[發明專利]一種高分辨力與自校準光譜共焦位移測量系統

在審

• 申請號: 201611263540.4
• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN106802129A
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 李雅燦;景娟娟;周錦松;王向前;王欣;魏立冬;何曉英;卜美俠
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電研究院
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,鄭哲

技術領域

本發明涉及光譜共焦位移測量技術領域，尤其涉及一種高分辨力與自校準光譜共焦位移測量系統。

背景技術

光譜共焦技術無需軸向掃描，直接由波長對應軸向距離信息，從而大幅提高測量速度。光譜共焦傳感器是一種高精度、非接觸式的新型傳感器，精度理論上可達nm量級，對被測表面狀況要求低，允許被測表面有更大的傾斜角，測量速度快，實時性高，迅速成為工業測量的熱門傳感器，廣泛應用于精密定位、薄膜厚度測量、微觀輪廓精密測量等領域。

光譜共焦位移測量技術是一類非接觸式高精度位移傳感器，由光源射出一束寬光譜的復色光(呈白色)，通過色散鏡頭發生光譜色散，形成不同波長的單色光，每一個波長都對應一個到被測物體的距離值。測量光射到物體表面被反射回來，只有滿足共焦條件的單色光，可以通過小孔被光譜儀感測到，通過計算被感測到的波長，換算獲得距離值。其測量精度能夠達到微米量級，具有對表面狀況的要求低、容許大的傾斜角度等優點。

傳統的光譜共焦位移傳感器多采用透射式的色散鏡頭進行光譜色散，采用衍射光柵光譜儀感測波長。傳統的色散物鏡主要有折射式和衍射式兩類。折射式色散物鏡一般通過采用高色散的玻璃透鏡來產生色差，產生的色散與波長成非線性關系。衍射元件可以產生大的色差且色差與波長成線性關系，但一般有較大的球差，須配以透鏡校正球差，而折射透鏡會破壞衍射色散與波長間的線性關系，得到的色差與波長仍然是非線性。波長越短，折射率隨波長的變化越大，軸向色散距離越大，波長越長，軸向色散距離越短，為了實現軸向色散線性，色散物鏡結構會變得復雜，成本高，體積大。由于光柵光譜儀的線色散率是不變的，而色散物鏡存在較大的非線性，導致某些位置(靈敏度較低的區域)產生了位移，而光譜儀探測不到波長變化的情況，影響了光譜共焦傳感器在測量范圍內的靈敏度、分辨力等性能。

Fery棱鏡提出于20世紀初期，20世紀90年代開始應用于光譜成像技術領域。Fery棱鏡作為色散元件，它集色散和成像功能于一體，大大簡化了光譜成像儀光學系統的設計。相比傳統色散型光譜成像儀，其結構緊湊、體積小、重量輕，而且能夠有效校正棱鏡色散帶來的譜線彎曲和色畸變的問題。相比同類型的光柵光譜成像儀，其能量利用率高，可以有效的避免二級光譜的干擾。近年來，Fery棱鏡光譜成像儀在機載和星載光譜成像技術中獲得迅猛發展。然而，Fery棱鏡還沒有被應用在光譜共焦位移測量技術領域。

發明內容

本發明的目的是提供一種高分辨力與自校準光譜共焦位移測量系統，可以實現軸向測量距離與探測器像元之間的線性對應，以及實現光譜儀譜線位置的自標校。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種高分辨力光譜共焦位移測量系統，包括：寬光譜光源、光纖、分光鏡、色散物鏡、針孔與Fery棱鏡光譜儀；其中：寬光譜光源通過光纖耦合輸出復色光點光源，復色光點光源透過分光鏡，照射在色散物鏡上，色散物鏡將復色光點光源在光軸方向上分解成若干不同波長的單色光；當被測鏡放置在色散物鏡像平面附近的測量區域時，其中完美聚焦在被測鏡上表面與下表面的兩個波長的單色光將通過分光鏡的反射面反射至針孔，由放置在針孔后的Fery棱鏡光譜儀接收；

由Fery棱鏡光譜儀根據兩個單色光的波長及兩個單色光在探測器上波峰位置之差，確定被測鏡的厚度，也即這兩個波長的單色光軸向測量距離之差；且這兩個波長的單色光軸向測量距離之差與這兩個波長的單色光在探測器上波峰位置之差為常數。

所述色散物鏡將復色光點光源在光軸方向上分解成若干不同波長的單色光，并將不同波長的單色光聚焦在軸向位置的不同高度；所述色散物鏡玻璃材料的折射率與波長成非線性關系，軸向測量距離間隔1mm對應不同波長的間隔也具有非線性，不同波長的單色光被所述被測物體反射回色散物鏡后，通過分光鏡的反射面，反射至針孔，與針孔共軛位置點對應的波長的單色光通過針孔進入Fery棱鏡光譜儀。

所述Fery棱鏡光譜儀包括：第一與第二反射鏡、雙膠合Fery棱鏡與探測器；其中，通過針孔的單色光經過第一反射鏡反射至雙膠合Fery棱鏡，再經雙膠合Fery棱鏡色散至第二反射鏡，最終由第二反射鏡反射至探測器。

一種自校準光譜共焦位移測量系統，包括：寬光譜光源、特定波長為N以及M的激光光源、光纖、分光鏡、色散物鏡、針孔與Fery棱鏡光譜儀；其中，采用多波長光纖耦合技術，將寬譜段光源與特定波長N以及M的激光光源耦合后單光纖輸出；所述寬光譜光源以及兩個特定波長的激光光源共用同一個測量光路；其中，寬光譜光源的光源波長包含特定波長為N與M；