光谱共焦传感器在设计色散镜头时,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)光谱共焦传感器的·系统结构要易于装配和调整。 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少的透镜达到理想的效果。光谱共焦传感器的光学系统可以看成两个部分,一部分是消色差场镜,它的焦点在光源处,把点光源准直成平行光,另一部分为色散物镜,它的作用是把不同波长的平行光聚焦在轴上的不同位置,形成光谱色散,而消色差透镜和非球面透镜正好可以起到这样的作用。
由于光谱共焦传感器的系统要分析反射回光纤的光谱光强分布情况,所以对共焦过程进行了模拟,在仿真过程中,将平面镜置于焦面处,使通过光学系统的光经过平面镜反射后又回到光学系统,并成像在光源位置。通过观察像面处的点列图发现,当平面镜设置在不同波长的焦面处时,聚焦波长在像面处的弥散斑较小,而其他波长的弥散斑较大。平面镜设置在 550 nm 波长焦面处时像面上的点列图,其中 550 nm 波长的弥散斑直径为41.4 μm,小于光纤纤芯直径,而 400 nm 波长的弥散斑直径为 2 311.46 μm,远大于光纤纤芯直径。为了较准确地分析光纤纤芯直径对共焦系统的滤光情况,将光纤端面离散为间距 1 nm 的均匀分布点光源,并假设弥散斑与光纤纤芯重叠的部分为可以进入光纤的光。
光谱共焦传感器原理简介
1. 光谱共焦传感器内部的一束白光穿过小孔S,照射在色散镜头组L上。色散镜头组把白光分解成不同波长的单色光,每一个波长对应一个固定的距离值。
2. 当对象出现在测量区域的时候,一个特定波长的单色光正好照射在其表面,并且反射进光学系统。
3. 此反射光通过一个小孔S,,(只有**聚焦在被测体表面的光才可以穿过这个小孔),由波长识别系统(光谱仪)识别其波长,从而得到其所代表的精确距离值。
4.由光源射出一束宽光谱的复色光(呈白色),通过色散镜头发生光谱色散,形成不同波长的单色光。每一个波长的焦点都对应一个距离值。测量光射到物体表面被反射回来,只有满足共焦条件的单色光,可以通过小孔被光谱仪感测到。通过计算被感测到的焦点的波长,换算获得距离值.光谱共焦传感器就是通过以上原理来实现测量的。
激光三角反射式位移传感器只有在聚焦点光斑小,离开聚焦点后光斑都会变大。对于测量微小结构的测量任务,可能会带来测量困难。
但是光谱共焦传感器只要是在量程范围内,测量有效波长的光永远都在焦点上,可以全量程保持分辨率和精度。因此光谱共焦传感器特别适合测量微小几何结构和轮廓变化。所以现在越来越多的工业自动化厂商都在使用光谱共焦传感器。
光谱共焦传感器的选择方法参考一
光谱共焦传感器的参数选择,很多厂家都提供多个级别的光谱共焦传感器供客户选择。常用于选择光谱共焦传感器的指标包括传感器的精度,该参数也有其他称呼,如线性度、横向精度误差等。指的是光谱共焦传感器的测量值偏离理论真实值的偏差程度。这个参数直接反应测得准不准。*二个就是分辨率,这个参数指传感器做出示数变化所需要的小位移变化量,通常分辨率参数值要小于精度。*三个是测量速度,以ERT/CCS系列光谱共焦传感器为例,其测量速度可以达到10kHz, 测量速度直接决定测量是否可以跟得上被测物的变化速度,能否完整反应位移变化的全过程。扫描频率对要求快速扫描的应用领域,如手机部件检测至关重要,直接决定测量cycle time. 这里特别要注意的,不要单纯比较说明书中的测量频率,某些品牌的标出的测量频率值惊人的高,其实不能长时间使用,因此不具备实际意义,另外某些品牌的误差和分辨率参数都是在多次平均后得到的,切勿在不同的基准上进行比较。
当然除此以外,还有很多参数可以决定传感器的性能,包括能够承受环境温度指标,能够承受的振动和冲击指标等等。为什么要选择合适的指标呢?因为越高的技术参数一定意味着制造工艺的复杂和难度提升,也必然价格昂贵。所以各位制定测量要求时,一定不要凭空想象,提一个**高的测量要求。我见过有的传感器使用单位,动辄要几个微米,甚至纳米级别的测量精度,测量速度还**高,问其真的有必要提这么高的要求吗?回答却往往是不必要,或者要求高余量大。但是大家要记住,没有无代价的指标提升,每一个高指标背后都是真金白银的付出。另外选择光谱共焦位移传感器时,要特别注意一点,各家厂商对参数的标注标准是不一样的。如法国品牌的光谱共焦传感器,通常标注的是真实参数,甚至是保守参数。而日系品牌,在标注时,会以平均后的结果为准。看参数表时,要仔细看看下面的小字,日系品牌**高的参数往往源自多次平均后的结果。光学测量会产生一些毛刺,通过平均的方法可以大大平滑测量结果。
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