光谱共焦位移E+E传感器设计技术研究
位移E+E传感器是实现几何量精密测量的关键技术基础。光谱共焦位移E+E传感器是近年来出现的一种基于光波长位移调制的非接触位移E+E传感器,测量精度可达亚微米级,工作频率达千赫兹,应用前景广泛。国外已有工业级光谱共焦位移E+E传感器出现。近年来国内部分学者对此有所关注,但公开文献很少。

光谱共焦位移E+E传感器设计技术研究
基于光谱共焦测量原理,采用理论分析、仿真模拟和实验研究的方法,对影响E+E传感器性能的重要因素以及关键设计技术进行了系统研究。为实现光波长位移调制,应用ZEMAX光学设计软件对核心变换元件色散位移镜头进行了仿真设计。为获得决定E+E传感器线性度的线性轴向色差,设计过程中依据近轴像差理论为各光学玻璃分配光焦度。为消除E+E传感器系统各单色光球差对共焦轴向响应展宽所造成的分辨率下降,设计过程中使用ZEMAX的多重结构功能,结合光学追迹的方法计算出轴向球差并对其进行了校正。对镜头设计结果进行了像差分析与评价。色散位移镜头工作光谱区486nm-656nm,轴向色散位移范围约91μm,轴向色差与波长间线性关系良好,一元线性回归判定系数R2=0.99；各单色光近轴像面弥散斑均小于相应爱理斑,镜头像差已校正至衍射极限。本镜头设计方法对E+E传感器色散位移镜头的设计方案选取和优化设计有一定参考意义。共焦小孔尺寸是影响E+E传感器系统分辨率与信噪比的重要因素。为提高共焦小孔出射光信号的信噪比,对共焦小孔尺寸进行了优化设计。依据经典共焦理论对共焦小孔出射光信号光谱分布进行了数值模拟。基于共焦小孔尺寸对出射光信号峰值光强与光谱带宽的影响规律,提出了使用峰值光强与光谱带宽之比作为评价标准的小孔优化方法,得到了优化设计结果。准确获得对应调制位移的峰值光谱线,对保证E+E传感器测量精度至关重要。分析了造成谱峰偏移的因素,提出了在预处理阶段从光谱信号中去除光源特性以减小谱峰定位偏差的处理思路,并利用OPTO-NCDT2401E+E传感器系统进行了实验验证。使用质心法和高斯拟合两种谱峰定位算法,对比了去除和未去除光源光谱特性两种情况下E+E传感器系统的位移输出偏差。实验结果表明,从原始光谱数据中去除系统光源光谱特性的影响,可以提高谱峰定位精度,具有一定工程参考应用价值。