[實用新型]基于波長掃描的光譜共焦位移測量裝置

有效

• 申請號: 201821426770.2
• 申請日: 2018-08-31
• 公開（公告）號: CN208721004U
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: 段發階;傅驍;黃婷婷;馬凌;張聰;程沁蕊
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本實用新型屬于光電測量領域，為實現非接觸位移精密測量，同時測量精度高、快速、易操作，本實用新型，一種基于波長掃描的光譜共焦位移測量裝置，包括如下部分：波長掃描光源、輸入光纖、光纖耦合器、針孔、色散物鏡、輸出光纖、光電探測器，波長掃描光源輸出單色光，波長在上下限波長范圍內來回掃描，光源發出的單色光耦合進輸入光纖，輸入光纖接入光纖耦合器，光纖耦合器輸出至針孔形成點光源，單色光通過色散物鏡匯聚至光軸上某一焦點處，在波長掃描過程中不同波長的單色光可形成一系列焦點，在特定時刻，某單色光的焦點恰好與待測表面重合，焦點處的反射光經光電探測器轉換為電壓信號。本實用新型主要應用于光電測量場合。

技術領域

本實用新型屬于光電測量領域，特別是一種基于波長掃描的光譜共焦位移測量方法及裝置。

背景技術

隨著先進制造業的發展，精密位移測量需求日益增加。位移測量技術常用于振動、形貌、厚度等幾何量檢測過程，不僅需要具有高精度，而且要求能適應不同環境和材料，并且逐步趨向于實時、無損檢測。位移測量可分為接觸式測量和非接觸式測量，接觸式位移測量雖然可以具有較高的測量精度，但存在諸多局限，如會對被測物體表面造成損傷；不適合測量表面精細的物體；當被測物為輕軟質材料時，接觸產生彈性變形，影響測量精度；測量速度慢，難以實現在線測量等。而非接觸式位移測量則能夠克服上述缺點，因而應用廣泛。常見的非接觸式位移測量包括電容式、電感式、光電式，其中電容式和電感式均要求被測物為導電材質，應用場景受限，而光電式則能夠適用絕大多數測量場景，具有測量精度高、測量速度快、對被測物體材料要求低等優點。光電式位移測量技術又包括激光三角位移測量技術、光譜共焦位移測量技術等，其中光譜共焦位移測量技術作為一種新型位移測量技術，具有諸多優點，如分辨力高、抗干擾能力強、可測量透明物體厚度等，在微位移、微形變以及表面形貌掃描等方面有著廣泛的應用前景。

一般的光譜共焦技術原理為，利用白光源發出寬帶光，經輸入光纖、光纖耦合器和針孔出射，通過色散物鏡組，由于折射率的差異，不同波長光聚焦后在光軸上焦點位置不同，在一定范圍內形成波長-焦點組，當某波長焦點恰好位于待測表面時，其光斑面積達到最小，焦點處光強值達到最大，而其他波長光處于離焦狀態，光斑較大，光強較小，此時根據光路可逆，焦點處的反射光經透鏡組、針孔再次返回光纖耦合器，并由輸出光纖接入光譜儀，光譜儀可測得光強最大的波長值，進而通過算法計算得到被測物位置。但是，這種常規的光譜共焦技術仍然存在缺陷，第一，由于寬帶白光源功率有限(通常僅數十mW)，平均到各個波長值則更小，導致接收信號的信噪比非常低；第二，由于測量系統必須使用光譜儀分光，而光譜儀一般采用光柵分光和陣列CCD傳感器接收，其測量速度較慢，導致系統響應速度降低。

發明內容

為克服現有技術的不足，本實用新型旨在提出位移測量方法及裝置，實現非接觸位移精密測量，同時測量精度高、快速、易操作。為此，本實用新型采用的技術方案是，一種基于波長掃描的光譜共焦位移測量裝置，包括如下部分：波長掃描光源、輸入光纖、光纖耦合器、針孔、色散物鏡、輸出光纖、光電探測器，波長掃描光源輸出單色光，波長在上下限波長范圍內來回掃描，光源發出的單色光耦合進輸入光纖，輸入光纖接入光纖耦合器，光纖耦合器輸出至針孔形成點光源，單色光通過色散物鏡匯聚至光軸上某一焦點處，在波長掃描過程中不同波長的單色光可形成一系列焦點，在特定時刻，某單色光的焦點恰好與待測表面重合，此時根據光路可逆，焦點處的反射光經色散物鏡、針孔再次返回光纖耦合器，并由輸出光纖傳至光電探測器，光電探測器將光強信號轉換為電壓信號，通過測量電壓、時刻數值，進一步解算即得到待測表面位置。

光電探測器為光電二極管、光電三極管或光電倍增管。

本實用新型的特點及有益效果是：

(1)本實用新型改進了常規的光譜共焦發射光路，用波長掃描光源代替了寬帶白光光源，克服了傳統光譜共焦技術反射光強弱、信噪比差的缺點，顯著提高單個波長的輸出光強，提高了接收信號的信噪比，尤其在某些反射效果差的待測表面位移測量中效果顯著，使測量系統的抗干擾能力得到極大提高，增強了光譜共焦位移測量方法及裝置的適用性與可靠性。