专利名称：红外光学系统和红外成像设备的制作方法
技术领域：
本技术涉及用在获得诸如热敏成像或者夜视成像的红外像的光学系统中的红外光学系统，并且涉及使用该红外光学系统的红外成像设备。
背景技术：
远红外线在从8 y m到12 y m的波长范围内，并且远红外线是从人、动物或者其它物体作为热(即，作为红外线)发出。这使得远红外线广泛用于例如在黑暗位置处的成像或者用于观察温度分布。对于采集这种远红外线的光学系统，常常被用于通常的可见光的玻璃透镜由于它的低透射率而不被使用，并且作为替代，锗(Ge)被普遍地用作使红外线良好地穿过的材料。锗具有大约为4的高折射率，并且表面反射因此很高，但是吸收指数接近为零。因而，在具有适当的抗反射涂层的情况下，锗可以具有90%或者更高的透射率。其问题在于，锗是极其昂贵的，因为它是稀有的矿物。因此，作为替换的透镜材料，使用无机晶体材料。无机晶体材料与锗相比在透射率上实际上较低，但是价格适中。无机晶体材料例如包括娃(Si )、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)以及是硫属的化合物和锗的化合物的硫属化物玻璃。但是，这种材料的确是便宜的但是具有与锗类似的高硬度的缺点。也就是说，例如，具有如此高硬度的材料的加工要花费很长的时间，并且这可导致难以降低成本。特别是对于将材料研磨成为非球状的形状来说，在使用精密机械的情况下处理时间预期将是很长的，并且因此不可避免地增加了成本。对于硫化锌和硫属化物玻璃的加工，已经进行了关于压制成形的可能性的研究，但是形成的远红外透镜的产品和光学系统仍然不能用于低价格供应。例如，注意到专利文献I至3(日本专利申请公开第2010-039243、2009-063942和2008-128913号)描述了红外光学系统的先前实例。例如，专利文献I描述了使用三个锗透镜的光学系统。这个光学系统表现了在30°或者更大的视角上的优良的光学特性。也在专利文献I中，为了减少加工成本，透镜在形状上是球面的。但是，使用的材料是锗，锗是非常昂贵的，并且因此它的使用不会使装置便宜。在专利文献2和3中，使用的材料是硫化锌，硫化锌与锗相比是价格适合的。但是，透镜在形状上是非球面的以便减少像差，像差常常因为硫化锌的折射率小于锗的折射率而增大。考虑到加工困难度和加工时间，这对于成本降低是障碍。而且，硫化锌的使用导致相对显著的色像差，并且因此专利文献2和3两者都使用衍射结构以用于颜色校准。但是，考虑到加工困难度和加工时间，这对于成本降低也是障碍
发明内容
因此期望提供一种红外光学系统和红外成像设备，其在8 y m至12 y m的远红外辐射部中显示出优良的光学特性并且以低成本实现。为了增大远红外装置的使用范围，期望宽视角，并且考虑到成像灵敏度，期望具有小数量的透镜的光学系统。更具体地，期望视角至少超过25°，并且期望光学系统中的透镜数量至少不超过三个。根据本技术的实施例，红外光学系统如下地设置。也就是说，根据本技术的实施例的红外光学系统包括从物体侧到像面侧设置的三
个透镜第一透镜、第二透镜和第三透镜。第一和第三透镜均构造成由无机材料制成的且具有正折射力的球面透镜。第二透镜被构造成由树脂材料制成的并且具有非球面表面的弯月形透镜。此外，孔径光阑设置在第一至第三透镜中的任何两个透镜之间。根据本技术的另一个实施例，红外成像设备如下地设置。也就是说，根据本技术实施例的红外成像设备包括上文描述的根据本技术实施例的红外光学系统、红外检测部和图像信号获得部。红外检测部被构造成检测由红外光学系统采集的红外光，并且图像信号获得部被构造成基于由红外检测部获得的红外检测信号来获得红外图像信号。在这里，为了实现低成本，有效的方法是减少使用的透镜的数量、以及使用均具有较小数量的加工困难的非球面表面的透镜。此外，为了确保一定数量的光通过，理想的方法是如上所述地减少使用的透镜的数量、或者减少透镜厚度。为了实现优良的光学特性，期望各种类型的像差被适当地控制。对于像差校准，非球面表面的使用是有效的。如上所述，根据本技术实施例的光学系统包括按照从物体侧的顺次设置的三个透镜第一透镜、第二透镜和第三透镜。第一和第三透镜均是由无机材料制成的并且具有正折射力的球面透镜。第二透镜是由树脂材料制成的并且具有非球面表面的弯月形透镜。在这里，用于形成这种第一和第三透镜的无机材料涉及用于将透镜成形为非球面的加工成本，而与玻璃类型无关。在其考虑中，在本技术的实施例中，使用的第一和第三透镜均是球面的透镜，即，表面都是球面的以起凸透镜的作用的透镜，从而控制加工成本不增加。其问题在于，仅具有两个这样的球面透镜，在具有小F数和宽视角的光学系统中未完全执行像差校准。在其考虑中，像差校准通过使用是由树脂材料制成的非球面透镜的第二透镜执行。这种树脂制成的透镜通过例如注射成型或者压制成形而以低的成本实现非球面的形状。此外，树脂材料还容易实现第二透镜的厚度减小，使得也容易实现高透射率(远红外透射)。根据本技术实施例，可以提供在远红外辐射部显示优良的光学特性并且以低成本实现的红外光学系统和红外成像设备。本公开的这些和其它目标、特征和优点根据它的如附图所示的下述最佳方式实施例的详细描述将变得更加明显。
图1是示出根据实施例的红外成像设备的内部结构的框图；图2是用于示出实施例中的红外光学系统的结构的概况的图；图3是示出用于成像器上的像形成的红外线的数量的示意图；图4是示出从透镜进入成像器的红外线的数量的示意图；图5A是示出聚乙烯的红外透射率与板厚度的关系的图，并且图5B是示出透镜如何特征性地呈现出整体透射率的变化与最大光线长度(h)的关系的图；图6是示出实例I中的红外光学系统的结构的图；图7是实例I中的红外光学系统中的透镜的系数的表，涉及透镜的形状(和开口)、以及透镜间距；图8是示出实例I中的红外光学系统中在每个像高度(0mm、l. 5mm、3. 5mm和5. 0mm)处分辨能力的特性(MTF ;调制传递函数)的图；图9是示出实例2中的红外光学系统的结构的图；图10是实例2中的红外光学系统中的透镜的参数的表，涉及透镜的形状(和开口)、以及透镜间距；图11是示出实例2中的红外光学系统中在每个像高度(0mm、l. 5mm, 3. 5mm和5. 0mm)处分辨能力的特性(MTF)的图；图12是示出实例3中的红外光学系统的结构的图；图13是实例3中的红外光学系统中的透镜的参数的表，涉及透镜的形状(和开口)、以及透镜间距；图14是示出实例3中的红外光学系统中在每个像高度(0mm、1. 5mm、3. 5mm和5. 0mm)处分辨能力的特性(MTF)的图；图15是示出实例4中的红外光学系统的结构的图；图16是实例4中的红外光学系统中的透镜的参数的表，涉及透镜的形状(和开口)、以及透镜间距；图17是示出实例4中的红外光学系统中在每个像高度(0mm、l. 5mm, 3. 5mm和5. 0mm)处分辨能力的特性(MTF)的图；图18是示出实例5中的红外光学系统的结构的图；图19是实例5中的红外光学系统中的透镜的参数的表，涉及透镜的形状(和开口)、以及透镜间距；图20是示出实例5中的红外光学系统中在每个像高度(0mm、l. 5mm, 3. 5mm和5. 0mm)处分辨能力的特性(MTF)的图；图21是示出实例6中的红外光学系统的结构的图；图22是实例6中的红外光学系统中的透镜的参数的表，涉及透镜的形状(和开口)、以及透镜间距；以及图23是示出实例6中的红外光学系统中在每个像高度(0mm、l. 5mm, 3. 5mm和5. 0mm)处分辨能力的特性(MTF)的图。
具体实施例方式在下文中，将描述本技术的实施例。应注意的是，以下列的顺序提供描述。1.作为实施例的红外光学系统和红外成像设备1-1.红外成像设备的结构1-2.实施例中的红外光学系统的概述2.具体的实例2-1.实例 I2-2.实例 22-3.实例 32-4.实例 42-5.实例 52-6.实例 63.修改的实例[1.作为实施例的红外光学系统和红外成像设备][1-1.红外成像设备的结构]图1是示出作为本技术的红外成像设备的实施例的红外成像设备I的内部结构的框图。如图1所示，红外成像设备I包括光学模块2、图像传感器(成像器)3、图像信号获得部4和图像信号处理部5。光学模块2整体示出了红外光学系统，该红外光学系统将作为实施例稍后进行描述。光学模块2向图像传感器3的成像表面(像表面)上采集红外光(红外线)。红外光来自于物体(目标)，该红外光在图1中被表不为入射光Li。图像传感器3检测由光学模块2如此采集的红外线，从而获得与由物体发出的红外线相应的红外检测信号。为了获得这种红外检测信号，期望的是图像传感器3包括红外检测元件，诸如热电元件。替换地，使用的红外检测元件也可以例如是热电堆或者热辐射计类型。热电堆类型与热电偶连接以产生Seebeck (塞贝克)效应，并且热辐射计类型利用通过温度增高的电阻值变化。红外检测元件不限制于此，并且可以是任何类型的，只要红外线由此被检测即可。在实施例中，使用的红外检测元件是热电元件。当使用的红外检测元件是这样的热电元件时，图像传感器3设置有用于周期性地阻断进入其中的红外线的快门。这是为了用于不输出与温度本身相应的值而是输出与温度差(温度变化)相应的值的热电元件。也就是说，快门在照射与阻断之间周期性地改变红外线的状态，以便用于产生温度差。这也是为了对非运动目标获得具有适当温度分布的像(红外像)。应注意的是，稍后提供关于具体地围绕什么位置形成快门的描述。图像信号获得部4通过来自于图像传感器3的红外检测信号的输入来获得红外图像信号。这里的红外检测信号基于上述的红外检测元件获得。
图像信号处理部5在由图像信号获得部4获得的红外图像信号上执行各种类型的图像信号处理，例如，黑电平校准、像素缺陷校准、像差校准、光学暗影校准、透镜畸变校准、温度调节、距离变化的计算、以及编码。从图像信号处理部5的输出例如通过接口(未示出)发送到显示器(像显示装置)和成像装置的其它外设。[1-2.实施例中的红外光学系统的概述]图2是用于示出光学模块2的内部结构的概况的图。与光学模块2的内部结构的概况一起，图2还示出了图像传感器3。如图2所示，实施例中的光学模块2从物体侧到像面侧设置有三个透镜第一透镜10、第二透镜11和第三透镜12。光学模块2还设置有位于第一至第三透镜10至12中的任意两个透镜之间的孔径光阑(aperture stop)13。图2示出了在第一和第二透镜10和11之间形成孔径光阑13的实例。这也被应用到将被稍后描述的实例1、4、5和6中。在实施例的这种光学模块2中，第一、第二和第三透镜10、11和12以及孔径光阑13被设置在同一个透镜镜筒中。在实施例中，至少设置有这些元件(即、第一透镜10、第二透镜11、孔径光阑13、第三透镜12和孔径光阑13)的光学模块2被如下地构造为用于提供主要在远红外辐射部“^至口^!!!)的优良光学特性以及以低成本制造光学模块2。首先，第一和第三透镜10和12均具有正折射力(能力)的球面透镜。这些第一和第二透镜10和12还均是由无机材料制成的球面透镜。具体地，在这个实例中，这些第一和第三透镜10和12均是由硅(Si)制成的球面透镜。如此由无机材料制成的透镜涉及用于被成形为非球面的加工成本，而与玻璃类型无关。在其考虑中，在这个实施例中，使用的第一和第三透镜10和12均是球面透镜，目卩，表面都是球面以起到凸透镜的作用(以获得上述的正折射力)的透镜，从而控制加工成本不增加。另外，虽然硅与锗相比它在红外透射率上较低，但硅是价格适中的透镜材料。从这个意义上讲，为了成本降低也可做出尝试。在这里，第一和第三透镜10和12可以均成形为平凸的或者弯月形的，这将被在下文中的实例中描述。此外，在实施例中的光学模块2中，使用的第二透镜11是由树脂材料制成的双侧非球面透镜。其问题在于，在仅两个这样的球面透镜(即，第一和第三透镜10和12)的情况下，在具有小F数和宽视角的光学系统中没有完全地执行像差校准。在其考虑中，像差校准通过使用由树脂材料制成的非球面透镜的第二透镜11来执行。这种树脂制成的透镜通过例如注射成型或者压制成形以低成本实现非球面的形状。此外，树脂材料与锗和其它材料相比是非常便宜的，并且在这方面，为了成本降低也可做出尝试。此外，树脂材料也容易地实现第二透镜的厚度降低，使得也容易地实现高透射率(红外透射)。
如将在下文中的实例中描述的一样，用于使用的第二透镜11可以是弯月形透镜。弯月形透镜在厚度降低方面是有益的，并且因此对增加红外透射率也是有益的。其问题在于，树脂制透镜的不可避免的缺点是由于紫外线引起的特性劣化。 在其考虑中，在实施例中，树脂制成的第二透镜11设置成被夹置在均如上所述地由无机材料制成的第一透镜10与第三透镜12之间。这些第一至第三透镜10至12被容纳在同一个透镜镜筒中。通过这个结构，被设置在透镜镜筒的端部部分处的除了第一和第三透镜10和12之外的其它透镜不被直接暴露在可见光下。因此，通过均由在可见光辐射部中在透射率方面较低的晶体材料(例如，上述的硅)制成的第一和第三透镜10和12，树脂制成的第二透镜10被有效地保护不受可见光影响。这因此防止了任何可能的随时间的特性劣化，从而实现了高度稳定的红外光学系统。碳黑有时被混合在树脂制透镜中，通常用于提高对耐光性，S卩，主要是耐紫外线性。但是，这应当注意的是，这样的碳黑的混合导致远红外透射率的降低，并且形成的透镜对于红外线的使用是不佳的。为了在同一个透镜镜筒中容纳透镜，使用具有相同的外直径的透镜是有效的。也就是说，所有这种具有相同外直径的透镜都安装在具有一个内直径的一透镜镜筒中，从而导致通过对透镜的偏心率的控制进行容易的组装。在这种情况下，树脂制成的第二透镜11可以被成形为使得其边缘(即，周边部分)在物体侧和像面侧均具有平坦部分。在这种情况下，通过使用这样的边缘的平坦部分，三个透镜可以被通过间隔件以预先确定的间距容纳在透镜镜筒中，即，在实例2至6中的结构。通过透镜镜筒容纳所有透镜，该透镜镜筒可以被均由硅或者具有相对较高刚度的其它材料制成的第一和第三透镜10和12支撑。这样，具有较低刚度的树脂制成的第二透镜11被适当地保护，以免受到诸如破裂的损害。在实施例中，孔径光阑13通过如上所述的插入而设置在第一至第三透镜10至12中的任意两个透镜之间。通过如此设置在第一至第三透镜10至12的任意两个透镜之间的孔径光阑13，当光学系统处于25°或者更大的宽视角时，例如，第一和第三透镜10和12可以具有几乎相同的用于光线通过的有效直径。这样，这防止了第一或者第三透镜10或12变成大直径透镜。还是在该实施例中，第一和第三透镜10和12均是如上所述的由硅制成的透镜。其问题在于，在硅透镜的情况下，其与由无机材料制成的其它透镜相比色散是不明显的。在这里,Abbe (阿贝)数可以被试验性地使用具有8iim、10iim和12 y m的波长的折射率定义。因为Abbe数是色散能力的倒数，Si (硅)透镜具有1510的Abbe数，Ge (锗)透镜具有940的Abbe数，并且ZnS (硫化锌)透镜具有23的Abbe数。这些结果也显示出，对于硅透镜，色散是不明显的。在这里，随着透镜的焦距的减小，色散的效果被减小。在这种情况下，假定使用的成像器在尺寸上是固定的，焦距仅仅需要被设定为较短以用于实现宽视角。因此，例如，在如25度或者更大的相对较宽视角的实施例的光学系统的情况下，焦距因此被设定较短。具体地说，在这个实例中，焦距是大约18mm或者更短。
在这个方面以及通过色散不明显的硅透镜的使用，在不使用任何用于色像差校准的特殊的机构(例如，衍射结构)的情况下，实施例中的光学系统适当地采集具有8 ilm至12um的波长的远红外线并且具有较小的色像差的影响。虽然未在图2中示出，但是在这个使用热电元件作为红外检测元件的实例中快门被插入光学模块2中。在这个实例中，快门被设置在孔径光阑13被形成的位置处。通过如此被设置在孔径光阑13被形成的位置处的快门，来自于物体的具有各种视角的光线被立即遮蔽(阻断)。这因此有效地减少了光量的变化，即，在红外像中的亮度的变化(所述变化由于快门的打开和关闭而在图像传感器3上产生)。更理想地，快门在第一和第二透镜10和11之间形成在孔径光阑13所形成的位置处，如图2所示。通过这种结构，做出尝试来防止光学系统中的S/N (信噪比)的降低。树脂制成的第二透镜11通常具有高红外吸收率，并且因为吸收率被认为等于发射率，所以大量的热来自于第二透镜11。在红外成像设备中，来自于光学系统的朝向成像的热意味着S/N的降低。但是，通过上述的结构，即，快门在第一和第二透镜10和11之间被设置在孔径光阑13所形成的位置处，来自于第二透镜11的热被快门阻隔，使得图像传感器3的输出不受热的影响。也就是说，即使使用的第二透镜11是树脂透镜，设置在比第二透镜11更靠近物体的侧部上的快门也可减少来自于第二透镜的热辐射对S/N的影响。因此，即使从物体到图像传感器3的信号与从树脂制成的第二透镜11到图像传感器3的噪声几乎是在相同的水平，图像传感器3的输出也不受其影响。如上所述，树脂制成的透镜具有高红外吸收率，并且因此具有低的红外透射率。在其考虑中，在这个实例中，使用的第二透镜11由聚乙烯(PE)制成，相对于其它的树脂材料，聚乙烯的红外透射率相对较高。在这里，考虑到耐热性和耐冲击性，高分子量聚乙烯的使用是理想的。而且，考虑到使用的树脂材料在透射率上是较低的，理想的是形成薄的第二透镜11。在这里，随着通过透镜的光线的光线长度(ray length)的增加，透射率将降低。因此，为了提高透射率，透镜厚度预期被设定成减少通过透镜的红外线的最大光线长度。最大光线长度表示在通过透镜的光中光线长度是最大的光线的光线长度。换句话说，树脂制成的第二透镜11被设置成减少通过第二透镜的用于像形成的光线的最大光线长度。具体地说，发现理想的最大光线长度是2. Omm或者更小。在下文中，所描述的是对于通过第二透镜11的光线将最大光线长度控制为2. Omm或者更小的原因。首先，在红外光学系统中将被考虑的特性是分辨能力和温度分辨能力。分辨率是通过其对目标物体的像的形成是如何详细的特性，并且MTF(调制传递函数)值常常被用作它的指示。例如，光学系统的MTF通过基于由像差引起的光采集特性的劣化的值确定。但是，为了评估包括成像器的红外成像设备的性能能力，成像器的因素也被认为是重要的，即，像素间距和灵敏度。这是因为，即使光学系统在没有像差的光采集方面成功，除非成像器接收到足够用于感测的光线或者电磁波，否则也没有检测到温度分布。这意味着光学系统的透射率也是影响装置的整体MTF的因素。
另一方面，温度分辨能力是通过其对目标物体的温度差的测量是如何精确的特性，并且这是红外光学系统独有的指示。作为红外成像器的性能能力指示，存在NETD(噪声等效温差)，NETD表示所测量的与成像器内部的噪声等效的温度差。当该值被在整个装置中获得时，光学系统的透射率影响进入成像器的光的量、或者电磁波的能量的量。这因此导致NETD的值的变化。如从上文中明显得知的，光学系统的透射率极大地影响红外成像设备的性能能力。在下文中，为每个透镜所期望的透射率的最小限制做出估计。首先，如图3所示，例如是通过具有温度S的透镜对具有温度T的物体将光采集到成像器上的情况。在图3中，“f”表示透镜的焦距，“MXf”表示物体与透镜之间的距离(其中M是放大倍数)，以及“r”表示透镜的半径。参见图3，从物体上的微小区域朝向透镜的立体角SAsig满足公式1，其中0是圆锥的半顶角。
权利要求
1.一种红外光学系统,包括 从物体侧到像面侧设置的三个透镜第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜和所述第三透镜均被构造为由无机材料制成的且具有正折射力的球面透镜，所述第二透镜被构造为由树脂材料制成的且具有非球面表面的弯月形透镜；以及 孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述第一透镜至所述第三透镜中的任意两个透镜之间。
2.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述第二透镜被设定为具有2.Omm或更小的光线的最大光线长度，所述光线通过所述第二透镜进行成像。
3.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述第二透镜由聚こ烯制成。
4.根据权利要求1所述的红外光学系统，进一歩包括设置在所述孔径光阑的位置处的快门。
5.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述孔径光阑设置在所述第一透镜与所述第二透镜之间，所述红外光学系统进一歩包括设置在所述孔径光阑的位置处的快门。
6.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述第一透镜和所述第三透镜均是平凸透镜和弯月形透镜中的ー种。
7.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述第一透镜和所述第三透镜均是平凸透镜，所述第一透镜具有面向所述物体侧的凸表面，并且所述第三透镜具有面向所述像面侧的凸表面。
8.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述第一透镜和所述第三透镜均由硅制成。
9.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述第二透镜由高分子量聚こ烯制成。
10.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述第二透镜通过注射成型或者压制成形形成。
11.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜被设置在同一个透镜镜筒中。
12.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、以及所述孔径光阑被设置在同一个透镜镜筒中。
13.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，所述第二透镜被成形为使得其周边部分在物体侧和像面侧均具有平坦部分。
14.一种红外成像设备，包括 红外光学系统，包括 从物体侧到像面侧设置的三个透镜第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜和所述第三透镜均被构造为由无机材料制成的且具有正折射力的球面透镜，所述第二透镜被构造为由树脂材料制成的且具有非球面表面的弯月形透镜；以及 孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述第一透镜至所述第三透镜中的任意两个透镜之间； 红外检测部，被构造成检测由所述红外光学系统采集的红外线；以及图像信号获得部，被构造成基于由所述红外检测部获得的红外检测信号来获得红外图像信号。
全文摘要
本发明公开了一种红外光学系统和红外成像设备。红外光学系统包括从物体侧到像面侧设置的三个透镜，即，第一透镜、第二透镜和第三透镜，第一透镜和第三透镜均被构造成由无机材料制成的且具有正折射力的球面透镜，第二透镜被构造成由树脂材料制成的且具有非球面表面的弯月形透镜；以及设置在第一至第三透镜中的任意两个透镜之间的孔径光阑。
文档编号G02B13/00GK103033909SQ201210362420
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月25日 优先权日2011年10月4日
发明者齐藤政宏, 椛泽秀年 申请人:索尼公司