CN209092730U - 热补偿ir镜头和具有这种ir镜头的ir摄像机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种IR镜头，其通过由具有在2.4与4.2之间的折射率的材料构成的单片体(1)形成，单片体具有入射面(2)、出射面(3)和至少一个第一反射面(4.1)和一个在出射面(3)后面的真实的总焦平面(1.2)，在总焦平面内能布置传感器面(7.1)。光学有效面中的至少一个是光学自由形状面，该光学自由形状面至少产生多个球面和/或非球面的效果。本实用新型也涉及一种具有这种镜头的IR摄像机。
Description
背景技术
在用于包括从大约3μm到大约5.5μm(短波IR范围)和大约7μm 到大约14μm(长波IR范围)波长范围的红外光谱范围的镜头中，使用特殊的光学材料，这些特殊的光学材料具有其光学参数强烈地相关于温度的缺点。
一方面，这些材料的具有在2.4与4.2之间的数值的折射率比针对视觉可见的波长范围的材料的折射率强烈得多地相关于温度，而另一方面，镜头的透镜的几何形状与透镜的材料的热膨胀系数以及透镜的尺寸大小相关地发生变化。这两个影响导致各个透镜的焦距变化而且因此导致成像质量的变化。
另一方面，由对象释放的在IR范围内的辐射(热辐射)的强度通常是微小的，而且在更大的路程内传播时还由于在大气中的吸收和散射而发生衰减，因此红外镜头(IR镜头)具有大孔径。然而，大孔径阻碍了在整个红外光谱范围内或者仅在两个子范围之一内的良好的色彩修正。为了对于大孔径的光学装置也能在宽广的视界上实现良好的成像特性，需要多个透镜、通常是三个或者更多个。示例性地，这里应提到DD 289 675 A7，其公开了一种大孔径长焦距镜头，该大孔径长焦距镜头针对红外光谱范围在色彩上和热学上被修正。这里描述的镜头是三合透镜型，其中在两个单个的会聚透镜之间布置有由会聚的透镜和发散的透镜构成的散射透镜组。借此，为了计算经修正的光学系统，总共用四个透镜提供八个折射面。通过由透镜的所选择的材料确定的光学参数(如折射率和阿贝数)以及由透镜的材料和曲率半径以及这些透镜彼此间的距离确定的焦距的组合，对镜头进行计算，该镜头在所希望的辐射范围内在热学上和色彩上被修正。
现有技术的公知的IR镜头与其的不同之处在于这些光学参数的不同的值，它们基本上通过对透镜的材料、曲率半径、透镜厚度、透镜距离和数目的计算和选择来得到。利用少于三个透镜构造在色彩上和热学上被修正的IR镜头并不是已知的。
可提供的适合于IR范围的材料的数目相当受限。尽管其价格高，但是锗作为材料、尤其是用于长波IR范围的材料由于其高折射率以及其环境特性是非常受欢迎的。
用于IR范围的材料(也包括锗)的强烈的温度相关性使得必要的是：在宽广的运行温度范围(例如从-25℃到+55℃)的情况下，采取措施，以便使总焦点与温度无关地保持稳定，以便确保矩阵传感器上的与温度无关的成像质量。
第一可能的措施是所谓的被动重聚焦，其中通过不同的透镜的适当的材料组合，进行光学参数的反向的相关于温度的改变。针对于此的示例在上述DD 289 675 A7中公开。如果不顾对镜头支架的热影响而计算光学系统，那么必须采取措施，以便对支架本身进行热补偿，也就是说保持透镜彼此间的相对位置。
光学系统也可以被当作已镶嵌的系统，也就是说尤其是支架沿着光学系统的光轴的长度变化被包括到光学系统的计算中，使得与温度无关地保持对于成像的修正状态。
也公知的是第二可能的变型方案、尤其是用于具有如下材料的光学系统的第二可能的变型方案：移动该系统的各个透镜用于进行焦点位置修正，其中在所述材料的情况下折射率的与温度相关的变化对成像质量的稳定性具有比膨胀系数大得多的影响。不利的是更高的安装和调整花费、更高的构件花费、通常更高的重量和更大的结构尺寸。
构造具有仅由一种材料、尤其是由锗构成的透镜的在色彩上和在热学上被修正的IR镜头显得实际上不可能。如果各个光学面都由镜面来替换，那么可以减少问题。然而，镜头由此变得更大而且花费更高。
然而，原则上公知的是单片镜头，其中在折射方面有效的面的一部分通过在反射方面有效的面来替换。从公开文献DE 10 2010 040 030 A1公知的单片镜头由用于玻璃模制的光学玻璃制成或者由塑料以喷注法来制成，而且适合于在直至NIR范围进行应用。为了补偿光学成像错误，确定的镜面被构造为锥形非球面或者双锥形表面。出于成本原因，省去了对高阶非球面或者自由形状面的使用。单片镜头具有微小的调整和安装花费而且非常结实和紧凑。然而，这里描述的对单片光学装置的制造和所使用的材料并不适合于在IR范围内应用。
实用新型内容
本实用新型所基于的任务在于提供一种由仅一种材料构成的紧凑的热补偿IR镜头。该任务利用根据本实用新型的热补偿IR镜头来解决，热补偿IR镜头通过由具有在2.4与4.2之间的折射率的材料构成的单片体形成，单片体具有至少三个光学有效面，即，入射面、出射面和至少一个第一反射面，以及处在单片体之外的在出射面后面的真实的总焦平面和布置在单片体上的光圈，在总焦平面内能布置传感器面，其中，光学有效面中的至少一个是光学自由形状面，光学自由形状面至少产生多个球面和/或非球面的效果。
根据本实用新型的一种有利的实施方案，所有光学有效面都是光学成像面，其方式是，不是光学自由形状面的光学有效面是球面或非球面。
根据本实用新型的一种有利的实施方案，存在第二反射面，从而通过IR镜头成像的光束的光路被折叠而且光束多次穿过光路的体积，而且至少一个光学自由形状面被设计为使得其补偿成像错误，成像错误由于光路与光学成像面的折叠而形成。
根据本实用新型的一种有利的实施方案，组成单片体的材料具有大于2的折射率。
根据本实用新型的一种有利的实施方案，组成单片体的材料是锗。
根据本实用新型的一种有利的实施方案，至少一个附加的附加光学装置前置于IR镜头，至少一个附加的附加光学装置具有至少一个菲涅尔表面。
本实用新型的任务还在于提供一种具有这种IR镜头的IR摄像机。该任务利用根据本实用新型的IR摄像机来解决，其具有根据本实用新型的IR镜头、支架和具有传感器面的IR探测器，其中，支架由与IR 镜头连接的具有沿光轴的方向的第一长度的第一膨胀体和与第一膨胀体连接的具有沿光轴的方向的第二长度的第二膨胀体组成，而且在第二膨胀体的自由端上存在参考面，IR探测器相对参考面固定，其中，膨胀体具有不同的线膨胀系数并且长度被确定尺寸为使得传感器面在预先给定的运行温度范围内保持在单片体的真实的总焦平面中。
附图说明
随后，本实用新型将依据实施例予以描述。在这种情况下：
图1a示出了按照第一实施例的IR镜头的简化的光学简图；
图1b示出了按照图1a的IR镜头的透视图；
图2a示出了按照第二实施例的IR镜头的简化的光学简图；
图2b示出了按照图2a的IR镜头的透视图；
图3a示出了按照第三实施例的IR镜头的简化的光学简图；
图3b示出了按照图3a的IR镜头的透视图；
图4示出了按照第四实施例的IR镜头的简化的光学简图；
图5a以俯视图示出了IR摄像机的原理图，该IR摄像机具有按照图2a和2b的IR镜头、探测器和支架，而
图5b以透视图示出了按照图5a的IR摄像机的原理图。
具体实施方式
替代利用通常多个沿着一个轴布置的透镜，按照本实用新型的IR 镜头如在所有附图中示出的那样由单片体1形成，单片体具有至少三个光学有效面即入射面2、出射面3和至少一个第一反射面4.1，处在单片体1之外的真实的总焦平面1.2和布置在单片体1上的光圈5，在该总焦平面中可以布置传感器面7.1。
通过将光学有效面中的至少一个实施为至少产生多个球面和/或非球面的效果的光学自由形状面，IR镜头可以具有与针对高成像质量的成像常规所需数目相比更少的数目的光学成像面。这一点根据计算具有比其对于旋转对称的面来说存在的更多自由度的光学自由形状面的可能性得到。
由于只需要少量光学成像面，单片体1可以保持得小而且因此也更轻。在制造IR摄像机时，单片体在低得多的涂层花费和减少的安装和调整时间方面的优点被证实，这是因为只须调整一个单片体并且将其安装到总系统中。
在提供具有尽可能少的数目的光学有效面的单片体1的目标的情况下，原则上所有光学有效面都被构造为成像面并且因此被用于形成射束。每个光学有效面都有助于形成射束，该光学有效面具有曲率或者说没有纯平面且因而只进行反射。常规的光学成像面是球面和非球面。没有将光学有效面之一用作光学成像面则会不必要地增大单片体 1。
通过对至少两个反射面4.1、4.2的有利的使用，单片体1的结构尺寸相对来说可以相对于那种仅有一个反射面的单片体1被减小，其方式是光路被折叠并且因此光束8多次穿过光路的体积。由折叠而形成的像差同样可以直接通过光学自由形状面来补偿。因此，光学自由形状面满足了两个功能。一方面，通过在一个面内的更多自由度实现了更好的成像质量，而不是利用具有少量自由度的更多面实现更好的成像质量。另一方面可以补偿由于光路与光学成像面的折叠而形成的成像错误。
以这种方式，三个或更多个旋转对称的透镜的IR镜头可以由单片体1来替换。虽然现在还是只能通过支架6来进行被动的重新聚焦，因为单片体1不容许材料组合物，但是为此所需的通过总焦距在两个限制运行温度范围的温度的情况下的差确定的修正路径比在多透镜系统中小得多，在该多透镜系统中，所有透镜都由相同的材料、尤其是锗制成。
光学系统的总折射能力近似是系统的各个面的折射能力的总和。在此，折射面的折射能力相关于折射率的热变化并且相关于线膨胀系数。而反射面的折射能力只相关于线膨胀系数，因此按照本实用新型的单片IR镜头的总折射能力的与热相关的变化与由多个单个的光学元件构成的IR镜头相比是微小的。
因而，尤其是，按照本实用新型的由锗构成的具有很高折射率和很小的线膨胀系数的单片体1受到比较小的由热造成的变化，因为单片体只具有两个折射面、即入射面2和出射面3。
按照本实用新型的IR镜头具有比纯透镜系统明显更微小的总焦距温度相关性。如果其不是已经被完全修正，则这种更小的相关性可以通过对于使IR探测器7相对于单片体1固定来说总归存在的支架6 被动地重新聚焦。
除了按照本实用新型的IR镜头的更小的温度相关性之外，在其比较低的结构尺寸方面以及在其出射面3和借此相对于入射面2后置于所述出射面的IR探测器7的传感器面7.1的布置的灵活性方面都存在优点。
在多透镜IR镜头的情况下入射面2和出射面3彼此平行地布置，而它们这里理论上可以占据彼此任意的空间位置，由此存在更紧凑地构造IR摄像机并且除了重量之外也节省结构空间的可能性。
随后，阐述了IR镜头的四个具体的实施例。光学有效面在侧视图中为了简便起见被画为直线而在透视图中被画为平面，而与它们如何弯曲即作为球面、非球面或光学自由形状面无关。箭头表明了光圈5 的位置和孔径。
按照第一实施例的IR镜头在图1a和1b中示出，由锗构成而且具有入射面2和出射面3(它们是两个光学自由形状面)以及被构造为非球面的第一反射面4.1和部分地与入射面2重叠的第二反射面4.2。为了简便起见，术语面应该被理解为在单片体1的分别相关的表面上的区域，其与光束8在该表面上的通过光圈5限制的横截面相同。在给出的折射面(如入射面2)与反射面(如这里第二反射面4.2)的部分重叠的情况下，给表面配备抗反射层；反射被实现为全反射。第一反射面4.1相对于入射面2倾斜为使得沿IR镜头的光轴1.1的方向射入的光束8受到全反射，从而针对相关的表面侧不进行涂层，在尤其是因为出射面3也处在该表面侧上。光圈5处在入射面2的表面侧上而且实体地限制该入射面。
按照第二实施例的IR镜头在图2a和2b中示出，与第一实施例的区别尤其在于：光学有效面布置在单片体1的不同的表面侧上而且入射面2和出射面3彼此垂直地布置。与第一实施例相似，光轴1.1在一个平面(绘图平面)中延伸。入射面2、出射面3和第二反射面4.2都是非球面，而第一反射面4.1是光学自由形状面。这里，光圈5也处在入射面2的表面侧上而且实体地限制该入射面。对于利用长波IR辐射的应用来说，单片体1有利地由锗制成。作为替代，对于利用短波的 IR辐射的应用来说，有利地使用硅。第一反射面4.1对由于对斜着射入的辐射的反射而形成的慧形差象和像散现象进行修正。由于光束8 在在单片体1之内的两个面(即第一和第二反射面4.1、4.2)上被反射，由锗构成的单片体具有很高的折射能力(在大约为4的折射率的情况下，有效的折射率差约为8)，所以可以利用很微弱地弯曲的面进行成像。由此，整体上形成更少的像差，这能够实现很高的图像质量。出射面3是主动进行折射的非球面，由此对于接近出射面3布置的图像平面来说得到大的数值的光圈。因为锗的折射率强烈地相关于温度，所以在出射面3上的折射能力也强烈地相关于温度地改变。入射面2 是被动进行折射的非球面，其至少部分地补偿该效果。因为两个反射面4.1、4.2的折射能力与折射率变化无关，所以整个IR镜头的折射能力变化是微小的，这种折射能力变化指的是总焦平面1.2的移动。因此， IR镜头可以利用被动进行补偿的支架6的热改变紧凑地镶嵌。
在图3a和3b中示出的按照第三实施例的IR镜头由硫系玻璃构成而且尤其是适合于长波IR辐射。入射面2是非球面，而出射面3以及第一反射面4.1是光学自由形状面，该第一反射面在这种情况下是唯一的反射面。这里，光轴1.1在第一反射面4.1之前的光路中处在不同于在第一反射面4.1后面的光路中的平面内。由于所述倾倒形成的像差通过光学自由形状面来修正。这里，光圈5处在出射面3的表面侧上而且实体地限制该出射面。
在图4中示出了IR镜头的第四实施例。该IR镜头同样如按照第三实施例的IR镜头那样由硫系玻璃构成，而且在大约2.6的折射率的情况下与锗相比具有比较小的折射率。为了在两个反射面4.1、4.2上达到比较相同的折射能力，必须显著增加它们的曲率，这又导致了更强烈的像差。通过光学有效面被考虑为使得在两个反射面4.1、4.2之间形成中间图像，反射面4.1、4.2以及因此整个镜头都可以被实施得更小。
按照对IR镜头(该IR镜头由于与释放IR辐射的对象的大的距离而是大孔径的，而且其中所要成像的对象近似在无穷远处)的常见的应用，IR探测器7的传感器面7.1必须布置在IR镜头的总焦平面1.2 中而且在该总焦平面中被保持在运行温度范围上，在所述传感器面7.1 上应该对辐射(光束8)进行成像。
基于IR镜头由唯一的单片体1形成的事实，为了将IR探测器7 间接地布置在单片体1上的在IR镜头与参考面6.2.1之间的容差链可以被保持得很短。
在所有之前提到的实施例中，IR探测器7的实际存在的前置于传感器面7.1的保护玻璃已经可以被忽视，这是因为其对于本实用新型来说是不重要的。其不对光学成像功能做出贡献，从而必要时只根据其厚度延长焦平面。
在图5a和5b中，以原理图示出了IR摄像机(即单片体1)、如在按照图2a和2b的第二实施例中描述的那样的支架6和IR探测器7 的反映本实用新型本质的特征。支架6由第一膨胀体6.1组成，该第一膨胀体由具有大于单片体1的线膨胀系数的线膨胀系数的第一材料、例如铝构成，而且具有沿光轴1.1的方向的长度l1。该第一膨胀体6.1 以一端与单片体1固定连接而以另一端与第二膨胀体6.2连接。第二膨胀体6.2由具有大于单片体1的线膨胀系数并且小于第一膨胀体6.1的线膨胀系数的线膨胀系数的材料、例如钢构成，而且具有沿光轴1.1的方向的长度l2。在其自由端上构造有参考面6.2.1，相对所述参考面 6.2.1，IR探测器7以所限定的距离进行调整的方式来固定。
在理想情况下，IR镜头完全进行热补偿(消热差)，也就是说总焦平面1.2具有相对于出射面3稳定的空间位置。接着，两个膨胀体 6.1、6.2的长度l1、l2被确定尺寸为使得它们的长度变化被抵消而且参考面6.2.1保持相对于单片体1的稳定的空间位置。
不过，在所述IR镜头没有完全进行热补偿时，支架也可以承担针对IR镜头的热补偿的一部分。接着，两个膨胀体6.1、6.2的长度l1、 l2被确定尺寸为使得其自己的长度变化和总焦平面的剩余的长度变化被抵消。
所描述的支架6本身从现有技术原则上作为被动热补偿的支架而公知。然而，利用这种支架6来对仅由一种材料、诸如锗组成的IR镜头进行热补偿并不是已知的。
在监控装置中，诸如对于距离测量或者在安全和/或报警系统以及防火的监控装置中，按照本实用新型的IR镜头或配备有IR镜头的摄像机是特别适合的。在监测装置中和/或在高科技技术(工业4.0)的范围内将因特网技术应用于人、机器与产品之间的通信的情况下，也存在应用可能性。通过在最有限的工业应用(例如机器内部空间、机器系统的非常困难地接触到的部位等等)之内测量结果与控制机构的关联和会话，通过紧凑的结构类型可以展现新的应用，这些新的应用在传统的装置和方法的情况下只是有限可能的。
在汽车领域，本实用新型尤其是可以被用在对车辆的外部区域的检测中。在这种情况下，可以改善并且灵活地设计夜视仪的功能。但是，为了监控内部空间也可以使用紧凑的单元，如同它们例如对于识别驾驶员的疲劳现象来说是必需的一样。通过检测在身体表面的温度变化，可以将信号传送给安全系统。
本实用新型的主题还在于这种用于监控太阳能设备或太阳能收集器的用途。通过IR镜头的紧凑的结构类型，可以非常有针对性地监控小的面，这些小的面按照先前的实施方案提供了与温度无关的成像质量。这些小的面例如可以在不同的测量点的情况下进行比较，以便例如确定电池的不同的质量或变化。
在特别的实施方案中，附加地，导光的光学装置可以作为IR镜头与适合于监控太阳能、光伏设备或电池的集中器技术的组合来实现或者在其他示例性地提到的应用领域中实现。所述控制光的光学装置可以是附加光学装置，所述附加光学装置具有至少一个菲涅尔表面，而且在另一特别的实施方案中，至少一个非球面透镜沿辐射方向后置于该至少一个菲涅尔表面。非球面透镜也可以是不同的形状的、诸如是六边形的和/或具有锥形面。经此，可以检测所要观察的面的非常划定的区域。
对于按照本实用新型的IR镜头来说，特别的用途表现得与3D打印技术相关联。在这种情况下，尤其是受控的散热的问题是重要的，该受控的散热借助于按照本实用新型的解决方案能更好地被掌控，而且可以受控地进行。即使在使用不同材料的情况下，由于按照本实用新型的IR镜头的更小的温度相关性和IR镜头的比较小的结构尺寸和 IR镜头的出射面3以及由此传感器面7.1借助于按照本实用新型的IR 镜头的布置的灵活性也是有利的。借此，喷嘴的堵塞倾向可以受到积极的影响。
在医学领域以及在生物技术领域需要可以配备这样的IR镜头的这样的监测和/或控制元件。这样，例如手术监控与迄今为止利用类似的设备情况相比更有针对性地可行的。在敏感的易受温度影响的区域内、如在实验室内、在“卫生保健”部门中等等，常常要监控小的非常有限的场所，本实用新型同样是最适合于此的。
附图标记列表
1 单片体
1.1 光轴
1.2 总焦平面
2 入射面
3 出射面
4.1 第一反射面
4.2 第二反射面
5 光圈
6 支架
6.1 第一膨胀体
6.2 第二膨胀体
6.2.1 参考面
7 IR探测器
7.1 传感器面
8 射束
l1 第一长度
l2 第二长度
Claims (6)
1.一种热补偿IR镜头，所述热补偿IR镜头通过由具有在2.4与4.2之间的折射率的材料构成的单片体(1)形成，所述单片体具有至少三个光学有效面，即，入射面(2)、出射面(3)和至少一个第一反射面(4.1)，以及处在所述单片体(1)之外的在所述出射面(3)后面的真实的总焦平面(1.2)和布置在所述单片体(1)上的光圈(5)，在所述总焦平面内能布置传感器面(7.1)，其中，所述光学有效面中的至少一个是光学自由形状面，所述光学自由形状面至少产生多个球面和/或非球面的效果，并且其中，至少一个附加的附加光学装置前置于IR镜头，所述至少一个附加的附加光学装置具有至少一个菲涅尔表面。
2.根据权利要求1所述的热补偿IR镜头，其特征在于，所有光学有效面都是光学成像面，其方式是，不是光学自由形状面的光学有效面是球面或非球面。
3.根据权利要求2所述的热补偿IR镜头，其特征在于，存在第二反射面(4.2)，从而通过IR镜头成像的光束(8)的光路被折叠而且所述光束(8)多次穿过所述光路的体积，而且所述至少一个光学自由形状面被设计为使得其补偿成像错误，所述成像错误由于所述光路与光学成像面的折叠而形成。
4.根据权利要求1或2所述的热补偿IR镜头，其特征在于，组成所述单片体(1)的材料具有大于2的折射率。
5.根据权利要求1或2所述的热补偿IR镜头，其特征在于，组成所述单片体(1)的材料是锗。
6.一种IR摄像机，其具有根据权利要求1或2所述的IR镜头、支架(6)和具有传感器面(7.1)的IR探测器(7)，其中，所述支架(6)由与所述IR镜头连接的具有沿光轴(1.1)的方向的第一长度(l1)的第一膨胀体(6.1)和与所述第一膨胀体(6.1)连接的具有沿所述光轴(1.1)的方向的第二长度(l2)的第二膨胀体(6.2)组成，而且在所述第二膨胀体(6.2)的自由端上存在参考面(6.2.1)，所述IR探测器(7)相对所述参考面固定，其中，膨胀体(6.1、6.2)具有不同的线膨胀系数并且长度(l1、l2)被确定尺寸为使得所述传感器面(7.1)在预先给定的运行温度范围内保持在所述单片体(1)的真实的总焦平面(1.2)中。
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