CN108828752B - 一种复合透镜及光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合透镜及光谱仪，该复合透镜包括：依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均为非球面透镜；按照从所述第一透镜指向所述第四透镜的方向，所述第一透镜两侧的面型分别为凹型和凸型，所述第二透镜两侧的面型分别为平面型和凸型，所述第三透镜两侧的面型分别为凸型和平面型，所述第四透镜两侧的面型分别为凸型和凹型。该光谱仪包括：光栅和两个上述复合透镜。该方案能够增大光谱仪的视场。

Description

一种复合透镜及光谱仪
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种复合透镜及光谱仪。
背景技术
光谱仪又称分光仪，是一种对复色光进行分解的科学仪器。通过光谱仪可以测量光线的光谱，进而根据所测量的结果可以确定物体中所包括的成分，因此光谱仪被广泛应用于颜色测量、化学成分浓度测量、辐射度学分析、膜厚测量、气体成分分析等领域。光谱仪的主要元件包括光栅和两个复合透镜，其中，一个复合透镜将复合光线准直后投射到光栅上，另一个复合透镜将光栅色散后的光汇聚在探测平面上。复合透镜作为光谱仪的重要元件，其性能直接决定了光谱仪的性能。
目前，应用于光谱仪的复合透镜通常由多个球面透镜组合而成，而由球面透镜组合而成的复合透镜对像差进行消除的效果较弱，因此在较大视场的情况下像差较大，从而导致光谱仪的视场较小。
发明内容
本发明实施例提供了一种复合透镜及光谱仪，能够增大光谱仪的视场。
第一方面，本发明实施例提供了一种复合透镜，依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均为非球面透镜；
按照从所述第一透镜指向所述第四透镜的方向，所述第一透镜两侧的面型分别为凹型和凸型，所述第二透镜两侧的面型分别为平面型和凸型，所述第三透镜两侧的面型分别为凸型和平面型，所述第四透镜两侧的面型分别为凸型和凹型。
可选地，
所述第一透镜两侧的面型分别与所述第四透镜两侧的面型相同；
所述第二透镜两侧的面型分别与所述第三透镜两侧的面型相同。
可选地，
所述第一透镜的厚度与所述第四透镜的厚度相同，所述第二透镜的厚度与所述第三透镜的厚度相同；
所述第一透镜与所述第二透镜相对两侧面中心之间的距离等于所述第三透镜与所述第四透镜相对两侧面中心之间的距离。
可选地，
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜的材质均为玻璃。
可选地，
所述第一透镜与所述第四透镜的材质为相同类型的第一模压玻璃，所述第二透镜与所述第三透镜的材质为相同类型的第二模压玻璃，且所述第一模压玻璃与所述第二模压玻璃的类型不同。
可选地，
在所述第二透镜上与所述第三透镜相对一侧的曲面上，靠近主光轴区域的曲率半径大于远离主光轴区域的曲率半径；
在所述第三透镜上与所述第二透镜相对一侧的曲面上，靠近主光轴区域的曲率半径大于远离主光轴区域的曲率半径。
可选地，
针对所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜中的每一个透镜，在通过所述透镜的轴线的切面上，所述透镜两侧面所对应曲线均满足如下方程：
Figure BDA0001693591740000031
其中，所述i表征变量，所述轴线方向为沿所述透镜的轴线由所述第一透镜指向所述第四透镜的方向；
当所述i等于1时，所述zi表征所述第一透镜上与所述第二透镜背对一侧所对应第一曲线上的点与所述第一曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第一曲线上的点与所述第一曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于2时，所述zi表征所述第一透镜上与所述第二透镜相对一侧所对应第二曲线上的点与所述第二曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第二曲线上的点与所述第二曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于3时，所述zi表征所述第二透镜上与所述第三透镜相对一侧所对应第三曲线上的点与所述第三曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第三曲线上的点与所述第三曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于4时，所述zi表征所述第三透镜上与所述第二透镜相对一侧所对应第四曲线上的点与所述第四曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第四曲线上的点与所述第四曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于5时，所述zi表征所述第四透镜上与所述第三透镜相对一侧所对应第五曲线上的点与所述第五曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第五曲线上的点与所述第五曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于6时，所述zi表征所述第四透镜上与所述第三透镜背对一侧所对应第六曲线上的点与所述第六曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第六曲线上的点与所述第六曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离。
可选地，
当所述i等于1时，ci＝-1/8.382，ki＝0，αi1＝-0.013，αi2＝-4.081×10-4，αi3＝-8.886×10-6，αi4＝8.748×10-7，αi5＝-4.471×10-8，αi6＝1.874×10-9，αi7＝-3.313×10-11，αi8＝1.905×10-13。
可选地，
当所述i等于2时，ci＝-1/8.741，ki＝0，αi1＝-0.021，αi2＝1.749×10-4，αi3＝-3.806×10-6，αi4＝-2.975×10-8，αi5＝8.241×10-9，αi6＝-2.362×10-10，αi7＝4.347×10-10，αi8＝-3.203×10-14。
可选地，
当所述i等于3时，ci＝-1/25.758，ki＝0，αi1＝0.015，αi2＝-5.744×10-4，αi3＝1.297×10-5，αi4＝-3.179×10-7，αi5＝5.823×10-9，αi6＝-6.995×10-11，αi7＝4.814×10-13，αi8＝-1.431×10-15。
可选地，
当所述i等于4时，ci＝1/25.758，ki＝0，αi1＝-0.015，αi2＝5.744×10-4，αi3＝-1.297×10-5，αi4＝3.179×10-7，αi5＝-5.823×10-9，αi6＝6.995×10-11，αi7＝-4.814×10-13，αi8＝1.431×10-15。
可选地，
当所述i等于5时，ci＝1/8.741，ki＝0，αi1＝0.021，αi2＝-1.749×10-4，αi3＝3.806×10-6，αi4＝2.975×10-8，αi5＝-8.241×10-9，αi6＝2.362×10-10，αi7＝-4.347×10-10，αi8＝3.203×10-14。
可选地，
当所述i等于6时，ci＝1/8.382，ki＝0，αi1＝0.013，αi2＝4.081×10-4，αi3＝8.886×10-6，αi4＝-8.748×10-7，αi5＝4.471×10-8，αi6＝-1.874×10-9，αi7＝3.313×10-11，αi8＝-1.905×10-13。
第二方面，本发明实施例还提供了一种光谱仪，包括：光栅和两个第一方面提供的任意一种复合透镜；
两个所述复合透镜中第一复合透镜包括的所述第一透镜与所述光栅的入射面相对；
两个所述复合透镜中第二复合透镜包括的所述第一透镜与所述光栅的出射面相对；
所述第一复合透镜，用于对入射的光进行准直，并将准直后的光投射到所述光栅上；
所述光栅，用于使来自所述第一复合透镜的光发生衍射，并将发生衍射后的光投射到所述第二复合透镜上；
所述第二复合透镜，用于将接收到的光进行汇聚，并将汇聚后的光射出。
可选地，
该光谱仪进一步包括：滤光片和光阑；
所述滤光片位于所述第一复合透镜与所述光栅之间，所述光阑位于所述第二复合透镜与所述光栅之间；
所述滤光片，用于限制所述光栅接收到来自所述第一复合透镜的光的波长范围，使所述光栅接收到的光的波长范围为不小于800nm且不大于1000nm；
所述光阑，用于限制所述第二复合透镜接收到来自所述光栅的光束的数量，使所述第二复合透镜所射出光在像面上的分辨率达到预先设定的目标值。
可选地，
所述光谱仪的数值孔径不小于0.2且不大于0.3。
本发明实施例提供的复合透镜及光谱仪，包括有依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，四个透镜均为非球面透镜，并且第一透镜与第二透镜背对一侧的面型为凹型，第一透镜与第二透镜相对一侧的面型为凸型，第二透镜与第一透镜相对一侧的面型为平面型，第二透镜与第三透镜性对一侧的面型为凸型，第三透镜与第二透镜相对一侧的面型为凸型，第三透镜与第四透镜相对一侧的面型为平面型，第四透镜与第三透镜相对一侧的面型为凸型，第四透镜与第三透镜背对一侧的面型为凹型。由于复合透镜所包括的四个透镜均为非球面透镜，而非球面透镜侧面的不同区域可以具有不同的曲率，使得非球面透镜的不同区域能够对光束产生不同的折射效果，从而通过各个非球面透镜的相互配合，可以增强复合透镜对像差进行消除的效果，进而将该复合透镜应用于光谱仪时可以增大光谱仪的视场。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例提供的一种复合透镜的示意图；
图2是本发明一个实施例提供的另一种复合透镜的示意图；
图3是本发明一个实施例提供的复合透镜在800nm-1000nm波长范围内全波段光线的调制传递函数的曲线图；
图4是本发明一个实施例提供的复合透镜在850nm波长的调制传递函数的曲线图；
图5是本发明一个实施例提供的复合透镜在875nm波长的调制传递函数的曲线图；
图6是本发明一个实施例提供的复合透镜在900nm波长的调制传递函数的曲线图；
图7是本发明一个实施例提供的复合透镜在925nm波长的调制传递函数的曲线图；
图8是本发明一个实施例提供的复合透镜在950nm波长的调制传递函数的曲线图；
图9是本发明一个实施例提供的复合透镜的点列图；
图10是本发明一个实施例提供的一种光谱仪的示意图；
图11是本发明一个实施例提供的另一种光谱仪的示意图；
图12是本发明一个实施例提供的光谱仪的全视场点列图；
图13是本发明一个实施例提供的光谱仪的矩阵点列图；
图14是本发明一个实施例提供的光谱仪的相对照明强度曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种复合透镜，该复合透镜可以包括：依次排布的第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40，其中，
第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40均为非球面透镜；
按照从第一透镜10指向第四透镜40的方向，第一透镜10两侧的面型分别为凹型和凸型，第二透镜20两侧的面型分别为平面型和凸型，第三透镜30两侧的面型分别为凸型和平面型，第四透镜40两侧的面型分别为凸型和凹型。
本发明实施例提供了一种复合透镜，包括有依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，四个透镜均为非球面透镜，并且第一透镜与第二透镜背对一侧的面型为凹型，第一透镜与第二透镜相对一侧的面型为凸型，第二透镜与第一透镜相对一侧的面型为平面型，第二透镜与第三透镜性对一侧的面型为凸型，第三透镜与第二透镜相对一侧的面型为凸型，第三透镜与第四透镜相对一侧的面型为平面型，第四透镜与第三透镜相对一侧的面型为凸型，第四透镜与第三透镜背对一侧的面型为凹型。由于复合透镜所包括的四个透镜均为非球面透镜，而非球面透镜侧面的不同区域可以具有不同的曲率，使得非球面透镜的不同区域能够对光束产生不同的折射效果，从而通过各个非球面透镜的相互配合，可以增强复合透镜对像差进行消除的效果，进而将该复合透镜应用于光谱仪时可以增大光谱仪的视场。
可选地，在图1所示复合透镜的基础上，第一透镜10两侧的面型分别与第四透镜40两侧的面型相同，第二透镜20两侧的面型分别与第三透镜30两侧的面型相同，具体地，第一透镜10上与第二透镜20背对一侧的面型和第四透镜40上与第三透镜30背对一侧的面型相同，第一透镜10上与第二透镜20相对一侧的面型和第四透镜40上与第三透镜30相对一侧的面型相同，第二透镜20上与第一透镜10相对一侧的面型和第三透镜30上与第四透镜40相对一侧的面型相同，第二透镜20上与第三透镜30相对一侧的面型和第三透镜30上与第二透镜20相对一侧的面型相同。
由于第一透镜两侧的面型分别与第四透镜两侧的面型相同，第二透镜两侧的面型分别与第三透镜两侧的面型相同，与此同时，如果第一透镜与第四透镜具有相同的厚度，第二透镜与第三透镜具有相同的厚度，则第一透镜和第四透镜为相同的透镜，第二透镜和第三透镜为相同的透镜，这样复合透镜仅包括有两种不同类型的透镜，仅需要两套模具便可以制造该复合透镜所包括的全部透镜，从而可以保证该复合透镜具有相对较低的成本。
可选地，在第一透镜两侧面型分别与第四透镜两侧面型相同，且第二透镜两侧面型分别与第三透镜两侧面型相同的基础上，第一透镜的厚度可以与第四透镜的厚度相同，第二透镜的厚度可以与第三透镜的厚度相同，且第一透镜与第二透镜相对两个侧面中心之间的距离等于第三透镜与第四透镜相对两个侧面中心之间的距离。
当第一透镜与第四透镜的面型和厚度均相同，第二透镜与第三透镜的面型和厚度均相同，且第一透镜与第二透镜相对两个侧面中心之间的距离等于第三透镜与第四透镜相对两个侧面中心之间的距离时，第一透镜与第四透镜成镜面对称，第二透镜与第三透镜成镜面对称，且第一透镜与第四透镜的对称镜面和第二透镜与第三透镜的对称镜面重合，这样复合透镜整体成镜面对称结构，能够更好地对像差进行消除，保证复合透镜具有较好的成像效果。
可选地，在图1所示复合透镜的基础上，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40的材质均为玻璃。由于玻璃相对于聚苯乙烯、丙烯酸等塑料材质具有更小的吸水性，因此玻璃材质透镜的面型和折射率受湿度的影响更小，从而由玻璃材质透镜组成的复合透镜可以更加稳定地对光束进行折射，使得应用有该复合透镜的光谱仪具有更强的稳定性。
可选地，在图1所示复合透镜的基础上，第一透镜10与第四透镜40的材质可以为相同类型的模压玻璃，第二透镜20与第三透镜30的材质可以为相同类型的模压玻璃，且第一透镜10和第四透镜40所采用模压玻璃的类型与第二透镜20和第三透镜30所采用模压玻璃的类型不同。比如，第一透镜10和第四透镜40采用牌号为D-ZLAF85L的光学玻璃，第二透镜20和第三透镜30采用牌号为H-LAK4L的光学玻璃。
首先，色差(Chromatic aberration)又称色像差，是透镜成像的一个严重缺陷，色差简单来说就是颜色的差别，发生在以多色光为光源的情况下，单色光不产生色差，通过将具有不同玻璃材质的多个透镜组合而获得的复合透镜，可以消除复合透镜所产生的色差，提高复合透镜的成像效果。因此，第一透镜和第四透镜采用一种类型的模压玻璃，第二透镜和第三透镜采用另一种类型的模压玻璃，保证该复合透镜可以对所产生的色差进行消除，进而保证该复合透镜具有较好的成像效果。
其次，模压玻璃可以通过玻璃模压工艺制造成具有相应面型的透镜，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的材质均采用模压玻璃，可以通过玻璃模压工艺对第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜进行制造，保证第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的面型更加准确。
再其次，当第一透镜两侧的面型分别与第四透镜两侧的面型相同，第二透镜两侧的面型分别与第三透镜两侧的面型相同时，第一透镜与第四透镜采用相同材质的玻璃，第二透镜和第三透镜采用相同材质的玻璃，这样第一透镜与第四透镜具有相同的面型和相同的材质，第二透镜与第三透镜具有相同的面型和相同的材质，即第一透镜与第四透镜可以为完全相同的透镜，第二透镜与第三透镜可以为完全相同的透镜，由于减少了复合透镜所包括透镜的类型，在批量生产时可以降低该复合透镜的成本。
可选地，在图1所示复合透镜的基础上，如图2所示，在第二透镜20上与第三透镜30相对一侧的曲面S4上，靠近主光轴区域的曲率半径大于远离主光轴区域的曲率半径，同时，在第三透镜30上与第二透镜20相对一侧的曲面S5上，靠近主光轴区域的曲率半径大于远离主光轴区域的曲率半径。
第二透镜20上与第一透镜10相对的侧面S3呈平面，第二透镜20上与第三透镜30相对的侧面S4呈凸型，而且侧面S4靠近主光轴区域的曲率半径大于远离主光轴区域的曲率半径。相应地，第三透镜30上与第四透镜40相对的侧面S6呈平面，第三透镜30上与第二透镜20相对的侧面S5呈凸型，而且侧面S5靠近主光轴区域的曲率半径大于远离主光轴区域的曲率半径。这样，第二透镜20和第三透镜30的光学特征均表现为凸透镜，且靠近主光轴区域的曲率半径大于远离主光轴区域的曲率半径，使得不同波长的光线具有不同的焦距，以更好地起到消除色差的作用。
可选地，在图1所示复合透镜的基础上，为了保证不同波长的光束依次通过第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40可以按照波长分别进行汇聚，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40两侧的面型需要满足特定的要求。具体地，针对第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40中的每一个透镜，在通过该透镜的轴线的切面上，该透镜上非平侧面对应的曲线需要满足以下方程：
Figure BDA0001693591740000101
其中，i表征变量，轴线方向为沿透镜的轴线由第一透镜10指向第四透镜40的方向。
具体地，如图2所示，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第三透镜40均为旋转体透镜，轴线z为四个透镜共有的旋转轴，切面通过轴线z；
当i等于1时，zi表征第一透镜10上侧面S1所对应第一曲线上的点与该第一曲线中点在轴线z方向上的距离，ri表征该第一曲线上的点与该第一曲线的中点在垂直于轴线z方向上的距离；
当i等于2时，zi表征第一透镜10上侧面S2所对应第二曲线上的点与该第二曲线中点在轴线z方向上的距离，ri表征该第二曲线上的点与该第二曲线的中点在垂直于轴线z方向上的距离；
当i等于3时，zi表征第二透镜20上侧面S4所对应第三曲线上的点与该第三曲线中点在轴线z方向上的距离，ri表征该第三曲线上的点与该第三曲线的中点在垂直于轴线z方向上的距离；
当i等于4时，zi表征第三透镜30上侧面S5所对应第四曲线上的点与该第四曲线中点在轴线z方向上的距离，ri表征该第四曲线上的点与该第四曲线的中点在垂直于轴线z方向上的距离；
当i等于5时，zi表征第四透镜40上侧面S7所对应第五曲线上的点与该第五曲线中点在轴线z方向上的距离，ri表征该第五曲线上的点与该第五曲线的中点在垂直于轴线z方向上的距离；
当i等于6时，zi表征第四透镜40上侧面S8所对应第六曲线上的点与该第六曲线中点在轴线z方向上的距离，ri表征该第六曲线上的点与该第六曲线的中点在垂直于轴线z方向上的距离。
通过上述方程分别对第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜中每一个透镜的非平侧面的形状进行定义，结合对四个透镜厚度以及间距的合理定义，使得四个透镜可以更好地相互配合，保证复合透镜可以更加有效地对像差进行消除，在较大视场的情况下使像差仍处于较低的水平，从而保证应用该复合透镜的光谱仪具有相对较大的视场。在同等像元大小的前提下，视场的增大可以提升光谱仪的分辨能力。
需要说明的是，在本发明实施例所提供的复合透镜中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜可以为圆形透镜(旋转体透镜)，也可以为非圆形透镜，比如六边形透镜、八边形透镜等，而且第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜可以为不同形状的透镜，在实际业务实现过程中可以根据实际需求灵活确定每一个透镜的形状。
可选地，在上述实施例中，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40中每一个透镜的非平侧面所对应曲线均满足上述方程，而各条曲线对应于上述方程中的各个参数可以如下表1所示；
表1
Figure BDA0001693591740000121
可选地，在第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40的非平侧面所对应曲线方程满足上述表1定义参数的前提下，如图2所示，第一透镜10上侧面S2与第二透镜20上侧面S3的中心之间的距离小于10mm，第二透镜20上侧面S4与第三透镜30上侧面S7的中心之间的距离小于20mm，第三透镜30上侧面S8与第四透镜40上侧面S5的中心之间的距离小于10mm。例如，侧面S2和侧面S3的中心之间的距离可以为1.000mm，侧面S4与侧面S7的中心之间的距离可以为5.193mm，侧面S8与侧面S5的中心之间的距离可以为1.000mm。
可选地，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜可以均为圆形透镜，即第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为旋转体透镜。如图2所示，各个透镜的半径可以为：第一透镜10上侧面S1的半径为5.150mm，第一透镜10上侧面S2的半径为6.284mm，第二透镜20上侧面S3的半径为7.377mm，第二透镜20上侧面S4的半径为7.648mm，第三透镜30上侧面S5的半径为7.264mm，第三透镜30上侧面S6的半径为6.883mm，第四透镜40上侧面S7的半径为5.670mm，第四透镜40上侧面S8的半径为4.472mm。
可选地，在上述各个实施例所提供复合透镜的基础上，第一透镜10中心的厚度可以为2.998mm，第二透镜20中心的厚度可以为2.999mm，第三透镜30中心的厚度可以为2.999mm，第四透镜40中心的厚度可以为2.998mm。
需要说明的是，在本发明实施例所提供的复合透镜中，如果第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜为圆形透镜，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的半径可以没有确定的大小关系，即针对复合透镜包括的任意一个透镜A和任意一个透镜B，透镜A的半径可以小于、大于或等于透镜B，在实际业务实现过程中可以根据实际需求灵活确定每一个透镜的半径。
在本发明实施例中，当复合透镜中第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜满足上述实施例关于侧面曲线方程、曲率以及侧面间距限定时，该复合透镜的调制传递函数如图3至图8所示，该复合透镜的点列图如图9所示。
图3为该复合透镜对应于800nm-1000nm波长范围内全波段光线的调制传递函数，图4为该复合透镜对应于波长为850nm光线的调制传递函数，图5为该复合透镜对应于波长为875nm光线的调制传递函数，图6为该复合透镜对应于波长为900nm光线的调制传递函数，图7为该复合透镜对应于波长为925nm光线的调制传递函数，图8为该复合透镜对应于波长为950nm光线的调制传递函数。在图3至图8中，标注有T0.00DEG的曲线为相应波长子午光线在0度视场(轴上视场)位置的调制传递函数，标注有S0.00DEG的曲线为相应波长弧矢光线在0度视场(轴上视场)位置的调制传递函数，标注有T6.83DEG的曲线为相应波长子午光线在6.83度视场(半视场)位置的调制传递函数，标注有S6.83DEG的曲线为相应波长弧矢光线在6.83度视场(半视场)位置的调制传递函数，标注有T9.56DEG的曲线为相应波长子午光线在9.56度视场(0.7视场)位置的调制传递函数，标注有S9.56DEG的曲线为相应波长弧矢光线在9.56度视场(0.7视场)位置的调制传递函数，标注有T13.65DEG的曲线为相应波长子午光线在13.65度视场(边缘视场)位置的调制传递函数，标注有S13.65DEG的曲线为相应波长弧矢光线在13.65度视场(边缘视场)位置的调制传递函数。
需要说明的是，在图3至图8每一个附图所示的调制传递函数曲线中，子午光线和弧矢光线在轴上视场位置的调制传递函数相互重合。另外，在图3至图8中，T0.00DEG、S0.00DEG、T6.83DEG、S6.83DEG、T9.56DEG、S9.56DE、T13.65DEG和S13.65DEG分别用于标识相应的曲线，为相关技术领域对调制传递函数曲线进行标识的常用方式。
由图3至图8可知，不同波长光线在不同视场角度位置处随着空间频率的增加调制传递函数缓慢衰减，说明该复合透镜具有较好的分辨率。
如图9所示的点列图中，展示了不同波长光线在不同视场角度处所形成光斑，标准参考框的尺寸为40μm×40μm，由此可以说明该复合透镜具有良好的分辨率。其中，图9中视场角度项所包括的DEG表示视场角度的单位，比如0.00DEG表示0度视场，6.83DEG表示6.83度视场，9.56DEG表示9.56度视场，13.65DEG表示13.56度视场。
如图10所示，本发明实施例提供了一种光谱仪，包括：光栅501和两个上述任意一个实施例提供的复合透镜，两个复合透镜中第一复合透镜502包括的第一透镜与光栅501的入射面相对，两个复合透镜中第二复合透镜503包括的第一透镜与光栅502的出射面相对；
第一复合透镜502用于对入射的光进行准直，并将准直后的光投射到光栅501上；
光栅501用于使来自第一复合透镜的光发生衍射，并将发生衍射后的光投射到第二复合透镜上；
第二复合透镜503用于将接收到光进行汇聚，并将汇聚后的光射出。
本发明实施例提供的光谱仪，由于所应用的两个复合透镜均具有较强的对像差进行消除的能力，保证在较大视场的情况下像差仍保持在较低的水平，从而使得光谱仪具有较大的视场。
可选地，在图10所示光谱仪的基础上，如图11所示，该光谱仪还可以包括滤光片504和光阑505；
滤光片504位于第一复合透镜502与光栅501之间，光阑505位于第二复合透镜503与光栅501之间；
滤光片504用于限制光栅501接收到来自第一复合透镜502的光的波长范围，使光栅501接收到的光的波长范围为不小于800nm且不大于1000nm；
光阑505用于限制第二复合透镜503接收到的来自光栅501的光束的数量，使第二复合透镜503所射出光在像面上的分辨率达到预先设定的目标值。
通过在第一复合透镜与光栅之间设置滤光片，利用滤光片限制光栅所接收到光的波长，将第一复合透镜所接收到光的波长限制在预先设定的范围内，避免波长不满足预先设定波长范围的光进入第一复合透镜带来额外的噪声，保证光谱仪具有较高的信噪比。通过在第二复合透镜与光栅之间设置光阑，利用光阑限制第二复合透镜所接收到光束的数量，使第二复合透镜所射出的光在像面上的分辨率达到预先设定的目标值，在保证光谱仪的分辨率能够达到目标值的前提下，使第二复合透镜可以接收到更多的光束，使得所成像具有较高的相对照度，提升光谱仪的成像效果。
可选地，光谱仪的数值孔径不小于0.2且不大于0.3，此时光谱仪的半视场角度可以达到10°至15°的范围，相对而言具有较大的视场，可以满足多种使用场景的要求，使得该光谱仪具有较强的适用性。
在本发明实施例中，当光谱仪的各项参数满足上述各实施例的限定时，该光谱仪对应的全视场点列图如图12所示，该光谱仪对应的矩阵点列图如图13所示。
如图12所示，由右至左7列点阵分别表征波长为830nm、850nm、870nm、890nm、910nm、930nm和950nm的光所形成的部分光斑，不同波长光所形成光斑按照波长顺序依次分布，不同波长光的光斑在全视场点列图中均有体现，而且不同波长光的光斑均位于视野内，说明经光谱仪中第二复合透镜所射出光的范围满足接收器的范围。
如图13所示，各波长对应于物方视场的光斑分辨率均具有较高的分辨率。其中，图13中物方视场项所包括的MM表征长度单位毫米，比如，0.0000,0.0000MM表示相应坐标为(0.0000mm，0.0000mm)的物方视场，-0.1000,0.7000MM表示相应坐标为(-0.1000mm,0.7000mm)的物方视场，0.3000，-2.1000MM表示相应坐标为(0.3000mm，-2.1000mm)的物方视场。
图14为该光谱仪对应的相对照明强度曲线，由图14可见在视场内相对照度始终处于0.75以上，说明该光谱仪具有较高的相对照度，使得该光谱仪具有较广泛的应用领域。
综上所述，本发明各个实施例提供的复合透镜及光谱仪，至少具有如下有益效果：
1、在本发明实施例中，包括有依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，四个透镜均为非球面透镜，并且第一透镜与第二透镜背对一侧的面型为凹型，第一透镜与第二透镜相对一侧的面型为凸型，第二透镜与第一透镜相对一侧的面型为平面型，第二透镜与第三透镜性对一侧的面型为凸型，第三透镜与第二透镜相对一侧的面型为凸型，第三透镜与第四透镜相对一侧的面型为平面型，第四透镜与第三透镜相对一侧的面型为凸型，第四透镜与第三透镜背对一侧的面型为凹型。由于复合透镜所包括的四个透镜均为非球面透镜，而非球面透镜侧面的不同区域可以具有不同的曲率，使得非球面透镜的不同区域能够对光束产生不同的折射效果，从而通过各个非球面透镜的相互配合，可以增强复合透镜对像差进行消除的效果，进而将该复合透镜应用于光谱仪时可以增大光谱仪的视场。
2、在本发明实施例中，复合透镜所包括的四个透镜均采用玻璃材质，由于玻璃相对于聚苯乙烯、丙烯酸等塑料材质具有更小的吸水性，因此玻璃材质透镜的面型和折射率受环境湿度的影响更小，从而由玻璃材质透镜组成的复合透镜可以更加稳定地对光束进行折射，使得应用有该复合透镜的光谱仪具有更强的稳定性。
3、在本发明实施例中，在复合透镜中，第一透镜与第四透镜的材质为相同类型的模压玻璃，第二透镜与第三透镜的材质为相同类型的模压玻璃，且第一透镜和第四透镜的材质类型与第二透镜和第三透镜的材质类型不同，这样保证复合透镜可以有效消除色差，使得复合透镜具有良好的色差消除能力。
4、在本发明实施例中，在本发明实施例中，光谱仪的数值孔径不小于0.2且不大于0.3，此时光谱仪的半视场角度可以达到10°至15°的范围，相对而言具有较大的视场，可以满足多种使用场景的要求，使得该光谱仪具有较强的适用性。
5、在本发明实施例中，通过方程分别对第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜中每一个透镜的非平侧面的形状进行定义，使得四个透镜可以更加精确地相互配合以对入射光束进行折射，保证复合透镜可以更加有效地对像差进行消除，使在较大视场的情况下像差仍处于较低的水平，从而保证应用该复合透镜的光谱仪具有相对较大的视场。在同等像元大小的前提下，视场的增大可以提升光谱仪的分辨能力。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个······”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种复合透镜，其特征在于，包括：依次排布的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，
所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均为非球面透镜；
按照从所述第一透镜指向所述第四透镜的方向，所述第一透镜两侧的面型分别为凹型和凸型，所述第二透镜两侧的面型分别为平面型和凸型，所述第三透镜两侧的面型分别为凸型和平面型，所述第四透镜两侧的面型分别为凸型和凹型；
在所述第二透镜上与所述第三透镜相对一侧的曲面上，靠近主光轴区域的曲率半径大于远离主光轴区域的曲率半径；
在所述第三透镜上与所述第二透镜相对一侧的曲面上，靠近主光轴区域的曲率半径大于远离主光轴区域的曲率半径；
针对所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜中的每一个透镜，在通过所述透镜的轴线的切面上，所述透镜两侧面所对应曲线均满足如下方程：
Figure FDA0003195428480000011
其中，所述i表征变量，所述轴线方向为沿所述透镜的轴线由所述第一透镜指向所述第四透镜的方向；
当所述i等于1时，所述zi表征所述第一透镜上与所述第二透镜背对一侧所对应第一曲线上的点与所述第一曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第一曲线上的点与所述第一曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于2时，所述zi表征所述第一透镜上与所述第二透镜相对一侧所对应第二曲线上的点与所述第二曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第二曲线上的点与所述第二曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于3时，所述zi表征所述第二透镜上与所述第三透镜相对一侧所对应第三曲线上的点与所述第三曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第三曲线上的点与所述第三曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于4时，所述zi表征所述第三透镜上与所述第二透镜相对一侧所对应第四曲线上的点与所述第四曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第四曲线上的点与所述第四曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于5时，所述zi表征所述第四透镜上与所述第三透镜相对一侧所对应第五曲线上的点与所述第五曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第五曲线上的点与所述第五曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于6时，所述zi表征所述第四透镜上与所述第三透镜背对一侧所对应第六曲线上的点与所述第六曲线中点在所述轴线方向上的距离，所述ri表征所述第六曲线上的点与所述第六曲线的中点在垂直于所述轴线方向上的距离；
当所述i等于1时，ci＝-1/8.382，ki＝0，αi1＝-0.013，αi2＝-4.081×10-4，αi3＝-8.886×10-6，αi4＝8.748×10-7，αi5＝-4.471×10-8，αi6＝1.874×10-9，αi7＝-3.313×10-11，αi8＝1.905×10-13；
和/或，
当所述i等于2时，ci＝-1/8.741，ki＝0，αi1＝-0.021，αi2＝1.749×10-4，αi3＝-3.806×10-6，αi4＝-2.975×10-8，αi5＝8.241×10-9，αi6＝-2.362×10-10，αi7＝4.347×10-10，αi8＝-3.203×10-14；
和/或，
当所述i等于3时，ci＝-1/25.758，ki＝0，αi1＝0.015，αi2＝-5.744×10-4，αi3＝1.297×10-5，αi4＝-3.179×10-7，αi5＝5.823×10-9，αi6＝-6.995×10-11，αi7＝4.814×10-13，αi8＝-1.431×10-15；
和/或，
当所述i等于4时，ci＝1/25.758，ki＝0，αi1＝-0.015，αi2＝5.744×10-4，αi3＝-1.297×10-5，αi4＝3.179×10-7，αi5＝-5.823×10-9，αi6＝6.995×10-11，αi7＝-4.814×10-13，αi8＝1.431×10-15；
和/或，
当所述i等于5时，ci＝1/8.741，ki＝0，αi1＝0.021，αi2＝-1.749×10-4，αi3＝3.806×10-6，αi4＝2.975×10-8，αi5＝-8.241×10-9，αi6＝2.362×10-10，αi7＝-4.347×10-10，αi8＝3.203×10-14；
和/或，
当所述i等于6时，ci＝1/8.382，ki＝0，αi1＝0.013，αi2＝4.081×10-4，αi3＝8.886×10-6，αi4＝-8.748×10-7，αi5＝4.471×10-8，αi6＝-1.874×10-9，αi7＝3.313×10-11，αi8＝-1.905×10-13。
2.根据权利要求1所述的复合透镜，其特征在于，
所述第一透镜两侧的面型分别与所述第四透镜两侧的面型相同；
所述第二透镜两侧的面型分别与所述第三透镜两侧的面型相同。
3.根据权利要求2所述的复合透镜，其特征在于，
所述第一透镜的厚度与所述第四透镜的厚度相同，所述第二透镜的厚度与所述第三透镜的厚度相同；
所述第一透镜与所述第二透镜相对两侧面中心之间的距离等于所述第三透镜与所述第四透镜相对两侧面中心之间的距离。
4.根据权利要求1所述的复合透镜，其特征在于，
所述第一透镜与所述第四透镜的材质为相同类型的第一模压玻璃，所述第二透镜与所述第三透镜的材质为相同类型的第二模压玻璃，且所述第一模压玻璃与所述第二模压玻璃的类型不同。
5.一种光谱仪，其特征在于，包括：光栅和两个权利要求1至4中任一所述的复合透镜；
两个所述复合透镜中第一复合透镜包括的所述第一透镜与所述光栅的入射面相对；
两个所述复合透镜中第二复合透镜包括的所述第一透镜与所述光栅的出射面相对；
所述第一复合透镜，用于对入射的光进行准直，并将准直后的光投射到所述光栅上；
所述光栅，用于使来自所述第一复合透镜的光发生衍射，并将发生衍射后的光投射到所述第二复合透镜上；
所述第二复合透镜，用于将接收到的光进行汇聚，并将汇聚后的光射出。
6.根据权利要求5所述的光谱仪，其特征在于，进一步包括：滤光片和光阑；
所述滤光片位于所述第一复合透镜与所述光栅之间，所述光阑位于所述第二复合透镜与所述光栅之间；
所述滤光片，用于限制所述光栅接收到来自所述第一复合透镜的光的波长范围，使所述光栅接收到的光的波长范围为不小于800nm且不大于1000nm；
所述光阑，用于限制所述第二复合透镜接收到来自所述光栅的光束的数量，使所述第二复合透镜所射出光在像面上的分辨率达到预先设定的目标值；
和/或，
所述光谱仪的数值孔径不小于0.2且不大于0.3。
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