專(zhuān)利名稱：用于紅外應(yīng)用的超廣角透鏡安排的制作方法
用于紅外應(yīng)用的超廣角透鏡安排
本發(fā)明涉及用于IR (紅外)成像的高分辨率、超廣角光學(xué)組件。
近來(lái)，IR探測(cè)器制造商已推出大型、非制冷并且買(mǎi)得起的高分辨率IR探測(cè)器。典型地實(shí)現(xiàn)了 17μπι像素間距。這些探測(cè)器的充分開(kāi)發(fā)需要提供比以前更高的空間分辨率的光學(xué)組件。這允許IR攝像機(jī)交付令人驚訝地大視場(chǎng)清晰的并且高對(duì)比圖像。
到目前為止，已知只有帶有四個(gè)或更多個(gè)透鏡的系統(tǒng)提供高分辨率圖像和超廣視角二者，即比90度更大的對(duì)角視場(chǎng)。雖然透鏡的這種高數(shù)量產(chǎn)生了良好的光學(xué)特性，但這種系統(tǒng)較貴。由于高分辨率探測(cè)器成本的減少，以及由于充分開(kāi)發(fā)它們所需的光學(xué)器件的嚴(yán)格質(zhì)量，與光學(xué)組件相關(guān)的成本的比例急劇增加。
在已知的超廣角組件中，若干透鏡被安排在該孔徑光闌的兩側(cè)上。一種經(jīng)典的長(zhǎng)后焦距或焦點(diǎn)后移安排在光闌前具有一個(gè)發(fā)散的前組，并且在該光闌的后面具有多個(gè)會(huì)聚組(A.Cox.“一種用于光學(xué)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)”，F(xiàn)ocal出版社(1964):651_655)。一種經(jīng)典的用于短后焦距的安排在孔徑光闌周?chē)x了超過(guò)五個(gè)透鏡(A.Cox.“一種用于光學(xué)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)”，F(xiàn)ocal 出版社(1964) 658-659)。
在US4738496中，用四個(gè)透鏡實(shí)現(xiàn)了一種具有最大60度視場(chǎng)的大孔徑透鏡安排。
已描述了一個(gè)帶有正面光闌的IR廣角透鏡的示例(SEI技術(shù)評(píng)審，69號(hào)，2009年10月，72-77)使用三個(gè)ZnS透鏡達(dá)到一個(gè)僅64度的視場(chǎng)角。
已知一種僅使用兩個(gè)透鏡的IR廣角系統(tǒng)(Curatu等人，國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)，卷6206 (2006))。該孔徑光闌被放置在該透鏡組件的正焦面內(nèi)，這樣生成一條圖像側(cè)遠(yuǎn)心光線路徑。然而，該視場(chǎng)被限制在62度。
US2006/0250706示出了一種用于緊湊數(shù)字裝置中的廣角2-透鏡組件。該系統(tǒng)包括一個(gè)正透鏡和一個(gè)負(fù)透鏡。它不特別適用于IR應(yīng)用并且不提供廣視角。
US6236515描述了很多用于緊湊光學(xué)變焦單元的透鏡拓?fù)?。展示了一?-透鏡系統(tǒng)，但這些被傳授適用于遠(yuǎn)攝定向變焦；因此，它們不被適配用于廣角。而且，該圖像側(cè)透鏡始終是負(fù)的。
JP2006-119331示出了一種用于電子攝影機(jī)內(nèi)的帶有正面光圈(frontaldiagrphragm)的大視場(chǎng)2-透鏡系統(tǒng)。然而,該系統(tǒng)不特別適用于IR應(yīng)用，因?yàn)樗耐哥R中有些是由塑料制成的。而且，它還具有一個(gè)物側(cè)透鏡，該物側(cè)透鏡在該物側(cè)具有一個(gè)凸面。
JPl 1-237545涉及一種配備有3個(gè)透鏡組的高性能廣角組件。
在許多IR應(yīng)用中，優(yōu)選地在該透鏡組件的正面(物側(cè))上具有該孔徑光闌。確實(shí)是，當(dāng)該透鏡組件要被直接內(nèi)置到該攝影機(jī)機(jī)身中時(shí)，出于經(jīng)濟(jì)原因和/或該攝影機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，有必要在前面安裝該光圈、快門(mén)和其他機(jī)構(gòu)。此外，具有一個(gè)正面光闌為外露透鏡提供一定程度的機(jī)械保護(hù)免受撞擊或污垢，特別是當(dāng)該攝像機(jī)安裝在車(chē)輛上時(shí)。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種只帶有兩個(gè)透鏡的前孔徑透鏡，以便降低成本，達(dá)到一個(gè)與最先進(jìn)的IR探測(cè)器相適應(yīng)的分辨率組合的大視場(chǎng)。
一個(gè)第一實(shí)施例涉及一種用于IR攝像機(jī)的廣角光學(xué)組件，該組件包括一個(gè)透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)由一個(gè) 物側(cè)透鏡(2)和一個(gè)圖像側(cè)透鏡(3)以及一個(gè)該組件的物側(cè)上的孔徑光闌(I)組成，其中:該物側(cè)透鏡(2)和該圖像側(cè)透鏡(3)為正彎月透鏡，這些透鏡表面的頂點(diǎn)半徑的所有中心都指向該物側(cè)，為每個(gè)透鏡定義一個(gè)凹表面和一個(gè)凸表面，該物側(cè)透鏡(2)的厚度(8)大于0.60EFL，該圖像側(cè)透鏡(3)的厚度(9)在0.30EFL和0.70EFL之間；0.95 < BFL/EFL < 1.2 ；以及，該EFL總計(jì)在該圖像平面對(duì)角線的55%和75%之間。
在一個(gè)進(jìn)一步實(shí)施例中，該光學(xué)組件另外具有一個(gè)或多個(gè)非球面透鏡表面。在這種情況下，該物側(cè)透鏡(2)的凹表面的曲率隨該透鏡高度而增加，該物側(cè)透鏡(2)的凸表面的曲率隨該透鏡高度而減小，該圖像側(cè)透鏡(3)的凹表面的曲率隨該透鏡高度而減??；以及，該圖像側(cè)透鏡(3)的凸表面的曲率隨該透鏡高度而減小。
在一個(gè)進(jìn)一步實(shí)施例中，至少一個(gè)透鏡被提供有一種衍射結(jié)構(gòu)。優(yōu)選一種具有大于2.1的折射率的IR透明材料。
在一個(gè)最后實(shí)施例中，以上光學(xué)組件可以包含一個(gè)或多個(gè)光學(xué)上平坦且IR透明的窗口(6)，用于保護(hù)這些透鏡或探測(cè)器。
具有這種透鏡安排的情況下，僅使用兩個(gè)透鏡就可以獲得一個(gè)廣視角?？梢赃_(dá)到一個(gè)1.4或以下的光圈數(shù)和充 分開(kāi)發(fā)現(xiàn)代探測(cè)器所需的空間分辨率。特別是，可以為22_探測(cè)器在30cy/mm下在中心達(dá)到高于40%和在這些邊緣達(dá)到高于33%的MTF ；以及為7mm探測(cè)器中心達(dá)到高于50%和在這些邊緣達(dá)到高于45%的MTF。進(jìn)一步地，在這些邊緣處獲得大于50%的相對(duì)照度。


圖1展示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例。本超廣角組件在前面設(shè)置了該孔徑光闌(I)、具有一個(gè)厚度(8)的一個(gè)第一正彎月透鏡(2)以及具有一個(gè)厚度(9)的一個(gè)第二正彎月透鏡(3)。本透鏡安排通過(guò)一個(gè)平探測(cè)器窗口(6)將該視場(chǎng)角(4)內(nèi)的物體聚焦在該探測(cè)器平面(5)上。該視場(chǎng)角(4)為100度，而該探測(cè)器具有一條7_的對(duì)角線(5)。所產(chǎn)生的BFL (后焦距)(7)具有與該完整光學(xué)安排的EFL (有效焦距)大約相同的值。
表I示出了用于根據(jù)本發(fā)明的5個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)。除了幾何結(jié)構(gòu)變化外，提供了使用不同探測(cè)器大小和不同波段以及不同透鏡材料的示例。就這些邊緣的相對(duì)照度和就30cy/mm下的MTF報(bào)告了所產(chǎn)生的圖像質(zhì)量，這是用于17 μ m間距探測(cè)器的相關(guān)奈奎斯特頻率。
透鏡材料為:GAS丨ITl (Ge22As2ciSe58),其具有約2.5的折射率；以及鍺具有約4的折射率。不同材料(如其他硫系玻璃或硅)也是適用的。
表I中的幾何參數(shù)與根據(jù)以下公式的透鏡表面相對(duì)應(yīng):
權(quán)利要求
1.一種用于IR攝像機(jī)的廣角光學(xué)組件，該組件包括一個(gè)透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)由一個(gè)物側(cè)透鏡(2)和一個(gè)圖像側(cè)透鏡(3)、以及一個(gè)該組件的物側(cè)上的孔徑光闌(I)組成，其中: 該物側(cè)透鏡(2)和該圖像側(cè)透鏡(3)為正彎月透鏡； 這些透鏡表面的頂點(diǎn)半徑的所有中心都指向該物側(cè)，為每個(gè)透鏡定義一個(gè)凹表面和一個(gè)凸表面； 該物側(cè)透鏡(2)的厚度(8)大于0.60EFL ； 該圖像側(cè)透鏡(3)的厚度(9)在0.30EFL和0.70EFL之間；0.95 < BFL/EFL < 1.2 ；以及， 該EFL總計(jì)在該圖像平面對(duì)角線的55%和75%之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其中，一個(gè)或多個(gè)透鏡表面為非球面的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述光學(xué)系統(tǒng)，其中: 該物側(cè)透鏡(2)的凹表面的曲率隨該透鏡高度而增加； 該物側(cè)透鏡(2)的凸表面的曲率隨該透鏡高度而減小； 該圖像側(cè)透鏡(3)的凹表面的曲率隨該透鏡高度而減??；以及， 該圖像側(cè)透鏡(3)的凸表面的曲率隨該透鏡高度而減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)組件，其中，至少一個(gè)透鏡被提供有一種衍射結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)組件，其中，這些透鏡由帶有一個(gè)大于2.1的折射率的IR透明材料組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)組件，配備有一個(gè)或多個(gè)光學(xué)上平坦且IR透明的窗口(6)，用 于保護(hù)該組件或探測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于IR成像的高分辨率、超廣角光學(xué)組件。更具體地，在此描述了一種用于IR攝像機(jī)的廣角光學(xué)組件，該組件包括一個(gè)透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)由一個(gè)物側(cè)透鏡(2)和一個(gè)圖像側(cè)透鏡(3)、以及一個(gè)該組件的物側(cè)上的孔徑光闌(1)組成，其中該物側(cè)透鏡(2)和該圖像側(cè)透鏡(3)為正彎月透鏡，這些透鏡表面的頂點(diǎn)半徑的所有中心都指向該物側(cè)，為每個(gè)透鏡定義一個(gè)凹表面和一個(gè)凸表面，該物側(cè)透鏡(2)的厚度(8)大于0.60EFL，該圖像側(cè)透鏡(3)的厚度(9)在0.30EFL和0.70EFL之間；0.95＜BFL/EFL＜1.2；以及，該EFL總計(jì)在該圖像平面對(duì)角線的55%和75%之間。本組件將一個(gè)廣視場(chǎng)和充分開(kāi)發(fā)最先進(jìn)的17μm像素間距IR探測(cè)器所需的高空間分辨率組合起來(lái)。僅使用兩個(gè)透鏡就實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，這樣，和現(xiàn)有多透鏡組件相比，提供了成本優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)G02B13/14GK103229088SQ201180056403
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者諾貝特·舒斯特 申請(qǐng)人:尤米科爾公司