TW201842355A - 具有大熱光係數的無熱雙合透鏡之製造方法及無熱透鏡系統 - Google Patents

具有大熱光係數的無熱雙合透鏡之製造方法及無熱透鏡系統 Download PDF

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Abstract

無熱透鏡系統包括匯聚透鏡元件和發散透鏡元件，匯聚透鏡元件具有負的第一熱光係數，發散透鏡元件具有幅度大於第一熱光係數的負的第二熱光係數，其中發散透鏡元件耦合至匯聚透鏡元件以形成匯聚無熱雙合透鏡。

Description

具有大熱光係數的無熱雙合透鏡之製造方法及無熱透鏡系統
本申請涉及光學領域，具體地，涉及具有大熱光係數的無熱雙合透鏡及其製造方法。
攝影機經常需要在寬的溫度範圍內操作，例如，從炎熱夏季的高溫至冬季低於冰點的溫度。塑膠的光學性質傾向於隨著溫度發生極大變化，因此塑膠透鏡被認為是不適合於需要在寬的溫度範圍下表現良好的攝影機。塑膠不僅常常隨著溫度的升高而膨脹，而且折射率也發生變化。折射率n對溫度T的相關性由熱光係數dn/dT表示。對於大多數光學塑膠，熱光係數為約-100ppm/K。這種大數值相當於隨著溫度的增加折射率會顯著降低，並且可能在與設計溫度(例如，室溫)相差甚遠的溫度下顯著地降低塑膠透鏡的性能。另一方面，玻璃通常具有更低的熱光係數，如1至5ppm/K，因此玻璃透鏡被認為更適合與明顯的溫度變化相關的應用。
在一實施例中，無熱透鏡系統包括匯聚透鏡元件和發散透鏡元件，匯聚透鏡元件具有負的第一熱光係數，發散透鏡元件具有幅度大於第一熱光係數的負的第二熱光係數，其中發散透鏡元件耦合至匯聚透鏡元件以形成匯聚無熱雙合透鏡。
在一實施例中，用於製造無熱雙合透鏡的方法包括：(a)由被固化時具有負的第一熱光係數的第一聚合物模製匯聚透鏡；(b)由被固化時具有幅 度大於第一熱光係數的負的第二熱光係數的第二材料模製發散透鏡；以及(c)將匯聚透鏡和發散透鏡接合在一起以形成無熱雙合透鏡。
100、300、302、400、402、500、502、600、602、700、1200、1700、2200‧‧‧無熱雙合透鏡
110‧‧‧匯聚透鏡元件
120‧‧‧發散透鏡元件
170‧‧‧影像感測器
180‧‧‧無熱攝影機
190‧‧‧場景
280‧‧‧車輛
301、303、1701、2201‧‧‧無熱透鏡系統
330‧‧‧透鏡
380、382‧‧‧攝影機
410、412、710、1710、2210‧‧‧雙凸透鏡元件
420、422、720、1720、2220‧‧‧雙凹透鏡元件
490‧‧‧光傳播方向
510、512、1210‧‧‧匯聚凹凸透鏡元件
520、522、1220、2230‧‧‧發散凹凸透鏡元件
610、612‧‧‧平凸透鏡元件
620、622‧‧‧平凹透鏡元件
712、1212、1712、2212‧‧‧凸面
722、1222、1722、2222‧‧‧凹面
724、1224、1724、2224‧‧‧介面
740、1240、1740、2240‧‧‧保護玻璃
750、1250、1750、2250‧‧‧像平面
770、1270、1770、2270‧‧‧光軸
772、1272、1772、2272‧‧‧視場角度
774、1274、1774、2274‧‧‧直徑
810、820、830、910、912、914、920、922、924、930、932、934、940、942、944、950、952、954、960、962、964、1110、1114、1120、1124、1130、1134、1140、1144、1150、1154、1160、1164、1310、1320、1330、1410、1412、1414、1420、1422、1424、1430、1432、1434、1440、1442、1444、1450、1452、1454、1460、1462、1464、1610、1614、1620、1624、1630、1634、1640、1644、1650、1654、1660、1664、1810、1820、1830、1910、1912、1914、1920、1922、1924、1930、1932、1934、1940、1942、1944、1950、1952、1954、1960、1962、1964、2110、2114、2120、2124、2130、2134、2140、2144、2150、2154、2160、2164、2310、2320、2330、2410、2412、2414、2420、2422、2424、2430、2432、2434、2440、2442、2444、2450、2452、2454、2460、2462、2464、2610、2614、2620、2624、2630、2634、2640、2644、2650、2654、2660、2664‧‧‧資料集
1000、1500、2000、2500‧‧‧單透鏡
1730、2260‧‧‧歐翼形透鏡
1732、1734、2232、2234、2262、2264‧‧‧表面
2001、2501‧‧‧透鏡系統
2700‧‧‧製造無熱雙合透鏡的一示例性方法方法
2710、2712、2714、2716、2720、2722、2724、2726、2730、2732、2734、2740、2750‧‧‧步驟
圖1顯示出根據一實施例的具有大熱光係數的無熱雙合透鏡。
圖2A和圖2B顯示出包括圖1中的無熱雙合透鏡的無熱攝影機的一示例性應用。
圖3A和圖3B示意性地顯示出圖1中的無熱雙合透鏡的兩個更通用的實施例。
圖4A和圖4B顯示出根據實施例的具有雙凸透鏡元件和雙凹透鏡元件的無熱雙合透鏡。
圖5A和圖5B顯示出根據實施例的具有匯聚凹凸透鏡元件和發散凹凸透鏡元件的無熱雙合透鏡。
圖6A和圖6B顯示出根據實施例的具有平凹透鏡元件和平凹透鏡元件的無熱雙合透鏡。
圖7顯示出根據一實施例的具有彼此耦合的雙凸透鏡元件和雙凹透鏡元件的無熱雙合透鏡。
圖8顯示出透過圖7中的無熱雙合透鏡形成在相關像平面上的點的均方根半徑。
圖9A至圖9C顯示出圖7中的無熱雙合透鏡的光學傳遞函數的模數。
圖10顯示出根據一實施例的具有與圖7中的無熱雙合透鏡的形狀相同的形狀的單透鏡。
圖11A和圖11B顯示出圖10中的單透鏡的光學傳遞函數的模數。
圖12顯示出根據一實施例的具有匯聚凹凸透鏡元件和發散凹凸透鏡元件的無熱雙合透鏡。
圖13顯示出由圖12中的無熱雙合透鏡形成在相關像平面上的點的均方根半徑。
圖14A至圖14C顯示出圖12中的無熱雙合透鏡的光學傳遞函數的模數。
圖15顯示出根據一實施例的具有與圖12中的無熱雙合透鏡的形狀相同的形狀的單透鏡。
圖16A和圖16B顯示出圖15中的單透鏡的光學傳遞函數的模數。
圖17顯示出根據一實施例的包括具有雙凸透鏡元件和雙凹透鏡元件的無熱雙合透鏡的無熱透鏡系統。
圖18顯示出透過圖17中的無熱雙合透鏡形成在相關像平面上的點的均方根半徑。
圖19A至圖19C顯示出圖17中的無熱雙合透鏡的光學傳遞函數的模數。
圖20顯示出根據一實施例的具有與圖17中的無熱雙合透鏡的形狀相同的形狀的單透鏡。
圖21A和圖21B顯示出圖20中的單透鏡的光學傳遞函數的模數。
圖22顯示出根據一實施例的包括具有雙凸透鏡元件和雙凹透鏡元件的無熱雙合透鏡的無熱透鏡系統。
圖23顯示出透過圖22中的無熱雙合透鏡形成在相關像平面上的點的均方根半徑。
圖24A至圖24C顯示出圖22中的無熱雙合透鏡的光學傳遞函數的模數。
圖25顯示出根據一實施例的具有與圖22中的無熱雙合透鏡的形狀相同的形狀的單透鏡。
圖26A和圖26B顯示出圖22中的單透鏡的光學傳遞函數的模數。
圖27顯示出根據一實施例的用於製造圖1中的無熱雙合透鏡的方法。
圖1顯示出具有大熱光係數的一示例性無熱雙合透鏡100。與習知的無熱透鏡相比，無熱雙合透鏡100包含在量值上具有大熱光係數的材料，並且依賴大熱光係數來實現無熱效應。因此，無熱雙合透鏡100可由塑膠製造。塑膠的材料成本通常小於玻璃的材料成本。此外，塑膠透鏡例如可以以晶圓級模製成大的體積，這使得成本進一步降低。因此，無熱雙合透鏡100可 以比習知的無熱玻璃透鏡價格更低廉。
在某些實施例中，無熱雙合透鏡100配置成在可見光譜中操作。然而，除了可見光譜之外，無熱雙合透鏡100還可應用到紫外線和/或近紅外光譜中的成像，或者僅應用到紫外線和/或近紅外光譜中的成像。
無熱雙合透鏡100能夠在需要在寬溫度範圍下進行操作的各種應用中實現塑膠透鏡型攝影機。如圖1所示，無熱雙合透鏡100可耦合至影像感測器170，並且可選擇性地耦合至一個或多個附加的透鏡和/或其他部件，以形成無熱攝影機180。無熱攝影機180能夠在滿足由無熱攝影機180生成的影像品質的同時，在寬溫度範圍內對場景190進行成像。
圖2A和圖2B顯示出無熱攝影機180的一示例性應用。在該示例中，無熱攝影機180實施在車輛280中並提供車輛280的周邊環境的影像，以增強車輛280的操作的安全性。例如，無熱攝影機180可配置成檢測物體以避免碰撞，檢測車道的位置以避免非故意的車道偏離、輔助停車等。由於車輛280可能在非常寬的溫度範圍內進行操作，諸如寒冷的冬季氣候(見圖2A)和炎熱的夏季氣候(見圖2B)，無熱攝影機180必須能夠在同樣寬的溫度範圍內提供令人滿意的影像。在某些實施例中，無熱雙合透鏡100和無熱攝影機180在-45℃至105℃的範圍內是無熱的(athermal)。在本文中，「無熱(athermal)」透鏡表示在諸如-45℃至105℃或者-20℃至50℃的寬溫度範圍內不具有效能變化或者至少不具有明顯的效能變化的透鏡。無熱透鏡的效能可由本領域中已知的參數表示。在一示例中，根據在指定溫度範圍內的溫度，無熱透鏡的光學傳遞函數的模數僅僅呈現微小的變化。「無熱」攝影機表示在-45℃至105℃或者-20℃至50℃的寬的溫度範圍內使用無熱透鏡確保適當的成像的攝影機。
再次參照圖1，無熱雙合透鏡100包括匯聚透鏡元件110和與該匯聚透鏡元件110耦合的發散透鏡元件120。無熱雙合透鏡100是凹凸透鏡。匯聚透鏡元件110和發散透鏡元件120配合以確保無熱雙合透鏡100為匯聚透鏡。在本文中，「匯聚」透鏡是具有正焦距的透鏡，在本領域中也被稱為 「正」透鏡，並且「發散」透鏡是具有負焦距的透鏡，在本領域中也被稱為「負」透鏡。匯聚透鏡元件110大體上由具有大(幅度大)的負熱光係數的第一聚合材料構成。在本文中，「大的負熱光係數」表示幅度大於與典型的光學玻璃材料相關的熱光係數但是與典型的光學塑膠的熱光係數一致的熱光係數。在一實施例中，第一聚合材料的熱光係數小於-50ppm/K，例如，小於-75ppm/K或者處於-75ppm/K至-125ppm/K的範圍內。發散透鏡120大體上由具有更大的負熱光係數的第二聚合材料構成。換言之，發散透鏡120的熱光係數為負的程度大於匯聚透鏡110的熱光係數。在一實施例中，第二聚合材料的熱光係數比第一聚合材料的熱光係數在幅度上至少大30ppm/K或者至少大50ppm/K。在另一實施例中，第二聚合材料的熱光係數的大小是第一聚合材料的熱光係數的大小的至少兩倍。在又一實施例中，第一聚合材料的熱光係數處於-75ppm/K至-125ppm/K的範圍內，並且第二聚合材料的熱光係數處於-200ppm/K至-250ppm/K的範圍內。在某些實施例中，第一聚合材料和第二聚合材料的折射率在同一溫度下大體上相同，或者至少相似。
由於無熱雙合透鏡100是匯聚透鏡，匯聚透鏡110的功率的大小大於發散透鏡120的功率的大小。因此，為了補償由溫度引起的與較強的匯聚透鏡110的熱光係數相關的變化，較弱的發散透鏡120的熱光係數在幅度上必須大於(即，為負的程度大於)匯聚透鏡110的熱光係數。
出於說明的目的，考慮針對在20℃具有最佳效能而設計的無熱雙合透鏡100的示例。當溫度降低至20℃以下時，匯聚透鏡元件110的折射率增加，因此使得匯聚透鏡110的功率(和光匯聚的程度)增加。發散透鏡元件120的折射率也增加。當發散透鏡元件120的功率的大小係小於匯聚透鏡元件110的功率的大小時，發散透鏡元件120的幅度較大的熱光係數確保對匯聚透鏡元件110中由溫度引起的變化進行補償。另一方面，出於論證的目的，如果匯聚透鏡元件110和發散透鏡元件120具有相同的熱光係數，則由於發散透鏡元件120弱於匯聚透鏡元件110，因此發散透鏡元件120不能夠充分地補償匯聚透鏡元件110中由溫度引起的變化。
在不脫離本說明書範圍的情況下，無熱雙合透鏡100可包括一個或多個表面塗層，諸如一個或多個防反射塗層。這種塗層可位於無熱雙合透鏡的外表面上和/或匯聚透鏡元件110與發散透鏡元件120之間的介面處。另外，在不脫離本說明書範圍的情況下，無熱雙合透鏡100可在匯聚透鏡元件110與發散透鏡元件120之間的介面處包括膠和/或折射率匹配材料(index-matching material)。
將進一步理解，圖1中所示的匯聚透鏡元件110和發散透鏡元件120的具體形狀僅僅為示例性的，且在不脫離本說明書範圍的情況下，無熱雙合透鏡100可合併具有不同形狀的匯聚透鏡元件110和發散透鏡元件120。
在一實施例中，匯聚透鏡元件110和發散透鏡元件120中的每一者由透過暴露至紫外線而被固化的聚合物模製而成。在另一實施例中，匯聚透鏡元件110和發散透鏡元件120中的其中一者由透過暴露至紫外線而被固化的聚合物模製而成。在又一實施例中，匯聚透鏡元件110和發散透鏡元件120中的一者或兩者由透過熱和/或經過時間而固化的聚合物模製而成。
圖3A和圖3B示意性地顯示出無熱雙合透鏡100的兩個更通用的示例性實施例。圖3A顯示出配置為對場景190進行成像的無熱雙合透鏡300，其中無熱雙合透鏡300具有較靠近場景190的匯聚透鏡元件110和較遠離場景的發散透鏡元件120。圖3B顯示出配置成對場景190進行成像的無熱雙合透鏡302，其中無熱雙合透鏡302具有較靠近場景190的發散透鏡元件120和較遠離場景190的匯聚透鏡元件110。
現參照圖3A，無熱雙合透鏡300可耦合至一個或多個附加的透鏡330和/或圖3A中未示出的其他光學部件，以形成無熱透鏡系統301。無熱雙合透鏡300(或無熱透鏡系統301)可耦合至影像感測器170以形成攝影機380。在攝影機380中，無熱雙合透鏡300(或無熱透鏡系統301)將影像場景190成像到影像感測器170上，並且影像感測器170捕捉場景190的影像。
現參照圖3B，無熱雙合透鏡302可耦合至一個或多個附加的透鏡330和/或圖3B中未示出的其他光學部件，以形成無熱透鏡系統303。無熱雙合透鏡302(或無熱透鏡系統303)可耦合至影像感測器170以形成攝影機382。在攝影機382中，無熱雙合透鏡302(或無熱透鏡系統303)將影像場景190成像到影像感測器170上，且影像感測器170捕捉場景190的影像。
圖4A和4B分別顯示出兩個示例性無熱雙合透鏡400和402，其中無熱雙合透鏡400和402各自具有雙凸透鏡元件和雙凹透鏡元件。最好一同查看圖4A和圖4B。無熱雙合透鏡400和402是無熱雙合透鏡100的實施例。
無熱雙合透鏡400包括彼此耦合的雙凸透鏡元件410和雙凹透鏡元件420。雙凸透鏡元件410是匯聚透鏡元件110的一實施例，且雙凹透鏡元件420是發散透鏡元件120的一實施例。如光傳播方向490所指示，無熱雙合透鏡400配置成透過較靠近場景(圖4A和圖4B中未示出)的雙凸透鏡元件410和較遠離場景的雙凹透鏡元件420進行操作。對於圖4A和圖4B，應理解者為，光傳播方向490僅僅表示沿著無熱雙合透鏡400/402之光軸大致從左到右的方向，並且無熱雙合透鏡400/402可接收以偏離光傳播方向490的某一角度入射到無熱雙合透鏡400/402上的光，並對該光進行成像。
無熱雙合透鏡402包括彼此耦合的雙凸透鏡元件412和雙凹透鏡元件422。雙凸透鏡元件412是匯聚透鏡元件110的一實施例，且雙凹透鏡元件422是發散透鏡元件120的一實施例。如光傳播方向490所指示，無熱雙合透鏡402配置成透過較靠近場景的雙凹透鏡元件422和較遠離場景的雙凸透鏡元件412進行操作。雙凸透鏡元件412可與雙凸透鏡元件410相同。同樣地，雙凹透鏡元件422可與雙凹透鏡元件420相同。
圖5A和圖5B分別顯示出兩個示例性的無熱雙合透鏡500和502，無熱雙合透鏡500和502各自具有匯聚凹凸透鏡元件(正凹凸透鏡)和發散凹凸透鏡元件(負凹凸透鏡)。最好一同查看圖5A和圖5B。無熱雙合透鏡500 和502是無熱雙合透鏡100的實施例。
無熱雙合透鏡500包括彼此耦合的匯聚凹凸透鏡元件510和發散凹凸透鏡元件520。匯聚凹凸透鏡元件510是匯聚透鏡元件110的一實施例，且發散凹凸透鏡元件520是發散透鏡元件120的一實施例。如光傳播方向490所指示，無熱雙合透鏡500配置成透過較靠近場景(圖5A和圖5B中未示出)的匯聚凹凸透鏡元件510和較遠離場景的發散凹凸透鏡元件520進行操作。對於圖5A和圖5B，應理解者為，光傳播方向490僅僅表示沿著無熱雙合透鏡500/502的光軸大致從左到右的方向，並且無熱雙合透鏡500/502可接收以偏離光傳播方向490的某一角度入射到無熱雙合透鏡500/502上的光，並對該光進行成像。
無熱雙合透鏡502包括彼此耦合的匯聚凹凸透鏡元件512和發散凹凸透鏡元件522。匯聚凹凸透鏡元件512是匯聚透鏡元件110的一實施例，且發散凹凸透鏡元件522是發散透鏡元件120的一實施例。如光傳播方向490所指示，無熱雙合透鏡502配置成透過較靠近場景的發散凹凸透鏡元件522和較遠離場景的匯聚凹凸透鏡元件512進行操作。匯聚凹凸透鏡元件512可與匯聚凹凸透鏡元件510相同。同樣地，發散凹凸透鏡元件522可與發散凹凸透鏡元件520相同。
圖6A和圖6B分別顯示出兩個示例性的無熱雙合透鏡600和602，無熱雙合透鏡600和602各自具有彼此在各自的平表面上結合的平凸透鏡元件和平凹透鏡元件。最好一同查看圖6A和圖6B。無熱雙合透鏡600和602是無熱雙合透鏡100的實施例。
無熱雙合透鏡600包括平凸透鏡元件610和平凹透鏡元件620。平凸透鏡元件610的平表面耦合至平凹透鏡元件620的平表面。平凸透鏡元件610是匯聚透鏡元件110的一實施例，且平凹透鏡元件620是發散透鏡元件120的一實施例。如光傳播方向490所指示，無熱雙合透鏡600配置成透過較靠近場景(圖6A和圖6B中未示出)的平凸透鏡元件610和較遠離場景的平 凹透鏡元件620進行操作。對於圖6A和圖6B，應理解者為，光傳播方向490僅僅表示沿著無熱雙合透鏡600/602的光軸大致從左到右的方向，並且無熱雙合透鏡600/602可接收以偏離光傳播方向490的某一角度入射到無熱雙合透鏡600/602上的光，並對該光進行成像。
無熱雙合透鏡602包括平凸透鏡元件612和平凹透鏡元件622。平凸透鏡元件612的平表面耦合至平凹透鏡元件622的平表面。平凸透鏡元件612是匯聚透鏡元件110的一實施例，且平凹透鏡元件622是發散透鏡元件120的一實施例。如光傳播方向490所指示，無熱雙合透鏡602配置成透過較靠近場景的平凹透鏡元件622和較遠離場景的平凸透鏡元件612進行操作。平凸透鏡元件612可與平凸透鏡元件610相同。同樣地，平凹透鏡元件622可與平凹透鏡元件620相同。
示例1
圖7顯示出具有彼此耦合的雙凸透鏡元件710和雙凹透鏡元件720的一示例性無熱雙合透鏡700。無熱雙合透鏡700是無熱雙合透鏡402的一實施例。雙凸透鏡元件710和雙凹透鏡元件720分別是匯聚透鏡元件412和發散透鏡元件422的實施例。無熱雙合透鏡700配置成透過較靠近場景的雙凹透鏡元件720和較靠近像平面750的雙凸透鏡元件710將場景成像到像平面750上。如圖8以及圖9A至圖9C中的資料表明(見以下討論)，無熱雙合透鏡700在-45℃至105℃的溫度範圍內具有優異的無熱特性。
無熱雙合透鏡700的有效焦距(effective focal length，EFFL)為1.302毫米(mm)。雙凹透鏡元件720的EFFL為-3.038毫米(mm)，且雙凸透鏡元件710的EFFL為0.99毫米(mm)。因此，雙凹透鏡元件720的功率的大小係小於雙凸透鏡元件710的功率的大小，使得無熱雙合透鏡700為匯聚透鏡。無熱雙合透鏡700具有由視場角度772表示的視場(field of view，FOV)並且形成具有直徑774的像圈(image circle)。從FOV的一個極端至FOV的位於無熱雙合透鏡700的光軸770的相對側上的另一極端測量出的視場角度772為60°。直徑774是1.52毫米(mm)。無熱雙合透鏡700進一步由有效f數值f/3表示。
表1A和表1B列出了無熱雙合透鏡700的透鏡資料。透鏡資料包括以下元件的設計參數的值：雙凹透鏡元件720、雙凸透鏡元件710、雙凹透鏡元件720的背對像平面750的凹面722、雙凹透鏡元件720與雙凸透鏡元件710之間的介面724、以及雙凸透鏡元件710的面對像平面750的凸面712。凹面722構成無熱雙合透鏡700的孔徑光闌。透鏡資料還包括保護玻璃(cover glass，CG)740和保護玻璃740與像平面(IMA)750之間的間隔的配置。保護玻璃740例如是影像感測器170的保護玻璃。表1A還列出假定的物體(OBJ)位置。
雙凸透鏡元件710具有100ppm/K的熱光係數，而雙凹透鏡元件720具有230ppm/K的熱光係數。因此，雙凹透鏡元件720的熱光係數大大超過雙凸透鏡元件710的熱光係數。
在表1A中，在相同列中示出了雙凹透鏡元件720、雙凸透鏡元件710和保護玻璃740中的每一者的材料性質和厚度，其中從場景的角度觀看的各個元件的第一個表面用來定義對應的元件。表1A中示出的材料性質是(a)在20℃的溫度下，夫朗和斐D線λD=589.3奈米(nm)處的折射率nD、(b)阿貝數、以及(c)熱光係數。阿貝數是材料中的光色散的度量，並且定義為Vd=(nD-1)/(nF-nC)，其中nF和nC分別是夫朗和斐F線λF=486.1nm和夫朗和斐C線λC=656.3nm處的折射率。
表1B列出凹面722和凸面712各自的非球面係數。對於這些非球面透鏡表面中的每一者，可如下表示表面輪廓： 其中Z是作為與光軸770的徑向距離s的函數的、平行於光軸770的表面凹陷，C是曲率半徑的倒數，k是圓錐常數，且A4、A6、…是第4階、第6階、…的非球面項。
圖8顯示出透過無熱雙合透鏡700形成在像平面750上的點的均方根(RMS)半徑，其透過Zemax®光學設計程式根據與光軸770的距離(「場」)的函數而評估出。圖8針對三種不同的溫度：-45℃(資料集810)、20℃(資料集820)和105℃(資料集830)顯示出該資料。每個資料集810、820和830表示在420nm、475nm、520nm、570nm、600nm和640nm的波長上求平均而得出的RMS半徑。資料集810、820和830表明無熱雙合透鏡700在-45℃至105℃的溫度範圍內具有優異的效能，其僅僅具有非常小的由溫度引起的變化。
圖9A至圖9C顯示出根據與光軸770的距離(「場」)的、無熱雙合透鏡700的光學傳遞函數(MTF)的模數，其透過Zemax®光學設計程式評估出。圖9A顯示出-45℃下的MTF。資料集910、930和950表示71圈數每毫米(cycles/mm)、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集920、940和960表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集910、920、930、940、950和960表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖9B顯示出20℃下的MTF。資料集912、932和952表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集922、942和962表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集912、922、932、942、952和962表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖9C顯示出在105℃下的MTF。資料集914、934和954表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集924、944和964表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集914、924、934、944、954和964表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。
圖9A至圖9C提供無熱雙合透鏡700在-45℃至105℃的溫度範圍內呈現優異的效能而僅具有非常小的由溫度引起的變化的附加證據。由溫度引起的全部變化小於10%。
圖10顯示出具有與無熱雙合透鏡700的形狀相同的形狀的單透鏡1000。單透鏡1000整體由相同的材料構成，也就是雙凸透鏡元件710的材料，因此單透鏡1000缺乏無熱雙合透鏡700的無熱特性。
圖11A和圖11B顯示出根據與光軸770的距離(「場」)的、單透鏡1000的光學傳遞函數(MTF)的模數，其透過Zemax®光學設計程式評估出。如圖10所示，圖11A和圖11B中的資料在假定與用於評估圖8以及圖9A至圖9C中的無熱雙合透鏡700的效能的光學系統相同的光學系統中實施單透鏡1000的情況下獲得。
圖11A顯示出-45℃下的MTF。資料集1110、1130和1150表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集1120、1140和1160表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集1110、1120、1130、1140、1150和1160表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖11B顯示出105℃下的MTF。資料集1114、1134和1154表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集1124、1144和1164表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集1114、1124、1134、1144、1154和1164表示420nm至640nm波長範圍內的平均值。從圖11A和圖11B中明顯看出，單透鏡1000的效能在極端溫度下惡化。
相比於單透鏡1000的效能因溫度而導致顯著地下降，無熱雙合透鏡700在-45℃至105℃的溫度範圍內具有優異的效能表明了：例如經由發散透鏡元件120的大熱光係數可促進無熱雙合透鏡100的無熱化特性。
示例2
圖12顯示出具有彼此耦合的匯聚凹凸透鏡元件1210和發散凹凸透鏡元件1220的一示例性無熱雙合透鏡1200。無熱雙合透鏡1200是無熱雙合透鏡500的一實施例。匯聚凹凸透鏡元件1210和發散凹凸透鏡元件1220分別是匯聚凹凸透鏡元件510和發散凹凸透鏡元件520的實施例。無熱雙合透鏡1200配置成透過較靠近場景的匯聚凹凸透鏡元件1210和較靠近像平面1250的發散凹凸透鏡元件1220將場景成像到像平面1250上。如圖13以及圖14A至圖14C中的資料所表明(見以下討論)，無熱雙合透鏡1200在從-45℃至105℃的溫度範圍內具有優異的無熱化效能。
無熱雙合透鏡1200的EFFL是5.255mm。匯聚凹凸透鏡元件1210的EFFL是1.93mm，且發散凹凸透鏡元件1220的EFFL是-2.41mm。因此，發散凹凸透鏡元件1220的功率的大小係小於匯聚凹凸透鏡元件1210的功 率的大小，使得無熱雙合透鏡1200為匯聚透鏡。無熱雙合透鏡1200具有由視場角度1272表示的視場(FOV)並且形成具有直徑1274的像圈。從FOV的一個極端至FOV的位於無熱雙合透鏡1200的光軸1270的相對側上的另一極端測量而得的視場角度1272為18°。直徑1274是1.84mm。無熱雙合透鏡1200進一步由有效f數值f/4.2表示。
表2A和表2B列出無熱雙合透鏡1200的透鏡資料。透鏡資料包括以下元件的設計參數的值：匯聚凹凸透鏡元件1210、發散凹凸透鏡元件1220、匯聚凹凸透鏡元件1210的背對像平面1250的凸面1212、匯聚凹凸透鏡元件1210與發散凹凸透鏡元件1220之間的介面1224、以及發散凹凸透鏡元件1220的面對像平面1250的凹面1222。凹面1222構成無熱雙合透鏡1200的孔徑光闌。透鏡資料還包括保護玻璃(CG)1240和保護玻璃1240與像平面(IMA)1250之間的間隔的配置。保護玻璃1240例如是影像感測器170的保護玻璃。表2A還列出假定的物體(OBJ)位置。
匯聚凹凸透鏡元件1210具有100ppm/K的熱光係數，而發散凹凸透鏡元件1220具有230ppm/K的熱光係數。因此，發散凹凸透鏡元件1220的熱光係數大大超過匯聚凹凸透鏡元件1210的熱光係數。
在表2A中，在相同列中表示出了匯聚凹凸透鏡元件1210、發散凹凸透鏡元件1220和保護玻璃1240中的每一者的材料特性和厚度，其中從場景的角度觀看的各個元件的第一個表面用來定義對應的元件。表2A中示出的材料特性是(a)在20℃的溫度下，夫朗和斐D線λD=589.3nm處的折射率nD、(b)阿貝數，以及(c)熱光係數。
表2B列出凸面1212和凹面1222中的每一者的非球面係數。
圖13顯示出透過無熱雙合透鏡1200形成在像平面1250上的點的均方根(RMS)半徑，其透過Zemax®光學設計程式根據與光軸1270的距離(「場」)的函數評估出。圖13針對三種不同的溫度：-45℃(資料集1310)、20℃(資料集1320)和105℃(資料集1330)顯示出該資料。每個資料集1310、1320和1330表示在420nm、475nm、520nm、570nm、600nm和640nm的波長上求平均而得出的RMS半徑。類似於無熱雙合透鏡700(見圖8)的RMS半徑的情況，資料集1310、1320和1330說明了無熱雙合透鏡1200在-45℃至105℃的溫度範圍內具有優異的效能，而僅具有非常小的由溫度引起的變化。
圖14A至圖14C顯示出根據與光軸1270的距離(「場」)的、無熱雙合透鏡1200的光學傳遞函數(MTF)的模數，其透過Zemax®光學設計程式評估出。圖14A顯示出-45℃下的MTF。資料集1410、1430和1450表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集1420、1440和1460表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集1410、1420、1430、1440、1450和1460表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖14B顯示出20℃下的MTF。資料集1412、1432和1452表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集1422、1442和1462表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集1412、1422、1432、1442、1452和1462表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖14C顯示出105℃下的MTF。資料集1414、1434和1454表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集1424、1444和1464表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集1414、1424、1434、1444、1454和1464表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。
圖14A至圖14C提供了無熱雙合透鏡1200在-45℃至105℃的溫度範圍下具有優異效能而僅具有非常小的由溫度引起的變化的附加證據。由溫度引起的全部變化小於10%。
圖15顯示出具有與無熱雙合透鏡1200的形狀相同的形狀的單透鏡1500。單透鏡1500整體由相同的材料構成，也就是匯聚凹凸透鏡元件1210的材料，因此單透鏡1500缺乏無熱雙合透鏡1200的無熱特性。
圖16A和圖16B顯示出根據與光軸1270的距離(「場」)的、單透鏡1500的光學傳遞函數(MTF)的模數，其透過Zemax®光學設計程式評估出。如圖15所示，圖16A和圖16B中的資料在假定與用於評估圖13以及圖14A至圖14C中的無熱雙合透鏡1200的效能的光學系統相同的光學系統中實 施單透鏡1500的情況下獲得。
圖16A顯示出-45℃下的MTF。資料集1610、1630和1650表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集1620、1640和1660表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集1610、1620、1630、1640、1650和1660表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖16B顯示出105℃下的MTF。資料集1614、1634和1654表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集1624、1644和1664表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集1614、1624、1634、1644、1654和1664表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。從圖16A和圖16B中明顯看出，單透鏡1500的效能在極端溫度下惡化。
相比於單透鏡1500的效能因溫度而導致顯著地下降，無熱雙合透鏡1200在-45℃至105℃溫度範圍內的優異效能，是透過發散透鏡元件120的大熱光係數可促進無熱雙合透鏡100的無熱化特性的另一示例性證明。
示例3
圖17顯示出包括具有雙凸透鏡元件1710和雙凹透鏡元件1720的無熱雙合透鏡1700的一個示例性無熱透鏡系統1701。無熱透鏡系統1701還包括鷗翼形透鏡1730。無熱透鏡系統1701是無熱透鏡系統301的一實施例，且無熱雙合透鏡1700是無熱雙合透鏡400的一實施例。雙凸透鏡元件1710和雙凹透鏡元件1720分別是雙凸透鏡元件410和雙凹透鏡元件420的實施例。鷗翼形透鏡1730是透鏡330的一實施例。無熱透鏡系統1701配置成透過較靠近場景的雙凸透鏡元件1710和較靠近像平面1750的雙凹透鏡元件1720將場景成像到像平面1750上。如圖18以及圖19A至圖19C中的資料所表明(見以下討論)，無熱透鏡系統1701在-45℃至105℃的溫度範圍內具有良好的無熱特性。
無熱透鏡系統1701的EFFL是1.598mm。雙凸透鏡元件1710的EFFL是1.299mm，且雙凹透鏡元件1720的EFFL是-2.676mm。因此，雙凹透鏡元件1720的功率的大小係小於雙凸透鏡元件1710的功率的大小，使得無熱雙合透鏡1700為匯聚透鏡。無熱透鏡系統1701具有由視場角度1772表示的視場(FOV)並且形成具有直徑1774的像圈。從FOV的一個極端至FOV的位於無熱透鏡系統1701的光軸1770的相對側上的另一極端測量而得的視場角度1772為64°。直徑1774是2.18mm。無熱透鏡系統1701進一步由有效f數值f/2.8表示。
表3A和表3B列出無熱透鏡系統1701的透鏡資料。透鏡資料包括以下元件的設計參數的值：雙凸透鏡元件1710、雙凹透鏡元件1720、鷗翼形透鏡1730、雙凸透鏡元件1710的背對像平面1750的凸面1712、雙凸透鏡元件1710與雙凹透鏡元件1720之間的介面1724、雙凹透鏡元件1720的面對像平面1750的凹面1722、鷗翼形透鏡1730的背對像平面1750的表面1732，以及鷗翼形透鏡1730的面對像平面1750的表面1734。凸面1712構成無熱透鏡系統1701的孔徑光闌。透鏡資料還包括保護玻璃(CG)1740和保護玻璃1740與像平面(IMA)1750之間的間隔的配置。保護玻璃1740例如是影像感測器170的保護玻璃。表3A還列出假定的物體(OBJ)位置。
雙凸透鏡元件1710具有100ppm/K的熱光係數，而雙凹透鏡元件1720具有230ppm/K的熱光係數。因此，雙凹透鏡元件1720的熱光係數大大超過雙凸透鏡元件1710的熱光係數。
在表3A中，在相同列中表示出了雙凸透鏡元件1710、雙凹透鏡元件1720、鷗翼形透鏡1730和保護玻璃1740中的每一者的材料特性和厚度，其中從場景的角度觀看的各個元件的第一個表面用來定義對應的元件。表3A中示出的材料特性是(a)在20℃的溫度下，夫朗和斐D線λD=589.3nm處的折射率nD、(b)雙凸透鏡元件1710和雙凹透鏡元件1720各自的阿貝數，以及(c)雙凸透鏡元件1710、雙凹透鏡元件1720各自的熱光係數。
表3B列出凸面1712、凹面1722、表面1732和表面1734中的每一者的非球面係數。
圖18顯示出透過無熱透鏡系統1701形成在像平面1750上的點 的均方根(RMS)半徑，其透過Zemax®光學設計程式根據與光軸1770的距離(「場」)評估出。圖18針對三種不同的溫度：-45℃(資料集1810)、20℃(資料集1820)和105℃(資料集1830)顯示出該資料。每個資料集1810、1820和1830表示在420nm、475nm、520nm、570nm、600nm和640nm的波長上求平均而得出的RMS半徑。資料集1810、1820和1830說明了無熱透鏡系統1701在-45℃至105℃溫度範圍內具有良好的效能，而僅具有非常小的由溫度引起的變化。
圖19A至圖19C顯示出根據與光軸1770的距離(「場」)的、無熱透鏡系統1701的光學傳遞函數(MTF)的模數，其透過Zemax®光學設計程式評估出。圖19A顯示出-45℃下的MTF。資料集1910、1930和1950表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集1920、1940和1960表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集1910、1920、1930、1940、1950和1960表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖19B顯示出20℃下的MTF。資料集1912、1932和1952表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集1922、1942和1962表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集1912、1922、1932、1942、1952和1962表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖19C顯示出105℃下的MTF。資料集1914、1934和1954表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集1924、1944和1964表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集1914、1924、1934、1944、1954和1964表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。
圖19A至圖19C提供了無熱透鏡系統1701在-45℃至105℃的溫度範圍下具有良好效能而僅具有非常小的由溫度引起的變化的附加證據。由溫度引起的全部變化小於10%。
圖20顯示出與無熱透鏡系統1701相似的透鏡系統2001，區別在於，將無熱雙合透鏡1700替換為具有與無熱雙合透鏡1700的形狀相同的形狀的單透鏡2000。單透鏡2000整體由相同的材料構成，也就是雙凸透鏡元件1710的材料，因此單透鏡2000和透鏡系統2001缺乏無熱雙合透鏡1700和無熱透鏡系統1701的無熱特性。
圖21A和圖21B顯示出根據與光軸1770的距離(「場」)的透鏡系統2001的光學傳遞函數(MTF)的模數，其透過Zemax®光學設計程式評估出。如圖20所示，圖21A和圖21B中的資料在假定與用於評估圖18以及圖19A至圖19C中的無熱透鏡系統1701的效能的光學系統相同的光學系統中實施透鏡系統2001的情況下獲得。
圖21A顯示出-45℃下的MTF。資料集2110、2130和2150表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集2120、2140和2160表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集2110、2120、2130、2140、2150和2160表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖21B顯示出105℃下的MTF。資料集2114、2134和2154表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集2124、2144和2164表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集2114、2124、2134、2144、2154和2164表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。從圖21A和圖21B中明顯看出，透鏡系統2001的效能在極端溫度下惡化。
相比於透鏡系統2001(基於單透鏡2000)的效能因溫度而導致顯著地下降，無熱透鏡系統1701(基於無熱雙合透鏡1700)在-45℃至105℃溫度範圍內的優異性能，是透過發散透鏡元件120的大熱光係數可改善無熱雙合透鏡100的無熱化特性的另一示例性證明。
示例4
圖22顯示出包括具有雙凸透鏡元件2210和雙凹透鏡元件2220的無熱雙合透鏡2200的一個示例性的無熱透鏡系統2201。無熱透鏡系統2201還包括發散凹凸透鏡2230和鷗翼形透鏡2260。無熱透鏡系統2201是無熱透鏡系統301的一實施例，且無熱雙合透鏡2200是無熱雙合透鏡400的一實施例。雙凸透鏡元件2210和雙凹透鏡元件2220分別是雙凸透鏡元件410和雙凹透鏡元件420的實施例。發散凹凸透鏡2230和鷗翼形透鏡2260之每一者是透鏡330的實施例。無熱透鏡系統2201配置成透過較靠近場景的雙凸透鏡元件2210和較靠近像平面2250的雙凹透鏡元件2220將場景成像到像平面2250上。如圖23以及圖24A至圖24C中的資料所表明(見以下討論)，無熱透鏡系統2201在-45℃至105℃的溫度範圍內具有良好的無熱效能。
無熱透鏡系統2201的EFFL是2.143mm。雙凸透鏡元件2210的EFFL是1.98mm，且雙凹透鏡元件2220的EFFL是-5.913mm。因此，雙凹透鏡元件2220的功率的大小係小於雙凸透鏡元件2210的功率的大小，使得無熱雙合透鏡2200為匯聚透鏡。無熱透鏡系統2201具有由視場角度2272表示的視場(FOV)並且形成具有直徑2274的像圈。從FOV的一個極端至FOV的位於無熱透鏡系統2201的光軸2270的相對側上的另一極端測量而得的視場角度2272為68°。直徑2274是3.24mm。無熱透鏡系統2201進一步由有效f數值f/2.6表示。
表4A和表4B列出無熱透鏡系統2201的透鏡資料。透鏡資料包括以下元件的設計參數的值：雙凸透鏡元件2210、雙凹透鏡元件2220、發散凹凸透鏡2230、鷗翼形透鏡2260、雙凸透鏡元件2210的背對像平面2250的凸面2212、雙凸透鏡元件2210與雙凹透鏡元件2220之間的介面2224、雙凹透鏡元件2220的面對像平面2250的凹面2222、發散凹凸透鏡2230的背對像平面1750的表面2232、發散凹凸透鏡2230的面對像平面2250的表面2234、鷗翼形透鏡2260的背對像平面1750的表面2262、以及鷗翼形透鏡2260的面對像平面2250的表面2264。凸面2212構成無熱透鏡系統2201的孔徑光闌。透鏡資料還包括保護玻璃(CG)2240和保護玻璃2240與像平面(IMA)2250之間的間隔的配置。保護玻璃2240例如是影像感測器170的保護玻 璃。表4A還列出假定的物體(OBJ)位置。
雙凸透鏡元件2210具有100ppm/K的熱光係數，而雙凹透鏡元件2220具有230ppm/K的熱光係數。因此，雙凹透鏡元件2220的熱光係數大大超過雙凸透鏡元件2210的熱光係數。
在表4A中，在相同列中表示出了雙凸透鏡元件2210、雙凹透鏡元件2220、發散凹凸透鏡2230、鷗翼形透鏡2260和保護玻璃2240中的每一者的材料特性和厚度，其中從場景的角度觀看的各個元件的第一個表面用來定義對應的元件。表4A中表示出的材料特性是(a)在20℃的溫度下，夫朗和斐D線λD=589.3nm處的折射率nD、(b)雙凸透鏡元件2210和雙凹透鏡元件2220各自的阿貝數，以及(c)雙凸透鏡元件2210和雙凹透鏡元件2220各自的熱光係數。
表4B列出凸面2212、凹面2222、表面2232、表面2234、表面2262和表面2264中的每一者的非球面係數。
圖23顯示出無熱透鏡系統2201形成在像平面2250上的點的均方根(RMS)半徑，其透過Zemax®光學設計程式根據與光軸2270的距離(「場」)評估出。圖23針對三種不同的溫度：-45℃(資料集2310)、20℃(資料集2320)和105℃(資料集2330)顯示出該資料。每個資料集2310、2320和2330表示在420nm、475nm、520nm、570nm、600nm和640nm的波長上求平均而得出的RMS半徑。資料集2310、2320和2330說明了無熱透鏡系統2201在-45℃至105℃溫度範圍內具有良好的效能，而僅僅具有非常小的由溫度引起的變化。
圖24A至圖24C顯示出根據與光軸2270的距離(「場」)的、無熱透鏡系統2201的光學傳遞函數(MTF)的模數，其透過Zemax®光學設計程式評估出。圖24A顯示出-45℃下的MTF。資料集2410、2430和2450表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資 料集2420、2440和2460表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集2410、2420、2430、2440、2450和2460表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖24B顯示出20℃下的MTF。資料集2412、2432和2452表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集2422、2442和2462表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集2412、2422、2432、2442、2452和2462表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。圖24C顯示出105℃下的MTF。資料集2414、2434和2454表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集2424、2444和2464表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集2414、2424、2434、2444、2454和2464表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。
圖24A至圖24C提供無熱透鏡系統2201在-45℃至105℃的溫度範圍下具有良好效能而僅具有非常小的由溫度引起的變化的附加證據。由溫度引起的全部變化小於10%。
圖25顯示出與無熱透鏡系統2201相似的透鏡系統2501，區別在於，將無熱雙合透鏡2200替換為具有與無熱雙合透鏡2200的形狀相同的形狀的單透鏡2500。單透鏡2500整體由相同的材料構成，也就是雙凸透鏡元件2210的材料，因此單透鏡2500和透鏡系統2501缺乏無熱雙合透鏡2200和透鏡系統2201的無熱特性。
圖26A和圖26B顯示出根據與光軸2270的距離(「場」)的、透鏡系統2501的光學傳遞函數(MTF)的模數，其透過Zemax®光學設計程式評估出。如圖25所示，圖26A和圖26B中的資料在假定與用於評估圖23以及圖24A至圖24C中的無熱透鏡系統2201的效能的光學系統相同的光學系統中實施透鏡系統2501的情況下獲得。
圖26A顯示出-45℃下的MTF。資料集2610、2630和2650表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集2620、2640和2660表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集2610、2620、2630、2640、2650和2660表示420nm至640nm波長範圍內的平均值。圖26B顯示出105℃下的MTF。資料集2614、2634和2654表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的矢狀射線。資料集2624、2644和2664表示71圈數每毫米、95圈數每毫米和142圈數每毫米的相應調製頻率下的切向射線。每個資料集2614、2624、2634、2644、2654和2664表示420nm至640nm的波長範圍內的平均值。從圖26A和圖26B中明顯看出，透鏡系統2501的效能在極端溫度下惡化。
相比於透鏡系統2501(基於單透鏡2500)的效能因溫度而導致顯著地下降，無熱透鏡系統2201(基於無熱雙合透鏡2200)在-45℃至105℃溫度範圍內的優異效能，是透過發散透鏡元件120的大熱光係數可改善無熱雙合透鏡100的無熱化特性的另一示例性證明。
製造方法
圖27顯示出用於製造無熱雙合透鏡100的一示例性方法2700。在某些實施方式中，方法2700還可用於製造無熱透鏡系統301或303和/或攝影機380或382。
在步驟2710中，方法2700使用被固化時具有負熱光係數的材料模製匯聚透鏡。在一實施例中，在步驟2710中使用的材料是聚合物。步驟2710可採用本領域中已知的模製技術，諸如透過熱、時間和/或紫外光暴露實現的射出成型和固化。在一示例中，步驟2710根據本文中所揭露的匯聚透鏡元件110的任一實施例模製匯聚透鏡元件110。選擇性地，步驟2710實施利用多腔模具以晶圓級模製匯聚透鏡的多個複製件的步驟2712。步驟2712可包括由紫外光可固化聚合物形成匯聚透鏡，以及將匯聚透鏡暴露至紫外光以使匯聚透鏡固化。在一實施例中，步驟2710包括形成諸如匯聚凹凸透鏡元件510或 匯聚凹凸透鏡元件512的匯聚凹凸透鏡的步驟2714。在另一實施例中，步驟2710包括形成諸如雙凸透鏡元件410或412的雙凸透鏡的步驟2716。
在步驟2720中，方法2700由如下一種材料模製發散透鏡，即，該材料在被固化時具有比在步驟2710中形成的匯聚透鏡的負熱光係數幅度更大的負熱光係數。在一實施例中，步驟2720中所使用的材料是聚合物。步驟2720可採用本領域中已知的模製技術，諸如透過熱、時間和/或紫外光暴露實現的射出成型和固化。在一示例中，步驟2720根據本文中所揭露的發散透鏡元件120的任一實施例模製發散透鏡元件120。選擇性地，步驟2720實施利用多腔模具以晶圓級模製發散透鏡的多個複製件的步驟2722。步驟2722可包括由紫外光可固化聚合物形成發散透鏡，以及將發散透鏡暴露至紫外光以使發散透鏡固化。在一實施例中，步驟2720包括形成諸如發散凹凸透鏡元件520或發散凹凸透鏡元件522的發散凹凸透鏡的步驟2724。在另一實施例中，步驟2720包括形成諸如雙凹透鏡元件420或422的雙凹透鏡的步驟2726。
步驟2730，將在步驟2710中形成的匯聚透鏡與在步驟2720中形成的發散透鏡接合在一起。步驟2730可使用本領域中已知的接合方法，其包括基於黏合劑的接合和不使用黏合劑的接合。在一示例中，步驟2730將匯聚透鏡元件110和發散透鏡元件120接合在一起以形成無熱雙合透鏡100。在步驟2730的一實施例中，在步驟2712中形成的匯聚透鏡的晶圓黏合至在步驟2722中形成的發散透鏡的晶圓。在一實施例中，步驟2730包括將匯聚透鏡的凹面接合至發散透鏡的凸面的步驟2732。在該實施例的一示例中，如圖5A和圖5B所示，步驟2732將匯聚凹凸透鏡元件510或512的凹面分別接合至發散凹凸透鏡元件520或522的凸面。在另一實施例中，步驟2730包括將匯聚透鏡的凸面接合至發散透鏡的凹面的步驟2734。在該實施例的一示例中，如圖4A和圖4B所示，步驟2734將雙凸透鏡元件410或412的凸面分別接合至雙凹透鏡元件420或422的凹面。
選擇性地，方法2700還包括將步驟2730中所形成的無熱雙合透鏡與一個或多個附加透鏡耦合以形成無熱透鏡系統的步驟2740。在步驟 2740的一示例中，無熱雙合透鏡300或302分別與一個或多個附加透鏡330耦合以形成無熱透鏡系統301或303。
方法2700還可包括將在步驟2730中形成的無熱雙合透鏡或在步驟2740中形成的無熱透鏡系統與影像感測器耦合以形成攝影機的步驟2750。在步驟2750的一示例中，無熱雙合透鏡300或302(或者，無熱透鏡系統301或303)耦合至影像感測器170以形成攝影機380或382。
雖然未在圖27中示出，但是方法2700的替代實施例可將步驟2720中的發散透鏡直接模製到步驟2710中的匯聚透鏡上，或者方法2700可將步驟2710中的匯聚透鏡直接模製到步驟2720中的發散透鏡上，以免除在步驟2730中對額外的接合程序的需要。該替代實施例可以以晶圓級執行並且包括步驟2712和2722。
特徵的組合
在不脫離本文的範圍的情況下，以上所描述的以及以下所要求保護的特徵可以以各種方式進行組合。例如，將理解者為，在本文中所描述的無熱雙合透鏡或相關系統或方法的多個觀點可合併或替換在本文中所描述的另一無熱雙合透鏡或相關系統或方法的多個特徵。以下示例示出如上所述的實施例的可能且非限制性的組合。顯然，在不背離本發明的精神和範圍的情況下，可對本文中的系統和方法進行許多其他的改變和修改。
(A1)無熱透鏡系統可包括匯聚透鏡元件和發散透鏡元件，匯聚透鏡元件具有負的第一熱光係數，發散透鏡元件具有負的幅度大於第一熱光係數的負的第二熱光係數，其中發散透鏡元件耦合至匯聚透鏡元件以形成匯聚無熱雙合透鏡。
(A2)在(A1)所表示的無熱透鏡系統中，匯聚透鏡元件和發散透鏡元件中的每一者可以是塑膠透鏡。
(A3)在(A1)和(A2)所表示的無熱透鏡系統中的任一者或兩者中，第一熱光係數的絕對值可以是至少50ppm/K。
(A4)在(A1)至(A3)所表示的無熱透鏡系統中的任一者中，第二熱光係數的絕對值可以是第一熱光係數的絕對值的至少兩倍。
(A5)在(A1)至(A4)所表示的無熱透鏡系統中的任一者中，第二熱光係數的絕對值可以是至少200ppm/K。
(A6)在(A1)至(A5)所表示的無熱透鏡系統中的任一者中，第一熱光係數可處於-75ppm/K和-125ppm/K之間的範圍內，且第二熱光係數可處於-200ppm/K和-250ppm/K之間的範圍內。
(A7)在(A1)至(A6)所表示的無熱透鏡系統中的任一者中，無熱雙合透鏡的特徵在於，在-45℃至105℃的溫度範圍內，光學傳遞函數的模數的由溫度引起的變化小於10%。
(A8)在(A1)至(A7)所表示的無熱透鏡系統中的任一者中，匯聚透鏡元件可以是凸面與場景相對的匯聚凹凸透鏡，且發散透鏡元件可以是凸面與場景相對的發散凹凸透鏡。
(A9)(A8)所表示的無熱透鏡系統可配置成透過較靠近場景的匯聚透鏡元件對場景進行成像。
(A10)在(A8)和(A9)所表示的無熱透鏡系統中的任一者或兩者中，匯聚透鏡元件可以是雙面凸的，發散透鏡元件可以是雙面凹的，且無熱透鏡系統還可包括與無熱雙合透鏡光學串聯且定位在無熱雙合透鏡與無熱透鏡系統的像平面之間的鷗翼形透鏡。
(A11)(A10)所表示的無熱透鏡系統還可包括與無熱雙合透鏡和 鷗翼形透鏡光學串聯且定位在無熱雙合透鏡與鷗翼形透鏡之間的發散凹凸透鏡。
(A12)在(A1)至(A7)所表示的無熱透鏡系統中的任一者中，發散透鏡元件可以是雙面凹的，且匯聚透鏡元件可以是雙面凸的。
(A13)(A12)所表示的無熱透鏡系統可配置成透過較靠近場景的發散透鏡元件對場景進行成像。
(B1)用於製造無熱雙合透鏡的方法可包括：(a)由被固化時具有負的第一熱光係數的第一聚合物模製匯聚透鏡；(b)由被固化時具有負的幅度大於第一熱光係數的負的第二熱光係數的第二材料模製發散透鏡；以及(c)將匯聚透鏡和發散透鏡接合在一起以形成無熱雙合透鏡。
(B2)(B1)所表示的方法可包括：在模製匯聚透鏡的步驟中，(i)將第一紫外光可固化聚合物沉積到第一晶圓上；並且(ii)將第一紫外光可固化聚合物暴露至紫外光以形成匯聚透鏡的多個複製件，以及在模製發散透鏡的步驟中，(i)將第二紫外光可固化聚合物沉積到第二晶圓上，並且(ii)將第二紫外光可固化聚合物暴露至紫外光以形成發散透鏡的多個複製件。
(B3)在(B1)和(B2)所表示的方法中的任一者或兩者中，接合的步驟可包括將匯聚透鏡的凹面接合至發散透鏡的凸面。
(B4)(B3)表示的方法可包括：在模製匯聚透鏡的步驟中形成匯聚凹凸透鏡，以及在模製發散透鏡的步驟中形成發散凹凸透鏡。
(B5)在(B1)和(B2)所表示的方法中的任一者或兩者中，接合的步驟可包括將匯聚透鏡的凸面接合至發散透鏡的凹面。
(B6)(B5)所表示的方法可包括：在模製匯聚透鏡的步驟中形成 雙凸透鏡，以及在模製發散透鏡的步驟中形成雙凹透鏡。
(B7)(B1)至(B6)所表示的方法中的任一者可包括：在模製匯聚透鏡的步驟中，由在被固化時熱光係數處於-75ppm/K至-125ppm/K的範圍內的材料模製匯聚透鏡。
(B8)(B1)至(B7)所表示的方法中的任一者可包括：在模製發散透鏡的步驟中，由在被固化時熱光係數處於-200ppm/K至-250ppm/K的範圍內的材料模製發散透鏡。
在不脫離本說明書範圍的情況下，可對上述系統和方法進行改變。因此，應注意者為，以上描述中所包含的以及圖式中所示的內容應被理解為說明性的，而非限制性的。隨附的申請專利範圍意欲涵蓋本文中描述的通用且具體的特徵，以及文義上可能被陳述為落入其中的本系統及方法的範圍之所有記載。

Claims (20)

  1. 一種無熱透鏡系統，包括：一匯聚透鏡元件，具有負的一第一熱光係數；以及一發散透鏡元件，具有負的幅度大於該第一熱光係數的負的一第二熱光係數，該發散透鏡元件耦合至該匯聚透鏡元件以形成一匯聚無熱雙合透鏡。
  2. 如請求項1所述之無熱透鏡系統，其中該匯聚透鏡元件和該發散透鏡元件中的每一者是塑膠透鏡。
  3. 如請求項1所述之無熱透鏡系統，其中該第一熱光係數的絕對值為至少50ppm/K。
  4. 如請求項3所述之無熱透鏡系統，其中該第二熱光係數的絕對值為該第一熱光係數的絕對值的至少兩倍。
  5. 如請求項4所述之無熱透鏡系統，其中該第二熱光係數的絕對值為至少200ppm/K。
  6. 如請求項1所述之無熱透鏡系統，其中該第一熱光係數處於-75ppm/K至-125ppm/K的範圍內，該第二熱光係數處於-200ppm/K至-250ppm/K的範圍內。
  7. 如請求項1所述之無熱透鏡系統，其中該無熱雙合透鏡的特點在於，在-45℃至105℃的溫度範圍內，光學傳遞函數的模數的由溫度引起的改變係小於10%。
  8. 如請求項1所述之無熱透鏡系統，其中該匯聚透鏡元件是凸面與一場景相對的一匯聚凹凸透鏡，該發散透鏡元件是凸面與該場景相對的一發散凹凸透鏡。
  9. 如請求項8所述之無熱透鏡系統，其中該無熱透鏡系統配置成透過較靠近該場景的該匯聚透鏡元件對該場景進行成像。
  10. 如請求項8所述之無熱透鏡系統，其中該匯聚透鏡元件是雙面凸的，該發散 透鏡元件是雙面凹的，以及該無熱透鏡系統還包括：一鷗翼形透鏡，該鷗翼形透鏡與該無熱雙合透鏡光學串聯，並且定位在該無熱雙合透鏡與該無熱透鏡系統的像平面之間。
  11. 如請求項10所述之無熱透鏡系統，還包括：一發散凹凸透鏡，該發散凹凸透鏡與該無熱雙合透鏡和該鷗翼形透鏡光學串聯，並且定位在該無熱雙合透鏡與該鷗翼形透鏡之間。
  12. 如請求項1所述之無熱透鏡系統，其中該發散透鏡元件是雙面凹的，該匯聚透鏡元件是雙面凸的。
  13. 如請求項12所述之無熱透鏡系統，其中該無熱透鏡系統配置成透過較靠近場景的該發散透鏡元件對該場景進行成像。
  14. 一種用於製造無熱雙合透鏡的方法，包括：由一第一聚合物模製匯聚透鏡，該第一聚合物在被固化時具有負的一第一熱光係數；由第二材料模製發散透鏡，該第二材料在被固化時具有負的幅度大於該第一熱光係數的負的一第二熱光係數；以及將該匯聚透鏡與該發散透鏡接合在一起以形成該無熱雙合透鏡。
  15. 如請求項14所述之方法，包括：在模製該匯聚透鏡的步驟中，(a)將一第一紫外光可固化聚合物沉積到一第一晶圓上，並且(b)將該第一紫外光可固化聚合物曝光至紫外光以形成該匯聚透鏡的複數個複製件；以及在模製該發散透鏡的步驟中，(a)將一第二紫外光可固化聚合物沉積到一第二晶圓上，並且(b)將該第二紫外光可固化聚合物曝光至紫外光以形成該發散透鏡的複數個複製件。
  16. 如請求項14所述之方法，其中該接合的步驟包括將該匯聚透鏡的凹面接合 至該發散透鏡的凸面。
  17. 如請求項16所述之方法，包括：在模製該匯聚透鏡的步驟中，形成一匯聚凹凸透鏡；以及在模製該發散透鏡的步驟中，形成一發散凹凸透鏡。
  18. 如請求項14所述之方法，其中該黏合的步驟包括將該匯聚透鏡的凸面黏合至該發散透鏡的凹面。
  19. 如請求項18所述之方法，還包括：在模製該匯聚透鏡的步驟中，形成一雙凸透鏡；以及在模製該發散透鏡的步驟中，形成一雙凹透鏡。
  20. 如請求項14所述之方法，包括：在模製該匯聚透鏡的步驟中，由在被固化時熱光係數處於-75ppm/K至-125ppm/K的範圍內的材料模製該匯聚透鏡；以及在模製該發散透鏡的步驟中，由在被固化時熱光係數處於-200ppm/K至-250ppm/K的範圍內的材料模製該發散透鏡。
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