CN213956279U - 一种简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，包括复色点光源模块、色散镜头模块、运动载物模块、反射镜和光线采集计算模块。复色点光源模块发出光斜向下透过色散镜头模块，至运动载物模块，再斜向上反射至反射镜，二次反射至光线采集计算模块。运动载物模块装载被测物。将入射光以倾斜角投射到被测物表面，不同波长的光聚焦到不同的轴向高度，在被测物表面形成光斑，光线采集计算模块接收和分析光波信号，移动被测物，光线采集计算模块采集被测物所有采样点信息并进行点云建模生成表面三维形貌信息。本测量系统适用于无法在垂直方向上检测样品表面形貌，如航空发动机转子叶片的表面形貌测量、玻璃等透明材料的厚度测量。

Description

一种简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统

技术领域

本实用新型涉及非接触式表面三维形貌检测领域，具体而言，涉及一种简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统。

背景技术

科学技术的快速发展，带动了制造业的产业升级，使得生产加工的产品越来越精密，社会对高精度产品的表面三维形貌检测技术也提出了更高的要求。表面测量技术跨越了科学和工业等许多不同领域，在生物医学、地质样品、加工材料、机械零部件、集成电路、微机电系统和光学元件等领域得到广泛的应用。

目前在表面三维形貌检测领域，光学检测方法因其具有非接触、高精度、高速度、适应性强等优势已经超越了传统的接触式测量并成为主流的检测方法。传统的光学检测方法通常包括白光干涉法、激光三角法、像散法、激光共焦法等。彩色共聚焦技术与这些传统的光学检测方法相比，扫描时间更短，精度更高，更能适应工业检测的需求。

彩色共聚焦技术原理通过结合机械位移装置对被测物表面进行扫描，根据传感器采集到的光谱信息变化反映位置信息。彩色共聚焦技术与传统的激光共焦测量方法相比，不需要轴向扫描，节约了检测时间，提高了检测速度，并且可以实现亚微米级别的检测精度。

彩色共聚焦技术通常需要将测量光垂直照射在被测物表面，才能保证将测量光线反射回检测装置，因此常规的彩色共聚焦测量装置的照明系统通常只能垂直于被测物表面进行测量。但实际上存在一些特殊情况，限制了上述传统的测量方案：例如应用于航空发动机转子叶片的表面形貌的检测时，由于两片叶片之间的空间非常狭小，压缩了在竖直方向测量的几何空间；例如测量玻璃厚度时，垂直入射的光在玻璃上下表面反射后，反射光会重叠，会对接收端产生干扰。类似于这种不能在垂直方向上进行测量情况在其他工业检测领域也经常会出现。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是现有彩色共聚焦测量系统只能垂直于被测物进行测量，无法在非垂直方向上测量表面形貌的现状。

为了解决以上技术问题，本实用新型提出了一种斜照明方式采集物体表面信息的彩色共聚焦测量系统，可以实现在不同几何角度的测量，该方案可以应用推广到其他相关的表面形貌测量领域。本实用新型的技术方案如下。

一种简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，所述测量系统包括复色点光源模块、色散镜头模块、运动载物模块、反射镜和光线采集计算模块。所述复色点光源模块发出的入射光斜向下透过所述色散镜头模块，斜向下射出至所述运动载物模块，然后斜向上反射至所述反射镜，再斜向下二次反射至所述光线采集计算模块；所述复色点光源模块的发光口朝向所述色散镜头模块，所述运动载物模块设置于所述色散镜头模块的出射端外焦点上；所述运动载物模块包括载物台，用于装载被测物。所述光线采集计算模块还连接于所述运动载物模块。

本实用新型利用彩色共聚焦距离测量方法以倾斜方式对被测物表面信息进行采集，测量光线以倾斜角度射向待测物表面，倾斜角可以是20°、40°、65°、70°等。中间经过入射光通道上的色散模块，使得不同波长的光聚焦到光轴的不同轴向高度位置处，被测物表面在不同轴向高度显示出不同颜色的光斑。这些光斑被被测物表面反射到反射镜后，最后由所述光线采集计算模块接收。在这一过程中，当被测物的轴向位置发生变化时，反射镜位置也随之发生相同变化，同时光线采集计算模块采集到相应的聚焦光波长变化。通过移动运动载物模块对被测物表面进行测量，并采集被测物表面各个不同轴向高度处被测点的聚焦光波长，获取被测点的相对高度信息，光线采集计算模块将根据这些信息进行建模生成被测物表面三维形貌。本系统解决了当前彩色共聚焦测量系统只能垂直于被测物进行测量表面形貌的问题，可应用于无法在垂直方向测量等特定场景时的表面形貌测量。

作为本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述复色点光源模块包括光源、入射光纤和小孔机构；所述小孔机构开设有小孔；所述入射光纤的一端连接到所述光源，另一端朝向所述小孔以及小孔后端的所述色散镜头模块的入射端。

作为本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述色散镜头模块包括第一色散管镜和物镜；所述复色点光源模块发出的入射光依次通过所述第一色散管镜和物镜。

作为本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述运动载物模块包括载物台和位移控制系统，所述位移控制系统控制载物台的位移；所述载物台具有三层重叠的移动层，底层固定于竖向运动轴，中层相对底层进行水平纵向移动，上层相对中层进行水平横向移动，上层用于装载被测物。

作为本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述光线采集计算模块包括聚焦镜、第二色散管镜、光学传感器和计算机；二次反射的光透过所述聚焦镜和第二色散管镜到达所述光学传感器，所述光学传感器连接于所述计算机。

作为本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述计算机还连接于所述运动载物模块。

作为本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述反射镜平行于所述载物台。

本实用新型还提出一种简易的斜照明式彩色共聚焦检测方法，应用于上述的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，包括以下步骤：

P1，所述复色点光源模块射出复色光束进入所述色散镜头模块后，先成为准直光，再折射出所述色散镜头模块后，不同波长的光聚焦到入射光轴的轴向不同位置处，移动所述运动载物模块，使入射光聚焦于所述运动载物模块上装载的被测物表面形成光斑；

P2，所述光斑在被测物的表面反射至所述反射镜，再经过反射镜二次反射至所述光线采集计算模块；

P3，所述光线采集计算模块采集被测物表面反射的光斑的波长信息，再通过波长信息结合运动载物模块的位移信息计算出被测物表面的相对高度数据；

P4，重复同步移动运动载物模块和反射镜，使被测物表面各处在入射光轴方向上的不同位置处显示出不同颜色的光斑，光斑在被测物的表面反射至所述反射镜，再经过反射镜二次反射至所述光线采集计算模块，进行被测物表面各位置图像信息采集，将采样点信息的轴向高度与对应的水平位置坐标信息进行三维点云建模生成被测物表面形貌图像。

作为本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦检测方法的进一步改进，所述光源射出复色光，通过入射光纤将复色光传输到第一小孔生成复色点光源，复色点光源发出的复色光经过所述第一色散管镜后成为准直光，再经过所述物镜后，复色光色散成不同波长的光束，不同波长的光束分别聚焦于入射光轴向上，各波长的焦点按照波长变化在轴向位置依次排列；通过控制所述运动载物模块的移动轨迹来实现对被测物表面每个位置点的扫描采样。

作为本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦检测方法的进一步改进，步骤P4中，所述重复同步移动运动载物模块和反射镜，使被测物表面各处在入射光轴方向上的不同位置处显示出不同颜色的光斑，具体包括：

水平方向移动所述运动载物模块，以及调整所述运动载物模块的竖向位置，使被测物表面各位置处均形成光斑，其中反射镜位置随所述运动载物模块同步调整，通过所述光线采集计算模块接收光斑的反射信号，来建模生成被测物表面形貌图像。

本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统和检测方法使用彩色共聚焦技术，将倾斜入射的照明光束经过色散模块进行色散后，产生不同波长的光线并按照波长大小规律聚焦在不同轴向高度位置，这些光线通过被测物表面反射后，依次经过反射镜和聚焦镜，聚焦镜将测量光线聚焦到光学传感器中被接收。测量装置通过控制载物台的移动对被测物表面进行测量，光学传感器将采集到的被测点波长信息传输至计算机中进行处理并生成三维形貌。本测量系统和检测方法适用于无法在垂直方向上进行检测等情况，如航空发动机转子叶片的表面形貌的检测、测量玻璃等透明材料厚度等应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统的整体结构图；

图2是图1中的光源发出的复色光束经过色散镜头模块后色散为多个不同波长的光束，各波长光束的焦点按照波长变化在轴向位置依次排列示意图；

图3是图1中的载物台的结构示意图。

图4是本实用新型的简易的斜照明式彩色共聚焦检测方法的流程示意图。

图中标记：光源1、入射光纤2、小孔机构3、第一色散管镜4-1、物镜5、被测物6、载物台7、反射镜8、聚焦镜9、第二色散管镜4-2、光学传感器10、计算机11。

具体实施方式

本实用新型的一种简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统及检测方法，目的在于在常规的垂直测量方式受到空间限制的情况下提供一种新的倾斜方式测量物体表面三维形貌的方法。以下结合附图对本实用新型技术方案装置结构及操作步骤进行详细描述，以便于更容易理解和掌握本实用新型的目的、结构和功能，但不作为本实用新型所附权利要求书要求的保护范围的限制。

为一种简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，所述测量系统包括复色点光源模块、色散镜头模块、运动载物模块、反射镜8和光线采集计算模块。所述复色点光源模块发出的入射光斜向下透过所述色散镜头模块，斜向下射出至所述运动载物模块，然后斜向上反射至所述反射镜，再斜向下二次反射至所述光线采集计算模块；所述复色点光源模块的发光口朝向所述色散镜头模块，所述复色点光源模块可以设置于所述色散镜头模块的入射端外焦点上，所述运动载物模块设置于所述色散镜头模块的出射端外焦点上；所述运动载物模块包括载物台，用于装载被测物6。所述光线采集计算模块还连接于所述运动载物模块。

本实用新型利用彩色共聚焦距离测量方法以倾斜方式对被测物表面信息进行采集，测量光线以倾斜角度射向待测物表面，中间经过入射光通道上的色散镜头模块，使得不同波长的光聚焦到光轴的不同轴向高度位置处，被测物表面在不同轴向高度显示出不同颜色的光斑。这些光斑被被测物表面反射到反射镜后，最后由所述光线采集计算模块接收。在这一过程中，当被测物的轴向位置发生变化时，反射镜位置也随之发生相同变化，同时光线采集计算模块采集到相应的聚焦光波长变化。通过移动运动载物模块对被测物表面进行测量，并采集被测物表面各个不同轴向高度处被测点的聚焦光波长，获取被测点的相对高度信息，光线采集计算模块将根据这些信息进行建模生成被测物表面三维形貌。本系统解决了当前彩色共聚焦测量系统只能垂直于被测物进行测量表面形貌的问题，可应用于垂直方向上无法测量等特定场景时的表面形貌测量，如航空发动机转子叶片的表面形貌测量、玻璃等透明材料的厚度测量。

如图1所示，所述复色点光源模块包括光源1、入射光纤2和小孔机构3；所述小孔机构3为一块板，板中间开设有小孔；所述入射光纤2的一端连接到所述光源1，另一端朝向所述小孔以及小孔后端的所述色散镜头模块的入射端。其中，光源1为海洋光学公司的HL-2000-fhsa卤钨灯光源，光源1发出的复色光束是具有连续光谱信息的白光，光谱波长包括了从400nm到800nm。入射光纤2由石英材料构成包括了纤芯、包层和涂覆层。光源1通过入射光纤2将复色光传输至小孔生成点光源。

如图1所示，所述色散镜头模块包括第一色散管镜4-1和物镜5。所述复色点光源模块发出的入射光依次通过所述第一色散管镜4-1和物镜5。所述第一色散管镜4-1是经过特殊设计的透镜组合，将点光源的光汇聚为不同颜色的准直光。物镜5为半凸透镜，将经过第一色散管镜4-1射出的准直光聚焦，投射至被测物6上形成光斑。

光斑的形成具体可参考图2，光源1发出的复色光经过小孔后成为点光源，又经过色散镜头模块后色散成不同波长的光束，各波长的焦点按照波长变化在轴向位置依次排列。具体为，点光源进入第一色散管镜4-1时不同波长的光在同一介质玻璃中由于波长不同，导致折射角度不同，折射后形成轴向色差，又经过物镜5将不同波长的光沿着光轴方向聚焦到不同的轴向高度，生成一组连续变化波长的的聚焦光斑点。

如图1所示，所述运动载物模块包括载物台7和位移控制系统，所述位移控制系统包括驱动电机和计算机11。

如图3所示，所述载物台7由三层金属平板组成，其中，底层金属平板固定于竖向运动轴，竖向运动轴由一个电机驱动；中层金属平板相对底层金属平板进行水平纵向(y方向)移动，中层金属平板由第二个电机驱动；上层金属平板相对中层金属平板进行水平横向(x方向)移动，上层金属平板用于装载被测物6，上层金属平板由第三个电机驱动。通过计算机11控制电机控制器发送指令来控制电机的转动，从而控制金属平板在x轴y轴和z轴上的移动轨迹，可以实现对被测样品整个面的每个位置点的扫描采样。

如图1所示，所述光线采集计算模块包括聚焦镜9、第二色散管镜4-2、光学传感器10和计算机11。聚焦镜9为一半凸透镜，第二色散管镜4-2和第一色散管镜4-1的结构相同。二次反射的光透过所述聚焦镜9和第二色散管镜4-2到达所述光学传感器10，所述光学传感器10连接于所述计算机11。所述计算机11还连接于所述运动载物模块，用于控制载物台7的运动。

所述反射镜8平行于所述载物台7，以便于同步调整位置。反射镜8与所述载物台7的底层可以使用连接装置进行连接固定，以使得所述反射镜8与所述载物台7联动，保持两者相互平行和两者之间的距离不变。

请参考图1的光路图，利用上述简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，进行斜照明式的彩色共聚焦检测，检测样品的表面三维形貌，该简易的斜照明式彩色共聚焦检测方法包括以下步骤：

P1，所述光源1射出复色光，通过入射光纤2将复色光传输到第一小孔生成复色点光源，复色点光源发出的复色光经过倾斜设置的所述第一色散管镜4-1后成为准直光，再经过所述物镜5后，复色光色散成不同波长的光束，各波长光束在物镜5后的光轴上依次聚焦，焦点按照波长变化在入射光中心轴向位置依次排列，通过计算机11控制载物台7的移动轨迹，使焦点呈现在载物台7上装载的被测物6表面形成光斑；

P2，所述光斑在被测物6的表面反射至所述反射镜8，再经过反射镜8二次反射，光发散并透过通过聚焦镜9成为聚焦光，通过第二色散管镜4-2后汇聚至光学传感器10，光学传感器10将光信号转化为电信号；

P3，光学传感器10采集被测物表面反射的光斑的波长信息，将光信号转化为电信号传输至计算机11，计算机11通过波长信息结合运动载物模块的位移信息计算出被测物表面的相对高度数据；

P4，通过计算机11中的采集程序设置采样时间间隔和采样次数，实现在水平方向移动所述运动载物模块，以及在竖直方向上调整所述运动载物模块的竖向位置，使被测物表面各位置处均能形成光斑，其中反射镜位置随所述运动载物模块同步调整，光斑在被测物的表面反射至所述反射镜，再经过反射镜二次反射至所述光线采集计算模块，计算机11采集被测物表面各位置处反射的光斑的颜色和波长信息，再计算出被测物表面各位置处的相对高度数据，将采样点信息的轴向高度与对应的水平位置坐标信息进行三维点云建模生成被测物6表面形貌图像。图1中，被测物6上的两个聚焦点表示在两次测试过程中，在上下移动所述载物台7后，在被测物6的表面不同位置分别形成的光斑，两个光斑在同一聚焦轴线上。

请参阅图4，上述简易的斜照明式彩色共聚焦检测方法进一步归纳如下：

S1：将彩色共聚焦测量系统的照明光线以倾斜角度投射到被测物表面，使用连接装置连接并固定载物台7和反射镜8，调整平面镜(即为反射镜8)使得平面镜与载物台平面平行，并将反射镜8和聚焦镜9调整到最佳位置将光线聚焦进入采集端(光学传感器10)中；

S2：将待测样品放置在载物台7上，在计算机11的控制软件中设置好采样频率、扫描路径、扫描速度等参数控制载物台7和反射镜8一起移动，对样品进行扫描；

S3：对彩色共聚焦测量系统进行标准校正；

S4：通过上位机软件启动图像采集装置和控制载物台7和反射镜8一起移动，载物台7开始按照预先设置的扫描速度和路径对被测物样品表面进行采集，光学传感器10根据采样频率实时采集在表面不同被测点的波长信息并上传至计算机11；

S5：(计算机11)将多个被测点信息的轴向高度与对应的水平位置坐标信息进行三维点云建模生成表面形貌图像。

本测量系统和检测方法适用于在检测如航空发动机转子叶片的表面形貌等几何空间受到限制的情况下，检测样品表面形貌、台阶高度、表面粗糙度、平面度和透明材料的厚度等，可以实现在倾斜角度的情况下对样品二维的轮廓和三维的形貌信息的采集。例如本系统和方法可以应用于测玻璃厚度。传统彩色共聚焦测量系统在垂直方向测量的话，在玻璃上下表面反射的光线会混在一起，而使用本实用新型的斜照明式的测量系统可以使得上下表面反射的光分离，消除光线干扰因素，测量结果更准确。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，其特征在于：所述测量系统包括复色点光源模块、色散镜头模块、运动载物模块、反射镜和光线采集计算模块；所述复色点光源模块发出的入射光斜向下透过所述色散镜头模块，斜向下射出至所述运动载物模块，然后斜向上反射至所述反射镜，再斜向下二次反射至所述光线采集计算模块；所述复色点光源模块的发光口朝向所述色散镜头模块，所述运动载物模块设置于所述色散镜头模块的出射端外焦点上；所述运动载物模块包括载物台，用于装载被测物；所述光线采集计算模块还连接于所述运动载物模块。

2.根据权利要求1所述的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，其特征在于：所述复色点光源模块包括光源(1)、入射光纤(2)和小孔机构(3)；所述小孔机构(3)开设有小孔；所述入射光纤(2)的一端连接到所述光源(1)，另一端朝向所述小孔以及小孔后端的所述色散镜头模块的入射端。

3.根据权利要求2所述的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，其特征在于：所述色散镜头模块包括第一色散管镜(4-1)和物镜(5)；所述复色点光源模块发出的入射光依次通过所述第一色散管镜(4-1)和物镜(5)。

4.根据权利要求1所述的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，其特征在于：所述运动载物模块包括载物台(7)和位移控制系统，所述位移控制系统控制载物台(7)的位移；所述载物台(7)具有三层重叠的移动层，底层固定于竖向运动轴，中层相对底层进行水平纵向移动，上层相对中层进行水平横向移动，上层用于装载被测物(6)。

5.根据权利要求1所述的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，其特征在于：所述光线采集计算模块包括聚焦镜(9)、第二色散管镜(4-2)、光学传感器(10)和计算机(11)；二次反射的光透过所述聚焦镜(9)和第二色散管镜(4-2)到达所述光学传感器(10)，所述光学传感器(10)连接于所述计算机(11)。

6.根据权利要求5所述的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，其特征在于：所述计算机(11)还连接于所述运动载物模块。

7.根据权利要求1所述的简易的斜照明式彩色共聚焦测量系统，其特征在于：所述反射镜平行于所述载物台。

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