[發明專利]一種高速低成本光譜共焦位移測量方法及裝置

有效

• 申請號: 202110355600.X
• 申請日: 2021-04-01
• 公開（公告）號: CN113074644B
• 公開（公告）日: 2022-11-01
• 發明（設計）人: 曹兆樓;沈孟賢;張曉浩;裴世鑫;李金花;咸馮林;葉井飛;楊明珠
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

1.一種高速低成本光譜共焦位移測量裝置，其特征在于，包括：控制器、照明模塊、Y型光纖、探測模塊、色散鏡頭、待測元件、標定模塊；

所述照明模塊電動控制多組LED，提供覆蓋全部可見光波段的光源；

所述光源耦合入所述Y型光纖，出射光進入所述色散鏡頭被聚焦至待測元件表面，波長不同時聚焦光點位置不同，待測元件表面反射光返回Y型光纖；

所述探測模塊測量待測元件表面上時反射光光強；

所述標定模塊，用于標定色散鏡頭位置與探測模塊模擬電壓信號之間的關系，建立不同LED照明時光強向量與色散鏡頭位置關系的數據庫；

所述控制器，測量不同LED照明待測元件時的反射光強向量，并在標定模塊建立的數據庫中查找與之最接近的光強向量，將其對應的色散鏡頭位置進行插值，計算獲得待測元件表面位置信息。

2.根據權利要求1所述的一種高速低成本光譜共焦位移測量裝置，其特征在于，所述控制器包括微處理器、光源驅動模塊、模數轉換模塊、步進電機驅動器、光柵尺讀數模塊；

所述光源驅動模塊使用多路獨立高速固態繼電器，驅動照明模塊的LED照明；

所述模數轉換模塊將探測模塊的模擬電壓信號轉化為數字信號；

所述步進電機驅動器用于驅動閉環步進電機，閉環步進電機驅動標定模塊的電動平移臺；

所述光柵尺讀數模塊讀取標定模塊的光柵尺TTL信號，將其轉化為位移信息；

所述微處理器提供各控制信號及運算功能。

3.根據權利要求1所述的一種高速低成本光譜共焦位移測量裝置，其特征在于，所述照明模塊包括多個不同波長高速LED及毛玻璃，覆蓋可見光波長，每個LED可獨立控制開關，各LED均聚焦至所述毛玻璃同一位置。

4.根據權利要求3所述的一種高速低成本光譜共焦位移測量裝置，其特征在于，所述Y型光纖兩個分束端分別位于所述毛玻璃后方及所述探測模塊中，合束端入射至色散鏡頭中。

5.根據權利要求1所述的一種高速低成本光譜共焦位移測量裝置，其特征在于，所述色散鏡頭保留軸向色差，消除單色像差，具有與波長相關的焦距，當不同波長LED時聚焦光點位置連續變化，形成焦線。

6.根據權利要求1所述的一種高速低成本光譜共焦位移測量裝置，其特征在于，所述探測模塊包括光電探測器、電流放大器；

所述光電探測器為具有高響應速率的光電二極管、光電三極管或光電池；

所述電流放大器用于將光電探測器的光電流轉化為模擬電壓信號。

7.根據權利要求1所述的一種高速低成本光譜共焦位移測量裝置，其特征在于，所述待測元件表面不限制表面粗糙度；

當表面經過拋光時，其傾角滿足聚焦光經過反射后能夠被色散鏡頭收集。

8.根據權利要求1所述的一種高速低成本光譜共焦位移測量裝置，其特征在于，所述標定模塊包括電動平移臺及光柵尺；

所述電動平移臺帶動色散鏡頭移動；

所述光柵尺用于記錄電動平移臺的移動距離。

9.根據權利要求1-8任一所述的一種高速低成本光譜共焦位移測量裝置的高速低成本光譜共焦位移測量方法，其特征在于，包括：

步驟一、色散鏡頭安裝于電動平移臺上，觀察反射光強，確保待測元件表面設于色散鏡頭焦線范圍內；

步驟二、電動平移臺微距移動色散鏡頭，每次移動0.2μm，實時讀取光柵尺數據獲得準確的位移信息，每移動一次，照明模塊輪流打開各LED；

步驟三、LED光源耦合入Y型光纖，出射光進入色散鏡頭被聚焦至待測元件表面；

步驟四、探測模塊實時測量待測元件表面上時反射光光強模擬電壓，控制器記錄標定模塊的光柵尺位置及各LED對應的探測模塊探測的光強電壓值；

步驟五、重復步驟二至步驟四，微處理器建立數據庫，保存電動平移臺位置及該位置處不同LED照明時的探測光強電壓值；

步驟五、微處理器在數據庫中查找最接近探測光強分布的對應位置進行插值，作為待測元件表面的位移。