CN109945800B

CN109945800B - 一种用于三维面型测量的线形光谱共焦***

Info

Publication number: CN109945800B
Application number: CN201910244320.4A
Authority: CN
Inventors: 郑臻荣; 孙妍; 陶骁; 王畅; 杨琳; 王旭成
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: CN109945800A

Abstract

本发明公开一种用于三维面型测量的线形光谱共焦***，包括：宽光谱光源，用于提供有一定波长范围的光辐射；透射光栅，用于将光辐射源发射的光辐射分成分离的波长；柱面镜组，用于使不同波长的光辐射聚焦在被测物体表面法向的不同高度上，且在垂直于子午面方向上，不改变辐射光的传播方向；光辐射处理单元，在镜面反射方向上接受从被测量物体表面反射的光辐射，并引导至所述检测器；探测器，用于接收从所测量的物体反射的辐射。本发明使用光栅实现色散，可以更大程度地实现光谱分离，在面形测量时可以测量更大的深度范围；并且使用柱面镜组，实现线形探测，在得到平面平整度信息时可以只用进行一个维度的扫描。

Description

一种用于三维面型测量的线形光谱共焦***

技术领域

本发明涉及测量仪器和方法，特别是用于那些测量物体表面三维面型的测量仪器和方法。

背景技术

随着现代检测技术的进步，三维测量技术逐步成为人们的研究重点，特别是随着激光技术、计算机技术和图像处理技术等高新技术的发展，使得光学式三维测量技术得到广泛的应用。光学三维面型测量技术以其高精度、高效率和非接触性等优点被广泛应用于高速检测、产品开发、质量控制等领域。

共焦显微术的概念首先是由美国的Minsky于1955年提出，其利用共焦原理搭建第一台共焦显微镜，并于1957年申请了专利。光谱共焦技术是在共焦显微术基础上发展而来，其无需轴向扫描，直接由波长对应轴向距离信息，从而大幅提高测量速度。而基于光谱共焦技术的传感器是近年来出现的一种高精度、非接触式的新型传感器，精度理论上可达nm量级。由于光谱共焦传感器对被测表面状况要求低，允许被测表面有更大的倾斜角，测量速度快，实时性高，迅速成为工业测量的热门传感器，广泛应用于精密定位、薄膜厚度测量、微观轮廓精密测量等领域。

目前，大多数光谱共焦***采用色散透镜组实现光谱分离，而这种色散方法得到的光谱分离并不明显，测量深度较小，且每次测量只能得到该探测点的高度信息，如果需要得到整个平面的三维面型，则需要进行二维扫描。本发明提供了一种采用光学方法实现非接触测量的线形光谱共焦位移传感器，通过光栅实现色散，并且使用柱面镜替代球面镜，可以实现线形探测，在得到被测物体平面的三维面型信息时可以降低一个扫描维度。

发明内容

本发明提供一种用于三维面型测量的线形光谱共焦***，采用了透射光栅实现光谱分离，并且使用一系列柱面透镜组实现线测量，从而减少面形测量时位移扫描维度。

本发明首先提供了一种用于三维面型测量的线形光谱共焦的测量装置，其包括：

宽光谱光源，用于提供有一定波长范围的光辐射。

透射光栅，用于调整所述光辐射，以将所述光辐射分成分离的波长，不同波长的光辐射将以不同的出射角从透射光栅出射，

柱面镜组，用于调整经过所述透射光栅后的光辐射，不同波长的光辐射以不同的入射角入射柱面镜组后，柱面镜组可使不同波长的光辐射从不同的方向上引导至所测量的物体表面，使不同波长的光辐射聚焦在被测物体表面法向上的不同高度处；并且因柱面镜的特殊性质，在垂直于子午面方向上，所有光辐射均平行传播，辐射光的传播方向不发生改变；

(被反射的)光辐射处理单元，将完美聚焦在被测物体表面测量点的光辐射在镜面反射方向上引导至所述探测器，使该波长的光辐射在镜面反射后的光路与镜面反射前光路对称。未能完美聚焦在被测物体表面测量点的光辐射则不被光辐射处理单元引导至所述探测器。

探测器，用于接收从所测量的物体反射的辐射。

可选地，所述宽光谱光源被设置为可提供均匀照度的平行光辐射。

可选地，所述透射光栅线对数为n/毫米，并且光辐射入射角为ⅰ，波长范围为λ₁-λ₂的平行光辐射经过透射光栅后，其一级衍射光的出射角为θ₁-θ₂，入射光和出射光满足光栅方程d(sinⅰ-sinθ)＝λ,当波长取λ₁时，出射角为θ₁，当波长取λ₂时，出射角为θ₂，其中d为透射光栅的光栅常数，即光栅两刻线之间的距离。所述透射光栅光轴与被测面法向呈非90°夹角，使一级衍射光沿非法线方向引导至被测面。

可选地，所述柱面镜组被设置为使从透射光栅出射的不同波长的一级衍射光全部进入柱面镜组，聚焦在被测物体表面法向的不同高度上，并且在垂直于子午面方向上不改变光线的传播方向，且其他衍射级次均不能进入柱面镜组。

可选地，所述的柱面镜组包括第一柱面镜、第二柱面镜和第三柱面镜，柱面镜组被设置为柱面镜组光轴与透射光栅光轴成一定角度，减小由透射光栅出射的光辐射进入柱面镜组的入射角。

可选地，所述光辐射处理单元，包含一组柱面镜组，所述的柱面镜组被设置为将聚焦在被测物体表面测量点的光辐射以与聚焦前的光路对称地形式引导至探测器。

可选地，所述的光辐射处理单元包括沿光路依次排列的第四柱面镜、第五柱面镜、第六柱面镜和第七柱面镜，其中所述第四柱面镜、第五柱面镜、第六柱面镜与所述柱面镜组关于被测物体表面法向对称；所述第七柱面镜为平凸柱面镜，可将第六柱面镜出射的平行光聚焦在第七柱面镜的焦平面上。

可选地，所述探测器为面探测器，被设置在光辐射处理单元中第七柱面镜的焦平面上，通过探测器提供的信号确定聚焦在被测物体表面的辐射波长，并根据该辐射波长来确定表面的位置。

本发明还公开了一种所述装置的三维面型测量方法；包括如下步骤：

1)宽光谱光源提供有一定波长范围的光辐射；

2)透射光栅调整所述光辐射，以将所述光辐射分成分离的波长，

3)柱面镜组调整经过所述透射光栅后的光辐射，使所述分离波长的光辐射从不同的方向上引导至所测量的物体表面，从而使不同波长的光辐射聚焦在被测物体表面法向上的不同高度处；并且在垂直于子午面方向上，不改变辐射光的传播方向，即一次测量时可同时测量垂直子午面方向的一条线形的测量点，在得到被测物体表面的三维面型时，只需进行一个维度的扫描；

4)光辐射处理单元，将完美聚焦在被测物体表面测量点的光辐射在镜面反射方向上引导至所述探测器，使该波长的光辐射在镜面反射后的光路与镜面反射前光路对称，而未能完美聚焦在被测物体表面测量点的光辐射则不被引导至所述探测器。

5)探测器，接收从所测量的物体反射的光辐射对应的波长，根据波长信息得到被测物体表面的面型信息。

本发明的优点是，采用光学方法实现非接触式测量并且通过信息处理可得到物体的三维面型信息；将光辐射的波长信息和被测平面的位置信息直接对应，测量方式简单快捷。在光学***中，使用透射光栅作为色散元件，可以更大程度地实现光谱分离，在面型测量时可以实现更大的深度测量范围；使用柱面镜组，可以不改变弧矢面的光线传播方向，从而实现线探测，在得到被测平面三维面型信息时可以只用进行一个维度的扫描。

附图说明

图1是本发明线形光谱共焦***的具体结构示意图。

图2是本发明线形光谱共焦***的立体结构示意图。

图3为本发明线形光谱共焦***的整体光路示意图。

图4是本发明线形光谱共焦***在实际使用时的光路示意图。

图5是本发明线形光谱共焦***的理想点列图。

具体实施方式

为使本发明的结构、特征及优点更加清晰明了，现结合附图对本发明作进一步详细说明，但不应理解为对本发明保护范围的任务限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明线形光谱共焦***的具体结构示意图。该线形光谱共焦***包括：辐射光源100，透射光栅200，柱面镜组300，光辐射处理单元400和探测器500。

辐射光源(100)是一种色温约为5000K的宽光谱LED(101)，可以提供包含500-600nm波长的均匀光辐射，将宽光谱LED视为点光源，通过凸透镜(102)等常见光学元件将宽光谱LED发出的光转变成平行光辐射，并且辐射平行光以60°的入射角进入下一光学元件。

透射光栅(200)，用于实现光谱分离。透射光栅线对数为950/mm，大小为25*25mm。平行光辐射以60°入射角入射后，500-600nm波长的光辐射对应的一级衍射角为17°1′6″-23°13′9″，波长越小其衍射角越大。所述透射光栅光轴与被测面法向不垂直+，呈30°夹角，使一级衍射光沿非法线方向引导至被测面。

柱面镜组(300)，被设置在光轴与透射光栅光轴呈10°夹角，与被侧面法向呈20°夹角的光路上，即透射光栅(200)的一级衍射光辐射进入柱面镜组时的入射角为7°1′6″-13°13′9″，减小柱面镜组的像差。柱面镜组(300)可使与正在测量的表面的法向不同的方向上将所述分离的波长引导至所测量的物体，从而使不同波长的光辐射在被测平面的法线方向上聚焦在所测物体的表面的不同高度上，并且在垂直于子午面方向上，并不改变辐射光的传播方向。

进一步地，柱面镜组包括沿光路一次排列的第一柱面镜(301)，第二柱面镜(302)，第三柱面镜(303)。第一柱面镜(301)被设置在可以使透射光栅500-600nm波长的一级衍射光全部进入柱面镜组，且其他衍射级次的光辐射均不进入。第二柱面镜(302)和第三柱面镜(303)进一步实现光线的偏折。第一柱面镜为弯月柱面镜，第二柱面镜为弯月柱面镜，第三柱面镜为双凸柱面镜。三片柱面镜材料均选择火石玻璃，且子午面方向上的曲率为球面，易于加工。表一为本发明中柱面镜组的参数。

表一：

(被反射的)光辐射处理单元(400)，被设置为将由被测平面的镜面反射的不同波长的光辐射对应地引导至探测器。包含一组柱面镜组，沿光路依次排列为第一透镜(401)、第二透镜(402)、第三透镜(403)和第四透镜(404)，其中所述第一透镜，第二透镜，第三透镜与上述柱面镜组(300)关于被测平面法向量对称。所述第四透镜(404)为平凸柱面镜，材料为BK7玻璃，可将第三透镜出射的平行光聚焦在该柱面镜的焦平面上。表二为该发明中(被反射的)光辐射处理单元的参数。

表二：

检测单元(500)是一种面型CMOS器件，被设置于光辐射处理单元(400)的第四柱面镜(404)的焦平面上。本发明要求CMOS像素元尺寸小于2μm，且CMOS尺寸大于20*10mm，用于接收被光辐射处理单元(400)处理后的被测物反射光辐射，通过探测器提供的信号确定聚焦在被测表面的辐射波长，并使用波长来确定表面的位置。

图2是本发明线形光谱共焦***的立体结构示意图。由图可以看出该***的立体结构，特别地，柱面镜组(200)和(被反射的)光辐射处理单元(400)中包含多片柱面镜，在该图中可以得到展示。

图3为本发明线形光谱共焦***的整体光路示意图。由图可以看出，由宽光谱光源(100)出射的不同波长的光辐射在经过透射光栅(200)后实现光谱分离，但对于单个波长的光辐射来说，仍以平行光进入柱面镜组(300)，柱面镜组(300)在被测面法线方向改变光线的传播方向，与正在测量的表面的法向不同的方向上将分离的波长引导至所测量的物体，使不同波长的光辐射在被测平面的法线方向上聚焦在所测物体的表面的不同高度上。能够完美聚焦在被测平面上的光辐射被镜面反射后可以对称地进入光辐射处理单元(400)，在进入第四柱面镜(404)之前可以形成平行光，经过第四柱面镜(404)后再次聚焦在第四柱面镜(404)地焦平面上，被探测器(500)接收。不能完美聚焦在被测面平面上的光辐射被镜面反射后则不可以对称地进入光辐射处理单元(400)，在进入第四柱面镜(404)之前也不可以形成平行光，因此经过第四柱面镜(404)后不能聚焦在第四柱面镜(404)地焦平面上。

图4是本发明线形光谱共焦***在实际使用时的光路示意图。由图可以看出，由宽光谱光源(100)出射的不同波长的光辐射在经过透射光栅(200)后实现光谱分离。每个波长的光辐射都以平行光进入柱面镜组(300)，柱面镜组(300)在被测面法线方向改变光线的传播方向，使不同波长的光辐射将在被测平面的法线方向上聚焦在所测物体的表面的不同高度上。由图可以看出完美聚焦在被测物体表面的对应波长的光辐射被对称的进入光辐射处理单元(400)，被探测器(500)接收；而未能在被测平面完美聚焦的对应波长的光辐射则不能对称的进入光辐射处理单元(400)。探测器(500)接收到的光辐射中，只有在被测物体表面完美聚焦的该波长的光辐射能量最为集中。

图5是本发明线形光谱共焦***的理想点列图。图中，由上至下的点列分别对应600nm，590nm，580nm，570nm，560nm，550nm，540nm，530nm，520nm，510nm和500nm波长的光辐射在被测平面上完美聚焦后被镜面反射，经过光辐射处理单元(400)后被探测器(500)接收到的点列图。因被测物体表面的高度不同，在被测物体表面完美聚焦的光辐射的波长也不同，只有完美聚焦在被测物体表面的光辐射才能够与聚焦前的光路对称地进入光辐射处理单元(400)，则探测器(500)接收到聚焦完美的光辐射对应的波长，就可对应的得到被测物体表面的面型信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于三维面型测量的线形光谱共焦的测量装置，其特征在于，包括：

宽光谱光源，用于提供有一定波长范围的光辐射；

透射光栅，用于调整所述光辐射，以将所述光辐射分成分离的波长，

柱面镜组，用于调整经过所述透射光栅后的光辐射，使所述分离波长的光辐射从不同的方向上引导至所测量的物体表面，从而使不同波长的光辐射聚焦在被测物体表面法向上的不同高度处；并且在垂直于子午面方向上，不改变辐射光的传播方向；

所述柱面镜组被设置为使从透射光栅出射的不同波长的一级衍射光全部进入柱面镜组，聚焦在被测物体表面法向的不同高度上，并且在垂直于子午面方向上不改变光线的传播方向，且其他衍射级次均不能进入柱面镜组；

光辐射处理单元，在镜面反射方向上接收从所测量的物体表面反射的光辐射，且仅有聚焦在被测物体表面测量点的光辐射才能够与聚焦前的光路对称地进入所述光辐射处理单元；光辐射处理单元并将接收的光辐射引导至探测器，

探测器，用于接收从所测量的物体反射的辐射。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述宽光谱光源被设置为可提供均匀照度的平行光辐射。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述透射光栅线对数为n/毫米，一定波长范围的平行光辐射以一定入射角进入透射光栅，一级衍射光全部进入柱面镜组，且其他衍射级次均不能进入柱面镜组；所述透射光栅光轴与被测面法向呈非90°夹角，使一级衍射光沿非法线方向引导至被测面。

4.如权利要求1所述的测量装置，所述的柱面镜组包括第一柱面镜、第二柱面镜和第三柱面镜，柱面镜组被设置为柱面镜组光轴与透射光栅光轴成一定角度，减小由透射光栅出射的光辐射进入柱面镜组的入射角。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光辐射处理单元，包含一组柱面镜组，所述的柱面镜组被设置为将聚焦在被测物体表面测量点的光辐射以与聚焦前的光路对称地形式引导至探测器。

6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于所述的光辐射处理单元包括沿光路依次排列的第四柱面镜、第五柱面镜、第六柱面镜和第七柱面镜，其中所述第四柱面镜、第五柱面镜、第六柱面镜与所述柱面镜组关于被测物体表面法向对称；所述第七柱面镜为平凸柱面镜，可将第六柱面镜出射的平行光聚焦在第七柱面镜的焦平面上。

7.如权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述探测器为面探测器，被设置在光辐射处理单元中第七柱面镜的焦平面上，通过探测器提供的信号确定聚焦在被测物体表面的辐射波长，并根据该辐射波长来确定表面的位置。

8.一种如权利要求1所述装置的三维面型测量方法；其特征在于包括如下步骤：

1）宽光谱光源提供有一定波长范围的光辐射；

2）透射光栅调整所述光辐射，以将所述光辐射分成分离的波长，

3）柱面镜组调整经过所述透射光栅后的光辐射，使所述分离波长的光辐射从不同的方向上引导至所测量的物体表面，从而使不同波长的光辐射聚焦在被测物体表面法向上的不同高度处；并且在垂直于子午面方向上，不改变辐射光的传播方向，即一次测量时可同时测量垂直子午面方向的一条线形的测量点，在得到被测物体表面的三维面型时，只需进行一个维度的扫描；

4）光辐射处理单元，将完美聚焦在被测物体表面测量点的光辐射在镜面反射方向上引导至所述探测器，使该波长的光辐射在镜面反射后的光路与镜面反射前光路对称，而未能完美聚焦在被测物体表面测量点的光辐射则不被引导至所述探测器；

5）探测器，接收从所测量的物体反射的光辐射对应的波长，根据波长信息得到被测物体表面的面型信息。