2021-09-17
混色光是由眾多不同波長(zhǎng)光線組成的，我們稱之為光譜。所有不同波長(zhǎng)的可見光重疊在一起，形成白光。人類肉眼可見光的波長(zhǎng)范圍從400nm(藍(lán)光)到700nm(紅光)。通過透鏡，不同顏色的光不會(huì)聚焦到同一個(gè)點(diǎn)上。這種現(xiàn)象稱為色差透鏡錯(cuò)誤或者叫色差透鏡偏差。
光譜共焦位移傳感器的光學(xué)系統(tǒng)可以看成兩個(gè)部分，一部分是消色差場(chǎng)鏡，它的焦點(diǎn)在光源處，把點(diǎn)光源準(zhǔn)直成平行光，另一部分為色散物鏡，它的作用是把不同波長(zhǎng)的平行光聚焦在軸上的不同位置，形成光譜色散，而消色差透鏡和非球面透鏡正好可以起到這樣的作用。
由于系統(tǒng)要分析反射回光纖的光譜光強(qiáng)分布情況，所以對(duì)共焦過程進(jìn)行了模擬，在仿真過程中，將平面鏡置于焦面處，使通過光學(xué)系統(tǒng)的光經(jīng)過平面鏡反射后又回到光學(xué)系統(tǒng)，并成像在光源位置。通過觀察像面處的點(diǎn)列圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平面鏡設(shè)置在不同波長(zhǎng)的焦面處時(shí)，聚焦波長(zhǎng)在像面處的彌散斑較小，而其他波長(zhǎng)的彌散斑較大。
自然界的日光屬白光一種，白光不是純潔的光，而是許多單色光組成的。光在不同介質(zhì)中傳播可能會(huì)有角度偏差的現(xiàn)象產(chǎn)生，而實(shí)際的白光照射下不同介質(zhì)將有很多單線光的折射。光學(xué)材料(透鏡)對(duì)于不同單色光的折射率是不同的，也就是折射角度不同波長(zhǎng)愈短折射率愈大，波長(zhǎng)愈長(zhǎng)折射率愈小(這也是不同望遠(yuǎn)鏡所謂的色差不同的原因)，同一薄透鏡對(duì)不同單色光，每一種單色光都有不同的焦距，按色光的波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)，它們的像點(diǎn)離開透鏡由近到遠(yuǎn)地排列在光軸上(不同的單色光的波長(zhǎng)是不同的)這樣成像就產(chǎn)生了所謂色差透鏡錯(cuò)誤。色差透鏡錯(cuò)誤使成像產(chǎn)生色斑或暈環(huán)。
而光譜共焦測(cè)量方法恰恰利用這種物理現(xiàn)象的特點(diǎn)。通過使用特殊透鏡，延長(zhǎng)不同顏色光的焦點(diǎn)光暈范圍，形成特殊放大色差，使其根據(jù)不同的被測(cè)物體到透鏡的距離，會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)精確波長(zhǎng)的光聚焦到被測(cè)物體上。通過測(cè)量反射光的波長(zhǎng)，就可以得到被測(cè)物體到透鏡的精確距離。這一過程與攝影器材通過各種方法消減色差的過程正好相反。
白色光通過一個(gè)半透鏡面到達(dá)凸透鏡。上述特殊色差就在這里產(chǎn)生。光線照射到被測(cè)物體后發(fā)生反射,透過凸透鏡，返回到傳感器探頭內(nèi)的半透鏡上。半透鏡將反射光折射到一個(gè)穿孔蓋板上，小孔只允許聚焦好的反射光通過。透過穿孔蓋板的光是一組模糊光譜，也就是說若干不同波長(zhǎng)的光都有可能穿過小孔照在CCD感光矩陣單元上。但是只有在被測(cè)物體上聚焦的反射光擁有足夠光強(qiáng)，在CCD感光矩陣上產(chǎn)生一個(gè)明顯的波峰。在穿孔蓋板后面，需要一個(gè)分光器測(cè)量反射光的顏色信息。分光器類似一個(gè)特制光柵，可以根據(jù)反射光的波長(zhǎng)，增強(qiáng)或減弱折射率。因此，CCD矩陣上的每一個(gè)位置，對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)量物體到探頭的距離。
