光譜共焦測(cè)量原理

混色光是由眾多不同波長(zhǎng)光線組成的，我們稱(chēng)之為光譜。所有不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光重疊在一起，形成白光。人類(lèi)肉眼可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍從400nm (藍(lán)光)到700nm (紅光)。通過(guò)透鏡，不同顏色的光不會(huì)聚焦到同一個(gè)點(diǎn)上。這種現(xiàn)象稱(chēng)為色差透鏡錯(cuò)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(huì)有角度偏差的現(xiàn)象產(chǎn)生，而實(shí)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(duì)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(zhǎng)愈短折射率愈大，波長(zhǎng)愈長(zhǎng)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(duì)不同單色光，每一種單色光都有不同的焦距，按色光的波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)，它們的像點(diǎn)離開(kāi)透鏡由近到遠(yuǎn)地排列在光軸上（不同的單色光的波長(zhǎng)是不同的）這樣成像就產(chǎn)生了所謂色差透鏡錯(cuò)誤。色差透鏡錯(cuò)誤使成像產(chǎn)生色斑或暈環(huán)。在攝影器材中，應(yīng)通過(guò)特殊處理，盡量消減色差透鏡錯(cuò)誤導(dǎo)致的成像問(wèn)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(duì)不同波長(zhǎng)的色光產(chǎn)生了不同的焦距

對(duì)于消色差雙合透鏡而言，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)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(lái)矯正色差


而光譜共焦測(cè)量方法恰恰利用這種物理現(xiàn)象的特點(diǎn)。通過(guò)使用特殊透鏡，延長(zhǎng)不同顏色光的焦點(diǎn)光暈范圍，形成特殊放大色差，使其根據(jù)不同的被測(cè)物體到透鏡的距離，會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)精確波長(zhǎng)的光聚焦到被測(cè)物體上。通過(guò)測(cè)量反射光的波長(zhǎng)，就可以得到被測(cè)物體到透鏡的精確距離。這一過(guò)程與攝影器材通過(guò)各種方法消減色差的過(guò)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(lái)根據(jù)所需量程將光線分解。最后使用一個(gè)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(diǎn)軸線。如果不使用凸透鏡，傳感器探頭射出的光將分散開(kāi)來(lái)，測(cè)量也就無(wú)法進(jìn)行了。




白色光通過(guò)一個(gè)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(cè)物體后發(fā)生反射,透過(guò)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(gè)穿孔蓋板上，小孔只允許聚焦最好的反射光通過(guò)。透過(guò)穿孔蓋板的光是一組模糊光譜，也就是說(shuō)若干不同波長(zhǎng)的光都有可能穿過(guò)小孔照在CCD感光矩陣單元上。但是只有在被測(cè)物體上聚焦的反射光擁有足夠光強(qiáng)，在CCD感光矩陣上產(chǎn)生一個(gè)明顯的波峰。在穿孔蓋板后面，需要一個(gè)分光器測(cè)量反射光的顏色信息。分光器類(lèi)似一個(gè)特制光柵，可以根據(jù)反射光的波長(zhǎng)，增強(qiáng)或減弱折射率。因此，CCD矩陣上的每一個(gè)位置，對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)量物體到探頭的距離。

在整個(gè)量程上，共可以得到超過(guò)30,000個(gè)測(cè)量點(diǎn)。這里只計(jì)算光線波長(zhǎng)，用以產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)。反射光產(chǎn)生的信號(hào)波峰振幅并不在信號(hào)測(cè)量依據(jù)之內(nèi)。也就是說(shuō)反射光的光強(qiáng)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。 這意味著，無(wú)論有多少反射光從被測(cè)物體反射回來(lái)，測(cè)量的距離結(jié)果可能是不變的。因?yàn)榉瓷涔獾墓鈴?qiáng)僅僅取決于反射物體的反光程度。因此，采用德國(guó)米銥的光譜共焦傳感器，即使被測(cè)物體是強(qiáng)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(cè)量。

光譜共焦位移傳感器與激光位移傳感器的對(duì)比：






新技術(shù)，新可能

使用光譜共焦測(cè)量技術(shù)，可以得到超高分辨率。納米級(jí)分辨率源于上述經(jīng)過(guò)特殊處理得到的加長(zhǎng)光譜范圍。由于采用檢測(cè)焦點(diǎn)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(cè)量光斑，從而允許測(cè)量非常小的被測(cè)物體。這也意味著，即使被測(cè)表面有非常輕微的劃痕，也逃不過(guò)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(cè)量鉆孔結(jié)構(gòu)。而其他測(cè)量方式，如激光三角反射式測(cè)量，對(duì)于小孔往往無(wú)能為力，因?yàn)樾】仔纬傻年幱皶?huì)遮擋反射光的光路，無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)這種小孔測(cè)量任務(wù)，德國(guó)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(cè)量。

由于測(cè)量只使用白光，無(wú)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(zhǎng)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(huì)影響測(cè)量精度，甚至使測(cè)量變得不可完成。由于采用的是光學(xué)測(cè)量方法，探頭到被測(cè)物體的距離也有一定限制。