(57)【要約】【課題】  バックフォーカスを焦点距離と同程度かそれ以上長くして十分に長さを確保し、かつ周辺性能と適度なコンパクト性とを満足しつつ開口効率１００％を達成することができる、特に波長域８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適した赤外線カメラ用レンズを提供する。【解決手段】  物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズからなる第１レンズＬ１と正の屈折力を持つ第２レンズＬ２とで構成された負の第１レンズ群Ｇ１と、像側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第３レンズＬ３と物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第４レンズＬ４とで構成された正の第２レンズ群Ｇ２とを備え、以下の条件を満足する。ただし、Ｄ４は第２レンズＬ２の像側の面から第３レンズＬ３の物体側の面までの光軸上の距離、ｆは全系の焦点距離を示す。  １＜Ｄ４／ｆ＜３  ……（１）【選択図】      図１
2005173346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側から順に、
負の屈折力を持つ第１レンズ群と、
正の屈折力を持つ第２レンズ群と
を備え、
前記第１レンズ群は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズからなる第１レンズと、正の屈折力を持つ第２レンズとで構成され、
前記第２レンズ群は、物体側から順に、像側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第３レンズと、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第４レンズとで構成され、
かつ、以下の条件式（１）を満足するように構成されている
ことを特徴とする赤外線カメラ用レンズ。
１＜Ｄ４／ｆ＜３  ……（１）
ただし、
Ｄ４：第２レンズの像側の面から第３レンズの物体側の面までの光軸上の距離
ｆ：全系の焦点距離
【請求項２】
さらに、以下の条件式（２）を満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線カメラ用レンズ。
−０．３＜Φ１／Φ２＜０  ……（２）
ただし、
Φ１：第１レンズ群の屈折力
Φ２：第２レンズ群の屈折力
【請求項３】
さらに、以下の条件式（３）を満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線カメラ用レンズ。
−２．０＜ｆＬ１／ｆ＜−１．２  ……（３）
ただし、
ｆＬ１：第１レンズの焦点距離
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線カメラに用いられるレンズに関し、特に波長８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適した赤外線カメラ用レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば暗所での撮影や物体の温度分布の観測などを行うために、赤外線カメラが利用されている。赤外線カメラでは一般に、３μｍ〜５μｍ帯または８μｍ〜１２μｍ帯の波長域を使用することが多い。また、赤外線カメラ用の光学系では、最終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などが挿入される場合がある。このため、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。
【０００３】
赤外線カメラ用に開発されたレンズの従来技術としては、例えば以下の特許文献１に記載のものがある。この特許文献１には、赤外線用対物光学系として、４群４枚構成の単焦点レンズの例が記載されている。この特許文献１に記載のレンズは、Ｆ値が１．０と明るい光学系で、バックフォーカスが焦点距離に対して０．７〜０．９倍程度と比較的長い光学系を実現している。
【特許文献１】特許第３３２６９００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、この特許文献１に記載の光学系は、波長域として３μｍ〜５μｍ帯の赤外線を対象に設計されているため、そのままでは８μｍ〜１２μｍ帯用の光学系として使用することはできない。また、そのままの構成では、バックフォーカスをより長く、例えばバックフォーカスが焦点距離と同程度以上必要となる場合には、実現が困難である。
【０００５】
ところで、一般に赤外線用光学系では、被写体からの赤外線以外にも、レンズ鏡筒やカメラ筐体自身が放射する不要な赤外線成分が撮像素子に入射してしまい、それがノイズとして検出されてしまうという問題がある。特に、開口効率の低い光学系では、中心部に比べて周辺部において上記不要な赤外線が多く含まれることとなり、像周辺部においてノイズが多く検出されてしまう。したがって、像周辺部におけるノイズを低減するためには、開口効率が１００％近くであることが望ましい。上記特許文献１に記載の光学系は、開口効率が１００％ではなく、周辺の光束をレンズの外径で蹴ってしまっている。この光学系を開口効率１００％にしようとすると、前玉の外径が非常に大きくなり、周辺の性能も満足なものではなくなってしまう。このため、周辺性能と適度なコンパクト性とを満足しつつ、開口効率１００％の光学系の開発が望まれる。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、バックフォーカスを焦点距離と同程度かそれ以上長くして十分に長さを確保し、かつ周辺性能と適度なコンパクト性とを満足しつつ開口効率１００％を達成することができる、特に波長域８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適した赤外線カメラ用レンズを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による赤外線カメラ用レンズは、物体側から順に、負の屈折力を持つ第１レンズ群と、正の屈折力を持つ第２レンズ群とを備え、第１レンズ群が、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズからなる第１レンズと、正の屈折力を持つ第２レンズとで構成され、第２レンズ群が、物体側から順に、像側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第３レンズと、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第４レンズとで構成され、かつ、以下の条件式（１）を満足するように構成されているものである。
【０００８】
１＜Ｄ４／ｆ＜３  ……（１）
ただし、Ｄ４は第２レンズの像側の面から第３レンズの物体側の面までの光軸上の距離、ｆは全系の焦点距離を示す。
【０００９】
本発明による赤外線カメラ用レンズでは、全体的な構成を負・正の２群構成として負のレンズ群が先行するレトロフォーカス型としたことで、入射瞳を前の方にしてコンパクト性の確保を容易にすると共に、射出瞳を後ろの方にして開口効率１００％の光学系にし易くしている。さらに明るさの確保とバックフォーカスの確保とを容易にしている。また、各群のレンズの屈折力（パワー）と形状とを適切なものとし、さらに条件式（１）を満足して第２レンズと第３レンズとの間隔を比較的長く取ることで、第１レンズ群の径の大型化と全長の増大とを抑えてコンパクト性を確保しつつ、収差を良好に補正している。
【００１０】
この赤外線カメラ用レンズはさらに、以下の条件式（２），（３）のうち、少なくとも１つを満足していることが好ましい。これらの好ましい条件を必要に応じて適宜採用することで、収差の補正にさらに有利となり、バックフォーカスの確保と適度なコンパクト性とをより満足し易くなる。
【００１１】
−０．３＜Φ１／Φ２＜０  ……（２）
−２．０＜ｆＬ１／ｆ＜−１．２  ……（３）
ただし、Φ１は第１レンズ群の屈折力、Φ２は第２レンズ群の屈折力を示す。ｆＬ１は第１レンズの焦点距離を示す。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による赤外線カメラ用レンズによれば、全体的な構成を負・正の２群構成として負のレンズ群が先行するレトロフォーカス型とし、また、各群のレンズの屈折力と形状とを適切なものとし、さらに条件式（１）を満足して第２レンズと第３レンズとの間隔を比較的長く取るようにしたので、バックフォーカスを焦点距離と同程度かそれ以上長くして十分に長さを確保し、かつ周辺性能と適度なコンパクト性とを満足しつつ開口効率１００％を達成することができる。これにより、特に波長域８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適した赤外線用光学系を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施の形態に係る赤外線カメラ用レンズの一構成例を示している。この構成例は、後述の第１の数値実施例（図３）のレンズ構成に対応している。また図２は、本実施の形態に係る赤外線カメラ用レンズの他の構成例を示している。この構成例は、後述の第２の数値実施例（図４）のレンズ構成に対応している。図１，図２には、赤外線カメラ用レンズの構成要素に加えて、レンズ系を通過する画角０°（中心画角）の周辺光束と、最大画角での主光線Ｃ１とについても示している。
【００１５】
なお、図１，図２において、符号Ｒｉは、最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側（結像側）に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜１０）の面の曲率半径を示す。符号Ｄｉは、ｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ１上の面間隔を示す。なお、各構成例共に基本的な構成は同じなので、以下では、図１に示した赤外線カメラ用レンズの構成を基本にして説明する。
【００１６】
この赤外線カメラ用レンズは、例えば波長８μｍ〜１２μｍ帯で使用される赤外線カメラに搭載して好適ものである。この赤外線カメラ用レンズは、光軸Ｚ１に沿って、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とが、物体側より順に配設された構成を基本としている。図示していないが、絞りは最終レンズの後ろに配置されていることが、開口効率を１００％にする上で好ましい。
【００１７】
この赤外線カメラ用レンズの結像面（撮像面）Ｓｉｍｇには、例えば、図示しない赤外線用ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）などの固体撮像素子が配置される。第２レンズ群Ｇ２と結像面Ｓｉｍｇとの間には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、種々の光学部材ＧＷが配置されていても良い。例えば撮像素子を保護するための平行平面板からなる窓部材や、撮像素子を冷却するためのコールドシールドなどが、光学部材ＧＷとして配置されていても良い。
【００１８】
第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負のメニスカスレンズからなる第１レンズＬ１と、正の屈折力を持つ第２レンズＬ２とで構成されている。第２レンズＬ２は、図１の構成例のように像側に凸面を向けた正のメニスカスレンズであっても良いし、図２の構成例のように物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズであっても良い。
【００１９】
第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、像側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第３レンズＬ３と、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第４レンズＬ４とで構成されている。
【００２０】
この赤外線カメラ用レンズは、以下の条件式（１）を満足するように構成されている。ただし、Ｄ４は第２レンズＬ２の像側の面から第３レンズＬ３の物体側の面までの光軸上の距離、ｆは全系の焦点距離を示す。
１＜Ｄ４／ｆ＜３  ……（１）
【００２１】
この赤外線カメラ用レンズはさらに、以下の条件式（２），（３）のうち、少なくとも１つを満足していることが好ましい。ただし、Φ１は第１レンズ群Ｇ１の屈折力、Φ２は第２レンズ群Ｇ２の屈折力を示す。ｆＬ１は第１レンズＬ１の焦点距離を示す。
−０．３＜Φ１／Φ２＜０  ……（２）
−２．０＜ｆＬ１／ｆ＜−１．２  ……（３）
【００２２】
次に、以上のように構成された赤外線カメラ用レンズの作用および効果を説明する。
【００２３】
赤外線用の光学系において、開口効率１００％にするためには、絞りの位置を光学系の後の方にする必要がある。つまり、射出瞳が光学系の後の方（像側）にくる必要がある。その一方で、光学系の大きさをコンパクトにするには、入射瞳をなるべく前の方（物体側）に持っていく必要がある。
【００２４】
そこで、本実施の形態では、全体的な構成を負・正の２群構成として負のレンズ群が先行するレトロフォーカス型とすることで、入射瞳を前の方にし、かつ射出瞳を後ろの方にして、コンパクト性の確保と開口効率１００％の光学系とを実現し易くしている。また、この赤外線カメラ用レンズでは、Ｆ値１．０程度と明るく、かつバックフォーカスの長いレンズ系を実現している。
【００２５】
この赤外線カメラ用レンズでは、特に、最初にパワーの強い負レンズ（第１レンズＬ１）を配置することで、前玉径が大きくなるのを防いでおり、次に正レンズ（第２レンズＬ２）を配置することで後玉径が大きくなるのを防いでいる。また第１レンズＬ１を、物体側に凸の負メニスカスレンズとすることで、コマ収差の発生を防いでいる。また第２レンズ群Ｇ２を、物体側から順に、像側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ（第３レンズＬ３）と物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズ（第４レンズＬ４）とで構成することで、徐々に光線を曲げて、収差の発生を抑えている。
【００２６】
この赤外線カメラ用レンズでは、最終レンズである第４レンズＬ４の後ろに絞り（図示せず）を配置することで、１００％の開口効率が得やすくなる。開口効率が１００％である場合、絞りを通過した光線に関しては、レンズ鏡筒などから放射された赤外線が含まれないことになるため、像周辺部でのノイズを低減することができる。また、この配置では、フォーカシングの際に絞りを固定とすることができるので、物体位置が変化したときの入射光量の変動を抑制することができる。
【００２７】
なお、図１に示したレンズ配置は、無限遠の物体に合焦している状態であるが、特定のレンズまたはレンズ群を光軸Ｚ１に沿って移動させることで、有限距離の物体に対してもフォーカシングを行うことができる。その際、入射光量の変動を防ぐために絞りは固定にしておくことが好ましい。その上で、合焦時に一定の光学性能を維持して共役距離を変化させられる移動レンズまたはレンズ群としては、絞りを最終レンズである第４レンズＬ４の後ろに設けるものとすると、例えば絞りよりも前のレンズ系全体、第２レンズ群Ｇ２全体、第１レンズＬ１単独、または第４レンズＬ４単独などが考えられる。
【００２８】
この赤外線カメラ用レンズでは、条件式（１）を満足して第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間隔Ｄ４を比較的長く取ることで、第１レンズ群Ｇ１の径の大型化と全長の増大とを抑えてコンパクト性を確保しつつ、収差を良好に補正している。式（１）の下限を下回ると、球面収差およびコマ収差の発生を抑えられなくなるので好ましくない。式（１）の上限を上回ると、全長が長くなり、また第１レンズ群Ｇ１の径も大きくなるため、全系をコンパクトにまとめることができなくなる。
【００２９】
条件式（２）は、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との適切なパワー配分の条件を規定している。この赤外線カメラ用レンズでは、条件式（１）を満足して第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間隔を比較的長く取っているため、第１レンズ群Ｇ１の負のパワーがあまり大きくなくても、バックフォーカスの長い光学系を実現することができる。条件式（２）の下限を下回ると、各群Ｇ１，Ｇ２のパワーが強くなりすぎ、球面収差およびコマ収差の発生が抑えられなくなる。
【００３０】
条件式（３）は、第１レンズＬ１のパワーに関連する条件である。第１レンズＬ１は、上述したようにパワーの強い負レンズであり、第１レンズ群Ｇ１の径を小さくして全系をコンパクトにする役割を果たす。また、この強い発散効果のある負レンズをレンズ系に入れることで、ペッツバール和を小さくしたり、球面収差などの諸収差を適切に抑える効果を得ることができる。式（３）の下限を下回ると、第１レンズＬ１のパワーが弱くなり、第１レンズ群Ｇ１の径を小さくする効果が薄れる。また、収差を適切に抑える効果も少なくなる。上限を上回ると、諸収差の補正が過剰となり、収差のバランスが崩れてしまう。
【００３１】
以上のようにして、本実施の形態によれば、バックフォーカスを焦点距離と同程度かそれ以上長くして十分に長さを確保し、かつ周辺性能と適度なコンパクト性とを満足しつつ開口効率１００％を達成することができる。これにより、特に波長域８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適した赤外線用光学系を実現できる。
【実施例】
【００３２】
次に、本実施の形態に係る赤外線カメラ用レンズの具体的な数値実施例について説明する。以下では、第１および第２の数値実施例（実施例１，２）をまとめて説明する。図３は、図１に示した赤外線カメラ用レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを示している。また図４は、図２に示した赤外線カメラ用レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを示している。
【００３３】
図３，図４に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、各実施例の赤外線カメラ用レンズについて、光学部材ＧＷも含めて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ようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜１０）の面の番号を示している。曲率半径Ｒｉの欄には、図１，図２において付した符号Ｒｉに対応させて、物体側からｉ番目の面の曲率半径の値を示す。面間隔Ｄｉの欄についても、図１，図２において付した符号に対応させて、物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示す。曲率半径Ｒｉおよび面間隔Ｄｉの値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。屈折率Ｎｉの欄には、波長１０μｍに対する値を示す。硝材はすべてゲルマニウムとなっている。
【００３４】
実施例１に係る赤外線カメラ用レンズの全系の焦点距離ｆは２２．０ｍｍ、実施例２に係る赤外線カメラ用レンズの全系の焦点距離ｆは３０ｍｍである。各実施例とも、第４レンズＬ４から結像面Ｓｉｍｇまでの距離、すなわちバックフォーカスが全系の焦点距離ｆよりも長く確保されている。また、各実施例とも、開口効率は１００％となっている。
【００３５】
図５に、上述の条件式（１）〜（３）に関する値を、各実施例についてまとめて示す。図５に示したように、各実施例の値が、各条件式（１）〜（３）の数値範囲内となっている。
【００３６】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の赤外線カメラ用レンズにおける球面収差、非点収差、およびディストーション（歪曲収差）を示している。各収差図には、１０μｍを基準波長とした収差を示すが、球面収差図には、９μｍ，１１μｍについての収差も示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。ＦＮＯ．はＦ値、ωは半画角を示す。同様にして、実施例２の赤外線カメラ用レンズにおける球面収差、非点収差、およびディストーションを、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示す。
【００３７】
図８（Ａ）〜（Ｇ）は、実施例１の赤外線カメラ用レンズにおける各画角（ω＝０°，１１．５°，１５．４°，１９．４°）でのコマ収差を示している。特に図８（Ａ）〜（Ｄ）は、タンジェンシャル方向についてのコマ収差、図８（Ｅ）〜（Ｇ）は、サジタル方向についてのコマ収差を示す。同様にして、実施例２の赤外線カメラ用レンズにおける各画角（ω＝０°，８．５°，１１．３°，１４．３°）におけるコマ収差を、図９（Ａ）〜（Ｇ）に示す。
【００３８】
以上の各数値データおよび各収差図から分かるように、各実施例について、バックフォーカスが焦点距離以上に十分長く確保されている。また、Ｆ値が１．０程度と明るく、周辺部でも良好に収差補正がなされ、周辺性能と適度なコンパクト性とを満足しつつ開口効率１００％が達成できている。これにより、波長域８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適した良好な光学性能が実現できている。
【００３９】
なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値などは、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。
【００４０】
また、上記各実施例では、波長８μｍ〜１２μｍ帯で使用されるレンズの数値例を示したが、本発明のレンズは、波長３μｍ〜５μｍ帯において使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る赤外線カメラ用レンズの一構成例を示すものであり、実施例１に対応するレンズ断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る赤外線カメラ用レンズの他の構成例を示すものであり、実施例２に対応するレンズ断面図である。
【図３】実施例１に係る赤外線カメラ用レンズのレンズデータを示す図である。
【図４】実施例２に係る赤外線カメラ用レンズのレンズデータを示す図である。
【図５】各実施例に係る赤外線カメラ用レンズが満たす条件式に関する値を示す図である。
【図６】実施例１に係る赤外線カメラ用レンズの球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。
【図７】実施例２に係る赤外線カメラ用レンズの球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。
【図８】実施例１に係る赤外線カメラ用レンズのコマ収差図である。
【図９】実施例２に係る赤外線カメラ用レンズのコマ収差図である。
【符号の説明】
【００４２】
Ｇ１…第１レンズ群、Ｇ２…第２レンズ群、ＧＷ…光学部材、Ｌ１〜Ｌ４…第１レンズ〜第４レンズ、Ｒｉ…物体側から第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉ…物体側から第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面との面間隔、Ｓｉｍｇ…結像面（撮像面）、Ｚ１…光軸。
【図１】
2005173346.tif 000003
【図２】
2005173346.tif 000004
【図３】
2005173346.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005173346.tif 000007
【図６】
2005173346.tif 000008
【図７】
2005173346.tif 000009
【図８】
2005173346.tif 000010
【図９】
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