基于扫描振镜的光谱共焦测距系统

1.本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种基于扫描振镜的光谱共焦测距系统。


背景技术：

2.传统基于光谱共焦测距的测量方式是单点测量，测量时只能提取样品表面上一点的高度信息，该光谱共焦系统测量物体整体表面形貌时需要配备x-y面或横向二维扫描系统，导致系统稳定性差，基于扫描x-y振镜的扫描方式可以大幅度减少机械件的移动，还能提高扫描效率，在工业现场快速实时测量方面具有重要意义。
3.共焦显微技术(confocalmicroscopy)是实现光学层析显微技术的最典型方法，最早的共焦显微成像装置于20世纪50年代中后期由美国哈佛大学初级研究员mminsky提出于1961年,并获得美国发明专利权。光谱共焦技术在共焦显微镜基础上发展而来，结合了共焦显微技术的共焦原理和色散聚焦原理的一种非接触式测量方法。目前，光谱共焦技术在现代生物及医学、物理、化学、材料科学、纳米技术、精密测量等领域产生了广泛影响。
4.如图1所示，现有方案中比较接近本专利的为线扫描光谱共焦测距系统，该系统具有一个包含所有可见光波段的光源，该光源发出的光经过第一狭缝01后，会在x轴方向形成线光源，经过第一光学组件03将线光源在y轴上进行色散，不同波长的光束会聚焦在不同高度，从而在z轴方向形成共焦平面。只有聚焦在被测物法线上的光会经过第二光学组件04、第二狭缝02和第三光学组件05，最后进入检测器中。最后通过图像处理解码光谱数据，得到被测物表面深度信息。
5.传统的光谱共焦测量方法的突出特点是采用复色光通过多个透镜色散聚焦到光轴上产生轴向连续的焦点，这种连续的焦移作为样品表面高度的编码方式进行测量。基于此方式的传统的测量方式是单点测量，测量时只能提取样品表面上一点的高度信息，该光谱共焦系统测量物体整体表面形貌时需要配备x-y面或横向二维扫描系统，稳定性不足，限制了测量速度和工业现场实时测量方面的应用。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种基于扫描振镜的光谱共焦测距系统，通过将高精度的扫描振镜应用于光谱共焦系统的方式，并进行超复消色差以及物像方远心光路匹配设计，从而实现大范围、高精度、高稳定性光谱共焦测距的光学系统。
7.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
8.本发明提供一种基于扫描振镜的光谱共焦测距系统，包括：光源系统、第一振镜、第一双远心系统、第二振镜、第二双远心系统、色散物镜和光谱仪装置；
9.光源系统用于发出具有多个波长组成的平行光束，平行光束依次经过第一振镜的反射、第一双远心系统的折射、第二振镜的反射和第二双远心系统的折射后入射至色散物镜中发生色散，形成色散光束后对被测物进行照射；第一振镜与第二振镜分别沿预设方向进行旋转运动；
10.色散物镜产生不同波长的色散光束会在被测物沿z方向上的不同深度进行聚焦；被测物发出的带有被测物表面信息的反射光束按照原路返回，最终入射至光谱仪装置，获取被测物的表面信息；
11.通过控制第一振镜与第二振镜的运动速度，进而获取被测物不同位置处的表面信息，完成对被测物整体表面形貌的测量。
12.优选地，光源系统包括：光源、分束器和准直镜；
13.光源用于发出复色光束入射至分束器，经分束器反射的复色光束入射至准直镜，准直镜将复色光束准直为平行光束入射至第一振镜。
14.优选地，第一双远心系统包括：第一远心镜头和第二远心镜头；
15.第一远心镜头的后焦点与第二远心镜头的前焦点重合；平行光束经过第一远心镜头的折射后汇聚至第一远心镜头的焦点处，再经过第二远心镜头准直为平行光束入射至第二振镜。
16.优选地，由于光路可逆，进入第二振镜的平行光束与从第一振镜出射的平行光束完全相同。
17.优选地，第二双远心系统包括：第三远心镜头和第四远心镜头；
18.第三远心镜头的后焦点与第四远心镜头的前焦点重合；平行光束经过第三远心镜头的折射后汇聚至第三远心镜头的焦点处，再经过第四远心镜头准直为平行光束入射至色散物镜。
19.优选地，第二双远心系统还包括：折转镜；
20.转折镜位于第三远心镜头的后焦点和第四远心镜头的前焦点的重合位置处；转折镜用于折转光路，缩短光学系统的长度。
21.优选地，第一振镜沿x方向进行旋转运动，平行光束经过第一振镜的反射后入射至第一双远心系统；
22.第二振镜沿y方向进行旋转运动，平行光束经过第二振镜的反射后入射至色散物镜；
23.色散物镜产生不同波长的色散光束会在被测物沿z方向上的不同深度进行聚焦；
24.通过控制第一振镜与第二振镜的转速比，完成对被测物整体表面形貌的测量。
25.优选地，通过分别控制第一振镜与第二振镜在x方向和y方向运动速度，与被测物的长宽比相匹配。
26.优选地，光谱仪装置包括：光谱仪和小孔；
27.当被测物被固定时，只有某一波长的色散光束会聚焦在被测物的表面，并沿光路原路返回，透过分束器入射至光谱仪，其他波长的光束则会在反射过程中被小孔进行遮挡，无法进入光谱仪。
28.与现有的技术相比，通过将高精度的扫描振镜应用于光谱共焦系统的方式，并进行超复消色差以及物像方远心光路匹配设计，从而实现大范围、高精度、高稳定性光谱共焦测距的光学系统。本发明既能完成对被测量物体整体表面形貌的测量，又可以保证系统的高稳定性。
附图说明
29.图1是现有技术的线扫描光谱共焦测距系统的结构示意图。
30.图2是本发明实施例提供的基于扫描振镜的光谱共焦测距系统的结构示意图。
31.图3是本发明实施例提供的基于扫描振镜的光谱共焦测距系统的流程示意图。
32.图4是本发明实施例提供的基于扫描振镜的光谱共焦测距系统的光路示意图。
33.图5是本发明实施例提供的基于扫描振镜的光谱共焦测距系统的振镜的工作原理示意图。
34.其中的附图标记包括：第一狭缝01、第二狭缝02、第一光学组件03、第二光学组件04和第五光学组件05；
35.光谱仪1、小孔2、光源3、分束器4、准直镜5、第一振镜6、第一远心镜头7、第二远心镜头8、第二振镜9、第三远心镜头10、折转镜11、第四远心镜头12、色散物镜13和被测物14。
具体实施方式
36.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
38.图2示出了本发明实施例提供的基于扫描振镜的光谱共焦测距系统的结构示意图。
39.图3示出了本发明实施例提供的基于扫描振镜的光谱共焦测距系统的流程示意图。
40.图4示出了本发明实施例提供的基于扫描振镜的光谱共焦测距系统的光路示意图。
41.如图2-4所示，本发明实施例提供的基于扫描振镜的光谱共焦测距系统包括：光源系统、第一振镜6、第一双远心系统、第二振镜9、第二双远心系统、色散物镜13和光谱仪装置。
42.光源系统包括：光源3、分束器4和准直镜5。
43.光源3用于发出一束复色光束入射至分束器4中，经分束器4反射的光束入射至准直镜5中，准直镜5将复色光束准直为平行光束入射至第一振镜6中。
44.第一振镜6可以沿x方向进行旋转，平行光束经过第一振镜6的反射后入射至第一双远心系统中。
45.第一双远心系统包括：第一远心镜头7和第二远心镜头8。第一远心镜头7的后焦点与第二远心镜头8的前焦点重合。
46.平行光束经过第一远心镜头7的折射后变为汇聚光束，汇聚至第一远心镜头7的焦点处，再经过第二远心镜头8准直为平行光束入射至第二振镜9。
47.由于光路可逆，进入第二振镜9的平行光束与从第一振镜6出射的平行光束性质一样，保证了光阑匹配。
48.第二振镜9可以沿y方向进行旋转。平行光束经过第二振镜9的反射后入射至第二双远心系统中。
49.第二双远心系统包括：第三远心镜头10、折转镜11和第四远心镜头12。
50.转折镜11用于折转光路，缩短光学系统的长度。转折镜11位于第三远心镜头10的后焦点和第四远心镜头12的前焦点的重合位置处。
51.平行光束依次经第三远心镜头10的折射、转折镜11的反射和第四远心镜头12的折射后入射至色散物镜13中。色散物镜13是平行光束产生色散后对被测物14进行照射。被测物14发出的散射光束按照原路返回，依次经过色散物镜13、第二双远心系统、第二振镜9、第一双远心系统和第一振镜6入射至光谱仪装置。
52.不同的波长的光聚焦在不同的深度，只有聚焦在被测物14表面的波长的光束才能经过反射原路返回入射至光谱仪装置。
53.光谱仪装置包括：光谱仪1和小孔2。
54.色散物镜13产生不同波长的光束会聚焦在被测物14的z方向的不同深度。当被测物14被固定时，只有某一波长的光会聚焦在被测物的表面，并沿光路返回，经过分束器进入到光谱仪1中,其他波长的光则会在反射过程中被小孔2遮挡，无法进入光谱仪1中。
55.图5示出了本发明实施例提供的基于扫描振镜的光谱共焦测距系统的振镜的工作原理示意图。
56.如图5所示，通过控制第一振镜6与第二振镜9在x方向和y方向上的运动速度，则可以完成对被测物14整体表面形貌的测量。
57.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
58.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。