[發明專利]光譜共焦位移傳感器

在審

• 申請號: 202110531567.1
• 申請日: 2021-05-14
• 公開（公告）號: CN113280728A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 高培麗
• 申請（專利權）人: 南京中科神光科技有限公司
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02;G01N21/45
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種光譜共焦位移傳感器，寬光譜LED通過光纖耦合器和分束器系統將光分為兩條光路，其中第一路光線通過色散鏡頭發生光譜色散，形成不同波長的準單色光，第二路光線直接垂直入射到鏡面反射模塊，通過計算機對寬光譜LED進行白光歸一化處理，提高測量精度，并監控LED隨使用時間的衰減，根據衰減定時重新歸一化處理光源和積分時間；第一路光線經色散鏡頭和被測物體反射到光纖光譜儀內的光與第二路光線反射回光纖光譜儀的白光發生干涉，根據干涉條紋的間距進一步更精確的計算距離值。本發明實現單個色散鏡頭模塊初步測量距離值和色散鏡頭模塊與鏡面反射模塊的干涉光精確測量距離值相結合，提高測量精度。

技術領域

本發明涉及一種光電精密測量儀器，尤其涉及一種光譜共焦位移傳感器。

背景技術

隨著我國高新技術產業的快速發展，對零部件表面細節微小結構、形狀及紋理粗糙度的測量分析的精度要求越來越高；隨著工業環境下的在線質量檢測、過程控制、無損耗測量及逆向工程的效率及精度要求的提升，非接觸的幾何位移測量需求越來越多，精度要求也越來越高。

能夠進行高效率、高精度的測量技術主要分為接觸式測量與非接觸式測量(光電式為主)兩種。非接觸式幾何尺寸測量市場上以三角測量法最廣，三角測距是利用感光元件上的光點位置變化來測量被測物體的距離變化，通過從感光元件上的波形計算出峰值或重心等特征值。當被測樣品的表面材質不同或粗糙度不同，會導致感光元件上波形混亂；當測量表面傾斜時，傾斜反射光產生像差，導致波形位置產生偏差或混亂。

非接觸式的光譜共焦技術是近年來研究的一種高精度的新型檢測方式。光譜共焦位移傳感器的原理是源于共焦顯微原理，一束復色光經過色散鏡頭發生光譜色散得到不同波長的單色光，每一個波長對應一個到被測物體的距離值，不同波長的單色光射到物體表面，被測物體位置對應的聚焦光和非聚焦雜光被反射，在色散鏡頭的接收端安裝小孔，將聚焦光通過小孔，非聚焦光攔截。通過光譜分光接收器獲得不同波長的光強度，光強度最大的峰值對應被測物體的位置。同軸共焦原理可以保證即使被測物存在傾斜或翹曲，也可以進行高精度的測量，測量點不會改變，顛覆傳統的三角激光測距法。

發明內容

發明目的：本發明提出一種光譜共焦位移傳感器，能夠克服現有技術中光譜共焦位移傳感器測量精度低、處理速度慢的技術問題，使光譜共焦位移傳感器的測量精度以及處理速度均得到顯著提高。

技術方案：本發明所采用的技術方案是一種光譜共焦位移傳感器，包括寬光譜光源、分束器系統、色散鏡頭、光纖光譜儀和鏡面反射模塊，所述寬光譜光源發出的光線通過分束器系統分為兩條光路，其中第一路光線通過色散鏡頭產生光譜色散，形成不同波長的準單色光入射至被測物體，第二路光線入射到鏡面反射模塊，第一路光線經被測物體反射回分束器系統的光線與第二路光線反射回分束器系統的光線由光纖光譜儀采集并在光纖光譜儀中發生干涉，根據干涉條紋的間距計算距離值。

其中所述寬光譜光源選擇具有足夠寬光譜的LED光源，優選白光LED光源。分束器為半透半反鏡，采用“X”形分路方式，其中LED光源和光纖光譜儀在分束器的同一端，色散鏡頭和鏡面反射模塊在分束器的另一端，以光能量分光比50：50方式分束，實現最大回光；其中連接鏡面反射模塊的光線設置控制開關系統。色散鏡頭采用大數值孔徑，優選數值孔徑范圍為0.4～0.5，可以增加系統對光能量的利用率和提高系統的分辨率；冕玻璃和火石玻璃正負光焦度鏡片組合，以消除球差和位置色差。設計共焦小孔尺，使峰值光強與光譜帶寬的比值達到最大。鏡面反射裝置采用拋光后的金屬平板，光纖垂直入射金屬平板，光纖與金屬平板之間的距離固定不變。

光纖光譜儀，采用Czerny-Turner光學機構，用反射光柵作為分光元件，采用陣列光電探測器CCD作為信號接收元件，所述光纖光譜儀中的光電探測器前端放置一個與線陣探測器等高的平凸柱面鏡，所述平凸柱面鏡與線陣探測器之間的水平夾角可調節。通過調整柱面鏡與線陣之間的水平夾角，修正光學系統在探測器上的光能分布的均勻性，另外可以提高探測器上光能量密度，減小積分時間，加快處理速度。