CN211012871U - 一种基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，根据本实用新型提供的系统，采用线光源进行光谱共焦测量，克服了点光源进行光谱共焦测量时采样效率低的问题；采用对称结构的两套色散透镜组来实现线光源的色散以及被测物体表面反射光的接收，无需棱镜等分光元件，减少了光线在系统中能量的损失，并将滤光器置于第二色散透镜组的焦平面处，利用聚焦透镜组对被测物表面反射的光线进行二次成像，从而滤除掉被测物表面非聚焦波长反射的光线，大大的增加了该测量系统信噪比。因此本实施例所提供的系统，不仅可以有效的提高测量效率，而且减少光线能量的损失，并且提高了信噪比，因此本实用新型具有高效率和高信噪比的特点。

Description

一种基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统

技术领域

本实用新型涉及高精度测量技术领域，尤其涉及的是一种基于光谱共焦技术的物体表面三维信息测量系统。

背景技术

非接触式的光谱共焦技术是近年来出现的一种高精度的新型测量技术，其原理是利用波长信息测量距离，由光源射出的一束宽光谱的复色光(一般使用白光)，通过色散透镜组发生色散，形成不同波长的单色光。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。由于光谱共焦测量技术精度高，测量速度快，实时性高，能适用于不同的环境，使其迅速成为当前研究的热点。目前光谱共焦技术已经广泛应用于玻璃表面粗糙度、物体表面三维轮廓信息等精密测量领域，但是现有的光谱共焦技术仍然是对物体单个点高度的测量，如果想要获取一条线的高度信息，则需要通过移动探头或者移动被测物来实现，而这种通过机械移动的方式来实现多个点高度信息的测量方法效率较低，并且长时间的扫描可能导致精度不稳定。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

实用新型内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本实用新型提供了一种基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，解决了现有技术中单点光谱共焦位移传感器所存在的测量效率低的问题。

本实施例公开了一种基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，其中，包括：宽光谱线光源、第一色散透镜组、第二色散透镜组，滤光器、聚焦透镜组、面阵探测器和处理器；

所述宽光谱线光源，用于输出线型宽光谱光束；

所述第一色散透镜组，用于对所述线型宽光谱光束进行轴向色散，并将色散出的含有不同波长的光线聚焦到被测物体表面上；

所述第二色散透镜组，用于接收所述被测物体表面反射的反射光束，并将所述反射光束传输到滤光器；

所述滤光器，位于所述第二色散透镜组的焦平面上，用于接收所述第二色散透镜组透射的反射光束，并过滤出特定波长范围的反射光束；其中，特定波长范围为聚焦在所述被测物体表面上光线的波长范围；

聚焦透镜组，用于接收所述滤光器过滤出的反射光束，并将所述反射光束聚焦到面阵探测器上；

所述面阵探测器，用于接收反射光束，获取所述反射光束的成像位置信息，并将获取的所述成像位置信息传输至处理器；

所述处理器，用于根据所述成像位置信息得到被测物体表面的三维信息。

可选的，所述宽光谱线光源包括：多个光纤组、连接在多个所述光纤组一端的光纤总集束器，和对应连接在各个所述光纤组另一端的光纤分集束器，各个光纤分集束器的一端对应连接有一个LED灯组，各个LED灯组发出的光为宽光谱复色光。

可选的，每个光纤组内设置至少一个光纤，各个光纤组中的光纤在光纤总集束器中交错排列，并且所述各个LED灯组中的LED灯发出的光为宽光谱复色光。

可选的，各个光纤组内若干个光纤在光纤分集束器中的排列方式为线型排列、方阵排列或圆形阵列。

可选的，所述宽光谱线光源包括：多个表面上涂覆有荧光粉层的线型LED晶圆。

可选的，所述宽光谱线光源还包括：基板和柱面镜；

所述线型LED晶圆设置在所述基板上，并且所述线型LED晶圆激发所述荧光粉层发出的光束入射至所述柱面镜，形成线型宽光谱光束。

可选的，所述宽光谱线光源为发出线型激光的激光器，以及设置在所述激光器前方的荧光板，所述激光器发出的线型激光照射到所述荧光板上得到线型宽光谱光束。

可选的，所述滤光器为狭缝，所述狭缝设置在所述第二色散透镜组的焦平面上，用于滤除被测物体表面反射出的非聚焦波长的光线。

与现有技术相比，本实用新型实施例具有以下优点：

根据本实用新型提供的测量系统，采用线光源进行光谱共焦测量，克服了点光源进行光谱共焦测量时采样效率低的问题，并且采用对称结构的两套色散透镜组来实现光的色散以及接收被测物表面的反射光，无需棱镜等分光元件，可以减少系统中能量的损失。采用滤光器置于第二色散透镜组的焦平面上，利用聚焦透镜组对被测物表面反射的光线进行二次成像，从而滤除掉更多被测物表面非聚焦波长的反射光线，大大的增加了该测量系统信噪比。本实施例所提供的系统，不仅可以有效的提高测量效率，而且减少了系统中能量的损失，并且提高了信噪比，因此本实用新型具有高效率、低成本和高信噪比的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，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的附图。

图1是本实用新型实施例中一种基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中第一色散透镜组中光线的色散示意图；

图3是本实用新型实施例中线光源第一实现方式的结构示意图；

图4a是所述线光源第一实施方式中的光纤在光纤分集束器方阵排布示意图；

图4b是所述线光源第一实施方式中的光纤在光纤分集束器圆形排列示意图；

图4c是所述线光源第一实施方式中的光纤在光纤分集束器中线型排列示意图；

图5是本实用新型实施例中线光源第二实现方式的结构示意图；

图6是线光源第二实施例中光线整形的示意图；

图7是线光源第三实施例结构示意图；

图8是是本实用新型实施例中第二色散透镜组与狭缝的光线传递的示意图；

图9是本实用新型实施例中基于光谱共焦的物体表面三维信息测量方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

发明人发现现有技术中使用的光谱共焦技术均是使用点光源实现物体单个点高度的测量，若要得到物体一条线或者一个面的高度信息，则需要通过移动探头或被测物来实现，但是基于点实现一条线或一个面的重复测量，需要花费大量的时间，因此测量效率低，基于上述问题，本实用新型提供了一种基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统。

光谱共焦的原理为使用光源照射到被测物体表面，由光谱仪探测反射回来的光谱信息，确定聚焦在物体表面的峰值波长，从而获得被测物体表面的轴向高度信息。光线从点光源发出，进入色散透镜组，色散透镜组使复色光发生轴向色散。不同波长的光被色散透镜组聚焦在轴向的不同高度上，在光轴上形成连续且到色散透镜组的距离互不相同的单色光共焦线，再对被测物反射的光线信息进行处理来获取到被测物表面的高度信息，实现了波长信息和高度信息的对应，从而得到被测物体相应的高度信息。

本实用新型所公开的方法一次性获得了一条共焦线上所有点的位置信息和高度信息，只需要再进行一个方向上的扫描就可获得整个被测物体表面的位置和高度信息，从而实现高效和高精度的物体表面三维信息测量。将点扫描变成线扫描，即可保留了点扫描的高精度特点又增加了线扫描的高效率特点。

实施例1

本实施例公开了一种基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，如图1所示，包括：宽光谱线光源10、第一色散透镜组20、被测物体30、第二色散透镜组40，滤光器50、聚焦透镜组60、面阵探测器70和处理器；

所述宽光谱线光源10，用于输出线型宽光谱光束；所述宽光谱线光源10发出的光为线型宽光谱光束。

所述第一色散透镜组20，用于接收所述线型宽光谱光束，对所述线型宽光谱光束进行轴向色散，将不同波长的光线色散到被测物体30表面上。

第一色散透镜组20由1个或者1个以上的镜片组成，通过优化各镜片的光焦度和它们的空气间隔等参数，使第一色散透镜组有较小的球差，较大的轴上色差。线型宽光谱光束经过第一色散透镜组后，不同波长的光在光轴上有不同的焦点，由于存在较大的轴上色差，所以线型宽光谱光束会在轴上有较大的色散范围。在实际测量中，第一色散透镜组20以一定的角度照射到被测物体30上，随着第一色散透镜组20和被测物体30的相对位置改变，会有不同波长的光聚焦到被测物体30表面上，而其他波长的光线在被测物体30表面则是散焦状态。

所述第二色散透镜组40，用于接收所述被测物体30表面反射的反射光束，并将所述反射光束传输到滤光器50。

第二色散透镜组40与第一色散透镜组20结构类似，也是由1个或者1个以上镜片组成。被测物表面不同波长反射的光线传播到第二色散透镜组40后，成像在不同位置处。

所述滤光器50，位于所述第二色散透镜组40的焦平面处，用于接收所述第二色散透镜组40透射的反射光束，并过滤出特定波长范围的反射光束；其中，特定波长范围为聚焦在所述被测物体30表面上光线的波长范围。

通过一个滤光器50对第二色散透镜组40中发出的光线进行筛选过滤，使聚焦在被测物体30表面波长的反射光线可以经过滤光器50，而在被测物体30表面散焦波长的反射光线则会被滤光器50过滤掉。

当被测物体30高度改变时，聚焦在被测物体30表面光线的波长也会发生变化，聚焦的波长反射的光线仍然可以通过滤光器50，但是进入滤光器50的角度会改变。第二色散透镜组40和滤光器50使得只有聚焦在被测物体30表面的波长的光线可以通过滤光器50，散焦的光线的反射光线则会被滤光器50阻拦，无法进入后面的聚焦透镜组60。

具体实施例中，所述滤光器50为预设尺寸的狭缝。

聚焦透镜组60，用于接收所述滤光器50过滤出的反射光束，并将所述反射光束聚焦到面阵探测器70上；所述聚焦透镜组将滤光器50过滤后的光束聚焦到所述面阵探测器70上，所述面阵探测器70接收反射光束，并获取所述反射光束的成像在面阵探测器70上能量最高点的位置信息，并将获取的所述面阵探测器70上能量最高点的位置信息传输至处理器；所述处理器，用于根据所述成像位置信息得到被测量物体30的位置和高度信息。

利用聚焦透镜组60接收经过滤光器50的光线，并将不同方向的入射光线成像到面阵探测器70不同位置上。不同波长的光线经过第一色散透镜组20后会聚焦到被测物表面不同高度处；第二色散透镜组40和滤光器50会使被测物体30表面上非聚焦点的光线被过滤掉，仅聚焦点的反射光线可以进入到聚焦透镜组60；当被测物体30表面高度改变时，聚焦在被测物体30表面的光线波长也会发生变化，经过第二色散透镜组40后，会以不同的角度通过滤光器50，聚焦透镜组将60不同方向的光线聚焦到面阵探测器70上的不同高度处，面阵探测器70上能量最高点的位置信息也就和被测物表面的高度对应起来，这样便实现了一次测量便获取到被测物表面一条线三维信息。

本实用新型所公开的物体表面三维信息测量系统，避免了测量系统与被测物体直接接触，实现无损检测，基于光谱共焦实现一次非接触测量即可获取被测物一条线上的高度信息，为一种高精度、高灵敏度的无损检测方法

下面结合图1至图8，对本实用新型所提供的系统做进一步更为详细的说明。

本实施例中对宽光谱线光源提出了三种不同的实现方式，具体如下：

第一种实现方式：结合图3所示，所述宽光谱线光源包括：多个光纤组330、连接在多个光纤组330一端的光纤总集束器340和连接在各个所述光纤组330另一端的一个光纤分集束器320，各个所述光纤分集束器320另一端连有LED灯组310，其中所述LED灯组310发出的光为宽光谱复色光。

在一种实施方式中，每个光纤组内可设置至少一根光纤，并由光纤分集束器320集成一起。光纤分集束器320另一端和LED灯组310相连，并且各个LED灯组310中的LED灯发出的光束为复色光。本实施例中，如图3，采用20颗1W的LED灯源，使用LED灯发光波段为白光400——700nm。使用内芯9um光纤20根，1000*200um的光纤总集束器。以每个光纤分集束器320连接的灯组为两组为例：每个宽光谱线光源中的LED灯组分为A、B两组，每组通过光纤分集束器320、光纤组330中光纤排列在光纤总集束器340上。A组为奇数排列，LED灯发光谱偏蓝；B组为偶数排列，LED灯发光谱偏红，两组的LED灯的发光谱线相互叠加使用，最后光源发出等能光谱。

进一步的，结合图4a-图4c所示，各个光纤组中的光纤在光纤分集束器320内的排列方式可以为线型排列(如图4c所示)、方阵排列(如图4a所示)或圆形排列(如图4b所示)等。

结合图3所示，LED灯组310发出的光被耦合进光纤组330中的光纤，光纤组330的另一端排列在光纤总集束器340上，连接不同LED灯组310的光纤在光纤总集束器340上的排序不同。光纤组330中的光纤紧密的排列在光纤总集束器340上，单个光纤越小，光纤总集束器340上光纤排列越密集，最后线光源上的各发光点之间的差异越小。在具体实施时，优先采用白光LED光源，因为面阵探测器对白光的响应较好，光学玻璃对白光的透过率较高，采用白光LED光源可以提高探测器对光的响应从而保障该测量系统的分辨率。

本实现方式中的各个LED灯组的光谱曲线和功率不同，各个LED灯组发出的光分别被耦合进对应的光纤中。各个LED灯组的光谱曲线和功率可以调节，最后叠加形成需要的线型光源。光线在光纤中传播，光纤在另一端紧密排列成一条线，集成到光纤总集束器上，最后光线从光纤总集束器的出射端面射出。由于光纤紧密排列成一条线，且光纤内芯很小，因此，从光纤总集束器端面发出的光线可以看成是均匀的线光源，单位长度内的光纤数可以表征线光源的均匀度；通过调节不同LED灯组的出射光谱曲线，可以使最后线光源的出射光呈现为等能光谱或其它需要的能谱曲线。

本实施例提出的第一种线光源的实现方式，可以通过调节不同的LED灯组的发光能谱来使最终输出的发光能谱为等能光谱或其它需要的能谱。当被测物体的材料改变时，由于不同材料表面的反射率不同，反射光的强弱不同，当出现反射光过弱或者过强时可以通过调节光源的强弱，使探测器对接收光线有最大的探测灵敏度；另一方面，探测器对光的响应随着波长而改变，因而系统对不同波长的探测灵敏度会不同，通过调节LED灯组的发光能谱，最后得到线光源发出的光具有需要的能谱曲线。

例如：当检测颜色偏蓝的材料时，蓝光的反射率高，红光的反射率低，这样就导致当被测材料处于测量系统的红光量程时，反射光会弱很多，导致此时系统的性能大大降低，系统灵敏度降低。只有当测量系统使用偏蓝的量程范围对样品检测时，系统灵敏度不会降低，因此系统的有效量程被缩短了。本实用新型可以调节各个LED灯组的光谱曲线和功率，使得最后的出射光中红光的光强更强，因此当测量系统使用偏红光的量程进行测量时，反射的红光光强更强，保证系统的性能，有效量程不会缩短。

第二种实现方式：

结合图5所示，所述宽光谱线光源包括：多个表面上涂覆有荧光粉层540的线型LED晶圆530和连接在所述线型LED晶圆两侧的电极510，LED晶圆530覆在基板520上。各个线型LED晶圆530在连接上电极510后会发光，不同种类的线型LED晶圆530会发出不同的光。荧光粉层540上的荧光粉在被线型LED晶圆530发出的光照射时会被激发发光，不同种类的荧光粉层或者不同大小颗粒的荧光粉层都会影响发出光线的强度或者光谱分布。以线型LED晶圆530来激发荧光粉层540发出线型光，可以根据需要调整线型LED晶圆530的光谱曲线或者调整荧光粉层的种类或颗粒大小来获取所需要的线型光。如红、蓝或者白光LED晶圆，在本实施例中，选用的线型LED晶圆，其发光光谱为等能光谱。

具体的，所述宽光谱线光源还包括基板520；所述线型LED晶圆设置在所述基板520上，多个线型LED晶圆530在所述基板520上排成一列或者将LED晶片切割成线型LED晶圆530后在基板上排成一列。各个线型LED晶圆530之间可以使用并联连接的方式，也可以采用串联连接的方式。串联或并联后的线型LED晶圆530在接通电源后会发出线型光，发出的线型宽光谱光束会照射到荧光粉层540，并且所述线型LED晶圆530激发所述荧光粉层540发出的光束入射至所述柱面镜，形成线型宽光谱光束。涂覆在所述线型LED晶圆表面上的荧光粉层可以是一层也可以是多层。由于该线光源强度大、能量高，为了实现更好的散热，所述基板520可以选择陶瓷基板。

由于荧光粉层540发出的光线发散角较大，直接用在该测量系统中会导致第一色散透镜组的外径大，为了保证该测量系统的能量利用率和减小第一色散透镜组的体积，可以对线光源发光部分发出的光进行整形，减小发散角度，使得色散透镜组的体积更小。在一种实施方式中，采用柱面镜来对荧光粉层540发出的线型光进行整形，使其发散角度减小，如图6所示，入射光线发散角度为60°，在经过整形后，其发散角为10°，和光纤的发散角度差异不大。经整形后，该线光源变成一个发光强度强，发散角度小的线型宽光谱光源，可用于本实施例中的测量系统中，可以更准确的得到被测物表面高度信息。

第三种实现方式：

结合图7所示，所述宽光谱线光源包括：发出线型激光的激光器720和设置在所述激光器前方的荧光板710，所述激光器720发出的线型激光照射到所述荧光板710上得到线型宽光谱光束。

具体的，所述激光器发出的激光为线型激光或者通过光学器件将激光器发出的光调制成线型激光，所述荧光板为：荧光粉/陶瓷混合板。

进一步的，线型激光是一种单色光，用这种单色的线型光源激发荧光粉发光；所述荧光粉/陶瓷混合板是由荧光粉和陶瓷粉混合一起烧结而成。单色线光源照射到该板后，会发出宽光谱复色光源。

荧光粉在受到光照射时会发光，利用单色线光源照射荧光粉/陶瓷混合板，通过调节荧光粉种类、颗粒大小来发出多色符合需求的宽光谱线光源。

用线长70mm，线宽50μm的线型蓝光或紫光激发荧光粉发出宽光谱线型光，荧光粉种类为黄色荧光YAG：Ce³⁺和红色荧光粉Ca₂si₅N₈：Eu²⁺的混合物。

使用线型蓝色激光激发荧光粉，荧光粉材料为黄色荧光粉YAG：Ce³⁺，该荧光粉发出的光在波长600nm的光谱分布较低，是一种色温较高的宽光谱光源，显色性不好。在黄色荧光粉YAG：Ce³⁺中掺杂纯氮化物红色荧光粉Ca₂si₅N₈：Eu²⁺可有效的补充红色部分光谱来获取比较均匀的宽光谱线光源，这种色温较低，显色性比较好。

在实际应用中，可以根据需求来添加黄色、红色、绿色荧光粉来调节荧光粉发出的线型光源光谱曲线。荧光粉颗粒大小主要影响发光效率，所用荧光粉颗粒为大小在5-20μm的类球状。

第一色散透镜组20，由1片或1片以上的镜片对入射光线进行色散，可以用球面镜片也可以用非球面镜片。第一色散透镜组20使复色光产生轴向色散，将不同波长的光聚焦在被测物30的不同高度处。结合图2，考虑到第一色散透镜组20会在不同环境下使用，因此本实用新型的第一色散透镜组20中设置有保护玻璃80，用于保护第一色散透镜组20中其它透镜。

线型宽光谱光束在经过第一色散透镜组20后，不同波长的光会聚焦到不同高度上，实现了波长和被测物表面高度的对应。在一种实施方式中，采用的第一色散透镜组20由6枚球面玻璃镜片组成，其中一枚是保护玻璃，工作波长范围为420nm-720nm，色散范围4mm，就是说420nm的波长和720nm波长的光聚焦点差异为4mm，即可测量的总体高度量程为4mm。第一色散透镜组工作原理如图2所示，由于色散出的不同波长的光具有不同的焦点，因此仅有单个波长的光聚焦到被测物体表面上，而另一部分波长的光在被测物体表面呈散焦状态，比如：在第一色散透镜组的作用下，波长420nm的光聚焦在了被测物表面上，波长550nm和720nm的光线在被测物表面则是散焦状态。

具体的，结合图1和图2所示，由于第一色散透镜组20的光学特性依赖于波长，因此在光轴上形成了一系列连续分布的不同波长的聚焦光斑，不同波长对应不同的聚焦深度，也就是所谓的彩色编码。本实用新型的第一色散透镜组20的光学透镜既可用球面透镜也可用非球面透镜。设计完成的第一色散透镜组20可满足全视场范围内的性能均在在衍射极限以内，从而保证测量系统的分辨率满足要求。

当被测物体放置于彩色编码段内时，反射光束会通过第二色散透镜组40，反射到达滤光器50。

进一步的，滤光器50在该结构中起到了至关重要的作用，滤光器50可以滤除杂散光，只有聚焦于被测物体表面的光可以通过滤光器50进入聚焦镜片组60，成像到面阵探测器70上，这样大大减少了非焦面杂散光对于成像质量的影响，极大的提高了系统信噪比。因此本实用新型的光谱共焦系统具有出色的测量精度，而且对周围杂散光不敏感。当被测物体在不同波长的聚焦光斑范围内上下移动时，在每个位置就形成了不同波长的共焦系统。

结合图8所示，照射到被测物体表面上的光束，反射出的光经过第二色散透镜组40后，入射到滤光器50中，所述滤光器50采用狭缝，狭缝可以滤除杂散光，只有聚焦于被测物体表面的光可以通过狭缝到达聚焦透镜组，成像到面阵探测器上，这样大大减少了非聚焦于被测物体表面的杂散光对于成像质量的影响，极大地提高了测量系统信噪比。例如：波长420nm的光线聚焦在被测物表面上(即聚焦于被测物体表面上的光的波长为420nm)，在经过第二色散透镜组40后，可以通过狭缝；波长550nm和720nm的光线在被测物体表面是散焦情况，该反射光线在经过第二色散透镜组40后，无法通过狭缝；通过狭缝的光在经过聚焦透镜组60后，聚焦到像面上(即聚焦到面阵探测器上)。因此狭缝大小很大程度影响了系统的信噪比，本实用新型的优选的设计方案根据色散透镜组的成像性能和光源大小综合决定使用宽度为0.15mm的狭缝，并且所述狭缝位于第二色散透镜组40的焦平面处。

将狭缝置于第二色散透镜组40焦平面前接收光线也可以实现对非聚焦波长反射的光线过滤，但这种情况要想使聚焦波长的光线可以通过狭缝，则需要狭缝宽度更大，狭缝宽度变大会导致有更多的被测物体表面上非聚焦波长反射的光线通过狭缝进入到线阵探测器，导致线阵探测器接收到的更多噪声信号。将狭缝置于第二色散透镜组的焦平面处可以使狭缝宽度更小，可以滤除掉更多的非聚焦波长反射的光线，再经过一个聚焦透镜组，二次成像到面阵探测器上，可以使面阵探测器上接收到的非聚焦波长反射的光线更少。因此本实施例中所提出的这种将狭缝放置在第二色散透镜组的焦平面处，可以实现狭缝宽度更小，可以滤除掉更多的非聚焦波长的反射光线，使系统具有更高的信噪比。

滤光器50中输出的反射光束入射到聚焦透镜组，所述聚焦透镜组是为了将通过狭缝的光线聚焦到像面上，由1个或1个以上的镜片组成。聚焦透镜组将通过狭缝的光线聚焦到面阵探测器上，通过检测面阵探测器上能量最高点的位置信息来表征被测物表面高度信息。

当被测物高度发生变化时，由线光源发出的光线经过第一色散透镜组后会使其它波长的光线聚焦到被测物表面，该波长光线在经过第二色散透镜组后，会以不同的入射角通过狭缝并进入到聚焦透镜组，聚焦透镜组会将该波长的光线聚焦到面阵探测器不同位置处。面阵探测器可以为面阵CCD或者COMS探测器。

本实用新型实施例一次性获得了一条共焦线上所有点的位置信息和高度信息，只需要再进行一维的扫描就可获得整个被测物体表面的位置和高度信息，从而实现高精度的快速物体表面轮廓三维信息测量。

本实用新型提供的测量系统可以实现高精度，高信噪比的测量物体表面轮廓，一种低成本、高效率的非接触式测量系统，可广泛应用于无损测量、精密测量等领域。

实施例2

本实施例在公开上述系统的基础上，还公开了一种基于光谱共焦的物体表面三维信息测量方法，如图9所示，所述测量方法包括：

步骤S1、利用宽光谱线光源输出线型宽光谱光束；

步骤S2、通过第一色散透镜组对所述线型宽光谱光束进行轴向色散，并将色散出的含有不同波长的光线聚焦到被测物体表面不同高度处；

步骤S3、所述第二色散透镜组接收所述被测物体表面反射的反射光束，并将所述反射光束传输到滤光器；

步骤S4、利用滤光器对所述反射光束进行过滤，过滤出特定波长范围的反射光束；

步骤S5、利用聚焦透镜组将过滤后的所述反射光束聚焦到面阵探测器上；

步骤S6、利用所述面阵探测器接收反射光束，以及获取所述反射光束的成像位置信息，并将获取的所述成像位置信息传输至处理器；

步骤S7、利用所述处理器根据所述面阵探测器上的信息得到物体表面三维信息。

可选的，所述利用宽光谱线光源输出线型宽光谱光束的步骤包括：

对所述宽光谱线光源中输出线型宽光谱光束进行调节，得到不同发光强度或不同光谱分布的多组线型宽光谱光束。

进一步的，根据不同的需求，所述利用宽光谱线光源输出线型宽光谱光束的步骤包括：

对所述宽光谱线光源中输出线型宽光谱光束进行调节，得到不同发光强度或光谱分布不同的多组线型宽光谱光束。

与现有技术相比，本实用新型实施例具有以下优点：

1.本实施例给出的三种线光源的实现方式，可以根据需要进行相应的调节，易于调节，并且采用LED灯或者荧光激发的方式调节入射光的强度，可以使像面接收到的能量更强，从而获取到更准确的被测物表面高度信息。

2.利用结构对称的第一色散透镜组和第二色散透镜组来实现入射宽光谱线光源的色散以及被测物表面反射光线的接收，无需棱镜等分光元件，可以减少光能在系统中的损失。

3.相比于狭缝放置于第二色散透镜组的焦平面前，面阵探测器放在焦面上来说，本实用新型将狭缝置于第二色散透镜组的焦平面处，后面再用聚焦透镜组对被测物表面反射的光线二次成像，可以滤除掉被测物表面非聚焦波长反射回的光线，避免了非聚焦波长反射回的光线对测量系统的干扰，因此增加了该测量系统信噪比。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本实用新型旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，其特征在于，包括：宽光谱线光源、第一色散透镜组、第二色散透镜组，滤光器、聚焦透镜组、面阵探测器和处理器；

所述宽光谱线光源，用于输出线型宽光谱光束；

所述第一色散透镜组，用于对所述线型宽光谱光束进行轴向色散，并将色散出的含有不同波长的光线聚焦到被测物体表面上；

所述第二色散透镜组，用于接收所述被测物体表面反射的反射光束，并将所述反射光束传输到滤光器；

所述滤光器，位于所述第二色散透镜组的焦平面上，用于接收所述第二色散透镜组透射的反射光束，并过滤出特定波长范围的反射光束；其中，特定波长范围为聚焦在所述被测物体表面上光线的波长范围；

聚焦透镜组，用于接收所述滤光器过滤出的反射光束，并将所述反射光束聚焦到面阵探测器上；

所述面阵探测器，用于接收反射光束，获取所述反射光束的成像位置信息，并将获取的所述成像位置信息传输至处理器；

所述处理器，用于根据所述成像位置信息得到被测物体表面的三维信息。

2.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，其特征在于，所述宽光谱线光源包括：多个光纤组、连接在多个所述光纤组一端的光纤总集束器，和对应连接在各个所述光纤组另一端的光纤分集束器，各个光纤分集束器的一端对应连接有一个LED灯组，各个LED灯组发出的光为宽光谱复色光。

3.根据权利要求2所述的基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，其特征在于，每个光纤组内设置至少一个光纤，各个光纤组中的光纤在光纤总集束器中交错排列，并且所述各个LED灯组中的LED灯发出的光为宽光谱复色光。

4.根据权利要求3所述的基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，其特征在于，各个光纤组内若干个光纤在光纤分集束器中的排列方式为线型排列、方阵排列或圆形阵列。

5.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，其特征在于，所述宽光谱线光源包括：多个表面上涂覆有荧光粉层的线型LED晶圆。

6.根据权利要求5所述的基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，其特征在于，所述宽光谱线光源还包括：基板和柱面镜；

所述线型LED晶圆设置在所述基板上，并且所述线型LED晶圆激发所述荧光粉层发出的光束入射至所述柱面镜，形成线型宽光谱光束。

7.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，其特征在于，所述宽光谱线光源为发出线型激光的激光器，以及设置在所述激光器前方的荧光板，所述激光器发出的线型激光照射到所述荧光板上得到线型宽光谱光束。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于光谱共焦的物体表面三维信息测量系统，其特征在于，所述滤光器为狭缝，所述狭缝设置在所述第二色散透镜组的焦平面上，用于过滤被测物体表面反射出的非聚焦波长的光线。

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