(57)【要約】      （修正有）【課題】遠赤外線を透過する硝材を使用せず、遠赤外線と可視域で良好な結像性能をもつ同視野光学系を得る。【解決手段】少なくとも非回転対称な反射面３枚のミラーＭ１〜Ｍ３で構成される撮像光学系を含む可視域と遠赤外線の同軸撮像光学系において、絞りＳ１後の非回転対称な反射素子Ｍ１が光路分割素子ＢＳで構成され、この光路分割素子ＢＳにより波長分割された遠赤外線の光束は反射光学系Ｍ１〜Ｍ３により結像し、透過された可視域の光束は透過光学系ＨＬ、Ｌで結像する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも非回転対称な反射面３枚のミラーで構成される撮像光学系を含む可視域と遠赤外線の同軸撮像光学系において、絞り後の非回転対称な反射素子が光路分割素子で構成され、この光路分割素子により波長分割された遠赤外線の光束は反射光学系により結像し、透過された可視域の光束は透過光学系で結像することを特徴とする可視赤外同軸光学系。
【請求項２】
透過側の光路に、光軸に対して偏芯した非回転対称な面を有するレンズを少なくとも１枚含むことを特徴とする請求項１に記載の可視赤外同軸光学系。
【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。一方、高画素化が進められているものの、可視センサに比べてボロメータ等の非冷却遠赤外線センサの解像度は低い。また、視野内に高温な物体が含まれるとき、被写体の輪郭が不明瞭になる場合がある。
【０００３】
これらを解決する方法として、遠赤外線画像に可視画像を合成表示する方法が提案されている。同じ視野の画像を遠赤外線と可視光で得るためには、一つの光学系で可視の波長域と遠赤外線の波長域を同視野で撮像する、もしくは可視光学系と遠赤外線光学系を並べて配置して撮像する光学系が考えられるが、遠赤外線光学系と可視光学系を並べて撮像する場合、遠赤外線画像と可視画像のズレが生じる場合があるため、可視画像と遠赤外線画像を同視野で撮像する光学系は優位性が高い。
【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）、カルコゲナイド、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、シリコン（Ｓｉ）等がある。しかし、これら硝材には各々の課題がある。カルコゲナイド、ＺｎＳｅ、ＺｎＳは毒性のある物質を含むため、安全面に懸念がある。ＳｉはＧｅに比べて透過率が低いため、厚さを必要とするレンズでは適用することができない。また、Ｇｅは希少金属であるため高コストであり、供給量が安定しないという課題がある。これらの課題を避ける方法として、遠赤外線硝材を使用しないミラー光学系がある。
【０００５】
特許文献１は遠赤外線と可視の波長域で撮像することが可能な自由曲面のミラー３枚使用した例である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５９０４６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、遠赤外センサのピクセルピッチは数十ミクロンであり、可視センサのピクセルピッチ（数ミクロン）に比べて十分大きい。このピクセルピッチの影響もあり、自由曲面のミラー３枚での結像性能は、遠赤外線では十分である。
【０００８】
しかし、可視センサのピクセルピッチは遠赤外に比べ、小さいため、可視域の結像性能は十分な解像力を得ることができない場合がある。また、波長域で光路を分割する素子形状として平板形状やキューブ形状が知られているが、硝材に遠赤外材料が必要となることや、平板レンズの収差が結像性能に影響を及ぼすことが懸念される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明に係る可視赤外同軸光学系は、
Ｆナンバーの明るい３枚自由曲面ミラー光学系の一部自由曲面を遠赤外線と可視の波長域で光束を分割する素子（ビームスプリッタ）で構成し、遠赤外線の光束は３枚自由曲面ミラー光学系により結像し、可視域の光束は透過側に適切に配置したレンズ系により結像することで、可視光と遠赤外線の光束を同視野で撮像する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、３枚の自由曲面ミラーを使用した比較的コンパクトな光学系において、遠赤外波長域と可視波長域で高い結像性能を得る同視野光学系の提供を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の光路図
【図２】実施例１の遠赤外線におけるＭＴＦ図
【図３】実施例１の可視域におけるＭＴＦ図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１３】
可視光と遠赤外線を同視野で撮像するための実施例について説明する。
【００１４】
図１は実施例１のレンズ断面図である。
【００１５】
実施例１では遠赤外線の波長域（８〜１３μｍ）に感度がある遠赤外線センサＩＭ２と可視の波長域（４１０〜６８０μｍ）に感度がある可視センサＩＭ１を使用している。
【００１６】
一般的に遠赤外線センサと可視センサは解像度やピクセルピッチが異なるため、撮像面の大きさが異なる。実施例１の遠赤外線センサはピクセルピッチ１７μｍ、解像度６４０×４８０ピクセル、可視センサはピクセルピッチ５．５μｍ、解像度２０４８×２０４８ピクセルを想定している。
【００１７】
遠赤外線と可視の視野は同じだが、センサの撮像面の大きさが異なるため、実施例１の遠赤外線における焦点距離は５５ｍｍ、Ｆナンバーは１．３、可視における焦点距離は６４ｍｍ、Ｆナンバーは１．５としている。画角は全角で１１．２×８．４度である。前述したように、可視センサに比べ遠赤外線センサの方が撮像面の大きさが異なる場合があるが、発明の適用範囲は撮像面の大小によらない。
【００１８】
遠赤外線の波長域の光束は絞りＳ１を透過後、光路分割素子ＢＳの自由曲面反射面Ｍ１、自由曲面反射面Ｍ２、自由曲面反射面Ｍ３を反射して遠赤外線センサＩＭ２に結像する。自由曲面反射面３面により、遠赤外線の光束は、遠赤外線センサＩＭ２の解像度やピクセルピッチに対して十分な結像性能を有している。
【００１９】
自由曲面反射面Ｍ１は遠赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束を反射し、それ以外の波長域の光束を透過する膜を成膜している。可視の波長域の光束は絞りＳ１を透過後、自由曲面を含む光路分割素子ＢＳを透過し、紙面と平行方向に偏芯した偏芯自由曲面レンズＨＬを透過後、適切に配置された結像レンズ系Ｌにより、可視センサＩＭ１に結像する。自由曲面を含む光路分割素子ＢＳを透過した光束は光軸に対して非対称な収差をもつ。その非対称な収差成分を偏芯自由曲面レンズＨＬにより補正し、可視域の残存収差を結像レンズ系Ｌにより高精度に補正することで、可視域の光束は可視センサＩＭ１の解像度やピクセルピッチに対して十分な結像性能を有している。
【００２０】
このように、遠赤外線に加え、可視域でも高い結像性能を得ることができる光学系の構成が発明の一部である。
【００２１】
表１に実施例１の遠赤外線を結像する光路の数値データを示す。回転角θや偏芯Ｙはその面で光軸に対する回転や偏芯量を示している。表中に記載した回転角θや偏芯Ｙの数値の後に（Ａ）と記載した場合は、偏芯や回転をした面の次の面も回転や偏芯した新たな座標軸となる。一方、回転角θや偏芯Ｙの数値に（Ｂ）と記載した場合は、数値が記載されている面のみ偏芯や回転を行い、次の面では回転や偏芯する前の座標軸に戻ることを意味している。回転角θは紙面と平行な方向の角度を示しており、時計回りの回転を正とする。偏芯Ｙは紙面と平行な方向で、絞りを透過後の軸上光束進行方向と垂直方向の偏芯量を示している。偏芯Ｙは絞り位置よりも遠赤外線センサ側を正としている。
【００２２】
表２に、表１に記載した自由曲面の形状データを示す。
【００２３】
自由曲面は式１により定義する。
【００２４】
【数１】
2020204639.tif 000003
【００２５】
ここでｚはサグ量、Ｒは近軸曲率半径、ｋはコーニック係数、ｈは口径、Ｃｊはｘｍｙｎの各係数である。
【００２６】
【表１】
2020204639.tif 000004
【００２７】
【表２】
2020204639.tif 000005
【００２８】
表３に、実施例１の可視光を結像する光路の数値データを示す。回転角θや偏芯Ｙはその面で光軸に対する回転や偏芯量を示している。表中に記載した回転角θや偏芯Ｙの数値の後に（Ａ）と記載した場合は、偏芯や回転をした面の次の面も回転や偏芯した新たな座標軸となる。一方、回転角θや偏芯Ｙの数値に（Ｂ）と記載した場合は、数値が記載されている面のみ偏芯や回転を行い、次の面では回転や偏芯する前の座標軸に戻ることを意味している。
【００２９】
回転角θは紙面と平行な方向の角度を示しており、時計回りの回転を正とする。偏芯Ｙは紙面と平行な方向で、絞りを透過後の軸上光束進行方向と垂直方向の偏芯量を示している。偏芯Ｙは絞り位置よりも遠赤外線センサ側を正としている。レンズの硝材は株式会社オハラの硝材を記載したが他社同等材でも良い。
【００３０】
【表３】
2020204639.tif 000006
【００３１】
表４に、非球面形状データを示す。
【００３２】
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２で表している。
【００３３】
【表４】
2020204639.tif 000007
【００３４】
【数２】
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【００３５】
図２は実施例１の遠赤外線におけるＭＴＦ図である。
【００３６】
一般的な遠赤外の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２１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３８．１％である。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十分であることがわかる。
【００３７】
図３は実施例１の可視域におけるＭＴＦ図である。
【００３８】
一般的な可視域のセンサのピクセルピッチは数ミクロンである。例としてピクセルピッチが５．５μｍ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９０ｌｐ／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３中の３１は実施例１の９０ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は３６．６％である。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十分であることがわかる。一方、従来例として、自由曲面反射面３面を使用した場合、可視域での結像性能は９０ｌｐ／ｍｍの周波数でＭＴＦ値が１０％以下となる。このように実施例１の発明の構成は、従来よりも可視域の結像性能が良好であることが分かる。
【００３９】
以上のように、実施例１では遠赤硝材を使用せず、遠赤外線と可視域の波長域で高い結像性能を有する同視野光学系を考案した。
【符号の説明】
【００４０】
Ｓ１  絞り、ＢＳ  光路分割素子、Ｍ１  自由曲面反射面、Ｍ２  自由曲面反射面、
Ｍ３  自由曲面反射面、ＩＭ２  遠赤外線センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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