在光譜共焦位移傳感器系統(tǒng)中，系統(tǒng)的測(cè)量范圍受4個(gè)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(nèi)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(shè)計(jì)過(guò)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(tǒng)的測(cè)量范圍為色散物鏡在其共同工作波段范圍內(nèi)的軸向色差。

在設(shè)計(jì)色散鏡頭時(shí)，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(shù)值孔徑可以提高分辨率；2）增大像方數(shù)值孔可以提高光源利用率；3）減小系統(tǒng)球差可以提高精度；4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要易于裝配和調(diào)整。

以上這些因素是相互制約的，增大數(shù)值孔徑的同時(shí)系統(tǒng)球差也隨之變大，如果要校正球差系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)就會(huì)變得復(fù)雜，所以色散鏡頭設(shè)計(jì)的目的是用最少的透鏡達(dá)到最理想的效果。光譜共焦位移傳感器的光學(xué)系統(tǒng)可以看成兩個(gè)部分，一部分是消色差場(chǎng)鏡，它的焦點(diǎn)在光源處，把點(diǎn)光源準(zhǔn)直成平行光，另一部分為色散物鏡，它的作用是把不同波長(zhǎng)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(guò) 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(zhǎng)與聚焦位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由于系統(tǒng)要分析反射回光纖的光譜光強(qiáng)分布情況，所以對(duì)共焦過(guò)程進(jìn)行了模擬，在仿真過(guò)程中，將平面鏡置于焦面處，使通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光經(jīng)過(guò)平面鏡反射后又回到光學(xué)系統(tǒng)，并成像在光源位置。通過(guò)觀察像面處的點(diǎn)列圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平面鏡設(shè)置在不同波長(zhǎng)的焦面處時(shí)，聚焦波長(zhǎng)在像面處的彌散斑較小，而其他波長(zhǎng)的彌散斑較大。

為平面鏡設(shè)置在 550 nm 波長(zhǎng)焦面處時(shí)像面上的點(diǎn)列圖，其中 550 nm 波長(zhǎng)的彌散斑直徑為41.4 μm，小于光纖纖芯直徑，而 400 nm 波長(zhǎng)的彌散斑直徑為 2 311.46 μm，遠(yuǎn)大于光纖纖芯直徑。為了更準(zhǔn)確地分析光纖纖芯直徑對(duì)共焦系統(tǒng)的濾光情況，將光纖端面離散為間距 1 nm 的均勻分布點(diǎn)光源，并假設(shè)彌散斑與光纖纖芯重疊的部分為可以進(jìn)入光纖的光。

為在此條件下計(jì)算的平面鏡設(shè)置在 450，500，550，600，650 nm 焦面處時(shí)，反射回光纖的光譜光強(qiáng)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(zhǎng)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(qiáng)分布情況，為對(duì)反射鏡設(shè)置在 550 nm 焦面處分析的結(jié)果，可以看出當(dāng)光纖纖芯直徑較小時(shí)，光譜信號(hào)能量較弱，隨著光纖纖芯直徑的增大，光譜信號(hào)能量變強(qiáng)但半高寬也變大，分辨率下降。設(shè)計(jì)中必須選取合適的光纖，同時(shí)滿足系統(tǒng)的分辨率和信噪比要求。

聽(tīng)完立儀科技小編的介紹相信大家對(duì)“光譜共焦位移傳感器結(jié)構(gòu)是如何設(shè)計(jì)的”肯定有了個(gè)大概的了解，立儀科技一家以精密光學(xué)檢測(cè)為主業(yè)的民營(yíng)高科技企業(yè)成立于2014年，成立短短近10年間自主研發(fā)出精密光譜共聚焦位移傳感器商業(yè)化產(chǎn)品系列，更多內(nèi)容，歡迎關(guān)注立儀科技。