一種光譜共焦位移傳感器的製作方法

2023-04-25 09:43:52 3

本發明涉及光學精密位移測量技術領域，特別涉及一種光譜共焦位移傳感器。

背景技術：

光譜共焦位移傳感器是一種高精度、非接觸式的光電位移傳感器，利用寬光譜的複色光穿過透鏡組，產生光譜軸向色散，在空間形成一系列焦點，每一個焦點的單色光波長都對應一個軸向位置。入射光經被測表面反射，再次穿過鏡頭組並成像在針孔端面。對應被測表面位置、滿足共焦條件的單色光將進入針孔，離焦反射的其它光譜成分則被針孔遮擋。光譜儀接收通過針孔的光信號並確定其波長，從而實現位移分辨。

但現有的光譜共焦位移傳感器由於系統結構限制，至多只能配備兩個探頭，且這兩個探頭採集的信息只能進行分時處理不能實現同步分析。因此面對實際中的多點位移測量要求，目前只能通過單臺設備分時測量或多臺設備並聯檢測，大大降低了多點測量的速率，增加了測量成本，不利於推廣使用。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的發明目的是：實現多探測點位移同步測量。

為達到上述目的，本發明的技術方案具體是這樣實現的：

本發明提供了一種光譜共焦位移傳感器，包括：

分束器，包括與被測面數量相同的多個半透半反鏡，將複色平行光源根據被測面的數量分束為光強相同的若干路複色平行光束；

起偏器組，包括與被測面數量相同的，且各自具有不同偏振態的多個起偏器，使各路複色平行光束在經過相應起偏器後起偏而具有不同的偏振態；

色散鏡頭組，包括與被測面數量相同的多組色散鏡頭，將各路具有不同偏振態的複色平行光束，進行軸向色散，使每一路具有不同偏振態的複色平行光束在各自的被測面上聚焦反射，形成各路單色平行光束到達合束裝置；其中，每一聚焦點上對應一束單色光波長；

合束裝置，位於分束器和色散鏡頭組之間的位置，將每個被測面反射回來的各路單色平行光束合束成一束複色平行光束；

解偏振光譜探測裝置，根據合束成的複色平行光束，確定每個被測面對應的偏振態光束，通過對各偏振態光束進行光譜強度分析，確定每個被測面對應的單色光波長；

解算裝置，根據色散鏡頭組軸向色散距離與可見光波長之間的線性關係，以及每個被測面對應的單色光波長，確定每個被測面之間的位移。

由上述的技術方案可見，本發明提供了一種光譜共焦位移傳感器，該光譜共焦位移傳感器設置了色散鏡頭組，包括與被測面數量相同的多組色散鏡頭，並且在色散鏡頭組之前加入起偏器組，在解偏振光譜探測裝置中加入檢偏器組，使得分束後的若干路複色平行光束經過起偏器後具有了偏振態，使得合束後的複色平行光束經過檢偏器後分辨出各被測點所對應的測量光束，從而對各點測量光束進行光譜強度分析，完成波長解碼，最後，根據色散鏡頭組軸向色散距離與可見光波長之間的線性關係，以及每個被測面對應的單色光波長，確定每個被測面之間的位移。最終，在同一臺設備中實現了多點位移同步測量。

附圖說明

圖1為本發明實施例一的光譜共焦位移傳感器的結構示意圖。

圖2為本發明解偏振光譜探測裝置結構示意圖。

圖3為本發明實施例分束裝置的結構示意圖。

圖4為本發明實施例三的光譜共焦位移傳感器的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案、及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本發明進一步詳細說明。

實施例一

本發明提供的一種光譜共焦位移傳感器，結構示意圖如圖1所示，包括：

分束器101，包括與被測面數量相同的多個半透半反鏡，將複色平行光源根據被測面的數量分束為光強相同的若干路複色平行光束；

起偏器組102，包括與被測面數量相同的，且各自具有不同偏振態的多個起偏器，使各路複色平行光束在經過相應起偏器後起偏而具有不同的偏振態；

其中，起偏器組中的各起偏器要確保各路複色平行光束間偏振態不同，從而將各路光束通過偏振態的不同區分開來。

色散鏡頭組103，包括與被測面數量相同的多組色散鏡頭，將各路具有不同偏振態的複色平行光束，進行軸向色散，使每一路具有不同偏振態的複色平行光束在各自的被測面上聚焦反射，形成各路單色平行光束到達合束裝置；其中，每一聚焦點上對應一束單色光波長；

具體講色散鏡頭組中的一組色散鏡頭，由於該組色散鏡頭對一路具有偏振態的複色平行光束的軸向色散效應，產生光譜色散，不同波長的單色光焦點分散在光軸的不同位置處，只有聚焦在被測面表面的單色光能夠按原光路返回，併到達合束裝置。

合束裝置104，位於分束器和色散鏡頭組之間的位置，將每個被測面反射回來的各路單色平行光束合束成一束複色平行光束；

其中，合束裝置為與被測面數量相同的多個半透半反鏡。合束裝置可以設置於分束器101和起偏器組102之間，也可以設置於起偏器組102和色散鏡頭組103之間。色散鏡頭組使每一路具有不同偏振態的複色平行光束在各自的被測面上聚焦反射，形成各路單色平行光束到達合束裝置中相應的半透半反鏡上；合束裝置將每個被測面反射回來的各路單色平行光束通過多個半透半反鏡合束成一束複色平行光束。

解偏振光譜探測裝置105，根據合束成的複色平行光束，確定每個被測面對應的偏振態光束，通過對各偏振態光束進行光譜強度分析，確定每個被測面對應的單色光波長；

解算裝置106，根據色散鏡頭組軸向色散距離與可見光波長之間的線性關係，以及每個被測面對應的單色光波長，確定每個被測面之間的位移。

實施例二

本發明解偏振光譜探測裝置結構示意圖如圖2所示，包括：

限光裝置201，對所述合束成的複色平行光束進行濾波處理，保留包含在複色平行光束中的所述各路單色平行光束；

其中，限光裝置為針孔或者狹縫等結構。限光裝置起到濾波的作用，使對應被測表面位置、滿足共焦條件的單色光可以進入後續裝置，離焦反射的其它光譜成分則受到限制不能進入。

色散裝置202，使合束成的複色平行光束產生複色平行色散光束；

其中，色散裝置包括：平面衍射光柵，或者凹面光柵，或者色散稜鏡。

分束裝置203，根據被測面的數量分束為若干路複色平行色散光束；

檢偏器組204，包括與被測面數量相同的，且與對應起偏器偏振態相同的多個檢偏器，對各路複色平行色散光束進行檢偏，確定每個被測面對應的偏振態光束；

光譜探測分析裝置205，通過對各偏振態光束進行光譜強度分析，確定每個被測面對應的單色光波長。其中，光譜探測分析裝置205可以包括探測器和分析器，探測器可以採用emccd、scmos、光電倍增管等裝置。

其中，分束裝置203可以是與被測面數量相同的多個半透半反鏡。優選地，為確保分出的幾束光束強度相同，本發明還提出一種分束裝置，其結構示意圖如圖3所示，包括：

定焦鏡頭301，複色平行色散光束經過定焦鏡頭成像在漫射屏上；

漫射屏302，位於保偏內反射空腔四稜柱前端，將複色平行色散光束變為複色散射色散光束；

保偏內反射空腔四稜柱303，複色散射色散光束在內表面不同位置進行全反射鏡反射，並在保偏內反射空腔四稜柱末端產生不同視角的無視差像；

拾光鏡頭304，位於保偏內反射空腔四稜柱末端，對各視角下的無視差像進行聚焦，成像在光譜探測分析裝置的不同位置。

最終，利用檢偏器分別對各視角的成像光束進行檢偏操作，確定探測器上光束所對應的探測面，經過分析探測器上各光束的光譜強度分布，對波長信息解碼，從而獲取各點位移信息。

實施例三

如果複色光源為複色平行光源，則複色平行光源可以直接進行利用，進入起偏器。如果複色光源為複色點光源，例如是光纖光源，則在分束器101和起偏器組102之間還包括：準直裝置400。本發明實施例三的光譜共焦位移傳感器結構示意圖如圖4所示。

分束器101，將複色點光源根據被測面的數量分束為光強相同的若干路複色點光源光束；

準直裝置400，將若干路複色點光源光束變為若干路複色平行光束。其中，準直裝置400安裝於分束器末端，可以是光纖準直器或準直鏡頭或望遠系統等設備。

實施例四

優選地，為了降低光束的損耗，本發明實施例在每一起偏器和對應的每組色散鏡頭之間還包括依次設置的聚焦鏡頭、光纖和準直鏡頭。其中，光纖是具有保偏特性的光纖。

聚焦鏡頭，將從起偏器接收的一束具有偏振態的複色平行光束耦合進光纖；

準直鏡頭，將經過光纖發散後的具有偏振態的複色平行光束進行恢復，再進入對應的一組色散鏡頭。

實施例五

優選地，為了降低光束的損耗，本發明實施例還可以在每一起偏器和對應的每組色散鏡頭之間依次設置的聚焦鏡頭、光纖耦合器和準直鏡頭；其中光纖耦合器第一路光纖接聚焦鏡頭，第二路光纖接合束裝置，第三路光纖接準直鏡頭。其中，光纖耦合器及其光纖都是具有保偏特性的。

聚焦鏡頭，將從起偏器接收的一束具有偏振態的複色平行光束耦合進第一路光纖；

準直鏡頭，將經過第三路光纖發散後的具有偏振態的複色平行光束進行恢復，並發送給對應的一組色散鏡頭，用於該組色散鏡頭對所述具有偏振態的複色平行光束進行軸向色散，使該具有偏振態的複色平行光束在相應的被測面上聚焦反射，形成一單色平行光束從第二路光纖到達合束裝置；

合束裝置，可以是漫射屏等具有合束作用的裝置，用於將每一單色平行光束進行合束形成一束複色平行光束。

實施例六

為清楚說明本發明的光譜共焦位移傳感器，下面列舉具體場景進行說明。

場景一

本發明場景中，測量同一水平金屬面上三個小孔的深度，將三個小孔底面分別稱為第一被測面、第二被測面和第三被測面，水平金屬面稱為基準面，各被測面距離基準面的間距就是光譜共焦位移傳感器需要測量的位移。

分束器101，包括4個半透半反鏡，將複色平行光源根據被測面的數量分束為光強相同的4路複色平行光束；

起偏器組102，包括各自具有不同偏振態的4個起偏器，使4路複色平行光束在經過相應起偏器後起偏而具有不同的偏振態；

例如，經過起偏器組後，第一路複色平行光束偏振態0度，第二路複色平行光束偏振態30度，第三路複色平行光束偏振態60度，第四路複色平行光束偏振態80度。

色散鏡頭組103，包括4組色散鏡頭，將4路具有不同偏振態的複色平行光束，進行軸向色散，使4路具有不同偏振態的複色平行光束分別在基準面、第一被測面、第二被測面以及第三被測面上聚焦反射，形成4路單色平行光束到達合束裝置；其中，每一聚焦點上對應一束單色光波長；

合束裝置104，位於分束器和色散鏡頭組之間的位置，將每個被測面反射回來的各路單色平行光束合束成一束複色平行光束；

限光裝置201，對所述合束成的複色平行光束進行濾波處理，保留包含在複色平行光束中的4路單色平行光束；

色散裝置202，使合束成的複色平行光束產生複色平行色散光束；

分束裝置203，根據被測面的數量分束為4路複色平行色散光束；

檢偏器組204，包括與對應起偏器偏振態相同的多個檢偏器，對4路複色平行色散光束進行檢偏，確定每個被測面對應的偏振態光束；

例如，通過檢偏器可以確定第一路複色平行色散光束偏振態0度，第二路複色平行色散光束偏振態30度，第三路複色平行色散光束偏振態60度，第四路複色平行色散光束偏振態80度。

光譜探測分析裝置204，通過對各偏振態光束進行光譜強度分析，確定每個被測面對應的單色光波長；

例如，基準面對應的單色光波長為400納米，第一被測面對應的單色光波長為500納米，第二被測面對應的單色光波長為600納米，第三被測面對應的單色光波長為700納米。

解算裝置106，根據色散鏡頭組軸向色散距離與可見光波長之間的線性關係，以及每個被測面對應的單色光波長，確定每個被測面之間的位移。

例如，可見光的有效波長範圍是400-800納米，本場景中色散鏡頭組軸向色散距離，也就是位移傳感器有效測量範圍是2毫米，則，第一被測面、第二被測面以及第三被測面與基準面之間的間距分別為0.5毫米、1毫米、1.5毫米。

場景二

本發明場景中，測量一玻璃的厚度，該玻璃具有兩個表面，稱為第一被測面和第二被測面，第一被測面和第二被測面之間的間距就是光譜共焦位移傳感器需要測量的位移。

分束器101，包括2個半透半反鏡，將複色平行光源根據被測面的數量分束為光強相同的2路複色平行光束；

起偏器組102，包括各自具有不同偏振態的2個起偏器，使2路複色平行光束在經過相應起偏器後起偏而具有不同的偏振態；

例如，經過起偏器組後，第一路複色平行光束偏振態0度，第二路複色平行光束偏振態45度。

色散鏡頭組103，包括2組色散鏡頭，將2路具有不同偏振態的複色平行光束，進行軸向色散，使2路具有不同偏振態的複色平行光束分別在第一被測面和第二被測面上聚焦反射，形成2路單色平行光束到達合束裝置；其中，每一聚焦點上對應一束單色光波長；

合束裝置104，位於分束器和色散鏡頭組之間的位置，將每個被測面反射回來的各路單色平行光束合束成一束複色平行光束；

限光裝置201，對所述合束成的複色平行光束進行濾波處理，保留包含在複色平行光束中的2路單色平行光束；

色散裝置202，使合束成的複色平行光束產生複色平行色散光束；

分束裝置203，根據被測面的數量分束為2路複色平行色散光束；

檢偏器組204，包括與對應起偏器偏振態相同的多個檢偏器，對2路複色平行色散光束進行檢偏，確定每個被測面對應的偏振態光束；

例如，通過檢偏器可以確定第一路複色平行色散光束偏振態0度，第二路複色平行色散光束偏振態45度。

光譜探測分析裝置204，通過對各偏振態光束進行光譜強度分析，確定每個被測面對應的單色光波長；

例如，第一被測面對應的單色光波長為400納米，第二被測面對應的單色光波長為600納米。

解算裝置106，根據色散鏡頭組軸向色散距離與可見光波長之間的線性關係，以及每個被測面對應的單色光波長，確定每個被測面之間的位移。

例如，可見光的有效波長範圍是400-800納米，本場景中色散鏡頭組軸向色散距離，也就是位移傳感器有效測量範圍是2毫米，則，第一被測面和第二被測面之間的位移為1毫米。

本發明的裝置具有以下有益效果，

1)本發明主要利用可見光波段進行測量，光源簡單易得，光束穿透能力較強，對被測物沒有損傷。

2)本發明使用多偏振態光源作為激勵光源，利用偏振信息對被測面進行標註，從而實現各點信息的分辨。

3)本發明區別於多臺設備的簡單並聯同步觸發，簡化了系統複雜度，降低了成本，提升了測量的同步性。

4)本發明使用光譜強度信息對位移信息進行結算，測量結果不受被測表面粗糙程度影響，適用於多種被測材質。

5)本發明探測過程，無需人工操作，避免了因人為因素引入的測量誤差，確保了測量精度，使測量結果準確可靠。

6)本發明測量系統結構簡單，裝置配件常見易得，可進行拆解拼裝，便於攜帶，適用於多種測量環境。

綜上，通過本發明實施例的光譜共焦位移傳感器，為光譜共焦位移傳感器設置了色散鏡頭組，色散鏡頭組中多組色散鏡頭的數量依據被測面的數量而定。關鍵是在色散鏡頭組之前加入起偏器組，在解偏振光譜探測裝置中加入檢偏器組，使得分束後的若干路複色平行光束經過起偏器後具有了偏振態，使得合束後的複色平行光束經過檢偏器後分辨出各被測點所對應的測量光束。如此，就可以達到同時多點測量的目的。不需要像現有技術那樣，只能至多配備兩組色散鏡頭，且這組色散鏡頭採集的信息，由於沒有對各束光進行偏振態的區分，所以只能分時處理，即，只能處理完一組採集數據，再處理另外一組採集數據，從而不能實現同步分析。因此，本發明的光譜共焦位移傳感器有效提高了測量速率，降低了測量成本。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換以及改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。