非接触式光谱共焦测量仪

三坐标测量机是加工现场常用的高精度产品尺寸及形位公差检测设备，具有通用性强，精确可靠等优点。本文面向一种特殊材料异型结构零件内曲面的表面粗糙度测量要求，提出一种基于高精度光谱共焦位移传感技术的表面粗糙度集成在线测量方法，利用工业现场常用的三坐标测量机平台执行轮廓扫描，并记录测量扫描位置实时空间横坐标，根据空间坐标关系，将测量扫描区域的微观高度信息和扫描采样点组织映射为微观轮廓，经高斯滤波处理和评价从而得到测量对象的表面粗糙度信息 。光谱共焦技术的研究对于相关行业的发展具有重要意义。非接触式光谱共焦测量仪

光谱共焦传感器可以提供结合高精度和高速的新现代技术。这些特性使这些多功能距离和位移传感器非常适合工业 4.0 的高要求。在工业 4.0 的世界中，传感器必须能够进行高速测量并提供高精度结果，以确保可靠的质量保证。光学测量技术是非接触式的，于目标材料分开和表面特性，因此它们对生产和检测过程变得越来越重要。这是“实时”生产过程中的一个主要优势，在这种过程中，触觉测量技术正在发挥其极限，尤其是当目标位于难以接近的区域时。光谱共焦传感器提供突破性的技术、高精度和高速度。此外，共焦色差测量技术允许进行距离测量、透明材料的多层厚度测量、强度评估以及钻孔和凹槽内的测量。测量过程是无磨损的、非接触式的，并且实际上与表面特性无关。由于测量光斑尺寸极小 ，即使是非常小的物体也能被检测到。因此，共焦色度测量技术适用于在线质量控制。线光谱共焦设备光谱共焦位移传感器是一种基于光谱分析的高精度位移测量技术，可实现亚纳米级别的测量。

表面粗糙度测量方法具体流程如下 :(1)待测工件定位。将待测工件平稳置于坐标测量机测量平台上，调用标准红宝石测针测量其空间位置和姿态，为按测量工艺要求确定测量位置提供数据。(2)轮廓扫描。测量机测量臂更换挂载光谱共焦传感器的光学探头，驱动探头运动至工件测量位置，调整光源光强、光谱仪曝光时间和采集频率等参数以保证传感器处于较好的工作状态，编辑扫描步距、速度等运动参数后启动轮廓扫描测量，并在上位机上同步记录扫描过程中的横向坐标和传感器高度信息，映射成为测量区域的二维微观轮廓。(3)表面粗糙度计算与评价。将扫描获取的二维微观轮廓数据输入到轮廓处理算法内进行计算，按照有关国际标准选择合适的截止波长，按高斯轮廓滤波方法对原始轮廓进行滤波处理，得到其表面粗糙度轮廓，并计算出粗糙度轮廓的评价中线，再按照表面粗糙度的相关评价指标的计算方法得出测量结果，得到被测工件的表面粗糙度信息。

高像素传感器的设计取决于对焦水平和图像室内空间NA的要求。同时，在光谱共焦位移传感器中，屏幕分辨率通常采用全半宽来进行精确测量。高NA可以降低半宽，提高分辨率。因此，在设计超色差摄像镜头时，需要尽可能提高NA。高图像室内空间NA可以提高传感器系统的灯源使用率，并允许待测表面在相对大的角度或某些方向上倾斜。但是，同时提高NA也会导致球差扩大，并增加电子光学设计的优化难度。传感器的检测范围主要取决于超色差镜片的纵向色差。因为光谱仪在各个波长的像素应该是一致的 ，如果纵向色差与波长之间存在离散系统，这种离散系统也会对传感器的像素或灵敏度在不同波长上造成较大的差别，从而损害传感器的特性。通过使用自然散射的玻璃或者衍射光学元件(DOE)可以形成足够强的色差。然而，制造难度和成本相对较高，且在可见光范围内透射损耗也非常高。光谱共焦技术的研究和应用将推动中国科技事业的发展。

光谱共焦传感器是一种高精度位移传感器，综合了光学成像和光谱分析技术，广泛应用于3C(计算机、通信和消费电子)电子行业。在智能手机中，光谱共焦传感器可用于线性马达的位移测量，通过实时监控和控制线性马达的位移，可大幅提高智能手机的定位功能和相机的成像精度。同时，还可以测量手机屏幕的曲面角度和厚度等参数 。在生产平板电脑过程中，光谱共焦传感器还可用于各种移动结构部件的位移和振动检测。通过对平板电脑内的各种移动机构、控制元件进行精密位移、振动、形变和应力等参数的测量，实现对其制造精度和运行状态的实时监控。光谱共焦位移传感器通常由光源、光谱仪、探测器和信号处理器等组成。非接触式光谱共焦测量仪

光谱共焦技术具有精度高、效率高等优点。非接触式光谱共焦测量仪

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。非接触式光谱共焦测量仪