2022-12-03
任何一個(gè)行業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展都離不開科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這也是市場需求量不斷擴(kuò)大產(chǎn)生的對行業(yè)的促進(jìn)，促使相關(guān)人員對產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，光譜共焦位移傳感器的發(fā)展也是發(fā)生著日新月異的變化。
光譜共焦位移傳感器原理：
一束白光（或多波長混合光）經(jīng)過一個(gè)小孔，經(jīng)過鏡頭將不同的波長聚焦到光軸上，色散地形成一條彩虹狀分布帶，照射到樣品上，部分反射光反射回去；照射在光軸與物體表面交點(diǎn)的光經(jīng)過分光部件，通過小孔照射到光譜分析儀，根據(jù)波長計(jì)算就可以獲得鏡頭到被測物距離。沒有照射在光軸與物體表面交點(diǎn)的光經(jīng)過分光部件，照射在另一個(gè)小孔周圍被阻擋。
光譜共焦位移傳感器系統(tǒng)組成：
光譜共焦傳感器的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的測量范圍受四個(gè)因素的影響：光源的光譜分布范圍;色散透鏡在工作波段的軸向色差;光譜儀的工作波段;光纖耦合器的工作頻段。所選白光LED光源的光譜分布波長范圍為400-800nm。因此，在光譜共焦傳感器的設(shè)計(jì)過程中，色散透鏡、光譜儀和光纖耦合器的工作波段應(yīng)盡可能與光源的波段一致。該系統(tǒng)的測量范圍是其常見的色散物鏡。光譜共焦傳感器的工作波段范圍內(nèi)的軸向色差。
設(shè)計(jì)色散透鏡時(shí)，除考慮其軸向色差外，光譜共焦傳感器還應(yīng)該考慮以下因素：首先要增加物側(cè)數(shù)值孔徑可提高分辨率;其次就是增加像側(cè)數(shù)值孔徑可以提高光源的利用率;然后減少系統(tǒng)的球差可以提高精度;光譜共焦傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該要比較容易組裝和調(diào)整。
如果要校正球差系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)會變得復(fù)雜，所以光譜共焦傳感器的色散透鏡設(shè)計(jì)的目的是用非常少的透鏡達(dá)到更好的效果。光譜共焦傳感器的光學(xué)系統(tǒng)可以看成兩部分，一部分是消色差場鏡，焦點(diǎn)在光源處，點(diǎn)光源準(zhǔn)直成平行光，另一部分是色散物鏡，它的作用是將波長的平行光聚焦在軸上的不同位置，產(chǎn)生光譜色散，這正是消色差透鏡和非球面透鏡可以做到的。并選擇光源波段范圍內(nèi)耦合效率高的光纖耦合器和分辨率為0.5nm的光譜儀。
光譜共焦位移傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：
1、表面粗糙度測量應(yīng)用 表面粗糙度是指零件在加工過程中由于不同的加工方法、機(jī)床與刀具的精度、振動及磨損等因素在工件加工表面上形成的具有較小間距和較小峰谷的微觀水平狀況，是表面質(zhì)量的一個(gè)重要衡量指標(biāo)，關(guān)系零件的磨損、密封、潤滑、疲勞、研和等機(jī)械性能。 表面粗糙度測量主要可分為接觸式測量和非接觸式測量。觸針式接觸測量容易劃傷測量表面、針尖易磨損、測量效率低、不能測復(fù)雜表面，而非接觸測量相對而言可以實(shí)現(xiàn)非接觸、高效、在線實(shí)時(shí)測量，而成為未來粗糙度測量的發(fā)展方向。目前常用的非接觸法主要有干涉法、散射法、散斑法、聚焦法等。而其中聚焦法較為簡單實(shí)用。 采用光譜共焦位移傳感器，搭建了一套簡易的測量裝置，對膜式燃?xì)獗淼拈y蓋粗糙度進(jìn)行了非接觸的測量，以此來判斷閥蓋密封性合格與否,取得了一定的效果。基于光譜共焦傳感器，利用其搭建的二維納米測量定位裝置對粗糙度樣塊進(jìn)行表面粗糙度的非接觸測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行不確定評定，得到U95為13.9%。
2、輪廓、幾何尺寸測量應(yīng)用 隨著機(jī)械加工水平的發(fā)展，越來越多的微小復(fù)雜工件需要進(jìn)行輪廓測量及精密尺寸測量，如小圓倒角的測量、小工件內(nèi)壁溝槽尺寸等的測量。一些精密光學(xué)元件也需要進(jìn)行非接觸的輪廓形貌測量，以避免接觸測量時(shí)劃傷光學(xué)表面。這些用傳統(tǒng)傳感器難以解決的測量難題，均可用光譜共焦傳感器搭建測量系統(tǒng)以解決。 滾針對渦輪盤輪廓度檢測的問題，利用光譜共焦式位移傳感器實(shí)現(xiàn)渦輪盤輪廓度在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過自行搭建的二維納米測量定位裝置，選用光譜共焦傳感器作為測頭，實(shí)現(xiàn)對超精密零件的二維尺寸測量。使用激光共焦位移計(jì)，配合二維精密控制微動臺，對西漢的日光鏡進(jìn)行表面起伏深度的掃描，來探究光鏡反光成像原理。
3、薄膜材料厚度測量應(yīng)用 由于光譜共焦傳感器對于不同的反射面反射回來的單色光的波長不同，因此對于材料的厚度精密測量具有獨(dú)特的優(yōu)勢。光學(xué)玻璃、生物薄膜、平行平板等，兩個(gè)反射面都會反射不同波長的單色光，進(jìn)而只需一個(gè)傳感器，即可推算出厚度，測量精度可達(dá)微米量級，且不損傷被測表面。討論了利用光譜共焦位移傳感器測量透明材料厚度的應(yīng)用，計(jì)算了該系統(tǒng)的測量誤差范圍大概為0.005mm。提供了利用光譜共焦傳感器對平行平板的厚度以及光學(xué)鏡頭的中心厚度進(jìn)行測量的方法，并針對被測物體材料的色散對厚度測量精度的影響做了理論的分析。為了探究由流體跌落方式制備的薄膜厚度與跌落模式、雷諾數(shù)、底板的傾斜角度之間的關(guān)系，采用光譜共焦傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控制備后的薄膜厚度，其實(shí)驗(yàn)裝置。利用對頂安裝的白光共焦傳感器組，實(shí)現(xiàn)了對厚度為10～100μm的金屬薄膜厚度及分布的精確測量，并進(jìn)行了測量不確定度分析，得到系統(tǒng)的測量不確定度為0.12μm左右。 光譜共焦技術(shù)將軸向距離與波長建立起一套編碼規(guī)則，是一種高精度、非接觸的光學(xué)測量技術(shù)。基于光譜共焦技術(shù)的傳感器作為一種亞微米級、快速精確測量的傳感器，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于表面微觀形狀、厚度測量、位移測量、在線監(jiān)控及過程控制等工業(yè)測量領(lǐng)域。展望其未來，隨著光譜共焦傳感技術(shù)的發(fā)展，必將在微電子、線寬測量、納米測試、超精密幾何量計(jì)量測試等領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。
