CN115752262A - 一种面阵光谱共焦测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面阵光谱共焦测量系统及方法。本发明的面阵光谱共焦测量系统包括:光源模块、色散模块、提取模块和探测模块。其中，探测模块将待探测光束分为两束光，并在其中一束光的光路上加载一线性滤光片，该线性滤光片透过率与波长呈线性关系，采用两个面阵探测器分别采集两束光的强度，由两束光的强度得到线性滤光片的透过率，根据其透过率与波长的线性关系得到该光束的波长，并利用光的色散关系由波长得到被测物表面的高度信息，解决了现有技术中采用面光谱仪所引起的非线性的问题。

Description

一种面阵光谱共焦测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，具体涉及一种面阵光谱共焦测量系统及方法。

背景技术

目前的光谱共焦技术在精密检测领域越来越受到重视，相比于其它检测方法，光谱共焦技术利用波长信息进行测量，属于非接触式测量，其原理是由光源出射一束白光或宽光谱的复色光，通过色散透镜产生轴向色散，不同波长的光聚焦在不同的轴向位置，当被测物位于测量范围内时，会有一对应波长的光被反射并以最大光强通过共焦的小孔或狭缝，其它波长的光都被衰减，通过分析反射光的波长即可通过换算获得距离值。

点光谱共焦位移传感器每次只能检测一个点，如果要获取物体的三维形貌信息，需要二维平面的扫描，检测时间比较长而且无法实时检测。近些年来出现了多种快照式光谱共焦位移传感器，通过一帧图像就可以获取一定区域内物体的三维形貌信息，为了实现快照式，需要同时处理多通道的光谱信息，目前大多采用面光谱仪或彩色CCD，面光谱仪结构比较复杂，成本高，而且存在非线性问题，而通过彩色CCD利用颜色坐标进行光谱分析，精度会大打折扣。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种面阵光谱共焦测量系统及方法。

一种面阵光谱共焦测量系统，包括：光源模块、色散模块、提取模块和探测模块；

所述光源模块产生一宽波段的平行光；

所述色散模块对所述平行光进行分割并对分割后的光束进行色散，得到用于测量的面阵色散带；

所述提取模块将由被测物表面反射的面阵色散带聚焦并阻挡光束中非共焦波长部分得到共焦波长光束，并将所述共焦波长光束准直为平行光；

所述探测模块将所述共焦波长光束分为两束光束，并在其中一束的光路中加载与波长有关的透过率函数，采集两束光的强度信息后经数据处理得到波长，并根据波长得到被测面的高度；

其中，与波长有关的透过率函数的透过率与波长呈线性关系。

作为本发明的进一步改进，所述光源模块包括：宽波段光源和第一准直透镜组；所述第一准直透镜组的前焦面中心与所述宽波段光源重合，用于将所述宽波段光源产生的光束准直为第一平行光。

作为本发明的进一步改进，所述色散模块包括：第一分束板和微透镜阵列；所述第一分束板相比于所述第一准直透镜组102呈45°倾斜设置；所述微透镜阵列将由所述第一分束板透射的透射光分割并对光束进行色散得到面阵色散带，当被测物表面位于所述面阵色散带的测量范围内时，光线被反射或散射后重新进入该微透镜阵列并由所述第一分束板反射。

作为本发明的进一步改进，所述第一分束板的分光比为50：50。

作为本发明的进一步改进，所述微透镜阵列上等间距设置有多个微透镜子单元，单个微透镜子单元为色散透镜。

作为本发明的进一步改进，所述微透镜阵列的微透镜子单元共有100行，100列，横向间距、纵向间距和微透镜子单元直径都为200μm。

作为本发明的进一步改进，所述提取模块包括：聚焦透镜、针孔阵列板和第二准直透镜组；所述聚焦透镜将由所述第一分束板反射的反射光聚焦，形成聚焦的光斑阵列；所述针孔阵列板上设置有多个小孔，用于阻挡所述聚焦的光斑阵列中的非共焦波长的光束；所述第二准直透镜组用于将通过小孔的聚焦共焦波长光束准直成平行共焦波长光束。

作为本发明的进一步改进，所述针孔阵列板上的小孔分布与所述微透镜阵列上的微透镜子单元的中心一一对应。

作为本发明的进一步改进，所述探测模块包括：第二分束板、线性滤光片、第一面阵探测器和第二面阵探测器；所述第二分束板将所述平行共焦波长光束分为透射平行共焦波长光束和反射平行共焦波长光束；所述线性滤光片的透过率与波长呈线性关系，位于所述透射平行共焦波长光束或反射平行共焦波长光束的光路上；所述第一面阵探测器和所述第二面阵探测器分别用于采集两束光束的强度。

一种面阵光谱共焦测量方法，使用如上所述的面阵光谱共焦测量系统实现，包括以下步骤：

S1：产生一用于测量的宽光谱面阵色散带；

S2：将被测物放置于所述面阵色散带的测量范围内；

S3：所述面阵色散带被所述被测物表面反射，阻挡由所述被测物表面反射的光束中的非共焦波长的光束，得到与聚焦于被测物表面的光束共焦的共焦光束；

S4：将所述共焦光束分束为两束光，并对其中一束光加载透过率函数，该透过率函数与波长相关，不同波长的光透过率不同；

S5:获取两束光的强度信息，得到共焦光束的波长信息，并根据波长与位移的关系得到被测物表面的高度信息。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的面阵光谱共焦测量系统的探测模块将待探测光束分为两束光，并在其中一束光的光路上加载一线性滤光片，该线性滤光片透过率与波长呈线性关系，采用两个面阵探测器分别探测两束光的强度，由两束光的强度得到线性滤光片的透过率，根据其透过率与波长的线性关系得到该光束的波长，并利用光的色散关系由波长得到被测物表面的高度信息，解决了现有技术中采用面光谱仪所引起的非线性的问题。同时，由于本发明中采集两束光束的强度进行计算，未加载线性滤波片的光束的强度可作为参考强度，在后续计算中可减少由于环境杂散光、系统误差等引起的精度下降的问题，因此本发明的面阵光谱共焦测量系统的测量精度得到了保证。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的面阵光谱共焦测量系统示意图。

图2是本发明的微透镜阵列示意图。

图3是本发明的针孔阵列板示意图。

图4是本发明的线性滤波片透过率与波长的关系图。

说明书附图标记说明：1、光源模块；101、宽波段光源；102、第一准直透镜组；2、色散模块；201、第一分束板；202、微透镜阵列；3、提取模块；301、聚焦透镜；302、针孔阵列板；303、第二准直透镜组；4、探测模块；401、第二分束板；402、线性滤光片；403、第一面阵探测器；404、第二面阵探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本发明提供了一种面阵光谱共焦测量系统，包括：光源模块1、色散模块2、提取模块3和探测模块4；

所述光源模块1产生一宽波段的平行光；

所述色散模块2对所述平行光进行分割并对分割后的光束进行色散，得到用于测量的面阵色散带；

所述提取模块3将由被测物表面反射的面阵色散带聚焦并阻挡光束中非共焦波长部分，得到共焦波长光束，并将所述共焦波长光束准直为平行光；

所述探测模块4将所述共焦波长光束分为两束光束，并在其中一束的光路中加载与波长有关的透过率函数，采集两束光的强度信息得到波长，并根据波长得到被测面的高度；

其中，与波长有关的透过率函数的透过率与波长呈线性关系。

在一个可选的实施例中，所述光源模块1包括：宽波段光源101、第一准直透镜组102；所述宽波段光源101为白色或接近白色的光源；所述第一准直透镜组102具有色差校正能力；所述第一准直透镜组102的前焦面中心与所述宽波段光源101重合，用于将所述宽波段光源101产生的光束准直为第一平行光。

在一个可选的实施例中，所述色散模块2包括：第一分束板201、微透镜阵列202；所述第一分束板201相比于所述第一准直透镜组102呈45°倾斜设置；在一个具体的实施例中，所述第一分束板的分光比为50：50。所述微透镜阵列202将由所述第一分束板201透射的透射光分割并对光束进行色散得到面阵色散带，当被测物表面位于所述面阵色散带的测量范围内时，光线被反射或散射后重新进入该微透镜阵列202并由所述第一分束板201反射。

所述微透镜阵列202上等间距设置有多个微透镜子单元，单个微透镜子单元为色散透镜。如图2所示，所述微透镜阵列202子单元共有j行，k列，横向间距和纵向间距为a和b，微透镜子单元直径为c，在一个具体的实施例中，所述微透镜阵列202的微透镜子单元共有100行，100列，横向间距、纵向间距和微透镜子单元直径都为200μm，在该实施例中，一次检测可获取20mm×20mm区域的三维形貌。

需要说明的是，上述微透镜阵列的具体参数设置仅作为本申请实施例中的一种示例，实际上，微透镜阵列的具体参数设置以实际单次检测范围需求为准，本申请实施例中不对微透镜阵列的具体参数设置做具体限定。

在一个可选的实施例中，所述提取模块3包括：聚焦透镜301、针孔阵列板302、第二准直透镜组303；所述聚焦透镜301将由所述第一分束板201反射的反射光聚焦，形成聚焦的光斑阵列；所述针孔阵列板302上设置有多个小孔，用于阻挡所述聚焦的光斑阵列中的非共焦波长的光束；所述第二准直透镜组303用于将通过小孔的聚焦共焦波长光束准直成平行共焦波长光束。

如图4所示，所述针孔阵列板302上的小孔分布与所述微透镜阵列202上的微透镜子单元的中心一一对应，相应的，所述针孔阵列板302上的小孔共有j行，k列，横向间距和纵向间距为a和b，小孔直径通常几十个微米左右，如图3所示。

在一个可选的实施例中，所述探测模块4包括：第二分束板401、线性滤光片402、第一面阵探测器403和第二面阵探测器404；所述第二分束板401将所述平行共焦波长光束分为透射平行共焦波长光束和反射平行共焦波长光束；在一个具体的实施例中，第二分束板401的分光比为50：50。所述线性滤光片402位于所述透射平行共焦波长光束或反射平行共焦波长光束的光路上，可应用于波长识别，在工作波长λ_min-λ_max范围内其透过率与波长呈线性关系，如图4所示；所述第一面阵探测器403和所述第二面阵探测器404分别用于探测两路束光束的强度。

在一个具体的实施例中，所述第一面阵探测器403和所述第二面阵探测器404型号和参数相同，即量子响应效率和曝光时间相同。

本发明还提供了一种面阵光谱共焦测量方法，包括以下步骤：

S1：产生一用于测量的宽光谱面阵色散带；

S2：将被测物放置于所述面阵色散带的测量范围内；

S3：所述面阵色散带被所述被测物表面反射，阻挡由所述被测物表面反射的光束中的非共焦波长的光束，得到与聚焦于被测物表面的光束共焦的共焦光束；

S4：将所述共焦光束分束为两束光，并对其中一束光加载透过率函数，该透过率函数与波长相关，不同波长的光透过率不同；

S5:获取两束光的强度信息，得到共焦光束的波长信息，并根据波长与位移的关系得到被测物表面的高度信息。

下面通过介绍本发明的面阵光谱共焦测量系统的工作原理对本发明做进一步解释。宽波段光源101发出的光经过具有色差校正能力的第一准直透镜组102后，形成宽波段的平行光；再经过第一分束板201后照射微透镜阵列202，微透镜阵列202进行光束分割并对光束进行色散得到用于测量的面阵色散带，当被测物表面处于色散带的测量范围内时，光线被反射或散射后重新进入微透镜阵列202，这些光经第一分束板201后进入聚焦透镜301，从而形成聚焦的光斑阵列，针孔阵列板302上的小孔对光斑阵列进行处理，阻挡非共焦波长的光束通过，经过小孔后的光束继续传输并经过第二准直透镜组303变成平行光，再经过第二分束板401后一部分光透射经过线性滤光片402被第一面阵探测器403接受，另一部分光反射被第二面阵探测器404接受。

假设线性滤光片402的透过率为T(λ)，微透镜阵列202一个子单元光束的光强为I，则经过第二分束板401后的两束光光强都为I/2，第一面阵探测器403接收到的光强为I×T(λ)/2，第二面阵探测器404接收到的光强为I/2，将两个数进行相除得到的值为线性滤光片透过率T(λ)，根据透过率与波长的关系可知波长，其它子单元的光束波长也可由此得到，然后根据波长与位移的关系可得到被测物表面的高度信息。

在上述过程中，由第二面阵探测器404接收到的未加载线性滤波片402的光束的强度可作为参考强度，在后续计算中可减少由于环境杂散光、系统误差等引起的精度下降的问题，由此提高了本系统的测量精度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种面阵光谱共焦测量系统，其特征在于：包括：光源模块、色散模块、提取模块和探测模块；

所述光源模块产生一宽波段的平行光；

所述色散模块对所述平行光进行分割并对分割后的光束进行色散，得到用于测量的面阵色散带；

所述提取模块将由被测物表面反射的面阵色散带聚焦并阻挡光束中非共焦波长部分得到共焦波长光束，并将所述共焦波长光束准直为平行光；

所述探测模块将所述共焦波长光束分为两束光束，并在其中一束的光路中加载与波长有关的透过率函数，采集两束光的强度信息后经数据处理得到波长，并根据波长得到被测面的高度；

其中，与波长有关的透过率函数的透过率与波长呈线性关系。

2.根据权利要求1所述的面阵光谱共焦测量系统，其特征在于：所述光源模块包括：宽波段光源和第一准直透镜组；所述第一准直透镜组的前焦面中心与所述宽波段光源重合，用于将所述宽波段光源产生的光束准直为第一平行光。

3.根据权利要求2所述的面阵光谱共焦测量系统，其特征在于：所述色散模块包括：第一分束板和微透镜阵列；所述第一分束板相比于所述第一准直透镜组102呈45°倾斜设置；所述微透镜阵列将由所述第一分束板透射的透射光分割并对光束进行色散得到面阵色散带，当被测物表面位于所述面阵色散带的测量范围内时，光线被反射或散射后重新进入该微透镜阵列并由所述第一分束板反射。

4.根据权利要求3所述的面阵光谱共焦测量系统，其特征在于：所述第一分束板的分光比为50：50。

5.根据权利要求3所述的面阵光谱共焦测量系统，其特征在于：所述微透镜阵列上等间距设置有多个微透镜子单元，单个微透镜子单元为色散透镜。

6.根据权利要求5所述的面阵光谱共焦测量系统，其特征在于：所述微透镜阵列的微透镜子单元共有100行，100列，横向间距、纵向间距和微透镜子单元直径都为200μm。

7.根据权利要求3所述的面阵光谱共焦测量系统，其特征在于：所述提取模块包括：聚焦透镜、针孔阵列板和第二准直透镜组；所述聚焦透镜将由所述第一分束板反射的反射光聚焦，形成聚焦的光斑阵列；所述针孔阵列板上设置有多个小孔，用于阻挡所述聚焦的光斑阵列中的非共焦波长的光束；所述第二准直透镜组用于将通过小孔的聚焦共焦波长光束准直成平行共焦波长光束。

8.根据权利要求7所述的面阵光谱共焦测量系统，其特征在于：所述针孔阵列板上的小孔分布与所述微透镜阵列上的微透镜子单元的中心一一对应。

9.根据权利要求7所述的面阵光谱共焦测量系统，其特征在于：所述探测模块包括：第二分束板、线性滤光片、第一面阵探测器和第二面阵探测器；所述第二分束板将所述平行共焦波长光束分为透射平行共焦波长光束和反射平行共焦波长光束；所述线性滤光片的透过率与波长呈线性关系，位于所述透射平行共焦波长光束或反射平行共焦波长光束的光路上；所述第一面阵探测器和所述第二面阵探测器分别用于采集两束光束的强度。

10.一种面阵光谱共焦测量方法，其特征在于：使用如权利要求1-9任意一项所述的面阵光谱共焦测量系统实现，包括以下步骤：

S1：产生一用于测量的宽光谱面阵色散带；

S2：将被测物放置于所述面阵色散带的测量范围内；

S3：所述面阵色散带被所述被测物表面反射，阻挡由所述被测物表面反射的光束中的非共焦波长的光束，得到与聚焦于被测物表面的光束共焦的共焦光束；

S4：将所述共焦光束分束为两束光，并对其中一束光加载透过率函数，该透过率函数与波长相关，不同波长的光透过率不同；

S5:获取两束光的强度信息，得到共焦光束的波长信息，并根据波长与位移的关系得到被测物表面的高度信息。

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