CN116045824A - 一种基于白光共焦原理的高精度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于白光共焦原理的高精度检测装置及方法，在透明待测物的表面确定第一测量路径和第二测量路径，在测量探头的光轴上确定第一运动控制基准点，控制所述第一运动控制基准点沿与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上第三测量路径来回运动以分别对所述透明待测物的两个表面的距离进行测量，测量过程中分别保持所述测量探头的光轴实时垂直于所述透明待测物的其中一个表面，从而根据测量得到的所述透明待测物的两个表面的距离计算两个表面之间的厚度。

Description

一种基于白光共焦原理的高精度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及高精度测量技术领域，特别涉及一种基于白光共焦原理的高精度检测装置及方法。

背景技术

白光共焦法依托于白光的色散效应，将进行色散后的光束照射到被测物体上，距离不同的被测物体会反射不同颜色的光，从而实现对被测物体表面的距离或位移的测量。白光共焦法采用非接触式测量，可以避免对被测物体造成损伤，同时白光共焦法具有较高的测量精度，是一种应用非常广泛的光学测量方法。目前市面上对如曲面屏等曲面玻璃的厚度测量需求非常大，常见的采用激光的反射光或透射光的时间差、位移差等测量方式的精度难以达到要求，白光共焦法虽然具有测量精度高的特点，然而现有的白光共焦测量装置对检测环境及被测物体的反射率要求较高，当被测物体为光滑曲面时，进入探测器的反射光信号较弱，容易受到环境光线的干扰，无法得到较好的测量结果。

发明内容

本发明正是基于上述问题，提出了一种基于白光共焦原理的高精度检测装置及方法，能够实现对曲面玻璃的厚度的高精度测量。

有鉴于此，本发明的第一方面提出了一种基于白光共焦原理的高精度检测装置，包括：

第一测量路径确定模块，用于在透明待测物的第一表面确定第一测量路径；

第二测量路径确定模块，用于在所述透明待测物的第二表面确定第二测量路径，所述第二测量路径为所述第一测量路径在所述第二表面的投影；

曲线函数拟合模块，用于分别拟合所述第一测量路径以及所述第二测量路径对应的第一曲线的第一曲线函数和第二曲线的第二曲线函数；

第一运动控制基准点确定模块，用于在测量探头上确定第一运动控制基准点，所述第一运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

第三测量路径确定模块，用于确定第三测量路径，所述第三测量路径为测量过程中所述第一运动控制基准点的运动路径，所述第三测量路径位于所述透明待测物体的上方且与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上；

电源控制模块，用于接通所述测量探头的电源以使所述测量探头的白光光源发出的白光通过色散透镜形成共焦测量光束；

第一距离测量模块，用于控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离，在所述第一运动控制基准点从所述第一端点到所述第二端点的运动过程中，基于所述第一曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第一表面；

第二距离测量模块，用于当所述测量探头的所述第一运动控制基准点运动到所述第三测量路径的第二端点时，控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第二端点运动到所述第三测量路径的第一端点以通过所述共焦测量光束测量所述第二表面的第二距离，在所述第一运动控制基准点从所述第二端点到所述第一端点的运动过程中，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第二表面；

厚度计算模块，用于根据所述第一距离和所述第二距离计算所述第一表面和所述第二表面之间的厚度。

本发明的第二方面提出了一种基于白光共焦原理的高精度检测方法，包括：

在透明待测物的第一表面确定第一测量路径；

在所述透明待测物的第二表面确定第二测量路径，所述第二测量路径为所述第一测量路径在所述第二表面的投影；

分别拟合所述第一测量路径以及所述第二测量路径对应的第一曲线的第一曲线函数和第二曲线的第二曲线函数；

在测量探头上确定第一运动控制基准点，所述第一运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

确定第三测量路径，所述第三测量路径为测量过程中所述第一运动控制基准点的运动路径，所述第三测量路径位于所述透明待测物体的上方且与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上；

接通所述测量探头的电源以使所述测量探头的白光光源发出的白光通过色散透镜形成共焦测量光束；

控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离，在所述第一运动控制基准点从所述第一端点到所述第二端点的运动过程中，基于所述第一曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第一表面；

当所述测量探头的所述第一运动控制基准点运动到所述第三测量路径的第二端点时，控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第二端点运动到所述第三测量路径的第一端点以通过所述共焦测量光束测量所述第二表面的第二距离，在所述第一运动控制基准点从所述第二端点到所述第一端点的运动过程中，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第二表面；

根据所述第一距离和所述第二距离计算所述第一表面和所述第二表面之间的厚度。

优选的，在上述的高精度检测方法中，在控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离的步骤之前，还包括：

读取预先配置的测量密度σ，所述测量密度为在所述第三测量路径上单位长度的测量点数量；

获取所述第三测量路径的长度l₃；

计算所述第三测量路径上的测量点数量m＝σ·l₃；

计算测量点在所述第三测量路径上的坐标值p3_i(x3_i,3_i,3_i)以及其在所述第一路径、所述第二路径上的投影的坐标值p1_i(x1_i,1_i,1_i)、p2_i(x2_i,2_i,2_i)，其中i＝(1,2,…,m)，在i值相等时，p1_i与p3_i的连线垂直于所述第一测量路径在p1_i处的切线，p2_i与p3_i的连线垂直于所述第二测量路径在p2_i处的切线；

将坐标值p1_i、p2_i以及p3_i进行关联存储。

优选的，在上述的高精度检测方法中，控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

当所述第一运动控制基准点的实时坐标值p3与预设的测量点的坐标值p3_i相匹配时，从光谱仪获取其对反射光的响应曲线对应的峰值波长λ1_i；

获取所述峰值波长λ1_i对应的所述色散透镜的焦距f1_i＝(λ1_i)；

将所述色散透镜的焦距确定为所述第一距离d1_i＝1_i。

优选的，在上述的高精度检测方法中，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第二端点运动到所述第三测量路径的第一端点以测量通过所述共焦测量光束所述第二表面的第二距离的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

当所述第一运动控制基准点的实时坐标值p3与预设的测量点的坐标值p3_i相匹配时，从光谱仪获取其对反射光的响应曲线对应的第一峰值波长λ1_i和第二峰值波长λ2_i；

获取所述第一峰值波长λ1_i对应的所述色散透镜的第一焦距f1_i＝(λ1_i)以及所述第二峰值波长λ2_i对应的所述色散透镜的第二焦距f2_i＝(λ2_i)；

根据所述色散透镜的焦距以及所述透明待测物的折射率计算所述第二距离

其中n为所述透明待测物的折射率，θ为第二峰值波长λ2_i对应的孔径角。

优选的，在上述的高精度检测方法中，基于所述第一曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第一表面的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

根据所述第一曲线函数计算坐标值p3在所述第一测量路径上的投影坐标值p1，使得p1与p3的连线垂直于所述第一测量路径在p1处的切线；

在所述测量探头上确定第二运动控制基准点，所述第二运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

控制所述测量探头的姿态使得所述第一运动控制基准点与所述第二运动控制基准点的连线和p1与p3的连线重合。

优选的，在上述的高精度检测方法中，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第二表面的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

根据所述第一曲线函数计算坐标值p3在所述第二测量路径上的投影坐标值p2，使得p2与p3的连线垂直于所述第一测量路径在p2处的切线；

在所述测量探头上确定第二运动控制基准点，所述第二运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

控制所述测量探头的姿态使得所述第一运动控制基准点与所述第二运动控制基准点的连线和p1与p3的连线重合。

优选的，在上述的高精度检测方法中，根据所述第一距离和所述第二距离计算所述第一表面和所述第二表面之间的厚度的步骤具体包括：

根据所述第一距离以及所述第二距离拟合所述第一表面和所述第二表面对应所述第一测量路径和所述第二测量路径的第三曲线的第三曲线函数和第四曲线的第四曲线函数；

接收用户的输入在所述第三曲线上确定第一目标测量点；

根据所述第一目标测量点在所述第四曲线上确定第二目标测量点；

获取所述第一目标测量点和所述第二目标测量点的坐标值；

根据所述第一目标测量点和所述第二目标测量点的坐标值计算所述第一表面和所述第二表面在所述第一目标测量点和所述第二目标测量点处的厚度。

优选的，在上述的高精度检测方法中，根据所述第一目标测量点在所述第四曲线函数上确定第二目标测量点的步骤具体包括：

确定经过所述第一目标测量点且垂直于所述第三曲线在所述第一目标测量点处的切线的第一直线；

获取所述第一直线与所述第四曲线的交点的坐标；

判断所述第一直线是否与所述第四曲线在所述交点处的切线垂直；

判断为是时，将所述第一交点确定为所述第二目标测量点。

优选的，在上述的高精度检测方法中，在判断所述第一直线是否与所述第四曲线在所述第一交点处的切线垂直的步骤之后还包括：

判断为否时，确定经过所述第一目标测量点的第二直线，所述第二直线与所述第三曲线在所述第一目标测量点处的切线的夹角和所述第二直线与所述第四曲线在其交点处的切线的夹角互补。

本发明提出了一种基于白光共焦原理的高精度检测装置及方法，在透明待测物的表面确定第一测量路径和第二测量路径，在测量探头的光轴上确定第一运动控制基准点，控制所述第一运动控制基准点沿与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上第三测量路径来回运动以分别对所述透明待测物的两个表面的距离进行测量，测量过程中分别保持所述测量探头的光轴实时垂直于所述透明待测物的其中一个表面，从而根据测量得到的所述透明待测物的两个表面的距离计算两个表面之间的厚度。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的一种基于白光共焦原理的高精度检测装置的示意框图；

图2是本发明一个实施例提供的一种基于白光共焦原理的高精度检测方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施方式”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

下面参照附图来描述根据本发明一些实施方式提供的一种基于白光共焦原理的高精度检测装置及方法。

如图1所示，本发明的第一方面提出了一种基于白光共焦原理的高精度检测装置，包括：

第一测量路径确定模块，用于在透明待测物的第一表面确定第一测量路径；

第二测量路径确定模块，用于在所述透明待测物的第二表面确定第二测量路径，所述第二测量路径为所述第一测量路径在所述第二表面的投影；

曲线函数拟合模块，用于分别拟合所述第一测量路径以及所述第二测量路径对应的第一曲线的第一曲线函数和第二曲线的第二曲线函数；

第一运动控制基准点确定模块，用于在测量探头上确定第一运动控制基准点，所述第一运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

第三测量路径确定模块，用于确定第三测量路径，所述第三测量路径为测量过程中所述第一运动控制基准点的运动路径，所述第三测量路径位于所述透明待测物体的上方且与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上；

电源控制模块，用于接通所述测量探头的电源以使所述测量探头的白光光源发出的白光通过色散透镜形成共焦测量光束；

第一距离测量模块，用于控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离，在所述第一运动控制基准点从所述第一端点到所述第二端点的运动过程中，基于所述第一曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第一表面；

第二距离测量模块，用于当所述测量探头的所述第一运动控制基准点运动到所述第三测量路径的第二端点时，控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第二端点运动到所述第三测量路径的第一端点以通过所述共焦测量光束测量所述第二表面的第二距离，在所述第一运动控制基准点从所述第二端点到所述第一端点的运动过程中，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第二表面；

厚度计算模块，用于根据所述第一距离和所述第二距离计算所述第一表面和所述第二表面之间的厚度。

具体的，所述第一测量路径对应的第一曲线和所述第二测量路径对应的第二曲线的形状是理想状态下测量待测物的第一表面和第二表面的形状，在本发明的一些实施方式中，所述高精度检测装置还包括：

立体模型构建模块，用于在空间坐标系中以标准尺寸构建所述透明待测物的立体模型，所述标准尺寸包括所述立体模型的第一表面和第二表面各个位置之间的厚度；

直线线段输入模块，用于接收用户在所述立体模型上输入的从所述立体模型的一侧横跨至所述立体模型另一侧的至少一条直线线段；

第一测量路径投影模块，用于将所述直线线段在所述立体模型的第一表面的投影确定为所述第一测量路径；

第二测量路径投影模块，用于将所述直线线段在所述立体模型的第二表面的投影确定为所述第二测量路径。

在本发明的另一些实施方式中，用户在所述立体模型上输入任意长度的直线线段，将该直线线段在所述立体模型的第一表面和第二表面的投影确定为所述第一测量路径和所述第二测量路径。

在本发明实施方式的技术方案中，所述第一距离和所述第二距离是一系列的数值组成的数据序列，每个数值代表的是在测量过程中所述透明待测物的第一表面或第二表面上的目标测量点与测量探头的实时距离，此处所称的目标测量点为所述测量探头的光轴与所述透明待测物的第一表面或第二表面的交点，所述第一距离和所述第二距离这两个数据序列中的数据量的多少取决于预设的测量密度。

通过采用上述实施方式的技术方案，在透明待测物的表面确定第一测量路径和第二测量路径，在测量探头的光轴上确定第一运动控制基准点，控制所述第一运动控制基准点沿与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上第三测量路径来回运动以分别对所述透明待测物的两个表面的距离进行测量，测量过程中分别保持所述测量探头的光轴实时垂直于所述透明待测物的其中一个表面，从而根据测量得到的所述透明待测物的两个表面的距离计算两个表面之间的厚度。

在上述的高精度检测装置中，还包括：

测量密度获取模块，用于读取预先配置的测量密度σ，所述测量密度为在所述第三测量路径上单位长度的测量点数量；

第三测量路径长度获取模块，用于获取所述第三测量路径的长度l₃；

测量点数量计算模块，用于计算所述第三测量路径上的测量点数量m＝σ·l₃；

坐标值计算模块，用于计算测量点在所述第三测量路径上的坐标值p3_i(x3_i,3_i,3_i)以及其在所述第一路径、所述第二路径上的投影的坐标值p1_i(x1_i,1_i,1_i)、p2_i(x2_i,2_i,2_i)，其中i＝(1,2,…,m)，在i值相等时，p1_i与p3_i的连线垂直于所述第一测量路径在p1_i处的切线，p2_i与p3_i的连线垂直于所述第二测量路径在p2_i处的切线；

坐标值存储模块，用于将坐标值p1_i、p2_i以及p3_i进行关联存储。

在上述的高精度检测装置中，所述第一距离测量模块具体包括：

第一实时坐标获取子模块，用于实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

第一峰值波长获取子模块，用于当所述第一运动控制基准点的实时坐标值p3与预设的测量点的坐标值p3_i相匹配时，从光谱仪获取其对反射光的响应曲线对应的峰值波长λ1_i；

第一焦距获取子模块，用于获取所述峰值波长λ1_i对应的所述色散透镜的焦距f1_i＝f(λ1_i)；

第一距离确定子模块，用于将所述色散透镜的焦距确定为所述第一距离d1_i＝1_i。

在上述的高精度检测装置中，所述第二距离测量模块具体包括：

第二实时坐标获取子模块，用于实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

第二峰值波长获取子模块，用于当所述第一运动控制基准点的实时坐标值p3与预设的测量点的坐标值p3_i相匹配时，从光谱仪获取其对反射光的响应曲线对应的第一峰值波长λ1_i和第二峰值波长λ2_i；

第二焦距获取子模块，用于获取所述第一峰值波长λ1_i对应的所述色散透镜的第一焦距f1_i＝(λ1_i)以及所述第二峰值波长λ2_i对应的所述色散透镜的第二焦距f2_i＝(λ2_i)；

第一距离计算子模块，用于根据所述色散透镜的焦距以及所述透明待测物的折射率计算所述第二距离

其中n为所述透明待测物的折射率，θ为第二峰值波长λ2_i对应的孔径角。

在上述的高精度检测装置中，所述第一距离测量模块还包括：

第一投影坐标值计算子模块，用于根据所述第一曲线函数计算坐标值p3在所述第一测量路径上的投影坐标值p1，使得p1与p3的连线垂直于所述第一测量路径在p1处的切线；

第二运动控制基准点确定子模块，用于在所述测量探头上确定第二运动控制基准点，所述第二运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

第一姿态控制子模块，用于控制所述测量探头的姿态使得所述第一运动控制基准点与所述第二运动控制基准点的连线和p1与p3的连线重合。

在上述的高精度检测装置中，所述第二距离测量模块还包括：

第二投影坐标值计算子模块，用于根据所述第一曲线函数计算坐标值p3在所述第二测量路径上的投影坐标值p2，使得p2与p3的连线垂直于所述第一测量路径在p2处的切线；

第二运动控制基准点确定子模块，用于在所述测量探头上确定第二运动控制基准点，所述第二运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

第二姿态控制子模块，用于控制所述测量探头的姿态使得所述第一运动控制基准点与所述第二运动控制基准点的连线和p1与p3的连线重合。

在上述的高精度检测装置中，所述厚度计算模块具体包括：

曲线函数拟合子模块，用于根据所述第一距离以及所述第二距离拟合所述第一表面和所述第二表面对应所述第一测量路径和所述第二测量路径的第三曲线的第三曲线函数和第四曲线的第四曲线函数；

第一目标测量点确定子模块，用于接收用户的输入在所述第三曲线上确定第一目标测量点；

第二目标测量点确定子模块，用于根据所述第一目标测量点在所述第四曲线上确定第二目标测量点；

测量点坐标值获取子模块，用于获取所述第一目标测量点和所述第二目标测量点的坐标值；

厚度计算子模块，用于根据所述第一目标测量点和所述第二目标测量点的坐标值计算所述第一表面和所述第二表面在所述第一目标测量点和所述第二目标测量点处的厚度。

具体的，所述第三曲线和所述第四曲线是测量得到的所述透明待测物在所述第一测量路径、所述第二测量路径所在平面截取的横截面处的实际表面曲线。测量密度越高，所述第三曲线和所述第四曲线的拟合准确率就越高。所述第三曲线与所述第一曲线、所述第四曲线与所述第二曲线为部分重合或完全重合，当所述透明待测物的厚度完全符合制造标准时，所述第三曲线与所述第一曲线重合，所述第四曲线与所述第二曲线重合。

在上述的高精度检测装置中，所述第二目标测量点确定子模块具体包括：

第一直线确定子模块，用于确定经过所述第一目标测量点且垂直于所述第三曲线在所述第一目标测量点处的切线的第一直线；

交点坐标获取子模块，用于获取所述第一直线与所述第四曲线的交点的坐标；

垂直判断子模块，用于判断所述第一直线是否与所述第四曲线在所述交点处的切线垂直；

第二目标测量点确定子模块，用于在判断为是时，将所述第一交点确定为所述第二目标测量点。

具体的，当所述第一直线与所述第四曲线在所述交点处的切线垂直时，意味着所述第三曲线和所述第四曲线在所述第一目标测量点位置处于平行状态，所述第二目标测量点与所述第一目标测量点之间的距离是所述第三曲线在所述第一目标测量点处到所述第四曲线上的最小距离，该距离即为所述透明待测物在所述第一目标测量点处的厚度。

在上述的高精度检测装置中，所述第二目标测量点确定子模块还包括：

第二直线确定子模块，用于在判断为否时，确定经过所述第一目标测量点的第二直线，所述第二直线与所述第三曲线在所述第一目标测量点处的切线的夹角和所述第二直线与所述第四曲线在其交点处的切线的夹角互补。

具体的，当所述第一直线与所述第四曲线在所述交点处的切线不垂直时，意味着所述第三曲线和所述第四曲线在所述第一目标测量点位置处于不平行的状态，所述透明待测物在所述第一目标测量点处的厚度为所述第四曲线与所述第一目标测量点的最小距离，该最小距离对应的所述第二直线与所述第三曲线、所述第四曲线的位置关系满足其与两者之间的夹角为互补角。在本发明一些实施方式的技术方案中，所述第二直线确定子模块具体包括：

第一交点确定子模块，用于将所述第一直线与所述第四曲线的交点确定为第一交点；

相邻点距离计算子模块，用于计算所述第四曲线上在所述第一交点两侧的相邻点与所述第一目标测量点的距离相对于所述第一交点与所述第一目标测量点的距离的变化；

相对方向确定子模块，用于确定所述第四曲线上与所述第一目标测量点的距离变小的相邻点与所述第一交点的相对方向；

候选交点确定子模块，用于以预测步长在所述相对方向上确定所述第四曲线上的候选交点；

第一夹角获取子模块，用于获取所述候选交点与所述第一目标测量点的连线与所述第三曲线在所述第一目标测量点处的切线之间的第一夹角；

第二夹角获取子模块，用于获取所述候选交点与所述第一目标测量点的连线与所述第四曲线在所述候选交点处的切线之间的第二夹角；

互补角判断子模块，用于判断所述第一夹角与所述第二夹角是否为互补角；

步长叠加子模块，用于在判断为否时，叠加步长以继续在所述第四曲线上确定下一个候选交点直至所述候选交点与所述第一目标测量点的连线满足所述第一夹角与所述第二夹角为互补角的条件；

第二目标测量点确定子模块，用于将满足条件的所述候选交点确定为所述第二目标测量点；

连线确定子模块，用于将所述第二目标测量点与所述第一目标测量点的连线确定为所述第二直线。

如图2所示，本发明的第二方面提出了一种基于白光共焦原理的高精度检测方法，包括：

在透明待测物的第一表面确定第一测量路径；

在所述透明待测物的第二表面确定第二测量路径，所述第二测量路径为所述第一测量路径在所述第二表面的投影；

分别拟合所述第一测量路径以及所述第二测量路径对应的第一曲线的第一曲线函数和第二曲线的第二曲线函数；

在测量探头上确定第一运动控制基准点，所述第一运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

确定第三测量路径，所述第三测量路径为测量过程中所述第一运动控制基准点的运动路径，所述第三测量路径位于所述透明待测物体的上方且与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上；

接通所述测量探头的电源以使所述测量探头的白光光源发出的白光通过色散透镜形成共焦测量光束；

控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离，在所述第一运动控制基准点从所述第一端点到所述第二端点的运动过程中，基于所述第一曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第一表面；

当所述测量探头的所述第一运动控制基准点运动到所述第三测量路径的第二端点时，控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第二端点运动到所述第三测量路径的第一端点以通过所述共焦测量光束测量所述第二表面的第二距离，在所述第一运动控制基准点从所述第二端点到所述第一端点的运动过程中，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第二表面；

根据所述第一距离和所述第二距离计算所述第一表面和所述第二表面之间的厚度。

具体的，所述第一测量路径对应的第一曲线和所述第二测量路径对应的第二曲线的形状是理想状态下测量待测物的第一表面和第二表面的形状，在本发明的一些实施方式中，确定第一测量路径和第二测量路径的方法如下：

在空间坐标系中以标准尺寸构建所述透明待测物的立体模型，所述标准尺寸包括所述立体模型的第一表面和第二表面各个位置之间的厚度；

接收用户在所述立体模型上输入的从所述立体模型的一侧横跨至所述立体模型另一侧的至少一条直线线段；

将所述直线线段在所述立体模型的第一表面的投影确定为所述第一测量路径；

将所述直线线段在所述立体模型的第二表面的投影确定为所述第二测量路径。

在本发明的另一些实施方式中，用户在所述立体模型上输入任意长度的直线线段，将该直线线段在所述立体模型的第一表面和第二表面的投影确定为所述第一测量路径和所述第二测量路径。

在本发明实施方式的技术方案中，所述第一距离和所述第二距离是一系列的数值组成的数据序列，每个数值代表的是在测量过程中所述透明待测物的第一表面或第二表面上的目标测量点与测量探头的实时距离，此处所称的目标测量点为所述测量探头的光轴与所述透明待测物的第一表面或第二表面的交点，所述第一距离和所述第二距离这两个数据序列中的数据量的多少取决于预设的测量密度。

通过采用上述实施方式的技术方案，在透明待测物的表面确定第一测量路径和第二测量路径，在测量探头的光轴上确定第一运动控制基准点，控制所述第一运动控制基准点沿与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上第三测量路径来回运动以分别对所述透明待测物的两个表面的距离进行测量，测量过程中分别保持所述测量探头的光轴实时垂直于所述透明待测物的其中一个表面，从而根据测量得到的所述透明待测物的两个表面的距离计算两个表面之间的厚度。

在上述的高精度检测方法中，在控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离的步骤之前，还包括：

读取预先配置的测量密度σ，所述测量密度为在所述第三测量路径上单位长度的测量点数量；

获取所述第三测量路径的长度l₃；

计算所述第三测量路径上的测量点数量m＝σ·l₃；

计算测量点在所述第三测量路径上的坐标值p3_i(x3_i,3_i,3_i)以及其在所述第一路径、所述第二路径上的投影的坐标值p1_i(x1_i,1_i,1_i)、p2_i(x2_i,2_i,2_i)，其中i＝(1,2,…,m)，在i值相等时，p1_i与p3_i的连线垂直于所述第一测量路径在p1_i处的切线，p2_i与p3_i的连线垂直于所述第二测量路径在p2_i处的切线；

将坐标值p1_i、p2_i以及p3_i进行关联存储。

在上述的高精度检测方法中，控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

当所述第一运动控制基准点的实时坐标值p3与预设的测量点的坐标值p3_i相匹配时，从光谱仪获取其对反射光的响应曲线对应的峰值波长λ1_i；

获取所述峰值波长λ1_i对应的所述色散透镜的焦距f1_i＝(λ1_i)；

将所述色散透镜的焦距确定为所述第一距离d1_i＝1_i。

在上述的高精度检测方法中，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第二端点运动到所述第三测量路径的第一端点以测量通过所述共焦测量光束所述第二表面的第二距离的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

当所述第一运动控制基准点的实时坐标值p3与预设的测量点的坐标值p3_i相匹配时，从光谱仪获取其对反射光的响应曲线对应的第一峰值波长λ1_i和第二峰值波长λ2_i；

获取所述第一峰值波长λ1_i对应的所述色散透镜的第一焦距f1_i＝(λ1_i)以及所述第二峰值波长λ2_i对应的所述色散透镜的第二焦距f2_i＝(λ2_i)；

根据所述色散透镜的焦距以及所述透明待测物的折射率计算所述第二距离

其中n为所述透明待测物的折射率，θ为第二峰值波长λ2_i对应的孔径角。

在上述的高精度检测方法中，基于所述第一曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第一表面的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

根据所述第一曲线函数计算坐标值p3在所述第一测量路径上的投影坐标值p1，使得p1与p3的连线垂直于所述第一测量路径在p1处的切线；

在所述测量探头上确定第二运动控制基准点，所述第二运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

控制所述测量探头的姿态使得所述第一运动控制基准点与所述第二运动控制基准点的连线和p1与p3的连线重合。

在上述的高精度检测方法中，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第二表面的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

根据所述第一曲线函数计算坐标值p3在所述第二测量路径上的投影坐标值p2，使得p2与p3的连线垂直于所述第一测量路径在p2处的切线；

在所述测量探头上确定第二运动控制基准点，所述第二运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

控制所述测量探头的姿态使得所述第一运动控制基准点与所述第二运动控制基准点的连线和p1与p3的连线重合。

在上述的高精度检测方法中，根据所述第一距离和所述第二距离计算所述第一表面和所述第二表面之间的厚度的步骤具体包括：

根据所述第一距离以及所述第二距离拟合所述第一表面和所述第二表面对应所述第一测量路径和所述第二测量路径的第三曲线的第三曲线函数和第四曲线的第四曲线函数；

接收用户的输入在所述第三曲线上确定第一目标测量点；

根据所述第一目标测量点在所述第四曲线上确定第二目标测量点；

获取所述第一目标测量点和所述第二目标测量点的坐标值；

根据所述第一目标测量点和所述第二目标测量点的坐标值计算所述第一表面和所述第二表面在所述第一目标测量点和所述第二目标测量点处的厚度。

具体的，所述第三曲线和所述第四曲线是测量得到的所述透明待测物在所述第一测量路径、所述第二测量路径所在平面截取的横截面处的实际表面曲线。测量密度越高，所述第三曲线和所述第四曲线的拟合准确率就越高。所述第三曲线与所述第一曲线、所述第四曲线与所述第二曲线为部分重合或完全重合，当所述透明待测物的厚度完全符合制造标准时，所述第三曲线与所述第一曲线重合，所述第四曲线与所述第二曲线重合。

在上述的高精度检测方法中，根据所述第一目标测量点在所述第四曲线函数上确定第二目标测量点的步骤具体包括：

确定经过所述第一目标测量点且垂直于所述第三曲线在所述第一目标测量点处的切线的第一直线；

获取所述第一直线与所述第四曲线的交点的坐标；

判断所述第一直线是否与所述第四曲线在所述交点处的切线垂直；

判断为是时，将所述第一交点确定为所述第二目标测量点。

具体的，当所述第一直线与所述第四曲线在所述交点处的切线垂直时，意味着所述第三曲线和所述第四曲线在所述第一目标测量点位置处于平行状态，所述第二目标测量点与所述第一目标测量点之间的距离是所述第三曲线在所述第一目标测量点处到所述第四曲线上的最小距离，该距离即为所述透明待测物在所述第一目标测量点处的厚度。

在上述的高精度检测方法中，在判断所述第一直线是否与所述第四曲线在所述第一交点处的切线垂直的步骤之后还包括：

判断为否时，确定经过所述第一目标测量点的第二直线，所述第二直线与所述第三曲线在所述第一目标测量点处的切线的夹角和所述第二直线与所述第四曲线在其交点处的切线的夹角互补。

具体的，当所述第一直线与所述第四曲线在所述交点处的切线不垂直时，意味着所述第三曲线和所述第四曲线在所述第一目标测量点位置处于不平行的状态，所述透明待测物在所述第一目标测量点处的厚度为所述第四曲线与所述第一目标测量点的最小距离，该最小距离对应的所述第二直线与所述第三曲线、所述第四曲线的位置关系满足其与两者之间的夹角为互补角。在本发明一些实施方式的技术方案中，确定经过所述第一目标测量点的第二直线的步骤具体包括：

将所述第一直线与所述第四曲线的交点确定为第一交点；

计算所述第四曲线上在所述第一交点两侧的相邻点与所述第一目标测量点的距离相对于所述第一交点与所述第一目标测量点的距离的变化；

确定所述第四曲线上与所述第一目标测量点的距离变小的相邻点与所述第一交点的相对方向；

以预测步长在所述相对方向上确定所述第四曲线上的候选交点；

获取所述候选交点与所述第一目标测量点的连线与所述第三曲线在所述第一目标测量点处的切线之间的第一夹角；

获取所述候选交点与所述第一目标测量点的连线与所述第四曲线在所述候选交点处的切线之间的第二夹角；

判断所述第一夹角与所述第二夹角是否为互补角；

判断为否时，叠加步长以继续在所述第四曲线上确定下一个候选交点直至所述候选交点与所述第一目标测量点的连线满足所述第一夹角与所述第二夹角为互补角的条件；

将满足条件的所述候选交点确定为所述第二目标测量点；

将所述第二目标测量点与所述第一目标测量点的连线确定为所述第二直线。

本发明提出了一种基于白光共焦原理的高精度检测装置及方法，在透明待测物的表面确定第一测量路径和第二测量路径，在测量探头的光轴上确定第一运动控制基准点，控制所述第一运动控制基准点沿与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上第三测量路径来回运动以分别对所述透明待测物的两个表面的距离进行测量，测量过程中分别保持所述测量探头的光轴实时垂直于所述透明待测物的其中一个表面，从而根据测量得到的所述透明待测物的两个表面的距离计算两个表面之间的厚度。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种基于白光共焦原理的高精度检测装置，其特征在于，包括：

第一测量路径确定模块，用于在透明待测物的第一表面确定第一测量路径；

第二测量路径确定模块，用于在所述透明待测物的第二表面确定第二测量路径，所述第二测量路径为所述第一测量路径在所述第二表面的投影；

曲线函数拟合模块，用于分别拟合所述第一测量路径以及所述第二测量路径对应的第一曲线的第一曲线函数和第二曲线的第二曲线函数；

第一运动控制基准点确定模块，用于在测量探头上确定第一运动控制基准点，所述第一运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

第三测量路径确定模块，用于确定第三测量路径，所述第三测量路径为测量过程中所述第一运动控制基准点的运动路径，所述第三测量路径位于所述透明待测物体的上方且与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上；

电源控制模块，用于接通所述测量探头的电源以使所述测量探头的白光光源发出的白光通过色散透镜形成共焦测量光束；

第一距离测量模块，用于控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离，在所述第一运动控制基准点从所述第一端点到所述第二端点的运动过程中，基于所述第一曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第一表面；

第二距离测量模块，用于当所述测量探头的所述第一运动控制基准点运动到所述第三测量路径的第二端点时，控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第二端点运动到所述第三测量路径的第一端点以通过所述共焦测量光束测量所述第二表面的第二距离，在所述第一运动控制基准点从所述第二端点到所述第一端点的运动过程中，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第二表面；

厚度计算模块，用于根据所述第一距离和所述第二距离计算所述第一表面和所述第二表面之间的厚度。

2.一种基于白光共焦原理的高精度检测方法，其特征在于，包括：

在透明待测物的第一表面确定第一测量路径；

在透明待测物的第二表面确定第二测量路径，所述第二测量路径为所述第一测量路径在所述第二表面的投影；

分别拟合所述第一测量路径以及所述第二测量路径对应的第一曲线的第一曲线函数和第二曲线的第二曲线函数；

在测量探头上确定第一运动控制基准点，所述第一运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

确定第三测量路径，所述第三测量路径为测量过程中所述第一运动控制基准点的运动路径，所述第三测量路径位于所述透明待测物体的上方且与所述第一测量路径、所述第二测量路径在同一个平面上；

接通所述测量探头的电源以使所述测量探头的白光光源发出的白光通过色散透镜形成共焦测量光束；

控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离，在所述第一运动控制基准点从所述第一端点到所述第二端点的运动过程中，基于所述第一曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第一表面；

当所述测量探头的所述第一运动控制基准点运动到所述第三测量路径的第二端点时，控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第二端点运动到所述第三测量路径的第一端点以通过所述共焦测量光束测量所述第二表面的第二距离，在所述第一运动控制基准点从所述第二端点到所述第一端点的运动过程中，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第二表面；

根据所述第一距离和所述第二距离计算所述第一表面和所述第二表面之间的厚度。

3.根据权利要求2所述的高精度检测方法，其特征在于，在控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离的步骤之前，还包括：

读取预先配置的测量密度σ，所述测量密度为在所述第三测量路径上单位长度的测量点数量；

获取所述第三测量路径的长度l₃；

计算所述第三测量路径上的测量点数量m＝σ·l₃；

计算测量点在所述第三测量路径上的坐标值p3_i(x3_i,3_i,3_i)以及其在所述第一路径、所述第二路径上的投影的坐标值p1_i(x1_i,1_i,1_i)、p2_i(x2_i,2_i,2_i)，其中i＝(1,2,…,m)，在i值相等时，p1_i与p3_i的连线垂直于所述第一测量路径在p1_i处的切线，p2_i与p3_i的连线垂直于所述第二测量路径在p2_i处的切线；

将坐标值p1_i、p2_i以及p3_i进行关联存储。

4.根据权利要求3所述的高精度检测方法，其特征在于，控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第一端点运动到所述第三测量路径的第二端点以通过所述共焦测量光束测量所述第一表面的第一距离的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

当所述第一运动控制基准点的实时坐标值p3与预设的测量点的坐标值p3_i相匹配时，从光谱仪获取其对反射光的响应曲线对应的峰值波长λ1_i；

获取所述峰值波长λ1_i对应的所述色散透镜的焦距f1_i＝(λ1_i)；

将所述色散透镜的焦距确定为所述第一距离d1_i＝1_i。

5.根据权利要求3所述的高精度检测方法，其特征在于，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的所述第一运动控制基准点从所述第三测量路径的第二端点运动到所述第三测量路径的第一端点以测量通过所述共焦测量光束所述第二表面的第二距离的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

当所述第一运动控制基准点的实时坐标值p3与预设的测量点的坐标值p3_i相匹配时，从光谱仪获取其对反射光的响应曲线对应的第一峰值波长λ1_i和第二峰值波长λ2_i；

获取所述第一峰值波长λ1_i对应的所述色散透镜的第一焦距f1_i＝(λ1_i)以及所述第二峰值波长λ2_i对应的所述色散透镜的第二焦距f2_i＝(λ2_i)；

根据所述色散透镜的焦距以及所述透明待测物的折射率计算所述第二距离

其中n为所述透明待测物的折射率，θ为第二峰值波长λ2_i对应的孔径角。

6.根据权利要求3所述的高精度检测方法，其特征在于，基于所述第一曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第一表面的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

根据所述第一曲线函数计算坐标值p3在所述第一测量路径上的投影坐标值p1，使得p1与p3的连线垂直于所述第一测量路径在p1处的切线；

在所述测量探头上确定第二运动控制基准点，所述第二运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

控制所述测量探头的姿态使得所述第一运动控制基准点与所述第二运动控制基准点的连线和p1与p3的连线重合。

7.根据权利要求3所述的高精度检测方法，其特征在于，基于所述第二曲线函数控制所述测量探头的光轴实时垂直于所述第二表面的步骤具体包括：

实时获取所述第一运动控制基准点当前在所述第三测量路径上的坐标值p3；

根据所述第一曲线函数计算坐标值p3在所述第二测量路径上的投影坐标值p2，使得p2与p3的连线垂直于所述第一测量路径在p2处的切线；

在所述测量探头上确定第二运动控制基准点，所述第二运动控制基准点在所述测量探头的光轴上；

控制所述测量探头的姿态使得所述第一运动控制基准点与所述第二运动控制基准点的连线和p1与p3的连线重合。

8.根据权利要求2所述的高精度检测方法，其特征在于，根据所述第一距离和所述第二距离计算所述第一表面和所述第二表面之间的厚度的步骤具体包括：

根据所述第一距离以及所述第二距离拟合所述第一表面和所述第二表面对应所述第一测量路径和所述第二测量路径的第三曲线的第三曲线函数和第四曲线的第四曲线函数；

接收用户的输入在所述第三曲线上确定第一目标测量点；

根据所述第一目标测量点在所述第四曲线上确定第二目标测量点；

获取所述第一目标测量点和所述第二目标测量点的坐标值；

根据所述第一目标测量点和所述第二目标测量点的坐标值计算所述第一表面和所述第二表面在所述第一目标测量点和所述第二目标测量点处的厚度。

9.根据权利要求8所述的高精度检测方法，其特征在于，根据所述第一目标测量点在所述第四曲线函数上确定第二目标测量点的步骤具体包括：

确定经过所述第一目标测量点且垂直于所述第三曲线在所述第一目标测量点处的切线的第一直线；

获取所述第一直线与所述第四曲线的交点的坐标；

判断所述第一直线是否与所述第四曲线在所述交点处的切线垂直；

判断为是时，将所述第一交点确定为所述第二目标测量点。

10.根据权利要求9所述的高精度检测方法，其特征在于，在判断所述第一直线是否与所述第四曲线在所述第一交点处的切线垂直的步骤之后还包括：

判断为否时，确定经过所述第一目标测量点的第二直线，所述第二直线与所述第三曲线在所述第一目标测量点处的切线的夹角和所述第二直线与所述第四曲线在其交点处的切线的夹角互补。

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