TWM575532U - Total reflection telecentric flat field focusing mirror group and hyperspectral image detecting device thereof and laser beam scanning device - Google Patents

Abstract

本新型提出一種全反射式遠心平場聚焦鏡組及其高光譜影像檢測裝置與雷射光束掃描裝置。全反射式遠心平場聚焦鏡組包含掃描鏡、二拋物面鏡及光欄。掃描鏡，接收一平行化入射光，並以一反射角度反射該入射光。所述二拋物面鏡面對面設置，以接收經反射的入射光，並依次透過該二拋物面鏡而反射出去。光欄設置於該二拋物面鏡之間，以排除該二拋物面鏡之間的離軸光線。

Description

全反射式遠心平場聚焦鏡組及其高光譜影像檢測裝置與雷射光束掃描裝置

本新型是有關於一種遠心平場聚焦鏡組，特別是關於一種全反射式遠心平場聚焦鏡組及其高光譜影像檢測裝置與雷射光束掃描裝置。

目前的遠心光學系統特別是關於一種遠心平場聚焦光學系統往往需要複雜的光學元件組成，體積龐大且成本高。

本新型實施例提出一種全反射式遠心平場聚焦鏡組及其高光譜影像檢測裝置與雷射光束掃描裝置。

全反射式遠心平場聚焦鏡組包含掃描鏡、二拋物面鏡及光欄。掃描鏡，接收一入射光，並以一反射角度反射該入射光。所述二拋物面鏡面對面設置，以接收經反射的入射光，並依次透過該二拋物面鏡而反射出去。光欄設置於該二拋物面鏡之間，以排除該二拋物面鏡之間的離軸光線。

高光譜影像檢測裝置包含前述全反射式遠心平場聚焦鏡組、狹縫元件、色散元件與感光元件。前述入射光為二維光。狹縫元件設置於全反射式遠心平場聚焦鏡組的後級側，以使通過全反射式遠心平場聚焦鏡組的入射光的一部分穿越狹縫元件而形成該一維光，且透過掃描鏡改變其反射角度，使得該一維光對應於該二維光的位置隨之改變。色散元件接收該一維光，且將該一維光色散為一色散光束。感光元件感光該色散光束而取得對應該一維光之光譜資訊。

根據上述之全反射式遠心平場聚焦鏡組，能透過簡易的光學設計提供無色散效果，並可應用至高光譜影像檢測裝置與雷射光束掃描裝置。

參見圖1，係為本新型一實施例之全反射式遠心平場聚焦鏡組100之示意圖。全反射式遠心平場聚焦鏡組100包含掃描鏡110、二拋物面鏡120a、120b及光欄130。

掃描鏡110接收一觀測視野900之光（即入射光L），並以一反射角度反射該入射光L。所述入射光L可為一光線或一光束，在此以光束為例。在此，入射光L為平行化入射光。掃描鏡110的直徑為10毫米（mm），表面鍍有銀層使波長適用範圍涵蓋450奈米（nm）至12000奈米，旋轉角度為正負10度，但本新型實施例不限於此。

拋物面鏡120a、120b面對面設置，以接收經反射的入射光L，並依次透過該二拋物面鏡120a、120b而反射出去。也就是說，經掃描鏡110反射的入射光L先入射拋物面鏡120a，經由拋物面鏡120a反射後，再入射拋物面鏡120b，再經拋物面鏡120b反射輸出。在此，光欄130設置於該二拋物面鏡120a、120b之間，以排除該二拋物面鏡120a、120b之間的離軸光線。於此，光欄130為孔徑光欄，具有一通光孔131。在此，通光孔131的直徑為5毫米，但本新型不以此為限。入射光L經拋物面鏡120a反射之後，其近軸光線會通過光欄130的通光孔131，而離軸光線則被光欄130阻擋。因此，僅近軸光線會抵達拋物面鏡120b。由於離軸光線被排出，因此可去除離軸光場所造成的像差，而可達到如同遠心光學系統的效果。此外，由於拋物面鏡120a、120b的特性，可讓不同入射角的光線均能垂直聚焦成像在相同的焦平面上。因此，拋物面鏡120a、120b與光欄130可構成遠心平場聚焦(F-θ)光學模組。藉此，在一定景深範圍內（於此為正負10公分）之觀測視野900中的待觀測對象，可以固定的圖像縮放倍率清晰成像在焦平面上。

在一些實施例中，拋物面鏡120a、120b採用50.8毫米，焦距76.2毫米，以容納掃描角度範圍。拋物面鏡120a、120b表面可鍍有銀金屬層，使波長適用範圍涵蓋450奈米（nm）至12000奈米。

在一實施例中，全反射式遠心平場聚焦鏡組100更包含消色差鏡140，位於掃描鏡110的前級側，且掃描鏡110位於消色差鏡140的聚焦平面上。消色差鏡140接收入射光L，以消除不同波長的光的像差。在一實施例中，消色差鏡140選用直徑25毫米，焦距200毫米。

參見圖2，係為本新型一實施例之高光譜影像檢測裝置200之示意圖。高光譜影像檢測裝置200包含前述之全反射式遠心平場聚焦鏡組100及狹縫元件210、色散元件220與感光元件230。在此，入射光L為二維光。狹縫元件210設置於全反射式遠心平場聚焦鏡組100的後級側，具有一狹縫211，以使通過全反射式遠心平場聚焦鏡組100的入射光L的一部分穿越狹縫元件210的狹縫211而形成一維光L’。色散元件220接收一維光L’，且將一維光L’色散為色散光束L”。感光元件230感光色散光束L”而取得對應一維光L’之光譜資訊。所述狹縫211長度為10毫米，寬度為0.1毫米，但本新型不以此為限。透過旋轉掃描鏡110以改變其反射角度，可使得一維光L’對應於二維光L的位置隨之改變。

參見圖3，係為本新型一實施例之全反射式遠心平場聚焦鏡組100之作動示意圖。當掃描鏡110轉動時，將改變入射光L（為清楚呈現於此以線段呈現，實質係為二維光）的反射角度，使得投射至狹縫元件210上的位置不同，亦即使得入射光L投射至狹縫元件210的影像平移。因此，透過掃描鏡110改變其反射角度，可使得一維光L’對應於入射光L的位置隨之改變。例如，原本入射光L的中心軸是對應於狹縫元件210的狹縫211位置，當掃描鏡110朝上偏轉，將使得反射角變大，進而使得入射光L的中心軸投射至狹縫元件210的位置朝上位移，使得入射光L投影到狹縫元件210時，狹縫211對應於入射光L偏向下方的位置。反之，當掃描鏡110朝下偏轉，將使得反射角變小，進而使得入射光L的中心軸投射至狹縫元件210的位置朝下位移，使得入射光L投影到狹縫元件210時，狹縫211對應於入射光L偏向上方的位置。因此，當循序旋轉掃描鏡110，便可依次取得入射光L每個位置的光譜資訊。

復參見圖2，在一些實施例中，色散元件220包含穿透式繞射光柵221與準直鏡222。準直鏡222為非球面透鏡，兩者相貼合所構成。非球面透鏡的焦距可為25毫米，光柵的光柵密度可為600刻槽/毫米（grooves/mm），一級繞射角23度，涵蓋光譜波段為400奈米至1000奈米。

在一些實施例中，感光元件230可以為感光耦合元件（CCD）、互補式金屬氧化物半導體（CMOS）等影像感應器。

在一些實施例中，高光譜影像檢測裝置200還包含消色差鏡240，設置於色散元件220與感光元件230之間，可將色散光束L”之聚焦成像至同一平面，而落在感光元件230上。在一實施例中，消色差鏡240可為焦距為30毫米，數值孔徑為50毫米，色散值為0.16的複合玻璃材質非球面消色差透鏡，可將波長為400奈米（nm）~1000奈米的光聚焦成像於感光元件230表面。

參見圖4，係為本新型另一實施例之高光譜影像檢測裝置200之示意圖。色散元件220包含反射式繞射光柵223與光路鏡組224。光路鏡組224由多個反射鏡組成，可將一維光L’導向反射式繞射光柵223而形成色散光束L”，並將色散光束L”導出。光柵的光柵密度可為300刻槽/毫米（grooves/mm），反射角60度，涵蓋光譜波段為400奈米至1200奈米。

參見圖5，係為本新型一實施例之雷射光束掃描裝置300之示意圖。雷射光束掃描裝置300包含前述之全反射式遠心平場聚焦鏡組100及雷射頭310。全反射式遠心平場聚焦鏡組100位於雷射頭310的後級側，以接收雷射頭310輸出的雷射光。藉此，透過全反射式遠心平場聚焦鏡組100的掃描鏡110，可進行微掃描雷射加工。於此，雷射光為飛秒雷射。

在一些實施例中，前述掃描鏡110為二維掃描鏡。

在一些實施例中，前述消色差鏡140可改以一伽利略望遠鏡裝置實現，以配合掃描鏡110尺寸，而調整平行化雷射光束大小。

在一些實施例中，前述消色差鏡140可改以一拋物面鏡實現，以平行化來自觀測視野900之物體光。在一實施例中，此拋物面鏡可選用直徑25毫米，焦距200毫米，以達到完全不包含折射光學元件之設置要求。

根據上述實施例之全反射式遠心平場聚焦鏡組100，能透過簡易的光學設計提供無色散效果，並可應用至高光譜影像檢測裝置200與雷射光束掃描裝置300。

100‧‧‧全反射式遠心平場聚焦鏡組

110‧‧‧掃描鏡

120a、120b‧‧‧拋物面鏡

130‧‧‧光欄

131‧‧‧通光孔

140‧‧‧消色差鏡

200‧‧‧高光譜影像檢測裝置

210‧‧‧狹縫元件

211‧‧‧狹縫

220‧‧‧色散元件

221‧‧‧穿透式繞射光柵

222‧‧‧準直鏡

223‧‧‧反射式繞射光柵

224‧‧‧光路鏡組

230‧‧‧感光元件

240‧‧‧消色差鏡

300‧‧‧雷射光束掃描裝置

310‧‧‧雷射頭

900‧‧‧觀測視野

L‧‧‧入射光

L’‧‧‧一維光

L”‧‧‧色散光束

圖1為本新型一實施例之全反射式遠心平場聚焦鏡組之示意圖。 圖2為本新型一實施例之高光譜影像檢測裝置之示意圖。 圖3為本新型一實施例之全反射式遠心平場聚焦鏡組之作動示意圖。 圖4為本新型另一實施例之高光譜影像檢測裝置之示意圖。 圖5為本新型一實施例之雷射光束掃描裝置之示意圖。

Claims (9)

1. 一種全反射式遠心平場聚焦鏡組，包含： 一掃描鏡，接收一入射光，並以一反射角度反射該入射光； 二拋物面鏡，面對面設置，以接收經反射的該入射光，並依次透過該二拋物面鏡而反射出去；及 一光欄，設置於該二拋物面鏡之間，以排除該二拋物面鏡之間的離軸光線。
2. 如請求項1所述之全反射式遠心平場聚焦鏡組，更包含一消色差鏡，位於該掃描鏡的前級側，該掃描鏡位於該消色差鏡的聚焦平面上。
3. 如請求項1所述之全反射式遠心平場聚焦鏡組，其中該二拋物面鏡與該光欄形成一遠心平場聚焦(f-θ)光學模組。
4. 如請求項1所述之全反射式遠心平場聚焦鏡組，其中該光欄為一孔徑光欄。
5. 一種高光譜影像檢測裝置，包含： 如請求項1至4中任一項所述之全反射式遠心平場聚焦鏡組，其中該入射光為一二維光； 一狹縫元件，設置於該全反射式遠心平場聚焦鏡組的後級側，以使通過該全反射式遠心平場聚焦鏡組的該入射光的一部分穿越該狹縫元件而形成一一維光，且透過該掃描鏡改變其反射角度，使得該一維光對應於該二維光的位置隨之改變； 一色散元件，接收該一維光，且將該一維光色散為一色散光束；及 一感光元件，感光該色散光束而取得對應該一維光之一光譜資訊。
6. 如請求項5所述之高光譜影像檢測裝置，其中該色散元件包含一反射式繞射光柵。
7. 如請求項5所述之高光譜影像檢測裝置，其中該色散元件包含一穿透式繞射光柵。
8. 一種雷射光束掃描裝置，包含： 一雷射頭，輸出一雷射光；及 如請求項1至4中任一項所述之全反射式遠心平場聚焦鏡組，位於該雷射頭的後級側，其中該入射光為該雷射光。
9. 如請求項8所述之雷射光束掃描裝置，其中該雷射光為飛秒雷射。