CN106802129A - 一种高分辨力与自校准光谱共焦位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨力与自校准光谱共焦位移测量系统，通过运用高色散玻璃材料色散与波长之间的非线性，实现Fery棱镜光谱仪光谱分辨率非线性与折射式色散物镜色散距离非线性相互补偿，实现轴向测量距离与探测器像元之间的线性对应，从根本上解决了测量距离的线性问题，有助于平衡系统在全测量范围的灵敏度，不改变分辨力的同时量程可以扩大到原来的两倍。此外，采用多波段光纤耦合技术，将宽波段光源与特定波长激光光源耦合单光纤输出，特定激光波长与宽波段光源严格共用光谱共焦显微系统光路，可以实现光谱仪谱线位置的自标校，可以有效提高在线检测时光谱测量精度。

Description

一种高分辨力与自校准光谱共焦位移测量系统

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；

首先，仅打开宽光谱光源，关闭其他两个特定波长的激光光源；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，当被测物体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物体表面的某一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，通过移动被测物体使得各个波长的单色光通过针孔射入Fery棱镜光谱仪；由所述Fery棱镜光谱仪获得相应的单色光波长值与波峰位置的关系表；

当需要对系统进行校准时，打开特定波长为N以及M的激光光源，关闭宽光谱光源；按照与宽光谱光源相同的工作方式，根据获得特定波长N与其波峰位置关系，以及根据获得特定波长M与其波峰位置关系对所述关系表进行验证与校准。

还包括：利用特定波长为N以及M的激光光源检测单色光的轴向测量距离；

将特定波长为N的激光光源对应的轴向测量距离为Z₁，波峰位置为Y₁；特定波长为M的激光光源对应的轴向测量距离为Z₂，波峰位置为Y₂；

计算待检测检测单色光的轴向测量距离Z_i，其公式为：

其中，Y_i为待检测检测单色光通过与宽光谱光源相同的工作方式后由Fery棱镜光谱仪获得的波峰位置。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，运用高色散玻璃材料色散与波长之间的非线性，实现Fery棱镜光谱仪光谱分辨率非线性与折射式色散物镜色散距离非线性相互补偿，实现轴向测量距离与探测器像元之间的线性对应，从根本上解决了测量距离的线性问题，有助于平衡系统在全测量范围的灵敏度，不改变分辨力的同时量程可以扩大到原来的两倍；同时，采用Fery棱镜分光的方式进行光谱探测，具有能量利用率高、稳定性好、抗干扰能力强、结构简单、成本低等特点。此外，采用多波段光纤耦合技术，将宽波段光源与特定波长激光光源耦合单光纤输出，特定激光波长与宽波段光源严格共用光谱共焦显微系统光路，可以实现光谱仪谱线位置的自标校，可以有效提高在线检测时光谱测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种高分辨力光谱共焦位移测量系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的双胶合的Fery棱镜色散原理图；

图3为本发明实施例提供的光谱共焦轴向测量距离测量原理图；

图4为本发明实施例提供的一种自校准光谱共焦位移测量系统示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

本发明实施例提供一种高分辨力光谱共焦位移测量系统，如图1所示，其主要包括：宽光谱光源1、光纤2、分光镜3、色散物镜4、针孔5与Fery棱镜光谱仪6；其中：宽光谱光源1通过光纤2耦合输出复色光点光源7，复色光点光7源透过分光镜3，照射在色散物镜4上，色散物镜4将复色光点光源7在光轴方向8上分解成若干不同波长的单色光；当被测镜9放置在色散物镜4像平面附近的测量区域时，其中完美聚焦在被测镜9上表面与下表面的两个波长的单色光将通过分光镜3的反射面反射至针孔5，由放置在针孔后的Fery棱镜光谱仪6接收；

由Fery棱镜光谱仪6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。

本发明实施例中，所述Fery棱镜光谱仪6包括：第一与第二反射镜(61、62)、双胶合Fery棱镜63与探测器64；其中，通过针孔5的单色光经过第一反射镜61反射至双胶合Fery棱镜63，再经双胶合Fery棱镜63色散至第二反射镜32，最终由第二反射镜62反射至探测器64。

双胶合的Fery棱镜具有棱镜色散的特点，其色散原理如图2所示，Fery棱镜可以作为从紫外到中红外区的合适的色散元件，色散范围广，与光栅相比色散光的能量强，而且棱镜可用廉价的光学玻璃作为材料，降低设备的制造成本。另外，棱镜的线色散率具有非线性，短波线色散率高，长波线色散率低，可与色散物镜的轴向色散非线性进行互相补偿，从而提高测量范围内的灵敏度和分辨力，在不改变分辨力的同时量程可以扩大到原来的两倍，同时降低了线性色散物镜的设计难度，减小了色散物镜的体积与重量。

上述系统的测量原理如图3所示。所述色散物镜4将复色光点光源7在光轴方向8上分解成若干不同波长的单色光(例如，图3中的λ₁～λ₅)，并将不同波长的单色光聚焦在轴向位置的不同高度，每一单色光聚焦点位置与色散物镜4的距离称为轴向测量距离Z；

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。

Fery棱镜光谱仪可以获得各波长响应曲线65，从而获得各单色光的波峰位置(即光谱曲线的峰值波长)，进而获得轴向测量距离、对应波长值与波峰位置之间的关系表，如表1所示：

表1轴向测量距离、对应波长值与波峰位置的关系

此外，由于物镜玻璃材料的折射率与波长成非线性关系，短波的轴向测量分辨率低，长波的轴向测量分辨率高。而本系统采用的Fery棱镜色散光谱仪由于Fery棱镜玻璃材料的折射率与波长成非线性关系，短波的光谱分辨率高，长波光谱分辨率低。因此根据色差理论和曲面棱镜色散理论，建立光谱共焦显微镜轴向测量分辨率与光谱分辨率之间的数学模型，即ΔZ(轴向测量距离之差)与ΔY(波峰位置之差)之间的关系，通过对玻璃折射率的选择以及光学系统曲率半径厚度的计算，使得ΔZ与ΔY成线性关系，从而实现光谱位置与轴向位移测量位置的线性编码，实现轴向测量距离的线性测量。通常情况下，可以通过标定的方式预先获得某些波长的单色光与其轴向测量距离的对应关系，从而可以结合ΔZ与ΔY的比值，以及待测单色光在Fery棱镜色散光谱仪中的波峰位置来计算待测单色光的轴向测量距离，具体的计算公式将在后文给出。

上述系统运用高色散玻璃材料色散与波长之间的非线性，实现曲面棱镜色散光谱仪光谱分辨率非线性与折射式色散物镜色散距离非线性相互补偿，从而实现轴向测量距离与探测器像元之间的线性对应，从根本上解决了测量距离的线性问题，因而可以实现诸如被测镜厚度、轴向测量距离等参数的计算。

实施例二

另一方面，本发明还提供一种自校准光谱共焦位移测量系统，该系统是基于前述实施例一中的系统来实现的，其结构基本一致，仅增加了两个特定波长的激光器，两个特定波长即为N与M，且宽光谱光源的光源波长包含了这两个特定波长。

其结构如图4所示，主要包括：宽光谱光源1、特定波长为N以及M的激光光源(11、12)、光纤2、分光镜3、色散物镜4、针孔5与Fery棱镜光谱仪6；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；

在开启宽光谱光源1时(其他两个特定波长的激光光源关闭)，整个系统与前述实施例一所提供的系统相同，可以由所述Fery棱镜光谱仪获得前述表1所示的关系表，但是本系统主要涉及的对Fery棱镜光谱仪谱线位置进行验证与校准，因此，仅需相应的单色光波长值与波峰位置的关系表即可。

此时，宽光谱光源1通过光纤2耦合输出复色光点光源7，复色光点光源7透过分光镜3，照射在色散物镜4上，色散物镜4将复色光点光源7在光轴方向8上分解成若干不同波长的单色光，当被测物体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物体表面的某一波长的单色光将通过分光镜3的反射面反射至针孔5，由放置在针孔5后的Fery棱镜光谱仪6接收，通过移动被测物体使得各个波长的单色光通过针孔射入Fery棱镜光谱仪(Fery棱镜光谱仪的结构与实施例一中的相同)。

系统在长时间使用后可能导致精度下降，此时需要对系统进行校准，打开特定波长为N以及M的激光光源，关闭宽光谱光源；再按照与宽光谱光源相同的工作方式，根据获得特定波长N与其波峰位置关系，以及根据获得特定波长M与其波峰位置关系对所述关系表进行验证与校准。

验证与校准时，如果采用宽光谱光源获得的关系表中波长N的波峰位置、波长M的波峰位置，与采用特定波长N测得的波峰位置，以及采用特定波长M测得的波峰位置，完全一致，则无需改动；否则，利用后者重新标定谱线位置。

另一方面，还可以直接利用特定波长为N以及M的激光光源检测单色光的轴向测量距离；

将特定波长为N的激光光源对应的轴向测量距离为Z₁，波峰位置为Y₁；特定波长为M的激光光源对应的轴向测量距离为Z₂，波峰位置为Y₂；

计算待检测检测单色光的轴向测量距离Z_i，其公式为：

其中，Y_i为待检测检测单色光通过与宽光谱光源相同的工作方式后由Fery棱镜光谱仪获得的波峰位置。

示例性的，参数前述表1，N、M分别为532nm、632nm，则Z₁＝24，Y₁＝1350，Z₂＝21，Y₂＝900，则：

与前述实施例一类似的，本实施例的系统可以进行轴向测量距离、被测镜厚度等参数的检测。

上述系统采用多波段光纤耦合技术，将宽波段光源与特定波长激光光源耦合单光纤输出，特定激光波长与宽波段光源严格共用光谱共焦显微系统光路，可以实现光谱仪谱线位置的自标校，可以有效提高在线检测时光谱测量精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高分辨力光谱共焦位移测量系统，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨力光谱共焦位移测量系统，其特征在于，

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。

3.根据权利要求1或2所述的一种高分辨力光谱共焦位移测量系统，其特征在于，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。

4.一种自校准光谱共焦位移测量系统，其特征在于，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；

首先，仅打开宽光谱光源，关闭其他两个特定波长的激光光源；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，当被测物体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物体表面的某一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，通过移动被测物体使得各个波长的单色光通过针孔射入Fery棱镜光谱仪；由所述Fery棱镜光谱仪获得相应的单色光波长值与波峰位置的关系表；

当需要对系统进行校准时，打开特定波长为N以及M的激光光源，关闭宽光谱光源；按照与宽光谱光源相同的工作方式，根据获得特定波长N与其波峰位置关系，以及根据获得特定波长M与其波峰位置关系对所述关系表进行验证与校准。

5.根据权利要求4所述的一种自校准光谱共焦位移测量系统，其特征在于，还包括：利用特定波长为N以及M的激光光源检测单色光的轴向测量距离；

将特定波长为N的激光光源对应的轴向测量距离为Z₁，波峰位置为Y₁；特定波长为M的激光光源对应的轴向测量距离为Z₂，波峰位置为Y₂；

计算待检测检测单色光的轴向测量距离Z_i，其公式为：

$Z_i-Z_1=\frac{Z_2-Z_1}{Y_2-Y_1}\×(Y_i-Y_1)$

其中，Y_i为待检测检测单色光通过与宽光谱光源相同的工作方式后由Fery棱镜光谱仪获得的波峰位置。