(57)【要約】【課題】赤外線用レンズにおいて、小型で安価に構成でき、焦点距離に比べて十分長いバックフォーカスを有し、良好な結像性能を有する。【解決手段】３μｍ〜１２μｍの波長帯で使用される赤外線用レンズであって、物体側に凹面を向けた正メニスカス形状の１枚の単レンズＬ１からなり、物体側の面は中心部から周辺部へ向かうに従い曲率が強くなる非球面形状を有し、像側の面は中心部から周辺部へ向かうに従い曲率が強くなる非球面形状を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３μｍ〜１２μｍの波長帯で使用される赤外線用レンズであって、
物体側に凹面を向けた正メニスカス形状の１枚の単レンズからなり、物体側の面は中心部から周辺部へ向かうに従い曲率が強くなる非球面形状を有し、像側の面は中心部から周辺部へ向かうに従い曲率が強くなる非球面形状を有することを特徴とする赤外線用レンズ。
【請求項２】
物体側の面または像側の面の少なくともいずれか一方に回折面が施されており、材質がカルコゲナイドガラスであることを特徴とする請求項１記載の赤外線用レンズ。
【請求項３】
材質がゲルマニウムであることを特徴とする請求項１記載の赤外線用レンズ。
【請求項４】
前記単レンズの中心厚をｄとし、焦点距離をｆとしたとき、下記条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の赤外線用レンズ。
０．５＜ｄ／ｆ＜１．５  …  （１）
【請求項５】
前記単レンズの物体側の面の近軸曲率半径をＲ１とし、焦点距離をｆとしたとき、下記条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の赤外線用レンズ。
１．１＜｜Ｒ１｜／ｆ＜３．５  …  （２）
【請求項６】
前記単レンズの像側の面の近軸曲率半径をＲ２とし、焦点距離をｆとしたとき、下記条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の赤外線用レンズ。
０．８＜｜Ｒ２｜／ｆ＜１．８  …  （３）
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項記載の赤外線用レンズを備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線用レンズおよび撮像装置に関し、特に、３μｍ〜１２μｍの波長帯で使用される赤外線用レンズおよび該赤外線用レンズを備えた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、暗所での撮影や物体の温度分布の観測等を行うために、赤外線カメラが利用されている。例えば、下記特許文献１には、２次元状の赤外検出器に一度に広い領域を結像するための赤外線用光学系が記載されている。特許文献１に記載された赤外線用レンズは、両面が球面の単レンズからなり、シリコンを材質とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０６−９４９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の赤外線用レンズは、主に空調装置の温度測定を用途とするものであるため、解像力が５ＬＰＭ（ｌｉｎｅ  ｐａｉｒ  ｐｅｒ  ｍｍ）程度であった。近年、２次元検出器は、２０ＬＰＭ以上の解像力に相当する１画素２５μｍ以下のものが得られるようになり、精細な赤外線映像を撮影できるようになってきている。このため、夜間の監視等において十分に解像された画像を取得可能な程度の良好な結像性能を有し、小型で安価に構成可能な赤外線用レンズが要望されている。
【０００５】
また、赤外線カメラでは、最も像側のレンズと像面との間に撮像素子を保護するための平行平面板や、撮像素子を冷却するためのコールドシールド等が挿入される場合がある。このため、赤外線カメラ用のレンズは、ある程度十分なバックフォーカスを確保する必要がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、小型で安価に構成でき、焦点距離に比べて十分長いバックフォーカスを有し、良好な結像性能を有する赤外線用レンズ、および該赤外線用レンズを備えた撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の赤外線用レンズは、３μｍ〜１２μｍの波長帯で使用される赤外線用レンズであって、物体側に凹面を向けた正メニスカス形状の１枚の単レンズからなり、物体側の面は中心部から周辺部へ向かうに従い曲率が強くなる非球面形状を有し、像側の面は中心部から周辺部へ向かうに従い曲率が強くなる非球面形状を有することを特徴とする。
【０００８】
なお、上記の「物体側に凹面を向けた正メニスカス形状」は近軸領域におけるものである。また、上記の「曲率が強くなる」とは、曲率の符号に関わらず、曲率の絶対値が大きくなることを意味する。すなわち、本発明の赤外線用レンズは、物体側の面が中心部から周辺部へ向かうに従い負のパワーが強くなる非球面形状を有し、像側の面が中心部から周辺部へ向かうに従い正のパワーが強くなる非球面形状を有するように構成されているものである。
【０００９】
本発明の赤外線用レンズの材質としては、波長３μｍ〜１２μｍの赤外線を透過させる材質を用いることが好ましい。
【００１０】
本発明の赤外線用レンズにおいては、物体側の面または像側の面の少なくともいずれか一方に回折面が施されており、材質がカルコゲナイドガラスであるように構成してもよい。
【００１１】
ここで、「カルコゲナイドガラス」とは、Ｓ（硫黄）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）という、一般にカルコゲン元素と呼ばれる互いに性質の似通った一連の元素のいずれかを、成分として含むガラスである。
【００１２】
または、本発明の赤外線用レンズにおいては、材質としてゲルマニウムを用いるようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明の赤外線用レンズにおいては、単レンズの中心厚をｄとし、物体側の面の近軸曲率半径をＲ１とし、像側の面の近軸曲率半径をＲ２とし、焦点距離をｆとしたとき、下記条件式（１）〜（３）を満足することが好ましい。なお、好ましい態様としては、下記条件式（１）〜（３）のいずれか１つを満足するものでもよく、あるいは任意の２つ以上の組合せを満足するものでもよい。
０．５＜ｄ／ｆ＜１．５  …  （１）
１．１＜｜Ｒ１｜／ｆ＜３．５  …  （２）
０．８＜｜Ｒ２｜／ｆ＜１．８  …  （３）
【００１４】
本発明の撮像装置は、上記記載の本発明の赤外線用レンズを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、レンズ系を１枚の単レンズからなる構成とし、この単レンズの両面に非球面を施してその非球面形状を好適に設定しているため、小型で安価に構成可能であり、焦点距離に比較して十分長いバックフォーカスを有し、３μｍ〜１２μｍの波長帯で良好な結像性能を有する赤外線用レンズ、および該赤外線用レンズを備えた撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１の赤外線用レンズのレンズ構成を示す断面図
【図２】本発明の実施例２の赤外線用レンズのレンズ構成を示す断面図
【図３】本発明の実施例３の赤外線用レンズのレンズ構成を示す断面図
【図４】本発明の実施例４の赤外線用レンズのレンズ構成を示す断面図
【図５】本発明の実施例５の赤外線用レンズのレンズ構成を示す断面図
【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｊ）は本発明の実施例１の赤外線用レンズの各収差図
【図７】図７（Ａ）〜図７（Ｊ）は本発明の実施例２の赤外線用レンズの各収差図
【図８】図８（Ａ）〜図８（Ｊ）は本発明の実施例３の赤外線用レンズの各収差図
【図９】図９（Ａ）〜図９（Ｊ）は本発明の実施例４の赤外線用レンズの各収差図
【図１０】図１０（Ａ）〜図１０（Ｊ）は本発明の実施例５の赤外線用レンズの各収差図
【図１１】本発明の実施形態にかかる撮像装置を含む撮像システムの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１〜５は、本発明の実施形態にかかる赤外線用レンズの構成を示す断面図であり、それぞれ後述の実施例１〜実施例５に対応している。実施例１〜実施例５は全て基本的な構成は同様であり、図１〜図５の図示方法も同様であるため、以下では図１に示す構成例を例にとり説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の赤外線用レンズは、物体側に凹面を向けた正メニスカス形状の単レンズＬ１からなる１枚構成である。また、本実施形態の赤外線用レンズにおいては、単レンズＬ１の物体側には、開口絞りＳｔが配置されている。なお、図１では、図の左側を物体側、右側を像側としており、図１に示す開口絞りＳｔは、形状や大きさを表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。図１に示す符号Ｒｉ（ｉ＝２、３、…）、符号Ｄｉ（ｉ＝１、２、３、…）はそれぞれ、曲率半径、面間隔を示すものであり、これらについては、後述の実施例の説明で述べる。
【００１９】
この赤外線用レンズは、３μｍ〜１２μｍの波長帯で使用される結像レンズであり、この波長帯の赤外線カメラ等の撮像装置に好適に使用可能である。なお、図１には、赤外線用レンズが撮像装置に適用される場合を考慮して、赤外線用レンズの結像位置を含む像面Ｓｉｍに配置された撮像素子５も図示している。撮像素子５は、赤外線用レンズにより形成される光学像を電気信号に変換するものであり、例えば３μｍ〜１２μｍの波長帯に感度を有する赤外線用２次元センサからなる。
【００２０】
また、赤外線用レンズを撮像装置に適用する際には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、撮像素子を保護するためのカバーガラスや、撮像素子を冷却するためのコールドシールドや、各種フィルタ等の光学部材を配置してもよい。図１では、これらを想定した平行平面板状の光学部材ＰＰをレンズ系と撮像素子５との間に配置した例を示している。
【００２１】
この赤外線用レンズを構成する単レンズＬ１は、物体側の面は中心部から周辺部へ向かうに従い曲率が強くなる非球面形状を有し、像側の面は中心部から周辺部へ向かうに従い曲率が強くなる非球面形状を有するように構成されている。このような形状とすることで、結像領域の中心だけでなく周辺部についても諸収差を良好に補正でき、高い解像力を得ることができ、良好な結像性能を有することができる。
【００２２】
単レンズＬ１の材質としては、波長３μｍ〜１２μｍの赤外線を透過させる材質を用いることが好ましい。このような材質としては、カルコゲナイドガラスやゲルマニウムを挙げることができる。
【００２３】
カルコゲナイドガラスとは、Ｓ（硫黄）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）という、一般にカルコゲン元素と呼ばれる互いに性質の似通った一連の元素のいずれかを、成分として含むガラスである。カルコゲナイドガラスは、赤外光に対する透過率が高く、ゲルマニウムよりも安価であり、ゲルマニウムに比べ加工しやすいという特長を有する。
【００２４】
ただし、カルコゲナイドガラスは、ゲルマニウムよりも分散が大きいため、カルコゲナイドガラスを材質とし、かつ色収差の補正を良好に行いたい場合は、例えば、単レンズＬ１の物体側の面または像側の面の少なくともいずれか一方に回折面を施して色収差補正を行うことが好ましい。
【００２５】
一方、ゲルマニウムは、屈折率が大きく、かつ３μｍ〜１２μｍの波長帯では分散が小さいという特性を有するため、ゲルマニウムを材質とした場合は、３μｍ〜１２μｍの波長帯で色収差がほとんどなく広角で良好な結像性能を有する赤外線用レンズを得ることが容易になる。
【００２６】
単レンズＬ１は、その中心厚をｄとし、物体側の面の近軸曲率半径をＲ１とし、像側の近軸曲率半径をＲ２とし、その焦点距離をｆとしたとき、下記条件式（１）〜（３）を満足することが好ましい。なお、好ましい態様としては、下記条件式（１）〜（３）のいずれか１つを満足するものでもよく、あるいは任意の２つ以上の組合せを満足するものでもよい。
０．５＜ｄ／ｆ＜１．５  …  （１）
１．１＜｜Ｒ１｜／ｆ＜３．５  …  （２）
０．８＜｜Ｒ２｜／ｆ＜１．８  …  （３）
【００２７】
条件式（１）の下限以下になると、像面湾曲の補正が不十分となり、周辺像の劣化を生じる。逆に、条件式（１）の上限以上になると、非点収差のバランスが崩れ、周辺像の劣化を生じる。
【００２８】
条件式（２）の下限以下になると、物体側の面の負のパワーが強くなり、非点収差のバランスが崩れて、周辺像の劣化を生じる。条件式（２）の上限以上になると、物体側の面の負のパワーが弱くなり、十分な像面湾曲の補正が困難となる。
【００２９】
条件式（３）の下限以下になると、像側の面の正のパワーが強くなり、非点収差のバランスが崩れる。条件式（３）の上限以上になると、像側の面の正のパワーが弱くなり、十分な像面湾曲の補正が困難となる。
【００３０】
次に、本発明にかかる赤外線用レンズの具体的な数値実施例について説明する。本発明の実施例１〜５の赤外線用レンズのレンズ断面図は、それぞれ図１〜図５に示したものである。実施例１〜５の赤外線用レンズのレンズデータ、非球面データ、回折面データを表１〜表１４に示す。これらの実施例のうち、実施例１〜４の赤外線用レンズはカルコゲナイドガラスを材質とし、物体側の面に回折面が施されたものであり、実施例５の赤外線用レンズはゲルマニウムを材質としたものである。
【００３１】
【表１】
2010249931.tif 000003
【００３２】
【表２】
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【００３３】
【表３】
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【００３４】
【表４】
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【００３５】
【表５】
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【００３６】
【表６】
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【００３７】
【表７】
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【００３８】
【表８】
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【００３９】
【表９】
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【００４０】
【表１０】
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【００４１】
【表１１】
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【００４２】
【表１２】
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【００４３】
【表１３】
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【００４４】
【表１４】
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【００４５】
上記レンズデータの各表では、開口絞りＳｔおよび光学部材ＰＰも含めて示している。上記レンズデータの各表において、面番号Ｓｉは最も物体側の構成要素の面を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面番号を示し、Ｒｉはｉ番目の面の曲率半径を示し、Ｄｉはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ上の面間隔を示し、Ｎｊは最も物体側の光学要素を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２）の光学要素の波長１０μｍに対する屈折率を示し、材質はその光学要素の材質を示す。ただし、Ｄ５は第５面と像面Ｓｉｍとの面間隔である。
【００４６】
曲率半径の符号は、物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。開口絞りＳｔに対応する面、非球面が施されている面、非球面および回折面が施されている面には、レンズデータの備考欄にそれぞれ、開口絞り、非球面、非球面・回折面と記入している。各実施例において、表のＲｉ、Ｄｉは、図１〜図５に示す断面図のＲｉ（ｉ＝２〜５の整数）、Ｄｉ（ｉ＝１〜５の整数）にそれぞれ対応している。
【００４７】
レンズデータにおける長さの単位としてはここではｍｍを用いているが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位はｍｍに限定されることはなく、他の適当な単位を用いることもできる。
【００４８】
上記非球面データの各表には、非球面の面番号と、各非球面に関する非球面係数Ｋ、Ａｍ（ｍ＝３、４、５、…１２）を示す。非球面係数の数値の「Ｅ−ｎ」（ｎ：整数）は、「×１０−ｎ」を意味し、「Ｅ＋ｎ」（ｎ：整数）は、「×１０＋ｎ」を意味する。非球面係数Ｋ、Ａｍは、下記非球面式におけるものである。
Ｚｄ＝Ｃ・ｈ２／［１＋｛１−（Ｋ＋１）・Ｃ２・ｈ２｝１/２］＋ΣＡｍ・ｈｍ
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面
に下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からのレンズ面までの距離）
Ｃ：近軸の曲率
Ｋ、Ａｍ：非球面係数（ｍ＝３、４、５、…１２）
【００４９】
上記回折面データの各表には、回折面の面番号と、各回折面に関する回折面係数Ｐｋ（ｋ＝３、４、５）を示す。各レンズに施された回折面は、巨視的なレンズ形状と、回折面が持つべき光路長の付加量を光軸からの高さｈの関数で示した光路差関数とにより表される。回折面によって付加される光路長は、
Φ（ｈ）＝λ／（２π）×ΣＰｋ・ｈｋ
で表され、範囲は０〜−λである。各表の回折面係数Ｐｋ（ｋ＝２、３、４）は、それぞれ上記Φ（ｈ）の式の２次、３次、４次の係数である。
【００５０】
また、上記実施例１〜５の赤外線用レンズにおける各種データおよび上記条件式（１）〜（３）に対応する値を表１５に示す。表１５において、ｆは焦点距離、Ｂｆは空気換算したバックフォーカス、２ωは全画角である。ｆ、Ｂｆの単位はｍｍであり、２ωの単位は度である。また、表１５に示す条件式（１）〜（３）に対応する値は、波長１０μｍにおけるものである。
【００５１】
【表１５】
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【００５２】
上記実施例１〜５の赤外線用レンズの各収差図をそれぞれ、図６（Ａ）〜図６（Ｊ）、図７（Ａ）〜図７（Ｊ）、図８（Ａ）〜図８（Ｊ）、図９（Ａ）〜図８（Ｊ）、図１０（Ａ）〜図１０（Ｊ）に示す。これらの各収差図は波長１０μｍを基準波長としたものである。以下に実施例１の収差図を例にとり説明するが、他の実施例の収差図についても同様である。
【００５３】
実施例１の赤外線用レンズの収差図として、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）には球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）の各収差図を示し、図６（Ｄ）〜図６（Ｇ）にはタンジェンシャル方向の横収差の収差図を示し、図６（Ｈ）〜図６（Ｊ）にはサジタル方向の横収差の収差図を示す。各収差図には波長１０μｍを基準とした収差を示すが、球面収差図には波長８μｍ、波長１２μｍのものも示す。非点収差図にはタンジェンシャル方向の収差をＴ、サジタル方向の収差をＳとして示す。球面収差図のＦｎｏ．はＦナンバーを意味し、その他の収差図のωは半画角を意味する。
【００５４】
以上のデータからわかるように、実施例１〜５の赤外線用レンズは、正メニスカスレンズである単レンズからなり、Ｆナンバーが１．４と小さく、全画角が４０°以上であり監視カメラ用途に好適な広い画角を有し、焦点距離に比べて十分長いバックフォーカスが確保され、各収差が良好に補正されて高い解像力を有し、良好な結像性能を有する光学系を実現している。
【００５５】
次に、本発明の一実施形態にかかる撮像装置について説明する。図１０に、本発明の実施形態にかかる赤外線用レンズを適用した赤外線撮像システム１００を示す。赤外線撮像システム１００は、赤外線カメラ１１０と演算・表示装置１２０とを含んで構成される。赤外線カメラ１１０と演算・表示装置１２０とは、コード１１５により電気的に接続されている。
【００５６】
赤外線カメラ１１０は、本発明の一実施形態にかかる撮像装置であり、本発明の実施形態にかかる赤外線用レンズ１と、撮像素子５と、筐体６とを含んで構成される。なお、図１０では、赤外線レンズ１は概略的に示している。撮像素子５は、赤外線用レンズ１により形成された光学像を撮像して電気信号に変換する素子であり、例えば３μｍ〜１２μｍの波長帯に感度を有する赤外線用２次元センサからなる。赤外線用レンズ１により得られた像は撮像素子５により電気信号に変換され、赤外線カメラ１１０に接続された演算部１２１へ伝送される。
【００５７】
演算・表示装置１２０は、演算部１２１と、表示部１２２とからなる。撮像素子５から伝送された画像信号は演算部１２１により演算処理された後、この演算処理で得られた画像が表示部１２２に表示される。例えば、赤外線カメラ１１０で撮像された被写体の像および被写体の温度分布が、演算部１２１での演算処理を経た後、表示部１２２でカラー表示される。
【００５８】
本発明の実施形態にかかる赤外線用レンズ１は、上述したように長いバックフォーカスを有するため、赤外線用レンズ１と撮像素子５との間に、各種フィルタや保護部材、コールドシールド等を配置することが可能であり、赤外線カメラ１１０の仕様に応じた像を得ることができる。また、本発明の実施形態にかかる赤外線用レンズは、上述した長所を有するものであるから、赤外線カメラ１１０は、小型で安価に構成可能であり、約４０°の広角の撮像が可能であり、夜間の監視等にも適用可能な高解像の像を得ることができる。
【００５９】
以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、非球面係数、回折面係数等の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。
【符号の説明】
【００６０】
１    赤外線用レンズ
５    撮像素子
１００    赤外線撮像システム
１１０    赤外線カメラ
１２０    演算・表示装置
Ｌ１    単レンズ
ＰＰ    光学部材
Ｓｉｍ    像面
Ｓｔ    開口絞り
Ｚ    光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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