[发明专利]一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统

说明书

本发明提供的是一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统。其特征是：它由单模光纤1，多模光纤2，二元菲涅尔透镜3，待测物4，位移台5，复色光源6，三端口环形器7，光谱仪8，计算机9组成。本发明可用于微小间距的高精度、非接触式测量，可广泛用于光纤传感等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种用于微小间距测量的光纤二元微透镜系统，可用于微小间距的测量，属于光纤传感技术领域。

(二)背景技术

1980年左右，二元光学逐渐开始得到重视，并迅速发展起来，给传统光学领域带来了新的发展契机。随着对二元光学研究的不断深入，二元光学元件已广泛用于成像、传感、光通讯、计算、数据存储等系统中。

二元光学元件是基于光的衍射原理发展起来的一种新型的光学元件，具有许多卓越的、传统光学元件难以具备的功能。它可应用于常规光学系统，校正光学系统的像差，减小系统的体积，实现轻量化。从而有利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化，开辟了光学领域的新视野。其应用广泛，潜藏着巨大的经济效益。因此，迅速地受到学术界和工业界地青睐，在国际上掀起一股二元光学的研究热潮。

目前微小间距测量向着高精度、非接触、适应不同环境和材料的方向发展，并且逐渐趋向于实时、无损检测。二元光学透镜光谱聚焦特性微小间距测量适用于高精密光学测量领域，可以满足非接触式、快速位移测量要求。传统的非接触式测量技术主要有电磁式、激光三角反射式等。

2008年，刘正坤等人公开了具有双反射镜的直接计数式变栅距单光栅光位移传感器(申请号为：200710133593.9)，这是一种电磁式位移传感器，解决了现有光位移传感器的连杆连接的反射镜在导轨上移动时有一定的角度误差的问题。这个结构改进提高了传感器整体精度，降低了对导轨加工精度的要求。但此传感器对不同材料的待测物体不具有普遍适用性。

2017年，孙兴伟等人公开了一种激光三角法高精度测量方法(申请号为：201711241695.2)。该方法包含变阈值亚像素灰度重心提取算法，利用梯度阈值法和高斯拟合法去除光斑边缘噪声对重心法的干扰，同时又用多项式拟合插值法增强了灰度重心法的数据密度，通过提高光斑中心的定位精度来增强激光的准确性。但是这种激光三角式测量系统的测量精度受光点自身因素及被测物体等外界因素影响较大，误差较大。

为了适应薄膜等透明材料或者小工件内壁沟槽等特殊工作场合的测量，刘乾等人(刘乾,王洋,杨维川,袁道成.线性色散设计的光谱共焦测量技术[J].强激光与粒子束,2014,26(05):58-63.)设计了一种线性设计的光谱共焦测量系统，实现了微小间距测量。他们采用复色光作为光源经过半透半反镜和色散透镜组后在其像面上聚焦成像，像平面放置的物体将入射光反射，反射光再次经过色散透镜组、半透半反镜和小孔后，被光谱仪吸收。光谱仪通过对反射光进行光谱分析，确定光强最强成分波长，通过两次测量波长之差来推算微小间距值。该方案与传统非接触式测量方法相比，精度高、灵敏度高，能够满足上述特殊工作场合的测量，但是在设计色散透镜组时，很难保证绝对的色散线性度，这将严重影响测量的精度。此外，优化过程中要尽量减小球差，尤其是对测量影响最大的轴向球差，还要减小单色像差和点扩散函数的FWHM(光强值为最大值一半时所对应的谱宽)等。优化过程中，球差、弥散斑、像方孔径角、物方孔径角和透镜口径这些因素的调整控制并不是独立的，需要综合考虑才能得到色散透镜结构的最优解，这大大增加了设计的难度。