1.共聚焦傳感器測量技術(shù)發(fā)展歷史

隨著(zhù)精密制造業(yè)的發(fā)展，對精密測量技術(shù)的要求越來(lái)越高。位移測量技術(shù)作為幾何量精密測量的基礎，不僅需要超高測量精度，而且需要對環(huán)境和材料的廣泛適應性，并且逐步趨于實(shí)時(shí)、無(wú)損檢測。與傳統接觸式測量方法相比，共聚焦傳感器具有高速度，高精度，高適應性等明顯優(yōu)勢。

1940年，眼科醫生Hans Goldmann在瑞士伯爾尼發(fā)明了裂隙燈系統，用于眼科檢查。這個(gè)眼科檢測系統被認為是共聚焦傳感器測量系統的雛形。

1943年，Zyun Koana 發(fā)表了共聚焦傳感器測量系統設計圖，圖中明確展示了共聚焦測量系統的傳輸光路。

1951年，Hiroto Naora, Koana的同事, 在科學(xué)雜志撰文描述了共聚焦分光光度法。

1955年，Marvin Minsky制造出了首臺共聚焦顯微鏡，并于1957年申請了專(zhuān)利

1960年，捷克斯洛伐克查爾斯大學(xué)醫學(xué)專(zhuān)業(yè)的Mojmír Petráň開(kāi)發(fā)出了首款串聯(lián)掃描共聚焦測量系統，被認為是首款商業(yè)化的同類(lèi)系統。

2006年，德國米銥公司推出全球最小直徑共聚焦傳感器探頭，為精密位移測量任務(wù)提供了新的選擇。

2.共聚焦傳感器測量原理

光譜共焦位移傳感器是一種通過(guò)光學(xué)色散原理建立距離與波長(cháng)間的對應關(guān)系，利用光譜儀解碼光譜信息，從而獲得位置信息的裝置，如圖 1 所示，白光LED 光源發(fā)出的光通過(guò)光纖耦合器后可以近似看作點(diǎn)光源，經(jīng)過(guò)準直和色散物鏡聚焦后發(fā)生光譜色散，在光軸上形成連續的單色光焦點(diǎn)，且每一個(gè)單色光焦點(diǎn)到被測物體的距離都不同。當被測物處于測量范圍內某一位置時(shí)，只有某一波長(cháng)的光聚焦在被測面上，該波長(cháng)的光由于滿(mǎn)足共焦條件，可以從被測物表面反射回光纖耦合器并進(jìn)入光譜儀，而其他波長(cháng)的光在被測物面表面處于離焦狀態(tài)，反射回的光在光源處的分布遠大于光纖纖芯直徑，所以大部分光線(xiàn)無(wú)法進(jìn)入光譜儀。通過(guò)光譜儀解碼得到光強最大處的波長(cháng)值，從而測得目標對應的距離值。由于采用了共焦技術(shù)，因此該方法具有良好的層析特性，提高了分辨力，并且對被測物特性和雜散光不敏感。

3.共聚焦傳感器的結構設計

在光譜共焦位移傳感器系統中，系統的測量范圍受4個(gè)方面的因素影響：1）光源光譜分布范圍；2）色散鏡頭在工作波段范圍內的軸向色差；3）光譜儀的工作波段；4）光纖耦合器的工作波段。選擇的白光LED 光源的光譜分布如圖2所示，波段 400～800 nm，所以在設計過(guò)程中，色散鏡頭、光譜儀和光纖耦合器的工作波段要盡量與光源的波段一致，最終系統的測量范圍為色散物鏡在其共同工作波段范圍內的軸向色差。

在設計色散鏡頭時(shí)，除了要考慮其軸向色差外，還要考慮如下因素：1）增大物方數值孔徑可以提高分辨率；2）增大像方數值孔可以提高光源利用率；3）減小系統球差可以提高精度；4）系統結構要易于裝配和調整。

以上這些因素是相互制約的，增大數值孔徑的同時(shí)系統球差也隨之變大，如果要校正球差系統，結構就會(huì )變得復雜，所以色散鏡頭設計的目的是用最少的透鏡達到最理想的效果。光譜共焦位移傳感器的光學(xué)系統可以看成兩個(gè)部分，一部分是消色差場(chǎng)鏡，它的焦點(diǎn)在光源處，把點(diǎn)光源準直成平行光，另一部分為色散物鏡，它的作用是把不同波長(cháng)的平行光聚焦在軸上的不同位置，形成光譜色散，而消色差透鏡和非球面透鏡正好可以起到這樣的作用。本文采用了美國 thorlabs 公司的消色差和非球面透鏡組合，色散鏡頭設計如圖 3 所示。并選擇在光源波段范圍內耦合效率較高的光纖耦合器和分辨率為0.5nm的光譜儀，具體元件及參數如表 1 所示。

通過(guò) ZEMAX 軟件仿真分析，在 400～700 nm 波段色散鏡頭的色散范圍為 2.3 mm，具體波長(cháng)與聚焦位置的對應關(guān)系如圖 4所示。

由于系統要分析反射回光纖的光譜光強分布情況，所以對共焦過(guò)程進(jìn)行了模擬，在仿真過(guò)程中，將平面鏡置于焦面處，使通過(guò)光學(xué)系統的光經(jīng)過(guò)平面鏡反射后又回到光學(xué)系統，并成像在光源位置。通過(guò)觀(guān)察像面處的點(diǎn)列圖發(fā)現，當平面鏡設置在不同波長(cháng)的焦面處時(shí)，聚焦波長(cháng)在像面處的彌散斑較小，而其他波長(cháng)的彌散斑較大。

圖5 為平面鏡設置在 550 nm 波長(cháng)焦面處時(shí)像面上的點(diǎn)列圖，其中 550 nm 波長(cháng)的彌散斑直徑為41.4 μm，小于光纖纖芯直徑，而 400 nm 波長(cháng)的彌散斑直徑為 2 311.46 μm，遠大于光纖纖芯直徑。為了更準確地分析光纖纖芯直徑對共焦系統的濾光情況，將光纖端面離散為間距 1 nm 的均勻分布點(diǎn)光源，并假設彌散斑與光纖纖芯重疊的部分為可以進(jìn)入光纖的光。

圖 6 為在此條件下計算的平面鏡設置在 450，500，550，600，650 nm 焦面處時(shí)，反射回光纖的光譜光強分布。從圖中可以看出光纖纖芯直徑起到了較好的濾光作用，而且隨著(zhù)波長(cháng)的變大半高寬變大。分析了不同光纖纖芯直徑情況下反射回光纖的光譜光強分布情況，圖 7 為對反射鏡設置在 550 nm 焦面處分析的結果，可以看出當光纖纖芯直徑較小時(shí)，光譜信號能量較弱，隨著(zhù)光纖纖芯直徑的增大，光譜信號能量變強但半高寬也變大，分辨率下降。設計中必須選取合適的光纖，同時(shí)滿(mǎn)足系統的分辨率和信噪比要求。

1.共聚焦傳感器信號數據處理

光譜信息處理的最終目的是為了得到峰值波長(cháng)，但是光纖耦合器的內部回光、光源光強分布的不均勻、CCD 對不同波長(cháng)光響應程度的不同、系統的噪聲等因素都會(huì )對譜峰定位造成影響，需要進(jìn)行預處理后再用適當的算法提取峰值波長(cháng)。

在光譜儀中得到的光譜信息包括光纖內部返回的背景光和從被測物表面返回的信號光。為了得到有用的信號光，首先需要對背景光進(jìn)行采集，然后從光譜儀得到的數據中減去背景光。此外還要考慮光源光譜光強分布不均勻的影響。圖 8 為在圖 6 的基礎上加入光源光譜特性后的光譜光強分布圖，從圖中可以看出峰值波長(cháng)發(fā)生了偏移，所以需要對光源光強進(jìn)行歸一化處理。另外由于傳感器在各個(gè)環(huán)節都會(huì )產(chǎn)生隨機噪聲，所以需要進(jìn)行光譜去噪，常用的光譜去噪方法有中值濾波、小波函數濾波等，比較了不同的濾波方法后，最終選擇了用 db6 小波進(jìn)行 6 次分解強制消噪，因為經(jīng)過(guò)其濾波處理后譜峰定位的重復性較好。

由于光譜儀中 CCD 像元有一定尺寸，相當于對原始的光譜進(jìn)行了離散采樣，所以可能會(huì )出現漏峰的情況。如果使用原始光譜數據中的最大值作為峰值波長(cháng)會(huì )影響定位的精度，因此需要選用合適的算法對譜峰位置進(jìn)行確定。質(zhì)心法是常用的峰值定位算法，適用于處理關(guān)于峰值位置對稱(chēng)的光點(diǎn)信號，質(zhì)心法公式為

2.共聚焦傳感器主要參數和優(yōu)勢

德國米銥公司confocalDT IFC 2461控制器參數表

IFS2405系列共聚焦傳感器探頭參數

IFS2405系列共聚焦傳感器探頭尺寸

光譜共焦位移傳感器與激光位移傳感器的對比：

激光三角反射法位移傳感器光譜共焦位移傳感器（色散位移傳感器）遮擋陰影的影響

高度變化映射到傳感器像位移，根據三角函數計算出高度距離。圖中陰影部分是測量盲區。

光線(xiàn)是從四面八方照射過(guò)來(lái)的，即使大部分的光線(xiàn)被阻擋，只要有一小部分返回，照樣可以測量，甚至能測量其它方法無(wú)法測量的小孔和槽底部。一個(gè)光譜共焦傳感器可以起4個(gè)從不同方向照射的激光位移傳感器的作用。透明體和鏡面被測物的影響

激光光斑可能在透明被測物表面發(fā)生透射，在被測物內部產(chǎn)生光暈，從而導致激光位移傳感器測量偏差。另一方面，激光位移傳感器需要光斑在被測物表面形成漫反射，在一個(gè)傾斜角度上收集回光。而對于鏡面反射被測物，能夠進(jìn)入側面收光器的光線(xiàn)很少，可能導致測量困難，需要傾斜安裝或使用鏡面檢測專(zhuān)用激光位移傳感器。

半透明材質(zhì)光斑周?chē)穆瓷涔獗恍】鬃钃鯚o(wú)法返回到光譜分析儀，不會(huì )影響測量。這種方法和全息原理相似，理論上每一束經(jīng)過(guò)小孔返回的光都攜帶了距離信息，透明表面或鏡面也會(huì )反射一部分光回去，所以透明材質(zhì)也可以測量。采用同軸檢測，發(fā)射光和返回光在同一軸線(xiàn)上，避免因全反射導致的回光不足問(wèn)題。光譜共焦傳感器可以用于檢測鏡面被測物。鏡面物體大角度測量的影響

當鏡面被測物邊沿有很大傾斜角度時(shí)（如手機3D玻璃邊沿），激光三角反射法位移傳感器的回光可能發(fā)生很大角度的反射，導致側向收光器回光很少，無(wú)法測量。

在比較大的彎曲或傾斜角度內，只要有一小部分光返回，就可以完成測量任務(wù)。不需要傾斜安裝或使用鏡面反射特殊型號位移傳感器，減少了傳感器品種數和安裝難度，大大提高使用效率。光斑大小的影響

激光三角反射式位移傳感器只有在聚焦點(diǎn)光斑最小，離開(kāi)聚焦點(diǎn)后光斑都會(huì )變大。對于測量微小結構的測量任務(wù)，可能會(huì )帶來(lái)測量困難。

在量程范圍內，測量有效波長(cháng)的光永遠都在焦點(diǎn)上，可以全量程保持分辨率和精度。因此光譜共焦位移傳感器特別適合測量微小幾何結構和輪廓變化。

光譜共焦傳感器應用領(lǐng)域：

共焦傳感器多層厚度測量

共焦傳感器醫療器械測量

共焦傳感器液面測量

共焦傳感器PCB板檢測

共焦傳感器光刻機定位

共焦傳感器手機行業(yè)檢測

共焦傳感器測量曲面玻璃

共焦傳感器測量深孔內部

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