(57)【要約】【課題】  明るいＦナンバー（Ｆナンバー１．５以下）でありながらゲルマニウム（Ｇｅ）の使用量を従来より削減した、低コストでコンパクトかつ高解像な遠赤外線望遠光学系を提供すること。【解決手段】  回転対称非球面ミラーとゲルマニウムを使用した透過及び反射作用を持つ回転対称非球面ミラーレンズ、結像レンズで構成するカタディオプトリック光学系。【選択図】図１
2020106564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一反射面は回転対称非球面ミラー、第二反射面は透過と反射作用をもつ回転対称非球面ミラーレンズ、第一反射面またはその裏面側に配置されたレンズ系で構成される遠赤外光学系において、回転対称非球面ミラーレンズ部はゲルマニウム、もしくは同等材を使用する明るいＦナンバー（１．５以下）の遠赤外線光学系。
【請求項２】
第一反射面を除く光学素子面の最大直径をＬ、焦点距離をｆ、ＦナンバーをＦｎｏとしたとき、以下の条件を満たす請求項１に記載の遠赤外線光学系。
０．４＞Ｌ×Ｆｎｏ／ｆ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像するためのレンズ構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠赤外線光学系は可視の波長域で得ることのできない熱情報を検知して可視化することができるため、その特性を活かした様々なアプリケーションに対応する光学系の開発が行われている。熱の反射率は被写体の放射率と相関がある。金属などの放射率が低い物体は熱を反射し易い。例えば、金属に囲まれている被写体を近くで撮影すると、撮影者から放射された熱が金属面で反射することで、不要光として熱画像にあらわれる。それを避けるため、遠方から被写体を観察することが必要な場合がある。その場合、微弱な熱情報を検知するために明るいＦナンバーを持つ遠赤外線レンズが使用される。
【０００３】
上記のような遠赤外線特有の背景から、高所や遠方にある被写体の熱情報を高解像に観察するため、Ｆナンバーの明るい遠赤外線望遠光学系が望まれている。
【０００４】
遠赤外線の波長域（８〜１３μｍ）を透過する材料（遠赤外線硝材）としてゲルマニウム（Ｇｅ）がある。ゲルマニウム（Ｇｅ）は遠赤外線の波長域の透過率が高く、高屈折率かつ低分散であるが、希少金属であるため硝材コストが高いという課題がある。
【０００５】
特許文献１には、ゲルマニウム（Ｇｅ）を使用したミラーレンズ２枚とレンズを複数枚配置した比較的コンパクトな先行例が記載されている。また、特許文献２には、Ｆナンバーが暗いタイプ（Ｆナンバー１．５〜６．０）でゲルマニウム（Ｇｅ）を使用したミラーレンズと複数枚のレンズを使用した先行例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１６１５６８号公報
【特許文献２】米国特許第６９１９９８８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、明るいＦナンバー（Ｆナンバー１．５以下）でありながらゲルマニウム（Ｇｅ）の使用量を従来より削減した、低コストでコンパクトかつ解像力の高い遠赤外線望遠光学系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明に係る遠赤外線光学系は、
回転対称非球面ミラーとゲルマニウムを使用した透過及び反射を持つ回転対称非球面ミラーレンズ、結像レンズで構成するカタディオプトリック光学系。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、
明るいＦナンバー（Ｆナンバー１．５以下）でありながらゲルマニウム（Ｇｅ）の使用量を従来よりも削減した、低コストでコンパクトかつ解像力の高い遠赤外線望遠光学系を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１の光路図
【図２】実施例１のＭＴＦ図
【図３】実施例２の光路図
【図４】実施例２のＭＴＦ図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は実施例１のレンズ断面図である。
【００１３】
実施例１は焦点距離１００ｍｍ、Ｆナンバー１．０の遠赤外線光学系である。光束は物体から順に、回転対称非球面ミラーＭ１、回転対称非球面ミラーレンズＭＬ１の表面で透過後、裏面で反射し、第一レンズＬ１１と第二レンズＬ１２で遠赤外線センサＩＭ１に結像する。回転対称非球面ミラーレンズＭＬ１はミラーレンズ、レンズミラー、マンジャンミラー、マンギン鏡等の名称で呼ばれている場合もある。これらのレンズは、レンズ表面を透過後、レンズ裏面で反射する作用を持つ光学素子を意図している。本実施例では、反射屈折作用のあるカタディオプトリック式光学系によりレンズのサイズを小型化し、全長をコンパクトにしている。実施例１の仕様に対応する従来のレンズ系であれば、最大径がφ１００ｍｍ程度のゲルマニウム（Ｇｅ）製レンズを必要としていた。これに比べ、実施例１のゲルマニウム（Ｇｅ）製レンズの最大径はφ３７ｍｍであり、非常に小さい。実施例１の遠赤外線光学系の数値データを表１に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。
【００１４】
【表１】
2020106564.tif 000003
【００１５】
表２に、非球面形状データを示す。非球面形状は、光軸方向にｚ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐係数、Ａ〜Ｆを４〜１４次の非球面係数としたとき、数式１で表している。
【００１６】
【表２】
2020106564.tif 000004
【００１７】
【数１】
2020106564.tif 000005
【００１８】
実施例１では、回転対称非球面ミラーレンズＭＬ１、第一レンズＬ１１及び第二レンズＬ１２はゲルマニウム（Ｇｅ）を材質としている。メインの正パワーを持つ回転対称非球面ミラーＭ１により収斂された光束を弱い負パワーを持つ回転対称非球面ミラーレンズＭＬ１で反射し、第一レンズＬ１１と第二レンズＬ１２で像面湾曲を補正している。メインとなる正のパワーの役割を回転対称ミラーＭ１が果たしているため、その他のレンズ径は小さくなる。これにより、高価なゲルマニウム（Ｇｅ）の使用量を減らすことができる。
【００１９】
発明において、回転対称非球面ミラーレンズＭＬ１の材質に高屈折率低分散硝材であるゲルマニウム（Ｇｅ）を使用していることが遮蔽率の低減と収差補正に大きな役割を果たしている。
【００２０】
表３は遠赤外線を透過する材料の屈折率Ｎ１０及び分散値ν１０である。表３中の屈折率Ｎ１０は波長１０μｍにおける屈折率、分散値ν１０は下記の数式２により定義した数値である。一般的に、分散値は数値が大きいほど波長による屈折率の変化（分散）が小さいことを意味している。
【００２１】
【表３】
2020106564.tif 000006
【００２２】
数式２中のＮ８は波長８μｍでの屈折率、Ｎ１２は波長１２μｍでの屈折率である。各社の硝材メーカーによって数値が若干個異なるため、ここではおおよその数値として記載する。
【００２３】
【数２】
2020106564.tif 000007
【００２４】
表３のように、遠赤外線を透過する他硝材に比べて、ゲルマニウム（Ｇｅ）は屈折率が非常に大きく、分散は非常に小さい。この高屈折率の効果としては、各面の曲率半径が緩和されることで個々の球面収差の発生量を抑えることができ、像面湾曲と相関あるペッツバール和を小さくすることができる。また、通常の分散値（２０〜６０程度）であれば、長い焦点距離による大きな色収差補正が課題になるが、遠赤外線波長域での分散が非常に小さいため、回転対称非球面ミラーレンズＭＬ１を弱い負レンズとすることで、色収差の発生を大きく緩和している。つまり、回転対称非球面ミラーレンズＭＬ１をゲルマニウム（Ｇｅ）もしくは同等材を使用することが発明の特徴の一つである。
【００２５】
実施例１の遠赤外センサＩＭ１を非回転対称ミラーＭ１の外側に配置するため、非回転対称ミラーＭ１には穴が空けられている。また、この穴と回転対称非球面ミラーレンズＭＬ１の反射面は光束を遮蔽する面（遮蔽面）として作用する。これらの遮蔽面により遮蔽された光束の径が大きい場合、結像性能の指標の一つである空間周波数応答特性（ＭＴＦ）が劣化してしまう。この遮蔽量を数式３に定義する。回転対称非球面ミラーＭ１を除く光学素子面の最大径をＬ、焦点距離をｆ、ＦナンバーをＦｎｏとする。実施例１の遮蔽量は０．３７である。この数式を満たすことが、高い結像性能を得る上で好ましい。
【００２６】
（数式３）
０．４＞Ｌ×Ｆｎｏ／ｆ
図２は実施例１のＭＴＦ図である。一般的な遠赤外線センサのピクセルピッチは数十ミクロンである。例としてピクセルピッチが１７μｍのセンサを使用することを想定すると、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。この周波数で被写体を解像するためには、経験的にＭＴＦ値が３０％以上あれば良い。図２中の１１は実施例１の３０ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は３３％である。遠赤外線センサのナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため結像性能は良好であることがわかる。因みに、回転対称非球面ミラーＭ１と物体面の間に遠赤外線硝材を使用した保護ガラスを設けた場合や遠赤外線センサの前面にカバーガラスを配置した場合でも発明の効果は得られる。
【００２７】
以上のように実施例１では明るいＦナンバーでありながら、反射屈折作用のあるカタディオプトリック式光学系によりレンズのサイズを小型化し、全長をコンパクトにすることで、硝材の使用量（ゲルマニウム（Ｇｅ））を大幅に低減しつつ、高い結像性能が得られる光学系を提案している
【実施例２】
【００２８】
図３は実施例２のレンズ断面図である。実施例２は焦点距離３５０ｍｍ、Ｆナンバー１．０の遠赤外線光学系である。
【００２９】
光束は物体から順に、回転対称非球面ミラーＭ２で反射され、第一レンズＬ２１を透過後、回転対称非球面ミラーレンズＭＬ２の表面で透過後、裏面で反射し、第一レンズＬ２１を再度透過後、第二レンズ２２と第三レンズＬ２３で遠赤外線センサＩＭ２に結像する。実施例１では従来のレンズと比較して、本発明を適用することでゲルマニウム（Ｇｅ）の使用量を低減した、低コストかつコンパクトで高い解像力を持つ遠赤外線望遠光学系を示した。実施例２は、従来のレンズでは実現が困難であった仕様に対して本発明を適用することで、
実現が可能になることを示す。焦点距離３５０ｍｍでＦナンバー１．０の仕様では通常φ３５０ｍｍ程度のレンズが必要であった。これに対してゲルマニウム（Ｇｅ）の製造限界はφ２５０ｍｍ程度であるため、この仕様を満たす光学系を実現することは困難であった。しかし、実施例２ではメインとなる正のパワーの役割を回転対称非球面ミラーＭ２と、回転対称非球面ミラーレンズＭＬ２の近傍に配置した第一レンズＬ２１が果たしているため、従来のレンズ径φ３５０ｍｍに比べ、第一レンズＬ２１の直径はφ９７ｍｍと非常に小さくなる。これによりゲルマニウム（Ｇｅ）の使用量を低減がなされた結果、この仕様を満たす低コストな光学系を実現している。実施例２の遠赤外線光学系の数値データを表４に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。
【００３０】
【表４】
2020106564.tif 000008
【００３１】
表５に、非球面形状データを示す。非球面形状は、光軸方向にｚ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐係数、Ａ〜Ｆを４〜１４次の非球面係数としたとき、前述した数式１で表している。
【００３２】
【表５】
2020106564.tif 000009
【００３３】
実施例２では、回転対称非球面ミラーレンズＭＬ２、第一レンズＬ２１及び第三レンズＬ２３はゲルマニウム（Ｇｅ）、第二レンズＬ２２はカルコゲナイドを材質としている。メインの正パワーを持つ回転対称非球面ミラーＭ２と回転対称非球面ミラーレンズＭＬ２近傍に配置した第一レンズＬ２１により収斂された光束を弱い負パワーを持つミラーレンズＭＬ２で反射し、第一レンズＬ２１と第二レンズＬ２２、第二レンズＬ２３で像面湾曲を補正している。メインとなる正のパワーの役割を回転対称回転対称非球面ミラーＭ２と第一レンズＬ２１が果たしているため、その他のレンズ径は小さくなる。これにより、高価なゲルマニウム（Ｇｅ）の使用量を減らすことができる。また、実施例２で発生する長い焦点距離による色収差は、分散が非常に小さいゲルマニウムでも結像性能を劣化させる量になる。そのため、第二レンズＬ２２を高分散のカルコゲナイドを使用した負レンズにすることで、色収差を低減している。
【００３４】
実施例２においても、遮蔽量を小さくすることが高い結像性能を得る上で好ましい。数式３により計算した実施例２の遮蔽量は０．２８である。
【００３５】
図４は実施例２のＭＴＦ図である。
【００３６】
一般的な遠赤外線センサのピクセルピッチは数十ミクロンである。例としてピクセルピッチが１７μｍのセンサを使用することを想定すると、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。この周波数で被写体を解像するためには、経験的にＭＴＦ値が３０％以上あれば良い。
【００３７】
図４中の２１は実施例２の３０ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は４５％である。遠赤外線センサのナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため結像性能は良好であることがわかる。
【００３８】
以上のように、実施例２では反射屈折作用のあるカタディオプトリック式光学系により全長をコンパクトにし、ゲルマニウム（Ｇｅ）を材料したレンズの口径を大幅に小さくすることができるため、従来は実現することが困難であった仕様（長い焦点距離かつ明るいＦナンバー）で高い結像性能が得られる低コストな光学系を提案している。
【符号の説明】
【００３９】
ＭＬ１  回転対称非球面ミラーレンズ、Ｌ１１  第一レンズ、
Ｌ１２  第二レンズ、Ｍ１  回転対称ミラー
【図１】
2020106564.tif 000010
【図２】
2020106564.tif 000011
【図３】
2020106564.tif 000012
【図４】
2020106564.tif 000013