光谱共焦测量原理和应用

众所周知，自然界的日光属白光一种，白光不是纯洁的光，而是许多单色光组成的。人类肉眼可见光的波长范围从400nm (蓝光)到700nm (红光)。光在不同介质中传播可能会有角度偏差的现象产生，而实际的白光照射下不同介质将有很多单线光的折射。光学材料（透镜）对于不同单色光的折射率是不同的，也就是折射角度不同.波长愈短折射率愈大，波长愈长折射率愈小（这也是不同望远镜所谓的色差不同的原因），同一薄透镜对不同单色光，每一种单色光都有不同的焦距，按色光的波长由短到长，它们的像点离开透镜由近到远地排列在光轴上（不同的单色光的波长是不同的）这样成像就产生了所谓色差透镜错误。色差透镜错误使成像产生色斑或晕环。在摄影器材中，应通过特殊处理，尽量消减色差透镜错误导致的成像问题。常用的消除方法有双胶合系统与双分离系统。

图1一面单透镜的色差造成对不同波长的色光产生了不同的焦距

图2对于消色差双合透镜而言，可见光的波长近似具有相等的焦距

图3具有抵消色散属性的衍射光学器件可以用来矫正色差

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。

为了得到上述特殊的色差，需要在传感器探头内使用若干特殊透镜，用来根据所需量程将光线分解。然后使用一个凸透镜，将传感器探头射出的光线聚拢在一条轴线上，形成所谓的焦点轴线。如果不使用凸透镜，传感器探头射出的光将分散开来，测量也就无法进行了。

白色光通过一个半透镜面到达凸透镜。上述特殊色差就在这里产生。光线照射到被测物体后发生反射,透过凸透镜，返回到传感器探头内的半透镜上。半透镜将反射光折射到一个穿孔盖板上，小孔只允许聚焦较好的反射光通过。透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有可能穿过小孔照在CCD感光矩阵单元上。但是只有在被测物体上聚焦的反射光拥有足够光强，在CCD感光矩阵上产生一个明显的波峰。在穿孔盖板后面，需要一个分光器测量反射光的颜色信息。分光器类似一个特制光栅，可以根据反射光的波长，增强或减弱折射率。因此，CCD矩阵上的每一个位置，对应一个测量物体到探头的距离。

图4

这个的测量原理可以使用在平面度、3D轮廓检测上，通过扫描获取多条轮廓，小角度曲面可以使用大角度传感器大角度曲面使仿形法来进行测量。（图5），也可以用在段差、台阶、组装位置、壁厚。可检测的材质可以是金属，玻璃，非金属，半透明胶水。

图5

也可以通过对射来实现透明，非透明，半透明材料的厚度测量（图6）

图6

在量程 2mm 传感器，在持续 3 小时的静态环境测试下的多次测量结果的波动大约在±0.25um 左右（图7），分别率可以达到纳米级，测量量程在0.05到50mm可选，测量光斑4到50微米可选，工作距离在10到70mm可选。

图7

外星眼机器视觉认为：共焦测距可以达到更高的精度，但是不容还原产品的3D轮廓，对于精确的3D测量会更有益一些。

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