红外线摄像镜头及红外线摄像机的制作方法

1.本发明涉及红外线摄像镜头及红外线摄像机。


背景技术：

2.利用远红外域、尤其是适合检测生物体的10μm级波长域的红外线来拍摄被摄体的红外线摄像机已被用于监控摄像头、防犯罪摄像头及车载夜视仪等。适用于这些红外线摄像机的红外线摄像镜头是已知的。
3.现有技术文献
4.专利文献1：国际公开公报wo2016/027786a1
5.专利文献2：日本国特开2011-128538号公报
6.专利文献3：日本国特开昭62-109014号公报


技术实现要素：

7.发明所要解决的问题
8.目前渴望一种适用于这样的远红外域且分辨率优越且可用作标准镜头的红外线摄像镜头。尤其渴望实现的红外线摄像镜头被要求具有能够适用于像素尺寸为波长级的图像传感器的优越分辨率。
9.本发明的一个方面着眼于上述课题，目的是实现一种红外线摄像镜头，其能够适用于像素尺寸为波长级的图像传感器，具有优越分辨率，能够用作标准镜头。
10.解决问题的技术方案
11.为解决上述课题，本发明的一个方面的红外线摄像镜头具备以下方案：该红外线摄像镜头具有多个透镜，所述多个透镜分别由波长10μm下的折射率为2.8～4.0的玻璃所构成，空间频率41.7cycles/mm的情况下，该红外线摄像镜头于波长范围7～14μm下的调制传递函数在像圈内满足0.17以上。
12.为解决上述课题，本发明的其他方面的红外线摄像镜头具备以下方案：该红外线摄像镜头具有多个透镜，所述多个透镜分别由波长10μm下的折射率为2.8～4.0的玻璃所构成，该红外线摄像镜头的像圈径是焦距的0.7～1.3倍。
13.发明效果
14.根据本发明的上述方面，能够实现一种红外线摄像镜头，其能够适用于像素尺寸为波长级的图像传感器，具有优越分辨率，能用作标准镜头。
附图说明
15.图1是本发明的实施方式的红外线摄像镜头的主要部分的结构截面图。
16.图2是本发明的实施方式的红外线摄像镜头的光路图。
17.图3是本发明的数值实施例1的红外线摄像镜头的球面像差、像散、畸变的像差图。
18.图4是本发明的数值实施例1的红外线摄像镜头的慧形像差的像差图。
19.图5是本发明的数值实施例1的红外线摄像镜头的、相对照度相对于像高的依赖性的曲线图。
20.图6是本发明的数值实施例1的红外线摄像镜头的、mtf相对于空间频率的依赖性的曲线图。
21.图7是本发明的数值实施例1的红外线摄像镜头的、mtf相对于焦点移动量的依赖性的曲线图。
22.图8是本发明的数值实施例2的红外线摄像镜头的光路图。
23.图9是本发明的数值实施例2的红外线摄像镜头的球面像差、像散、畸变的像差图。
24.图10是本发明的数值实施例2的红外线摄像镜头的慧形像差的像差图。
25.图11是本发明的数值实施例2的红外线摄像镜头的、相对照度相对于像高的依赖性的曲线图。
26.图12是本发明的数值实施例2的红外线摄像镜头的、mtf相对于空间频率的依赖性的曲线图。
27.图13是本发明的数值实施例2的红外线摄像镜头的、mtf相对于焦点移动量的依赖性的曲线图。
28.图14是本发明的数值实施例3的红外线摄像镜头的光路图。
29.图15是本发明的数值实施例3的红外线摄像镜头的球面像差、像散、畸变的像差图。
30.图16是本发明的数值实施例3的红外线摄像镜头的慧形像差的像差图。
31.图17是本发明的数值实施例3的红外线摄像镜头的、相对照度相对于像高的依赖性的曲线图。
32.图18是本发明的数值实施例3的红外线摄像镜头的、mtf相对于空间频率的依赖性的曲线图。
33.图19是本发明的数值实施例3的红外线摄像镜头的、mtf相对于焦点移动量的依赖性的曲线图。
具体实施方式
34.〔实施方式〕
35.＜红外线摄像镜头的概要＞
36.实施方式的红外线摄像镜头1是对应于远红外波长域且将被摄体的像成像在图像传感器等的像面s的透镜系统。图1示出红外线摄像镜头1的主要部分的结构，是沿光轴的截面图。图2是在红外线摄像镜头1的主要部分的截面图中将光路也一并示出的光路图。
37.红外线摄像镜头1从物体侧向像面s侧依次具有：第1透镜l1、第2透镜l2及第3透镜l3。聚焦时，第1透镜l1乃至第3透镜l3均沿光轴方向移动。
38.第1透镜l1、第2透镜l2、及第3透镜l3分别由波长10μm下的折射率为2.8～4.0的玻璃构成。更具体地，第1透镜l1、第2透镜l2、及第3透镜l3由波长10μm下的折射率为2.8～4.0的硫属化物玻璃构成。第1透镜l1、第2透镜l2、及第3透镜l3可以均由相同的玻璃材料构成。
39.如图1及图2所示，第3透镜l3与像面s之间设置着平行平板p。平行平板p是通过气密密封方式加载在像面s侧的光学窗口，其使用了硅、低氧硅或锗，其材质及厚度可根据要
采用哪种图像传感器来决定。
40.图1中如符号ap所示，第1透镜l1的靠物体侧的面(第1面)的有效径相当于红外线摄像镜头1的孔径光阑。第1透镜l1、第2透镜l2、第3透镜l3、及平行平板p的表面可设置抗反射(ar：anti-reflection)涂层。这种针对远红外域的抗反射涂层可采用适当的公知技术。
41.＜各透镜的玻璃材料＞
42.尤其是上述硫属化物玻璃，以摩尔％计，其可以含有碲(te)20～90％，其在波长10μm下的阿贝数可以为100以上。另外，本说明书中阿贝数的定义将记载于后述数值实施例。此外，上述硫属化物玻璃优选以摩尔％计含有锗(ge)0～50％或镓(ga)0～50％的至少任一者。
43.波长10μm下的折射率为2.8～4.0且在这样波长的远红外域具有较高折射率的硫属化物玻璃已由本技术人开发了(参考国际公开公报wo2020/105719a1)。作为本玻璃材料在波长10μm下的折射率，更具体而言实现了2.74～3.92的折射率范围。例如，波长10μm下的折射率优选2.74～3.92、2.8～3.8，尤其优选2.9～3.7。折射率过低，则焦距易过长。
44.另外，硫属化物玻璃的阿贝数(v10)优选100以上、120以上、150以上、180以上，尤其优选220以上。阿贝数(v10)的定义将后述。阿贝数过低，则色差易过大。另外，阿贝数的上限并无特别限定，但以实际观点看是350以下。
45.本玻璃材料至少在远红外域的波长7～14μm这一宽泛波长范围内均表现为极小的光吸收。尤其本玻璃材料尽管是硫属化物，却具有在波长超过10μm的区域也表现出光吸收小的特征。作为示出硫属化物玻璃相对于远红外域具有优越光透射性的指标，可以采用“红外吸收端波长”及“内部透射率”。
46.其中，红外吸收端波长是指波长8μm以上的远红外域内的吸收端波长，其定义如下：厚度2mm的材料对该波长所表现的光透射率为20％。另外，内部透射率是指材料内部的透射率，不包括材料表面的反射损失。作为构成第1透镜l1、第2透镜l2、及第3透镜的玻璃材料，硫属化物玻璃的红外吸收端波长为18μm以上。
47.因此该硫属化物玻璃还能够透射波长超过10μm的红外线，其至少在波长7～14μm全域均表现为良好的透射率。另外，厚度2mm时的该硫属化物玻璃对波长10μm所表现的内部透射率为90％以上。
48.此外，本玻璃材料是玻璃，因此可通过模压成型来成型出具有非球面的透镜。因此采用了本玻璃材料的透镜易于大量生产。优选地，玻璃材料的玻璃化转变温度为较低的200℃以下，从而更易模压成型。红外线摄像镜头1中，至少任一透镜为非球面透镜，从而抑制像差。
49.在不能采用非球面透镜时，用于抑制像差的红外线摄像镜头结构中透镜数量便需增加，从而重量会增加且会大型化。且这会导致成本高而不适合民用的摄像镜头。这里，本说明书中，非球面的意思包括衍射面。
50.另外，该硫属化物玻璃同样能够用来成型出具有衍射面等形状特别复杂的面的透镜。因此红外线摄像镜头1中，使用该硫属化物玻璃来将至少任一透镜的面用作衍射面，从而能够在波长7～14μm这一宽泛范围的全域内均较好地抑制像差。
51.被用作远红外域透射材料的硅(si)系、锗(ge)系、硫化锌(zns)系、硒化锌(znse)系等晶系材料不可能进行模压成型。因此，其难以大量生产具有复杂形状的非球面透镜。从
而难以通过这些晶系材料来实现民用的低成本非球面透镜。
52.＜关于像面的事项＞
53.红外线摄像镜头1的像面s中，像圈径φs与红外线摄像镜头1的焦距f为同等程度。即红外线摄像镜头1是标准镜头。更具体地，像圈径φs的范围为焦距f的0.7～1.3倍。即满足0.7≤φs/f≤1.3的关系式。或者，红外线摄像镜头1是否为标准镜头，也可以通过红外线摄像镜头1的半视角是否为21～36
°
来定义。
54.关于红外线摄像镜头1，在上述的像圈范围内，空间频率41.7cycles/mm的情况下的调制传递函数(mtf：modulation transfer function)是0.17(17％)以上。其中，之所以着眼于空间频率41.7cycles/mm的理由将后述。
55.随着远红外域的图像传感器的小型化发展，像素尺寸已达到波长级，这已接近微小极限。作为适用于波长约7～14μm的远红外域的图像传感器，市场上已出现像素尺寸12μm的图像传感器。而空间频率41.7cycles/mm相当于像素尺寸12μm图像传感器的奈奎斯特频率。
56.另外，像圈内的mtf为0.17以上，则表明像圈内整个区域都能够得到充分的分辨率。即，红外线摄像镜头1作为标准镜头能够用作：采用了面向约7～14μm波长域的小型化图像传感器的远红外线摄像机。
57.作为上述图像传感器，已开发了640
×
480像素(vga；video graphics array，视频图形阵列)或者640
×
512像素(vga+)的图像传感器。这些图像传感器的有效对角线长度是9.8mm左右。由此，红外线摄像镜头1的像圈径φs可以是相当于该有效对角线长度的9.8mm左右，或是9.8mm以上。因此，根据上述像圈径φs与焦距f之间的关系，红外线摄像镜头1的焦距f可在7.8～11.8mm的范围内。
58.本实施方式的红外线摄像镜头1具有多个透镜，所述多个透镜分别由波长10μm下的折射率为2.8～4.0的上述玻璃构成。由此，红外线摄像镜头1中，能够将多个透镜的至少任一者设为非球面透镜。
59.由此，能够实现一种现有技术未能实现的适用于波长7～14μm这一宽泛波长范围且f值小到1左右且分辨率优越的标准镜头。尤其在分辨率方面，能够实现一种在波长范围7～14μm且空间频率41.7cycles/mm的情况下于像圈内的mtf为0.17以上且具有非常优越特性的标准镜头。另外，能够实现一种透镜玻璃材料至少在7～14μm这一宽泛波长范围全域内均表现出很小光吸收的标准镜头。由此，能够实现f值为较小的1左右且明亮的摄像镜头。
60.此外本实施方式的红外线摄像镜头1中，在相当于上述奈奎斯特频率41.7cycles/mm之1/2的空间频率下，mtf能够为0.50以上。这意味着并不限在相当于上述奈奎斯特频率的空间频率下可得到良好的mtf，而是在空间频率0cycles/mm至上述奈奎斯特频率的全域内均得到良好的mtf。
61.此外，本实施方式的红外线摄像镜头1中，像面的相对照度在像圈内能够为40％以上。这表明很好地确保了周边光量。
62.＜各透镜的详细结构＞
63.此外，本实施方式的红外线摄像镜头1的各部分可如下详细方案。
64.第1透镜l1具有正的折射力，并且为凸面向着物体侧的弯月形状。第1透镜l1可以是非球面透镜。其可以是靠物体侧的面(第1面)为球面，靠像面s侧的面(第2面)为非球面。
65.如上所述，第1透镜l1的靠物体侧的面(第1面)的有效径作为红外线摄像镜头1的孔径光阑。这种情况下，也就意味着后级的透镜逐渐增大。结果是红外线摄像镜头1的外径及体积增大。因此，在将第1透镜l1形成为凸面向着物体侧的弯月形状的同时，可以对第1透镜l1的焦度进行如下限制。
66.第1透镜l1的焦距f1在红外线摄像镜头1的焦距f的1.0～2.9倍的范围内。即满足1.0≤f1/f≤2.9的关系式即可。
67.与将孔径光阑插入透镜之间的方案相比，如此设置能够将红外线摄像镜头1的外径及体积设计得更小。另外，将第1透镜l1的靠物体侧的面(第1面)的有效径作为红外线摄像镜头1的孔径光阑且满足本关系式，则周边光束的渐晕减轻，周边光量提高。
68.第2透镜l2具有正的折射力，并且为凸面向着像面s侧的弯月形状。第2透镜l2可以是非球面透镜，其可以是靠物体侧的面(第3面)为非球面，靠像面s侧的面(第4面)为衍射面。
69.第3透镜l3具有正的折射力，并且为凸面向着像面s侧的弯月形状。第3透镜l3可以是非球面透镜，其可以是靠物体侧的面(第5面)为球面，靠像面s侧的面(第6面)为非球面。
70.如上所述，红外线摄像镜头1可以具有第1透镜l1、第2透镜l2及第3透镜，第1透镜l1、第2透镜l2及第3透镜均具有正的折射率。其中，可将红外线摄像镜头1设计为最靠近像面侧的第3透镜l3的焦度最大。
71.这样，第2透镜l2及第3透镜l3均为凸面向着像面s侧的弯月形状，从而能够抑制佩茨瓦尔和(petzval sum)的增大，抑制像面弯曲，维持平面性。另外，尤其优选按照第3透镜l3、第1透镜l1、第2透镜l2的顺序，将它们的焦度强度降序设定。
72.将红外线摄像镜头1设计为最靠近像面侧的第3透镜l3的焦度最大并且第3透镜l3为凸面向着像面s侧的弯月形状，则能够减轻像散。
73.另外，如上所述，第1透镜l1、第2透镜l2及第3透镜的至少任一者可以为非球面透镜。由此，能够减轻红外线摄像镜头1的球面像差及像散。尤其优选第1透镜l1、第2透镜l2及第3透镜均为非球面透镜。
74.此外，优选第2透镜l2的靠像面s侧的面(第4面)或第3透镜l3的靠物体侧的面(第5面)为衍射面。由此，能够产生负的色散来降低倍率色差。
75.＜其他优选方式＞
76.本实施方式的红外线摄像镜头1中，为了使红外线摄像镜头1实现优越分辨率而足能适用于与约7～14μm波长同等程度的像素尺寸，优选f值在1.0～1.2的范围内。采用如此的f值范围，则能够实现可以适用于波长约7～14μm的红外域的明亮标准镜头。
77.本实施方式的红外线摄像镜头1中，优选第3透镜l3的焦距f3与红外线摄像镜头1的焦距f为同等程度。具体而言，焦距f3在焦距f的0.8～1.2倍的范围内即可。即满足0.8≤f3/f≤1.2的关系式即可。满足该关系式，则能在较广的像圈范围内均得到良好的分辨率。即，图像传感器作为一种能够适用于波长约7～14μm的红外域的图像传感器，实现了：在检测面较广且像素尺寸约为12μm且级别为640
×
480像素(vga)乃至640
×
512像素(vga+)的图像传感器的整个工作区域内，均能够得到良好的分辨率。
78.第3透镜l3的焦距f3与红外线摄像镜头1的焦距f为同等程度，这说明第1透镜l1及第2透镜l2对光学系总体焦距f的影响非常小。通过仅使第3透镜l3较大地控制焦距f，且使
第1透镜l1及第2透镜l2主要对除去像差作贡献，便可实现在较广检测面的整个面上均能够得到良好分辨率的红外线摄像镜头。
79.更优选地，第3透镜l3的焦距f3在红外线摄像镜头的焦距f的0.9～1.2倍的范围内。即，更优选以满足0.9≤f3/f≤1.2的关系式的方式，设置第1透镜l1、第2透镜l2及第3透镜l3。
80.此外，本实施方式的红外线摄像镜头1中，红外线摄像镜头的镜头全长l优选在红外线摄像镜头的焦距f的1.0～2.5倍的范围内。即满足1.0≤l/f≤2.5的关系式即可。其中，镜头全长是指：从最靠物体侧的透镜的、靠物体侧且处于有效径内的端部起，到像面s为止的沿着光轴的实际距离。
81.更优选地，红外线摄像镜头的镜头全长l在红外线摄像镜头的焦距f的1.1～2.3倍的范围内。即，更优选以满足1.1≤l/f≤2.3的关系式的方式，设置第1透镜l1、第2透镜l2及第3透镜l3。通过如此设置，能够实现小型的标准镜头。
82.由此，第3透镜l3的焦距f3与红外线摄像镜头1的焦距f为同等程度，并且镜头全长l不过度地大于焦距f。如此构成，从而能够实现像差特性、分辨率、周边光量等各特性优越且小型的作为标准镜头的红外线摄像镜头。
83.本实施方式的红外线摄像镜头1中，优选后焦距bf是红外线摄像镜头1的焦距f的0.5倍以上。即，满足0.5≤bf/f的关系式即可。更优选后焦距bf是红外线摄像镜头1的焦距f的0.65倍以上。即，更优选以满足0.65≤bf/f的关系式的方式，设置第1透镜l1、第2透镜l2及第3透镜l3。如此构成，从而能够确保充分的后焦距并且实现小型的标准镜头。
84.本实施方式的红外线摄像镜头1中，红外线摄像镜头的焦距具体优选在7～12mm的范围内。如此构成，从而能够实现像差特性、分辨率、周边光量等各特性优越并且能够广泛应用于民用的作为小型标准镜头的红外线摄像镜头。
85.另外，本实施方式的红外线摄像镜头1中，红外线摄像镜头的镜头全长具体优选为30mm以下。如此构成，从而能够实现像差特性、分辨率、周边光量等各特性优越并且能够广泛应用于民用的作为小型标准镜头的红外线摄像镜头。
86.＜红外线摄像机的构成＞
87.本发明的红外线摄像机具备：上述红外线摄像镜头1；以及图像传感器，其适用于至少包含7～14μm范围中任意波长的红外线域。图像传感器以其拍摄面与红外线摄像镜头1的像面s重合的方式设置。
88.图像传感器的像素尺寸为红外线波长级的7～14μm，则具有与红外线摄像镜头1的分辨率相配的性能，因此优选。尤其优选像素尺寸为9～12μm。图像传感器的对角线长度为7～11mm，则能够有效利用红外线摄像镜头1的像圈直径φs，因此优选。但对角线长度比这小的图像传感器当然也能用来构成本发明的红外线摄像机。
89.＜数值实施例1＞
90.以下说明红外线摄像镜头1的数值实施例。数值实施例1的红外线摄像镜头的截面图如图1所示。数值实施例1中，r是曲率半径，d是面彼此间在光轴上的距离，ed表示有效径(直径)。长度的单位是(mm)。面编号的数字后的＊(星号)表示该面为非球面。以下示出基本透镜数据、非球面数据、衍射面数据及各种数据。
91.〔表1〕
[0092][0093]
折射率及阿贝数v10的定义如下。
[0094]
n8：波长8μm下的折射率
[0095]
n10：波长10μm下的折射率
[0096]
n12：波长12μm下的折射率
[0097]
v10＝(n10－1)/(n8－n12)
[0098]
〔表2〕
[0099][0100]
非球面形状的定义如下。
[0101]
〔数学式1〕
[0102][0103]
h：距离光轴的高度
[0104]
r：顶点的曲率半径
[0105]
κ：圆锥常数
[0106]
an：n次的非曲面系数(n：偶数)
[0107]
z：从非球面上的与h对应的点到非球面的顶点切面为止的距离
[0108]
〔表3〕〔表3〕
[0109][0110]
衍射面的定义如下。
[0111]
〔数学式2〕
[0112]
φ＝p1×
h2+p2×
h4[0113]
〔数学式3〕
[0114][0115]
〔数学式4〕
[0116][0117]
φ：相位差函数
[0118]
p1、p2：相位系数
[0119]zdif
：光路函数
[0120]zdoe
：衍射面的凹陷量
[0121]
λ：设计中心波长(取10μm)
[0122]
〔表4〕
[0123][0124]
第1透镜l1、第2透镜l2、第3透镜l3采用了波长10μm下的折射率n10为3.465的硫属化物玻璃。平行平板p采用了硅(si)。第2透镜l2的靠像面s侧的面(第4面)是在球面上设置凹陷而形成的衍射面。凹陷的深度范围与0～设计中心波长λ的范围相应(见z
doe
的定义式)。后焦距6.95mm是实际距离。
[0125]
第1透镜l1的焦距f1是24.35mm。由此，其与红外线摄像镜头1的焦距f之间的比是f1/f＝2.7。第2透镜l2的焦距f2是37.87mm。第3透镜l3的焦距f3是9.96mm。由此，第3透镜l3的焦度最强，第1透镜l1的焦度其次强。
[0126]
像面s上的最大像高是4.92mm，因此像圈径φs是9.84mm。红外线摄像镜头1的像圈径φs与焦距f之间的比为φs/f＝1.09。即红外线摄像镜头1是标准镜头。另外，半视角是
29.8
°
，这处在能被称为标准镜头的21～36
°
的范围内。
[0127]
红外线摄像镜头1从第1面到像面的全长是20.9mm，光路上的最大有效径是14.8mm而较紧凑。另外，红外线摄像镜头1由3个透镜构成，能实现轻量化。各透镜可通过模压成型来制造，并且红外线摄像镜头1能以适用于民用的低成本来制造。
[0128]
数值实施例1的红外线摄像镜头1的各性能示于图3至图7。图3是红外线摄像镜头1的像差图。图3示出球面像差、像散、畸变。分别示出与7～14μm范围内的各波长相对应的曲线图。图4是将从0mm到最大像高4.92mm的各像高y时的慧形像差按照子午(meridional)方向及弧矢(radial)方向分别示出的像差图。如图3及图4所示，数值实施例1的红外线摄像镜头1中，在7～14μm的宽泛波长域全体上，各像差均得到了良好校正。
[0129]
图5是示出数值实施例1的红外线摄像镜头1的、与像高y相对应的相对照度的曲线图。这里的相对照度是指：像面s中的某处相对于光轴处(像面中央处)的照度比。如图5所示，即使在4.92mm的最大像高处，相对照度也达0.68，能够得到充足的周边光量。
[0130]
采用640
×
512像素(vga+)且有效对角线长度9.84mm的图像传感器时，拍摄面左右两半的中央处的相应像高y是3.84mm，这里的相对照度是0.80。另外，这种情况下，拍摄面上下两半的中央处的相应像高y是3.07mm，这里的相对照度是0.87。
[0131]
图6是示出波长范围7～14μm下的mtf相对于空间频率的依赖性的曲线图。如上所述，像素尺寸12μm的图像传感器的奈奎斯特频率fn是41.7cycles/mm，这在图6中示出。另外，其半值fn/2(20.85cycles/mm)也在图中示出。
[0132]
空间频率41.7cycles/mm时，各像高y的相应mtf确保为0.24以上，这充分超过0.17。此时，在像高y为0mm之处，即在像中央处，mtf为0.43而分辨率良好。另外，空间频率20.85cycles/mm时，各像高y的相应mtf确保为0.56以上，这充分超过0.50。数值实施例1的红外线摄像镜头1中，在像圈内的整个面上，均得到了足能适用于像素尺寸小到波长级的图像传感器的良好分辨率。
[0133]
图7是示出波长范围7～14μm下的mtf相对于焦点移动量而变化的曲线图。如上所述，数值实施例1的红外线摄像镜头1能够适用于7～14μm的波长范围，具有足能适用于像素尺寸约12μm的图像传感器的良好分辨率。此外，数值实施例1的红外线摄像镜头1的f值是1.0，从而明亮且小型。通过本实施方式，能够实现以往没有的小型且特性优越的红外线摄像镜头。
[0134]
数值实施例1中，第3透镜l3的焦距f3与红外线摄像镜头的焦距f之间的比是f3/f＝1.1。如此，第3透镜l3的焦距f3与红外线摄像镜头的焦距f为同等程度。
[0135]
数值实施例1中，红外线摄像镜头的镜头全长l与红外线摄像镜头的焦距f之间的比是l/f＝2.3，镜头全长l并不过度地大于焦距f。
[0136]
数值实施例1中，后焦距bf与红外线摄像镜头的焦距f之间的比是bf/f＝0.77，确保了充分的后焦距。
[0137]
＜数值实施例2＞
[0138]
以下说明红外线摄像镜头的其他数值实施例。另外，为便于说明，对于与上述实施例中说明了的部件具有相同功能的部件赋予相同符号并不再重复说明。数值实施例2的红外线摄像镜头2的截面在图8的光路图中示出。
[0139]
数值实施例2的红外线摄像镜头2优化为将7.5～13.5μm波长范围的红外线良好成
像且f值为1.0的摄像镜头。设计中心波长是10μm。以下示出基本透镜数据、非球面数据、衍射面数据及各种数据。
[0140]
〔表5〕
[0141][0142]
〔表6〕
[0143][0144]
〔表7〕
[0145][0146]
〔表8〕
[0147]
[0148]
第1透镜l1、第2透镜l2、第3透镜l3采用了波长10μm下的折射率n10为3.465的硫属化物玻璃。平行平板p采用了硅(si)。第3透镜l3的靠物体侧的面(第5面)是在球面上设置凹陷而形成的衍射面。凹陷的深度范围与0至设计中心波长的范围相应(见z
doe
的定义式)。后焦距6.98mm是实际距离。
[0149]
第1透镜l1的焦距f1是24.60mm。由此，其与红外线摄像镜头2的焦距f之间的比是f1/f＝2.7。第2透镜l2的焦距f2是39.15mm。第3透镜l3的焦距f3是9.88mm。由此，第3透镜l3的焦度最强，第1透镜l1的焦度次强。第3透镜l3的焦距f3与红外线摄像镜头的焦距f之间的比是f3/f＝1.1。第3透镜l3的焦距f3与红外线摄像镜头的焦距f为同等程度。
[0150]
像面s上的最大像高是4.92mm，因此，像圈径φs是9.84mm。红外线摄像镜头2的像圈径φs与焦距f之间的比是φs/f＝1.09。即红外线摄像镜头2是标准镜头。另外，半视角是29.9
°
，这处在能被称为标准镜头的21～36
°
的范围内。
[0151]
红外线摄像镜头2从第1面到像面的镜头全长l是20.6mm，光路上最大有效径是14.5mm而较紧凑。红外线摄像镜头的镜头全长l与红外线摄像镜头的焦距f之间的比是l/f＝2.3，镜头全长l并不过度地大于焦距f。
[0152]
另外，红外线摄像镜头2由3个透镜构成，能实现轻量化。各透镜可通过模压成型来制造，并且红外线摄像镜头2能以适用于民用的低成本来制造。
[0153]
数值实施例2中，后焦距bf与红外线摄像镜头的焦距f之间的比是bf/f＝0.77，确保了充分的后焦距。
[0154]
数值实施例2的红外线摄像镜头2的各性能示于图9至图13。图9是红外线摄像镜头2的像差图。图9示出球面像差、像散、畸变。分别示出与7.5～13.5μm范围内的各波长相对应的曲线图。图10是将从0mm到最大像高4.92mm的各像高y时的慧形像差按照子午(meridional)方向及弧矢(radial)方向分别示出的像差图。如图9及图10所示，数值实施例2的红外线摄像镜头2中，在7.5～13.5μm的宽泛波长域全体中，各像差均得到了良好校正。
[0155]
图11是示出数值实施例2的红外线摄像镜头2的、与像高y对应的相对照度的曲线图。如图11所示，即使在4.92mm的最大像高处，相对照度也达0.69，能够得到充足的周边光量。
[0156]
采用640
×
512像素(vga+)且有效对角线长度9.84mm的图像传感器时，拍摄面左右两半的中央处的相应像高y是3.84mm，这里的相对照度是0.81。另外，这种情况下，拍摄面上下两半的中央处的相应像高y是3.07mm，这里的相对照度是0.87。
[0157]
图12是示出波长范围7.5～13.5μm下的mtf相对于空间频率的依赖性的曲线图。在相当于像素尺寸12μm的空间频率41.7cycles/mm的情况下，各像高y的相应mtf以子午方向与弧矢方向的单纯平均计，确保为0.30以上，这充分超过0.17。此时，在像高y为0mm之处，即在像中央处，mtf为0.45而分辨率良好。
[0158]
另外，空间频率20.85cycles/mm时，各像高y的相应mtf以子午方向与弧矢方向的单纯平均计，确保为0.60以上，这充分超过0.50。数值实施例2的红外线摄像镜头2中，在像圈内的整个面上，均得到了足能适用于像素尺寸小到波长级的图像传感器的良好分辨率。
[0159]
图13是示出波长范围7.5～13.5μm下的mtf相对于焦点移动量而变化的曲线图。如上所述，数值实施例2的红外线摄像镜头2能够适用于7.5～13.5μm的波长范围，具有足能适用于像素尺寸约12μm的图像传感器的良好分辨率。此外，数值实施例2的红外线摄像镜头2
的f值是1.0，从而明亮且小型。通过数值实施例2，能够实现以往没有的小型且特性优越的红外线摄像镜头。
[0160]
＜数值实施例3＞
[0161]
数值实施例3的红外线摄像镜头3的截面在图14的光路图中示出。数值实施例3的红外线摄像镜头3优化成将7～14μm波长范围的红外线良好成像且f值为1.2的摄像镜头。设计中心波长是10μm。以下示出基本透镜数据、非球面数据、衍射面数据及各种数据。
[0162]
〔表9〕
[0163][0164]
〔表10〕
[0165][0166]
〔表11〕
[0167][0168]
〔表12〕
[0169][0170]
第1透镜l1、第2透镜l2、第3透镜l3采用了波长10μm下的折射率n10为3.465的硫属化物玻璃。平行平板p采用了硅(si)。第3透镜l3的物体侧的面(第5面)是球面上设置了凹陷而形成的衍射面。凹陷的深度范围与0至设计中心波长的范围相应(见z
doe
的定义式)。后焦距7.08mm是实际距离。
[0171]
第1透镜l1的焦距f1是24.16mm。由此，其与红外线摄像镜头3的焦距f之间的比是f1/f＝2.7。第2透镜l2的焦距f2是44.44mm。第3透镜l3的焦距f3是9.77mm。由此，第3透镜l3的焦度最强，第1透镜l1的焦度次强。第3透镜l3的焦距f3与红外线摄像镜头3的焦距f之间的比是f3/f＝1.1。
[0172]
像面s的最大像高是4.92mm，因此像圈径φs是9.84mm。红外线摄像镜头3的像圈径φs与焦距f之间的比是φs/f＝1.09。即红外线摄像镜头3是标准镜头。另外，半视角是29.9
°
，这处于在能被称为标准镜头的21～36
°
的范围内。
[0173]
红外线摄像镜头3从第1面到像面s的镜头全长l是20.6mm，光路上最大有效径是14.5mm而较紧凑。红外线摄像镜头的镜头全长l与红外线摄像镜头的焦距f之间的比是l/f＝2.3，镜头全长l并不过度地大于焦距f。
[0174]
另外，红外线摄像镜头3由3个透镜构成，能实现轻量化。各透镜可通过模压成型来制造，并且红外线摄像镜头3能以适用于民用的低成本来制造。
[0175]
数值实施例3中，后焦距bf与红外线摄像镜头的焦距f之间的比是bf/f＝0.79，确保了充分的后焦距。
[0176]
数值实施例3的红外线摄像镜头3的各性能示于图15至图19。图15是红外线摄像镜头3的像差图。图15示出球面像差、像散、畸变。分别示出与7～14μm范围内的各波长相对应的曲线图。图16是将从0mm到最大像高4.92mm的各像高y时的慧形像差按照子午(meridional)方向及弧矢(radial)方向分别示出的像差图。如图15及图16所示，数值实施例3的红外线摄像镜头3中，在7～14μm的宽泛波长域全体上，各像差均得到了良好校正。
[0177]
图17是示出数值实施例3的红外线摄像镜头3的、与像高y对应的相对照度的曲线图。如图17所示，即使在4.92mm的最大像高处，相对照度也达0.68，能够得到充足的周边光量。
[0178]
采用640
×
512像素(vga+)且有效对角线长度9.84mm的图像传感器时，拍摄面左右两半的中央处的相应像高y是3.84mm，这里的相对照度是0.80。另外，这种情况下，拍摄面上下两半的中央处的相应像高y是3.07mm，这里的相对照度是0.87。
[0179]
图18是示出波长范围8～14μm下的mtf相对于空间频率的依赖性的曲线图。在相当于像素尺寸12μm的空间频率41.7cycles/mm的情况下，各像高y的相应mtf以子午方向与弧
矢方向的单纯平均计，确保为0.21以上，这充分超过0.17。此时，在像高y为0mm之处，即在像中央处，mtf为0.36而分辨率良好。
[0180]
另外，空间频率20.85cycles/mm时，各像高y的相应mtf以子午方向与弧矢方向的单纯平均计，确保为0.55以上，这充分超过0.50。数值实施例3的红外线摄像镜头3中，在像圈内的整个面上，均得到了足能适用于像素尺寸小到波长级的图像传感器且适用于f值1.2的红外摄像镜头的良好分辨率。
[0181]
图19是示出波长范围7～14μm下的mtf相对于焦点移动量而变化的曲线图。数值实施例3的红外线摄像镜头3的f值是1.2，这设计得大于数值实施例1的红外线摄像镜头，从而能得到更大的景深。
[0182]
如上所述，数值实施例3的红外线摄像镜头3能够适用于波长范围7～14μm，具有足能适用于像素尺寸约12μm的图像传感器的良好分辨率。此外，数值实施例3的红外线摄像镜头3的f值是1.2，从而明亮且小型。通过数值实施例3，能够实现以往没有的小型且特性优越的红外线摄像镜头。
[0183]
〔总结〕
[0184]
本发明的方面1中，红外线摄像镜头具有多个透镜，所述多个透镜分别由波长10μm下的折射率为2.8～4.0的玻璃所构成，该红外线摄像镜头的像圈径是焦距的0.7～1.3倍。通过所述方案，能够实现一种：具有足能适用于像素尺寸为波长级的图像传感器的优越分辨率且能作为标准镜头的红外线摄像镜头。
[0185]
本发明的方面2的红外线摄像镜头可以在上述方面1的基础上具备如下方案：空间频率41.7cycles/mm的情况下，该红外线摄像镜头于波长范围7～14μm下的调制传递函数在像圈内满足0.17以上。通过所述方案，像素尺寸小到波长级的这一事项与分辨率之间的关系得到了更具体的描述。
[0186]
本发明的方面3中，红外线摄像镜头具有多个透镜，所述多个透镜分别由波长10μm下的折射率为2.8～4.0的玻璃所构成，空间频率41.7cycles/mm的情况下，该红外线摄像镜头于波长范围7～14μm下的调制传递函数在像圈内满足0.17以上。通过所述方案，能够实现一种：具有足能适用于像素尺寸为波长级的图像传感器的优越分辨率的、作为标准镜头的红外线摄像镜头。
[0187]
本发明的方面4的红外线摄像镜头可以在上述方面1～3的基础上具备如下方案：最靠物体侧的第1透镜具有正的焦度，并且是向物体侧凸出的弯月形状。通过所述方案，能够实现像差特性优越的红外线摄像镜头。
[0188]
本发明的方面5的红外线摄像镜头可以在上述方面4的基础上具备如下方案：所述第1透镜的焦距f1与所述红外线摄像镜头的焦距f之间满足1.0≤f1/f≤2.9的关系式。通过所述方案，能够将红外线摄像镜头的外径及体积设计得较小。
[0189]
本发明的方面6的红外线摄像镜头可以在上述方面4或5的基础上具备如下方案：该红外线摄像镜头以所述第1透镜的靠物体侧的面的有效径为孔径光阑。通过所述方案，能够使周边光束的渐晕减轻，从而周边光量提高。
[0190]
本发明的方面7的红外线摄像镜头可以在上述方面4～6的基础上具备如下方案：该红外线摄像镜头从物体侧向像面侧依次具有所述第1透镜、第2透镜及第3透镜。通过所述方案，能够在保持高分辨率的同时，使红外线摄像镜头的结构较小且较轻。
[0191]
本发明的方面8的红外线摄像镜头可以在上述方面7的基础上具备如下方案：所述第2透镜及所述第3透镜均具有正的焦度。通过所述方案，能够实现像差特性优越的红外线摄像镜头。
[0192]
本发明的方面9的红外线摄像镜头可以在上述方面8的基础上具备如下方案：所述第1透镜、所述第2透镜及所述第3透镜当中，所述第3透镜的焦度最强，并且所述第3透镜是向像面侧凸出的弯月形状。通过所述方案，能够减轻像散。
[0193]
本发明的方面10的红外线摄像镜头可以在上述方面7～9的基础上具备如下方案：所述第2透镜是向像面侧凸出的弯月形状。通过所述方案，能够抑制佩茨瓦尔和的增大，抑制像面弯曲。
[0194]
本发明的方面11的红外线摄像镜头可以在上述方面7～10的基础上具备如下方案：所述第2透镜的像面侧的面及所述第3透镜的物体侧的面的至少一者是衍射面。通过所述方案，能够减轻倍率色差。
[0195]
本发明的方面12的红外线摄像镜头可以在上述方面7～10的基础上具备如下方案：所述第3透镜的焦距f3与所述红外线摄像镜头的焦距f之间满足0.8≤f3/f≤1.2的关系式。通过所述方案，能够在较宽广的像圈区域均得到良好的分辨率。
[0196]
本发明的方面13的红外线摄像镜头可以在上述方面1～12的基础上具备如下方案：该红外线摄像镜头的半视角是21～36
°
。通过所述方案，红外线摄像镜头作为标准镜头能够具有优异的视角。
[0197]
本发明的方面14的红外线摄像镜头可以在上述方面1～13的基础上具备如下方案：空间频率20.85cycles/mm的情况下，该红外线摄像镜头于波长范围7～14μm下的调制传递函数在像圈内满足0.50以上。通过所述方案，能够实现在从空间频率0cycles/mm到与目标奈奎斯特频率相当的41.7cycles/mm的全域均表现出良好mtf的红外线摄像镜头。
[0198]
本发明的方面15的红外线摄像镜头可以在上述方面1～14的基础上具备如下方案：该红外线摄像镜头的像面的相对照度在像圈内满足40％以上。通过所述方案，能够实现周边光量得以充分确保的红外线摄像镜头。
[0199]
本发明的方面16的红外线摄像镜头可以在上述方面1～15的基础上具备如下方案：所述玻璃是硫属化物玻璃。通过所述方案，能够采用具有包含衍射面在内的非球面的透镜来构成红外线摄像镜头，从而能够制造像差特性及分辨率尤其优越的摄像镜头。
[0200]
本发明的方面17的红外线摄像镜头可以在上述方面16的基础上具备如下方案：所述硫属化物玻璃的红外吸收端波长为18μm以上，该硫属化物玻璃在厚度2mm的情况下对该红外吸收端波长所表现的光透射率为20％。通过所述方案，能够构成就对象波长范围表现为很小的光吸收的红外线摄像镜头。
[0201]
本发明的方面18的红外线摄像镜头可以在上述方面1～17的基础上具备如下方案：该红外线摄像镜头的f值为1.0～1.2。通过所述方案，能够构成明亮的标准镜头。或者通过所述方案，能够实现分辨率优越的标准镜头。
[0202]
本发明的方面19的红外线摄像镜头可以在上述方面1～18的基础上具备如下方案：该红外线摄像镜头的焦距为7～12mm。通过所述方案，能够构成较小且分辨率、亮度等各特性优越的红外线摄像镜头。或者通过所述方案，能够构成各特性优越且能够用于民用的低成本的红外线摄像镜头。
[0203]
本发明的方面20的红外线摄像镜头可以在上述方面1～19的基础上具备如下方案：该红外线摄像镜头的镜头全长是30mm以下。通过所述方案，能够构成较小且分辨率、亮度等各特性优越的红外线摄像镜头。或者通过所述方案，能够构成各特性优越且能够用于民用的低成本的红外线摄像镜头。
[0204]
本发明的方面21的红外线摄像机具备上述方面1～20中任一方面所述的红外线摄像镜头、以及红外线图像传感器。通过所述方案，能够构成较小且分辨率、亮度等各特性优越的红外线摄像镜头。或者通过所述方案，能够实现各特性优越且能够用于各种民用用途的低成本的红外线摄像机。
[0205]
本发明不限定为上述实施方式，可在说明书所示的范围内进行各种变更，对说明书中分别揭载的技术手段进行适当组合而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。另外，可以对说明书中分别揭载的技术手段进行组合，从而形成新的技术特征。
[0206]
实施方式中虽例示了红外线摄像镜头具有3个透镜，但本发明不限定于此，也可以具有除3个以外的多个透镜。
[0207]
附图标记说明
[0208]
1,2,3红外线摄像镜头
[0209]
l1第1透镜
[0210]
l2第2透镜
[0211]
l3第3透镜
[0212]
p 平行平板
[0213]
s 像面

技术特征：
1.一种红外线摄像镜头，其具有多个透镜，其中，所述多个透镜分别由波长10μm下的折射率为2.8～4.0的玻璃所构成，所述红外线摄像镜头的像圈径是焦距的0.7～1.3倍。2.根据权利要求1所述的红外线摄像镜头，其中，空间频率41.7cycles/mm的情况下，所述红外线摄像镜头于波长范围7～14μm下的调制传递函数在像圈内满足0.17以上。3.一种红外线摄像镜头，其具有多个透镜，其中，所述多个透镜分别由波长10μm下的折射率为2.8～4.0的玻璃所构成，空间频率41.7cycles/mm的情况下，所述红外线摄像镜头于波长范围7～14μm下的调制传递函数在像圈内满足0.17以上。4.根据权利要求1～3中任一项所述的红外线摄像镜头，其中，最靠物体侧的第1透镜具有正的焦度，并且是向物体侧凸出的弯月形状。5.根据权利要求4所述的红外线摄像镜头，其中，所述第1透镜的焦距f1与所述红外线摄像镜头的焦距f之间满足1.0≤f1/f≤2.9的关系式。6.根据权利要求4或5所述的红外线摄像镜头，其中，所述红外线摄像镜头以所述第1透镜的靠物体侧的面的有效径为孔径光阑。7.根据权利要求4～6中任一项所述的红外线摄像镜头，其从物体侧向像面侧依次具有所述第1透镜、第2透镜及第3透镜。8.根据权利要求7所述的红外线摄像镜头，其中，所述第2透镜及所述第3透镜均具有正的焦度。9.根据权利要求8所述的红外线摄像镜头，其中，所述第1透镜、所述第2透镜及所述第3透镜当中，所述第3透镜的焦度最强，并且所述第3透镜是向像面侧凸出的弯月形状。10.根据权利要求7～9中任一项所述的红外线摄像镜头，其中，所述第2透镜是向像面侧凸出的弯月形状。11.根据权利要求7～10中任一项所述的红外线摄像镜头，其中，所述第2透镜的靠像面侧的面及所述第3透镜的靠物体侧的面的至少一者是衍射面。12.根据权利要求7～11中任一项所述的红外线摄像镜头，其中，所述第3透镜的焦距f3与所述红外线摄像镜头的焦距f之间满足0.8≤f3/f≤1.2的关系式。13.根据权利要求1～12中任一项所述的红外线摄像镜头，其半视角为21～36
°
。14.根据权利要求1～13中任一项所述的红外线摄像镜头，其中，空间频率20.85cycles/mm的情况下，所述红外线摄像镜头于波长范围7～14μm下的调制传递函数在像圈内满足0.50以上。15.根据权利要求1～14中任一项所述的红外线摄像镜头，其中，所述红外线摄像镜头的像面的相对照度在像圈内满足40％以上。16.根据权利要求1～15中任一项所述的红外线摄像镜，其中，所述玻璃是硫属化物玻璃。
17.根据权利要求16所述的红外线摄像镜头，其中，所述硫属化物玻璃的红外吸收端波长为18μm以上，该硫属化物玻璃在厚度2mm的情况下对该红外吸收端波长所表现的光透射率为20％。18.根据权利要求1～17中任一项所述的红外线摄像镜头，其f值为1.0～1.2。19.根据权利要求1～18中任一项所述的红外线摄像镜头，其中，所述红外线摄像镜头的焦距为7～12mm。20.根据权利要求1～19中任一项所述的红外线摄像镜头，其镜头全长是30mm以下。21.一种红外线摄像机，其具备权利要求1～20中任一项所述的红外线摄像镜头、以及红外线图像传感器。

技术总结
实现分辨率优越的标准镜头。红外线摄像镜头(1)具有分别由波长10μm下的折射率为2.8～4.0的玻璃所构成的多个透镜(L1～L3)，并且红外线摄像镜头(1)的像圈径是焦距的0.7～1.3倍。倍。倍。


技术研发人员：松下佳雅 佐藤史雄 堀信男
受保护的技术使用者：日本电气硝子株式会社
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2023/9/13