(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体側から像側に向かって順に、
前記物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズからなる第１のレンズ群と、
前記物体側に凹の負の屈折力のレンズからなる第２のレンズ群と、
前記物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズおよび前記物体側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズからなる正の屈折力の第３のレンズ群とからなり、これら第１、第２および第３のレンズ群はゲルマニウム製のレンズで構成されており、前記第１のレンズ群および第２のレンズ群の間隔Ｄ１２および、前記第１のレンズ群の焦点距離ｆ１が次の条件を満たす赤外線レンズ。
０．４  ＜  Ｄ１２／ｆ１  ＜  １
【請求項２】
請求項１において、当該赤外線レンズの焦点距離ｆおよび、前記第１のレンズ群の焦点距離ｆ１が次の条件を満たすことを特徴とする赤外線レンズ。
ｆ／ｆ１  ＜  ０．９
【請求項３】
請求項１または２において、前記第１のレンズ群および第２のレンズ群の間隔Ｄ１２、前記第１のレンズ群の焦点距離ｆ１、前記第２のレンズ群および第３のレンズ群の間隔Ｄ２３および、前記第２のレンズ群の焦点距離ｆ２が次の条件を満たすことを特徴とする赤外線レンズ。
｜ｆ１×Ｄ１２／ｆ２×Ｄ２３｜  ＜  ３
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の赤外線レンズと、
前記赤外線レンズの像側に、熱的に遮断するフィルタを介して設けられた赤外光の検出系とを有する検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外光用の結像レンズに関し、特に、長波長の赤外光に適したレンズシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長８０００〜１２０００ｎｍ（波長８〜１２μｍ）の赤外光（赤外線）は太陽光の影響を受けずに温度、画像およびその他のデータを取得することができるなどの利用分野がある。このため、この長波長帯の赤外線を結像することにより画像あるいは温度を検出する光学装置あるいは測定機器が開発されている。例えば、温度分布を検出する装置においては、検出面において温度差の感知精度を確保するためにＦ値の小さいレンズが要求される。また、高解像を達成するためには、中心から周辺部までのコマ収差、像面湾曲、歪曲収差の小さなレンズあるいはレンズシステムが要求される。
【０００３】
波長が８から１２μｍの赤外光用のレンズは、赤外線の透過率を考慮すると光学材料にはゲルマニウムが使用される。ゲルマニウムの屈折率はこの波長領域で４程度と非常に大きい。したがって、レンズの曲率は小さくて良いので球面収差などの補正はほとんど必要とされない。また、ゲルマニウムのこの波長領域での色分散は非常に小さいので色収差も大きくない。このため、従来、この長い波長帯では、１枚あるいは２枚程度の比較的簡単な構成のレンズあるいはレンズシステムが採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、この波長領域においても、検出面においてさらに高い感知精度が要求されており、このため、Ｆ値の小さな、たとえばＦ値が１あるいはそれ以下のレンズ（レンズシステム）が要求されている。そして、Ｆ値が小さくなると、コマ収差、像面湾曲あるいは歪曲収差を小さくすることが難しくなる。
【０００５】
そこで、本発明においては、長波長の赤外光に対し、上記のような要求を満たし、さらに、無限遠から近距離まで視野全体にわたり高い結象性能が得られる赤外線レンズを提供することを目的としている。さらに、この赤外線レンズに用いられる材質は非常に高価なゲルマニウムであり、レンズを小型化してコストを下げることが要求される。したがって、本発明においては、小型であると共に、結像性能の良い赤外線レンズを提供することも目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、４枚のゲルマニウム製のレンズを用いた３群構成の赤外線レンズ（赤外線レンズシステム）により、長波長領域でＦ値が１以下と小さい標準的な焦点距離を持ったレンズで、さらに十分な収差性能とバックフォーカスを持ったレンズを実現している。すなわち、本発明の赤外線レンズは、物体側から像側に向かって順に、物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズからなる第１のレンズ群と、物体側に凹の負の屈折力のメニスカスレンズからなる第２のレンズ群と、物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズおよび物体側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズからなる正の屈折力の第３のレンズ群とを有し、これら第１、第２および第３のレンズ群をゲルマニウム製のレンズで構成している。
【０００７】
Ｆ値を小さくするために、最も物体側のレンズ径を大きくする必要があるが、本発明の赤外線レンズにおいては、いわゆるトリプレット型のレンズ構成とは異なり、正の第１のレンズ群に対し、負の第２のレンズ群を独立させて、レンズ間の距離を開けることにより、最も物体側のレンズに対し第２のレンズ群以降のレンズ径を小さくし、コストを低減できる構成としている。さらに、負のパワーの第２のレンズ群と、正のパワーの第３のレンズ群の組み合わせにより、光線を平行化し、十分な量のバックフォーカスが確保できるようにしている。
【０００８】
また、焦点距離が５０ｍｍ程度と標準的な焦点距離のレンズシステムにおいてＦ値を小さくするために、第１のレンズ群は、物体側の面の曲率の大きなメニスカスレンズを採用することとなる。これに対し、本発明のレンズシステムにおいては、屈折率が高いために、物体側に凸のメニスカスレンズにより収差性能の良いレンズが設計できるとされているゲルマニウム製のレンズシステムでありながら、第２のレンズ群として、物体側に凹の負のパワーのメニスカスレンズまたは凹平のレンズを採用することにより、レンズシステム全体として球面収差などの性能を改善するようにしている。
【０００９】
このように、本発明のレンズシステムにおいて第１のレンズ群のパワーはＦ値を小さくするためには大きくすることが望ましいが、その一方で、良好な収差性能を得るためには第１のレンズ群のパワーを所定の範囲にすることが望ましい。すなわち、第１のレンズ群および第２のレンズ群の間隔Ｄ12と、第１のレンズ群の焦点距離ｆ1との関係では、次の条件を満たすことが望ましい。
【００１０】
０．４  ＜  Ｄ12／ｆ1 ＜  １    ・・・（Ａ）
式（Ａ）の条件を下回ると、第１のレンズ群のパワーが不足してレンズシステム全体が長くなると共に、第２および第３のレンズ群の各レンズの径が大きくなるので経済的でない。一方、式（Ａ）の条件を上回ると、第１のレンズ群のパワーが大きすぎて像面湾曲の補正が困難になる。
【００１１】
また、当該赤外線レンズの焦点距離（合成焦点距離）ｆとの関係においては、第１のレンズ群の焦点距離ｆ1が次の条件を満たすことが望ましい。
【００１２】
ｆ／ｆ1 ＜  ０．９              ・・・（Ｂ）
この式（Ｂ）の条件を上回ると、レンズシステム全体の合成焦点距離に対し第１のレンズ群のパワーが大きくなって球面収差およびコマ収差の補正が困難になる。
【００１３】
また、第１のレンズ群および第２のレンズ群の間隔Ｄ12、第１のレンズ群の焦点距離ｆ1、第２のレンズ群および第３のレンズ群の間隔Ｄ23および第２のレンズ群の焦点距離ｆ2の関係では、次の条件を満たすことが望ましい。
【００１４】
｜ｆ1×Ｄ12／ｆ2×Ｄ23｜  ＜  ３・・・（Ｃ）
この式（Ｃ）の条件を上回ると、第１のレンズ群のパワーに対し第２のレンズ群のパワーが大きくなりすぎて逆に球面収差と像面湾曲が悪化する傾向になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明にかかる赤外レンズ（レンズシステム）の一例を示してある。本例のレンズ１は、物体側２から像側３に向かって順に並んだ、正の屈折力の第１のレンズ群Ｇ１、負の屈折力の第２のレンズ群Ｇ２および正の屈折力の第３のレンズ群Ｇ３によって構成されている。第１のレンズ群Ｇ１は、物体側２に凸の正のメニスカスレンズＬ１１によって構成されている。また、第２のレンズ群Ｇ２は、物体側２に凹の負の凹平レンズＬ２１により構成されている。また、第３のレンズ群Ｇ３は、物体側２に凸の正のメニスカスレンズＬ３１と、物体側２に凸の負のメニスカスレンズＬ３２により構成されている。また、第１のレンズ群Ｇ１の物体側２に絞りＳが設けられている。さらに、第３のレンズ群Ｇ３の像側３に赤外光の検出系を熱的に遮断するためのフィルタ５が設けられている。
【００１６】
このように、本例の赤外線レンズ１は、計４枚のレンズを用いた３群構成であり、それぞれのレンズのデータは次の通りである。なお、以下に示すレンズデータにおいて、ｒｉは物体側２から順番に並んだ各レンズの曲率半径（ｍｍ）、ｄｉは物体側２から順番に並んだ各レンズ面の間の距離（ｍｍ）であり、ＩＮＦ（Infinity）は平面であることを示している。また、レンズの材質はすべてゲルマニウムである。
【００１７】
レンズデータ
i        ri         di            note
1：     53.17      5.30      レンズＬ１１
2：     71.18     25.60      距離Ｄ12
3：   -245.70      3.50      レンズＬ２１
4：     INF       16.90      距離Ｄ23
5：     36.29      3.70      レンズＬ３１
6：     89.94      1.90
7：    342.02      2.00      レンズＬ３２
8：     68.51      8.87
また、このレンズシステム１の合成焦点距離（以降においては焦点距離）ｆ、第１のレンズ群の焦点距離ｆ1、第２のレンズ群の焦点距離（絶対値）ｆ2、Ｆ値およびバックフォーカスは次の通りである。
【００１８】
焦点距離          ｆ＝  ５０．００
焦点距離          ｆ1＝  ５７．３２
焦点距離          ｆ2＝  ８１．８１
Ｆ値              ０．８
バックフォーカス  ８．８ｍｍ
さらに、距離ｄ２が第１および第２のレンズ群の間隔に当たり、距離ｄ４が第２および第３のレンズ群の間隔にあたるので、上述した条件は次のようになる。
【００１９】
条件（Ａ）      Ｄ12／ｆ1 ＝０．４５
条件（Ｂ）      ｆ／ｆ1    ＝０．８７
条件（Ｃ）      ｜ｆ1×Ｄ12／ｆ2×Ｄ23｜  ＝  １．０６
このように、本例の赤外線レンズ１は、４枚のゲルマニウム製のレンズで構成された焦点距離ｆが５０ｍｍの標準的な焦点距離のレンズであるが、Ｆ値が０．８と非常に明るいレンズシステムである。そして、図２および図３に示してあるように、Ｆ値の非常に小さなレンズシステムで、全体が４枚構成と簡易な構成であるにも関わらず、収差は良好に補正されている。なお、図２には、球面収差、非点収差および歪曲収差を示してあり、図３には、球面収差を横収差図により示してある。各々の球面収差は、８０００ｎｍ（破線）、１００００ｎｍ（実線）および１２０００ｎｍ（一点鎖線）の各波長における収差を示している。また、非点収差および横収差図においては、タンジェンシャル光線（Ｔ）およびサジタル光線（Ｓ）の収差をそれぞれ示してある。これらの図から判るように、本例の赤外線レンズ１の縦収差および横収差は、ほぼ±０．１ｍｍ程度の範囲に入り、さらに、非点収差および歪曲収差も非常に低い値に補正されている。
【００２０】
このように、本例の赤外線レンズ１は、８〜１２μｍの長波長の赤外線領域においてＦ値が非常に小さい。したがって、例えば本例のレンズが温度分布を検出する装置に用いられた場合に、その検出面において非常に高い温度差の感知精度を確保することができる。また、中心から周辺部までのコマ収差、像面湾曲、歪曲収差の小さなレンズであることが示されており、解像度の高い検出結果を得ることができる。さらに、バックフォーカスも充分に大きいので、検出装置などに本例の赤外線レンズを組み込むことも容易である。
【００２１】
また、本例では、このようにＦ値が小さく、収差性能の良い赤外線レンズシステムを、上述した条件（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）をそれぞれ満足するように、正−負−正−負の計４枚のゲルマニウム製レンズで構成している。したがって、本例の赤外線レンズ１は、枚数が少なく、レンズ径も小さくコンパクトに纏められている。このため、本例の赤外線レンズ１は、高価なゲルマニウム製のレンズシステムに適した経済性と、高精度の検出装置などに適した結像性能とを併せ持った、長波長領域の赤外線を結像するのに適したレンズシステムとなっている。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、８から１２μｍという長波長領域の赤外光に適した複数のゲルマニウム製のレンズを用い、Ｆ値が１．０以下と非常に明るく、諸収差の小さな標準的な焦点距離のレンズを４枚構成という簡易な構成で実現している。さらに、物体側から正−負−正の屈折力の３群構成にすることにより、コンパクトでＦ値が小さく、さらに、収差も小さなレンズシステムを実現している。したがって、本発明により、長波長の赤外線画像の撮影あるいは温度検出などに使用でき、コンパクトで無限遠から近距離まで視野全域で高い結像性能を備えた低コストの赤外線レンズを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる赤外線レンズの構成を示す図である。
【図２】図１に示す赤外線レンズの縦収差図である。
【図３】図１に示す赤外線レンズの横収差図である。
【符号の説明】
１    赤外線レンズ（レンズシステム）
２    物体側
３    像側
Ｇ１    第１のレンズ群
Ｇ２    第２のレンズ群
Ｇ３    第３のレンズ群
【図１】
0004435340.tif 000002
【図２】
0004435340.tif 000003
【図３】
0004435340.tif 000004