CN109683283A - 一种物像等距的有限远共轭光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种物像等距的有限远共轭光学系统，包括沿光轴方向依次设置组成的第一双胶合透镜的第一透镜和第二透镜，以及组成的第二双胶合透镜的第三透镜和第四透镜，所述第一双胶合透镜的光焦度为0.0206，所述第二双胶合透镜的光焦度为0.0115，系统总光焦度为0.0278；本发明所述系统物点发出的光线经第一双胶合透镜组产生正球差，再到达第二双胶合透镜组，以达到校正球差的目的，最终在像面上得到一个完善校正高级像差的高质量成像，其工作距离长，可用于测量大小和表面类型不同的工件；对称式结构，消除了彗差、满足瑞利判据；非接触式测量能避免测量损害；结构简单，成本低廉，适用广泛。

Description

一种物像等距的有限远共轭光学系统
技术领域
本发明涉及一种共轭光学系统，具体地说，是涉及一种物像等距的有限远共轭光学系统，属于光学系统技术领域。
背景技术
在目前的光学检测技术中，非接触检测占有很大的优势，可以在不破坏物体表面的前提下，实现高精度的测量。但对于工作距较短的光学系统，在进行非接触检测时，存在以下问题：
1.一般的检测元件，如显微物镜，其机械测量头的口径，在小距离的检测方面会受到较大的限制，因此测量的范围较小，测量工件的类型也比较单一；
2.对于短工作距的检测系统，在检测不同台阶面的元件时收到比较大的局限，需要改变工件的位置进行多次测量才能够精确测量。
基于短工作距非接触检测存在的不足，可采用长工作距的光学系统，通过调节物或者像的位置，来扩大系统的工作距离，便于测量更多类型的工件，且其精度可达到微米量级，测量准确。光学系统的性能很大程度上决定了检测技术的优劣，因此，研究结构简单，成本低的共轭光学系统来配合现有的系统结构形成新的系统对光学系统设计有着重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种非接触测量的长工作距的物像等距的有限远共轭光学系统，采用对称式结构，可用于表面不平整的、细小的物体的检测。
一种物像等距的有限远共轭光学系统，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜和所述第二透镜组成的第一双胶合透镜，所述第一双胶合透镜的光焦度为0.0206，所述第三透镜和所述第四透镜组成的第二双胶合透镜，所述第二双胶合透镜的光焦度为0.0115，所述第一双胶合透镜和所述第二双胶合透镜组成的总光焦度为0.0278；工作距离较长，用于测量不同大小的工件。
作为优选方案，所述第一透镜和第三透镜是双凸透镜，第二透镜和第四透镜是凹面向物面的弯月透镜。
作为进一步优选方案，所述第一透镜光焦度为0.0194，所述第二透镜的光焦度为0.0295，所述第三透镜光焦度为0.0018，所述第四透镜的光焦度为-0.0180。
作为进一步优选方案，所述第一双胶合透镜组由一个正透镜的冕牌玻璃K9和负透镜的火石玻璃F2组成。
作为进一步优选方案，所述第二双胶合透镜组由一个正透镜的冕牌玻璃K9和负透镜的火石玻璃ZF6组成。
作为进一步优选方案，所述的第一双胶合透镜组的第一透镜和第二透镜、第二双胶合透镜组的第一透镜和第二透镜均采用球面镜。
作为优选方案，系统工作波长为550nm，物方数值孔径为0.09，放大率为1倍。
作为优选方案，所述光学系统在平行导轨上移动。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所述有限远共轭光学系统包括沿光轴方向依次设置第一双胶合透镜组和第二双胶合透镜组，物点发出的光线经第一双胶合透镜组，通过第一双胶合透镜组产生正球差，光束再到达第二双胶合透镜组，达到校正球差的目的，最终在像面上得到一个完善校正高级像差的高质量成像；其工作距离较长，可用于测量不同大小、不同表面类型的工件，在成像质量不需要很高的情况下，可以获得更大的测量范围，对于较大的工件可以减少测量的次数即可获得精确测量；采用的对称式结构，消除了彗差，满足瑞利判据；整体放大率为1，物和像的相对位置可以通过调整物距或者像距来满足应用的要求；；运用光学的方法进行非接触式测量能够有效的避免测量过程中对工件的损害，使其物理特性不受影响；结构简单，成本低廉，可以广泛应用于不同的光学系统中，对目前已有的光学系统加以辅助，可增加系统的工作距离，扩大其测量的种类和范围。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种物像等距的有限远共轭光学系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种物像等距的有限远共轭光学系统的结构及光路示意图；
图3为本发明实施例提供的物像等距的有限远共轭光学系统的调制函数MTF图；
图4为本发明实施例提供的物像等距的有限远共轭光学系统的的光线球差图；
图5为本发明实施例提供的物像等距的有限远共轭光学系统的点列图；
图6为本发明实施例提供的共轭光学系统物方经平面镜转向的示意图；
图7为本发明实施例提供的共轭光学系统像方经平面镜转向的示意图；
图8为本发明实施例提供的移动共轭光学系统多次成像的示意图；
图9为本发明实施例提供的移动物面多次成像的示意图。
图中标号示意如下：1、第一透镜；2、第二透镜；3、第三透镜；4、第四透镜。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。
实施例
结合图1至图9所示，本实施例提供的一种物像等距的有限远共轭光学系统，包括沿光轴方向依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4，所述第一透镜1和所述第二透镜2组成的第一双胶合透镜，所述第一双胶合透镜的光焦度为0.0206，所述第三透镜3和所述第四透镜4组成的第二双胶合透镜，所述第二双胶合透镜的光焦度为0.0115，所述第一双胶合透镜和所述第二双胶合透镜组成的总光焦度为0.0278；工作距离较长，用于测量不同大小的工件。
在本实施例中，所述第一透镜1和第三透镜3是双凸透镜，第二透镜2和第四透镜4是凹面向物面的弯月透镜；所述第一透镜1光焦度为0.0194，所述第二透镜2的光焦度为0.0295，所述第三透镜3光焦度为0.0018，所述第四透镜4的光焦度为-0.0180；所述第一双胶合透镜组由一个正透镜的冕牌玻璃K9和负透镜的火石玻璃F2组成；所述第二双胶合透镜组由一个正透镜的冕牌玻璃K9和负透镜的火石玻璃ZF6组成；所述的第一双胶合透镜组的第一透镜和第二透镜、第二双胶合透镜组的第一透镜和第二透镜均采用球面镜；采用普通光学玻璃材料进行胶合玻璃的匹配，成像像质良好。
在本实施例中，系统工作波长为550nm，物方数值孔径为0.09，放大率为1倍，如表1所示；根据表1中物像等距的有限远共轭光学系统的约束参数，本发明所述物像等距的有限远共轭光学系统的数据设计参数如表3所示，表3给出了本发明的每一块透镜的设计要求，当在表1中工作波长、物方数值孔径和放大倍率的参数约束下，根据ZEMAX光学设计软件计算分析，其像差校正程度如图3-图5所示；其中，如图2所示本实施例的调制传递函数MTF图接近衍射极限，如图3所示本实施例的光线球差图、图4所示本实施例的点列图，反映了成像质量达到瑞利判据的要求。
本发明所述物像等距的有限远共轭光学系统在物方和像方可加入平面镜，改变光路的方向，如图6、图7所示。
本发明所述物像等距的有限远共轭光学系统在平行导轨上移动，可以进行多次测量。保持物面不变的情况下，所述共轭光学系统在位置1时，成像在像面1，通过移动导轨到位置2，改变物距，最终成像在像面2，如图8所示。有限远共轭光学系统不变的情况下，移动物面进行多次成像，从物面1移动到物面2，所成的像从像面1移动到像面2，如图9所示。
约束项目 参数
工作波长 550nm
物方数值孔径 0.09
放大倍率 1
表1为本发明物像等距的有限远共轭光学系统的约束参数
物距/mm 像距/mm
55.00 87.45
60.00 77.19
65.00 70.06
70.00 64.82
75.00 60.80
80.00 57.63
85.00 55.05
表2为本发明物像等距的有限远共轭光学系统不同物距对应的像距参数
综上所诉可见：本发明所述有限远共轭光学系统包括沿光轴方向依次设置第一双胶合透镜组和第二双胶合透镜组，物点发出的光线经第一双胶合透镜组，通过第一双胶合透镜组产生正球差，光束再到达第二双胶合透镜组，达到校正球差的目的，最终在像面上得到一个完善校正高级像差的高质量成像；其工作距离较长，可用于测量不同大小、不同表面类型的工件，在成像质量不需要很高的情况下，可以获得更大的测量范围，对于较大的工件可以减少测量的次数即可获得精确测量；采用的对称式结构，消除了彗差，满足瑞利判据；整体放大率为1，物和像的相对位置可以通过移动本发明所述有限远的共轭光学系统的物距l或像距l’来调整物距或者像距从而满足应用的要求，如图1所示；运用光学的方法进行非接触式测量能够有效的避免测量过程中对工件的损害，使其物理特性不受影响；结构简单，成本低廉，可以广泛应用于不同的光学系统中，对目前已有的光学系统加以辅助，可增加系统的工作距离，扩大其测量的种类和范围。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种物像等距的有限远共轭光学系统，其特征在于：包括沿光轴方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜和所述第二透镜组成的第一双胶合透镜，所述第一双胶合透镜的光焦度为0.0206，所述第三透镜和所述第四透镜组成的第二双胶合透镜，所述第二双胶合透镜的光焦度为0.0115，所述第一双胶合透镜和所述第二双胶合透镜组成的总光焦度为0.0278。
2.根据权利要求1所述的物像等距的有限远共轭光学系统，其特征在于：所述第一透镜和第三透镜是双凸透镜，第二透镜和第四透镜是凹面向物面的弯月透镜。
3.根据权利要求2所述的物像等距的有限远共轭光学系统，其特征在于：所述第一透镜光焦度为0.0194，所述第二透镜的光焦度为0.0295，所述第三透镜光焦度为0.0018，所述第四透镜的光焦度为-0.0180。
4.根据权利要求3所述的物像等距的有限远共轭光学系统，其特征在于：所述第一双胶合透镜组由一个正透镜的冕牌玻璃K9和负透镜的火石玻璃F2组成。
5.根据权利要求3所述的物像等距的有限远共轭光学系统，其特征在于：所述第二双胶合透镜组由一个正透镜的冕牌玻璃K9和负透镜的火石玻璃ZF6组成。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述物像等距的有限远共轭光学系统，其特征在于：所述的第一双胶合透镜组的第一透镜和第二透镜、第二双胶合透镜组的第一透镜和第二透镜均采用球面镜。
7.根据权利要求1所述的物像等距的有限远共轭光学系统，其特征在于：系统工作波长为550nm，物方数值孔径为0.09，放大率为1倍。
8.根据权利要求1所述的物像等距的有限远共轭光学系统，其特征在于：所述光学系统在平行导轨上移动。
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