一种差动光谱共焦传感器的制作方法

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。

技术实现要素：

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

图1是通常的光谱共焦传感器的原理图；

图2是现有技术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，峰值求取不准确的示意图；

图3是常规的光谱共焦测距传感器示意图；

图4是常规的光谱共焦测距传感器的测量结果示意图；

图5是本发明的结构示意图；

图6和图7是本发明的光谱曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

常规的光谱共焦测距传感器，用一个光谱仪，对光谱曲线通过曲线拟合得到峰值，通过峰值的光波长对应的到被测物的距离。

图3是单个光谱共焦传感器示意图宽谱光源照射到光纤环形器入射端口，从c点输出，光纤出光口是一个小孔。从小孔出射的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，行成一条散焦线。假定被测物对所有波长的反射率时一致的，则当被测物体表面位于散焦线上时，光被表面反射，再经过散透镜，被小孔c点接收，进而从光纤环形器b端进入光谱仪。对于聚焦在物体表面点的波长的光，c点和在物体表面点是共焦关系，因而该波长被接收的光强最强，而其他波长的光强较弱。因而光谱仪采集的光谱曲线i(λ)在满足共焦条件的波长λp时具有峰值。测量时，通过光谱仪测量的i(λ)，分析得到峰值波长λp即可得到被测物体的位置。

当被测物体存在颜色特征时，对不同波长的反射率不再一致，反射率记为r(λ)，则光谱仪采集的光谱曲线为f(λ)＝i(λ)*r(λ)，则i(λ)和f(λ)会存在差异。如果仍然光谱仪采集的光谱曲线f(λ)的峰值波长去计算被测物体位置，就会产生误差。例如，如图4，曲线b是i(λ)，其峰值波长代表被测物体位置信息，曲线r是r(λ)，光谱仪测到的光谱曲线f(λ)是图中曲线g。显然，曲线g的峰值波长偏离了曲线b的峰值波长，导致测量误差。

本发明实施例的差动光谱共焦传感器采用两套光谱共焦测距传感器组合在一起，相互有一定的错位。将两个光谱曲线相减，进行处理得到被测表面位置信息。如图5所示，宽谱光源经过y型光纤分成光强大致相等的两束光，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。

使用偏振片和半透半反棱镜的目的是减弱两束光之间的相互干扰。设置偏振片一和偏振片二的角度，使得透过的光偏振方向相互垂直。因此从c1出射的光，经过表面反射后，仍然可以透过半透半反棱镜再透过偏振片一被c1接收；而被半透半反棱镜反射的光经过偏振片p2时，大部分光会被偏振片吸收无法进入c2。从c2出射的光满足同样规律。从而抑制了两束光的相互干扰。

并且c1和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。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c1和c2，输出光分别由光谱仪1和光谱仪2接收，从而构成两个共用三棱镜的两个光谱共焦传感器。由于c1和c2与o点距离的差异，从c1和c2出射的同样波长的光会汇聚下光轴的不同位置，即两个传感器的共焦波长存在偏移δλ。

假定被测物对所有波长的反射率时一致，光谱1采集的曲线是a1i1(λ)，光谱1采集的曲线是a2i2(λ)，其中i1(λ)和i2(λ)归一化曲线，a1和a2表征了两束光的光强差异，理想情况a1和a2相等，但是由于光纤分束器的性能差异，两者可能会不同，可以预先进行测量得到两个值大小。在dl很小的时候，近似i2(λ)＝i1(λ+δλ)。记a1i1(λ)或a2i2(λ)的峰值波长分别为λp1或λp2，则λp2＝λp2+δλ。

则当被测物体表面的反射率为r(λ)时，两个光谱共焦传感器采集的光谱曲线分别为：

f1(λ)＝a1i1(λ)*r(λ)

f2(λ)＝a2i1(λ+δλ)*r(λ)

由a1i1(λ)或a2i2(λ)的峰值波长λp1或λp2均可以测量物体位置，但是由光谱仪实测的f1(λ)和f2(λ)无法得到准确λp1或λp2。将两个实测的光谱曲线，对各自的光强归一化并做差得到：

由于δλ较小，且i1(λ)在峰值波长附近大致是关于峰值波长对称分布的，则i1(λ)-i1(λ+δλ)的零点位置λo大致位于i1(λ)和i1(λ+δλ)峰值波长λp1和λp2的中间，即λo＝(λp1+λp1+δλ)/2，因此所以只要求出λo即可得到λp1，进而根据共焦关系得到物体位置。例如下图6所示，线g和线r分别是i1(λ)和i1(λ+δλ)，线g是i1(λ)-i1(λ+δλ)。

从δf(λ)公示中可以看出，δf(λ)的过零点和i1(λ)-i1(λ+δλ)是一致的，不受到表面光谱反射率r(λ)的影响，从而克服了被测物颜的影响。如下图7所示，线b和线r分别是f1(λ)/a1和f2(λ)/a2，由于r(λ)的影响，二者峰值波长位置和曲线强度都受到影响，但是二者作差后的零点位置不受r(λ)影响。

注：曲线图仅为了示意原理，横坐标是波长，纵坐标是光强，具体数值不具有参考意义。

综上所述，本发明实施例的差动光谱共焦传感器使用差动共焦光谱，克服被测表面光谱反射率不同对测量精度的影响。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。