【技术文章】光谱共焦技术在精密几何量计量测试中的应用

摘要：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。

关键词：光谱共焦技术；精密几何量；计量测试；应用

0 引言

精密几何量计量测试中光谱共焦技术的应用十分重要，其能够让光谱共焦技术的应用效率得到全面性的提升。在进行应用的过程中，其首先需要对光谱共焦技术的原理进行全面性的分析，然后对其计量的传感器进行综合性的应用。从而获取较为精准的测量数据。最终让光谱共焦技术的应用效果全面的发挥出来。

1 光谱共焦技术工作原理

光谱共焦位移传感器的工作原理就是使用宽谱光源照射到被测物体的表面，再通过光谱仪探测反射回来的光谱，光源发出的具有宽光诺的复色光穿过针孔，近似为点光源。复色光经过分光镜后，将光源照射在一组色散镜头组上，通过色散镜头组可以将复色光在光轴方向上分解成各种不同波长的单色光（A1，A2，A3…），当在色散镜头组像平面附近的测量区域放置被测物体时，所有波长的光被反射回透镜组之后，通过分光镜的反射面，反射至针孔，可以由光谱仪进行接收。中点光源、物体表面某点、光谱仪前的针孔可以串为一体，只有完美聚焦在被测物体表面的单色光才能够穿过针孔，最后由光谱分析仪可以将波长确定下来。由于每一个波长都可以固定一个距离值，因此，通过将光谱山线峰值波长确定下来，就可以将精确的距离值推算出来。假设传感器与物体表面存在相对移动，此时物体表面的中心点恰好处在单色光（A1）的像点处，可以作出光谱仪探测到的光谱曲线。通过测量得到不同的波长值，可以将物体表面不同点之间的相对位移值计算出来。如果配上精细的扫描机构，就可以对整体的二维表面轮廓及形貌进行精确的测量。相比其他传统的位移传感器，光谱共焦传感器凭借独特的测量原理，具有测量效率高、精度高、体积小、非接触等特点，在各个领域都得到了广泛的应用。

2 光谱共焦传感器典型应用

2.1 表面粗糙度测量应用

表面粗糙度是指零件在加工过程中由于不同的加工方法、机床与刀具的精度、振动及磨损等因素在工件加工表面上形成的具有较小间距和较小峰谷的微观水平状况，是表面质量的一个重要衡量指标，关系零件的磨损、密封、润滑、疲劳、研和等机械性能。表面粗糙度测量主要可分为接触式测量和非接触式测量。触针式接触测量容易划伤测量表面、针尖易磨损、测量效率低、不能测复杂表面，而非接触测量相对而言可以实现非接触、高效、在线实时测量，而成为未来粗糙度测量的发展方向。目前常用的非接触法主要有干涉法、散射法、散斑法、聚焦法等。而其中聚焦法较为简单实用。采用光谱共焦位移传感器，搭建了一套简易的测量装置，对膜式燃气表的阀盖粗糙度进行了非接触的测量，以此来判断阀盖密封性合格与否，取得了一定的效果。基于光谱共焦传感器，利用其搭建的二维纳米测量定位装置对粗糙度样块进行表面粗糙度的非接触测量，并对测量结果进行不确定评定，得到 U95 为 13.9%。

2.2 轮廓、几何尺寸测量应用

随着机械加工水平的不断发展，各种的微小的复杂工件都需要进行精密尺寸测量与轮廓测量，例如：小工件内壁沟槽尺寸、小圆倒角等的测量，对于某些精密光学元件可以进行非接触的轮廓形貌测量，避免在接触测量时划伤光学表面，解决了传统传感器很难解决的测量难题。一些精密光学元件也需要进行非接触的轮廓形貌测量，以避免接触测量时划伤光学表面。这些用传统传感器难以解决的测量难题，均可用光谱共焦传感器搭建测量系统以解决。通过自行塔建的二维纳米测量定位装置，选用光谱其焦传感器作为测头，实现测量超精密零件的二维尺寸，滚针对涡轮盘轮廓度检测的问题，利用光谱共焦式位移传感器使得涡轮盘轮廓度在线检测系统的设计能够得以实现。与此同时，在进行几何量的整体测量过程中，还需要采取多种不同的方式对其结构体系进行优化。从而让几何尺寸的测量更为精准。

2.3 薄膜材料厚度测量应用

由于光谱共焦传感器对于不同的反射面反射回来的单色光的波长不同，因此对于材料的厚度精密测量具有独特的优势。光学玻璃、生物薄膜、平行平板等，两个反射面都会反射不同波长的单色光，进而只需一个传感器，即可推算出厚度，测量精度可达微米量级，且不损伤被测表面。利用光谱共焦位移传感器测量透明材料厚度的应用，计算了该系统的测量误差范围大概为 0.005mm。利用光谱共焦传感器对平行平板的厚度以及光学镜头的中心厚度进行测量的方法，并针对被测物体材料的色散对厚度测量精度的影响做了理论的分析。为了探究由流体跌落方式制备的薄膜厚度与跌落模式、雷诺数、底板的倾斜角度之间的关系，采用光谱共焦传感器实时监控制备后的薄膜厚度，利用对顶安装的白光共焦传感器组，实现了对厚度为 10—100μm 的金属薄膜厚度及分布的精确测量，并进行了测量不确定度分析，得到系统的测量不确定度为 0.12μm 左右。

3 结论

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。展望其未来，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。

参考文献：

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