一文读懂什么是光谱共焦传感器（共聚焦传感器，色散共焦传感器）
1. 共聚焦传感器测量技术发展历史
随着精密制造业的发展，对精密测量技术的要求越来越高。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。
1940年，眼科医生HansGoldmann在瑞士伯尔尼发明了裂隙灯系统，用于眼科检查。这个眼科检测系统被认为是共聚焦传感器测量系统的雏形。
1943年，ZyunKoana 发表了共聚焦传感器测量系统设计图，图中明确展示了共聚焦测量系统的传输光路。
1951年，HirotoNaora, Koana的同事,在科学杂志撰文描述了共聚焦分光光度法。
1955年，MarvinMinsky制造出了首台共聚焦显微镜，并于1957年申请了专利
1960年，捷克斯洛伐克查尔斯大学医学专业的Mojmír Petráň开发出了首款串联扫描共聚焦测量系统，被认为是首款商业化的同类系统。
2006年，德国米铱公司推出全球最小直径共聚焦传感器探头，为精密位移测量任务提供了新的选择。
2. 共聚焦传感器测量原理
光谱共焦位移传感器是一种通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息的装置，如图1 所示，白光LED光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看作点光源，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焦点，且每一个单色光焦点到被测物体的距离都不同。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测面上，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，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。
3. 共聚焦传感器的结构设计
在光谱共焦位移传感器系统中，系统的测量范围受4个方面的因素影响：1）光源光谱分布范围；2）色散镜头在工作波段范围内的轴向色差；3）光谱仪的工作波段；4）光纤耦合器的工作波段。选择的白光LED光源的光谱分布如图2所示，波段400～800nm，所以在设计过程中，色散镜头、光谱仪和光纤耦合器的工作波段要尽量与光源的波段一致，最终系统的测量范围为色散物镜在其共同工作波段范围内的轴向色差。
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。
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。光谱共焦位移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。本文采用了美国thorlabs 公司的消色差和非球面透镜组合，色散镜头设计如图3 所示。并选择在光源波段范围内耦合效率较高的光纤耦合器和分辨率为0.5nm的光谱仪，具体元件及参数如表1 所示。
1. 共聚焦传感器测量技术发展历史
随着精密制造业的发展，对精密测量技术的要求越来越高。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。
1940年，眼科医生HansGoldmann在瑞士伯尔尼发明了裂隙灯系统，用于眼科检查。这个眼科检测系统被认为是共聚焦传感器测量系统的雏形。
1943年，ZyunKoana 发表了共聚焦传感器测量系统设计图，图中明确展示了共聚焦测量系统的传输光路。
1951年，HirotoNaora, Koana的同事,在科学杂志撰文描述了共聚焦分光光度法。
1955年，MarvinMinsky制造出了首台共聚焦显微镜，并于1957年申请了专利
1960年，捷克斯洛伐克查尔斯大学医学专业的Mojmír Petráň开发出了首款串联扫描共聚焦测量系统，被认为是首款商业化的同类系统。
2006年，德国米铱公司推出全球最小直径共聚焦传感器探头，为精密位移测量任务提供了新的选择。
2. 共聚焦传感器测量原理
光谱共焦位移传感器是一种通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息的装置，如图1 所示，白光LED光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看作点光源，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焦点，且每一个单色光焦点到被测物体的距离都不同。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测面上，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，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。
3. 共聚焦传感器的结构设计
在光谱共焦位移传感器系统中，系统的测量范围受4个方面的因素影响：1）光源光谱分布范围；2）色散镜头在工作波段范围内的轴向色差；3）光谱仪的工作波段；4）光纤耦合器的工作波段。选择的白光LED光源的光谱分布如图2所示，波段400～800nm，所以在设计过程中，色散镜头、光谱仪和光纤耦合器的工作波段要尽量与光源的波段一致，最终系统的测量范围为色散物镜在其共同工作波段范围内的轴向色差。
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。
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。光谱共焦位移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。本文采用了美国thorlabs 公司的消色差和非球面透镜组合，色散镜头设计如图3 所示。并选择在光源波段范围内耦合效率较高的光纤耦合器和分辨率为0.5nm的光谱仪，具体元件及参数如表1 所示。
