[发明专利]基于径向GRIN透镜的光谱共焦色散物镜

说明书

本发明公开了一种基于径向GRIN透镜的光谱共焦色散物镜，解决了现有的色散物镜在其色散范围满足要求时，线性度较差，影响光谱共焦位移传感系统的灵敏度以及测量精度；当线性度良好时，轴向色散范围又不足，影响光谱共焦位移传感系统测量量程的技术问题。具体包括从左至右依次设置的梯度折射率透镜、优化透镜、第一凹透镜、第一凸透镜、第一胶合镜以及第二胶合镜；所述梯度折射率透镜、优化透镜、第一凹透镜、第一凸透镜、第一胶合镜以及第二胶合镜的中心轴线均位于同一直线上。该光谱共焦色散物镜能够使得整个系统体积小、成本低、线性度高，还能够实现光学系统轻量化，提高光谱共焦位移传感系统的灵敏度以及测量精度。

技术领域

本发明涉及光谱共焦色散物镜，具体涉及一种基于径向GRIN(gradient index，梯度折射率)透镜的光谱共焦色散物镜。

背景技术

光谱共焦位移传感器是非常理想的实现高精度非接触式测量的光学传感器。光谱共焦位移传感器利用光谱共焦原理，通过光学色散镜头建立光谱聚焦位置与波长之间的线性对应关系，根据光路可逆原理，不同波长的光束通过分光镜返回到光谱仪，进行解码分析得到其对应的位置信息，获取测量值。相比其他传感器，光谱共焦位移传感器对表面纹理、物体温度、表面粗糙度均要求较低，能够实现非接触、高精度、快速测量。光谱共焦位移传感系统当中，色散镜头是产生轴向色散的关键器件，传感器的测量范围大小取决于光谱共焦位移传感器色散镜头的轴向色散大小。

研究中，通常采用一种放大率为0.3倍的色散探头在450nm～623nm实现400μm的色散范围；采用衍射光学元器件利用色散为深度测量提供聚焦波长编码，能够达到55μm的测量范围；采用双胶合透镜和一个单透镜所设计的工作波段为486nm～656nm的物镜，谱宽为170nm，物镜的分辨率为3μm；采用FK7l、LAF4与ZF72A三种玻璃分别产生线性正色散和负色散，在430nm～710nm范围内能够产生1mm的轴向色散；采用N-KZFS11、N-SF66和N-PK52A结合3个单透镜以及2个双胶合透镜设计的轴向色散为1.05mm。以上研究结果中，色散范围满足要求的色散物镜线性度较差，影响光谱共焦位移传感系统的灵敏度以及测量精度；当色散物镜线性度良好时，轴向色散范围又不足，影响光谱共焦位移传感系统的测量量程。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于径向GRIN透镜的光谱共焦色散物镜，以解决现有的色散物镜在其色散范围满足要求时，线性度较差，影响光谱共焦位移传感系统的灵敏度以及测量精度；当线性度良好时，轴向色散范围又不足，影响光谱共焦位移传感系统测量量程的技术问题。

梯度折射率元件的折射率呈梯度分布，其效果等同于多面型复杂、工艺要求和成本较高的匀质光学元件。径向GRIN透镜的折射率沿垂直于光轴的方向从中心到边缘连续变化，且一般具有几何形状简单、重量轻、体积小、光学性能优良等优点，同时又具有便与集成等特点。

基于以上特点，且为了达到上述目的，本发明提供了一种基于径向GRIN透镜的光谱共焦色散物镜，其特殊之处在于：包括从左至右依次设置的梯度折射率透镜、优化透镜、第一凹透镜、第一凸透镜、第一胶合镜以及第二胶合镜；

所述梯度折射率透镜、优化透镜、第一凹透镜、第一凸透镜、第一胶合镜以及第二胶合镜的中心轴线均位于同一直线上。

进一步地，所述第一胶合镜由第二凸透镜和第三凸透镜胶合而成，所述第二凸透镜位于靠近第一凸透镜的一侧；

所述第二胶合镜由第四凸透镜和第二凹透镜胶合而成，所述第四凸透镜位于靠近第三凸透镜的一侧。

进一步地，所述梯度折射率透镜的前表面曲率半径范围为40.58±0.02mm，后表面为平面，厚度范围为2.00±0.01mm；

所述优化透镜的前表面及后表面均为平面，厚度范围为2.00±0.01mm；