基于白光LED 的光谱共焦位移传感器
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
பைடு நூலகம்
第 43 卷第 1 期
王津楠等：基于白光 LED 的光谱共焦位移传感器
71
生产商 美国 thorlabs 美国 thorlabs 美国 thorlabs 美国 thorlabs 美国 thorlabs
名称 白光光源 光纤耦合器 消色差透镜 非球面透镜 光谱仪
表 1 关键器件选型
型号 MWWHF1 FCMH2-SMA ACA254-200-A ASL10142M-A CCS100/M
0引言
随着精密制造业的发展袁对精密测量技术要求越 来越高遥 位移检测技术作为几何量精密测量的基础袁
收稿日期院2016-08-22曰收到修改稿日期院2016-10-09 作者简介：王津楠渊1992-冤袁女袁辽宁抚顺市人袁硕士研究生袁 专业方向为精密光电仪器遥
不仅需要具有高精度袁而且要求能适应不同的环境 和材料袁并且逐步趋于实时尧无损检测[1]袁所以传统的 接触式测量方法已经不能满足要求袁高精度的光电位 移检测技术成为当前研究的热点遥
41.4 滋m袁小于光纤纤芯直径袁而 400 nm 波长的弥散 斑直径为 2 311.46 滋m袁远大于光纤纤芯直径遥
为了更准确地分析光纤纤芯直径对共焦系统的 滤光情况袁将光纤端面离散为间距 1 nm 的均匀分布 点光源袁并假设弥散斑与光纤纤芯重叠的部分为可 以进入光纤的光遥 图 6 为在此条件下计算的平面镜 设置在 450袁500袁550袁600袁650 nm 焦面处时袁反射回 光纤的光谱光强分布遥 从图中可以看出光纤纤芯直 径起到了较好的滤光作用袁而且随着波长的变大半 高宽变大遥
参数 暖白光光纤耦合 LED袁波段院400耀800 nm 准200 滋m 多模光纤袁NA =0.39袁50颐50 分光比袁波段院400耀900 nm 准20 mm袁f=200 mm袁NA=0.045袁增透膜院350耀700 nm 准1 in渊1 in=2.539 cm冤袁f=79 mm袁NA =0.143袁增透膜院350耀700 nm 350耀700 nm袁16 位 A/D袁435 nm 处 FWHM<0.5 nm
文献标志码院A
文章编号院1674-5124渊2017冤01-0069-05
White LED-based spectrum confocal displacement sensor
WANG Jinnan，CHEN Fengdong，LIU Bingguo，GAN Yu，LIU Guodong （Institute of Optics Instrument and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）
beam splitter prism optical system structure. The dispersive lens is a combination of spectrum lens
and aspherical lens so that a better aberration correction capability is achieved with less quantity of lenses. In addition， by taking advantage of integrating the light intensity normalization data processing method，the impact on measurement accuracy from uneven distribution of white LED light source spectral intensity is eliminated， obtaining an accurate and stable correspondence between peak wavelength and location. With the aid of dual frequency laser interferometer for system calibration and measurement，the results show that the system measuring range can be up to 1.7 mm with average measurement accuracy of 1.8 滋m at waveband 435 -655 nm， meeting the designated measurement requirements. Keywords: displacement sensor；spectrum confocal；dispersive lens；optical fiber coupler
（哈尔滨工业大学 光电信息测控技术与装备研究所，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘 要院为实现光谱共焦位移传感器的小型化、低功耗和高精度，在设计过程中选择体积小、耗电量小的白光 LED 作
为传感器的光源，并使用光纤耦合器代替复杂的分光棱镜式光学系统结构。色散镜头采用消色差透镜与非球面透镜
组合的方式，在使用较少透镜数量的情况下达到较好的像差校正能力。同时结合光强归一化等数据处理方法，消除
白光 LED 光源光谱光强分布不均匀等因素对测量精度造成的影响，得到准确、稳定的峰值波长与位置间的对应关系。
通过双频激光干涉仪对系统进行标定和测量，实验结果表明使用 435耀655 nm 波段，系统测量范围可以达 1.7 mm，平
均测量精度 1.8 滋m，满足一定的测量需求。
关键词院位移传感器；光谱共焦；色散镜头；光纤耦合器
Abstract: In order to realize miniaturization， low power consumption and high precision of spectrum displacement sensor，small-size，low power consumption white LED as the light source of the sensor is introduced as per design and optical fiber coupler is employed instead of complicated
以上这些因素是相互制约的袁增大数值孔径的 同时系统球差也随之变大袁如果要校正球差系统袁 结构就会变得复杂袁所以色散镜头设计的目的是用 最少的透镜达到最理想的效果遥 光谱共焦位移传感 器的光学系统可以看成两个部分袁一部分是消色差 场镜袁它的焦点在光源处袁把点光源准直成平行光袁 另一部分为色散物镜袁它的作用是把不同波长的平行 光聚焦在轴上的不同位置袁形成光谱色散[7]袁而消色 差透镜和非球面透镜正好可以起到这样的作用遥 本 文采用了美国 thorlabs 公司的消色差和非球面透 镜组合袁色散镜头设计如图 3 所示遥并选择在光源波 段范围内耦合效率较高的光纤耦合器和分辨率为 0.5 nm 的光谱仪袁具体元件及参数如表 1 所示遥
分析了不同光纤纤芯直径情况下反射回光纤的 光谱光强分布情况袁图 7 为对反射镜设置在 550nm 焦 面处分析的结果袁可以看出当光纤纤芯直径较小时袁 光谱信号能量较弱袁随着光纤纤芯直径的增大袁光谱 信号能量变强但半高宽也变大袁分辨率下降遥 设计中 必须选取合适的光纤袁同时满足系统的分辨率和信 噪比要求遥
图 1 色散共焦位移传感器原理
2 系统结构设计
在光谱共焦位移传感器系统中袁系统的测量范围 受 4 个方面的因素影响院1冤光源光谱分布范围曰2冤色 散镜头在工作波段范围内的轴向色差曰3冤光谱仪的 工作波段[5]曰4冤光纤耦合器的工作波段遥 选择的白光
图 3 色散物镜结构
通过 ZEMAX 软件仿真分析袁在 400耀700 nm 波 段色散镜头的色散范围为 2.3 mm袁具体波长与聚焦 位置的对应关系如图 4 所示遥 由于系统要分析反射 回光纤的光谱光强分布情况袁所以对共焦过程进行
光谱共焦位移传感器最早由法国 STIL 公司发 明袁与目前常用的激光三角法相比袁光谱共焦位移传
70
中国测试
2017 年 1 月
感器具有更高的分辨力袁并且光源发射和接收同光 路袁不会出现激光三角法光路容易被遮挡或被测目标 表面过于光滑而接收不到目标反射光的情况袁 对被 测目标适应性强[2]遥 目前商业化的光谱共焦位移传感 器生产商主要有法国 STIL尧 德国 Micro-Epsilon 和 Precitec 公司袁测量精度可以达到亚微米级别袁国内 相关研究较少遥
1 光谱共焦位移传感器原理
光谱共焦位移传感器是一种通过光学色散原理 建立距离与波长间的对应关系袁利用光谱仪解码光谱 信息袁从而获得位置信息的装置遥 如图 1 所示袁白光 LED 光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看做 点光源袁经过准直和色散物镜聚焦后发生光谱色 散袁在光轴上形成连续的单色光焦点袁且每一个单色 光焦点到被测物体的距离都不同遥 当被测物处于测 量范围内某一位置时袁只有某一波长的光聚焦在被测 面上袁该波长的光由于满足共焦条件袁可以从被测物 表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪袁而其他波长的 光在被测物面表面处于离焦状态袁反射回的光在光 源处的分布远大于光纤纤芯直径袁所以大部分光线无 法进入光谱仪遥 通过光谱仪解码得到光强最大处的 波长值袁从而测得目标对应的距离值[3]遥 由于采用了 共焦技术袁因此该方法具有良好的层析特性袁提高了 分辨力袁并且对被测物特性和杂散光不敏感[4]遥
第 43 卷第 1 期 2017 年 1 月
中国测试 CHINA MEASUREMENT & TEST
Vol.43 No.1 January，2017
doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.015
基于白光 LED 的光谱共焦位移传感器
王津楠袁 陈凤东袁 刘炳国袁 甘 雨袁 刘国栋
1.0
25 滋m
0.8
50 滋m 100 滋m
200 滋m
0.6
300 滋m
0.4
0.2
0 400 450 500 550 600 650 700
波长/nm
图 7 不同纤芯直径下的光谱光强分布
3 数据处理
光谱信息处理的最终目的是为了得到峰值波 长袁但是光纤耦合器的内部回光尧光源光强分布的不 均匀尧CCD 对不同波长光响应程度的不同尧系统的噪 声等因素都会对谱峰定位造成影响袁需要进行预处 理后再用适当的算法提取峰值波长遥
0.400 000 0.475 000 0.550 000 0.625 000 0.700 000
图 5 550 nm 波长聚焦时像面上不同波长的 点列图渊单位院滋m冤
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0 400 450 500 550 600 650 700
波长/nm 图 6 被测物在不同位置时的光谱光强分布
白光 LED 光源
光谱仪
光纤耦合器 色散物镜 被测物
姿min 测量范围
姿max
LED 光源的光谱分布如图 2 所示袁波段 400耀800 nm袁 所以在设计过程中袁色散镜头尧光谱仪和光纤耦合器 的工作波段要尽量与光源的波段一致袁最终系统的 测量范围为色散物镜在其共同工作波段范围内的轴 向色差遥
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 300 400 500 600 700 800 900 波长/nm
图 2 白光 LED 光源光谱分布
在设计色散镜头时袁除了要考虑其轴向色差外袁 还要考虑如下因素院1冤增大物方数值孔径可以提高分 辨率曰2冤增大像方数值孔可以提高光源利用率曰3冤减 小系统球差可以提高精度曰4冤系统结构要易于装配 和调整[6]遥
0.70 0.67 0.64 0.61 0.58 0.55 0.52 0.49 0.46 0.43 0.40
-1 200
0 焦深/滋m
1 200
图 4 波长与聚焦位置关系
了模拟袁在仿真过程中袁将平面镜置于焦面处袁使通 过光学系统的光经过平面镜反射后又回到光学系 统袁并成像在光源位置[8]遥 通过观察像面处的点列图 发现袁当平面镜设置在不同波长的焦面处时袁聚焦波 长在像面处的弥散斑较小袁而其他波长的弥散斑较 大遥 图 5 为平面镜设置在 550 nm 波长焦面处时像 面上的点列图袁其中 550 nm 波长的弥散斑直径为
第 43 卷第 1 期
王津楠等：基于白光 LED 的光谱共焦位移传感器
71
生产商 美国 thorlabs 美国 thorlabs 美国 thorlabs 美国 thorlabs 美国 thorlabs
名称 白光光源 光纤耦合器 消色差透镜 非球面透镜 光谱仪
表 1 关键器件选型
型号 MWWHF1 FCMH2-SMA ACA254-200-A ASL10142M-A CCS100/M
0引言
随着精密制造业的发展袁对精密测量技术要求越 来越高遥 位移检测技术作为几何量精密测量的基础袁
收稿日期院2016-08-22曰收到修改稿日期院2016-10-09 作者简介：王津楠渊1992-冤袁女袁辽宁抚顺市人袁硕士研究生袁 专业方向为精密光电仪器遥
不仅需要具有高精度袁而且要求能适应不同的环境 和材料袁并且逐步趋于实时尧无损检测[1]袁所以传统的 接触式测量方法已经不能满足要求袁高精度的光电位 移检测技术成为当前研究的热点遥
41.4 滋m袁小于光纤纤芯直径袁而 400 nm 波长的弥散 斑直径为 2 311.46 滋m袁远大于光纤纤芯直径遥
为了更准确地分析光纤纤芯直径对共焦系统的 滤光情况袁将光纤端面离散为间距 1 nm 的均匀分布 点光源袁并假设弥散斑与光纤纤芯重叠的部分为可 以进入光纤的光遥 图 6 为在此条件下计算的平面镜 设置在 450袁500袁550袁600袁650 nm 焦面处时袁反射回 光纤的光谱光强分布遥 从图中可以看出光纤纤芯直 径起到了较好的滤光作用袁而且随着波长的变大半 高宽变大遥
参数 暖白光光纤耦合 LED袁波段院400耀800 nm 准200 滋m 多模光纤袁NA =0.39袁50颐50 分光比袁波段院400耀900 nm 准20 mm袁f=200 mm袁NA=0.045袁增透膜院350耀700 nm 准1 in渊1 in=2.539 cm冤袁f=79 mm袁NA =0.143袁增透膜院350耀700 nm 350耀700 nm袁16 位 A/D袁435 nm 处 FWHM<0.5 nm
文献标志码院A
文章编号院1674-5124渊2017冤01-0069-05
White LED-based spectrum confocal displacement sensor
WANG Jinnan，CHEN Fengdong，LIU Bingguo，GAN Yu，LIU Guodong （Institute of Optics Instrument and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）
beam splitter prism optical system structure. The dispersive lens is a combination of spectrum lens
and aspherical lens so that a better aberration correction capability is achieved with less quantity of lenses. In addition， by taking advantage of integrating the light intensity normalization data processing method，the impact on measurement accuracy from uneven distribution of white LED light source spectral intensity is eliminated， obtaining an accurate and stable correspondence between peak wavelength and location. With the aid of dual frequency laser interferometer for system calibration and measurement，the results show that the system measuring range can be up to 1.7 mm with average measurement accuracy of 1.8 滋m at waveband 435 -655 nm， meeting the designated measurement requirements. Keywords: displacement sensor；spectrum confocal；dispersive lens；optical fiber coupler
（哈尔滨工业大学 光电信息测控技术与装备研究所，黑龙江 哈尔滨 150001）
摘 要院为实现光谱共焦位移传感器的小型化、低功耗和高精度，在设计过程中选择体积小、耗电量小的白光 LED 作
为传感器的光源，并使用光纤耦合器代替复杂的分光棱镜式光学系统结构。色散镜头采用消色差透镜与非球面透镜
组合的方式，在使用较少透镜数量的情况下达到较好的像差校正能力。同时结合光强归一化等数据处理方法，消除
白光 LED 光源光谱光强分布不均匀等因素对测量精度造成的影响，得到准确、稳定的峰值波长与位置间的对应关系。
通过双频激光干涉仪对系统进行标定和测量，实验结果表明使用 435耀655 nm 波段，系统测量范围可以达 1.7 mm，平
均测量精度 1.8 滋m，满足一定的测量需求。
关键词院位移传感器；光谱共焦；色散镜头；光纤耦合器
Abstract: In order to realize miniaturization， low power consumption and high precision of spectrum displacement sensor，small-size，low power consumption white LED as the light source of the sensor is introduced as per design and optical fiber coupler is employed instead of complicated
以上这些因素是相互制约的袁增大数值孔径的 同时系统球差也随之变大袁如果要校正球差系统袁 结构就会变得复杂袁所以色散镜头设计的目的是用 最少的透镜达到最理想的效果遥 光谱共焦位移传感 器的光学系统可以看成两个部分袁一部分是消色差 场镜袁它的焦点在光源处袁把点光源准直成平行光袁 另一部分为色散物镜袁它的作用是把不同波长的平行 光聚焦在轴上的不同位置袁形成光谱色散[7]袁而消色 差透镜和非球面透镜正好可以起到这样的作用遥 本 文采用了美国 thorlabs 公司的消色差和非球面透 镜组合袁色散镜头设计如图 3 所示遥并选择在光源波 段范围内耦合效率较高的光纤耦合器和分辨率为 0.5 nm 的光谱仪袁具体元件及参数如表 1 所示遥
分析了不同光纤纤芯直径情况下反射回光纤的 光谱光强分布情况袁图 7 为对反射镜设置在 550nm 焦 面处分析的结果袁可以看出当光纤纤芯直径较小时袁 光谱信号能量较弱袁随着光纤纤芯直径的增大袁光谱 信号能量变强但半高宽也变大袁分辨率下降遥 设计中 必须选取合适的光纤袁同时满足系统的分辨率和信 噪比要求遥
图 1 色散共焦位移传感器原理
2 系统结构设计
在光谱共焦位移传感器系统中袁系统的测量范围 受 4 个方面的因素影响院1冤光源光谱分布范围曰2冤色 散镜头在工作波段范围内的轴向色差曰3冤光谱仪的 工作波段[5]曰4冤光纤耦合器的工作波段遥 选择的白光
图 3 色散物镜结构
通过 ZEMAX 软件仿真分析袁在 400耀700 nm 波 段色散镜头的色散范围为 2.3 mm袁具体波长与聚焦 位置的对应关系如图 4 所示遥 由于系统要分析反射 回光纤的光谱光强分布情况袁所以对共焦过程进行
光谱共焦位移传感器最早由法国 STIL 公司发 明袁与目前常用的激光三角法相比袁光谱共焦位移传
70
中国测试
2017 年 1 月
感器具有更高的分辨力袁并且光源发射和接收同光 路袁不会出现激光三角法光路容易被遮挡或被测目标 表面过于光滑而接收不到目标反射光的情况袁 对被 测目标适应性强[2]遥 目前商业化的光谱共焦位移传感 器生产商主要有法国 STIL尧 德国 Micro-Epsilon 和 Precitec 公司袁测量精度可以达到亚微米级别袁国内 相关研究较少遥
1 光谱共焦位移传感器原理
光谱共焦位移传感器是一种通过光学色散原理 建立距离与波长间的对应关系袁利用光谱仪解码光谱 信息袁从而获得位置信息的装置遥 如图 1 所示袁白光 LED 光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看做 点光源袁经过准直和色散物镜聚焦后发生光谱色 散袁在光轴上形成连续的单色光焦点袁且每一个单色 光焦点到被测物体的距离都不同遥 当被测物处于测 量范围内某一位置时袁只有某一波长的光聚焦在被测 面上袁该波长的光由于满足共焦条件袁可以从被测物 表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪袁而其他波长的 光在被测物面表面处于离焦状态袁反射回的光在光 源处的分布远大于光纤纤芯直径袁所以大部分光线无 法进入光谱仪遥 通过光谱仪解码得到光强最大处的 波长值袁从而测得目标对应的距离值[3]遥 由于采用了 共焦技术袁因此该方法具有良好的层析特性袁提高了 分辨力袁并且对被测物特性和杂散光不敏感[4]遥
第 43 卷第 1 期 2017 年 1 月
中国测试 CHINA MEASUREMENT & TEST
Vol.43 No.1 January，2017
doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.015
基于白光 LED 的光谱共焦位移传感器
王津楠袁 陈凤东袁 刘炳国袁 甘 雨袁 刘国栋
1.0
25 滋m
0.8
50 滋m 100 滋m
200 滋m
0.6
300 滋m
0.4
0.2
0 400 450 500 550 600 650 700
波长/nm
图 7 不同纤芯直径下的光谱光强分布
3 数据处理
光谱信息处理的最终目的是为了得到峰值波 长袁但是光纤耦合器的内部回光尧光源光强分布的不 均匀尧CCD 对不同波长光响应程度的不同尧系统的噪 声等因素都会对谱峰定位造成影响袁需要进行预处 理后再用适当的算法提取峰值波长遥
0.400 000 0.475 000 0.550 000 0.625 000 0.700 000
图 5 550 nm 波长聚焦时像面上不同波长的 点列图渊单位院滋m冤
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
0 400 450 500 550 600 650 700
波长/nm 图 6 被测物在不同位置时的光谱光强分布
白光 LED 光源
光谱仪
光纤耦合器 色散物镜 被测物
姿min 测量范围
姿max
LED 光源的光谱分布如图 2 所示袁波段 400耀800 nm袁 所以在设计过程中袁色散镜头尧光谱仪和光纤耦合器 的工作波段要尽量与光源的波段一致袁最终系统的 测量范围为色散物镜在其共同工作波段范围内的轴 向色差遥
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 300 400 500 600 700 800 900 波长/nm
图 2 白光 LED 光源光谱分布
在设计色散镜头时袁除了要考虑其轴向色差外袁 还要考虑如下因素院1冤增大物方数值孔径可以提高分 辨率曰2冤增大像方数值孔可以提高光源利用率曰3冤减 小系统球差可以提高精度曰4冤系统结构要易于装配 和调整[6]遥
0.70 0.67 0.64 0.61 0.58 0.55 0.52 0.49 0.46 0.43 0.40
-1 200
0 焦深/滋m
1 200
图 4 波长与聚焦位置关系
了模拟袁在仿真过程中袁将平面镜置于焦面处袁使通 过光学系统的光经过平面镜反射后又回到光学系 统袁并成像在光源位置[8]遥 通过观察像面处的点列图 发现袁当平面镜设置在不同波长的焦面处时袁聚焦波 长在像面处的弥散斑较小袁而其他波长的弥散斑较 大遥 图 5 为平面镜设置在 550 nm 波长焦面处时像 面上的点列图袁其中 550 nm 波长的弥散斑直径为