CN203310374U - 一种高精度位移检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度位移检测装置，属于光检测领域。该装置包括：短相干光源、准直透镜、起偏器、分光器、聚焦透镜、反射镜、检偏器、图像传感装置和两个1/4波片；其中，短相干光源、准直透镜、起偏器、分光器、第一1/4波片和反射镜呈一排依次排列成为第一光路；聚焦透镜、第二1/4波片、所述分光器、检偏器和图像传感装置呈一排依次排列成为第二光路；所述第一光路与第二光路经所述分光器交汇且所述两光路相互垂直；短相干光源的光输出端朝向所述准直透镜；所述反射镜在所述第一光路中倾斜设置，并能调整在所述第一光路中倾斜的角度。该检测装置结构简单、紧凑，测量精度高，测量范围可方便调节。

Description

一种高精度位移检测装置

技术领域

本实用新型涉及光学检测领域，特别是涉及一种利用光学实现的高精度位移检测装置。

背景技术

传统的位移传感器通常采用共焦显微镜的原理进行测量，它主要由白光光源，色差镜头加上光谱仪组成（参见文献《光电工程》的“光谱共焦位移传感器物镜设计”），光源采用复色光(如白光)，这束光经过色差镜头，产生光谱色散，在空间形成一系列焦点。聚焦于被测物体表面的单色光，反射回来，到达单色仪或者光谱仪，从而确定此单色光的波长，每一个波长都对应着一个距离值，因此根据波长即可推算出位移值。

图1示意了光谱共焦位移传感器的基本原理，复色光光源1经过前面透镜形成平行光，接着通过分束器2后面能够产生色散的成像透镜，如果刚好黄绿光汇聚在物体3表面上，反射光再次经过成像透镜，最后黄绿光会聚通过小孔4和另一分束器5到达光谱仪，离焦反射的其它光谱成分则被小孔遮挡。光谱仪得到的光谱分布如图2所示，横坐标表示波长，纵坐标表示对比度。对于得到的光谱曲线，其峰值在555nm处，如果物体有一个小的位移，那么光谱仪可以得到另一个光谱曲线，获得另外一个峰值，这两个峰值之差所代表的位移根据成像透镜产生的色散和波长关系可以得出。

这种位移传感器的位移测量范围取决于显微镜头的光谱色散范围，当测量高分辨率的时候，需要选择高数值孔径的镜头，这样导致工作距会有很大程度上的减少。

另外分辨率的提高同时会导致测量范围会相应的减少，通常测量范围是分辨率的1～10万倍，为了让系统兼容不同的分辨率和测量范围，需要更换不同的色差镜头，导致设备的成本上升。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种高精度位移检测装置，在不需要更换不同色差镜头的前提下，能兼容不同的分辨率和测量范围，从而解决目前光检测位移的设备需要频繁更换镜头且工作距较短的问题。

解决上述技术问题的技术方案如下：

本实用新型提供一种高精度位移检测装置，包括：

短相干光源、准直透镜、起偏器、分光器、聚焦透镜、反射镜、检偏器、图像传感装置和两个1/4波片；其中，

所述短相干光源、准直透镜、起偏器、分光器、第一1/4波片和反射镜呈一排依次排列成为第一光路；

所述聚焦透镜、第二1/4波片、所述分光器、检偏器和图像传感装置呈一排依次排列成为第二光路；

所述第一光路与第二光路经所述分光器交汇且所述两光路相互垂直；

所述短相干光源的光输出端朝向所述准直透镜；

所述反射镜在所述第一光路中倾斜设置，并能调整在所述第一光路中倾斜的角度。

本实用新型的有益效果为：利用两条光通路作用形成的干涉条纹进行位移的测量，可通过调节反射镜的倾斜角度，方便的实现测量范围的调整，而不用更换不同的色差镜头，因此具有结构简单、成本低、工作距长、测量精度高且测量范围可方便调节的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为传统共焦显微镜的结构原理图；

图2为传统共焦显微镜光谱仪的输出波形图；

图3为本实用新型实施例提供的检测装置的结构原理图；

图4为本实用新型实施例的图像传感装置上的光强分布示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例提供一种高精度位移检测装置，如图3所示，该检测装置包括：短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、分光器304、聚焦透镜309、反射镜306、检偏器308、图像传感装置307和两个1/4波片3051、3052；

其中，短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、分光器304、第一1/4波片3051和反射镜306呈一排依次排列成为第一光路；

聚焦透镜309、第二1/4波片3052、所述分光器304、检偏器308和图像传感装置307呈一排依次排列成为第二光路；

第一光路与第二光路经所述分光器304交汇且所述两光路相互垂直；

短相干光源301的光输出端朝向所述准直透镜302；

反射镜306在所述第一光路中倾斜设置，并能调整在所述第一光路中倾斜的角度。

在该装置中，第一光路与第二光路配合，由短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、分光器304、第一1/4波片3051、反射镜306、第一1/4波片3051、分光器304、检偏器308和图像传感装置307构成第一光通路；

其中，短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、分光器304、第一1/4波片3051、反射镜306构成的为进程光通路，而第一1/4波片3051、分光器304、检偏器308和图像传感装置307为回程光通路；

由短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、分光器304、第二1/4波片3052、聚焦透镜309、第二1/4波片3052、分光器304、检偏器308和图像传感装置307构成第二光通路（为检测光通路，其中，第二光通路回程的光为经聚焦透镜309的焦点处的被测物体表面反射的光）。其中，短相干光源301、准直透镜302、起偏器303、分光器304、第二1/4波片3052、聚焦透镜309为进程光通路，而聚焦透镜309的焦点处的被测物体表面反射的光从聚焦透镜309、第二1/4波片3052、分光器304、检偏器308和图像传感装置307为回程光通路进入图像传感装置307。

上述检测装置工作时，短相干光源301经过准直透镜302后，变为平行光后经过起偏器303，呈一定的偏振方向入射到分光器304上，经过分光器304后一束光透射，经过第一1/4波片3051后到反射镜306上，反射镜306倾斜设置在第一光路中，呈一定角度且该角度可以调整，调节的角度取决于CCD的像素分辨率，保证每个条纹能至少覆盖4个像素宽度即可，经过反射镜306的反射光再次通过第一1/4波片3051反射到分光器304上，由于两次经过第一1/4波片3051，偏振方向发生90度旋转，在分光器304上反射后经过检偏器308进入图像传感装置307中；

经过分光器304的另一束反射光，经过第二1/4波片3052后，通过聚焦透镜309，聚焦到被测物体30a表面，经过被测物体30a表面反射后，经过聚焦透镜309再次变为平行光，通过第二1/4波片3052后进入分光器304，由于两次通过第二1/4波片3052，偏振方向发生90度旋转，通过分光器304透射后后经过检偏器308进入图像传感装置307中；

两束光进入图像传感装置307之前都需要通过检偏器308，这样两束光合成一束偏振方向相同的光，能以相同的偏振方向入射到图像传感装置307，从反射镜306的中心反射的光和被测物体30a表面反射的光到图像传感装置307的光程差相同，所以从分光器304透射的光和从分光器304反射的光会在一定的范围内形成干涉，由于采用的是短相干光源，所以该干涉条纹只是在图像传感装置307的一定的范围内形成，通过分析图像传感装置307上的干涉条纹的中心位置，就可以准确知道被测物体30a表面相对于该检测装置的位置，从而可以检测被测物体30a的位移。该检测装置结构简单，测量精度高，不需要更换镜头，测量范围即可方便调节，有效降低了利用光对位移进行检测的检测设备成本。

上述检测装置中，短相干光源采用相干长度为5～50um左右的LED光源。

上述检测装置中，起偏器303在第一光路中的角度能调整。

上述检测装置中，聚焦透镜309的焦点处为被测物体30a放置处。

上述检测装置中，从反射镜306的中心反射的光和被测物体30a表面反射的光到所述图像传感装置307的光程差相同。

上述检测装置中，图像传感装置307采用面阵CCD装置、线阵CCD装置或普通的图像传感器中的任一种。

上述检测装置中，分光器304可采用偏振分束分光器。进一步的，上述检测装置也可以采用非偏振分光器进行分光，这样可通过调节反射镜306的反射光强实现最后形成的干涉条纹的匹配干涉。

上述检测装置中，还可以设置光纤，将聚焦透镜309设置在该光纤的输入端，该光纤的输出端与所述第二1/4波片3052对应。这样通过光纤耦合得到聚焦透镜309的聚焦光，通过光纤将聚焦光引到检测装置不方便到达的地方对被测物体30a进行检测。

该检测装置，结构简单、紧凑，在测试过程中没有可动器件的高精度的表面位位移检测装置，很好的解决了目前检测设备需要频繁更换镜头和工作距较短的问题。

本实用新型实施例还提供一种高精度位移检测方法，采用上述的检测装置，

包括以下步骤：

将被测物体设置在所述检测装置的聚焦透镜的焦点处；

所述检测装置在其短相干光源发出光后，经两光路形成的两条光通路作用后，其图像传感装置接收反射光与被测物体表面的反射光进行干涉形成的干涉条纹；

通过对所述干涉条纹的分析处理，确定所述被测物体的位移量。

上述检测方法中，通过对干涉条纹的分析处理，确定被测物体的位移量为：

对所述干涉条纹的所述轮廓进行提取分析，确定该干涉条纹的对比度的中心位置，通过所述中心位置确定所述被测物体距离所述检测装置的位置,进而确定被测物体的位移。

上述方法中，可通过调整所述检测装置的反射镜在所述第一光路中的倾斜角度，调整所述检测装置的检测范围。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步地详细描述。

实施例1

如图3所示，短相干光源301采用相干长度为10um左右的LED光源，短相干光源301经过准直透镜302后，变为平行光后经过起偏器303，呈一定的偏振方向入射到偏振分光器304上，经过分光器304后一束光透射，经过第一1/4波片3051后到反射镜306上，反射镜306呈一定的倾斜角度放置，经反射镜306的反射光再次通过第一1/4波片3051反射到分光器304上，由于两次经过第一1/4波片3051，偏振方向发生90度旋转，在分光器304上反射后经检偏器308进入图像传感器装置307中，该图像传感器装置307可以是面阵CCD或线阵CCD或普通的传感器；经过分光器304的反射光，通过第二1/4波片3052和聚焦透镜309，聚焦到被测物体30a表面，经过被测物体30a表面反射后，经过聚焦透镜309再次变为平行光，通过第二1/4波片3052后进入分光器304，由于两次通过第二1/4波片3052，偏振方向发生90度旋转，通过分光器304透射后经检偏器308进入图像传感器装置307中；两束光进入图像传感器装置307之前都需要通过检偏器308，这样两束光能以相同的偏振方向入射到图像传感器装置307；从反射镜306的中心反射的光和被测物体30a表面反射的光倒到图像传感器装置307的光程差相同，所以从分光器304透射的光和从分光器304反射的光会在一定的范围内形成干涉，由于采用的是短相干波长，所以该干涉条纹只是在图像传感器装置307的一定的范围内形成，通过分析图像传感器装置307上的干涉条纹的中心位置，就可以准确知道被测物体表面相对于检测装置的位置，进而可以确定被测物体的位移。假设两个干涉条纹的中心位置之间的距离为L，反射镜306的倾斜角度为α，那么被测物体30a的位移为L×tan（α）。

当被测物体30a表面的反射率发生较大变化时，可以通过调节起偏器303的角度，改变分光器304的透射和反射比例进行调节。

该系统的分辨率取决于反射镜306的倾斜角度和图像传感器装置307的分辨率，和聚焦透镜309的焦距无关，所以可以使用数值孔径较小，工作距较长的简单聚焦透镜，克服传统色差显微镜设计工作距离短，价格昂贵的缺点；

假设该装置需要的测量范围设为0.5mm，将反射镜306倾斜0.5mm，反射光和被测物体表面的反射光进行干涉，线性CCD的总分辨率为4000；波长为1.31um，所以一个干涉条纹覆盖5个像素左右，如果相干长度为10um，在图像传感器装置307上会出现几十个条纹，通过对条纹的轮廓进行提取分析，确定对比度的中心位置，该位置最高拟合的分辨率可以达到1/100像素，这样该检测装置的分辨率达到亚nm的分辨率，分辨率为小于总测试范围的百万分之一，优于共焦显微镜，通过调节反射镜的倾斜角度，可以方便地实现测量范围的调整，因此该方法具有结构简单，工作距长，测量精度高，测量范围可方便调节的优点。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高精度位移检测装置，其特征在于，包括：

短相干光源、准直透镜、起偏器、分光器、聚焦透镜、反射镜、检偏器、图像传感装置和两个1/4波片；其中，

所述短相干光源、准直透镜、起偏器、分光器、第一1/4波片和反射镜呈一排依次排列成为第一光路；

所述聚焦透镜、第二1/4波片、所述分光器、检偏器和图像传感装置呈一排依次排列成为第二光路；

所述第一光路与第二光路经所述分光器交汇且所述两光路相互垂直；

所述短相干光源的光输出端朝向所述准直透镜；

所述反射镜在所述第一光路中倾斜设置，并能调整在所述第一光路中倾斜的角度。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置中，

所述短相干光源、准直透镜、起偏器、分光器、第一1/4波片、反射镜、第一1/4波片、分光器、检偏器和图像传感装置构成第一光通路；

所述短相干光源、准直透镜、起偏器、分光器、第二1/4波片、聚焦透镜、第二1/4波片、分光器、检偏器和图像传感装置构成第二光通路。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述短相干光源采用相干长度为5～50um的LED光源。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述反射镜在所述第一光路中呈一定角度倾斜放置。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述第一光路中的聚焦透镜的焦点处为被测物体放置处。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置中，从所述反射镜的中心反射的光和被测物体表面反射的光到所述图像传感装置的光程差相同。

7.如权利要求1或6所述的装置，其特征在于，所述图像传感装置采用面阵CCD装置、线阵CCD装置或图像传感器中的任一种。

8.如权利要求1或6所述的装置，其特征在于，还包括：光纤，该光纤的输入端与所述聚焦透镜连接，输出端与所述第二1/4波片对应。

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