一种并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统

1.本实用新型涉及共焦测量技术领域，特别是涉及一种并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统。


背景技术：

2.随着科技的飞速发展，制造技术的不断提升，对于高精密加工件表面形貌的测量要求朝着更高的横、纵项测量精度和测量范围，以及更快的测量速度等方向发展，源于共焦测量技术的并行差动测量方法成为了当下研究的热点。该并行差动测量方法不依赖轴向层析技术，避免了传统轴向扫描，并且不需要横向扫描，极大的提高了测量效率。同时，为解决现有白光差动测量技术轴向测量范围小的问题，众多学者提出基于多端彩色窄带波段的差动方法，利用相邻波段件的轴向色散距离提高差动测量的轴向范围。然而对于同一种材料的被测物体，不同波段所产生的反射率误差各不相同，因此在实际测量过程中存在因被测物体表面反射率导致的测量误差。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统，以消除并行彩色共焦差动测量过程中因被测物体表面反射率各异导致的测量误差，提高测量的准确性。
4.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
5.一种并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统，包括：复色光源、准直透镜、数字微镜器件、第一分光透镜、色散管镜、物镜、载物模块、第二分光透镜、第一滤光转盘、第一滤光片、第一聚焦透镜、焦前相机、第三分光透镜、第二滤光转盘、第二滤光片、第二聚焦透镜、焦面相机、第三滤光转盘、第三滤光片、第三聚焦透镜、焦后相机和处理单元；
6.所述复色光源朝向同线的所述准直透镜和数字微镜器件；所述准直透镜和所述数字微镜器件依次设置在所述复色光源的发射光路上；所述第一分光透镜设置在所述数字微镜器件的反馈光路上；所述色散管镜、所述物镜和所述载物模块依次设置在所述第一分光透镜的反射光路上；
7.所述复色光源发射的单束复色光透过所述准直透镜到达所述数字微镜器件中；所述数字微镜器件将单束复色光调制成并行点光阵列，反馈出的点光阵列经所述第一分光透镜反射后，透过所述色散管镜色散变成多个单波段的单色光；所述多个单波段的单色光由所述物镜汇聚到所述载物模块上的被测物体表面；
8.所述物镜、所述色散管镜和所述第一分光透镜还依次设置在所述被测物体的反射光路上；所述第二分光透镜设置在所述第一分光透镜的透射光路上；所述第一滤光转盘、所述第一聚焦透镜和所述焦前相机依次设置在所述第二分光透镜的反射光路上；所述第三分光透镜设置在所述第二分光透镜的透射光路上；所述第二滤光转盘、所述第二聚焦透镜和所述焦面相机依次设置在所述第三分光透镜的透射光路上；所述第三滤光转盘、所述第三
聚焦透镜和所述焦后相机依次设置在所述第三分光透镜的反射光路上；多块所述第一滤光片设置在所述第一滤光转盘上；多块所述第二滤光片设置在所述第二滤光转盘上；多块所述第三滤光片设置在所述第三滤光转盘上；所述处理单元分别与所述焦前相机、所述焦面相机和所述焦后相机通信连接；
9.所述多个单波段的单色光经所述被测物体表面反射后依次透过所述物镜、所述色散管镜和所述第一分光透镜后，由所述第二分光透镜进行分光；由所述第二分光透镜反射的单色光经过所述第一滤光转盘上的第一滤光片滤光后，由所述第一聚焦透镜汇聚到所述焦前相机；由所述第二分光透镜透射的单色光由所述第三分光透镜进行分光；由所述第三分光透镜透射的单色光经过所述第二滤光转盘上的第二滤光片滤光后，由所述第二聚焦透镜汇聚到所述焦面相机；由所述第三分光透镜反射的单色光经过所述第三滤光转盘上的第三滤光片滤光后，由所述第三聚焦透镜汇聚到所述焦后相机。
10.可选地，所述物镜、所述色散管镜、所述第一分光透镜、所述第二分光透镜、所述第三分光透镜、所述第二滤光转盘、所述第二聚焦透镜和所述焦面相机均与所述载物模块互相平行放置；所述第一滤光转盘、所述第一聚焦透镜、所述焦前相机、所述第三滤光转盘、所述第三聚焦透镜和所述焦后相机均与所述载物模块互相垂直放置。
11.可选地，所述第一滤光片、所述第二滤光片和所述第三滤光片均为窄带滤光片；多块所述第一滤光片的滤光波段不同；多块所述第二滤光片的滤光波段不同；多块所述第三滤光片的滤光波段不同。
12.可选地，所述第一分光透镜、所述第二分光透镜和所述第三分光透镜采用半透半反透镜。
13.可选地，所述第一分光透镜、所述第二分光透镜和所述第三分光透镜采用偏振器与偏振分束器的组合。
14.可选地，所述载物模块为三维运动载物台。
15.根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
16.本实用新型提供了一种并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统，系统包括：复色光源、准直透镜、数字微镜器件、第一分光透镜、色散管镜、物镜、载物模块、第二分光透镜、第一滤光转盘、第一滤光片、第一聚焦透镜、焦前相机、第三分光透镜、第二滤光转盘、第二滤光片、第二聚焦透镜、焦面相机、第三滤光转盘、第三滤光片、第三聚焦透镜、焦后相机和处理单元。基于该并行彩色共焦测量的反射率不均消除系统，通过反射率为乘性的特性，利用焦面光谱信息消除被测物体对不同波长反射率不同的影响，去除了并行彩色共焦差动测量过程中因不同波段导致的反射率各异因此的测量误差问题，极大提高了测量的准确性。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本实用新型一种并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统的结构示意
图；
19.图2为第一滤光转盘和第一滤光片的结构示意图；
20.图3为第二滤光转盘和第二滤光片的结构示意图；
21.图4为第三滤光转盘和第三滤光片的结构示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.本实用新型的目的是提供一种并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统，以消除并行彩色共焦差动测量过程中因被测物体表面反射率各异导致的测量误差，提高测量的准确性。
24.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
25.图1为本实用新型一种并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统的结构示意图，如图1所示，所述并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统包括：复色光源1、准直透镜2、数字微镜器件3、第一分光透镜4、色散管镜5、物镜6、载物模块7、第二分光透镜8、第一滤光转盘9、第一滤光片10、第一聚焦透镜11、焦前相机12、第三分光透镜13、第二滤光转盘14、第二滤光片15、第二聚焦透镜16、焦面相机17、第三滤光转盘18、第三滤光片19、第三聚焦透镜20、焦后相机21和处理单元22。
26.具体地，所述复色光源1朝向同线的所述准直透镜2和数字微镜器件3；所述准直透镜2和所述数字微镜器件3依次设置在所述复色光源1的发射光路上。所述复色光源1用于产生复色光，包括多个波长，例如短波波长、中心波长和长波波长。
27.所述第一分光透镜4设置在所述数字微镜器件3的反馈光路上；所述色散管镜5、所述物镜6和所述载物模块7依次设置在所述第一分光透镜4的反射光路上。所述复色光源1发射的单束复色光透过所述准直透镜2到达所述数字微镜器件3中；所述数字微镜器件3将单束复色光调制成并行点光阵列，反馈出的点光阵列经所述第一分光透镜4反射后，透过所述色散管镜5色散变成多个单波段的单色光；所述多个单波段的单色光由所述物镜6汇聚到所述载物模块7上的被测物体(也称为被测样品)表面。图1中示出了短波光线聚焦位置23、中心波长光线聚焦位置24和长波光线聚焦位置25。
28.所述物镜6、所述色散管镜5和所述第一分光透镜4还依次设置在所述被测物体的反射光路上；所述第二分光透镜8设置在所述第一分光透镜4的透射光路上；所述第一滤光转盘9、所述第一聚焦透镜11和所述焦前相机12依次设置在所述第二分光透镜8的反射光路上；所述第三分光透镜13设置在所述第二分光透镜8的透射光路上；所述第二滤光转盘14、所述第二聚焦透镜16和所述焦面相机17依次设置在所述第三分光透镜13的透射光路上；所述第三滤光转盘18、所述第三聚焦透镜20和所述焦后相机21依次设置在所述第三分光透镜13的反射光路上。所述处理单元22分别与所述焦前相机12、所述焦面相机17和所述焦后相机21通信连接。
29.图2为第一滤光转盘和第一滤光片的结构示意图；参见图2，多块所述第一滤光片10设置在所述第一滤光转盘9上。图3为第二滤光转盘和第二滤光片的结构示意图；参见图3，多块所述第二滤光片15设置在所述第二滤光转盘14上。图4为第三滤光转盘和第三滤光片的结构示意图，参见图4，多块所述第三滤光片19设置在所述第三滤光转盘18上。所述第一滤光片10、所述第二滤光片15和所述第三滤光片19均为窄带滤光片；多块所述第一滤光片10的滤光波段不同但相近；类似的，多块所述第二滤光片15的滤光波段不同但相近；多块所述第三滤光片19的滤光波段不同但相近。可见，本实用新型中第一滤光转盘9、第二滤光转盘14和第三滤光转盘18的结构相同，通过在滤光转盘上安装多块波段不同但相近的窄带滤光片，可通过选择滤光转盘上不同滤光波段的窄带滤光片，使得产生不同波段的窄带照明光，窄带照明光照射于被测物体表面，任意光轴轴向高度z处存在唯一波长值λ的窄带光束处于聚焦状态。
30.参见图1，所述多个单波段的单色光经所述被测物体表面反射后依次透过所述物镜6、所述色散管镜5和所述第一分光透镜4后，由所述第二分光透镜8进行分光；由所述第二分光透镜8反射的单色光经过所述第一滤光转盘9上的第一滤光片10滤光后，由所述第一聚焦透镜11汇聚到所述焦前相机12；由所述第二分光透镜8透射的单色光由所述第三分光透镜13进行分光；由所述第三分光透镜13透射的单色光经过所述第二滤光转盘14上的第二滤光片15滤光后，由所述第二聚焦透镜16汇聚到所述焦面相机17；由所述第三分光透镜13反射的单色光经过所述第三滤光转盘18上的第三滤光片19滤光后，由所述第三聚焦透镜20汇聚到所述焦后相机21。
31.其中，所述物镜6、所述色散管镜5、所述第一分光透镜4、所述第二分光透镜8、所述第三分光透镜13、所述第二滤光转盘14、所述第二聚焦透镜16和所述焦面相机17分别与所述载物模块7互相平行放置。所述第一滤光转盘9、所述第一聚焦透镜11、所述焦前相机12、所述第三滤光转盘18、所述第三聚焦透镜20和所述焦后相机21分别与所述载物模块7互相垂直放置。
32.在实际应用中，所述第一分光透镜、所述第二分光透镜和所述第三分光透镜可以采用半透半反透镜，也可以采用偏振器与偏振分束器的组合。
33.在实际应用中，所述载物模块可采用现有的三维运动载物台，用以带动被测物体进行二维平面运动或三维空间姿态移动。
34.本实用新型一种并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统中，所述复色光源1发出的复色光透过准直透镜2后到达数字微镜器件3中，数字微镜器件3反馈出点光阵列通过第一分光透镜4、色散管镜5和物镜3照射在载物模块7，被载物模块7反射后再次透过第一分光透镜4，经过第二分光透镜8和第三分光透镜13进行分光，分光后的单色光束分别由第一滤光片10、第二滤光片15和第三滤光片19滤光后，分别通过第一聚焦透镜11、第二聚焦透镜16和第三聚焦透镜20汇聚后分别进入焦前相机12、焦面相机17和焦后相机21。处理单元22获取所述焦前相机12、焦面相机17和焦后相机21采集到的被测样品表面信息，并对获取到的被测物体表面信息进行分析，再对反射率不均误差进行补偿消除。所述处理单元22可以采用常规计算机或市售处理器芯片，本实用新型重点保护的是各个部件之间的连接关系，对处理单元结构没有改变，所涉及的处理单元中的数据处理方式并不在本实用新型的保护范围内。
35.所述的并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统采集被测物体表面信息的过程为：
36.所述复色光源1发出单束复色光透过准直透镜2到达数字微镜器件3中，数字微镜器件3将单束复色光调制成并行点光阵列，反馈出的点光阵列透过第一分光透镜4后透过色散管镜5色散变成多个单波段的单色光，之后由物镜6汇聚到载物模块7上的被测样品表面，经被测样品表面反射后透过色散管镜5、第一分光透镜4，由第二分光透镜8和第三分光透镜13进行分光，分光光束经过第一滤光片10、第二滤光片15和第三滤光片19滤光后，分别由第一聚焦透11镜、第二聚焦透镜16和第三聚焦透镜20汇聚到焦前相机12、焦面相机17和焦后相机21中。处理单元22对获取到的被测样品表面信息进行分析，再对不同波段采集到的反色率不均导致的误差进行补偿消除，可以通过如下过程实现：
37.利用所述并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统中的焦前相机12和焦后相机21，在其使用的光谱波段下测量表面反射率均匀样品的光强信息i
f0_λ1
和i
f0_λ2
；
38.利用所述并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统中的焦前相机12和焦后相机21，分别获取测量过程中被测样品表面信息的光强信息i
df1_λ1
和i
df2_λ2
；同时利用焦面相机17，使用与第一滤光片10和第二滤光片15相同滤光波段的第三滤光片19获取正焦面的光强信息i
f1_λ1
和i
f1_λ2
；
39.因为样品反射率不均为乘性误差，即可对彩色共焦差动测量差动公式进行改写，将原轴向差值曲线z＝i
df1_λ1-i
df2_λ2
改写为其中z为轴向高度信息。那么对于焦前相机12采集的λ1波长数据i
df1_λ1
的反射率不均，采用除去同波段在焦面处的光强信息i
f1_λ1
并乘以反色率均匀样品在焦面处的光强信息i
f0_λ1
的方式进行幅值还原；同理，对焦后相机21采集的λ2波长数据i
df2_λ2
的反射率不均，采用除去焦面处的光强信息i
f1_λ2
并乘以反色率均匀样品在焦面处的光强信息i
f0_λ2
的方式进行幅值还原；最后利用预先采用反射率均匀样品标定的轴向光强差值曲线，可以进行被测样品表面三维信息的恢复。
40.需要注意的是，以上过程描述只是对处理单元22中存储的一种可能数据处理过程的描述，处理单元22中也可以存储其他现有数据处理过程的相关程序，对处理单元22中数据处理方式的改进并不在本实用新型的保护范围内。
41.可见，本实用新型提出了一种并行彩色共焦差动测量的反射率不均消除系统，基于该系统中各部件之间的连接关系，通过反射率为乘性的特性，利用焦面光谱信息可以消除被测样品对不同波长反射率不同的影响，从而能够去除并行彩色共焦差动测量过程中因不同波段导致的反射率各异引起的测量误差问题，极大提高了测量的准确性，具有广泛的应用前景。
42.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
43.本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的控制方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。