专利名称：红外线光学系统和红外成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在例如热录像仪和夜视设备的摄取红外图像的系统中使用的红外线光学系统以及使用该红外线光学系统的红外成像装置。
背景技术：
远红外光具有在8 ii m至12 ii m的波段，并且例如从人和动物以热量的方式(即， 以远红外线辐射的方式)发出。鉴于该事实，在黑暗的地方成像、观察温度分布以及其他类似应用中使用远红外光。用于收集远红外光的光学系统由于远红外光的低透射性而不包括用于收集一般可见光的玻璃透镜，而是在很多情况下包括由锗(Ge)或透过足够量的红外光的任何其他材料制成的透镜。由于锗具有约为四的高折射率，并且表面反射比较高，但吸收几乎为零， 这使得当涂覆适当的抗反射膜时实现90%以上的高透射率。然而，由于锗为稀有矿物而非常昂贵。廉价但透射率比锗低的透镜材料包括硅(Si)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、由硫族元素和锗组成的硫属化物玻璃以及其他结晶材料。尽管这些材料是廉价的，不利的是如同Ge —样非常硬。也就是，由于它们非常硬， 所以需要花费很长时间来加工，由此在一些情况下难以降低成本。特别地，为了将上述任何材料研磨为非球面形状，需要长时间使用精密制造设备，通常导致成本增加。硫化锌(ZnS)和硫属化物的压力加工处于研究中，但到目前为止，也还没有以低成本生产出用于远红外光的透镜或光学系统。例如，JP-A-2010-39243、JP-A-2009-63942和 JP-A-2008-128913 描述了现有技术的红外线光学系统。例如，JP-A-2010-39243公开了使用三个Ge透镜的光学系统。该光学系统在30度以上的视角内呈现优良的光学特性。此外，在JP-A-2010-39243中，使用球面透镜使得加工成本降低。然而，首先，由于Ge是非常昂贵的材料，所以不能实现低价的设备。在JP-A-2009-63942中，使用了 ZnS，其材料成本比Ge便宜很多。为了降低由于 ZnS的折射率低于Ge所引起的较大像差量，采用了非球面表面。结果，难以加工非球面表面以及长的加工周期导致其难以降低成本。在JP-A-2008-128913中公开了使用聚乙烯来校正像差并且使用硅透镜来收集光的例子，由于聚乙烯透镜被设置在最接近物体的位置，所以聚乙烯透镜不可避免地因外力和紫外线辐射而劣化。此外，由于光学系统相对于光阑(aperture)不是对称的，所以像差校正能力不足。
发明内容
在这种情况下，期望提供在从8 iim至12 iim的远红外线范围内具有令人满意的光学特性并且可以以低成本实现的红外线光学系统和红外线成像装置。根据本发明的实施方式，提供了一种如下构造的红外线光学系统。也就是，根据本发明的一个实施方式的红外线光学系统包括沿着从物体侧朝向图像平面侧的方向配置的第一光学元件、第二光学元件、第三光学元件和第四光学元件。第四光学元件具有正折射率，在第二光学元件和第三光学元件之间设置有光阑。第一光学元件和第四光学元件由硅(Si)、硫属化物玻璃和硫化锌(ZnS)中的任一种制成。此外，第二光学元件和第三光学元件由树脂材料制成，并且第二光学元件和第三光学元件中的每一个的面向物体的表面和面向图像平面的表面中的至少一个为非球面表面。根据本发明的另一实施方式，提供了一种如下构造的红外线成像装置。也即是，根据本发明的另一实施方式的红外线成像装置包括根据本发明的实施方式的红外线光学系统；红外线检测单元，检测通过所述红外线光学系统收集的红外光； 以及图像信号获取单元，基于由所述红外线检测单元提供的红外线检测信号来产生红外线图像信号。为了实现成本降低，需要减少光学系统中使用的透镜的数量并减少具有加工困难的非球面形状的表面和透镜的数量。另一方面，为了确保足够量的透过的光，期望减小透镜的厚度。此外，为了实现令人满意的光学特性，需要适当地抑制各种像差。如上所述，使用非球面表面校正像差是有效的。在本发明的实施方式中，如上所述，设置在第一光学元件和第四光学元件之间的第二光学元件和第三光学元件由树脂材料制成并具有非球面表面。使用树脂材料使得材料成本降低并由此使得产品成本降低。此外，当透镜由树脂材料制成时，可以通过压力加工或由任何其他简单的方法形成非球面表面，从而与例如由硅制成的现有技术的红外线透镜进行非球面表面加工的情况相比，可以降低加工成本，由此降低产品成本。此外，使用树脂材料使得第二光学元件和第三光学元件更薄，由此容易提高其透射率。然而，简单地用树脂材料形成构成光学系统的光学元件通常由于紫外线辐射而导致树脂光学元件的性能劣化。为了解决该问题，在本发明的实施方式中，将第二光学元件和第三光学元件夹置在由硅、硫属化物玻璃和硫化锌中的任一种制成的第一光学元件和第四光学元件之间。在这种情况下，由于第一光学元件和第四光学元件由在可见光范围内具有低透射率的晶体材料制成，所以可以有效地保护由树脂制成的第二光学元件和第三光学元件以避免可见光的伤害。根据本发明的实施方式，提供了在远红外范围内具有满意的光学特性并且可以低成本获得的红外线光学系统和红外成像装置。
图I是示出了根据实施方式的红外成像装置I的内部构造的框图2概括了根据实施方式的红外线光学系统的构造；
图3示出了通过使用FZ法和CZ法所生产的Si的红外透射率；
图4示出了实施例I的红外线光学系统的构造；
图5示出了在实施例I的红外线光学系统中透镜形状(以及光阑)的系数、以及透镜表面之间的距离；
图6示出了实施例I的红外线光学系统在不同图像高度(0mm、l.5mm、3. 5mm 和5. Omm)下的分辨率特性(MTF)；
图7示出了实施例2的红外线光学系统的构造；
图8示出了在实施例2的红外线光学系统中透镜形状(以及光阑)的系数、以及透镜表面之间的距离；
图9示出了实施例2的红外线光学系统在不同图像高度(0mm、l.5mm、3. 5mm 和5. Omm)下的分辨率特性(MTF)；
图10示出了实施例3的红外线光学系统的构造；
图11示出了在实施例3的红外线光学系统中透镜形状(以及光阑)的系数、以及透镜表面之间的距离；
图12示出了实施例3的红外线光学系统在不同图像高度(0mm、l.5mm、3. 5mm 和5. Omm)下的分辨率特性(MTF)。
具体实施方式
下文将描述用于实现本发明的形式(下文中，被称作实施方式)。
将以下列顺序进行描述。
〈I.根据实施方式的红外线光学系统和红外成像装置>
[1-1.红外成像装置的构造]
[1-2.根据实施方式的红外线光学系统的概述]
〈2.具体实施例>
[2-1.实施例I]
[2-2.实施例2]
[2-3.实施例3]
〈3.变形例>
〈I.根据实施方式的红外线光学系统和红外成像装置>
[1-1.红外成像装置的构造]
图I是示出了根据本发明实施方式的红外成像装置I的内部构造的框图。
如图I所示，红外成像装置I包括光学块2、图像传感器3、图像信号获取单元4以及图像信号处理单元5。
光学块2统一表示下文将描述的根据实施方式的红外线光学系统。光学块2将来
自对象(物体)的在图I中被表示为入射光Li的红外光(红外辐射)收集到图像传感器 3的成像表面(图像面)上。 图像传感器3检测由光学块2收集的红外辐射，并且根据来自对象的红外辐射量而生成红外检测信号。
为了生成红外检测信号，应容纳在图像传感器3中的红外检测装置例如为热电器件。可选地，也可以使用连接有产生塞贝克效应的热电偶的热电堆器件和利用电阻随着温度上升而变化的现象的辐射热测定器件。红外检测器件不应当限于上文所述的器件，还可以是能够检测红外辐射的任何器件。图像信号获取单元4接收由图像传感器3生成的红外检测信号(由上文所述的各种红外检测器件生成的检测信号)并生成红外图像信号。图像信号处理单元5在由图像信号获取单元4生成的拍摄图像信号上执行各种图像信号处理操作。例如，图像信号处理单元5执行黑电平校正、缺陷像素插值、像差校正、光学阴影校正、透镜变形校正、温度调整、距离变化量的计算以及编码。来自图像信号处理单元5的输出经由接口和其他部件(未示出)被传送至成像装置外部的显示器(图像显示装置)。[1-2.根据实施方式的红外线光学系统的概述]图2概括了光学块2的内部构造。图2还连同光学块2的内部的概要一起示出了图像传感器3。如图2所示，根据实施方式的光学块2包括在从物体侧至图像平面侧的方向上配置的第一透镜10、第二透镜11、第三透镜13和第四透镜14。此外，孔径光阑12设置在第二透镜11和第三透镜13之间。在光学块2中，第一透镜10、第二透镜11、孔径光阑12、第三透镜13和第四透镜 14被布置在镜筒中。在该实施方式中，为了不仅主要在远红外范围(Sum至12pm)内提供令人满意的光学特性，而且为了以低成本进行制造，至少包括第一透镜10、第二透镜11、孔径光阑12、 第三透镜13和第四透镜14的光学块2采用了下面的构造。首先，第一透镜10和第四透镜14由Si (硅)、硫属化物玻璃和硫化锌(ZnS)中的任一种制成。第二透镜11和第三透镜13由树脂材料制成，并且第二透镜11和第三透镜13各自的物体侧表面和图像平面侧表面中的至少一个为用于像差校正的非球面表面。由树脂材料形成第二透镜11和第三透镜13使得材料成本降低并由此使得产品成本下降。此外，当它们由树脂材料制成时，例如，可以通过注射成型或压力加工来形成非球面表面，从而与由硅或任何其他结晶材料制成的透镜进行表面加工的情况相比，大大地缩短了制造周期，并在这点上也降低了成本。此外，使用树脂材料使得第二光学元件和第三光学元件更薄，并由此容易提高其透射率。然而，仅布置由树脂材料制成的透镜通常由于紫外线辐射而导致树脂透镜的性能劣化。为了解决该问题，在本实施方式中，第二透镜11和第三透镜13被夹置在如上所述的由硅、硫属化物玻璃和硫化锌中的任一种制成的第一透镜10和第四透镜14之间。第一透镜10和第四透镜14由硅、硫属化物玻璃和硫化锌中的任一种制成，换而言之，由在可见光区具有低透射率的结晶材料制成。一般而言，光学系统中的每一透镜被布置在镜筒中，并且除布置在镜筒的末端处的透镜外，没有可见光直接照射的透镜。考虑到这个情况，上述构造可以有效地保护由树脂材料制成的第二透镜11和第三透镜13以避免可见光直接照射。如上所述，当由树脂材料制成的透镜被保护免于可见光直接照射时，可以抑制在产品出货后在实际使用过程中性能随时间的劣化，并且可以提供更稳定的红外线光学系统。通常，为了提高耐光性(主要是抗紫外线辐射)，树脂透镜有时不用纯树脂制成而由混合有碳黑的树脂制成。然而，混合碳黑降低了远红外线透射率。因此，应当注意，不可以使用混合有碳黑的树脂来形成红外光的透镜。如上所述，由于第二透镜11和第三透镜13主要负责像差校正，所以第一透镜10 和第四透镜14不需要非球面表面。因此，第一透镜10和第四透镜14可以具有球面或平坦的物体侧和图像平面侧表面。由于球面表面和平坦表面比非球面表面更容易加工，所以可以降低透镜形成成本。也就是，在这点上还可以降低产品成本。在该实施方式中，如同也在下面的实施例中描述的那样，第一透镜10具有平坦物体侧表面和凸图像平面侧表面。也就是，第一透镜10具有朝向图像平面的凸起的平凸形状。第四透镜14具有朝向物体凸起的平凸形状，或者具有凸物体侧表面和平坦图像平面侧表面。当第四透镜14具有平坦图像平面侧表面时，可以省略通常用于保护图像传感器3 的平面平行板(传感器窗(sensor window) 15)，从而可以减少部件的数量(参见实施例2)。 也就是，在这点上还可以降低成本。此外，在根据本实施方式的红外线光学系统中，其中，树脂透镜被用于降低成本， 应当谨慎地进行树脂透镜的具体选择，因为树脂材料通常大量吸收远红外辐射。不会大量吸收远红外辐射的树脂材料的实例可以为聚烯烃树脂。在各种聚烯烃树脂中，考虑到材料成本、透镜加工的容易性、透镜长度和其他因素，可以优选使用直链聚烯烃树脂、高密度聚乙烯或者超高分子量聚乙烯。本文中使用的高密度聚乙烯指的是具有0.942[kg/m3]以上密度的聚乙烯。然而，上文所述的任一树脂材料的透射率仍低于上述的硅、硫属化物玻璃、硫化锌以及其他结晶材料的透射率。因此，期望由树脂材料制成的第二透镜11和第三透镜13被制造得较薄。可以说，当光学路径长度沿着光穿过透镜的路径增大时，透镜的透射率降低。因此，为了增大透镜的透射率，其厚度应当被设定为使得将沿着光(在这种情况下为红外辐射)通过透镜的路径的最长光学路径长度最小化(有大量的光线穿过透镜，最长光学路径长度指的是光线传播最长距离的路径长度)。具体地，期望上述的最长光学路径长度为2_以下。更优选地，考虑到现有技术的图像传感器3的灵敏度，最长光学路径长度为1_以下。在本实施方式中，第二透镜11和第三透镜13各自为弯月透镜。弯月透镜的优点是降低透镜厚度并因此提高红外线透射率。此外，在该实施方式中，第二透镜11为具有凸物体侧表面的弯月透镜，而第三透镜13为具有凹物体侧表面的弯月透镜。由于孔径光阑12如上所述地设置在第二透镜11和第三透镜13之间，所获得的光学构造相对于光阑12是对称的。因此，该光学构造成功地抑制了像差。此外，负责校正像差的第二透镜11和第三透镜13各自具有各个物体侧表面和图像平面侧表面的有效区域，并且有效区域(由图像传感器3接收的红外辐射所穿过或出射的区域)被形成为使得“其在二次微分(twice differentiation)之后是连续的”。例如，JP-A-10-68656和JP-A-2009-175018公开了例如在人检测传感器中使用的基于树脂透镜的光学系统。在JP-A-10-68656和JP-A-2009-175018中公开的树脂透镜具有在二次微分之后不连续的表面，例如透镜阵列和菲涅耳透镜。在这种情况下，不利地改变了穿过光学表面的电磁波的相位面。因此，在JP-A-10-68656和JP-A-2009-175018中描述的技术几乎不能对焦高分辨率图像。相反，在本实施方式中，第二透镜11和第三透镜13具有各个物体侧表面和图像平面侧表面的有效区域，并且该有效区域被形成为使得其在二次微分之后是连续的，从而实现了高分辨率。JP-A-10-68656和JP-A-2009-175018依赖于具有单像素或非常少的像素的红外传感器，诸如人检测传感器。在JP-A-10-68656和JP-A-2009-175018中，应当注意这些红外传感器不需要非常高的分辨率光学系统，与本实施方式不同，本实施方式依赖于具有大量像素(例如，水平像素尺寸X垂直像素尺寸=几百(或几千)X几百(或几千))的红外传感器作为用于摄取红外图像的成像器。考虑到材料成本，期望第一透镜10和第四透镜14由上述的硅、硫属化物玻璃、硫化锌以及其他结晶材料中的Si制成。当使用Si时，Si优选地具有400 Q/cm以上的电阻率以及I. 5X1018/cm3的氧浓度，并且优选通过使用FZ(浮区(floating zone))法、CZ(丘克拉斯基(Czochralski))法或MCZ (外加磁场的CZ)法在晶体生长工艺中产生。高电阻率和低氧浓度指的是由此产生的Si透镜包含少量的杂质。已知Si透镜在远红外范围内的透射率随着杂质量的减少而增大。图3示出了通过使用FZ法和CZ法所制造的Si的红外透射率。图3示出了针对各个制造方法在Si上提供AR(抗反射)涂层和没提供AR涂层的 Si的透射率。虚线表示CZ法的结果，而实线表示FZ法的结果。从图3看出，当波长为9 u m附近时Si的透射率表现为降低。透射率的降低主要是由于氧吸收红外辐射而产生。因此，降低Si中的氧浓度能够提高Si的透射率。图3表明使用FZ法比使用CZ法更能大幅提高透射率。也就是，使用FZ法比使用 CZ法或基于CZ法的MCZ法更大幅度地促进氧浓度的降低，从而实现更满意的光学特性。因此，FZ法在上述的三种方法中是最理想的。此外，更优选Si具有500 Q/cm以上的电阻率和I. 3 X 1018/cm3以下的氧浓度。最优选，Si具有1000 Q/cm以上的电阻率和1.0X1018/cm3以下的氧浓度，并且在
晶体生长工艺中使用FZ制造方法来产生。
实际上，还应当考虑下面的要点来设计红外线光学系统。近年来，基于远红外线的设备越来越多地被用作温度传感器和人检测传感器。然 而，目前，基于远红外线的设备分辨率低，并且很少设备具有能够清晰地形成目标物体的形 状的光学系统(诸如红外热摄像仪和夜视系统)。为了使基于远红外线的设备在将来有更 广泛的应用，还需要使红外线光学系统的视角变宽。具体地，特别当基于远红外线的设备用 于夜视系统中时，期望视角大于25度，或者甚至至少为50度。此外，在安全应用中期望视 角为至少65度。在下文描述的具体实施例中，考虑到上述的要点进行光学系统设计。此外，由于远红外光能量低，所以不能使用在可见光范围内使用的成像设备，为了 收集更大量的光，f数需要为1.8以下。此外，在诸如温度分布测量的分辨率定向应用中，为了增大所收集的光量和提高 分辨率，期望f数为1.3以下。在实施例中，还考虑对f数的要求来执行光学系统设计。〈2.具体实施例〉[2-1.实施例 1]图4示出了在实施例1中的光学块2的构造。在图4中，平面Simg表示图1(和图2)中所示的图像传感器3的成像表面。图4还示出了红外光线。由图4中的短虚线所示的光线表示聚集在0mm图像高度的点上的光线，而由点状 虚线所示的光线表示聚集在1. 5mm图像高度处的点上的光线。由实线所示的光线表示聚集在3. 5_图像高度处的点上的光线，而由长虚线所示 的光线表示聚集在5. 0mm图像高度处的点上的光线。在实施例1中，第一透镜10和第四透镜14由Si制成，而第二透镜11和第三透镜 13由高密度聚乙烯制成。在实施例1中，由平坦构件形成的传感器窗15设置为从物体侧数的第五构件。传 感器窗15被设置用于保护图像传感器3的成像表面。传感器窗15也由Si制成。第一透镜10为具有正折射率并具有平坦物体侧表面和球面图像平面侧表面的平 凸透镜。第二透镜11为具有两个非球面表面并朝物体凸出的弯月透镜。第三透镜13为具有两个非球面表面并朝图像表面凸出的弯月透镜。第四透镜14具有正折射率并具有球面物体侧表面和平坦图像平面侧表面。图5示出了透镜的形状(以及孔径光阑12)的系数和透镜表面之间的距离。透镜的凸凹表面由下面的半径r的函数来表示。
权利要求
1.一种红外线光学系统,包括沿着从物体侧朝向图像平面侧的方向配置的第一光学元件、第二光学元件、第三光学元件和第四光学元件，其中，所述第四光学元件具有正折射率，在所述第二光学元件和所述第三光学元件之间设置有光阑，所述第一光学元件和所述第四光学元件由硅、硫属化物玻璃和硫化锌中的任一种制成，以及所述第二光学元件和所述第三光学元件由树脂材料制成，并且各个所述第二光学元件和所述第三光学元件的面向所述物体的表面和面向所述图像平面的表面中的至少一个为非球面表面。
2.根据权利要求I所述的红外线光学系统，其中，制成所述第二光学元件和所述第三光学元件的树脂材料为聚烯烃树脂。
3.根据权利要求2所述的红外线光学系统，其中，所述树脂材料为直链聚烯烃树脂。
4.根据权利要求2所述的红外线光学系统，其中，所述树脂材料为高密度聚乙烯或超高分子量聚乙烯。
5.根据权利要求I所述的红外线光学系统，其中，所述第二光学元件和所述第三光学元件各自具有被设定为使得穿过所述第二光学元件和所述第三光学元件的光所传输的最长光学路径长度为2_以下的厚度。
6.根据权利要求5所述的红外线光学系统，其中，各个所述第二光学元件和所述第三光学元件的最长光学路径长度为1_以下。
7.根据权利要求I所述的红外线光学系统，其中，各个所述第二光学元件和所述第三光学元件的各个面向所述物体的表面和面向所述图像平面的表面的有效区域被形成为在二次微分之后所述有效区域是连续的。
8.根据权利要求I所述的红外线光学系统，其中，在所述第二光学元件和所述第三光学元件的所述表面中的任一表面上设置有衍射结构。
9.根据权利要求I所述的红外线光学系统，其中，所述第二光学元件为具有凸物体侧表面的弯月透镜，并且所述第三光元件为具有凹物体侧表面的弯月透镜。
10.根据权利要求I所述的红外线光学系统，其中，所述第一光学元件和所述第四光学元件由硅制成，并且所述硅是在使用浮区法、丘克拉斯基法或外加磁场的丘克拉斯基法的任一方法的晶体生长工艺中产生的，并具有400 Ω/cm以上的电阻率和I. 5 X IO1Vcm3以下的氧浓度。
11.根据权利要求I所述的红外线光学系统，其中，所述第一光学元件具有面向所述物体的表面和面向所述图像平面的表面，并且它们中的一个表面为平坦表面，而另一个表面为球面表面。
12.根据权利要求11所述的红外线光学系统，其中，所述第一光学元件的面向所述物体的表面为平坦表面。
13.根据权利要求I所述的红外线光学系统，其中，所述第一光学元件为平板。
14.根据权利要求I所述的红外线光学系统，其中，所述第四光学元件具有面向所述物体的表面和面向所述图像平面的表面，并且它们中的一个表面为平坦表面，而另一个表面为球面表面。
15.根据权利要求14所述的红外线光学系统，其中，所述第四光学元件的面向所述图像平面的表面为平坦表面。
16.根据权利要求I所述的红外线光学系统，其中，所述红外线光学系统具有1.8以下的f数和25度以上的视角。
17.一种红外线成像装置，包括红外线光学系统，包括沿着从物体侧朝向图像平面侧的方向配置的第一光学元件、第二光学元件、第三光学元件和第四光学元件，所述第四光学元件具有正折射率，在所述第二光学元件和所述第三光学元件之间设置有光阑，所述第一光学元件和所述第四光学元件由娃、硫属化物玻璃和硫化锌中的任一种制成，所述第二光学兀件和所述第三光学兀件由树脂材料制成，并且各个所述第二光学元件和所述第三光学元件的面向所述物体的表面和面向所述图像平面的表面中的至少一个为非球面表面；红外线检测单元，检测通过所述红外线光学系统收集的红外光；以及图像信号获取单元，基于由所述红外线检测单元提供的红外线检测信号来产生红外线图像信号。
全文摘要
本发明公开了红外线光学系统以及红外线成像装置，该红外线光学系统包括沿着从物体侧朝向图像平面侧的方向所配置的第一光学元件、第二光学元件、第三光学元件和第四光学元件，其中，第四光学元件具有正折射率，在第二光学元件和第三光学元件之间设置有光阑，第一光学元件和第四光学元件由硅、硫属化物玻璃和硫化锌中的任一种制成，以及第二光学元件和第三光学元件由树脂材料制成，并且各个第二光学元件和第三光学元件的面向物体的表面和面向图像平面的表面中的至少一个为非球面表面。
文档编号G02B27/00GK102591012SQ20111044480
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年1月6日
发明者椛泽秀年, 齐藤政宏 申请人:索尼公司