[发明专利]一种色散物镜光路结构

说明书

本发明公开了一种色散物镜光路结构，包括沿物方至像方依次排列的第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组用于控制物方远心并对光纤阵列投射的调制侦测光进行初步色散，所述第二透镜组用于控制像方远心并对所述调制侦测光进行二次色散，且经由所述第一透镜组的长焦距与所述第二透镜组的短焦距配合用于所述物方至所述像方缩放控制，其中，所述物方/像方缩放倍率＝f1/f2，f1为所述第一透镜组的焦距，f2为所述第二透镜组的焦距，所述物方为光纤阵列，所述像方为所述色散物镜光路结构投射的线长。本发明所示色散物镜光路结构使用双远心光路产生色散的同时，还可有效保证投射到被测物上的测量光斑亮度和精度一致性。

技术领域

本发明属于光学领域，特别涉及一种用于线光谱共焦的色散物镜光路结构。

背景技术

随着精密和超精密制造业的迅速发展，对高精密的检测需求也越来越高，因此高精密的位移传感器也应运而生。超精密的位移传感器精度可达到微米级别；传统的接触式测量虽然也有较高的精度，但是由于其可能会划伤被测物体表面，而且当被测物体为弱刚性或是轻软材料时，接触式测量也会造成弹性形变，引入测量的误差，此外，接触式测量速度较慢，难以实现自动化测量，基于接触式测量存在的诸多不足，因此非接触式位移传感器受到了更大的关注。

光谱共焦传感器是一种通过光学色散原理建立距离与波长间的对应关系，利用光谱仪解码光谱信息，从而获得位置信息的装置，如图1所示，光源发出的光通过光纤耦合器后可以近似看作点光源，经过准直和色散物镜聚焦后发生光谱色散，在像面上形成沿着光轴方向不同波长连续分布的单色光焦点，且每个波长的单色光焦点到被测物体的距离都不同。当被测物处于测量范围内某一位置时，只有特定波长的光在被测面上是聚焦状态，该波长的光由于满足共焦条件，可以从被测物表面反射回光纤耦合器并进入光谱仪，而其他波长的光在被测物面表面处于离焦状态，反射回的光在光源处的分布远大于光纤纤芯直径，所以大部分其余波长的光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到回波光强最大处的波长值，从而测得被测物对应的距离值。由于采用了共焦技术，因此该方法具有良好的层析特性，提高了分辨力，并且对被测物特性和环境杂光不敏感。

光谱共焦传感器中，色散镜头是其核心器件，决定着分辨率、量程、线长等参数。但是，目前色散镜头存在以下设计难点：

(1)非中心位置的光通道的一致性问题，即多个光通道(光纤)的光斑尺寸、亮度等一致的问题。对点光谱共焦系统来说，只设置一根光纤，形成一个光通道，光通道(光纤)的位置在光轴位置处，故只需要校正轴上像差，没有一致性的要求。但对于线光谱共焦系统而言，其包括百个以上的光通道，各光通道需要在一定范围内都产生色散，由于光通道数量众多，位于非光轴处的光通道距离光轴距离较远，在进行色散时，除需要进行轴上像差校正外，还需要对慧差、场曲、像散、畸变等轴外进行校正，以确保各个光通道亮度、光斑尺寸尽量保持一致，故如何设计光路，尤其是色散物镜光路结构，以保证数百个光通道的亮度均匀性和精度一致性需要重点关注。

(2)线光谱共焦传感器系统的线长L长度大小与测量光斑分辨率大小之间矛盾，对于线光谱共焦传感器系统而言，线长长度越长越好，投射的线长决定着一次可以扫描的长度，在确定被测物扫描面积的情况下，线长L越长，一次扫描的面积就越大，相应完成扫描的速度就越快，工作效率相应提高；每个光通道都在物体表面上的一个点成像，即形成一个测量光斑，测量光斑越小，系统分辨率和精度越高，即可分辨的被测物尺寸越小，适用场合也越多。

其中，各色散物镜投射至被测物上的各测量光斑大小与光通道的通光尺寸相关，通光尺寸越小，则测量光斑越小，分辨率越高，而相同数量的光纤下，光纤直径R越小(对应通光尺寸一般也越小)，对应的线长L＝n*R却越短。通常可通过增加光通道数量以解决上述问题，但是若单纯的增加光通道数量，并不能实际解决线长和分辨率矛盾，因为光通道(光纤)数量增加，又会引入上述非中心位置的光通道的一致性问题，导致光路设计难点过大，同时，还存在成本高、体积与重量过大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种色散物镜光路结构，以解决现有技术存在的问题。