CN113433678A - 一种色散物镜光路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种色散物镜光路，包括沿物方至像方依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组用于控制物方远心并对光纤阵列投射的调制侦测光进行初步色散，所述第二透镜组用于控制像方远心并对所述调制侦测光进行二次色散，且经由所述第一透镜组的长焦距与所述第二透镜组的短焦距配合用于所述物方至所述像方缩放控制，其中，所述物方/像方缩放倍率＝f1/f2，f1为所述第一透镜组的焦距，f2为所述第二透镜组的焦距，所述物方为光纤阵列，所述像方为所述色散物镜光路投射的线长。本发明所示色散物镜光路使用双远心光路产生色散的同时，还可有效保证投射到被测物上的测量光斑亮度和精度一致性。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，特别涉及一种用于线光谱共焦的色散物镜光路。
背景技术
随着精密和超精密制造业的迅速发展，对高精密的检测需求也越来越高，因此高精密的位移传感器也应运而生。超精密的位移传感器精度可达到微米级别；传统的接触式测量虽然也有较高的精度，但是由于其可能会划伤被测物体表面，而且当被测物体为弱刚性或是轻软材料时，接触式测量也会造成弹性形变，引入测量的误差，此外，接触式测量速度较慢，难以实现自动化测量，基于接触式测量存在的诸多不足，因此非接触式位移传感器受到了更大的关注。
光谱共焦传感器是一种通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息的装置，如图1所示，光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看作点光源，经过准直和色散物镜聚焦后发生光谱色散，在像面上形成沿着光轴方向不同波长连续分布的单色光焦点，且每个波长的单色光焦点到被测物体的距离都不同。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有特定波长的光在被测面上是聚焦状态，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径，所以大部分其余波长的光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到回波光强最大处的波长值，从而测得被测物对应的距离值。由于采用了共焦技术，因此该方法具有良好的层析特性，提高了分辨力，并且对被测物特性和环境杂光不敏感。
光谱共焦传感器中，色散镜头是其核心器件，决定着分辨率、量程、线长等参数。但是，目前色散镜头存在以下设计难点：
(1)非中心位置的光通道的一致性问题，即多个光通道(光纤)的光斑尺寸、亮度等一致的问题。对点光谱共焦系统来说，只设置一根光纤，形成一个光通道，光通道(光纤)的位置在光轴位置处，故只需要校正轴上像差，没有一致性的要求。但对于线光谱共焦系统而言，其包括百个以上的光通道，各光通道需要在一定范围内都产生色散，由于光通道数量众多，位于非光轴处的光通道距离光轴距离较远，在进行色散时，除需要进行轴上像差校正外，还需要对慧差、场曲、像散、畸变等轴外进行校正，以确保各个光通道亮度、光斑尺寸尽量保持一致，故如何设计光路，尤其是色散物镜光路，以保证数百个光通道的亮度均匀性和精度一致性需要重点关注。
(2)线光谱共焦传感器系统的线长L长度大小与测量光斑分辨率大小之间矛盾，对于线光谱共焦传感器系统而言，线长长度越长越好，投射的线长决定着一次可以扫描的长度，在确定被测物扫描面积的情况下，线长L越长，一次扫描的面积就越大，相应完成扫描的速度就越快，工作效率相应提高；每个光通道都在物体表面上的一个点成像，即形成一个测量光斑，测量光斑越小，系统分辨率和精度越高，即可分辨的被测物尺寸越小，适用场合也越多。
其中，各色散物镜投射至被测物上的各测量光斑大小与光通道的通光尺寸相关，通光尺寸越小，则测量光斑越小，分辨率越高，而相同数量的光纤下，光纤直径R越小(对应通光尺寸一般也越小)，对应的线长L＝n*R却越短。通常可通过增加光通道数量以解决上述问题，但是若单纯的增加光通道数量，并不能实际解决线长和分辨率矛盾，因为光通道(光纤)数量增加，又会引入上述非中心位置的光通道的一致性问题，导致光路设计难点过大，同时，还存在成本高、体积与重量过大的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种色散物镜光路，以解决现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种色散物镜光路，包括沿物方至像方依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组用于控制物方远心并对光纤阵列投射的调制侦测光进行初步色散，所述第二透镜组用于控制像方远心并对所述调制侦测光进行二次色散，且经由所述第一透镜组的长焦距与所述第二透镜组的短焦距配合用于所述物方至所述像方缩放控制，其中，所述物方/像方缩放倍率＝f1/f2，f1为所述第一透镜组的焦距，f2为所述第二透镜组的焦距，所述物方为光纤阵列，所述像方为所述色散物镜光路投射的线长。
优选的，所述第一透镜组的焦距为长焦距，所述第一透镜包括同轴设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，其中，所述第一透镜用于压缩所述调制侦测光的光束口径，控制物方远心，所述第二透镜用于平衡所述调制侦测光的慧差、像散和畸变，并进一步压缩光束，产生部分色散；所述第三透镜用于消除所述调制侦测光的场曲、畸变，并与所述第一透镜配合用于控制物方远心，控制所述第一透镜组的焦距为长焦距。
进一步的，所述第一透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为200mm至250mm，所述第二透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为100mm至150mm，所述第三透镜为负小焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至18mm。
更进一步的，所述第一透镜为正弯月透镜、朝向物方设置，所述第二透镜为正弯月透镜、朝向物方设置，所述第三透镜为负弯月透镜、朝向物方设置。
优选的，所述第二透镜组包括同轴设置的第一透镜单元、第二透镜单元以及第三透镜单元；所述第一透镜单元用于消除所述调制侦测光的球差，控制所述第二透镜组的焦距，控制像方远心；所述第二透镜单元用于平衡所述调制侦测光的球差和慧差，并压缩所述调制侦测光的光束发散角，进一步产生色散；所述第三透镜单元用于消除所述调制侦测光的残余球差、慧差和像散。
进一步的，所述第一透镜单元包括第四透镜，所述第四透镜为负中焦距透镜，焦距取值范围为-100mm至-80mm；所述第二透镜单元包括顺次连接的第五透镜、第六透镜、第七透镜，所述第五透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为110mm至160mm，所述第六透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为120mm至170mm，第七透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为150mm至200mm；所述第三透镜单元包括顺次连接的第八透镜以及第九透镜；所述第八透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为160mm至210mm，所述第九透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm。
更进一步的，所述第四透镜为双凹透镜；所述第五透镜为正弯月透镜、朝向像方设置，所述第六透镜为双凸透镜，第七透镜为正弯月透镜、朝向物方设置；所述第八透镜为正弯月透镜，朝向物方设置，所述第九透镜为正弯月透镜、朝向物方设置。
优选的，所述物方与所述像方缩放倍率为0.04至0.5之间。
优选的，所述光纤阵列长度为25mm-85mm。
优选的，所述色散物镜光路的工作波段与所述光纤阵列的工作波段相同设置。
本发明所示的一种色散物镜光路，外部光纤阵列的多个点光源作为物方，经过色散物镜光路的第一透镜组和第二透镜组的配合实现缩放，在像面上形成缩小的线，其中具体的缩放倍率为f2/f1(f1为所述第一透镜组的焦距，f2为所述第二透镜组的焦距)，由于色散物镜光路使用双远心光路产生色散，物方远心即对边缘非共轴的光路来说，主光线和轴上光线一样同光轴平行，保证了数据点之间的亮度接近；像方远心使得边缘视场的主光线和轴上视场的主光线一样和光轴平行，保证了到达目标点的光的锥角的轴线是一致的，从而保证了投射到被测物上的测量光斑亮度和精度一致性。
附图说明
图1为光谱共焦传感器的工作原理示意图；
图2为本发明色散物镜光路一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而非以任何方式限制本发明的保护范围。
在说明书的全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列相目中的一个或多个的任何和全部组合。在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、步骤、整体、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、步骤、整体、操作、元件、部件和/或它们的组合。
如在说明书中使用的用语“基本上”、“大约”以及类似的用于用作表示近似的用语，而不用作表示程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
除非另有限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
如图2所示，本发明公开了一种色散物镜光路，其包括沿物方至像方依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组用于控制物方远心并对调制侦测光进行初步色散，所述第二透镜组用于控制像方远心并对所述调制侦测光进行二次色散，经由所述第一透镜组的长焦距与所述第二透镜组的短焦距配合用于所述物方与所述像方之间的缩放倍率控制，其中，所述物方为所述第一出光端的光纤阵列，所述像方为线光谱共焦传感器系统的线长。
外部光纤阵列的多个点光源作为物方，经过色散物镜光路的第一透镜组和第二透镜组的配合实现缩放，在像面上形成缩小的线，其中具体的缩放倍率为f2/f1(f1为所述第一透镜组的焦距，f2为所述第二透镜组的焦距)，由于色散物镜光路使用双远心光路产生色散，物方远心即对边缘非共轴的光路来说，主光线和轴上光线一样同光轴平行，保证了数据点之间的亮度接近；像方远心使得边缘视场的主光线和轴上视场的主光线一样和光轴平行，保证了到达目标点的光的锥角的轴线是一致的，从而保证了投射到被测物上的测量光斑亮度和精度一致性。
色散物镜光路所形成线状的、经过色散的、均匀的测量光斑投射到被测物上后，配合垂直于线、平行于线的运动台，可实现较大物体的高精度三维扫描和模型重建。调制侦测光在经过色散物镜光路投射到被测物上，不同高度上聚焦光斑的光波长不同，再次经由色散物镜按原光路返回，经过光谱仪光纤传输到光谱仪中，以在相机上形成可以判断回波波长的图像，从而可根据波长解算出被测物对应位置处的高度。
本实施例中，色散物镜光路使用不同的曲率、厚度和材质的透镜组合，以在尽量拉大色散的基础上控制单色像差，包括不限于球差、慧差、场曲、像散、畸变等像差，使系统在不同波长下的弥散斑接近或到达衍射极限水平，对光源中存在的不同波长均有完善的成像效果，且色散物镜光路不使用光栅等色散器件，实现了同轴光路下的色散，发射和接收同光路。
具体而言，如图2所示，色散物镜光路包括用于控制物方远心第一透镜组以及用于控制像方远心的第二透镜组，其中，所述物方为所述第一出光端的光纤阵列，所述像方为线光谱共焦传感器系统的投射光斑。
本发明所示色散物镜光路，由于其使用双远心光路产生色散，当其配合大尺寸的光纤阵列时，可在保证投射到被测物的光斑亮度和精度一致性的同时，尽量提高系统投射的线长长度。在其中一实施例中，将光源光纤20的长度设置为25mm至85mm，将色散物镜30物方与所述色散物镜30像方缩放倍率为0.04至0.5之间，以在保证投射到被测物的光斑亮度和精度一致性的同时，尽量提高系统投射的线长长度。当然，毫无疑问的，本发明所示色散物镜光路，也可配合尺寸为25mm以下光纤阵列使用，如常规的20mm光纤阵列使用。更进一步的，第一透镜组31焦距f1取值范围为500mm-800mm，第二透镜组32焦距f2取值范围为32mm到250mm。
所述第一透镜组包括同轴设置的第一透镜L1、第二透镜L2以及第三透镜L3，其中，所述第一透镜L1用于压缩所述调制侦测光的光束口径，控制物方远心，第一出光端中多根光纤发出的光被转换为空间光后到达第一透镜L1，第一透镜L1将各光线口径初步压缩后到达第二透镜L2，所述第二透镜L2用于平衡所述调制侦测光的慧差、像散和畸变，并进一步压缩所述调制侦测光的光束口径，产生部分色散；经过第一透镜L1与第二透镜L2调至的光束到达第三透镜L3后，所述第三透镜L3用于消除所述调制侦测光的场曲、畸变，控制物方远心，控制所述第一透镜组的焦距为长焦距。
其中，通过调整第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3相关参数，实现第一透镜组的焦距调整；且通过曲率和厚度、材料选择实现上述各透镜主要功能的不同设置。本实施例中，所述第一透镜L1为正长焦距透镜，焦距取值范围为200mm至250mm，所述第二透镜L2为正长焦距透镜，焦距取值范围为100mm至150mm，所述第三透镜L3为负小焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至18mm；更进一步的，本实施例中，第一透镜L1为正弯月透镜、朝向色散镜物方设置，第二透镜L2也为正弯月透镜、朝向色散镜物方设置，第三透镜L3为负弯月透镜、朝向物方设置。
所述第二透镜组包括同轴设置的第一透镜单元、第二透镜单元以及第三透镜单元；所述第一透镜单元用于消除所述调制侦测光的球差，控制所述第二透镜组的焦距，控制像方远心，本实施例中，所述第一透镜单元包括第四透镜L4，经过第一透镜组处理的调制侦测光通过第四透镜L4后消除所述调制侦测光的球差；第二透镜单元用于平衡所述调制侦测光的球差和慧差，并压缩所述调制侦测光的光束发散角，进一步产生色散；本实施例中，所述第二透镜单元包括同轴设置的第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7；所述第三透镜单元用于消除所述调制侦测光的残余球差、慧差和像散。本实施例中，所述第三透镜单元包括顺次连接的第八透镜L8以及第九透镜L9。
其中，通过调整第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8以及第九透镜L9的相关参数，实现第二透镜组的焦距调整；且通过曲率和厚度、材料选择实现上述各透镜主要功能的不同设置。进一步的所述第四透镜L4为负中焦距透镜，焦距取值范围为-100mm至-80mm；所述第二透镜单元包括顺次连接的第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7，所述第五透镜L5为正长焦距透镜，焦距取值范围为110mm至160mm，所述第六透镜L6为正长焦距透镜，焦距取值范围为120mm至170mm，第七透镜L7为正长焦距透镜，焦距取值范围为150mm至200mm；所述第三透镜单元包括顺次连接的第八透镜L8以及第九透镜L9；所述第八透镜L8为正长焦距透镜，焦距取值范围为160mm至210mm，所述第九透镜L9为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm。
更进一步的，所述第四透镜L4为双凹透镜，所述第五透镜L5为正弯月透镜、朝向像方设置，所述第六透镜L6为双凸透镜，第七透镜L7为正弯月透镜、朝向物方设置，所述第八透镜L8为正弯月透镜、朝向物方设置，所述第九透镜L9为正弯月透镜、朝向物方设置。
上述色散物镜光路通过双远心结构设置，分别控制物方远心和像方远心，可对大范围内的线光源都等效，从而产生均匀线光源的色散，保证测量光斑亮度和精度一致性，并经由第一透镜组焦距f1和第二透镜组焦距f2配合形成了缩放，可通过调整第f1与f2的比值，确认色散物镜光路缩放倍率β，以根据实际需要，实现系统线长大小的控制。
同时该色散物镜光路配合光源光纤设置，还有效的提高系统的角度适应性，角度大小与缩放倍率β、物方数值孔径NA1有关，缩放倍率β越小、物方数值孔径NA1越大，像方数值孔径NA2就越大，即角度适应性越好。
如上述公式所示，像方的大角度适应性实现主要有两个方面决定，一方面是在小于光纤数值孔径的范围内增大物方孔径NA1数值，同时这样可以提高光源的效率，但对应的会大大增加光学设计难度和复杂度，且轴上和轴外像差都比较难消除；另一方面由整个色散镜的缩放倍率决定，缩放倍率越小，在物方数值孔径一定的情况下像方数值孔径越大，但缩放倍率还受到色散镜横向分辨率的约束，限制较大，一般不做变化。
本发明所示的线光谱共焦系统中，如前所述，本发明所示的色散物镜光路30的缩放倍率为0.04至0.5之间，在此基础之上尽量增大物方孔径NA1数值，通过二者配合，实现系统大线长的情况下，保证了线上所有的点在均匀性和精度上一致，同时实现了目标面上较大的角度适应性，即目标在90度±35度的范围内都可以有光线返回原光纤通道，兼顾了大线长、高一致性与大角度特征。且色散物镜光路全部采用单组透镜产生色差，校正其余像差，加工方便、生产简单。
此外，本发明所示的色散物镜光路，将色散物镜光路的工作波段与所述光纤阵列的工作波段相同设置，以解决光谱一致性的匹配问题。
为实现上述色散物镜光路的有效固定，同时便于色散物镜光路的安装与维修，对应设置了用于固定上述色散镜头的镜筒，所述色散物镜光路设置于所述镜筒之中，所述镜筒包括用于固定所述第一透镜组的第一镜框、用于固定所述第二透镜组的第二镜框以及连接所述第一镜框与第二镜框的镜座，所述第一透镜组与所述第二透镜组分别经由对应的第一镜框与第二镜框固定后经由所述第二镜框配合实现二者之间焦距的调整。
第一镜框内部对应第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3分别设有台阶面，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3放置在对应的台阶面后，经由隔圈配合台阶面进行行定位，然后通过压圈进行拧紧固定；第二镜框内壁对应第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9也设置有台阶面，第四透镜L4至第九透镜L9分别通过第二镜框内壁的台阶面及隔圈进行定位，然后压圈进行拧紧固定。
第一镜框和第二镜框内部的光学件安装完成后，再将两者通过与镜座的定位和固定形成完整的色散镜头，本实施例中，第一镜框和镜座之间通过销轴和螺钉进行定位固定，第二镜框和镜座之间通过螺纹连接进行定位固定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种色散物镜光路，其特征在于：包括沿物方至像方依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组用于控制物方远心并对光纤阵列投射的调制侦测光进行初步色散，所述第二透镜组用于控制像方远心并对所述调制侦测光进行二次色散，且经由所述第一透镜组的长焦距与所述第二透镜组的短焦距配合用于所述物方至所述像方缩放控制，其中，所述物方/像方缩放倍率＝f1/f2，f1为所述第一透镜组的焦距，f2为所述第二透镜组的焦距，所述物方为光纤阵列，所述像方为所述色散物镜光路投射的线长。
2.根据权利要求1所述的一种色散物镜光路，其特征在于：所述第一透镜组的焦距为长焦距，所述第一透镜包括同轴设置的第一透镜、第二透镜以及第三透镜，其中，所述第一透镜用于压缩所述调制侦测光的光束口径，控制物方远心，所述第二透镜用于平衡所述调制侦测光的慧差、像散和畸变，并进一步压缩光束，产生部分色散；所述第三透镜用于消除所述调制侦测光的场曲、畸变，并与所述第一透镜配合用于控制物方远心，控制所述第一透镜组的焦距为长焦距。
3.根据权利要求2所述的一种色散物镜光路，其特征在于，所述第一透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为200mm至250mm，所述第二透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为100mm至150mm，所述第三透镜为负小焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至18mm。
4.根据权利要求3所述的一种色散物镜光路，其特征在于，所述第一透镜为正弯月透镜、朝向物方设置，所述第二透镜为正弯月透镜、朝向物方设置，所述第三透镜为负弯月透镜、朝向物方设置。
5.根据权利要求1所述的一种色散物镜光路，其特征在于，所述第二透镜组包括同轴设置的第一透镜单元、第二透镜单元以及第三透镜单元；所述第一透镜单元用于消除所述调制侦测光的球差，控制所述第二透镜组的焦距，控制像方远心；所述第二透镜单元用于平衡所述调制侦测光的球差和慧差，并压缩所述调制侦测光的光束发散角，进一步产生色散；所述第三透镜单元用于消除所述调制侦测光的残余球差、慧差和像散。
6.根据权利要求5所述的一种色散物镜光路，其特征在于，所述第一透镜单元包括第四透镜，所述第四透镜为负中焦距透镜，焦距取值范围为-100mm至-80mm；所述第二透镜单元包括顺次连接的第五透镜、第六透镜、第七透镜，所述第五透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为110mm至160mm，所述第六透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为120mm至170mm，第七透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为150mm至200mm；所述第三透镜单元包括顺次连接的第八透镜以及第九透镜；所述第八透镜为正长焦距透镜，焦距取值范围为160mm至210mm，所述第九透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm。
7.根据权利要求6所述的一种色散系统，其特征在于，所述第四透镜为双凹透镜；所述第五透镜为正弯月透镜、朝向像方设置，所述第六透镜为双凸透镜，第七透镜为正弯月透镜、朝向物方设置；所述第八透镜为正弯月透镜，朝向物方设置，所述第九透镜为正弯月透镜、朝向物方设置。
8.根据权利要求1所述的一种色散物镜光路，其特征在于：所述物方与所述像方缩放倍率为0.04至0.5之间。
9.根据权利要求1所述的一种色散物镜光路，其特征在于：所述光纤阵列长度为25mm-85mm。
10.根据权利要求1所述的一种色散物镜光路，其特征在于：所述色散物镜光路的工作波段与所述光纤阵列的工作波段相同设置。
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| US20160169660A1 (en) * | 2014-12-10 | 2016-06-16 | Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh | Measuring apparatus and method for determining dimensional characteristics of a measurement object |
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