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一起，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一個點上。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一種，白光不是最純潔的光，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），同一薄透鏡對不同單色光，每一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)。

一面單透鏡的色差造成對不同波長的色光產(chǎn)生了不同的焦距

對于消色差雙合透鏡而言，可見光的波長近似具有相等的焦距

具有抵消色散屬性的衍射光學(xué)器件可以用來矯正色差


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)一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。這一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。最后使用一個凸透鏡，將傳感器探頭射出的光線聚攏在一條軸線上，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。




白色光通過一個半透鏡面到達(dá)凸透鏡。上述特殊色差就在這里產(chǎn)生。光線照射到被測物體后發(fā)生反射,透過凸透鏡，返回到傳感器探頭內(nèi)的半透鏡上。半透鏡將反射光折射到一個穿孔蓋板上，小孔只允許聚焦最好的反射光通過。透過穿孔蓋板的光是一組模糊光譜，也就是說若干不同波長的光都有可能穿過小孔照在CCD感光矩陣單元上。但是只有在被測物體上聚焦的反射光擁有足夠光強，在CCD感光矩陣上產(chǎn)生一個明顯的波峰。在穿孔蓋板后面，需要一個分光器測量反射光的顏色信息。分光器類似一個特制光柵，可以根據(jù)反射光的波長，增強或減弱折射率。因此，CCD矩陣上的每一個位置，對應(yīng)一個測量物體到探頭的距離。

在整個量程上，共可以得到超過30,000個測量點。這里只計算光線波長，用以產(chǎn)生測量信號。反射光產(chǎn)生的信號波峰振幅并不在信號測量依據(jù)之內(nèi)。也就是說反射光的光強不會影響測量結(jié)果。 這意味著，無論有多少反射光從被測物體反射回來，測量的距離結(jié)果可能是不變的。因為反射光的光強僅僅取決于反射物體的反光程度。因此，采用德國米銥的光譜共焦傳感器，即使被測物體是強吸光材料，如黑色橡膠；或者是透明材料，如玻璃或者液體，都可以進(jìn)行正常可靠的測量。

光譜共焦位移傳感器與激光位移傳感器的對比：






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。納米級分辨率源于上述經(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)，德國米銥推出了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。允許最長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一定限制。