【技术文章】光谱共焦定量逆色散物镜的设计

光谱共焦位移传感器是一种测量精度达到亚微米甚至更高的非接触式光电位移传感器。它几乎可以测量所有类型的材料，测量前不需要对被测样品进行处理。与传统的共聚焦显微镜方法相比，省去了轴向扫描机构，可以实现更快、更精确的测量。由于其优点，光谱共焦位移传感器已成为ISO标准中推荐的光学元件表面轮廓测量仪器之一。色散物镜的轴向色差是光谱共焦位移传感器的重要组成部分，它决定了传感器的测量范围。轴向色差与波长的线性关系影响传感器的测量灵敏度。

光谱共焦位移传感器可以采用两种色散物镜：折射物镜和衍射物镜。折射物镜通过选择高色散玻璃产生轴向色差，色差与波长之间的高线性需要通过不同类型镜片的组合来实现。在衍射物镜方面，研究人员将衍射光学元件(DOE)与透镜结合，产生轴向线性色散。测量光路经过两次DOE，由于衍射效率的影响，能量损失较大。

在传统的色散物镜中，采用多组态控制（multi-configuration）不同波长的聚焦位置，以保证色散聚焦位移与波长成线性关系。因此，将不同波长的像面分离，并对每个像面进行球差校正，使单色光在轴线上的收敛点为单一。同时，对透镜的后工作距离和边缘光角度进行全面控制，使各波长在其聚焦位置的漫射斑变小。例如有文献提到设置了11个多配置来控制波长色散的线性，优化过程比较繁琐。此外，该设计方法通过优化固定像面成像质量来控制线性色散，不能保证像面是最佳焦面。最佳焦平面可能略微偏离像面。同时，光学设计软件中的波长-色散聚焦位移图不能直接显示色散的线性度。

来自苏州大学光电科学与工程学院的Tao Ma等人提出了一种定量逆色散透镜设计方法，该方法利用近轴曲面和二值曲面建立定量逆色散光学模型，并对色散目标进行反向设计。因此，色差平面隐式在单个控制参数模型中，实现了图像质量评价的统一参考平面。所设计的色散物镜具有良好的测量线性度。文章“Design of chromatic confocal quantitativeinverse dispersive objective lens”发表于“Proceedings of SPIE”会议集中。

图1. 定量逆色散物镜的设计原理(a)色散模型，(b)色散物镜

色散物镜的设计原理如图1所示。图1(a)为反定量色散模型，由近轴面和二元面组成。利用二元表面的一级衍射产生满足光谱分辨率的定量色散。衍射元件的色散只与波长有关，并具有线性分布。所建光学模型的色散线性度为1。在图1(b)中，色散物镜采用逆法设计。将色散模型与色散物镜相连接，使色散模型的色差面与色散模型的色差面重合。原色散物镜设计方法中的物面成为系统的像面，省去了多构型，实现了像质评价参考面的统一。只需要优化成像平面的成像质量，使色差尽可能小，使漫射斑在衍射极限内。

总结来说，文章提出了一种定量逆色散物镜的方法，获得了统一的图像质量评价参考平面。设计结果表明，该设计方法可获得99.98%的轴向色散线性度。该色散物镜在工作波长580-780nm处线性色散度为0.38mm。所提出的点扫描色散透镜设计方法对线扫描色散透镜的设计具有良好的指导作用。

论文链接：

Design of chromatic confocal quantitativeinverse dispersive objective lens