CN212515195U

CN212515195U - 基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头

Info

Publication number: CN212515195U
Application number: CN202022245775.9U
Authority: CN
Inventors: 张齐元; 韩森; 王艳; 朱大勇; 张思晶
Original assignee: SUZHOU H&L INSTRUMENTS LLC
Current assignee: SUZHOU H&L INSTRUMENTS LLC
Priority date: 2020-10-10
Filing date: 2020-10-10
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2030-10-10

Abstract

本实用新型提供一种基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，属于激光干涉仪用标准镜头领域，可以在多种波长下工作，其特征在于，包括：镜头主体，具有第一镜筒以及设置在第一镜筒内的消色差透镜组；以及移动透镜单元，其中，消色差透镜组与参考透镜互相平行且光轴重合，第一镜筒上设置有第一限位件，第二镜筒上设置有活动件，第一镜筒靠近参考透镜的端面设置有第二限位件，当活动件移动至第一位置时，活动件与第一限位件相抵接，移动透镜单元获得第一使用波长以及第二使用波长，当活动件移动至第二位置时，活动件与第二限位件相抵接，移动透镜单元获得第三使用波长以及第四使用波长。

Description

基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头

技术领域

本实用新型属于激光干涉仪用标准镜头领域，具体涉及一种基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头。

背景技术

不同的光学系统需要根据要求在特定波段设计，干涉仪可以对光学系统的波像差，系统整体成像质量进行检测，这个过程是系统最终调整和质量检验的关键。

激光干涉仪的工作波长主要为单一波长，而光学系统的应用非常广泛且多变，如光刻系统、DVD和红外成像系统等都需要特定波长进行检测，以显示其所需要的波长变化的要求，因此干涉仪公司根据不同的波长制造特定的干涉仪。现有的产品包括405nm、543.5nm、632.8nm、1053nm和1064nm等干涉仪。

目前，标准球面镜头根据波长设计，标准镜头的性能指标很高，且需要保证参考面的球心与标准镜头的焦点重合，当改变使用波长时，由于镜头的焦点发生变化，导致标准镜头无法使用，因此标准球面镜头只能在其设计波长下使用，即标准球面镜头为单波长镜头。每种特殊波长激光干涉仪都需要额外配置相应的标准球面镜头，而标准球面镜头中的用于作为参考表面的透镜，由于需要使用高档材料且面形加工精度高，所以造价昂贵。

为了解决上述问题，台湾学者基于消色差原理设计了可在两个波长下使用的标准球面镜头，其基本原理是利用消色差系统的色焦移曲线具有一个拐点特点，在某一位置可以使两个波长同时聚焦，因此该标准球面镜头可同时在常规激光干涉仪和近紫外干涉仪上使用。然而，上述方法设计的标准球面镜头仍然只能工作在这两个特定波长下，无法在更多波长下的使用。

实用新型内容

为解决上述问题，提供一种基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，本实用新型采用了如下技术方案：

本实用新型提供了一种基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，可以在多种波长下工作，其特征在于，包括：镜头主体，具有第一镜筒以及设置在第一镜筒内的消色差透镜组；以及移动透镜单元，具有套设在第一镜筒上的第二镜筒以及设置在第二镜筒内的参考透镜，用于获取第一使用波长、第二使用波长、第三使用波长以及第四使用波长，其中，消色差透镜组与参考透镜互相平行且光轴重合，第一镜筒的外壁设置有第一限位件，第二镜筒远离参考透镜的端面设置有活动件，第一镜筒靠近参考透镜的端面设置有第二限位件，第一限位件与活动件相抵接限制移动透镜单元向靠近第一镜筒的方向移动，当活动件移动至第一位置时，活动件与第一限位件相抵接，移动透镜单元获得第一使用波长以及第二使用波长，活动件与第二限位件相抵接限制移动透镜单元向远离第一镜筒的方向移动，当活动件移动至第二位置时，活动件与第二限位件相抵接，移动透镜单元获得第三使用波长以及第四使用波长。

本实用新型提供的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，还具有这样的特征，其中，第一限位件靠近第二镜筒的一面为第一限位面，活动件具有面对第一限位面设置的第二限位面，以及面对参考透镜设置的第三限位面，第二限位件面对活动件的一面为第四限位面，第一限位面与第二限位面相抵接限制移动透镜单元向靠近第一镜筒的方向移动，当第一限位面与第二限位面相抵接时，消色差透镜组与参考透镜之间的距离为第一距离，移动透镜单元获得第一使用波长以及第二使用波长，第三限位面与第四限位面相抵接限制移动透镜单元向远离第一镜筒的方向移动，当第三限位面与第四限位面相抵接时，消色差透镜组与参考透镜之间的距离为第二距离，移动透镜单元获得第三使用波长以及第四使用波长。

本实用新型提供的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，还具有这样的特征，其中，多限位多波长标准球面镜头的F数为4，口径为150mm，第一距离为19.82mm，第二距离为22.5mm，当消色差透镜组与参考透镜之间的距离为第一距离时，多限位多波长标准球面镜头的第一使用波长为632.8nm，第二使用波长为850nm，当消色差透镜组与参考透镜之间的距离为第二距离时，多限位多波长标准球面镜头的第三使用波长为532nm，第四使用波长为1064nm。

本实用新型提供的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，还具有这样的特征，其中，四个透镜分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，第一透镜的第一面半径范围为3600mm～4000mm，第二面半径范围为-750mm～-650mm，厚度范围为25mm～30mm，第二透镜的第一面半径范围为1500mm～1700mm，第二面半径范围为250mm～300mm，厚度范围为19mm～23mm，第三透镜的第一面半径范围为390mm～440mm，第二面半径范围为-9000mm～-8000mm，厚度范围为25mm～30mm，第四透镜的第一面半径范围为210～260mm，第二面半径范围为450mm～500mm，厚度范围为25mm～30mm，参考透镜的第一面半径范围为280～330mm，第二面半径范围为520mm～570mm，厚度范围为24mm～27mm。

本实用新型提供的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，还具有这样的特征，其中，消色差透镜组的透镜均为标准球面透镜。

本实用新型提供的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，还具有这样的特征，其中，第二镜筒与活动件一体成型。

实用新型作用与效果

根据本实用新型的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，可在多种波长下使用，包括镜头主体、移动透镜单元、第一限位件、活动件以及第二限位件，移动透镜单元可以沿镜头主体的轴向移动，且通过活动件以及两个限位件进行限位。本实用新型的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头使用消色差形式设计标准镜头，使镜头的同一个限位结构能同时在两种波长下使用，再通过调整消色差透镜组以及参考透镜之间的距离来可以进一步改变多限位多波长标准球面镜头的工作波长，提高了标准球面镜头的使用效率，节约设计和制造不同波长标准镜头的成本。进一步地，本实用新型的多限位多波长标准球面镜头可以实现在需要每个不同的工作波长下，有直接的机械结构进行限位功能，相比于只有调节功能但没有限位功能的镜头，提高了定位精度。进一步地，本实用新型的多限位多波长标准球面镜头的设计波长为常用的干涉仪镜头工作波长，并且一个可将光对应一个近红外波长同时使用，在实际中红外波段由于不可见，无论在镜头装调过程中还是测量样品中都存在难度，本实用新型将镜头调整可见光波长便可以在对应的红外光下使用，极大方便了标准镜头的近红外波段的使用。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的多限位多波长标准球面镜头的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一的多限位多波长标准球面镜头的剖视结构示意图；

图3是本实用新型实施例一的工作波长为632.8nm/850nm的透镜结构示意图；

图4是本实用新型实施例一的工作波长为632.8nm/850nm的透镜色焦移曲线图；

图5是本实用新型实施例一的工作波长为532nm/1064nm的透镜结构示意图；

图6是本实用新型实施例一的工作波长为532nm/1064nm的透镜色焦移曲线图；

图7是本实用新型实施例一的镜头在532nm下的波前图；

图8是本实用新型实施例一的镜头在632.8nm下的波前图；

图9是本实用新型实施例一的镜头在850nm下的波前图；

图10是本实用新型实施例一的镜头在1064nm下的波前图。

具体实施方式

本实用新型所涉及的多限位多波长标准球面镜头通过变焦与消色差原理相结合实现波长的改变，具体来说：本实用新型的消色差透镜组采用消色差的设计，可同时在两种波长下使用，即同时满足两个波长的焦点与参考半径同心；再根据光焦度计算公式，改变镜头中透镜之间的距离从而改变系统的焦距，以补偿波长所引起焦距的变化，相当于将通常调整后截距适用波长的方式改为调整镜头内部透镜间隔代替。本实用新型的多限位多波长标准球面镜头的设计波长为常用的干涉仪镜头工作波长，并且一个可将光对应一个近红外波长同时使用，在实际中红外波段由于不可见，无论在镜头装调过程中还是测量样品中都存在难度，本实用新型将镜头调整可见光波长便可以在对应的红外光下使用，极大方便了标准镜头的近红外波段的使用。

以下结合附图以及实施例来说明本实用新型的具体实施方式。

<实施例>

本实施例提供一种基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，可以在4个不同的波长下使用。

图1是本实用新型实施例一的多限位多波长标准球面镜头的结构示意图；图2是本实用新型实施例的多限位多波长标准球面镜头的剖视结构示意图。

如图1以及图2所示，本实施例一的多限位多波长标准球面镜头100的F数为4，口径为6英寸，包括镜头主体11、移动透镜单元12、第一限位件13、以及第二限位件14。

镜头主体11包括第一镜筒111以及消色差透镜组。

第一镜筒111外壁设置沿第一镜筒111轴向延伸的凸部111a。第一镜筒111的内壁设置有平行的三个第一卡槽。

消色差透镜组至少包括两个透镜，在本实施例中，消色差透镜组包括第一透镜112、第二透镜113、第三透镜114以及第四透镜115。第一透镜112、第二透镜113以及第三透镜114分别固定在第一镜筒111的第一卡槽中。第一透镜112、第二透镜113、第三透镜114以及第四透镜115互相平行且光轴重合。本实施例中，第一透镜112为双凸FK5透镜，第二透镜113为弯月BASF51透镜，第三透镜114为双凸FK51透镜，第四透镜115为正弯月FK51透镜。移动透镜单元12包括第二镜筒121以及参考透镜122，用于获得多限位多波长标准球面镜头的使用波长。

本实施例中，第一透镜112、第二透镜113、第三透镜114、第四透镜115以及参考透镜122的材料、半径范围以及空气间隔如表1所示。

表1消色差透镜组以及参考透镜的材料、半径范围以及厚度(单位：mm)

第二镜筒121套设在第一镜筒111上，且与第一镜筒111的相对位置不固定。本实施例中，第二镜筒121具有连接部121a(即为权利要求中的活动件，本实施例活动件与第二镜筒一体成型)，设置在第二镜筒121远离参考透镜122的一端且略向第一镜筒111的外壁延伸。连接部121a设有内螺纹，第一镜筒111靠近参考透镜122的一侧设有外螺纹，连接部121a的内螺纹的长度小于第一镜筒111的外螺纹的长度，两者相匹配使移动透镜单元12可以沿第一镜筒111的轴向移动。

第二镜筒121远离参考透镜122的端面为第一限位面，第二镜筒121的连接部121a靠近参考透镜122端面为第二限位面。

其他实施例中，连接部121a也可以为单独的连接件，即为权利要求中的活动件，只要能固定到第二镜筒121上并与第一镜筒111活动连接，且具有两个限位面，形状也可以根据实际进行设计。

第二镜筒121的内壁上设置有第二卡槽，用于固定参考透镜122，参考透镜212与第一透镜112、第二透镜113、第三透镜114以及第四透镜115平行且光轴重合。

第一透镜112、第二透镜113、第三透镜114以及第四透镜115以及参考透镜122均为标准球面透镜，采用消色差的设计。

图3是本实用新型实施例一的工作波长为632.8nm/850nm的透镜结构示意图。图4是本实用新型实施例一的工作波长为632.8nm/850nm的透镜色焦移曲线图。

第一限位件13固定在第一镜筒111的凸部111a靠近第二镜筒121的一面上，面对第二镜筒121的一面为第三限位面。第三限位面与第二镜筒121的第一限位面相抵接限制移动透镜单元12沿第二镜筒121的轴向朝靠近第一镜筒111的方向移动，且相抵接时，如图3所示，第四透镜115以及参考透镜122之间的距离为第一距离D₁，即移动透镜单元12移动至第一位置，移动透镜单元12获得第一使用波长以及第二使用波长。如图4所示，在第四透镜115以及参考透镜122之间的距离为第一距离D₁时，632.8nm和850nm聚焦在同一位置。

图5是本实用新型实施例一的工作波长为532nm/1064nm的透镜结构示意图。图6是本实用新型实施例一的工作波长为532nm/1064nm的透镜色焦移曲线图。

第二限位件14固定在第一镜筒111靠近参考透镜122的端面上，长度略大于第一镜筒111的端面的长度。第二限位件14面对第二镜筒121的连接部121a的端面为第四限位面，第四限位面与连接部121a的第二限位面相抵接限制移动透镜单元12沿第二镜筒121的轴向朝远离第一镜筒111的方向移动，且相抵接时，如图5所示，第四透镜115以及参考透镜122之间的距离为第二距离D₂，即移动透镜单元12移动至第二位置，移动透镜单元12获得第三使用波长以及第四使用波长。如图6所示，在第四透镜115以及参考透镜122之间的距离为第二距离D₂时，532nm和1064nm聚焦在同一位置。

表2为本实施例中的多限位多波长标准球面镜头100的每个限位、使用波长以及第四透镜115与参考透镜122的间隔的对应关系表。

	第一距离D<sub>1</sub>	第二距离D<sub>2</sub>
			波长(nm)	632.8/850	532/1064
间隔(mm)	19.82	22.5

如表2以及图3～图5所示，当第一限位面与第三限位面相抵接时，第四透镜114与参考透镜122之间的间隔第一距离D₁为19.82mm，多限位多波长标准球面镜头100的工作波长为第一使用波长632.8nm以及第二使用波长850nm；当第二限位面与第四限位面相抵接时，第三透镜114与参考透镜121之间的间隔第二距离D₂为22.5mm，多限位多波长标准球面镜头100的工作波长为第三使用波长532nm以及第四使用波长1064nm。

图7是本实用新型实施例一的镜头在532nm下的波前图；图8是本实用新型实施例一的镜头在632.8nm下的波前图；图9是本实用新型实施例一的镜头在850nm下的波前图；图10是本实用新型实施例一的镜头在1064nm下的波前图。

如图7～图10所示，本实施例的多限位多波长标准球面镜头100通过改变透镜间的间隔在不同波长下波前PV值均小于λ/10(λ＝632.8nm，即60nm，标准球面镜头可以提供PV值小于λ/10的标准球面波前)。其中532nm波前PV值为3.724nm，632.8nm波前PV值为7.343nm，850nm波前PV值为3.74nm，1064nm波前PV值为4.788nm。

本实施例的多限位多波长标准球面镜头100的三限位工作过程如下：

当需要的工作波长为632.8nm或850nm时，将多限位多波长标准球面镜头100的沿第二镜筒121的径向旋转移动透镜单元12，通过螺纹使移动透镜单元12沿第一镜筒111的轴向并靠近第一镜筒111的方向移动，直至第二镜筒121的第一限位面与第一限位件13的第三限位面相抵接。

当需要的工作波长为532nm或1064nm时，沿第二镜筒121的径向旋转移动透镜单元12，通过螺纹使移动透镜单元12沿第一镜筒111的轴向并远离第一镜筒111的方向移动，直至第二镜筒的第二限位面与第二限位件14的第四限位面相抵接。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，可在多种波长下使用，包括镜头主体、移动透镜单元、第一限位件、活动件以及第二限位件，移动透镜单元可以沿镜头主体的轴向移动，且通过活动件以及两个限位件进行限位。本实施例的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头使用消色差形式设计标准镜头，使镜头的同一限位结构能同时在两种波长下使用，再通过调整消色差透镜组以及参考透镜之间的距离来可以进一步改变多限位多波长标准球面镜头的工作波长，提高了标准球面镜头的使用效率，节约设计和制造不同波长标准镜头的成本。进一步地，本实施例的多限位多波长标准球面镜头可以实现在需要每个不同的工作波长下，有直接的机械结构进行限位功能，相比于只有调节功能但没有限位功能的镜头，提高了定位精度。

进一步地，本实施例的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头的F数为4，口径为6英寸。本实施例的第一限位件以及第二限位件进行限位得到的消色差透镜组与参考透镜之间的距离分别为19.82mm以及22.5mm，相对应的使用波长分别为632.8nm、850nm以及532nm、1064nm。这样，只需要将移动透镜单元调节进行不同的限位，就可以得到不同的使用波长，且每个限位有2种不同的工作波长。另外，532nm以及632.8nm均为常规可见光波长，850nm以及1064nm均为近红外，近红外不可见，在需要使用时对镜头的装调不方便，而本实施例的多限位多波长标准球面镜头一个限位可对应一个可见光以及一个近红外，所以当调整好可见光，就可以直接对应相应的近红外波段，无需额外的工具作调整，使得本实用新型的多限位多波长标准球面镜头使用更为便利，应用更为广泛。

进一步地，本实施例的多限位多波长标准球面镜头根据不同的标准球面镜头的F数以及不同的口径，可以改变消色差透镜组的透镜个数以及限位件的位置，得到需要的工作波长，增加了本实施例的的多限位多波长标准球面镜头的应用范围。

进一步地，本实施例的活动件与第二镜筒可以为不同部件也可以一体成型，可以根据实际灵活设计，减少加工成本。

Claims

1.一种基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，可以在多种波长下工作，其特征在于，包括：

镜头主体，具有第一镜筒以及设置在第一镜筒内的消色差透镜组；以及

移动透镜单元，具有套设在所述第一镜筒上的第二镜筒以及设置在所述第二镜筒内的参考透镜，用于获取第一使用波长、第二使用波长、第三使用波长以及第四使用波长，

其中，所述消色差透镜组与所述参考透镜互相平行且光轴重合，

所述第一镜筒的外壁设置有第一限位件，

所述第二镜筒远离所述参考透镜的端面设置有活动件，

所述第一镜筒靠近所述参考透镜的端面设置有第二限位件，

所述第一限位件与所述活动件相抵接限制所述移动透镜单元向靠近所述第一镜筒的方向移动，当所述移动透镜单元移动至第一位置时，所述活动件与所述第一限位件相抵接，所述移动透镜单元获得所述第一使用波长以及所述第二使用波长，

所述活动件与所述第二限位件相抵接限制所述移动透镜单元向远离所述第一镜筒的方向移动，当所述移动透镜单元移动至第二位置时，所述活动件与所述第二限位件相抵接，所述移动透镜单元获得所述第三使用波长以及所述第四使用波长。

2.根据权利要求1所述的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，其特征在于：

其中，所述第一限位件靠近所述第二镜筒的一面为第一限位面，

所述活动件具有面对所述第一限位面设置的第二限位面，以及面对所述参考透镜设置的第三限位面，

所述第二限位件面对所述活动件的一面为第四限位面，

所述第一限位面与所述第二限位面相抵接限制所述移动透镜单元向靠近所述第一镜筒的方向移动，当所述第一限位面与所述第二限位面相抵接时，所述消色差透镜组与所述参考透镜之间的距离为第一距离，所述移动透镜单元获得所述第一使用波长以及所述第二使用波长，

所述第三限位面与所述第四限位面相抵接限制所述移动透镜单元向远离所述第一镜筒的方向移动，当所述第三限位面与所述第四限位面相抵接时，所述消色差透镜组与所述参考透镜之间的距离为第二距离，所述移动透镜单元获得所述第三使用波长以及所述第四使用波长。

3.根据权利要求2所述的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，其特征在于：

其中，所述多限位多波长标准球面镜头的F数为4，口径为150mm，所述第一距离为19.82mm，所述第二距离为22.5mm，

当所述消色差透镜组与所述参考透镜之间的距离为所述第一距离时，所述多限位多波长标准球面镜头的所述第一使用波长为632.8nm，所述第二使用波长为850nm，

当所述消色差透镜组与所述参考透镜之间的距离为所述第二距离时，所述多限位多波长标准球面镜头的所述第三使用波长为532nm，所述第四使用波长为1064nm。

4.根据权利要求1所述的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，其特征在于：

其中，所述消色差透镜组具有四个所述透镜。

5.根据权利要求4所述的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，其特征在于：

其中，四个所述透镜分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，

所述第一透镜的第一面半径范围为3600mm～4000mm，第二面半径范围为-750mm～-650mm，厚度范围为25mm～30mm，

所述第二透镜的第一面半径范围为1500mm～1700mm，第二面半径范围为250mm～300mm，厚度范围为19mm～23mm，

所述第三透镜的第一面半径范围为390mm～440mm，第二面半径范围为-9000mm～-8000mm，厚度范围为25mm～30mm，

所述第四透镜的第一面半径范围为210～260mm，第二面半径范围为450mm～500mm，厚度范围为25mm～30mm，

所述参考透镜的第一面半径范围为280～330mm，第二面半径范围为520mm～570mm，厚度范围为24mm～27mm。

6.根据权利要求5所述的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，其特征在于：

其中，所述消色差透镜组的所述透镜均为标准球面透镜。

7.根据权利要求1所述的基于消色差光学系统的多限位多波长标准球面镜头，其特征在于：

其中，所述第二镜筒与所述活动件一体成型。