CN104238077B - 线性色散物镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种线性色散物镜，轴向色散在F光至C光波长范围内与波长近似成线性关系，具有大的色散、大的工作距离、小的球差。本发明的色散物镜由靠近针孔的整体为负光焦度的透镜组与靠近物体的整体为正光焦度的透镜组组合而成，物镜最靠近物体的表面为凹面，正、负透镜组的材料满足一定的色散校正关系。该发明可提供较大的设计自由度，用于光谱共焦技术的装置，可有效提升装置的整体性能，主要应用于位移、透明元件厚度、微小三维结构、表面粗糙度等检测。

Description

线性色散物镜

技术领域

本发明属于物镜技术领域，具体涉及一种线性色散物镜。本发明可用于光谱共焦位移传感器、光谱共焦显微镜及其他使用光谱共焦技术（Chromatic ConfocalTechnology）的装置，适用于位移、透明元件厚度、三维结构、表面形貌等的检测。

背景技术

普通的显微镜物镜要求消除色差，可以通过多种玻璃的组合来实现。而用于光谱共焦技术的色散物镜正好相反，要求得到尽可能大的色差（色散）以增加检测范围，通常使用高色散玻璃可以达到此目的（光电工程, 2011, 28(7): 131-135）。但仅使用高色散玻璃的色散物镜所产生的色散与波长的线性度不高，容易造成基于光谱共焦技术的仪器在不同的测量位置具有不一致的灵敏度，拖累仪器的整体性能。也有研究者选用衍射光学元件实现色散与波长之间的线性关系（Proc. of SPIE, 2007, 6619: 66190U；J. Opt. A: PureAppl. Opt., 2008, 10:1-8.），但衍射光学元件比透镜加工成本要高，数值孔径不容易做大，而且使用衍射光学元件仍未得到满意的线性色散，其原因是，单独的衍射光学元件校正球差的能力较弱，仍需要透镜配合来校正球差，而受光学玻璃折射率与波长成非线性关系的固有性质影响，衍射光学元件与透镜组合的光学系统仍然不能达到色散与波长成线性关系的目的。

A. Miks等人曾提出用胶合透镜组实现线性色散的目的（Proc. of SPIE, 2007,6609: 66090U）。但这种方法仅能在紧密结合的透镜之间实现色散与波长成线性关系，对于需要具有大的空气间隔、多级放大的色散物镜并不适用，设计的自由度较小，实用性低。申请者曾依据此原理设计了具有一定实用性的色散物镜，但该物镜结构较复杂、整体长度较大（光学精密工程, 2013, 21(10): 2473-2479）。

因此，如果能够提供一种更简单的设计方式实现物镜的色散与波长成线性关系，并具有小的像差，将有助于降低基于光谱共焦技术的仪器的制造成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种线性色散物镜。本发明基于色差在透镜组之间传递的原理，考虑了物镜多个镜组之间色差的相互补偿和校正，具有更高的设计自由度，有利于物镜的像差校正，可缩短整体长度，更具有实用价值。

本发明的线性色散物镜由整体为负光焦度的透镜组和整体为正光焦度的透镜组组合而成，每个透镜组可由单透镜或胶合透镜或以上二者组合而成；负透镜组接近针孔一侧，正透镜组靠近物体一侧；

所述线性色散物镜满足下列条件：

；C _P>0，

其中，，max(|X _N|,|X _P|)表示取X _N、X _P二者绝对值之间较大者，，，β 是透镜组的垂轴放大率，是透镜组的d光整体光焦度， _i 是透镜组中单个透镜的d光光焦度，P _i 、v _i 分别是透镜组中单个透镜的材料的相对偏色散和阿贝数，t=0.4038，相对偏色散P _i 为该材料的d光、C光折射率差与F光、C光折射率差之比值，以上参数中的下脚标N表示该参数属于负光焦度透镜组，下脚标P表示该参数属于正光焦度透镜组。

所述线性色散物镜靠近物体的一面为凹面，凹面的曲率中心位置与物体位置满足条件：0.85<|r|/WD<1.15，其中r是凹面的曲率半径，WD是正常工作时物镜最后一面到物体的距离。

本发明可以使采用光谱共焦技术的装置在各个测量位置具有相同的灵敏度，有助于提升仪器的整体性能。采用本发明的色散物镜不需要限制每一个透镜组的色散规律，而通过前后两个透镜组色散的线性补偿，可以使镜头的色散在F光至C光范围内与波长成线性关系，并具有小的球差和大的工作距离，能够提升光谱共焦仪器的性能。

附图说明

图1是本发明的实施例的总体结构示意图。

图2是本发明的线性色散物镜的色散与波长之间的关系曲线。

图3是本发明的线性色散物镜中的F光波长处的球差曲线。

图4是本发明的线性色散物镜中的d光波长处的球差曲线。

图5是本发明的线性色散物镜中的C光波长处的球差曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明的线性色散物镜通过含有多个透镜组的色散物镜实现，所包含的多个透镜组相互可以补偿和校正非线性色散。本发明的色散物镜同时还具有小的球差和大的工作距离。

图1是该发明的一个具体实施例。其中，1－针孔或具有针孔功能的部件，2至11－分别是不同透镜的表面，12－被测量或观察的物体，L1－具有负光焦度的单透镜，L2－具有正光焦度的单透镜，L3－具有正光焦度的双胶合透镜，L4－具有正光焦度的双胶合透镜，G1－由L1组成的负光焦度透镜组，G2－由L2、L3、L4组成的正光焦度透镜组。

本发明的线性色散物镜包含靠近针孔1一侧的整体为负光焦度的透镜组G1和靠近物体12一侧整体为正光焦度的透镜组组合G2而成。在本发明中，d光、C光的色散δl ’_dC与F光、C光的色散之比δl ’_FC，近似等于d光、C光波长差与F光、C光波长差之比，即所称的线性色散。F光、C光的色散δl ’_FC较大，为数十倍的焦深，这与消色差物镜和复消色差物镜对色散小于1倍焦深的要求不同。色散物镜在波长处的球差均得到了校正，小于1倍焦深。正、负光焦度透镜组的组合运用，使得本发明的色散物镜在保证小焦距的情况下拥有大的色散和大的工作距离。

线性色散物镜满足下列条件：

（1）

C _P>0， （2）

其中，，max(|X _N|,|X _P|)表示取X _N、X _P二者绝对值之间较大者，，，β 是透镜组的垂轴放大率，是透镜组的d光整体光焦度， _i 是透镜组中单个透镜的d光光焦度，P _i 、v _i 分别是透镜组中单个透镜的材料的相对偏色散和阿贝数，t=0.4038，相对偏色散P _i 为该材料的d光、C光折射率差与F光、C光折射率差之比值，以上参数中的下脚标N表示该参数属于负光焦度透镜组，下脚标P表示该参数属于正光焦度透镜组。

线性色散物镜满足条件（1）可以得到与波长成线性关系的色散。不等式左侧的比值越小（最小值为零），表明色散与波长之间的线性关系越好，越接近理想情况。

线性色散物镜满足条件（2）可以得到具有实用要求的色散，可以提高光谱共焦显微镜的轴向测量范围。C 是透镜组的归一化色散，透镜组的色散为透镜组的有效焦距与该透镜组的C 之乘积，本申请中正光焦度透镜组只考虑正色散，即C _P>0的情况，因为该种情况容易实现并能得到好的效果，能保证物镜产生负的色散（δl ’_FC<0）。这样的组合能够使得负透镜组和正透镜组产生的色散不至于相互抵消，而令负透镜组产生的色散得以二次放大。

线性色散物镜最靠近物体的一面是凹面11，而且要满足条件

0.85<|r|/WD<1.15 （3）

其中r是本凹面的曲率半径，WD是正常工作时物镜最后一面（即凹面11）到物体的距离。条件（3）的意义在于使凹面11的曲率中心位置与物体12位置大致重合，这样能够使得物体12处于线性色散物镜最后一面的齐明位置，可以减小物镜的球差。

线性色散物镜的负透镜组G1接近针孔1一侧、正透镜组G2靠近物体12一侧，可使物镜的主面向物体12一侧移动，有利于增大物镜的工作距离WD。

上述技术方案的应用可使色散与波长之间达到良好的线性关系（一般有0.85t<δl’_dC/δl ’_FC<1.15t，t=0.4038）、小的球差（球差小于物镜焦深）和大的工作距离（WD> (1-β )f，β 为物镜的垂轴放大率，f 为物镜的有效焦距）。

实施例1

线性色散物镜的有效焦距（d光）为17mm，工作距离为30.2mm，F光、C光间的色散为0.68mm。该实施例的数值孔径为0.265，整体放大倍数是-0.256倍（从物体算起的整体放大倍数是-3.91倍）。物镜数据在表格1中给出。

参照表1和图1，从针孔1一侧开始，包含以下组件：具有负光焦度的单透镜L1，具有正光焦度的单透镜L2，具有正光焦度的胶合透镜L3，具有正光焦度的胶合透镜L4。L1组成权利要求1所述的负光焦度透镜组G1，L2、L3、L4组成权利要求1所述的正光焦度透镜组G2。

表1中，X_N=0.0807mm，X_P=-0.0768mm，|X_N+X_P|/|X_N|=0.048。

C _N=0.0529，C _P=0.0206，β _P=-1.66，_N=-0.0806，_P=0.0664，C _N / C _P =2.568，=3.117。

最接近物体的表面为透镜表面11，其曲率半径r₁₀为33.270mm，|r₁₀|/WD=1.1。

F光、C光的色散δl ’_FC=-0.681mm，d光、C光的色散δl ’_dC=-0.244mm，δl ’_dC/δl ’_FC=0.358，0.85t<δl ’_dC/δl ’_FC<1.15t，色散与波长之间为良好的线性关系，图2可证实此结论，图2中横坐标为波长，单位为微米，纵坐标为光线轴向聚焦位置，单位为毫米；d光焦深DOFd=8.37μm，|δl’FC|＝81.2DOF_d，表明本实施例产生的色散比较大；F光、d光、C光的球差曲线分别如图3、4、5所示，F光、d光、C光的球差分别为3.0μm、4.5μm、4.7μm，均小于1倍焦深；本实施例的最后一面（透镜表面11）到物体的距离WD=30.176mm=1.41(1-β )f，表明本实施例具有较大的工作距离。

表1 线性色散物镜实施例1的相关参数

Claims (2)

1.一种线性色散物镜，其特征在于：所述线性色散物镜由整体为负光焦度单透镜和整体为正光焦度的透镜组组合而成，每个透镜组可由单透镜或胶合透镜或以上二者组合而成；负透镜组接近针孔一侧，正透镜组靠近物体一侧；

所述线性色散物镜满足下列条件：

；C _P>0，

其中，，max(|X _N|,|X _P|)表示取X _N、X _P二者绝对值之间较大者，，，β是透镜组的垂轴放大率，是透镜组的d光整体光焦度， _i 是透镜组中单个透镜的d光光焦度，P _i 、v _i 分别是透镜组中单个透镜的材料的相对偏色散和阿贝数，t=0.4038，相对偏色散P _i 为该材料的d光、C光折射率差与F光、C光折射率差之比值，以上参数中的下脚标N表示该参数属于负光焦度透镜组，下脚标P表示该参数属于正光焦度透镜组。

2.根据权利要求1所述的线性色散物镜，其特征在于：所述线性色散物镜靠近物体的一面为凹面，凹面的曲率中心位置与物体位置满足条件：0.85<|r|/WD<1.15，其中r是凹面的曲率半径，WD是正常工作时物镜最后一面到物体的距离。