1.本发明属于光学影像测量技术领域，尤其是高精密快速测量影像设备，具体涉及一种基于光谱共焦快速聚焦的测量装置和测量方法。
背景技术：
2.影像测量仪是利用机器视觉技术对被测件的尺寸与形位公差进行测量的设备，其应用领域较广，例如机械、电子、传感器、模具、螺纹和手机等精密制造业。
3.随着科技的发展，影像仪测量精度和速度成为核心竞争力，对焦速度是关键因素之一。影像测量系统的景深通常较小，被测物高度发生变化或者被测物表面凹凸不平有高度差时，为获得清晰的成像，就需要频繁对焦，限制了测量效率的提高。
4.目前，对焦方法有人工和自动两种，就自动对焦而言又分为被动和主动两类。被动对焦利用电机驱动光学系统相对被测物纵向移动，并在不同位置拍摄图像，通过图像清晰度函数计算聚焦位置并将光学系统定位至聚焦位置。主动对焦利用位移传感器，如傅科刀口法，探测光学系统当前到被测物的距离，并计算出与聚焦位置的差值，驱动光学系统直接定位到聚焦位置。故而，主动对焦方法响应更快、效率更高。但当前主动对焦系统价格高昂，不利于市场推广。
5.因此，需要一种能够应用在精密影像测量设备上的、价格低廉的快速自动聚焦方法。
技术实现要素：
6.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于光谱共焦快速聚焦的测量装置和测量方法，其能解决上述问题。
7.一种基于光谱共焦快速聚焦的测量装置，所述测量装置包括影像测量光学系统、色散共焦位移传感模块和控制器，所述影像测量光学系统的光路与色散共焦位移传感模块的光路在出射端部分融合同轴，且影像测量光学系统的聚焦面与色散共焦位移传感模块的量程中心共面；其中，所述色散共焦位移传感模块通过出射包含可见光和不可见光的复色光，分别用于聚焦点指示和被测物上表面至影像测量光学系统之间距离的测量。
8.进一步的，所述影像测量光学系统与色散共焦位移传感模块通过不可见光全返-可见光半透半反镜实现光路同轴的融合。
9.进一步的，所述影像测量光学系统包括相机和镜头，所述色散共焦位移传感模块包括光源及信号处理系统、光纤和色散镜头后镜组，其中，所述光源及信号处理系统提供近红外光和可见光；所述不可见光全返-可见光半透半反镜采用近红外全反-可见光半透半反镜，并将所述不可见光全返-可见光半透半反镜设置于所述影像测量光学系统处斜置布置，用以接收来自色散共焦位移传感模块的复色光，并实现复色光折弯后向下出射的光路与所述影像测量光学系统的光路同轴。
10.进一步的，所述影像测量光学系统采用变倍影像测量系统，其镜头包括变倍镜头
前固定组、变倍镜头变倍组、变倍镜头补偿组和变倍镜头后固定组，所述色散共焦位移传感模块还包括光开关以及与所述影像测量光学系统同轴共用的变倍镜头前固定组；在变倍镜头前固定组与变倍镜头变倍组之间以45
°
斜置布置所述不可见光全返-可见光半透半反镜，且所述色散镜头后镜组的水平出射光路正对所述不可见光全返-可见光半透半反镜设置，以此将影像测量光学系统和色散共焦位移传感模块在不可见光全返-可见光半透半反镜下方融合。
11.进一步的，所述影像测量光学系统采用固定倍率的影像测量系统，包括相机和定倍的镜头，镜头包括固定倍率镜头前固定组；所述不可见光全返-可见光半透半反镜包括位于固定倍率镜头前固定组上方45
°
斜置布置的第一不可见光全返-可见光半透半反镜，以及位于所述色散共焦位移传感模块处与第一不可见光全返-可见光半透半反镜同平面平行设置的第二不可见光全返-可见光半透半反镜；所述色散共焦位移传感模块的色散镜头后镜组竖直出射光路向下正对所述第二不可见光全返-可见光半透半反镜设置，以此将影像测量光学系统和色散共焦位移传感模块在第一不可见光全返-可见光半透半反镜下方融合。
12.进一步的，测量装置还包括一个同轴照明模块，所述同轴照明模块的水平出射光路正对所述第二不可见光全返-可见光半透半反镜设置，可见的照明光路经第二不可见光全返-可见光半透半反镜半透以及第一不可见光全返-可见光半透半反镜反射后向下入射到被测物上，为固定倍率的影像测量光学系统提供可见光照明。
13.进一步的，在所述色散共焦位移传感模块中，光源及信号处理系统的光源包括提供不可见光的近红外光源和提供可见光的激光光源，分别通过光学的第一光纤和第二光纤传输，第一光纤和第二光纤的末端通过一个光纤耦合器后与第三光纤连通，并通过一个光纤耦合器进行光束耦合，最后通过色散镜头后镜组将第三光纤传递的将耦合复合光出射。
14.本发明还提供了一种基于光谱共焦快速聚焦的测量方法，方法包括：
15.s1、打开光开关，包括不可见光和可见光的复色光通过色散镜头后镜组、不可见光全返-可见光半透半反镜照射被测物；
16.s2、可见光在被测物上呈现聚光点起指示作用，不可见光被被测物反射经原光路返回到光源及信号处理系统，从而测得影像测量光学系统与其下端被测物之间的距离或距离变化值；
17.s3、根据s2的聚光点和测得的距离手动或自动调节实现快速聚焦；
18.s4、关闭光开关，阻断光线入射到待被测物表面，进行影像测量光学系统对被测物的成像观察与测量。
19.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
20.1、快速聚焦定位到影像清晰面。
21.2、具有聚焦点指示功能，在影像测量系统的相机图像中可见指示光斑。
22.3、色散共焦工作于不可见光波段，不影响影像测量的成像质量和精度。
23.4、结构简单，成本低。
附图说明
24.图1为本发明基于光谱共焦快速聚焦的测量装置；
25.图2为变倍镜头同轴色散共焦聚焦系统结构示意图；
26.图3为固定倍率镜头同轴色散共焦聚焦系统结构示意图；
27.图4为影像测量镜头同轴色散共焦聚焦系统结构示意图；
28.图5为光纤连接示意图。
29.图中：
30.1、影像测量光学系统；11、相机；12、镜头；121、变倍镜头前固定组；122、变倍镜头变倍组；123、变倍镜头补偿组；124、变倍镜头后固定组；125、固定倍率镜头前固定组；
31.2、色散共焦位移传感模块；21、光源及信号处理系统；211、近红外光源；212、激光光源；22、光纤；221、第一光纤；222、第二光纤；223、第三光纤；23、色散镜头后镜组；24、光开关；25、光纤耦合器；
32.3、不可见光全返-可见光半透半反镜；31、第一不可见光全返-可见光半透半反镜；32、第二不可见光全返-可见光半透半反镜；
33.4、同轴照明模块；
34.100、被测物。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.应当理解，本说明书中所使用的“系统”、“装置”、“单元”和/或“模组”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换所述词语。
37.基于光谱共焦快速聚焦的测量装置
38.一种基于光谱共焦快速聚焦的测量装置，参见图1，测量装置包括影像测量光学系统1、色散共焦位移传感模块2和控制器(图未示)。
39.连接关系：影像测量光学系统1的光路与色散共焦位移传感模块2的光路在出射端部分融合同轴，且影像测量光学系统1的聚焦面与色散共焦位移传感模块2的量程中心共面。其中，所述色散共焦位移传感模块2通过出射包含可见光和不可见光的复色光，分别用于聚焦点指示和被测物100上表面至影像测量光学系统1之间距离的测量。
40.进一步的，所述影像测量光学系统1与色散共焦位移传感模块2通过一个不可见光全返-可见光半透半反镜3实现光路同轴的融合。
41.其中，所述影像测量光学系统1包括相机11和镜头12。
42.色散共焦位移传感模块2包括光源及信号处理系统21、光纤22和色散镜头后镜组23，其中，所述光源及信号处理系统21提供近红外光和可见光；所述不可见光全返-可见光半透半反镜3采用近红外全反-可见光半透半反镜，并将所述不可见光全返-可见光半透半反镜3设置于所述影像测量光学系统1处斜置布置，用以接收来自色散共焦位移传感模块2的复色光，并实现复色光折弯后向下出射的光路与所述影像测量光学系统1的光路同轴。
43.第一实施例
44.一个实施例中，参见图1和图2，镜头12采用变倍的镜头，具体如下。
45.影像测量光学系统1采用变倍影像测量系统，其镜头12包括变倍镜头前固定组121、变倍镜头变倍组122、变倍镜头补偿组123和变倍镜头后固定组124，所述色散共焦位移传感模块2还包括光开关24以及与所述影像测量光学系统1同轴共用的变倍镜头前固定组121；在变倍镜头前固定组121与变倍镜头变倍组122之间以45
°
斜置布置所述不可见光全返-可见光半透半反镜3，且所述色散镜头后镜组23的水平出射光路正对所述不可见光全返-可见光半透半反镜3设置，以此将影像测量光学系统1和色散共焦位移传感模块2在不可见光全返-可见光半透半反镜3下方融合。
46.具体示例中，测量装置主要包括采用变倍影像测量系统的影像测量光学系统1和色散共焦位移传感模块2，二者共用部分光路，且影像测量光学系统1的聚焦面与色散共焦位移传感模块2的量程中心共面。其中，影像测量光学系统1包括其所需的相机11和变倍的镜头12。进一步的，变倍的镜头12由变倍镜头前固定组121、变倍镜头变倍组122、变倍镜头补偿组123以及变倍镜头后固定组124组成。变倍的镜头12的光学倍率范围为0.5x～10x，其对应的景深范围为2mm～0.03mm，工作距离65mm，支持1英寸的感光芯片。
47.色散共焦位移传感模块包括变倍镜头前固定组121、色散镜头后镜组23、光纤22、光源及信号处理系统21和光开关24。其中，所述色散共焦位移传感模块的光源位于光源及信号处理系统21中，光源采用波段在600～1000nm的宽光谱光源，其中780～1000nm的近红外波段作为色散共焦位移传感模块2的测量光源，600～780nm的可见光波段作为聚焦指示点的光源。
48.进一步的，色散共焦位移传感模块2的光源发射的光线通过光纤22传输至光开关24，其用于控制光束传输的通与断，以避免光源的600～780nm可见光波段对影像测量光学系统1的成像与测量影响。在光开关24处于开通状态时，光束通过光纤22传输至色散镜头后镜组23，输入的一束复色光，经过色散镜头后镜组23进行初步的光路整形与色散。
49.进一步的，在影像测量光学系统1的变倍镜头前固定组121与变倍镜头变倍组122中间以45
°
方向放置一片不可见光全反-可见光半透半反镜3，且色散共焦位移传感模块2与影像测量光学系统1共用一套变倍镜头前固定组121作为前镜组，实现同轴共光路设计。从色散镜头后镜组23出射的光线经过不可见光全返-可见光半透半反镜3(近红外全反-可见光半透半反镜)后，光路转折90
°
，可见光一半反射、近红外波段被全部反射进入变倍镜头前固定组121。复色光线经变倍镜头前固定组121后，600～780nm可见光波段的光线被汇聚入射到被测物100上，实现聚焦点指示；780nm～1000nm近红外波段的光线在色散共焦的量程范围内形成不同波长的单色近红外光入射到被测物100，被物体反射的部分光线经原光路返回到光源及信号处理系统21，从而测得影像光学测量系统1与其下端被测物100之间的距离变化值。色散共焦位移传感模块2的工作距离为65mm，量程为8mm，影像测量光学系统1的聚焦面与色散共焦位移传感模块2的量程中心共面，线性度
±
0.02％f.s.,重复精度2um以内，测量频率1000hz以上，信号处理系统能够快速反馈高精的位移信息，进一步驱动影像测量光学系统1迅速完成对被测物100表面的聚焦。影像测量光学系统1完成聚焦后，光开关24置于断开状态，阻断光线入射到被测物100表面，以进行影像测量光学系统1的成像观察与测量。
50.第二实施例
51.与第一实施例不同的是，影像测量光学系统1采用固定倍率的影像测量系统，参见
图3，镜头12包括固定倍率镜头前固定组125。
52.所述不可见光全返-可见光半透半反镜3包括位于固定倍率镜头前固定组125上方45
°
斜置布置的第一不可见光全返-可见光半透半反镜31，以及位于所述色散共焦位移传感模块2处与第一不可见光全返-可见光半透半反镜31同平面平行设置的第二不可见光全返-可见光半透半反镜32。
53.所述色散共焦位移传感模块2的色散镜头后镜组23竖直出射光路向下正对所述第二不可见光全返-可见光半透半反镜32设置，以此将影像测量光学系统1和色散共焦位移传感模块2在第一不可见光全返-可见光半透半反镜31下方融合。
54.具体示例中，其中，色散共焦位移传感模块2与固定倍率的镜头12共用一组前镜组-固定倍率镜头前固定组125，实现固定倍率测量镜头与色散镜头同轴共光路、测量镜头聚焦面与色散共焦量程中心共面。
55.一束600～1000nm的复色光线，经过色散镜头后镜组23被初步色散整形的光线入射到45
°
放置的第二不可见光全返-可见光半透半反镜32后，780～1000nm的近红外光线被全部反射，600～780nm的可见光光线一半被反射，近红外光和可见光均被偏转90
°
，随后入射到固定倍率镜头前镜组21后端45
°
放置的第一不可见光全返-可见光半透半反镜31，近红外与可见光均再次被反射偏转90
°
，进入固定倍率镜头前固定组125。进一步的，600～780nm的光线经过固定倍率镜头前固定组125汇聚入射到被测物100上表面，形成一个肉眼可见的亮斑，用于聚焦点指示；780～1000nm的近红外光线用于探测影像测量镜头底端与被测物上表面的距离变化，反馈高精度位移信号，引导影像测量光学系统1聚焦。该实施例中，固定倍率镜头光学倍率为20x，工作距离30mm，景深0.02mm，支持1英寸感光芯片；色散共焦位移传感模块2工作距离30mm，量程6mm，线性度
±
0.02％f.s.,重复精度1um以内，测量频率2000hz以上。
56.第三实施例
57.测量装置还包括一个同轴照明模块4，参见图3和图4，所述同轴照明模块4的水平出射光路正对所述第二不可见光全返-可见光半透半反镜32设置，可见的照明光路经第二不可见光全返-可见光半透半反镜32半透以及第一不可见光全返-可见光半透半反镜31反射后向下入射到被测物100上，为固定倍率的影像测量光学系统1提供可见光照明。
58.同轴照明模块4发射的光线经过第二不可见光全返-可见光半透半反镜32后一半的光线透过，随后入射到第一不可见光全返-可见光半透半反镜31，一半的光线被反射偏转90
°
进入变倍镜头前固定组121或固定倍率镜头前固定组125，最终入射到被测物100上表面，为变倍率或固定倍率影像测量系统提供可见光照明。
59.第四实施例
60.与前述实施例不同，所述不可见光全返-可见光半透半反镜3外置于所述影像测量光学系统1的镜头12下方设置，以简化光学系统。
61.参见图4，本实施例影像测量光学系统1和色散共焦位移传感模块2无需共用前镜组设计，可单独完成同轴测距与高精度位移反馈，大幅降低光学系统设计的复杂性，提升系统的可扩展性与易用性。
62.示例中，影像测量的镜头12采用光学倍率为10x的镜头，工作距离45mm，景深0.04mm，支持1英寸感光芯片；
63.色散镜头后镜组23的工作距离55mm，量程2mm，线性度
±
0.02％f.s.,重复精度1um以内，测量频率1000hz以上。
64.从色散镜头后镜组23出射的600～1000nm的复色光，先后经过第二不可见光全返-可见光半透半反镜32和第一不可见光全返-可见光半透半反镜31，汇聚入射到被测物100上表面，实现近红外波段的色散共焦测距与可见光波段的聚焦点指示。
65.进一步的，色散镜头后镜组23与第二不可见光全返-可见光半透半反镜32和第一不可见光全返-可见光半透半反镜31以及同轴照明模块4进行模块设计，并将其整体安装于影像测量的镜头12底端。
66.通过调整色散镜头后镜组23与第二不可见光全返-可见光半透半反镜32之间的轴向距离，或调整第二不可见光全返-可见光半透半反镜32与第一不可见光全返-可见光半透半反镜31之间的横向距离，便可精确调节测量镜头聚焦面与色散共焦量程中心的间距，实现共面。且可通过设置上述器件之间的不同间距，使同款测量镜头匹配不同规格的色散镜头，或同款色散镜头匹配不同规格的测量镜头，提升整个系统的易用性。
67.第五实施例
68.与前述实施例不同的是，本实施例的光源不同，参见图5，在所述色散共焦位移传感模块2中，光源及信号处理系统21的光源包括提供不可见光的近红外光源211和提供可见光的激光光源212，分别通过光学22的第一光纤221和第二光纤222传输，第一光纤221和第二光纤222的末端通过一个光纤耦合器25后与第三光纤223连通，并通过一个光纤耦合器25进行光束耦合，最后通过色散镜头后镜组23将第三光纤223传递的将耦合复合光出射。
69.本实施例进一步优化聚焦点指示功能并提升色散共焦位移传感模块2测距的响应速度。
70.本实施例中，光源及信号处理系统21内有两组光源，近红外光源211采用780～1000nm波段，其作为色散共焦系统的测量光源；激光光源212采用600～780nm波段，作为聚焦指示点的光源，两组光源发出的光线通过第一光纤221和第二光纤222传输至光纤耦合器25进行光束耦合，耦合后的光束一并传输至色散镜头后镜组23。用于色散共焦系统测量的近红外光线始终处于工作状态，实时监测影像测量光学系统1与被测物表面的距离变化，从而提高色散共焦位移传感模块2的响应速度。
71.进一步的，激光光源212可根据需求快速响应开或关，以避免对影像测量光学系统1的成像与测量产生影响。激光光源212处于开启状态时，激光光束从色散镜头后镜组23出射后，经过不可见光全反/可见光半透半反镜3，光线转折90
°
，经过镜头12的前固定组的汇聚，最终入射到被测物100的表面，形成一个亮斑。高亮的激光光斑在影像测量光学系统1所需的强照明环境下，能被更清晰的通过肉眼观察到，进而指示影像测量光学系统1完成在被测物体表面指定位置上的聚焦。影像测量光学系统1完成聚焦后，激光光源快速响应关闭，以进行影像观察与测量。
72.基于光谱共焦快速聚焦的测量方法
73.一种基于光谱共焦快速聚焦的测量方法，方法包括：
74.s1、打开光开关24，包括不可见光和可见光的复色光通过色散镜头后镜组23、不可见光全返-可见光半透半反镜3照射被测物100。
75.s2、可见光在被测物100上呈现聚光点起指示作用，不可见光被被测物100反射经
原光路返回到光源及信号处理系统21，从而测得影像测量光学系统1与其下端被测物100之间的距离或距离变化值。
76.s3、根据s2的聚光点和测得的距离手动或自动调节实现快速聚焦。
77.s4、关闭光开关24，阻断光线入射到待被测物100表面，进行影像测量光学系统1对被测物100的成像观察与测量。
78.其中，针对第三实施例，在步骤s4中，关闭光开关24后打开同轴照明模块4，为影像测量光学系统1提供照明。
79.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。