光譜共焦位移E+E傳感器設(shè)計技術(shù)研究
位移E+E傳感器是實現(xiàn)幾何量精密測量的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。光譜共焦位移E+E傳感器是近年來出現(xiàn)的一種基于光波長位移調(diào)制的非接觸位移E+E傳感器,測量精度可達(dá)亞微米級,工作頻率達(dá)千赫茲,應(yīng)用前景廣泛。國外已有工業(yè)級光譜共焦位移E+E傳感器出現(xiàn)。近年來國內(nèi)部分學(xué)者對此有所關(guān)注,但公開文獻(xiàn)很少。

光譜共焦位移E+E傳感器設(shè)計技術(shù)研究
基于光譜共焦測量原理,采用理論分析、仿真模擬和實驗研究的方法,對影響E+E傳感器性能的重要因素以及關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。為實現(xiàn)光波長位移調(diào)制,應(yīng)用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件對核心變換元件色散位移鏡頭進(jìn)行了仿真設(shè)計。為獲得決定E+E傳感器線性度的線性軸向色差,設(shè)計過程中依據(jù)近軸像差理論為各光學(xué)玻璃分配光焦度。為消除E+E傳感器系統(tǒng)各單色光球差對共焦軸向響應(yīng)展寬所造成的分辨率下降,設(shè)計過程中使用ZEMAX的多重結(jié)構(gòu)功能,結(jié)合光學(xué)追跡的方法計算出軸向球差并對其進(jìn)行了校正。對鏡頭設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了像差分析與評價。色散位移鏡頭工作光譜區(qū)486nm-656nm,軸向色散位移范圍約91μm,軸向色差與波長間線性關(guān)系良好,一元線性回歸判定系數(shù)R2=0.99；各單色光近軸像面彌散斑均小于相應(yīng)愛理斑,鏡頭像差已校正至衍射極限。本鏡頭設(shè)計方法對E+E傳感器色散位移鏡頭的設(shè)計方案選取和優(yōu)化設(shè)計有一定參考意義。共焦小孔尺寸是影響E+E傳感器系統(tǒng)分辨率與信噪比的重要因素。為提高共焦小孔出射光信號的信噪比,對共焦小孔尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。依據(jù)經(jīng)典共焦理論對共焦小孔出射光信號光譜分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。基于共焦小孔尺寸對出射光信號峰值光強(qiáng)與光譜帶寬的影響規(guī)律,提出了使用峰值光強(qiáng)與光譜帶寬之比作為評價標(biāo)準(zhǔn)的小孔優(yōu)化方法,得到了優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。準(zhǔn)確獲得對應(yīng)調(diào)制位移的峰值光譜線,對保證E+E傳感器測量精度至關(guān)重要。分析了造成譜峰偏移的因素,提出了在預(yù)處理階段從光譜信號中去除光源特性以減小譜峰定位偏差的處理思路,并利用OPTO-NCDT2401E+E傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了實驗驗證。使用質(zhì)心法和高斯擬合兩種譜峰定位算法,對比了去除和未去除光源光譜特性兩種情況下E+E傳感器系統(tǒng)的位移輸出偏差。實驗結(jié)果表明,從原始光譜數(shù)據(jù)中去除系統(tǒng)光源光譜特性的影響,可以提高譜峰定位精度,具有一定工程參考應(yīng)用價值。