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【技术文章】光谱共焦位移传感器线性超色差透镜的设计

发表时间:2022-08-16 09:07

光谱共焦位移传感器是一种基于光波长偏移调制的非接触式位移传感器。它也是一种新型极高精密度、极高可靠性的光学位移传感器,近些年对迅速、精确的非接触式测量变得更加关键。光谱共焦位移传感器不但可以精确测量偏移,还可用作圆直径的精确测量,及其塑料薄膜的折光率和厚度的精确测量,在电子光学计量检定、光化学反应、生物医学工程电子光学等领域具备广泛应用市场前景。

光谱共焦位移传感器的诞生归功于共聚焦显微镜研究。它们工作中原理类似,都基于共焦原理。1955年,马文·明斯基依据共焦原理研发出世界上第一台共焦光学显微镜。接着,Molesini等于1984年给出了光谱深层扫描仪原理,并将其用于表面轮廓仪。后来在1992年,Browne等人又把它运用到共聚焦显微镜中,应用特殊目镜造成散射开展高度测量,不用彩色扫描,大大提升了测量速度。a.Ruprecht等运用透射分束制定了超色差镜片,a.Miks探讨了运用与不一样玻璃材质连接的镜片得到镜头焦距与波长线性关系的办法。除开具有μm乃至纳米技术屏幕分辨率以外,光谱共焦位移传感器还具备对表层质量要求低,容许更多的倾斜度和达到千HZ的输出功率的优势。

在传感器光学系统中,除开留意图像分辨率的优化外,还应当达到线性和图象室内空间NA的需求。在大多数参考文献中,超色差(hyperchromatic)镜片设计只关注像差和纵向色差与波长的线性相关,而忽略了NA的功效。

来源于上海光机所的Aijun Zeng在本文中讲了光谱共焦位移传感器工作原理和纵向色差的形成标准,表明了线性和图象室内空间NA的必要性。与此同时依据图像分辨率和径向散射和波长的线形规定,在CODE V光学系统手机中对深散射镜片的玻璃材质作出了选择和优化结构。文章内容“Design of linear hyperchromatic lens inchromatic focal displacement sensor”发表于“Proceedings of SPIE”大会集中化。

图1.光谱共焦位移传感器的精确测量原理

光谱共焦测量技术是共焦原理和编码技术的融合。一个完整的相对高度范畴能够通过使用白光灯灯源照明灯具和光谱仪完成精确测量。光谱共焦位移传感器的精确测量原理如下图1所显示,灯源发出光经过光纤,再通过超色差镜片,超色差镜片能够聚焦在直线光轴上,产生一系列可见光聚焦点。这种可见光聚焦点是连续的,不重合的。当待测物放置检测范围内时,只有一种光波长能够聚焦在待测物表层并反射面,依据激光光路的可逆回到光谱仪,产生波峰焊。全部别的波长也将失去焦点。运用单频干涉仪的校准信息计算待测物体的部位,创建光谱峰处波长偏移的编号。该超色差镜片通过提升,具备比较大的纵向色差,用以在径向分离出来电子光学信号的光谱成份。因而,超色差镜片是传感器关键部件,其设计方案尤为重要。

高像素传感器设计方案取决于的光对焦水平,要求严格图象室内空间NA的眼镜片。另一方面,光谱共焦位移传感器的屏幕分辨率通常采用光谱最高值抗压强度的全半宽来精确测量。高NA能够降低半宽,提高分辨率。因而,在设计超色差摄像镜头时,NA应尽可能高的。高图象室内空间NA能提高传感器系统的灯源使用率,使待测表层轮廊以比较大视角或一定方向歪斜。可是,NA的提高也会导致球差扩大,并产生电子光学设计优化难度。

传感器检测范围主要是由超色差镜片的纵向色差确定。因为光谱仪在各个波长的像素一致,假如纵向色差与波长之间存在离散系统,这类离散系统最后也会导致感应器在各个波长的像素或敏感度存在较大差别,危害传感器特性。纵向色差与波长的线性相关选用线形相关系数来精确测量,必须接近1。一般有两种方法能够形成充足强的色差:运用玻璃的当然散射;应用衍射光学元器件(DOE)。除开生产制造难度高、成本相对高外,当能见光根据时,透射耗损也非常高。文章内容创作者选择放弃多组普通镜片的组合来完成设计。

要实现线形纵向色差,至少需要二种以上玻璃钢材质,并尽量使阿贝数相距比较大。与此同时,要实现适宜的图象室内空间NA,必须对摄像镜头构造进行合理的设计方案。

根据操纵一样间隔的每个波长的纵向色差,建立相应的价值函数,得到所需要的检测范围。波长间距越少,线性就越好。与此同时设定F值,获得图象室内空间NA。F值越低,图象室内空间NA越大。根据操纵图象表层光点大小来结构优化,能够获得更好的像差。球面像差和纵向像差还可以规定操纵。运用多组态软件仿真模拟不一样对焦波长状态。在每一个配备中,只允许提升单独波长的像差。

图2.超色差镜头的电子光学构造

文章内容制定了纵向色差为1 mm的超色差摄像镜头,图象室内空间NA为0.4436,线形相关系数R2为0.991。最终的超色差摄像镜头构造达到原始设计要点。论述了完成线形散射的条件,并提出了几类优化方法。最终的设计方案结论考虑了线形纵向色差和高图象室内空间NA。验证了线性好的超色差摄像镜头能够同时达到高数值孔径。光谱共焦位移传感器的商品化生产制造都将向着高线形纵向色差、高图象室内空间NA的态势发展趋势。

毕业论文连接:

Design of linear hyperchromatic lens inchromatic focal displacement sensor


苏州创视智能技术有限公司(以下简称:创视智能),是一家专注精密检测系统、高精度测距-位移传感器研发、生产、销售及售后的技术研发驱动型企业,公司坐落于风景如画的苏州吴中科技创业园,由来自国内外一流高校的博士、硕士团队创立,公司已累计申请各类知识产权十余项。公司秉承着“技术研发驱动,应用需求导向,服务客户优先”的原则,致力于成为拥有“中华自主品牌”的“精密测量专家”,愿同各方一道,赋能国内外高端仪器仪表及精密传感器的产业发展。

创视智能目前推出了光谱共焦位移传感器和激光三角位移传感器两款系列产品,已与多家高校及行业龙头企业建立合作伙伴关系,广泛应用于学术科研、精密制造、3C电子、汽车、金属、半导体、新能源、市政检测行业等领域,客户反响热烈,受到广泛好评。


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