本發(fā)明涉及光譜共焦位移測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高分辨力與自校準(zhǔn)光譜共焦位移測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光譜共焦技術(shù)無需軸向掃描，直接由波長對應(yīng)軸向距離信息，從而大幅提高測量速度。光譜共焦傳感器是一種高精度、非接觸式的新型傳感器，精度理論上可達(dá)nm量級，對被測表面狀況要求低，允許被測表面有更大的傾斜角，測量速度快，實(shí)時(shí)性高，迅速成為工業(yè)測量的熱門傳感器，廣泛應(yīng)用于精密定位、薄膜厚度測量、微觀輪廓精密測量等領(lǐng)域。

光譜共焦位移測量技術(shù)是一類非接觸式高精度位移傳感器，由光源射出一束寬光譜的復(fù)色光(呈白色)，通過色散鏡頭發(fā)生光譜色散，形成不同波長的單色光，每一個(gè)波長都對應(yīng)一個(gè)到被測物體的距離值。測量光射到物體表面被反射回來，只有滿足共焦條件的單色光，可以通過小孔被光譜儀感測到，通過計(jì)算被感測到的波長，換算獲得距離值。其測量精度能夠達(dá)到微米量級，具有對表面狀況的要求低、容許大的傾斜角度等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的光譜共焦位移傳感器多采用透射式的色散鏡頭進(jìn)行光譜色散，采用衍射光柵光譜儀感測波長。傳統(tǒng)的色散物鏡主要有折射式和衍射式兩類。折射式色散物鏡一般通過采用高色散的玻璃透鏡來產(chǎn)生色差，產(chǎn)生的色散與波長成非線性關(guān)系。衍射元件可以產(chǎn)生大的色差且色差與波長成線性關(guān)系，但一般有較大的球差，須配以透鏡校正球差，而折射透鏡會破壞衍射色散與波長間的線性關(guān)系，得到的色差與波長仍然是非線性。波長越短，折射率隨波長的變化越大，軸向色散距離越大，波長越長，軸向色散距離越短，為了實(shí)現(xiàn)軸向色散線性，色散物鏡結(jié)構(gòu)會變得復(fù)雜，成本高，體積大。由于光柵光譜儀的線色散率是不變的，而色散物鏡存在較大的非線性，導(dǎo)致某些位置(靈敏度較低的區(qū)域)產(chǎn)生了位移，而光譜儀探測不到波長變化的情況，影響了光譜共焦傳感器在測量范圍內(nèi)的靈敏度、分辨力等性能。

Fery棱鏡提出于20世紀(jì)初期，20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用于光譜成像技術(shù)領(lǐng)域。Fery棱鏡作為色散元件，它集色散和成像功能于一體，大大簡化了光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。相比傳統(tǒng)色散型光譜成像儀，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，而且能夠有效校正棱鏡色散帶來的譜線彎曲和色畸變的問題。相比同類型的光柵光譜成像儀，其能量利用率高，可以有效的避免二級光譜的干擾。近年來，F(xiàn)ery棱鏡光譜成像儀在機(jī)載和星載光譜成像技術(shù)中獲得迅猛發(fā)展。然而，F(xiàn)ery棱鏡還沒有被應(yīng)用在光譜共焦位移測量技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高分辨力與自校準(zhǔn)光譜共焦位移測量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)軸向測量距離與探測器像元之間的線性對應(yīng)，以及實(shí)現(xiàn)光譜儀譜線位置的自標(biāo)校。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種高分辨力光譜共焦位移測量系統(tǒng)，包括：寬光譜光源、光纖、分光鏡、色散物鏡、針孔與Fery棱鏡光譜儀；其中：寬光譜光源通過光纖耦合輸出復(fù)色光點(diǎn)光源，復(fù)色光點(diǎn)光源透過分光鏡，照射在色散物鏡上，色散物鏡將復(fù)色光點(diǎn)光源在光軸方向上分解成若干不同波長的單色光；當(dāng)被測鏡放置在色散物鏡像平面附近的測量區(qū)域時(shí)，其中完美聚焦在被測鏡上表面與下表面的兩個(gè)波長的單色光將通過分光鏡的反射面反射至針孔，由放置在針孔后的Fery棱鏡光譜儀接收；

由Fery棱鏡光譜儀根據(jù)兩個(gè)單色光的波長及兩個(gè)單色光在探測器上波峰位置之差，確定被測鏡的厚度，也即這兩個(gè)波長的單色光軸向測量距離之差；且這兩個(gè)波長的單色光軸向測量距離之差與這兩個(gè)波長的單色光在探測器上波峰位置之差為常數(shù)。

所述色散物鏡將復(fù)色光點(diǎn)光源在光軸方向上分解成若干不同波長的單色光，并將不同波長的單色光聚焦在軸向位置的不同高度；所述色散物鏡玻璃材料的折射率與波長成非線性關(guān)系，軸向測量距離間隔1mm對應(yīng)不同波長的間隔也具有非線性，不同波長的單色光被所述被測物體反射回色散物鏡后，通過分光鏡的反射面，反射至針孔，與針孔共軛位置點(diǎn)對應(yīng)的波長的單色光通過針孔進(jìn)入Fery棱鏡光譜儀。

所述Fery棱鏡光譜儀包括：第一與第二反射鏡、雙膠合Fery棱鏡與探測器；其中，通過針孔的單色光經(jīng)過第一反射鏡反射至雙膠合Fery棱鏡，再經(jīng)雙膠合Fery棱鏡色散至第二反射鏡，最終由第二反射鏡反射至探測器。

一種自校準(zhǔn)光譜共焦位移測量系統(tǒng)，包括：寬光譜光源、特定波長為N以及M的激光光源、光纖、分光鏡、色散物鏡、針孔與Fery棱鏡光譜儀；其中，采用多波長光纖耦合技術(shù)，將寬譜段光源與特定波長N以及M的激光光源耦合后單光纖輸出；所述寬光譜光源以及兩個(gè)特定波長的激光光源共用同一個(gè)測量光路；其中，寬光譜光源的光源波長包含特定波長為N與M；

首先，僅打開寬光譜光源，關(guān)閉其他兩個(gè)特定波長的激光光源；寬光譜光源通過光纖耦合輸出復(fù)色光點(diǎn)光源，復(fù)色光點(diǎn)光源透過分光鏡，照射在色散物鏡上，色散物鏡將復(fù)色光點(diǎn)光源在光軸方向上分解成若干不同波長的單色光，當(dāng)被測物體放置在色散物鏡像平面附近的測量區(qū)域時(shí)，其中完美聚焦在被測物體表面的某一波長的單色光將通過分光鏡的反射面反射至針孔，由放置在針孔后的Fery棱鏡光譜儀接收，通過移動被測物體使得各個(gè)波長的單色光通過針孔射入Fery棱鏡光譜儀；由所述Fery棱鏡光譜儀獲得相應(yīng)的單色光波長值與波峰位置的關(guān)系表；

當(dāng)需要對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，打開特定波長為N以及M的激光光源，關(guān)閉寬光譜光源；按照與寬光譜光源相同的工作方式，根據(jù)獲得特定波長N與其波峰位置關(guān)系，以及根據(jù)獲得特定波長M與其波峰位置關(guān)系對所述關(guān)系表進(jìn)行驗(yàn)證與校準(zhǔn)。

還包括：利用特定波長為N以及M的激光光源檢測單色光的軸向測量距離；

將特定波長為N的激光光源對應(yīng)的軸向測量距離為Z₁，波峰位置為Y₁；特定波長為M的激光光源對應(yīng)的軸向測量距離為Z₂，波峰位置為Y₂；

計(jì)算待檢測檢測單色光的軸向測量距離Z_i，其公式為：

其中，Y_i為待檢測檢測單色光通過與寬光譜光源相同的工作方式后由Fery棱鏡光譜儀獲得的波峰位置。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，運(yùn)用高色散玻璃材料色散與波長之間的非線性，實(shí)現(xiàn)Fery棱鏡光譜儀光譜分辨率非線性與折射式色散物鏡色散距離非線性相互補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)軸向測量距離與探測器像元之間的線性對應(yīng)，從根本上解決了測量距離的線性問題，有助于平衡系統(tǒng)在全測量范圍的靈敏度，不改變分辨力的同時(shí)量程可以擴(kuò)大到原來的兩倍；同時(shí)，采用Fery棱鏡分光的方式進(jìn)行光譜探測，具有能量利用率高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)。此外，采用多波段光纖耦合技術(shù)，將寬波段光源與特定波長激光光源耦合單光纖輸出，特定激光波長與寬波段光源嚴(yán)格共用光譜共焦顯微系統(tǒng)光路，可以實(shí)現(xiàn)光譜儀譜線位置的自標(biāo)校，可以有效提高在線檢測時(shí)光譜測量精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種高分辨力光譜共焦位移測量系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的雙膠合的Fery棱鏡色散原理圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的光譜共焦軸向測量距離測量原理圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種自校準(zhǔn)光譜共焦位移測量系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例一

本發(fā)明實(shí)施例提供一種高分辨力光譜共焦位移測量系統(tǒng)，如圖1所示，其主要包括：寬光譜光源1、光纖2、分光鏡3、色散物鏡4、針孔5與Fery棱鏡光譜儀6；其中：寬光譜光源1通過光纖2耦合輸出復(fù)色光點(diǎn)光源7，復(fù)色光點(diǎn)光7源透過分光鏡3，照射在色散物鏡4上，色散物鏡4將復(fù)色光點(diǎn)光源7在光軸方向8上分解成若干不同波長的單色光；當(dāng)被測鏡9放置在色散物鏡4像平面附近的測量區(qū)域時(shí)，其中完美聚焦在被測鏡9上表面與下表面的兩個(gè)波長的單色光將通過分光鏡3的反射面反射至針孔5，由放置在針孔后的Fery棱鏡光譜儀6接收；

由Fery棱鏡光譜儀6根據(jù)兩個(gè)單色光的波長及兩個(gè)單色光在探測器上波峰位置之差，確定被測鏡的厚度，也即這兩個(gè)波長的單色光軸向測量距離之差；且這兩個(gè)波長的單色光軸向測量距離之差與這兩個(gè)波長的單色光在探測器上波峰位置之差為常數(shù)。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述Fery棱鏡光譜儀6包括：第一與第二反射鏡(61、62)、雙膠合Fery棱鏡63與探測器64；其中，通過針孔5的單色光經(jīng)過第一反射鏡61反射至雙膠合Fery棱鏡63，再經(jīng)雙膠合Fery棱鏡63色散至第二反射鏡32，最終由第二反射鏡62反射至探測器64。

雙膠合的Fery棱鏡具有棱鏡色散的特點(diǎn)，其色散原理如圖2所示，F(xiàn)ery棱鏡可以作為從紫外到中紅外區(qū)的合適的色散元件，色散范圍廣，與光柵相比色散光的能量強(qiáng)，而且棱鏡可用廉價(jià)的光學(xué)玻璃作為材料，降低設(shè)備的制造成本。另外，棱鏡的線色散率具有非線性，短波線色散率高，長波線色散率低，可與色散物鏡的軸向色散非線性進(jìn)行互相補(bǔ)償，從而提高測量范圍內(nèi)的靈敏度和分辨力，在不改變分辨力的同時(shí)量程可以擴(kuò)大到原來的兩倍，同時(shí)降低了線性色散物鏡的設(shè)計(jì)難度，減小了色散物鏡的體積與重量。

上述系統(tǒng)的測量原理如圖3所示。所述色散物鏡4將復(fù)色光點(diǎn)光源7在光軸方向8上分解成若干不同波長的單色光(例如，圖3中的λ₁～λ₅)，并將不同波長的單色光聚焦在軸向位置的不同高度，每一單色光聚焦點(diǎn)位置與色散物鏡4的距離稱為軸向測量距離Z；

所述色散物鏡玻璃材料的折射率與波長成非線性關(guān)系，軸向測量距離間隔1mm對應(yīng)不同波長的間隔也具有非線性，不同波長的單色光被所述被測物體反射回色散物鏡后，通過分光鏡的反射面，反射至針孔，與針孔共軛位置點(diǎn)對應(yīng)的波長的單色光通過針孔進(jìn)入Fery棱鏡光譜儀。

Fery棱鏡光譜儀可以獲得各波長響應(yīng)曲線65，從而獲得各單色光的波峰位置(即光譜曲線的峰值波長)，進(jìn)而獲得軸向測量距離、對應(yīng)波長值與波峰位置之間的關(guān)系表，如表1所示：

表1軸向測量距離、對應(yīng)波長值與波峰位置的關(guān)系

此外，由于物鏡玻璃材料的折射率與波長成非線性關(guān)系，短波的軸向測量分辨率低，長波的軸向測量分辨率高。而本系統(tǒng)采用的Fery棱鏡色散光譜儀由于Fery棱鏡玻璃材料的折射率與波長成非線性關(guān)系，短波的光譜分辨率高，長波光譜分辨率低。因此根據(jù)色差理論和曲面棱鏡色散理論，建立光譜共焦顯微鏡軸向測量分辨率與光譜分辨率之間的數(shù)學(xué)模型，即ΔZ(軸向測量距離之差)與ΔY(波峰位置之差)之間的關(guān)系，通過對玻璃折射率的選擇以及光學(xué)系統(tǒng)曲率半徑厚度的計(jì)算，使得ΔZ與ΔY成線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光譜位置與軸向位移測量位置的線性編碼，實(shí)現(xiàn)軸向測量距離的線性測量。通常情況下，可以通過標(biāo)定的方式預(yù)先獲得某些波長的單色光與其軸向測量距離的對應(yīng)關(guān)系，從而可以結(jié)合ΔZ與ΔY的比值，以及待測單色光在Fery棱鏡色散光譜儀中的波峰位置來計(jì)算待測單色光的軸向測量距離，具體的計(jì)算公式將在后文給出。

上述系統(tǒng)運(yùn)用高色散玻璃材料色散與波長之間的非線性，實(shí)現(xiàn)曲面棱鏡色散光譜儀光譜分辨率非線性與折射式色散物鏡色散距離非線性相互補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)軸向測量距離與探測器像元之間的線性對應(yīng)，從根本上解決了測量距離的線性問題，因而可以實(shí)現(xiàn)諸如被測鏡厚度、軸向測量距離等參數(shù)的計(jì)算。

實(shí)施例二

另一方面，本發(fā)明還提供一種自校準(zhǔn)光譜共焦位移測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于前述實(shí)施例一中的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)基本一致，僅增加了兩個(gè)特定波長的激光器，兩個(gè)特定波長即為N與M，且寬光譜光源的光源波長包含了這兩個(gè)特定波長。

其結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括：寬光譜光源1、特定波長為N以及M的激光光源(11、12)、光纖2、分光鏡3、色散物鏡4、針孔5與Fery棱鏡光譜儀6；其中，采用多波長光纖耦合技術(shù)，將寬譜段光源與特定波長N以及M的激光光源耦合后單光纖輸出；所述寬光譜光源以及兩個(gè)特定波長的激光光源共用同一個(gè)測量光路；其中，寬光譜光源的光源波長包含特定波長為N與M；

在開啟寬光譜光源1時(shí)(其他兩個(gè)特定波長的激光光源關(guān)閉)，整個(gè)系統(tǒng)與前述實(shí)施例一所提供的系統(tǒng)相同，可以由所述Fery棱鏡光譜儀獲得前述表1所示的關(guān)系表，但是本系統(tǒng)主要涉及的對Fery棱鏡光譜儀譜線位置進(jìn)行驗(yàn)證與校準(zhǔn)，因此，僅需相應(yīng)的單色光波長值與波峰位置的關(guān)系表即可。

此時(shí)，寬光譜光源1通過光纖2耦合輸出復(fù)色光點(diǎn)光源7，復(fù)色光點(diǎn)光源7透過分光鏡3，照射在色散物鏡4上，色散物鏡4將復(fù)色光點(diǎn)光源7在光軸方向8上分解成若干不同波長的單色光，當(dāng)被測物體放置在色散物鏡像平面附近的測量區(qū)域時(shí)，其中完美聚焦在被測物體表面的某一波長的單色光將通過分光鏡3的反射面反射至針孔5，由放置在針孔5后的Fery棱鏡光譜儀6接收，通過移動被測物體使得各個(gè)波長的單色光通過針孔射入Fery棱鏡光譜儀(Fery棱鏡光譜儀的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一中的相同)。

系統(tǒng)在長時(shí)間使用后可能導(dǎo)致精度下降，此時(shí)需要對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，打開特定波長為N以及M的激光光源，關(guān)閉寬光譜光源；再按照與寬光譜光源相同的工作方式，根據(jù)獲得特定波長N與其波峰位置關(guān)系，以及根據(jù)獲得特定波長M與其波峰位置關(guān)系對所述關(guān)系表進(jìn)行驗(yàn)證與校準(zhǔn)。

驗(yàn)證與校準(zhǔn)時(shí)，如果采用寬光譜光源獲得的關(guān)系表中波長N的波峰位置、波長M的波峰位置，與采用特定波長N測得的波峰位置，以及采用特定波長M測得的波峰位置，完全一致，則無需改動；否則，利用后者重新標(biāo)定譜線位置。

另一方面，還可以直接利用特定波長為N以及M的激光光源檢測單色光的軸向測量距離；

將特定波長為N的激光光源對應(yīng)的軸向測量距離為Z₁，波峰位置為Y₁；特定波長為M的激光光源對應(yīng)的軸向測量距離為Z₂，波峰位置為Y₂；

計(jì)算待檢測檢測單色光的軸向測量距離Z_i，其公式為：

其中，Y_i為待檢測檢測單色光通過與寬光譜光源相同的工作方式后由Fery棱鏡光譜儀獲得的波峰位置。

示例性的，參數(shù)前述表1，N、M分別為532nm、632nm，則Z₁＝24，Y₁＝1350，Z₂＝21，Y₂＝900，則：

與前述實(shí)施例一類似的，本實(shí)施例的系統(tǒng)可以進(jìn)行軸向測量距離、被測鏡厚度等參數(shù)的檢測。

上述系統(tǒng)采用多波段光纖耦合技術(shù)，將寬波段光源與特定波長激光光源耦合單光纖輸出，特定激光波長與寬波段光源嚴(yán)格共用光譜共焦顯微系統(tǒng)光路，可以實(shí)現(xiàn)光譜儀譜線位置的自標(biāo)校，可以有效提高在線檢測時(shí)光譜測量精度。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。