红外成像装置的制作方法

红外成像装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年4月30日提交的题为“纵横比修改成像系统和方法(aspect ratio modifying imaging systems andmethods)”的美国临时专利申请第62/841,161号的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.一个或多个实施例总体上涉及用于成像的光学部件，并且更具体地，例如，涉及红外成像装置。


背景技术：

4.成像系统可以包括检测器的阵列，每个检测器用作像素以产生二维图像的一部分。在一些情况下，成像系统可以包括一个或多个光学元件(例如，透镜、反射镜)以促进成像应用，例如通过将光引导至检测器的阵列。存在各种各样的图像检测器，例如可见光图像检测器、红外图像检测器或可以设置在图像检测器阵列中用于捕获图像的其他类型的图像检测器。作为示例，多个传感器可以设置在图像检测器阵列中，以检测所需波长的电磁(em)辐射。在一些情况下，例如对于红外成像，由检测器捕获的图像数据的读出可以由读出集成电路(roic)以时分复用方式执行。读出的图像数据可以传送到其他电路，例如用于处理、存储和/或显示。在一些情况下，检测器阵列和roic的组合可以称为焦平面阵列(fpa)。fpa和图像处理的处理技术的进步导致所得成像系统的增加能力和复杂性。


技术实现要素：

5.在一个或多个实施例中，一种红外成像装置，包括至少一个透镜元件，所述至少一个透镜元件配置成传输与场景的一部分关联的电磁辐射。所述一部分具有第一纵横比。所述电磁辐射包括中波和/或长波红外光。所述至少一个透镜元件具有没有平移对称性并且没有旋转对称性的自由曲面。所述红外成像装置还包括检测器阵列，所述检测器阵列配置成从所述至少一个透镜元件接收与所述电磁辐射关联的图像数据，并且基于所述图像数据生成图像。所述图像数据具有不同于所述第一纵横比的第二纵横比。所述第一纵横比和第二纵横比中的每一个是沿着第一方向的尺寸和沿着与所述第一方向正交的第二方向的尺寸的比率。
6.在一个实施例中，所述至少一个透镜元件包括至少一个配合特征，所述至少一个配合特征配置成将所述至少一个透镜元件耦合到所述红外成像装置的透镜筒。
7.优选地，所述红外成像装置还包括所述透镜筒，其中，所述至少一个透镜元件的所述至少一个配合特征耦合到所述透镜筒的相应配合特征，并且其中，所述至少一个透镜元件配置成能旋转。
8.在一个实施例中，所述红外成像装置还包括与所述至少一个透镜元件的表面相邻的限制孔径，其中，所述表面面向所述场景。
9.在一个实施例中，所述至少一个透镜元件包括折射透镜元件，所述折射透镜元件传输波长在中波红外光谱和/或长波红外光谱内的光。
10.在一个实施例中，所述折射透镜元件的至少一个表面是不具有平移对称性和旋转对称性的自由曲面。
11.在一个实施例中，所述自由曲面包括衍射表面，以促进色差的校正。
12.在一个实施例中，所述至少一个透镜元件包括单个透镜元件，所述单个透镜元件配置成接收所述电磁辐射并且将所述电磁辐射作为所述图像数据传输到所述检测器阵列。
13.在一个实施例中，所述至少一个透镜元件包括：第一透镜元件，所述第一透镜元件配置成接收所述电磁辐射并传输所述电磁辐射；以及第二透镜元件，所述第二透镜元件配置成从所述第一透镜元件接收所述电磁辐射并且将所述电磁辐射作为所述图像数据传输到所述检测器阵列上。
14.在一个实施例中，所述第一透镜元件包括面向所述场景的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；所述第二透镜元件包括面对所述第一透镜元件的所述第二表面的第三表面以及与所述第三表面相对并面对所述检测器阵列的第四表面；并且所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面或所述第四表面中的至少一个是自由曲面。
15.优选地，所述红外成像装置还包括与所述第一透镜元件的表面相邻的限制孔径，并且其中，所述表面面向所述场景。
16.在一个实施例中，所述第一纵横比为3:1。
17.在一个实施例中，所述第二纵横比为4:3或5:4。
18.在一个实施例中，所述检测器阵列包括微测辐射热计的阵列。
19.在一个实施例中，所述红外成像装置还包括处理器，所述处理器配置成处理所述图像以去除不均匀失真，以获得经处理的图像。
20.在一个实施例中，所述红外成像装置还包括：壳体；以及包括所述至少一个透镜元件的透镜筒，其中，所述透镜筒耦合到所述壳体。
21.在一个实施例中，所述透镜筒的在所述至少一个透镜元件的前面的一部分限定所述红外成像装置的限制孔径。
22.在一个或多个实施例中，一种方法包括通过至少一个透镜元件传输与场景的一部分关联的电磁辐射。所述场景的一部分具有第一纵横比。所述电磁辐射包括中波红外光和/或长波红外光。所述方法还包括通过检测器阵列接收与所述电磁辐射关联的图像数据。所述图像数据具有不同于所述第一纵横比的第二纵横比。所述第一纵横比和所述第二纵横比中的每一个是沿着第一方向的尺寸和与所述第一方向正交的第二方向的尺寸的比率。所述方法还包括通过所述检测器阵列基于所述图像数据生成图像。
23.通过考虑一个或多个实施例的以下详细描述，本领域技术人员将更完整地理解本实用新型的实施例，以及实现其附加优点。将参考将首先简要描述的附图。
附图说明
24.图1示出了根据本公开的一个或多个实施例的红外成像装置的框图。
25.图2a示出了根据本公开的一个或多个实施例的红外成像装置的透视图。
26.图2b示出了根据本公开的一个或多个实施例的图2a的红外成像装置的横截面图。
27.图3示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统的透视图。
28.图4a和4b示出了图3的光学系统分别在xz平面和yz平面中的横截面图。
29.图5示出了图3的光学系统的另一透视图以及根据本公开的一个或多个实施例的与光学系统的透镜元件的各种光学表面关联的下弯的示例。
30.图6-11均示出了根据本公开的一个或多个实施例的透镜元件的示例。
31.图12a和12b示出了根据本公开的一个或多个实施例的成像装置的透视图。
32.图13a和13b示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统和通过光学系统的光束的轨迹的透视图。
33.图14a和14b示出了根据本公开的一个或多个实施例的成像装置和通过成像装置的光束的轨迹的透视图。
34.图15示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于制造红外成像装置的示例过程的流程图。
35.图16示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于使用红外成像装置的示例过程的流程图。
36.通过参考下面的详细描述可以最好地理解本公开的实施例及其优点。需要注意的是，各种部件的尺寸和这些部件之间的距离在图中可能未按比例绘制。应当理解，相似的附图标记用于标识一幅或多幅图中所示的相似元件。
具体实施方式
37.下面阐述的详细描述旨在作为本主题技术的各种配置的描述，并不旨在表示可以在其中实践本主题技术的唯一配置。附图并入本文并构成详细描述的一部分。详细描述包括用于提供对主题技术的透彻理解的具体细节。然而，对于本领域技术人员来说清楚且显而易见的是，本主题技术不限于本文阐述的具体细节并且可以使用一个或多个实施例来实践。在一个或多个实例中，结构和部件以框图形式示出，以避免模糊本主题技术的概念。本主题公开的一个或多个实施例由一个或多个图示出和/或与一个或多个图结合描述，并在说明书中阐述。
38.在一个或多个实施例中，提供了纵横比修改成像系统和方法。在一些方面，这样的成像系统和方法用于红外成像，例如热红外成像。在一个实施例中，成像装置包括检测器阵列和至少一个透镜元件。检测器阵列可以接收由检测器阵列的(一个或多个)透镜元件投射(例如，引导、传输) 到成像装置上的具有纵横比的图像数据(例如，电磁辐射)。检测器阵列可以基于接收到的图像数据生成图像。在一方面，场景可以称为对象、目标场景或目标对象。取决于所需应用，成像装置的(一个或多个)透镜元件可以传输在波段内的电磁辐射。在一方面，成像装置可以是红外成像装置，用于促进包含热红外光谱的至少一部分的波段的捕获，例如中波红外光谱和/或长波红外光谱。在红外成像应用中，检测器阵列可以包括微测辐射热计阵列和/或其他类型的红外检测器阵列。作为非限制性示例，透镜元件可以包括硅、锗、硫属化物玻璃和/或砷化锗硒(geasse)。用于制造透镜元件的透镜材料通常基于所需的应用(例如，透镜元件的所需传输波段)。
39.在实施例中，图像数据的纵横比是图像数据沿着第一方向的尺寸和图像沿着第二方向的尺寸的比率。在一些情况下，第一方向与第二方向正交。为说明起见，在本公开中一
般使用笛卡尔坐标系，其中第一方向可以是x 方向并且第二方向可以是y方向，反之亦然。第三方向可以表示为z方向并且与x方向和y方向正交。可以根据应用使用其他坐标系。
40.对于成像装置的给定透镜元件，透镜元件可以接收与场景的一部分关联的em辐射并且可以传输em辐射。透镜元件的特征可以在于适于捕获某个纵横比的一个或多个焦距。在这方面，透镜元件所捕获的场景的所述部分具有某个纵横比。焦距可以指示透镜元件的视场。在实施例中，场景的所述部分的纵横比是沿着第一方向的部分的尺寸和沿着第二方向的部分的尺寸的比率。透镜元件在不同方向上可以具有不同的焦距。例如，透镜元件可以在x方向上具有焦距f
x
并且在y方向上具有焦距fy。焦距f
x
和 fy可以分别对应于透镜元件的水平视场(fov)和竖直视场。
41.在成像装置包括单个透镜元件的情况下，单个透镜元件可以从场景的所述部分接收em辐射并且将em辐射传输(例如，引导、投射)到检测器阵列。在一些应用中，单个透镜元件可以是或可以包括将em辐射折射到检测器阵列上的折射元件。在成像装置包括一系列透镜元件的情况下，每个透镜元件可以接收em辐射并将em辐射引导到该系列的下一个透镜元件，最后一个透镜元件接收em辐射并将em辐射引导到检测器阵列。在一些应用中，该系列中的至少一个透镜元件折射电磁辐射。
42.成像装置可以包括透镜筒(例如，也称为透镜壳体)以保持(例如，接收、固定、对准)一个或多个透镜元件。成像装置可以包括耦合到透镜筒的壳体。壳体可以包括(例如，封闭)检测器阵列。在一些情况下，壳体可以包括处理来自检测器阵列的图像数据的处理器、存储原始图像数据和/或经处理的图像数据的存储器、电池和/或促进成像装置的操作的其他部件。
43.在一些实施例中，每个透镜元件可以包括至少一个配合特征(例如，也称为安装特征)。透镜筒可以具有(一个或多个)相应配合特征，所述配合特征耦合到(一个或多个)透镜元件的(一个或多个)配合特征，以接收和固定(一个或多个)透镜元件。在这方面，透镜元件的每个配合特征可以耦合到透镜筒的相应配合特征以将透镜元件耦合到透镜筒。在一个示例中，透镜元件的配合特征可以包括第一表面和相对于第一表面成一定角度(例如，90
°
角、钝角或锐角)的第二表面，并且透镜筒的配合特征可以具有相应的表面以耦合到第一表面和第二表面。在另一示例中，透镜元件的配合特征可以包括销部分，并且透镜筒的配合特征可以包括接收销部分的槽部分，和/或反之亦然。更一般地，透镜元件的(一个或多个)配合特征和透镜筒的(一个或多个)相应配合特征可以是促进透镜元件耦合到透镜筒的任何结构(例如，凹痕、孔、销或其他结构)。在一些方面，配合特征可以限定为自由曲面的一部分。
44.在一些情况下，透镜元件的配合特征可以适合于促进透镜元件的旋转和/或其他运动。在一些情况下，可以利用配合特征来促进透镜元件的对准，例如在模制、加工和/或组装期间通过模式识别。例如，可以定位透镜元件表面上的一个或多个配合特征(例如，使用模式识别来扫描表面)以促进根据期望设计(例如自由曲面设计)加工透镜元件的不同表面。作为另一示例，第一透镜元件的(一个或多个)表面的(一个或多个)配合特征和 /或第二透镜元件的(一个或多个)表面的(一个或多个)配合特征可以用于促进第一透镜元件相对于第二透镜元件的对准。
45.在各种实施例中，场景的一部分的纵横比不同于检测器阵列所接收的图像数据的纵横比。在一个示例性实施例中，场景的一部分的纵横比可以是3:1(例如，或其他高度不对
称的纵横比)，而作为非限制性示例，检测器阵列所接收的图像数据的纵横比可以是4:3、5:4或16:9。在一些实施例中，(一个或多个)透镜元件可以具有自由曲面，以促进从场景的一部分的纵横比到图像数据的纵横比的这种纵横比修改。自由曲面没有平移对称性和旋转对称性。具有至少一个自由曲面的透镜元件可以称为自由曲面透镜。在一方面，(一个或多个)透镜元件(或其表面)中的至少一个是折射元件，并且(一个或多个)透镜元件(或其表面)中的至少一个是衍射元件。衍射元件可以用于校正色差。在一种情况下，衍射元件可以由自由曲面形成。在一些方面，相对于依赖柱面和旋转对称元件的常规变形透镜，形成有自由曲面的透镜元件通常具有更轻的重量和更小的尺寸。因而，形成有自由曲面的透镜元件可以具有适当的紧凑性以集成到(例如，移动电话的)相机模块中。
46.在一个示例性实施例中，纵横比修改成像系统和方法可以用于汽车成像应用中。在汽车成像应用中，可能需要具有全景视场的成像装置。例如，成像装置可以包括前视相机。在一些情况下，前视相机可以用于捕获长波红外光和/或中波红外光。作为示例，可能需要具有大约3:1纵横比的全景视场。3:1纵横比传感器在市场上可能不容易获得，并且3:1格式检测器阵列(例如，微测辐射热计阵列)的设计、原型制作和制造可能成本效益低和/或需要较长的交付周期。在该示例中，使用各种实施例，可以使用标准的4:3或5:4成像纵横比传感器通过在场景和检测器阵列之间设置(一个或多个)透镜元件以允许经由(一个或多个)透镜元件将em辐射引导到检测器阵列而捕获3:1纵横比场景。在一方面，(一个或多个)透镜元件(或其表面)中的至少一个是折射元件，并且(一个或多个)透镜元件(或其表面)中的至少一个是衍射元件。在一种情况下，衍射元件可以由自由曲面形成。
47.图1示出了根据本公开的一个或多个实施例的红外成像装置100的框图。红外成像装置100可以用于捕获和处理图像帧。红外成像装置100包括光学部件105、图像捕获部件110和图像捕获接口部件115。
48.光学部件105可以通过红外成像装置100的孔径120接收em辐射并且将em辐射传递到图像捕获部件110。例如，光学部件105可以将em 辐射引导和/或聚焦在图像捕获部件110上。光学部件105可以包括一个或多个窗口、透镜、反射镜、分束器、光束耦合器和/或其他部件。在实施例中，光学部件105可以包括一个或多个硫属化物透镜，例如由as
40
se
60
制成的透镜，其允许在宽红外光谱中成像。其他材料，例如硅、锗和geasse，可以根据期望的传输特性，例如期望的传输波长和/或光线传输矩阵特性来使用。
49.在一个实施例中，图像捕获部件110包括一个或多个传感器(例如，可见光传感器、红外传感器或其他类型的检测器)，用于捕获代表场景125 的图像的图像信号。图像捕获部件110可以捕获(例如，检测、感测)波长在从大约700nm到大约1mm的范围内或其一部分的红外辐射。例如，在一些方面，图像捕获部件110可以包括对热红外波长敏感(例如，更好检测)的一个或多个传感器，所述热红外波长包括中波红外(mwir)辐射(例如，波长为2-7μm的em辐射)和/或长波红外(lwir)辐射(例如，波长为7-15μm的电磁辐射)。在一个实施例中，图像捕获部件110的 (一个或多个)传感器可以将场景125的捕获热图像信号表示(例如，转换)或促进表示为数字数据(例如，经由模数转换器)。
50.图像捕获接口部件115可以接收在图像捕获部件110处捕获的图像数据并且可以将捕获的图像数据传送到其他部件或装置，例如经由有线和/或无线通信。在各种实施例中，红外成像装置100可以捕获例如场景125的图像帧。
51.在一些实施例中，光学部件105、图像捕获部件110和图像捕获接口部件115可以容纳在保护壳中。在一种情况下，保护壳可以包括容纳光学部件105的透镜筒(例如，也称为透镜壳体)和容纳图像捕获部件110和 /或图像捕获接口部件115的壳体。在该情况下，透镜筒可以耦合到壳体。在一方面，保护壳可以由具有孔径120的图1中的实线框表示。例如，孔径120可以是限定在保护壳中的开口，其允许电磁辐射到达光学部件105。在一些情况下，孔径120可以是红外成像装置100的限制孔径。
52.红外成像装置100可以代表任何类型的相机系统，其例如检测电磁辐射(例如，热辐射)并提供代表性数据(例如，一个或多个静止图像帧或视频图像帧)。例如，红外成像装置100可以配置成检测可见光和/或红外辐射并提供关联的图像数据。
53.图2a示出了根据本公开的一个或多个实施例的红外成像装置200的透视图。作为一个示例，红外成像装置200可以是lwir热像仪(例如，用于捕获波长为7-14 15的电磁辐射)。在其他情况下，红外成像装置200 可以用于捕获其他波长范围内的电磁辐射。
54.红外成像装置200可以包括配置成容纳透镜元件210a和210b的透镜筒205。红外成像装置200还可以包括图像捕获部分215，所述图像捕获部分包括配置成捕获通过透镜筒205观察到的图像的图像捕获部件。图像捕获部分215可以包括配置成检测em辐射的微测辐射热计的阵列。作为一个示例，微测辐射热计的阵列可以配置成检测波长在7.5μm至13.5μm 之间的长波红外光。在一个实施例中，红外成像装置200可以是图1的红外成像装置100。在该实施例中，图1的光学部件105可以包括透镜元件 210a和210b，并且图1的图像捕获部件110可以包括图像捕获部分215。
55.图2b示出了根据本公开的一个或多个实施例的图2a的红外成像装置200的横截面图。如图2b中所示，透镜元件210a和210b是容纳在透镜筒205中的透镜。在一个实施例中，透镜元件210a和210b中的一者或两者可以是配置成传输宽光谱的红外光的透镜，例如硫属化物透镜。透镜元件210a和210b中的每一个(例如，以及图2a和2b中未标记或示出的其他光学部件)可以具有特定的光学特性，例如特定的有效焦距(efl) 和调制传递函数(mtf)。透镜元件210a和210b可以协调以将红外光引导和聚焦到图像捕获部分215上。与包括透镜元件210a和210b的透镜系统关联的限制孔径限定传输到红外成像装置200中的光量。限制孔径可以具有与透镜元件210a的前光学表面的空间尺寸相当的空间尺寸。在图2b 中，限制孔径位于透镜元件210a的前面并且由透镜元件210a的物理特性(例如，形状、尺寸、材料)和保持(例如，不动地固定、可移动地固定)透镜元件210a的结构的物理特性限定。该结构包括保持结构220a和 220b。如图2b中所示，保持结构220a和220b的一部分在形状上与透镜元件210a的一部分一致。该结构可以由金属或通常适合于保持/固定透镜元件210a的任何材料形成。
56.图3示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统300的透视图。光学系统300沿着三个正交方向定向，表示为x、y和z。x方向和y方向可以分别称为水平方向和竖直方向。图4a和4b分别示出了xz平面和 yz平面中的光学系统300的横截面图。光学系统300包括透镜元件305、透镜元件310和检测器阵列315。在一方面，透镜元件305和/或310具有区分两个正交方向之间的有效焦距的一个或多个自由曲面。限制孔径405 设置在透镜元件305的前面。限制孔径405可以具有与透镜元件305的前表面的空间尺寸相当的空间尺寸。透镜元件305和/或310可以由硫属化物玻璃(例如，ig6硫属化物玻璃)制成。在该实施例中，图1的光学部件 105可以包括透镜元件305和310，并且图1的图像捕获部件110可以包括检测器阵
列315。
57.限制孔径405限定传输到光学系统300中的光量。限制孔径405可以具有与透镜元件305的前光学表面的空间尺寸相当的空间尺寸。在一些情况下，限制孔径405可以与透镜元件305的通光孔径在尺寸和形状上相同或基本相同。限制孔径405可以由透镜元件305的物理特性，例如透镜元件305的尺寸、形状和材料，以及由保持透镜元件305的结构的物理特性来限定。例如，该结构可以是透镜筒的一部分。在一种情况下，该结构可以是至少部分在透镜元件305的前面的金属结构。作为一个示例，该结构可以是具有与透镜元件305的前表面一致的形状的金属结构。
58.透镜元件305接收场景320的em辐射。场景320可以称为对象、目标场景或目标对象。透镜元件305可以用于捕获与a比b的纵横比(例如，也表示为a:b)关联的em辐射，其中纵横比是第一维度/方向(例如，场景宽度)和第二维度/方向(例如，场景高度)之间的比率。透镜元件305 将接收的em辐射引导到透镜元件310。透镜元件310将从透镜元件305 接收的em辐射引导到检测器阵列315。因而，透镜元件305和310共同将场景320投射到检测器阵列315上。透镜元件305和310可以共同将纵横比a:b的场景320转换为纵横比c:d的图像数据。在这方面，透镜元件 305和310可以称为将a:b纵横比场景/对象成像到c:d纵横比传感器上。图3示出了纵横比a:b的场景320，光线被跟踪通过透镜元件305和310，以产生纵横比c:d的图像325。检测器阵列315接收图像数据并基于图像数据生成图像325。透镜元件305和310可以被适当地设计以实现从a:b 的纵横比到c:d的纵横比的转换。c:d的纵横比可以是对应于检测器阵列 315的尺寸(例如，检测器元件的行数和列数)的比率。在图3中，图像 325中所示的倾斜黑条表示失真(例如，以沿着x和y方向挤压的形式)。在一方面，使用检测器阵列315下游的处理电路来处理图像325以校正失真(例如，对图像325进行去扭曲)，以获得经处理的图像。在一些情况下，可以确定这样的压缩/失真(例如，作为校准的一部分)并执行适当的处理以补偿压缩/失真。
59.例如，纵横比a:b可以是3:1，并且纵横比c:d可以是4:3。在该示例中，检测器阵列315可以具有320
×
256传感器(例如，微测辐射热计的320
×
256阵列)的尺寸并且接收具有4:3纵横比的图像数据。x方向和y 方向上的有效焦距(由透镜元件305和310共同提供)分别为4.790mm和 10.902mm，其对应于50
°
水平fov和16
°
fov。可以根据应用使用其他纵横比a:b和c:d。
60.在实施例中，为了促进水平fov与检测器阵列315的水平方向以及竖直fov与检测器阵列315的竖直方向的对准，透镜元件305和310中的一者或两者可以相对于检测器阵列315移动。在一些方面，透镜元件305 和/或310可以经由滑动运动(例如，平移运动)移动以促进聚焦，例如通过使用耦合到透镜元件305和/或310的一个或多个致动器。在一种情况下，滑动运动可以沿着z轴(例如，垂直于焦平面的方向)，同时保持固定的角取向。在这些方面，透镜元件305和/或310的聚焦机构可以包括用于移动透镜元件305和/或310的部件(例如，致动器)。在一种情况下，围绕z轴的旋转可以被限制在与透镜元件305和310关联的大fov与检测器阵列315的相应大尺寸(例如，x尺寸)之间的对准公差内和/或限制在与透镜元件305和310关联的小fov与检测器阵列315的小尺寸(例如， y尺寸)之间的对准公差内。在其他方面，一个或多个透镜可以通过在螺纹壳体内旋转(一个或多个)透镜来聚焦。
61.图5示出了光学系统300的另一透视图以及根据本公开的一个或多个实施例的与
透镜元件305和310的各种光学表面关联的下弯的示例。透镜元件305具有表面505和与表面505相对的表面510。透镜元件310具有表面515和与表面515相对的表面520。透镜元件305的表面505面对场景320。透镜元件305的表面510面对透镜元件310的表面515。透镜元件310的表面520面对检测器阵列315。图形525、530、535和540分别提供表面505、510、515和520的示例下弯。应当注意，图形525、530、 535和540中提供的下弯是作为非限制性示例。透镜元件305的表面505 和/或510和/或透镜元件310的表面515和/或515可以具有与图形525、 530、535和540中所示的那些不同的下弯。
62.在一些实施例中，表面505、510、515和520均与自由曲面透镜处方 (prescription)关联。在一些方面，每个处方可以根据以下通过切比雪夫正交多项式的系数来表示：
[0063][0064]
其中c(i,j)是归一化系数。
[0065]
表1示出了光学系统300的各种参数的示例值。
[0066]
[0067][0068]
尽管通过切比雪夫正交多项式的系数来表达上述处方，但是也可以利用其他方式来表达处方。另外，尽管表面505、510、515和520是自由曲面，但在其他情况下，透镜元件可以具有一个自由曲面或没有自由曲面。
[0069]
图6-8均示出了根据本公开的一个或多个实施例的透镜元件的示例。特别地，图6、7和8分别示出了透镜元件600、700和800。透镜元件600、 700和800沿着三个方向(例如，三个正交方向)x、y和z延伸。透镜元件600、700或800的限制孔径可以分别基于透镜元件600、700和800的相应前表面605、705或805的物理特性(例如，形状、尺寸)。透镜元件 600、700和/或800的多个表面中的一个可以是自由曲面。透镜元件600、 700和800可以具有在各种位置处具有各种尺寸和形状以适当地引导光用于成像应用的物理特性/特征，例如斜坡(例如，倒角)、凹痕等。
[0070]
透镜元件700具有倒角710和715以及配合特征720。透镜元件800 包括配合特征810。配合特征810具有第一表面815和相对于第一表面815 成角度的第二表面820。例如，第一表面815可以正交于或基本正交于第二表面820。更一般地，配合特征720和810可以具有任何适当的形状、尺寸和/或其他物理特性，以促进透镜元件700和800配合到透镜壳体，例如透镜筒。例如，尽管第一表面815和第二表面820被描绘为彼此正交或基本正交的平坦表面，但在一些情况下，第一表面815和第二表面820可以是任何形状并且彼此成任何角度以适于将透镜元件800配合到透镜壳体。
[0071]
图9-11均示出了根据本公开的一个或多个实施例的透镜元件的示例。特别地，图9、10和11分别示出透镜元件900、1000和1100。透镜元件 900、1000和1100沿着三个方向x、y和z延伸。透镜元件900、1000和 /或1100的多个表面中的一个可以是自由曲面。透镜元件900、1000和1100 可以具有适合于期望成像应用的物理特性/特征(例如，形状、尺寸)。透镜
元件1000具有倒角1010和1015以及配合特征1020。透镜元件1100包括倒角1105和1110以及配合特征1115。配合特征1115具有第一表面1120 和相对于第一表面1120成一角度的第二表面1125。通常，配合特征1020 和1115可以具有适当的形状、尺寸和/或其他物理特性，以促进透镜元件 1000和1100配合到透镜壳体(例如，透镜筒)。在一些实施例中，图1的光学部件105可以包括透镜元件600、700或800作为光学部件105的前透镜(例如，更靠近场景125的透镜元件)，以及透镜元件900、1000或 1100作为光学部件105的后透镜(例如，更靠近图像捕获部件110的透镜元件)。
[0072]
在一些实施例中，形成诸如自由曲面的表面以获得透镜元件可以是迭代过程。在一些方面，透镜元件的一个或多个表面可以与自由曲面透镜处方关联。例如，每个处方可以通过切比雪夫正交多项式的系数来表示。各种参数，例如表1中所示的参数，可以用于表征透镜元件。在一些情况下，可以分析光束的轨迹，例如通过确定相关的光线传递矩阵，并且可以对透镜材料的剩余部分进行适当的调整。例如，可以基于对轨迹的分析来截断透镜材料的剩余部分。在一些情况下，被截断的透镜材料的部分可以包括没有光通过的透镜材料的部分。透镜材料的这样的部分可能在不执行成像的情况下增加体积(例如，并因此占据空间)，并且可以被认为不用于光学目的。在一些情况下，这样的截断部分可能表现为透镜元件中的倒角。例如，参考图7，透镜材料可以被截断以形成具有倒角710和715的透镜元件700。
[0073]
图12a和12b示出了根据本公开的一个或多个实施例的成像装置 1200的透视图，所述成像装置包括透镜壳体1205(例如，透镜筒)和耦合到透镜壳体1205的透镜元件1210和1215。成像装置1200及其部件沿着三个方向x、y和z定向。图12a的透视图旋转以获得图12b的透视图。透镜壳体1205包括配合特征1220和1225。透镜壳体1205提供在透镜元件1210的前表面1235的前面的限制孔径1230。透镜元件1210包括倒角 1240和1245以及配合特征1250。配合特征1250耦合到透镜壳体1205的配合特征1220。透镜元件1215包括倒角1255和1260以及配合特征1265。配合特征1265耦合到透镜壳体1205的配合特征1220。作为示例，在实施例中，透镜元件1210可以是图7的透镜元件700，和/或透镜元件1215可以是图11的透镜元件1100。在该示例中，倒角710和715可以分别是倒角1240和1245，并且配合特征1250可以是配合特征720。倒角1105和 1110可以分别是倒角1255和126，并且配合特征1115可以是配合特征 1265。
[0074]
图13a和13b示出了根据本公开的一个或多个实施例的光学系统1300和通过光学系统1300的光束的轨迹的透视图。光学系统1300沿着三个方向x、y和z定向。图13a的透视图旋转以获得图13b的透视图。光学系统1300包括具有配合特征1315的透镜元件1305和具有配合特征 1320的透镜元件1310。配合特征1315和1320可以分别将透镜元件1305 和1310耦合到透镜壳体(例如，透镜筒)。作为示例，在实施例中，透镜元件1305可以是图8的透镜元件800，和/或透镜元件1310可以是图11的透镜元件1100。在该示例中，配合特征1315和1320可以分别是配合特征 810和1115。
[0075]
在光学系统1300中，透镜元件1305和1310布置成使得配合特征1315 和配合特征1320彼此正交或基本正交。在其他情况下，两个透镜元件的配合特征彼此不正交或基本不正交。例如，两个透镜元件的配合特征可以彼此平行或者成适合于透镜元件的期望对准的任何角度。在这方面，作为非限制性示例，配合特征1315相对于配合特征1320的布置/取向
(以及，更一般地，透镜元件1305的各种表面相对于透镜元件1310的表面的布置/取向)可以取决于透镜元件1305和1310的尺寸方面相对于配置成保持(例如，接收、固定)透镜元件1305和1310的透镜壳体的尺寸方面以及通过透镜元件1305和1310的期望光传播特性(例如，将光通过透镜元件1305 和1310引导到检测器阵列)。
[0076]
图14a和14b示出了根据本公开的一个或多个实施例的成像装置 1400和通过成像装置1400的光束的轨迹的透视图。成像装置1400包括透镜壳体1405(例如，透镜筒)和耦合到透镜壳体1405的透镜元件1305和 1310。成像装置1400及其部件沿着三个方向x、y和z定向。透镜壳体 1405包括耦合到透镜元件1305的配合特征1315的配合特征1410和耦合到透镜元件1310的配合特征1320的配合特征1415。成像装置1400的限制孔径1420由透镜元件1305的前表面的前面的透镜壳体1405的孔径提供。限制孔径可以具有与透镜元件1305的前表面的空间尺寸相当的空间尺寸。如光束所示，光传播通过限制孔径1420、透镜元件1305和透镜元件1310。光可以由透镜元件1310引导到检测器阵列(例如，红外检测器阵列)。
[0077]
应当注意，尽管前述配合特征主要被描绘为用于与透镜壳体的相应配合特征配合的平坦或基本平坦的表面，但是透镜元件或透镜壳体的配合特征可以是任何适当的形状，以用于将透镜元件耦合到透镜壳体，使得透镜元件被适当地定位、固定、对准等以促进期望的成像应用。例如，配合特征可以是可以由透镜壳体的相应配合特征接收的结构，例如突出销。在一些情况下，透镜元件的配合特征可以促进透镜元件的旋转和/或其他运动。
[0078]
图15示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于制造红外成像装置的示例过程1500的流程图。出于解释的目的，示例过程1500在本文中主要参考图1-3的部件以及这些部件的相关布置进行描述。然而，示例过程1500不限于图1-3的部件。
[0079]
在框1505处，提供图像捕获部件110。在框1510处，形成光学部件 105。光学部件105可以包括一个或多个透镜元件。在框1515处，(一个或多个)透镜元件至少部分地设置在透镜筒(例如，图2a-2b的205)内。在一些方面，(一个或多个)透镜元件可以具有配合特征以耦合到透镜筒的相应配合特征。图像捕获部件110可以设置在红外成像装置100的壳体内。透镜筒可以耦合到壳体。对于红外应用，透镜元件可以由在2-7μm和/或7
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15μm波段中传输的材料形成。在一些方面，透镜元件可以包括图3的透镜元件305和310。在一些情况下，透镜元件的至少一个表面可以是自由曲面。在这样的情况下，一个或多个自由曲面可以由透镜材料形成，使得透镜材料的部分被去除以限定期望的(一个或多个)自由曲面。
[0080]
形成表面(例如自由曲面)以获得透镜元件可以是迭代过程。可以分析光束的轨迹，例如通过确定相关的光线传递矩阵，并且可以对透镜材料的剩余部分进行适当的调整。例如，可以基于对轨迹的分析来截断透镜材料的剩余部分。在一些情况下，被截断的透镜材料的部分可以包括没有光通过的透镜材料的部分。透镜材料的这样的部分可能在不执行成像的情况下增加体积(例如，并因此占据空间)。
[0081]
在一种情况下，透镜元件305和310可以使用晶片级技术制造。在这样的情况下，可以首先以晶片形式制备传输晶体材料，例如作为非限制性示例的锗或硅。透镜元件(例如，相同的透镜元件)的阵列可以在晶片的一侧或两侧被金刚石车削。透镜元件阵列的加工可以在晶片的一侧或两侧进行。在一些情况下，可以定位透镜元件的表面上的一个或多个配合特征 (例如，使用模式识别来扫描表面)以促进根据期望设计(例如，自由曲面设计)对透镜元件的不同表面进行加工。作为晶片级程序的一部分形成的透镜元件然后可以被分割以
获得可以设置在成像装置中的单独的透镜元件。在透镜元件305和310不同的情况下，透镜元件305和310可以作为一个晶片级程序(例如，可以用于获得不同形状和/或尺寸的透镜元件的晶片级程序)的一部分或两个独立的晶片级程序形成。
[0082]
在一种情况下，透镜元件305和310可以由非晶材料制成。材料的示例可以包括as
40
se
60
和geasse玻璃。在一些情况下，透镜元件305和310 可以由盘状预制件进行金刚石车削，由近成形磨削预制件进行金刚石车削，由球形预制件模制，或使用精密玻璃模制(pgm)技术由盘状预制件模制。在一些情况下，可以在玻璃圆盘上同时模制透镜的阵列。
[0083]
图16示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于使用红外成像装置的示例过程1600的流程图。出于解释目的，示例过程1600在本文中主要参考图1-3的部件以及这些部件的相关布置进行描述。然而，示例过程 1600不限于图1-3的部件。在框1605处，透镜元件305和310传输与具有第一纵横比的场景320关联的em辐射。在框1610处，检测器阵列315 接收具有不同于第一纵横比的第二纵横比的图像数据。在框1615处，检测器阵列基于接收的图像数据生成图像325。在一些情况下，可以提供由检测器阵列315生成的图像325以用于处理、存储和/或显示。例如，可以将图像325提供给处理器进行处理以去除图像325中的失真，然后可以提供经处理的图像以用于存储、显示和/或进一步处理。
[0084]
尽管上述提供了两个透镜系统，但是可以使用一个透镜元件或两个以上的透镜元件。在一些情况下，系统中提供的每个附加透镜元件允许关于为每个透镜元件限定的特性(例如，形状，例如曲率，尺寸)的更多自由度以实现期望的性能。较少数量的透镜元件通常与光学系统关联的的较小尺寸关联。例如，制造限制可能会限制可以为给定透镜元件制造的最大曲率。
[0085]
应当注意，上面提供的尺寸方面是示例，并且可以根据一个或多个实施方式利用尺寸的其他值。此外，上面提供的尺寸方面通常是标称值。如本领域技术人员将理解的，每个尺寸方面具有与尺寸方面关联的公差。类似地，与特征之间的距离相关的方面也具有相关的公差。
[0086]
诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“侧”、“水平”、“竖直”等术语指的是任意参考系，而不是普通重力参考系。因此，这样的术语可以在重力参考系中向上、向下、对角或水平延伸。
[0087]
在适用的情况下，可以使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现本公开提供的各种实施例。同样在适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，本文中阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以组合成包括软件、硬件和/或两者的复合部件。在适用的情况下，在不脱离本公开的精神的情况下，本文中阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以被分成包括软件、硬件或两者的子部件。另外，在适用的情况下，可以预期软件部件可以实现为硬件部件，反之亦然。
[0088]
根据本公开的软件，例如程序代码和/或数据，可以存储在一个或多个计算机可读介质上。还预期本文中标识的软件可以使用联网的和/或其他方式的一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统来实现。在适用的情况下，本文中描述的各个步骤的顺序可以改变、组合成复合步骤和/或分成子步骤以提供本文中描述的特征。
[0089]
上述实施例说明但不限制本实用新型。还应当理解，根据本实用新型的原理，许多修改和变化是可能的。因此，本实用新型的范围仅由以下权利要求限定。