形貌信息。具体方法为：

计算机8首先通过拟合或重心计算等方法，对收到的多条光谱信号进行计算分析，得到中心测量通道和各个边缘测量通道的返回信号的波长位置，每个二维扫描位置点具有一个峰值波长，每个通道都有一个峰值波长矩阵，若探测到明显的显峰值波长，则视为有效的高低距离信息，若没有探测到光信号或者有光信号但无明显峰值波长，则做特殊标识数值，比如0，视作无效信息；然后，根据步骤1）建立的中心测量通道和各个边缘测量通道的波长峰值与高度（距离）的对应关系，换算为待测物各个测量点的高度（距离）信息，使中心测量通道和各个边缘测量通道形成自己的形貌测量矩阵；最后，筛选出中心测量通道和各个边缘测量通道的形貌测量矩阵中有效的高低距离信息，并考虑中心测量通道和各个边缘测量通道的测量分辨率不同，通过亚采样处理技术，融合中心测量通道和各个边缘测量通道的有效形貌信息，形成一幅更高精度的三维形貌信息。

本发明所采用的亚采样处理技术，存在一些不同点。因为边缘测量通道测量大倾斜面分辨率高，而中心测量通道分辨率低，通过减小多通道光谱共焦镜头每步位移量可以提升边缘测量通道的采样能力，但中心测量通道不能提高（分辨率比采样距离大）。当探测非倾斜或小倾斜面时边缘测量通道无法测量，此时只需考虑中心测量通道即可，有大倾斜面时就采用边缘测量通道，通过软硬件配合，因为两者分辨率不同，要融合一幅高分率图像，就需要对低分辨率图像重新采样，采样算法常用样条插值等，使分辨率一样才能融合。

步骤12）测量完毕后，由计算机8操作位移控制器9驱动移动载物台10使待测物或多通道光谱共焦镜头1复位。

参见图4所示，给出了多通道光谱共焦镜头1的中心测量通道和边缘测量通道扫描的区域示意图，标识为a的矩形内部为中心测量通道的区域，标识为b的矩形内部为边缘测量通道扫描的区域，每个边多出的扫描距离为边缘测量通道与中心测量通道在探测面的横向探测间距。

参见图5所示，给出了具有1个中心测量通道和2个边缘测量通道的多通道光谱共焦镜头1及其光束聚焦点位置俯视图，首先从图1中可以看出，中心测量通道光束聚焦点O1聚焦在光轴上，然后从图5中可以看出，2个边缘测量通道的聚焦点O2，O3分别位于多通道光谱共焦镜头1的两侧。

参见图6所示，给出了具有1个中心测量通道和4个边缘测量通道的多通道光谱共焦镜头1及其光束聚焦点位置俯视图，首先从图1中可以看出，中心测量通道光束聚焦点O1聚焦在光轴上，然后从图6中可以看出，4个边缘测量通道的聚焦点O2，O3，O4，O5均匀分布在多通道光谱共焦镜头1的周边；同样道理，当待测面型倾斜角度复杂时，可以采用多个测量通道。

当待测物不存在大倾斜角度的待测面时，通过多通道光谱共焦镜头1的中心测量通道成像即可完成待测物表面的形貌测量，获取待测物表面的形貌信息。

当待测物存在大倾斜角度的待测面时，通过多通道光谱共焦镜头1的边缘测量通道成像完成待测物表面的形貌测量，获取待测物表面的形貌信息。

根据不同的倾斜方位，可以布置边缘测量通道的方向，使边缘倾斜色散的光照射到待测物倾斜结构面时，反射或者散射光能够被多通道光谱共焦镜头1收集，即在多通道光谱共焦镜头1的物方数值孔径内，便于测量装置能够探测响应。

参见图7所示，当对待测物的大倾斜角度待测面进行扫描测量时，如果多通道光谱共焦镜头1的边缘测量通道的主光线与中心测量通道的光轴的夹角为α，大倾斜角度待测面与水平面夹角为β，当扫描探测时，如果扫描间隔为Δx，边缘测量通道相比中心测量通道的采样分辨率和高度分辨率变为原来的

，从而提高探测精度。例如，边缘测量通道的主光线与中心测量通道的光轴的夹角为45°，则当测量45°的倾斜面时，分辨率可以提高2倍。

当多通道光谱共焦镜头1的数值孔径值为m，倾斜测量通道的中心光线角度若能与中心测量通道最大的探测角度能够衔接，则倾斜测量通道的中心光线角度与光轴夹角应该在控制在acsin(m)角度附近，且小于此值，便于探测数据的衔接。

本发明装置能够使边缘测量通道测量倾斜面高度信息时获取的光信号能量和中心测量通道测量水平面时获取的光信号能量是一样的，从而大大扩展了共焦光谱测量装置的测量较大倾斜面的能力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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)

1.一种三维形貌测量装置，其特征在于：包括多通道光谱共焦镜头（1）、光纤束（2）、光源（3）、分束系统、多通道光谱仪（7）、计算机（8）、位移控制器（9）和移动载物台（10）；所述多通道光谱共焦镜头（1）位于所述移动载物台（10）的正上方，所述多通道光谱共焦镜头（1）具有一个轴向的中心测量通道和多个倾斜的边缘测量通道，所述多通道光谱共焦镜头（1）各个测量通道的下端均向下对准所述移动载物台（10）的上表面；所述分束系统包括光源对接端、光纤对接端和光谱仪对接端，所述光源（3）与所述分束系统的光源对接端对接，所述光纤束（2）一端的光纤单根端面S1，S2，S3，…，Sn分别与所述多通道光谱共焦镜头（1）各个测量通道的上端对接，所述光纤束（2）另一端的光纤集体端面S0与所述分束系统的光纤对接端对接，其中n为大于1的正整数；所述分束系统的光谱仪对接端与所述多通道光谱仪（7）狭缝处对接，所述多通道光谱仪（7）能够实现狭缝上多个视场点的色散，所述计算机（8）分别与所述位移控制器（9）和所述多通道光谱仪（7）信号连接，所述位移控制器（9）与所述移动载物台（10）信号连接。

2.根据权利要求1所述的三维形貌测量装置，其特征在于：所述移动载物台（10），用于放置待测物，或带动待测物进行一维或二维的精密移动；

所述光源（3），负责为所述移动载物台（10）上的待测物提供测量用的光线；

所述分束系统，一方面负责接收所述光源（3）发出的光，聚焦并传输到所述光纤束（2），另一方面负责收集并准直所述光纤束（2）传回的光，最后传输并聚焦到所述多通道光谱仪（7）；

所述光纤束（2），一方面负责通过其内部的不同光纤将由所述分束系统传来的光分别传输到所述多通道光谱共焦镜头（1）各个测量通道的不同像点处，另一方面负责通过其内部的不同光纤将由所述多通道光谱共焦镜头（1）传回的光传输至所述分束系统；

所述多通道光谱共焦镜头（1），一方面负责将由所述光纤束（2）传来的光分别沿中心光轴和一定倾斜角度进行色散，并照射到位于所述移动载物台（10）的待测物上形成反射，另一方面负责接收从待测物上反射回来的部分能量的色散的光，并传输至所述光纤束（2）；

所述多通道光谱仪（7），能够实现狭缝上多个视场点的色散，负责采集由所述分束系统传来的光，并形成多条光谱信号传输至所述计算机（8）；

所述位移控制器（9），负责驱动所述移动载物台（10）使待测物或者所述多通道光谱共焦镜头（1）进行一维或者二维的精密运动，以便所述多通道光谱仪（7）采集到整个待测物表面的光谱信号；

所述计算机（8），负责控制所述位移控制器（9），并负责对由所述多通道光谱仪（7）传输来的多条光谱信号进行计算分析，得到所述多通道光谱共焦镜头（1）各个测量通道的光谱数据，然后通过数据反演得到待测物上对应测量点的高度，最后把中心测量通道和边缘测量通道的有效数据融合，得到待测物整个面的三维形貌信息。

3.根据权利要求2所述的三维形貌测量装置，其特征在于：所述分束系统由分束镜（5）以及分别位于所述分束镜（5）前后两侧的准直镜（4）和聚焦镜（6）构成；

所述分束镜（5），采用具有分光膜的分束平面镜或者具有分光膜的立方镜，其分束能量比为1：1，一方面作为所述分束系统的光源对接端，负责接收所述光源（3）发出的光，并反射传递给所述准直镜（4），另一方面负责接收所述准直镜（4）收集的光，并传输给所述聚焦镜（6）；

所述准直镜（4），由单片或多个镜片组成，一方面负责接收所述分束镜（5）反射来的光，并经聚焦后传输到所述光纤束（2）内，另一方面作为所述分束系统的光纤对接端，负责接收所述光纤束（2）收集来的光，并经准直后经所述分束镜（5）传输给所述聚焦镜（6）；

所述聚焦镜（6），作为所述分束系统的光谱仪对接端，负责经所述分束镜（5）接收所述准直镜（4）收集的光，并聚焦到所述多通道光谱仪（7）的狭缝处。

4.根据权利要求2所述的三维形貌测量装置，其特征在于：所述多通道光谱共焦镜头（1）具有一个轴向的中心测量通道和多个倾斜的边缘测量通道，中心测量通道对应中心视场，边缘测量通道对应边缘倾斜视场，中心视场的光线沿轴向色散，而边缘视场的中心主光线与光轴成一定夹角，即聚焦光束非对称，为倾斜锥形光束；所有测量通道的某一波长处的聚焦点构成平场面，即这些聚焦点构成的平场面与所述多通道光谱共焦镜头（1）的光轴垂直，便于测量标定以及保持大的测量范围。

5.根据权利要求2所述的三维形貌测量装置，其特征在于：所述光纤束（2）的两端分别设计为分散端和一字端两种不同的形式，所述光纤束（2）的分散端采用单根光纤分开的分散式排布形式，令每根光纤处于所述多通道光谱共焦镜头（1）各个测量通道的像点位置，并与镜头物方各波长聚焦点共轭，形成共焦特色；所述光纤束（2）的一字端采用所有光纤并排的一字型排布形式，并与所述多通道光谱仪（7）的狭缝平行，令输出的光经所述分束系统后聚焦在所述多通道光谱仪（7）的狭缝处时，所成的光纤端面像平行于所述多通道光谱仪（7）的狭缝。

6.一种利用如权利要求1所述的三维形貌测量装置的三维形貌测量方法，其特征在于，其步骤包括：

将光源（3）发出的光经多通道光谱共焦镜头（1）的中心测量通道和边缘测量通道的色散，形成轴向色散的光和倾斜色散的光，然后将轴向色散的光和倾斜色散的光照射到位于移动载物台（10）的待测物上，并形成反射或散射；

由计算机（8）操作位移控制器（9）驱动所述移动载物台（10）使待测物或所述多通道光谱共焦镜头（1）作一维或二维的精密运动；运动的同时，多通道光谱仪（7）不断采集经所述多通道光谱共焦镜头（1）收集的由待测物表面反射回来的光，并形成多条与中心测量通道和边缘测量通道相对应的光谱信号；

将多条光谱信号传输至所述计算机（8），由所述计算机（8）进行计算分析，得到待测物整个面的光谱数据，然后通过数据反演得到待测物各个测量面的高度信息，最后把中心测量通道和边缘测量通道的有效数据融合，得到待测物整个面的三维形貌信息。

7.根据权利要求6所述的三维形貌测量方法，其特征在于：所述光源（3）为宽波段的光源，其波长范围覆盖所述多通道光谱共焦镜头（1）的工作波长范围，并具有高辐射通量；所述光源（3）发出的光经分束系统收集和聚焦后进入光纤束（2）内的每根光纤中，所述光纤束（2）内的每根光纤把光传输到多通道光谱共焦镜头（1）中一个轴向的中心测量通道和多个倾斜的边缘测量通道的不同像点处，并与镜头物方各波长聚焦点共轭，形成共焦特色，所述多通道光谱共焦镜头（1）的中心测量通道和边缘测量通道分别将光沿中心光轴和一定倾斜角度进行色散，色散的光照射到位于移动载物台（10）上的待测物上，并形成反射或散射。

8.根据权利要求7所述的三维形貌测量方法，其特征在于：色散的光在照射到待测物后，部分能量反射回所述多通道光谱共焦镜头（1），并通过其内部的中心测量通道和边缘测量通道将反射回来的这部分色散的光回传至所述光纤束（2）内的每根光纤中，所述光纤束（2）内的每根光纤将回传的光输至所述分束系统，经所述分束系统收集、准直后传输并聚焦到多通道光谱仪（7）的狭缝处，所述多通道光谱仪（7）能够实现狭缝上多个视场点的色散，对采集到的反射光进行处理，形成多条与中心测量通道和边缘测量通道相对应的光谱信号。

9.根据权利要求6所述的三维形貌测量方法，其特征在于：所述计算机（8）在接收到多条与中心测量通道和边缘测量通道相对应的光谱信号后，先进行计算分析，得到中心测量通道和各个边缘测量通道的光谱数据，然后根据中心测量通道和各个边缘测量通道的波长峰值与测量距离的对应关系，通过数据反演得到待测物对应测量点的高度信息，最后把中心测量通道和边缘测量通道的有效数据进行融合，得到待测物整个面的三维形貌信息。

10.根据权利要求6-9中任意一项所述的三维形貌测量方法，其特征在于：当待测物不存在大倾斜角度的待测面时，通过所述多通道光谱共焦镜头（1）的中心测量通道成像即可完成待测物表面的形貌测量，获取待测物表面的形貌信息；当待测物存在大倾斜角度的待测面时，通过所述多通道光谱共焦镜头（1）的边缘测量通道成像完成待测物表面的形貌测量，获取待测物表面的形貌信息；根据不同的倾斜方位，布置边缘测量通道的方向，使边缘倾斜色散的光照射到待测物倾斜结构面时，反射或者散射光能够被所述多通道光谱共焦镜头（1）收集，即在所述多通道光谱共焦镜头（1）的物方数值孔径内，便于测量装置能够探测响应。

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