阅读说明：本技术 轻量且低f数的透镜及制造方法 (Lightweight and low f-number lens and method of manufacture ) 是由 尤瓦尔·伊斯比 沙哈尔·哈尼亚 阿兰·盖勒 于 2019-01-28 设计创作，主要内容包括：通常,公开一种用于收集来自小的和/或远处物体的光的光学单元。光学单元可包括直径为至少150mm的前透镜和与该前透镜相关联的至少一个附加透镜,其中前透镜由硫属化合物玻璃制成。在一些实施例中,光学单元的重量在2至6kg之间。(Generally, an optical unit for collecting light from small and/or distant objects is disclosed. The optical unit may comprise a front lens having a diameter of at least 150mm and at least one additional lens associated with the front lens, wherein the front lens is made of chalcogenide glass. In some embodiments, the weight of the optical unit is between 2 and 6 kg.)

轻量且低f数的透镜及制造方法

技术领域

本发明涉及低f数透镜的领域，并且更具体地，涉及用于收集来自小的和/或远处物体的光的低f数透镜。

背景技术

用于收集来自小的和远处物体的光的当前光学单元通常很重且尺寸很大。当光学单元被设计为承受较大的工作温度范围时，情况尤其如此。

例如，图1示出用于收集来自小的和远处物体的光的典型的当前光学单元90。光学单元90包括前透镜92(可选地具有校正光学元件94)和附加光学元件96。

通常，用于收集来自小的和远处物体的光的光学单元90的前透镜92(或光圈)具有至少150mm的相对较大的直径。如果光学单元90必须承受相对较宽的工作温度范围(例如，几十摄氏度)，则当前光学单元90的前透镜92通常由锗制成，因为锗制成的前透镜92可适于在相对宽的温度范围内提供稳定的光学性能。

由于锗是相对较重的晶体(例如，原子质量为72.63u)，因此用于收集小的和远处物体的光的当前光学单元90很重。例如，图1所示的光学单元90具有由锗制成的直径在150至300mm之间的前透镜92，其重量可以在约10至29kg之间。如此重的光学单元90会显著地限制可以使用当前光学单元90的应用的数量和/或使得当前光学单元90的使用复杂和/或昂贵。

此外，例如由于其公差，锗制成的透镜(例如，诸如光学单元90的第一透镜92)不能在宽温度范围(例如，-30°-55℃)中提供完全被动的稳定光学性能。因此，利用锗制成的透镜(例如，前透镜92)的当前光学单元90可能需要适于移动一个或多个透镜组件的附加机械装置(例如，一个或多个电动机)，以补偿其热不稳定性。

发明内容

本发明的一个方面提供用于收集来自小的或远处物体的光的光学单元，该光学单元可以包括直径为至少150mm的前透镜和与该前透镜相关联的至少一个附加透镜，其中，前透镜由硫属化合物玻璃制成。

在一些实施例中，光学单元的重量在2至6kg之间。

在一些实施例中，光学单元的f数不大于1.4。

在一些实施例中，光学单元的焦距不大于150mm。

在一些实施例中，前透镜的折射率的变化率不超过55 1/℃。

本发明的另一方面提供用于通过移动火车检测和识别小的或远处物体的系统，该系统可以包括：光学单元，包括直径为至少150mm且由硫属化合物玻璃制成的前透镜，以及与前透镜相关的至少一个附加透镜；检测器，与光学单元相关联，其中，光学单元被布置成将来自小的或远处物体的光收集到该检测器上，并且其中，检测器被布置成基于所收集的光产生至少一个图像；以及处理单元，耦接到检测器并被配置为识别至少一个图像中的轨道，并在至少一个图像中识别轨道上或轨道的限定附近中的小的或远处物体。

在一些实施例中，光学单元的重量在2至6kg之间。

在一些实施例中，光学单元的f数不大于1.4。

在一些实施例中，光学单元的焦距不小于150mm。

在一些实施例中，光学单元的前透镜的折射率的变化率不超过55 1/℃。

在一些实施例中，检测器是红外相机。

在一些实施例中，该系统可安装在火车的机车上，使得光学单元和检测器面向火车的行进方向。

本发明的这些、附加的和/或其他的方面和/或优点在下面的详细描述中阐明；从详细描述中可能可以推断出；和/或可通过实施本发明来学习。

附图说明

为了更好地理解本发明的实施例并示出其如何能够生效，现在将仅通过示例的方式参考附图，在附图中，相同的附图标记始终表示对应的元件或部分。

在附图中：

图1示出用于收集来自小的和远处物体的光的典型的当前光学单元；

图2是根据本发明的一些实施例的用于通过移动火车检测和识别障碍物的系统的示意图；以及

图3是根据本发明的一些实施例的用于收集来自小的和/或远处物体的光的光学单元的示意图。

应当理解，为了图示的简单和清楚起见，图中所示的元件未必按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被放大。此外，在认为适当的情况下，可以在附图之间重复附图标记以指示相应或相似的元件。

具体实施方式

在以下描述中，描述本发明的各个方面。为了说明的目的，阐述特定的配置和细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言，显然可以在没有本文所呈现的具体细节的情况下实践本发明。此外，可以省略或简化众所周知的特征，以免模糊本发明。特别参考附图，要强调的是，所示出的细节仅是示例性的，并且仅是为了说明性地讨论本发明，并且出于提供被认为是对本发明的原理和概念方面最有用和易于理解的描述的原因而呈现。在这方面，没有试图比基本理解本发明更详细地示出本发明的结构细节，结合附图进行的描述使本领域技术人员显而易见如何在实践中体现本发明的几种形式。

在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于以下描述中阐述或在附图中示出的组件的构造和布置的细节。本发明适用于可以以各种方式实践或执行的其他实施例以及所公开的实施例的组合。同样，应当理解，本文采用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。

现在参考图2，图2是根据本发明的一些实施例的用于通过移动火车90检测和识别障碍物的系统100的示意图。

根据一些实施例，系统100包括与检测器120相关联的光学单元110和耦接到检测器120的处理单元130。系统100可以设置在例如火车90的机车92上，使得光学单元110和检测器120面向火车90的行进方向。

光学单元110可以将来自环境的光60收集到检测器120上。检测器120(例如，红外相机)可以基于所收集的光来生成环境的图像。处理单元130可以被配置为分析由检测器120生成的图像，并且识别图像中的轨道80(例如，基于轨道80和环境之间的固有温度差)和/或识别轨道80上或轨道80的限定附近中的潜在物体/障碍物70(例如，基于物体/障碍物70、轨道80和环境之间的温度差)。

系统100的所需性能应确保提前很好地检测和识别轨道80上和轨道80附近的小的和/或远处物体/障碍物70，以便当处理单元130已经检测到物体/障碍物70的事故时，在火车90到达物体/障碍物70之前能够安全制动。

例如，对于以150km/h的速度行驶的火车90，在轨道80上的潜在物体/障碍物70的检测和识别距离72应该约为2km，并且/或者系统100必须能够检测和识别宽度约0.5m的物体/障碍物70。

系统100的所需性能应进一步确保在指定的环境温度范围内具有稳定的光学性能。例如，系统100必须在-35°-55℃之间的环境温度内稳定且鲁棒地执行。

为了满足上述要求，系统100的光学单元110必须能够在指定的温度范围内(例如，如上所述)有效地收集来自小的和/或远处物体70的光。

当前光学单元(例如，以上参照图1所述的光学单元90)用于收集来自小的和/或远处物体的光，并且被设计为在如此宽的环境温度范围内操作，通常利用锗制成的前透镜，并且因此比较重。例如，能够满足系统100的上述要求的当前光学单元90的重量可以在10至29kg之间(例如，如以上关于图1所描述的)。

然而，如此重的光学单元(例如，当前光学单元90)在火车90运动期间可能会承受较大的加速力、运动和振动，这可能会降低由系统100检测和识别小的和/或远处物体/障碍物70的效率。因此，如此重的光学单元(例如，作为当前的光学单元90)可能需要更复杂和昂贵的稳定和瞄准装置，以补偿其运动和振动伪像。

此外，锗制成的透镜(例如，光学单元90的第一透镜92)可能要求光学单元(例如光学单元90)将包括适于移动一个或多个透镜组件的机械装置(例如，一个或多个电动机)，以补偿透镜的热不稳定性并在所需的温度范围内提供稳定的光学性能。例如，这可能进一步增加光学单元的总体成本和复杂性。

因此，这导致开发能够满足系统100的上述要求(例如，如以下关于图3所述)的特殊设计的光学单元110的努力。

现在参考图3，图3是根据本发明一些实施例的用于收集来自小的和/或远处物体的光的光学单元200的示意图。

根据一些实施例，光学单元200用作系统100中的光学单元110，以用于通过移动火车检测和识别障碍物(例如，如以上关于图2所述)。

根据一些实施例，光学单元200包括前透镜210和与前透镜210相关联的一个或多个附加透镜220(例如，如图3所示)。

光学单元200可以被布置成将来自小的和/或远处物体的光收集到检测器230(例如，诸如以上相对于图2所述的红外相机120)上。

发明人已经发现，为了有效地收集来自扩展的环境场景内小的和/或远处物体(例如，如以上关于图2所述，诸如在距光学单元约2km的距离72处的约50cm宽的物体/障碍物70)的光，光学单元200必须布置成提供对小的和/或远处物体的所需光学放大。例如，光学单元200可以布置成提供从小的和/或远处物体收集的光以及从扩展环境场景收集的光的所需强度/辐照度。

例如，由光学单元200在检测器230的平面上从扩展环境场景(以下可互换地称为“扩展源”，E_es)和从小的和/或远处物体(以下可互换地称为“点源”，E_ps)收集的辐照度，可以基于光学单元200的f数F/#，例如分别如公式1和公式2所示：

其中L是辐射度(例如，以W/cm²·steradian为单位)，I是辐射强度(例如，以W/steradian为单位)，Ω_opt是立体角，并且λ是波长(例如，以cm为单位)。

例如，对于f数为2(例如F/2)的光学单元200，E_es的支配器的值为101，并且E_ps的支配器的值为25，这为点源提供大约4的光学放大(例如，用于小的和/或远处物体)。以这种方式，对于f数为0.8(例如，F/0.8)的光学单元200，点源的光学放大值为5.5。因此，光学单元200的f数F/#越小，光学单元200可以提供的点源相对于扩展源的光学放大和相对放大越高。

因此，光学单元200的f数F/#越小且焦距f越大，则光学单元200相对于从小的和/或远处物体收集光的效率越高。

在一些实施例中，光学单元200的f数不大于1.4。例如，光学单元200的f数在0.75至1.2之间。

在一些实施例中，光学单元200的焦距f不大于150mm。

如此小的f数(例如，F/#)和如此大的焦距(例如，f)可能要求光学单元200的前透镜210将具有相对较大的直径。例如，光学单元200的前透镜210的直径D_{1st_lens}可以基于光学单元200的f数F/#和焦距f，如下所示：

例如，如果光学单元200的f数为1(例如F/1)，并且焦距为250mm(例如f＝250mm)，则前透镜210的直径应为250mm(例如D_{1st_lens}＝250mm)。

在一些实施例中，光学单元200的前透镜210的直径在100-300mm之间。

在一些实施例中，光学单元200需要在指定的温度范围内保持稳定的光学性能。例如，当光学单元200在系统100中用于通过移动火车检测和识别障碍物时，光学单元200必须在至少-30°-55℃的温度范围内稳定地执行(例如，如以上关于图2所述)。

光学单元200的光学性能例如可以包括光学系统200的前透镜210的折射率随环境温度的变化率。光学单元200的前透镜210的折射率随环境温度的变化越小，光学单元200的光学性能越稳定。

在一些实施例中，光学单元200的前透镜210由硫属化合物玻璃(例如，包含一种或多种诸如硫、硒和碲的硫属元素的玻璃)制成。例如，前透镜210可以由

1或

5玻璃制成。

发明人已经发现，与具有锗的前透镜92的当前光学单元90相比，制造硫属化合物玻璃的光学单元200的前透镜210改善光学性能并且显著减小光学单元200/前透镜210的重量(例如，如以上关于图1所述)。

例如，由硫属化合物玻璃制成的光学单元200的前透镜210的折射率的变化率可以在32至55 1/℃之间(在10μm的波长下)，而由锗制成的当前光学单元90的前透镜92的折射率的变化率可以是396 1/℃(在10μm的波长下)。

此外，具有由硫属化合物玻璃制成的前透镜210的光学单元200的重量可以在2至6kg之间，而具有由锗制成的前透镜92并且与光学单元200具有相同的f数、前透镜直径焦距的光学单元90的重量可以在10至29kg之间。

此外，由硫属化合物玻璃制成的光学单元200的前透镜210可以提供透镜的热不稳定性的被动补偿，从而提供光学单元200的稳定光学性能，同时消除用于补偿其热不稳定性的复杂且昂贵的机械装置的需要(例如，如以上关于图1所述，如在当前光学单元90中可能需要利用锗制成的第一透镜92)。

有利地，与具有例如由锗制成的大光圈/前透镜的当前光学单元(例如，以上关于图1所述的当前光学单元90)相比，选择将硫属化合物玻璃用于例如大于200mm的大光圈/前透镜(例如，以上关于图3所述的光学单元200的前透镜210)，这是以前从未做到的，前透镜和整个光学单元的重量大大降低，并且提供了改进的热稳定性。

例如，所公开的光学单元(例如，以上关于图3所述的光学单元200)可以用于通过移动火车检测和识别障碍物的系统(例如，以上关于图2所述的系统100)。有利地，所公开的光学单元可以在火车运动期间显著减小光学单元经历的加速力和振动，从而与当前光学单元相比，显著提高系统检测和识别小的和/或远处物体/障碍物的效率(例如，以上关于图1所述的光学单元90)。

此外，所公开的光学单元可以显著降低用于其光学单元的稳定和瞄准装置的复杂性和/或成本(例如，与以上关于图1所述的当前光学单元90所需的那些相比)，从而大大降低系统的整体复杂性和成本。

此外，所公开的光学单元可以提供透镜的热不稳定性的被动补偿(例如，如以上关于图3所述，由于由硫属化合物玻璃制成的第一透镜210)，从而消除用于补偿其热不稳定性的对复杂且昂贵的机械装置的需求(例如，如以上关于图1所述，如在当前光学单元90中可能需要利用锗制成的第一透镜92)。因此，所公开的光学单元可以进一步显著降低系统的整体复杂性和成本。与当前的光学系统(例如，如以上关于图1所述的光学系统90)相比，这样的光学单元(例如，如以上关于图3所述的光学单元200)并且具有被动热补偿(例如，如以上关于图3所述，由于由硫属化合物玻璃制成的第一透镜210)，当安装在火车上时可以更可靠。

在以上描述中，实施例是本发明的示例或实施方式。“一个实施例”，、“实施例”、“某些实施例”或“一些实施例”的各种外观不一定都指相同的实施例。尽管可以在单个实施例的上下文中描述本发明的各种特征，但是这些特征也可以单独地或以任何合适的组合来提供。相反，尽管为了清楚起见，在此可以在单独的实施例的上下文中描述本发明，但是本发明也可以在单个实施例中实现。本发明的某些实施例可以包括来自以上公开的不同实施例的特征，并且某些实施例可以包括来自以上公开的其他实施例的元件。在特定实施例的上下文中，本发明的元件的公开不应被视为仅在特定实施例中限制它们的使用。此外，应当理解，可以以各种方式来实施或实践本发明，并且可以在除了以上描述中概述的实施方式之外的某些实施方式中实施本发明。

除非另外定义，否则本文所使用的技术术语的含义通常被本发明所属领域的普通技术人员理解。尽管已经针对有限数量的实施例描述了本发明，但是这些不应被解释为对本发明范围的限制，而是作为一些优选实施例的示例。其他可能的变化、修改和应用也在本发明的范围内。相应地，本发明的范围不应限于到目前为止所描述的范围，而应由所附权利要求及其合法等同物来限定。