CN110044286B - 一种光谱共焦轴向距离检测方法、装置及设备 - Google Patents

一种光谱共焦轴向距离检测方法、装置及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光谱共焦轴向距离检测方法、装置及设备，所述方法包括以下步骤：驱动光谱共焦测头轴向扫描待测物体表面，比对各扫描位置的反射光谱信号，获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强，归为一组作为参比光强信号；获得噪声光谱信号；根据所述参比光强信号、所述噪声光谱信号和所述反射光谱信号，计算所述各扫描位置的色散反射率光谱。本发明通过获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强作为参比光强信号，并通过噪声光谱信号来计算色散反射率，进而对色散反射率寻峰，作为聚焦像素序号值，弥补了光源造成的不同波长光线的强度、透过率等差异，可以有效提高聚焦像素序号值的求解精度。

Description

一种光谱共焦轴向距离检测方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及光谱共焦位移测量技术领域，尤其是涉及一种光谱共焦轴向距离检测方法、装置及设备。
背景技术
随着光谱共焦技术的快速发展，光谱共焦位移传感器以其无接触、高精度、灵敏快速等优势，在精密位移检测、低频震动监测等方面获得广泛应用。光谱共焦位移检测利用色散将不同波长分布在不同的轴向位置，依据共焦原理，从某位置待测表面反射的光谱的峰值波长即代表该位置的聚焦波长，从而形成波长与位置一对一的编码方式。实际上，一般都通过更高精度位移测量仪器的校准，获取波长与位置的关系曲线。测量时，根据反射光谱的波峰波长，从关系曲线反求得当前位置。通过两次位置的差，即为待测表面的位移。
目前常用的光谱共焦寻峰方法通常是直接对反射光谱进行寻峰，如最大值法、多项式拟合法、质心法、高斯拟合法等。这种方式简单易实现，但是对反射光谱的半峰宽度要求高，需要采用极小的探测孔径实现共焦，以获得尽可能窄的光谱，导致光电效率较低，信噪比差。
另外一些则将入射光的光谱作为参比光强光谱来计算反射率，进而对反射率寻峰，作为聚焦波长。具体的，有采用平面光镜面反射或者通过显微物镜聚焦后镜面反射两种模式。然而，这些方式虽然在一定程度考虑了光源强度不一致的因素，但是忽略了不同波长光线在传播路径中的透过率、透镜表面反射等差异，经过待测表面反射后，回到探测小孔的光线与经过色散测头的反射光并不存在可比性，比如小孔遮挡程度、强度等均存在改变，这样获得的参比光必然会影响聚焦波长的求解精度和适应性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光谱共焦轴向距离检测方法、装置及设备，能够降低因光源强度不一致、传播路径或光损耗差异等因素造成的检测误差，提升位移测量精度和普适性。
本发明所采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种光谱共焦轴向距离检测方法，包括以下步骤：
步骤1，驱动光谱共焦测头轴向扫描待测物体表面，比对各扫描位置的反射光谱信号，获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强，归为一组作为参比光强信号；
步骤2，获得噪声光谱信号；
步骤3，根据所述参比光强信号、所述噪声光谱信号和所述反射光谱信号，计算所述各扫描位置的色散反射率光谱；
步骤4，获取所述各扫描位置的色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值，建立所述待测物体表面相对所述光谱共焦测头的轴向距离与像素序号值的查找关系曲线；
步骤5，实时获得所述待测物体表面的色散反射率光谱，求所述色散反射率光谱波峰对应的像素序号值，将所述像素序号值代入所述查找关系曲线，获得所述待测物体表面相对测头的轴向距离。
进一步地，所述步骤3中求解各扫描位置的色散反射率光谱的公式为：ηk＝(Ik-Inoise)/(Imax-Inoise)，其中Imax为参比光强信号，Inoise为噪声光谱信号，Ik为反射光谱信号。
进一步地，在步骤1中，所述获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强，具体包括：从各扫描位置的反射光谱原始信号中比对光谱仪像素的光强，得到的最大值作为所述光谱仪像素的最大光强。
进一步地，在步骤4中，获取所述色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值具体包括：设定有效阈值，利用寻峰算法，获取所述色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值。
进一步地，所述寻峰方法包括但不限于直接最大值法、质心法、高斯拟合法和二次曲线拟合法中的一种或多种。
进一步地，在步骤4中，所述建立相对所述光谱共焦测头的轴向距离与像素序号值的查找关系曲线具体包括：采用插值法、多项式拟合法或傅立叶拟合法建立相对所述光谱共焦测头的轴向距离与像素序号值的查找关系曲线。
进一步地，在步骤1、步骤2和步骤5中，还包括预先对光谱共焦测头轴扫描待测物体表面的光谱信号进行预处理。
进一步地，所述预处理包括滤波处理或者平滑处理。
第二方面，本发明提供了一种光谱共焦轴向距离检测装置，包括：
光谱共焦测头，用于扫描待测物体表面；
参比光强信号获取模块，用于比对各扫描位置的反射光谱信号，获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强，归为一组作为参比光强信号；
噪声获取模块，用于获得噪声光谱信号；
色散反射率光谱计算模块，根据参比光强信号、噪声光谱信号和反射光谱信号，计算所述各扫描位置的色散反射率光谱；
建立关系曲线模块，用于获取所述各扫描位置的色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值，建立所述待测物体表面相对所述光谱共焦测头的轴向距离与像素序号值的查找关系曲线；
查找模块，用于实时获得待测物体表面的色散反射率光谱，求所述色散反射率光谱波峰对应的像素序号值，代入查找关系曲线，获得所述待测物体表面相对测头的轴向距离。
第三方面，本发明提供了一种光谱共焦轴向距离检测设备，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的光谱共焦轴向距离检测方法。
本发明的有益效果是：
本发明通过获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强作为参比光强，并通过获取噪声光谱信号来计算色散反射率，进而对色散反射率寻峰，作为聚焦像素序号值，弥补了光源造成的不同波长光线的强度、透过率等差异，可以有效提高聚焦像素序号值的求解精度。
附图说明
图1为本发明的一种光谱共焦轴向距离检测方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例1中光谱共焦位移检测装置的示意图；
图3为本发明实施例1中实际的光源光谱信号和理想光源光谱信号对应表；
图4为本发明实施例1中实际的反射光谱信号和理想反射光谱信号对应表；
图5为本发明实施例1中扫描装置的示意图；
图6为本发明实施例1中光谱仪像素与相对光强的对应表；
图7为本发明实施例1中像素序号与位移的关系查找曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
由于光源强度不均一、光路透过率差异、探测孔径不可能无限缩小等原因，获得的反射光谱并不是理想的单峰高斯分布或sinc2分布，寻峰结果与实际的聚焦波长也会产生一定差异。如图3所示，理想光谱1是在可使用像素序号范围Pix0～Pixm内均一平坦，实际上，如白光LED或者超连续光源等，实际光源光谱2均是凹凸不平的。如图4所示，理想的反射光谱1具有较好的单色性，而实际反射光谱2谱宽相对要大很多，而且没有明显峰值。但是，可以肯定的是，对于某一特定光谱仪像素序号(与波长一一对应)来讲，在整个测量范围内，能够获得的最大光强必然且仅当待测表面位于该像素序号所对应波长的焦平面内。
实施例1
参考图1，本实施例提供了一种光谱共焦轴向距离检测方法，其包括以下步骤：
S1：步骤1，驱动光谱共焦测头轴向扫描待测物体表面，比对各扫描位置的反射光谱信号，获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强，归为一组作为参比光强信号；
在步骤1中，如图2所示，为光谱共焦位移传感器的信号采集示意图，一般利用Y型光纤耦合器和光谱共焦测头，2口从光源入射宽谱光线，1口通过光谱共焦测头聚焦于待测表面，反射回光进入3口，被光谱仪检测。根据共焦原理，轴向位置和聚焦在待测表面的光线波长一一对应，光线波长又和光谱仪像素序号一一对应。通过检测到的光谱信号获得聚焦像素序号，就可以实现对轴向位置的测量。
如图5所示，光学测头1被固定于线性扫描机构4上，如直线位移台、线性PZT，调整其光轴与运动方向平行。当然，该扫描运动为测头和待测表面的相对运动，也可以将待测表面固定于线性扫描机构进行。固定待测物体，移动光学测头1进行轴向扫描，获得在线性扫描机构4的位置Pm～Pn相对应的回光反射光谱Im～In。
如图6所示，色散反射率光谱的横坐标为光谱仪内部探测器的像素序号Pix(可取小数)，以此代表波长，光谱纵轴为相对光强。针对回光光谱Im～In，比较各像素点的相对光强，获得各像素点在扫描范围内的最大光强，将此作为自适应参比光强信号Imax，当不考虑噪声信号时，某位置的反射光谱信号Ik与参比信号Imax的比值有且仅有一个最大值，这样就能够确保轴向位置和波峰像素序号的唯一对应。本发明提出利用扫描的方式，获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强，进而可以作为测量的参比光强信号，唯一地保证了峰值像素序号值的独特性。
S2：获得噪声光谱信号；
具体地，由于光源不稳定、光纤耦合器中的杂散光以及光电探测器采集噪声等，均会在光谱中产生噪声干扰，因此通过遮挡或者移除待测表面，获取光谱仪的暗噪声信号Inoise。
S3：根据所述参比光强信号、所述噪声光谱信号和所述反射光谱信号，计算所述各扫描位置的色散反射率光谱；
具体地，各扫描位置的色散反射率光谱的公式为：ηk＝(Ik-Inoise)/(Imax-Inoise)，其中Imax为参比光强信号，Inoise为噪声光谱信号，Ik为反射光谱信号。
S4：获取所述各扫描位置的色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值，建立所述待测物体表面相对所述光谱共焦测头的轴向距离与像素序号值的查找关系曲线；
通过设定有效阈值，利用寻峰算法获得色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值，参考图7，建立相对测头的轴向距离l与像素序号值Pix的查找关系曲线。
S5：实时获得所述待测物体表面的色散反射率光谱，求所述色散反射率光谱波峰对应的像素序号值，将所述像素序号值代入所述查找关系曲线，获得所述待测物体表面相对测头的轴向距离；
测量时，根据参比光强信号、噪声光谱信号和待测表面反射光谱信号，可实时获得色散反射率光谱，求其波峰对应的像素序号值，代入查找关系曲线，获得待测表面相对测头的轴向距离。
本发明还提供了一种光谱共焦轴向距离检测装置，包括：
光谱共焦测头，用于扫描待测物体表面；
参比光强信号获取模块，用于比对各扫描位置的反射光谱信号，获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强，归为一组作为参比光强信号；
噪声获取模块，用于获得噪声光谱信号；
色散反射率光谱计算模块，根据参比光强信号、噪声光谱信号和反射光谱信号，计算所述各扫描位置的色散反射率光谱；
建立关系曲线模块，用于获取所述各扫描位置的色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值，建立所述待测物体表面相对所述光谱共焦测头的轴向距离与像素序号值的查找关系曲线；
查找模块，用于实时获得待测物体表面的色散反射率光谱，求所述色散反射率光谱波峰对应的像素序号值，代入查找关系曲线，获得所述待测物体表面相对测头的轴向距离。
本发明提供了一种光谱共焦轴向距离检测设备，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的光谱共焦轴向距离检测方法。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种光谱共焦轴向距离检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，驱动光谱共焦测头轴向扫描待测物体表面，比对各扫描位置的反射光谱信号，获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强，归为一组作为参比光强信号；
步骤2，获得噪声光谱信号；
步骤3，根据所述参比光强信号、所述噪声光谱信号和所述反射光谱信号，计算所述各扫描位置的色散反射率光谱；
步骤4，获取所述各扫描位置的色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值，建立所述待测物体表面相对所述光谱共焦测头的轴向距离与像素序号值的查找关系曲线；
步骤5，实时获得所述待测物体表面的色散反射率光谱，求所述色散反射率光谱波峰对应的像素序号值，将所述像素序号值代入所述查找关系曲线，获得所述待测物体表面相对测头的轴向距离；
其中，色散反射率光谱的公式为：ηk＝(Ik-Inoise)/(Imax-Inoise)，其中Imax为参比光强信号，Inoise为噪声光谱信号，Ik为反射光谱信号。
2.根据权利要求1所述的光谱共焦轴向距离检测方法，其特征在于，在步骤1中，所述获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强，具体包括：从各扫描位置的反射光谱原始信号中比对光谱仪像素的光强，得到的最大值作为所述光谱仪像素的最大光强。
3.根据权利要求2所述的光谱共焦轴向距离检测方法，其特征在于，在步骤4中，获取所述色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值具体包括：设定有效阈值，利用寻峰算法，获取所述色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值。
4.根据权利要求3所述的光谱共焦轴向距离检测方法，其特征在于，所述寻峰方法包括但不限于直接最大值法、质心法、高斯拟合法和二次曲线拟合法中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的光谱共焦轴向距离检测方法，其特征在于，在步骤4中，所述建立相对所述光谱共焦测头的轴向距离与像素序号值的查找关系曲线具体包括：采用插值法、多项式拟合法或傅立叶拟合法建立相对所述光谱共焦测头的轴向距离与像素序号值的查找关系曲线。
6.根据权利要求2所述的光谱共焦轴向距离检测方法，其特征在于，在步骤1、步骤2和步骤5中，还包括预先对光谱共焦测头轴向扫描待测物体表面的光谱信号进行预处理。
7.根据权利要求6所述的光谱共焦轴向距离检测方法，其特征在于，所述预处理包括滤波处理或者平滑处理。
8.一种光谱共焦轴向距离检测装置，其特征在于，包括：
光谱共焦测头，用于扫描待测物体表面；
参比光强信号获取模块，用于比对各扫描位置的反射光谱信号，获取测量范围内每个光谱仪像素能够产生的最大光强，归为一组作为参比光强信号；
噪声获取模块，用于获得噪声光谱信号；
色散反射率光谱计算模块，根据参比光强信号、噪声光谱信号和反射光谱信号，计算所述各扫描位置的色散反射率光谱；
建立关系曲线模块，用于获取所述各扫描位置的色散反射率光谱的波峰对应的光谱仪像素序号值，建立所述待测物体表面相对所述光谱共焦测头的轴向距离与像素序号值的查找关系曲线；
查找模块，用于实时获得待测物体表面的色散反射率光谱，求所述色散反射率光谱波峰对应的像素序号值，代入查找关系曲线，获得所述待测物体表面相对测头的轴向距离；
其中，色散反射率光谱的公式为：ηk＝(Ik-Inoise)/(Imax-Inoise)，其中Imax为参比光强信号，Inoise为噪声光谱信号，Ik为反射光谱信号。
9.一种光谱共焦轴向距离检测设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至7任一项所述的方法。
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