一种光谱共焦信号采集方法

技术领域

本发明涉及基于光谱共焦技术的测量方法，具体涉及一种光谱共焦信号采集方法。

背景技术

光谱共焦技术通过建立反射光谱中峰值波长与被测表面位置之间的对应关系，实现位移传感和测量。光谱共焦技术作为一种光电非接触式位移测量技术，与传统的接触式、电磁非接触式测量技术相比，具有高精度，高稳定性，对测量表面的材质以及加工纹理不敏感，不存在测量位置错位等优点。因此光谱共焦技术在位移、形貌、表面粗糙度和薄膜及透明材料厚度测量等方面具有一定优势。

光谱共焦采集系统包括光源、样品、耦合器、色散物镜、分光模块、光谱探测元件、控制采集电路和信号处理电路，光源的输出光通过色散物镜产生轴向色散，建立光谱聚焦位置与反射峰峰值波长间的对应关系，利用光谱探测元件探测聚焦于样品表面并反射回来的色散光谱，解码色散光谱中的反射峰峰值波长，即可计算并获得精确的轴向位置或微小位移数据。然而，从光谱探测元件中读取的一帧光谱信号中，只有小部分信号是用于计算反射峰峰值波长的有效信号，其余的光谱信号都是无用信号。在信号采集时对所有光谱信号进行采集会降低采集效率，影响光谱探测元件的工作速度。

发明内容

本发明的目的是解决光谱共焦采集系统的工作过程中，从光谱探测元件中读取的一帧光谱信号中，只有小部分信号是用于计算反射峰峰值波长的有效信号，其余的光谱信号都是无用信号，导致信号采集效率较低的不足之处，而提供一种光谱共焦信号采集方法。

为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：

一种光谱共焦信号采集方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

步骤1、初始数据捕获阶段；

通过全采样获取多个初始测量点上的光谱信号，通过光谱信号计算多个初始测量点的反射峰峰值波长及其对应初始测量点的位置，并将对应反射峰峰值波长储存在预测数组中；

步骤2、跟踪测量阶段；

步骤2.1、设置变量A和a，并令a＝1，A为窗口调整间隔，即每采集A个测量点调整一次反射峰采集窗口宽度，a为在最近一次反射峰采集窗口宽度调整后已采集的测量点数量；A为大于1的整数；

步骤2.2、根据预测数组的所有反射峰峰值波长建立反射峰位置预测函数，并利用反射峰位置预测函数预测下一个测量点的反射峰峰值波长；

步骤2.3、判断A和a是否相等，若是，则调整反射峰采集窗口的窗口宽度，然后执行步骤2.4；否则保持反射峰采集窗口的窗口宽度不变，令a＝a+1，然后执行步骤2.4；

步骤2.4、根据步骤2.2的反射峰峰值波长和步骤2.3窗口宽度，建立反射峰采集窗口，并采集反射峰采集窗口内所有光谱信号；

步骤2.5、判断步骤2.4得到的光谱信号是否包含完整的反射峰，若是，则说明预测正确，执行步骤2.7，否则说明预测错误，执行步骤2.6；

步骤2.6、采集当前帧的全部光谱信号，并进行预处理，得到下一个测量点的反射峰峰值波长估计值，根据反射峰峰值波长估计值建立反射峰采集窗口，并采集反射峰采集窗口内所有光谱信号；

步骤2.7、预处理反射峰采集窗口内所有光谱信号，并计算反射峰峰值波长，进而得到下一个测量点的位置，然后将反射峰峰值波长存储在预测数组中，返回步骤2.2，直至测量结束。

进一步地，步骤2.2中，所述根据预测数组的所有反射峰峰值波长建立反射峰位置预测函数具体为：利用m阶多项式拟合预测数组的所有反射峰峰值波长，建立反射峰位置预测函数如下：

f(x)为第x个测量点的反射峰峰值波长，i为多项式中x的指数，即x的i次方，n为预测数组的反射峰峰值波长储存数量；m为多项式阶数，a

进一步地，步骤2.3中，所述调整反射峰采集窗口的窗口宽度具体为：

步骤2.3.1、计算最近的A个已测量点的窗口宽度可变捕获跟踪算法的预测准确率P

其中，n

步骤2.3.2、利用窗口宽度可变捕获跟踪算法，根据预测准确率P

其中，W

进一步地，所述步骤1初始数据捕获阶段具体如下：

步骤1.1、设置多个初始测量点，通过全采样获取每个初始测量点上的光谱信号，作为当前帧数据；

步骤1.2、预处理当前帧数据；

步骤1.3、根据预处理后的当前帧数据得到多个初始测量点对应的反射峰峰值波长估计值，所述反射峰峰值波长估计值的误差范围为[-k nm，+k nm]，k的取值与光谱探测元件的分辨率相等；

步骤1.4、根据反射峰峰值波长估计值建立反射峰采集窗口，并采集反射峰采集窗口内所有光谱信号；所述反射峰采集窗口的窗口宽度大于反射峰的半高全宽像素数，且小于线阵CMOS图像传感器像素总数的10％；

步骤1.5、利用反射峰采集窗口内所有光谱信号计算反射峰峰值波长，通过反射峰峰值波长与实际聚焦位置的关系得到多个初始测量点的位置；

步骤1.6、将步骤1.5中得到的反射峰峰值波长储存在预测数组中；

步骤1.7、判断预测数组是否已满，若是，则结束初始数据捕获，执行步骤2.1；否则返回步骤1.1。

进一步地，所述步骤1.2具体为：去除当前帧数据的背景噪声和随机噪声。

进一步地，所述步骤2.7具体为：

步骤2.7.1、预处理反射峰采集窗口内所有光谱信号；

步骤2.7.2、利用反射峰采集窗口内所有光谱信号计算反射峰峰值波长，通过反射峰峰值波长与光谱聚焦位置的关系得到下一个测量点的位置；

步骤2.7.3、将步骤2.7.2的反射峰峰值波长存储在预测数组中，返回步骤2.2，直至测量结束。

进一步地，步骤2.6、步骤2.7中，所述预处理包括去除背景噪声和随机噪声。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种光谱共焦信号采集方法，仅需要采集光谱信号中含有反射峰信号的部分，极大地提高了采集效率，并能保持测量精度；在保留了光谱共焦技术优势的同时，提高了光谱共焦采集系统的工作速度；此外还可以通过使用不同反射峰位置预测函数或不同窗口宽度可变捕获跟踪算法，以适配不同类型形貌的高速测量。

附图说明

图1是一种现有光谱共焦采集系统的结构示意图；

图2是本发明一种光谱共焦信号采集方法实施例中初始数据捕获阶段的流程图；

图3是本发明实施例中跟踪测量阶段的流程图；

图4是本发明实施例在采用不同步长模拟测量光滑斜面时的效率提升曲线；

图5是本发明实施例在采用不同步长模拟测量光滑抛物面时的效率提升曲线；

图6是本发明实施例在采用不同步长模拟测量光滑弧面时的效率提升曲线。

附图标记说明如下：01-白光光源；02-样品；03-2×2光纤耦合器；04-色散物镜；05-分光模块；06-线阵CMOS图像传感器；07-控制采集电路；08-信号处理电路。

具体实施方式

下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。

如图1所示，一种现有光谱共焦采集系统包括白光光源01、样品02、2×2光纤耦合器03、色散物镜04、分光模块05、线阵CMOS图像传感器06、控制采集电路07和信号处理电路08。其中，线阵CMOS图像传感器06是系统的核心器件，线阵CMOS图像传感器06的像素数和像素大小决定了整个系统的采集分辨率和采集质量，反射峰峰值波长与光谱聚焦位置之间的关系是通过色散物镜04轴向色散的编码和解码实现。

参照图2、图3，本发明公开一种光谱共焦信号采集方法，包括如下步骤：

步骤1、初始数据捕获阶段；

步骤1.1、设置多个初始测量点，通过全采样获取每个初始测量点上的光谱信号，作为当前帧数据；

步骤1.2、预处理当前帧数据；

去除当前帧数据的背景噪声和随机噪声；

步骤1.3、根据预处理后的当前帧数据得到多个初始测量点对应的反射峰峰值波长估计值，所述反射峰峰值波长估计值的误差范围为[-k nm，+k nm]，k的取值与线阵CMOS图像传感器06的分辨率相等；

步骤1.4、根据反射峰峰值波长估计值建立反射峰采集窗口，并采集反射峰采集窗口内所有光谱信号；所述反射峰采集窗口的窗口宽度大于反射峰的半高全宽(FWHM)像素数，且小于线阵CMOS图像传感器06像素总数的10％；

步骤1.5、利用反射峰采集窗口内所有光谱信号计算反射峰峰值波长，通过反射峰峰值波长与光谱聚焦位置的关系得到多个初始测量点的位置；

所述反射峰峰值波长与光谱聚焦位置的关系是指色散物镜04将不同波长的光线聚焦到光轴方向上的不同位置，聚焦点波长与聚焦点轴向位置的关系；

步骤1.6、将步骤1.5中得到的反射峰峰值波长储存在预测数组中；

步骤1.7、判断预测数组是否已满，若是，则结束初始数据捕获，执行步骤2.1；否则返回步骤1.1；

步骤2、跟踪测量阶段；

步骤2.1、设置变量A和a，并令a＝1，A为窗口调整间隔，即每采集A个测量点调整一次反射峰采集窗口宽度，a为在最近一次反射峰采集窗口宽度调整后已采集的测量点数量；A为大于1的整数；

步骤2.2、利用m阶多项式拟合预测数组的所有反射峰峰值波长，建立反射峰位置预测函数，并利用反射峰位置预测函数预测下一个测量点的反射峰峰值波长；

所述反射峰位置预测函数为：

f(x)为第x个测量点的反射峰峰值波长，i为多项式中x的指数，即x的i次方，n为预测数组的反射峰峰值波长储存数量；m为多项式阶数，a

在其他实施例中，也可以采用周期函数拟合预测数组的所有反射峰峰值波长，建立反射峰位置预测函数，采用反射峰位置预测函数预测下一个测量点的反射峰峰值波长；

或者，采用序列频域特征分析方法、机器学习算法根据预测数组的所有反射峰峰值波长建立并训练预测模型，采用预测模型预测函数预测下一个测量点的反射峰峰值波长；

步骤2.3、判断A和a是否相等，若是，则调整反射峰采集窗口的窗口宽度，然后执行步骤2.4；否则保持反射峰采集窗口的窗口宽度不变，令a＝a+1，然后执行步骤2.4；

所述反射峰采集窗口的窗口宽度大于反射峰的半高全宽(FWHM)像素数，且小于线阵CMOS图像传感器06像素总数的10％；

所述调整反射峰采集窗口的窗口宽度具体为：

步骤2.3.1、计算最近的A个已测量点的窗口宽度可变捕获跟踪算法的预测准确率P

其中，n

步骤2.3.2、利用窗口宽度可变捕获跟踪算法，根据预测准确率P

其中，W

步骤2.4、根据步骤2.2的反射峰峰值波长和步骤2.3窗口宽度，建立反射峰采集窗口，并采集反射峰采集窗口内所有光谱信号；

步骤2.5、判断步骤2.4得到的光谱信号是否包含完整的反射峰，若是，则说明预测正确，执行步骤2.7，否则说明预测错误，执行步骤2.6；

步骤2.6、采集当前帧的全部光谱信号，并进行预处理，得到下一个测量点的反射峰峰值波长估计值，根据反射峰峰值波长估计值建立反射峰采集窗口，并采集反射峰采集窗口内所有光谱信号；

步骤2.7、预处理反射峰采集窗口内所有光谱信号，并计算反射峰峰值波长，进而得到下一个测量点的位置，然后将反射峰峰值波长存储在预测数组中，返回步骤2.2，直至测量结束；

峰采集窗口内所有光谱信号；

步骤2.7.2、利用反射峰采集窗口内所有光谱信号计算反射峰峰值波长，通过反射峰峰值波长与光谱聚焦位置的关系得到下一个测量点的位置；

步骤2.7.3、将步骤2.7.2的反射峰峰值波长存储在预测数组中，返回步骤2.2，直至测量结束。

下面对本发明实施例提供的一种光谱共焦信号采集技术进行评价，评价的指标为提升效率，计算方法如下：

其中N为跟踪测量阶段的采样总次数，T为线阵CMOS图像传感器06全采样时读取的一帧数据量，其取值根据线阵CMOS图像传感器06的型号确定，n

本发明实施例对三种不同的光滑表面类型进行了模拟：光滑斜面、光滑抛物面和光滑弧面，分别为40mm、40mm和20mm，光滑斜面和光滑抛物面的测量步长为80μm、40μm和20μm，光滑弧面的测量步长为40μm、20μm和10μm，每种光滑表面类型都进行了20次模拟测量，预测数组的反射峰峰值波长数量为3到20，初始采集窗口宽度设置为61像素。

最终模拟结果如图4至图6所示，可以看出本发明在光滑斜面、光滑抛物面和光滑弧面上都能保持较高的提升效率，除了个别预测数组长度，在其他长度情况下，提升效率始终保持在44.5倍左右。

这些结果表明了本发明在光滑表面上的卓越性能，本发明能准确跟踪预定目标，并在不同预测数组长度上实现显著的效率提升。