一种色散镜头及光谱共焦传感器的制作方法

1.本技术涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种色散镜头及光谱共焦传感器。


背景技术：

2.非接触式传感器有避免被测物产生形变造成测量误差，避免造成不可逆修复如划伤被测物表面的优点，且非接触式传感器扫描速度远远超过接触式传感器测量的速度、易于自动化控制。光谱共焦传感器是一种通过光学色散原理建立被测物距离和波长的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息可得到被测物位置信息的装置。
3.在线光谱共焦传感器中，色散镜头是核心器件，决定着传感器的分辨率、量程、线长等参数，现有技术中的色散镜头存在的量程较小，也就是色散镜透的色散距离较小，色散镜头通常包括多个沿光轴依次设置的镜片，色散镜头的色散距离为l，l=φ1/γ1+φ2/γ2+
…
+φn/γn，φn是指第n个镜片的光焦度，γn是指第n个镜片的色散阿贝数，由上述关系式可以看出，要增大色散镜头的色散距离需要增大各个镜片的光焦度，减小各个镜片的色散阿贝数。对于减小各个镜片的色散阿贝数，色散阿贝数为各个镜片材料本身的特性，通常会考虑少数几个折射率高、色散阿贝数的低的光学材料制备镜片；对于增大各个镜片的光焦度，会导致每片镜片边缘的大视场或大孔径光线转折角度过大，引起巨大像差难以弥补校正。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种色散镜头及光谱共焦传感器，能够在提高量程的前提下，校正在大视场角或大孔径时的像差，从而提高光谱共焦传感器的精度、分辨率、线长参数。
5.本技术实施例一方面提供了一种色散镜头，包括依次同轴设置的第一场镜组、准直镜组、光阑、校正补偿镜组以及第二场镜组，光源出射的光束由第一场镜组入射并由第二场镜组出射形成线性色散光，线性色散光照射至目标待测物并经目标待测物反射形成反射光，反射光由第二场镜组入射并由第一场镜组出射，其中，光源出射的光束经第一场镜组初步轴向色散、会聚后依次经过准直镜组的第二次轴向色散、光阑的遮挡和校正补偿镜组校正大视场色差和第三次轴向色散后，最后经过第二场镜组的第四次轴向色散后形成线性色散光。
6.作为一种可实施的方式，第一场镜组包括贴合设置的第一正透镜以及第二正透镜，其中，第一正透镜的焦距在120-180mm之间，第二正透镜的焦距在120-180mm之间，第一场镜组的焦距在50-90mm之间。
7.作为一种可实施的方式，第一正透镜为弯月透镜，且弯月透镜朝向远离光阑的方向，第二正透镜为双凸透镜。
8.作为一种可实施的方式，准直镜组包括第三正透镜和第一负透镜，第三正透镜用于会聚光束，增大轴向色散距离，第一负透镜用于校正球差、慧差和畸变，准直镜组的焦距
在（-100）~（-140）mm之间。
9.作为一种可实施的方式，第一场镜组和准直镜组形成会聚镜组合，会聚镜组合的焦距的关系式为，其中，f1为第一场镜组的焦距，f2为准直镜组的焦距，d1为第一场镜组主面与准直镜组主面之间的距离。
10.作为一种可实施的方式，第三正透镜为弯月透镜，且弯月透镜朝向光阑，第一负透镜为双凹透镜。
11.作为一种可实施的方式，校正补偿镜组包括第二负透镜，第四正透镜、第三负透镜、第五正透镜和第六正透镜，第二负透镜的焦距在（-45）~（-75）mm之间，第四正透镜的焦距在45-75mm之间，第三负透镜的焦距在（-80）~（-120）mm之间，第五正透镜的焦距在100-140mm之间，第六正透镜的焦距在100-140mm之间。
12.作为一种可实施的方式，第二负透镜为双凹透镜，第四正透镜为弯月透镜，且所弯月透镜朝向光阑，第三负透镜为双凹透镜，第五正透镜为弯月透镜，且弯月透镜朝向光阑，第六正透镜为平凸透镜。
13.作为一种可实施的方式，第二场镜组包括沿光轴设置的第七正透镜和第四负透镜，第七正透镜的焦距在50-80mm之间，第四负透镜的焦距在（-50）~（-80）mm之间，第二场镜组的焦距在250-290mm之间。
14.作为一种可实施的方式，第七正透镜和第四负透镜为弯月透镜，第七正透镜和第四负透镜的弯月均朝向远离光阑的方向，且第七正透镜伸入第四负透镜的弯月内并胶合。
15.本技术的实施例另一方面提供了一种光谱共焦传感器，包括光源、依次设置在光源出光侧的分光棱镜、上述色散镜头，以及设置在分光棱镜反射侧的矩阵孔以及光谱仪，光源出射的白光透过分光棱镜后经过色散镜头形成线性色散光并照射目标待测物，经目标待测物反射后形成反射光，反射光经色散镜头传播至分光棱镜并经分光棱镜反射后入射矩阵孔选光，以使单波长反射光透过矩阵孔，单波长反射光由光谱仪接收。
16.本技术实施例的有益效果包括：本技术提供的色散镜头，包括依次同轴设置的第一场镜组、准直镜组、光阑、校正补偿镜组以及第二场镜组，光源出射的光束由第一场镜组入射并由第二场镜组出射形成线性色散光，线性色散光照射至目标待测物形成反射光，反射光由第二场镜组入射并由第一场镜组出射，其中，光源出射的光束经第一场镜组初步轴向色散、会聚后依次经过准直镜组进行第二次轴向色散、光阑的遮挡和校正补偿镜组校正大视场色差和第三次轴向色散后，最后经过第二场镜组的第四次轴向色散后形成线性色散光。在光源光束传播的过程中，经过第一场镜组、准直镜组、校正补偿镜组以及第二场镜组的四次轴向的色散，从而增大的色散距离，继而提高色散镜头的量程，另外，光束还经过光阑的遮挡以及校正补偿镜组的校正色差，使得本技术提供的色散镜头，能够在提高量程的前提下，校正在大视场角或大孔径时的像差，从而提高光谱共焦传感器的精度、分辨率、线长重要参数。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对
范围的限定，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相关的附图。
18.图1为本技术实施例提供的一种色散镜头的结构示意图；图2为本技术实施例提供的一种光谱共焦传感器的结构示意图。
19.图标：10-色散镜头；11-第一场镜组；111-第一正透镜；112-第二正透镜；12-准直镜组；121-第三正透镜；122-第一负透镜；13-光阑；14-校正补偿镜组；141-第二负透镜；142-第四正透镜；143-第三负透镜；144-第五正透镜；145-第六正透镜；15-第二场镜组；151-第七正透镜；152-第四负透镜；100-光谱共焦传感器；20-光源；21-分光棱镜；22-目标待测物；23-矩阵孔；24-光谱仪。
具体实施方式
20.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
21.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
22.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.本技术提供了一种色散镜头10，如图1所示，包括依次同轴设置的第一场镜组11、准直镜组12、光阑13、校正补偿镜组14以及第二场镜组15，光源出射的光束由第一场镜组11入射并由第二场镜组15出射形成线性色散光，线性色散光照射至目标待测物并经目标待测物反射形成反射光，反射光由第二场镜组15入射并由第一场镜组11出射，其中，光源出射的光束经第一场镜组11初步轴向色散、会聚后再依次经过准直镜组12的第二次轴向色散、光阑13的遮挡和校正补偿镜组14校正大视场色差和第三次轴向色散后，最后经过第二场镜组15的第四次轴向色散后形成线性色散光。
24.第一场镜组11用于会聚第一场镜组11的视场范围内主光束至准直镜组12、校正补偿镜组14以及第二场镜组15形成的光学系统的入瞳处，形成物方远心结构，达到控制物方远心的作用，用于会聚光束并对光束进行初步轴向色散。准直镜组12用于准直由第一场镜组11出射的光束，并进行第二次轴向色散，另外，准直镜组12还能够对光束进行第一次色散线性校正。校正补偿镜组14用于平衡准直镜组12出射的大视场像差，如慧差、像散、场曲、畸变、倍率色差等，并产生第三次轴向色散和第二次色散线性校正。第二场镜组15位于第一场镜组11、准直镜组12以及校正补偿镜组14形成的光学系统的出瞳处，形成像方远心的结构，达到控制像方远心的作用，用于第四次轴向色散和第三次色散线性校正。
25.第一场镜组11、准直镜组12、校正补偿镜组14和第二场镜组15依次对光束进行轴向色散，从而增大的色散距离，继而提高色散镜头10的量程。校正补偿组可将色散镜头10大
视场大孔径范围内像差校正到衍射极限以内，提升线光谱共聚焦检测的精度、分辨率、线长等重要参数。准直镜组12、校正补偿镜组14以及第二场镜组15分别对色散进行线性校正，从而提高色散的线性度，提高线性色散光的质量。
26.另外，光源出射的光束由第一场镜组11入射并由第二场镜组15出射形成线性色散光，使得第一场镜组11位于准直镜组12、校正补偿镜组14以及第二场镜组15形成的光学系统的入瞳处，形成物方远心的结构，第二场镜组15位于第一场镜组11、准直镜组12以及校正补偿镜组14形成的光学系统的出瞳处，形成像方远心的结构，第一场镜组11和第二场镜组15可使色散镜头10分别达成物方和像方双远心结构，进而可对大范围内的线光源等效，产生均匀线光源的色散，保证测量光斑亮度和精度的一致性。
27.本技术提供的色散镜头10，包括依次同轴设置的第一场镜组11、准直镜组12、光阑13、校正补偿镜组14以及第二场镜组15，光源出射的光束由第一场镜组11入射并由第二场镜组15出射形成线性色散光，线性色散光照射至目标待测物形成反射光，其中，光源出射的光束经第一场镜组11初步轴向色散、会聚后依次经过准直镜组12进行第二次轴向色散、光阑13的遮挡和校正补偿镜组14校正大视场色差和第三次轴向色散后，最后经过第二场镜组15的第四次轴向色散后形成线性色散光。在光束传播的过程中，经过第一场镜组11、准直镜组12、校正补偿镜组14以及第二场镜组15的四次轴向的色散，从而增大的色散距离，继而提高色散镜头10的量程，另外，光束还经过光阑13的遮挡以及校正补偿镜组14的校正色差，使得本技术提供的色散镜头10，能够在提高量程的前提下，校正在大视场角或大孔径时的像差，从而提高光谱共焦传感器的精度、分辨率、线长等重要参数。
28.可选的，如图1所示，第一场镜组11包括贴合设置的第一正透镜111以及第二正透镜112，其中，第一正透镜111的焦距在120-180mm之间，第二正透镜112的焦距在120-180mm之间，第一场镜组11的焦距在50-90mm之间。
29.第一场镜组11的焦距设置在50-90mm之间，使得第一场镜组11位于准直镜组12、校正补偿镜组14以及第二场镜组15形成的光学系统的入瞳处，满足物方远心的条件。第一正透镜111的焦距在120-180mm之间，第二正透镜112的焦距在120-180mm之间，在第一正透镜111和第二正透镜112的组合下，能够实现第一场镜组11的焦距在50-90mm之间。
30.第一正透镜111和第二正透镜112贴合设置形成的第一场镜组11能够会聚主光线光束、压缩光束口径并产生轴向色散距离。
31.为了提高第一场镜组11对光束的初步色散的色散距离，第一正透镜111和第二正透镜112可以采用高折射率、大色散距离的玻璃材质，共同实现初次色散的大距离色散效果。
32.本技术实施例的一种可实现的方式中，第一正透镜111为弯月透镜，且弯月透镜朝向远离光阑13的方向，第二正透镜112为双凸透镜。
33.可选的，准直镜组12包括第三正透镜121和第一负透镜122，第三正透镜121用于会聚光束，增大轴向色散距离，第一负透镜122用于校正球差、慧差和畸变，准直镜组12的焦距在（-100）~（-140）mm之间。
34.其中，第三正透镜121进一步压缩光束口径和增大轴向色散的色散距离，实现会聚光束和第二次轴向色散。第一负透镜122主要用于校正慧差、像散、畸变等大视场像差，另外，第一负透镜122与第三正透镜121配合，实现第一次色散线性校正作用。
35.另外，第一场镜组11和准直镜组12之间的空气间隙在主光轴上的距离在25-45mm之间。
36.为了实现第二次轴向色散较大的色散距离以及第一次线性校正作用，第三正透镜121可以采用高折射率、大色散距离的玻璃材质，实现第二次色散较大的色散距离，第一负透镜122采用低折射率、小色散距离的玻璃材质，与第三正透镜121实现第一次色散线性校正作用。
37.本技术实施例的一种可实现的方式中，第一场镜组11和准直镜组12形成会聚镜组合，会聚镜组合的焦距的关系式为，其中，f1为第一场镜组11的焦距，f2为准直镜组12的焦距，d1为第一场镜组11主面与准直镜组12主面之间的距离。
38.可选的，第三正透镜121为弯月透镜，且弯月透镜朝向光阑13，第一负透镜122为双凹透镜。
39.正的弯月透镜能够实现压缩光束口径和增大轴向色散的色散距离的作用，双凹透镜能够实现校正大视场像差慧差、像散、场曲和畸变。
40.本技术实施例的一种可实现的方式中，校正补偿镜组14包括第二负透镜141，第四正透镜142、第三负透镜143、第五正透镜144和第六正透镜145，第二负透镜141的焦距在（-45）~（-75）mm之间，第四正透镜142的焦距在45-75mm之间，第三负透镜143的焦距在（-80）~（-120）mm之间，第五正透镜144的焦距在100-140mm之间，第六正透镜145的焦距在100-140mm之间。
41.第二负透镜141用于增大光束口径、补偿各类像差和增大轴向色散距离，采用低折射率、小色散距离的玻璃材料制成，与第四正透镜142配合实现第二次色散线性校正作用。第四正透镜142主要用于校正球差、慧差，采用高折射率、大色散距离的玻璃材料制成，实现色散效果。第三负透镜143主要用于再增大光束口径，第五正透镜144主要用于校正球差、慧差，采用低折射率、小色散距离的玻璃材料制成，第五正透镜144和第四正透镜142配合实现色散线性校正作用，第六正透镜145主要用于校正残余球差、慧差、像散、场曲、畸变，采用高折射率、大色散距离的玻璃材料制成，实现色散效果，从而使得校正补偿镜组14实现产生第三次轴向色散和第二次色散线性校正。
42.可选的，如图1所示，第二负透镜141为双凹透镜，第四正透镜142为弯月透镜，且所弯月透镜朝向光阑13，第三负透镜143为双凹透镜，第五正透镜144为弯月透镜，且弯月透镜朝向光阑13，第六正透镜145为平凸透镜。
43.本技术实施例的一种可实现的方式中，第二场镜组15包括沿光轴设置的第七正透镜151和第四负透镜152，第七正透镜151的焦距在50-80mm之间，第四负透镜152的焦距在（-50）~（-80）mm之间，第二场镜组15的焦距在250-290mm之间。
44.第二场镜组15的焦距在250-290mm之间，使得第二场镜组15位于第一场镜组11、准直镜组12和校正补偿镜组14形成的光学系统的出瞳处，满足像方远心的条件。第七正透镜151的焦距在50-80mm之间，第四负透镜152的焦距在（-50）~（-80）mm之间，能够实现第二场镜组15的焦距在250-290mm之间。
45.第七正透镜151和第四负透镜152的配合实现准直像方主光线光束、扩束光束口径、校正微残余像差的作用，以及实现第三次色散线性校正。
46.可选的，第七正透镜151和第四负透镜152为弯月透镜，第七正透镜151和第四负透镜152的弯月均朝向远离光阑的方向，且第七正透镜151伸入第四负透镜152的弯月内并胶合。
47.本技术实施例还公开了一种光谱共焦传感器100，如图2所示，包括光源20、依次设置在光源出光侧分光棱镜21、上述色散镜头10，以及设置在分光棱镜21反射侧的矩阵孔23以及光谱仪24，光源出射的白光透过分光棱镜21后经过色散镜头10形成线性色散光并照射目标待测物22，经目标待测物22反射后形成反射光，反射光经色散镜头10传播至分光棱镜21并经分光棱镜21反射后入射矩阵孔23选光，以使单波长反射光透过，单波长反射光由光谱仪24接收。该光谱共焦传感器包含与前述实施例中的色散镜头10相同的结构和有益效果。
48.其中，分光棱镜21使用方向可容许光源出射的光束从分光棱镜21入射端传播至分光棱镜透射端进而传播向第一场镜组11，同时分光棱镜21可容许目标待测物反射的反射光经过分光棱镜21透射端传播至分光棱镜21反射端进而传播至矩阵孔23，经过矩阵孔23选光后由光谱仪24接收。示例的，可以采用立体分光棱镜21，理论最佳分光比例为5：5分光，即光源经分光棱镜21一次分光至目标待测物，其被目标待测物反射的反射光再经分光棱镜21分光至光谱仪，光线两次经过分光棱镜21，则分光棱镜21使光源功率降低为0.5*0.5即0.25倍，具有较高的分光效率。
49.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。