2021-12-23
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，共焦顯微術(shù)成了研究的熱點(diǎn)，得到快速的發(fā)展。光譜共焦測(cè)量技術(shù)由于其具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)級(jí)測(cè)量。
共焦顯微鏡可突破普通光學(xué)顯微鏡的衍射極限，其橫向分辨力為光學(xué)顯微鏡的1.4倍。共焦測(cè)量術(shù)由于其高精度、高分辨率以及易于實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化成像的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體制造、表面工程研究、精密測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
光譜共焦無需軸向掃描，直接由波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)軸向距離信息，從而大幅提高測(cè)量速度。而基于光譜共焦技術(shù)的傳感器是近年來出現(xiàn)的一種高精度、非接觸式的新型傳感器，精度理論上可達(dá)nm量級(jí)。由于光譜共焦傳感器對(duì)被測(cè)表面狀況要求低，允許被測(cè)表面有更大的傾斜角，測(cè)量速度快，實(shí)時(shí)性高，迅速成為工業(yè)測(cè)量的熱門傳感器，廣泛應(yīng)用于精密定位、薄膜厚度測(cè)量、微觀輪廓精密測(cè)量等領(lǐng)域。
光譜共焦傳感器在幾何量計(jì)量測(cè)試中的典型應(yīng)用
光譜共焦技術(shù)工作原理：光譜共焦位移傳感器使用寬譜光源照射到被測(cè)物體表面，由光譜儀探測(cè)反射回來的光譜，確定完美聚焦于物體表面的峰值波長(zhǎng)，從而確定其軸向距離信息。
光源發(fā)出的具有寬光譜的復(fù)色光(如白光)穿過針孔后，近似為點(diǎn)光源。復(fù)色光經(jīng)過分光鏡(半透半反鏡)后，照射在一組色散鏡頭組上。色散鏡頭組將復(fù)色光在光軸方向上分解成不同波長(zhǎng)的單色光(λ1，λ2，λ3…)，當(dāng)被測(cè)物體放置在色散鏡頭組像平面附近的測(cè)量區(qū)域時(shí)，所有波長(zhǎng)的光被反射回透鏡組后，通過分光鏡的反射面，反射至針孔，由放置在針孔后的光譜儀接收。由于點(diǎn)光源、物體表面某點(diǎn)、光譜儀前的針孔三者相互共軛，只有完美聚焦在被測(cè)物體表面的單色光才可以穿過針孔，由光譜分析儀確定其波長(zhǎng)。因?yàn)槊恳粋€(gè)波長(zhǎng)都預(yù)先對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定的距離值，因此通過確定光譜曲線峰值波長(zhǎng)即可推算出對(duì)應(yīng)的精確距離值。
假設(shè)被測(cè)物體表面某點(diǎn)剛好在單色光(λ2)的像點(diǎn)處，而針孔位于色散鏡頭組的焦點(diǎn)處，則此單色光反射反射回針孔時(shí)，形成的像點(diǎn)最小，剛好穿過針孔，此時(shí)光譜儀探測(cè)到的光強(qiáng)最大。針孔作為光闌，不但消除了雜散光，而且擋住了非色散透鏡主焦平面上其他波長(zhǎng)的單色光，有效的提高了光譜儀的信噪比，使得光譜共焦探測(cè)系統(tǒng)具有很高的對(duì)比度和清晰度，極高的分辨率，可提供可靠、高精度、可持續(xù)的尺寸測(cè)量。
假設(shè)物體表面與傳感器相對(duì)移動(dòng)，此時(shí)物體表面另外一點(diǎn)剛好處在單色光(λ1)的像點(diǎn)處，則光譜儀探測(cè)到的光譜曲線即為單色光(λ1)的光譜，如圖2所示。通過每次測(cè)量得到不同的波長(zhǎng)值，即可推算出物體表面不同點(diǎn)之間的相對(duì)位移值。如果配上三維精細(xì)掃描機(jī)構(gòu)，即可進(jìn)行整體的三維表面輪廓及形貌的精確測(cè)量。
光譜共焦傳感器憑借其獨(dú)特的測(cè)量原理，相比其他傳統(tǒng)的位移傳感器，具有非接觸、體積小、精度高、測(cè)量效率高的特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
光譜共焦技術(shù)將軸向距離與波長(zhǎng)建立起一套編碼規(guī)則，是一種高精度、非接觸的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。基于光譜共焦技術(shù)的傳感器作為一種亞微米級(jí)、快速精確測(cè)量的傳感器，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于表面微觀形狀、厚度測(cè)量、位移測(cè)量、在線監(jiān)控及過程控制等工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。隨著光譜共焦傳感技術(shù)的發(fā)展，必將在微電子、線寬測(cè)量、納米測(cè)試、超精密幾何量計(jì)量測(cè)試等領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。
