色散镜头在光谱共焦位移传感器中的应用

In: 行业资讯 On: Wednesday, March 18, 2020 Hit: 776

      近年来,随着精密制造业的不断发展,对测量的精确度提出了更高的要求,位移测量技术作为几何量精密测量的基础,不仅需要超高测量精度,而且需要对环境和材料的广泛适应性,并且逐步趋于实时、无损检测。与传统接触式测量方法相比,共聚焦传感器具有高速度,高精度,高适应性等明显优势。

      先来说说共聚焦传感器的测量原理,大家都知道光是一种波,当一束白光经过一块三棱镜会出现颜色分离,这就是色散。色散本质上是由于材料对于不同波长的光折射率是不一样的,折射率不一样就会导致不同波长的光传播路径不同,而光谱共聚焦位移传感器就是使用这样的原理。将白光分成不同颜色的光,经过镜头后,不同波长的光在轴上的聚焦位置不同。那么其他波长的光会不会也反射回去呢?会的,但是由于其他波长在这个位置是处于离焦状态,反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径,所以大部分光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值,从而测得目标对应的距离值。由于采用了共焦技术,因此该方法具有良好的层析特性,提高了分辨力,并且对被测物特性和杂散光不敏感。

      色散物镜作为整个仪器的眼睛是十分重要的,而且这种镜头从设计上就很特殊,一般镜头都是要消除色差,而色散物镜则需要轴向色差尽可能大,这样它的量程也会更大。在设计色散镜头时,除了要考虑其轴向色差外,还要考虑如下因素:1)增大物方数值孔径可以提高分辨率;2)增大像方数值孔可以提高光源利用率;3)减小系统球差可以提高精度;4)系统结构要易于装配和调整。

      而以上这些因素是相互制约的,增大数值孔径的同时系统球差也随之变大,如果要校正球差系统,结构就会变得复杂,所以色散镜头设计的目的是用最少的透镜达到最理想的效果。通常,这种镜头需要被设计到衍射极限,而由于大多光谱共聚焦位移传感器都是由光纤来传输光信号的,所以可以近似看做点光源。对某一固定波长设计镜头通常是简单的,如果要在某段光谱都能较好工 作则比较困难。色散镜头通常会使用白光,所以需要工作在400-700nm附近。

      下一个难点在于色差的均匀性,我们都知道,线性变化是传感器最完美的状态,一个参数发生改变,另一个参数只需要乘上一个固定参数即可得到结果。但是大多数情况下是不容易出现这种情况的,因为像距与波长本身就不是一个简单的线性关系。那么只能通过设计尽可能接近线性,以减小拟合后的误差。

      还有就是量程要尽可能大,在波段固定的情况下,越大的色散范围可以分辨出更细微的波长变化,这是提升系统分辨率最有效的办法。

      最后要说的是镜头分辨率,这种镜头的功能就是相当于把一个点光源色散后聚焦到待测物体上,所以对光斑的大小要求十分高,常用的多模光纤纤芯为50μm,经过聚焦后的大小与物方数值孔径关系很大,而且是成反比的,数值孔径越大,分辨率越高,而普通光纤的数值孔径通常为0.2,所以理论上一个支持0.2数值孔径的镜头分辨率

d=0.61λ/NA=0.61*0.55μm/0.2=1.65μm

      考虑像差和制造引起的误差会使得镜头的成像质量有所下降,当然在允许范围内的都是可以接受的,正因为光谱共焦位移传感器有体积小、测量精度高、应用领域广等优势,近年来色散镜头的需求也逐年增加。我司承接各类特种镜头的定制业务,色散镜头也有开发经验,如果有需求可与我司销售人员联系。

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