CN107421448A - 一种微位移测量装置与测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种微位移测量装置与测量方法，该装置包括白光宽光谱光源、双分支光纤、光纤出射光束、色散物镜、色散物镜出射光束、待测物、光纤连接器、多分支光纤、光谱仪和计算机，该方法包括调整待测物的轴向位移，使其位于色散物镜的工作范围内；通过计算机采集第一微型光谱仪、第二微型光谱仪、…、和第N微型光谱仪的光谱数据；计算待测物的位移大小。本发明通过采用多个固定光栅的微型光谱仪，在提高***分辨率的同时可使整个***保持较小的体积，实现了高分辨率便携式的微位移测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种微位移的测量。
背景技术
位移是最基本的几何参量之一，其准确测量对人们从事各领域的研究和促进科学进步有重要意义，精密制造和超精密制造、微型机械、微细和超微细加工等精密工程是当今也是未来高端制造技术的基础，而精密微位移测量是推动和发展高端制造技术的基础。
目前，较为成熟的微位移测量技术是非接触式位移传感器，其重要代表是光电式位移传感器，如激光三角反射式位移传感器等，但其测量结果易受测头安装倾斜、被测表面颜色、光泽、表面粗糙度以及表面纹理状况等因素影响。光谱共焦法是一种基于波长位移调制的非接触式微位移测量方法，具有测量精度高，速度快，对被测表面的纹理、倾斜等因素不敏感，对材料无特殊要求等优点。
本发明给出一种基于光谱共焦原理的便携式微位移测量装置与测量方法，通过采用多个固定光栅的微型光谱仪，在提高***分辨率的同时可使整个***保持较小的体积，实现了高分辨率便携式的微位移测量。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种微位移测量装置，其特征在于，该装置包括白光宽光谱光源(10)、双分支光纤(20)、光纤出射光束(201)、色散物镜(30)、色散物镜出射光束(301)、待测物(40)、光纤连接器(50)、多分支光纤(60)、光谱仪(70)和计算机(80)，其中，白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束耦合入双分支光纤(20)的第一分支端，进而耦合入双分支光纤(20)，经双分支光纤(20)总端传输后得到光纤出射光束(201)，光纤出射光束(201)经色散物镜(30)后得到色散物镜出射光束(301)，色散物镜出射光束(301)被待测物(40)反射后经色散物镜(30)、双分支光纤(20)总端、双分支光纤(20)的第二分支端、光纤连接器(50)、多分支光纤(60)的总端、多分支光纤(60)的多个分支进入光谱仪(70)，通过计算机(80)采集光谱仪的光谱信号，通过对采集的光谱信号的处理，得到待测物(40)的位移。
优选地，所述白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束，其光谱是连续的。
优选地，所述双分支光纤(20)中的光纤为多模光纤，双分支光纤(20)包括总端(200)、第一分支端(20a)和第二分支端(20b)，其中第一分支端(20a)和第二分支端(20b)通过熔融的方式和总端(200)连接在一起，从第一分支端(20a)或第二分支端(20b)进入的光束将从总端(200)中射出，从总端(200)进入的光束将同时从第一分支端(20a)和第二分支端(20b)射出，且从第一分支端(20a)和第二分支端(20b)射出的光束能量相同；
所述多分支光纤(60)中的光纤为多模光纤，多分支光纤(60)包括总端(600)、第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)，其中第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)通过熔融的方式和总端(600)连接在一起，从第一分支端(601)或第二分支端(602)、…、或第N分支端(60n)进入的光束将从总端(600)中射出，从总端(600)进入的光束将同时从第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)射出，且从第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)射出的光束能量相同；
所述光谱仪(70)由多个微型光谱仪组成，分别为第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、第N微型光谱仪(70n)，且第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)中的光栅及准直镜和成像镜的位置均是固定的。
优选地，所述色散物镜(30)的工作波长为λmin到λmax的连续白光光谱，所述光纤出射光束(201)经所述色散物镜(30)后得到的色散物镜出射光束(301)具有多个焦点，不同波长对应一个焦点，且这些焦点的连线为色散物镜(30)的光轴，这些焦点到色散物镜的距离Dλ和波长λ满足如下关系：
Dλ＝C+kλ (1)
式中，Dλ为波长λ的光束到色散物镜端面的距离，C和k为常数，其值可根据最小二乘法由多个λ和对应的Dλ求得。
优选地，所述色散物镜(30)的最小工作波长λmin和最大工作波长λmax对应的焦点到色散物镜的距离分别为Dλmin＝C+kλmin和Dλmax＝C+kλmax，所述微位移测量装置所能测量的最大位移为ΔD＝|Dλmin‐Dλmax|。
优选地，所述双分支光纤(20)的第二分支端和多分支光纤(60)的总端是通过光纤连接器(50)连接的。
优选地，设定光谱仪(70)中的第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)的光栅位置，使得第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)分别只接收Δλ1、Δλ2、…、和ΔλN的光谱，其中Δλ1包含λmin到λ1的光谱、Δλ2包含λ1到λ2的光谱、…、ΔλN包含λN‐1到λmax的光谱，λ1、λ2、…、和λN‐1根据下式求得
优选地，光谱仪(70)中N个微型光谱仪的像元个数均为m，光谱仪(70)的总像元个数为N×m。
优选地，光谱仪(70)中，第1个像素对应波长为λmin，第N×m个像素对应的波长为λmax，其中，λmin和λmax为色散物镜工作波长的最小值和最大值；第i个像素对应的波长λi为
一种微位移测量方法，其采用上述的微位移测量装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、调整待测物(40)的轴向位移，使其位于色散物镜(30)的工作范围内；
S2、通过计算机(80)采集第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)的光谱数据，构建行数为N×m，列数为1的矩阵M，将第一微型光谱仪(701)的m个像素值置于矩阵M的前m行、将第二微型光谱仪(701)的m个像素值置于矩阵M的第m+1行到第2m行、…、将第N微型光谱仪(70n)的m个像素值置于矩阵M的第(N‐1)×m+1行到第N×m行；
S3、计算矩阵M中，峰值光谱的像素编号j，根据公式(2)计算峰值光谱的波长值λi
其中，λmin和λmax分别为所述色散物镜(30)的最小工作波长和最大工作波长；
S4、根据公式(1)计算该峰值波长λi对应的待测物(40)的位移大小Dλi
Dλi＝C+kλi (1)
其中，Dλi为该峰值波长λi的光束到色散物镜端面的距离，C和k为常数，其值根据最小二乘法由多个λ和对应的Dλ求得。
本发明提供的微位移测量装置与测量方法，可以实现高分辨率的微位移测量，且具有便携式的优点。本发明通过采用多个固定光栅的微型光谱仪进行光谱分段探测，从而提高测量***的分辨率，同时可使整个测量***保持较小体积，并且由于微型光谱仪中的光栅、准直镜和成像镜位置均是固定不动的，因此，还具有便携式的优点。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为根据本发明实施方式的微位移测量装置示意图；
图2为根据本发明实施方式的双分支光纤的组成结构示意图；
图3为根据本发明实施方式的色散物镜中不同波长对应位移关系示意图；
图4为根据本发明实施方式的多分支光纤的组成结构示意图；
图5为根据本发明实施方式的光谱仪的组成结构示意图；
图6为根据本发明实施方式的微位移测量方法流程图；
其中，微位移装置包括：10、白光宽光谱光源，20、双分支光纤，201、光纤出射光束，30、色散物镜，301、色散物镜出射光束，40、待测物，50、光纤连接器，60、多分支光纤，70、光谱仪，80、计算机。
双分支光纤20包括：200、总端，20a、第一分支端，20b、第二分支端。
多分支光纤60包括：600、总端，601、第一分支端，602、第二分支端，…，60n、第N分支端。
光谱仪70包括：701、第一微型光谱仪，702、第二微型光谱仪，…，70n、第N微型光谱仪。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明所述的微位移测量装置示意图，包括白光宽光谱光源(10)、双分支光纤(20)、光纤出射光束(201)、色散物镜(30)、色散物镜出射光束(301)、待测物(40)、光纤连接器(50)、多分支光纤(60)、光谱仪(70)和计算机(80)。
白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束耦合入双分支光纤(20)的第一分支端耦合入双分支光纤(20)，经双分支光纤(20)总端传输后得到光纤出射光束(201)，光纤出射光束(201)经色散物镜(30)后得到色散物镜出射光束(301)，色散物镜出射光束(301)被待测物(40)反射后经色散物镜(30)、双分支光纤(20)总端、双分支光纤(20)的第二分支端、光纤连接器(50)、多分支光纤(60)的总端、多分支光纤(60)的多个分支进入光谱仪(70)，通过计算机(80)采集光谱仪的光谱信号，通过对采集的光谱信号的处理，得到待测物(40)的位移。
上述白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束其光谱是连续的。
如图2所示，为所述双分支光纤(20)的组成结构示意图，该双分支光纤(20)中的光纤为多模光纤，双分支光纤(20)包括总端(200)、第一分支端(20a)和第二分支端(20b)，其中第一分支端(20a)和第二分支端(20b)通过熔融的方式和总端(200)连接在一起，从第一分支端(20a)或第二分支端(20b)进入的光束将从总端(200)中射出，从总端(200)进入的光束将同时从第一分支端(20a)和第二分支端(20b)射出，且从第一分支端(20a)和第二分支端(20b)射出的光束能量相同。
如图3所示，为所述色散物镜(30)中不同波长对应位移的示意图，所述色散物镜(30)的工作波长为λmin到λmax的连续白光光谱，所述光纤出射光束(201)经所述色散物镜(30)后得到的色散物镜出射光束(301)具有多个焦点，不同波长对应一个焦点，且这些焦点的连线为色散物镜(30)的光轴，这些焦点到色散物镜的距离Dλ和波长λ满足如下关系：
Dλ＝C+kλ (1)
式中，Dλ为波长λ的光束到色散物镜端面的距离，C和k为常数，其值可根据最小二乘法由多个λ和对应的Dλ求得。
色散物镜(30)的最小工作波长λmin和最大工作波长λmax对应的焦点到色散物镜的距离分别为Dλmin＝C+kλmin和Dλmax＝C+kλmax，微位移测量装置所能测量的最大位移为ΔD＝|Dλmin‐Dλmax|。
如图4所示，为所述多分支光纤(60)的组成结构示意图，多分支光纤(60)中的光纤为多模光纤，多分支光纤(60)包括总端(600)、第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)，其中第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)通过熔融的方式和总端(600)连接在一起，从第一分支端(601)或第二分支端(602)、…、或第N分支端(60n)进入的光束将从总端(600)中射出，从总端(600)进入的光束将同时从第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)射出，且从第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)射出的光束能量相同。
上述双分支光纤(20)的第二分支端和多分支光纤(60)的总端是通过光纤连接器(50)连接的。
如图5所示，为所述光谱仪(70)的结构示意图，光谱仪(70)由多个微型光谱仪组成，分别为第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、第N微型光谱仪(70n)，且第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)中的光栅及准直镜和成像镜的位置均是固定的。
设定光谱仪(70)中的第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)的光栅位置，使得第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)分别只接收Δλ1、Δλ2、…、和ΔλN的光谱，其中Δλ1包含λmin到λ1的光谱、Δλ2包含λ1到λ2的光谱、…、ΔλN包含λN‐1到λmax的光谱，λ1、λ2、…、和λN‐1根据下式求得
光谱仪(70)中N个微型光谱仪的像元个数均为m，则光谱仪(70)的总像元个数为N×m，因此，与单个微型光谱仪相比，光谱仪(70)的分辨率提高了N倍。
光谱仪(70)中，第1个像素对应波长为λmin，第N×m个像素对应的波长为λmax，其中，λmin和λmax为色散物镜工作波长的最小值和最大值。第i个像素对应的波长λi为
如图6所示，为本分发明所述的微位移测量方法流程图，当采用上述微位移测量装置进行微位移测量时，微位移测量方法包括如下步骤：
S1、调整待测物(40)的轴向位移，使其位于色散物镜(30)的工作范围内；
S2、通过计算机(80)采集第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)的光谱数据，构建行数为N×m，列数为1的矩阵M，将第一微型光谱仪(701)的m个像素值置于矩阵M的前m行、将第二微型光谱仪(701)的m个像素值置于矩阵M的第m+1行到第2m行、…、将第N微型光谱仪(70n)的m个像素值置于矩阵M的第(N‐1)×m+1行到第N×m行。
S3、计算矩阵M中，峰值光谱的像素编号j，根据公式(2)计算峰值光谱的波长值λi
其中，λmin和λmax分别为所述色散物镜(30)的最小工作波长和最大工作波长；
S4、根据公式(1)计算该峰值波长λi对应的待测物(40)的位移大小Dλi
Dλi＝C+kλi (1)
其中，Dλi为该峰值波长λi的光束到色散物镜端面的距离，C和k为常数，其值根据最小二乘法由多个λ和对应的Dλ求得。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种微位移测量装置，其特征在于，该装置包括白光宽光谱光源(10)、双分支光纤(20)、光纤出射光束(201)、色散物镜(30)、色散物镜出射光束(301)、待测物(40)、光纤连接器(50)、多分支光纤(60)、光谱仪(70)和计算机(80)，其中，白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束耦合入双分支光纤(20)的第一分支端，进而耦合入双分支光纤(20)，经双分支光纤(20)总端传输后得到光纤出射光束(201)，光纤出射光束(201)经色散物镜(30)后得到色散物镜出射光束(301)，色散物镜出射光束(301)被待测物(40)反射后经色散物镜(30)、双分支光纤(20)总端、双分支光纤(20)的第二分支端、光纤连接器(50)、多分支光纤(60)的总端、多分支光纤(60)的多个分支进入光谱仪(70)，通过计算机(80)采集光谱仪的光谱信号，通过对采集的光谱信号的处理，得到待测物(40)的位移。
2.根据权利要求1所述的一种微位移测量装置，其特征在于，所述白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束，其光谱是连续的。
3.根据权利要求1所述的一种微位移测量装置，其特征在于，所述双分支光纤(20)中的光纤为多模光纤，双分支光纤(20)包括总端(200)、第一分支端(20a)和第二分支端(20b)，其中第一分支端(20a)和第二分支端(20b)通过熔融的方式和总端(200)连接在一起，从第一分支端(20a)或第二分支端(20b)进入的光束将从总端(200)中射出，从总端(200)进入的光束将同时从第一分支端(20a)和第二分支端(20b)射出，且从第一分支端(20a)和第二分支端(20b)射出的光束能量相同；
所述多分支光纤(60)中的光纤为多模光纤，多分支光纤(60)包括总端(600)、第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)，其中第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)通过熔融的方式和总端(600)连接在一起，从第一分支端(601)或第二分支端(602)、…、或第N分支端(60n)进入的光束将从总端(600)中射出，从总端(600)进入的光束将同时从第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)射出，且从第一分支端(601)、第二分支端(602)、…、第N分支端(60n)射出的光束能量相同；
所述光谱仪(70)由多个微型光谱仪组成，分别为第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、第N微型光谱仪(70n)，且第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)中的光栅及准直镜和成像镜的位置均是固定的。
4.根据权利要求1所述的一种微位移测量装置，其特征在于，所述色散物镜(30)的工作波长为λmin到λmax的连续白光光谱，所述光纤出射光束(201)经所述色散物镜(30)后得到的色散物镜出射光束(301)具有多个焦点，不同波长对应一个焦点，且这些焦点的连线为色散物镜(30)的光轴，这些焦点到色散物镜的距离Dλ和波长λ满足如下关系：
Dλ＝C+kλ (1)
式中，Dλ为波长λ的光束到色散物镜端面的距离，C和k为常数，其值是根据最小二乘法由多个λ和对应的Dλ求得。
5.根据权利要求1所述的一种微位移测量装置，其特征在于，所述色散物镜(30)的最小工作波长λmin和最大工作波长λmax对应的焦点到色散物镜的距离分别为Dλmin＝C+kλmin和Dλmax＝C+kλmax，所述微位移测量装置所能测量的最大位移为ΔD＝|Dλmin‐Dλmax|。
6.根据权利要求3所述的一种微位移测量装置，其特征在于，所述双分支光纤(20)的第二分支端和多分支光纤(60)的总端是通过光纤连接器(50)连接的。
7.根据权利要求3所述的一种微位移测量装置，其特征在于，设定光谱仪(70)中的第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)的光栅位置，使得第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)分别只接收Δλ1、Δλ2、…、和ΔλN的光谱，其中Δλ1包含λmin到λ1的光谱、Δλ2包含λ1到λ2的光谱、…、ΔλN包含λN‐1到λmax的光谱，λ1、λ2、…、和λN‐1根据下式求得
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8.根据权利要求7所述的一种微位移测量装置，其特征在于，光谱仪(70)中N个微型光谱仪的像元个数均为m，光谱仪(70)的总像元个数为N×m。
9.根据权利要求3所述的一种微位移测量装置，其特征在于，光谱仪(70)中，第1个像素对应波长为λmin，第N×m个像素对应的波长为λmax，其中，λmin和λmax为色散物镜工作波长的最小值和最大值；第i个像素对应的波长λi为
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10.一种微位移测量方法，其采用权利要求1‐9中任一项的微位移测量装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、调整待测物(40)的轴向位移，使其位于色散物镜(30)的工作范围内；
S2、通过计算机(80)采集第一微型光谱仪(701)、第二微型光谱仪(702)、…、和第N微型光谱仪(70n)的光谱数据，构建行数为N×m，列数为1的矩阵M，将第一微型光谱仪(701)的m个像素值置于矩阵M的前m行、将第二微型光谱仪(701)的m个像素值置于矩阵M的第m+1行到第2m行、…、将第N微型光谱仪(70n)的m个像素值置于矩阵M的第(N‐1)×m+1行到第N×m行；
S3、计算矩阵M中，峰值光谱的像素编号j，根据公式(2)计算峰值光谱的波长值λi
<mrow>
<msub>
<mi>&lambda;</mi>
<mi>j</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，λmin和λmax分别为所述色散物镜(30)的最小工作波长和最大工作波长；
S4、根据公式(1)计算该峰值波长λi对应的待测物(40)的位移大小Dλi
Dλi＝C+kλi (1)
其中，Dλi为该峰值波长λi的光束到色散物镜端面的距离，C和k为常数，其值根据最小二乘法由多个λ和对应的Dλ求得。
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