红外线透镜、红外线摄像机以及夜视装置的制作方法

专利名称：红外线透镜、红外线摄像机以及夜视装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种红外线透镜(特别是远红外线透镜)、红外线 摄像机以及夜视装置。
背景技术：
在专利文献1中公开了一种使用硫化锌作为透镜材料的红外线 透镜。专利文献1:特开2003 — 295052号公报 发明内容硫化锌是低成本的透镜材料，但与锗相比， 一般存在下述特性， 艮口，在远红外线波长区域(8 12pm)，由厚度增加引起的光量损失 的增加大(例如，参照图152)。特别是，已知在大于或等于10pm 的波长区域，与由表面反射导致的光量损失相比，由材料的内部吸收 导致的光量损失的影响变大，透射率会大幅下降。此外，在夜视系统 中，通过对由红外线摄像机获得的像进行图像处理而进行人物识别等 判断，因此为了提高识别性能，需要获得充分的析像度的像。但是，在上述专利文献1所述的红外线透镜中，透镜的厚度大 (透镜整体的厚度达到14mm的程度)，没有考虑使透镜变薄，难以 获得可以适于作为夜视装置使用的亮度的红外线像。此外，利用实施 例的结构而获得的MTF (Modulation Transfer Function;调制传递函 数)不足，在成像性能上也存在问题。此外，在广角区域(视场角大于或等于例如20。的区域)中，畸 变也可能变大。此外，由于上述专利文献1所述的红外线透镜中，是利用切削 加工形成透镜，因此存在透镜加工成本高的问题。
因此，本发明所要解决的课题是，以低成本的结构提供一种像 的亮度高、成像性能好的适用于夜视装置的红外线透镜以及其相关技 术。为了解决上述课题，在第1技术方案中，从物体侧按顺序至少具备第1及第2透镜组，所述第1及第2透镜组具有正折射能力，所 述第l及第2透镜组，分别具有至少l枚由硫化锌形成的透镜。此外，第2技术方案的特征在于，在第1技术方案所述的红外 线透镜中，所述第1或第2透镜组所具有的至少任意1个透镜面是衍 射面。此外，第3技术方案的特征在于，在第1或2技术方案所述的 红外线透镜中，构成所述第l透镜组的至少任意l个透镜面是非球面。此外，第4技术方案的特征在于，在第1至第3技术方案任意 一项所述的红外线透镜中，满足以下关系式1.25幼/f化5在这里，f:第1及第2透镜组整体的焦距， fl:第1透镜组的焦距。此外，在第5技术方案中，从物体侧按顺序具备第l、第2及第3透镜组，所述第l至第3透镜组具有正折射能力，所述第1至第3 透镜组，分别具有至少1枚由硫化锌形成的透镜，同时，所述第1至第3透镜组，分别由1枚使凸面朝向物体侧 的正弯月透镜构成。此外，第6技术方案的特征在于，在第5技术方案所述的红外 线透镜中，所述第1至第3透镜组所具有的至少任意l个透镜面是衍 射面。此外，第7技术方案的特征在于，在第5或6技术方案所述的 红外线透镜中，构成所述第1透镜组的所述正弯月透镜的至少任意1 个透镜面是非球面。此外，第8技术方案的特征在于，在第5至第7技术方案任意 一项所述的红外线透镜中，满足以下关系式 l.O^fl/fSl.4在这里，f:第1至第3透镜组整体的焦距，fl:第1透镜组中的正弯月透镜的焦距。此外，在第9技术方案中，从物体侧按顺序具备第1、第2及第3透镜组，所述第1至第3透镜组具有正折射能力，所述第1至第3 透镜组，分别具有至少1枚由硫化锌形成的透镜，同时，所述第1 及第3透镜组，分别由1枚使凸面朝向物体侧的正弯月透镜构成，所 述第2透镜组由1枚使凸面朝向像侧的负弯月透镜构成。此外，第IO技术方案的特征在于，在第9技术方案所述的红外 线透镜中，所述第l至第3透镜组所具有的至少任意l个透镜面是衍 射面。此外，第11技术方案的特征在于，在第9或10技术方案所述 的红外线透镜中，构成所述第1透镜组的所述正弯月透镜的至少任意 1个透镜面是非球面。此外，第12技术方案的特征在于，在第9至11技术方案任意 一项所述的红外线透镜中，满足以下关系式1.05幼2/f^1.75在这里，f:第1至第3透镜组整体的焦距， fl2:第1及第2透镜组的合成焦距。此外，第13技术方案的特征在于，在第1至12技术方案任意 一项所述的红外线透镜中，所述第1至第3透镜组所具有的至少任意 1个透镜，通过使用透镜形状的模具对硫化锌原料粉末进行热压成型 而形成。此外，第14技术方案的特征在于，在第1至13任意一个技术 方案所述的红外线透镜中，所述第1至第3透镜组所具有的所有透镜 的外径Rd，满足以下关系式Rd<40mm。此外，第15技术方案的特征在于，在第1至14技术方案任意 一项所述的红外线透镜中，所述第1至第3透镜组所具有的所有透镜的中心厚度Tm及边缘厚度Te，满足以下关系式 1.5mm<Tm< 8.0mm 1.0mm<Te<8.0mm。此外，第16技术方案所涉及的红外线透镜，其特征在于，在第 1至15技术方案任意一项所述的红外线透镜中，特别是对所述第1 透镜组中位于最靠所述物体侧的透镜面，利用超硬质膜实施镀膜。此外，第n技术方案所涉及的红外线摄像机，其特征在于，具备第1至16技术方案任意一项所述的红外线透镜；以及摄像元件， 其对由所述红外线透镜成像的像进行摄像。此外，在第18技术方案中，夜视装置构成为具备第17技术 方案所述的红外线摄像机；以及显示单元，其显示由所述红外线摄像机摄像后的图像。 发明的效果根据第1技术方案，由于所有的透镜由材料成本低的硫化锌形成，至少由具有正折射能力的第1及第2透镜组构成透镜整体，因此可以将各个透镜的厚度抑制得较小，从而抑制透过透镜时的光量损 失，同时可以提高成像性能，可以以低成本的结构提供像的亮度高、 成像性能好的红外线透镜。根据第2技术方案，利用衍射面可以有效地改善易于在红外线 透镜中成为问题的色差。根据第3技术方案，由于在构成口径大而容易产生球面像差的 第1透镜组的透镜中设置非球面，可以有效地改善像差。此外，由于构成第l透镜组的透镜的直径最大，因此通过在第1 透镜组中设置非球面，与设置于其它透镜组中的情况相比，可以使非 球面的形状变化的程度(弯曲程度)减小，使模具制作以及透镜加工 变得容易。根据第4技术方案，通过满足该条件，可以平衡地校正视场内 的各种像差(包含广角区域中的畸变)，并且可以容易地实现结构紧
凑且亮度高的红外线透镜2a。根据第5技术方案，由于利用3枚使凸面朝向物体侧的正弯月 透镜构成透镜整体，因此可以将透镜的厚度抑制得较小，从而抑制透 过硫化锌透镜时的光量损失，并且可以提高成像性能，可以以低成本 的结构提供像的亮度高、成像性能好的红外线透镜。根据第6技术方案，利用衍射面可以有效地改善易于在红外线 透镜中成为问题的色差。根据第7技术方案，由于在构成口径大而容易产生球面像差的 第1透镜组的透镜中设置非球面，可以有效地改善像差。由于构成第1透镜组的透镜的直径最大，因此通过在第1透镜 组中设置非球面，与设置于其它透镜组中的情况相比，可以使非球面 的形状变化的程度(弯曲程度)减小，使模具制作以及透镜加工变得 容易。根据第8技术方案，可以采用紧凑的结构，同时可以在该红外 线透镜的规定视场角内的整个区域中，对于用于拍摄而受光的红外线 的整个波长区域(例如8 12pin)，获得充分的成像性能(例如， MTF大于或等于0.2)。根据第9技术方案，由于所述第1及第3透镜组，分别由l枚 使凸面朝向物体侧的正弯月透镜构成，所述第2透镜组由1枚使凸面 朝向像侧的负弯月透镜构成透镜整体，因此可以将透镜的厚度抑制得 较小，从而抑制透过硫化锌透镜时的光量损失，同时可以提高成像性 能，可以以低成本的结构提供像的亮度高、成像性能好的红外线透镜。 此外，与现有的硫化锌透镜相比，通过抑制透镜整体的厚度，实现降 低透镜成本以及抑制透过透镜时的光量损失。根据第IO技术方案，利用衍射面可以有效地改善易于在红外线 透镜中成为问题的色差。根据第11技术方案，通过在构成口径大而容易产生球面像差的 第1透镜组的透镜中设置非球面，可以有效地改善像差。由于构成第1透镜组的透镜的直径最大，因此通过在第1透镜 组中设置非球面，与设置于其它透镜组中的情况相比，可以使非球面
的形状变化的程度(弯曲程度)减小，使模具制作以及透镜加工变得 容易。根据第12技术方案，可以采用紧凑的结构，同时可以在该红外 线透镜的规定视场角内的整个区域中，对于用于拍摄而受光的红外线的整个波长区域(例如8 12pm)，获得充分的成像性能(例如， MTF大于或等于0.2)。根据第B技术方案，实现红外线透镜的材料成本以及加工成本 的大幅降低。根据第14技术方案，在使用透镜形状的模具对硫化锌原料粉末 进行热压成型而形成透镜时，由于可以抑制挤压机构的压縮力，因此 可以抑制用于透镜加工的设备成本。根据第15技术方案，在使用透镜形状的模具对硫化锌原料粉末 进行热压成型而形成透镜时，可以确保热压成型时的成型性，同时可 以实现厚度薄而透过透镜时的光量损失受到抑制的红外线透镜。此外，通过抑制透镜的厚度，可以防止在使用透镜形状的模具 进行热压成型时，在透镜的厚度方向上产生压力的分布，而在厚度方 向上产生折射率的分布。根据第16技术方案，通过实施镀膜，可以提高其透射特性，或 保护透镜面不受外部环境影响。根据第17技术方案，可以获得高析像度、高亮度、高对比度的 图像，同时利于小型化，可以提供适于车载的红外线摄像机。根据第18技术方案，可以获得高析像度、高亮度、高对比度的 图像，同时利于小型化，可以提供适于车载的夜视装置。


图1是表示本发明的实施方式1所涉及的红外线透镜的实施例 1-1的结构的图。图2是表示图1中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半径的图。图3是表示图1中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。
图4是表示图1的结构中的像高为0°时的MTF特性的曲线。 图5是表示图1的结构中的像高为5.3°时的MTF特性(径向) 的曲线。图6是表示图1的结构中的像高为5.3°时的MTF特性(切向) 的曲线。图7是表示图1的结构中的像高为6.4°时的MTF特性(径向) 的曲线。图8是表示图1的结构中的像高为6.4。时的MTF特性(切向) 的曲线。图9是表示图1的结构中的像高为7.5°时的MTF特性(径向) 的曲线。图10是表示图1的结构中的像高为7.5°时的MTF特性(切向) 的曲线。图11是表示图1的结构中的球面像差特性的曲线。图12是表示图1的结构中的非点像差特性的曲线。图13是表示图1的结构中的畸变特性的曲线。图14的图14 (a)至图14 (e)是表示图1的结构中的与各个 像高对应的横向像差特性的曲线。图15是表示本发明的实施方式l所涉及的红外线透镜的实施例 1-2的结构的图。图16是表示图15中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半径 的图。图17是表示图15中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。 图18是表示图15的结构中的像高为0。时的MTF特性的曲线。 图19是表示图15的结构中的像高为6.0°时的MTF特性(径向) 的曲线。图20是表示图15的结构中的像高为6.0°时的MTF特性(切向) 的曲线。图21是表示图15的结构中的像高为7.5°时的MTF特性(径向) 的曲线。 图22是表示图15的结构中的像高为7.5°时的MTF特性(切向) 的曲线。图23是表示图15的结构中的像高为S.5。时的MTF特性(径向) 的曲线。图24是表示图15的结构中的像高为8.5。时的MTF特性(切向) 的曲线。图25是表示图15的结构中的球面像差特性的曲线。图26是表示图15的结构中的非点像差特性的曲线。图27是表示图15的结构中的畸变特性的曲线。图28的图28 (a)至图28 (e)是表示图15的结构中的与各个像高对应的横向像差特性的曲线。图29是表示本发明的实施方式l所涉及的红外线透镜的实施例1-3的结构的图。图30是表示图29中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半径的图。图31是表示图29中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。 图32是表示图29的结构中的像高为0°时的MTF特性的曲线。 图33是表示图29的结构中的像高为5.0°日寸的MTF特性(径向) 的曲线。图34是表示图29的结构中的像高为5.0。时的MTF特性(切向) 的曲线。图35是表示图29的结构中的像高为6.0°时的MTF特性(径向) 的曲线。图36是表示图29的结构中的像高为6.0°时的MTF特性(切向) 的曲线。图37是表示图29的结构中的像高为7.0°时的MTF特性(径向) 的曲线。图38是表示图29的结构中的像高为7.0°时的MTF特性(切向) 的曲线。图39是表示图29的结构中的球面像差特性的曲线。
图40是表示图29的结构中的非点像差特性的曲线。图41是表示图29的结构中的畸变特性的曲线。图42的图42 (a)至图42 (e)是表示图29的结构中的与各个像高对应的横向像差特性的曲线。图43是表示红外线透镜的实施例1-4的结构的图。图44是表示图43中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半径的图。图45是表示图43中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。图46是表示红外线透镜的实施例1-5的结构的图。图47是表示图46中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半径的图。图48是表示图46中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。 图49的图49 (a)至图49 (c)是表示将实施例1-5、 1-3、 1-1 的MTF特性等汇总后的表的图。图50的图50 (a)至图50 (b)是表示将实施例1-2、 1-4的MTF特性等汇总后的表的图。图51是表示本发明的实施方式2所涉及的红外线透镜的实施例 2-1的结构的图。图52是表示图51中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半径的图。图53是表示图51中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。 图54是表示图51的结构中的像高为0°时的MTF特性的曲线。 图55是表示图51的结构中的像高为10.9°时的MTF特性(径 向)的曲线。图56是表示图51的结构中的像高为10.9°时的MTF特性(切 向)的曲线。图57是表示图51的结构中的像高为12.15°时的MTF特性(径向)的曲线。图58是表示图51的结构中的像高为12.15°时的MTF特性(切 向)的曲线。
图59是表示图51的结构中的像高为15.34°时的MTF特性(径 向)的曲线。图60是表示图51的结构中的像高为15.34°时的MTF特性(切向)的曲线。图61是表示图51的结构中的球面像差特性的曲线。 图62是表示图51的结构中的非点像差特性的曲线。 图63是表示图51的结构中的畸变特性的曲线。 图64是表示图51的结构中的与各个像高对应的横向像差特性 的曲线。图65是表示本发明的实施方式2所涉及的红外线透镜的实施例 2-2的结构的图。图66是表示图65中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半径的图。图67是表示图65中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。 图68是表示图65的结构中的像高为0°时的MTF特性的曲线。 图69是表示图65的结构中的像高为ll.T时的MTF特性(径 向)的曲线。图70是表示图65的结构中的像高为ll.T时的MTF特性(切 向)的曲线。图71是表示图65的结构中的像高为12.7°时的MTF特性(径 向)的曲线。图72是表示图65的结构中的像高为12.7°时的MTF特性(切 向)的曲线。图73是表示图65的结构中的像高为16.2°时的MTF特性(径 向)的曲线。图74是表示图65的结构中的像高为16.2°时的MTF特性(切 向)的曲线。图75是表示图65的结构中的球面像差特性的曲线。 图76是表示图65的结构中的非点像差特性的曲线。 图77是表示图65的结构中的畸变特性的曲线。
图78是表示图65的结构中的与各个像高对应的横向像差特性 的曲线。图79是表示本发明的实施方式2所涉及的红外线透镜的实施例 2-3的结构的图。图80是表示图79中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半径的图。图81是表示图79中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。 图82是表示图79的结构中的像高为0°时的MTF特性的曲线。 图83是表示图79的结构中的像高为11.0°时的MTF特性(径 向)的曲线。图84是表示图79的结构中的像高为U.0。时的MTF特性(切 向)的曲线。图85是表示图79的结构中的像高为12.5°时的MTF特性(径向)的曲线。图86是表示图79的结构中的像高为12.5°时的MTF特性(切向)的曲线。图87是表示图79的结构中的像高为16.0°时的MTF特性(径向)的曲线。图88是表示图79的结构中的像高为16.0°时的MTF特性(切 向)的曲线。图89是表示图79的结构中的球面像差特性的曲线。 图90是表示图79的结构中的非点像差特性的曲线。 图91是表示图79的结构中的畸变特性的曲线。 图92是表示图79的结构中的与各个像高对应的横向像差特性 的曲线。图93是表示红外线透镜的实施例2-4的结构的图。图94是表示图93中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半径的图。图95是表示图93中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。 图96是表示红外线透镜的实施例2-5的结构的图。16 图97是表示图96中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半径的图。图98是表示图96中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。 图99是表示将实施例2-5、 2-3、 2-1的MTF特性等汇总后的表的图。图100是表示将实施例2-2及2-4的MTF特性等汇总后的表的图。图101是表示本发明的实施方式3所涉及的红外线透镜的实施 例3-1的结构的图。图102是表示图101中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半 径的图。图103是表示图101中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。图104是表示图101的结构中的像高为0。时的MTF特性的曲线。 图105是表示图101的结构中的像高为10.5。时的MTF特性(径向)的曲线。图106是表示图101的结构中的像高为10.5°时的MTF特性(切 向)的曲线。图107是表示图101的结构中的像高为12.0°时的MTF特性(径 向)的曲线。图108是表示图101的结构中的像高为12.0°时的MTF特性(切 向)的曲线。图109是表示图101的结构中的像高为15.0°时的MTF特性(径 向)的曲线。图IIO是表示图101的结构中的像高为15.0。时的MTF特性(切向)的曲线。图111是表示图101的结构中的球面像差特性的曲线。图112是表示图101的结构中的非点像差特性的曲线。图113是表示图101的结构中的畸变特性的曲线。图U4是表示图101的结构中的与各个像高对应的横向像差特
性的曲线。
图115是表示本发明的实施方式3所涉及的红外线透镜的实施 例3-2的结构的图。
图116是表示图115中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半
径的图。
图117是表示图115中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。
图118是表示图115的结构中的像高为0。时的MTF特性的曲线。 图119是表示图115的结构中的像高为10.5°时的MTF特性(径 向)的曲线。
图120是表示图115的结构中的像高为10.5°时的MTF特性(切 向)的曲线。
图121是表示图115的结构中的像高为12.0°时的MTF特性(径 向)的曲线。
图122是表示图115的结构中的像高为12.0°时的MTF特性(切
向)的曲线。
图123是表示图115的结构中的像高为15.0°时的MTF特性(径 向)的曲线。
图124是表示图115的结构中的像高为15.0°时的MTF特性(切 向)的曲线。
图125是表示图115的结构中的球面像差特性的曲线。 图126是表示图115的结构中的非点像差特性的曲线。 图127是表示图115的结构中的畸变特性的曲线。 图128是表示图115的结构中的与各个像高对应的横向像差特 性的曲线。
图129是表示本发明的实施方式3所涉及的红外线透镜的实施 例3-3的结构的图。
图130是表示图129中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半 径的图。
图131是表示图129中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的
图。
图132是表示图129的结构中的像高为0。时的MTF特性的曲线。 图133是表示图129的结构中的像高为10.5°时的MTF特性(，S 向)的曲线。
图134是表示图129的结构中的像高为10.5°时的MTF特性(切 向)的曲线。
图135是表示图129的结构中的像高为12.0°时的MTF特性(《5 向)的曲线。
图136是表示图129的结构中的像高为12.0°时的MTF特性(切 向)的曲线。
图137是表示图129的结构中的像高为15.0°时的MTF特性(径 向)的曲线。
图138是表示图129的结构中的像高为15.0。时的MTF特性(切 向)的曲线。
图139是表示图129的结构中的球面像差特性的曲线。 图140是表示图129的结构中的非点像差特性的曲线。 图141是表示图129的结构中的畸变特性的曲线。 图142是表示图129的结构中的与各个像高对应的横向像差特 性的曲线。
图143是表示红外线透镜的实施例3-4的结构的图。 图144是表示图143中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半 径的图。
图145是表示图143中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。
图146是表示红外线透镜的实施例3-5的结构的图。 图147是表示图146中的各个透镜的面形状、面间距、孔径半 径的图。
图148是表示图146中的非球面透镜、衍射透镜的形状参数的图。
图149是表示将实施例3-5、 3-3、 3-1的MTF特性等汇总后的
表的图。
图150是表示将实施例3-2、3-4的MTF特性等汇总后的表的图。 图151是概略地表示夜视装置的结构的图。
图152是表示多种透镜厚度的硫化锌透镜(未镀有AR的情况) 的红外线波长与透射率之间关系的曲线。
具体实施例方式
实施方式1 (基本结构)
参照图1对本发明的实施方式1所涉及的红外线透镜的基本结 构进行说明。此外，在这里仅对图1的红外线透镜la的基本结构进 行说明，对于其更详细的结构，作为实施例在后面说明。
该红外线透镜la如图l所示，构成为从物体侧按顺序具备由硫 化锌形成的第1至第3透镜L1 L3。第1至第3透镜L1 L3是使 凸面朝向物体侧的正弯月透镜，该第1至第3透镜L1 L3分别构成 本发明所涉及的第1至第3透镜组。透过透镜L1 L3的光(红外线)， 经由红外线透过窗Fi入射至摄像元件Id的受光面，在该受光面上形 成像。此外，本实施方式中利用透镜L1 L3各l枚分别构成第l至 第3透镜组，但也可以使用大于或等于2枚透镜构成各个透镜组，也 可以是各个透镜组的透镜枚数互不相同的结构。
这样，所有的透镜L1 L3由材料成本低的硫化锌形成，并且由 于利用3枚使凸面朝向物体侧的正弯月透镜构成红外线透镜la，因 此可以将各个透镜L1 L3的厚度抑制得较小，可以抑制透过透镜时 的光量损失，同时提高成像性能，以低成本的结构提供像的亮度高、 成像性能好的红外线透镜la。此外，与现有的硫化锌透镜相比，通 过抑制透镜整体的厚度，可以抑制透过透镜时的光量损失。
此外，使第1透镜L1的凹面(像侧面)为衍射面，由此，可以 有效地改善易于在红外线透镜la中成为问题的色差。因此，通过在 需要强折射能力、容易产生色差的第1透镜L1中设置衍射面，可以 最大限度地获得由设置衍射面产生的色差改善效果。并且，通过将衍
射面设置于第1透镜L1的像侧面上，可以防止由于衍射面暴露于外 部环境中而在衍射面上附着污物等。
此外，使第1透镜L1的凸面及凹面中的至少任意一个为非球面。 这样，通过在口径大而容易产生球面像差的第1透镜Ll上设置非球 面，可以有效地改善像差。通过在直径最大的第1透镜L1上设置非 球面，与设置于其它的透镜中的情况相比，可以使非球面的形状变化 的程度(弯曲程度)减小，使模具制作及透镜加工变得容易。例如，
在本实施方式中，使第1透镜L1的凹面和第3透镜的凸面(物体侧
面)为非球面，使除此以外的透镜面为球面。
此外，该红外线透镜la的F值设定为0.8 1.2的程度。 并且，该红外线透镜la为了实现规定的成像性能，构成为满足 如下关系式
1.0Sfl/fS1.4 (1) 在这里，
f:第1至第3透镜L1 L3整体的焦距
fl:第1透镜Ll的焦距。
通过满足该条件，可以平衡地校正视场内的各种像差，并且可以容易
地实现结构紧凑且亮度高的红外线透镜la。例如，如果使fl/f比1.0 小，则由于需要将第1透镜Ll和第2透镜L2互相靠近地配置，因 此球面像差的校正变困难，相反，如果使其大于1.4，则由于需要将 第1透镜Ll与第2透镜L2互相远离地配置，因此轴外光线从远离 第1透镜L1光轴的位置通过，由此非点像差变大，同时畸变像差的 校正也变困难。
其结果，通过满足上述关系式(1),可以采用紧凑的结构，同 时在红外线透镜la的视场角(例如，设定为大于或等于10°、小于 或等于25。的值)内的整个区域中，对于用于拍摄而受光的红外线的 整个波长区域(例如8 12)im)，可以获得充分的成像性能(例如， MTF大于或等于0.2)(关于该点的详细说明，基于实施例和对比例 如后所述)。由此，例如将该红外线透镜la与像素间距为25pm、像 素尺寸为320"40的摄像元件Id组合，可以获得高析像度的红外线图像。这样构成的第1至第3透镜L1 L3以如下方式形成。即，通过 使用透镜形状的模具，对硫化锌原料粉末在非氧化性气氛中(例如， 真空、Ar等惰性气体或它们的组合等)进行热压成型，获得作为多 晶硫化锌烧结体的透镜L1 L3。这样，通过利用使用了硫化锌的模 具成型，制造透镜L1 L3，可以实现红外线透镜la的材料成本和加 工成本的大幅降低。此外，也可以对成型后的透镜L1 L3进行抛光、 粗磨等机械加工。更详细地说，作为上述硫化锌原料粉末，使用平均粒径为0.5 2pm、纯度大于或等于98%的粉末。此外，作为热压成型的各个条 件，温度为900 110(TC、压力为150 800kg/cn^是适当的。压力保 持时间平均是0.05 1.5小时，可以与温度及压力条件的组合对应而 适当地调节。在这里，为了使用透镜形状的模具进行热压成型，低成本地制 造具有规定光学性能的红外线透镜la，透镜L1 L3的外径和厚度等 结构，必须采用适于该成型的结构。为了提高该多晶硫化锌透镜的透射特性、或保护其表面不受外 部影响，对其进行镀膜是有效的。此时镀层的材质或厚度，可以根据 该红外线透镜的使用方法、场所、状况适当地选择。首先，对于透镜L1 L3的外径Rd，透镜L1 L3的外径Rd越 大，可以获得亮度越高的像，但随着外径Rd增大，使用透镜形状的 模具进行热压成型时所需的挤压机构的压縮力增大。因此，从加工成 本等角度出发，例如在假设与像素间距为25pm的摄像元件Id组合 的情况下，优选透镜L1 L3的外径Rd满足以下关系式Rd<40mm (2) 由此，由于可以抑制使用透镜形状的模具进行热压成型时的挤压机构 的压縮力，因此可以抑制用于透镜加工的设备成本。此外，对于透镜L1 L3的厚度，为了确保使用透镜形状的模具 进行热压成型时的成型性(机械强度、加工精度等)，需要一定程度 的厚度，另一方面，如果厚度变大，则透过透镜时的光量损失变大，
同时在热压成型时容易在透镜L1 L3的厚度方向上产生压力的分 布，而导致在厚度方向上产生折射率的分布。因此，例如在假设与像素间距为25pm的摄像元件Id组合的情况下，对于透镜L1 L3的厚 度，希望中心厚度Tm和边缘厚度Te满足以下关系式1.5mm<Tm<8.0mm (3)1.0mm<Te<8.0mm (4) 由此，可以确保在使用透镜形状的模具进行热压成型时的成型性，并 可以实现厚度薄而透过透镜时的光量损失受到抑制的红外线透镜 la，同时通过抑制透镜L1 L3的厚度，可以防止由于在热压成型时 在透镜的厚度方向上产生压力的分布，而导致在厚度方向上产生折射 率的分布。此外，作为摄像元件Id，使用在8 12pm区域内灵敏度最高的 测辐射热计、热电堆、SOI二极管等非冷却型摄像元件。通常，利用 像素数量为160x120或320x240的摄像元件Id，通过使用像素间距 小(例如25pm)的摄像元件Id，红外线透镜la的最大直径为适于 制造的30mm的程度。(实施例)以下，作为上述实施方式1的具体例，对3个优选实施例1-1、 1-2、 l-3进行说明。此外，作为与该实施例1-1、 1-2、 l-3相对的2 个对比例，介绍实施例1-4、 1-5，并对实施例1-1、 1-2、 1-3与实施 例1-4、 l-5进行比较。此外，实施例1-1将上述fl/f设定为1.10，实 施例1-2将上述fl/f设定为1.40，实施例1-3将上述fl/f设定为1.00。 此外，实施例1-4将上述fl/f设定为1.45，实施例1-5将上述fl/f设 定为0.96。实施例1-1实施例1-1所涉及的红外线透镜la，具有图1至图3中示出的 结构，fl/f设定为1.10， F值设定为l.l，最大直径设定为28.4mm， 视场角设定为17° (在这里，视场角是在与像素间距为25pm、像素 尺寸为320x240的摄像元件组合的情况下的值)。此外，图3中示 出的第2透镜面和第5透镜面的非球面形状(衍射面形状)，通过将 其参数代入下式而确定(下同)在上式中，Z是从非球面上的点向与非球面顶点相切的切平面引出的 垂线的长度(mm) ， y是距离光轴的高度(mm) ， K是离心率，R 是近轴曲率半径，A2、 A4、 A6、 A8是2次、4次、6次、8次的非 球面系数。此外，N是折射率，X是参照波长的值，Cl是衍射面系 数。该实施例1-1的结构中的视场角内(0°、 5.3°、 6.4°、 7.5°)的与 8pm、 10pm、 12)im波长相对应的径向、切向的MTF，成为如图4至 10所示的特性。此外，在图4至图10中，Ave.是对8 12pm的MTF 值取平均之后的曲线(下同)。此外，与其8pm、 10pm、 12pm波长相对应的球面像差、非点 像差，成为如图11及12所示的特性，畸变成为如图13所示的特性。 此外，对应于视场角内的各个像高的与8pm、 lO(im、 12pm波长相对 应的横向像差，成为图14 (a)至图14 (e)所示的特性(在各图中 左侧对应于切向，右侧对应于径向)。实施例1-2实施例1-2所涉及的红外线透镜lb，具有图15至图17中示出 的结构，fl/f设定为1.40， F值设定为1.0，最大直径设定为25.9mm， 视场角设定为20°。该实施例l-2的结构中的视场角内(0°、 6.0°、 7.5°、 8.5°)的与 8pm、 10pm、 12|im波长相对应的MTF，成为如图18至24所示的特 性。此外，其球面像差、非点像差、畸变以及横向像差，成为图25Z(，<formula>formula see original document page 24</formula>
至图27、图28 (a)至图28 (e)所示的特性。 实施例1-3实施例1-3所涉及的红外线透镜lc，具有图29至图31中示出 的结构，fl/f设定为1.00， F值设定为1.1，最大直径设定为30.0mm， 视场角设定为16°。该实施例1-3的结构中的视场角内(0°、 5.0°、 6.0°、 7.0°)的与 8pm、 10pm、 12pm波长相对应的MTF，成为如图32至38所示的特 性。此外，其球面像差、非点像差、畸变以及横向像差，成为图39 至图41、图42 (a)至图42 (e)所示的特性。实施例1-4实施例1-4所涉及的红外线透镜ld，具有图43至图45中示出 的结构，fl/f设定为1.45， F值设定为1.0，最大直径设定为25.9mm， 视场角设定为20°。在该实施例l-4的结构中，也对其视场角内(0°、 6.0°、 7.5°、 8.5°)的与8pm、 10pm、 12pm波长相对应的MTF特性进行了测试， 其结果基于图50 (b)如后所述。实施例1-5实施例1-5所涉及的红外线透镜le，具有图46至图48中示出 的结构，fl/f设定为0.96， F值设定为1.1，最大直径设定为28.4mm, 视场角设定为17°。在该实施例1-5的结构中，也对其视场角内(0°、 5.3°、 6.4°、 7.5°)的与8pm、 10pm、 12pm波长相对应的MTF特性进行了测试， 其结果基于图49 (a)如后所述。总结图49 (a)至图49 (c)、图50 (a)和图50 (b)将上述实施 例1-1、 1-2、 l-3和实施例l-4、 1-5的MTF特性等汇总在表中，按 照实施例1-5、实施例1-3、实施例1-1、实施例1-2、实施例1-4的顺序示出。各表中的MTF值是在空间频率为201p/mm时的值。此外， 在各表中从其上侧至下侧，记录波长为12pm、 10pm、 8pm时的视场 角内的对应于各个像高的MTF值，以及该8 12nm的MTF值的平均值。在这里，作为与以8 12pm的波长区域为目标的红外线透镜的 光学性能相关的评价标准，例如在假定与像素间距为25nm的摄像元 件Id组合的情况下，如果在空间频率为201p/mm时MTF低于0.2， 则从经验可知图像的对比度会显著下降。因此，以在全部视场角以及8 12pm的全部波长下的MTF是否 大于或等于0.2为基准，评价上述实施例1-1、 1-2、 1-3和实施例1-4、 1-5。这样，根据图49 (a)至图49 (c)、图50 (a)和图50 (b) 中示出的MTF特性，对于fl/f值满足上述关系式(1)的条件的实施 例l-l、 1-2、 1-3，在全部视场角和全部波长下都获得大于或等于0.2 的MTF，但对于fl/f值不满足上述关系式(1)的条件的实施例1-4、 1-5，因视场角、波长的不同而产生没有获得大于或等于0.2的MTF 的部分。由此可知，为了在全部视场角和全部波长下都获得大于或等 于0.2的MTF，只要如上述关系式(1)，将fl/f的值设定为大于或 等于l.O而小于或等于1.4的范围内即可。实施方式2 (基本结构)参照图51对本发明的实施方式2所涉及的红外线透镜的基本结 构进行说明。此外，在这里仅对图51的红外线透镜2a的基本结构进 行说明，对于其更详细的结构，作为实施例在后面说明。该红外线透镜2a如图51所示，其构成为从物体侧按顺序具备 由硫化锌形成的第1透镜L1 (第l透镜组)、第2透镜L2 (第2透 镜组)以及第3透镜L3 (第3透镜组)。第1透镜Ll及第3透镜 L3是使凸面朝向物体侧的正弯月透镜，具有正折射能力。第2透镜 L2是使凸面朝向像侧的负弯月透镜，具有正折射能力。
透过透镜L1 L3的光(红外线)，经由红外线透过窗Fi入射 至摄像元件Id的受光面，在该受光面上形成像。此外，本实施方式l中，利用透镜L1 L3各1枚分别构成第1至第3透镜组，但也可 以使用大于或等于2枚透镜构成各个透镜组，也可以是各个透镜组的 透镜枚数互不相同的结构。这样，所有透镜L1 L3由材料成本低的硫化锌形成，并且由于 利用2枚使凸面朝向物体侧的正弯月透镜和l枚使凸面朝向像侧的负 弯月透镜构成红外线透镜2a,因此可以将各个透镜U L3的厚度抑 制得较小，可以抑制透过透镜时的光量损失，同时提高成像性能，可 以以低成本的结构提供像的亮度高、成像性能好的红外线透镜la。 此外，与现有的硫化锌透镜相比，通过抑制透镜整体的厚度，可以实 现抑制透过透镜时的光量损失。此外，第1透镜L1的凹面(像侧面，透镜面编号为2)为衍射 面，由此，可以有效地改善易于在红外线透镜2a中成为问题的色差。 因此，通过在需要强折射能力、容易产生色差的第1透镜L1中设置 衍射面，可以最大限度地获得由设置衍射面产生的色差改善效果。并 且，通过将衍射面设置于第1透镜L1的像侧面上，可以防止由于衍 射面暴露于外部环境中而在衍射面上附着污物等。此外，使第1透镜L1的凸面及凹面中的至少任意一个为非球面。 这样，通过在口径大而容易产生球面像差的第1透镜Ll上设置非球 面，可以有效地改善像差。通过在直径最大的第1透镜L1上设置非 球面，与设置于其它透镜中的情况相比，可以使非球面的形状变化的 程度(弯曲程度)减小，使模具制作及透镜加工变得容易。例如，在 本实施方式2中，使第1透镜Ll的凹面(透镜面编号为2)、第2 透镜L2的凸面(透镜面编号为4)、第3透镜L3的凸面(透镜面编 号为5)以及第3透镜L3的凹面(透镜面编号为6)为非球面，使 除此以外的透镜面为球面。此外，该红外线透镜2a的F值设定为0.8 1.2的程度。并且，该红外线透镜2a为了实现规定的成像性能，构成为满足 如下关系式1.05幼2/f化75 在这里f:第1至第3透镜L1 L3整体的焦距fl2:第1透镜L1和第2透镜L2的合成焦距。 通过满足该条件，可以平衡地校正视场内的各种像差(包含广角区域 中的畸变)，并且可以容易地实现结构紧凑且亮度高的红外线透镜 2a。例如，如果使fl2/f小于1.05,则由于需要将第1透镜L1和第2 透镜L2互相靠近地配置，因此球面像差的校正变困难，相反如果使 其大于1.75，则由于需要将第1透镜Ll与第2透镜L2互相远离地 配置，因此轴外光线从远离第1透镜L1光轴的位置通过，由此非点 像差变大，同时畸变像差(畸变)的校正也变得困难。其结果，通过满足上述关系式(1)，可以采用紧凑的结构，并 且在红外线透镜2a的视场角(例如，设定为大于或等于20°而小于 或等于40。的广角区域)内的整个区域中，可以对于用于拍摄而受光 的红外线的整个波长区域(例如8 12pm)，获得充分的成像性能 (例如，MTF大于或等于0.2)(关于该点的详细说明，基于实施例 和对比例如后所述)。由此，例如将该红外线透镜2a与像素间距为 25nm、像素尺寸为320x240的摄像元件Id组合，可以获得高析像度 的红外线图像。这样构成的第1至第3透镜L1 L3以如下方式形成。即，通过 使用透镜形状的模具，将硫化锌原料粉末在非氧化性气氛中(例如， 真空、Ar等惰性气体或它们的组合等)进行热压成型，获得作为多 晶硫化锌烧结体的透镜L1 L3。这样，通过利用使用了硫化锌的模 具成型制造透镜L1 L3，可以使红外线透镜2a的材料成本和加工成 本大幅降低。此外，也可以对成型后的透镜L1 L3进行抛光、粗磨 等机械加工。更详细地说，作为上述的硫化锌原料粉末，使用平均粒径为 0.5 2pm、纯度大于或等于98%的粉末。此外，作为热压成型的各 个条件，温度为900 110(TC、压力为150 800kg/cni2是适当的。压 力保持时间平均是0.05 1.5小时，可以与温度及压力条件的组合对
应而适当地调节。该多晶硫化锌透镜，为了提高其透射特性或保护透镜表面不受 外部环境影响，对其进行镀膜是有效的。此时镀层的材质或厚度可以 根据该红外线透镜的使用方法、场所、状况适当地选择。例如，为了 提高透射特性，可以对透镜表面利用防反射膜进行镀膜处理(AR镀 膜处理)。或者，为了提高透镜强度，可以对第1透镜L1的最靠物体侧的透镜面(透镜面编号为1)的表面，利用DLC (类金刚石)膜 等超硬质膜进行镀膜处理(DLC镀膜处理)。特别地，在假设将本实施方式2所涉及的红外线透镜2a用于车 载夜视装置用的红外线摄像机中的情况下，上述DLC镀膜处理非常 有效。夜视装置用红外线摄像机，通常设置在如车辆的前方格栅部等 暴露于风雨或行驶中的飞来物的恶劣的环境中。因此，透镜的抗划伤 应对或抗污染应对等耐环境对应变得重要，通过对暴露于外部环境的 最外部的透镜面(透镜面编号为1)进行DLC镀膜处理，可以简单 地实现该应对。此外，作为夜视装置用红外内线摄像机的耐环境对应， 目前采取在最外部透镜面的前段设置规定的窗口部件等措施。但是， 由于作为窗口部件的材料主要使用价格高昂的锗，因此成本增加。此 外，由于额外设置窗口部件，因而使透镜模块整体大型化。另一方面， 由于在利用DLC镀膜处理的耐环境应对中不会产生这种问题，因此 与设置窗口部件的情况相比，可以实现成本的降低及模块的小型化。为了使用透镜形状的模具进行热压成型，低成本地制造具有规 定光学性能的红外线透镜2a，对于透镜L1 L3的外径和厚度等，需 要采用适于该成型的结构。首先，对于透镜L1 L3的外径Rd，透镜L1 L3的外径Rd越 大，可以获得亮度越高的像，但随着外径Rd增大，使用透镜形状的 模具进行热压成型时所需的挤压机构的压縮力增大。因此，从加工成 本等角度出发，例如在假设与像素间距为25pm的摄像元件Id组合 的情况下，优选透镜L1 L3的外径Rd满足以下关系式Rd<40mm由此，由于可以抑制使用透镜形状的模具进行热压成型时的挤压机构
的压縮力，因此可以抑制用于透镜加工的设备成本。此外，对于透镜L1 L3的厚度，为了确保使用透镜形状的模具 进行热压成型时的成型性(机械强度、加工精度等)，需要一定程度 的厚度，另一方面，如果厚度变大则透过透镜时的光量损失变大，同时容易在热压成型时在透镜L1 L3的厚度方向上产生压縮力的分布，导致在厚度方向上产生折射率的分布。因此，例如在假设与像素间距为25pm的摄像元件W组合的情况下，对于透镜L1 L3的厚度， 优选中心厚度Tm和边缘厚度Te满足以下关系式1.5mm<Tm<8.0mm1.0mm<Te<8.0mm由此，可以确保使用透镜形状的模具进行热压成型时的成型性，并且 可以实现厚度薄而透过透镜时的光量损失受到抑制的红外线透镜 la，同时通过抑制透镜L1 L3的厚度，可以防止由于在热压成型时 在透镜的厚度方向上产生压縮力的分布，而导致在厚度方向上产生折 射率的分布。此外，作为摄像元件Id，使用在8 12pm区域内灵敏度最高的 测辐射热计、热电堆、SOI二极管等非冷却型摄像元件。通常，利用 像素数量为160x120或320x240的摄像元件Id，通过使用像素间距 小(例如25nm)的摄像元件Id，红外线透镜2a的最大直径为适于 制造的30mm的程度。(实施例)以下，作为本实施方式2的具体例，对3个最优实施例2-l、2-2、 2-3进行说明。此外，作为与该实施例2-l、 2-2、 2-3相对的2个对 比例，介绍实施例2-4、 2-5，并将实施例2-1、 2-2、 2-3与实施例2-4、 2-5进行比较。此外，实施例2-1将上述fl2/f设定为1.25，实施例 2-2将上述fl2/f设定为1.75，实施例2-3将上述fl2/f设定为1.05。 此外，实施例2-4将上述fl2/f设定为1.80，实施例2-5将上述fl2/f 设定为1.00。
实施例2-1
实施例2-1所涉及的红外线透镜2a，具有图51至图53中示出 的结构，fl2/f设定为1.25，F值设定为0.89，最大直径设定为20.0mm， 视场角设定为31° (在这里，视场角是在与像素间距为25pm、像素 尺寸为320x240的摄像元件组合的情况下的值)。此外，图53中示 出的第2透镜面、第4透镜面、第5透镜面及第6透镜面的非球面形 状(衍射面形状)，通过将其参数代入下式而确定(下同)<formula>formula see original document page 31</formula>(式3)<formula>formula see original document page 31</formula> (式4)在上式中，Z是从非球面上的点向与非球面顶点相切的切平面引出的 垂线的长度(mm) ， y是距离光轴的高度(mm) , K是离心率，R 是近轴曲率半径，A2、 A4、 A6、 A8分别是2次、4次、6次、8次 的非球面系数。此外，N是折射率，X是参照波长的值，Cl、 C2是衍射面系数。
该实施例2-1的结构中的视场角内(0°、 10.9°、 12.15°、 15.34°) 的与8pm、 10pm、 12pm波长相对应的径向、切向的MTF，成为如 图54至60所示的特性。此外，在图54至图60中，Ave.是对8 12nm 的MTF值取平均之后的曲线(下同)。
此外，与8nm、 10pm、 12pm波长相对应的球面像差、非点像 差，成为如图61及62所示的特性，畸变成为如图63所示的特性。 此外，对应于视场角内的与各个像高的8um、 lOum、 12um波长相对 应的横向像差，成为图64 (a)至图64 (e)所示的特性(在各图中， 左侧对应于切向，右侧对应于径向)。
实施例2-2
实施例2-2所涉及的红外线透镜2b，具有图65至图67中示出 的结构，fl2/f设定为1.75，F值设定为1.08，最大直径设定为15.8mm，
视场角设定为32°。该实施例2-2的结构中的视场角内(0°、 11.1°、 12.7°、 16.2°) 的与8|im、 10pm、 12nm波长相对应的MTF，成为如图68至74所 示的特性。此外，其球面像差、非点像差、畸变以及横向像差，成为 图75至图77、图78 (a)至图78 (e)所示的特性。实施例2-3实施例2-3所涉及的红外线透镜2c具有图79至图81中示出的 结构，fl2/f设定为1.05， F值设定为1.01，最大直径设定为17.2mm， 视场角设定为32°。该实施例2-3的结构中的视场角内(0°、 11.0°、 12.5。、 16.0°) 的与8pm、 10ium、 12pm波长相对应的MTF成为如图82至88所示 的特性。此外，其球面像差、非点像差、畸变以及横向像差成为图 89至图91、图92 (a)至图92 (e)所示的特性。实施例2-4实施例2-4所涉及的红外线透镜2d，具有图93至图95中示出 的结构，fl2/f设定为1.80，F值设定为1.05，最大直径设定为15.8mm， 视场角设定为33°。在该实施例2-4的结构中，也对其视场角内(0°、 11.4°、 13.1°、 16.7°)的与8pm、 10pm、 12pm波长相对应的MTF特性进行了测试， 其结果基于图100 (e)如后所述。实施例2-5实施例2-5所涉及的红外线透镜2e，具有图96至图98中示出 的结构，fl2/f设定为l.OO，F值设定为l.Ol，最大直径设定为17.2mm， 视场角设定为32°。在该实施例2-5的结构中，也对其视场角内(0°、 11.0°、 12.5°、 16.0°)的与8|im、 10pm、 12nm波长相对应的MTF特性进行了测试， 其结果基于图99 (a)如后所述。
总结图99 (a)至图99 (c)、图100 (d)和图100 (e)，将上述 实施例2-1至实施例2-5的MTF特性等汇总在表中，按照实施例2-5、 实施例2-3、实施例2-l、实施例2-2、实施例2-4的顺序示出。各表 中的MTF值是在空间频率为201p/mm时的值。此外，在各表中，从 其上侧至下侧，记录波长为12pm、 10pm、 8pm时的视场角内的对应 于各个像高的MTF值，以及该8 12pm的MTF值的平均值。在这里，作为与以8 12nm的波长区域为目标的红外线透镜的 光学性能相关的评价标准，例如在假定与像素间距为25pm的摄像元 件Id组合的情况下，如果空间频率为201p/mm时的MTF低于0.2， 则从经验可知图像的对比度会显著下降。因此，以在全部视场角以及8 12nm的全部波长下MTF是否大 于或等于0.2为基准，评价上述实施例2-1至实施例2-5。这样，根 据图99 (a)至图99 (c)、图100 (d)和图100 (e)中示出的MTF 特性，对于fl2/f的值满足上述关系式(1)的条件的实施例2-l至实 施例2-3，在全部视场角和全部波长下都获得大于或等于0.2的MTF， 但对于fl2/f的值不满足上述关系式(1)的条件的实施例2-4和实施 例2-5，因视场角、波长的不同而产生没有获得大于或等于0.2的MTF 的部分。由此可知，为了在全部视场角和全部波长下都获得大于或等 于0.2的MTF，只要如上述关系式(1)将fl2/f的值设定为大于或等 于1.05、小于或等于1.75的范围内即可。实施方式3 (基本结构)参照图101对本发明的实施方式3所涉及的红外线透镜的基本 结构进行说明。此外，在这里仅对图101的红外线透镜3a的基本结 构进行说明，对于其更详细的结构，作为实施例如后所述。该红外线透镜2a如图101所示，其结构为，从物体侧按顺序具 备由硫化锌形成的第1透镜L1 (第l透镜组)以及第2透镜L2 (第 2透镜组)。第1透镜L1及第2透镜L2是使凸面朝向物体侧的正弯月透镜，具有正折射能力。透过透镜L1、 L2的光(红外线)，经由红外线透过窗Fi入射 至摄像元件Id的受光面，在该受光面上形成像。此外，本实施方式 2中利用透镜Ll、 L2各1枚分别构成第1及第2透镜组，但也可以 使用大于或等于2枚透镜构成各个透镜组，也可以是各个透镜组的透 镜枚数互不相同的结构。这样，由于所有的透镜L1、 L2由材料成本低的硫化锌形成，并 且利用2枚使凸面朝向物体侧的正弯月透镜构成红外线透镜3a，因 此可以将各个透镜L1、 L2的厚度抑制得较小，可以抑制透过透镜时 的光量损失，同时提高成像性能，可以以低成本的构成提供像的亮度 高、成像性能好的红外线透镜3a。此外，与现有的硫化锌透镜相比， 通过抑制透镜整体的厚度，可以抑制透过透镜时的光量损失。此外，第1透镜L1的凹面(像侧面，透镜面编号为2)为衍射 面，由此，可以有效地改善易于在红外线透镜3a中成为问题的色差。 因此，通过在需要强折射能力、容易产生色差的第1透镜L1中设置 衍射面，可以最大限度地获得由设置衍射面产生的色差改善效果。并 且，通过将衍射面设置于第1透镜L1的像侧面上，可以防止由于衍 射面暴露于外部环境中而在衍射面上附着污物等。此外，使第1透镜L1的凸面及凹面中的至少任意一个为非球面。 这样，通过在口径大而容易产生球面像差的第1透镜L1上设置非球 面，可以有效地改善像差。通过在直径最大的第1透镜L1上设置非 球面，与设置于其它透镜中的情况相比，可以使非球面的形状变化的 程度(弯曲程度)减小，使模具制作及透镜加工变得容易。例如，在 本实施方式2中，使第1透镜L1的凸面(透镜面编号为1)、第1 透镜L1的凹面(透镜面编号为2)、第2透镜L2的凸面(透镜面编 号为3)以及第2透镜L2的凹面(透镜面编号为4)为非球面。此外，该红外线透镜3a的F值设定为0.8 1.2的程度。并且，该红外线透镜3a为了实现规定的成像性能，构成为满足 如下关系式 1.25<=fl/f<=1.5 (2)在这里f:第1及第2透镜Ll、 L2整体的焦距fl:第1透镜L1的焦距 通过满足该条件，可以平衡地校正视场内的各种像差(包含广角区域 中的畸变)，并且可以容易地实现结构紧凑且亮度高的红外线透镜3a。例如，如果使fl/f小比1.25，则由于需要将第1透镜Ll和第2 透镜L2互相靠近地配置，因此球面像差的校正变困难，相反如果使 其大于1.5，则由于需要将第1透镜L1与第2透镜L2互相远离地配 置，因此轴外光线从远离第1透镜L1光轴的位置通过，由此非点像 差变大，同时畸变像差(畸变)的校正也变得困难。其结果，通过满足上述关系式(2)，可以采用紧凑的结构，并 且可以在红外线透镜3a的视场角(例如，设定为大于或等于20°、 小于或等于40。的广角区域)内的整个区域中，对于用于拍摄而受光 的红外线的整个波长区域(例如8 12pm)，获得充分的成像性能 (例如，MTF大于或等于0.2)(关于这一点的详细说明，基于实施 例和对比例如后所述)。由此，例如将该红外线透镜3a与像素间距 为25pm、像素尺寸为320x240的摄像元件Id组合，可以获得高析像 度的红外线图像。这样构成的第1及第2透镜LK L2以如下方式形成。即，通过 使用透镜形状的模具，将硫化锌原料粉末在非氧化性气氛中(例如， 真空、Ar等惰性气体或它们的组合等)进行热压成型，获得作为多 晶硫化锌烧结体的透镜Ll、 L2。这样，通过利用使用了硫化锌的模 具成型制造透镜L1、 L2，可以使红外线透镜3a的材料成本和加工成 本大幅降低。此外，也可以对成型后的透镜L1、 L2进行抛光、粗磨 等机械加工。更详细地说，作为上述硫化锌原料粉末，使用平均粒径为0.5 2pm、纯度大于或等于98%的粉末。此外，作为热压成型的各个条 件，温度为900 1100°C、压力为150 800kg/cn^是适当的。压力保 持时间平均为0.05 1.5小时，可以与温度及压力条件的组合对应而
适当地调节。该多晶硫化锌透镜，为了提高其透射特性或保护透镜表面不受 外部环境影响，对其进行镀膜是有效的。此时镀层的材质或厚度可以 根据该红外线透镜的使用方法、场所、状况适当地选择。例如，为了 提高透射特性，可以对透镜表面利用防反射膜进行镀膜处理(AR镀 膜处理)。或者，为了提高透镜强度，可以对第1透镜L1的最靠物体侧的透镜面(透镜面编号为1)的表面，利用DLC (类金刚石)膜 等超硬质膜进行镀膜处理(DLC镀膜处理)。特别是，在假设将本实施方式2所涉及的红外线透镜3a用于车 载夜视装置用的红外线摄像机中的情况下，上述DLC镀膜处理非常 有效。夜视装置用红外线摄像机通常设置在如车辆的前方格栅部等暴 露于风雨或行驶中的飞来物的恶劣的环境中。因此，透镜的抗划伤应 对或抗污染应对等耐环境应对变得重要，通过对暴露于外部环境的最 外部的透镜面(透镜面编号为1)进行DLC镀膜处理，可以简单地 实现该应对。此外，作为夜视装置用红外内线摄像机的耐环境应对， 目前采取在最外部透镜面的前段设置规定的窗口部件等措施。但是， 由于作为窗口部件的材料主要使用价格高昂的锗，因此成本增加。此 外，由于额外设置窗口部件，因而作为透镜模块整体大型化。另一方 面，由于在利用DLC镀膜处理的耐环境应对中不会产生这种问题， 因此与设置窗口部件的情况相比，可以实现成本的降低及模块的小型 化，因而有利。为了使用透镜形状的模具进行热压成型，低成本地制造具有规 定光学性能的红外线透镜3a，透镜L1、 L2的外径和厚度等结构需要 采用适于该成型的结构。首先，对于透镜L1、 L2的外径Rd,透镜L1、 L2的外径Rd越 大，可以获得亮度越高的像，但随着外径Rd增大，使用透镜形状的 模具进行热压成型时所需的挤压机构的压縮力增大。因此，从加工成本等角度出发，例如在假设与像素间距为25pm的摄像元件Id组合 的情况下，优选透镜U L3的外径Rd满足以下关系式 Rd<40mm
由此，由于可以抑制使用透镜形状的模具进行热压成型时所需的挤压 机构的压縮力，因此可以抑制用于透镜加工的设备成本。下面，对于透镜L1、 L2的厚度，为了确保使用透镜形状的模具 进行热压成型时的成型性(机械强度、加工精度等)，需要一定程度 的厚度，另一方面，如果厚度变大则透过透镜时的光量损失变大，同时容易在热压成型时在透镜L1、L2的厚度方向上产生压縮力的分布，而在厚度方向上产生折射率的分布。因此，例如在假设与像素间距为25pm的摄像元件Id组合的情况下，对于透镜L1、 L2的厚度，优选 中心厚度Tm和边缘厚度Te满足以下关系式1.5mm<Tm<8.0mm1.0mm<Te<8.0mm由此，可以确保使用透镜形状的模具进行热压成型时的成型性，可以 实现厚度薄而透过透镜时的光量损失受到抑制的红外线透镜3a，同 时通过抑制透镜L1、 L2的厚度，可以防止由于在热压成型时在透镜 的厚度方向上产生压力的分布，而导致在厚度方向上产生折射率的分 布。此外，作为摄像元件Id，使用在8 12pm区域内灵敏度最高的 测辐射热计、热电堆、SOI二极管等非冷却型摄像元件。通常，利用 像素数量为160x120或320x240的摄像元件Id，通过使用像素间距 小(例如25pm)的摄像元件Id，红外线透镜3a的最大直径为适于 制造的30mm的程度。(实施例)以下，作为本实施方式3的具体例，对3个最优实施例3-i、3-2、 3-3进行说明。此外，作为与该实施例3-1、 3-2、 3-3相对的2个对 比例，介绍实施例3-4、 3-5，并将实施例3-1、 3-2、 3-3与实施例3-4、 3-5进行比较。并且，实施例3-1将上述fl/f设定为1.37，实施例3-2 将上述fl/f设定为1.50，实施例3-3将上述fl/f设定为1.25。此外， 实施例3-4将上述fl/f设定为1.55，实施例3-5将上述fl/f设定为1.20。
实施例3-1实施例3-1所涉及的红外线透镜3a，具有图101至图103中示 出的结构，fl/f设定为1.37，F值设定为l.Ol，最大直径设定为18.0mm， 视场角设定为30° (在这里，视场角是在与像素间距为25pm、像素 尺寸为320x240的摄像元件组合的情况下的值)。此外，图53中示 出的第1透镜面、第2透镜面、第3透镜面及第4透镜面的非球面形 状(衍射面形状)，通过将其参数代入下式而确定(下同)1 + } —(l + iQ^ + ^2*/+如/+ J8 /十…+①0)(式5) cp(:v) = _L_,mod(Cl*_y2+C2,;/4,—;i) (式6)在上式中，z是从非球面上的点向与非球面顶点相切的平面引出的垂线的长度(mm) ， y是距离光轴的高度(mm) ， K是离心率，R是 近轴曲率半径，A2、 A4、 A6、 A8分别是2次、4次、6次、8次的 非球面系数。此外，N是折射率，X是参照波长的值，Cl、 C2是衍 射面系数。该实施例3-1的结构中的视场角内(0°、 10.5°、 12.0°、 15.0°) 的与8pm、 10pm、 12pm波长相对应的径向、切向的MTF，成为如 图104至110所示的特性。此外，在图104至图110中，Ave.是对8 12pm的MTF值取平均之后的曲线(下同)。此外，与8|im、 10pm、 12Hm波长相对应的球面像差、非点像 差，成为如图111及112所示的特性，畸变成为如图U3所示的特性。 此外，对应于视场角内的各个像高的与8pm、 10pm、 12pm波长相对 应的横向像差，成为图114 (a)至图114 (e)所示的特性(在各图 中，左侧对应于切向，右侧对应于径向)。实施例3-2实施例3-2所涉及的红外线透镜3b，具有图115至图117中示 出的结构，fl/f设定为1.50，F值设定为1.09，最大直径设定为16.6mm，
视场角设定为30°。该实施例3-2的结构中的视场角内(0°、 10.5°、 12.0。、 15.0°) 的与8|im、 10nm、 12nm波长相对应的MTF，成为如图118至124 所示的特性。此外，其球面像差、非点像差、畸变以及横向像差，成 为图125至图127、图128 (a)至图128 (e)所示的特性。实施例3-3实施例3-3所涉及的红外线透镜3c,具有图129至图131中示 出的结构，fl/f设定为1.25，F值设定为1.05，最大直径设定为17.3mm， 视场角设定为30°。该实施例3-3的结构中的视场角内(0°、 10.5°、 12.0°、 15.0°) 的与8pm、 10)im、 12)im波长相对应的MTF，成为如图132至138 所示的特性。此外，其球面像差、非点像差、畸变以及横向像差，成 为图139至图141、图142 (a)至图142 (e)所示的特性。实施例3-4实施例3-4所涉及的红外线透镜3d，具有图143至图145中示 出的结构，fl/f设定为1.55，F值设定为I.IO，最大直径设定为16.4mm， 视场角设定为30°。在该实施例3-4的结构中，也对其视场角内(0°、 10.5°、 12.0°、 15,0°)的与8pm、 10pm、 12prn波长相对应的MTF特性进行了测试， 其结果基于图150 (e)如后所述。实施例3-5实施例3-5所涉及的红外线透镜3e，具有图146至图148中示 出的结构，fl/f设定为1.20，F值设定为1.04，最大直径设定为17.4mm， 视场角设定为30°。在该实施例3-5的结构中，也对其视场角内(0°、 10.5°、 12.0°、 15.0°)的与8(im、 10nm、 12|am波长相对应的MTF特性进行了测试， 其结果基于图149 (a)如后所述。
总结图149 (a)至图149 (c)、图150 (d)和图150 (e)，将上 述实施例3-1至实施例3-5的MTF特性等汇总在表中，按照实施例 3-5、实施例3-3、实施例3-l、实施例3-2、实施例3-4的顺序示出。 各表中的MTF值是在空间频率为201p/mm时的值。此外，在各表中 从其上侧至下侧，记录波长为12pm、 10pm、 8pm时的视场角内的对 应于各个像高的MTF值，以及该8 12pm的MTF值的平均值。在这里，作为与以8 12pm的波长区域为目标的红外线透镜的 光学性能相关的评价标准，例如在假定与像素间距为25pm的摄像元 件Id组合的情况下，如果在空间频率为201p/mm时MTF低于0.2， 则从经验可知图像的对比度会显著下降。因此，以在全部视场角以及8 12pm的全部波长下的MTF是否 大于或等于0.2为基准，评价上述实施例3-1至实施例3-5。这样， 根据图149 (a)至图149 (c)、图150 (d)和图150 (e)中示出的 MTF特性，对于fl/f的值满足上述关系式(2)的条件的实施例3-1 至实施例3-3，在全部视场角和全部波长下都获得大于或等于0.2的 MTF，但对于fl/f的值不满足上述关系式(2)的条件的实施例3-4 和实施例3-5,因视场角、波长的不同而产生没有获得大于或等于0.2 的MTF的部分。由此可知，为了在全部视场角和全部波长下都获得 大于或等于0.2的MTF，只要如上述关系式(2)将fl/f的值设定为 大于或等于1.25而小于或等于1.5的范围内即可。(适用例)以下，对将上述实施方式1、 2、 3所涉及的红外线透镜la lc、 2a 2c、 3a 3c用于车载用的夜视装置中的情况进行说明。该夜视 装置如图101所示，构成为具有红外线摄像机21，其设置于车辆 的前端部等；显示部23，其由设置于车室中的从驾驶席可以观察的 位置的液晶显示装置等构成；以及控制部25，其基于红外线摄像机 21拍摄的图像进行图像处理(基于对比度从图像中分离出人像等处
理)，基于该处理结果使显示部23显示警告图像等。红外线摄像机21构成为具有上述红外线透镜la lc、 2a 2c、 3a 3c、红外线透 过窗Fi以及摄像元件Id，通过接收在夜间等从车辆前方的物体(人 等)发出的红外线，拍摄车辆前方的红外线图像。通过这样使用上述实施方式1、 2、 3所涉及的红外线透镜la lc、 2a 2c、 3a 3c构成夜视装置，可以获得利用由控制部25进行 的图像处理而从红外线图像中分离出人像所需的高析像度、高亮度、 高对比度的图像。由此，即使在例如夜间或景色明亮的夏季的图像(夏 季的图像中背景与人(行人等)之间的亮度差变小)中，也可以利用 图像处理识别图像中的人物。此外，由于红外线透镜la lc、 2a 2c、 3a 3c适于小型化，因此可以实现红外线摄像机的小型化，可 以容易地构成搭载于车辆中的夜视装置。
权利要求
1.一种红外线透镜，其特征在于，从物体侧按顺序至少具备第1及第2透镜组，所述第1及第2透镜组具有正折射能力，所述第1及第2透镜组，分别具有至少1枚由硫化锌形成的透镜。
2. 根据权利要求1所述的红外线透镜，其特征在于，所述第1或第2透镜组所具有的至少任意1个透镜面是衍射面。
3. 根据权利要求1或2所述的红外线透镜，其特征在于， 构成所述第1透镜组的至少任意1个透镜面是非球面。
4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的红外线透镜，其特征 在于，满足以下关系式1.25切/f^1.5在这里，f:第1及第2透镜组整体的焦距， fl:第1透镜组的焦距。
5. —种红外线透镜，其特征在于，从物体侧按顺序具备第l、第2及第3透镜组， 所述第1至第3透镜组具有正折射能力，所述第1至第3透镜组，分别具有至少1枚由硫化锌形成的透镜'同时，所述第1至第3透镜组，分别由1枚使凸面朝向物体侧 的正弯月透镜构成。
6. 根据权利要求5所述的红外线透镜，其特征在于，所述第1至第3透镜组所具有的至少任意1个透镜面是衍射面。
7. 根据权利要求5或6所述的红外线透镜，其特征在于， 构成所述第1透镜组的所述正弯月透镜的至少任意1个透镜面是非球面。
8. 根据权利要求5至7中任意一项所述的红外线透镜，其特征在于，满足以下关系式 在这里，f:第1至第3透镜组整体的焦距，fl:第1透镜组所具有的正弯月透镜的焦距。
9. 一种红外线透镜，其特征在于，从物体侧按顺序具备第l、第2及第3透镜组， 所述第1至第3透镜组具有正折射能力，所述第1至第3透镜组，分别具有至少1枚由硫化锌形成的透镜，同时，所述第1及第3透镜组，分别由1枚使凸面朝向物体侧 的正弯月透镜构成，所述第2透镜组由1枚使凸面朝向像侧的负弯月透镜构成。
10. 根据权利要求9所述的红外线透镜，其特征在于， 所述第1至第3透镜组所具有的至少任意1个透镜面是衍射面。
11. 根据权利要求9或IO所述的红外线透镜，其特征在于， 构成所述第1透镜组的所述正弯月透镜的至少任意1个透镜面是非球面。
12. 根据权利要求9至11中任意一项所述的红外线透镜，其特 征在于，满足以下关系式<formula>formula see original document page 4</formula>在这里，f:第1至第3透镜组整体的焦距， fl2:第1及第2透镜组的合成焦距。
13. 根据权利要求1至12中任意一项所述的红外线透镜，其特征在于，所述第1至第3透镜组所具有的至少任意1个透镜，通过使用 透镜形状的模具对硫化锌原料粉末进行热压成型而形成。
14. 根据权利要求1至13中任意一项所述的红外线透镜，其特 征在于，所述第1至第3透镜组所具有的所有透镜的外径Rd，满足以下 关系式Rd<40mm。
15. 根据权利要求1至14中任意一项所述的红外线透镜，其特 征在于，所述第1至第3透镜组所具有的所有透镜的中心厚度Tm及边 缘厚度Te，满足以下关系式 1.5mm<Tm<8.0mm 1.0mm<Te<8.0mm。
16. 根据权利要求1至15中任意一项所述的红外线透镜，其特 征在于，对所述第1透镜组中位于最靠所述物体侧的透镜面，利用超硬 质膜实施镀膜。
17. —种红外线摄像机，其特征在于，具备-权利要求1至16中任意一项所述的红外线透镜；以及 摄像元件，其对由所述红外线透镜成像的像进行摄像。
18. —种夜视装置，其特征在于，具备 权利要求17所述的红外线摄像机；以及 显示单元，其显示由所述红外线摄像机摄像后的图像。
全文摘要
红外线透镜(1a)从物体侧按顺序具备由硫化锌形成的第1至第3透镜(L1～L3)，第1至第3透镜(L1～L3)是使凸面朝向物体侧的正弯月透镜，其通过使用透镜形状的模具对硫化锌原料粉末进行热压成型而形成。此外，第1透镜L1的凹面(像侧面)是衍射面。
文档编号G02B13/14GK101167008SQ20068001448
公开日2008年4月23日 申请日期2006年11月7日 优先权日2006年1月30日
发明者平岩千寻, 泉达也 申请人:住友电气工业株式会社