雙縫干涉條紋解碼光譜共焦位移傳感器及其位移測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙縫干涉條紋解碼光譜共焦位移傳感器及其位移測(cè)量方法。目前光譜共焦位移傳感器的光譜解析單元均采用光柵光譜儀，分光原理復(fù)雜，成本較高，探測(cè)波長(zhǎng)會(huì)隨著時(shí)間及環(huán)境發(fā)生漂移，影響到傳感器的測(cè)量精度。本發(fā)明的傳感器包括寬帶點(diǎn)光源、無色差分光鏡、色散透鏡組、共焦針孔、無色差準(zhǔn)直透鏡、干涉雙縫屏、適配透鏡、矩形光闌及線陣CCD；被測(cè)物體表面反射光經(jīng)共焦針孔濾波后形成準(zhǔn)單色光，經(jīng)無色差準(zhǔn)直后被雙縫分割成兩個(gè)子柱面光源并形成干涉，干涉條紋的寬度與被測(cè)物體表面反射光波長(zhǎng)成良好線性關(guān)系，即通過判讀干涉條紋的寬度實(shí)現(xiàn)物體位移量測(cè)量。本發(fā)明具有成本低、線性度好、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工。
【專利說明】雙縫干涉條紋解碼光譜共焦位移傳感器及其位移測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)精密位移測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種雙縫干涉條紋解碼光譜共焦位移傳感器及其位移測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜共焦傳感器是一種基于波長(zhǎng)位移調(diào)制的非接觸式位移傳感器。由于其測(cè)量精度達(dá)到亞微米、甚至納米級(jí)別，且對(duì)物體傾斜、表面紋理等不敏感，還具有較強(qiáng)的抗雜散光能力，已經(jīng)成為了一種重要的幾何量的精密測(cè)量用傳感器，服務(wù)于精密、超精密制造業(yè)的飛速發(fā)展。
[0003]光譜共焦位移傳感器系統(tǒng)由白光光源、光譜共焦光學(xué)系統(tǒng)及光譜解析單元等部分共同組成，輸入是位移量，輸出是波長(zhǎng)，其基本原理是:白光光源發(fā)出的光經(jīng)光譜共焦系統(tǒng)出射后，由于系統(tǒng)自身的色散效應(yīng)，將點(diǎn)光源成像為一個(gè)色帶，完成波長(zhǎng)與位移的編碼；某一波長(zhǎng)的光經(jīng)被測(cè)物體表面反射后，二次經(jīng)過光譜共焦光學(xué)系統(tǒng)，到達(dá)光譜解析單元，完成波長(zhǎng)解碼，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體位移測(cè)量。
[0004]目前，光譜共焦位移傳感器的光譜解析單元，均采用光譜儀。光譜儀是一種常用的光譜測(cè)量工具，通常采用光柵作為分光元件。目前典型的光柵光譜儀一般采用Czerny-Turner系統(tǒng)或者平場(chǎng)全息凹面光柵系統(tǒng)，前者要經(jīng)過多次折反射，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大大增加了系統(tǒng)裝調(diào)困難，而平場(chǎng)全息凹面光柵設(shè)計(jì)、制造困難，造價(jià)高昂。整體而言，光柵光譜儀式的分光方式原理復(fù)雜，成本較高。另外，光譜儀的探測(cè)波長(zhǎng)會(huì)隨著時(shí)間及環(huán)境發(fā)生漂移，需要定期校準(zhǔn)，影響到傳感器的測(cè)量精度。而且，光譜儀自身的非線性，直接影響到了傳感器的線性度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種雙縫干涉條紋解碼光譜共焦位移傳感器及其位移測(cè)量方法，有效降低現(xiàn)有傳感器系統(tǒng)的復(fù)雜程度及自身成本，并同時(shí)提高其測(cè)量線性度和精度。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
雙縫干涉條紋解碼光譜共焦位移傳感器，其特征在于:
自上而下依次設(shè)置有寬帶點(diǎn)光源、無色差分光鏡和色散透鏡組，無色差分光鏡一側(cè)依次為共焦針孔、無色差準(zhǔn)直透鏡、干涉雙縫屏、適配透鏡、矩形光闌和線陣CXD ;
共焦針孔、無色差準(zhǔn)直透鏡、干涉雙縫屏和適配透鏡共光軸，共焦針孔位于無色差準(zhǔn)直透鏡的前焦面上；
矩形光闌位置偏離該光軸，開孔方向與干涉條紋方向一致；
線陣C⑶緊貼放置于矩形光闌后，僅接受到透過矩形光闌的干涉條紋；線陣CXD感光面尺寸與矩形光闌通光孔徑的尺寸相同。
[0007]所述寬帶點(diǎn)光源工作在可見光范圍，具體波段為400nm — 760nm。
[0008]所述矩形光闌下邊界離開光軸的距離小于400nm光源波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的干涉條紋的半寬度；矩形光闌上邊界離開光軸的距離大于760nm光源波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的干涉條紋的半寬度，該距離還小于400nm光源波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的一個(gè)半條紋寬度。
[0009]雙縫干涉條紋解碼光譜共焦位移傳感器的位移測(cè)量方法，其特征在于:
由以下步驟實(shí)現(xiàn):
步驟一:寬帶點(diǎn)光源出射光，透過無色差分光鏡后，經(jīng)色散透鏡組會(huì)聚，不同波長(zhǎng)的光
產(chǎn)生光譜色散，在空間形成一系列的聚焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了位移-波長(zhǎng)編碼；
步驟二:經(jīng)被測(cè)物體表面反射的某一波長(zhǎng)的單色光，反向透過色散透鏡組，被無色差分
光鏡反射后，到達(dá)共焦針孔；由于針孔濾波作用，僅有被測(cè)物體表面反射的該波長(zhǎng)單色光可
以通過共焦針孔，并且形成點(diǎn)光源出射；
步驟三:該點(diǎn)光源經(jīng)無色差準(zhǔn)直透鏡出射，整形成單色平面光波；該單色平面光波垂
直入射到干涉雙縫屏，每一個(gè)狹縫為一個(gè)柱面波光源，干涉雙縫屏后形成分波前干涉的干
涉場(chǎng)；設(shè)置于干涉雙縫屏后的適配透鏡，將干涉條紋放大；固定設(shè)置的矩形光闌僅允許包
含該波長(zhǎng)的單色光+1級(jí)干涉暗條紋的光斑可以透過，并被線陣CCD所接收；
步驟四:根據(jù)線陣CCD所接受到的光斑信息，判讀暗條紋的中心位置01，且記錄線陣
CCD結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)線與光軸的交點(diǎn)為O ;根據(jù)經(jīng)典楊氏雙縫干涉理論，即可得到被測(cè)物體表面該
反射波長(zhǎng)為:
【權(quán)利要求】
1.雙縫干涉條紋解碼光譜共焦位移傳感器，其特征在于: 自上而下依次設(shè)置有寬帶點(diǎn)光源(I)、無色差分光鏡(2)和色散透鏡組(3)，無色差分光鏡(2)—側(cè)依次為共焦針孔(4)、無色差準(zhǔn)直透鏡(5)、干涉雙縫屏(6)、適配透鏡(7)、矩形光闌(8)和線陣CCD (9)； 共焦針孔(4)、無色差準(zhǔn)直透鏡(5)、干涉雙縫屏(6)和適配透鏡(7)共光軸，共焦針孔(4)位于無色差準(zhǔn)直透鏡(5)的前焦面上； 矩形光闌(8 )位置偏離該光軸，開孔方向與干涉條紋方向一致； 線陣CXD (9)緊貼放置于矩形光闌(8)后，僅接受到透過矩形光闌(8)的干涉條紋；線陣CCD (9)感光面尺寸與矩形光闌(8)通光孔徑的尺寸相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙縫干涉條紋解碼光譜共焦位移傳感器，其特征在于: 所述寬帶點(diǎn)光源(I)工作在可見光范圍，具體波段為400nm — 760nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙縫干涉條紋解碼光譜共焦位移傳感器，其特征在于: 所述矩形光闌(8)下邊界離開光軸的距離小于400nm光源波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的干涉條紋的半寬度；矩形光闌(8)上邊界離開光軸的距離大于760nm光源波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的干涉條紋的半寬度，該距離還小于400nm光源波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的一個(gè)半條紋寬度。
4.雙縫干涉條紋 解碼光譜共焦位移傳感器的位移測(cè)量方法，其特征在于: 由以下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟一:寬帶點(diǎn)光源(I)出射光，透過無色差分光鏡(2 )后，經(jīng)色散透鏡組(3 )會(huì)聚，不同波長(zhǎng)的光產(chǎn)生光譜色散，在空間形成一系列的聚焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了位移-波長(zhǎng)編碼； 步驟二:經(jīng)被測(cè)物體(10)表面反射的某一波長(zhǎng)的單色光，反向透過色散透鏡組(3)，被無色差分光鏡(2)反射后，到達(dá)共焦針孔(4);由于針孔濾波作用，僅有被測(cè)物體(10)表面反射的該波長(zhǎng)單色光可以通過共焦針孔，并且形成點(diǎn)光源出射； 步驟三:該點(diǎn)光源經(jīng)無色差準(zhǔn)直透鏡(5)出射，整形成單色平面光波；該單色平面光波垂直入射到干涉雙縫屏(6)，每一個(gè)狹縫為一個(gè)柱面波光源，干涉雙縫屏(6)后形成分波前干涉的干涉場(chǎng)；設(shè)置于干涉雙縫屏(6)后的適配透鏡(7)，將干涉條紋放大；固定設(shè)置的矩形光闌(8)僅允許包含該波長(zhǎng)的單色光+1級(jí)干涉暗條紋的光斑可以透過，并被線陣(XD(9)所接收；步驟四:根據(jù)線陣CXD (9)所接受到的光斑信息，判讀暗條紋的中心位置01，且記錄線陣CCD (9)結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)線與光軸的交點(diǎn)為O ;根據(jù)經(jīng)典楊氏雙縫干涉理論，即可得到被測(cè)物體(10)表面該反射波長(zhǎng)為:
A = K^e
d —_β u O， 其中: λ表示被測(cè)物體表面反射光波長(zhǎng)，k為線性放大率，d為雙縫寬度，D為雙縫至線陣CCD接受面之間的距離，β為適配透鏡的放大倍率，e為干涉條紋的寬度即2X I 01-0 I ；當(dāng)矩形光闌(8)下邊界位置與400nm光源波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的干涉條紋+1級(jí)暗條紋的中心位置重合，且上邊界位置與760nm光源波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的干涉條紋丹級(jí)暗條紋的中心位置重合時(shí)，位移測(cè)量分辨率Rdistanra與測(cè)量范圍L之間的關(guān)系為:
5.此時(shí)，被測(cè)物體在初始位置處，表面反射的λ I的單色光波長(zhǎng)為:

【文檔編號(hào)】G01B11/02GK104034268SQ201410305783
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】王春慧, 田愛玲, 王紅軍, 劉丙才, 朱學(xué)亮 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)