CN108121021B - 无热复合透镜 - Google Patents

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Abstract

无热复合透镜包括平凹透镜和平凸透镜。平凹透镜具有第一焦距、第一折射率n1和与凹面像侧表面相对的平面物侧表面。平凸透镜与平凹透镜轴向对齐，并且具有(i)第二焦距，(ii)第二折射率n2，(iii)平面像侧表面，以及(iv)在平面像侧表面和凹面像侧表面之间的凸面物侧表面。在自由空间波长范围和温度范围中：(a)第一焦距除以第二焦距得到的商小于‑0.68，并且(b)第一折射率n1和第二折射率n2的温度依赖性
Figure DDA0001459621120000011
和
Figure DDA0001459621120000012
满足
Figure DDA0001459621120000013

Description

无热复合透镜
技术领域
本申请涉及复合透镜，具体地，涉及无热复合透镜。
背景技术
设计成捕获发射近红外(near-IR)光的物体的图像的相机模块在汽车应用和内窥镜中使用。例如，图1描绘了病变190在内窥镜110的视场中。相机模块120对相对于具有方向x、y和z的坐标系198定位的病变190成像。相机模块120包括图像传感器130和成像透镜100。图像传感器130包括像素阵列132，成像透镜100将病变190的图像形成在像素阵列132上。像素阵列132具有宽度132W，并且成像透镜100具有光轴线100X。
内窥镜110的有效性取决于它在应用中的波长和温度范围特征下满足性能规格的能力。波长范围为例如可见光波长范围(自由空间波长λ0∈[0.40μm，0.65μm])或近红外波长范围(λ0∈[0.60μm，1.0μm])。对于上述应用的通常的温度范围为20℃至60℃。因此，包括透镜100的相机的性能部分地取决于成像透镜100被绝热为使得成像透镜100在与其应用有关的温度范围内在图像传感器132上形成清晰的图像。例如，成像透镜100对从病变190上的点190P传播到点102的光192进行成像。光192为例如近红外光。点102位于距光轴线100X的场高度x1并距像素阵列132的焦移Δz1处。焦移Δz1＝0相当于当成像透镜100在图像传感器132上形成点190P的对焦图像。作为场高度x1和环境温度T的函数的焦点偏移Δz1的大小为对于透镜100的无热化量度。对于现有技术透镜，在可见光波长和近红外波长下，在20℃和60℃之间，轴线上焦距以Δz1＝9.2μm或
Figure BDA0001459621100000011
偏移。
发明内容
本文公开的系统和方法的实施方式提供了无热复合透镜系统。本文中的无热复合透镜的实施方式可适用于以上提到的内窥镜成像应用以及任何带有无热成像要求的其他应用。
在实施方式中，无热复合透镜包括平凹透镜和平凸透镜。平凹透镜具有第一焦距、第一折射率n1和与凹面像侧表面相对的平面物侧表面。平凸透镜与平凹透镜轴向地对齐并且具有(i)第二焦距，(ii)第二折射率n2，(iii)平面像侧表面，以及(iv)平面像侧表面和凹面像侧表面之间的凸面物侧表面。在自由空间波长范围和温度范围中：(a)第一焦距除以第二焦距的商小于-0.68，以及(b)第一折射率n1和第二折射率n2各自的温度依赖性
Figure BDA0001459621100000021
和
Figure BDA0001459621100000022
满足
Figure BDA0001459621100000023
附图说明
图1描绘了带有包括成像透镜的相机模块的现有技术内窥镜。
图2是实施方式中与图1的相机模块兼容使用的无热复合透镜的剖视图。
图3是包括图2的无热复合透镜的第一实施方式的成像系统的剖视图。
图4示出了图3的无热复合透镜的示例性参数的表格。
图5A、图5B、图5C和图5D是不同温度下图3的无热复合透镜的离焦调制传递函数(MTF)的示例性曲线图。
图6是包括图2的无热复合透镜的第二实施方式的成像系统的剖视图。
图7示出了图6的无热复合透镜的示例性参数的表格。
图8A、图8B、图8C和图8D是不同温度下图6的无热复合透镜的离焦MTF的示例性曲线图。
图9是示出图3的透镜中的两个透镜的折射率对温度依赖性的曲线图。
图10是示出图6的透镜中的两个透镜的折射率对温度依赖性的曲线图。
具体实施方式
图2是代替透镜100与相机模块120兼容使用的无热复合透镜200的剖视图。无热复合透镜200包括具有共同的光轴线271的平凹透镜220、平凸透镜230、基底240和像侧透镜250。透镜220具有物侧表面221和像侧表面222。无热复合透镜200可包括支撑透镜220的基底210。透镜230具有物侧表面231和像侧表面232。基底240具有支撑透镜230的物侧表面241和支撑透镜250的像侧表面242。基底240可为整体的或由多个相互附接的基底形成。像侧透镜250具有物侧表面251和包括凹面区域和凸面区域中的至少一者的像侧表面252。
无热复合透镜200还可包括盖玻片260。当盖玻片260包括在无热复合透镜200或具有无热复合透镜200的成像系统中时，盖玻片260覆盖位于像平面278处的图像传感器(未示出)的像素阵列。盖玻片260具有前表面261和后表面262。像素阵列和图像传感器的具体类型可变化并且因此在本文中不进行详细地讨论。
在实施方式中，无热复合透镜200的制造过程中的至少部分是使用晶片级光学复制工艺在晶片级执行的。在此实施方式中，透镜230和250模制在基底240上，并且当实施方式包括基底210时，透镜220模制在基底210上。晶片级复制工艺能够使透镜230和250分别由具有不同折射率的材料形成，这能够以更大的灵活性设计无热复合透镜200，以使焦移Δz1最小化。
无热复合透镜200的元件的截面可为矩形或正方形。例如，如果经由晶片级光学复制制造，则透镜230和250以及基底240中的每个可具有由在基底240上模制透镜230和250之后执行的切割操作而产生的相同的正方形截面。
透镜220、230和250可经由晶片级光学复制工艺由焊料回流兼容材料形成。焊料回流兼容材料例如经受得住在超过250℃的温度下发生的表面贴装技术(SMT)回流焊接工艺。这样的材料的示例包括Nitto Denko公司(大阪，日本)的NT-UV系列UV固化树脂。应该理解的是，可使用额外的或替代的材料，而不偏离本发明的范围。
透镜220、230和250还可经由注入模制或在本领域中已知的其他方法形成。此外，透镜220、230和250可经由精密玻璃模制(也称为超精密玻璃压制)或本领域已知的其他方法由玻璃形成。
虽然透镜220、230和250中的每个在图2中作为单一透镜示出，但是透镜220、230和250中的至少一个可为非单一透镜，而不偏离本发明的范围。
无热复合透镜200满足能够使它在20℃和60℃之间的温度下具有的无热化量度
Figure BDA0001459621100000041
的以下限制。在本文中，诸如ΔT的温度范围具有摄氏度或等同地具有开氏度的单位。在包括可见光波长范围和近红外波长范围中的至少一个的波长范围中的自由空间波长下，满足以下限制。
透镜220和230的焦距f220和f230满足f220/f230＜-0.68。透镜220和230的折射率n2和n3满足n3≥n2，以在保持足够的图像质量的同时实现无热化量度。折射率n2和n3的温度依赖性
Figure BDA0001459621100000042
和
Figure BDA0001459621100000043
满足
Figure BDA0001459621100000044
Figure BDA0001459621100000045
例如，
Figure BDA0001459621100000046
并且
Figure BDA0001459621100000047
无热复合透镜，示例1
图3是成像系统301中的无热复合透镜300的剖视图。无热复合透镜300为无热复合透镜200的实施方式。成像系统301还包括位于无热复合透镜300和像平面278(1)之间的盖玻片260(1)。无热复合透镜300具有
Figure BDA0001459621100000048
的全角视场和工作f数Nw＝3.3。
无热复合透镜300包括平凹透镜220(1)、平凸透镜230(1)、像侧透镜250(1)、以及基底210(1)、240(1)、360和370。基底360和370分别具有物侧表面361和371，以及像侧表面362和372。表面362和371是邻接的；由此，基底360和370在本文中表示为盖玻片260(1)。像侧透镜250(1)为平凸的。基底240(1)包括基底342和344，以及在基底342和344之间的孔径光阑343。在本文中，由带括号后缀的附图标记表示的附图元件指代由附图标记指代的元件的示例。例如，透镜220(1)为透镜220的示例。
图4示出了无热复合透镜300的表面和基底的示例性参数的表格400。表格400包括列404、406、408、410、412、414和421至427。列421表示基底210、342和344、表面221(1)、222(1)、231(1)、232(1)、251(1)、252(1)、361、371和372、孔径光阑343以及像平面278(1)。列423包括光轴线271(1)上无热复合透镜300的邻接表面之间以毫米计的厚度值。列423包括基底210(1)、342、344、360、370、以及透镜220(1)、230(1)和250(1)的中心厚度。列423中表示特定表面的行的厚度值表明该特定表面和下一个表面之间的轴线上距离。例如，在光轴线271(1)上，表面221(1)和222(1)以0.020mm间隔，0.020mm对应于透镜220(1)的厚度320T。在光轴线271(1)上，表面231(1)和232(1)以0.0928mm间隔，0.0928mm对应于透镜230(1)的厚度330T。
列426表示每个表面的、使得入射在基底210(1)上并穿过孔径光阑343的光线也足以穿过该表面的最小直径。孔径光阑343的直径φ343＝0.192mm。应该理解的是，成像系统301不一定需要包括盖玻片260(1)，在这种情况下，像平面278(1)朝向无热复合透镜300偏移。
表面222(1)、231(1)和252(1)由公式1中示出的表面sag zsag限定。
Figure BDA0001459621100000051
在公式1中，zsag为径向坐标r的函数，其中方向z和r在图2的坐标系298中示出。数i为正整数并且N＝7。在公式1中，参数c为表面曲率半径rc的倒数：
Figure BDA0001459621100000052
表格400的列422列出了表面222(1)、231(1)和252(1)的rc值。列427中示出的参数k表示圆锥常数。列404、406、408、410、412和414分别包括非球面系数α4、α6、α8、α10、α12、α14的值。表格400中的数量的单位与以毫米表示的公式1中的zsag一致。
列424列出了在自由空间波长λ0＝587.5nm(温度T1下)下的材料折射率nd的值，并且列425列出了对应的色散系数(阿贝数)Vd。对应于表面的折射率和色散系数值表示该表面和下一行中的表面之间的材料。例如，表面221(1)和222(1)之间的折射率和色散系数分别为1.511和57.0。
表格1示出了透镜220(1)和230(1)的折射率n和焦距f。焦距f是使用透镜制造公式和表格400中的透镜参数(λ0＝587.5nm，T＝20℃)估计的。透镜220(1)的焦距与透镜230(1)的焦距的比值在587.5nm处为-0.73，并且在850nm处为-0.72。
表格1
Figure BDA0001459621100000061
图5A和图5B分别为在温度T1＝20℃和T2＝60℃下无热复合透镜300的轴线上离焦多色MTF曲线520V和560V的曲线图。MTF曲线520V和560V分别为95循环/毫米(cycles/mm)处在420nm和640nm之间的平均MTF。焦移参照的是温度T1下的焦平面位置，从而MTF曲线520V在焦移Δz1＝0处具有最大值。MTF曲线520V和560V的峰值的比较示出了在温度T1和T2之间，轴线上焦距以Δz1＝1.9μm或
Figure BDA0001459621100000062
Figure BDA0001459621100000063
偏移。
图5C和图5D分别为在温度T1和T2下无热复合透镜300的轴线上离焦多色MTF曲线520IR和560IR的曲线图。MTF曲线520IR和560IR分别为95循环/毫米处在830nm和870nm之间的平均MTF。焦移参照的是温度T1下的焦平面位置，从而MTF曲线520IR在焦点偏移Δz1＝0处具有最大值。MTF曲线520IR和560IR的峰值的比较示出了在温度T1和T2之间，轴线上焦距以Δz1＝3.5μm或
Figure BDA0001459621100000071
偏移。
无热复合透镜，示例2
图6是成像系统601中无热复合透镜600的剖视图。成像系统601可为诸如手势识别系统的汽车应用的一部分。无热复合透镜600为无热复合透镜200的实施方式。成像系统601还包括无热复合透镜600和像平面278(2)之间的盖玻片260(2)。无热复合透镜600具有
Figure BDA0001459621100000072
Figure BDA0001459621100000073
的全角视场和工作f数Nw＝5.3。
无热复合透镜600包括平凸透镜610、平凹透镜220(2)、平凸透镜230(2)、像侧透镜250(2)、以及基底210(2)、240(2)和260(2)。像侧透镜250(2)为平凹的。平凸透镜610具有物侧表面611和像侧表面612，像侧表面612对应于无热复合透镜600的孔径光阑643的轴向位置。
图7示出了无热复合透镜600的表面和基底的示例性参数的表格700。表格700包括列704、706、708、710、712、714、716和721至727。列721表示基底210(2)、240(2)和260(2)，表面611、612、221(2)、222(2)、231(2)、232(2)、251(2)、252(2)、261(2)、262(2)、孔径光阑643以及像平面278(2)。列723包括光轴线271(2)上无热复合透镜600的相邻表面之间的以毫米计的厚度值。列723包括基底210(2)、240(2)、盖玻片260(2)、以及透镜610、220(2)、230(2)和250(2)的中心厚度。列723中表示特定表面的行中的厚度值表示该特定表面和下一个表面之间的轴线上距离。例如，在光轴线271(2)上，表面221(2)和222(2)以0.0223mm间隔，0.0223毫米对应于透镜220(2)的厚度620T。在光轴线271(2)上，表面231(2)和232(2)以0.1206毫米间隔，0.1206毫米对应于透镜230(2)的厚度630T。
列726表示每个表面的、使入射在基底210(2)上并穿过孔径光阑643的光线也足以穿过该表面的最小直径。孔径光阑643具有φ643＝0.32mm的直径。应该理解的是，成像系统601不一定需要包括盖玻片260(2)，在不包括盖玻片的情况下，像平面278(2)朝向无热复合透镜600偏移。
表面222(2)、231(2)和252(2)由公式1中示出的表面sag zsag限定。表格700的列722列出了对于表面222(2)、231(2)和252(2)的rc值。列727中示出的参数k表示圆锥常数。列704、706、708、710、712、714和716分别包括非球面系数α4、α6、α8、α10、α12、α14和α16的值。表格700中的数量的单位与以毫米表达的公式1中的zsag一致。
列724列出了在自由空间波长λ0＝587.5nm下材料折射率nd的值，并且列725列出了对应的色散系数Vd。表格2示出了在λ0＝587.5nm处的折射率n和透镜610、220(2)、230(2)和250(2)的焦距f。焦距f是使用透镜制造公式和表格700的透镜参数(λ0＝587.5nm，T＝20℃)估计的。透镜220(2)的焦距与透镜230(2)的焦距的比值在λ0＝587.5nm处和λ0＝850nm处均为-0.965。
表格2
Figure BDA0001459621100000081
图8A和图8B分别为在温度T1＝20℃和T2＝60℃下无热复合透镜600的轴线上离焦多色MTF曲线820V和860V的曲线图。MTF曲线820V和560V均为95循环/毫米(cycles/mm)下在420nm和640nm之间的平均MTF。焦移参照的是温度T1下的焦平面位置，从而MTF曲线820V在焦移Δz1＝0处具有最大值。MTF曲线820V和860V的峰值的比较示出了在温度T1和T2之间，轴线上焦距以Δz1＝5.6μm或
Figure BDA0001459621100000082
Figure BDA0001459621100000083
偏移。
图8C和图8D分别为在温度T1和T2下无热复合透镜600的轴线上离焦多色MTF曲线820IR和860IR的曲线图。MTF曲线820IR和860IR均为95循环/毫米下在830nm和870nm之间的平均MTF。焦移参照的是温度T1下的焦平面位置，从而MTF曲线820IR在焦移Δz1＝0处具有最大值。MTF曲线820IR和860IR的峰值的比较示出了在温度T1和T2之间，轴线上焦距以Δz1＝5.6μm或
Figure BDA0001459621100000091
偏移。
图9是表格1中示出的符合线性温度依赖性925、928、935和938的无热复合透镜300的透镜220(1)和230(1)的折射率的曲线图。线性温度依赖性925和928分别对应于凹面透镜220(1)在λ0＝587和λ0＝850nm时的情况，均具有斜率-2.0×10-4/℃。线性温度依赖性935和938分别对应于凸面透镜230(1)在λ0＝587和λ0＝850nm时的情况，均具有斜率-1.0×10-4/℃。
图10是表格2中示出的符合线性温度依赖性1025、1028、1035和1038的无热复合透镜600的透镜220(2)和230(2)的折射率的曲线图。线性温度依赖性1025和1028分别对应于凹面透镜220(2)在λ0＝587和λ0＝850nm时的情况，并且均具有斜率-2.3×10-4/℃。线性温度依赖性1035和1038分别对应于凸面透镜230(2)在λ0＝587和λ0＝850nm时的情况，并且均具有斜率-1.0×10-4/℃。
以上描述的特征以及权利要求可以以多种方式组合，而不偏离本发明的范围。下述示例说明了一些可能的、非限制性的组合：
(A1)无热复合透镜包括平凹透镜和平凸透镜。平凹透镜具有第一焦距、第一折射率n1和与凹面像侧表面相对的平面物侧表面。平凸透镜与平凹透镜轴向对齐并且具有(i)第二焦距，(ii)第二折射率n2，(iii)平面像侧表面，以及(iv)在平面像侧表面和凹面像侧表面之间的凸面物侧表面。在自由空间波长范围和温度范围中：(a)第一焦距除以第二焦距小于-0.68，并且(b)第一折射率n1和第二折射率n2的温度依赖性
Figure BDA0001459621100000092
和
Figure BDA0001459621100000093
满足
Figure BDA0001459621100000094
(A2)在由(A1)表示的无热复合透镜中，自由空间波长范围可包括从400nm至650nm的波长。
(A3)在由(A1)和(A2)中的一个表示的任意无热复合透镜中，自由空间波长范围可包括从600nm至1000nm的波长。
(A4)在由(A1)至(A3)中的一个表示的任意无热复合透镜中，温度范围可从20℃至60℃。
(A5)由(A4)表示的任意无热复合透镜在自由空间波长范围和温度范围内可具有温度依赖性焦移
Figure BDA0001459621100000101
(A6)在由(A1)至(A5)中的一个表示的任意无热复合透镜中，
Figure BDA0001459621100000102
可大于或等于10-4/℃，并且
Figure BDA0001459621100000103
可大于或等于0.5×10-4/℃。
(A7)在由(A1)至(A6)中的一个表示的任意无热复合透镜中，第二折射率可大于或等于第一折射率。
(A8)由(A1)至(A7)中的一个表示的任意无热复合透镜还可包括与平凸透镜轴向对齐并且具有平面物侧表面的第三透镜，以及平凸透镜和第三透镜之间的双平面基底。
(A9)在由(A8)表示的任意无热复合透镜中，第三透镜可具有凸面像侧表面。
(A10)由(A8)和(A9)中的一个表示的任意无热复合透镜还可包括第三透镜和平凸透镜之间的孔径光阑。
(A11)在由(A8)至(A10)中的一个表示的任意无热复合透镜中，第三透镜可具有凹面像侧表面。
(A12)在由(A8)至(A11)中的一个表示的任意无热复合透镜中，其中平凸透镜由第一材料形成，并且第三透镜由第三材料形成，第一材料可与第三材料不同。
(A13)由(A1)至(A12)中的一个表示的任意无热复合透镜还可包括与平凹透镜轴向对齐并且具有平面像侧表面的第四透镜，以及平凹透镜和第四透镜之间的第二双平面基底。
可在以上方法和系统中做出改变，而不偏离本发明的范围。因此，应当注意，以上描述中所包含的内容或附图中所示的内容应被解释为说明性的并且不具有限制意义。权利要求旨在涵盖本文中描述的所有通用和特定特征，以及本方法和系统的范围的所有陈述，这些特征和陈述在语言上均被视为落入权利要求的范围中。

Claims (12)

1.无热复合透镜，包括：平凹透镜，具有(i)第一焦距，(ii)第一折射率n1，和(iii)与凹面像侧表面相对的平面物侧表面；以及平凸透镜，与所述平凹透镜轴向对齐，并且具有(i)第二焦距，(ii)第二折射率n2，(iii)平面像侧表面，以及(iv)在所述平面像侧表面和所述凹面像侧表面之间的凸面物侧表面，其特征在于：
在自由空间波长范围和温度范围中:(a)所述第一焦距除以所述第二焦距得到的商小于-0.68，并且(b)所述第一折射率n1和所述第二折射率n2的温度依赖性
Figure FDA0002512785590000011
和
Figure FDA0002512785590000012
满足
Figure FDA0002512785590000013
Figure FDA0002512785590000014
并且
Figure FDA0002512785590000015
2.根据权利要求1所述的无热复合透镜，所述自由空间波长范围包括从400nm至650nm的波长。
3.根据权利要求1所述的无热复合透镜，所述自由空间波长范围包括从600nm至1000nm的波长。
4.根据权利要求3所述的无热复合透镜，在所述自由空间波长范围和所述温度范围内，具有温度依赖性的焦移
Figure FDA0002512785590000016
5.根据权利要求1所述的无热复合透镜，所述温度范围从20℃至60℃。
6.根据权利要求1所述的无热复合透镜，所述第二折射率大于或等于所述第一折射率。
7.根据权利要求1所述的无热复合透镜，还包括：
第三透镜，与所述平凸透镜轴向对齐，并且具有平面物侧表面；以及
双平面基底，位于所述平凸透镜和所述第三透镜之间。
8.根据权利要求7所述的无热复合透镜，所述第三透镜具有凸面像侧表面。
9.根据权利要求7所述的无热复合透镜，还包括位于所述第三透镜和所述平凸透镜之间的孔径光阑。
10.根据权利要求7所述的无热复合透镜，所述第三透镜具有凹面像侧表面。
11.根据权利要求7所述的无热复合透镜，所述平凸透镜包括与所述第三透镜不同的材料。
12.根据权利要求1所述的无热复合透镜，还包括：
第四透镜，与所述平凹透镜轴向对齐，并且具有平面像侧表面；以及
第二双平面基底，位于所述平凹透镜和所述第四透镜之间。
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