光的色散
GCS-SCF 基于光谱共焦的轮廓测量实验
光谱共焦技术的基础是共焦显微技术，共焦显微术的概念首先是由美国的Minsky于1955年提出，其利用共焦原理搭建第一台共焦显微镜，并于1957年申请专利。自20世纪90年代，随着计算机技术的飞速发展，共焦显微术成了研究的热点，得到快速的发展。
本实验使用线扫描式光谱共焦位移传感器结合大恒的精密平移台对被测物进行横向扫描，从而实现被测物轮廓的测量。光谱共焦位移传感器的测量速度快，无阴影，可应用于半导体、电子等领域。
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光谱共焦位移传感器产品图及内部构造
♦ 知识点
光的色散
♦ 涉及课程
几何光学
♦ 实验内容
• 调试光谱共焦位移传感器；
• 调整精密平移台和光谱共焦位移传感器的相对位置，确保光谱共焦位移传感器的可测范围在平移台的量程内；
• 使用精密平移台对光谱共焦位移传感器进行标定；
• 使用平移台和光谱共焦位移传感器对被测物进行轮廓测量。
♦ 实验原理
GCS-SCF系统采用特殊的共焦结构，将光源打出的一束宽光谱的复色光（呈白色），通过主光路发生轴向色散，导致不同波长的光轴向聚焦的位置出现差异，不同波长的光聚焦点对应不同的位移值。测量光射到物体表面被反射回来，只有满足共焦条件的特定波长的反射光，可以大部分通过狭缝被光栅色散并被相机检测到。带侧面的形貌信息影响通过狭缝的复色光的成分，进而影响色散系统的分光情况，分光后光谱中光强峰值可以被相机检测到，换算获得距离值，进而还原带侧面的表面形貌。
相较点扫描式光谱共焦位移传感器，将点光源扩展为线光源，可同时测量一条线上各点位移。通过高速数据处理过程，在反馈的线光谱信号上等间隔采样多个点信号组成数据序列，用点云处理的方式可以得到被测物的高精度扫描轮廓并输每个位置的高精度高度数据。
位移传感器的测量结果依赖于反射光中各波长成分的相对强度，这意味着无论有多少反射光从被测物体反射回来也不会影响测量结果，所以测量的距离结果可能是不变的。因此光谱共焦位移传感器的应用场景更具普遍性，即使被测物体是强吸光材料，如黑色橡胶；或者是透明材料，如玻璃或者液体，都可以进行正常可靠的测量。
♦ 原理示意图
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| 光谱共焦位移传感器原理图 | 光谱共焦位移传感器实验光路图 |
♦ 效果图
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光谱随位移变化情况
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测量结果展示
♦ 技术指标
• 同轴框架结构：高精度不锈钢杆主体框架模块，杆间距30mm；同轴框架可搭载移动式Φ25.4mm镜框、LED光源架等主要光学原件支撑架；
• 白光LED光源：工作波长 400～800nm，光纤耦合接口，搭配纤芯直径为300μm的光纤，功率30W；
• X、Y平移组件：二维移动行程25mm，系统分辨率1um，最小读数10um，台面65×65mm；
• 色散组件：闪耀光栅600线/mm，闪耀波长500nm，外形尺寸25*25mm；
• CMOS数字相机组件：分辨率2688×1520，量化深度8bit，像素大小2.9μm×2.9μm，USB2.0通信接口；
• 反射镜组件：K9基底，表面镀高反铝膜，Φ25.4mm，R>95%；
• 同轴光路模块：四根高精度不锈钢杆分别位于30mm方形的四个角上，杆直径6mm，杆间距30mm；三维转接多节点模块，可沿光路在全空间扩展；同轴框架可搭载移动式Φ25.4mm镜框、分光棱镜架等主要光学器件；器件可沿框架同光轴移动；结构稳定，中心偏差≤1%；
• 狭缝组件：0-10mm可调，含支架；
• 色散组件：色散部分包含柱透镜、胶合透镜、分光棱镜组件等多个镜组。
♦ 设备成套性
底座台板、XY二维移动平台、光谱共焦位移传感器(ZG-SCF-1000)
♦ 必备设备
计算机
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