CN113029031B - 基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法，包括：利用扫描探头照射出线光谱；根据扫描线光谱的扫描宽度，将测量对象的上表面划分为相应宽度的多个单元区；线光谱垂直于三维运动平台的扫描运动方向从单元区的一端截面向另一端截面运动进行初步扫描，将扫描探头和线光谱旋转角度θ，并移动至初始位置，扫描探头从单元区的一端截面向另一端截面运动进行二次扫描，收集初步扫描的测量数据以及二次扫描的测量数据；利用同单元区二次扫描的测量数据对同单元区初步扫描的测量数据进行校准；将校准后初步扫描的测量数据对测量对象的上表面的三维形貌重构。本发明还提供了基于光谱共焦的高精度分步面形测量装置。

Description

基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法及装置

技术领域

本发明涉及面形测量技术领域，特别涉及一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法及装置。

背景技术

光谱共焦位移传感器是一种通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息的装置，如图1所示，白光LED光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看作点光源，经过准直和色散物镜聚焦后发生光谱色散，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。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测面上，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径，所以大部分光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值，从而测得目标对应至的距离值。如图2所示,线光谱共焦则是在点的基础上进行密集阵列形成线光谱，从而实现测量对象一段长度上的位移测量，目前光谱共焦传感器在光轴方向的位移精度可以达到纳米级。

面形测量是工业生产中的一种重要检测手段，其用于检测测量对象表面形貌和表面缺陷，常见的面形测量装置有三坐标测量机，其采用点测量方式，需要通过探头接触测量对象表面获得相应的面形数据，但采用三坐标测量机测量面形存在一些问题：1、探头需要与测量对象接触容易造成测量受限，有些地方探头无法进入，同时探头会有对测量对象造成磨损的风险；2、单点测量效率低，对于大尺寸结构需要检测时间长；3、测量过程中无法对装置本身的状态比如滑台的运动以及其他外界环境带来的干扰进行测量补偿和校准，因此测量稳定性差；4.受工作原理限制三坐标测量机需要通过离散的点来进行形貌的重构，同时测量点之间的位置关系易受设备运动精度影响，重构过程中需要进行插值拟合，容易造成形貌失真。

目前还没有一种设计将光谱共焦位移传感器有效的运用在面形测量上。

发明内容

本发明提供了一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法及装置，其目的是为了解决现有三维面形测量方式受外界环境干扰大、测量探头受限易造成测量对象磨损、测量时间长、测量精度低稳定性差、形貌重构易失真的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法，包括：

步骤1，利用扫描探头照射出线光谱；

步骤2，根据扫描线光谱的扫描宽度，将测量对象的上表面划分为相应宽度的多个单元区；

步骤3，通过移动扫描探头，分别对每个单元区进行扫描；扫描单元区时，将线光谱垂直于三维运动平台的扫描运动方向，扫描探头从单元区的一端截面向另一端截面运动进行初步扫描，初步扫描后，将扫描探头和线光谱旋转角度θ，且0°＜θ＜180°，并移动至初始位置，扫描探头从单元区的一端截面向另一端截面运动进行二次扫描，收集初步扫描的测量数据以及二次扫描的测量数据；

步骤4，利用同单元区二次扫描的测量数据对同单元区初步扫描的测量数据进行校准；

步骤5，将校准后初步扫描的测量数据对测量对象的上表面的三维形貌重构。

其中，步骤4中，将二次扫描中某一时刻线光谱所在截面的上轮廓离散成n个点，将该截面定义为a截面，将二次扫描的测量数据分别对应至n个点的数值得到a₁,a₂,a₃...a_i...a_n；将初步扫描时，线光谱所在截面的上轮廓离散成m个点，将该截面定义为b截面，将初步扫描的测量数据分别对应至m个点的数值得到b_i1,b_i2,b_i3...b_ij...b_im，利用a₁,a₂,a₃...a_i...a_n的值对每个b截面b_i1,b_i2,b_i3...b_ij...b_im数值校准。

其中，校准的方式具体为：定义a截面与b截面在测量对象上表面交点为P，二次扫描和初步扫描在点P获得数值分别为a_i和b_ip，将b截面任意点数值定义为c_ij，令Δ_i＝a_i-b_ip，则c_ij＝b_ij+Δ_i。

其中，通过c_ij的数值对测量对象的上表面三维形貌重构。

本发明的实施例还提供了一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量装置，应用基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法，包括：

测量平台，所述测量平台上设置有三维运动平台，所述三维运动平台设置有X向滑台、Y向滑台和Z向滑台，所述Z向滑台上设置有角度调整机构，所述角度调整机构的底部设置有扫描探头，所述扫描探头设置有线光谱位移测量系统，所述线光谱位移测量系统照射出线光谱。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明所述的基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法，能够对测量对象进行合理分区测量，将二次扫描的测量数据对初步扫描的测量数据进行校准和补偿，使初步扫描的数据误差降低精度提高，本测量方法的形状精度达到80nm。

本发明所述的基于光谱共焦的高精度分步面形测量装置，稳定性强，装置设置有测量平台、三维运动平台、角度调整机构和扫描探头，扫描探头设置有线光谱位移测量系统，能够在测量平面上照射出线光谱，通过角度调整机构的旋转能够调整线光谱的设置方向，由于采用线光谱进行面形测量，测量过程不与测量对象发生接触，同时测量范围大能够有效提高测量效率；本装置测量过程中先利用垂直于三维运动平台运动方向的线光谱进行初步扫描，再通过角度调整机构旋转角度进行二次扫描，二次扫描的测量数据能够用于校准初步扫描的测量数据，因此本装置能够实现测量对象上表面三维形貌高精度重构。

附图说明

图1为点光谱共焦位移传感器的示意图；

图2为线光谱共焦位移传感器的示意图；

图3为本发明的基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法流程图；

图4为本发明的基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法的示意图一；

图5为本发明的基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法的示意图二；

图6为本发明的基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法的测量对象上表面测量示意图；

图7为本发明的基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法的测量对象截面示意图；

图8为本发明的基于光谱共焦的高精度分步面形测量装置的结构示意图。

【附图标记说明】

1-测量平台；2-X向滑台；3-Y向滑台；4-Z向滑台；5-角度调整机构；6-扫描探头；7-线光谱。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有三维面形测量方式受外界环境干扰大、测量探头受限易造成测量对象磨损、测量时间长、测量精度低稳定性差、形貌重构易失真的问题，提供了一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法及装置。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例提供了一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法，包括：

步骤1，利用扫描探头照射出线光谱；

步骤2，根据扫描线光谱的扫描宽度，将测量对象的上表面划分为相应宽度的多个单元区；

步骤3，通过移动扫描探头，分别对每个单元区进行扫描；扫描单元区时，将线光谱垂直于三维运动平台的扫描运动方向，扫描探头从单元区的一端截面向另一端截面运动进行初步扫描，初步扫描后，将扫描探头和线光谱旋转角度θ，且0°＜θ＜180°，在本实施例中，θ＝90°，并移动至初始位置，扫描探头从单元区的一端截面向另一端截面运动进行二次扫描，收集初步扫描的测量数据以及二次扫描的测量数据；

步骤4，利用同单元区二次扫描的测量数据对同单元区初步扫描的测量数据进行校准；

步骤5，将校准后初步扫描的测量数据对测量对象的上表面的三维形貌重构。

其中，步骤4中，由于在进行实际的面形检测时，设备本身一直处于运动状态，设备周围的环境也不一定是理想状态，这些不确定的因素均会对面形检测带来误差，为了尽可能的减小测量过程中的不确定误差，需要对测量数据进行补偿或校准。光谱共焦传感器在光轴方向(Z方向)具有纳米级的精度，在扫描过程中不管是初步扫描的扫描数值，还是二次扫描的扫描数值，都具有很高的相对位置精度，精度可达到纳米级。如图4所示，图中考虑外部环境为非理想状态，因此工件会在Z方向出现振动，因此测量出的数值也会出现波动，但是对于测量光，谱上所有点的相对位移则是保持不变的，如图4中假设为工件测量时因外界干扰而导致同一位置出现三个时刻的轮廓l₁、l₂、l₃，Δ＝p_i+1-p_i，Δ′＝p_i′₊₁-p_i′，Δ″＝p_i″₊₁-p_i″，显然有Δ＝Δ′＝Δ″。基于上述原理，如图5所示，为某一时刻的扫描情况，二次扫描中a_i，a_i+1，a_i+2和a_i+3四个参考点，对应初步扫描的四条轮廓扫描线，此时四个参考点的相对位置关系不会随着外界环境的干扰而发生变化；因此，如图6和图7所示，将某一时刻二次扫描所在截面的上轮廓离散成n个点，将该截面定义为a截面，将二次扫描的测量数据分别对应至n个点的数值得到a₁,a₂,a₃...a_i...a_n；将初步扫描所在截面的上轮廓离散成m个点，将该截面定义为b截面，同时随初步扫描运动能够获得多个b截面(如b_i-1截面、b_i+1截面、b₁截面、b_m截面等等)，将初步扫描的测量数据分别对应至m个点的数值得到b_i1,b_i2,b_i3...b_ij...b_im，每个数据点a_i均有一个时刻的初步扫描数值b_i与之对应，因此利用a₁,a₂,a₃...a_i...a_n的值对每个b截面b_i1,b_i2,b_i3...b_ij...b_im数值校准。

其中，校准的方式具体为：因为a₁,a₂,a₃...a_i...a_n可以达到纳米级的精度，因此以该组数据点构成的基准可以获得很高的面形检测精度，定义a截面与b截面在测量对象上表面交点为P，参考线光谱和扫描线光谱在点P获得数值分别为a_i和b_ip，将b截面任意点数值定义为c_ij，令Δ_i＝a_i-b_ip，则c_ij＝b_ij+Δ_i，进而获得b截面从b_i1到b_im的数值。

其中，通过c_ij的数值对测量对象的上表面三维形貌重构。

实施例2

如图8所示，本发明的实施例提供了一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量装置，包括：测量平台1，所述测量平台1上设置有三维运动平台，所述三维运动平台设置有X向滑台2、Y向滑台3和Z向滑台4，所述Z向滑台4上设置有角度调整机构5，所述角度调整机构5的底部设置有扫描探头6，所述扫描探头6设置有线光谱位移测量系统，所述线光谱位移测量系统照射出线光谱7。

本发明上述实施例所述基于光谱共焦的高精度分步面形测量装置，所述测量平台用于放置待测量的测量对象，所述测量平台1上的X向滑台2、Y向滑台3和Z向滑台4能够分别驱动所述扫描探头6在X方向、Y方向和Z方向上运动，所述角度调整机构5能够驱动所述扫描探头6旋转；所述线光谱位移测量系统为线位移光谱共焦传感器，所述线光谱位移测量系统能够照射处线光谱7用于面形测量；本装置测量时需要进行初次扫描和二次扫描，初次扫描时线光谱7垂直于三维运动平台的扫描运动方向，初次扫描时测量数据空间排布均匀，因此不需要复杂处理，面形重构还原度高，二次扫描时所述扫描探头6旋转角度θ；通过初次扫描时线光谱和二次扫描线光谱的交点能够获得初次扫描测量数据与二次扫描测量数据的校准值，进而通过该校准值对所有初次扫描的测量数据进行校准和补偿。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法，其特征在于，包括：

步骤1，利用扫描探头照射出线光谱；

步骤2，根据扫描线光谱的扫描宽度，将测量对象的上表面划分为相应宽度的多个单元区；

步骤3，通过移动扫描探头，分别对每个单元区进行扫描；扫描单元区时，将线光谱垂直于三维运动平台的扫描运动方向，扫描探头从单元区的一端截面向另一端截面运动进行初步扫描，初步扫描后，将扫描探头和线光谱旋转角度θ，且0°＜θ＜180°，并移动至初始位置，扫描探头从单元区的一端截面向另一端截面运动进行二次扫描，收集初步扫描的测量数据以及二次扫描的测量数据；

步骤4，利用同单元区二次扫描的测量数据对同单元区初步扫描的测量数据进行校准；将二次扫描中某一时刻线光谱所在截面的上轮廓离散成n个点，将该截面定义为a截面，将二次扫描的测量数据分别对应至n个点的数值得到a₁,a₂,a₃...a_i...a_n；将初步扫描时，线光谱所在截面的上轮廓离散成m个点，将该截面定义为b截面，将初步扫描的测量数据分别对应至m个点的数值得到b_i1,b_i2,b_i3...b_ij...b_im，利用a₁,a₂,a₃...a_i...a_n的值对每个b截面b_i1,b_i2,b_i3...b_ij...b_im数值校准；校准的方式具体为：定义a截面与b截面在测量对象上表面交点为P，二次扫描和初步扫描在点P获得数值分别为a_i和b_ip，将b截面任意点数值定义为c_ij，令Δ_i＝a_i-b_ip，则c_ij＝b_ij+Δ_i；

步骤5，将校准后初步扫描的测量数据对测量对象的上表面的三维形貌重构。

2.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法，其特征在于，通过c_ij的数值对测量对象的上表面三维形貌重构。

3.一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量装置，应用如权利要求1至权利要求2任一项所述的基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法，其特征在于，包括：

测量平台，所述测量平台上设置有三维运动平台，所述三维运动平台设置有X向滑台、Y向滑台和Z向滑台，所述Z向滑台上设置有角度调整机构，所述角度调整机构的底部设置有扫描探头，所述扫描探头设置有线光谱位移测量系统，所述线光谱位移测量系统照射出线光谱。

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