CN116256153A - 一种大测量范围光谱共焦测头 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大测量范围光谱共焦测头，包括镜筒，镜筒的一端外接标准光纤，用于引入复色光源并在镜筒内形成输入光路，镜筒内的输入光路上设有扩散透镜组，用于将标准光纤的发射光束进行扩束形成输出光路，在镜筒内的输出光路上设有若干色散透镜组和转接透镜组，使得不同波长的光束经过色散透镜组色散分离及屈光聚焦后，其焦点于输出光路轴线上随波长的变化而依次分布，并将复色光的波长分布与被测空间的位置信息映射相关起来，利用被测物回光波长检测实现其空间位置的监测。本发明采用多个色散透镜组连续叠加、辅以多个转接透镜组转承结合的结构，可将光谱共焦测头的色散范围拓展至20mm。

Description

一种大测量范围光谱共焦测头

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种大测量范围光谱共焦测头。

背景技术

随着AR/VR等前沿科技的逐渐兴起，以及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则具有焦斑尺寸小以及轴对称性优点，检测精度高且集成度好，但却存在常规检测量程偏小的问题。

本发明旨在通过现有光学设计理论，在充分发挥光谱共焦测头优点的同时，提供一种大测量范围光谱共焦测头，以解决以上问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种大测量范围光谱共焦测头。

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：

一种大测量范围光谱共焦测头，包括镜筒，所述镜筒的一端外接标准光纤，用于引入复色光源并在镜筒内形成输入光路，所述镜筒内的输入光路上设有扩散透镜组，用于将标准光纤的发射光束进行扩束形成输出光路，在所述镜筒内的输出光路上设有若干色散透镜组和转接透镜组，使得不同波长的光束经过色散透镜组色散分离及屈光聚焦后，其焦点于输出光路轴线上随波长的变化而依次分布，并将复色光的波长分布与被测空间的位置信息映射相关起来，利用被测物回光波长检测实现其空间位置的监测，所述转接透镜组设置于色散透镜组之间，用于色散透镜组间光线的转承。

进一步的，所述色散透镜组包括第一色散透镜组、第二色散透镜组和第三色散透镜组，所述第一色散透镜组、第二色散透镜组和第三色散透镜组在输出光路上由物方至像方依次设置，用于色散分离及屈光聚焦，所述转接透镜组包括第一转接透镜组和第二转接透镜组，所述第一转接透镜组设置于第一色散透镜组与第二色散透镜组之间，所述第二转接透镜组设置于第二色散透镜组与第三色散透镜组之间。

进一步的，所述扩散透镜组的焦距为负，用于将标准光纤的发射光束进行扩束，所述第一色散透镜组、第二色散透镜组和第三色散透镜组的焦距为正，用于产生正向色散，承担整个透镜组的色散权重，所述第一转接透镜组和第二转接透镜组的焦距为负，用于转承第一色散透镜组、第二色散透镜组和第三色散透镜组，并与扩散透镜组共同产生负向球差，以抵消第一色散透镜组、第二色散透镜组和第三色散透镜组正向球差的累积，且尽可能衍生较小的负向色散。

进一步的，所述扩散透镜组由若干个焦距为负的单透镜组成。

进一步的，所述第一色散透镜组、第二色散透镜组和第三色散透镜组分别由若干个焦距为正的单透镜组成，所述第一转接透镜组和第二转接透镜组分别由若干个焦距为负的单透镜组成。

本发明的有益效果是:

本发明采用多个色散透镜组连续叠加、辅以多个转接透镜组转承结合的结构，可将光谱共焦测头的色散范围拓展达到20mm，籍此大测量范围可在测厚及测距范围变化较大的应用场景中有较高的适用性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中标号说明：1、扩散透镜组，2、第一色散透镜组，3、第一转接透镜组，4、第二色散透镜组，5、第二转接透镜组，6、第三色散透镜组，7、标准光纤，8、镜筒。

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，一种大测量范围光谱共焦测头，包括镜筒8，所述镜筒8的一端外接标准光纤7，用于引入复色光源并在镜筒8内形成输入光路，所述镜筒8内的输入光路上设有扩散透镜组1，用于将标准光纤7的发射光束进行扩束形成输出光路，在所述镜筒8内的输出光路上设有若干色散透镜组和转接透镜组，使得不同波长的光束经过色散透镜组色散分离及屈光聚焦后，其焦点于输出光路轴线上随波长的变化而依次分布，并将复色光的波长分布与被测空间的位置信息映射相关起来，利用被测物回光波长检测实现其空间位置的监测，所述转接透镜组设置于色散透镜组之间，用于色散透镜组间光线的转承。

所述色散透镜组包括第一色散透镜组2、第二色散透镜组4和第三色散透镜组6，所述第一色散透镜组2、第二色散透镜组4和第三色散透镜组6在输出光路上由物方至像方依次设置，用于色散分离及屈光聚焦，所述转接透镜组包括第一转接透镜组3和第二转接透镜组5，所述第一转接透镜组3设置于第一色散透镜组2与第二色散透镜组4之间，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，所述第二转接透镜组5设置于第二色散透镜组4与第三色散透镜组6之间，用于第二色散透镜组4与第三色散透镜组6之间的光线转承。

所述扩散透镜组1的焦距为负，用于将标准光纤7的发射光束进行扩束，所述第一色散透镜组2、第二色散透镜组4和第三色散透镜组6的焦距为正，用于产生正向色散，承担整个透镜组的色散权重，所述第一转接透镜组3和第二转接透镜组5的焦距为负，用于转承第一色散透镜组2、第二色散透镜组4和第三色散透镜组6，并与扩散透镜组1共同产生负向球差，以抵消第一色散透镜组2、第二色散透镜组4和第三色散透镜组6正向球差的累积，且尽可能衍生较小的负向色散。

所述扩散透镜组1由若干个焦距为负的单透镜组成，在本实施例中，扩散透镜组1中设有两个单透镜。

所述第一色散透镜组2、第二色散透镜组4和第三色散透镜组6分别由若干个焦距为正的单透镜组成，在本实施例中，第一色散透镜组2、第二色散透镜组4和第三色散透镜组6中分别设有三个单透镜，所述第一转接透镜组3和第二转接透镜组5分别由若干个焦距为负的单透镜组成，在本实施例中，第一转接透镜组3和第二转接透镜组5中分别设有两个单透镜。

在本实施例中，对各透镜组和各单透镜进行编号，具体为：

继续参照图1所示，扩散透镜组1编为第一透镜组，第一色散透镜组2编为第二透镜组，第一转接透镜组3编为第三透镜组，第二色散透镜组4编为第四透镜组，第二转接透镜组5编为第五透镜组，第三色散透镜组6编为第六透镜组；扩散透镜组1中的单透镜由物方至像方依次编为第一透镜和第二透镜；第一色散透镜组2中的单透镜由物方至像方依次编为第三透镜、第四透镜和第五透镜；第一转接透镜组3中的单透镜由物方至像方依次编为第六透镜和第七透镜；第二色散透镜组4中的单透镜由物方至像方依次编为第八透镜、第九透镜和第十透镜；第二转接透镜组5中的单透镜由物方至像方依次编为第十一透镜和第十二透镜；第三色散透镜组6中的单透镜由物方至像方依次编为第十三透镜、第十四透镜和第十五透镜。

对镜筒8和各单透镜的选用尺寸进行约束，光谱共焦测头的镜筒8直径D为其工作波段范围[λ₁，λ₂]内，其中，λ₁和λ₂分别为工作波段的短波及长波极限；

则各透镜组的色散为：

式中，1～N为自测头光源发射物面始光线依次经过的各透镜组的序列编号；1～n为第N透镜组内光线依次经过的各单透镜序列编号；D_i为第i个单透镜的有效通光口径；/>

为第i个单透镜的光焦度；v′_i为第i个单透镜于测头工作波段内的相对阿贝数；

其中阿贝数v′_i的计算公式为：

式中，n_iF、n_iC、/>

分别为第i个单透镜于F、C光以及测头工作波段波长极限处对应折射率；

第一色散透镜组2(第二透镜组)、第二色散透镜组4(第四透镜组)和第三色散透镜组6(第六透镜组)承担色散透镜组的主要色散，其各自色散分别为：

扩散透镜组1(第一透镜组)、第一转接透镜组3(第三透镜组)和第二转接透镜组5(第五透镜组)衍生的负向色散和为：

则各透镜组的色散总和为：/>

在本实施例中，扩散透镜组1(第一透镜组)与第一转接透镜组3(第三透镜组)和第二转接透镜组5(第五透镜组)一起负责第一色散透镜组2(第二透镜组)、第二色散透镜组4(第四透镜组)和第三色散透镜组6(第六透镜组)之间光线的转承，并衍生负向球差以抵消第一色散透镜组2(第二透镜组)、第二色散透镜组4(第四透镜组)、第三色散透镜组6(第六透镜组)正向球差的累积，即：

在本实施例中，光谱共焦测头在其工作波段[λ₁，…，λ₀，…，λ₂]内特定波长λ₀处，其对应后截距

短波极限λ₁、长波极限λ₂对应后截距与之差值绝对值均为

10mm，即：-Δ₁＝Δ₂＝10mm；

光谱共焦测头于波长λ₀出射光线焦点处，见图1中，最大孔径光线与光轴夹角

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 (5)

1.一种大测量范围光谱共焦测头，包括镜筒(8)，所述镜筒(8)的一端外接标准光纤(7)，用于引入复色光源并在镜筒(8)内形成输入光路，其特征在于，所述镜筒(8)内的输入光路上设有扩散透镜组(1)，用于将标准光纤(7)的发射光束进行扩束形成输出光路，在所述镜筒(8)内的输出光路上设有若干色散透镜组和转接透镜组，使得不同波长的光束经过色散透镜组色散分离及屈光聚焦后，其焦点于输出光路轴线上随波长的变化而依次分布，并将复色光的波长分布与被测空间的位置信息映射相关起来，利用被测物回光波长检测实现其空间位置的监测，所述转接透镜组设置于色散透镜组之间，用于色散透镜组间光线的转承。

2.根据权利要求1所述的大测量范围光谱共焦测头，其特征在于，所述色散透镜组包括第一色散透镜组(2)、第二色散透镜组(4)和第三色散透镜组(6)，所述第一色散透镜组(2)、第二色散透镜组(4)和第三色散透镜组(6)在输出光路上由物方至像方依次设置，用于色散分离及屈光聚焦，所述转接透镜组包括第一转接透镜组(3)和第二转接透镜组(5)，所述第一转接透镜组(3)设置于第一色散透镜组(2)与第二色散透镜组(4)之间，所述第二转接透镜组(5)设置于第二色散透镜组(4)与第三色散透镜组(6)之间。

3.根据权利要求2所述的大测量范围光谱共焦测头，其特征在于，所述扩散透镜组(1)的焦距为负，用于将标准光纤(7)的发射光束进行扩束，所述第一色散透镜组(2)、第二色散透镜组(4)和第三色散透镜组(6)的焦距为正，用于产生正向色散，承担整个透镜组的色散权重，所述第一转接透镜组(3)和第二转接透镜组(5)的焦距为负，用于转承第一色散透镜组(2)、第二色散透镜组(4)和第三色散透镜组(6)，并与扩散透镜组(1)共同产生负向球差，以抵消第一色散透镜组(2)、第二色散透镜组(4)和第三色散透镜组(6)正向球差的累积，且尽可能衍生较小的负向色散。

4.根据权利要求3所述的大测量范围光谱共焦测头，其特征在于，所述扩散透镜组(1)由若干个焦距为负的单透镜组成。

5.根据权利要求3或4所述的大测量范围光谱共焦测头，其特征在于，所述第一色散透镜组(2)、第二色散透镜组(4)和第三色散透镜组(6)分别由若干个焦距为正的单透镜组成，所述第一转接透镜组(3)和第二转接透镜组(5)分别由若干个焦距为负的单透镜组成。

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