[发明专利]双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器及其位移测量方法

说明书

技术领域

    本发明属于光学精密位移测量技术领域，具体涉及一种双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器及其位移测量方法。

背景技术

光谱共焦传感器是一种基于波长位移调制的非接触式位移传感器。由于其测量精度达到亚微米、甚至纳米级别，且对物体倾斜、表面纹理等不敏感，还具有较强的抗杂散光能力，已经成为了一种重要的几何量的精密测量用传感器，服务于精密、超精密制造业的飞速发展。

光谱共焦位移传感器系统由白光光源、光谱共焦光学系统及光谱解析单元等部分共同组成，输入是位移量，输出是波长，其基本原理是：白光光源发出的光经光谱共焦系统出射后，由于系统自身的色散效应，将点光源成像为一个色带，完成波长与位移的编码；某一波长的光经被测物体表面反射后，二次经过光谱共焦光学系统，到达光谱解析单元，完成波长解码，实现被测物体位移测量。

目前，光谱共焦位移传感器的光谱解析单元，均采用光谱仪。光谱仪是一种常用的光谱测量工具，通常采用光栅作为分光元件。目前典型的光栅光谱仪一般采用Czerny-Turner系统或者平场全息凹面光栅系统，前者要经过多次折反射，结构复杂，大大增加了系统装调困难，而平场全息凹面光栅设计、制造困难，造价高昂。整体而言，光栅光谱仪式的分光方式原理复杂，成本较高。另外，光谱仪的探测波长会随着时间及环境发生漂移，需要定期校准，影响到传感器的测量精度。而且，光谱仪自身的非线性，直接影响到了传感器的线性度。

发明内容

本发明的目的是提供一种双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器及其位移测量方法，有效降低现有传感器系统的复杂程度及自身成本，并同时提高其测量线性度和精度。

本发明所采用的技术方案是：

双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器，其特征在于：

自上而下依次设置有宽带点光源、无色差分光镜和色散透镜组，无色差分光镜一侧依次为共焦针孔、无色差准直透镜、干涉双缝屏、适配透镜、矩形光阑和线阵CCD；

共焦针孔、无色差准直透镜、干涉双缝屏和适配透镜共光轴，共焦针孔位于无色差准直透镜的前焦面上；

矩形光阑位置偏离该光轴，开孔方向与干涉条纹方向一致；

线阵CCD紧贴放置于矩形光阑后，仅接受到透过矩形光阑的干涉条纹；线阵CCD感光面尺寸与矩形光阑通光孔径的尺寸相同。

所述宽带点光源工作在可见光范围，具体波段为400nm—760nm。

所述矩形光阑下边界离开光轴的距离小于400nm光源波长对应的干涉条纹的半宽度；矩形光阑上边界离开光轴的距离大于760nm光源波长对应的干涉条纹的半宽度，该距离还小于400nm光源波长对应的一个半条纹宽度。

双缝干涉条纹解码光谱共焦位移传感器的位移测量方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：宽带点光源出射光，透过无色差分光镜后，经色散透镜组会聚，不同波长的光产生光谱色散，在空间形成一系列的聚焦点，实现了位移-波长编码；

步骤二：经被测物体表面反射的某一波长的单色光，反向透过色散透镜组，被无色差分光镜反射后，到达共焦针孔；由于针孔滤波作用，仅有被测物体表面反射的该波长单色光可以通过共焦针孔，并且形成点光源出射；

步骤三：该点光源经无色差准直透镜出射，整形成单色平面光波；该单色平面光波垂直入射到干涉双缝屏，每一个狭缝为一个柱面波光源，干涉双缝屏后形成分波前干涉的干涉场；设置于干涉双缝屏后的适配透镜，将干涉条纹放大；固定设置的矩形光阑仅允许包含该波长的单色光+1级干涉暗条纹的光斑可以透过，并被线阵CCD所接收；

步骤四：根据线阵CCD所接受到的光斑信息，判读暗条纹的中心位置O1，且记录线阵CCD结构延长线与光轴的交点为O；根据经典杨氏双缝干涉理论，即可得到被测物体表面该反射波长为：

；

其中：

λ表示被测物体表面反射光波长，k为线性放大率，d为双缝宽度，D为双缝至线阵CCD接受面之间的距离，β为适配透镜的放大倍率，e为干涉条纹的宽度即2×∣O1- O∣；

当矩形光阑下边界位置与400nm光源波长对应的干涉条纹+1级暗条纹的中心位置重合，且上边界位置与760nm光源波长对应的干涉条纹+1级暗条纹的中心位置重合时，位移测量分辨率R_distance与测量范围L之间的关系为：

；