ERT光谱共焦传感器的结构设计

        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；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。

       物特性和杂散光不敏感。

       在设计色散镜头时，除了要考虑其轴向色差外，还要考虑如下因素：1）增大物方数值孔径可以提高分辨率；2）增大像方数值孔可以提高光源利用率；3）减小系统球差可以提高精度；4）系统结构要易于装配和调整。

以上这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可以看成两个部分，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，而消色差透镜和非球面透镜正好可以起到这样的作用。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0.5nm的光谱仪，具体元件及参数如表 1 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。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。