專利名稱：紅外光學(xué)系統(tǒng)和紅外成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)涉及用在獲得諸如熱敏成像或者夜視成像的紅外像的光學(xué)系統(tǒng)中的紅外光學(xué)系統(tǒng)，并且涉及使用該紅外光學(xué)系統(tǒng)的紅外成像設(shè)備。
背景技術(shù)：
遠(yuǎn)紅外線在從8 y m到12 y m的波長范圍內(nèi)，并且遠(yuǎn)紅外線是從人、動(dòng)物或者其它物體作為熱(即，作為紅外線)發(fā)出。這使得遠(yuǎn)紅外線廣泛用于例如在黑暗位置處的成像或者用于觀察溫度分布。對(duì)于采集這種遠(yuǎn)紅外線的光學(xué)系統(tǒng)，常常被用于通常的可見光的玻璃透鏡由于它的低透射率而不被使用，并且作為替代，鍺(Ge)被普遍地用作使紅外線良好地穿過的材料。鍺具有大約為4的高折射率，并且表面反射因此很高，但是吸收指數(shù)接近為零。因而，在具有適當(dāng)?shù)目狗瓷渫繉拥那闆r下，鍺可以具有90%或者更高的透射率。其問題在于，鍺是極其昂貴的，因?yàn)樗窍∮械牡V物。因此，作為替換的透鏡材料，使用無機(jī)晶體材料。無機(jī)晶體材料與鍺相比在透射率上實(shí)際上較低，但是價(jià)格適中。無機(jī)晶體材料例如包括娃(Si )、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)以及是硫?qū)俚幕衔锖玩N的化合物的硫?qū)倩锊Ａ?。但是，這種材料的確是便宜的但是具有與鍺類似的高硬度的缺點(diǎn)。也就是說，例如，具有如此高硬度的材料的加工要花費(fèi)很長的時(shí)間，并且這可導(dǎo)致難以降低成本。特別是對(duì)于將材料研磨成為非球狀的形狀來說，在使用精密機(jī)械的情況下處理時(shí)間預(yù)期將是很長的，并且因此不可避免地增加了成本。對(duì)于硫化鋅和硫?qū)倩锊ＡУ募庸?，已?jīng)進(jìn)行了關(guān)于壓制成形的可能性的研究，但是形成的遠(yuǎn)紅外透鏡的產(chǎn)品和光學(xué)系統(tǒng)仍然不能用于低價(jià)格供應(yīng)。例如，注意到專利文獻(xiàn)I至3(日本專利申請公開第2010-039243、2009-063942和2008-128913號(hào))描述了紅外光學(xué)系統(tǒng)的先前實(shí)例。例如，專利文獻(xiàn)I描述了使用三個(gè)鍺透鏡的光學(xué)系統(tǒng)。這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)表現(xiàn)了在30°或者更大的視角上的優(yōu)良的光學(xué)特性。也在專利文獻(xiàn)I中，為了減少加工成本，透鏡在形狀上是球面的。但是，使用的材料是鍺，鍺是非常昂貴的，并且因此它的使用不會(huì)使裝置便宜。在專利文獻(xiàn)2和3中，使用的材料是硫化鋅，硫化鋅與鍺相比是價(jià)格適合的。但是，透鏡在形狀上是非球面的以便減少像差，像差常常因?yàn)榱蚧\的折射率小于鍺的折射率而增大。考慮到加工困難度和加工時(shí)間，這對(duì)于成本降低是障礙。而且，硫化鋅的使用導(dǎo)致相對(duì)顯著的色像差，并且因此專利文獻(xiàn)2和3兩者都使用衍射結(jié)構(gòu)以用于顏色校準(zhǔn)。但是，考慮到加工困難度和加工時(shí)間，這對(duì)于成本降低也是障礙
發(fā)明內(nèi)容
因此期望提供一種紅外光學(xué)系統(tǒng)和紅外成像設(shè)備，其在8 y m至12 y m的遠(yuǎn)紅外輻射部中顯示出優(yōu)良的光學(xué)特性并且以低成本實(shí)現(xiàn)。為了增大遠(yuǎn)紅外裝置的使用范圍，期望寬視角，并且考慮到成像靈敏度，期望具有小數(shù)量的透鏡的光學(xué)系統(tǒng)。更具體地，期望視角至少超過25°，并且期望光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡數(shù)量至少不超過三個(gè)。根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，紅外光學(xué)系統(tǒng)如下地設(shè)置。也就是說，根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例的紅外光學(xué)系統(tǒng)包括從物體側(cè)到像面?zhèn)仍O(shè)置的三
個(gè)透鏡第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡。第一和第三透鏡均構(gòu)造成由無機(jī)材料制成的且具有正折射力的球面透鏡。第二透鏡被構(gòu)造成由樹脂材料制成的并且具有非球面表面的彎月形透鏡。此外，孔徑光闌設(shè)置在第一至第三透鏡中的任何兩個(gè)透鏡之間。根據(jù)本技術(shù)的另一個(gè)實(shí)施例，紅外成像設(shè)備如下地設(shè)置。也就是說，根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的紅外成像設(shè)備包括上文描述的根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外檢測部和圖像信號(hào)獲得部。紅外檢測部被構(gòu)造成檢測由紅外光學(xué)系統(tǒng)采集的紅外光，并且圖像信號(hào)獲得部被構(gòu)造成基于由紅外檢測部獲得的紅外檢測信號(hào)來獲得紅外圖像信號(hào)。在這里，為了實(shí)現(xiàn)低成本，有效的方法是減少使用的透鏡的數(shù)量、以及使用均具有較小數(shù)量的加工困難的非球面表面的透鏡。此外，為了確保一定數(shù)量的光通過，理想的方法是如上所述地減少使用的透鏡的數(shù)量、或者減少透鏡厚度。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的光學(xué)特性，期望各種類型的像差被適當(dāng)?shù)乜刂?。?duì)于像差校準(zhǔn)，非球面表面的使用是有效的。如上所述，根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)包括按照從物體側(cè)的順次設(shè)置的三個(gè)透鏡第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡。第一和第三透鏡均是由無機(jī)材料制成的并且具有正折射力的球面透鏡。第二透鏡是由樹脂材料制成的并且具有非球面表面的彎月形透鏡。在這里，用于形成這種第一和第三透鏡的無機(jī)材料涉及用于將透鏡成形為非球面的加工成本，而與玻璃類型無關(guān)。在其考慮中，在本技術(shù)的實(shí)施例中，使用的第一和第三透鏡均是球面的透鏡，即，表面都是球面的以起凸透鏡的作用的透鏡，從而控制加工成本不增加。其問題在于，僅具有兩個(gè)這樣的球面透鏡，在具有小F數(shù)和寬視角的光學(xué)系統(tǒng)中未完全執(zhí)行像差校準(zhǔn)。在其考慮中，像差校準(zhǔn)通過使用是由樹脂材料制成的非球面透鏡的第二透鏡執(zhí)行。這種樹脂制成的透鏡通過例如注射成型或者壓制成形而以低的成本實(shí)現(xiàn)非球面的形狀。此外，樹脂材料還容易實(shí)現(xiàn)第二透鏡的厚度減小，使得也容易實(shí)現(xiàn)高透射率(遠(yuǎn)紅外透射)。根據(jù)本技術(shù)實(shí)施例，可以提供在遠(yuǎn)紅外輻射部顯示優(yōu)良的光學(xué)特性并且以低成本實(shí)現(xiàn)的紅外光學(xué)系統(tǒng)和紅外成像設(shè)備。本公開的這些和其它目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)它的如附圖所示的下述最佳方式實(shí)施例的詳細(xì)描述將變得更加明顯。


圖1是示出根據(jù)實(shí)施例的紅外成像設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框圖；圖2是用于示出實(shí)施例中的紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的概況的圖；圖3是示出用于成像器上的像形成的紅外線的數(shù)量的示意圖；圖4是示出從透鏡進(jìn)入成像器的紅外線的數(shù)量的示意圖；圖5A是示出聚乙烯的紅外透射率與板厚度的關(guān)系的圖，并且圖5B是示出透鏡如何特征性地呈現(xiàn)出整體透射率的變化與最大光線長度(h)的關(guān)系的圖；圖6是示出實(shí)例I中的紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖；圖7是實(shí)例I中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡的系數(shù)的表，涉及透鏡的形狀(和開口)、以及透鏡間距；圖8是示出實(shí)例I中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中在每個(gè)像高度(0mm、l. 5mm、3. 5mm和5. 0mm)處分辨能力的特性(MTF ;調(diào)制傳遞函數(shù))的圖；圖9是示出實(shí)例2中的紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖；圖10是實(shí)例2中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡的參數(shù)的表，涉及透鏡的形狀(和開口)、以及透鏡間距；圖11是示出實(shí)例2中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中在每個(gè)像高度(0mm、l. 5mm, 3. 5mm和5. 0mm)處分辨能力的特性(MTF)的圖；圖12是示出實(shí)例3中的紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖；圖13是實(shí)例3中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡的參數(shù)的表，涉及透鏡的形狀(和開口)、以及透鏡間距；圖14是示出實(shí)例3中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中在每個(gè)像高度(0mm、1. 5mm、3. 5mm和5. 0mm)處分辨能力的特性(MTF)的圖；圖15是示出實(shí)例4中的紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖；圖16是實(shí)例4中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡的參數(shù)的表，涉及透鏡的形狀(和開口)、以及透鏡間距；圖17是示出實(shí)例4中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中在每個(gè)像高度(0mm、l. 5mm, 3. 5mm和5. 0mm)處分辨能力的特性(MTF)的圖；圖18是示出實(shí)例5中的紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖；圖19是實(shí)例5中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡的參數(shù)的表，涉及透鏡的形狀(和開口)、以及透鏡間距；圖20是示出實(shí)例5中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中在每個(gè)像高度(0mm、l. 5mm, 3. 5mm和5. 0mm)處分辨能力的特性(MTF)的圖；圖21是示出實(shí)例6中的紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖；圖22是實(shí)例6中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡的參數(shù)的表，涉及透鏡的形狀(和開口)、以及透鏡間距；以及圖23是示出實(shí)例6中的紅外光學(xué)系統(tǒng)中在每個(gè)像高度(0mm、l. 5mm, 3. 5mm和5. 0mm)處分辨能力的特性(MTF)的圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將描述本技術(shù)的實(shí)施例。應(yīng)注意的是，以下列的順序提供描述。1.作為實(shí)施例的紅外光學(xué)系統(tǒng)和紅外成像設(shè)備1-1.紅外成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)1-2.實(shí)施例中的紅外光學(xué)系統(tǒng)的概述2.具體的實(shí)例2-1.實(shí)例 I2-2.實(shí)例 22-3.實(shí)例 32-4.實(shí)例 42-5.實(shí)例 52-6.實(shí)例 63.修改的實(shí)例[1.作為實(shí)施例的紅外光學(xué)系統(tǒng)和紅外成像設(shè)備][1-1.紅外成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)]圖1是示出作為本技術(shù)的紅外成像設(shè)備的實(shí)施例的紅外成像設(shè)備I的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框圖。如圖1所示，紅外成像設(shè)備I包括光學(xué)模塊2、圖像傳感器(成像器)3、圖像信號(hào)獲得部4和圖像信號(hào)處理部5。光學(xué)模塊2整體示出了紅外光學(xué)系統(tǒng)，該紅外光學(xué)系統(tǒng)將作為實(shí)施例稍后進(jìn)行描述。光學(xué)模塊2向圖像傳感器3的成像表面(像表面)上采集紅外光(紅外線)。紅外光來自于物體(目標(biāo))，該紅外光在圖1中被表不為入射光Li。圖像傳感器3檢測由光學(xué)模塊2如此采集的紅外線，從而獲得與由物體發(fā)出的紅外線相應(yīng)的紅外檢測信號(hào)。為了獲得這種紅外檢測信號(hào)，期望的是圖像傳感器3包括紅外檢測元件，諸如熱電元件。替換地，使用的紅外檢測元件也可以例如是熱電堆或者熱輻射計(jì)類型。熱電堆類型與熱電偶連接以產(chǎn)生Seebeck (塞貝克)效應(yīng)，并且熱輻射計(jì)類型利用通過溫度增高的電阻值變化。紅外檢測元件不限制于此，并且可以是任何類型的，只要紅外線由此被檢測即可。在實(shí)施例中，使用的紅外檢測元件是熱電元件。當(dāng)使用的紅外檢測元件是這樣的熱電元件時(shí)，圖像傳感器3設(shè)置有用于周期性地阻斷進(jìn)入其中的紅外線的快門。這是為了用于不輸出與溫度本身相應(yīng)的值而是輸出與溫度差(溫度變化)相應(yīng)的值的熱電元件。也就是說，快門在照射與阻斷之間周期性地改變紅外線的狀態(tài)，以便用于產(chǎn)生溫度差。這也是為了對(duì)非運(yùn)動(dòng)目標(biāo)獲得具有適當(dāng)溫度分布的像(紅外像)。應(yīng)注意的是，稍后提供關(guān)于具體地圍繞什么位置形成快門的描述。圖像信號(hào)獲得部4通過來自于圖像傳感器3的紅外檢測信號(hào)的輸入來獲得紅外圖像信號(hào)。這里的紅外檢測信號(hào)基于上述的紅外檢測元件獲得。
圖像信號(hào)處理部5在由圖像信號(hào)獲得部4獲得的紅外圖像信號(hào)上執(zhí)行各種類型的圖像信號(hào)處理，例如，黑電平校準(zhǔn)、像素缺陷校準(zhǔn)、像差校準(zhǔn)、光學(xué)暗影校準(zhǔn)、透鏡畸變校準(zhǔn)、溫度調(diào)節(jié)、距離變化的計(jì)算、以及編碼。從圖像信號(hào)處理部5的輸出例如通過接口(未示出)發(fā)送到顯示器(像顯示裝置)和成像裝置的其它外設(shè)。[1-2.實(shí)施例中的紅外光學(xué)系統(tǒng)的概述]圖2是用于示出光學(xué)模塊2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的概況的圖。與光學(xué)模塊2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的概況一起，圖2還示出了圖像傳感器3。如圖2所示，實(shí)施例中的光學(xué)模塊2從物體側(cè)到像面?zhèn)仍O(shè)置有三個(gè)透鏡第一透鏡10、第二透鏡11和第三透鏡12。光學(xué)模塊2還設(shè)置有位于第一至第三透鏡10至12中的任意兩個(gè)透鏡之間的孔徑光闌(aperture stop)13。圖2示出了在第一和第二透鏡10和11之間形成孔徑光闌13的實(shí)例。這也被應(yīng)用到將被稍后描述的實(shí)例1、4、5和6中。在實(shí)施例的這種光學(xué)模塊2中，第一、第二和第三透鏡10、11和12以及孔徑光闌13被設(shè)置在同一個(gè)透鏡鏡筒中。在實(shí)施例中，至少設(shè)置有這些元件(即、第一透鏡10、第二透鏡11、孔徑光闌13、第三透鏡12和孔徑光闌13)的光學(xué)模塊2被如下地構(gòu)造為用于提供主要在遠(yuǎn)紅外輻射部“^至口^!!!)的優(yōu)良光學(xué)特性以及以低成本制造光學(xué)模塊2。首先，第一和第三透鏡10和12均具有正折射力(能力)的球面透鏡。這些第一和第二透鏡10和12還均是由無機(jī)材料制成的球面透鏡。具體地，在這個(gè)實(shí)例中，這些第一和第三透鏡10和12均是由硅(Si)制成的球面透鏡。如此由無機(jī)材料制成的透鏡涉及用于被成形為非球面的加工成本，而與玻璃類型無關(guān)。在其考慮中，在這個(gè)實(shí)施例中，使用的第一和第三透鏡10和12均是球面透鏡，目卩，表面都是球面以起到凸透鏡的作用(以獲得上述的正折射力)的透鏡，從而控制加工成本不增加。另外，雖然硅與鍺相比它在紅外透射率上較低，但硅是價(jià)格適中的透鏡材料。從這個(gè)意義上講，為了成本降低也可做出嘗試。在這里，第一和第三透鏡10和12可以均成形為平凸的或者彎月形的，這將被在下文中的實(shí)例中描述。此外，在實(shí)施例中的光學(xué)模塊2中，使用的第二透鏡11是由樹脂材料制成的雙側(cè)非球面透鏡。其問題在于，在僅兩個(gè)這樣的球面透鏡(即，第一和第三透鏡10和12)的情況下，在具有小F數(shù)和寬視角的光學(xué)系統(tǒng)中沒有完全地執(zhí)行像差校準(zhǔn)。在其考慮中，像差校準(zhǔn)通過使用由樹脂材料制成的非球面透鏡的第二透鏡11來執(zhí)行。這種樹脂制成的透鏡通過例如注射成型或者壓制成形以低成本實(shí)現(xiàn)非球面的形狀。此外，樹脂材料與鍺和其它材料相比是非常便宜的，并且在這方面，為了成本降低也可做出嘗試。此外，樹脂材料也容易地實(shí)現(xiàn)第二透鏡的厚度降低，使得也容易地實(shí)現(xiàn)高透射率(紅外透射)。
如將在下文中的實(shí)例中描述的一樣，用于使用的第二透鏡11可以是彎月形透鏡。彎月形透鏡在厚度降低方面是有益的，并且因此對(duì)增加紅外透射率也是有益的。其問題在于，樹脂制透鏡的不可避免的缺點(diǎn)是由于紫外線引起的特性劣化。 在其考慮中，在實(shí)施例中，樹脂制成的第二透鏡11設(shè)置成被夾置在均如上所述地由無機(jī)材料制成的第一透鏡10與第三透鏡12之間。這些第一至第三透鏡10至12被容納在同一個(gè)透鏡鏡筒中。通過這個(gè)結(jié)構(gòu)，被設(shè)置在透鏡鏡筒的端部部分處的除了第一和第三透鏡10和12之外的其它透鏡不被直接暴露在可見光下。因此，通過均由在可見光輻射部中在透射率方面較低的晶體材料(例如，上述的硅)制成的第一和第三透鏡10和12，樹脂制成的第二透鏡10被有效地保護(hù)不受可見光影響。這因此防止了任何可能的隨時(shí)間的特性劣化，從而實(shí)現(xiàn)了高度穩(wěn)定的紅外光學(xué)系統(tǒng)。碳黑有時(shí)被混合在樹脂制透鏡中，通常用于提高對(duì)耐光性，S卩，主要是耐紫外線性。但是，這應(yīng)當(dāng)注意的是，這樣的碳黑的混合導(dǎo)致遠(yuǎn)紅外透射率的降低，并且形成的透鏡對(duì)于紅外線的使用是不佳的。為了在同一個(gè)透鏡鏡筒中容納透鏡，使用具有相同的外直徑的透鏡是有效的。也就是說，所有這種具有相同外直徑的透鏡都安裝在具有一個(gè)內(nèi)直徑的一透鏡鏡筒中，從而導(dǎo)致通過對(duì)透鏡的偏心率的控制進(jìn)行容易的組裝。在這種情況下，樹脂制成的第二透鏡11可以被成形為使得其邊緣(即，周邊部分)在物體側(cè)和像面?zhèn)染哂衅教共糠帧Ｔ谶@種情況下，通過使用這樣的邊緣的平坦部分，三個(gè)透鏡可以被通過間隔件以預(yù)先確定的間距容納在透鏡鏡筒中，即，在實(shí)例2至6中的結(jié)構(gòu)。通過透鏡鏡筒容納所有透鏡，該透鏡鏡筒可以被均由硅或者具有相對(duì)較高剛度的其它材料制成的第一和第三透鏡10和12支撐。這樣，具有較低剛度的樹脂制成的第二透鏡11被適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)，以免受到諸如破裂的損害。在實(shí)施例中，孔徑光闌13通過如上所述的插入而設(shè)置在第一至第三透鏡10至12中的任意兩個(gè)透鏡之間。通過如此設(shè)置在第一至第三透鏡10至12的任意兩個(gè)透鏡之間的孔徑光闌13，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)處于25°或者更大的寬視角時(shí)，例如，第一和第三透鏡10和12可以具有幾乎相同的用于光線通過的有效直徑。這樣，這防止了第一或者第三透鏡10或12變成大直徑透鏡。還是在該實(shí)施例中，第一和第三透鏡10和12均是如上所述的由硅制成的透鏡。其問題在于，在硅透鏡的情況下，其與由無機(jī)材料制成的其它透鏡相比色散是不明顯的。在這里,Abbe (阿貝)數(shù)可以被試驗(yàn)性地使用具有8iim、10iim和12 y m的波長的折射率定義。因?yàn)锳bbe數(shù)是色散能力的倒數(shù)，Si (硅)透鏡具有1510的Abbe數(shù)，Ge (鍺)透鏡具有940的Abbe數(shù)，并且ZnS (硫化鋅)透鏡具有23的Abbe數(shù)。這些結(jié)果也顯示出，對(duì)于硅透鏡，色散是不明顯的。在這里，隨著透鏡的焦距的減小，色散的效果被減小。在這種情況下，假定使用的成像器在尺寸上是固定的，焦距僅僅需要被設(shè)定為較短以用于實(shí)現(xiàn)寬視角。因此，例如，在如25度或者更大的相對(duì)較寬視角的實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，焦距因此被設(shè)定較短。具體地說，在這個(gè)實(shí)例中，焦距是大約18mm或者更短。
在這個(gè)方面以及通過色散不明顯的硅透鏡的使用，在不使用任何用于色像差校準(zhǔn)的特殊的機(jī)構(gòu)(例如，衍射結(jié)構(gòu))的情況下，實(shí)施例中的光學(xué)系統(tǒng)適當(dāng)?shù)夭杉哂? ilm至12um的波長的遠(yuǎn)紅外線并且具有較小的色像差的影響。雖然未在圖2中示出，但是在這個(gè)使用熱電元件作為紅外檢測元件的實(shí)例中快門被插入光學(xué)模塊2中。在這個(gè)實(shí)例中，快門被設(shè)置在孔徑光闌13被形成的位置處。通過如此被設(shè)置在孔徑光闌13被形成的位置處的快門，來自于物體的具有各種視角的光線被立即遮蔽(阻斷)。這因此有效地減少了光量的變化，即，在紅外像中的亮度的變化(所述變化由于快門的打開和關(guān)閉而在圖像傳感器3上產(chǎn)生)。更理想地，快門在第一和第二透鏡10和11之間形成在孔徑光闌13所形成的位置處，如圖2所示。通過這種結(jié)構(gòu)，做出嘗試來防止光學(xué)系統(tǒng)中的S/N (信噪比)的降低。樹脂制成的第二透鏡11通常具有高紅外吸收率，并且因?yàn)槲章时徽J(rèn)為等于發(fā)射率，所以大量的熱來自于第二透鏡11。在紅外成像設(shè)備中，來自于光學(xué)系統(tǒng)的朝向成像的熱意味著S/N的降低。但是，通過上述的結(jié)構(gòu)，即，快門在第一和第二透鏡10和11之間被設(shè)置在孔徑光闌13所形成的位置處，來自于第二透鏡11的熱被快門阻隔，使得圖像傳感器3的輸出不受熱的影響。也就是說，即使使用的第二透鏡11是樹脂透鏡，設(shè)置在比第二透鏡11更靠近物體的側(cè)部上的快門也可減少來自于第二透鏡的熱輻射對(duì)S/N的影響。因此，即使從物體到圖像傳感器3的信號(hào)與從樹脂制成的第二透鏡11到圖像傳感器3的噪聲幾乎是在相同的水平，圖像傳感器3的輸出也不受其影響。如上所述，樹脂制成的透鏡具有高紅外吸收率，并且因此具有低的紅外透射率。在其考慮中，在這個(gè)實(shí)例中，使用的第二透鏡11由聚乙烯(PE)制成，相對(duì)于其它的樹脂材料，聚乙烯的紅外透射率相對(duì)較高。在這里，考慮到耐熱性和耐沖擊性，高分子量聚乙烯的使用是理想的。而且，考慮到使用的樹脂材料在透射率上是較低的，理想的是形成薄的第二透鏡11。在這里，隨著通過透鏡的光線的光線長度(ray length)的增加，透射率將降低。因此，為了提高透射率，透鏡厚度預(yù)期被設(shè)定成減少通過透鏡的紅外線的最大光線長度。最大光線長度表示在通過透鏡的光中光線長度是最大的光線的光線長度。換句話說，樹脂制成的第二透鏡11被設(shè)置成減少通過第二透鏡的用于像形成的光線的最大光線長度。具體地說，發(fā)現(xiàn)理想的最大光線長度是2. Omm或者更小。在下文中，所描述的是對(duì)于通過第二透鏡11的光線將最大光線長度控制為2. Omm或者更小的原因。首先，在紅外光學(xué)系統(tǒng)中將被考慮的特性是分辨能力和溫度分辨能力。分辨率是通過其對(duì)目標(biāo)物體的像的形成是如何詳細(xì)的特性，并且MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))值常常被用作它的指示。例如，光學(xué)系統(tǒng)的MTF通過基于由像差引起的光采集特性的劣化的值確定。但是，為了評(píng)估包括成像器的紅外成像設(shè)備的性能能力，成像器的因素也被認(rèn)為是重要的，即，像素間距和靈敏度。這是因?yàn)?，即使光學(xué)系統(tǒng)在沒有像差的光采集方面成功，除非成像器接收到足夠用于感測的光線或者電磁波，否則也沒有檢測到溫度分布。這意味著光學(xué)系統(tǒng)的透射率也是影響裝置的整體MTF的因素。
另一方面，溫度分辨能力是通過其對(duì)目標(biāo)物體的溫度差的測量是如何精確的特性，并且這是紅外光學(xué)系統(tǒng)獨(dú)有的指示。作為紅外成像器的性能能力指示，存在NETD(噪聲等效溫差)，NETD表示所測量的與成像器內(nèi)部的噪聲等效的溫度差。當(dāng)該值被在整個(gè)裝置中獲得時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的透射率影響進(jìn)入成像器的光的量、或者電磁波的能量的量。這因此導(dǎo)致NETD的值的變化。如從上文中明顯得知的，光學(xué)系統(tǒng)的透射率極大地影響紅外成像設(shè)備的性能能力。在下文中，為每個(gè)透鏡所期望的透射率的最小限制做出估計(jì)。首先，如圖3所示，例如是通過具有溫度S的透鏡對(duì)具有溫度T的物體將光采集到成像器上的情況。在圖3中，“f”表示透鏡的焦距，“MXf”表示物體與透鏡之間的距離(其中M是放大倍數(shù))，以及“r”表示透鏡的半徑。參見圖3，從物體上的微小區(qū)域朝向透鏡的立體角SAsig滿足公式1，其中0是圓錐的半頂角。
權(quán)利要求
1.一種紅外光學(xué)系統(tǒng),包括 從物體側(cè)到像面?zhèn)仍O(shè)置的三個(gè)透鏡第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，所述第一透鏡和所述第三透鏡均被構(gòu)造為由無機(jī)材料制成的且具有正折射力的球面透鏡，所述第二透鏡被構(gòu)造為由樹脂材料制成的且具有非球面表面的彎月形透鏡；以及 孔徑光闌，所述孔徑光闌設(shè)置在所述第一透鏡至所述第三透鏡中的任意兩個(gè)透鏡之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第二透鏡被設(shè)定為具有2.Omm或更小的光線的最大光線長度，所述光線通過所述第二透鏡進(jìn)行成像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第二透鏡由聚こ烯制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)一歩包括設(shè)置在所述孔徑光闌的位置處的快門。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述孔徑光闌設(shè)置在所述第一透鏡與所述第二透鏡之間，所述紅外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一歩包括設(shè)置在所述孔徑光闌的位置處的快門。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡和所述第三透鏡均是平凸透鏡和彎月形透鏡中的ー種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡和所述第三透鏡均是平凸透鏡，所述第一透鏡具有面向所述物體側(cè)的凸表面，并且所述第三透鏡具有面向所述像面?zhèn)鹊耐贡砻妗?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡和所述第三透鏡均由硅制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第二透鏡由高分子量聚こ烯制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第二透鏡通過注射成型或者壓制成形形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡、所述第二透鏡和所述第三透鏡被設(shè)置在同一個(gè)透鏡鏡筒中。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一透鏡、所述第二透鏡、所述第三透鏡、以及所述孔徑光闌被設(shè)置在同一個(gè)透鏡鏡筒中。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第二透鏡被成形為使得其周邊部分在物體側(cè)和像面?zhèn)染哂衅教共糠帧?br> 14.一種紅外成像設(shè)備，包括 紅外光學(xué)系統(tǒng)，包括 從物體側(cè)到像面?zhèn)仍O(shè)置的三個(gè)透鏡第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，所述第一透鏡和所述第三透鏡均被構(gòu)造為由無機(jī)材料制成的且具有正折射力的球面透鏡，所述第二透鏡被構(gòu)造為由樹脂材料制成的且具有非球面表面的彎月形透鏡；以及 孔徑光闌，所述孔徑光闌設(shè)置在所述第一透鏡至所述第三透鏡中的任意兩個(gè)透鏡之間； 紅外檢測部，被構(gòu)造成檢測由所述紅外光學(xué)系統(tǒng)采集的紅外線；以及圖像信號(hào)獲得部，被構(gòu)造成基于由所述紅外檢測部獲得的紅外檢測信號(hào)來獲得紅外圖像信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外光學(xué)系統(tǒng)和紅外成像設(shè)備。紅外光學(xué)系統(tǒng)包括從物體側(cè)到像面?zhèn)仍O(shè)置的三個(gè)透鏡，即，第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡，第一透鏡和第三透鏡均被構(gòu)造成由無機(jī)材料制成的且具有正折射力的球面透鏡，第二透鏡被構(gòu)造成由樹脂材料制成的且具有非球面表面的彎月形透鏡；以及設(shè)置在第一至第三透鏡中的任意兩個(gè)透鏡之間的孔徑光闌。
文檔編號(hào)G02B13/00GK103033909SQ201210362420
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月4日
發(fā)明者齊藤政宏, 椛澤秀年 申請人:索尼公司