CN113175884B - 一种光谱共焦测量系统的标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱共焦测量系统的标定装置及标定方法，该装置包括：光源组件、光谱信号色散组件、光谱信号接收组件、精密线性位移台、待测物、Y型光纤耦合器、控制器；移动精密线性位移台，记录每次移动过程中精密线性位移台的位移数据以及线阵CCD相机采集的待测物表面的原始光谱数据；通过光源光谱信号的归一化系数对原始光谱曲线进行修正，对修正后的光谱曲线进行寻峰处理得到修正后的光谱曲线的峰值波长数据，通过峰值波长位移数据拟合峰值波长与位移的定标曲线对光谱共焦测量系统进行标定。本发明能解决因色散组件的线性度、光谱信号接收组件中光谱分辨率等导致系统精度差，测量不准确问题，从而实现光谱共焦测量系统的高精度测量。

Description

一种光谱共焦测量系统的标定装置及标定方法

技术领域

本发明涉及非接触式光学精密测量技术领域，具体涉及一种光谱共焦测量系统标定装置和标定方法。

背景技术

光谱共焦测量系统是一个非接触式高分辨率光学精密测量系统，具有测量精度高、测量速度快、测量倾斜角度大、不受环境光源影响、测量过程不产生温度和能量等特点。光谱共焦测量系统广泛运用于各种不同要求的高精密测量场合，从物体表面细微结构、形状及纹理粗糙度的测量分析到工业环境下的在线质量检测、过程控制与逆向工程及实验室研究场合的高精度设备等。

光谱共焦测量系统的测量精度是系统一个重要性能指标，然而由于光谱信号色散组件中色散组件的线性度、光谱信号接收组件中的光谱分辨率等因素会导致系统精度变差；通常情况下需要对光谱共焦测量系统中每个组件进行单独标定，然而在系统装调的过程中不可避免的引入误差，使得每个组件不能达到设计的性能。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种光谱共焦测量系统标定装置和标定方法，以期能解决传统因色散组件的线性度、光谱信号接收组件中的光谱分辨率等因素导致系统精度差，测量不准确的问题，从而实现光谱共焦测量系统的高精度测量。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种光谱共焦测量系统的标定装置，包括：光源组件、光谱信号色散组件、光谱信号接收组件；其特点在于，所述标定装还置包括：精密线性位移台、待测物、Y型光纤耦合器、控制器；

所述Y型光纤耦合器的光束入射端和光束接收端分别与所述光源组件和所述光谱信号接收组件相连，所述Y型光纤耦合器的光束反射端与所述光谱信号色散组件相连；

所述待测物放置在所述精密线性位移台上，且所述待测物的表面朝向所述光谱信号色散组件，并与所述光谱信号色散组件的色散光束的光轴垂直；

所述控制器分别与所述光源组件和光谱信号接收组件电连接；

所述光源组件包括：白光LED光源、LED准直透镜和光纤聚焦镜；

所述LED准直透镜将所述白光LED光源射出的光束准直后射入所述光纤聚焦镜，再经过所述光纤聚焦镜的聚焦后进入Y型光纤耦合器的光束入射端；进入所述光束入射端的光束经所述Y型光纤耦合器的器件耦合部分传输至所述Y型光纤耦合器的光束反射端；

所述光谱信号色散组件包括：负透镜、正透镜、准直镜组、衍射透镜；

所述Y型光纤耦合器的光束反射端的光束依次经过所述负透镜、正透镜、准直镜组、衍射透镜后色散至所述待测物的表面，所述待测物表面的色散光束以相反的方向再次通过所述色散组件后，经由所述Y型光纤耦合器的光束反射端传输至所述Y型光纤耦合器的器件耦合部分，再传输至所述Y型光纤耦合器的光束接收端；

所述光谱信号接收组件包括：准直镜组、衍射光栅、聚焦透镜组和线阵CCD相机；

所述Y型光纤耦合器的光束接收端的光束依次经过所述准直镜组、衍射光栅、聚焦透镜组后进入所述线阵CCD相机，由所述线阵CCD相机获得光谱信号后传输给所述控制器，所述控制器将获取的光谱信号传输至上位机。

本发明一种光谱共焦测量系统的标定方法的特点是，采用如权利要求1所述的标定装置并按如下步骤进行：

S1、移动所述精密线性位移台，使所述待测物不在所述光谱信号色散组件的色散范围内，利用所述线阵CCD相机获取暗背景信号λ_d；

S2、重复步骤S1，采集多组暗背景信号并做平均处理，得到暗背景信号的均值

S3、通过所述控制器点亮所述白光LED光源，利用所述线阵CCD相机获取亮背景信号λ_h；

S4、重复步骤S3，采集多组亮背景信号并做平均处理，得到亮背景信号的均值

S5、将亮背景信号的均值

减去暗背景信号的均值

得到光源的光谱信号，并记作

S6、根据光源的光谱信号，利用式(1)计算出光源光谱信号的归一化系数x^*：

式(1)中，max(·)表示取最大值函数；

S7、移动所述精密线性位移台，使所述待测物处于所述光谱信号色散组件的色散范围的起始位置，并以等间距d移动所述精密线性位移台m次，记录每次等间距移动过程中所述精密线性位移台的位移数据D＝{D_j|j＝0,1,2,…,m-1}以及所述线阵CCD相机获取待测物表面的原始光谱曲线λ＝{λ_j|j＝0,1,2,…,m-1}；其中，D_j表示第j次的位移数据；λ_j表示第j次获取的原始光谱曲线；

S8、根据光源光谱信号的归一化系数x^*对待测物表面的原始光谱曲线λ进行修正，得到修正后的光谱曲线

其中，λ′_j表示第j条修正后的光谱曲线；

S9、对第j条修正后的光谱曲线λ′_j进行寻峰处理，得到第j条修正后的光谱曲线λ′_j的峰值波长数据

并与对应的第j次的位移数据D_j组成第j组波长位移数据

从而得到m组波长位移数据

S10、建立如式(2)所示的峰值波长与位移的定标曲线D：

式(2)中，c₀，c₁，c₂，…，c_n为拟合曲线的多项式系数记作C，

表示波长

的第n次多项式；

S11、建立如式(3)所示的拟合误差函数Δ：

式(3)中，D_j表示第j次的位移数据,

表示第j个峰值波长数据；

S12、当拟合的确定系数R²大于所设定的阈值δ且拟合误差函数Δ小于所设定的阈值ε时，则表示所述拟合的多项式定标曲线D满足系统测量精度要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的光谱共焦测量系统标定装置和标定方法，可以有效的改善光谱共焦测量系统的测量精度；白光LED光源经过LED准直透镜和光纤聚焦镜得到能量比较集中的光束，经过Y型光纤耦合器进入光谱信号色散组件得到不同波长的单色光，不同波长的单色光色散至待测物表面并以相反的方向再次通过色散组件经由Y型光纤耦器传导至光谱信号接收组件，通过寻峰算法找出光谱信号的波长数据，通过精密线性位移台的移动距离得到位移数据，从而建立了波长与位移的关系式，进而实现了光谱共焦测量系统位移的测量。

附图说明

图1是本发明光谱共焦测量系统标定装置示意图；

图2是本发明光谱信号接收组件示意图；

图3是本发明光源组件示意图；

图4是本发明光谱信号接收组件示意图；

图5是本发明Y型光纤耦合器示意图；

图6是本发明标定方法流程图；

图中标号：10、光源组件，101、白光LED光源，102、LED准直透镜，103、光纤聚焦镜；20、光谱信号色散组件，201、负透镜，202、正透镜，203、准直镜组，204、衍射透镜；30、光谱信号接收组件，301、准直镜组，302、衍射光栅，303、聚焦透镜组，304、线阵CCD相机；40、精密线性位移台；50、待测物；60、Y型光纤耦合器，601、光束入射端，603、光束接收端，602、光束反射端，604、器件耦合部分；70、控制器；80、色散光束。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，一种光谱共焦测量系统的标定装置和标定方法，是首先搭建标定装置，标定装置包括光源组件10、光谱信号色散组件20、光谱信号接收组件30、精密线性位移台40、待测物50、Y型光纤耦合器60、控制器70；

如图1所示，Y型光纤耦合器的60光束入射端601和光束接收端603分别与光源组件10和光谱信号接收组件30相连，Y型光纤耦合器60的光束反射端602与光谱信号色散组件20相连；

待测物放置50在精密线性位移台40上，且待测物的表面50朝向光谱信号色散组件20，并与光谱信号色散组,20的色散光束的光轴垂直；

控制器70分别与光源组件10和光谱信号接收组件30电连接。

如图2所示，光源组件10包括：白光LED光源101、LED准直透镜102和光纤聚焦镜103；

如图5所示，Y型光纤耦合器60包括光束入射端601、光束接收端603、光束反射端602和器件耦合部分604；

如图1所示，白光LED光源101的光束依次通过LED准直透镜102和光纤聚焦镜103，使得白光LED光源能量更加集中的进入Y型光纤耦合器60的光束入射端601，进入光束入射端601的光束经Y型光纤耦合器60的器件耦合部分604传输至Y型光纤耦合器60的光束反射端602；

如图3所示，光谱信号色散组件20包括：负透镜201、正透镜202、准直镜组203、衍射透镜204；

到达Y型光纤耦合器60的光束反射端602的光束依次经过负透镜201、正透镜202、准直镜组203、衍射透镜204后色散至待测物的表面，同时待测物50表面的色散光束80以相反的方向再次通过色散组件20后，经由Y型光纤耦合器60的光束反射端602传输至Y型光纤耦合器60的器件耦合部分604，再传输至Y型光纤耦合器60的光束接收端603；

如图4所示，光谱信号接收组件30包括：准直镜组301、衍射光栅302、聚焦透镜组303和线阵CCD相机304；

到达Y型光纤耦合器60的光束接收端603的光束依次经过准直镜组301、衍射光栅302、聚焦透镜组303后进入线阵CCD相机304，由线阵CCD相机604获得光谱信号后传输给控制器70，控制器70将获取的光谱信号传输至上位机。

如图6所示，一种光谱共焦测量系统的标定方法是采用上述的标定装置并按以下步骤进行：

S1、移动精密线性位移台40，使待测物50不在光谱信号色散组件20的色散范围内，利用线阵CCD相机604获取光谱信号，记为暗背景信号λ_d；

S2、重复步骤S1，采集多组暗背景信号并做平均处理，得到暗背景信号的均值

S3、通过控制器70点亮白光LED光源101，利用线阵CCD相机604获取光谱信号，记为亮背景信号λ_h；

S4、重复步骤S3，采集多组亮背景信号并做平均处理，得到亮背景信号的均值

S5、将亮背景信号的均值

减去暗背景信号的均值

得到光源的光谱信号，并记作

S6、根据光源的光谱信号，利用式(1)计算出光源光谱信号的归一化系数x^*：

式(1)中，max(·)表示取最大值函数；

S7、移动精密线性位移台40，使待测物50处于光谱信号色散组件20的色散范围的起始位置，并以等间距d移动m次精密线性位移台40，记录每次等间距移动过程中精密线性位移台40的位移数据D＝{D_j|j＝0,1,2,…,m-1}以及线阵CCD相机604采集的待测物50表面的原始光谱曲线λ＝{λ_j|j＝0,1,2,…,m-1}；其中，D_j表示第j次的位移数据；λ_j表示第j次获取的原始光谱曲线；

S8、根据光源光谱信号的归一化系数x^*对待测物50表面的原始光谱曲线λ进行修正，得到修正后的光谱曲线

其中，λ′_j表示第j条修正后的光谱曲线；修正后的光谱曲线是对原始光谱曲线不同程度的拉伸，在光谱信号比较弱的时候，归一化系数小，在光谱信号比较强的时候，归一化系数大，这样有利于后续的寻峰处理；

S9、对第j条修正后的光谱曲线λ′_j进行寻峰处理，得到第j条修正后的光谱曲线λ′_j的峰值波长数据

并与对应的第j次的位移数据D_j组成第j组波长位移数据

从而得到m组波长位移数据

S10、建立如式(2)所示的峰值波长与位移的定标曲线D：

式(2)中，c₀，c₁，c₂，…，c_n为拟合曲线的多项式系数记作C，

表示波长

的第n次多项式；

S11、建立如式(3)所示的拟合误差函数Δ：

式(3)中，D_j表示第j次的位移数据，

表示第j个峰值波长数据

S12、当拟合的确定系数R²大于所设定的阈值δ且拟合误差函数Δ小于所设定的阈值ε时，则表示所拟合的多项式定标曲线D满足系统测量精度要求。

Claims (1)

1.一种光谱共焦测量系统的标定方法，是基于一种光谱共焦测量系统的标定装置，该装置包括：光源组件(10)、光谱信号色散组件(20)、光谱信号接收组件(30)；所述标定装还置包括：精密线性位移台(40)、待测物(50)、Y型光纤耦合器(60)、控制器(70)；

所述Y型光纤耦合器(60)的光束入射端(601)和光束接收端(603)分别与所述光源组件(10)和所述光谱信号接收组件(30)相连，所述Y型光纤耦合器(60)的光束反射端(602)与所述光谱信号色散组件(20)相连；

所述待测物(50)放置在所述精密线性位移台(40)上，且所述待测物的表面(50)朝向所述光谱信号色散组件(20)，并与所述光谱信号色散组件(20)的色散光束(80)的光轴垂直；

所述控制器(70)分别与所述光源组件(10)和光谱信号接收组件(30)电连接；

所述光源组件(10)包括：白光LED光源(101)、LED准直透镜(102)和光纤聚焦镜(103)；

所述LED准直透镜(102)将所述白光LED光源(101)射出的光束准直后射入所述光纤聚焦镜(103)，再经过所述光纤聚焦镜(103)的聚焦后进入Y型光纤耦合器(60)的光束入射端(601)；进入所述光束入射端(601)的光束经所述Y型光纤耦合器(60)的器件耦合部分(604)传输至所述Y型光纤耦合器(60)的光束反射端(602)；

所述光谱信号色散组件(20)包括：负透镜(201)、正透镜(202)、准直镜组(203)、衍射透镜(204)；

所述Y型光纤耦合器(60)的光束反射端(602)的光束依次经过所述负透镜(201)、正透镜(202)、准直镜组(203)、衍射透镜(204)后色散至所述待测物(50)的表面，所述待测物(50)表面的色散光束(80)以相反的方向再次通过所述色散组件(20)后，经由所述Y型光纤耦合器(60)的光束反射端(602)传输至所述Y型光纤耦合器(60)的器件耦合部分(604)，再传输至所述Y型光纤耦合器(60)的光束接收端(603)；

所述光谱信号接收组件(30)包括：准直镜组(301)、衍射光栅(302)、聚焦透镜组(303)和线阵CCD相机(304)；

所述Y型光纤耦合器(60)的光束接收端(603)的光束依次经过所述准直镜组(301)、衍射光栅(302)、聚焦透镜组(303)后进入所述线阵CCD相机(304)，由所述线阵CCD相机(604)获得光谱信号后传输给所述控制器(70)，所述控制器(70)将获取的光谱信号传输至上位机；其特征在于，该标定方法是按如下步骤进行：

S1、移动所述精密线性位移台(40)，使所述待测物(50)不在所述光谱信号色散组件(20)的色散范围内，利用所述线阵CCD相机(604)获取暗背景信号λ_d；

S2、重复步骤S1，采集多组暗背景信号并做平均处理，得到暗背景信号的均值

S3、通过所述控制器(70)点亮所述白光LED光源(101)，利用所述线阵CCD相机(604)获取亮背景信号λ_h；

S4、重复步骤S3，采集多组亮背景信号并做平均处理，得到亮背景信号的均值

S5、将亮背景信号的均值

减去暗背景信号的均值

得到光源的光谱信号，并记作

S6、根据光源的光谱信号，利用式(1)计算出光源光谱信号的归一化系数x^*：

式(1)中，max(·)表示取最大值函数；

S7、移动所述精密线性位移台(40)，使所述待测物(50)处于所述光谱信号色散组件(20)的色散范围的起始位置，并以等间距d移动所述精密线性位移台(40)m次，记录每次等间距移动过程中所述精密线性位移台(40)的位移数据D＝{D_j|j＝0,1,2,…,m-1}以及所述线阵CCD相机(604)获取待测物(50)表面的原始光谱曲线λ＝{λ_j|j＝0,1,2,…,m-1}；其中，D_j表示第j次的位移数据；λ_j表示第j次获取的原始光谱曲线；

S8、根据光源光谱信号的归一化系数x^*对待测物(50)表面的原始光谱曲线λ进行修正，得到修正后的光谱曲线

其中，λ′_j表示第j条修正后的光谱曲线；

S9、对第j条修正后的光谱曲线λ′_j进行寻峰处理，得到第j条修正后的光谱曲线λ′_j的峰值波长数据

并与对应的第j次的位移数据D_j组成第j组波长位移数据

从而得到m组波长位移数据

S10、建立如式(2)所示的峰值波长与位移的定标曲线D：

式(2)中，c₀，c₁，c₂，…，c_n为拟合曲线的多项式系数记作C，

表示波长

的第n次多项式；

S11、建立如式(3)所示的拟合误差函数Δ：

式(3)中，D_j表示第j次的位移数据,

表示第j个峰值波长数据；

S12、当拟合的确定系数R²大于所设定的阈值δ且拟合误差函数Δ小于所设定的阈值ε时，则表示所述拟合的多项式定标曲线D满足系统测量精度要求。

Images