光譜共焦傳感器測(cè)量透明材料厚度的應(yīng)用

一、引言

目前，主要有共焦位移傳感器、激光三角反射式位移傳感器、電容式位移傳感器、電感式位移傳感器等。它們具有適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、精度高的特點(diǎn)，適用于各種回轉(zhuǎn)體和箱體零件的尺寸、形位誤差的測(cè)量。并且可以與快速反饋跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合使用，準(zhǔn)確、快速地測(cè)量出表面的形狀和輪廓。它們克服了接觸檢測(cè)的諸多缺點(diǎn)，不僅提高了檢測(cè)速度，又保護(hù)了被測(cè)工件表面免受劃傷，防止了傳感器變形。

光譜共焦傳感器是一種以復(fù)色光為光源的傳感器。其測(cè)量精度可達(dá)微米級(jí)，可用于對(duì)漫反射或者鏡反射被測(cè)物體的測(cè)量。此外，光譜共焦位移傳感器還可單向測(cè)量透明物體的厚度，且光源和接收光鏡處于同軸結(jié)構(gòu)，從而有效地避免了光路的遮擋，適用于測(cè)量直徑大于4.5 mm的孔和凹槽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

但是，光譜共焦位移傳感器在測(cè)量透明物體的位移時(shí)，被測(cè)物體的上下表面會(huì)發(fā)生反射，傳感器接收到的位移信號(hào)是通過其上表面計(jì)算出來的，會(huì)造成一定的誤差。本文在測(cè)量平行板位移的基礎(chǔ)上，對(duì)其誤差進(jìn)行了分析。

二、光譜共焦位移傳感器工作原理

光譜共焦位移傳感器的原理：

1.它由光源、透鏡組和分光計(jì)組成。光源發(fā)射的多色光(白光)通過探頭中的一系列光學(xué)鏡組后，產(chǎn)生光譜色散，經(jīng)過一系列光學(xué)反射后，形成不同波長的單色光；然后將其聚焦在光軸的一定范圍內(nèi)并形成連續(xù)的焦點(diǎn)集合，每個(gè)焦點(diǎn)的反射信號(hào)由傳感器接收，以便確定每個(gè)單色光波長的對(duì)應(yīng)位置。也可以在高靈敏度的光片上成像，由單色儀讀出單色光的波長，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的距離值，通過控制箱中的光電元件識(shí)別并最終獲得樣品的軸向位置。采用高數(shù)值孔徑聚焦透鏡可獲得高分辨率(軸向<10nm,橫向<5μm)。

正是基于這一獨(dú)特的原理，光譜共焦位移傳感器在位移測(cè)量中具有很高的精度，無論是單層透明物體還是多層透明物體，除了可以測(cè)量物體的位移外，還可以測(cè)量物體的厚度。如薄玻璃、平行板等。平行板的前表面和后表面都反射特定波長的光，單色器產(chǎn)生具有兩個(gè)峰的光譜曲線，可用于計(jì)算玻璃的厚度。

三、光譜共焦位移傳感器的應(yīng)用

與激光位移傳感器技術(shù)相比，光譜共焦位移傳感器產(chǎn)品只需要安裝單個(gè)傳感器就可以使用。普通的位移傳感器需要進(jìn)行Z軸掃描，而它則不需要。同時(shí)它也克服了普通傳感器測(cè)量結(jié)果精度低、工作距離不合適等缺點(diǎn)。

在實(shí)踐中，光譜共焦位移傳感器可以用在許多方面，例如：

(1)基于光譜共聚焦測(cè)量的獨(dú)特原理，利用探頭可以精確地測(cè)量玻璃等透明材料的厚度。

(2)光譜共焦位移傳感器能有效監(jiān)測(cè)藥盤和鋁塑泡罩包裝的灌裝量。

（3）可以使傳感器完成對(duì)被測(cè)表面的精確掃描，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的分辨率。

除了適于完成常規(guī)測(cè)量任務(wù)外，憑借大安裝傾角與大安裝距離，該產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)用廣泛，不僅可完成對(duì)鏡面及透明物體的常規(guī)測(cè)量，還可以完成對(duì)薄膜、平板、鍍層等的單向厚度測(cè)量。

四、光譜共焦位移傳感器的誤差分析

光譜共焦位移傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量物體的位移，但在測(cè)量透明物體的厚度時(shí)，透明材料的不同折射率會(huì)產(chǎn)生不同的誤差。誤差分析如下:

白光入射到折射率為N、厚度為D1的平面平行板上。光線必須滿足以下條件:如果沒有平面平行板，光線與光軸相交于A0點(diǎn)；如果有平面平行板，光線會(huì)與光軸相交于A1點(diǎn)。波長為λ1和λ2的單色光以一定的入射角入射到平行板上。

在進(jìn)行一個(gè)平行平板結(jié)構(gòu)位移測(cè)量時(shí)，其初始目標(biāo)位置為平行平板的上表面，此時(shí)傳感器接收到的為波長為λ1、λ2的單色光作為信號(hào)，移動(dòng)后平行平板可以到達(dá)距其下表面D2的位置時(shí)，傳感器接收到的是仍包含λ2的信號(hào)。

由于已經(jīng)確定了材料的折射率和色散系數(shù)，所以可以計(jì)算光譜共焦傳感器的測(cè)量誤差。誤差范圍約為0.005mm。

以上就是海伯森技術(shù)（深圳）有限公司對(duì)光譜共焦位移傳感器測(cè)量透明材料厚度的應(yīng)用的見解，希望對(duì)您有所幫助。