CN113175883B

CN113175883B - 一种光谱共焦测量系统的光源归一化处理方法

Info

Publication number: CN113175883B
Application number: CN202110452781.8A
Authority: CN
Inventors: 孙拉拉; 应玉龙; 王凯
Original assignee: Hefei Colorful Spectrum Technology Co ltd
Current assignee: Hefei Jianjing Xinyao Space Technology Co ltd
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2041-04-26
Also published as: CN113175883A

Abstract

本发明公开了一种光谱共焦测量系统的光源归一化处理方法，是通过采集光谱共焦光源的信号，计算出光源的光谱强度分布，并将其转换成归一化系数。本发明能在正常测量过程中，对采集到的被测目标信号进行归一化处理，以解决光源光谱均匀性较差的问题，修正光源的均匀性引起的误差，以及系统其他光学器件的测量误差，从而能提高光谱共焦位移传感器测量精度和稳定性。

Description

一种光谱共焦测量系统的光源归一化处理方法

技术领域

本发明涉及非接触测量领域，特别涉及一种光谱共焦测量系统的光源归一化处理方法。

背景技术

光谱共焦位移传感器是一种新型的具有超高精度和超高稳定性的非接触光电式位移传感器。该技术是全球公认的一种准确可靠的非接触距离和厚度测量技术，并且是ISO25178国际标准推荐的为数不多的一种非接触三维测量技术。

光谱共焦技术利用共焦显微的原理，通过色散选频光学系统建立聚焦距离和波长之间的对应关系，再利用光谱仪解码对应的波长信息，从而获得相应的位移信息，其测量精度能够达到亚微米甚至更高。与传统的激光三角法相比，它更高的分辨力，而且对被测物表面纹理、倾斜和周围环境的杂散光等因素不敏感。并且由于光发射和接收同光路，不会出现激光三角法光路容易被遮挡或被测目标表面过于光滑而接收不到目标反射光的情况，对被测目标适应性强。

正是由于光谱共焦位移传感器拥有诸多这样的优点，因此在微位移、微形变以及表面形貌扫描等方面有着广泛的应用前景。

在光谱共焦系统测量过程中，比较完美的光源是在各个光谱波段，光强均匀分布的白光光源，但在现实中并不存在这种光源，因此在现有的光源条件下，必须对光源的光谱信号进行归一化处理。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种光谱共焦测量系统的光源归一化处理方法，以期能解决现有光源条件下，在不同波长位置光强分布不均匀的问题，修正光源的均匀性引起的误差，以及系统其他光学器件的测量误差，从而能提高系统的测量精度和稳定性。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种光谱共焦测量系统的光源归一化处理方法，所述光谱共焦测量系统包括：光源组件、光谱信号色散组件、光谱信号接收组件、控制器组件和被测物体；

所述光源组件包括：白光LED光源，LED准直透镜和光纤准直镜；

所述光谱信号色散组件包括：Y型光纤耦合器和色散镜头；

所述Y型光纤耦合器的第一连接端口和第二连接端口分别与所述光源组件和光谱信号接收组件相连，所述Y型光纤耦合器的第三连接端口与所述色散镜头相连；其特点是，所述光源归一化处理方法包括如下步骤：

S1：将被测物体放置在色散镜头的正前方；

S2：所述光源组件发射的宽光谱光源信号，依次通过所述Y型光纤耦合器的第一连接端口、Y型光纤耦合器的第三连接端口和色散镜头后，色散到被测物体的表面；

S3：所述被测物体表面的色散光斑，依次通过所述色散镜头、Y型光纤耦合器的第三连接端口和第二连接端口后，由所述光谱信号接收组件接收；

S4：用挡板遮挡所述色散镜头，并打开白光LED光源，利用所述光谱信号接收组件采集一组光谱信号为亮背景信号{S1_i|i＝0，1，2...n-1}；其中，S1_i表示采集的第i个亮背景信号；n表示信号总数；

S5：用挡板遮挡所述色散镜头，并关闭白光LED光源，利用所述光谱信号接收组件采集一组光谱信号为暗背景信号{S2_i|i＝0，1，2...n-1}；其中，S2_i表示采集的第i个暗背景信号；

S6：所述光谱信号接收组件将所述亮背景信号{S1_i|i＝0，1，2...n-1}减去暗背景信号{S2_i|i＝0，1，2...n-1}后得到光源的光谱信号；

S7：所述光谱信号接收组件根据光源的光谱信号，利用式(1)计算出归一化系数{λ_i|i＝0，1，2...n-1}：

式(1)中，λ_i表示第i个归一化系数；

S8：正常测试过程中，所述光谱信号接收组件接收到光谱信号{S3_i|i＝0，1，2...n-1}，并利用式(2)进行归一化处理，得到拉平后的光谱信号{S3_i|i＝0，1，2...n-1}，从而修正光源在不同波段范围的光谱响应曲线，以实现对光源的归一化处理：

S_i＝S3_i×λ_i (2)

式(2)中，S_i表示拉平后的第i个光谱信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过采集亮背景和暗背景信号，解析出光源在不同波段的光谱响应曲线，通过计算分析出不同波段的信号强度差异，修正了光源在不同波段的均匀性误差，并解决了不同光源之间的测量误差。

2、本发明通过对光源光谱响应曲线的分析，获得测量系统中各个光电组件的系统误差，通过归一化的办法进行修正，修正了测量系统的系统误差，以及多台测量系统之间的系统误差。

附图说明

图1为本发明光谱共焦测量系统结构示意图；

图2为本发明光谱共焦测量系统Y型光纤耦合器示意图；

图3为本发明光谱共焦测量系统归一化处理方法流程图；

图4为本发明光谱共焦测量系统采集的暗背景图；

图5为本发明光谱共焦测量系统采集的亮背景图；

图6为本发明光谱共焦测量系统采集的被测物体原始信号图；

图7为本发明光谱共焦测量系统归一化修正后的被测物体信号图；

图中标号：10光源组件；20光谱信号色散组件；30光谱信号接收组件；40控制器组件；50被测物体；60Y型光纤耦合器；601第一连接端口；602第二连接端口；603第三连接端口。

具体实施方式

本实施例中，如图1和图2所示，一种光谱共焦测量系统包括：光源组件10、光谱信号色散组件、光谱信号接收组件30、控制器组件40和被测物体50；

光源组件10包括：白光LED光源，LED准直透镜和光纤准直镜；

光谱信号色散组件包括：Y型光纤耦合器60和色散镜头20；

Y型光纤耦合器60的第一连接端口601和第二连接端口602分别与光源组件10和光谱信号接收组件30相连，Y型光纤耦合器60的第三连接端口603与色散镜头20相连。

本实施例中，如图3所示，一种光谱共焦测量系统的光源归一化处理方法，包括如下步骤：

S1：如图1所示，将被测物体50放置在色散镜头20的正前方，以保证被测物体50在色散镜头20的测量范围内。

进一步的，色散镜头20基于共焦显微技术，它是由一系列的镜片组成，由于色散镜片的光学特性，在镜片的光轴方向形成一系列连续分布的不同波长的聚焦光斑，也就是所谓的彩色编码，实现位移量和波长之间的编码转换。

S2：光源组件10发射的宽光谱光源信号，依次通过Y型光纤耦合器60的第一连接端口601、Y型光纤耦合器60的第三连接端口603和色散镜头20后，色散到被测物体50的表面。

进一步的，宽光谱的光源信号，为一般选用的是高亮度白光LED光源，也可以起是其他宽光谱光源，例如：激光器、卤素灯等其他荧光材料组成的光源组件。光源的背后紧贴着散热片，可有效降低LED光源的工作温度，防止LED光源工作温度过高影响光源的稳定性。

S3：被测物体50表面的色散光斑被被测物体50表面反射后，依次通过色散镜头20、Y型光纤耦合器60的第三连接端口603和第二连接端口602后，由光谱信号接收组件30接收。

进一步的，光谱信号接收组件30一般是高精度光谱仪，用来获取Y型光纤耦合器输出的色散光斑，通过光谱仪分解出光谱响应曲线。根据光谱响应曲线上的峰位置信息，反解出波长信号，与色散镜头20配合，完成波长和位移信息的一一对应。

进一步的，Y型光纤耦合器60的内芯尺寸直接影响光谱仪接收到的光信号强弱，并且与信号分辨率具有直接关系。光纤内芯越大，色散到被测物体50的光斑尺寸就越大，光谱仪接收到的光信号越强，但测量系统的分辨率就越低，相反，光纤内芯越小，色散到被测物体50的光斑尺寸就越小，光谱仪接收到的光信号越弱，但测量系统的分辨率就越高。

S4：用挡板遮挡色散镜头20，并打开白光LED光源，此时光谱信号接收组件30采集到的光谱信号为亮背景信号{S1_i|i＝0，1，2...n-1}，其中，S1_i表示采集的第i个亮背景信号；n表示信号总数；如图4所示。此时采集到的亮背景信号，包括光源的背景信号和测量系统的系统误差信号。

S5：用挡板遮挡色散镜头20，并关闭白光LED光源，此时光谱信号接收组件30采集到的光谱信号为暗背景信号{S2_i|i＝0，1，2...n-1}，其中，S2_i表示采集的第i个暗背景信号；如图5所示。此时采集到的暗背景信号，只有测量系统的系统误差信号。

S6：光谱信号接收组件30将亮背景信号{S1_i|i＝0，1，2...n-1}减去暗背景信号{S2_i|i＝0，1，2...n-1}后得到光源的光谱信号；

S7：根据光源的光谱信号，利用式(1)计算出归一化系数{λ_i|i＝0，1，2...n-1}。因LED光源在不同波段范围内的光强响应曲线不均匀，采用此种办法，可以将LED光谱进行拉伸，解决光源的光谱响应曲线不均匀的问题。

S8：正常测试过程中，光谱信号接收组件30接收到光谱信号{S3_i|i＝0，1，2...n-1}，并利用式(2)进行归一化处理，对原始测量的光谱信号进行拉伸，保证不同波段的信号强度一致。并得到拉平后的光谱信号{S3_i|i＝0，1，2...n-1}，从而修正光源在不同波段范围的光谱响应曲线，以实现对光源的归一化处理：

S_i＝S3_i×λ_i (2)

进一步的，控制器组件40上有一个非易失的存储器，非易失的存储器可以是EEPROM、FLASHMEMORY或FRAM，用来存储系统的运行参数、归一化系数和其他系统校准参数信息。

进一步的，控制器组件40有微处理器，微处理器获取存储器的运行参数、归一化系数和其他系统校准参数信息，对光谱信号接收组件30采集的数据进行处理。

如图6为光谱信号接收组件30采集的原始数据。当系统未进行光源的归一化处理时，被测物体50的测量信号是一个较尖锐的峰信号，但叠加在光源的光谱信号上。由于在不同的波段范围内，测量信号峰的高度有比较大的波动，波动的趋势与光源的光谱响应曲线相关。当对光源进行归一化处理后，如图7所示，测量信号的峰在不同的波段范围内，峰信号基本保持一致，且不同的光源测量同样一个物体，峰信号也能保持一致。这样可以更好的识别峰值波长，修正了光源在不同波段的均匀性误差，并解决了不同光源之间的测量误差，提高了测量系统的检测精度。

Claims

1.一种光谱共焦测量系统的光源归一化处理方法，所述光谱共焦测量系统包括：光源组件(10)、光谱信号色散组件、光谱信号接收组件(30)、控制器组件(40)和被测物体(50)；

所述光源组件(10)包括：白光LED光源，LED准直透镜和光纤准直镜；

所述光谱信号色散组件包括：Y型光纤耦合器(60)和色散镜头(20)；

所述Y型光纤耦合器(60)的第一连接端口(601)和第二连接端口(602)分别与所述光源组件(10)和光谱信号接收组件(30)相连，所述Y型光纤耦合器(60)的第三连接端口(603)与所述色散镜头(20)相连；其特征是，所述光源归一化处理方法包括如下步骤：

S1：将被测物体(50)放置在色散镜头(20)的正前方；

S2：所述光源组件(10)发射的宽光谱光源信号，依次通过所述Y型光纤耦合器(60)的第一连接端口(601)、Y型光纤耦合器(60)的第三连接端口(603)和所述色散镜头(20)后，色散到被测物体(50)的表面；

S3：所述被测物体(50)表面的色散光斑，依次通过所述色散镜头(20)、Y型光纤耦合器(60)的第三连接端口(603)和第二连接端口(602)后，由所述光谱信号接收组件(30)接收；

S4：用挡板遮挡所述色散镜头(20)，并打开白光LED光源，利用所述光谱信号接收组件(30)采集一组光谱信号为亮背景信号{S1_i|i＝0，1，2...n-1}；其中，S1_i表示采集的第i个亮背景信号；n表示信号总数；

S5：用挡板遮挡所述色散镜头(20)，并关闭白光LED光源，利用所述光谱信号接收组件(30)采集一组光谱信号为暗背景信号{S2_i|i＝0，1，2...n-1}；其中，S2_i表示采集的第i个暗背景信号；

S6：所述光谱信号接收组件(30)将所述亮背景信号{S1_i|i＝0，1，2...n-1}减去暗背景信号{S2_i|i＝0，1，2...n-1}后得到光源的光谱信号；

S7：所述光谱信号接收组件(30)根据光源的光谱信号，利用式(1)计算出归一化系数{λ_i|i＝0，1，2...n-1}：

式(1)中，λ_i表示第i个归一化系数；

S8：正常测试过程中，所述光谱信号接收组件(30)接收到光谱信号{S3_i|i＝0，1，2...n-1}，并利用式(2)进行归一化处理，得到拉平后的光谱信号{S3_i|i＝0，1，2...n-1}，从而修正光源在不同波段范围的光谱响应曲线，以实现对光源的归一化处理：

S_i＝S3_i×λ_i (2)

式(2)中，S_i表示拉平后的第i个光谱信号。