紧凑型消色差且被动的仅光学消热差摄远透镜

摘要

本公开涉及红外线消色差且消热差的窄场布置，其无需通过任何机械补偿机制而仅通过单一会聚前透镜和单一发散校正透镜而实现。长后焦距顾及到冷却和未冷却检测器，不同的检测器尺寸、波段和外壳材料。通过低于f/2.0的快速光圈数实现高分辨率。

说明书

本公开涉及用于通过窄视场进行红外线成像的大孔径消色差且消 热差的透镜布置。设计良好的窄场透镜保证甚至遥远的场景的清晰且 高对比度的图像。这种类型的透镜的最关键的参数是体积和重量、波 长漂移以及热漂移。

具有17μm或甚至12μm的像素间距的新检测器开发需要空间分辨 率稳定地渐增的透镜组件。可通过基于孔径的光圈数低于f/1.5的相对 大孔径透镜布置来规避衍射的分辨率极限。根据平方律，较大孔径具 有使相机的热分辨率增大的额外优点。然而，也可在不会过于不利的 情况下设想下至f/2.0的较小孔径。

呈两个会聚群组的传统布置(“佩兹伐”透镜)导致长于有效焦距 (EFL)的总长度(OL)并且导致短后焦距(BFL)。第一事实限制了便携性 或移动性。第二事实限定了对相机的机械配合。后者对于冷却检测器 来说变得非常关键，通常需要在检测器平面附近用于杜瓦瓶和冷光阑 的空间。

MasatakaNaitoh等人的“硫属化物玻璃的辐射耐受性”(Proc.SPIE (2010),Vol.7660,7660028)中给出实例，其中描述了消热差红外线透镜 组件。色像差和热散焦两者据称均得到补偿。所述设计使用由2个透 镜组成的会聚前群组，一个透镜由硫属化物玻璃制成，另一个透镜由 锗制成。此外，这后一透镜是衍射的。后群组是略微会聚的并且由3 个锗透镜组成。对于102mm的总长度来说，报告的焦距为78mm。因 此，这种布置并非特别紧凑型的，并且由于大量透镜而造价昂贵。并 且没有详述其光学设计，也未指明透镜轮廓。

在给定光圈数和EFL下使体积减小的唯一方式是使OL最小化。 为此，可将会聚前群组与发散后群组组合。这些布置(也被称为摄远镜 头)经常具有光圈数高于f/1.7的三个或更多个透镜。

此外，先进的优化技术结合专家洞察力可仅使用两个透镜来提供 解决方案：这种概念的关键是具有小热光常数(TOC或γ_T)的会聚前透镜 和具有高TOC的发散图像侧透镜。用于前透镜的优选材料为硫属化物 玻璃；用于图像侧透镜的合适材料为锗。

呈摄远镜头布置并且具有较低光圈数的此类现代双透镜设计通常 通过光学和机械补偿机制的组合来实现被动消热差。现有技术是使用 固持器内具有广泛不同热膨胀系数的材料(诸如放置在金属固持器内的 塑料管或塑料环)而实现的被动机械消热差。差异膨胀通过使透镜的相 对位置依据温度而移位来诱发几何形状的略微重新调整。然而，透镜 固持器是机械复杂的并且因此是颇为易碎的。

未公布的国际申请案PCT/EP2012/076332教示了将机械和光学热 校正组合的此类现代双透镜布置。所述详细设计提供高光学性能，与 当前细间距检测器的使用兼容。在例示设计中的每一者中使用塑料热 膨胀环。

本公开的目的是仅通过光学手段来实现被动消热差，因此无需使 透镜在透镜固持器中进行任何相对校正移动。因此，致使简单的、坚 硬的整体透镜固持器成为可能。在这种情况下，后透镜的形状更像具 有负光焦度的校正板并且因此被进一步称为发散校正透镜。

为此，已经开发出新颖光学设计，尤其是红外线消色差且消热差 的摄远透镜布置，所述布置由TOC低于35×10^-6K^-1的单一会聚前透镜 和TOC高于75×10^-6K^-1的单一发散校正透镜组成，其基于孔径的光圈 数低于f/1.5，其特征在于：

0.91≤OL/EFL≤1.01；

0.32≤BFL/EFL≤0.50；

0.20≤VD/EFL≤0.48；

温度补偿是仅通过被动光学补偿而获得；以及，

所述校正透镜的光焦度从轴上第一值到最大图像高度第二值而变 化，所述第二值对所述第一值的比率为1.05到1.40。

发散校正透镜的光焦度因此从轴上值到最大图像高度值增加了 5％到40％。

应注意，EFL为透镜组件的有效焦距，OL为其总长度，BFL为其 后焦距，并且VD为这两个透镜之间的顶点距离。在-40℃到+80℃的温 度范围内实现消热差。在整个温度范围内实现对应于29cy/mm下的平 均MTF的比0.300更好的轴上分辨率。

TOC意指透镜材料的热光常数，也被称为γ_T。低于f/1.5的基于孔 径的光圈数意指较大孔径尺寸，诸如f/1.2。

优选实施例包含以上透镜布置，其特征在于前透镜材料为硫属化 物玻璃。

有利地，将锗选作发散校正透镜的透镜材料。由于锗的约 125×10^-6K^-1的极高TOC，锗确实最适合用于校正透镜中。

会聚前透镜是优选地通过具有一个凹形表面的凹凸透镜来实现， 所述凹形表面朝向外壳内部。

此外，可在透镜表面中的一者上提供衍射图案。

以上光学设计特别适合于窄场组件，即，适应于20度或更小的水 平视场(HFOV)。

在这些情况下，透镜外壳成为具有位于固定位置处的透镜的整体 管。这表示朝向便携式且坚固的设备的大进步。然而，透镜和外壳材 料以及透镜形状的精心选择仍是强制性的以实现所设想的光学分辨率 和热漂移。

必须考虑透镜外壳材料的影响。诸如金属或合金的具有低热膨胀 系数的材料是优选的，这是因为使前透镜和校正透镜的光焦度减小成 为可能。

一个透镜表面上的衍射图案为对色差进行更有效的补偿留出余 地，这在系统的带宽可能跨大气窗口时是有用的特征。

所述设计还提供大后焦距。在这样做时，确保与不同类型的检测 器(冷却和未冷却、具有不同尺寸，以及用于不同波段)的兼容性。

另外优点为：

-在全场中在29cy/mm下基于初始温度的高空间分辨率；

-在29cy/mm下在整个温度范围内的高空间分辨率；

-适应于不同检测器像素计数，比如320×240、640×480(VGA)、 1024×768(XGA)；

-适应于不同像素间距，比如25μm、17μm、15μm、12μm；

-适应于不同波段，比如3-5μm、8-12μm、7-14μm；

-适应于不同外壳材料。

基于以上边界条件，尤其是关于发散校正透镜的渐变光焦度的边 界条件，所述设计对于拥有当前最新技术软件的光学设计师而言是不 难成功实现的。

实例1到6说明本发明。表1到4提供全部技术细节。图1中示 出了实例3，而图2中示出了实例4和5。

图1对应于实例3。示出了以下各项：会聚前透镜(1)、发散校正 透镜(2)、顶点距离(VD)(3)、视场角度(4)、检测器对角线(5)、检测器 窗口(6)、总长度(OL)(7)，以及自由后焦距(BFL)(8)。

针对具有17μm的像素间距的未冷却XGA成像装置的视场来优化 具有75mm的有效焦距EFL和f/1.25的基于孔径的光圈数的8-12μm波 段透镜布置。就传统的135胶片摄影而言，这种透镜布置对应于135mm 透镜。所述透镜布置还可与较小的XGA12μm像素间距检测器容易地 组合。透镜在40℃到+80℃的温度范围内是消色差的且纯粹光学消热差 的。不需要任何机械补偿机制来维持表2所示的良好分辨率值。

所呈现的解决方案包括会聚前透镜和发散校正透镜。这两种透镜 的表面曲率随图像高度(即，与光轴相隔的距离)而变化。

测量会聚前透镜与发散校正透镜之间的顶点距离。

发散校正透镜的两个表面在渐增高度处改变它们的曲率正负号： 这些曲率正负号在轴上为负，并且它们在某个高度处变为正。这不是 必要的标准：这两个表面的曲率也可如实例6所示而保持为正。校正 透镜的光焦度并不一定始终保持为负。此外，校正透镜的负功率始终 需要随图像高度而略微增大。这反映在表4的列“发散校正透镜的光 焦度(屈光度)”中。

所呈现的实例聚焦检测器平面上在场角度内部的对象。线(5)的长 度对应于通过具有17μm的像素间距的XGA成像装置实现的22mm的 检测器对角线。因此，本文所示的视场角度为16.0度的对角线视场。

所述检测器被窗口覆盖。所得的总长度为70.5mm。自由后焦距为 31.8mm。

图2(左边)对应于实例4(未冷却检测器)并且图2(右边)对应于实 例5(冷却检测器)。示出了以下各项：会聚前透镜(1)、发散校正透镜(2)、 检测器对角线(5)、检测器窗口(6)，以及冷光阑(CS)(9)。表1到4中报 告所有细节。

这两个实施例均具有100mm的EFL和类似的透镜形状。这两个 实施例在-40℃到+80℃的温度范围内均是消色差的且纯粹光学消热差 的。另外，无需任何机械补偿机制并且校正透镜的负功率始终需要随 图像高度而略微增大。

实例4意欲在具有17μm的像素间距的未冷却XGA装置上成像。 所得的图像对角线为22mm。所实现的基于孔径的光圈数为f/1.0。

实例5被设计来在具有15μm的像素间距的、在检测器组件的杜 瓦瓶内部配备有冷光阑的现代冷却VGA装置上成像。所得的图像对角 线为12.4mm。为0.31的高BFL/EFL比率允许所述距离从检测器平面 到冷光阑增大。所述冷光阑限制了所有射线束(轴上以及轴外)的直径。 针对外部检测器像素的射线束确定了会聚前透镜的最小直径。高 BFL/EFL比率提供了发散校正透镜与检测器之间的更自由的空间，从 而允许将冷光阑定位得离检测器尽可能地远。使发散校正透镜与冷光 阑之间的距离最小化是使基于孔径的光圈数低于f/1.5的关键。对于具 有冷光阑的冷却成像装置来说，这个孔径格外大。

用于会聚前透镜的可能透镜材料为：1(Ge₂₂As₂₀Se₅₈)，其 具有约2.5的折射率；3(Ge₁₂Sb₁₃Sn₇Se₆₈)，其具有约2.6的折 射率；以及As₂Se₃玻璃，其具有约2.8的折射率。用于发散校正透镜 的透镜材料可为锗，其具有约4.0的折射率。

根据以下公式，表3和4中的几何参数对应于透镜表面：

$z\left(r\right)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\alpha }_4{r}^4+{\alpha }_6{r}^6+{\alpha }_8{r}^8+{\alpha }_{10}{r}^{10}+{\alpha }_{12}{r}^{12}+{\alpha }_{14}{r}^{14}$

其中c＝1/r_o，r₀为顶点半径，r为与光轴相隔的距离，且z为光轴 上的坐标，r₀、r和z是以mm表达。

根据以下公式，通过以第一衍射级的相变来呈现衍射结构：

$\Phi =\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{A}_{2i}{\rho }^{2i}$

其中ρ＝r/r₁，r₁为归一化半径，且A_2i为相系数。参考波长为波段 的中心。

表1：根据本发明的适合于波段8-12μm的消色差且消热差的透镜布置的基本数据

表2：根据本发明的适合于波段8-12μm的消色差且消热差的透镜布置的一阶参数和图像质量值，包含分辨率值作为29cy/mm下的平均MTF

表3：在表面N°2上具有衍射结构的会聚前透镜(1)的详细设计参数

表4：发散校正透镜的详细设计参数，包含整个视场内的光焦度