[发明专利]一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于包括双模测头、宽光谱光源、针孔构件、光纤光路、光谱检测模块以及信号处理模块：

所述双模测头包括色散镜组、分光模块、接触式探针、探针基座、壳体；其中分光模块将光路一分为二，一路用于非接触式距离测量、一路用于精确测定所述接触式探针与工件之间的接触状态；

所述宽光谱光源产生白光，经光纤光路耦合进入色散镜组，并经分光模块在两个方向色散；

所述针孔构件包括多个针孔，所述针孔使得照射并聚焦在测量对象上特定波长的光在经过反射后能够返回所述针孔，从而构成光谱共焦；

所述光谱检测模块用于检测反射光的光谱分布信息，所述信号处理模块用于将两路反射光的光谱分布信息解耦并获得非接触距离测量的距离数据和接触式探针的接触状态；

所述分光模块的参考中心点、所述非接触式距离测量的测量位点、所述接触式探针的接触位点形成一个边长可知的三角形。

2.如权利要求1所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：

所述分光模块有独立的壳体，且与壳体之间采用可拆卸的固定连接方式；

所述分光模块的分光面与所述色散镜组的光轴之间呈一定角度。

3.如权利要求1或2所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：

所述接触式探针包括测杆、球头；测杆的构型包括直肩形测杆和锥形测杆；

所述球头位于测杆的测量端部，测杆的固定端部与探针基座相连；

所述探针基座与接触式探针之间采用可拆卸的固定方式；

所述探针基座具有一个平端面，粗糙度Ra优于0.5微米，平面度优于0.5个波长；所述平端面的位置在光谱共焦的工作距离处，误差小于光谱共焦测距量程的十分之一；

所述探针基座与分光模块的壳体连接在一起，当所述接触式探针接触到测量对象时，可使二者之间产生微小移动；

所述测杆和球头均采用刚性强的材料，测杆材料包括陶瓷、碳化钨；球头材料包括红宝石、氮化硅、氧化锆、碳化钨。

4.如权利要求3所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：

光纤光路包括第一光纤、第二光纤、第三光纤和光纤耦合器，且第二光纤的端部是针孔；

光纤耦合器具有入光口、出光口、耦合口三个端口；第一光纤的一端接到宽光谱光源，另一端接入光纤耦合器的入光口；第二光纤的一端连接到光纤耦合器的耦合口，另一端接入双模测头；第三光纤的一端接入光纤耦合器的出光口，另一端接到光谱检测模块；宽光谱光源产生的复合光先后经第一光纤、光纤耦合器、第二光纤进入双模测头，并经由色散镜组照射在分光模块上。

5.如权利要求4所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：

该装置包括多个光纤光路，其中多个第二光纤组成针孔构件；所述针孔构件具有与第二光纤数量一致的针孔；多个针孔分布在色散镜组的像方焦平面的不同位置；耦合进入第二光纤的光经针孔射出，并经过色散镜组后发生轴向色散，不同波长的光聚焦在不同的轴向位置；不同的针孔射出并经过色散镜组的光聚焦在不同的物方焦平面位置；具有三个及以上的针孔，且任意三个所述针孔在空间分布上不共线。

6.如权利要求5所述的一种基于光谱共焦原理的几何量精密测量装置，其特征在于：

不同的针孔射出的光经过色散镜组和分光模块后，特定波长的光聚焦到探针基座的平端面的不同位置；特定波长的光经平端面反射后，依次通过分光模块、色散镜组、针孔、第二光纤、光纤耦合器、第三光纤，最终进入光谱检测模块；光谱检测模块获取平端面反射光的光谱分布信息，并得到对应聚焦位置的距离值。