在光谱共焦位移传感器系统中，系统的测量范围受4个方面的因素影响：1）光源光谱分布范围；2）色散镜头在工作波段范围内的轴向色差；3）光谱仪的工作波段[5]；4）光纤耦合器的工作波段。选择的白光LED光源的光谱分布如图2所示，波段400～800 nm，所以在设计过程中，色散镜头、光谱仪和光纤耦合器的工作波段要尽量与光源的波段一致，最终系统的测量范围为色散物镜在其共同工作波段范围内的轴向色差。

  摘要：为实现光谱共焦位移传感器的小型化、低功耗和高精度，在设计过程中选择体积小、耗电量小的白光LED作为传感器的光源，并使用光纤耦合器代替复杂的分光棱镜式光学系统结构。色散镜头采用消色差透镜与非球面透镜组合的方式，在使用较少透镜数量的情况下达到较好的像差校正能力。同时结合光强归一化等数据处理方法，消除白光LED光源光谱光强分布不均匀等因素对测量精度造成的影响，得到准确、稳定的峰值波长与位置间的对应关系。通过双频激光干涉仪对系统来进行标定和测量，实验根据结果得出使用435～655 nm波段，系统测量范围可以达1.7 mm，平均测量精度1.8 μm，满足一定的测量需求。

  光谱共焦位移传感器是一种通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息的装置。如图1所示，白光LED光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看做点光源，经过准直和色散物镜聚焦后发生光谱色散，在光轴上形成连续的单色光焦点，且每一个单色光焦点到被测物体的距离都不同。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测面上，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径，所以大部分光线没办法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值，从而测得目标对应的距离值[3]。由于采用了共焦技术，因此该方法拥有非常良好的层析特性，提高了分辨力，并且对被测物特性和杂散光不敏感[4]。

  分析了不同光纤纤芯直径情况下反射回光纤的光谱光强分布情况，图7为对反射镜设置在550 nm焦面处分析的结果，能够准确的看出当光纤纤芯直径较小时，光谱信号能量较弱，随着光纤纤芯直径的增大，光谱信号能量变强但半高宽也变大，分辨率下降。设计中必须选取合适的光纤，同时满足系统的分辨率和信噪比要求。

  光谱信息处理的最终目的是为得到峰值波长，但是光纤耦合器的内部回光、光源光强分布的不均匀、CCD对不同波长光响应程度的不同、系统的噪声等因素都会对谱峰定位造成影响，有必要进行预处理后再用适当的算法提取峰值波长。

  光谱共焦位移传感器最早由法国STIL公司发明，与目前常用的激光三角法相比，光谱共焦位移传感器具有更高的分辨力，并且光源发射和接收同光路，不会出现激光三角法光路容易被遮挡或被测目标表面过于光滑而接收不到目标反射光的情况，对被测目标适应能力强[2]。目前商业化的光谱共焦位移传感器生产商主要有法国STIL、德国Micro-Epsilon和Precitec公司，测量精度能够达到亚微米级别，国内相关研究较少。

  通过ZEMAX软件仿线 nm波段色散镜头的色散范围为2.3 mm，具体波长与聚焦位置的对应关系如图4所示。由于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[8]。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。图5为平面镜设置在550 nm波长焦面处时像面上的点列图，其中550 nm波长的弥散斑直径为41.4 μm，小于光纤纤芯直径，而400 nm波长的弥散斑直径为2 311.46 μm，远大于光纤纤芯直径。

  作者简介：王津楠（1992-），女，辽宁抚顺市人，硕士研究生，专业方向为精密光电仪器。

  随着精密制造业的发展，对精密测量技术方面的要求慢慢的升高。位移检测技术作为几何量精密测量的基础，不仅需要具有高精度，而且要求能适应不一样的环境和材料，并且逐步趋于实时、不伤害原有设备的检测[1]，所以传统的接触式测量方法已经不能够满足要求，高精度的光电位移检测技术成为当前研究的热点。

  为了更准确地分析光纤纤芯直径对共焦系统的滤光情况，将光纤端面离散为间距1 nm的均匀分布点光源，并假设弥散斑与光纤纤芯重叠的部分为能进入光纤的光。图6为在此条件下计算的平面镜设置在450，500，550，600，650 nm焦面处时，反射回光纤的光谱光强分布。从图中能够准确的看出光纤纤芯直径起到了较好的滤光作用，而且随着波长的变大半高宽变大。

  在设计色散镜头时，除了要考虑其轴向色差外，还应该要考虑如下因素：1）增大物方数值孔径能大大的提升分辨率；2）增大像方数值孔能大大的提升光源利用率；3）减小系统球差能大大的提升精度；4）系统结构要易于装配和调整[6]。

  以上这一些因素是相互制约的，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，所以色散镜头设计的目的是用最少的透镜达到最理想的效果。光谱共焦位移传感器的光学系统能看成两个部分，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[7]，而消色差透镜和非球面透镜正好能够更好的起到这样的作用。本文采用了美国thorlabs公司的消色差和非球面透镜组合，色散镜头设计如图3所示。并选择在光源波段范围内耦合效率较高的光纤耦合器和分辨率为0.5 nm的光谱仪，具体元件及参数如表1所示。