CN104034268B - 双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器及其位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器及其位移测量方法。目前光谱共焦位移传感器的光谱解析单元均采用光栅光谱仪，分光原理复杂，成本较高，探测波长会随着时间及环境发生漂移，影响到传感器的测量精度。本发明的传感器包括宽带点光源、无色差分光镜、色散透镜组、共焦针孔、无色差准直透镜、干涉双缝屏、适配透镜、矩形光阑及线阵CCD；被测物体表面反射光经共焦针孔滤波后形成准单色光，经无色差准直后被双缝分割成两个子柱面光源并形成干涉，干涉条纹的宽度与被测物体表面反射光波长成良好线性关系，即通过判读干涉条纹的宽度实现物体位移量测量。本发明具有成本低、线性度好、分辨率高的优点，同时仪器结构简单，容易加工。

Description

双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器及其位移测量方法

技术领域

本发明属于光学精密位移测量技术领域，具体涉及一种双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器及其位移测量方法。

背景技术

光谱共焦传感器是一种基于波长位移调制的非接触式位移传感器。由于其测量精度达到亚微米、甚至纳米级别，且对物体倾斜、表面纹理等不敏感，还具有较强的抗杂散光能力，已经成为了一种重要的几何量的精密测量用传感器，服务于精密、超精密制造业的飞速发展。

光谱共焦位移传感器系统由白光光源、光谱共焦光学系统及光谱解析单元等部分共同组成，输入是位移量，输出是波长，其基本原理是：白光光源发出的光经光谱共焦系统出射后，由于系统自身的色散效应，将点光源成像为一个色带，完成波长与位移的编码；某一波长的光经被测物体表面反射后，二次经过光谱共焦光学系统，到达光谱解析单元，完成波长解码，实现被测物体位移测量。

目前，光谱共焦位移传感器的光谱解析单元，均采用光谱仪。光谱仪是一种常用的光谱测量工具，通常采用光栅作为分光元件。目前典型的光栅光谱仪一般采用Czerny-Turner系统或者平场全息凹面光栅系统，前者要经过多次折反射，结构复杂，大大增加了系统装调困难，而平场全息凹面光栅设计、制造困难，造价高昂。整体而言，光栅光谱仪式的分光方式原理复杂，成本较高。另外，光谱仪的探测波长会随着时间及环境发生漂移，需要定期校准，影响到传感器的测量精度。而且，光谱仪自身的非线性，直接影响到了传感器的线性度。

发明内容

本发明的目的是提供一种双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器及其位移测量方法，有效降低现有传感器系统的复杂程度及自身成本，并同时提高其测量线性度和精度。

本发明所采用的技术方案是：

双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器，其特征在于：

自上而下依次设置有宽带点光源、无色差分光镜和色散透镜组，无色差分光镜一侧依次为共焦针孔、无色差准直透镜、干涉双缝屏、适配透镜、矩形光阑和线阵CCD；

共焦针孔、无色差准直透镜、干涉双缝屏和适配透镜共光轴，共焦针孔位于无色差准直透镜的前焦面上；

矩形光阑位置偏离该光轴，开孔方向与干涉条纹方向一致；

线阵CCD紧贴放置于矩形光阑后，仅接受到透过矩形光阑的干涉条纹；线阵CCD感光面尺寸与矩形光阑通光孔径的尺寸相同。

所述宽带点光源工作在可见光范围，具体波段为400nm—760nm。

所述矩形光阑下边界离开光轴的距离小于400nm光源波长对应的干涉条纹的半宽度；矩形光阑上边界离开光轴的距离大于760nm光源波长对应的干涉条纹的半宽度，该距离还小于400nm光源波长对应的一个半条纹宽度。

双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器的位移测量方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：宽带点光源出射光，透过无色差分光镜后，经色散透镜组会聚，不同波长的光产生光谱色散，在空间形成一系列的聚焦点，实现了位移-波长编码；

步骤二：经被测物体表面反射的某一波长的单色光，反向透过色散透镜组，被无色差分光镜反射后，到达共焦针孔；由于针孔滤波作用，仅有被测物体表面反射的该波长单色光可以通过共焦针孔，并且形成点光源出射；

步骤三：该点光源经无色差准直透镜出射，整形成单色平面光波；该单色平面光波垂直入射到干涉双缝屏，每一个狭缝为一个柱面波光源，干涉双缝屏后形成分波前干涉的干涉场；设置于干涉双缝屏后的适配透镜，将干涉条纹放大；固定设置的矩形光阑仅允许包含该波长的单色光+1级干涉暗条纹的光斑可以透过，并被线阵CCD所接收；

步骤四：根据线阵CCD所接受到的光斑信息，判读暗条纹的中心位置O₁，且记录线阵CCD结构延长线与光轴的交点为O；根据经典杨氏双缝干涉理论，即可得到被测物体表面该反射波长为：

；

其中：

λ表示被测物体表面反射光波长，k为线性放大率，d为双缝宽度，D为双缝至线阵CCD接受面之间的距离，β为适配透镜的放大倍率，e为干涉条纹的宽度即2×∣O₁- O∣；

当矩形光阑下边界位置与400nm光源波长对应的干涉条纹+1级暗条纹的中心位置重合，且上边界位置与760nm光源波长对应的干涉条纹+1级暗条纹的中心位置重合时，位移测量分辨率R_distance与测量范围L之间的关系为：

；

其中：α为线阵CCD的暗条纹中心位置判断细分数，A为线阵CCD的像素数。此时，被测物体在初始位置处，表面反射的λ₁的单色光波长为：

；

物体沿着色散透镜组的光轴移动一定距离S后，其表面反射的λ₂的单色光，对应的+1级干涉暗条纹中心位置为O₂，解码计算其对应的波长为：

；

且移动的距离S为：

。

本发明具有以下优点：

1、双缝干涉条纹解码光谱位移传感器，原理简单，操作方便。

2、采用双缝干涉的方式实现波长-位移解码，以干涉条纹宽度为中间环节，被测位移与反射波长线性相关，摒弃了光栅式光谱仪的非线性问题。

3、采用双缝干涉的方式实现波长-位移解码，相对与光栅式光谱仪而言，成本大幅度降低。

4、采用双缝干涉的方式实现波长-位移解码，将被广泛研究和使用的干涉条纹处理技术应用于波长解码，提高了光谱位移传感器的测量精度和稳定性。

5、采用适配透镜将干涉条纹放大，提高了光谱位移传感器的位移测量灵敏度。

6、矩形光阑的设置有效提高了线阵CCD探测信号的信噪比。

附图说明

图1 本发明提供的双缝干涉条纹解码光谱位移传感器的原理光路图。

图2 实施例中被测物体在初始位置获得的灰度响应示意图。

图3 实施例中被测物体在初始位置获得的相对光强响应示意图。

图4 实施例中被测物体移动某一位移后获得的灰度响应示意图。

图5 实施例中被测物体移动某一位移后获得的相对光强响应示意图。

图中，1-宽带点光源，2-无色差分光镜，3-色散透镜组，4-共焦针孔，5-无色差准直透镜，6-干涉双缝屏，7-适配透镜，8-矩形光阑，9-线阵CCD，10-被测物体。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的一种双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器，是一种采用双缝干涉+1级暗条纹判断来实现光谱共焦位移传感器波长-位移解码的传感器，+1级暗条纹中心位置随着被测物体位移而线性改变。

参见图1，所述传感器自上而下依次设置有宽带点光源1、无色差分光镜2和色散透镜组3，无色差分光镜2一侧依次为共焦针孔4、无色差准直透镜5、干涉双缝屏6、适配透镜7、矩形光阑8和线阵CCD9。宽带点光源1工作在可见光范围，具体波段为400nm—760nm。共焦针孔4、无色差准直透镜5、干涉双缝屏6和适配透镜7共光轴，共焦针孔4位于无色差准直透镜5的前焦面上。适配透镜7起到干涉条纹的放大作用。矩形光阑8位置偏离该光轴，开孔方向与干涉条纹方向一致。矩形光阑8下边界离开光轴的距离小于400nm光源波长对应的干涉条纹的半宽度；矩形光阑8上边界离开光轴的距离大于760nm光源波长对应的干涉条纹的半宽度，该距离还小于400nm光源波长对应的一个半条纹宽度。即矩形光阑8下边界位置与400nm光源波长对应的干涉条纹+1级暗条纹的中心位置重合，且上边界位置与760nm光源波长对应的干涉条纹+1级暗条纹的中心位置重合。也就是说，保证不同波长的反射光有且仅有其+1级干涉暗条纹可以通过光阑。线阵CCD9紧贴放置于矩形光阑8后，共包含1024个象元，仅接受到透过矩形光阑8的干涉条纹；线阵CCD9感光面尺寸与矩形光阑8通光孔径的尺寸相同。

无色差分光镜2、色散透镜组3、共焦针孔4及宽带点光源1共同构成了波长-位移编码系统，其设计位移测量范围为20mm，即20×10³μm。共焦针孔4、无色差准直透镜5、干涉双缝屏6、适配透镜7、矩形光阑8及线阵CCD9共同构成了双缝干涉波长解码系统。共焦针孔4既作为光谱共焦系统的滤波针孔，同时也作为双缝干涉的点光源使用。

具体测量过程如下：

宽带点光源1出射光，透过无色差分光镜2后，经色散透镜组3会聚，不同波长的光在空间形成一系列的聚焦点，实现了位移-波长编码；经被测物体10表面反射的波长为λ₁ 的单色光，透过色散透镜组3，被无色差分光镜2反射后，到达共焦针孔4形成点光源出射；该点光源发出的光经无色差准直透镜5入射到干涉双缝屏6后，形成分波前干涉的干涉场；适配透镜7将干涉条纹放大，并经过矩形光阑8滤波，仅允许包含波长为λ₁的单色光+1级干涉暗条纹的光斑可以透过，入射到线阵CCD9；此时，线阵CCD9所记录的灰度值如图2所示，相对光强曲线如图3所示；利用常用的干涉条纹边缘提取算法——重心法，提取暗条纹中心位置O₁，其判读细分数相对于像素数而言至少提高一个数量级，即α=0.1，于是传感器的位移测量分辨率为：

同时有：

沿色散透镜组3的光轴方向，移动被测物体10，其表面反射的波长为λ₂ 的单色光，对应于线阵CCD9所记录的灰度值如图4所示，相对光强曲线如图5所示；再次利用重心法判读暗条纹中心位置O₂，于是有：

则被测物体发生的位移为：

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器，其特征在于：

自上而下依次设置有宽带点光源（1）、无色差分光镜（2）和色散透镜组（3），无色差分光镜（2）一侧依次为共焦针孔（4）、无色差准直透镜（5）、干涉双缝屏（6）、适配透镜（7）、矩形光阑（8）和线阵CCD（9）；

共焦针孔（4）、无色差准直透镜（5）、干涉双缝屏（6）和适配透镜（7）共光轴，共焦针孔（4）位于无色差准直透镜（5）的前焦面上；

矩形光阑（8）位置偏离该光轴，开孔方向与干涉条纹方向一致；

线阵CCD（9）紧贴放置于矩形光阑（8）后，仅接受到透过矩形光阑（8）的干涉条纹；线阵CCD（9）感光面尺寸与矩形光阑（8）通光孔径的尺寸相同；

所述宽带点光源（1）工作在可见光范围，具体波段为400nm—760nm；

所述矩形光阑（8）下边界离开光轴的距离小于400nm光源波长对应的干涉条纹的半宽度；矩形光阑（8）上边界离开光轴的距离大于760nm光源波长对应的干涉条纹的半宽度，该距离还小于400nm光源波长对应的一个半条纹宽度。

2.双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器的位移测量方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：宽带点光源（1）出射光，透过无色差分光镜（2）后，经色散透镜组（3）会聚，不同波长的光产生光谱色散，在空间形成一系列的聚焦点，实现了位移-波长编码；

步骤二：经被测物体（10）表面反射的某一波长的单色光，反向透过色散透镜组（3），被无色差分光镜（2）反射后，到达共焦针孔（4）；由于针孔滤波作用，仅有被测物体（10）表面反射的该波长单色光可以通过共焦针孔，并且形成点光源出射；

步骤三：该点光源经无色差准直透镜（5）出射，整形成单色平面光波；该单色平面光波垂直入射到干涉双缝屏（6），每一个狭缝为一个柱面波光源，干涉双缝屏（6）后形成分波前干涉的干涉场；设置于干涉双缝屏（6）后的适配透镜（7），将干涉条纹放大；固定设置的矩形光阑（8）仅允许包含该波长的单色光+1级干涉暗条纹的光斑可以透过，并被线阵CCD（9）所接收；

步骤四：根据线阵CCD（9）所接受到的光斑信息，判读暗条纹的中心位置O₁，且记录线阵CCD（9）结构延长线与光轴的交点为O；根据经典杨氏双缝干涉理论，即可得到被测物体（10）表面该反射波长为：

；

其中：

λ表示被测物体表面反射光波长，k为线性放大率，d为双缝宽度，D为双缝至线阵CCD接受面之间的距离，β为适配透镜的放大倍率，e为干涉条纹的宽度即2×∣O₁- O∣；

当矩形光阑（8）下边界位置与400nm光源波长对应的干涉条纹+1级暗条纹的中心位置重合，且上边界位置与760nm光源波长对应的干涉条纹+1级暗条纹的中心位置重合时，位移测量分辨率R_distance与测量范围L之间的关系为：

；

其中：α为线阵CCD的暗条纹中心位置判断细分数，A为线阵CCD的像素数；

此时，被测物体在初始位置处，表面反射的λ₁的单色光波长为：

；

物体沿着色散透镜组（3）的光轴移动一定距离S后，其表面反射的λ₂的单色光，对应的+1级干涉暗条纹中心位置为O₂，解码计算其对应的波长为：

；

且移动的距离S为：

。