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量透明材料平行平板厚度的可行性，對其產(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)確快速地測出表面的形狀與輪廓。它們克服了接觸式檢測的諸多缺點(diǎn)，既提高了檢測速度，又保護(hù)了被測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，其測量精度能夠達(dá)到微米量級，可用于對漫反射或鏡反射被測物體的測量。此外，光譜共焦位移傳感器還可以對透明物體進(jìn)行單向厚度測量，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量透明物體的位移時(shí)，由于被測物體的上、下兩個(gè)表面都會(huì)反射，而傳感器接收到的位移信號是通過其上表面計(jì)算出來的，從而會(huì)引起一定的誤差。本文基于測量平行平板的位移，對其進(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)過一系列的光學(xué)反射后，便形成不同波長的單色光；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，從而確定每個(gè)單色光波長對應(yīng)的相應(yīng)位置。還可以在高靈敏感光片上成像，通過單色儀讀出單色波的波長，然后將其換算成為對應(yīng)的距離值，通過控制箱中的光電組件識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，除了能夠測量該物體位移，還可以測量其厚度。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量精度低、工作距離不合適等缺點(diǎn)。Antonin Miks對采用多色光經(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)特的光譜共焦測量原理，憑借一只探頭就可以實(shí)現(xiàn)對玻璃等透明材料進(jìn)行精確的單向厚度測量。
（2）? ? ?光譜共焦位移傳感器有效監(jiān)控藥劑盤以及鋁塑泡罩包裝的填充量。
（3）? ? ?可以使傳感器完成對被測表面的精確掃描，實(shí)現(xiàn)納米級的分辨率。
（4）? ? ?光譜共焦傳感器可以單向?qū)υ噭┢康谋诤襁M(jìn)行測量，而且對瓶壁沒有壓力。
（5）? ? ?可通過設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向反射鏡實(shí)現(xiàn)孔壁的結(jié)構(gòu)檢測及凹槽深度的測量。
（6）? ? ?光譜共焦傳感器用于層和玻璃間隙測量，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，不僅可完成對鏡面及透明物體的常規(guī)測量，還可以完成對薄膜、平板、鍍層等的單向厚度測量。
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量物體的位移，但在測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)。波長為λ1、λ2的單色光通過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為λ1、λ2的單色光信號，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。
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，尤其測量透明物體的厚面方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，而且可以通過補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)較高的分辨率。