1 引言

光譜共焦傳感器作為一種新型的高精度傳感器，其測(cè)量精度最高可達(dá)±0.02%。相比于光柵、容柵或電感調(diào)頻、電感差動(dòng)變壓器式的位移傳感器，其在位移測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯。如今，由于光譜共焦傳感器有著高精度、非接觸測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，因此，其在幾何量精密測(cè)量方面的應(yīng)用越來越廣泛，如漫反射及平面反射的位移測(cè)量、平面度測(cè)量、薄膜及透明材料厚度測(cè)量、表面粗糙度測(cè)量等。

在位移測(cè)量方面，自光譜共焦傳感器問世以來，它的主要功能便是測(cè)量位移。馬敬等對(duì)光譜共焦傳感器的色散物鏡進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了色散物鏡的結(jié)構(gòu)，提高了光譜共焦傳感器的各項(xiàng)性能；畢超等利用光譜共焦傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙的高精度、高效率的測(cè)量。

在平面度測(cè)量方面，位恒政等對(duì)光譜共焦傳感器的探測(cè)誤差進(jìn)行研究，其中，在對(duì)平面探測(cè)誤差研究時(shí)，利用光譜共焦傳感器對(duì)圓平晶的平面度進(jìn)行測(cè)量，得到了平面探測(cè)誤差值。

在薄膜及透明材料厚度測(cè)量方面，朱萬彬等分析了光譜共焦傳感器在測(cè)量透明平板的平面度時(shí)，由透明平板的折射率不同而引入的測(cè)量誤差并進(jìn)行補(bǔ)償；曹太騰等基于三維數(shù)據(jù)精確測(cè)量的機(jī)器視覺系統(tǒng)，利用光譜共焦傳感器對(duì)透明材料厚度及弧形玻璃弧面厚度進(jìn)行檢測(cè)。

在表面粗糙度測(cè)量方面，沈小燕等分析了不同測(cè)量方法測(cè)量表面粗糙度時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了基于光譜共焦傳感器的測(cè)量方法并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，為表面粗糙度的精密測(cè)量提供了一種新的方法；林杰俊等利用光譜共焦法測(cè)量表面粗糙度樣塊的表面粗糙度，并分析了其測(cè)量不確定度。

本文利用最小二乘法計(jì)算校準(zhǔn)誤差并進(jìn)行非線性誤差計(jì)算，減小光譜共焦傳感器校準(zhǔn)時(shí)的誤差，并在不同精度標(biāo)準(zhǔn)器下，探索光譜共焦傳感器的校準(zhǔn)誤差的變化情況，對(duì)今后對(duì)光譜共焦傳感器的應(yīng)用及研究有著重要的意義。

2 光譜共焦傳感器簡(jiǎn)介

光譜共焦傳感器是近年來出現(xiàn)的一種利用不同顏色光的波長(zhǎng)來測(cè)量微小距離的新型高精度傳感器。它的原理脫胎自上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的共聚焦顯微鏡，在此基礎(chǔ)上，又添加了彩色編碼技術(shù)，使得彩色光的波長(zhǎng)與待測(cè)長(zhǎng)度聯(lián)系在了一起。由于所測(cè)長(zhǎng)度直接與彩色光的波長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)，使得測(cè)量精度進(jìn)一步提高，光譜共焦傳感器的出現(xiàn)極大促進(jìn)了精密測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展。

光譜共焦傳感器的原理如圖1所示，白光通過小孔后，可以近似認(rèn)為是點(diǎn)光源，然后通過分光棱鏡和色散物鏡，形成彩色光，彩色光聚焦于中心光軸上。當(dāng)被測(cè)物體置于彩色光的聚焦范圍以內(nèi)時(shí)，能夠?qū)⑦@些彩色光反射，使其原路返回，到達(dá)光譜儀。光譜儀與分光棱鏡之間的針孔起到了濾光的作用，只有準(zhǔn)確聚焦與待測(cè)物體表面的單色光能夠進(jìn)入光譜儀，因此，在很大程度上，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。

3 校準(zhǔn)方法研究

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

分別采用激光干涉儀與高精度測(cè)長(zhǎng)機(jī)兩種方法對(duì)光譜共焦傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。所用的激光干涉儀型號(hào)為XL-80，精度為±0.5X10-6，所用的高精度測(cè)長(zhǎng)機(jī)的精度為0.1μm。圖1 光譜共焦傳感器原理