(57)【要約】【課題】赤外波長領域で用いられ、安価で装置の小型化が可能な光学ユニットおよび赤外線撮像センサを提供する。【解決手段】レンズを含む複数の光学素子を有し、赤外波長領域の光を結像させる光学ユニット１において、物体側に配置され、赤外線を選択的に透過する物体側レンズ２と、結像側に配置され、赤外線を選択的に透過する結像側レンズ６と、物体側レンズ２を透過した赤外線の光路を屈曲させて該赤外線を結像側レンズ６に入射させる金属反射鏡３とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズを含む複数の光学素子を有し、赤外波長領域の光を結像させる光学ユニットにおいて、
物体側に配置され、赤外線を選択的に透過する物体側レンズと、
結像側に配置され、赤外線を選択的に透過する結像側レンズと、
前記物体側レンズを透過した前記赤外線の光路を屈曲させて該赤外線を前記結像側レンズに入射させる金属反射鏡とを備えることを特徴とする光学ユニット。
【請求項２】
前記金属反射鏡は、基材表面に金属膜が蒸着された構成であることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
【請求項３】
前記金属反射鏡は、反射面が非球面であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学ユニット。
【請求項４】
前記物体側レンズまたは前記結像側レンズが透過する赤外線は、遠赤外線領域の波長を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項５】
前記複数の光学素子を支持する鏡筒を有し、
前記金属反射鏡の反射面は、前記鏡筒と前記物体側レンズと前記結像側レンズとで密閉された空間に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項６】
前記複数の光学素子を支持する鏡筒を有し、
前記鏡筒と前記金属反射鏡の基材とが樹脂により一体成形されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光学ユニット。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の光学ユニットと、
前記光学ユニットにより結像される赤外波長領域の光学像を検出する赤外線検出素子とを有することを特徴とする赤外線撮像センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外波長領域の光を結像させる光学ユニットと、この光学ユニットを用いた赤外線撮像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レンズやフィルタ等の複数の光学素子を有し、撮像素子上に被写体像を結像させる光学ユニットが様々な分野で利用されている。その中でも、赤外波長領域の光を結像させる光学ユニットは主に赤外線撮像センサに用いられる。この赤外線撮像センサは、熱線を放出する物体の認識が可能であるため、医療産業やセキュリティ産業等においては生体認識、計測分野においては高温部の感知等に幅広く用いられている。
【０００３】
赤外線撮像センサは、一般的に、赤外線を検出する赤外線検出素子がパッケージに収納された構成となっている。さらにパッケージには、鏡筒に保持された複数の光学素子からなる光学ユニットが収納されており、この光学ユニットを介して集光された赤外線がパッケージ内の赤外線検出素子に導かれ、赤外線検出素子の受光面で結像される。赤外波長領域で用いられる光学ユニットのレンズには、一般的にゲルマニウム、シリコン、カルコゲナイド等が用いられている。
【０００４】
関連する技術として特許文献１（特開２００１−８３４１２号公報）には、８〜１２μｍの赤外波長領域で使用する赤外線レンズの構成が開示されている。この赤外線レンズは、４枚のゲルマニウム製のレンズで構成されており、異なるレンズの組み合わせにより収差が小さく高い結像性能を有するレンズシステムとしている。
また、特許文献２（特開２０１０−１１３１９１号公報）には、３〜１４μｍの赤外線から遠赤外線までの波長域で用いられる赤外線光学系の構成が開示されている。この赤外線光学系は、メニスカス状の２枚のレンズで構成され、少なくとも一方のレンズの両面を回折光学素子面としており、これにより色収差等の補正を可能としている。
【０００５】
さらに、特許文献３（特開２００９−１８０７５２号公報）には、レンズの代わりに反射鏡を用いた結像光学系の構成が開示されている。この結像光学系は、光軸の向きを変化させるように３枚の反射鏡を配置しており、これにより、色収差を効果的に補正することを可能としている。さらに、反射鏡材質には樹脂基材を用い、この基材に金属膜をコーティングし、可視光域、赤外域において高反射な結像光学系としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−８３４１２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１３１９１号公報
【特許文献３】特開２００９−１８０７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１や特許文献２等に開示されるゲルマニウム、あるいはシリコンを用いたレンズは、これらが結晶物のため成形加工ができず、非球面形状に加工するためには切削加工する必要があり作製が困難で材料単価が高くなる。カルコゲナイドを用いたレンズにおいても材料単価の高いレンズであるため、光学ユニットの全てのレンズにこれらを用いると高価になってしまうという問題があった。
さらに、複数のレンズを用いる光学ユニットにおいては、直線上に複数のレンズを配置すると光軸方向全長が長くなってしまい、装置が大型化してしまうという問題もあった。
【０００８】
さらにまた、特許文献３に開示されるように、反射鏡のみで光学ユニットを構成すると、特定波長領域以外の光線が入射することを防げられず、赤外波長領域のみで用いられる場合には適していない。
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、赤外波長領域で用いられ、安価で装置の小型化が可能な光学ユニットおよび赤外線撮像センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の光学ユニットは、レンズを含む複数の光学素子を有し、赤外波長領域の光を結像させる光学ユニットにおいて、物体側に配置され、赤外線を選択的に透過する物体側レンズと、結像側に配置され、赤外線を選択的に透過する結像側レンズと、前記物体側レンズを透過した前記赤外線の光路を屈曲させて該赤外線を前記結像側レンズに入射させる金属反射鏡とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、光学ユニットを構成する複数の光学素子のうち物体側レンズと結像側レンズとの間に位置する光学素子として材料単価が安い金属反射鏡を用いるようにしているため、安価な光学ユニットとすることができる。また、一般に金属反射鏡の反射率はレンズの透過率よりも大きいため、赤外線の利用効率を向上させることが可能である。
また、金属反射鏡で赤外線の光路を屈曲させる構成としているため、複数の光学素子を一直線上に配置する必要がなくなり、光軸方向全長を短くでき、光学ユニットの小型化が可能となる。
さらに、金属反射鏡の物体側と結像側にそれぞれ赤外線を選択的に透過するレンズを配置しているため、赤外波長領域の光以外を遮断するフィルタ等を別に設ける必要がなくなり、さらなる装置の小型化が可能となる。
【００１１】
また、前記金属反射鏡は、基材表面に金属膜が蒸着された構成であることが好ましい。
これにより、基材に成形加工可能な材料を用いることで、金属反射鏡の形状自由度を高めることが可能となる。
【００１２】
さらに、前記金属反射鏡は、反射面が非球面であることが好ましい。
これは、上記したように金属反射鏡は基材に成形加工可能な材料を用いることで、レンズに比べて金属反射鏡の形状自由度を高めることが可能であるため、金属反射鏡の反射面を非球面に形成しやすく安価なコストで非球面反射面を形成できる。
【００１３】
さらにまた、前記物体側レンズまたは前記結像側レンズが透過する赤外線は、遠赤外線領域の波長を有することが好ましい。
このように、遠赤外線領域の波長を透過する物体側レンズまたは結像側レンズを用いることで、遠赤外線領域の波長のみを導く光学ユニットを構成でき、熱線を放出する物体の認識を行う赤外線撮像センサ等に幅広く用いることが可能となる。
【００１４】
また、前記複数の光学素子を支持する鏡筒を有し、前記金属反射鏡の反射面は、前記鏡筒と前記物体側レンズと前記結像側レンズとで密閉された空間に位置することが好ましい。
このように、金属反射鏡の反射面が密閉された空間に位置することにより、反射面の酸化や腐食を抑制することが可能となる。
【００１５】
さらに、前記複数の光学素子を支持する鏡筒を有し、前記鏡筒と前記金属反射鏡の基材とが樹脂により一体成形されていることが好ましい。
このように、鏡筒と金属反射鏡の基材とが一体成形されていることにより、部品点数を削減可能で、かつ光学ユニットの小型化が可能となる。
【００１６】
また、本発明の赤外線撮像センサは、上記した光学ユニットと、前記光学ユニットにより結像される赤外波長領域の光学像を検出する赤外線検出素子とを有することを特徴とする。
このように、上記した光学ユニットを用いた赤外線撮像センサとすることにより、安価で且つ小型化が可能な赤外線撮像センサを提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上記載のように本発明によれば、光学ユニットを構成する複数の光学素子のうち物体側レンズと結像側レンズとの間に位置する光学素子として材料単価が安い金属反射鏡を用いるようにしているため、安価な光学ユニットとすることができる。また、一般に金属反射鏡の反射率はレンズの透過率よりも大きいため、赤外線の利用効率を向上させることが可能である。
また、金属反射鏡で赤外線の光路を屈曲させる構成としているため、複数の光学素子を一直線上に配置する必要がなくなり、光軸方向全長を短くでき、光学ユニットの小型化が可能となる。
さらに、金属反射鏡の物体側と結像側にそれぞれ赤外線を選択的に透過するレンズを配置しているため、赤外波長領域の光以外を遮断するフィルタ等を別に設ける必要がなくなり、さらなる装置の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る光学ユニットの側面図である。
【図２】レンズと金属反射鏡のそれぞれにおける赤外線利用効率を説明する図であり、（Ａ）はレンズの断面図で、（Ｂ）は金属反射鏡の断面図である。
【図３】金属反射鏡の反射率を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る光学ユニットの構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る光学ユニットの変形例を示す図である。
【図６】本実施例の光学ユニットの具体的構成例を示す側面図である。
【図７】本実施例の光学ユニットにおける光学特性を示すグラフである。
【図８】比較例の光学ユニットの具体的構成例を示す側面図である。
【図９】比較例の光学ユニットにおける光学特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
図１は本発明の実施形態に係る光学ユニットの側面図である。
本実施形態の光学ユニット１はレンズを含む複数の光学素子を有し、赤外波長領域の光を結像させるものである。光学素子の構成は、図１に示すように、物体側レンズ２と、金属反射鏡３と、結像側レンズ６とを有する。
【００２１】
物体側レンズ２は、光学ユニット１の物体側に配置され、赤外線を選択的に透過する。物体側レンズ２は、一枚のレンズであってもよいし、同一光軸を有するように配置される複数枚のレンズから構成されていてもよい。物体側レンズ２の材質は、例えばゲルマニウム材、シリコン材、カルコゲナイド材等が用いられる。また、物体側レンズ２はその入射面または出射面の少なくとも一方に反射防止（ＡＲ）コートが施されていることが好ましい。
【００２２】
金属反射鏡３は、物体側レンズ２を透過した赤外線の光路を屈曲させて該赤外線を結像側レンズ６に入射させる。金属反射鏡３の構成は、基材４表面に金属膜が蒸着されて反射面５が形成されている。具体的には、金属反射鏡３は、物体側レンズ２の光軸Ｏ１に垂直な面に対して反射面４が角度を有して配置されているとともに、この反射面４は結像側レンズ６の光軸Ｏ２に垂直な面に対しても角度を有して配置されている。なお、金属反射鏡３は、一枚の反射鏡であってもよいし、複数枚の反射鏡がそれぞれ角度を有して配置されていてもよい。金属反射鏡３の構成例については後述する。
【００２３】
また、金属反射鏡３は、基材４の材質として例えばガラスや樹脂等が用いられ、反射面５を形成する金属膜の材質として、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｒｈ等が用いられる。さらに、反射面５の表面に保護コートが施されていることが好ましい。なお、保護コートは、主に反射面４の酸化防止作用を有する。
さらに、金属反射鏡３は、その反射面４が非球面であることが好ましい。
【００２４】
結像側レンズ６は、光学ユニット１の結像側に配置され、赤外線を選択的に透過する。結像側レンズ６は、一枚のレンズであってもよいし、同一光軸を有するように配置される複数枚のレンズから構成されていてもよい。結像側レンズ６の材質は、例えばゲルマニウム材、シリコン材、カルコゲナイド材等が用いられる。また、結像側レンズ６はその入射面または出射面の少なくとも一方に反射防止（ＡＲ）コートが施されていることが好ましい。なお、物体側レンズ２および結像側レンズ６は、球面レンズ、非球面レンズのいずれであってもよい。
【００２５】
上記したように本実施形態の光学ユニット１においては、物体側レンズ２と結像側レンズ６との間に位置する光学素子として材料単価が安い金属反射鏡３を用いるようにしているため、安価な光学ユニット１とすることができる。
また、金属反射鏡３で赤外線の光路を屈曲させる構成としているため、複数の光学素子を一直線上に配置する必要がなくなり、光軸方向全長を短くでき、光学ユニット１の小型化が可能となる。
さらに、金属反射鏡３の物体側と結像側にそれぞれ赤外線を選択的に透過するレンズ２、６を配置しているため、赤外波長領域の光以外を遮断するフィルタ等を別に設ける必要がなくなり、さらなる装置の小型化が可能となる。
【００２６】
また、金属反射鏡３が、基材４表面に反射面５を形成する金属膜が蒸着された構成であることにより、基材４に成形加工可能な材料を用いることで、金属反射鏡３の形状自由度を高めることが可能となる。
さらに、金属反射鏡３は、レンズに比べて形状自由度を高めることが可能であるため、金属反射鏡３の反射面４を非球面に形成しやすく安価なコストで非球面反射面４を形成できる。
【００２７】
さらにまた、本実施形態において、物体側レンズ２または結像側レンズ６が透過する赤外線は、遠赤外線領域の波長を有することが好ましい。
このように、遠赤外線領域の波長を透過する物体側レンズ２または結像側レンズ６を用いることで、遠赤外線領域の波長のみを導く光学ユニット１を構成でき、熱線を放出する物体の認識を行う赤外線撮像センサ等に幅広く用いることが可能となる。
【００２８】
また、一般に金属反射鏡の反射率はレンズの透過率よりも大きいため、赤外線の利用効率を向上させることが可能である。
ここで、図２を用いて、レンズと金属反射鏡のそれぞれにおける赤外線利用効率を説明する。図２（Ａ）はレンズの断面図であり、（Ｂ）は金属反射鏡の断面図である。
図２（Ａ）に示すレンズ１１は、ゲルマニウムレンズ１２の両面に厚膜コート（ＡＲコート）１３、１４を施している。この場合、赤外線透過率は９５％となり、損失は５％である。一方、図２（Ｂ）に示す金属反射鏡１５は、Ａｇ合金１７に保護コート１６を施している。この場合、赤外線反射率は９７％となり、損失は３％である。このように、反射率の高い金属反射鏡１５を用いることで、赤外線の利用効率を向上させることが可能となる。
【００２９】
なお、金属反射鏡４に用いられる材質はＡｇ合金に限定されるものではなく、他の材質でも高反射率が得られる。
図３は、金属反射鏡の反射率を示すグラフである。このグラフに示すように、赤外波長領域、特に生体認識等に多く用いられる遠赤外波長領域（８μｍ以上）において、グラフ中に示した金属は全て９０％以上の反射率を有しており、本実施形態の金属反射鏡４に用いることが可能である。この中でもＡｇの反射率は約９７％程度であり、Ａｇ合金に保護コートを施した場合においても反射率は約９５％以上（不図示）を示し、本実施形態の金属反射鏡４により適した材質と言える。また、Ａｌも上記の遠赤外波長領域で９５％程度の反射率を示す。
【００３０】
ここで、図４に本発明の実施形態に係る光学ユニットの構成例を示す。
図４（Ａ）に示す光学ユニット１Ａは、物体側レンズ２と、一枚の金属反射鏡３と、結像側レンズ６とを有している。なお、物体側レンズ２および結像側レンズ６は、一枚であっても複数枚であってもよい。
この光学ユニット１Ａにおいては、物体側レンズ２と結像側レンズ６との間の赤外線の光路が、金属反射鏡３により一回屈曲されている。また、物体側レンズ２の光軸Ｏ１と、結像側レンズ６の光軸Ｏ２とが略直角となるように、各レンズ２、６および金属反射鏡３がそれぞれ配置されている。
本構成の光学ユニット１Ａは、金属反射鏡３が一枚であるため光軸調整が容易である。
【００３１】
図４（Ｂ）に示す光学ユニット１Ｂは、物体側レンズ２と、二枚の金属反射鏡３ａ、３ｂと、結像側レンズ６とを有している。なお、物体側レンズ２および結像側レンズ６は、一枚であっても複数枚であってもよい。
この光学ユニット１Ｂにおいては、物体側レンズ２と結像側レンズ６との間の赤外線の光路は、金属反射鏡３ａと金属反射鏡３ｂとにより２回屈曲されている。また、物体側レンズの光軸Ｏ１と結像側レンズ６の光軸Ｏ２とが略平行で且つ赤外線の光路がコの字状に屈曲されるように、各レンズ２、６および金属反射鏡３ａ、３ｂがそれぞれ配置されている。
本構成の光学ユニット１Ｂは、赤外線の光路がコの字状となるように各レンズ２、６および金属反射鏡３ａ、３ｂが配置されているため、レンズ枚数が増加しても光軸方向全長最小長さに抑えることが可能である。
【００３２】
図４（Ｃ）に示す光学ユニット１Ｃは、物体側レンズ２と、二枚の金属反射鏡３ｃ、３ｄと、結像側レンズ６とを有している。なお、物体側レンズ２および結像側レンズ６は、一枚であっても複数枚であってもよい。
この光学ユニット１Ｃにおいては、物体側レンズ２と結像側レンズ６との間の赤外線の光路は、金属反射鏡３ｃと金属反射鏡３ｄとにより２回屈曲されている。また、物体側レンズの光軸Ｏ１と結像側レンズ６の光軸Ｏ２とが略平行で且つ光軸Ｏ１および光軸Ｏ２の向き（赤外線の進行向き）が同一となるように、各レンズ２、６および金属反射鏡３ｃ、３ｄがそれぞれ配置されている。
本構成の光学ユニット１Ｃは、金属反射鏡３ｃ、３ｄにより赤外線の光路が屈曲するように各レンズ２、６および金属反射鏡３ｃ、３ｄが配置されているため光軸方向全長を短くでき、また物体側レンズ２と撮像側レンズ６を透過する赤外線の進行向きが同一であるためピント調整が容易である。
【００３３】
本実施形態の光学ユニット１は、複数の光学素子を支持する鏡筒７を有していてもよい。なお、図１には鏡筒７の一部を示している。この鏡筒７は、物体側レンズ２と、金属反射鏡３と、結像側レンズ６とをそれぞれ所定の位置に所定の角度で支持するようになっている。
このとき、金属反射鏡３の反射面５は、鏡筒７と物体側レンズ２と結像側レンズ６とで密閉された空間に位置することが好ましい。このように、金属反射鏡３の反射面５が密閉された空間に位置することにより、反射面５の酸化や腐食を抑制することが可能となる。
【００３４】
図５は、本発明の実施形態に係る光学ユニットの変形例を示す図である。
同図に示すように、この光学ユニット１’は、鏡筒と金属反射鏡の基材とが樹脂を用いて一体成形されている。筒状の鏡筒７’は、軸方向中央部が略直角方向に屈曲しており、屈曲した背側に金属反射鏡３’の基材部４’が形成されている。基材部４’には金属膜が蒸着されて反射面５’が形成されている。また、鏡筒７’の一側端部には物体側レンズ２が嵌め込まれてリテーナ１８により固定され、他側端部には結像側レンズ６が嵌め込まれてリテーナ１９により固定されている。なお、本構成において、鏡筒７’に用いられる材料としては、例えばポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、シクロオレフィンポリマー樹脂等が挙げられる。特に鏡筒７’の材質としては、表面精度が良く且つ吸湿性および熱膨張率が小さい材質が好適に用いられ、これにより鏡筒７’の基材部４’に金属膜を蒸着した際に反射面５’の状態を良好に保つことができる。
このように、鏡筒と金属反射鏡の基材とが樹脂により一体成形されていることにより、部品点数を削減可能で、かつ光学ユニット１の小型化が可能となる。
【００３５】
本実施形態に係る赤外線撮像センサは、上記した構成を有する光学ユニット１と、この光学ユニット１により結像される赤外波長領域の光学像を検出する赤外線検出素子８とを有する。赤外線検出素子８には、例えば、フォトダイオード、ＣＣＤやＣＭＯＳ等を内臓したイメージセンサなどを用いることができる。この赤外線撮像センサは、熱線を放出する物体の認識が可能であるため、医療産業やセキュリティ産業等においては生体認識、計測分野においては高温部の感知等に利用することができる。
このように、上記した光学ユニット１を用いた赤外線撮像センサとすることにより、安価で且つ小型化が可能な赤外線撮像センサを提供することが可能となる。
【００３６】
（実施例）
ここでは、本実施例に係る光学ユニットと、比較例としてレンズのみを用いた従来の光学ユニットとにおいて光学特性を比較する実験を行った結果を示す。
図６は本実施例の光学ユニットの具体的構成例を示す側面図で、図７は本実施例の光学ユニットにおける光学特性を示すグラフである。また、図８は比較例の光学ユニットの具体的構成例を示す側面図で、図９は比較例の光学ユニットにおける光学特性を示すグラフである。
【００３７】
図６において、本実施例に係る光学ユニット１は、物体側レンズ２と、金属反射鏡３と、結像側レンズ６とを有している。物体側レンズ２には物体側に凸面を向けた球面レンズを用い、結像側レンズ６には金属反射鏡３側に凸面を向けた球面レンズを用いた。いずれのレンズ２、６もゲルマニウム材が用いられている。また、金属反射鏡３は非球面反射面を有し、その材質にはＡｇ合金を用いた。なお、図では金属反射鏡３の非球面形状は省略して記載している。このような構成を有する光学ユニット１において、空間周波数で見た光学特性を測定した結果を図７に示している。
【００３８】
図８において、比較例の光学ユニット２０は、ゲルマニウム材を用いた３枚のレンズ２１、２２、２３が同一光軸を有するように直線上に配置された構成を有する。この比較例においても実施例と同様に、空間周波数で見た光学特性を測定し、その結果を図９に示している。なお、図中、符号８は赤外線検出素子である。
図７および図９を比較すると、本実施例に係る光学ユニット１と、比較例の光学ユニット２０とはほぼ同性能を有することがわかる。したがって、安価な金属反射鏡３を用いても従来と同性能を有する光学ユニット１を提供可能であることが明らかである。
【符号の説明】
【００３９】
１、１’、１Ａ〜１Ｃ  光学ユニット
２    物体側レンズ
３、３’、３ａ〜３ｄ  金属反射鏡
４    基材
５    反射面
６    結像側レンズ
７    鏡筒
８    赤外線検出素子
【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】
2012155122.tif 000008
【図７】
2012155122.tif 000009
【図８】
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【図９】
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