一种光谱共焦测量系统在线标定装置与方法与流程

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种光谱共焦测量系统的在线标定。

背景技术：

光谱共焦法是一种基于波长位移调制的非接触式微位移测量方法，具有测量精度高，速度快，对被测表面的纹理、倾斜等因素不敏感，对材料无特殊要求等优点，在微位移测量、物体表面三维形貌测量等方面具有重要的应用。

光谱共焦测量系统通常在出厂时会进行精密标定，然而由于在不同使用环境下，环境参数如温度、湿度的变化等，将使光谱共焦测量系统中色散物镜的结构发生变化，从而使色散物镜的色散关系发生变化，因此，在工作环境下进行光谱共焦测量系统的在线标定是实现光谱共焦测量系统高精度测量的重要保证。

本发明给出一种光谱共焦测量系统在线标定装置与方法，通过旋转滤光片获得多个单色光，通过位移传感器获得不同单色光下被测物的位移大小，再通过最小二乘法进行波长和位移关系的线性拟合，获得当前环境下光谱共焦测量系统波长和位移的线性关系式，从而实现不同使用环境下光谱共焦测量系统的快速在线标定。

技术实现要素：

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种光谱共焦测量系统在线标定装置，其特征在于，该装置包括白光宽光谱光源(10)、可旋转的滤光片(20)、双分支光纤(30)、光纤出射光束(301)、色散物镜(40)、色散物镜出射光束(401)、待测物(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80)；其中，白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经滤光片(20)后进入双分支光纤(30)的第一分支端耦合入双分支光纤(30)，经双分支光纤(30)总端传输后得到光纤出射光束(301)，光纤出射光束(301)经色散物镜(40)后得到色散物镜出射光束(401)，色散物镜出射光束(401)被待测物(50)反射后经色散物镜(40)、双分支光纤(30)总端、双分支光纤(30)的第二分支端进入光谱仪(70)。

优选地，所述滤光片(20)包括第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)，第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)通过滤光片轮(209)固定，且可绕滤光片轮(209)的中心轴(200)进行360度旋转。

优选地，当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经所述滤光片(20)的带通滤光片(208)后，得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱，该光谱范围即为色散物镜(40)的工作波长范围。

优选地，当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经所述滤光片(20)的第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)后，得到波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光，各波长满足如下关系

λmin＜λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5＜λ6＜λ7＜λmax(1)

优选地，当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后，在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦，通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下，被测物(50)的位移分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7，它们之间的关系为

通过最小二乘法求得a和b的值，从而建立了被测物(50)的位移d和波长λ之间的关系

d＝a+bλ(3)

一种光谱共焦测量系统在线标定方法，其采用上述的光谱共焦测量系统在线标定装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

s1、转动滤光片(20)的滤光片轮(209)，让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过第一单色滤光片(201)，得到波长为λ1的单色光；

s2、通过位移传感器(60)获得波长λ1下被测物(50)的位移d1；

s3、重复步骤s1～s2，通过第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)分别获得单色光λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7，各波长满足如下关系

λmin＜λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5＜λ6＜λ7＜λmax(1)

当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后，在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦，通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下，被测物(50)在这些波长下的位移d2、d3、d4、d5、d6和d7；

s4、根据(λ1，d1)、(λ2，d2)、(λ3，d3)、(λ4，d4)、(λ5，d5)、(λ6，d6)和(λ7，d7)七组数据，它们之间的关系为

通过最小二乘法进行线性拟合，得到拟合系数a和b的值，从而得到光谱共焦测量系统波长和位移的线性关系式dλ＝a+bλ；

s5、完成光谱共焦测量系统在线标定，转动滤光片(20)的滤光片轮(209)，让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过带通滤光片(208)，得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱，光谱共焦测量系统正常工作。

本发明提供的光谱共焦测量系统在线标定装置与方法，可以实现不同使用环境下光谱共焦测量系统的快速在线标定。通过旋转滤光片获得多个单色光，通过位移传感器获得不同单色光下被测物的位移大小，再通过最小二乘法进行波长和位移关系的线性拟合，获得当前环境下光谱共焦测量系统波长和位移的线性关系式，从而避免了因环境参数变化对光谱共焦测量系统测量精度的影响。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为根据本发明实施方式的光谱共焦测量系统在线标定装置示意图；

图2为根据本发明实施方式的滤光片的组成及结构图；

图3为根据本发明实施方式的光谱共焦测量系统在线标定方法流程图；

其中，微位移装置包括：10、白光宽光谱光源，20、滤光片，30、双分支光纤，301、光纤出射光束，40、色散物镜，401、色散物镜出射光束，50、待测物，60、位移传感器，70、光谱仪，80、计算机。

滤光片20包括：200、滤光片轮转轴，201、第一单色滤光片，202、第二单色滤光片，203、第三单色滤光片，204、第四单色滤光片，205、第五单色滤光片，206、第六单色滤光片，207、第七单色滤光片，208、带通滤光片，209、滤光片轮。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明所述的光谱共焦测量系统在线标定装置示意图，包括白光宽光谱光源(10)、滤光片(20)、双分支光纤(30)、光纤出射光束(301)、色散物镜(40)、色散物镜出射光束(401)、待测物(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80)。

白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经滤光片(20)后进入双分支光纤(30)的第一分支端耦合入双分支光纤(30)，经双分支光纤(30)总端传输后得到光纤出射光束(301)，光纤出射光束(301)经色散物镜(40)后得到色散物镜出射光束(401)，色散物镜出射光束(401)被待测物(50)反射后经色散物镜(40)、双分支光纤(30)总端、双分支光纤(30)的第二分支端进入光谱仪(70)。通过旋转滤光片(20)得到多个波长，通过位移传感器(60)测得该波长下被测物(50)的位移，通过最小二乘法对被测物(50)的位移和波长之间的关系进行线性拟合，得到光谱共焦测量系统波长和位移的对应关系。

如图2所示，为所述滤光片的组成及结构图，所述滤光片(20)包括第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)，第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)通过滤光片轮(209)固定，且可绕滤光片轮(209)的中心轴(200)进行360度旋转。

当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经上述滤光片(20)的带通滤光片(208)后，得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱，该光谱范围即为色散物镜(40)的工作波长范围。

当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经上述滤光片(20)的第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)后，得到波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光，各波长满足如下关系

λmin＜λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5＜λ6＜λ7＜λmax(1)

当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后，在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦，通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下，被测物(50)的位移分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7，它们之间的关系为

通过最小二乘法求得a和b的值，从而建立了被测物(50)的位移d和波长λ之间的关系

d＝a+bλ(3)

如图3所示，为本发明所述的光谱共焦测量系统在线标定方法流程图，当采用上述光谱共焦测量系统在线标定装置进行光谱共焦测量系统在线标定时，光谱共焦测量系统在线标定方法包括如下步骤：

s1、转动滤光片(20)的滤光片轮(209)，让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过第一单色滤光片(201)，得到波长为λ1的单色光；

s2、通过位移传感器(60)获得波长λ1下被测物(50)的位移d1；

s3、重复步骤s1～s2，通过第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)分别获得单色光λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7，各波长满足如下关系

λmin＜λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5＜λ6＜λ7＜λmax(1)

当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后，在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦，通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下，被测物(50)在这些波长下的位移d2、d3、d4、d5、d6和d7；

s4、根据(λ1，d1)、(λ2，d2)、(λ3，d3)、(λ4，d4)、(λ5，d5)、(λ6，d6)和(λ7，d7)七组数据，它们之间的关系为

通过最小二乘法进行线性拟合，得到拟合系数a和b的值，从而得到光谱共焦测量系统波长和位移的线性关系式dλ＝a+bλ；

s5、完成光谱共焦测量系统在线标定，转动滤光片(20)的滤光片轮(209)，让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过带通滤光片(208)，得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱，光谱共焦测量系统可以正常工作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。