光譜共焦測量原理

光譜共焦傳感器又叫色散共焦傳感器。

1940年，眼科醫(yī)生Hans Goldmann在瑞士伯爾尼發(fā)明了裂隙燈系統(tǒng)，用于眼科的檢查，這個眼科檢測系統(tǒng)被認(rèn)為是光譜共焦傳感器測量系統(tǒng)的最初雛形。

光譜共焦位移傳感器是一種通過光學(xué)色散原理建立距離和波長間的對應(yīng)關(guān)系，利用光譜儀解碼光譜信息，獲得位置信息的裝置。白光LED光源發(fā)出的光通過光纖耦合器后，可以看做點光源，經(jīng)過準(zhǔn)直和色散物鏡聚焦后發(fā)生光譜色散，在光軸上形成連續(xù)的單色光交點，每一個單色光交點到被測物的距離都不相同，當(dāng)被測物處于測量范圍某一位置的時候，只有某一波長的光聚焦在被側(cè)面上，波長的光滿足共焦條件，可以從被測物表面反射回光纖耦合器并且進入光譜儀，而其他波長的光在被測物面表面處于離焦?fàn)顟B(tài)，反射回的光在光源處的分布遠(yuǎn)大于光纖纖芯直徑，所以大部分光線無法進入光譜儀。通過光譜儀解碼得到光強最大處的波長值，從而測得目標(biāo)對應(yīng)的距離值。由于采用了共焦技術(shù)，因此該方法具有良好的層析特性，提高了分辨力，并且對被測物特性和雜散光不敏感。

混合光是由許多不同波長的光組成的，我們稱之為光譜。所有不同波長的可見光重疊形成白光?？梢娙搜鄣牟ㄩL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在同一點上。這種現(xiàn)象被稱為色差透鏡或色差透鏡偏差。

眾所周知，自然光是一種白光，白光不是最純粹的光，而是許多單色光的組成。在不同介質(zhì)中傳播的光可能存在角度偏移現(xiàn)象，但在實際白光照射下，不同介質(zhì)中會有許多單線光折射現(xiàn)象。不同折射率的光學(xué)材料(透鏡)的單色光不同，折射角越小，折射率越大，波長越長，折射率越小(這就是為什么不同的望遠(yuǎn)鏡有所謂的色差)，同樣的薄透鏡對不同的單色光有不同的焦距，每個焦距從短到長不等，根據(jù)光的波長，它們的像點在光軸上與透鏡的距離很近或很遠(yuǎn)(不同單色光的波長是不同的)。這種成像導(dǎo)致了所謂的色差透鏡誤差。色差鏡頭錯誤會導(dǎo)致圖像中產(chǎn)生側(cè)板或者光暈。在攝影器材方面，應(yīng)盡量通過特殊處理，減少因色差錯誤而引起的成像問題。常用的消除方法有雙膠系統(tǒng)和雙分離系統(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)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。

為了得到上面所說的特殊色差，需要在傳感器探頭內(nèi)使用若干特殊透鏡，用來根據(jù)所需要的量程把光線分解，最后使用一個凸透鏡，將傳感器探頭社畜的光纖聚在一條軸線上，行程焦點軸線，如果不適用凸透鏡，傳感器探頭社畜的光會分散開來，這樣測量就無法進行了。

白光通過半透鏡表面到達(dá)凸透鏡。這里出現(xiàn)上述特殊色差。光線在照射到被測物體之后被反射，穿過凸透鏡，并且返回到傳感器探頭中的半透鏡。半透鏡將反射光折射到穿孔蓋板上，孔徑僅允許最佳聚焦的反射光通過。穿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可以穿過CCD感光矩陣單元上的孔。然而，只有聚焦在被測物體上的反射光具有足夠的強度，在CCD感光矩陣上產(chǎn)生明顯的波峰。在穿孔蓋后面，需要一個分光器來測量反射光的顏色信息。分光器類似于一種特殊的光柵，它可以根據(jù)反射光的波長來增加或減小折射率。因此，CCD矩陣上的每個位置，對應(yīng)一個測量對象到探頭的距離。

整個量程內(nèi)有超過30000個測量點。這里僅計算光線波長，用以產(chǎn)生測量信號。由反射光產(chǎn)生的信號峰值幅度不在信號測量依據(jù)內(nèi)。也就是說反射光的強度不影響測量結(jié)果。這意味著無論多少反射光從被測量物體反射回，測量的距離結(jié)果都可以是不變的。因為反射光的強度僅取決于反射物體的反光程度。即使要測量的對象是強光吸收材料(例如黑色橡膠)或透明材料(例如玻璃或液體)，也可以進行正?？煽康臏y量。

光譜共焦測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)超高的分辨率檢測，經(jīng)過特殊處理得到加長的光譜范圍，甚至可實現(xiàn)納米級分辨率。隨著技術(shù)的不斷升級，光譜共焦傳感器可以采用更小的測量光斑，允許極致的微觀測量，這樣意味著，即便被測表面有非常輕微的劃痕，也不能逃過光譜共焦傳感器的眼睛。