CN112219148B - 光学系统、以及包括该光学系统的成像装置和成像系统 - Google Patents

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Abstract

光学系统包括在从物侧朝向像侧的方向上依次布置的前组、遮光构件和后组。遮光构件设置有在第一方向上伸长的开口。前组具有非球面，前组在与第一方向平行的第一截面中在开口处不对物体成像，并且在与第一方向垂直的第二截面中在开口处形成物体的中间图像。后组具有衍射面，该衍射面在第二截面中将穿过开口的光束分离成不同波长的光束，并且在第二截面中将光束聚焦在不同位置上。第二截面中的非球面的倾斜角度在第一方向上改变。

Description

光学系统、以及包括该光学系统的成像装置和成像系统
技术领域
本发明涉及在成像装置中使用的光学系统，该光学系统将来自物体的光束分离并且获得图像信息，并适合于诸如制造业、农业和医疗业之类的工业领域中的检查和评估。
背景技术
已知的光学系统将来自测试物体(物体)的光束分离成不同波长的光束，并且将光束聚焦在不同的位置上。PTL 1公开了一种光学系统，该光学系统通过使用柱面镜将来自物体的光束聚焦到在一个方向上伸长的狭缝处，随后通过使用衍射光栅将光束分离。
引用列表
专利文献
PTL 1：美国专利No.7199877
发明内容
为了增大沿着狭缝的纵向方向的截面中的PTL 1中公开的光学系统的视角，可以认为柱面镜在该截面中具有曲率(焦度)。
然而，如果柱面镜在沿着狭缝的纵向方向的截面中具有曲率，那么由柱面镜反射的光束的轨迹在狭缝的横向方向上弯曲。由于这个原因，存在一部分的光束不穿过狭缝而是被反射的可能性。
本发明的目的是提供可以抑制光束的轨迹相对于狭缝弯曲的光学系统以及包括该光学系统的成像装置和成像系统。
为了实现以上目的，根据本发明的一方面的光学系统包括在从物侧朝向像侧的方向上依次布置的前组、遮光构件和后组。遮光构件设置有在第一方向上伸长的开口。前组具有非球面，前组在与第一方向平行的第一截面中在开口处不对物体成像，并且在与第一方向垂直的第二截面中在开口处形成物体的中间图像。后组具有衍射面，该衍射面在第二截面中将穿过开口的光束分离成不同波长的光束，并且在第二截面中将光束聚焦在不同位置上。第二截面中的非球面的倾斜角度在第一方向上改变。
附图说明
图1示意性图示XY截面中的根据实施例的光学系统的主要部分。
图2示意性图示ZX截面中的根据实施例的光学系统的主要部分。
图3示意性图示根据实施例的衍射光学元件的主要部分。
图4示意性图示由于倾斜变化面而引起的效果。
图5图示根据实施例的倾斜变化面的倾斜量和倾斜的变化。
图6图示根据实施例的遮光构件的开口处的点列图(spot diagram)。
图7图示根据实施例的第二截面中的第一反射面和第二反射面的曲率半径。
图8图示根据实施例的第二截面中的第三反射面和第四反射面的曲率半径。
图9图示根据实施例的zx截面中的第四反射面的局部曲率。
图10图示根据实施例的不同波长处的光束的聚焦状态。
图11图示比较例中的不同波长处的光束的聚焦状态。
图12图示示例1中的光学系统的MTF。
图13示意性图示示例2中的光学系统的主要部分。
图14图示示例2中的光学系统的MTF。
图15示意性图示示例3中的光学系统的主要部分。
图16图示示例3中的光学系统的MTF。
图17示意性图示示例4中的光学系统的主要部分。
图18图示示例4中的光学系统的MTF。
图19图示示例5中的遮光构件的开口处的点列图。
图20示意性图示作为根据实施例的光学系统的使用例1的成像系统的主要部分。
图21示意性图示作为根据实施例的光学系统的使用例2的成像系统的主要部分。
具体实施方式
下文中，将参考附图来描述本发明的优选实施例。为了方便起见，以与实际比例不同的比例绘制附图。在附图中，类似的组件被类似的附图标记指定，并且省略重复的描述。
在下面的描述中，XYZ坐标系被定义为绝对坐标系，并且xyz坐标系被定义为针对每个光学表面的局部坐标系。在局部坐标系中，x轴是在每个光学表面的顶点(原点)处的法线方向上的轴(光轴)，y轴是在原点处与x轴垂直并与Y轴平行的轴，并且z轴是与x轴和y轴垂直的轴。Y方向和y方向也被称为第一方向(读出方向)，Z方向和z方向也被称为第二方向(光谱方向)，XY截面和xy截面也被称为第一截面(读出截面)，并且ZX截面和zx截面也被称为第二截面(光谱截面)。
图1和图2示意性图示了根据本发明的实施例的光学系统10的主要部分，图1图示了第一截面并且图2图示了第二截面。在图1和图2中，图示了沿着组件的光轴的截面中的形状。为了方便起见，图1在同一张纸上图示了组件。在图1和图2中，为了方便起见，省略了衍射面上的衍射光栅。根据本实施例，测试物体被部署在与YZ平面平行的物体表面上的Z＝0的位置附近，并且成像元件的光接收表面7被部署在光学系统10的成像表面上。用诸如阳光之类的白光(具有波长分量的光)照亮测试物体。
根据本实施例的光学系统10包括在从物侧到像侧的方向上依次布置的前组11、遮光构件(狭缝构件)4和后组12。光学系统10通过聚焦来自位于-X区域中的未图示的测试物体的光束而在光接收表面(成像表面)7上形成测试物体的图像。前组11具有孔径光阑1、第一反射面2和第二反射面3。后组12具有第三反射面(衍射面)5和第四反射面6。在光接收表面7的正前方有覆盖玻璃G，但是这被作为对成像没有贡献的材料来处理。
孔径光阑1是限制来自测试物体的光束在第二方向上的宽度的构件，并且被部署成使得其开口表面垂直于X方向。然而，孔径光阑1可以被设置在光学系统10外部。在光学系统10中，如图1和图2中图示的，光束的入射口(孔径光阑1)和出射口(光接收表面7)优选地位于彼此相对侧，使光学表面插入它们之间。这使得容易防止在成像装置中使用光学系统10时来自测试物体的光束被例如成像元件或布线遮挡。
遮光构件4设置有在第一方向上伸长的开口(狭缝)。遮光构件4限制光学系统10在第二截面中的视角以遮挡杂散光，并且用作限制光束在第一方向上的宽度的孔径光阑。遮光构件4的开口的宽度取决于所需的光量和分辨率来确定。遮光构件4的开口在第二方向上的宽度小于在第一方向上的宽度(几mm)，并且优选地为几μm至几百μm。关于遮光构件4的开口在第二方向上的宽度，当开口太厚时，光接收表面7的分辨率减小，并且当开口太薄时，有助于成像的有效光束有可能被遮挡。因此，宽度更优选地不小于10μm且不大于0.2mm。
孔径光阑1和遮光构件4的除了开口之外的区域与遮光表面对应，至少在光学系统10中使用的波长带(经设计的波长带)中的光不通过该遮光表面。具有孔的金属板或其上沉积有铬的玻璃板可以被用作孔径光阑1或遮光构件4。遮光构件4的使用使得光学系统10能够以在第一方向上伸长的线的形式形成读出区域(测试区域)的图像。
第一反射面2、第二反射面3和第四反射面6是通过在具有自由形式的表面形状的基底表面上形成反射涂层而获得的反射面。每个反射面的基底表面是通过对由玻璃、树脂或金属构成的块材料进行处理(诸如，切割、抛光或用模具模制)形成的。反射涂层优选地具有光谱反射性质，该光谱反射性质在使用的波长带处实现足够的能量效率(光使用效率)。在基底表面在使用的波长带处具有足够的反射率的情况下，可以省略反射涂层。
根据本实施例，第一反射面2、第二反射面3和第四反射面6是非球面，并且具体地是在第一截面和第二截面之间具有不同的曲率度(焦度)的变形光学表面(变形反射面)。这使得能够在第一截面和第二截面中运用不同的光学效果。特别地，第一反射面2和第二反射面3是具有在第一方向上改变的第二截面中的倾斜角度(倾斜量)的倾斜变化面。因此，轴上主光线和最外侧离轴主光线进入遮光构件4的位置可以在第二方向上变得彼此较靠近，并且可以抑制光束在开口处弯曲(随后将详细描述)。本文描述的倾斜角度表示zx截面中的每个反射面的顶点处的法线相对于x轴(xy截面)的角度。
假设前组11具有至少一个倾斜变化面，第一反射面2或第二反射面3例如可以是并非是倾斜变化面的球面或变形反射面，或者它们中的任一个可以被去除。然而，为了容易地实现本发明的效果，第一反射面2和第二反射面3二者优选地为倾斜变化面。
假设后组12具有至少一个衍射面，并且衍射面5的基底表面例如是变形表面，第四反射面6可以是球面或者可以被去除。为了成功地校正由于衍射面5而引起的各个波长处的不同程度的彗形像差，后组12优选地除了衍射面5之外还具有光学表面，并且如本实施例中那样，变形光学表面优选地位于比衍射面5靠近图像的位置处。如果前组11具有衍射面5，那么仅特定波长的光束可以穿过遮光构件4的开口。因此，后组12需要具有衍射面5。
为了以光学表面分担焦度的方式抑制在光学系统10中出现像差，前组11和后组12的所有光学表面优选地是变形光学表面。前组11和后组12的结构不限于以上描述，并且这些组的光学表面的数量可以增大或减小。为了减小整个系统的尺寸和组件的数量，如在本实施例中那样，前组11和后组12优选地具有相应的两个反射面。
根据本实施例，通过使所有光学表面是反射面由此弯曲光路来减小光学系统10的尺寸，并且抑制色差的出现。为了在这种情况下减小光学系统10的尺寸，如图2中图示的，反射面优选地被定位成使得在前组11和后组12中光路自身交叉(具有字符“4”的形状)。棱镜或内部反射镜可以根据需要被用作具有反射面的反射构件。然而，为了如上所述抑制色差的出现，反射构件优选地是外部反射镜，使得反射面被暴露于空气。根据需要，该实施例可以被配置为使得至少一个光学表面可以是折射面(透射面)。
特别地，在后组12中，未图示的保持构件和布线被部署在遮光构件4和光接收表面7周围，并且难以确保用于部署折射光学元件的足够空间。即使确保了足够的空间，也需要部署折射光学元件以成功地校正色差，并且整个系统的尺寸增大。因此，至少后组12的所有光学表面优选地是反射面。此外，更优选的是，前组11的所有光学表面是反射面。
图3示意性图示了根据本实施例的具有衍射面5的衍射光学元件(反射光学元件)50的主要部分，并且图示了透视图和前视图(在+x方向上观察的图)。衍射面5具有基底表面51以及部署在基底表面51上的衍射光栅52。为了方便起见，图3图示了衍射光栅52的放大部分。
衍射面5的基底表面51如其它反射面中那样具有自由形式的表面形状。衍射光栅52包括以亚微米至微米的数量级的节距布置的光栅(突起)，并且光栅的高度为亚微米至微米的数量级。衍射光栅52可以是其zx截面具有阶梯形状、不平坦矩形形状、火焰(blaze)形状或SIN波形的衍射光栅。考虑到所需的衍射效率和制造的容易性来选择衍射光栅52的形状。
根据本实施例，因为火焰形状使得能够相对容易地实现衍射效率的提高和制造的容易性两者，所以使用火焰形状。关于具有火焰形状的衍射光栅，在x方向上距基底表面51最远的部分被称为光栅顶点，反射(衍射)入射光的部分被称为火焰表面(光栅表面)，并且与火焰表面相邻且对衍射没有贡献的部分被称为光栅壁表面。关于根据本实施例的衍射面5，火焰表面面对光接收表面7(图像)，并且光栅壁表面面对物体。因此，短波长的光束在图2的+Z区域中进入光接收表面7，并且长波长的光束在-Z区域中进入光接收表面7。
基底表面51以与上述其它反射面相同的方式形成。可以通过切割或抛光处理基底表面51来形成衍射光栅52。然而，衍射光栅52可以在形成基底表面51的同时形成。例如，可以按以下方式制造具有衍射光栅52的衍射光学元件50：在模具的镜面部分的表面上形成微小的不规则结构，并且通过使用模具执行模制。可以在每个衍射光栅52的表面上形成反射涂层以提高衍射效率。
如图3中图示的，衍射光栅52优选地被形成为使得与zx截面中的光栅的顶点对应的脊线彼此平行。衍射光栅52的脊线之间的距离更优选地是恒定的。这使得容易通过切割或抛光来处理基底表面51。如有必要，该实施例可以被配置为使得脊线之间的距离不是恒定的。例如，为了实现光学系统10中的高度的像差校正，可以在z方向上改变脊线之间的距离。
优选的是，衍射面5的基底表面51如其它反射面中那样是非球面，并且具体是在xy截面和zx截面中具有不同曲率度的变形表面。这使得能够与其它变形光学表面一起分担焦度，并且像差容易被校正。根据本实施例，衍射面5的基底表面51是变形表面。然而，基底表面51可以是平坦表面或球面，以考虑到衍射光栅52的制造的容易性是重要的。
将参考图1和图2描述光学系统10的效果。
从测试物体发射的光束穿过孔径光阑1的开口，随后从第一反射面2和第二反射面3反射，并到达遮光构件4。此时，前组11在第一截面(XY截面)中在遮光构件4的开口处不对测试物体成像，而是在第二截面(ZX截面)中在遮光构件4的开口处形成测试物体的中间图像。即，在前组11中，在第一截面中焦点位置与物体表面不一致。因此，以在第一方向上伸长的线的形式的中间图像(线图像)形成在遮光构件4的开口处。本文描述的“在开口处”的含义不限于开口的精确位置，而是包括开口附近并且在光轴上略微远离开口的位置(大致在开口处)。
穿过遮光构件4的开口的光束在第二截面中通过使用衍射面5被分离成不同波长的光束。此时，因为衍射面5上的衍射光栅包括在z方向上布置的光栅(脊线)，所以进入衍射面5的光束仅在z方向上经受光谱效应，而在y方向上不经受光谱效应。来自衍射面5的光束从第四反射面6反射，并且进入位于成像表面上的光接收表面7。此时，不同波长的光束在第二截面中被聚焦在光接收表面7上的不同位置上。即，根据本实施例的光学系统10使得能够在光接收表面7上形成各个波长的图像，并且光接收表面7使得能够获得各个波长的图像信息。
因此，根据本实施例的光学系统10在沿着读出方向的第一截面中和沿着光谱方向的第二截面中运用不同的光学效果。具体地，在第一截面中，测试物体没有在遮光构件4的开口处被成像一次，而是在光接收表面7上被成像，并且在第二截面中，测试物体在遮光构件4的开口处被成像一次，并且被再次在光接收表面7上重新成像。即，在第一截面中，测试物体被成像一次，但是在第二截面中，测试物体被成像两次。
利用该结构，穿过遮光构件4的开口的光束(进入开口的光束)的会聚不限于在第一截面中，并且光学系统10的设计自由度可以增大。因此，可以通过前组11和后组12适当地分担焦度来在光接收表面7上对测试物体进行成像，并且各种像差被容易地校正。因此，可以增大视角(可以扩宽读出区域)并且成像的图像可以是精确的。
具体地，在前组11中，第一截面中的焦点位置与物体表面不一致，并且穿过遮光构件4的开口的光束可以是非平行光的光束。这使得第一截面中的视角能够容易地增大。如果穿过遮光构件4的开口的光束是平行光的光束，那么后组12需要包括大量光学元件以增大光学系统10的视角，并且整个系统的尺寸增大。根据本实施例，穿过遮光构件4的开口的光束是增大视角的发散光。根据需要，该实施例可以被配置为使得穿过遮光构件4的开口的光束是会聚光。
在测试物体也在第一截面中在遮光构件4的开口处被成像一次的情况下，前组11和后组12需要单独地校正像差。因此，光学表面的设计自由度减小，例如，各光学表面的焦度需要增大，并且难以增大光学系统10的视角。没有必要在第二截面中增大视角，并且可以通过在遮光构件4的开口处对测试物体成像一次来增大NA。
利用上述结构，前组11的焦度与后组12的焦度在第一截面和第二截面之间不同。对于该结构，前组11和后组12需要具有相应的变形光学表面。在这种情况下，优选的是，不仅在第二截面中而且在第一截面中，主动地向前组11的变形光学表面提供焦度(曲率的绝对值大于0)。在第一截面中，前组11的焦度的符号与后组12的焦度的符号更优选地彼此不同。
具体地，在第二截面中，前组11和后组12需要具有正焦度，以便测试物体在遮光构件4的开口处被成像一次，并且随后在光接收表面7上重新成像。然而，在第一截面中，没有必要在遮光构件4的开口处对测试物体成像一次。因此，为了进一步增大视角，前组11优选地具有负焦度，并且后组12优选地具有正焦度。因此，光学系统10在第一截面中是后聚焦型，整个系统的焦距减小，并且视角可以增大。然而，在测试物体被与光学系统10充分地分离的情况下，光学系统10可以是前组11具有正焦度并且后组12具有负焦度的望远光学系统。
将参考图2来描述通过使用衍射面5分离光束的情形。本文考虑了以下情况：从测试物体上的单个点发射的白色光束被分离成波长λ1[nm]、λ2[nm]和λ3[nm](λ2<λ1<λ3)的光束。关于光束，图2仅图示了主光线和边缘光线。
从测试物体发射的白色光束的主光线L1P以及边缘光线L1U和L1L在与孔径光阑1、第一反射面2和第二反射面3干涉之后在遮光构件4的开口处以线的形式形成中间图像。通过使用衍射面5将穿过遮光构件4的开口的主光线L2P以及边缘光线L2U和L2L分离成波长λ1的光线L3P、L3U和L3L、波长λ2的光线L4P、L4U和L4L以及波长λ3的光线L5P、L5U和L5L。波长λ1、波长λ2和波长λ3的光线被聚焦在光接收表面7上的第一位置73、第二位置74和第三位置75上。
现在，将详细描述第一反射面2和第二反射面3的效果和形状。
图4示意性图示了由于反射面的倾斜角度在第一方向上的变化而引起的效果。图4图示了来自轴上物点的光束的主光线(轴上主光线)501和来自最外侧离轴物点的光束的主光线(最外侧离轴主光线)502和503被从反射面反射并穿过遮光构件中的开口401的情形。在图4的上部部分中，图示了具有不改变的倾斜角度的反射面510。在图4的中间部分中，图示了通过改变平坦反射面的倾斜角度而获得的反射面520。在图4的下部部分中，图示了通过以与图4中的中间部分中的反射面520中相同的方式改变图4中的上部部分中的反射面510的倾斜角度而获得的反射面530。
如图4的上部部分中图示的，被从反射面510反射的光线的轴上主光线501在z方向上进入遮光构件的开口401的位置。最外侧离轴主光线502和503进入远离遮光构件的开口401达偏移量511的位置(遮光表面)。在反射面510不是如上的倾斜变化面的情况下，被从反射面510反射的主光线进入遮光构件的位置在轴上主光线和最外侧离轴主光线之间非常不同。因此，来自测试物体的光束的轨迹512在z方向上大大地弯曲，并且来自离轴物点的光束不能穿过开口401。
在反射面是平坦表面的情况下，被从平坦反射面反射的光束的轨迹在z方向上不弯曲，从轴上物点到最外侧离轴物点的区域中的光线穿过开口401。如图4的中间部分中图示的，来自测试物体的光束的轨迹522可以按zx截面中的平坦反射面的倾斜角度在y方向上被连续地改变的方式被有意地弯曲以便在z轴上弯曲。
如图4的下部部分中图示的，轴上主光线501进入遮光构件的位置以及最外侧离轴主光线502和503进入遮光构件的位置可以按反射面510的倾斜角度以与反射面520中相同的方式改变的方式在z方向上变得彼此较靠近。这使得最外侧离轴主光线502和503相对于开口401的偏移量511能够减小，并且使得光束的轨迹532能够与开口401的形状基本一致。因此，倾斜变化面的使用防止了一部分光束不能够穿过开口401并且被遮光构件遮挡。
根据本实施例，如上所述，第一反射面2和第二反射面3是倾斜变化面，并且轴上主光线和最外侧离轴主光线进入遮光构件4的开口的位置可以在第二方向上变得彼此较靠近。因此，抑制了光束在开口处弯曲，并且从轴上物点到最外侧离轴物点的区域中的光线可以穿过开口。因此，根据本实施例的光学系统10可以通过在第一截面中向反射面提供焦度来增大视角，并且可以抑制由于一部分光束被遮光构件4遮挡而导致的光学性能退化。
图5图示了根据本实施例的第一反射面2和第二反射面3的倾斜角度的变化。在图5中，实线的曲线图表示第一反射面2，并且虚线的曲线图表示第二反射面3。在图5的上部部分中，水平轴表示相对于每个反射面的局部坐标系的原点的y方向上的位置[mm]，并且垂直轴表示每个反射面的倾斜角度(倾斜量)[deg]。在图5的下部部分中，水平轴表示相对于每个反射面的局部坐标系的原点的y方向上的位置[mm]，并且垂直轴表示每个反射面的倾斜角度的变化(倾斜的变化)[deg/mm]。倾斜的变化与倾斜量的一阶导数相对应，并且被表达为dT/dy，其中，T是倾斜量。
如图5中的上部部分中图示的，第一反射面2和第二反射面3的倾斜量在y方向上改变，并且这些变化相对于z轴对称。在这种情况下，如图5的上部部分中图示的，为了制造的容易性和反射面的设计，每个反射面的倾斜量优选地单调地(连续地)改变。在每个反射面的倾斜量没有单调地改变的情况下，该反射面具有拐点，难以形成反射面，并且有可能在拐点附近出现波前像差。
如图5的下部部分中图示的，第一反射面2和第二反射面3的倾斜的变化对于同一物点彼此靠近。因此，倾斜变化面的来自同一物点的光束穿过的区域中的倾斜的变化变得彼此较靠近，并且可以成功地抑制来自同一物点的光束弯曲。具体地，优选地满足下述的条件表达式(1)，其中，|dT1/dy|和|dT2/dy|是第一反射面2和第二反射面3的来自同一物点的光束穿过的区域中的倾斜的变化。
1.00≤|dT1/dy|/|dT2/dy|≤1.50… (1)
如果条件表达式(1)超过上限，那么第一反射面2的倾斜的变化与第二反射面3的倾斜的变化之间的差异太大，难以成功地抑制来自同一物点的光束弯曲。关于条件表达式(1)，第一反射面2的倾斜的变化被假定为等于或大于第二反射面3的倾斜的变化(|dT1/dy|≥|dT2/dy|)。如果第一反射面2的倾斜的变化小于第二反射面3的倾斜的变化，那么可以读取第一反射面2的倾斜的变化为|dT2/dy|，并且第二反射面3的倾斜的变化为|dT1/dy|。
根据本实施例，第一反射面2的轴上位置处的倾斜量与每个最外侧离轴位置处的倾斜量之间的差异为1度，并且第二反射面3的轴上位置处的倾斜量与每个最外侧离轴位置处的倾斜量之间的差异为0.4度。第一反射面2和第二反射面3的来自每个最外侧离轴物点的光束穿过的区域中的倾斜的变化是0.26deg/mm和0.20deg/mm，满足|dT1/dy|/|dT2/dy|＝1.30，并且满足条件表达式(1)。更优选地满足下述的条件表达式(1a)。
1.00≤|dT1/dy|/|dT2/dy|≤1.35…(1a)
图6图示了根据本实施例的遮光构件4的开口处的来自物体高度的光束的分布(点列图)。在图6中，水平轴表示遮光构件4的开口处的z方向(横向方向)上的位置[mm]，垂直轴表示遮光构件4的开口处的y方向(纵向方向)上的位置[mm]，并且点表示遮光构件4的开口与光线之间的交点。
根据本实施例，遮光构件4的开口在y方向上的宽度为3.6mm，并且如图6中图示的，开口处的光束在y方向上延伸到3.6mm(±1.8)的范围。可以看出，如上所述使第一反射面2和第二反射面3是倾斜变化面由此充分抑制了光束的分布在z方向上的弯曲。在这种情况下，要理解的是，遮光构件4的开口在z方向上的宽度为0.05mm，这充分地大于光束的直径，并且光束在z方向上没有被遮光构件4遮挡，并且完全地穿过开口。
前组11具有倾斜变化面的根据本实施例的光学系统10可以抑制光束的轨迹在遮光构件4的开口处弯曲，并且甚至用简单的结构也可以实现良好的光学性能。
第一反射面2或第二反射面3或这二者优选地是次线(secondary-line)曲率变化面，每个次线曲率变化面具有第二截面中的曲率半径，其中第一方向上的轴上位置处的曲率半径与第一方向上的最外侧离轴位置处的曲率半径不同。这使得能够成功地校正遮光构件4的开口处的像场弯曲，并且防止每个光束的一部分被遮光构件4的遮光表面遮挡。通常，在光学系统的视角增大的情况下，通常强烈地产生像场弯曲，并且次线曲率变化面的使用使得容易增大视角。现在，将对此进行详细描述。
图7图示了在第二截面(zx截面)中的前组11的第一反射面2和第二反射面3的曲率半径。在图7中，水平轴表示相对于每个反射面的局部坐标系的原点的y方向上的位置[mm]，并且垂直轴表示第二截面中的每个反射面的曲率半径Rz[mm]。
如图7中图示的，根据本实施例的第一反射面2和第二反射面3是次线曲率变化面，每个次线曲率变化面具有第二截面中的曲率半径，其中第一方向上的轴上位置处的曲率半径与第一方向上的最外侧离轴位置处的曲率半径不同。这使得能够校正像场弯曲：在第二截面中，遮光构件4的开口中的轴上位置处的光束的焦点位置与最外侧离轴位置处的光束的焦点位置在光轴方向上偏移。例如，这防止在最外侧离轴位置处从第二反射面3反射的光束被聚焦在遮光构件4的开口的前面或后面，并且防止其部分被遮光构件4的遮光表面遮挡。
在这种情况下，如图7中图示的，第一反射面2和第二反射面3的曲率半径优选地从轴上位置朝向最外侧离轴位置改变。这使得在第一方向上的从轴上位置到最外侧离轴位置的整个区域内能够成功地校正第二截面中的像场弯曲。即，在从轴上位置到最外侧离轴位置的整个区域内的第二截面中的光束的焦点位置可以在遮光构件4的开口处被对准。在这种情况下，如图7中图示的，优选的是，每个反射面的曲率半径是单调地(连续地)变化的。如果每个反射面的曲率半径没有单调地改变，那么反射面具有变曲点，反射面难以形成，并且有可能在变曲点附近出现波前像差。
为了校正遮光构件4的开口处的像场弯曲，轴上位置处的曲率半径被与最外侧离轴位置中的至少一个处的曲率半径区分开。为了更成功地校正像场弯曲，如在本实施例中那样，轴上位置处的曲率半径优选地被与两个(两端的)最外侧离轴位置处的曲率半径区分开。在这种情况下，轴上位置处的曲率半径与最外侧离轴位置中的一个处的曲率半径之间的大小关系(变化方向)优选地和轴上位置处的曲率半径与其它最外侧离轴位置处的曲率半径之间的大小关系相同。即，两个最外侧离轴位置处的曲率半径优选地大于轴上位置处的曲率半径，或者两个最外侧离轴位置处的曲率半径优选地小于轴上位置处的曲率半径。
假设前组11具有至少一个次线曲率变化面，第一反射面2或第二反射面3例如可以是并非是次线曲率变化面的球面或变形光学表面，或者可以它们中的任一个可以被去除。特别地，在第二截面中具有最小曲率半径(最大焦度)的前组11的光学表面优选地为次线曲率变化面。根据本实施例，第二反射面3的曲率半径小于第一反射面2的曲率半径，并且当至少第二反射面3是次线曲率变化面时，可以容易地校正像场弯曲。然而，为了容易地获得本发明的效果，第一反射面2和第二反射面3二者优选地为次线曲率变化面。
在设置次线曲率变化面的情况下，优选地取决于每个反射面的曲率半径的大小来确定曲率半径的变化。根据本实施例，如图7中图示的，具有小曲率半径的第二反射面3的曲率半径的变化小于具有大曲率半径的第一反射面2的曲率半径的变化。在第二截面中，第一反射面2的曲率半径在从轴上位置朝向每个最外侧离轴位置的方向上减小，并且第二反射面3的曲率半径在从轴上位置朝向每个最外侧离轴位置的方向上增大。在第一方向上的从轴上位置到最外侧离轴位置的整个区域内，第二截面中的来自第二反射面3的光束的焦点位置可以与遮光构件4的开口中的位置基本一致。改变每个反射面的曲率半径的方法不限于根据本实施例描述的方法，并且优选地取决于整个光学系统的设计被确定。
如图7中那样，图8图示了第二截面中的后组12的第三反射面5和第四反射面6的基底表面的曲率半径。如图8中图示的，前组11和后组12具有次线曲率变化面，并且第二截面中的光接收表面7上的像场弯曲可以被校正。根据本实施例，如图8中图示的，第三反射面5和第四反射面6的曲率半径被改变以便在从轴上位置到每个最外侧离轴位置的方向上减小。
如图8中图示的，第三反射面5的基底表面的曲率半径在每个最外侧离轴位置附近增大，但该部分对成像没有贡献(非有效区域)。即，对成像有贡献的第三反射面5的基底表面的部分(有效区域)的曲率半径在从轴上位置到每个最外侧离轴位置的方向上单调地减小。如前组11中那样，改变每个反射面的曲率半径的方法不限于根据本实施例描述的方法，并且优选地取决于整个光学系统的设计被确定。
根据本实施例，如图8中图示的，轴上位置处的第三反射面5的基底表面的曲率半径被与最外侧离轴位置处的曲率半径区分开，并且由于轴上位置处的折射而引起的第三反射面5的焦度(折光力)被与最外侧离轴位置处的焦度区分开。由于轴上位置处的衍射而引起的第三反射面5的焦度(衍射焦度)优选地与最外侧离轴位置处的焦度相同。在轴上位置处的衍射焦度与最外侧离轴位置处的衍射焦度不同的情况下，轴上位置处的光谱性能与最外侧离轴位置处的光谱性能不同，并且存在没有获得良好的光谱信息(图像信息)的可能性。根据本实施例，如上所述，第三反射面5上的衍射光栅包括在z方向上布置的光栅(脊线)，并且因此轴上位置处的衍射焦度与最外侧离轴位置处的衍射焦度相同。然而，本文描述的“相同”的含义不仅包括精确地相同，而且包括基本相同。
在上述PTL 1中公开的光学系统中，光束相对于透镜的入射角度彼此不同，并且这导致在各个波长处的不同程度的彗形像差。为了校正在各个波长处的不同程度的彗形像差，需要使用大量的透镜，并且光学系统的结构复杂。因此，第四反射面6的形状被优选地设计为提供利用简单的结构校正在各个波长处的不同程度的彗形像差的光学系统。将对此进行详细描述。
图9图示了第二截面中的第四反射面6的局部曲率(非球面度)。在图9中，水平轴表示相对于第四反射面6的局部坐标系的原点的z方向上的位置[mm]，并且垂直轴表示第四反射面6的局部曲率1/Rz[1/mm]。Rz是第二截面中的第四反射面6的局部曲率半径。在图9中，实线、虚线和单点划线表示局部坐标系中的y＝0.0[mm]、y＝-6.0[mm]和y＝-10.0[mm]的位置处的曲线图。
如从图9中看到的，-z区域中的局部曲率1/Rz和+z区域中的局部曲率相对于光轴(x轴)不对称。具体地，-z区域中的局部曲率1/Rz大于+z区域中的局部曲率。局部曲率1/Rz相对于光轴在-z区域和+z区域之间以不同的方式变化(不对称地变化)。根据本实施例，-z区域中的局部曲率1/Rz随着位置靠近离轴位置而增大，并且+z区域中的局部曲率1/Rz随着位置靠近离轴位置而减小。随着位置远离y＝0[mm]的位置，局部曲率1/Rz增大。
图10图示了根据本实施例的沿着光轴的第二截面(y＝0[mm])中的光接收表面7上的不同波长的光束的聚焦状态。具体地，图10图示了波长λ1＝700nm、λ2＝400nm和λ3＝1000nm处的光束的主光线和边缘光线到达光接收表面7的光路。本实施例被设计为使得波长λ1＝700nm处的主光线进入第四反射面6的光轴(x轴)。在图10中，各波长处的光线的符号与图2中的符号相同，并且如图2中那样，省略了衍射面5上的衍射光栅的图示。
如图10中图示的，相对于光轴的第四反射面6的+z区域(即，与衍射面5的基底表面的顶点54的区域相同(附近的)区域)的曲率随着位置靠近离轴位置而减小。相对于光轴的第四反射面6的-z区域(即，与衍射面5的基底表面的顶点54相对(远离)的区域)的曲率随着位置靠近离轴位置而增大。因此，进入第四反射面6的+z区域的边缘光线L3L和进入第四反射面6的-z区域的边缘光线L3U被反射，以便接近主光线L3P。如从图10中看到的，对于所有波长处的光束，光接收表面7的彗形像差被成功地校正。
将研究仅改变光学系统10的第四反射面6的比较例，以描述根据本实施例的第四反射面6的效果。
比较例中的第四反射面6是通过将表示第二截面中的根据本实施例的第四反射面6的形状的表达式中的一些非球面系数改变为零而获得的。具体地，随后描述的表达式(算术式2)中的非球面系数M01、M21、M41、M03、M23、M43、M05、M25和M45的值为零。根据本实施例，M01、M05、M25和M45的值也为零。这些非球面系数与第四反射面6相对于光轴的对称性相关。即，与本实施例不同，比较例中的第四反射面6的局部曲率1/Rz相对于光轴对称。
如图10中那样，图11图示了比较例中的沿着光轴的第二截面中的光接收表面7上的不同波长的光束的聚焦状态。具体地，图11图示了波长λ1＝700nm、λ2＝400nm和λ3＝1000nm处的光束的主光线和边缘光线到达光接收表面7的光路。在比较例中，如图11中图示的，光接收表面7上的各波长处的主光线和边缘光线的聚焦位置不一致，并且彗形像差没有被成功地校正。
根据本实施例，在第二截面中，位于比衍射面5靠近图像的位置处的变形光学表面因此具有以下形状：相对于光轴的区域中的曲率随着位置靠近离轴位置而减小，并且相对于光轴的另一区域中的曲率随着位置靠近离轴位置而增大。这使得各波长处的光束的边缘光线能够被聚焦，使得边缘光线接近主光线，并且各个波长处的不同程度的彗形像差可以被成功地校正。
具体地，根据本实施例，第四反射面6被形成为使得相对于光轴的与衍射面5的基底表面的顶点相同的区域中的曲率随着位置靠近离轴位置而减小，并且相对于光轴的与衍射面5的基底表面的顶点相对的区域中的曲率随着位置靠近离轴位置而增大。可以取决于衍射面5和第四反射面6偏转光束的方向(光学表面的方向)来改变使第四反射面6相对于光轴的两个区域中的曲率改变的方法，使得获得与根据本实施例的关系相反的关系。然而，减小整个系统的尺寸的有利结构是：在第二截面中，从遮光构件4延伸到衍射面5的光路与从第四反射面6延伸到光接收表面7的光路相交，并且根据本实施例的结构是优选的。
现在，将描述根据本实施例的光学系统10的F值。如根据本实施例的光学系统10中那样，关于其光学性能在第一截面和第二截面之间不同的光学系统，优选的是每个截面中的F值被适当地设定。具体地，第一截面中的针对图像的光学系统10的F值优选地与第二截面中的F值不同。
通常，通过增大针对图像的光学系统的F值，可以提高遮光构件4的开口处的成像性能，可以减小整个系统的尺寸，并且可以增大景深。然而，光接收表面7处的光量减少，并且从成像元件输出的信号的SN比减小。为了减小整个光学系统10的尺寸、增大视角并确保光接收表面7处的足够的光量，优选地满足下述的条件表达式(2)，其中，F1是第一截面中的针对图像的F值并且F2是第二截面中的针对图像的F值。
1.00<F1/F2…(2)
条件表达式(2)表示第一截面中的针对图像的F值大于第二截面中的针对图像的F值。当条件表达式(2)被满足时，第一截面中的F值足够大(暗)，可以增大视角，并且可以成功地校正各种像差。第二截面中的F值足够小(亮)，可以确保光接收表面7处的足够的光量，并且可以提高分辨率。当条件表达式(2)小于下限时，难以在整个系统具有减小的尺寸的情况下增大第一截面中的视角并确保光接收表面7处的足够的光量，这不是优选的。
更优选地满足下述的条件表达式(2a)。当条件表达式(2a)超过上限时，第一截面中的针对图像的F值太大，并且对于光接收表面7上的像素难以确保足够的光量，这不是优选的。
1.00<F1/F2<4.50…(2a)
更优选地，依次满足下述的条件表达式(2b)和(2c)。
1.00<F1/F2<2.00…(2b)
1.03<F1/F2<1.50…(2c)
可以通过减小针对图像的光学系统的F值来增大光接收表面7处的光量，但这使得难以校正像差。由于这个原因，为了提高识别不同波长处的光束的能力(波长分辨率)并增大视角，需要增大光学元件的数量，并且整个系统的尺寸增大。为了在整个系统具有减小的尺寸的情况下确保高波长分辨率和光接收表面7处的足够的光量，优选地满足下述的条件表达式(3)。
1.00<F2/F1…(3)
条件表达式(3)表示第二截面中的针对图像的F值大于第一截面中的针对图像的F值。当条件表达式(3)被满足时，第二截面中的F值足够大(暗)，并且可以实现高波长分辨率。第一截面中的F值足够小(亮)，可以确保光接收表面7处的足够的光量。当条件表达式(3)小于下限时，难以在整个系统具有减小的尺寸的情况下确保第二截面中的高波长分辨率以及光接收表面7处的足够的光量，这不是优选的。
更优选地满足下述的条件表达式(3a)。当条件表达式(3a)超过上限时，第二截面中的针对图像的F值太大，并且存在遮光构件4的开口处的光束超过衍射限制的可能性。在这种情况下，穿过遮光构件4的开口的光束在第二方向上的宽度增大，并且难以在光接收表面7处实现良好的成像性能，这不是优选的。
1.00<F2/F1<5.50…(3a)
优选地满足下述的条件表达式(3b)。
1.00<F2/F1<2.00…(3b)
可以取决于所需性能来决定光学系统10是满足上述的条件表达式(2)还是(3)。
现在，将详细地描述每个光学表面的焦度。
根据本实施例的光学系统10具有在第一截面中具有焦度的四个反射面，以增大第一截面中的视角并实现良好的光学性能。在这种情况下，在前组11中，第一截面中的第一反射面2的焦度的符号优选地与第二反射面3的焦度的符号相同。这抑制了来自每个物体高度的光束的一部分被遮光构件4的遮光表面遮挡。在该示例中，第一反射面2和第二反射面3在第一截面中是凸面并且具有负焦度。
具体地，在第一反射面2是凸面的情况下，来自离轴物体高度的光线(离轴光线)在比来自轴上物体高度的光线(轴上光线)反射的位置靠近图像的位置处被反射。因此，第一反射面2上的离轴光线的反射点位于比图2中图示的轴上光线的反射点更靠近-Z区域。在这种情况下，如果第二反射面3是平坦面或凹面，那么离轴光线在比轴上光线靠近+X区域的位置处被反射。在这种情况下，轴上光线进入遮光构件4的位置相对于轴上光线进入遮光构件4的位置在第二方向上偏移，并且存在离轴光线的一部分没有穿过开口的可能性。
然而，根据本实施例，如第一反射面2那样，第二反射面3是凸面，并且第二反射面3上的离轴光线的反射点位于比轴上光线的反射点更靠近图像(-X区域)。即，可以通过第二反射面3消除由于第一反射面2而引起的轴上光线与离轴光线的反射点之间的位置偏移。这使得轴上光线和离轴光线在第二方向上的聚焦位置能够变得彼此靠近并且使得来自物体高度的所有光线能够穿过遮光构件4的开口。对于第一反射面2和第二反射面3为凹面的情况，同样如此。
第二反射面3比第一反射面2靠近遮光构件4，并且第二反射面3上的轴上光线与离轴光线的反射点之间的距离比第一反射面2上的轴上光线与离轴光线的反射点之间的距离短。因此，在第一截面中第二反射面3的焦度远小于第一反射面2的焦度不是优选的。鉴于此，优选地满足下述的条件表达式(4)，其中，第一截面中的第一反射面2的焦度和第二反射面3的焦度为φ1m和φ2m。
0.90<φ2m/φ1m…(4)
条件表达式(4)表示第一截面中的第二反射面3的焦度等于或大于第一反射面2的焦度。当条件表达式(4)被满足时，如上所述，可以成功地校正轴上光线与离轴光线之间的位置偏移。
优选地，依次满足下述的条件表达式(4a)和(4b)。当条件表达式(4a)和(4b)超过上限时，第一截面中的第二反射面3的焦度太大，并且存在难以成功地校正像差的可能性。另外，存在难以通过定位第一截面中的前组11中的主平坦表面使得主平坦表面面对物体来增大视角的可能性。
0.90<φ2m/φ1m<15…(4a)
0.92<φ2m/φ1m<10…(4b)
由于相同的原因，在后组12中，第一截面中的第三反射面5的焦度的符号优选地与第四反射面6的焦度的符号相同。这抑制了穿过遮光构件4的开口的光束在光接收表面7上的聚焦位置在第二方向上偏移。在该示例中，第三反射面5和第四反射面6在第一截面中是凸面并且具有正焦度。在这种情况下，优选地满足下述的条件表达式(5)，并且优选地依次满足条件表达式(5a)和(5b)，其中，第一截面中的第三反射面5的焦度和第四反射面6的焦度为φ3m和φ4m。
1.0<φ3m/φ4m…(5)
1.0<φ3m/φ4m<15…(5a)
1.5<φ3m/φ4m<8.0…(5b)
特别地在如上所述反射面被定位成使得前组11和后组12中光路彼此相交的情况下，实现了使前组11和后组12的每个反射面的焦度的符号相同而导致的效果。在前组11和后组12中光路彼此不相交的情况下，例如，在每个光路具有Z形的情况下，根据需要，前组11和后组12的每个反射面的焦度的符号可以被配置为彼此不同。
为了减小光学系统10的尺寸和成本，优选地尽可能地减小光学系统10中包括的光学元件的数量。根据本实施例，在第一截面中具有焦度的反射面仅与第一反射面2、第二反射面3、第三反射面5和第四反射面6对应。即，在第一截面中，在前组11中的反射面当中仅第一反射面2和第二反射面3具有焦度，并且在后组12中的反射面当中仅第三反射面5和第四反射面6具有焦度。光学系统10具有最少数量的反射面以实现良好的光学性能，并且因此可以减小整个系统的尺寸。
根据本实施例，在第一截面中，使第一反射面2和第二反射面3具有负焦度由此前组11具有负焦度，并且使第三反射面5和第四反射面6具有正焦度由此后组12具有正焦度。因此，如上所述，光学系统10在第一截面中是后聚焦型，并且可以增大视角。
优选地满足下述的条件表达式(6)，其中，第二截面中的第一反射面2的焦度和第二反射面3的焦度为φ1s和φ2s。
φ1s/φ2s<1.0…(6)
条件表达式(6)表示第二截面中的第二反射面3的焦度大于第一反射面2的焦度。当条件表达式(6)被满足时，在第二截面中具有增大的焦度的第二反射面3可以靠近位于中间成像位置处的遮光构件4。这使得容易减小前组11的倍率以获得缩小系统并且使得能够增大景深。当条件表达式(6)超过上限时，部署成靠近物体的第一反射面2具有增大的焦度，并且前组11难以成为缩小系统。
更优选地满足下述的条件表达式(6a)。当条件表达式(6a)小于下限时，第二截面中的第二反射面3的焦度太大，难以成功地校正像差，并且存在每个光束的一部分不能穿过遮光构件4的开口的可能性。
0.0<φ1s/φ2s<1.0…(6a)
优选地满足下述的条件表达式(7)，其中，第二截面中的第三反射面5的焦度和第四反射面6的焦度为φ3s和φ4s。
1.0<φ3s/φ4s…(7)
取决于遮光构件4的开口在第二方向上的宽度来确定形成在光接收表面7上的图像在第二方向上的宽度。在这种情况下，波长分辨率(光谱性能)随着形成在光接收表面7上的图像的宽度增大而减小，这不是优选的。因此，后组12优选地是缩小系统，并且其倍率优选地减小。当条件表达式(7)被满足时，后组12容易成为缩小系统。
更优选地，依次满足下述的条件表达式(7a)和(7b)。当条件表达式(7a)和(7b)小于下限值时，在第二截面中进入第四反射面6的光束的宽度太大，并且第四反射面6的焦度太大，并且难以适当地控制光接收表面7上的各波长处的光束的聚焦位置。当条件表达式(7a)和(7b)超过上限时，在第二截面中，第四反射面6与平坦表面类似，其焦度太小，并且难以减小各波长处的光束的光路之间的差异。换句话说，难以抑制各波长处的光束的聚焦位置在光轴的方向上偏移。
1.5<φ3s/φ4s<8.0…(7a)
2.0<φ3s/φ4s<5.0…(7b)
根据本实施例，作为衍射面的第三反射面5的基底表面是变形表面，诸如绕光轴的旋转之类的第三反射面5的未对准的出现导致像散的出现和景深的减小。当光束进入第三反射面5时，在后组12中光束最宽，并且第三反射面5的未对准的影响是显著的。鉴于此，优选地满足下述的条件表达式(8)。
0.5<φ3s/φ3m<2.0…(8)
条件表达式(8)表示第一截面中的第三反射面5的焦度与第二截面中的第三反射面5的焦度没有太大不同。当条件表达式(8)被满足时，可以抑制由于第三反射面5的未对准而引起的像散的出现，并且可以抑制景深的减小。当条件表达式(8)未被满足时，第一截面中的第三反射面5的焦度与第二截面中的第三反射面5的焦度之间的差异太大，并且难以减小第三反射面5的未对准的影响。
更优选地，依次满足下述的条件表达式(8a)和(8b)。
0.6<φ3s/φ3m<1.8…(8a)
0.8<φ3s/φ3m<1.3…(8b)
第四反射面6优选地在第二截面中具有正焦度。如图2中图示的，从第三反射面5到光接收表面7的光线L4P和L5P的光路的长度比从第三反射面5到光接收表面7的光线L3P的光路的长度长。在这种情况下，第四反射面6在第二截面中是凹面，这使得能够容易地减小来自第三反射面5的各波长处的光束的光路之间的差异。
示例1
将描述本发明的示例1中的光学系统10。本示例中的光学系统10具有与根据上述实施例的光学系统10的结构相同的结构。
在本示例中，从测试物体到孔径光阑1的距离(物体距离)为300mm，读出区域在第一方向上的宽度为300mm，并且第一截面中的视角为±24.17°。在本示例中，使用的波长带为400nm至1000nm，并且光接收表面7上的光束的成像区域(入射区域)在第二方向上的宽度为2.7mm。
在本示例中，第一截面中的前组11和后组12的组合焦距为-16.27mm和28.30mm，并且第二截面中的前组11和后组12的组合焦距为19.99mm和25.76mm。关于本示例中的光学系统10，第二截面中的中间使得成像性能够得以提高，并且第一截面中的后聚焦类型使得视角能够增大(读出区域变宽)。
现在，将描述本示例中的光学系统10的光学表面的形状的表达式。光学表面的形状的表达式不限于以下描述，并且可以根据需要通过使用其它表达式来设计光学表面。
在本示例中，第一截面中的第一反射面2、第二反射面3、第三反射面(衍射面)5和第四反射面6的基底表面的形状(主线(primary-line)形状)在其局部坐标系中被表达为下面描述的表达式。
[算术式1]
Figure BDA0002812490840000241
Ry是xy截面中的曲率半径(主线曲率半径)，并且Ky、B2、B4和B6是xy截面中的非球面系数。根据需要，非球面系数B2、B4和B6可以被配置为在x轴上的两个区域(-y区域和+y区域)之间具有不同的值。这使得主线形状相对于x轴在y方向上能够是不对称的。在本示例中，使用了二次到六次的非球面系数，但也可以根据需要使用更高次的非球面系数。
在本示例中，y方向上的位置处的第二截面中的每个光学表面的基底表面的形状(次线形状)被表达为下述表达式。
[算术式2]
Figure BDA0002812490840000242
Kz和Mjk是zx截面中的非球面系数。r’是在y方向上的远离光轴的位置y处的zx截面中的曲率半径(次线曲率的半径)并且被表达为下述的表达式。
[算术式3]
Figure BDA0002812490840000243
r是光轴上的次线曲率半径，并且E2和E4是次线变化系数。在表达式(算术式3)中，当满足r＝0时，表达式(算术式2)的右手侧的第一项为零。根据需要，次线变化系数E2和E4可以被配置为在-y区域和+y区域之间具有不同的值。这使得次线形状的非球面度能够在y方向上不对称。表达式(算术式3)仅包括偶数项，但是可以根据需要被使得包括奇数项。可以根据需要使用高次的次线变化系数。
表达式(算术式2)中的z的一次项对zx截面中的每个光学表面的倾斜量(次线倾斜量)有贡献。因此，Mjk在-y区域和+y区域之间具有不同的数值，因此次线倾斜量可以在y方向上不对称地改变。可以通过使用奇数项来不对称地改变次线倾斜量。表达式(算术式2)中的z的二次项对每个光学表面的次线曲率半径有贡献。因此，通过仅使用表达式(算术式2)中的z的二次项而非表达式(算术式3)向光学表面提供次线曲率半径，以简化光学表面的设计。
衍射面5上的衍射光栅的形状不受特别限制，前提是形状是由基于已知的衍射光学理论的相位函数表达的。在本示例中，衍射面5上的衍射光栅的形状被定义为下述的相位函数φ，其中，λ[mm]是基波波长(设计的波长)，并且C1是zx截面中的相位系数。然而，根据本实施例，衍射光栅的衍射级为1。
φ＝(2π/λ)×(C1×z)
本文描述的基波波长是指用于确定每个衍射光栅的高度的波长，并且是基于例如对测试物体的照明光的光谱性质、除了衍射面5之外的每个反射面的光谱反射率、包括光接收表面7的每个成像元件的光谱光接收灵敏度和所需的衍射效率来确定的。即，基波波长与在用光接收表面7进行检测期间被认为是重要的波长相对应。在本示例中，基波波长λ为542nm，并且可以主要地观察使用的波长带中的可见区域。然而，基波波长可以为例如约850nm，使得主要地观察近红外区域，或者基波波长可以为约700nm，使得可以以好的平衡方式观察从可见区域到近红外区域的区域。
表1图示了本示例中的光学系统10的每个光学表面的顶点的位置、顶点处的法线方向以及每个截面中的曲率半径。在表1中，每个光学表面的顶点的位置由绝对坐标系中的距原点的距离X、Y和Z[mm]表示，并且法线(x轴)的方向由沿着光轴的ZX截面中的相对于X轴的角度θ[deg]表示。d[mm]表示光学表面之间的距离(表面距离)，并且d'[mm]表示光学表面上的主光线的反射点之间的距离。Ry和Rz表示主光线的反射点处的XY截面中和ZX截面中的曲率半径。当每个反射面的曲率半径的值为正时，表示凹面，并且当值为负时，表示凸面。
[表1]
表1
X Y Z θ d d’ R<sub>y</sub> R<sub>z</sub>
孔径光阑 1 0.000 0.000 -1.700 0.00 15.458 15.473
第一反射面 2 15.458 0.000 -1.751 -157.83 9.802 9.797 -309.32 287.2587
第二反射面 3 8.530 0.000 -8.684 66.71 18.589 18.578 -38.6807 43.27758
遮光构件 4 8.924 0.000 9.900 90.00 49.797 49.794
第三反射面 5 10.058 0.000 59.684 -107.49 20.134 20.144 65.54156 57.12943
第四反射面 6 0.335 0.000 42.054 30.40 25.247 25.239 159.9746 154.6239
覆盖玻璃 G 25.582 0.000 41.900 0.00 0.600 0.600
光接收表面 7 26.182 0.000 41.900 0.00
表2表示本示例中的光学系统10的每个光学表面的形状。
[表2]
表2
Figure BDA0002812490840000261
Figure BDA0002812490840000271
表3图示了当满足条件表达式(2)时(示例1a)在y方向和z方向上的孔径光阑1的开口、遮光构件4的开口和光接收表面7的直径[mm]。表4图示了当满足条件表达式(3)时(示例1b)在y方向和z方向上的孔径光阑1的开口、遮光构件4的开口和光接收表面7的直径[mm]。在本示例中，孔径光阑1的开口、遮光构件4的开口和光接收表面7是矩形的。
[表3]
表3
孔径光阑 遮光构件 光接收表面
直径(y) 35.2 3.6 7.2
直径(z) 3.6 0.05 5.4
[表4]
表4
孔径光阑 遮光构件 光接收表面
直径(y) 35.2 3.6 7.2
直径(z) 3.0 0.05 5.4
图12图示了本示例中的光学系统10的MTF(调制传递函数)。图12图示了当读出区域中的物体高度[mm]满足Y＝0、30、60、90、120或150时波长为700nm(frq1)、400nm(frq2)和1000nm(frq3)的MTF。如图12中图示的，各波长处的包括光接收表面7的每个成像元件的空间频率[数量/mm]为27.8、41.7和55.6。如从图12中看到的，在整个读出区域内成功地校正了像差，并且充分确保了焦深。
示例2
现在，将描述本发明的示例2中的光学系统10。省略了与上述示例1中的光学系统10的组件类似的本示例中的光学系统10的组件的描述。
图13示意性图示了第一截面和第二截面中的根据本发明的实施例的光学系统10的主要部分。在本示例中的光学系统10中，从孔径光阑1到光接收表面7的光路的长度比示例1中的光学系统10中的光路的长度短，并且整个系统的尺寸进一步减小。
在本示例中，从测试物体到孔径光阑1的距离为300mm，读出区域在第一方向上的宽度为300mm，并且第一截面中的视角为±24.46°。在本示例中，使用的波长带为400nm至1000nm，并且光接收表面7上的成像区域在第二方向上的宽度为2.7mm。在本示例中，第一截面中的前组11和后组12的组合焦距为-14.21mm和16.69mm，并且第二截面中的前组11和后组12的组合焦距为19.33mm和11.01mm。
如示例1中那样，表5图示了本示例中的光学系统10的每个光学表面的顶点的位置、顶点处的法线方向以及每个截面中的曲率半径，并且表6图示了每个光学表面的形状。表7图示了当满足条件表达式(2)时(示例2a)的孔径光阑1的开口、遮光构件4的开口和光接收表面7的直径，并且表4图示了当满足条件表达式(3)时(示例2b)的孔径光阑1的开口、遮光构件4的开口和光接收表面7的直径。
位置彼此不同的局部坐标系被定义为使得被表达为表达式(算术式1)的主线上的每个位置处的法线与x轴一致，并且第二截面中的第三反射面5的形状被表达为上述表达式(算术式2)。表5中的曲率半径Ry的值与表6中的值不同的原因在于，表5中的曲率半径的值考虑了第二截面中的倾斜角度。
[表5]
表5
X Y Z θ d d’ R<sub>y</sub> R<sub>z</sub>
孔径光阑 1 0.000 0.000 -1.700 0.00 15.096 15.449
第一反射面 2 15.000 0.000 0.000 -158.94 11.302 10.765 -63.9777 113.3358
第二反射面 3 5.990 0.000 -6.824 75.87 14.941 14.891 -68.3112 47.53759
遮光构件 4 7.855 0.000 8.000 90.00 14.228 14.365
第三反射面 5 10.067 0.000 22.055 -118.94 12.802 12.640 36.50615 21.0675
第四反射面 6 1.624 0.000 12.431 93.72 14.525 14.603 120.0635 98.14715
光接收表面 7 16.148 0.000 12.269 0.00
[表6]
表6
Figure BDA0002812490840000291
Figure BDA0002812490840000301
Figure BDA0002812490840000311
[表7]
表7
孔径光阑 遮光构件 光接收表面
直径(y) 31.6 2.0 7.2
直径(z) 3.6 0.08 5.4
[表8]
表8
孔径光阑 遮光构件 光接收表面
直径(y) 31.6 3.6 7.2
直径(z) 3.6 0.08 5.4
如图12中那样，图14图示了本示例中的光学系统10的MTF。如从图14中看到的，在整个读出区域内成功地校正了像差，并且充分确保了焦深。
示例3
现在将描述本发明的示例3中的光学系统10。省略了与上述示例1中的光学系统10的组件类似的本示例中的光学系统10的组件的描述。
图15示意性图示了第一截面和第二截面中的根据本发明的实施例的光学系统10的主要部分。用于光发射(图像)的本示例中的光学系统10的Fno的值比示例1中的光学系统10的值小(亮)。具体地，第一截面和第二截面中的用于光发射的示例1中的光学系统10的Fno的值为4.7和4.0，并且第一截面和第二截面中的用于光发射的本示例中的光学系统10的Fno的值为4.1和3.5。
在本示例中，从测试物体到孔径光阑1的距离为300mm，读出区域在第一方向上的宽度为300mm，并且第一截面中的视角为±24.44°。在本示例中，使用的波长带为400nm至1000nm，并且光接收表面7上的成像区域在第二方向上的宽度为2.64mm。在本示例中，第一截面中的前组11和后组12的组合焦距为-14.46mm和26.85mm，并且第二截面中的前组11和后组12的组合焦距为19.34mm和24.98mm。
如示例1中那样，表9图示了本示例中的光学系统10的每个光学表面的顶点的位置、顶点处的法线方向和每个截面中的曲率半径，并且表10图示了每个光学表面的形状。表11图示了当满足条件表达式(2)时(示例3a)的孔径光阑1的开口、遮光构件4的开口和光接收表面7的直径，并且表12图示了当满足条件表达式(3)时(示例3b)的孔径光阑1的开口、遮光构件4的开口和光接收表面7的直径。
[表9]
表9
X Y Z θ d d’ R<sub>y</sub> R<sub>z</sub>
孔径光阑 1 0.000 0.000 -1.700 0.00 15.449 15.449
第一反射面 2 15.448 0.000 -1.787 -166.40 10.765 10.765 -65.8139 113.3369
第二反射面 3 5.903 0.000 -6.763 55.02 14.961 14.961 -68.5038 47.58075
遮光构件 4 7.855 0.000 8.070 90.00 48.207 48.207
第三反射面 5 14.144 0.000 55.865 -115.58 22.076 22.077 64.09489 52.67938
第四反射面 6 0.295 0.000 38.674 20.44 21.609 21.609 103.114 156.1331
光接收表面 7 21.558 0.000 34.822 0.00
[表10]
表10
Figure BDA0002812490840000321
Figure BDA0002812490840000331
[表11]
表11
孔径光阑 遮光构件 光接收表面
直径(y) 31.6 3.6 7.2
直径(z) 3.6 0.05 5.4
[表12]
表12
孔径光阑 遮光构件 光接收表面
直径(y) 31.6 3.6 7.2
直径(z) 2.4 0.05 5.4
如图12中那样，图16图示了本示例中的光学系统10的MTF。如从图16中看到的，在整个读出区域内成功地校正了像差，并且充分确保了焦深。
示例4
现在，将描述本发明的示例4中的光学系统10。省略了与上述示例1中的光学系统10的组件类似的本示例中的光学系统10的组件的描述。
图17示意性图示了第一截面和第二截面中的根据本发明的实施例的光学系统10的主要部分。在本示例中的光学系统10中，从孔径光阑1到光接收表面7的光路的长度比示例1中的光学系统10中的光路的长度短，并且整个系统的尺寸进一步减小。
在本示例中，从测试物体到孔径光阑1的距离为300mm，读出区域在第一方向上的宽度为300mm，并且第一截面中的视角为±24.49°。在本示例中，使用的波长带为400nm至1000nm，并且光接收表面7上的成像区域在第二方向上的宽度为2.37mm。在本示例中，第一截面中的前组11和后组12的组合焦距为-13.23mm和16.78mm，并且第二截面中的前组11和后组12的组合焦距为17.53mm和11.25mm。
如示例1中那样，表13图示了本示例中的光学系统10的每个光学表面的顶点的位置、顶点处的法线方向和每个截面中的曲率半径，并且表14图示了每个光学表面的形状。表15图示了当满足条件表达式(2)时(示例4a)的孔径光阑1的开口、遮光构件4的开口和光接收表面7的直径，并且表16图示了当满足条件表达式(3)时(示例4b)的孔径光阑1的开口、遮光构件4的开口和光接收表面7的直径。表13中的曲率半径Ry的值与表14中的值不同的原因在于，表13中的曲率半径的值考虑了第二截面中的倾斜角度。
[表13]
表13
X Y Z θ d d’ R<sub>y</sub> R<sub>z</sub>
孔径光阑 1 0.000 0.000 -1.700 0.00 15.096 15.515
第一反射面 2 15.000 0.000 0.000 -158.94 11.790 11.068 -63.6062 822.035
第二反射面 3 5.986 0.000 -7.599 65.40 15.710 15.801 -61.0899 35.63555
遮光构件 4 7.855 0.000 8.000 90.00 14.184 14.339
第三反射面 5 9.793 0.000 22.051 -116.89 12.744 12.764 35.11489 21.34854
第四反射面 6 1.384 0.000 12.474 95.15 14.679 14.541 207.4402 82.28998
光接收表面 7 16.063 0.000 12.474 -0.01
[表14]
表14
Figure BDA0002812490840000351
Figure BDA0002812490840000361
[表15]
表15
孔径光阑 遮光构件 光接收表面
直径(y) 30.8 2.8 7.2
直径(z) 3.6 0.1 5.4
[表16]
表16
孔径光阑 遮光构件 光接收表面
直径(y) 30.8 3.6 7.2
直径(z) 3.6 0.1 5.4
在本示例中，第一反射面2、第二反射面3、第三反射面5和第四反射面6的次线形状被表达为下述的表达式而非上述的表达式(算术式3)。如示例2中那样定义主线上的位置彼此不同的局部坐标系，并且第三反射面5的次线形状被表达为上述的表达式(算术式2)。
r'＝r(1+E2y2+E4y4)
如图12中那样，图18图示了本示例中的光学系统10的MTF。如从图18中看到的，在整个读出区域内成功地校正了像差，并且充分确保了焦深。
示例5
现在，将描述本发明的示例5中的光学系统10。本示例中的光学系统10与示例1中的光学系统10的不同之处在于，第一反射面2的倾斜角度在第一方向上没有改变。省略了对与上述示例1中的光学系统10的组件类似的本示例中的光学系统10的组件的描述。
在本示例中，第一截面中的前组11和后组12的组合焦距是-17.01mm和28.56mm，并且第二截面中的前组11和后组12的组合焦距是19.31mm和25.91mm。
在本示例中，关于第一反射面2，通过将上述表达式(算术式2)中的z的相对于一次项的非球面系数M01、M21和M41设定为零来防止倾斜角度改变。这使得第一反射面2的形状能够简单并且促进制造。特别地，在通过模制形成第一反射面2的情况下，模具的处理难度减小，并且处理所需的时间可以大大减少。
如示例1中那样，表17图示了本示例中的光学系统10的每个光学表面的顶点的位置、顶点处的法线方向以及每个截面中的曲率半径，并且表18图示了每个光学表面的形状。
[表17]
表17
X Y Z θ d d’ R<sub>y</sub> R<sub>z</sub>
孔径光阑 1 0.000 0.000 -1.700 0.00 15.579 15.473
第一反射面 2 15.576 0.000 -1.426 -157.68 10.231 9.797 -199.048 298.6913
第二反射面 3 8.529 0.000 -8.843 66.72 17.748 18.578 -45.0869 41.44653
遮光构件 4 8.963 0.000 8.900 90.00 50.885 49.794
第三反射面 5 9.984 0.000 59.774 -107.31 20.171 20.144 65.52191 57.27334
第四反射面 6 0.264 0.000 42.100 30.50 25.337 25.239 171.3464 161.5763
覆盖玻璃 G 25.600 0.000 41.900 0.00 0.600 0.600
光接收表面 7 26.200 0.000 41.900 0.00
[表18]
表18
Figure BDA0002812490840000381
Figure BDA0002812490840000391
如图5中那样，图19图示了本示例中的遮光构件4的开口处的来自物体高度的光束的分布。如从图19中看到的，充分抑制了来自物体高度的光束的分布在z方向上弯曲。
表19图示了示例1a至4a中的每个中的光学系统10的第一截面中的针对图像的F值F1、第二截面中的针对图像的F值F2以及条件表达式(1)的值。如表19中图示的，在所有示例中满足条件表达式(1)。表20图示了示例1b至4b中的每个中的光学系统10的第一截面中的针对图像的F值F1、第二截面中的针对图像的F值F2以及条件表达式(2)的值。如表20中图示的，在所有示例中满足条件表达式(2)。
[表19]
表19
F1 F2 F1/F2
示例1a 4.70 4.00 1.18
示例2a 8.63 7.26 1.19
示例3a 4.06 3.47 1.17
示例4a 6.46 6.12 1.06
[表20]
表20
F1 F2 F2/F1
示例1b 4.70 4.73 1.01
示例2b 4.79 7.26 1.52
示例3b 4.06 5.31 1.31
示例4b 5.02 6.12 1.22
表21图示了每个示例中的上述条件表达式的值和反射面的焦度值。
[表21]
表21
示例1 示例2 示例3 示例4
φ1m -6.47E-03 -3.13E-02 -3.04E-02 -3.14E-02
φ2m -5.17E-02 -2.93E-02 -2.92E-02 -3.27E-02
φ2m/φ1m 8.00E+00 9.37E-01 9.61E-01 1.04E+00
φ3m 3.05E-02 5.48E-02 3.12E-02 5.70E-02
φ4m 1.25E-02 1.67E-02 1.94E-02 9.64E-03
φ3m/φ4m 2.44E+00 3.29E+00 1.61E+00 5.91E+00
φ1s 6.96E-03 1.76E-02 1.76E-02 2.43E-03
φ2s 4.62E-02 4.21E-02 4.20E-02 5.61E-02
φ1s/φ2s 1.51E-01 4.19E-01 4.20E-01 4.34E-02
φ3s 3.50E-02 9.49E-02 3.80E-02 9.37E-02
φ4s 1.29E-02 2.04E-02 1.28E-02 2.43E-02
φ3s/φ4s 2.71E+00 4.66E+00 2.96E+00 3.85E+00
φ3s/φ3m 1.15E+00 1.73E+00 1.22E+00 1.64E+00
[成像装置和成像系统]
现在，将描述作为根据上述实施例的光学系统10的使用例的成像装置(光谱读取器)和成像系统(光谱读取器系统)。
图20和图21示意性图示了根据本发明的实施例的成像系统100和200的主要部分。成像系统100和200包括成像装置101和201以及传送单元102和202，成像装置101和201包括接收由光学系统10形成的图像的成像元件，传送单元102和202改变成像装置与测试物体103和203的相对位置。每个成像系统优选地包括图像处理单元，该图像处理单元基于从成像元件获得的图像信息来生成图像。图像处理单元是诸如CPU之类的处理器，并且可以被部署在成像装置内部或外部。
成像装置101和201以在第一方向(Y方向)上伸长的线的形式对读出区域104和204成像一次，因此可以获得与波长相关的多条图像信息(一维图像)。每个成像装置优选地是可以获得与四种或更多种波长相关的图像信息的多光谱相机，该波长的数量大于典型相机的波长的数量。每个成像装置更优选地是可以获得与100种或更多种波长相关的图像信息的高光谱相机。
成像装置的成像元件可以是CCD(电荷耦合器件)传感器或CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器。除了可见光之外，成像元件还可以能够执行红外光(近红外光和远红外光)的光电转换。具体地，可以取决于使用的波长带来使用由InGaAs或InAsSb构成的成像元件。优选地，基于在读出方向上和光谱方向上获得的分辨率来确定每个成像元件的像素数量。
如图20中图示的，成像系统100的传送单元102在第二方向(Z方向)上移动测试物体103。传送单元102可以是例如带式传送机。如图21中图示的，成像系统200的传送单元202在第二方向上移动成像装置201。传送单元202可以是例如多用途直升机、飞机或人造卫星。传送单元202的使用使得不能由例如带式传送机传送的大测试物体和难以移动的测试物体能够在第二方向上的位置处被成像。
成像系统100和200可以以如下方式获得与第二方向上的位置相关的多条图像信息：在传送单元改变成像装置和测试物体的相对位置的同时，成像装置对读出区域依次成像。可以通过计算处理或者通过使用图像处理单元改变成像图像的布置来生成与特定波长相关的二维图像。为了通过使用图像信息来表示关于第一方向上的明暗的信息，可以基于关于第二方向上的特定位置处的各个波长的明暗的多条信息通过图像处理单元来生成光谱分布(光谱信息)。
传送单元可以移动成像装置和测试物体。传送单元可以能够调整成像装置和测试物体在光轴的方向(X方向)上的相对位置。可以被驱动的光学构件(聚焦构件)可以被部署在光学系统10的内部或外部，并且可以通过调整光学构件的位置允许测试物体被聚焦。
[检查方法和制造方法]
现在，将描述通过使用根据上述实施例的光学系统10的检查物体(测试物体)的方法和制造物品的方法。光学系统10适合于在诸如制造业、农业和医疗业之类的工业领域中的检查(评估)。
在根据本实施例的检查方法的第一步骤(成像步骤)中，通过使用光学系统10对物体成像，以获得关于物体的图像信息。此时，可以使用上述的成像装置和成像系统。即，可以通过在改变物体和成像装置的相对位置的同时对物体成像来获得关于整个物体的图像信息。也可以依次(连续地)获得多个物体的图像信息。在第一步骤中，可以获得与从光学系统10发射的光束的各个波长相关的多条图像信息。
在随后的第二步骤(检查步骤)中，基于在第一步骤中获得的图像信息来检查物体。此时，例如，用户(检查员)可以检查(确定)图像信息中的异物或损伤的存在或不存在，或者控制单元(图像处理单元)可以检测图像信息中的异物或损伤并通知用户。可以使用根据异物或损伤的存在或不存在的确定结果来控制随后描述的物品制造装置的控制单元。
在第二步骤中，可以基于通过使用各个波长的多条图像信息获得的物体的光谱分布来检查物体。可以通过使用由光学系统10获得的图像信息来检测待检查物体的特有光谱信息，因此可以识别物体的成分。例如，可以生成图像信息，使得图像处理单元针对每个光谱分布强调颜色，并且用户可以基于图像信息执行检查。
根据本实施例的检查方法可以被用于制造诸如食品、药品或化妆品之类的物品的方法。具体地，可以通过上述检查方法检查用于制造物品的材料(物体)，并且可以通过使用经检查的材料来制造物品。例如，如果在上述第二步骤中确定材料具有异物或损坏，那么用户(制造商)或制造装置可以从材料去除异物或者可以丢弃具有异物或损伤的材料。
上述检查方法可以被用于检查制造装置的故障。例如，可以基于关于制造装置的图像信息来确定故障的存在或不存在，并且响应于确定的结果，可以停止制造装置的操作，或者可以消除故障。
以上描述了本发明的优选实施例和示例。然而，本发明不限于这些实施例和示例，可以在其精神的范围内进行各种组合、修改和替换。
本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改和改变。因此，附上随附权利要求，以使本发明的范围公开。
本申请要求于2018年6月7日提交的日本专利申请No.2018-109858、No.2018-109857、No.2018-109859、No.2018-109860、No.2018-109861、No.2018-109862和No.2018-109863以及2019年3月11日提交的日本专利申请No.2019-044279的优先权，这些日本专利申请在此通过引用并入其全部内容。

Claims (19)

1.一种光学系统，包括：在从物侧朝向像侧的方向上依次布置的前组；遮光构件；以及后组，其中
所述遮光构件设置有在第一方向上伸长的开口，
所述前组具有非球面，所述前组在与第一方向平行的第一截面中在所述开口处不对物体成像，并且在与第一方向垂直的第二截面中在所述开口处形成所述物体的中间图像，
所述后组具有衍射面，所述衍射面在第二截面中将穿过所述开口的光束分离成不同波长的光束，并且在第二截面中将所述光束聚焦在不同位置上，并且
第二截面中的所述非球面的倾斜角度在第一方向上改变。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第二截面中的所述非球面的倾斜角度改变，使得轴上主光线和最外侧离轴主光线进入所述遮光构件的位置在与第一方向垂直的第二方向上变得彼此较靠近。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，第二截面中的所述非球面的倾斜角度在第一方向上单调地变化。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述前组具有第一非球面和第二非球面，所述第一非球面和第二非球面具有第二截面中的倾斜角度，所述倾斜角度在第一方向上改变。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中，以下条件被满足：
1.00≤|dT1/dy|/|dT2/dy|≤1.50，
其中，|dT1/dy|和|dT2/dy|指示第一非球面和第二非球面的来自单个物点的光束穿过的区域中的倾斜的变化，T1指示第一非球面的倾斜角度，T2指示第二非球面的倾斜角度，以及y指示相对于第一非球面和第二非球面中的每个的顶点的第一方向上的位置。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述衍射面的基底表面是非球面。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，在第一截面中，所述前组具有负焦度，并且所述后组具有正焦度。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述遮光构件限制来自所述物体的光束在第一方向上的宽度。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述开口在第二截面中的宽度为0.2mm或更小。
10.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述前组和所述后组的所有光学表面是反射面。
11.一种成像装置，包括：根据权利要求1至10中任一项所述的光学系统；以及接收由所述光学系统形成的图像的成像元件。
12.一种成像系统，包括：根据权利要求11所述的成像装置；以及传送单元，所述传送单元改变成像装置和物体的相对位置。
13.一种检查方法，包括：通过使用光学系统对物体成像以获得关于所述物体的图像信息的第一步骤；以及
基于所述图像信息来检查所述物体的第二步骤，
其中，所述光学系统包括在从物侧朝向像侧的方向上依次布置的前组、遮光构件和后组，
所述遮光构件设置有在第一方向上伸长的开口，
所述前组具有非球面，所述前组在与第一方向平行的第一截面中在所述开口处不对物体成像，并且在与第一方向垂直的第二截面中在所述开口处形成所述物体的中间图像，
所述后组具有衍射面，所述衍射面在第二截面中将穿过所述开口的光束分离成不同波长的光束，并且在第二截面中将所述光束聚焦在不同位置上，并且
第二截面中的所述非球面的倾斜角度在第一方向上改变。
14.根据权利要求13所述的检查方法，其中，第一步骤包括在与第一方向垂直的方向上移动所述物体的同时对所述物体成像的步骤。
15.根据权利要求13所述的检查方法，其中，第一步骤包括获得与所述光束的各个波长相关的多条图像信息的步骤。
16.根据权利要求15所述的检查方法，其中，第二步骤包括基于通过使用所述多条图像信息获得的所述物体的光谱分布来检查所述物体的步骤。
17.根据权利要求13所述的检查方法，其中，第二步骤包括确定所述物体中的异物的存在或不存在的步骤。
18.一种制造方法，包括：通过使用根据权利要求13至17中任一项所述的检查方法来检查物体的步骤；以及
通过使用在所述步骤中检查的所述物体来制造物品的步骤。
19.根据权利要求18所述的制造方法，其中，制造所述物品的步骤包括去除所述物体中的异物的步骤。
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