(57)【要約】【課題】ズーム比を効率的に変更することのできる外線ズームレンズを提供することを目的とする。【解決手段】複数のレンズ群を有し、最物体側のレンズ群を交換して、焦点距離を変える赤外線ズームレンズ。【選択図】図１
2016161701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレンズ群を有する赤外線レンズであって、
最物体側の第一レンズ群を交換して焦点距離を変えることを特徴とする赤外線レンズ。
【請求項２】
物体側から順に、正の屈折力の前記第一レンズ群、負の屈折力の第二レンズ群、正の屈折力の第三レンズ群、及び正の屈折力の第四レンズ群を有し、物体側の第一レンズ群が１枚ないし２枚で構成されており、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の赤外線レンズ。
（１）  0.23 ≦  fw  ／ (f1+Lw)  ≦  0.4      条件式（1）
0.58 ≦  ft  ／（f1+Lt）≦  0.77      条件式（2）
ただし、
ｆw：波長10μmでの広角端の焦点距離
ｆｔ：波長10μmでの望遠端の焦点距離
ｆ1：波長10μmでの一群の焦点距離
Lw：第一群と第二群の広角端での間隔
Lｔ：第一群と第二群の望遠端での間隔
【請求項３】
以下の条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の赤外線レンズ。
（２）  -5.0 ≦ ＥＸＰｗ／ fｗ  ≦  -2.0    条件式（3）
-1.8 ≦  EXPｔ  ／  ft  ≦  -0.7    条件式（4）
ただし、
ＥＸＰw波長10μmでの広角端での射出瞳距離
ＥＸＰt波長10μmでの望遠端での射出瞳距離
ｆw：広角端波長10μmμmでの焦点距離
ｆt：望遠端波長10μmμmでの焦点距離
【請求項４】
変倍時に、前記第一レンズ群レンズ及び前記第三レンズ群レンズが固定であり、前記第二群レンズ群及び前記第四群レンズ群が移動することを特徴とする請求項２又は３に記載の赤外線レンズ。
【請求項５】
前記第四レンズ群の移動によってフォーカシングを行うことを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の赤外線レンズ。
【請求項６】
前記第二レンズ群から前記第四レンズ群までのレンズ群に、少なくとも１面が回折構造を有するレンズが含まれていることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載の赤外線レンズ。
【請求項７】
前記第一レンズ群の最物体側面が、光軸上において物体側に凸をなす非球面である請求項２から６のいずれか１項に記載の赤外線レンズ。
【請求項８】
請求項２から７のいずれか一項に記載の赤外線レンズを備えた赤外線イメージングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線レンズ、さらに詳しくは、例えば遠赤外線サーモグラフィ用レンズ、遠赤外線監視カメラ用レンズ、車載用レンズ等に特に好適に使用できる焦点距離変更可能な赤外線レンズに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、環境や人体の温度分布の測定や暗所での侵入監視等に、波長８μｍ〜１４μｍの遠赤外線撮像素子と赤外線レンズを組み合わせた遠赤外線カメラが使用されてきた。赤外線レンズには、単焦点レンズの他に、焦点距離変更すなわち撮像範囲の変更が可能なズームレンズも含まれる。ユーザーは、撮像目的、撮像範囲、撮像環境等を勘案して単焦点レンズやズームレンズを選択していた。例えば、ユーザーは、広い画角を撮影したい場合には、焦点距離の短い広角単焦点レンズを選択し、遠方を拡大して撮影したい場合には、焦点距離の長い望遠単焦点レンズを選択する。あるいは、広角から望遠を１本で撮影可能なズームレンズを選択することもできる。
【０００３】
さらに、単焦点レンズすなわち主レンズの焦点距離を変更するために、単焦点レンズの物体側にフロントコンバーターレンズを装着することが行われている。
【０００４】
単焦点レンズの物体側に装着されるフロントコンバーターレンズは、一般に、少なくとも二枚のレンズで構成される。フロントコンバーターレンズの二枚以上の構成レンズのうちの最も物体側のレンズは、広い画角を取り込むために外径が、単焦点レンズ（主レンズ）の物体側レンズの外径よりも大きくなる。特に、望遠状態では、単焦点レンズ（主レンズ）の物体側レンズに入射する光束が、広角状態に比較して太くなり、フロントコンバーターレンズの構成レンズの特に最も物体側のレンズの外径が大きくなる。
【０００５】
レンズの枚数に関して、上述したように少なくとも２枚以上でないとフロントコンバーターを構成できないため、単焦点レンズ（主レンズ）の最も物体側の外径大の第１群レンズよりに更に大径の少なくとも２枚以上の構成のフロントコンバーターレンズが必要となる。
【０００６】
他方、赤外線レンズに使用される光学硝材は、ゲルマニウムやカルコゲナイド等の希少金属である。これらの光学硝材はまた、世界的に流通量や使用量が少なく、採掘・生産場所も限られているため、赤外線レンズは非常に高価である。
【０００７】
これらのことから、環境や人体の温度分布の測定や暗所での侵入監視等のために撮像領域（画角）を頻繁に変更することが必要な場合にはズームレンズを採用し、所定期間をおいて望遠と広角とを切り替えることが行われる場合には交換操作の容易性も考慮してフロントコンバーターを装着することが一般的である。
【０００８】
物体側レンズ群を交換する可視光用のズームレンズとして、物体側より順に、正の屈折力を持つ第１レンズ群と、負の屈折力を持つ第２レンズ群と、正の屈折力を持ち絞りを有する第３レンズ群と、負の屈折力を持つ第４レンズ群と、正の屈折力を持つ第５レンズ群とを備えており、合焦は第４レンズ群を光軸上で移動させることにより行い、第１レンズ群の一部のレンズ群からなる交換レンズ群Ｇを交換することにより全系の焦点距離を変えることが可能なズームレンズが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、従来の赤外線ズームレンズとして、物体側から順に、第１レンズ群と、第２レンズ群と、第３レンズ群と、第４のレンズ群と、を有し、各レンズ群はゲルマニウムで形成され、かつ各レンズ群の少なくとも一つのレンズ群は単レンズで構成されている赤外線ズームレンズが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２２１９４９号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８６０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１によって提案された可視用のズームレンズは第１レンズ群のうち交換レンズ群以外のレンズ（群）を残して交換レンズ群のみを交換するため、交換レンズ群を交換するための機構が複雑であり、また構成レンズを高精度に所定位置に保持するための構成も複雑高価なものとなる。また、この交換レンズ群は第１レンズ群の最も物体側のレンズを含んで構成されるため上述したフロントコンバーターレンズと同じように、物体側の交換レンズ群の外径が大きくなることも避けられない。
【００１２】
特許文献２によって提案された赤外線ズームレンズは、一般的なズームレンズであり、従来のズームレンズのズーム比を格別に大きくするための工夫は開示も提案もされていない。
【００１３】
（発明の目的）
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、ズーム比を効率的に変更することのできる赤外線レンズ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】
【００１４】
本発明は、複数のレンズ群を有し、単一の結像を形成し、最物体側のレンズ群を交換して、焦点距離を変えることを特徴とする赤外線レンズである。
ここで、単一の結像を形成するとは、複数のレンズで構成された結像光学系によって、唯一の結像点を有することを示す。リレーレンズ系と結像光学系を組み合わせたものは、レンズリーレンズ系が結像点を持ち、さらに結像光学系も結像点を有するので、単一の結像を形成することに該当しない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の赤外線レンズによれば、ズーム比を効率的に変更することのできる赤外線レンズを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの光学断面図である。（１ａ）は広角状態を示し、（１ｂ）は望遠状態を示す。
【図２】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの第１交換レンズ群及び第２レンズ群の無限遠合焦広角状態の光学断面図である。
【図３】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの第１交換レンズ群及び第２レンズ群の無限遠合焦広角状態の光学断面図である。
【図４】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの第１交換レンズ群及び第２レンズ群の無限遠合焦広角状態の光学断面図である。
【図５】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの無限遠合焦広角状態の収差図である。
【図６】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの無限遠合焦望遠状態の収差図である。
【図７】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第１交換レンズ群に交換した無限遠合焦広角状態の収差図である。
【図８】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第１交換レンズ群に交換した無限遠合焦望遠状態の収差図である。
【図９】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第２交換レンズ群に交換した第２交換レンズ群に交換した無限遠合焦広角状態の収差図である。
【図１０】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第２交換レンズ群に交換した無限遠合焦望遠状態の収差図である。
【図１１】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第３交換レンズ群に交換した無限遠合焦広角状態の収差図である。
【図１２】本発明の第１実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第３交換レンズ群に交換した無限遠合焦望遠状態の収差図である。
【図１３】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの光学断面図である。（１３ａ）は広角状態を示し、（１３ｂ）は望遠状態を示す。
【図１４】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第４交換レンズ群に交換した第１レンズ群及び第２レンズ群の無限遠合焦広角状態の光学断面図である。
【図１５】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの交換用の第１レンズ群及び第２レンズ群の無限遠合焦広角状態の光学断面図である。
【図１６】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第４交換レンズ群に交換した第１交換レンズ群及び第２レンズ群の広角状態の光学断面図である。
【図１７】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの無限遠合焦広角状態の収差図である。
【図１８】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの無限遠合焦望遠状態の収差図である。
【図１９】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第４交換レンズ群に交換した無限遠合焦広角状態の収差図である。
【図２０】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第４交換レンズ群に交換した無限遠合焦望遠状態の収差図である。
【図２１】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第５交換レンズ群に交換した無限遠合焦広角状態の収差図である。
【図２２】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第５交換レンズ群に交換した無限遠合焦望遠状態の収差図である。
【図２３】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第６交換レンズ群に交換した無限遠合焦広角状態の収差図である。
【図２４】本発明の第２実施例の赤外線ズームレンズの第１レンズ群を第６交換レンズ群に交換した無限遠合焦望遠状態の収差図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の赤外線ズームレンズの実施形態について説明する。
本発明は、複数のレンズ群を有し、単一の結像を形成し、最物体側のレンズ群を交換して、焦点距離を変えることを特徴とする赤外線ズームレンズである。
【００１８】
引用文献１に開示されたようなレンズは、構成レンズ枚数が多く、赤外線光学系のような非常に高価な光学材料を必要とする構成には不向きである。また、最物体側のレンズ群は、上述したように大直径であり、このようなレンズを含む光学系はコストの面だけでなく、大重量や大型の問題がある。本発明は、最物体側のレンズ群及び最結像側のレンズ群以外のレンズ群を交換するように構成して、高価な光学材料を有効に使用して、ズーム比を効率的に変更させることができる赤外線レンズを構成することができる。
【００１９】
本発明はまた、複数のレンズ群を有し、単一の結像を形成し、最物体側のレンズ群を交換して、焦点距離を変えることを特徴とする赤外線レンズである。
【００２０】
引用文献１に開示されたようなズームレンズは、構成レンズ枚数が多く、赤外線光学系のような非常に高価な光学材料を必要とする構成には不向きである。また、最物体側のレンズ群は、上述したように大直径であり、このようなレンズを含む光学系はコストの面だけでなく、大重量や大型の問題がある。本発明は、最物体側のレンズ群及び最結像側のレンズ群以外のレンズ群を交換するように構成して、高価な光学材料を有効に使用して、ズーム比を効率的に拡大した赤外線レンズを構成することができる。
【００２１】
本発明はまた、物体側から順に、正の屈折力の第一レンズ群、負の屈折力の第二レンズ群、正の屈折力の第三レンズ群は、正の屈折力の第四レンズ群を有する４群構成の赤外線ズームレンズにおいて、物体側の第一レンズ群が1枚ないし２枚で構成されており、以下の条件式を満足することを特徴とする赤外線レンズである。
（１）  0.23 ≦   fw   ／  (ｆ1+Lw)  ≦  0.4         条件式（1）
0.58 ≦  ｆｔ  ／ （ｆ1+Lt） ≦  0.77        条件式（2）
ただし、
ｆw：波長10μmでの広角端の焦点距離
ｆｔ：波長10μmでの望遠端の焦点距離
ｆ1：波長10μmでの一群の焦点距離
Lw：第一群と第二群の広角端での間隔
Lｔ：第一群と第二群の望遠端での間隔
である。
【００２２】
0.23 ≦   fw   ／ (ｆ1+Lw)  ≦  0.4      条件式（１）
fw ／ (  f1  +  Lw   )は、遠赤外線ズームレンズを構成する第一レンズ群の焦点距離と広角端の比を示している。本発明の第一レンズ群交換ズームレンズにおいては、第二レンズ群から第四レンズ群を変更せずに第1レンズ群の交換のみで焦点距離レンジを変化させている。
条件式（１）の下限を下回ると、広角端で広がった画角をカバーしなければならいため、第一レンズ群のレンズ径が大きくなり高価なレンズとなる。また、上限を上回ると、第二レンズ群での光線入射角が大きくなるため、広角端での非点収差が大きくなる。
【００２３】
0.58  ≦  ｆｔ  ／（ｆ1+Lt）≦  0.77      条件式（２）
条件式（２）は、望遠端の条件であり、条件式（２）の下限を下回ると入射光束が太くなり過ぎ、第一レンズ群レンズ及び第二群レンズの直径が大きくなる。また上限を上回ると、第二レンズ群の光線入射角が大きくなり、非点収差が大きくなる。
【００２４】
本発明の赤外線レンズの非交換レンズとして使用に好適な光学硝材は、選択できる光学硝材が限られており、選択可能なゲルマニウムやカルコゲナイド等は希少金属である。これらの光学硝材はまた、世界的に流通量や使用量が少なく、採掘・生産場所も限られているため、非常に高価であることはもとより、選択できる光学硝材が限られている。その中で、特に波長が８μｍ〜１４μｍという広い波長領域の遠赤外線を使用し、高解像度の画像を得るためには、構成レンズ枚数を少なく保ち、各レンズに入射する光線の角度を小さくすることが好ましい。また角度を小さくし過ぎると、レンズの外径が大きくなってしまい、高価な材料としては不利になってしまい望ましくない。
【００２５】
本発明はまた、
-5.0 ≦ ＥＸＰｗ ／ fｗ  ≦  -2.0    条件式（3）
-1.8  ≦  EXPｔ  ／  ft  ≦  -0.7    条件式（4）
ただし、
ＥＸＰw波長10μmでの広角端での射出瞳距離
ＥＸＰt波長10μmでの望遠端での射出瞳距離
ｆw：広角端波長10μmμmでの焦点距離
ｆt：望遠端波長10μmμmでの焦点距離
を満足する赤外線レンズである。
【００２６】
条件式（3）及び（4）は、赤外線ズームレンズの射出瞳位置と焦点距離の比を示したものであり、入射光束のテレセントリック性に係るものである。本発明の赤外線ズームレンズの構成において、変倍時の光束位置や角度が不変であるは、収差補正上望ましい。  第一レンズ群を交換した際に交換前の光束位置や角度に対して大きく異なる場合は、交換前に比べてコマ収差、像面湾曲が増大になるため望ましくない。
条件式（３）及び（４）の数値が下限を下回ると、テレセントリック性が損なわれ、像面への入射角度が増大する。射出瞳位置が条件式を上回ると、特に像側に近いレンズは、その像高に対してより外径が大きくなるため望ましくない。また、射出瞳位置が条件式を下回ると、前述した通りズームレンズを透過する光束位置が変化し、収差補正が困難となる。
本発明の第一群レンズを交換する場合、像面への入射角のテレ線トリック性が損なわれると、第一群レンズでの収差補正が困難になるため、条件式（３）及び（４））の範囲内が最も望ましい。
【００２７】
本発明はまた、変倍時に、第一レンズ群レンズと第三レンズ群レンズは固定であり、第二群レンズ、第四群レンズが移動することを特徴とする赤外線レンズである。
【００２８】
このように構成された本発明の赤外線ズームレンズは、ズーム全域での像面湾曲変動が少なく、第二レンズ群と第四レンズ群の制御のみでズーム作動を行うことができる。
【００２９】
本発明はまた、第四レンズ群の移動によってフォーカシングを行うことを特徴とする赤外線レンズである。
【００３０】
このように構成された本発明の赤外線ズームレンズは、フォーカシング時の収差変動が少なく、また変倍時のＦナンバー変化が抑えられる。また、フォーカシング時の第四レンズ群を通過する光線の高さの変動を少なくすることができるため、レンズ径を小さく抑えることができる。
【００３１】
本発明はまた、第二レンズ群から第四レンズ群のうちの一レンズ群に、少なくとも1面が回折構造を有することを特徴とする赤外線レンズである。
【００３２】
本発明では第一レンズ群を交換することにより焦点距離（レンジ）を変更している。そのため、第一レンズ群交換の前後で共用する第二レンズ群から第四レンズ群の間で色収差を補正する。このように構成して、焦点距離（レンジ）を第一レンズ群で変えたとしても、色収差の量がなるべく不変であるように第二レンズ群から第四レンズ群のいずれかの面に回折構造を入れて色収差を補正することが望ましい。
【００３３】
本発明はまた、第一レンズ群の最物体側面が、光軸上において物体側に凸をなす非球面であることを特徴とする赤外線レンズである。
【００３４】
本発明は、物体側第一群レンズの最も物体側に凸形状の非球面を設置することにより、広角側の歪曲収差の補正が容易になり、また望遠側での球面収差補正が容易になる。
【００３５】
本発明は、さらに、上述した本発明の赤外線レンズを備えた赤外線イメージングシステムである。このように構成された赤外線イメージングシステムは、本発明の利点を有効に活用し、低コストと高性能を実現することができる。
【００３６】
以下に、本発明の実施例を、図に基づいて説明する。
表中のｆは全系の波長10μmでの焦点距離、ＦＮｏ．はFナンバー、Rは曲率半径、Dはレンズ厚またはレンズ間隔、GLASSは使用硝材を示している。
また、非球面は次式で定義されるものとする。
z=ch2/[1+{1-(1+k)c2h2}1/2]+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10・・・
（但し、cは曲率(1/r)、hは光軸からの高さ、kは円錐係数、A4、A6、A8、A10・・・は各次数の非球面係数である。）
また、回折面の位相差は次式で定義されるものとする。
Φ（H）＝α2H2＋α4H4＋α6H6＋α8H8＋α10H10
（但し、α2〜α10は回折次数である。）
【００３７】
各縦収差図は、左側から順に、球面収差（ＳＡ（ｍｍ））、非点収差（ＡＳＴ（ｍｍ））、歪曲収差（ＤＩＳ（％））を示す。
球面収差図において、縦軸はＦナンバー（図中、ＦNOで示す）を表し、実線は波長10μm、短破線は波長8μm、長破線は波長14μmの特性である。
非点収差図において、縦軸は半画角（図中、Wで示す）を表し、実線は波長10μmのサジタル平面（図中、Ｓで示す）、破線は波長10μmのメリディオナル平面（図中、Ｍで示す）の特性である。
歪曲収差図において、縦軸は半画角（図中、Wで示す）を表す。
【００３８】
（第１実施例）
【表１】
2016161701.tif 000003
【００３９】
【表２】
2016161701.tif 000004
【００４０】
【表３】
2016161701.tif 000005
【００４１】
【表４】
2016161701.tif 000006
【００４２】
【表５】
2016161701.tif 000007
【００４３】
【表６】
2016161701.tif 000008
【００４４】
【表７】
2016161701.tif 000009
【００４５】
【表８】
2016161701.tif 000010
【００４６】
【表９】
2016161701.tif 000011
【００４７】
【表１０】
2016161701.tif 000012
【００４８】
【表１１】
2016161701.tif 000013
【００４９】
【表１２】
2016161701.tif 000014
【００５０】
【表１３】
2016161701.tif 000015
【００５１】
【表１４】
2016161701.tif 000016
【００５２】
（実施例２）
【表１５】
2016161701.tif 000017
【００５３】
【表１６】
2016161701.tif 000018
【００５４】
【表１７】
2016161701.tif 000019
【００５５】
【表１８】
2016161701.tif 000020
【００５６】
【表１９】
2016161701.tif 000021
【００５７】
【表２０】
2016161701.tif 000022
【００５８】
【表２１】
2016161701.tif 000023
【００５９】
【表２２】
2016161701.tif 000024
【００６０】
【表２３】
2016161701.tif 000025
【００６１】
【表２４】
2016161701.tif 000026
【００６２】
【表２５】
2016161701.tif 000027
【００６３】
【表２６】
2016161701.tif 000028
【００６４】
【表２７】
2016161701.tif 000029
【００６５】
【表２８】
2016161701.tif 000030
【符号の説明】
【００６６】
Ｓ              絞り
ＣＧ            光学フィルター
Ｌ１            第一レンズ群
Ｌ２            第二レンズ群
Ｌ３            第三レンズ群
Ｌ４            第四レンズ群
CL1             第１交換レンズ群
CL2             第２交換レンズ群
CL3             第３交換レンズ群
CL4             第４交換レンズ群
CL5             第５交換レンズ群
CL6             第６交換レンズ群
【図１】
2016161701.tif 000031
【図２】
2016161701.tif 000032
【図３】
2016161701.tif 000033
【図４】
2016161701.tif 000034
【図５】
2016161701.tif 000035
【図６】
2016161701.tif 000036
【図７】
2016161701.tif 000037
【図８】
2016161701.tif 000038
【図９】
2016161701.tif 000039
【図１０】
2016161701.tif 000040
【図１１】
2016161701.tif 000041
【図１２】
2016161701.tif 000042
【図１３】
2016161701.tif 000043
【図１４】
2016161701.tif 000044
【図１５】
2016161701.tif 000045
【図１６】
2016161701.tif 000046
【図１７】
2016161701.tif 000047
【図１８】
2016161701.tif 000048
【図１９】
2016161701.tif 000049
【図２０】
2016161701.tif 000050
【図２１】
2016161701.tif 000051
【図２２】
2016161701.tif 000052
【図２３】
2016161701.tif 000053
【図２４】
2016161701.tif 000054