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光谱共焦测量原理

发布时间:2020-02-17 浏览:44次 责任编辑:立仪科技

  

  众所周知,自然界的阳光属于白光。白光不是纯光,而是由许多单色光组成的。人眼可见光的波长范围从400纳米(蓝光)到700纳米(红光)。光在不同介质中传播时可能会有角度偏差,但在实际白光照射下,单线光在不同介质中会有多次折射。


  光学材料(透镜)对于不同的单色光具有不同的折射率,即不同的折射角度。波长越短,折射率越大,波长越长,折射率越小(这也是不同望远镜有所谓色差的原因)。同一薄透镜对于不同的单色光具有不同的焦距,并且每个单色光具有不同的焦距。根据彩色光的波长,它们的像点从近到远排列在光轴上,远离透镜(不同单色光的波长不同),因此成像产生所谓的色差透镜误差。色差透镜误差导致成像产生彩色斑点或光晕。在照相设备中,应进行特殊处理,以尽量减少色差透镜误差引起的成像问题。常见的消除方法包括双胶合系统和双分离系统。


  



  一侧单透镜的色差导致不同波长的彩色光的不同焦距


  



  对于消色差双合透镜,可见光的波长具有近似相等的焦距

  




  具有色散消除特性的衍射光学器件可用于校正色差


  然而,光谱共焦测量方法正好利用了这种物理现象的特征。通过使用特殊的透镜,扩展了不同颜色光的聚焦光晕范围,形成特殊的放大色差,从而可以根据不同被测物体与透镜之间的距离,将精确波长的光聚焦在被测物体上。通过测量反射光的波长,可以获得被测物体和透镜之间的精确距离。这个过程与照相设备通过各种方法减少色差的过程正好相反。


  为了获得上述特殊的色差,需要在传感器探头中使用几个特殊的透镜来根据所需的范围分解光。然后使用凸透镜将传感器探头发出的光聚集在一个轴上,形成所谓的聚焦轴。如果不使用凸透镜,传感器探头发出的光将被散射,无法进行测量。


  白光通过半透镜表面到达凸透镜。这就是上述特殊色差发生的地方。光线照射到被测物体上后发生反射,穿过凸透镜后返回传感器探头中的半透镜。半透镜将反射光折射到穿孔盖板上,小孔只允许聚焦良好的反射光通过。穿过多孔盖板的光是一组模糊的光谱,也就是说,几个不同波长的光可以穿过小孔并照射在CCD光敏矩阵单元上。


  然而,只有聚焦在待测物体上的反射光才具有足够的光强,从而在CCD光敏矩阵上产生明显的峰值。在穿孔盖板后面,需要一个分光器来测量反射光的颜色信息。分光器类似于一种特殊的光栅,它可以根据反射光的波长来增强或减弱折射率。因此,电荷耦合器件矩阵上的每个位置对应于从测量对象到探头的距离。