关于光谱共焦位移传感器线性色散物镜设计

关于光谱共焦位移传感器线性色散物镜设计

杜勇刚

东莞市普密斯精密仪器有限公司 广东东莞 523000

[摘要]本文主要以光谱共焦之下位移传感器基本原理为基础，对光谱共焦之下位移传感器呈线性的色散物镜实施总体设计探讨，仅供参考。

[关键词]传感器；光谱；共焦位移；色散物镜；线性；设计

前言：

色散物镜，其对于不同波长实际分开程度有着直接影响，包含着轴向色散实际大小、测量范围等。而针对轴向色散和波长相互间线性度，会极大地影响着测量系统实际分辨率及其精度，因而，针对光谱共焦之下位移传感器呈线性的色散物镜总体设计开展综合分析较为必要。

1、简述光谱共焦之下位移传感器

光谱共焦之下位移传感器，即白光源发出宽光谱的光束经由1*2光纤耦合装置后，进入到色散物镜当中，轴向色散作用影响之下，、这三个不同波长光处于色散物镜不同光轴位置上面，依次会聚，而所会聚的光处在波长位置，会聚点被测面经反射情况下，被色散的物镜聚焦于1*2光纤耦合装置端面位置，波长光呈最小聚焦光斑，耦合1*2光纤耦合装置光呈最大能量，光谱仪器上面有最强峰出现[1]。故光谱仪器上面峰值波长和被测面部分之间形成对应关系。

2、设计分析

2.1在选定玻璃材料层面

此次色散物镜当中玻璃材料，主要选定肖特玻璃。色散系数基本为0。结合=0（代表玻璃材料实际色散系数；、各自代表着第i个透镜处于d波长位置光焦度及阿贝数）列式可了解到，色散物镜实际光焦度q>0条件之下，应当选定正负透镜这种组合方式，正透镜适宜选定阿贝数较大玻璃，而负透镜应选定阿贝数较小玻璃。组合透镜通常有着较多玻璃种类，易于获得高线性度相应色散，倘若所选定玻璃材料超过三种，组合数多情况下，成本必然增加。故选定三种最适宜玻璃材料，且将其应用至色散物镜当中。以轴向色散实际大小符合要求为基础，合理选定玻璃材料组合，便于满足线性的轴向色散基础条件，5种组合详见表1。光焦度实际分配过程当中，单个透镜的光焦度倘若过大，则透镜曲率及球差会明显增大。故单个透镜实际光焦度砼要求不超出所选组合的光焦度约5倍。那么，充分考虑以上各项因素后，此次决定选取表1当中组合1材料。

表1 5种组合详细数据

2.2在结构设计及其优化层面

色散物镜区别于普通成像镜头，要对色差予以严格校正。在一定程度上，色散物镜所要求轴向色差相对较大。正透镜及负透镜之下，会有负色散、正色散产生。故正负的透镜组之下，负透镜组应当放置到与光源临近一侧位置，促使正色散产生，正透镜组则需放置到与光源相距较远一侧，促使负色散产生，正色散与负色散相减后，便可获取更大的一个正色散。针对色散物镜，往往只是对轴上面进行点成像，无需考虑到轴外点位置像差[2]。在轴上点位置，单色光球差致使像面位置光斑尺寸逐渐变大，光谱响应整个曲线变宽，降低总体的分辨率，务必予以严格校正。原有光学元件当中，数值孔径及其光焦度恒定，如果借助平分的光焦度，把单个的光学元件逐渐拆分成4～5个左右的光学元件情况下，球差缩小至原有单个透镜约10%～15%。针对双胶合类型透镜，因胶合面两侧玻璃呈不同的折射率，促使球差得以减小。故拆分透镜组合后所形成的双胶合类型透镜基础上，实施球差校正处理。正光焦度透镜N-KZFSll可拆分成为3片的正透镜，N-SF66及N-PK52A这两种透镜则可拆分成为2片透镜，其余2个负透镜和1个正透镜能够组成为负透镜组，两个双胶合类型透镜组成为正透镜组。充分考虑到厚度、口径、半径等各层面结构因素科学合理性，实施色散物镜总体初始结构的合理设计，此初始结构当中内含单透镜3个、双胶合类型透镜2个，共为7片镜片。

为确保轴向色散与波长相互间实际线性度、像质可满足实际要求，借助Zemax的光学设计系统软件及AXCL操作数，对其实施科学合理地优化设计，即对轴向色差、线性度实施有着控制，并借助LONA操作数实施球差控制，450～650 nm当中等间隔11个波长予以优化，以各波长所对应近轴焦面的点列图为此次评价函数。中心波长像方NA设定0.2425，且像方焦距f'设定28.9964mm，并对于各波长的聚焦位置局部放大。各波长聚焦点处于光轴上面，呈依次等间隔式排列。如图1～图2当中显示，650nm、550nm、450nm波长位置的点列图及其球差曲线可了解到，各波长聚焦位置光斑均方根RMS的半径均比艾里斑的半径小。650nm、550nm、450nm波长，其最大球差各是1.400μm、0.927μm、1.829μm，可充分满足于色散物镜总体设计要求。选定最小二乘方法，来针对于轴向色散及其波长实施线性拟合后，色散物镜实际轴向色散达到1.05mm，而线性系数R2是0.997，总体灵敏度达到5.25μmnm~1。整个系统内部配置0.02 nm分辨率HR4000型号光谱仪器情况下，光谱共焦的位移传感器在理论层面分辨率为105nm，可充分满足于总体设计要求。

图1不同波长点列示意图

图2不同波长球差曲线图

2.3在公差分析层面

此次色散物镜的公差分配最终结果，即折射率实际公差设定0.0002，且阿贝数公差设定1%。单透镜前后表面公差敏感，可予以适当缩紧，它的半径公差是0.025%，而厚度公差是0.04mm，整个表面部位不规则度实际公差是0.17个的光圈，表面部位倾斜公差是0.001°，且偏心公差是0.005mm；针对其余公差相对不敏感面，公差要求则予以酌情放宽，半径公差可设0.1%，而厚度公差设0.05mm；针对表面部位不规则度实际公差设0.25个的光圈，整个表面部位倾斜公差0.01°、而偏心公差是0.01mm；3个单透镜实际偏心公差设定0.0254 mm，而镜片倾斜实际公差各是0.05°、0.05°、0.04°；针对单透镜所构成的双胶合类型透镜，镜片倾斜实际公差各设0.05°、0.02°，而偏心公差各设0.009mm、0.01mm。在公差对于不同波长条件之下点列图实际半径所产生影响情况分析当中，以蒙特卡罗为主要分析方法，以不同波长条件之下点列图实际半径为此次评价标准，采样率为90%，不同波长情况之下，点列图实际半径比艾里斑的半径小，这就表明了此次所涉及公差与设计要求相符；同时，以蒙特卡罗为分析方法之下，并以ZPL宏的语言编写为评价函数，对轴向色散和波长相互间实际线性度实施计算分析后了解到，线性判定的系数R2实际最小数值是0.9961。公差引入之后，线性判定最终系数R2＞0.995，这与设计要求基本相符。

3、结语

综上所述，在充分把握光谱共焦之下位移传感器原理基础上，选定好玻璃材料，积极开展结构设计及其优化，严格落实公差分析后，才可确保光谱共焦之下位移传感器呈线性的色散物镜总体设计符合基本要求。

参考文献：

[1]邵谭彬,郭文平,席英皓,等.大量程光谱共焦位移传感器设计及性能评估[J].中国激光,2022,49(18):1804002.

[2]曾德强.基于光谱共焦位移传感器的零件几何量精密测量[J].自动化与仪器仪表,2021(010):000.