[发明专利]一种用于大范围测量的光谱共焦测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于大范围测量的光谱共焦测量系统及方法，属于光学位移测量技术领域，包括光源组件、光谱共焦测量组件、信号接收组件和处理器；光源组件包括宽光谱光源和可调谐滤光器；光谱共焦测量组件包括分光镜和色散物镜组，特定波长范围的光束依次透过分光镜和色散物镜组到达待测物体表面，待测物体表面反射回的光束经分光镜反射至信号接收组件；信号接收组件包括CCD相机，处理器通过计算CCD相机获得的图像光谱得到波长信息，并根据波长信息调节可调谐滤光器输出窄带光，同时利用波长与轴向距离的线性关系得到对应波长的位置信息。通过采用宽光谱光源与可调滤波器结合的方式，在保证测量精度的同时，增大被测物体所测量的位置范围。

技术领域

本发明涉及光学位移测量技术领域，具体地说，涉及一种用于大范围测量的光谱共焦测量系统及方法。

背景技术

近年来，随着精密制造业的飞速发展，对测量技术的要求也大大提高。传统的接触式测量方式，由于会对待测物体产生损坏，不能适用于不同的环境，已经不能满足测量的要求。而非接触式的光谱共焦技术是近年来出现的一种高精度的新型测量技术。由于光谱共焦测量技术精度高，测量速度快，实时性高，能适用于不同的环境，其迅速成为当前研究的热点，广泛应用于薄膜厚度测量、精密定位、精密仪器制造等领域。

基于光谱共焦技术的光谱共焦测量系统使用光源照射到被测物体表面，由CCD工业相机或光谱仪等探测反射回来的光谱信息，确定聚焦在物体表面的峰值波长，从而获得待测物体表面的轴向距离信息。其原理是利用色散物镜组，使光源光线在经过色散物镜组聚焦后发生色散，在光轴上形成连续的，且到色散物镜组的距离互不相同的单色光焦点，从而建立起波长与轴向距离的线性关系，再利用经待测物体表面反射后的光谱信息得到相应的位置信息。

光谱共焦技术有比接触式测量更高的精度，并且适用范围广，但是由于现有的光源大都是采用LED光源，出射光波长范围较小，使得测量的位置范围较小。要增大测量的位置范围，现阶段主要有改变色散物镜结构以及改变光源等方法，但是，色散物镜结构的再设计耗时耗力，无法及时解决测量问题，而改变LED光源为出射光波长范围更大的卤素灯等光源虽然也能满足一定的需要，但是由于其出射光各波长的强度分布不均匀，会造成测量精度的显著降低。

如公布号为CN106907998A的中国专利文献公开了一种线性化的光谱共焦测量装置及方法，该装置包括：光源、用于产生出射光，传输到采样部；采样部，用于接收出射光后产生第一次色散，使产生第一次色散的光照射至被测物，且使由被测物返回的反射光通过后，传输给分光部，采样部的色散与波长为非线性关系；分光部，用于接收由采样部返回的反射光，且将不同波长的反射光产生第二次色散后传输到传感部，分光部的色散与波长为非线性关系，采样部非线性关系的差异与分光部非线性关系的差异部分或全部抵消；传感部，用于将反射光转换成电信号，以获取测量结果。该发明采用两套光路测量系统进行两次测量，增加了测量的复杂度和成本。

发明内容

本发明的目的为提供一种用于大范围测量的光谱共焦测量系统，可在保证测量精度的同时，增大被测物体所测量的位置范围，同时，不增加测量成本。

本发明的另一目的为提供一种用于大范围测量的光谱共焦测量方法，该方法可通过以上光谱共焦测量系统实现。

为了实现上述目的，本发明提供的光谱共焦测量系统包括光源组件、光谱共焦测量组件和信号接收组件，还包括与光源组件和信号接收组件电连接的处理器；光源组件包括宽光谱光源和与处理器电连接的可调谐滤光器，可调谐滤光器对宽光谱光源所发出的光束进行过滤得到特定波长范围的光束；光谱共焦测量组件包括分光镜和色散物镜组，特定波长范围的光束依次透过分光镜和色散物镜组到达待测物体表面，待测物体表面反射回的光束经分光镜反射至信号接收组件；信号接收组件包括与处理器电连接的CCD相机，CCD相机在分光镜的反射光焦点处取像，获得图像信息并传输给处理器，处理器通过计算图像光谱得到波长信息，并根据波长信息调节可调谐滤光器输出窄带光，同时利用波长与轴向距离的线性关系得到对应波长的位置信息。