CN117716269A - 透镜单元、光学系统、以及分光特性测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种充分抑制色差并且分辨率良好的透镜单元、具备该透镜单元的光学系统、以及具备该透镜单元的分光特性测定装置。透镜单元(1)构成为依次配置第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、以及第三透镜(L3)，并在在包含7～14μm的范围内中的至少任一种的波长的红外线区域中使用，第一透镜(L1)的有效直径大于第三透镜(L3)的有效直径，第三透镜(L3)的光轴厚度比第一透镜(L1)以及第二透镜(L2)的光轴厚度都大。

Description

透镜单元、光学系统、以及分光特性测定装置

技术领域

本发明涉及透镜单元、光学系统、以及分光特性测定装置。

背景技术

在专利文献1中公开了一种近红外分光特性测定装置，其具备：物镜，使来自检体的信号光成为平行光；移相器，设置在平行光中；以及成像透镜，使检体像在检测部成像。在专利文献2中公开了一种拍摄系统，其具备：光学系统(物镜)，使来自物体的光成为平行光；复数个成像透镜，使平行光的一部分在检测部成像；滤光器，设置于各个成像透镜，并记载了可视区域的物镜的设计。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利5637488号公报

专利文献2：日本特开2020-064165号公报

发明内容

发明所要解决的问题

然而，已知在比近红外区域靠长波长侧的红外区域(例如，波长7～14μm)中存在伴随物质固有的分子振动的吸收。因此，为了进一步发展分光测定技术，对于高光谱照相机等分光特性测定装置，也期待向这样的红外区域展开。而且，为了构成这样的分光特性测定装置，期望能够应用于与红外区域的波段对应的物镜、成像透镜等的、能够充分抑制色差并且分辨率良好的透镜单元。

鉴于上述课题，本发明的目的在于，提供一种充分抑制色差并且分辨率良好的红外区域的透镜单元、具备该透镜单元的光学系统、以及具备该透镜单元的分光特性测定装置。

解决问题的技术手段

为了解决上述问题，本发明的一个方式的透镜单元，构成为依次配置第一透镜、第二透镜、以及第三透镜，并且在包含7～14μm范围内的至少任一种波长的红外线区域中使用，其中，所述第一透镜的有效直径大于所述第三透镜的有效直径，所述第三透镜的光轴厚度比所述第一透镜以及所述第二透镜的光轴厚度都大。

发明效果

根据本发明的一个方式的透镜单元，充分抑制色差并且分辨率良好。

附图说明

图1是表示应用了实施方式的透镜单元的光学系统的主要部分的结构的沿着光轴的剖视图。

图2是表示实施方式的第一透镜单元容纳并固定在镜筒中的状态的剖视图。

图3是表示实施方式的第一透镜单元容纳并固定在镜筒中的状态的主视图。

图4是表示变形例的透镜单元容纳并固定在镜筒中的状态的剖视图。

图5是表示应用了实施方式的透镜单元的分光特性测定装置的剖视图。

图6是在应用了实施例1的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图7是表示应用了实施例1的透镜单元的光学系统的波长范围7～14μm的MTF的空间频率依赖性的曲线图。

图8是应用了实施例1的透镜单元的光学系统的像差图。

图9是在应用了实施例2的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图10是表示在应用了实施例2的透镜单元的光学系统的波长范围7～14μm的MTF的空间频率依赖性的曲线图。

图11是应用了实施例2的透镜单元的光学系统的像差图。

图12是在应用了实施例3的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图13是表示应用了实施例3的透镜单元的光学系统的波长范围7～14μm的MTF的空间频率依赖性的曲线图。

图14是应用了实施例3的透镜单元的光学系统的像差图。

图15是在应用了实施例4的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图16是在应用了实施例5的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图17是在应用了实施例6的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图18是在应用了实施例7的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图19是在应用了实施例8的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图20是表示应用了实施例8的透镜单元的光学系统的波长范围7～14μm的MTF的空间频率依赖性的曲线图。

图21是表示应用了实施例8的透镜单元的光学系统的像面弯曲的曲线图。

图22是在应用了实施例9的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图23是表示应用了实施例9的透镜单元的光学系统的波长范围7～14μm的MTF的空间频率依赖性的曲线图。

图24是表示应用了实施例9的透镜单元的光学系统的像面弯曲的曲线图。

图25是表示应用了实施例1、实施例8、实施例9的透镜单元的光学系统的波长范围7～14μm的轴向色差的曲线图。

图26是在应用了比较例1的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图27是在应用了比较例2的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图28是在应用了比较例3的透镜单元的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

具体实施方式

〔实施方式〕

＜光学系统的概要＞

实施方式的光学系统1是与红外区域(7μm～14μm)的波长区域对应的、在能够配置图像传感器(检测部)等的像面S上对物面T的像进行成像的光学系统。图1是表示光学系统1的主要部分的结构的、沿着光轴的剖视图。在此，作为一例，示出了后述的实施例1的光学系统1的剖视图。此外，以下只要没有特别说明，红外区域是指波长7μm～14μm的区域。

光学系统1具有本发明的一个方式的透镜单元所涉及的第一透镜单元2、本发明的一个方式的透镜单元所涉及的第二透镜单元3、以及光圈4。第一透镜单元2是物镜，使从物面T侧入射的光成为平行光。第一透镜单元2构成为从光圈4侧朝向物面T侧依次配置有第一透镜L1、第二透镜L2、以及第三透镜L3。

第二透镜单元3是使平行光在像面S上会聚的成像透镜，构成为从光圈4侧朝向像面S侧依次配置有第一透镜L1、第二透镜L2、以及第三透镜L3。

第二透镜单元3具有与第一透镜单元2同样的结构，在光学系统1中，以光圈4为中心以与第一透镜单元2左右对称的方式配置。各个透镜单元的光圈位于比第一透镜L1更靠平行光侧。在光学系统1中，各个单元的光圈4构成为共通的。

光学系统1通过在光圈4位置附近配置滤光器或移相器等，能够应用于多光谱照相机或高光谱照相机。

＜透镜单元＞

以下，对透镜单元进行说明。由于第二透镜单元3具有与第一透镜单元2同样的结构，因此只要没有特别提及，对第一透镜单元2进行说明。第一透镜单元2容纳并固定在镜筒21。图2是表示第一透镜单元2容纳并固定在镜筒21的状态的剖视图。图3是表示第一透镜单元2的主视图。

镜筒21具有第一孔22、第二孔23、第三孔24。第三透镜L3以光轴与镜筒21的中心轴一致的状态嵌入第一孔22。第二孔23与第一孔22相连，直径比第一孔22大。第二孔23中，在与第三透镜L3之间夹着环状的第一间隔件25的状态下嵌入有第二透镜L2。在与第二透镜L2之间夹着环状的第二间隔件26的状态下嵌入有第一透镜L1。第三孔24与第二孔23相连，直径比第二孔23大，嵌入有环状的第三间隔件27。第一透镜L1的未与第二间隔件26接触的一方的面被第三间隔件27按压。

[镜筒的材料]

镜筒21的材质是铝合金，例如，优选使用A5052或A5056等。另外，这样的铝合金也可以进行缎面处理(凹凸处理)。进而，也可以在经过黑色氧化铝处理后的状态下使用。镜筒21的材质不限定于铝合金，例如可以是SUS304(奥氏体不锈钢)制，也可以在表层实施黑色三价铬镀覆。

[透镜的光轴厚度、间隔]

第一透镜L1的有效直径大于第三透镜L3的有效直径。另外，第三透镜L3的光轴厚度t3均大于第一透镜L1以及第二透镜L2中的任一个的光轴厚度。通过这样的结构，作为成像透镜的第二透镜单元3的分辨率良好。

第三透镜L3的光轴厚度t3优选为第二透镜L2与第三透镜L3之间的光轴上的距离(相互对置的面彼此的面间距离)即第二距离d2的0.5倍～2倍。在该情况下，光学系统1的空间频率41.7周期/mm(cycles/mm)时的切线方向以及弧失方向的MTF(调制传递函数，Modulation Transfer Function)变高。空间频率41.7周期/mm相当于像素间距12μm的图像传感器的奈奎斯特频率f_N。

即，第一透镜单元2(第二透镜单元3)具有能够与具有波长程度的像素间距的红外区域的图像传感器对应的良好的分辨率。上述空间频率下的MTF高是指，具有能够与波长程度的窄间距的图像传感器对应的良好的分辨率。

第一透镜L1与第二透镜L2之间的光轴上的距离即第一距离d1优选小于第二距离d2。在该情况下，像侧的NA(数值孔径)变大，能够降低像面上的聚光RMS(Root MeanSquare，均方根)半径。优选使第一间隔件25的厚度大于第二间隔件26的厚度。在该情况下，在将透镜组装于镜筒时不易发生倾斜错误。

第二距离d2相对于第一距离d1的比率优选为9以下。

[透镜的材质]

作为透镜的材质，例如可举出锗、硫化物玻璃。硫化物玻璃以摩尔百分比计，含有碲(Te)20～90％，优选含有锗(Ge)0～50％或镓(Ga)0～50％中的至少任一种。该硫化物玻璃在波长7～14μm这样的红外区域的宽波长范围内光吸收极小，至少在上述波长域中，内部透射率容易变得良好。内部透射率是指材料内部的透射率，不包含材料表面的反射损耗。具体而言，作为厚度2mm中的内部透射率，在波长10μm下能够达到90％以上，特别地能够达到95％以上。这样的硫化物玻璃由本申请人开发(参照国际公开公报WO2020/105719A1)。

硫化物玻璃的波长10μm的阿贝数优选为100以上、150以上、特别优选200以上。阿贝数(ν10)通过下述式被计算。由此，能够抑制色差。

ν10＝(波长10μm下的折射率-1)/(波长8μm下的折射率-波长12μm下的折射率)

硫化物玻璃的波长10μm下的折射率优选为2.5～4.0、2.74～3.92、2.8～3.8，特别优选为2.9～3.7。如果折射率低，则与折射率高的材料相比，需要进一步减小透镜的曲率半径，容易提高透镜的加工难易度。另外，光轴方向的厚度变长等，有可能损害光学自由度。

硫化物玻璃优选不含As、Se、Tl等毒物。由此，能够降低环境负荷。

第三透镜L3优选由波长10μm中的内部透射率与构成第二透镜L2的材料相等或更高并且与构成第一透镜L1的材料相等或更高的材料构成。根据上述结构，由光学系统1成像的像的分辨率变得良好。例如，构成第三透镜L3的材料的厚度2mm中的内部透射率在波长10μm下优选为90％以上，特别优选为95％以上。例如，第三透镜L3优选由上述的硫化物玻璃构成。

第三透镜L3优选由波长10μm下的折射率为2.5～4.0的硫化物玻璃构成。根据上述结构，由光学系统1成像的像的分辨率变得良好。

第二透镜L2优选由波长10μm下的折射率为2.5～4.0的硫化物玻璃构成。根据上述结构，由光学系统1成像的像的分辨率变得更良好。

第一透镜L1优选由锗构成。在该情况下，第一透镜L1的耐久性以及硬度变得良好。

[透镜的形状]

第一透镜单元2(第二透镜单元3)优选各透镜具有以下的结构。优选地，第一透镜L1具有正光焦度，且在第二透镜L2侧具有凹的弯月形状。第二透镜L2优选具有负光焦度。优选地，第三透镜L3具有正光焦度，且在第二透镜L2侧具有凸的弯月形状。通过这样的结构，能够使透镜单元紧凑化。

[光圈]

第一透镜L1优选在光轴方向上在与第二透镜L2相反的一侧具有光圈4。另外，光圈4的直径相对于像的有效直径的比率优选为3～5，更优选为3～4.5。根据该结构，在作为成像透镜的第二透镜单元3中，像侧的NA变大。另外，在作为物镜的第一透镜单元2中，物面侧的NA变大。

[透镜的面的形状]

第一透镜L1优选至少一方的面为球面透镜。由于第一透镜L1容易配置在容易发生位置偏移的位置，因此，根据上述结构，容易抑制倾斜错误的发生。更优选第一透镜L1的两面为球面透镜。

第二透镜L2和/或第三透镜L3中的至少一个面优选为非球面。在本说明书中，非球面包括衍射面。第二透镜L2以及第三透镜L3通常配置在不易发生位置偏移的位置，因此，即使是非球面，在将透镜安装在镜筒21时也不易发生倾斜。因此，不易发生伴随着倾斜的发生的MTF的降低或RMS半径的扩大，也能够抑制像差。在第三透镜L3中，与第二透镜L2对置的一侧的相反侧的面更优选为非球面。或者，在第二透镜L2中，与第三透镜L3对置的一侧的面更优选为非球面。在该情况下，如后所述，由于不易发生将透镜组装于镜筒时的位置偏移，因此即使是非球面也更不易发生倾斜。此外，在第二透镜L2中，与第一透镜L1对置的一侧的面也可以是非球面。

第二透镜L2优选具有衍射面。更详细而言，在第二透镜L2中，与第三透镜L3对置的一侧的面或与第一透镜L1对置的一侧的面的至少一方优选是衍射面。在该情况下，容易降低色差。衍射面的凹凸的阶梯差优选为1μm～10μm。在该情况下，更容易抑制色差。

[NA]

在作为成像透镜的第二透镜单元3中，像侧的NA优选满足0.4以上。由于像侧的NA与分辨率直接关联，因此光学系统1的分辨率提高。

＜光学系统的MTF＞

在空间频率41.7周期/mm时的、波长范围7～14μm下的MTF优选在像圈内满足0.35以上，特别优选满足0.40以上。根据该结构，光学系统1的分辨率变得良好，像面S的分辨率变得良好。

＜透镜单元的变形例＞

以下，对变形例的透镜单元5进行说明。图4是表示透镜单元5容纳并固定在镜筒51中的状态的剖视图。镜筒51具有第一孔52、第二孔53、第三孔55、以及第四孔56。第三透镜L3在使光轴与镜筒51的中心轴一致的状态下嵌入在第一孔52以及第二孔53中。另外，第三透镜L3利用环状的第一间隔件57按压不与第二透镜L2对置的一方的面的周缘部。环状的第一间隔件57嵌入到第一孔52中。第二孔53与第一孔52相连，直径比第一孔52小，具有卡止第三透镜L3的未与第一间隔件57接触的一方的面的周缘部的凸起部54。第三孔55与第二孔53相连，直径比第二孔53大，具有卡止第二透镜L2的未与第二间隔件58接触的一方的面的周缘部的凸起部54′。第二透镜L2、环状的第二间隔件58、以及第一透镜L1依次嵌入第三孔55中。第四孔56与第三孔55相连，直径比第三孔55大，嵌入有环状的第三间隔件59。第三间隔件59按压第一透镜L1的未与第二间隔件58接触的一方的面的周缘部。

在透镜单元5中，第二透镜L2和/或第三透镜L3中的至少一个面优选为非球面。由于第二透镜L2以及第三透镜L3通常配置在不易发生位置偏移的位置，因此，即使在将非球面安装在镜筒51时也不易发生倾斜。因此，不易发生伴随着倾斜的发生的MTF的降低或RMS半径的扩大，也容易抑制像差。此外，更优选第二透镜L2以及第三透镜L3的对置的面的至少一个为非球面。在该情况下，不易诱发因透镜组装时的微小的倾斜错误或偏心错误引起的分辨率的劣化。

＜分光特性装置＞

图5是表示应用了实施方式的透镜单元的分光特性测定装置10的剖视图。分光特性测定装置10具有第一透镜单元2、第二透镜单元3、试料支承板6、检测部7、以及移相器8。分光特性测定装置10的第一透镜单元2以及第二透镜单元3的结构与光学系统1的第一透镜单元2以及第二透镜单元3的结构相同。

在分光特性测定装置10中，第一透镜单元2的第三透镜L3与试料支承板6对置，第二透镜单元3的第三透镜L3与检测部7对置地配置。第一透镜单元2与第二透镜单元3之间配置有移相器8。第一透镜单元2的光轴与第二透镜单元3的光轴在移相器8中正交。在分光特性测定装置10中，由反射型的移相器8垂直地弯折光轴，但基本的光学结构与上述透射型的光学系统1相同。移相器8配置在光学系统1的光圈4位置附近。即，第一透镜单元2和第二透镜单元3以移相器8为中心对称地配置。

在本实施方式中，分光特性测定装置10使用反射型的移相器8。移相器8具有固定反射镜部81、可动反射镜部82、以及驱动部83。固定反射镜部81以及可动反射镜部82在与图5的纸面垂直的方向(x轴方向)上，以可动反射镜部82相对于固定反射镜部81成为x轴方向的进深侧的状态排列地配置。固定反射镜部81以及可动反射镜部82相对于第一透镜单元2的光轴倾斜α度(约45度)地配置。固定反射镜部81以及可动反射镜部82相对于第二透镜单元3光轴倾斜β度(约45度)地配置。可动反射镜部82构成为能够在与可动反射镜部82的面垂直的方向上移动。由此，在被固定反射镜部81反射的第一光束与被可动反射镜部82反射的第二光束之间发生相位差。此外，移相器8不限定于反射型，也可以使用透射型的移相器。

在试料(未图示)被支承在试料支承板6上的状态下，从光源(未图示)朝向试料照射红外光。红外光被试料的各种成分散射，散射后的光入射到第一透镜单元2的第三透镜L3。散射光利用第一透镜单元2成为平行光束而到达移相器8的固定反射镜部81以及可动反射镜部82。光的一部分被固定反射镜部81反射，作为第一光束，其余的光被可动反射镜部82反射，作为第二光束，分别入射到第二透镜单元3的第一透镜L1。入射到第二透镜单元3的第一光束以及第二光束在检测部7的受光面上成像，形成干涉像。

通过使可动反射镜部82移动，使第一光束和第二光束的光路长度差变化，从而得到干涉图(成像强度变化(干涉光强度变化))的波形。通过对干涉图进行傅立叶转换，从而得到试料的分光特性。分光特性测定装置10包括本发明的一实施方式的透镜单元，因此，在检测部7成像的像的分辨率良好，能够获取清晰且良好地被解析的干涉图的波形。

实施例

以下，利用实施例以及比较例对本发明的一实施方式进行更详细地说明。本发明不限定于以下的实施例。本发明的一实施方式在能够符合上述或后述的主旨的范围内能够适当地变更来实施，这些都包括在本发明的技术范围内。

＜实施例1＞

实施例1的透镜单元是图1所示的第一透镜单元或第二透镜单元3。以下，对第二透镜单元3进行说明，但第一透镜单元也具有相同的结构。在下述表1和表2中示出了实施例1的第二透镜单元3的基本透镜数据以及非球面数据。

在表1中，“距离”表示光轴上的面间的距离，“材料”用符号表示透镜的材料。“CH”表示硫化物玻璃，“G”表示锗。长度的单位为(mm)。此外，在以下的实施例以及比较例中使用的硫化物玻璃在波长10μm下的折射率为3.465，阿贝数ν10为253。锗在波长10μm下的折射率为4.004，阿贝数ν10为942。此外，在以下的实施例以及比较例中，以间距12μm的红外线传感器(检测部7)为前提。

面编号是从平行光侧向像面S的顺序。面编号1是光圈位置。面编号的数字后的＊(星号)表示非球面。

表1

如表1所示，第二透镜单元3的第一透镜L1由锗构成，第二透镜L2以及第三透镜L3使用硫化物玻璃。而且，第三透镜L3的光轴厚度t3大于第一透镜L1以及第二透镜L2的光轴厚度。第一透镜L1的有效直径大于第三透镜L3的有效直径。以下的实施例2～9也具有同样的关系。

表2

非球面数据形状的定义如下所示。

数1

h：距光轴的高度

r：顶点处的曲率半径

κ：圆锥常数

An：n次的非曲面系数(n：偶数)

Z：从h处的非球面上的点到非球面顶点的切平面的距离

在表3中示出了实施例1的第二透镜单元3的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在表3中还示出了将实施例1的透镜单元用作物镜(第一透镜单元2)和成像透镜(第二透镜单元3)的实施例1的光学系统1的MTF、以及光斑图的结果。表3中，“t3”是第三透镜L3的光轴方向的厚度(基本透镜数据的面6所记载的距离)，/>是像面S的有效直径，“d2”是第二透镜L2与第三透镜L3之间的光轴上的距离(基本透镜数据的面5所记载的距离)，“d1”是第一透镜L1与第二透镜L2之间的光轴上的距离(基本透镜数据的面3所记载的距离)，/>是开口光圈直径。“f”是焦点距离，“NA”是像侧的NA。

表3

实施例1的光学系统1的全长(各面的距离的合计)为189mm。

如表3所示，实施例1的第二透镜单元3的NA超过0.4，能够应用于高光谱照相机，能够应用于各种光学系统。

图6是在将实施例1的透镜单元用作物镜(第一透镜单元2)和成像透镜(第二透镜单元3)的实施例1的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。

图7是表示实施例1的光学系统1的波长范围7～14μm的MTF的空间频率依赖性的曲线图。在图7中示出了切线方向以及弧失方向的MTF。如上所述，像素间距12μm的图像传感器的奈奎斯特频率f_N是41.7周期/mm。根据图7，实施例1的光学系统1在空间频率41.7周期/mm时MTF为0.35以上。因此，MTF良好。因此，可知能够得到能够与波长程度的窄间距的图像传感器对应的良好的分辨率。

此外，在表3中示出了在空间频率41.7周期/mm时的MTF。但是，将从各物体高度发出的光线中的切线方向以及弧失方向中最小的值表示为MTF。在此，各物体高度Y为0.00mm、1.20mm、2.40mm、3.60mm、4.80mm。

图8的左侧是以mm表示波长范围7～14μm的切线方向以及弧失方向的偏移量(像面弯曲)的图，图8的右侧是以百分比表示各波长的切线方向的畸变的图。图8中，a～j表示各波长7μm、8.5μm、10μm、12μm、14μm下的切线方向、弧失方向各自的像面弯曲、畸变。根据图8，波长范围7～14μm的切线方向以及弧失方向的偏移量小，畸变极小，接近0％。因此，在实施例1的光学系统1中，可知像差被抑制。

另外，在实施例1的光学系统1中，研究了光斑图的RMS半径。在上述表3的“光斑图”中显示结果。与波长7μm、8.5μm、10μm、12μm、14μm下的各物体高度对应的聚光点的RMS半径全部小于6μm的情况表示为“好(good)”，一个以上的RMS半径为6μm以上的情况表示为“坏(bad)”。如表3所示，在实施例1的光学系统1中得到了良好的光斑图的结果。

如上所述，光学系统1的特性(分辨率、像差特性)良好，第一透镜单元2以及第二透镜单元3的特性表示为优异。

＜实施例2＞

图9是在实施例2的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表4和表5中示出了实施例2的第二透镜单元3的基本透镜数据以及非球面数据数据。在上述表3中示出了实施例2的第二透镜单元3的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出将实施例2的透镜单元用作物镜(第一透镜单元2)和成像透镜(第二透镜单元3)的实施例2的光学系统1的MTF以及光斑图的结果。实施例2的光学系统1的全长为184mm。

表4

表5

图10是表示波长范围7～14μm的MTF的空间频率依赖性的曲线图。根据图10，实施例2的光学系统1在空间频率41.7周期/mm时的MTF为0.35以上。

图11的左侧是以mm表示波长范围7～14μm的切线方向以及弧失方向的偏移量(像面弯曲)的图，图11的右侧是以百分比表示各波长中的切线方向的畸变的图。根据图11，波长范围7～14μm的切线方向以及弧失方向的偏移量小，畸变极小，接近0％。因此，在实施例2的光学系统1中，可知像差被抑制。

<实施例3>

图12是在实施例3的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表6和表7中示出了实施例3的第二透镜单元3的基本透镜数据以及非球面数据。在上述表3中示出了实施例3的第二透镜单元3的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出了将实施例3的透镜单元用作物镜(第一透镜单元2)和成像透镜(第二透镜单元3)的实施例3的光学系统1的MTF以及光斑图的结果。实施例3的光学系统1的全长为195mm。

表6

表7

图13是表示波长范围7～14μm的MTF的空间频率依赖性的曲线图。根据图13，实施例3的光学系统1在空间频率41.7周期/mm时的MTF为0.35以上。

图14的左侧是以mm表示波长范围7～14μm的切线方向以及弧失方向的偏移量(像面弯曲)的图，图14的右侧是以百分比表示各波长中的切线方向的畸变的图。根据图14，波长范围7～14μm的切线方向以及弧失方向的偏移量小，畸变极小，接近0％。因此，在实施例3的光学系统1中，可知像差被抑制。

<实施例4>

图15是在实施例4的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表8中示出实施例4的基本透镜数据。在上述表3中示出实施例4的第二透镜单元3的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出了将实施例4的透镜单元用作物镜(第一透镜单元2)和成像透镜(第二透镜单元3)的实施例4的光学系统1的MTF以及光斑图的结果。实施例4的第二透镜单元3的透镜不具有非球面。实施例4的光学系统1的全长为195mm。

表8

<实施例5>

图16是在实施例5的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表9和表10中示出了实施例5的第二透镜单元3的基本透镜数据以及非球面数据。在上述表3中示出了实施例5的第二透镜单元3的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出将实施例5的透镜单元用作物镜(第一透镜单元2)和成像透镜(第二透镜单元3)的实施例5的光学系统1的MTF以及光斑图的结果。实施例5的光学系统1的全长为245mm。

表9

表10

<实施例6>

图17是在实施例6的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表11和表12中示出了实施例6的第二透镜单元3的基本透镜数据以及非球面数据。在上述表3中示出了实施例7的第二透镜单元3的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出了将实施例6的透镜单元用作物镜(第一透镜单元2)和成像透镜(第二透镜单元3)的实施例6的光学系统1的MTF以及光斑图的结果。实施例6的光学系统1的全长为245mm。

表11

表12

<实施例7>

图18是在实施例7的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表13和表14中示出了实施例7的第二透镜单元3的基本透镜数据以及非球面数据。在上述表3中示出了实施例7的第二透镜单元3的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出了将实施例7的透镜单元用作物镜(第一透镜单元2)和成像透镜(第二透镜单元3)的实施例7的光学系统1的MTF以及光斑图的结果。实施例7的光学系统1的全长为213.4mm。

表13

表14

<实施例8>

图19是在实施例8的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表15、表16以及表17中示出了实施例8的第二透镜单元3的基本透镜数据以及衍射面数据。在上述表3中示出了实施例8的第二透镜单元3的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出了将实施例8的透镜单元用作物镜(第一透镜单元2)和成像透镜(第二透镜单元3)的实施例8的光学系统1的MTF以及光斑图的结果。实施例8的光学系统1的全长为189mm。

表15

/>

如表15所示，在实施例8中，第一透镜L1由锗构成，第二透镜L2以及第三透镜L3由硫化物玻璃构成。而且，第二透镜L2的第四面是衍射面。

表16

表17

关于衍射面形状的定义如下：

Φ＝P1×(h/h_n)²+P2×(h/h_n)⁴

Φ：相位差函数[rad]

P1、P2：相位系数

h：距光轴的距离[mm]

h_n：归一化半径[mm](其中，除非特别说明，h_n＝1)

Zs＝MOD(Φ×λ/(2π)，-λ)/(N-1)

Zs：衍射面的凹凸量

MOD：取余函数

N：设计主波长的折射率

λ：设计主波长(设为10μm)

图20是表示波长范围7～14μm的MTF的空间频率依赖性的曲线图。根据图20，实施例8的光学系统1在空间频率41.7周期/mm时，MTF为0.35以上。

图21的左侧是用mm表示波长范围7～14μm的切线方向以及弧失方向的像面弯曲的图，图21的右侧是以百分比表示各波长中的切线方向的畸变的图。根据图21，波长范围7～14μm的切线方向以及弧失方向的偏移量小，畸变极小，接近0％。因此，在实施例8的光学系统1中，可知像差被抑制。

<实施例9>

图22是在实施例9的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表18、表19以及表20中示出了实施例9的第二透镜单元3的基本透镜数据以及衍射面数据。在上述表3中示出了实施例9的第二透镜单元3的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出了将实施例9的透镜单元用作物镜(第一透镜单元2)和成像透镜(第二透镜单元3)的实施例9的光学系统1的MTF以及光斑图的结果。实施例9的光学系统1的全长为191.6mm。

表18

如表18所示，在实施例9中，第一透镜L1由锗构成，第二透镜L2以及第三透镜L3由硫化物玻璃构成。而且，第二透镜L2的第5面是衍射面。

表19

表20

图23是表示波长范围7～14μm的MTF的空间频率依赖性的曲线图。根据图23，实施例9的光学系统1在空间频率41.7周期/mm时MTF为0.35以上。

图24的左侧是用mm表示波长范围7～14μm的切线方向以及弧失方向的像面弯曲的图，图24的右侧是以百分比表示各波长中的切线方向的畸变的图。根据图24，波长范围7～14μm的切线方向以及弧失方向的偏移量小，畸变极小，接近0％。因此，在实施例9的光学系统1中，可知像差被抑制。

然后，根据图7、图20、图23、以及表3，与不具有衍射面的实施例1进行比较，可知具有衍射面的实施例8和9在波长7～14μm时MTF得到改善。

<轴向色差>

图25是表示针对实施例1、实施例8、以及实施例9的波长范围7～14μm下的轴向色差的曲线图。与不具有衍射面的实施例1进行比较，可知具有衍射面的实施例8以及9的轴向色差得到改善。

<比较例1>

图26是在比较例1的光学系统的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表21和表22中示出了比较例1的第二透镜单元的基本透镜数据以及非球面数据。在上述表3中示出了比较例1的第二透镜单元的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出了将比较例1的透镜单元用作物镜(第一透镜单元)和成像透镜(第二透镜单元)的比较例1的光学系统的MTF以及光斑图的结果。比较例1的光学系统的全长为244mm。

表21

表22

如表21所示，在比较例1中，第一透镜L1以及第三透镜L3由锗构成，第二透镜L2由硫化物玻璃构成。而且，第二透镜L2的光轴厚度大于第一透镜L1以及第三透镜L3的光轴厚度，第一透镜L1的有效直径大于第三透镜L3的有效直径。

<比较例2>

图27是在比较例2的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表23和表24中示出了比较例2的第二透镜单元的基本透镜数据以及非球面数据。在上述表3中示出了比较例2的第二透镜单元的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出了将比较例2的透镜单元用作物镜(第一透镜单元)和成像透镜(第二透镜单元)的比较例2的光学系统的MTF以及光斑图的结果。比较例2的光学系统的全长为252mm。/>

表23

表24

如表23所示，在比较例2中，第三透镜L3由锗构成，第一透镜L1以及第二透镜L2由硫化物玻璃构成。而且，第一透镜L1的光轴厚度大于第二透镜L2以及第三透镜L3的光轴厚度，第一透镜L1的有效直径大于第三透镜L3的有效直径。

<比较例3>

图28是在比较例3的光学系统1的主要部分的剖视图中一并示出光路的光路图。在表25和表26中示出了比较例3的第二透镜单元的基本透镜数据以及非球面数据。在上述表3中示出了比较例3的第二透镜单元的t3/d2、d2/d1、/>F数、f、以及NA。在上述表3中示出了将比较例3的透镜单元用作物镜(第一透镜单元)和成像透镜(第二透镜单元3)的比较例3的光学系统的MTF以及光斑图的结果。比较例3的光学系统的全长为145.9mm。

表25

表26

如表25所示，在比较例3中，第一透镜L1由锗构成，第二透镜L2以及第三透镜L3由硫化物玻璃构成。而且，第一透镜L1的光轴厚度大于第二透镜L2以及第三透镜L3的光轴厚度，第一透镜L1的有效直径大于第三透镜L3的有效直径。

<考察>

如上所述，在实施例1～9的光学系统1中，像差被抑制并且像侧的NA高，分辨率良好。另外，空间频率41.7周期/mm时的MTF高，确认到具有与像素间距12μm程度的图像传感器对应的良好的分辨率(解析度)。因此，在将本发明的实施例的光学系统1应用于分光特性测定装置10的情况下，能够获取清晰且良好地被解析的干涉图的波形。

另一方面，在比较例1的光学系统中，第二透镜L2的光轴厚度大于第一透镜L1以及第三透镜L3的光轴厚度。在比较例2以及比较例3的光学系统中，第一透镜L1的光轴厚度大于第二透镜L2以及第三透镜L3的光轴厚度。因此，比较例1以及3的光学系统的像侧的NA小于0.4，比较例1～3的光学系统的空间频率41.7周期/mm时的MTF小于0.35。因此，分辨率差，在应用于分光特性测定装置10的情况下，无法获取清晰的干涉图的波形。

通过比较实施例1～6、8、9与实施例7，可知与由锗构成第三透镜L3相比，由硫化物玻璃构成第三透镜L3的情况下的所述MTF变高。另外，t3/d2优选为0.5～2。d2/d1优选大于1。

通过比较实施例1～9和比较例1～3，可知d2/d1优选为9以下。优选为1～4。优选为3～5，更优选为3～4.5。

如上所述，与不具有衍射面的实施例1相比，具有衍射面的实施例8和9中，轴向色差提高。

＜总结＞

本发明的方式1的透镜单元构成为依次配置第一透镜、第二透镜、以及第三透镜，并且在包含7～14μm的范围内的至少任一种波长的红外线区域中使用，所述第一透镜的有效直径大于所述第三透镜的有效直径，所述第三透镜的光轴厚度比所述第一透镜以及所述第二透镜的光轴厚度都大。根据上述结构，分辨率良好并且在应用于分光特性测定装置的情况下，能够获取清晰的干涉图。

本发明的方式2根据上述方式1，所述第三透镜的光轴厚度是所述第二透镜与所述第三透镜之间的光轴上的距离即第二距离的0.5倍～2倍。根据上述结构，像侧的NA变大，能够抑制RMS半径的扩大。另外，能够降低色差。

本发明的方式3根据上述方式1或2，所述第一透镜与所述第二透镜之间的光轴上的距离即第一距离小于所述第二透镜与所述第三透镜之间的光轴上的距离即第二距离。根据上述结构，像侧的NA变大，能够降低色差。

本发明的方式4根据上述方式3，所述第二距离相对于所述第一距离的比率为9以下。

本发明的方式5根据上述方式1中4中的任一个，所述第三透镜由波长10μm下的折射率为2.5～4.0的硫化物玻璃构成。根据上述结构，第三透镜的透射率高。

本发明的方式6根据上述方式5，所述第二透镜由波长10μm下的折射率为2.5～4.0的硫化物玻璃构成。根据上述结构，第二透镜的透射率高。

本发明的方式7根据上述方式5或6，所述第一透镜由锗构成。根据上述结构，第一透镜的耐久性以及硬度良好。

本发明的方式8根据上述方式1至7中的任一个，所述第一透镜具有正光焦度，且在所述第二透镜侧具有凹的弯月形状，所述第二透镜具有负光焦度，所述第三透镜具有正光焦度，且在所述第二透镜侧具有凸的弯月形状。在该情况下，使透镜单元紧凑化。

本发明的方式9根据上述方式1至8中的任一个，在所述第一透镜的光轴方向的与所述第二透镜相反的一侧具有光圈。

本发明的方式10根据上述方式9，所述光圈的直径相对于像的有效直径的比率为3～5。根据上述结构，像侧的NA变大。

本发明的方式11根据上述方式1至10中的任一个，所述第三透镜由波长10μm下的内部透射率与构成所述第二透镜的材料相比相等或更高并且与构成所述第一透镜的材料相比相等或更高的材料构成。根据上述结构，像的分辨率良好。

本发明的方式12根据上述方式1至11中的任一个，所述第二透镜具有衍射面。根据上述结构，容易降低色差。

本发明的方式13根据上述方式12，所述衍射面的凹凸的阶梯差为1μm～10μm。根据上述结构，容易进一步降低色差。

本发明的方式14根据上述方式1至13中的任一个，所述第一透镜的至少一方的面为球面。根据上述结构，即使在第一透镜的安装时发生了倾斜错误，也能够抑制光学特性的劣化。

本发明的方式15根据上述方式1至14中的任一个，所述第一透镜的两面为球面透镜。同样地，能够抑制光学特性的劣化。

本发明的方式16根据上述方式1至15中的任一个，所述第二透镜和/或所述第三透镜中的至少一个面为非球面。第二透镜以及第三透镜通常配置在不易发生位置偏移的位置，因此，即使是非球面，在安装透镜时也不易发生倾斜。因此，不易诱发因组装透镜时的微小的倾斜错误或偏心错误引起的分辨率的劣化。

本发明的方式17根据上述方式1至16中的任一个，所述第三透镜的与所述第二透镜对置的一侧的相反侧的面是非球面。所述面通常配置在不易发生位置偏移的位置，因此，即使是非球面，在将透镜安装于镜筒时不易发生倾斜。因此，不易诱发因组装透镜时的微小的倾斜错误或偏心错误引起的分辨率的劣化。

本发明的方式18根据上述方式1至17中的任一个，像侧的数值孔径满足0.4以上。根据上述结构，分辨率良好。

本发明的方式19根据上述方式1至18中的任一个，还具有镜筒，所述第一透镜、所述第二透镜、以及所述第三透镜容纳并固定于所述镜筒。

本发明的方式20根据上述方式19，所述镜筒具有：第一孔，嵌入有所述第三透镜；第二孔，与所述第一孔相连，直径大于所述第一孔的直径，在与所述第三透镜之间夹着环状的第一间隔件的状态下嵌入有所述第二透镜，在与所述第二透镜之间夹着环状的第二间隔件的状态下嵌入有所述第一透镜；以及第三孔，与所述第二孔相连，直径大于所述第二孔的直径，嵌入有环状的第三间隔件，所述第一透镜的未与所述第二间隔件接触的一方的面被所述第三间隔件按压。根据上述结构，透镜单元被紧凑化地容纳。

本发明的方式21根据上述方式20，所述第一间隔件的厚度大于所述第二间隔件的厚度以及所述第三间隔件的厚度。根据上述结构，在将透镜组装于镜筒时不易发生倾斜错误。

本发明的方式22根据上述方式19至21中的任一个，所述镜筒由铝合金构成。

本发明的方式23的光学系统具有上述任一个方式的透镜单元作为第一透镜单元以及第二透镜单元，在所述第一透镜单元和所述第二透镜单元之间还具备移相器，所述第一透镜单元和所述第二透镜单元以所述移相器为中心对称地配置。根据上述结构，使光学系统紧凑化。

本发明的方式24根据上述方式23，所述移相器是透射型或反射型。

本发明的方式25根据上述方式23或24，空间频率41.7周期/mm时的波长范围7～14μm下的调制传递函数在像圈内满足0.35以上。根据上述结构，分辨率高，像面上的分辨率提高。

本发明的方式26的分光特性测定装置具备上述方式23至25中任一个光学系统。根据上述结构，能够获取清晰且良好地被解析的干涉图的波形。因此，能够高精度地进行试料的评价。

〔附记事项〕

本发明并不限定于上述各实施方式，在权利要求所示的范围内能够进行各种变更，关于适当地组合在不同的实施方式中分别公开的技术手段而得到的实施方式，也包含在本发明的技术的范围内。

附图标记说明

1 光学系统

2、3、5 透镜单元

21、51 镜筒

22、52 第一孔

23、53 第二孔

24、54 第三孔

55 第四孔

25、57 第一间隔件

26、58 第二间隔件

27、59 第三间隔件

4 光圈

6 试料支承板

7 检测部

8 移相器

81 固定反射镜部

82 可动反射镜部

83 驱动部

10 分光特性测定装置

Claims (26)

1.一种透镜单元，构成为依次配置第一透镜、第二透镜、以及第三透镜，并且在包含7～14μm范围内的至少任一种波长的红外线区域中使用，其中，

所述第一透镜的有效直径大于所述第三透镜的有效直径，

所述第三透镜的光轴厚度比所述第一透镜以及所述第二透镜的光轴厚度都大。

2.根据权利要求1所述的透镜单元，其中，

所述第三透镜的光轴厚度是所述第二透镜与所述第三透镜之间的光轴上的距离即第二距离的0.5倍～2倍。

3.根据权利要求1或2所述的透镜单元，其中，

所述第一透镜与所述第二透镜之间的光轴上的距离即第一距离小于所述第二透镜与所述第三透镜之间的光轴上的距离即第二距离。

4.根据权利要求3所述的透镜单元，其中，

所述第二距离相对于所述第一距离的比率为9以下。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的透镜单元，其中，

所述第三透镜由波长10μm下的折射率为2.5～4.0的硫化物玻璃构成。

6.根据权利要求5所述的透镜单元，其中，

所述第二透镜由波长10μm下的折射率为2.5～4.0的硫化物玻璃构成。

7.根据权利要求5或6所述的透镜单元，其中，

所述第一透镜由锗构成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的透镜单元，其中，

所述第一透镜具有正光焦度，且在所述第二透镜侧具有凹的弯月形状，

所述第二透镜具有负光焦度，

所述第三透镜具有正光焦度，且在所述第二透镜侧具有凸的弯月形状。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的透镜单元，其中，

在所述第一透镜的光轴方向的与所述第二透镜相反的一侧具有光圈。

10.根据权利要求9所述的透镜单元，其中，

所述光圈的直径相对于像的有效直径的比率为3～5。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的透镜单元，其中，

所述第三透镜由波长10μm下的内部透射率与构成所述第二透镜的材料相比相等或更高并且与构成所述第一透镜的材料相比相等或更高的材料构成。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的透镜单元，其中，

所述第二透镜具有衍射面。

13.根据权利要求12所述的透镜单元，其中，

所述衍射面的凹凸的阶梯差为1μm～10μm。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的透镜单元，其中，

所述第一透镜的至少一方的面为球面。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的透镜单元，其中，

所述第一透镜的两面为球面。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的透镜单元，其中，

所述第二透镜和/或所述第三透镜中的至少一个面为非球面。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的透镜单元，其中，

所述第三透镜的与所述第二透镜对置的一侧的相反侧的面是非球面。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的透镜单元，其中，

像侧的数值孔径满足0.4以上。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的透镜单元，其中，

还具有镜筒，所述第一透镜、所述第二透镜、以及所述第三透镜容纳并固定于所述镜筒。

20.根据权利要求19所述的透镜单元，其中，

所述镜筒具有：

第一孔，嵌入有所述第三透镜；

第二孔，与所述第一孔相连，直径大于所述第一孔的直径，在与所述第三透镜之间夹着环状的第一间隔件的状态下嵌入有所述第二透镜，在与所述第二透镜之间夹着环状的第二间隔件的状态下嵌入有所述第一透镜；以及

第三孔，与所述第二孔相连，直径大于所述第二孔的直径，嵌入有环状的第三间隔件，

所述第一透镜的未与所述第二间隔件接触的一方的面被所述第三间隔件按压。

21.根据权利要求20所述的透镜单元，其中，

所述第一间隔件的厚度大于所述第二间隔件的厚度以及所述第三间隔件的厚度。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的透镜单元，其中，

所述镜筒由铝合金构成。

23.一种光学系统，其中，

具备权利要求1至22中任一项所述的透镜单元作为第一透镜单元和第二透镜单元，

在所述第一透镜单元和所述第二透镜单元之间还具备移相器，

所述第一透镜单元和所述第二透镜单元以所述移相器为中心对称地配置。

24.根据权利要求23所述的光学系统，其中，

所述移相器是透射型或反射型的。

25.根据权利要求23或24所述的光学系统，其中，

空间频率41.7周期/mm时的波长范围7～14μm下的调制传递函数在像圈内满足0.35以上。

26.一种分光特性测定装置，其中，

具备权利要求23至25中任一项所述的光学系统。