[发明专利]具有两对相同元件的大视场、高数值孔径复合物镜以及包含两个这种复合透镜的近IR光谱仪

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§199(e)要求于2009年5月22日提交的、名称为“Large Field Of View，High Numerical Aperture Compound Objective Lens With Two Pairs Of Identical Elements And Near IR Spectrometer Containing Two Such Compound Lenses”的美国临时专利申请序列号No.61/180,684的优先权，其通过参考全文合并于此。

技术领域

本发明涉及一种复合物镜，其适合于以高数值孔径对基本上径向维度的物体进行成像，其中每个透镜元件被重复使用以使得在物体中仅采用两个不同元件。该复合透镜尤其非常适合作为用于近红外光谱仪的物镜，并且提供了针对这种光谱仪的优化设计。

背景技术

在各种成像应用中已经展示了适合于对相对于透镜的焦距而基本上径向延伸的物体进行成像的复合物镜。在美国专利3,994,576中，Glatzel等人公开了一种扩展的天塞类型的五元件物镜系统，其中这些元件中的两个相互胶合。类似地，在美国专利4,101,201中，Tojyo等人公开了一种低倍显微镜物镜，其包括四个元件组成的两个部件。进一步地，在美国专利4,105,291中，Tsuji等人公开了一种包括四组元件的大光圈变焦透镜，其中每组包括两个或更多不同透镜。此外，在美国专利4,123,144中，Mandler等人公开了一种具有六个不同元件的网的四构件高斯物镜。在美国专利4,556,295中，Okudaira等人公开了一种包括十个或十一个不同元件的远摄透镜。类似地，在美国专利4,726,669中，Angenieux公开了一种具有复合对焦的高数值孔径的物镜，其包括四个部件，其中一些部件由多个透镜元件构成。Mercado在美国专利5,000,548中公开了一种具有四个不同透镜元件的显微镜物镜，而Kung在美国专利5,216,548中公开了一种具有四个元件的复合透镜，用于对大尺寸的印刷物体进行摄影。最后，Koizumi等人在美国专利6,069,750中公开了一种包括四个透镜组并且包含五个不同元件的宽视场目镜。

所有上述公开的一个共同特征是不同透镜元件的数目较多。所有这些公开的设计的最小数目是四。回顾所有这些设计，显示出：

a.当待成像物体的径向尺度超过复合透镜的焦距的0.25倍时，

b.并且当数值孔径超过0.25时，

c.并且当所需分辨率小于焦距的大约0.01倍时，该复合透镜中不同元件的复杂度和数目都有所增长。

复合透镜的成本将随着部件的数目而按比例变化。同样，当使用浇铸技术来形成透镜时，针对每个元件需要不同的铸模。精密光学器件的铸模成本也可能高得惊人，因此期望产生最小数目，同时获得需要的光学性能。

已经在成像应用中采用了双高斯透镜，在Mandler的专利中公开了双高斯透镜的一个例子。在其通用形式中，它包括外侧的正弯月透镜和内侧的负弯月透镜，并且其可以具有附加的元件。在某些双高斯布置中，透镜元件是双倍的或者接近双倍，以便由于对称性而获得某些畸变消除。然而，迄今为止尚不可能利用具有少于四个不同元件的双高斯布置来获得具有大视场的高分辨率、高数值孔径成像。

发明内容

本发明解决了这些以及其他限制，本发明公开了一种复合透镜，其仅包括两个不同的透镜元件，每个使用两次。结果表明，针对12mm的透镜焦距，有可能实现至少0.3的数值孔径以及至少4mm的总视场。当将一个这种透镜用作准直仪，以及第二个同样的透镜用于对图像进行对焦时，结果表明，离轴2mm的场点的调制传递函数对于＜50mm^-1的空间频率保持在0.5以上。

所提议的布置具有对称属性，其有时存在于双高斯透镜中，不过负弯月透镜位于外侧而正弯月透镜位于内侧。进一步地，正透镜是平凸非球体，其中平面表面的存在使得额外有助于简化制造。

可以这样形成光谱仪：将一个复合透镜用作准直仪，其输出通过衍射光栅进行衍射，经衍射的光线通过第二复合透镜以便成像。对于800-1000nm范围内的辐射，结果表明，用聚苯乙烯制造负弯月透镜以及用丙烯酸制造正透镜是有利的。得到的光谱仪在入射狭缝高度大约为4mm时在该波长范围上具有满意的分辨率。

附图说明

图1是复合透镜的横截面图，其中重复使用两个不同透镜元件以形成具有四个元件的物镜。