[发明专利]光谱共焦位移传感器

说明书

本发明公开了一种光谱共焦位移传感器，宽光谱LED通过光纤耦合器和分束器系统将光分为两条光路，其中第一路光线通过色散镜头发生光谱色散，形成不同波长的准单色光，第二路光线直接垂直入射到镜面反射模块，通过计算机对宽光谱LED进行白光归一化处理，提高测量精度，并监控LED随使用时间的衰减，根据衰减定时重新归一化处理光源和积分时间；第一路光线经色散镜头和被测物体反射到光纤光谱仪内的光与第二路光线反射回光纤光谱仪的白光发生干涉，根据干涉条纹的间距进一步更精确的计算距离值。本发明实现单个色散镜头模块初步测量距离值和色散镜头模块与镜面反射模块的干涉光精确测量距离值相结合，提高测量精度。

技术领域

本发明涉及一种光电精密测量仪器，尤其涉及一种光谱共焦位移传感器。

背景技术

随着我国高新技术产业的快速发展，对零部件表面细节微小结构、形状及纹理粗糙度的测量分析的精度要求越来越高；随着工业环境下的在线质量检测、过程控制、无损耗测量及逆向工程的效率及精度要求的提升，非接触的几何位移测量需求越来越多，精度要求也越来越高。

能够进行高效率、高精度的测量技术主要分为接触式测量与非接触式测量(光电式为主)两种。非接触式几何尺寸测量市场上以三角测量法最广，三角测距是利用感光元件上的光点位置变化来测量被测物体的距离变化，通过从感光元件上的波形计算出峰值或重心等特征值。当被测样品的表面材质不同或粗糙度不同，会导致感光元件上波形混乱；当测量表面倾斜时，倾斜反射光产生像差，导致波形位置产生偏差或混乱。

非接触式的光谱共焦技术是近年来研究的一种高精度的新型检测方式。光谱共焦位移传感器的原理是源于共焦显微原理，一束复色光经过色散镜头发生光谱色散得到不同波长的单色光，每一个波长对应一个到被测物体的距离值，不同波长的单色光射到物体表面，被测物体位置对应的聚焦光和非聚焦杂光被反射，在色散镜头的接收端安装小孔，将聚焦光通过小孔，非聚焦光拦截。通过光谱分光接收器获得不同波长的光强度，光强度最大的峰值对应被测物体的位置。同轴共焦原理可以保证即使被测物存在倾斜或翘曲，也可以进行高精度的测量，测量点不会改变，颠覆传统的三角激光测距法。

发明内容

发明目的：本发明提出一种光谱共焦位移传感器，能够克服现有技术中光谱共焦位移传感器测量精度低、处理速度慢的技术问题，使光谱共焦位移传感器的测量精度以及处理速度均得到显著提高。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种光谱共焦位移传感器，包括宽光谱光源、分束器系统、色散镜头、光纤光谱仪和镜面反射模块，所述宽光谱光源发出的光线通过分束器系统分为两条光路，其中第一路光线通过色散镜头产生光谱色散，形成不同波长的准单色光入射至被测物体，第二路光线入射到镜面反射模块，第一路光线经被测物体反射回分束器系统的光线与第二路光线反射回分束器系统的光线由光纤光谱仪采集并在光纤光谱仪中发生干涉，根据干涉条纹的间距计算距离值。

其中所述宽光谱光源选择具有足够宽光谱的LED光源，优选白光LED光源。分束器为半透半反镜，采用“X”形分路方式，其中LED光源和光纤光谱仪在分束器的同一端，色散镜头和镜面反射模块在分束器的另一端，以光能量分光比50：50方式分束，实现最大回光；其中连接镜面反射模块的光线设置控制开关系统。色散镜头采用大数值孔径，优选数值孔径范围为0.4～0.5，可以增加系统对光能量的利用率和提高系统的分辨率；冕玻璃和火石玻璃正负光焦度镜片组合，以消除球差和位置色差。设计共焦小孔尺，使峰值光强与光谱带宽的比值达到最大。镜面反射装置采用抛光后的金属平板，光纤垂直入射金属平板，光纤与金属平板之间的距离固定不变。

光纤光谱仪，采用Czerny-Turner光学机构，用反射光栅作为分光元件，采用阵列光电探测器CCD作为信号接收元件，所述光纤光谱仪中的光电探测器前端放置一个与线阵探测器等高的平凸柱面镜，所述平凸柱面镜与线阵探测器之间的水平夹角可调节。通过调整柱面镜与线阵之间的水平夹角，修正光学系统在探测器上的光能分布的均匀性，另外可以提高探测器上光能量密度，减小积分时间，加快处理速度。