CN223155303U - 一种大量程光谱共焦色散镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种大量程光谱共焦色散镜头，在光源的光纤端到像面之间依次设置具有负光焦度的第一透镜，具有负光焦度的第二透镜，具有正光焦度的第三透镜，具有正光焦度的第四透镜，具有正光焦度的第五透镜，具有负光焦度的第六透镜，具有负光焦度的第七透镜，具有正光焦度的第八透镜，具有正光焦度的第九透镜；所述第五透镜和第六透镜胶合，第七透镜和第八透镜胶合。镜头成像质量好，分辨率高，能解决现有的色散镜头测量范围小，公差敏感，成本高等特点。

Description

一种大量程光谱共焦色散镜头

技术领域

本实用新型属于光学检测技术领域，具体涉及一种大量程光谱共焦色散镜头。

背景技术

光谱共焦技术对环境变化不敏感，通过同一光路完成光的发射与接收，避免了光路被遮挡的风险。它不仅具有高精度和低环境依赖的优势，还能适应多种测量任务。除了测量表面轮廓和形貌外，还可用于检测透明材料的厚度。通过多个探头的协作，该技术还能实现更多功能的测量。其无损、非接触和高效的特点，使其广泛应用于工业制造、航空航天、医疗器械和半导体领域。

光谱共焦色散镜头是光谱共焦位移传感器核心部件，它的轴向色散范围决定了光谱共焦位移传感器的色散范围，像方数值孔径NA决定了其最大测量角度，同时也会影响到光斑大小。

当前，随着工业检测需求的不断提升，所需的测量范围和信息的全面性也显著增加。尤其是在对量程要求高的领域。以平板玻璃、钢化玻璃等具有较大厚度的被测物为例，检测的难度随着材料厚度的增加而显著提升。为了满足这种复杂的检测需求，通常需要使用具有大测量范围、高分辨率和高精度特点的光谱共焦镜头进行测量。然而，此类高性能镜头的供应相对较少，并且长度较长，镜片数量繁多，种类各异，多种光学材料的使用使得其生产过程复杂、工艺要求高，直接导致制造成本大幅攀升。此外，这些镜头的装配与调试过程耗时费力，进一步增加了使用难度和成本。

实用新型内容

本实用新型提供一种大量程光谱共焦色散镜头，以解决现有技术存在的测量范围小等问题。

根据本实用新型的第一方面，本申请中一个或多个实施例提供一种大量程光谱共焦色散镜头，其包括：

在光源的光纤端到像面之间依次设置具有负光焦度的第一透镜，具有负光焦度的第二透镜，具有正光焦度的第三透镜，具有正光焦度的第四透镜，具有正光焦度的第五透镜，具有负光焦度的第六透镜，具有负光焦度的第七透镜，具有正光焦度的第八透镜，具有正光焦度的第九透镜；

所述第五透镜和第六透镜胶合，第七透镜和第八透镜胶合。

其中，所述大量程光谱共焦色散镜头的有效焦距为f，第一透镜的焦距为f1，第九透镜的焦距为f9，则0.88＜|f1/f|＜1.3，3.92＜|f9/f|＜7.98。

其中，所述第一透镜为平凹透镜，入射面为凹面，出射面为平面；

所述第二透镜为弯月透镜，入射面为凹面，出射面为凸面；

所述第三透镜为弯月透镜，入射面为凹面，出射面为凸面；

所述第四透镜为弯月透镜，入射面为凹面，出射面为凸面；

所述第五透镜为平凸透镜，入射面为凸面，出射面为平面；

所述第六透镜为平凹透镜，入射面为平面，出射面为凹面；

所述第七透镜为双凹透镜，入射面为凹面，出射面为凹面；

所述第八透镜为双凸透镜，入射面为凸面，出射面为凸面；

所述第九透镜为双凸透镜，入射面为凸面，出射面为凸面；

其中，光阑位于第一透镜的凹面处。

其中，第一透镜采用镧冕玻璃材料制成，第二透镜采用镧火石玻璃材料制成，第三透镜采用重火石玻璃材料制成，第四透镜采用重火石玻璃材料制成，第五透镜采用重火石玻璃材料制成，第六透镜采用轻冕玻璃材料制成，第七透镜采用轻冕玻璃材料制成，第八透镜和第九透镜采用重火石玻璃材料制成。

其中，所述大量程光谱共焦色散镜头的总长度小于100mm，测量角度至少30°，色散范围18mm。

其中，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、第九透镜的口径均小于32mm。

其中，所述光源发射的光为复色光。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种大量程光谱共焦色散镜头，本实用新型一共有9片透镜组成；光谱共焦位移传感器色散镜头的架构从光源光纤端到被测物沿着光轴依次包括：包括由光源，具有负光焦度的第一透镜，正光焦度的第二透镜，正光焦度的第三透镜，正光焦度的第四透镜，正光焦度的第五透镜，负光焦度的第六透镜，负光焦度的第七透镜，正光焦度第八透镜，正光焦度的第九透镜；其中，第五和第六镜片胶合，第七镜片和第八镜片胶合。该镜头光源从物面发出的光从左至右依次经过上述透镜后，最终在像面处按照不同波长依次汇聚。采用反远距结构，有利于缩短镜头长度，且第一个负透镜有助于扩大发散角收光，9片镜子相互组合校正像差；该系统中主要存在与孔径相关的球差，其中第三、第四、第五透镜通过一片透镜分裂开来，分担光焦度。中组通过正负透镜组合成双胶合透镜辅助单色像差的校正，该系统光焦度分配合理。该镜头总长不超过100mm，便于装配调试。工作距离为42mm，在波长范围450nm-700nm波段内色散范围为18mm，最大测量角度大于30°，镜头成像质量好，分辨率高能解决现有的色散镜头测量范围小，公差敏感，成本高等特点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的一种大量程光谱共焦色散镜头的结构示意图。

图2为本实用新型实施例的一种大量程光谱共焦色散镜头的光路示意图。

图3为本实用新型实施例在复色光中的450nm波长的点列图。

图4为本实用新型实施例在复色光中的537.5nm波长的点列图。

图5为本实用新型实施例在复色光中的700nm波长的点列图。

图6为本实用新型实施例在波长450nm条件下的MTF图。

图7为本实用新型实施例在波长537.5nm条件下的MTF图。

图8为本实用新型实施例在波长700nm条件下的MTF图。

其中，光纤的端面0、第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7、第八透镜G8、第九透镜G9。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请中一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请中一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1-图8所示，本申请中一个或多个实施例的一种大量程光谱共焦色散镜头，其包括：

在光源的光纤端到像面之间依次设置具有负光焦度的第一透镜G1，具有负光焦度的第二透镜G2，具有正光焦度的第三透镜G3，具有正光焦度的第四透镜G4，具有正光焦度的第五透镜G5，具有负光焦度的第六透镜G6，具有负光焦度的第七透镜G7，具有正光焦度的第八透镜G8，具有正光焦度的第九透镜G9；

所述第五透镜G5和第六透镜G6胶合，第七透镜G7和第八透镜G8胶合。

在一种可能的实施例方式中，所述大量程光谱共焦色散镜头的有效焦距为f，第一透镜G1的焦距为f1，第九透镜G9的焦距为f9，则0.88＜|f1/f|＜1.3，3.92＜|f9/f|＜7.98。

在一种可能的实施例方式中，所述第一透镜G1为平凹透镜，入射面为凹面，出射面为平面，光焦度为-0.106mm^-1；

所述第二透镜G2为弯月透镜，入射面为凹面，出射面为凸面，光焦度为-0.06mm^-1；

所述第三透镜G3为弯月透镜，入射面为凹面，出射面为凸面，光焦度为0.0323mm^-1；

所述第四透镜G4为弯月透镜，入射面为凹面，出射面为凸面，光焦度为0.0209mm^-1；

所述第五透镜G5为平凸透镜，入射面为凸面，出射面为平面，光焦度为0.026mm^-1；

所述第六透镜G6为平凹透镜，入射面为平面，出射面为凹面，光焦度为-0.025mm^-1；

所述第七透镜G7为双凹透镜，入射面为凹面，出射面为凹面，光焦度为-0.0255mm^-1；

所述第八透镜G8为双凸透镜，入射面为凸面，出射面为凸面，光焦度为0.0315mm^-1；

所述第九透镜G9为双凸透镜，入射面为凸面，出射面为凸面，光焦度为0.0166mm^-1；

其中，光阑位于第一透镜G1的凹面处。

在一种可能的实施例方式中，第一透镜G1采用镧冕玻璃材料制成，第二透镜G2采用镧火石玻璃材料制成，第三透镜G3采用重火石玻璃材料制成，第四透镜G4采用重火石玻璃材料制成，第五透镜G5采用重火石玻璃材料制成，第六透镜G6采用轻冕玻璃材料制成，第七透镜G7采用轻冕玻璃材料制成，第八透镜G8和第九透镜G9采用重火石玻璃材料制成。

在一种可能的实施例方式中，所述大量程光谱共焦色散镜头的总长度小于100mm，测量角度至少30°，色散范围18mm。

在一种可能的实施例方式中，第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3、第四透镜G4、第五透镜G5、第六透镜G6、第七透镜G7、第八透镜G8、第九透镜G9的口径均小于32mm。

在一种可能的实施例方式中，所述光源发射的光为复色光。并使所述复色光经过所述光谱共焦镜头后色散形成不同波长的光照射在被测物体上，如果物体正好在某波长汇聚点上，则该波长的光将在被测物表面发生反射，所述光纤用于接收从被测物反射并经过所述光谱共焦镜头汇聚回光纤端口。

具体的，在本实施例中，通光多个透镜的组合实现线性色散，采用正负透镜相组合，将负透镜放置在物方光纤光源处产生正色散，将正透镜放在像方被测物一侧产生负色散，两者相减得到更大的色散范围。

具体而言，在本实施例中采用前组负光焦度在前，后组正光焦度在后的反远距结构，有利于得到较大色散。在光焦度分配过程中，单个透镜的承担光焦度过大会放大其曲率，同时增加球差。在该镜头中，主要像差与孔径大小相关，一方面采取正负光焦度搭配减小球差，另一方面采取光焦度分裂，将强光焦度分散到另外两个透镜上，减小光线的角度。

为便于实施，作为举例说明的，在本实施例中第一透镜G1的折射率n1满足1.63<n1<1.75；第二透镜G2的折射率n2满足1.69<n2<1.83；第三透镜G3的折射率n3满足1.92<n3<1.96；第四透镜G4的折射率n4满足1.92<n4<1.96；第五透镜G5的折射率n5满足1.92<n5<1.96；第六透镜G6的折射率n6满足1.45<n6<1.5；第七透镜G7的折射率n7满足1.45<n7<1.5；第八透镜G8的折射率n8满足1.92<n8<1.96；第九透镜G9的折射率n9满足1.7<n9<1.84；

第一透镜G1的阿贝数v1满足44<v1<57；第二透镜G2的阿贝数v2满足45<v2<57；第三透镜G3的阿贝数v3满足17<v3<29；第四透镜G4的阿贝数v4满足17<v4<29；第五透镜G5的阿贝数v5满足17<v5<29；第六透镜G6的阿贝数v6满足66<v6<79；第七透镜G7的阿贝数v7满足66<v7<79；第八透镜G8的阿贝数v8满足17<v8<29；第九透镜G9的阿贝数v9满足28<v9<33；

此外，在本实施例中镜头的曲率半径R的范围如下：

第一透镜G1的物侧：-10mm＜R＜-5mm,第一透镜G1的像侧：R＝∞；

第二透镜G2的物侧：-15mm＜R＜-8mm,第二透镜G2的像侧：-68mm＜R＜-50mm；

第三透镜G3的物侧：-28mm＜R＜-19mm,第二透镜G2的像侧：-20mm＜R＜-12mm；

第四透镜G4的物侧：-230mm＜R＜-200mm,第二透镜G2的像侧：-48mm＜R＜-35mm；

第五透镜G5的物侧：32mm＜R＜45mm,第二透镜G2的像侧：R＝∞；

第六透镜G6的物侧：R＝∞,第二透镜G2的像侧：10mm＜R＜25mm；

第七透镜G7的物侧：-57mm＜R＜-40mm,第二透镜G2的像侧：20mm＜R＜39mm；

第八透镜G8的物侧：20mm＜R＜35mm,第二透镜G2的像侧：-400mm＜R＜-300mm；

第九透镜G9的物侧：78mm＜R＜110mm,第二透镜G2的像侧：-100mm＜R＜-57mm；

下面以具体的实施例进行说明，各透镜的具体参数如表1所示，其中表面序号S1-S18为从物方到像方各光学表面排列序号。

表1

上表中的透镜全为玻璃球面透镜，表面代表各个透镜两个表面，半径为各个面所对应的曲率半径，厚度为各个光学元件中心厚度及面与面之间的距离。

本实例所述的一种大量程光谱共焦色散镜头，在工作波长450-700nm范围内，产生的轴向色散范围为18mm，最大测量角度大于30°，该镜头光学总长在100mm内。

本实例所述的一种大量程光谱共焦色散镜头，通过光学元件组合与材料选择，对不同透镜的半径和厚度优化设计，使其具有较大色散范围，具有较低的公差灵敏度，极大提升了该镜头生产品质，有利于光谱共焦色散镜头的广泛生产。通过使用相同材料的透镜，降低了色散镜头中的透镜成本，从而降低了镜头成本，在保证色散镜头指标的基础上，解决了光谱共焦色散镜头中透镜材料种类繁多的问题，有利于该镜头的广泛生产和应用，提高其适用性。参见附图3、图4、图5，为本实施例提供的色散镜头在450nm、537.5nm、700nm处的标准点列图。它是通过到达像面的光线集中度来研究系统的成像质量，通过图中可以看到各视场的RMS均方根半径均小于艾里斑半径，系统成像质量相对较好，表明像质已达到衍射极限，满足光谱共焦色散镜头指标要求。

参见附图6、图7、图8，为本实施例提供的色散镜头在450nm、537.5nm、700nm处的传递函数，可以看到该色散镜头系统值中三个波长曲线均趋近于衍射极限。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种大量程光谱共焦色散镜头，其特征是，在光源的光纤端到像面之间依次设置具有负光焦度的第一透镜，具有负光焦度的第二透镜，具有正光焦度的第三透镜，具有正光焦度的第四透镜，具有正光焦度的第五透镜，具有负光焦度的第六透镜，具有负光焦度的第七透镜，具有正光焦度的第八透镜，具有正光焦度的第九透镜；

所述第五透镜和第六透镜胶合，第七透镜和第八透镜胶合。

2.根据权利要求1所述的一种大量程光谱共焦色散镜头，其特征是，所述大量程光谱共焦色散镜头的有效焦距为f，第一透镜的焦距为f1，第九透镜的焦距为f9，则0.88＜|f1/f|＜1.3，3.92＜|f9/f|＜7.98。

3.根据权利要求1所述的一种大量程光谱共焦色散镜头，其特征是，

所述第一透镜为平凹透镜，入射面为凹面，出射面为平面；

所述第二透镜为弯月透镜，入射面为凹面，出射面为凸面；

所述第三透镜为弯月透镜，入射面为凹面，出射面为凸面；

所述第四透镜为弯月透镜，入射面为凹面，出射面为凸面；

所述第五透镜为平凸透镜，入射面为凸面，出射面为平面；

所述第六透镜为平凹透镜，入射面为平面，出射面为凹面；

所述第七透镜为双凹透镜，入射面为凹面，出射面为凹面；

所述第八透镜为双凸透镜，入射面为凸面，出射面为凸面；

所述第九透镜为双凸透镜，入射面为凸面，出射面为凸面。

4.根据权利要求3所述的一种大量程光谱共焦色散镜头，其特征是，光阑位于第一透镜的凹面处。

5.根据权利要求1所述的一种大量程光谱共焦色散镜头，其特征是，第一透镜采用镧冕玻璃材料制成，第二透镜采用镧火石玻璃材料制成，第三透镜采用重火石玻璃材料制成，第四透镜采用重火石玻璃材料制成，第五透镜采用重火石玻璃材料制成，第六透镜采用轻冕玻璃材料制成，第七透镜采用轻冕玻璃材料制成，第八透镜和第九透镜采用重火石玻璃材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种大量程光谱共焦色散镜头，其特征是，所述大量程光谱共焦色散镜头的总长度小于100mm，测量角度至少30°，色散范围18mm。

7.根据权利要求1所述的一种大量程光谱共焦色散镜头，其特征是，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、第九透镜的口径均小于32mm。

8.根据权利要求1所述的一种大量程光谱共焦色散镜头，其特征是，所述光源发射的光为复色光。