[发明专利]一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法

说明书

一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，可实时并行处理从线阵CCD芯片输出的像元信息，进而节省了向上位机传送数据的时间和CPU串行计算多耗费的时间。实现该方法的装置包括分光光路部分和光谱信息探测器部分，分光光路部分包括狭缝、凹球面反射准直镜、反射光栅和凹球面反射聚焦镜；光谱信息探测器部分包括设置在凹球面反射聚焦镜聚焦位置的用于将光信号转换为模拟信号的线阵CCD芯片、连接线阵CCD芯片将其模拟信号转换为数字信号的A/D转换芯片以及连接对线阵CCD芯片和A/D转换芯片进行时序控制并接收数字信号进行图像处理的FPGA芯片。本发明所提出的方法数据处理速度快，可满足白光色散共焦实时三维测量的需求。

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，特别涉及一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法。

背景技术

白光色散共焦测量技术几乎适用于任何反射率的表面轮廓、台阶和透明材料厚度的测量，在单层/多层材料厚度、微位移、微形变、表面形貌检测等方面具有广泛的应用前景和很好的工程应用价值。一般的白光色散共焦测量技术属于点测量技术，但是相比于传统共焦测量方法，白光色散共焦通过波长编码代替了轴向机械扫描。当前，白光色散共焦三维测量技术受限于光谱数据处理和X-Y机械扫描的速率，在工程应用领域中受到了实际限制。现有提高白光色散共焦三维测量效率的方法，包括：使用多光谱相机进行多重采集，该方法提高的速度有限且成本高；利用滤光片代替色散光栅和线阵检测器，通过使用滤色器的透射率检测峰值波长，该方法测量速度快，但精度差。

目前，国内对于白光共焦三维测量技术的研究主要集中在理论和实验探索、精度测试方面，如高性能色散物镜的研发以及高精度测量系统的搭建，对于实际使用过程中的测量效率问题尚缺少深入研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，在探测到光谱信息的同时，发挥其内部FPGA芯片并行计算的优势直接进行信号处理工作，具有测量速度快、成本低的优势。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种提高白光色散共焦三维测量效率的方法，实现该方法的装置包括分光光路部分和光谱信息探测器部分，所述分光光路部分包括狭缝、凹球面反射准直镜、反射光栅和凹球面反射聚焦镜，所述光谱信息探测器部分包括设置在凹球面反射聚焦镜聚焦位置的用于将光信号转换为模拟信号的线阵CCD(Linear Charge Coupled Device)芯片、连接线阵CCD芯片将其模拟信号转换为数字信号的A/D转换芯片以及连接对线阵CCD芯片和A/D转换芯片进行时序控制并接收所述数字信号进行图像处理的FPGA(Field-Programmable GateArray)芯片，方法包括：

步骤1，由白光色散共焦测量仪通过光纤传入的复合光先后经过狭缝、凹球面反射准直镜、反射光栅和凹球面反射聚焦镜色散成不同波长的光线；

步骤2，利用布置在凹球面反射聚焦镜聚焦位置的线阵CCD芯片将光信号转换为模拟信号；

步骤3，将所述模拟信号放大后送入A/D转换芯片转换为数字信号；

步骤4，利用FPGA芯片直接接收所述数字信号并图像处理得到光强最强光线所对应的波长信息。

所述FPGA芯片中执行图像处理的为按流水线方式布置的高斯滤波模块、包络线提取模块和峰值提取模块。

所述FPGA芯片通过UART串口与上位机进行信息传输，所述图像处理得到的波长信息传入FIFO缓存，当FIFO为非空时，通过UART串口将波长信息传入上位机。

所述模拟信号被转换为数字信号后直接被FPGA芯片处理，从而无需利用外部存储器进行像元信息缓存。

所述FPGA芯片中按流水线布置高斯滤波算法、外包络线提取算法以及峰值提取算法以实现图像处理，在第一个像元的数字信号转换结束后即开始执行高斯滤波算法。