CN111426287A - 一种并行彩色共聚焦平面度测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并行彩色共聚焦平面度测量***。该述***中分光镜设置在复色光源的出射光路上；按照设定排布方式排列的多个光纤构成的柔性光纤束设置在分光镜的出射光路上；按照设定排布方式排列的多个微色散透镜单元构成的微色散透镜阵列与柔性光纤束的出射端耦合；微色散透镜阵列的出射光路上设置待测物，使色散后的不同波长的光聚焦在不同位置上；待测物将到达其表面的光反射至分光镜；按照设定排布方式排列的小孔阵列设置在分光镜的反射光路上以透过聚焦在待测物表面的光；彩色相机对透过小孔阵列的光进行拍摄得到彩色图像，进而确定待测物表面的平面度、弯曲度和翘曲度。本发明能实现多点并行测量，提高待测物体的平面度的测量效率。

Description

一种并行彩色共聚焦平面度测量***

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别是涉及一种并行彩色共聚焦平面度测量***。

背景技术

平面度是指基片具有的宏观凹凸高度相对理想平面的偏差，平面度测量是指被测实际表面对其理想平面的变动量。随着科技的发展和生产力的进步，越来越多的领域对物体的平面度、弯曲度以及翘曲度的测量产生很大需求，诸如工业制造、建筑工程、航空航天以及医疗等。在工业制造领域，需要对一些产品零件的平面度进行检测以提高产品质量，通过对平面度、弯曲度以及翘曲度的检测对产品进行分析，以核实产品是否符合设计要求；在建筑工程领域，随着施工要求的提高，越来越需要一个可以实时提供的共同施工基准，因此需要对工业现场平面度进行测量分析；在航空航天以及医疗等领域，仍面临着零件裂纹、空隙和翘曲等很多质量缺陷问题，在对这些零件进行检验的过程中，发现成型过程中的缺陷，通过调节相关参数来修复缺陷或者中止加工过程，都是非常有必要的。

但是传统的平面度测量方法，大多采用人工检测，测量效率和测量精度低，步骤繁琐，不能再满足对工业零件平面度、弯曲度以及翘曲度的需求。因此，越来越多的科研工作者投身于这一领域来开发高科技的平面检测技术，从而实现对零件平面度等的高精度高效率检测。

现有技术中公开了一种非接触式平面度测量装置及测量方法，将待检测工件放置在载物台，而后打开光源和光纤头，利用反射的光波获得检测数据，通过移动载物台获得多个检测点高度值，再利用光谱处理设备比较数据即可得到平面度。该测量装置及测量方法的测量精度高，测量安全性高，可以实现快速地非接触式地测量各种大小尺寸的产品的平面度测量。但是该方案存在如下不足：该方案只能实现单点测量，不能实现并行测量，测量效率较低，无法快速测得待测物体的平面度。

随着技术的发展，彩色共聚焦也广泛应用于平面度、弯曲度以及翘曲度的检测。但现有的彩色共聚焦技术也多为单点测量技术，不能实现多点并行测量，仍然存在测量效率较低，无法快速测得待测物体的平面度的缺点。

发明内容

基于此，有必要提供一种并行彩色共聚焦平面度测量***，以实现多点并行测量，提高测量效率，快速测得待测物体的平面度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种并行彩色共聚焦平面度测量***，包括：复色光源、分光镜、柔性光纤束、微色散透镜阵列、小孔阵列和彩色相机；

所述复色光源用于发出复色光；

所述分光镜设置在所述复色光源的出射光路上，所述分光镜用于将所述复色光传输至所述柔性光纤束；

所述柔性光纤束包括按照设定排布方式排列的多个光纤；所述柔性光纤束设置在所述分光镜的出射光路上；所述柔性光纤束用于将所述复色光分成多束复色光束，并将多束所述复色光束传输至所述微色散透镜阵列；

所述微色散透镜阵列包括按照所述设定排布方式排列的多个微色散透镜单元；所述微色散透镜阵列与所述柔性光纤束的出射端耦合；一个所述光纤对应一个所述微色散透镜单元；所述微色散透镜阵列用于对各所述复色光束分别进行色散，得到不同波长的色散光；波长不同的色散光聚焦在不同的位置上；

所述微色散透镜阵列的出射光路上设置待测物；所述待测物将到达光束反射至所述分光镜；所述到达光束为所述色散光中到达待测物表面的光线；

所述小孔阵列设置在所述分光镜的反射光路上，所述小孔阵列中的多个小孔按照所述设定排布方式排列；所述分光镜还用于将所述到达光束反射至所述小孔阵列；所述小孔阵列用于透过聚焦光；所述聚焦光为所述到达光束中聚焦在所述待测物表面的光；

所述彩色相机设置在所述小孔阵列的出射光路上；所述彩色相机用于拍摄所述聚焦光，得到彩色图像；所述彩色图像用于表征待测物表面的平面度、弯曲度和翘曲度。

可选的，所述设定排布方式是依据所述待测物的大小和形状确定的；按照所述设定排布方式排列的多个微色散透镜单元色散后得到的不同波长的色散光覆盖整个所述待测物的表面。

可选的，所述分光镜与所述小孔阵列之间还设置有聚焦透镜；所述聚焦透镜用于对所述分光镜反射的到达光束进行聚焦。

可选的，所述并行彩色共聚焦平面度测量***还包括载物台；所述载物台用于放置所述待测物。

可选的，所述载物台为固定载物台。

可选的，所述并行彩色共聚焦平面度测量***还包括处理器；所述处理器与所述彩色相机电连接；所述处理器用于根据所述彩色图像中的不同颜色确定与各所述颜色对应的待测物表面上的待测点的高度，得到待测物表面的平面度、弯曲度和翘曲度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种并行彩色共聚焦平面度测量***，采用复色光源，利用按照设定排布方式排列的多个光纤构成的柔性光纤束对复色光源进行分光，其并且，每根光纤都耦合有相应的微色散透镜单元，从而实现了并行色散，获得多个并行光点处的波长和位移的对应关系，确定被测面表面的平面度、弯曲度以及翘曲度，该***采用彩色共聚焦技术避免了普通共焦的轴向扫描，而并行色散的应用又无需单点测量的横向扫描，大大提高了测量效率；并且将小孔阵列中的小孔按照与光纤排布方式相同的方式排列，能够滤除杂散光和干扰光的影响，避免相邻光纤之间的横向串扰，提高了测量精度。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为单点彩色共聚焦原理的示意图；

图2为本发明实施例一种并行彩色共聚焦平面度测量***的结构示意图；

图3为单根光纤和微色散透镜的耦合示意图；

图4为不同排布方式下的光纤束耦合面示意图。

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做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供的并行彩色共聚焦平面度测量***是基于单点彩色共聚焦显微技术原理实现的。图1为单点彩色共聚焦原理的示意图。参见图1，单点彩色共聚焦原理如下：

复色光源前方加入小孔后形成点光源，所发出的光束穿过分光棱镜，并由色散物镜进行轴向色散，此时在物方，不同波长的光线会聚在光轴方向的不同位置上；随着被测物面沿光轴方向移动，所有波长的光束将由被测物表面反射，再经由分光棱镜反射后，通过小孔到达光探测器的表面；其中，像方的小孔能够对光束进行滤波，去除聚焦点以外的其它波长的光线，理论上只允许一种波长的光束通过该小孔。通过建立波长与被测物面轴向位移的关系，即可由所接收到的波长信息获知被测物表面的相对高度信息。

图2为本发明实施例一种并行彩色共聚焦平面度测量***的结构示意图。

参见图2，本实施例的并行彩色共聚焦平面度测量***，包括：复色光源10、分光镜11、柔性光纤束12、微色散透镜阵列13、小孔阵列17和彩色相机18。所述复色光源10用于发出复色光。所述分光镜11设置在所述复色光源10的出射光路上，所述分光镜11用于将所述复色光传输至所述柔性光纤束12。所述柔性光纤束12包括按照设定排布方式排列的多个光纤120；其中光纤120的数量和形状可根据待测物14进行改变调整；所述柔性光纤束12设置在所述分光镜11的出射光路上；所述柔性光纤束12用于将所述复色光分成多束复色光束，并将多束所述复色光束传输至微色散透镜阵列13。所述微色散透镜阵列13包括按照所述设定排布方式排列的多个微色散透镜单元130；所述微色散透镜阵列13与所述柔性光纤束12的出射端耦合；一个所述光纤120对应一个所述微色散透镜单元130；所述微色散透镜单元用于对各所述复色光束分别进行色散，得到不同波长的色散光；波长不同的色散光聚焦在不同的位置上。所述微色散透镜阵列13的出射光路上设置待测物14；所述待测物14将到达光束反射至所述分光镜11；所述到达光束为所述色散光中到达待测物表面的光线。所述小孔阵列17设置在所述分光镜11的反射光路上，所述小孔阵列17中的多个小孔按照所述设定排布方式排列，所述分光镜11还用于将所述到达光束反射至所述小孔阵列17；所述小孔阵列17用于透过聚焦光；所述聚焦光为所述到达光束中聚焦在所述待测物表面的光。所述彩色相机18设置在所述小孔阵列17的出射光路上；所述彩色相机18用于拍摄所述聚焦光，得到彩色图像；所述彩色图像用于表征待测物表面的平面度、弯曲度和翘曲度。所述光纤120的数量、所述微色散透镜单元130的数量和所述小孔的数量相同。其中，单根光纤120和微色散透镜单元130的耦合示意图如图3所示，本实施例可以只通过改变光纤120的根数和排布方式以及与之耦合的微色散透镜单元130的个数和排布方式，从而改变柔性光纤束12以及与之耦合的微色散透镜阵列13的大小和形状。

作为一种可选的实施方式，所述设定排布方式是依据所述待测物14的大小和形状确定的；按照所述设定排布方式排列的多个微色散透镜单元130色散后得到的不同波长的色散光覆盖整个所述待测物14的表面。图4为不同排布方式下的光纤束耦合面示意图，其中，图4的(a)部分、图4的(b)部分、图4的(c)部分、图4的(d)部分、图4的(e)部分、图4的(f)部分表示六种不同的光纤束耦合面。这样通过控制改变光纤120的根数以及与之耦合的微色散透镜单元130的个数，使得柔性光纤束12产生的光点可以覆盖整个被测物面，实现了利用一次拍照的方式即可得到整个被测面的形貌信息，无需进行横向扫描，实现了对被测面表面平面度、弯曲度以及翘曲度的测量，进一步提高了测量效率。

作为一种可选的实施方式，所述分光镜11与所述小孔阵列17之间还设置有聚焦透镜16；所述聚焦透镜16用于对所述分光镜11反射的到达光束进行聚焦。

作为一种可选的实施方式，所述并行彩色共聚焦平面度测量***还包括载物台15；所述载物台15用于放置所述待测物14。

作为一种可选的实施方式，由于通过改变光纤120的根数和排布方式以及与之耦合的微色散透镜单元130的个数和排布方式，可以改变柔性光纤束12的大小和形状，使光纤束12和微色散透镜阵列13的耦合面与被测物面大小和形状相同，使其产生的光点可以覆盖整个被测物面，这样满足了一次拍照实现平面度测量的需求，无需进行横向扫描，因此，所述载物台15可以为固定载物台。

作为一种可选的实施方式，所述并行彩色共聚焦平面度测量***还包括处理器；所述处理器与所述彩色相机18电连接；所述处理器用于根据所述彩色图像中的不同颜色确定与各所述颜色对应的待测物表面上的待测点的高度，得到待测物表面的平面度、弯曲度和翘曲度。

在实际应用中，所述并行彩色共聚焦平面度测量***的实现过程如下：

复色光源10发出的复色光经分光镜11到达柔性光纤束12，通过与光纤120相耦合的微色散透镜单元130对分束光分别进行色散，使不同波长的光聚焦在各自轴向的不同高度位置上，这些光线到达被测物面并被被测物表面反射至分光镜11，由分光镜11再次反射至聚焦透镜16聚焦，其中，只有聚焦在被测物表面的波长的光线，能够通过小孔阵列17，并由彩色相机18拍照得到整个被测物面的彩色图像，而其他波长的光线则会被小孔阵列17相应的小孔滤除。最后，处理器利用现有的相关软件及算法，根据彩色图像中每个被测点的不同颜色得到相对应的不同高度，从而进一步得到被测物体表面平面度、弯曲度以及翘曲度等。其中，小孔阵列17中的小孔和柔性光纤束12中的光纤120的数量和排布方式相同，使得小孔阵列17和柔性光纤束12成像在彩色相机18上的光点具有一一对应的关系，以滤除杂散光和干扰光的影响，避免相邻光纤之间的横向干扰，提高了平面度、弯曲度以及翘曲度的测量精度。

本实施例中的并行彩色共聚焦平面度测量***，通过柔性光纤束12和微色散透镜阵列13的耦合实现并行色散，一次拍照成像的方式仅通过改变柔性光纤束12的大小和形状就可以实现对整个被测物面的测量，既避免了普通共焦的轴向扫描，又无需单点彩色共聚焦测量的横向扫描，大大提高了测量效率；同时，探测光路中可调节的小孔阵列17的应用也在一定程度上提高了***的测量精度和测量分辨率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种并行彩色共聚焦平面度测量***，其特征在于，包括：复色光源、分光镜、柔性光纤束、微色散透镜阵列、小孔阵列和彩色相机；

所述复色光源用于发出复色光；

所述分光镜设置在所述复色光源的出射光路上，所述分光镜用于将所述复色光传输至所述柔性光纤束；

所述柔性光纤束包括按照设定排布方式排列的多个光纤；所述柔性光纤束设置在所述分光镜的出射光路上；所述柔性光纤束用于将所述复色光分成多束复色光束，并将多束所述复色光束传输至所述微色散透镜阵列；

所述微色散透镜阵列包括按照所述设定排布方式排列的多个微色散透镜单元；所述微色散透镜阵列与所述柔性光纤束的出射端耦合；一个所述光纤对应一个所述微色散透镜单元；所述微色散透镜单元用于对各所述复色光束分别进行色散，得到不同波长的色散光；波长不同的色散光聚焦在不同的位置上；

所述微色散透镜阵列的出射光路上设置待测物；所述待测物将到达光束反射至所述分光镜；所述到达光束为所述色散光中到达待测物表面的光线；

所述小孔阵列设置在所述分光镜的反射光路上，所述小孔阵列中的多个小孔按照所述设定排布方式排列；所述分光镜还用于将所述到达光束反射至所述小孔阵列；所述小孔阵列用于透过聚焦光；所述聚焦光为所述到达光束中聚焦在所述待测物表面的光；

所述彩色相机设置在所述小孔阵列的出射光路上；所述彩色相机用于拍摄所述聚焦光，得到彩色图像；所述彩色图像用于表征待测物表面的平面度、弯曲度和翘曲度。

2.根据权利要求1所述的一种并行彩色共聚焦平面度测量***，其特征在于，所述设定排布方式是依据所述待测物的大小和形状确定的；按照所述设定排布方式排列的多个微色散透镜单元色散后得到的不同波长的色散光覆盖整个所述待测物的表面。

3.根据权利要求1所述的一种并行彩色共聚焦平面度测量***，其特征在于，所述分光镜与所述小孔阵列之间还设置有聚焦透镜；所述聚焦透镜用于对所述分光镜反射的到达光束进行聚焦。

4.根据权利要求1所述的一种并行彩色共聚焦平面度测量***，其特征在于，还包括载物台；所述载物台用于放置所述待测物。

5.根据权利要求3所述的一种并行彩色共聚焦平面度测量***，其特征在于，所述载物台为固定载物台。

6.根据权利要求1所述的一种并行彩色共聚焦平面度测量***，其特征在于，还包括处理器；所述处理器与所述彩色相机电连接；所述处理器用于根据所述彩色图像中的不同颜色确定与各所述颜色对应的待测物表面上的待测点的高度，得到待测物表面的平面度、弯曲度和翘曲度。

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