CN113448050B - 一种光谱仪光路结构 - Google Patents

Abstract

一种光谱仪光路结构，用于处理经过光谱仪光纤调制后的被测物体表面反射的反射光，其包括依次设置的第一透镜组、色散组件以及第二透镜组，其中，所述第一透镜组用于所述反射光的平行，所述色散组件用于所述反射光的色散，所述第二透镜组用于色散后的所述反射光聚焦，并消除所述反射光色差；且经由所述第一透镜组焦距f1和所述第二透镜组焦距f2配合进行所述光谱仪像方与所述光谱仪物方的缩放倍率控制，所述光谱仪像方为所述光谱仪光纤出光端的光纤阵列，所述光谱仪像方为相机上采集的光谱图像。一种光谱仪光路结构可有效保证了探测器上各个通道的光亮度一致性。

Description

一种光谱仪光路结构

技术领域

本发明属于光学领域，尤其涉及一种光谱仪光路结构。

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，光谱仪是其核心器件，但是，目前光谱仪存在以下设计难点：

(1)非中心位置的光通道的一致性问题，即多个光通道的光斑尺寸、亮度等属性的一致性的问题。光通道的光斑包括色散物镜投射至被测物上的测量光斑、被测物上反射光投射至光纤中的光斑以及光谱仪投射至相机上的光斑，若各光通道的光斑不一致，则各光通道获取的检测数据无法统一，整个线光谱共焦传感器系统的测量可靠性得不到保证。

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，在进行色散及解码时，除需要校正轴上像差外，还需要对慧差、场曲、像散、畸变等轴外像差进行校正，以确保各个光通道亮度、光斑尺寸等尽量保持一致，故如何设计光路，尤其光谱仪的光路，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)干扰与稳定性，实际光谱仪与理想光谱仪的重要区别之一是其内部存在杂散光等干扰。杂散光会影响信号的准确性，并对测量弱信号带来麻烦。特殊设计的低杂散光光路能够降低光路中的杂散光。

发明内容

本发明的目的是提供一种线光谱共焦传感器，以解决现有技术存在的问题。

本发明提供了一种光谱仪，包括镜筒设置在所述镜筒中的光谱仪光路结构，所述光谱仪光路结构用于处理经过光谱仪光纤调制后的被测物体表面反射的反射光，其特征在于，所述光谱仪光路结构包括依次设置的第一透镜组、色散组件以及第二透镜组，其中，所述第一透镜组用于所述反射光的平行，所述色散组件用于所述反射光的色散，所述第二透镜组用于色散后的所述反射光聚焦，并消除所述反射光色差；且经由所述第一透镜组焦距f1和所述第二透镜组焦距f2配合进行所述光谱仪像方与所述光谱仪物方的缩放倍率控制，所述光谱仪物方为所述光谱仪光纤出光端的光纤阵列，所述光谱仪像方为相机上采集的光谱图像，所述镜筒包括用于固定所述第一透镜组、所述色散组件的第一镜框以及用于固定所述第二透镜组的第二镜框，所述第一镜框与所述第二镜框可拆卸连接，所述色散组件设置在所述第一镜框与所述第二镜框相连接面的端口处。

优选的，所述第一镜框与所述第二镜框相对倾斜设置，所述第一镜框与所述第二镜框相对倾斜角度取值范围为20度到50度。

优选的，所述第一镜框与所述第二镜框的内壁均设有涂黑层。

优选的，所述光谱仪像方与光谱仪物方的缩放倍率取值范围为0.1至0.8。

优选的，所述光谱仪光纤的光纤阵列长度为25mm-85mm。

优选的，所述第一透镜组包括同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；其中所述第一透镜用于平衡反射光的畸变和场曲，压缩反射光的光束直径；所述第二透镜用于平衡反射光的场曲和畸变，并进一步压缩反射光的光束直径；所述第三透镜和所述第二透镜形成对称结构，用于平衡畸变、像散和场曲，以形成大视场；第四透镜和所述第一透镜形成对称结构，用于补偿剩余的慧差和像散，以形成大视场；

和/或，所述第二透镜组用于色散后的反射光会聚，其包括同轴设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜以及第十透镜；所述第五透镜用于平衡所述反射光中的慧差、像散和球差，消除畸变；所述第六透镜用于补偿所述反射光的球差、慧差，控制像散，并压缩所述反射光的光束发散角；所述第七透镜用于进一步压缩所述反射光的光束发散角，并消除像散和畸变；所述第八透镜用于控制所述反射光的球差、慧差，并进一步压缩所述反射光的光束发散角；第九透镜和第十透镜用于消除所述反射光色差。

进一步的，所述第一透镜组中，所述第一透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第二透镜为负中焦距透镜，焦距取值范围为-130mm至-80mm；所述第三透镜为负长焦距透镜，焦距取值范围为-400mm至-300mm；所述第四透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为110mm至150mm；

和/或，所述第二透镜组中，所述第五透镜为负短焦距透镜，焦距取值范围为-60mm至-30mm；所述第六透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第七透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为50mm至100mm；所述第八透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm；所述第九透镜和所述第十透镜为组成胶合镜，其中，所述第九透镜为负短焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至-10mm；所述第十透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为15mm至50mm。

更进一步的，所述第一透镜组中，所述第一透镜为平凸透镜；所述第二透镜为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置；所述第三透镜为弯月透镜，朝向光谱仪物方设置；所述第四透镜为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置。

和/或，所述第五透镜为双凹透镜；所述第六透镜为平凸透镜；所述第七透镜为双凸透镜；所述第八透镜为双凸透镜；所述组成胶合镜的焦距取值范围为-100mm至-50mm。

优选的，所述色散组件为反射式光栅或透射式光栅，以将经过第一透镜组的准直后的反射光的进行色散，经色散后的反射光入射至第二透镜组。

进一步的，所述色散组件倾斜设置，其中倾斜角度范围为10°±10°。

本发明所示的一种光谱仪光路结构，采用了双远心设计：即第一透镜组作为长焦距物方远心，压缩光束直径，保证了通过第一透镜组准直之后各通道的均匀性，同时采用对称结构，更容易平衡轴外像差，增大了物方视场；第二透镜组作为短焦像方远心，同第一透镜组配合形成缩放关系，将成像维缩放以适配探测器尺寸，同时形成适当的焦距对光谱维进行聚焦和探测器适配，像方远心保证了探测器上各个通道的光亮度一致性。

附图说明

图1为光谱共焦传感器工作原理示意图；

图2为本发明所示的一种光谱仪光路结构结构示意图；

图3为本发明所示的一种光谱仪结构示意图。

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，本发明公开了一种光谱仪光路结构，包括第一透镜组、色散组件以及第二透镜组，其中所述第一透镜组用于所述反射光的准直，所述色散组件用于所述反射光的色散；所述第二透镜组用于色散后的所述反射光聚焦，并消除所述反射光色差；且经由第一透镜组和第二透镜组的焦距配合进行光谱仪像方/光谱仪物方的缩放倍率控制，其中，所述光谱仪物方为光谱仪光纤出光端的光纤阵列，所述光谱仪像方为相机上采集的光谱图像。

一般光谱仪的结构一般为狭缝、准直部件、色散部件、聚焦部件、相机等；狭缝控制输入的光斑大小，光学系统仅针对轴上像差进行校正，视场仅有轴上视场。而线光谱共焦的光谱仪需要同时对几百个通道的光谱进行同时准直、色散、聚焦和测量，同时需要保证各通道的均一性和准确性；如前所述，光谱仪投射至相机上的光斑一致性好坏影响着非中心位置的光通道的一致性，本发明所示的光谱仪光路结构采用了双远心设计：即第一透镜组作为长焦距物方远心，压缩光束直径，保证了通过第一透镜组准直之后各通道的均匀性，同时采用对称结构，更容易平衡轴外像差，增大了物方视场；第二透镜组作为短焦像方远心，同第一透镜组配合形成缩放关系，将成像维缩放以适配探测器尺寸，同时形成适当的焦距对光谱仪进行聚焦和探测器适配，像方远心保证了探测器上各个通道的光亮度一致性。

作为一优选方案，所述光谱仪像方与光谱仪物方的缩放倍率取值范围为0.1至0.8。在其中一实施例中，第一透镜组焦距取值范围为150mm-250mm，第二透镜组的焦距取值范围为25mm-120mm。

作为一优选方案，所述第一透镜组包括同轴设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3以及第四透镜L4；其中，所述第一透镜L1用于平衡反射光的畸变和场曲，压缩反射光的光束直径；所述第二透镜L2用于平衡反射光的场曲和畸变，并进一步压缩反射光的光束直径；所述第三透镜L3和所述第二透镜L2形成对称结构，用于平衡畸变、像散和场曲，以形成大视场；第四透镜L4和所述第一透镜L1形成对称结构，用于补偿剩余的慧差和像散，以形成大视场，且经由第三透镜L3组和第二透镜组焦距的配合进行光谱仪像方/光谱仪物方的缩放控制。

可通过调整第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3以及第四透镜L4的相关参数，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。进一步的，所述第一透镜L1为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第二透镜L2为负中焦距透镜，焦距取值范围为-130mm至-80mm；所述第三透镜L3为负长焦距透镜，焦距取值范围为-400mm至-300mm；所述第四透镜L4为正中焦距透镜，焦距取值范围为110mm至150mm。

本实施例中，更进一步的，第一透镜L1为平凸透镜，用于平衡反射光的畸变和场曲，压缩反射光的光束直径；第二透镜L2为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置，用于平衡反射光的场曲和畸变，并进一步压缩反射光的光束直径；第三透镜L3为弯月透镜，朝向光谱仪物方设置，且和所述第二透镜L2形成对称结构，用于平衡畸变、像散和场曲，以形成大视场；第四透镜L4为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置，且和所述第一透镜L1形成对称结构，用于补偿剩余的慧差和像散，以形成大视场。

多个点光源组成的反射光经过第一透镜组的准直后，形成平行光入射到色散组件，色散组件用于所述平行光的色散，本实施例中，色散组件为反射式光栅或透射式光栅，以将经过第一透镜组的准直后的反射光的进行色散，经色散后的反射光入射至第二透镜组。

所述第二透镜组用于色散后的反射光聚焦，其包括同轴设置的第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9以及第十透镜L10；其中，所述第五透镜L5用于平衡所述反射光中的慧差、像散和球差，消除畸变；所述第六透镜L6用于补偿所述反射光的球差、慧差，控制像散，并压缩所述反射光的光束发散角；所述第七透镜L7用于进一步压缩所述反射光的光束发散角，并消除像散和畸变；所述第八透镜L8用于控制所述反射光的球差、慧差，并进一步压缩所述反射光的光束发散角；第九透镜L9和第十透镜L10配合用于消除色差。

可通过调整第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3以及第四透镜L4的相关参数，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。

进一步的，所述第二透镜组中，所述第五透镜L5为负短焦距透镜，焦距取值范围为-60mm至-30mm；所述第六透镜L6为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第七透镜L7为正中焦距透镜，焦距取值范围为50mm至100mm；所述第八透镜L8为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm；所述第九透镜L9和所述第十透镜L10为组成胶合镜，其中，所述第九透镜L9为负短焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至-10mm；所述第十透镜L10为正短焦距透镜，焦距取值范围为15mm至50mm。

更进一步的，本实施例中，其中第五透镜L5为双凹透镜，用于平衡反射光中的慧差、像散和球差，消除畸变；第六透镜L6为平凸透镜，用于补偿反射光的球差、慧差，控制像散；压缩光束发散角；第七透镜L7为双凸透镜，用于进一步压缩反射光光束的发散角；消除像散和畸变；第八透镜L8为双凸透镜，为用于控制反射光的球差、慧差，是主要的聚光器件，用于进一步压缩反射光光束的发散角；第九透镜L9和第十透镜L10为组成胶合镜，用于消除色差。

此外，本实施例中，将光栅倾斜设置，其中光栅倾斜的角度范围10°±10°，以用于消除杂散光。入射光经色散物镜色散后一般会产生反射光、0级、±1级、±2级…等衍射光，通常为兼顾效率和分辨率，一般使用+1级或-1级光，此时，反射光和其他衍射级的衍射光就成为了杂光。为了提高系统信噪比，本实施例中，将光栅进行倾斜安装，角度为10°±10°，可以避免反射光反射到光纤端面附近形成杂光，另外本实施例中还将镜筒内侧涂黑处理，以消除其余级次的衍射光。

被测物体表面反射的反射光通过光谱仪光纤传输到光谱仪，光谱仪对反射光进行聚焦并通过设置在光谱仪中的透镜组对反射光进行量化处理，量化后的光波在光谱仪上产生一个光谱波峰，光谱曲线的峰值位置与聚焦于被测物体表面的波长产生对应关系，以用于后续分析。

此外，本发明所示的光谱共焦传感器还考虑到光源光纤、色散镜、光谱仪光纤、以及光谱仪的光谱一致性的匹配问题；光源光纤、光谱仪光纤由于材料限制存在最佳通光波长，色散镜有设计波长，光谱仪中色散器件也有适应波长的要求，本实施例中，将四者的设计光谱匹配以协作共同使用。

为实现光谱仪光路结构的有效固定与安装，对应上述光谱仪光路结构还设置了镜筒，所述光谱仪光路结构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以及用于固定所述第二透镜组的第二镜框。第一镜框内部对应第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4分别设有台阶面，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第二镜框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五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10也设置有台阶面，第五透镜至第十透镜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。光栅放置于第一镜框端部的斜面处，然后通过侧向的紧定螺钉进行固定。第一镜框和第二镜框内部的光学件安装完成后，再将两者通过其端面处的销轴和螺钉完成定位和固定，形成完成的光谱仪。

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 (8)

1.一种光谱仪光路结构，用于处理经过光谱仪光纤调制后的被测物体表面反射的反射光，其特征在于，包括依次设置的第一透镜组、色散组件以及第二透镜组，其中，所述第一透镜组作为长焦距物方远心，所述第一透镜组焦距取值范围为150mm-250mm，所述第二透镜组作为短焦像方远心，所述第二透镜组的焦距取值范围为25mm-120mm，所述第一透镜组用于所述反射光的平行，所述色散组件用于所述反射光的色散，所述第二透镜组用于色散后的所述反射光聚焦，并消除所述反射光色差；且经由所述第一透镜组焦距f1和所述第二透镜组焦距f2配合进行所述光谱仪像方与所述光谱仪物方的缩放倍率控制，所述光谱仪物方为所述光谱仪光纤出光端的光纤阵列，所述光谱仪像方为相机上采集的光谱图像；其中，所述第一透镜组由同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜组成；所述第一透镜组中，所述第一透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第二透镜为负中焦距透镜，焦距取值范围为-130mm至-80mm；所述第三透镜为负长焦距透镜，焦距取值范围为-400mm至-300mm；所述第四透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为110mm至150mm；所述第二透镜组由同轴设置的第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜以及第十透镜组成；所述第二透镜组中，所述第五透镜为负短焦距透镜，焦距取值范围为-60mm至-30mm；所述第六透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为80mm至120mm；所述第七透镜为正中焦距透镜，焦距取值范围为50mm至100mm；所述第八透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为30mm至60mm；所述第九透镜和所述第十透镜为组成胶合镜，其中，所述第九透镜为负短焦距透镜，焦距取值范围为-40mm至-10mm；所述第十透镜为正短焦距透镜，焦距取值范围为15mm至50mm；所述色散组件倾斜设置；所述光谱仪光路结构包括十个透镜。

2.根据权利要求1所述的一种光谱仪光路结构，其特征在于：所述光谱仪像方与光谱仪物方的缩放倍率取值范围为0.1至0.8；

和/或，所述光谱仪光纤的光纤阵列长度为25mm-85mm。

3.根据权利要求1所述的一种光谱仪光路结构，其特征在于：其中所述第一透镜用于平衡反射光的畸变和场曲，压缩反射光的光束直径；所述第二透镜用于平衡反射光的场曲和畸变，并进一步压缩反射光的光束直径；所述第三透镜和所述第二透镜形成对称结构，用于平衡畸变、像散和场曲，以形成大视场；第四透镜和所述第一透镜形成对称结构，用于补偿剩余的慧差和像散，以形成大视场。

4.根据权利要求3所述的一种光谱仪光路结构，其特征在于：所述第一透镜组中，所述第一透镜为平凸透镜；所述第二透镜为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置；所述第三透镜为弯月透镜，朝向光谱仪物方设置；所述第四透镜为弯月透镜，朝向光谱仪像方设置。

5.根据权利要求1所述的一种光谱仪光路结构，其特征在于：所述第二透镜组用于色散后的反射光会聚；所述第五透镜用于平衡所述反射光中的慧差、像散和球差，消除畸变；所述第六透镜用于补偿所述反射光的球差、慧差，控制像散，并压缩所述反射光的光束发散角；所述第七透镜用于进一步压缩所述反射光的光束发散角，并消除像散和畸变；所述第八透镜用于控制所述反射光的球差、慧差，并进一步压缩所述反射光的光束发散角；第九透镜和第十透镜用于消除所述反射光色差。

6.根据权利要求5所述的一种光谱仪光路结构，其特征在于：所述第五透镜为双凹透镜；所述第六透镜为平凸透镜；所述第七透镜为双凸透镜；所述第八透镜为双凸透镜；所述组成胶合镜的焦距取值范围为-100mm至-50mm。

7.根据权利要求1所述的一种光谱仪光路结构，其特征在于：所述色散组件为反射式光栅或透射式光栅，以将经过第一透镜组的准直后的反射光的进行色散，经色散后的反射光入射至第二透镜组。

8.根据权利要求7所述的一种光谱仪光路结构，其特征在于：所述色散组件倾斜设置的倾斜角度范围为10°±10°。

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