摘要:光谱共焦测量技术由于其具有测量精度高、测量速度快、可以实现非接触测量的独特优势而被广泛应用于工业级测量。本文介绍了光谱共焦技术的原理， 列举了国内外光谱共焦传感器在精密几何量计量测试中的一些典型应用， 展望光谱共焦传感器的应用发展前景。
关键词:计量学;光谱共焦;几何量计量测试
0 引言
共焦显微术的概念首先是由美国的Minsky于1955年提出，其利用共焦原理搭建第一台共焦显微镜，并于1957年申请了专利。自20世纪90年代，随着计算机技术的飞速发展，共焦显微术成了研究的热点，得到快速的发展。共焦显微镜可突破普通光学显微镜的衍射极限，其横向分辨力为光学显微镜的1.4倍。共焦测量术由于其高精度、高分辨率以及易于实现三维数字化成像的独特优势，在生物医学、材料科学、半导体制造、表面工程研究、精密测量等领域得到广泛应用。
光谱共焦技术是在共焦显微术基础上发展而来，其无需轴向扫描，直接由波长对应轴向距离信息，从而大幅提高测量速度。而基于光谱共焦技术的传感器是近年来出现的一种高精度、非接触式的新型传感器，精度理论上可达nm量级。由于光谱共焦传感器对被测表面状况要求低，允许被测表面有更大的倾斜角，测量速度快，实时性高，迅速成为工业测量的热门传感器，广泛应用于精密定位、薄膜厚度测量、微观轮廓精密测量等领域。
本文在论述光谱共焦技术原理的基础上，列举了光谱共焦传感器在几何量计量测试中的典型应用，探讨共焦技术在未来精密测量的进一步应用，展望其发展前景。
1 光谱共焦技术工作原理
光谱共焦位移传感器使用宽谱光源照射到被测物体表面，由光谱仪探测反射回来的光谱，确定完美聚焦于物体表面的峰值波长，从而确定其轴向距离信息，其原理如图1所示。

图1光谱共焦传感器工作原理图
光源发出的具有宽光谱的复色光(如白光)穿过针孔后，近似为点光源。复色光经过分光镜(半透半反镜)后，照射在一组色散镜头组上。色散镜头组将复色光在光轴方向上分解成不同波长的单色光(λ1，λ2，λ3…)，当被测物体放置在色散镜头组像平面附近的测量区域时，所有波长的光被反射回透镜组后，通过分光镜的反射面，反射至针孔，由放置在针孔后的光谱仪接收。由于点光源、物体表面某点、光谱仪前的针孔三者相互共轭，只有完美聚焦在被测物体表面的单色光才可以穿过针孔，由光谱分析仪确定其波长。因为每一个波长都预先对应于一个固定的距离值，因此通过确定光谱曲线峰值波长即可推算出对应的精确距离值。
假设被测物体表面某点刚好在单色光(λ2)的像点处，而针孔位于色散镜头组的焦点处，则此单色光反射反射回针孔时，形成的像点最小，刚好穿过针孔，此时光谱仪探测到的光强最大。针孔作为光阑，不但消除了杂散光，而且挡住了非色散透镜主焦平面上其他波长的单色光，有效的提高了光谱仪的信噪比，使得光谱共焦探测系统具有很高的对比度和清晰度，极高的分辨率，可提供可靠、高精度、可持续的尺寸测量。
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