光谱共焦测量原理
混色光是由众多不同波长光线组成的,我们称之为光谱。所有不同波长的可见光重叠在***起,形成白光。人类肉眼可见光的波长范围从400nm (蓝光)到700nm (红光)。通过透镜,不同颜色的光不会聚焦到同***个点上。这种现象称为色差透镜错误或者叫色差透镜偏差。
众所周知,自然界的日光属白光***种,白光不是***纯洁的光,而是许多单色光组成的。光在不同介质中传播可能会有角度偏差的现象产生,而实际的白光照射下不同介质将有很多单线光的折射。光学材料(透镜)对于不同单色光的折射率是不同的,也就是折射角度不同波长愈短折射率愈大,波长愈长折射率愈小(这也是不同望远镜所谓的色差不同的原因),同***薄透镜对不同单色光,每***种单色光都有不同的焦距,按色光的波长由短到长,它们的像点离开透镜由近到远地排列在光轴上(不同的单色光的波长是不同的)这样成像就产生了所谓色差透镜错误。色差透镜错误使成像产生色斑或晕环。在摄影器材中,应通过特殊处理,尽量消减色差透镜错误导致的成像问题。常用的消除方法有双胶合系统与双分离系统。
而光谱共焦测量方法恰恰利用这种物理现象的特点。通过使用特殊透镜,延长不同颜色光的焦点光晕范围,形成特殊放大色差,使其根据不同的被测物体到透镜的距离,会对应***个精确波长的光聚焦到被测物体上。通过测量反射光的波长,就可以得到被测物体到透镜的精确距离。这***过程与摄影器材通过各种方法消减色差的过程正好相反。
为了得到上述特殊的色差,需要在传感器探头内使用若干特殊透镜,用来根据所需量程将光线分解。***后使用***个凸透镜,将传感器探头射出的光线聚拢在***条轴线上,形成所谓的焦点轴线。如果不使用凸透镜,传感器探头射出的光将分散开来,测量也就无法进行了。
光谱共焦位移传感器与激光位移传感器的对比:
| 激光三角反射法位移传感器 | 光谱共焦位移传感器(色散位移传感器) |
遮挡阴影的影响 | 高度变化映射到传感器像位移,根据三角函数计算出高度距离。图中阴影部分是测量盲区。 | 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***小部分返回,照样可以测量,甚至能测量其它方法无法测量的小孔和槽底部。***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。 |
透明体和镜面被测物的影响 |
激光光斑可能在透明被测物表面发生透射,在被测物内部产生光晕,从而导致激光位移传感器测量偏差。
另***方面,激光位移传感器需要光斑在被测物表面形成漫反射,在***个倾斜角度上收集回光。而对于镜面反射被测物,能够进入侧面收光器的光线很少,可能导致测量困难,需要倾斜安装或使用镜面检测专用激光位移传感器。 |
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。
这种方法和全息原理相似,理论上每***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***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***轴线上,避免因全反射导致的回光不足问题。光谱共焦传感器可以用于检测镜面被测物。 |
镜面物体大角度测量的影响 | 当镜面被测物边沿有很大倾斜角度时(如手机3D玻璃边沿),激光三角反射法位移传感器的回光可能发生很大角度的反射,导致侧向收光器回光很少,无法测量。 | 在比较大的弯曲或倾斜角度内,只要有***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。 |
光斑大小的影响 | 激光三角反射式位移传感器只有在聚焦点光斑***小,离开聚焦点后光斑都会变大。对于测量微小结构的测量任务,可能会带来测量困难。 | 在量程范围内,测量有效波长的光永远都在焦点上,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。 |
新技术,新可能
使用光谱共焦测量技术,可以得到超高分辨率。纳米***分辨率源于上述经过特殊处理得到的加长光谱范围。由于采用检测焦点的颜色,得到距离信息,光谱共焦传感器可以采用非常小的测量光斑,从而允许测量非常小的被测物体。这也意味着,即使被测表面有非常轻微的划痕,也逃不过光谱共焦传感器的眼睛。
由于光谱共焦传感器的光路非常紧凑和集中,使其非常适合测量钻孔结构。而其他测量方式,如激光三角反射式测量,对于小孔往往无能为力,因为小孔形成的阴影会遮挡反射光的光路,无法进行测量。针对这种小孔测量任务,德***米铱公司推出了IFS 2402微型光谱共焦传感器探头。这种探头拥有仅4mm的探头直径,可以探入小孔内部进行测量。
由于测量只使用白光,无需额外附加激光安全措施。由于探头本身不含有任何电路,传感器探头还可以被用于有防爆要求的环境或者有电磁干扰要求的环境。而控制器可以被放置于安全距离以外。允许***长50m的光纤连接探头和控制器。但是,需要禁止在光路上存在遮挡物或小颗粒,这会影响测量精度,甚至使测量变得不可完成。由于采用的是光学测量方法,探头到被测物体的距离也有***定限制。新技术,新可能
使用光谱共焦测量技术,可以得到超高分辨率。纳米***分辨率源于上述经过特殊处理得到的加长光谱范围。由于采用检测焦点的颜色,得到距离信息,光谱共焦传感器可以采用非常小的测量光斑,从而允许测量非常小的被测物体。这也意味着,即使被测表面有非常轻微的划痕,也逃不过光谱共焦传感器的眼睛。
由于光谱共焦传感器的光路非常紧凑和集中,使其非常适合测量钻孔结构。而其他测量方式,如激光三角反射式测量,对于小孔往往无能为力,因为小孔形成的阴影会遮挡反射光的光路,无法进行测量。针对这种小孔测量任务,德***米铱公司推出了IFS 2402微型光谱共焦传感器探头。这种探头拥有仅4mm的探头直径,可以探入小孔内部进行测量。
由于测量只使用白光,无需额外附加激光安全措施。由于探头本身不含有任何电路,传感器探头还可以被用于有防爆要求的环境或者有电磁干扰要求的环境。而控制器可以被放置于安全距离以外。允许***长50m的光纤连接探头和控制器。但是,需要禁止在光路上存在遮挡物或小颗粒,这会影响测量精度,甚至使测量变得不可完成。由于采用的是光学测量方法,探头到被测物体的距离也有***定限制。
共焦位移传感器confocalDT, 色散传感器,白光色散传感器