成像器光学系统和方法与流程

成像器光学系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年9月25日提交的并且名称为“成像器光学系统和方法”的美国临时专利申请第63/083,765号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.一个或多个实施例大体上涉及用于成像的光学部件，更具体地，例如涉及成像器光学系统和方法。


背景技术：

4.成像系统可以包括检测器的阵列，每个检测器用作像素以产生二维图像的一部分。在一些情况下，成像系统可以包括一个或多个光学元件(例如，透镜、反射镜)以促进成像应用，例如通过将光引导到检测器的阵列。存在各种各样的图像检测器，如可见光图像检测器、红外图像检测器或可以设置在图像检测器阵列中以用于捕获图像的其他类型的图像检测器。作为示例，多个传感器可以设置在图像检测器阵列中，以检测期望波长的电磁(em)辐射。在一些情况下，例如对于红外成像，由检测器捕获的图像数据的读出可以由读出集成电路(roic)以时分复用的方式执行。读出的图像数据可以传送到其他电路，例如用于处理、存储和/或显示。在一些情况下，检测器阵列和roic的组合可以被称为焦平面阵列(fpa)。fpa和图像处理的处理技术的进步已导致所得成像系统的能力和复杂性增加。


技术实现要素：

5.在一个或多个实施例中，一种成像装置包括配置成透射与场景相关联的电磁辐射的窗口。所述成像装置还包括透镜系统。所述透镜系统包括配置成接收来自所述窗口的电磁辐射并透射电磁辐射的第一透镜元件。孔径光阑定位在所述窗口和与所述窗口相邻的所述第一透镜元件的表面之间。所述透镜系统还包括第二透镜元件，所述第二透镜元件与所述第一透镜元件相邻并且配置成接收电磁辐射并将电磁辐射引导到检测器阵列。所述成像装置还包括检测器阵列，所述检测器阵列包括检测器。每个检测器配置成从所述透镜系统接收电磁辐射并基于电磁辐射生成热图像。
6.在一个或多个实施例中，一种方法包括由窗口透射与场景相关联的电磁辐射。所述方法还包括由包括与所述窗口相邻的第一透镜元件和与所述第一透镜元件相邻的第二透镜元件的透镜系统将电磁辐射引导到检测器阵列。孔径光阑定位在所述窗口和与所述窗口相邻的所述第一透镜元件的表面之间。所述方法还包括由所述检测器阵列接收电磁辐射，并且由所述检测器阵列基于电磁辐射生成热图像。
7.本公开的范围由权利要求限定，权利要求通过引用并入本部分中。通过考虑一个或多个实施例的以下详细描述，将向本领域技术人员提供对本公开的实施例的更完整的理解，以及其附加优点的实现。将参考将首先简要描述的附图。
附图说明
8.图1示出了根据本公开的一个或多个实施例的成像装置的框图。
9.图2示出了根据本公开的一个或多个实施例的成像装置的透镜镜筒和其中的部件的横截面图。
10.图3示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统的横截面图。
11.图4示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统的随频率而变化的调制传递函数的示例性图形。
12.图5示出了显示窗口的透射光谱的示例性图形。
13.图6示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于制造成像装置的示例性过程的流程图。
14.图7示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于使用成像装置的示例性过程的流程图。
15.图8示出了根据本公开的一个或多个实施例的与全系统校准相关联的示例性过程的流程图。
16.图9至11均示出了根据本公开的一个或多个实施例的具有三个透镜元件的光学系统的横截面视图以及光束通过光学系统的轨迹。
17.图12至15均示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统的透视图以及光束通过光学系统的轨迹。
18.通过参考下面的详细描述，可以最好地理解本公开的实施例及其优点。应当注意，各种部件的尺寸和这些部件之间的距离在附图中未按比例绘制。应当领会，相同的附图标记用于标识一个或多个附图中所示的相同元件。
具体实施方式
19.下面阐述的详细描述旨在作为本主题技术的各种配置的描述，而不旨在表示可以实践本主题技术的唯一配置。附图被并入本文并且构成详细描述的一部分。出于提供对主题技术的透彻理解的目的，详细描述包括具体细节。然而，对于本领域技术人员将清楚和显而易见的是，本主题技术不限于本文阐述的具体细节，并且可以使用一个或多个实施例来实践。在一个或多个实例中，以框图形式示出结构和部件以避免模糊本主题技术的概念。本主题公开的一个或多个实施例由一个或多个附图示出和/或结合一个或多个附图描述，并且在权利要求中阐述。
20.在一个或多个实施例中，提供了成像器光学系统和方法。在一些方面，这样的系统和方法可以用于红外成像，如热红外成像。这样的成像(例如，红外成像)可以用于各种应用，例如功能安全和载具(例如，汽车)应用。在一个实施例中，成像装置包括检测器阵列和将与场景相关联的电磁辐射引导到检测器阵列的(一个或多个)光学元件。作为非限制性示例，光学元件可以包括窗口、透镜、反射镜、分束器、光束耦合器和/或其他部件。在一个方面，成像装置包括窗口和包括至少两个透镜元件的透镜系统。在一些情况下，成像装置还可以包括在窗口和/或透镜元件的上游、在窗口和/或透镜元件的下游和/或散布在窗口和透镜元件之间和/或两个透镜元件之间的其他光学元件。
21.窗口可以放置在透镜系统的前面，因此比透镜系统更靠近场景。在一个方面，场景
可以被称为对象、目标场景或目标对象。窗口可以保护成像装置的透镜系统和/或其他部件(例如，窗口后面的其他部件)免受环境损坏、机械损坏和/或其他损坏，从而有助于增强成像装置的可靠性。窗口可以透射电磁辐射以供透镜系统接收。透镜系统可以接收电磁辐射并将电磁辐射引导到检测器阵列。在这方面，对于透镜系统的给定透镜元件，透镜元件可以接收与场景的一部分相关联的电磁辐射并且可以透射电磁辐射。在成像装置包括一系列透镜元件的情况下，每个透镜元件可以接收电磁辐射并将电磁辐射引导到系列的下一个透镜元件，最后一个透镜元件接收电磁辐射并将电磁辐射引导到检测器阵列。在一些应用中，系列中的透镜元件中的至少一个折射电磁辐射。
22.检测器阵列可以接收由(一个或多个)透镜元件引导(例如，投射、透射)到检测器阵列上的电磁辐射。在这方面，电磁辐射可以被认为是图像数据。检测器阵列可以基于电磁辐射生成图像。
23.成像装置的窗口和(一个或多个)透镜元件可以透射取决于期望应用的波段内的电磁辐射。在一个方面，成像装置可以是红外成像装置，用于促进捕获包括热红外光谱的至少一部分的波段，例如中波红外光谱和/或长波红外光谱。在红外成像应用中，检测器阵列可以包括微测辐射热计的阵列和/或其他类型的红外检测器的阵列。作为非限制性示例，窗口可以包括硅和/或闪锌矿(zns)。作为非限制性示例，透镜元件可以包括硅、锗、硫属化物玻璃(例如，as
40
se
60
)、砷化锗硒(geasse)、ge
22
as
20
se
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和/或ge
33
as
12
se5。相应地用于制造窗口和(一个或多个)透镜元件的窗口材料和透镜材料通常基于期望的应用。例如，窗口材料可以具有足够的硬度以保护成像装置的部件，例如透镜元件。例如，可以选择窗口材料和透镜材料，以允许窗口和透镜元件的期望透射波段。
24.在各种实施例中，孔径光阑(例如，也称为光阑或限制孔径)可以定位/限定在窗口和面向窗口的透镜系统的前侧之间。例如，在双透镜系统中，透镜系统具有前透镜元件和在前透镜元件后面的后透镜元件(例如，比前透镜元件离窗口更远)，并且孔径光阑可以由前透镜元件的前侧提供。在该示例中，窗口、前透镜元件和后透镜元件可以共同提供光学系统。通过在前面提供孔径光阑，相对于孔径光阑定位/限定在前透镜元件后面的情况，光学系统可以在轴向和侧向两个方向上收缩。在这方面，通过在前面提供孔径光阑，窗口可以具有较小的外周长(例如，对于圆形窗口，具有较小的外径(od))和厚度，因此相对于窗口具有较大外周长和/或较大厚度的情况，允许窗口对成像装置的信噪比(snr)的影响减小。因此，各种实施例提供了光学和机械设计，其允许实现小型化要求，同时提供宽视场和/或成本有效和/或可互换的透镜组件。各种载具设计规则(例如，风格载具设计规则)、装置集成要求(例如，蜂窝电话集成)等可能涉及小型化要求。在一些情况下，透镜元件和/或其他光学元件可以以适当的紧凑性形成以用于集成到(例如，移动电话的)相机模块中。
25.在一些方面，窗口的小型化尺寸可以允许将窗口集成到透镜镜筒组件中。在一些情况下，将窗口集成到透镜镜筒组件中可以允许更具成本效益的组装过程，其中可以使用高产量拾取和放置机械来放置窗口和/或在工厂实现全系统校准。全系统校准允许在工厂对包括窗口和透镜元件的光学系统执行校准。在这方面，可以关于从窗口到检测器阵列的整个光路执行校准。这种全系统校准与窗口和透镜元件分离并且因此在工厂在没有窗口的情况下校准透镜元件的情况形成对比。在用户端(例如，客户端)，然后可以将窗口添加到工厂/制造商校准的光学系统，并且执行该调整的光学系统的校准。
26.这种全系统校准允许将包括窗口和(一个或多个)透镜的光学系统一起校准并封装到成像装置中。用户能够在不重新校准成像装置的情况下使用成像装置(例如，与窗口与成像装置分离并且当窗口被引入并设置在(一个或多个)成像装置的透镜元件前面时需要重新校准的情况形成对比)。在窗口和(一个或多个)透镜封装到成像装置中的情况下，例如当在成像装置中检测到潜在错误时或另外当用户正在更换成像装置时，成像装置可以容易地与其他成像装置互换(例如，无需额外校准和/或设置)。例如，在汽车应用中，成像装置可以在载具上可互换。这种可互换性可以简化可维护性和载具维护程序。例如，一个成像装置可以用另一个替换，而用户不需要执行重新校准以操作新安装的成像装置。在一个方面，成像装置可以安装在载具(例如，载具的顶部)上并用于促进自动紧急制动(aeb)。成像装置可以具有适于增强行人、动物和/或其他物体的载具检测性能的成像能力。在一种情况下，成像装置可以包括非冷却热感相机。在一个示例性实施例中，在汽车成像应用中，可能需要具有全景视场的成像装置。例如，成像装置可以包括前视相机。
27.成像装置可以包括透镜镜筒(例如，也称为透镜壳体)以保持(例如，接收、固定、对准)窗口和透镜元件。成像装置可以包括联接到透镜镜筒的壳体。壳体可以包括(例如，封闭)检测器阵列。在一些情况下，壳体可以包括用以处理来自检测器阵列的图像数据的处理器、用以存储原始图像数据和/或经处理的图像数据的存储器、电池和/或用以促进成像装置的操作的其他部件。
28.在一些实施例中，每个光学元件(例如，透镜元件、窗口)可以包括至少一个配合特征(例如，也称为安装特征)。透镜镜筒可以具有联接到(一个或多个)光学元件的(一个或多个)配合特征以接收和固定(一个或多个)光学元件的(一个或多个)对应配合特征。在这方面，光学元件的每个配合特征可以联接到透镜镜筒的对应配合特征，以将光学元件联接到透镜镜筒。在一个示例中，光学元件的配合特征可以包括第一表面和相对于第一表面成角度(例如，90
°
角、钝角或锐角)的第二表面，并且透镜镜筒的配合特征可以具有对应的表面以联接到第一表面和第二表面。在另一示例中，光学元件的配合特征可以包括销部分，并且透镜镜筒的配合特征可以包括用以接收销部分的槽部分，和/或反之亦然。更一般地，光学元件的(一个或多个)配合特征和透镜镜筒的(一个或多个)对应配合特征可以是有助于将光学元件联接到透镜镜筒的任何结构(例如，凹口、孔、销或其他结构)。
29.在一些情况下，透镜元件的配合特征可以适于促进透镜元件的旋转和/或其他移动。在一些情况下，可以利用配合特征来促进透镜元件的对准，例如经由模制、加工和/或组装期间的图案识别。例如，可以定位透镜元件的表面上的一个或多个配合特征(例如，使用图案识别来扫描表面)，以便于根据期望的设计加工透镜元件的不同表面。作为另一示例，第一透镜元件的(一个或多个)表面的(一个或多个)配合特征和/或第二透镜元件的(一个或多个)表面的(一个或多个)配合特征可以用于促进第一透镜元件相对于第二透镜元件的对准。
30.相比之下，常规透镜系统具有大的前透镜元件，其中孔径光阑放置在前透镜元件后面。大的前透镜元件需要具有大的侧向尺寸的窗口，以便允许宽视场。此外，窗口必须相对较厚以在保护前透镜元件的同时保持机械稳定的宽高比。成本效益高的窗口通常由具有足够硬度的材料制成，例如硅或zns。这些材料中的长波红外(lwir)(7-14μm)辐射的吸收与材料的厚度成正比。因而，较厚的窗口与成像装置的snr的较高且因此退化相关联。
31.图1示出了根据本公开的一个或多个实施例的成像装置100的框图。在实施例中，成像装置100可以是红外成像装置。成像装置100可以用于捕获和处理图像帧。成像装置100包括光学部件105、图像捕获部件110和图像捕获接口部件115。
32.光学部件105可以通过成像装置100的孔径120接收电磁辐射并将电磁辐射传递到图像捕获部件110。例如，光学部件105可以将电磁辐射引导和/或聚焦在图像捕获部件110上。光学部件105可以包括一个或多个窗口、透镜、反射镜、分束器、光束耦合器和/或其他部件。在实施例中，光学部件105可以包括一个或多个硫属化物透镜，例如由as
40
se
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制成的透镜，其允许在宽红外光谱中成像。可以利用其他材料，例如硅、锗和geasse。光学部件105可以包括均由材料形成并根据期望的透射特性(例如期望的透射波长和/或光线传输矩阵特性)适当布置的部件。
33.在一个实施例中，图像捕获部件110包括用于捕获代表场景125的图像的图像信号的一个或多个传感器(例如，可见光传感器、红外传感器或其他类型的检测器)。图像捕获部件110可以捕获(例如，检测、感测)波长在约700nm至约1mm或其一部分的范围内的红外辐射。例如，在一些方面，图像捕获部件110可以包括对热红外波长敏感(例如，更好地检测)的一个或多个传感器，热红外波长包括中波红外(mwir)辐射(例如，波长为2-7μm的em辐射)和/或lwir辐射(例如，波长为7-14μm的电磁辐射)。在一个实施例中，图像捕获部件110的(一个或多个)传感器可以表示(例如，转换)或促进将场景125的捕获热图像信号表示为数字数据(例如，经由模数转换器)。
34.图像捕获接口部件115可以接收在图像捕获部件110处捕获的图像数据，并且可以例如经由有线和/或无线通信将捕获的图像数据传送到其他部件或装置。在各种实施例中，成像装置100可以捕获例如场景125的图像帧。
35.在一些实施例中，光学部件105、图像捕获部件110和图像捕获接口部件115可以容纳在保护壳罩中。在一种情况下，保护壳罩可以包括容纳光学部件105的透镜镜筒(例如，也称为透镜壳体)和容纳图像捕获部件110和/或图像捕获接口部件115的壳体。在该情况下，透镜镜筒可以联接到壳体。在一个方面，保护壳罩可以由图1中的具有孔径120的实线框表示。例如，孔径120可以是限定在保护壳罩中的开口，其允许电磁辐射到达光学部件105。在一些情况下，孔径125可以是成像装置100的孔径光阑。
36.成像装置100可以表示任何类型的相机系统，所述相机系统例如检测电磁辐射(例如，热辐射)并提供代表性数据(例如，一个或多个静止图像帧或视频图像帧)。例如，成像装置100可以配置成检测可见光和/或红外辐射并提供关联的图像数据。在一些情况下，成像装置100可以包括其他部件，例如快门、加热器、温度传感器(例如，用于测量成像装置100的部件的绝对温度)、滤波器、偏振器和/或其他部件。例如，窗口和透镜之间的快门可以用于促进图像捕获和校准。例如，集成加热器可以联接到成像装置100的镜筒。
37.图2示出了根据本公开的一个或多个实施例的成像装置的透镜镜筒200和其中的部件的横截面图。成像装置还可以包括可以捕获通过透镜镜筒205观察的图像的图像捕获部件。作为一个示例，成像装置可以是lwir热感相机(例如，用于捕获波长为7-14μm的电磁辐射)。在其他情况下，成像装置可以用于捕获其他波长范围内的电磁辐射。
38.透镜镜筒205容纳窗口210以及透镜元件215和220。透镜镜筒205可以包括用以保持/固定(例如，不动地固定、可移动地固定)光学元件窗口210、透镜元件215和/或透镜元件
220的结构。例如，在图2中，窗口210具有由透镜镜筒205的圆形孔径接收的圆形形状。可以使用其他形状(如矩形)的窗口和/或孔径。应当注意，窗口210、透镜元件215和/或透镜元件220可以具有与图2中所示的形状不同的形状。在实施例中，透镜镜筒205可以是图1的成像装置100的透镜镜筒。在该实施例中，图1的光学部件105可以包括窗口210以及透镜元件215和220。
39.窗口210可以选择性地使场景的电磁辐射通过。在一些情况下，窗口210可以是放置在透镜元件215和220前面的保护窗口，以保护透镜元件215和220和/或成像装置的其他部件免受环境损坏、机械损坏和/或其他损坏。窗口210的物理性质(例如，材料成分、厚度和/或其他尺寸等)可以基于期望通过窗口210透射的(一个或多个)波段来确定。
40.透镜元件215和220可以协调以将红外光引导和聚焦到图像捕获部件上。与包括透镜元件215和220的透镜系统相关联的孔径光阑225(例如，也称为光阑或限制孔径)限定透射到成像装置中的光量。孔径光阑225可以具有与透镜元件215的前光学表面的空间尺寸相当的空间尺寸。在图2中，孔径光阑225限定/定位在窗口205和透镜元件215的前侧/表面之间。在一些情况下，孔径光阑225可以由保持(例如，不动地固定、可移动地固定)透镜元件215的结构的物理性质限定。该结构可以由金属或通常适于保持/固定透镜元件215的任何材料形成。在一些方面，如图2中所示，一个或多个涂层230可以设置在透镜元件215上和/或一个或多个涂层235可以设置在透镜元件220上。作为非限制性示例，涂层可以是抗反射(ar)涂层、偏振涂层、抗冲击涂层和/或其他涂层。
41.在一个实施例中，图像捕获部件可以包括微测辐射热计的阵列以检测电磁辐射。作为一个示例，微测辐射热计的阵列可以配置成检测波长在7.5μm至13.5μm之间的长波红外光。透镜元件215和220中的一者或两者可以是透射宽光谱红外光的透镜，如硫属化物透镜。
42.图3示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统300的横截面图。光学系统300沿着表示为x、y和z的三个正交方向定向。x方向和y方向可以分别称为水平方向和竖直方向。特别地，图3示出了xz平面中的光学系统300的横截面图。光学系统300包括窗口305、透镜元件310和315以及检测器阵列320。孔径光阑325定位/限定在透镜元件310的前面和窗口305的后面。在一个方面，透镜元件310和/或315可以由硫属化物玻璃(例如，ig6硫属化物玻璃)制成。在实施例中，图1的光学部件105可以包括窗口305以及透镜元件310和315，并且图1的图像捕获部件110可以包括检测器阵列320。
43.孔径光阑325限定透射到光学系统300中的光量。孔径光阑325可以具有与透镜元件310的前光学表面的空间尺寸相当的空间尺寸。在一些情况下，孔径光阑325在尺寸和形状上可以与透镜元件310的通光孔径相同或基本相同。孔径光阑325可以由透镜元件310的物理性质(例如透镜元件310的前表面的尺寸、形状和材料)以及保持透镜元件310的结构的物理性质限定。例如，该结构可以是透镜镜筒(例如，透镜镜筒200)的一部分。在一种情况下，该结构可以是至少部分地在透镜元件310的前面的金属结构。作为一个示例，该结构可以是具有符合透镜元件310的前表面的形状的金属结构。
44.窗口305可以选择性地将场景的电磁辐射朝向透镜元件310传送。在一些情况下，窗口305可以是放置在透镜元件310和315的前面的保护窗口，以保护透镜元件310和315和/或其他部件免受环境损坏、机械损坏和/或其他损坏。窗口305的物理性质(例如，材料成分、
厚度和/或其他尺寸等)可以根据期望通过窗口305透射的(一个或多个)波段来确定。在一些情况下，除了保护之外，窗口305还可以用于提供滤波、偏振和/或其他光学效应。在一些情况下，可以在窗口305上设置一个或多个涂层(例如，偏振涂层、ar涂层、抗冲击涂层)，以提供滤波、偏振、保护和/或其他效果。
45.尽管图3的光学系统300的窗口305是平面的并且平行于或大致平行于检测器阵列320，但是光学系统可以包括倾斜的、弯曲的、非平面的和/或其他形状和/或取向的窗口。作为一个示例，弯曲窗户可以便于水、雪和/或其他物体滑离窗户和/或提供有益的空气动力学性质。在一个方面，弯曲窗口可以由疏水材料形成和/或具有设置在其上的疏水涂层以进一步促进水和/或雪的滑动。在一个方面，倾斜窗口和/或其他适当形状和/或布置的窗口可以用于允许窗口的有益空气动力学性质和/或物体滑离窗口，例如对于安装在载具(例如，汽车、飞行器等)上的相机的窗口。
46.透镜元件310接收电磁辐射并将接收的电磁辐射引导到透镜元件315。透镜元件315接收来自透镜元件310的电磁辐射并将从透镜元件310接收的电磁辐射引导到检测器阵列320。因而，透镜元件310和315共同将场景投射到检测器阵列320上。在这方面，图3示出了通过窗口305以及透镜元件310和315追踪到检测器阵列320的场景光线的至少一部分。透镜元件310和315的材料的示例可以包括as
40
se
60
、ge
22
as
20
se
58
、ge
33
as
12
se5、锗和硅。透镜元件310和315的中心透镜厚度的示例性范围为约1mm至约15mm。透镜元件310和315的通光孔径的示例性范围为约3mm至约40mm。检测器阵列320接收电磁辐射并基于电磁辐射生成图像。在一个方面，可以使用检测器阵列320下游的处理电路来处理图像。作为非限制性示例，检测器阵列320可以具有640
×
512传感器(例如，640
×
512微测辐射热计的阵列)、320
×
256传感器和1280
×
1024传感器的尺寸。光学系统300的f数的示例性范围可以为约0.85至约1.5。光学系统的水平视场的示例性范围可以为约36
°
至约120
°
。窗口305的示例性宽高比为9.5mm外径
×
0.5mm厚的窗口(例如，9.5:1宽高比)。窗口305的另一示例性宽高比为9.5mm外径
×
0.5mm厚的窗口(例如，20:1宽高比)。取决于应用，可以使用与较低或较高宽高比相关联的窗口。通常，较低的宽高比可以与较高的强度相关联(例如，改善对由于施加力引起的失效的抗性)。
47.在实施例中，为了便于水平视场与检测器阵列320的水平方向对准以及竖直视场与检测器阵列320的竖直方向对准，透镜元件310和315中的一者或两者可以相对于检测器阵列320移动。在一些方面，透镜元件310和/或315可以经由滑动运动(例如，平移运动)移动以促进聚焦，例如通过使用联接到透镜元件310和/或315的一个或多个致动器。在一种情况下，滑动运动可以沿着z轴(例如，垂直于焦平面的方向)，同时保持固定的角度取向。在这些方面，透镜元件310和/或315的聚焦机构可以包括用于移动透镜元件310和/或315的部件(例如，致动器)。在一种情况下，围绕z轴的旋转可以被约束在与透镜元件310和315相关联的主fov与检测器阵列320的对应主维度(例如，x维度)之间的对准公差内，和/或被约束在与透镜元件310和315相关联的次fov与检测器阵列320的次维度(例如，y维度)之间的对准公差内。在一些方面，可以通过在螺纹壳体内旋转(一个或多个)透镜来聚焦一个或多个透镜。在一些方面，壳体不带螺纹。壳体可以允许线性滑动配合型布置而不是旋入型布置，其中窗口305和透镜元件310和315可以被推入壳体中并至少使用摩擦保持在适当位置。替代地，可以在镜筒和壳体之间提供一些间隙以允许光学器件与检测器阵列320的主动对准，所
述检测器阵列通过环氧树脂或其他合适的粘合剂固定就位。
48.在一些实施例中，透镜元件310和315均与透镜处方相关联。在一些方面，可以根据以下表示每个处方：
[0049][0050]
其中s＝x2+y2；c＝1/r；r是曲率半径；a1、a2、a3、a4、...、a
12
是非球面变形常数；并且k是圆锥常数。
[0051]
表1示出了光学系统300的各种参数的示例值。
[0052][0053][0054]
图4示出了根据本公开的一个或多个实施例的示例性图形，示出了随着光学系统300的频率而变化的调制传递函数(mtf)，所述光学系统具有用表1所示的参数实现的透镜元件310和315。作为示例，光学系统300可以具有70
°
的水平视场、1的f数和-26％的失真。图4提供了曲线405、410、415、420、425、430和435。
[0055]
在各种实施例中，通过在前透镜元件处提供限制孔径，窗口可以具有较小的外周长和厚度，因此相对于窗口具有较大外周长和/或较大厚度的情况，允许窗口对成像装置的snr的影响减小。诸如硅或zns的材料中的lwir辐射的吸收与材料的厚度成正比。图5示出了
显示由zns形成的窗口的透射光谱的示例性图形。在这方面，图5提供了分别与1mm、2mm、5mm和10mm的窗口厚度相关联的曲线505、510、515和520。
[0056]
图6示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于制造成像装置的示例性过程600的流程图。出于解释的目的，本文主要参考图1-3的部件和这些组件的相关联布置来描述示例性过程600。然而，示例性过程600不限于图1-3的部件。
[0057]
在框605处，提供图像捕获部件110。在框610处，形成光学部件105。光学部件105可以包括一个或多个窗口和/或一个或多个透镜元件。在框615处，光学部件105至少部分地设置在透镜镜筒(例如，图2的205)内。在一些方面，每个光学部件可以具有配合特征，以联接到透镜镜筒的对应配合特征。在框620处，图像捕获部件110设置在成像装置100的壳体内。透镜镜筒可以联接到壳体。对于红外应用，光学部件105(例如，窗口210、透镜元件215和220)可以由在2-7μm和/或7-14μm波段中透射的材料形成。
[0058]
在一种情况下，透镜元件215和220可以使用晶片级技术来生产。在这种情况下，可以首先以晶片形式制备透射晶体材料，例如作为非限制性示例的锗或硅。透镜元件(例如，相同的透镜元件)的阵列可以在晶片的一侧或两侧上进行菱形车削。透镜元件的阵列的加工可以在晶片的一侧或两侧上。在一些情况下，可以定位透镜元件的表面上的一个或多个配合特征(例如，使用图案识别来扫描表面)，以便于根据期望的设计(例如，自由形状表面设计)加工透镜元件的不同表面。然后可以将作为晶片级程序的一部分形成的透镜元件单片化，以获得可以设置在成像装置中的单独透镜元件。在透镜元件215和220不同的情况下，透镜元件215和220可以作为一个晶片级程序(例如，可以用于获得不同形状和/或尺寸的透镜元件的晶片级程序)或两个单独的晶片级程序的一部分形成。
[0059]
在一种情况下，透镜元件215和220可以由非晶材料制成。材料的示例可以包括as
40
se
60
和geasse玻璃。在一些情况下，透镜元件215和220可以是从盘状预成型件进行菱形车削、从接近成形研磨预成型件进行菱形车削、从球形预成型件进行模制或使用精密玻璃模制(pgm)技术从盘状预成型件进行模制。在一些情况下，透镜的阵列可以同时模制在玻璃盘上。
[0060]
图7示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于使用成像装置的示例性过程700的流程图。出于解释的目的，本文主要参考图1-3的部件和这些部件的相关联布置来描述示例性过程700。然而，示例性过程600不限于图1-3的部件。
[0061]
在框705处，窗口305透射与场景相关联的电磁辐射。在框710处，包括透镜元件310和315的透镜系统从窗口305接收电磁辐射并将电磁辐射引导到检测器阵列320。在框715处，检测器阵列320从透镜系统接收电磁辐射。在框720处，检测器阵列320基于电磁辐射生成图像。在一些方面，窗口305和透镜系统可以适于透射热红外辐射，并且由检测器阵列320生成的图像可以是热红外图像。在一些情况下，可以提供由检测器阵列320生成的图像以用于处理、存储和/或显示。例如，可以将图像提供给处理器进行处理以去除图像中的失真，然后可以提供经处理的图像以用于存储、显示和/或进一步处理。
[0062]
图8示出了根据本公开的一个或多个实施例的与全系统校准相关联的示例性过程800的流程图。在框805处，执行第一成像装置的校准(例如，全系统校准)。第一成像装置可以是相机，在相机的透镜镜筒中集成有(一个或多个)窗口和(一个或多个)透镜元件。可以关于包括第一成像装置的(一个或多个)窗口、(一个或多个)透镜元件和检测器阵列的光路
来执行校准。校准可以包括基于快门的校准(例如，基于捕获快门的图像的校准)、基于场景的校准和/或其他类型的校准。在框810处，执行第二成像装置的校准(例如，全系统校准)。第二成像装置可以是相机，在相机的透镜镜筒中集成有(一个或多个)窗口和(一个或多个)透镜元件。可以关于包括第二成像装置的(一个或多个)窗口、(一个或多个)透镜元件和检测器阵列的光路来执行校准。在一个方面，如图8中所示，可以在工厂执行第一和第二成像装置的校准。在该情况下，第一和第二成像装置可以被称为工厂校准的成像装置或制造商校准的成像装置。
[0063]
在框815处，安装第一成像装置(例如，安装到载具上)。在可以在框815之后的一段时间(例如，数天、数周、数月、数年)之后发生的框820处，用第二成像装置替换第一成像装置(例如，通过移除第一成像装置并将第二成像装置安装在其位置)。在一些情况下，成像装置的安装和替换可以由成像装置的用户执行。因此，在各种实施例中，通过将(一个或多个)窗口和(一个或多个)透镜元件一起集成在成像装置的透镜镜筒中，与具有单独的光学元件(如单独的窗口)相比，可以在工厂执行光学元件的校准，以允许用户使用成像装置而无需引入(例如，安装)附加的光学元件并重新校准成像装置。
[0064]
尽管前文提供了两个透镜系统，但是可以利用一个透镜元件或两个以上透镜元件。在一些情况下，系统中提供的每个附加透镜元件允许关于为每个透镜元件限定的特性(例如，诸如曲率、尺寸的形状)的更多自由度以实现期望的性能。较少数量的透镜元件通常与和光学系统相关联的较小尺寸相关联。例如，制造限制可以约束可针对给定透镜元件制造的最大曲率。
[0065]
例如，图9示出了根据本公开的一个或多个实施例的具有三个透镜元件的光学系统900的横截面图。图3的光学系统300的描述通常适用于图9的光学系统900，其中本文提供了区别的示例和其他描述。光学系统900包括窗口905、与窗口905相邻的透镜元件910、与透镜元件910相邻的透镜元件915、与透镜元件915相邻的透镜元件920以及与透镜元件920相邻的检测器阵列925。孔径光阑930设置在透镜元件910的前面并与窗口905相邻。在实施例中，图1的光学部件105可以包括窗口905以及透镜元件910、915和920，并且图1的图像捕获部件110可以包括检测器阵列925。
[0066]
图10示出了根据本公开的一个或多个实施例的具有三个透镜元件的光学系统1000的横截面图。图3的光学系统300的描述通常适用于图10的光学系统1000，其中本文提供了区别的示例和其他描述。光学系统1000包括倾斜窗口1005、透镜元件1010、1015和1020以及检测器阵列1025。孔径光阑1030设置在透镜元件1010的前面。在实施例中，图1的光学部件105可以包括窗口1005以及透镜元件1010、1015和1020，并且图1的图像捕获部件110可以包括检测器阵列1025。
[0067]
图11示出了根据本公开的一个或多个实施例的具有三个透镜元件的光学系统1100的横截面图。图3的光学系统300的描述通常适用于图11的光学系统1100，其中本文提供了区别的示例和其他描述。光学系统1100包括弯曲窗口1105、透镜元件1110、1115和1120以及检测器阵列1125。孔径光阑1130设置在透镜元件1110的前面。在实施例中，图1的光学部件105可以包括窗口1105以及透镜元件1110、1115和1120，并且图1的图像捕获部件110可以包括检测器阵列1125。尽管图10和11分别示出了三透镜系统中的倾斜窗口和弯曲窗口，但是在具有少于或多于三个透镜元件的透镜系统中可以使用倾斜、弯曲和/或非平面的窗
口。
[0068]
图12示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统1200的透视图和光束通过光学系统1200的轨迹。光学系统1200沿着三个方向x、y和z被定向。图3的光学系统300的描述通常适用于图12的光学系统1200，其中本文提供了区别的示例和其他描述。光学系统1200包括窗口1205、与窗口1205相邻的透镜元件1210以及与透镜元件1210相邻的透镜元件1215。透射通过窗口1205的电磁辐射由透镜元件1210和1215引导到检测器阵列。孔径光阑设置在透镜元件1210的前面。在实施例中，图1的光学部件105可以包括窗口1205以及透镜元件1210和1215。
[0069]
图13示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统1300的透视图和光束通过光学系统1300的轨迹。图3的光学系统300的描述通常适用于图13的光学系统1300，其中本文提供了区别的示例和其他描述。光学系统1300包括窗口1305、与窗口1305相邻的透镜元件1310、与透镜元件1310相邻的透镜元件1315以及与透镜元件1315相邻的透镜元件1320。透射通过窗口1305的电磁辐射由透镜元件1310、1315和1320引导到检测器阵列。孔径光阑设置在透镜元件1310的前面。在实施例中，图1的光学部件105可以包括窗口1305以及透镜元件1310、1315和1320。
[0070]
图14示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统1400的透视图和光束通过光学系统1400的轨迹。光学系统1400沿着三个方向x、y和z被定向。图3的光学系统300的描述通常适用于图14的光学系统1400，其中本文提供了区别的示例和其他描述。光学系统1400包括窗口1405、与窗口1405相邻的透镜元件1410、与透镜元件1410相邻的透镜元件1415以及与透镜元件1415相邻的透镜元件1420。透射通过窗口1405的电磁辐射由透镜元件1410、1415和1420引导到检测器阵列。孔径光阑设置在透镜元件1410的前面。在实施例中，图1的光学部件105可以包括窗口1405以及透镜元件1410、1415和1420。
[0071]
图15示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统1500的透视图和光束通过光学系统1500的轨迹。光学系统1500沿着三个方向x、y和z被定向。图3的光学系统300的描述通常适用于图15的光学系统1500，本文提供了区别的示例和其他描述。光学系统1500包括倾斜窗口1505、与窗口1505相邻的透镜元件1510、与透镜元件1510相邻的透镜元件1515以及与透镜元件1515相邻的透镜元件1520。透射通过窗口1505的电磁辐射由透镜元件1510、1515和1520引导到检测器阵列。孔径光阑设置在透镜元件1510的前面。在实施例中，图1的光学部件105可以包括窗口1505以及透镜元件1510、1515和1520。
[0072]
应当注意，上面提供的尺寸方面是示例，并且根据一个或多个实施方式，可以利用尺寸的其他值。此外，上面提供的尺寸方面通常是标称值。本领域技术人员将领会，每个尺寸方面具有与尺寸方面相关联的公差。类似地，与特征之间的距离相关的方面也具有关联的公差。
[0073]
在适用的情况下，本公开提供的各种实施例可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。同样在适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以组合成包括软件、硬件和/或两者的复合部件。在适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，本文阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以被分成包括软件、硬件或两者的子部件。另外，在适用的情况下，预期软件部件可以实现为硬件部件，反之亦然。
[0074]
根据本公开的软件，例如非暂时性指令、程序代码和/或数据，可以存储在一个或多个非暂时性机器可读介质上。还可以预期，本文中识别的软件可以使用一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统、联网和/或以其他方式来实现。在适用的情况下，本文描述的各种步骤的顺序可以改变、组合成复合步骤和/或分成子步骤以提供本文描述的特征。
[0075]
前面的描述并不旨在将本公开限制于所公开的精确形式或特定使用领域。上述实施例说明但不限制本发明。可以预期，根据本公开，无论是本文明确描述还是暗示的，本发明的各种替代实施例和/或修改都是可能的。因此，本发明的范围仅由以下权利要求限定。

技术特征：
1.一种成像装置，所述成像装置包括：窗口，所述窗口配置成透射与场景相关联的电磁辐射；透镜系统，所述透镜系统包括：第一透镜元件，所述第一透镜元件配置成接收来自所述窗口的电磁辐射并透射电磁辐射，其中，孔径光阑定位在所述窗口和与所述窗口相邻的所述第一透镜元件的表面之间；和第二透镜元件，所述第二透镜元件与所述第一透镜元件相邻并且配置成接收电磁辐射并将电磁辐射引导到检测器阵列；以及包括多个检测器的检测器阵列，其中，所述多个检测器中的每一个配置成从所述透镜系统接收电磁辐射并基于电磁辐射生成热图像。2.根据权利要求1所述的成像装置，还包括透镜镜筒，所述透镜镜筒配置成接收所述窗口、所述第一透镜元件和所述第二透镜元件。3.根据权利要求1所述的成像装置，还包括设置在所述第一透镜元件和/或所述第二透镜元件上的一个或多个涂层。4.根据权利要求3所述的成像装置，其中，所述一个或多个涂层中的每一个是抗反射涂层、滤波器涂层和/或偏振涂层。5.根据权利要求1所述的成像装置，还包括第三透镜元件，所述第三透镜元件与所述第二透镜元件相邻并且配置成从所述第二透镜元件接收电磁辐射并将电磁辐射引导到所述检测器阵列。6.根据权利要求5所述的成像装置，还包括透镜镜筒，所述透镜镜筒配置成接收所述窗口、所述第一透镜元件、所述第二透镜元件和所述第三透镜元件。7.根据权利要求6所述的成像装置，还包括壳体，其中，所述透镜镜筒联接到所述壳体。8.根据权利要求1所述的成像装置，其中：所述表面是前表面，所述第一透镜元件包括所述前表面和与所述前表面相对的后表面，并且所述第二透镜元件包括面向所述第一透镜元件的后表面的前表面和与所述第二透镜元件的前表面相对并面向所述检测器阵列的后表面。9.根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述窗口的所述表面面向所述场景。10.根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述电磁辐射包括中波红外光和/或长波红外光。11.根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述检测器阵列包括微测辐射热计的阵列。12.根据权利要求1所述的成像装置，还包括处理器，所述处理器配置成处理所述热图像以获得经处理的图像。13.一种制造根据权利要求1所述的成像装置的方法，所述方法包括：提供检测器阵列；将第一透镜元件和第二透镜元件至少部分地设置在所述成像装置的透镜镜筒内；将窗口至少部分地设置在所述透镜镜筒内；以及将所述检测器阵列设置在所述壳体内。14.一种制造根据权利要求1所述的成像装置的方法，所述方法包括：相对于包括所述窗口、所述第一透镜元件、所述第二透镜元件和所述检测器阵列的光
路执行校准。15.一种载具，所述载具包括根据权利要求1所述的成像装置，其中，所述成像装置配置成能用制造商校准的成像装置替换并且无需重新校准就能使用。16.一种用于向包括根据权利要求1所述的成像装置的载具提供成像功能性的方法，所述方法包括：将所述成像装置安装到所述载具上；操作所述成像装置以生成热图像；用无需重新校准就能使用的制造商校准的成像装置替换所述成像装置。17.一种方法，所述方法包括：通过窗口透射与场景相关联的电磁辐射；由包括与所述窗口相邻的第一透镜元件和与所述第一透镜元件相邻的第二透镜元件的透镜系统将电磁辐射引导到检测器阵列，其中，孔径光阑定位在所述窗口和与所述窗口相邻的所述第一透镜元件的表面之间；由所述检测器阵列接收电磁辐射；以及由所述检测器阵列基于电磁辐射生成热图像。18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述引导包括：由所述第一透镜元件将电磁辐射从所述窗口引导到所述第二透镜元件；以及由所述第二透镜元件将电磁辐射引导到所述检测器阵列。19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述引导还包括由所述透镜系统的第三透镜元件将电磁辐射从所述第二透镜元件引导到所述检测器阵列。20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述引导还包括由所述透镜系统的第四透镜元件将电磁辐射从所述第三透镜元件引导到所述检测器阵列，并且其中，所述电磁辐射包括中波红外光和/或长波红外光。

技术总结
本发明提供了成像器光学系统和方法。在一个示例中，成像装置包括配置成透射与场景相关联的电磁辐射的窗口。成像装置还包括透镜系统。透镜系统包括配置成接收来自窗口的电磁辐射并透射电磁辐射的第一透镜元件。孔径光阑定位在窗口和与窗口相邻的第一透镜元件的表面之间。透镜系统还包括第二透镜元件，所述第二透镜元件与第一透镜元件相邻并且配置成接收电磁辐射并将电磁辐射引导到检测器阵列。成像装置还包括检测器阵列，所述检测器阵列包括检测器。每个检测器配置成从透镜系统接收电磁辐射并基于电磁辐射生成热图像。还提供了相关的方法和系统。方法和系统。方法和系统。


技术研发人员：大卫
受保护的技术使用者：泰立戴恩菲力尔商业系统公司
技术研发日：2021.09.22
技术公布日：2023/8/9