CN104749746B - 一种宽光谱大视场投影物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽光谱大视场投影物镜，其从物侧到像侧依次包括第一、第二、第三镜组。在第一、第三镜组之间设置有光阑和满足Tpl＞0.6Dop的等效平行平板。在第二镜组中，至少含有两个空气透镜满足：|(r21‑r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21‑Vd22)|＞28，|(nd21‑nd22)|＞0.09。空气透镜两侧的透镜表面的曲率半径、色散系数、d线折射率分别为r21、r22、Vd21、Vd22、nd21、nd22。且第二镜组至少含有二个正透镜在室温条件下满足dn/dt＜0。n为折射率，t为温度，dn/dt为光学材料的折射率随温度变化的折射率温度系数。
Description
技术领域
本发明涉及一种投影物镜，尤其涉及高精度大视场光学检测的一种宽光谱大视场投影物镜，应用于生物、遗传、医疗和药物等领域的高分辨大视场的研究与检测。
背景技术
应用于生物、遗传、医疗和药物等研究与检测技术的发展，高精度大视场光学检测要求的投影物镜需求日益增强。同时具有宽光谱、高分辨、大视场3种性能的投影物镜的设计和制造十分困难，目前还少有先例。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种宽光谱大视场投影物镜，实现了投影物镜的球面像差、彗差、像散，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正，尤其对轴向色差的二级光谱校正良好，又可以降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本，同时在具有良好的像方远心投影物镜效果，为后面的取像提供了良好条件。
本发明采用以下技术方案实现：一种宽光谱大视场投影物镜，其从物侧到像侧依次包括第一镜组、第二镜组、第三镜组；
在第二镜组中，满足关系式：Vd＝(nd－1)/(nF－nC)，nd＜1.65且Vd＞62的正透镜一最少有两个，nd＞1.50且Vd＜55的负透镜一最少有一个；其中，Vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波长486nm的F线折射率，nd为波长587nm的d线折射率，nC为波长656nm的C线折射率；
在第三镜组中，含有一对互相面对的凹面一，且所述一对互相面对的凹面一之间至少含有一个负透镜二，且所述负透镜二含有面向物侧的凹面二；第三镜组还满足关系式：至少含有一个正透镜二和一个负透镜二满足ndp＞ndn，至少含有一个正透镜二和一个负透镜二满足Vdp＜Vdn；其中，ndp为相应正透镜二的d线折射率，ndn为相应负透镜二的d线折射率，Vdp为相应正透镜二的色散系数，Vdn为相应负透镜二的色散系数；
第一镜组、第二镜组、第三镜组满足关系式：0.3<f1/fa<2.8，0.25<f2/fa<2.5，0.25<-f3/fa<5.5；其中，f1为第一镜组的组合焦距，f2为第二镜组的组合焦距，f3为第三镜组的组合焦距，fa为整个投影物镜的组合焦距；
其中，在第一镜组与第三镜组之间设置有光阑；在物侧与像侧之间设置有等效平行平板，等效平行平板满足：Tpl＞0.6Dop，其中，Tpl为等效平行平板厚度，Dop为等效平行平板的最大通光口径；
在第二镜组中，还至少含有两个空气透镜满足关系式：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09；其中，r21、r22分别为空气透镜两侧的透镜表面的曲率半径，Vd21、Vd22分别为空气透镜两侧的透镜的色散系数，nd21、nd22分别为空气透镜的两侧的透镜的d线折射率；
且第二镜组至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0；其中，n为折射率，t为温度，dn/dt为光学材料的折射率随温度变化的折射率温度系数。
作为上述方案的进一步改进，在第一镜组中：至少含有一个正透镜三和一个负透镜三满足：ndp＞ndn；至少含有一个正透镜三和一个负透镜三满足：Vdp＜Vdn；其中，ndp为相应正透镜三的d线折射率，ndn为相应负透镜三的d线折射率，Vdp为相应正透镜三的色散系数，Vdn为相应负透镜三的色散系数。
作为上述方案的进一步改进，所述等效平行平板设置在第一镜组与第三镜组之间，所述等效平行平板为具有部分透射和部分反射功能的分光束器件。
进一步地，所述宽光谱大视场投影物镜的透镜总数量位于12到28之间。
作为上述方案的进一步改进，第一镜组、第二镜组、第三镜组中的所有透镜表面为球面，不含有非球面，第二镜组、第三镜组均为不含有胶合面的单透镜组成。
作为上述方案的进一步改进，从物侧到像侧，第二镜组依次包括第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜；其中，第六透镜和第九透镜均具有负光焦度，第五透镜、第七透镜、第八透镜、第十透镜和第十一透镜均具有正光焦度。
进一步地，第二镜组的第六透镜与第七透镜之间、第八透镜与第九透镜之间、第九透镜与第十透镜之间均存在一个所述空气透镜。
进一步地，从物侧到像侧，第三镜组依次包括第十二透镜、第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜、第十六透镜、第十七透镜，其中，第十三透镜、第十四透镜、第十五透镜均具有负光焦度，第十二透镜、第十六透镜、第十七透镜均具有正光焦度。
优选地，所述一对互相面对的凹面一位于第十三透镜与第十五透镜之间，为负透镜的第十四透镜位于所述一对互相面对的凹面一之间且含有面向物侧的所述凹面二。
优选地，从物侧到像侧，第一镜组依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜；其中，第一透镜与第三透镜均具有负光焦度，第二透镜和第四透镜均具有正光焦度。
本发明的光阑的开口大小能调节。
本发明的优点：1，同时具有宽光谱、高分辨、大视场3种特性，目前还少有先例；2，投影物镜的最大光学口径只有像方全视场口径的60％左右，大幅度降低了投影物镜的制造成本和难度。而普通像方远心投影物镜的最大光学口径是像方全视场口径的100％以上，制造成本高而且制造难度大；3，镜片口径小，不包含非球面镜片，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本；4，可以利用等效平行平板的部分透射和部分反射的分光功能，实现各种同轴落射照明。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的宽光谱大视场投影物镜的结构示意图。
图2为空气透镜的结构示意图。
图3为图1中宽光谱大视场投影物镜的0.7孔径处轴向色差曲线图。
图4为图1中宽光谱大视场投影物镜在480-730nm波长范围的传递函数MTF图。
图5为本发明实施例2提供的宽光谱大视场投影物镜的结构示意图。
图6为图5中宽光谱大视场投影物镜的0.7孔径处轴向色差曲线图。
图7为图5中宽光谱大视场投影物镜在480-730nm波长范围的传递函数MTF图。
图8为本发明实施例3提供的宽光谱大视场投影物镜的结构示意图。
图9为图8中宽光谱大视场投影物镜的0.7孔径处轴向色差曲线图。
图10为图8中宽光谱大视场投影物镜在480-730nm波长范围的传递函数MTF图。
图11为本发明实施例4提供的宽光谱大视场投影物镜的结构示意图。
图12为图4中宽光谱大视场投影物镜的0.7孔径处轴向色差曲线图。
图13为图4中宽光谱大视场投影物镜在480-730nm波长范围的传递函数MTF图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅图1，其为本发明实施例1提供的宽光谱大视场投影物镜的结构示意图。宽光谱大视场投影物镜从物侧P1到像侧P2依次包括第一镜组G1、等效平行平板PLATE、第二镜组G2、第三镜组G3。在第二镜组G2内设置有光阑AS，光阑AS的开口大小可以调节，可采用开口大小可调式光阑。等效平行平板PLATE处于物侧P1与像侧P2之间。
从物侧P1到像侧P2，第一镜组G1可依次包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4。第二镜组G2可包括具有负光焦度的至少二个透镜且其中至少一个透镜为双凹透镜；还可包括具有正光焦度的至少三个透镜且其中至少二个透镜为双凸透镜。在本实施方式中，从物侧P1到像侧P2，第二镜组G2依次包括第五透镜L5、第六透镜L6、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。第三镜组G3可包括具有负光焦度的至少二个透镜；还可包括具有正光焦度的至少二个透镜且包括至少一个月牙形透镜。在本实施方式中，从物侧P1到像侧P2，第三镜组G3依次包括第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15、第十六透镜L16、第十七透镜L17。
其中，第一透镜L1、第三透镜L3、第六透镜L6、第九透镜L9、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15均具有负光焦度。第二透镜L2、第四透镜L4、第五透镜L5、第七透镜L7、第八透镜L8、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十六透镜L16、第十七透镜L17均具有正光焦度。
在本实施方式中，第一至第十七透镜L1～L17的元件参数如表1所示。
表1投影物镜参数
第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3各镜组之间满足关系式：0.3<f1/fa<2.8，0.25<f2/fa<2.5，0.25<-f3/fa<5.5。其中，f1为第一镜组G1的组合焦距，f2为第二镜组G2的组合焦距，f3为第三镜组G3的组合焦距，fa为整个投影物镜的组合焦距。这样的镜片结构可以使投影物镜的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到合理校正。在本实施方式中，f1/fa＝0.211，f2/fa＝0.282，-f3/fa＝0.150。
在第一镜组G1中，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足：ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足：Vdp＜Vdn。其中，ndp为所述正透镜的d线折射率，ndn为所述负透镜的d线折射率，Vdp为所述正透镜的色散系数，Vdn为所述负透镜的色散系数。第一镜组G1这样设计的主要作用是校正投影物镜的初级和高级球差，平衡投影物镜的轴向色差的二级光谱色差，辅助平衡投影物镜的倍率色差。
在第二镜组G2中，满足关系式：①Vd＝(nd－1)/(nF－nC)；②nd＜1.65且Vd＞62的正透镜最少有两个；③nd＞1.50且Vd＜55的负透镜最少有一个；④至少含有两个空气透镜满足关系式：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09；⑤第二镜组(G2)至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0。其中，Vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波长486nm的F线折射率，nd为波长587nm的d线折射率，nC为波长656nm的C线折射率；r21、r22分别为空气透镜两侧的透镜表面的曲率半径，Vd21、Vd22分别为空气透镜两侧的透镜的色散系数，nd21、nd22分别为空气透镜的两侧的透镜的d线折射率，n为折射率，t为温度，dn/dt为光学材料的折射率随温度变化的折射率温度系数。
针对空气透镜，在构成镜头的透镜群中，被相邻两个玻璃透镜夹在中间的空气空间(air space)L可以看做为折射率1.0的透镜，基于这种考虑设计的空气空间可称为空气透镜，如图2所示的空气透镜L。空气透镜L的前后折射率关系是分别与相邻的玻璃透镜Lx、Ly相反的，因此凸面具有凹透镜效果，凹面具有凸透镜的效果。请再次参阅图1，在本实施方式中，第二镜组L2的透镜L6、L7之间，透镜L8、L9之间，透镜L9、L10之间均存在满足第④条即：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09的空气透镜。如关系式|(r21-r22)/(r21+r22)|的计算值分别为0.211，0.282和0.150，满足关系式|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6。主要作用是校正投影物镜的初级和高级球差和慧差，同时校正投影物镜的轴向色差并有效地降低其二级光谱色差；有效地降低珀兹伐(Petzval)和使得投影物镜的像面弯曲可以得到良好校正。
第二镜组L2的第⑤条即：第二镜组G2至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0。与一般的光学玻璃材料的dn/dt＞0特性不同，有正透镜满足dn/dt＜0时，与其他一般的光学玻璃透镜的折射率温度系数的特性相反，互相抵消，所以可以提高投影物镜的热稳定性，使投影物镜在环境温度变化时，其像面位置和成像质量保持稳定。
在第三镜组G3中，含有一对互相面对的凹面一，且所述一对互相面对的凹面一之间至少含有一个负透镜，且所述负透镜含有面向物侧P1的凹面二。第三镜组G3还满足关系式：至少含有一个正透镜和一个负透镜满足ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足Vdp＜Vdn。第三镜组G3这样设计的主要作用是平衡投影物镜的初级和高级像散并有助于降低轴向色差的二级光谱色差，平衡投影物镜的倍率色差。在本实施方式中，第十三透镜L13与第十五透镜L15之间存在一对互相面对的凹面一，即第十三透镜L13面向第十五透镜L15的曲面为凹面，第十五透镜L15面向第十三透镜L13的曲面也为凹面。在这对互相面对的凹面一之间存在为负透镜的第十四透镜L14，第十四透镜L14含有面向物侧P1的凹面二，即第十四透镜L14面向物侧P1的曲面也为凹面。
为了消除光学镜片的内部应力、热应力和老化，及其对光学成像造成的不良影响，保持投影物镜的稳定性，第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3中的所有透镜表面为球面，不含有非球面，第二镜组G2、第三镜组G3均为不含有胶合面的单透镜组成。另外，不包含非球面镜片，可以大幅度降低加工，检测和装校的难度和成本。
为了可以取得良好的像方远心投影物镜效果，为以后的取像提供了良好条件，像侧P2具有面向物侧P1的凹球面，且满足：αin<NA/β，0.8<Lpout/Rim<1.2；其中，αin为投影物镜的主光线在像侧P2的入射角，NA为投影物镜的物方数值孔径，β为投影物镜的放大倍率，Lpout为投影物镜像方出瞳距离，Rim像面凹球面的曲率半径。在本实施方式中，投影物镜的参数值：β＝10；NA＝0.35；Hy＝21.2；光谱范围：470-750nm。其中，β为投影倍率，4<β<18；NA为物侧开口数；Hy为最大物高。
在第一镜组G1与第三镜组G3之间设置有等效平行平板(在本实施方式中，等效平行平板位于第一镜组G1与第二镜组G2之间)，等效平行平板满足：Tpl＞0.6Dop。其中，Tpl为等效平行平板厚度，Dop为等效平行平板的最大通光口径，等效平行平板为具有部分透射和部分反射的分光束器件，其主要作用是可以利用等效平行平板的部分透射和部分反射的分光功能，实现各种同轴落射照明。
为了宽光谱大视场投影物镜的合理控制成本，并得到最佳性价比，所述宽光谱大视场投影物镜的透镜总数量位于12到28之间。
总之，在本实施方式中，三组透镜采用这样的镜片结构最终确保和实现了投影物镜的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正，同时可以有效控制镜头的最大光学口径，降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。
本实施方式的宽光谱大视场投影物镜，宽光谱大视场投影物镜的轴向色差如图3所示，在宽谱带范围内有效地校正了轴向色差，涵盖了480-730nm波长范围。从图中可以看出，本发明可以有效地获得高成像质量。宽光谱大视场投影物镜的投影物镜在480-730nm波长范围的传递函数MTF图如图4所示。专业光学设计软件的分析的波像差WFE(RMS)结果表明：各波长的波像差WFE(RMS)全部为其波长的1/14以下，如表2所示。
表2各波长的波像差
| 波长(nm) | 名称 | 波像差(RMS) |
| 486.13 | F线 | 1/14λ |
| 546.07 | e线 | 1/19λ |
| 587.56 | d线 | 1/21λ |
| 656.27 | C线 | 1/19λ |
| 706.52 | r线 | 1/16λ |
| 730 | --- | 1/15λ |
| 480-730 | 波长范围 | 1/15λ |
实施例2
请参阅图5，其为本发明实施例2提供的宽光谱大视场投影物镜的结构示意图。宽光谱大视场投影物镜从物侧P1到像侧P2依次包括第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3。在第二镜组G2内设置有光阑AS，光阑AS的开口大小可以调节，可采用开口大小可调式光阑。
从物侧P1到像侧P2，第一镜组G1可依次包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4；第二镜组G2可依次包括第五透镜L5、第六透镜L6、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；第三镜组G3可依次包括第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15、第十六透镜L16。
其中，第三透镜L3、第六透镜(L6)、第九透镜L9、第十二透镜L12、第十三透镜L13均具有负光焦度。第二透镜L2、第四透镜L4、第五透镜L5、第七透镜L7、第八透镜L8、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十五透镜L15、第十六透镜L16均具有正光焦度。
在本实施方式中，第一至第十六透镜L1～L16的元件参数如表3所示。
表3投影物镜参数
第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3各镜组之间满足关系式：0.3<f1/fa<2.8，0.25<f2/fa<2.5，0.25<-f3/fa<5.5。其中，f1为第一镜组G1的组合焦距，f2为第二镜组G2的组合焦距，f3为第三镜组G3的组合焦距，fa为整个投影物镜的组合焦距。这样的镜片结构可以使投影物镜的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到合理校正。在本实施方式中，f1＝238.02，f2＝198.01，f3＝-450.5，fa＝219.8，f1/fa＝0.82，f2/fa＝0.92，-f3/fa＝1.68。
在第一镜组G1中，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足：ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足：Vdp＜Vdn。其中，ndp为所述正透镜的d线折射率，ndn为所述负透镜的d线折射率，Vdp为所述正透镜的色散系数，Vdn为所述负透镜的色散系数。第一镜组G1这样设计的主要作用是校正投影物镜的初级和高级球差，平衡投影物镜的轴向色差的二级光谱色差，辅助平衡投影物镜的倍率色差。
在第二镜组G2中，满足关系式：①Vd＝(nd－1)/(nF－nC)；②nd＜1.65且Vd＞62的正透镜最少有两个；③nd＞1.50且Vd＜55的负透镜最少有一个；④至少含有两个空气透镜满足关系式：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09；⑤第二镜组G2至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0。其中，Vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波长486nm的F线折射率，nd为波长587nm的d线折射率，nC为波长656nm的C线折射率；r21、r22分别为空气透镜两侧的透镜表面的曲率半径，Vd21、Vd22分别为空气透镜两侧的透镜的色散系数，nd21、nd22分别为空气透镜的两侧的透镜的d线折射率，n为折射率，t为温度，dn/dt为光学材料的折射率随温度变化的折射率温度系数。
在本实施方式中，第二镜组L2的透镜L6、L7之间，透镜L8、L9之间，透镜L9、L10之间均存在满足第④条即：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09的空气透镜。如关系式|(r21-r22)/(r21+r22)|的计算值分别为0.203，0.035和0.184，满足关系式|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6。主要作用是校正投影物镜的初级和高级球差和慧差，同时校正投影物镜的轴向色差并有效地降低其二级光谱色差；有效地降低珀兹伐(Petzval)和使得投影物镜的像面弯曲可以得到良好校正。
第二镜组L2的第⑤条即：第二镜组G2至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0。与一般的光学玻璃材料的dn/dt＞0特性不同，有正透镜满足dn/dt＜0时，与其他一般的光学玻璃透镜的折射率温度系数的特性相反，互相抵消，所以可以提高投影物镜的热稳定性，使投影物镜在环境温度变化时，其像面位置和成像质量保持稳定。
在第三镜组G3中，含有一对互相面对的凹面一，且所述一对互相面对的凹面一之间至少含有一个负透镜，且所述负透镜含有面向物侧P1的凹面二。第三镜组G3还满足关系式：至少含有一个正透镜和一个负透镜满足ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足Vdp＜Vdn。第三镜组G3这样设计的主要作用是平衡投影物镜的初级和高级像散并有助于降低轴向色差的二级光谱色差，平衡投影物镜的倍率色差。在本实施方式中，第十二透镜L12与第十四透镜L14之间存在一对互相面对的凹面一，即第十二透镜L12面向第十四透镜L14的曲面为凹面，第十四透镜L14面向第十二透镜L12的曲面也为凹面。在这对互相面对的凹面一之间存在为负透镜的第十三透镜L13，第十三透镜L13含有面向物侧P1的凹面二，即第十三透镜L13面向物侧P1的曲面也为凹面。
为了消除光学镜片的内部应力、热应力和老化，及其对光学成像造成的不良影响，保持投影物镜的稳定性，第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3中的所有透镜表面为球面，不含有非球面，第二镜组G2、第三镜组G3均为不含有胶合面的单透镜组成。另外，不包含非球面镜片，可以大幅度降低加工，检测和装校的难度和成本。
为了宽光谱大视场投影物镜的合理控制成本，并得到最佳性价比，所述宽光谱大视场投影物镜的透镜总数量位于12到28之间。
总之，在本实施方式中，三组透镜采用这样的镜片结构最终确保和实现了投影物镜的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正，同时可以有效控制镜头的最大光学口径，降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。
本实施方式的宽光谱大视场投影物镜，宽光谱大视场投影物镜的轴向色差如图6所示，在宽谱带范围内有效地校正了轴向色差，涵盖了480-730nm波长范围。从图中可以看出，本发明可以有效地获得高成像质量。宽光谱大视场投影物镜的投影物镜在480-730nm波长范围的传递函数MTF图如图7所示。专业光学设计软件的分析的波像差WFE(RMS)结果表明：在480-730nm波长范围的波像差WFE(RMS)全部为波长的1/15以下，如表4所示。
表4各波长的波像差
| 波长(nm) | 名称 | 波像差(RMS) | 波像差(RMS) |
| 486.13 | F线 | 1/10λ | 0.097λ |
| 546.07 | e线 | 1/20λ | 0.049λ |
| 587.56 | d线 | 1/17λ | 0.06λ |
| 656.27 | C线 | 1/14λ | 0.072λ |
| 706.52 | r线 | 1/12λ | 0.084λ |
| 730 | --- | 1/11λ | 0.088λ |
| 480-730 | 波长范围 | 1/15λ | 0.065λ |
实施例3
请参阅图8，其为本发明实施例3提供的宽光谱大视场投影物镜的结构示意图。宽光谱大视场投影物镜从物侧P1到像侧P2依次包括第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3。在第二镜组G2内设置有光阑AS，光阑AS的开口大小可以调节，可采用开口大小可调式光阑。
从物侧P1到像侧P2，第一镜组G1可依次包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4。第二镜组G2可包括具有负光焦度的至少二个透镜且其中至少一个透镜为双凹透镜；还可包括具有正光焦度的至少三个透镜且其中至少二个透镜为双凸透镜。在本实施方式中，从物侧P1到像侧P2，第二镜组G2依次包括第五透镜L5、第六透镜L6、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。第三镜组G3可包括具有负光焦度的至少二个透镜；还可包括具有正光焦度的至少二个透镜且包括至少一个月牙形透镜。在本实施方式中，从物侧P1到像侧P2，第三镜组G3依次包括第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15、第十六透镜L16。
其中，第三透镜L3、第六透镜(L6)、第九透镜L9、第十二透镜L12、第十三透镜L13均具有负光焦度。第二透镜L2、第四透镜L4、第五透镜L5、第七透镜L7、第八透镜L8、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十五透镜L15、第十六透镜L16均具有正光焦度。
在本实施方式中，第一至第十六透镜L1～L16的元件参数如表5所示。
表5投影物镜参数
第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3各镜组之间满足关系式：0.3<f1/fa<2.8，0.25<f2/fa<2.5，0.25<-f3/fa<5.5。其中，f1为第一镜组G1的组合焦距，f2为第二镜组G2的组合焦距，f3为第三镜组G3的组合焦距，fa为整个投影物镜的组合焦距。这样的镜片结构可以使投影物镜的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到合理校正。在本实施方式中，f1/fa＝0.82，f2/fa＝0.82，-f3/fa＝2.06。
在第一镜组G1中，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足：ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足：Vdp＜Vdn。其中，ndp为所述正透镜的d线折射率，ndn为所述负透镜的d线折射率，Vdp为所述正透镜的色散系数，Vdn为所述负透镜的色散系数。第一镜组G1这样设计的主要作用是校正投影物镜的初级和高级球差，平衡投影物镜的轴向色差的二级光谱色差，辅助平衡投影物镜的倍率色差。
在第二镜组G2中，满足关系式：①Vd＝(nd－1)/(nF－nC)；②nd＜1.65且Vd＞62的正透镜最少有两个；③nd＞1.50且Vd＜55的负透镜最少有一个；④至少含有两个空气透镜满足关系式：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09；⑤第二镜组(G2)至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0。其中，Vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波长486nm的F线折射率，nd为波长587nm的d线折射率，nC为波长656nm的C线折射率；r21、r22分别为空气透镜两侧的透镜表面的曲率半径，Vd21、Vd22分别为空气透镜两侧的透镜的色散系数，nd21、nd22分别为空气透镜的两侧的透镜的d线折射率，n为折射率，t为温度，dn/dt为光学材料的折射率随温度变化的折射率温度系数。
在本实施方式中，第二镜组L2的透镜L6、L7之间，透镜L8、L9之间，透镜L9、L10之间均存在满足第④条即：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09的空气透镜。如关系式|(r21-r22)/(r21+r22)|的计算值分别为0.247，0.054和0.166，满足关系式|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6。主要作用是校正投影物镜的初级和高级球差和慧差，同时校正投影物镜的轴向色差并有效地降低其二级光谱色差；有效地降低珀兹伐(Petzval)和使得投影物镜的像面弯曲可以得到良好校正。
第二镜组L2的第⑤条即：第二镜组G2至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0。与一般的光学玻璃材料的dn/dt＞0特性不同，有正透镜满足dn/dt＜0时，与其他一般的光学玻璃透镜的折射率温度系数的特性相反，互相抵消，所以可以提高投影物镜的热稳定性，使投影物镜在环境温度变化时，其像面位置和成像质量保持稳定。
在第三镜组G3中，含有一对互相面对的凹面一，且所述一对互相面对的凹面一之间至少含有一个负透镜，且所述负透镜含有面向物侧P1的凹面二。第三镜组G3还满足关系式：至少含有一个正透镜和一个负透镜满足ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足Vdp＜Vdn。第三镜组G3这样设计的主要作用是平衡投影物镜的初级和高级像散并有助于降低轴向色差的二级光谱色差，平衡投影物镜的倍率色差。在本实施方式中，第十二透镜L12与第十四透镜L14之间存在一对互相面对的凹面一，即第十二透镜L12面向第十四透镜L14的曲面为凹面，第十四透镜L14面向第十二透镜L12的曲面也为凹面。在这对互相面对的凹面一之间存在为负透镜的第十三透镜L13，第十三透镜L13含有面向物侧P1的凹面二，即第十三透镜L13面向物侧P1的曲面也为凹面。
为了消除光学镜片的内部应力、热应力和老化，及其对光学成像造成的不良影响，保持投影物镜的稳定性，第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3中的所有透镜表面为球面，不含有非球面，第二镜组G2、第三镜组G3均为不含有胶合面的单透镜组成。另外，不包含非球面镜片，可以大幅度降低加工，检测和装校的难度和成本。
为了可以取得良好的像方远心投影物镜效果，为以后的取像提供了良好条件，像侧P2具有面向物侧P1的凹球面，且满足：αin<NA/β，0.8<Lpout/Rim<1.2；其中，αin为投影物镜的主光线在像侧P2的入射角，NA为投影物镜的物方数值孔径，β为投影物镜的放大倍率，Lpout为投影物镜像方出瞳距离，Rim像面凹球面的曲率半径。在本实施方式中，投影物镜的参数值：β＝10；NA＝0.35；Hy＝21.2；光谱范围：470-750nm。其中，β为投影倍率，4<β<18；NA为物侧开口数；Hy为最大物高。
为了宽光谱大视场投影物镜的合理控制成本，并得到最佳性价比，所述宽光谱大视场投影物镜的透镜总数量位于12到28之间。
总之，在本实施方式中，三组透镜采用这样的镜片结构最终确保和实现了投影物镜的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正，同时可以有效控制镜头的最大光学口径，降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。
本实施方式的宽光谱大视场投影物镜，宽光谱大视场投影物镜的轴向色差如图9所示，在宽谱带范围内有效地校正了轴向色差，涵盖了480-730nm波长范围。从图中可以看出，本发明可以有效地获得高成像质量。宽光谱大视场投影物镜的投影物镜在480-730nm波长范围的传递函数MTF图如图10所示。专业光学设计软件的分析的波像差WFE(RMS)结果表明：各波长的波像差WFE(RMS)全部为其波长的1/14以下，如表6所示。
表6各波长的波像差。
实施例4
请参阅图11，其为本发明实施例4提供的宽光谱大视场投影物镜的结构示意图。宽光谱大视场投影物镜从物侧P1到像侧P2依次包括第一镜组G1、等效平行平板PLATE、第二镜组G2、第三镜组G3。在第二镜组G2内设置有光阑AS，光阑AS的开口大小可以调节，可采用开口大小可调式光阑。等效平行平板PLATE处于物侧P1与像侧P2之间。
从物侧P1到像侧P2，第一镜组G1可依次包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4；第二镜组G2可依次包括第五透镜L5、第六透镜L6、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；第三镜组G3可依次包括第十二透镜L12、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15、第十六透镜L16、第十七透镜L17。
其中，第一透镜L1、第三透镜L3、第六透镜(L6)、第九透镜L9、第十三透镜L13、第十四透镜L14、第十五透镜L15均具有负光焦度。第二透镜L2、第四透镜L4、第五透镜L5、第七透镜L7、第八透镜L8、第十透镜L10、第十一透镜L11、第十二透镜L12、第十六透镜L16、第十七透镜L17均具有正光焦度。在本实施方式中，第一至第十七透镜L1～L17的元件参数如表7所示。
表7投影物镜参数
第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3各镜组之间满足关系式：0.3<f1/fa<2.8，0.25<f2/fa<2.5，0.25<-f3/fa<5.5。其中，f1为第一镜组G1的组合焦距，f2为第二镜组G2的组合焦距，f3为第三镜组G3的组合焦距，fa为整个投影物镜的组合焦距。这样的镜片结构可以使投影物镜的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到合理校正。在本实施方式中，f1/fa＝1.18，f2/fa＝0.90，-f3/fa＝2.02。
在第一镜组G1中，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足：ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足：Vdp＜Vdn。其中，ndp为所述正透镜的d线折射率，ndn为所述负透镜的d线折射率，Vdp为所述正透镜的色散系数，Vdn为所述负透镜的色散系数。第一镜组G1这样设计的主要作用是校正投影物镜的初级和高级球差，平衡投影物镜的轴向色差的二级光谱色差，辅助平衡投影物镜的倍率色差。
在第二镜组G2中，满足关系式：①Vd＝(nd－1)/(nF－nC)；②nd＜1.65且Vd＞62的正透镜最少有两个；③nd＞1.50且Vd＜55的负透镜最少有一个；④至少含有两个空气透镜满足关系式：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09；⑤第二镜组(G2)至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0。其中，Vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波长486nm的F线折射率，nd为波长587nm的d线折射率，nC为波长656nm的C线折射率；r21、r22分别为空气透镜两侧的透镜表面的曲率半径，Vd21、Vd22分别为空气透镜两侧的透镜的色散系数，nd21、nd22分别为空气透镜的两侧的透镜的d线折射率，n为折射率，t为温度，dn/dt为光学材料的折射率随温度变化的折射率温度系数。
在本实施方式中，第二镜组L2的透镜L6、L7之间，透镜L8、L9之间，透镜L9、L10之间均存在满足第④条即：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09的空气透镜。如关系式|(r21-r22)/(r21+r22)|的计算值分别为0.220，0.264和0.166，满足关系式|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6。主要作用是校正投影物镜的初级和高级球差和慧差，同时校正投影物镜的轴向色差并有效地降低其二级光谱色差；有效地降低珀兹伐(Petzval)和使得投影物镜的像面弯曲可以得到良好校正。
第二镜组L2的第⑤条即：第二镜组G2至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0。与一般的光学玻璃材料的dn/dt＞0特性不同，有正透镜满足dn/dt＜0时，与其他一般的光学玻璃透镜的折射率温度系数的特性相反，互相抵消，所以可以提高投影物镜的热稳定性，使投影物镜在环境温度变化时，其像面位置和成像质量保持稳定。
在第三镜组G3中，含有一对互相面对的凹面一，且所述一对互相面对的凹面一之间至少含有一个负透镜，且所述负透镜含有面向物侧P1的凹面二。第三镜组G3还满足关系式：至少含有一个正透镜和一个负透镜满足ndp＞ndn，至少含有一个正透镜和一个负透镜满足Vdp＜Vdn。第三镜组G3这样设计的主要作用是平衡投影物镜的初级和高级像散并有助于降低轴向色差的二级光谱色差，平衡投影物镜的倍率色差。在本实施方式中，第十三透镜L13与第十五透镜L15之间存在一对互相面对的凹面一，即第十三透镜L13面向第十五透镜L15的曲面为凹面，第十五透镜L15面向第十三透镜L13的曲面也为凹面。在这对互相面对的凹面一之间存在为负透镜的第十四透镜L14，第十四透镜L14含有面向物侧P1的凹面二，即第十四透镜L14面向物侧P1的曲面也为凹面。
为了消除光学镜片的内部应力、热应力和老化，及其对光学成像造成的不良影响，保持投影物镜的稳定性，第一镜组G1、第二镜组G2、第三镜组G3中的所有透镜表面为球面，不含有非球面，第二镜组G2、第三镜组G3均为不含有胶合面的单透镜组成。另外，不包含非球面镜片，可以大幅度降低加工，检测和装校的难度和成本。
在第一镜组G1与第三镜组G3之间设置有等效平行平板(在本实施方式中，等效平行平板位于第一镜组G1与第二镜组G2之间)，等效平行平板满足：Tpl＞0.6Dop。其中，Tpl为等效平行平板厚度，Dop为等效平行平板的最大通光口径，等效平行平板含有一层或多层薄膜为具有部分透射和部分反射的分光束器件，其主要作用是可以利用等效平行平板的部分透射和部分反射的分光功能，实现各种同轴落射照明。
为了宽光谱大视场投影物镜的合理控制成本，并得到最佳性价比，所述宽光谱大视场投影物镜的透镜总数量位于12到28之间。
总之，在本实施方式中，三组透镜采用这样的镜片结构最终确保和实现了投影物镜的球面像差、彗差、像散、像场弯曲和畸变，轴向色像差和倍率色像差等各项像差都得到良好校正，同时可以有效控制镜头的最大光学口径，降低镜头的加工，测试和装校的难度和成本。
本实施方式的宽光谱大视场投影物镜，宽光谱大视场投影物镜的轴向色差如图12所示，在宽谱带范围内有效地校正了轴向色差，涵盖了480-730nm波长范围。从图中可以看出，本发明可以有效地获得高成像质量。宽光谱大视场投影物镜的投影物镜在480-730nm波长范围的传递函数MTF图如图13所示。专业光学设计软件的分析的波像差WFE(RMS)结果表明：各波长的波像差WFE(RMS)全部为其波长的1/14以下，如表8所示。
表8各波长的波像差。。
| 波长(nm) | 名称 | 波像差(RMS) | 波像差(RMS) |
| 486.13 | F线 | 1/13λ | 0.078λ |
| 546.07 | e线 | 1/18λ | 0.056λ |
| 587.56 | d线 | 1/18λ | 0.055λ |
| 656.27 | C线 | 1/14λ | 0.069λ |
| 706.52 | r线 | 1/12λ | 0.084λ |
| 730 | --- | 1/11λ | 0.091λ |
| 480-730 | 波长范围 | 1/14λ | 0.071λ |
综上所述，本发明同时具有宽光谱、高分辨、大视场3种特性，目前还少有先例；具有良好的像方远心投影物镜效果，为以后的取像提供了良好条件；投影物镜的最大光学口径只有像方全视场口径的60％左右，大幅度降低了投影物镜的制造成本和难度。而普通像方远心投影物镜的最大光学口径是像方全视场口径的100％以上，制造成本高而且制造难度大；镜片口径小，不包含非球面镜片，大幅度降低了加工，检测和装校的难度和成本；可以利用等效平行平板的部分透射和部分反射的分光功能，实现各种同轴落射照明。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种宽光谱大视场投影物镜，其从物侧(P1)到像侧(P2)依次包括第一镜组(G1)、第二镜组(G2)、第三镜组(G3)；其中，
在第二镜组(G2)中，满足关系式：Vd＝(nd－1)/(nF－nC)，nd＜1.65且Vd＞62的正透镜一最少有两个，nd＞1.50且Vd＜55的负透镜一最少有一个；其中，Vd为色散系数、体现光学材料的色散程度的常数，nF为波长486nm的F线折射率，nd为波长587nm的d线折射率，nC为波长656nm的C线折射率；
在第三镜组(G3)中，含有一对互相面对的凹面一，且所述一对互相面对的凹面一之间至少含有一个负透镜二，且所述负透镜二含有面向物侧的凹面二；第三镜组(G3)还满足关系式：至少含有一个正透镜二和一个负透镜二满足ndp＞ndn，至少含有一个正透镜二和一个负透镜二满足Vdp＜Vdn；其中，ndp为相应正透镜二的d线折射率，ndn为相应负透镜二的d线折射率，Vdp为相应正透镜二的色散系数，Vdn为相应负透镜二的色散系数；
第一镜组(G1)、第二镜组(G2)、第三镜组(G3)满足关系式：0.3<f1/fa<2.8，0.25<f2/fa<2.5，0.25<-f3/fa<5.5；其中，f1为第一镜组(G1)的组合焦距，f2为第二镜组(G2)的组合焦距，f3为第三镜组(G3)的组合焦距，fa为整个投影物镜的组合焦距；
其特征在于：
在第一镜组(G1)与第三镜组(G3)之间设置有光阑(AS)；在物侧(P1)与像侧(P2)之间设置有等效平行平板(PLATE)，等效平行平板满足：Tpl＞0.6Dop，其中，Tpl为等效平行平板厚度，Dop为等效平行平板的最大通光口径；
在第二镜组(G2)中，至少含有两个空气透镜满足关系式：|(r21-r22)/(r21+r22)|<0.6，|(Vd21-Vd22)|＞28，|(nd21-nd22)|＞0.09；其中，r21、r22分别为空气透镜两侧的透镜表面的曲率半径，Vd21、Vd22分别为空气透镜两侧的透镜的色散系数，nd21、nd22分别为空气透镜的两侧的透镜的d线折射率；
第二镜组(G2)至少含有二个正透镜在室温条件下满足：dn/dt＜0；其中，n为折射率，t为温度，dn/dt为光学材料的折射率随温度变化的折射率温度系数。
2.如权利要求1所述的宽光谱大视场投影物镜，其特征在于：在第一镜组(G1)中：至少含有一个正透镜三和一个负透镜三满足：ndp＞ndn；至少含有一个正透镜三和一个负透镜三满足：Vdp＜Vdn；其中，ndp为相应正透镜三的d线折射率，ndn为相应负透镜三的d线折射率，Vdp为相应正透镜三的色散系数，Vdn为相应负透镜三的色散系数。
3.如权利要求1所述的宽光谱大视场投影物镜，其特征在于：所述等效平行平板设置在第一镜组(G1)与第三镜组(G3)之间，所述等效平行平板为具有部分透射和部分反射功能的分光束器件。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的宽光谱大视场投影物镜，其特征在于：所述宽光谱大视场投影物镜的透镜总数量位于12到28之间。
5.如权利要求1至3中任意一项所述的宽光谱大视场投影物镜，其特征在于：第一镜组(G1)、第二镜组(G2)、第三镜组(G3)中的所有透镜表面为球面，不含有非球面，第二镜组(G2)、第三镜组(G3)均为不含有胶合面的单透镜组成。
6.如权利要求1至3中任意一项所述的宽光谱大视场投影物镜，其特征在于：从物侧到像侧，第二镜组(G2)依次包括第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、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)；其中，第六透镜(L6)和第九透镜(L9)均具有负光焦度，第五透镜(L5)、第七透镜(L7)、第八透镜(L8)、第十透镜(L10)和第十一透镜(L11)均具有正光焦度。
7.如权利要求6所述的宽光谱大视场投影物镜，其特征在于：第二镜组(L2)的第六透镜(L6)与第七透镜(L7)之间、第八透镜(L8)与第九透镜(L9)之间、第九透镜(L9)与第十透镜(L10)之间均存在一个所述空气透镜。
8.如权利要求6所述的宽光谱大视场投影物镜，其特征在于：从物侧(P1)到像侧(P2)，第三镜组(G3)依次包括第十二透镜(L12)、第十三透镜(L13)、第十四透镜(L14)、第十五透镜(L15)、第十六透镜(L16)、第十七透镜(L17)，其中，第十三透镜(L13)、第十四透镜(L14)、第十五透镜(L15)均具有负光焦度，第十二透镜(L12)、第十六透镜(L16)、第十七透镜(L17)均具有正光焦度。
9.如权利要求8所述的宽光谱大视场投影物镜，其特征在于：所述一对互相面对的凹面一位于第十三透镜(L13)与第十五透镜(L15)之间，为负透镜二的第十四透镜(L14)位于所述一对互相面对的凹面一之间且含有面向物侧(P1)的所述凹面二。
10.如权利要求8所述的宽光谱大视场投影物镜，其特征在于：从物侧(P1)到像侧(P2)，第一镜组(G1)依次包括第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)；其中，第一透镜(L1)与第三透镜(L3)均具有负光焦度，第二透镜(L2)和第四透镜(L4)均具有正光焦度。
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