光谱共焦传感器在几何量计量测试中的典型应用

　　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。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。

　　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。

　　光谱共焦传感器在几何量计量测试中的典型应用

　　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。

　　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。

　　假设物体表面与传感器相对移动，此时物体表面另外一点刚好处在单色光(λ1)的像点处，则光谱仪探测到的光谱曲线即为单色光(λ1)的光谱，如图2所示。通过每次测量得到不同的波长值，即可推算出物体表面不同点之间的相对位移值。如果配上三维精细扫描机构，即可进行整体的三维表面轮廓及形貌的精确测量。

　　光谱共焦传感器凭借其独特的测量原理，相比其他传统的位移传感器，具有非接触、体积小、精度高、测量效率高的特点，在各个领域得到了广泛的应用。

　　光谱共焦技术将轴向距离与波长建立起一套编码规则，是一种高精度、非接触的光学测量技术。基于光谱共焦技术的传感器作为一种亚微米级、快速精确测量的传感器，已经被广泛应用于表面微观形状、厚度测量、位移测量、在线监控及过程控制等工业测量领域。随着光谱共焦传感技术的发展，必将在微电子、线宽测量、纳米测试、超精密几何量计量测试等领域得到更多的应用。

　　审核编辑：鄢孟繁