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光谱共焦传感器的应用和展望
发布时间:2018-06-19   点击次数:150次

光谱共焦传感器的应用和展望
 

随着精密制造业的发展,对精密测量技术的要求越来越高。光谱共焦传感器作为实现自动检测和自动控制的首要环节,其取得新突破能够提升检测技术的水平。光谱共焦传感器测量技术作为几何量精密测量的基础,不仅需要超高测量精度,而且需要对环境和材料的广泛适应性,并且逐步趋于实时、无损检测。与传统接触式测量方法相比,共聚焦传感器具有高速度,高精度,高适应性等明显优势,光谱共焦的精度比普通激光位移传感器的精度要高很多,光谱共焦的基本是纳米级的精度,而普通激光的高也是微米级的。光谱共焦的量程却远远小于普通激光位移传感器。

光谱共焦传感器广泛用于各种物体感测和材料属性分析。高光谱成像对图像中每个像素点进行光谱分析,可实现宽范围测量。高光谱相机已经用于苛刻环境条件下的医疗、工业、空间和环境感测。

光谱共焦传感器未来发展潜力巨大,可能再各个领域取得突破,如搭载光谱传感器的智能手机,可实现果蔬糖分、水分,药品真伪,皮肤年龄,酒类品质等各种日常用品检测,管理人体健康,成为随身携带的个性化健康管理集成终端,或者医疗领域应用于检测各种疾病以及治疗。

光谱共焦传感器在设计色散镜头时,除了要考虑其轴向色差外,还要考虑如下因素:
1)增大物方数值孔径可以提高分辨率;
2)增大像方数值孔可以提高光源利用率;
3)减小系统球差可以提高精度;
4)系统结构要易于装配和调整。

以上这些关于光谱共焦传感器因素是相互制约的,增大数值孔径的同时系统球差也随之变大, 如果要校正球差系统,结构就会变得复杂,所以光谱共焦传感器色散镜头设计的目的是用少的透镜达到理想的效果。光谱共焦传感器的光学系统可以看成两个部分,一部分是消色差场镜,它的焦点在光源处,把点光源准直成平行光,另一部分为色散物镜,它的作用是把不同波长的平行光聚焦在轴上的不同位置,形成光谱色散,而消色差透镜和非球面透镜正好可以起到这样的作用。

由于光谱共焦传感器系统要分析反射回光纤的光谱光强分布情况,所以对共焦过程进行了模拟,在仿真过程中,将平面镜置于焦面处,使通过光学系统的光经过平面镜反射后又回到光学系统,并成像在光源位置。通过观察像面处的点列图发现,当平面镜设置在不同波长的焦面处时,聚焦波长在像面处的弥散斑较小,而其他波长的弥散斑较大。

在光谱共焦传感器中得到的光谱信息包括光纤内部返回的背景光和从被测物表面返回的信号光。为了得到有用的信号光,首先需要对背景光进行采集,然后从光谱仪得到的数据中减去背景光。此外还要考虑光源光谱光强分布不均匀的影响。

由于光谱共焦传感器中CCD像元有一定尺寸,相当于对原始的光谱进行了离散采样,所以可能会出现漏峰的情况。如果使用原始光谱数据中的大值作为峰值波长会影响定位的精度,因此需要选用合适的算法对谱峰位置进行确定。质心法是常用的峰值定位算法,适用于处理关于峰值位置对称的光点信号。
 

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