【自有技術大講堂】光譜共焦技術

引言

隨著精密制造業的發展，對精密測量技術要求越來越高。位移檢測技術作為振動、形貌、厚度等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境和材料，并且逐步趨向于實時、無損檢測。光譜共焦位移傳感器是一種基于波長編碼的非接觸測量光電位移傳感器，與激光三角法相比，光譜共焦位移傳感器由于采用了光譜共焦技術，因此具有更高的分辨力，而且對被測物表面紋理、傾斜和周圍環境的雜散光等因素不敏感。并且由于光發射和接收同光路，不會出現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。正是由于光譜共焦位移傳感器擁有諸多這樣的優點，代表了先進位移傳感器的發展方向，因此在微位移、微形變以及表面形貌掃描等方面有著廣泛的應用前景。

原理

光譜共焦位移測量技術的原理源于經典的共焦顯微技術，它是在共焦顯微技術的基礎上加入了波長編碼技術，因此擴展了聚焦的深度，解決了共焦顯微技術中聚焦深度非常小的問題，使其可以應用在位移測量方面，并保留了共焦顯微技術中高信噪比和高分辨率的優點。

光譜共焦技術中的波長編碼技術本質上是利用了光學系統中一種普遍存在的像差——位置色差。如圖1所示，位置色差是不同波長的光通過光學系統后沿光軸方向聚焦或成像位置不同生產的像差，這種色差也叫做軸向色差和縱向色差。

圖1. 位置色差示意圖

光譜共焦技術的原理圖如圖2所示，一束白光穿過小孔S，照射在色散鏡頭組L上。色散鏡頭組把白光分解成不同波長的單色光，每一個波長對應一個固定的距離值。當對象出現在測量區域的時候，一個特定波長的單色光正好照射在其表面，并且反射進光學系統。此反射光通過一個小孔S”（只有完美聚焦在被測體表面的光才可以穿過這個小孔），由波長識別系統(光譜儀)識別其波長，從而得到其所代表的精確距離值。由光源射出一束寬光譜的復色光（呈白色），通過色散鏡頭發生光譜色散，形成不同波長的單色光。每一個波長的焦點都對應一個距離值。測量光射到物體表面被反射回來，只有滿足共焦條件的單色光，可以通過小孔被光譜儀感測到。通過計算被感測到的焦點的波長，換算獲得距離值。

圖2. 光譜共焦位移傳感器原理圖

在光學系統中，像差會導致光學像質變差，因此光學設計的目標是減小光學系統的像差（現有技術不可能完全消除像差），而光譜共焦技術恰恰相反，需要色散鏡頭有較大的位置色差，這樣才能產生測量較大的范圍。

光譜共焦的優勢

在測量的小孔和槽底部時，光線是從四面八方照射過來的，即使大部分的光線被阻擋，只要有一小部分返回，依舊可以測量。這樣一個光譜共焦傳感器可以起4個從不同方向照射的激光位移傳感器的作用，不會產生測量盲區，而其它方法無法測量類似的結構。

圖3. 光譜共焦傳感器測量小孔或槽底部

在測量半透明材質時，半透明材質光斑周圍的漫反射光被小孔阻擋無法返回到光譜分析儀，不會影響測量。理論上每一束經過小孔返回的光都攜帶了距離信息，透明表面或鏡面也會反射一部分光回去，所以透明材質也可以測量。采用同軸檢測，發射光和返回光在同一軸線上，避免因全反射導致的回光不足問題。因此光譜共焦傳感器同樣可以用于檢測鏡面被測物。

圖4. 光譜共焦傳感器測量半透明材質

當鏡面被測物邊沿有很大傾斜角度時（如手機3D玻璃邊沿），在比較大的彎曲或傾斜角度內，光譜共焦傳感器只要有一小部分光返回，就可以完成測量任務。不需要傾斜安裝或使用鏡面反射特殊型號位移傳感器，減少了傳感器品種數和安裝難度，大大提高使用效率。

圖5. 光譜共焦傳感器測量彎曲樣品

對于測量微小結構的樣品時，只要在量程范圍內，有效測量波長一直都在焦點上，這樣可以全量程保持分辨率和精度。因此光譜共焦位移傳感器特別適合測量微小幾何結構和輪廓變化。

圖6. 光譜共焦傳感器測量微小幾何結構

參考文獻

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