CN117396789A - 红外光学系统 - Google Patents

Abstract

红外光学系统具有：球面透镜部(4)，其整体具有成像作用，具有使来自被摄体的入射光线成像的1枚以上的球面透镜；孔径光阑部(3)，其对所述入射光线透过所述球面透镜部进行限制；像差校正板部(1；17)，其配置于所述球面透镜部的前级，至少1面为非球面形状，对所述入射光线赋予对在所述球面透镜部处产生的像差进行补偿的光路长度差；以及镜筒部(7)，其保持所述球面透镜部、所述孔径光阑部和所述像差校正板部。

Description

红外光学系统

技术领域

本发明涉及红外光学系统。

背景技术

在专利文献1中，作为在红外波段(8～12μm)中使用的透镜，公开有在由锗(Ge)、硅(Si)或硒化锌(ZnSe)等材料构成的球面透镜上较薄地涂布树脂并将被涂布的树脂成型为非球面状而成的透镜。Ge、Si和ZnSe等材料在红外波段中具有高透射率，但是，很难将由这些材料中的任意一方构成的透镜加工成非球面。因此，在专利文献1中采用如下方法：在由Ge、Si或ZnSe等材料构成的球面透镜上较薄地涂布树脂，将树脂面成型为非球面，由此构成红外光学系统。另外，使树脂面的形状成为非球面是为了对像差进行校正。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-139093号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，存在针对能够根据用途或状况来调整分辨率的红外光学系统的需求。例如，具有红外摄像头的家庭电子设备通过红外摄像头捕捉来自人物的热辐射，由此掌握人物的大体位置，根据该位置来控制动作。在这种用途中使用的红外摄像头中，从隐私保护的观点来看，要求将光学系统的分辨率设定得较低以使人物的面部、体形的详细信息不清晰。另一方面，在使用红外光学系统作为例如安全摄像头或火灾检测摄像头而高精度地测定人物、物体的温度的情况下，对红外光学系统要求高分辨率。这样，存在针对能够根据用途来调整分辨率的红外光学系统的需求。

根据上述言及的专利文献1的红外光学系统，树脂部被涂布于球面透镜而与球面透镜成为一体，因此，存在一次性构建红外光学系统后无法调整分辨率这样的课题。

本发明正是为了解决这种课题而完成的，其目的在于，提供能够根据用途或状况来调整分辨率的红外光学系统。

用于解决课题的手段

本发明的实施方式的红外光学系统具有：球面透镜部，其整体具有成像作用，具有使来自被摄体的入射光线成像的1枚以上的球面透镜；孔径光阑部，其对所述入射光线透过所述球面透镜部进行限制；像差校正板部，其配置于所述球面透镜部的前级，至少1面为非球面形状，对所述入射光线赋予对在所述球面透镜部处产生的像差进行补偿的光路长度差；以及镜筒部，其保持所述球面透镜部、所述孔径光阑部和所述像差校正板部。

发明效果

本发明的实施方式的红外光学系统能够根据用途或状况来调整分辨率。

附图说明

图1是示出实施方式1～3的红外光学系统的框图。

图2是实施方式1的红外光学系统中的动作说明图。

图3是在实施方式1的红外光学系统中取下了像差校正板部的情况下的动作说明图。

图4是实施方式3的红外光学系统中的参数β的限制的说明图。

图5是示出实施方式4的红外光学系统的框图。

图6是在实施方式1的红外光学系统中温度环境或湿度环境大幅变化的情况下的动作说明图。

图7是在实施方式4的红外光学系统中温度环境或湿度环境大幅变化的情况下将像差校正板部更换为环境补偿像差校正板部的情况下的动作说明图。

图8是示出实施方式5的红外光学系统的框图。

图9是实施方式5的红外光学系统中的动作说明图。

图10是在实施方式5的红外光学系统中扩大了像差校正板部与球面透镜部之间的间隔的情况下的动作说明图。

图11是示出实施方式6的红外光学系统的框图。

图12是在实施方式6的红外光学系统中扩大了像差校正板开口调整部的开口的情况下的动作说明图。

图13是在实施方式6的红外光学系统中缩小了像差校正板开口调整部的开口的情况下的动作说明图。

具体实施方式

下面，参照图1～图13对本发明中的各种实施方式进行详细说明。另外，在附图中标注有相同或相似的标号的结构要素具有相同或相似的结构或功能，省略与这种结构要素有关的重复说明。

实施方式1

<结构>

参照图1～图3对本发明的实施方式1的红外光学系统进行说明。如图1和图2所示，实施方式1的红外光学系统由像差校正板部1、像差校正板拆装部2、孔径光阑部3、球面透镜部4、窗口部5、焦平面部6和镜筒部7构成。在焦平面部6不需要特别保护的情况下，红外光学系统也可以不包含窗口部5。

(球面透镜部)

球面透镜部4将从物体8的各点出射的红外波段(8～12μm)的光线转换为焦平面部6上的聚光光斑9。其结果是，在焦平面部6上形成物体像10。球面透镜部4配置于镜筒部7的内部。在球面透镜部4的结构例中，包含使用了在红外波段中示出高透射率且材料成本低的硅(Si)的1枚以上的球面透镜，1枚以上的球面透镜整体具有成像作用。

也可以是，球面透镜部4中使用的材料在波长10μm处的折射率为2.0以上且4.1以下，球面透镜部4中包含的透镜的中心厚度的合计为10mm以下。

作为在红外波段中示出高透射率的材料，可举出Ge、Si、ZnSe、ZnS、NaCl、KBr等。这些材料的折射率分别大概为4.0、3.4、2.4、2.6、1.5、1.5左右。折射率越高，则透镜的像差校正能力越高，但是，另一方面，当折射率变高时，存在材料成本变高的倾向。因此，波长10μm处的折射率为2.0以上且4.1以下这样的范围是有用的。

此外，这些材料在红外波段中示出高透射率，但是，存在其透射率比可视波段中的材料(例如BK-7等)低这样的课题。从确保充分光量这样的观点来看，球面透镜部4中包含的透镜的中心厚度的合计为10mm以下这样的范围是有用的。

(孔径光阑部)

孔径光阑部3配置于像差校正板部1与球面透镜部4之间或球面透镜部4上，具有对入射到球面透镜部4或从球面透镜部4出射的光束直径进行限制而对形成于焦平面部6上的物体像10的明亮度进行调整的功能。“球面透镜部4上”这样的表达是镜筒部7的内部空间，并且是由在球面透镜部4具有的最前部的透镜的前表面的最前部的位置处与光轴垂直的平面和在球面透镜部4具有的最后部的透镜的后表面的最后部的位置处与光轴垂直的平面划分出的区域。在球面透镜部4由1枚球面透镜构成的情况下，最前部的透镜和最后部的透镜是同一透镜。另外，“前”这样的用语意味着物侧，“后”这样的用语意味着像侧。孔径光阑部3配置于像差校正板部1与球面透镜部4之间或球面透镜部4上，由此，在像差校正板部1被取下的情况下，也能够调整入射到球面透镜部4的光束。

(像差校正板部)

像差校正板部1通过像差校正板拆装部2与镜筒部7连接，位于球面透镜部4的前级。像差校正板部1的整体形状呈透镜盖这样的有底圆筒状。像差校正板部1具有预先对在球面透镜部4处产生的像差进行补偿的功能。即，像差校正板部1对入射到球面透镜部4的光线赋予与入射的光线通过像差校正板部1时的位置和入射角度对应的相位差，由此，预先对在球面透镜部4处产生的像差进行补偿。为了实现这种功能，像差校正板部1的至少1面形成为非球面形状。在像差校正板部1的结构例中，包含具有透过红外波段的光的特性、材料成本低、容易导入基于模制加工的非球面的树脂材料。像差校正板部1位于球面透镜部4的前级，即，在球面透镜部4的前级位于从球面透镜部4分开的位置，因此，能够从具有球面透镜部4的镜筒部7取下像差校正板部1。

也可以是，像差校正板部1的材料在波长10μm处的折射率为1.0以上且2.0以下，像差校正板部1的中心厚度为2mm以下。在红外波段中具有透射能力的树脂材料的折射率大致为1.0以上且2.0以下。进而，树脂材料与Si、Ge等晶体材料相比，红外波段中的透射率低，因此，从确保光量的观点来看，像差校正板部1的中心厚度为2mm以下这样的范围是有用的。

(像差校正板拆装部)

像差校正板拆装部2位于像差校正板部1与镜筒部7之间，具有以能够容易拆装的形式连接像差校正板部1和镜筒部7的功能。像差校正板拆装部2的整体形状呈与镜筒部7的边缘的形状相吻合的形状。例如，如果镜筒部7为圆筒状，则像差校正板拆装部2呈环状。或者，如果镜筒部7为中空四棱柱状，则像差校正板拆装部2呈四边形。

为了实现这种功能，作为一例，像差校正板拆装部2具有与像差校正板部1和镜筒部7双方或一方嵌合的构造。作为另一例，像差校正板拆装部2具有与像差校正板部1和镜筒部7双方或一方螺合的构造。该情况下，根据像差校正板拆装部2的外螺纹或内螺纹的形状，像差校正板部1或镜筒部7形成为对应的内螺纹或外螺纹的形状。像差校正板拆装部2例如由树脂或不锈钢形成。

像差校正板拆装部2也可以能够从像差校正板部1和镜筒部7双方取下。此外，像差校正板拆装部2也可以与像差校正板部1和镜筒部7中的一方一体化，不会容易地从该像差校正板部1或镜筒部7取下。

(窗口部)

窗口部5配置于焦平面部6的前级，具有保护焦平面部6的功能。在焦平面部6需要真空气密的情况下，窗口部5也可以具有真空气密功能。此外，在焦平面部6需要冷却的情况下，窗口部5也可以具有作为杜瓦瓶的窗口的功能。进而，在焦平面部6不需要特别保护的情况下，也可以不包含窗口部5。

(焦平面部)

焦平面部6具有红外线传感器，配置于窗口部5的后级。焦平面部6具有以电气的方式读出通过球面透镜部4形成于焦平面部6的物体像10的功能。

(镜筒部)

镜筒部7配置于像差校正板拆装部2的后级，在镜筒部7的内部保持球面透镜部4和孔径光阑部3。镜筒部7呈具有中空的内部空间的圆筒或多边形的筒状，以能够保持球面透镜部4和孔径光阑部3。镜筒部7例如由铝、不锈钢、聚碳酸酯等材料形成。镜筒部7也可以在内部包含窗口部5、焦平面部6。

<动作>

使用图2和图3对本实施方式的红外光学系统的动作进行说明。图2所示的结构和图3所示的结构的差异在于有无像差校正板部1。首先，对取下了像差校正板部1的状态即图3的结构的动作进行说明，然后，对安装了像差校正板部1的状态即图2的结构的动作进行说明。

在图3中，从物体8的各点发出的红外波段的光线的一部分入射到球面透镜部4。入射的光束通过球面透镜部4折射，成为朝向焦平面部6的收敛光束而从球面透镜部4出射。入射到球面透镜部4的光束或从球面透镜部4出射的光束的直径由孔径光阑部3来限制。通过该孔径光阑部3的作用，对入射到焦平面部6的光量进行调整，并且，去除通过远离球面透镜部4的光轴的位置的光线，抑制由球面透镜部4产生的像差。从球面透镜部4出射的光束在通过窗口部5后到达焦平面部6，形成多个聚光光斑11。关于物体8上的各点并行地同时执行以上的动作，由此在焦平面部6形成物体像12。

在低成本地实现能够进行上述动作的结构的情况下，考虑利用在红外波段中示出高透射率且材料成本低的Si等制造球面透镜部4。此外，为了低成本地实现，优选透镜枚数更少，理想情况下，优选利用1枚透镜构成球面透镜部4。另一方面，在枚数少的球面透镜中能够校正的像差量存在极限，因此，如图3所示，焦平面部6的各聚光光斑11扩大，其结果是，形成物体像12这样的重叠有模糊的像。物体像12这样的分辨率低的像例如在以某种一定的精度掌握人物、动物等热源的位置的用途中是有用的。在这种用途中，从隐私保护的观点来看，优选人物的面部、体形等信息不清晰，分辨率低的像适合。

另一方面，在图2的结构中，安装有像差校正板部1，从物体8发出的红外波段的光线在入射到球面透镜部4之前，通过像差校正板部1。像差校正板部1具有预先对在球面透镜部4处产生的像差进行补偿的功能，通过像差校正板部1后由球面透镜部4会聚的光束在焦平面部6上形成聚光光斑9这样的光斑。聚光光斑9的尺寸比前面出现的聚光光斑11缩小，因此，由聚光光斑9形成的物体像10比物体像12鲜明。

在实施方式1中，像差校正板部1设置于球面透镜部4的前级，即，在球面透镜部4的前级位于从球面透镜部4分开的位置，因此，能够从具有球面透镜部4的镜筒部7取下像差校正板部1。因此，能够根据用途来拆装像差校正板部1。

此外，红外光学系统具有像差校正板拆装部2这样的能够容易地从镜筒部7拆装像差校正板部1的部件，由此，能够在任意的定时切换图2和图3的动作。

能够通过图2的结构实现的高分辨率化例如在温度测定时是有用的。在红外光学系统为低分辨率的情况下，由于红外线传感器的像素间的光信号泄漏的影响，很难测定准确的温度。通过高分辨率化来抑制该泄漏，能够提高温度测定的精度。

作为提高分辨率的方法，存在增加在球面透镜部4中使用的透镜枚数的方法、向球面透镜部4导入非球面的方法，但是，它们均导致高成本化。如专利文献1记载的那样，还公知有通过在球面透镜涂布树脂而低成本地导入非球面的技术，但是，该情况下，无法实现在任意的定时调整分辨率的功能。

<效果>

如本发明这样，构成为红外光学系统具有像差校正板部1，由此能够抑制成本，并且提高红外光学系统的分辨率和吞吐量。此外，通过拆装像差校正板部1，能够根据用途在任意的定时变更红外光学系统的分辨率。

实施方式2

下面，对实施方式2的红外光学系统进行说明。

<结构>

根据专利文献1的技术，能够一起拆装树脂和涂布有树脂的透镜，但是，要拆装的透镜具有屈光力，因此，存在如下问题：在与树脂一起取下透镜的情况下，仅利用剩余的光学系统无法进行正常的成像。进而，根据专利文献1的技术，每次进行拆装时，要拆装的透镜的设置位置可能产生位置偏移，但是，要拆装的透镜具有屈光力，因此，存在成像特性可能根据位置偏移而大幅劣化这样的问题。实施方式2的红外光学系统是用于消除这些问题的红外光学系统。实施方式2的红外光学系统的整体结构与图1所示的实施方式1的红外光学系统的结构相同。在实施方式2的红外光学系统中，球面透镜部4的构造被优化成能够相对于宽视场角范围发挥一定的分辨率，像差校正板部1的构造被优化成在像差校正板部1安装于镜筒部7的情况下光轴周边的分辨率特别高。即，球面透镜部4具有与像差校正板部的拆装无关地维持成像能力的构造，像差校正板部1具有与光线高度对应的厚度，以对在球面透镜部4处产生的球面像差进行补偿。

<动作>

在这种实施方式2的红外光学系统中，像差校正板部1的动作与实施方式1的情况不同。下面，记载不同之处涉及的动作。

在从物体8发出的红外波段的光线通过像差校正板部1时，像差校正板部1具有预先对在球面透镜部4处产生的光轴周边的像差进行补偿的功能。其结果是，图2中的聚光光斑9与示出未安装像差校正板部1的结构的图3的聚光光斑11相比，在光轴周边的区域中变小。另一方面，在光轴周边以外的区域中，聚光光斑9的尺寸没有变化，或者尺寸扩大。其结果是，在本实施方式中，在焦平面部6生成的物体像的分辨率在光轴周边的区域中比物体像12有所改善，在除此以外的区域中没有变化或者劣化。

在球面透镜部4中，产生以球面像差、像散、像场弯曲为首的各种像差。特别地，在红外光学系统中，为了增加入射到焦平面部6的光量，对球面透镜部4要求较大的开口直径(低F值)。在这种大开口的球面透镜中，显著地表现出所述的像差。

通过以赋予对在球面透镜部4处产生的球面像差进行补偿的光路长度差的方式构成像差校正板部1，能够显著地改善所述像差中的球面像差。特别地，球面像差使光轴周边的分辨率劣化，因此，能够通过球面像差的补偿来改善光轴周边的分辨率。另一方面，在如上所述构成像差校正板部1的情况下，在球面像差以外的像差的影响大的远离光轴周边的区域中，与装配像差校正板部1以前相比，分辨率可能劣化。因此，可以说本实施方式是通过牺牲光轴周边以外的分辨率来显著改善光轴周边的分辨率的方式。

通过改善光轴周边的分辨率，在希望高精度地计测物体像10的特定区域(例如人的面部的额头等)的温度的情况下是有用的。这种情况下，对特定区域要求高分辨率，另一方面，针对特定区域以外的分辨率的要求低。

另一方面，在取下了像差校正板部1的情况下，在全部视场角范围内，球面透镜部4的光学特性被优化，因此，能够在宽视场角范围内取得适度分辨率的图像。由此，能够在宽视场角范围中进行人物、热源的方向的检测。因此，能够通过有无像差校正板部1来切换使用方法。

<效果>

通过将由像差校正板部1校正的像差缩小为球面像差，能够显著地改善光轴周边的分辨率。此外，通过像差校正板部1的拆装，不仅能够变更分辨率，还能够变更关注区域。

实施方式3

下面，对实施方式3的红外光学系统进行说明。

<结构>

实施方式3的红外光学系统的整体结构与图1所示的实施方式1的红外光学系统的结构相同。在实施方式3的红外光学系统中，构成为在设球面透镜部4的屈光力为φ，设球面透镜部4的F值为F，设球面透镜部4在焦平面部6生成的光斑直径的最大容许直径为ε的情况下，使用像差校正板部1的屈光力φ’和像差校正板部1与球面透镜部4之间的间隔L’表示的参数β＝φ’(1-φ’L’)^-1满足|β[φ(β+φ)]^-1|<εF这样的关系。

<动作>

参数β＝φ’(1-φ’L’)^-1满足|β[φ(β+φ)]^-1|<εF这样的关系，由此，伴随着像差校正板部1的装配而变化的焦平面部6上的光斑直径收敛至光斑直径的最大容许直径ε以下。由此，防止由于装配像差校正板部1而引起的分辨率降低。进而，通过在所述关系式中设定具有余量的参数，能够降低针对与像差校正板部1的形状、位置有关的公差的灵敏度。

使用图4对这种动作进行详细说明。光路13是在仅利用球面透镜部4使无限远的物体成像的情况下通过球面透镜部4的最外侧的光线通过的光路。设球面透镜部4的屈光力为φ，设通过球面透镜部4的光线的最大高度为h，设通过球面透镜部4后的光线与光轴所成的角为α，设球面透镜部4与焦平面部6之间的间隔为L。这里，L与φ^-1一致。该情况下，通过球面透镜部4后的光线在从球面透镜部4起距离L的地点处与光轴交叉。这里，距离L的地点和焦平面部6一致，因此，焦平面部6上的光斑直径最小。

光路14是在利用在球面透镜部4的前级配置有像差校正板部1的光学系统使无限远的物体成像的情况下通过球面透镜部4的最外侧的光线通过的光路。设所述光线通过像差校正板部1的高度为h’，设所述光线通过像差校正板部1后与光轴所成的角为α’，设像差校正板部1的屈光力为φ’，设像差校正板部1与球面透镜部4之间的间隔为L’。该情况下，由于像差校正板部1的屈光力φ’的影响，通过球面透镜部4后的光线在从球面透镜部4分开L+ΔL的地点处与光轴交叉。该情况下，该地点和焦平面部6不一致，因此，焦平面部6上的光斑直径扩大。

ΔL必须设定成焦平面部6中的光斑直径成为最大容许直径ε以下。这在满足下面的式(1)的情况下成立。

ΔL<εL/(2h-ε) (1)

进而，这里，如果设想ε<<h这样的关系，则式(1)如下面的式(2)那样被简化。

ΔL<εL/(2h)＝εF (2)

其中，F＝L/(2h)是球面透镜部4的F值。

接着，求出ΔL的表达式。根据近轴光线追踪，图4内的各参数具有以下的式(3)～(6)的关系。

h＝h’ -α’L’ (4)

0＝h-α(L+ΔL) (6)

通过整理式(3)～(6)，如以下的式(7)那样求出ΔL的表达式。

其中，

根据式(2)和(7)，在满足以下的式(8)的条件的情况下，在装配像差校正板部1时形成于焦平面部6的光斑直径成为ε以下。

另外，因此，式(8)成为在决定了球面透镜部4的屈光力/>球面透镜部4的F和光斑直径的最大容许直径ε的情况下对像差校正板部1的屈光力/>和间隔L’进行限制的式子。

<效果>

在本实施方式中，像差校正板部1和像差校正板拆装部2构成为满足关系式 因此，能够使装配像差校正板部1后的焦平面部6上的光斑直径收敛至ε以下。这有助于维持装配像差校正板部1后的分辨率。

此外，如果针对关系式具有余量地构成像差校正板部1和像差校正板拆装部2，则还能够抑制由于像差校正板部1的屈光力的变动、间隔的变动而产生的光斑直径的扩大。可能由于包含压力、温度或湿度的环境的变化而产生屈光力的变动。这在像差校正板部1薄的情况下、以树脂为首的针对周围环境变化敏感的材料的情况下特别显著。除了所述环境变化以外，还可能由于每次进行像差校正板部1的拆装时产生的位置偏移而产生间隔的变动。在本发明中，设想像差校正板部1的拆装，因此，抑制每次进行拆装时产生的位置偏移是有用的。

在以上这种实施方式3的红外光学系统的结构中，光斑直径的最大容许直径ε也可以与配置于焦平面部6的阵列型检测器的检测元件的像素尺寸一致。如果装配像差校正板部1后的光斑直径为像素尺寸以下，则能够抑制与像差校正板部1的装配、各种公差的产生相伴的分辨率降低。

此外，在实施方式3的红外光学系统的结构中，光斑直径的最大容许直径ε也可以与衍射极限光斑直径一致。在装配像差校正板部1后的光斑直径比像素尺寸大的情况下，如果光斑直径的最大容许直径ε为衍射极限光斑直径以下，则也能够在现实的范围内抑制与像差校正板部1的装配、各种公差的产生相伴的分辨率降低。

实施方式4

下面，参照图5～图7对实施方式4的红外光学系统进行说明。

<结构>

图5示出实施方式4的红外光学系统的结构图。实施方式4的红外光学系统具有将实施方式1的红外光学系统中的像差校正板部1置换为具有屈光力的环境补偿像差校正板部17的结构。通过具有环境补偿像差校正板部17，实施方式4的红外光学系统能够对与温度环境或湿度环境的变化相伴的成像性能的变化即焦点偏移进行校正。

<动作>

参照图6和图7对实施方式4的红外光学系统的动作进行说明。图6是在实施方式1的红外光学系统中温度环境或湿度环境大幅变化的情况下的动作说明图。如图6所示，在动作中，在温度环境或湿度环境产生了大幅变化的情况下，球面透镜部4的屈光力或镜筒部7的长度变动，焦点位置和焦平面部6的位置产生偏移。其结果是，聚光光斑15扩大，物体像16的分辨率降低。

另一方面，在产生了上述这种较大的焦点位置偏移的情况下，通过将像差校正板部1置换为环境补偿像差校正板部17，能够改善位置偏移。图7示出该情况下的动作。是在实施方式4的红外光学系统中温度环境或湿度环境大幅变化的情况下将像差校正板部更换为环境补偿像差校正板部的情况下的动作说明图。通过环境补偿像差校正板部17对焦点位置偏移进行补偿，使焦点位置和焦平面部6一致，由此，聚光光斑18缩小，物体像19的分辨率被复原。为了进行这种动作，环境补偿像差校正板部17具有若干的屈光力。

通过所述动作，在温度环境、湿度环境变化的情况下，也能够确保一定的分辨率。这种动作在室外使用的用途中是重要的。例如，在室外，温度、湿度的环境不仅可能根据地域、季节而变动，还可能根据时间段而大幅变动。如果利用所述动作，则在红外光学系统整体、固定该红外光学系统的机构固定的状态下，通过仅更换像差校正板部1，就能够在各种环境下维持分辨率。

<效果>

在本实施方式中，通过将像差校正板部1更换为环境补偿像差校正板部17，能够在红外光学系统整体、固定该红外光学系统的机构固定的状态下，对与温度环境或湿度环境的变化相伴的焦点偏移进行校正并复原分辨率。

实施方式5

下面，参照图8～图10对实施方式5的红外光学系统进行说明。

<结构>

图8示出实施方式5的红外光学系统的结构。实施方式5的红外光学系统具有针对实施方式3的红外光学系统追加性地附加间隔调整部20而成的结构。作为一例，间隔调整部20配置于像差校正板拆装部2与镜筒部7之间，具有对像差校正板部1与球面透镜部4之间的间隔进行调整的功能。间隔调整部20的具体结构例如通过拧入式构造或能够安装厚度不同的间隔件的构造等来实现。另外，间隔调整部20也可以设置于像差校正板部1与像差校正板拆装部2之间。

像差校正板部1具有如下功能：根据像差校正板部1与球面透镜部4之间的间隔，对通过像差校正板部1的光线赋予相位差，以使焦平面部6上的分辨率提高的区域变动。

<动作>

参照图9对实施方式5的红外光学系统的初始状态下的动作进行说明。例如，在图9所示的初始状态下，通过装配像差校正板部1，聚光光斑21中的光轴周边的光斑的尺寸缩小，在物体像22中，光轴周边的分辨率提高。

接着，参照图10示出通过间隔调整部20使像差校正板部1与球面透镜部4之间的间隔变动的情况下的动作。例如，在图10所示的状态下，通过间隔调整部20，像差校正板部1与球面透镜部4之间的间隔扩大。在间隔扩大的前后，各光线通过像差校正板部1的位置变化，因此，对各光线赋予的相位差也变化。由此，各光线在焦平面部6上生成的聚光光斑23的尺寸也变化，光轴周边的光斑直径扩大，另一方面，远离光轴的位置的光斑直径缩小。与此相伴，物体像24的中心部成为低分辨率，周边部成为高分辨率。

通过所述动作，能够选择性地仅对物体像中希望关注的区域进行高分辨率化。通过提高特定区域的分辨率，例如在希望高精度地计测特定区域的温度的情况下(人的面部的额头等)是有用的。这种情况下，对特定区域要求高分辨率，另一方面，针对特定区域以外的分辨率的要求低。根据所述动作，仅通过间隔调整部20的调整就能够变更成为高分辨率的区域，因此，在计测对象变化或移动的情况下，也能够在固定了红外光学系统整体、保持该红外光学系统的构造的状态下调整高分辨率区域。

<效果>

在本实施方式中，通过调整像差校正板部1与球面透镜部4之间的间隔，能够选择性地仅对物体像中希望关注的区域进行高分辨率化。由此，能够在固定了红外光学系统整体、保持该红外光学系统的构造的状态下调整高分辨率区域。

实施方式6

下面，参照图11～图13对实施方式6的红外光学系统进行说明。

<结构>

图11是示出实施方式6的红外光学系统的框图。实施方式6的红外光学系统具有针对实施方式3的红外光学系统追加开口调整部25而成的结构。作为一例，开口调整部25也可以如图11所示设置于像差校正板部1的前级。该情况下，开口调整部25具有对入射到像差校正板部1的光线进行限制的功能。开口调整部25通过能够连续地调整开口的可变光圈状的构造或能够安装直径不同的开口板的构造等来实现。开口调整部25可以构成为能够相对于像差校正板拆装部2进行拆装，也可以与像差校正板拆装部2一体地形成。另外，开口调整部25也可以设置于像差校正板部1的后级，该情况下，开口调整部25具有对从像差校正板部1出射的光线进行限制的功能。

<动作>

接着，参照图12对在扩大了开口调整部25的开口的情况下使具有视场角的光线会聚于焦平面部6时的动作进行说明。另外，在图12和图13中，为了简化说明，图示出球面透镜部4仅具有1枚球面透镜的情况。

关于在红外光学系统中使用的玻璃材料，存在Si、Ge、硫化物玻璃等，但是，这些玻璃材料一般为高折射率。在利用这种高折射率的玻璃材料构成球面透镜部4的情况下，在光线从球面透镜部4的内部向外部通过的情况下，在一部分光线中产生折射角的显著增大、全反射。在图12的例子中，在从下方起第3个为止的光线中产生所述这种动作。例如，在使用后表面为凸形状的透镜使具有视场角的光线会聚的图12所示的情况下，通过球面透镜部4的下部的光线相对于透镜后表面具有较大的入射角，因此，容易产生上述这种动作。折射角显著变大的光线、全反射后的光线的一部分到达焦平面部6，但是，它们的到达位置从其他光线的到达位置偏离。因此，在取得的图像中产生伪信号，成为质量劣化的一个原因。

在低成本地构成聚光透镜的情况下，多数情况下在球面透镜部4中使用平凸或凸平透镜或两侧凸透镜。在使用平凸或凸平透镜的情况下，在视觉上容易区分透镜的前表面和后表面，因此，能够减少透镜的组装错误。此外，在使用两侧凸透镜的情况下，不需要区分前表面和后表面，因此，能够排除透镜的组装错误。组装错误的减少有助于透镜成本的降低。这样，在低成本地构成聚光透镜的情况下，多数情况下使用图12的例子这样的具有凸形状的透镜，上述这种全反射在使用低价的聚光透镜的情况下特别成为问题。

接着，参照图13对在缩小了开口调整部25的开口的情况下使具有视场角的光线会聚于焦平面部6时的动作进行说明。如图13所示，通过缩小开口调整部25的开口，能够选择性地去除图12中通过球面透镜部4的下部后的光线。另一方面，在缩小了开口调整部25的开口的情况下，通过球面透镜部4的上部且有助于正常成像的光线也能够到达焦平面部6而不会被遮蔽。因此，通过缩小开口调整部25的开口，能够减少杂散光，抑制图像内的伪信号。进而，在缩小了开口调整部25的开口时，有助于成像的光线也通过，因此，能够确保光量。

通过缩小孔径光阑部3，也能够去除图12中通过球面透镜部4的下部后的光线，但是，该情况下，有助于正常成像的光线也去除。这是由于，光线在孔径光阑部3上配置于以光轴为中心的圆内。另一方面，开口调整部25配置于比孔径光阑部3靠前级，因此，开口调整部25中的光线配置于从光轴偏移的圆内。在图13的例子中，进行全反射的光线配置于比未进行全反射而有助于成像的光线靠外侧，即开口调整部25的开口打开的方向的区域，因此，通过缩小开口调整部25，能够选择性地仅去除位于外侧的进行全反射的光线。

在图12和图13中，仅显示与单一视场角相当的光线，因此，即使向上侧偏移孔径光阑部3，看起来也能够实现与开口调整部25相同的效果。但是，实际上需要使多个视场角的光线同时会聚，因此，在对孔径光阑部3赋予了针对某一个视场角被优化的偏移的情况下，在其他视场角中，有助于成像的光线被截止，产生光量的显著降低。

<效果>

在本实施方式中，通过在像差校正板部1的前级或所述像差校正板部与所述球面透镜部之间设置开口调整部25，能够选择性地去除在球面透镜部4内部进行全反射的光线，能够确保光量，并且提高能够取得的图像的质量。

<附记>

下面，对以上说明的实施方式的各种方面的一部分进行总结。

(附记1)

附记1的红外光学系统具有：球面透镜部(4)，其整体具有成像作用，具有使来自被摄体的入射光线成像的1枚以上的球面透镜；孔径光阑部(3)，其对所述入射光线透过所述球面透镜部进行限制；像差校正板部(1；17)，其配置于所述球面透镜部的前级，至少1面为非球面形状，对所述入射光线赋予对在所述球面透镜部处产生的像差进行补偿的光路长度差；以及镜筒部(7)，其保持所述球面透镜部、所述孔径光阑部和所述像差校正板部。

(附记2)

附记2的红外光学系统在附记1的红外光学系统中，所述镜筒部具有能够拆装所述像差校正板部的像差校正板拆装部(2)。

(附记3)

附记3的红外光学系统在附记1或2所记载的红外光学系统中，所述球面透镜部具有与所述像差校正板部的拆装无关地维持成像能力的构造。

(附记4)

附记4的红外光学系统在附记1～3中的任意一项所记载的红外光学系统中，所述像差校正板部具有与光线高度对应的厚度，以对在所述球面透镜部处产生的球面像差进行补偿。

(附记5)

附记5的红外光学系统在附记1～4中的任意一项所记载的红外光学系统中，所述球面透镜部在波长10μm处的折射率为2.0以上且4.1以下，所述球面透镜部中包含的所述1枚以上的透镜的中心厚度的合计为10mm以下。

(附记6)

附记6的红外光学系统在附记1～5中的任意一项所记载的红外光学系统中，所述像差校正板部在波长10μm处的折射率为1.0以上且2.0以下，所述像差校正板部的中心厚度为2mm以下。

(附记7)

附记7的红外光学系统在附记1～6中的任意一项所记载的红外光学系统中，在设所述球面透镜部的屈光力为设所述球面透镜部的F值为F，设所述球面透镜部在像面上生成的光斑直径的最大容许直径为ε的情况下，由所述像差校正板部的屈光力/>和所述像差校正板部与所述球面透镜之间的间隔L’表示的参数/>满足这样的关系。

(附记8)

附记8的红外光学系统在附记1～6中的任意一项所记载的红外光学系统中，在设所述球面透镜部的屈光力为设所述球面透镜部的F值为F，设所述球面透镜部在像面上生成的光斑直径的最大容许直径为ε且ε与配置于像面上的检测元件的像素尺寸一致的情况下，由所述像差校正板部的屈光力/>和所述像差校正板部与所述球面透镜部之间的间隔L’表示的参数/>满足/>这样的关系。

(附记9)

附记9的红外光学系统在附记1～6中的任意一项所记载的红外光学系统中，在设所述球面透镜部的屈光力为设所述球面透镜部的F值为F，设所述球面透镜部在像面上生成的光斑直径的最大容许直径为ε且ε与所述球面透镜部的衍射极限光斑直径一致的情况下，由所述像差校正板部的屈光力/>和所述像差校正板部与所述球面透镜部之间的间隔L’表示的参数/>满足/>这样的关系。

(附记10)

附记10的红外光学系统在附记1～9中的任意一项所记载的红外光学系统中，所述像差校正板部是具有屈光力以能够对与温度环境或湿度环境的变化相伴的所述球面透镜部的成像性能的变化进行补偿的环境补偿像差校正板部(17)。

(附记11)

附记11的红外光学系在附记1～10中的任意一项所记载的红外光学系统中，所述镜筒部具有能够调整所述像差校正板部与所述球面透镜部之间的间隔的间隔调整部(20)。

(附记12)

附记12的红外光学系统在附记2～11中的任意一项所记载的红外光学系统中，所述像差校正板拆装部在所述像差校正板部的前级、或所述像差校正板部与所述球面透镜部之间具有开口调整部(25)，该开口调整部(25)能够缩小入射到所述像差校正板部或从所述像差校正板部出射的光束直径。

(附记13)

附记13的红外光学系统具有：球面透镜部(4)，其整体具有成像作用，具有使来自被摄体的入射光线成像的1枚以上的球面透镜；孔径光阑部(3)，其对所述入射光线透过所述球面透镜部进行限制；以及镜筒部(7)，其保持所述球面透镜部和所述孔径光阑部，所述镜筒部具有能够拆装所述像差校正板部以在所述球面透镜部的前级配置像差校正板部的像差校正板拆装部(2)。

(附记14)

附记14的红外光学系统在附记13的红外光学系统中，所述球面透镜部的光学特性被优化。

(附记15)

附记15的红外光学系统在附记14的红外光学系统中，针对全部视场角进行所述优化。

(附记16)

附记16的红外光学系统在附记13～15中的任意一个红外光学系统中，所述红外光学系统还具有像差校正板部(1)，该像差校正板部(1)装配于所述像差校正板拆装部，至少1面为非球面形状，根据光线高度对厚度进行优化，以对在所述球面透镜部处产生的球面像差进行补偿。

另外，能够对实施方式进行组合，或者适当地对各实施方式进行变形、省略。

产业上的可利用性

本发明的红外光学系统能够用作家庭电子设备或安全系统等各种设备或系统中的红外摄像头。

标号说明

1：像差校正板部；2：像差校正板拆装部；3：孔径光阑部；4：球面透镜部；5：窗口部；6：焦平面部；7：镜筒部；8：物体；9：聚光光斑；10：物体像；11：聚光光斑；12：物体像；13：光路；14：光路；15：聚光光斑；16：物体像；17：环境补偿像差校正板部；18：聚光光斑；19：物体像；20：间隔调整部；21：聚光光斑；22：物体像；23：聚光光斑；24：物体像；25：开口调整部。

Claims (12)

1.一种红外光学系统，该红外光学系统具有：

球面透镜部，其整体具有成像作用，具有使来自被摄体的入射光线成像的1枚以上的球面透镜；

孔径光阑部，其对所述入射光线透过所述球面透镜部进行限制；

像差校正板部，其配置于所述球面透镜部的前级，至少1面为非球面形状，对所述入射光线赋予对在所述球面透镜部处产生的像差进行补偿的光路长度差；以及

镜筒部，其保持所述球面透镜部、所述孔径光阑部和所述像差校正板部。

2.根据权利要求1所述的红外光学系统，其中，

所述镜筒部具有能够拆装所述像差校正板部的像差校正板拆装部。

3.根据权利要求2所述的红外光学系统，其中，

所述球面透镜部具有与所述像差校正板部的拆装无关地维持成像能力的构造。

4.根据权利要求3所述的红外光学系统，其中，

所述像差校正板部具有与光线高度对应的厚度，以对在所述球面透镜部处产生的球面像差进行补偿。

5.根据权利要求4所述的红外光学系统，其中，

所述球面透镜部在波长10μm处的折射率为2.0以上且4.1以下，

所述球面透镜部中包含的所述1枚以上的透镜的中心厚度的合计为10mm以下。

6.根据权利要求5所述的红外光学系统，其中，

所述像差校正板部在波长10μm处的折射率为1.0以上且2.0以下，

所述像差校正板部的中心厚度为2mm以下。

7.根据权利要求6所述的红外光学系统，其中，

在设所述球面透镜部的屈光力为设所述球面透镜部的F值为F，设所述球面透镜部在像面上生成的光斑直径的最大容许直径为ε的情况下，由所述像差校正板部的屈光力/>和所述像差校正板部与所述球面透镜之间的间隔L’表示的参数/> 满足这样的关系。

8.根据权利要求6所述的红外光学系统，其中，

在设所述球面透镜部的屈光力为设所述球面透镜部的F值为F，设所述球面透镜部在像面上生成的光斑直径的最大容许直径为ε且ε与配置于像面上的检测元件的像素尺寸一致的情况下，由所述像差校正板部的屈光力/>和所述像差校正板部与所述球面透镜部之间的间隔L’表示的参数/>满足/>这样的关系。

9.根据权利要求6所述的红外光学系统，其中，

在设所述球面透镜部的屈光力为设所述球面透镜部的F值为F，设所述球面透镜部在像面上生成的光斑直径的最大容许直径为ε且ε与所述球面透镜部的衍射极限光斑直径一致的情况下，由所述像差校正板部的屈光力/>和所述像差校正板部与所述球面透镜部之间的间隔L’表示的参数/>满足/>这样的关系。

10.根据权利要求5所述的红外光学系统，其中，

所述像差校正板部是具有屈光力以能够对与温度环境或湿度环境的变化相伴的所述球面透镜部的成像性能的变化进行补偿的环境补偿像差校正板部。

11.根据权利要求7～9中的任意一项所述的红外光学系统，其中，

所述镜筒部具有能够调整所述像差校正板部与所述球面透镜部之间的间隔的间隔调整部。

12.根据权利要求7～9中的任意一项所述的红外光学系统，其中，

所述像差校正板拆装部在所述像差校正板部的前级、或所述像差校正板部与所述球面透镜部之间具有开口调整部，该开口调整部能够缩小入射到所述像差校正板部或从所述像差校正板部出射的光束直径。