CN214173280U - 一种改进型色散物镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种改进型色散物镜，包括出光端、孔径光栏、色散物镜组件，出光端出射的光束依次经孔径光栏、色散物镜组件后，不同波长的光沿光轴方向色散开，不同的距离对应不同的波长，所述孔径光栏包括第一环形通光部分和设置于第一环形通光部分外围的第二环形通光部分。这种光栏结构优化设计后的色散物镜的聚焦光点明显变小，提高了横向分辨率，同时反射光解谱后的能量分布的全高半宽的减小，提高了系统的测试精度，色散物镜的球差减小提高了系统测试的稳定性；同时简化了色散物镜的结构。

Description

一种改进型色散物镜

技术领域

本实用新型涉及一种色散物镜，特别涉及一种可提高横向分辨率、测试精度、测试稳定性的色散物镜。

背景技术

光谱共焦在位移量、焦点位置跟踪以及三维形貌的测量方面有诸多应用，早在上世纪七十年代，学者Courtney Pratt等人提出一种可以使用显微镜物镜的色差进行表面形貌检测的技术；之后Molesini等学者使用一组色差经特殊设计的镜头，搭建了一台基于光谱共焦原理的表面轮廓仪；Boyde.A等人将其推广应用到了给显微镜领域带来革命性变化的共焦显微镜技术中去。此后，国外很多学者都对基于光谱共焦原理的测量技术进行了深入研究，并在测量领域衍生出许多应用实例：如表面轮廓及形貌的测量、亚微米量级精细结构的测量、半导体工业和汽车制造业中的位移测量、光学玻璃及生物薄膜的厚度测量、油漆与印刷行业的颜色测量等。目前，发达国家对该技术的掌握已十分成熟，市场上已有工业级的光谱共焦相关产品出现，工作频响达千赫兹以上。

光谱共焦位移传感器是基于共焦原理采用宽谱光源的非接触式传感器，其最高精度可以到亚微米级别，几乎可以测量所有材质表面，由于其非接触、高精度的特点所以应用广泛。光谱共焦的关键技术之一是利用光谱波长对距离进行编码，然后采用光电转换器件对编码进行解码。现有方法中，色散物镜的设计主要有两个目标：一是实现轴向的色散范围(既业界熟知的测量范围)，二是轴上球差的矫正。由于加工成本以及实现难度的限制，通常存在残余球差，而残余球差的存在直接影响返回光束在光谱解码系统中光束能量的全高半宽，降低了谱峰定位的精度，从而影响光谱共焦系统的测量精度。同时残余球差的存在，增大了聚焦光点的光斑尺寸，大的光斑尺寸直接影响了光谱共焦系统的横向分辨率。理论上，从几何光学的角度来看，光轴中心光线包括所有波长的光，这些光在被测面反射(散射)回光谱解码系统后，同样增大了光束能量的全高半宽，降低了谱峰定位的精度。在光学设计领域，通常轴上球差的矫正的最大残余量发生在0.707光瞳位置，这个位置的球差残余量同样增大了光束能量的全高半宽，降低了谱峰定位的精度。众所周知的常用色散物镜包括光纤端出射光束、圆形光栏、色散物镜组，圆形光栏的端面如图1所示，通常的光栏为全通光，归一化透过率分布表达式可描述为

其中T表示光能透过率，ρ表示归一化光栏半径；其中准单色波长的光路系统设计点列图如图2所示，该点列图对应的球差曲线图如图3所示，通常0.707带残余球差最大；色散物镜在被测表面反射光经过光谱解码系统后的能量分布示意图如图4所示，能量分布的全高半宽较宽，色散物镜在具有一定倾斜角度的被测表面反射光经过光谱解码系统后的能量分布示意图如图5所示，由于残余球差影响能量分布斜率两次过零点的情况。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种可提高横向分辨率、测试精度、测试稳定性的色散物镜的色散物镜。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种改进型色散物镜，包括出光端、孔径光栏、色散物镜组件，出光端出射的光束依次经孔径光栏、色散物镜组件后，不同波长的光沿光轴方向色散开，不同的距离对应不同的波长，所述孔径光栏包括第一环形通光部分和设置于第一环形通光部分外围的第二环形通光部分。

更进一步的，沿孔径光栏中心点，在0～R₁部分为非通光部分，R₁～R₂为环形通光部分，R₂～R₃为非通光部分；R₃～R₄为环形通光部分，R₄以外为非通光部分；其中，R为半径，且R₁＜R₂＜R₃＜R₄。

更进一步的，所述出光端为出光小孔或者光纤出光端。

更进一步的，所述孔径光栏的通光部分为非连续分布。

更进一步的，在所述孔径光栏的中心预定范围具有阻碍光线传播的区域。

更进一步的，在色散物镜组件的残余最大球差带的预定范围具有阻碍光线传播的区域。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过光栏结构的优化设计，使色散物镜的聚焦光点明显变小，提高了横向分辨率，同时反射光解谱后的能量分布的全高半宽的减小，提高了系统的测试精度，色散物镜的球差减小提高了系统测试的稳定性；同时简化了色散物镜的结构。

附图说明

图1是现有技术中光栏端面的结构示意图；

图2是现有技术中准单色波长的光路系统设计点列图；

图3是图2对应的球差曲线图；

图4是现有技术的色散物镜在被测表面反射光经过光谱解码系统后的能量分布示意图；

图5是现有技术的色散物镜在具有一定倾斜角度的被测表面反射光经过光谱解码系统后的能量分布示意图。

图6是实施例一中改进型色散物镜的结构示意图；

图7是实施例一中光栏端面的结构示意图；

图8是实施例一中准单色波长的光路系统设计点列图；

图9是图8对应的球差曲线图；

图10是实施例一的色散物镜在被测表面反射光经过光谱解码系统后的能量分布示意图；

图11是实施例一的色散物镜在具有一定倾斜角度的被测表面反射光经过光谱解码系统后的能量分布示意图。

图12是实施例一中光栏的结构原理图；

图13是实施例二中改进型色散物镜的结构示意图；

图14是实施例二中光栏端面的结构示意图。

图中标记：1、出光端；2、孔径光栏；3、色散物镜组件；4、色散光束。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种如图6所示的改进型色散物镜。该色散物镜包括出光端1、孔径光栏2、色散物镜组件3，本实施例中，对出光端1没有特别限制，例如可以是出光小孔或者光纤出光端，出光端1出射的光束依次经孔径光栏2、色散物镜组件3后，不同波长的光沿光轴方向色散开，形成色散光束4(图6中，λ1、λ2、λ3为沿光轴方向色散开来的代表波长，其中，λ1为起始点波长，λ3为截止波长)，不同的距离对应不同的波长。孔径光栏2的结构如图7所示，包括第一环形通光部分和设置于第一环形通光部分外围的第二环形通光部分，即，孔径光栏2的通光部分被划分为两部分：沿光栏中心点，在0～R₁部分为非通光部分，R₁～R₂为环形通光部分，R₂～R₃为非通光部分；R₃～R₄为环形通光部分，R4以外为非通光部分，其中，R为半径，且R₁＜R₂＜R₃＜R₄，如图12所示。物镜的孔径光栏2结构具有非连续分布，物镜的孔径光栏在中心一定范围内为阻碍光线传播，物镜的孔径光栏在色散物镜残余最大球差带的特定区域为阻碍光线传播。

图8为其中准单色波长的光路系统设计点列图，图9为该点列图对应的球差曲线图，可见点列图的光点分布更加集中，光斑尺寸更小；图10为色散物镜在被测表面反射光经过光谱解码系统后的能量分布示意图，能量分布的全高半宽明显变窄，图11为色散物镜在具有一定倾斜角度的被测表面反射光经过光谱解码系统后的能量分布示意图，由于光栏透过率函数的优化设计，光能分布曲线的斜率二次过零点基本消除。

这种光栏透过率函数优化设计后的色散物镜的聚焦光点明显变小，提高了横向分辨率，同时反射光解谱后的能量分布的全高半宽的减小，提高了系统的测试精度，色散物镜的球差减小提高了系统测试的稳定性；同时简化了色散物镜的结构。

实施例二

本实施例提供一种如图13所示的改进型色散物镜。该色散物镜包括出光端1、孔径光栏2、色散物镜组件3，本实施例中，对出光端1没有特别限制，例如可以是出光小孔或者光纤出光端，出光端1出射的光束依次经孔径光栏2、色散物镜组件3后，不同波长的光沿光轴方向色散开，形成色散光束4(图13中，λ1、λ2、λ3为沿光轴方向色散开来的代表波长，其中，λ1为起始点波长，λ3为截止波长)，不同的距离对应不同的波长。孔径光栏2的结构如图14所示，包括第一环形通光部分和设置于第一环形通光部分外围的第二环形通光部分，即，孔径光栏2的通光部分被划分为两部分：沿光栏中心点，在0～R₁部分为非通光部分，R₁～R₂为环形通光部分，R₂～R₃为非通光部分；R₃～R₄为环形通光部分，R4以外为非通光部分，其中，R为半径，且R₁＜R₂＜R₃＜R₄，如图12所示。物镜的孔径光栏2结构具有非连续分布，物镜的孔径光栏在中心一定范围内为阻碍光线传播，物镜的孔径光栏在色散物镜残余最大球差带的特定区域为阻碍光线传播。为归一化光栏的半径值

综上所述，本实用新型创新性地提出了一种改进型的色散物镜，通过对光栏结构的优化设计，达到减小光斑尺寸、减小球差、减小光束能量分布全高半宽、提高测量稳定性和精度的效果，同时可以简化物镜设计。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种改进型色散物镜，其特征在于，包括出光端(1)、孔径光栏(2)、色散物镜组件(3)，出光端(1)出射的光束依次经孔径光栏(2)、色散物镜组件(3)后，不同波长的光沿光轴方向色散开，不同的距离对应不同的波长，所述孔径光栏(2)包括第一环形通光部分和设置于第一环形通光部分外围的第二环形通光部分。

2.根据权利要求1所述的一种改进型色散物镜，其特征在于，沿孔径光栏(2)中心点，在0～R₁部分为非通光部分，R₁～R₂为环形通光部分，R₂～R₃为非通光部分；R₃～R₄为环形通光部分，R₄以外为非通光部分；其中，R为半径，且R₁＜R₂＜R₃＜R₄。

3.根据权利要求1所述的一种改进型色散物镜，其特征在于，所述出光端(1)为出光小孔或者光纤出光端。

4.根据权利要求1所述的一种改进型色散物镜，其特征在于，所述孔径光栏(2)的通光部分为非连续分布。

5.根据权利要求1所述的一种改进型色散物镜，其特征在于，在所述孔径光栏(2)的中心预定范围具有阻碍光线传播的区域。

6.根据权利要求1所述的一种改进型色散物镜，其特征在于，在色散物镜组件(3)的残余最大球差带的预定范围具有阻碍光线传播的区域。

Images