TW201823787A - 具有５４度水平視角之長波長紅外線攝影機及攝影機用鏡頭 - Google Patents

具有５４度水平視角之長波長紅外線攝影機及攝影機用鏡頭 Download PDF

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Abstract

本發明涉及具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機及攝影機用鏡頭，其係由模製成型用光學材料形成，包括：凹面(R2)，用於對從被拍攝體入射的光進行第一次折射；以及凸面(R3)，用於對穿過上述凹面(R2)的光進行第二次折射，上述凹面(R2)和凸面(R3)根據以下式1、表1及表2的關係而定：
其中，k為圓錐曲面係數，A4、A6、A8及A10為非球面係數，h為從光軸至凹面或凸面的距離，c表示中心曲率，
其中，曲率半徑和面厚度具有±0.5%的公差，(凹面(R2)的直徑)/(凸面(R3)的直徑)為0.46(±0.5%的公差)。

Description

具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機及攝影機用鏡頭
本發明涉及具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機及攝影機用鏡頭，更詳細地，涉及可用於火災監控等多種領域的普及型長波長紅外線(又名「LWIR」)攝影機及攝影機用鏡頭。
長波長紅外線為8μm~12μm波長的光，包括人類釋放的紅外線的波長範圍。
長波長紅外線攝影機為可通過檢測在夜間人類或動物釋放的紅外線來成像的攝影機。
人類或動物的體溫為310K左右，黑體輻射的310K中的峰值波長為8μm~12μm。
因此，可通過長波長紅外線攝影機從人類或動物所釋放的紅外線能量判斷是否存在人類或動物以及獲取影像。
但是，在韓國的情況下，長波長紅外線專用鏡頭和長波長紅外線攝影機系統的開發極為緩慢，因而實際情況為大部分依賴進口，且以高價銷售。
尤其，以往的紅外線攝影機以基於鍺(Germanium)鏡頭的直加工鏡頭為主來進行製造，因而製造成本高且製造時間長。
因此，鍺鏡頭主要適用於軍事領域，在民用領域因價 格問題而很少使用。
尤其，在適用於火災監控設備的廣角鏡頭的情況下，需要呈小型形體的形狀，但是實際上很難對其進行直接加工，因此，需要模製成型鏡頭。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：韓國授權專利公報第10-0916502 B1號(2009年09月01日)
本發明為瞭解決上述現有技術的問題而提出，本發明的目的在於，提供可適用模製成型用光學材料，因此，與以往的鍺鏡頭相比，可降低生產成本，並可通過大量生產簡單適用於民用領域的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機及攝影機用鏡頭。
並且，本發明的目的在於，提供與以往鍺材料的光學設備相比，折射率和鏡頭透過特性得到提高，並可構成從超小口徑鏡頭至中口徑鏡頭的多種光學系統，且可適用於火災監控的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機及攝影機用鏡頭。
為了實現上述目的，本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機用鏡頭為如下的具有54度水平視角之鏡頭，即，其係模製成型用光學材料形成，包括：凹面R2，用於對從被拍攝體入射的光進行第一次折射；以及凸面R3，用於對穿過上述凹面R2的光進行第二次折射，上述凹面R2和凸面R3根據以下式 1、表1及表2的關係而定：
其中，k為圓錐曲面係數，A4、A6、A8及A10為非球面係數，h為從光軸至凹面或凸面之間的距離，c表示中心曲率，
其中，曲率半徑和面厚度具有±0.5%的公差，(凹面R2的直徑)/(凸面R3的直徑)為0.46(±0.5%的公差)。
本發明的特徵在於，在上述鏡頭形成有從上述凹面R2和凸面R3之間沿著與光軸垂直的方向延伸的邊緣部。
本發明的特徵在於，(凹面R2和凸面R3的中心部厚度TC/直徑的平均值)為0.86(±0.5%的公差)，(鏡頭的邊緣部厚度)/(上述凹面R2和凸面R3的中心部厚度TC)為0.60(±0.5%的公差)。
並且，本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的特徵在於，包括：光圈；上述鏡頭；紅外線濾光器，從上述凸面R3隔開設置；以及傳感面，通過經由上述紅外線濾光器的光來使被拍攝體成像。
本發明的特徵在於，上述光圈與上述凹面R2之間的距離為0.36mm±0.5%，上述凹面R2和凸面R3的中心部厚度TC為 3.305mm±0.5%，從上述凸面R3至紅外線濾光器的距離為2.0mm±0.5%，紅外線濾光器的厚度為0.65mm±0.5%，從上述紅外線濾光器至傳感面的距離為1.3mm±0.5%，上述濾光器的折射率為3.421，分散率為2421.0。
根據如上所述的結構的本發明，作為可適用於火災監控及探測領域的普及型光學系統，可以僅通過一個鏡頭探測生物或事物，並可適用於建築物內外部及特定裝置內(變壓器內部等)或狹窄的空間。
並且，根據本發明，呈可通過模塑成型的結構，從而便於製造並可大量生產，且還具有製造成本低廉的優點。
100‧‧‧光圈
200‧‧‧鏡頭
210‧‧‧邊緣部
300‧‧‧紅外線濾光器
400‧‧‧傳感面
1000‧‧‧具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機
R2‧‧‧凹面
R3‧‧‧凸面
圖1(a)及(b)為本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的立體圖。
圖2為示出圖1的光學系統結構的結構圖。
圖3為本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的光跟蹤分析圖。
圖4為示出本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的縱向球面像差(longitudinal spherical abberration)的圖表。
圖5為與本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的像散(astigmatism)相關的像差分析圖。
圖6為示出本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的畸變像差(distortion)的圖表。
圖7為對示出本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的解析度的調製傳遞函數(MTF，Modulation Transfer Function)進行分析的圖表。
圖8為示出本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的點圖(spot diagram)的圖。
以下，參照附圖，詳細說明本發明的較佳實施例。
如圖1和圖2所示，本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機1000包括：光圈100；鏡頭200，包括凹面R2和凸面R3，上述凹面R2用於對從被拍攝體入射的光進行第一次折射，上述凸面R3用於對穿過上述凹面R2的光進行第二次折射；紅外線濾光器300，從上述凸面R3隔開設置；以及傳感面400，通過經由上述紅外線濾光器300的光來使被拍攝體成像。
首先，配置於上述凸面R3前部面的光圈100執行防止雜光入射本發明的光學系統的作用。
上述具有54度水平視角之鏡頭200由模製成型用光學材料形成。
模製成型用光學材料由玻璃或塑膠等形成，與以往在市場銷售的類似種類的材料相比，通過使用折射率和鏡頭透射特性高的材料，從而較佳採用可構成從超小口徑鏡頭至中口徑鏡頭的多種光學系統的材料。
例如，適用於本發明的光學系統設計的鏡頭材料可使用具有2.5以上的折射率和高至12μm的波長帶的65%以上的高透射度的材料。
若通過這種本發明的光學材料構成光學系統，則與以往相比，可體現鮮明的影像，可進行基於模塑的成型，從而可構成製造簡單、製造成本低的安全監控普及型長波長紅外線攝影機光學系統。
並且，本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機1000進行適用6400圖元(感測器)的1組1個普及型長波長紅外線的光學設計。
本發明的光學系統增加鏡頭中心部和邊緣部210的厚度，從而呈有利於模製成型的形態。
本發明作為火災監控長波長紅外線用攝影機光學系統，包括通過模塑成型，且朝向物體的凹面R2和對側的凸面R3，整體具有正(+)折射率，兩面為非球面。
並且，本發明的鏡頭200的上述凹面R2和凸面R3根據以下式1的關係而定。
其中，k為圓錐曲面係數，A4、A6、A8及A10為非球面係數，h為從光軸至凹面或凸面的距離，c表示中心曲率。
如下表1所示，通過確定非球面係數來規定凹面R2和凸面R3。
並且，如下表2所示，設定鏡頭200的凹面R2和凸面R3的曲率半徑RC和面厚度ST，並確定折射率n和分散率v1。
上述分散率v1通過下式而定。
[式2]v1=(n110-1)/(n108-n112)
其中，n110為波長為10μm的1個鏡頭的折射率，n108為波長為8.0μm的1個鏡頭的折射率，n112為波長為12μm的1個鏡頭的折射率，2.0<n110<3.0
其中，曲率半徑和面厚度可具有±0.5%的公差。
尤其，(凹面R2和凸面R3的中心部厚度TC/直徑的平均值)的值為0.86(±0.5%的公差)，(鏡頭的邊緣部厚度)/(上述凹面R2和凸面R3的中心部厚度TC)的值為0.60(±0.5%的公差)，因此，可準確調整54度的視角。
並且，鏡頭中心部和邊緣部的厚度厚，因此，可呈有利於模製成型的形態。
根據本發明，可將上述光圈與上述凹面R2之間的距離設定為0.36mm±0.5%，上述凹面R2和凸面R3的中心部厚度TC設定為3.305mm±0.5%，從上述凸面R3至紅外線濾光器的距離設定為2.0mm±0.5%，紅外線濾光器的厚度設定為0.65mm±0.5%，從上述紅外線濾光器至傳感面的距離設定為1.3mm±0.5%。
若在本發明的鏡頭200設定厚度公差，則可在所製造的鏡頭的允許公差之內進行製造，從而可製造具有規定光學性能的鏡頭。
並且，以圓弧形態製造鏡頭200的邊緣部分，從而可有利於光學系統的組裝及製造。
另一方面，較佳地，上述紅外線濾光器300的折射率為3.421，分散率為2421.0。
通過上述條件，可獲得規定的視角並可使縱向球面像差、像散及畸變像差最小化，並可在表示解析度的調製傳遞函數值內獲取良好的狀態。
基於如上所述的結構來記載本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機1000的例示性一實施例。
首先，本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機作為可適用於火災監控等的長波長紅外線用攝影機光學系統，通過適用由Ge27.5-Sb13.5-Se60形成的非氧化物紅外線光學玻璃來進行模製成型。
並且，分別將上述鏡頭200的凹面R2和凸面R3的曲率半徑設定為-7.0622mm(非球面)、-3.4640mm(非球面)、凹面R2的直徑設定為2.42mm，凸面R3的直徑設定為5.24mm。
整個鏡頭200形成3.64mm的厚度。
為了進行安裝，形成從上述凹面R2和凸面R3沿著與光軸垂直的方向延伸的邊緣部210，當考慮上述邊緣部210時，將整個鏡頭的直徑設定為7.50mm。
可適當調節上述邊緣部210的長度。
在上述邊緣部210的邊緣部分形成有0.3~0.6mm的圓弧形部。
鏡頭200的凹面R2和凸面R3通過上述式1和表1及表2形成。
並且，分別將凹面R2和凸面R3的中心部厚度TC設定為3.305mm，鏡頭的邊緣部厚度設定為1.97。
並且，將上述光圈100與上述凹面R2之間的距離設定為0.36mm，從上述凸面R3至紅外線濾光器300的距離設定為2.0mm，紅外線濾光器300的厚度設定為0.65mm，從上述紅外線濾光器300至傳感面400的距離設定為1.3mm。
採用折射率為3.421，分散率為2421.0的上述紅外線濾光器300。
並且，作為上述傳感面400的感測器，可採用80×80圖元的34μm感測器。
對於上述結構的本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機1000，可獲得圖3至圖8的實驗結果。
圖3為本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的光跟蹤分析圖。圖4為示出本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的縱向球面像差的圖表。圖5為與本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的像散相關的像差分析圖。圖6為示出本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的畸變像差的圖表。圖7為對示出本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機的解析度的調製傳遞函數進行分析的圖表。圖8為示出本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影 機的點圖(spot diagram)的圖。
如圖3至圖8所示，本發明的具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機在幾乎所有欄位中，相的值與中心軸相鄰，因而不僅表示各種像差的校準狀態良好，還表示滿足調製傳遞函數(光學需求性能/解析度)。
並且，本發明的鏡頭材料作為模製成型用材料，與適用於以往市場的材料相比，具有高折射率和高至12μm的波長帶的65%以上的高透射度。
通過進行適用6400圖元的1組1個火災監控用長波長紅外線的光學設計，本發明的光學系統通過增加鏡頭中心部和邊緣部的厚度來具有有利於模製成型的形態。
並且，光學系統的周邊光亮比為84%以上，失真率為20%以內，由此確保光學系統性能。
因此，可充分適用非氧化物紅外光學玻璃等模製成型用光學材料，因此，與以往鍺鏡頭相比，可降低生產成本，並可通過大量生產簡單適用於民用領域。

Claims (5)

  1. 一種具有54度水平視角之鏡頭，其係由模製成型用光學材料形成，包括：凹面(R2)，用於對從被拍攝體入射的光進行第一次折射；以及凸面(R3)，用於對穿過上述凹面(R2)的光進行第二次折射，上述凹面(R2)和凸面(R3)根據以下式1、表1及表2的關係而定： 其中，k為圓錐曲面係數，A4、A6、A8及A10為非球面係數，h為從光軸至凹面或凸面的距離，c表示中心曲率， 其中，曲率半徑和面厚度具有±0.5%的公差，(凹面(R2)的直徑)/(凸面(R3)的直徑)為0.46(±0.5%的公差)。
  2. 如請求項1之具有54度水平視角之鏡頭，其中，上述鏡頭形成有從上述凹面(R2)和凸面(R3)之間沿著與光軸垂直的方向延伸的邊緣部。
  3. 如請求項2之具有54度水平視角之鏡頭，其中，(凹面(R2)和凸面(R3)的中心部厚度(TC)/直徑的平均值)為0.86(±0.5%的公差)， (鏡頭的邊緣部厚度)/(凹面(R2)和凸面(R3)的中心部厚度(TC))為0.60(±0.5%的公差)。
  4. 一種具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機，其中，包括：光圈；請求項1至3中任一項所述的鏡頭；紅外線濾光器，從上述凸面(R3)隔開設置；以及傳感面，通過經由上述紅外線濾光器的光來使被拍攝體成像。
  5. 如請求項4之具有54度水平視角之長波長紅外線攝影機，其中，上述光圈與上述凹面(R2)之間的距離為0.36mm±0.5%，上述凹面(R2)和凸面(R3)的中心部厚度(TC)為3.305mm±0.5%，從上述凸面(R3)至紅外線濾光器的距離為2.0mm±0.5%，上述紅外線濾光器的厚度為0.65mm±0.5%，從上述紅外線濾光器至傳感面的距離為1.3mm±0.5%，上述濾光器的折射率為3.421，分散率為2421.0。
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