[发明专利]一种高分辨力与自校准光谱共焦位移测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及光谱共焦位移测量技术领域，尤其涉及一种高分辨力与自校准光谱共焦位移测量系统。

背景技术

光谱共焦技术无需轴向扫描，直接由波长对应轴向距离信息，从而大幅提高测量速度。光谱共焦传感器是一种高精度、非接触式的新型传感器，精度理论上可达nm量级，对被测表面状况要求低，允许被测表面有更大的倾斜角，测量速度快，实时性高，迅速成为工业测量的热门传感器，广泛应用于精密定位、薄膜厚度测量、微观轮廓精密测量等领域。

光谱共焦位移测量技术是一类非接触式高精度位移传感器，由光源射出一束宽光谱的复色光(呈白色)，通过色散镜头发生光谱色散，形成不同波长的单色光，每一个波长都对应一个到被测物体的距离值。测量光射到物体表面被反射回来，只有满足共焦条件的单色光，可以通过小孔被光谱仪感测到，通过计算被感测到的波长，换算获得距离值。其测量精度能够达到微米量级，具有对表面状况的要求低、容许大的倾斜角度等优点。

传统的光谱共焦位移传感器多采用透射式的色散镜头进行光谱色散，采用衍射光栅光谱仪感测波长。传统的色散物镜主要有折射式和衍射式两类。折射式色散物镜一般通过采用高色散的玻璃透镜来产生色差，产生的色散与波长成非线性关系。衍射元件可以产生大的色差且色差与波长成线性关系，但一般有较大的球差，须配以透镜校正球差，而折射透镜会破坏衍射色散与波长间的线性关系，得到的色差与波长仍然是非线性。波长越短，折射率随波长的变化越大，轴向色散距离越大，波长越长，轴向色散距离越短，为了实现轴向色散线性，色散物镜结构会变得复杂，成本高，体积大。由于光栅光谱仪的线色散率是不变的，而色散物镜存在较大的非线性，导致某些位置(灵敏度较低的区域)产生了位移，而光谱仪探测不到波长变化的情况，影响了光谱共焦传感器在测量范围内的灵敏度、分辨力等性能。

Fery棱镜提出于20世纪初期，20世纪90年代开始应用于光谱成像技术领域。Fery棱镜作为色散元件，它集色散和成像功能于一体，大大简化了光谱成像仪光学系统的设计。相比传统色散型光谱成像仪，其结构紧凑、体积小、重量轻，而且能够有效校正棱镜色散带来的谱线弯曲和色畸变的问题。相比同类型的光栅光谱成像仪，其能量利用率高，可以有效的避免二级光谱的干扰。近年来，Fery棱镜光谱成像仪在机载和星载光谱成像技术中获得迅猛发展。然而，Fery棱镜还没有被应用在光谱共焦位移测量技术领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种高分辨力与自校准光谱共焦位移测量系统，可以实现轴向测量距离与探测器像元之间的线性对应，以及实现光谱仪谱线位置的自标校。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高分辨力光谱共焦位移测量系统，包括：宽光谱光源、光纤、分光镜、色散物镜、针孔与Fery棱镜光谱仪；其中：宽光谱光源通过光纤耦合输出复色光点光源，复色光点光源透过分光镜，照射在色散物镜上，色散物镜将复色光点光源在光轴方向上分解成若干不同波长的单色光；当被测镜放置在色散物镜像平面附近的测量区域时，其中完美聚焦在被测镜上表面与下表面的两个波长的单色光将通过分光镜的反射面反射至针孔，由放置在针孔后的Fery棱镜光谱仪接收；

由Fery棱镜光谱仪根据两个单色光的波长及两个单色光在探测器上波峰位置之差，确定被测镜的厚度，也即这两个波长的单色光轴向测量距离之差；且这两个波长的单色光轴向测量距离之差与这两个波长的单色光在探测器上波峰位置之差为常数。

所述色散物镜将复色光点光源在光轴方向上分解成若干不同波长的单色光，并将不同波长的单色光聚焦在轴向位置的不同高度；所述色散物镜玻璃材料的折射率与波长成非线性关系，轴向测量距离间隔1mm对应不同波长的间隔也具有非线性，不同波长的单色光被所述被测物体反射回色散物镜后，通过分光镜的反射面，反射至针孔，与针孔共轭位置点对应的波长的单色光通过针孔进入Fery棱镜光谱仪。

所述Fery棱镜光谱仪包括：第一与第二反射镜、双胶合Fery棱镜与探测器；其中，通过针孔的单色光经过第一反射镜反射至双胶合Fery棱镜，再经双胶合Fery棱镜色散至第二反射镜，最终由第二反射镜反射至探测器。

一种自校准光谱共焦位移测量系统，包括：宽光谱光源、特定波长为N以及M的激光光源、光纤、分光镜、色散物镜、针孔与Fery棱镜光谱仪；其中，采用多波长光纤耦合技术，将宽谱段光源与特定波长N以及M的激光光源耦合后单光纤输出；所述宽光谱光源以及两个特定波长的激光光源共用同一个测量光路；其中，宽光谱光源的光源波长包含特定波长为N与M；