本發(fā)明屬于光學(xué)物鏡
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種大軸向色差的線性色散物鏡，該線性色散物鏡可用于基于光譜共焦技術(shù)的非接觸式測量。
背景技術(shù)：
：光譜共焦位移傳感器是基于共焦原理采用寬譜光源的非接觸式傳感器，其最高精度可以到納米級別，幾乎可以測量所有材質(zhì)表面，由于其非接觸、高精度的特點所以應(yīng)用廣泛。其基本原理是寬譜光源經(jīng)過線性色散物鏡后產(chǎn)生光譜色散，通過共焦小孔后形成沿色散物鏡光軸方向的一系列焦點，光束聚焦于被測物體表面，反射光沿入射光路返回色散物鏡，只有滿足物像共軛關(guān)系的對應(yīng)波長的反射光束才能通過共焦小孔，此時光譜儀接收到的對應(yīng)波長光的峰值能量最大，由色散產(chǎn)生的焦點分布產(chǎn)生納米級的測量分辨率。光譜共焦位移傳感器的核心部件之一即線性色散物鏡，該物鏡與普通物鏡設(shè)計思路相反，要求盡量增加軸向色差范圍，以增加傳感器的測量范圍。同時為了維持量程范圍內(nèi)傳感器精度的一致性，要求物鏡的軸向色差與波長成線性或者接近線性關(guān)系。A.Miks等人在Theoryofhyperchromatswithlinearlongtitudinalchromaticaberration(Proc.OfSPIEVol.594559450Y)一文中給出了兩片式結(jié)構(gòu)線性色散物鏡的求解方法，并給出了線性色散物鏡實例，但是該物鏡的軸向色散范圍與系統(tǒng)焦距的比值不到0.03，同時成像質(zhì)量未納入設(shè)計考慮范圍；中國專利文獻(xiàn)CN104238077A也公開了一種線性色散物鏡，但是該物鏡的軸向色散范圍與系統(tǒng)焦距比也只有約0.04，而且該物鏡存在尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，實施較為困難；美國專利文獻(xiàn)US8248598B2公開了一種采用多組拼接方法的可增加軸向色散范圍與系統(tǒng)焦距比值的物鏡設(shè)計，但在物鏡的線性度上沒有做出說明，且物鏡尺寸需隨著軸向色散范圍的增大而增大?；谏鲜霈F(xiàn)有技術(shù)的狀況，亟待開發(fā)設(shè)計一款軸向色散范圍與系統(tǒng)焦距比值較大、且像質(zhì)優(yōu)異的線性色散物鏡。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明針對現(xiàn)有的色散物鏡存在的不足，提供了一種大軸向色差的線性色散物鏡，該物鏡系統(tǒng)綜合考慮了色散物鏡的線性度與系統(tǒng)像差校正之間的平衡，其軸向色散范圍與系統(tǒng)焦距比值大，像質(zhì)優(yōu)異，尺寸較小，且線性度極佳，具有較高的實用價值。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實施例提供一種大軸向色差的線性色散物鏡，包括整體為正焦光度的準(zhǔn)直透鏡組和整體為正焦光度的聚焦透鏡組，所述準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組各自包含至少一個鏡片；所述準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組在光源針孔和被測物體之間沿光軸依次設(shè)置，所述準(zhǔn)直透鏡組靠近光源針孔側(cè)，所述聚焦透鏡組靠近被測物體側(cè)。優(yōu)選地，所述鏡片滿足以下約束條件：其中：其中，i代表不同的鏡片，D、F和C分別代表D光、F光和C光，N為所述鏡片總數(shù)，λ為波長；和ν分別為不同鏡片對于不同波長光的光焦度和光學(xué)材料的阿貝數(shù)；n為不同介質(zhì)對于不同波長光的折射率，其角標(biāo)含i時表示介質(zhì)為鏡片i，角標(biāo)不含i時表示介質(zhì)為空氣。作為準(zhǔn)直透鏡組的優(yōu)選，所述準(zhǔn)直透鏡組至少包含一片非球面正焦光度的鏡片；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述準(zhǔn)直透鏡組由沿光軸自光源針孔側(cè)至被測物體側(cè)依次設(shè)置的第一透鏡和第二透鏡組成，所述第一透鏡為具有負(fù)光焦度的球面單透鏡，所述第二透鏡為具有正光焦度的非球面單透鏡。作為聚焦透鏡組的優(yōu)選，所述聚焦透鏡組為球面鏡片或非球面鏡片或球面鏡片與非球面鏡片的組合；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述聚焦透鏡組由沿光軸自光源針孔側(cè)至被測物體側(cè)依次設(shè)置的第三透鏡、第四透鏡和第五透鏡組成，所述第三透鏡為具有正光焦度的球面單透鏡，所述第四透鏡和第五透鏡為具有負(fù)光焦度的球面膠合透鏡。作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述線性色散物鏡還包括設(shè)置于所述準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組之間的孔徑光闌，所述孔徑光闌的通光孔在所述光軸上；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述孔徑光闌限制入射光線的角度范圍為±5°。本發(fā)明實施例的上述技術(shù)方案的有益效果為：1.本發(fā)明實施例的線性色散物鏡采用先準(zhǔn)直后聚焦的設(shè)計，準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組均為正透鏡組，相較于現(xiàn)有技術(shù)中正透鏡組和負(fù)透鏡組的組合，具備了先準(zhǔn)直再聚焦的效果；2.本發(fā)明實施例的準(zhǔn)直透鏡組包含了非球面鏡片，再結(jié)合先準(zhǔn)直再聚焦的設(shè)計，可以使線性色散物鏡的軸向色散范圍與系統(tǒng)焦距比大于0.2，整體減小了物鏡尺寸，降低了加工難度，且使物鏡具有極佳的線性度；3.本發(fā)明實施例中增設(shè)的到達(dá)孔徑光闌，可將到達(dá)被測物體表面的入射光線角度限制在±5°的范圍，防止色散物鏡的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜導(dǎo)致裝調(diào)過程困難，且可以提高加工精度。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例提供的線性色散物鏡的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的線性色散物鏡的軸向色散范圍與波長關(guān)系曲線；圖3為本發(fā)明實施例提供的線性色散物鏡在波長445nm下的調(diào)制傳遞函數(shù)(ModulationTransferFunction,MTF)曲線；圖4為本發(fā)明實施例提供的線性色散物鏡在波長480nm下的MTF曲線；圖5為本發(fā)明實施例提供的線性色散物鏡在波長515nm下的MTF曲線；圖6為本發(fā)明實施例提供的線性色散物鏡在波長550nm下的MTF曲線；圖7為本發(fā)明實施例提供的線性色散物鏡在波長585nm下的MTF曲線；圖8為本發(fā)明實施例提供的線性色散物鏡在波長620nm下的MTF曲線；圖9為本發(fā)明實施例提供的線性色散物鏡的離焦量和波長之間的線性擬合。[主要元件符號說明]H1：共焦小孔；G1：準(zhǔn)直透鏡組；G2：聚焦透鏡組；A1：孔徑光闌；L1：第一透鏡；L2：第二透鏡；L3：第三透鏡；L4：第四透鏡；L5：第五透鏡；s1～s9：透鏡表面；O1：被測物體。具體實施方式為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明針對現(xiàn)有的問題，提供一種大軸向色差的線性色散物鏡，該線性色散物鏡可用于基于光譜共焦技術(shù)的非接觸式測量，在相對位移、微形貌、透明物質(zhì)厚度等智能制造的實時或者非實時檢測中發(fā)揮作用。如圖1為本發(fā)明大軸向色差的線性色散物鏡的一個實施例。本發(fā)明線性色散物鏡具體包括準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組，準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組在光源針孔和被測物體之間沿光軸依次設(shè)置，準(zhǔn)直透鏡組靠近光源針孔側(cè)，聚焦透鏡組靠近被測物體側(cè)；應(yīng)用于光譜共焦技術(shù)時，光源針孔通常為共焦小孔或者具有類似功能的元件，如FC/APC光纖端面，本實施例中，如圖1所示，共焦小孔H1位于上方，相對的被測物體O1位于下方，光軸自上而下穿過共焦小孔H1到達(dá)被測物體O1；線性色散物鏡的各鏡片需滿足以下約束條件：其中：其中，i代表不同的鏡片，D、F和C分別代表D光、F光和C光，N為所述鏡片總數(shù)，λ為波長，其中：D光為鈉光譜中的D線，是波長為589.3nm的黃光；F光為氫光譜中的F線，是波長為486.1nm的青光；C光為氫光譜中的C線，是波長為656.3nm的紅光；Pλi為以λ和i為參量的光學(xué)材料的相對部分色散，Rλi為自定義的以λ和i為參量的過程變量，表征光學(xué)材料的色散線性度，Qλ為以λ為參量的中間過程變量；和ν分別為不同鏡片對于不同波長光的光焦度和光學(xué)材料的阿貝數(shù)，在D光波長下，ν定義為：n為不同介質(zhì)對于不同波長光的折射率，其角標(biāo)含i時表示介質(zhì)為鏡片i，角標(biāo)不含i時表示介質(zhì)為空氣。光源準(zhǔn)直透鏡組和聚焦透鏡組各自包含至少一個鏡片，且整體均為正焦光度，即為正透鏡組；準(zhǔn)直透鏡組至少包含一片非球面正焦光度的鏡片，本實施例中，準(zhǔn)直透鏡組G1由沿光軸自上而下依次設(shè)置的第一透鏡L1和第二透鏡L2組成，第一透鏡L1為具有負(fù)光焦度的球面單透鏡，第二透鏡L2為具有正光焦度的非球面單透鏡；聚焦透鏡組為球面鏡片或非球面鏡片或球面鏡片與非球面鏡片的組合；本實施例中，聚焦透鏡組G2由沿光軸自上而下依次設(shè)置的第三透鏡L3、第四透鏡L4和第五透鏡L5組成，第三透鏡L3為具有正光焦度的球面單透鏡，第四透鏡L4和第五透鏡L5為具有負(fù)光焦度的球面膠合透鏡。本實施例中，非球面鏡片面型為中心軸對稱，采用柱坐標(biāo)系，以鏡面中心為坐標(biāo)原點，對稱軸為z軸，r為鏡面中心到鏡面上任一點的距離，上述非球面鏡片的面型表達(dá)式為：其中：A4～A20為非球面系數(shù)；作為一個實例，各透鏡鏡片面型參數(shù)見下表1：透鏡表面曲率半徑厚度折射率nD阿貝數(shù)νD面型s1-30.7291.8501.71353.8316球面s245.4841.273——球面s3-69.1205.031.804246.5非球面s4-15.311——非球面s513.9151.9228620.8797球面s6-28.520.52——球面s7-16.1151.71353.8316球面s86.7881.9228620.8797球面s95.935——球面由上表1可知，透鏡表面s3和s4為非球面型，其對應(yīng)的非球面鏡片為第二透鏡L2，透鏡表面s3和s4的參數(shù)見下表2：項目透鏡表面s3透鏡表面s4半徑(mm)-69.12101616-15.30975692圓錐曲線常量k1.143258E+023.884028E-01A41.3827238E-05-2.1432755E-05A61.1054628E-07-4.5524502E-07A81.8270639E-08-1.7294454E-08A101.5863534E-095.6220220E-10A12-2.7104553E-11-5.5499137E-12A147.9498450E-14-2.5362439E-14A160.0000000E+000.0000000E+00A180.0000000E+000.0000000E+00A200.0000000E+000.0000000E+00本實施例中，線性色散物鏡還在準(zhǔn)直透鏡組G1和聚焦透鏡組G2之間設(shè)置了孔徑光闌A1，孔徑光闌A1的通光孔在光軸上；作為較佳的實施例，孔徑光闌A1限制入射光線的角度范圍為±5°。本實施例中的上述大軸向色差的線性色散物鏡由孔徑光闌A1上方的具有正光焦度的準(zhǔn)直透鏡組G1和下方的具有正光焦度的聚焦透鏡組G2組成，準(zhǔn)直透鏡組G1由上述第一透鏡L1和第二透鏡L2組成，同時聚焦透鏡組G2則由上述第三透鏡L3、第四透鏡L4和第五透鏡L5組成，該物鏡D光焦距為14.95mm，系統(tǒng)工具距離為9.5mm，如圖2軸向色散范圍與波長關(guān)系曲線所示，色散范圍達(dá)到12.5mm，對應(yīng)的譜線范圍445nm～620nm，軸向色散范圍與系統(tǒng)焦距比為0.836，實現(xiàn)了小尺寸下的大色散范圍。圖3至圖8為上述實施例的物鏡分別在445nm、480nm、515nm、550nm和620nm波長下的MTF曲線，圖示曲線表明，該物鏡在各個單波長位置的成像質(zhì)量接近衍射極限，成像質(zhì)量非常優(yōu)異。該色散物鏡的線性程度表征了測量的線性相關(guān)度，可以采用統(tǒng)計學(xué)中的回歸分析方法進(jìn)行分析，線性方程表達(dá)式為：y＝a+bx擬合方程的表達(dá)式為：Y＝p1x+p2其中，Y表示擬合值，y表示實際軸向色散數(shù)值。在回歸方程中，通常用取值范圍為0～1的判定系數(shù)r2來進(jìn)行評價，r為相關(guān)系數(shù)：當(dāng)x和y不存在線性依存關(guān)系，即y的變化與x無關(guān)時，回歸誤差為零，判定系數(shù)r2也就為零；當(dāng)x和y兩變量依存關(guān)系很緊密，有確定的函數(shù)關(guān)系時，判定系數(shù)r2為1。由圖9該物鏡離焦量與波長的擬合結(jié)果可知，p1值為0.07144，p2值為-31.8，r2值為1，顯示出良好的線性關(guān)系。以上所述方案中公知的具體結(jié)構(gòu)及特性等常識在此未作過多描述；各個實施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可，各實施例中所涉及到的技術(shù)特征在彼此之間不構(gòu)成沖突的前提下可以相互組合。在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”等指示的方位或位置關(guān)系基于附圖所示，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制；此外，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3