光谱共焦位移传感器结构是如何设计的

在光谱共焦位移传感器系统中，系统的测量范围受四个因素影响：1）光源光谱分布范围；2）工作波段内色散镜头的轴向色差；3）光谱仪的工作波段；4）光纤耦合器的工作波段。选择的白光LED 光源的光谱分布如下图所示，波段 400～800 nm，因此，在设计过程中，色散镜头、光谱仪和光纤耦合器的工作波段应尽可能与光源的波段一致，最终系统的测量范围为色散镜在其共同工作波段内的轴向色差。

在设计色散镜头时，除了轴向色差外，还应考虑以下因素：1增加物方数值孔径可提高分辨率；2）增加像方数值孔可提高光源利用率；3）降低系统球差可提高精度；4）系统结构应易于组装和调整。

这些因素相互制约，增加了数值孔径，增加了系统的球差。如果要校正球差系统，结构会变得复杂，所以色散镜头设计的目的是用最少的镜头达到最理想的效果。光谱共焦位移传感器的光学系统可以看作是两部分，一部分是消色差场镜，其重点是光源，点光源直接成平行光，另一部分是色散物镜，其作用是将不同波长的平行光聚焦在轴上的不同位置，形成光谱色散，消色差透镜和非球形透镜可以发挥这样的作用。

通过 ZEMAX 软件仿真分析，在 400～700 nm 波段色散镜头的色散范围为 2.3 mm，波长与聚焦位置的对应关系。

由于系统需要分析反射光纤的光谱光强分布，因此模拟了共焦过程。在模拟过程中，将平面镜放置在焦点表面，使光学系统的光通过平面镜反射回到光学系统，并在光源位置成像。通过观察图像表面的点列图，发现当平面镜设置在不同波长的焦点表面时，图像表面的聚焦波长较小，而其他波长较大。

设置平面镜 550 nm 波长焦面就像表面的点列图，其中 550 nm 波长的弥散斑直径为41.4 μm，小于光纤芯的直径， 400 nm 波长的弥散斑直径为 2 311.46 μm，远大于光纤芯的直径。为了更准确地分析光纤芯直径对共焦系统的过滤，将光纤端面分散成间距 1 nm 点光源分布均匀，假设弥散斑与光纤芯重叠的部分是可进入光纤的光。

在这种情况下设置计算的平面镜 450，500，550，600，650 nm 在焦表面，反射回光纤的光谱光强分布。从图中可以看出，光纤纤芯的直径起到了很好的滤光作用，随着波长的增加，半高宽变大。对不同光纤芯直径下反射回光纤的光谱光强分布进行了分析 550 nm 从焦表面分析结果可以看出，当光纤芯直径较小时，光谱信号能量较弱。随着光纤芯直径的增加，光谱信号能量增强，但半高宽度也增大，分辨率下降。在满足系统分辨率和信噪比要求的同时，必须选择合适的光纤进行设计。

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