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【自有技术大讲堂】光谱共焦技术

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引言

 

随着精密制造业的发展,对精密测量技术要求越来越高。位移检测技术作为振动、形貌、厚度等几何量精密测量的基础,不仅需要具有高精度,而且要求能适应不同的环境和材料,并且逐步趋向于实时、无损检测。光谱共焦位移传感器是种基于波长编码的非接触测量光电位移传感器,与激光三角法相比,光谱共焦位移传感器由于采用了光谱共焦技术,因此具有更高的分辨力,而且对被测物表面纹理、倾斜和周围环境的杂散光等因素不敏感。并且由于光发射和接收同光路,不会出现激光三角法光路容易被遮挡或被测目标表面过于光滑而接收不到目标反射光的情况,对被测目标适应性强。正是由于光谱共焦位移传感器拥有诸多这样的优点,代表了先进位移传感器的发展方向,因此在微位移、微形变以及表面形貌扫描等方面有着广泛的应用前景。

 

原理

 

光谱共焦位移测量技术的原理源于经典的共焦显微技术,它是在共焦显微技术的基础上加入了波长编码技术,因此扩展了聚焦的深度,解决了共焦显微技术中聚焦深度非常小的问题,使其可以应用在位移测量方面,并保留了共焦显微技术中高信噪比和高分辨率的优点。

 

光谱共焦技术中的波长编码技术本质上是利用了光学系统中一种普遍存在的像差——位置色差。如图1所示,位置色差是不同波长的光通过光学系统后沿光轴方向聚焦或成像位置不同生产的像差,这种色差也叫做轴向色差和纵向色差。

 

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1. 位置色差示意图

 

光谱共焦技术的原理图如图2所示,一束白光穿过小孔S,照射在色散镜头组L上。色散镜头组把白光分解成不同波长的单色光每一个波长对应一个固定的距离值。当对象出现在测量区域的时候一个特定波长的单色光正好照射在其表面,并且反射进光学系统。此反射光通过一个小孔S(只有完美聚焦在被测体表面的光才可以穿过这个小孔),由波长识别系统(光谱仪)识别其波长从而得到其所代表的精确距离值。由光源射出一束宽光谱的复色光(呈白色)通过色散镜头发生光谱色散形成不同波长的单色光。每一个波长的焦点都对应一个距离值。测量光射到物体表面被反射回来只有满足共焦条件的单色光可以通过小孔被光谱仪感测到。通过计算被感测到的焦点的波长,换算获得距离值

 

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2. 光谱共焦位移传感器原理图

 

在光学系统中,像差会导致光学像质变差,因此光学设计的目标是减小光学系统的像差(现有技术不可能完全消除像差),而光谱共焦技术恰恰相反,需要色散镜头有较大的位置色差,这样才能产生测量较大的范围。

 

光谱共焦的优势

 

测量的小孔和槽底部时,光线是从四面八方照射过来的,即使大部分的光线被阻挡,只要有一小部分返回,依旧可以测量。这样一个光谱共焦传感器可以起4个从不同方向照射的激光位移传感器的作用,不会产生测量盲区,而其它方法无法测量类似的结构

 

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3. 光谱共焦传感器测量小孔或槽底部

 

在测量半透明材质半透明材质光斑周围的漫反射光被小孔阻挡无法返回到光谱分析仪,不会影响测量理论上每一束经过小孔返回的光都携带了距离信息,透明表面或镜面也会反射一部分光回去,所以透明材质也可以测量。采用同轴检测,发射光和返回光在同一轴线上,避免因全反射导致的回光不足问题。因此光谱共焦传感器同样可以用于检测镜面被测物。

 

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4. 光谱共焦传感器测量半透明材质

 

当镜面被测物边沿有很大倾斜角度时(如手机3D玻璃边沿),在比较大的弯曲或倾斜角度内,光谱共焦传感器只要有一小部分光返回,就可以完成测量任务。不需要倾斜安装或使用镜面反射特殊型号位移传感器,减少了传感器品种数和安装难度,大大提高使用效率。

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5. 光谱共焦传感器测量弯曲样品

 

对于测量微小结构的样品时,只要在量程范围内,有效测量波长一直都在焦点上,这样可以全量程保持分辨率和精度。因此光谱共焦位移传感器特别适合测量微小几何结构和轮廓变化。

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6. 光谱共焦传感器测量微小几何结构

 

参考文献

[1] 刘乾, 王洋, 杨维川, . 线性色散设计的光谱共焦测量技术[J].强激光与粒子束,2014 26(5).

[2] 武芃樾. 光谱共焦位移传感器设计技术研究[D]. 北京: 中科院物理研究所, 2012.

[3] 柳晓飞, 邓文怡, 牛春晖, . 一种新型光谱共焦位移测量系统研究[J].传感器与微系统,2013, 32(4): 34-40.

[4] 闫凯. 光谱共焦厚度检测系统研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2018.

2022年4月1日 09:14