CN113654457A - 光谱共焦测头波长与位移映射关系标定装置及拟合方法 - Google Patents

光谱共焦测头波长与位移映射关系标定装置及拟合方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光谱共焦测头位移测量精度标定领域，光谱共焦测头出射信号的峰值波长与位移映射关系的精确建立，才能够保持光谱共焦测头最终的测量精度，但是现有技术中很少有提及光谱共焦测头出射信号的峰值波长与位移精确映射关系的标定或建立方法，本发明提供一种光谱共焦测头波长与位移映射关系标定装置及拟合方法，通过光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，可以有效减小标定过程中的阿贝误差和余弦误差，通过非均匀有利B样条拟合方法，不仅可以精确的拟合出光谱共焦测头的波长与位移的映射关系，而且可以使拟合曲线更具光顺性，另外降低了对一维运动平台的精度要求，提高了本方法的可操作性和实用性。

Description

光谱共焦测头波长与位移映射关系标定装置及拟合方法
技术领域
本发明涉及光谱共焦测头测量精度的提高，更具体的说，涉及一种光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置及映射关系精确拟合方法。
背景技术
光谱共焦测头可以用来精确测量物体的厚度、平面度、微观形貌、微小瑕疵、翘曲度等，适用于各种不同要求的高精密测量场合，如镜面反射，透明材质、多层厚度等。
光谱共焦测头的核心原理是由光源射出一束宽光谱的复色光(呈白色)，通过色散镜头发生光谱色散，量程范围内形成不同波长的单一颜色光。每一个波长的焦点都对应一个距离值。测量光射到物体表面被反射回来，只有满足共焦条件的单一颜色的光，通过小孔后被光谱仪感测到光强最大，通过对光谱仪检测到的出射信号进行处理，提取其峰值波长，即可还原出位移。当被测样品上下移动时，满足共焦条件的单色光波长发生变化，在不同位置形成了不同波长的共焦系统。
光谱共焦测头出射信号的峰值波长与位移一一映射，此映射关系必须精确建立，才能够保持光谱共焦测头最终的测量精度，然而，当前的已有文献或报道中，很少有提及光谱共焦测头出射信号的峰值波长与位移精确映射关系的标定或建立方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置及映射关系精确拟合方法，该发明能够精确的建立光谱共焦测头波长与位移映射关系。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，包括激光干涉测长部分、一维精密运动平台、同轴固定装置和光谱共焦测头，激光干涉测长部分包括双频激光干涉仪激光头、环境补偿单元、分光镜和两个反射镜，激光干涉测长部分连接环境补偿单元，其中，双频激光干涉仪激光头发出激光的一侧依次放置分光镜、第二反射镜、平面镜和光谱共焦测头，第一反射镜置于分光镜顶部，第二反射镜的反射面朝向分光镜一侧；同轴固定装置包括平面镜与反射镜固定块和用于放置光谱共焦测头的测头固定块，平面镜与反射镜固定块放置于第二反射镜和平面镜之间。
进一步，平面镜与反射镜固定块置于一维精密运动平台上，平面镜与反射镜固定块呈中空结构。
进一步，测头固定块固定于支座顶部，测头固定块呈中空结构。
进一步，第一反射镜的反射面朝向分光镜。
进一步，平面镜与反射镜固定块配置空心光靶和实心光靶，空心光靶、实心光靶的形状和平面镜与反射镜固定块的中空结构的径向剖面形状相匹配，空心光靶和实心光靶的靶面设置十字标识，十字标识的交叉点位于光靶中心。
进一步，实心光靶的靶面材料透光率不低于50％。
进一步，空心光靶的十字标识交叉处开孔，孔径不大于3mm。
一种光谱共焦测头波长与位移映射关系精确拟合方法，基于上述的光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，通过获取光谱共焦测头波长与位移的映射数据，建立光谱共焦测头的波长与位移直接的精确映射关系，具体包括以下步骤：
步骤1.安装与标定：将光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置进行安装固定，并完成标定；
步骤2.拟合精确映射关系：建立光谱共焦测头波长与位移之间的精确映射关系。
进一步，步骤1中，安装与标定具体包括以下步骤：
步骤1.1将平面镜与反射镜固定块放置于一维精密运动平台上，将光谱共焦测头固定于测头固定块中；
步骤1.2将环境补偿单元连接至激光干涉仪激光头，打开双频激光干涉仪激光头电源，发出激光；将空心光靶贴合在平面镜与反射镜固定块靠近双频激光干涉仪激光头一侧，将实心光靶贴合在平面镜与反射镜固定块靠近光谱共焦测头一侧，调整双频激光干涉仪激光头高度和方向，以及平面镜与反射镜固定块中心轴向位置，使双频激光干涉仪激光头出射光线的光斑位于实心光靶的中心；
步骤1.3将空心光靶贴合在测头固定块靠近平面镜与反射镜固定块一侧，将实心光靶贴合在测头固定块远离平面镜与反射镜固定块一侧，调整测头固定块的方向和高度，使双频激光干涉仪激光头出射光线的光斑位于实心光靶的中心；
步骤1.4将光谱共焦测头固定于测头固定块中；
步骤1.5控制一维精密运动平台，每次运动5μm，待一维精密运动平台位置稳定后，记录激光干涉仪的测距数据与光谱仪的波长数据。
进一步，步骤2中，拟合精确映射关系具体包括以下步骤：
步骤2.1测头波长x与位移y所构成的数据Qi(xi,yi),i＝0,1,…,r，采用弦长参数法确定波长数据对应的参数值
Figure BDA0003189152620000031
其中：
Figure BDA0003189152620000032
步骤2.2根据平均值的方法确定节点矢量U＝{u0,u1,...,um}，其中，m＝r+p+1，
Figure BDA0003189152620000033
步骤2.3求取基函数Ni,p：
Figure BDA0003189152620000034
步骤2.4根据Pi＝Ni,p -1Qk求取控制点Pi；
步骤2.5根据光谱仪得到的任意共焦峰值波长x，即可利用公式
Figure BDA0003189152620000035
计算对应的位移量y。
综上所述，发明具有以下有益效果：
本发明通过光谱共焦测头出射信号的峰值波长与位移一一对应，建立精确的峰值波长与位移映射关系，通过环境补偿单元对标定环境中的温度、压力和湿度等因素进行补偿，可以显著提高位置标定精度，双频激光干涉仪与色散探头处于同轴位置，降低了对位移平台的精度要求，通过调整装置将系统各个部件的中心轴线调整与激光光路处于同一条直线上，极大的减小了标定过程中的阿贝误差和余弦误差；本发明的方法采用NURBS(非均匀有利B样条)曲线拟合方法，拟合光谱共焦测头波长与位移的精确映射关系，相对于多项式拟合法等，具有更好的平滑性、光顺性和准确性。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为测头固定块和支座的结构示意图。
图中：1、双频激光干涉仪激光头；2、平面镜与反射镜固定块；3、第一反射镜；4、分光镜；5、第二反射镜；6、平面镜；7、光谱共焦测头；8、测头固定块；9、一维精密运动平台，10、支座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1～2所示，本发明公开了一种光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，包括激光干涉测长部分、一维精密运动平台9、同轴固定装置和光谱共焦测头7，激光干涉测长部分包括双频激光干涉仪激光头1、分光镜4、两个反射镜和环境补偿单元，激光干涉测长部分连接环境补偿单元，其中，双频激光干涉仪激光头1发出激光的一侧依次放置分光镜4、第二反射镜5、平面镜6和光谱共焦测头7，第一反射镜3置于分光镜4顶部，第一反射镜3的反射面朝向分光镜4，第二反射镜5的反射面朝向分光镜4一侧。
同轴固定装置包括平面镜与反射镜固定块2和用于放置光谱共焦测头7的测头固定块8，平面镜与反射镜固定块2放置于第二反射镜5和平面镜6之间，平面镜与反射镜固定块2置于一维精密运动平台9上，平面镜与反射镜固定块2呈中空结构，使得激光能够穿透平面镜与反射镜固定块2，平面镜与反射镜固定块2配置空心光靶和实心光靶，空心光靶、实心光靶的形状和平面镜与反射镜固定块2的中空结构的径向剖面形状相匹配，便于空心光靶和实心光靶贴合，空心光靶和实心光靶的靶面设置十字标识，十字标识的交叉点位于光靶中心，利用激光在空心光靶和实心光靶的十字标识上的位置实现本发明的装置同轴调整，空心光靶的十字标识交叉处开孔，孔径不大于3mm，实心光靶的靶面材料透光率不低于50％，实心光靶背面能够看到激光在实心光靶上形成的光斑，便于同轴调整。
测头固定块8固定于支座10顶部，测头固定块8呈中空结构，中空结构能够放置并固定光谱共焦测头7即可。
本发明还公开了一种光谱共焦测头波长与位移映射关系精确拟合方法，基于上述的光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，通过获取光谱共焦测头波长与位移的映射数据，建立光谱共焦测头的波长与位移直接的精确映射关系，具体包括以下步骤：
步骤1.安装与标定：将光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置按图1结构进行安装固定，并完成标定，标定具体包括以下步骤：
步骤1.1将平面镜与反射镜固定块2放置于一维精密运动平台9上，将光谱共焦测头7固定于测头固定块8中。
步骤1.2将环境补偿单元连接至激光干涉仪激光头1，打开双频激光干涉仪激光头1电源，发出激光；将空心光靶贴合在平面镜与反射镜固定块2靠近双频激光干涉仪激光头1一侧，将实心光靶贴合在平面镜与反射镜固定块2靠近光谱共焦测头8一侧，调整双频激光干涉仪激光头1高度和方向，以及平面镜与反射镜固定块2中心轴向位置，使双频激光干涉仪激光头1出射光线的光斑位于实心光靶的中心。
步骤1.3将空心光靶贴合在测头固定块8靠近平面镜与反射镜固定块2一侧，将实心光靶贴合在测头固定块8远离平面镜与反射镜固定块2一侧，调整测头固定块8的方向和高度，使双频激光干涉仪激光头1出射光线的光斑位于实心光靶的中心。
步骤1.4将光谱共焦测头7固定于测头固定块8中。
步骤1.5控制一维精密运动平台9，每次运动5μm，待一维精密运动平台9位置稳定后，记录激光干涉仪的测距数据与光谱仪的波长数据。
步骤2.拟合精确映射关系：建立光谱共焦测头波长与位移之间的精确映射关系，具体包括以下步骤：
步骤2.1测头波长x与位移y所构成的数据Qi(xi,yi),i＝0,1,…,r，r为数据点对的个数；采用弦长参数法确定波长数据对应的参数值
Figure BDA0003189152620000051
其中：d表示所有数据点的距离和，
Figure BDA0003189152620000052
步骤2.2根据平均值法确定节点矢量U＝{u0,u1,...,um}，其中，m＝r+p+1，p为样条曲线的阶数，ui表示节点矢量中的每一个节点的值，
Figure BDA0003189152620000053
步骤2.3求取基函数Ni,p：
Figure BDA0003189152620000054
步骤2.4根据Pi＝Ni,p -1Qk求取控制点Pi。
步骤2.5根据光谱仪得到的任意共焦峰值波长x，即可利用公式
Figure BDA0003189152620000061
计算对应的位移量y。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，包括激光干涉测长部分、一维精密运动平台(9)、同轴固定装置和光谱共焦测头(7)，其特征在于：所述激光干涉测长部分包括双频激光干涉仪激光头(1)、分光镜(4)和两个反射镜，激光干涉测长部分连接环境补偿单元，其中，双频激光干涉仪激光头(1)发出激光的一侧依次放置分光镜(4)、第二反射镜(5)、平面镜(6)和光谱共焦测头(7)，第一反射镜(3)置于分光镜(4)顶部，第二反射镜(5)的反射面朝向分光镜(4)一侧；
所述同轴固定装置包括平面镜与反射镜固定块(2)和用于放置光谱共焦测头(7)的测头固定块(8)，平面镜与反射镜固定块(2)放置于第二反射镜(5)和平面镜(6)之间。
2.根据权利要求1所述的光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，其特征在于：所述平面镜与反射镜固定块(2)置于一维精密运动平台(9)上，平面镜与反射镜固定块(2)呈中空结构。
3.根据权利要求1所述的光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，其特征在于：所述测头固定块(8)固定于支座(10)顶部，测头固定块(8)呈中空结构。
4.根据权利要求1所述的光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，其特征在于：所述第一反射镜(3)的反射面朝向分光镜(4)。
5.根据权利要求1所述的光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，其特征在于：所述平面镜与反射镜固定块(2)配置空心光靶和实心光靶，空心光靶、实心光靶的形状和平面镜与反射镜固定块(2)的中空结构的径向剖面形状相匹配，空心光靶和实心光靶的靶面设置十字标识，十字标识的交叉点位于光靶中心。
6.根据权利要求5所述的光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，其特征在于：所述实心光靶的靶面材料透光率不低于50％。
7.根据权利要求5所述的光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，其特征在于：所述空心光靶的十字标识交叉处开孔，孔径不大于3mm。
8.一种光谱共焦测头波长与位移映射关系精确拟合方法，基于权利要求1～3所述的光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置，其特征在于：通过获取光谱共焦测头波长与位移的映射数据，建立光谱共焦测头的波长与位移直接的精确映射关系，具体包括以下步骤：
步骤1.安装与标定：将光谱共焦测头波长与位移映射数据标定装置进行安装固定，并完成标定；
步骤2.拟合精确映射关系：建立光谱共焦测头波长与位移之间的精确映射关系。
9.根据权利要求8所述的光谱共焦测头波长与位移映射关系精确拟合方法，其特征在于：所述步骤1中，安装与标定具体包括以下步骤：
步骤1.1将平面镜与反射镜固定块(2)放置于一维精密运动平台(9)上，将光谱共焦测头(7)固定于测头固定块(8)中；
步骤1.2将环境补偿单元连接至激光干涉仪激光头(1)，打开双频激光干涉仪激光头(1)电源，发出激光；将空心光靶贴合在平面镜与反射镜固定块(2)靠近双频激光干涉仪激光头(1)一侧，将实心光靶贴合在平面镜与反射镜固定块(2)靠近光谱共焦测头(8)一侧，调整双频激光干涉仪激光头(1)高度和方向，以及平面镜与反射镜固定块(2)中心轴向位置，使双频激光干涉仪激光头(1)出射光线的光斑位于实心光靶的中心；
步骤1.3将空心光靶贴合在测头固定块(8)靠近平面镜与反射镜固定块(2)一侧，将实心光靶贴合在测头固定块(8)远离平面镜与反射镜固定块(2)一侧，调整测头固定块(8)的方向和高度，使双频激光干涉仪激光头(1)出射光线的光斑位于实心光靶的中心；
步骤1.4将光谱共焦测头(7)固定于测头固定块(8)中；
步骤1.5控制一维精密运动平台(9)，每次运动5μm，待一维精密运动平台(9)位置稳定后，记录激光干涉仪的测距数据与光谱仪的波长数据。
10.根据权利要求8所述的光谱共焦测头波长与位移映射关系精确拟合方法，其特征在于：所述步骤2中，拟合精确映射关系具体包括以下步骤：
步骤2.1测头波长x与位移y所构成的数据Qi(xi,yi),i＝0,1,…,r，采用弦长参数法确定波长数据对应的参数值
Figure FDA0003189152610000021
其中：
Figure FDA0003189152610000022
步骤2.2根据平均值的方法确定节点矢量U＝{u0,u1,...,um}，其中，m＝r+p+1，
Figure FDA0003189152610000023
步骤2.3求取基函数Ni,p：
Figure FDA0003189152610000031
步骤2.4根据Pi＝Ni,p -1Qk求取控制点Pi；
步骤2.5根据光谱仪得到的任意共焦峰值波长x，即可利用公式
Figure FDA0003189152610000032
计算对应的位移量y。
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