一种光谱共焦谱域干涉测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种光学测量装置，特别涉及一种光谱共焦谱域干涉测量装置。


背景技术：

2.光谱共焦技术在位移测量以及透光物质厚度测量方面具有诸多应用。早在上世纪七十年代，学者courtney pratt等人提出一种可以使用显微镜物镜的色差进行表面形貌检测的技术；之后molesini等学者使用一组色差经特殊设计的镜头，搭建了一台基于光谱共焦原理的表面轮廓仪；boyde.a等人将其推广应用到了给显微镜领域带来革命性变化的共焦显微镜技术中去。此后，国外很多学者都对基于光谱共焦原理的测量技术进行了深入研究，并在测量领域衍生出许多应用实例:如表面轮廓及形貌的测量、亚微米量级精细结构的测量、半导体工业和汽车制造业中的位移测量、光学玻璃及生物薄膜的厚度测量、油漆与印刷行业的颜色测量等。目前，发达国家对该技术的掌握已十分成熟，市场上已有工业级的光谱共焦相关产品出现，工作频响达千赫兹以上。
3.光谱共焦位移传感器是基于共焦原理采用宽谱光源的非接触式传感器，其最高精度可以到亚微米级别，几乎可以测量所有材质表面，由于其非接触、高精度的特点所以应用广泛。光谱共焦的关键技术之一是利用光谱波长对距离进行编码，然后采用光电转换器件对编码进行解码。系统构成的原理如图1所示。光纤出射的宽光谱光经过色散物镜后不同波长的光沿光轴方向色散开，不同的距离对应不同的波长。光谱解码系统根据反射光(散射光)的光强中心位置实现波长的定位，通过事先预存储的系数表或者公式，解码出的波长，通过信号处理系统实现相对位移的转换，从而实现位移量的测量。
4.对于在透明物质厚度测量的应用中，如文献“光谱共焦位移传感器测量透明材料厚度的应用”(《光机电信息》vol.28 no.9文章编号：1007
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1180(2011)09
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0050
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04)所述，通常通过计算两层或者多层反射峰的位置来计算单层或者多层透明物质的厚度，如图2和图3所示，其中，t1为第一反射界面与第二反射界面荐的厚度，t2为第二反射面与第三反射面之间的厚度。在第二反射面与第三反射面之间的厚度t2的数值很小的情况下，如果解码系统的光谱分辨率较低，则会出现第二反射界面反射峰与与第三反射界面反射峰重合的现象，如图4
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5所示，其中，t1为第一反射界面与第二反射界面荐的厚度，t2为第二反射面与第三反射面之间的厚度。可见第二反射峰与第三反射峰产生混叠，已经无法实现透光物质的各层厚度测量。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种光谱共焦谱域干涉测量装置。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.一种光谱共焦谱域干涉测量装置，包括控制器、色散物镜，所述色散物镜通过光纤连接至控制器，所述控制器内依次设置有准直物镜、色散元件、聚焦物镜，经聚焦物镜聚焦
后的光束进入光电转换器，其中位于准直物镜前端的光纤出光端的光轴中心、准直物镜的光轴中心、色散元件的几何轴中心、聚焦物镜的光轴中心、光电转换器的中心线在同一水平面上。
8.更进一步的，所述光纤为y型光纤，所述控制器内设置有光源，光源的光经y型光纤传输至色散物镜，经被测物反射的光束依次经色散物镜、y型光纤、准直物镜、色散元件、聚焦物镜，进入光电转换器件。
9.更进一步的，所述色散元件为反射式衍射光栅，线对数≧600线对/mm；或者所述色散元件为色散棱镜。
10.更进一步的，控制器的外壳上设置有具有槽型结构的散热片，用于对内部光源电光转换后产生的热量进行被动散热。
11.更进一步的，所述控制器内部分为两层，通过金属中间板隔开，同时金属板中间板作为各个部件的安装定位支撑件。
12.更进一步的，所述控制器内部的其中一层为高分辨率光谱仪，包括用于夹持传输反射光的光纤的光纤夹持模块、用于准直反射光光纤出光端的光线的准直物镜、色散元件、用于聚焦经过色散元件色散开的光束的聚焦物镜、用于把接收的光信号转换为电信号的光电转换器件。
13.更进一步的，所述高分辨率光谱仪的波长分辨率优于0.1nm。
14.更进一步的，所述色散物镜包括孔径光栏、色散物镜组件，光束依次经孔径光栏、色散物镜组件后，不同波长的光沿光轴方向色散开，不同的距离对应不同的波长，沿孔径光栏中心点，在0～r1部分为非通光部分，r1～r2为环形通光部分，r2～r3为非通光部分；r3～r4为环形通光部分，r4以外为非通光部分；其中，r为半径，且r1＜r2＜r3＜r4。
15.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
16.本实用新型通过对色散物镜光栏结构的优化设计、高分辨率光谱解码系统的设计，提升了位移与厚度测量系统的性能，尤其在透光物质层析结构测量的应用中所能测量的最小厚度更小，精度更高。
17.其中，本实用新型对色散物镜光栏结构的优化设计使得反射光的能量分布的全高半宽明显变窄，色散物镜的聚焦光点明显变小，提高了横向分辨率，提高了系统的测试精度，色散物镜的球差减小提高了系统测试的稳定性；同时简化了色散物镜的结构。
18.其中，高分辨率的光谱解码系统设计，在层析结构的应用时，可以同时获得光谱共焦信号与谱域干涉信号，可测量的透光物质的最小厚度大大减小。提高了测量精度和应用范围。
附图说明
19.图1是现有的光谱共焦实现原理图；
20.图2是现有的光谱共焦透明物质厚度检测原理图；
21.图3是作为图2测量结果的能量分布示意图；
22.图4是t2数值很小情况下现有的光谱共焦透明物质厚度检测原理图；
23.图5是作为图4测量结果的能量分布示意图；
24.图6是光谱共焦谱域干涉测量装置的外观结构图；
25.图7是图6中控制器的正面结构图；
26.图8是光谱共焦谱域干涉测量装置的内部其中一层结构图；
27.图9是主控制卡采用工业控制计算机时的原理图；
28.图10是光谱共焦谱域干涉测量装置的内部其中另一层结构图；
29.图11是色散元件选用色散棱镜结构时的原理图；
30.图12是光栏优化设计的色散物镜结构示意图；
31.图13是图10中光栏的结构示意图；
32.图14是透光物质分层厚度层析测量处理流程图。
33.图15是作为层析测量结果的能量分布示意图。
34.图中标记：1、控制器；101、散热片；102、网络接口；103、编码器接口；104、外触发同步端口以及错误报警输入输出口；105、外部电源接入口；106、整机的电源总开关；107、橡胶脚垫；108、光纤接口；109、液晶显示模块；110、光源及光源至光纤的耦合系统模块；111、光源控制电路模块；112、编码器接口模块；113、主控制卡；114、内部电源分布模块；115、高分辨率光谱仪；116、光纤夹持模块；117、准直物镜；118、色散元件；119、光栅夹持模块；120、聚焦物镜；121、光电转换器件；2、y型光纤；3、色散物镜。
具体实施方式
35.下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
36.本实用新型提供一种如图6所示的光谱共焦谱域干涉测量装置。该装置包括控制器1、色散物镜3。色散物镜3通过光纤连接至控制器1，控制器1内依次设置有准直物镜117、色散元件、聚焦物镜120，经聚焦物镜120聚焦后的光束进入光电转换器121，其中位于准直物镜117前端的光纤出光端的光轴中心、准直物镜117的光轴中心、色散元件的几何轴中心、聚焦物镜的光轴中心、光电转换器的中心线在同一水平面上。
37.本实用新型通过高分辨率的光谱解码系统设计，在层析结构的应用时，可以同时获得光谱共焦信号与谱域干涉信号，可测量的透光物质的最小厚度大大减小。提高了测量精度和应用范围。
38.本实施例中，光纤选用y型光纤2，控制器1的光纤接口母头与y型光纤2的公头通过专用光纤接头连接，例如sma905，y型光纤2的共用端光纤接头通过专用光纤接头与色散物镜3连接，例如fc/apc接口。
39.其中，控制器1的正面结构如图7所示，包括具有槽型结构的散热片101、网络接口102、编码器接口103、外触发同步端口以及错误报警输入输出口104、外部电源接入口105、整机的电源总开关106、橡胶脚垫107、光纤接口108、液晶显示模块109。其中：散热片101用于对内部光源电光转换后产生的热量进行被动散热，相对于主动散热方式具有无振动稳定性高特点；网络接口102用于数据通信及传输测量结果数据；编码器接口103用于与测量设备运动机构同步；外部电源接入口105通常为12～36v直流电源入口，用于提供整机工作电能；橡胶脚垫107为软性，对外部振动具有一定的缓冲或屏蔽作用；液晶显示模块109为内嵌式，用于显示测量结果以及机器内部信息。以上部件通过机械框架安装固定。
40.本实施例中，控制器1内部分为两层，通过金属中间板隔开，同时金属中间板作为各个部件的安装定位支撑件。
41.其中一层的内部结构如图8所示，包括光源及光源至光纤的耦合系统模块110、光源控制电路模块111、编码器接口模块112、主控制卡113、内部电源分布模块114。其中：光源及光源至光纤的耦合系统模块110用于为装置工作提供光源，光源优选为led光源、氙灯光源或者激光激发的lpd光源；光源控制电路模块111用于控制光源的亮度以及工作频率；编码器接口模块112通过软排线与控制器主控制卡相连接；主控制卡113采用soc架构或者工业控制计算机(如图9所示)，当采用soc架构时，主控制卡113主要包括嵌入式soc系统、温度采集系统，其中的温度采集模块采集到的控制器内部实时温度用于对整个系统温度稳定性的补偿，用于控制依据光谱数据的采集、处理、结果输出、通讯等。与各个电路模块以及对外接口通过导线连接；内部电源分布模块114用于提供内部不同电路工作所需要的不同幅值电源。其中内部电源分布模块114通过导线与光源控制电路模块111、液晶显示模块109、编码器接口模块112、主控制卡113连接。
42.其中另一层的内部结构如图10所示，为高分辨率光谱仪115。所述高分辨率光谱仪115包括光纤夹持模块116、准直物镜117、色散元件118、光栅夹持模块119、聚焦物镜120、光电转换器121。其中：光纤夹持模块116用于夹持传输反射光的光纤；准直物镜117用于准直反射光光纤出光端的光线；色散元件118选用反射式衍射光栅(也可以是其他类型的色散元件，例如也可以采用如图11所示的色散棱镜结构)，当色散元件118选用反射式衍射光栅时，其线对数≧600线对/mm；光栅夹持模块119用于夹持色散元件118，从而保证光栅的稳定固定；聚焦物镜120用于聚焦经过色散元件118色散开来的光束；光电转换器121通常为线阵ccd或者cmos，用于把接收的光信号转换为电信号，同时通过软排线与主控制卡113相互连接。其中光纤夹持模块116光轴中心、准直物镜117光轴中心、色散元件118几何轴中心、聚焦物镜120光轴中心、光电转换器121中心线在同一水平面上。分辨率光谱仪115的优选波长分辨率优于0.1nm。
43.本实施例中，色散物镜3的结构如图12所示。该色散物镜3包括孔径光栏301、色散物镜组件302，光束依次经孔径光栏301、色散物镜组件302后，不同波长的光沿光轴方向色散开，不同的距离对应不同的波长。其中，孔径光栏301的结构如图13所示，沿孔径光栏301中心点，在0～r1部分为非通光部分，r1～r2为环形通光部分，r2～r3为非通光部分；r3～r4为环形通光部分，r4以外为非通光部分；其中，r为半径，且r1＜r2＜r3＜r4。
44.光源及光源至光纤的耦合系统模块110发出的连续光谱的光经过光纤传导到网络接口102的y型光纤的一端，通过y型光纤的公共端进入色散物镜3，进入色散物镜3的光线沿着光轴方向，不同波长聚焦在不同位置。当被测对象位于色散范围内时，反射光被色散物镜接收，沿着原光路返回到y型光纤的输出端，经过准直物镜117准直后到达色散元件118，色散元件118色散后的光线被聚焦物镜120聚焦在cmos上，不同波长聚焦在不同位置。
45.当用作位移测量时，通过信号处理得到反射峰的位置，并通过预先存入的数据表换算出对应的位移量；当用作透光物质分层厚度层析测量时处理流程如图14所示。
46.综上所述，本实用新型创新性地提出了一种光谱共焦谱域干涉测量装置。通过对色散物镜光栏结构的优化设计、高分辨率光谱解码系统的设计，提升了位移与厚度测量系统的性能，尤其在透光物质层析结构测量的应用中所能测量的最小厚度更小，精度更高。在层析时的测量效果如图15所示，从图15可以看出，本实用新型在小数值t2形成光谱共焦与谱域干涉共存现象。被动散热结构的采用，消除了系统受震动的影响，提高了系统的稳定
性。内置温度采集模块，实现了控制器温度的实施采集与补偿，提高了系统的稳定性。
47.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。