专利摘要

本发明公开了一种光谱共焦位移传感器，该光谱共焦位移传感器设置了色散镜头组，包括与被测面数量相同的多组色散镜头，并且在色散镜头组之前加入起偏器组，在解偏振光谱探测装置中加入检偏器组，使得分束后的若干路复色平行光束经过起偏器后具有了偏振态，使得合束后的复色平行光束经过检偏器后分辨出各被测点所对应的测量光束，从而对各点测量光束进行光谱强度分析，完成波长解码，最后，根据色散镜头组轴向色散距离与可见光波长之间的线性关系，以及每个被测面对应的单色光波长，确定每个被测面之间的位移。最终，在同一台设备中实现了多点位移同步测量。

说明书

技术领域

本发明涉及光学精密位移测量技术领域，特别涉及一种光谱共焦位移传感器。

背景技术

光谱共焦位移传感器是一种高精度、非接触式的光电位移传感器，利用宽光谱的复色光穿过透镜组，产生光谱轴向色散，在空间形成一系列焦点，每一个焦点的单色光波长都对应一个轴向位置。入射光经被测表面反射，再次穿过镜头组并成像在针孔端面。对应被测表面位置、满足共焦条件的单色光将进入针孔，离焦反射的其它光谱成分则被针孔遮挡。光谱仪接收通过针孔的光信号并确定其波长，从而实现位移分辨。

但现有的光谱共焦位移传感器由于系统结构限制，至多只能配备两个探头，且这两个探头采集的信息只能进行分时处理不能实现同步分析。因此面对实际中的多点位移测量要求，目前只能通过单台设备分时测量或多台设备并联检测，大大降低了多点测量的速率，增加了测量成本，不利于推广使用。

发明内容

有鉴于此，本发明的发明目的是：实现多探测点位移同步测量。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种光谱共焦位移传感器，包括：

分束器，包括与被测面数量相同的多个半透半反镜，将复色平行光源根据被测面的数量分束为光强相同的若干路复色平行光束；

起偏器组，包括与被测面数量相同的，且各自具有不同偏振态的多个起偏器，使各路复色平行光束在经过相应起偏器后起偏而具有不同的偏振态；

色散镜头组，包括与被测面数量相同的多组色散镜头，将各路具有不同偏振态的复色平行光束，进行轴向色散，使每一路具有不同偏振态的复色平行光束在各自的被测面上聚焦反射，形成各路单色平行光束到达合束装置；其中，每一聚焦点上对应一束单色光波长；

合束装置，位于分束器和色散镜头组之间的位置，将每个被测面反射回来的各路单色平行光束合束成一束复色平行光束；

解偏振光谱探测装置，根据合束成的复色平行光束，确定每个被测面对应的偏振态光束，通过对各偏振态光束进行光谱强度分析，确定每个被测面对应的单色光波长；

解算装置，根据色散镜头组轴向色散距离与可见光波长之间的线性关系，以及每个被测面对应的单色光波长，确定每个被测面之间的位移。

由上述的技术方案可见，本发明提供了一种光谱共焦位移传感器，该光谱共焦位移传感器设置了色散镜头组，包括与被测面数量相同的多组色散镜头，并且在色散镜头组之前加入起偏器组，在解偏振光谱探测装置中加入检偏器组，使得分束后的若干路复色平行光束经过起偏器后具有了偏振态，使得合束后的复色平行光束经过检偏器后分辨出各被测点所对应的测量光束，从而对各点测量光束进行光谱强度分析，完成波长解码，最后，根据色散镜头组轴向色散距离与可见光波长之间的线性关系，以及每个被测面对应的单色光波长，确定每个被测面之间的位移。最终，在同一台设备中实现了多点位移同步测量。

附图说明

图1为本发明实施例一的光谱共焦位移传感器的结构示意图。

图2为本发明解偏振光谱探测装置结构示意图。

图3为本发明实施例分束装置的结构示意图。

图4为本发明实施例三的光谱共焦位移传感器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例一

本发明提供的一种光谱共焦位移传感器，结构示意图如图1所示，包括：

分束器101，包括与被测面数量相同的多个半透半反镜，将复色平行光源根据被测面的数量分束为光强相同的若干路复色平行光束；

起偏器组102，包括与被测面数量相同的，且各自具有不同偏振态的多个起偏器，使各路复色平行光束在经过相应起偏器后起偏而具有不同的偏振态；

其中，起偏器组中的各起偏器要确保各路复色平行光束间偏振态不同，从而将各路光束通过偏振态的不同区分开来。

色散镜头组103，包括与被测面数量相同的多组色散镜头，将各路具有不同偏振态的复色平行光束，进行轴向色散，使每一路具有不同偏振态的复色平行光束在各自的被测面上聚焦反射，形成各路单色平行光束到达合束装置；其中，每一聚焦点上对应一束单色光波长；

具体讲色散镜头组中的一组色散镜头，由于该组色散镜头对一路具有偏振态的复色平行光束的轴向色散效应，产生光谱色散，不同波长的单色光焦点分散在光轴的不同位置处，只有聚焦在被测面表面的单色光能够按原光路返回，并到达合束装置。

合束装置104，位于分束器和色散镜头组之间的位置，将每个被测面反射回来的各路单色平行光束合束成一束复色平行光束；

其中，合束装置为与被测面数量相同的多个半透半反镜。合束装置可以设置于分束器101和起偏器组102之间，也可以设置于起偏器组102和色散镜头组103之间。色散镜头组使每一路具有不同偏振态的复色平行光束在各自的被测面上聚焦反射，形成各路单色平行光束到达合束装置中相应的半透半反镜上；合束装置将每个被测面反射回来的各路单色平行光束通过多个半透半反镜合束成一束复色平行光束。

解偏振光谱探测装置105，根据合束成的复色平行光束，确定每个被测面对应的偏振态光束，通过对各偏振态光束进行光谱强度分析，确定每个被测面对应的单色光波长；

解算装置106，根据色散镜头组轴向色散距离与可见光波长之间的线性关系，以及每个被测面对应的单色光波长，确定每个被测面之间的位移。

实施例二

本发明解偏振光谱探测装置结构示意图如图2所示，包括：

限光装置201，对所述合束成的复色平行光束进行滤波处理，保留包含在复色平行光束中的所述各路单色平行光束；

其中，限光装置为针孔或者狭缝等结构。限光装置起到滤波的作用，使对应被测表面位置、满足共焦条件的单色光可以进入后续装置，离焦反射的其它光谱成分则受到限制不能进入。

色散装置202，使合束成的复色平行光束产生复色平行色散光束；

其中，色散装置包括：平面衍射光栅，或者凹面光栅，或者色散棱镜。

分束装置203，根据被测面的数量分束为若干路复色平行色散光束；

检偏器组204，包括与被测面数量相同的，且与对应起偏器偏振态相同的多个检偏器，对各路复色平行色散光束进行检偏，确定每个被测面对应的偏振态光束；

光谱探测分析装置205，通过对各偏振态光束进行光谱强度分析，确定每个被测面对应的单色光波长。其中，光谱探测分析装置205可以包括探测器和分析器，探测器可以采用EMCCD、SCMOS、光电倍增管等装置。

其中，分束装置203可以是与被测面数量相同的多个半透半反镜。优选地，为确保分出的几束光束强度相同，本发明还提出一种分束装置，其结构示意图如图3所示，包括：

定焦镜头301，复色平行色散光束经过定焦镜头成像在漫射屏上；

漫射屏302，位于保偏内反射空腔四棱柱前端，将复色平行色散光束变为复色散射色散光束；

保偏内反射空腔四棱柱303，复色散射色散光束在内表面不同位置进行全反射镜反射，并在保偏内反射空腔四棱柱末端产生不同视角的无视差像；

拾光镜头304，位于保偏内反射空腔四棱柱末端，对各视角下的无视差像进行聚焦，成像在光谱探测分析装置的不同位置。

最终，利用检偏器分别对各视角的成像光束进行检偏操作，确定探测器上光束所对应的探测面，经过分析探测器上各光束的光谱强度分布，对波长信息解码，从而获取各点位移信息。

实施例三

如果复色光源为复色平行光源，则复色平行光源可以直接进行利用，进入起偏器。如果复色光源为复色点光源，例如是光纤光源，则在分束器101和起偏器组102之间还包括：准直装置400。本发明实施例三的光谱共焦位移传感器结构示意图如图4所示。

分束器101，将复色点光源根据被测面的数量分束为光强相同的若干路复色点光源光束；

准直装置400，将若干路复色点光源光束变为若干路复色平行光束。其中，准直装置400安装于分束器末端，可以是光纤准直器或准直镜头或望远系统等设备。

实施例四

优选地，为了降低光束的损耗，本发明实施例在每一起偏器和对应的每组色散镜头之间还包括依次设置的聚焦镜头、光纤和准直镜头。其中，光纤是具有保偏特性的光纤。

聚焦镜头，将从起偏器接收的一束具有偏振态的复色平行光束耦合进光纤；

准直镜头，将经过光纤发散后的具有偏振态的复色平行光束进行恢复，再进入对应的一组色散镜头。

实施例五

优选地，为了降低光束的损耗，本发明实施例还可以在每一起偏器和对应的每组色散镜头之间依次设置的聚焦镜头、光纤耦合器和准直镜头；其中光纤耦合器第一路光纤接聚焦镜头，第二路光纤接合束装置，第三路光纤接准直镜头。其中，光纤耦合器及其光纤都是具有保偏特性的。

聚焦镜头，将从起偏器接收的一束具有偏振态的复色平行光束耦合进第一路光纤；

准直镜头，将经过第三路光纤发散后的具有偏振态的复色平行光束进行恢复，并发送给对应的一组色散镜头，用于该组色散镜头对所述具有偏振态的复色平行光束进行轴向色散，使该具有偏振态的复色平行光束在相应的被测面上聚焦反射，形成一单色平行光束从第二路光纤到达合束装置；

合束装置，可以是漫射屏等具有合束作用的装置，用于将每一单色平行光束进行合束形成一束复色平行光束。

实施例六

为清楚说明本发明的光谱共焦位移传感器，下面列举具体场景进行说明。

场景一

本发明场景中，测量同一水平金属面上三个小孔的深度，将三个小孔底面分别称为第一被测面、第二被测面和第三被测面，水平金属面称为基准面，各被测面距离基准面的间距就是光谱共焦位移传感器需要测量的位移。

分束器101，包括4个半透半反镜，将复色平行光源根据被测面的数量分束为光强相同的4路复色平行光束；

起偏器组102，包括各自具有不同偏振态的4个起偏器，使4路复色平行光束在经过相应起偏器后起偏而具有不同的偏振态；

例如，经过起偏器组后，第一路复色平行光束偏振态0度，第二路复色平行光束偏振态30度，第三路复色平行光束偏振态60度，第四路复色平行光束偏振态80度。

色散镜头组103，包括4组色散镜头，将4路具有不同偏振态的复色平行光束，进行轴向色散，使4路具有不同偏振态的复色平行光束分别在基准面、第一被测面、第二被测面以及第三被测面上聚焦反射，形成4路单色平行光束到达合束装置；其中，每一聚焦点上对应一束单色光波长；

合束装置104，位于分束器和色散镜头组之间的位置，将每个被测面反射回来的各路单色平行光束合束成一束复色平行光束；

限光装置201，对所述合束成的复色平行光束进行滤波处理，保留包含在复色平行光束中的4路单色平行光束；

色散装置202，使合束成的复色平行光束产生复色平行色散光束；

分束装置203，根据被测面的数量分束为4路复色平行色散光束；

检偏器组204，包括与对应起偏器偏振态相同的多个检偏器，对4路复色平行色散光束进行检偏，确定每个被测面对应的偏振态光束；

例如，通过检偏器可以确定第一路复色平行色散光束偏振态0度，第二路复色平行色散光束偏振态30度，第三路复色平行色散光束偏振态60度，第四路复色平行色散光束偏振态80度。

光谱探测分析装置204，通过对各偏振态光束进行光谱强度分析，确定每个被测面对应的单色光波长；

例如，基准面对应的单色光波长为400纳米，第一被测面对应的单色光波长为500纳米，第二被测面对应的单色光波长为600纳米，第三被测面对应的单色光波长为700纳米。

解算装置106，根据色散镜头组轴向色散距离与可见光波长之间的线性关系，以及每个被测面对应的单色光波长，确定每个被测面之间的位移。

例如，可见光的有效波长范围是400-800纳米，本场景中色散镜头组轴向色散距离，也就是位移传感器有效测量范围是2毫米，则，第一被测面、第二被测面以及第三被测面与基准面之间的间距分别为0.5毫米、1毫米、1.5毫米。

场景二

本发明场景中，测量一玻璃的厚度，该玻璃具有两个表面，称为第一被测面和第二被测面，第一被测面和第二被测面之间的间距就是光谱共焦位移传感器需要测量的位移。

分束器101，包括2个半透半反镜，将复色平行光源根据被测面的数量分束为光强相同的2路复色平行光束；

起偏器组102，包括各自具有不同偏振态的2个起偏器，使2路复色平行光束在经过相应起偏器后起偏而具有不同的偏振态；

例如，经过起偏器组后，第一路复色平行光束偏振态0度，第二路复色平行光束偏振态45度。

色散镜头组103，包括2组色散镜头，将2路具有不同偏振态的复色平行光束，进行轴向色散，使2路具有不同偏振态的复色平行光束分别在第一被测面和第二被测面上聚焦反射，形成2路单色平行光束到达合束装置；其中，每一聚焦点上对应一束单色光波长；

合束装置104，位于分束器和色散镜头组之间的位置，将每个被测面反射回来的各路单色平行光束合束成一束复色平行光束；

限光装置201，对所述合束成的复色平行光束进行滤波处理，保留包含在复色平行光束中的2路单色平行光束；

色散装置202，使合束成的复色平行光束产生复色平行色散光束；

分束装置203，根据被测面的数量分束为2路复色平行色散光束；

检偏器组204，包括与对应起偏器偏振态相同的多个检偏器，对2路复色平行色散光束进行检偏，确定每个被测面对应的偏振态光束；

例如，通过检偏器可以确定第一路复色平行色散光束偏振态0度，第二路复色平行色散光束偏振态45度。

光谱探测分析装置204，通过对各偏振态光束进行光谱强度分析，确定每个被测面对应的单色光波长；

例如，第一被测面对应的单色光波长为400纳米，第二被测面对应的单色光波长为600纳米。

解算装置106，根据色散镜头组轴向色散距离与可见光波长之间的线性关系，以及每个被测面对应的单色光波长，确定每个被测面之间的位移。

例如，可见光的有效波长范围是400-800纳米，本场景中色散镜头组轴向色散距离，也就是位移传感器有效测量范围是2毫米，则，第一被测面和第二被测面之间的位移为1毫米。

本发明的装置具有以下有益效果，

1)本发明主要利用可见光波段进行测量，光源简单易得，光束穿透能力较强，对被测物没有损伤。

2)本发明使用多偏振态光源作为激励光源，利用偏振信息对被测面进行标注，从而实现各点信息的分辨。

3)本发明区别于多台设备的简单并联同步触发，简化了系统复杂度，降低了成本，提升了测量的同步性。

4)本发明使用光谱强度信息对位移信息进行结算，测量结果不受被测表面粗糙程度影响，适用于多种被测材质。

5)本发明探测过程，无需人工操作，避免了因人为因素引入的测量误差，确保了测量精度，使测量结果准确可靠。

6)本发明测量系统结构简单，装置配件常见易得，可进行拆解拼装，便于携带，适用于多种测量环境。

综上，通过本发明实施例的光谱共焦位移传感器，为光谱共焦位移传感器设置了色散镜头组，色散镜头组中多组色散镜头的数量依据被测面的数量而定。关键是在色散镜头组之前加入起偏器组，在解偏振光谱探测装置中加入检偏器组，使得分束后的若干路复色平行光束经过起偏器后具有了偏振态，使得合束后的复色平行光束经过检偏器后分辨出各被测点所对应的测量光束。如此，就可以达到同时多点测量的目的。不需要像现有技术那样，只能至多配备两组色散镜头，且这组色散镜头采集的信息，由于没有对各束光进行偏振态的区分，所以只能分时处理，即，只能处理完一组采集数据，再处理另外一组采集数据，从而不能实现同步分析。因此，本发明的光谱共焦位移传感器有效提高了测量速率，降低了测量成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种光谱共焦位移传感器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。