CN107131855A - 一种光谱共焦测量***标定装置及标定方法 - Google Patents
一种光谱共焦测量***标定装置及标定方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种光谱共焦测量***标定装置和方法，该装置包括可调谐激光器、双分支光纤、光纤出射光束、色散物镜、色散物镜出射光束、待测物、位移台、位移传感器、光谱仪和计算机。该方法包括通过位移传感器记录施加了位移的被测物的位置；设置可调谐激光器的输出波长范围，使可调谐激光器依次发出覆盖色散物镜工作波段的单色激光光束；当光谱仪上出现幅值最大的光谱信号时，记录此时可调谐激光器出射激光光束的波长大小λ以及光谱仪中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号n；通过n和λ之间的对应关系建立波长和被测物位移量之间的关系。有效降低了对光谱共焦测量***中色散物镜线性度的要求，并提高光谱共焦测量***的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种光谱共焦测量***的标定。
背景技术
光谱共焦法是一种基于波长位移调制的非接触式微位移测量方法，具有测量精度高，速度快，对被测表面的纹理、倾斜等因素不敏感，对材料无特殊要求等优点，在精密制造和超精密制造、微型机械、微细和超微细加工等精密工程中具有重要的应用和发展前景。
影响光谱共焦***测量精度的因素较多，如光谱仪分辨率、色散物镜线性度等因素，通常需要对影响光谱共焦***测量精度的各因素进行特殊设计和单独标定，对色散物镜线性度的要求更是十分严格。然而在实际中很难实现理想线性度的色散物镜，首先，在光学设计阶段，很难设计出理想的线性色散物镜，其次，即使设计出了线性度很好的色散物镜，由于色散物镜在镜片加工、镀膜、装调过程中不可避免的误差也将色散物镜线性度变差。因此如何精确标定色散物镜波长和位移的关系，是光谱共焦测量***实现高精度测量的重要保证。
本发明给出一种光谱共焦测量***标定装置及标定方法，以可调谐激光器发出的波长已知的单色光作为光谱共焦测量***的工作波长，通过位移传感器测量被测物的位置信息，以光谱仪的最大幅值光谱信号作为判断依据，同时获得被测物的位移大小、可调谐激光器出射激光光束的波长大小以及光谱仪中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号。从而建立光谱仪像素编号和波长的关系以及波长和位移的关系，避免了对色散物镜线性度的苛刻要求，有利于提高光谱共焦测量***的测量精度。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种光谱共焦测量***标定装置，其特征在于，该装置包括可调谐激光器(10)、双分支光纤(20)、光纤出射光束(201)、色散物镜(30)、色散物镜出射光束(301)、待测物(40)、位移台(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80)，其中，可调谐激光器(10)出射的已知波长的激光光束进入双分支光纤(20)的第一分支端耦合入双分支光纤(20)，经双分支光纤(20)总端传输后得到光纤出射光束(201)，光纤出射光束(201)经色散物镜(30)后得到色散物镜出射光束(301)，色散物镜出射光束(301)被待测物(40)反射后经色散物镜(30)、双分支光纤(20)总端、双分支光纤(20)的第二分支端进入光谱仪(70)，被测物(40)在位移台(50)上，通过位移台(50)对被测物(40)施加一定的位移，通过位移传感器(60)测量被测物(40)的位移大小，通过光谱仪(70)的光谱信号获得被测物(40)的位移大小所对应的可调谐激光器(10)出射光束的波长信息。
优选地，所述可调谐激光器(10)出射激光光束的波长覆盖色散物镜(30)的工作波段，且可调谐激光器(10)每次仅出射特定波长的单色激光光束。
优选地，所述可调谐激光器(10)出射的激光光束为连续光束或脉冲光束。
优选地，当被测物(40)发生一定的位移时，可调谐激光器(10)将依次发出覆盖色散物镜(30)工作波段的单色激光光束，当光谱仪(70)上出现幅值最大的光谱信号时，计算机(80)同时记录此时被测物(40)的位移大小D，可调谐激光器(10)出射激光光束的波长大小λ以及光谱仪(70)中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号n；依据下式进行波长和位移关系的拟合，
D＝C0+C1λ+C2λ2+…+Cmλm (1)
式中，C0，C1，C2，…，Cm为常数，m为多项式的最高幂次。
优选地，m是根据光谱共焦测量***的测量精度要求来确定的；式(1)的拟合残差Δ为
式中，j为编号，其值为j＝1，2，…，k，k为所测波长的个数，若拟合残差Δ小于指定值ε时，则m值满足光谱共焦测量***的测量精度要求。
优选地，所述光谱仪(70)的像素编号和光谱共焦测量***的工作波长之间建立了对应关系，通过光谱仪(70)的光谱峰值的像素编号获得当前状态下的波长信息，从而在光谱共焦测量***中完成光谱仪(70)像素编号和波长关系的标定。
一种光谱共焦测量***标定方法，其采用上述的光谱共焦测量***标定装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、通过位移台(50)给被测物(40)施加一定的位移，并通过位移传感器(60)记录此时被测物(40)的位置；
S2、设置可调谐激光器(10)的输出波长范围，使可调谐激光器(10)依次发出覆盖色散物镜(30)工作波段的单色激光光束；
S3、当光谱仪(70)上出现幅值最大的光谱信号时，通过计算机(80)同时记录此时可调谐激光器(10)出射激光光束的波长大小λ以及光谱仪(70)中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号n；
S4、重复步骤S1～S3，获得多组波长λ及该波长所对应的位移量D和该波长所对应的光谱仪(70)中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号n；
S5、建立光谱仪(70)像素编号n和波长λ之间的对应关系；
S6、依据下式对波长λ和该波长所对应的位移量D进行多项式拟合，建立波长和被测物(40)位移量之间的关系，
D＝C0+C1λ+C2λ2+…+Cmλm (1)
式中，C0，C1，C2，…，Cm为常数，m为多项式的最高幂次。
8.根据权利要求7所述的一种光谱共焦测量***标定方法，其特征在于，m是根据光谱共焦测量***的测量精度要求来确定的；式(1)的拟合残差Δ为
式中，j为编号，其值为j＝1，2，…，k，k为所测波长的个数，若拟合残差Δ小于指定值ε时，则m值满足光谱共焦测量***的测量精度要求。
本发明提供的光谱共焦测量***标定装置及标定方法，可以有效降低对光谱共焦测量***中色散物镜线性度的要求，并提高光谱共焦测量***的测量精度。以可调谐激光器发出的波长已知的单色光作为光谱共焦测量***的工作波长，通过位移传感器测量被测物的位置信息，以光谱仪的最大幅值光谱信号作为判断依据，同时获得被测物的位移大小、可调谐激光器出射激光光束的波长大小以及光谱仪中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号。从而建立光谱仪像素编号和波长的关系以及波长和位移的关系，避免了对色散物镜线性度的苛刻要求，有利于提高光谱共焦测量***的测量精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为根据本发明实施方式的光谱共焦测量***标定装置示意图；
图2为根据本发明实施方式的光谱共焦测量***标定方法流程图；
其中，光谱共焦测量***标定装置：10、可调谐激光器，20、双分支光纤，201、光纤出射光束，30、色散物镜，301、色散物镜出射光束，40、待测物，50、位移台，60、位移传感器，70、光谱仪，80、计算机。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明所述的光谱共焦测量***标定装置示意图，可调谐激光器(10)、双分支光纤(20)、光纤出射光束(201)、色散物镜(30)、色散物镜出射光束(301)、待测物(40)、位移台(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80)。
可调谐激光器(10)出射的已知波长的激光光束进入双分支光纤(20)的第一分支端耦合入双分支光纤(20)，经双分支光纤(20)总端传输后得到光纤出射光束(201)，光纤出射光束(201)经色散物镜(30)后得到色散物镜出射光束(301)，色散物镜出射光束(301)被待测物(40)反射后经色散物镜(30)、双分支光纤(20)总端、双分支光纤(20)的第二分支端进入光谱仪(70)，通过位移台(50)对被测物(40)施加一定的位移，通过位移传感器(60)测量被测物(40)的位移大小，通过光谱仪(70)的光谱信号可获得被测物(40)的位移大小所对应的可调谐激光器(10)出射光束的波长信息。通过对多组波长及该波长所对应的位移量进行多项式拟合，可获得光谱共焦测量***波长和位移的关系，从而实现光谱共焦测量***的标定。
上述可调谐激光器(10)出射激光光束的波长可覆盖色散物镜(30)的工作波段，且可调谐激光器(10)每次仅出射特定波长的单色激光光束。
上述可调谐激光器(10)出射的激光光束可为连续光束或脉冲光束。
当被测物(40)发生一定的位移时，可调谐激光器(10)将依次发出覆盖色散物镜(30)工作波段的单色激光光束，当光谱仪(70)上出现幅值最大的光谱信号时，计算机(80)同时记录此时被测物(40)的位移大小D，可调谐激光器(10)出射激光光束的波长大小λ以及光谱仪(70)中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号n。依据下式进行波长和位移关系的拟合，
D＝C0+C1λ+C2λ2+...+Cmλm (1)
式中，C0，C1，C2，…，Cm为常数，m为多项式的最高幂次。
上述m是根据光谱共焦测量***的测量精度要求来确定的。式(1)的拟合残差Δ为
式中，j为编号，其值为j＝1，2，…，k，k为所测波长的个数，若拟合残差Δ小于指定值ε时，则m值满足光谱共焦测量***的测量精度要求。
所述光谱仪(70)的像素编号和光谱共焦测量***的工作波长之间建立了对应关系，通过光谱仪(70)的光谱峰值的像素编号即可获得当前状态下的波长信息，从而在光谱共焦测量***中完成光谱仪(70)像素编号和波长关系的标定。
如图2所示，为本分发明所述一种光谱共焦测量***标定方法流程图，当采用上述光谱共焦测量***标定装置进行光谱共焦测量***标定是，光谱共焦测量***标定方法包括如下步骤：
S1、通过位移台(50)给被测物(40)施加一定的位移，并通过位移传感器(60)记录此时被测物(40)的位置；
S2、设置可调谐激光器(10)的输出波长范围，使可调谐激光器(10)依次发出覆盖色散物镜(30)工作波段的单色激光光束；
S3、当光谱仪(70)上出现幅值最大的光谱信号时，通过计算机(80)同时记录此时可调谐激光器(10)出射激光光束的波长大小λ以及光谱仪(70)中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号n；
S4、重复步骤S1～S3，获得多组波长λ及该波长所对应的位移量D和该波长所对应的光谱仪(70)中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号n；
S5、建立光谱仪(70)像素编号n和波长λ之间的对应关系；
S6、对波长λ和该波长所对应的位移量D进行多项式拟合，建立波长和被测物(40)位移量之间的关系，
D＝C0+C1λ+C2λ2+...+Cmλm (1)
式中，C0，C1，C2，…，Cm为常数，m为多项式的最高幂次，m是根据光谱共焦测量***的测量精度要求来确定的；其中，式(1)的拟合残差Δ为
式中，j为编号，其值为j＝1，2，…，k，k为所测波长的个数，若拟合残差Δ小于指定值ε时，则m值满足光谱共焦测量***的测量精度要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种光谱共焦测量***标定装置，其特征在于，该装置包括可调谐激光器(10)、双分支光纤(20)、光纤出射光束(201)、色散物镜(30)、色散物镜出射光束(301)、待测物(40)、位移台(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80)，其中，可调谐激光器(10)出射的已知波长的激光光束进入双分支光纤(20)的第一分支端耦合入双分支光纤(20)，经双分支光纤(20)总端传输后得到光纤出射光束(201)，光纤出射光束(201)经色散物镜(30)后得到色散物镜出射光束(301)，色散物镜出射光束(301)被待测物(40)反射后经色散物镜(30)、双分支光纤(20)总端、双分支光纤(20)的第二分支端进入光谱仪(70)，被测物(40)在位移台(50)上，通过位移台(50)对被测物(40)施加一定的位移，通过位移传感器(60)测量被测物(40)的位移大小，通过光谱仪(70)的光谱信号获得被测物(40)的位移大小所对应的可调谐激光器(10)出射光束的波长信息。
2.根据权利要求1所述的一种光谱共焦测量***标定装置，其特征在于，所述可调谐激光器(10)出射激光光束的波长覆盖色散物镜(30)的工作波段，且可调谐激光器(10)每次仅出射特定波长的单色激光光束。
3.根据权利要求2所述的一种光谱共焦测量***标定装置，其特征在于，所述可调谐激光器(10)出射的激光光束为连续光束或脉冲光束。
4.根据权利要求1所述的一种光谱共焦测量***标定装置，其特征在于，当被测物(40)发生一定的位移时，可调谐激光器(10)将依次发出覆盖色散物镜(30)工作波段的单色激光光束，当光谱仪(70)上出现幅值最大的光谱信号时，计算机(80)同时记录此时被测物(40)的位移大小D，可调谐激光器(10)出射激光光束的波长大小λ以及光谱仪(70)中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号n；依据下式进行波长和位移关系的拟合，
D＝C0+C1λ+C2λ2+…+Cmλm (1)
式中，C0，C1，C2，…，Cm为常数，m为多项式的最高幂次。
5.根据权利要求4所述的一种光谱共焦测量***标定装置，其特征在于，m是根据光谱共焦测量***的测量精度要求来确定的；式(1)的拟合残差Δ为
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式中，j为编号，其值为j＝1，2，…，k，k为所测波长的个数，若拟合残差Δ小于指定值ε时，则m值满足光谱共焦测量***的测量精度要求。
6.根据权利要求4所述的一种光谱共焦测量***标定装置，其特征在于，所述光谱仪(70)的像素编号和光谱共焦测量***的工作波长之间建立了对应关系，通过光谱仪(70)的光谱峰值的像素编号获得当前状态下的波长信息，从而在光谱共焦测量***中完成光谱仪(70)像素编号和波长关系的标定。
7.一种光谱共焦测量***标定方法，其采用权利要求1‐6中任一项的光谱共焦测量***标定装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、通过位移台(50)给被测物(40)施加一定的位移，并通过位移传感器(60)记录此时被测物(40)的位置；
S2、设置可调谐激光器(10)的输出波长范围，使可调谐激光器(10)依次发出覆盖色散物镜(30)工作波段的单色激光光束；
S3、当光谱仪(70)上出现幅值最大的光谱信号时，通过计算机(80)同时记录此时可调谐激光器(10)出射激光光束的波长大小λ以及光谱仪(70)中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号n；
S4、重复步骤S1～S3，获得多组波长λ及该波长所对应的位移量D和该波长所对应的光谱仪(70)中幅值最大的光谱信号其峰值位置所对应的像素编号n；
S5、建立光谱仪(70)像素编号n和波长λ之间的对应关系；
S6、依据下式对波长λ和该波长所对应的位移量D进行多项式拟合，建立波长和被测物(40)位移量之间的关系，
D＝C0+C1λ+C2λ2+…+Cmλm (1)
式中，C0，C1，C2，…，Cm为常数，m为多项式的最高幂次。
8.根据权利要求7所述的一种光谱共焦测量***标定方法，其特征在于，m是根据光谱共焦测量***的测量精度要求来确定的；式(1)的拟合残差Δ为
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式中，j为编号，其值为j＝1，2，…，k，k为所测波长的个数，若拟合残差Δ小于指定值ε时，则m值满足光谱共焦测量***的测量精度要求。
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