CN106907998B - 线性优化的光谱共焦测量装置及方法 - Google Patents

线性优化的光谱共焦测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种线性优化的光谱共焦测量装置及方法，该装置包括：光源，用于产生出射光，传输到采样部；采样部，用于接收所述出射光后产生第一次色散，使产生所述第一次色散的光照射至被测物，且使由被测物返回的反射光通过后，传输给分光部，采样部的色散与波长为非线性关系；分光部，用于接收由采样部返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部，分光部的色散与波长为非线性关系，采样部非线性关系的差异与分光部非线性关系的差异部分或全部抵消；传感部，用于将所述反射光转换成电信号，以获取测量结果。本发明能减少采样部的镜片数量，同时大幅度提高测量精度。

Description

线性优化的光谱共焦测量装置及方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种线性优化的光谱共焦测量装置及方法。
背景技术
光谱共聚焦测量方法是使用多波长的光，通过色散在光的轴线上产生色散形成一个焦点带，一次测量就可以测量出一个或多个沿光轴方向的距离。参见图1，光谱共聚焦测量装置从光源1’发射光，进入耦合部2’后传递到采样部3’，再投射到被测物4’，在被测物4’的表面形成载有测量信息的反射光后沿着原有的光路反向返回耦合部2’，其中部分或全部反射光经过分光部5’后，最终由传感部6’转换成电信号10’，以解析获取测量结果。
采样部3作为光谱共焦测量装置的重要部件，一般为色散物镜使光产生色散，其要求得到尽可能大的色散以增加检测范围，但由于光学玻璃折射率与波长成非线性关系，会造成测量装置在不同的测量位置具有不一致的灵敏度和分辨率，严重影响了光谱共焦测量装置的整体性能。现有技术中，大多将多片不同材质的透镜组合使用，以实现色散物镜的色散与波长的高线性关系，然而单独对光谱共焦测量装置的色散物镜进行优化不但效果不佳，且结构复杂、成本较高。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种线性优化的光谱共焦测量装置及方法，旨在综合匹配采样部与分光部的非线性误差，减少采样部的镜片数量、降低成本，同时大幅度提高测量精度。
为实现上述目的，本发明提出的一种线性优化的光谱共焦测量装置包括：
光源，用于产生出射光，传输到采样部；
所述采样部，用于接收所述出射光后产生第一次色散，使产生所述第一次色散的光照射至被测物，且使由所述被测物返回的反射光通过后，传输给分光部，所述采样部的色散与波长为非线性关系；
所述分光部，用于接收由所述采样部返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部，所述分光部的色散与波长为非线性关系，所述采样部非线性关系的差异与所述分光部非线性关系的差异部分或全部抵消；
所述传感部，用于将所述反射光转换成电信号，以解析获取测量结果。
优选地，所述采样部产生的第一次色散为基于折射的色散方式。
优选地，所述分光部产生的第二次色散为基于折射的色散方式。
优选地，所述采样部包括至多四块透镜。
优选地，所述分光部包括至少两块棱镜。
优选地，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括耦合部，所述耦合部用于耦合所述光源发出的出射光传输经过所述采样部照射在所述被测物上；以及使所述被测物返回的反射光经过所述采样部传输到所述分光部。
优选地，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括准直部，所述准直部设置于所述耦合部和分光部之间，用于将来自被测物的反射光准直地折射向所述分光部。
优选地，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括聚焦部，所述聚焦部设置于所述分光部和传感部之间，用于将经过所述分光部第二次色散后的反射光聚焦地射向所述传感部。
优选地，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括光纤，所述光纤设置于从所述光源到耦合部、从所述耦合部到分光部之间的光路上。
本发明还提供一种线性优化的光谱共焦测量方法，包括如下步骤：
控制光源产生出射光，传输到采样部；
所述采样部接收所述出射光后产生第一次色散，使产生所述第一次色散的光照射至被测物，且使由所述被测物返回的反射光通过后，传输给分光部，所述采样部的色散与波长为非线性关系；
所述分光部接收由所述采样部返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部，所述分光部的色散与波长为非线性关系，所述采样部非线性关系的差异与所述分光部非线性关系的差异部分或全部抵消；
所述传感部将所述反射光转换成电信号，以解析获取测量结果。
本发明技术方案中，线性优化的光谱共焦测量装置包括：光源，用于产生出射光，传输到采样部；所述采样部，用于接收所述出射光后产生第一次色散，使产生所述第一次色散的光照射至被测物，且使由所述被测物返回的反射光通过后，传输给分光部，所述采样部的色散与波长为非线性关系；所述分光部，用于接收由所述采样部返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部，所述分光部的色散与波长为非线性关系，所述采样部非线性关系的差异与所述分光部非线性关系的差异部分或全部抵消；所述传感部，用于将所述反射光转换成电信号，以解析获取测量结果。本发明的技术方案通过综合匹配采样部与分光部的非线性误差，减少采样部的镜片数量、降低成本，同时大幅度提高测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为现有技术中光谱共焦测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的结构示意图。
附图标号说明：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种线性优化的光谱共焦测量装置。
请参照图2，在本发明一实施例中，该线性优化的光谱共焦测量装置包括：
光源1，用于产生出射光，传输到采样部3；
所述采样部3，用于接收所述出射光后产生第一次色散，使产生所述第一次色散的光照射至被测物4，且使由所述被测物4返回的反射光通过后，传输给分光部5，所述采样部3的色散与波长为非线性关系；
所述分光部5，用于接收由所述采样部3返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部6，所述分光部5的色散与波长为非线性关系，所述采样部3非线性关系的差异与所述分光部5非线性关系的差异部分或全部抵消；
所述传感部6，用于将所述反射光转换成电信号10，以解析获取测量结果。
本实施例中，该线性优化的光谱共焦测量装置包括光源1，用于产生出射光，传输到采样部3；所述采样部3，用于接收所述出射光后产生第一次色散，使产生所述第一次色散的光照射至被测物4，且使由所述被测物4返回的反射光通过后，传输给分光部5，所述采样部3的色散与波长为非线性关系；所述分光部5，用于接收由所述采样部3返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部6，所述分光部5的色散与波长为非线性关系，所述采样部3非线性关系的差异与所述分光部5非线性关系的差异部分或全部抵消。所述传感部6，用于将所述反射光转换成电信号10，以解析获取测量结果。
具体来说，经过采样部3色散后的光，其色散与波长的对应关系非线性差异较大；经过分光部5色散后的光，其色散与波长的对应关系非线性差异同样较大，本发明通过综合匹配采样部3与分光部5，将采样部3和分光部5的色散与波长的对应关系非线性差异部分或者全部抵消，能够大幅度提高测量精度，同时，避免了传统消除非线性差异方法中采样部3结构复杂、成本高的局限，可以采用结构较为简单的镜片组，减少镜片数量且降低了成本。
优选地，所述采样部3产生的第一次色散为基于折射的色散方式。
作为一种优选实施例，所述采样部3产生的第一次色散为基于折射的色散方式。由于现有技术中，基于衍射的采样部3像差大、光能利用率低，而且常见的衍射部件使用树脂材料制成光栅，造成耐候性和稳定性差，本实施例采用基于折射色散方式的光学玻璃镜片作为采样部3的主要部件，耐候性好且结构较为简单，可实现光的色散与波长的对应关系产生较大的非线性差异，增大光路传输后续过程中分光部5的调整空间。
优选地，所述分光部5产生的第二次色散为基于折射的色散方式。
作为一种优选实施例，所述分光部5产生的第二次色散为基于折射的色散方式，以配合采样部3基于折射产生的第一色散，实现采样部3和分光部5的色散与波长的对应关系非线性差异部分或者全部抵消，提高测量精度。
优选地，所述采样部3包括至多四块透镜。
作为一种优选实施例，可以在实现光的色散与波长的对应关系产生较大的非线性差异的前提下，减少部件数量、简化结构和降低成本。
具体地，所述分光部5包括至少两块棱镜。
为了综合匹配采样部3和分光部5之间的非线性差异，本实施例中的分光部5选用棱镜作为主要部件，具有透光率高、结构性质稳定、制造工艺成熟等优点。且由于单棱镜的色散度较低，本实施例优选至少两块棱镜，以更好地匹配经采样部3第一次色散后的反射光，实现色散与波长对应关系的非线性差异的对消，提高测量精度。
优选地，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括耦合部2，所述耦合部2用于耦合所述光源1发出的出射光传输经过所述采样部3照射在所述被测物4上；以及使所述被测物4返回的反射光经过所述采样部3传输到所述分光部5。
作为一种优选实施例，本测量装置还包括耦合部2，所述耦合部2用于耦合所述光源1发出的出射光传输经过所述采样部3照射在所述被测物4上；以及使所述被测物4返回的反射光经过所述采样部3传输到所述分光部5，采用耦合部2能够按照实际需要排布测量装置的结构，让布局更加灵活、使用更加方便。
优选地，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括准直部7，所述准直部7设置于所述耦合部2和分光部5之间，用于将来自被测物4的反射光准直地折射向所述分光部5。
作为一种优选实施例，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括准直部7，所述准直部7设置于所述耦合部2和分光部5之间，用于将来自被测物4的反射光准直地折射向所述分光部5，使射入的光束能够与分光部5更加匹配，增强成像性能保证采样部3与分光部5非线性差异对消的效果，提高测量精度。
优选地，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括聚焦部8，所述聚焦部8设置于所述分光部5和传感部6之间，用于将经过所述分光部5第二次色散后的反射光聚焦地照射向所述传感部6。
作为一种优选实施例，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括聚焦部8，所述聚焦部8设置于所述分光部5和传感部6之间，用于将经由所述分光部5第二次色散后的反射光聚焦地照射向所述传感部6，可以配合准直部7对光束进行调制后射入传感部6，减少像差，提高测量精度，经过上述优化后，本测量装置的整体非线性差异小于10％。
优选地，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括光纤9，所述光纤9设置于从所述光源1到耦合部2、从所述耦合部2到分光部5之间的光路上。
作为一种优选实施例，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括光纤9，所述光纤9设置于从所述光源1到耦合部2、从所述耦合部2到分光部5之间的光路上，能够减少光的传输耗损，且光路布置更加灵活，可以根据使用环境定制测量装置的结构，提高了测量装置的适用性。
本发明还提供一种线性优化的光谱共焦测量方法，包括如下步骤：
控制光源产生出射光，传输到采样部；
所述采样部接收所述出射光后产生第一次色散，使产生所述第一次色散的光照射至被测物，且使由所述被测物返回的反射光通过后，传输给分光部，所述采样部的色散与波长为非线性关系；
所述分光部接收由所述采样部返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部，所述分光部的色散与波长为非线性关系，所述采样部非线性关系的差异与所述分光部非线性关系的差异部分或全部抵消；
所述传感部将所述反射光转换成电信号，以解析获取测量结果。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种线性优化的光谱共焦测量装置，其特征在于，包括：
光源，用于产生出射光，传输到采样部；
所述采样部，用于接收所述出射光后产生第一次色散，使产生所述第一次色散的光照射至被测物，且使由所述被测物返回的反射光通过后，传输给分光部，所述采样部的色散与波长为非线性关系；
所述分光部，用于接收由所述采样部返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部，所述分光部的色散与波长为非线性关系，所述采样部非线性关系的差异与所述分光部非线性关系的差异部分或全部抵消；
所述传感部，用于将所述反射光转换成电信号，以解析获取测量结果；
其中，所述采样部包括基于折射色散方式的光学玻璃镜片，所述分光部产生的第二次色散为基于折射的色散方式，且所述分光部包括至少两块棱镜；
所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括耦合部和准直部，所述耦合部用于耦合所述光源发出的出射光传输经过所述采样部照射在所述被测物上；以及使所述被测物返回的反射光经过所述采样部传输到所述准直部；所述准直部设置于所述耦合部和分光部之间，用于将来自被测物的反射光准直地折射向所述分光部。
2.如权利要求1所述的线性优化的光谱共焦测量装置，其特征在于，所述采样部包括至多四块透镜。
3.如权利要求1所述的线性优化的光谱共焦测量装置，其特征在于，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括聚焦部，所述聚焦部设置于所述分光部和传感部之间，用于将经过所述分光部第二次色散后的反射光聚焦地射向所述传感部。
4.如权利要求1所述的线性优化的光谱共焦测量装置，其特征在于，所述线性优化的光谱共焦测量装置还包括光纤，所述光纤设置于所述光源到耦合部、以及所述耦合部到分光部之间的光路上。
5.一种线性优化的光谱共焦测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
控制光源产生出射光，传输到采样部；
所述采样部接收所述出射光后产生第一次色散，使产生所述第一次色散的光照射至被测物，且使由所述被测物返回的反射光通过后，传输给耦合部，所述耦合部耦合所述光源发出的出射光传输经过所述采样部照射在所述被测物上，以及使所述被测物返回的反射光经过所述采样部传输到准直部；所述准直部设置于所述耦合部和分光部之间，用于将来自被测物的反射光准直地折射向所述分光部，所述采样部的色散与波长为非线性关系；
所述分光部接收由所述采样部返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部，所述分光部的色散与波长为非线性关系，所述采样部非线性关系的差异与所述分光部非线性关系的差异部分或全部抵消；
所述传感部将所述反射光转换成电信号，以解析获取测量结果；
其中，所述采样部包括基于折射色散方式的光学玻璃镜片，所述分光部产生的第二次色散为基于折射的色散方式，且所述分光部包括至少两块棱镜。
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