CN212133865U - 一种光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学测量系统，包括共用物镜、发射侧物镜、接收侧物镜、光源。光源发出的光束经过发射侧物镜后进入共用物镜，由共用物镜出射的光束经被测对象反射或散射后再次进入共用物镜，由共用物镜接收的光束进入接收侧物镜，由发射侧物镜出射的光束用于获取被测对象信息，发射侧物镜与共用物镜的光轴、以及接收侧物镜与共用物镜的光轴不同轴，具有空间偏移量。本实用新型实现了发射与接收光束存在可控制的倾斜角度，从而降低了光学信号间的串扰；由于发射光路与接收光路不共光轴，系统中无分光元件，所以提高了系统的光能利用率、提高了系统的分辨率。

Description

一种光学测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种光学测量系统，特别涉及一种用于表面形貌、透明物质厚折射率、透明物质背部结构等测量的光学测量系统。

背景技术

光谱共焦在位移量、厚度、折射率、多层透明物质结构或者三维形貌的测量方面有诸多应用，早在上世纪七十年代，学者Courtney Pratt等人提出一种可以使用显微镜物镜的色差进行表面形貌检测的技术；之后Molesini等学者使用一组色差经特殊设计的镜头，搭建了一台基于光谱共焦原理的表面轮廓仪；Boyde.A等人将其推广应用到给显微镜领域带来革命性变化的共焦显微镜技术中去。此后，国外很多学者都对基于光谱共焦原理的测量技术进行了深入研究，并在测量领域衍生出许多应用实例：如表面轮廓及形貌的测量、微纳米量级精细结构的测量、半导体工业和汽车制造业中的位移测量、光学玻璃及生物薄膜的厚度测量、油漆与印刷行业的颜色测量等。目前，发达国家对该技术的掌握已十分成熟，市场上已有工业级的光谱共焦相关产品出现，工作频响达千赫兹以上。

光谱共焦位移传感器是基于共焦原理采用宽谱光源的非接触式传感器，其最高精度可以到亚微米级别，几乎可以测量所有材质表面，由于其非接触、高精度的特点所以应用广泛。光谱共焦的关键技术之一是利用光谱波长对距离进行编码，然后采用光电转换元件对编码进行解码。目前公开并商业化的光谱共焦传感器大多为点测量方式。例如，公开号为CN107044822A、名称为“光谱共焦传感器和测量方法”的中国专利、公开号为CN110260799A、名称为“一种光谱共焦位移传感器”的中国专利、公开号为US10197382B2、名称为“chromatic confocal sensor”的美国专利，公开的光谱共焦传感器和测量方法经过光谱解码从而实现点位移量的测量，要获得二维属性需要配合运动扫描装置。于是发展线扫描的装置一直是业界的追求。

2014年Focalspec OY公司的公开号为US9476707B2的美国专利公开了一种实现线状测量的方法。该方案中渐进滤光片与被测物表面以及光学镜头存在空间倾斜角度，光学系统复杂、且体积庞大、工作距离比较小，发射与接收系统不同轴，同时为达到最小的波像差，通常测量光路的数值孔径比较小。

2018年PrecitecOptronik GmbH在公开号为US10228551B1的美国专利中公开了一种实现线状测量的方法。在此方法中，关键点的共焦小孔，由于小孔间距的限制降低了X轴测量的横向分辨率，若是采用狭缝，则会导致不同深度的信号串扰，同样降低分辨率。同时分光棱镜的使用降低了系统的光能利用率，导致光源的功率较大，带来较大的热量，给系统的散热设计带来挑战。

2019年，同样是PrecitecOptronik GmbH在公开号为US10466357B1的美国专利(专利号US 10466357B1)中公布了一种采用光栅或者分光棱镜的分光方案。但为了发射部和接收部与被测面保持一定的角度，采用两块分光元件导致系统的体积庞大而且分光元件数量较多。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种结构简单、分辨率高、可降低信号串扰的用于表面形貌测量、透明物质厚度测量、折射率测量、多层透明物质结构测量等的光学测量系统。

本实用新型采用如下技术方案：

一种光学测量系统，包括共用物镜、发射侧物镜、接收侧物镜、光源，所述光源发出的光束经过发射侧物镜后进入共用物镜，由共用物镜出射的光束，不同的波长沿共用物镜的光轴方向聚焦，经被测对象反射或散射后再次进入同一共用物镜，由共用物镜出射的光束进入接收侧物镜，由接收侧物镜出射的光束经过后端光谱解码后，用于获取被测对象信息，所述发射侧物镜与共用物镜的光轴、以及接收侧物镜与共用物镜的光轴不同轴，具有空间偏移量。

更进一步的，所述共用物镜为具有轴向色散功能、存在轴向色差的色散物镜。

更进一步的，所述光源为连续光谱光源。

更进一步的，所述光源发出的光束经过共焦光栏后进入发射侧物镜，所述共焦光栏为不包含间隔小孔阵列的第一狭缝。

更进一步的，所述发射侧物镜、共用物镜、接收侧物镜三者光轴不同轴，由共用物镜出射的光束、以及经被测对象反射或散射后进入共用物镜的光束与Z轴之间均具有倾斜角，所述倾斜角的倾斜角度可调节。

更进一步的，所述共用物镜和/或发射侧物镜和/或接收侧物镜为单片光学元件或包括多片光学元件的物镜组。

更进一步的，在获取被测物表面的形貌信息之前的光学测量系统中无分光元件。

更进一步的，所述共用物镜和发射侧物镜组成具有轴向线色散且完善聚焦的色散物镜组，所述接收侧物镜与共用物镜组成具有轴向线色散且完善聚焦的色散物镜组。

更进一步的，在共用物镜前端还包括折转光学元件，用于实现光路的折转。

更进一步的，由接收侧物镜接收的光束在共焦光栏上形成线状光斑；所述线状光斑经过第一透镜变换后被分光元件分成两部分：其中一部分被第二透镜聚焦于线阵光电转换元件上，用于采集总体光强度信息；另外一部分经色散元件后被按照不同波长、不同出射角度色散出射，色散出射的光束被第三透镜在二维空间上聚焦到面阵光电转换元件上，所述面阵光电转换元件收到的面阵光强信息经过处理后即得到被测对象的信息。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型中发射与接收物镜采用同一物镜元件，该物镜元件至少包括一片物镜，该物镜元件的光轴与光源发射端不同光轴，且该物镜元件的光轴与接收透镜组不同轴，实现了发射与接收光束存在可控制的倾斜角度，从而降低了信号的串扰。由于发射光路与接收光路不共光轴，系统中无分光元件，所以提高了系统的光能利用率。同时无需采用具有间隔的小孔阵列，用狭缝即可，从而提高了系统的分辨率。

附图说明

图1是实施例一的空间光路布局图；

图2是实施例一的X轴线扫示意图；

图3是实施例二的折转光路替代方案图。

图4是实施例三的空间光路布局图；

图5是实施例四的空间光路布局图。

图中标记：1、连续光谱光源；2、第一狭缝；3、发射侧物镜；4、色散物镜；5、被测对象；6、接收侧物镜；7、第二狭缝；8、第一透镜；9、分光棱镜；10、第二透镜；11、线阵光电转换元件；12、衍射光栅；13、第三透镜；14、面阵光电转换元件；15、第一折转光学元件；16、第二折转光学元件；17、棱镜。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一

本实施例以表面形貌测量为例，提供一种如图1所示的光学测量系统。该光学测量系统包括共用物镜、发射侧物镜3、接收侧物镜6、光源。其中，本实施例中的共用物镜优选为具有轴向色散功能、存在轴向色差的色散物镜4，本实施例中的光源优选为连续光谱光源1。

连续光谱光源1发出的光束经过整形后照射在第一狭缝2上，从第一狭缝2出射的光束经过发射侧物镜3折转后进入色散物镜4。由于发射侧物镜3的光轴与色散物镜4的光轴不同轴，存在空间偏移量，所以经过色散物镜4聚焦后，不同波长的光点沿Z轴方向排列开来，色散物镜4出射的光束与Z轴具有一定的倾斜夹角，这种倾斜夹角的排列降低了光路信号的串扰。

被测对象5反射(散射)的部分或者全部光束返回进入色散物镜4后出射至接收侧物镜6，接收侧物镜6的光轴与色散物镜4的光轴不同轴，存在空间偏移量，光束经过入射侧物镜6后在第二狭缝7上形成线状光斑，该线状光斑经过第一透镜8变换后被分光棱镜9分成两部分：其中一部分被第二透镜10聚焦在线阵光电转换元件11(例如，线阵CCD或者线阵CMOS)上，用于采集总体光强度信息；另外一部分穿过分光棱镜9后在衍射光栅12上被按照不同波长、不同出射角度色散出射，色散出射的光束被第三透镜13在二维空间上聚焦到面阵光电转换元件14(例如，面阵CCD或者面阵CMOS)上，面阵光电转换元件14收到的面阵光强信息经过计算机或者控制系统处理后即可得到被测对象5的相关信息。

图2示意了X轴方向的主光线的传播路径，图中所示为具有相同波长的主光线示意，其余波长依次为参照，作为行业共识，在此不再赘述。

发射侧物镜3与色散物镜4组成具有轴向线色散且完善聚焦的色散物镜组，接收侧物镜6与色散物镜4同样组成具有轴向线色散且完善聚焦的色散物镜组。

实施例二

本实施例提供一种如图3所示的光学测量系统。该光学测量系统的组成与实施例一基本相同，主要在共用物镜的前端分别加入了第一折转光学元件15和第二折转光学元件16。所述第一折转光学元件15用于实现发射侧物镜3与色散物镜4之间光路的折转，所述第二折转光学元件16用于实现接收侧物镜6与色散物镜4之间光路的折转。

需要说明的是，在共用物镜前端的任何光路的折转都可以实现光轴方向的改变，均离不开本实用新型的保护范围，本实施例仅为其中一种期待方案。众多光路的折转不在此一一列举。

实施例三

本实施例以透明物质厚度测量为例，提供一种如图4所示的光学测量系统。该光学测量系统的结构与实施例一相同。被测对象5上表面反射回的光波信号经过解谱系统解谱后，得出对应高度h1，下表面反射回的光波信号经过解谱系统解谱后，得出对应高度h2，即可求出被测对象5对应的物理厚度h＝n*(h2-h1)，其中，n为材料对应的下表面反射波长的对应折射率。

实施例四

本实施例以获取被测区域整体图像信息为例，提供一种如图5所示的光学测量系统。该光学测量系统的组成与实施例一基本相同，主要不同在于第二狭缝后端的光谱解码系统。接收到的光波信号经过第一透镜8(本实施例优选采用准直物镜组)准直后，入射到棱镜17，棱镜17的入射面镀一定比例的分光膜，色散前的部分光波被棱镜17部分反射，经过第二透镜10后聚焦在线阵光电转换元件11上，用于获取被测区域的整体图像信息。透射的部分光波被棱镜17色散，棱镜17可以为单棱镜，或者棱镜组合并不局限于所示的结构，具有色散功能的元件均包含本实用新型的保护范围之内，在此不再一一列举赘述。被棱镜17色散的光波被第三透镜13聚焦于面阵光电转换元件14上，经过光电转换后，提供给控制系统进行相应的信息处理。其中第三透镜13为透镜、透镜组或者反射镜。

综上所述，本实用新型中光源的发射光轴与聚焦光轴不同轴，接收的后端光轴与聚焦光轴也不同轴，朝向被测面的发射与接收共用一组物镜，共用物镜部分实现了两部分不同光轴的光波的完善聚焦，聚焦到被测面与反射(散射)回接收光路的光波具有一定的夹角，这种巧妙的结构实现了发射与接收光束存在可控制的倾斜角度，从而降低了信号的串扰，同时，由于发射光路与接收光路不共光轴，系统中无分光元件，所以提供了系统的光能利用率。共焦光栏无需采用具有间隔的小孔阵列，用狭缝即可，从而提高了系统的分辨率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型。例如，需要说明的是，本实用新型中所采用的发射侧物镜3、色散物镜4、接收侧物镜6、第一透镜8、第二透镜10等不局限于单片或者多片透镜，他们既可以是单片光学元件，也可以是多片光学元件的组合；再如，第二狭缝7后端的光谱解码系统中，色散元件实现方式不局限于反射光栅、衍射光栅或者棱镜。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学测量系统，其特征在于：包括共用物镜、发射侧物镜(3)、接收侧物镜(6)、光源，所述光源发出的光束经过发射侧物镜(3)后进入共用物镜，由共用物镜出射的光束，不同的波长沿共用物镜的光轴方向聚焦，经被测对象(5)反射或散射后再次进入同一共用物镜，由共用物镜出射的光束进入接收侧物镜(6)，由接收侧物镜(6)出射的光束经过后端光谱解码后，用于获取被测对象(5)信息，所述发射侧物镜(3)与共用物镜的光轴、以及接收侧物镜(6)与共用物镜的光轴不同轴，具有空间偏移量。

2.根据权利要求1所述的一种光学测量系统，其特征在于：所述共用物镜为具有轴向色散功能、存在轴向色差的色散物镜(4)。

3.根据权利要求1所述的一种光学测量系统，其特征在于：所述光源为连续光谱光源(1)。

4.根据权利要求1所述的一种光学测量系统，其特征在于：所述光源发出的光束经过共焦光栏后进入发射侧物镜(3)，所述共焦光栏为不包含间隔小孔阵列的第一狭缝(2)。

5.根据权利要求1所述的一种光学测量系统，其特征在于：所述发射侧物镜(3)、共用物镜、接收侧物镜(6)三者光轴不同轴，由共用物镜出射的光束、以及经被测对象(5)反射或散射后进入共用物镜的光束与Z轴之间均具有倾斜角，所述倾斜角的倾斜角度可调节。

6.根据权利要求1所述的一种光学测量系统，其特征在于：所述共用物镜和/或发射侧物镜(3)和/或接收侧物镜(6)为单片光学元件或包括多片光学元件的物镜组。

7.根据权利要求1所述的一种光学测量系统，其特征在于：在获取被测对象(5)表面的形貌信息之前的光学测量系统中无分光元件。

8.根据权利要求1所述的一种光学测量系统，其特征在于：所述共用物镜和发射侧物镜(3)组成具有轴向线色散且完善聚焦的色散物镜组，所述接收侧物镜(6)与共用物镜组成具有轴向线色散且完善聚焦的色散物镜组。

9.根据权利要求1所述的一种光学测量系统，其特征在于：在共用物镜前端还包括折转光学元件，用于实现光路的折转。

10.根据权利要求1所述的一种光学测量系统，其特征在于：由接收侧物镜(6) 接收的光束在共焦光栏上形成线状光斑；所述线状光斑经过第一透镜(8)变换后被分光元件分成两部分：其中一部分被第二透镜(10)聚焦于线阵光电转换元件(11)上，用于采集总体光强度信息；另外一部分经色散元件后按照不同波长、不同出射角度色散出射，色散出射的光束被第三透镜(13)在二维空间上聚焦到面阵光电转换元件(14)上，所述面阵光电转换元件(14)收到的面阵光强信息经过处理后即得到被测对象(5)的信息。

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