本實(shí)用新型整體涉及光學(xué)器件，并且更具體地涉及高分辨率成像透鏡。
背景技術(shù)：
：近紅外(NIR)成像設(shè)備捕獲800nm到1300nm的波長(zhǎng)范圍中的光。此類設(shè)備被特別用于醫(yī)療診斷、食品檢查和夜視等領(lǐng)域。NIR成像設(shè)備還吸引人們對(duì)各種消費(fèi)電子技術(shù)中的應(yīng)用程序的興趣，諸如基于圖案的深度映射。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：下文描述的本實(shí)用新型的實(shí)施方案提供了用于其設(shè)計(jì)的改進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)和方法。因此，根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方案，提供了一種用于在將對(duì)象成像到圖像平面上的過程中在目標(biāo)近紅外(NIR)波長(zhǎng)處工作的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括從對(duì)象側(cè)到圖像側(cè)按順序布置的以下光學(xué)元件：第一透鏡，該第一透鏡包含在目標(biāo)NIR波長(zhǎng)處具有第一折射率的第一材料并具有正屈光力；第二透鏡，該第二透鏡包含第一材料并且具有第一彎月形狀；第三透鏡，該第三透鏡包含第一材料并且具有第二彎月形狀；以及第四透鏡，該第四透鏡包含在目標(biāo)NIR波長(zhǎng)處具有低于第一折射率的第二折射率的第二材料。該第四透鏡具有非球面形式的前表面和后表面，在這些表面中的至少一個(gè)表面中具有至少一個(gè)拐點(diǎn)，并且其中非球面系數(shù)被選擇，使得從對(duì)象到達(dá)后表面的光線不會(huì)在第四透鏡內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，以撞擊在圖像平面上。在一些實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括帶通濾波器，該帶通濾波器被配置為阻擋除目標(biāo)NIR波長(zhǎng)處之外的光并且被布置在第四透鏡和圖像平面之間。在所公開的實(shí)施方案中，該光學(xué)元件被配置為在F/2.0處形成圖像，其中對(duì)角全視場(chǎng)大于80°，并且視場(chǎng)的邊緣處的圖像亮度大于軸上的圖像亮度的30％。典型地，該系統(tǒng)包括與第一透鏡相鄰的孔徑光闌。在所公開的實(shí)施方案中，該第一透鏡具有凸?fàn)钋氨砻?，并且第四透鏡的前表面和后表面兩者具有相應(yīng)的拐點(diǎn)。在一些實(shí)施方案中，第四透鏡的前表面和后表面的非球面系數(shù)被選擇，使得在從對(duì)象側(cè)進(jìn)入系統(tǒng)的光線能夠相交的任何位置處與前表面和后表面中的任一者相切的平面相對(duì)于與系統(tǒng)的光軸垂直的平面傾斜不超過預(yù)定義的最大角度。在一個(gè)實(shí)施方案中，該光學(xué)元件被配置為在F/2.0處形成圖像，其中對(duì)角全視場(chǎng)大于80°，并且預(yù)定義的最大角度不大于45°。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方案，還提供了一種用于在將對(duì)象成像到圖像平面上的過程中在目標(biāo)近紅外(NIR)波長(zhǎng)處工作的光學(xué)系統(tǒng)。該方法包括從對(duì)象側(cè)到圖像側(cè)按順序布置以下光學(xué)元件：第一透鏡，該第一透鏡包含在目標(biāo)NIR波長(zhǎng)處具有第一折射率的第一材料并具有正屈光力；第二透鏡，該第二透鏡包含第一材料并且具有第一彎月形狀；第三透鏡，該第三透鏡包含第一材料并且具有第二彎月形狀；以及第四透鏡，該第四透鏡包含在目標(biāo)NIR波長(zhǎng)處具有低于第一折射率的第二折射率的第二材料，并具有非球面形式的前表面和后表面，在表面中的至少一個(gè)表面中具有至少一個(gè)拐點(diǎn)。第四透鏡的前表面和后表面的非球面系數(shù)被選擇，使得從對(duì)象到達(dá)后表面的光線不會(huì)在第四透鏡內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，以撞擊在圖像平面上。結(jié)合附圖，從下文中對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方案的詳細(xì)描述將更完全地理解本實(shí)用新型，在附圖中：附圖說明圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方案的光學(xué)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；圖2是在圖1的光學(xué)系統(tǒng)的整個(gè)視場(chǎng)中調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)作為角度(圖像高度)的函數(shù)的圖示；圖3是在圖1的光學(xué)系統(tǒng)的整個(gè)視場(chǎng)中照明衰落作為角度(圖像高度)的函數(shù)的圖示；圖4A是示出了在系統(tǒng)內(nèi)反射的光線的跡線的示例性光學(xué)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；以及圖4B是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方案的示出了在系統(tǒng)內(nèi)反射同時(shí)避免全內(nèi)反射到圖像平面上的光線的跡線的圖1的光學(xué)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。具體實(shí)施方式當(dāng)前的NIR成像設(shè)備大多是通過添加NIR帶通濾波器而從針對(duì)可見光(VIS)攝影術(shù)所設(shè)計(jì)的成像透鏡改造而來的。然而，此類系統(tǒng)的性能和形狀因數(shù)可能受到VIS和NIR之間的光譜差異的妨礙。具體地，光學(xué)材料在用于大多數(shù)NIR成像應(yīng)用的感興趣光譜區(qū)域中的色散通常較小。這種特性使得能夠在NIR成像透鏡中布置高折射率色散材料，以方便在特定NIR光譜區(qū)域內(nèi)進(jìn)行像差控制。在另一方面，由于出現(xiàn)過大的色差，因此此類布置通常不適合VIS成像。因此，不同的設(shè)計(jì)考慮將適用于要用于NIR窄帶成像應(yīng)用中的透鏡系統(tǒng)。本實(shí)用新型的實(shí)施方案采用這種設(shè)計(jì)方式來提供可用于例如便攜式電子設(shè)備中的高分辨率NIR成像的快速、寬角度微型成像透鏡。下面描述的特定實(shí)施方案提供了這種透鏡，該透鏡能夠在F/2.0處工作，其中對(duì)角全視場(chǎng)為84°，并且其中整個(gè)圖像中的光學(xué)畸變不大于2％。因?yàn)榇祟愅哥R被設(shè)計(jì)以在單個(gè)NIR波長(zhǎng)處工作，所以該設(shè)計(jì)不需要考慮色差。相反，優(yōu)化該透鏡設(shè)計(jì)以使透鏡表面處的來自全內(nèi)反射(TIR)的光暈最小化，以及保持圖像角落處的低光衰落。這兩個(gè)特性對(duì)于NIR成像應(yīng)用(例如，基于投影圖案的深度映射)而言非常關(guān)鍵，這些應(yīng)用需要良好的圖像再現(xiàn)，需要具有在整個(gè)場(chǎng)上的高保真性以及相對(duì)于環(huán)境噪聲諸如雜散光的高免疫性。圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方案的作為所主張的設(shè)計(jì)系列的一個(gè)示例而呈現(xiàn)的NIR光學(xué)系統(tǒng)20的示意性側(cè)視圖。如前所述，圖示的設(shè)計(jì)能夠在F/2.0處工作，其中對(duì)角全視場(chǎng)為84°，并且整個(gè)圖像中的光學(xué)畸變不大于2％。其為NIR成像應(yīng)用尤其是便攜式電子設(shè)備中的NIR成像應(yīng)用提供了一種廉價(jià)、緊湊、高質(zhì)量的解決方案。光學(xué)系統(tǒng)20包括具有屈光力的四個(gè)透鏡元件，從對(duì)象側(cè)(圖的左側(cè)處)到圖像平面36(右側(cè)處)按順序被標(biāo)記為透鏡22、24、26和28。透鏡22具有凸前表面30和正光焦度，而透鏡28具有負(fù)光焦度，在至少后透鏡表面32中具有至少一個(gè)拐點(diǎn)。例如，透鏡24和26是具有低光焦度的彎月透鏡元件，該光焦度的一個(gè)光焦度可為正，并且另一個(gè)光焦度為負(fù)。在圖示的示例中，透鏡24和26的前側(cè)為凹面的而后側(cè)為凸面的，但這些透鏡的至少一個(gè)透鏡可相反，使得其前側(cè)為凸面的并且其后側(cè)為凹面的。光學(xué)系統(tǒng)20包括NIR帶通濾波器34，以消除感興趣光譜區(qū)外部不希望的光的干擾。透鏡22、24和26包括第一高折射率材料，諸如EP5000(其在該設(shè)計(jì)的紅外參考波長(zhǎng)(940nm)處的折射率為n＝1.613)，而透鏡28包括低折射率材料，諸如APEL9(在設(shè)計(jì)的紅外參考波長(zhǎng)(940nm)處n＝1.508)。這些材料的阿貝v數(shù)為：針對(duì)EP5000為Vd＝23.8，并且針對(duì)APEL為Vd＝55.9。盡管出于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的目的，透鏡22、24和26包括相同材料是方便的，但是在另選的實(shí)施方案中，這三個(gè)透鏡中的至少一個(gè)透鏡可包括不同的高折射率材料。在圖示的設(shè)計(jì)中，全部表面是非球面的，但在另選的實(shí)施方案中，透鏡22、24和26的表面中的一個(gè)或多個(gè)表面可以是球面形的。透鏡28是雙非球面，其中彎曲的前表面和后表面被設(shè)計(jì)成減小圖像平面處的場(chǎng)曲率和畸變。圖1中所示的設(shè)計(jì)包括可用于控制光學(xué)系統(tǒng)的亮度的孔徑光闌38。在圖1中的光學(xué)系統(tǒng)20的對(duì)象側(cè)處示出了孔徑光闌38，但其可另選地位于別處，例如位于透鏡22和24之間?？讖焦怅@38的位置還便于縮短系統(tǒng)的線路全長(zhǎng)(TTL)，在消費(fèi)應(yīng)用中諸如在便攜式電子設(shè)備中這是尤其需要的。下文在附錄中列出了在圖1中的所示的光學(xué)系統(tǒng)20的精確設(shè)計(jì)參數(shù)。僅以舉例的方式呈現(xiàn)這些參數(shù)。實(shí)現(xiàn)本文所述的原理的其他設(shè)計(jì)在閱讀本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式之后對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的并被視為在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。圖2和圖3分別隨著光學(xué)系統(tǒng)20的視場(chǎng)的角度(圖像高度)示出了MTF和照明衰落。圖2中的曲線對(duì)應(yīng)于相對(duì)于光軸的以下圖像高度：-衍射極限(40)。-圖像高度零(42)。-圖像高度1.135mm，橫向(44)。-圖像高度1.135mm，徑向(46)。-圖像高度1.589mm，橫向(48)。-圖像高度1.589mm，徑向(50)。-圖像高度2.270mm，橫向(52)。-圖像高度2.270mm，徑向(54)。在視場(chǎng)的中心處，MTF大于0.5，最高至200周期/mm，而在視場(chǎng)的邊緣，MTF仍然保持高于0.5，降低至大約100周期/mm。即使在視場(chǎng)的遠(yuǎn)邊緣處，圖像亮度仍然保持高于光軸上的亮度的35％。結(jié)果，在并入NIR電子成像系統(tǒng)中時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)20將給出有用水平的圖像亮度和分辨率，直到圖像傳感器的遠(yuǎn)處邊緣。仔細(xì)設(shè)計(jì)透鏡28，以嚴(yán)格使全內(nèi)反射(TIR)造成的光暈和所造成的“鬼影”最小化。該要求至少部分是通過如下方式滿足的：針對(duì)透鏡28使用低折射率材料并設(shè)計(jì)該透鏡的表面，使得透鏡表面在任何點(diǎn)處的法線與入射到該點(diǎn)的光線之間的角度將小于TIR角。換句話講，透鏡28的前表面和后表面的球面系數(shù)被選擇，使得從對(duì)象到達(dá)后表面的光線在第四透鏡內(nèi)不會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射，以撞擊在圖像平面上。圖4A是示出了在系統(tǒng)內(nèi)所反射的高角度光線70的跡線以與系統(tǒng)20進(jìn)行對(duì)比的示例性光學(xué)系統(tǒng)60的示意性側(cè)視圖。系統(tǒng)60的設(shè)計(jì)類似于系統(tǒng)20，但在選擇非球面系數(shù)時(shí)未考慮對(duì)TIR的限制。光線70通過前三個(gè)透鏡(類似于透鏡22、24和26)，并且然后在透鏡68的后表面72處被內(nèi)反射，之后在透鏡的前表面74處發(fā)生TIR。所反射的光線76在圖像平面36中形成鬼影圖像。圖4B是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施方案的示出了如何通過本設(shè)計(jì)來避免這種鬼影圖像的系統(tǒng)20的示意性側(cè)視圖。一般來講，通過設(shè)計(jì)透鏡28來避免由于內(nèi)反射導(dǎo)致的光暈，以避免透鏡后表面82和前表面84中的高角度。具體地，表面的非球面系數(shù)被選擇，使得在進(jìn)入系統(tǒng)20的光線能夠相交的任何位置處與透鏡28的后表面82或前表面84相切的平面相對(duì)于垂直于光軸的平面傾斜不超過特定最大角度，例如在這種情況下不超過45°。(在圖4A中可看到表面72更大的傾斜角。)因此，從表面82反射的光線86在透鏡28內(nèi)不會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射，而是向前通過到達(dá)無害的散射位置。在本實(shí)用新型的其他實(shí)施方案中，系統(tǒng)中的最后的透鏡的表面的傾斜角以類似方式被限制，但根據(jù)特定設(shè)計(jì)參數(shù)，切平面傾斜的極限角度可更小或更大，該設(shè)計(jì)參數(shù)包括例如F/#、視場(chǎng)和圖像傳感器特性。因此，應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施方案以舉例的方式進(jìn)行引用，并且本實(shí)用新型并不限于上文具體示出并描述的內(nèi)容。相反，本實(shí)用新型的范圍包括上文所述的各種特征，以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀以上描述之后會(huì)想到的在現(xiàn)有技術(shù)中沒有公開的其變型形式和修改形式的組合和子組合。附錄-透鏡列表以下列表示出了在圖1所示的設(shè)計(jì)?！扒拾霃健绷薪o出了軸上的每個(gè)透鏡表面的曲率半徑，而“厚度”列表示設(shè)計(jì)中從給定表面到下一表面的距離。FOV表示系統(tǒng)的對(duì)角全視場(chǎng)。該設(shè)計(jì)的參考波長(zhǎng)為940nm。相對(duì)于其折射率nd和阿貝數(shù)vd來限定光學(xué)材料。對(duì)透鏡的定義(F/2.0，84°FOV)透鏡編號(hào)表面數(shù)量曲率半徑(mm)厚度(mm)材料(nd,vd)孔徑光闌1無窮大-0.100透鏡1*21.9400.509(1.636,23.8)*3-3.5830.340透鏡2*4-1.4920.354(1.636,23.8)*5-2.6310.190透鏡3*6-1.8640.485(1.636,23.8)*7-1.6330.100透鏡4*8-14.2880.501(1.545,55.9)*9670.9780.350濾光器10無窮大0.400(1.517,64.2)11無窮大0.518紅外傳感器12無窮大-*非球面表面(下文給出非球面系數(shù))非球面系數(shù)非球面系數(shù)(續(xù))這里z是平行于z軸的表面的垂度。c是表面的極點(diǎn)處的曲率。K是二次曲線常數(shù)。A4-A24是非球面系數(shù)。當(dāng)前第1頁1 2 3