[发明专利]红外线光学系统和红外成像装置

说明书

技术领域

本发明涉及在例如热录像仪和夜视设备的摄取红外图像的系统中使用的红外线光学系统以及使用该红外线光学系统的红外成像装置。

背景技术

远红外光具有在8μm至12μm的波段，并且例如从人和动物以热量的方式(即，以远红外线辐射的方式)发出。鉴于该事实，在黑暗的地方成像、观察温度分布以及其他类似应用中使用远红外光。

用于收集远红外光的光学系统由于远红外光的低透射性而不包括用于收集一般可见光的玻璃透镜，而是在很多情况下包括由锗(Ge)或透过足够量的红外光的任何其他材料制成的透镜。由于锗具有约为四的高折射率，并且表面反射比较高，但吸收几乎为零，这使得当涂覆适当的抗反射膜时实现90％以上的高透射率。

然而，由于锗为稀有矿物而非常昂贵。

廉价但透射率比锗低的透镜材料包括硅(Si)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、由硫族元素和锗组成的硫属化物玻璃以及其他结晶材料。

尽管这些材料是廉价的，不利的是如同Ge一样非常硬。也就是，由于它们非常硬，所以需要花费很长时间来加工，由此在一些情况下难以降低成本。特别地，为了将上述任何材料研磨为非球面形状，需要长时间使用精密制造设备，通常导致成本增加。

硫化锌(ZnS)和硫属化物的压力加工处于研究中，但到目前为止，也还没有以低成本生产出用于远红外光的透镜或光学系统。

例如，JP-A-2010-39243、JP-A-2009-63942和JP-A-2008-128913描述了现有技术的红外线光学系统。

例如，JP-A-2010-39243公开了使用三个Ge透镜的光学系统。该光学系统在30度以上的视角内呈现优良的光学特性。

此外，在JP-A-2010-39243中，使用球面透镜使得加工成本降低。

然而，首先，由于Ge是非常昂贵的材料，所以不能实现低价的设备。

在JP-A-2009-63942中，使用了ZnS，其材料成本比Ge便宜很多。为了降低由于ZnS的折射率低于Ge所引起的较大像差量，采用了非球面表面。结果，难以加工非球面表面以及长的加工周期导致其难以降低成本。

在JP-A-2008-128913中公开了使用聚乙烯来校正像差并且使用硅透镜来收集光的例子，由于聚乙烯透镜被设置在最接近物体的位置，所以聚乙烯透镜不可避免地因外力和紫外线辐射而劣化。此外，由于光学系统相对于光阑(aperture)不是对称的，所以像差校正能力不足。

发明内容

在这种情况下，期望提供在从8μm至12μm的远红外线范围内具有令人满意的光学特性并且可以以低成本实现的红外线光学系统和红外线成像装置。

根据本发明的实施方式，提供了一种如下构造的红外线光学系统。

也就是，根据本发明的一个实施方式的红外线光学系统包括沿着从物体侧朝向图像平面侧的方向配置的第一光学元件、第二光学元件、第三光学元件和第四光学元件。

第四光学元件具有正折射率，在第二光学元件和第三光学元件之间设置有光阑。

第一光学元件和第四光学元件由硅(Si)、硫属化物玻璃和硫化锌(ZnS)中的任一种制成。

此外，第二光学元件和第三光学元件由树脂材料制成，并且第二光学元件和第三光学元件中的每一个的面向物体的表面和面向图像平面的表面中的至少一个为非球面表面。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种如下构造的红外线成像装置。

也即是，根据本发明的另一实施方式的红外线成像装置包括：根据本发明的实施方式的红外线光学系统；红外线检测单元，检测通过所述红外线光学系统收集的红外光；以及图像信号获取单元，基于由所述红外线检测单元提供的红外线检测信号来产生红外线图像信号。

为了实现成本降低，需要减少光学系统中使用的透镜的数量并减少具有加工困难的非球面形状的表面和透镜的数量。

另一方面，为了确保足够量的透过的光，期望减小透镜的厚度。

此外，为了实现令人满意的光学特性，需要适当地抑制各种像差。如上所述，使用非球面表面校正像差是有效的。

在本发明的实施方式中，如上所述，设置在第一光学元件和第四光学元件之间的第二光学元件和第三光学元件由树脂材料制成并具有非球面表面。

使用树脂材料使得材料成本降低并由此使得产品成本降低。此外，当透镜由树脂材料制成时，可以通过压力加工或由任何其他简单的方法形成非球面表面，从而与例如由硅制成的现有技术的红外线透镜进行非球面表面加工的情况相比，可以降低加工成本，由此降低产品成本。