[發明專利]一種線光譜共焦傳感器系統

有效

• 申請號: 202110732234.5
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113447120B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 胡浩;李一哲;楊宇翔
• 申請（專利權）人: 熵智科技（深圳）有限公司
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/28
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種線光譜共焦傳感器系統，包括：機殼、設置于機殼內部的光源組件、光纖組件、耦合光纖組件、分光棱鏡組件、色散鏡組件、光譜儀組件，其中，色散鏡組件包括色散鏡光路以及固定色散鏡光路的色散鏡框，色散鏡光路用于對調制偵測光進行軸向色散；色散鏡光路包括沿色散鏡物方至色散鏡像方依次排列的第一透鏡組和第二透鏡組，第一透鏡組用于控制物方遠心并對調制偵測光進行初步色散，第二透鏡組用于控制像方遠心并對調制偵測光進行進一步色散，經由第一透鏡組的長焦距與第二透鏡組的短焦距配合用于色散鏡物方與色散鏡像方之間的縮放倍率控制，由于色散物鏡設計為雙遠心結構，可有效保證投射到被測物上的測量光斑的亮度和精度的一致性。

技術領域

本發明屬于光學領域，尤其設涉及一種線光譜共焦傳感器系統。

背景技術

隨著精密和超精密制造業的迅速發展，對高精密的檢測需求也越來越高，因此高精密的位移傳感器也應運而生。超精密的位移傳感器精度可達到微米級別；傳統的接觸式測量雖然也有較高的精度，但是由于其可能會劃傷被測物體表面，而且當被測物體為弱剛性或是輕軟材料時，接觸式測量也會造成彈性形變，引入測量的誤差，此外，接觸式測量速度較慢，難以實現自動化測量，基于接觸式測量存在的諸多不足，因此非接觸式位移傳感器受到了更大的關注。

光譜共焦傳感器是一種通過光學色散原理建立距離與波長間的對應關系，利用光譜儀解碼光譜信息，從而獲得位置信息的裝置，如圖1所示，光源發出的光通過光纖耦合器后可以近似看作點光源，經過準直和色散物鏡聚焦后發生光譜色散，在像面上形成沿著光軸方向不同波長連續分布的單色光焦點，且每個波長的單色光焦點到被測物體的距離都不同。當被測物處于測量范圍內某一位置時，只有特定波長的光在被測面上是聚焦狀態，該波長的光由于滿足共焦條件，可以從被測物表面反射回光纖耦合器并進入光譜儀，而其他波長的光在被測物面表面處于離焦狀態，反射回的光在光源處的分布遠大于光纖纖芯直徑，所以大部分其余波長的光線無法進入光譜儀。通過光譜儀解碼得到回波光強最大處的波長值，從而測得被測物對應的距離值。由于采用了共焦技術，因此該方法具有良好的層析特性，提高了分辨力，并且對被測物特性和環境雜光不敏感。

但是，目前線光譜共焦傳感器系統還存在以下設計難點：

(1)非中心位置的光通道的一致性問題，即多個光通道的光斑尺寸、亮度等屬性的一致性的問題。光通道的光斑包括色散物鏡投射至被測物上的測量光斑、被測物上反射光投射至光纖中的光斑以及光譜儀投射至相機上的光斑，若各光通道的光斑不一致，則各光通道獲取的檢測數據無法統一，整個線光譜共焦傳感器系統的測量可靠性得不到保證。

對點光譜共焦系統來說，只設置一根光纖，形成一個光通道，光通道(光纖)的位置在光軸位置處，故只需要校正軸上像差，沒有一致性的要求。但對于線光譜共焦系統而言，其包括百個以上的光通道，各光通道需要在一定范圍內都產生色散，由于光通道數量眾多，位于非光軸處的光通道距離光軸距離較遠，在進行色散及解碼時，除需要校正軸上像差外，還需要對慧差、場曲、像散、畸變等軸外像差進行校正，以確保各個光通道亮度、光斑尺寸等盡量保持一致，故如何設計光路，尤其是色散物鏡以及光譜儀的光路，以保證數百個光通道的亮度均勻性和精度一致性需要重點關注。

(2)線光譜共焦傳感器系統的線長L長度大小與測量光斑分辨率大小之間存在矛盾，對于線光譜共焦傳感器系統而言，線長長度越長越好，投射的線長決定著一次可以掃描的長度，在確定被測物掃描面積的情況下，線長L越長，一次掃描的面積就越大，相應完成掃描的速度就越快，工作效率相應提高；每個光通道都在物體表面上的一個點成像，即形成一個測量光斑，測量光斑越小，系統分辨率和精度越高，即可分辨的被測物尺寸越小，適用的被測物尺寸范圍也越大。