[发明专利]基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法及装置

说明书

本发明提供了一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法，包括：利用扫描探头照射出线光谱；根据扫描线光谱的扫描宽度，将测量对象的上表面划分为相应宽度的多个单元区；线光谱垂直于三维运动平台的扫描运动方向从单元区的一端截面向另一端截面运动进行初步扫描，将扫描探头和线光谱旋转角度θ，并移动至初始位置，扫描探头从单元区的一端截面向另一端截面运动进行二次扫描，收集初步扫描的测量数据以及二次扫描的测量数据；利用同单元区二次扫描的测量数据对同单元区初步扫描的测量数据进行校准；将校准后初步扫描的测量数据对测量对象的上表面的三维形貌重构。本发明还提供了基于光谱共焦的高精度分步面形测量装置。

技术领域

本发明涉及面形测量技术领域，特别涉及一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法及装置。

背景技术

光谱共焦位移传感器是一种通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息的装置，如图1所示，白光LED光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看作点光源，经过准直和色散物镜聚焦后发生光谱色散，在光轴上形成连续的单色光焦点，且每一个单色光焦点到被测物体的距离都不同。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测面上，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径，所以大部分光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值，从而测得目标对应至的距离值。如图2所示,线光谱共焦则是在点的基础上进行密集阵列形成线光谱，从而实现测量对象一段长度上的位移测量，目前光谱共焦传感器在光轴方向的位移精度可以达到纳米级。

面形测量是工业生产中的一种重要检测手段，其用于检测测量对象表面形貌和表面缺陷，常见的面形测量装置有三坐标测量机，其采用点测量方式，需要通过探头接触测量对象表面获得相应的面形数据，但采用三坐标测量机测量面形存在一些问题：1、探头需要与测量对象接触容易造成测量受限，有些地方探头无法进入，同时探头会有对测量对象造成磨损的风险；2、单点测量效率低，对于大尺寸结构需要检测时间长；3、测量过程中无法对装置本身的状态比如滑台的运动以及其他外界环境带来的干扰进行测量补偿和校准，因此测量稳定性差；4.受工作原理限制三坐标测量机需要通过离散的点来进行形貌的重构，同时测量点之间的位置关系易受设备运动精度影响，重构过程中需要进行插值拟合，容易造成形貌失真。

目前还没有一种设计将光谱共焦位移传感器有效的运用在面形测量上。

发明内容

本发明提供了一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法及装置，其目的是为了解决现有三维面形测量方式受外界环境干扰大、测量探头受限易造成测量对象磨损、测量时间长、测量精度低稳定性差、形貌重构易失真的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种基于光谱共焦的高精度分步面形测量方法，包括：

步骤1，利用扫描探头照射出线光谱；

步骤2，根据扫描线光谱的扫描宽度，将测量对象的上表面划分为相应宽度的多个单元区；

步骤3，通过移动扫描探头，分别对每个单元区进行扫描；扫描单元区时，将线光谱垂直于三维运动平台的扫描运动方向，扫描探头从单元区的一端截面向另一端截面运动进行初步扫描，初步扫描后，将扫描探头和线光谱旋转角度θ，且0°＜θ＜180°，并移动至初始位置，扫描探头从单元区的一端截面向另一端截面运动进行二次扫描，收集初步扫描的测量数据以及二次扫描的测量数据；

步骤4，利用同单元区二次扫描的测量数据对同单元区初步扫描的测量数据进行校准；

步骤5，将校准后初步扫描的测量数据对测量对象的上表面的三维形貌重构。