[發(fā)明專利]基于光譜共焦的高精度分步面形測量方法及裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110326311.7
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113029031B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段吉安;羅志;周海波
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 李崇章

本發(fā)明提供了一種基于光譜共焦的高精度分步面形測量方法，包括：利用掃描探頭照射出線光譜；根據(jù)掃描線光譜的掃描寬度，將測量對象的上表面劃分為相應(yīng)寬度的多個單元區(qū)；線光譜垂直于三維運動平臺的掃描運動方向從單元區(qū)的一端截面向另一端截面運動進行初步掃描，將掃描探頭和線光譜旋轉(zhuǎn)角度θ，并移動至初始位置，掃描探頭從單元區(qū)的一端截面向另一端截面運動進行二次掃描，收集初步掃描的測量數(shù)據(jù)以及二次掃描的測量數(shù)據(jù)；利用同單元區(qū)二次掃描的測量數(shù)據(jù)對同單元區(qū)初步掃描的測量數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)；將校準(zhǔn)后初步掃描的測量數(shù)據(jù)對測量對象的上表面的三維形貌重構(gòu)。本發(fā)明還提供了基于光譜共焦的高精度分步面形測量裝置。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及面形測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光譜共焦的高精度分步面形測量方法及裝置。

背景技術(shù)

光譜共焦位移傳感器是一種通過光學(xué)色散原理建立距離與波長間的對應(yīng)關(guān)系，利用光譜儀解碼光譜信息，從而獲得位置信息的裝置，如圖1所示，白光LED光源發(fā)出的光通過光纖耦合器后可以近似看作點光源，經(jīng)過準(zhǔn)直和色散物鏡聚焦后發(fā)生光譜色散，在光軸上形成連續(xù)的單色光焦點，且每一個單色光焦點到被測物體的距離都不同。當(dāng)被測物處于測量范圍內(nèi)某一位置時，只有某一波長的光聚焦在被測面上，該波長的光由于滿足共焦條件，可以從被測物表面反射回光纖耦合器并進入光譜儀，而其他波長的光在被測物面表面處于離焦?fàn)顟B(tài)，反射回的光在光源處的分布遠大于光纖纖芯直徑，所以大部分光線無法進入光譜儀。通過光譜儀解碼得到光強最大處的波長值，從而測得目標(biāo)對應(yīng)至的距離值。如圖2所示,線光譜共焦則是在點的基礎(chǔ)上進行密集陣列形成線光譜，從而實現(xiàn)測量對象一段長度上的位移測量，目前光譜共焦傳感器在光軸方向的位移精度可以達到納米級。

面形測量是工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要檢測手段，其用于檢測測量對象表面形貌和表面缺陷，常見的面形測量裝置有三坐標(biāo)測量機，其采用點測量方式，需要通過探頭接觸測量對象表面獲得相應(yīng)的面形數(shù)據(jù)，但采用三坐標(biāo)測量機測量面形存在一些問題：1、探頭需要與測量對象接觸容易造成測量受限，有些地方探頭無法進入，同時探頭會有對測量對象造成磨損的風(fēng)險；2、單點測量效率低，對于大尺寸結(jié)構(gòu)需要檢測時間長；3、測量過程中無法對裝置本身的狀態(tài)比如滑臺的運動以及其他外界環(huán)境帶來的干擾進行測量補償和校準(zhǔn)，因此測量穩(wěn)定性差；4.受工作原理限制三坐標(biāo)測量機需要通過離散的點來進行形貌的重構(gòu)，同時測量點之間的位置關(guān)系易受設(shè)備運動精度影響，重構(gòu)過程中需要進行插值擬合，容易造成形貌失真。

目前還沒有一種設(shè)計將光譜共焦位移傳感器有效的運用在面形測量上。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于光譜共焦的高精度分步面形測量方法及裝置，其目的是為了解決現(xiàn)有三維面形測量方式受外界環(huán)境干擾大、測量探頭受限易造成測量對象磨損、測量時間長、測量精度低穩(wěn)定性差、形貌重構(gòu)易失真的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明的實施例提供了一種基于光譜共焦的高精度分步面形測量方法，包括：

步驟1，利用掃描探頭照射出線光譜；

步驟2，根據(jù)掃描線光譜的掃描寬度，將測量對象的上表面劃分為相應(yīng)寬度的多個單元區(qū)；

步驟3，通過移動掃描探頭，分別對每個單元區(qū)進行掃描；掃描單元區(qū)時，將線光譜垂直于三維運動平臺的掃描運動方向，掃描探頭從單元區(qū)的一端截面向另一端截面運動進行初步掃描，初步掃描后，將掃描探頭和線光譜旋轉(zhuǎn)角度θ，且0°＜θ＜180°，并移動至初始位置，掃描探頭從單元區(qū)的一端截面向另一端截面運動進行二次掃描，收集初步掃描的測量數(shù)據(jù)以及二次掃描的測量數(shù)據(jù)；

步驟4，利用同單元區(qū)二次掃描的測量數(shù)據(jù)對同單元區(qū)初步掃描的測量數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)；

步驟5，將校準(zhǔn)后初步掃描的測量數(shù)據(jù)對測量對象的上表面的三維形貌重構(gòu)。