[發(fā)明專利]一種色散物鏡光路結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110732243.4
• 申請(qǐng)日: 2021-06-29
• 公開（公告）號(hào): CN113433678B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李一哲;胡浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 熵智科技（深圳）有限公司
• 主分類號(hào): G02B13/22
• 分類號(hào): G02B13/22;G02B27/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種色散物鏡光路結(jié)構(gòu)，包括沿物方至像方依次排列的第一透鏡組和第二透鏡組，所述第一透鏡組用于控制物方遠(yuǎn)心并對(duì)光纖陣列投射的調(diào)制偵測(cè)光進(jìn)行初步色散，所述第二透鏡組用于控制像方遠(yuǎn)心并對(duì)所述調(diào)制偵測(cè)光進(jìn)行二次色散，且經(jīng)由所述第一透鏡組的長焦距與所述第二透鏡組的短焦距配合用于所述物方至所述像方縮放控制，其中，所述物方/像方縮放倍率＝f1/f2，f1為所述第一透鏡組的焦距，f2為所述第二透鏡組的焦距，所述物方為光纖陣列，所述像方為所述色散物鏡光路結(jié)構(gòu)投射的線長。本發(fā)明所示色散物鏡光路結(jié)構(gòu)使用雙遠(yuǎn)心光路產(chǎn)生色散的同時(shí)，還可有效保證投射到被測(cè)物上的測(cè)量光斑亮度和精度一致性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種用于線光譜共焦的色散物鏡光路結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著精密和超精密制造業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高精密的檢測(cè)需求也越來越高，因此高精密的位移傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。超精密的位移傳感器精度可達(dá)到微米級(jí)別；傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量雖然也有較高的精度，但是由于其可能會(huì)劃傷被測(cè)物體表面，而且當(dāng)被測(cè)物體為弱剛性或是輕軟材料時(shí)，接觸式測(cè)量也會(huì)造成彈性形變，引入測(cè)量的誤差，此外，接觸式測(cè)量速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，基于接觸式測(cè)量存在的諸多不足，因此非接觸式位移傳感器受到了更大的關(guān)注。

光譜共焦傳感器是一種通過光學(xué)色散原理建立距離與波長間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用光譜儀解碼光譜信息，從而獲得位置信息的裝置，如圖1所示，光源發(fā)出的光通過光纖耦合器后可以近似看作點(diǎn)光源，經(jīng)過準(zhǔn)直和色散物鏡聚焦后發(fā)生光譜色散，在像面上形成沿著光軸方向不同波長連續(xù)分布的單色光焦點(diǎn)，且每個(gè)波長的單色光焦點(diǎn)到被測(cè)物體的距離都不同。當(dāng)被測(cè)物處于測(cè)量范圍內(nèi)某一位置時(shí)，只有特定波長的光在被測(cè)面上是聚焦?fàn)顟B(tài)，該波長的光由于滿足共焦條件，可以從被測(cè)物表面反射回光纖耦合器并進(jìn)入光譜儀，而其他波長的光在被測(cè)物面表面處于離焦?fàn)顟B(tài)，反射回的光在光源處的分布遠(yuǎn)大于光纖纖芯直徑，所以大部分其余波長的光線無法進(jìn)入光譜儀。通過光譜儀解碼得到回波光強(qiáng)最大處的波長值，從而測(cè)得被測(cè)物對(duì)應(yīng)的距離值。由于采用了共焦技術(shù)，因此該方法具有良好的層析特性，提高了分辨力，并且對(duì)被測(cè)物特性和環(huán)境雜光不敏感。

光譜共焦傳感器中，色散鏡頭是其核心器件，決定著分辨率、量程、線長等參數(shù)。但是，目前色散鏡頭存在以下設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

(1)非中心位置的光通道的一致性問題，即多個(gè)光通道(光纖)的光斑尺寸、亮度等一致的問題。對(duì)點(diǎn)光譜共焦系統(tǒng)來說，只設(shè)置一根光纖，形成一個(gè)光通道，光通道(光纖)的位置在光軸位置處，故只需要校正軸上像差，沒有一致性的要求。但對(duì)于線光譜共焦系統(tǒng)而言，其包括百個(gè)以上的光通道，各光通道需要在一定范圍內(nèi)都產(chǎn)生色散，由于光通道數(shù)量眾多，位于非光軸處的光通道距離光軸距離較遠(yuǎn)，在進(jìn)行色散時(shí)，除需要進(jìn)行軸上像差校正外，還需要對(duì)慧差、場(chǎng)曲、像散、畸變等軸外進(jìn)行校正，以確保各個(gè)光通道亮度、光斑尺寸盡量保持一致，故如何設(shè)計(jì)光路，尤其是色散物鏡光路結(jié)構(gòu)，以保證數(shù)百個(gè)光通道的亮度均勻性和精度一致性需要重點(diǎn)關(guān)注。

(2)線光譜共焦傳感器系統(tǒng)的線長L長度大小與測(cè)量光斑分辨率大小之間矛盾，對(duì)于線光譜共焦傳感器系統(tǒng)而言，線長長度越長越好，投射的線長決定著一次可以掃描的長度，在確定被測(cè)物掃描面積的情況下，線長L越長，一次掃描的面積就越大，相應(yīng)完成掃描的速度就越快，工作效率相應(yīng)提高；每個(gè)光通道都在物體表面上的一個(gè)點(diǎn)成像，即形成一個(gè)測(cè)量光斑，測(cè)量光斑越小，系統(tǒng)分辨率和精度越高，即可分辨的被測(cè)物尺寸越小，適用場(chǎng)合也越多。

其中，各色散物鏡投射至被測(cè)物上的各測(cè)量光斑大小與光通道的通光尺寸相關(guān)，通光尺寸越小，則測(cè)量光斑越小，分辨率越高，而相同數(shù)量的光纖下，光纖直徑R越小(對(duì)應(yīng)通光尺寸一般也越小)，對(duì)應(yīng)的線長L＝n*R卻越短。通常可通過增加光通道數(shù)量以解決上述問題，但是若單純的增加光通道數(shù)量，并不能實(shí)際解決線長和分辨率矛盾，因?yàn)楣馔ǖ?光纖)數(shù)量增加，又會(huì)引入上述非中心位置的光通道的一致性問題，導(dǎo)致光路設(shè)計(jì)難點(diǎn)過大，同時(shí)，還存在成本高、體積與重量過大的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種色散物鏡光路結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。