CN103033909A - 红外光学***和红外成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外光学***和红外成像设备。红外光学***包括：从物体侧到像面侧设置的三个透镜，即，第一透镜、第二透镜和第三透镜，第一透镜和第三透镜均被构造成由无机材料制成的且具有正折射力的球面透镜，第二透镜被构造成由树脂材料制成的且具有非球面表面的弯月形透镜；以及设置在第一至第三透镜中的任意两个透镜之间的孔径光阑。

Description

红外光学***和红外成像设备

技术领域

本技术涉及用在获得诸如热敏成像或者夜视成像的红外像的光学***中的红外光学***，并且涉及使用该红外光学***的红外成像设备。

背景技术

远红外线在从8μm到12μm的波长范围内，并且远红外线是从人、动物或者其它物体作为热（即，作为红外线）发出。这使得远红外线广泛用于例如在黑暗位置处的成像或者用于观察温度分布。

对于采集这种远红外线的光学***，常常被用于通常的可见光的玻璃透镜由于它的低透射率而不被使用，并且作为替代，锗（Ge）被普遍地用作使红外线良好地穿过的材料。锗具有大约为4的高折射率，并且表面反射因此很高，但是吸收指数接近为零。因而，在具有适当的抗反射涂层的情况下，锗可以具有90%或者更高的透射率。

其问题在于，锗是极其昂贵的，因为它是稀有的矿物。

因此，作为替换的透镜材料，使用无机晶体材料。无机晶体材料与锗相比在透射率上实际上较低，但是价格适中。无机晶体材料例如包括硅（Si）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）以及是硫属的化合物和锗的化合物的硫属化物玻璃。

但是，这种材料的确是便宜的但是具有与锗类似的高硬度的缺点。也就是说，例如，具有如此高硬度的材料的加工要花费很长的时间，并且这可导致难以降低成本。特别是对于将材料研磨成为非球状的形状来说，在使用精密机械的情况下处理时间预期将是很长的，并且因此不可避免地增加了成本。

对于硫化锌和硫属化物玻璃的加工，已经进行了关于压制成形的可能性的研究，但是形成的远红外透镜的产品和光学***仍然不能用于低价格供应。

例如，注意到专利文献1至3（日本专利申请公开第2010-039243、2009-063942和2008-128913号）描述了红外光学***的先前实例。

例如，专利文献1描述了使用三个锗透镜的光学***。这个光学***表现了在30°或者更大的视角上的优良的光学特性。

也在专利文献1中，为了减少加工成本，透镜在形状上是球面的。

但是，使用的材料是锗，锗是非常昂贵的，并且因此它的使用不会使装置便宜。

在专利文献2和3中，使用的材料是硫化锌，硫化锌与锗相比是价格适合的。但是，透镜在形状上是非球面的以便减少像差，像差常常因为硫化锌的折射率小于锗的折射率而增大。考虑到加工困难度和加工时间，这对于成本降低是障碍。

而且，硫化锌的使用导致相对显著的色像差，并且因此专利文献2和3两者都使用衍射结构以用于颜色校准。但是，考虑到加工困难度和加工时间，这对于成本降低也是障碍。

发明内容

因此期望提供一种红外光学***和红外成像设备，其在8μm至12μm的远红外辐射部中显示出优良的光学特性并且以低成本实现。

为了增大远红外装置的使用范围，期望宽视角，并且考虑到成像灵敏度，期望具有小数量的透镜的光学***。更具体地，期望视角至少超过25°，并且期望光学***中的透镜数量至少不超过三个。

根据本技术的实施例，红外光学***如下地设置。

也就是说，根据本技术的实施例的红外光学***包括从物体侧到像面侧设置的三个透镜：第一透镜、第二透镜和第三透镜。

第一和第三透镜均构造成由无机材料制成的且具有正折射力的球面透镜。

第二透镜被构造成由树脂材料制成的并且具有非球面表面的弯月形透镜。

此外，孔径光阑设置在第一至第三透镜中的任何两个透镜之间。

根据本技术的另一个实施例，红外成像设备如下地设置。

也就是说，根据本技术实施例的红外成像设备包括上文描述的根据本技术实施例的红外光学***、红外检测部和图像信号获得部。红外检测部被构造成检测由红外光学***采集的红外光，并且图像信号获得部被构造成基于由红外检测部获得的红外检测信号来获得红外图像信号。

在这里，为了实现低成本，有效的方法是减少使用的透镜的数量、以及使用均具有较小数量的加工困难的非球面表面的透镜。

此外，为了确保一定数量的光通过，理想的方法是如上所述地减少使用的透镜的数量、或者减少透镜厚度。

为了实现优良的光学特性，期望各种类型的像差被适当地控制。对于像差校准，非球面表面的使用是有效的。

如上所述，根据本技术实施例的光学***包括按照从物体侧的顺次设置的三个透镜：第一透镜、第二透镜和第三透镜。第一和第三透镜均是由无机材料制成的并且具有正折射力的球面透镜。第二透镜是由树脂材料制成的并且具有非球面表面的弯月形透镜。

在这里，用于形成这种第一和第三透镜的无机材料涉及用于将透镜成形为非球面的加工成本，而与玻璃类型无关。在其考虑中，在本技术的实施例中，使用的第一和第三透镜均是球面的透镜，即，表面都是球面的以起凸透镜的作用的透镜，从而控制加工成本不增加。

其问题在于，仅具有两个这样的球面透镜，在具有小F数和宽视角的光学***中未完全执行像差校准。在其考虑中，像差校准通过使用是由树脂材料制成的非球面透镜的第二透镜执行。这种树脂制成的透镜通过例如注射成型或者压制成形而以低的成本实现非球面的形状。

此外，树脂材料还容易实现第二透镜的厚度减小，使得也容易实现高透射率（远红外透射）。

根据本技术实施例，可以提供在远红外辐射部显示优良的光学特性并且以低成本实现的红外光学***和红外成像设备。

本公开的这些和其它目标、特征和优点根据它的如附图所示的下述最佳方式实施例的详细描述将变得更加明显。

附图说明

图1是示出根据实施例的红外成像设备的内部结构的框图；

图2是用于示出实施例中的红外光学***的结构的概况的图；

图3是示出用于成像器上的像形成的红外线的数量的示意图；

图4是示出从透镜进入成像器的红外线的数量的示意图；

图5A是示出聚乙烯的红外透射率与板厚度的关系的图，并且图5B是示出透镜如何特征性地呈现出整体透射率的变化与最大光线长度（h）的关系的图；

图6是示出实例1中的红外光学***的结构的图；

图7是实例1中的红外光学***中的透镜的系数的表，涉及透镜的形状（和开口）、以及透镜间距；

图8是示出实例1中的红外光学***中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处分辨能力的特性（MTF；调制传递函数）的图；

图9是示出实例2中的红外光学***的结构的图；

图10是实例2中的红外光学***中的透镜的参数的表，涉及透镜的形状（和开口）、以及透镜间距；

图11是示出实例2中的红外光学***中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处分辨能力的特性（MTF）的图；

图12是示出实例3中的红外光学***的结构的图；

图13是实例3中的红外光学***中的透镜的参数的表，涉及透镜的形状（和开口）、以及透镜间距；

图14是示出实例3中的红外光学***中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处分辨能力的特性（MTF）的图；

图15是示出实例4中的红外光学***的结构的图；

图16是实例4中的红外光学***中的透镜的参数的表，涉及透镜的形状（和开口）、以及透镜间距；

图17是示出实例4中的红外光学***中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处分辨能力的特性（MTF）的图；

图18是示出实例5中的红外光学***的结构的图；

图19是实例5中的红外光学***中的透镜的参数的表，涉及透镜的形状（和开口）、以及透镜间距；

图20是示出实例5中的红外光学***中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处分辨能力的特性（MTF）的图；

图21是示出实例6中的红外光学***的结构的图；

图22是实例6中的红外光学***中的透镜的参数的表，涉及透镜的形状（和开口）、以及透镜间距；以及

图23是示出实例6中的红外光学***中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处分辨能力的特性（MTF）的图。

具体实施方式

在下文中，将描述本技术的实施例。

应注意的是，以下列的顺序提供描述。

1.作为实施例的红外光学***和红外成像设备

1-1.红外成像设备的结构

1-2.实施例中的红外光学***的概述

2.具体的实例

2-1.实例1

2-2.实例2

2-3.实例3

2-4.实例4

2-5.实例5

2-6.实例6

3.修改的实例

[1.作为实施例的红外光学***和红外成像设备]

[1-1.红外成像设备的结构]

图1是示出作为本技术的红外成像设备的实施例的红外成像设备1的内部结构的框图。

如图1所示，红外成像设备1包括光学模块2、图像传感器（成像器）3、图像信号获得部4和图像信号处理部5。

光学模块2整体示出了红外光学***，该红外光学***将作为实施例稍后进行描述。光学模块2向图像传感器3的成像表面（像表面）上采集红外光（红外线）。红外光来自于物体（目标），该红外光在图1中被表示为入射光Li。

图像传感器3检测由光学模块2如此采集的红外线，从而获得与由物体发出的红外线相应的红外检测信号。

为了获得这种红外检测信号，期望的是图像传感器3包括红外检测元件，诸如热电元件。替换地，使用的红外检测元件也可以例如是热电堆或者热辐射计类型。热电堆类型与热电偶连接以产生Seebeck（塞贝克）效应，并且热辐射计类型利用通过温度增高的电阻值变化。

红外检测元件不限制于此，并且可以是任何类型的，只要红外线由此被检测即可。

在实施例中，使用的红外检测元件是热电元件。

当使用的红外检测元件是这样的热电元件时，图像传感器3设置有用于周期性地阻断进入其中的红外线的快门。这是为了用于不输出与温度本身相应的值而是输出与温度差（温度变化）相应的值的热电元件。也就是说，快门在照射与阻断之间周期性地改变红外线的状态，以便用于产生温度差。这也是为了对非运动目标获得具有适当温度分布的像（红外像）。

应注意的是，稍后提供关于具体地围绕什么位置形成快门的描述。

图像信号获得部4通过来自于图像传感器3的红外检测信号的输入来获得红外图像信号。这里的红外检测信号基于上述的红外检测元件获得。

图像信号处理部5在由图像信号获得部4获得的红外图像信号上执行各种类型的图像信号处理，例如，黑电平校准、像素缺陷校准、像差校准、光学暗影校准、透镜畸变校准、温度调节、距离变化的计算、以及编码。

从图像信号处理部5的输出例如通过接口（未示出）发送到显示器（像显示装置）和成像装置的其它外设。

[1-2.实施例中的红外光学***的概述]

图2是用于示出光学模块2的内部结构的概况的图。

与光学模块2的内部结构的概况一起，图2还示出了图像传感器3。

如图2所示，实施例中的光学模块2从物体侧到像面侧设置有三个透镜：第一透镜10、第二透镜11和第三透镜12。

光学模块2还设置有位于第一至第三透镜10至12中的任意两个透镜之间的孔径光阑（aperture stop）13。图2示出了在第一和第二透镜10和11之间形成孔径光阑13的实例。这也被应用到将被稍后描述的实例1、4、5和6中。

在实施例的这种光学模块2中，第一、第二和第三透镜10、11和12以及孔径光阑13被设置在同一个透镜镜筒中。

在实施例中，至少设置有这些元件（即、第一透镜10、第二透镜11、孔径光阑13、第三透镜12和孔径光阑13）的光学模块2被如下地构造为用于提供主要在远红外辐射部（8μm至12μm）的优良光学特性以及以低成本制造光学模块2。

首先，第一和第三透镜10和12均具有正折射力（能力）的球面透镜。这些第一和第二透镜10和12还均是由无机材料制成的球面透镜。具体地，在这个实例中，这些第一和第三透镜10和12均是由硅（Si）制成的球面透镜。

如此由无机材料制成的透镜涉及用于被成形为非球面的加工成本，而与玻璃类型无关。在其考虑中，在这个实施例中，使用的第一和第三透镜10和12均是球面透镜，即，表面都是球面以起到凸透镜的作用（以获得上述的正折射力）的透镜，从而控制加工成本不增加。

另外，虽然硅与锗相比它在红外透射率上较低，但硅是价格适中的透镜材料。从这个意义上讲，为了成本降低也可做出尝试。

在这里，第一和第三透镜10和12可以均成形为平凸的或者弯月形的，这将被在下文中的实例中描述。

此外，在实施例中的光学模块2中，使用的第二透镜11是由树脂材料制成的双侧非球面透镜。

其问题在于，在仅两个这样的球面透镜（即，第一和第三透镜10和12）的情况下，在具有小F数和宽视角的光学***中没有完全地执行像差校准。在其考虑中，像差校准通过使用由树脂材料制成的非球面透镜的第二透镜11来执行。这种树脂制成的透镜通过例如注射成型或者压制成形以低成本实现非球面的形状。

此外，树脂材料与锗和其它材料相比是非常便宜的，并且在这方面，为了成本降低也可做出尝试。

此外，树脂材料也容易地实现第二透镜的厚度降低，使得也容易地实现高透射率（红外透射）。

如将在下文中的实例中描述的一样，用于使用的第二透镜11可以是弯月形透镜。弯月形透镜在厚度降低方面是有益的，并且因此对增加红外透射率也是有益的。

其问题在于，树脂制透镜的不可避免的缺点是由于紫外线引起的特性劣化。

在其考虑中，在实施例中，树脂制成的第二透镜11设置成被夹置在均如上所述地由无机材料制成的第一透镜10与第三透镜12之间。这些第一至第三透镜10至12被容纳在同一个透镜镜筒中。

通过这个结构，被设置在透镜镜筒的端部部分处的除了第一和第三透镜10和12之外的其它透镜不被直接暴露在可见光下。因此，通过均由在可见光辐射部中在透射率方面较低的晶体材料（例如，上述的硅）制成的第一和第三透镜10和12，树脂制成的第二透镜10被有效地保护不受可见光影响。

这因此防止了任何可能的随时间的特性劣化，从而实现了高度稳定的红外光学***。

碳黑有时被混合在树脂制透镜中，通常用于提高对耐光性，即，主要是耐紫外线性。但是，这应当注意的是，这样的碳黑的混合导致远红外透射率的降低，并且形成的透镜对于红外线的使用是不佳的。

为了在同一个透镜镜筒中容纳透镜，使用具有相同的外直径的透镜是有效的。也就是说，所有这种具有相同外直径的透镜都安装在具有一个内直径的一透镜镜筒中，从而导致通过对透镜的偏心率的控制进行容易的组装。

在这种情况下，树脂制成的第二透镜11可以被成形为使得其边缘（即，周边部分）在物体侧和像面侧均具有平坦部分。在这种情况下，通过使用这样的边缘的平坦部分，三个透镜可以被通过间隔件以预先确定的间距容纳在透镜镜筒中，即，在实例2至6中的结构。

通过透镜镜筒容纳所有透镜，该透镜镜筒可以被均由硅或者具有相对较高刚度的其它材料制成的第一和第三透镜10和12支撑。这样，具有较低刚度的树脂制成的第二透镜11被适当地保护，以免受到诸如破裂的损害。

在实施例中，孔径光阑13通过如上所述的***而设置在第一至第三透镜10至12中的任意两个透镜之间。

通过如此设置在第一至第三透镜10至12的任意两个透镜之间的孔径光阑13，当光学***处于25°或者更大的宽视角时，例如，第一和第三透镜10和12可以具有几乎相同的用于光线通过的有效直径。这样，这防止了第一或者第三透镜10或12变成大直径透镜。

还是在该实施例中，第一和第三透镜10和12均是如上所述的由硅制成的透镜。其问题在于，在硅透镜的情况下，其与由无机材料制成的其它透镜相比色散是不明显的。在这里，Abbe（阿贝）数可以被试验性地使用具有8μm、10μm和12μm的波长的折射率定义。因为Abbe数是色散能力的倒数，Si（硅）透镜具有1510的Abbe数，Ge（锗）透镜具有940的Abbe数，并且ZnS（硫化锌）透镜具有23的Abbe数。这些结果也显示出，对于硅透镜，色散是不明显的。

在这里，随着透镜的焦距的减小，色散的效果被减小。

在这种情况下，假定使用的成像器在尺寸上是固定的，焦距仅仅需要被设定为较短以用于实现宽视角。因此，例如，在如25度或者更大的相对较宽视角的实施例的光学***的情况下，焦距因此被设定较短。具体地说，在这个实例中，焦距是大约18mm或者更短。

在这个方面以及通过色散不明显的硅透镜的使用，在不使用任何用于色像差校准的特殊的机构（例如，衍射结构）的情况下，实施例中的光学***适当地采集具有8μm至12μm的波长的远红外线并且具有较小的色像差的影响。

虽然未在图2中示出，但是在这个使用热电元件作为红外检测元件的实例中快门被***光学模块2中。

在这个实例中，快门被设置在孔径光阑13被形成的位置处。

通过如此被设置在孔径光阑13被形成的位置处的快门，来自于物体的具有各种视角的光线被立即遮蔽（阻断）。这因此有效地减少了光量的变化，即，在红外像中的亮度的变化（所述变化由于快门的打开和关闭而在图像传感器3上产生）。

更理想地，快门在第一和第二透镜10和11之间形成在孔径光阑13所形成的位置处，如图2所示。通过这种结构，做出尝试来防止光学***中的S/N（信噪比）的降低。

树脂制成的第二透镜11通常具有高红外吸收率，并且因为吸收率被认为等于发射率，所以大量的热来自于第二透镜11。在红外成像设备中，来自于光学***的朝向成像的热意味着S/N的降低。但是，通过上述的结构，即，快门在第一和第二透镜10和11之间被设置在孔径光阑13所形成的位置处，来自于第二透镜11的热被快门阻隔，使得图像传感器3的输出不受热的影响。也就是说，即使使用的第二透镜11是树脂透镜，设置在比第二透镜11更靠近物体的侧部上的快门也可减少来自于第二透镜的热辐射对S/N的影响。

因此，即使从物体到图像传感器3的信号与从树脂制成的第二透镜11到图像传感器3的噪声几乎是在相同的水平，图像传感器3的输出也不受其影响。

如上所述，树脂制成的透镜具有高红外吸收率，并且因此具有低的红外透射率。

在其考虑中，在这个实例中，使用的第二透镜11由聚乙烯（PE）制成，相对于其它的树脂材料，聚乙烯的红外透射率相对较高。

在这里，考虑到耐热性和耐冲击性，高分子量聚乙烯的使用是理想的。

而且，考虑到使用的树脂材料在透射率上是较低的，理想的是形成薄的第二透镜11。

在这里，随着通过透镜的光线的光线长度（ray length）的增加，透射率将降低。因此，为了提高透射率，透镜厚度预期被设定成减少通过透镜的红外线的最大光线长度。最大光线长度表示在通过透镜的光中光线长度是最大的光线的光线长度。换句话说，树脂制成的第二透镜11被设置成减少通过第二透镜的用于像形成的光线的最大光线长度。

具体地说，发现理想的最大光线长度是2.0mm或者更小。

在下文中，所描述的是对于通过第二透镜11的光线将最大光线长度控制为2.0mm或者更小的原因。

首先，在红外光学***中将被考虑的特性是分辨能力和温度分辨能力。

分辨率是通过其对目标物体的像的形成是如何详细的特性，并且MTF（调制传递函数）值常常被用作它的指示。例如，光学***的MTF通过基于由像差引起的光采集特性的劣化的值确定。但是，为了评估包括成像器的红外成像设备的性能能力，成像器的因素也被认为是重要的，即，像素间距和灵敏度。这是因为，即使光学***在没有像差的光采集方面成功，除非成像器接收到足够用于感测的光线或者电磁波，否则也没有检测到温度分布。这意味着光学***的透射率也是影响装置的整体MTF的因素。

另一方面，温度分辨能力是通过其对目标物体的温度差的测量是如何精确的特性，并且这是红外光学***独有的指示。作为红外成像器的性能能力指示，存在NETD（噪声等效温差），NETD表示所测量的与成像器内部的噪声等效的温度差。当该值被在整个装置中获得时，光学***的透射率影响进入成像器的光的量、或者电磁波的能量的量。这因此导致NETD的值的变化。

如从上文中明显得知的，光学***的透射率极大地影响红外成像设备的性能能力。

在下文中，为每个透镜所期望的透射率的最小限制做出估计。

首先，如图3所示，例如是通过具有温度S的透镜对具有温度T的物体将光采集到成像器上的情况。在图3中，“f”表示透镜的焦距，“M×f”表示物体与透镜之间的距离（其中M是放大倍数），以及“r”表示透镜的半径。

参见图3，从物体上的微小区域朝向透镜的立体角SA_sig满足公式1，其中θ是圆锥的半顶角。

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{r}{\mathrm{Mf}}$

$\cos \mathrm{\θ}={(1+{\tan }^2\mathrm{\θ})}^{-1/2}\≅1-\frac{1}{2}{\left(\frac{r}{\mathrm{Mf}}\right)}^2$ 公式1

${\mathrm{SA}}_{\mathrm{sig}}=2\mathrm{\π}(1-\cos \mathrm{\θ})=\mathrm{\π}{\left(\frac{r}{\mathrm{Mf}}\right)}^2$

对于在成像器的一个侧面a上进入单位像素的光子的数量P_sig，因为光子来自于在物体上的区域，其一个侧面为Ma（M×a），因此使用描述辐射量与物体的温度T[K]的四次方成比例的Planck（普朗克）定律建立公式2，其中R是物体的发射率，并且p是透镜的平均透射率。

$P_{\mathrm{sig}}\∝R\·T^4\·\mathrm{\π}{\left(\frac{r}{\mathrm{Mf}}\right)}^2\·\frac{1}{4\mathrm{\π}}\·{\left(\mathrm{Ma}\right)}^2\·p=\frac{R\·p\·T^4}{4}{\left(\frac{r\·a}{f}\right)}^2$ 公式2

参见图4，下一步获得的是从透镜上的每个点进入成像器的光子的数量P_lens。对于从透镜上的微小区域朝向成像器的单位像素的立体角（2φ），建立公式3，其中φ是它的半角。

$\tan \mathrm{\φ}=\frac{a}{2f}$

$\cos \mathrm{\φ}\≅1-\frac{1}{2}{\left(\frac{a}{2f}\right)}^2$ 公式3

${\mathrm{SA}}_{\mathrm{lens}}=2\mathrm{\π}(1-\cos \mathrm{\θ})=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{a}{f}\right)}^2$

此外，因为透镜具有（1-p）的发射率，建立公式4。

$P_{\mathrm{lens}}\∝(1-p)\·S^4\·\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{a}{f}\right)}^2\·\mathrm{\π}\·r^2=\frac{(1-p)\·\mathrm{\π}\·S^4}{4}{\left(\frac{r\·a}{f}\right)}^2$ 公式4

通过如上文的公式2和4，对于对来自于物体的光子要多于来自于透镜的光子的要求，建立公式5。

$P_{\mathrm{sig}}\≥P_{\mathrm{lens}}$

$\⇔\frac{R\·p\·T^4}{4}{\left(\frac{r\·a}{f}\right)}^2\≥\frac{(1-p)\·\mathrm{\π}\·S^4}{16}{\left(\frac{r\·a}{f}\right)}^2$ 公式5

$\⇔p\≥\frac{\mathrm{\π}\·S^4}{4R\·T^4+\mathrm{\π}\·S^4}$

在公式5中，S表示透镜的温度并且是23℃（296K），并且T表示目标物体的温度并且是35℃（308K）。考虑人体皮肤具有大约0.98的发射率，以及非金属材料常常具有在从0.8至1.0的范围内的发射率，如R=0.9进行代入计算。这样，在公式5中，对于透镜所预期的透射率被获得为42.7%。

如从公式5中明显看出的，测量目标的温度T越高，对于透镜所预期的透射率的最小限制越被减小。

图5A示出了被广泛使用在红外光学***中的聚乙烯的红外透射率与板厚度的关系。这里的红外透射率用9.7μm的波长进行测量。

通过指数拟合，聚乙烯的透射率t（d）由下文中的公式6表示。

在公式6中，d是聚乙烯的厚度[mm]。

t(d)＝0.9·exp[- 0.7·d]    公式6

在这里，具有像形成功能的透镜的基本物理特性是“通过透镜的光线的光学路径长度通过r的二次函数给出，r是在半径方向上距透镜的中心的距离”。在其考虑中，在这样的距离r处进入透镜的光线的光学路径距离opd（r）通过公式7表示，其中0.3表示在制造的约束下对透镜的中心厚度（mm）的最小限制，并且h是在透镜中的外周边光线的光学路径长度（也就是说，通过透镜的用于像形成的光线的最大光线长度）。

opd(r)＝(h-0.3)·r²+0.3    公式7

在公式7中，r通过在最外周边处被标准化而取从0到1的值。

为了获得透镜的整体透射率（即，t_all），公式7中的“opd（r）”可以通过代入公式6中的“d”，并且可以在全半径区域内进行积分。

在半径r中宽度为微半径dr的环形区域的透射率通过公式8表示。

2·π·r·dr·t(opd(r))    公式8

因此，建立公式9。

$t_{\mathrm{all}}=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{1}2\·\mathrm{\π}\·r\·t\left(\mathrm{opd}\left(r\right)\right)\·\mathrm{dr}=1.8\·\exp [-0.21]\·\frac{1-\exp [-0.7(h-0.3)]}{1.4(h-0.3)}$ 公式9

图5B示出了响应于h（即，在透镜中最外周边光的光学路径长度（即，上述的最大光线长度））的变化的透镜的整体折射率。

当最大光线长度是2.0mm时，透镜的整体透射率是42.7%。

这个值等于由上文中的公式5获得的透射率的值，即，这样的值：通过该值，从物体的信号输出大于从透镜的噪声输出的值。

这表明了为什么最大光线长度h被预期为2.0mm或者更小。

在这里，考虑到透射率，透镜的最大光线长度h取较小的值是理想的。但是，当最大光线长度h取太小的值时，这导致难以保证透镜的强度，并且还导致难以保证像差校准的能力。

在这个方面，理想的最大光线长度h是至少0.3mm或者更大。也就是说，最大光线长度h理想地是在从0.3mm到2.0mm包含的范围内。

为了实际地设计红外光学***，下面的方面也与上述的方面一起考虑。

也就是说，为了在未来增加远红外装置的使用范围，光学***被预期以具有宽视角，特别地，至少超过25度的角度是值得期望的。这是因为，虽然使用远红外线的装置近来已经被用作温度或者人体检测传感器，但是这种装置被设定为在分辨率上是较低的，并且常常未设置有形成甚至显示成像目标的形状的像的光学***，例如，热摄像仪或者夜视***。

在将稍后描述的具体实例中，在考虑这个方面的情况下设计光学***。

在另一个方面，光学***被预期以具有1.8或者更小的小F数。这是因为远红外线在能量上是较低的，并且因此在使用中用于可见光的成像元件对于用于远红外线来说是不佳的。小F数还用于采集大量的光。

例如，如果光学***是用于这样的应用，即，高分辨率通过该应用而被预期用于温度分布的测量，则F数理想地是1.3或者更小以用于采集大量的光、以及用于提高分辨能力。

在下列的实例中，也考虑这种关于F数的要求来设计光学***。

[2.具体的实例]

[2-1.实例1]

图6示出了实例1中的光学模块2的结构。

在图6中，表面S_img是图1（和图2）的图像传感器3的成像表面。

图6还示出了红外线。

在图6中，由短划线表示的红外线是在0mm的像高度处采集的红外线，并且由点线表示的红外线是在1.5mm的像高度处采集的红外线。

还是在图6中，由实线表示的红外线是在3.5mm的像高度处采集的红外线，并且由长划线表示的红外线是在5.0mm的像高度处采集的红外线。

在这个实例中，第一和第三透镜10和12均由硅制成，并且第二透镜11由高分子量聚乙烯制成。

在这里，由平坦元件制成的玻璃盖14直接地设置在图像传感器3的前方。这个玻璃盖14被设置成用于保护图像传感器3的成像表面。

玻璃盖14也由硅制成（以用于允许红外线穿过玻璃盖而通过）。

在这个实例中，第一透镜10是平凸透镜，它的在物体侧上的表面是球面的，并且在像面侧上的表面是平坦的。这个第一透镜10具有正折射力。

第二透镜11是弯月形透镜，它的两个表面均是非球面的，并且该第二透镜是向像面侧凸出的。

第三透镜12是平凸透镜，它的在物体侧上的表面是球面的，并且在像面侧上的表面是平坦的。这个第三透镜12具有正折射力。

还在这个实例中，孔径光阑13被设置在第一和第二透镜10和11之间。也就是说，通过如此设置在第一至第三透镜10至12中的任意两个透镜之间的孔径光阑13，做出尝试以防止第一或第三透镜10或12在有效直径方面的增大。

还在这个实例中，快门（未示出）设置在孔径光阑13所形成的位置处。通过如此设置在孔径光阑13所形成的位置处的快门，做出尝试以在使用热电元件作为红外检测元件的结构中防止光量的任何可能的变化。

而且，通过将孔径光阑13设置在第一和第二透镜10和11之间、以及将快门设置在孔径光阑所形成的位置处的这种结构，做出尝试以防止由在树脂制成的第二透镜11中所吸收的热导致的S/N的任何可能的劣化。

图7示出了实例1中的透镜的系数，涉及透镜的形状（和孔径光阑13）、以及透镜间距。

关于非球面透镜，如下文一样使用半径r表示透镜表面的形状，即，透镜表面是凹的还是凸的。

$Z\left(r\right)=\frac{r^2/R}{1+\sqrt{1-(1+k)\·r^2/R^2}}+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8+A_{10}{r}^{10}+\·\·\·$ 公式10

在公式10中，“Z（r）”表示在围绕光轴的半径r上的点处透镜表面的高度。在这里，在物体侧上的透镜表面的高度取负值，并且在像面侧上的透镜表面的高度取正值。还是在公式10中，“R”是曲率半径，“k”是偏心率，并且“A4”、“A6”、“A8”、“A10”等均是非球面系数。

在图7中，表面S0表示物体表面，在这个实例中设置成与最靠近物体设置的第一透镜10相距9000mm。

表面S1和S2分别表示第一透镜10的表面，即，物体侧表面和像面侧表面。表面S3表示孔径光阑13的表面，并且表面S4和S5分别表示第二透镜11的表面，即，物体侧表面和像面侧表面。表面S6和S7分别表示第三透镜12的表面，即，物体侧表面和像面侧表面。表面S8和S9分别表示玻璃盖（CG）14的表面，即，物体侧表面和像面侧表面。这些表面S8和S9均是平坦的表面。

表面S10是表面S_img。

在实例1中，用于第一和第三透镜10和12中的硅具有3.4212的折射率，并且用于第二透镜11中的聚乙烯具有1.54的折射率。

孔径光阑13具有12.98mm的直径和14.9mm的焦距，从而实现1.09的F数和30.1度的水平视角。

图8示出了实例1中的光学模块2中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处分辨能力（MTF）的特性。

图8具体地示出了在每个像高度处的特性，其中横轴表示空间频率（线/mm）且纵轴表示OTF（光学传递函数）。

还是在图8中，短划线表示在0mm的像高度处的红外线，点线表示在1.5mm的像高度处的红外线，实线表示在3.5mm的像高度处的红外线，并且长划线表示在5.0mm的像高度处的红外线。在图中，“T”表示切向值，并且“S”表示径向值。

这里假定5.0mm的像高度是100%，并且在这种情况下，如果0mm的像高度为0%且1.5mm的像高度为30%导出在20线/mm的空间频率下的0.3或更大的MTF值（OTF值），并且如果3.5mm的像高度为70%导出在10线/mm的空间频率下的0.3或更大的MTF值，则是理想的。

实例1中的红外光学***显示出高分辨能力，即，在0mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的MTF值是0.457，在1.5mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.496而径向MTF值是0.544，并且在3.5mm的像高度的情况下在10线/mm的空间频率下切向MTF值是0.434而径向MTF值是0.619。

通过实例1中的这种光学***，使用价格适中的硅材料来以较低的加工成本形成平坦形状的或者球面形状的第一和第三透镜10和12以使它们负责光强度，并且使用容易加工的聚乙烯材料来形成用于像差校准的非球面的第二透镜11。

虽然聚乙烯与硅相比在透射率上实际上是较低的，但是通过对聚乙烯透镜的受限制的使用（即，仅一个透镜）、并且通过将第二透镜11的最大光线长度控制为1.17mm（即、2.0mm或者更小），光学***被控制为在透射率方面不被减小。而且，通过使焦距较短（如14.9mm），光学***显示出在具有较小的色像差影响的情况下具有在8至12μm的波长范围内的足够的分辨能力水平。

此外，通过将快门设置在孔径光阑所形成的位置处，从第二透镜11到图像传感器3的热辐射的量保持相同，并且当图像传感器3使用检测热的进入量的任何变化的热电元件时，未检测到来自于第二透镜11的热辐射的量。聚乙烯通常比硅或者其它材料吸收更多的红外线，并且这意味着来自于它的大量的热辐射。但是，通过实例1中的构造，光学***中的S/N被有效地控制为不降低。

这样，实例1形成了足够的分辨能力的水平，且控制成本不增加并尝试实现大约30度的宽视角。

[2-2.实例2]

图9示出了实例2中的光学模块2的结构。

图9还示出了在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处采集的红外线。还是在图9中，短划线表示在0mm的像高度处的红外线，点线表示在1.5mm的像高度处的红外线，实线表示在3.5mm的像高度处的红外线，并且长划线表示在5.0mm的像高度处的红外线。

在图9中，实例2中的光学模块2按从物体侧的顺序也包括：硅制成的第一透镜10、高分子量聚乙烯制成的第二透镜11、硅制成的第三透镜12以及硅制成的玻璃盖14。

应注意的是，在实例2中，孔径光阑13设置在第二和第三透镜11和12之间。

还是在这个结构中，通过将孔径光阑13设置在第一至第三透镜10至12中的任意两个透镜之间，做出尝试来防止第一或第三透镜10或12在有效直径方面的增大。

在这种情况下，第一透镜10是弯月形透镜，它的两个表面都是球面形的，并且它是向物体侧凸出的。

第三透镜12是弯月形透镜，它的两个表面都是球面形的，并且它是向像面侧凸出的。

第一和第三透镜10和12均具有正折射力。

还是在实例2中，第二透镜11是弯月形透镜，它的两个表面都是非球面的，并且它是向像面侧凸出的。

在实例2中，树脂制成的第二透镜11被成形为使得它的边缘（即，周边部分）在物体侧和像面侧均具有平坦部分。之后，如图9所示，三个透镜被形成为具有相同的外直径，并且通过使用这样的边缘的平坦部分，三个透镜通过间隔件以预先确定的间距容纳在同一个透镜镜筒中。

这样，通过使透镜具有相同的外直径并且使用间隔件将所有透镜都安装在透镜镜筒中，光学模块2通过对透镜的偏心率上的控制而容易地组装。

这也被应用到将在下文中描述的实例3至6中。

还是在这个实例中，快门（未示出）设置在孔径光阑13所形成的位置处。通过如此设置在孔径光阑13所形成的位置处的快门，做出尝试来在使用热电元件作为红外检测元件的结构中防止光量的任何可能的变化。

图10示出了在实例2中的透镜的系数，涉及透镜的形状（和孔径光阑13）、以及透镜间距。

与实例1相比，实例2中的表面编号与实例1不同地定义，如下文所述。

也就是说，在实例2中，表面S3和S4分别表示第二透镜11的表面，即，物体侧表面和像面侧表面，并且表面S5是孔径光阑13的表面。

还是在图10中，从为物体表面的表面S0到表面S1的距离是9000mm。

还是在这种情况下，用于第一和第三透镜10和12中的硅具有与实例1中的硅相似的折射率，并且用于第二透镜11中的聚乙烯具有与实例1中的聚乙烯相似的折射率。这里的焦距也与实例1中的焦距相似。

在这个实例中，孔径光阑13具有13.24mm的直径和1.11的F数。水平视角也是30.1度，与实例1中的水平视角相似。

图11示出了实例2中的光学模块2中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处的分辨能力（MTF）的特性。

还是在图11中，横轴表示空间频率（线/mm），并且纵轴表示OTF。

实例2中的光学***显示出高分辨能力，即，在0mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的MTF值是0.631，在1.5mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.609且径向MTF值是0.637，并且在3.5mm的像高度的情况下在10线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.667且径向MTF值是0.776。

也通过实例2中的这种光学***，使用价格适中的硅材料来以较低的加工成本形成平坦形状的或者球面形状的第一和第三透镜10和12以使它们负责光强度，并且使用容易加工的聚乙烯材料来形成用于像差校准的非球面的第二透镜11。

还是在这种情况下，通过对聚乙烯透镜的受限制的使用（即，仅一个透镜）、并且通过将第二透镜11的最大光线长度控制为1.96mm，光学***被控制为在透射率方面不被减小。而且，通过使焦距较短（如14.9mm），光学***显示出在具有较小的色像差影响的情况下具有在8μm至12μm的波长范围内的足够的分辨能力水平。

在实例2中，第一和第三透镜10和12均是弯月形透镜，它们均是通过将平坦形状的硅研磨成在一侧（即，面向第二透镜11的一侧）上是凹的而形成。在凹表面侧上的周边部分因此保持为平坦的。在第一透镜10的凸表面位于物体侧上的情况下、以及在第三透镜12的凸表面是在像面侧上的情况下，它们的位于凹表面侧上的平坦部分面向彼此。该考虑更适于利用上述的间隔件来调节透镜间距。

这样，实例2形成了足够的分辨能力的水平，且控制成本不增加并尝试实现大约30度的宽视角。

[2-3.实例3]

图12示出了实例3中的光学模块2的结构。

图12也示出了在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处采集的红外线。还是在图12中，短划线表示在0mm的像高度处的红外线，点线表示在1.5mm的像高度处的红外线，实线表示在3.5mm的像高度处的红外线，并且长划线表示在5.0mm的像高度处的红外线。

在这里，部件（即，透镜、孔径光阑13和玻璃盖14）的布置与在实例2中的布置类似。用于透镜的材料也与在实例2中的材料类似。

在实例3中，第一和第三透镜10和12均具有正折射力。第一透镜10是平凸透镜，它的在物体侧上的表面是球面的，并且在像面侧上的表面是平坦的。第三透镜12是平凸透镜，它的在物体侧上的表面是平坦的，并且在像面侧上的表面是球面的。

与上文中的实例2类似，第二透镜11是弯月形透镜，它的两个表面都是非球面的，并且第二透镜是向像面侧凸出的。第二透镜11的边缘在物体侧和像面侧均具有平坦部分。

还是在这个结构中，与实例2类似，通过将孔径光阑13设置在第一至第三透镜10至12中的任意两个透镜之间，做出尝试来防止第一或第三透镜10或12在有效直径方面的增大。

还是在这个实例中，快门（未示出）设置在孔径光阑13所形成的位置处。通过如此设置在孔径光阑13所形成的位置处的快门，做出尝试来在使用热电元件作为红外检测元件的结构中防止光量的任何可能的变化。

图13示出了实例3中的透镜的系数，涉及透镜的形状（和孔径光阑13）、以及透镜间距。

实例3中的表面编号与实例2中的表面编号类似地定义。

还在这个实例中，为表面S0的物体表面设置成与第一透镜10相距9000mm。

在这里，值类似于实例1和2中的值，即，用于第一和第三透镜10和12中的硅的折射率、用于第二透镜11中的聚乙烯的折射率、以及焦距。

在这个实例中，孔径光阑13具有13.75mm的直径和1.06的F数。与实例1和2类似，水平视角也是30.1度。

图14示出了实例3中的光学模块2中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处的分辨能力（MTF）的特性。

还是在图14中，横轴表示空间频率（线/mm），并且纵轴表示OTF。

实例3中的光学***显示出高分辨能力，即，在0mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的MTF值是0.640，在1.5mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.661且径向MTF值是0.679，并且在3.5mm的像高度的情况下在10线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.676且径向MTF值是0.700。

也通过实例3中的这种光学***，使用价格适中的硅材料来以较低的加工成本形成平坦形状的或者球面形状的第一和第三透镜10和12以使它们负责光强度，并且使用容易加工的聚乙烯材料来形成用于像差校准的非球面的第二透镜11。

还是在这种情况下，通过对聚乙烯透镜的受限制的使用（即，仅一个透镜）、并且通过将第二透镜11的最大光线长度控制为1.68mm，光学***被控制为在透射率方面不被减小。

而且，通过使焦距较短（如14.9mm），光学***显示出在具有较小的色像差影响的情况下具有在8μm至12μm的波长范围内的足够的分辨能力水平。

这样，实例3形成了足够的分辨能力的水平，且控制成本不增加并尝试实现大约30度的宽视角。

[2-4.实例4]

图15示出了实例4中的光学模块2的结构。

图15也示出了在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处采集的红外线。还是在图15中，短划线表示在0mm的像高度处的红外线，点线表示在1.5mm的像高度处的红外线，实线表示在3.5mm的像高度处的红外线，并且长划线表示在5.0mm的像高度处的红外线。

在这里，部件（即，透镜、孔径光阑13和玻璃盖14）的布置与在实例1中的布置类似。用于透镜的材料也与在实例1中的材料类似。

在实例4中，第一和第三透镜10和12均具有正折射力。第一透镜10是弯月形透镜，它的两个表面都是球面的，并且该第一透镜是向物体侧凸出的。第三透镜12是弯月形透镜，它的两个表面都是球面的，并且该第三透镜是向像面侧凸出的。

与上文中的实例2类似，第二透镜11是弯月形透镜，它的两个表面都是非球面的，并且在这个实例中该第二透镜是向物体侧凸出的。还是在这个实例中，与在实例2中类似，第二透镜11被加工成使得边缘在物体侧和像面侧上均具有平坦部分。

还是在这个实例中，与实例1类似，通过将孔径光阑13设置在第一至第三透镜10至12中的任意两个透镜之间，做出尝试来防止第一或第三透镜10或12在有效直径方面的增大。

还是在这个实例中，快门（未示出）设置在孔径光阑13所形成的位置处。通过如此设置在孔径光阑13所形成的位置处的快门，做出尝试来在使用热电元件作为红外检测元件的结构中防止光量的任何可能的变化。

通过将孔径光阑13设置在第一和第二透镜10和11之间、以及将快门设置在孔径光阑所形成的位置处的这种结构，做出尝试以防止由在树脂制成的第二透镜11中所吸收的热导致的S/N的任何可能的劣化。

图16示出了在实例4中的透镜的系数，涉及透镜的形状（和孔径光阑13）、以及透镜间距。

实例4中的表面编号与在实例1中的表面编号类似地定义。

还是在这个实例中，与实例1类似地，为表面S0的物体表面被设置成与第一透镜10相距9000mm。

在这里，值类似于实例1中的值，即，用于第一和第三透镜10和12中的硅的折射率、用于第二透镜11中的聚乙烯的折射率、以及焦距。

在这个实例中，孔径光阑13具有12.24mm的直径和1.06的F数。与实例1和2中的值类似，水平视角也是30.1度。

图17示出了实例4中的光学模块2中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处的分辨能力（MTF）的特性。

还是在图17中，横轴表示空间频率（线/mm），并且纵轴表示OTF。

实例4中的光学***显示出高分辨能力，即，在0mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的MTF值是0.621，在1.5mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.566且径向MTF值是0.534，并且在3.5mm的像高度的情况下在10线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.677且径向MTF值是0.654。

也通过实例4中的这种光学***，使用价格适中的硅材料来以较低的加工成本形成平坦形状的或者球面形状的第一和第三透镜10和12以使它们负责光强度，并且使用容易加工的聚乙烯材料来形成用于像差校准的非球面的第二透镜11。

还是在这种情况下，通过对聚乙烯透镜的受限制的使用（即，仅一个透镜）、并且通过将第二透镜11的最大光线长度控制为1.70mm，光学***被控制为在透射率方面不被减小。

而且，通过使焦距较短（如14.9mm），光学***显示出在具有较小的色像差影响的情况下具有在8μm至12μm的波长范围内的足够的分辨能力水平。

在实例4中，与上文中的实例2类似，第一和第三透镜10和12均是弯月形透镜，它们均是通过将平坦形状的硅研磨成在一侧（即，面向第二透镜11的一侧）上是凹的而形成。在凹表面侧上的周边部分因此保持为平坦的。在第一透镜10的凸表面位于物体侧上的情况下、以及在第三透镜12的凸表面是在像面侧上的情况下，它们的位于凹表面侧上的平坦部分面向彼此。该考虑更适于利用上述的间隔件来调节透镜间距。

这样，实例4形成了足够的分辨能力的水平，且控制成本不增加并尝试实现大约30度的宽视角。

[2-5.实例5]

图18示出了实例5中的光学模块2的结构。

图18还示出了在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处采集的红外线。还是在图18中，短划线表示在0mm的像高度处的红外线，点线表示在1.5mm的像高度处的红外线，实线表示在3.5mm的像高度处的红外线，并且长划线表示在5.0mm的像高度处的红外线。

在这里，部件（即，透镜、孔径光阑13和玻璃盖14）的布置与实例1中的布置类似。

在实例5中，第一和第三透镜10和12均由锗（Ge）制成。

该实例中的第二透镜11也由高分子量聚乙烯制成。与在上文中的其它实例中的玻璃盖类似，这里的玻璃盖14也由硅制成。

在实例5中，第一和第三透镜10和12均具有正折射力。第一透镜10是弯月形透镜，它的在物体侧上的表面是凸的。第三透镜12是平凸透镜，它的在物体侧上的表面是平坦的，并且在像面侧上的表面是球面的。

第二透镜11是弯月形透镜，它的两个表面都是非球面的，并且该第二透镜是向物体侧凸出的。还是在这个实例中，与在上文中的实例2中类似，第二透镜11被加工成使得它的边缘在物体侧和像面侧上均具有平坦部分。

还是在这个实例中，与上文中的其它实例类似，通过将孔径光阑13设置在第一至第三透镜10至12中的任意两个透镜之间，做出尝试来防止第一或第三透镜10或12在有效直径方面的增大。

还是在这个实例中，快门（未示出）设置在孔径光阑13所形成的位置处。通过如此设置在孔径光阑13所形成的位置处的快门，做出尝试来在使用热电元件作为红外检测元件的结构中防止光量的任何可能的变化。

通过将孔径光阑13设置在第一和第二透镜10和11之间、以及将快门设置在孔径光阑所形成的位置处的这种结构，做出尝试以防止由在树脂制成的第二透镜11中所吸收的热导致的S/N的任何可能的劣化。

图19示出了实例5中的透镜的系数，涉及透镜的形状（和孔径光阑13）、以及透镜间距。

实例5中的表面编号与在实例1中的表面编号类似地定义。

还是在这个实例中，为表面S0的物体表面被设置成与第一透镜10相距8000mm。

在实例5中，用于第一和第三透镜10和12中的锗的折射率是4.0。

在这里，其它的值类似于上文其它实例的值，即，用于第二透镜11中的聚乙烯的折射率、以及焦距。

在这个实例中，孔径光阑13具有11.58mm的直径和1.06的F数。与上文中的其它实例类似，水平视角也是30.1度。

图20示出了实例5中的光学模块2中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处的分辨能力（MTF）的特性。

还是在图20中，横轴表示空间频率（线/mm），并且纵轴表示OTF。

实例5中的光学***显示出高分辨能力，即，在0mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的MTF值是0.656，有1.5mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.713且径向MTF值是0.704，并且在3.5mm的像高度的情况下在10线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.592且径向MTF值是0.701。

也通过实例5中的这种光学***，以较低的加工成本将第一和第三透镜10和12形成为平坦形状的或者球面形状，从而使它们负责光强度。使用容易加工的聚乙烯材料来形成用于像差校准的非球面的第二透镜11。

还是在这种情况下，通过对聚乙烯透镜的受限制的使用（即，仅一个透镜）、并且通过将第二透镜11的最大光线长度控制为1.48mm，光学***被控制为在透射率方面不被减小。

而且，通过使焦距较短（如14.9mm），光学***显示出在具有较小的色像差影响的情况下具有在8μm至12μm的波长范围内的足够的分辨能力水平。

在实例5中，与上文中的实例2类似，第一透镜10是弯月形透镜，其通过将平坦形状的基底材料（在该情况下是锗）研磨成在一侧（即，面向第二透镜11的一侧）上是凹的而形成。在凹表面侧上的周边部分因此保持为平坦的。该考虑更适于利用上述的间隔件来调节透镜间距。

这样，实例5形成了足够的分辨能力的水平，且控制成本不增加并尝试实现大约30度的宽视角。

[2-6.实例6]

图21示出了实例6中的光学模块2的结构。

图21还示出了在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处采集的红外线。还是在图21中，短划线表示在0mm的像高度处的红外线，点线表示在1.5mm的像高度处的红外线，实线表示在3.5mm的像高度处的红外线，并且长划线表示在5.0mm的像高度处的红外线。

在这里，部件（即，透镜、孔径光阑13和玻璃盖14）的布置与在实例1中的布置类似。用于透镜的材料也与在实例1中的材料类似。

在实例6中，第一和第三透镜10和12均具有正折射力。第一透镜10是弯月形透镜，它的两个表面都是非球面的，并且该第一透镜是向物体侧凸出的。第三透镜12是平凸透镜，它的物体侧上的表面是平的，并且像面侧上的表面是球面的。

第二透镜11是弯月形透镜，它的两个表面都是非球面的，并且该第二透镜是向物体侧凸出的。还是在这个实例中，与在上文中的实例2中类似，第二透镜11被加工成使得它的边缘在物体侧和像面侧上均具有平坦部分。

还是在这个实例中，与上文中的其它实例类似，通过将孔径光阑13设置在第一至第三透镜10至12中的任意两个透镜之间，做出尝试来防止第一或第三透镜10或12在有效直径方面的增大。

还是在这个实例中，快门（未示出）设置在孔径光阑13所形成的位置处。通过如此设置在孔径光阑13所形成的位置处的快门，做出尝试来在使用热电元件作为红外检测元件的结构中防止光量的任何可能的变化。

通过将孔径光阑13设置在第一和第二透镜10和11之间、以及将快门设置在孔径光阑所形成的位置处的这种结构，做出尝试以防止由在树脂制成的第二透镜11中所吸收的热导致的S/N的任何可能的劣化。

图22示出了实例6中的透镜的系数，涉及透镜的形状（和孔径光阑13）、以及透镜间距。

实例6中的表面编号与实例1中的表面编号类似地定义。

在这个实例中，为表面S0的物体表面被设置成与第一透镜10相距8000mm。

在这里，值类似于实例1中的值，即，用于第一和第三透镜10和12中的硅的折射率、用于第二透镜11中的聚乙烯的折射率、以及焦距。

在这个实例中，孔径光阑13具有11.98mm的直径和1.06的F数。与上文中的其它实例类似，水平视角也是30.1度。

图23示出了实例6中的光学模块2中在每个像高度（0mm、1.5mm、3.5mm和5.0mm）处的分辨能力（MTF）的特性。

还是在图23中，横轴表示空间频率（线/mm），并且纵轴表示OTF。

实例6中的光学***显示出高分辨能力，即，在0mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的MTF值是0.684，在1.5mm的像高度的情况下在20线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.710且径向MTF值是0.713，并且在3.5mm的像高度的情况下在10线/mm的空间频率下的切向MTF值是0.631且径向MTF值是0.615。

与上述实例1类似，也通过实例6中的这种光学***，使用价格适中的硅材料来以较低的加工成本形成平坦形状的或者球面形状的第一和第三透镜10和12以使它们负责光强度，并且使用容易加工的聚乙烯材料来形成用于像差校准的非球面的第二透镜11。

还是在这种情况下，通过对聚乙烯透镜的受限制的使用（即，仅一个透镜）、并且通过将第二透镜11的最大光线长度控制为1.55mm，光学***被控制为在透射率方面不被减小。

而且，通过使焦距较短（如14.9mm），光学***显示出在具有较小的色像差影响的情况下具有在8μm至12μm的波长范围内的足够的分辨能力水平。

还是在实例6中，与上文中的实例5类似，第一透镜10是弯月形透镜，其通过将平坦形状的硅研磨成在一侧上是凹的而形成。在凹表面侧上的周边部分因此保持为平坦的。该考虑更适于利用上述的间隔件来调节透镜间距。

这样，实例6也形成了足够的分辨能力的水平，且控制成本不增加并尝试实现大约30度的宽视角。

[3.修改实例]

虽然已经描述了根据本技术的实施例的红外光学***和红外成像设备，但是前面的描述在所有方面是说明性的而不是限制性的。

也就是说，在上文中的实例中，用于第二透镜11中的树脂材料通过聚乙烯示例。事实上这不是唯一的选择，而是也可以应用任何其它的树脂材料，只要该材料在远红外辐射部具有提高的透射率即可。

具体地，用于第二透镜11的树脂材料可以具有相对较高的透射率的特性，例如，在2.0mm的厚度的情况下具有20%或者更高的透射率（从8μm到12μm的波长范围）。

此外，上文中所示例的是使用无机材料来形成第一和第三透镜10和12的情况。替换地，第一和第三透镜10和12可以由不同的材料制成。

此外，上文中所示例的是将快门提供给用于包括作为红外检测元件的热电元件的图形传感器3的使用的光学***的情况。当然，当使用的元件是输出相应于温度本身的值的热辐射计类型时，这种快门不是必须被设置的。

本技术还在于下列结构中。

（1）一种红外光学***，包括：

从物体侧到像面侧设置的三个透镜：第一透镜、第二透镜和第三透镜，第一透镜和第三透镜均被构造为由无机材料制成的且具有正折射力的球面透镜，第二透镜被构造为由树脂材料制成的且具有非球面表面的弯月形透镜；以及

孔径光阑，孔径光阑设置在第一透镜至第三透镜中的任意两个透镜之间。

（2）根据（1）的红外光学***，其中，第二透镜被设定为具有2.0mm或更小的光线的最大光线长度，所术光线通过第二透镜以用于像形成。

（3）根据（1）或（2）的红外光学***，其中，第二透镜由聚乙烯制成。

（4）根据（1）至（3）的红外光学***，进一步包括设置在孔径光阑的位置处的快门。

（5）根据（1）至（4）的红外光学***，其中，孔径光阑设置在第一透镜与第二透镜之间，红外光学***进一步包括设置在孔径光阑的位置处的快门。

（6）根据（1）至（5）的红外光学***，其中，第一透镜和第三透镜均是平凸透镜和弯月形透镜中的一种。

（7）根据（1）至（6）的红外光学***，其中，第一透镜和第三透镜均是平凸透镜，第一透镜具有面向物体侧的凸表面，并且第三透镜具有面向像面侧的凸表面。

（8）根据（1）至（7）的红外光学***，其中，第一透镜和第三透镜均由硅制成。

（9）一种红外成像设备，包括：

根据（1）至（7）的红外光学***；

红外检测部，被构造成检测由红外光学***采集的红外线；以及

图像信号获得部，被构造成基于由红外检测部获得的红外检测信号获得红外图像信号。

本公开所包含的主题与于2011年10月4日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2011-220408中所公开的主题相关，该日本优先权专利申请的全部内容在此通过引用的方式合并到本申请中。

本领域技术人员应当理解，根据设计需求和其它因素，在所附的权利要求或者其等同物的范围内，可进行各种修改、组合、子组合和替换。

Claims (14)

1.一种红外光学***，包括：

从物体侧到像面侧设置的三个透镜：第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜和所述第三透镜均被构造为由无机材料制成的且具有正折射力的球面透镜，所述第二透镜被构造为由树脂材料制成的且具有非球面表面的弯月形透镜；以及

孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述第一透镜至所述第三透镜中的任意两个透镜之间。

2.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述第二透镜被设定为具有2.0mm或更小的光线的最大光线长度，所述光线通过所述第二透镜进行成像。

3.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述第二透镜由聚乙烯制成。

4.根据权利要求1所述的红外光学***，进一步包括设置在所述孔径光阑的位置处的快门。

5.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述孔径光阑设置在所述第一透镜与所述第二透镜之间，所述红外光学***进一步包括设置在所述孔径光阑的位置处的快门。

6.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述第一透镜和所述第三透镜均是平凸透镜和弯月形透镜中的一种。

7.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述第一透镜和所述第三透镜均是平凸透镜，所述第一透镜具有面向所述物体侧的凸表面，并且所述第三透镜具有面向所述像面侧的凸表面。

8.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述第一透镜和所述第三透镜均由硅制成。

9.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述第二透镜由高分子量聚乙烯制成。

10.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述第二透镜通过注射成型或者压制成形形成。

11.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜被设置在同一个透镜镜筒中。

12.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、以及所述孔径光阑被设置在同一个透镜镜筒中。

13.根据权利要求1所述的红外光学***，其中，所述第二透镜被成形为使得其周边部分在物体侧和像面侧均具有平坦部分。

14.一种红外成像设备，包括：

红外光学***，包括：

从物体侧到像面侧设置的三个透镜：第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜和所述第三透镜均被构造为由无机材料制成的且具有正折射力的球面透镜，所述第二透镜被构造为由树脂材料制成的且具有非球面表面的弯月形透镜；以及

孔径光阑，所述孔径光阑设置在所述第一透镜至所述第三透镜中的任意两个透镜之间；

红外检测部，被构造成检测由所述红外光学***采集的红外线；以及

图像信号获得部，被构造成基于由所述红外检测部获得的红外检测信号来获得红外图像信号。

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