專利名稱：具有兩對相同元件的大視場、高數(shù)值孔徑復合物鏡以及包含兩個這種復合透鏡的近ir光譜儀的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種復合物鏡，其適合于以高數(shù)值孔徑對基本上徑向維度的物體進行成像，其中每個透鏡元件被重復使用以使得在物體中僅采用兩個不同元件。該復合透鏡尤其非常適合作為用于近紅外光譜儀的物鏡，并且提供了針對這種光譜儀的優(yōu)化設計。
背景技術(shù)：
在各種成像應用中已經(jīng)展示了適合于對相對于透鏡的焦距而基本上徑向延伸的物體進行成像的復合物鏡。在美國專利3，994，576中，Glatzel等人公開了一種擴展的天塞類型的五元件物鏡系統(tǒng)，其中這些元件中的兩個相互膠合。類似地，在美國專利4，101，201 中，To jyo等人公開了一種低倍顯微鏡物鏡，其包括四個元件組成的兩個部件。進一步地，在美國專利4，105，291中，Tsuji等人公開了一種包括四組元件的大光圈變焦透鏡，其中每組包括兩個或更多不同透鏡。此外，在美國專利4，123，144中，Mandler等人公開了一種具有六個不同元件的網(wǎng)的四構(gòu)件高斯物鏡。在美國專利4，556，295中，Okudaira等人公開了一種包括十個或i^一個不同元件的遠攝透鏡。類似地，在美國專利4，726，669中，Angenieux 公開了一種具有復合對焦的高數(shù)值孔徑的物鏡，其包括四個部件，其中一些部件由多個透鏡元件構(gòu)成。Mercado在美國專利5，000, 548中公開了一種具有四個不同透鏡元件的顯微鏡物鏡，而Kimg在美國專利5，216，548中公開了一種具有四個元件的復合透鏡，用于對大尺寸的印刷物體進行攝影。最后，Koizumi等人在美國專利6，069，750中公開了一種包括四個透鏡組并且包含五個不同元件的寬視場目鏡。所有上述公開的一個共同特征是不同透鏡元件的數(shù)目較多。所有這些公開的設計的最小數(shù)目是四?；仡櫵羞@些設計，顯示出a.當待成像物體的徑向尺度超過復合透鏡的焦距的0.25倍時，b.并且當數(shù)值孔徑超過0. 25時，c.并且當所需分辨率小于焦距的大約0. 01倍時，該復合透鏡中不同元件的復雜度和數(shù)目都有所增長。復合透鏡的成本將隨著部件的數(shù)目而按比例變化。同樣，當使用澆鑄技術(shù)來形成透鏡時，針對每個元件需要不同的鑄模。精密光學器件的鑄模成本也可能高得驚人，因此期望產(chǎn)生最小數(shù)目，同時獲得需要的光學性能。已經(jīng)在成像應用中采用了雙高斯透鏡，在Mandler的專利中公開了雙高斯透鏡的
3一個例子。在其通用形式中，它包括外側(cè)的正彎月透鏡和內(nèi)側(cè)的負彎月透鏡，并且其可以具有附加的元件。在某些雙高斯布置中，透鏡元件是雙倍的或者接近雙倍，以便由于對稱性而獲得某些畸變消除。然而，迄今為止尚不可能利用具有少于四個不同元件的雙高斯布置來獲得具有大視場的高分辨率、高數(shù)值孔徑成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了這些以及其他限制，本發(fā)明公開了一種復合透鏡，其僅包括兩個不同的透鏡元件，每個使用兩次。結(jié)果表明，針對12mm的透鏡焦距，有可能實現(xiàn)至少0. 3的數(shù)值孔徑以及至少4mm的總視場。當將一個這種透鏡用作準直儀，以及第二個同樣的透鏡用于對圖像進行對焦時，結(jié)果表明，離軸2mm的場點的調(diào)制傳遞函數(shù)對于< 50mm 1的空間頻率保持在0. 5以上。所提議的布置具有對稱屬性，其有時存在于雙高斯透鏡中，不過負彎月透鏡位于外側(cè)而正彎月透鏡位于內(nèi)側(cè)。進一步地，正透鏡是平凸非球體，其中平面表面的存在使得額外有助于簡化制造。可以這樣形成光譜儀將一個復合透鏡用作準直儀，其輸出通過衍射光柵進行衍射，經(jīng)衍射的光線通過第二復合透鏡以便成像。對于SOO-IOOOnm范圍內(nèi)的輻射，結(jié)果表明， 用聚苯乙烯制造負彎月透鏡以及用丙烯酸制造正透鏡是有利的。得到的光譜儀在入射狹縫高度大約為4mm時在該波長范圍上具有滿意的分辨率。


圖1是復合透鏡的橫截面圖，其中重復使用兩個不同透鏡元件以形成具有四個元件的物鏡。圖2示出了針對焦距為12mm的復合透鏡，對于背靠背布置的兩個復合透鏡、對于軸上以及離軸2mm的場點，調(diào)制傳遞函數(shù)對空間頻率。圖3示出了針對焦距為12mm的復合透鏡，對于單個復合透鏡、對于軸上以及離軸 2mm的場點，角度域中的調(diào)制傳遞函數(shù)。圖4示出了由兩個復合透鏡和一個體全息衍射光柵構(gòu)成的光譜儀。圖5A-圖5C示出了針對光譜儀、對于軸上以及離軸2mm的場點、波長分別為850、 890和940nm時切線方向和徑向方向上的調(diào)制傳遞函數(shù)。
具體實施例方式參考圖1，復合透鏡包括四個元件，分別為10、20、30和40。透鏡10和40基本上彼此相同。透鏡20和30基本上彼此相同。每個透鏡表面由曲率半徑和圓錐常數(shù)來表征。 透鏡20的最左側(cè)表面和透鏡30的最右側(cè)表面基本上是平面的。為了在近紅外中成像，有利地將透鏡10和40選擇為用聚苯乙烯制造，同時將透鏡 20和30選擇為用丙烯酸制造。提供了代表性示例，其中復合透鏡的焦距為大約12mm。在圖1中，每個表面編號為從1-8。在表I中，定義了每個表面的性質(zhì)，其中曲率的單位為mm S 厚度和半徑的單位為mm。在未指明材料之處，存在空氣空間。
權(quán)利要求
1.一種復合透鏡，包括確切地四個透鏡，其中第一透鏡的形狀與第四透鏡的形狀基本上相同，并且第二透鏡的形狀與第三透鏡的形狀基本上相同；其中所述復合透鏡的數(shù)值孔徑大于0. 25 ；其中所述復合透鏡的視場為所述復合透鏡的焦距的至少25% ；以及其中調(diào)制傳遞函數(shù)超過0. 5的角頻率為至少每毫弧度0. 3周。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的復合透鏡，其中所述第一透鏡和第四透鏡是聚苯乙烯，并且所述第二透鏡和第三透鏡是丙烯酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的復合透鏡，其中所述第二透鏡的一個表面以及所述第三透鏡的一個表面是標稱平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的復合透鏡，其中所有非平面表面是非球面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的復合透鏡，其中所述第一透鏡和第四透鏡是彎月透鏡。
6.一種光譜儀，包括第一復合透鏡，包括確切地四個透鏡，其中第一透鏡的形狀與第四透鏡的形狀基本上相同，并且第二透鏡的形狀與第三透鏡的形狀基本上相同；衍射光柵，其安置用于接收來自光學輸入的、穿過所述第一復合透鏡的光；以及第二復合透鏡，包括確切地四個透鏡，其中第一透鏡的形狀與第四透鏡的形狀基本上相同，并且第二透鏡的形狀與第三透鏡的形狀基本上相同，所述第二復合透鏡安置用于接收從所述衍射光柵所衍射的光；其中所述第一和第二復合透鏡的數(shù)值孔徑大于0. 25 ；其中所述第一和第二復合透鏡的視場為所述復合透鏡的焦距的至少25% ；以及其中，對于所述第一和第二復合透鏡，對于相應復合透鏡視場中的任何位置，其中調(diào)制傳遞函數(shù)超過0. 5的最小空間頻率與相應的復合透鏡的焦距的積超過400。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的光譜儀，其中所述第一和第二復合透鏡基本上相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的光譜儀，其中所述光學輸入的波長為800-1000nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的光譜儀，其中所述衍射光柵是體相位全息。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的光譜儀，其中所述衍射光柵的頻率大于1000mm1。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的光譜儀，其中所述第一和第二復合透鏡中的每個的第一透鏡和第四透鏡是聚苯乙烯，并且所述第一和第二復合透鏡中的每個的第二透鏡和第三透鏡是丙烯酸。
12.根據(jù)權(quán)利要求6的光譜儀，其中所述第一和第二復合透鏡中的每個的第二透鏡的一個表面以及第三透鏡的一個表面是標稱平面。
13.根據(jù)權(quán)利要求6的光譜儀，其中所有非平面表面是非球面。
14.根據(jù)權(quán)利要求6的光譜儀，其中所述第一和第二復合透鏡中的每個的第一透鏡和第四透鏡是彎月透鏡。
全文摘要
公開了一種包括兩對相同透鏡的裝置，該裝置適合用作用于高數(shù)值孔徑成像的復合物鏡。該復合透鏡還具有為該復合透鏡焦距的一小部分的寬視場。通過適當選擇透鏡材料，可以實現(xiàn)良好修正的近紅外成像。當兩個這種復合透鏡與衍射光柵一起組裝成光譜儀時，還可以獲得近紅外中極好的波長分辨率。
文檔編號G02B23/00GK102439507SQ201080022301
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者D·A·艾斯, S·哈爾斯坦 申請人:C8麥迪森瑟斯公司