CN116336962A - 基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统及方法，系统包括提供光辐射的光源模块、光谱共焦模块和信号采集模块；光谱共焦模块包括第一线性渐变滤光片、第一成像透镜组、第二成像透镜组和第二线性渐变滤光片，第一线性渐变滤光片将光辐射按不同的波长分离；第一成像透镜组使不同波长的光辐射聚焦在垂直于被测物表面法线上的不同高度；第二成像透镜组将聚焦的光辐射引导至第二线性渐变滤光片，第一线性渐变滤光片对应位置上的光辐射通过第二线性渐变滤光片；信号采集模块根据光辐射得到被测物表面的高度信息。本发明能够同时获取线视场范围内的深度信息，通过一维扫描即可实现连续高速的三维测量，具有高精度和高效率的特点。

Description

基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其是指一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统及方法。

背景技术

随着当今社会科技的不断发展，对测量技术提出了更高的要求，无论是在生产制造还是在科学研究中，都在要求更高的测量精度、更大的测量范围和更快的测量速度。

常用的光学检测技术有激光三角法、白光干涉法、激光共焦扫描法等。但是上述这些方法都需要进行轴向扫描，导致测量时间变长，降低了测量效率，同时轴向运动元件的运动精度还限制了测量精度。其中光谱共焦技术作为一种非接触式测量技术，将激光共焦技术和光谱色散技术融为一体，结合了共聚焦光路实现高信噪比和轴向层析能力的同时，免除了传统激光共焦技术的轴向扫描过程，极大地提高了测量速度。传统的点光谱共焦系统采用色散透镜组来实现光谱分离，受轴向色散的限制，测量范围较小。并且，单次测量只能获得一个点的高度信息，需要配合二维扫描运动才能够实现对被测表面的三维测量，受扫描器械精度的影响并且测量效率低。当前的线光谱共焦系统多采用棱镜分光或者光栅分光。使用棱镜作为分光元件时，系统的体积大、重量重，而且会产生无法消除的光谱畸变，畸变会随着视场的增大迅速增加。使用光栅作为分光元件时，系统的制作成本高、造价昂贵，而且光栅的多级衍射，会导致色散受杂散光影响大并且会降低光能利用率。

因此，迫切需要提供一种创新的线光谱共焦三维测量系统以克服现有技术存在的上述技术缺陷。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的技术缺陷，而提出一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统及方法，其能够同时获取线视场范围内的深度信息，通过一维扫描即可实现连续高速的三维测量，具有高精度和高效率的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，包括：

光源模块，其用于提供光辐射；

光谱共焦模块，其包括第一线性渐变滤光片、第一成像透镜组、第二成像透镜组和第二线性渐变滤光片，所述第一线性渐变滤光片用于接收来自所述光源模块提供的光辐射，并将光辐射按照不同的波长分离；所述第一成像透镜组用于将通过第一线性渐变滤光片的光辐射引导至被测物表面，使不同波长的光辐射聚焦在垂直于被测物表面法线上的不同高度，而形成焦平面；所述第二成像透镜组用于将聚焦在被测物表面的光辐射在镜面反射方向上引导至第二线性渐变滤光片上；所述第二线性渐变滤光片用于使第二线性渐变滤光片与第一线性渐变滤光片对应位置上的光辐射能够通过；

信号采集模块，其用于接收通过所述第二线性渐变滤光片的光辐射，并根据所述光辐射得到被测物表面的高度信息。

在本发明的一个实施例中，所述第一线性渐变滤光片和第二线性渐变滤光片的结构相同，且所述第一线性渐变滤光片和第二线性渐变滤光片关于焦平面对称设置。

在本发明的一个实施例中，所述第一成像透镜组和第二成像透镜组的结构相同，且所述第一成像透镜组和第二成像透镜组关于焦平面对称设置。

在本发明的一个实施例中，所述第一线性渐变滤光片、第一成像透镜组和焦平面之间相互倾斜放置，满足Scheimpflug成像条件。

在本发明的一个实施例中，所述第二成像透镜组、第二线性渐变滤光片和焦平面之间相互倾斜放置，满足Scheimpflug成像条件。

在本发明的一个实施例中，所述信号采集模块包括设置于所述第二成像透镜组的反射光路上的第三成像透镜组和面探测器，所述第三成像透镜组用于将透过第二线性渐变滤光片的光线引导至面探测器上，所述面探测器用于接收光谱信号。

在本发明的一个实施例中，所述第二线性渐变滤光片、第三成像透镜组和面探测器之间相互倾斜放置，满足Scheimpflug成像条件。

在本发明的一个实施例中，所述光源模块包括一光源和一照明系统，所述光源用于提供光辐射，所述照明系统用于将接收到的光辐射输出为均匀的光辐射。

此外，本发明还提供一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量方法，包括：

提供光辐射；

使用第一线性渐变滤光片接收光辐射，并将光辐射按照不同的波长分离；

将不同波长的光辐射引导至被测物表面，使不同波长的光辐射聚焦在垂直于被测物表面法线上的不同高度，而形成焦平面；

将聚焦在被测物表面的光辐射在镜面反射方向上引导至第二线性渐变滤光片上，使第二线性渐变滤光片与第一线性渐变滤光片对应位置上的光辐射能够通过；

接收通过所述第二线性渐变滤光片的光辐射，并根据所述光辐射得到被测物表面的高度信息。

在本发明的一个实施例中，未能聚焦在被测物表面法线上的光不能到达与第一线性渐变滤光片对应位置的第二线性渐变滤光片。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统及方法，其能够同时获取线视场范围内的深度信息，通过一维扫描即可实现连续高速的三维测量，具有高精度和高效率的特点；

本发明所述的一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统及方法，其采用线性渐变滤光片进行光谱分离，能够实现更大的轴向测量范围和更好的线性度，同时结构更为简单、成本更为低廉，能够实现小体积、大量程、小畸变的实际使用需求；

本发明所述的一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统及方法，其采用双轴结构，与单轴结构相比，轴向分辨率更高，且照明与接收系统的分离可以有效地提升能量利用率和抑制杂散光。

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，其中

图1是本发明实施例一提出的一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：11、光源；12、照明系统；21、第一线性渐变滤光片；22、第一成像透镜组；23、第二成像透镜组；24、第二线性渐变滤光片；31、第三成像透镜组；32、面探测器。

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。

实施例一

参照图1所示，本发明实施例一提供一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，包括光源模块、光谱共焦模块和信号采集模块，光源模块用于提供光辐射；光谱共焦模块包括第一线性渐变滤光片21、第一成像透镜组22、第二成像透镜组23和第二线性渐变滤光片24，所述第一线性渐变滤光片21用于接收来自所述光源模块提供的光辐射，并将光辐射按照不同的波长分离；所述第一成像透镜组22用于将通过第一线性渐变滤光片21的光辐射引导至被测物表面，使不同波长的光辐射聚焦在垂直于被测物表面法线上的不同高度，而形成焦平面；所述第二成像透镜组23用于将聚焦在被测物表面的光辐射在镜面反射方向上引导至第二线性渐变滤光片24上；所述第二线性渐变滤光片24用于使第二线性渐变滤光片24与第一线性渐变滤光片21对应位置上的光辐射能够通过；信号采集模块用于接收通过所述第二线性渐变滤光片24的光辐射，并根据所述光辐射得到被测物表面的高度信息。

本发明所述的一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其能够同时获取线视场范围内的深度信息，通过一维扫描即可实现连续高速的三维测量，具有高精度和高效率的特点。

其中，上述所述光源模块包括一光源11和一照明系统12，所述光源11用于提供光辐射，所述照明系统12用于将接收到的光辐射输出为均匀的光辐射。作为优选地，光源11采用白光光源，在450nm-700nm波段具有较高的光辐射通量,提供可见光范围内的照明，照明系统12采用科勒照明系统，在保证照明强度的同时提高了均匀性。

其中，上述所述光谱共焦模块可以分为发射端和接收端两个部分，均包含一个线性渐变滤光片和一组成像透镜组，分别为发射端的第一线性渐变滤光片21和第一成像透镜组22，接收端的第二线性渐变滤光片24和第二成像透镜组23，所述第一线性渐变滤光片21和第二线性渐变滤光片24的结构相同，且所述第一线性渐变滤光片21和第二线性渐变滤光片24关于焦平面对称设置。同理，所述第一成像透镜组22和第二成像透镜组23的结构相同，且所述第一成像透镜组22和第二成像透镜组23关于焦平面对称设置。

光源11发出的光在照射在第一线性渐变滤光片21上，第一线性渐变滤光片21的不同位置透过不同波长的光，在通过第一成像透镜组22后，不同波长的光线聚焦在被测物表面法线的不同高度上，在垂直于被测表面的方向上形成焦平面。只有聚焦在被测物表面法线上的光线能够完美聚焦，在经过被测物表面的反射后，在镜面反射的方向上通过第二成像透镜组23到达第二线性渐变滤光片24与第一线性渐变滤光片21对应的位置上，以较大的透过率进入到后续的信号采集模块。而未能聚焦在被测物体表面法线上的光则不能到达第二线性渐变滤光片24与第一线性渐变滤光片21对应的位置上，被滤光片过滤，无法进入后续的信号采集模块中。

上述第一线性渐变滤光片21、第一成像透镜组22和焦平面，第二线性渐变滤光片24、第二成像透镜组23和焦平面之间都是相互倾斜放置，均满足Scheimpflug成像条件。

本发明所述的一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其采用线性渐变滤光片进行光谱分离，能够实现更大的轴向测量范围和更好的线性度，同时结构更为简单、成本更为低廉，能够实现小体积、大量程、小畸变的实际使用需求。

其中，上述信号采集模块则包括第三成像透镜组31和面探测器32，第三成像透镜组31和面探测器32依次设置于所述第二成像透镜组23的反射光路上，通过第二线性渐变滤光片24的光辐经过第三成像透镜组31到达面探测器32，面探测器32用于接收光谱信号，通过对光谱信号进行处理得到被测物表面的高度信息

上述第二线性渐变滤光片24、第三成像透镜组31和面探测器32之间相互倾斜放置，满足Scheimpflug成像条件。

本发明所述的一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其采用双轴结构，与单轴结构相比，轴向分辨率更高，且照明与接收系统的分离可以有效地提升能量利用率和抑制杂散光。

下面对本发明实施例二公开的一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量方法进行介绍，下文描述的一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量方法与上文描述的一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统可相互对应参照。

实施例二

本发明实施例二提供一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量方法，包括：

提供光辐射；

使用第一线性渐变滤光片21接收光辐射，并将光辐射按照不同的波长分离；

将不同波长的光辐射引导至被测物表面，使不同波长的光辐射聚焦在垂直于被测物表面法线上的不同高度，而形成焦平面；

将聚焦在被测物表面的光辐射在镜面反射方向上引导至第二线性渐变滤光片24上，使第二线性渐变滤光片24与第一线性渐变滤光片21对应位置上的光辐射能够通过；

接收通过所述第二线性渐变滤光片24的光辐射，并根据所述光辐射得到被测物表面的高度信息。

光源11发出的光在照射在第一线性渐变滤光片21上，第一线性渐变滤光片21的不同位置透过不同波长的光，在通过第一成像透镜组22后，不同波长的光线聚焦在被测物表面法线的不同高度上，在垂直于被测表面的方向上形成焦平面。只有聚焦在被测物表面法线上的光线能够完美聚焦，在经过被测物表面的反射后，在镜面反射的方向上通过第二成像透镜组23到达第二线性渐变滤光片24与第一线性渐变滤光片21对应的位置上，以较大的透过率进入到后续的信号采集模块。而未能聚焦在被测物体表面法线上的光则不能到达第二线性渐变滤光片24与第一线性渐变滤光片21对应的位置上，被滤光片过滤，无法进入后续的信号采集模块中。

本实施例的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量方法基于前述的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统实现，因此该方法的具体实施方式可见前文中的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。

另外，由于本实施例的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量方法基于前述的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统实现，因此其作用与上述系统的作用相对应，这里不再赘述。

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)

1.一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其特征在于：包括：

光源模块，其用于提供光辐射；

光谱共焦模块，其包括第一线性渐变滤光片、第一成像透镜组、第二成像透镜组和第二线性渐变滤光片，所述第一线性渐变滤光片用于接收来自所述光源模块提供的光辐射，并将光辐射按照不同的波长分离；所述第一成像透镜组用于将通过第一线性渐变滤光片的光辐射引导至被测物表面，使不同波长的光辐射聚焦在垂直于被测物表面法线上的不同高度，而形成焦平面；所述第二成像透镜组用于将聚焦在被测物表面的光辐射在镜面反射方向上引导至第二线性渐变滤光片上；所述第二线性渐变滤光片用于使第二线性渐变滤光片与第一线性渐变滤光片对应位置上的光辐射能够通过；

信号采集模块，其用于接收通过所述第二线性渐变滤光片的光辐射，并根据所述光辐射得到被测物表面的高度信息。

2.根据权利要求1所述的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其特征在于：所述第一线性渐变滤光片和第二线性渐变滤光片的结构相同，且所述第一线性渐变滤光片和第二线性渐变滤光片关于焦平面对称设置。

3.根据权利要求1或2所述的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其特征在于：所述第一成像透镜组和第二成像透镜组的结构相同，且所述第一成像透镜组和第二成像透镜组关于焦平面对称设置。

4.根据权利要求3所述的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其特征在于：所述第一线性渐变滤光片、第一成像透镜组和焦平面之间相互倾斜放置，满足Scheimpflug成像条件。

5.根据权利要求3所述的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其特征在于：所述第二成像透镜组、第二线性渐变滤光片和焦平面之间相互倾斜放置，满足Scheimpflug成像条件。

6.根据权利要求1或2所述的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其特征在于：所述信号采集模块包括设置于所述第二成像透镜组的反射光路上的第三成像透镜组和面探测器，所述第三成像透镜组用于将透过第二线性渐变滤光片的光线引导至面探测器上，所述面探测器用于接收光谱信号。

7.根据权利要求6所述的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其特征在于：所述第二线性渐变滤光片、第三成像透镜组和面探测器之间相互倾斜放置，满足Scheimpflug成像条件。

8.根据权利要求1或2所述的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量系统，其特征在于：所述光源模块包括一光源和一照明系统，所述光源用于提供光辐射，所述照明系统用于将接收到的光辐射输出为均匀的光辐射。

9.一种基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量方法，其特征在于：包括：

提供光辐射；

使用第一线性渐变滤光片接收光辐射，并将光辐射按照不同的波长分离；

将不同波长的光辐射引导至被测物表面，使不同波长的光辐射聚焦在垂直于被测物表面法线上的不同高度，而形成焦平面；

将聚焦在被测物表面的光辐射在镜面反射方向上引导至第二线性渐变滤光片上，使第二线性渐变滤光片与第一线性渐变滤光片对应位置上的光辐射能够通过；

接收通过所述第二线性渐变滤光片的光辐射，并根据所述光辐射得到被测物表面的高度信息。

10.根据权利要求9所述的基于线性渐变滤光片的线光谱共焦三维测量方法，其特征在于：未能聚焦在被测物表面法线上的光不能到达与第一线性渐变滤光片对应位置的第二线性渐变滤光片。

Images