CN113740033A - 一种光谱共焦测量系统中光学测头的光束方向校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱共焦测量系统中光学测头的光束方向校准方法，包括：搭建光谱共焦测量系统，建立物体表面二维坐标系，粗调节旋转工作台使得光学测头与待测物的表面初步垂直状态，在X轴方向扫描待测物体表面，对扫描次数和得到的待测物体表面波长信息进行曲线拟合，得到斜率信息，通过斜率进而判断光学测头与待测物的表面的垂直信息；在光学测头测量范围内的不同位置进行多次测量，从而得到多组斜率信息，对多组斜率信息进行判断，以提高校准的精度；最后，根据结果决定是否需要通过微调旋转工作台来调节光学测头光束方向实现光学测头光束方向的校准。本发明能降低系统误差，提高系统的测量精度，并在使用过程中能实现光束方向的自我校准。

Description

一种光谱共焦测量系统中光学测头的光束方向校准方法

技术领域

本发明涉及非接触式光学精密测量技术领域，具体涉及一种光谱共焦测量系统光学测头的光束校准方法。

背景技术

光谱共焦测量系统是一个非接触式高分辨率光学精密测量系统，具有测量精度高、测量速度快、不受环境光源影响、测量过程不产生温度和能量等特点。光谱共焦测量系统广泛运用于各种不同要求的高精密测量场合，从物体表面细微结构、形状及纹理粗糙度的测量分析到工业环境下的在线质量检测、过程控制与逆向工程及实验室研究场合的高精度设备等。

光谱共焦测量系统的测量精度是系统一个重要性能指标，在系统定标时，光学测头不能很好与被测物表面垂直，从而光束不能完全与被测物表面垂直，光束与被测物表面产生倾斜角，在定标完成后该倾斜角误差被引入，从而使得系统出现测量不准确的情况，影响最终的测量结果。

目前，现有的标定方法主要是需要借助标准器，针对标准器标定原理主要是依赖于标准器的几何约束，有球面特征、圆锥特征或平面特征等方法；这类标定方法相对复杂，对标准器要求较高，抗干扰能力比较差。

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中光学测头的光束方向校准方法，以期能解决光谱共焦测量系统光学测头的光束方向与被测物表面不垂直的问题，从而能在系统定标是避免引入倾斜角这个系统误差，提高系统的测量精度，同时在使用过程中可以实现光束方向的自我校准。

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中光学测头的光束方向校准方法，所述光谱共焦测量系统是在四轴精密位移台上通过夹具设置有光学测头，且所述光学测头的光束接收端通过Y型光纤耦合器分别与所述光源和所述光谱仪相连，并由所述控制器控制所述光源和所述光谱仪；所述光学测头的光束色散端朝向精密线性位移台上的待测物的表面，且所述精密线性位移台放置在旋转工作台上；其特点在于，所述光学测头的光束方向校准方法包括如下步骤：

步骤S1，以所述待测物的中心位置为原点，以垂直所述待测物表面并朝向光学测头的方向为Y轴正方向；以所述Y轴正方向顺时针旋转90°角的方向为X轴正方向，从而建立物体表面二维坐标系；粗调节所述旋转工作台，使得所述光学测头与所述待测物的表面达到初步垂直状态；

利用控制器点亮所述光源并打开所述光谱仪；

定义X轴方向移动次数为i，记X轴方向的扫描的总次数为m；

定义Y轴方向移动次数为j，记Y轴方向的扫描的总次数为n；

步骤S2，初始化j＝0；

移动所述四轴精密位移台并带动所述光学测头沿Y轴方向移动，使得所述待测物处于所述光学测头的量程范围的起始位置；

移动所述四轴精密位移台并带动所述光学测头沿X轴方向移动，使得所述光学测头光束色散端的光斑落在所述待测物的中心位置；

步骤S3，初始化i＝0；

沿Y轴负方向第j次等间隔d′移动所述精密线性位移台，使得所述待测物远离所述光学测头；此时，第i次移动所述四轴精密位移台并带动光学测头沿X轴正方向移动，使得光学测头的光束色散端的光斑沿着X轴正方向到达所述待测物的边缘处，记录第j次Y轴移动下的第i次X轴移动时的距离

以及所述光谱仪所相应获取的待测物表面的峰值波长数据

步骤S4，将i+1赋值给i，沿X轴负方向第i次等间距d移动所述四轴精密位移台并带动所述光学测头扫描所述待测物的表面至所述待测物的另一边缘处；记录第j次Y轴移动下的第i次X轴移动扫描时所述光谱仪所相应获取的待测物表面的峰值波长

令

表示第j次Y轴移动下的第i组距离波长数据；

步骤S5，判断i＞m-1是否成立，若成立，则X轴方向的扫描结束，并得到第j次Y轴移动下的m组数据

后进行曲线拟合，所得到的第j个拟合曲线的斜率为k_j；否则，返回步骤S4；

步骤S6，移动所述四轴精密位移台并带动所述光学测头沿X轴正方向移动，使得所述光学测头光斑落到所述待测物的中心位置；

步骤S7，将j+1赋值给j后，判断j＞n-1是否成立，若成立，则表示所述待测物到达所述光学测头的量程范围的末端位置，Y轴方向的扫描结束，从而得到n组斜率{k_j|j＝0,1,2,…,n-1}；否则，返回步骤S3顺序执行；

步骤S8，判断n组斜率{k_j|j＝0,1,2,…,n-1}是否均小于所设定的阈值，若是，则表示光学测头的光束与待物体的表面垂直，从而完成光学测头的光束方向校准；否则，表示光学测头的光束与待物体的表面不垂直；并执行步骤S9；

步骤S9，微调所述旋转工作台后，返回步骤S2顺序执行。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明校准方法简单易操作，通过采用在光学测头测量范围内的不同位置，获取不同位置点光学测头与待测物表面的夹角信息来判断光学测头的光束是否与待测物表面垂直；从而在系统测量过程中就可以实现自我校准，不需要采用外在设备进行辅助，提高了系统的鲁棒性，降低了光束方向校准的难度，实现了系统的精确测量。

附图说明

图1是光谱共焦测量系统光学测头的光束方向校准装置的示意图；

图2是本发明校准方法中物体表面二维坐标系；

图3是本发明校准方法的流程图；

图4是本发明校准方法的中某个位置距离波长曲线；

图中标号：10、光源组件，20、光学测头，30、光谱仪，40、精密线性位移台；50、待测物，60、Y型光纤耦合器，70、控制器，80、旋转工作台，90、夹具，100、四轴精密位移台。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，光谱共焦测量系统是在四轴精密位移台100上通过夹具90设置有光学测头20，且光学测头20的光束接收端通过Y型光纤耦合器60分别与光源10和光谱仪30相连，并由控制器70控制光源10和光谱仪30；光学测头20的光束色散端朝向精密线性位移台40上的待测物50的表面，且精密线性位移台40放置在旋转工作台80上；

一种光谱共焦测量系统中光学测头的光束方向校准方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤S1，以待测物50的中心位置为原点，以垂直待测物50表面并朝向光学测头20的方向为Y轴正方向；以Y轴正方向顺时针旋转90°角的方向为X轴正方向，建立如图2所示的物体表面二维坐标系；粗调节旋转工作台80，使得光学测头20与待测物50的表面达到初步垂直状态；

利用控制器70点亮光源10并打开光谱仪30；

定义X轴方向移动次数为i，记X轴方向的扫描的总次数为m＝9；

定义Y轴方向移动次数为j，记Y轴方向的扫描的总次数为n＝5；

步骤S2、初始化j＝0；

移动四轴精密位移台100并带动光学测头20沿Y轴方向移动，使得待测物50处于光学测头20的量程范围的起始位置；

移动四轴精密位移台100并带动光学测头20沿X轴方向移动，使得光学测头20光束色散端的光斑落在待测物50的中心位置；

步骤S3，初始化i＝0；

沿Y轴负方向第0次移动精密线性位移台40，光学测头20的量程范围的起始位置；此时，第0次移动四轴精密位移台100并带动光学测头20沿X轴正方向移动，使得光学测头20的光束色散端的光斑沿着X轴正方向到达待测物50的边缘处，记录第0次Y轴移动下的第0次X轴移动时的距离

以及光谱仪30所相应获取的待测物50表面的峰值波长数据

步骤S4，将i+1赋值给i，此时i＝1，沿X轴负方向第1次等间距d＝2mm移动四轴精密位移台100并带动光学测头20扫描待测物50的表面，记录第0次Y轴移动下的第1次X轴移动扫描时的距离

以及光谱仪30所相应获取的待测物50表面的峰值波长

步骤S5，当X轴方向的扫描9次后，i＞9-1成立，则X轴方向的扫描结束；并得到第0次Y轴移动下的9组数据

{(8,372.8),(6,372.3),(4,372.6),(2,372.4),(0,372.3),(-2,372.5),(-4,372.6),(-6,372.6),(-8,372.8)}

对9组数据进行曲线拟合得到如图4所示的曲线，所得到的第0个拟合曲线的斜率为k₀＝-0.0067；当X轴方向的扫描次数不足9次时，返回步骤S4；

步骤S6，移动四轴精密位移台100并带动光学测头20沿X轴正方向移动，使得光学测头20光斑落到待测物50的中心位置；

步骤S7，将j+1赋值给j，当Y轴方向的扫描5次后，判断j＞5-1成立，则表示待测物50到达光学测头20的量程范围的末端位置，Y轴方向的扫描结束，从而得到5组斜率{-0.0083，-0.0085，0.0113，-0.0054，-0.0092}；当Y轴方向的扫描次数不足5次时，返回步骤S3顺序执行；

步骤S8，判断5组斜率{-0.0083，-0.0085，0.0113，-0.0054，-0.0092}中有一组值为0.0113大于所设定的阈值±0.01，则表示光学测头20的光束与待物体50的表面不垂直，执行步骤S9；

步骤S9，微调旋转工作台后，返回步骤S2顺序执行。

Claims (1)

1.一种光谱共焦测量系统中光学测头的光束方向校准方法，所述光谱共焦测量系统是在四轴精密位移台(100)上通过夹具(90)设置有光学测头(20)，且所述光学测头(20)的光束接收端通过Y型光纤耦合器(60)分别与所述光源(10)和所述光谱仪(30)相连，并由所述控制器(70)控制所述光源(10)和所述光谱仪(30)；所述光学测头(20)的光束色散端朝向精密线性位移台(40)上的待测物(50)的表面，且所述精密线性位移台(40)放置在旋转工作台(80)上；其特征在于，所述光学测头的光束方向校准方法包括如下步骤：

步骤S1，以所述待测物(50)的中心位置为原点，以垂直所述待测物(50)表面并朝向光学测头(20)的方向为Y轴正方向；以所述Y轴正方向顺时针旋转90°角的方向为X轴正方向，从而建立物体表面二维坐标系；粗调节所述旋转工作台(80)，使得所述光学测头(20)与所述待测物(50)的表面达到初步垂直状态；

利用控制器(70)点亮所述光源(10)并打开所述光谱仪(30)；

定义X轴方向移动次数为i，记X轴方向的扫描的总次数为m；

定义Y轴方向移动次数为j，记Y轴方向的扫描的总次数为n；

步骤S2，初始化j＝0；

移动所述四轴精密位移台(100)并带动所述光学测头(20)沿Y轴方向移动，使得所述待测物(50)处于所述光学测头(20)的量程范围的起始位置；

移动所述四轴精密位移台(100)并带动所述光学测头(20)沿X轴方向移动，使得所述光学测头(20)光束色散端的光斑落在所述待测物(50)的中心位置；

步骤S3，初始化i＝0；

沿Y轴负方向第j次等间隔d′移动所述精密线性位移台(40)，使得所述待测物(50)远离所述光学测头(20)；此时，第i次移动所述四轴精密位移台(100)并带动光学测头(20)沿X轴正方向移动，使得光学测头(20)的光束色散端的光斑沿着X轴正方向到达所述待测物(50)的边缘处，记录第j次Y轴移动下的第i次X轴移动时的距离

以及所述光谱仪(30)所相应获取的待测物(50)表面的峰值波长数据

步骤S4，将i+1赋值给i，沿X轴负方向第i次等间距d移动所述四轴精密位移台(100)并带动所述光学测头(20)扫描所述待测物(50)的表面至所述待测物(50)的另一边缘处；记录第j次Y轴移动下的第i次X轴移动扫描时所述光谱仪(30)所相应获取的待测物(50)表面的峰值波长

令

表示第j次Y轴移动下的第i组距离波长数据；

步骤S5，判断i＞m-1是否成立，若成立，则X轴方向的扫描结束，并得到第j次Y轴移动下的m组数据

后进行曲线拟合，所得到的第j个拟合曲线的斜率为k_j；否则，返回步骤S4；

步骤S6，移动所述四轴精密位移台(100)并带动所述光学测头(20)沿X轴正方向移动，使得所述光学测头(20)光斑落到所述待测物(50)的中心位置；

步骤S7，将j+1赋值给j后，判断j＞n-1是否成立，若成立，则表示所述待测物(50)到达所述光学测头(20)的量程范围的末端位置，Y轴方向的扫描结束，从而得到n组斜率{k_j|j＝0,1,2,…,n-1}；否则，返回步骤S3顺序执行；

步骤S8，判断n组斜率{k_j|j＝0,1,2,…,n-1}是否均小于所设定的阈值，若是，则表示光学测头(20)的光束与待物体(50)的表面垂直，从而完成光学测头的光束方向校准；否则，表示光学测头(20)的光束与待物体(50)的表面不垂直；并执行步骤S9；

步骤S9，微调所述旋转工作台(80)后，返回步骤S2顺序执行。

Images