CN113108696A - 一种光源波长扫描光谱共焦传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种光源波长扫描光谱共焦传感器，包括可调谐滤波器和光纤环形器；宽谱光源发出的连续光，经过可调谐滤波器后变成单色光，其波长通过可调谐滤波器进行精细控制；单色光耦合到Y型光纤环形器的输入端A，并从另一端光纤C点输出；从C点出射的单色点光源经过色散镜头汇聚到光轴上，不同波长的光汇聚点不同，行成一条色散焦线；当被测物体表面位于色散焦线上时，光被表面反射，再经过色散透镜，被光纤C点接收，进而从光纤环形器B端输出，被光强探测器探测到。本发明利用锁相放大器可以有效抑制背景光的干扰，通过控制光源波长，可以只在满足共焦条件的峰值波长点附近进行扫描，也可通过变步长搜索峰值波长，获得较高的分辨率和测量速度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种光源波长扫描光谱共焦传感器。
背景技术
光谱共焦传感器是一种以波长信息反映位移变化的非接触式光电位移传感器，具有速度快、精度高等优点。
通常的光谱共焦传感器由小孔出射一束宽光谱的复色光，点光源经过色散镜头后，不同波长的光聚焦在光轴不同位置，在光轴上形成一系列聚焦光斑，产生轴向色散。如图1所示，该光束照射到被测物体表面P”点，反射光束再次经过色散镜头后，通过针孔P后由探测器接收。由于针孔P、针孔P’和被测面上的聚焦点P”相互共轭，形成共焦成像，只有聚焦在被测表面上的光可以通过针孔P’进入光谱仪，而光轴上高于或低于P”点的光则被针孔P’遮挡。聚焦光斑具有一定的大小，只有满足共焦条件的光波长的光斑最小，探测器接收到的反射光能量最强；当被测表面偏离焦平面，离焦的光斑变大，部分反射光被针孔P’挡住，探测器接收到的能量减弱。通过对光谱仪的数据分析可以得到光通量最大时对应的光波长，从而得到被测点处的位置，对被测表面各点进行测量获取其位置信息。上述原理截取自“基于光谱共焦原理的三维表面形貌测量的光学系统研究_王安苏”P10。
现有的光谱共焦传感器由小孔出射一束宽光谱的连续复色光照明被测表面，使用光谱仪接收被测物体返回的光，分析光谱曲线的峰值波长，获取被测物体的位置信息。存在两个缺点：
(1)尽管共焦方法能够有效抑制杂散光的影响，但是当被测物体表面收到较强的环境光干扰时，会引起光谱曲线变形，严重时使得峰值波长计算出现偏差。
(2)测量灵敏度取决于光谱仪的分辨率，传感器一旦设计定型无法变更。
(3)光谱仪测量的光谱曲线采集了所有波长反射光的强度，但是只利用峰值波长附近的数据来计算峰值波长大小，造成测量带宽的浪费。
发明内容
本发明提出的一种光源波长扫描光谱共焦传感器，可解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种光源波长扫描光谱共焦传感器，基于宽谱光源，包括可调谐滤波器和光纤环形器；
宽谱光源发出的连续光，经过可调谐滤波器后变成单色光，其波长通过可调谐滤波器进行精细控制；
单色光耦合到Y型光纤环形器的输入端A，并从另一端光纤C点输出；
从C点出射的单色点光源经过色散镜头汇聚到光轴上，不同波长的光汇聚点不同，行成一条色散焦线；
当被测物体表面位于色散焦线上时，光被表面反射，再经过色散透镜，被光纤C点接收，进而从光纤环形器B端输出，被光强探测器探测到。
进一步的，入射到Y型光纤A端的光经过一个调制器，对光强进行一定频率的调制，同时对探测器的信号使用锁相放大器进行检测，锁相放大器的参考频率与入射光的调制频率一致。
由上述技术方案可知，本发明的光源波长扫描光谱共焦传感器，利用波长可调谐的光源照明被测物，利用锁相放大器探测反射信号。锁相放大器可以有效抑制背景光的干扰，通过控制光源波长，可以只在满足共焦条件的峰值波长点附近进行扫描。增大波长扫描间隔，可以降低分辨率、提高测量速度；减小波长扫描间隔，可以提高分辨率、而测量速度会；也可以通过变补偿搜索峰值波长，同时获得较高的分辨率和测量速度。
附图说明
图1是通常的光谱共焦传感器原理图；
图2是本发明的结构示意图；
图3、图4是探测器探测到的光强随波长变化的曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图2所示，本实施例所述的光源波长扫描光谱共焦传感器，宽谱光源发出的连续光，经过可调谐滤波器后变成单色光，其波长可以通过可调谐滤波器进行精细控制。单色光耦合到光纤环形器的A端，并从另一端光纤C点输出。从C点出射的单色点光源经过色散镜头汇聚到光轴上，不同波长的光汇聚点不同，行成一条色散焦线。当被测物体表面位于色散焦线上时，光被表面反射，再经过色散透镜，被光纤C点接收，进而从光纤环形器B端输出，被光强探测器探测到。对于聚焦在物体表面点的波长的光，C点和在物体表面点是共焦关系，因而该波长被接收的光强最强，而其他波长的光强较弱。因而通过可调谐滤波器使不同波长的光依次照射到被测表面，如图3所示，探测器探测到的光强是一个随波长变化的曲线，峰值波长λp对应共焦的位置，可以根据峰值波长的大小得到物体的位置。比如，如果峰值波长是波长2，则表明物体表面位于P2点。
为了避免环境光的干扰，使入射到Y型光纤A端的光经过一个调制器，对光强进行一定频率的调制，同时对探测器的信号使用锁相放大器进行检测，锁相放大器的参考频率与入射光的调制频率一致，由于锁相放大器的特性，可以将参考频率外的光滤除，从而降低背景光的影响。
在测量中，为了精确获得峰值波长的大小，可以在光源整个光谱范围内，以一定的波长步距进行扫描，获得所有波长的强度后，寻找波长峰值。当波长步距较大时，扫描速度快，但是峰值波长准确度差，因而测量灵敏度低；当波长步距较小时，峰值波长准确度高，测量灵敏度高，但是需要测量更多点，因而测量速度慢。如果测量本身对灵敏度要求较低，可以采用大步距扫描方式。如果要求测量灵敏度高，还可以采用变步长扫描技术，如图4所示：先在全局范围内以较大步距进行波长扫描，当找到峰值波长附近时，再以较小步距扫描，直到按照要求的灵敏度找到峰值波长点，完成测量。
本发明通过光源波长扫描，根据需求选择扫描步长，均衡分辨率和速度两个性能指标，或采用复杂扫描策略，获得较高分辨率和较快测量速度。使用锁相放大器，进一步抑制环境光的干扰。
同时，本实施例的探测器可以是光电倍增管、雪崩二极管、光电二极管等；调制器可以是电光调制器、声光调制器、光学斩波器等；可调谐滤波器可以是声光可调谐滤波器、液晶可调谐滤波器、单色仪等。
综上所述，本实施例所述的光源波长扫描光谱共焦传感器，包括以下特点：
(1)光源波长扫描，根据需求选择扫描步长，均衡分辨率和速度两个性能指标，或采用复杂扫描策略，获得较高分辨率和较快测量速度。
(2)使用锁相放大器，进一步抑制环境光的干扰。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种光源波长扫描光谱共焦传感器，基于宽谱光源，其特征在于，还包括可调谐滤波器和光纤环形器；
宽谱光源发出的连续光，经过可调谐滤波器后变成单色光，其波长通过可调谐滤波器进行精细控制；
单色光耦合到Y型光纤环形器的输入端A，并从另一端光纤C点输出；
从C点出射的单色点光源经过色散镜头汇聚到光轴上，不同波长的光汇聚点不同，行成一条色散焦线；
当被测物体表面位于色散焦线上时，光被表面反射，再经过色散透镜，被光纤C点接收，进而从光纤环形器B端输出，被光强探测器探测到。
2.根据权利要求1所述的光源波长扫描光谱共焦传感器，其特征在于：入射到Y型光纤A端的光经过一个调制器，对光强进行一定频率的调制，同时对探测器的信号使用锁相放大器进行检测，锁相放大器的参考频率与入射光的调制频率一致。
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