CN108981579B - 一种用于大范围测量的光谱共焦测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大范围测量的光谱共焦测量***及方法，属于光学位移测量技术领域，包括光源组件、光谱共焦测量组件、信号接收组件和处理器；光源组件包括宽光谱光源和可调谐滤光器；光谱共焦测量组件包括分光镜和色散物镜组，特定波长范围的光束依次透过分光镜和色散物镜组到达待测物体表面，待测物体表面反射回的光束经分光镜反射至信号接收组件；信号接收组件包括CCD相机，处理器通过计算CCD相机获得的图像光谱得到波长信息，并根据波长信息调节可调谐滤光器输出窄带光，同时利用波长与轴向距离的线性关系得到对应波长的位置信息。通过采用宽光谱光源与可调滤波器结合的方式，在保证测量精度的同时，增大被测物体所测量的位置范围。
Description
技术领域
本发明涉及光学位移测量技术领域，具体地说，涉及一种用于大范围测量的光谱共焦测量***及方法。
背景技术
近年来，随着精密制造业的飞速发展，对测量技术的要求也大大提高。传统的接触式测量方式，由于会对待测物体产生损坏，不能适用于不同的环境，已经不能满足测量的要求。而非接触式的光谱共焦技术是近年来出现的一种高精度的新型测量技术。由于光谱共焦测量技术精度高，测量速度快，实时性高，能适用于不同的环境，其迅速成为当前研究的热点，广泛应用于薄膜厚度测量、精密定位、精密仪器制造等领域。
基于光谱共焦技术的光谱共焦测量***使用光源照射到被测物体表面，由CCD工业相机或光谱仪等探测反射回来的光谱信息，确定聚焦在物体表面的峰值波长，从而获得待测物体表面的轴向距离信息。其原理是利用色散物镜组，使光源光线在经过色散物镜组聚焦后发生色散，在光轴上形成连续的，且到色散物镜组的距离互不相同的单色光焦点，从而建立起波长与轴向距离的线性关系，再利用经待测物体表面反射后的光谱信息得到相应的位置信息。
光谱共焦技术有比接触式测量更高的精度，并且适用范围广，但是由于现有的光源大都是采用LED光源，出射光波长范围较小，使得测量的位置范围较小。要增大测量的位置范围，现阶段主要有改变色散物镜结构以及改变光源等方法，但是，色散物镜结构的再设计耗时耗力，无法及时解决测量问题，而改变LED光源为出射光波长范围更大的卤素灯等光源虽然也能满足一定的需要，但是由于其出射光各波长的强度分布不均匀，会造成测量精度的显著降低。
如公布号为CN106907998A的中国专利文献公开了一种线性化的光谱共焦测量装置及方法，该装置包括：光源、用于产生出射光，传输到采样部；采样部，用于接收出射光后产生第一次色散，使产生第一次色散的光照射至被测物，且使由被测物返回的反射光通过后，传输给分光部，采样部的色散与波长为非线性关系；分光部，用于接收由采样部返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部，分光部的色散与波长为非线性关系，采样部非线性关系的差异与分光部非线性关系的差异部分或全部抵消；传感部，用于将反射光转换成电信号，以获取测量结果。该发明采用两套光路测量***进行两次测量，增加了测量的复杂度和成本。
发明内容
本发明的目的为提供一种用于大范围测量的光谱共焦测量***，可在保证测量精度的同时，增大被测物体所测量的位置范围，同时，不增加测量成本。
本发明的另一目的为提供一种用于大范围测量的光谱共焦测量方法，该方法可通过以上光谱共焦测量***实现。
为了实现上述目的，本发明提供的光谱共焦测量***包括光源组件、光谱共焦测量组件和信号接收组件，还包括与光源组件和信号接收组件电连接的处理器；光源组件包括宽光谱光源和与处理器电连接的可调谐滤光器，可调谐滤光器对宽光谱光源所发出的光束进行过滤得到特定波长范围的光束；光谱共焦测量组件包括分光镜和色散物镜组，特定波长范围的光束依次透过分光镜和色散物镜组到达待测物体表面，待测物体表面反射回的光束经分光镜反射至信号接收组件；信号接收组件包括与处理器电连接的CCD相机，CCD相机在分光镜的反射光焦点处取像，获得图像信息并传输给处理器，处理器通过计算图像光谱得到波长信息，并根据波长信息调节可调谐滤光器输出窄带光，同时利用波长与轴向距离的线性关系得到对应波长的位置信息。
上述技术方案中，采用宽光谱光源与可调滤波器结合的方式，在保证测量精度的同时，增大被测物体所测量的位置范围。上述光源组件中，光源使用宽光谱的光源，以便能够在不改变色散物镜组设计的条件下增大光谱共焦测量***的量程，在光源后可加一可调谐滤光器用于调节光源的强度大小，以便当所需波长落在光源强度较小的位置时，调节强度大小能够更直观精确地得出待测物体表面所在的位置对应的波长，同时可调谐滤光器可在大范围调谐输出光的波长，输出窄带光源，以便在精确测量时减少杂散光的影响。可通过调节滤光器两端电压的大小，达到输出不同中心波长的窄带光的目的。CCD相机能够得到并保存测量时的光谱信息，以便收集经可调谐滤光器滤光后的不同中心波长的窄带光出射得到的反馈信息，以供处理器进一步处理。
具体的方案为光源组件还包括一准直透镜，准直透镜将经可调谐滤光器得到的光束准直出射至光谱共焦测量组件。
另一个具体的方案为宽光谱光源为卤素灯光源。使得在色散物镜组的色散范围内，在不改变色散物镜组的情况下，增大了整个光谱共焦测量***的测量范围。
另一个具体的方案为宽光谱光源为激光驱动宽光谱光源。同样可达到增大测量范围的目的。
再一个具体的方案为信号接收组件还包括一将分光镜反射的光束进行聚焦的聚焦透镜，CCD相机设置于该聚焦透镜的焦点处。
为了实现上述另一目的，本发明提供的用于大范围测量的光谱共焦测量方法包括以下步骤：
1)打开宽光谱光源，光束依次透过分光镜和色散透镜组到达待测物体表面，待测物体表面反射回的光束经分光镜反射至CCD相机进行第一次测量，CCD相机将图像信息传输给处理器，经处理得到光强为峰值时的波长λ；
2)打开可调谐滤光器，取谱线FWHM的1/2为Δλ，根据步骤1)得到的波长λ，得到峰值波长范围为(λ-Δλ，λ+Δλ)；
3)控制可调谐滤光器两端的电压，使得宽光谱光源的光束经可调谐滤光器后出射的窄带光源光束的中心波长在以上峰值波长范围内递增；
4)采用步骤1)的方法测量得到一组随出射光中心波长变化的峰值波长λ′0，λ′1，λ′2…，均值处理得到最终的峰值波长λ′；
5)判断第一次测量得到的峰值波长数据中是否还有数据未处理，若有，重复步骤2)和步骤3)，若数据已全部处理完，则关闭可调谐滤光器，使得光源***出射宽光谱光源；
6)根据波长与待测物体表面轴向距离的线性关系，再利用经待测物体表面反射后的光谱信息得到相应的位置信息，从而得到待测物体的高度或厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过在最大波长范围内多次采样，得到一组波长，使得可调谐滤光器输出相应中心波长的窄带光束。处理器接收到CCD相机拍摄到的图片，经处理得到最终的最大值波长，并根据波长与轴向距离的线性关系得到对应波长的位置信息，从而得到待测物体的高度或厚度。采用宽光谱光源与可调滤波器结合的方式，在保证测量精度的同时，增大被测物体所测量的位置范围。装置简单，方法操作方便。
附图说明
图1为本发明实施例1或2中控制可调谐滤光器输出窄带光的流程图；
图2为本发明实施例1中光谱共焦测量***测量待测物体高度的示意图；
图3为本发明实施例2中光谱共焦测量***测量待测物体厚度的示意图；
图4为本发明实施例2中测量待测物体厚度时第一次测量得到的峰值波长示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例1
参见图1和图2，本实施例的光谱共焦测量***包括光源组件、光谱共焦测量组件、信号接收组件和处理器。
光源组件包括宽光谱光源201、可调谐滤光器202和准直透镜203。宽光谱光源201可以为卤素灯，也可以是激光驱动宽光谱光源。可调谐滤光器202用以变宽光谱光束为特定中心波长的窄带光束。准直透镜203用以准直由可调谐滤光器202出射的光束。
光谱共焦测量组件包括分光镜204和色散物镜组205。分光镜204使得从光源组件出射的光束按原路传播，并将从待测物体206表面反射回的光束反射至信号接收组件。色散物镜组205用以聚焦出射的宽光谱光束或特定中心波长的窄带光束，使其发生光谱色散，在光轴上形成连续的单色光焦点，且每一个单色光焦点到被测物体的距离都不同。待测物体206表面反射经色散物镜组205色散的光束，并使得聚焦在待测物体206表面的特定波长的单色光按原光路返回至分光镜204。这种情况下，该波长的单色光的光强几乎没有损失，而反射光中非该波长的单色光光强损失很大。
信号接收组件包括聚焦透镜207和CCD相机208，经待测物206表面反射回的光束通过分光镜204反射至聚焦透镜207，随后聚焦透镜207将光束汇聚传入CCD相机208。
处理器为计算机209，其与可调谐滤光器202及CCD相机208电连接，接收到CCD相机208拍摄得到的图像信号，并调节可调谐滤光器202得到特定中心波长的窄带光束，以扩大被测物体所测量的位置范围，最终根据波长与轴向距离的线性关系得到对应波长的位置信息，从而得到待测物体206的高度。
利用以上测量***测量待测物体表面高度的步骤如下：
S101打开宽光谱光源，光束依次透过分光镜和色散透镜组到达待测物体表面，待测物体表面反射回的光束经分光镜反射至CCD相机进行第一次测量，CCD相机将图像信息传输给处理器，经处理得到光强为峰值时的波长λ；
S102打开可调谐滤光器，取谱线FWHM的1/2为Δλ，根据步骤1)得到的波长λ，得到峰值波长范围为(λ-Δλ，λ+Δλ)，即(λmin，λmax)；
S103控制可调谐滤光器两端的电压，使得宽光谱光源的光束经可调谐滤光器后出射的窄带光源光束的中心波长在以上峰值波长范围内递增；
S104采用步骤S101的方法测量得到一组随出射光中心波长变化的峰值波长λ′0，λ′1，λ′2…，均值处理得到最终的峰值波长λ′；
S105判断第一次测量得到的峰值波长数据中是否还有数据未处理，若有，重复步骤S102和步骤S103，若数据已全部处理完，则关闭可调谐滤光器，使得光源***出射宽光谱光源；
S106根据波长与待测物体表面轴向距离的线性关系，再利用经待测物体表面反射后的光谱信息得到相应的位置信息，从而得到待测物体的高度。
实施例2
参见图3，本实施例的光谱共焦测量***的结构与实施例1相同，不同之处在于本实施例的待测物体206为透光性好的材料，经色散物镜组205色散的光束能够透过待测物体206达到待测物体206的下表面。
在第一次测量时，宽光谱光源的光束经色散物镜组205色散之后出射，待测物体206的上表面和下表面会同时使得聚焦在其上的特定波长的单色光按原路反射回，从而使得这两个波长的单色光能量损失很小。经待测物体206上下表面反射回的光束通过分光镜204反射至聚焦透镜207，随后聚焦透镜207将光束汇聚传入CCD相机208，计算机209接收CCD相机208拍摄得到的图像信号，经处理得到最终的待测物体的厚度。
参见图4，为用于测量物体厚度时第一次测量得到的峰值波长示意图。第一次测量后，计算机处理得到两个峰值波长λ1、λ2，分别为401和402。计算机根据得到的图像信号计算出谱线的FWHM分别为2Δλ1、2Δλ2，分别为403和404。而后根据所得的波长范围依次测量物体上下表面的具体高度，根据高度差得到待测物体的厚度。
实施例3
本实施例提供了用于大范围测量的光谱共焦测量方法，该方法已包含在实施例1中，此处不再赘述。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种用于大范围测量的光谱共焦测量***，包括光源组件、光谱共焦测量组件和信号接收组件，其特征在于，还包括与所述光源组件和信号接收组件电连接的处理器；
所述光源组件包括宽光谱光源和与所述处理器电连接的可调谐滤光器，所述可调谐滤光器对宽光谱光源所发出的光束进行过滤得到特定波长范围的光束；所述的光源组件还包括一准直透镜，所述准直透镜将经可调谐滤光器得到的光束准直出射至光谱共焦测量组件；
所述光谱共焦测量组件包括分光镜和色散物镜组，特定波长范围的光束依次透过分光镜和色散物镜组到达待测物体表面，待测物体表面反射回的光束经分光镜反射至信号接收组件；
所述信号接收组件包括与所述处理器电连接的CCD相机，所述CCD相机在分光镜的反射光焦点处取像，获得图像信息并传输给处理器，所述处理器通过计算图像光谱得到波长信息，并根据波长信息调节可调谐滤光器输出窄带光，同时利用波长与轴向距离的线性关系得到对应波长的位置信息；所述的信号接收组件还包括一将所述分光镜反射的光束进行聚焦的聚焦透镜，所述的CCD相机设置于该聚焦透镜的焦点处；
光束依次透过分光镜和色散透镜组到达待测物体表面，待测物体表面反射回的光束经分光镜反射至CCD相机进行第一次测量，CCD相机将图像信息传输给处理器，经处理得到光强为峰值时的波长λ；打开可调谐滤光器，取谱线FWHM的1/2为Δλ，得到峰值波长范围为(λ-Δλ，λ+Δλ)；控制可调谐滤光器两端的电压，使得宽光谱光源的光束经可调谐滤光器后出射的窄带光源光束的中心波长在以上峰值波长范围内递增；测量得到一组随出射光中心波长变化的峰值波长λ′0，λ′1，λ′2…，均值处理得到最终的峰值波长λ′；根据波长与待测物体表面轴向距离的线性关系，再利用经待测物体表面反射后的光谱信息得到相应的位置信息，从而得到待测物体的高度或厚度。
2.根据权利要求1所述的光谱共焦测量***，其特征在于：
所述的宽光谱光源为卤素灯光源。
3.根据权利要求1所述的光谱共焦测量***，其特征在于：
所述的宽光谱光源为激光驱动宽光谱光源。
4.一种用于大范围测量的光谱共焦测量方法，基于权利要求1至3任一权利要求所述的光谱共焦测量装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
1)打开宽光谱光源，光束依次透过分光镜和色散透镜组到达待测物体表面，待测物体表面反射回的光束经分光镜反射至CCD相机进行第一次测量，CCD相机将图像信息传输给处理器，经处理得到光强为峰值时的波长λ；
2)打开可调谐滤光器，取谱线FWHM的1/2为Δλ，根据步骤1)得到的波长λ，得到峰值波长范围为(λ-Δλ，λ+Δλ)；
3)控制可调谐滤光器两端的电压，使得宽光谱光源的光束经可调谐滤光器后出射的窄带光源光束的中心波长在以上峰值波长范围内递增；
4)采用步骤1)的方法测量得到一组随出射光中心波长变化的峰值波长λ′0，λ′1，λ′2…，均值处理得到最终的峰值波长λ′；
5)判断第一次测量得到的峰值波长数据中是否还有数据未处理，若有，重复步骤2)和步骤3)，若数据已全部处理完，则关闭可调谐滤光器，使得光源***出射宽光谱光源；
6)根据波长与待测物体表面轴向距离的线性关系，再利用经待测物体表面反射后的光谱信息得到相应的位置信息，从而得到待测物体的高度或厚度。
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