光谱共焦传感器校准方法对比分析

1 引言

光谱共焦传感器作为一种新型的高精度传感器，其测量精度最高可达±0.02%。相比于光栅、容栅或电感调频、电感差动变压器式的位移传感器，其在位移测量方面的优势更加明显。如今，由于光谱共焦传感器有着高精度、非接触测量等优势，因此，其在几何量精密测量方面的应用越来越广泛，如漫反射及平面反射的位移测量、平面度测量、薄膜及透明材料厚度测量、表面粗糙度测量等。

在位移测量方面，自光谱共焦传感器问世以来，它的主要功能便是测量位移。马敬等对光谱共焦传感器的色散物镜进行研究，设计了色散物镜的结构，提高了光谱共焦传感器的各项性能；毕超等利用光谱共焦传感器实现了对航空发动机转子叶尖间隙的高精度、高效率的测量。

在平面度测量方面，位恒政等对光谱共焦传感器的探测误差进行研究，其中，在对平面探测误差研究时，利用光谱共焦传感器对圆平晶的平面度进行测量，得到了平面探测误差值。

在薄膜及透明材料厚度测量方面，朱万彬等分析了光谱共焦传感器在测量透明平板的平面度时，由透明平板的折射率不同而引入的测量误差并进行补偿；曹太腾等基于三维数据精确测量的机器视觉系统，利用光谱共焦传感器对透明材料厚度及弧形玻璃弧面厚度进行检测。

在表面粗糙度测量方面，沈小燕等分析了不同测量方法测量表面粗糙度时的优缺点，最终选择了基于光谱共焦传感器的测量方法并进行了相关实验，为表面粗糙度的精密测量提供了一种新的方法；林杰俊等利用光谱共焦法测量表面粗糙度样块的表面粗糙度，并分析了其测量不确定度。

本文利用最小二乘法计算校准误差并进行非线性误差计算，减小光谱共焦传感器校准时的误差，并在不同精度标准器下，探索光谱共焦传感器的校准误差的变化情况，对今后对光谱共焦传感器的应用及研究有着重要的意义。

2 光谱共焦传感器简介

光谱共焦传感器是近年来出现的一种利用不同颜色光的波长来测量微小距离的新型高精度传感器。它的原理脱胎自上世纪80年代出现的共聚焦显微镜，在此基础上，又添加了彩色编码技术，使得彩色光的波长与待测长度联系在了一起。由于所测长度直接与彩色光的波长相关联，使得测量精度进一步提高，光谱共焦传感器的出现极大促进了精密测量领域的发展。

光谱共焦传感器的原理如图1所示，白光通过小孔后，可以近似认为是点光源，然后通过分光棱镜和色散物镜，形成彩色光，彩色光聚焦于中心光轴上。当被测物体置于彩色光的聚焦范围以内时，能够将这些彩色光反射，使其原路返回，到达光谱仪。光谱仪与分光棱镜之间的针孔起到了滤光的作用，只有准确聚焦与待测物体表面的单色光能够进入光谱仪，因此，在很大程度上，提高了测量的准确度。

3 校准方法研究

3.1 实验过程

分别采用激光干涉仪与高精度测长机两种方法对光谱共焦传感器进行校准。所用的激光干涉仪型号为XL-80，精度为±0.5X10-6，所用的高精度测长机的精度为0.1μm。图1 光谱共焦传感器原理