NO337098B1

NO337098B1 - Lens Events

Info

Publication number: NO337098B1
Application number: NO20131303A
Authority: NO
Inventors: Ib-Rune Johansen; Jon Henrik Tschudi; Per Gerhard Gløersen; Matthieu Jean Paul Lacolle
Original assignee: FLIR Unmanned Aerial Systems AS
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2016-01-18
Also published as: NO20131303A1

Description

Linsearran<g>ement Lens arrange<g>ement

Teknikkens område The area of technology

Den foreliggende oppfinnelse omhandler infrarøde linser med lav vekt og lave kostnader, spesielt for bruk i kameraer montert på rekognoseringskamerasystemer. The present invention relates to infrared lenses of low weight and low cost, especially for use in cameras mounted on reconnaissance camera systems.

Oppfinnelsens bakgrunn The background of the invention

Moderne krigføring og rettshåndhevelse er preget av et økende behov for oppdatert situasjonsforståelse. Å spore opp, eller å beskytte mot, kriminelle, paramilitære styrker eller terrorister, gir ofte politi og soldater et umiddelbart behov for informasjon om hva som er rundt neste sving eller over bakketoppen. Modern warfare and law enforcement is characterized by a growing need for updated situational awareness. Tracking down, or protecting against, criminals, paramilitary forces or terrorists often leaves police and soldiers with an immediate need for information about what's around the next bend or over the hilltop.

Fiendtlige styrker gjemmer seg ut av syne eller utnytter det lokale terrenget for å oppnå en taktisk fordel eller flykte fra forfølgerne. I nærvær av fiendtlige styrker, kan en enkel murvegg, piggtrådgjerde, en masse av vann, bygninger eller til og med et stort åpent område være en uoverkommelig hindring når tiden er knapp og taktiske ressurser er utilgjengelig. En aktiv eller uoppdaget trussel kan gjøre situasjonen farlig. Enemy forces hide out of sight or exploit the local terrain to gain a tactical advantage or escape from their pursuers. In the presence of enemy forces, a simple brick wall, barbed wire fence, body of water, buildings, or even a large open area can be an insurmountable obstacle when time is short and tactical resources are unavailable. An active or undetected threat can make the situation dangerous.

Synlige indikasjoner, lyder eller forutsigbare handlinger kan avsløre vennlige styrker og sette dem i fare. Sniking og overraskelse, er derimot viktige elementer som kan gi en taktisk fordel. Rekognoseringskamerasystemer for eksempel montert i ubemannede luftfartøyer (Unmanned Aerial Vehicles - UAV) som overfører levende bilder tilbake, gjør det mulig for operatøren å utføre overvåkingsoppgaver og samle informasjon fra en trygg posisjon uten å kompromittere seg selv. Kameraene er vanligvis konfigurert til å oppfatte synlig lys og infrarødt lys for å kunne ta bilder både på dag- og nattestid. Visible indications, sounds, or predictable actions can reveal friendly forces and put them at risk. Stealth and surprise, on the other hand, are important elements that can give a tactical advantage. Reconnaissance camera systems, for example, mounted in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) that transmit live images back, enable the operator to carry out surveillance tasks and gather information from a safe position without compromising himself. The cameras are usually configured to perceive visible light and infrared light to be able to take pictures both during the day and at night.

Den sistnevnte refererer til bruken av et termografisk kamera eller et infrarødt kamera, som er en enhet som danner et bilde ved hjelp av infrarød stråling, i likhet med et vanlig kamera som danner et bilde ved hjelp av synlig lys. I stedet for området mellom 450-750 nanometer for et kamera for synlig lys, opererer infrarøde kameraer i bølgelengder så lange som 14 000 nm (14 um). The latter refers to the use of a thermographic camera or an infrared camera, which is a device that forms an image using infrared radiation, similar to a normal camera that forms an image using visible light. Instead of the range between 450-750 nanometers for a visible light camera, infrared cameras operate at wavelengths as long as 14,000 nm (14 µm).

I løpet av det siste tiåret, har rekognoseringskamerasystemer blitt stadig utviklet for å møte behovet for økt ytelse og mindre størrelse. Tradisjonelt ble Over the last decade, reconnaissance camera systems have been continuously developed to meet the need for increased performance and smaller size. Traditionally was

rekognoseringskamerasystemer fløyet på bemannede fly og derfor var kravene til størrelse, vekt og strømforbruk ikke strenge. I dag er derimot disse parameterne svært viktig siden kameraene blir integrert på mindre luftfartøyplatformer, og spesielt UAVer. Nye kamerasystemer må derfor være mindre, mer kompakte, ha lettere vekt, bruke mindre strøm, og likevel oppfylle krav til oppløsning og synsfelt. reconnaissance camera systems flew on manned aircraft and therefore the requirements for size, weight and power consumption were not strict. Today, however, these parameters are very important since the cameras are integrated on smaller aircraft platforms, and especially UAVs. New camera systems must therefore be smaller, more compact, lighter in weight, use less power, and still meet requirements for resolution and field of view.

Vektkravene til de nyeste utviklede UAVene er nå nede i 12-15g, noe som resulterer i et vektkrav for kameralinsen til ned under lg, og dette vil trolig senkes enda mer i fremtiden. Pa samme tid, tillater ikke den lille størrelse av en UAV lange avstander mellom elementene omfattet i kameraet. UAVer opererer også vanligvis i områder med sterkt varierende temperaturer. The weight requirements for the most recently developed UAVs are now down to 12-15g, which results in a weight requirement for the camera lens of less than lg, and this will probably be lowered even more in the future. At the same time, the small size of a UAV does not allow long distances between the elements included in the camera. UAVs also typically operate in areas with widely varying temperatures.

Derfor er det et behov for et infrarødt linsesystem med lav vekt og små avstander mellom elementene, med karakteristikker som ikke varierer så mye med temperaturen, og som fremdeles gir høy ytelse. Therefore, there is a need for an infrared lens system with low weight and small distances between the elements, with characteristics that do not vary much with temperature, and which still provides high performance.

Omtale av kient teknikk Mention of kient technique

JP 2003295052 viser et eksempel på et linsearrangement for infrarødt lys med fokuspunkter for infrarødt lys på eller nær en lyssensor simg, og der en første infrarødlinse er forsynt med minst en buet side og som er gjennomsiktig for infrarødt lys. En åpning er dannet av en andre infrarød linse er plassert for å eksponere infrarødt lys med viss innfallsvinkel i forhold til åpningen definert av den andre infrarødlinsen på en tilsvarende del av den første infrarødlinsen. Åpningen definert ved og lyssensoren simg er i JP 2003295052 plassert på hver siden av den første infrarødlinsen i en første og andre avstand, henholdsvis. Den minst ene buede siden på den første infrarødlinsen vender mot lyssensoren. JP 2003295052 shows an example of a lens arrangement for infrared light with focus points for infrared light on or near a light sensor simg, and where a first infrared lens is provided with at least one curved side and which is transparent to infrared light. An opening is formed by a second infrared lens positioned to expose infrared light at a certain angle of incidence relative to the opening defined by the second infrared lens on a corresponding part of the first infrared lens. The opening defined by and the light sensor simg are in JP 2003295052 placed on either side of the first infrared lens at a first and second distance, respectively. The at least one curved side of the first infrared lens faces the light sensor.

JP 2006197015 viser et eksempel på et linsearrangement med fokuspunkter for infrarødt lys på eller nær en lyssensor, og der en første infrarødlinse er forsynt med minst en buet side og laget av et materiale med en brytningsindeks på mer enn 2.2 som er gjennomsiktig for infrarødt lys. En åpning er dannet av en andre infrarødlinse er plassert for å eksponere infrarødt lys med en viss innfallsvinkel i forhold til åpningen på en tilsvarende del av den første infrarødlinsen. Åpningen og lyssensoren er i JP 2006197015 plassert på hver siden av den første infrarødlinsen i en første og andre avstand, henholdsvis. Den minst ene buede siden på den første infrarødlinsen vender mot lyssensoren. JP 2006197015 shows an example of a lens arrangement with focus points for infrared light on or near a light sensor, and where a first infrared lens is provided with at least one curved side and made of a material with a refractive index of more than 2.2 which is transparent to infrared light. An opening is formed by a second infrared lens positioned to expose infrared light at a certain angle of incidence relative to the opening on a corresponding part of the first infrared lens. The opening and the light sensor are in JP 2006197015 placed on either side of the first infrared lens at a first and second distance, respectively. The at least one curved side of the first infrared lens faces the light sensor.

US 2013/0076900 viser et linsesystem for infrarødt lys til bruk til overvåkningsformål fra luften ved hjelp av et kamera. US 2013/0076900 discloses an infrared light lens system for use in aerial surveillance using a camera.

US 2009/0052018 viser et kompakt objektiv for infrarødt lys med to elementer og et infrarødt eller termisk sikte for våpen som har optikk for å se i. US 2009/0052018 discloses a compact two-element infrared light objective and an infrared or thermal sight for weapons having optics for sighting.

Oppsummering av oppfinnelsen Summary of the invention

Et linsearrangement som tilveiebringer brennpunkter (focus points) av infrarødt (IR) lys på eller i nærheten av en lyssensor er gitt. Arrangementet omfatter en IR linse som omfatter et IR-transparent materiale med en brytningsindeks større enn 2,2. IR linsen er tilgjengeliggjort med i det minste en buet side. Arrangementet omfatter en blenderåpning utformet for å eksponere IR lys av en viss innfallsvinkel i forhold til blenderåpningen på en respektiv del av IR linsen. Blenderåpningen og lyssensoren er respektivt arrangert på hver side av IR linsen ved en respektivt første og andre avstand. Den i det minste ene buede siden av IR linsen er vendt mot lyssensoren. En av fordelene med dette arrangementet, sammenlignet med kjent teknikk, er den betydelige reduksjonen i vekt og produksjonskostnader, men samtidig gjør den det mulig å justere for eventuell bildekvalitetsdegradering ved hjelp av etterprosessering av bildedata. A lens arrangement which provides focus points of infrared (IR) light on or near a light sensor is provided. The arrangement includes an IR lens that includes an IR-transparent material with a refractive index greater than 2.2. The IR lens is made available with at least one curved side. The arrangement comprises an aperture designed to expose IR light of a certain angle of incidence in relation to the aperture on a respective part of the IR lens. The aperture and the light sensor are respectively arranged on each side of the IR lens at a respective first and second distance. At least one curved side of the IR lens faces the light sensor. One of the advantages of this arrangement, compared to the prior art, is the significant reduction in weight and production costs, but at the same time it makes it possible to adjust for possible image quality degradation by means of post-processing of image data.

I en utførelsesform er linsen tilveiebrakt med en første buet side med en første kurveradius, og en andre buet side med en andre kurveradius. Den buede side med den minste kurveradiusen er vendt mot lyssensoren. In one embodiment, the lens is provided with a first curved side with a first radius of curvature, and a second curved side with a second radius of curvature. The curved side with the smallest radius of curvature faces the light sensor.

I en utførelsesform er en eller begge linseflatene sfæriske. In one embodiment, one or both lens surfaces are spherical.

I en utførelsesform er blenderåpningen en åpning i et linsedeksel. In one embodiment, the aperture is an opening in a lens cover.

I en utførelsesform er blenderåpningen en asfærisk linse. In one embodiment, the aperture is an aspherical lens.

I en utførelsesform er den asfærisk linsen laget av polymer. In one embodiment, the aspherical lens is made of polymer.

I en utførelsesform er brytningsindeksen større enn 3. In one embodiment, the refractive index is greater than 3.

I en utførelsesform er brennvidden til IR linsen kortere enn 20 mm. In one embodiment, the focal length of the IR lens is shorter than 20 mm.

I en utførelsesform er den første avstanden mellom 25% og 100% av brennvidden av IR linsen. In one embodiment, the first distance is between 25% and 100% of the focal length of the IR lens.

I en utførelsesform er den første avstanden mellom 45% og 50% av brennvidden av IR linsen. In one embodiment, the first distance is between 45% and 50% of the focal length of the IR lens.

I en utførelsesform er IR linsen utformet som en positiv menisklinse. In one embodiment, the IR lens is designed as a positive meniscus lens.

I en utførelsesform er det IR transparente materialet silisium. In one embodiment, the IR transparent material is silicon.

I en utførelsesform er det IR transparent materialet germanium. In one embodiment, the IR transparent material is germanium.

I en utførelsesform er tykkelsen av IR linsen lik eller mindre enn 1 mm. In one embodiment, the thickness of the IR lens is equal to or less than 1 mm.

I en utførelsesform er tykkelsen av IR linsen 0,6 mm. In one embodiment, the thickness of the IR lens is 0.6 mm.

I en utførelsesform er diameteren av IR linsen lik eller mindre enn 11,5 mm. In one embodiment, the diameter of the IR lens is equal to or less than 11.5 mm.

I en utførelsesform er diameteren av IR linsen lik eller større enn 9 mm. In one embodiment, the diameter of the IR lens is equal to or greater than 9 mm.

I en utførelsesform erf-tallet (f/#) av linsesystemet i intervallet [1, 2.4]. In one embodiment the erf number (f/#) of the lens system in the interval [1, 2.4].

I en utførelsesform er blenderåpningen en justerbar åpning i et linsedeksel. In one embodiment, the aperture is an adjustable opening in a lens hood.

I en utførelsesform er den totale vekten av det infrarøde kameraet mindre enn 5 gram. In one embodiment, the total weight of the infrared camera is less than 5 grams.

Kort beskrivelse av tegningene Brief description of the drawings

Den følgende detaljerte beskrivelsen av utførelsesformer er ledsaget av tegninger for å gjøre det lettere forståelig. I tegningene: Figur 1 er en illustrasjon av hvordan IR lysstråler 4 med forskjellig innfallsvinkel beveger seg gjennom et linse arrangement, Figur 2 er et nærmere bilde av en av lysstrålene 4 og de forskjellige elementene av linsearrangementet, Figur 3 er et diagram som illustrerer transmisjon av silisium i IR området i tillegg til Fresnel-refleksjon og materialabsorpsjonen, Figur 4 viser en eksempelutforming av den sfæriske linsen i henhold til en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse, Figur 5 viser to visninger av en alternativ eksempelutforming av den sfæriske linsen i henhold til en annen utførelsesform hvor to respektive IR lysstråler 4 med forskjellig innfallsvinkel beveger seg gjennom linsen, Figur 6 er en illustrasjon av hvordan lyset treffer lyssensoren når man bruker en tradisjonell blenderåpning, Figur 7 er en illustrasjon av hvordan lyset treffer lyssensoren når du bruker en asfærisk linse som blenderåpning. The following detailed description of embodiments is accompanied by drawings for ease of understanding. In the drawings: Figure 1 is an illustration of how IR light beams 4 with different angles of incidence move through a lens arrangement, Figure 2 is a closer view of one of the light beams 4 and the various elements of the lens arrangement, Figure 3 is a diagram illustrating the transmission of silicon in the IR range in addition to Fresnel reflection and the material absorption, Figure 4 shows an example design of the spherical lens according to an embodiment of the present invention, Figure 5 shows two views of an alternative example design of the spherical lens according to another embodiment where two respective IR light beams 4 with different angles of incidence move through the lens, Figure 6 is an illustration of how the light hits the light sensor when using a traditional aperture, Figure 7 is an illustration of how the light hits the light sensor when you use an aspherical lens as an aperture .

Detaljert beskrivelse av en eksempelutførelsesform Detailed description of an example embodiment

I det følgende er eksempelutførelser beskrevet med henvisning til de vedlagte tegninger. In the following, example designs are described with reference to the attached drawings.

I utførelsesformer heri, er et linsearrangement som omhandler en linse, en blenderåpning 1 og en lyssensor 3 gitt. Linsearrangementet er tilpasset til å tilveiebringe brennpunkter 5 av infrarød (IR) lys på lyssensoren 3, og spesielt tilpasset til å tillate lav pris og materialer med lav vekt, uten at det går vesentlig utover kvaliteten på for eksempel bilder bestående av piksler tatt av lyssensoren 3 på de respektive brennpunktene 5. In embodiments herein, a lens arrangement comprising a lens, an aperture 1 and a light sensor 3 is provided. The lens arrangement is adapted to provide focal points 5 of infrared (IR) light on the light sensor 3, and especially adapted to allow low cost and light weight materials, without significantly affecting the quality of, for example, images consisting of pixels taken by the light sensor 3 on the respective focal points 5.

Figur 1 er en illustrasjon av tre IR-lysstråler 4 av tre respektive innfallsvinkler relativt til en blenderåpning 1 som respektivt representerer en øvre, midtre og nedre scene som skal «fanges», som beveger seg gjennom blenderåpningen 1 og en IR linse 2 treffer en lyssensor 3 på de respektive brennpunktene 5. Denne viser hvordan blenderåpningen 1 blokkerer uønsket lys, slik at de respektive lysstrålene 4 bare passerer gjennom en del av linsen og blir fokusert riktig på lyssensoren 3. Figure 1 is an illustration of three IR light beams 4 of three respective angles of incidence relative to an aperture 1 which respectively represent an upper, middle and lower scene to be "captured", moving through the aperture 1 and an IR lens 2 hitting a light sensor 3 on the respective focal points 5. This shows how the aperture 1 blocks unwanted light, so that the respective light rays 4 only pass through part of the lens and are focused correctly on the light sensor 3.

Figur 2 er et nærmere bilde av en av lysstrålene 4, som viser de forskjellige elementene i linsearrangementet i henhold til en utførelsesform i nærmere detaljer. I denne figuren, får blenderåpningen 1 lysstrålen 4 til å bevege seg gjennom bare litt mer enn halvparten av den infrarøde linsen, og lyssensoren 3 er plassert med en avstand tilpasset i henhold til brennvidden av IR linsen 2, slik at brennpunktet 5 treffer lyssensoren 3. Figure 2 is a closer view of one of the light beams 4, showing the various elements of the lens arrangement according to one embodiment in more detail. In this figure, the aperture 1 causes the light beam 4 to travel through only slightly more than half of the infrared lens, and the light sensor 3 is placed at a distance adapted according to the focal length of the IR lens 2, so that the focal point 5 hits the light sensor 3.

IR linsen 2 er i noen utførelsesformer en sfærisk linse, men også andre linseutførelser er mulig. In some embodiments, the IR lens 2 is a spherical lens, but other lens designs are also possible.

Blenderåpningen 1 av lensearrangementet er i noen utførelsesformer bare en åpning i et linsedeksel, posisjonert på linje med IR linsen. Blenderåpningsarealet bør tilpasses slik at lysstrålen 4 som går inn i blenderåpningen 1 bare beveger seg gjennom en ønsket del av IR linsen. Blenderåpningen 1 kan i andre utførelsesformer være dannet av en asfærisk linse, som er en linse hvis overflateprofiler ikke er en del av en kule eller en sylinder. I tillegg til å blokkere uønsket lys og kontrollere størrelsen av IR linsearealet gjennom hvilket lysstrålen 4 reiser, tilveiebringer den asfæriske linsen også optisk korreksjon av lysstrålen 4. En asfærisk linse har en mer kompleks overflateprofil, som kan redusere eller eliminere sfæriske forstyrrelser og også redusere andre optiske avvik sammenlignet med en enkel linse. En enkelt asfærisk linse kan også erstatte et mye mer komplekst system med flere linser. Den resulterende enheten er mindre og lettere, samt billigere enn en utførelse med flere linser. The aperture 1 of the lens arrangement is in some embodiments just an opening in a lens cover, positioned in line with the IR lens. The aperture area should be adapted so that the light beam 4 entering the aperture 1 only moves through a desired part of the IR lens. In other embodiments, the aperture 1 can be formed by an aspherical lens, which is a lens whose surface profiles are not part of a sphere or a cylinder. In addition to blocking unwanted light and controlling the size of the IR lens area through which the light beam 4 travels, the aspherical lens also provides optical correction of the light beam 4. An aspherical lens has a more complex surface profile, which can reduce or eliminate spherical aberrations and also reduce other optical deviations compared to a single lens. A single aspherical lens can also replace a much more complex multi-lens system. The resulting device is smaller and lighter, as well as cheaper than a multi-lens design.

IR linsen 2 bør fortrinnsvis være en relativt tynn linse, som dannes av et IR transparent materiale med en relativt lav vekttetthet. IR linsen 2 og avstandene til blenderåpningen 1 og lyssensoren 3 i utførelsesformene omtalt her, må nødvendigvis være meget liten. For eksempel i UAV kameraapplikasjoner bør brennvidden vanligvis være mindre enn 20 mm for å begrense størrelsen på kameraenheten. For å tilveiebringe dette, bør materialet som linsen er tilveiebragt av derfor være i stand til å bryte lyset vesentlig for å være i stand til å posisjonere brennpunktene 5 på riktig måte på lyssensoren 3. Oppfinnerne har innsett at, fra disse kravene, bør brytningsindeksen være større enn 2,2, og fortrinnsvis til og med større enn 3,0. I tillegg, på grunn av de samme kravene, skal det IR transparent materialet ha en relativt lav spredning. Et IR transparent materiale som oppfyller disse kravene er silisium. Silisium har normalt en brytningsindeks på 3,42. Dispersjonen innenfor IR-bølgelengdene 8-12um er også relativt lav, som det kan ses fra tabell 1. The IR lens 2 should preferably be a relatively thin lens, which is formed from an IR transparent material with a relatively low weight density. The IR lens 2 and the distances to the aperture 1 and the light sensor 3 in the embodiments discussed here must necessarily be very small. For example, in UAV camera applications, the focal length should usually be less than 20 mm to limit the size of the camera unit. To provide this, the material from which the lens is provided should therefore be able to refract the light significantly to be able to position the focal points 5 correctly on the light sensor 3. The inventors have realized that, from these requirements, the refractive index should be greater than 2.2, and preferably even greater than 3.0. In addition, due to the same requirements, the IR transparent material must have a relatively low dispersion. An IR transparent material that meets these requirements is silicon. Silicon normally has a refractive index of 3.42. The dispersion within the IR wavelengths 8-12um is also relatively low, as can be seen from table 1.

Ref; D. E. Aspnes March 1998,Ontical functions of mtrinsic c- Si for selected photon energies Ref; D. E. Aspnes March 1998, Ontical functions of mtrinsic c- Si for selected photon energies

En kjent ulempe ved bruk av silisium som et linsemateriale, er at en vesentlig lysabsorpsjon skjer ved bølgelengder på 9 um og høyere. Derfor har silisium tradisjonelt ikke vært brukt i IR applikasjoner. Imidlertid, på grunn av den nødvendige tykkelse av linsen, beveger lyset seg en meget kort avstand gjennom materialet, og absorpsjonen vil derfor være relativt liten. A known disadvantage of using silicon as a lens material is that significant light absorption occurs at wavelengths of 9 µm and higher. Therefore, silicon has traditionally not been used in IR applications. However, due to the necessary thickness of the lens, the light travels a very short distance through the material, and the absorption will therefore be relatively small.

Dette er antydningsvis begrunnet i figur 3. Figuren inkluderer Fresnel-refleksjon og materialabsorpsjon. Det antas at overføringen på 9 mikron i 5 mm tykk FZ silisium er 30%. Med henvisning til figur 2, hvis Fresnel-refleksjon resulterer i 45% refleksjon, så er transmisjonen gjennom materialet omtrent 55%. Ved å redusere tykkelsen til 1 mm, tilveiebringer dette 89% transmittans, som anses for å være akseptabelt for en linse i henhold til utførelsesformene heri. This is tentatively justified in Figure 3. The figure includes Fresnel reflection and material absorption. It is assumed that the transmission of 9 microns in 5 mm thick FZ silicon is 30%. Referring to Figure 2, if Fresnel reflection results in 45% reflection, then the transmission through the material is approximately 55%. By reducing the thickness to 1 mm, this provides 89% transmittance, which is considered acceptable for a lens according to the embodiments herein.

I en annen utførelsesform, anvendes Germanium som det transparente IR linsematerialet. Germanium haren brytningsindeks i det IR bølgelengdeintervallet på omtrent 4, som er forholdsvis konstant for de forskjellige IR bølgelengdene, noe som impliserer en lav spredning. Germanium har mye høyere tetthet enn silisium, så det må tas hensyn til om den økte vekten er akseptabelt. Germanium har en akseptabel absorpsjon av lys som beveger seg gjennom den nødvendige tykkelse av IR linsen 2 i henhold til utførelsesformene heri. In another embodiment, Germanium is used as the transparent IR lens material. Germanium has a refractive index in the IR wavelength interval of approximately 4, which is relatively constant for the different IR wavelengths, which implies a low dispersion. Germanium has a much higher density than silicon, so consideration must be given to whether the increased weight is acceptable. Germanium has an acceptable absorption of light traveling through the required thickness of the IR lens 2 according to the embodiments herein.

Tabell 2 viser en sammenligning av refleksjonsindeks, termo-optiske koeffisienter, tetthet og varmeutvidelse mellom silisium og germanium i tillegg til referansemateriale ZnSe, ZnS, AMTIR-1 og Gasir. Table 2 shows a comparison of reflection index, thermo-optical coefficients, density and thermal expansion between silicon and germanium in addition to reference material ZnSe, ZnS, AMTIR-1 and Gasir.

Tabell 2 - Optisk karakteristikk Table 2 - Optical characteristics

Som det kan ses, gir silisium en unik kombinasjon av høy brytningsindeks og lav tetthet som gjør det mulig å produsere tynne (lite volum) og lette linser. I tillegg har silisium en lav termisk ekspansjonskoeffisient. Den termiske koeffisienten for brytningsindeksen (mengden av brytningsindeks endrer seg med temperaturen, også kjent som termo-optisk koeffisient) er også 2,5 ganger lavere enn for germanium, og 2,5 ganger høyere enn for GASIR. Dermed er silisium i store trekk godt egnet for applikasjonene omtalt her. Til opplysning, GASIR blir tradisjonelt brukt til å lage ikke-termiske IR-linsesystemer på grunn av sin stabile temperaturoppførsel. As can be seen, silicon provides a unique combination of high refractive index and low density that makes it possible to produce thin (low volume) and light lenses. In addition, silicon has a low coefficient of thermal expansion. The thermal coefficient of refraction (the amount of refraction index changes with temperature, also known as the thermo-optical coefficient) is also 2.5 times lower than that of germanium, and 2.5 times higher than that of GASIR. Thus, silicon is generally well suited for the applications discussed here. FYI, GASIR is traditionally used to make non-thermal IR lens systems due to its stable temperature behavior.

Figur 4 viser et eksempel på en utforming av en sfærisk IR-linse. Som det kan ses, er linsen en menisklinse (konveks-konkav), det vil si at den har en konveks og en konkav optisk overflate. Spesifikt, er det en positiv menisk linse, betyr det at den har en brattere konveks overflate og vil være tykkere på midten enn ved periferien. En ideell tynn linse med to flater med lik krumning ville ha null optisk effekt, noe som betyr at det vil verken konvergerer eller divergerer lys. Alle reelle linser har, derimot, en ikke-null tykkelse, noe som fører til at en reell linse med identiske buede overflater vil være litt positiv. For å få nøyaktig null optisk effekt, bør en menisklinse ha litt ulike kurver, for å ta hensyn til effekten av linsens tykkelse. Det kan sees at den konvekse flaten av linsen i figur 4 har en noe mindre krumningsradius enn den konkave overflaten. Den konvekse flaten skal vende mot lyssensoren 3. Figure 4 shows an example of a design of a spherical IR lens. As can be seen, the lens is a meniscus lens (convex-concave), that is, it has a convex and a concave optical surface. Specifically, if it is a positive meniscus lens, it means that it has a steeper convex surface and will be thicker in the center than at the periphery. An ideal thin lens with two surfaces of equal curvature would have zero optical power, meaning it would neither converge nor diverge light. All real lenses, however, have a non-zero thickness, which means that a real lens with identically curved surfaces will be slightly positive. To get exactly zero optical effect, a meniscus lens should have slightly different curves, to take into account the effect of the lens thickness. It can be seen that the convex surface of the lens in Figure 4 has a slightly smaller radius of curvature than the concave surface. The convex surface must face the light sensor 3.

Som allerede antydet, i utførelsesformene heri, bør linsen være relativt tynn, noe som betyr i det minste under 1,5 mm, og fortrinnsvis ikke tykkere enn 1,0 mm. Kantene av eksempellinsen i figur 3 er 0,5 mm, tykkelsen i sentrum er l,lmm og diameteren er 11,5 mm. Dette gir et volum på 85 mm3. I tilfellet silisium brukes som linsematerialet, vil vekttettheten være omtrent 2,33 g/cm3, noe som antyder en linsevekt på omtrent 0.20 gram. As already indicated, in the embodiments herein, the lens should be relatively thin, meaning at least less than 1.5 mm, and preferably no thicker than 1.0 mm. The edges of the example lens in Figure 3 are 0.5 mm, the thickness in the center is 1.1 mm and the diameter is 11.5 mm. This gives a volume of 85 mm3. In the case silicon is used as the lens material, the weight density will be about 2.33 g/cm3, which suggests a lens weight of about 0.20 grams.

Vekten av linsen kan reduseres ytterligere ved å redusere diameteren av linsen, uten og vesentlig redusere bildekvaliteten. Figur 5 viser to forskjellige illustrasjoner av en linse med redusert diameter, sammenlignet med linsen i figur 4, hvor to IR-lysstråler 4 fra to respektive innfallsvinkler i forhold til blenderåpningen beveger seg gjennom linsen og treffer lyssensoren 3 på de respektive brennpunktene 5. Den venstre siden av figur 5 viser at redusert diameter ikke påvirker mengden lys som når frem til sensoren 3 i tilfellet med en innfallsvinkel på nær null. Derimot viser den høyre siden av figur 5 at redusert diameter påvirker mengden lys som når frem til sensoren 3 i tilfellet med en skarp innfallsvinkel. Konsekvensen på bilder tatt ved bruk av en redusert linsediameter er derfor at bildekvaliteten vil bli opprettholdt i sentrumsområdet av bildet, men at områdene nær kantene blir mørkere. Tester utført har vist at degraderingen av bildekvaliteten som svarer til en reduksjon av linsediameteren ned til 9 mm er mulig å motvirke ved bildebehandling. Å redusere diameteren fra 11,5 til 9 mm vil resultere i halvparten av vekten sammenlignet med linsen beskrevet i forbindelse med figur 4. The weight of the lens can be further reduced by reducing the diameter of the lens, without significantly reducing the image quality. Figure 5 shows two different illustrations of a lens with a reduced diameter, compared to the lens in Figure 4, where two IR light beams 4 from two respective angles of incidence in relation to the aperture move through the lens and hit the light sensor 3 at the respective focal points 5. The left side of Figure 5 shows that reduced diameter does not affect the amount of light reaching the sensor 3 in the case of an angle of incidence close to zero. In contrast, the right side of Figure 5 shows that reduced diameter affects the amount of light that reaches the sensor 3 in the case of a sharp angle of incidence. The consequence of images taken using a reduced lens diameter is therefore that the image quality will be maintained in the central area of the image, but that the areas near the edges will be darker. Tests carried out have shown that the degradation of the image quality that corresponds to a reduction of the lens diameter down to 9 mm can be counteracted by image processing. Reducing the diameter from 11.5 to 9 mm will result in half the weight compared to the lens described in connection with Figure 4.

Som allerede antydet, brukes blenderåpningen foran linsen til å begrense den delen av linsen som brukes. Typisk, bør blenderåpningen 1 bli plassert i en avstand foran linsen på mellom 25% til 100% av linsens brennvidde. Gode resultater har blitt oppnådd med en avstand i nærheten av 45 til 60% av brennvidden. F-tallet (f/#) til linsesystemet vil typisk være mellom 1 og 2,4, avhengig av kravene for bildet. As already indicated, the aperture in front of the lens is used to limit the portion of the lens that is used. Typically, the aperture 1 should be placed at a distance in front of the lens of between 25% to 100% of the focal length of the lens. Good results have been achieved with a distance close to 45 to 60% of the focal length. The f-number (f/#) of the lens system will typically be between 1 and 2.4, depending on the requirements for the image.

En tradisjonell blenderåpning i form av en åpning i fronten av linsen kan bli erstattet av en tynn asfærisk linse. Denne linsen kan forbedre f/# til linsesystemet. Dette er illustrert i figur 6 og 7. Anordningen i figur 6 har en åpning som blenderåpningen. Her treffer ikke brennpunktet 5 nøyaktig lyssensoren 3, og bildet vil være noe uklart. Ved å legge en tynn asfærisk linse, blir bildet og fokuset forbedret som vist i figur 7. Den tynne asfærisk linsen kan bli laget av polymer, og dermed ha svært lav kostnad. Det innses at et akseptabelt godt bilde oppnås for f/# på 1,7, og en lavere f/# kan oppnås dersom det tillates et mer uklart bilde. A traditional aperture in the form of an opening in the front of the lens can be replaced by a thin aspherical lens. This lens can improve the f/# of the lens system. This is illustrated in figures 6 and 7. The device in figure 6 has an opening like the aperture. Here, the focal point 5 does not exactly hit the light sensor 3, and the image will be somewhat unclear. By adding a thin aspherical lens, the image and focus are improved as shown in figure 7. The thin aspherical lens can be made of polymer, and thus have a very low cost. It is realized that an acceptably good image is obtained for f/# of 1.7, and a lower f/# can be obtained if a more blurred image is allowed.

Linsearrangement som her er omtalt er anvendelig og nyttig i alle typer applikasjoner som involverer å ta IR bilder hvor minst én av vekt, størrelse og temperaturfølsomhet for utstyret er viktig. I tillegg til IR kameraer i UAVer, kan linsesystemet da med fordel brukes som bildetakningsinnretning i for eksempel IR-briller og kikkertsikter. The lens arrangement discussed here is applicable and useful in all types of applications that involve taking IR images where at least one of weight, size and temperature sensitivity for the equipment is important. In addition to IR cameras in UAVs, the lens system can then be advantageously used as an image capture device in, for example, IR glasses and binoculars.

Claims

1. A lens arrangement which provides focal points (5) of infrared (IR) light on or near a light sensor (3), characterized by; an IR lens (2) comprising an IR transparent material with a refractive index greater than 2.2, and is provided with at least one curved side, an aperture (1) configured to expose IR light of a certain angle of incidence relative to the aperture (1) of a respective part of the IR lens (2), in which the aperture (1) and the light sensor (3) are respectively provided on each side of the IR lens (2) at a respective first and second distance, and in which at least one curved side of the IR lens (2) faces the light sensor ( 3). wherein the aperture (1) is an opening in a lens cover.

2. A lens arrangement according to claim 1, wherein the lens (2) is provided with a first curved side (2a) with a first radius of curvature, and a second curved side (2b) with a second radius of curvature, wherein the curved side with the smallest the curve radius is facing the light sensor (3).

3. A lens arrangement according to claim 1 or 2, wherein one or both of the lens surfaces are spherical.

4. A lens arrangement according to claim 1, 2 or 3, wherein the aperture (1) is an aspherical lens.

5. A lens arrangement according to claim 5, characterized in that the aspherical lens is made of polymer.

6. A lens arrangement according to any one of claims 1-6, wherein the refractive index is greater than 3.

7. A lens arrangement according to any one of claims 1-7, wherein the focal length of the IR lens (2) is shorter than 20 mm.

8. A lens arrangement according to any one of claims 1-8, wherein the first distance is between 25% and 100% of the focal length of the IR lens (2).

9. A lens arrangement according to claim 9, in which the first distance is between 45% and 50% of the focal length of the IR lens (2).

10. A lens arrangement according to any one of claims 1-10, wherein the IR lens (2) is designed as a positive meniscus lens.

11. A lens arrangement according to any one of claims 1-11, wherein the IR transparent material is silicon.

12. A lens arrangement according to any one of claims 1-11, wherein the IR transparent material is germanium.

13. A lens arrangement according to any one of claims 1-13, wherein the thickness of the IR lens (2) is equal to or less than 1 mm.

14. A lens arrangement according to claim 14, in which the thickness of the IR lens (2) is 0.6 mm.

15. A lens arrangement according to any one of claims 1-14, wherein the diameter of the IR lens (2) is equal to or less than 11.5 mm.

16. A lens arrangement according to claim 16, in which the diameter of the IR lens (2) is equal to or greater than 9 mm.

17. A lens arrangement according to any one of claims 1-17, wherein the f-number (f/#) of the lens arrangement is in the interval [1, 2.4].

18. A lens arrangement according to claim 1, 2 or 3, wherein the aperture is an adjustable opening in a lens cover.