摘要：介紹了光譜共焦位移傳感器的結(jié)構(gòu)與原理，及其在測(cè)量厚度方面的應(yīng)用，重點(diǎn)討論了光譜共焦位移傳感器用于測(cè)量透明材料平行平板厚度的可行性，對(duì)其產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并給出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法。

關(guān)鍵詞：光譜共焦；位移傳感器；色散系數(shù)

1? ? ?引? ? 言

目前，非接觸式的精密測(cè)量位移裝置有共焦位移傳感器，激光三角反射式位移傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器等。它們具有適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、精度高等特點(diǎn)，適用于檢測(cè)各種回轉(zhuǎn)體、箱體零件的尺寸和形位誤差。并且可以與快速反饋跟蹤系統(tǒng)配合使用，能夠準(zhǔn)確快速地測(cè)出表面的形狀與輪廓。它們克服了接觸式檢測(cè)的諸多缺點(diǎn)，既提高了檢測(cè)速度，又保護(hù)了被測(cè)工件表面免受劃傷及防止傳感器變形。

光譜共焦傳感器是采用復(fù)色光為光源的傳感器，其測(cè)量精度能夠達(dá)到微米量級(jí)，可用于對(duì)漫反射或鏡反射被測(cè)物體的測(cè)量。此外，光譜共焦位移傳感器還可以對(duì)透明物體進(jìn)行單向厚度測(cè)量，光源和接收光鏡為同軸結(jié)構(gòu)，有效地避免了光路遮擋，并使傳感器適于測(cè)量直徑4.5mm以上的孔及凹槽的內(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)，由于被測(cè)物體的上、下兩個(gè)表面都會(huì)反射，而傳感器接收到的位移信號(hào)是通過(guò)其上表面計(jì)算出來(lái)的，從而會(huì)引起一定的誤差。本文基于測(cè)量平行平板的位移，對(duì)其進(jìn)行了誤差分析。

2? ? ?光譜共焦位移傳感器原理

光譜共焦位移傳感器原理如圖1所示，它由光源、透鏡組、光譜儀等組成。光源發(fā)出的多色光（呈白光）通過(guò)探頭中一系列的光鏡組后，就會(huì)產(chǎn)生光譜色散，再經(jīng)過(guò)一系列的光學(xué)反射后，便形成不同波長(zhǎng)的單色光；然后在光軸的一定范圍內(nèi)聚焦，并且形成一個(gè)連續(xù)的焦點(diǎn)組，由傳感器接收到每個(gè)焦點(diǎn)的反射信號(hào)，從而確定每個(gè)單色光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的相應(yīng)位置。還可以在高靈敏感光片上成像，通過(guò)單色儀讀出單色波的波長(zhǎng)，然后將其換算成為對(duì)應(yīng)的距離值，通過(guò)控制箱中的光電組件識(shí)別并最終得到樣品的軸向位置。采用高數(shù)值孔徑的聚焦鏡頭可以使傳感器達(dá)到較高的分辨率(軸向<10nm，橫向<5μm)。

圖1? ?光譜共焦位移傳感器原理圖

正是基于這種獨(dú)特的原理，使得光譜共焦位移傳感器在位移測(cè)量上擁有高精度，不論是單層透明物體還是多層透明物體，除了能夠測(cè)量該物體位移，還可以測(cè)量其厚度。如薄玻璃片，平行平板等。平行平板的前后表面都會(huì)反射特定波長(zhǎng)的光，在單色儀上獲得的是出現(xiàn)兩個(gè)峰值的光譜曲線，通過(guò)這兩個(gè)峰值可以推算出玻璃的厚度。

3? ? ?光譜共焦位移傳感器的應(yīng)用

與激光位移傳感器相比，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)量精度低、工作距離不合適等缺點(diǎn)。Antonin Miks對(duì)采用多色光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)色散的原理實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件中心厚度測(cè)量進(jìn)行了理論分析。

在實(shí)踐中，光譜共焦位移傳感器可用于很多方面，如：

（1）? ? ?利用獨(dú)特的光譜共焦測(cè)量原理，憑借一只探頭就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃等透明材料進(jìn)行精確的單向厚度測(cè)量。

（2）? ? ?光譜共焦位移傳感器有效監(jiān)控藥劑盤(pán)以及鋁塑泡罩包裝的填充量。

（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。

（4）? ? ?光譜共焦傳感器可以單向?qū)υ噭┢康谋诤襁M(jìn)行測(cè)量，而且對(duì)瓶壁沒(méi)有壓力。

（5）? ? ?可通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向反射鏡實(shí)現(xiàn)孔壁的結(jié)構(gòu)檢測(cè)及凹槽深度的測(cè)量。

（6）? ? ?光譜共焦傳感器用于層和玻璃間隙測(cè)量，以確定單層玻璃之間的間隙厚度。

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。

4? ? ?光譜共焦位移傳感器的誤差分析

光譜共焦位移傳感器可以精確測(cè)量物體的位移，但在測(cè)量透明物體的厚度時(shí)，由于透明材料的折射率不同將產(chǎn)生不同的誤差。其誤差分析如下：

圖2? ?平行平板光路分析圖

如圖2所示，白光入射到一個(gè)折射率為n、厚度為D₁的平面平行板。光線需要滿足如下條件：如果沒(méi)有平面平行板，則該光線會(huì)與光軸交于點(diǎn)A₀，如果有平面平行板，光線會(huì)與光軸交于A₁點(diǎn)。波長(zhǎng)為λ₁、λ₂的單色光通過(guò)一定的的入射角入射到平行平板。

在進(jìn)行平行平板位移測(cè)量時(shí)，其初始位置為平行平板的上表面，此時(shí)傳感器接收到的為波長(zhǎng)為λ₁、λ₂的單色光信號(hào)，移動(dòng)后平行平板到達(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)。

由于材料的折射率以及色散系數(shù)均已經(jīng)求出，就可以計(jì)算出該光譜共焦傳感器的測(cè)量誤差。其誤差范圍大約在0.005mm左右。

5? ? ?結(jié)? ? 論

綜上所述，光譜共焦位移傳感器具有很多方面的應(yīng)用，尤其測(cè)量透明物體的厚面方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而且可以通過(guò)補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)較高的分辨率。