CN109143539A - 光学系统和包括该光学系统的图像拾取装置 - Google Patents

光学系统和包括该光学系统的图像拾取装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学系统和包括该光学系统的图像拾取装置。提供一种光学系统，该光学系统按从物侧到像侧的顺序包括：具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状的第一透镜；以及具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状的第二透镜，其中，第一透镜由硅材料制成，其中，第二透镜由硅材料和锗材料中的一种制成，并且其中，整个光学系统的焦距和第一透镜与第二透镜之间的光轴上的距离分别被适当地设定。

Description

光学系统和包括该光学系统的图像拾取装置
技术领域
本发明涉及被配置为通过使用例如具有约8μm～约13μm的波长的红外线获得红外图像并且适用于诸如监控照相机和车载照相机的图像拾取装置的光学系统。
背景技术
当使用用于透过红外范围(约8μm～约13μm的波长)内的光的光学系统(红外光学系统)时，能够检测和可视化不能在可见波长范围(0.4μm～0.7μm的波长)内获得的热量信息(例如，人体的温度分布)。作为包括于红外光学系统中的透镜的材料，给出了透过红外范围内的光的材料(红外材料)，诸如锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硫族化物(chalcogenide)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)和硅(Si)。
在日本专利申请公开No.2000-75203中，公开了包括由锗制成的两个透镜或由硅制成的两个透镜的光学系统。在美国专利No.9007683中，公开了包括由硅制成的两个透镜的光学系统。另外，公开了包括两个透镜的光学系统，这两个透镜是由硫族化物或硒化锌制成的透镜和由硅、砷化镓、锗和硫族化物中的任意一种制成的透镜。
硫族化物、硒化锌和硫化锌对人体有很大的负面影响。并且，为了通过使用具有低折射率和高分散度(dispersion)的硒化锌或硫化锌形成具有高分辨率的光学系统，需要大量的透镜以校正包括色差和像场弯曲的各种像差。并且，锗是稀有金属，因此难以仅通过使用由锗制成的透镜形成光学系统。
发明内容
本发明的目的是，提供能够容易地在红外范围内实现高的光学性能的光学系统。
根据本发明的一个实施例，提供一种光学系统，所述光学系统按从物侧到像侧的顺序包括：第一透镜，第一透镜具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状；和第二透镜，第二透镜具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状，其中，第一透镜由硅材料制成，其中，第二透镜由硅材料和锗材料中的一种制成，以及其中，满足以下条件式：
0.90＜D/f＜2.00
这里，f代表所述光学系统的焦距，并且D代表第一透镜与第二透镜之间的光轴上的距离。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1是本发明的实施例1中的透镜截面图。
图2A是实施例1中的调制传递函数(MTF)图。
图2B是实施例1中的纵向像差图。
图3是本发明的实施例2中的透镜截面图。
图4A是实施例2中的MTF图。
图4B是实施例2中的纵向像差图。
图5是本发明的实施例3中的透镜截面图。
图6A是实施例3中的MTF图。
图6B是实施例3中的纵向像差图。
图7是本发明的实施例4中的透镜截面图。
图8A是实施例4中的MTF图。
图8B是实施例4中的纵向像差图。
图9是本发明的实施例5中的透镜截面图。
图10A是实施例5中的MTF图。
图10B是实施例5中的纵向像差图。
图11是本发明的实施例6中的透镜截面图。
图12A是实施例6中的MTF图。
图12B是实施例6中的纵向像差图。
图13是本发明的实施例7中的透镜截面图。
图14A是实施例7中的MTF图。
图14B是实施例7中的纵向像差图。
图15是本发明的实施例8中的透镜截面图。
图16A是实施例8中的MTF图。
图16B是实施例8中的纵向像差图。
图17是本发明的实施例9中的透镜截面图。
图18A是实施例9中的MTF图。
图18B是实施例9中的纵向像差图。
图19是本发明的实施例10中的透镜截面图。
图20A是实施例10中的MTF图。
图20B是实施例10中的纵向像差图。
图21是根据本发明的一个实施例的图像拾取装置的主要部分的示意图。
具体实施方式
现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。
描述根据本发明的各实施例的光学系统的配置。根据各实施例的光学系统是被配置为通过使用波长为8μm～13μm的红外线形成红外图像的红外光学系统。根据各实施例的光学系统按从物侧到像侧的顺序包括：具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状的第一透镜；以及具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状的第二透镜。并且，根据本发明的一个实施例的图像拾取装置包括光学系统和被配置为接收由光学系统形成的图像的图像拾取元件(红外传感器)。
图1是根据本发明的实施例1的光学系统的透镜截面图。图2A和图2B分别是根据实施例1的光学系统中的调制传递函数(MTF)图和纵向像差图。
图3是根据本发明的实施例2的光学系统的透镜截面图。图4A和图4B分别是根据实施例2的光学系统中的MTF图和纵向像差图。
图5是根据本发明的实施例3的光学系统的透镜截面图。图6A和图6B分别是根据实施例3的光学系统中的MTF图和纵向像差图。
图7是根据本发明的实施例4的光学系统的透镜截面图。图8A和图8B分别是根据实施例4的光学系统中的MTF图和纵向像差图。
图9是根据本发明的实施例5的光学系统的透镜截面图。图10A和图10B分别是根据实施例5的光学系统中的MTF图和纵向像差图。
图11是根据本发明的实施例6的光学系统的透镜截面图。图12A和图12B分别是根据实施例6的光学系统中的MTF图和纵向像差图。
图13是根据本发明的实施例7的光学系统的透镜截面图。图14A和图14B分别是根据实施例7的光学系统中的MTF图和纵向像差图。
图15是根据本发明的实施例8的光学系统的透镜截面图。图16A和图16B分别是根据实施例8的光学系统中的MTF图和纵向像差图。
图17是根据本发明的实施例9的光学系统的透镜截面图。图18A和图18B分别是根据实施例9的光学系统中的MTF图和纵向像差图。
图19是根据本发明的实施例10的光学系统的透镜截面图。图20A和图20B分别是根据实施例10的光学系统中的MTF图和纵向像差图。
图21是根据本发明的一个实施例的图像拾取装置的主要部分的示意图。
在透镜截面图中，左侧为物侧(前侧)，右侧为像侧(后侧)。在透镜截面图中，示出了光学系统L0、第一透镜L11、L21、L31、L41、L51、L61、L71、L81、L91和L101、第二透镜L12、L22、L32、L42、L52、L62、L72、L81、L92和L102、第三透镜L63、L73、L83、L93和L103、第四透镜L104和孔径光阑(光阑)S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9和S10。还示出了覆盖玻璃CG1、CG2、CG3、CG4、CG5、CG6、CG7、CG8、CG9和CG10以及红外传感器(图像拾取元件)IM1、IM2、IM3、IM4、IM5、IM6、IM7、IM8、IM9和IM10。
在球面像差图中，垂直轴代表光瞳位置。实线代表13μm的波长时的球面像差，虚线代表8μm的波长时的球面像差。在像散图中，垂直轴代表图像高度。S1代表13μm的波长时的弧矢像面，T1代表13μm的波长时的子午像面，S2代表8μm的波长时的弧矢像面，以及T2代表8μm的波长时的子午像面。在畸变图中，垂直轴代表图像高度，并且，示出13μm的波长时的畸变。
迄今为止，在诸如监控照相机和车载照相机的应用中，已经要求具有小的F数、小的整体尺寸和高分辨率的红外光学系统。作为红外线材料，锗(Ge)和硅(Si)具有比其它红外线材料的折射率和色散更高的折射率和更低的色散，因此，通过使用锗和硅，能够容易地用少量的透镜形成具有高分辨率的红外光学系统。
在红外光学系统中，与用于可见波长范围的光学系统同样，除非诸如色差、球面像差和像场弯曲等的各种像差令人满意地得到校正，否则难以实现高成像性能。为了在红外光学系统中获得高的成像性能，适当地设定诸如透镜的数量、透镜的材料和折光力布置的透镜配置是重要的。
根据本发明的一个实施例的光学系统按从物侧到像侧的顺序包括：具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状的第一透镜；以及具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状的第二透镜。第一透镜由硅材料制成，并且第二透镜由硅材料和锗材料中的一种制成。
作为另一配置，根据本发明的一个实施例的光学系统由第一透镜和第二透镜组成，并且，第二透镜由锗材料制成。
作为又一配置，根据本发明的一个实施例的光学系统按从物侧到像侧的顺序由第一透镜、第二透镜以及具有正折光力并且具有面向物侧的凸面的第三透镜组成。第三透镜由硅材料和锗材料中的一种制成。
作为再一配置，根据本发明的一个实施例的光学系统按从物侧到像侧的顺序由第一透镜、第二透镜、具有正折光力并且具有面向物侧的凸面的第三透镜以及具有正折光力并且具有面向物侧的凸面的第四透镜组成。第四透镜由硅材料和锗材料中的一种制成。
在各实施例中使用的硅或锗可以包含一些杂质。
为了实现满意的成像性能，根据本发明的一个实施例的红外光学系统L0具有以下的配置。
红外光学系统L0按从物侧到像侧的顺序包括：具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状的第一透镜；以及具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状的第二透镜。第一透镜由硅材料制成，并且第二透镜由硅材料和锗材料中的一种制成。满足以下条件式：
0.90＜D/f＜2.00...(1)
这里，f代表光学系统的焦距，并且D代表第一透镜与第二透镜之间的光轴上的距离。
给出条件式(1)是为了在各实施例中在保持由硅制成的第一透镜的小透镜厚度的同时令人满意地校正诸如色差、球面像差和像场弯曲的各种像差，以由此获得具有高的光学性能的红外光学系统。当比值超过或者低于条件式(1)的上限值或下限值时，像场弯曲的校正与球面像差的校正之间的平衡丢失，由此，光学性能劣化。
更优选将条件式(1)的数值范围设定如下。
0.90＜D/f＜1.65…(1a)
并且，在根据各实施例的红外光学系统中，第一透镜由具有凸面面向物侧的弯月形状的正透镜形成，并且第二透镜由具有凸面面向物侧的弯月形状的正透镜形成。当第二透镜由具有凹面面向物侧的弯月形状的正透镜形成时，难以校正由于凹面所施加的作用导致的像散。在各实施例中，第一透镜和第二透镜以上述的方式被配置。通过该配置，能够容易地获得具有小的F数和高分辨率的红外光学系统。
描述各实施例中的透镜配置。为了校正色差，一般的图像拾取透镜具有满足式子(1X)的透镜配置。在式子(1X)中，f1代表第一透镜的焦距，f2代表第二透镜的焦距，“fi”代表第i透镜的焦距，v1代表第一透镜的材料的分散值(阿贝(Abbe)数)，v2代表第二透镜的材料的分散值，并且，vi代表第i透镜的材料的分散值。
一般地，透镜的材料的分散值取正值，由此，为了减小色差，优选透镜中的一个的焦距被设定为负。因此，在许多情况下，用于校正色差的透镜配置是使用正透镜和负透镜的组合的透镜配置。
并且，为了校正像场弯曲，需要满足式子(2X)以减少匹兹阀(Petzval)和的透镜配置。匹兹阀和与像场弯曲相关，因此，可以通过减少匹兹阀和来减小像场弯曲。
在式子(2X)中，f1代表第一透镜的焦距，f2代表第二透镜的焦距，“fi”代表第i透镜的焦距，n1代表第一透镜的材料的折射率，n2代表第二透镜的材料的折射率，并且“ni”代表第i透镜的材料的折射率。
一般来说，透镜的材料的折射率取正值，因此，为了减少匹兹阀和，优选透镜中的一个的焦距被设定为负。因此，在许多情况下，用于校正像场弯曲的透镜配置是使用正透镜和负透镜的组合的透镜配置。
但是，当透镜的各材料的折射率n1、n2和“ni”极大且透镜的各材料的分散值v1、v2和vi也极大时，在一些情况下不一定需要使用正透镜和负透镜的组合。
在表21中，示出了透过红外线的各代表性材料的折射率N10和分散值v10。在表21中，折射率N10代表10μm的波长时的折射率，分散值v10代表由稍后给出的式子(3X)定义的数值。
一般来说，较大的分散值意味着依赖于波长的折射率的较小变化(色散较小)。在式子(3X)中，N8代表8μm的波长时的折射率，N12代表12μm的波长时的折射率。各数值根据玻璃材料的制造商而略有不同，并因此示出了近似值。如表21所示，对于红外线，硒化锌(ZnSe)和硫化锌(ZnS)分别具有约2的折射率和约20～60的分散值。硫族化物具有约2.5的折射率和109的分散值。
以上给出的硫族化物的分散度比硒化锌(ZnSe)和硫化锌(ZnS)低的分散度。然而，当选择硫族化物作为第一透镜的材料时，大大地产生色差，并因此难以获得令人满意的成像性能。
为了校正色差和像场弯曲，一般采用正透镜和负透镜的组合。然而，锗(Ge)和硅(Si)具有极大(高)的折射率，并且具有极小的分散度。结果，从式子(1X)和式子(2X)明显看出，通过使用锗和硅，在第一透镜和第二透镜中的每一个中都使得色差和匹兹阀和小。
换句话说，当使用锗(Ge)和硅(Si)时，不需要为了校正色差和像场弯曲而使用正透镜和负透镜的组合，因此，能够以少量的透镜实现令人满意的成像性能。另外，锗(Ge)和硅(Si)对人体具有较小的负面影响，因此，即使当由锗或硅制成的透镜损坏时，对人体和环境的负面影响也较小。
在红外照相机中，为了获得高精度的热量信息，在许多情况下，其红外光学系统的F数被设定为1.5或更小。为了用具有小的F数的红外光学系统实现令人满意的成像性能，校正与透镜的光瞳直径成比例的球面像差是重要的。结果，通过单独透镜校正球面像差量是有效的，由此，当使用锗(Ge)和硅(Si)作为红外光学系统的材料时，正透镜和正透镜的组合是优选的。
并且，除了上述像差校正动作之外，通过第一透镜具有弯月形状且第二透镜具有弯月形状的配置，获得在确保高的透过率的同时适当地校正各种像差的红外光学系统。通过使得光通量通过具有弯月形状的第一透镜和第二透镜的折射面缓慢地会聚的配置，球面像差的产生量被抑制，并且，减小了由硅(Si)制成的第一透镜的透镜厚度。结果，由于硅导致的透过率的降低被缓解。
在根据各实施例的光学系统中，更优选地满足以下条件式中的至少一个。第一透镜的焦距由f1代表，第二透镜的焦距由f2代表。第一透镜的透镜厚度由t1代表。当根据本发明的一个实施例的光学系统还在第二透镜的像侧以及在与第二透镜相邻的位置处包括具有正折光力的第三透镜时，第三透镜的焦距由f3代表。此时，优选满足以下条件式中的至少一个。
0.1＜f2/f1＜3.0…(2)
1.0＜f1/f＜6.0…(3)
0.5＜f2/f＜6.0…(4)
0.001＜t1/f1＜0.065…(5)
0.1＜f3/f2＜2.0…(6)
0.1＜f3/f＜3.0…(7)
下面，描述以上给出的各条件式的技术意义。给出条件式(2)～(4)是为了适当地设定第一透镜和第二透镜的折射率之间的平衡，以主要减少像场弯曲的产生。当各自的比值不落在条件式(2)～(4)的数值范围内时，像场弯曲被校正得不够或过度，并由此不利地使成像性能劣化。条件式(5)涉及具有大透镜孔径的第一透镜的厚度与第一透镜的焦距的比值。
给出条件式(5)是为了使得光通量通过第一透镜和第二透镜缓慢地会聚，以抑制球面像差的产生量并抑制由硅(Si)制成的第一透镜的透镜厚度，以确保高透过率。当所述比值不落在条件式(5)的数值范围内时，在球面像差被校正的同时，由于透镜的厚度，透过率不利地减小。
给出条件式(6)和(7)是为了在适当地设定当光学系统总共由三个或更多个透镜形成时获得的第二透镜和第三透镜的折射率之间的平衡的同时减少从各透镜产生的像差量。当相应的比值不落在条件式(6)和(7)的数值范围内时，难以使得光通量通过第一透镜、第二透镜和第三透镜缓慢地会聚，因此，从各透镜产生的像差量不利地增加。特别地，当各自的比值不落在条件式(6)和(7)的数值范围内时，从各透镜大大地产生球面像差，因此，成像性能不利地劣化。更优选将条件式(2)～(7)的数值范围设定如下。
0.2＜f2/f1＜1.5…(2a)
1.5＜f1/f＜5.0…(3a)
0.7＜f2/f＜4.0…(4a)
0.01＜t1/f1＜0.05…(5a)
0.15＜f3/f2＜1.00…(6a)
0.5＜f3/f＜2.5…(7a)
通过减少F数，难以用少量的透镜校正高阶球面像差和像场弯曲。因此，优选对各透镜形状采用至少一个非球面形状。
下面，描述根据各实施例的红外光学系统L0的透镜配置。
[实施例1]
图1是根据实施例1的光学系统L0的透镜截面图。根据实施例1的光学系统的焦距为25mm，F数为1.0。根据实施例1的光学系统L0按从物侧到像侧的顺序包括具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第一透镜L11、孔径光阑S1以及具有正折光力并且由锗(Ge)材料制成的第二透镜L12。以下，在各实施例中，锗或硅材料可以是单晶材料或多晶材料。并且，在各实施例中使用的硅或锗可以包含少量杂质。
从物体发射并且通过光学系统L0引导的具有红外波长范围(8μm～13μm)的光通量通过覆盖玻璃CG1，以在红外传感器IM1上形成图像。即使当覆盖玻璃被布置于第一透镜L11和物体之间时或者即使当用于红外传感器IM1的覆盖玻璃CG1的材料是锗(Ge)以外的用于红外线的材料时，也获得了实施例1的效果。根据实施例1的光学系统的数值数据如表1所示。在表1中，各光学表面的曲率半径和间隔的单位为毫米。
在表2中，示出了根据实施例1的光学系统L0的非球面的非球形状数据。非球形状由下面给出的式子(4X)表示。
图2A是实施例1中的MTF图。一般的红外传感器具有几十微米的像素间距。当作为例子假定使用像素间距为17μm的红外传感器时，尼奎斯特(Nyquist)频率为约30lp/mm。为了在尼奎斯特频率处将物体解像(resolve)，经验上优选等于或大于30％的MTF值。图2A的点11表示实施例1中的频率30lp/mm处的MTF值，并且其值为44％。在红外传感器IM1的尼奎斯特频率处，MTF值等于或大于30％，因此可以理解，成像性能是令人满意的。
在图2B中，示出了实施例1中的纵向像差。如图2B所示，可以理解，球面像差、像场弯曲和色差被令人满意地校正了。
已经从光学条件描述了，红外光学系统优选使用分别由锗(Ge)材料和硅(Si)材料制成的正透镜和正透镜的组合。锗(Ge)是稀有金属。同时，硅(Si)易于获得。并且，从透过率的观点来看，在硅(Si)中，由于化学因素，随着厚度增加的透过率减小较大。因此，往往难以通过使用仅使用锗(Ge)作为其材料的正透镜和正透镜的组合来制造透镜配置。
同时，仅使用硅(Si)的正透镜和正透镜的组合需要预定厚度以校正球面像差，因此透过率减小。并且，透镜的孔径在像侧比在物侧小。因此，优选硅(Si)和锗(Ge)分别用作第一透镜和第二透镜的材料。
根据上述实施例1的光学系统L0包括具有正折光力并且由硅(Si)制成的第一透镜以及具有正折光力并且由锗(Ge)制成的第二透镜。由此，例如，实现了在成像性能和透过率之间实现适当的平衡的红外光学系统L0。
[实施例2]
图3是根据实施例2的光学系统L0的透镜截面图。根据实施例2的光学系统的焦距为25mm，F数为1.0。根据实施例2的光学系统L0按从物侧到像侧的顺序包括孔径光阑S2、具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第一透镜L21以及具有正折光力并且由锗(Ge)材料制成的第二透镜L22。
通过孔径光阑S2被布置于物侧的配置，各透镜的外径减小，因此整个光学系统进一步缩小。从物体发射并且通过光学系统L0引导的具有红外波长范围(8μm～13μm)的光通量通过覆盖玻璃CG2，以在红外传感器IM2上形成图像。根据实施例2的光学系统L0的数值数据如表3所示。在表3中，各光学表面的曲率半径和间隔的单位为毫米。在表4中，示出了根据实施例2的光学系统L0的非球面的非球形状数据。与实施例1同样，非球形状由式子(4X)表示。
图4A是实施例2中的MTF图。图4A的点21表示实施例2中的频率30lp/mm处的MTF值，并且其值为45％。在红外传感器IM2的尼奎斯特频率处，MTF值等于或大于30％，因此可以理解，成像性能是令人满意的。在图4B中，示出了实施例2中的纵向像差。如图4B所示，可以理解，球面像差、像场弯曲和色差被令人满意地校正了。如上所述，在根据实施例2的光学系统L0中，孔径光阑可以被布置于光轴方向上的任意位置。
[实施例3]
图5是根据实施例3的光学系统L0的透镜截面图。根据实施例3的光学系统的焦距为25mm，F数为1.0。根据实施例3的光学系统L0按从物侧到像侧的顺序包括具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第一透镜L31、孔径光阑S3以及具有正折光力并且由锗(Ge)材料制成的第二透镜L32。
在实施例3中，后焦距(back focus)比在实施例1中的短。从物体发射并且通过光学系统L0引导的具有远红外波长范围(8μm～13μm)的光通量通过覆盖玻璃CG3，以在红外传感器IM3上形成图像。根据实施例3的光学系统L0的数值数据如表5所示。在表5中，各光学表面的曲率半径和间隔的单位为毫米。在表6中，示出了根据实施例3的光学系统L0的非球面的非球形状数据。与实施例1同样，非球形状由式子(4X)表示。
图6A是实施例3中的MTF图。图6A的点31表示实施例3中的频率30lp/mm处的MTF值，并且其值为53％。在红外传感器IM3的尼奎斯特频率处，MTF值等于或大于30％，因此可以理解，成像性能是令人满意的。在图6B中，示出了实施例3中的纵向像差。如图6B所示，可以理解，球面像差、像场弯曲和色差被令人满意地校正了。
[实施例4]
图7是根据实施例4的光学系统L0的透镜截面图。根据实施例4的光学系统的焦距为40mm，F数为1.0。根据实施例4的光学系统L0按从物侧到像侧的顺序包括具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第一透镜L41、孔径光阑S4以及具有正折光力并且由锗(Ge)材料制成的第二透镜L42。
从物体发射并且通过光学系统L0引导的具有红外波长范围(8μm～13μm)的光通量通过覆盖玻璃CG4，以在红外传感器1M4上形成图像。根据实施例4的光学系统L0的数值数据如表7所示。在表7中，各光学表面的曲率半径和间隔的单位为毫米。在表8中，示出了根据实施例4的光学系统L0的非球面的非球形状数据。与实施例1同样，非球形状由式子(4X)表示。
图8A是实施例4中的MTF图。图8A的点41表示实施例4中的频率30lp/mm处的MTF值，并且其值为52％。在红外传感器1M4的尼奎斯特频率处，MTF值等于或大于30％，因此可以理解，成像性能是令人满意的。在图8B中，示出了实施例4中的纵向像差。如图8B所示，可以理解，球面像差、像场弯曲和色差被令人满意地校正了。与实施例1相比，根据实施例4的光学系统L0具有望远焦距。
[实施例5]
图9是根据实施例5的光学系统L0的透镜截面图。根据实施例5的光学系统的焦距为20mm，F数为1.0。根据实施例5的光学系统L0按从物侧到像侧的顺序包括具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第一透镜L51、孔径光阑S5以及具有正折光力并且由锗(Ge)材料制成的第二透镜L52。
在实施例5中，焦距被设定，使得与实施例1相比获得更宽的视角。从物体发射并且通过光学系统L0引导的具有红外波长范围(8μm～13μm)的光通量通过覆盖玻璃CG5，以在红外传感器IM5上形成图像。根据实施例5的光学系统L0的数值数据如表9所示。在表9中，各光学表面的曲率半径和间隔的单位为毫米。在表10中，示出了根据实施例5的光学系统L0的非球面的非球形状数据。与实施例1同样，非球形状由式子(4X)表示。
图10A是实施例5中的MTF图。图10A的点51表示实施例5中的频率30lp/mm处的MTF值，并且其值为43％。在红外传感器IM5的尼奎斯特频率处，MTF值等于或大于30％，因此可以理解，成像性能是令人满意的。在图10B中，示出了实施例5中的纵向像差。如图10B所示，可以理解，球面像差、像场弯曲和色差被令人满意地校正了。
[实施例6]
图11是根据本发明的实施例6的光学系统L0的透镜截面图。根据实施例6的光学系统的焦距为8mm，F数为0.8。
根据实施例6的光学系统L0按从物侧到像侧的顺序由以下透镜组成：具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第一透镜L61、孔径光阑S6、具有正折光力并且由锗(Ge)材料制成的第二透镜L62以及具有正折光力并且由硅材料制成的第三透镜L63。第一透镜L61至第三透镜L63中的每一个具有凸面面向物侧的弯月形状。
从物体发射并且通过光学系统L0引导的具有红外波长范围(8μm～13μm)的光通量通过覆盖玻璃CG6，以在红外传感器IM6上形成图像。即使当覆盖玻璃被布置于第一透镜L61和物体之间时或者即使当用于红外传感器IM6的覆盖玻璃CG6的材料是锗(Ge)以外的用于红外线的材料时，也获得了实施例6的效果。
根据实施例6的光学系统L0的数值数据如表11所示。在表11中，各光学表面的曲率半径和间隔的单位为毫米。在表12中，示出了根据实施例6的光学系统L0的非球面的非球形状数据。与实施例1同样，非球形状由式子(4X)表示。
图12A是实施例6中的MTF图。一般的红外传感器具有几十微米的像素间距。当作为例子假定使用像素间距为12μm的红外传感器时，尼奎斯特频率为约42lp/mm。为了在尼奎斯特频率处将物体解像，经验上优选等于或大于30％的MTF值。图12A的点61表示实施例6中的频率42lp/mm处的MTF值，并且其值为38％。在红外传感器IM6的尼奎斯特频率处，MTF值等于或大于30％，因此可以理解，成像性能是令人满意的。
在图12B中，示出了实施例6中的纵向像差。如图12B所示，可以理解，球面像差、像场弯曲和色差被令人满意地校正了。
在实施例6中，使用锗(Ge)作为具有大透镜厚度的第二透镜L62的材料，并且使用硅(Si)作为具有较大透镜直径(有效直径)但具有能够被制作得小的透镜厚度的第一透镜L61的材料。并且，具有小透镜厚度和小透镜直径的第三透镜L63由硅(Si)制成。利用该配置，在保证高透过率的同时获得令人满意的光学性能。
[实施例7]
图13是根据本发明的实施例7的光学系统L0的透镜截面图。根据实施例7的光学系统的焦距为18mm，F数为0.8。
根据实施例7的光学系统L0按从物侧到像侧的顺序由以下透镜组成：具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第一透镜L71、孔径光阑S7、具有正折光力并且由锗(Ge)材料制成的第二透镜L72以及具有正折光力并且由锗(Ge)材料制成的第三透镜L73。第一透镜L71至第三透镜L73中的每一个具有面向物侧的凸面。
从物体发射并且通过光学系统L0引导的具有红外波长范围(8μm～13μm)的光通量通过覆盖玻璃CG7，以在红外传感器IM7上形成图像。根据实施例7的光学系统L0的数值数据如表13所示。在表13中，各光学表面的曲率半径和间隔的单位为毫米。在表14中，示出了根据实施例7的光学系统L0的非球面的非球形状数据。与实施例6同样，非球形状由式子(4X)表示。
图14A是实施例7中的MTF图。图14A的点41表示实施例7中的频率42lp/mm处的MTF值，并且其值为39％。在红外传感器IM7的尼奎斯特频率处，MTF值等于或大于30％，因此可以理解，成像性能是令人满意的。在图14B中，示出了实施例7中的纵向像差。如图14B所示，可以理解，球面像差、像场弯曲和色差被令人满意地校正了。如上所述，在根据本发明的一个实施例的光学系统L0中，孔径光阑可以被布置于任何位置处。
[实施例8]
图15是根据本发明的实施例8的光学系统L0的透镜截面图。根据实施例8的光学系统的焦距为18mm，F数为0.8。
根据实施例8的光学系统L0按从物侧到像侧的顺序由以下透镜组成：具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第一透镜L81、孔径光阑S8、具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第二透镜L82以及具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第三透镜L83。第一透镜L81至第三透镜L83中的每一个具有面向物侧的凸面。
从物体发射并且通过光学系统L0引导的具有远红外波长范围(8μm～13μm)的光通量通过覆盖玻璃CG8，以在红外传感器IM8上形成图像。根据实施例8的光学系统L0的数值数据如表15所示。在表15中，各光学表面的曲率半径和间隔的单位为毫米。在表16中，示出了根据实施例8的光学系统L0的非球面的非球形状数据。与实施例1同样，非球形状由式子(4X)表示。
图16A是实施例8中的MTF图。图16A的点81表示实施例8中的频率42lp/mm处的MTF值，并且其值为40％。在红外传感器IM8的尼奎斯特频率处，MTF值等于或大于30％，因此可以理解，成像性能是令人满意的。在图16B中，示出了实施例8中的纵向像差。如图16B所示，可以理解，球面像差、像场弯曲和色差被令人满意地校正了。
[实施例9]
图17是根据本发明的实施例9的光学系统L0的透镜截面图。根据实施例9的光学系统的焦距为18mm，F数为0.8。
根据实施例9的光学系统L0按从物侧到像侧的顺序由以下透镜组成：具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第一透镜L91、孔径光阑S9、具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第二透镜L92以及具有正折光力并且由锗(Ge)材料制成的第三透镜L93。第一透镜L91至第三透镜L93中的每一个具有面向物侧的凸面。
从物体发射并且通过光学系统L0引导的具有红外波长范围(8μm～13μm)的光通量通过覆盖玻璃CG9，以在红外传感器IM9上形成图像。根据实施例9的光学系统L0的数值数据如表17所示。在表17中，各光学表面的曲率半径和间隔的单位为毫米。在表18中，示出了根据实施例9的光学系统L0的非球面的非球形状数据。与实施例6同样，非球形状由式子(4X)表示。
图18A是实施例9中的MTF图。图18A的点91表示实施例9中的频率42lp/mm处的MTF值，并且其值为36％。在红外传感器IM9的尼奎斯特频率处，MTF值等于或大于30％，因此可以理解，成像性能是令人满意的。在图18B中，示出了实施例9中的纵向像差。如图18B所示，可以理解，球面像差、像场弯曲和色差被令人满意地校正了。
[实施例10]
图19是根据本发明的实施例10的光学系统L0的透镜截面图。根据实施例10的光学系统的焦距为18mm，F数为0.8。
根据实施例10的光学系统L0按从物侧到像侧的顺序由以下透镜组成：具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第一透镜L101、孔径光阑S10、具有正折光力并且由锗(Ge)材料制成的第二透镜L102、具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第三透镜L103以及具有正折光力并且由硅(Si)材料制成的第四透镜L104。第一透镜L101至第四透镜L104中的每一个具有面向物侧的凸面。
从物体发射并且通过光学系统L0引导的具有红外波长范围(8μm～13μm)的光通量通过覆盖玻璃CG10，以在红外传感器IM10上形成图像。根据实施例10的光学系统L0的数值数据如表19所示。在表19中，各光学表面的曲率半径和间隔的单位为毫米。在表20中，示出了根据实施例10的光学系统L0的非球面的非球形状数据。与实施例1同样，非球形状由式子(4X)表示。
图20A是实施例10中的MTF图。图20A的点101表示实施例10中的频率50lp/mm处的MTF值，并且其值为34％。当假定红外传感器IM10是具有10μm的间距的传感器时，在红外传感器IM10的尼奎斯特频率处，MTF值等于或大于30％，因此可以理解，成像性能是令人满意的。在图20B中，示出了实施例10中的纵向像差。如图20B所示，可以理解，球面像差、像场弯曲和色差被令人满意地校正了。如上所述，不管透镜的数量如何，本发明的效果是有效的。
在下面描述的表22中，第四透镜L104的焦距被描述为f4。
下面，参照图21描述根据本发明的一个实施例的使用根据各实施例的光学系统的红外摄影机(视频照相机)(图像拾取装置)。在图21中，图像拾取装置包括照相机主体13和由在实施例1～10中描述的光学系统中的任一个形成的图像拾取光学系统11。图像拾取装置还包括图像拾取元件(红外传感器)12，例如，微测辐射热计(microbolometer)。图像拾取元件12内置于照相机主体13内，并且被配置为接收(光电转换)由图像拾取光学系统11形成的物体图像。作为红外传感器，采用通过使用例如氧化钒或非晶硅形成的红外传感器。该图像拾取装置适用于监视照相机、车载照相机和其它这样的照相机。
现在，在表1～表20中示出了实施例1～10中的各透镜的具体数值数据。在每条数值数据中，表面号“i”代表从物侧起计数的顺序，符号“ri”表示第i光学表面(第i表面或孔径光阑)的曲率半径，符号“di”表示第i表面和第(i+1)表面之间的光轴上的间隔。还示出了各光学部件的材料。非球形状由式子(4X)表示：
这里，X轴对应于光轴方向，H轴对应于垂直于光轴的方向，光行进方向为正，R表示旁轴曲率半径，“k”表示圆锥常数，A、B、C、D、E、F和G均表示非球系数。表示方法“e-x”意指“10-x”。并且，在表22中示出与以上给出的条件式相关的各参数的值以及数值数据之间的关系。
表1
曲率半径r 间隔d 玻璃材料
表面号 物体面 无限远
1 L11 非球面11 39.62 2.00 硅
2 52.09 16.74
3 光阑 平面 14.33
4 L12 非球面12 22.78 9.04 锗
5 非球面13 23.32 1.88
6 CG1 平面 1.00 锗
7 平面 5.00
像面 平面
表2
非球面11 非球面12 非球面13
旁轴曲率半径R 39.62 22.78 23.32
圆锥常数k 0 0 0
4次系数A -1.0E-06 1.4E-05 6.2E-05
6次系数B 5.6E-09 2.0E-08 9.5E-08
8次系数C -5.9E-11 -4.2E-10 -6.2E-09
10次系数D 2.6E-13 6.7E-12 2.6E-10
12次系数E -6.0E-16 -4.2E-14 -3.9E-12
14次系数F 5.2E-19 1.1E-16 2.4E-14
表3
表4
表5
曲率半径 间隔 玻璃材料
表面号 物体面 无限远
1 L31 非球面31 33.59 2.0 硅
2 46.16 12.5
3 光阑 平面 16.0
4 L32 非球面32 24.96 10.0 锗
5 非球面33 24.35 1.3
6 CG3 平面 1.0 锗
7 平面 3.0
像面 平面
表6
非球面31 非球面32 非球面33
旁轴曲率半径R 33.59 24.96 24.35
圆锥常数k 0 0 0
4次系数A -8.8E-07 7.4E-07 2.9E-05
6次系数B 9.1E-09 2.0E-07 4.4E-07
8次系数C -1.2E-10 -3.9E-09 5.3E-10
10次系数D 7.4E-13 2.7E-11 -4.4E-10
12次系数E -2.2E-15 -1.0E-13 4.3E-12
14次系数F 2.5E-18 2.2E-16 6.3E-15
表7
曲率半径 间隔 玻璃材料
表面号 物体面 无限远
1 L41 非球面41 88.89 2.0 硅
2 144.27 33.2
3 光阑 平面 24.5
4 L42 非球面42 26.86 10.0 锗
5 非球面43 26.74 4.2
6 CG4 平面 1.0 锗
7 平面 5.0
像面 平面
表8
表9
曲率半径 间隔 玻璃材料
表面号 物体面 无限远
1 L51 非球面51 45.31 2.0 硅
2 56.12 14.3
3 光阑 平面 13.2
4 L52 非球面52 24.33 12.5 锗
5 非球面53 26.12 2.0
6 CG5 平面 1.0 锗
7 平面 5.0
像面 平面
表10
非球面51 非球面52 非球面53
旁轴曲率半径R 45.31 24.33 26.12
圆锥常数k 0 0 0
4次系数A -2.3E-06 1.2E-05 7.0E-05
6次系数B 9.5E-09 -7.8E-09 2.5E-07
8次系数C -1.3E-10 2.7E-10 -9.2E-09
10次系数D 6.7E-13 -1.4E-12 4.4E-10
12次系数E -1.8E-15 5.4E-15 -6.8E-12
14次系数F 1.7E-18 -4.8E-18 4.3E-14
表11
曲率半径 间隔 玻璃材料
表面号 物体面 无限远
1 L61 非球面61 19.69 1.5 硅
2 21.71 11.5
3 光阑 平面 6.6
4 L62 非球面62 13.73 4.7 锗
5 11.01 2.7
6 L63 29.42 1.2 硅
7 113.25 2.8
8 CG6 平面 1 锗
9 平面 3
像面 -
表12
非球面61 非球面62
旁轴曲率半径R 19.69 13.73
圆锥常数k 0 0
4次系数A -2.1E-06 -7.9E-06
6次系数B -1.7E-08 -1.4E-08
8次系数C 2.6E-10 -1.8E-10
10次系数D -3.5E-12 -1.5E-12
12次系数E 1.9E-14 6.0E-15
14次系数F -4.3E-17 -5.4E-17
表13
表14
非球面71 非球面72
旁轴曲率半径R 22.45 17.99
圆锥常数k 0 0
4次系数A -2.1E-06 -5.5E-06
6次系数B -9.4E-09 2.2E-08
8次系数C 6.4E-11 -6.9E-10
10次系数D -8.5E-13 8.3E-12
12次系数E 3.8E-15 -6.0E-14
14次系数F -8.3E-18 1.7E-16
表15
表16
非球面81 非球面82
旁轴曲率半径R 18.78 13.42
圆锥常数k 0 0
4次系数A -2.1E-06 -1.0E-05
6次系数B -2.2E-08 -1.1E-08
8次系数C 3.8E-10 -6.7E-10
10次系数D -5.1E-12 5.8E-12
12次系数E 2.8E-14 -5.5E-14
14次系数F -6.3E-17 9.2E-17
表17
表18
非球面91 非球面92
旁轴曲率半径R 19.14 13.45
圆锥常数k 0 0
4次系数A -2.2E-06 -1.0E-05
6次系数B -1.3E-08 -6.5E-09
8次系数C 1.8E-10 -7.8E-10
10次系数D -2.9E-12 7.8E-12
12次系数E 1.7E-14 -7.1E-14
14次系数F -4.1E-17 1.5E-16
表19
曲率半径 间隔 玻璃材料
表面号 物体面 无限远
1 L101 15.90 1.4 硅
2 非球面101 16.53 14.1
3 光阑 平面 2.4
4 L102 12.80 4.0 锗
5 非球面102 10.69 2.8
6 L103 43.31 1.0 硅
7 88.52 2.1
8 L104 34.13977 1 硅
9 60.35274 2
10 CG10 平面 1 锗
11 平面 3
像面
表20
非球面101 非球面102
旁轴曲率半径R 16.53 10.69
圆锥常数k 0 0
4次系数A 4.6E-06 2.4E-05
6次系数B -5.8E-09 4.8E-07
8次系数C 5.8E-10 -1.5E-08
10次系数D -1.4E-11 5.7E-10
12次系数E 2.0E-13 -9.6E-12
14次系数F -1.2E-15 7.7E-14
16次系数G 2.94E-18 -1.44E-16
表21
锗 硅 硫族化物 硫化锌 硒化锌
折射率N10 4.0 3.4 2.5 2.2 2.4
分散值v10 861 1,860 109 23 57
根据本发明，能够以简单的透镜配置获得能够即使在红外范围内也容易地实现高的光学性能的光学系统。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (11)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统按从物侧到像侧的顺序包括：
第一透镜，第一透镜具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状；和
第二透镜，第二透镜具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状，
其中，第一透镜由硅材料制成，
其中，第二透镜由硅材料和锗材料中的一种制成，以及
其中，满足以下条件式：
0.90＜D/f＜2.00
这里，f代表所述光学系统的焦距，并且D代表第一透镜与第二透镜之间的光轴上的距离。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下条件式：
0.1＜f2/f1＜3.0
这里，f1代表第一透镜的焦距，f2代表第二透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下条件式：
1.0＜f1/f＜6.0
这里，f1代表第一透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下条件式：
0.5＜f2/f＜6.0
这里，f2代表第二透镜的焦距。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，满足以下条件式：
0.001＜t1/f1＜0.065
这里，f1代表第一透镜的焦距，t1代表第一透镜的厚度。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，
其中，所述光学系统由第一透镜和第二透镜组成，以及
其中，第二透镜由锗材料制成。
7.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，
其中，所述光学系统按从物侧到像侧的顺序由第一透镜、第二透镜以及具有正折光力并且具有面向物侧的凸面的第三透镜组成，以及
其中，第三透镜由硅材料和锗材料中的一种制成。
8.根据权利要求1～5中的任一项所述的光学系统，
其中，所述光学系统按从物侧到像侧的顺序由第一透镜、第二透镜、具有正折光力并且具有面向物侧的凸面的第三透镜、以及具有正折光力并且具有面向物侧的凸面的第四透镜组成，以及
其中，第四透镜由硅材料和锗材料中的一种制成。
9.根据权利要求7所述的光学系统，其中，满足以下条件式：
0.1＜f3/f2＜2.0
这里，f2代表第二透镜的焦距，并且f3代表第三透镜的焦距。
10.根据权利要求7所述的光学系统，其中，满足以下条件式：
0.1＜f3/f＜3.0
这里，f3代表第三透镜的焦距。
11.一种图像拾取装置，其特征在于，该图像拾取装置包括：
光学系统；和
被配置为光电转换由所述光学系统形成的图像的图像拾取元件，
其中，所述光学系统按从物侧到像侧的顺序包括：
具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状的第一透镜；和
具有正折光力并且具有凸面面向物侧的弯月形状的第二透镜，
其中，第一透镜由硅材料制成，
其中，第二透镜由硅材料和锗材料中的一种制成，以及
其中，满足以下条件式：
0.90＜D/f＜2.00
这里，f代表所述光学系统的焦距，并且D代表第一透镜与第二透镜之间的光轴上的距离。
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