光譜共焦傳感器的測(cè)量原理和特點(diǎn)

1666年，牛頓獲得了一塊三棱鏡，開始了他的光學(xué)研究。

他在一間暗室的窗戶上設(shè)置了一個(gè)小孔，緊挨著小孔放置著該三棱鏡。陽光由小孔投射進(jìn)來，透過三棱鏡，將太陽的像投射到對(duì)面的墻壁上。使他感到“驚奇”的是，根據(jù)光的折射理論，這一成像的形狀本應(yīng)為圓形，然而他所看到的則是明顯的長條形狀，其長度達(dá)寬度的五倍。

牛頓高明之處就在于他已經(jīng)意識(shí)到了不同顏色的光具有不同的折射性能，只有拉長距離才能分解開不同折射角的光線。

為了證明色散現(xiàn)象不是由于棱鏡跟陽光的相互作用，也不是由于其它原因，而是由于不同顏色具有不同的折射性，牛頓又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他拿三個(gè)棱鏡做實(shí)驗(yàn)，三個(gè)棱鏡完全相同，只是放置方式不一樣，倘若分散是由于棱鏡的不平或其它偶然的不規(guī)則性，那么第二個(gè)棱鏡和第三個(gè)棱鏡就會(huì)增加這一分散性?？墒菍?shí)驗(yàn)結(jié)果是，原來分散的各種顏色，經(jīng)過第二個(gè)棱鏡后又還原成白光，形狀和原來的一樣。再經(jīng)過第三個(gè)棱鏡，又分解成各種顏色。由此證明，棱鏡的作用是使白光分解為不同成分，又可使不同色光合成為白光。

公元1672年，牛頓把自己的研究成果發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)雜志》上，這是他第一次公開發(fā)表的論文，論文的題目是《關(guān)于光和色的新理論》（New Theory about Light and Colors）。2月8日，他在英國皇家學(xué)會(huì)宣讀了這篇論文。

牛頓進(jìn)行色散實(shí)驗(yàn)

眾所周知，自然界的日光屬白光一種，白光不是最純潔的光，而是許多單色光組成的。光在不同介質(zhì)中傳播可能會(huì)有角度偏差的現(xiàn)象產(chǎn)生，而實(shí)際的白光照射下不同介質(zhì)將有很多單線光的折射。光學(xué)材料（透鏡）對(duì)于不同單色光的折射率是不同的，也就是折射角度不同波長愈短折射率愈大，波長愈長折射率愈?。ㄟ@也是不同望遠(yuǎn)鏡所謂的色差不同的原因），同一薄透鏡對(duì)不同單色光，每一種單色光都有不同的焦距，按色光的波長由短到長，它們的像點(diǎn)離開透鏡由近到遠(yuǎn)地排列在光軸上（不同的單色光的波長是不同的）這樣成像就產(chǎn)生了所謂色差透鏡錯(cuò)誤。色差透鏡錯(cuò)誤使成像產(chǎn)生色斑或暈環(huán)。在攝影器材中，應(yīng)通過特殊處理，盡量消減色差透鏡錯(cuò)誤導(dǎo)致的成像問題。常用的消除方法有雙膠合系統(tǒng)與雙分離系統(tǒng)。 而光譜共焦測(cè)量方法恰恰利用這種物理現(xiàn)象的特點(diǎn)。通過使用特殊透鏡，延長不同顏色光的焦點(diǎn)光暈范圍，形成特殊放大色差，使其根據(jù)不同的被測(cè)物體到透鏡的距離，會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)精確波長的光聚焦到被測(cè)物體上。通過測(cè)量反射光的波長，就可以得到被測(cè)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。 為了得到上述特殊的色差，需要在傳感器探頭內(nèi)使用若干特殊透鏡，用來根據(jù)所需量程將光線分解。最后使用一個(gè)凸透鏡，將傳感器探頭射出的光線聚攏在一條軸線上，形成所謂的焦點(diǎn)軸線。如果不使用凸透鏡，傳感器探頭射出的光將分散開來，測(cè)量也就無法進(jìn)行了。

白色光通過一個(gè)半透鏡面到達(dá)凸透鏡。上述特殊色差就在這里產(chǎn)生。光線照射到被測(cè)物體后發(fā)生反射,透過凸透鏡，返回到傳感器探頭內(nèi)的半透鏡上。半透鏡將反射光折射到一個(gè)穿孔蓋板上，小孔只允許聚焦最好的反射光通過。 透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有可能穿過小孔照在CCD感光矩陣單元上。但是只有在被測(cè)物體上聚焦的反射光擁有足夠光強(qiáng)，在CCD感光矩陣上產(chǎn)生一個(gè)明顯的波峰。 在穿孔蓋板后面，需要一個(gè)分光器測(cè)量反射光的顏色信息。分光器類似一個(gè)特制光柵，可以根據(jù)反射光的波長，增強(qiáng)或減弱折射率。因此，CCD矩陣上的每一個(gè)位置，對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)量物體到探頭的距離。 在整個(gè)量程上，共可以得到超過30,000個(gè)測(cè)量點(diǎn)。 這里只計(jì)算光線波長，用以產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)。反射光產(chǎn)生的信號(hào)波峰振幅并不在信號(hào)測(cè)量依據(jù)之內(nèi)。也就是說反射光的光強(qiáng)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。 這意味著，無論有多少反射光從被測(cè)物體反射回來，測(cè)量的距離結(jié)果可能是不變的。因?yàn)榉瓷涔獾墓鈴?qiáng)僅僅取決于反射物體的反光程度。因此，采用ERT公司的光譜共焦傳感器，即使被測(cè)物體是強(qiáng)吸光材料，如黑色橡膠；或者是透明材料，如玻璃或者液體，都可以進(jìn)行正常可靠的測(cè)量。

一、光譜共焦傳感器測(cè)量的特點(diǎn)

1、傳統(tǒng)三角測(cè)距法對(duì)比

三角測(cè)距是利用感光元件(CCD/CMOS)上的光點(diǎn)位置變化來測(cè)量被測(cè)物的距離變化。雖然通過從感光波形計(jì)算出峰值或重心等特征量可減小誤差，但從原理上，材質(zhì)不同或?qū)ο笪飪A斜會(huì)導(dǎo)致感光波形出現(xiàn)位置偏差或波形混亂，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差

2、測(cè)量點(diǎn)錯(cuò)位問題

使用傳統(tǒng)三角測(cè)距法時(shí)，隨著高度不同，測(cè)量位置或光斑大小會(huì)發(fā)生改變。而共焦位移傳感器的同軸共焦原理可以保證即使被測(cè)物存在傾斜或翹曲，也可進(jìn)行高精度的測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)不會(huì)改變。

3、可穩(wěn)定測(cè)量任何材質(zhì)表面

4、超強(qiáng)角度特性，最大可測(cè)傾角87度

傳統(tǒng)三角測(cè)距法 同軸共焦測(cè)距法

被測(cè)物傾斜角度過大時(shí)，受發(fā)光的像差影像， 由于其同軸共焦原理，所以無像差干擾問題，

即使有測(cè)量值，也有可能和真值有很大偏差。即使被測(cè)物有過大傾角也不會(huì)影像測(cè)量精度。

5、針對(duì)鏡面、透明、半透明體表面也可以有超強(qiáng)角度特性

傳統(tǒng)三角測(cè)距法，測(cè)量鏡面體時(shí)，對(duì)傳感器的安裝角度有苛刻的要求。在使用多頭測(cè)量玻璃或柔性樣品厚度的應(yīng)用中，安裝時(shí)必須對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行高精度的角度調(diào)整。使用共焦位移傳感器，無需嚴(yán)格的角度調(diào)整就可進(jìn)行高精度測(cè)量。即使被測(cè)物在運(yùn)動(dòng)過程中的跳動(dòng)也不會(huì)對(duì)測(cè)量造成過大影響。

6、可同時(shí)測(cè)量并輸出位移和厚度

7、透明件的平整度和厚度可同時(shí)測(cè)量

鏡面、透明、半透明體表面也可以有超強(qiáng)角度特性傳統(tǒng)三角測(cè)距法，測(cè)量鏡面體時(shí)，對(duì)傳感器的安裝角度有苛刻的要求。在使用多頭測(cè)量玻璃或柔性樣品厚度的應(yīng)用中，安裝時(shí)必須對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行高精度的角度調(diào)整。使用共焦位移傳感器，無需嚴(yán)格的角度調(diào)整就可進(jìn)行高精度測(cè)量。即使被測(cè)物在運(yùn)動(dòng)過程中的跳動(dòng)也不會(huì)對(duì)測(cè)量造成過大影響。 ?

編輯：黃飛

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