基于高色散柱透镜和柱形凹面光栅的线扫描式光谱共焦装置的制作方法

1.本发明涉及一种光谱共焦测量装置，具体涉及一种基于高色散柱透镜和柱形凹面光栅的线扫描式光谱共焦装置，每次成像获得一条扫描线上所有点的光谱，可用于反射型样品表面形貌测量。


背景技术：

2.在常规光谱共焦测量装置中，通常需要点扫描，利用每个测量点的光谱分布得到测量点的轴向位置，之后通过二维位移平台移动样品获得所有测量点的轴向位置，从而完成表面形貌测量。应用点扫描的共焦光谱装置扫描时间长，无法应用在工业流水线检测中，相比之下线扫描式的面阵光谱共焦装置具有快速检测的优势，现在暂无线扫描式光谱共焦装置。
3.因此，如何提供一种线扫描式光谱共焦装置是本领域技术人员急需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
5.鉴于此，为了克服上述技术问题，本发明提供了一种基于高色散柱透镜和柱形凹面光栅的线扫描式光谱共焦装置，只需要对样品进行线扫描即可快速获得样品表面形貌。
6.基于高色散柱透镜和柱形凹面光栅的线扫描式光谱共焦装置，包括照明模块、高色散柱透镜聚焦模块和柱形凹面光栅分光探测模块；
7.所述照明模块按照光线传播方向依次为：宽谱led光源、消色差柱面透镜一、狭缝一和消色差柱面透镜二；
8.所述宽谱led光源发出平行光，通过所述消色差柱面透镜一将平行光聚焦至所述狭缝一上，并通过所述消色差柱面透镜二变为柱状平行光束；
9.所述高色散柱透镜聚焦模块按照光线传播方向依次为：分光棱镜、消球差柱透镜组和高色散柱透镜；
10.所述照明模块出射的柱状平行光束入射至所述分光棱镜后不改变传播方向进行透射，透射光入射所述消球差柱透镜组后聚焦，聚焦光束入射所述高色散柱透镜后进行二次聚焦到样品表面，聚焦为一条直线段；
11.所述柱形凹面光栅分光探测模块按照光线传播方向依次为：消色差柱面透镜三、狭缝二、柱形凹面光栅和相机；
12.样品的反射光经过高色散柱透镜和消球差柱透镜组后出射为柱状平行光束，柱状平行光束经过分光棱镜反射后入射所述消色差柱面透镜三，将柱状平行光束聚焦到所述狭
缝二上，出射的光束经过所述的柱形凹面光栅分光后聚焦到所述相机上。
13.优选的，所述宽谱led光源出射光为准直性好的平行光，平行光光谱包含近红外到可见光范围。
14.优选的，所述狭缝一设置在所述消色差柱面透镜一的后焦面和所述消色差柱面透镜二的前焦面上，所述消色差柱面透镜一将平行光聚焦为与所述狭缝一的狭缝重合的一条直线。
15.优选的，所述消色差柱面透镜一、所述消色差柱面透镜二和所述消色差柱面透镜三具有高消色差能力，包括轴向色差以及径向色差。
16.优选的，所述分光棱镜具备50：50的分光比，且对波长不敏感。
17.优选的，所述消球差柱透镜组具有高消球差能力，能够有效提高光谱共焦装置分辨力。
18.优选的，所述高色散柱透镜对不同波长平行光的轴向聚焦位置随波长成线性关系。
19.优选的，所述狭缝二设置在所述消色差柱面透镜三后焦面上，消色差柱面透镜三将平行光束聚焦为与所述狭缝二的狭缝重合的一条直线。
20.优选的，所述柱形凹面光栅聚焦点组成的直线与所述狭缝二的狭缝重合。
21.优选的，所述柱形凹面光栅具有高线性分光能力。
22.有益效果：
23.第一、线扫描代替原始的点扫描，具有更快的扫描速度。
24.第二、测量精度高，光谱共焦装置能够达到一微米量级的分辨力。
25.第三、测量量程长，具有毫米级别轴向测量量程。
附图说明
26.图1为本发明的基于高色散柱透镜和柱形凹面光栅的线扫描式光谱共焦装置的结构示意图。
27.图中：1宽谱led光源、2消色差柱面透镜一、3狭缝一、4消色差柱面透镜二、5分光棱镜、6消球差柱透镜组、7高色散柱透镜、8样品、9消色差柱面透镜三、10狭缝二、11柱形凹面光栅、12相机，(a)(b)(c)代表不同波长的光。
具体实施方式
28.在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
29.在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
30.如附图1所示，本实施例提供了一种基于高色散柱透镜和柱形凹面光栅的线扫描式光谱共焦装置，用于方便装调和后续移动观测目标。
31.包括照明模块、高色散柱透镜聚焦模块、柱形凹面光栅分光探测模块；
32.照明模块按照光线传播方向依次为：宽谱led光源1、消色差柱面透镜一2、狭缝一3、消色差柱面透镜二4；
33.宽谱led光源1发出平行光，通过消色差柱面透镜一2将平行光聚焦至狭缝一3上，并通过消色差柱面透镜二4变为柱状平行光束；
34.高色散柱透镜聚焦模块按照光线传播方向依次为：分光棱镜5、消球差柱透镜组6、高色散柱透镜7；
35.照明模块出射的柱状平行光束入射至分光棱镜5后不改变传播方向进行透射，透射光通过消球差柱透镜组6后聚焦，聚焦光束入射至高色散柱透镜7后进行二次聚焦到样品8表面，聚焦为一条直线段；
36.柱形凹面光栅分光探测模块按照光线传播方向依次为：消色差柱面透镜三9、狭缝二10、柱形凹面光栅11、相机12；
37.样品8的反射光经过高色散柱透镜7和消球差柱透镜组6后出射为柱状平行光束，柱状平行光束经过分光棱镜5反射后入射至消色差柱面透镜三9，将柱状平行光束聚焦到狭缝二10上，出射的光束经过柱形凹面光栅11分光后聚焦到相机12上，形成a、b、c波长不同的光。
38.更为具体的：宽谱led光源1出射光为准直性较好的平行光，光谱包含近红外到可见光范围；
39.更为具体的：狭缝一3设置在消色差柱面透镜一2的后焦面和消色差柱面透镜二4的前焦面上，消色差柱面透镜一2将宽谱平行光束聚焦到狭缝一3上，聚焦为与狭缝一3的狭缝重合的一条直线；
40.更为具体的：在保证通光量的前提下，狭缝一3应有足够小的宽度和较大的长度保证线扫描式光谱共焦装置具有较高分辨力和测量范围；
41.更为具体的：消色差柱面透镜一2、消色差柱面透镜二4、消色差柱面透镜三9应具有较高的消色差能力，包括轴向色差以及径向色差；
42.更为具体的：分光棱镜5应保证50：50的分光比，且对波长不敏感；
43.更为具体的：消球差柱透镜组6具有较高的消球差能力，能够有效提高光谱共焦装置分辨力；
44.更为具体的：高色散柱透镜7对不同波长平行光的轴向聚焦位置随波长成线性关系；
45.更为具体的：狭缝二10应处在消色差柱面透镜三9后焦面上，消色差柱面透镜三9将平行光束聚焦到狭缝二10上，聚焦为与狭缝二10的狭缝重合的一条直线；
46.更为具体的：柱形凹面光栅11聚焦点组成的直线与狭缝二10的狭缝重合；
47.更为具体的：柱形凹面光栅11具有较高的线性分光能力；
48.更为具体的：相机12具有宽谱响应能力，且具有足够大的像元尺寸。
49.本发明利用高色散柱透镜将照明模块产生的宽光谱平行光束根据波长聚焦到不同轴向位置，且横向聚焦为一条直线，在测量量程内，不同波长的光的聚焦轴向位置与波长
成线性关系。不同波长的反射光通过柱形凹面光栅分光后聚焦在面阵ccd像面不同区域上，根据扫描线上每个点的光谱成像结果实现样品表面形貌测量。该发明为非接触式测量装置，相比于传统单点扫描式光谱共焦装置能够大幅提升测量速度。
50.虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。