專利名稱：紅外光學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在近紅外線至遠紅外線的波長域內使用的紅外光學系統(tǒng)。
背景技術：
關于上述紅外光學系統(tǒng)，公開了由硫化鋅(ZnS)形成的兩組兩片透鏡、三組三片透鏡的紅外透鏡系統(tǒng)(專利文獻1，圖51，圖65，圖79，圖93以及圖96)。現(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻1 參照日本特開2007-241032號公報

發(fā)明內容
技術問題然而，對于上述專利文獻1所述的紅外透鏡而言，由于形成透鏡表面形狀的曲面的極值在除透鏡中央以及透鏡外徑之外的范圍內也會形成，因此偏心差的范圍較窄，只有經(jīng)過非常精密的研磨加工才能制作出所述紅外透鏡。由于這個原因，容易產生透鏡的偏心， 從而會發(fā)生球面像差、畸變以及色差等。因此，對于現(xiàn)有的在3 5 μ m的中紅外線、8 12 μ m的遠紅外線波長域內使用的紅外成像系統(tǒng)中所使用的紅外透鏡而言，存在難以將其用于暴露在惡劣的環(huán)境下的特殊光學系統(tǒng)的問題。此外，在透鏡有效直徑外部(即，從透鏡有效直徑到透鏡邊緣的數(shù)mm左右的環(huán)狀 (圓環(huán)狀)范圍)存在極值的情況下，模具成型時的透鏡玻璃材料的變形也會殘留在透鏡內部，根據(jù)透鏡使用環(huán)境的不同可能會影響透鏡有效直徑的透鏡特性。此外，對上述現(xiàn)有紅外透鏡而言，需要進行如上所述的精密的研磨加工，從而存在增加其制造成本的問題，期望能夠使用低制造成本進行制造。此外，由于需要將用在紅外成像系統(tǒng)的紅外線相機緊湊地收納于諸如透鏡鏡筒等的機殼(Chassis)，因此需要縮短光學系統(tǒng)整體的長度，并且為了擴大能夠進行清晰攝影的范圍，需要延長焦距并提高光學系統(tǒng)的亮度。因此本發(fā)明的目的在于，對于用在紅外成像系統(tǒng)的紅外光學系統(tǒng)而言，能夠容易且廉價地制造即使在惡劣的條件下使用也能獲得良好圖像的紅外光學系統(tǒng)。此外，本發(fā)明的目的還在于提供這樣一種紅外光學系統(tǒng)，可通過縮短光學系統(tǒng)整體的長度使所述紅外光學系統(tǒng)緊湊地收納于諸如透鏡鏡筒等的機殼，且可通過延長焦距并提高光學系統(tǒng)的亮度來擴大所述紅外光學系統(tǒng)能夠進行清晰攝影的范圍。技術方案本發(fā)明涉及一種紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，具有從物側起依次具備第一透鏡及第二透鏡的兩組兩片的結構，所述第一透鏡是凸面朝向物側的凸非球面透鏡，所述第二透鏡是凸面朝向物側的凸彎月透鏡(convex meniscus lens)，將至少一個透鏡的物側面或像側面作為衍射光學元件面，且在包含透鏡有效直徑外部的透鏡面上不形成極值。
本發(fā)明涉及一種紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，具有從物側起依次具備第一透鏡及第二透鏡的兩組兩片的結構，所述第一透鏡是凸面朝向物側的凸非球面透鏡，所述第二透鏡是凸面朝向物側的凸彎月透鏡，將至少一個透鏡的物側面或像側面作為衍射光學元件面，用f表示整個系統(tǒng)的焦距，用π表示第一透鏡Ll的焦距，并滿足以下條件式，2. 0 < fl/fo本發(fā)明涉及一種紅外光學系統(tǒng)，其特征在于，具有從物側起依次具備第一透鏡及第二透鏡的兩組兩片的結構，所述第一透鏡是凸面朝向物側的凸非球面透鏡，所述第二透鏡是凸面朝向物側的凸彎月透鏡，將至少一個透鏡的物側面或像側面作為衍射光學元件面，并具有F/0. 95的口徑比。本發(fā)明具有如下特征，在上述的紅外光學系統(tǒng)中，所述第一透鏡和第二透鏡由硫系玻璃構成。本發(fā)明具有如下特征，在上述的紅外光學系統(tǒng)中具備圖像形成元件。根據(jù)本發(fā)明，對在1 2μπι近紅外線、3 5μπι中紅外線以及8 12μπι遠紅外線波長域內使用的紅外光學系統(tǒng)而言，能夠通過模具成型容易且廉價地制造出即使在惡劣的環(huán)境下也能獲得良好圖像的紅外光學系統(tǒng)。此外，通過縮短光學系統(tǒng)整體的長度，可使所述紅外光學系統(tǒng)緊湊地收納于諸如透鏡鏡筒等的機殼，并且通過延長焦距并提高光學系統(tǒng)的亮度，可擴大能夠進行清晰攝影的范圍。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的紅外光學系統(tǒng)的構成的示意圖。圖2示出的是根據(jù)實施例一的紅外光學系統(tǒng)的像差，其中，(a)是示出球面像差的曲線圖，(b)是示出像散的曲線圖，(c)是示出畸變的曲線圖。圖3是示出根據(jù)實施例一的紅外光學系統(tǒng)的頻率特性的曲線圖。圖4是示出根據(jù)實施例一的紅外光學系統(tǒng)的離焦(through-focus)特性的曲線圖。圖5是示出根據(jù)實施例一的紅外光學系統(tǒng)的由環(huán)境溫度引起的調制傳遞函數(shù) (MTF)的變化的曲線圖。圖6是示出根據(jù)實施例二的紅外光學系統(tǒng)的構成的示意圖。圖7示出根據(jù)實施例二的紅外光學系統(tǒng)的像差，其中，(a)是示出球面像差的曲線圖，(b)是示出像散的曲線圖，(c)是示出畸變的曲線圖。附圖符號說明10 紅外光學系統(tǒng)11 孔徑光闌I2:圖像拍攝元件13:檢測器窗Ll 第一透鏡L2 第二透鏡20 紅外光學系統(tǒng)
具體實施例方式下面，對根據(jù)實施方式的紅外光學系統(tǒng)進行說明。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的紅外光學系統(tǒng)的構成的示意圖。根據(jù)實施方式的紅外光學系統(tǒng)10具有從物側起依次由第一透鏡Ll、第二透鏡L2構成的兩組兩片的透鏡結構。此外，對紅外光學系統(tǒng)10而言，除在第一透鏡Ll和第二透鏡L2之間配置孔徑光闌(aperture stop) 11之外，還在像圈(image circle)處配置圖像拍攝元件12。第一透鏡Ll是凸面朝向物側的凸彎月透鏡，且可在1 2 μ m近紅外線、3 5 μ m 中紅外線以及8 12 μ m遠紅外線波長域內使用的紅外光學系統(tǒng)中使用，第一透鏡Ll使用具有大約2. 6的折射率的硫系玻璃作為玻璃材料并通過模具成型而形成。此外，通過將第一透鏡Ll的物側面(第一面)作為非球面，同時將像側面(第二面)作為衍射光學元件面 (DOE)來構成所述第一透鏡Li。此外，將第一透鏡Ll構成為這樣的透鏡，在透鏡的有效直徑內部及有效直徑外部不形成極值，所述極值是所述透鏡中的第一透鏡Ll的第一面和第二面的表面形狀的極值。由于在透鏡中央，光線相對于透鏡面而言是垂直入射的，不會產生像散，因此透鏡中央是不需要考慮的極值。也就是說，所述極值是從透鏡曲面的斷面看時的不包括透鏡中央的點的最大值或最小值。這里，硫系玻璃(硫化物玻璃)是以硫、硒以及碲等為主要成分的玻璃，由于其具備紅外線穿透性高的特征，從而成為主要用作紅外線透過材料的原材料。另外，除模具成型以外，也可通過切割硫系玻璃來成型。如在JIS B7095中關于有效直徑的測定方法的規(guī)定，透鏡的有效直徑指的是從光軸上的無限遠物點發(fā)出的通過透鏡的平行光束的直徑。透鏡有效直徑外部指的是從有效直徑到透鏡邊緣的數(shù)mm左右的環(huán)狀(圓環(huán)狀)的范圍。此外，第二透鏡L2是凸面朝向物側的凸彎月透鏡，其使用所述硫系玻璃作為玻璃材料并通過模具成型而形成。此外，將第二透鏡L2的物側面(第三面)作為非球面，并且將第二透鏡L2構造成為這樣的透鏡，在透鏡的有效直徑內部以及有效直徑外部不形成極值， 所述極值是所述透鏡中的第二透鏡L2的物側面(第三面)和像側面(第四面)的表面形狀的極值。對于根據(jù)本發(fā)明的紅外光學系統(tǒng)10而言，在透鏡有效直徑外部、透鏡有效直徑內部以及透鏡有效直徑上不形成極值，即，在透鏡面上不形成極值，所述極值是形成透鏡表面形狀的曲面的極值。然后，對根據(jù)本實施方式的紅外光學系統(tǒng)10而言，使第一透鏡Ll或第二透鏡L2 中的至少一個的面構成衍射光學元件面(DOE)。這里，對根據(jù)本實施例的紅外光學系統(tǒng)10的各個透鏡Li、L2而言，在進行去除偏心(除芯，或除心)作業(yè)時，利用拍攝元件CCD對邊緣沒有進行切割加工的透鏡進行拍攝來確認偏心狀態(tài)，或者，利用激光干涉儀對透鏡面進行激光照射來確認偏心狀態(tài)。通過上述去除偏心(除芯，或除心)加工，使得在有效直徑內部不形成透鏡的表面形狀的極值。圖像拍攝元件12可在1 2μπι近紅外線、3 5μπι中紅外線以及8 12 μ m遠紅外線波長域內進行拍攝，例如所述圖像拍攝元件12可以是電荷耦合(CCD)拍攝元件，并且配置由可使近紅外線、中紅外線及遠紅外線等透過的薄板形成的檢測器窗13。下面對紅外光學系統(tǒng)10的實施例一進行說明。根據(jù)實施例一的紅外光學系統(tǒng)10 具有如圖1所示的結構。此外，紅外光學系統(tǒng)10滿足下面的條件式，其中，f:整個系統(tǒng)的焦距，fl 第一透鏡Ll的焦距。2. 0 ^ fl/f...條件式此外，關于紅外光學系統(tǒng)10，將F值設為0. 95，將焦點f設為19. 7mm,同時，雖然波長范圍為1 2μπι近紅外線、3 5μπι中紅外線以及8 12μπι遠紅外線的波長范圍，但本發(fā)明將波長范圍設為7 μ m 14 μ m(中心波長9. 3 μ m)。這里，設置7 μ m 14 μ m的波長區(qū)域是為了擴大8 12 μ m的遠紅外線的普通波長范圍，從而可在寬范圍的遠紅外線波長區(qū)域內進行拍攝。此外，關于根據(jù)實施例一的紅外光學系統(tǒng)10，將視角設為水平視野20. 3° X垂直視野15. 3°、對角視野25. 2。，將水平視野標準設為f = 19. 7mm，將后焦距設為至少3. 5mm 以上，優(yōu)選設為8. Omm以上，以達到能放進注入濾波器等的光學元件的程度。對紅外光學系統(tǒng)10而言，如果將矩形的受光元件的中心所受的光量比設為100%，則將其周邊光量比 (即，中心以外的光量比)在對角視野上設為至少80%以上，優(yōu)選83%以上，從而可提高紅外光學系統(tǒng)的亮度。對于MTF (調制傳遞函數(shù))，在光軸上設為至少0. 60以上，優(yōu)選0. 70以上，在水平視野上設為至少0. 50以上，優(yōu)選0.61以上，從而可看清遠處較小的物體(其中， 空間頻率為201p/mm，R/T平均)。此外，紅外光學系統(tǒng)10的畸變在對角視野為士3%以內，而在實際設計的情況下為-1. 06%左右。此外，當環(huán)境溫度在_40°C +85°C時紅外光學系統(tǒng)10具備最佳光學特性。然后，第一透鏡的第一面是非球面，將其非球面系數(shù)最大設為16倍。此外，將第一透鏡Ll的第二面設為五環(huán)帶DOE (衍射元件)面。所述透鏡通常使用的鍺是稀有金屬的結晶材料，因此非常昂貴。此外，現(xiàn)有技術通過研磨和切割進行形狀加工。由于硫系玻璃是以鍺(其含量比前者低)、銻以及硒等為主要成分的玻璃材料，因此與上述結晶材料相比更廉價，并且可進行模具成型。此外，圖像拍攝元件12是橫7. 04mm、縱5.沘讓、對角線8. 8mm且320XM0 (四分之一視頻圖形陣列，QVGA)的元件。第一透鏡Ll的具體的透鏡數(shù)據(jù)如下所示。f = 19. 70mm，口徑比 F/0. 95，視角 2ω = 25°，合焦距離 Im ⑴fl = 41. 78mm2 < fl/f = 2. 120. 3 < BF/f = 0. 41其中，BF表示后焦距。表面號曲率半徑mm間隔mm破璃材料
117.086.30硫系破璃
217.529.95
312.902.70硫系破璃
名稱波長 7 Mm 8 μηι 10 μ m 12μιη 14μηι
疏系破璃折射率 2.6092 2.6068 2.6010 2.5938 2.5847下面的數(shù)學式定義了非球面等式，在下面示出表面號1、2、3、4的各自的非球面系數(shù)。數(shù)學式1
權利要求
1.一種紅外光學系統(tǒng)，其特征在于具有從物側起依次具備第一透鏡及第二透鏡的兩組兩片的結構， 所述第一透鏡是凸面朝向物側的凸非球面透鏡， 所述第二透鏡是凸面朝向物側的凸彎月透鏡， 將至少一個透鏡的物側面或像側面作為衍射光學元件面，且在包含透鏡有效直徑外部的所有透鏡面上不形成極值，所述極值是形成透鏡表面形狀的曲面的極值。
2.如權利要求1至權利要求2中的任一項所述的紅外光學系統(tǒng)，其特征在于用f表示整個系統(tǒng)的焦距，用Π表示第一透鏡Ll的焦距，并滿足2. 0 < fl/f的條件式。
3.如權利要求3所述的紅外光學系統(tǒng)，其特征在于具有F/0.95的口徑比。
4.一種紅外光學系統(tǒng)，其特征在于具有從物側起依次具備第一透鏡及第二透鏡的兩組兩片的結構， 所述第一透鏡是凸面朝向物側的凸非球面透鏡， 所述第二透鏡是凸面朝向物側的凸彎月透鏡， 將至少一個透鏡的物側面或像側面作為衍射光學元件面， 用f表示整個系統(tǒng)的焦距，用Π表示第一透鏡Ll的焦距，并滿足以下條件式， 2. 0 < fl/f。
5.一種紅外光學系統(tǒng)，其特征在于具有從物側起依次具備第一透鏡及第二透鏡的兩組兩片的結構， 所述第一透鏡是凸面朝向物側的凸非球面透鏡， 所述第二透鏡是凸面朝向物側的凸彎月透鏡， 將至少一個透鏡的物側面或像側面作為衍射光學元件面， 并具有F/0. 95的口徑比。
6.如權利要求1、權利要求5、權利要求6中的任一項所述的紅外光學系統(tǒng)，其特征在于所述第一透鏡和所述第二透鏡由硫系玻璃構成。
7.如權利要求1、權利要求5、權利要求6中的任一項所述的紅外光學系統(tǒng)，其特征在于所述紅外光學系統(tǒng)具備圖像形成元件。
8.如權利要求1、權利要求5、權利要求6中的任一項所述的紅外光學系統(tǒng)，其特征在于紅外光學系統(tǒng)的波長范圍是7 μ m 14 μ m。
9.如權利要求1、權利要求5、權利要求6中的任一項所述的紅外光學系統(tǒng)，其特征在于將視角設為水平視野20. 3° X垂直視野15. 3°、對角視野25. 2。，將水平視野標準設為f = 19. 7mm，將后焦距設為至少3. 5謹以上。
10.如權利要求1、權利要求5、權利要求6中的任一項所述的紅外光學系統(tǒng)，其特征在于將其周邊光量在對角視野上設為至少80%以上。
11.如權利要求1、權利要求5、權利要求6中的任一項所述的紅外光學系統(tǒng)，其特征在于在201p/mm的情況下，將MTF在光軸上設為至少0. 60以上，在水平視野上設為至少0. 50 以上。
12.如權利要求1、權利要求5、權利要求6中的任一項所述的紅外光學系統(tǒng)，其特征在于畸變在1.0%以內。
全文摘要
通過模具成型容易且廉價地制造并處理即使在惡劣的條件下使用也能獲得良好圖像的紅外光學系統(tǒng)。對在1～2μm近紅外線、3～5μm中紅外線以及8～12μm遠紅外線波長域內使用的紅外光學系統(tǒng)而言，具有從物側起依次具備第一透鏡L1及第二透鏡L2的兩組兩片的結構，所述第一透鏡L1是凸面朝向物側的凸非球面透鏡，所述第二透鏡L2是凸面朝向物側的凸彎月透鏡，將第一透鏡L1作為五環(huán)帶的衍射光學元件(DOE)面，并且使用硫系玻璃形成所述紅外光學系統(tǒng)，并且在包含透鏡有效直徑外部的透鏡面上不形成第一透鏡L1以及第二透鏡L2的表面形狀的極值。
文檔編號G02B13/18GK102466861SQ20111037227
公開日2012年5月23日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權日2010年11月10日
發(fā)明者中村均, 椿浩二, 田波康則 申請人:株式會社拓普康