CN113358060B - 基于共焦光路的三维测量***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于共焦光路的三维测量***，包括：照明组件，用于输出入射光线；色散物镜组件，用于将入射光线色散展开成不同波长的光线，将其中目标波长的光线分别聚焦在被测物的对应测量点上，并接收由测量点反射的出射光线；滤波组件，设置于照明组件和色散物镜组件之间，包括小孔掩膜阵列板，设置有若干个间隔设置的小孔，每个测量点反射的出射光线分别聚焦至其对应的小孔；分光成像组件，用于接收穿过小孔的出射光线，并将每个小孔穿过的出射光线分别聚焦在成像面上与小孔和测量点对应的像面坐标。其可以解决现有的三维测量***采用复杂的光纤拼凑在一起传输光线导致工艺难度大，无法做到被测物上多点同时准确测量的问题。

Description

基于共焦光路的三维测量***和方法

技术领域

本发明涉及物体三维信息测量技术领域，尤其涉及到一种基于共焦光路的三维测量***和一种基于共焦光路的三维测量方法。

背景技术

目前用于二维(2D)和三维(3D)物体测量的各种成像***已经被开发，其中用于测量三维(3D)宏观结构的技术已经受到越来越多的关注，特别是在光学、电子和半导体工业中用于高级产品开发和其质量控制。例如许多常用于测量3D宏观结构的已知成像技术包括相移方法、光学相干断层扫描和全息术等。但是，这些可用的光学成像方法往往无法达到人们满意的效果，尤其是在***的测量速度和精度、以及所获取图像的质量方面。并且，现有的测量***采用复杂的光线拼凑起来传导光路，工艺难度大、成本高，同时光源光路与被测物反射光路之间成一定夹角的方式也会导致视野盲区。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明实施例提供了一种基于共焦光路的三维测量***和方法，其可以解决现有的三维测量***采用复杂的光纤拼凑在一起传输光线导致工艺难度大，无法做到被测物上多点同时准确测量的问题。

具体的，本发明提供一种基于共焦光路的三维测量***，包括：照明组件、滤波组件、色散物镜组件和分光成像组件；所述照明组件用于输出入射光线；所述色散物镜组件用于将所述入射光线中不同波长的光线色散展开，将所述不同波长的光线中的目标波长的光线分别聚焦在被测物的对应测量点上，并接收由所述测量点反射的目标波长的出射光线；所述滤波组件设置于所述照明组件和所述色散物镜组件之间，包括小孔掩膜阵列板，所述小孔掩膜阵列板上设置有若干个间隔设置的小孔，目标波长的所述出射光线分别聚焦至其对应的所述小孔；每个所述测量点反射的所述分光成像组件用于接收穿过所述小孔的所述出射光线，并将目标波长的所述出射光线分别聚焦在成像面上与所述小孔和所述测量点对应的像面坐标。

在本发明的一个实施例中，所述滤波组件还包括：半透半反镜，所述色散物镜组件与所述照明组件同轴设置，所述入射光线与经由所述半透半反镜反射之前的所述出射光线的光路相平行。

在本发明的一个实施例中，所述小孔掩膜阵列板设置于所述半透半反镜和所述色散物镜组件之间或者分别设置于所述照明组件和所述半透半反镜之间以及所述半透半反镜和所述分光成像组件之间。

在本发明的一个实施例中，某一时刻所述色散物镜组件将目标波长的所述入射光线聚焦在所述被测物的对应高度，且所述被测物在测量时沿着不同于所述高度的方向移动，所述小孔掩膜阵列板上的同一个所述小孔对应的所述测量点随着所述被测物的移动相应改变，其聚焦的所述出射光线的波长随着对应的所述测量点在所述被测物的高度变化而相应变化。

在本发明的一个实施例中，所述分光成像组件包括：分光装置和设置于所述分光装置两侧的远心准直透镜组合和远心汇聚透镜组合，通过所述小孔掩膜阵列板的所述出射光线透过所述远心准直透镜组合后到达所述分光装置，所述分光装置将通过同一个所述小孔的所述出射光线根据不同波长分开，并通过远心汇聚透镜组合将不同波长的所述出射光线聚焦在所述成像面上对应的所述像面坐标。

在本发明的一个实施例中，所述分光装置为棱镜或光栅；所述小孔掩膜阵列板上的小孔的形状包括：圆形、三角形和平行四边形。

另外，本发明实施例提出一种基于共焦光路的三维测量方法，适用于前述实施例中任意一项所述的基于共焦光路的三维测量***，包括：由照明组件输出入射光线；所述入射光线穿过小孔掩膜阵列板后到达色散物镜组件，由所述色散物镜组件将所述入射光线中不同波长的光线色散展开，将所述不同波长的光线中的目标波长的光线分别聚焦在被测物的对应测量点上；由所述色散物镜组件接收所述测量点反射的目标波长的出射光线，将每个所述测量点反射的目标波长的所述出射光线分别聚焦至所述小孔掩膜阵列板上对应位置的小孔；由分光成像组件将穿过每个所述小孔的目标波长的所述出射光线分别聚焦在成像面上与所述小孔和所述测量点对应的像面坐标。

在本发明的一个实施例中，所述入射光线到达所述色散物镜组件之前还透过半透半反镜，所述出射光线通过所述色散物镜组件后由所述半透半反镜反射出去，所述入射光线与经由所述半透半反镜反射之前的所述出射光线的光路相平行。

在本发明的一个实施例中，某一时刻目标波长的所述入射光线通过轴向色散聚焦在所述被测物的测量点上，穿过同一个所述小孔的所述出射光线通过径向色散聚焦于与所述目标波长在所述成像面上对应的像面坐标。

在本发明的一个实施例中，通过目标波长的所述出射光线通过远心光路并经由光栅分光后聚焦在所述成像面上对应的像面坐标处成像。

由上可知，本发明的上述实施例可以具有以下一个或多个有益效果：

（1）避免了采用复杂的光纤拼凑作为光线传导介质，***结构简单，节省成本，并且通过色散物镜组件将目标波长的入射光线分别聚焦在被测物对应的测量点上，由每个测量点反射的目标波长的出射光线分别通过小孔掩膜阵列板上对应的小孔，最后通过分光***成像，能够极大的提升光路的纵向信噪比和横向信噪比，提升获取的图像品质；

（2）照明组件与色散物镜组件同轴设置，入射光线与被测物反射的出射光线的光路平行，避免了采用斜入斜出的光路方案导致产生视野盲区的问题；

（3）被测物在测量时沿着不同于所述高度的方向移动，小孔掩膜阵列板上同一个小孔对应的所述测量点随着所述被测物的移动相应改变，其聚焦的出射光线的波长随着对应的所述测量点在被测物的高度变化而相应变化，且由于小孔掩膜阵列上间隔设置的多个小孔与被测物上的测量点一一对应，每个小孔分别聚焦其对应的测量点反射的不同波长的出射光线，因此能够同时扫描测量被测物上的多个位置点，极大的提升了***检测速度；

分光成像组件采用远心光路分光，使得不同视场的光线平行准直，最终在成像面上能够以得到无畸变的光路。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种基于共焦光路的三维测量***的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于共焦光路的三维测量***的结构示意图；

图3a为本发明实施例提供的一种小孔掩膜阵列板的结构示意图；

图3b为本发明实施例提供的另一种小孔掩膜阵列板的结构示意图；

图3c为本发明实施例提供的又一种小孔掩膜阵列板的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基于共焦光路的三维测量方法的流程图。

附图标记说明

11：照明组件；12：色散物镜组件；13：滤波组件；131：半透半反镜；132：小孔掩膜阵列板；14：分光成像组件；141：分光装置；142：远心准直透镜组合；143：远心汇聚透镜组合；

S11至S14：基于共焦光路的三维测量方法的步骤。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相组合。下面将参考附图并结合实施例来说明本发明。

为了使本领域普通技术人员更好地理解本发明的技术方案，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，都应当属于本发明的保护范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等适用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外。术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备国有的其它步骤或单元。

还需要说明的是，本发明中多个实施例的划分仅是为了描述的方便，不应构成特别的限定，各种实施例中的特征在不矛盾的情况下可以相结合，相互引用。

【第一实施例】

如图1所示，本发明第一实施例提出一种基于共焦光路的三维测量***，例如包括：照明组件11、色散物镜组件12、滤波组件13、和分光成像组件14。

其中，照明组件11例如包括狭缝光源111，由狭缝光源111输出高亮度的入射光线，进一步的，该入射光线例如经过一透镜组合后到达滤波组件13，该透镜组合包括一个或多个镜片，用于调制入射光线的光路，提高光线的准直度和亮度。

滤波组件13设置于照明组件11和色散物镜组件12之间，例如包括半透半反镜131和小孔掩膜阵列132；其中，半透半反镜131相对于入射光线倾斜设置，在一个实施方式中，小孔掩膜阵列132设置于半透半反镜131和色散物镜组件12之间，小孔掩膜阵列132上设置有若干个间隔设置的透光小孔，所述入射光线依次透过半透半反镜131和小孔掩膜阵列132后到达色散物镜组件12。

色散物镜组件12用于对入射光线进行色散，色散后不同波长的光线中的目标波长的光线分别聚焦在被测物的对应测量点上，并接收由该测量点反射形成的目标波长的出射光线。举例而言，如图1中所示，色散物镜组件12包括多个镜片组合，通过控制各镜片厚度以及镜片间的距离等参数，使其能将不同波长的入射光线在轴向上展开，得到目标波长分别为λ1、λ2和λ3的光线，且分别正好聚焦在被测物小球的高度h1、高度h2和高度h3的测量点上，并经由被测物小球反射后形成目标波长的出射光线回到色散物镜组件12。

承上所述，波长为λ1、λ2和λ3的出射光线携带的被测物位置信息例如分别记作（x1，h1）、（x2，h2）和（x3，h3），而出射光线透过色散物镜组件12后聚焦至小孔掩膜阵列板132所在的平面。特别的，不同波长的出射光线只有在小孔掩膜阵列板132上对应的小孔中才能汇聚到足够小，例如波长λ1的出射光线聚焦于小孔x1`，波长λ2和λ3的出射光线分别聚焦于小孔x2`和x3`，对不同的小孔而言，非目标波长的光线随着波长偏离目标波长的程度会越来越发散，因此就会被小孔掩膜阵列板132阻隔滤除。如此一来，通过小孔掩膜阵列板132和色散物镜组件13的设计能够滤除同一个点的非目标色光，只通过想要的波长，极大的提高了纵向信噪比，同时由于各小孔间隔设置，相邻物点之间的检测信息不会相互串扰，也提高了横向信噪比，提到了***测量的准确度。

通过小孔掩膜阵列板132的出射光线经由半透半反镜131反射至分光成像组件14，进一步的，色散物镜组件12与照明组件11同轴设置，所述入射光线与经由半透半反镜131反射之前的所述出射光线的光路相平行。如此一来，能够准确接收被测物上各个物点反射的光线，避免了采用斜入斜出的光路方案导致产生视野盲区的问题。

在一个实施方式中，如图2所示，两个小孔掩膜阵列板132例如分别设置于照明组件11和半透半反镜131之间以及半透半反镜131和分光成像组件14之间，所述入射光线依次透过第一个小孔掩膜阵列板132和半透半反镜131后到达色散物镜组件12，所述出射光线通过色散物镜组件12后由半透半反镜131反射至第二个小孔掩膜阵列板132，两个小孔掩膜阵列板132上的小孔一一对应，不同波长的所述出射光显穿过第二个小孔掩膜阵列板132到达分光成像组件14。通过该实施方式的滤波组件13同样能够达到上述有益效果。

在一个实施方式中，如图3a至3c所示，小孔掩膜阵列板131上的小孔的形状例如包括：圆形、三角形和平行四边形，其排列方式可以是规则的均匀间隔设置，也可以是不规则的排列方式，如间距逐渐增大或逐渐减小。值得一提的是，在本发明的其它实施方式中，小孔掩膜阵列板131上的小孔还可以是其它形状和排列方式，通过控制小孔之间的间距、直径等参数，能够用于实现对目标物点反射的目标波长的光线进行滤波即可，本发明并不以此为限制。

分光成像组件14用于将接收由半透半反镜131反射的所述出射光线，并将不同波长的所述出射光线分别聚焦在成像面上与所述小孔和所述测量点对应的像面坐标，提到的成像面例如为相机感光元件的成像面。举例而言，波长为λ1的出射光线携带的被测物位置信息为（x1，h1），穿过小孔掩膜阵列板131上的小孔x1`后聚焦在成像面上的像面坐标点为（x1``,y1），波长为λ2的出射光线携带的被测物位置信息为（x2，h2），穿过小孔掩膜阵列板131上的小孔x2`后聚焦在成像面上的像面坐标点为（x2``,y2），同理，例如被测物的一条扫描线上采样n个点，则波长为λn的出射光线携带的被测物位置信息为（xn，hn），穿过小孔掩膜阵列板131上的小孔xn`后聚焦在成像面上的像面坐标点为（xn``,yn）。

进一步的，被测物在测量时沿着不同于所述高度的方向移动，例如沿着垂直于所述高度的方向移动，小孔掩膜阵列板上的同一个小孔对应的所述测量点随着所述被测物的移动相应改变，其聚焦的出射光线的波长随着对应的所述测量点在被测物的高度变化而相应变化，如图中被测物小球从右至左移动时，通过任意一个所述小孔的出射光线的波长依次为λ1、λ2……λn，这样就完成了一条扫描线上的坐标转换。值得一提的是，被测物的不同扫描线之间的扫描方式和坐标转换方式相同，随着扫描的进行，多条扫描线形成扫描面，最终得到被测物图像。如此一来，由于小孔掩膜阵列上间隔设置的多个小孔分别对应聚焦被测物上不同高度位置反射的不同波长的出射光线，因此能够同时准确测量被测物上多个位置点的信息，极大的提高了***检测速度。

进一步的，分光成像组件14例如包括：分光装置141和设置于分光装置141两侧的远心准直透镜组合142和远心汇聚透镜组合143，半透半反镜131反射的出射光线透过远心准直透镜组合142后到达分光装置141，分光装置141将所述出射光线根据不同波长分开，并通过远心汇聚透镜组合143将通过同一个所述小孔的出射光线聚焦在成像面上的对应的像面坐标。进一步的，提到的分光装置141例如为棱镜、光栅等分光装置，用于对通过同一个小孔的不同波长的出射光线进行横向色散，聚焦在成像面上对应的像面坐标处成像。分光成像组件14通过在分光装置141的两侧采用远心光路分光，使得不同视场的光线平行准直，最终在成像面上能够以得到无畸变的光路。

综上所述，本发明实施例提出的一种基于共焦光路的三维测量***，避免了采用复杂的光纤拼凑作为光线传导介质，***结构简单，节省成本，并且通过色散物镜组件将目标波长的入射光线分别聚焦在被测物对应的测量点上，由每个测量点反射的目标波长的出射光线分别通过小孔掩膜阵列板上对应的小孔，最后通过分光***成像，能够极大的提升光路的纵向信噪比和横向信噪比，提升获取的图像品质；照明组件与色散物镜组件同轴设置，入射光线与被测物反射的出射光线的光路平行，避免了采用斜入斜出的光路方案导致产生视野盲区的问题；被测物在测量时沿着不同于所述高度的方向移动，小孔掩膜阵列板上同一个小孔对应的所述测量点随着所述被测物的移动相应改变，其聚焦的目标波长的出射光线随着对应的所述测量点在被测物的高度变化而相应变化，且由于小孔掩膜阵列上间隔设置的多个小孔与被测物上的测量点一一对应，每个小孔分别聚焦其对应的测量点反射的不同波长的出射光线，因此能够同时扫描测量被测物上的多个位置点，极大的提升了***检测速度；分光成像组件采用远心光路分光，使得不同视场的光线平行准直，最终在成像面上能够以得到无畸变的光路。

【第二实施例】

如图3所示，本发明第二实施例提出一种基于共焦光路的三维测量方法，例如包括步骤S11至S14。其中，步骤S11由照明组件输出入射光线；步骤S12所述入射光线穿过小孔掩膜阵列板后到达色散物镜组件，由色散物镜组件将所述入射光线中不同波长的光线色散展开，将所述不同波长的光线中的目标波长的光线分别聚焦在被测物的对应测量点上；步骤S13由所述色散物镜组件接收所述测量点反射的目标波长的出射光线；步骤S14将每个所述测量点反射的目标波长的所述出射光线分别聚焦至所述小孔掩膜阵列板上对应位置的小孔；步骤S15由分光成像组件将穿过每个所述小孔的目标波长的所述出射光线分别聚焦在成像面上与所述小孔和所述测量点对应的像面坐标。

进一步的，所述照明组件与所述色散物镜组件同轴设置，所述入射光线到达所述色散物镜组件之前还透过半透半反镜，所述出射光线通过所述色散物镜组件后由所述半透半反镜反射出去，所述入射光线与经由所述半透半反镜反射之前的所述出射光线的光路相平行。

进一步的，某一时刻目标波长的所述入射光线通过轴向色散聚焦在所述被测物位于不同高度的测量点，而在被测物测量过程中的不同时刻，穿过同一个所述小孔的所述出射光线通过径向色散聚焦于与所述目标波长在所述成像面上对应的像面坐标，由于该目标波长与测量点在被测物的高度相对应，因此能够通过所述像面坐标获取所述测量点的高度信息。

进一步的，目标波长的所述出射光线通过远心光路并经由光栅分光后聚焦在所述成像面上对应的像面坐标处成像。

值得一提的是，本发明第二实施例提出基于共焦光路的三维测量方法适用于前述第一实施例中提出的基于共焦光路的三维测量***，具体的基于共焦光路的三维测量***可参考第一实施例所述的***，为了简洁在此不再赘述，且本实施例提供基于共焦光路的三维测量***的有益效果同第一实施例提供的基于共焦光路的三维测量方法的有益效果相同。

此外，可以理解的是，前述各个实施例仅为本发明的示例性说明，在技术特征不冲突、结构不矛盾、不违背本发明的发明目的前提下，各个实施例的技术方案可以任意组合、搭配使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于共焦光路的三维测量***，其特征在于，包括；照明组件（11）、色散物镜组件（12）、滤波组件（13）和分光成像组件（14）；

所述照明组件（11）用于输出入射光线；

所述色散物镜组件（12）与所述照明组件（11）同轴设置，用于将所述入射光线中不同波长的光线色散展开，将所述不同波长的光线中的目标波长的光线分别聚焦在被测物不同高度方向上和不同水平方向上的对应测量点上，并接收由所述测量点反射的目标波长的出射光线；

所述滤波组件（13）设置于所述照明组件（11）和所述色散物镜组件（12）之间，包括小孔掩膜阵列板（132）和半透半反镜（131），所述小孔掩膜阵列板（132）上设置有多行多列若干个间隔设置的小孔，分别与所述测量点一一对应设置，每个所述测量点反射的目标波长的所述出射光线分别聚焦至所述小孔掩膜阵列板（132）上与其对应行列所在的所述小孔；所述小孔掩膜阵列板（132）设置于所述半透半反镜（131）和所述色散物镜组件（12）之间或者分别设置于所述照明组件（11）和所述半透半反镜（131）之间以及所述半透半反镜（131）和所述分光成像组件（14）之间；所述入射光线与经由所述半透半反镜（131）反射之前的所述出射光线的光路相平行；

所述分光成像组件（14）用于接收穿过所述小孔的所述出射光线，并将穿过每个所述小孔的目标波长的所述出射光线分别聚焦在成像面上与所述小孔和所述测量点对应的像面坐标。

2.根据权利要求1所述的基于共焦光路的三维测量***，其特征在于，某一时刻所述色散物镜组件（12）将目标波长的所述入射光线聚焦在所述被测物的对应高度，且所述被测物在测量时沿着不同于所述高度的方向移动，所述小孔掩膜阵列板上的同一个所述小孔对应的所述测量点随着所述被测物的移动相应改变，其聚焦的所述出射光线的波长随着对应的所述测量点在所述被测物的高度变化而相应变化。

3.根据权利要求2所述的基于共焦光路的三维测量***，其特征在于，所述分光成像组件（14）包括：分光装置（141）和设置于所述分光装置（141）两侧的远心准直透镜组合（142）和远心汇聚透镜组合（143），通过所述小孔掩膜阵列板的所述出射光线透过所述远心准直透镜组合（142）后到达所述分光装置（141），所述分光装置（141）将通过同一个所述小孔的所述出射光线根据不同波长分开，并通过远心汇聚透镜组合（143）将不同波长的所述出射光线聚焦在所述成像面上对应的所述像面坐标。

4.根据权利要求3所述的基于共焦光路的三维测量***，其特征在于，所述分光装置（141）为棱镜或光栅；所述小孔掩膜阵列板（132）上的小孔的形状包括：圆形、三角形、平行四边形。

5.一种基于共焦光路的三维测量方法，其特征在于，包括：

由照明组件输出入射光线；

所述入射光线穿过小孔掩膜阵列板后到达色散物镜组件，由所述色散物镜组件将所述入射光线中不同波长的光线色散展开，将所述不同波长的光线中的目标波长的光线分别聚焦在被测物不同高度方向上和不同水平方向上的对应测量点上；

由所述色散物镜组件接收所述测量点反射的目标波长的出射光线，

将每个所述测量点反射的目标波长的所述出射光线分别一一对应地聚焦至所述小孔掩膜阵列板上与其对应行列所在位置的小孔；

由分光成像组件将穿过每个所述小孔的目标波长的所述出射光线分别聚焦在成像面上与所述小孔和所述测量点对应的像面坐标；

所述入射光线到达所述色散物镜组件之前还透过半透半反镜，所述出射光线通过所述色散物镜组件后由所述半透半反镜反射出去，所述入射光线与经由所述半透半反镜反射之前的所述出射光线的光路相平行。

6.根据权利要求5所述的基于共焦光路的三维测量方法，其特征在于，某一时刻目标波长的所述入射光线通过轴向色散聚焦在所述被测物的测量点，穿过同一个所述小孔的所述出射光线通过径向色散聚焦于与所述目标波长在所述成像面上对应的像面坐标，进而通过所述像面坐标获取所述测量点的高度。

7.根据权利要求5所述的基于共焦光路的三维测量方法，其特征在于，目标波长的所述出射光线通过远心光路并经由光栅分光后聚焦在所述成像面上对应的像面坐标处成像。

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