緊湊型消色差且被動的僅光學消熱差攝遠透鏡的制作方法
【專利說明】緊湊型消色差且被動的僅光學消熱差攝遠透鏡
[0001] 本公開設(shè)及用于通過窄視場進行紅外線成像的大孔徑消色差且消熱差的透鏡布 置。設(shè)計良好的窄場透鏡保證甚至遙遠的場景的清晰且高對比度的圖像。運種類型的透鏡 的最關(guān)鍵的參數(shù)是體積和重量、波長漂移W及熱漂移。
[0002] 具有17ym或甚至12ym的像素間距的新檢測器開發(fā)需要空間分辨率穩(wěn)定地漸增 的透鏡組件?？赏ㄟ^基于孔徑的光圈數(shù)低于f/1. 5的相對大孔徑透鏡布置來規(guī)避衍射的分 辨率極限。根據(jù)平方律，較大孔徑具有使相機的熱分辨率增大的額外優(yōu)點。然而，也可在不 會過于不利的情況下設(shè)想下至f/2. 0的較小孔徑。
[0003] 呈兩個會聚群組的傳統(tǒng)布置（"佩茲伐"透鏡）導致長于有效焦距巧FL)的總長 度（OL)并且導致短后焦距度化)。第一事實限制了便攜性或移動性。第二事實限定了對相 機的機械配合。后者對于冷卻檢測器來說變得非常關(guān)鍵，通常需要在檢測器平面附近用于 杜瓦瓶和冷光闊的空間。
[0004]MasatakaPfeitoh等人的"硫?qū)倩锊ＡУ母Ｉ淠褪苄?（Proc. SPIE(2010)，Vol. 7660, 7660028)中給出實例，其中描述了消熱差紅外線透鏡組件。色像差 和熱散焦兩者據(jù)稱均得到補償。所述設(shè)計使用由2個透鏡組成的會聚前群組，一個透鏡由 硫?qū)倩锊Ａе瞥?，另一個透鏡由錯制成。此外，運后一透鏡是衍射的。后群組是略微會聚 的并且由3個錯透鏡組成。對于102mm的總長度來說，報告的焦距為78mm。因此，運種布置 并非特別緊湊型的，并且由于大量透鏡而造價昂貴。并且沒有詳述其光學設(shè)計，也未指明透 鏡輪廓。
[0005] 在給定光圈數(shù)和邸L下使體積減小的唯一方式是使化最小化。為此，可將會聚前 群組與發(fā)散后群組組合。運些布置（也被稱為攝遠鏡頭）經(jīng)常具有光圈數(shù)高于f/1. 7的= 個或更多個透鏡。
[0006] 此外，先進的優(yōu)化技術(shù)結(jié)合專家桐察力可僅使用兩個透鏡來提供解決方案：運種 概念的關(guān)鍵是具有小熱光常數(shù)（T0C或丫T)的會聚前透鏡和具有高TOC的發(fā)散圖像側(cè)透鏡。 用于前透鏡的優(yōu)選材料為硫?qū)倩锊ＡВ挥糜趫D像側(cè)透鏡的合適材料為錯。
[0007] 呈攝遠鏡頭布置并且具有較低光圈數(shù)的此類現(xiàn)代雙透鏡設(shè)計通常通過光學和機 械補償機制的組合來實現(xiàn)被動消熱差?，F(xiàn)有技術(shù)是使用固持器內(nèi)具有廣泛不同熱膨脹系數(shù) 的材料（諸如放置在金屬固持器內(nèi)的塑料管或塑料環(huán)）而實現(xiàn)的被動機械消熱差。差異膨 脹通過使透鏡的相對位置依據(jù)溫度而移位來誘發(fā)幾何形狀的略微重新調(diào)整。然而，透鏡固 持器是機械復雜的并且因此是頗為易碎的。
[0008] 未公布的國際申請案PCT/EP2012/076332教示了將機械和光學熱校正組合的此 類現(xiàn)代雙透鏡布置。所述詳細設(shè)計提供高光學性能，與當前細間距檢測器的使用兼容。在 例示設(shè)計中的每一者中使用塑料熱膨脹環(huán)。
[0009] 本公開的目的是僅通過光學手段來實現(xiàn)被動消熱差，因此無需使透鏡在透鏡固持 器中進行任何相對校正移動。因此，致使簡單的、堅硬的整體透鏡固持器成為可能。在運種 情況下，后透鏡的形狀更像具有負光焦度的校正板并且因此被進一步稱為發(fā)散校正透鏡。
[0010] 為此，已經(jīng)開發(fā)出新穎光學設(shè)計，尤其是紅外線消色差且消熱差的攝遠透鏡布置， 所述布置由TOC低于35X10 6kI的單一會聚前透鏡和TOC高于75X10 6kI的單一發(fā)散校 正透鏡組成，其基于孔徑的光圈數(shù)低于f/1. 5,其特征在于：
[0011] 0.91《0L/E化《1.Ol;
[0012] 0. 32《B化/E化《0. 50 ; 陽01引 0. 20《VD/E化《0. 48;
[0014] 溫度補償是僅通過被動光學補償而獲得；W及，
[0015] 所述校正透鏡的光焦度從軸上第一值到最大圖像高度第二值而變化，所述第二值 對所述第一值的比率為1. 05到1. 40。
[0016] 發(fā)散校正透鏡的光焦度因此從軸上值到最大圖像高度值增加了 5%到40%。
[0017] 應注意，E化為透鏡組件的有效焦距，化為其總長度，B化為其后焦距，并且VD為 運兩個透鏡之間的頂點距離。在-40°C到+80°C的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)消熱差。在整個溫度范 圍內(nèi)實現(xiàn)對應于29cy/mm下的平均MTF的比0. 300更好的軸上分辨率。
[0018]TOC意指透鏡材料的熱光常數(shù)，也被稱為丫T。低于f/1. 5的基于孔徑的光圈數(shù)意 指較大孔徑尺寸，諸如f/1. 2。
[0019] 優(yōu)選實施例包含W上透鏡布置，其特征在于前透鏡材料為硫?qū)倩锊ＡА?br>[0020] 有利地，將錯選作發(fā)散校正透鏡的透鏡材料。由于錯的約125X106K1的極高T0C， 錯確實最適合用于校正透鏡中。
[0021] 會聚前透鏡是優(yōu)選地通過具有一個凹形表面的凹凸透鏡來實現(xiàn)，所述凹形表面朝 向外殼內(nèi)部。
[0022] 此外，可在透鏡表面中的一者上提供衍射圖案。
[0023] W上光學設(shè)計特別適合于窄場組件，即，適應于20度或更小的水平視場（HFOV)。
[0024] 在運些情況下，透鏡外殼成為具有位于固定位置處的透鏡的整體管。運表示朝向 便攜式且堅固的設(shè)備的大進步。然而，透鏡和外殼材料W及透鏡形狀的精屯、選擇仍是強制 性的W實現(xiàn)所設(shè)想的光學分辨率和熱漂移。
[00巧]必須考慮透鏡外殼材料的影響。諸如金屬或合金的具有低熱膨脹系數(shù)的材料是優(yōu) 選的，運是因為使前透鏡和校正透鏡的光焦度減小成為可能。
[00%] -個透鏡表面上的衍射圖案為對色差進行更有效的補償留出余地，運在系統(tǒng)的帶 寬可能跨大氣窗口時是有用的特征。
[0027] 所述設(shè)計還提供大后焦距。在運樣做時，確保與不同類型的檢測器（冷卻和未冷 卻、具有不同尺寸，W及用于不同波段）的兼容性。
[0028] 另外優(yōu)點為：
[0029]-在全場中在29cy/mm下基于初始溫度的高空間分辨率；
[0030] -在29cy/mm下在整個溫度范圍內(nèi)的高空間分辨率； 陽03U -適應于不同檢測器像素計數(shù)，比如 320X240、640X480(VGA)、1024X768狂GA);
[0032]-適應于不同像素間距，比如25Jim、17Jim、15Jim、12Jim; 陽03引-適應于不同波段，比如3-5ym、8-12ym、7-14ym;
[0034]-適應于不同外殼材料。
[0035] 基于W上邊界條件，