[实用新型]一种大轴向色差的线性色散物镜

说明书

技术领域

本实用新型属于光学物镜技术领域，特别涉及一种大轴向色差的线性色散物镜，该线性色散物镜可用于基于光谱共焦技术的非接触式测量。

背景技术

光谱共焦位移传感器是基于共焦原理采用宽谱光源的非接触式传感器，其最高精度可以到纳米级别，几乎可以测量所有材质表面，由于其非接触、高精度的特点所以应用广泛。其基本原理是宽谱光源经过线性色散物镜后产生光谱色散，通过共焦小孔后形成沿色散物镜光轴方向的一系列焦点，光束聚焦于被测物体表面，反射光沿入射光路返回色散物镜，只有满足物像共轭关系的对应波长的反射光束才能通过共焦小孔，此时光谱仪接收到的对应波长光的峰值能量最大，由色散产生的焦点分布产生纳米级的测量分辨率。

光谱共焦位移传感器的核心部件之一即线性色散物镜，该物镜与普通物镜设计思路相反，要求尽量增加轴向色差范围，以增加传感器的测量范围。同时为了维持量程范围内传感器精度的一致性，要求物镜的轴向色差与波长成线性或者接近线性关系。A.Miks等人在Theory of hyperchromats with linear longtitudinal chromatic aberration(Proc.Of SPIE Vol.5945 59450Y)一文中给出了两片式结构线性色散物镜的求解方法，并给出了线性色散物镜实例，但是该物镜的轴向色散范围与系统焦距的比值不到0.03，同时成像质量未纳入设计考虑范围；中国专利文献CN104238077A也公开了一种线性色散物镜，但是该物镜的轴向色散范围与系统焦距比也只有约0.04，而且该物镜存在尺寸大、结构复杂的问题，实施较为困难；美国专利文献US8248598B2公开了一种采用多组拼接方法的可增加轴向色散范围与系统焦距比值的物镜设计，但在物镜的线性度上没有做出说明，且物镜尺寸需随着轴向色散范围的增大而增大。

基于上述现有技术的状况，亟待开发设计一款轴向色散范围与系统焦距比值较大、且像质优异的线性色散物镜。

实用新型内容

本实用新型针对现有的色散物镜存在的不足，提供了一种大轴向色差的线性色散物镜，该物镜系统综合考虑了色散物镜的线性度与系统像差校正之间的平衡，其轴向色散范围与系统焦距比值大，像质优异，尺寸较小，且线性度极佳，具有较高的实用价值。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供一种大轴向色差的线性色散物镜，包括整体为正焦光度的准直透镜组和整体为正焦光度的聚焦透镜组，所述准直透镜组和聚焦透镜组各自包含至少一个镜片；所述准直透镜组和聚焦透镜组在光源针孔和被测物体之间沿光轴依次设置，所述准直透镜组靠近光源针孔侧，所述聚焦透镜组靠近被测物体侧。

优选地，所述镜片满足以下约束条件：

其中：

其中，i代表不同的镜片，D、F和C分别代表D光、F光和C光，N为所述镜片总数，λ为波长；和ν分别为不同镜片对于不同波长光的光焦度和光学材料的阿贝数；n为不同介质对于不同波长光的折射率，其角标含i时表示介质为镜片i，角标不含i时表示介质为空气。

作为准直透镜组的优选，所述准直透镜组至少包含一片非球面正焦光度的镜片；进一步优选地，所述准直透镜组由沿光轴自光源针孔侧至被测物体侧依次设置的第一透镜和第二透镜组成，所述第一透镜为具有负光焦度的球面单透镜，所述第二透镜为具有正光焦度的非球面单透镜。

作为聚焦透镜组的优选，所述聚焦透镜组为球面镜片或非球面镜片或球面镜片与非球面镜片的组合；进一步优选地，所述聚焦透镜组由沿光轴自光源针孔侧至被测物体侧依次设置的第三透镜、第四透镜和第五透镜组成，所述第三透镜为具有正光焦度的球面单透镜，所述第四透镜和第五透镜为具有负光焦度的球面胶合透镜。

作为上述技术方案的优选，所述线性色散物镜还包括设置于所述准直透镜组和聚焦透镜组之间的孔径光阑，所述孔径光阑的通光孔在所述光轴上；进一步优选地，所述孔径光阑限制入射光线的角度范围为±5°。

本实用新型实施例的上述技术方案的有益效果为：

1.本实用新型实施例的线性色散物镜采用先准直后聚焦的设计，准直透镜组和聚焦透镜组均为正透镜组，相较于现有技术中正透镜组和负透镜组的组合，具备了先准直再聚焦的效果；

2.本实用新型实施例的准直透镜组包含了非球面镜片，再结合先准直再聚焦的设计，可以使线性色散物镜的轴向色散范围与系统焦距比大于0.2，整体减小了物镜尺寸，降低了加工难度，且使物镜具有极佳的线性度；