CN112781526A - 并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***与方法，该***包括并行彩色共聚焦测量***和能对测量数据进行误差补偿的数据处理***。并行彩色共聚焦测量***包括复色光源、准直透镜、色散管镜、数字微镜器件、分光模块、载物模块和彩色相机。复色光源发出的单束光依次透过准直透镜和色散管镜到达数字微镜器件中，反馈出光点阵列通过分光模块照射在载物模块，被载物模块反射后的光点阵列再次透过分光模块进入彩色相机中，通过彩色相机传输到数据处理***。本发明通过对光轴外的光色散数据的分析补偿，可以消除由于轴外光色散引起的***误差，解决并行彩色共聚焦***轴外光色散优化问题，提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，具体而言，涉及一种用于并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***与方法。
背景技术
随着科技的飞速发展，制造技术的不断进步，尤其随着精密加工技术的发展，对于零件微表面形貌的测量要求朝着更高的纵、横向分辨率，更好的稳定性，以及更快的速度等方面发展，源于共聚焦测量技术的并行彩色共聚焦测量方法成为了近年来国内外专家学者关注的热点。该方法不依赖于轴向层析技术，不需垂直于光轴方向的二维横向扫描，并且不需横向扫描即可一次获取多点数据，极大地缩短了检测时间，提高了测量效率。然而，由于轴外光易受像差的影响，致使彩色共聚焦测量***中的色散器件只针对轴上光进行色散优化，轴外光线数据不被***采用，使得***横向测量范围受到限制，一定程度上限制了测量效率。
发明内容
本发明的目的是提出一种针对并行彩色共聚焦测量***的轴外光色散误差消除***与方法，能解决并行彩色共聚焦测量***中轴外光点误差问题。
为了实现本发明目的，本发明提出一种并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***，包括并行彩色共聚焦测量***和能对测量数据进行误差补偿的数据处理***。所述并行彩色共聚焦测量***包括复色光源、准直透镜、色散管镜、数字微镜器件、分光模块、载物模块和彩色相机。所述彩色相机连接于所述数据处理***。
所述复色光源朝向同线的所述准直透镜、色散管镜和数字微镜器件。
所述复色光源发出的单束光依次透过准直透镜和色散管镜到达数字微镜器件中，反馈出光点阵列通过分光模块照射在载物模块，被载物模块反射后的光点阵列再次透过分光模块进入彩色相机中，通过彩色相机传输到数据处理***。
作为本发明的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***的进一步改进，所述分光模块包括第一透镜组、分光镜、第二透镜组和第三透镜组；所述分光镜的上方设置水平的所述第一透镜组，分光镜的左侧设置竖直的所述第二透镜组，分光镜的右侧设置竖直的所述第三透镜组；所述第一透镜组的上方设置所述数字微镜器件；所述第二透镜组的左侧设置所述载物模块；所述第三透镜组的右侧设置所述彩色相机。
作为本发明的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***的进一步改进，所述载物模块平行于所述第二透镜组。
作为本发明的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***的进一步改进，被载物模块反射后的光点阵列透过分光模块进入彩色相机的光路中心为光轴，所述载物模块搭载被测物沿光轴方向移动。
作为本发明的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***的进一步改进，所述载物模块为沿光轴方向移动的二维运动载物台。
本发明还提出一种并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除方法，应用于上述的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***。本方法中，所述数据处理***获取所述并行彩色共聚焦测量***采集到的被测物表面信息，并对获取到的被测物表面数据信息进行分析，再对轴外光色散误差进行补偿消除，以解决并行彩色共聚焦测量***中轴外光点误差问题，得到准确的被测物表面形貌特征。
作为本发明的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除方法的进一步改进，所述并行彩色共聚焦测量***采集被测物表面信息的过程为：
所述复色光源发出的单束光依次透过准直透镜和色散管镜到达数字微镜器件中，数字微镜器件将单光束调制成光点阵列，反馈出的光点阵列透过第一透镜组、经过分光镜反射、透过第二透镜组照射在载物模块上的被测物表面，被测物表面反射后的光点阵列透过第二透镜组、分光镜和第三透镜组，进入彩色相机中。
作为本发明的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除方法的进一步改进，所述对获取到的被测物表面数据信息进行分析，再对轴外光色散误差进行补偿消除，通过如下步骤实现：
S1，所述数据处理***对所获取的光点阵列信息，分析每个光点对应的波长值，绘制“光点位置-波长”曲面；
S2，以光轴上光点波长值为标准，计算光轴外光点相对于光轴上光点波长值偏移量，利用光点的波长值偏移量和对应的光点位置绘制“光点-误差”曲面；
S3，利用步骤S2所获得的“光点-误差”曲面，对测量数据进行误差补偿，获得误差补偿过后的被测物表面形貌特征。
作为本发明的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除方法的进一步改进，步骤S1中，所述载物模块搭载被测物沿光轴方向移动，每移动一个位置，所述彩色相机接收被测物反馈的光点阵列信息，传输至所述数据处理***，所述数据处理***对每个位置对应获得的光点阵列信息进行分析，并通过步骤S2和步骤S3获得最佳的被测物表面形貌特征。
现有并行彩色共聚焦测量方法没有对轴外光色散误差进行分析，只针对轴上光色散进行研究。本发明的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***和方法，通过对光轴外的光色散数据的分析补偿，可以消除由于轴外光色散引起的***误差，解决并行彩色共聚焦***轴外光色散优化问题，提高测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的某些实施例，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是本发明并行彩色共聚焦测量***图。
图2是理想光学***“光点-波长”曲面图。
图3是实际测量***轴外光同一波长的光线与轴上光同一波长的光线聚焦在不同高度的“光点-波长”曲面图。
图4是轴外光色散误差补偿前、后的示意图。
图中标记：并行彩色共聚焦测量***100、数据处理***200、复色光源101、准直透镜102、色散管镜103、数字微镜器件104、分光模块105、载物模块106和彩色相机107、第一透镜组105a、分光镜105b、第二透镜组105c、第三透镜组105d。
具体实施方式
在介绍本发明的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***和方法之前，先对并行彩色共聚焦***测量原理进行说明。
彩色共聚焦测量是以复色光作为光源，复色光发出的光束中，不同波长的光线被色散物镜汇聚在光轴方向上的不同位置，随着被测物面高度的变化，进入到光电探测器的光线波长也发生改变，利用光电探测器获取从被测物面反射回来的光点的光谱信息，从而可获得被测物表面的轴向位置信息。并行彩色共聚焦测量技术是在光路中引入一个光分束器件，将单光束分割为多光束，每一个光束即可看作一个单点彩色共聚焦测量***，将单点测量变为多个光点的同步测量，提高测量速度。现有并行彩色共聚焦测量方只针对轴上光色散进行研究，没有对轴外光色散进行分析。理想光学***中，整个光点阵列中每个光点构成的彩色共聚焦测量***是相同的，同级波长聚焦在相面的同一位置，如图2所示。但是在实际测量***中，经由实际测量结果可得到，轴上光与轴外光色散存在差异，轴外光同一波长的光线与轴上光同一波长的光线聚焦在不同高度上，也就是同一轴向位置中心区域与边缘的光点颜色不同，如图3所示。利用本发明的反向数值补偿，即可消除这种差异，可以进一步提高并行彩色共聚焦测量***的测量效率，如图4所示，图4左边是补偿前的光点阵列图，图4右边补偿后的光点阵列图。因此本发明提供的一种并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***和方法，能提高并行彩色共聚焦测量***的测量效率。
下面对本发明实施例中的测量***和误差补偿方法进行描述，显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，任何其他的实现并行彩色共聚焦测量的测量***的实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术中没有针对并行彩色共聚焦测量***中轴外光色散误差的分析补偿，本发明提出一种并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***，包括并行彩色共聚焦测量***100和能对测量数据进行误差补偿的数据处理***200。其中，并行彩色共聚焦测量***100主要用于输出并行彩色光束，采集被测物表面反射回来的反射光点阵列，数据处理***200基于上述获取的反射光点阵列，得到每个光点的数据，进行分析处理，获得***的轴外光色散误差并对测量数据进行误差补偿，从而消除并行彩色共聚焦测量***的轴外光色散误差。
所述并行彩色共聚焦测量***100包括复色光源101、准直透镜102、色散管镜103、数字微镜器件104、分光模块105、载物模块106和彩色相机107。所述彩色相机107连接于所述数据处理***200。
所述复色光源101朝向同线的所述准直透镜102、色散管镜103和数字微镜器件104。
所述复色光源101发出的单束光依次透过准直透镜102和色散管镜103到达数字微镜器件104中，经数字微镜器件104调制成光点阵列，光点阵列通过分光模块105照射在载物模块106，被载物模块106反射后的光点阵列再次透过分光模块105进入彩色相机107中，通过彩色相机107传输到数据处理***200。
所述分光模块105包括第一透镜组105a、分光镜105b、第二透镜组105c和第三透镜组105d；所述分光镜105b的上方设置水平的所述第一透镜组105a，分光镜105b的左侧设置竖直的所述第二透镜组105c，分光镜105b的右侧设置竖直的所述第三透镜组105d；所述第一透镜组105a的上方设置所述数字微镜器件104；所述第二透镜组105c的左侧设置所述载物模块106；所述第三透镜组105d的右侧设置所述彩色相机107。
所述载物模块106平行于所述第二透镜组105c。
被载物模块106反射后的光点阵列透过分光模块105进入彩色相机107的光路中心为光轴。所述载物模块106为沿光轴方向移动的二维运动载物台，搭载被测物沿光轴方向移动，被测物表面处在光轴位置不同时，所述彩色相机107接收到的光点阵列的颜色亦会发生变化。三个透镜组与一分光镜，间形成远心光路***，使得载物模块106沿光轴方向移动时，所述彩色相机107捕获的图像不会产生横向偏移。
本发明还提出一种并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除方法，应用于上述的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***。本方法中，所述数据处理***200获取所述并行彩色共聚焦测量***100采集到的被测物表面信息，并对获取到的被测物表面数据信息进行分析，再对轴外光色散误差进行补偿消除，以解决并行彩色共聚焦测量***中轴外光点误差问题，得到准确的被测物表面形貌特征。
具体的，所述并行彩色共聚焦测量***100采集被测物表面信息的过程为：
所述复色光源101发出的单束光依次透过准直透镜102和色散管镜103到达数字微镜器件104中，数字微镜器件104将单光束调制成光点阵列，反馈出的光点阵列透过第一透镜组105a、经过分光镜105b反射、透过第二透镜组105c射在载物模块106上的被测物表面，被测物表面反射后的光点阵列透过第二透镜组105c、分光镜105b和第三透镜组105d，进入彩色相机107中。在一种实施方式中，以平面反射镜作为被测物体，通过所述彩色面阵相机得到光点阵列数据。
具体的，所述对获取到的被测物表面数据信息进行分析，再对轴外光色散误差进行补偿消除，通过如下步骤实现：
S1，所述数据处理***200对所获取的光点阵列信息，分析每个光点对应的波长值，绘制“光点位置-波长”曲面；
S2，以光轴上光点波长值为标准，计算光轴外光点相对于光轴上光点波长值偏移量，利用光点的波长值偏移量和对应的光点位置绘制“光点-误差”曲面；
S3，利用步骤S2所获得的“光点-误差”曲面，对测量数据进行误差补偿，获得误差补偿过后的被测物表面形貌特征。
步骤S1中，所述载物模块106搭载被测物沿光轴方向移动，每移动一个位置，所述彩色相机107接收被测物反馈的光点阵列信息，传输至所述数据处理***200，所述数据处理***200对每个位置对应获得的光点阵列信息进行分析，并通过步骤S2和步骤S3获得最佳的被测物表面形貌特征。
现有并行彩色共聚焦测量方法没有对轴外光色散误差进行分析，只针对轴上光色散进行研究。本发明的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***和方法，通过对光轴外的光色散数据的分析补偿，可以消除由于轴外光色散引起的***误差，解决并行彩色共聚焦***轴外光色散优化问题，提高测量精度。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***，其特征在于：包括并行彩色共聚焦测量***(100)和能对测量数据进行误差补偿的数据处理***(200)；所述并行彩色共聚焦测量***(100)包括复色光源(101)、准直透镜(102)、色散管镜(103)、数字微镜器件(104)、分光模块(105)、载物模块(106)和彩色相机(107)；所述彩色相机(107)连接于所述数据处理***(200)；
所述复色光源(101)朝向同线的所述准直透镜(102)、色散管镜(103)和数字微镜器件(104)；
所述复色光源(101)发出的单束光依次透过准直透镜(102)和色散管镜(103)到达数字微镜器件(104)中，反馈出光点阵列通过分光模块(105)照射在载物模块(106)，被载物模块(106)反射后的光点阵列再次透过分光模块(105)进入彩色相机(107)中，通过彩色相机(107)传输到数据处理***(200)。
2.根据权利要求1所述的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***，其特征在于：所述分光模块(105)包括第一透镜组(105a)、分光镜(105b)、第二透镜组(105c)和第三透镜组(105d)；所述分光镜(105b)的上方设置水平的所述第一透镜组(105a)，分光镜(105b)的左侧设置竖直的所述第二透镜组(105c)，分光镜(105b)的右侧设置竖直的所述第三透镜组(105d)；所述第一透镜组(105a)的上方设置所述数字微镜器件(104)；所述第二透镜组(105c)的左侧设置所述载物模块(106)；所述第三透镜组(105d)的右侧设置所述彩色相机(107)。
3.根据权利要求2所述的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***，其特征在于：所述载物模块(106)平行于所述第二透镜组(105c)。
4.根据权利要求2所述的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***，其特征在于：被载物模块(106)反射后的光点阵列透过分光模块(105)进入彩色相机(107)的光路中心为光轴，所述载物模块(106)搭载被测物沿光轴方向移动。
5.根据权利要求4所述的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***，其特征在于：所述载物模块(106)为沿光轴方向移动的二维运动载物台。
6.一种并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除方法，其特征在于：应用于权力要求2～5任意一项所述的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除***；所述数据处理***(200)获取所述并行彩色共聚焦测量***(100)采集到的被测物表面信息，并对获取到的被测物表面数据信息进行分析，再对轴外光色散误差进行补偿消除。
7.根据权利要求6所述的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除方法，其特征在于，所述并行彩色共聚焦测量***(100)采集被测物表面信息的过程为：
所述复色光源(101)发出的单束光依次透过准直透镜(102)和色散管镜(103)到达数字微镜器件(104)中，数字微镜器件(104)将单光束调制成光点阵列，反馈出的光点阵列透过第一透镜组(105a)、经过分光镜(105b)反射、透过第二透镜组(105c)照射在载物模块(106)上的被测物表面，被测物表面反射后的光点阵列透过第二透镜组(105c)、分光镜(105b)和第三透镜组(105d)，进入彩色相机(107)中。
8.根据权利要求6所述的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除方法，其特征在于，所述对获取到的被测物表面数据信息进行分析，再对轴外光色散误差进行补偿消除，通过如下步骤实现：
S1，所述数据处理***(200)对所获取的光点阵列信息，分析每个光点对应的波长值，绘制“光点位置-波长”曲面；
S2，以光轴上光点波长值为标准，计算光轴外光点相对于光轴上光点波长值偏移量，利用光点的波长值偏移量和对应的光点位置绘制“光点-误差”曲面；
S3，利用步骤S2所获得的“光点-误差”曲面，对测量数据进行误差补偿，获得误差补偿过后的被测物表面形貌特征。
9.根据权利要求8所述的并行彩色共聚焦测量的轴外光色散误差消除方法，其特征在于：步骤S1中，所述载物模块(106)搭载被测物沿光轴方向移动，每移动一个位置，所述彩色相机(107)接收被测物反馈的光点阵列信息，传输至所述数据处理***(200)，所述数据处理***(200)对每个位置对应获得的光点阵列信息进行分析，并通过步骤S2和步骤S3获得最佳的被测物表面形貌特征。
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