CN106443996A - 光谱共聚焦镜片组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光谱共聚焦镜片组件，包括壳体及设置于所述壳体上的透镜组、入光孔及出光孔，该透镜组色散地把来自于入光孔的不同波长的光分布地聚到被测物方向一条光轴上的不同位置，用以产生光谱共聚焦镜头功能，所述透镜组由第一透镜及第二透镜组成，所述第一透镜与所述第二透镜以接力扩大色差的方式产生色差，且所述第一透镜的至少一个表面为非球面，所述第一透镜用于在扩大色差的同时减少像差。上述光谱共聚焦镜头组件，通过将第一透镜设置为非球面，镜片数量较少、易于组装，体积较小、成本较低，且像差较小。

Description

光谱共聚焦镜片组件

技术领域

本发明涉及精密位移测量领域，特别是涉及一种光谱共聚焦镜片组件。

背景技术

1955年M.Minsky发明了共聚焦显微镜，可以非接触地测量物体距离或位移。该原理经过几十年的发展现在已经被广泛使用。其主要原理是：一束激光经过聚焦到一个很细的焦点照射到被测物上然后反射回去，在反射光路上的焦点处放置一个极小的孔径光阑(俗称针孔)，然后移动光路的轴向距离或某镜片沿着轴向位置，来寻找信号最强的位置，该位置就是反射物和针孔同时形成焦点的位置，简称为共聚焦或共焦。

1986年《Journal of Optics》杂志,17卷，Number 6，G Molesini和FQuercioli发表的《Pseudocolor effects of longitudinal chromatic aberration》文章中，描述了一种方法，在光学成像***中引入受控制的轴向色差，产生按照单调的规则变化的波长色散，以波长编码被测物的表面高度分布。

1995年欧洲一些公司推出了商品化的产品。有的产品使用光纤来传输光源或反射的光纤，把镜头和主控制器分开。

光谱共聚焦的原理如附图1，光源1发射一个宽带光，经过针孔2到达透镜4，透镜4色散地将光线照射到被测物5，各个波长焦点在光轴上按规律分布开来。反射光再经过透镜4和分光装置3经过针孔6，照射到光谱测量部件7。只有光轴上并与被测物表面相交部位的波长的光，才能通过针孔6到达部件7，其它波长由于被针孔6阻挡无法或仅极少部分到达部件7，寻找光谱的波峰就可以确定相对位置。

光谱共聚焦技术已经在精密非接触测量广泛使用，特别是在亚微米领域、被测物表面多样化的领域已经是极少数可行方案之一。随着世界各国越来越多专业的公司加入光谱共聚焦领域，该技术已经被广泛用于生物、半导体、元器件、文物、精密轮廓测量、精密位移反馈、手机零件或外形测量等领域，并被ISO25178标准采纳为极少数几种的非接触3D测量推荐技术之一。该技术可以向各行各业例如机械五金塑胶测量、坐标测量、医疗扫描、太阳能、材料分析、震动测量、玻璃测量、光学元件测量、食品包装、薄膜测量、液晶显示或触摸屏测量、交通能源装备、建筑路桥、化工装备测量、核能、航空航天等等领域扩展，是一项用途广泛的基础技术。

然而，现有的光谱共聚焦镜头一般都需要很多个镜片，结构较复杂。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种光谱共聚焦镜片组件，结构较简单，易于组装。

为实现上述目的，本发明提出的光谱共聚焦镜片组件，包括：壳体及设置于所述壳体上的透镜组、入光孔及出光孔，该透镜组色散地把来自于入光孔的不同波长的光分布地聚到被测物方向至少一条光轴上的不同位置，用以产生光谱共聚焦镜头功能，其特征在于，所述透镜组由第一透镜及第二透镜组成，所述第一透镜与所述第二透镜以接力扩大色差的方式产生色差，且所述第一透镜的至少一个表面为非球面，所述第一透镜用于在扩大色差的同时减少像差。

优选地，所述第一透镜和第二透镜均为凸透镜。

优选地，所述第一透镜的两个表面均为非球面。

优选地，所述第二透镜的至少一个表面为非球面。

优选地，所述第一透镜的两个相对设置的表面的轮廓不同，所述第二透镜的两个相对设置的表面的轮廓均不相同。

优选地，所述第二透镜的两个相对设置的表面均为球面，且所述第二透镜设置于所述壳体靠近所述被测物的一侧。

优选地，第一透镜还用于将来自于入光孔的光聚集到准直或接近准直。

优选地，所述第一透镜与所述第二透镜的材质不同，且色散值不同。

优选地，所述第一透镜及所述第二透镜之间留有间隙，且所述间隙小于所述第一透镜与所述第二透镜之间直径较大的透镜的直径。

优选地，被测物方向的数值孔径大于入光孔方向的数值孔径。

上述光谱共聚焦镜头组件，透镜组由第一透镜及第二透镜组成，所述第一透镜与所述第二透镜以接力扩大色差的方式产生色差，且所述第一透镜的至少一个表面为非球面，所述第一透镜用于在扩大色差的同时减少像差。本发明只需采用两个镜片，镜片数量较少、易于组装，体积较小、成本较低，且像差较小。

附图说明

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示出的结构获得其他的附图。

图1为光谱共聚焦的测量原理图；

图2为本发明一实施例的光谱共聚焦镜头组件的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的光谱共聚焦镜头组件的结构示意图；

图4为图3所示的光谱共聚焦镜头组件的MTF曲线。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	光谱共聚焦镜片组件	100	壳体
101	入光孔	200	透镜组
				210	第一透镜	220	第二透镜
300	定位件	310	第一定位部
				320	第二定位部	330	第三定位部
20	被测物

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的顺序或数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。术语入光孔和出光孔，泛指相当于光学小孔的结构，例如光纤孔径，入光孔和出光孔也可以是重合的。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种用于对被测物20的位移进行检测的光谱共聚焦镜片组件10。

请参照图2，在本发明一实施例中，光谱共聚焦镜片组件10包括壳体100及设置于壳体100上的透镜组200，所述壳体100上设置有入光孔101及出光孔(图未标，与入光孔重合)，所述入光孔101及所述出光孔位于所述透镜组远离所述被测物20的一侧，光线从所述入光孔101射入，通过所述透镜组200的作用，色散到被测物20上，部分反射光再次经过所述透镜组200的作用，返回所述出光孔。

该透镜组色散地把来自于入光孔的不同波长的光分布地聚到被测物方向一条光轴上的不同位置，用以产生光谱共聚焦镜头功能(需要说明的是，透镜组可以产生全部或主要的光谱共聚焦镜头功能)。所述透镜组200由两片共光轴设置的第一透镜210及第二透镜220组成，所述第一透镜210与所述第二透镜220以接力扩大色差的方式产生色差，且所述第一透镜210的至少一个表面为非球面，所述第一透镜210用于在扩大色差的同时减少像差。

在本实施例中，第一透镜210设置于所述壳体100靠近所述入光孔101的一侧，第二透镜220设置于所述壳体100靠近被测物20的一侧。当然，在其他实施例中，第一透镜210和第二透镜220的位置也可以调换，即，第一透镜210设置于所述壳体100靠近被测物20的一侧，第二透镜220设置于所述壳体100靠近所述入光孔101的一侧。

进一步地，除了前述在扩大色差的同时减少像差的功能外，第一透镜还210用于将来自于入光孔的光聚集到准直或接近准直，进而为第一透镜210增加一个兼具的功能，通过兼具功能可以减少镜片数量。

具体的，光谱共聚焦镜片组件10还包括设置于所述壳体100上的定位件，所述透镜组200通过所述定位件固定在所述壳体100上。请参阅图1，定位件300包括固定设置于所述壳体100上的第一定位部310、第二定位部320及第三定位部330，所述第一透镜210安装在所述第一定位部310及所述第二定位部320之间，所述第二透镜安装在所述第二定位部320与所述第三定位部330之间。

具体到本实施例中，第一定位部310通过螺合固定在所述壳体上。例如，所述第一定位部310设置有外螺纹(图未示)，所述壳体100的对应位置设置有与所述外螺纹匹配的内螺纹(图未示)，所述第一定位部310通过所述内螺纹与所述外螺纹的配合固定在壳体100上。第一定位部310用于确定所述第一透镜210距离入光孔101的位置。第二定位部320为环形筒结构，用于保持第一透镜210与第二透镜220之间的间隙，例如，第二定位部320可拆卸地设置于壳体100内。第三定位部330通过螺合固定在壳体100的远离入光孔101的端部，例如，第三定位部330设置有外螺纹，壳体100的端部也设置有对应的内螺纹，定位部330通过螺纹可拆卸地设置在壳体100的端部。具体地，通过拆下第三定位件330，可以更换第二透镜220，当第二透镜220被取下后，第二定位件320也可以拆下更换，这样，可以调整第一透镜210及第二透镜220之间的间隙。

可以理解，光谱共聚焦测量装置通常具有量程与测量值绝对分辨率呈近似反比的关系。用户通常都需要根据需要来选择一个量程段。通过更换第二透镜220，可以使得光谱共聚焦镜头组件10具有多个量程段，几个量程段共用一种第一透镜210，通过更换第二透镜220来改变量程段，这样可以节约非球面批量生产的模具费用。

请参阅图1，所述第一透镜210及所述第二透镜220之间留有间隙，且所述间隙小于所述第一透镜210与所述第二透镜220之间直径较大的透镜的直径，结构更加紧凑，减小镜头的长度。在本申请中，透镜的直径，指的是其圆面的直径，而且第一透镜210与第二透镜220之间的间隙通过第二定位件320控制，与传统双胶合使用胶水的方式相比，避免了胶水的理化性质如耐温特性、热膨胀系数、抗老化特性及抗潮性引发的问题，提高光谱共聚焦镜头组件10的可靠性。

当然，在其他实施例中，第一透镜210与第二透镜220也可以通过其他机械方式固定在壳体100上。

需要说明的是，在本实施例中，入光孔101及出光孔为同一个，即，同时实现入光和出光功能，例如，使用一根光纤既作为入光孔101和出光孔。当然，在其他实施例中，出光孔与入光孔101也可以是独立的，即，出光孔与入光孔101设置于壳体100的不同位置。

优选的，所述第一透镜210和第二透镜220都是凸透镜。进一步的，所述第一透镜210的两个相对设置的表面的轮廓不同，以方便优化出最佳轮廓组合。进一步减小像差，扩大色差。在本实施例中，所述第二透镜220的两个相对设置的表面均为非球面，接力地扩大色差，减小像差，而且非球面的曲面轮廓较自由，为软件优化增加了自由度。优选地，所述第二透镜220的两个相对设置的表面的轮廓均不相同，且与所述第一透镜210的轮廓也不相同。

通常地，成像光路产生色差是为了抵消其它镜片的色差，为了清晰地描述产生色差的方向，此处使用“扩大”一词，“扩大”的含义是产生色差的方向和另一片镜片产生色差的方向一致，两者叠加为比单个镜片产生的色差更大的色差。为了清晰描述非球面凸透镜大幅度地扩大色差语句中“大幅度”的含义，定义其产生的色差超过镜头总色差的15％即为“大幅度”。因为材料的色散度是有限度的，为了减少另一片镜片产生色差的负荷，便于优化，第一透镜210产生的色差优选大于25％。第一透镜210与第二透镜220以接力方式扩大色差，使被测物20一侧最大波长和最小波长成像焦距的距离扩大。

进一步的，所述第一透镜210与所述第二透镜220的材质不同，且色散值不同，即，折射率不同，色散值不同，有利于光学设计软件对光路优化设计时使用多种折射率、色散值进行组合优化。

可以理解，镜头照射到被测物上会产生一个光斑，光斑越小测量分辨率越高。为了使共聚焦镜片组件产生较小的光斑，例如，采用非对称的设计，被测物20方向的数值孔径被设计成明显大于出光孔101方向的数值孔径，这样更容易获得小的光斑。通常使用光纤来作为出光孔，光孔侧的数值孔径取决于光纤数值孔径，市场上常用的光纤一般比较经济，这些光纤数值孔径大多在0.1到0.22之间，被测物方向的数值孔径被设计成大于0.3，优选大于0.5，可以在兼顾成本的同时减小被测物的光斑。另外，被测物方向的数值孔径较大，在测量镜面反射时允许被测物表面相对于光轴具有较大的偏转角，也能有效地获得光线，提高光能利用率。具体到本实施例中，光路被测物20一侧的数值孔径大于0.3，入光孔一侧的数值孔径为0.1，这样，某个波长入光孔的直径成像到被测物上被大幅度减小，提高了分辨率。

具体的，第一透镜210兼具至少下列作用：

一、将来自于入光孔101的光聚集到准直或接近准直。

二、减少镜头在将来自于入光孔101的光向被测物20传递过程中产生的像差。

三、扩大镜头的色差。

四、将来自于被测物20的已经聚集到准直或接近准直的光线向出光孔聚集到聚焦。

五、减少或修正镜头在将来自于被测物20的反射光向出光孔传递的过程中产生的像差。

而第二透镜220则兼具至少下列作用：

一、将来自于入光孔101已经被聚集到准直或接近准直的光线向被测物20聚焦。

二、减少镜头在将来自于第一透镜210的光向被测物20传递过程中产生的像差。

三、扩大镜头色差。

四、将来自于被测物20的反射光向第一透镜210聚集到准直或接近准直。

五、减少镜头在将来自于被测物20的光向出光孔传递过程中产生的像差。

需要说明的是，第一透镜210与第二透镜220均经过软件优化设计实现上述功能，其具体的优化过程为本领域技术人员熟知，在此不再赘述。

使用上述共聚焦镜头组件10测试时，光源发出的光经过入光孔101后，经过第一透镜210及第二透镜220色散照射到被测物20上，刚好与被测物20反射表面重合的光经过第一透镜210及第二透镜220返回出光孔，而其他光由于离开焦点发散地照射在被测物20上，绝大部分返回的反射光聚集到出光孔的周围，不能通过出光孔，通过后续一些装置如光谱分析仪对通过出光孔的光波长进行测量分析计算，就可以解析出被测物20与共聚焦镜头组件10的相对位置。由于用光谱解析出位置的技术是公知的技术且不是本专利的要点，在此也不再赘述。

请参阅图3，其为本发明实施例二的共聚焦镜头组件10的结构示意图。

与光谱共聚焦镜头组件10不同的是，第二透镜220的两个相对设置的表面为球面，且所述第二透镜220设置于所述壳体100靠近所述被测物20的一侧，由于球面透镜的成本低于非球面透镜的成本，这样有利于降低共聚焦镜头组件10的成本。而且，将第二镜头220设置在壳体100靠近被测物20的一侧，可以方便更换第二透镜220，进而可以方便改变共聚焦镜头组件10的量程，即，几个量程段可以通过改变不同的球面的第二透镜220，共用一种非球面的第一透镜210，这样可以节约非球面批量生产的模具费用，第一透镜210对第二透镜220的球差起主要修正作用，在获得低像差的同时降低成本。在本实施例中，第二透镜220的两个相对设置的表面的曲率半径不同。

而且，第一定位部310与壳体100为一体成型结构，这样，结构更加牢固，且可以减少部件的数量，降低生产成本。

此外，第三定位部330套设在壳体100上，通过手拧可以将第三定位部330从壳体100上拆开，以方便第二透镜220的更换。

请参阅图4，其为实施例二的光谱共聚焦镜头组件10的MTF曲线，MTF(Modulationtransfer function)，即，调制传递函数。通过对量程为2.5mm的光谱共聚焦镜头组件10进行测试，其MTF曲线与光学衍射极限几近重合，即，成像质量可以逼近光学衍射极限。

上述光谱共聚焦镜头组件10，透镜组200由第一透镜210及第二透镜220组成，所述第一透镜210与所述第二透镜220以接力扩大色差的方式产生色差，且所述第一透镜210的至少一个表面为非球面，所述第一透镜用于在扩大色差的同时减少像差。本发明只需采用两个镜片，镜片数量较少、易于组装，体积较小、成本较低，且像差较小。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或增加没有改变本发明结构达到的基本功能的附加部件，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光谱共聚焦镜片组件，包括：壳体及设置于所述壳体上的透镜组、入光孔及出光孔，该透镜组色散地把来自于入光孔的不同波长的光分布地聚到被测物方向至少一条光轴上的不同位置，用以产生光谱共聚焦镜头功能，其特征在于，所述透镜组由第一透镜及第二透镜组成，所述第一透镜与所述第二透镜以接力扩大色差的方式产生色差，且所述第一透镜的至少一个表面为非球面，所述第一透镜用于在扩大色差的同时减少像差。

2.如权利要求1所述的光谱共聚焦镜片组件，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜均为凸透镜。

3.如权利要求1所述的光谱共聚焦镜片组件，其特征在于，所述第一透镜的两个表面均为非球面。

4.如权利要求1所述的光谱共聚焦镜片组件，其特征在于，所述第二透镜的至少一个表面为非球面。

5.如权利要求1所述的光谱共聚焦镜片组件，其特征在于，所述第一透镜的两个相对设置的表面的轮廓不同，所述第二透镜的两个相对设置的表面的轮廓均不相同。

6.如权利要求1所述的光谱共聚焦镜片组件，其特征在于，所述第二透镜的两个相对设置的表面均为球面，且所述第二透镜设置于所述壳体靠近所述被测物的一侧。

7.如权利要求1所述的光谱共聚焦镜片组件，其特征在于，第一透镜还用于将来自于入光孔的光聚集到准直或接近准直。

8.如权利要求1～7任一项所述的光谱共聚焦镜片组件，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜的材质不同，且色散值不同。

9.如权利要求1～7任一项所述的光谱共聚焦镜片组件，其特征在于，所述第一透镜及所述第二透镜之间留有间隙，且所述间隙小于所述第一透镜与所述第二透镜之间直径较大的透镜的直径。

10.如权利要求1～7任一项所述的光谱共聚焦镜片组件，其特征在于，被测物方向的数值孔径大于入光孔方向的数值孔径。