CN116105982A - 一种超大角度光谱共焦测头 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种超大角度光谱共焦测头，包括镜筒，所述镜筒的一端外接光纤，用于引入固定带宽的复色光源并在镜筒内形成发射光路，在所述镜筒内沿着发射光路方向上依次设有：扩散透镜组，用于将光纤发射的固定数值孔径光束进行扩束；第一色散透镜组，用于承担主要色散；转接透镜组，用于第一色散透镜组与第二色散透镜组之间的光线转承；第二色散透镜组，用于承担部分色散，并将光线以超大角度投射于像面上。本发明采用多段分组色散结构，可使总色散透镜组的光焦度和色散于各细分透镜组间进行合理的权重分配，以适应不同色散需要的同时，可更为完善的矫正大角度光束带来的高阶像差对系统的影响，能满足±64.5°超大角度像方入射角。

Description

一种超大角度光谱共焦测头
技术领域
本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种超大角度光谱共焦测头。
背景技术
目前，随着传统球面镜片智能检测需求的急速增长，非对称大弧面以及规则大口径的光学器件的非接触快速检测成为日益关注的焦点。常规激光位移传感器基于其量程较长的特点可以部分满足上述需要，但其存在轴上光斑不均且尺寸稍大，发射与检测光路间的倾斜配置等固然特性，使其无法满足高精度的精测需求且集成占用空间过大，无法广泛应用于相关检测设备当中。
相比之下，光谱共焦测量的方式是采用色散透镜组，复色光经色散透镜组分离聚焦后，不同波长光波的焦点将于光轴上随着波长递增而依次分布，将被测物置入测头轴上色散区域内，据其表面回光波谱中的峰值信息即可获其空间运动的实时状态，其检测精度高且集成度好。但是大角度光束带来的高阶像差会对系统精度产生不利影响。
为获得更为精确的检测精度以及更为立体全面的检测信息，本发明提供一种超大角度光谱共焦测头，创造性的采用多段分组色散结构，可使总色散透镜组的光焦度和色散于各细分透镜组间进行合理的权重分配，以适应不同色散需要的同时，可更为完善的矫正大角度光束带来的高阶像差对系统的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种超大角度光谱共焦测头。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种超大角度光谱共焦测头，包括镜筒，所述镜筒的一端外接光纤，用于引入固定带宽的复色光源并在镜筒内形成发射光路，其特征在于，在所述镜筒内沿着发射光路方向上依次设有：
扩散透镜组，用于将光纤发射的固定数值孔径光束进行扩束，减小物方F数并缩短镜组前段长度；
第一色散透镜组，用于承担主要色散；
转接透镜组，用于第一色散透镜组与第二色散透镜组之间的光线转承；
第二色散透镜组，用于承担部分色散，并将光线以超大角度投射于像面上；
使得不同波长的光束经过第一色散透镜组和第二色散透镜组色散分离及屈光聚焦后，不同波长光波的焦点于光轴上随着波长递增而依次分布，在被测物置入测头轴上的色散区域内时，据其表面回光波谱中的峰值信息获取其空间运动的实时状态。
进一步的，所述第一色散透镜组和第二色散透镜组为焦距均为正的正透镜组，用于产生正向色散，承担整个透镜组的色散权重，并产生相应的正向球差，所述扩散透镜组和转接透镜组为焦距均为负的负透镜组，用于共同产生等量负向球差以矫正透镜组的整体球差，同时附加较小程度的负向色散。
进一步的，所述扩散透镜组中由物方至像方依次排列设置有焦距均为负的第一单透镜和第二单透镜；所述第一色散透镜组中由物方至像方依次排列设置有焦距均为正的第三单透镜、第四单透镜和第五单透镜；所述转接透镜组中由物方至像方依次排列设置有焦距均为负的第六单透镜和第七单透镜；所述第二色散透镜组中由物方至像方依次排列设置有焦距均为正的第八单透镜、第九单透镜、第十单透镜和第十一单透镜。
进一步的，所述第一单透镜的焦距范围为-11.3mm至-9mm，所述第二单透镜的焦距范围为-44mm至-39mm。
进一步的，所述第三单透镜的焦距范围为120mm至180mm，所述第四单透镜的焦距范围为100mm至160mm，所述第五单透镜的焦距范围为140mm至180mm。
进一步的，所述第六单透镜为前后表面曲率中心接近的场镜透镜，用以矫正系统场曲，其焦距范围为-900mm至-1000mm，所述第七单透镜的焦距范围为-50mm至-90mm，用以产生较大负向球差。
进一步的，所述第八单透镜的焦距范围120mm至180mm，所述第九单透镜的焦距范围170mm至210mm，所述第十单透镜的焦距范围80mm至120mm，所述第十一单透镜的焦距范围70mm至110mm。
本发明的有益效果是:
本发明采用多段分组色散结构，可使总色散透镜组的光焦度和色散于各细分透镜组间进行合理的权重分配，以适应不同色散需要的同时，可更为完善的矫正大角度光束带来的高阶像差对系统的影响，能满足±64.5°超大角度像方入射角。
附图说明
图1为本发明超大角度光谱共焦测头的结构示意图；
图2为图1中超大角度光谱共焦测头的像方参数示意图。
图中标号说明：1、扩散透镜组，11、第一单透镜，12、第二单透镜，2、第一色散透镜组，21、第三单透镜，22、第四单透镜，23、第五单透镜，3、转接透镜组，31、第六单透镜，32、第七单透镜，4、第二色散透镜组，41、第八单透镜，42、第九单透镜，43、第十单透镜，44、第十一单透镜。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
如图1所示，一种超大角度光谱共焦测头，包括镜筒，所述镜筒的一端外接光纤，用于引入固定带宽的复色光源并在镜筒内形成发射光路，其特征在于，在所述镜筒内沿着发射光路方向上依次设有：
扩散透镜组1，用于将光纤发射的固定数值孔径光束进行扩束，减小物方F数并缩短镜组前段长度；
第一色散透镜组2，用于承担主要色散；
转接透镜组3，用于第一色散透镜组2与第二色散透镜组4之间的光线转承：
第二色散透镜组4，用于承担部分色散，并将光线以超大角度投射于像面上：
使得不同波长的光束经过第一色散透镜组2和第二色散透镜组4色散分离及屈光聚焦后，不同波长光波的焦点于光轴上随着波长递增而依次分布，在被测物置入测头轴上的色散区域内时，据其表面回光波谱中的峰值信息获取其空间运动的实时状态。
所述第一色散透镜组2和第二色散透镜组4为焦距均为正的正透镜组，用于产生正向色散，承担整个透镜组的色散权重，并产生相应的正向球差，所述扩散透镜组1和转接透镜组3为焦距均为负的负透镜组，用于共同产生等量负向球差以矫正透镜组的整体球差，同时附加较小程度的负向色散。
扩散透镜组1、第一色散透镜组2、转接透镜组3、第二色散透镜组4的球差分别表示为：∑SI一、∑SI二、∑SI三、∑SI四；色差分别表示为：∑CI一、∑CI二、∑CI三、∑CI四；各透镜组可灵活调整其中的单透镜来满足各种不同的色散以及光焦度需要，即使得：∑S1一+∑SI三＝-(∑SI二+∑SI四)，∑CI一+∑CI二+∑CI三+∑CI四＝MR，其中，MR为光谱共焦可测量范围。在本实施例中，MR＝2.4mm，发射光路上的光纤发射光束的数值孔径为na，扩散透镜组1的焦距为f1，出射光瞳为#1，则像方F数为f1/#1，且
Figure BDA0004103880640000061
第一色散透镜组2的焦距为f2，转接透镜组3的焦距为f3，第二色散透镜组4的焦距为f4，则：-0.8＜f2/f3＜-0.5，1.4＜f2/f4＜1.6。
所述扩散透镜组1中由物方至像方依次排列设置有焦距均为负的第一单透镜11和第二单透镜12；所述第一色散透镜组2中由物方至像方依次排列设置有焦距均为正的第三单透镜21、第四单透镜22和第五单透镜23：所述转接透镜组3中由物方至像方依次排列设置有焦距均为负的第六单透镜31和第七单透镜32；所述第二色散透镜组4中由物方至像方依次排列设置有焦距均为正的第八单透镜41、第九单透镜42、第十单透镜43和第十一单透镜44。
所述第一单透镜11的焦距范围为-11.3mm至-9mm，所述第二单透镜12的焦距范围为-44mm至-39mm。
所述第三单透镜21的焦距范围为120mm至180mm，所述第四单透镜22的焦距范围为100mm至160mm，所述第五单透镜23的焦距范围为140mm至180mm。
所述第六单透镜31为前后表面曲率中心接近的场镜透镜，用以矫正系统场曲，其焦距范围为-900mm至-1000mm，所述第七单透镜32的焦距范围为-50mm至-90mm，用以产生较大负向球差。
所述第八单透镜41的焦距范围120mm至180mm，所述第九单透镜42的焦距范围170mm至210mm，所述第十单透镜43的焦距范围80mm至120mm，所述第十一单透镜44的焦距范围70mm至110mm。
在本实施例中，透镜组中的单透镜最大直径为D＝90mm，在其工作波段[λ1，λ2]内，λ1、λ2分别为工作波段的短波及长波极限，使透镜组满足：
∑CI一+∑CI二+∑CI三+∑CI四＝MR＝2.4mm；
本光谱共焦测头在其工作波段[λ1，…，λ0，…，λ2]内的特定波长λ0处，其对应后截距
Figure BDA0004103880640000071
短波极限λ1、长波极限λ2对应后截距与之差值绝对值均为1.2mm，即：
Figure BDA0004103880640000072
Figure BDA0004103880640000073
Figure BDA0004103880640000074
-Δ1＝Δ2＝1.2mm，在本光谱共焦测头于波长λ0出射光线焦点处，见图2中，最大孔径光线与光轴夹角
Figure BDA0004103880640000075
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超大角度光谱共焦测头，包括镜筒，所述镜筒的一端外接光纤，用于引入固定带宽的复色光源并在镜筒内形成发射光路，其特征在于，在所述镜筒内沿着发射光路方向上依次设有：
扩散透镜组(1)，用于将光纤发射的固定数值孔径光束进行扩束，减小物方F数并缩短镜组前段长度；
第一色散透镜组(2)，用于承担主要色散；
转接透镜组(3)，用于第一色散透镜组(2)与第二色散透镜组(4)之间的光线转承；
第二色散透镜组(4)，用于承担部分色散，并将光线以超大角度投射于像面上；
使得不同波长的光束经过第一色散透镜组(2)和第二色散透镜组(4)色散分离及屈光聚焦后，不同波长光波的焦点于光轴上随着波长递增而依次分布，在被测物置入测头轴上的色散区域内时，据其表面回光波谱中的峰值信息获取其空间运动的实时状态。
2.根据权利要求1所述的超大角度光谱共焦测头，其特征在于，所述第一色散透镜组(2)和第二色散透镜组(4)为焦距均为正的正透镜组，用于产生正向色散，承担整个透镜组的色散权重，并产生相应的正向球差，所述扩散透镜组(1)和转接透镜组(3)为焦距均为负的负透镜组，用于共同产生等量负向球差以矫正透镜组的整体球差，同时附加较小程度的负向色散。
3.根据权利要求1所述的超大角度光谱共焦测头，其特征在于，所述扩散透镜组(1)中由物方至像方依次排列设置有焦距均为负的第一单透镜(11)和第二单透镜(12)；所述第一色散透镜组(2)中由物方至像方依次排列设置有焦距均为正的第三单透镜(21)、第四单透镜(22)和第五单透镜(23)；所述转接透镜组(3)中由物方至像方依次排列设置有焦距均为负的第六单透镜(31)和第七单透镜(32)；所述第二色散透镜组(4)中由物方至像方依次排列设置有焦距均为正的第八单透镜(41)、第九单透镜(42)、第十单透镜(43)和第十一单透镜(44)。
4.根据权利要求3所述的超大角度光谱共焦测头，其特征在于，所述第一单透镜(11)的焦距范围为-11.3mm至-9mm，所述第二单透镜(12)的焦距范围为-44mm至-39mm。
5.根据权利要求4所述的超大角度光谱共焦测头，其特征在于，所述第三单透镜(21)的焦距范围为120mm至180mm，所述第四单透镜(22)的焦距范围为100mm至160mm，所述第五单透镜(23)的焦距范围为140mm至180mm。
6.根据权利要求5所述的超大角度光谱共焦测头，其特征在于，所述第六单透镜(31)为前后表面曲率中心接近的场镜透镜，用以矫正系统场曲，其焦距范围为-900mm至-1000mm，所述第七单透镜(32)的焦距范围为-50mm至-90mm，用以产生较大负向球差。
7.根据权利要求6所述的超大角度光谱共焦测头，其特征在于，所述第八单透镜(41)的焦距范围120mm至180mm，所述第九单透镜(42)的焦距范围170mm至210mm，所述第十单透镜(43)的焦距范围80mm至120mm，所述第十一单透镜(44)的焦距范围70mm至110mm。
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