[发明专利]一种长物距线性色散物镜

说明书

本发明公开了一种长物距线性色散物镜，所述色散物镜包括同轴放置的一个单透镜和若干个双胶合透镜，连续光谱的点光源经过所述色散物镜后不同波长的光汇聚到光轴上不同位置，经过优化平衡了轴向色散范围、成像质量以及色散与波长的线性关系，通过牺牲部分色散线性度，使用二次函数拟合色散曲线，从而获得较好的成像质量及大色散范围。考虑公差及加工装配难度，减少了特殊弯月形透镜数量。所述色散物镜具有长物距，便于对透镜前端光路进行调整，应用于不同测量系统。

技术领域

本发明属于光学物镜领域，特别涉及一种具有长物距的轴向线性色散物镜。

背景技术

彩色光谱共焦技术是一种非接触式光学测量手段，利用轴向色散实现对轴上位置的编码，取代了共焦显微镜的轴向扫描，大幅度提高了测量速度，分辨率可达微、纳米级。而且相较于传统的的激光三角反射式测量系统、白光干涉仪、电感式传感器等测量方式，彩色光谱共焦传感器质量轻、体积小，对表面状况的要求更低，容许更大的倾斜角度，因此被广泛应用于表面形貌检测、精密测量、生物医学成像、超精密制造等不同领域。

光谱共焦的轴向色散是通过色散物镜实现的，因此色散物镜的性能在一定程度上决定了测量系统的精度、分辨率及测量范围等参数指标。国内外学者围绕色散物镜设计开展了一系列研究工作，按照产生色散的原理大致可分为折射式与衍射式。由于玻璃材料的折射率在可见光范围内与波长呈非线性，使用单一的玻璃材料无法产生线性色散，需要选择合适的玻璃材料组合以减小非线性度，但不能达到完全线性。衍射光学元件的色散与波长之间为线性关系，但存在较大像差，需要配合透镜组来减小像差，然而透镜组的引入会破坏色散与波长的线性关系，且衍射光学元件加工难度大，难以做到大数值孔径。因此综合考虑，折射透镜组仍是线性色散元件的主要研究方向。

色散物镜的色散范围影响了测量系统的量程，色散与波长的线性度决定了测量精度，色散物镜的像方数值孔径决定了测量系统分辨率，而这些指标往往又相互制约。目前与色散物镜相关的专利中，为了获得较好的成像质量以及色散与波长之间的线性度，光学结构中通常涉及到弯月形透镜，一些特殊的弯月透镜也会增加加工难度与成本。因此，如何达到各项指标之间的平衡是需要解决的问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种长物距线性色散物镜，牺牲部分色散线性度，使用二次函数拟合色散与波长的关系，使物镜具有大色散范围，且各波长在其各自焦平面处成像质量较好，同时尽可能减少特殊弯月形透镜数量，放宽公差。增大色散物镜的物距，便于对透镜前端光路进行调整，应用于不同测量系统。

为实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案是

一种长物距线性色散物镜，其特征在于，包括由物方至像方依次包括同轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜组成的色散透镜组；

其中，

所述的色散透镜组满足以下约束条件：

其中为单透镜的光焦度，υ_di为第i种玻璃材料的阿贝数，N为玻璃材料种类数；

为玻璃材料的色散线性度；

其中，P_i为第i种玻璃材料的相对部分色散，λ_F、λ_d、λ_C分别为F、d、C特征光的波长，n_Fi、n_di、n_Ci分别为第i种玻璃材料在F、d、C特征光下的折射率。

优选的，所述第一透镜为单透镜，所述第二透镜和第三透镜构成双胶合透镜I，所述第四透镜和第五透镜构成双胶合透镜II，所述第六透镜和第七透镜构成双胶合透镜II。