光谱共焦位移传感器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
光谱共焦位移传感器
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术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：本专利技术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。该装置还包括与所述光纤光谱仪电连接的处理器，所述处理器对经光纤光谱仪采集的宽光谱光源的光照度进行定时监控，根据光照强度的衰减量重新归一化处理光源的光谱光照度和修正积分时间。所述修正积分时间，是指将积分时间t设置为变量，规定光谱仪在白光LED监控下的标准能量值为A±Δa，当随着LED光能量的衰减，光谱仪在白光LED监控下的能量值低于A-Δa时，软件对积分时间进行t+Δt*i调整(i＝0，1，2，3......，Δt取1us)，i值逐渐递增，直到能量值达到A+Δa。调整被测样品与色散镜头的距离，在量程范围之外，此时色散镜头光路返回到光谱仪的光可以忽略不计。只有第二路光线经过镜面反射模块反射的白光被光谱仪采集，再计算机对探测器接收到的白光LED光谱分布进行照度归一化处理，将LED光源理想化为每个波长激发的能量相同。该装置还包括控制器和开关控制系统，所述控制器通过开关控制系统控制第二路光线的开启/关断。将分束器连接镜面反射模块的光路控制开关系统设置为关，调整被测样品与色散镜头的距离在量程范围之内，第二光路的光线经过色散镜头色散后打在被测样品上，被测样品反射特定波长光谱，再经过色散镜头返回，光谱仪采集色散镜头模块返回的光线。将分束器连接镜面反射模块的光路控制开关系统设置为开，第一光路和第二光路同时工作，第一光路反射的光与第二光路反射的光发生干涉，探测器上呈现干涉条纹，根据干涉条纹的条纹间隔进一步计算被测样品位置的精度。计算机对输入的波形图进行滤波，去噪声等一系列的数据处理，得到每一个测量距离下对应一个稳定不动的波形图。根据色散镜头色散距离与色散波长之间的线性关系，及探测器上接收到波形图的峰值点对应的单色光波长可以确定被测样品的位置。有益效果：相比于现有技术，本专利技术具有以下优点：1、该光谱共焦位移传感器先单用色散镜头模块反馈的样品反射光粗略计算样品的位置值，再将色散镜头模块反射的样品反射光于白光进行干涉，进一步细算样品的位置值，相比于传统的光谱共焦位移传感器精度得到很大的提高；2、光谱共焦位移传感器对白光LED光源采用了光谱光照度归一化处理，可以有效地解决因光源本身的光强分布不均匀性、光谱仪中CCD和光栅对不同光波长的响应程度不同和光纤耦合器对不同波长响应程度不同而导致的峰值波长不是共焦波长的影响，进一步提高测量精度；3、通过定期采集光谱共焦位移传感器白光LED光谱信息监控LED光能量的衰落情况，根据衰落数值进行光源重新归一化，并修正积分时间，避免因LED光能的衰落导致测量结果的偏差。附图说明图1是本专利技术所述的光谱共焦位移传感器的结构示意图；图2是本专利技术所述色散镜头的结构及光路示意图；图3是本专利技术所述光纤光谱仪的结构及光路示意图；图4是本专利技术所述探测器采集到的单个色散镜头模块工作光谱波形图；图5是本专利技术所述探测器采集到的色散镜头模块和镜面反射模块的干涉光的光谱波形图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。本专利技术所述的光谱共焦位移传感器的结构如图1所示，包括：光源100，具有足够宽光谱的LED光源。宽光谱LED光源采用LumiEngin准单芯片，能更有效均匀地发光，产生足够宽的光谱，相对以前传统的LED光源，宽光谱LED相对照度高，光谱曲线平滑，测量精度高，光束的平行度更好，芯片热阻更低，因此对整机系统的性能提供有效的提升作用。分束器200，分束器装置采用半透半反镜，在光源与色散镜头之间以及光纤光谱仪与镜面反射模块之间装配分束器200，分束器上有四根光纤用来传输光线，采用“本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光谱共焦位移传感器，其特征在于：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，根据干涉条纹计算距离值。/n

【技术特征摘要】
1.一种光谱共焦位移传感器，其特征在于：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，根据干涉条纹计算距离值。


2.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于：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。


3.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于：该装置还包括与所述光纤光谱仪电连接的处理器，所述处理器对宽光谱光源的光照度进行归一化处理。


4.根据权利要求3所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于：所述处理器对经光纤光谱仪采集的宽光谱光源的光照度进行定时监控，根据光照强度的衰减量重新归一化处理光源的光谱光照度和修正积分时间。


5.根据权利要求4所述的光谱共焦...

【专利技术属性】
技术研发人员：高培丽，
申请(专利权)人：南京中科神光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32