一文看懂光譜共焦傳感器的前世今生

1.共聚焦傳感器測量技術(shù)發(fā)展歷史

隨著精密制造業(yè)的發(fā)展，對精密測量技術(shù)的要求越來越高。位移測量技術(shù)作為幾何量精密測量的基礎(chǔ)，不僅需要超高測量精度，而且需要對環(huán)境和材料的廣泛適應(yīng)性，并且逐步趨于實(shí)時(shí)、無損檢測。與傳統(tǒng)接觸式測量方法相比，共聚焦傳感器具有高速度，高精度，高適應(yīng)性等明顯優(yōu)勢。

1940年，眼科醫(yī)生Hans Goldmann在瑞士伯爾尼發(fā)明了裂隙燈系統(tǒng)，用于眼科檢查。這個(gè)眼科檢測系統(tǒng)被認(rèn)為是共聚焦傳感器測量系統(tǒng)的雛形。

1943年，Zyun Koana 發(fā)表了共聚焦傳感器測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖，圖中明確展示了共聚焦測量系統(tǒng)的傳輸光路。

1951年，Hiroto Naora, Koana的同事, 在科學(xué)雜志撰文描述了共聚焦分光光度法。

1955年，Marvin Minsky制造出了首臺共聚焦顯微鏡，并于1957年申請了專利

1960年，捷克斯洛伐克查爾斯大學(xué)醫(yī)學(xué)專業(yè)的Mojmír Petráň開發(fā)出了首款串聯(lián)掃描共聚焦測量系統(tǒng)，被認(rèn)為是首款商業(yè)化的同類系統(tǒng)。

2006年，德國米銥公司推出全球最小直徑共聚焦傳感器探頭，為精密位移測量任務(wù)提供了新的選擇。

2.共聚焦傳感器測量原理

光譜共焦位移傳感器是一種通過光學(xué)色散原理建立距離與波長間的對應(yīng)關(guān)系，利用光譜儀解碼光譜信息，從而獲得位置信息的裝置，如圖 1 所示，白光LED 光源發(fā)出的光通過光纖耦合器后可以近似看作點(diǎn)光源，經(jīng)過準(zhǔn)直和色散物鏡聚焦后發(fā)生光譜色散，在光軸上形成連續(xù)的單色光焦點(diǎn)，且每一個(gè)單色光焦點(diǎn)到被測物體的距離都不同。當(dāng)被測物處于測量范圍內(nèi)某一位置時(shí)，只有某一波長的光聚焦在被測面上，該波長的光由于滿足共焦條件，可以從被測物表面反射回光纖耦合器并進(jìn)入光譜儀，而其他波長的光在被測物面表面處于離焦?fàn)顟B(tài)，反射回的光在光源處的分布遠(yuǎn)大于光纖纖芯直徑，所以大部分光線無法進(jìn)入光譜儀。通過光譜儀解碼得到光強(qiáng)最大處的波長值，從而測得目標(biāo)對應(yīng)的距離值。由于采用了共焦技術(shù)，因此該方法具有良好的層析特性，提高了分辨力，并且對被測物特性和雜散光不敏感。

3.共聚焦傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在光譜共焦位移傳感器系統(tǒng)中，系統(tǒng)的測量范圍受4個(gè)方面的因素影響：1）光源光譜分布范圍；2）色散鏡頭在工作波段范圍內(nèi)的軸向色差；3）光譜儀的工作波段；4）光纖耦合器的工作波段。選擇的白光LED 光源的光譜分布如圖2所示，波段 400～800 nm，所以在設(shè)計(jì)過程中，色散鏡頭、光譜儀和光纖耦合器的工作波段要盡量與光源的波段一致，最終系統(tǒng)的測量范圍為色散物鏡在其共同工作波段范圍內(nèi)的軸向色差。

在設(shè)計(jì)色散鏡頭時(shí)，除了要考慮其軸向色差外，還要考慮如下因素：1）增大物方數(shù)值孔徑可以提高分辨率；2）增大像方數(shù)值孔可以提高光源利用率；3）減小系統(tǒng)球差可以提高精度；4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要易于裝配和調(diào)整。

以上這些因素是相互制約的，增大數(shù)值孔徑的同時(shí)系統(tǒng)球差也隨之變大，如果要校正球差系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)就會(huì)變得復(fù)雜，所以色散鏡頭設(shè)計(jì)的目的是用最少的透鏡達(dá)到最理想的效果。光譜共焦位移傳感器的光學(xué)系統(tǒng)可以看成兩個(gè)部分，一部分是消色差場鏡，它的焦點(diǎn)在光源處，把點(diǎn)光源準(zhǔn)直成平行光，另一部分為色散物鏡，它的作用是把不同波長的平行光聚焦在軸上的不同位置，形成光譜色散，而消色差透鏡和非球面透鏡正好可以起到這樣的作用。本文采用了美國 thorlabs 公司的消色差和非球面透鏡組合，色散鏡頭設(shè)計(jì)如圖 3 所示。并選擇在光源波段范圍內(nèi)耦合效率較高的光纖耦合器和分辨率為0.5nm的光譜儀，具體元件及參數(shù)如表 1 所示。

通過 ZEMAX 軟件仿真分析，在 400～700 nm 波段色散鏡頭的色散范圍為 2.3 mm，具體波長與聚焦位置的對應(yīng)關(guān)系如圖 4所示。

由于系統(tǒng)要分析反射回光纖的光譜光強(qiáng)分布情況，所以對共焦過程進(jìn)行了模擬，在仿真過程中，將平面鏡置于焦面處，使通過光學(xué)系統(tǒng)的光經(jīng)過平面鏡反射后又回到光學(xué)系統(tǒng)，并成像在光源位置。通過觀察像面處的點(diǎn)列圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平面鏡設(shè)置在不同波長的焦面處時(shí)，聚焦波長在像面處的彌散斑較小，而其他波長的彌散斑較大。

圖5 為平面鏡設(shè)置在 550 nm 波長焦面處時(shí)像面上的點(diǎn)列圖，其中 550 nm 波長的彌散斑直徑為41.4 μm，小于光纖纖芯直徑，而 400 nm 波長的彌散斑直徑為 2 311.46 μm，遠(yuǎn)大于光纖纖芯直徑。為了更準(zhǔn)確地分析光纖纖芯直徑對共焦系統(tǒng)的濾光情況，將光纖端面離散為間距 1 nm 的均勻分布點(diǎn)光源，并假設(shè)彌散斑與光纖纖芯重疊的部分為可以進(jìn)入光纖的光。

圖 6 為在此條件下計(jì)算的平面鏡設(shè)置在 450，500，550，600，650 nm 焦面處時(shí)，反射回光纖的光譜光強(qiáng)分布。從圖中可以看出光纖纖芯直徑起到了較好的濾光作用，而且隨著波長的變大半高寬變大。分析了不同光纖纖芯直徑情況下反射回光纖的光譜光強(qiáng)分布情況，圖 7 為對反射鏡設(shè)置在 550 nm 焦面處分析的結(jié)果，可以看出當(dāng)光纖纖芯直徑較小時(shí)，光譜信號能量較弱，隨著光纖纖芯直徑的增大，光譜信號能量變強(qiáng)但半高寬也變大，分辨率下降。設(shè)計(jì)中必須選取合適的光纖，同時(shí)滿足系統(tǒng)的分辨率和信噪比要求。

1.共聚焦傳感器信號數(shù)據(jù)處理

光譜信息處理的最終目的是為了得到峰值波長，但是光纖耦合器的內(nèi)部回光、光源光強(qiáng)分布的不均勻、CCD 對不同波長光響應(yīng)程度的不同、系統(tǒng)的噪聲等因素都會(huì)對譜峰定位造成影響，需要進(jìn)行預(yù)處理后再用適當(dāng)?shù)乃惴ㄌ崛》逯挡ㄩL。

在光譜儀中得到的光譜信息包括光纖內(nèi)部返回的背景光和從被測物表面返回的信號光。為了得到有用的信號光，首先需要對背景光進(jìn)行采集，然后從光譜儀得到的數(shù)據(jù)中減去背景光。此外還要考慮光源光譜光強(qiáng)分布不均勻的影響。圖 8 為在圖 6 的基礎(chǔ)上加入光源光譜特性后的光譜光強(qiáng)分布圖，從圖中可以看出峰值波長發(fā)生了偏移，所以需要對光源光強(qiáng)進(jìn)行歸一化處理。另外由于傳感器在各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)噪聲，所以需要進(jìn)行光譜去噪，常用的光譜去噪方法有中值濾波、小波函數(shù)濾波等，比較了不同的濾波方法后，最終選擇了用 db6 小波進(jìn)行 6 次分解強(qiáng)制消噪，因?yàn)榻?jīng)過其濾波處理后譜峰定位的重復(fù)性較好。

由于光譜儀中 CCD 像元有一定尺寸，相當(dāng)于對原始的光譜進(jìn)行了離散采樣，所以可能會(huì)出現(xiàn)漏峰的情況。如果使用原始光譜數(shù)據(jù)中的最大值作為峰值波長會(huì)影響定位的精度，因此需要選用合適的算法對譜峰位置進(jìn)行確定。質(zhì)心法是常用的峰值定位算法，適用于處理關(guān)于峰值位置對稱的光點(diǎn)信號，質(zhì)心法公式為

2.共聚焦傳感器主要參數(shù)和優(yōu)勢

德國米銥公司confocalDT IFC 2461控制器參數(shù)表

IFS2405系列共聚焦傳感器探頭參數(shù)

IFS2405系列共聚焦傳感器探頭尺寸

光譜共焦位移傳感器與激光位移傳感器的對比：

激光三角反射法位移傳感器光譜共焦位移傳感器（色散位移傳感器）遮擋陰影的影響

高度變化映射到傳感器像位移，根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算出高度距離。圖中陰影部分是測量盲區(qū)。

光線是從四面八方照射過來的，即使大部分的光線被阻擋，只要有一小部分返回，照樣可以測量，甚至能測量其它方法無法測量的小孔和槽底部。一個(gè)光譜共焦傳感器可以起4個(gè)從不同方向照射的激光位移傳感器的作用。透明體和鏡面被測物的影響

激光光斑可能在透明被測物表面發(fā)生透射，在被測物內(nèi)部產(chǎn)生光暈，從而導(dǎo)致激光位移傳感器測量偏差。另一方面，激光位移傳感器需要光斑在被測物表面形成漫反射，在一個(gè)傾斜角度上收集回光。而對于鏡面反射被測物，能夠進(jìn)入側(cè)面收光器的光線很少，可能導(dǎo)致測量困難，需要傾斜安裝或使用鏡面檢測專用激光位移傳感器。

半透明材質(zhì)光斑周圍的漫反射光被小孔阻擋無法返回到光譜分析儀，不會(huì)影響測量。這種方法和全息原理相似，理論上每一束經(jīng)過小孔返回的光都攜帶了距離信息，透明表面或鏡面也會(huì)反射一部分光回去，所以透明材質(zhì)也可以測量。采用同軸檢測，發(fā)射光和返回光在同一軸線上，避免因全反射導(dǎo)致的回光不足問題。光譜共焦傳感器可以用于檢測鏡面被測物。鏡面物體大角度測量的影響

當(dāng)鏡面被測物邊沿有很大傾斜角度時(shí)（如手機(jī)3D玻璃邊沿），激光三角反射法位移傳感器的回光可能發(fā)生很大角度的反射，導(dǎo)致側(cè)向收光器回光很少，無法測量。

在比較大的彎曲或傾斜角度內(nèi)，只要有一小部分光返回，就可以完成測量任務(wù)。不需要傾斜安裝或使用鏡面反射特殊型號位移傳感器，減少了傳感器品種數(shù)和安裝難度，大大提高使用效率。光斑大小的影響

激光三角反射式位移傳感器只有在聚焦點(diǎn)光斑最小，離開聚焦點(diǎn)后光斑都會(huì)變大。對于測量微小結(jié)構(gòu)的測量任務(wù)，可能會(huì)帶來測量困難。

在量程范圍內(nèi)，測量有效波長的光永遠(yuǎn)都在焦點(diǎn)上，可以全量程保持分辨率和精度。因此光譜共焦位移傳感器特別適合測量微小幾何結(jié)構(gòu)和輪廓變化。

光譜共焦傳感器應(yīng)用領(lǐng)域：

共焦傳感器多層厚度測量

共焦傳感器醫(yī)療器械測量

共焦傳感器液面測量

共焦傳感器PCB板檢測

共焦傳感器光刻機(jī)定位

共焦傳感器手機(jī)行業(yè)檢測

共焦傳感器測量曲面玻璃

共焦傳感器測量深孔內(nèi)部

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