(57)【要約】  特に赤外線やテラヘルツ波について撮像のための結像を行う撮像光学系に関して、コストの削減を図りつつ、結像性能の低下の防止を図る。  開口絞り（１０）付近に設けられ収差補正を担う第１のレンズ（１１）と、上記第１のレンズ（１１）と撮像素子との間に配置されて集光を担う第２のレンズ（１２）とを備え、上記第１のレンズ（１１）を屈折率分布型レンズとした撮像光学系とする。屈折率分布型レンズは、屈折率が一様なレンズに比して設計上の自由度が高く、レンズ用素子として高い潜在力を持つものである。このような屈折率分布型レンズを用いることで、例えば研磨等の高コストな加工を施すことなく、収差補正を実現できる。これにより、コストの削減を図りつつ、結像性能の低下防止を図ることが可能となる。
2013171969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口絞り付近に設けられ収差補正を担う第１のレンズと、
上記第１のレンズと撮像素子との間に配置されて集光を担う第２のレンズと
を備えると共に、
上記第１のレンズが屈折率分布型レンズとされる
撮像光学系。
【請求項２】
上記第２レンズの焦点距離が当該撮像光学系の全体焦点距離と略一致している請求項１に記載の撮像光学系。
【請求項３】
上記第１のレンズは、
その屈折率分布についての半径方向に沿った二階微分が単調増加となるように設計されている
請求項２に記載の撮像光学系。
【請求項４】
上記第２のレンズが屈折率分布型レンズとされる請求項３に記載の撮像光学系。
【請求項５】
上記第１のレンズ又は上記第２のレンズの何れかが光軸方向への屈折率分布をもつ請求項４に記載の撮像光学系。
【請求項６】
上記第１のレンズと上記第２のレンズの双方が、光軸方向への屈折率分布をもち、
上記第１のレンズの屈折率分布についての光軸方向に沿った二階微分と、上記第２のレンズの屈折率分布についての光軸方向に沿った二階微分とが、正／負の関係となるように設計されている
請求項４に記載の撮像光学系。
【請求項７】
上記第１のレンズ又は上記第２のレンズのうちの何れか一方がメタマテリアルレンズとされる
請求項４に記載の撮像光学系。
【請求項８】
上記メタマテリアルレンズは、その内部の任意の一点において、光軸に垂直な任意の偏光方向に対する屈折率が等しくなるように構成されている
請求項７に記載の撮像光学系。
【請求項９】
上記メタマテリアルレンズは、その内部の任意の一点において、任意の偏光方向に対する屈折率が等しくなるように構成されている
請求項７に記載の撮像光学系。
【請求項１０】
上記第２のレンズが複数枚のメタマテリアルレンズで構成されている請求項７に記載の撮像光学系。
【請求項１１】
上記第２のレンズを構成する各上記メタマテリアルレンズが所定間隔を空けて配列されている
請求項１０に記載の撮像光学系。
【請求項１２】
上記第１のレンズの屈折率分布が
【数１】
2013171969.tif 000014
（ただし、ｒは半径方向位置、ｚは光軸方向位置を表し、Ｎ10は上記第１のレンズの基準屈折率、ｎｒ1jは屈折率分布式内のｒjの項の係数、ｎｚ1kは屈折率分布式内のｚkの項の係数である。ｊは偶数、ｋは整数とする。）
で表されるとき、
【数２】
2013171969.tif 000015
である請求項１に記載の撮像光学系。
【請求項１３】
赤外線の像を結像する請求項１に記載の撮像光学系。
【請求項１４】
テラヘルツ波の像を結像する請求項１に記載の撮像光学系。
【請求項１５】
開口絞り付近に設けられ収差補正を担う第１のレンズと、上記第１のレンズと撮像素子との間に配置されて集光を担う第２のレンズとを備えると共に、上記第１のレンズが屈折率分布型レンズとされる撮像光学系と、
上記撮像光学系により結像された像を検出する像検出部と、
上記像検出部による検出信号に基づいて撮像画像信号を得る画像信号取得部と
を備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、画像検出のための結像を行う撮像光学系と、当該撮像光学系を用いた撮像装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
画像検出のための撮像光学系として、可視光領域だけでなく、赤外線やテラヘルツといった周波数域で用いられる撮像光学系が開発されている。
例えば赤外線撮像光学系は、人間や動物などの対象物から発せられる熱、すなわち遠赤外線（波長８μｍ〜１２μｍ）を利用して、暗所での撮影や温度分布の観測等に用いられる。
また、テラヘルツ波（波長３０μｍ〜３ｍｍ：１００ＧHz〜１０ＴHz）についての撮像光学系は、例えば空港施設における手荷物検査などのいわゆる非破壊検査に用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１０−５２６３１８号公報
【特許文献２】特開２０１１−８２３２４号公報
【特許文献３】特表２０１０−５２７５６５号公報
【特許文献４】特表２００８−５０７７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、上記のような赤外線やテラヘルツ波の撮像に用いられる撮像光学系としても、鮮明な撮像画像が得られるようにすべく、高分解能であることが望まれる。【０００５】
高分解能を実現するためには、各種光学収差の抑制が図られることが望ましい。
しかしながら、赤外線やテラヘルツ波の波長帯では透過率等の問題から使用できるレンズ材料が少なく、加工も困難であるという問題がある。
例えば赤外線に対する透過率が比較的高い材料としてゲルマニウム等が知られているが、これら赤外線透過率の高いレンズ材料は比較的硬度が高く、加工が困難である。
加工に長時間を要するなどして、コストの削減が困難となり、特に、収差補正のため非球面形状に加工（研磨）する場合には、精密な設備を用いた長時間の作業が必要であり、高コスト化は避けられないものとなる。【０００６】
本技術は上記問題点に鑑み為されたものであり、特に、赤外線やテラヘルツ波について撮像のための結像を行う撮像光学系に関して、コストの削減を図りつつ、結像性能の低下の防止を図ることをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本技術では上記課題の解決のため、撮像光学系を以下のように構成することとした。
つまり、本技術の撮像光学系は、開口絞り付近に設けられ収差補正を担う第１のレンズを備える。
また、上記第１のレンズと撮像素子との間に配置されて集光を担う第２のレンズを備える。
そして、上記第１のレンズが屈折率分布型レンズとされるものである。【０００８】
また本技術では撮像装置を以下のように構成することとした。
すなわち、本技術の撮像装置は、上記本技術の撮像光学系を備えると共に、上記撮像光学系により結像された像を検出する像検出部と、上記像検出部による検出信号に基づいて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。【０００９】
ここで、屈折率分布型レンズは、屈折率が一様なレンズに比して設計上の自由度が高く、レンズ用素子として高い潜在力を持つものである。このような屈折率分布型レンズを用いる本技術によれば、例えば研磨等の高コストな加工を施すことなく、収差補正を実現できる。つまりこれにより、コストの削減を図りつつ、結像性能の低下防止を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本技術によれば、撮像のための結像を行う撮像光学系、特に赤外線やテラヘルツ波についての撮像光学系に関して、コストの削減を図りつつ、結像性能の低下の防止を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態の撮像装置の内部構成を示したブロック図である。
【図２】実施の形態の撮像光学系の構成概要について説明するための図である。
【図３】球面収差補正にあたり与えられるべき半径方向の屈折率分布パターンの例を示した図である。
【図４】メタマテリアルを構成する単位セルの構造例を示した図である。
【図５】メタマテリアルの構造を示した図である。
【図６】メタマテリアルレンズにおける屈折率分布付与の手法についての説明図である。
【図７】十字型導電体の十字の手の長さを変化させた際の屈折率の測定結果を示した図である。
【図８】実施例１としての撮像光学系の構成を示した図である。
【図９】実施例１における第１レンズの屈折率分布の半径方向に対する二階微分をグラフ化して示した図である。
【図１０】実施例１の撮像光学系についての各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示した図である。
【図１１】実施例２としての撮像光学系の構成を示した図である。
【図１２】実施例２における第１レンズの屈折率分布の半径方向に対する二階微分をグラフ化して示した図である。
【図１３】実施例２の撮像光学系についての各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示した図である。
【図１４】実施例３としての撮像光学系の構成を示した図である。
【図１５】実施例３における第１レンズの屈折率分布の半径方向に対する二階微分をグラフ化して示した図である。
【図１６】実施例３における第１レンズの屈折率分布の光軸方向に対する二階微分をグラフ化して示した図である。
【図１７】実施例３における第２レンズの屈折率分布の光軸方向に対する二階微分をグラフ化して示した図である。
【図１８】実施例３の撮像光学系についての各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示した図である。
【図１９】実施例４としての撮像光学系の構成を示した図である。
【図２０】実施例４における第１レンズの屈折率分布の半径方向に対する二階微分をグラフ化して示した図である。
【図２１】実施例４の撮像光学系についての各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示した図である。
【図２２】実施例５としての撮像光学系の構成を示した図である。
【図２３】実施例５における第１レンズの屈折率分布の半径方向に対する二階微分をグラフ化して示した図である。
【図２４】実施例５の撮像光学系についての各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本技術に係る実施の形態について説明する。
なお、説明は以下の順で行う。
＜１．実施の形態としての撮像装置及び撮像光学系＞
［1-1．撮像装置の構成］
［1-2．実施の形態の撮像光学系の概要］
＜２．具体的な実施例＞
［2-1．実施例１］
［2-2．実施例２］
［2-3．実施例３］
［2-4．実施例４］
［2-5．実施例５］
＜３．変形例＞
【００１３】
＜１．実施の形態としての撮像装置及び撮像光学系＞
［1-1．撮像装置の構成］
図１は、実施の形態としての撮像装置１の内部構成を示したブロック図である。
先ず前提として、本実施の形態の撮像装置１は、赤外線についての撮像を行う赤外線撮像装置であるとする。
【００１４】
図１に示すように、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。
光学ブロック２は、後述する実施の形態としての撮像光学系を包括的に表したものである。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。
【００１５】
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。
【００１６】
なお、赤外線検出素子として焦電素子を用いた場合には、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
［1-2．実施の形態の撮像光学系の概要］
図２は、光学ブロック２内に設けられる、実施の形態としての撮像光学系の構成の概要について説明するための図である。
この図２を始めとして以下で説明する光学系の構成図（図８,１１,１４,１９,２２）においては、紙面の左側に撮像対象の物体が配置されているとする。すなわち、紙面左側が物体側、紙面右側が像面側となる。
なお、図２では撮像光学系の構成と共に、先の図１に示したイメージセンサ３も併せて示している。
【００２０】
図示するように、実施の形態の撮像光学系は、物体側から像面側にかけて開口絞り１０、第１レンズ１１、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、収差補正を担うレンズであり、開口絞り１０付近に設けられる。このように第１レンズ１０が開口絞り１０付近に配置されることで、球面収差の補正効果が高まる。
【００２１】
また、第２レンズ１２は、第１レンズ１１を通過した赤外光を集光する集光レンズとして機能する。つまりは、赤外線像をイメージセンサ３の撮像面に結像させる結像レンズとして機能するものである。
【００２２】
センサ窓１３は、例えば平板形状とされ、イメージセンサ３の撮像面を保護するために設けられる。
【００２３】
ここで、本実施の形態の撮像光学系では、少なくとも第１レンズ１１が屈折率分布型レンズ（いわゆるＧＲＩＮレンズ）で構成される。
ＧＲＩＮレンズは、屈折率が一様なレンズに比して設計上の自由度が高く、レンズ用素子として高い潜在力を持つものである。
このようなＧＲＩＮレンズを第１レンズ１１に用いることで、収差補正にあたり従来のように高コストな加工を要することがなくなり、この点でコスト削減が図られる。
【００２４】
また、本実施の形態の撮像光学系では、第２レンズ１２について、その焦点距離ｆ2が、該第２レンズ１２も含めた撮像光学系全体の焦点距離ｆと略一致するものとされている。
具体的には、例えば
【数１】
2013171969.tif 000003
の条件を満たすように、撮像光学系が設計されている。
【００２５】
第２レンズ１２の焦点距離ｆ2が撮像光学系全体の焦点距離ｆと略一致するということは、光学系の集光機能はほぼ全て第２レンズ１２が担っていることを意味するものであり、第１レンズ１１側には集光機能を与える必要性は無いものとできる。つまりこれにより、第１レンズ１１は、収差補正に特化したレンズとして設計することが可能となり、その結果、収差補正効果を高めることができるものである。
【００２６】
また、本実施の形態では、ＧＲＩＮレンズで構成される第１レンズ１１の屈折率分布（以下、屈折率分布Ｎ1とする）について、その半径方向に沿った二階微分が単調増加となるように設計するものとしている。
【００２７】
ここで、ＧＲＩＮレンズの屈折率分布Ｎは、
【数２】
2013171969.tif 000004
と表される。
ただし［式２］において、Ｎ0はＧＲＩＮレンズの基準屈折率であり、Ｒはレンズの半径方向位置（入射面光軸中心を０）、Ｚはレンズの光軸方向位置（入射面光軸中心を０）を意味する。また、ｎｒijはＲjの項の係数、ｎｚijはＺjの項の係数である。
なおここでは簡単のため、Ｒの項は６乗まで、Ｚの項は３乗までを記載しているが、さらに高次項を用いても同様である。
【００２８】
上記［式２］のように表されるＧＲＩＮレンズの屈折率分布Ｎのうち、半径方向（ｒ）における屈折率分布を「Ｎ（ｒ）」と表記する。
本実施の形態の第１レンズ１１は、このような屈折率分布Ｎ（ｒ）の半径方向に沿った二階微分
【数３】
2013171969.tif 000005
が、単調増加となるようにされている。
【００２９】
ここで以下、第１レンズ１１の半径方向における屈折率分布Ｎ（ｒ）については「Ｎ1（ｒ）」と表記する。
また、この第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1（ｒ）の半径方向に沿った二階微分は
【数４】
2013171969.tif 000006
と表記する。
【００３０】
上記のように半径方向に沿った二階微分が単調増加となるように屈折率分布Ｎ1（ｒ）が与えられていることで、第１レンズ１１による球面収差補正効果が得られる。
【００３１】
ここで、図３に、球面収差補正にあたり与えられるべき半径方向の屈折率分布パターンの例を示す。
球面収差補正効果を得るにあたっては、これら図３Ａ又は図３Ｂに示されるような屈折率分布Ｎ（ｒ）を与えることになる。
【００３２】
これら図３Ａ、図３Ｂに示す何れの屈折率分布Ｎ（ｒ）についても、その半径方向に沿った二階微分を行うと、その結果は単調増加となることが分かる。
このことより、屈折率分布Ｎ1（ｒ）の半径方向に沿った二階微分が単調増加となる第１レンズ１１によれば、球面収差補正効果が得られるものである。
【００３３】
ここで、本実施の形態では、第１レンズ１１のみでなく、第２レンズ１２についても屈折率分布型レンズを用いるものとしている。
このことで、第２レンズ１２自体、及び光学系全体の設計自由度の向上を図ることができる。
【００３４】
そして、本実施の形態では、第１レンズ１１と第２レンズ１２の何れか一方に、光軸方向にも屈折率分布を持たせることとしている。
光軸方向にも屈折率分布を持たせることで、光学設計の設計自由度をさらに増すことができる。
【００３５】
ここで、後述する実施例では、第１レンズ１１と第２レンズ１２の双方に、光軸方向への屈折率分布を持たせる構成を提案している（実施例３）。
このように第１レンズ１１と第２レンズ１２の双方に光軸方向にも屈折率分布を持たせる場合には、第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1についての光軸方向（Ｚ）に沿った二階微分と、第２レンズ１２の屈折率分布（以下、屈折率分布Ｎ2と表記）についての光軸方向に沿った二階微分とが、正／負の関係となるようにすることで、広い画角においてＭＴＦ（Modulation Transfer Function）を改善できる。すなわち、分解能を向上できる。
【００３６】
ここで、上記のように「第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1についての光軸方向に沿った二階微分と、第２レンズ１２の屈折率分布Ｎ2についての光軸方向に沿った二階微分とが正／負の関係となる」との条件の一例としては、例えば次の［式５］に示す条件を挙げることができる。
【数５】
2013171969.tif 000007
ただし［式５］において、「Ｎ1(ｒ,ｚ)」は第１レンズ１１の屈折率分布（半径方向及び光軸方向）を意味し、「Ｎ2(ｒ,ｚ)」は第２レンズ１２の屈折率分布（半径方向及び光軸方向）を意味するものである。またｔ1、ｔ2はそれぞれ第１レンズ１１、第２レンズ１２の中心厚さを意味する。
【００３７】
上記「第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1についての光軸方向に沿った二階微分と、第２レンズ１２の屈折率分布Ｎ2についての光軸方向に沿った二階微分とが正／負の関係となる」との条件を満たすことは、収差補正に関して、第１レンズ１１側と第２レンズ１２側とでバランスが取られていることを意味する。この結果、周辺の収差に対する補正効果を高めることができ、広い画角において分解能の向上が図られる。
【００３８】
また、本実施の形態において、ＧＲＩＮレンズとしては、いわゆるメタマテリアルレンズを用いることができる。
ここで、メタマテリアルは、一辺の長さが使用波長よりも短い単位セルで構成された人工構造物であり、上記単位セルが、その内部に導電体を有し、該導電体が誘電体で支持されて構成されるものである。
【００３９】
図４は、メタマテリアルを構成する単位セル１５の構造例を示している。
図４Ａ又は図４Ｂに示されるように、単位セル１５は、その内部に導電体１６を有している。この導電体１６が誘電体により支持されて、単位セル１５が形成されるものである。
【００４０】
このような単位セル１５が、図５に示されるようにＸ，Ｙ，Ｚの各方向に積層されて、メタマテリアル（メタマテリアルレンズ）が形成される。
【００４１】
ここで、メタマテリアルは、単位セル１５内の構造を制御し、入射波長に対する電気的共振と磁気的共振の何れか、又は双方を利用することで、使用波長の電磁波に対する誘電率と透磁率を制御することができる。
周知のように誘電率（ε）と透磁率（μ）の積の平方根が屈折率となるものである。
【００４２】
ここで、このようなメタマテリアルを用いない従来のＧＲＩＮレンズは、例えばイオン交換法やゾルゲル法などにより、材料の溶解中やゲル状の段階で電磁界を用いて金属イオンの分布をコントロールすることで作製されているが、このような従来のＧＲＩＮレンズでは、複雑な屈折率分布を形成することが困難とされる。このため、非球面形状の効果に相当するような屈折率分布を得ることが困難なものとされる。
【００４３】
また、半径方向に屈折率分布を持たせる場合、素子のもつ光学パワーは、半径方向の屈折率差と光軸方向の長さとで決定されるが、従来のＧＲＩＮレンズでは大きな屈折率差を得ることが困難とされ、結果として、径が小さく、光軸側に長い形状にしないと、十分な光学パワーを得ることができない可能性がある。
つまりその結果として、本実施の形態で例示している赤外線撮像光学系のように比較的明るさを必要とする撮像光学系への適用が、困難となる虞がある。
【００４４】
この点に鑑み、後述の各実施例では、ＧＲＩＮレンズとしてメタマテリアルレンズを用いるものとしている。
メタマテリアルレンズでは、上述のように誘電率と透磁率の積の平方根が屈折率となる。このため、単位セル内の構造を場所ごとに変えることにより、複雑な屈折率分布を比較的容易に作り出すことができる。
【００４５】
このことから、メタマテリアルレンズを用いることで、既存のＧＲＩＮレンズ作製法ではその実現に困難性があった、半径方向と光軸方向の屈折率分布の並存や、複雑な屈折率分布を容易に構成することが可能となる。
つまりこのことで、収差補正能力の高い高分解能な撮像光学系の設計が容易となるものである。
【００４６】
また、メタマテリアルレンズによれば大きな屈折率差も容易に実現できることから、各レンズ（特に集光を担う第２レンズ１２）の薄型化や大口径化が容易となる。この点より、光学系の明るさの向上を図る上で有利とできる。
【００４７】
ここで、メタマテリアルレンズとした場合、これを構成する単位セル１５の構造を工夫することで、偏光特性を制御することができる。
例えば先の図４Ａに示したように、単位セル１５内の構造がＺ軸（光軸方向）、及びＺ軸に垂直な面上にあるＸ軸及びＹ軸の３軸に対して対称な構造を有していれば、この単位セル１５は、等方的な屈折率を持つ。つまり、任意の偏光方向を持つ入射電磁波に対して、同じ屈折率を示すことになる。
通常、撮像光学系にはあらゆる偏光方向を含んだ電磁波が入射する。図４Ａに示す構造によれば、それら任意の偏光方向に対する屈折率を等しくできる。
【００４８】
或いは、図４Ｂに示されるようにＸ軸・Ｙ軸の２軸に対してのみ対称な構造とすることもできる。この場合、Ｘ−Ｙ平面に偏光をもつ電磁波に対する屈折率ＮX-Yと、Ｚ軸方向に偏光をもつ電磁波に対する屈折率ＮZは異なる値となる。
このとき、Ｘ−Ｙ平面に垂直に入射する電磁波、つまりＸ−Ｙ平面に平行な偏光をもつ電磁波に対しては屈折率ＮX-Yを示すが、Ｘ−Ｙ平面に垂直以外の角度を持って入射した電磁波や、Ｘ−Ｙ平面に垂直に入射してもその後屈折した電磁波に対しては、ＮX-YとＮZからなる屈折率楕円体と、その電磁波の方向ベクトルとで決定される屈折率を示すことになる。
これは、レンズ内の同じ場所に入射する電磁波でも、入射角が異なると屈折率が異なることを意味しており、特に画角の大きな撮像光学系の設計を行う場合には、一つの自由度とすることができる。
【００４９】
メタマテリアルレンズは、微細加工技術を用いて作製することができる。
例えば、誘電体製のプリント基板上に導電体構造をエッチングすることで単位セル１５を構成することができる。或いは、半導体プロセス（リソグラフィ、蒸着、エッチング等）を用いて作製しても良い。
また、液体・ゲル上の誘電体内に導電体構成を配置して後に、誘電体を硬化させる手法も開発されている。
本実施の形態において、メタマテリアルレンズの作製は、例えばこれら何れかの手法により行う。
【００５０】
図６を参照して、メタマテリアルレンズにおける具体的な屈折率分布の付与の手法について説明しておく。
図６において、先ず前提として、この場合における単位セル１５は略立方体形状とされ、その一辺の長さｍがおよそ１μｍとされているとする。
この場合、導電体１６はＣｕ（銅）であり、該導電体１６を支持する誘電体はＢａＦ2（フッ化バリウム）とされる。
【００５１】
このようにＢａＦ2によって単位セル１５内にＣｕの構造体を支持すると、Ｃｕの形状を変形させることにより、屈折率を変化させることができる。
例えばこの図の例では、Ｃｕの構造体として十字型の構造体を構成するものとしている。
十字型のＣｕが有する４つの手のそれぞれの幅ａは一定とする（例えばａ＝１８０ｎｍ）。このとき、十字の手の長さｂを図６Ａ，図６Ｂに示すように変化させると、該長さｂに応じて屈折率を調整できる
【００５２】
図７は、手の長さｂを変化させた際の屈折率の測定結果を示している。
具体的にこの図７では、手の長さｂをｂ＝３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲で１００ｎｍごとに変化させた際における波長（μｍ）に対する屈折率変化特性を示している。
この図７からも、手の長さｂによって屈折率を調整できることが分かる。
【００５３】
メタマテリアルレンズの屈折率分布は、このようなＣｕ板（導電体１６）の形状によって所要の屈折率が設定された単位セル１５を、先の図５に示したような積層体状に組み合わせることによって付与することができる。具体的に、単位セル１５の半径方向への積層により半径方向における屈折率分布Ｎ（ｒ）を付与でき、また光軸方向への積層により光軸方向における屈折率分布Ｎ（ｚ）を付与できるものである。
後述する各実施例においては、このような手法により所要の屈折率分布を持つメタマテリアルレンズを作製するものとした。
【００５４】
ここで、本実施の形態において、メタマテリアルレンズとしては、第１レンズ１１のみ、或いは第１レンズ１１と第２レンズ１２の双方に用いることができるが、特に第２レンズ１２にメタマテリアルレンズを用いるものとした場合、第２レンズ１２は、１枚のメタマテリアルレンズではなく複数枚のメタマテリアルレンズで構成することができる。
これまでの説明からも理解されるように、本実施の形態では、結像のための光学パワーを第２レンズ１２に集中させていることから、第２レンズ１２は厚くなる傾向となる。導電体構造や誘電体を積層してメタマテリアルレンズを作製する場合には、レンズ厚さが厚くなると、その分製造時間も長くなってしまう。
そこで、特に第２レンズ１２については、複数枚のメタマテリアルレンズから成るレンズ群で構成することで、製造時間の短縮化を図ることができる。すなわち、メタマテリアルレンズ１枚あたりの厚さを薄くできるので、個々のメタマテリアルレンズの製造時間を短縮化することができ、各レンズの製造を並行して行うものとすれば、第２レンズ１２の製造時間は１枚のメタマテリアルレンズで構成する場合よりも大幅に短縮化できるものである。
なお、このように複数のメタマテリアルレンズから成るレンズ群とする場合、個々のメタマテリアルレンズの厚さは、強度確保の観点より０．２ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００５５】
ところで、近年では、温度センサや人感センサとして遠赤外線を利用したデバイスが用いられるようになってきたが、これらは解像度が低い構成であり、サーモビュワーやナイトビジョンシステムのように撮像対象の形状まで結像するような光学系を有するデバイスは限られている。今後、デバイスの普及を多用途に広げていくためには、光学系の広画角化が要請される。具体的には、少なくとも画角２５°を越えるものが望ましいものとなる。
後述する具体的な実施例においては、この点を考慮して光学系の設計を行っている。
【００５６】
また、遠赤外光やテラヘルツ波はエネルギーが低いため、可視光で使用している撮像素子は使用できず、イメージセンサ３の感度は比較的低いものとなる。従って、より多くの光量を集光するためにもＦ値は高いことが望ましく、例えばＦ値＝１．８以下の構成とすることが望ましい。
また、温度分布測定等の解像度の必要な用途においては、集光量を上げ分解能の向上を図るべく、Ｆ値＝１．３以下とすることが望ましい。
以下の各実施例においては、このようなＦ値に係る要請も考慮して光学系の設計を行っている。
【００５７】
＜２．具体的な実施例＞
［2-1．実施例１］
図８は、実施例１としての撮像光学系の構成を示している。
なお図８において、図中の面Ｓimgは、図１（及び図２）に示したイメージセンサ３の撮像面を表す（以下、撮像面Ｓimgと表記）。
また図８では赤外光（遠赤外光：中心波長１０μｍ）の光線も併せて示している。
図中の短破線で示す光線は像高０．０ｍｍに集光する光線を表し、丸破線で示す光線は像高１．５ｍｍに集光する光線を表している。また実線で示す光線は像高３．５ｍｍに、長破線で示す光線は像高５．０ｍｍにそれぞれ集光する光線を表す。
【００５８】
本実施例においては、第１レンズ１１、第２レンズ１２の双方にメタマテリアルレンズを用いるものとしている。
そして本実施例では、これら第１レンズ１１、第２レンズ１２の双方とも、半径方向にのみ屈折率分布を与えるものとし、光軸方向への屈折率分布付与は行っていない。
具体的に、この場合に設定した第１レンズ１１、第２レンズ１２の各係数を以下に示す。
第１レンズ１１
ｔ1：０．５１ｍｍ
Ｎ10＝１．５
ｎｒ12＝−０．００４５６１９
ｎｒ14＝２．６３４１×１０-5
ｎｒ16＝３．９０８３×１０-8
ｎｚ11＝０
ｎｚ12＝０
ｎｚ13＝０
第２レンズ１２
ｔ2：２０．９８ｍｍ
Ｎ20＝１．７
ｎｒ22＝−０．００１４２２６
ｎｒ24＝１．５２０７×１０-7
ｎｒ26＝−２．４７５９×１０-10
ｎｚ11＝０
ｎｚ12＝０
ｎｚ13＝０
ただし、ｔ1、ｔ2はそれぞれ第１レンズ１１、第２レンズ１２の中心厚さである。
また、Ｎ20は第２レンズ１２の基準屈折率である。
【００５９】
撮像光学系の構成としては、物体−開口絞り１０間の距離を９０００ｍｍ、開口絞り１０−第１レンズ１１間の距離を０ｍｍ、第１レンズ１１−第２レンズ１２間の距離を１２．２７ｍｍ、第２レンズ１２−センサ窓１３間の距離を９．６０ｍｍ、センサ窓１３−撮像面Ｓimg間の距離を０．９５ｍｍとしている。
センサ窓１３は、厚み１．０ｍｍのＳｉ（シリコン）製であり、波長１０μｍにおける屈折率は３．４２である。
光学系全体の焦点距離ｆは１９ｍｍであり、開口絞り１０の直径は１８．１ｍｍで、Ｆ値＝１．０６、水平画角２３．８度を実現している。
【００６０】
ここで、第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1を半径方向位置Ｒで二階微分した値は、
【数６】
2013171969.tif 000008
と表される。
実施例１では、ｎｒ14とｎｒ16の値が正であるため、この場合における屈折率分布Ｎ1の半径方向に対する二階微分は、図９にそのグラフを示すように、単調増加となる（Ｒの増加に対し単調増加）。
【００６１】
また、第２レンズ１２単体の焦点距離ｆ2は、ＧＲＩＮレンズの焦点距離の公式より、ｎｒ22が負のとき、以下によって与えられるものである。
【数７】
2013171969.tif 000009
【００６２】
この［式７］と、この場合の第２レンズ１２に設定した係数ｎｒ22＝−０．００１４２２６とによると、実施例１における焦点距離ｆ2は１９．０と計算される。
従って、ｆ2／ｆ＝１．０であり、前述した「０．９≦ｆ2／ｆ≦１．１」による条件を満たす。つまりこのことから、収差（コマ収差及びアス収差）を抑制する構成となっていることが分かる。
【００６３】
図１０は、実施例１の撮像光学系についての各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示している。
なおこの図１０を始めとして以降で示すＭＴＦ図（図１３，１８，２１，２４）の共通事項として、図中の短波線は像高０．０ｍｍの特性、丸波線は像高１．５ｍｍの特性、実線は像高３．５ｍｍの特性を表す。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。
【００６４】
ここで、像高５．０ｍｍを１０割とした場合、０割にあたる像高０．０ｍｍと、３割にあたる像高１．５ｍｍとで、２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍにおけるＭＴＦ値が０．３以上となり、且つ、７割にあたる像高３．５ｍｍで１０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍにおけるＭＴＦ値が０．３以上となることが望ましい。
【００６５】
本実施例では、上記の設計によって、像高０．０ｍｍにおける２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍにおけるＭＴＦ値（タンジェンシャル及びサジタル）が０．６８８、像高１．５ｍｍにおける２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．６２１、サジタル値０．６３１、像高３．５ｍｍにおける１０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．６６１、サジタル値０．４８２と、高い分解能が得られている。
【００６６】
上記により説明した実施例１によれば、２枚のＧＲＩＮレンズを使用することにより、レンズの枚数を抑えながら、球面収差、コマ収差、アス収差という種々の収差を抑制して、高分解能な画像を得ることができる。
また、ＧＲＩＮレンズをメタマテリアルによって作製することにより、高次数の屈折率分布や、半径方向と光軸方向にともに屈折率分布をもつレンズが実現可能となり、Ｆ値が小さく、画角の広い、さらに入射光の偏光方向を考慮した光学系を構成できる。
【００６７】
［2-2．実施例２］
図１１は、実施例２としての撮像光学系の構成を示している。
なお、図１１においても各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）に集光する赤外光の光線を併せて示している。この場合も像高０．０ｍｍ＝短破線、像高１．５ｍｍ＝丸破線、像高３．５ｍｍ＝実線、像高５．０ｍｍ＝長破線となる。
【００６８】
この図１１に示す実施例２としての撮像光学系においても、第１レンズ１１、第２レンズ１２の双方にメタマテリアルレンズを用いるものとしている。
実施例２では、第１レンズ１１が半径方向に対してのみ屈折率分布が付与され、第２レンズ１２には、半径方向と光軸方向の双方に対して屈折率分布を与えるものとしている。
実施例２における第１レンズ１１、第２レンズ１２の係数は以下の通りである。
第１レンズ１１
ｔ1：１．４５ｍｍ
Ｎ10＝１．５
ｎｒ12＝−０．００２６９７９
ｎｒ14＝８．３０００×１０-6
ｎｒ16＝１．３７０８×１０-8
ｎｚ11＝０
ｎｚ12＝０
ｎｚ13＝０
第２レンズ１２
ｔ2：２２．１ｍｍ
Ｎ20＝１．７
ｎｒ22＝−０．００１２９１７
ｎｒ24＝６．０５９２×１０-8
ｎｒ26＝−１．０５０４×１０-10
ｎｚ11＝０．１８７１５
ｎｚ12＝−０．０１０４９２
ｎｚ13＝０．０００１６２０４
【００６９】
実施例２の場合も、物体−開口絞り１０間の距離は９０００ｍｍ、開口絞り１０−第１レンズ１１間の距離は０ｍｍである。この場合、第１レンズ１１−第２レンズ１２間の距離は１３．４７ｍｍ、第２レンズ１２−センサ窓１３間の距離は１０．５４ｍｍ、センサ窓１３−撮像面Ｓimg間の距離は０．９５ｍｍとしている。
実施例２においてもセンサ窓１３は厚み１．０ｍｍのＳｉ製であり、波長１０μｍにおける屈折率は３．４２である。
この場合も光学系全体の焦点距離ｆは１９ｍｍ、開口絞り１０の直径は１８．１ｍｍであり、Ｆ値＝１．０６、水平画角２３．８度を実現している。
【００７０】
この実施例２の光学系においても、第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1を半径方向位置Ｒに沿って二階微分した値は、単調増加となる。
すなわち、実施例２においても、ｎｒ14とｎｒ16の値が正のため、図１２にグラフ化して示すように、第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1の半径方向に対する二階微分はＲの増加に対して単調増加となる。
【００７１】
また実施例２において、第２レンズ１２単体の焦点距離ｆ2は、この場合に設定されたｎｒ22＝−０．００１２９１７と先の［式７］とにより１９．８８と計算される。従ってｆ2／ｆ＝１．０５である。
よって、この場合も「０．９≦ｆ2／ｆ≦１．１」の条件を満たし、コマ収差及びアス収差を抑制する構成となっている。
【００７２】
図１３は、実施例２の撮像光学系についての各像高（像高１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示している。
実施例２の場合、像高０．０ｍｍにおける２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦ値（タンジェンシャル及びサジタル）が０．６８７、像高１．５ｍｍにおける２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．６６４、サジタル値０．７１５、像高３．５ｍｍにおける１０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．８２４、サジタル値０．７８１と、高い分解能が得られる。
【００７３】
上記による実施例２によっても、２枚のＧＲＩＮレンズを使用することにより、レンズの枚数を抑えながら、球面収差、コマ収差、アス収差という種々の収差を抑制して、高分解能な画像を得ることができる。また、ＧＩＲＮレンズとしてメタマテリアルレンズを用いることで、高次数の屈折率分布や、半径方向と光軸方向にともに屈折率分布をもつレンズが実現可能となり、Ｆ値が小さく、画角の広い、さらに入射光の偏光方向を考慮した光学系を構成できる。
【００７４】
［2-3．実施例３］
図１４は、実施例３としての撮像光学系の構成を示している。
なお、図１３においても各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）に集光する赤外光の光線を併せて示している。この場合も像高０．０ｍｍ＝短破線、像高１．５ｍｍ＝丸破線、像高３．５ｍｍ＝実線、像高５．０ｍｍ＝長破線となる。
【００７５】
図１４に示す実施例３としての撮像光学系においても、第１レンズ１１、第２レンズ１２の双方にメタマテリアルレンズを用いるものとしている。
実施例３では、第１レンズ１１、第２レンズ１２の双方について、半径方向と光軸方向の双方に対する屈折率分布の付与を行うものとしている。
実施例３における第１レンズ１１、第２レンズ１２の係数は以下の通りである。
第１レンズ１１
ｔ1：０．３２ｍｍ
Ｎ10＝１．５
ｎｒ12＝−０．００８４０９９
ｎｒ14＝４．５９１５×１０-5
ｎｒ16＝２．３２４９×１０-8
ｎｚ11＝−１１．２７９
ｎｚ12＝５４．６６０
ｎｚ13＝−５３．０３８
第２レンズ１２
ｔ2：２１．５９ｍｍ
Ｎ20＝１．７
ｎｒ22＝−０．００１３３６５
ｎｒ24＝１．０５８０×１０-7
ｎｒ26＝−２．０８８０×１０-10
ｎｚ11＝０．１６５８７
ｎｚ12＝−０．０１１００７
ｎｚ13＝０．０００１３７１５
【００７６】
実施例３においても、物体−開口絞り１０間の距離は９０００ｍｍ、開口絞り−第１レンズ１１間の距離は０ｍｍである。またこの場合、第１レンズ１１−第２レンズ１２間の距離は１３．０６ｍｍ、第２レンズ１２−センサ窓１３間の距離は１０．３８ｍｍ、センサ窓１３−撮像面Ｓimg間の距離は０．９５ｍｍである。
この場合もセンサ窓１３は厚み１．０ｍｍのＳｉ製であり、波長１０μｍにおける屈折率は３．４２である。
本実施例においても、光学系全体の焦点距離ｆは１９ｍｍ、開口絞りの直径は１８．１ｍｍであり、Ｆ値＝１．０６、水平画角２３．８度を実現している。
【００７７】
この実施例３においても、第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1を半径方向位置Ｒに沿って二階微分した値は、単調増加となる。
すなわち、この場合もｎｒ14とｎｒ16の値が正のため、図１５にグラフ化して示すように、屈折率分布Ｎ1の半径方向に対する二階微分はＲの増加に対して単調増加となる。
【００７８】
また実施例３において、第２レンズ１２単体の焦点距離ｆ2は、ｎｒ22＝−０．００１３３６５と先の［式７］とにより１９．６４と計算される。従ってｆ2／ｆ＝１．０３である。
よって、この場合も「０．９≦ｆ2／ｆ≦１．１」を満たし、コマ収差とアス収差を抑制する構成となっている。
【００７９】
ここで、実施例３では、第１レンズ１１と第２レンズ１２の双方において、光軸方向への屈折率分布が与えられている。
第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1の光軸方向位置Ｚに対する二階微分は、
【数８】
2013171969.tif 000010
である。
図１６は、上記［式８］をグラフ化して示しているが、この図１６に示されるように、［式８］は第１レンズ１１の厚さＺ＝０〜０．３２ｍｍの範囲で常に正となる。
【００８０】
一方、第２レンズ１２の屈折率分布Ｎ2の光軸方向位置Ｚに対する二階微分は、
【数９】
2013171969.tif 000011
である。
図１７に上記［式９］をグラフ化して示すが、この図１７にあるように［式９］は第２レンズ１２の厚さＺ＝０〜２１．５９ｍｍの範囲で常に負となっている。
【００８１】
よって、ｚ＝ｔ1／２において上記［式８］は正となり、ｚ＝ｔ2／２において上記［式９］は負となる。
すなわち、実施例３は、前述した「第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1についての光軸方向に沿った二階微分と、第２レンズ１２の屈折率分布Ｎ2についての光軸方向に沿った二階微分とが正／負の関係となる」との条件を満たすものである。
【００８２】
図１８は、実施例３の撮像光学系についての各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示している。
実施例３では、像高０．０ｍｍにおける２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦ値（タンジェンシャル及びサジタル）が０．７１８、像高１．５ｍｍにおける２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．６５５、サジタル値０．６５８、像高３．５ｍｍにおける１０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．６９２、サジタル値０．７０７と、高い分解能が得られる。
【００８３】
この実施例３によっても、２枚のＧＲＩＮレンズを使用することにより、レンズの枚数を抑えながら球面収差、コマ収差、アス収差という種々の収差を抑制して、高分解能な画像を得ることができる。また、この場合もＧＩＲＮレンズとしてメタマテリアルレンズを用いることで、高次数の屈折率分布や、半径方向と光軸方向にともに屈折率分布をもつレンズが実現可能となり、Ｆ値が小さく、画角の広い、さらに入射光の偏光方向を考慮した光学系を構成できる。
【００８４】
［2-4．実施例４］
図１９は、実施例４としての撮像光学系の構成を示している。
なお、図１９においても各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）に集光する赤外光の光線を併せて示している。この場合も像高０．０ｍｍ＝短破線、像高１．５ｍｍ＝丸破線、像高３．５ｍｍ＝実線、像高５．０ｍｍ＝長破線となる。
【００８５】
実施例４としての撮像光学系も、第１レンズ１１、第２レンズ１２の双方にメタマテリアルレンズを用いるものとしている。
実施例４は、図示するように第２レンズ１２を複数のメタマテリアルレンズ１２ａで構成するようにしたものである。
具体的に、この場合の第２レンズ１２は、２０枚のメタマテリアルレンズ１２ａの個々を所定間隔を空けて光軸方向に配列させて成る。本例において、各メタマテリアルレンズ１２ａの間隔は０．２ｍｍとした。
【００８６】
この実施例４では、先の実施例２と同様に、第１レンズ１１、第２レンズ１２の双方が半径方向への屈折率分布を持つが、第２レンズ１２側にのみ光軸方向への屈折率分布を付与するものとしている。
【００８７】
実施例４における第１レンズ１１、第２レンズ１２の係数は以下の通りである。
第１レンズ１１
ｔ1：１．０ｍｍ
Ｎ10＝１．５
ｎｒ12＝−０．００３０８９２
ｎｒ14＝１．４３１１×１０-5
ｎｒ16＝１．７８９３×１０-8
ｎｚ11＝０．０
ｎｚ12＝０．０
ｎｚ13＝０．０
第２レンズ１２を構成する個々のメタマテリアルレンズ１２ａ
ｔ2：１．０ｍｍ
Ｎ20＝１．７
ｎｒ22＝−０．００１４３０３４０４
ｎｒ24＝６．８７５０×１０-8
ｎｒ26＝−９．９２７６×１０-11
ｎｚ11＝２１．９１５
ｎｚ12＝−１３．６０９
ｎｚ13＝４．３７０８
確認のため述べておくと、この場合、上記ｔ2は１枚のメタマテリアルレンズ１２ａの中心厚さを表すものとなる。
【００８８】
ここで、上記の設定値からも理解されるように、本例では、第２レンズ１２を構成する各レンズ１２ａは同じ設計のレンズとしている。
このように各レンズを同じ設計とすれば、製造効率の向上を図ることができ、結果としてコストの削減に繋がる。
【００８９】
また本例では、第１レンズ１１と、第２レンズ１２を構成する各メタマテリアルレンズ１２ａとについて、それぞれの厚さを１．０ｍｍに共通化している。これにより、前述のような単位セル構造を積層してメタマテリアルレンズを作製する手法を採る場合に、各レンズを効率的に作製できる。
【００９０】
実施例４においても、物体−開口絞り１０間の距離は９０００ｍｍ、開口絞り１０−第１レンズ１１間の距離は０ｍｍである。この場合、第１レンズ１１−第２レンズ１２間の距離は１５．２２ｍｍ、第２レンズ１２−センサ窓１３間の距離は１１．８５ｍｍ、センサ窓１３−撮像面Ｓimg間の距離は０．９５ｍｍとしている。
この場合もセンサ窓１３は厚み１．０ｍｍのＳｉ製であり、波長１０μｍにおける屈折率は３．４２である。
またこの場合、光学系全体の焦点距離ｆは１８．６４ｍｍであり、開口絞りの直径は１７．７５ｍｍである。
実施例４では、Ｆ値＝１．０５、水平画角２４．２度を実現している。
【００９１】
この実施例４において、第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1を半径方向位置Ｒに沿って二階微分した値は、この場合もｎｒ14とｎｒ16の値が正のため、図２０にグラフ化して示すように、Ｒの増加に対して単調増加となる。
【００９２】
またこの場合、第２レンズ１２の焦点距離ｆ2は１８．６０ｍｍとしている。本例では光学系全体の焦点距離ｆが１８．６４ｍｍであるため、ｆ2／ｆ＝０．９９８である。
よって、この場合も「０．９≦ｆ2／ｆ≦１．１」の条件を満たし、コマ収差とアス収差を抑制する構成となっている。
【００９３】
図２１は、実施例４の撮像光学系についての各像高（像高１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示している。
実施例４の場合、像高０．０ｍｍにおける２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦ値（タンジェンシャル及びサジタル）が０．７２７、像高１．５ｍｍにおける２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．６９５、サジタル値０．７１９、像高３．５ｍｍにおける１０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．８１１、サジタル値０．８５２と、高い分解能が得られる。
【００９４】
実施例４によっても、ＧＲＩＮレンズを使用することにより、球面収差、コマ収差、アス収差という種々の収差を抑制して、高分解能な画像を得ることができる。また、この場合もＧＩＲＮレンズとしてメタマテリアルレンズを用いることで、高次数の屈折率分布や、半径方向と光軸方向にともに屈折率分布をもつレンズが実現可能となり、Ｆ値が小さく、画角の広い、さらに入射光の偏光方向を考慮した光学系を構成できる。
【００９５】
ところで、実施例４の第２レンズ１２については、これを構成する各メタマテリアルレンズ１２ａを、間隔を空けずに配置することもできる。
この際、例えば各レンズ１２ａの平面度のばらつき等に起因して、各レンズ１２ａを隙間無く密着させて配置することが困難な場合がある。各レンズ１２ａの間に不要な隙間が生じた場合、光干渉が生じる虞があり、この点を考慮すれば、各レンズ１２ａは所定の間隔を空けて配置することが望ましいと言える。
【００９６】
ここで、第２レンズ１２を構成する各レンズ１２ａを所定間隔を空けて配置した場合には、各レンズ１２ａの間において、空気との屈折率差により反射が生じることになる。このような反射による光量ロスを低減するために、各レンズ１２ａに反射防止加工を施すことが望ましい。
例えば各メタマテリアルレンズ１２ａの両面に反射防止膜を成膜するなどの手法を採ることができる。
【００９７】
或いは、反射防止は、反射防止膜の成膜ではなく、メタマテリアルレンズ１２ａの構造を工夫することで実現することもできる。
ここで、メタマテリアルレンズ１２ａを構成する単位セル１５は、その誘電率と透磁率の積を保ちつつ、誘電率と透磁率の比を調整することで、隣接する物質と同じインピーダンスを持ちながら異なる屈折率を持たせることが可能である。このような性質を利用すれば、メタマテリアルレンズ１２ａと空気との境界面での反射を抑制することができる。
具体的に、単位セル１５内の構造を、誘電率εと透磁率μが等しくなるように構成すると、屈折率ｎ＝（εμ）１／２を調整しながら、インピーダンスＺ＝（μ／ε）１／２＝１とすることができ、空気との境界面におけるフレネル反射を抑えることができるものである。
【００９８】
なお、このようにメタマテリアルレンズの構造自体により反射防止効果を得る構成は、第１レンズ１１側にも採用することができ、また、先の実施例１等のように第２レンズ１２を１枚のメタマテリアルレンズで構成する場合における当該メタマテリアルレンズにも適用できるものである。
【００９９】
［2-5．実施例５］
図２２は、実施例５としての撮像光学系の構成を示している。
なお、図２２においても各像高（０．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）に集光する赤外光の光線を併せて示している。この場合も像高０．０ｍｍ＝短破線、像高１．５ｍｍ＝丸破線、像高３．５ｍｍ＝実線、像高５．０ｍｍ＝長破線となる。
【０１００】
図２２に示されるように、実施例５の撮像光学系は、先の実施例１〜３と同様に、第１レンズ１１及び第２レンズ１２をそれぞれ１枚のレンズで構成するものとしている。
この場合も第１レンズ１１、第２レンズ１２の双方にメタマテリアルレンズを用いるものとしている。
また実施例５では、先の実施例１と同様に、第１レンズ１１、第２レンズ１２の双方に半径方向にのみ屈折率分布を持たせるものとしている。
【０１０１】
実施例５は、以下の設計により、特に色収差の抑制を図ったものとなる。
実施例５で設定した第１レンズ１１、第２レンズ１２の係数を以下に示す。
第１レンズ１１
ｔ1：０．４ｍｍ
Ｎ10＝１．５
ｎｒ12＝−０．０１１
ｎｒ14＝３．２９６２×１０-5
ｎｒ16＝４．３９１１×１０-8
ｎｚ11＝０
ｎｚ12＝０
ｎｚ13＝０
第２レンズ１２
ｔ2：１６．０７ｍｍ
Ｎ20＝１．７
ｎｒ22＝−０．００１８０２７
ｎｒ24＝２．５７０２×１０-7
ｎｒ26＝−３．７３３４×１０-10
ｎｚ11＝０
ｎｚ12＝０
ｎｚ13＝０
【０１０２】
また、実施例５においても、物体−開口絞り１０間の距離は９０００ｍｍ、開口絞り１０−第１レンズ１１間の距離は０ｍｍである。
この場合、第１レンズ１０−第２レンズ１２間の距離は１４．２ｍｍ、第２レンズ１２−センサ窓１３間の距離は９．６５ｍｍ、センサ窓１３−撮像面Ｓimg間の距離は０．９５ｍｍとしている。
この場合もセンサ窓１３は厚み１．０ｍｍのＳｉ製であり、波長１０μｍにおける屈折率は３．４２である。
本例の場合、光学系全体の焦点距離ｆは１９ｍｍであり、開口絞りの直径は１８．１ｍｍで、Ｆ値＝１．０６、水平画角２３．８度を実現している。
【０１０３】
実施例５の光学系においても、第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1を半径方向位置Ｒで二階微分した値は、単調増加となる。すなわち、実施例５においても、ｎｒ14とｎｒ16の値が正のため、図２３にグラフ化して示すように、第１レンズ１１の屈折率分布Ｎ1の半径方向に対する二階微分はＲの増加に対して単調増加となる。
【０１０４】
また実施例５において、第２レンズ１２単体の焦点距離ｆ2は、この場合に設定されたｎｒ22＝−０．００１８０２７と先の［式７］とにより１８．９４と計算される。従ってこの場合、ｆ2／ｆ＝１．００３であり、「０．９≦ｆ2／ｆ≦１．１」の条件を満たし、コマ収差及びアス収差を抑制する構成となっている。
【０１０５】
図２４は、実施例５の撮像光学系についての各像高（像高１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示している。
実施例５の場合、像高０．０ｍｍにおける２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦ値（タンジェンシャル及びサジタル）が０．６７６、像高１．５ｍｍにおける２０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．５８３、サジタル値０．６６７、像高３．５ｍｍにおける１０ｌｉｎｅ  ｐａｉｒｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．５８８、サジタル値０．４７５と、高い分解能が得られている。
【０１０６】
実施例５によっても、２枚のＧＲＩＮレンズを使用することにより、レンズの枚数を抑えながら球面収差、コマ収差、アス収差という種々の収差を抑制して高分解能な画像を得ることができる。
また、この場合もＧＩＲＮレンズとしてメタマテリアルレンズを用いることで、高次数の屈折率分布や、半径方向と光軸方向にともに屈折率分布をもつレンズが実現可能となり、Ｆ値が小さく、画角の広い、さらに入射光の偏光方向を考慮した光学系を構成できる。
【０１０７】
ここで、これまでで説明した各実施例においては、上述のように第２レンズ１２の焦点距離ｆ2について「０．９≦ｆ2／ｆ≦１．１」の条件を満すため、第１レンズ１１の集光パワーを決定する係数ｎｒ12は、ほぼ０に等しい値となる。
【０１０８】
しかしながら、この係数ｎｒ12を０に対してより小さな値とすることで、色収差を軽減することができる。
【０１０９】
色収差を抑制するには色分散の小さい材料を使用すれば良いことは自明であるが、例えば各実施例にて用いるメタマテリアルレンズのように、先の図７に示したような屈折率変化特性をもつメタマテリアル材料を使用した場合を考える。
図７において、このメタマテリアル材料では、波長１０μｍに対して屈折率１．５を持つ構造部分は、波長１２μｍに対しては１．４７０１の屈折率を持つ。また波長１０μｍで屈折率１．７となる構造部分は、波長１２μｍで１．６５９９の屈折率を持つ。
このとき、ｎｒ12の値が−０．００４５６１９である実施例１では色収差が０．８８ｍｍであるのに対し、ｎｒ12の値が−０．０１１である実施例５では、色収差が０．８２ｍｍとなり、色収差が改善されるものとなる。
【０１１０】
よって、より色分散の小さい材料又はメタマテリアル材料を用い、ｎｒ12の値を０に対してより小さくすることで、より色収差を抑制した設計が可能であることが分かる。
なお、ｎｒ12の値のみについてみれば、色収差の抑制効果を得るにあたっては、少なくとも「ｎｒ12＜０」とすればよいものである。
【０１１１】
＜３．変形例＞
以上、本技術の撮像光学系及び撮像装置に係る実施形態について説明したが、本技術としてはこれまでで説明した具体例に限定されるべきものではない。
例えば、各実施例においては、本技術が赤外線画像（波長８μｍ〜１２μｍ程度）の撮像に適用される場合を例示したが、本技術は、テラヘルツ波の撮像にも好適に適用できる。
テラヘルツ波の撮像光学系としては、例えば被写体に対しレーザ光を照射してテラヘルツ波を発生させ、該発生させたテラヘルツ波を開口絞り１０を介して入射するように構成すればよい。開口絞り１０以降の構成は、これまでで説明したものと同様でよい。またイメージセンサ３については、テラヘルツ波に対する感度を有するものを用いる。
【０１１２】
また、これまでの説明では、開口絞り１０と第１レンズ１１との間の距離を０とする場合を例示したが、球面収差補正効果の向上を図る上では、第１レンズ１１は開口絞り１０にできるだけ近接して配置されればよい。
【０１１３】
また、第２レンズ１２を複数枚のメタマテリアルレンズ１２ａで構成する場合において、先の実施例４では、各レンズ１２ａを同じ設計とする場合のみを例示したが、それぞれ別の設計のレンズを用いる、或いは同じ設計と別の設計のレンズとを組み合わせることも勿論可能である。
【０１１４】
また、本技術は以下に示す構成を採ることもできる。
（１）
開口絞り付近に設けられ収差補正を担う第１のレンズと、
上記第１のレンズと撮像素子との間に配置されて集光を担う第２のレンズと
を備えると共に、
上記第１のレンズが屈折率分布型レンズとされる
撮像光学系。
（２）
上記第２レンズの焦点距離が当該撮像光学系の全体焦点距離と略一致している上記（１）に記載の撮像光学系。
（３）
上記第１のレンズは、
その屈折率分布についての半径方向に沿った二階微分が単調増加となるように設計されている
上記（２）に記載の撮像光学系。
（４）
上記第２のレンズが屈折率分布型レンズとされる上記（３）に記載の撮像光学系。
（５）
上記第１のレンズ又は上記第２のレンズの何れかが光軸方向への屈折率分布をもつ上記（４）に記載の撮像光学系。
（６）
上記第１のレンズと上記第２のレンズの双方が、光軸方向への屈折率分布をもち、
上記第１のレンズの屈折率分布についての光軸方向に沿った二階微分と、上記第２のレンズの屈折率分布についての光軸方向に沿った二階微分とが、正／負の関係となるように設計されている
上記（４）に記載の撮像光学系。
（７）
上記第１のレンズ又は上記第２のレンズのうちの何れか一方がメタマテリアルレンズを有して構成される
上記（４）乃至（６）何れかに記載の撮像光学系。
（８）
上記メタマテリアルレンズは、その内部の任意の一点において、光軸に垂直な任意の偏光方向に対する屈折率が等しくなるように構成されている
上記（７）に記載の撮像光学系。
（９）
上記メタマテリアルレンズは、その内部の任意の一点において、任意の偏光方向に対する屈折率が等しくなるように構成されている
上記（７）に記載の撮像光学系。
（１０）
上記第２のレンズが複数枚のメタマテリアルレンズで構成されている上記（７）乃至（９）何れかに記載の撮像光学系。
（１１）
上記第２のレンズを構成する各上記メタマテリアルレンズが所定間隔を空けて配列されている
上記（１０）に記載の撮像光学系。
（１２）
上記第１のレンズの屈折率分布が
【数１０】
2013171969.tif 000012
（ただし、ｒは半径方向位置、ｚは光軸方向位置を表し、Ｎ10は上記第１のレンズの基準屈折率、ｎｒ1jは屈折率分布式内のｒjの項の係数、ｎｚ1kは屈折率分布式内のｚkの項の係数である。ｊは偶数、ｋは整数とする。）
で表されるとき、
【数１１】
2013171969.tif 000013
である上記（１）乃至（１１）何れかに記載の撮像光学系。
（１３）
赤外線の像を結像する上記（１）乃至（１２）何れかに記載の撮像光学系。
（１４）
テラヘルツ波の像を結像する上記（１）乃至（１２）何れかに記載の撮像光学系。
【符号の説明】
【０１１５】
１  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、１０  開口絞り、１１  第１レンズ、１２  第２レンズ、１３  センサ窓、１５  単位セル、１６  導電体、Ｓimg  撮像面
【図１】
2013171969.tif 000016
【図２】
2013171969.tif 000017
【図３】
2013171969.tif 000018
【図５】
2013171969.tif 000019
【図７】
2013171969.tif 000020
【図８】
2013171969.tif 000021
【図９】
2013171969.tif 000022
【図１０】
2013171969.tif 000023
【図１１】
2013171969.tif 000024
【図１２】
2013171969.tif 000025
【図１３】
2013171969.tif 000026
【図１４】
2013171969.tif 000027
【図１５】
2013171969.tif 000028
【図１６】
2013171969.tif 000029
【図１７】
2013171969.tif 000030
【図１８】
2013171969.tif 000031
【図１９】
2013171969.tif 000032
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図４】
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【図６】
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【国際調査報告】
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