CN218646268U - 一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置及其系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置及其系统，包括：水平运动平台、配置在水平运动平台上方的照明组件、准直镜、光谱组件；准直镜配置在照明组件第一端部前，光谱组件配置在准直镜第一端部前，水平运动平台、光谱组件用于与数据处理终端连接，水平运动平台用于放置待测物品；照明组件配置为生成多束并行的不同波长的单色光，并聚焦到待测物品表面，再反射至准直镜；光谱组件配置为接收以及横向展开准直镜反射的反射光，将接收到的光线数据发送至数据处理终端。旨在解决现有光谱共焦技术大多只能实现单点测量，在测量物体时，还需进行多次、反复的扫描，需要耗费大量的时间，且测量效率不高的问题。

Description

一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置及其系统

技术领域

本实用新型涉及光学测量领域，具体涉及一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置及其系统。

背景技术

随着生产制造业与科学技术的发展，光学位移测量领域越来越受到不同领域学者的广泛关注，越来越多的领域对光学位移测量产生很大的需求，其中包括医疗器械的生产制造、芯片尺寸的检测以及机械零件的尺寸检测等等。近年来光谱共焦技术有很大的发展，与传统的激光共焦技术相比，光谱共焦技术不需要依赖位移台来实现轴向的扫描，对于测量测量的效率有很大的提升。

现有的一些光谱共焦技术大多只能实现单点的测量，且其在测量物体时，还需要进行多次、反复的扫描，测量过程需要耗费大量的时间，且测量的效率不高。

有鉴于此，提出本申请。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置及其系统，能有效解决现有技术中的光谱共焦技术大多只能实现单点的测量，且其在测量物体时，还需要进行多次、反复的扫描，测量过程需要耗费大量的时间，且测量效率不高的问题。

本实用新型公开了一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置,包括：水平运动平台、配置在所述水平运动平台上方的照明组件、准直镜、以及光谱组件；

其中，所述准直镜配置在所述照明组件的第一端部的前方，所述光谱组件配置在所述准直镜的第一端部的前方，所述水平运动平台的数据端、所述光谱组件的数据端用于与数据处理终端的数据端连接，所述水平运动平台用于放置待测物品；

其中，所述照明组件配置为生成多束并行的不同波长的单色光，并聚焦到放置在所述水平运动平台上的待测物品的表面，再反射至所述准直镜；

其中，所述准直镜配置为反射所述照明组件提供给所述待测物品的入射光；

其中，所述光谱组件配置为接收以及横向展开所述准直镜反射的反射光，并将接收到的光线数据发送至数据处理终端。

优选地，所述水平运动平台为二维运动平台。

优选地，所述照明组件包括复色光源、多孔分光器、照明小孔机构、色散管镜、分光镜、以及聚焦镜；

其中，所述多孔分光器的一端与所述复色光源连接，所述多孔分光器的另一端朝向所述照明小孔机构，所述色散管镜配置在所述照明小孔机构的下方，所述分光镜的第二端面配置在所述色散管镜的下方，所述聚焦镜配置在所述分光镜的下方，所述多孔分光器发射的光线通过所述照明小孔机构射向所述色散管镜，所述复色光源、所述多孔分光器、所述照明小孔机构、所述色散管镜、所述分光镜、和所述聚焦镜的中心线一致。

优选地，所述聚焦镜为平凸透镜。

优选地，所述多孔分光器为光纤束多孔分光器。

优选地，所述多孔分光器为均匀多孔透光片分光器。

优选地，所述准直镜为凸透镜。

优选地，所述光谱组件包括配置在所述准直镜的第一端部前方的透射光栅、以及配置在所述透射光栅的第一端部前方的彩色相机，其中，所述彩色相机的数据端与用于数据处理终端的数据端连接。

本实用新型还公开了一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量系统，包括数据处理终端、以及如上任意一项所述的基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置，所述水平运动平台的数据端、所述光谱组件的数据端与所述数据处理终端的数据端连接，进行数据交互。

综上所述，本实施例提供的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置及其系统，所述照明组件的入射光部分聚焦至所述待测物品的表面，随后光线被反射至所述准直镜，再利用所述光谱组件的透射光栅实现对样品反射光进行像面横向光谱展开，展开光由所述光谱组件的彩色相机接收；所述数据处理终端用于连接所述光谱组件。其中，所述基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置用透射光栅和彩色相机代替光谱仪作为信号接收机构；采用多孔分光器代替普通光纤将原单点测量系统改进成多点的并行测量系统，减少了测量时间，提高了测量效率；并且用数据处理终端接收到的波长信息代表当前被测物表面的相对轴向高度，通过结合所述水平运动平台扫描测量被测物整个表面的高度变化值，获得物体表面形貌以及表面粗糙度和物体表面高度差值。从而解决了现有技术中的光谱共焦技术大多只能实现单点的测量，且其在测量物体时，还需要进行多次、反复的扫描，测量过程需要耗费大量的时间，且测量效率不高的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置没加入光谱机构前的相机成像面成像效果示意图。

图3是本实用新型实施例提供的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置加入光谱机构后的相机成像面成像效果示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

以下结合附图对本实用新型的具体实施例做详细说明。

请参阅图1，本实用新型的第一实施例提供了一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置,包括：水平运动平台8、配置在所述水平运动平台8上方的照明组件、准直镜9、以及光谱组件；

其中，所述准直镜9配置在所述照明组件的第一端部的前方，所述光谱组件配置在所述准直镜9的第一端部的前方，所述水平运动平台8的数据端、所述光谱组件的数据端用于与数据处理终端12的数据端连接，所述水平运动平台8用于放置待测物品7；

其中，所述照明组件配置为生成多束并行的不同波长的单色光，并聚焦到放置在所述水平运动平台8上的待测物品7的表面，再反射至所述准直镜；

其中，所述准直镜9配置为反射所述照明组件提供给所述待测物品7的入射光；

其中，所述光谱组件配置为接收以及横向展开所述准直镜9反射的反射光，并将接收到的光线数据发送至数据处理终端12。

现市面上的一些光谱共焦技术大多只能实现单点的测量，且其在测量物体时，还需要进行多次、反复的扫描，测量过程需要耗费大量的时间，且测量的效率不高。

具体地，在本实施例中，所述照明组件的入射光聚焦至所述待测物品7的表面，再反射回所述照明组件的分光镜的侧向射出至所述准直镜9，反射光进入所述光谱组件后数据由数据处理终端12处理，数据处理终端12根据传输的电信号以及所述水平运动平台8的扫描路径，进行数字图像处理得到物体表面高度信息；其中，所述基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置为了保证反射光尽量减少能量损耗，所以所述照明组件的中心线与所述准直镜9的中心线是呈垂直关系，反射光通过所述照明组件的分光镜可以垂直射入所述准直镜9。所述基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置适用于对物体表面精度要求高、检测效率比较低的场景。因在所述基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置中加入了多孔分光器，并采用光栅和彩色相机代替光谱仪实现多点并行探测，将原来单点测量的效率大大提升，减少了测量过程所花的时间。

在本实用新型一个可能的实施例中，所述水平运动平台8可以为二维运动平台。

具体地，在本实施例中，所述二维运动平台由电机控制，可以带动所述待测物品7进行纵向分移动和横向分移动合成水平方向的运动，数据处理终端12能够从电机上直接读出载物台的位移量，载物台每移动预设的步距后，记录当前的位移数据和当前的图像。简单来说，所述水平运动平台8是由电机驱动可以在横向x轴和纵向y轴分别移动的合成运动平台，电机驱动运动平台移动过程中可以对位移进行精准的控制并方便测量时记录位移量，结合信号处理能实现对物体表面的三维形貌的还原。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的水平运动平台，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实用新型一个可能的实施例中，所述照明组件包括复色光源1、多孔分光器2、照明小孔机构3、色散管镜4、分光镜5、以及聚焦镜6；

其中，所述多孔分光器2的一端与所述复色光源1连接，所述多孔分光器2的另一端朝向所述照明小孔机构3，所述色散管镜4配置在所述照明小孔机构3的下方，所述分光镜5的第二端面配置在所述色散管镜4的下方，所述聚焦镜6配置在所述分光镜5的下方，所述多孔分光器2发射的光线通过所述照明小孔机构3射向所述色散管镜4，所述复色光源1、所述多孔分光器2、所述照明小孔机构3、所述色散管镜4、所述分光镜5、和所述聚焦镜6的中心线一致。

具体地，在本实施例中，所述复色光源1发出的光通过所述多孔分光器2和所述照明小孔机构3，形成并行的多点光源，多点光源会通过所述色散管镜4形成多条准直光，多条准直光会在透过所述分光镜5的第二端面后，经过所述聚焦镜6形成沿所述照明组件的中心线依次聚焦的多条并行光束并聚焦至所述待测物品7的表面。其中，在所述复色光源1后加所述多孔分光器2能够将原来只能单点测量被测物表面改进成可以多点并行测量被测物表面。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的照明组件，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实施例中，所述复色光源1可以为HL-2000-fhsa卤钨灯光源，所述复色光源1发出的复色光束是具有连续光谱信息的白光，光谱波长为可见光波长。所述复色光源1发出的复色光经过所述多孔分光器2与所述照明小孔机构3形成多点光源，多点光源通过所述色散管镜4后形成多束并行色散光，通过所述分光镜5后照射进所述聚焦镜6形成多束并行沿轴向色散的聚焦光聚焦至所述待测物品7的表面。这里，色散就是将一束复色光色散成具有不同波长的多束光线，使得不同波长的光线分别聚焦于光轴的不同轴向高度位置，随着光线波长的增加，光线的孔径角变小，即波长越长的光线聚焦位置越远离所述聚焦镜6。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的复色光源，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实施例中，经过所述待测物品7后的反射光依次经过所述分光镜5和所述准直镜9形成准直光，即所述照明组件的光束聚焦在所述待测物品7的表面后这些光束又反射回所述分光镜5，所述分光镜5将反射回来的光束侧向射出至所述准直镜9。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的准直镜，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实用新型一个可能的实施例中，所述多孔分光器2可以为光纤束多孔分光器。

在本实用新型一个可能的实施例中，所述多孔分光器2可以为均匀多孔透光片分光器。

具体地，在本实施例中，分光器是用来实现光波能量的分路与合路的器件。它将一根光纤中传输的光能量按照既定的比例分配给两根或者是多根光纤,或者将多根光纤中传输的光能量合成到一根光纤中；分光器是一种无源器件,又称光分路器,它们不需要外部能量,只要有输入光即可。所述多孔分光器2可以采用光纤束也可以采用均匀多孔透光片，其中，光纤束是由石英材料构成包括了多根纤芯、包层和涂覆层；均匀多孔透光片是由金属板打上多个均匀分布的小孔。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的多孔分光器，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实用新型一个可能的实施例中，所述聚焦镜6可以为平凸透镜。

在本实用新型一个可能的实施例中，所述准直镜9可以为凸透镜。

具体地，在本实施例中，所述聚焦镜6可以为平凸透镜，其能够将准直线汇聚射出；所述准直镜9可以为凸透镜，其能够将通过的光线汇聚或者准直。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的聚焦镜和准直镜，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实用新型一个可能的实施例中，所述光谱组件包括配置在所述准直镜9的第一端部前方的透射光栅10、以及配置在所述透射光栅10的第一端部前方的彩色相机11，其中，所述彩色相机11的数据端与所述数据处理终端12电气连接。

具体地，在本实施例中，所述准直镜9的光到达所述透射光栅10后，光线会经过所述透射光栅10发生衍射将反射光横向展开，展开后的光被所述彩色相机11接收。所述透射光栅10为一色散元件，经过光栅的光被衍射并展开成横向的色散光，横向的展开光给所述彩色相机11；所述彩色相机11作为光学传感器，用来接收光波信号，并将光信号转化为电信号，接着将电信号传输至所述数据处理终端12。

在本实施例中，所述基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置中的所述光谱组件是采用光栅和彩色相机代替传统的光谱仪实现多点探测作用；光谱仪的主要结构是光栅作为色散与衍射元件将反射光展开至线阵ccd，但由于现有的光谱仪采用线阵ccd作为探测元件只能接收单点的光点信息并不能接收多点并行的光点信息。在没有加入光栅的测量系统的成像效果为几个并行的光点，成像效果如图2所示；光点的颜色随着被测物的轴向位置的变化而呈线性变化，所以使用者通过接收到的光点颜色变化就可以计算出被测物表面的高度差，再结合所述水平运动平台8的横向和纵向的位移值就可以还原被测物的三维形貌；所述基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置加入光栅后，成像效果为几条平行于相机成像面x轴的光线，当被测物水平方向移动时光线位于成像面x轴的像素位置会随之变化，成像效果如图3所示，在被测物水平移动时根据光线在相机成像面x轴的像素位移值可以计算出被测物的轴向高度变化，再结合所述水平运动平台8的横向和纵向的位移值就可以还原被测物的三维形貌。其中，图2的成像效果为多个并行光点，图2中用三个光点代表多点实际光点数由多孔分光器的纤芯数决定，所述照明组件中光点聚焦在被测物的轴向位置改变时，成像面的光点颜色发生改变，成像效果会发生从图2(a)到图2(b)的转变；图3的成像效果为多束并行光线，其中光线平行于相机成像面的x轴，图3中用三条光线代表多条线实际光线数由多孔分光器的纤芯数决定，所述照明组件中光点聚焦在被测物的轴向位置改变时，成像面的光线颜色发生改变且光线位于相机面x轴的位置发生改变，成像效果会发生从图3(a)到图3(b)的转变。需要说明的是，在其他实施例中，还可以采用其他类型的光谱组件，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

综上，所述基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置采用的是所述多孔分光器2，并通过所述多孔分光器2来实现多点的并行测量，可以大幅减少测量的时间，提高测量的效率。所述基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置用透射光栅和彩色相机代替光谱仪作为信号接收机构；采用多孔分光器代替普通光纤将原单点测量系统改进成多点的并行测量系统，减少了测量时间，提高了测量效率；并且用数据处理终端12接收到的波长信息代表当前被测物表面的相对轴向高度，通过结合所述水平运动平台8扫描测量被测物整个表面的高度变化值，获得物体表面形貌以及表面粗糙度和物体表面高度差值。

本实用新型的第二实施例提供了一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量系统，包括数据处理终端12、以及如上任意一项所述的基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置，所述水平运动平台8的数据端、所述光谱组件的数据端与所述数据处理终端12的数据端连接，进行数据交互。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置,其特征在于，包括：水平运动平台、配置在所述水平运动平台上方的照明组件、准直镜、以及光谱组件；

其中，所述准直镜配置在所述照明组件的第一端部的前方，所述光谱组件配置在所述准直镜的第一端部的前方，所述水平运动平台的数据端、所述光谱组件的数据端用于与数据处理终端的数据端连接，所述水平运动平台用于放置待测物品；

其中，所述照明组件配置为生成多束并行的不同波长的单色光，并聚焦到放置在所述水平运动平台上的待测物品的表面，再反射至所述准直镜；

其中，所述准直镜配置为反射所述照明组件提供给所述待测物品的入射光；

其中，所述光谱组件配置为接收以及横向展开所述准直镜反射的反射光，并将接收到的光线数据发送至所述数据处理终端。

2.根据权利要求1所述的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置,其特征在于，所述水平运动平台为二维运动平台。

3.根据权利要求1所述的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置,其特征在于，所述照明组件包括复色光源、多孔分光器、照明小孔机构、色散管镜、分光镜、以及聚焦镜；

其中，所述多孔分光器的一端与所述复色光源连接，所述多孔分光器的另一端朝向所述照明小孔机构，所述色散管镜配置在所述照明小孔机构的下方，所述分光镜的第二端面配置在所述色散管镜的下方，所述聚焦镜配置在所述分光镜的下方，所述多孔分光器发射的光线通过所述照明小孔机构射向所述色散管镜，所述复色光源、所述多孔分光器、所述照明小孔机构、所述色散管镜、所述分光镜、和所述聚焦镜的中心线一致。

4.根据权利要求3所述的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置,其特征在于，所述聚焦镜为平凸透镜。

5.根据权利要求3所述的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置,其特征在于，所述多孔分光器为光纤束多孔分光器。

6.根据权利要求3所述的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置,其特征在于，所述多孔分光器为均匀多孔透光片分光器。

7.根据权利要求1所述的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置,其特征在于，所述准直镜为凸透镜。

8.根据权利要求1所述的一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置,其特征在于，所述光谱组件包括配置在所述准直镜的第一端部前方的透射光栅、以及配置在所述透射光栅的第一端部前方的彩色相机，其中，所述彩色相机的数据端用于与数据处理终端的数据端连接。

9.一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量系统，其特征在于，包括数据处理终端、以及如权利要求1至8任意一项所述的基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置，所述水平运动平台的数据端、所述光谱组件的数据端与所述数据处理终端的数据端连接，进行数据交互。

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