光譜共焦測量原理
混色光是由眾多不同波長光線組成的，我們稱之為光譜。所有不同波長的可見光重疊在***起，形成白光。人類肉眼可見光的波長范圍從400nm (藍(lán)光)到700nm (紅光)。通過透鏡，不同顏色的光不會聚焦到同***個點上。這種現(xiàn)象稱為色差透鏡錯誤或者叫色差透鏡偏差。
眾所周知，自然界的日光屬白光***種，白光不是***純潔的光，而是許多單色光組成的。光在不同介質(zhì)中傳播可能會有角度偏差的現(xiàn)象產(chǎn)生，而實際的白光照射下不同介質(zhì)將有很多單線光的折射。光學(xué)材料（透鏡）對于不同單色光的折射率是不同的，也就是折射角度不同波長愈短折射率愈大，波長愈長折射率愈小（這也是不同望遠(yuǎn)鏡所謂的色差不同的原因），同***薄透鏡對不同單色光，每***種單色光都有不同的焦距，按色光的波長由短到長，它們的像點離開透鏡由近到遠(yuǎn)地排列在光軸上（不同的單色光的波長是不同的）這樣成像就產(chǎn)生了所謂色差透鏡錯誤。色差透鏡錯誤使成像產(chǎn)生色斑或暈環(huán)。在攝影器材中，應(yīng)通過特殊處理，盡量消減色差透鏡錯誤導(dǎo)致的成像問題。常用的消除方法有雙膠合系統(tǒng)與雙分離系統(tǒng)。
而光譜共焦測量方法恰恰利用這種物理現(xiàn)象的特點。通過使用特殊透鏡，延長不同顏色光的焦點光暈范圍，形成特殊放大色差，使其根據(jù)不同的被測物體到透鏡的距離，會對應(yīng)***個精確波長的光聚焦到被測物體上。通過測量反射光的波長，就可以得到被測物體到透鏡的精確距離。這***過程與攝影器材通過各種方法消減色差的過程正好相反。
為了得到上述特殊的色差，需要在傳感器探頭內(nèi)使用若干特殊透鏡，用來根據(jù)所需量程將光線分解。***后使用***個凸透鏡，將傳感器探頭射出的光線聚攏在***條軸線上，形成所謂的焦點軸線。如果不使用凸透鏡，傳感器探頭射出的光將分散開來，測量也就無法進(jìn)行了。
光譜共焦位移傳感器與激光位移傳感器的對比：
| | 激光三角反射法位移傳感器 | 光譜共焦位移傳感器（色散位移傳感器） |
| 遮擋陰影的影響 |
高度變化映射到傳感器像位移，根據(jù)三角函數(shù)計算出高度距離。圖中陰影部分是測量盲區(qū)。 |
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***小部分返回，照樣可以測量，甚至能測量其它方法無法測量的小孔和槽底部。***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。 |
| 透明體和鏡面被測物的影響 |
激光光斑可能在透明被測物表面發(fā)生透射，在被測物內(nèi)部產(chǎn)生光暈，從而導(dǎo)致激光位移傳感器測量偏差。
另***方面，激光位移傳感器需要光斑在被測物表面形成漫反射，在***個傾斜角度上收集回光。而對于鏡面反射被測物，能夠進(jìn)入側(cè)面收光器的光線很少，可能導(dǎo)致測量困難，需要傾斜安裝或使用鏡面檢測專用激光位移傳感器。 |
半透明材質(zhì)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。
這種方法和全息原理相似，理論上每***束經(jīng)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***部分光回去，所以透明材質(zhì)也可以測量。
采用同軸檢測，發(fā)射光和返回光在同***軸線上，避免因全反射導(dǎo)致的回光不足問題。光譜共焦傳感器可以用于檢測鏡面被測物。 |
| 鏡面物體大角度測量的影響 |
當(dāng)鏡面被測物邊沿有很大傾斜角度時（如手機(jī)3D玻璃邊沿），激光三角反射法位移傳感器的回光可能發(fā)生很大角度的反射，導(dǎo)致側(cè)向收光器回光很少，無法測量。 |
在比較大的彎曲或傾斜角度內(nèi)，只要有***小部分光返回，就可以完成測量任務(wù)。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(shù)和安裝難度，大大提高使用效率。 |
| 光斑大小的影響 |
激光三角反射式位移傳感器只有在聚焦點光斑***小，離開聚焦點后光斑都會變大。對于測量微小結(jié)構(gòu)的測量任務(wù)，可能會帶來測量困難。 |
在量程范圍內(nèi)，測量有效波長的光永遠(yuǎn)都在焦點上，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(jié)構(gòu)和輪廓變化。 |
新技術(shù)，新可能
使用光譜共焦測量技術(shù)，可以得到超高分辨率。納米***分辨率源于上述經(jīng)過特殊處理得到的加長光譜范圍。由于采用檢測焦點的顏色，得到距離信息，光譜共焦傳感器可以采用非常小的測量光斑，從而允許測量非常小的被測物體。這也意味著，即使被測表面有非常輕微的劃痕，也逃不過光譜共焦傳感器的眼睛。
由于光譜共焦傳感器的光路非常緊湊和集中，使其非常適合測量鉆孔結(jié)構(gòu)。而其他測量方式，如激光三角反射式測量，對于小孔往往無能為力，因為小孔形成的陰影會遮擋反射光的光路，無法進(jìn)行測量。針對這種小孔測量任務(wù)，德***米銥公司推出了IFS 2402微型光譜共焦傳感器探頭。這種探頭擁有僅4mm的探頭直徑，可以探入小孔內(nèi)部進(jìn)行測量。
由于測量只使用白光，無需額外附加激光安全措施。由于探頭本身不含有任何電路，傳感器探頭還可以被用于有防爆要求的環(huán)境或者有電磁干擾要求的環(huán)境。而控制器可以被放置于安全距離以外。允許***長50m的光纖連接探頭和控制器。但是，需要禁止在光路上存在遮擋物或小顆粒，這會影響測量精度，甚至使測量變得不可完成。由于采用的是光學(xué)測量方法，探頭到被測物體的距離也有***定限制。新技術(shù)，新可能
使用光譜共焦測量技術(shù)，可以得到超高分辨率。納米***分辨率源于上述經(jīng)過特殊處理得到的加長光譜范圍。由于采用檢測焦點的顏色，得到距離信息，光譜共焦傳感器可以采用非常小的測量光斑，從而允許測量非常小的被測物體。這也意味著，即使被測表面有非常輕微的劃痕，也逃不過光譜共焦傳感器的眼睛。
由于光譜共焦傳感器的光路非常緊湊和集中，使其非常適合測量鉆孔結(jié)構(gòu)。而其他測量方式，如激光三角反射式測量，對于小孔往往無能為力，因為小孔形成的陰影會遮擋反射光的光路，無法進(jìn)行測量。針對這種小孔測量任務(wù)，德***米銥公司推出了IFS 2402微型光譜共焦傳感器探頭。這種探頭擁有僅4mm的探頭直徑，可以探入小孔內(nèi)部進(jìn)行測量。
由于測量只使用白光，無需額外附加激光安全措施。由于探頭本身不含有任何電路，傳感器探頭還可以被用于有防爆要求的環(huán)境或者有電磁干擾要求的環(huán)境。而控制器可以被放置于安全距離以外。允許***長50m的光纖連接探頭和控制器。但是，需要禁止在光路上存在遮擋物或小顆粒，這會影響測量精度，甚至使測量變得不可完成。由于采用的是光學(xué)測量方法，探頭到被測物體的距離也有***定限制。
共焦位移傳感器confocalDT, 色散傳感器，白光色散傳感器
滬公網(wǎng)安備31011502016460號
