(57)【要約】  波長３〜５μｍ帯を使用する赤外線用光学系は、物体側から順に、負のパワーを有し物体側に凸のメニスカス形状を有する第１レンズと、両凸の第２レンズと、コールドアパーチャーとからなり、第２レンズと像面との間にバンドパスフィルターを有する。第１，第２レンズは、シリコン又はゲルマニウムで構成され、いずれも少なくとも片面に非球面が配置されており、条件式：０．１μｍ＜λ２−λ１＜１μｍ，３μｍ＜λ１＜５μｍ，３μｍ＜λ２＜５μｍ（λ１，λ２：バンドパスフィルターの透過波長域の半値幅における短波長側波長，長波長側波長）を満足する。
2016190243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長３〜５μｍ帯を使用する赤外線用撮影光学系であって、
物体側から順に、負のパワーを有し物体側に凸のメニスカス形状を有する第１レンズと、両凸の第２レンズと、コールドアパーチャーとからなり、かつ、前記第２レンズと像面との間にバンドパスフィルターを有し、
前記第１レンズがシリコン又はゲルマニウムで構成され、前記第１レンズの少なくとも片面に非球面が配置されており、
前記第２レンズがシリコン又はゲルマニウムで構成され、前記第２レンズの少なくとも片面に非球面が配置されており、
以下の条件式（１）〜（３）を満足することを特徴とする赤外線用光学系；
０．１μｍ＜λ２−λ１＜１μｍ  …（１）
３μｍ＜λ１＜５μｍ  …（２）
３μｍ＜λ２＜５μｍ  …（３）
ただし、
λ１：バンドパスフィルターの透過波長域の半値幅における短波長側波長、
λ２：バンドパスフィルターの透過波長域の半値幅における長波長側波長、
である。
【請求項２】
以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１記載の赤外線用光学系；
０．４＜（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜１  …（４）
ただし、
ｒ３：第２レンズの物体側面の曲率半径、
ｒ４：第２レンズの像面側面の曲率半径、
である。
【請求項３】
以下の条件式（５）を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線用光学系；
−２．２＜ｆ１／ｆ２＜−１．６  …（５）
ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離、
ｆ２：第２レンズの焦点距離、
である。
【請求項４】
以下の条件式（６）を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外線用光学系；
３．３＜ＴＴ／ｆ＜４．１  …（６）
ただし、
ＴＴ：第１レンズの物体側面の頂点から近軸像点までの距離、
ｆ：全系の焦点距離、
である。
【請求項５】
以下の条件式（７）を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線用光学系；
１＜ｆ２／ｆ＜１．４  …（７）
ただし、
ｆ２：第２レンズの焦点距離、
ｆ：全系の焦点距離、
である。
【請求項６】
前記第１，第２レンズのいずれの面にも、表面レリーフ状の回折面又はフレネル面を有しないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外線用光学系。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外線用光学系と、撮像面上に形成された赤外線光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備え、前記撮像素子の撮像面上に被写体の赤外線光学像が形成されるように前記赤外線用光学系が設けられていることを特徴とする撮像光学装置。
【請求項８】
請求項７記載の撮像光学装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とするデジタル機器。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外線用光学系を備えたことを特徴とする赤外線用カメラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線用光学系，撮像光学装置及びデジタル機器に関するものである。例えば、波長３〜５μｍ帯の赤外線領域で撮影光学系として使用されるガス検知用の赤外線用光学系と、赤外線用光学系により得られた赤外線映像を冷却センサー等の撮像素子で取り込む撮像光学装置と、赤外線用光学系を搭載した画像入力機能付きデジタル機器と、に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
メタン，エタン，プロパン，ブタン等の炭化水素系の物質に特有の吸収波長帯は、波長３〜５μｍ帯のあたりに集まっていることが知られている。また、これらの炭化水素系の物質は、常温で気体でありかつ引火の危険性があるため、取り扱いには注意を要する。そのため近年では、これらの吸収によるコントラスト差を赤外線カメラで撮影することにより、可視光では捕らえられないガス漏れ等を検知することが行われつつある。また、波長３〜５μｍ帯は、太陽光からの光量が少なく物体から放射される光量も少ない領域であるため、センサーを冷却することで少量の光であっても感度良く撮影することが行われている。そこで、冷却センサーに搭載可能で透過率が高くかつ良好な光学性能を有する赤外線用光学系が望まれている。【０００３】
赤外線用光学系としては、例えば特許文献１，２に記載のものが挙げられる。特許文献１には、レンズ３枚で構成された赤外線用光学系が提案されており、特許文献２には、レンズ２枚で構成された赤外線用光学系が提案されている。特許文献１に記載の赤外線用光学系は、物体側に凸の正メニスカスレンズと、負レンズと、物体側に凸の正メニスカスレンズと、の３枚のゲルマニウムレンズで、７〜１３μｍの波長帯で良好な光学性能を達成している。特許文献２に記載の赤外線用光学系は、像側に凸のメニスカスレンズと、両凸レンズと、の２枚構成であって、いずれも片面非球面のゲルマニウムレンズで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１８５９１９号公報
【特許文献２】ＵＳ２０１２／０２２９８９２  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の赤外線用光学系では、正の第１レンズと負の第２レンズと正の第３レンズとを配置することにより、色収差をはじめとする各収差を補正している。しかし、レンズが３枚必要となるため、レンズ表面で光量ロスが発生するという課題がある。【０００６】
特許文献２に記載の赤外線用光学系では、絞りを第１レンズと第２レンズとの間に配置することにより、２枚という少ないレンズ枚数で光学性能を確保している。このため、冷却センサーに使用する場合には、コールドアパーチャーを絞りとは別に第２レンズの像面側に配置して不要光をすべてカットする必要がある。しかしその場合、瞳を完全に合わすことができず、レンズ保持部等のメカ部材からの放射光をすべてカットすることが困難になるという課題がある。【０００７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、冷却センサーに搭載可能であって、２枚という少ないレンズ枚数で高い透過率と高い光学性能が達成された赤外線用光学系、それを備えた撮像光学装置及びデジタル機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、第１の発明の赤外線用光学系は、波長３〜５μｍ帯を使用する赤外線用撮影光学系であって、
物体側から順に、負のパワーを有し物体側に凸のメニスカス形状を有する第１レンズと、両凸の第２レンズと、コールドアパーチャーとからなり、かつ、前記第２レンズと像面との間にバンドパスフィルターを有し、
前記第１レンズがシリコン又はゲルマニウムで構成され、前記第１レンズの少なくとも片面に非球面が配置されており、
前記第２レンズがシリコン又はゲルマニウムで構成され、前記第２レンズの少なくとも片面に非球面が配置されており、
以下の条件式（１）〜（３）を満足することを特徴とする。
０．１μｍ＜λ２−λ１＜１μｍ  …（１）
３μｍ＜λ１＜５μｍ  …（２）
３μｍ＜λ２＜５μｍ  …（３）
ただし、
λ１：バンドパスフィルターの透過波長域の半値幅における短波長側波長、
λ２：バンドパスフィルターの透過波長域の半値幅における長波長側波長、
である。【０００９】
第２の発明の赤外線用光学系は、上記第１の発明において、以下の条件式（４）を満足することを特徴とする。
０．４＜（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜１  …（４）
ただし、
ｒ３：第２レンズの物体側面の曲率半径、
ｒ４：第２レンズの像面側面の曲率半径、
である。【００１０】
第３の発明の赤外線用光学系は、上記第１又は第２の発明において、以下の条件式（５）を満足することを特徴とする。
−２．２＜ｆ１／ｆ２＜−１．６  …（５）
ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離、
ｆ２：第２レンズの焦点距離、
である。【００１１】
第４の発明の赤外線用光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、以下の条件式（６）を満足することを特徴とする。
３．３＜ＴＴ／ｆ＜４．１  …（６）
ただし、
ＴＴ：第１レンズの物体側面の頂点から近軸像点までの距離、
ｆ：全系の焦点距離、
である。【００１２】
第５の発明の赤外線用光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、以下の条件式（７）を満足することを特徴とする。
１＜ｆ２／ｆ＜１．４  …（７）
ただし、
ｆ２：第２レンズの焦点距離、
ｆ：全系の焦点距離、
である。【００１３】
第６の発明の赤外線用光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記第１，第２レンズのいずれの面にも、表面レリーフ状の回折面又はフレネル面を有しないことを特徴とする。【００１４】
第７の発明の撮像光学装置は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明に係る赤外線用光学系と、撮像面上に形成された赤外線光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、を備え、前記撮像素子の撮像面上に被写体の赤外線光学像が形成されるように前記赤外線用光学系が設けられていることを特徴とする。【００１５】
第８の発明のデジタル機器は、上記第７の発明に係る撮像光学装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とする。【００１６】
第９の発明の赤外線用カメラシステムは、上記第１〜第６のいずれか１つの発明に係る赤外線用光学系を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、冷却センサーに搭載可能であって、２枚という少ないレンズ枚数で高い透過率と高い光学性能が達成された赤外線用光学系及び撮像光学装置を実現することができる。そして、本発明に係る赤外線用光学系又は撮像光学装置を、ガス検知装置，カメラシステム（例えば、監視カメラ，防犯カメラ，車載カメラ，航空機カメラ）等のデジタル機器に用いることによって、デジタル機器に対し高性能の赤外線画像入力機能を安価に付加することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態（実施例１）のレンズ構成図。
【図２】実施例１の収差図。
【図３】第２の実施の形態（実施例２）のレンズ構成図。
【図４】実施例２の収差図。
【図５】第３の実施の形態（実施例３）のレンズ構成図。
【図６】実施例３の収差図。
【図７】第４の実施の形態（実施例４）のレンズ構成図。
【図８】実施例４の収差図。
【図９】第５の実施の形態（実施例５）のレンズ構成図。
【図１０】実施例５の収差図。
【図１１】第６の実施の形態（実施例６）のレンズ構成図。
【図１２】実施例６の収差図。
【図１３】第７の実施の形態（実施例７）のレンズ構成図。
【図１４】実施例７の収差図。
【図１５】赤外線用光学系を搭載したデジタル機器の概略構成例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る赤外線用光学系，撮像光学装置，デジタル機器等を説明する。本発明に係る赤外線用光学系は、波長３〜５μｍ帯を使用する赤外線用撮影光学系であって、物体側から順に、負のパワーを有し物体側に凸のメニスカス形状を有する第１レンズと（パワー：焦点距離の逆数で定義される量）、両凸の第２レンズと、コールドアパーチャーとからなり、かつ、前記第２レンズと像面との間にバンドパスフィルターを有している。また、前記第１レンズがシリコン又はゲルマニウムで構成され、前記第１レンズの少なくとも片面に非球面が配置されており、前記第２レンズがシリコン又はゲルマニウムで構成され、前記第２レンズの少なくとも片面に非球面が配置されており、以下の条件式（１）〜（３）を満足することを特徴としている。
０．１μｍ＜λ２−λ１＜１μｍ  …（１）
３μｍ＜λ１＜５μｍ  …（２）
３μｍ＜λ２＜５μｍ  …（３）
ただし、
λ１：バンドパスフィルターの透過波長域の半値幅における短波長側波長、
λ２：バンドパスフィルターの透過波長域の半値幅における長波長側波長、
である。
【００２０】
上記のように第１レンズと第２レンズで負正のパワー配置にすると、いわゆるレトロフォーカスとなり、焦点距離と比較してバックフォーカスを長くすることができる。その結果、第２レンズと像面との間に絞りを配置することが可能となる。
【００２１】
波長３〜５μｍ帯の赤外線は、プランクの法則から容易に分かるとおり、太陽から放射される光では可視光よりも大幅に少なく、また地面等の周辺環境から放射される光では波長８〜１４μｍ帯のいわゆる遠赤外線よりも大幅に少ない。そのため、可視光や遠赤外線の領域での撮影に用いられる、いわゆる非冷却センサーを使用して撮影することが困難であり、冷却センサーを用いてわずかな光を検知することが必要になる。その冷却センサーの具体例としては、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ），プラチナシリコン（ＰｔＳｉ），テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）等を素子素材とする、いわゆる量子型センサーが挙げられる。
【００２２】
冷却センサーはわずかな放射光も検知するため、絞りやレンズ保持部材等から放射される光も無視することができない。そのため、第２レンズと像面との間に絞りを配置し、かつ、その絞りを冷却して、いわゆるコールドアパーチャーとすることにより、絞りからの放射光の発生を抑え、またレンズ保持部材からの放射光を遮断することが可能となる。
【００２３】
例えば、第１レンズと第２レンズとの間に絞りを配置する構成では、軸上光と周辺光とで通過位置が異なるため、中心と周辺とで発生する異なる感度の収差を個別に補正することが可能となり、その結果、収差補正を比較的容易に行うことが可能となる。それに対し、第２レンズと像面との間に絞りを配置する構成では、軸上光と周辺光とで通過位置が似通ってしまうため、上記効果が薄くなって収差補正が難しくなる。第１レンズを物体面側に凸のメニスカス形状とし、第２レンズを両凸形状とすれば、絞りを第２レンズと像面との間に配置しても、球面収差と歪曲収差との補正を両立させることが可能となる。
【００２４】
第２レンズと像面との間にバンドパスフィルターを有する構成では、バンドパスフィルターをコールドアパーチャー近傍に配置することができるため、バンドパスフィルターをコールドアパーチャーと同様に冷却することがメカ構成上可能となる。バンドパスフィルターを冷却することで、バンドパスフィルターからの放射光を最小限に低減する効果が得られる。したがって、コールドアパーチャーの像側にバンドパスフィルターを配置してもよく、コールドアパーチャーの物体側にバンドパスフィルターを配置してもよい。
【００２５】
シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）のような高い屈折率の材料を使用すると、レンズに対する入射角・反射角を小さくすることができ、各レンズ面での収差発生量を抑える効果が得られる。各レンズ面での収差発生量が多いと、その収差補正のためにレンズを多数配置する必要が生じてしまう。
【００２６】
第１，第２レンズの少なくとも片面に非球面を配置することにより、２枚という少ないレンズ枚数であっても、非点収差やコマ収差等を良好に補正することができる。また、２枚という少ないレンズ枚数で構成すると、レンズ面に対して光が入射・射出する回数が少なくなるため、レンズ表面での反射回数が減り、その結果、光量の損失を最小限に抑える効果が得られる。したがって、撮影光学系としては高い透過率を確保することができる。
【００２７】
波長３〜５μｍ帯には、メタン，プロパン等さまざまな炭化水素系の物質の吸収波長帯が存在している。それらの物質を検知するには、条件式（２），（３）を満足する必要があり、また、上記ガスを精度良く検知するためには、条件式（１）を満足する必要が必要がある。条件式（１）の下限を下回ると、撮影光学系を通過してセンサーに到達する光量が少なくなるため、長時間の撮影が必要になる。結果として、手振れ，被写体振れ等が発生しやすくなる。また、条件式（１）の上限を上回ると、前記炭化水素系物質が吸収する光量と比較してセンサーに入射する光量が大きくなりすぎてしまい、物質の吸収が検知できにくくなる。
【００２８】
通常、波長３〜５μｍ帯の光学系では、３〜５μｍの波長帯をすべて使用することが多い。前記条件式（１）〜（３）を満足する構成では、光量を確保するために、通常より明るいＦナンバーが要求される。例えば、Ｆナンバーは２より明るいことが望ましい。
【００２９】
上記特徴的構成によると、冷却センサーに搭載可能であって、２枚という少ないレンズ枚数で高い透過率と高い光学性能が達成された赤外線用光学系及びそれを備えた撮像光学装置を実現することができる。そして、その赤外線用光学系又は撮像光学装置を、ガス検知装置，カメラシステム（例えば、監視カメラ，防犯カメラ，車載カメラ，航空機カメラ）等のデジタル機器に用いることによって、デジタル機器に対し高性能の赤外線画像入力機能を安価に付加することが可能となり、デジタル機器の低コスト化，高性能化，高機能化等に寄与することができる。冷却センサー対応の赤外線用光学系を、上記のように高透過率化と高性能化とを両立させながらレンズ２枚でも実現可能とし、こういった効果をバランス良く得るとともに、更に高い光学性能，軽量・小型化等を達成するうえで望ましい条件設定等を以下に説明する。
【００３０】
以下の条件式（１ａ）を満足することが更に望ましい。
０．２μｍ＜λ２−λ１＜０．６μｍ  …（１ａ）
この条件式（１ａ）は、前記条件式（１）が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式（１ａ）を満たすことにより、前記効果をより一層大きくすることができる。
【００３１】
以下の条件式（４）を満足することが望ましい。
０．４＜（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜１  …（４）
ただし、
ｒ３：第２レンズの物体側面の曲率半径、
ｒ４：第２レンズの像面側面の曲率半径、
である。
【００３２】
条件式（４）は、両凸形状を有する第２レンズの好ましいシェイプファクターを規定している。この条件式（４）を満足することにより、球面収差と歪曲収差とをバランス良く補正することが可能になる。条件式（４）の下限を下回ると、両側の曲率半径が近づく形状になり、条件式（４）の上限を上回ると、物体側の曲率が弱くなり、かつ、像面側の曲率が強くなる形状になる。いずれの場合も、球面収差と歪曲収差とをバランス良く補正することが困難になる。また、条件式（４）の上限を上回った場合には、球面収差と非点収差とをバランス良く補正することも困難になる。
【００３３】
以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
−２．２＜ｆ１／ｆ２＜−１．６  …（５）
ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離、
ｆ２：第２レンズの焦点距離、
である。
【００３４】
条件式（５）は、第１レンズと第２レンズとの好ましいパワー比を規定している。この条件式（５）を満足することにより、球面収差，非点収差及び歪曲収差をバランス良く補正することが可能になる。条件式（５）の上限を上回ると、非点収差と歪曲収差とをバランス良く補正することが困難になる。条件式（５）の下限を下回ると、非点収差と球面収差とをバランス良く補正することが困難になる。また、条件式（５）の下限を下回ると、第２レンズのパワーと比較して第１レンズのパワーが弱くなるので、全系の焦点距離を保持しようとすれば全長の増大を招くことになる。
【００３５】
以下の条件式（６）を満足することが望ましい。
３．３＜ＴＴ／ｆ＜４．１  …（６）
ただし、
ＴＴ：第１レンズの物体側面の頂点から近軸像点までの距離、
ｆ：全系の焦点距離、
である。
【００３６】
条件式（６）は、赤外線用光学系の好ましい全長ＴＴを全系の焦点距離ｆに対して規定している。この条件式（６）を満足することにより、全系の軽量・小型化を達成しながらゴースト光の発生を抑えることが可能になる。条件式（６）の上限を上回ると、第１，第２レンズとも有効径が大型化の傾向になり、その結果、重量増とコストアップを招くおそれがある。条件式（６）の下限を下回ると、レンズ間隔が狭くなり、その結果、面間反射によるゴースト光が発生してセンサーに入射しやすくなる。冷却センサーを使用する場合には、微小なゴースト光でも撮影結果に影響する可能性が高くなるので、条件式（６）を満たすようにレンズ間隔を広くするのが望ましい。
【００３７】
以下の条件式（７）を満足することが望ましい。
１＜ｆ２／ｆ＜１．４  …（７）
ただし、
ｆ２：第２レンズの焦点距離、
ｆ：全系の焦点距離、
である。
【００３８】
条件式（７）は、第２レンズの好ましい焦点距離ｆ２を全系の焦点距離ｆに対して規定している。この条件式（７）を満足することにより、球面収差と非点収差とをバランス良く補正することが可能になる。条件式（７）の下限を下回ると、非点収差が増大しそれを第１レンズのみで補正することが困難になる。条件式（７）の上限を上回ると、第２レンズのパワーが弱くなることで、全長を抑えながら球面収差や非点収差を良好に抑えることが困難になる。また、全長の増大や第１レンズの有効径の増大を招く傾向となる。
【００３９】
前記第１，第２レンズのいずれの面にも、表面レリーフ状の回折面又はフレネル面を有しないことが望ましい。波長８〜１４μｍ帯のいわゆる遠赤外線を使用する光学系では、回折面を使用して色収差を補正することが行われている。しかし、高次項による回折光はゴースト光やフレア成分になりやすい。また、回折面の特性上、どうしても立ち壁が発生するが、この立ち壁での反射・屈折により上記と同様のゴースト光やフレア成分が発生する原因となる。冷却センサーは感度が高いので、これら不要光は大きなノイズ要因となり、撮影に支障をきたすおそれがある。これは表面レリーフ状の回折面に限らず、フレネル面でも同様である。
【００４０】
本発明に係る赤外線用光学系は、赤外線画像入力機能付きデジタル機器（例えば、赤外線カメラ付きガス漏れ検知システム）用の撮像光学系としての使用に適しており、これを撮像用の冷却センサー等と組み合わせることにより、被写体の赤外線映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する赤外線用撮像光学装置を構成することができる。撮像光学装置は、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素を成す光学装置であり、例えば、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の赤外線光学像を形成する赤外線用光学系と、その赤外線用光学系により形成された赤外線光学像を電気的な信号に変換する撮像素子（例えば、冷却センサーに相当する。）と、を備えることにより構成される。そして、撮像素子の受光面（すなわち撮像面）上に被写体の赤外線光学像が形成されるように、前述した特徴的構成を有する赤外線用光学系が配置されることにより、小型・低コストで高い性能を有する撮像光学装置やそれを備えたデジタル機器を実現することができる。
【００４１】
赤外線画像入力機能付きデジタル機器の例としては、赤外線カメラ，監視カメラ，防犯カメラ，車載カメラ，航空機カメラ，船舶用カメラ，火災検知用カメラ等が挙げられ、また、ガス検知装置，ガス漏れ検知システム，暗視装置，サーモグラフィー，インフラ監視用システム(高圧電線・工場内・プラント内での異常熱源の監視、構造物の劣化監視等）等が挙げられる。
【００４２】
上記の例から分かるように、赤外線用の撮像光学装置を用いることにより赤外線カメラシステムを構成することができるだけでなく、その撮像光学装置を各種機器に搭載することにより赤外線カメラ機能，暗視機能，温度測定機能等を付加することが可能である。例えば、炭化水素系の物質（メタン，エタン，プロパン，ブタン等）に特有の吸収波長帯の赤外線吸収によるコントラスト差を撮影する機能を、赤外線画像入力機能として備えた赤外線カメラ付きガス検知装置を構成することにより、可視光では捕らえられないガス漏れ等を検知することが可能である。また、冷却構造の小型化により、赤外線カメラ付きスマートフォン等の赤外線画像入力機能を備えたデジタル機器を構成することも可能である。
【００４３】
赤外線画像入力機能付きデジタル機器の一例として、図１５にデジタル機器ＤＵの概略構成例を模式的断面で示す。図１５に示すデジタル機器ＤＵに搭載されている撮像光学装置ＬＵは、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の赤外線光学像（像面）ＩＭを形成する赤外線用光学系ＬＮ（ＡＸ：光軸）と、赤外線用光学系ＬＮにより受光面（撮像面）ＳＳ上に形成された光学像ＩＭを電気的な信号に変換する撮像素子（冷却センサー）ＳＲと、を備えている。赤外線用光学系ＬＮは、２枚の単レンズと、コールドアパーチャーと、バンドパスフィルターと、からなる２枚構成の単焦点レンズであり、撮像素子ＳＲの光電変換部である受光面ＳＳ上に赤外線からなる光学像ＩＭを形成する構成になっている。
【００４４】
赤外線用光学系ＬＮに内蔵のバンドパスフィルター以外の平行平面板を、必要に応じて配置してもよい。そのような平行平面板として、例えば、冷却部ＣＵを密閉するためにコールドアパーチャー近傍にウィンドウを配置してもよく、耐傷・耐薬品等を考慮して、最も物体側に位置する第１レンズの外側に、波長３〜５μｍ帯の赤外線を通過するカバー部材や窓材を配置してもよい。また、撮像光学装置ＬＵで画像入力機能付きデジタル機器ＤＵを構成する場合、通常そのボディ内部に撮像光学装置ＬＵを配置することになるが、カメラ機能を実現する際には必要に応じた形態を採用することが可能である。例えば、ユニット化した撮像光学装置ＬＵをデジタル機器ＤＵの本体に対して着脱可能又は回動可能に構成することが可能である。
【００４５】
デジタル機器ＤＵは、撮像光学装置ＬＵの他に、信号処理部１，制御部２，メモリー３，操作部４，表示部５等を備えている。撮像素子ＳＲで生成した信号は、信号処理部１で所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が必要に応じて施され、デジタル映像信号としてメモリー３（半導体メモリー，光ディスク等）に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号等に変換されたりして他の機器に伝送される（例えば携帯電話の通信機能）。制御部２はマイクロコンピューターからなっており、撮影機能（静止画撮影機能，動画撮影機能等），画像再生機能等の機能の制御；フォーカシング等のためのレンズ移動機構の制御等を集中的に行う。例えば、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方を行うように、制御部２により撮像光学装置ＬＵに対する制御が行われる。表示部５は液晶モニター等のディスプレイを含む部分であり、撮像素子ＳＲによって変換された画像信号あるいはメモリー３に記録されている画像情報を用いて画像表示を行う。操作部４は、操作ボタン（例えばレリーズボタン），操作ダイヤル（例えば撮影モードダイヤル）等の操作部材を含む部分であり、操作者が操作入力した情報を制御部２に伝達する。
【００４６】
図１，図３，…，図１３に、無限遠合焦状態にある赤外線用光学系ＬＮの第１〜第７の実施の形態を光学断面でそれぞれ示す。第１〜第７の実施の形態のいずれについても、赤外線用光学系ＬＮは、物体側より順に、負のパワーを有し物体側に凸のメニスカス形状を有する第１レンズＬ１と、正のパワーを有し両凸形状を有する第２レンズＬ２と、からなっている（パワーについてはすべて近軸での値とする。）。第１〜第３の実施の形態では、第１レンズＬ１の両面と第２レンズＬ２の両面に非球面が配置されており、第４，第５，第７の実施の形態では、第１レンズＬ１の物体側面と第２レンズＬ２の物体側面に非球面が配置されており、第６の実施の形態では、第１レンズＬ１の両面と第２レンズＬ２の物体側面に非球面が配置されている。
【００４７】
第１，第６の実施の形態では第１レンズＬ１がゲルマニウムで構成されており、第２〜第５，第７の実施の形態では第１レンズＬ１がシリコンで構成されている。第１〜第７の実施の形態のいずれにおいても、第２レンズＬ２はシリコンで構成されており、絞り（コールドアパーチャー）ＳＴは第２レンズＬ２と像面ＩＭとの間に配置されており、バンドパスフィルターＢＰＦは絞りＳＴと像面ＩＭとの間であって絞りＳＴの近傍に配置されている。なお、上記すべての実施の形態において、コールドアパーチャーＳＴ近傍には、冷却部ＣＵ（図１５）を密閉するためのウィンドウを配置してもよく、最も物体側に位置する第１レンズＬ１の外側には、耐傷・耐薬品等を考慮して波長３〜５μｍ帯の赤外線を通過するカバー部材又は窓材を配置してもよい。
【実施例】
【００４８】
以下、本発明を実施した赤外線用光学系の構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜７（ＥＸ１〜７）は、前述した第１〜第７の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１〜第７の実施の形態を表すレンズ構成図（図１，図３，…，図１３）は、対応する実施例１〜７のレンズ断面形状，レンズ配置等をそれぞれ示している。【００４９】
各実施例のコンストラクションデータでは、面データとして、左側の欄から順に、面番号，近軸における曲率半径Ｒ（ｍｍ），軸上面間隔ｄ（ｍｍ），波長３．３μｍに対する屈折率Ｎ３．３，及び波長３〜５μｍに対する分散値νを示す。分散値νは分散の性質を表し、ν＝（Ｎ４−１）／（Ｎ３−Ｎ５）で定義される（ただし、Ｎ３：波長３μｍに対する屈折率，Ｎ４：波長４μｍに対する屈折率，Ｎ５：波長５μｍに対する屈折率である。）。表１に、ゲルマニウム（Ｇｅ）とシリコン（Ｓｉ）の屈折率Ｎ３，Ｎ４，Ｎ５及び分散値νを示す。【００５０】
面番号に＊が付された面は非球面であり、その面形状は面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた以下の式（ＡＳ）で定義される。非球面データとして、非球面係数等を示す。なお、各実施例の非球面データにおいて表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０-nである。
ｚ＝（Ｃ・ｈ2）／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）・Ｃ2・ｈ2｝］＋Σ（Ａｉ・ｈi）  …（ＡＳ）
ただし、
ｈ：ｚ軸（光軸ＡＸ）に対して垂直な方向の高さ（ｈ2＝ｘ2＋ｙ2）、
ｚ：高さｈの位置での光軸ＡＸ方向のサグ量（面頂点基準）、
Ｃ：面頂点での曲率（近軸曲率半径Ｒの逆数）、
Ｋ：円錐定数、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数（Σはｉについて４次から∞次の総和を表す。）、
である。【００５１】
表２に、各種データとして、全系の焦点距離ｆ（ｍｍ），Ｆナンバー（Ｆｎｏ），全画角２ω（°），レンズ全長ＴＴ（ｍｍ），バックフォーカスｆＢ（ｍｍ），像高Ｙ’（ｍｍ），第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１（ｍｍ），第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２（ｍｍ），第２レンズＬ２の物体側面の曲率半径ｒ３（ｍｍ），及び第２レンズＬ２の像面側面の曲率半径ｒ４（ｍｍ）を示し、表３に各実施例の条件式対応値を示す（いずれも波長３．２μｍでの値である。）。表２において、レンズ全長ＴＴは第１レンズＬ１の物体側面の頂点から近軸像点までの距離であり、バックフォーカスｆＢはレンズ最終面から近軸像面までの距離を空気換算長により表記したものである。【００５２】
図２，図４，…，図１４は、実施例１〜７（ＥＸ１〜７）にそれぞれ対応する収差図であり、（Ａ）は球面収差図、（Ｂ）は非点収差図、（Ｃ）は歪曲収差図である。球面収差図は、実線で示す設計波長（評価波長）３．２μｍにおける球面収差量、一点鎖線で示す波長３μｍにおける球面収差量、破線で示す波長３．５μｍにおける球面収差量を、それぞれ近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量（ｍｍ）で表しており、縦軸はＦナンバーを表している。非点収差図において、破線Ｔは設計波長３．２μｍにおけるタンジェンシャル像面、実線Ｓは設計波長３．２μｍにおけるサジタル像面を、近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量（ｍｍ）で表しており、縦軸は半画角ω（°）を表している。歪曲収差図において、横軸は設計波長３．２μｍにおける歪曲（％）を表しており、縦軸は半画角ω（°）を表している。【００５３】
実施例１
単位：mm
面データ
面番号            R         d      N3.3      ν  有効半径
1(物面)          ∞        ∞
2*           21.045     1.500     4.036     103     14.94
3*           17.216    35.766                       14.02
4*          211.880     7.334     3.433     234     28.69
5*          -82.061    13.400                       28.82
6(絞り)          ∞     1.700                       12.71
7                ∞     1.200     4.036     103     12.19
8                ∞    20.003                       12.11
9(像面)          ∞                                  6.02【００５４】
非球面データ
面番号    K           A4           A6           A8          A10
2     -0.73    5.489E-06   -1.405E-07    1.723E-10   -9.856E-14
3     -0.84    1.794E-05   -1.861E-07    2.456E-10   -7.595E-14
4    -13.24   -1.962E-06    4.779E-10    2.667E-15    2.404E-17
5      1.35   -3.162E-07    3.180E-10   -1.274E-13    1.148E-16【００５５】
実施例２
単位：mm
面データ
面番号            R         d      N3.3      ν  有効半径
1(物面)          ∞        ∞
2*           24.716     1.500     3.433     234      15.0
3*           19.283    35.907                        14.1
4*          205.267     7.193     3.433     234      28.4
5*          -83.662    13.400                        29.0
6(絞り)          ∞     1.700                        12.7
7                ∞     1.200     4.036     103      12.2
8                ∞    20.003                        12.1
9(像面)          ∞                                   6.0【００５６】
非球面データ
面番号    K           A4           A6           A8          A10
2     -0.16    8.376E-06   -1.464E-07    1.841E-10   -2.255E-13
3     -0.56    2.278E-05   -1.713E-07    1.880E-10   -2.121E-13
4     -6.75   -1.916E-06    5.254E-10    6.361E-14    3.523E-17
5      1.26   -2.744E-07    3.519E-10   -9.287E-14    1.517E-16【００５７】
実施例３
単位：mm
面データ
面番号            R         d      N3.3      ν  有効半径
1(物面)          ∞        ∞
2*           31.255     2.000     3.433     234      14.8
3*           22.927    32.883                        13.9
4*          526.573     9.717     3.433     234      29.1
5*          -65.765    13.400                        29.0
6(絞り)          ∞     1.700                        12.6
7                ∞     1.200     4.036     103      12.1
8                ∞    20.003                        12.0
9(像面)          ∞                                   6.0【００５８】
非球面データ
面番号    K           A4           A6           A8          A10
2      0.41    5.430E-05   -2.214E-07    1.028E-10   -4.660E-13
3      0.94    6.596E-05   -2.080E-07   -6.881E-10   -2.058E-13
4     15.00   -1.789E-06    1.182E-09    8.026E-14    1.456E-16
5      0.50    2.598E-07    5.654E-10    3.885E-14    3.795E-16【００５９】
実施例４
単位：mm
面データ
面番号            R         d      N3.3      ν  有効半径
1(物面)          ∞        ∞
2*           28.803     2.000     3.433     234      12.9
3            21.015    29.875                        11.8
4*          476.693    10.000     3.433     234      18.2
5           -64.238    15.600                        19.0
6(絞り)          ∞     1.700                         6.5
7                ∞     1.200     4.036     103       6.5
8                ∞    17.700                         6.5
9(像面)          ∞                                   6.5【００６０】
非球面データ
面番号    K           A4           A6           A8          A10
2      2.12   -1.473E-05   -7.280E-08    1.991E-10   -1.263E-12
4     15.00   -2.146E-06    2.152E-09   -3.450E-12    2.527E-15【００６１】
実施例５
単位：mm
面データ
面番号            R         d      N3.3      ν  有効半径
1(物面)          ∞        ∞
2*           20.765     2.000     3.433     234      13.6
3            16.119    33.118                        12.0
4*         1155.698     8.782     3.433     234      19.3
5           -61.284    15.500                        20.0
6(絞り)          ∞     1.700                         6.9
7                ∞     1.200     4.036     103       6.9
8                ∞    17.700                         6.9
9(像面)          ∞                                   6.6【００６２】
非球面データ
面番号    K           A4           A6           A8          A10
2      0.41   -6.641E-06   -5.645E-08    1.651E-10   -8.177E-13
4    -15.00   -2.381E-06    3.466E-09   -6.439E-12    5.655E-15【００６３】
実施例６
単位：mm
面データ
面番号            R         d      N3.3      ν  有効半径
1(物面)          ∞        ∞
2*           67.749     4.284     4.036     103      14.2
3*           42.528    33.447                        12.0
4*          794.643     6.169     3.433     234      19.5
5           -63.073    15.500                        20.0
6(絞り)          ∞     1.700                         7.0
7                ∞     1.200     4.036     103       6.9
8                ∞    17.700                         6.9
9(像面)          ∞                                   6.5【００６４】
非球面データ
面番号    K           A4           A6           A8          A10
2      3.11    4.173E-05   -2.980E-08   -1.014E-11   -3.342E-13
3      1.13    6.048E-05    6.557E-08    3.757E-10   -3.955E-12
4     15.00   -1.856E-06    9.206E-10   -1.300E-12    1.232E-15【００６５】
実施例７
単位：mm
面データ
面番号            R         d      N3.3      ν  有効半径
1(物面)          ∞        ∞
2*           24.895     3.000     3.433     234      14.3
3            19.079    30.849                        12.5
4*          784.783    10.000     3.433     234      18.1
5           -64.655    15.551                        19.0
6                ∞     1.700                         6.5
7                ∞     1.200     4.036     103       6.5
8                ∞    17.700                         6.5
9(像面)          ∞                                   6.5【００６６】
非球面データ
面番号    K           A4           A6           A8          A10
2      0.82   -8.292E-06   -4.275E-08    9.596E-11   -5.000E-13
4     -1.55   -1.994E-06    3.057E-09   -5.539E-12    4.498E-15【００６７】
【表１】
2016190243.tif 000003
【００６８】
【表２】
2016190243.tif 000004
【００６９】
【表３】
2016190243.tif 000005
【符号の説明】
【００７０】
ＤＵ    デジタル機器
ＬＵ    撮像光学装置
ＣＵ    冷却部
ＬＮ    赤外線用光学系
Ｌ１    第１レンズ
Ｌ２    第２レンズ
ＳＴ    絞り（コールドアパーチャー）
ＢＰＦ    バンドパスフィルター
ＳＲ    撮像素子（冷却センサー）
ＳＳ    受光面（撮像面）
ＩＭ    像面（光学像）
ＡＸ    光軸
１    信号処理部
２    制御部
３    メモリー
４    操作部
５    表示部
【図１】
2016190243.tif 000006
【図２】
2016190243.tif 000007
【図３】
2016190243.tif 000008
【図４】
2016190243.tif 000009
【図５】
2016190243.tif 000010
【図６】
2016190243.tif 000011
【図７】
2016190243.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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