1 引言

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

在位移測量方面，自光譜共焦傳感器問世以來，它的主要功能便是測量位移。馬敬等對光譜共焦傳感器的色散物鏡進行研究，設(shè)計了色散物鏡的結(jié)構(gòu)，提高了光譜共焦傳感器的各項性能；畢超等利用光譜共焦傳感器實現(xiàn)了對航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉尖間隙的高精度、高效率的測量。

在平面度測量方面，位恒政等對光譜共焦傳感器的探測誤差進行研究，其中，在對平面探測誤差研究時，利用光譜共焦傳感器對圓平晶的平面度進行測量，得到了平面探測誤差值。

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

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

本文利用最小二乘法計算校準誤差并進行非線性誤差計算，減小光譜共焦傳感器校準時的誤差，并在不同精度標準器下，探索光譜共焦傳感器的校準誤差的變化情況，對今后對光譜共焦傳感器的應用及研究有著重要的意義。

2 光譜共焦傳感器簡介

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來測量微小距離的新型高精度傳感器。它的原理脫胎自上世紀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)，使得彩色光的波長與待測長度聯(lián)系在了一起。由于所測長度直接與彩色光的波長相關(guān)聯(lián)，使得測量精度進一步提高，光譜共焦傳感器的出現(xiàn)極大促進了精密測量領(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，可以近似認為是點光源，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。當被測物體置于彩色光的聚焦范圍以內(nèi)時，能夠?qū)⑦@些彩色光反射，使其原路返回，到達光譜儀。光譜儀與分光棱鏡之間的針孔起到了濾光的作用，只有準確聚焦與待測物體表面的單色光能夠進入光譜儀，因此，在很大程度上，提高了測量的準確度。

3 校準方法研究

3.1 實驗過程

分別采用激光干涉儀與高精度測長機兩種方法對光譜共焦傳感器進行校準。所用的激光干涉儀型號為XL-80，精度為±0.5X10-6，所用的高精度測長機的精度為0.1μm。圖1 光譜共焦傳感器原理