[發明專利]光譜共焦位移傳感器的光源組件及光譜共焦位移傳感器

在審

• 申請號: 202011611715.2
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112729124A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 段吉安;羅志;馬著
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 李崇章

本發明提供了一種光譜共焦位移傳感器的光源組件及光譜共焦位移傳感器，其光源組件包括半導體激光器，所述半導體激光器前方依次設置準直器、熒光粉以及耦合透鏡，光譜共焦位移傳感器的光纖對準所述耦合透鏡。本發明通過半導體激光器代替傳統的LED光源并應用于光譜共焦位移傳感器，使得光源與光纖的耦合效率有明顯提升，從而可以有效減小光纖的芯徑，提升位移傳感器的(縱向)分辨率；由于可采用較小功率的光源，因此能降低發熱量，減小散熱器的體積，進而縮小傳感器控制器的體積，達到更小型化、微型化使用的目的，并且也能提升使用可靠性和壽命。

技術領域

本發明涉及精密位移測量領域，特別涉及一種光譜共焦位移傳感器的光源組件及光譜共焦位移傳感器。

背景技術

光譜共焦位移傳感器是一種精密位移測量裝置，原理為：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，量程范圍內形成不同波長的單色光，每一個波長的焦點都對應一個距離值。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焦點的波長，換算獲得距離值。光譜共焦位移傳感器已在精密非接觸測量廣泛使用，特別是在亞微米領域、被測物表面多樣化的領域已經是極少數可行方案之一。

光譜共焦位移傳感器有兩個主要性能參數，線性度和分辨率。分辨率又分為橫向分辨率與縱向分辨率，橫向分辨率通俗理解就是，傳感器理想情況下的精度是多少，如1nm、2nm；縱向分辨率與傳感器在反射面上形成的光斑直徑有關，可以理解光斑越小測量分辨率越高。橫向分辨率與縱向分辨率在不同的場合起作用，當傳感器用于測量位移時，此時因為測量面大多為光滑面(沒有高低起伏，縱向分辨率不起作用)，這種場合傳感器的分辨率大多指橫向分辨率，當傳感器用于測量表面粗糙度，物體三維起伏時，此時測量面大多為粗糙面，這種場合傳感器的分辨率由橫向分辨率與縱向分辨率共同決定，當然傳感器一般都要求用于上述兩種最普遍的場合，所以要求傳感器的橫向分辨率與縱向分辨率都是越高越好。

現有技術中的傳感器光源耦合至光纖的方法基本為LED與光纖直接耦合，這種耦合效率極其低(實驗室建模，發光面積1.6mm*1.6mm、發光角度135°、功率6W的LED，與芯徑50微米、數值孔徑為0.22的光纖耦合，耦合效率僅為0.013％)。采用這種耦合方式，只有兩種辦法提高LED耦合至光纖的光功率，一是提高LED的功率，二是提高光纖的芯徑。由于光纖的芯徑涉及光斑大小以及分辨率，光纖芯徑一般盡量小。而大功率的LED發熱量大，且長時間處于最大功率發光，容易造成LED功率不穩定，壽命短，因此需要龐大的散熱器對LED進行散熱處理，導致傳感器控制器體積較大。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種與光纖耦合效率更高的光源組件，使光譜共焦位移傳感器可以減小光纖芯徑，進一步提高分辨率，減小傳感器控制器體積。

為了達到上述目的，本發明提供了一種光譜共焦位移傳感器的光源組件，包括半導體激光器，所述半導體激光器前方依次設置準直器、熒光粉以及耦合透鏡，光譜共焦位移傳感器的光纖對準所述耦合透鏡。

進一步地，所述半導體激光器為藍光半導體激光器，所述熒光粉為黃色熒光粉。

進一步地，所述準直器包括快軸準直透鏡和慢軸準直透鏡，所述快軸準直透鏡設置在光路的靠前位置，所述慢軸準直透鏡設置在光路的靠后位置。

本發明還提供了一種光譜共焦位移傳感器，采用了上述的光譜共焦位移傳感器的光源組件。

進一步地，所述光譜共焦位移傳感器的透鏡組包括至少兩塊色散物鏡，其中兩塊所述色散物鏡之間共軸地設置有遮光板。

進一步地，所述遮光板設置有環形的通光帶。

進一步地，其中兩塊所述色散物鏡之間還共軸地設置有光闌。

進一步地，所述透鏡組由第一色散物鏡和第二色散物鏡組成。