应用于划痕检测的白光共聚焦色散物镜设计.pdf
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1、文章编号:1002-2082(2023)05-0992-06应用于划痕检测的白光共聚焦色散物镜设计张进1,向阳1,黄雷2,窦艳红2(1.长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;2.吉林省计量科学研究院吉林省计量测试仪器与技术重点实验室,吉林长春130103)摘摘 要:要:白光共聚焦位移传感器在机车轮轴划痕深度测量中有很好的适用性,色散物镜是决定传感器检测范围与分辨率的关键器件。根据检测需求,结合白光共聚焦原理和线性色散条件选择合适的初始结构,利用 Zemax 光学设计软件对初始结构进行优化与分析,设计了一款高线性度短共轭距色散镜头,测量范围为 1mm,工作光谱范围为 400nm700n
2、m,镜头球差小于 1.7m,系统轴向位移分辨率为 0.615m,色散线性判定系数 R2为 0.9975,共轭距为 104mm,使镜头小型化的同时具有高分辨率和高线性度的优点。关键词:关键词:划痕检测;色散物镜;光学设计;白光共聚焦中图分类号:TN247文献标志码:ADOI:10.5768/JAO202344.0501007Design of dispersive objective of chromatic confocal for scratch detectionZHANGJin1,XIANGYang1,HUANGLei2,DOUYanhong2(1.SchoolofElectro-opt
3、icalEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China;2.JilinKeyLaboratoryofMeasuringInstrumentandTechnology,JilinInstituteofMetrology,Changchun130103,China)Abstract:The chromatic confocal displacement sensor has good applicability in the measurement of thescratchdepthofthe
4、locomotivewheelaxle,andthedispersiveobjectiveisthekeydevicethatdeterminesthedetectionrangeandresolutionofthesensor.Accordingtothedetectionrequirements,combinedwiththechromaticconfocalprincipleandlineardispersionconditions,anappropriateinitialstructurewasselected.TheZemaxopticaldesignsoftwareoptimize
5、dandanalyzedtheinitialstructure,anddesignedahigh-linearityandshort-conjugatedispersionlens.Themeasurementrangeis1mm,theoperatingspectralrangeis400nm700nm,andthesphericalaberrationofthelensislessthan1.7m.Theaxialdisplacementresolutionofthesystemis0.615m,thedispersionlinearitydeterminationcoefficientR
6、2is0.9975,andtheconjugatedistanceis104mm,whichmakesthelensminiaturizedandhastheadvantagesofhighresolutionandhighlinearity.Key words:scratchdetection;dispersionobjective;opticaldesign;chromaticconfocal引言划痕检测是机车轮轴检验中一项重要的检测项目,对于环境的适应性、抗干扰能力和检测精度与速度的要求都十分精密1。近年来,应用越发广泛的白光共聚焦位移传感器,相对于传统的利用光切法、激光三角法检测划痕深
7、度的传感器有着高精度、高适应性、非接触、可动态检测等诸多优点,对于被测表面的粗糙度、杂质等影响因素有很大的容限,在有一定倾斜角度的情况下也能够进行精确测量2,同时白光共聚焦位移传感器的滤光系统能够最大限度地消除外界杂光的影响,非常适用于非实验室环境下机车轮轴划痕检测的要求。色散物镜是白光共聚焦位移传感器最重要的光学器件,是衡量位移传感器质量的关键元件,近收稿日期:2022-11-15;修回日期:2023-01-04基金项目:中央引导地方科技发展资金吉林省基础研究专项(202002059JC)作者简介:张进(1997),男,硕士研究生,主要从事光学设计和光学测量研究。E-mail:zhangji
8、n_通信作者:向阳(1968),男,硕士,教授,主要从事光学设计、光学测量和生物医学工程研究。E-mail:第44卷第5期应用光学Vol.44No.52023年9月JournalofAppliedOpticsSep.2023年来国内外学者对色散物镜的设计与优化都进行了研究。RUPRECHTAK 等2设计了两种微型白光共聚焦传感器色散镜头,在 200nm 光谱范围内产生了 50m 轴向色散,采用的衍射元件产生了较大球差和较大的光能损失。SHAFIRE 等3设计了一种多路光纤传感共聚焦系统,利用非球面色散物镜在 532nm1531nm 波长范围内产生可调整的大范围低线性色散。国内刘乾等4设计了工作
9、波长范围为 500nm700nm、量程为 1mm 的色散物镜,物镜的共轭距长,轴向色散与波长的判定系数 R2为 0.88。武芃樾等5设计的色散镜头工作波段为 486.13nm656.27nm,测量范围较小,约为91m。田雨等6在 400nm700nm 波长范围内,设计了测量范围为 150.34m 的色散镜头,轴向色散与波长之间的线性判定系数 R2达 0.997,但存在测量范围较小、应用有局限性的问题6。在系统结构选择中,国内学者选用的分光镜结构能够较容易地降低系统球差,但存在共轭距长、元件多、结构复杂等缺点,不便应用到实际测量环境中。在光学元件选择中,衍射元件加入色散物镜能够较好地控制色散线性
10、度,但是衍射元件在宽波段中的衍射效率很难提高,并存在加工困难、引入过大球差等诸多问题7,因此很难应用到实际检测中。在机车轮轴划痕检测中,传感器需要在轮轴上移动,检测是否有划痕大于某一阈值,以便对轮轴进行修复或报废处理。本文根据检测 01mm 深度划痕的需求,设计了一种短共轭距、高线性白光共聚焦传感器色散物镜,该物镜色散线性度高,分辨率优于 0.615m,色散镜头使用的光学元件全部由球面玻璃组成,结构简单,具有良好的可加工性。1 白光共聚焦位移传感器原理传统的分光镜式白光共聚焦传感器由光源、分光棱镜、色散镜头、滤波小孔和光谱仪等组成2,光源发出的光产生轴向色散,把光信号转换成位置信号,最终通过光
11、谱仪分析完成波长到距离的转化,其原理如图 1(a)所示。从图 1(a)可以看出,白光光源产生的 FC波段的复色光经过色散镜头,由于镜头对不同波长的光会聚能力不同,波长越短,在光轴上的会聚点与镜头之间距离越近,波长越长,距离越远,此时 F与 C的会聚点轴向距离称为该镜头产生的轴向色散,即白光共聚焦传感器的测量范围。当检测轴向位置处于检测面时,该位置对应的波长 经过检测面反射返回色散y=a+by=a+b镜头中,再通过分光镜进入光谱分析仪,最终通过检测到的波长信息完成对位置的标定。实际位移测量中,首先要对轴向位置与波长进行线性拟合,得到关系式,其中 y 表示轴向位置,表示光谱仪接收到的波长,a、b
12、为常数。当产生位移时,通过光谱仪波长的变化量得到位移变化。由于反射到光谱仪中的光还包括部分杂光,这些杂光一部分是检测面反射的光源发出的其余波段的部分复色光,一部分是环境杂光,此时需要在光谱仪前设置一滤波小孔8,与检测点近似共轭,通过调整小孔大小阻隔掉大部分非检测面信息光,起到滤波作用。(a)分光镜结构(b)Y型光纤结构白光光源白光光源分光镜小孔光谱仪12光纤耦合器色散物镜色散物镜光谱仪FCFC图 1 系统原理图Fig.1 Schematic diagram of system为了使传感器探头更加便携与小型化,可将分光镜和滤波小孔替换为 Y 型光纤,系统结构如图 1(b)所示。从图 1(b)可以
13、看出,光源通过 Y 型光纤发出复色光,Y 型光纤的分支处起到分光作用,将反射光传输进入光谱仪,选择细纤芯直径的光纤口代替小孔起到滤波作用。这种结构的位移传感器光学系统共轭距短,探头内部结构简单、易应用光学2023,44(5)张进,等:应用于划痕检测的白光共聚焦色散物镜设计993于加工、方便携带,非常适用于机车轮轴划痕检测的操作环境,使测量更加简单方便。2 光学设计在色散镜头光学设计中,需要注重色散范围控制、色散线性度控制和球差控制 3 个方面9。色散范围直接影响位移传感器的测量范围,与普通镜头在设计过程中都要进行消色差控制不同,色散镜头需要产生较大色差,以便进行测量。色散线性度的控制能够在测量
14、范围内,将不同波长的光均匀地会聚在轴向方向上,这样在光谱仪分析过程中可使各个波段灵敏度相同,提升分辨率和精度10。球差的存在会使传感器系统中单色光球差对共焦轴向响应宽度分辨率下降,从而影响传感器的整体分辨率和精度11。2.1 线性色散条件FC当色散物镜产生的轴向色散在波段范围内,且满足会聚点轴向位置与波长呈线性关系时,其满足条件为12Ni=1Rivdidi=0(1)=Ni=1i(2)Ri式中为定义的一个线性色散系数,可表示为Ri=ninCinFinCiCFC(3)色散范围满足:sCF=f2Ni=1divdi(4)divdini式中:表示第 i 个透镜在 d 光下的光焦度;表示第 i 个透镜玻璃
15、材料的阿贝数;表示第 i 片透镜在 光下的折射率;f 表示镜头的整体焦距。由式(1)可知,单一玻璃材料的色散镜头不能使色散呈线性关系,需要通过多种玻璃材料组合来实现。考虑到成本控制和计算简便,选用H-QK3L、H-ZF5、H-BAK7 三种成都光明系材料作为色散镜头的初始玻璃材料,再通过后续光焦度分配来满足线性色散条件。由式(4)可知,在材料确定情况下,色散范围与焦距正相关,所以通过设定合理的色散物镜焦距来控制色散范围。在口径确定情况下,焦距的设定既要满足数值孔径与光线角分配的合理性,又要考虑到机车轮轴体积大、质量大,在检测过程中不可移动的情况,因此尽量缩短共轭距,使传感器探头小型化,以增加其
16、便携性。2.2 初始结构的选择在色散镜头设计中,根据各镜片不同的功能,通常将前组透镜称为色散组,后组称为聚光组,色散组的作用是使光源发出的光色散增大,再通过聚光组将色散光会聚到轴向位置上,同时消除镜头的球差13。对于前后两组透镜的选择,还需要考虑到适当地增大像方数值孔径和物方数值孔径,像方数值孔径与光纤孔径角相匹配,这样可以使色散镜头将光纤出射光全部接收,从而提高光源效率。增大物方数值孔径能够使物镜增大出射光和接收反射光的光线角度,可以适当缩短光程和工作距离14,减少环境杂光的影响,允许被测表面倾斜角度更大。常用的白光照明光纤数值孔径为0.22,为提高光能利用率,留出余量,将色散镜头的像方数值
17、孔径设置为 0.25;将物方数值孔径也设置为 0.25,能获得 30左右的孔径角,满足实际测量中使用要求。在色散组的选择中,为了既产生纵向色差又能纠正球差,双胶合透镜是较好的选择。双胶合透镜第 1 片透镜使用低折射率、低色散材料 H-QK3L,第 2 片透镜使用高折射率、高色散材料 H-ZF513。聚光组承担色散物镜大部分球差,选用两片齐明透镜组作为初始结构,将两片 H-BAK7 透镜设置为同心,接到色散组后组成镜头的初始结构。在优化过程中,物方数值孔径要求色散组承担较大的数值孔径,导致双胶合透镜曲率增大,这样会使球差很难控制。为了降低双胶合透镜的曲率,在光源前增加一片 H-BAK7 玻璃透镜
18、作为场镜,其作用是降低入射至双胶合透镜的边缘光线的光线角,分担双胶合透镜承担的数值孔径,从而降低光学系统的球差。在光焦度分配中,遵循线性色散条件,对各个镜片的光焦度进行控制,最终得到的初始结构如图 2 所示。图 2 物镜初始结构Fig.2 Initial structure of objective lens994应用光学第44卷第5期2.3 光学系统优化本文使用光学设计软件 Zemax 对初始结构进行优化,其中光学参数设置如表 1 所示。光学系统总长设置为 120mm 以下,缩短了光源与测量面之间的共轭距,能够满足传感器探头小型化的要求。将工作距离设置为小于 40mm,光源到第 1 片镜片的
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