一种色散准直物镜制造技术

本实用新型专利技术公开了一种色散准直物镜，所述色散准直物镜包括若干个单透镜，连续光谱光源的发光点经过所述色散准直物镜后不同波长的光以不同的发散角度出射，通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。本实用新型专利技术能够与目前现有市售成像物镜或者显微物镜或者激光加工聚焦物镜自由组合以实现光谱共焦色散物镜功能的独立物镜系统，将会扩展目前测量系统的测量功能，而对于激光微加工系统将会解决同轴高度跟踪，加工后深度等尺寸测量问题，显著提高设备仪器的智能化与精密化水平。

【技术实现步骤摘要】
一种色散准直物镜
本技术涉及一种物镜，特别涉及一种连续光谱光源经过本技术的色散准直物镜后出射光束为近似准直光束的色散物镜，属于光学物镜领域。本技术主要应用于非接触式检测领域。
技术介绍
早在上世纪七十年代，学者CourtneyPratt等人提出一种可以使用显微镜物镜的色差进行表面形貌检测的技术；之后Molesini等学者使用一组色差经特殊设计的镜头,搭建了一台基于光谱共焦原理的表面轮廓仪；Boyde.A等人将其推广应用到了给显微镜领域带来革命性变化的共焦显微镜技术中去。此后，国外很多学者都对基于光谱共焦原理的测量技术进行了深入研究，并在测量领域衍生出许多应用实例：如表面轮廓及形貌的测量、微纳米量级精细结构的测量、半导体工业和汽车制造业中的位移测量、光学玻璃及生物薄膜的厚度测量、油漆与印刷行业的颜色测量等。目前，发达国家对该技术的掌握已十分成熟，市场上已有工业级的光谱共焦相关产品出现，工作频响达千赫兹以上。我国在该领域的起步较晚，国内相关领域研究成果的报道也较少。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的朱万彬等人设计了光谱编码传感器的专用色散物镜，使用486nm～656nm的工作波段达到了一定的轴向色散范围。长春理工大学的乔杨等人，基于光谱编码原理设计了一套透镜厚度测量系统，使用600nm～900nm的工作波段达到了23.4mm的测量范围。中国工程物理研究院激光聚变研究中心的马小军等人，应用光谱共焦原理对金属薄膜进行了精确测量，表明该测量原理基本满足惯性约束聚变参数测量所需的稳定性及非破坏性要求。光谱共焦位移传感器是基于共焦原理采用宽谱光源的非接触式传感器，其最高精度可以到纳米级别，几乎可以测量所有材质表面，由于其非接触、高精度的特点所以应用广泛。公布号为CN104238077A的中国技术专利公开了一种线性色散物镜，此物镜系统为独立系统，单独使用，无法与市场上现有聚焦物镜组合成同轴测量系统。公布号为CN102650515A的中国技术专利公开了一种带扩展的测量范围的彩色共焦点传感器光笔，也是与自身的聚焦元件集成后来拓展测量范围，无法与市场上现有聚焦物镜组合成同轴测量系统。申请号为CN201621253067.7和申请号为201611031833.X的中国技术专利公开了一种基于非球面技术的大轴向色差的色散物镜，该物镜出射光束为聚焦状态，也是单独使用无法与市面上现有的聚焦物镜组合成同轴测量系统。精密机械加工或者激光加工后的尺寸检测是保证加工品质的关键一步。在非接触检测领域尤其是基于图像识别与处理的二维尺寸精密检测领域，目前无论是基于普通工业物镜还是基于双远心物镜，由于是基于成像原理的，仅能对垂直于光轴平面的尺寸作测量，对于沿光轴方向的深度等尺寸都无法实现加工孔、槽深度或者凸台、凸柱的高度的同轴在线检测。以公布号为CN104238077A、CN102650515A，以及申请号为CN201621253067.7、CN201611031833X的中国专利中公开的色散物镜为例，这些色散物镜都是自成独立的系统，发光点经过色散物镜后直接聚焦为沿轴向散开的一系列焦点，仅可以检测光轴方向的尺寸，无法与目前市售的普通工业物镜或者双远心物镜进行同轴集成。在激光微加工领域，激光经过显微聚焦物镜后的焦点位置的同轴实时跟踪、加工后的深度同步检测都是难点。对于加工对象为金属的系统，通常采用电容传感器，以加工对象为电容的一部分，来实时跟踪激光聚焦焦点位置，但是对于加工对象为非金属(例如玻璃、晶体、塑胶薄膜等)来说，由于非金属的不是导体，所以电容传感器则无法工作，则无法实现同轴跟踪，若采用公布号为CN104238077A、CN102650515A，以及申请号为CN201621253067.7、CN201611031833X的中国专利中公开的色散物镜只能倾斜安装，无法实现加工光路与检测光路同轴。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是提供一种色散准直物镜，以多模光纤或者单模光纤的出光端为例，连续光谱光源经过本技术的色散准直物镜后出射光束为近似准直光束，便于同目前市场上销售的无限远显微物镜、激光聚焦物镜等集成。本技术的技术方案如下：一种色散准直物镜，所述色散准直物镜包括若干个单透镜，连续光谱光源的发光点经过所述色散准直物镜后不同波长的光以不同的发散角度出射，通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。作为本技术的进一步改进，所述色散准直物镜的工作波段从短波长至长波长段范围内，透镜组满足：使得：且：其中：1～n为从发光点开始至出光端的单镜片的序列号；D为第i个单透镜的有效通光直径；为第i个单透镜的光焦度；vi为第i个单透镜的阿贝数；f为整个色散准直物镜的中心波段焦距；λn为色散准直物镜设计工作波段范围内的任意波长，且λn∈[λa，λb]，λa为色散准直物镜设计工作波段范围内的短波波长，λb为色散准直物镜设计工作波段范围内的长波波长；为色散准直物镜设计工作波段范围内的波长为λn所对应的发散角度。作为本技术的进一步改进，所述色散准直物镜与聚焦透镜或无限远显微物镜组合后完善聚焦且焦点位置沿Z轴展开。作为本技术的进一步改进，所述连续光谱光源的发光点位于色散准直物镜工作波段范围内任意一个波长对应的焦点位置附近。作为本技术的进一步改进，所述单透镜包括依次排布的具有负光焦度的单透镜L1、具有正光焦度的单透镜L2、具有负光焦度的单透镜L3、具有正光焦度的单透镜L4和具有负光焦度的单透镜L5。作为本技术的进一步改进，连续光谱光源的发光点为单模或者多模光纤的出光端或者共焦小孔所在位置。本技术的有益效果如下：发光点经过本技术的色散物镜后，不同波长对应不同的发散角度，出光端为近似平行光，经过合束镜后可以与市售标准显微物镜、普通工业物镜或者远心物镜集成同轴光路系统，从而实现同轴焦点位置跟踪与同轴数值量测量(在测量垂直于光轴方向的尺寸测量的同时也可以实现与光轴同轴方向的深度、位移量等尺寸测量)的目的。本技术能够与目前现有市售成像物镜或者显微物镜或者激光加工聚焦物镜自由组合以实现光谱共焦色散物镜功能的独立物镜系统，将会扩展目前测量系统的测量功能，而对于激光微加工系统将会解决同轴高度跟踪，加工后深度等尺寸测量问题。显著提高设备仪器的智能化与精密化水平。附图说明图1为本技术色散准直物镜的结构原理图。图2为现有公知的色散物镜的结构原理图。图3为本技术实施例一的结构示意图。图4为本技术实施例一的光谱波长对应焦距变化量图。图5为本技术实施例二的结构示意图。图6为本技术实施例二的色散范围图。图7为本技术实施例二的450mm波长聚焦的球差曲线图。图8为本技术实施例二的500mm波长聚焦的球差曲线图。图9为本技术实施例二的550mm波长聚焦的球差曲线图。图10为本技术实施例二的600mm波长聚焦的球差曲线图。图11为本技术实施例二的650mm波长聚焦的球差曲线图。图中标记：1-连续光谱发光点；2-色散准直物镜；201-第一光学表面；202-第二光学表面；203-第三光学本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种色散准直物镜，其特征在于，所述色散准直物镜包括若干个单透镜，连续光谱光源的发光点经过所述色散准直物镜后不同波长的光以不同的发散角度出射，通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。

【技术特征摘要】
1.一种色散准直物镜，其特征在于，所述色散准直物镜包括若干个单透镜，连续光谱光源的发光点经过所述色散准直物镜后不同波长的光以不同的发散角度出射，通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。2.根据权利要求1所述的色散准直物镜，其特征在于，所述色散准直物镜的工作波段从短波长至长波长段范围内，透镜组满足：使得：且：其中：1～n为从发光点开始至出光端的单镜片的序列号；D为第i个单透镜的有效通光直径；为第i个单透镜的光焦度；vi为第i个单透镜的阿贝数；f为整个色散准直物镜的中心波段焦距；λn为色散准直物镜设计工作波段范围内的任意波长，且λn∈[λa，λb]，λa为色散准直物镜设计工作波段范围内的短波波长，λ...

【专利技术属性】
技术研发人员：庆祖林，王刘靖，林京勇，
申请(专利权)人：南京引创光电科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32