[发明专利]一种光源波长扫描光谱共焦传感器

说明书

本发明的一种光源波长扫描光谱共焦传感器，包括可调谐滤波器和光纤环形器；宽谱光源发出的连续光，经过可调谐滤波器后变成单色光，其波长通过可调谐滤波器进行精细控制；单色光耦合到Y型光纤环形器的输入端A，并从另一端光纤C点输出；从C点出射的单色点光源经过色散镜头汇聚到光轴上，不同波长的光汇聚点不同，行成一条色散焦线；当被测物体表面位于色散焦线上时，光被表面反射，再经过色散透镜，被光纤C点接收，进而从光纤环形器B端输出，被光强探测器探测到。本发明利用锁相放大器可以有效抑制背景光的干扰，通过控制光源波长，可以只在满足共焦条件的峰值波长点附近进行扫描，也可通过变步长搜索峰值波长，获得较高的分辨率和测量速度。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种光源波长扫描光谱共焦传感器。

背景技术

光谱共焦传感器是一种以波长信息反映位移变化的非接触式光电位移传感器，具有速度快、精度高等优点。

通常的光谱共焦传感器由小孔出射一束宽光谱的复色光，点光源经过色散镜头后，不同波长的光聚焦在光轴不同位置，在光轴上形成一系列聚焦光斑，产生轴向色散。如图1所示，该光束照射到被测物体表面P”点，反射光束再次经过色散镜头后，通过针孔P后由探测器接收。由于针孔P、针孔P’和被测面上的聚焦点P”相互共轭，形成共焦成像，只有聚焦在被测表面上的光可以通过针孔P’进入光谱仪，而光轴上高于或低于P”点的光则被针孔P’遮挡。聚焦光斑具有一定的大小，只有满足共焦条件的光波长的光斑最小，探测器接收到的反射光能量最强；当被测表面偏离焦平面，离焦的光斑变大，部分反射光被针孔P’挡住，探测器接收到的能量减弱。通过对光谱仪的数据分析可以得到光通量最大时对应的光波长，从而得到被测点处的位置，对被测表面各点进行测量获取其位置信息。上述原理截取自“基于光谱共焦原理的三维表面形貌测量的光学系统研究_王安苏”P10。

现有的光谱共焦传感器由小孔出射一束宽光谱的连续复色光照明被测表面，使用光谱仪接收被测物体返回的光，分析光谱曲线的峰值波长，获取被测物体的位置信息。存在两个缺点：

(1)尽管共焦方法能够有效抑制杂散光的影响，但是当被测物体表面收到较强的环境光干扰时，会引起光谱曲线变形，严重时使得峰值波长计算出现偏差。

(2)测量灵敏度取决于光谱仪的分辨率，传感器一旦设计定型无法变更。

(3)光谱仪测量的光谱曲线采集了所有波长反射光的强度，但是只利用峰值波长附近的数据来计算峰值波长大小，造成测量带宽的浪费。

发明内容

本发明提出的一种光源波长扫描光谱共焦传感器，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种光源波长扫描光谱共焦传感器，基于宽谱光源，包括可调谐滤波器和光纤环形器；

宽谱光源发出的连续光，经过可调谐滤波器后变成单色光，其波长通过可调谐滤波器进行精细控制；

单色光耦合到Y型光纤环形器的输入端A，并从另一端光纤C点输出；

从C点出射的单色点光源经过色散镜头汇聚到光轴上，不同波长的光汇聚点不同，行成一条色散焦线；

当被测物体表面位于色散焦线上时，光被表面反射，再经过色散透镜，被光纤C点接收，进而从光纤环形器B端输出，被光强探测器探测到。

进一步的，入射到Y型光纤A端的光经过一个调制器，对光强进行一定频率的调制，同时对探测器的信号使用锁相放大器进行检测，锁相放大器的参考频率与入射光的调制频率一致。