CN116500755A - 一种光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学测量相关技术领域，其公开了一种光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器，其中测量镜头包括从像方至物方依次排列设置的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组；所述第一透镜组的焦距为正，所述第二透镜组的焦距为正，所述第三透镜组的焦距为负。本发明通过从像方至物方依次沿光轴设置焦距为正的第一透镜组、焦距为正的第二透镜组以及焦距为负的第三透镜组，整体采用正光焦度镜组在前、负光焦度镜组在后的摄远物镜结构，有利于得到大的色散范围，同时在正光焦度镜组中通过两组焦距分别为正的第一透镜组和第二透镜组，能够分担正光焦度从而减小球差，最终得到具有较好色散线性度，同时色散范围大且球差校正良好的色散物镜。
Description
技术领域
本发明属于光学测量相关技术领域，更具体地，涉及一种光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器。
背景技术
光谱共焦测量技术，具有非接触，适合各种非透光材质如金属、陶瓷、塑料等，对于表面纹理、倾斜、杂散光等因素不敏感，测量速度快的优点，广泛应用于三维轮廓扫描、粗糙度测量、微位移测量等领域。作为光谱共焦测量技术核心部件的测量镜头，其色散大小影响测量范围，色散随波长变化的线性度决定了测量范围内灵敏度或分辨力的一致性。因此，色散镜头的设计力求得到较大范围且具有良好线性的色散。
目前，色散物镜的类型主要分为衍射式和折射式两类。衍射式色散物镜主要利用衍射光学元件产生与波长成线性关系的轴向色差，但其自身具有的球差需要增加折射透镜来校正。折射式色散物镜一般采用玻璃材料的组合实现线性色散，其设计难点在于选取合适的玻璃材料组合以产生大的轴向色散范围。
目前大多数具有较好色散线性度的光谱共焦测量镜头均存在色散范围较小，在数百微米-十数毫米范围内的问题；极少数镜头的线性色散范围能够达到30mm，但镜头的结构非常复杂，所用镜片数量多，成本高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器，解决了目前大多数具有较好色散线性度的光谱共焦测量镜头均存在色散范围较小，在数百微米-十数毫米范围内的问题，实现了具有较好色散线性度，同时色散范围大且球差校正良好的色散镜头，且镜头结构简单，实用性强。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光谱共焦测量镜头，包括从像方至物方依次排列设置的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组；所述第一透镜组的焦距为正，所述第二透镜组的焦距为正，所述第三透镜组的焦距为负。
根据本发明提供的光谱共焦测量镜头，所述第一透镜组的焦距为f1，所述第二透镜组的焦距为f2，所述第三透镜组的焦距为f3，其中3.06<f2/f1<21.03，-18.58<f2/f3<-3.43，-1.18<f3/f1<-0.82。
根据本发明提供的光谱共焦测量镜头，所述第一透镜组包括从像方至物方依次设置的第一透镜和第二透镜；所述第一透镜和所述第二透镜的焦距均为正。
根据本发明提供的光谱共焦测量镜头，所述第一透镜为双凸透镜，所述第一透镜的焦距范围为48.13mm-52.51mm；所述第二透镜为双凸透镜，所述第二透镜的焦距范围为54.56mm-75.65mm。
根据本发明提供的光谱共焦测量镜头，所述第二透镜组包括从像方至物方依次设置的第三透镜以及第四透镜；所述第三透镜的焦距为正，所述第四透镜的焦距为负。
根据本发明提供的光谱共焦测量镜头，所述第三透镜为双凸透镜或弯向像方的弯月形正透镜，所述第三透镜的焦距范围为33.58mm-44.26mm；所述第四透镜为双凹透镜，所述第四透镜的焦距范围为-46.05mm--43.96mm。
根据本发明提供的光谱共焦测量镜头，所述第三透镜组包括第五透镜；所述第五透镜的焦距为负。
根据本发明提供的光谱共焦测量镜头，所述第五透镜为双凹透镜，所述第五透镜的焦距范围为-29.38mm--29.09mm。
根据本发明提供的光谱共焦测量镜头，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组中至少包括两种不同材质的镜片。
按照本发明的另一个方面，提供了一种光谱共焦传感器，包括上述任一项所述的光谱共焦测量镜头，还包括光源和外部处理器，所述光源设在像方一侧，所述光源用于出射白光并使所述白光经过所述测量镜头后形成色散光照射至待测物体，所述外部处理器用于接收从所述待测物体反射并经过所述测量镜头传播射出的反射光。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器：
1.通过从像方至物方依次沿光轴设置焦距为正的第一透镜组、焦距为正的第二透镜组以及焦距为负的第三透镜组，整体采用正光焦度镜组在前、负光焦度镜组在后的摄远物镜结构，有利于得到大的色散范围，同时在正光焦度镜组中通过两组焦距分别为正的第一透镜组和第二透镜组，能够分担正光焦度从而减小球差，最终得到具有较好色散线性度，同时色散范围大且球差校正良好的色散物镜；
2.通过在靠近像方的第一透镜组中设置两片焦距分别为正的第一透镜和第二透镜，通过第一透镜和第二透镜能够分担大部分正光焦度以减小球差，能够提高镜头的分辨率；
3.通过第二透镜组中设置焦距一正一负且总体焦距为正的两片透镜，通过设置具有少量正光焦度的双分离透镜即通过正负光焦度分离能够进一步校正整个镜头的球差，有利于最终获得色散范围大且球差校正良好的色散物镜；
4.通过各镜片焦距参数的具体设置，实现仅采用五片全球面透镜，即能够实现在30mm的超大色散范围内具有良好色散波长线性关系的光谱共焦测量镜头，同时镜头结构紧凑、加工和装配方便、性价比高、实用性强。
附图说明
图1是本发明提供的光谱共焦测量镜头的光路结构图；
图2是本发明提供的光谱共焦测量镜头具体实例一的结构示意图；
图3是本发明提供的具体实例一的色散与波长关系图；
图4是本发明提供的具体实例一经最小二乘拟合后的色散波长关系与原始数据的对比示意图；
图5是本发明提供的具体实例一在波长400nm光的聚焦位置的点列图；
图6是本发明提供的具体实例一在波长450nm光的聚焦位置的点列图；
图7是本发明提供的具体实例一在波长500nm光的聚焦位置的点列图；
图8是本发明提供的具体实例一在波长550nm光的聚焦位置的点列图；
图9是本发明提供的具体实例一在波长600nm光的聚焦位置的点列图；
图10是本发明提供的具体实例一在波长650nm光的聚焦位置的点列图；
图11是本发明提供的具体实例一在波长700nm光的聚焦位置的点列图；
图12是本发明提供的光谱共焦测量镜头具体实例二的结构示意图；
图13是本发明提供的具体实例二的色散与波长关系图；
图14是本发明提供的具体实例二经最小二乘拟合后的色散波长关系与原始数据的对比示意图；
图15是本发明提供的具体实例二在波长400nm光的聚焦位置的点列图；
图16是本发明提供的具体实例二在波长450nm光的聚焦位置的点列图；
图17是本发明提供的具体实例二在波长500nm光的聚焦位置的点列图；
图18是本发明提供的具体实例二在波长550nm光的聚焦位置的点列图；
图19是本发明提供的具体实例二在波长600nm光的聚焦位置的点列图；
图20是本发明提供的具体实例二在波长650nm光的聚焦位置的点列图；
图21是本发明提供的具体实例二在波长700nm光的聚焦位置的点列图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
0-光阑；1-第一透镜组；2-第二透镜组；3-第三透镜组；11-第一透镜；12-第二透镜；21-第三透镜；22-第四透镜；31-第五透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、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，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供一种光谱共焦测量镜头，该测量镜头包括从像方至物方依次排列设置的第一透镜组1、第二透镜组2和第三透镜组3；所述第一透镜组1的焦距为正，所述第二透镜组2的焦距为正，所述第三透镜组3的焦距为负。
该光谱共焦测量镜头中，通过多个透镜组的组合设置能够实现线性色散，且从像方至物方依次沿光轴设有焦距为正的第一透镜组1、焦距为正的第二透镜组2以及焦距为负的第三透镜组3，通过整体采用正光焦度镜组在前、负光焦度镜组在后的摄远物镜结构，有利于得到大的色散范围，同时在正光焦度镜组中通过两组焦距分别为正的第一透镜组1和第二透镜组2，能够分担正光焦度从而减小球差，最终得到具有较好色散线性度，同时色散范围大且球差校正良好的色散物镜。
进一步地，所述第一透镜组1的焦距为f1，所述第二透镜组2的焦距为f2，所述第三透镜组3的焦距为f3，其中3.06<f2/f1<21.03，-18.58<f2/f3<-3.43，-1.18<f3/f1<-0.82。本发明提供的测量镜头中第一透镜组1、第二透镜组2以及第三透镜组3在该设计参数下能够实现镜头在较好色散线性度下获得较大的色散范围。
进一步地，所述第一透镜组1包括从像方至物方依次设置的第一透镜11和第二透镜12；所述第一透镜11和所述第二透镜12的焦距均为正。本发明在靠近像方的第一透镜组1中设置两片焦距分别为正的第一透镜11和第二透镜12，通过第一透镜11和第二透镜12能够分担大部分正光焦度以减小球差，能够提高镜头的分辨率。
进一步地，所述第一透镜11为双凸透镜，所述第一透镜11的焦距范围为48.13mm-52.51mm；所述第二透镜12为双凸透镜，所述第二透镜12的焦距范围为54.56mm-75.65mm。第一透镜11和第二透镜12设为双凸透镜，制造工艺简单，有利于节约成本。进一步地，第一透镜11和第二透镜12在上述设置参数下，能够较好的分担正光焦度以减小球差，且能够实现镜头在较好色散线性度下获得较大的色散范围。
进一步地，所述第二透镜组2包括从像方至物方依次设置的第三透镜21以及第四透镜22；所述第三透镜21的焦距为正，所述第四透镜22的焦距为负。第二透镜组2中设置焦距一正一负且总体焦距为正的两片透镜，通过设置具有少量正光焦度的双分离透镜即通过正负光焦度分离能够进一步校正整个镜头的球差，有利于最终获得色散范围大且球差校正良好的色散物镜。
进一步地，所述第三透镜21为双凸透镜或弯向像方的弯月形正透镜，所述第三透镜21的焦距范围为33.58mm-44.26mm；所述第四透镜22为双凹透镜，所述第四透镜22的焦距范围为-46.05mm--43.96mm。第三透镜21和第四透镜22在上述设置参数下，能够较好的校正整个镜头的球差，且能够实现镜头在较好色散线性度下获得较大的色散范围。
进一步地，所述第三透镜组3包括第五透镜31；所述第五透镜31的焦距为负。第三透镜组3仅包括一片焦距为负的透镜。测量镜头整体仅包括五片镜片，结构简单，大大降低了镜头的制造成本以及制造难度。
进一步地，所述第五透镜31为双凹透镜，所述第五透镜31的焦距范围为-29.38mm--29.09mm。第五透镜31在上述设置参数下，能够实现镜头在较好色散线性度下获得较大的色散范围。
进一步地，光谱共焦测量镜头还包括光阑0，所述光阑0贴设在所述第一透镜11朝向像方一侧的表面。
进一步地，所述第一透镜组1、所述第二透镜组2和所述第三透镜组3中至少包括两种不同材质的镜片。通过设置第一透镜组1、第二透镜组2以及第三透镜组3中包括不同材质的镜片，能够实现较好色散线性度。
例如，在一个实施例中，第一透镜11、第二透镜12和第三透镜21的材质相同，第四透镜22和第五透镜31的材质相同，且第一透镜11和第四透镜22的材质不同；第一透镜11的阿贝数大于第四透镜22的阿贝数。第一透镜11、第二透镜12和第三透镜21的折射率相同，第四透镜22和第五透镜31的折射率相同，且第一透镜11的折射率小于第四透镜22的折射率。该实施例中第一透镜组1、第二透镜组2和第三透镜组3采用两种不同的材质，能够实现镜头较好的色散线性度，且制造简单，成本较低。在其他实施例中，第一透镜组1、第二透镜组2和第三透镜组3中镜片的材质种类也可包括三种或更多种，具体不做限定。
本发明仅采用五片全球面透镜，能够实现在30mm的超大色散范围内具有良好色散波长线性关系的光谱共焦测量镜头，其色散波长拟合直线的线性判定系数大于0.99，同时镜头结构紧凑、加工和装配方便、性价比高、实用性强。
下面将以具体实例对本发明的超大范围线性色散光谱共焦镜头进行详细说明。
具体实例一
如图2所示，一种超大范围线性色散光谱共焦镜头，从像方至物方沿光轴依次包括光阑0、第一透镜组1、第二透镜组2和第三透镜组3。第一透镜组1包括从像方至物方依次排列设置的第一透镜11以及第二透镜12；第二透镜组2包括从像方至物方依次排列设置的第三透镜21以及第四透镜22；第三透镜组3包括一片透镜即第五透镜31。第一透镜11、第二透镜12以及第三透镜21均为双凸正透镜，第四透镜22和第五透镜31都是双凹负透镜。本具体实例一的详细光学数据如表1所示。
该具体实例一中镜头的波长色散原始关系如图3所示，拟合后的波长所示直线关系如图4所示，从图中可以看出该实例具有很好的波长色散线性关系，拟合系数R2大于0.99。图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11分别为具体实例一在波长为400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm光的聚焦点处的点列图。图中圆圈代表对应波长的艾里斑尺寸，点列图中离散点包含在艾里斑中，则说明该波长在对应聚焦点处聚焦效果越好。
表1为具体实例一的详细光学数据，表1如下：
该表1中厚度即为面与面之间的间距，例如像面对应行的厚度50mm即为像面与光阑0之间的间距，第一透镜11对应行的厚度3.5为第一透镜11两侧面之间的间距，表面编号3对应行的厚度6.89为第一透镜11与第二透镜12相邻侧面之间的间距。以第一透镜11的光学数据为例，表面编号2对应行的数据为第一透镜11朝向像方一侧表面的数据，表面编号3对应行的数据为第一透镜11朝向物方一侧表面的数据；177.81@400nm意思是波长为400nm光的聚焦点在第五透镜后方177.81mm处；该具体实例一中400nm和700nm光的聚焦点之间的差为30mm，即轴向色差或者色散达到了30mm。
具体实例二
本具体实例二的详细光学数据如表2所示。
表2为具体实例二的详细光学数据，表2如下：
如图12所示，本实例二与实例一的各个透镜的形状大致相同，仅第三透镜21的形状为弯月形正透镜，此外第四、第五透镜的材质与实例一不同，各透镜表面的曲率半径、透镜厚度等光学参数也有所不同。
该具体实例二中镜头的波长色散原始关系如图13所示，拟合后的波长所示直线关系如图14所示，从图中可以看出该实例二具有很好的波长色散线性关系，拟合系数R2大于0.99。图15、图16、图17、图18、图19、图20和图21分别为实例二在波长为400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm光的聚焦点处的点列图，从图中可以看出各波长在对应的聚焦位置均有较好的聚焦。
本发明仅采用五片全球面透镜，能够实现在30mm的超大色散范围内具有良好色散波长线性关系的光谱共焦测量镜头，其色散波长拟合直线的线性判定系数大于0.99，本发明结构紧凑、所用镜片数量少且成本低、测量范围大、工作距离长、色散与波长线性关系好。
进一步地，本发明提供一种光谱共焦传感器，该光谱共焦传感器包括上述任一项所述的光谱共焦测量镜头，还包括光源和外部处理器，所述光源设在像方一侧，所述光源用于出射白光并使所述白光经过所述测量镜头后形成色散光照射至待测物体，所述外部处理器用于接收从所述待测物体反射并经过所述测量镜头传播射出的反射光。光源出射的白光经过光谱共焦测量镜头形成线性色散光并照射目标待测物，经所述目标待测物反射后形成反射光，反射光经光谱共焦测量镜头传播至光谱仪，由光谱仪接收进行信号分析。
进一步地，本发明提供一种超大范围线性色散镜头，该镜头包括从像方至物方依次排列设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；其中，第一透镜和第二透镜间隔设置，第三透镜和第四透镜间隔设置，第四透镜和第五透镜间隔设置；第一透镜为双凸正透镜，第二透镜为双凸正透镜；第三透镜为双凸透镜或弯向像方的弯月形正透镜，第四透镜为双凹负透镜；第三透镜组3只含一片双凹负透镜。在像方一侧设置用于收发的光纤，从光源发出的光依次经过光阑0、第一透镜组1、第二透镜组2以及第三透镜组3能够产生超过30mm的轴向色散，当打到待测物体表面的光被反射回透镜后，再次耦合进入光纤，并传递至外部处理器可为光谱仪，外部处理器通过反射光的波长判断待测物体的表面的厚度、高度差等数据。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光谱共焦测量镜头，其特征在于，包括从像方至物方依次排列设置的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组；所述第一透镜组的焦距为正，所述第二透镜组的焦距为正，所述第三透镜组的焦距为负。
2.如权利要求1所述的光谱共焦测量镜头，其特征在于，所述第一透镜组的焦距为f1，所述第二透镜组的焦距为f2，所述第三透镜组的焦距为f3，其中3.06<f2/f1<21.03，-18.58<f2/f3<-3.43，-1.18<f3/f1<-0.82。
3.如权利要求1所述的光谱共焦测量镜头，其特征在于，所述第一透镜组包括从像方至物方依次设置的第一透镜和第二透镜；所述第一透镜和所述第二透镜的焦距均为正。
4.如权利要求3所述的光谱共焦测量镜头，其特征在于，所述第一透镜为双凸透镜，所述第一透镜的焦距范围为48.13mm-52.51mm；所述第二透镜为双凸透镜，所述第二透镜的焦距范围为54.56mm-75.65mm。
5.如权利要求1-4中任一项所述的光谱共焦测量镜头，其特征在于，所述第二透镜组包括从像方至物方依次设置的第三透镜以及第四透镜；所述第三透镜的焦距为正，所述第四透镜的焦距为负。
6.如权利要求5所述的光谱共焦测量镜头，其特征在于，所述第三透镜为双凸透镜或弯向像方的弯月形正透镜，所述第三透镜的焦距范围为33.58mm-44.26mm；所述第四透镜为双凹透镜，所述第四透镜的焦距范围为-46.05mm--43.96mm。
7.如权利要求1-4中任一项所述的光谱共焦测量镜头，其特征在于，所述第三透镜组包括第五透镜；所述第五透镜的焦距为负。
8.如权利要求7所述的光谱共焦测量镜头，其特征在于，所述第五透镜为双凹透镜，所述第五透镜的焦距范围为-29.38mm--29.09mm。
9.如权利要求1-4中任一项所述的光谱共焦测量镜头，其特征在于，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组中至少包括两种不同材质的镜片。
10.一种光谱共焦传感器，其特征在于，包括上述权利要求1-9中任一项所述的光谱共焦测量镜头，还包括光源和外部处理器，所述光源设在像方一侧，所述光源用于出射白光并使所述白光经过所述测量镜头后形成色散光照射至待测物体，所述外部处理器用于接收从所述待测物体反射并经过所述测量镜头传播射出的反射光。
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| CN202310455002.9A CN116500755A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310455002.9A CN116500755A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116500755A true CN116500755A (zh) | 2023-07-28 |
Family
ID=87327982
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310455002.9A Pending CN116500755A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116500755A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117826371A (zh) * | 2024-01-05 | 2024-04-05 | 浙江大学宁波“五位一体”校区教育发展中心 | 长工作距离的紧凑型光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器 |
-
2023
- 2023-04-25 CN CN202310455002.9A patent/CN116500755A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117826371A (zh) * | 2024-01-05 | 2024-04-05 | 浙江大学宁波“五位一体”校区教育发展中心 | 长工作距离的紧凑型光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器 |
| CN117826371B (zh) * | 2024-01-05 | 2024-07-16 | 浙江大学宁波“五位一体”校区教育发展中心 | 长工作距离的紧凑型光谱共焦测量镜头及光谱共焦传感器 |
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