CN103229088A - 用于红外应用的超广角透镜安排 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于IR成像的高分辨率、超广角光学组件。更具体地，在此描述了一种用于IR摄像机的广角光学组件，该组件包括一个透镜系统，该透镜系统由一个物侧透镜（2）和一个图像侧透镜（3）、以及一个该组件的物侧上的孔径光阑（1）组成，其中：该物侧透镜（2）和该图像侧透镜（3）为正弯月透镜，这些透镜表面的顶点半径的所有中心都指向该物侧，为每个透镜定义一个凹表面和一个凸表面，该物侧透镜（2）的厚度（8）大于0.60EFL，该图像侧透镜（3）的厚度（9）在0.30EFL和0.70EFL之间；0.95＜BFL/EFL＜1.2；以及，该EFL总计在该图像平面对角线的55%和75%之间。本组件将一个广视场和充分开发最先进的17μm像素间距IR探测器所需的高空间分辨率组合起来。仅使用两个透镜就实现了这一点，这样，和现有多透镜组件相比，提供了成本优势。

Description

用于红外应用的超广角透镜安排

本发明涉及用于IR（红外）成像的高分辨率、超广角光学组件。

近来，IR探测器制造商已推出大型、非制冷并且买得起的高分辨率IR探测器。典型地实现了17μm像素间距。这些探测器的充分开发需要提供比以前更高的空间分辨率的光学组件。这允许IR摄像机交付令人惊讶地大视场清晰的并且高对比图像。

到目前为止，已知只有带有四个或更多个透镜的系统提供高分辨率图像和超广视角二者，即比90度更大的对角视场。虽然透镜的这种高数量产生了良好的光学特性，但这种系统较贵。由于高分辨率探测器成本的减少，以及由于充分开发它们所需的光学器件的严格质量，与光学组件相关的成本的比例急剧增加。

在已知的超广角组件中，若干透镜被安排在该孔径光阑的两侧上。一种经典的长后焦距或焦点后移安排在光阑前具有一个发散的前组，并且在该光阑的后面具有多个会聚组（A.Cox.“一种用于光学设计的系统”，Focal出版社（1964）：651-655）。一种经典的用于短后焦距的安排在孔径光阑周围定义了超过五个透镜（A.Cox.“一种用于光学设计的系统”，Focal出版社（1964）658-659）。

在US4738496中，用四个透镜实现了一种具有最大60度视场的大孔径透镜安排。

已描述了一个带有正面光阑的IR广角透镜的示例（SEI技术评审，69号，2009年10月，72-77）使用三个ZnS透镜达到一个仅64度的视场角。

已知一种仅使用两个透镜的IR广角系统（Curatu等人，国际光学工程学会学报，卷6206（2006））。该孔径光阑被放置在该透镜组件的正焦面内，这样生成一条图像侧远心光线路径。然而，该视场被限制在62度。

US2006/0250706示出了一种用于紧凑数字装置中的广角2-透镜组件。该系统包括一个正透镜和一个负透镜。它不特别适用于IR应用并且不提供广视角。

US6236515描述了很多用于紧凑光学变焦单元的透镜拓扑。展示了一些2-透镜系统，但这些被传授适用于远摄定向变焦；因此，它们不被适配用于广角。而且，该图像侧透镜始终是负的。

JP2006-119331示出了一种用于电子摄影机内的带有正面光圈（frontal diagrphragm）的大视场2-透镜系统。然而，该系统不特别适用于IR应用，因为它的透镜中有些是由塑料制成的。而且，它还具有一个物侧透镜，该物侧透镜在该物侧具有一个凸面。

JP11-237545涉及一种配备有3个透镜组的高性能广角组件。

在许多IR应用中，优选地在该透镜组件的正面（物侧）上具有该孔径光阑。确实是，当该透镜组件要被直接内置到该摄影机机身中时，出于经济原因和/或该摄影机机身的结构设计要求，有必要在前面安装该光圈、快门和其他机构。此外，具有一个正面光阑为外露透镜提供一定程度的机械保护免受撞击或污垢，特别是当该摄像机安装在车辆上时。

因此，本发明的目的在于提供一种只带有两个透镜的前孔径透镜，以便降低成本，达到一个与最先进的IR探测器相适应的分辨率组合的大视场。

一个第一实施例涉及一种用于IR摄像机的广角光学组件，该组件包括一个透镜系统，该透镜系统由一个物侧透镜（2）和一个图像侧透镜（3）以及一个该组件的物侧上的孔径光阑（1）组成，其中：该物侧透镜（2）和该图像侧透镜（3）为正弯月透镜，这些透镜表面的顶点半径的所有中心都指向该物侧，为每个透镜定义一个凹表面和一个凸表面，该物侧透镜（2）的厚度（8）大于0.60EFL，该图像侧透镜（3）的厚度（9）在0.30EFL和0.70EFL之间；0.95＜BFL/EFL＜1.2；以及，该EFL总计在该图像平面对角线的55%和75%之间。

在一个进一步实施例中，该光学组件另外具有一个或多个非球面透镜表面。在这种情况下，该物侧透镜（2）的凹表面的曲率随该透镜高度而增加，该物侧透镜（2）的凸表面的曲率随该透镜高度而减小，该图像侧透镜（3）的凹表面的曲率随该透镜高度而减小；以及，该图像侧透镜（3）的凸表面的曲率随该透镜高度而减小。

在一个进一步实施例中，至少一个透镜被提供有一种衍射结构。优选一种具有大于2.1的折射率的IR透明材料。

在一个最后实施例中，以上光学组件可以包含一个或多个光学上平坦且IR透明的窗口（6），用于保护这些透镜或探测器。

具有这种透镜安排的情况下，仅使用两个透镜就可以获得一个广视角。可以达到一个1.4或以下的光圈数和充分开发现代探测器所需的空间分辨率。特别是，可以为22mm探测器在30cy/mm下在中心达到高于40%和在这些边缘达到高于33%的MTF；以及为7mm探测器中心达到高于50%和在这些边缘达到高于45%的MTF。进一步地，在这些边缘处获得大于50%的相对照度。

图1展示了根据本发明的一个典型实施例。本超广角组件在前面设置了该孔径光阑（1）、具有一个厚度（8）的一个第一正弯月透镜（2）以及具有一个厚度（9）的一个第二正弯月透镜（3）。本透镜安排通过一个平探测器窗口（6）将该视场角（4）内的物体聚焦在该探测器平面（5）上。该视场角（4）为100度，而该探测器具有一条7mm的对角线（5）。所产生的BFL（后焦距）（7）具有与该完整光学安排的EFL（有效焦距）大约相同的值。

表1示出了用于根据本发明的5个实施例的详细设计参数。除了几何结构变化外，提供了使用不同探测器大小和不同波段以及不同透镜材料的示例。就这些边缘的相对照度和就30cy/mm下的MTF报告了所产生的图像质量，这是用于17μm间距探测器的相关奈奎斯特频率。

透镜材料为：（Ge₂₂As₂₀Se₅₈），其具有约2.5的折射率；以及锗具有约4的折射率。不同材料（如其他硫系玻璃或硅）也是适用的。

表1中的几何参数与根据以下公式的透镜表面相对应：

$z\left(r\right)=\frac{c{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_4{r}^4+{\mathrm{\α}}_6{r}^6+{\mathrm{\α}}_8{r}^8+{\mathrm{\α}}_{10}{r}^{10}$

其中，c＝1/r₀，以及r₀为顶点半径，r为距光轴的距离，以及z为光轴上的坐标，r₀、r以及z用mm表达。

这些衍射结构由根据以下公式的第一衍射阶中的相变呈现：

$\mathrm{\Φ}=\underset{i=}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\mathrm{\ρ}}^{2i}$

其中，ρ＝r/r₁，r₁为标准化半径并且A_i为相位系数。参考波长为波段的中间。

表1：用于5种设计的第一阶参数和图片质量值

表1（续）：用于透镜1和2的详细设计参数

所展示的安排仅使用两个透镜都达到了一个大于90度的视角，同时保证了在30cy/mm下好于30%MTF的分辨率，一个与现代17μm探测器的开发相容的值。达到了好于65%的边缘照度，本结果被认为非常足够了。

根据这些示例，这些透镜表面中的一个被提供有一种衍射模式，主要应对色差。为此目的，优选地选定该透镜组件的一个内表面。在一些具体情况下，如当使用带有非常低的色散的透镜材料时，该透镜设计可以放弃衍射模式。

除了表1所展示的那些以外，若尊重上述定义的关键参数，其他表面形状当然也可以产生成功的结果。从给定的关键参数开始，使用最先进的光学设计软件，如Zemax、Code V、HEXAGON、或OSLO，通过优化，可以获得其他成功的设计。

为此目的，推荐该经典的阻尼最小平（DLS）优化方法以使评价函数最小化。因此，推荐包括波前误差和主要的光线像差，如该评价函数的像散和变形。

Claims (6)

1.一种用于IR摄像机的广角光学组件，该组件包括一个透镜系统，该透镜系统由一个物侧透镜（2）和一个图像侧透镜（3）、以及一个该组件的物侧上的孔径光阑（1）组成，其中：

该物侧透镜（2）和该图像侧透镜（3）为正弯月透镜；

这些透镜表面的顶点半径的所有中心都指向该物侧，为每个透镜定义一个凹表面和一个凸表面；

该物侧透镜（2）的厚度（8）大于0.60EFL；

该图像侧透镜（3）的厚度（9）在0.30EFL和0.70EFL之间；

0.95＜BFL/EFL＜1.2；以及，

该EFL总计在该图像平面对角线的55%和75%之间。

2.根据权利要求1所述的光学组件，其中，一个或多个透镜表面为非球面的。

3.根据权利要求2所述光学系统，其中：

该物侧透镜（2）的凹表面的曲率随该透镜高度而增加；

该物侧透镜（2）的凸表面的曲率随该透镜高度而减小；

该图像侧透镜（3）的凹表面的曲率随该透镜高度而减小；以及，

该图像侧透镜（3）的凸表面的曲率随该透镜高度而减小。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的光学组件，其中，至少一个透镜被提供有一种衍射结构。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的光学组件，其中，这些透镜由带有一个大于2.1的折射率的IR透明材料组成。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的光学组件，配备有一个或多个光学上平坦且IR透明的窗口（6），用于保护该组件或探测器。

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