CN114295061B - 一种彩色共焦位移传感器与测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种彩色共焦位移传感器，属于位移传感器件领域，所述彩色共焦位移传感器包括光源组件和入射光纤，所述光源组件包括蓝光LED芯片，以及依次设置在所述蓝光LED芯片的准直器、荧光透镜和耦合透镜，所述入射光纤对准所述耦合透镜，所述荧光透镜为均匀分散有黄色和/或红色荧光粉的硼硅玻璃；本发明通过设置由黄色和/或红色荧光粉的硼硅玻璃透镜，提高LED光源的一致性，同时，蓝色芯片进一步激发黄色/红色荧光粉，增加了黄/红光，减少了颜色偏移造成的光谱不全，光强不均的问题。
Description
技术领域
本发明涉及位移传感器件领域，具体涉及一种彩色共焦位移传感器与测量方法。
背景技术
彩色共焦位移传感器，又称光谱共焦传感器、色散共焦位移传感器，其利用特制的彩色编码镜头使可见光产生轴向色散输出，并经由光谱解析器解析共焦回传光波讯号，最后透过波长与位移转换曲线计算出工件位移量测值；其原理是：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。彩色共焦位移传感器已在精密非接触测量广泛使用，特别是在亚微米领域、被测物表面多样化的领域已经是极少数可行方案之一。但现有技术的彩色共焦位移传感器所用光源多为LED，其光谱分布范围不够全面，光强分布也不够均匀。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种彩色共焦位移传感器与测量方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种彩色共焦位移传感器，包括光源组件和入射光纤，所述光源组件包括蓝光LED芯片，以及依次设置在所述蓝光LED芯片光路前方的准直器、荧光透镜和耦合透镜，所述入射光纤对准所述耦合透镜，所述荧光透镜为均匀分散有黄色和/或红色荧光粉的硼硅玻璃。
优选的，所述准直器包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜，所述快轴准直透镜设置在光路的靠前位置，所述慢轴准直透镜设置在光路的靠后位置。
优选的，所述红色荧光粉为BaMgAl10-2xO17:xZr4+,xCa2+荧光粉，其中，x满足0.01<x<0.05，其制备方法是：通过高温固相反应法制备，先按化学计量比分别称取BaCO3、MgO、Al2O3、ZrO2、CaCO3所需质量，精确至±0.0005g，各原料的纯度不小于99.99％，将各称量原料混合并加入无水乙醇研磨30min后，在800-1000℃下预烧0.5-1h，然后再在空气气氛中升温至1500-1600℃，并保温烧结6-8h，冷却至室温后，产物用无水乙醇充分洗涤，再干燥、研磨制得。
优选的，所述黄色荧光粉为铈激活钇铝石榴石荧光粉。
优选的，所述硼硅玻璃以B2O3、SiO2、TeO2、Bi2O3、BaO、Na2O为玻璃基质材料，其摩尔比例为10：(3.5-4.5)：(3.5-4.5)：(0.5-1)：(1.3-1.6)：(1-1.2)。
优选的，所述荧光透镜的制备方法是：
分别以H3BO3和Na2CO3作为硼源和钠源，按化学计量比分别称取H3BO3、Na2CO3、SiO2、TeO2、Bi2O3和BaO所需质量，精确至±0.0005g，各原料的纯度不小于99.99％，将各称量原料混合并加入无水乙醇研磨30min至均匀，干燥后入高温马弗炉进行熔融处理，熔融后在550-600℃下保温1-2h，再升温至800-1000℃，继续保温1-2h至呈澄清的完全熔融状态，取出并进行冷淬，机械破碎并粉磨，加入所述黄色和/或红色荧光粉混合研磨均匀，在保护气氛下，将混合均匀后的物料再次升温至800-1000℃，熔融后按需成型，再在200-300℃下进行退火2-3h以消除内应力，切割后制得所述荧光透镜。
优选的，所述彩色共焦位移传感器还包括有共焦位移传感器探头，所述探头固定连接在所述入射光纤的出光端，所述光谱共焦位移传感探头用于对入射光纤传导的多色光进行轴向色散后将不同波长的光分别聚焦，并对被测物体反射光进行传导。
优选的，所述彩色共焦位移传感器还包括有接收光纤，所述接收光纤的入光端固定设置在所述共焦位移传感探头内，所述接收光纤的入光端用于选择性的接收所述共焦位移传感探头传导的被测物体的反射光。
优选的，所述彩色共焦位移传感器还包括有光谱仪，所述光谱仪固定连接所述接收光纤的出光端，所述光谱仪带有感光元件并用于把被测物体的反射光进行色散聚焦到感光元件上且量化成光谱曲线。
本发明的另一目的在于提供一种以所述彩色共焦位移传感器测量位移量的测量方法。
本发明的有益效果为：
针对现有技术的彩色共焦位移传感器所用LED光源存在光谱分布范围不够全面，光强分布不够均匀的问题，本发明提供一种彩色共焦位移传感器，包括光源组件，通过设置由黄色和/或红色荧光粉的硼硅玻璃荧光透镜，将荧光粉均匀分散在硼硅玻璃中，提高LED光源的一致性，还可以降低了荧光粉温度，提高荧光粉的发光稳定性，对荧光粉起到保护作用，同时，蓝光LED芯片发出的蓝光经过所述荧光透镜进一步激发所述黄色/红色荧光粉并产生黄色和/或红色光，与蓝光一并射出作为全波光源，增加了黄色和/或红光，减少了光的颜色偏移造成的光谱不全，光强不均的问题，更进一步的，本发明通过设置准直器，将蓝光LED芯片发出的蓝光准直后激发荧光透镜形成宽波白光，再通过耦合透镜与光纤耦合，提高光耦合效率。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本发明的实施例涉及一种彩色共焦位移传感器，包括光源组件和入射光纤，所述光源组件包括蓝光LED芯片，以及依次设置在所述蓝光LED芯片光路前方的准直器、荧光透镜和耦合透镜，所述入射光纤对准所述耦合透镜，所述荧光透镜为均匀分散有黄色荧光粉的硼硅玻璃；
所述准直器包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜，所述快轴准直透镜设置在光路的靠前位置，所述慢轴准直透镜设置在光路的靠后位置；
所述彩色共焦位移传感器还包括有共焦位移传感器探头，所述探头固定连接在所述入射光纤的出光端，所述光谱共焦位移传感探头用于对入射光纤传导的多色光进行轴向色散后将不同波长的光分别聚焦，并对被测物体反射光进行传导；
所述彩色共焦位移传感器还包括有接收光纤，所述接收光纤的入光端固定设置在所述共焦位移传感探头内，所述接收光纤的入光端用于选择性的接收所述共焦位移传感探头传导的被测物体的反射光；
所述彩色共焦位移传感器还包括有光谱仪，所述光谱仪固定连接所述接收光纤的出光端，所述光谱仪带有感光元件并用于把被测物体的反射光进行色散聚焦到感光元件上且量化成光谱曲线；
所述黄色荧光粉为铈激活钇铝石榴石荧光粉；
所述硼硅玻璃以B2O3、SiO2、TeO2、Bi2O3、BaO、Na2O为玻璃基质材料，其摩尔比例为10：3.8：3.8：0.7：1.4：1.1；
所述荧光透镜的制备方法是：
分别以H3BO3和Na2CO3作为硼源和钠源，按化学计量比分别称取H3BO3、Na2CO3、SiO2、TeO2、Bi2O3和BaO所需质量，精确至±0.0005g，各原料的纯度不小于99.99％，将各称量原料混合并加入无水乙醇研磨30min至均匀，干燥后入高温马弗炉进行熔融处理，熔融后在550-600℃下保温1-2h，再升温至800-1000℃，继续保温1-2h至呈澄清的完全熔融状态，取出并进行冷淬，机械破碎并粉磨，加入所述荧光粉混合研磨均匀，在保护气氛下，将混合均匀后的物料再次升温至800-1000℃，熔融后按需成型，再在200-300℃下进行退火2-3h以消除内应力，切割后制得所述荧光透镜。
本实施例通过优选硼硅玻璃比例，同时具有较低的熔融温度和良好的力学强度。
实施例2
本实施例涉及一种彩色共焦位移传感器，包括光源组件和入射光纤，所述光源组件包括蓝光LED芯片，以及依次设置在所述蓝光LED芯片光路前方的准直器、荧光透镜和耦合透镜，所述入射光纤对准所述耦合透镜，所述荧光透镜为均匀分散有红色荧光粉的硼硅玻璃；
所述红色荧光粉为BaMgAl9.6O17:0.2Zr4+,0.2Ca2+荧光粉，其制备方法是：通过高温固相反应法制备，先按化学计量比分别称取BaCO3、MgO、Al2O3、ZrO2、CaCO3所需质量，精确至±0.0005g，各原料的纯度不小于99.99％，将各称量原料混合并加入无水乙醇研磨30min后，在800-1000℃下预烧0.5-1h，然后再在空气气氛中升温至1500-1600℃，并保温烧结6-8h，冷却至室温后，产物用无水乙醇充分洗涤，再干燥、研磨制得；
所述荧光透镜的制备方法同实施例1。
本实施例在BaMgAl10O17的基础上通过Zr-Ca离子掺杂制得蓝光激发红色荧光粉，其在463nm波长的激发下呈现以660nm为中心的红光发射。
实施例3
本实施例涉及一种彩色共焦位移传感器，包括光源组件和入射光纤，所述光源组件包括蓝光LED芯片，以及依次设置在所述蓝光LED芯片光路前方的准直器、荧光透镜和耦合透镜，所述入射光纤对准所述耦合透镜，所述荧光透镜为均匀分散有黄色和红色荧光粉的硼硅玻璃，所述黄色荧光粉和红色荧光粉的质量比例为1：2.2；
所述黄色荧光粉为铈激活钇铝石榴石荧光粉；
所述红色荧光粉为BaMgAl9.6O17:0.2Zr4+,0.2Ca2+荧光粉，其制备方法是：通过高温固相反应法制备，先按化学计量比分别称取BaCO3、MgO、Al2O3、ZrO2、CaCO3所需质量，精确至±0.0005g，各原料的纯度不小于99.99％，将各称量原料混合并加入无水乙醇研磨30min后，在800-1000℃下预烧0.5-1h，然后再在空气气氛中升温至1500-1600℃，并保温烧结6-8h，冷却至室温后，产物用无水乙醇充分洗涤，再干燥、研磨制得；
所述荧光透镜的制备方法同实施例1。
本实施例通过优化荧光粉配比，增加了黄色和红光，减少了光的颜色偏移造成的光谱不全，光强不均的问题，提高LED光源的一致性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种彩色共焦位移传感器，其特征在于，包括光源组件和入射光纤，所述光源组件包括蓝光LED芯片，以及依次设置在所述蓝光LED芯片光路前方的准直器、荧光透镜和耦合透镜，所述入射光纤对准所述耦合透镜，所述荧光透镜为均匀分散有黄色和红色荧光粉的硼硅玻璃；
所述红色荧光粉为BaMgAl10-2xO17:xZr4+,xCa2+荧光粉，其中，x满足0.01<x<0.05，其制备方法是：通过高温固相反应法制备，先按化学计量比分别称取BaCO3、MgO、Al2O3、ZrO2、CaCO3所需质量，精确至±0.0005g，各原料的纯度不小于99.99％，将各称量原料混合并加入无水乙醇研磨30min后，在800-1000℃下预烧0.5-1h，然后再在空气气氛中升温至1500-1600℃，并保温烧结6-8h，冷却至室温后，产物用无水乙醇充分洗涤，再干燥、研磨制得；
所述黄色荧光粉为铈激活钇铝石榴石荧光粉。
2.根据权利要求1所述的一种彩色共焦位移传感器，其特征在于，所述准直器包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜，所述快轴准直透镜设置在光路的靠前位置，所述慢轴准直透镜设置在光路的靠后位置。
3.根据权利要求1所述的一种彩色共焦位移传感器，其特征在于，所述硼硅玻璃以B2O3、SiO2、TeO2、Bi2O3、BaO、Na2O为玻璃基质材料，其摩尔比例为10：(3.5-4.5)：(3.5-4.5)：(0.5-1)：(1.3-1.6)：(1-1.2)。
4.根据权利要求3所述的一种彩色共焦位移传感器，其特征在于，所述荧光透镜的制备方法是：
分别以H3BO3和Na2CO3作为硼源和钠源，按化学计量比分别称取H3BO3、Na2CO3、SiO2、TeO2、Bi2O3和BaO所需质量，精确至±0.0005g，各原料的纯度不小于99.99％，将各称量原料混合并加入无水乙醇研磨30min至均匀，干燥后入高温马弗炉进行熔融处理，熔融后在550-600℃下保温1-2h，再升温至800-1000℃，继续保温1-2h至呈澄清的完全熔融状态，取出并进行冷淬，机械破碎并粉磨，加入所述黄色和红色荧光粉混合研磨均匀，在保护气氛下，将混合均匀后的物料再次升温至800-1000℃，熔融后按需成型，再在200-300℃下进行退火2-3h以消除内应力，切割后制得所述荧光透镜。
5.根据权利要求1所述的一种彩色共焦位移传感器，其特征在于，所述彩色共焦位移传感器还包括有共焦位移传感器探头，所述共焦位移传感器探头固定连接在所述入射光纤的出光端，所述共焦位移传感器探头用于对入射光纤传导的多色光进行轴向色散后将不同波长的光分别聚焦，并对被测物体反射光进行传导。
6.根据权利要求5所述的一种彩色共焦位移传感器，其特征在于，所述彩色共焦位移传感器还包括有接收光纤，所述接收光纤的入光端固定设置在所述共焦位移传感器探头内，所述接收光纤的入光端用于选择性的接收所述共焦位移传感器探头传导的被测物体的反射光。
7.根据权利要求6所述的一种彩色共焦位移传感器，其特征在于，所述彩色共焦位移传感器还包括有光谱仪，所述光谱仪固定连接所述接收光纤的出光端，所述光谱仪带有感光元件并用于把被测物体的反射光进行色散聚焦到感光元件上且量化成光谱曲线。
8.一种位移测量方法，其特征在于，以权利要求1-7之一所述的一种彩色共焦位移传感器测量。
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