CN113446931A - 一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，可实时并行处理从线阵CCD芯片输出的像元信息，进而节省了向上位机传送数据的时间和CPU串行计算多耗费的时间。实现该方法的装置包括分光光路部分和光谱信息探测器部分，分光光路部分包括狭缝、凹球面反射准直镜、反射光栅和凹球面反射聚焦镜；光谱信息探测器部分包括设置在凹球面反射聚焦镜聚焦位置的用于将光信号转换为模拟信号的线阵CCD芯片、连接线阵CCD芯片将其模拟信号转换为数字信号的A/D转换芯片以及连接对线阵CCD芯片和A/D转换芯片进行时序控制并接收数字信号进行图像处理的FPGA芯片。本发明所提出的方法数据处理速度快，可满足白光色散共焦实时三维测量的需求。

Description

一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，特别涉及一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法。

背景技术

白光色散共焦测量技术几乎适用于任何反射率的表面轮廓、台阶和透明材料厚度的测量，在单层/多层材料厚度、微位移、微形变、表面形貌检测等方面具有广泛的应用前景和很好的工程应用价值。一般的白光色散共焦测量技术属于点测量技术，但是相比于传统共焦测量方法，白光色散共焦通过波长编码代替了轴向机械扫描。当前，白光色散共焦三维测量技术受限于光谱数据处理和X-Y机械扫描的速率，在工程应用领域中受到了实际限制。现有提高白光色散共焦三维测量效率的方法，包括：使用多光谱相机进行多重采集，该方法提高的速度有限且成本高；利用滤光片代替色散光栅和线阵检测器，通过使用滤色器的透射率检测峰值波长，该方法测量速度快，但精度差。

目前，国内对于白光共焦三维测量技术的研究主要集中在理论和实验探索、精度测试方面，如高性能色散物镜的研发以及高精度测量系统的搭建，对于实际使用过程中的测量效率问题尚缺少深入研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，在探测到光谱信息的同时，发挥其内部FPGA芯片并行计算的优势直接进行信号处理工作，具有测量速度快、成本低的优势。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，实现该方法的装置包括分光光路部分和光谱信息探测器部分，所述分光光路部分包括狭缝、凹球面反射准直镜、反射光栅和凹球面反射聚焦镜，所述光谱信息探测器部分包括设置在凹球面反射聚焦镜聚焦位置的用于将光信号转换为模拟信号的线阵CCD(Linear Charge Coupled Device)芯片、连接线阵CCD芯片将其模拟信号转换为数字信号的A/D转换芯片以及连接对线阵CCD芯片和A/D转换芯片进行时序控制并接收所述数字信号进行图像处理的FPGA(Field-Programmable GateArray)芯片，方法包括：

步骤1，由白光色散共焦测量仪通过光纤传入的复合光先后经过狭缝、凹球面反射准直镜、反射光栅和凹球面反射聚焦镜色散成不同波长的光线；

步骤2，利用布置在凹球面反射聚焦镜聚焦位置的线阵CCD芯片将光信号转换为模拟信号；

步骤3，将所述模拟信号放大后送入A/D转换芯片转换为数字信号；

步骤4，利用FPGA芯片直接接收所述数字信号并图像处理得到光强最强光线所对应的波长信息。

所述FPGA芯片中执行图像处理的为按流水线方式布置的高斯滤波模块、包络线提取模块和峰值提取模块。

所述FPGA芯片通过UART串口与上位机进行信息传输，所述图像处理得到的波长信息传入FIFO缓存，当FIFO为非空时，通过UART串口将波长信息传入上位机。

所述模拟信号被转换为数字信号后直接被FPGA芯片处理，从而无需利用外部存储器进行像元信息缓存。

所述FPGA芯片中按流水线布置高斯滤波算法、外包络线提取算法以及峰值提取算法以实现图像处理，在第一个像元的数字信号转换结束后即开始执行高斯滤波算法。

所述图像处理的逻辑延迟时间，即像素值最大的像元所转化的数字信号输入图像处理的时刻到该信号被判定为波峰信号被输出时所花费的时间，加上光谱信息探测器可测最大波长(800nm)光线聚焦的像元输出时间，小于线阵CCD芯片工作周期时间，即达到实时数据处理。

所述FPGA芯片中，将求出的波长信息传入FIFO缓存，当FIFO为非空时，通过UART串口将波长信息传入上位机，省略FPGA芯片向外部存储器进行像元数据存入/读出过程。

所述FPGA芯片中，将求出的波长信息传入FIFO(First Input First Output)缓存，当FIFO为非空时，通过UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)串口将波长信息传入上位机，省略FPGA芯片向外部存储器进行像元数据存入/读出过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明光谱探测装置光路结构紧凑、光强衰减小、分辨率高。

(2)本发明光谱信息探测器将高斯滤波、包络线提取、峰值提取三种算法按流水线方式布置，在第一个像元的数字信号转换结束后即开始工作。信号处理系统逻辑延迟时间(像素值最大的像元所转化的数字信号输入处理系统的时刻，到该信号被判定为波峰信号被输出时所花费的时间)加上全部像元输出时间小于线阵CCD芯片工作周期时间，即达到实时数据处理。因此其检测速度快、实时自动提取峰值波长、体积小、成本低、性能稳定。

(3)与传统的将全部光谱数据经缓存后发送到上位机利用CPU来处理的方式相比，本发明省略FPGA芯片向外部存储器进行像元数据存入/读出过程，且向上位机输出的是检测出的最强光线所对应的波长，数据量小、耗时短，可大幅度减少白光色散共焦三维测量的时间。

附图说明

图1为本发明光谱探测装置原理框图。

图2为本发明分光光路部分得到的M型光路结构。

图3为本发明点列图。

图4为本发明信息处理流程。

图5为本发明高斯滤波模块原理图。

图6为本发明高斯滤波模块仿真。

图7为本发明外包络线提取模块仿真。

图8为本发明TCD1304时序驱动协议。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

白光色散共焦三维测量技术工作原理是通过波长-物体表面高度进行编码，通过提取最大峰值波长进而执行解码来求出物体表面高度。其中，解码的工作借助显微镜重要部件光谱仪来完成，光谱仪将采集到的的光谱信息传入上位机利用CPU进行波长提取，最终来实现三维测量。此解码工作耗时最长的两个地方分别为：数据传输耗时以及图像处理耗时。本发明通过将算法移植，由FPGA芯片驱动的智能光谱探测装置来完成上位机的波长提取工作。这使得光谱数据无需利用板上的SDRAM进行存储，也无需向外传输，只需要给上位机传送数据量极少的计算结果，同时相比于CPU的串行计算，FPGA的并行计算在图像处理上有更高的速度优势。因此可提高白光共焦三维测量的速度。

具体地，如图1所示，本发明提高白光色散共焦三维测量效率的装置，主要包括分光光路部分和光谱信息探测器部分。

其中，分光光路部分包括：

狭缝1：光路最前端，用于滤除杂光，提高整体分辨率。

凹球面反射准直镜2：用于对通过狭缝1的光线进行准直，得到平行光。

反射光栅3：将凹球面反射准直镜2发出的平行光进行分光。

凹球面反射聚焦镜4：将分光后的一级衍射光线聚焦。

具体地，参考图2，图2所示的M型分光光路结构测量范围为400-800nm，其中狭缝1长3mm宽25μm，可提高系统分辨率，但会削弱系统光强。凹球面反射准直镜2焦距为60mm，直径为15mm，相比于凸透镜，它可以避免色差带来的影响，同时不会有较大的能量损失，通过调节准直镜与聚焦镜的倾斜角度可以消除慧差。反射光栅3采用闪耀光栅，其闪耀波长为500nm，线对数为600L/mm，尺寸L为12.7×12.7mm，相比于透射光栅，闪耀光栅可以避免光线在0级的能量损失。凹球面反射聚焦镜4焦距为76.2mm，直径为25.4mm，将分光后的光线聚焦在线阵CCD芯片上进行成像，相比于凸透镜，它可以避免色差带来的影响，同时不会有较大的能量损失，通过调节准直镜与聚焦镜的倾斜角度可以消除慧差。线阵CCD芯片5采集光谱信号后对其进行处理，最后将处理结果发送给计算机。

分光光路的分辨能力可通过如下方式计算：

分光光路的工作原理是把由复合光照明的狭缝经过分光系统而变为若干个单色的狭缝像，这单色的狭缝像即为谱线，它的空间宽度对应的光谱宽度即为光谱带宽δλ，它表示光谱仪的分辨能力，光谱带宽越窄意味着仪器分辨能力越强。其计算过程如下(以λ＝550nm为参考，I＝25°，θ＝6°30′，d＝1/600mm)：

d(sini-sinθ)＝mλ (1)

式中：λ为光线光线波长，i为入射角，θ为衍射角，d为光栅常数，f₂为聚焦镜焦距；

为光栅角色散，物理意义为相差单位波长的两条谱线通过光栅分开的角度；l为光线聚焦在CCD芯片上的位置；

为光栅线色散，物理意义为聚焦物镜焦面上相差单位波长的两条谱线分开的距离；f₁为准直镜焦距；W为狭缝宽度；W′为狭缝像的宽度。通过计算得知，在该设计中光栅角色散为603.89×10^-6rad/nm，光栅线色散为0.046mm/nm，δλ<0.6nm。λ₁＝550nm与λ₂＝551nm点列图如图3所示。

光谱波长分析：

其中，C为常数，设波长为400nm的光在线阵CCD芯片上的位置为l＝0mm，则C为400nm，即：

式中，λ_i为不同波长；θ_i为不同波长对应的衍射角；根据公式(8)，可通过光线照射在线阵CCD芯片上的不同位置来计算出光线波长。

光谱信息探测器部分包括：

线阵CCD芯片5，设置在凹球面反射聚焦镜4聚焦位置，将捕获的光信号转换为模拟信号。

A/D转换芯片6，连接线阵CCD芯片5将其模拟信号转换为数字信号。

FPGA芯片7，连接对线阵CCD芯片5和A/D转换芯片6进行时序控制，实现整个电路的驱动控制，并接收所述数字信号进行信息处理。

本发明中，FPGA芯片7中执行图像处理的为按流水线方式布置的高斯滤波模块、包络线提取模块和峰值提取模块，模拟信号被转换为数字信号后直接被FPGA芯片7处理，从而无需利用SDRAM(同步动态随机存取内存)等外部存储器进行像元信息缓存。

本发明光谱信息探测器部分可进一步包括串口信息传输系统：采用MSB转换芯片，通过MSB与PC端进行信息通信。具体地，FPGA芯片7通过UART串口8与上位机进行信息传输，图像处理得到的波长信息传入FIFO缓存，当FIFO为非空时，则通过UART串口8将波长信息传入上位机，省略FPGA芯片7向外部存储器进行像元数据存入/读出过程。

基于上述装置，本发明智能光谱探测方法基于FPGA的信号处理算法，包括：

步骤1，由白光色散共焦测量仪通过光纤传入的复合光先后经过狭缝1、凹球面反射准直镜2、反射光栅3和凹球面反射聚焦镜4色散成不同波长的光线；

步骤2，利用布置在凹球面反射聚焦镜4聚焦位置的线阵CCD芯片5将光信号转换为模拟信号；

步骤3，将模拟信号放大后送入A/D转换芯片6转换为数字信号；

步骤4，利用FPGA芯片7直接接收数字信号并图像处理得到光强最强光线所对应的波长信息。其中FPGA芯片7中按流水线布置高斯滤波算法、外包络线提取算法以及峰值提取算法以实现图像处理，在第一个像元的数字信号转换结束后即开始执行高斯滤波算法。在FPGA芯片7内部进行高斯滤波、外包络线提取以及峰值提取，这三个算法按流水线布置，上述三个算法的最终处理结果为光强最强光线所对应的波长。

光谱信息探测器采用50MHz晶振，主时钟周期为20ns，其工作步骤如下：

1、光信号采集

首先，采集聚焦在线阵CCD芯片上的光强信息，进而转化为模拟信号。线阵CCD芯片5的主时钟频率为2MHz，每4个时钟周期输出一个像元的模拟电压，即每个模拟信号会持续2μs。

2、模数转换

模拟信号经滤波放大后会被A/D转换芯片6转换为数字信号，同时传入FPGA芯片7内部。为了保证信号不会丢失，模数转换过程必须在2μs内完成，因此本实施例中A/D转换芯片6的最小转换周期为1μs，位宽为12bit，参考电压为3.8V。

3、信息处理

信息处理过程在FPGA芯片7内部执行，信息处理的最终目的是求得峰值点对应的横坐标位置(像元位置)，再通过公式(11)求得对应光线波长。信息处理算法包括：高斯滤波、外包络线提取、峰值提取。FPGA芯片7可实现信息处理的并行计算，但上述3个处理流程并非完全同步进行，而是每个算法与前一个算法之间存在一定的逻辑延迟，因为每一个流程都需要等待上一个流程的计算结果。信息处理流程如图4所示，该图数据源自线阵CCD采集的光谱信息，其中，t₀为数据进入FPGA芯片7的启始时刻，t₁为原始峰值数据进入FPGA芯片的时刻，t₂为经计算后峰值被提取出的时刻，t₂-t₁被称为系统总逻辑延迟，逻辑延迟的定义为：输入数据和数据被处理后输出之间的时间间隔。详细计算流程如下：

(1)数字信号从A/D转换芯片6传入FPGA芯片7内部后会首先进入高斯滤波模块，如图5所示。当第三个像元信号从A/D转换芯片6传出，进入高斯滤波模块后，计算会立即开始，并在一个时钟周期内输出计算结果，同时将结果传入外包络线提取模块。计算过程如下：

其中，data′_2th为第二个像元经滤波计算后的像素值，data_1th、data_2th、data_3th为前三个像元滤波前的像素值，高斯滤波模块Modelsim仿真结果如图6所示。

(2)外包络线提取模块的空间容量为10个数据信息，当第10个从高斯滤波模块输出数据进入外包络线提取模块后，判断会立即执行，并在一个时钟周期内判断出最大值点，如图7所示，同时在下一个时钟周期的上升沿到来时，将结果传入峰值提取模块。

(3)峰值提取模块的空间容量为15个数据信息，提取条件为：

其中，data_i为第i个像元的像素值。

峰值提取计算：

式中，p为光强波峰对应的像元位次，p₆～p₁₀为data₆～data₁₀所对应的像元位次，已知像元宽为8μm，因此，线阵CCD芯片上的对应位置为：

l＝p×8 (12)

将l带入公式(8)即可求出光线波长。经Modelsim仿真，信息处理系统的逻辑延迟t₂-t₁为266699ns。

4、FIFO缓存

信息处理计算的最终数据需要通过串口发送到PC端，由于串口发送数据的时间相对较长，当白光共焦显微镜所测量的对象为透明薄膜厚度时，线阵CCD芯片上会出现两个波峰，因此，为了避免第二个波长计算结束后第一个波长数据仍未输出完毕的情况，需要在信息处理模块与串口传送模块之间加一个FIFO来避免数据丢失。

5、串口通信

FPGA芯片7将最终计算出的波长信息以串口的形式发送给上位机，波特率为115200bps，通过MSB转换芯片实现串口与上位机的通信。

本发明的信号采集、处理及传输时间计算：

TCD1304型号线阵CCD芯片驱动协议如图8所示，其中SH为移位输出信号，ICG为积分清除信号。相机开始工作时ICG信号拉低，待ICG信号再次拉高时开始输出像元模拟电压。已知智能光谱探测装置的测量范围为400-800nm，因此传入上位机的数据至少为10位，需要串口分两次传输。线阵CCD芯片上光强分布的波峰位置由被测物体高度决定，因此具有随机性，若波峰位置靠前，则信息处理过程较早结束，若波峰位置靠后，则信息处理过程结束较晚，设计系统时要考虑后者的极端情况，即λ＝800nm波长所对应的波峰位置。在本系统设计中，ICG信号低电平持续时间为8000ns，单个像元模拟电压持续时间为2000ns，信息处理系统逻辑延迟为266699ns，串口波特率为115200bps，该智能光谱探测装置处理信息的最长时间T_max为：

T_{Read-out-time}＝8000+3694×2000＝7396000ns (13)

T_max＝T_800nm+(t₂-t₁)+T_uart＝6309588ns (15)

其中，T_{Read-out-time}为线阵CCD芯片工作周期时长，T_uart为串口传输2个字节所花的时间，T_800nm为波长λ＝800nm的光线聚焦在线阵CCD芯片5上的位置所对应的像元输入FPGA芯片7内部花费的时间，该智能光谱探测装置处理信息的最长时间小于线阵CCD芯片5工作周期时长，即在一个工作周期内，可完成从数据处理到数据传输的所有工作，不会对下一次工作产生时间上的影响。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，实现该方法的装置包括分光光路部分和光谱信息探测器部分，所述分光光路部分包括狭缝(1)、凹球面反射准直镜(2)、反射光栅(3)和凹球面反射聚焦镜(4)，所述光谱信息探测器部分包括设置在凹球面反射聚焦镜(4)聚焦位置的用于将光信号转换为模拟信号的线阵CCD芯片(5)、连接线阵CCD芯片(5)将其模拟信号转换为数字信号的A/D转换芯片(6)以及连接对线阵CCD芯片(5)和A/D转换芯片(6)进行时序控制并接收所述数字信号进行图像处理的FPGA芯片(7)，其特征在于，方法包括：

步骤1，由白光色散共焦测量仪通过光纤传入的复合光先后经过狭缝(1)、凹球面反射准直镜(2)、反射光栅(3)和凹球面反射聚焦镜(4)色散成不同波长的光线；

步骤2，利用布置在凹球面反射聚焦镜(4)聚焦位置的线阵CCD芯片(5)将光信号转换为模拟信号；

步骤3，将所述模拟信号放大后送入A/D转换芯片(6)转换为数字信号；

步骤4，利用FPGA芯片(7)直接接收所述数字信号并图像处理得到光强最强光线所对应的波长信息。

2.根据权利要求1所述的一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，其特征在于，所述FPGA芯片(7)中按流水线布置高斯滤波算法、外包络线提取算法以及峰值提取算法以实现图像处理，在第一个像元的数字信号转换结束后即开始执行高斯滤波算法。

3.根据权利要求1所述的一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，其特征在于，所述图像处理的逻辑延迟时间，即像素值最大的像元所转化的数字信号输入图像处理的时刻到该信号被判定为波峰信号被输出时所花费的时间，加上光谱信息探测器可测最大波长光线聚焦的像元输出时间，小于线阵CCD芯片(5)工作周期时间，即达到实时数据处理。

4.根据权利要求3所述的一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，其特征在于，所述光谱信息探测器可测最大波长光线的波长为800nm。

5.根据权利要求1所述的一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，其特征在于，所述FPGA芯片(7)中，将求出的波长信息传入FIFO缓存，当FIFO为非空时，通过UART串口(8)将波长信息传入上位机，省略FPGA芯片(7)向外部存储器进行像元数据存入/读出过程。

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