CN217060621U - 光学系统、色散物镜及光谱共焦传感器 - Google Patents
光学系统、色散物镜及光谱共焦传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开一种光学系统、色散物镜及光谱共焦传感器，该光学系统包括由物方至像方依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜及第十一透镜，第一透镜消除投射调制侦测光的球差，产生部分色散，第二透镜和第三透镜消除调制侦测光的场曲和慧差，第四透镜和第五透镜平衡调制侦测光的场曲和慧差，第六透镜、第七透镜、第八透镜消除投射调制侦测光的球差和像散，第九透镜控制光焦度，产生较大色散，第十透镜和第十一透镜消除调制侦测光残余慧差和像散，该光学系统为双远心结构，有效保证投射到被测物上的测量光斑的亮度和精度的一致性，具有大测量范围、大角度适应性。
Description
技术领域
本实用新型属于光学测量领域，尤其涉及一种光学系统、色散物镜及光谱共焦传感器。
背景技术
随着精密和超精密制造业的迅速发展，对高精密的检测需求也越来越高，因此高精密的位移传感器也应运而生。超精密的位移传感器精度可达到微米级别；传统的接触式测量虽然也有较高的精度，但是由于其可能会划伤被测物体表面，而且当被测物体为弱刚性或是轻软材料时，接触式测量也会造成弹性形变，引入测量的误差，而且接触式测量速度较慢，难以实现自动化测量，基于接触式测量存在的诸多不足，因此非接触式位移传感器受到了更大的关注。
利用光谱共焦位移传感器，可以非接触式地、精确地测绘被测样品的外形尺寸和位移。目前的物体表面轮廓和形状检测仪采用光谱共焦位移传感器，这种技术方案采样方式为点测量，存在着采样效率低、工作速度慢的缺陷。
光谱共焦传感器中，色散镜头是其核心器件，决定着分辨率、量程、线长等参数。现有线测量光谱共焦传感器对物体表面轮廓和形状测量中存在测量范围小、角度适应性差的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种光学系统，以解决上述现有技术存在对物体表面轮廓和形状测量存在测量范围小、角度适应性差的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供一种光学系统，所述光学系统包括：由物方至像方依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜以及第十一透镜；
其中，所述第一透镜用于消除投射调制侦测光的球差，并产生部分色散；
所述第二透镜和所述第三透镜为对称结构，用于消除调制侦测光的场曲和慧差；
所述第四透镜和所述第五透镜用于平衡调制侦测光的场曲和慧差；
所述第六透镜、所述第七透镜和所述第八透镜用于消除投射调制侦测光的球差和像散；所述第九透镜用于控制光焦度，并产生较大色散；
所述第十透镜和所述第十一透镜用于消除调制侦测光残余慧差和像散。优选地，所述光学系统还包括：
所述第一透镜为双凸透镜；
所述第二透镜为弯月透镜，朝向物方设置；
所述第三透镜为双凹透镜；
所述第四透镜为弯月透镜，朝向像方设置；
所述第五透镜为弯月透镜，朝向像方设置
所述第六透镜为平凸透镜，朝向像方设置；
所述第七透镜为平凸透镜，朝向物方设置；
所述第八透镜为弯月透镜，朝向物方设置；
所述第九透镜为弯月透镜，朝向像方设置；
所述第十透镜为双凸透镜；
所述第十一透镜为弯月透镜，朝向物方设置。
优选地，所述光学系统还包括：
所述第一透镜的焦距取值范围为100mm到120mm；
所述第二透镜的焦距取值范围为80mm到100mm；
所述第三透镜的焦距取值范围为-50mm到-40mm；
所述第四透镜的焦距取值范围为70mm到90mm；
所述第五透镜的焦距取值范围为260mm到300mm；
所述第六透镜的焦距取值范围为170mm至180mm；
所述第七透镜的焦距取值范围为290mm到300mm；
所述第八透镜的焦距取值范围为170mm到190mm；
所述第九透镜的焦距取值范围为-210mm到-230mm；
所述第十透镜的焦距取值范围为140mm到150mm；
所述第十一透镜的焦距取值范围为80mm到100mm。
优选地，所述光学系统还包括：
所述第一透镜与所述第二透镜之间的间距取值范围为30mm至60mm；
所述第二透镜与所述第三透镜之间的间距取值范围为5mm至15mm；
所述第三透镜与所述第四透镜之间的间距取值范围为2mm至10mm；
所述第四透镜与所述第五透镜之间的间距取值范围为2mm至10mm；
所述第五透镜与所述第六透镜之间的间距取值范围为20mm至50mm；
所述第六透镜与所述第七透镜之间的间距取值范围为0.2mm至5mm；
所述第七透镜与所述第八透镜之间的间距取值范围为0.2mm至5mm；
所述第八透镜与所述第九透镜之间的间距取值范围为5mm至15mm；
所述第九透镜与所述第十透镜之间的间距取值范围为10mm至30mm；
所述第十透镜与所述第十一透镜之间的间距取值范围为0.2mm至5mm。
优选地，所述光学系统还包括：
所述第一透镜的中心厚度取值范围为10mm-25mm；
所述第二透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第三透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第四透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第五透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第六透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第七透镜的中心厚度取值范围2mm-15mm；
所述第八透镜的中心厚度取值范围2mm-15mm；
所述第九透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第十透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第十一透镜的中心厚度取值范围2mm-15mm。
优选地，所述光学系统还包括：
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜和所述第十一透镜的折射率与阿贝数之比分别为1.67/47.19、1.95/17.94、1.62/56.95、1.67/47.19、1.62/63.40、 1.62/63.40、1.95/17.94、1.95/17.94、1.95/17.94、1.72/38.02、1.92/20.88。
优选地，所述第一透镜与所述物方的距离取值范围为30mm-100mm。
本实用新型还公开了一种色散物镜，用于使光源发出的光线发生色散，所述色散物镜包括如上文所述的光学系统，所述光源发出的光线从所述物方侧进入所述光学系统。
本实用新型还公开了一种光谱共焦传感器，包括光源、光源光纤、分光镜、光谱仪光纤、光谱仪以及相机，所述光谱共焦传感器还包括如上文所述的光学系统。
本实用新型中的光学系统、色散物镜及光谱共焦传感器，通过使用不同的焦距、厚度、距离的透镜组合，控制单色像差：球差、慧差、场曲、像散、畸变等像差，同时扩大轴向色差，使所述光学系统在不同波长下的弥散斑接近或到达衍射极限水平，对光源光谱中的不同波长均有完善的成像效果，且色散物镜不使用光栅等色散器件，在较近的距离内实现较大的线长，具有更高的工作效率，所述光学系统设计为双远心结构，可有效保证投射到被测物上的测量光斑的亮度和精度的一致性，并实现了同轴光路下的色散，发射和接收同光路。
附图说明
图1为本实用新型实施例中一种光学系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中一种光谱共焦传感器的结构示意图。
其中，图1中第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11；
图2中光源41、光源光纤42、光谱仪光纤45、光谱仪46、相机47、分光镜44、光学系统10。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、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实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，而非以任何方式限制本实用新型的保护范围。
在说明书的全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列相目中的一个或多个的任何和全部组合。在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。
还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、步骤、整体、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、步骤、整体、操作、元件、部件和/或它们的组合。
如在说明书中使用的用语“基本上”、“大约”以及类似的用于用作表示近似的用语，而不用作表示程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
除非另有限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
实施例一
如图1所示，本实用新型公开了一种光学系统，由物方至像方依次包括同轴设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10以及第十一透镜L11。其中，所述第一透镜用于消除投射调制侦测光的球差，并产生部分色散；所述第二透镜和所述第三透镜为对称结构，用于消除调制侦测光的场曲和慧差；所述第四透镜和所述第五透镜用于进一步平衡调制侦测光的场曲和慧差；所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜用于进一步消除投射调制侦测光的球差和像散；所述第九透镜用于控制光焦度，并产生较大色散；所述第十透镜和所述第十一透镜用于消除调制侦测光残余慧差和像散；光学系统设计为双远心结构，可有效保证投射到被测物上的测量光斑的亮度和精度的一致性。
本实用新型中，所述光学系统由第一透镜L1到第十一透镜L11组成光学系统，通过使用不同的焦距、厚度、距离的透镜组合，控制单色像差：球差、慧差、场曲、像散、畸变等像差，同时扩大轴向色差，使系统在不同波长下的弥散斑接近或到达衍射极限水平，对光源光谱中的不同波长均有完善的成像效果，且色散物镜不使用光栅等色散器件，在较近的距离内实现较大的线长，具有更高的工作效率，实现了同轴光路下的色散，发射和接收同光路。
在其中一实施例中，作为一优选方案，所述第一透镜为双凸透镜；所述第二透镜为弯月透镜，朝向物方设置；所述第三透镜为双凹透镜；所述第四透镜为弯月透镜，朝向像方设置；所述第五透镜为弯月透镜，朝向像方设置；所述第六透镜为平凸透镜，朝向像方设置；所述第七透镜为平凸透镜，朝向物方设置；所述第八透镜为弯月透镜，朝向物方设置；所述第九透镜为弯月透镜，朝向像方设置；所述第十透镜为双凸透镜；所述第十一透镜为弯月透镜，朝向物方设置。
在其中一实施例中，作为一优选方案，所述第一透镜的焦距取值范围为100mm到120mm；所述第二透镜的焦距取值范围为80mm到100mm；所述第三透镜的焦距取值范围为-50mm到 -40mm；所述第四透镜的焦距取值范围70mm到90mm；所述第五透镜的焦距取值范围为260mm 到300mm；所述第六透镜的焦距取值范围为170mm至180mm；所述第七透镜的焦距取值范围为 290mm到300mm；所述第八透镜的焦距取值范围为170mm到190mm；所述第九透镜的焦距取值范围为-210mm到-230mm；所述第十透镜的焦距取值范围为140mm到150mm；所述第十一透镜的焦距取值范围为80mm到100mm。
在其中一实施例中，作为一优选方案，所述第一透镜与所述第二透镜之间的间距取值范围为30mm至60mm；所述第二透镜与所述第三透镜之间的间距取值范围为5mm至15mm；
所述第三透镜与所述第四透镜之间的间距取值范围为2mm至10mm；所述第四透镜与所述第五透镜之间的间距取值范围为2mm至10mm；所述第五透镜与所述第六透镜之间的间距取值范围为20mm至50mm；所述第六透镜与所述第七透镜之间的间距取值范围为0.2mm至5mm；所述第七透镜与所述第八透镜之间的间距取值范围为0.2mm至5mm；所述第八透镜与所述第九透镜之间的间距取值范围为5mm至15mm；所述第九透镜与所述第十透镜之间的间距取值范围为 10mm至30mm；所述第十透镜与所述第十一透镜之间的间距取值范围为0.2mm至5mm。
在其中一实施例中，作为一优选方案，所述第一透镜的中心厚度取值范围为10mm-25mm；所述第二透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；所述第三透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；所述第四透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；所述第五透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；所述第六透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；所述第七透镜的中心厚度取值范围2mm-15mm；所述第八透镜的中心厚度取值范围2mm-15mm；所述第九透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；所述第十透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；所述第十一透镜的中心厚度取值范围 2mm-15mm。
在其中一实施例中，作为一优选方案，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜、所述第十一透镜的折射率与阿贝数之比分别为1.67/47.19、1.95/17.94、 1.62/56.95、1.67/47.19、1.62/63.40、1.62/63.40、1.95/17.94、1.95/17.94、1.95/17.94、 1.72/38.02、1.92/20.88。
在其中一实施例中，作为一优选方案，所述光学系统距离所述物方的距离取值范围为 30mm-100mm，通常为所述第一透镜距离所述物方的距离取值范围为30mm-100mm。
在本实施例中，所述光学系统通过所述第一透镜消除投射调制侦测光的球差，并产生部分色散，所述第二透镜和所述第三透镜用于消除调制侦测光的场曲和慧差，所述第四透镜和所述第五透镜用于进一步平衡调制侦测光的场曲和慧差，所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜用于进一步消除投射调制侦测光的球差和像散，所述第九透镜用于控制光焦度，并产生较大色散，所述第十透镜和所述第十一透镜用于消除调制侦测光残余慧差和像散，使所述光学系统在不同波长下的弥散斑接近或到达衍射极限水平，对光源光谱中的不同波长均有完善的成像效果，对物体表面轮廓和形状测量范围大、角度适应性大，系统易于产品化，环境适应性高，结构简单方便集成。
实施例二
本实施例还公开了一种色散物镜，用于使光源发出的光线发生色散，所述色散物镜包括如上述实施例一中所述的光学系统，所述光源发出的光线从所述物方侧进入所述光学系统。
本实施例中，所述色散物镜不使用光栅等色散器件，在较近的距离内实现较大的线长，具有更高的工作效率。
实施例三
如图2所示，本实施例还公开了一种光谱共焦传感器，包括光源41、光源光纤42、分光镜44、光谱仪光纤45、光谱仪46以及相机47，所述光谱共焦传感器还包括如实施例一中所述的光学系统10。
光源41用于产生侦测光；光源光纤42用于调制所述侦测光并产生数百个均匀点光源(调制侦测光)，光源光纤42的多个点光源作为光学系统10的物方，调制侦测光到达光学系统10中的透镜，由光学系统10中的各透镜对调制侦测光产生色散，使得调制侦测光在被测物上形成一个方向的扩展的、线状的、经过色散的、亮度均匀的测量光斑投射到被测物上。被测物体表面反射的反射光通过分光镜44、光谱仪光纤45传输到光谱仪46，光谱仪46对反射光进行聚焦并通过设置在光谱仪46中的透镜组对反射光进行量化处理，量化后的光波在光谱仪上产生一个光谱波峰，光谱曲线的峰值位置与聚焦于被测物体表面的波长产生对应关系。该光谱共焦传感器配合垂直于线、平行于线的运动台，可实现较大物体的高精度三维扫描和模型重建。调制侦测光在经过所述光学系统10投射到被测物上，不同高度上聚焦光斑的光波长不同，再次经由所述光学系统10按原光路返回，经过光谱仪光纤45传输到光谱仪46中，以在相机上形成可以判断回波波长的图像，从而可根据波长解算出被测物对应位置处的高度。
在本实施例中，所述光学系统10具有大测量范围、大角度适应性和较远的工作距离，从而提高了线测量光谱共焦传感器对不同测量对象的适应性，系统易于产品化，环境适应性高，结构简单方便集成。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：由物方至像方依次同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜以及第十一透镜；
其中，所述第一透镜用于消除投射调制侦测光的球差，并产生部分色散；
所述第二透镜和所述第三透镜为对称结构，用于消除调制侦测光的场曲和慧差；
所述第四透镜和所述第五透镜用于平衡调制侦测光的场曲和慧差；
所述第六透镜、所述第七透镜和所述第八透镜用于消除投射调制侦测光的球差和像散；
所述第九透镜用于控制光焦度，并产生较大色散；
所述第十透镜和所述第十一透镜用于消除调制侦测光残余慧差和像散。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：
所述第一透镜为双凸透镜；
所述第二透镜为弯月透镜，朝向物方设置；
所述第三透镜为双凹透镜；
所述第四透镜为弯月透镜，朝向像方设置；
所述第五透镜为弯月透镜，朝向像方设置
所述第六透镜为平凸透镜，朝向像方设置；
所述第七透镜为平凸透镜，朝向物方设置；
所述第八透镜为弯月透镜，朝向物方设置；
所述第九透镜为弯月透镜，朝向像方设置；
所述第十透镜为双凸透镜；
所述第十一透镜为弯月透镜，朝向物方设置。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：
所述第一透镜的焦距取值范围为100mm到120mm；
所述第二透镜的焦距取值范围为80mm到100mm；
所述第三透镜的焦距取值范围为-50mm到-40mm；
所述第四透镜的焦距取值范围为70mm到90mm；
所述第五透镜的焦距取值范围为260mm到300mm；
所述第六透镜的焦距取值范围为170mm至180mm；
所述第七透镜的焦距取值范围为290mm到300mm；
所述第八透镜的焦距取值范围为170mm到190mm；
所述第九透镜的焦距取值范围为-210mm到-230mm；
所述第十透镜的焦距取值范围为140mm到150mm；
所述第十一透镜的焦距取值范围为80mm到100mm。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：
所述第一透镜与所述第二透镜之间的间距取值范围为30mm至60mm；
所述第二透镜与所述第三透镜之间的间距取值范围为5mm至15mm；
所述第三透镜与所述第四透镜之间的间距取值范围为2mm至10mm；
所述第四透镜与所述第五透镜之间的间距取值范围为2mm至10mm；
所述第五透镜与所述第六透镜之间的间距取值范围为20mm至50mm；
所述第六透镜与所述第七透镜之间的间距取值范围为0.2mm至5mm；
所述第七透镜与所述第八透镜之间的间距取值范围为0.2mm至5mm；
所述第八透镜与所述第九透镜之间的间距取值范围为5mm至15mm；
所述第九透镜与所述第十透镜之间的间距取值范围为10mm至30mm；
所述第十透镜与所述第十一透镜之间的间距取值范围为0.2mm至5mm。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：
所述第一透镜的中心厚度取值范围为10mm-25mm；
所述第二透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第三透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第四透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第五透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第六透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第七透镜的中心厚度取值范围2mm-15mm；
所述第八透镜的中心厚度取值范围2mm-15mm；
所述第九透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第十透镜的中心厚度取值范围5mm-20mm；
所述第十一透镜的中心厚度取值范围2mm-15mm。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜、所述第六透镜、所述第七透镜、所述第八透镜、所述第九透镜、所述第十透镜和所述第十一透镜的折射率与阿贝数之比分别为1.67/47.19、1.95/17.94、1.62/56.95、1.67/47.19、1.62/63.40、1.62/63.40、1.95/17.94、1.95/17.94、1.95/17.94、1.72/38.02、1.92/20.88。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种光学系统，其特征在于，所述第一透镜与所述物方的距离取值范围为30mm-100mm。
8.一种色散物镜，用于使光源发出的光线发生色散，其特征在于，所述色散物镜包括如权利要求1至7任一项中所述的光学系统，所述光源发出的光线从所述物方侧进入所述光学系统。
9.一种光谱共焦传感器，包括光源、光源光纤、分光镜、光谱仪光纤、光谱仪以及相机，其特征在于，所述光谱共焦传感器还包括如权利要求1至7任一项中所述的光学系统。
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