CN116518870A - 一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微观表面形貌测量相关技术领域，并公开了一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置。该装置包括光源、双轴共焦单元和成像单元，其中，所述双轴共焦单元用于将光源发出的光照射在待测样品表面并将待测样品的反射光聚焦形成共焦结构；所述成像单元设置在所述双轴共焦单元的后方，包括一组全息光栅、一组分光棱镜、成像镜和相机，来自所述双轴共焦单元的光线被其中一个分光棱镜分为两路光束分别经过进入不同角度的全息光栅中，被该全息光栅衍射后进入另外一个分光棱镜中合为一路光束，进入所述成像镜中聚焦成像于相机中。通过本发明，解决色散共焦技术中牺牲测量范围提升分辨率的问题。
Description
技术领域
本发明属于微观表面形貌测量相关技术领域，更具体地，涉及一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置。
背景技术
工业样件的表面轮廓测量是工业产品质量控制的关键，如PCB键合高度、手机屏幕划痕和MEMS结构尺寸检测等。色散共焦成像技术是一种非接触式的大范围检测方法。色散共焦位移传感器从白光源发射一束宽带复色光，通过色散元件进行光谱色散，在垂直于待测样件的轴上形成一系列不同波长的单色光，每个波长对应于待测件的高度。待测表面的高度信息通过检测波长与被测件高度的对应关系计算出来。横向扫描待测样品表面，即可获得待测件的完整表面形貌。近年来，由于其具有自聚焦、测量范围大、测量范围广等优点，受到了很多人的关注。
常见的色散共聚焦成像技术可分为：点式色散共聚焦和线式色散共聚焦。与点色散共聚焦相比，线色散共聚焦成像在高速三维成像领域有更多的优势，其扫描速度可达数千赫兹以上。线共焦系统的成像结果可用于高速确定样品的三维形态，包括PCB的键位高度、手机的曲面屏幕弧度和缺陷、相机镜头的多层透明介质形态等等。尽管有这些优点，但由于设计不同型号(不同分辨率和不同测量范围)的线共焦系统时，分辨率和测量范围存在相互制约的关系，分辨率的提升常以牺牲测量范围为代价，毫米量级测量范围的减小使得线共焦系统失去了大范围测量优势，仍然给线色散共焦技术带来了挑战。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置，解决色散共焦技术中牺牲测量范围提升分辨率的问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置，该方法包括光源、双轴共焦单元和成像单元，其中，
所述双轴共焦单元用于将光源发出的光照射在待测样品表面并将待测样品的反射光聚焦形成共焦结构，其包括第一线性色散模块、第二线性色散模块和狭缝，其中，第一线性色散模块和第二线性色散模块关于待测样品对称分布在待测样品的两侧，二者结构相同，分别在待测样品的两侧形成两条对称的光轴，第一线性色散模块用于将来自光源的线光线聚焦在待测样品表面，第二线性色散模块接受待测样品表面反射的光，并将光线聚焦在狭缝上，所述狭缝设置在所述第二线性色散模块的后方，用于过滤离焦光；
所述成像单元设置在所述双轴共焦单元的后方，包括一组全息光栅、一组分光棱镜、成像镜组和相机，来自所述双轴共焦单元的光线被其中一个分光棱镜分为两路光束分别经过进入不同角度的全息光栅中，被该全息光栅衍射后进入另外一个分光棱镜中合为一路光束，进入所述成像镜组中聚焦成像于相机中。
进一步优选地，其中一个所述分光棱镜于所述第二线性色散模块同光轴。
进一步优选地，其中一个所述全息光栅与水平方向的夹角θ1，另一个所述全息光栅与竖直方向的夹角θ2，θ1不等于θ2。
进一步优选地，所述光源包括点光源和柱面镜，所述点光源用于发出光，所述柱面镜用于将所述点光源发出的光线转化为线光线。
进一步优选地，所述狭缝和柱面镜的后焦面共轭。
进一步优选地，所述第一线性色散模块和第二色散模块均包括第一准直镜组、反射镜、透射衍射光栅和线性透镜组，所述第一准直镜组用于消除光线色差，并将光线准直，所述反射镜用于改变光线传播方向，所述透射衍射光栅用于将白光色散，所述线性透镜组用于色散的光聚焦在待测样品表面。
进一步优选地，所述第一准直镜组和第二准直镜组作用相同，均用于白光线光线消色差准直；所述线性透镜组将色散光聚焦为与样品高度相应线性排列的聚焦光束。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明通过构建按类M-Z光路结构，将全光谱对应的测量范围分为两路半光谱经过同一成像透镜组成像于相机。增加全息光栅刻线密度提升了系统轴向分辨率，而且分光后两路半光谱对应的测量范围保障了系统量程，这使我们避免了因分辨率的提升而损失了毫米量级的测量范围；
2.本发明中第一线性色散模块与第二线性色散模块形成两个具有一定角度的光轴，以此形成双轴结构，柱面镜，第一线性色散模块、第二线性色散模块和狭缝共同形成共焦结构，以此形成双轴共焦结构，该双轴共焦结构可以提供更高的轴向分辨率，以及更高的检测灵敏度；有效的抑制了离焦光影响；
3.本发明中利用透射衍射光栅和全息光栅作为色散元件进行色散和光谱成像，一方面具有良好的散射均匀性、线性和灵敏性，另一方面可以通过调节光栅的线数及角度，实现对传感器范围和分辨率的适应性灵活调整；
4.本发明围绕双轴线光谱共焦轮廓测量传感器性能改善，采用柱面镜形成高亮高质量线白光；采用衍射光栅进行色散共焦和轮廓光谱成像，利用其对宽光谱范围内各波长衍射效率相近特点，提高色散共焦和轮廓光谱成像的均匀性与分辨率，并结合线性透镜，改善传感器线性精度，以增强稳定性；同时通过增加光栅刻线数提高了传感器的轴向分辨率，且采用类M-Z双光路结构，将全光谱分段成像于相机，保障了传感器的测量范围。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置的结构示意图；
图2是是按照本发明的优选实施例所构建的成像单元的优化对比图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-点光源、2-柱面镜、3-第一准直镜组、4-反射镜、5-透射衍射光栅、6-线性透镜组、7-狭缝、8-第二准直镜组、10-成像镜组、11-相机、12-待测样品、13-全息光栅、14-第一分光棱镜、15-第二分光棱镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的线光谱共焦轮廓测量传感器包括光源、双轴共焦单元和成像单元，具体的包括：点光源1、柱面镜2、第一准直镜组3、反射镜4、透射衍射光栅5、线性透镜组6、狭缝7、第二准直镜组8、成像镜组10、相机11、待测样品12、全息光栅13、第一分光棱镜14、第二分光棱镜15。
光源1作为点光源，柱面镜2用于将点光源1发出的光转化为线光线，白光光源功率低，光强不足的问题，利用水冷散热自行开发研制高功率散热良好的白光LED，且光源稳定性良好；利用柱面镜，可获得高质量的线光源且提高光源的利用率。
双轴共焦单元，第一线性色散模块与第二线性色散模块形成两个具有一定角度的光轴，以此形成双轴结构，两轴之间的夹角影响最后成像的轴向分辨率，根据实际所需的成像轴向分辨率调整两轴之间的夹角；
该双轴共焦结构包括第一线性色散模块、第二线性色散模块和狭缝，其中，第一线性色散模块和第二线性色散模块分别分布在待测样品的两侧，且关于待测样品，二者结构相同，分别在待测样品的两侧形成两条光轴，第一线性色散模块用于将来自柱面镜2的线光线聚焦在待测样品表面，其中各个波长的光按照波长从高到低或者从低到高的顺序聚焦在垂直于待测样品表面的平面上，第二线性色散模块接受待测样品表面反射的光，并将光线聚焦在狭缝上，狭缝设置在第二线性色散模块的后方，用于过滤离焦光，柱面镜2的后焦面和狭缝7是共轭关系。
第一色散模块包括第一准直镜组3、反射镜4、透射衍射光栅5和线性透镜组6。
成像单元用于将来自双轴共焦单元的光线成像在相机上，得到待测样品的轮廓像。包括第二准直镜组8、全息光栅13、成像镜组10和相机11和第一分光棱镜14、第二分光棱镜15。
在本发明的一个实施例中，光源1为白光LED，采用高功率LED配置水冷散热器，通过波导光纤出射，结合柱面镜形成线白光，极大提高了白光光源利用率和线白光质量。
线白光经第一准直镜组3准直，并经反射镜4入射到透射衍射光栅5，由透射衍射光栅5与线性透镜组6完成白光色散，在垂直于样品表面方向呈线性均匀排列。
由狭缝7和第二准直透镜组8准直输出的各点波长对应轮廓高度的线准直光，由分光棱镜14分光后，两路光束分别经过角度不同的全息光栅13衍射后经成像镜组10聚焦成像于CMOS相机，不同轮廓高度对应的波长衍射聚焦成像于相机不同位置，获得轮廓像；轮廓各点位置与波长呈线性对应。
第一准直镜组和第二准直镜组结构相同。柱面镜2的后焦面与狭缝7满足共轭关系。
通过采用透射衍射光栅5全息光栅13现色散聚焦和衍射光谱成像，有效提高光谱色散均匀性、灵敏度，避免鬼线产生，有利提高精度和分辨率。
通过透射衍射光栅5和全息光栅13有关参数选择，可方便地调整样品垂直方向测量范围和分辨率。
通过提高全息光栅13的刻线密度，提高了传感器的轴向分辨率。
通过第一分光棱镜14分光，两路光束分别经角度不同的全息光栅13色散后，由第二分光棱镜15合束经过成像透镜10成像于相机，保障了传感器原有(全息光栅刻线密度未提高前的测量范围)的测量范围。
对相机采集到的轮廓光谱成像各点，采取质心平方算法，实现轮廓光谱成像峰值定位，获得轮廓像峰值位置。
本发明中的第一准直镜组、第二准直镜组、线性透镜组和成像镜组所实现准直、聚焦和成像功能采取通常的球面透镜组合结构实现，在现有技术中均有相应结构予以公开，故具体的结构不在本发明中累述。
下面将具体介绍光路在本发明提供的装置中的传播路径和过程。
LED灯1发出的光通过柱面镜2形成线光源，经第一准直镜组3准直后至反射镜4反射到透射衍射光栅5色散，并进入线性透镜组6聚焦于样品表面12；第二线性色散模块中的线性透镜组6、透射衍射光栅5、反射镜4、第一准直镜组3和狭缝7；所待测样品表面反射光通过线性透镜组6和透射衍射光栅5，照射于反射镜4，经过反射镜4反射的光通过第一准直镜组聚焦于狭缝7；成像光路组件包括第二套准直镜组8、全息光栅13、成像镜组10、第一分光棱镜14、第二分光棱镜15；狭缝出射光通过第二准直镜组8准直至第一分光棱镜14，两路光束分别通过角度不同的全息光栅13，衍射色散后通过第二分光棱镜15合束至成像镜组10成像于CMOS相机的像面。
如图2所示，左边虚线框中共的全息光栅13，右边虚线框中通过替换刻线密度更高的全息光栅13增加了系统的轴向分辨率，但轴向分辨率的提升会导致系统测量范围的减小，系统分辨率与测量范围存在相互制约的关系，因此，通过分光棱镜14将原有准直光分为两路光束，分别通过机械角度不同的全息光栅13，各自对应原来系统中一半的测量范围，再通过分光棱镜15合束，提升轴向分辨率又保证了原有的测量范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置，其特征在于，该装置包括光源、双轴共焦单元和成像单元，其中，
所述双轴共焦单元用于将光源发出的光照射在待测样品表面并将待测样品(12)的反射光聚焦形成共焦结构，其包括第一线性色散模块、第二线性色散模块和狭缝(7)，其中，第一线性色散模块和第二线性色散模块关于待测样品对称分布在待测样品的两侧，二者结构相同，分别在待测样品的两侧形成两条对称的光轴，第一线性色散模块用于将来自光源的线光线聚焦在待测样品表面，第二线性色散模块接受待测样品表面反射的光，并将光线聚焦在狭缝(7)上，所述狭缝设置在所述第二线性色散模块的后方，用于过滤离焦光；
所述成像单元设置在所述双轴共焦单元的后方，包括一组全息光栅(13)、第一分光棱镜(14)、第二分光棱镜(15)、成像镜组(10)和相机(11)，来自所述双轴共焦单元的光线被其第一分光棱镜(14)分为两路光束分别经过进入不同角度的全息光栅(13)中，被该全息光栅(13)衍射后进入第二分光棱镜(15)中合为一路光束，进入所述成像镜组(10)中聚焦成像于相机(11)中。
2.如权利要求1所述的一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置，其特征在于，所述第一分光棱镜(14)与所述第二线性色散模块同光轴。
3.如权利要求1所述的一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置，其特征在于，其中一个所述全息光栅(13)与水平方向的夹角θ1，另一个所述全息光栅(13)与竖直方向的夹角θ2，θ1不等于θ2。
4.如权利要求1所述的一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置，其特征在于，所述光源包括点光源(1)和柱面镜(2)，所述点光源(1)用于发出光，所述柱面镜(2)用于将所述点光源发出的光线转化为线光线。
5.如权利要求4所述的一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置，其特征在于，所述狭缝(7)和柱面镜(2)的后焦面共轭。
6.如权利要求1所述的一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置，其特征在于，所述第一线性色散模块和第二色散模块均包括第一准直镜组(3)、反射镜(4)、透射衍射光栅(5)和线性透镜组(6)，所述第一准直镜组(3)用于消除光线色差，并将光线准直，所述反射镜(4)用于改变光线传播方向，所述透射衍射光栅(5)用于将白光色散，所述线性透镜组(6)用于色散的光聚焦在待测样品表面。
7.如权利要求1所述的一种双光栅大量程高分辨光谱线共焦成像装置，其特征在于，所述第一准直镜组(3)和第二准直镜组(8)作用相同，均用于白光线光线消色差准直；所述线性透镜组(6)将色散光聚焦为与样品高度相应线性排列的聚焦光束。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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