【技术文章】光谱共焦位移测量的自参考色散校正

位移测量在现代工业和科学研究中起着基础性的作用。为了满足不同的测量要求，人们提出了各种不同的测量方法。光谱共焦位移测量技术能够利用宽带光源沿光轴产生连续聚焦，根据色差原理，样品表面的轴向位置对应于反射光谱的聚焦波长。因此，通过从反射光谱中提取焦点波长，可以快速获得样品表面的轴向位置。

根据共焦原理，探测器前的共焦针孔应尽可能小，以遮挡离焦光。然而，由于针孔通常具有固定的物理尺寸，因此产生了不仅有聚焦波长的光，还有非聚焦波长的光的宽带反射光。各种算法，如抛物线拟合，高斯拟合，质心算法已经应用于焦点波长提取。但是，在所有这些算法中，离焦波长也参与了计算，从而影响了峰的提取结果。因此，在提取策略之前，必须识别和校正离焦波长的权重。

反射光主要受到三部分影响:光源、样品表面和无源单元(包括光纤耦合器、探头和分光计)。通常，在测量过程中，无源单元的色差是随仪器固定的。因此，光源和样品表面是影响焦点波长和离焦点波长反射光谱的主要不确定因素，通常称为色散特性。

由于光源或样品表面的色散特性不同，提取的焦点波长很容易偏离理论值。根据预校准的波长-位置响应曲线，焦点-波长偏移会导致轴向位置不准确。在不同的测量要求下，光源和样品表面很可能发生被动或主动的变化。例如，光源可能会因为电源不稳定或自然老化而发生变化。对于一些较暗或粗糙的样品表面，通常需要调整光源以确保信噪比。此外，被测样品的表面也因反射光谱的不同而不同，如彩色表面。另一方面，测量时光源和样品表面的条件也可能与标定时不同。

因此，许多光谱共焦位移传感器需要用户提供目标样品来校准传感器并存储定制的响应曲线，增加了测量的复杂性和成本。总之，对光源和样品表面的色散进行校正，对提高光谱共焦位移传感器的鲁棒性和准确性具有重要意义。

图1. 获得自参考光谱的原理图

来自清华大学深研院、中国工程物理研究院和德国卡尔斯鲁厄理工学院的研发团队提出了一种自参考色散校正技术，在测量过程之前，通过轴向扫描从反射光谱中提取自参考光谱，如图1所示，根据共焦原理，对于特定波长，在量程范围内一定存在某一个特定位置，能够使得该波长对应的光强值最大，由此拼接而成的则为自参考光谱，如图1右侧所示。文章“Self-reference dispersion correction for chromatic confocal displacement measurement”发表在“Optics and Lasers in Engineering”杂志。

图2. 使用先验自参考策略测量流程图

在位移测量过程中，如图2所示，将反射光谱与先验自参考光谱进行归一化处理。从而使归一化反射光谱自然不受光源和样品表面的影响。在不同光源和样品表面下，归一化反射光谱的聚焦波长的偏移能大幅降低。

波长-位置响应曲线的标定实验表明，自参考策略在全测量范围内具有良好的多项式拟合优度，相对拟合残差为±0.1%。与非参考策略相比，拟合残差减小了8倍左右。

在不同光源或样品表面条件下，自参考策略的最大波长偏移小于非参考策略的25%。该方法得到的波长-位移关系曲线吻合良好，对不同光源和样品表面具有较高的鲁棒性。

随着波长偏移的减小，与PZT线性运动台进行对照，位移误差能够大大降低到0.25μm以下。

论文标题：

Self-reference dispersion correction forchromatic confocal displacement measurement