【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及精密光学测量，尤其涉及一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚系统及方法。
技术介绍
1、随着科学技术和精密制造业的快速发展，对各类透明材料制品的三维形貌精密测量提出了更高的要求。光谱共焦传感器作为近些年来发展起来的一种光学非接触式位移传感器，被广泛应用于工业自动化领域。由于具备能够突破光学衍射极限，实现超分辨测量的特点，其测量精度往往可达数十纳米。然而，包括手机屏幕在内的各类透明平板零件除单侧形貌需要表征外，厚度也是决定其工作性能的重要参数，传统的测量方法往往需要通过对射的方式来进行差值比较获得透明平板零件的厚度。
2、中国专利申请cn111928788a公开了一种双向对射光谱共焦平板厚度检测系统及其双光轴校准方法，通过在被测平板两侧分别设置光谱共焦探头并精调五轴位移平台使两探头位于同一轴线上，最后再经过平行度校准后用于被测平板的厚度测量。然而这种方式却存在测量装置复杂、装配和操作流程繁琐、成本高昂、难以实现自动化检测等众多缺点。中国专利申请cn112229338a公开了一种无标准片对零的双光谱共焦测量厚度方法，此方法通过对两传感器互设参考面来避免对射测厚中需采用标准厚度片进行对零的过程。此方法虽然省去了装置对零测厚的过程，却也引入了传感器需互设参考面这一额外操作流程，同时该方法也存在上述提到的对射测厚方法当中存在的一系列缺点。
3、除上述问题外，目前已公开的光谱共焦透明平板厚度测量方法均为单点测量方式，需通过附加二维精密扫描平台来测量透明平板零件的二维厚度分布情况，测量效率十分低下。p>
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚系统及方法。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚系统，包括宽谱线阵led光源、光纤束、狭缝、对称式共焦线色散镜组、线成像光谱仪、微处理器、探头固定支架和二维精密平移台。
4、所述宽谱线阵led光源发出的光经光纤束传导后，通过狭缝成为理想线光源，再经过对称式共焦线色散镜组后在共焦面上发生色散，在透明板表面聚焦的线形光斑会反射回对称式共焦线色散镜组，并由线成像光谱仪分光，通过微处理器对光谱-距离映射关系进行解码获得测量值，所述对称式共焦线色散镜组竖直固定于探头固定支架上，被测透明板设置于二维精密平移台上。
5、进一步的，所述对称式共焦线色散镜组能够将经狭缝后的理想线光源以不同的波长成像在共焦面上不同深度的位置处，聚焦线长与狭缝长度相同为2～10mm，成像的色散深度范围为1～6mm。
6、进一步的，所述的被测透明板为被测透明平板、多层透明平板、透明复合材料板或透明曲面板。
7、一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚方法，包括以下步骤：
8、s1:将对称式共焦线色散镜组竖直固定在探头固定支架上，被测透明平板设置于二维精密平移台上，使用由若干个在工作波段光谱分布均匀且高亮度的led光源排列成宽谱线阵led光源，经光纤束传导并通过狭缝后变成具有和狭缝等长度的理想宽谱线光源；
9、s2:光束经过对称式共焦线色散镜组的出射镜组后，在垂直于被测表面的共焦面上发生均匀色散，即将上述宽谱线光源的不同波长成像在不同的聚焦深度处，恰好聚焦于透明平板上下表面的光线将反射回对称式共焦线色散镜组的入射镜组，而其余离焦的光线只能形成弥散斑，反射光强极弱；
10、s3:对称式共焦线色散镜组的入射镜组接收反射光后，再将反射光线成像到线成像光谱仪中进行分光解码，建立反射光谱峰值波长与反射深度之间的映射关系；
11、s4:使用微处理器进行数据分析处理，定位透明平板上下表面反射光谱的峰值波长，并根据线光谱厚度测量模型计算被测样品的厚度；
12、s5:通过控制二维精密平移台进行往返扫描运动，可以实现被测透明平板的二维全域厚度的测量。
13、进一步的，所述线光谱厚度测量模型的表达式为：式中t(θ)表示入射角为θ时光线的反射率占所有分析光线反射率总和的比例，n(λ)为波长λ下透明平板的折射率，θ为入射光线束对应的入射角，光线束入射角范围在θmin和θmax之间，δθ为θmax和θmin之间的差值，dx′为反射光谱中透明平板上下表面对应的峰值波长的距离测量结果的差值。
14、进一步的，控制二维精密平移台进行往返扫描运动时需保证每次扫描行程之间存在一定的重复扫描区域，并依据重复扫描区域透明平板的上表面三维点云形貌数据，采用迭代最近点算法进行拼接，并将测得的二维厚度数据通过上表面点云形貌数据进行映射，实现透明平板二维厚度测量。
15、进一步的，线光谱厚度测量模型还可以推广应用于多层透明平板以及透明复合材料的厚度测量当中。
16、进一步的，测量类型还包括透明曲面二维厚度，通过增加探头固定支架的摆动自由度，控制对称式共焦线色散镜组在扫描运动过程中近似保持在透明曲面上表面的法平面位置上，可以实现对透明曲面的二维厚度测量。
17、本专利技术的有益效果为：
18、1)提出一种适用于对称式共焦线色散镜组的透明平板线厚度测量方法，能够通过单次单侧检测同时获得共焦线上所有测量点的厚度值，装置简单，易于操作。
19、2)将被测透明平板设置在二维精密平移台上，还可以实现大面积透明平板二维表面面型及其厚度的高效测量，方便集成到自动化生产线当中。
20、3)通过为探头固定支架增加摆动自由度，所提出的方法还可应用于弯曲透明平板的厚度测量当中。
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1.一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚系统，其特征在于：包括宽谱线阵LED光源、光纤束、狭缝、对称式共焦线色散镜组、线成像光谱仪、微处理器、探头固定支架和二维精密平移台；
2.根据权利要求1所述的一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚系统，其特征在于：所述对称式共焦线色散镜组能够将经狭缝后的理想线光源以不同的波长成像在共焦面上不同深度的位置处，聚焦线长与狭缝长度相同为2～10mm，成像的色散深度范围为1～6mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚系统，其特征在于：所述的被测透明板为被测透明平板、多层透明平板、透明复合材料板或透明曲面板。
4.一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚方法，其特征在于，所述线光谱厚度测量模型的表达式为：式中t(θ)表示入射角为θ时光线的反射率占所有分析光线反射率总和的比例，n(λ)为波长λ下透明平板的折射率，θ为入射光线束对应的入射角，光线束入射角范围在θmin和θm
6.根据权利要求4所述的一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚方法，其特征在于，控制二维精密平移台进行往返扫描运动时需保证每次扫描行程之间存在重复扫描区域，并依据重复扫描区域透明平板的上表面三维点云形貌数据，采用迭代最近点算法进行拼接，并将测得的二维厚度数据通过上表面点云形貌数据进行映射，实现透明平板二维厚度测量。
7.根据权利要求4所述的一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚方法，其特征在于，应用于多层透明平板以及透明复合材料的厚度测量当中。
8.根据权利要求4所述的一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚方法，其特征在于，应用于测量透明曲面板二维厚度，通过增加探头固定支架的摆动自由度，控制对称式共焦线色散镜组在扫描运动过程中近似保持在透明曲面上表面的法平面位置上，实现对透明曲面的二维厚度测量。
...【技术特征摘要】
1.一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚系统，其特征在于：包括宽谱线阵led光源、光纤束、狭缝、对称式共焦线色散镜组、线成像光谱仪、微处理器、探头固定支架和二维精密平移台；
2.根据权利要求1所述的一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚系统，其特征在于：所述对称式共焦线色散镜组能够将经狭缝后的理想线光源以不同的波长成像在共焦面上不同深度的位置处，聚焦线长与狭缝长度相同为2～10mm，成像的色散深度范围为1～6mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚系统，其特征在于：所述的被测透明板为被测透明平板、多层透明平板、透明复合材料板或透明曲面板。
4.一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚方法，其特征在于，所述线光谱厚度测量模型的表达式为：式中t(θ)表示入射角为θ时光线的反射率占所有分析光线反射率总和的比例，n(λ)为波长λ下透明平板的折射...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘钧，吴佳君，戴霖，陈旺，吕奕楷，郑泽培，
申请(专利权)人：苏州创视智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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