CN114236761A - 一种用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，所述色散物镜的光线系统包括沿光线入射方向依次设置的光纤、发散透镜、中继透镜组和会聚透镜组和待测物体；所述发散透镜为平凹负透镜A‑1，所述中继透镜组由弯月正透镜B‑1、弯月正透镜B‑2以及弯月正透镜B‑3组成；所述会聚透镜组由双凸正透镜C‑1以及弯月正透镜C‑2组成。基于几何像差原理，考虑了色散距离与波长的非线性关系和色散范围的矛盾点，提出逐步提升光线与系统中镜片的交高来扩大色散范围，设计采用全球面和非密接透镜的形式，有利于球差的校正，不仅获得较大的工作距离，而且具有较好的线性性能。

Description

一种用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜
技术领域
本发明涉及镜头领域，特别是一种用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜。
背景技术
随着微电子、微机械与光学自由曲面等技术的发展，因此满足测量复杂表面的分辨率、范围、深度信息等超精密测量指标的相应配套检测设备有很大的需求。光谱共焦技术作为一种以非接触式的方法，测量表面深度信息，其大体分为两类，一类是通过镜组将激光束很好的聚焦，然后将聚焦点置于被测表面，通过移动被测表面或者镜组的方式，获取表面的深度信息；另一类是引入受控制的轴向色差，通过色散镜组将一定波段范围内的波长分别聚焦于轴向不同的位置，然后被测表面的置于镜组测量范围内，通过识别编码波长信息来获取表面的深度信息。第一类由于测试过程需要对每一点进行对焦测试，导致测试过程冗长，不灵活；第二类引入轴向受控制的色差，使得表面具有不同矢高的位置可以对应不同波长的聚焦点，只需要移动被测物体，便可以将Z=f（λ）一一对应，测试速度更快。
色散物镜的线性度影响设备的灵敏度。然后由肖特折射率插值公式可知：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由于光学玻璃折射率本身就与波长存在非线性关系，随着色散物镜测量范围的扩大，其线性程度也会随之降低。有研究者提出使用衍射光学元件实现色散与波长的线性关系，但衍射光学元件本身校正球差的能力有限，而球差的校正程度又直接决定着光谱共焦系统的分辨率，衍射光学元件的数值控制也不容易做大，并且加工成本较高，实用性较低；也有研究者提出采用四级串联结构来实现色散距离与波长的线性关系，但该系统过长，且镜片数量过多，不具备实用性。
也有研究者提出引入非球面技术来校正球差，以求减少镜片的数量，但非球面不易加工与装调，镜片本身倾斜与偏心外加装调过程中产生的倾斜与偏心都会影响光斑的质量，使得球差增大。
目前与色散物镜相关专利中，球差的校正只考虑了轴向理想点光源的情形，且球差校正在2um以上，由于光纤具有一定尺寸，若只校正轴向理想点光源的球差，轴外的光斑也会增加最后光谱共焦系统的的信号噪声，影响分辨。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，有利于球差的校正，不仅获得较大的工作距离，而且具有较好的线性性能。
本发明采用以下方案实现：一种用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，所述色散物镜的光线系统包括沿光线入射方向依次设置的光纤、发散透镜、中继透镜组和会聚透镜组和待测物体；所述发散透镜为平凹负透镜A-1，所述中继透镜组由弯月正透镜B-1、弯月正透镜B-2以及弯月正透镜B-3组成；所述会聚透镜组由双凸正透镜C-1以及弯月正透镜C-2组成。
进一步的，所述平凹负透镜A-1的阿贝系数Vd 满足18≤Vd≤20；平凹负透镜A-1中心厚度为3.38 mm，平凹负透镜A-1与弯月正透镜B-1的空气间隔为1mm。
进一步的，所述弯月正透镜B-1阿贝系数Vd 满足17≤Vd≤20，折射率n满足1.90≤n≤2.00；所述弯月正透镜B-2阿贝系数Vd 满足35≤Vd≤40，折射率n 满足1.85≤n≤1.95；所述弯月正透镜B-3阿贝系数Vd 满足45≤Vd≤50，折射率n 满足1.70≤n≤1.80；弯月正透镜B-1中心厚度为5.14 mm，弯月正透镜B-1与弯月正透镜B-2之间的空气间隔为2.95 mm；弯月正透镜B-2中心厚度为3.65 mm，弯月正透镜B-2与弯月正透镜B-3之间的空气间隔为4.10mm；弯月正透镜B-3中心厚度为2.65 mm，弯月正透镜B-2与双凸正透镜C-1之间的空气间隔为8.10 mm。
进一步的，所述双凸正透镜C-1折射率n 满足1.80≤n≤1.95；弯月正透镜C-2折射率n满足1.75≤n≤1.85；双凸正透镜C-1中心厚度为2.71 mm，双凸正透镜C-1与弯月正透镜C-2之间的空气间隔为0.1 mm；所述弯月正透镜C-2中心厚度为2.97 mm。
进一步的，所述弯月正透镜C靠近待测物体的一面为凹面，凹面的曲率中心位置与待测物体位置满足条件：1<r/WD<1.55,其中r式凹面曲率半径，WD是工作距离。
进一步的，光纤F到镜头第一面的距离大于15.1 mm，光纤F到镜头最后一面的距离大于53 mm，光纤直径为200 um，数值孔径0.22。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）数值孔径较大，物方数值孔径0.22，像方数值孔径大于等于0.25；（2）考虑了光纤尺寸，轴向与轴外球差校正较好，基本处于艾里斑以内；（3）全球面设计，无胶合片，使得加工装调工艺较为简洁；（4）各波长的聚焦距离与波长之间的线性度较高，达到98.1%；（5）采用逐步提升光线与系统中镜片的交高来扩大色散范围。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例光学系统构造示意图；
图2是本发明实施例光学系统波长与聚焦距离的线性拟合图；
图3是本发明实施例光学系统λ=587.5618 nm对应的点列图；
图4是本发明实施例光学系统λ=587.5618 nm对应的球差曲线；
图5是本发明实施例光学系统λ=450 nm对应的点列图；
图6是本发明实施例光学系统λ=450 nm对应的球差曲线；
图7是本发明实施例光学系统λ=650 nm对应的点列图；
图8是本发明实施例光学系统λ=650 nm对应的球差曲线；
图9是本发明实施例光学系统所有波长对应球差曲线；
图中标号说明：1-光纤、2-平凹负透镜A-1、3-弯月正透镜B-1、4-弯月正透镜B-2、5-弯月正透镜B-3、6-双凸正透镜C-1、7-弯月正透镜C-2、8-待测物体、A-发散透镜、B-中继透镜组、C-会聚透镜组。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1~9所示，一种用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，所述色散物镜的光线系统包括沿光线入射方向依次设置的光纤、发散透镜、中继透镜组和会聚透镜组和待测物体；所述发散透镜为平凹负透镜A-1，所述中继透镜组由弯月正透镜B-1、弯月正透镜B-2以及弯月正透镜B-3组成；所述会聚透镜组由双凸正透镜C-1以及弯月正透镜C-2组成。基于几何像差原理，考虑了色散距离与波长的非线性关系和色散范围的矛盾点，提出逐步提升光线与系统中镜片的交高来扩大色散范围，设计采用全球面和非密接透镜的形式，有利于球差的校正，不仅获得较大的工作距离，而且具有较好的线性性能；有大轴向色差，通过镜头后产生色散效应，在焦点范围内对应不同波长产生一系列不同的焦点，表面具有不同深度处产生不同的响应光波信号，以此识别表面的三维信息；该色散物镜共使用六片玻璃球面透镜，使得光学系统总长大于53 mm，实现测量范围优于4 mm，主要应用于表面形貌检测。
在本实施例中，所述平凹负透镜A-1的阿贝系数Vd 满足18≤Vd≤20，采用重火石玻璃；平凹负透镜A-1中心厚度为3.38 mm，平凹负透镜A-1与弯月正透镜B-1的空气间隔为1mm；凹面朝向光纤一侧，有利于减轻系统杂散光的干扰，且兼顾扩大像方的数值孔径。
在本实施例中，所述中继透镜组主要承担系统色散作用，所述弯月正透镜B-1阿贝系数Vd 满足17≤Vd≤20，折射率n满足1.90≤n≤2.00；所述弯月正透镜B-2阿贝系数Vd 满足35≤Vd≤40，折射率n 满足1.85≤n≤1.95；所述弯月正透镜B-3阿贝系数Vd 满足45≤Vd≤50，折射率n 满足1.70≤n≤1.80；弯月正透镜B-1中心厚度为5.14 mm，弯月正透镜B-1与弯月正透镜B-2之间的空气间隔为2.95 mm；弯月正透镜B-2中心厚度为3.65 mm，弯月正透镜B-2与弯月正透镜B-3之间的空气间隔为4.10 mm；弯月正透镜B-3中心厚度为2.65 mm，弯月正透镜B-2与双凸正透镜C-1之间的空气间隔为8.10 mm，弯月正透镜B-1、弯月正透镜B-2、弯月正透镜B-3分别采用重火石玻璃、重镧火石玻璃和镧火石玻璃，色散在中继透镜组中呈现逐级递减，折光也呈现慢慢减弱。
在本实施例中，所述会聚透镜组主要将经过中继透镜组和发散透镜的不同波长的光线会聚到不同位置，所述双凸正透镜C-1折射率n 满足1.80≤n≤1.95；弯月正透镜C-2折射率n满足1.75≤n≤1.85；双凸正透镜C-1中心厚度为2.71 mm，双凸正透镜C-1与弯月正透镜C-2之间的空气间隔为0.1 mm；所述弯月正透镜C-2中心厚度为2.97 mm，双凸正透镜C-1和弯月正透镜C-2均为重火石玻璃。
色散物镜为线性时，应满足以下条件：
Figure 955700DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
前式是线性色散条件，后式是产生的色散范围与系统中透镜的关系，h为光线与透镜的交高，下角标p、s、l分别表示主波长、短波长与长波长，i表示系统中透镜的顺序；由前式条件可知，为了得到线性的色散物镜，正透镜应选用阿贝数大的玻璃，负透镜要选用阿贝数小的玻璃，由后式条件可知，为了得到较大的轴向色散范围，正透镜应选用阿贝数小的玻璃，负透镜应选用阿贝数大的玻璃，从材料选择上这两式存在矛盾，但观察后式，提高色散范围除了材料合理选择之外，还可以通过提高光线与透镜的交高来实现。
色散物镜工作波段为450 nm-650 nm，其中蓝光到红光的轴向色散距离大于4 mm，红光650 nm在像方的数值孔径大于0.25。
在本实施例中，所述弯月正透镜C靠近待测物体的一面为凹面，凹面的曲率中心位置与待测物体位置满足条件：1<r/WD<1.55,其中r式凹面曲率半径，WD是工作距离。
在本实施例中，考虑到色散物镜的数值孔径直接决定系统的轴向分辨率，光纤F到镜头第一面的距离大于15.1 mm，光纤F到镜头最后一面的距离大于53 mm，光纤直径为200um，数值孔径0.22，光能量集中并且光照度更强。
所述色散物镜焦深满足以下条件：
Figure 577568DEST_PATH_IMAGE004
计算出主光线的焦深等于8.982 um，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，表明本实施例具有较大的色散。
本实施例光学系统中各个镜片的具体参数见下表：
Figure 967092DEST_PATH_IMAGE006
该光学系统最大口径为23 mm，重量20g，镜头总长不大于40 mm，便于使用。
按照下式对各波长的聚焦距离与波长关系进行线性拟合：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
可知各波长的聚焦距离与波长之间的线性拟合程度较高，达到了98.1%，如图2所示。
弯月正透镜C-2到物面的距离为39.31 mm，其中，蓝光450 nm聚焦距离最近，有近36.143 mm，WD=36.143 mm=1.41（1-β）*f，表明本发明实施例有较长的工作距离。
如附图3、4、5所示，各波长点轴向的球差校正都在1 um以内，弥散斑也远小于艾里斑；轴外的像差，除450 nm波长处轻微超差，对整体测试影响较小，其余波长处，像差校正良好，弥散斑稍微比轴向大，也均在艾里斑范围内。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，其特征在于：所述色散物镜的光线系统包括沿光线入射方向依次设置的光纤、发散透镜、中继透镜组和会聚透镜组和待测物体；所述发散透镜为平凹负透镜A-1，所述中继透镜组由弯月正透镜B-1、弯月正透镜B-2以及弯月正透镜B-3组成；所述会聚透镜组由双凸正透镜C-1以及弯月正透镜C-2组成。
2.根据权利要求1所述的用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，其特征在于：所述平凹负透镜A-1的阿贝系数Vd 满足18≤Vd≤20；平凹负透镜A-1中心厚度为3.38 mm，平凹负透镜A-1与弯月正透镜B-1的空气间隔为1mm。
3.根据权利要求1所述的用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，其特征在于：所述弯月正透镜B-1阿贝系数Vd 满足17≤Vd≤20，折射率n满足1.90≤n≤2.00；所述弯月正透镜B-2阿贝系数Vd 满足35≤Vd≤40，折射率n 满足1.85≤n≤1.95；所述弯月正透镜B-3阿贝系数Vd 满足45≤Vd≤50，折射率n 满足1.70≤n≤1.80；弯月正透镜B-1中心厚度为5.14 mm，弯月正透镜B-1与弯月正透镜B-2之间的空气间隔为2.95 mm；弯月正透镜B-2中心厚度为3.65 mm，弯月正透镜B-2与弯月正透镜B-3之间的空气间隔为4.10 mm；弯月正透镜B-3中心厚度为2.65 mm，弯月正透镜B-2与双凸正透镜C-1之间的空气间隔为8.10 mm。
4.根据权利要求1所述的用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，其特征在于：所述双凸正透镜C-1折射率n 满足1.80≤n≤1.95；弯月正透镜C-2折射率n满足1.75≤n≤1.85；双凸正透镜C-1中心厚度为2.71 mm，双凸正透镜C-1与弯月正透镜C-2之间的空气间隔为0.1 mm；所述弯月正透镜C-2中心厚度为2.97 mm。
5.根据权利要求1所述的用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，其特征在于：所述弯月正透镜C靠近待测物体的一面为凹面，凹面的曲率中心位置与待测物体位置满足条件：1<r/WD<1.55,其中r式凹面曲率半径，WD是工作距离。
6.根据权利要求1所述的用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，其特征在于：光纤F到镜头第一面的距离大于15.1 mm，光纤F到镜头最后一面的距离大于53 mm，光纤直径为200 um，数值孔径0.22。
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