一种微小物体尺寸检测装置及检测方法与流程

1.本发明涉及传感器领域，特别涉及一种微小物体尺寸检测装置及检测方法。


背景技术：

2.在工业精密检测领域，常常需要检测如细金属丝、光纤纤芯等微小物体的尺寸。传统的检测尺寸的方法是使用对射式激光尺寸测量传感器，该传感器的关键在于建立用激光光源准直后形成一束平行光，光束照射感光元件，当物体进入平行光束的范围时，在感光元件上就会出现一个等比例的“影子”，通过测量阴影的大小或者受光量的变化即可求得物体的尺寸。这种方式的原理如图9所示。
3.但是对于微小物体，如尺寸为0.1mm的物体，由于激光引起的衍射条纹将严重地影响“阴影”边缘的判断，对此，传统的成像方法无法准确检测。此时可利用衍射条纹的分布规律计算微小物体的尺寸。
4.如图10所示，当前的解决方案可参照测量细丝直径的方法，需要在接收cmos前方增加已知焦距的透镜f，在对接收阵列上的衍射波形统计后，得到其空间本征频率v，进而利用公式d＝λfv，求得细小物体的直径。
5.当前技术的缺点是：接收阵列的大小和分辨率将限制微小物体的测量范围。由公式d＝λfv，可知，由于波长λ和焦距f已经固定在器件内，所能测量的微小尺寸d受到物体本征频率v的影响，当本征频率v太小，以至于空间周期太大时，接收阵列可能不够用，同样地，当本征频率v太大，以至于空间周期太小时，接收阵列不能分辨，导致测量失败。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种微小物体尺寸检测装置及检测方法，该微小物体尺寸检测装置及检测方法通过省略现有技术中的透镜，并采用智能的间距调节方式实现了不同宽度的微小物体尺寸检测，解决了现有技术中存在的问题。
7.本发明的技术方案是，一种微小物体尺寸检测装置，用于测量丝状被测物体的宽度；其包括：
8.激光发射器，用于发射平行光束；
9.接收器，具有感光阵列，用于接收平行光束经过被测物体后形成的衍射图像；
10.夹具，设置在激光发射器以及接收器之间，用于夹持所述被测物体；
11.间距调节机构，分别与所述接收器以及所述夹具连接，用于调节感光阵列与被测物体的间距；
12.控制模块，分别与所述接收器以及所述间距调节机构电性连接，用于接收所述感光阵列接收的衍射图像并控制所述间距调节机构；
13.所述控制模块被配置为：统计所述衍射图像中的条纹间距，当条纹间距过小时控制所述间距调节机构增大所述感光阵列与所述被测物体的间距，并在条纹间距过大时控制所述间距调节机构减小所述感光阵列与所述被测物体的间距；当条纹间距符合要求时，根
据所述感光阵列与所述被测物体的间距、所述平行光束的波长以及所述衍射图像中的条纹信息计算被测物体的宽度。
14.本发明的进一步改进在于，统计条纹间距的过程中，采用条纹宽度对应的像素数目表示条纹间距。
15.本发明的进一步改进在于，所述条纹间距的要求为：条纹间距在10至40个像素的范围内。
16.本发明的进一步改进在于，所述感光阵列为线阵感光传感器，其朝向所述激光发射器，并且像素排列方向与被测物体的长度方向垂直。
17.本发明的进一步改进在于，所述感光阵列与所述被测物体的间距l与所述被测物体的宽度d之间的比值大于100。
18.本发明的进一步改进在于，被测物体通过夹具固定设置在所述激光发射器与所述接收器之间。
19.本发明还包括一种采用上述微小物体尺寸检测装置的微小物体尺寸检测方法，其包括以下步骤：
20.(s1)调整并读取接收器的位置；
21.(s2)调整并读取夹具的位置；
22.(s3)通过接收器的感光阵列获取衍射图像；
23.(s4)确定衍射图像的中心；
24.(s5)统计衍射图像中心附近的衍射条纹间距，
25.(s6)判断条纹间距是否符合要求，若不符合要求，确定感光阵列与被测物体的间距l的调整位移量，并跳转至步骤(s1)；
26.(s7)对衍射图像中的条纹进行统计，得到条纹信息；
27.(s8)根据条纹信息、间距l以及平行光束的波长λ计算被测物体的宽度d。
28.本发明的进一步改进在于，在上述步骤(s7)中对干涉图像中的干涉条纹做傅里叶变换，得到本征空间频率v作为条纹信息；并在步骤(s8)中采用公式d＝lvλ计算被测物体的宽度d；其中l为感光阵列与被测物体的间距，λ为平行光束的波长。
29.本发明的进一步改进在于，步骤(s7)中对干涉图像中心附近的条纹宽度求平均值δ，并将其作为条纹信息；在步骤(s8)中采用公式计算被测物体的宽度d；其中l为感光阵列与被测物体的间距，λ为平行光束的波长。
30.本发明的有益效果为：通过省去现有技术中的透镜，并采用自动的间距调节方式，使得不同尺寸的被测物体均可产生分辨率较高的衍射图像，提高了检测精度和检测范围。该检测装置可根据安装的工况、接收阵列的尺寸等情况，配置传感器的关键参数，适用性好。该检测装置可根据检测的精度、待测物体宽度灵活地配置传感检测方案。
附图说明
31.图1为本发明微小物体尺寸检测装置的结构示意图；
32.图2为感光阵列接收的衍射图像的波形图；
33.图3为本发明微小物体尺寸检测方法的原理图；
34.图4为一个具体实施例中的衍射条纹分布和空间频谱；
35.图5为另一具体实施例中的衍射条纹分布；
36.图6为间距l调整后的衍射条纹分布；
37.图7为现有技术中具有透镜的衍射检测原理图；
38.图8为本实施例中的衍射检测原理图；
39.图9为现有技术中大尺寸物体的宽度检测原理图；
40.图10现有将技术中衍射条纹的示意图。
具体实施方式
41.如图1所示，本发明的实施例提供了一种微小物体尺寸检测装置，用于测量丝状被测物体的宽度；其包括：激光发射器1、接收器3、间距调节机构7以及控制模块5，具体的：
42.激光发射器1用于发射平行光束。激光发射器1固定设置，其发出的激光的波长为λ。接收器3具有感光阵列4，用于接收平行光束经过被测物体2后形成的衍射图像。感光阵列4的感光面正对平行光束。
43.夹具6设置在激光发射器1以及接收器3之间，用于夹持被测物体2。间距调节机构7分别与夹具6以及接收器3连接，用于调节感光阵列4与被测物体2的间距。
44.具体实施过程中，间距调节机构7可采用与平行光束平行的丝杆进行实现，为了反馈位置，丝杆上可加装光栅位置传感器以反馈接收器3以及夹具6所处的位置，并据此计算接收器2与被测物体2之间的间距。
45.本实施例中，被测物体为丝状，通过夹具6固定设置在激光发射器1与接收器之间。具体的，夹具6呈v形，被测物体2置于夹具6上，并从夹具6的侧面伸出至平行光束中。夹具6不在平行光束中。
46.在一些实施例中，感光阵列4为线阵ccd，其朝向激光发射器1，并且像素排列方向与被测物体2的长度方向垂直。在检测过程中，感光阵列4被测物体2的间距l与被测物体2的宽度d(直径)之间的比值大于100，以便在无透镜的情况下获得稳定的衍射图像。
47.控制模块5可采用微控制器进行实现，其分别与接收器3以及间距调节机构7电性连接，用于接收感光阵列4接收的衍射图像以及控制间距调节机构7。
48.通过上述装置，平行光束在经过被测物体2后可以在感光阵列4上形成衍射图像。感光阵列4为线阵时，衍射图像为图2所示的衍射条纹。根据衍射条纹中的条纹间距δ，可得到待测物体的宽度d。
49.被测物体2中心所对应的感光阵列4位置附近，观测点相对于被测物体2的中轴线距离较近，夹角a较小，采用tana＝sina＝a近似时，误差较小，因此选取衍射图像的中心区域的条纹进行计算得到的计算结果更精确。
50.此外，如果衍射条纹数量太少、或者条纹间距太密无法分辨，都会引起采样误差。因此需要通过智能算法识别异常情况并微调间距l，以更精确地统计条纹间距，减小统计误差。本实施例采用控制模块5对间距调节机构7进行控制，从而调节被测物体2与感光阵列4之间的距离，以使得感光阵列4接收到的衍射图的条纹间距合要求。
51.为了实现上述功能，控制模块5被配置为：统计衍射图像中的条纹间距，当条纹间距过小时控制间距调节机构7增大感光阵列4与被测物体2的间距，并在条纹间距过大时控
制间距调节机构7减小感光阵列4与被测物体2的间距。当条纹间距符合要求时，根据感光阵列4与被测物体2的间距l、所述平行光束的波长λ以及衍射图像中的条纹信息计算被测物体的宽度。
52.在一些实施例中，采用条纹宽度对应的像素数目表示条纹间距。条纹间距的要求为：条纹间距在10至40个像素的范围内。
53.在调节感光阵列4与被测物体2的间距l的过程中，可仅调节接收器3或夹具6的位置，也依次调节接收器3或夹具6的位置，以使得衍射图像中的条纹间距符合要求。
54.如图1、3所示，本发明的实施例还包括一种微小物体尺寸检测方法，其包括以下步骤：
55.(s1)调整并读取接收器3的位置；
56.(s2)调整并读取夹具6的位置；
57.(s3)通过接收器3的感光阵列4获取衍射图像；当感光阵列4为线阵ccd时，衍射图像为一维波形图；
58.(s4)确定衍射图像的中心；当感光阵列4为线阵ccd时，衍射图像的中心为一维波形的中心；
59.(s5)统计衍射图像中心附近的衍射条纹间距，衍射条纹间距采用条纹宽度对应的像素数目进行表示；
60.(s6)判断条纹间距是否符合要求，若不符合要求，确定感光阵列4与被测物体2的间距l的调整位移量，并跳转至步骤(s1)；
61.(s7)对衍射图像中的条纹进行统计，得到条纹信息；
62.(s8)根据条纹信息、间距l以及平行光束的波长λ计算被测物体的宽度d。
63.在上述步骤(s7)中对干涉图像中的干涉条纹做傅里叶变换，得到本征空间频率v作为条纹信息；并在步骤(s8)中采用公式d＝lvλ计算被测物体的宽度d。
64.在另一些实施例中，(s7)中对干涉图像中心附近的条纹宽度求平均值δ，并将其作为条纹信息；在步骤(s8)中采用公式计算被测物体的宽度d。
65.上述方法可自动定位有效波形区域(中心区域)、判断中心附近干涉条纹质量(通过判断条纹间距)的方法，提高了条纹间距统计的准确性，保证检测精度。
66.在一个具体实施例中，使用波长为660nm红色激光，待测目标物直径为0.2mm的目标物，接收阵列到待测物之间距离为10mm，对应的衍射条纹分布和空间频谱图4所示。
67.其衍射条纹间距约为34um，可用像素尺寸为3um线阵cmos接收阵列较精确地统计得到，经过傅里叶变换后得到其空间本征频率为29300，由此可计算目标物尺寸：
68.d＝lvλ＝10mm*29300m
‑1*660nm＝0.001*29300*660*10
‑9m＝0.193mm
69.对0.1mm的目标物也如此测量，宽度的实测数据如下表所示：
[0070][0071]
可见偏差在10um以内，检测方法具有较好的效果。
[0072]
在另一个具体实施例中：使用波长为660nm红色激光，待测目标物直径为0.5mm的
目标物，接收阵列到待测物之间距离为10mm，对应的衍射条纹分布如图5所示。
[0073]
条纹间距为13.2um，用像素尺寸为3um线阵cmos接收，每个条纹所占的像素数量不到5个，这将导致条纹间距统计误差变大，使用傅里叶变换也不能很好地解决。为此，增大接收阵列到待测物之间距离为50mm，对应的衍射条纹分布如图6所示。
[0074]
条纹间距为66um，用像素尺寸为3um线阵cmos接收，每个条纹所占的像素数量为22个，这将提高条纹间距统计精度。
[0075][0076]
下面结合附图对本实施例中的检测原理进行介绍。
[0077]
图7所示，为现有技术利用衍射原理的传感器的原理图。假设平行光源垂直于待测物体照射，若狭缝或物体尺寸为d，使用相干性很好的激光，将在后方的干涉观测屏上观察到明暗相间的干涉条纹。波长与尺寸d越接近，衍射现象越明显。例如采用波长为0.405um的蓝光激光，若检测物尺寸在1000um以内，将能够清晰地观察到检测条纹。
[0078]
常规的检测原理如图7所示。波长为λ的平行光束入射到宽度为d的狭缝，光线在狭缝后方干涉。
[0079]
在观测屏上一点与狭缝中心的连线与平行光光轴方向的夹角为a的方向上，产生的光程差o为
[0080]
o＝d
·
sina
ꢀꢀꢀ
(1)
[0081]
根据干涉条纹分布规律，在角度满足公式(2)时，干涉相长，出现亮条纹。
[0082]
d
·
sina＝k
·
λ(k＝
±
1，
±
2，
±3……
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0083]
在观测屏前加装焦距为f的透镜，透镜光轴与平行光光轴共线。将观测屏置于透镜焦平面上，这样透镜便可以将相同角度的光汇聚于观测屏的同一点，增强干涉条纹的对比度。此时的透镜执行空间频谱变换的功能，将空间频率相同的光束聚焦到同一点。
[0084]
已知透镜焦距为f，此时的主光线与透镜光轴的夹角仍为a，则有公式(3)成立：
[0085]
tan a＝k
·
δ/f
ꢀꢀꢀ
(3)
[0086]
当夹角a很小时，tan a＝sin a＝a，则联立式(2)和(3)，可得
[0087][0088]
如图8所示，波长为λ的平行光束入射到宽度为d的狭缝，光线在狭缝后方干涉。
[0089]
在观测屏上一点与狭缝中心的连线与平行光光轴方向的夹角为a的方向上，产生的光程差o，由于狭缝尺寸较小，狭缝距离观测屏距离较远，因此可近似认为狭缝上每一处出射的光线相对于观测屏上一点的夹角都相同，因此光程差o也可以表示为：
[0090]
o＝d
·
sina
ꢀꢀꢀ
(5)
[0091]
此时，在没有透镜的情况下，光场也能够稳定干涉，条纹满足干涉条纹分布规律，在角度同样满足公式(2)时，干涉相长，出现亮条纹。
[0092]
此时观测屏与待测物体间距l，则有公式(3)变为：
[0093]
tan a＝k
·
δ/l
ꢀꢀꢀ
(6)
[0094]
同样，当夹角a很小时，tan a＝sin a＝a，则联立式(2)和(6)，可得
[0095][0096]
即在没有透镜的情况下，也可根据条纹间距δ、测量间距l和波长λ近似求得待测物体的尺寸d。
[0097]
统计条纹间距δ可能会有统计误差。因此，要采用多个条纹间距取平均或者对波形进行快速傅里叶变换求其频率的方法，提升条纹间距的统计精度。采用傅里叶变换的方法求得空间频率u，所用的公式如下：
[0098]
d＝lvλ
ꢀꢀꢀ
(8)
[0099]
以上是针对狭缝尺寸检测的原理说明，如果待测尺寸不是狭缝，而是物体，由光学上巴俾涅原理：两个互补屏在衍射场中某点单独产生的复振幅之和等于光波自由传播时该点的复振幅，可知公式(8)同样适用。
[0100]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。