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CN213481255U - 一种线光谱共焦传感器 - Google Patents

一种线光谱共焦传感器 Download PDF

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CN213481255U CN202022649161.7U CN202022649161U CN213481255U CN 213481255 U CN213481255 U CN 213481255U CN 202022649161 U CN202022649161 U CN 202022649161U CN 213481255 U CN213481255 U CN 213481255U
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Abstract

本实用新型涉及一种线光谱共焦传感器，包括线光源、色散组件、接收组件、狭缝及处理组件，线光源用于输出连续、均匀的线型宽光谱光束；色散组件包括第一准直元件、第一色散元件及第一聚焦元件；接收组件包括第二聚焦元件、第二色散元件及第二准直元件，与色散组件对称设置；狭缝，用于滤除被测物体表面非聚焦波长反射光线；处理组件，包括第三准直元件、第三色散元件、第三聚焦元件及图像传感器。本实用新型以线光源作为传感器照明光源，实现了一条线上共焦波长测量，可一次测量一条线的高度位置信息，测量速度快，精度高，稳定性高,操作简单方便；同时,通过增设反射镜，传感器结构更紧凑，在同等测量性能的前提下，可有效减小传感器体积。

Description

一种线光谱共焦传感器
技术领域
本实用新型涉及一种光谱共焦测量装置，特别是一种线光谱共焦传感器。
背景技术
光谱共焦技术是一种基于共焦显微技术衍生的一种测量方法，主要原理是将光源不同波长聚焦到不同高度面上，实现高度和波长对应，通过检测共焦波长来实现高度测量。具有高精度，高速度、高稳定性特点，常用于工业检测技术领域，尤其对于透明物体的测量更具优势。
目前，现有技术中常规光谱共焦技术大部分是单点测量，对于一条线或者一个平面高度信息的测量需要通过移动被测物体或者光谱共焦传感器探头来实现，一方面会影响测量效率，另一方面多次移动也会引入一些其它测量误差，降低了系统测量的稳定性及精度。
实用新型内容
本实用新型的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种可实现一条线上共焦波长测量，一次测量一条线的高度位置信息，测量速度快，精度高，稳定性高,操作简单方便的线光谱共焦传感器。
本实用新型采用如下技术方案：
一种线光谱共焦传感器，包括有：
线光源，用于输出连续、均匀的线型宽光谱光束；
色散组件，包括依次承接设置的第一准直元件、第一色散元件及第一聚焦元件，用于对线光源发出的光进行色散并使不同波长光聚焦在不同高度处；
接收组件，包括依次承接设置的第二聚焦元件、第二色散元件及第二准直元件，与色散组件对称设置，用于接收被测物体表面反射的光线并聚焦到不同位置；
狭缝，承接接收组件设置，用于滤除被测物体表面非聚焦波长反射光线；
以及处理组件，包括依次承接设置的第三准直元件、第三色散元件、第三聚焦元件及图像传感器，用于接收通过狭缝的不同波长光线并将其聚焦在图像传感器上不同位置处。
进一步地，所述线光谱共焦传感器还包括有处理器，用于通过检测图像传感器上光斑位置来计算得出被测量物体表面高度信息。
进一步地，所述处理组件还包括有第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜设置于狭缝与第三准直元件之间，用于将通过狭缝的光线偏折至第三准直元件，第二反射镜设置于第三准直元件与第三色散元件之间，用于将第三准直器射出的光线偏折至第三色散元件。
进一步地，所述第一反射镜相对于狭缝倾斜45°角并沿狭缝长度方向设置。
进一步地，所述线光源由白光LED构成。
进一步地，所述线光源前设置有用于管控线光源发散角度的光阑。
进一步地，所述狭缝包括两黑色板，狭缝长度与线光源长度相同，狭缝宽度可调节。
进一步地，所述第一准直元件、第二准直元件、第三准直元件均包括至少一个准直镜片。
进一步地，所述第一色散元件、第二色散元件、第三色散元件采用棱镜和/或光栅。
进一步地，所述第一聚焦元件、第二聚焦元件、第三聚焦元件均包括至少一个聚焦镜片。
由上述对本实用新型的描述可知，与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型以线光源作为传感器照明光源，实现了一条线上共焦波长测量，可一次测量一条线的高度位置信息，有效解决单点光谱共焦传感器测量效率低的问题，测量速度快，精度高，稳定性高,操作简单方便；同时,处理组件通过增设反射镜，可使传感器结构更紧凑，在同等测量性能的前提下，可有效减小传感器体积。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的线光谱共焦传感器的整体结构示意图；
图2是本实用新型实施例1的色散组件的结构示意图；
图3是本实用新型实施例1的接收组件的结构示意图；
图4是本实用新型实施例1的处理组件的结构示意图。
图中：1.线光源，2.色散组件，21.第一准直元件，22.第一色散元件，23.第一聚焦元件，3.接收组件，31.第二聚焦元件，32.第二色散元件，33.第二准直元件，4.狭缝，5.处理组件，51.第一反射镜，52.第三准直元件，53.第二反射镜，54.第三色散元件，55.第三聚焦元件，56.图像传感器。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。
实施例1
参照图1至图4，本实用新型的一种线光谱共焦传感器，包括有线光源1、色散组件2、接收组件3、狭缝4、处理组件5以及处理器。
线光源1，用于输出连续、均匀的线型宽光谱光束，由多个高功率白光LED构成，在波长400-700nm有连续、均匀光谱分布。每个LED灯都有较强的发光功率来保证系统采样速度，且每个LED灯在可见光范围内光谱是连续、均匀的。线光源1前设置有用于管控线光源发散角度的光阑(图中未示出)。图1-3中，a、b、c分别为400nm、500nm、700nm波长的光路。
色散组件2，包括依次承接设置的第一准直元件21、第一色散元件22及第一聚焦元件23，用于对线光源1发出的光进行色散并使不同波长光聚焦在不同高度处。第一准直元件21采用准直镜片，用于将线光源1发出的光准直为平行光。第一色散元件22采用棱镜，用于将准直后的光线色散成不同波长的光线，且不同波长的光线具有不同的出射角度。第一聚焦元件23采用聚焦镜片，用于将色散元件色散的不同波长的光聚焦在被测物体表面不同高度处，形成一个色散平面，该色散平面与被测物体表面垂直，实现了一条线上点的高度信息和波长信息的对应。图2中，400nm、500nm、700nm这三种波长的光聚焦在了不同高度处，且线上所有点色散出来的平面和被测物体表面垂直。
接收组件3，包括依次承接设置的第二聚焦元件31、第二色散元件32及第二准直元件33，与色散组件2对称设置，用于接收被测物体表面反射的光线并聚焦到不同位置。第二聚焦元件31采用聚焦镜片，第二色散元件32采用棱镜，第二准直元件33采用准直镜片。被测物体表面反射的光线被接收组件3接收，经过接收组件3后，聚焦波长反射的光线会被接收组件3再次聚焦到狭缝4位置，非聚焦波长反射的光线则会被狭缝4阻挡，不能进入处理组件5。图3中，波长500nm的光线聚焦在被测物体表面，波长400nm和700nm的光线在被测物体表面是离焦状态。被测物体表面反射的光线经过接收组件3后，仅有500nm波长的光线聚焦在狭缝4位置，并可以通过狭缝4进入到处理组件5，400nm和700nm波长的光线被狭缝4阻拦，无法进入到处理组件5。
狭缝4，承接接收组件3设置于和线光源平行位置，接收组件3将被测物体表面反射的光线聚焦在狭缝4底面不同位置，利用狭缝4可滤除被测物体表面非聚焦波长反射光线，仅允许聚焦在被测物体表面的反射光线通过。狭缝4包括两涂黑金属板，狭缝4长度与线光源1长度相同，狭缝4宽度可调节。狭缝4宽度与系统分辨率及采样速度有关，可根据实际情况进行选择。狭缝4宽度越窄，进入到处理组件5波长范围也越少，线光谱共焦传感器系统分辨率也越高；当然，狭缝4宽度越窄，系统能量也越弱，系统测量速度也会降低。本实施例可选狭缝4宽度为20-200um。
处理组件5，包括依次承接设置的第一反射镜51、第三准直元件52、第二反射镜53、第三色散元件54、第三聚焦元件55及图像传感器56，用于接收通过狭缝4的不同波长光线并将其聚焦在图像传感器56上不同位置处。第三准直元件52采用准直镜片，第三色散元件54采用棱镜，第三聚焦元件55采用聚焦镜片。第一反射镜51设置于狭缝4与第三准直元件52之间，相对于狭缝4倾斜45°角并沿狭缝4长度方向设置，用于将通过狭缝4的光线偏折至第三准直元件52。第二反射镜53设置于第三准直元件52与第三色散元件54之间，相对第三准直元件52倾斜45°角设置，用于将第三准直器52射出的光线偏折至第三色散元件54。透过狭缝4的光线被第一反射镜51反射后，进入到第三准直元件52，光线经第三准直元件52准直后被第二反射镜53反射，进入第三色散元件54，第三色散元件54将不同波长光线色散开以不同角度进入到第三聚焦元件55，经第三聚焦元件55聚焦在图像传感器56上不同位置处。第二反射镜53的倾斜角度不局限45°，可根据实际需要进行调整。
处理器，通过检测图像传感器56上光斑位置来确定在被测物体表面聚焦的光线波长信息，进而利用波长和被测物体高度标定信息来计算得出被测物体表面高度信息。处理器通过检测图像传感器56上光斑位置来计算被测物体表面高度信息的算法为现有技术。处理器采用ARM处理器，且处理器采用现有技术中任意微处理器均不影响本实用新型的实施。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中不设置第二反光镜54。第三色散元件54承接第三准直元件52射出的平行光路布置，第三聚焦元件55承接第三色散元件54射出的光路布置，图像传感器56承接第三聚焦元件55射出的光路布置。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：第一色散元件22、第二色散元件32、第三色散元件54采用光栅。
上述仅为本实用新型的三个具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种线光谱共焦传感器，其特征在于：包括有：
线光源，用于输出连续、均匀的线型宽光谱光束；
色散组件，包括依次承接设置的第一准直元件、第一色散元件及第一聚焦元件，用于对线光源发出的光进行色散并使不同波长光聚焦在不同高度处；
接收组件，包括依次承接设置的第二聚焦元件、第二色散元件及第二准直元件，与色散组件对称设置，用于接收被测物体表面反射的光线并聚焦到不同位置；
狭缝，承接接收组件设置，用于滤除被测物体表面非聚焦波长反射光线；
以及处理组件，包括依次承接设置的第三准直元件、第三色散元件、第三聚焦元件及图像传感器，用于接收通过狭缝的不同波长光线并将其聚焦在图像传感器上不同位置处。
2.如权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：还包括有处理器，用于通过检测图像传感器上光斑位置来计算得出被测量物体表面高度信息。
3.如权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述处理组件还包括有第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜设置于狭缝与第三准直元件之间，用于将通过狭缝的光线偏折至第三准直元件，第二反射镜设置于第三准直元件与第三色散元件之间，用于将第三准直器射出的光线偏折至第三色散元件。
4.如权利要求3所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述第一反射镜相对于狭缝倾斜45°角并沿狭缝长度方向设置。
5.如权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述线光源由白光LED构成。
6.如权利要求1或5所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述线光源前设置有用于管控线光源发散角度的光阑。
7.如权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述狭缝包括两黑色板，狭缝长度与线光源长度相同，狭缝宽度可调节。
8.如权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述第一准直元件、第二准直元件、第三准直元件均包括至少一个准直镜片。
9.如权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述第一色散元件、第二色散元件、第三色散元件采用棱镜和/或光栅。
10.如权利要求1所述的一种线光谱共焦传感器，其特征在于：所述第一聚焦元件、第二聚焦元件、第三聚焦元件均包括至少一个聚焦镜片。
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