CN115597499B - 线光光谱共焦测量装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种线光光谱共焦测量装置，涉及光学检测技术领域，包括机架组件，以及分别设置在机架组件的基板上的光源组件、分光棱镜组件、色散物镜组件、光谱仪机构，还包括用于设置被测物的调节平台，调节平台的角度可调节；分光棱镜组件设置在光源组件出光侧，色散物镜组设置在分光棱镜组件的透射光路上，光源组件出射的光束经分光棱镜组件透射、并经过色散物镜组件出射线性色散光，线性色散光照射调节平台上的被测物形成复合多波长反射光,复合多波长反射光透过色散物镜组件并经分光棱镜组件反射；光谱仪机构包括依次设置于分光棱镜组件的反射光路上的弯曲狭缝组件、准直镜组件、分光组件、聚焦镜组件和面阵传感器组件。
Description
技术领域
本申请涉及光学检测技术领域，具体涉及一种线光光谱共焦测量装置。
背景技术
光谱共焦法是一种基于波长位移调制的非接触式微位移测量方法，用于表面形貌的检测，原理是利用波长信息测量距离，由光源射出的一束线状宽谱的复色，通过色散透镜组产生色散，在色散焦面处形成不同波长的线状单色光，每一个波长的焦点都对应一个距离值。测量光照射到物体表面被反射回来，只有满足共焦条件的单色光可以通过小孔或狭缝被光谱仪感测到，通过计算被感测到的焦点的波长，换算获得距离值。
现有采用光谱共焦法检测时，易于造成较大的成像光谱弯曲；由于线光光谱共焦测量系统残留的轴外像差特别大，在进行像素和波长的关系进行标定以及波长和位移的关系进行标定时，产生较大偏差以致无法通过单独某个透镜或透镜组倾斜偏心补偿，或相机的微调或色散物镜的微调给补偿回来，从而导致整个组装的线光光谱共焦测量系统模块重新装调，无法保证批量生产以及产品的一致性。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种线光光谱共焦测量装置，能够实现较小的成像光谱弯曲以及轴外像差，且装调过程可量化。
本申请实施例提供了一种线光光谱共焦测量装置，包括机架组件，以及分别设置在所述机架组件的基板上的光源组件、分光棱镜组件、色散物镜组件、光谱仪机构，还包括用于设置被测物的调节平台，所述调节平台的角度可调节；
所述分光棱镜组件设置在所述光源组件出光侧，所述色散物镜组设置在所述分光棱镜组件的透射光路上，所述光源组件出射的光束经所述分光棱镜组件透射、并经过所述色散物镜组件出射线性色散光，所述线性色散光照射所述调节平台上的被测物形成复合多波长反射光,所述复合多波长反射光透过所述色散物镜组件并经所述分光棱镜组件反射；
所述光谱仪机构包括依次设置于所述分光棱镜组件的反射光路上的弯曲狭缝组件、准直镜组件、分光组件、聚焦镜组件和面阵传感器组件。
可选地，所述光源组件包括用于出光的光源箱，所述光源箱通过光纤束连接光导组件，所述光导组件用于输出光强均匀的线状光斑，所述光导组件将所述光源箱出射的光束导向所述分光棱镜组件。
可选地，所述光导组件包括导光棒和固定件，所述导光棒通过所述固定件固定于所述机架组件的第一镜架上，以朝向所述分光棱镜组件。
可选地，所述分光棱镜组件包括分光棱镜以及固定所述分光棱镜的固定座，所述固定座和所述机架组件的第二镜架连接。
可选地，所述色散物镜组件包括色散物镜、波前补偿器以及固定所述色散物镜的镜筒，所述镜筒和所述机架组件的第三镜架连接，所述波前补偿器和所述色散物镜沿所述分光棱镜组件的透射光路依次设置于所述镜筒内，所述波前补偿器包括与所述镜筒倾斜设置的透镜组，所述透镜组的倾斜度可调节。
可选地，所述弯曲狭缝组件包括弯曲狭缝器，所述弯曲狭缝器上设置有多个光孔，所述弯曲狭缝器沿多个光孔排列方向朝向所述分光棱镜组件一侧凸出呈弧形，还包括用于固定所述弯曲狭缝器的固定件，所述固定件和所述机架组件的第四镜架连接。
可选地，所述准直镜组件包括准直透镜和用于固定所述准直透镜的镜筒，所述镜筒和所述机架组件的第五镜架连接。
可选地，所述分光组件包括固定件，以及依次胶合于所述固定件的棱镜、光栅、棱镜，两个所述棱镜沿所述光栅对称设置；所述固定件和所述机架组件的第六镜架连接。
可选地，所述聚焦镜组件包括聚焦透镜和用于固定所述聚焦透镜的镜筒，所述镜筒和所述机架组件的第七镜架连接。
可选地，所述面阵传感器组件包括面阵传感器和固定所述面阵传感器的固定座，所述固定座可调节，所述固定座和所述机架组件的第八镜架连接。
本申请实施例提供的线光光谱共焦测量装置，弯曲狭缝组件不同发光点（光孔）的色散角不同导致，光线经分光组件分光后成像的谱线产生弯曲，由棱镜谱线弯曲公式和光栅谱线弯曲公式可以得出，棱镜谱线弯曲和光栅谱线弯曲的方向相反，因此根据这一原理，在设计过程中利用分光组件中的棱镜和光栅的组合成补偿校正谱线弯曲。同时弯曲狭缝由几何成像的规律，成像的狭缝像弯曲方向相反，因此根据这原理设计弯曲的狭缝组合PGP分光组件（棱镜-光栅-棱镜）综合补偿校正谱线弯曲。本申请实施例提供的线光光谱共焦测量装置，基于弯曲狭缝和分光组件（棱镜-光栅-棱镜）分光技术，使得系统残留的畸变像差得到很好的校正，特别使其具有着更小的成像普线弯曲，大大降低谱线的弯曲，降低了光谱和像素之间标定的难度，同时也降低后期算法图像识别的难度以及提高了探测器的有效的使用面积，从而有利于提高色散物镜工作波段范围提高轴向测量的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置结构示意图；
图2是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置调节平台的俯仰装调示意图；
图3是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置分光棱镜及各镜架间相对的平行度装调示意图；
图4a、图4b是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置平晶玻璃与镜架的配合示意图；
图4c是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置的弯曲狭缝器的结构示意图；
图5是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置十字划像成像示意图；
图6是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置十字划像重合示意图；
图7是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置十字划像转动轨迹示意图；
图8是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置聚焦镜组件的装调图；
图9是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置准直镜组件的装调图；
图10是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置色散物镜组件的装调图；
图11是本实施例提供的线光光谱共焦测量装置分光组件的装调图。
图标：1、2、3、4、5、6、7-平晶玻璃；1a、2a、3a、4a、5a-十字划像；10-光源组件；11-光源箱；12-光导组件；13-固定件；14-光纤束；20-分光棱镜组件；21-分光棱镜；22-固定座；30-色散物镜组件；31-色散物镜；32-镜筒；33-波前补偿器；40-调节平台；41-被测物；50-光谱仪机构；51-弯曲狭缝组件；511-弯曲狭缝器；511a-光孔；512-固定件；52-准直镜组件；521-准直透镜；522-镜筒；53-分光组件；531-棱镜；532-光栅；533-固定件；54-聚焦镜组件；541-聚焦透镜；542-镜筒；55-面阵传感器组件；551-面阵传感器；552-传输线缆；553-固定座；60-机架组件；60a-镜架；601-基板；602-第一镜架；603-第二镜架；604-第三镜架；605-第四镜架；606-第五镜架；607-第六镜架；608-第七镜架；609-第八镜架；70-光学平台；80-主控计算机；81-内调焦自准直仪；82-波前传感器；a-配合基准面；z＇-光轴。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
采用光谱共焦法检测表面形貌时，通常加工组装后需要对光谱共焦测量系统的传感器像素和波长的关系进行标定，还要对波长和位移的关系进行标定，因此光谱共焦测量系统属于精密制造和超精密制造、精细加工等精密工程范围内；同时由于光谱共焦测量系统的光路组成较为复杂，主要分为线照明模块和色散物镜模块以及光谱仪模块，且各模块件间紧密配合，特别地照明端和色散物镜的色散焦面是共轭关系，同时也和入射狭缝是共轭关系，入射狭缝经色散成像于传感器，对光路的同轴度要求比较高，同时线光光谱共焦系统的视场一般比较大，轴外像差慧差、像散、场曲、畸变影响比较大。色散物镜为了保证较高的横向分辨率，需要设计较高的na（数值孔径），较快的扫描速度需要较大的视场，由于拉赫不变量
的关系，色散物镜的拉赫不变量和光谱仪的准直镜拉赫不变量相等，相应地光谱仪准直镜的设计具有较高的F数，提高加工和装调的难度，往往因加工公差要求太高，而实际加工无法满足或装调方法无法控制公差，特别地导致残留畸变像差特别大从而造成较大的成像光谱弯曲。
往往多数线光光谱共焦系统由于光路装调的方法没有针对性对特定的像差进行控制，导致最后装调出来的线光光谱共焦测量系统残留的轴外像差特别大，特别地在进行像素和波长的关系进行标定以及波长和位移的关系进行标定时产生较大偏差以致无法通过单独某个透镜或透镜组倾斜偏心补偿，或相机的微调或色散物镜的微调给补偿回来，从而导致整个组装的线光光谱共焦测量系统模块重新装调，无法保证批量生产以及产品的一致性。
为解决上述问题，针对线光光谱共焦测量系统公差要求精度高和装调难的问题，本申请实施例提供一种线光光谱共焦测量装置及装调方法，以确保线光光谱共焦测量系统高精度装调，并实现较小的成像光谱弯曲以及轴外像差，且装调过程可量化，减小后期像素和波长的标定，以及波长和位移的标定偏差，以提高产品的良率与一致性。
具体地，请参照图1所示，本申请实施例提供一种线光光谱共焦测量装置（下述可简称测量装置），包括:机架组件60，以及分别设置在机架组件60的基板601上的光源组件10、分光棱镜组件20、色散物镜组件30、光谱仪机构50，还包括用于设置被测物41的调节平台40，调节平台40的角度可调节；
分光棱镜组件20设置在光源组件10出光侧，色散物镜31组设置在分光棱镜组件20的透射光路上，光源组件10出射的光束经分光棱镜组件20透射、并经过色散物镜组件30出射线性色散光，线性色散光照射调节平台40上的被测物41形成复合多波长反射光,复合多波长反射光透过色散物镜组件30并经分光棱镜组件20反射；
光谱仪机构50包括依次设置于分光棱镜组件20的反射光路上的弯曲狭缝组件51、准直镜组件52、分光组件53、聚焦镜组件54和面阵传感器组件55。
机架组件60包括基板601和多个镜架，基板601用于设置测量装置的各光学组件，镜架用于固定各光学组件，镜架和各光学组件固定时通过轴孔配合方式；调节平台40位于基板601的一侧，调节平台40上设置被测物41。调节平台40位于光学平台70上，调节平台40可进行X/Y/Z/RX/RY方向的五轴调整，以改变被测物41的角度。
基板601上依次设置有光源组件10、分光棱镜组件20、色散物镜组件30，光源组件10出射的光束经分光棱镜组件20透射后射向色散物镜组件30，色散物镜组件30用于对光源组件10投射的复色光进行轴向色散，并朝向调节平台40上的被测物41出射，被测物41形成复合多波长反射光,复合多波长反射光透过色散物镜组件30并经分光棱镜组件20反射后朝向光谱仪机构50出射。
光谱仪机构50包括依次设置的弯曲狭缝组件51、准直镜组件52、分光组件53、聚焦镜组件54和面阵传感器组件55，弯曲狭缝组件51用于满足单色光对应的色散焦面与弯曲狭缝组件51的光孔511a的共轭关系，同时弯曲狭缝组件51起到补偿校正光谱弯曲的效果；准直镜组件52用于准直满足共轭关系、通过弯曲狭缝组件51的单色光成平行光；分光组件53实现均匀色散、光路的偏折、较小的光谱弯曲，主要用于将准直镜组件52准直的平行光进行色散分光，且在色散面形成波长按一定顺序排列的光谱；聚焦镜组件54将光谱信息进行收集并汇聚于面阵传感器组件55，面阵传感器组件55用于将光谱信息转化成电子信号，然后传输给数据处理系统处理，然后得出峰值和物方高度位置差异的关系。
由此，本申请实施例提供的线光光谱共焦测量装置，光源组件10朝向分光棱镜组件20出射光束，经分光棱镜组件20透射后射向色散物镜组件30，以使色散物镜组件30出射线性色散光，线性色散光照射被测物41后，产生的复合多波长反射光经色散物镜组件30、分光棱镜组件20反射并聚焦在弯曲狭缝组件51处，不同波长的线性色散光的焦面对应被测物41不同的高度，由于不同的焦面与弯曲狭缝组件51的光孔511a形成共轭关系，满足共轭关系的单色光可以通过弯曲狭缝组件51的光孔511a,不满足共轭关系的单色光被弯曲狭缝组件51的光孔511a完全阻挡或部分阻挡，经过光孔511a的所有单色光再经过准直镜组组件准直成平行光束，平行光束经过的分光组件53，分光组件53将所有平行光入射的单色光进行分光，并按一定的顺序排成光谱，经分光组件53分光出射的1级光谱的出射光轴和入射光束同轴，聚焦镜组件54将1级色散光谱聚焦在面阵传感器组件55上，形成不同波长的狭缝像。
其工作原理是，弯曲狭缝组件51不同发光点（光孔511a）的色散角不同导致，光线经分光组件53分光后成像的谱线产生弯曲，由棱镜531谱线弯曲公式和光栅532谱线弯曲公式可以得出，棱镜531谱线弯曲和光栅532谱线弯曲的方向相反，因此根据这一原理，在设计过程中利用分光组件53中的棱镜531和光栅532的组合成补偿校正谱线弯曲。同时弯曲狭缝由几何成像的规律，成像的狭缝像弯曲方向相反，因此根据这原理设计弯曲的狭缝组合PGP分光组件53（棱镜531-光栅532-棱镜531）综合补偿校正谱线弯曲。本申请实施例提供的线光光谱共焦测量装置，基于弯曲狭缝和分光组件53（棱镜531-光栅532-棱镜531）分光技术，使得系统残留的畸变像差得到很好的校正，特别使其具有着更小的成像普线弯曲，大大降低谱线的弯曲，降低了光谱和像素之间标定的难度，同时也降低后期算法图像识别的难度以及提高了探测器的有效的使用面积，从而有利于提高色散物镜31工作波段范围提高轴向测量的精度。
具体地，光源组件10包括用于出光的光源箱11，光源箱11通过光纤束14连接光导组件12，光导组件12用于输出光强均匀的线状光斑，光导组件12将光源箱11出射的光束导向分光棱镜组件20。
其中，光导组件12包括导光棒和固定件13，导光棒通过固定件13固定于机架组件60的第一镜架602上，以朝向分光棱镜组件20。
光源箱11可以是宽谱光源如汞灯直接输出宽谱光源，也可以是宽谱光源经扫描光栅532单色仪输出单色光，两种模式均可由主控计算机80进行控制和选择；光导组件12是一种可以输出线状光斑的导光棒且是光强均匀的线状光斑。
分光棱镜组件20包括分光棱镜21以及固定分光棱镜21的固定座22，固定座22和机架组件60的第二镜架603连接。分光棱镜21用于透射光源组件10出射的光束，且将被测物41的反射光投射转入至光谱仪机构50。
色散物镜组件30包括色散物镜31、波前补偿器33以及固定色散物镜31的镜筒32，镜筒32和机架组件60的第三镜架604连接，波前补偿器33和色散物镜31沿分光棱镜组件20的透射光路依次设置于镜筒32内，波前补偿器33包括与镜筒32倾斜设置的透镜组，透镜组的倾斜度可调节。
色散物镜31用于对光源投射的复色光进行轴向色散，复色光经色散物镜31投射出的光斑在焦面处为线状光斑。波前补偿器33由镜筒32里某个透镜倾斜可调装置或几个透镜倾斜可调装置构成，且透镜均为倾斜公差对波前影响最大的透镜，波前补偿器33主要用于补偿色散物镜31光路的波前以得到较高的斯特列尔比。
如图4c所示，弯曲狭缝组件51包括弯曲狭缝器511，弯曲狭缝器511上设置有多个光孔511a，弯曲狭缝器511沿多个光孔511a排列方向朝向分光棱镜组件20一侧凸出呈弧形，还包括用于固定弯曲狭缝器511的固定件512，固定件512和机架组件60的第四镜架605连接。
弯曲狭缝器511上排列多个光孔511a，经分光棱镜21的光束经光孔511a射向准直镜组件52，弯曲狭缝器511满足单色光对应的色散焦面与光孔511a的共轭关系，同时弯曲狭缝器511起到补偿校正光谱弯曲的效果。
光束通过弯曲狭缝器511时，来自色散物镜31的不同波长的线性色散光的焦面对应被测物41不同的高度，由于不同的焦面与弯曲狭缝器511的光孔511a形成共轭关系，满足共轭关系的单色光可以通过弯曲狭缝器511的光孔511a,不满足共轭关系的单色光被弯曲狭缝器511的光孔511a完全阻挡或部分阻挡。
准直镜组件52包括准直透镜521和用于固定准直透镜521的镜筒522，镜筒522和机架组件60的第五镜架606连接，准直透镜521准直满足共轭关系通过狭缝的单色光成平行光。
分光组件53包括固定件533，以及依次胶合于固定件533的棱镜531、光栅532、棱镜531，两个棱镜531沿光栅532对称设置；固定件533和机架组件60的第六镜架607连接。棱镜531、光栅532和棱镜531胶合而成PGP分光组件53结构，实现均匀色散、光路的偏折、较小的光谱弯曲，主要用于将准直透镜521准直的平行光进行色散分光，且在色散面形成波长按一定顺序排列的光谱。两个棱镜531的参数在对称位置设置相同。
聚焦镜组件54包括聚焦透镜541和用于固定聚焦透镜541的镜筒542，镜筒542和机架组件60的第七镜架608连接。聚焦透镜541将光谱信息进行收集并汇聚于面阵传感器组件55。
面阵传感器组件55包括面阵传感器551和固定面阵传感器551的固定座553，固定座553可调节，固定座553和机架组件60的第八镜架609连接。
面阵传感器551将光谱信息转化成电子信号然传输给数据处理系统处理，然后得出峰值和物方高度位置差异的关系；固定座553可沿六个维度（X/Y/Z/RX/RY/RZ）调节，还包括用于信号传输的信号传输线缆552。
另一方面，本申请实施例还提供一种装调方法，用于装调前述的线光光谱共焦测量装置，涵盖线光光谱共焦测量装置的平行度、同轴度、色散物镜31的装调以及成像光谱仪的准直模块、分光模块和聚焦模块的装调流程及方法，全部装调流程解耦化设计、可量化设计、可靠性设计、简易调试设计。该方法包括：
S100:装调调节平台40的角度。
使机架组件60的第三镜架604的基准面与内调焦自准直仪81的外端面贴合，并使内调焦自准直仪81的出光面面向调节平台40。内调焦自准直仪81在装调时使用，装调完成后拆下。
如图2所示，在调节平台40上设置平晶玻璃6，使平晶玻璃6紧贴调节平台40。
旋转调节调节平台40 X、Y轴方向的角度，使调节平台40绕X、Y轴方向旋转，以使内调焦自准直仪81的出光方向与预设准轴之间的反射偏心角度满足预设角度，预设准轴基于基准面确定。一般地，反射偏心角度控制在
以内为止，即可完成调节平台40的俯仰装调。
如图3所示，S110:装调分光棱镜组件20及机架组件60的镜架间的相对平行度。
在机架组件60的基板601上安装第一镜架602至第八镜架609、分光棱镜组件20、面阵传感器组件55；
图4a、图4b示出了镜架60a和平晶玻璃7安装的原理图，依次在镜架60a一侧安装平晶玻璃7，使平晶玻璃7和镜架60a的配合基准面a贴合；平晶玻璃7的中心刻蚀有十字刻线；具体到每个镜架时，其原理与图4a、图4b一致，如图3所示，依次将平晶玻璃1与第一镜架602、平晶玻璃2与第四镜架605、平晶玻璃3与第五镜架606、平晶玻璃5与第八镜架609进行无间隙的轴孔配合，且平晶玻璃的平面紧贴对应的第一镜架602、第四镜架605、第五镜架606、和第八镜架609的配合基准面a，配合基准面a通过机加工公差保证与其对应固定对象的光轴垂直。
其中，平晶玻璃是一种由石英玻璃或光学玻璃加工而成的标准量块，两平面具有极高的平面度，其平面度≤0.1um，局部平面度≤0.03um，是一种标准的量块。使用高精度光刻机在平晶玻璃表面光刻加工十字刻线，该十字刻线中心与平晶玻璃的中心轴偏心≤
。
第三镜架604和第四镜架605为机加工公差保证，通过高精度机加工保证相对垂直度≤0.001mm，其余镜架均为角度可调整。
内调焦自准直仪81的平整外端面与第三镜架604的配合基准面紧密贴合，内调焦自准直仪81的出光面面向分光棱镜组件20，并将内调焦自准直仪81调整为无限远模式，以出射带有十字划像的平行光束；
内调焦自准直仪81得到来自于设置光源组件10的平晶玻璃反射后的十字划像，以及分别来自于设置弯曲狭缝组件51、准直镜组件52、分光组件53、聚焦镜组件54和面阵传感器组件55的平晶玻璃反射后的十字划像；
带有十字划像的平行光束经分光棱镜组件20后分成两部分平行光束，其中一部分平行光束透射分光棱镜21到达与第一镜架602基准面配合的平晶玻璃1的表面，然后部分光经平晶玻璃1的表面表面反射原路返回成像于内调焦自准直仪81的成像传感器，主控计算机80得出十字划像1a，另外一部分的平行光束经分光棱镜21反射后依次到达第四镜架605基准面配合的平晶玻璃2的表面、第五镜架606基准面配合的平晶玻璃3的表面、第七镜架608基准面配合的平晶玻璃4的表面、第八镜架609基准面配合的平晶玻璃5的表面，然后分别地经上述平晶玻璃2至平晶玻璃5的表面反射原路返回成像于内调焦自准直仪81的成像传感器，主控计算机80得出十字划像2a至十字划像5a，如图5所示十字划像成像示意图。
调节分光棱镜21的角度，将弯曲狭缝组件51对应的十字划像的反射偏心角度控制在预设角度范围内；
以弯曲狭缝组件51对应的十字划像为基准，分别调节镜架，以使其他对应的每个十字刻线均重合。
建立以狭缝中心为整个线光光谱共焦测量系统的光路基准，首先调节分光棱镜21/RY，将主控计算机80十字划像2a的偏心控制在
以内，然后以十字划像2a为参考基准，分别通过调整各镜架的角度使十字划像1a至十字划像5a，均调到与十字划像2a重合，如图6所示十字划像重合。即完成分光棱镜21与各镜架间相对的平行度装调。
S120:装调机架组件60的镜架间的相对同轴度。
将内调焦自准直仪81设置为内调焦模式，将其主光轴作为光学准轴；将内调焦自准直仪81设置为内调焦模式可聚焦至400mm至无穷远范围内的任意位置，在此范围内提供一条稳定度优于四秒的光学准轴，以用于光学系统的测量、调校或装配。
依次360°转动每个十字划像对应的平晶玻璃，得到每个十字划像的转动轨迹；
将平晶玻璃2表面的光刻十字划线通过变焦并调焦清晰成像为十字划像2a,然后在第三镜架604轴孔配合面内360°转动平晶玻璃2，主控计算机80得到十字划像2a 的转动轨迹。同理主控计算机80可得十字划像1a、 十字划像3a、十字划像4a 和十字划像5a的转动轨迹，如图7所示 。
以光学准轴为基准，根据每个十字划像的转动轨迹偏离光学准轴的程度，计算对应每个镜架的修磨量；
根据修磨量修磨镜架，使每个十字划像的转动轨迹和光学准轴之间的偏离在预设范围内。
以内调焦自准直仪81提供的光学轴为参考基准，根据离轴情况的分析并计算各镜架修磨垫的量，然后进行修整，再重复以上步骤检测，以达到满足要求的同轴度。
S130:确定聚焦镜组件54与面阵传感器组件55的空气间隔。
如图8所示，取下每个平晶玻璃；
在对应的第五镜架606上安装聚焦镜组件54；
将内调焦自准直仪81调整为无限远模式（自准直仪模式），使其出射的带十字分划像的平行光束经聚焦镜组件54聚集成像于面阵传感器组件55；
获取面阵传感器组件55的成像图片，提取十字划像区域的图片，得出十字划像区域对应的线扩展函数；
通过调整面阵传感器组件55沿光轴方向的位置，以改变聚焦镜组件54与面阵传感器组件55沿光轴方向的空气间隔，当满足最佳的线扩展函数，固定面阵传感器组件55的位置。
主控计算机80从面阵传感器551获取图片，使用算法从十字划像的图片中提取十字划像区域的图片并进行图像处理，得出十字划像区域对应的线扩展函数LSF(LineSpreadFunction),并通过调整传感器固定座553的dz即改变聚焦镜组件54与面阵传感器组件55空气间隔以满足最佳的线扩展函数LSF，当达到最佳的线扩展函数LSF时后即刻锁紧感器固定座553的dz。
S140:确定弯曲狭缝组件51与准直镜组件52的空气间隔。
如图9所示，在对应的第四镜架605、第五镜架606上分别安装弯曲狭缝器511组件、准直镜组件52；
在弯曲狭缝器511组件的镜架上贴合波前传感器82；
设置内调焦自准直仪81为内调焦模式，以使其聚焦于弯曲狭缝器511组件的中心；
通过波前传感器82检测准直镜组件52的准直光束的波前数据；
改变聚焦于弯曲狭缝器511组件的中心与准直镜组件52之间沿z轴方向的工作距离dz，使获得的波前数据在预设范围内，固定弯曲狭缝器511组件与准直镜组件52的位置。
S150:装调色散物镜组件30。
在对应的第一镜架602、第三镜架604上分别安装光源组件10和色散物镜组件30；
选择光源组件10的出光模式，控制光源组件10出射光束的波长覆盖色散物镜组件30的工作波段，且光源组件10出射特定波长的单色光束；
光源箱11为连续可调光源，由主控计算机80选择宽谱光源经扫描式光栅532单色仪输出单色光的模式，并控制出射光束的波长覆盖色散物镜31光路的工作波段，每次仅出射特定波长的单色光束。
如图10所示，在调节平台40上设置平晶玻璃；
调整色散物镜组件30的波前补偿器33的倾斜角度，以及弯曲狭缝器511组件的中心与准直镜组件52之间沿z轴方向的工作距离dz，使获得的波前补偿器33的波前数据满足预设范围；
根据斯特列尔定义（Strehl Definition）：光强最大的位置称作衍射焦点（diffraction focus），对于小像差系统，最大光强点的位置可以通过给波前函数附加少量的倾斜（波前补偿器33的倾斜角度）和离焦量（弯曲狭缝器511组件的中心与准直镜组件52之间沿z轴方向的工作距离dz）以使得波前差的方差变得最小根据调整来找到。以及结合色散物镜31光路的公差分析的结果，色散物镜31光路公差分析以RMS的波前为评价标准，加入公差设置并运行≥10000组的蒙特卡罗公差分析，根据公差分析结果，选取倾斜公差对波前影响较大的透镜或者透镜组作为波前补偿器33。
控制光源组件10输出波段为λ0的光束，以使波段为λ0的光束和覆盖色散物镜组件30的工作波段（λ1-λ2）的中心波长λ0的光束的波长相等；λ0属于覆盖色散物镜31光路工作波段（λ1-λ2）的中心波长λ0。
中心波长λ0经色散物镜31光路透射在平晶玻璃6的表面并原路反射经分光棱镜21反射后聚焦于弯曲狭缝器511中心后，经与准直透镜521准成平行光入射到夏克 -哈特曼(Shack- Hartmann)波前传感器82。
获取经色散物镜组件30透射在平晶玻璃的表面并原路反射经分光棱镜组件20反射后，聚焦于弯曲狭缝组件51的中心后，再经与准直镜组件52准成平行光入射到波前传感器82的中心波长λ0对应的斯特列尔比；
沿z轴调节调节平台40， 以确定中心波长λ0对应的焦面；成像清晰时的焦面作为此处确定的焦面。
当中心波长λ0全视场对应的斯特列尔比≥0.8,则完成色散物镜组件30的装调；
当中心波长λ0边缘视场对应的斯特列尔比＜0.8，调整波前补偿器33直到中心波长λ0全视场对应的斯特列尔比≥0.8；
当中心波长λ0全视场对应的斯特列尔比＜0.8，沿z轴旋转色散物镜组件30或沿z轴旋转光源组件10的光导组件12，直到中心波长λ0中心视场对应的斯特列尔比≥0.8，再调整波前补偿器33直到中心波长λ0全视场对应的斯特列尔≥0.8。
S160:装调分光组件53。
如图11所示，在对应的第六镜架607上安装分光组件53；
控制光源组件10输出波段为λ0的光束，以使波段为λ0的光束和覆盖色散物镜组件30的工作波段（λ1-λ2）的中心波长λ0的光束的波长相等；
属于覆盖色散物镜31光路工作波段（λ1-λ2）的中心波长λ0。
面阵传感器551的规模为m元*n元,像元大小10um。
根据ZEMAX光路系统设计，中心波长λ0对应的狭缝像经PGP分光组件53（棱镜531-光栅532-棱镜531）色散分光后由聚焦透镜541聚焦成像于面阵传感器551并介于第(n/2)-1行和(n/2)+1行之间，同（λ1-λ2）的λ1成像于面阵传感器551的第1行和第3行之间和λ2第成像于面阵传感器551的第n行和第n-2之间。
沿z轴调节调节平台40， 以确定中心波长λ0对应的焦面、对应的焦面λ1对应的焦面、λ2对应的焦面；
同步地主控计算机80控制5轴调节平台40往复调节dz找到中心波长λ0对应的焦面L0,同理可得λ1、λ2对应的焦面L1、L2。
获取面阵传感器组件55的图片，中心波长λ0、λ1、λ2对应的狭缝像满足面阵传感器组件55的行像素，以完成分光组件53的装调；
当中心波长λ0、λ1、λ2对应的狭缝像不满足面阵传感器组件55的行像素，沿x轴、y轴旋转分光组件53，或同时调节面阵传感器组件55轴或y轴的偏移量，直到中心波长λ0、λ1、λ2对应的狭缝像满足面阵传感器组件55的行像素。
主控计算机80从面阵传感器551获取图片，并分析λ0λ1λ2的狭缝像是否满足上述对应面阵传感器551的行像素，如满足则完成PGP分光组件53（棱镜531-光栅532-棱镜531）的装调，如不满足则调节PGP分光组件53的俯仰即Rx/Ry，或同时调节面阵传感器551的X或Y方向的偏心即dx/dy，直到满足上述中心波长λ0聚焦成像于面阵传感器551并介于第(n/2)-1行和(n/2)+1行之间以及λ1、λ2分别聚焦成像于面阵传感器551的第1行和第3行之间和第n行和第n-2之间。则完成PGP分光组件53的装调。
根据ZEMAX光路设计分析可得知线光光谱共焦测量系统的平行度、同轴度对测量系统的轴外像差慧差、像散、场曲、畸变影响比较大，因此依托内调焦自准直仪81高精度的测量设备针对平行度和同轴度分别设计了可解耦的调试步骤，同理根据ZEMAX光路设计公差分析得知，色散物镜31的倾斜公差对像质影响较大，因此依托夏克-哈特曼 (Shack-Hartmann)波前传感器82高精度的测量设备针对倾斜补偿色散物镜31的像质设计装调步骤，同时为了减小后期线光光谱共焦测量系统像素和波长的标定以及波长和位移的标定偏差，依托宽谱光源组合扫描式光栅532单色仪模式输出带宽极窄的特征峰谱线辅助装调PGP分光组件53（棱镜531-光栅532-棱镜531），确保光谱色散面积以及成像面积的准确性。
按照上述顺序依次装调，装调流程解耦化设计使线光光谱共焦测量系统的装调更具有针对性，特别地通过解耦化分步骤装调对单独的像差控制更容易实现且步骤间是相互依次依次装调非常有利建立统一的装调基准，特别地本发明装调方法以狭缝中心作为装调的基准使得平行度和同轴度的装调具有唯一的解耦参考，且匹配高精度的内调焦自准直仪81和平晶玻璃辅助装调，提高了装调精度以及定制化的光刻十字平晶玻璃使得原本复杂的平行度和同轴度的装配流程实现起来更简易更有利于操作。同时依托夏克-哈特曼(Shack- Hartmann)波前传感器82高精度的测量设备针对色散物镜31以斯特列尔比（SR）的值（Strehl ratio）为评价标准通过倾斜补偿像质的装调步骤设计与色散物镜31公差分析的评价标准和补偿方式相同，从而使得色散物镜31的装调更具可靠性同时可量化有利于保证装调的一致性，同时依托宽谱光源组合扫描式光栅532单色仪模式输出带宽极窄的特征峰谱线辅助装调PGP分光组件53（棱镜531-光栅532-棱镜531），确保光谱色散面积以及成像面积的准确性，有利于减小后期像素和波长的标定以及波长和位移的标定偏差从而提高产品的良率与一致性。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种线光光谱共焦测量装置，其特征在于，包括:机架组件，以及分别设置在所述机架组件的基板上的光源组件、分光棱镜组件、色散物镜组件、光谱仪机构，还包括用于设置被测物的调节平台，所述调节平台的角度可调节；
所述分光棱镜组件设置在所述光源组件出光侧，所述色散物镜组设置在所述分光棱镜组件的透射光路上，所述光源组件出射的光束经所述分光棱镜组件透射、并经过所述色散物镜组件出射线性色散光，所述线性色散光照射所述调节平台上的被测物形成复合多波长反射光,所述复合多波长反射光透过所述色散物镜组件并经所述分光棱镜组件反射；
所述光谱仪机构包括依次设置于所述分光棱镜组件的反射光路上的弯曲狭缝组件、准直镜组件、分光组件、聚焦镜组件和面阵传感器组件；
所述弯曲狭缝组件包括弯曲狭缝器，所述弯曲狭缝器上设置有多个光孔，所述弯曲狭缝器沿多个所述光孔排列方向朝向所述分光棱镜组件一侧凸出呈弧形；所述色散物镜组件包括色散物镜，所述色散物镜的焦面与所述弯曲狭缝器的光孔形成共轭关系。
2.根据权利要求1所述的线光光谱共焦测量装置，其特征在于，所述光源组件包括用于出光的光源箱，所述光源箱通过光纤束连接光导组件，所述光导组件用于输出光强均匀的线状光斑，所述光导组件将所述光源箱出射的光束导向所述分光棱镜组件。
3.根据权利要求2所述的线光光谱共焦测量装置，其特征在于，所述光导组件包括导光棒和固定件，所述导光棒通过所述固定件固定于所述机架组件的第一镜架上，以朝向所述分光棱镜组件。
4.根据权利要求1所述的线光光谱共焦测量装置，其特征在于，所述分光棱镜组件包括分光棱镜以及固定所述分光棱镜的固定座，所述固定座和所述机架组件的第二镜架连接。
5.根据权利要求1所述的线光光谱共焦测量装置，其特征在于，所述色散物镜组件包括色散物镜、波前补偿器以及固定所述色散物镜的镜筒，所述镜筒和所述机架组件的第三镜架连接，所述波前补偿器和所述色散物镜沿所述分光棱镜组件的透射光路依次设置于所述镜筒内，所述波前补偿器包括与所述镜筒倾斜设置的透镜组，所述透镜组的倾斜度可调节。
6.根据权利要求1所述的线光光谱共焦测量装置，其特征在于，所述弯曲狭缝组件包括弯曲狭缝器，所述弯曲狭缝器上设置有多个光孔，所述弯曲狭缝器沿多个光孔排列方向朝向所述分光棱镜组件一侧凸出呈弧形，还包括用于固定所述弯曲狭缝器的固定件，所述固定件和所述机架组件的第四镜架连接。
7.根据权利要求1所述的线光光谱共焦测量装置，其特征在于，所述准直镜组件包括准直透镜和用于固定所述准直透镜的镜筒，所述镜筒和所述机架组件的第五镜架连接。
8.根据权利要求1所述的线光光谱共焦测量装置，其特征在于，所述分光组件包括固定件，以及依次胶合于所述固定件的棱镜、光栅、棱镜，两个所述棱镜沿所述光栅对称设置；所述固定件和所述机架组件的第六镜架连接。
9.根据权利要求1所述的线光光谱共焦测量装置，其特征在于，所述聚焦镜组件包括聚焦透镜和用于固定所述聚焦透镜的镜筒，所述镜筒和所述机架组件的第七镜架连接。
10.根据权利要求1所述的线光光谱共焦测量装置，其特征在于，所述面阵传感器组件包括面阵传感器和固定所述面阵传感器的固定座，所述固定座可调节，所述固定座和所述机架组件的第八镜架连接。
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