CN206348502U - 光学系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种光学系统。所述光学系统用于在将对象成像到图像平面上的过程中在目标近红外(NIR)波长处工作，所述光学系统包括从对象侧向图像侧按顺序布置的以下光学元件：第一透镜，第一透镜包含在目标NIR波长处具有第一折射率的第一材料并且具有正屈光力；第二透镜，第二透镜包含第一材料并具有第一弯月形状；第三透镜，第三透镜包含第一材料并具有第二弯月形状；和第四透镜，第四透镜包括在目标NIR波长处具有低于第一折射率的第二折射率的第二材料，并具有非球面形式的前表面和后表面，在表面中的至少一个表面中具有至少一个拐点，并且其中非球面系数被选择，使得从对象到达所述后表面的光线不会在第四透镜内发生全内反射，以撞击在图像平面上。

Description

光学系统
技术领域
本实用新型整体涉及光学器件，并且更具体地涉及高分辨率成像透镜。
背景技术
近红外(NIR)成像设备捕获800nm到1300nm的波长范围中的光。此类设备被特别用于医疗诊断、食品检查和夜视等领域。NIR成像设备还吸引人们对各种消费电子技术中的应用程序的兴趣，诸如基于图案的深度映射。
实用新型内容
下文描述的本实用新型的实施方案提供了用于其设计的改进的光学系统和方法。
因此，根据本实用新型的一个实施方案，提供了一种用于在将对象成像到图像平面上的过程中在目标近红外(NIR)波长处工作的光学系统。该系统包括从对象侧到图像侧按顺序布置的以下光学元件：第一透镜，该第一透镜包含在目标NIR波长处具有第一折射率的第一材料并具有正屈光力；第二透镜，该第二透镜包含第一材料并且具有第一弯月形状；第三透镜，该第三透镜包含第一材料并且具有第二弯月形状；以及第四透镜，该第四透镜包含在目标NIR波长处具有低于第一折射率的第二折射率的第二材料。该第四透镜具有非球面形式的前表面和后表面，在这些表面中的至少一个表面中具有至少一个拐点，并且其中非球面系数被选择，使得从对象到达后表面的光线不会在第四透镜内发生全内反射，以撞击在图像平面上。
在一些实施方案中，该系统包括带通滤波器，该带通滤波器被配置为阻挡除目标NIR波长处之外的光并且被布置在第四透镜和图像平面之间。
在所公开的实施方案中，该光学元件被配置为在F/2.0处形成图像，其中对角全视场大于80°，并且视场的边缘处的图像亮度大于轴上的图像亮度的30％。
典型地，该系统包括与第一透镜相邻的孔径光阑。
在所公开的实施方案中，该第一透镜具有凸状前表面，并且第四透镜的前表面和后表面两者具有相应的拐点。
在一些实施方案中，第四透镜的前表面和后表面的非球面系数被选择，使得在从对象侧进入系统的光线能够相交的任何位置处与前表面和后表面中的任一者相切的平面相对于与系统的光轴垂直的平面倾斜不超过预定义的最大角度。在一个实施方案中，该光学元件被配置为在F/2.0处形成图像，其中对角全视场大于80°，并且预定义的最大角度不大于45°。
根据本实用新型的一个实施方案，还提供了一种用于在将对象成像到图像平面上的过程中在目标近红外(NIR)波长处工作的光学系统。该方法包括从对象侧到图像侧按顺序布置以下光学元件：第一透镜，该第一透镜包含在目标NIR波长处具有第一折射率的第一材料并具有正屈光力；第二透镜，该第二透镜包含第一材料并且具有第一弯月形状；第三透镜，该第三透镜包含第一材料并且具有第二弯月形状；以及第四透镜，该第四透镜包含在目标NIR波长处具有低于第一折射率的第二折射率的第二材料，并具有非球面形式的前表面和后表面，在表面中的至少一个表面中具有至少一个拐点。第四透镜的前表面和后表面的非球面系数被选择，使得从对象到达后表面的光线不会在第四透镜内发生全内反射，以撞击在图像平面上。结合附图，从下文中对本实用新型的实施方案的详细描述将更完全地理解本实用新型，在附图中：
附图说明
图1是根据本实用新型的实施方案的光学系统的示意性侧视图；
图2是在图1的光学系统的整个视场中调制传递函数(MTF)作为角度(图像高度)的函数的图示；
图3是在图1的光学系统的整个视场中照明衰落作为角度(图像高度)的函数的图示；
图4A是示出了在系统内反射的光线的迹线的示例性光学系统的示意性侧视图；以及
图4B是根据本实用新型的一个实施方案的示出了在系统内反射同时避免全内反射到图像平面上的光线的迹线的图1的光学系统的示意性侧视图。
具体实施方式
当前的NIR成像设备大多是通过添加NIR带通滤波器而从针对可见光(VIS)摄影术所设计的成像透镜改造而来的。然而，此类系统的性能和形状因数可能受到VIS和NIR之间的光谱差异的妨碍。具体地，光学材料在用于大多数NIR成像应用的感兴趣光谱区域中的色散通常较小。这种特性使得能够在NIR成像透镜中布置高折射率色散材料，以方便在特定NIR光谱区域内进行像差控制。在另一方面，由于出现过大的色差，因此此类布置通常不适合VIS成像。因此，不同的设计考虑将适用于要用于NIR窄带成像应用中的透镜系统。
本实用新型的实施方案采用这种设计方式来提供可用于例如便携式电子设备中的高分辨率NIR成像的快速、宽角度微型成像透镜。下面描述的特定实施方案提供了这种透镜，该透镜能够在F/2.0处工作，其中对角全视场为84°，并且其中整个图像中的光学畸变不大于2％。
因为此类透镜被设计以在单个NIR波长处工作，所以该设计不需要考虑色差。相反，优化该透镜设计以使透镜表面处的来自全内反射(TIR)的光晕最小化，以及保持图像角落处的低光衰落。这两个特性对于NIR成像应用(例如，基于投影图案的深度映射)而言非常关键，这些应用需要良好的图像再现，需要具有在整个场上的高保真性以及相对于环境噪声诸如杂散光的高免疫性。
图1是根据本实用新型的实施方案的作为所主张的设计系列的一个示例而呈现的NIR光学系统20的示意性侧视图。如前所述，图示的设计能够在F/2.0处工作，其中对角全视场为84°，并且整个图像中的光学畸变不大于2％。其为NIR成像应用尤其是便携式电子设备中的NIR成像应用提供了一种廉价、紧凑、高质量的解决方案。
光学系统20包括具有屈光力的四个透镜元件，从对象侧(图的左侧处)到图像平面36(右侧处)按顺序被标记为透镜22、24、26和28。透镜22具有凸前表面30和正光焦度，而透镜28具有负光焦度，在至少后透镜表面32中具有至少一个拐点。例如，透镜24和26是具有低光焦度的弯月透镜元件，该光焦度的一个光焦度可为正，并且另一个光焦度为负。在图示的示例中，透镜24和26的前侧为凹面的而后侧为凸面的，但这些透镜的至少一个透镜可相反，使得其前侧为凸面的并且其后侧为凹面的。光学系统20包括NIR带通滤波器34，以消除感兴趣光谱区外部不希望的光的干扰。
透镜22、24和26包括第一高折射率材料，诸如EP5000(其在该设计的红外参考波长(940nm)处的折射率为n＝1.613)，而透镜28包括低折射率材料，诸如APEL 9(在设计的红外参考波长(940nm)处n＝1.508)。这些材料的阿贝v数为：针对EP5000为Vd＝23.8，并且针对APEL为Vd＝55.9。尽管出于设计和生产的目的，透镜22、24和26包括相同材料是方便的，但是在另选的实施方案中，这三个透镜中的至少一个透镜可包括不同的高折射率材料。在图示的设计中，全部表面是非球面的，但在另选的实施方案中，透镜22、24和26的表面中的一个或多个表面可以是球面形的。透镜28是双非球面，其中弯曲的前表面和后表面被设计成减小图像平面处的场曲率和畸变。
图1中所示的设计包括可用于控制光学系统的亮度的孔径光阑38。在图1中的光学系统20的对象侧处示出了孔径光阑38，但其可另选地位于别处，例如位于透镜22和24之间。孔径光阑38的位置还便于缩短系统的线路全长(TTL)，在消费应用中诸如在便携式电子设备中这是尤其需要的。
下文在附录中列出了在图1中的所示的光学系统20的精确设计参数。仅以举例的方式呈现这些参数。实现本文所述的原理的其他设计在阅读本实用新型的具体实施方式之后对于本领域的技术人员来说将是显而易见的并被视为在本实用新型的范围内。
图2和图3分别随着光学系统20的视场的角度(图像高度)示出了MTF和照明衰落。图2中的曲线对应于相对于光轴的以下图像高度：
-衍射极限(40)。
-图像高度零(42)。
-图像高度1.135mm，横向(44)。
-图像高度1.135mm，径向(46)。
-图像高度1.589mm，横向(48)。
-图像高度1.589mm，径向(50)。
-图像高度2.270mm，横向(52)。
-图像高度2.270mm，径向(54)。
在视场的中心处，MTF大于0.5，最高至200周期/mm，而在视场的边缘，MTF仍然保持高于0.5，降低至大约100周期/mm。即使在视场的远边缘处，图像亮度仍然保持高于光轴上的亮度的35％。结果，在并入NIR电子成像系统中时，光学系统20将给出有用水平的图像亮度和分辨率，直到图像传感器的远处边缘。
仔细设计透镜28，以严格使全内反射(TIR)造成的光晕和所造成的“鬼影”最小化。该要求至少部分是通过如下方式满足的：针对透镜28使用低折射率材料并设计该透镜的表面，使得透镜表面在任何点处的法线与入射到该点的光线之间的角度将小于TIR角。换句话讲，透镜28的前表面和后表面的球面系数被选择，使得从对象到达后表面的光线在第四透镜内不会发生全内反射，以撞击在图像平面上。
图4A是示出了在系统内所反射的高角度光线70的迹线以与系统20进行对比的示例性光学系统60的示意性侧视图。系统60的设计类似于系统20，但在选择非球面系数时未考虑对TIR的限制。光线70通过前三个透镜(类似于透镜22、24和26)，并且然后在透镜68的后表面72处被内反射，之后在透镜的前表面74处发生TIR。所反射的光线76在图像平面36中形成鬼影图像。
图4B是根据本实用新型的实施方案的示出了如何通过本设计来避免这种鬼影图像的系统20的示意性侧视图。一般来讲，通过设计透镜28来避免由于内反射导致的光晕，以避免透镜后表面82和前表面84中的高角度。具体地，表面的非球面系数被选择，使得在进入系统20的光线能够相交的任何位置处与透镜28的后表面82或前表面84相切的平面相对于垂直于光轴的平面倾斜不超过特定最大角度，例如在这种情况下不超过45°。(在图4A中可看到表面72更大的倾斜角。)因此，从表面82反射的光线86在透镜28内不会发生全内反射，而是向前通过到达无害的散射位置。
在本实用新型的其他实施方案中，系统中的最后的透镜的表面的倾斜角以类似方式被限制，但根据特定设计参数，切平面倾斜的极限角度可更小或更大，该设计参数包括例如F/#、视场和图像传感器特性。
因此，应当理解，上述实施方案以举例的方式进行引用，并且本实用新型并不限于上文具体示出并描述的内容。相反，本实用新型的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。
附录-透镜列表
以下列表示出了在图1所示的设计。“曲率半径”列给出了轴上的每个透镜表面的曲率半径，而“厚度”列表示设计中从给定表面到下一表面的距离。FOV表示系统的对角全视场。该设计的参考波长为940nm。相对于其折射率nd和阿贝数vd来限定光学材料。
对透镜的定义(F/2.0，84°FOV)
透镜编号 表面数量 曲率半径(mm) 厚度(mm) 材料(nd,vd)
孔径光阑 1 无穷大 -0.100
透镜1 *2 1.940 0.509 (1.636,23.8)
*3 -3.583 0.340
透镜2 *4 -1.492 0.354 (1.636,23.8)
*5 -2.631 0.190
透镜3 *6 -1.864 0.485 (1.636,23.8)
*7 -1.633 0.100
透镜4 *8 -14.288 0.501 (1.545,55.9)
*9 670.978 0.350
滤光器 10 无穷大 0.400 (1.517,64.2)
11 无穷大 0.518
红外传感器 12 无穷大 -
*非球面表面(下文给出非球面系数)
非球面系数
非球面系数(续)
这里z是平行于z轴的表面的垂度。
c是表面的极点处的曲率。
K是二次曲线常数。
A4-A24是非球面系数。

Claims (7)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统用于在将对象成像到图像平面上的过程中在目标近红外NIR波长处工作，所述光学系统包括从对象侧向图像侧按顺序布置的以下光学元件：
第一透镜，所述第一透镜包含在所述目标NIR波长处具有第一折射率的第一材料并且具有正屈光力；
第二透镜，所述第二透镜包含所述第一材料并具有第一弯月形状；
第三透镜，所述第三透镜包含所述第一材料并具有第二弯月形状；和
第四透镜，所述第四透镜包括在所述目标NIR波长处具有低于所述第一折射率的第二折射率的第二材料，并具有非球面形式的前表面和后表面，在所述表面中的至少一个表面中具有至少一个拐点，并且其中非球面系数被选择，使得从所述对象到达所述后表面的光线不会在所述第四透镜内发生全内反射，以撞击在所述图像平面上。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括带通滤波器，所述带通滤波器被配置为阻挡除所述目标NIR波长处之外的光并且被布置在所述第四透镜和所述图像平面之间。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学元件被配置为形成图像，其中所述图像的视场的边缘处的图像亮度大于轴上的图像亮度的30％。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述系统还包括与所述第一透镜相邻的孔径光阑。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一透镜具有凸状前表面，并且其中所述第四透镜的所述前表面和所述后表面两者具有相应的拐点。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第四透镜的所述前表面和所述后表面的所述非球面系数被选择，使得在从所述对象侧进入所述系统的光线能够相交的任何位置处，与所述前表面和所述后表面中的任一者相切的平面，相对于与所述系统的光轴垂直的平面倾斜不超过预定义的最大角度。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述光学元件被配置为在F/2.0处形成图像，其中对角全视场大于80°，并且其中所述预定义的最大角度不大于45°。
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