光谱共焦测量原理

光谱共焦传感器又叫色散共焦传感器。

1940年，眼科医生Hans Goldmann在瑞士伯尔尼发明了裂隙灯系统，用于眼科的检查，这个眼科检测系统被认为是光谱共焦传感器测量系统的最初雏形。

光谱共焦位移传感器是一种通过光学色散原理建立距离和波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，获得位置信息的装置。白光LED光源发出的光通过光纤耦合器后，可以看做点光源，经过准直和色散物镜聚焦后发生光谱色散，在光轴上形成连续的单色光交点，每一个单色光交点到被测物的距离都不相同，当被测物处于测量范围某一位置的时候，只有某一波长的光聚焦在被侧面上，波长的光满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并且进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，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。

混合光是由许多不同波长的光组成的，我们称之为光谱。所有不同波长的可见光重叠形成白光。可见人眼的波长范围从400nm(蓝光)到700nm(红光)。通过透镜，不同颜色的光不会聚焦在同一点上。这种现象被称为色差透镜或色差透镜偏差。

众所周知，自然光是一种白光，白光不是最纯粹的光，而是许多单色光的组成。在不同介质中传播的光可能存在角度偏移现象，但在实际白光照射下，不同介质中会有许多单线光折射现象。不同折射率的光学材料(透镜)的单色光不同，折射角越小，折射率越大，波长越长，折射率越小(这就是为什么不同的望远镜有所谓的色差)，同样的薄透镜对不同的单色光有不同的焦距，每个焦距从短到长不等，根据光的波长，它们的像点在光轴上与透镜的距离很近或很远(不同单色光的波长是不同的)。这种成像导致了所谓的色差透镜误差。色差镜头错误会导致图像中产生侧板或者光晕。在摄影器材方面，应尽量通过特殊处理，减少因色差错误而引起的成像问题。常用的消除方法有双胶系统和双分离系统。

而光谱共焦测量方法恰恰利用这种物理现象的特点。通过使用特殊透镜，延长不同颜色光的焦点光晕范围，形成特殊放大色差，使其根据不同的被测物体到透镜的距离，会对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上。通过测量反射光的波长，就可以得到被测物体到透镜的精确距离。这一过程与摄影器材通过各种方法消减色差的过程正好相反。

为了得到上面所说的特殊色差，需要在传感器探头内使用若干特殊透镜，用来根据所需要的量程把光线分解，最后使用一个凸透镜，将传感器探头社畜的光纤聚在一条轴线上，行程焦点轴线，如果不适用凸透镜，传感器探头社畜的光会分散开来，这样测量就无法进行了。

白光通过半透镜表面到达凸透镜。这里出现上述特殊色差。光线在照射到被测物体之后被反射，穿过凸透镜，并且返回到传感器探头中的半透镜。半透镜将反射光折射到穿孔盖板上，孔径仅允许最佳聚焦的反射光通过。穿过穿孔盖板的光是一组模糊光谱，也就是说若干不同波长的光都可以穿过CCD感光矩阵单元上的孔。然而，只有聚焦在被测物体上的反射光具有足够的强度，在CCD感光矩阵上产生明显的波峰。在穿孔盖后面，需要一个分光器来测量反射光的颜色信息。分光器类似于一种特殊的光栅，它可以根据反射光的波长来增加或减小折射率。因此，CCD矩阵上的每个位置，对应一个测量对象到探头的距离。

整个量程内有超过30000个测量点。这里仅计算光线波长，用以产生测量信号。由反射光产生的信号峰值幅度不在信号测量依据内。也就是说反射光的强度不影响测量结果。这意味着无论多少反射光从被测量物体反射回，测量的距离结果都可以是不变的。因为反射光的强度仅取决于反射物体的反光程度。即使要测量的对象是强光吸收材料(例如黑色橡胶)或透明材料(例如玻璃或液体)，也可以进行正常可靠的测量。

光谱共焦测量技术能够实现超高的分辨率检测，经过特殊处理得到加长的光谱范围，甚至可实现纳米级分辨率。随着技术的不断升级，光谱共焦传感器可以采用更小的测量光斑，允许极致的微观测量，这样意味着，即便被测表面有非常轻微的划痕，也不能逃过光谱共焦传感器的眼睛。