CN114018157A - 一种光谱共焦的面阵位移测量装置、测量方法及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光谱共焦的面阵位移测量装置、测量方法及标定方法。该装置包括：宽光谱面阵光源、半反半透分光镜、色散物镜和光谱分析单元；宽光谱面阵光源包括面光源和第一阵列光阑以形成阵列光源，阵列光源出射后经半反半透分光镜和色散物镜照射在待测目标，反射光经色散物镜和半反半透分光镜成像在光谱分析单元；光谱分析单元包括第二阵列光阑、面阵感光芯片阵列和后端处理电路，反射光经第二阵列光阑照射在面阵感光芯片阵列，面阵感光芯片阵列进行光谱分析，并生成电平信号发到后端处理电路，后端处理电路对电平信号进行处理以生成位移测量结果。从而实现了面阵位移测量，仅通过简单计算即可完成测量过程，提高了面阵位移测量效率。

Description

一种光谱共焦的面阵位移测量装置、测量方法及标定方法

技术领域

本发明实施例涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种光谱共焦的面阵位移测量装置、测量方法及标定方法。

背景技术

光谱共焦位移测量技术是一种能够检测位移变化的高精度检测技术，在工业精密检测领域有着广泛的应用。该技术的关键在于用色散物镜将多光谱光源聚焦在待测目标物附近，色散物镜将不同波长的光聚焦在不同的位置，当目标物进入测量范围时，经由目标物反射的光将被色散物镜收集，经过后端光谱分析后便可对应得到物体的实际位置。

当前利用光谱共焦测量技术主要实现单点的位移检测和单线的位移测量。其中单点的位移测量是利用光谱仪的线阵探测器分析测量点的对应光谱，计算对应的位移量，完成单点测量。单线的位移测量是利用光谱仪的面阵探测器分析测量单线上每个点的对应光谱，计算对应的位移量，完成单线测量。以上两种方式配和高精度运动平台可实现面阵位移测量，但是径向的精度受限于运动平台的机械精度，且检测速率较低。同时，面阵位移测量多依赖于白光干涉位移方式，分析接收面上的干涉图样计算光斑区域的位移量，但是这种方案对应的结构十分复杂，而且干涉图样的分析和计算十分耗费算力，对后端电路处理能力要求较高。

发明内容

本发明实施例提供一种光谱共焦的面阵位移测量装置、测量方法及标定方法，以简化装置结构及计算过程，从而通过简单计算即可实现面阵位移的测量，提高了测量效率。

第一方面，本发明实施例提供了一种光谱共焦的面阵位移测量装置，该装置包括：宽光谱面阵光源、半反半透分光镜、色散物镜和光谱分析单元；其中，

所述宽光谱面阵光源包括面光源和第一阵列光阑，所述面光源发光经过所述第一阵列光阑形成阵列光源，所述阵列光源出射后依次经由所述半反半透分光镜和所述色散物镜后照射在待测目标上，所述待测目标上的反射光依次经由所述色散物镜和所述半反半透分光镜后成像在所述光谱分析单元；

所述光谱分析单元包括第二阵列光阑、面阵感光芯片阵列和后端处理电路，所述反射光经过所述第二阵列光阑后照射在所述面阵感光芯片阵列上，所述面阵感光芯片阵列用于对接收到的光线进行光谱分析，并生成电平信号发送到所述后端处理电路，所述后端处理电路用于对所述电平信号进行处理以生成位移测量结果。

可选的，所述第一阵列光阑与所述第二阵列光阑相对于所述半反半透分光镜呈对称关系，所述第一阵列光阑上的小孔分布与所述第二阵列光阑上的小孔分布相对于所述半反半透分光镜呈镜像关系。

可选的，所述面阵感光芯片阵列中的每个芯片单元包括四个部分，分别用于探测红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量。

可选的，所述面光源与所述第一阵列光阑的距离为150-250微米，所述第一阵列光阑上的小孔按照矩阵排列，且中心间距为200-250微米。

可选的，所述半反半透分光镜的表面镀有增透膜。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光谱共焦的面阵位移测量方法，应用于本发明任意实施例所提供的光谱共焦的面阵位移测量装置，该方法包括：

开启宽光谱面阵光源，以产生阵列光源并依次经由半反半透分光镜和色散物镜后照射在待测目标上；

接收所述待测目标反射回来并依次经由所述色散物镜和所述半反半透分光镜的反射光，并采集所述反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量；

根据所述光谱分量以及所述总光通量匹配预设标定表中的标定数据；

根据匹配结果确定所述待测目标的位移值。

可选的，所述根据所述光谱分量以及所述总光通量匹配预设标定表中的标定数据，包括：

从所述标定数据中筛选近似数据；

计算每个所述近似数据与所述光谱分量以及所述总光通量之间的均方差；

根据所述均方差确定所述近似数据中的目标标定数据作为匹配结果。

可选的，在所述采集所述反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量之后，还包括：

对所述光谱分量以及所述总光通量进行归一化。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光谱共焦的面阵位移测量装置的标定方法，应用于本发明任意实施例所提供的光谱共焦的面阵位移测量装置，该方法包括：

将待测目标置于位移平台上，并根据预设标定点数移动所述位移平台；

每将所述位移平台移动至目标位置后，开启宽光谱面阵光源，以产生阵列光源并依次经由半反半透分光镜和色散物镜后照射在所述待测目标上；然后接收所述待测目标反射回来并依次经由所述色散物镜和所述半反半透分光镜的反射光，并采集所述反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量，同时记录平台位置，以得到标定数据；

对所述标定数据进行归一化，并写入所述测量装置。

可选的，所述预设标定点数为500-2000。

本发明实施例提供了一种光谱共焦的面阵位移测量装置，包括宽光谱面阵光源、半反半透分光镜、色散物镜和光谱分析单元，通过形成宽光谱阵列光源，并经由色散物镜照射在待测目标上，再依次经由色散物镜和半反半透分光镜将待测目标上的反射光接收到光谱分析单元，并通过光谱分析单元中面阵感光芯片阵列的光谱分析以及后端处理电路的处理生成位移测量结果，实现了面阵位移测量，且仅通过简单计算即可完成测量过程，提高了面阵位移的测量效率，同时该测量装置的结构也非常简单，从而降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的光谱共焦的面阵位移测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的光谱共焦的面阵位移测量方法的流程图；

图3为本发明实施例三提供的光谱共焦的面阵位移测量装置的标定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的光谱共焦的面阵位移测量装置的结构示意图，本实施例可适用于对面阵位移进行测量的情况。如图1所示，该装置包括：宽光谱面阵光源11、半反半透分光镜12、色散物镜13和光谱分析单元14；其中，所述宽光谱面阵光源11包括面光源111和第一阵列光阑112，所述面光源111发光经过所述第一阵列光阑112形成阵列光源，所述阵列光源出射后依次经由所述半反半透分光镜12和所述色散物镜13后照射在待测目标15上，所述待测目标15上的反射光依次经由所述色散物镜13和所述半反半透分光镜12后成像在所述光谱分析单元14；所述光谱分析单元14包括第二阵列光阑141、面阵感光芯片阵列142和后端处理电路143，所述反射光经过所述第二阵列光阑141后照射在所述面阵感光芯片阵列142上，所述面阵感光芯片阵列142用于对接收到的光线进行光谱分析，并生成电平信号发送到所述后端处理电路143，所述后端处理电路143用于对所述电平信号进行处理以生成位移测量结果。

具体的，宽光谱面阵光源11由面光源111和第一阵列光阑112共同组成，第一阵列光阑112上可包括按照一定规律均匀分布的光孔，且每个光孔的大小可以相同，面光源111发光经过第一阵列光阑112后即可形成一个阵列光源。其中，面光源111可以是LED面光源，LED面光源均匀发光，为复合色光源，在400-650纳米之间能量分布较为均匀。可选的，所述面光源111与所述第一阵列光阑112的距离为150-250微米，所述第一阵列光阑112上的小孔按照矩阵排列，且中心间距为200-250微米，从而获得更为合适的阵列光源，优选的，面光源111与第一阵列光阑112的距离为200微米，中心间距为230微米，同时每个小孔直径可选用100微米。

光线从第一阵列光阑112出射后经由一定分光比例的半反半透分光镜12后照射在色散物镜13上，其中，色散物镜13可以使用低阿贝数的透镜或透镜组，以产生所需的色散，色散物镜13可以作为一个投影系统，与常规投影物镜不同的是，色散物镜13要保留各色光谱的色差，而不是进行消色差处理，通过色散物镜13可以将出射的复合色光分解为单色光后成像在待测目标15表面，并使得不同波长的光成像在不同平面，而使相同波长、不同光孔的光成像在同一平面的不同位置，以便后续实现不同波长的成像位置与空间平面位置的对应关系。其中，可选的，所述半反半透分光镜12的表面镀有增透膜，从而提高出射光的能量利用率，同时减小反光对接收端的干扰，通过使用半反半透分光镜12可以使得从第一阵列光阑112出射的光线透射至色散物镜13上，而使得从待测目标15反射回来并经由色散物镜13的光线反射至光谱分析单元14。

光线照射在待测目标15上反射回色散物镜13，再经半反半透分光镜12成像在光谱分析单元14，并具体通过光谱分析单元14表面的第二阵列光阑141成像在面阵感光芯片阵列142的不同位置。面阵感光芯片阵列142能够分辨光谱组成，并可以利用光照度与光电流之间的对应关系，对接收到的光线进行光谱分析后将其上的光谱能量分布转换成电平信号发送到后端处理电路143，然后通过后端处理电路143的处理后即可输出位移测量结果。其中，可选的，所述第一阵列光阑112与所述第二阵列光阑141相对于所述半反半透分光镜12呈对称关系，所述第一阵列光阑112上的小孔分布与所述第二阵列光阑141上的小孔分布相对于所述半反半透分光镜12呈镜像关系，从而使得后端处理电路143的处理过程更加简单，处理结果更加准确。以上，通过宽光谱面阵光源11、色散物镜13和光谱分析单元14的配合，即可实现宽光谱面阵光源11出射的不同波长的成像位置与空间平面位置的对应关系，通过面阵感光芯片阵列142的光谱分析即可实现空间位置的测量。

进一步可选的，所述面阵感光芯片阵列142中的每个芯片单元包括四个部分，分别用于探测红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量。具体的，不同位置的待测目标反射光在每个芯片单元上的红光(R)、绿光(G)、蓝光(B)的光谱分量以及总光通量(M)是不同的，则可以根据R、G、B分量及总光通量M对测量装置进行标定，具体可以根据R、G、B分量在总光通量M所占比例进行标定，以预先得到标定数据，从而在应用测量时根据探测到的R、G、B分量、总光通量M以及标定数据确定得到位移测量结果，进一步简化了测量所需的计算过程。

本发明实施例所提供的光谱共焦的面阵位移测量装置，包括宽光谱面阵光源、半反半透分光镜、色散物镜和光谱分析单元，通过形成宽光谱阵列光源，并经由色散物镜照射在待测目标上，再依次经由色散物镜和半反半透分光镜将待测目标上的反射光接收到光谱分析单元，并通过光谱分析单元中面阵感光芯片阵列的光谱分析以及后端处理电路的处理生成位移测量结果，实现了面阵位移测量，且仅通过简单计算即可完成测量过程，提高了面阵位移的测量效率，同时该测量装置的结构也非常简单，从而降低了生产成本。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的光谱共焦的面阵位移测量方法的流程图，本实施例可适用于对面阵位移进行测量的情况，该方法可以应用于本发明任意实施例所提供的光谱共焦的面阵位移测量装置。如图2所示，具体包括如下步骤：

S21、开启宽光谱面阵光源，以产生阵列光源并依次经由半反半透分光镜和色散物镜后照射在待测目标上。

S22、接收所述待测目标反射回来并依次经由所述色散物镜和所述半反半透分光镜的反射光，并采集所述反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量。

S23、根据所述光谱分量以及所述总光通量匹配预设标定表中的标定数据。

S24、根据匹配结果确定所述待测目标的位移值。

具体的，在使用本发明任意实施例所提供的光谱共焦的面阵位移测量装置进行测量时，首先开启宽光谱面阵光源来产生阵列光源，并依次经由半反半透分光镜和色散物镜后照射在待测目标上，然后可以通过上述的光谱分析单元接收待测目标反射回来并依次经由色散物镜和半反半透分光镜的反射光，具体可以由面阵感光芯片阵列接收，并采集得到反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量，反射光可以经由第二阵列光阑成像在面阵感光芯片阵列的不同位置，以获得大量光斑，则可以分别获得各个光斑的光谱分量及总光通量，每个光斑可以分别与待测目标表面各个位置相对应，从而可以轻松实现面阵位移的测量。可选的，在所述采集所述反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量之后，还包括：对所述光谱分量以及所述总光通量进行归一化，以方便计算与比较，并可以在完成归一化之后，根据光谱分量以及总光通量在预设标定表中匹配标定数据，从而根据匹配结果确定待测目标的位移值。

可选的，所述根据所述光谱分量以及所述总光通量匹配预设标定表中的标定数据，包括：从所述标定数据中筛选近似数据；计算每个所述近似数据与所述光谱分量以及所述总光通量之间的均方差；根据所述均方差确定所述近似数据中的目标标定数据作为匹配结果。具体的，可以在确定每个光斑对应的位移值时，首先判断其光谱分量以及总光通量等数据是否可以与某个标定数据完全对应，若是，则可以直接输出对应的位移值，若否，则可以首先筛选出一定量的近似数据，如与光谱分量和总光通量中一个或多个相同或相近的标定数据，然后分别计算每个近似数据与光斑的光谱分量以及总光通量之间的均方差，并可以将其中均方差最小的目标标定数据作为匹配结果。

本发明实施例所提供的技术方案，通过使用本发明任意实施例所提供的光谱共焦的面阵位移测量装置，并通过采集反射光中红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量，以与预先准备好的标定数据进行匹配来测量待测目标的位移值，实现了面阵位移测量，且仅通过简单计算即可完成测量过程，提高了面阵位移的测量效率。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的光谱共焦的面阵位移测量装置的标定方法的流程图，本实施例可适用于对面阵位移测量装置进行标定的情况，该方法可以应用于本发明任意实施例所提供的光谱共焦的面阵位移测量装置。如图3所示，具体包括如下步骤：

S31、将待测目标置于位移平台上，并根据预设标定点数移动所述位移平台。

S32、每将所述位移平台移动至目标位置后，开启宽光谱面阵光源，以产生阵列光源并依次经由半反半透分光镜和色散物镜后照射在所述待测目标上；然后接收所述待测目标反射回来并依次经由所述色散物镜和所述半反半透分光镜的反射光，并采集所述反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量，同时记录平台位置，以得到标定数据。

S33、对所述标定数据进行归一化，并写入所述测量装置。

虽然测量装置的量程范围内的位移量与色散范围内的光谱变化量呈正相关，但很难做到线性相关，因此需要进行标定，标定的过程相当于利用感光芯片的受光量数据对空间位置进行编码，从而保证检测的准确性。现有技术中多用多项式拟合的方法，建立波长与被测目标位移量之间的关系，这种方法对其中的跳点不能很好的处理，计算过程也相对复杂，对于常规的MCU来说，处理时间长，影响传感器的响应时间。而本实施例所提供的标定方法，可以根据反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量进行标定。具体的，首先连接好位移平台和测量装置，并将待测目标置于位移平台上，然后可以根据预设标定点数确定位移平台每次需要移动到的目标位置，并将最终移动到测量终点，每移动一次到目标位置后，均采集一次反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量，具体可以是经由第二阵列光阑成像在面阵感光芯片阵列的每个光斑的光谱分量以及总光通量，同时记录对应的平台位置，以获得一次标定数据，在位移平台到达测量终点后，即得到了全部标定数据，然后可以对全部标定数据进行归一化，并写入产品，即测量装置，以便测量时使用。测量的精度与感光单元的R、G、B响应特性及标定的点数有关，可选的，所述预设标定点数为500-2000，并可以优选为1000，从而平衡标定效率及测量效率与测量精度之间的关系，当预设标定点数为1000时，对应的线性精度可以达到量程的0.1％。

本发明实施例所提供的技术方案，通过结合色散物镜的色散特性，并分段标定实现不同波长与空间位置的对应关系，能够有效克服色散物镜的非线性色散导致的测量偏差，从而高效准确的完成光谱共焦的面阵位移测量装置的标定过程，并保证了测量精度。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光谱共焦的面阵位移测量装置，其特征在于，包括：宽光谱面阵光源、半反半透分光镜、色散物镜和光谱分析单元；其中，

所述宽光谱面阵光源包括面光源和第一阵列光阑，所述面光源发光经过所述第一阵列光阑形成阵列光源，所述阵列光源出射后依次经由所述半反半透分光镜和所述色散物镜后照射在待测目标上，所述待测目标上的反射光依次经由所述色散物镜和所述半反半透分光镜后成像在所述光谱分析单元；

所述光谱分析单元包括第二阵列光阑、面阵感光芯片阵列和后端处理电路，所述反射光经过所述第二阵列光阑后照射在所述面阵感光芯片阵列上，所述面阵感光芯片阵列用于对接收到的光线进行光谱分析，并生成电平信号发送到所述后端处理电路，所述后端处理电路用于对所述电平信号进行处理以生成位移测量结果。

2.根据权利要求1所述的光谱共焦的面阵位移测量装置，其特征在于，所述第一阵列光阑与所述第二阵列光阑相对于所述半反半透分光镜呈对称关系，所述第一阵列光阑上的小孔分布与所述第二阵列光阑上的小孔分布相对于所述半反半透分光镜呈镜像关系。

3.根据权利要求1所述的光谱共焦的面阵位移测量装置，其特征在于，所述面阵感光芯片阵列中的每个芯片单元包括四个部分，分别用于探测红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量。

4.根据权利要求1所述的光谱共焦的面阵位移测量装置，其特征在于，所述面光源与所述第一阵列光阑的距离为150-250微米，所述第一阵列光阑上的小孔按照矩阵排列，且中心间距为200-250微米。

5.根据权利要求1所述的光谱共焦的面阵位移测量装置，其特征在于，所述半反半透分光镜的表面镀有增透膜。

6.一种光谱共焦的面阵位移测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一所述的光谱共焦的面阵位移测量装置，包括：

开启宽光谱面阵光源，以产生阵列光源并依次经由半反半透分光镜和色散物镜后照射在待测目标上；

接收所述待测目标反射回来并依次经由所述色散物镜和所述半反半透分光镜的反射光，并采集所述反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量；

根据所述光谱分量以及所述总光通量匹配预设标定表中的标定数据；

根据匹配结果确定所述待测目标的位移值。

7.根据权利要求6所述的光谱共焦的面阵位移测量方法，其特征在于，所述根据所述光谱分量以及所述总光通量匹配预设标定表中的标定数据，包括：

从所述标定数据中筛选近似数据；

计算每个所述近似数据与所述光谱分量以及所述总光通量之间的均方差；

根据所述均方差确定所述近似数据中的目标标定数据作为匹配结果。

8.根据权利要求6所述的光谱共焦的面阵位移测量方法，其特征在于，在所述采集所述反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量之后，还包括：

对所述光谱分量以及所述总光通量进行归一化。

9.一种光谱共焦的面阵位移测量装置的标定方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任一所述的光谱共焦的面阵位移测量装置，包括：

将待测目标置于位移平台上，并根据预设标定点数移动所述位移平台；

每将所述位移平台移动至目标位置后，开启宽光谱面阵光源，以产生阵列光源并依次经由半反半透分光镜和色散物镜后照射在所述待测目标上；然后接收所述待测目标反射回来并依次经由所述色散物镜和所述半反半透分光镜的反射光，并采集所述反射光中的红光、绿光、蓝光的光谱分量以及总光通量，同时记录平台位置，以得到标定数据；

对所述标定数据进行归一化，并写入所述测量装置。

10.根据权利要求9所述的光谱共焦的面阵位移测量装置的标定方法，其特征在于，所述预设标定点数为500-2000。

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