光譜共焦傳感器的測量原理是什么？

1666年，牛頓獲得了一塊三棱鏡，開始了他的光學研究。

他在一間暗室的窗戶上設置了一個小孔，緊挨著小孔放置著該三棱鏡。陽光由小孔投射進來，透過三棱鏡，將太陽的像投射到對面的墻壁上。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為圓形，然而他所看到的則是明顯的長條形狀，其長度達寬度的五倍。

牛頓高明之處就在于他已經(jīng)意識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，牛頓又做了一個實驗。他拿三個棱鏡做實驗，三個棱鏡完全相同，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，那么第二個棱鏡和第三個棱鏡就會增加這一分散性?？墒菍嶒灲Y(jié)果是，原來分散的各種顏色，經(jīng)過第二個棱鏡后又還原成白光，形狀和原來的一樣。再經(jīng)過第三個棱鏡，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《皇家學會哲學雜志》上，這是他第一次公開發(fā)表的論文，論文的題目是《關于光和色的新理論》（New Theory about Light and Colors）。2月8日，他在英國皇家學會宣讀了這篇論文。

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)中傳播可能會有角度偏差的現(xiàn)象產(chǎn)生，而實際的白光照射下不同介質(zhì)將有很多單線光的折射。光學材料（透鏡）對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@也是不同望遠鏡所謂的色差不同的原因），同一薄透鏡對不同單色光，每一種單色光都有不同的焦距，按色光的波長由短到長，它們的像點離開透鏡由近到遠地排列在光軸上（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誤。色差透鏡錯誤使成像產(chǎn)生色斑或暈環(huán)。在攝影器材中，應通過特殊處理，盡量消減色差透鏡錯誤導致的成像問題。常用的消除方法有雙膠合系統(tǒng)與雙分離系統(tǒng)。而光譜共焦測量方法恰恰利用這種物理現(xiàn)象的特點。通過使用特殊透鏡，延長不同顏色光的焦點光暈范圍，形成特殊放大色差，使其根據(jù)不同的被測物體到透鏡的距離，會對應一個精確波長的光聚焦到被測物體上。通過測量反射光的波長，就可以得到被測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，測量也就無法進行了。

白色光通過一個半透鏡面到達凸透鏡。上述特殊色差就在這里產(chǎn)生。光線照射到被測物體后發(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。但是只有在被測物體上聚焦的反射光擁有足夠光強，在CCD感光矩陣上產(chǎn)生一個明顯的波峰。在穿孔蓋板后面，需要一個分光器測量反射光的顏色信息。分光器類似一個特制光柵，可以根據(jù)反射光的波長，增強或減弱折射率。因此，CCD矩陣上的每一個位置，對應一個測量物體到探頭的距離。在整個量程上，共可以得到超過30,000個測量點。這里只計算光線波長，用以產(chǎn)生測量信號。反射光產(chǎn)生的信號波峰振幅并不在信號測量依據(jù)之內(nèi)。也就是說反射光的光強不會影響測量結(jié)果。這意味著，無論有多少反射光從被測物體反射回來，測量的距離結(jié)果可能是不變的。因為反射光的光強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，即使被測物體是強吸光材料，如黑色橡膠；或者是透明材料，如玻璃或者液體，都可以進行正常可靠的測量。

一、光譜共焦傳感器測量的特點

1、傳統(tǒng)三角測距法對比

三角測距是利用感光元件(CCD/CMOS)上的光點位置變化來測量被測物的距離變化。雖然通過從感光波形計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斜會導致感光波形出現(xiàn)位置偏差或波形混亂，從而產(chǎn)生測量誤差

2、測量點錯位問題

使用傳統(tǒng)三角測距法時，隨著高度不同，測量位置或光斑大小會發(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物存在傾斜或翹曲，也可進行高精度的測量，測量點不會改變。

3、可穩(wěn)定測量任何材質(zhì)表面

4、超強角度特性，最大可測傾角87度

傳統(tǒng)三角測距法 同軸共焦測距法

被測物傾斜角度過大時，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，

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

5、針對鏡面、透明、半透明體表面也可以有超強角度特性

傳統(tǒng)三角測距法，測量鏡面體時，對傳感器的安裝角度有苛刻的要求。在使用多頭測量玻璃或柔性樣品厚度的應用中，安裝時必須對各個傳感器進行高精度的角度調(diào)整。使用共焦位移傳感器，無需嚴格的角度調(diào)整就可進行高精度測量。即使被測物在運動過程中的跳動也不會對測量造成過大影響。

6、可同時測量并輸出位移和厚度

7、透明件的平整度和厚度可同時測量

鏡面、透明、半透明體表面也可以有超強角度特性傳統(tǒng)三角測距法，測量鏡面體時，對傳感器的安裝角度有苛刻的要求。在使用多頭測量玻璃或柔性樣品厚度的應用中，安裝時必須對各個傳感器進行高精度的角度調(diào)整。使用共焦位移傳感器，無需嚴格的角度調(diào)整就可進行高精度測量。即使被測物在運動過程中的跳動也不會對測量造成過大影響。來源：測量俱樂部

原文標題：秒懂光譜共焦傳感器的測量原理

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