CN112462349A - 一种光谱共焦位移传感器波长计算方法、系统、服务器及存储介质 - Google Patents

一种光谱共焦位移传感器波长计算方法、系统、服务器及存储介质 Download PDF

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CN112462349A CN202011309895.9A CN202011309895A CN112462349A CN 112462349 A CN112462349 A CN 112462349A CN 202011309895 A CN202011309895 A CN 202011309895A CN 112462349 A CN112462349 A CN 112462349A
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胡国亮
丁毅
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Abstract

本发明涉及一种光谱共焦位移传感器波长计算方法、系统、服务器及可读存储介质，本发明通过使用图像采集装置采集被测物表面的光线经过凸透镜折射后的图像，生成灰度矩阵，并根据灰度矩阵得到共焦位置，由于相同位置不同波长的光线经过凸透镜折射后共焦位置会有区别，因此可以根据共焦位置得到共焦光线的波长，解决了现有技术光谱共焦位移传感器波长计算方法依赖光谱仪的技术问题，达到了使用图像采集装置即可计算出波长的技术效果，一定程度上提升了光谱共焦位移传感器的测量精度。

Description

一种光谱共焦位移传感器波长计算方法、系统、服务器及存储 介质
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种光谱共焦位移传感器波长计算方法、系统、服务器及存储介质。
背景技术
光谱共焦位移传感器是基于共焦原理采用复色光为光源的传感器,其测量精度能够达到纳米量级,可用于表面呈漫反射或镜反射的物体的测量。此外,光谱共焦位移传感器还可以对透明物体进行单向厚度测量。由于其在测量位移方面具有高精度的特性，对于单层和多层透明物体,除准确测量该物体位移之外,还可以单方向测量其厚度。
光谱共焦位移传感器是一种非接触测量位移传感器，具有体积小、精度高、速度快等优点，在先进制造领域应用广泛。其中，对物体表面反射信号的处理是至关重要的一环，目前对于反射进针孔的光信号的处理都是根据已有光色和与之对应的波长长度展开对照查找操作，其中光谱仪部分运用光栅衍射来实现光色与波长之间的对应关系，如果能够查找到对应的波长则测量精度会非常高，如果查找不到完全相同的，只能选用相近的波长时，测量精度相对较低。
发明内容
本发明提供一种光谱共焦位移传感器波长计算方法、系统、服务器及存储介质，以解决现有技术中存在的现有的光谱共焦位移传感器波长计算依赖光谱仪的技术问题。
本发明解决上述技术问题，本发明提出一种光谱共焦位移传感器波长计算方法，所述光谱共焦位移传感器波长计算方法包括以下步骤：
控制图像采集装置经过凸透镜获取光源经过色散物镜照射到被测物表面的共焦图像；
根据所述共焦图像生成并存储对应的灰度矩阵；
根据所述灰度矩阵，得到共焦位置，进而计算被测物体表面的共焦光线的波长。
优选地，所述根据所述灰度矩阵，计算被测物体表面的共焦光线的波长的步骤具体包括：
将所述灰度阵列进行离散化处理；
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置；
将所述共焦位置带入波长与共焦函数中即可得到所述被测物体表面共焦光线的波长。
优选地，所述波长与共焦函数的获取方法包括以下步骤：
使用预设数量的已知波长的光线获得预设数量对应的目标灰度矩阵；
将所述预设数量的目标灰度矩阵进行离散化处理；
对所述预设数量的离散化处理后的目标灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到与预设数量已知波长对应的预设数量共焦位置；
对所述预设数量共焦位置及对应的所述预设数量已知波长进行标定拟合操作，得到波长与共焦函数。
优选地，所述对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置的步骤具体包括：
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作，其中所述滤波操作的算法为双边滤波算法，即：
Figure BDA0002789480710000021
其中W为权重，i和j为像素索引，K为归一化常量，I为像素的强度值；
对所述滤波完成后的灰度矩阵执行峰值提取操作得到共焦位置。
优选地，所述对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置的步骤具体包括：
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作；
使用正态分布函数对所述滤波完成后的灰度矩阵预设灰度阈值以上的点进行高斯分布函数的拟合；
提取拟合结果的峰值及其所在位置作为共焦位置。
优选地，所述光谱共焦位移传感器波长计算系统包括：
图像采集单元，用于控制图像采集装置经过凸透镜获取光源经过色散物镜照射到被测物表面的共焦图像；
灰度存储单元，用于根据所述共焦图像生成并存储对应的灰度矩阵；
波长计算单元，用于根据所述灰度矩阵，得到共焦位置，进而计算被测物体表面的共焦光线的波长。
本发明还提出一种光谱共焦位移传感器波长计算服务器，所述光谱共焦位移传感器波长计算服务器包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的光谱共焦位移传感器波长计算程序，所述光谱共焦位移传感器波长计算程序被所述处理器执行时实现如上所述的光谱共焦位移传感器波长计算方法的步骤。
本发明还提出一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有光谱共焦位移传感器波长计算程序，所述光谱共焦位移传感器波长计算程序被处理器执行时实现如上所述的光谱共焦位移传感器波长计算方法的步骤。
本发明通过图像采集装置及凸透镜替代光谱仪，通过算法实现对共焦光线波长的计算，解决现有技术中存在的光谱共焦位移传感器大量依赖光谱仪的技术问题，降低了光谱共焦位移传感器的制造成本，一定程度上解决了光谱仪在面对对照查找找不到完全一致的光线时，选择最接近的光线波长导致测量精度下降的技术问题，提高了测量精度，提升了使用体验。
附图说明
图1是本发明光谱共焦位移传感器波长计算方法实施例方案涉及的硬件运行环境的服务器结构示意图；
图2为本发明光谱共焦位移传感器波长计算方法另一实施例的流程示意图；
图3为本发明光谱共焦位移传感器波长计算方法另一实施例的流程示意图；
图4为本发明光谱共焦位移传感器波长计算方法另一实施例的流程示意图；
图5为本发明光谱共焦位移传感器波长计算系统的功能模块图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参照图1，图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的服务器结构示意图。
如图1所示，所述服务器可以包括：处理器1001，例如CPU，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储服务器。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对所述服务器的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图1所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及光谱共焦位移传感器波长计算程序。
在图1所示的网络设备中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与所述后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于连接外设；所述网络设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的光谱共焦位移传感器波长计算程序，并执行以下操作：
控制图像采集装置经过凸透镜获取光源经过色散物镜照射到被测物表面的共焦图像；
根据所述共焦图像生成并存储对应的灰度矩阵；
根据所述灰度矩阵，得到共焦位置，进而计算被测物体表面的共焦光线的波长。
进一步地，所述根据所述灰度矩阵，计算被测物体表面的共焦光线的波长的步骤具体包括：
将所述灰度阵列进行离散化处理；
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置；
将所述共焦位置带入波长与共焦函数中即可得到所述被测物体表面共焦光线的波长。
进一步地，所述波长与共焦函数的获取方法包括以下步骤：
使用预设数量的已知波长的光线获得预设数量对应的目标灰度矩阵；
将所述预设数量的目标灰度矩阵进行离散化处理；
对所述预设数量的离散化处理后的目标灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到与预设数量已知波长对应的预设数量共焦位置；
对所述预设数量共焦位置及对应的所述预设数量已知波长进行标定拟合操作，得到波长与共焦函数。
进一步地，所述对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置的步骤具体包括：
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作，其中所述滤波操作的算法为双边滤波算法，即：
Figure BDA0002789480710000051
其中W为权重，i和j为像素索引，K为归一化常量，I为像素的强度值；
对所述滤波完成后的灰度矩阵执行峰值提取操作得到共焦位置。
进一步地，所述对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置的步骤具体包括：
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作；
使用正态分布函数对所述滤波完成后的灰度矩阵预设灰度阈值以上的点进行高斯分布函数的拟合；
提取拟合结果的峰值及其所在位置作为共焦位置。
本实施例通过利用不同波长的光线在透镜中折射的轨迹不同的原理，通过凸透镜和图像采集装置替代光谱仪，实现了对光线波长的计算，解决了现有技术中存在的光谱共焦位移传感器大量依赖光谱仪的技术问题，达到了光谱共焦位移传感器的制造成本，提高光谱共焦位移传感器测量精度的技术效果。
基于上述硬件结构，提出本发明光谱共焦位移传感器波长计算方法的实施例。
参照图2所述光谱共焦位移传感器波长计算方法包括以下步骤：
S10、控制图像采集装置经过凸透镜获取光源经过色散物镜照射到被测物表面的共焦图像；
易于理解的是，传统光谱共焦位移传感器通过光学色赛原理建立距离与波长见的对应关系，再利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息，而本实施例技术方案使用线阵相机作为图像采集装置配合凸透镜利用不同波长在透镜中的折射情况不同的原理获取共焦光线的波长。
S20、根据所述共焦图像生成并存储对应的灰度矩阵；
需要说明的是，由于本实施例技术方案并不是通过光谱仪获取共焦光线的波长，因此并不需要颜色信息，本实施例通过共焦图像生成灰度矩阵，便于后续的数据计算。
S30、根据所述灰度矩阵，得到共焦位置，进而计算被测物体表面的共焦光线的波长。
值得强调的是，灰度矩阵中记录的共焦位置是共焦光线经过凸透镜折射后的位置，同一个点不同波长的光线经过凸透镜折射后位置并不相同，则可根据共焦位置得到共焦光线的波长。
本实施例通过计算透镜折射后的共焦位置，进而计算共焦光线的波长，实现了替代传统光谱共焦位移传感器中的光谱仪的目的，达到了降低制造成本，提高测量精度的技术效果，提升用户体验。
参照图3，所述光谱共焦位移传感器波长计算方法还包括：
S31、将所述灰度阵列进行离散化处理；
易于理解的是，为了降低时间复杂度，提高计算效率对灰度阵列进行离散化处理的方式为常见的预处理方式，由于灰度阵列没有颜色信息，仅保留明度信息，因此离散化能够有效降低时间复杂度，提高计算效率。
S32、对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置；
需要说明的是，滤波主要是为了去除图像采集中的噪声，平滑明度信息差距不大的区域，使得强度差距较大的边缘更易被识别，便于分支提取操作的进行，而峰值提取操作主要是确认明度信息集中的区域位置，并将其作为共焦位置。
S33、将所述共焦位置带入波长与共焦函数中即可得到所述被测物体表面共焦光线的波长。
值得强调的是，由于共焦光线波长与共焦位置直接存在对应关系，本实施例通过波长与共焦函数得到改对应关系的函数表达式，在知道共焦位置的情况下，仅需将共焦位置带入波长与共焦函数中即可得到共焦光线的波长，即被测物体表面共焦光线的波长。
本实施例通过公开根据灰度矩阵得到共焦位置的方法，完善了技术方案，并通过滤波后再进行峰值提取操作，有效明确了峰值区域的边缘，一定程度上提高了本实施例光谱共焦位移传感器的测量精度，提升了用户体验。
参照图4，所述波长与共焦函数的获取方法包括以下步骤：
S11、使用预设数量的已知波长的光线获得预设数量对应的目标灰度矩阵；
易于理解的是，由于共焦光线波长与共焦位置之间的函数关系还不可知，因此本实施例采用预设数量的已知波长的光线执行与实际波长计算过程中相同的计算方式得到共焦位置，得到预设数量的样本信息，便于函数规律的总结。
S12、将所述预设数量的目标灰度矩阵进行离散化处理；
需要说明的是，本实施例步骤所进行的离散化处理与实际波长计算过程中所进行的离散化处理的处理方式完全一致，采用相同的离散化处理方法，避免由于离散化处理方式存在区别造成最终结果不一致的情况。
S13、对所述预设数量的离散化处理后的目标灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到与预设数量已知波长对应的预设数量共焦位置；
值得强调的是，在本实施例中，输入一个已知波长的光线就会输出一个共焦位置，二者即为一组对应数据，而输入预设数量的已知波长的光线则可获取预设数量的共焦位置，其两两一组，互为对应数据，便于分析共焦光线波长与共焦位置之间的函数关系。
S14、对所述预设数量共焦位置及对应的所述预设数量已知波长进行标定拟合操作，得到波长与共焦函数。
值得说明的是，通过上述步骤，本实施例获得了预设数量的样本，仅需对预设数量的样本仅需标定拟合操作即可得到波长与共焦函数，而预设数量的样本越多，得到的波长与共焦函数则越精确，本实施例采用超过40组数据仅需标定拟合，以满足常规测量的需求，当测量需求精度增加时，可以通过增加样本数量以提高函数准确程度直至增加样本数量后函数不变则将该函数视为准确函数而之前的函数仅为测量拟合函数，其准确程度与样本数量正相关。
需要说明的是，对全局数据进行基于最小二乘法的多项式拟合，最高次数最好不超过三次；而将其真实值与拟合值相减，即可得到误差序列；在误差序列集合中按照波长进行排序，将相邻差值互为异号的点作为分界点集群中的元素，若两个分界点之间的点少于12个，则顺延一个点，将第k个分界点和第k+2个分界点之间的点(波长，焦距)作为一个拟合区间，其中k指代未知数，而后在每一个拟合区间中分别进行多项式拟合，并分段输出标定拟合函数，而后将其融合则可得到拟合函数。
具体地，所述对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置的步骤具体包括：
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作，其中所述滤波操作的算法为双边滤波算法，即：
Figure BDA0002789480710000081
其中W为权重，i和j为像素索引，K为归一化常量，I为像素的强度值；
易于理解的是，上述滤波方式使得在明度差距大的地方权重会减小，滤波效应也就变小；即，在像素强度变换不大的区域，双边滤波会产生类似于高斯滤波的效果，而在图像边缘等强度梯度较大的地方，可以保持梯度。
对所述滤波完成后的灰度矩阵执行峰值提取操作得到共焦位置。
需要说明的是，本实施例在理想状态下，共焦光线集中于一点，则该点所在的位置即为共焦位置，然而实际运行过程中，共焦光线集中于一个区域，该区域通常接近圆形，则共焦位置为该区域的几何中心点即圆心，通常与明度最亮的点重合。
具体地，所述对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置的步骤具体包括：
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作；
值得强调的是，滤波操作可以提高共焦光线集中区域的分界线，有利于峰值提取操作的进行，还可以降低图像采集过程中的噪点对峰值提取的影响，一定程度上提高测量精度。
使用正态分布函数对所述滤波完成后的灰度矩阵预设灰度阈值以上的点进行高斯分布函数的拟合；
易于理解的是，高斯函数拟合具体原理如下：
假设有一组数据(xi,yi)，其可用高斯函数描述其分布：
Figure BDA0002789480710000091
其中参数ymax,xmax,S分别为高斯函数的峰值、峰值位置和半宽度信息。
对上式两边进行取对数处理，可得：
Figure BDA0002789480710000092
令
Figure BDA0002789480710000093
则可得：
Figure BDA0002789480710000094
简记为：Z＝XB
根据最小二乘法原理，B的广义二乘最小解为：
B＝(XTX)-1XTZ
由此即可获得高斯函数的特征参数。
提取拟合结果的峰值及其所在位置作为共焦位置。
值得说明的是，在样本数量充足的情况下，拟合结果的精度高于所需求的结果，则该拟合结果对于所需求的精度来说就是准确的结果，因此无需得到真实的函数也可以达到高精度的光谱共焦位移传感器波长的计算。
本实施例具体公开了滤波算法与峰值提取方式，还进一步公开了函数拟合方法，完善了技术方案使得本实施例技术方案的精度在某些情况下高于使用光谱仪的光谱共焦位移传感器，本实施例技术方案对样本数据进行处理，得到拟合函数作为共焦光线的波长与共焦位置的函数关系，进一步解决了现有技术中存在的光谱仪在面对对照查找找不到完全一致的光线时，选择最接近的光线波长导致测量精度下降的技术问题，达到了提高测量精度的技术效果。
本发明还提出一种光谱共焦位移传感器波长计算系统，所述光谱共焦位移传感器波长计算系统包括：
图像采集单元10，用于控制图像采集装置经过凸透镜获取光源经过色散物镜照射到被测物表面的共焦图像；
灰度存储单元20，用于根据所述共焦图像生成并存储对应的灰度矩阵；
波长计算单元30，用于根据所述灰度矩阵，得到共焦位置，进而计算被测物体表面的共焦光线的波长。
由于本系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此之上具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述
本发明还提出一种光谱共焦位移传感器波长计算服务器，所述光谱共焦位移传感器波长计算服务器包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的光谱共焦位移传感器波长计算程序，所述光谱共焦位移传感器波长计算程序被所述处理器执行时实现如上所述的光谱共焦位移传感器波长计算方法的步骤，由于本服务器采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此之上具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。。
本发明还提出一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有光谱共焦位移传感器波长计算程序，所述光谱共焦位移传感器波长计算程序被处理器执行时实现如上所述的光谱共焦位移传感器波长计算方法的步骤，由于本存储介质采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此之上具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光谱共焦位移传感器波长计算方法，其特征在于，所述光谱共焦位移传感器波长计算方法包括以下步骤：
控制图像采集装置经过凸透镜获取光源经过色散物镜照射到被测物表面的共焦图像；
根据所述共焦图像生成并存储对应的灰度矩阵；
根据所述灰度矩阵，得到共焦位置，进而计算被测物体表面的共焦光线的波长。
2.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感器波长计算方法，其特征在于，所述根据所述灰度矩阵，计算被测物体表面的共焦光线的波长的步骤具体包括：
将所述灰度阵列进行离散化处理；
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置；
将所述共焦位置带入波长与共焦函数中即可得到所述被测物体表面共焦光线的波长。
3.根据权利要求2所述的光谱共焦位移传感器波长计算方法，其特征在于，所述波长与共焦函数的获取方法包括以下步骤：
使用预设数量的已知波长的光线获得预设数量对应的目标灰度矩阵；
将所述预设数量的目标灰度矩阵进行离散化处理；
对所述预设数量的离散化处理后的目标灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到与预设数量已知波长对应的预设数量共焦位置；
对所述预设数量共焦位置及对应的所述预设数量已知波长进行标定拟合操作，得到波长与共焦函数。
4.根据权利要求2所述的光谱共焦位移传感器波长计算方法，其特征在于，所述对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置的步骤具体包括：
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作，其中所述滤波操作的算法为双边滤波算法，即：
Figure FDA0002789480700000021
其中W为权重，i和j为像素索引，K为归一化常量，I为像素的强度值；
对所述滤波完成后的灰度矩阵执行峰值提取操作得到共焦位置。
5.根据权利要求2所述的光谱共焦位移传感器波长计算方法，其特征在于，所述对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作后，再执行峰值提取操作得到共焦位置的步骤具体包括：
对所述离散化处理后的灰度矩阵执行滤波操作；
使用正态分布函数对所述滤波完成后的灰度矩阵预设灰度阈值以上的点进行高斯分布函数的拟合；
提取拟合结果的峰值及其所在位置作为共焦位置。
6.一种光谱共焦位移传感器波长计算系统，其特征在于，所述光谱共焦位移传感器波长计算系统包括：
图像采集单元，用于控制图像采集装置经过凸透镜获取光源经过色散物镜照射到被测物表面的共焦图像；
灰度存储单元，用于根据所述共焦图像生成并存储对应的灰度矩阵；
波长计算单元，用于根据所述灰度矩阵，得到共焦位置，进而计算被测物体表面的共焦光线的波长。
7.一种服务器，其特征在于，所述服务器包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行光谱共焦位移传感器波长计算程序，所述光谱共焦位移传感器波长计算程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的光谱共焦位移传感器波长计算方法的步骤。
8.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有光谱共焦位移传感器波长计算程序，所述光谱共焦位移传感器波长计算程序被处理器执行时实现根据权利要求1至5中任一项所述的光谱共焦位移传感器波长计算方法的步骤。
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