CN212721751U - 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，包括光源、第一光学单元、第二光学单元、色散元件、线阵探测器、面阵探测器、主控系统，光源发出的光束经过第一光学单元传输后，出射的光束被第二光学单元分光，从第二光学单元透过的光束被沿光轴方向聚焦于被测对象上，由被测对象反射或者散射回的光束经过第二光学单元部分反射后聚焦于色散元件，色散元件的前表面反射色散之前的部分光束到线阵探测器，透过色散元件前表面的部分光束聚焦在面阵探测器上，不同角度的光波对应不同的成像高度，主控系统根据预先存入的算法解码出被测对象的信息。本实用新型能够实现同时获取被测对象灰度图像以及被测对象高度信息，降低了系统的复杂度，提高了稳定度。

Description

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轮廓及形貌、微纳米量级精细结构、半导体工业和汽车制造业中的位移、光学玻璃及生物薄膜的厚度、油漆与印刷行业的颜色等测量的光学测量系统。

背景技术

光谱共焦在位移量、三维形貌、透明物质厚度等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，然后采用光电转换器件对编码进行解码。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“株式会社三丰”(专利公布号：CN107044822A)、海伯森技术(深圳)有限公司公布的“一种光谱共焦位移传感器”(专利号：CN110260799A)、MITUTOYO CORPORATION公布的“chromatic confocalsensor” (专利号：US10197382B2)、公布的“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。

2018年PrecitecOptronik GmbH在专利(专利号US10228551B1)中公布的方案为，由线状(或者点状排列成线)光源中的一点发出的连续光谱的光经过色散系统后，不同波长沿Z 轴排列，从而实现高度对应波长的编码。狭缝或者由点组成的线状排列的光源的光束传播到分光立方镜后，由光学系统在X轴聚焦同时在Z轴聚焦。被测面反射(或者散射)的光线逆向经过色散物镜后在分光棱的分光面被部分反射经过共焦孔阵列，经过共焦孔阵列的光线经过物镜后传输到分光棱镜，后分成两部分，一部分被聚焦于线阵光电转换器件上，用于采集对应的X轴的线的总光强度，另外一部分被光栅分光后经过物镜在二维空间聚焦在面阵光电器件上，面阵光电器件上接收到的讯息经过信号处理后即可同时得到X轴对应的被测对象的信息。

在此方法中，接收光束的解码部分过于复杂：接收光束经过准直物镜后入射到分光棱镜，分光棱镜分部分光到聚焦镜，经过聚焦镜聚焦在线阵CCD或者线阵CMOS上，用于获取测量线性区域的图像，另外一部分被分光的光波经过光栅后，不同的波长按照不同的出射角出射，后被聚焦物镜聚焦在面阵CCD或者面阵CMOS上，从而转换为可处理的电信号。此处分光棱镜和光栅的使用会使得系统复杂度增加、同时由于光栅的衍射效率问题造成光能利用率降低。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出一种新的基于光谱编码的线扫描空间光路排布新的光学测量系统。

本实用新型采用如下技术方案：

光学测量系统，包括光源、第一光学单元、第二光学单元、色散元件、线阵探测器、面阵探测器、主控系统，所述光源发出的光束经过第一光学单元传输后，出射的光束被第二光学单元分光，所述第二光学单元存在沿光轴方向的轴向色差，从第二光学单元透过的光束被沿光轴方向聚焦于被测对象上，不同的波长对应不同的焦点位置，由被测对象反射或者散射回的光束经过第二光学单元部分反射后聚焦于色散元件，所述色散元件的前表面镀有设定反射比例的分光膜，用于反射色散之前的部分光束到线阵探测器，获取被测对象的灰度信息，透过色散元件前表面的部分光束在色散元件的色散作用下，不同波长的光束沿不同的角度出射，聚焦在面阵探测器上，不同角度的光波对应不同的成像高度，线阵探测器、面阵探测器分别与主控系统相连，主控系统根据预先存入的算法解码出被测对象的信息。

更进一步的，所述色散元件为单一色散光学元件或者色散光学元件的组合体；当色散元件为色散光学元件的组合体时，所述色散元件由两片、三片、或者多片光学元件胶合而成，或者，相互分离的光学元件的组合体具有色散功能。

更进一步的，还包括第一狭缝，所述光源发出的光束经过第一光学单元传输后照射在第一狭缝上，光源的发光面与第一狭缝成物象共轭关系，光束经第一狭缝后出射至第二光学单元。

更进一步的，所述第一光学单元包括第一准直镜、第一孔径光栏、第三聚焦镜，光源发出的光束依次经过第一准直镜、第一孔径光栏、第三聚焦镜后出射；所述第一准直镜和第三聚焦镜的类型包括球面镜、柱面镜。

更进一步的，所述第二光学单元为包括分光镜、第一物镜和第二物镜的双远心物镜单元，且由第二物镜出射的不同波长的光束在光轴方向存在轴向色散，使不同的高度对应的线长度相同。

更进一步的，所述第二物镜的焦距与第一物镜的焦距之比大于0.04，即

更进一步的，所述分光镜、第一物镜、第二物镜沿光束入射方向依次设置；或者，所述第一物镜、分光镜、第二物镜沿光束入射方向依次设置。

更进一步的，当所述分光镜、第一物镜、第二物镜沿光束入射方向依次设置时，还包括第二孔径光栏，从分光镜透过的光束被第一物镜准直，经过第二孔径光栏后被第二物镜聚焦。

更进一步的，所述分光镜为由两块棱镜组成的综合体，胶合面镀有设定分光比例的分光膜。

更进一步的，还包括共焦狭缝，经被测对象反射或者散射回的光束在分光镜上被部分反射后经过共焦狭缝，所述共焦狭缝与各个波长对应的焦点位置均为共轭关系，由共焦狭缝出射的光束射向色散元件。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型中光谱解码部分通过巧妙的设计，能够实现同时获取被测对象灰度图像以及被测对象高度信息，单一零件具有两种功能的特性，减少了系统的零件数量，使得解码系统更简单，降低了系统的复杂度，提高了稳定度，由于棱镜的光能透过率可以通过镀膜提高，因此系统的光能利用率相比光栅分光的方案要高，更易于工程实现。双远心物镜系统的设计使得不同的高度对应的线长度相同，从而确保了系统的分辨率的一致性。第一光学单元的物镜系统有效隔离了光源产生的热量对色散以及解码系统的影响，提高了系统的稳定性，更适合工业现场应用。

附图说明

图1是本实用新型的空间光路布局图(视角1：线排列示意)；

图2是本实用新型的空间光路布局图(视角2：色散示意)；

图3是本实用新型的色散棱镜由两片胶合组成示例图；

图4是本实用新型的色散棱镜由两片分离棱镜组成示例图；

图5是分光棱镜置于色散物镜中间位置示例图；

图6是光源传输系统采用柱面镜示例图；

图7是第一物镜的其中一种实现方案示例图；

图8是第二物镜的其中一种多镜片实现方案示例图。

图中标记：1、线状光源；2、第一准直镜；3、第一孔径光栏；4、第三聚焦镜；5、第一狭缝；6、分光镜；7、第一物镜；71、第一物镜单体A；72、第二物镜单体B；73、第三物镜单体C；8、第二孔径光栏；9、第二物镜；901、第二物镜单体A；902、第二物镜单体B；903、第二物镜单体C；904、第二物镜单体D；905、第二物镜单体E；906、第二物镜单体F； 907、第二物镜单体G；908、第二物镜单体H；909、第二物镜单体I；910、第二物镜单体J； 911、第二物镜单体K；912、第二物镜单体L；10、共焦狭缝；11、第二准直镜；12、色散棱镜；121、第一胶合色散单体；122、第二胶合色散单体；123、第一分离色散单体；124、第二分离色散单体；13、第二聚焦镜；14、面阵探测器；15、第一聚焦镜；16、线阵探测器； 17、主控系统。

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

本实施例提供一种如图1-2所示的光学测量系统。该光学测量系统包括光源(本实施例中的光源为线状光源1)、第一光学单元、第二光学单元、色散元件(本实施例以色散棱镜12 作为优选方案进行说明)、线阵探测器16、面阵探测器14、主控系统17。连续光谱的线状光源1发出的光束经过第一光学单元传输后，出射的光束被第二光学单元分光。第一光学单元的出光侧还可以设置第一狭缝5，光源发出的光束经过第一光学单元传输后照射在第一狭缝5 上，光源的发光面与第一狭缝5成物象共轭关系，光束经第一狭缝5后出射至第二光学单元。第二光学单元存在沿光轴方向的轴向色差，从第二光学单元透过的光束被沿光轴方向聚焦于被测对象18上，不同的波长对应不同的焦点位置。由被测对象18反射或者散射回的光束经过第二光学单元部分反射后聚焦于色散棱镜12，色散棱镜12的前表面镀有特殊反射比例的分光膜，用于反射色散之前的部分光束到线阵探测器16，获取被测对象18的灰度信息，透过色散棱镜12前表面的部分光束在色散棱镜12的色散作用下，不同波长的光束沿不同的角度出射，聚焦在面阵探测器14上，不同角度的光波对应不同的成像高度，线阵探测器16、面阵探测器14分别与主控系统17相连，主控系统17根据预先存入的算法解码出被测对象的信息。本实施例中光谱解码部分的结构设计巧妙，光谱解码部分能够同时获取被测对象灰度图像以及被测对象高度信息，色散棱镜12的巧妙设计，实现了单一零件具有两种功能的特性，减少了系统的零件数量，降低了系统的复杂度，提高了稳定度。色散棱镜12的前表面镀有一定反射比例的分光膜，用于反射色散之前的部分光能量到线阵探测器16，用于获取被测对象的灰度信息；透过前表面的部分光束由于棱镜的色散作用，不同波长的光波沿着不同的角度出射，从而被聚焦物镜13聚焦在面阵探测器14上，不同角度的光波对应不同的成像高度，从而实现波长与距离的解码。一个色散棱镜实现两个功能的巧妙设计，使得解码系统更简单，由于棱镜的光能透过率可以通过镀膜提高，因此系统的光能利用率相比光栅分光的方案要高，更易于工程实现。

本实施例中，所述第一光学单元的优选结构包括第一准直镜2、第一孔径光栏3、第三聚焦镜4，光源发出的光束依次经过第一准直镜2、第一孔径光栏3、第三聚焦镜4后出射；所述第一准直镜2和第三聚焦镜4的类型包括球面镜、柱面镜。线状光源1发出的光波经过第一准直镜2、第一孔径光栏3、第三聚焦镜4聚焦在第一狭缝5上。第一准直镜2、第一孔径光栏3、第三聚焦镜4、第一狭缝5组成的光学系统有效隔离了光源产生的热量对色散以及解码系统的影响，提高了系统的稳定性，更适合工业现场应用。

本实施例中，所述第二光学单元的优选结构为包括分光镜6(例如分光棱镜)、第一物镜 7、第二孔径光栏8和第二物镜9的双远心物镜单元，且由第二物镜9出射的不同波长的光束在光轴方向存在轴向色散，使不同的高度对应的线长度相同。其中，分光镜6的结构优选为由两块棱镜组成的综合体，胶合面镀有特殊分光比例的分光膜。从分光镜6透过的光束被第一物镜7准直，经过第二孔径光栏8后被第二物镜9聚焦。双远心系统的设计是的不同的高度对应的线长度相同，从而确保了系统的分辨率的一致性。本实施例中，优选第二物镜09的焦距与第一物镜07的焦距之比大于0.04即

本实施例的实现原理如下：

连续光谱的线状光源1发出的线状光束，经过由第一准直镜2、第一孔径光栏3、第三聚焦镜4组成的物镜系统传输后照射在第一狭缝5上。光源1的线状发光面与第一狭缝5成物象共轭关系。第一狭缝5出射的光束被分光棱镜6分光。从分光棱镜6透过的光束被第一物镜7准直，经过第二孔径光栏8后被第二物镜9聚焦。其中分光镜6、第一物镜7、第二孔径光栏8、第二物镜9组成的光学系统为双远心系统，且存在沿光轴方向的轴向色差，第一狭缝5出射的光束沿光轴方向聚焦，不同的波长对应不同的焦点位置，从而实现波长与焦点位置的编码。被测对象18反射或者散射回的光束经过第二物镜9、第二孔径光栏8、第一物镜 7后聚焦，在分光镜6上被部分反射经过共焦狭缝10，其中共焦狭缝10与各个波长对应的焦点位置均为共轭关系。第二狭缝10出射的光束经过第二准直物镜11后射向色散棱镜12。色散棱镜12在本实用新型中起到两个作用：色散棱镜12的前表面镀有一定比例的分光膜。发射部分未色散的光束，经过第一聚焦镜15后聚焦于线阵探测器16上，线阵探测器16为线阵 CCD或者CMOS。透过色散棱镜12前表面的光束被色散棱镜12色散后，不同波长的光束按照不同的角度出射，被第二聚焦镜13聚焦在面阵探测器14上，面阵探测器14为面阵CCD或者面阵CMOS。主控系统17为系统的主控单元与数据处理单元，用于控制线状光源1的开关，同时线阵探测器16(线阵CCD或者线阵CMOS)接收到的综合光强信号用于生成对应被测对象线状区域的灰度图像；并传输给主控系统17；同时面阵探测器14接收光信号，不同的波长对应面阵上不同位置，转换为电信号后传输给主控系统17，主控系统根据预先存入的算法解码出被测对象的信息。

实施例二

在本实用新型中光谱解码部分采用的色散元件可以为单一色散光学元件，也可以为色散光学元件的组合体。当色散元件为色散光学元件的组合体时，所述色散元件由两片、三片、或者多片光学元件胶合而成，或者，相互分离的光学元件的组合体具有色散功能。以色散棱镜12为例，色散棱镜12可以为单一棱镜或者棱镜组合体。形成的组合体具有色散功能即可。

其中本实施例提供一种如图3所示的替代方案，本实施例中的色散棱镜12由两片棱镜(即，第一胶合色散单体121、第二胶合色散单体122)胶合而成。色散棱镜12由三片或者多片棱镜胶合组成的结构在此不再一一例举。

其中，本实施例还提供一种如图4所示的替代方案，本实施例中的色散棱镜12由两片分离的棱镜(即，第三胶合色散单体123、第四胶合色散单体124)组成具有色散功能是组合体。色散棱镜12由三片或者多片分离的棱镜组成的组合体结构在此不再一一例举。

实施例三

本实施例提供一种如图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，主要区别在于双远心物镜单元中光棱镜6的位置设置有所不同，分光棱镜6亦可以放置在第一物镜7与第二物镜9的中间位置。

本实施例中，第二光学单元的优选结构为包括分光镜6(例如分光棱镜)、第一物镜7和第二物镜9的双远心物镜单元，且由第二物镜9出射的不同波长的光束在光轴方向存在轴向色散，使不同的高度对应的线长度相同。分光镜6设置于第一物镜7和第二物镜9之间，经第一物镜7准直的光束从分光镜6透过后，被第二物镜9聚焦。双远心系统的设计是的不同的高度对应的线长度相同，从而确保了系统的分辨率的一致性。

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，在本实用新型中，将光源发射的线状光源传输到第一狭缝之间的光路系统也可采用柱面镜实现，如图6所示。本实用新型中所提到的所有物镜不局限于单片或者多片镜片组合：例如，以第一物镜7为例，其实现方式的一种为三片式物镜，如图7所示，其中第一物镜单体A71、第二物镜单体B72、第三物镜单体C73组合应用共同实现第一物镜7的功能；又如，以第二物镜 9为例，如图8所示，其中第二物镜单体A901、第二物镜单体B902、第二物镜单体C903、第二物镜单体D904、第二物镜单体E905、第二物镜单体F906、第二物镜单体G907、第二物镜单体H908、第二物镜单体I909、第二物镜单体J910、第二物镜单体K911、第二物镜单体 L912为球面或者非球面镜片，共同组成物镜9。作为行业公知，在此不再一一举例赘述。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.光学测量系统，其特征在于：包括光源、第一光学单元、第二光学单元、色散元件、线阵探测器(16)、面阵探测器(14)、主控系统(17)，所述光源发出的光束经过第一光学单元传输后，出射的光束被第二光学单元分光，所述第二光学单元存在沿光轴方向的轴向色差，从第二光学单元透过的光束被沿光轴方向聚焦于被测对象(18)上，不同的波长对应不同的焦点位置，由被测对象(18)反射或者散射回的光束经过第二光学单元部分反射后聚焦于色散元件，所述色散元件的前表面镀有设定反射比例的分光膜，用于反射色散之前的部分光束到线阵探测器(16)，获取被测对象(18)的灰度信息，透过色散元件前表面的部分光束在色散元件的色散作用下，不同波长的光束沿不同的角度出射，聚焦在面阵探测器(14)上，不同角度的光波对应不同的成像高度，线阵探测器(16)、面阵探测器(14)分别与主控系统(17)相连，主控系统(17)根据预先存入的算法解码出被测对象的信息。

2.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于：所述色散元件为单一色散光学元件或者色散光学元件的组合体；当色散元件为色散光学元件的组合体时，所述色散元件由两片、三片、或者多片光学元件胶合而成，或者，相互分离的光学元件的组合体具有色散功能。

3.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于：还包括第一狭缝(5)，所述光源发出的光束经过第一光学单元传输后照射在第一狭缝(5)上，光源的发光面与第一狭缝(5)成物象共轭关系，光束经第一狭缝(5)后出射至第二光学单元。

4.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于：所述第一光学单元包括第一准直镜(2)、第一孔径光栏(3)、第三聚焦镜(4)，光源发出的光束依次经过第一准直镜(2)、第一孔径光栏(3)、第三聚焦镜(4)后出射；所述第一准直镜(2)和第三聚焦镜(4)的类型包括球面镜、柱面镜。

5.根据权利要求1所述的光学测量系统，其特征在于：所述第二光学单元为包括分光镜(6)、第一物镜(7)和第二物镜(9)的双远心物镜单元，且由第二物镜(9)出射的不同波长的光束在光轴方向存在轴向色散，使不同的高度对应的线长度相同。

6.根据权利要求5所述的光学测量系统，其特征在于：所述第二物镜(9)的焦距f₀₉与第一物镜(7)的焦距f₀₇之比大于0.04，即

7.根据权利要求5所述的光学测量系统，其特征在于：所述分光镜(6)、第一物镜(7)、第二物镜(9)沿光束入射方向依次设置；或者，所述第一物镜(7)、分光镜(6)、第二物镜(9)沿光束入射方向依次设置。

8.根据权利要求7所述的光学测量系统，其特征在于：当所述分光镜(6)、第一物镜(7)、第二物镜(9)沿光束入射方向依次设置时，还包括第二孔径光栏(8)，从分光镜(6)透过的光束被第一物镜(7)准直，经过第二孔径光栏(8)后被第二物镜(9)聚焦。

9.根据权利要求7所述的光学测量系统，其特征在于：所述分光镜(6)为由两块棱镜组成的综合体，胶合面镀有设定分光比例的分光膜。

10.根据权利要求5所述的光学测量系统，其特征在于：还包括共焦狭缝(10)，经被测对象(18)反射或者散射回的光束在分光镜(6)上被部分反射后经过共焦狭缝(10)，所述共焦狭缝(10)与各个波长对应的焦点位置均为共轭关系，由共焦狭缝(10)出射的光束射向色散元件。

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