基于光谱共焦及三角法原理的白光测头.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CN104596428A(43)申请公布日(43)申请公布日2015.05.06(21)申请号201310525226.9(22)申请日2013.10.31(71)申请人北京信息科技大学地址100192北京市海淀区清河小营东路12号(72)发明人牛春晖吕勇刘力双李晓英(51)Int.Cl.G01B11/03(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图1页(54)发明名称基于光谱共焦及三角法原理的白光测头(57)摘要本发明公开了一种基于光谱共焦和三角法原理的白光测头系统和方法。本发明中的白光测头由光谱共焦测量模块、三角测量模块、数据处理模块和运动控制模块组成。光谱共焦测量模块完成基于光谱共焦原理的高精度位移测量，并为三角测量模块提供白光点光源；三角测量模块完成基于三角原理的位移测量，并为光谱共焦测量模块提供定位信息，保证被测工件与白光测头距离在光谱共焦测量模块的测量范围之内；数据处理模块完成对光谱共焦测量模块和三角测量模块输出数据的处理和融合，并把结果输出给运动控制模块；运动控制模块根据数据处理模块的计算结果调整白光测头与工件间的距离。本发明提出的基于光谱共焦和三角法原理的白光测头具有体积小、结构紧凑的优点，并可以实现大量程、高精度位移及轮廓测量。CN104596428ACN104596428A权利要求书1/2页1.一种基于光谱共焦和三角法原理的白光测头系统，其由光谱共焦测量模块(1)、三角测量模块(2)、数据处理模块(3)和运动控制模块(4)组成；所述光谱共焦测量模块(1)由白光光源(1A)、Y型光纤(1B)、光谱共焦透镜组(1C)、光谱测量模块(1D)组成；白光光源(1A)耦合到Y型光纤(1B)中，Y型光纤(1B)出射的白光经光谱共焦透镜组(1C)成像到工件上，被工件表面反射的光再经光谱共焦透镜组(1C)聚焦进Y型光纤(1B)，并经Y型光纤(1B)传导到光谱测量模块中(1D)，光谱测量模块(1D)完成回光的光谱测量，并把测量结果发送给所述数据处理模块(3)；所述三角测量模块(2)由成像透镜组(2A)和面阵CCD(2B)组成，实现基于三角法的位移测量；成像透镜组(2A)实现把所述光谱共焦测量模块(1)投影在被测工件表面的白光点成像到面阵CCD(2B)上，面阵CCD(2B)实现白光点像探测并传送到所述数据处理模块(4)；所述数据处理模块(3)包括光谱数据处理模块(3A)、图像数据处理模块(3B)和数据融合模块(3C)。其中，光谱数据处理模块(3A)处理所述光谱共焦测量模块(1)输出的光谱数据，得到光谱峰值；图像数据处理模块(3B)处理所述三角测量模块(2)中的CCD(2B)采集输出的图像数据，提取白光像点中心；数据融合模块(3C)根据光谱数据处理模块(3A)输出的光谱峰值计算位移量，并根据图像数据处理模块(3B)输出的白光像点中心坐标计算位移量，再把两种不同精度的位移量进行融合，实现大量程、高精度位移测量；所述运动控制模块(4)根据所述数据处理模块(3)测量得到的位移数据来控制白光测头相对被测工件(5)的运动，保证测头和被测工件(5)的距离在所述光谱共焦测量模块(1)的测量范围内，并实现动态测量。2.一种采用权利要求1所述白光测头系统进行位移测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：a)光谱共焦测量模块(1)中的白光光源(1A)发出的白光耦合进Y型光纤(1B)中的一个输入端，并从输出端输出，输出的白光经光谱共焦透镜组(1C)聚焦到工件表面；b)聚焦到工件表面的白光被工件反射，部分反射光再次经光谱共焦透镜组(1C)聚焦到Y型光纤(1B)的输出端，经Y型光纤(1B)传输在另一个输入端输出到光谱测量模块(1D)中；c)光谱共焦测量模块(1)中的光谱测量模块(1D)测量Y型光纤(1B)输出的光谱，并传送给数据处理模块(3)中的光谱数据处理模块(3A)，根据光谱共焦原理，得到的光谱是近似高斯型的曲线；d)数据处理模块(3)中光谱数据处理模块(3A)提取光谱曲线的中心波长，并把中心波长值传给数据融合模块(3C)；e)被测工件表面反射的部分反射光经三角测量模块(2)中的成像透镜组(2A)成像到三角测量模块(2)中的CCD(2B)上，CCD(2B)探测图像信息并输出给数据处理模块(3)；f)数据处理模块(3)中的图像数据处理模块(3B)提取图像(一般为圆光斑或椭圆光斑)的中心点，并把中心点坐标值传给数据融合模块(3C)。g)数据处理模块(3)中的数据融合模块(3C)根据光谱数据处理模块(3A)传输的中心波长图计算得到一个被测工件(5)距离测头的距离值，并根据图像数据处理模块(3B)传输的图像中心坐标值计算得到被测工件(5)到测头的另一个距离值，两个距离值具