2021-08-16
在光譜共焦位移傳感器系統中，系統的測量范圍受4個方面的因素影響：1）光源光譜分布范圍；2）色散鏡頭在工作波段范圍內的軸向色差；3）光譜儀的工作波段；4）光纖耦合器的工作波段。選擇的白光LED 光源的光譜分布如下圖所示，波段 400～800 nm，所以在設計過程中，色散鏡頭、光譜儀和光纖耦合器的工作波段要盡量與光源的波段一致，最終系統的測量范圍為色散物鏡在其共同工作波段范圍內的軸向色差。
在設計色散鏡頭時，除了要考慮其軸向色差外，還要考慮如下因素：1）增大物方數值孔徑可以提高分辨率；2）增大像方數值孔可以提高光源利用率；3）減小系統球差可以提高精度；4）系統結構要易于裝配和調整。
以上這些因素是相互制約的，增大數值孔徑的同時系統球差也隨之變大，如果要校正球差系統，結構就會變得復雜，所以色散鏡頭設計的目的是用最少的透鏡達到最理想的效果。光譜共焦位移傳感器的光學系統可以看成兩個部分，一部分是消色差場鏡，它的焦點在光源處，把點光源準直成平行光，另一部分為色散物鏡，它的作用是把不同波長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。
通過 ZEMAX 軟件仿真分析，在 400～700 nm 波段色散鏡頭的色散范圍為 2.3 mm，具體波長與聚焦位置的對應關系。
由于系統要分析反射回光纖的光譜光強分布情況，所以對共焦過程進行了模擬，在仿真過程中，將平面鏡置于焦面處，使通過光學系統的光經過平面鏡反射后又回到光學系統，并成像在光源位置。通過觀察像面處的點列圖發現，當平面鏡設置在不同波長的焦面處時，聚焦波長在像面處的彌散斑較小，而其他波長的彌散斑較大。
為平面鏡設置在 550 nm 波長焦面處時像面上的點列圖，其中 550 nm 波長的彌散斑直徑為41.4 μm，小于光纖纖芯直徑，而 400 nm 波長的彌散斑直徑為 2 311.46 μm，遠大于光纖纖芯直徑。為了更準確地分析光纖纖芯直徑對共焦系統的濾光情況，將光纖端面離散為間距 1 nm 的均勻分布點光源，并假設彌散斑與光纖纖芯重疊的部分為可以進入光纖的光。
為在此條件下計算的平面鏡設置在 450，500，550，600，650 nm 焦面處時，反射回光纖的光譜光強分布。從圖中可以看出光纖纖芯直徑起到了較好的濾光作用，而且隨著波長的變大半高寬變大。分析了不同光纖纖芯直徑情況下反射回光纖的光譜光強分布情況，為對反射鏡設置在 550 nm 焦面處分析的結果，可以看出當光纖纖芯直徑較小時，光譜信號能量較弱，隨著光纖纖芯直徑的增大，光譜信號能量變強但半高寬也變大，分辨率下降。設計中必須選取合適的光纖，同時滿足系統的分辨率和信噪比要求。
聽完立儀科技小編的介紹相信大家對“光譜共焦位移傳感器結構是如何設計的”肯定有了個大概的了解，立儀科技一家以精密光學檢測為主業的民營高科技企業成立于2014年，成立短短近10年間自主研發出精密光譜共聚焦位移傳感器商業化產品系列，更多內容，歡迎關注立儀科技。
