2022-12-03
任何一个行业的产生和发展都离不开科学技术的进步，这也是市场需求量不断扩大产生的对行业的促进，促使相关人员对产品的不断更新换代，光谱共焦位移传感器的发展也是发生着日新月异的变化。
光谱共焦位移传感器原理：
一束白光（或多波长混合光）经过一个小孔，经过镜头将不同的波长聚焦到光轴上，色散地形成一条彩虹状分布带，照射到样品上，部分反射光反射回去；照射在光轴与物体表面交点的光经过分光部件，通过小孔照射到光谱分析仪，根据波长计算就可以获得镜头到被测物距离。没有照射在光轴与物体表面交点的光经过分光部件，照射在另一个小孔周围被阻挡。
光谱共焦位移传感器系统组成：
光谱共焦传感器的系统中，系统的测量范围受四个因素的影响：光源的光谱分布范围;色散透镜在工作波段的轴向色差;光谱仪的工作波段;光纤耦合器的工作频段。所选白光LED光源的光谱分布波长范围为400-800nm。因此，在光谱共焦传感器的设计过程中，色散透镜、光谱仪和光纤耦合器的工作波段应尽可能与光源的波段一致。该系统的测量范围是其常见的色散物镜。光谱共焦传感器的工作波段范围内的轴向色差。
设计色散透镜时，除考虑其轴向色差外，光谱共焦传感器还应该考虑以下因素：首先要增加物侧数值孔径可提高分辨率;其次就是增加像侧数值孔径可以提高光源的利用率;然后减少系统的球差可以提高精度;光谱共焦传感器的系统结构应该要比较容易组装和调整。
如果要校正球差系统，结构会变得复杂，所以光谱共焦传感器的色散透镜设计的目的是用非常少的透镜达到更好的效果。光谱共焦传感器的光学系统可以看成两部分，一部分是消色差场镜，焦点在光源处，点光源准直成平行光，另一部分是色散物镜，它的作用是将波长的平行光聚焦在轴上的不同位置，产生光谱色散，这正是消色差透镜和非球面透镜可以做到的。并选择光源波段范围内耦合效率高的光纤耦合器和分辨率为0.5nm的光谱仪。
光谱共焦位移传感器的应用领域：
1、表面粗糙度测量应用 表面粗糙度是指零件在加工过程中由于不同的加工方法、机床与刀具的精度、振动及磨损等因素在工件加工表面上形成的具有较小间距和较小峰谷的微观水平状况，是表面质量的一个重要衡量指标，关系零件的磨损、密封、润滑、疲劳、研和等机械性能。 表面粗糙度测量主要可分为接触式测量和非接触式测量。触针式接触测量容易划伤测量表面、针尖易磨损、测量效率低、不能测复杂表面，而非接触测量相对而言可以实现非接触、高效、在线实时测量，而成为未来粗糙度测量的发展方向。目前常用的非接触法主要有干涉法、散射法、散斑法、聚焦法等。而其中聚焦法较为简单实用。 采用光谱共焦位移传感器，搭建了一套简易的测量装置，对膜式燃气表的阀盖粗糙度进行了非接触的测量，以此来判断阀盖密封性合格与否,取得了一定的效果。基于光谱共焦传感器，利用其搭建的二维纳米测量定位装置对粗糙度样块进行表面粗糙度的非接触测量，并对测量结果进行不确定评定，得到U95为13.9%。
2、轮廓、几何尺寸测量应用 随着机械加工水平的发展，越来越多的微小复杂工件需要进行轮廓测量及精密尺寸测量，如小圆倒角的测量、小工件内壁沟槽尺寸等的测量。一些精密光学元件也需要进行非接触的轮廓形貌测量，以避免接触测量时划伤光学表面。这些用传统传感器难以解决的测量难题，均可用光谱共焦传感器搭建测量系统以解决。 滚针对涡轮盘轮廓度检测的问题，利用光谱共焦式位移传感器实现涡轮盘轮廓度在线检测系统的设计。通过自行搭建的二维纳米测量定位装置，选用光谱共焦传感器作为测头，实现对超精密零件的二维尺寸测量。使用激光共焦位移计，配合二维精密控制微动台，对西汉的日光镜进行表面起伏深度的扫描，来探究光镜反光成像原理。
3、薄膜材料厚度测量应用 由于光谱共焦传感器对于不同的反射面反射回来的单色光的波长不同，因此对于材料的厚度精密测量具有独特的优势。光学玻璃、生物薄膜、平行平板等，两个反射面都会反射不同波长的单色光，进而只需一个传感器，即可推算出厚度，测量精度可达微米量级，且不损伤被测表面。讨论了利用光谱共焦位移传感器测量透明材料厚度的应用，计算了该系统的测量误差范围大概为0.005mm。提供了利用光谱共焦传感器对平行平板的厚度以及光学镜头的中心厚度进行测量的方法，并针对被测物体材料的色散对厚度测量精度的影响做了理论的分析。为了探究由流体跌落方式制备的薄膜厚度与跌落模式、雷诺数、底板的倾斜角度之间的关系，采用光谱共焦传感器实时监控制备后的薄膜厚度，其实验装置。利用对顶安装的白光共焦传感器组，实现了对厚度为10～100μm的金属薄膜厚度及分布的精确测量，并进行了测量不确定度分析，得到系统的测量不确定度为0.12μm左右。 光谱共焦技术将轴向距离与波长建立起一套编码规则，是一种高精度、非接触的光学测量技术。基于光谱共焦技术的传感器作为一种亚微米级、快速精确测量的传感器，已经被广泛应用于表面微观形状、厚度测量、位移测量、在线监控及过程控制等工业测量领域。展望其未来，随着光谱共焦传感技术的发展，必将在微电子、线宽测量、纳米测试、超精密几何量计量测试等领域得到更多的应用。
