CN221280182U - 一种与镜头同轴的共焦光谱设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种与镜头同轴的共焦光谱设备，包括物方透镜组、分光镜、像方透镜组、图像传感器、共焦透镜组、共焦光谱发射‑接收组件，共焦光谱发射‑接收组件、像方透镜组、分光镜、共焦透镜组、待测物体沿光路传播的方向依次设置，待测物体、物方透镜组、分光镜、像方透镜组沿光路传播的方向依次设置，待测物体与图像传感器共轭。通过共焦透镜组、分光镜、物方透镜组***与共焦光谱发射‑接收组件在同轴***中工作，使采样效率提高，同时提高了测量数据的精准度。光源发出光，在物方位置摆放任何物体，在图像传感器上的某些点就会亮起，通过这些点，就可以获得物方附近的聚焦点阵与物体表面相交点的准确工作距离，工作距离就被准确测得。

Description

一种与镜头同轴的共焦光谱设备

技术领域

本实用新型属于光学测量技术设备领域，特别涉及一种与镜头同轴的共焦光谱设备。

背景技术

共焦光谱测量技术是一种高精度的非接触式测量技术，其原理是利用波长信息测量被测样的位移和厚度，由光源发射出的一束宽光谱的复色光，通过色散透镜产生色散，形成不同波长的单色光，每一个波长的焦点都对应一个距离值。这种复色光一般为白光光源，波段在可见光区域。测量光照射到物体表面被反射回来，只有满足共聚焦条件的单色光可以通过小孔，然后被接收端探测到，通过计算被探测到的焦点波长，通过算法反演得到被测样位移或厚度的数值。

目前，公告号为CN 216846117 U的中国专利公开了一种光谱共焦测量装置，包括壳体、分光件以及光谱共焦测量镜头，所述壳体内设置有容置腔，所述分光件设置于所述容置腔内，所述壳体的顶部开设有第一窗口，所述壳体的底部开设有第二窗口，所述第一窗口与所述第二窗口对应设置，所述光谱共焦测量镜头装设于所述容置腔内，所述光谱共焦测量镜头位于所述分光件的外侧。此实用新型成像镜头通过第一窗口以及第二窗口能够正常在成像镜头内汇聚成像，同时分光件从成像镜头的成像光路上分离出用于光谱共焦测量镜头的光谱共焦测量光路，实现了光谱共焦测量镜头与成像镜头共轴测量。

但是此实用新型一次只能得到一个物点的高度信息，要获得整个面上的位置和高度信息则需要在两个方向上采样，导致采样效率低下，测量数据不够精准。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其具有采样效率高、测量数据精准的优点。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种与镜头同轴的共焦光谱设备，包括物方透镜组、分光镜、像方透镜组、图像传感器、共焦透镜组、共焦光谱发射-接收组件，所述的共焦光谱发射-接收组件、共焦透镜组、分光镜、物方透镜组、待测物体沿光路传播的方向依次设置，所述的待测物体、物方透镜组、分光镜、像方透镜组沿光路传播的方向依次设置，待测物体与图像传感器共轭。

进一步设置：物方透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组；分光镜为可反射一定比例、透射一定比例光的分光镜或分光棱镜中的一种，或者为一部分区域反射、一部分区域透射的分光镜或分光棱镜中的一种；像方透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组，当物方透镜组足以使物方与图像传感器共轭时，像方透镜组可以省略；共焦透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组。

进一步设置：所述的共焦光谱发射-接收组件为电子共焦组件、光纤共焦组件或透镜共焦组件。

进一步设置：所述的电子共焦组件包括第一图案斑点、第一准直透镜组、第一共焦分光镜、第一光栅、第一聚焦透镜组、第一图像传感器、第一光源透镜组、第一光源，所述的第一光源、第一光源透镜组、第一共焦分光镜、第一准直透镜组沿光路传播的方向依次设置，第一光源与第一图案斑点近似共轭，所述的第一图案斑点、第一准直透镜组、第一共焦分光镜、第一光栅、第一聚焦透镜组、第一图像传感器沿光路传播的方向依次设置。

进一步设置：第一图案斑点为表面覆盖镀有图案的膜的玻璃或由DMD(数字微镜器件)等可以控制每个像素是否让光有效传输的电子器件，当第一图案斑点为DMD，光路要跟随折向正确的光路方向；第一准直透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组，当第一共焦分光镜与第一光栅之间有透镜并且第一光源透镜组可以独自实现聚焦功能的时候，也可以没有第一准直透镜组；第一共焦分光镜为可反射一定比例、投射一定比例光的分光镜或分光棱镜中的一种，或者为一部分区域反射、一部分区域投射的分光镜或分光棱镜中的一种；第一光栅为折射光栅、反射光栅或色差分光的棱镜，当第一光栅为反射光栅，第一聚焦透镜组与第一图像传感器要折到反射光的方向；，第一聚焦透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组；第一光源透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组；第一光源为LED、宽光谱激光、气体放电灯、激光激发荧光的光源或其他可以产生一定宽度光谱的光源。

进一步设置：所述的光纤共焦组件包括光纤分路器、第二准直透镜组、第二光栅、第二聚焦透镜组、第二图像传感器、第二光源透镜组、第二光源，所述的第二光源、第二光源透镜组、光纤分路器沿光路传播的方向依次设置，所述的光纤分路器、第二准直透镜组、第二光栅、第二聚焦透镜组、第二图像传感器沿光路传播的方向依次设置。

进一步设置：所述的光纤分路器包括第一端口、第二端口、第三端口，从第一端口或第二端口入射的光线都经第三端口出射，从第三端口入射的光线分立后经第一端口和第二端口分别出射。

进一步设置：所述第一端口、第二端口、第三端口的有效端面为方形或圆形。

进一步设置：光纤分路器的第一端口、第二端口、第三端口的有效端面为大小位于5-200UM之间的方形或圆形，或其他大小的其他形状，有效传输光的材料为塑料或玻璃；第二准直透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组；第二光栅为能够使平行入射的光束按照不同的波长在出射时偏折不同的角度的光栅；第二聚焦透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组；第二光源透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组；第二光源为LED、宽光谱激光、气体放电灯、激光激发荧光的光源或其他可以产生一定宽度光谱的光源。

进一步设置：所述的透镜共焦组件包括中继透镜组、第二共焦分光镜、第三光栅、第三聚焦透镜组、第三图像传感器、第三光源透镜组、第二图案斑点、第三光源、第三图案斑点、第三准直透镜组，所述的第三光源、第二图案斑点、第三光源透镜组、第二共焦分光镜、中继透镜组沿光路传播的方向依次设置，所述的中继透镜组、第二共焦分光镜、第三图案斑点、第三准直透镜组、第三光栅、第三聚焦透镜组、第三图像传感器沿光路传播的方向依次设置。

进一步设置：中继透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组；第二共焦分光镜为可反射一定比例、投射一定比例光的分光镜或分光棱镜中的一种，或者为一部分区域反射、一部分区域投射的分光镜或分光棱镜中的一种；第三光栅为能够使平行入射的光束按照不同的波长在出射时偏折不同的角度的光栅；第三聚焦透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组；第三光源透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组；第二图案斑点为表面覆盖镀有图案的膜的玻璃或其他可以提供极小反射点或透射点的材料；第三光源为LED、宽光谱激光、气体放电灯、激光激发荧光的光源或其他可以产生一定宽度光谱的光源；第三图案斑点为表面覆盖镀有图案的膜的玻璃或其他可以提供极小反射点或透射点的材料；第三准直透镜组为一片透镜或多片透镜组成的透镜组；当共焦透镜组起到足够作用时，中继透镜组与第三光源透镜组也可以省略。

进一步设置：所述的第三图案斑点与第二共焦分光镜之间设置透镜组，第二共焦分光镜、透镜组、第三图案斑点沿光路传播的方向依次设置。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

1、通过共焦透镜组、分光镜、物方透镜组***与共焦光谱发射-接收组件在同轴***中的协同工作，使采样效率提高，并同时提高了测量数据的精准度。

2、光源发出光，在物方位置摆放任何物体，在图像传感器上的某些点就会亮起，通过这些点，就可以获得物方附近的聚焦点阵与物体表面相交点的准确工作距离，工作距离就可以被准确测得。

附图说明

图1是一种与镜头同轴的共焦光谱设备的结构示意图；

图2是实施例1的结构示意图；

图3是实施例2的结构示意图；

图4是光纤分路器的结构示意图；

图5是实施例3的结构示意图。

附图标记，1、待测物体；11、第一测量面；12、第二测量面；13、第三测量面；2、物方透镜组；3、分光镜；4、像方透镜组；5、图像传感器；6、共焦透镜组；7、共焦光谱发射-接收组件；

71、电子共焦组件；710、第一图案斑点；711、第一准直透镜组；712、第一共焦分光镜；713、第一光栅；714、第一聚焦透镜组；715、第一图像传感器；716、第一光源透镜组；717、第一光源；

72、光纤共焦组件；720、光纤分路器；01、第一端口；02、第二端口；03、第三端口；721、第二准直透镜组；722、第二光栅；723、第二聚焦透镜组；724、二图像传感器；725、第二光源透镜组；726、第二光源；

73、透镜共焦组件；730、中继透镜组；731、第二共焦分光镜；732、第三光栅；733、第三聚焦透镜组；734、第三图像传感器；735、第三光源透镜组；736、第二图案斑点；737、第三光源；738、第三图案斑点；739、第三准直透镜组；7310、透镜组。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型优选实施例作详细说明。

如图1所示，优选实施例1一种与镜头同轴的共焦光谱设备，包括物方透镜组2、分光镜3、像方透镜组4、图像传感器5、共焦透镜组6、共焦光谱发射-接收组件7，共焦光谱发射-接收组件7、共焦透镜组6、分光镜3、物方透镜组2、待测物体1沿光路传播的方向依次设置，待测物体1、物方透镜组2、分光镜3、像方透镜组4沿光路传播的方向依次设置，待测物体1与图像传感器5共轭。

如图2所示，共焦光谱发射-接收组件7为电子共焦组件71，电子共焦组件71包括第一图案斑点710、第一准直透镜组711、第一共焦分光镜712、第一光栅713、第一聚焦透镜组714、第一图像传感器715、第一光源透镜组716、第一光源717，第一光源717、第一光源透镜组716、第一共焦分光镜712、第一准直透镜组711沿光路传播的方向依次设置，第一光源717与第一图案斑点710近似共轭，第一图案斑点710、第一准直透镜组711、第一共焦分光镜712、第一光栅713、第一聚焦透镜组714、第一图像传感器715沿光路传播的方向依次设置。

如图3、图4所示，优选实施例2的共焦光谱发射-接收组件7为光纤共焦组件72，光纤共焦组件72包括光纤分路器720、第二准直透镜组721、第二光栅722、第二聚焦透镜组723、第二图像传感器724、第二光源透镜组725、第二光源726，第二光源726、第二光源透镜组725、光纤分路器720沿光路传播的方向依次设置，光纤分路器720、第二准直透镜组721、第二光栅722、第二聚焦透镜组723、第二图像传感器724沿光路传播的方向依次设置；光纤分路器720包括第一端口01、第二端口02、第三端口03，从第一端口01或第二端口02入射的光线都经第三端口03出射，从第三端口03入射的光线分立后经第一端口01和第二端口02分别出射，第一端口01、第二端口02、第三端口03的有效端面为方形或圆形。

如图5所示，优选实施例3的共焦光谱发射-接收组件7为透镜共焦组件73，透镜共焦组件73包括中继透镜组730、第二共焦分光镜731、第三光栅732、第三聚焦透镜组733、第三图像传感器734、第三光源透镜组735、第二图案斑点736、第三光源737、第三图案斑点738、第三准直透镜组739，第三光源737、第二图案斑点736、第三光源透镜组735、第二共焦分光镜731、中继透镜组730沿光路传播的方向依次设置，中继透镜组730、第二共焦分光镜731、第三图案斑点738、第三准直透镜组739、第三光栅732、第三聚焦透镜组733、第三图像传感器734沿光路传播的方向依次设置。第三图案斑点738与第二共焦分光镜731之间设置透镜组7310，第二共焦分光镜731、透镜组7310、第三图案斑点738沿光路传播的方向依次设置。当第二共焦分光镜731采用光棱镜时，由于光棱镜的透射作用，可不加透镜组7310，也不会造成成像误差。当第二共焦分光镜731采用分光镜时，由于分光镜利用反射作用进行分光，会造成一定的成像误差，增加透镜组7310能够消减分光镜造成的反射光，确保分光镜不造成成像误差。

如图1所示，待测物体1上任一点与物方透镜组2的距离为工作距离，工作距离为测量目标。当有光源照明待测物体1或待测物体1本身可以发光，待测物体1的光线穿过物方透镜组2，再穿过分光镜3，再穿过像方透镜组4成像到图像传感器5上，这样图像传感器5就获取了待测物体1上物体的图像。

如图2所示，当实施例1工作时，第一光源717发光，在待测物体1位置摆放任何物体，在第一图像传感器715上的某些点就会亮起，通过这些点可以获得待测物体1附近的聚焦点阵与物体表面相交点的准确工作距离，这个位置的高度就可以被准确测得。当图像传感器5获取待测物体1附近物体的二维图像的***，和获得待测物体1附近近似延光轴的一个点阵上的物面相交点的工作距离的***就可以在同轴***中协同工作。当第一光源717发光，光线穿过第一光源透镜组716，经过第一共焦分光镜712反射到第一准直透镜组711，照明第一图案斑点710中心的透光斑点，形成二次光源，二次光源的光谱范围是一定的，光线继续传输至共焦透镜组6，共焦透镜组6与分光镜3、物方透镜组2组成色差共聚焦***，与图像传感器5共轭的面为第一测量面11，第二测量面12于第三测量面13是与第一测量面11偏离一定距离的，他们之间的工作距离不同，色差共聚焦***可以让第一图案斑点710中心的透光点在不同的光谱下和第二测量面12和第三测量面13之间不同工作距离的点共轭，每个不同波长的光线都可以在第二测量面12和第三测量面13之间有一个不同工作距离的共轭点，这些共轭点近似延光轴排布形成点阵。

穿过第一图案斑点710中心微小斑点的拥有不同波长的光继续传输，穿过共焦透镜组6，再由分光镜3反射再穿过物方透镜组2，可以聚焦在第二测量面12和第三测量面13范围的近似延光轴分布的点阵上，当第二测量面12和第三测量面13之间有实际可反射光的物体遮挡时，某一波长下的第一图案斑点710的清晰像刚好可以聚焦到这个物体的表面上，而其他波长聚焦点在光轴方向分布的工作距离不同，无法聚焦到物体表面上而被迫散射或离焦扩散，由于这个点与第一图案斑点710的微小斑点在某一波长下共轭，所以由物体反射回的某一波长的光线经过物方透镜组2在由分光镜3反射再经过共焦透镜组6后再次以很高的效率聚焦在了第一图案斑点710中心的微小点上，而其他波长由于被迫散射或离焦扩散，返回到第一图案斑点710的时候照明范围已经非常大了，能到达并穿过第一图案斑点710中心微小点上的能量就变得少到忽略不计。

由于每个不同波长的由第一图案斑点710中心微小点发出的光在第二测量面12和第三测量面13之间都能形成不同工作距离的共轭点，所以当被测量物体表面固定时，对应这个表面位置的共轭点工作距离是唯一的，而对应这个共轭点的某一波长也是唯一的。测得某个波长的具体数值，就能够获得物体表面和点阵线相交点的准确工作距离。穿过第一图案斑点710的某一波长的光继续穿过第一准直透镜组711，再穿过第一共焦分光镜712成为近似平行的光束，再穿过第一光栅713偏折到属于某一波长的角度，再穿过第一聚焦透镜组714后聚焦在第一图像传感器715和某一波长唯一对应的位置上。以固定角度平行入射在第一光栅713的不同波长的光在穿过第一光栅713后都能获得唯一的不同的角度，第一聚焦透镜组714能将从左侧来的穿过它的不同角度的光束聚焦在第一图像传感器715的不同位置，这样，不同波长和第一图像传感器715上的不同位置点就形成了一一对应的关系。

由于不同波长和待测物体1点阵上的不同工作距离的点一一对应，而不同波长又与第一图像传感器715上的不同点一一对应，那么待测物体1这里的第一图案斑点710中心点的共轭点的不同工作距离就和第一图像传感器715上的不同点一一对应。

如图3、图4所示，实施例2在光纤分路器720中，无论是从第一端口01还是第二端口02入射的光，都能够从第三端口03出射并损失一定的能量，从第三端口03入射的光都能被分立后从第一端口01和第二端口02分别出射。从第二光源726发出的光经过第二光源透镜组725聚焦进入第一端口01再传输到第三端口03输出给共焦透镜组6，经分光镜3反射再经过物方透镜组2，到达待测物体1，反射物体返回的光被筛选出第二波长回到第三端口03，再传输到第二端口02，经第二准直透镜组721准直后再穿过第二光栅722后偏折到属于第三波长的角度后经过第二聚焦透镜组723会聚到第二图像传感器724上与第三波长对应的点上。

如图5所示，实施例3从第三光源737发出的光线经过第二图案斑点736约束成为极小的点光源，这个点光源发出的光经过第三光源透镜组735，再由第二共焦分光镜731反射后穿过中继透镜组730后进入共焦透镜组6，经分光镜3反射再经过物方透镜组2，到达待测物体1，反射物体返回的光向右穿过物方透镜组2经分光镜3，再穿过共焦透镜组6，最后进入中继透镜组730，中继透镜组730再依次穿过第二共焦分光镜731、透镜组7310，然后再穿过第三图案斑点738时波长被筛选为第三波长，第三波长的光再穿过第三准直透镜组739后被准直，穿过第三光栅732后被偏折为对应第三波长的偏折角，再穿过第三聚焦透镜组733后会聚到第三图像传感器734上的对应第三波长的点上。

上述的实施方式仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施方式做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其特征在于，包括物方透镜组(2)、分光镜(3)、像方透镜组(4)、图像传感器(5)、共焦透镜组(6)、共焦光谱发射-接收组件(7)，共焦光谱发射-接收组件(7)、共焦透镜组(6)、分光镜(3)、物方透镜组(2)、待测物体沿光路传播的方向依次设置，待测物体、物方透镜组(2)、分光镜(3)、像方透镜组(4)沿光路传播的方向依次设置，待测物体与图像传感器(5)共轭。

2.根据权利要求1所述的一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其特征在于，所述的共焦光谱发射-接收组件(7)为电子共焦组件(71)、光纤共焦组件(72)或透镜共焦组件(73)。

3.根据权利要求2所述的一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其特征在于，所述的电子共焦组件(71)包括第一图案斑点(710)、第一准直透镜组(711)、第一共焦分光镜(712)、第一光栅(713)、第一聚焦透镜组(714)、第一图像传感器(715)、第一光源透镜组(716)、第一光源(717)，第一光源(717)、第一光源透镜组(716)、第一共焦分光镜(712)、第一准直透镜组(711)沿光路传播的方向依次设置，第一光源(717)与第一图案斑点(710)近似共轭，第一图案斑点(710)、第一准直透镜组(711)、第一共焦分光镜(712)、第一光栅(713)、第一聚焦透镜组(714)、第一图像传感器(715)沿光路传播的方向依次设置。

4.根据权利要求2所述的一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其特征在于，所述的光纤共焦组件(72)包括光纤分路器(720)、第二准直透镜组(721)、第二光栅(722)、第二聚焦透镜组(723)、第二图像传感器(724)、第二光源透镜组(725)、第二光源(726)，第二光源(726)、第二光源透镜组(725)、光纤分路器(720)沿光路传播的方向依次设置，光纤分路器(720)、第二准直透镜组(721)、第二光栅(722)、第二聚焦透镜组(723)、第二图像传感器(724)沿光路传播的方向依次设置。

5.根据权利要求4所述的一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其特征在于，所述的光纤分路器(720)包括第一端口(01)、第二端口(02)、第三端口(03)，从第一端口(01)或第二端口(02)入射的光线都经第三端口(03)出射，从第三端口(03)入射的光线分立后经第一端口(01)和第二端口(02)分别出射。

6.根据权利要求5所述的一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其特征在于，所述第一端口(01)、第二端口(02)、第三端口(03)的有效端面为方形或圆形。

7.根据权利要求2所述的一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其特征在于，所述的透镜共焦组件(73)包括中继透镜组(730)、第二共焦分光镜(731)、第三光栅(732)、第三聚焦透镜组(733)、第三图像传感器(734)、第三光源透镜组(735)、第二图案斑点(736)、第三光源(737)、第三图案斑点(738)、第三准直透镜组(739)，第三光源(737)、第二图案斑点(736)、第三光源透镜组(735)、第二共焦分光镜(731)、中继透镜组(730)沿光路传播的方向依次设置，中继透镜组(730)、第二共焦分光镜(731)、第三图案斑点(738)、第三准直透镜组(739)、第三光栅(732)、第三聚焦透镜组(733)、第三图像传感器(734)沿光路传播的方向依次设置。

8.根据权利要求7所述的一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其特征在于，所述的第三图案斑点(738)与第二共焦分光镜(731)之间设置透镜组(7310)，第二共焦分光镜(731)、透镜组(7310)、第三图案斑点(738)沿光路传播的方向依次设置。

9.根据权利要求1所述的一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其特征在于，所述的物方透镜组(2)、像方透镜组(4)、共焦透镜组(6)都为一片透镜或多片透镜的组合。

10.根据权利要求1所述的一种与镜头同轴的共焦光谱设备，其特征在于，所述的分光镜(3)为分光镜或分光棱镜。