CN217689587U - 一种线色散镜头和线光谱共焦传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种线色散镜头和线光谱共焦传感器。该线色散镜头包括：沿物方至像方依次排列的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，其中，物方为线光源，像方为第三透镜组投射出的测量线长；其中，第一透镜组用于对线光源发出的光进行色散，并到达物方远心；第二镜头组用于对第一透镜组投射出的光进行色散，并对轴外像差进行校正；第三镜头组用于对第二镜头组投射出的光进行色散，并对轴向像差和轴外像差进行校正，以及保持像方远心，从而保证投射到被测物上的测量光线亮度和精度一致性。

Description

一种线色散镜头和线光谱共焦传感器

技术领域

本实用新型实施例涉及光学领域，尤其涉及一种线色散镜头和线光谱共焦传感器。

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。

目前，高精密的测量可以采用点光谱共焦传感器进行测量，其中，点光谱共焦传感器中配备的是点色散镜头。点色散镜头是将点光斑投射到被测物上用于测量被测物高度，导致利用点色散镜头测量需要花费较长时间，降低了测量效率。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种线色散镜头和线光谱共焦传感器，从而保证投射到被测物上的测量光线亮度和精度一致性，进而保证了测量准确性，并且利用该线色散镜头可以缩短物体扫描测量时的时间，提高测量效率。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种线色散镜头，所述线色散镜头包括：沿物方至像方依次排列的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，其中，所述物方为线光源，所述像方为所述第三透镜组投射出的测量线长；其中，所述第一透镜组用于对所述线光源发出的光进行色散，并到达物方远心；所述第二镜头组用于对所述第一透镜组投射出的光进行色散，并对轴外像差进行校正；所述第三镜头组用于对所述第二镜头组投射出的光进行色散，并对轴向像差和轴外像差进行校正，以及保持像方远心。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种线光谱共焦传感器，所述线光谱共焦传感器包括：线光源、光谱仪和本实用新型任意实施例所提供的线色散镜头。

本实用新型实施例的技术方案，利用沿物方至像方依次排列的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组组成线色散镜头，基于线色散镜头实现物方远心和像方远心的双远心结构，并通过线色散镜头实现对轴向像差和轴外像差进行校正，从而保证了投射到被测物上的测量光线亮度和精度一致性，进而保证了测量准确性，并且利用该线色散镜头可以缩短物体扫描测量时的时间，提高测量效率。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例一提供的一种线色散镜头的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一所涉及的一种线色散物镜中透镜的排列示意图；

图3是本实用新型实施例二提供的一种线光谱共焦传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

图1是本实用新型实施例一提供的一种线色散镜头的结构示意图。本实施例提供的线色散镜头可适用于投射光线至被测物体上。如图1所示，线色散镜头10包括：沿物方至像方依次排列的第一透镜组110、第二透镜组120和第三透镜组130。其中，物方为线光源，像方为第三透镜组130投射出的测量线长。

其中，第一透镜组110用于对线光源发出的光进行色散，并到达物方远心；第二镜头组120用于对第一透镜组110投射出的光进行色散，并对轴外像差进行校正；第三镜头组130用于对第二镜头组120投射出的光进行色散，并对轴向像差和轴外像差进行校正，以及保持像方远心。

其中，线色散镜头10可以用于将线光源发出的光以一条线的形式照射到被测物表面，且可以决定线光谱共焦位移传感器的测量线长、景深、分辨率、工作距离、倾角等重要参数。线光源可以是指一束光通过预设尺寸的狭缝光阑后形成的光源。例如，线光源可以是指LED面光源经过预设尺寸的狭缝光阑后形成的宽谱线光源。LED面光可以是指白光。狭缝光阑的预设高度可以是10mm，预设宽度可以是但不限于20μm。狭缝光阑的宽度越狭小，线光源的长度就越短，最终会导致获得的测量信息更精确。轴外像差可以是指非沿光轴方向上的像差。例如，轴外像差可以是指彗差、像散、场曲、畸变、垂轴色差。轴向像差可以是指沿光轴方向上的像差。例如，轴向像差可以是指轴上点球差，轴向色差。物方远心可以用于主光线和轴上光线一样同光轴平行。像方远心可以用于边缘视场的主光线和轴上视场的主光线一样和光轴平行。分光棱镜用于折射返回的光线。

具体地，LED面光源通过狭缝光阑后形成的线光源可以作为物方，经过分光棱镜的线光源不发生偏移，通过第一透镜组110实现线光源的色散以及到达物方远心，以保证数据点之间的亮度接近，并通过第二镜头组120将接收到的第一透镜组110投射的光进行色散处理，并基于第二镜头组120对轴外像差进行校正。第三镜头组130可以将接收到的第二镜头组120投射的光进行色散处理，并对轴向像差和轴外像差进行校正，同时可以到达并保持像方远心，以为了保证线色散镜头10线长方向测量精度和亮度的一致性，以及轴向方向测量精度的一致性，进而保证了测量准确性，并且利用该线色散镜头10可以缩短物体扫描测量时的时间，提高测量效率。

需要说明的是，线色散物镜所形成线状的、经过色散的、均匀的测量光线投射到被测物上后，配合垂直于线、平行于线的运动台，既可以测量镜头轴向，又可以测量垂直镜头方向的高度信息。

本实用新型实施例的技术方案，利用沿物方至像方依次排列的第一透镜组110、第二透镜组120和第三透镜组130组成线色散镜头10，基于线色散镜头10实现物方远心和像方远心的双远心结构，并通过线色散镜头10实现对轴向像差和轴外像差进行校正，从而保证了投射到被测物上的测量光线亮度和精度一致性，进而保证了测量准确性，并且利用该线色散镜头10可以缩短物体扫描测量时的时间，提高测量效率。

在上述方案的技术上，图2给出了一种线色散物镜中透镜的排列示意图。如图2所示，第一透镜组110包括同轴设置的第一透镜111和第二透镜112；其中，第一透镜111为朝向物方设置的第一弯月透镜；第二透镜112为朝向像方设置的第二弯月透镜。

其中，第一弯月透镜和第二弯月透镜均可以为正弯月透镜。正弯月透镜可以是指透镜内侧圆弧半径大于透镜外侧圆弧半径的弯月透镜，也可以是指正焦距的弯月透镜。正弯月透镜可以用于汇聚光线。

在上述方案的技术上，如图2所示，第二透镜组120包括同轴设置的第三透镜121、第四透镜122和第五透镜123；其中，第三透镜121为双凹透镜；第四透镜122为朝向物方设置的第三弯月透镜；第五透镜123为双凸透镜。

其中，第三弯月透镜为正弯月透镜。双凹透镜可以是指两侧都向内凹的透镜。双凸透镜可以是指两侧都向外凸的透镜。

在上述方案的技术上，如图2所示，第三透镜组130包括同轴设置的第六透镜131和第七透镜132；其中，第六透镜131为朝向像方设置的第四弯月透镜；第七透镜132为朝向物方设置的第五弯月透镜。

其中，第四弯月透镜为正弯月透镜，第七弯月透镜为负弯月透镜。负弯月透镜可以是指透镜内侧圆弧半径小于透镜外侧圆弧半径的弯月透镜，也可以是指负焦距的弯月透镜。负弯月透镜可以用于发散光线。

需要说明的是，本实施例中的线色线镜头仅使用7片透镜，可以在保证投射到被测物上的测量光线亮度和精度一致性的前提下降低了镜头成本。

在上述方案的技术上，本实施例涉及的线色散镜头10的测量线长更长，比如测量线长为15mm，以使整个设备的工作距离更长，从而可测量的物体尺寸、测量范围以及应用场景可以更广。例如，表1给出了一种在测量线长为15mm，线光源的线长为10mm，即线色散镜头10为一个放大系统，放大倍数为1.5的情况下，各个透镜的设置参数的取值信息。

表1透镜的设置参数的取值信息

其中，第一透镜111可以采用Nd为1.95和Vd为17.9的材料，且第一透镜111的一面半径可以是-96.235mm，另一面半径可以是-34.541mm，厚度可以是6mm，焦距可以是54.571mm。分光棱镜和第一透镜111的间隔可以是0.2mm。其余透镜参数也可参照表1进行设置，最终实现放大倍数为1.5的情况。需要说明的是，可以通过调节透镜的半径、厚度和间隔来改变线色线镜头的放大倍数。

需要说明的是，配置完成的透镜可以通过MTF(调制传递函数，ModulationTransfer Function)调制，以MTF中数据作为镜头显像标准，以实现在误差允许的范围内实现测量物体高度的操作。其中，MTF可以表示各不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，对比度的衰减程度。空间频率越高，成像后的对比度下降越严重。镜头显像标准可以是指空间频率(spatial frequency)需要达到的预设值。例如，空间频率可以是指至少达到640。空间频率可以是指亮度在空间中呈现正弦波变化的单色光，在单位长度内亮度变化的周期数即为其空间频率。

实施例二

图3是本实用新型实施例二提供的一种线光谱共焦传感器的结构示意图。本实施例提供的线光谱共焦传感器可适用于测量高度信息的情况。如图2所示，线光谱共焦传感器20包括：线光源210、光谱仪220和本实用新型任意实施例所提供的线色散镜头10。

其中，光谱仪220可以包括狭缝光阑221、准直透镜222、光栅223、聚焦透镜224和图像传感器225。

具体地，线光源210通过线色散镜头10投射到被测物上，不同高度上聚焦光线的光波长不同，再次经由线色散镜头10按原光路返回至分光棱镜并产生折射，并将分光棱镜折射的光线通过狭缝光阑221与准直透镜222投射至光栅223并产生折射，以使折射的光线通过聚焦透镜224呈像在图像传感器225上，并通过将线色散镜头10进行垂直与投射光线方向的位移，以使图像传感器225可以对整个被测物进行成像，从而可以根据线光源经过线色散镜头10后不同波长光的会聚焦点位置不同以及短波和长波会聚位置的差确定被测物对应位置处的高度。

本实用新型实施例的技术方案，利用光谱共焦传感器20，可以将经由线色散镜头10投射的光线按原光路返回，并通过分光棱镜折射至光谱共焦传感器20中的光谱仪220中，并通过将线色散镜头10进行垂直与投射光线方向的位移，以使图像传感器225可以对整个被测物进行成像，从而可以根据线光源经过线色散镜头10后不同波长光的会聚焦点位置不同以及短波和长波会聚位置的差确定被测物对应位置处的高度，进一步保证了测量准确性，并且利用该线色散镜头10可以缩短物体扫描测量时的时间，提高测量效率。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本实用新型中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本实用新型的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种线色散镜头，其特征在于，所述线色散镜头包括：沿物方至像方依次排列的第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组，其中，所述物方为线光源，所述像方为所述第三透镜组投射出的测量线长；其中，

所述第一透镜组用于对所述线光源发出的光进行色散，并到达物方远心；

所述第二透镜组用于对所述第一透镜组投射出的光进行色散，并对轴外像差进行校正；

所述第三透镜组用于对所述第二透镜组投射出的光进行色散，并对轴向像差和轴外像差进行校正，以及保持像方远心。

2.根据权利要求1所述的线色散镜头，其特征在于，所述第一透镜组包括同轴设置的第一透镜和第二透镜；

其中，所述第一透镜为朝向物方设置的第一弯月透镜；所述第二透镜为朝向像方设置的第二弯月透镜。

3.根据权利要求2所述的线色散镜头，其特征在于，所述第一弯月透镜和所述第二弯月透镜均为正弯月透镜。

4.根据权利要求1所述的线色散镜头，其特征在于，所述第二透镜组包括同轴设置的第三透镜、第四透镜和第五透镜；

其中，所述第三透镜为双凹透镜；所述第四透镜为朝向物方设置的第三弯月透镜；所述第五透镜为双凸透镜。

5.根据权利要求4所述的线色散镜头，其特征在于，所述第三弯月透镜为正弯月透镜。

6.根据权利要求1所述的线色散镜头，其特征在于，所述第三透镜组包括同轴设置的第六透镜和第七透镜；

其中，所述第六透镜为朝向像方设置的第四弯月透镜；所述第七透镜为朝向物方设置的第五弯月透镜。

7.根据权利要求6所述的线色散镜头，其特征在于，所述第四弯月透镜为正弯月透镜，所述第五弯月透镜为负弯月透镜。

8.根据权利要求1所述的线色散镜头，其特征在于，所述线光源是LED面光源经过预设尺寸的狭缝光阑后形成的宽谱线光源。

9.根据权利要求1-8任一项所述的线色散镜头，其特征在于，所述测量线长为15mm，所述线光源的线长为10mm。

10.一种线光谱共焦传感器，其特征在于，所述线光谱共焦传感器包括：线光源、光谱仪和如权利要求1-9任一项所述的线色散镜头。

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