CN108535846A - 一种色散准直物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种色散准直物镜，所述色散准直物镜包括若干个单透镜，连续光谱光源的发光点经过所述色散准直物镜后不同波长的光以不同的发散角度出射，通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。本发明能够与目前现有市售成像物镜或者显微物镜或者激光加工聚焦物镜自由组合以实现光谱共焦色散物镜功能的独立物镜系统，将会扩展目前测量系统的测量功能，而对于激光微加工系统将会解决同轴高度跟踪，加工后深度等尺寸测量问题，显著提高设备仪器的智能化与精密化水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种物镜，特别涉及一种连续光谱光源经过本发明的色散准直物镜后出射光束为近似准直光束的色散物镜，属于光学物镜领域。本发明主要应用于非接触式检测领域。
背景技术
早在上世纪七十年代，学者Courtney Pratt等人提出一种可以使用显微镜物镜的色差进行表面形貌检测的技术；之后Molesini等学者使用一组色差经特殊设计的镜头,搭建了一台基于光谱共焦原理的表面轮廓仪；Boyde.A等人将其推广应用到了给显微镜领域带来革命性变化的共焦显微镜技术中去。此后，国外很多学者都对基于光谱共焦原理的测量技术进行了深入研究，并在测量领域衍生出许多应用实例：如表面轮廓及形貌的测量、微纳米量级精细结构的测量、半导体工业和汽车制造业中的位移测量、光学玻璃及生物薄膜的厚度测量、油漆与印刷行业的颜色测量等。目前，发达国家对该技术的掌握已十分成熟，市场上已有工业级的光谱共焦相关产品出现，工作频响达千赫兹以上。
我国在该领域的起步较晚，国内相关领域研究成果的报道也较少。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的朱万彬等人设计了光谱编码传感器的专用色散物镜，使用486nm～656nm的工作波段达到了一定的轴向色散范围。长春理工大学的乔杨等人，基于光谱编码原理设计了一套透镜厚度测量系统，使用600nm～900nm的工作波段达到了23.4mm的测量范围。中国工程物理研究院激光聚变研究中心的马小军等人，应用光谱共焦原理对金属薄膜进行了精确测量，表明该测量原理基本满足惯性约束聚变参数测量所需的稳定性及非破坏性要求。
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。公布号为CN 104238077 A的中国发明专利公开了一种线性色散物镜，此物镜系统为独立系统，单独使用，无法与市场上现有聚焦物镜组合成同轴测量系统。公布号为CN102650515 A的中国发明专利公开了一种带扩展的测量范围的彩色共焦点传感器光笔，也是与自身的聚焦元件集成后来拓展测量范围，无法与市场上现有聚焦物镜组合成同轴测量系统。申请号为CN201621253067.7和申请号为201611031833.X的中国发明专利公开了一种基于非球面技术的大轴向色差的色散物镜，该物镜出射光束为聚焦状态，也是单独使用无法与市面上现有的聚焦物镜组合成同轴测量系统。
精密机械加工或者激光加工后的尺寸检测是保证加工品质的关键一步。在非接触检测领域尤其是基于图像识别与处理的二维尺寸精密检测领域，目前无论是基于普通工业物镜还是基于双远心物镜，由于是基于成像原理的，仅能对垂直于光轴平面的尺寸作测量，对于沿光轴方向的深度等尺寸都无法实现加工孔、槽深度或者凸台、凸柱的高度的同轴在线检测。以公布号为CN 104238077 A、CN 102650515 A，以及申请号为CN201621253067.7、CN201611031833X的中国专利中公开的色散物镜为例，这些色散物镜都是自成独立的系统，发光点经过色散物镜后直接聚焦为沿轴向散开的一系列焦点，仅可以检测光轴方向的尺寸，无法与目前市售的普通工业物镜或者双远心物镜进行同轴集成。
在激光微加工领域，激光经过显微聚焦物镜后的焦点位置的同轴实时跟踪、加工后的深度同步检测都是难点。对于加工对象为金属的系统，通常采用电容传感器，以加工对象为电容的一部分，来实时跟踪激光聚焦焦点位置，但是对于加工对象为非金属(例如玻璃、晶体、塑胶薄膜等)来说，由于非金属的不是导体，所以电容传感器则无法工作，则无法实现同轴跟踪，若采用公布号为CN 104238077 A、CN 102650515 A，以及申请号为CN201621253067.7、CN201611031833X的中国专利中公开的色散物镜只能倾斜安装，无法实现加工光路与检测光路同轴。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种色散准直物镜，以多模光纤或者单模光纤的出光端为例，连续光谱光源经过本发明的色散准直物镜后出射光束为近似准直光束，便于同目前市场上销售的无限远显微物镜、激光聚焦物镜等集成。
本发明的技术方案如下：
一种色散准直物镜，所述色散准直物镜包括若干个单透镜，连续光谱光源的发光点经过所述色散准直物镜后不同波长的光以不同的发散角度出射，通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。
作为本发明的进一步改进，所述色散准直物镜的工作波段从短波长至长波长段范围内，透镜组满足：
使得：
且：
其中：1～n为从发光点开始至出光端的单镜片的序列号；D为第i个单透镜的有效通光直径；为第i个单透镜的光焦度；vi为第i个单透镜的阿贝数；f为整个色散准直物镜的中心波段焦距；λn为色散准直物镜设计工作波段范围内的任意波长，且λn∈[λa，λb]，λa为色散准直物镜设计工作波段范围内的短波波长，λb为色散准直物镜设计工作波段范围内的长波波长；为色散准直物镜设计工作波段范围内的波长为λn所对应的发散角度。
作为本发明的进一步改进，所述色散准直物镜与聚焦透镜或无限远显微物镜组合后完善聚焦且焦点位置沿Z轴展开。
作为本发明的进一步改进，所述连续光谱光源的发光点位于色散准直物镜工作波段范围内任意一个波长对应的焦点位置附近。
作为本发明的进一步改进，所述单透镜包括依次排布的具有负光焦度的单透镜L1、具有正光焦度的单透镜L2、具有负光焦度的单透镜L3、具有正光焦度的单透镜L4和具有负光焦度的单透镜L5。
作为本发明的进一步改进，连续光谱光源的发光点为单模或者多模光纤的出光端或者共焦小孔所在位置。
本发明的有益效果如下：
发光点经过本发明的色散物镜后，不同波长对应不同的发散角度，出光端为近似平行光，经过合束镜后可以与市售标准显微物镜、普通工业物镜或者远心物镜集成同轴光路系统，从而实现同轴焦点位置跟踪与同轴数值量测量(在测量垂直于光轴方向的尺寸测量的同时也可以实现与光轴同轴方向的深度、位移量等尺寸测量)的目的。
本发明能够与目前现有市售成像物镜或者显微物镜或者激光加工聚焦物镜自由组合以实现光谱共焦色散物镜功能的独立物镜系统，将会扩展目前测量系统的测量功能，而对于激光微加工系统将会解决同轴高度跟踪，加工后深度等尺寸测量问题。显著提高设备仪器的智能化与精密化水平。
附图说明
图1为本发明色散准直物镜的结构原理图。
图2为现有公知的色散物镜的结构原理图。
图3为本发明实施例一的结构示意图。
图4为本发明实施例一的光谱波长对应焦距变化量图。
图5为本发明实施例二的结构示意图。
图6为本发明实施例二的色散范围图。
图7为本发明实施例二的450mm波长聚焦的球差曲线图。
图8为本发明实施例二的500mm波长聚焦的球差曲线图。
图9为本发明实施例二的550mm波长聚焦的球差曲线图。
图10为本发明实施例二的600mm波长聚焦的球差曲线图。
图11为本发明实施例二的650mm波长聚焦的球差曲线图。
图中标记：1-连续光谱发光点；2-色散准直物镜；201-第一光学表面；202-第二光学表面；203-第三光学表面；204-第四光学表面；205-第五光学表面；206-第六光学表面；207-第七光学表面；208-第八光学表面；209-第九光学表面；210-第十光学表面；3-色散物镜；401-长波长光线；402-中间波长光线；403-短波长光线；501-短波长聚焦位置；502-中间波长聚焦位置；503-长波长聚焦位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
现有的色散物镜的结构原理如图2所示，连续光谱的发光点1经过该色散物镜3之后沿光轴方向聚焦，无法与市售标准聚焦物镜组合使用。
本发明的色散准直物镜的结构原理如图1所示，以多模光纤或者单模光纤的出光端为例，多模光纤或者单模光纤的出光端或者共焦小孔的位置为连续光谱光源的发光点，位于色散准直物镜工作波段范围内任意一个波长对应的焦点位置附近，连续光谱光源经过本发明的色散准直物镜后，不同波长的光束对应不同的发散角度出射(包括长波长光线401、中间波长光线402、短波长光线403)，近似准直光。通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。便于同目前市场上销售的无限远显微物镜、激光聚焦物镜等集成。
对于本发明的色散准直物镜，若设计工作波段范围为λa～λb(λa＜λb)则对于任意λn(λn∈[λa，λb])满足
即可使得
同时保证色散准直物镜在工作波段范围内有足够的色散范围。通常色散准直的出射光束的发散角度不超过52mrad，即色散准直物镜工作范围内的准直光束发散角范围满足该色散准直物镜与理想聚焦透镜组合后能够完善聚焦且焦点位置(包括短波长聚焦位置501、中间波长聚焦位置502、长波长聚焦位置503)沿Z轴展开。
其中1～n为镜组从发光点开始至出光端的单镜片的序列号。
其中D为单透镜的有效通光直径。
其中为第i个镜片的光焦度。
其中vi为第i个单镜片的阿贝数。
其中f为整个色散准直物镜的中心波段焦距。
其中λa为色散准直物镜设计工作波段范围内的短波波长。
其中λb为色散准直物镜设计工作波段范围内的长波波长。
其中λn为色散准直物镜设计工作波段范围内的任意波长。
其中为色散准直物镜设计工作波段范围内的波长为λn所对应的发散角度。
实施例一
如图3所示，本实施例提供一种由五片透镜组成的色散准直物镜。本实施实例中连续光谱发光点1(单模或者多模光纤的出光端或者共焦小孔的位置)，位于色散准直物镜2工作波段范围内任意一个波长对应的焦点位置附近。五片透镜包括具有负光焦度的单透镜L1、具有正光焦度的单透镜L2、具有负光焦度的单透镜L3、具有正光焦度的单透镜L4和具有负光焦度的单透镜L5。其中，具有负光焦度的单透镜L1，具有两个光学表面(第一光学表面201和第二光学表面202)，第一光学表面201朝向连续光谱发光点1，第二光学表面202为光束的出光面，具有负光焦度的单透镜L1为入射光束的第一片工作镜片；具有正光焦度的单透镜L2，与具有负光焦度的单透镜L1相邻，同样具有两个光学表面(第三光学表面203和第四光学表面204)，其中第三光学表面203与第二光学表面202相邻，第四光学表面204为具有正光焦度的单透镜L2的出光面，与具有负光焦度的单透镜L1中间相隔一定的距离，光束经过具有负光焦度的单透镜L1后，直接到达具有正光焦度的单透镜L2，再从具有正光焦度的单透镜L2出射；具有负光焦度的单透镜L3，与具有正光焦度的单透镜L2相邻，同样具有两个光学表面(第五光学表面205和第六光学表面206)。其中第五光学表面205与第四光学表面204相邻，第六光学表面206为具有负光焦度的单透镜L3的出光面，与具有正光焦度的单透镜L2中间相隔一定的距离，光束经过具有正光焦度的单透镜L2后，直接到达具有负光焦度的单透镜L3，再从具有负光焦度的单透镜L3出射；具有正光焦度的单透镜L4，与具有负光焦度的单透镜L3相邻，同样具有两个光学表面(第七光学表面207和第八光学表面208)，其中第七光学表面207与第六光学表面206相邻，第八光学表面208为具有正光焦度的单透镜L4的出光面，与具有负光焦度的单透镜L3中间相隔一定的距离，光束经过具有负光焦度的单透镜L3后，直接到达具有正光焦度的单透镜L4，再从具有正光焦度的单透镜L4出射；具有负光焦度的单透镜L5，与具有正光焦度的单透镜L4相邻，同样具有两个光学表面(第九光学表面209和第十光学表面210)，其中第九光学表面209与第八光学表面208相邻，第十光学表面210为具有负光焦度的单透镜L5的出光面，与具有正光焦度的单透镜L4中间相隔一定的距离，光束经过具有正光焦度的单透镜L4后，直接到达具有负光焦度的单透镜L5，再从具有负光焦度的单透镜L5出射。
应当理解，本实施例以五片镜片结构进行示例性说明，但基于本发明原理的其它数量和排布方式的色散准直物镜同样能够实现本发明的目的，本实施例的上述举例不应成为对本发明保护范围的限制。
表1为本实施例的具体设计参数，其中，发光端面的数值孔径取值NA＝0.1。
表1色散准直物镜实施实例一的相关参数
| 表面编号 | 曲率半径 | 厚度 | 材质 | 面型 |
| 1 | Infinity | 15 | ||
| 2 | -4.20 | 3.35 | H-F4 | 球面 |
| 3 | -5.88 | 5.84 | 球面 | |
| 4 | 14.46 | 1.22 | H-ZF6 | 球面 |
| 5 | -25.94 | 3.83 | 球面 | |
| 6 | -7.21 | 0.8 | H-ZLAF55D | 球面 |
| 7 | -71.17 | 5.54 | 球面 | |
| 8 | 11.47 | 2.3 | H-ZF52 | 球面 |
| 9 | 27.31 | 5.49 | 球面 | |
| 10 | 4.99 | 1.62 | H-ZF7LA | 球面 |
| 11 | 3.99 |
对于本实施例来说，
该实例为对应谱线范围为450nm～650nm，镜组在450nm短波段对应的焦距为19.09mm，短波长对应发散角为-13.226mrad；镜组在650nm长波段对应的焦距为22.57mm，长波对应发散角为+6.9mrad，由图4可见在整个光谱450nm～650nm以内物镜对应短波到长波段的焦距是单调递增的。且短波长与长波长的发散角度差值为20.126mrad，在52mrad的范围以内。图4中，曲线横坐标为设计工作波段波长；纵坐标为物镜不同波长焦距的相对变化量。
实施例一结合理想聚焦物镜的应用实例
如图5所示，本实施例提供一种将实施例一中的色散准直物镜与20x无限远显微物镜组合以实现光谱共焦色散物镜功能的独立物镜系统。
由图6，实施例一的色散准直物镜在20x无限远显微物镜的设计焦面附近产生了约1.1mm的色散范围，做到了与现有物镜的结合，实现了在成像与z轴测量的共光轴功能。
由图7-11可知该色散准直物镜发出的不同波长的光束可以被聚焦物镜完善聚焦。
综上所述，连续光谱的光束经过本发明的色散准直物镜后成近似准直状态出射。本发明主要应用于非接触式检测领域，可用于与市售标准聚焦物镜组成基于光谱共焦原理的光谱共焦系统或其他使用光谱共焦技术(chromatic Confocal Technology)的装置。本发明适用于位移、透明元件厚度、孔深度、槽深度、凸柱高度、凸台高度、表面三维形貌等数值量的检测以及精密激光微加工领域的焦点位置跟踪等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种色散准直物镜，其特征在于，所述色散准直物镜包括若干个单透镜，连续光谱光源的发光点经过所述色散准直物镜后不同波长的光以不同的发散角度出射，通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。
2.根据权利要求1所述的色散准直物镜，其特征在于，所述色散准直物镜的工作波段从短波长至长波长段范围内，透镜组满足：
使得：
且：
其中：1～n为从发光点开始至出光端的单镜片的序列号；D为第i个单透镜的有效通光直径；为第i个单透镜的光焦度；vi为第i个单透镜的阿贝数；f为整个色散准直物镜的中心波段焦距；λn为色散准直物镜设计工作波段范围内的任意波长，且λn∈[λa，λb]，λa为色散准直物镜设计工作波段范围内的短波波长，λb为色散准直物镜设计工作波段范围内的长波波长；为色散准直物镜设计工作波段范围内的波长为λn所对应的发散角度。
3.根据权利要求1或2所述的色散准直物镜，其特征在于，所述色散准直物镜与聚焦透镜或无限远显微物镜组合后完善聚焦且焦点位置沿Z轴展开。
4.根据权利要求1或2所述的色散准直物镜，其特征在于，所述连续光谱光源的发光点位于色散准直物镜工作波段范围内任意一个波长对应的焦点位置附近。
5.根据权利要求1或2所述的色散准直物镜，其特征在于，所述单透镜包括依次排布的具有负光焦度的单透镜L1、具有正光焦度的单透镜L2、具有负光焦度的单透镜L3、具有正光焦度的单透镜L4和具有负光焦度的单透镜L5。
6.根据权利要求1或2所述的色散准直物镜，其特征在于，连续光谱光源的发光点为单模或者多模光纤的出光端或者共焦小孔所在位置。
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- 2018-06-19 CN CN201810628416.6A patent/CN108535846A/zh active Pending
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