一种快照式光谱共焦位移传感器色散镜头及其设计方法

1.本发明涉及光学镜头技术领域，尤其是指一种快照式光谱共焦位移传感器色散镜头及其设计方法。


背景技术：

2.1955年m.minsky发明了共焦显微镜，并于1957年申请了专利，但由于当时的条件限制并未引起人们的关注，直到20世纪70年代，激光光源和计算机技术的发展才使共聚焦技术真正得以实现，到八十年代后期，激光共聚焦扫描显微技术(clsm)成为了一种成熟的技术。传统的共焦显微镜需要对物体进行轴向扫描，根据探测器接收到的最大光强来确定被测物的高度，轴向扫描限制了共焦显微镜的测量速度。1992年browne提出光谱共焦位移传感器，利用透镜的轴向色散对高度进行编码，对单点检测时不需要轴向扫描，提高了检测速度，但在三维形貌测量时，还需要进行横向扫描。为了进一步提高检测速度，快照式光谱共焦位移传感器应运而生，一次成像可以探测一定面积内的三维形貌。色散镜头是其中的一个重要组成部分，其视场大小和色散范围会影响系统的整体性能。色散镜头的视场决定的整体系统的横向测量范围，轴向色散决定了整体系统的轴向测量范围。
3.目前，已经有研究者针对快照式光谱共焦位移传感器的色散镜头进行设计。1996年tiziani等设计了基于微透镜阵列的快照式光谱共焦位移传感器，如图1所示，利用微透镜体积小数量多的特点实现快照式光谱共焦检测，但正是由于微透镜体积小导致数值孔径比较小，后工作距也比较短，而且单透镜轴向色散的线性度比较差，轴向色散仅为22um。2015年m.hillenbrand等设计了基于衍射元件的快照式光谱共焦位移传感器，衍射元件的阿贝数与材料无关，具有较好的线性度和较大的色散范围，但衍射元件一般具有较大的球差，需要折射透镜来矫正球差，但折射透镜的引入会破坏轴向色散的线性度，而且工作波长偏离衍射元件的设计波长时，衍射效率会下降很多，其它级次的光有可能成为杂散光导致信噪比降低并且衍射元件加工难度大，加工成本高。2020年ding luo等设计了基于dmd的快照式光谱共焦位移传感器，使用管透镜作为色散镜头，但轴向位移与波长的线性度较差，而且存在较大的像差。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中色散镜头设计难度大，轴向位移与波长的线性度较差，像差大的技术缺陷。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种快照式光谱共焦位移传感器色散镜头，包括：
6.拼接设置的第一镜头和第二镜头；
7.所述第二镜头为像方远心镜头，所述第二镜头的物空间的焦点处设置有光阑，所述第二镜头具有轴向色散；
8.所述第一镜头与第二镜头相对于所述光阑呈镜像对称设置。
9.作为优选的，所述第二镜头包括多个透镜。
10.作为优选的，所述第二镜头包括依次设置的双凸透镜、第一弯月形凸透镜、双凹透镜、第二弯月形凸透镜和平凸透镜，所述第一弯月形凸透镜和所述第二弯月形凸透镜皆凸向物方，所述平凸透镜凸向物方。
11.作为优选的，所述第二镜头焦距为f，所述双凸透镜的焦距为f1，f1满足0.3f《f1《0.4f；所述第一弯月形凸透镜的焦距为f2，f2满足1.3f《f2《1.4f；所述双凹透镜的焦距为f3，f3满足-0.2f《f3《-0.1f；所述第二弯月形凸透镜的焦距为f4，f4满足5.6f《f4《5.7f；所述平凸透镜的焦距为f5，f5满足0.7f《f5《0.8f。
12.作为优选的，所述双凸透镜的折射率nd1满足nd1》1.7；所述第一弯月形凸透镜的折射率nd2满足nd2》1.6；所述双凹透镜的折射率nd3满足nd3》1.7；所述第二弯月形凸透镜的折射率nd4满足nd4》1.5；所述平凸透镜的折射率nd5满足nd5》1.4。
13.作为优选的，所述双凸透镜的色散系数vd1，vd1》50；所述第一弯月形凸透镜的色散系数vd2，vd2》55；所述双凹透镜的色散系数vd3，vd3》60；所述第二弯月形凸透镜的色散系数vd4，vd4》60；所述平凸透镜的色散系数vd5，vd5》70。
14.作为优选的，所述第一镜头和第二镜头通过镜筒拼接固定。
15.本发明公开了一种快照式光谱共焦位移传感器光学系统，包括上述的快照式光谱共焦位移传感器色散镜头。
16.本发明公开了一种快照式光谱共焦位移传感器色散镜头的设计方法，包括以下步骤：
17.s1、获取目标色散镜头的轴向色散m；
18.s2、设计第二镜头以使得所述第二镜头的轴向色散为m/2，所述第二镜头为像方远心镜头，所述第二镜头的物空间的焦点处设置有光阑；
19.s3、将所述第二镜头经光阑翻转以获得第二镜头的镜像，所述镜像即为第一镜头；
20.s4、所述第一镜头与第二镜头配合获得目标色散镜头。
21.本发明公开了一种快照式光谱共焦位移传感器色散镜头的设计方法，包括以下步骤：
22.s1、获取目标色散镜头的轴向色散m；
23.s2、设计第二镜头以使得所述第二镜头的轴向色散为m/2n，所述第二镜头为像方远心镜头，所述第二镜头的物空间的焦点处设置有光阑，其中，n为大于1的整数；
24.s3、将所述第二镜头经光阑翻转以获得第二镜头的镜像，所述镜像即为第一镜头；
25.s4、所述第一镜头与第二镜头配合获得子色散镜头；
26.s5、将n个子色散镜头沿着光轴方向依次拼接，获得目标色散镜头；其中，后侧子色散镜头的物面与相邻的前侧的子色散镜头的第一像面重合，所述第一像面为该子色散镜头的最小工作波长对应的成像面。
27.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
28.1、本发明所述的将快照式光谱共焦位移传感器色散镜头分成第一镜头和第二镜头，并且第一镜头与第二镜头是镜像对称的关系，降低了设计难度。
29.2、色散镜头采用双远心设计，光阑在镜头中间，左右两边镜头结构关于光阑完全对称，设计时仅需要设计一边。
30.3、本发明沿轴向的面视场色散，各视场中心光线与色散面垂直，每个波长形成的色散面与系统光轴垂直，轴向位移与波长的线性度好。
附图说明
31.图1为背景技术中微透镜阵列光谱共焦位移传感器结构图；
32.图2为快照式光谱共焦位移传感器的色散镜头；
33.图3为色散镜头设计流程图；
34.图4为第二镜头的赛德尔图；
35.图5为由多个透镜组成的第二镜头的结构图；
36.图6为第一镜头和第二镜头拼接获得的色散镜头；
37.图7为发明设计的色散镜头轴向色散和位移之间的关系。
38.说明书附图标记说明：1、双凸透镜；2、第一弯月形凸透镜；3、双凹透镜；4、第二弯月形凸透镜；5、平凸透镜。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
40.参照图1-图7所示，本发明公开了一种快照式光谱共焦位移传感器色散镜头，包括：拼接设置的第一镜头和第二镜头；第二镜头为像方远心镜头，第二镜头的物空间的焦点处设置有光阑，第二镜头具有轴向色散；第一镜头与第二镜头相对于光阑呈镜像对称设置。
41.本发明公开了一种快照式光谱共焦位移传感器光学系统，包括上述的快照式光谱共焦位移传感器色散镜头。
42.本发明公开了一种快照式光谱共焦位移传感器色散镜头的设计方法，包括以下步骤：
43.s1、获取目标色散镜头的轴向色散m；
44.s2、设计第二镜头以使得第二镜头的轴向色散为m/2，第二镜头为像方远心镜头，第二镜头的物空间的焦点处设置有光阑；
45.s3、将第二镜头经光阑翻转以获得第二镜头的镜像，镜像即为第一镜头；
46.s4、第一镜头与第二镜头配合获得目标色散镜头。
47.通过上述方法，即可获取色散镜头。此色散镜头具有以下优势：1、色散镜头采用双远心设计，光阑在镜头中间，左右两边镜头结构关于光阑完全对称，设计时仅需要设计一边。2、沿轴向的面视场色散，各视场中心光线与色散面垂直，每个波长形成的色散面与系统光轴垂直。
48.在另一实施例中，本发明公开了一种快照式光谱共焦位移传感器色散镜头的设计方法，包括以下步骤：
49.s1、获取目标色散镜头的轴向色散m；
50.s2、设计第二镜头以使得第二镜头的轴向色散为m/2n，第二镜头为像方远心镜头，第二镜头的物空间的焦点处设置有光阑，其中，n为大于1的整数；
51.s3、将第二镜头经光阑翻转以获得第二镜头的镜像，镜像即为第一镜头；
52.s4、第一镜头与第二镜头配合获得子色散镜头；
53.s5、将n个子色散镜头沿着光轴方向依次拼接，获得目标色散镜头；其中，后侧子色散镜头的物面与相邻的前侧的子色散镜头的第一像面重合，所述第一像面为该子色散镜头的最小工作波长对应的成像面。
54.通过上述方式，可以根据需求，设计子色散镜头，之后，将子色散镜头依次拼接，即可获得目标色散镜头，如此，简化色散镜头的设计，只需要设计子色散镜头，即可获得目标色散镜头。
55.下面，结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明与解释。
56.如图2所示为快照式光谱共焦位移传感器的色散镜头光路图，光源发出的光经过第一镜头l1、光阑和第二镜头l2后，不同波长的光聚焦在不同的位置，产生轴向色散d。对于单个波长来说整个系统是一个双远心系统，放大率为1，也就是一个以光阑为中心的前后对称系统。因此本文提出一种设计方法，先设计第二镜头l2，然后将第二镜头l2翻转得到第一镜头l1，最后将第一镜头l1和第二镜头l2拼接得到色散镜头，如果设计目标轴向色散为d，那么设计第二镜头l2时只需轴向色散d/2即可。由于采用远心设计，第一镜头l1和第二镜头l2都是光阑在最外面并且大小一致，拼接时光阑正好重叠，不会产生渐晕。
57.如图3所示，图3中(a)是第二镜头l2在工作波长λ
min-λ
max
内产生轴向色散d1，图3中(b)是将第二镜头l2翻转后得到第一镜头l1并将其拼接在一起，在物方和像方都会产生轴向色散d1。实际使用中，所有的光都在物方同一位置，如图3中(c)所示，物方波长λ
max
移动的距离为d1，由于系统的放大率为1，像方波长λ
max
移动的距离也为d1，整个系统的轴向色散为d＝2d1。
58.具体的，第二镜头可包括多个透镜。第二镜头包括依次设置的双凸透镜、第一弯月形凸透镜、双凹透镜、第二弯月形凸透镜和平凸透镜，第一弯月形凸透镜和第二弯月形凸透镜皆凸向物方，平凸透镜凸向物方。
59.当第二镜头焦距为f，双凸透镜的焦距为f1，f1满足0.3f《f1《0.4f；第一弯月形凸透镜的焦距为f2，f2满足1.3f《f2《1.4f；双凹透镜的焦距为f3，f3满足-0.2f《f3《-0.1f；第二弯月形凸透镜的焦距为f4，f4满足5.6f《f4《5.7f；平凸透镜的焦距为f5，f5满足0.7f《f5《0.8f。
60.具体的，双凸透镜的焦距为f1，f1满足25mm《f1《30mm。第一弯月形凸透镜的焦距为f2，f2满足95mm《f2《100mm。双凹透镜的焦距为f3，f3满足-15mm《f3《-10mm。第二弯月形凸透镜的焦距为f4，f4满足420mm《f4《430mm；平凸透镜的焦距为f5，f5满足50mm《f5《-55mm。
61.双凸透镜的折射率nd1满足nd1》1.7；第一弯月形凸透镜的折射率nd2满足nd2》1.6；双凹透镜的折射率nd3满足nd3》1.7；第二弯月形凸透镜的折射率nd4满足nd4》1.5；平凸透镜的折射率nd5满足nd5》1.4。
62.双凸透镜的色散系数vd1，vd1》50；第一弯月形凸透镜的色散系数vd2，vd2》55；双凹透镜的色散系数vd3，vd3》60；第二弯月形凸透镜的色散系数vd4，vd4》60；平凸透镜的色散系数vd5，vd5》70。
63.如图4所示，为第二镜头的赛德尔图，本发明中的第二镜头的五片镜片采用正-负-正的结构形式，双凸透镜1和第一弯月形凸透镜2为正透镜，双凹透镜3为负透镜，第二弯月形凸透镜4和平凸透镜5为正透镜。从赛得尔像差图中可以看出：双凸透镜1、第一弯月形凸
透镜2、第二弯月形凸透镜4和平凸透镜5产生大部分的正像差，双凹透镜3产生大部分负像差，最后正负像差相互抵消，得到较优的像质。双凹透镜3的材料具有较低的阿贝数，可以产生较大的轴向色散。本发明中，因为第一镜头l1和第二镜头l2是镜像对称关系，因此可以消除垂轴像差。
64.平凸透镜5的半径与像高具体存在以下关系式，
65.r＝na
·
x y
66.式中r为平凸透镜5半径，y为像高，na为像方数值孔径，x为后工作距。
67.本发明中，第一镜头和第二镜头通过镜筒拼接固定。
68.通过上述设置，如图5所示第二镜头l2在工作波长450-700nm之间的轴向色散为1.25mm，像高为9mm。将第二镜头l2翻转得到第一镜头l1，与第二镜头l2组合，得到色散镜头如图6所示。色散镜头在工作波长450-700nm之间的轴向色散为2.5mm，横向测量范围为直径18mm。
69.zemax中的色移焦图表示不同波长的焦平面相对于其中某一波长焦平面的位移，也就是离焦。它的线性程度表达了轴向色散与位移的线性相关程度，可以用统计学中的回归分析进行评价。线性拟合方程的表达式为：
70.y＝ax b
71.系数a、b通过下式最小二乘法求出，
[0072][0073][0074]
式中x为单个波长值，为所有波长值的平均值，y为位移值，为所有位移值的平均值。
[0075]
在回归方程中通常用相关系数r2来评价拟合效果，r2表达式如下
[8]
[0076][0077]
式中yi为拟合的值，yi为实际的值。当x和y不存在线性依存关系时，相关系数r2为0；当x和y两变量之间线性关系很强时，相关系数r2为1。通常情况下，相关系数r2在0～1之间变化。
[0078]
本发明设计的色散镜头轴向色散和位移之间的关系如图7所示，经过计算相关系数r2为0.9931，线性度较优。
[0079]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0080]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产
生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0081]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0082]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0083]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。