[發明專利]一種光譜儀光路結構

有效

• 申請號: 202110732241.5
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113448050B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 李一哲;胡浩
• 申請（專利權）人: 熵智科技（深圳）有限公司
• 主分類號: G02B7/02
• 分類號: G02B7/02;G02B7/09;G02B13/22;G02B27/00;G01J3/12;G01J3/02
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一種光譜儀光路結構，用于處理經過光譜儀光纖調制后的被測物體表面反射的反射光，其包括依次設置的第一透鏡組、色散組件以及第二透鏡組，其中，所述第一透鏡組用于所述反射光的平行，所述色散組件用于所述反射光的色散，所述第二透鏡組用于色散后的所述反射光聚焦，并消除所述反射光色差；且經由所述第一透鏡組焦距f1和所述第二透鏡組焦距f2配合進行所述光譜儀像方與所述光譜儀物方的縮放倍率控制，所述光譜儀像方為所述光譜儀光纖出光端的光纖陣列，所述光譜儀像方為相機上采集的光譜圖像。一種光譜儀光路結構可有效保證了探測器上各個通道的光亮度一致性。

技術領域

本發明屬于光學領域，尤其涉及一種光譜儀光路結構。

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。

光譜共焦傳感器中，光譜儀是其核心器件，但是，目前光譜儀存在以下設計難點：

(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)干擾與穩定性，實際光譜儀與理想光譜儀的重要區別之一是其內部存在雜散光等干擾。雜散光會影響信號的準確性，并對測量弱信號帶來麻煩。特殊設計的低雜散光光路能夠降低光路中的雜散光。

發明內容

本發明的目的是提供一種線光譜共焦傳感器，以解決現有技術存在的問題。