大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜及测量设备

技术领域

本发明涉及机器视觉镜头技术领域，特别涉及一种大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜及测量设备。

背景技术

随着微电子、精密光学元件制造等行业的发展，各类元器件的制造精度不断提升，对配套检测设备检测能力的要求也越来越高。光谱共聚焦技术是一种非接触式的光学测量手段，利用色散现象建立轴上位置和光源波长的对应关系，无需轴向扫面即可实现轴上高度差的测量，其分辨率可达微、纳米级，对被测物体表面倾斜角度的容差大，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。

光谱共聚焦测量方法是使用多波长的光，通过色散在光轴上形成一个焦点带，一次测量就可以测量出一个或多个沿光轴方向的距离。光谱共聚焦传感器探测光束的轴向色散是通过色散物镜实现的，色散物镜的性能对整个测量系统的分辨率、量程等核心指标起决定性作用。在现有的色散物镜相关专利中，色散物镜以单点式、小数值孔径为主，基于该类色散物镜的光谱共聚焦探测系统一次只能探测一个点，在进行表面形貌测量时，需配合二维位移台进行扫描，测量效率较低，其像方数值孔径一般在0.3以下，横向分辨率无法满足亚微米级别测量的需求。

中国专利CN 114236761B提出了一种用于高精度表面形貌检测的准线性色散物镜，所述色散物镜的光线系统包括沿光线入射方向依次设置的光纤、发散透镜、中继透镜组和会聚透镜组和待测物体。该专利设计的色散物镜的像方数值孔径为0.25。

中国专利CN 114895434A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。该专利设计的色散物镜的像方数值孔径为0.28。

发明内容

本发明提出一种大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜及测量设备，可至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：

一种大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜，沿光轴方向从物面至像面，包括准直组透镜、孔径光阑、汇聚组透镜；

所述准直组透镜用于逐步提升光束口径，降低光束的发散角并提供初步色散；

所述汇聚组透镜配合孔径光阑，使得光束以像方远心的方式汇聚并产生部分色散；

所述准直组透镜焦距fc和所述汇聚组透镜的焦距fd均为正，二者焦距比值满足：2.7

所述准直组透镜由沿光轴从物方到像方依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜组成；

其中，所述第一透镜的焦距f1和所述准直组透镜的焦距fc满足： 0.2

所述第二透镜的焦距f2和所述准直组透镜的焦距fc满足： 0.25

所述第三透镜的焦距f3和所述准直组透镜的焦距fc满足： -0.2

所述第四透镜的焦距f4和所述准直组透镜的焦距fc满足：-0.25

所述第五透镜的焦距f5和所述准直组透镜的焦距fc满足：0.7

所述第六透镜的焦距f6和所述准直组透镜的焦距fc满足：0.8

所述汇聚组透镜由沿光轴从物方到像方依次排列的第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜组成；

其中，所述第七透镜的焦距f7和所述汇聚组透镜的焦距fd满足：2.8

所述第八透镜的焦距f8和所述汇聚组透镜的焦距fd满足：-4.5

所述第九透镜的焦距f9和所述汇聚组透镜的焦距fd满足：5.5

所述第十透镜的焦距f10和所述汇聚组透镜焦距fd满足：4.5

所述第十一透镜的焦距f11和所述汇聚组透镜的焦距fd满足：3.6

所述第十二透镜的焦距f12和所述汇聚组透镜的焦距fd满足：1.7

所述第十三透镜的焦距f13和所述汇聚组透镜的焦距fd满足：6.5

进一步地，所述第一透镜为弯月结构，所述第二透镜为双凸结构，所述第三透镜为双凹结构，所述第四透镜为弯月结构，所述第五透镜为弯月结构，所述第六透镜为双凸结构。

进一步地，所述第一透镜的光焦度为正，所述第二透镜的光焦度为正，所述第三透镜的光焦度为负，所述第四透镜的光焦度为负，所述第五透镜的光焦为正，所述第六透镜的光焦为正。

进一步地，所述第七透镜为弯月结构，所述第八透镜为弯月结构，所述第九透镜为弯月结构，所述第十透镜为弯月结构，所述第十一透镜为弯月结构，所述第十二透镜为弯月结构，所述第十三透镜为弯月结构。

进一步地，所述第七透镜的光焦度为正，所述第八透镜的光焦度为负，所述第九透镜的光焦度为正，所述第十透镜的光焦度为正，所述第十一透镜的光焦度为正，所述第十二透镜的光焦度为正，所述第十三透镜的光焦度为正。

进一步地，所述大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜采用全球面、无胶合透镜。

另一方面，本发明还提出一种测量设备，用于光谱共聚焦测量，沿光轴方向从物面至像面，包括：

光源，用于产生测量光；

半透半反镜，用于将所述测量光分为两部分，使得一部分测量光被反射，另一部分测量光被透过；

如上所述的大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜，使得测量光发生轴向色散。

所述光源包括多个点光源构成的一维光纤阵列，或狭缝产生的线光源。

本发明的有益效果如下：

1.本发明中色散物镜的像方数值孔径不小于0.6，轴向色散范围大于1mm，物方线视场大于8mm，像方线视场大于3mm，提高了单点式色散物镜的测量效率。

2.本发明中色散物镜在不同波长所对应线上各点的MTF，在空间频率为1000时，调制度都大于0.3，说明该色散物镜可以实现亚微米级的横向分辨率，提高了小数值孔径色散物镜的测量精度。

3.本发明中色散物镜采用全球面、无胶合透镜的形式以简化加工工艺。

4.本发明中色散物镜沿光轴方向从物面至像面，依次设置准直组透镜、孔径光阑、汇聚组透镜，并合理配置准直组透镜和汇聚组透镜中，各透镜之间的镜片形状与光焦度组合，使得最终形成的色散镜头满足实际应用的需求。

附图说明

图1是本发明中色散物镜的光路结构图；

图2是本发明中色散物镜所形成的测量范围；

图3是本发明中色散物镜在波长450nm下的MTF曲线；

图4是本发明中色散物镜在波长500nm下的MTF曲线；

图5是本发明中色散物镜在波长550nm下的MTF曲线；

图6是本发明中色散物镜在波长600nm下的MTF曲线；

图7是本发明中色散物镜在波长650nm下的MTF曲线。

实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

一种大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜，沿光轴方向从物面至像面，包括准直组透镜、孔径光阑、汇聚组透镜；

所述准直组透镜用于逐步提升光束口径，降低光束的发散角并提供初步色散；

所述汇聚组透镜配合孔径光阑，使得光束以像方远心的方式汇聚并产生部分色散；

所述准直组透镜焦距fc和所述汇聚组透镜的焦距fd均为正，二者焦距比值满足：2.7

大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜物方数值孔径为0.22，像方数值孔径不小于0.6；大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜物方线视场大于8mm，像方线视场大于3mm；大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜的轴向色散范围大于1mm。

大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜采用全球面、无胶合透镜的形式以简化加工工艺。

如图1所示，一种大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜（色散物镜），沿光轴方向从物面到像面，由准直组透镜G3、孔径光阑G4、汇聚组透镜G5组成。该色散物镜的物方数值孔径为0.22，像方数值孔径为0.6，物方线视场为8.2mm，像方线视场大于3mm，工作波段为450nm-650nm，轴向色散范围大于1mm。

准直组透镜G3由沿光轴从物方到像方依次排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6组成。

汇聚组透镜G5由沿光轴从物方到像方依次排列的第七透镜L7、第八透镜L8、第九透镜L9、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十三透镜L13组成。

其中，准直组透镜G3的焦距fc为202.27mm，汇聚组透镜G5的焦距fd为56.88mm，二者焦距之比为3.556，满足2.7

孔径光阑G4为通光孔径可调节的圆形孔径光阑，通过调节孔径光阑G4的通光孔径，可以控制色散物镜的通光量和进光量。对于一些反射率较高的被测面，减小孔径光阑G4的通光孔径，降低色散物镜的通光量，可以避免对应的光谱探测器或者光谱仪饱和；对于反射率较低的被测面，增大孔径光阑G4的通光孔径，调高色散物镜的通光量，提升测量光谱的波峰强度。本发明中，孔径光阑G4与汇聚组透镜G5的前焦面重合，使得孔径光阑G4和汇聚组透镜G5构成像方远心光学系统（像方远心）。像方远心光路系统确保各个视场的汇聚测量光都可以像轴上视场一样，如图2中的(a)部分所示，垂直于被测表面入射，同时确保各波长的对应的横向测量范围的一致性，避免非远心光路引入的横向测量范围偏差，如图2中的(b)部分所示可最大程度地利用测量光，实现最佳测量效果。

准直组透镜G3中，各透镜的设置如下：第一透镜L1为弯月结构，其光焦度为正，焦距f1为53.8mm；第二透镜L2为双凸结构，其光焦度为正，焦距f2为62.96mm；第三透镜L3为双凹结构，其光焦度为负，焦距f3为-29.5mm；第四透镜L4为弯月结构，其光焦度为负，焦距f4为-38.834mm；第五透镜L5为弯月结构，其光焦为正，焦距f5为151.98mm；第六透镜L6为双凸结构，其光焦为正，焦距f6为175.67mm。

第一透镜L1焦距f1和准直组透镜G3焦距fc之比为0.266，满足： 0.2

第二透镜L2焦距f2和准直组透镜G3焦距fc之比为0.311，满足： 0.25

第三透镜L3焦距f3和准直组透镜G3焦距fc之比为-0.146，满足： -0.2

第四透镜L4焦距f4和准直组透镜G3焦距fc之比为-0.192，满足：-0.25

第五透镜L5焦距f5和准直组透镜G3焦距fc之比为0.751，满足：0.7

第六透镜L6焦距f6和准直组透镜G3焦距fc之比为0.868，满足：0.8

汇聚组透镜G4中，各透镜的设置如下：第七透镜L7为弯月结构，其光焦度为正，焦距f7为186.27mm；第八透镜L8为弯月结构，其光焦度为负，焦距f8为-237.8mm；第九透镜L9为弯月结构，其光焦度为正，焦距f9为324.8mm；第十透镜L10为弯月结构，其光焦度为正，焦距f10为290.2mm；第十一透镜L11为弯月结构，其光焦度为正，焦距f11为216.54mm；第十二透镜L12为弯月结构，其光焦度为正，焦距f12为115.77mm；第十三透镜L13为弯月结构，其光焦度为正，焦距f13为403.4mm。

第七透镜L7焦距f7和汇聚组透镜G5焦距fd之比为3.275，满足：2.8

第八透L8镜焦距f8和汇聚组透镜G5焦距fd之比为-4.181，满足：-4.5

第九透L9镜焦距f9和汇聚组透镜G5焦距fd之比为5.710，满足：5.5

第十透镜L10焦距f10和汇聚组透镜G5焦距fd之比为5.102，满足：4.5

第十一透镜L11焦距f11和汇聚组透镜G5焦距fd之比为3.807，满足：3.6

第十二透镜L12焦距f12和汇聚组透镜G5焦距fd之比为2.035，满足：1.7

第十三透镜L13焦距f13和汇聚组透镜G5焦距fd之比为7.092，满足：6.5

本发明色散物镜的各个镜片的具体参数，如表1所示：

表1

图3-图7示出了该色散物镜分别在450nm、500nm、550nm、600nm、650nm下的调制传递函数（MTF）曲线图。该曲线图用于表示各视场下不同空间频率的镜头成像调制度，图中横轴表示空间频率(单位：lp/mm)，纵轴表示MTF值。从图3-图7中可以看出，在空间频率为1000时，上述曲线图的调制度（MTF值）均大于0.3，说明该色散物镜可以实现亚微米级的横向分辨率。

不同波长对应像距如表2所示，在工作波段450nm-650nm之间，该色散物镜的工作距离（像距）大于10mm，轴向色散范围大于1mm。

表2

另一方面，本发明还提出一种测量设备，用于光谱共聚焦测量，沿光轴方向从物面至像面，包括：

光源，用于产生测量光；

半透半反镜，用于将所述测量光分为两部分，使得一部分测量光被反射，另一部分测量光被透过；

如上所述的大数值孔径线扫光谱共聚焦色散物镜，使得测量光发生轴向色散。

本发明的工作原理为：

如图1所示，沿光轴方向从物面到像面，该色散物镜的光路为：由线光源G1产生测量光，光源G1包括多个点光源构成的一维光纤阵列，或狭缝产生的线光源。本实施例中半透半反镜为棱镜G2，其具体作用为：在分光棱镜G2的透射光路设置有色散物镜，光源G1出射的光束经棱镜G2透射并经过色散物镜出射准线性色散光，色散光照射被测物形成复合多波长反射光，复合多波长反射光透过色散物镜并经棱镜G2反射。优选地，半透半反镜还可以是分光平片。

该色散物镜包括准直组透镜G3、孔径光阑G4和汇聚组透镜G5。准直组透镜G3逐步提升光束口径，同时降低光束的发散角并提供初步色散，不追求高准直度。汇聚组透镜G5配合孔径光阑G4，使得光束以像方远心的方式，汇聚并产生部分色散；通过上述设置，该色散物镜使得不同波长可以分光聚焦到不同的距离，实现光学测量的广泛应用。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。