紅外線攝像裝置以及攝像裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種紅外線攝像裝置，更詳細(xì)地說(shuō)，涉及一種利用被攝體所放射的紅 外線形成紅外線像來(lái)進(jìn)行攝像的紅外線攝像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，紅外線攝像裝置不只是紅外熱像儀、監(jiān)視裝置、工業(yè)測(cè)量設(shè)備、醫(yī)療測(cè)量 設(shè)備，還作為在車載用設(shè)備、自動(dòng)門、制冷制熱設(shè)備等中使用的對(duì)人傳感器（人檢測(cè)傳感 器）被廣泛利用著。
[0003] 但是，作為適合在波長(zhǎng)3000nm(3 μ m)~HOOOnm(14 μ m)的紅外波長(zhǎng)區(qū)域使用的 透鏡材料的鍺、硒化鋅、硫?qū)倩锊ＡУ扰c可見光用的透鏡材料相比由于材料礦石的開采 困難等理由而非常昂貴，強(qiáng)烈期望通過(guò)削減構(gòu)成透鏡片數(shù)、使構(gòu)成透鏡小型化來(lái)減少制造 成本。
[0004] 為了削減構(gòu)成透鏡片數(shù)、使構(gòu)成透鏡小型化而在紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)中包括菲涅 爾面是眾所周知的。即，提出了如下的紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)：具備兩片將一面構(gòu)成為菲涅爾 面并將另一面構(gòu)成為平面的具有凸透鏡的作用的菲涅爾透鏡，并具有兩個(gè)條件式（例如， 參照專利文獻(xiàn)1)。
[0005] 作為其它的以往的紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)，提出了具備至少兩片球面透鏡和至少一 片薄的平板透鏡且上述平板透鏡的一個(gè)面為菲涅爾透鏡的紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)（例如，參 照專利文獻(xiàn)2)。在該專利文獻(xiàn)中，還提出了上述平板透鏡的一個(gè)面為衍射面的紅外線透鏡 光學(xué)系統(tǒng)。
[0006] 此外，在可見光透鏡光學(xué)系統(tǒng)中，還提出了為了結(jié)構(gòu)透鏡片數(shù)的削減、結(jié)構(gòu)透鏡的 小型化而具有菲涅爾面的透鏡光學(xué)系統(tǒng)。即，提出了一種廣角透鏡（例如，參照專利文獻(xiàn) 3)，該廣角透鏡自物體側(cè)起依次包括具有負(fù)的折射力的第一透鏡以及具有正的折射力的第 二透鏡，上述第一透鏡的入射面為菲涅爾面，上述第二透鏡的入射面為菲涅爾面，上述第二 透鏡的出射面為非球面。
[0007] 作為為了削減構(gòu)成透鏡片數(shù)、使構(gòu)成透鏡小型化而具有菲涅爾面的可見光透鏡光 學(xué)系統(tǒng)的其它現(xiàn)有技術(shù)，提出了如下的廣角透鏡：自物體側(cè)起依次具備具有負(fù)的折射力的 第一透鏡以及具有正的折射力的第二透鏡，設(shè)置有以這些第一透鏡和第二透鏡的至少一面 的球面為基準(zhǔn)排列的菲涅爾面和非球面，菲涅爾面以不均勻的環(huán)帶間隔形成（例如，參照 專利文獻(xiàn)4)。
[0008] 另一方面，作為在公知的可見光光學(xué)系統(tǒng)中具有菲涅爾面的透鏡，提出了如下的 攝像透鏡：將透鏡主體的至少一個(gè)面形成為非球面，并且將該透鏡主體的物體側(cè)的第一面 和攝像面?zhèn)鹊牡诙嬷械闹辽僖幻孀鳛榉颇鶢柮妫▽?duì)比文獻(xiàn)5的權(quán)利要求1)。
[0009] 關(guān)于對(duì)比文獻(xiàn)5的攝像透鏡，還提出了通過(guò)將第一透鏡和第二透鏡接合來(lái)形成透 鏡主體（專利文獻(xiàn)5的權(quán)利要求2)。
[0010] 作為在公知的可見光光學(xué)系統(tǒng)中具有菲涅爾面的透鏡，還提出了一種攝像透鏡， 其特征在于，將透鏡主體的攝像面?zhèn)鹊牡诙嫘纬蔀榉颇鶢柮?，并且將衍射元件一體地形 成于上述透鏡主體的物體側(cè)的第一面和攝像面?zhèn)鹊牡诙嬷械闹辽僖粋€(gè)面（例如，參照專 利文獻(xiàn)6)。
[0011] 專利文獻(xiàn)1 :日本特許第3758072號(hào)公報(bào)
[0012] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開平10-301024號(hào)公報(bào)
[0013] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開平06-230275號(hào)公報(bào)
[0014] 專利文獻(xiàn)4 :日本特開平07-043607號(hào)公報(bào)
[0015] 專利文獻(xiàn)5 :日本特開2002-55273號(hào)公報(bào)
[0016] 專利文獻(xiàn)6 :日本特開2002-350723號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0018] 上述現(xiàn)有技術(shù)的可見光透鏡光學(xué)系統(tǒng)在被要求例如100條/毫米以上的高分辨率 的可見光區(qū)域的攝像裝置中由于與菲涅爾透鏡的環(huán)帶的間距和光的波長(zhǎng)關(guān)聯(lián)地產(chǎn)生的衍 射圖像、因環(huán)帶間的階差而產(chǎn)生的雜光的影響而分辨率顯著地降低。另一方面，可見光攝像 裝置一般形成彩色圖像，因此攝像元件配置有各像素的R、G、B中的任一個(gè)的濾光片。這些 R、G、B的濾光片將規(guī)定的波長(zhǎng)設(shè)為峰值，將100~幾十nm的范圍設(shè)為透射區(qū)域。因此，各 受光像素接收較窄的衍射角度范圍的光，在成像面上形成某種程度上清晰的衍射圖像，還 形成標(biāo)準(zhǔn)圖像和位置相對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)圖像偏移的衍射圖像。因此，在可見光成像系統(tǒng)中包括 菲涅爾面并非優(yōu)選，在產(chǎn)業(yè)上采用菲涅爾面的設(shè)備被限定于如上述的衍射圖像問(wèn)題、雜光 問(wèn)題被允許的照明系統(tǒng)、簡(jiǎn)單的放大鏡等那樣不被要求高分辨率的設(shè)備。
[0019] 另一方面，紅外線攝像元件中的任一受光元件均不將入射光進(jìn)行分光而接收規(guī)定 波長(zhǎng)區(qū)域的所有波長(zhǎng)的光。其結(jié)果，以與紅外線攝像元件的受光靈敏度波長(zhǎng)范圍對(duì)應(yīng)的非 常廣的波長(zhǎng)范圍的衍射角度衍射的光所產(chǎn)生的圖像在攝像元件上偏離標(biāo)準(zhǔn)圖像地形成。
[0020] 因而，在紅外線攝像元件上，衍射圖像是模糊的圖像，并且還存在由于環(huán)帶間的階 差而產(chǎn)生的雜光的影響，從而形成不清晰的衍射光的光紅外線圖像。
[0021] 并且，3000nm~HOOOnm的紅外線與400nm~700nm的可見光相比，波長(zhǎng)長(zhǎng)10倍~ 20倍，分辨極限較低。但是，能夠通過(guò)圖像處理提高圖像整體的對(duì)比度，從而能夠?qū)⒀苌涞?影響減小到實(shí)際使用上不會(huì)造成不利影響的程度。
[0022] 由對(duì)比文獻(xiàn)1提出的具備兩片將一面構(gòu)成為菲涅爾面、將另一面構(gòu)成為平面的具 有凸透鏡的作用的菲涅爾透鏡并且具有兩個(gè)條件式的紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)確定整個(gè)透 鏡系統(tǒng)的焦距和各菲涅爾透鏡的焦距時(shí)，確定上述菲涅爾透鏡的曲率和主點(diǎn)位置。其結(jié)果， 存在如下問(wèn)題：能夠使用于像差校正的參數(shù)只有菲涅爾面的非球面形狀，在像差校正不充 分的狀態(tài)下不得不實(shí)施像差校正而無(wú)法實(shí)現(xiàn)期望的分辨率。
[0023] 由對(duì)比文獻(xiàn)2提出的具備至少兩片球面透鏡和至少一片薄的平板透鏡且上述平 板透鏡的一個(gè)面為菲涅爾透鏡的紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)中兩片透鏡是球面透鏡，包含很多難 以得到的昂貴的紅外線透鏡材料，制造成本的減少程度低。另外，估計(jì)有如下問(wèn)題：雖然球 面像差在某種程度上得到校正，但是無(wú)法充分地校正像散、彗星像差。
[0024] 另外，當(dāng)假設(shè)要將對(duì)比文獻(xiàn)5的權(quán)利要求2所記載的形成接合透鏡來(lái)校正色像差 的技術(shù)應(yīng)用于本發(fā)明的紅外線攝像裝置時(shí)，紅外線用透鏡材料的種類非常少，難以通過(guò)紅 外線用透鏡材料的粘貼來(lái)校正色像差。除此之外，不存在使紅外線透過(guò)的粘結(jié)劑。因而，對(duì) 比文獻(xiàn)5的將兩片凹凸的透鏡接合的技術(shù)實(shí)質(zhì)上不可能應(yīng)用于紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)。
[0025] 并且，當(dāng)假設(shè)要將對(duì)比文獻(xiàn)5的權(quán)利要求2所記載的形成接合透鏡來(lái)校正色像差 的技術(shù)應(yīng)用于本發(fā)明的紅外線攝像裝置時(shí)，在制造上存在較大問(wèn)題。即，在將兩片透鏡接合 的情況下，將作為基準(zhǔn)的一方的透鏡A固定，接著使另一方的透鏡B相對(duì)于透鏡A移動(dòng)，并 進(jìn)行調(diào)整以提高兩個(gè)透鏡A、B的合成透過(guò)芯精度、即使兩個(gè)透鏡A、B合為單個(gè)透鏡時(shí)的芯 精度。但是，實(shí)際上，透鏡B相對(duì)于透鏡A的光學(xué)上的偏移/傾斜量由于受到兩個(gè)透鏡A、B 的芯精度的影響，因此變大是不可避免的。其結(jié)果，從透鏡B的菲涅爾面的環(huán)帶產(chǎn)生的衍射 光、由于環(huán)帶間的階差產(chǎn)生的雜光出現(xiàn)在成像面的偏離的位置，透鏡B的菲涅爾面的大的 光學(xué)上的偏移/傾斜量的影響變得顯著，圖像的清晰度降低。
[0026](發(fā)明的目的）
[0027] 本發(fā)明是鑒于紅外線攝像裝置、特別是紅外線攝像裝置的紅外線透鏡系統(tǒng)的上述 問(wèn)題點(diǎn)而完成的，其目的在于提供一種通過(guò)維持高的分辨性能且減少難以得到而昂貴的紅 外線透鏡材料的體積而實(shí)現(xiàn)了紅外線攝像裝置的小型化以及低成本化的紅外線攝像裝置。
[0028] 用于解決問(wèn)題的方案
[0029] 本發(fā)明的紅外線攝像裝置具有紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)，該紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)具有 至少一片菲涅爾透鏡，該菲涅爾透鏡的至少一面為菲涅爾面，上述紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)包 含如下透鏡材料，該透鏡材料在以該透鏡材料形成厚度4mm的無(wú)涂布的平行平面板的情況 下，在波長(zhǎng)3000nm~HOOOnm之間的使用波長(zhǎng)范圍的至少一個(gè)單波長(zhǎng)時(shí)透射率為35%以 上，上述菲涅爾透鏡的兩面為曲面，該曲面的法線與菲涅爾透鏡的光軸所成的角度Θ的最 大值滿足條件式（1)，
[0030] 條件式（1) 5。< Θ < 65。。
[0031] 發(fā)明的效果
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的紅外線攝像裝置，能夠構(gòu)成通過(guò)維持高的分辨性能且減少由于材料 礦石的開采困難等理由而昂貴的紅外線透鏡材料的體積來(lái)實(shí)現(xiàn)了紅外線攝像裝置的小型 化以及低成本化的紅外線攝像裝置。
[0033] 對(duì)于條件式（1)進(jìn)行說(shuō)明。條件式（1)是用于在具有紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)的紅外 線攝像裝置中充分地進(jìn)行像差校正、特別是校正球面像差、像散、彗星像差的條件，該紅外 線透鏡光學(xué)系統(tǒng)具有至少一片菲涅爾透鏡，該菲涅爾透鏡的至少一面為菲涅爾面。
[0034] 當(dāng)超過(guò)條件式（1)的下限時(shí)，因菲涅爾面的基礎(chǔ)面的變化而引起的球面像差、像 散、彗星像差等的變化量少，無(wú)法充分地校正球面像差、像散、彗星像差等。
[0035] 當(dāng)超過(guò)條件式（1)的上限時(shí)，能夠進(jìn)行像差校正，但是為了將菲涅爾透鏡的厚度 抑制在固定范圍內(nèi)而菲涅爾面的環(huán)帶數(shù)變多，菲涅爾環(huán)帶的半徑方向的寬度變小。其結(jié)果， 由于各菲涅爾環(huán)帶的內(nèi)外周的階差即環(huán)帶的下降（寸夕）而產(chǎn)生大量的雜光，妨礙形成清 晰的成像。
[0036] 為了形成清晰的成像，更優(yōu)選為5°彡Θ彡55°。
[0037] 上述紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)使用如下透鏡材料是用于獲得明亮且清晰的成像的條 件，該透鏡材料在以該透鏡材料形成厚度4_的無(wú)涂布的平行平面板的情況下，在波長(zhǎng) 3000nm~HOOOnm之間的使用波長(zhǎng)范圍的至少一個(gè)單波長(zhǎng)時(shí)透射率為35%以上。
[0038] 更優(yōu)選的是，上述紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)使用如下透鏡材料，該透鏡材料在以該透 鏡材料形成厚度4mm的無(wú)涂布的平行平面板的情況下，在波長(zhǎng)3000nm~HOOOnm之間的使 用波長(zhǎng)范圍的至少一個(gè)單波長(zhǎng)時(shí)透射率為45%以上。
[0039] 更進(jìn)一步優(yōu)選的是，上述紅外線透鏡光學(xué)系統(tǒng)使用如下透鏡材料，該透鏡材料在 以該透鏡材料形成厚度4mm的無(wú)涂布的平行平面板的情況下，在波長(zhǎng)3000nm~HOOOnm時(shí) 透射率為55%以上。
[0040] (實(shí)施方式1)
[0041] 在本發(fā)明的紅外線攝像裝置中，上述菲涅爾透鏡的菲涅爾面滿足條件式（2)。
[0042] 條件式（2) |X/R| 彡 0· 17
[0043] 其中，R為菲涅爾面的以同心圓狀分割得到的菲涅爾環(huán)帶中的最外側(cè)環(huán)帶的外周 緣的半徑，
[0044] X為最大深度、即在光軸方向上從菲涅爾面的中心光軸方向位置至菲涅爾面的最 遠(yuǎn)位置為止的距離，該菲涅爾面的最遠(yuǎn)位置是菲涅爾環(huán)帶邊界的最深的位置。
[0045] 對(duì)于條件式（2)進(jìn)行說(shuō)明。在菲涅爾透鏡中，如果增加分割菲涅爾面的環(huán)帶的分 割數(shù)，則能夠提高設(shè)計(jì)上的分辨率。另一方面，當(dāng)增加環(huán)帶的分割數(shù)時(shí)，因環(huán)帶間的階差以 及該階差的加工誤差產(chǎn)生的雜光增加而使分辨率降低。相反地，為了抑制雜光的產(chǎn)生，當(dāng)減 少環(huán)帶數(shù)時(shí)，難以進(jìn)行球面像差、像散、彗星像差等的校正。
[0046] 在此，階差是指在環(huán)帶的邊界處的兩個(gè)環(huán)帶的邊緣部在光軸0方向上的距離。在 圖82中，階差SD(2012、2014)是環(huán)帶2012、2014的階差。
[0047] 以往很多的菲涅爾透鏡通過(guò)使環(huán)帶的半徑方向的寬度固定、或者使各環(huán)帶的外周 緣和內(nèi)周緣在光軸方向上的間隔即所謂的階差固定，由此使連接各環(huán)帶的頂點(diǎn)圓周的線成 為與透鏡光軸正交的直線。
[0048] 但是，在菲涅爾面的環(huán)帶的法線與透鏡光軸所成的角度Θ大的菲涅爾透鏡的情 況下，雖然為了提高設(shè)計(jì)上的分辨率而增加環(huán)帶數(shù)，但是由于環(huán)帶間的階差以及該階差的 加工誤差而產(chǎn)生的雜光變多，從而分辨率降低。
[0049] 條件式（2