[实用新型]光学测量系统

说明书

本实用新型公开了一种光学测量系统，包括光源、第一光学单元、第二光学单元、色散元件、线阵探测器、面阵探测器、主控系统，光源发出的光束经过第一光学单元传输后，出射的光束被第二光学单元分光，从第二光学单元透过的光束被沿光轴方向聚焦于被测对象上，由被测对象反射或者散射回的光束经过第二光学单元部分反射后聚焦于色散元件，色散元件的前表面反射色散之前的部分光束到线阵探测器，透过色散元件前表面的部分光束聚焦在面阵探测器上，不同角度的光波对应不同的成像高度，主控系统根据预先存入的算法解码出被测对象的信息。本实用新型能够实现同时获取被测对象灰度图像以及被测对象高度信息，降低了系统的复杂度，提高了稳定度。

技术领域

本实用新型涉及一种光学测量系统，特别涉及一种用于表面轮廓及形貌、微纳米量级精细结构、半导体工业和汽车制造业中的位移、光学玻璃及生物薄膜的厚度、油漆与印刷行业的颜色等测量的光学测量系统。

背景技术

光谱共焦在位移量、三维形貌、透明物质厚度等测量方面有诸多应用，早在上世纪七十年代，学者Courtney Pratt等人提出一种可以使用显微镜物镜的色差进行表面形貌检测的技术；之后Molesini等学者使用一组色差经特殊设计的镜头，搭建了一台基于光谱共焦原理的表面轮廓仪；Boyde.A等人将其推广应用到给显微镜领域带来革命性变化的共焦显微镜技术中去。此后，国外很多学者都对基于光谱共焦原理的测量技术进行了深入研究，并在测量领域衍生出许多应用实例:如表面轮廓及形貌的测量、微纳米量级精细结构的测量、半导体工业和汽车制造业中的位移测量、光学玻璃及生物薄膜的厚度测量、油漆与印刷行业的颜色测量等。目前，发达国家对该技术的掌握已十分成熟，市场上已有工业级的光谱共焦相关产品出现，工作频响达千赫兹以上。

光谱共焦位移传感器是基于共焦原理采用宽谱光源的非接触式传感器，其最高精度可以到亚微米级别，几乎可以测量所有材质表面，由于其非接触、高精度的特点所以应用广泛。光谱共焦的关键技术之一是利用光谱波长对距离进行编码，然后采用光电转换器件对编码进行解码。目前公开并商业化的光谱共焦传感器大多为点测量方式。例如“株式会社三丰”(专利公布号：CN107044822A)、海伯森技术(深圳)有限公司公布的“一种光谱共焦位移传感器”(专利号：CN110260799A)、MITUTOYO CORPORATION公布的“chromatic confocalsensor” (专利号：US10197382B2)、公布的“光谱共焦传感器和测量方法”经过光谱解码从而实现点位移量的测量，要获得二维属性需要配合运动扫描装置。于是发展线扫描的装置一直是业界的追求。

2018年PrecitecOptronik GmbH在专利(专利号US10228551B1)中公布的方案为，由线状(或者点状排列成线)光源中的一点发出的连续光谱的光经过色散系统后，不同波长沿Z 轴排列，从而实现高度对应波长的编码。狭缝或者由点组成的线状排列的光源的光束传播到分光立方镜后，由光学系统在X轴聚焦同时在Z轴聚焦。被测面反射(或者散射)的光线逆向经过色散物镜后在分光棱的分光面被部分反射经过共焦孔阵列，经过共焦孔阵列的光线经过物镜后传输到分光棱镜，后分成两部分，一部分被聚焦于线阵光电转换器件上，用于采集对应的X轴的线的总光强度，另外一部分被光栅分光后经过物镜在二维空间聚焦在面阵光电器件上，面阵光电器件上接收到的讯息经过信号处理后即可同时得到X轴对应的被测对象的信息。

在此方法中，接收光束的解码部分过于复杂：接收光束经过准直物镜后入射到分光棱镜，分光棱镜分部分光到聚焦镜，经过聚焦镜聚焦在线阵CCD或者线阵CMOS上，用于获取测量线性区域的图像，另外一部分被分光的光波经过光栅后，不同的波长按照不同的出射角出射，后被聚焦物镜聚焦在面阵CCD或者面阵CMOS上，从而转换为可处理的电信号。此处分光棱镜和光栅的使用会使得系统复杂度增加、同时由于光栅的衍射效率问题造成光能利用率降低。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出一种新的基于光谱编码的线扫描空间光路排布新的光学测量系统。

本实用新型采用如下技术方案：