[发明专利]一种差动光谱共焦传感器

说明书

本发明的一种差动光谱共焦传感器，包括宽谱光源经过Y型光纤分成光强相等的两束光，分别进入一个光纤环形器；出光口C1和出光口C2出射的光源分别经过一个偏振片后，二者偏振方向相互垂直，再经过半透半反棱镜后合束照射到同一个色散镜头上；从被测物表面反射的光再经过半透半反棱镜后分别进入两个光纤环形器的出光口，再分别从光纤环形器的出口输出，输出光分别由光谱仪接收。本发明利用两路轴向相互错位的光谱共聚焦传感器同时测量，两个传感器共用一个色散镜头，将两个光谱曲线相减求零点对应的波长，以此计算被测表面位置信息，使用差动方法求零点对应的波长，能够消除被测物本身颜色导致光谱反射率对峰值计算的影响，提高测量精度。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种差动光谱共焦传感器。

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”P9。

但是如果被测表面具有一定的颜信息，会使得光谱仪采集的曲线偏离常规的共焦曲线，峰值求取不准确；如图2所示，假定被测表面对所有光谱的反射率是相等的，则光谱仪采集的曲线以线g表示。当被测表面的光谱反射率是线r所示时，光谱仪采集的曲线时线g和线r相乘，得到线b。可以看到，线b的峰值波长和线g产生偏差。也就是说，如果以光谱仪采集的光谱曲线的峰值波长计算被测位置，由于表面光谱反射率的差异，会使得计算出现误差。

发明内容

本发明提出的一种差动光谱共焦传感器，通过差动共焦光谱方式，克服表面光谱反射率对测量结果的影响。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种差动光谱共焦传感器，基于宽谱光源和两个光谱仪，光谱仪一和光谱仪二；

其中，宽谱光源经过Y型光纤分成光强相等的两束光，分别进入光纤环形器一和光纤环形器二；

光纤环形器一出光口C1和光纤环形器二出光口C2出射的光源分别经过偏振片一和偏振片二后，二者偏振方向相互垂直，再经过半透半反棱镜后合束照射到同一个色散镜头上，不同波长的光汇聚在光轴不同位置；

从被测物体表面反射的光再经过半透半反棱镜后分别进入光纤环形器一出光口C1和光纤环形器二出光口C2，分别从光纤环形器一B1口和光纤环形器二B2口输出，输出光分别由光谱仪一和光谱仪二接收，从而构成两个共用色散透镜的两个光谱共焦传感器。

其中，所述光纤环形器一出光口C1和光纤环形器二出光口C2距离半透半反棱镜中心O的距离分别为L和L+dL，二者存在微小差距dL。

由上述技术方案可知，本发明的差动光谱共焦传感器，本发明利用两路轴向相互错位的光谱共聚焦传感器同时测量，两个传感器共用一个色散镜头，具有各自独立的光谱仪测量反射光的光谱曲线，将两个光谱曲线相减求零点对应的波长，以此计算被测表面位置信息。使用差动方法求零点对应的波长，比传统的由单个光谱曲线求峰值波长相比，能够消除被测物本身颜色导致光谱反射率对峰值计算的影响，提高测量精度。

附图说明