王津楠，陳鳳東，劉炳國，甘 雨，劉國棟

（哈爾濱工業(yè)大學 光電信息測控技術與裝備研究所，黑龍江 哈爾濱 150001）

基于白光LED的光譜共焦位移傳感器

王津楠，陳鳳東，劉炳國，甘 雨，劉國棟

（哈爾濱工業(yè)大學 光電信息測控技術與裝備研究所，黑龍江 哈爾濱 150001）

為實現(xiàn)光譜共焦位移傳感器的小型化、低功耗和高精度，在設計過程中選擇體積小、耗電量小的白光LED作為傳感器的光源，并使用光纖耦合器代替復雜的分光棱鏡式光學系統(tǒng)結構。色散鏡頭采用消色差透鏡與非球面透鏡組合的方式，在使用較少透鏡數(shù)量的情況下達到較好的像差校正能力。同時結合光強歸一化等數(shù)據(jù)處理方法，消除白光LED光源光譜光強分布不均勻等因素對測量精度造成的影響，得到準確、穩(wěn)定的峰值波長與位置間的對應關系。通過雙頻激光干涉儀對系統(tǒng)進行標定和測量，實驗結果表明使用435～655nm波段，系統(tǒng)測量范圍可以達1.7mm，平均測量精度1.8μm，滿足一定的測量需求。

位移傳感器；光譜共焦；色散鏡頭；光纖耦合器

0 引 言

隨著精密制造業(yè)的發(fā)展，對精密測量技術要求越來越高。位移檢測技術作為幾何量精密測量的基礎，不僅需要具有高精度，而且要求能適應不同的環(huán)境和材料，并且逐步趨于實時、無損檢測[1]，所以傳統(tǒng)的接觸式測量方法已經(jīng)不能滿足要求，高精度的光電位移檢測技術成為當前研究的熱點。

光譜共焦位移傳感器最早由法國STIL公司發(fā)明，與目前常用的激光三角法相比，光譜共焦位移傳感器具有更高的分辨力，并且光源發(fā)射和接收同光路，不會出現(xiàn)激光三角法光路容易被遮擋或被測目標表面過于光滑而接收不到目標反射光的情況，對被測目標適應性強[2]。目前商業(yè)化的光譜共焦位移傳感器生產(chǎn)商主要有法國STIL、德國Micro-Epsilon和Precitec公司，測量精度可以達到亞微米級別，國內(nèi)相關研究較少。

1 光譜共焦位移傳感器原理

光譜共焦位移傳感器是一種通過光學色散原理建立距離與波長間的對應關系，利用光譜儀解碼光譜信息，從而獲得位置信息的裝置。如圖1所示，白光LED光源發(fā)出的光通過光纖耦合器后可以近似看做點光源，經(jīng)過準直和色散物鏡聚焦后發(fā)生光譜色散，在光軸上形成連續(xù)的單色光焦點，且每一個單色光焦點到被測物體的距離都不同。當被測物處于測量范圍內(nèi)某一位置時，只有某一波長的光聚焦在被測面上，該波長的光由于滿足共焦條件，可以從被測物表面反射回光纖耦合器并進入光譜儀，而其他波長的光在被測物面表面處于離焦狀態(tài)，反射回的光在光源處的分布遠大于光纖纖芯直徑，所以大部分光線無法進入光譜儀。通過光譜儀解碼得到光強最大處的波長值，從而測得目標對應的距離值[3]。由于采用了共焦技術，因此該方法具有良好的層析特性，提高了分辨力，并且對被測物特性和雜散光不敏感[4]。

圖1 色散共焦位移傳感器原理

2 系統(tǒng)結構設計

在光譜共焦位移傳感器系統(tǒng)中，系統(tǒng)的測量范圍受4個方面的因素影響：1）光源光譜分布范圍；2）色散鏡頭在工作波段范圍內(nèi)的軸向色差；3）光譜儀的工作波段[5]；4）光纖耦合器的工作波段。選擇的白光LED光源的光譜分布如圖2所示，波段400～800nm，所以在設計過程中，色散鏡頭、光譜儀和光纖耦合器的工作波段要盡量與光源的波段一致，最終系統(tǒng)的測量范圍為色散物鏡在其共同工作波段范圍內(nèi)的軸向色差。

圖2 白光LED光源光譜分布

在設計色散鏡頭時，除了要考慮其軸向色差外，還要考慮如下因素：1）增大物方數(shù)值孔徑可以提高分辨率；2）增大像方數(shù)值孔可以提高光源利用率；3）減小系統(tǒng)球差可以提高精度；4）系統(tǒng)結構要易于裝配和調(diào)整[6]。

以上這些因素是相互制約的，增大數(shù)值孔徑的同時系統(tǒng)球差也隨之變大，如果要校正球差系統(tǒng)，結構就會變得復雜，所以色散鏡頭設計的目的是用最少的透鏡達到最理想的效果。光譜共焦位移傳感器的光學系統(tǒng)可以看成兩個部分，一部分是消色差場鏡，它的焦點在光源處，把點光源準直成平行光，另一部分為色散物鏡，它的作用是把不同波長的平行光聚焦在軸上的不同位置，形成光譜色散[7]，而消色差透鏡和非球面透鏡正好可以起到這樣的作用。本文采用了美國 thorlabs公司的消色差和非球面透鏡組合，色散鏡頭設計如圖3所示。并選擇在光源波段范圍內(nèi)耦合效率較高的光纖耦合器和分辨率為0.5nm的光譜儀，具體元件及參數(shù)如表1所示。

圖3 色散物鏡結構

通過ZEMAX軟件仿真分析，在400～700 nm波段色散鏡頭的色散范圍為2.3 mm，具體波長與聚焦位置的對應關系如圖4所示。由于系統(tǒng)要分析反射回光纖的光譜光強分布情況，所以對共焦過程進行了模擬，在仿真過程中，將平面鏡置于焦面處，使通過光學系統(tǒng)的光經(jīng)過平面鏡反射后又回到光學系統(tǒng)，并成像在光源位置[8]。通過觀察像面處的點列圖發(fā)現(xiàn)，當平面鏡設置在不同波長的焦面處時，聚焦波長在像面處的彌散斑較小，而其他波長的彌散斑較大。圖5為平面鏡設置在550 nm波長焦面處時像面上的點列圖，其中550 nm波長的彌散斑直徑為41.4μm，小于光纖纖芯直徑，而400nm波長的彌散斑直徑為2311.46μm，遠大于光纖纖芯直徑。

表1 關鍵器件選型

圖4 波長與聚焦位置關系

圖5 550nm波長聚焦時像面上不同波長的點列圖（單位：μm）

圖6 被測物在不同位置時的光譜光強分布

為了更準確地分析光纖纖芯直徑對共焦系統(tǒng)的濾光情況，將光纖端面離散為間距1nm的均勻分布點光源，并假設彌散斑與光纖纖芯重疊的部分為可以進入光纖的光。圖6為在此條件下計算的平面鏡設置在450，500，550，600，650nm焦面處時，反射回光纖的光譜光強分布。從圖中可以看出光纖纖芯直徑起到了較好的濾光作用，而且隨著波長的變大半高寬變大。

分析了不同光纖纖芯直徑情況下反射回光纖的光譜光強分布情況，圖7為對反射鏡設置在550nm焦面處分析的結果，可以看出當光纖纖芯直徑較小時，光譜信號能量較弱，隨著光纖纖芯直徑的增大，光譜信號能量變強但半高寬也變大，分辨率下降。設計中必須選取合適的光纖，同時滿足系統(tǒng)的分辨率和信噪比要求。

圖7 不同纖芯直徑下的光譜光強分布

3 數(shù)據(jù)處理

光譜信息處理的最終目的是為了得到峰值波長，但是光纖耦合器的內(nèi)部回光、光源光強分布的不均勻、CCD對不同波長光響應程度的不同、系統(tǒng)的噪聲等因素都會對譜峰定位造成影響，需要進行預處理后再用適當?shù)乃惴ㄌ崛》逯挡ㄩL。

在光譜儀中得到的光譜信息包括光纖內(nèi)部返回的背景光和從被測物表面返回的信號光。為了得到有用的信號光，首先需要對背景光進行采集，然后從光譜儀得到的數(shù)據(jù)中減去背景光。此外還要考慮光源光譜光強分布不均勻的影響。圖8為在圖6的基礎上加入光源光譜特性后的光譜光強分布圖，從圖中可以看出峰值波長發(fā)生了偏移，所以需要對光源光強進行歸一化處理。另外由于傳感器在各個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生隨機噪聲，所以需要進行光譜去噪，常用的光譜去噪方法有中值濾波、小波函數(shù)濾波等[9]，比較了不同的濾波方法后，最終選擇了用db6小波進行6次分解強制消噪，因為經(jīng)過其濾波處理后譜峰定位的重復性較好。

圖8 加入光源光譜特性后的光譜光強分布

由于光譜儀中CCD像元有一定尺寸，相當于對原始的光譜進行了離散采樣，所以可能會出現(xiàn)漏峰的情況。如果使用原始光譜數(shù)據(jù)中的最大值作為峰值波長會影響定位的精度，因此需要選用合適的算法對譜峰位置進行確定。質(zhì)心法是常用的峰值定位算法[10]，適用于處理關于峰值位置對稱的光點信號，質(zhì)心法公式為

式中：x——質(zhì)心位置；

t——CCD上的第t個像元；

It——第t個像元上的灰度值。

4 實驗及結果分析

通過以上分析及設計，搭建出光譜共焦位移測量系統(tǒng)如圖9所示，以平面鏡作為被測物，采用雙頻激光干涉儀對系統(tǒng)進行標定和測量。

圖9 系統(tǒng)裝置圖

圖10 標定曲線

實驗過程首先采用雙頻激光干涉儀對系統(tǒng)進行標定，選定反射鏡的初始位置后，沿著軸向方向每次給反射鏡100μm的移動量，對每個被測點進行5次信息采集。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，取每個測量點5次平均后的峰值波長與對應的激光干涉儀位置做曲線擬合[11]，從而獲得峰值波長和位置間的對應關系。圖10為經(jīng)過3次多項式擬合后的結果，在435～655nm波段對應的位移為1.7mm，具體表達式為

圖11為其中反射鏡位于5個不同位置時經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的光譜光強曲線。

圖12表示系統(tǒng)的重復性，在18個位置的5次測量中，最大的波長偏差為 0.86 nm，平均波長偏差0.36nm，對應的平均位移偏差3.2μm。

更換被測件后進行測量，選擇測量范圍內(nèi)的一個位置，對其進行5次采集，將數(shù)據(jù)處理后得到的峰值波長取平均值作為系統(tǒng)的起始位置。然后在全量程范圍內(nèi)隨機選擇24個被測點進行測量，計算起始位置的平均峰值波長為440.51nm，最大位移處的峰值波長為642.46nm。圖13中橫坐標表示激光干涉儀的位移，縱坐標為計算出的位移與激光干涉儀位移的差，其中最大測量誤差為5.8μm，平均誤差為1.8μm。

圖11 數(shù)據(jù)處理后被測物在不同位置時的光譜光強分布

圖12 系統(tǒng)重復性

圖13 系統(tǒng)測量誤差

5 結束語

介紹了光譜共焦位移傳感器的工作原理、特點和研究現(xiàn)狀。設計了基于白光LED和光纖耦合器式的小型化、低功耗光譜共焦位移傳感器。采用ZEMAX仿真軟件對設計的色散鏡頭結構進行了分析，并根據(jù)彌散斑的大小對共焦曲線做了理論計算。同時分析了光源特性等因素對譜峰定位造成的影響，通過合適的數(shù)據(jù)處理方法得到位置和峰值波長間的對應關系。完成了設計系統(tǒng)的搭建，實驗結果表明系統(tǒng)在435～655 nm波段，測量范圍1.7 mm，平均測量精度1.8μm。這對日后研究工作的進一步深入以及樣機性能的提高都是十分有利的。

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（編輯：劉楊）

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）

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 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 μm at waveband 435-655 nm，meeting the designated measurement requirements.

displacement sensor；spectrum confocal；dispersive lens；optical fiber coupler

A

：1674-5124（2017）01-0069-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.015

2016-08-22；

：2016-10-09

王津楠（1992-），女，遼寧撫順市人，碩士研究生，專業(yè)方向為精密光電儀器。