CN106767519A - 光谱共焦检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了光谱共焦检测系统及方法，同步触发直线电机位移平台和光谱共焦位移传感器，以预设的扫描间距、扫描长度及采样频率，直线电机位移平台采集XY轴的坐标值、光谱共焦位移传感器实时同步采集Z轴的坐标值；完成一次采样后，控制直线电机位移平台移动预设的距离，不需要反馈直线电机位移平台移动到位的信号，光谱共焦位移传感器再次进行采样。不仅极大地提高了检测效率，实现对物体快速连续精密扫描，而且尤其适用于精细的二维轮廓与三维形貌的检测。此外，控制精度高、结构简单、运行稳定。

Description

光谱共焦检测系统及方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体是光谱共焦检测系统及方法。

背景技术

光学测量与成像技术，通过光源、被测物体和探测器三点共轭，消除焦点以外的杂散光，得到比传统宽场显微镜更高的横向分辨率，同时由于引入针孔探测具有了轴向深度层析能力，通过焦平面的上下平移从而得到物体的微观三维空间结构信息。这种三维成像能力使得共焦三维显微成像技术已经广泛应用于生物医学、材料分析、工业探测及计量等各种不同的领域之中。

现有的光学测量与成像技术主要激光成像，其功耗大、成本高，而且精度较差，难以胜任复杂异形表面(如曲面、弧面、凸凹沟槽等)的快速高精度、稳定检测或者成像的需求。

光谱共焦成像技术比激光成像具有更高的精度，而且能够显著降低功耗和成本。但现有的光谱共焦检测大都是静态检测，检测面积有限，难以胜任复杂异形表面。虽然也有些镜头可以移动，但由于光谱共焦检测是高精密度的检测，为了精确控制移动精度以达到精密检测的目的，镜头每移动一次，需要反馈移动到位的信号给控制模块，控制模块接收到移动到位的信号才发送采样命令给传感器，形成伺服式的移动控制，如此循环。这样的检测方式严重限制了扫描效率，难以胜任快速检测的需要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种光谱共焦检测方法，运行于光谱共焦检测装置中，所述光谱共焦检测装置至少包括光谱共焦位移传感器、检测平台、直线电机位移平台和控制模块，所述直线电机位移平台的动子上设置有所述检测平台或所述光谱共焦位移传感器，该方法包括以下步骤：

S1：在控制模块中设置检测类型、所述光谱共焦位移传感器的类型和采样频率；

S2：校准所述光谱共焦检测装置；

S3：同步触发所述直线电机位移平台和所述光谱共焦位移传感器，以预设的扫描间距、扫描长度及采样频率，所述直线电机位移平台采集XY轴的坐标值、所述光谱共焦位移传感器实时同步采集Z轴的坐标值；

S4：完成一次采样后，控制所述直线电机位移平台移动预设的距离，不需要反馈所述直线电机位移平台移动到位的信号，所述光谱共焦位移传感器再次进行采样；

S5：重复步骤S4，得到检测结果。

作为对技术方案的改进，所述检测类型包括检测高度差、平面度、粗糙度和透明件厚度。

作为对技术方案的改进，所述检测类型包括检测物体的二维轮廓、三维形貌。

作为对技术方案的改进，校准所述光谱共焦检测装置的具体步骤为：

所述控制模块发出指令控制所述光谱共焦位移传感器和所述直线电机位移平台自动回到初始位置，所述控制模块自动校准所述初始位置X轴、Y轴、Z轴的坐标，以所述初始位置作为原点。

需要说明的是，除了上述校准方式外，本发明还可以采用另外一种校准方式：

所述控制模块采集所述光谱共焦位移传感器和所述直线电机位移平台实时位置的X轴、Y轴、Z轴坐标，以所述实时位置作为原点。

作为对技术方案的改进，所述位移平台设置有光栅尺，用于精确控制所述位移平台移动预设的距离。

作为对技术方案的改进，所述光谱共焦位移传感器设置在移动平台上。

本发明还提供了一种光谱共焦检测系统，包括采样模块和控制模块，所述采样模块至少包括光谱共焦位移传感器、检测平台、直线电机位移平台，所述直线电机位移平台的动子上设置有所述检测平台或所述光谱共焦位移传感器；

所述控制模块包括扫描控制单元，用于设置检测类型、所述光谱共焦位移传感器的类型和采样频率，校准所述采样模块和所述控制模块，以及发出指令同步触发所述直线电机位移平台和所述光谱共焦位移传感器，以预设的扫描间距、扫描长度及采样频率，所述直线电机位移平台采集XY轴的坐标值、所述光谱共焦位移传感器实时同步采集Z轴的坐标值，完成一次采样后，控制所述直线电机位移平台移动预设的距离，不需要反馈所述直线电机位移平台移动到位的信号，控制所述光谱共焦位移传感器再次进行采样，如此循环；

所述控制模块还包括数据处理单元，用于接收、分析和存储得到XYZ轴的坐标值。

作为对技术方案的改进，所述检测类型包括检测高度差、平面度、粗糙度和透明件厚度。

作为对技术方案的改进，所述检测类型包括检测物体的二维轮廓、三维形貌。

本发明至少具有以下有益效果：

(1)提供了一种采用同步触发扫描方式的光谱共焦检测方法，通过同步触发方式，结合高精密的直线电机位移平台，连续扫描采样，不需要反馈直线电机位移平台移动到位的信号，由此可实现对物体快速连续精密扫描，尤其适用于精细的二维轮廓与三维形貌的检测。

(2)除了检测平台可以移动外，光谱共焦位移传感器也可以在三维空间中移动，如此，直线电机位移平台和光谱共焦位移传感器可以联动，使得该光谱共焦检测系统及方法可以检测外形极为复杂的物体，而且进一步提高了检测效率，并同时可以使光谱共焦检测装置的检测区域的体积更小。

(3)具有多种检测类型，可检测产品的高度差、平面度、2D轮廓与3D形貌、粗糙度、透明件厚度等，由此扩展了该系统及方法的应用领域，而且采样多种校准模式，使系统的用户体验更好。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例1中光谱共焦检测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例1中光谱共焦检测方法的扫描示意图；

图3是本发明实施例1中光谱共焦检测系统的结构示意图；

图4是本发明实施例1中光谱共焦检测系统的实体结构示意图；

图5是本发明实施例1中直线电机位移平台的结构示意图；

图6是本发明实施例2中光谱共焦检测系统的实体结构示意图。

主要元件符号说明：

A-采样模块，B-控制模块，A1-光谱共焦位移传感器，A2-直线电机位移平台，B1-扫描控制单元，B2-数据处理单元，1-机架，2-伸缩装置，21-伸缩装置的定子，22-伸缩装置的动子，23-中继控制器，3-检测平台，31-底层，32-中间层，41-第一移动装置，42-第二移动装置，43-第三移动装置，6-悬臂，51-传输链，7-立柱。

具体实施方式

在下文中，将更全面地描述本发明的各种实施例。本发明可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本发明的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本发明理解为涵盖落入本发明的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：在本发明中，除非另有明确的规定和定义，“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接、也可以是可拆卸连接、或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也是可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，本领域的普通技术人员需要理解的是，文中指示方位或者位置关系的术语为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

实施例1

本实例提供了一种光谱共焦检测方法，运行于光谱共焦检测装置中，光谱共焦检测装置至少包括光谱共焦位移传感器A1、检测平台、直线电机位移平台A2和控制模块，直线电机位移平台A2的动子上设置有检测平台或光谱共焦位移传感器，如图1和图2所示，该方法包括以下步骤：

S1：在控制模块中设置检测类型、光谱共焦位移传感器A1的类型和采样频率；

S2：校准光谱共焦检测装置；

S3：同步触发直线电机位移平台A2和光谱共焦位移传感器A1，以预设的扫描间距、扫描长度及采样频率，直线电机位移平台A2采集XY轴的坐标值、光谱共焦位移传感器A1实时同步采集Z轴的坐标值；

S4：完成一次采样后，控制直线电机位移平台A2移动预设的距离，不需要反馈直线电机位移平台A2移动到位的信号，光谱共焦位移传感器A1再次进行采样；

S5：重复步骤S4，得到检测结果。

具体地，本实施例中的光谱共焦位移传感器A1，是指利用光谱共焦技术检测被测物体的位置或形状的传感器，其原理是：使用特殊透镜，延长不同颜色光的焦点光晕范围，形成特殊放大色差，使其根据不同的被测物体到透镜的距离，会对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上，通过测量反射光的波长，就可以得到被测物体到透镜的精确距离。

光谱共焦成像技术分辨率高，不仅能够提供物体的微观三维空间形态结构信息，而且还能够提供丰富的光谱信息，给出物体中物质结构和成分的更多细节信息，因此在生物医学检测、食品检测、材料检测等领域中具有广泛的应用前景。

作为一种优选的实施方式，检测类型包括检测高度差、平面度、粗糙度和透明件厚度。

作为一种优选的实施方式，检测类型包括检测物体的二维轮廓、三维形貌。

作为一种优选的实施方式，校准光谱共焦检测装置的具体步骤为：

控制模块发出指令控制光谱共焦位移传感器A1和直线电机位移平台A2自动回到初始位置，控制模块自动校准初始位置X轴、Y轴、Z轴的坐标，以初始位置作为原点。

需要说明的是，除了上述校准方式外，本实施例还可以采用另外一种校准方式：

控制模块采集光谱共焦位移传感器A1和直线电机位移平台A2实时位置的X轴、Y轴、Z轴坐标，以实时位置作为原点。

作为一种优选的实施方式，直线电机位移平台A2设置有光栅尺，用于精确控制直线电机位移平台A2移动预设的距离。

作为一种优选的实施方式，光谱共焦位移传感器A1设置在移动平台上。

本实施例还提供了一种光谱共焦检测系统，如图3所示，包括采样模块A和控制模块B，采样模块A至少包括光谱共焦位移传感器A1、检测平台、直线电机位移平台A2，直线电机位移平台A2的动子上设置有检测平台或光谱共焦位移传感器。

控制模块B包括扫描控制单元B1，用于设置检测类型、光谱共焦位移传感器A1的类型和采样频率，校准采样模块A和控制模块B。以及发出指令同步触发直线电机位移平台A2和光谱共焦位移传感器A1，以预设的扫描间距、扫描长度及采样频率，直线电机位移平台A2采集XY轴的坐标值、光谱共焦位移传感器A1实时同步采集Z轴的坐标值。完成一次采样后，控制直线电机位移平台A2移动预设的距离，不需要反馈直线电机位移平台A2移动到位的信号，控制光谱共焦位移传感器A1再次进行采样，如此循环。

控制模块B还包括数据处理单元B2，用于接收、分析和存储得到XYZ轴的坐标值。

作为一种优选的实施方式，检测类型包括检测高度差、平面度、粗糙度和透明件厚度。

作为一种优选的实施方式，检测类型包括检测物体的二维轮廓、三维形貌。

具体地，图4示出了光谱共焦检测系统的一种实体结构示意图，包括机架机架1，机架1又包括底座，底座的上表面设置有直线电机位移平台A2。如图5所示，直线电机位移平台A2为三层平台，三层平台的底层31作为直线电机位移平台的定子安装在底座上，三层平台的中间层32与底层31滑动连接，检测平台3作为三层平台的顶层与中间层32滑动连接，中间层32和检测平台3均由直线电机驱动。控制模块包括主机、线路、控制按钮、显示器等设备，这些设备设置在底座上。

进一步地，底座的上表面为大理石平台。检测平台3露出该大理石平台，直线电机设置在底座的内部。

实施例2

本实例也提供了另外一种光谱共焦检测系统及方法，与实施例1相比，主要区别是：本实施例中光谱共焦位移传感器A1设置在移动支架上。

具体地，如图6所示，悬臂6上设置有能够沿预设方向伸缩的伸缩装置2，光谱共焦位移传感器安装在伸缩装置2上。具体地，该伸缩装置2为直线电机式或者气动式的伸缩装置2，其具体结构包括伸缩装置的定子21、伸缩装置的动子22和中继控制器23。伸缩装置的定子21固定在悬臂6上，光谱共焦位移传感器安装在伸缩装置的动子22的动子上，中继控制器23用于根据控制模块发出的控制信号控制伸缩装置2和光谱共焦位移传感器A1工作。

进一步地，伸缩装置2的伸缩方向垂直于检测平台A22的工作平面。当伸缩装置2的伸缩方向垂直于检测平台A22的工作平面时，可以实时调整光谱共焦位移传感器A1和被测物体的距离，便于精密检测。

进一步地，悬臂6与底座之间活动连接。

图6示出了一种优选的悬臂6的活动连接方式。具体地，底座的上表面设置有第一移动装置41、第二移动装置42和第三移动装置43。第一移动装置41和第二移动装置42的定子分别固定在底座上表面的两侧，第一移动装置41的动子和第二移动装置42的动子的移动方向平行，第三移动装置43的定子的两端分别固定连接第一移动装置41和第二移动装置42的动子。悬臂6固定在所述第三移动装置的动子上，且第三移动装置43的动子的移动方向垂直于第一移动装置41的动子的移动方向和第二移动装置42的动子的移动方向。

进一步地，如图6所示，第一移动装置41、第二移动装置42和第三移动装置43均为直线电机。为了持续给第三移动装置43、伸缩装置2和光谱共焦位移传感器供电及保持通信，第一移动装置41、第二移动装置42和第三移动装置43上分别设有传输链，传输链内部具有容纳电源线、通信线的空间。具体地，以第一移动装置41为例，在第一移动装置41的外侧设置有传输链51，传输链51相对于第一移动装置41的动子平行设置，且其移动方向与第一移动装置41的动子的移动方向相同。

本实施方式至少具有以下有益效果：

(1)提供了一种采用同步触发扫描方式的光谱共焦检测方法，通过同步触发方式，结合高精密的直线电机位移平台A2，连续扫描采样，不需要反馈直线电机位移平台A2移动到位的信号，由此可实现对物体快速连续精密扫描，尤其适用于精细的二维轮廓与三维形貌的检测。

(2)除了检测平台3可以移动外，光谱共焦位移传感器A1也可以在三维空间中移动，如此，直线电机位移平台A2和光谱共焦位移传感器A1可以联动，使得该光谱共焦检测系统及方法可以检测外形极为复杂的物体，而且进一步提高了检测效率，并同时可以使光谱共焦检测装置的检测区域的体积更小。

(3)具有多种检测类型，可检测产品的高度差、平面度、2D轮廓与3D形貌、粗糙度、透明件厚度等，由此扩展了该系统及方法的应用领域，而且采样多种校准模式，使系统的用户体验更好。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光谱共焦检测方法，运行于光谱共焦检测装置中，所述光谱共焦检测装置至少包括光谱共焦位移传感器、检测平台、直线电机位移平台和控制模块，所述直线电机位移平台的动子上设置有所述检测平台或所述光谱共焦位移传感器，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：在控制模块中设置检测类型、所述光谱共焦位移传感器的类型和采样频率；

S2：校准所述光谱共焦检测装置；

S3：同步触发所述直线电机位移平台和所述光谱共焦位移传感器，以预设的扫描间距、扫描长度及采样频率，所述直线电机位移平台采集XY轴的坐标值、所述光谱共焦位移传感器实时同步采集Z轴的坐标值；

S4：完成一次采样后，控制所述直线电机位移平台移动预设的距离，不需要反馈所述直线电机位移平台移动到位的信号，所述光谱共焦位移传感器再次进行采样；

S5：重复步骤S4，得到检测结果。

2.根据权利要求1所述的光谱共焦检测方法，其特征在于，所述检测类型包括检测高度差、平面度、粗糙度和透明件厚度。

3.根据权利要求1所述的光谱共焦检测方法，其特征在于，所述检测类型包括检测物体的二维轮廓、三维形貌。

4.根据权利要求1所述的光谱共焦检测方法，其特征在于，校准所述光谱共焦检测装置的具体步骤为：

所述控制模块发出指令控制所述光谱共焦位移传感器和所述直线电机位移平台自动回到初始位置，所述控制模块自动校准所述初始位置X轴、Y轴、Z轴的坐标，以所述初始位置作为原点；

或者，所述控制模块采集所述光谱共焦位移传感器和所述直线电机位移平台实时位置的X轴、Y轴、Z轴坐标，以所述实时位置作为原点。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的光谱共焦检测方法，其特征在于，所述位移平台设置有光栅尺，用于精确控制所述位移平台移动预设的距离。

6.根据权利要求5所述的光谱共焦检测方法，其特征在于，所述光谱共焦位移传感器设置在移动支架上。

7.根据权利要求6所述的光谱共焦检测方法，其特征在于，所述直线电机位移平台沿XY轴移动，所述所述光谱共焦位移传感器沿XYZ轴移动。

8.一种光谱共焦检测系统，其特征在于，包括采样模块和控制模块，所述采样模块至少包括光谱共焦位移传感器、检测平台、直线电机位移平台，所述直线电机位移平台的动子上设置有所述检测平台或所述光谱共焦位移传感器；

所述控制模块包括扫描控制单元，用于设置检测类型、所述光谱共焦位移传感器的类型和采样频率，校准所述采样模块和所述控制模块，以及发出指令同步触发所述直线电机位移平台和所述光谱共焦位移传感器，以预设的扫描间距、扫描长度及采样频率，所述直线电机位移平台采集XY轴的坐标值、所述光谱共焦位移传感器实时同步采集Z轴的坐标值，完成一次采样后，控制所述直线电机位移平台移动预设的距离，不需要反馈所述直线电机位移平台移动到位的信号，控制所述光谱共焦位移传感器再次进行采样，如此循环；

所述控制模块还包括数据处理单元，用于接收、分析和存储得到XYZ轴的坐标值。

9.根据权利要求8所述的光谱共焦检测系统，其特征在于，所述检测类型包括检测高度差、平面度、粗糙度和透明件厚度。

10.根据权利要求8所述的光谱共焦检测系统，其特征在于，所述检测类型包括检测物体的二维轮廓、三维形貌。