CN117948900A - 一种基于色散拼接的大量程共焦传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于色散拼接的大量程共焦传感器，包括分光镜、色散透镜组、透明衍射件和共聚焦透镜组，所述色散透镜组包括第一色散透镜组和第二色散透镜组，所述第一色散透镜组和第二色散透镜组的光路相互垂直并聚焦于所述分光镜，所述第一色散透镜组与所述分光镜之间设置有所述透明衍射件用于产生多个横向色散偏移的测量区域，所述分光镜的光路输出端与所述共聚焦透镜组的输入端连接，所述共聚焦透镜组用于形成多个轴向光谱的测量区域。本发明改变了光谱共焦传感器的光学结构，利用多组具有不用色散范围光学元件的共光路组合，在保证测量精度的前提下，实现测量范围的拼接扩展。
Description
技术领域
本发明涉及一种共焦传感器技术，尤其涉及一种基于色散拼接的大量程共焦传感器。
背景技术
光谱共焦位移传感器是一种新型的具有超高精度和超高稳定性的非接触光电式位移传感器。由于其独特的测量原理与先进的测量技术在生物医学、材料科学、微观或宏观尺度表面测量等领域得到了广泛应用。与激光三角法相比，光谱共焦位移传感器由于采用了光谱共焦技术，因此具有更高的分辨力，而且对被测物表面纹理、倾斜和周围环境的杂散光等因素不敏感。并且由于光发射和接收同光路，不会出现激光三角法光路容易被遮挡或被测目标表面过于光滑而接收不到目标反射光的情况，对被测目标适应性强。
光谱共焦技术的轴向测量范围和轴向测量精度主要由复色光源、光学透镜轴向色散能力和数值孔径值决定。其中，在光源可用光谱带宽有限的条件下，为了扩大测量范围，需要减小光学透镜的数值孔径值，但是这将会减小光谱共焦的轴向分辨能力和测量精度。因此，光谱共焦传感器存在测量精度与测量范围相互矛盾的问题，其中，色散拼接的关键在于实现光学透镜色散焦点的大范围偏移，最直接的办法是在共聚焦透镜下设计不同有效色散范围的光学镜组。但是，根据柯西方程式可知，这种方式对材料折射率以及微量加工工艺提出了极高的要求，工程实现起来是非常困难的。因此需要一种基于色散拼接的大量程共焦传感器。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于色散拼接的大量程共焦传感器。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
本发明包括分光镜、色散透镜组、透明衍射件和共聚焦透镜组，所述色散透镜组包括第一色散透镜组和第二色散透镜组，所述第一色散透镜组和第二色散透镜组的光路相互垂直并聚焦于所述分光镜，所述第一色散透镜组与所述分光镜之间设置有所述透明衍射件用于产生多个横向色散偏移的测量区域，所述分光镜的光路输出端与所述共聚焦透镜组的输入端连接，所述共聚焦透镜组用于形成多个轴向光谱的测量区域。
进一步地，所述第一色散透镜组和第二色散透镜组的复色光源的驱动电源分别与控制模块连接，所述控制模块产生触发信号输入给驱动电源触发复色光源产生可变光强的宽光谱光束。
进一步地，所述复色光源包括白光光源和光谱仪。
进一步地，两路复色光源的光源通过处于共轭焦平面的光源针孔与所述色散透镜组的输入端连接。
进一步地，所述色散透镜组包括依次设置的偏振分光镜和色散透镜,，所述偏振分光镜的输出端与所述色散透镜的输入端连接，所述色散透镜的输出端与所述色散透镜输入端连接，所述色散透镜的输出端与所述分光镜连接。
进一步地，所述驱动电源的供电输出端与与光纤束连接，所述光纤束的光路输出端与准直器的输入端连接。
进一步地，所述透明衍射件为光学薄膜或者透明平板。
本发明的有益效果是：
本发明改变了光谱共焦传感器的光学结构，利用多组具有不用色散范围光学元件的共光路组合，在保证测量精度的前提下，实现测量范围的拼接扩展。
附图说明
图1是本发明基于色散拼接的大量程共焦传感器的轴向色散透镜组原理结构图；
图2本发明基于色散拼接的大量程共焦传感器的基于色散拼接的光谱共焦测量系统原理框图；
图中1-第一色散透镜，2-第二色散透镜组，3-光学薄膜，4-共聚焦透镜组，5-分光镜，6-复色光源7-光源针孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明包括分光镜4、第一色散透镜组1、第二色散透镜组2、光学薄膜3和共聚焦透镜组，所述第一色散透镜组1和第二色散透镜组2的光路相互垂直并聚焦于所述分光镜5，所述第一色散透镜组1与所述分光镜5之间设置有所述光学薄膜3用于产生多个横向色散偏移的测量区域，所述分光镜5的光路输出端与所述共聚焦透镜组4的输入端连接，所述共聚焦透镜组4用于形成多个轴向光谱的测量区域。
所述第一色散透镜组1和第二色散透镜组2的复色光源的驱动电源分别与控制模块连接，所述控制模块产生触发信号输入给驱动电源触发复色光源产生可变光强的宽光谱光束。
所述复色光源6包括白光光源和光谱仪，两路复色光源6的光源通过处于共轭焦平面的光源针孔7与所述偏振分光镜的输入端连接，所述偏振分光镜的输出端与所述色散透镜的输入端连接，所述色散透镜的输出端与所述色散透镜输入端连接，所述色散透镜的输出端与所述分光镜连接。
控制模块产生触发信号输入给驱动电源触发复色光源产生可变光强的宽光谱光束，经光纤束、线性偏振片，形成具有正交偏振关系的两入射点光束；
入射彩色光束经过第一色散透镜组、偏振分光镜、聚焦物镜，沿光轴色散，形成第一测量区域；同时，入射彩色光束经过第二色散透镜组、光学薄膜、偏振分光镜、聚焦物镜，沿光轴色散，形成第二测量区域；入射彩色光束在待测目标处形成两个不同直径、波长的探测光斑；
工作原理如下：
如图2所示，首先，控制模块产生触发信号输入给驱动电源触发复色光源产生可变光强的宽光谱光束，经光纤束、线性偏振片，形成具有正交偏振关系的两入射点光束；然后，入射彩色光束分别经过远焦点光学色散组和近焦点光学色散组，在偏振分光镜处合并，通过聚焦物镜和环状薄膜沿光轴色散，在待测目标处形成两个不同直径、波长的探测光斑；最后，目标表面散射或者漫反射的探测光束经过聚焦物镜、分光镜、光学色散组汇聚后形成多个检测区域，由偏振片进行分离，处于共轭焦平面的光源针孔进行滤波，进而经光纤束被相应的光谱仪接收，形成探测光谱信号，系统对光谱信号进行处理，根据考虑光谱分布特点的峰值提取算法，获取准确的波长，根据探测信号对应的光谱仪，选择对应的事先标定的色谱波长-轴向位移关系，实现待测表面轮廓、厚度信息的解码。
本发明利用色散范围的拼接实现传感器测量范围的扩展,其中，色散范围的精确调控可以采用改变折衍射光学元件结构的方式，也可以在通过在相同光学组合中加入透明平板的方式。
本发明提出利用薄膜实现拼接色散的方法。在共聚焦透镜的前提下，两套色散物镜的组成结构一致，其中一套色散物镜与聚焦物镜之间加入了光学薄膜。通过改变光学薄膜的厚度以及位置，可以实现色散范围的精准调控。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于色散拼接的大量程共焦传感器，其特征在于：包括分光镜、色散透镜组、透明衍射件和共聚焦透镜组，所述色散透镜组包括第一色散透镜组和第二色散透镜组，所述第一色散透镜组和第二色散透镜组的光路相互垂直并聚焦于所述分光镜，所述第一色散透镜组与所述分光镜之间设置有所述透明衍射件用于产生多个横向色散偏移的测量区域，所述分光镜的光路输出端与所述共聚焦透镜组的输入端连接，所述共聚焦透镜组用于形成多个轴向光谱的测量区域。
2.根据权利要求1所述的一种基于色散拼接的大量程共焦传感器，其特征在于：所述第一色散透镜组和第二色散透镜组的复色光源的驱动电源分别与控制模块连接，所述控制模块产生触发信号输入给驱动电源触发复色光源产生可变光强的宽光谱光束。
3.根据权利要求2所述的一种基于色散拼接的大量程共焦传感器，其特征在于：所述复色光源包括白光光源和光谱仪。
4.根据权利要求1所述的一种基于色散拼接的大量程共焦传感器，其特征在于：两路复色光源的光源通过处于共轭焦平面的光源针孔与所述色散透镜组的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于色散拼接的大量程共焦传感器，其特征在于：所述色散透镜组包括依次设置的偏振分光镜和色散透镜,，所述偏振分光镜的输出端与所述色散透镜的输入端连接，所述色散透镜的输出端与所述色散透镜输入端连接，所述色散透镜的输出端与所述分光镜连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于色散拼接的大量程共焦传感器，其特征在于：所述驱动电源的供电输出端与与光纤束连接，所述光纤束的光路输出端与准直器的输入端连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于色散拼接的大量程共焦传感器，其特征在于：所述透明衍射件为光学薄膜或者透明平板。
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