CN106405803B - 一种大轴向色差的线性色散物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种大轴向色差的线性色散物镜，包括整体为正焦光度的准直透镜组和整体为正焦光度的聚焦透镜组，准直透镜组和聚焦透镜组在光源针孔和被测物体之间沿光轴依次设置，准直透镜组靠近光源针孔侧，聚焦透镜组靠近被测物体侧。该物镜系统综合考虑了色散物镜的线性度与系统像差校正之间的平衡，准直透镜组和聚焦透镜组均为正透镜组，具备了先准直再聚焦的效果；准直透镜组包含了非球面镜片可以使线性色散物镜的轴向色散范围与系统焦距比大于0.2，整体减小了物镜尺寸，降低了加工难度，且使物镜具有极佳的线性度；增设的到达孔径光阑，可限制入射光线角度，防止色散物镜的结构变得复杂导致装调过程困难，且可以提高加工精度。
Description
技术领域
本发明属于光学物镜技术领域，特别涉及一种大轴向色差的线性色散物镜，该线性色散物镜可用于基于光谱共焦技术的非接触式测量。
背景技术
光谱共焦位移传感器是基于共焦原理采用宽谱光源的非接触式传感器，其最高精度可以到纳米级别，几乎可以测量所有材质表面，由于其非接触、高精度的特点所以应用广泛。其基本原理是宽谱光源经过线性色散物镜后产生光谱色散，通过共焦小孔后形成沿色散物镜光轴方向的一系列焦点，光束聚焦于被测物体表面，反射光沿入射光路返回色散物镜，只有满足物像共轭关系的对应波长的反射光束才能通过共焦小孔，此时光谱仪接收到的对应波长光的峰值能量最大，由色散产生的焦点分布产生纳米级的测量分辨率。
光谱共焦位移传感器的核心部件之一即线性色散物镜，该物镜与普通物镜设计思路相反，要求尽量增加轴向色差范围，以增加传感器的测量范围。同时为了维持量程范围内传感器精度的一致性，要求物镜的轴向色差与波长成线性或者接近线性关系。A.Miks等人在Theory of hyperchromats with linear longtitudinal chromatic aberration(Proc.Of SPIE Vol.5945 59450Y)一文中给出了两片式结构线性色散物镜的求解方法，并给出了线性色散物镜实例，但是该物镜的轴向色散范围与系统焦距的比值不到0.03，同时成像质量未纳入设计考虑范围；中国专利文献CN104238077A也公开了一种线性色散物镜，但是该物镜的轴向色散范围与系统焦距比也只有约0.04，而且该物镜存在尺寸大、结构复杂的问题，实施较为困难；美国专利文献US8248598B2公开了一种采用多组拼接方法的可增加轴向色散范围与系统焦距比值的物镜设计，但在物镜的线性度上没有做出说明，且物镜尺寸需随着轴向色散范围的增大而增大。
基于上述现有技术的状况，亟待开发设计一款轴向色散范围与系统焦距比值较大、且像质优异的线性色散物镜。
发明内容
本发明针对现有的色散物镜存在的不足，提供了一种大轴向色差的线性色散物镜，该物镜系统综合考虑了色散物镜的线性度与系统像差校正之间的平衡，其轴向色散范围与系统焦距比值大，像质优异，尺寸较小，且线性度极佳，具有较高的实用价值。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种大轴向色差的线性色散物镜，包括整体为正焦光度的准直透镜组和整体为正焦光度的聚焦透镜组，所述准直透镜组和聚焦透镜组各自包含至少一个镜片；所述准直透镜组和聚焦透镜组在光源针孔和被测物体之间沿光轴依次设置，所述准直透镜组靠近光源针孔侧，所述聚焦透镜组靠近被测物体侧。
优选地，所述镜片满足以下约束条件：
其中：
其中，i代表不同的镜片，D、F和C分别代表D光、F光和C光，N为所述镜片总数，λ为波长；和ν分别为不同镜片对于不同波长光的光焦度和光学材料的阿贝数；n为不同介质对于不同波长光的折射率，其角标含i时表示介质为镜片i，角标不含i时表示介质为空气。
作为准直透镜组的优选，所述准直透镜组至少包含一片非球面正焦光度的镜片；进一步优选地，所述准直透镜组由沿光轴自光源针孔侧至被测物体侧依次设置的第一透镜和第二透镜组成，所述第一透镜为具有负光焦度的球面单透镜，所述第二透镜为具有正光焦度的非球面单透镜。
作为聚焦透镜组的优选，所述聚焦透镜组为球面镜片或非球面镜片或球面镜片与非球面镜片的组合；进一步优选地，所述聚焦透镜组由沿光轴自光源针孔侧至被测物体侧依次设置的第三透镜、第四透镜和第五透镜组成，所述第三透镜为具有正光焦度的球面单透镜，所述第四透镜和第五透镜为具有负光焦度的球面胶合透镜。
作为上述技术方案的优选，所述线性色散物镜还包括设置于所述准直透镜组和聚焦透镜组之间的孔径光阑，所述孔径光阑的通光孔在所述光轴上；进一步优选地，所述孔径光阑限制入射光线的角度范围为±5°。
本发明实施例的上述技术方案的有益效果为：
1.本发明实施例的线性色散物镜采用先准直后聚焦的设计，准直透镜组和聚焦透镜组均为正透镜组，相较于现有技术中正透镜组和负透镜组的组合，具备了先准直再聚焦的效果；
2.本发明实施例的准直透镜组包含了非球面镜片，再结合先准直再聚焦的设计，可以使线性色散物镜的轴向色散范围与系统焦距比大于0.2，整体减小了物镜尺寸，降低了加工难度，且使物镜具有极佳的线性度；
3.本发明实施例中增设的到达孔径光阑，可将到达被测物体表面的入射光线角度限制在±5°的范围，防止色散物镜的结构变得复杂导致装调过程困难，且可以提高加工精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的线性色散物镜的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的线性色散物镜的轴向色散范围与波长关系曲线；
图3为本发明实施例提供的线性色散物镜在波长445nm下的调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)曲线；
图4为本发明实施例提供的线性色散物镜在波长480nm下的MTF曲线；
图5为本发明实施例提供的线性色散物镜在波长515nm下的MTF曲线；
图6为本发明实施例提供的线性色散物镜在波长550nm下的MTF曲线；
图7为本发明实施例提供的线性色散物镜在波长585nm下的MTF曲线；
图8为本发明实施例提供的线性色散物镜在波长620nm下的MTF曲线；
图9为本发明实施例提供的线性色散物镜的离焦量和波长之间的线性拟合。
[主要元件符号说明]
H1：共焦小孔；G1：准直透镜组；G2：聚焦透镜组；A1：孔径光阑；L1：第一透镜；L2：第二透镜；L3：第三透镜；L4：第四透镜；L5：第五透镜；s1～s9：透镜表面；O1：被测物体。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的问题，提供一种大轴向色差的线性色散物镜，该线性色散物镜可用于基于光谱共焦技术的非接触式测量，在相对位移、微形貌、透明物质厚度等智能制造的实时或者非实时检测中发挥作用。
如图1为本发明大轴向色差的线性色散物镜的一个实施例。
本发明线性色散物镜具体包括准直透镜组和聚焦透镜组，准直透镜组和聚焦透镜组在光源针孔和被测物体之间沿光轴依次设置，准直透镜组靠近光源针孔侧，聚焦透镜组靠近被测物体侧；应用于光谱共焦技术时，光源针孔通常为共焦小孔或者具有类似功能的元件，如FC/APC光纤端面，本实施例中，如图1所示，共焦小孔H1位于上方，相对的被测物体O1位于下方，光轴自上而下穿过共焦小孔H1到达被测物体O1；
线性色散物镜的各镜片需满足以下约束条件：
其中：
其中，i代表不同的镜片，D、F和C分别代表D光、F光和C光，N为所述镜片总数，λ为波长，其中：D光为钠光谱中的D线，是波长为589.3nm的黄光；F光为氢光谱中的F线，是波长为486.1nm的青光；C光为氢光谱中的C线，是波长为656.3nm的红光；
Pλi为以λ和i为参量的光学材料的相对部分色散，Rλi为自定义的以λ和i为参量的过程变量，表征光学材料的色散线性度，Qλ为以λ为参量的中间过程变量；
和ν分别为不同镜片对于不同波长光的光焦度和光学材料的阿贝数，在D光波长下，ν定义为：
n为不同介质对于不同波长光的折射率，其角标含i时表示介质为镜片i，角标不含i时表示介质为空气。
光源准直透镜组和聚焦透镜组各自包含至少一个镜片，且整体均为正焦光度，即为正透镜组；
准直透镜组至少包含一片非球面正焦光度的镜片，本实施例中，准直透镜组G1由沿光轴自上而下依次设置的第一透镜L1和第二透镜L2组成，第一透镜L1为具有负光焦度的球面单透镜，第二透镜L2为具有正光焦度的非球面单透镜；
聚焦透镜组为球面镜片或非球面镜片或球面镜片与非球面镜片的组合；本实施例中，聚焦透镜组G2由沿光轴自上而下依次设置的第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5组成，第三透镜L3为具有正光焦度的球面单透镜，第四透镜L4和第五透镜L5为具有负光焦度的球面胶合透镜。
本实施例中，非球面镜片面型为中心轴对称，采用柱坐标系，以镜面中心为坐标原点，对称轴为z轴，r为镜面中心到镜面上任一点的距离，上述非球面镜片的面型表达式为：
其中：A4～A20为非球面系数；
作为一个实例，各透镜镜片面型参数见下表1：
| 透镜表面 | 曲率半径 | 厚度 | 折射率n<sub>D</sub> | 阿贝数ν<sub>D</sub> | 面型 |
| s1 | -30.729 | 1.850 | 1.713 | 53.8316 | 球面 |
| s2 | 45.484 | 1.273 | — | — | 球面 |
| s3 | -69.120 | 5.03 | 1.8042 | 46.5 | 非球面 |
| s4 | -15.31 | 1 | — | — | 非球面 |
| s5 | 13.91 | 5 | 1.92286 | 20.8797 | 球面 |
| s6 | -28.52 | 0.52 | — | — | 球面 |
| s7 | -16.11 | 5 | 1.713 | 53.8316 | 球面 |
| s8 | 6.78 | 8 | 1.92286 | 20.8797 | 球面 |
| s9 | 5.93 | 5 | — | — | 球面 |
由上表1可知，透镜表面s3和s4为非球面型，其对应的非球面镜片为第二透镜L2，透镜表面s3和s4的参数见下表2：
| 项目 | 透镜表面s3 | 透镜表面s4 |
| 半径(mm) | -69.12101616 | -15.30975692 |
| 圆锥曲线常量k | 1.143258E+02 | 3.884028E-01 |
| A<sub>4</sub> | 1.3827238E-05 | -2.1432755E-05 |
| A<sub>6</sub> | 1.1054628E-07 | -4.5524502E-07 |
| A<sub>8</sub> | 1.8270639E-08 | -1.7294454E-08 |
| A<sub>10</sub> | 1.5863534E-09 | 5.6220220E-10 |
| A<sub>12</sub> | -2.7104553E-11 | -5.5499137E-12 |
| A<sub>14</sub> | 7.9498450E-14 | -2.5362439E-14 |
| A<sub>16</sub> | 0.0000000E+00 | 0.0000000E+00 |
| A<sub>18</sub> | 0.0000000E+00 | 0.0000000E+00 |
| A<sub>20</sub> | 0.0000000E+00 | 0.0000000E+00 |
本实施例中，线性色散物镜还在准直透镜组G1和聚焦透镜组G2之间设置了孔径光阑A1，孔径光阑A1的通光孔在光轴上；作为较佳的实施例，孔径光阑A1限制入射光线的角度范围为±5°。
本实施例中的上述大轴向色差的线性色散物镜由孔径光阑A1上方的具有正光焦度的准直透镜组G1和下方的具有正光焦度的聚焦透镜组G2组成，准直透镜组G1由上述第一透镜L1和第二透镜L2组成，同时聚焦透镜组G2则由上述第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5组成，该物镜D光焦距为14.95mm，系统工具距离为9.5mm，如图2轴向色散范围与波长关系曲线所示，色散范围达到12.5mm，对应的谱线范围445nm～620nm，轴向色散范围与系统焦距比为0.836，实现了小尺寸下的大色散范围。
图3至图8为上述实施例的物镜分别在445nm、480nm、515nm、550nm和620nm波长下的MTF曲线，图示曲线表明，该物镜在各个单波长位置的成像质量接近衍射极限，成像质量非常优异。
该色散物镜的线性程度表征了测量的线性相关度，可以采用统计学中的回归分析方法进行分析，线性方程表达式为：
y＝a+bx
拟合方程的表达式为：
Y＝p1x+p2
其中，Y表示拟合值，y表示实际轴向色散数值。在回归方程中，通常用取值范围为0～1的判定系数r2来进行评价，r为相关系数：
当x和y不存在线性依存关系，即y的变化与x无关时，回归误差为零，判定系数r2也就为零；当x和y两变量依存关系很紧密，有确定的函数关系时，判定系数r2为1。由图9该物镜离焦量与波长的拟合结果可知，p1值为0.07144，p2值为-31.8，r2值为1，显示出良好的线性关系。
以上所述方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述；各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，各实施例中所涉及到的技术特征在彼此之间不构成冲突的前提下可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系基于附图所示，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种大轴向色差的线性色散物镜，包括整体为正焦光度的准直透镜组(G1)和整体为正焦光度的聚焦透镜组(G2)，所述准直透镜组(G1)和聚焦透镜组(G2)各自包含至少一个镜片，所述镜片满足以下约束条件：
其中：
其中，i代表不同的镜片，D、F和C分别代表D光、F光和C光，N为所述镜片总数，λ为波长；和ν分别为不同镜片对于不同波长光的光焦度和光学材料的阿贝数；n为不同介质对于不同波长光的折射率，其角标含i时表示介质为镜片i，角标不含i时表示介质为空气；所述准直透镜组(G1)和聚焦透镜组(G2)在光源针孔和被测物体之间沿光轴依次设置，所述准直透镜组(G1)靠近光源针孔侧，所述聚焦透镜组(G2)靠近被测物体侧；所述聚焦透镜组(G2)为球面镜片；其特征在于，所述聚焦透镜组(G2)由沿光轴自光源针孔侧至被测物体侧依次设置的第三透镜(L3)、第四透镜(L4)和第五透镜(L5)组成，所述第三透镜(L3)为具有正光焦度的球面单透镜，所述第四透镜(L4)和第五透镜(L5)为具有负光焦度的球面胶合透镜。
2.根据权利要求1所述的线性色散物镜，其特征在于，所述准直透镜组(G1)至少包含一片非球面正焦光度的镜片。
3.根据权利要求2所述的线性色散物镜，其特征在于，所述准直透镜组(G1)由沿光轴自光源针孔侧至被测物体侧依次设置的第一透镜(L1)和第二透镜(L2)组成，所述第一透镜(L1)为具有负光焦度的球面单透镜，所述第二透镜(L2)为具有正光焦度的非球面单透镜。
4.根据权利要求1至3任一项所述的线性色散物镜，其特征在于，还包括设置于所述准直透镜组(G1)和聚焦透镜组(G2)之间的孔径光阑(A1)，所述孔径光阑(A1)的通光孔在所述光轴上。
5.根据权利要求4所述的线性色散物镜，其特征在于，所述孔径光阑(A1)限制入射光线的角度范围为±5°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |