本(ben)發明涉及高精度位移(yi)測量方(fang)法，尤其涉及一種基于超表面的光譜共焦位移(yi)測量方(fang)法、裝(zhuang)置(zhi)及存儲介質。

背景技術：

1、隨著科(ke)技的(de)(de)(de)不斷發展，非(fei)接(jie)(jie)觸高(gao)(gao)精(jing)度(du)位移(yi)測(ce)量(liang)(liang)已(yi)逐(zhu)漸成為先進制造的(de)(de)(de)主(zhu)要(yao)精(jing)密測(ce)量(liang)(liang)手段。現有的(de)(de)(de)非(fei)接(jie)(jie)觸測(ce)量(liang)(liang)方(fang)(fang)法包括(kuo)激(ji)(ji)光(guang)共焦、線激(ji)(ji)光(guang)、結(jie)構光(guang)等(deng)，但(dan)這些測(ce)量(liang)(liang)方(fang)(fang)法都存在(zai)測(ce)量(liang)(liang)效(xiao)率低、精(jing)度(du)低、難以實現高(gao)(gao)反光(guang)面(mian)測(ce)量(liang)(liang)，無法測(ce)量(liang)(liang)具有高(gao)(gao)曲率過渡特(te)征等(deng)一個或(huo)幾個方(fang)(fang)面(mian)的(de)(de)(de)缺(que)陷(xian)，導致難以適用于零(ling)部件的(de)(de)(de)高(gao)(gao)效(xiao)高(gao)(gao)精(jing)度(du)檢測(ce)需要(yao)。

2、目前，由于光譜共(gong)焦傳感(gan)技術具有光斑直徑小、探頭容差極限(xian)角大、測頭體積小、軸向層析能力等(deng)(deng)顯著優勢，被(bei)廣泛應(ying)用在電子(zi)制造(zao)、航空航天、激光核聚變、汽車、生(sheng)物、ic制造(zao)等(deng)(deng)各(ge)個領域(yu)的零部件(jian)測量。

3、然(ran)而，傳(chuan)統的透鏡式光(guang)譜(pu)共焦位移傳(chuan)感器由于鏡片材料和(he)結(jie)構(gou)的限制，存在探頭(tou)體積大、質量(liang)重等缺陷(xian)，導致無法應(ying)用于微(wei)孔、間隙等具(ju)有高精度(du)、嚴格要(yao)求的微(wei)小尺寸測量(liang)領域。

4、因此，亟需開發出一種可以(yi)測(ce)量(liang)微小(xiao)尺寸的(de)非接觸(chu)高精度光(guang)譜(pu)共焦位移(yi)測(ce)量(liang)技術。

技術實現思路

1、本發明提供一種基(ji)于超表面(mian)的光譜共焦位移測(ce)量方法、裝置及存儲介質(zhi)，用(yong)以解(jie)決傳統的透鏡式(shi)光譜共焦位移傳感器無法應用(yong)于微(wei)孔(kong)、間隙等(deng)具有高(gao)精(jing)度、嚴格要求(qiu)的微(wei)小尺寸測(ce)量領(ling)域的問題(ti)。

2、第一方(fang)面，本發(fa)明提供一種(zhong)基于超表面的光譜共焦位移測(ce)量方(fang)法(fa)，所述(shu)方(fang)法(fa)包括：

3、將超表面(mian)與準直(zhi)鏡相對設置(zhi)，利用超表面(mian)上的微納結(jie)構使通過準直(zhi)鏡的寬波段平行光的不(bu)同波長具備(bei)不(bu)同的焦(jiao)距(ju)，得(de)到焦(jiao)距(ju)序列(lie)；

4、當被測物(wu)體位(wei)于焦距(ju)序(xu)(xu)列內時，通過光譜(pu)儀(yi)獲得(de)(de)光譜(pu)信號，輸出波長序(xu)(xu)列數(shu)據和光強(qiang)序(xu)(xu)列數(shu)據，并基(ji)于所(suo)述(shu)波長序(xu)(xu)列數(shu)據和所(suo)述(shu)光強(qiang)序(xu)(xu)列數(shu)據得(de)(de)到測量結(jie)果；

5、其(qi)中，所述(shu)微(wei)納結(jie)構(gou)(gou)的排列方式根(gen)據微(wei)納結(jie)構(gou)(gou)的工作相位(wei)及工作焦距(ju)、以及所述(shu)寬(kuan)波段(duan)平行(xing)光的工作波長確(que)定；所述(shu)微(wei)納結(jie)構(gou)(gou)的工作相位(wei)根(gen)據微(wei)納結(jie)構(gou)(gou)尺寸、所述(shu)寬(kuan)波段(duan)平行(xing)光的工作波長、空氣折射(she)(she)率(lv)、微(wei)納結(jie)構(gou)(gou)材(cai)料折射(she)(she)率(lv)確(que)定。

6、進一步的，所述排列方式(shi)的確定方式(shi)包括：

7、；

8、其(qi)中，表(biao)(biao)示(shi)工(gong)作相位；表(biao)(biao)示(shi)工(gong)作波長(chang)；表(biao)(biao)示(shi)工(gong)作焦距；建立以超(chao)表(biao)(biao)面(mian)圓(yuan)心為原點(dian)的極坐標，表(biao)(biao)示(shi)超(chao)表(biao)(biao)面(mian)的半徑或方向上的坐標。

9、進一步的，所(suo)述工(gong)作相位的確定方式包括(kuo)：

10、；

11、其中，表(biao)(biao)(biao)示(shi)微(wei)納結(jie)構(gou)的(de)工作相位；表(biao)(biao)(biao)示(shi)所述寬波(bo)段平行光的(de)工作波(bo)長；表(biao)(biao)(biao)示(shi)超(chao)表(biao)(biao)(biao)面(mian)有效(xiao)折射率(lv)，，材料(liao)(liao)表(biao)(biao)(biao)示(shi)微(wei)納結(jie)構(gou)材料(liao)(liao)折射率(lv)，表(biao)(biao)(biao)示(shi)空氣(qi)折射率(lv)；表(biao)(biao)(biao)示(shi)微(wei)納結(jie)構(gou)在(zai)周期空間中的(de)橫截面(mian)占比；h表(biao)(biao)(biao)示(shi)微(wei)納結(jie)構(gou)高度(du)。

12、進一步(bu)的(de)(de)，所(suo)述焦距序列的(de)(de)獲取方式包括：

13、獲取中心波長以及對應(ying)的中心焦距值，根(gen)據微納結構(gou)排(pai)列方式得到相位曲線；

14、基于所述相(xiang)位(wei)曲線(xian)、方向上的坐標及方向上微納結(jie)構周(zhou)期空間個(ge)數(shu)對焦(jiao)距計算(suan)模型進行求解，得到其他焦(jiao)距值；

15、將(jiang)所述中(zhong)心焦(jiao)距值和所述其他焦(jiao)距值排(pai)列得到焦(jiao)距序列。

16、進一步(bu)的(de)，所述焦距計算模型為(wei)：

17、；

18、其中(zhong)(zhong)，，，表(biao)示(shi)(shi)波(bo)長序列數據，表(biao)示(shi)(shi)中(zhong)(zhong)心(xin)波(bo)長；，，表(biao)示(shi)(shi)焦距序列，表(biao)示(shi)(shi)中(zhong)(zhong)心(xin)焦距值；表(biao)示(shi)(shi)由中(zhong)(zhong)心(xin)波(bo)長和中(zhong)(zhong)心(xin)焦距值得到的相位曲線，，表(biao)示(shi)(shi)方向(xiang)上(shang)的坐(zuo)標，表(biao)示(shi)(shi)方向(xiang)上(shang)微納結(jie)構周(zhou)期空(kong)間個數。

19、進一步的，所述(shu)求(qiu)解包括(kuo)：

20、對焦距計算模(mo)型進行(xing)取偏導：

21、；

22、其(qi)中，表示第次迭(die)代的焦距值；迭(die)代公式為：。

23、進一步的，基于所(suo)述(shu)波長序列數據和所(suo)述(shu)光強序列數據得到(dao)測量結(jie)果包括：

24、根據所(suo)(suo)述波長序列數據和(he)所(suo)(suo)述光強序列數據計算得(de)到峰值波長；

25、根據所(suo)述峰值波長(chang)計算得(de)到測(ce)量結果(guo)。

26、進一步的，所述微納(na)結構的橫截面(mian)為中心對稱形狀。

27、第二方面(mian)，本發(fa)明提供一種基于超表(biao)面(mian)的(de)光(guang)譜(pu)(pu)共焦位(wei)移測量裝置(zhi)，所(suo)述(shu)裝置(zhi)包括光(guang)源組件(jian)、準直鏡、超表(biao)面(mian)、光(guang)譜(pu)(pu)儀和(he)分析(xi)模塊，用于執行(xing)上述(shu)任一項所(suo)述(shu)方法的(de)步驟(zou)。

28、第二方(fang)面，本發(fa)明提(ti)供一種計算機可讀(du)存儲介質，其(qi)上存儲有計算機程(cheng)序/指令，該計算機程(cheng)序/指令被處(chu)理器執行時(shi)實現上述(shu)(shu)任一項所述(shu)(shu)方(fang)法的步(bu)驟(zou)。

29、總體而言，本發(fa)(fa)明提供一(yi)種基(ji)于(yu)超(chao)表面(mian)的光譜共焦位移測量(liang)方法、裝(zhuang)置(zhi)及存儲介質，通過本發(fa)(fa)明所構思的技術(shu)方案，與(yu)現有技術(shu)相比能夠取(qu)得下列有益效(xiao)果(guo)：

30、（1）通過使(shi)用超表面進(jin)(jin)行光場色散調控(kong)，無(wu)需對透鏡進(jin)(jin)行像差優化，僅(jin)需對相(xiang)位進(jin)(jin)行設計；與(yu)傳統透鏡相(xiang)比，不僅(jin)體積小，質(zhi)量(liang)輕(qing)，可用于如微(wei)(wei)孔(kong)、間(jian)隙等(deng)微(wei)(wei)孔(kong)結構(gou)，以及對測(ce)量(liang)設備(bei)體積和質(zhi)量(liang)等(deng)有高精度、嚴格要求的測(ce)量(liang)項目。

31、（2）本發明的(de)微(wei)納結構設計(ji)(ji)方(fang)式(shi)，可(ke)(ke)以將(jiang)超(chao)表面的(de)相位(wei)設計(ji)(ji)拓(tuo)寬到3000rad，進而(er)(er)將(jiang)超(chao)表面的(de)直徑拓(tuo)寬到厘米級別，解(jie)決(jue)了傳統方(fang)式(shi)所設計(ji)(ji)的(de)超(chao)表面直徑有限(xian)，相位(wei)調控(kong)(kong)受(shou)到微(wei)納結構限(xian)制的(de)問(wen)題，從而(er)(er)實現大范圍光(guang)場色散(san)調控(kong)(kong)，量(liang)程設計(ji)(ji)更加靈活，鏡組(zu)簡單(dan)，測量(liang)范圍大，可(ke)(ke)從1微(wei)米到10000微(wei)米。

技術特征：

1.一種基于超表面的光(guang)譜共焦位(wei)移(yi)測量方法，其(qi)特征在于，所述(shu)方法包(bao)括：

2.根據權利要求1所(suo)述的一種基于(yu)超(chao)表面的光譜共(gong)焦位移測量方法，其特征在于(yu)，所(suo)述排列方式(shi)的確定方式(shi)包括：

3.根據權利要(yao)求1或2所(suo)述的(de)(de)(de)一種基于超表面的(de)(de)(de)光(guang)譜共焦位(wei)移測量(liang)方(fang)法，其特征在于，所(suo)述工(gong)作相位(wei)的(de)(de)(de)確定方(fang)式包括：

4.根據權利要求2所述的(de)一種基于(yu)超表面的(de)光譜(pu)共焦(jiao)位(wei)移(yi)測量方(fang)法，其特征(zheng)在于(yu)，所述焦(jiao)距(ju)序(xu)列(lie)的(de)獲取方(fang)式包括：

5.根據權利要求(qiu)4所(suo)(suo)述的一種(zhong)基于超表面的光譜共焦位移(yi)測量方法，其特征(zheng)在于，所(suo)(suo)述焦距計算模型為：

6.根據權(quan)利(li)要求5所(suo)(suo)述的一種基(ji)于超表面的光譜(pu)共焦位移測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)，其特征在于，所(suo)(suo)述求解包括(kuo)：

7.根據權利要求1所述(shu)(shu)的(de)(de)一種基(ji)于超表面的(de)(de)光譜共焦位移測量方法，其特征在(zai)于，基(ji)于所述(shu)(shu)波長序列數(shu)(shu)據和所述(shu)(shu)光強序列數(shu)(shu)據得到測量結果包括(kuo)：

8.根據權利(li)要求1所(suo)述(shu)的(de)一種基于(yu)(yu)超表面的(de)光譜共焦位移測量(liang)方法(fa)，其(qi)特(te)征在于(yu)(yu)，所(suo)述(shu)微納(na)結構的(de)橫(heng)截面為中心對(dui)稱形狀。

9.一種基(ji)于超(chao)表面的光(guang)(guang)譜共焦位移測量裝置，其特征在(zai)于，所述裝置包括光(guang)(guang)源(yuan)組件、準直鏡、超(chao)表面、光(guang)(guang)譜儀和分析模(mo)塊(kuai)，用于執行(xing)如權利要求1～8任一項所述方法的步驟。

10.一(yi)種計(ji)算機(ji)可讀存(cun)儲介質(zhi)，其(qi)上存(cun)儲有計(ji)算機(ji)程序(xu)/指令，其(qi)特征(zheng)在于，該計(ji)算機(ji)程序(xu)/指令被處理器(qi)執行時實(shi)現(xian)權利要(yao)求1～8任一(yi)項所述方(fang)法的步驟(zou)。

技術總結
本發明提供了一種基于超表面的光譜共焦位移測量方法、裝置及存儲介質，涉及高精度位移測量方法技術領域，方法包括：利用超表面上的微納結構使通過準直鏡的寬波段平行光的不同波長具備不同的焦距，得到焦距序列；微納結構的排列方式根據微納結構的工作相位及工作焦距、以及寬波段平行光的工作波長確定；微納結構的工作相位根據微納結構尺寸、寬波段平行光的工作波長、空氣折射率、微納結構材料折射率確定；當被測物體位于焦距序列內時，通過光譜儀獲得光譜信號，輸出波長序列數據和光強序列數據，得到測量結果。本發明解決了傳統透鏡式光譜共焦位移傳感器無法應用于微孔、間隙等具有高精度、嚴格要求的微小尺寸測量領域的問題。

技術研發人員：盧文龍,吳運權
受保護的技術使用者：華中科技大學
技術研發日：
技術公布日：2024/9/19