为了实现小型化，低功耗和光谱共焦位移传感器的精度高，白色LED为小尺寸和低功率消耗被选择为在设计过程中的光源的传感器，和一个耦合器使用光纤代替复杂的光谱棱镜光学器件。统结构。散透镜利用消色差透镜和非球面透镜的组合，以较少数量的透镜提供更好的像差校正能力。
时，结合诸如光强度归一化的数据处理方法，消除了诸如白光LED光源的光谱强度的不均匀分布等因素对测量精度的影响。获得最大波长与位置之间的对应关系。
系统被校准，测量通过双激光干涉fréquence.Les实验结果表明，该系统测量范围可达到17毫米，平均的测量精度是1.8微米在435-655纳米波段，符合某些测量要求。键词：位移传感器，光谱共焦，色散透镜，光纤耦合器文献识别代码：A产品号：1674-5124（2017）01-0069-05收货日期：2016-08 -22;修订日期：2016-10-09作者简介：王金南（1992-），女，辽宁省抚顺市，硕士生，精密光电仪器专业管理。言随着精密制造的发展，对精密测量技术的要求也在不断提高。于几何量的基本测量精度，运动检测技术，不仅需要的精度，而且也适应于不同的环境和材料，并逐步趋向于测试实时和非破坏性[ 1]。果，传统的接触测量方法不能满足要求。
精度光电位移检测技术已成为当前研究的热点。谱传感器共焦位移是由法国公司STIL发明的，相比于激光三角测量，光谱共焦位移传感器具有更高的分辨率，所述光源发射和接收相同的光路和所述路径的当前方法激光三角测量光学器件要测量的目标的遮挡或表面太光滑，无法接收来自目标的反射光，并且待测物体的适应性很强[2]。前，光谱共焦位移传感器的商业制造商主要包括法国STIL，德国的Micro-Epsilon和Precitec，测量精度可达到亚微米级别。该国进行的研究很少。谱共焦位移传感器的光谱共焦位移传感器的原理是，为了从获得的信息建立的距离和波长之间的对应关系通过用于的光谱信息解码光色散和光谱仪器的原理的设备位置。图1所示，白光LED光源发出的光在通过光纤耦合器后可视为点光源，通过准直和散射物镜聚焦后发生光谱色散。光轴上形成连续的单色光聚焦。单色光的焦点到待测物体的距离是不同的。被测物体处于测量范围内的特定位置时，只有特定波长的光聚焦在被测表面上，并且波长光可以从光的表面反射。量物体朝向光纤耦合器并进入光谱仪，因为满足共焦条件。其它波长的光是在散焦状态到对象的表面进行测量时，该反射光被分布比纤维的芯径更远，使得大多数光不能穿透光谱仪。过光谱仪的解码获得光强度最大的波长值，从而测量对应于目标的距离值[3]。
于采用共焦技术，该方法具有良好的色谱性能，提高了分辨率，对测量性质和杂散光不敏感[4]。光谱共焦位移传感器系统的系统结构的设计中，该系统的测量范围受到四个因素：1）光源的光谱分布的范围内，2）的轴向色差工作频带中的色散透镜，3）光谱仪Band [5]的工作; 4）光纤耦合器的工作频带。选择的白色LED光源的光谱分布在图2中所示的频带是400和800之间nm.Par因此，在设计的光谱仪和耦合器的色散透镜的工作条时光纤应尽可能靠近光源的光带。是散射物镜在其共同工作频带中的轴向色差。设计色散透镜时，除了考虑其轴向色差外，还必须考虑以下因素：1）增加物体侧的数值孔径可以改善分辨率，2）增加图像方孔的数值可以提高光源的使用，3）小系统的球面像差可以提高精度; 4）系统的结构必须易于组装和调整[6]。系统的球面像差也增大，如果球面像差应纠正系统，结构变得复杂，从而使分散透镜的设计的目的是为了获得具有最小透镜的最大。想的效果共焦光谱位移传感器的光学系统可以被看作是两个部分，一个部分是消色差聚光透镜，其焦点位于光源，点源被准直成平行光，并另一部分是一个分散的目标，它的功能是有所作为。长的平行光聚焦在轴上的不同位置，形成光谱色散[7]，消色差透镜和非球面透镜可以做到。文使用美国消色差透镜和非球面透镜的组合（见图3）。光源波段范围内选择具有高耦合效率的光纤耦合器和分辨率为0.5 nm的光谱仪，具体组件和参数如表1所示。ZEMAX软件模拟分析，分散透镜在400-700nm波段的色散范围为2.3mm，并且特定波长与焦点位置之间的对应关系示于图3中。4.由于系统分析由纤维光谱强度反射的分布，共焦过程模拟：在模拟过程中，平面镜被放置在焦平面，因此通过光学系统的光被反射通过平面镜然后送回光学系统。位置的系统和图像[8]。
察在图像平面的点的列中，我们发现，平面镜设置在不同波长的焦平面时，聚焦的波长在图像平面上的焦点是更小而其他波长的扩散更大。5是当平面镜放置在550nm的焦平面时的像平面点的柱状图。550nm的波长直径为41.4μm，小于纤维的纤芯直径，400nm的波长直径为2，311.46。Μm，远大于纤维芯的直径。了进一步分析相对于共聚焦系统光纤的心脏的过滤器的直径，光纤的端面被分散在1nm的间隔均匀地分布的点光源，并假定该部件漫射点覆盖光纤中心的是可以穿透光纤的光。
6是当在这些条件下计算的平面镜放置在450，500，550，600，650nm的焦平面时返回光纤的光谱强度分布的曲线图。图中可以看出，纤维芯的直径起到很好的过滤作用，并随着波长的增加而增加。析了反射光纤在光纤纤芯直径中反射的光谱强度分布，图7显示了在550 nm焦平面上镜面的分析，发现光谱信号的能量很低。纤维芯的直径很小时。着光纤芯的直径增加，光谱信号的能量增加，但半高宽也增加并且分辨率降低。设计中，必须选择合适的光纤以满足系统的分辨率和信噪比要求。算机处理光谱信息的最终目标是获得最大波长，还有光纤耦合器的内部反馈，光源强度的不均匀分布，CCD对不同的响应差异波长，系统噪声等在使用适当的算法提取最大波长之前，定位具有影响并且需要预处理。光谱仪中获得的光谱信息包括在光纤内返回的背光和从待测物体表面返回的光信号。了获得有用的光信号，首先需要收集背景噪声，然后从光谱仪获得的数据中减去背景噪声。外，必须考虑光源光谱强度的不均匀分布的影响。8是表示在添加基于图6的光源的光谱特性之后的光谱强度分布的图。图表示峰值波长偏移，因此强度为光源必须标准化。外，由于传感器在所有链路中产生随机噪声，因此需要进行频谱噪声滤波。用的频谱滤波方法包括中值滤波和小波函数滤波[9]。比较不同的过滤方法后，最终的选择是db6。波执行6次分解以强制消除噪声，因为滤波后峰值位置的可重复性更好。于光谱仪的CCD像素具有一定的尺寸，这相当于原始光谱的离散采样，因此可能存在峰值泄漏。果将原始光谱数据中的最大值用作峰值波长，则定位精度将受到影响，因此需要适当的算法来确定峰值位置。心方法是一种常用的峰值定位算法[10]，适用于相对于峰值位置对称性的点信号处理。心方法的公式如下：x – 质心的位置; t – CCD的像素; – 第三个像素的灰度值。验和结果的分析使用上述分析和设计，光谱共焦位移测量系统的结构如图2所示。9.平面镜用作测量对象，系统由双频激光干涉仪校准和测量。实验过程中，系统最初由两个激光干涉仪fréquences.Après校准所选择的反射镜的初始位置时，反射镜移动是在轴向方向上的每个壳体100微米和采集的每个测量点执行5次信息。理完数据后，将每个测量点5次后的最大波长与相应的激光干涉仪[11]的位置进行曲线调整，以获得最大波长与这个职位。10显示了3次后多项式拟合的结果。
435-655nm波段的相应位移为1.7mm。体表达式如图11所示，在5个不同位置处理镜像数据后的光谱强度。线。统的可重复性在图12中示出。18个位置处进行的测量中，最大波长差为0.86nm，平均波长差为0.36。
nm和相应的平均位移差为3.2μm。换试样后，进行测量，选择测量范围内的位置，进行5次采集，将数据处理后得到的峰值波长平均作为起始位置系统的。后，随机选择24个测量点进行满量程测量，起始位置的平均最大波长为440.51 nm，最大位移时的最大波长为642.46纳米。图13中，横轴表示激光干涉仪的位移，纵轴表示所计算出的位移与激光干涉仪的位移之间的差值，最大测量误差为5.8微米和平均误差为1.8μm。
论介绍了共焦光谱位移传感器的工作原理，特点和搜索状态。计了一种基于白光LED和光纤耦合器的小型低功率光谱共焦位移传感器。过ZEMAX仿真软件分析分散透镜结构的设计，并且理论上计算共焦曲线作为结痂尺寸的函数。时，的因素，如所述峰值的位置的光源的特性的影响进行了分析，通过适当的数据处理方法中获得的位置和峰值波长之间的对应关系。验结果表明，该系统在435-655 nm波段具有1.7 mm的测量范围和1.8μm的平均测量精度。对于未来的研究和原型的改进性能非常有益。考文献[1]卢亚玲，杨晓红，现代先进制造技术 – 精密与超精密[J]，机械工程，2004，42（10）：25-26。2]胡庆英，尤铮。其在几何量测量中的应用[J]，航空测量技术，1996，16（2）：10-14。[3]刘晓飞，邓文义，牛春晖等人，一种新的共焦光谱位移测量系统。索[J]。感器与微系统，2013，32（4）：34-36。4]邢宇，吴世荣，肖泽新。代最先进的成像技术：共聚焦显微镜[C] Opt National Optics and Optoelectronics University Seminar，2005：244-249。5]吴伟。谱共焦位移传感器设计技术研究[D]。京：物理研究所，中国院士，2012年[6]光谱共焦镜头，牛春晖，李晓莹，郎小平组的设计和性能优化[J]。颈北京科技信息，2013大学，28（2）：42〜45 [7] R. LEACH光学表面形貌测量[M] .BERLIN：施普林格，2011： 71-106 [8]张宁。于复杂颜色共焦法的透明材料厚度检测系统研究[D]。春：科学与技术，2012年的长春工业大学[9]陈刚，在混合光谱仪集成超细纤维的研究进展[d]，热敏元件重庆大学，2002。
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