CN104603664A - 红外线用摄像光学系统 - Google Patents

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Abstract

红外线用摄像光学系统包含光圈、物体侧的面向物体侧凸出的树脂透镜以及摄像元件，F值小于等于1.4。在包含光轴的面上，在以正的入射角θ入射到该光学系统的平行光束之中，将入射到在入射面上距离光轴最远的位置上的光线作为上光线，并将该上光线通过入射面之前与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ0U，将该上光线通过入射面之后与光轴所成的角度设为θ1U，设Δθ1U＝θ1U-θ0U，Δθ1U在θ0的全部范围内为负，并且在小于等于最大值的60％的范围内单调减小。在该平行光束之中，将入射到距离该上光线最远的位置上的光线作为下光线，并将该下光线通过入射面之前与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ0L，将该下光线通过入射面之后与光轴所成的角度设为θ1L，设Δθ1L＝θ1L-θ0，在θ0为0时Δθ1L为正，并且如果θ0增加则Δθ1L变为负。

Description

红外线用摄像光学系统
技术领域
本发明涉及一种红外线用摄像光学系统，其使用了由树脂材料制成的透镜。
背景技术
在热像仪、夜视镜、安全系统等中，使用波长范围从几微米到几十微米的电磁波用的摄像装置。上述的波长范围的电磁波被称为远红外线。在利用远红外线的摄像装置中，利用将红外线检测元件排列成阵列状的摄像元件获取远红外线的数据。红外线检测元件中有温差电堆型、辐射热计型、热电型、或量子检测型等，其中温差电堆型利用由红外线聚光时的温度变化所形成的电动势，辐射热计型利用温度变化所形成的电阻值的变化，热电型利用温度变化所形成的带电量的变化，量子检测型利用了光子的吸收所产生的电子的能级跃迁。在使用任一种检测元件的情况下，都需要通过摄像光学系统有效地将红外线聚光到摄像元件上。
在光学透镜的材料中主要使用玻璃或树脂。特别是树脂具有可以使用注射模塑成型等的手法以低成本生产光学透镜的优点。但是，一般来说，因为树脂材料对远红外线的穿透率比树脂材料对可见光的穿透率低，所以在远红外线用摄像光学系统中不能使用与可见光用摄像光学系统同样的树脂透镜。换言之，如果在远红外线用光学系统中使用与可见光用摄像光学系统同样的树脂透镜，则会由于树脂透镜吸收远红外线而造成光量不足。
因此，在以往的远红外线用摄像光学系统的透镜中，作为对远红外线的吸收较少的材料，主要使用锗和硫属元素化物那样的高价材料、或硅那样加工方法仅限于切削从而成本升高的材料(专利文献1及专利文献2)。
这样，尚未开发出能够得到充足的光量的、使用了树脂透镜的远红外线用摄像光学系统。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-014283号公报
专利文献2：日本特开平11-326757号公报
发明内容
发明所要解决的课题
因此，存在对能够得到充足的光量的、使用了树脂透镜的远红外线用摄像光学系统的需求。
用于解决课题的手段
本发明涉及的红外线用摄像光学系统，其使用于波长大于等于5微米的红外线，该红外线用摄像光学系统包含从物体侧向像侧配置的：光圈；物体侧的面在近轴处凸向物体侧的由树脂材料制成的透镜；以及摄像元件，光轴上的F值小于等于1.4。其构成为，将通过所述光圈的中心和所述由树脂材料制成的透镜的中心的直线作为光轴，在包含光轴的面上，将逆时针旋转的方向设为正，在以正的入射角θ入射到所述红外线用摄像光学系统的平行光束之中，将入射到在所述由树脂材料制成的透镜的入射面上距光轴最远的位置上的光线作为上光线，并将该上光线通过入射面之前与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ0U，将该上光线通过入射面之后与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ1U，设Δθ1U＝θ1U-θ0U，在θ从0到最大值的范围内，Δθ1U为负，在θ小于等于最大值的60％的范围内，Δθ1U单调减小。并且，其构成为，在该平行光束之中，将入射到距该上光线最远的位置上的光线作为下光线，并将该下光线通过入射面之前与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ0L，将该下光线通过入射面之后与光轴所成的角度设为θ1L，设Δθ1L＝θ1L-θ0L，在θ为0时，Δθ1L为正，并且如果θ增加则Δθ1L变为负。
在本发明涉及的红外线用摄像光学系统中，对于上光线来说，从θ为0直到达到最大视角，入射面和出射面具有正的屈光力，并且，随着θ增加而入射面的屈光力增加。其结果，相对抑制出射面的屈光力从而抑制面的下垂量由此能够抑制透镜厚度。通过抑制透镜厚度可以使红外线的吸收减少。
在本发明涉及的红外线用摄像光学系统中，对于下光线来说，因为入射面和出射面在θ低的范围具有正的屈光力，所以透镜的焦距变短，F值变小。随着θ增加，入射面拥有负的屈光力，并进一步使负的屈光力增加。其结果，与大的θ相对应的聚光角变大。
在本发明涉及的红外线用摄像光学系统中，光轴上的F值小于等于1.4。并且，通过抑制所述由树脂材料制成的透镜的厚度可以使红外线的吸收减少。因此，本发明涉及的红外线用摄像光学系统可以使用由树脂材料制成的透镜，同时可以获得充足的光量。
在本发明的一个实施方式涉及的红外线用摄像光学系统中，所述由树脂材料制成的透镜由高密度聚乙烯制成。
根据本实施方式，通过在透镜的材料中使用高密度聚乙烯，可以以低成本生产红外线吸收比较小的透镜。
在本发明的其他实施方式涉及的红外线用摄像光学系统中，光圈面与所述由树脂材料制成的透镜的入射面之间的光轴上的距离t0与焦距f的比t0/f大于等于0.2。
根据本实施方式，因为入射面上的与规定的视角相对应的入射位置的差变大，所以容易通过入射面的形状来控制广范围视角的光线。
本发明的其他实施方式涉及的红外线用摄像光学系统中，所述由树脂材料制成的透镜的像侧面包含菲涅尔面。
根据本实施方式，通过使出射面为菲涅尔面，可以抑制出射面的下垂量，从而使透镜厚度变得更小，并可以使由树脂材料制成的透镜的红外线吸收减少。
本发明的其他实施方式涉及的红外线用摄像光学系统，其构成为，对于θ从0到最大值的范围的大于等于80％的范围，摄像面上的聚光全角大于等于50°。
因此，本实施方式的红外线用摄像光学系统在θ的广范围内均可以得到充足的光量。此外，之所以定义“θ从0到最大值的范围的大于等于80％的范围”，是为了除去最大值附近等特殊的区域。
本发明的其他实施方式涉及的红外线用摄像光学系统的全角的最大视角大于等于60°。
根据本实施方式，提供一种高视角的红外线用摄像光学系统，其可以使用由树脂材料制成的透镜，同时可以获得充足的光量。
本发明的其他实施方式涉及的红外线用摄像光学系统还包含由无机材料制成的透镜。
根据本实施方式，提供一种红外线用摄像光学系统，其通过使由红外线吸收少的无机材料制成的透镜与由容易加工且低成本的树脂材料制成的透镜相组合，可以获得更大的光量。
本发明的其他实施方式涉及的红外线用摄像光学系统中，作为透镜，只包含由树脂材料制成的透镜。
根据本实施方式，可以实现更低成本的红外线用摄像光学系统。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。
图2是用来说明入射到透镜的光线的图。
图3是用来说明入射到透镜的平行光束的图。
图4是用来说明透镜对各种视角的平行光束的功能的图。
图5是表示本发明的其他实施方式涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。
图6是表示在菲涅尔面的阶梯部上的光线的举动的图。
图7是表示实施例1涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。
图8是表示关于实施例1涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与上光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。
图9是表示关于实施例1涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与下光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。
图10是表示关于实施例1涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与聚光全角之间的关系的图。
图11是表示关于实施例1涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与相对照度之间的关系的图。
图12是表示实施例2涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。
图13是表示关于实施例2涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与上光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。
图14是表示关于实施例2涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与下光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。
图15是表示关于实施例2涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与聚光全角之间的关系的图。
图16是表示关于实施例2涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与相对照度之间的关系的图。
图17是表示实施例3涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。
图18是表示关于实施例3涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与上光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。
图19是表示关于实施例3涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与下光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。
图20是表示关于实施例3涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与聚光全角之间的关系的图。
图21是表示关于实施例3涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与相对照度之间的关系的图。
图22是表示比较例1涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。
图23是表示关于比较例1涉及的摄像光学系统，相对视角与上光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。
图24是表示关于比较例1涉及的摄像光学系统，相对视角与下光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。
图25是表示关于比较例1涉及的摄像光学系统，相对视角与聚光全角之间的关系的图。
图26是表示关于比较例1涉及的摄像光学系统，相对视角与相对照度之间的关系的图。
图27是用来说明具有菲涅尔面的出射面的阶梯高度和间距的图。
具体实施方式
图1是表示本发明的一个实施方式涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。在红外线用摄像光学系统中，从物体侧向像侧配置有光圈101、透镜103、保护板105以及像面107。透镜103的入射面(物体侧的面)以凸向物体侧的方式构成。将通过光圈101的中心以及透镜103的中心的直线作为光轴。
图2是用来说明入射到透镜103A的光线的图。在包含光轴的面上，规定与光轴垂直的r轴。将从物体朝向像的方向设为光轴的正方向。在上述面上，将入射到透镜103A的光线在入射前与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ0。在本实施方式中，θ0与入射到光学系统的光线在入射前与光轴所成的逆时针旋转的角度θ一致。还将该入射到光学系统的光线与光轴所成的角度θ称为半角的视角。并且，将上述的光线入射到透镜103A之后在入射面上与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ1，将上述的光线从透镜103A出射后在出射面上与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ2。
图3是用来说明入射到透镜103A的平行光束的图。图3是表示包含光轴的截面的图。在图3中，入射到透镜103A的光线在入射前与光轴所成的逆时针旋转的角度为正。将上述的平行光束中入射到在透镜103A的入射面上距离光轴最远的位置上的光线L1称为上光线。并且，将上述的平行光束中入射到在透镜103A的入射面上距离上光线L1最远的位置上的光线L3称为下光线。此外，在上述的平行光束中，通过光圈101A的中心的光线L2是主光线。
图4是用来说明透镜103对各种视角的平行光束的功能的图。图4的(a)是表示视角为0的情况的图，图4的(b)是表示视角为比较小的正值的情况的图，图4的(c)是表示视角为比较大的正值的情况的图。根据图4可知，光圈与入射面之间存在距离，由此使各视角的光线向透镜入射面的不同位置入射，能够容易地进行光线的控制。
图5是表示本发明的其他实施方式涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。在红外线用摄像光学系统中，从物体侧向像侧配置有光圈101B、透镜103B以及像面107B。透镜103B的入射面(物体侧的面)以凸向物体侧的方式构成。并且，透镜103B的出射面是菲涅尔(Fresnel)面。通过使出射面为菲涅尔面，可以抑制出射面的下垂(sag)量，从而使透镜厚度变得更小。此外，如果将透镜材料的折射率设为n，将向菲涅尔面入射的入射光线与菲涅尔面法线所成的角度设为θF，则为了防止在菲涅尔面上发生全反射而优选|n*sin(θF)|对于任意的光线均小于等于1。并且，虽然一般来说存在在菲涅尔面的阶梯部上产生杂散光而导致像面上的光量降低的可能性，但是如果通过与入射到菲涅尔面上的光线的角度、或出射的光线的角度相配合地设定阶梯部的角度，则可以抑制光量降低。
图6是表示在菲涅尔面的阶梯部上的光线的举动的图。A表示入射光线，B表示出射光线。
一般来说，菲涅尔面的阶梯部相对于光轴平行、或者由于制造上的原因而具有起模斜度，但存在因阶梯部的斜度而产生杂散光而导致像面上的光量降低的可能性。通过与入射到菲涅尔面上的光线的角度、或出射的光线的角度相配合地设定阶梯部的角度，可以期待抑制光量降低。
例如，如果阶梯部的斜度像图6的(a)那样大，则视角小的光线会在阶梯面发生折射。在这种情况下，像图6的(b)那样与该光线的入射角度相配合地设定斜度。并且，如果斜度小，则出射光线像图6的(c)那样遇到阶梯部而再次发生折射。在这种情况下，像图6的(d)那样与该光线的出射角度相配合地设定斜度。
此外，在难以进行与全部视角的光线相适合的调整的情况下，以需要光量的视角的光线为优先来确定阶梯部形状。
此外，通过菲涅尔面的阶梯部分的光线表现出与通过阶梯部以外的部分的光线不同的举动。下面的记述与不通过阶梯部的光线相关。
下面对本发明涉及的红外线用摄像光学系统的实施例和比较例进行说明。实施例和比较例的透镜(在有2个的情况下是指像侧的透镜)的材料是高密度聚乙烯(HDPE)，折射率是1.51(波长8um)。
并且，透镜的面形状通过下式表示。
【式1】
Z = cr 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 r 2 + Σ i = 1 N A i r i - - - ( 1 )
c＝1/R
这里，r是距光轴的距离，c是曲率，R是曲率半径，k是二次曲线(conic)系数，Ai是非球面系数。
并且，摄像面前的保护板的材料是硅，折射率是3.42(波长8um)。保护板用于保护摄像元件免受污染和破损等。
此外，实施例和比较例的表中的长度单位是毫米。
实施例1
图7是表示实施例1涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。在红外线用摄像光学系统中，从物体侧向像侧配置光圈1101、透镜1103、保护板1105以及像面1107。透镜1103的入射面(物体侧的面)以在近轴处凸向物体侧的方式构成。将通过光圈1101的中心以及透镜1103的中心并与光圈1101的面垂直的直线作为光轴。
在光轴上，将光圈1101与透镜1103的入射面之间的距离设为t0，将透镜1103的中心处厚度设为t1，将透镜1103与摄像面1107之间的距离设为t2。将透镜1103的有效直径端处的光轴方向的厚度设为Et。并且，将入射光瞳直径设为EPD，将光学系统的焦距设为f。保护板1105的两个侧面是平面，厚度为0.625mm。
表1是表示实施例1涉及的红外线用摄像光学系统的尺寸的表。
【表1】
t0 0.220
t1 0.683
t2 1.219
Et 0.068
EPD 1.000
f 1.001
这里，如果用F来表示F值，则下式成立。
F＝f/EPD
本实施例中的透镜的中心处厚度t1与入射光瞳直径EPD的比t1/EPD是0.683。
因为入射光瞳直径越大捕捉光量就越大，透镜的中心处厚度t1越薄吸收量就越少，所以得到的像就越亮。因此，t1/EPD越小像就越亮。
在本实施例中，光圈1101与透镜1103的入射面之间的距离t0与焦距f的比t0/f是0.220。
如果参照图4，则光圈与透镜的入射面之间的距离越大，那么与各种视角相对应的、入射面上的入射位置的差就越大。这样，如果增大入射面上的入射位置的差，则容易通过入射面的形状来控制较宽视角范围的光线。因此，通过焦距对光圈与透镜的入射面之间的距离进行了标准化的t0/f越大，那么通过透镜的入射面的形状来控制光线的情况就越好。
表2是表示透镜1103的入射面和出射面的式(1)中的系数的值的表。透镜1103的入射面是非球面，出射面是球面。
【表2】
实施例1涉及的红外线用摄像光学系统的全角的最大视角是80°。下面对透镜1103的功能进行说明。
图8是关于实施例1涉及的红外线用摄像光学系统，表示相对视角与上光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。图8的横轴表示相对视角。所谓相对视角是用视角除以最大视角而得到的值，是无名数。图8的纵轴表示角度变化Δθ1和Δθ2。Δθ1和Δθ2分别是以规定的相对视角入射到透镜1103上的光线在入射面和出射面上的角度变化的值，可以通过下式表示。下式中的θ0、θ1以及θ2是使用图2进行定义的内容。
Δθ1＝θ1-θ0
Δθ2＝θ2-θ1
对于上光线来说，角度变化为正的情况相当于负的屈光力(光线扩散)，角度变化为负的情况相当于正的屈光力(光线聚光)。从视角为0直到达到最大视角，入射面和出射面具有正的屈光力，而且，随着视角增加尤其是入射面使正的屈光力增加。其结果，相对抑制出射面的屈光力从而抑制面的下垂量由此能够抑制透镜厚度。通过抑制透镜厚度能够使红外线的吸收减少。
图9是表示关于实施例1涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与下光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。图9的横轴表示相对视角。图9的纵轴表示角度变化Δθ1和Δθ2。
对于下光线来说，角度变化为负的情况相当于负的屈光力(光线扩散)，角度变化为正的情况相当于正的屈光力(光线聚光)。因为入射面和出射面在视角低的范围内具有正的屈光力，所以透镜的焦距变短，F值变小。随着视角增加，入射面拥有负的屈光力，并进一步使负的屈光力增加。其结果，因为光线在出射面上大幅折射并聚光，所以与大的视角相对应的像面上的聚光角变大。
图10是表示关于实施例1涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与聚光全角之间的关系的图。图10的横轴表示相对视角，纵轴表示入射面(S1面)、出射面(S2面)以及像面上的聚光全角。这里，对入射面上的聚光全角、出射面上的聚光全角以及像面上的聚光全角进行说明。将上光线在通过入射面之前与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ0U，将其通过入射面之后与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ1U，将其通过出射面之后与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ2U，将下光线在通过入射面之前与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ0L，将其通过入射面之后与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ1L，将其通过出射面之后与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ2L，则入射面上的聚光全角、出射面上的聚光全角以及像面上的聚光全角分别是
θ0L-θ0U
θ1L-θ1U
θ2L-θ2U。
根据图10，对于所有的相对视角，像面的聚光全角大于等于50°。并且，视角为0度的情况下的聚光全角即光轴上的聚光全角是57.2°，F值是1.001。
图11是表示关于实施例1涉及的红外线用摄像光学系统，视角与相对照度之间的关系的图。图11的横轴表示视角，纵轴表示相对照度。视角的单位是度。相对照度是用照度除以照度的最大值而得到的值，是无名数。在视角为0的情况下照度示出为最大值。根据图11，对于所有的视角，相对照度均大于等于0.8。
实施例2
图12是表示实施例2涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。在红外线用摄像光学系统中，从物体侧向像侧配置光圈2101、透镜2103、保护板2105以及像面2107。透镜2103的入射面(物体侧的面)以在近轴处凸向物体侧的方式构成。虽然未在图12中示出，但是透镜2103的出射面是菲涅尔形状。将通过光圈2101的中心以及透镜2103的中心并与光圈2101的面垂直的直线作为光轴。
在光轴上，将光圈2101与透镜2103的入射面之间的距离设为t0，将透镜2103的中心处厚度设为t1，将透镜2103与摄像面2107之间的距离设为t2。将透镜2103的有效直径端处的光轴方向的厚度设为Et。并且，将入射光瞳直径设为EPD，将光学系统的焦距设为f。保护板2105的两个侧面是平面，厚度为0.625mm。
表3是表示实施例2涉及的红外线用摄像光学系统的尺寸的表。
【表3】
t0 0.511
t1 0.400
t2 1.281
Et 0.081
EPD 1.000
f 1.039
本实施例中的透镜中心处厚度与入射光瞳直径的比t1/EPD是0.385。
本实施例中的光圈2101和透镜2103的入射面之间的距离t0与焦距f的比t0/f是0.492。
表4是表示透镜2103的入射面以及出射面的式(1)中的系数的值的表。透镜2103的入射面是非球面，出射面的基础形状以及菲涅尔形状也是非球面。
【表4】
出射面的形状根据基础面的下垂量与菲涅尔面的下垂量的和来决定。
图27是用来说明具有菲涅尔面的出射面的阶梯高度和间距的图。在本实施例中，以使阶梯高度恒定的方式规定间距。也可以取代该方式，而使阶梯高度按照每个间距变化。在图中，透镜用斜线部分表示。
表5是表示具有菲涅尔面的出射面的阶梯高度以及间距的值的表。此外，最外侧的波带的间距是从最外侧的阶梯位置到透镜的有效区域端部的距离。
【表5】
波带 间距[mm] 阶梯高度[mm]
0 0.402 -
1 0.399 0.25
2 0.230 0.25
3 0.179 0.25
实施例2涉及的红外线用摄像光学系统的全角的最大视角是64°。下面对透镜2103的功能进行说明。
图13是表示关于实施例2涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与上光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。图13的横轴表示相对视角。所谓相对视角是用视角除以最大视角而得到的值，是无名数。图13的纵轴表示角度变化Δθ1和Δθ2。Δθ1和Δθ2分别是以规定的相对视角入射到透镜2103上的光线在入射面和出射面上的角度变化的值，可以通过下式表示。
Δθ1＝θ1-θ0
Δθ2＝θ2-θ1
对于上光线来说，角度变化为正的情况相当于负的屈光力(光线扩散)，负的情况相当于正的屈光力(光线聚光)。从视角为0直到达到最大视角，入射面和出射面具有正的屈光力。关于入射面，直到相对视角达到0.9，正的屈光力随着视角的增加而增加。其结果，能够相对抑制出射面的屈光力从而抑制面的下垂量由此能够抑制透镜厚度。并且，在相对视角为1.0附近，入射面的屈光力减弱，并且出射面的屈光力增加。其结果，像面上的聚光角增加。
图14是表示关于实施例2涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与下光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。图14的横轴表示相对视角。图14的纵轴表示角度变化Δθ1和Δθ2。
对于下光线来说，角度变化为负的情况相当于负的屈光力(光线扩散)，正的情况相当于正的屈光力(光线聚光)。因为入射面和出射面在视角低的范围内具有正的屈光力，所以透镜的焦距变短，F值变小。随着视角增加，入射面拥有负的屈光力，并进一步使负的屈光力增加。其结果，因为光线在出射面上大幅折射并聚光，所以与大的视角相对应的像面上的聚光角变大。
图15是表示关于实施例2涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与聚光全角之间的关系的图。图15的横轴表示相对视角，纵轴表示入射面(S1面)、出射面(S2面)以及像面上的聚光全角。根据图15，对于全部的相对视角，像面的聚光全角大于等于59°。并且，视角为0度的情况下的聚光全角即光轴上的聚光全角是59°，F值是1.039。
图16是表示关于实施例2涉及的红外线用摄像光学系统，视角与相对照度之间的关系的图。图16的横轴表示视角，纵轴表示相对照度。视角的单位是度。相对照度是用照度除以照度的最大值而得到的值，是无名数。在视角为32°(最大值)的情况下照度示出为最大值。根据图16，对于所有的相对视角，相对照度大于等于0.8。
实施例3
图17是表示实施例3涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。在红外线用摄像光学系统中，从物体侧向像侧配置第1透镜3109、光圈3101、第2透镜3103、保护板3105以及像面3107。第2透镜3103的入射面(物体侧的面)以在近轴处凸向物体侧的方式构成。虽然未在图17中示出，但是第2透镜3103的出射面是菲涅尔形状。将通过光圈3101的中心和第2透镜3103的中心并与光圈3101的面垂直的直线作为光轴。
在光轴上，将第1透镜3109的中心处厚度设为ts1，将第1透镜3109的出射面与光圈3101之间的距离设为ts2，将光圈3101与第2透镜3103的入射面之间的距离设为t0，将第2透镜3103的中心处厚度设为t1，将第2透镜3103与摄像面3107之间的距离设为t2。将第2透镜3103的有效直径端处的光轴方向的厚度设为Et。并且，将入射光瞳直径设为EPD，将光学系统的焦距设为f。保护板3105的两个侧面是平面，厚度为0.625mm。
表6是表示实施例3涉及的红外线用摄像光学系统的尺寸的表。
【表6】
ts1 0.500
ts2 0.000
t0 0.570
t1 0.250
t2 0.412
Et 0.158
EPD 1.000
f 0.501
本实施例中的透镜中心处厚度与入射光瞳直径的比t1/EPD是0.25。
在本实施例中，光圈3101与第2透镜3103的入射面之间的距离t0与焦距f的比t0/f是1.137。
表7是表示第1透镜3109的出射面的式(1)中的系数的值的表。第1透镜3109的入射面是平面，出射面是球面。第1透镜3109的材料是硅，折射率是3.42(波长8um)。
【表7】
表8是表示第2透镜3103的入射面和出射面的式(1)中的系数的值的表。第2透镜3103的入射面是非球面，出射面的基础形状以及菲涅尔形状也是非球面。
【表8】
出射面的形状根据基础面的下垂量与菲涅尔面的下垂量的和来决定。在本实施例中，以使阶梯高度恒定的方式规定间距。
表9是表示具有菲涅尔面的出射面的阶梯高度和间距的值的表。
【表9】
波带 间距[mm] 阶梯高度[mm]
0 0.460 -
1 0.071 0.05
2 0.050 0.05
3 0.043 0.05
4 0.037 0.05
5 0.035 0.05
6 0.032 0.05
7 0.032 0.05
8 0.031 0.05
9 0.031 0.05
10 0.031 0.05
11 0.031 0.05
12 0.031 0.05
13 0.030 0.05
14 0.006 0.05
实施例3涉及的红外线用摄像光学系统的全角的最大视角是80°。下面对第2透镜3103的功能进行说明。
图18是表示关于实施例3涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与上光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。图18的横轴表示相对视角。所谓相对视角是用视角除以最大视角而得到的值，是无名数。图13的纵轴表示角度变化Δθ1和Δθ2。Δθ1和Δθ2分别是以规定的相对视角入射到第2透镜3103上的光线在入射面和出射面上的角度变化的值，可以通过下式表示。
Δθ1＝θ1-θ0
Δθ2＝θ2-θ1
对于上光线来说，角度变化为正的情况相当于负的屈光力(光线扩散)，负的情况相当于正的屈光力(光线聚光)。从视角为0直到达到最大视角，入射面和出射面具有正的屈光力。关于入射面，直到相对视角达到0.6，正的屈光力随着视角的增加而增加。其结果，能够相对抑制出射面的屈光力从而抑制面的下垂量由此能够抑制透镜厚度。并且，在相对视角从0.7到0.8的范围内，入射面的屈光力减弱，出射面的屈光力增加。其结果，像面上的聚光角增加。
图19是表示关于实施例3涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与下光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。图19的横轴表示相对视角。图19的纵轴表示角度变化Δθ1和Δθ2。
对于下光线来说，角度变化为负的情况相当于负的屈光力(光线扩散)，正的情况相当于正的屈光力(光线聚光)。因为入射面和出射面在视角低的范围内具有正的屈光力，所以透镜的焦距变短，F值变小。随着视角增加，入射面拥有负的屈光力，并进一步使负的屈光力增加。其结果，使出射面的屈光力相对增大，并且与大的视角相对应的像面上的聚光角变大。
图20是表示关于实施例3涉及的红外线用摄像光学系统，相对视角与聚光全角之间的关系的图。图20的横轴表示相对视角，纵轴表示入射面(S1面)、出射面(S2面)以及像面上的聚光全角。根据图20，对于所有的相对视角，像面的聚光全角大于等于45°。并且，在大于等于相对视角的80％的范围内，像面的聚光全角大于等于50°。而且，视角为0度情况下的聚光全角即光轴上的聚光全角是60°，F值是0.501。
图21是表示关于实施例3涉及的红外线用摄像光学系统，视角与相对照度之间的关系的图。图21的横轴表示视角，纵轴表示相对照度。视角的单位是度。相对照度是用照度除以照度的最大值而得到的值，是无名数。在视角为大约12°的情况下照度示出为最大值。根据图21，对于所有的相对视角，相对照度大于等于0.9。
比较例1
图22是表示比较例1涉及的红外线用摄像光学系统的结构的图。在摄像光学系统中，从物体侧向像侧配置光圈9101、透镜9103、保护板9105以及像面9107。将通过光圈9101的中心和透镜9103的中心并与光圈9101的面垂直的直线作为光轴。透镜9103由高密度聚乙烯制成，保护板9105由硅制成。
这里，按照可见光领域中的单透镜摄像系统的一般的设计，将透镜9103的入射面设为凹面，将出射面设为凸面。
在光轴上，将光圈9101与透镜9103的入射面之间的距离设为t0，将透镜9103的中心处厚度设为t1，将透镜9103与摄像面9107之间的距离设为t2。将透镜9103的有效直径端处的光轴方向的厚度设为Et。并且，将入射光瞳直径设为EPD，将光学系统的焦距设为f。保护板9105的两个侧面是平面，厚度为0.625mm。
表10是表示比较例1涉及的可见光线用摄像光学系统的尺寸的表。
【表10】
t0 0.012
t1 0.697
t2 1.395
Et 0.421
EPD 1.000
f 1.647
本比较例中的中心处厚度与入射光瞳直径的比t1/EPD是0.697。
在本比较例中，光圈9101与透镜9103的入射面之间的距离t0与焦距f的比t0/f是0.00729。
表11是表示透镜9103的入射面和出射面的式(1)中的系数的值的表。透镜1103的入射面和出射面是非球面。
【表11】
比较例1涉及的可见光线用摄像光学系统的全角的最大视角是80°。下面对透镜9103的功能进行说明。
图23是表示关于比较例1涉及的摄像光学系统，相对视角与上光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。图23的横轴表示相对视角。所谓相对视角是用视角除以最大视角而得到的值，是无名数。图23的纵轴表示角度变化Δθ1和Δθ2。Δθ1和Δθ2分别是以规定的相对视角入射到透镜9103上的光线在入射面和出射面上的角度变化的值，可以通过下式表示。
Δθ1＝θ1-θ0
Δθ2＝θ2-θ1
对于上光线来说，角度变化为正的情况相当于负的屈光力(光线扩散)，负的情况相当于正的屈光力(光线聚光)。在相对视角从0到0.6的范围内，入射面的角度变化为正，入射面具有负的屈光力。其结果，透镜9103的焦距变长，F值增加。并且，虽然在相对视角大于等于0.6的范围内入射面具有正的屈光力，但是整体上正的屈光力由出射面贡献。其结果，出射面的曲率变大，并且面的下垂量增加。虽然透镜厚度与实施例1大致相同，但是出射面端处的倾斜角度大于等于70°。并且，因为正的屈光力基本上只由出射面贡献，所以不能得到充足的聚光力，并且像面外周处的聚光角和相对照度降低。
图24是表示关于比较例1涉及的摄像光学系统，相对视角与下光线在入射面和出射面上的角度变化之间的关系的图。图24的横轴表示相对视角。图24的纵轴表示角度变化Δθ1和Δθ2。
对于下光线来说，角度变化为负的情况相当于负的屈光力(光线扩散)，正的情况相当于正的屈光力(光线聚光)。
图25是表示关于比较例1涉及的摄像光学系统，相对视角与聚光全角之间的关系的图。图25的横轴表示相对视角，纵轴表示入射面(S1面)、出射面(S2面)以及像面上的聚光全角。根据图25，视角为0度情况下的聚光全角即光轴上的聚光全角是53.9°，F值是1.647。
图26是表示关于比较例1涉及的摄像光学系统，相对视角与相对照度之间的关系的图。图26的横轴表示相对视角，纵轴表示相对照度。相对照度是用照度除以照度的最大值而得到的值，是无名数。在视角为0的情况下照度示出为最大值。根据图26，相对照度随着相对视角的增加而减少，相对视角为1时的相对照度是0.72。
实施例1至3与比较例的比较
实施例1至3的F值均小于等于1.1，而比较例的F值是1.647。一般来说，如果F值小于等于1.4，则即使用于红外线也可以确保充足的亮度。
实施例1至3的光轴上的聚光全角均大于等于57°，而比较例的光轴上的聚光全角是53.9°。
实施例1至3的聚光全角在从0到最大视角的视角范围的大于等于80％的区域均大于等于50°，而比较例的聚光全角在从0到最大视角的视角范围的大于等于35％的区域均不到50°。
实施例1至3中的像面上的相对照度在从0到最大视角的视角整个范围内均大于等于0.8，而比较例1的像面上的相对照度在从0到最大视角的视角的20％的范围内均不到0.8。
由此，根据本发明可以提供一种摄像光学系统，这种摄像光学系统的F值小，并在从0到最大视角的视角范围内能够维持亮度。
此外，在实施例1至3中，对全角的最大视角大于等于60°的情况进行了说明。一般来说，因为能够将最大视角较大的光学系统使用于最大视角较小的光学系统，所以本发明也可以应用于最大视角较小的光学系统例如视角45°的标准的摄像光学系统中。

Claims (8)

1.一种红外线用摄像光学系统，其使用于波长大于等于5微米的红外线，该红外线用摄像光学系统包含从物体侧向像侧配置的：光圈；物体侧的面在近轴处凸向物体侧的由树脂材料制成的透镜；以及摄像元件，其特征在于，所述红外线用摄像光学系统的F值小于等于1.4，
所述红外线用摄像光学系统构成为：将通过所述光圈的中心和所述由树脂材料制成的透镜的中心的直线作为光轴，在包含光轴的面上，将逆时针旋转的方向设为正，在以正的入射角θ入射到所述红外线用摄像光学系统的平行光束之中，将入射到在所述由树脂材料制成的透镜的入射面上距光轴最远的位置上的光线作为上光线，并将该上光线通过入射面之前与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ0U，将该上光线通过入射面之后与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ1U，设Δθ1U＝θ1U-θ0U，在θ从0到最大值的范围内，Δθ1U为负，在θ小于等于最大值的60％的范围内，Δθ1U单调减小，
并且所述红外线用摄像光学系统构成为：在该平行光束之中，将入射到距该上光线最远的位置上的光线作为下光线，并将该下光线通过入射面之前与光轴所成的逆时针旋转的角度设为θ0L，将该下光线通过入射面之后与光轴所成的角度设为θ1L，设Δθ1L＝θ1L-θ0L，在θ为0时，Δθ1L为正，并且如果θ增加则Δθ1L变为负。
2.根据权利要求1所述的红外线用摄像光学系统，其中，
所述由树脂材料制成的透镜由高密度聚乙烯制成。
3.根据权利要求1或2所述的红外线用摄像光学系统，其中，
光圈面与所述由树脂材料制成的透镜的入射面之间的光轴上的距离t0与焦距f的比t0/f大于等于0.2。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的红外线用摄像光学系统，其中，
所述由树脂材料制成的透镜的像侧面包含菲涅尔面。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的红外线用摄像光学系统，其中，
所述红外线用摄像光学系统构成为：对于θ从0到最大值的范围的大于等于80％的范围，摄像面上的聚光全角大于等于50°。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的红外线用摄像光学系统，其中，
全角的最大视角大于等于60°。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的红外线用摄像光学系统，其中，
所述红外线用摄像光学系统还包含由无机材料制成的透镜。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的红外线用摄像光学系统，其中，
作为透镜，只包含由树脂材料制成的透镜。
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