一种长物距线性色散物镜

1.本发明属于光学物镜领域，特别涉及一种具有长物距的轴向线性色散物镜。


背景技术：

2.彩色光谱共焦技术是一种非接触式光学测量手段，利用轴向色散实现对轴上位置的编码，取代了共焦显微镜的轴向扫描，大幅度提高了测量速度，分辨率可达微、纳米级。而且相较于传统的的激光三角反射式测量系统、白光干涉仪、电感式传感器等测量方式，彩色光谱共焦传感器质量轻、体积小，对表面状况的要求更低，容许更大的倾斜角度，因此被广泛应用于表面形貌检测、精密测量、生物医学成像、超精密制造等不同领域。
3.光谱共焦的轴向色散是通过色散物镜实现的，因此色散物镜的性能在一定程度上决定了测量系统的精度、分辨率及测量范围等参数指标。国内外学者围绕色散物镜设计开展了一系列研究工作，按照产生色散的原理大致可分为折射式与衍射式。由于玻璃材料的折射率在可见光范围内与波长呈非线性，使用单一的玻璃材料无法产生线性色散，需要选择合适的玻璃材料组合以减小非线性度，但不能达到完全线性。衍射光学元件的色散与波长之间为线性关系，但存在较大像差，需要配合透镜组来减小像差，然而透镜组的引入会破坏色散与波长的线性关系，且衍射光学元件加工难度大，难以做到大数值孔径。因此综合考虑，折射透镜组仍是线性色散元件的主要研究方向。
4.色散物镜的色散范围影响了测量系统的量程，色散与波长的线性度决定了测量精度，色散物镜的像方数值孔径决定了测量系统分辨率，而这些指标往往又相互制约。目前与色散物镜相关的专利中，为了获得较好的成像质量以及色散与波长之间的线性度，光学结构中通常涉及到弯月形透镜，一些特殊的弯月透镜也会增加加工难度与成本。因此，如何达到各项指标之间的平衡是需要解决的问题。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种长物距线性色散物镜，牺牲部分色散线性度，使用二次函数拟合色散与波长的关系，使物镜具有大色散范围，且各波长在其各自焦平面处成像质量较好，同时尽可能减少特殊弯月形透镜数量，放宽公差。增大色散物镜的物距，便于对透镜前端光路进行调整，应用于不同测量系统。
6.为实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案是
7.一种长物距线性色散物镜，其特征在于，包括由物方至像方依次包括同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜组成的色散透镜组；
8.其中，
9.所述的色散透镜组满足以下约束条件：
[0010][0011]
其中为单透镜的光焦度，υ
di
为第i种玻璃材料的阿贝数，n为玻璃材料种类数；
[0012]
为玻璃材料的色散线性度；
[0013]
其中，pi为第i种玻璃材料的相对部分色散，λf、λd、λc分别为f、d、c特征光的波长，n
fi
、n
di
、n
ci
分别为第i种玻璃材料在f、d、c特征光下的折射率。
[0014]
优选的，所述第一透镜为单透镜，所述第二透镜和第三透镜构成双胶合透镜i，所述第四透镜和第五透镜构成双胶合透镜ii，所述第六透镜和第七透镜构成双胶合透镜ii。
[0015]
优选的，所述第一透镜为平凹透镜，靠近物方的一面为平面，折射率n满足1.90≤n≤2.00，中心厚度为5mm，第一透镜中心与第二透镜中心的空气间隔为7mm。
[0016]
优选的，所述第二透镜折射率n满足1.49≤n≤1.51，中心厚度为4.5mm；所述第三透镜折射率n满足1.73≤n≤1.78，中心厚度为5mm；双胶合透镜i的中心距离第四透镜中心的空气间隔为7.25mm。
[0017]
优选的，所述第四透镜折射率n满足1.90≤n≤2.00，中心厚度为3mm；所述第五透镜折射率n满足1.73≤n≤1.78，中心厚度为5.5mm；双胶合透镜ii的中心距离第六透镜中心的空气间隔为7.5mm。
[0018]
优选的，所述第六透镜折射率n满足1.73≤n≤1.78，中心厚度为5.5mm；所述第七透镜折射率n满足1.49≤n≤1.51，中心厚度为4mm。
[0019]
优选的，所述的色散物镜组的工作波段为430-710nm。
[0020]
优选的，所述色散透镜组物距大于80mm，色散透镜组的镜头最后一面到像面的距离大于29mm，像方数值孔径大于0.28。
[0021]
本发明的有益效果包括：
[0022]
(1)数值孔径较大，横向分辨率高，像方数值孔径na大于0.28；
[0023]
(2)牺牲部分色散线性度，使用二次函数拟合色散曲线，以获得较好的成像质量与较大的色散范围，同时减少了光学结构中特殊弯月形透镜数量，适当放宽公差，降低了加工成本；
[0024]
(3)具有较大的物距，便于对透镜前端光路进行调整，应用于不同测量系统，如光谱共焦干涉测量系统。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本发明实施例光学系统构造示意图；
[0027]
图2为本发明实施例不同光谱分量在其各自焦平面的点列图；
[0028]
图3为本发明实施例色散与波长关系实验图；
具体实施方式
[0029]
下面将结合附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0030]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明，而非以任何方式限制本发明的保护范围。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0031]
如图1所示，本发明公开了一种色散物镜，由物方至像方依次包括同轴设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6以及第七透镜7组成的色散透镜组。
[0032]
所述的色散透镜组满足以下约束条件：
[0033][0034]
其中为单透镜的光焦度，υ
di
为第i种玻璃材料的阿贝数，n为玻璃材料种类数，为第i种玻璃材料的阿贝数，n为玻璃材料种类数，为玻璃材料的色散线性度。由于玻璃材料的折射率在可见光范围内与波长呈非线性，使用单一的玻璃材料无法产生线性色散，至少需要两种光学玻璃材料组合。选用光学材料种类过多会增加成本，优选的，本实施例中选用三种玻璃材料组合。
[0035]
在本实施例中，所述第一透镜1为单透镜，所述第二透镜2和第三透镜3构成双胶合透镜i，所述第四透镜4和第五透镜5构成双胶合透镜ii，所述第六透镜6和第七透镜7构成双胶合透镜iii。
[0036]
在本实施例中，所述第一透镜1为平凹透镜，靠近物方的一面为平面，所用玻璃材料为重冕玻璃，折射率n满足1.90≤n≤2.00，中心厚度为5，第一透镜1中心与第二透镜2中心的空气间隔为1mm。
[0037]
在本实施例中，所述第二透镜2所用玻璃材料为氟冕玻璃，折射率n满足1.49≤n≤1.51，中心厚度为4.5mm。所述第三透镜3所用玻璃材料为镧火石玻璃，折射率n满足1.73≤n≤1.78，中心厚度为5mm。第二透镜2与第三透3镜构成的双胶合透镜i中心距离第四透镜中心的空气间隔为7.25mm。
[0038]
在本实施例中，所述第四透镜4所用玻璃材料与第一透镜1所用材料相同，中心厚度为3mm。所述第五透镜5所用玻璃材料与第三透镜3所用材料相同，中心厚度为5.5mm。第四透镜4与第五透镜5构成的双胶合透镜ii中心距离第六透镜6中心的空气间隔为7.5mm。
[0039]
在本实施例中，所述第六透镜6所用玻璃材料与第三透镜3所用材料相同，中心厚度为5.5mm。所述第七透镜7所用玻璃材料与第二透镜2所用材料相同，中心厚度为4mm。
[0040]
本实施例光学系统中各个镜片的具体参数见下表：
[0041][0042]
所述色散物镜工作波段为430-710nm，各光谱分量成像质量较好，如图2所示，在430-710nm范围内等间隔设置八个波长，各光谱分量在各自设计焦平面上的弥散斑均小于艾里斑。
[0043]
在本实施例中，所述色散透镜组物距大于80mm，便于在前端加入其他光学元件，应用于不同的测量系统，如光谱共焦干涉测量系统。镜头最后一面到像面的距离大于29mm，像方数值孔径na大于0.28，根据瑞利判据横向分辨率约为1.5μm。
[0044]
所述色散物镜在工作波段内色散范围为983.8252μm，各波长的聚焦距离与波长之间的关系如图3所示，使用二次函数对其进行拟合，使用公式对拟合度进行评估，可知二次函数对各波长的聚焦距离与波长之间的关系拟合度较高，达到了99.9975％
[0045]
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值仪距离说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。