(57)【要約】  コストを抑制しつつ、遠赤外線領域にて良好な光学特性を有する赤外線光学系、及び赤外線撮像装置を提供する。  曲面による集光面を有して物体側から入射した赤外光を集光すると共に、外周部から中心部にかけて深さが徐々に大となる段差形状が与えられた樹脂による集光レンズ（１１）と、上記集光レンズ（１１）に上記段差形状が与えられたことに伴い生じる光路長差を補正する光路長補正素子（１５）とを備えた赤外線光学系を構成する。上記段差形状が与えられたことで、例えば平凸形状とする場合よりもレンズ厚さが小とされて、赤外線透過率の向上が図られる。また上記光路長補正素子（１５）により、上記段差形状が与えられたことに伴い生じる光路長差を補正できる。
2013179592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲面による集光面を有して物体側から入射した赤外光を集光すると共に、外周部から中心部にかけて深さが徐々に大となる段差形状が与えられた樹脂による集光レンズと、
上記集光レンズに上記段差形状が与えられたことに伴い生じる光路長差を補正する光路長補正素子と
を備える赤外線光学系。
【請求項２】
上記光路長補正素子は、上記集光レンズよりも高い屈折率を持つ請求項１に記載の赤外線光学系。
【請求項３】
上記光路長補正素子に反射防止加工が施されている請求項２に記載の赤外線光学系。
【請求項４】
上記光路長補正素子には、上記集光レンズの上記段差形状に応じた段差形状が与えられている
請求項３に記載の赤外線光学系。
【請求項５】
上記集光レンズの中心からｎ番目の段差部を透過した光線が、上記光路長補正素子の中心からｎ番目の段差部を透過するように設計されている
請求項４に記載の赤外線光学系。
【請求項６】
上記集光レンズにおける上記段差形状の各段の光軸に垂直な方向の幅が、最外周部に位置する段を除いて等しく設定されている
請求項５に記載の赤外線光学系。
【請求項７】
上記集光レンズの結像に寄与する領域内における光軸方向の最大厚さが１ｍｍ以下とされている
請求項１に記載の赤外線光学系。
【請求項８】
上記集光レンズがポリエチレン製とされる請求項１に記載の赤外線光学系。
【請求項９】
上記光路長補正素子がＳｉ製とされる請求項２に記載の赤外線光学系。
【請求項１０】
曲面による集光面を有して物体側から入射した赤外光を集光すると共に、外周部から中心部にかけて深さが徐々に大となる段差形状が与えられた樹脂による集光レンズと、上記集光レンズに上記段差形状が与えられたことに伴い生じる光路長差を補正する光路長補正素子とを備える赤外線光学系と、
上記赤外線光学系により集光された赤外光を検出する赤外線検出部と、
上記赤外線検出部により得られた赤外線検出信号に基づき赤外線撮像画像信号を得る画像信号取得部と
を備える赤外線撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、例えばサーモグラフィやナイトビジョン等のように赤外線についての撮像画像を得るシステムにおいて用いられる赤外線光学系と、当該赤外線光学系を用いた赤外線撮像装置とに関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開平８−３２７３１７号公報
【特許文献２】特開平１０−３０１０２４号公報
【特許文献３】特開平７−２１８６４８号公報
【背景技術】
【０００３】
遠赤外光は、８ｕｍ〜１２ｕｍの波長帯の光であり、人間や動物などから、熱、すなわち赤外線として発せられることから、暗所での撮影や温度分布の観測などに用いられている。例えば、自動車おけるナイトビュワー（ナイトビジョン）、夜間監視、エアコンやテレビ等の電源制御といった分野に用いられている。【０００４】
ここで、サーモビュワーやナイトビジョンシステムのように撮影対象物（被写体）の形状まで結像するような用途では、比較的高い解像度が要請される。
今後、遠赤外デバイスの用途を広げていくためには、このような高い解像度を保ちつつ、光学系の低コスト化を達成することが必要である。
また、感度向上のためには、光学系として赤外線透過率も高めることが重要である。【０００５】
図１０は、従来の赤外線撮像装置が備える赤外線光学系の構成を例示している。
なおこの図１０においては、紙面の左側に撮像対象の物体があるものとしている。
図示するように従来の赤外線撮像光学系には、物体側より開口絞り１０４、第１レンズ１０１、第２レンズ１０２、センサ窓１０３が配置されている。なお、紙面最も右側に配置される「Ｓimg」は、赤外線画像を検出するためのイメージセンサ（イメージャ）の撮像面を表す。【０００６】
第１レンズ１０１は、物体からの赤外線を集光する集光レンズとして機能する。
具体的に、この場合の第１レンズ１０１は、その物体側の面が非球面形状の凸面、イメージャ側の面が平面とされたいわゆる平凸レンズとされ、被写体の各位置から発せられる赤外線をイメージャ上に集光する。【０００７】
第２レンズ１０２は、例えば球面収差やコマ収差、アス収差等といった各種収差を補正する収差補正レンズとして機能する。図示するように第２レンズ１０２は、物体側の面に非球面形状が与えられ、像面側の面が平面形状とされる。
センサ窓１０３は、イメージャの撮像面Ｓimgを保護するために設けられたものである。【０００８】
ここで、遠赤外光を集光する光学系には、その透過率の低さから、通常の可視光に用いられるようなガラス製レンズを使用することができず、ゲルマニウム、シリコン、硫化亜鉛、硫化セレン、カルコゲンとゲルマニウムなどを化合したカルコゲナイドガラスなど、赤外光をよく透過する材料が適している。
ゲルマニウムは屈折率が４程度と高く収差補正が容易な上、赤外光をほぼ吸収しないことから、従来より広く用いられている。しかしながら希少鉱物のため、材料自体が高価であり、レンズ枚数が増えると撮像光学系として非常に高価になるといった問題がある。
そこで、非球面形状を用いて最少枚数で収差補正を実現することも可能であるが、切削加工や研磨加工も高コストであり、安価な赤外線光学系を構成できていないのが現状である。【０００９】
また、上記に挙げたゲルマニウム以外の材料は、材料費自体はゲルマニウムに比較して安価であるが、加工が高コストであることに変わりはなく、やはり安価な光学系構築には繋がっていない。【００１０】
ここで、樹脂レンズは、成型で安価にレンズを作製することができ、低コスト化を図る上では望ましい。
しかしながら、樹脂レンズは、その殆どが遠赤外領域の電磁波を透過せず、わずかにポリエチレン樹脂が用いられている程度である。
ただし、ポリエチレンであっても吸収が全く無いわけではなく、通常のレンズ形状を構成しようとするとほぼ遠赤外線を透過しない。
樹脂レンズの利用は、前述のようなサーモビュワーやナイトビジョンシステム等の高分解能が必要な結像用途ではなく、人感センサなどの単純に熱源の有無を判断するための用途に供されているのが現状である。【００１１】
例えば上記特許文献１では、ドーム状の領域分割レンズ（領域分割プリズム）を用い、空間上の領域を分けて、各領域に赤外線を発する人・物の有り・無しを判断する構成が開示されている。
また、上記特許文献２や特許文献３では、フレネルレンズを用いた光学系が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ここで、上記領域分割プリズムやフレネルレンズは、樹脂材料を用いて比較的薄型に成型可能であり、赤外線を透過する安価な集光レンズとして用いることも考えられる。
但し、仮にこれら領域分割プリズムやフレネルレンズを図１０に示した赤外線光学系に集光レンズとして適用したとすると、これら領域分割プリズムやフレネルレンズでは共に各領域を透過した赤外線の間に位相の飛びが発生してしまうことから、物体側から入射した赤外線を１点に集光させることはできない。
領域分割プリズムやフレネルレンズは１つ１つの領域がＮＡ（Numerical Aperture）の小さなレンズとして働くので、スポットを絞り込むことができないものである。
この結果、前述のようなサーモビュワーやナイトビジョンシステム等の高分解能が必要な結像用途を前提とした場合には、分解能の低さが問題となってしまう。【００１３】
本技術は上記事情に鑑み為されたものであり、コストを抑制しつつ、遠赤外線領域（８ｕｍ〜１２ｕｍ）にて良好な光学特性を有する赤外線光学系、及び赤外線撮像装置を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題の解決のため、本技術では赤外線光学系を以下のように構成することとした。
すなわち、本技術の赤外線光学系は、曲面による集光面を有して物体側から入射した赤外光を集光すると共に、外周部から中心部にかけて深さが徐々に大となる段差形状が与えられた樹脂による集光レンズを備える。
また、上記集光レンズに上記段差形状が与えられたことに伴い生じる光路長差を補正する光路長補正素子を備えるものである。【００１５】
また本技術の赤外線撮像装置は、上記本技術の赤外線光学系と共に、上記赤外線光学系により集光された赤外光を検出する赤外線検出部と、上記赤外線検出部により得られた赤外線検出信号に基づき赤外線撮像画像信号を得る画像信号取得部とを備えるものである。【００１６】
上記のように本技術では、集光レンズを樹脂製とすることで、コストの抑制を図っている。そして、該集光レンズについては、上記段差形状が与えられたことで、例えば平凸形状とする場合よりもレンズ厚さが小とされる。つまりこれにより、赤外線透過率の向上が図られる。
この際、上記段差形状が与えられたことに伴っては、該段差形状が与えられない元形状のレンズを用いる場合との比較で、各段を通過する光に光路長差が生じてしまう（最外周部の段は除く）。このような各段ごとの光路長差を補正するために、上記光路長補正素子が設けられ、これにより、集光性能の低下の防止が図られる。換言すれば、分解能の低下の防止が図られるものである。
【発明の効果】
【００１７】
本技術によれば、コストを抑制しつつ、遠赤外線領域にて分解能の低下の防止を図った良好な光学特性を有する赤外線光学系及び赤外線撮像装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態の赤外線撮像装置の内部構成を示したブロック図である。
【図２】第１の実施の形態の赤外線光学系の構成を示した図である。
【図３】第１の実施の形態の集光レンズの作製手法についての説明図である。
【図４】第１の実施の形態の場合において段差により生じる集光点のずれについての説明図である。
【図５】光路長補正素子についての説明図である。
【図６】第１の実施の形態の赤外線光学系についてのＭＴＦ図である。
【図７】光路長補正素子を省略した場合のＭＴＦ図である。
【図８】第２の実施の形態の赤外線光学系の構成を示した図である。
【図９】第２の実施の形態の場合において段差により生じる集光点のずれについての説明図である。
【図１０】従来の赤外線光学系の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本技術に係る実施の形態について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
＜１．第１の実施の形態＞
［1-1．赤外線撮像装置の構成］
［1-2．赤外線光学系の構成］
［1-3．設計例］
＜２．第２の実施の形態＞
＜３．変形例＞
【００２０】
＜１．第１の実施の形態＞
［1-1．赤外線撮像装置の構成］
図１は、本技術の赤外線撮像装置の一実施形態としての、赤外線撮像装置１の内部構成を示したブロック図である。
この図１に示すように、赤外線撮像装置１は、光学ブロック２、イメージセンサ（イメージャ）３、画像信号取得部４、及び画像信号処理部５を有して構成される。
【００２１】
光学ブロック２は、後述する実施の形態としての赤外線光学系を包括的に表している。光学ブロック２は、図中に入射光Ｌｉと示す被写体（物体）からの赤外光（赤外線）をイメージセンサ３の撮像面（像面）に集光する。
【００２２】
イメージセンサ３は、光学ブロック２により集光された赤外線を検出し、上記被写体からの赤外線に応じた赤外線検出信号を得る。
赤外線検出信号を得るにあたってイメージセンサ３が備えるべき赤外線検出素子としては、例えば焦電素子を用いたものを挙げることができる。或いは、ゼーベック効果を生じさせる熱電対を接続したサーモパイル型、温度上昇による抵抗値の変化を利用したボロメータ型などの赤外線検出素子を用いることもできる。
なお、赤外線検出素子についてはこれらに限定されるべきものでなく、赤外線を検出できるものであればその種類は問わない。
【００２３】
なお、赤外線検出素子として焦電素子を設ける場合には、イメージセンサ３に入射する赤外光を周期的に遮蔽するためのシャッタを設けることになる。これは、焦電素子が、温度自体に応じた値を出力するものではなく、温度差（温度変化）に応じた値を出力する素子とされることに対応させるためである。すなわち、上記シャッタにより赤外光の周期的な照射状態／遮蔽状態を作り出すことにより意図的に温度差を発生させ、それにより、静止状態の物体についても、適正な温度分布画像（赤外線撮像画像）が得られるようにするものである。
【００２４】
画像信号取得部４は、イメージセンサ３により得られる赤外線検出信号（上記赤外線検出素子ごとに得られる検出信号）を入力して、赤外線撮像画像信号を得る。
【００２５】
画像信号処理部５は、画像信号取得部４で得られた撮像画像信号について各種の画像信号処理を施す。例えば、黒レベル補正、画素欠陥補完、収差補正、光学シェーディング補正、レンズディストーション補正、温度調整、距離変化量の算出、コーディング等を行う。
画像信号処理部５からの出力は、図示しないがインターフェース等を介して、撮像装置の外部のディスプレイ（画像表示装置）等に送られる。
【００２６】
［1-2．赤外線光学系の構成］
図２は、光学ブロック２内に形成される、第１の実施の形態としての赤外線光学系の構成を示している。
なお図２では図１に示したイメージセンサ３の撮像面Ｓimgも併せて示している。
また図２では、先の図１０と同様、紙面の左側に撮像対象の物体があることを前提としている。
【００２７】
図示するように、第１の実施の形態の赤外線光学系には、物体側から像面側にかけて開口絞り１４、第１レンズ１１、光路長補正素子１５、第２レンズ１２、センサ窓１３が配置されている。
第１レンズ１１は、曲面による集光面を有し、物体側から入射する赤外光（赤外線）を集光する集光レンズとして機能する。この第１レンズ１１は樹脂製のレンズとされる。
【００２８】
第２レンズ１２は、例えば球面収差やコマ収差、アス収差等といった各種収差を補正する収差補正レンズとして機能する。この場合の第２レンズ１２は、図のように物体側の面に非球面形状が与えられ、像面側の面が平面形状とされている。
【００２９】
センサ窓１０３は、イメージセンサ３の撮像面Ｓimgを保護するために設けられたものである。
【００３０】
ここで、本例では、集光レンズとして機能する第１レンズ１１を樹脂製のレンズとすることで、コストの抑制を図るものとしている。
但し、樹脂材料の透過率（対遠赤外線領域）が低い点を考慮すると、第１レンズ１１については、その厚さを薄くすることが望ましい。
【００３１】
このため本実施の形態では、第１レンズ１１の形状として、先の図１０に示した従来構成で用いていた平凸形状を採用するものとはせず、図中に示されるように、平凸レンズを段差状にくりぬいたような形状を採用するものとしている。具体的に、この場合の段差形状は、外周部から中心部にかけて徐々にその深さが大となるようにされるものである。
これによりレンズ厚さの薄型化が図られる。
【００３２】
図３は、第１レンズ１１の作製手法についての説明図である。
この図３に示されるように、第１の実施の形態の第１レンズ１１は、平凸レンズをくり抜くことで作製することができる。
具体的には、第１レンズ１１の基となる平凸レンズ１１’を作製しておき、該平凸レンズ１１’を、その平面側（つまり曲面による集光面とは逆側の面）より、外周部から中心部にかけて徐々にその深さが大となる段差形状が与えられるようにしてくり抜く。
【００３３】
本例では、段差の深さは３段階（つまり段差数＝３）としており、図のように深さＤの異なる３つの段部が形成される。これら３つの段部を、中心側から順に第１段部、第２段部、第３段部とする。
ここで、中心部に配される第１段部の深さを「Ｄ１」、その外周側に隣接して配される第２段部の深さを「Ｄ２」、最外周に配される第３段部の深さを「Ｄ３」とおく。
また、第１／第２段部の境界位置の半径を「ｒ１」、第２／第３段部の境界位置の半径を「ｒ２」、第３段部の最外周位置の半径を「ｒ３」とおく。
この場合の第１レンズ１１は、先ず、平凸レンズ１１’に対し、深さがＤ３かつ直径がｒ３×２による円筒状のくり抜きを行い、次いで、深さがＤ２かつ直径がｒ２×２による円筒状のくり抜きを行い、さらに深さがＤ１かつ直径がｒ１×２による円筒状のくり抜きを行うことで作製することができる。
【００３４】
なお、くり抜きを行う前のレンズの面形状は、階段状に肉厚を切り取ることを考慮して最適化されていてもよく、各段を付ける前の面形状がすべての領域で連続である必要はない。
【００３５】
ここで、第１レンズ１１の段差形状の各段の光軸に垂直な方向の幅は、最外周部に位置する段（つまり深さＤ＝０の段）を除いて、すべて等しくなることが望ましい。これらを異なる幅で構成すると、回折効果の影響が大きくなるためである。
【００３６】
また、第１レンズ１１は、光軸方向の最大厚さ（結像に寄与する領域内における最大厚さ）を薄くすることが透過率の観点から望ましい。
第１レンズ１１の最大厚さは、少なくとも赤外線の透過率が２０％以上となるように設定すべきである。
具体的に、第１レンズ１１の最大厚さは１ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００３７】
また、第１レンズ１１の樹脂材料としては、例えばポリエチレンを用いることができる。
ポリエチレンを用いることで、赤外線の吸収を抑えたレンズの作製が可能である。
なお、ポリエチレンの中でも、高密度ポリエチレンや高分子量ポリエチレンなどを選択してもよい。耐熱性・耐衝撃性を考慮すると、高分子量ポリエチレンを使用することが望ましい。
【００３８】
ここで、ポリエチレンは、厚さ２ｍｍにおける赤外線の透過率が２０％以上で、金型による加工が可能な樹脂材料である。第１レンズ１１の材料としては、このような条件を満すものであれば、ポリエチレンに限定されるべきものではない。
【００３９】
上記のように第１レンズ１１は、段差形状を与えたものとすることでレンズ厚を薄くでき、透過率の改善を図ることができる。
しかしながら、このような段差形状を与えた場合、第１レンズ１１を透過する赤外線の波面は位相が崩れてしまう。すなわち、段差が設けられたことによって本来はレンズ内であった空間が空気による空間に置き換わることで、光路長に差が生じてしまうものである。
撮像面Ｓimgに集光する光の光路長に差が生じる結果、結像性能の悪化を招くものとなってしまう。
【００４０】
また、段差を設けることによっては、集光点のずれも生じる。
図４は、第１の実施の形態の場合において段差により生じる集光点のずれについての説明図である。
図中では、段差の与えられていない最外周部を通過する光線Ｌｏと、段差の与えられた部分を通過する光線Ｌｃとを示している。またこの図では段差付与前の平凸レンズ１１’の出射面の形状を破線により示すと共に、光線Ｌｃが平凸レンズ１１’を通過した場合の光線Ｌｃ’も併せて示している。
なお、図のように光線Ｌｏと光線Ｌｃは共に光軸（図中一点鎖線）に平行な光線としている。
【００４１】
図のように段差の非形成部を通過する光線Ｌｏの集光点と平凸レンズ１１’とした場合の光線Ｌｃ’の集光点は、図中の同じ点Ｐndとなる。このことは、平凸レンズ１１’では光軸に平行な入射光が同じ位置に集光することからも理解できる。
これに対し、段差の与えられた部分を通過する光線Ｌｃの集光点は、点Ｐndとは異なる点Ｐidとなる。具体的に、この場合における段差部を通過する光の集光点Ｐidは、集光点Ｐndの手前側に位置してしまうことになる。
【００４２】
このように段差形状の付与によりレンズの薄型化を図った場合には、本来レンズ内であるべき空間が空気に置き換わることによる光路長差（位相差）が生じると共に、それぞれの段部を通過する光に集光点のずれが生じる。この集光点のずれも、結像性能の悪化を助長するものとなり、分解能低下の防止のためにはその抑制が図られることが望ましい。
【００４３】
本実施の形態では、光路長差の補正を行うべく、図２に示したように光路長補正素子１５を設けるものとしている。
図５は、光路長補正素子１５についての説明図である。
本例の場合、光路長補正素子１５としては、第１レンズ１１に与えられた段差形状に応じた段差形状を与えたものとしている。具体的に、第１レンズ１１の段部を通過した光には、その段部の深さＤに応じた光路長差が生じるので、光路長補正素子１５としては、第１レンズ１１における深さＤの大きい段部を通過した光が入射する領域はその厚さを大とし、深さＤの小さい段部を通過した光が入射する領域はその厚さを小とするように、段差形状を与える。
より具体的に、本例の場合は、前述の深さＤ１による段部を通過する光が入射する領域の厚さを最も厚くし（図中厚さｔ１）、深さＤ２による段部を通過する光が入射する領域の厚さを次いで厚くし（図中厚さｔ２）、深さＤ３による段部を通過する光が入射する領域の厚さを次いで厚くする（図中厚さｔ３）ように、段差形状を与えることになる。
【００４４】
このような光路長補正素子１５を配置することにより、本来レンズ内であるべき空間が空気に置き換わることによる光路長差（位相差）を補正することができる。つまりこの点で、結像性能の悪化を防止でき、分解能の低下を防止できる。
また、このような光路長補正素子１５を配置することによっては、段部の通過に伴い本来の集光点Ｐndに対して手前側となってしまう集光点Ｐinが奥側にシフトされることになる。つまりこの結果、段差を設けたことに伴う集光点のずれの問題も解消でき、この点においても結像性能の悪化の防止が図られる。
このように、第１の実施の形態の赤外線光学系によれば、第１レンズ１１の薄型化により透過率を確保しつつ、良好な結像性能を実現できる。
【００４５】
なお上記説明からも理解されるように、本例では、第１レンズ１１の中心からｎ番目の段部を透過した光線が、光路長補正素子１５の中心からｎ番目の段部を通過することによって位相差が調整されることを前提としている。このため、この場合の光学系は、第１レンズ１１を透過する段部位置と、光路長補正素子１５を透過する段部位置とが殆どの光線で一定となるように設計されていることが望ましい。具体的には、光路長補正素子１５は、第１レンズ１１にできるだけ近接配置されることが望ましいものである。
上記のように第１レンズ１１の中心からｎ番目の段部を透過した光線が光路長補正素子１５の中心からｎ番目の段部を通過することによって位相差が調整されるべきものとなるが、このとき、すべての光線が光軸に平行に進んでいるものではなく、また画角の異なる物点からの光線は、第１レンズ１１で同じ位置を透過しても出射角度が異なるため、第１レンズ１１と光路長補正素子１５とが離間していると、光路長補正素子１５の別の段部に入射してしまうことが起こり得る。その場合は位相を過補正してしまうことになるので、第１レンズ１１と光路長補正素子１５は極力近接して配置することが望ましい。
【００４６】
ここで、光路長補正素子１５の材料としては、樹脂レンズとしての第１レンズ１１よりも屈折率の高い材料を用いる。このことにより、光路長補正素子１５を薄型化できる。屈折率が高ければ、その分、第１レンズ１１の切り取った肉厚分に相当する光路差をより薄い形状で補うことができるからである。
本例の場合、光路長補正素子１５の材料にはＳｉ（シリコン）を用いるものとしている。
【００４７】
なお、Ｓｉはゲルマニウムに比して赤外光透過率は低下するものの、比較的安価なレンズ材料であり、この点でコストの抑制が図られる。
【００４８】
また、光路長補正素子１５を図５に示したような階段状とすることで、加工の難しいＳｉを用いた場合も、球面や非球面形状に加工する場合と比較すれば、その作製を安価に行うことが可能である。
【００４９】
ここで、光路長補正素子１５の屈折率を第１レンズ１１よりも高くすると、空気との屈折率差が大となり、フレネル反射損が大きくなる。そのため、光路長補正素子１５は反射防止加工が施されていることが望ましい。
例えば、光路長補正素子１５の両面に反射防止膜を蒸着する、または反射防止構造を付与することにより、透過率を大きく改善することができる。
【００５０】
［1-3．設計例］
続いて、第１の実施の形態の赤外線光学系の設計例について説明する。
先ず、各距離は以下のように設定した。
物体−開口絞り１４：３４００ｍｍ
開口絞り１４−第１レンズ１１：０ｍｍ
第１レンズ１１−第２レンズ１２：１４．２４ｍｍ
第２レンズ１２−センサ窓１３：１．０８ｍｍ
センサ窓１３−撮像面Ｓimg：０．９５ｍｍ
なお、開口絞り１４は、直径１８ｍｍとしている。
【００５１】
また、第１レンズ１１は、物体側の面形状が非球面形状とされる。
ここで、非球面形状は、半径ｒを用いて、次の［式１］の各係数で定まるものである。
【数１】
2013179592.tif 000003
ただし、Ｚ（ｒ）は光軸を中心としたときの半径ｒの点におけるレンズ面の高さを示す。面の高さは、物体側を負、像面側を正としている。Ｒは曲率半径、ｋは離心率、Ａ4、Ａ6、Ａ8、Ａ10、・・・は非球面係数である。
【００５２】
第１レンズ１１の非球面形状は、具体的には［式１］における各係数を以下のように設定したものとなる。
Ｒ：１０．８７９６ｍｍ
ｋ：−０．５９５８
Ａ4：９．８３７８×１０-6
Ａ6：−２．３４６７×１０-7
Ａ8：−１．１６９９×１０-10
Ａ10：６．３６５×１０-11
Ａ12：−４．９１８８×１０-13
【００５３】
また、第１レンズ１１の像面側の面形状は、前述の深さＤ１〜Ｄ３、半径ｒ１〜ｒ３を用いて以下のように表されるものとなる。
なお、くり抜き前の平凸レンズ１１’のレンズ中心厚さは４．６５ｍｍである。
深さＤ１：３ｍｍ
半径ｒ１：２ｍｍ（直径４ｍｍ）
深さＤ２：２ｍｍ
半径ｒ２：４ｍｍ（直径８ｍｍ）
深さＤ３：１ｍｍ
半径ｒ３：６ｍｍ（直径１２ｍｍ）
【００５４】
第１レンズ１１の材料は高分子量ポリエチレン製（屈折率１．５４）とした。
【００５５】
第２レンズ１２の形状は、物体側の面が以下の係数で定まる非球面形状、像面側の面が平面とされる。
Ｒ：１３．０３５１ｍｍ
ｋ：１．５９
Ａ4：−１．３１７３ｘ１０-3
Ａ6：−３．７４５ｘ１０-4
Ａ8：３．６９４２ｘ１０-5
Ａ10：−１．８８９ｘ１０-6
Ａ12：３．５４５７ｘ１０-8
レンズ中心厚：０．５ｍｍ
【００５６】
センサ窓１３は、両面が平面のＳｉ板（屈折率３．４２）であり、厚さは１ｍｍである。
【００５７】
光学系の焦点距離は１８ｍｍ相当となっている。
【００５８】
光路長補正素子１５は、第１レンズ１１に段差形状を与えたことによって生じる各光線間の位相差（光路長差）を補正するように設計している。具体的に、第１レンズ１１としての高分子量ポリエチレンの屈折率を１．５４とし、光路長補正素子１５に屈折率３．４２のＳｉを用いる本例では、第１レンズ１１の或る段差部（最外周部の段は除く）の厚さをＴとしたとき、該段差部を通過した光が入射する部分に必要とされる光路長補正素子１５の光軸方向の厚さは、「Ｔ×１．５４／３．４２」と表される。
なおこの点からも理解されるように、光路長補正素子１５の屈折率を高めれば、補正に必要とされる厚さを薄くできるものである。
【００５９】
本設計例において、光路長補正素子１５の厚さｔ１〜ｔ３は、具体的には以下のように設定した。
ｔ１：１．３５ｍｍ
ｔ２：０．９０ｍｍ
ｔ３：０．４５ｍｍ
なお、厚さｔ１の領域は、中心から半径２ｍｍの範囲とした。また厚さｔ２の領域、厚さｔ３の領域は、それぞれ半径２ｍｍ〜半径４ｍｍの範囲、半径４ｍｍ〜半径６ｍｍの範囲とした。
【００６０】
図６は、上記の設計例による第１の実施の形態の赤外線光学系についてのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）図である。
図７は比較として、上記設計例による第１の実施の形態の赤外線光学系から光路長補正素子１５を省略した場合のＭＴＦ図を示している。
なおこれらの図では、像高０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍの各位置におけるＭＴＦ値を示している。
像高０ｍｍは短破線、像高１．５ｍｍは丸破線、像高３．５ｍｍは実線、像高５．０ｍｍは長破線で表している。また、図中「Ｔ」の表記はタンジェンシャル値を意味し、「Ｓ」の表記はサジタル値を意味する。
【００６１】
これら図６と図７との対比より、光路補正素子１５を挿入したことで、ＭＴＦの低下を防ぎ、光学系の解像度が改善していることが分かる。
【００６２】
ここで、撮影像が十分な分解能をもっているか否かの指標として、該当する空間周波数[ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍ]におけるＭＴＦ値が用いられ、０．３以上を閾値とすることが多い。
光路長補正素子１５が省略された図７の場合では、像高０ｍｍにおけるＭＴＦ値が４[ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍ]で０．３を下回っているのに対し、光路長補正素子１５を用いた図６では１４[ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍ]付近までＭＴＦ値＝０．３を保っている。
この１４[ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍ]というのは、１ｍｍの中に１４本の白黒交互の線があるパターンを意味しており、白のみ、黒のみのパターン幅は１０００÷１４÷２≒３６μｍとなる。本設計例による赤外線光学系では、焦点距離１８ｍｍ相当のレンズ系で３４００ｍｍ先の物体を撮像しているので、倍率がおよそ１９０倍となり、物体上の分解能はおよそ７ｍｍとなる。これは人の指を識別できる程度の分解能であり、４[ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍ]の物体上分解能＝２５ｍｍと比較すると、解像度は大きく改善しており、樹脂レンズと光路長補正素子という組み合わせによって、温度分布を検出可能な赤外線光学系を実現できている。
【００６３】
＜２．第２の実施の形態＞
続いて、第２の実施の形態について説明する。
図８は、第２の実施の形態の赤外線光学系の構成を示している。
なお以下の説明において、既にこれまでで説明済みとなった部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
また、第２の実施の形態の赤外線撮像装置は、先の図１に示した光学ブロック２として、この図８に示す赤外線光学系を備えたものとなる。
【００６４】
図８に示す第２の実施の形態の赤外線光学系は、先の図２に示した赤外線光学系との比較で、第１レンズ１１に代えて第１レンズ２１が設けられた点が異なる。この第１レンズ２１としても、樹脂によるレンズとされる。
【００６５】
先の第１の実施の形態の第１レンズ１１は、像面側に対して段差形状を与えることでレンズ厚の薄型化を図ったが、第２の実施の形態の第１レンズ２１は、逆に物体側に対し段差形状を与えることでレンズ厚の薄型化を図ったものである。
具体的に、第１レンズ２１は、先の第１の実施の形態の第１レンズ１１における段差が与えられた部分、すなわち中心から半径ｒ１の範囲、半径ｒ１〜半径ｒ２の範囲、半径ｒ２〜半径ｒ３の範囲をそれぞれ「ブロック」と称するものとしたとき、これら各ブロックを、その像面側の面が同一平面上に並ぶように光軸方向に平行移動させたものとなる。
なおこのことからも理解されるように、第２の実施の形態の第１レンズ２１としても、曲面による集光面を有して物体側から入射した赤外光を集光すると共に、外周部から中心部にかけて深さが徐々に大となる段差形状が与えられたものと言うことができる。
【００６６】
この第１レンズ２１としても、上記段差形状が与えられたことで薄型化が図られるが、該段差形状が与えられたことで、この場合も元形状とする場合との比較で、各段を通過する光にその段差量に応じた光路長差が生じてしまう。
そこでこの場合も、光路長補正素子１５を設けて、このような光路長差を補正して分解能の低下防止を図るものとしている。
なお、この場合は、第１レンズ２１の各段の段差量が第１レンズ１１における各段の段差量（前述のＤ１〜Ｄ３）と同じであるものとしているので、第１の実施の形態で用いる光路長補正素子１５を用いることで、適正に光路長の補正を行うことができる。
【００６７】
ここで、確認のため述べておくと、図８に示すような形状を有する第１レンズ２１は、例えば金型を用いた成型などで作製することができるものである。
【００６８】
なお、第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは逆に物体側に段差形状を与えるものとしているので、図９に示されるように、段部を通過する光（Ｌｃ）の集光点Ｐidは、本来の集光点Ｐndに対して手前側ではなく奥側にシフトされることになる。
先の第１の実施の形態の説明からも理解されるように、光路長補正素子１５の挿入によっては、段部を通過する光の集光点は奥側にシフトされるものである。このことからも理解されるように、第２の実施の形態の場合、光路長補正素子１５の挿入によってはレンズ内空間が空気に置き換わることに伴う光路長差については補正できるが、第１の実施の形態のように段部を通過する光の集光点ずれを併せて補正するということはできないものとなる。
この点に鑑み、第２の実施の形態の場合には、このような集光点ずれの抑制が図られるように第１レンズ２１の各段の物体側の曲面形状を最適化することが望ましいものとなる。
【００６９】
上記のような第２の実施の形態の赤外線光学系によっても、コストを抑制しつつ、遠赤外線領域にて分解能の低下の防止を図った良好な光学特性を有する赤外線光学系及び赤外線撮像装置を提供できる。
【００７０】
＜３．変形例＞
以上、本技術に係る各実施の形態について説明したが、本技術は上記により説明した具体例に限定されるべきものではない。
例えばこれまでの説明では、第１レンズ１１又は２１に３段の段差を設ける場合を例示したが、さらに段差の数を増やすことにより樹脂レンズの光軸方向の厚みを小さくすれば、さらに赤外線の透過率を向上させることができる。
【００７１】
またこれまでの説明では、光路長補正素子１５を集光レンズである第１レンズの像面側に対して設けるものとしたが、光路長補正素子１５は第１レンズの物体側に対して設けることもできる。
【００７２】
また、光路長補正素子１５としては、実施の形態で例示した段差形状による補正を行う構成のみでなく、例えば液晶素子などの他の手段により光路長補正を行う構成とすることもできる。
【００７３】
また、本技術は、以下に示す構成を採ることもできる。
（１）
曲面による集光面を有して物体側から入射した赤外光を集光すると共に、外周部から中心部にかけて深さが徐々に大となる段差形状が与えられた樹脂による集光レンズと、
上記集光レンズに上記段差形状が与えられたことに伴い生じる光路長差を補正する光路長補正素子と
を備える赤外線光学系。
（２）
上記光路長補正素子は、上記集光レンズよりも高い屈折率を持つ上記（１）に記載の赤外線光学系。
（３）
上記光路長補正素子に反射防止加工が施されている上記（１）又は（２）何れかに記載の赤外線光学系。
（４）
上記光路長補正素子には、上記集光レンズの上記段差形状に応じた段差形状が与えられている
上記（１）乃至（３）何れかに記載の赤外線光学系。
（５）
上記集光レンズの中心からｎ番目の段差部を透過した光線が、上記光路長補正素子の中心からｎ番目の段差部を透過するように設計されている
上記（４）に記載の赤外線光学系。
（６）
上記集光レンズにおける上記段差形状の各段の光軸に垂直な方向の幅が、最外周部に位置する段を除いて等しく設定されている
上記（５）に記載の赤外線光学系。
（７）
上記集光レンズの結像に寄与する領域内における光軸方向の最大厚さが１ｍｍ以下とされている
上記（１）乃至（６）何れかに記載の赤外線光学系。
（８）
上記集光レンズがポリエチレン製とされる上記（１）乃至（７）何れかに記載の赤外線光学系。
（９）
上記光路長補正素子がＳｉ製とされる上記（２）乃至（８）何れかに記載の赤外線光学系。
【符号の説明】
【００７４】
１  赤外線撮像装置、２  光学ブロック、３  イメージセンサ、４  画像信号取得部、５  画像信号処理部、１１,２１  第１レンズ、１２  第２レンズ、１３  センサ窓、１４  開口絞り、１５  光路長補正素子
【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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【国際調査報告】
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