光谱共焦位移传感器原理

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发布日期：2018-05-15 16:48 浏览： 次

光谱共焦测量原理

光谱共焦测量又名共焦测量、白光色散共焦测量、共聚焦测量。

1940年，眼科医生Hans Goldmann在瑞士伯尔尼发明了裂隙灯系统，用于眼科检查。这个眼科检测系统被认为是光谱共焦、共聚焦传感器测量系统的最初雏形。

光谱共焦位移传感器是一种通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息的装置，如图 1 所示，白光LED 光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看作点光源，经过准直和色散物镜聚焦后发生光谱色散，在光轴上形成连续的单色光焦点，且每一个单色光焦点到被测物体的距离都不同。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测面上，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径，所以大部分光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值，从而测得目标对应的距离值。由于采用了共焦技术，因此该方法具有良好的层析特性，提高了分辨力，并且对被测物特性和杂散光不敏感。



 

混色光是由众多不同波长光线组成的，我们称之为光谱。所有不同波长的可见光重叠在一起，形成白光。人类肉眼可见光的波长范围从400nm (蓝光)到700nm (红光)。通过透镜，不同颜色的光不会聚焦到同一个点上。这种现象称为色差透镜错误或者叫色差透镜偏差。

众所周知，自然界的日光属白光一种，白光不是最纯洁的光，而是许多单色光组成的。光在不同介质中传播可能会有角度偏差的现象产生，而实际的白光照射下不同介质将有很多单线光的折射。光学材料（透镜）对于不同单色光的折射率是不同的，也就是折射角度不同波长愈短折射率愈大，波长愈长折射率愈小（这也是不同望远镜所谓的色差不同的原因），同一薄透镜对不同单色光，每一种单色光都有不同的焦距，按色光的波长由短到长，它们的像点离开透镜由近到远地排列在光轴上（不同的单色光的波长是不同的）这样成像就产生了所谓色差透镜错误。色差透镜错误使成像产生色斑或晕环。在摄影器材中，应通过特殊处理，尽量消减色差透镜错误导致的成像问题。常用的消除方法有双胶合系统与双分离系统。

一面单透镜的色差造成对不同波长的色光产生了不同的焦距

对于消色差双合透镜而言，可见光的波长近似具有相等的焦距

具有抵消色散属性的衍射光学器件可以用来矫正色差

而光谱共焦测量方法恰恰利用这种物理现象的特点。通过使用特殊透镜，延长不同颜色光的焦点光晕范围，形成特殊放大色差，使其根据不同的被测物体到透镜的距离，会对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上。通过测量反射光的波长，就可以得到被测物体到透镜的精确距离。这一过程与摄影器材通过各种方法消减色差的过程正好相反。

为了得到上述特殊的色差，需要在传感器探头内使用若干特殊透镜，用来根据所需量程将光线分解。最后使用一个凸透镜，将传感器探头射出的光线聚拢在一条轴线上，形成所谓的焦点轴线。如果不使用凸透镜，传感器探头射出的光将分散开来，测量也就无法进行了。

白色光通过一个半透镜面到达凸透镜。上述特殊色差就在这里产生。光线照射到被测物体后发生反射,透过凸透镜，返回到传感器探头内的半透镜上。半透镜将反射光折射到一个穿孔盖板上，小孔只允许聚焦最好的反射光通过。透过穿孔盖板的光是一组模糊光谱，也就是说若干不同波长的光都有可能穿过小孔照在CCD感光矩阵单元上。但是只有在被测物体上聚焦的反射光拥有足够光强，在CCD感光矩阵上产生一个明显的波峰。在穿孔盖板后面，需要一个分光器测量反射光的颜色信息。分光器类似一个特制光栅，可以根据反射光的波长，增强或减弱折射率。因此，CCD矩阵上的每一个位置，对应一个测量物体到探头的距离。

在整个量程上，共可以得到超过30,000个测量点。这里只计算光线波长，用以产生测量信号。反射光产生的信号波峰振幅并不在信号测量依据之内。也就是说反射光的光强不会影响测量结果。 这意味着，无论有多少反射光从被测物体反射回来，测量的距离结果可能是不变的。因为反射光的光强仅仅取决于反射物体的反光程度。因此，采用德国米铱公司的光谱共焦传感器，即使被测物体是强吸光材料，如黑色橡胶；或者是透明材料，如玻璃或者液体，都可以进行正常可靠的测量。
 

光谱共焦位移传感器与激光位移传感器的对比：

	激光三角反射法位移传感器	光谱共焦位移传感器（色散位移传感器）
遮挡阴影的影响	高度变化映射到传感器像位移，根据三角函数计算出高度距离。图中阴影部分是测量盲区。	光线是从四面八方照射过来的，即使大部分的光线被阻挡，只要有一小部分返回，照样可以测量，甚至能测量其它方法无法测量的小孔和槽底部。一个光谱共焦传感器可以起4个从不同方向照射的激光位移传感器的作用。
透明体和镜面被测物的影响	激光光斑可能在透明被测物表面发生透射，在被测物内部产生光晕，从而导致激光位移传感器测量偏差。 另一方面，激光位移传感器需要光斑在被测物表面形成漫反射，在一个倾斜角度上收集回光。而对于镜面反射被测物，能够进入侧面收光器的光线很少，可能导致测量困难，需要倾斜安装或使用镜面检测专用激光位移传感器。	半透明材质光斑周围的漫反射光被小孔阻挡无法返回到光谱分析仪，不会影响测量。 这种方法和全息原理相似，理论上每一束经过小孔返回的光都携带了距离信息，透明表面或镜面也会反射一部分光回去，所以透明材质也可以测量。 采用同轴检测，发射光和返回光在同一轴线上，避免因全反射导致的回光不足问题。光谱共焦传感器可以用于检测镜面被测物。
镜面物体大角度测量的影响	当镜面被测物边沿有很大倾斜角度时（如手机3D玻璃边沿），激光三角反射法位移传感器的回光可能发生很大角度的反射，导致侧向收光器回光很少，无法测量。	在比较大的弯曲或倾斜角度内，只要有一小部分光返回，就可以完成测量任务。不需要倾斜安装或使用镜面反射特殊型号位移传感器，减少了传感器品种数和安装难度，大大提高使用效率。
光斑大小的影响	激光三角反射式位移传感器只有在聚焦点光斑最小，离开聚焦点后光斑都会变大。对于测量微小结构的测量任务，可能会带来测量困难。	在量程范围内，测量有效波长的光永远都在焦点上，可以全量程保持分辨率和精度。因此光谱共焦位移传感器特别适合测量微小几何结构和轮廓变化。

新技术，新可能

使用光谱共焦测量技术，可以得到超高分辨率。纳米级分辨率源于上述经过特殊处理得到的加长光谱范围。由于采用检测焦点的颜色，得到距离信息，光谱共焦传感器可以采用非常小的测量光斑，从而允许测量非常小的被测物体。这也意味着，即使被测表面有非常轻微的划痕，也逃不过光谱共焦传感器的眼睛。

由于光谱共焦传感器的光路非常紧凑和集中，使其非常适合测量钻孔结构。而其他测量方式，如激光三角反射式测量，对于小孔往往无能为力，因为小孔形成的阴影会遮挡反射光的光路，无法进行测量。针对这种小孔测量任务，德国米铱公司推出了IFS 2402微型光谱共焦传感器探头。这种探头拥有仅4mm的探头直径，可以探入小孔内部进行测量。

由于测量只使用白光，无需额外附加激光安全措施。由于探头本身不含有任何电路，传感器探头还可以被用于有防爆要求的环境或者有电磁干扰要求的环境。而控制器可以被放置于安全距离以外。允许最长50m的光纤连接探头和控制器。但是，需要禁止在光路上存在遮挡物或小颗粒，这会影响测量精度，甚至使测量变得不可完成。由于采用的是光学测量方法，探头到被测物体的距离也有一定限制。
 

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德国米铱光谱共焦位移传感器confocalDT系列

 

应用领域：
 

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