(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側より順に、負の屈折力を有する第１群と、該第１群と所定の間隔をあけて配置された正の屈折力を有する第２群とを備え、
前記第１群は、物体側に凸面を向けた１枚の負メニスカスレンズで構成され、前記第２群は、物体側より順に正屈折力の第１レンズ、負屈折力の第２レンズ及び正屈折力の第３レンズの３枚のレンズで構成されており、さらに以下の条件を満たすことを特徴とする赤外用光学系。
（１）  ０．５Φ  ＜−φｆ＜０．７Φ
（２）  ０．５５Φ＜  φｒ＜０．８７Φ
（３）  １．５５（１／Φ）＜ｄ＜１．９８（１／Φ）
（４）  ｄｒ＜２．１（１／Φ）
但し、
Φ  ：前記赤外用光学系全体の屈折力
φｆ：前記第１群の屈折力
φｒ：前記第２群の屈折力
ｄ  ：前記第１群と前記第２群との主点間隔
ｄｒ：前記第２群中における最も物体側のレンズ
面から最も像側のレンズ面までの距離
である。
【請求項２】
前記第１群中の前記負メニスカスレンズ、前記第２群中の前記第１レンズ及び前記第３レンズはＳｉから構成され、
前記第２群中の第２レンズはＧｅから構成されることを特徴とする請求項１に記載の赤外用光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元固体撮像素子等を用いた赤外線撮像装置などに利用される赤外線用の結像光学系に関するものであり、特に３μｍ〜５μｍ程度の波長帯域で使用する赤外線用レンズに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、赤外線用光学系は対物レンズで作られた実像を接眼レンズ（コリメートレンズ）でコリメートし、これをポリゴンミラーやガルバノミラーを用いて２次元走査し、その走査像をポイントセンサーで検出するものが主流であった。
ところが近年では、半導体プロセスの発達により、２次元状に固体センサーを配置した赤外線用２次元固体撮像素子が製作されるようになってきた。２次元固体撮像素子を用いた赤外線撮像装置は、従来の走査型のもので必要とされたコリメートレンズや走査系を排除できるため、装置の小型軽量化にはきわめて有効である。
【０００３】
ところで一般的に、赤外用の２次元固体撮像素子は熱雑音による影響を排除するために素子自身が冷却されており、またコールドシールドと呼ばれる低温に冷却された絞りにより視野を制限されている。このコールドシールドの開口径及び長さは主に光学系の明るさにより決定されるが、光学系とのマッチングをとりつつ鏡筒などからの熱輻射の影響を有効に軽減するため、ある程度の長さが必要となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで受光素子の大きさが決まっているような場合、広視野の画像を得ようとすると光学系の焦点距離を短くする必要がある。ここで、前述の赤外用２次元固体撮像素子を用いる場合、一般的な構成で焦点距離の短い光学系を設計するとバックフォーカスが小さくなりすぎるため、前述のコールドシールドとレンズが干渉してしまいシステムが構成できないという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、コールドシールドを設けるための充分なバックフォーカスを確保しつつ、広視野でかつ画面全域にわたって良好な収差補正がなされた赤外用光学系を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明にかかる赤外用光学系は、物体側より順に、負の屈折力を有する第１群と、この第１群と所定の間隔をあけて配置された正の屈折力を有する第２群とを備える。
そして、第１群は、物体側に凸面を向けた１枚の負メニスカスレンズで構成され、第２群は、物体側より順に正屈折力の第１レンズ、負屈折力の第２レンズ及び正屈折力の第３レンズの３枚のレンズで構成される。
【０００７】
上述の構成において、さらに以下の条件を満たすものである。
（１）  ０．５Φ  ＜−φｆ＜０．７Φ
（２）  ０．５５Φ＜  φｒ＜０．８７Φ
（３）  １．５５（１／Φ）＜ｄ＜１．９８（１／Φ）
（４）  ｄｒ＜２．１（１／Φ）
但し、
Φ  ：赤外用光学系全体の屈折力
φｆ：第１群の屈折力
φｒ：第２群の屈折力
ｄ  ：第１群と第２群との主点間隔
ｄｒ：第２群中における最も物体側のレンズ面か
ら最も像側のレンズ面までの距離
である。
【０００８】
また、本発明においては、第１群中の負メニスカスレンズ、第２群中の第１レンズ及び第３レンズはＳｉから構成されることが好ましく、第２群中の第２レンズはＧｅから構成されることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による光学系は、物体側より順に、負の屈折力を有する第１群と、正の屈折力を有する第２群とで構成される、いわゆるレトロフォーカスタイプである。
第１群の負の屈折力の作用は主にレンズの主点の位置を光学系に対してより像面側に近付けるものであり、実質的にバックフォーカスを増大させている。この第１群の屈折力の範囲を規定するものが（１）の条件式である。−φｆが（１）式の下限を下回ってしまう場合、本発明の主たる目的であるバックフォーカスの確保が困難となる。また、いわゆるペッツバール和が増大してしまうため、像面の平坦性を良くすることが困難となる。次に−φｆが（１）式の上限を上回ってしまう場合、第１群での光線の発散が強くなりすぎ、光学系全体として所望の屈折力を得るためには後群の屈折力を強くしなければならない。これにより球面収差、コマ収差の発生が甚大となる。特に軸外光束の周辺の光線は強く光軸から離れるように屈折されるため、この光線が後群のレンズ群における光軸から大きく離れた位置に入射することになり、これにより補正困難なコマ収差を生ずる。
【００１０】
第２群の正の屈折力は、第１群で発散させられた光束を集光し、結像させるマスターレンズの役割を担っている。したがって発散光を集光することから、比較的強い正の屈折力が要求される。（２）式はこの後群の屈折力の範囲を規定するものである。φｒが（２）式の上限を上回ってしまう場合、第２群の３枚の構成では過剰な正の屈折力となってしまうため、中間の光線高さ（入射高）での球面収差が発生してしまうのを抑えることができない。さらに、これにともなうコマ収差の悪化を招く。次にφｒが（２）式の下限を下回ってしまう場合、第２群単独としての収差補正は比較的良好となるが、負の第１群で発生した球面収差を打ち消すことが困難となり、光学系全体としてみると収差が悪化してしまう。
【００１１】
（３）式は本発明による光学系の第１群と第２群との主点間隔を規定している。なお、第１群と第２群との主点間隔とは、第１群の後側主点と第２群の前側主点との間隔を意味している。主点間隔ｄが（３）式の上限を上回ってしまう場合、第１群の負の屈折力の影響により過剰な量のマイナスのディストーションを生じてしまう。また後群に入射する光線の高さも光軸から離れ過ぎるため、特にコマ収差の発生が甚大となる。次にφｒが（３）式の下限を下回ってしまう場合、本発明の主たる目的であるバックフォーカスを確保するためには第１群の負の屈折力が強くなることが必然となり、さらに全系として必要な屈折力を得るためには後群の正の屈折力も強くする必然性がでてくる。これらにより第１群、第２群とも過剰な屈折力が必要となり、これにより高次の球面収差やコマ収差の発生し補正困難となる。
【００１２】
（４）式は本発明による光学系の第２群の厚さを規定している。後群の厚さｄｒが（４）式の上限を上回ってしまう場合、たとえ前述の（１）、（２）、（３）の各条件を満たしていたとしても、後群自身の厚さにより充分なバックフォーカスの確保が困難となる。
【００１３】
【実施例】
以下に、本発明による数値実施例について説明する。図１、図３及び図５は本発明の数値実施例１、２及び３の赤外用光学系の配置図である。図２、図４及び図６は、数値実施例１、２及び３の諸収差図である。
図１に示す数値実施例１の赤外用光学系は、物体側より順に、負の屈折力を有する第１群Ｇ１と、第１群Ｇ１と所定の間隔をあけて配置された正の屈折力を有する第２群Ｇ２とを備える。第１群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた１枚の負メニスカスレンズ１１で構成される。第２群Ｇ２は、物体側より順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正レンズ（正屈折力の第１レンズ）２１と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズ（負屈折力の第２レンズ）２２と、両凸形状の正レンズ（正屈折力の第３レンズ）２３とから構成される。また、図１の赤外用光学系においては、第２群中の第１レンズ２１と第２レンズ２２との間に絞りＡＳが配置されている。ここで、負メニスカスレンズ１１、正の第１レンズ２１及び正の第３レンズ２３は、Ｓｉ（シリコン）で構成されており、負の第２レンズは、Ｇｅ（ゲルマニウム）で構成されている。
【００１４】
図３に示す数値実施例２の赤外用光学系は、物体側より順に、負の屈折力を有する第１群Ｇ１と、第１群Ｇ１と所定の間隔をあけて配置された正の屈折力を有する第２群Ｇ２とを備える。第１群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた１枚の負メニスカスレンズ１１で構成される。第２群Ｇ２は、物体側より順に、両凸形状の正レンズ（正屈折力の第１レンズ）２１と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズ（負屈折力の第２レンズ）２２と、両凸形状の正レンズ（正屈折力の第３レンズ）２３とから構成される。また、図３の赤外用光学系においては、第２群中の第１レンズ２１と第２レンズ２２との間に絞りＡＳが配置されている。ここで、負メニスカスレンズ１１、正の第１レンズ２１及び正の第３レンズ２３は、Ｓｉ（シリコン）で構成されており、負の第２レンズは、Ｇｅ（ゲルマニウム）で構成されている。
【００１５】
図５に示す数値実施例３の赤外用光学系は、物体側より順に、負の屈折力を有する第１群Ｇ１と、第１群Ｇ１と所定の間隔をあけて配置された正の屈折力を有する第２群Ｇ２とを備える。第１群Ｇ１は、物体側に凸面を向けた１枚の負メニスカスレンズ１１で構成される。第２群Ｇ２は、物体側より順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正レンズ（正屈折力の第１レンズ）２１と、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の負レンズ（負屈折力の第２レンズ）２２と、両凸形状の正レンズ（正屈折力の第３レンズ）２３とから構成される。また、図５の赤外用光学系においては、第２群中の第１レンズ２１と第２レンズ２２との間に絞りＡＳが配置されている。ここで、負メニスカスレンズ１１、正の第１レンズ２１及び正の第３レンズ２３は、Ｓｉ（シリコン）で構成されており、負の第２レンズは、Ｇｅ（ゲルマニウム）で構成されている。
【００１６】
また、図１、図３及び図５には、像面Ｉに配置される２次元固体撮像素子を保護するための検出器保護窓Ｗと、コールドシールドＣＳとを併せて示している。図１、図３及び図５に示す数値実施例１〜３のレンズデータを表１〜表３に示し、数値実施例１〜３に用いられている硝材（Ｓｉ，Ｇｅ）の屈折率を表４に示す。
【００１７】
なお、表１〜表３において、ＦＮＯはＦナンバー、ｆは全系の焦点距離、λは波長、ΦAS及びΦCSはそれぞれ絞り及びコールドシールドの開口の径を示す。
【００１８】
【表１】
0003724520.tif 000002
【００１９】
【表２】
0003724520.tif 000003
【００２０】
【表３】
0003724520.tif 000004
尚、表１〜表３中に記された屈折率の値は、λ＝４μｍに対するものである。
【００２１】
【表４】
0003724520.tif 000005
表４に おけるｎ（３） ，ｎ（４） ，ｎ（５）はそれぞれ、３μｍ，４μｍ，５μｍ  の各波長に対する屈折率を示している。
【００２２】
次の表５に表１〜表３に示した数値実施例１〜３の条件対応数値を掲げる。
【００２３】
【表５】
0003724520.tif 000006
さて、図２、図４及び図６に示す数値実施例１〜３の諸収差図において、ＦＮＯはＦナンバー、Ｙは像高、ωは画角、３は３μｍに対する収差曲線、４は４μｍに対する収差曲線、５は５μｍに対する収差曲線をそれぞれ表す。また、球面収差図において破線は正弦条件を示す。非点収差図における破線はメリジオナル像面を表し、実線はサジタル像面を表す。
【００２４】
図２、図４及び図６の諸収差図を見れば明らかなように、数値実施例１〜３による赤外用光学系は焦点距離の短い広視界の光学系にもかかわらず、充分なバックフォーカスを確保しながらも画面周辺まできわめて良好な収差補正を実現している。
【００２５】
【発明の効果】
このように本発明によれば、主に３μｍ〜５μｍの波長帯域の赤外光を利用する赤外線用光学系において、コールドシールドを設けるための充分なバックフォーカスを確保しつつ、広視野でかつ画面全域にわたって良好な収差補正がなされた赤外用光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の数値実施例１の配置図である。
【図２】本発明の数値実施例１の諸収差図である。
【図３】本発明の数値実施例２の配置図である。
【図４】本発明の数値実施例２の諸収差図である。
【図５】本発明の数値実施例３の配置図である。
【図６】本発明の数値実施例３の諸収差図である。
【符号の説明】
Ｇ１：第１レンズ群
Ｇ２：第２レンズ群
ＡＳ：絞り
ＣＳ：コールドシールド
Ｗ  ：検出器保護窓
Ｉ  ：像面
【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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