(57)【要約】 【課題】  車載用の小型で安価のバックフォーカスが６ｍｍ以上の遠赤外線カメラ用レンズを提供するとともにこれを用いたレンズユニット、撮像装置も提供すること。【解決手段】ＺｎＳの３枚のレンズよりなり、第１レンズは両凸レンズ、第２レンズは負メニスカス或いは両凹レンズ、第３レンズは正メニスカスレンズの組み合わせであり、レンズの何れかの面には回折面が形成してあり、レンズ系全体の焦点距離ｆが１０ｍｍ〜３０ｍｍ、第１レンズ、第２レンズの焦点距離ｆ１２が２０ｍｍ〜７０ｍｍであって、１≦ｆ１２／ｆ≦３であるようにする。【選択図】          図１
2009063941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両凸形状でＺｎＳ製の第１レンズと、負メニスカス或いは両凹形状でＺｎＳ製の第２レンズと、正メニスカス形状でＺｎＳ製の第３レンズとよりなり、何れかのレンズ面に回折面が形成され、バックフォーカスが６ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする遠赤外線カメラ用レンズ。
【請求項２】
全体の焦点距離ｆが１０ｍｍ〜３０ｍｍであって、第１、第２レンズだけの焦点距離ｆ１２が２０ｍｍ〜７０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の遠赤外線カメラ用レンズ。
【請求項３】
３枚レンズ全体の焦点距離をｆ、第１第２レンズだけの焦点距離をｆ１２として、１≦ｆ１２／ｆ≦３であることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠赤外線カメラ用レンズ。
【請求項４】
ＺｎＳ製の第１レンズ、第２レンズ、第３レンズが、レンズ形状の金型を用いてＺｎＳ原料粉末を熱間圧縮成形することで作製されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の遠赤外線カメラ用レンズ。
【請求項５】
第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ共に、サグ量＜５ｍｍ、１．５ｍｍ＜中心厚＜８ｍｍ、１ｍｍ＜コバ厚＜８ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の遠赤外線カメラ用レンズ。 
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１つに記載のレンズを用いたことを特徴とするレンズユニット。
【請求項７】
請求項６に記載のレンズユニットと、該レンズユニットにて結像した像を撮像する撮像部とを備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、遠赤外線カメラ用広角レンズ及びこれを用いたレンズユニット及び撮像装置に関する。遠赤外光というのは８μｍ〜１２μｍの波長帯の光であって人間の出す赤外線の波長帯を含む。光通信の波長帯よりもずっと長い。遠赤外線カメラというのは夜間において、人間や動物が発生する赤外線を感知して撮像できるカメラである。自動車の夜間における走行をより安全なものにするために、前方に存在する人間や動物を速やかに且つ的確に認識できることが望ましい。
【０００２】
ヘッドランプによって前方を照らし、反射光で像を認識する。可視反射光による前方認識である。しかし可視反射光による手法だと、ランプの届かない遠方や側方は見えない。それを補完するものが遠赤外線カメラである。
【０００３】
人間や動物の体温は３１０Ｋ程度であり、黒体輻射の３１０Ｋでのピーク波長が８〜１２μｍ程度である。だから人間・動物の出す遠赤外を遠赤外線カメラで捉えるようにすれば人間の存在が分かる。ランプの反射光はないので、ランプの射程外の遠方、側方も見える。自動車に遠赤外線カメラと画像処理装置を組み合わせた装置を備えておけば、遠方に存在する人間や動物を早くから認識できる。自動車の夜間走行の安全性が高揚するはずである。
【０００４】
自動車に夜間観察用の遠赤外線カメラを備えるようにすればよいのである。しかし、それを可能にするためには未だに解決すべき様々の難点がある。１つは遠赤外線カメラが極めて高価であるということである。またひとつは未だ解像力が不十分だということである。そのように光学系の不備という問題がある。さらに安価で適当な受光素子がない。
【０００５】
遠赤外光はエネルギーが低いので、バンドギャップの広いＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等を基板とする通常のフォトダイオードで検出することはできない。遠赤外光はエネルギーが低いので、バンドギャップの狭い半導体でｐｎ接合を作れば、受光できる筈である。しかし遠赤外のエネルギーは室温程度であるから、受光素子を室温にしたのでは検出できない。従って、受光素子を強く冷却して置かなければならず、車載用には使い難い。
【０００６】
そこで遠赤外線カメラの撮像素子としては、８〜１２μｍに感度を持つボロメータ、サーモパイル、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ダイオードなどを用いる。これらはｐｎ接合を持つ受光素子でなく、熱を電気に変換する素子であり、非冷却型の撮像素子である。現在１６０×１２０或いは、３２０×２４０という画素数の撮像素子が利用されている。
【０００７】
ここでは光学系に問題を絞ることにする。遠赤外光を集光するためのレンズ材にひとつの問題がある。赤外光を良く通す材料としてゲルマニウム（Ｇｅ）がある。ゲルマニウムは赤外光を良く通し、屈折率（遠赤外で４程度）も高いので優れた赤外材料である。波長１０μｍの遠赤外のＧｅの透過率は４０〜４５％程度であるが、適切な反射防止コーティングを施した場合、９０％〜９８％程度である。
【０００８】
しかしながらＧｅは産出量の少ない希少鉱物である。限られた天然資源であり極めて高価である。それにＧｅは極めて硬いので、大きなＧｅ塊を切削してレンズの形を作り、研磨して平滑面を作る必要がある。それは精密な設備を使って長時間かかる作業となる。Ｇｅが硬いから工具も特別のものになる。Ｇｅレンズを使うとどうしても高価なものになる。高価な遠赤外線カメラであると、中々普及しない。
【０００９】
赤外用レンズの材料としてカルコゲナイドガラスも知られている。カルコゲナイドガラスは、塩素、臭素、沃素などのカルコゲンとゲルマニウムを含むガラスである。赤外光の吸収が少ないので、赤外光用レンズとして使用可能である。加熱して液状にできるので、型によって造形できる。しかし、これもゲルマニウムを主成分として含むので材料費が嵩む。
【００１０】
Ｇｅを含まない材料としてＺｎＳｅがある。ＺｎＳｅはＣＶＤ法で多結晶を作り、それを削り出してレンズとすることができる。Ｇｅと同様に切削、研磨に加工コストがかかる。
【背景技術】
【００１１】
遠赤外線カメラを自動車へ搭載したものを広く普及させるには、遠赤外線カメラを安価に製造する必要がある。そのために、８μｍ〜１２μｍの遠赤外を効率よく感受できるセンサを開発すると共に、レンズ光学系を安価に製造するようにしなければならない。先述のように、遠赤外に対し最も良い材料はゲルマニウムである。しかしこれは高価な材料であり、Ｇｅを使っている限り、安価な遠赤外線カメラはできない。それに次いでカルコゲナイドガラスも候補であるが、これもゲルマニウムを大量に含むので、コストを削減できない。ＺｎＳｅも赤外光用として候補に挙げられるが、これは遠赤外の吸収が大きくてカメラレンズとしては不適である。
【００１２】
次に、ＺｎＳ（硫化亜鉛）が候補として考えられる。これは安価な材料である。ゲルマニウムよりも遠赤外の透過率が低く、吸収が大きい。１０μｍ波長で透過率は７０％〜７５％程度であり、適切な反射防止コーティングを施した場合は、８５％〜９０％程度である。屈折率はゲルマニウムよりも低い。よってレンズとしての特性はゲルマニウムに劣る。さらにＺｎＳも加工が難しい。現在のところＣＶＤ法でＺｎＳの多結晶を作り、これを切削加工して、円形凸状、または円形凹状の形状とし、さらに研磨して表面を平滑に仕上げるということが可能である。しかし、これも硬い材料であり、切削、研磨の加工コストがかかる。そのような訳でこれまでのところ、ＺｎＳレンズを作って赤外光学系を実現したものはない。
【００１３】
しかしＺｎＳレンズによる遠赤外レンズの提案は幾つかある。特許文献１はＺｎＳレンズを焼結法によって作製する方法を提案しており、レンズ形状の金型を用いて、ＺｎＳ粉末を熱間圧縮成形するというものである。
【００１４】
特許文献２は９００℃〜１０００℃の温度範囲にて、１５０〜８００ｋｇ／ｃｍ２の圧力下で熱間圧縮成形し、多結晶ＺｎＳ焼結体としてレンズを作製する方法を提案している。
【００１５】
【特許文献１】ＷＯ２００３／０５５８２６
【特許文献２】特開平１１−２９５５０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
遠赤外線カメラの有用な応用例の１つは自動車の運転者の歩行者認知を補助するナイトビジョンシステムである。それは遠赤外線カメラによる夜間の歩行者検知システムである。人間や動物はかなり高い体温を持つので８μｍ〜１２μｍの赤外光を出す。その波長帯の赤外光を感知するカメラによって、夜間に於ける道路上の人間や動物の存在を検出することができる。反射光を検出するのではないから、ランプの光が到達しない遠くや斜め部分に存在する人間や動物も検知できる。速い速度で走る自動車からヘッドランプの反射光では十分に見えない視野の片隅の人間や動物の存在を感受することが期待される。従って、広角であることが望まれる。また人間か物体かを識別できるためには、解像度が高いという要請がある。さらに車載用の場合はスペースの余裕がないので、小型であることが必須である。
【００１７】
しかし、小型で広角のレンズはバックフォーカスＢＦが短くなり易い。バックフォーカスというのは、レンズ系の最後のレンズの後面から像面（結像面）までの距離をいう。赤外センサは窓とセンサ（受光面）が数ｍｍ離れているので、バックフォーカスが窓・像面間隔より短いと、最後のレンズが窓と接触する。例えば窓とセンサの間隔は４ｍｍ〜５ｍｍ程度あり、例えば窓は０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの厚みがある。
【００１８】
さらに窓の外には、シャッターを付ける必要がある。シャッターは瞬時に開閉運動する薄い金属板であるが、有限の厚みを持つ。シャッターは最終レンズや窓に接触してはならない。従って、十分なバックフォーカスＢＦを確保しなければ、センサとの組み合わせに充分な余裕はない。センサのサイズからバックフォーカスの望ましい範囲が決まる。上のような窓とセンサ面の間隔が４ｍｍ〜５ｍｍで、窓の厚みが０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの場合は、６ｍｍ以上のバックフォーカスが要求される。
【００１９】
本発明は、それを実現する方法を与える。車載用のカメラの場合、全体寸法が過大になってはいけないので、バックフォーカスＢＦはあまり大きい必要はない。最大で２０ｍｍもあればよい。よって、バックフォーカスとして６ｍｍ〜２０ｍｍのものを与えることが本発明の目的である。
本発明は、ＺｎＳを材料として、バックフォーカスの長い赤外光レンズを提供することを第１の目的とする。バックフォーカスが長く、しかも高解像度で、広視野の赤外光レンズを提供することが第２の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
小型という条件があって、しかもレンズを広角化すると、焦点距離が短くなる。そのため一般的にはバックフォーカスＢＦが短くなる。センサ内で窓と像面（センサ面）が離れており、窓の外にシャッターを設けるので、バックフォーカスが短いと、センサの像面に無限遠物体の像を結ぶようにできない。そこで本発明は、バックフォーカスが６ｍｍ以上である遠赤外レンズを提供することを目標とする。
【００２１】
本発明の赤外光レンズは、ＺｎＳからなり、両凸形状の第１レンズと、負メニスカス形状或いは両凹形状の第２レンズとの２枚レンズからなる前群と、正メニスカス形状の第３レンズよりなる後群からなるようにし、レンズの面を非球面とする。少なくとも１つの面は回折面とする。非球面や回折面は、さまざまな収差を抑制するためである。バックフォーカスＢＦを長くするという目的とは直接に関係がない。レンズの形状と焦点距離を適当に選ぶことによって、バックフォーカスを長くすることができる。 
更に、これらレンズの組み合わせによってレンズユニットとすることが可能である。又、このレンズユニットとこれらレンズにて結像した像を撮像する撮像部とを備えた撮像装置（赤外光カメラ）とすることも可能である。
【００２２】
本発明は、両凸形状の第１レンズ、負メニスカスレンズ或いは両凹形状の第２レンズ、正メニスカス形状の第３レンズからなるので、長いバックフォーカスＢＦを実現することができる。第１レンズは両凸形状で、物体側の凸面の曲率を大きくする。それは広角にするためである。像面側の曲率は小さくてもよい。像面側はほぼ平坦でもよい。正メニスカス形状にすると第２レンズで補正しきれない収差が生ずるから、両凸である。第２レンズはビームを広げる役割がある。そのために像面側に凹型であることが必要である。負メニスカスレンズの場合も像面側に凹のメニスカスレンズである必要がある。
【００２３】
第１、第２レンズで像面より遠くに像を結ぶようにする。それを第３レンズによって近くへ引き戻し、像面（センサ面）に結像するようにする。従って第３レンズは正の屈折力を持つレンズである。広角のレンズとするため第２レンズで周辺光を広げている。そのため第３レンズは物体側に凸の正レンズである。
【００２４】
バックフォーカスＢＦというのは、先述のように最後のレンズと像面の距離のことである。本発明の場合は、第３レンズの後面からセンサ像面までの距離である。バックフォーカスを広げるには第３レンズの像までの距離を広げればよい。第２レンズでより遠方に結像する。第３レンズからその像までの距離をａとし、第３レンズの焦点距離をｆ３として、第３レンズと像面までの距離をｂとすると、１／（−ａ）＋１／ｂ＝１／ｆ３（ｆ３＞０；ａ＞ｂ）であるから、ここでｂ＞６ｍｍとするのが目的ということになる。
【００２５】
ｂを大きくするのだから、ｆ３はかなり大きい方がよい。しかし第１レンズから像面までの距離（カメラ・センサの全光学系長さ）は限られている（２５ｍｍ〜４０ｍｍ）。よって全体の焦点距離ｆの上限が限られる。しかしｂを大きくするには、ｆがある程度大きくなくてはいけない。それで全焦点距離ｆは１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度に限られる。第１、第２レンズによって像面より前方（遠方）に無限遠の像を結ぶ必要がある。第３レンズの屈折力や、第２レンズと第３レンズの距離にもよるが、ｆ１２は２０ｍｍ以上必要である。
【００２６】
しかし、あまりに遠くに結像すると第３レンズの屈折力を増強しなければならないので、ｆ１２の上限は７０ｍｍ程度である。だからｆ１２＝２０ｍｍ〜７０ｍｍ程度になる。レンズ焦点距離の他にレンズ間の距離も関係して複雑である。ｆ＝１０〜３０ｍｍ、ｆ１２＝２０〜７０ｍｍにしてレンズの屈折力、レンズ間距離を適当に選ぶと、バックフォーカスＢＦを６ｍｍ以上にすることができる。
【００２７】
バックフォーカスＢＦを長くすると、像面側のレンズが物体側のレンズに接近して、像面側のレンズの軸外光線が、光軸から離れたところを通過するようになる。そのため、球面収差、非点収差の補正が困難になる。本発明は、レンズの何れかの面に非球面を用いる。それによって、球面収差、非点収差を良好に補正することができるようになる。
【００２８】
ＺｎＳは波長分散が大きいので、色収差が発生し性能が低下する。本発明は回折面を用いることによって色収差を低減する。また回折面は球面収差の補正にも大きく寄与することができる。
【００２９】
さらに視野角が２０゜〜３０゜のレンズの場合、光学性能を確保するため、レンズ系全体の焦点距離をｆ、前群（第１レンズＧ１と第２レンズＧ２）の焦点距離をｆ１２として、その比率が１〜３であるようにする。つまり 、
【００３０】
１≦ｆ１２／ｆ≦３
【００３１】
とする。ここでｆは全体の焦点距離、ｆ１２は第１、２レンズ（前群Ｇ１、Ｇ２）の焦点距離である。この条件を満たすことによって本発明のレンズ系は、視野内の収差がバランス良く補正されて、バックフォーカスＢＦが長く、明るく広角の構成にしやすくなる。下限の１よりこの比率が小さいと、第１レンズのパワーが大きくなり過ぎる。そのため球面収差の補正が難しくなる。上限の３よりこの比率が大きいと、第２レンズ、第３レンズの非球面度が大きくなり過ぎるので、大きい傾斜角光線の収差補正が困難になる。また歪曲収差の補正も難しくなる。
【００３２】
ＺｎＳ製の第１〜第３レンズは、モールド成形によって作製される。従って、切削によって製造する場合に比べて、加工コストを低減することができる。
【００３３】
さらに、本発明はレンズ形状の金型を用いて、高温高圧下でＺｎＳ原料粉末を熱間圧縮成形することでＺｎＳレンズを作る。そのためレンズの形状にも、ある制限が加えられる。高温高圧下で十分な成形性（機械強度、加工精度）を確保するには、レンズ厚みがある程度大きい方がよい。しかしその反面、あまり厚いと吸収が大きくなるから好ましくない。ＺｎＳはＧｅより８〜１２μｍでの吸収が大きいので、レンズの厚みは８ｍｍ以下とするのがよい。凹凸があるので、レンズの厚みは部位によって異なるが中心の厚みと周辺部の厚み（これをコバ厚という）で厚みの制限を表現する。中間部はその中間の値をとるから、それで厚みの範囲を表現することができる。
【００３４】
成形性と透明性を勘案して、例えば画素ピッチが２５μｍの撮像素子をターゲットとした高解像度レンズ系の場合、本発明のＺｎＳレンズは、
１．５ｍｍ＜中心厚み＜８．０ｍｍ
１．０ｍｍ＜コバ厚＜８．０ｍｍ
となるように条件を付ける。 
【００３５】
高温高圧下での成形において成形性（機械強度、加工精度）を確保するには、レンズの曲率は小さい方がよい。レンズの曲率半径Ｒの逆数が曲率であるが、口径が小さくて焦点距離が短いので、球面レンズだとどうしても曲率が大きくなる。中心と端でのレンズ面の高さの差をサグ量という。サグ量が大きいと高温高圧を利用したモールド成形では製造が難しくなる。本発明ではＺｎＳレンズのサグ量を５ｍｍ（サグ量＜５ｍｍ）未満とする。
【００３６】
つまり、本発明の遠赤外レンズは第１〜第３レンズが次のような条件を満たすようにする。
【００３７】
第１レンズ：両凸レンズ 
第２レンズ：負メニスカスレンズ  或いは、両凹レンズ
第３レンズ：正メニスカスレンズ
非球面、回折面を設け球面収差、非点収差を抑制する 。
１０ｍｍ≦ｆ≦３０ｍｍ 
２０ｍｍ≦ｆ１２≦７０ｍｍ        
１≦ｆ１２／ｆ≦３ 
１．５ｍｍ＜中心厚み＜８．０ｍｍ
１．０ｍｍ＜コバ厚＜８．０ｍｍ
サグ量＜５ｍｍ 
【００３８】
本発明の遠赤外線カメラ用レンズは視野角が２０゜〜４０゜の広角のものとすることができる。Ｆ値は０．８〜１．２程度のものを用いる。高価なＧｅでなく、安価なＺｎＳで作るので材料費を削減できる。しかしＺｎＳであっても、切削加工で製造すると、時間と費用がかかり低コストにならない。本発明は、レンズ形状の金型を用い、ＺｎＳ原料粉末を熱間圧縮成形（モールド成形）することで作製したＺｎＳレンズとし、低コスト化を実現している。
【００３９】
本発明は、特開平１１−２９５５０１に記載のモールド成形時の圧力・温度条件に適した形状（最大径、レンズ厚）を満たすように設計を行うことによって、低コスト光学系を実現することができる。
【００４０】
高温高圧下での成形において、成形性（機械強度、加工精度）を確保するにはレンズ厚がある程度大きいほうがよい。ただし、ＺｎＳは吸収が大きいので、レンズ厚が大きくなるとレンズの透過率が低下する。成形性と透過率のトレードオフを考慮して厚みを決定する必要がある。
【００４１】
例えば、画素ピッチ２５μｍの撮像素子をターゲットとした高解像度レンズ系の場合、本発明は１．５ｍｍ＜中心厚み＜８．０ｍｍ、１．０ｍｍ＜コバ厚＜８．０ｍｍ、サグ量＜５ｍｍの条件を満たすように設計する。これによって成形性と透過率の両方を満足させる。
【００４２】
本発明のＺｎＳレンズを用いた遠赤外線カメラの応用の１つとしてナイトビジョンシステムが挙げられる。これは自動車に搭載する夜間の歩行者検知システムである。人の体温によって発生する遠赤外光を検知して道路上の歩行者を検出する。車載遠赤外線カメラ用レンズには、画像認識の精度向上、車へのカメラの搭載容易性などの要求から、高解像度で小型のものが強く求められる。
【００４３】
通常、フロントグリルやバンパー周辺など風雨が当たり、走行中の飛来物が衝突するという過酷な環境下に、遠赤外線カメラが設置されることになるため、レンズの傷対策や汚れ対策などの耐環境対策が重要である。
【００４４】
赤外センサとしては冷却型、非冷却型のものがある。本発明の遠赤外線カメラには８〜１２μｍの波長帯に感度を持つ、ボロメーター、サーモパイル、ＳＯＩダイオードなどの非冷却熱型撮像素子をセンサとして用いることができる。
【００４５】
非冷却熱型撮像素子は通常１６０×１２０或いは３２０×２４０といった画素数の撮像素子が用いられている。熱型のセンサであるから画素のサイズをあまり小さくできない。しかし現在でも例えば２５μｍピッチの画素を製造することは可能である。２５μｍ×２５μｍの画素を使えば、上述の画素数のセンサの有効面積はそれぞれ４ｍｍ×３ｍｍ、８ｍｍ×６ｍｍとなり画像面を小さくできる。画像面が小さいとレンズ径を小さくできる。レンズ径が小さいとカメラの全体をより小型化することができる。
【００４６】
レンズ枚数、レンズサイズを増やすことなく、レンズの何れかの面に非球面や回折面を形成することによって、光学性能（明るさ、周波数分解能、温度分解能）の優れた高解像度レンズを製造することができる。これによって画像認識処理への適用が容易になる。
【００４７】
レンズとしては、視野角２０゜〜４０゜、Ｆ値が０．８〜１．２程度のものを使う。
【００４８】
レンズ形状の金型を用い、ＺｎＳ原料粉末を熱間圧縮成形（モールド成形）することで、遠赤外レンズを製造するので材料費、加工費を低減できる。低コストのレンズとすることができる。
【００４９】
雨水、ガス、汚れなどに曝されるレンズの最外面は（第１レンズの物体面側）ＤＬＣコートなどの超硬質膜で被覆するのがよい。それによって、表面強度が増強され、耐環境性も高揚する。
【００５０】
本発明は、車載遠赤外線カメラ向けレンズなどの車載用途に極めて有用である。それに加え、車載用途以外にも有用である。
【００５１】
外部環境に曝される最外のレンズ面にＤＬＣコート処理を行うことによって、レンズに傷が入らず、汚れを落ち易くし、メンテナンスの難しい場所に設置される監視カメラ用レンズとしても有効である。
【００５２】
人間のような遠赤外の発熱体の検知に適しているので、救助活動の有効な手段とすることができる。山間部や海上など過酷な環境下で、遭難者の探索に用いるカメラレンズとしても有用である。
【００５３】
可視光ではなく遠赤外を検知するから、煙が充満し視野不良の火災現場で、室内に取り残された人間の所在を的確に探知することができるので、救助活動に役立てることができる。また、火災現場にて壁や屋根の中のホットスポット（熱源）を探すことによって、迅速的確に消火活動を行うことができる。残火処理などの熱画像解析などにも利用することができる。
【発明の効果】
【００５４】
レンズを広角化すると、焦点距離が短くなる。そのため十分なバックフォーカスＢＦを確保するのが難しくなる。本発明は前群を、両凸形状の第１レンズと、負メニスカス形状或いは両凹レンズの２枚によって構成し、後群を正メニスカス形状からなる第３レンズで構成することによって、バックフォーカスの長い（６．０ｍｍ以上）の光学系を得る。
【００５５】
バックフォーカスＢＦを大きくすると、像面側のレンズが物体側のレンズに接近する。像面側の軸外光線が光軸から離れたところを通過するようになるので、球面収差、非点収差が大きくなる。大きい球面収差や非点収差を球面レンズの組み合わせで補正するのは困難である。そこで本発明はレンズ系の各面に非球面を用いる。非球面にすると、球面収差、非点収差を巧く補正することができる。
【００５６】
ＺｎＳはＧｅよりも波長分散が大きい。ＺｎＳレンズは色収差が発生し、性能が劣化する。それに対し本発明は、回折面を用いることによって色収差を低減する。また回折面は球面収差の補正にも大きく寄与する。  
【実施例１】
【００５７】
［実施例１（図１、図２）］ 
ＺｎＳ、３枚組レンズ   （Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３）
ｆ１２／ｆ＝２．３４
ｆ＝１８．５ｍｍ
ｆ１２＝４３．３８ｍｍ
Ｆ値  １．０１ 
最大径      １８．４ｍｍ 
フランジバック    ９．０８ｍｍ
ディストーション      ０．０５％
視野角              ３０．５゜
バックフォーカス（ＢＦ）：  ９．７ｍｍ
【００５８】
実施例１は、バックフォーカスがＢＦ＝９．７ｍｍ、ｆ１２／ｆ＝２．３４となる例である。ｆ１２はＧ１、Ｇ２の合成焦点距離、ｆは全体の焦点距離である。レンズのＦ値は焦点距離ｆを有効直径Ｄで割ったｆ／Ｄのことである。
【００５９】
図１に実施例１に係るレンズ系の断面を示す。これは３枚レンズよりなる。３枚レンズを物体側からＧ１、Ｇ２、Ｇ３とする。すべてＺｎＳ製である。レンズ形状の金型にＺｎＳの粉末材料を入れ高温高圧でモールド成形する。４枚目の平坦な部材はセンサの窓Ｗである。センサの窓Ｗはセンサに付随するものでＧｅ製である。最後のレンズＧ３と窓Ｗの間にはシャッター（図示せず）が設けられる。センサ窓Ｗの背後にはセンサ面（像面；結像面）Ｊがある。
【００６０】
対物レンズである第１レンズＧ１は両凸レンズである。非球面であって一様な曲率でなく、像面側周辺部では平坦に近くなっている。第２（中間）レンズＧ２は物体側が凹、像面側が凹である。非球面であってこれも複雑で像面側で周辺部は凸になっている。第３レンズＧ３は物体側が凸、像面側が凹である。これも一様曲率でなく、周辺部で物体側に凹の部分があり像面側に凸の部分がある。表１にレンズの特性のあらましを示す。
【００６１】
【表１】
2009063941.tif 000003
【００６２】
面番号は無限遠にある物体を０としてレンズの両面に番号を順に付けたものである。Ｇ１の面がＳ１、Ｓ２、Ｇ２の面がＳ３、Ｓ４、Ｇ３の面がＳ５、Ｓ６である。センサ窓Ｗの面は平坦面であるが、それぞれ面Ｓ７、Ｓ８である。
【００６３】
幾つかの入射角の異なる光線束の軌跡を３本組にして示している。Ｇ１レンズの最上部を通る光線、Ｇ２レンズ中央を通る光線、Ｇ３レンズの下方を通る光線の３つの光線である。
【００６４】
最も上向きの入射角を持つ光線（ヲ）を破線で示す。２番目の入射角の光線（ワ）を実線で示す。３番目に大きい入射角の光線（カ）を一点鎖線で示す。４番目の入射角の光線（ヨ）を二点鎖線によって示す。５番目の入射角の光線（タ）を破線によって示す。同じ入射角の平行光線が無数にＧ１を通るのであるが、像面Ｊでは一点に収束する。よって３本の光線で代表させることができる。
【００６５】
面間隔というのは、レンズの厚みとレンズ間の中心の間隔を意味する。 
物体と第１レンズＧ１の距離は無限大である。
第１レンズＧ１の中心厚みが４．０００ｍｍ、
Ｇ１とＧ２の対向面の中心間距離は４．１１３４ｍｍ、
第２レンズＧ２の中心厚みが２．０００ｍｍ、
Ｇ２とＧ３の対向面の中心間距離は５．３３５３ｍｍ、
第３レンズＧ３の中心厚みが３．３００ｍｍである。
Ｇ３と窓の対向面の距離は４．８０７５ｍｍである。
センサ窓Ｗの厚みは０．６６０ｍｍ、
窓とセンサ面の距離が４．２７０ｍｍ
である。 
【００６６】
本発明の目的は広角でありながら広いバックフォーカスＢＦを確保することである。バックフォーカスというのは、最終のレンズの背面の中心から像面（センサ面）までの距離のことである。３枚レンズからなる実施例１では、Ｇ３の面Ｓ６中心とセンサＪの面Ｓ９までの距離である。
【００６７】
Ｇ３・窓間距離が４．８０７５ｍｍ、窓厚みが０．６６０ｍｍ、窓とセンサ面の距離が４．２７０ｍｍであるから、これらの合計である９．７３７５ｍｍがバックフォーカスＢＦである。図１では省略しているが、センサ窓Ｗと第３レンズＧ３の間Ｓ６Ｓ７（この例では４．８０７５ｍｍ）にはシャッターが入る。バックフォーカスが狭いとシャッターが開閉する十分な余裕がなくなる。
【００６８】
レンズ面の凹凸は半径座標ｒを用いて、次のように表現する。
【００６９】
Ｚ（ｒ）＝（ｒ２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（ｒ２／Ｒ２）｝１／２］
＋Ａ２ｒ２＋Ａ４ｒ４＋Ａ６ｒ６＋Ａ８ｒ８＋…＋φ（ｒ）    （１） 
【００７０】
φ（ｒ）＝｛１／（ｎ−１）｝ｍｏｄ（ΣＣｊｒｊ，−λ）    （２）
【００７１】
Ｚ（ｒ）は半径座標がｒの点でのレンズ面の高さを示す。物体側へ突出する場合が正、像面側へ突出する場合を負と約束する。Ｒは球面レンズの場合の曲率半径にあたる量である。中心が物体側にあり円弧が像面側にある曲面の曲率半径を負に、中心が像面側にあり円弧が物体側にある曲面の曲率半径を正として表現する。Ｒの正又は負は、レンズ前面と後面で凹凸が反対になるよう対応する。  
【００７２】
Ｋは離心率である。 
【００７３】
Ａ２、Ａ４、Ａ６…は２次、４次、６次…の非球面係数である。この項は簡単にΣＡ２ｉｒ２ｉと略記することもできる。球面レンズを用いる場合、非球面係数は０である。非球面レンズを使う時は非球面係数は０でない値を持つ。非球面を採用するのは非点収差、球面収差、像面彎曲などの収差を補正するためである。本発明はバックフォーカスＢＦの広いレンズを与えるのが目的である。非球面係数の選択は、バックフォーカスの決定とはあまり関係がないので詳しく述べない。
【００７４】
アパーチャ半径というのは、受光できるレンズの有効半径のことである。φ（ｒ）というのは回折面を決める関数である。 
【００７５】
Ｃｊはｊ次の回折係数である。ｍｏｄ（ｐ，ｑ）というのはｐをｑで割った剰りの値を示す。つまりｐがｑだけ増加するごとにｑを引いていくというものである。半径ｒが増えることによって曲面が増加するとｑだけ差し引くことによって高さがｑの同心円構造を持つ回折格子を作ることになる。ここでは波長λと、高さの関数Ｃ１ｒ＋Ｃ２ｒ２＋Ｃ３ｒ３＋Ｃ４ｒ４…＝ΣＣｊｒｊを比較して、波長λを引けるだけ差し引き、剰り（０＜剰り＜λ）を求め、それによって同心の回折格子の高さを決める。回折高さΣＣｊｒｊが正の場合は、＋λと比較し、回折高さΣＣｊｒｊが負の場合は、−λと比較する。ＺｎＳは色収差が大きい。屈折率と回折の波長依存性は相反する。回折面は色収差の抑制のために用いる。バックフォーカスＢＦの決定とは直接の関係はないから詳しく説明しない。
【００７６】
（Ｇ１の物体側面：面Ｓ１） 
第１レンズＧ１の面Ｓ１は凸形状の非球面である。 
曲率半径  Ｒ＝２０．８６４ｍｍ
離心率    Ｋ＝−２．７７８８×１０−１ 
非球面係数は 
Ａ２＝−３．６５１×１０−３ｍｍ−１ 
Ａ４＝−２．３２７７×１０−５ｍｍ−３ 
Ａ６＝−１．６３５９×１０−７ｍｍ−５ 
Ａ８＝−８．１３０×１０−１０ｍｍ−７ 
である。 
Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４＝…＝０である。 
つまりＳ１には回折作用がない。
Ｓ１のアパーチャ半径は９．２０００ｍｍである。
【００７７】
（Ｇ１の像面側面：面Ｓ２） 
第１レンズＧ１の面Ｓ２は凸面の非球面である。 
曲率半径はＲ＝無限大である。 
離心率はＫ＝１．００００×１０１８である。 
曲率半径は無限大であるが離心率が大きいので凸状に見える。
非球面係数は 
Ａ２＝−３．３２９９×１０−３ｍｍ−１ 
Ａ４＝７．４０４６×１０−６ｍｍ−３ 
Ａ６＝−３．０８９５×−７ｍｍ−５
Ａ８＝７．１７１×１０−１０ｍｍ−７ 
である。 
それより高次の非球面係数は０である。
回折係数は 
Ｃ１＝−７．４４５５×１０−４ 
Ｃ２＝４．５７５４×１０−６ｍｍ−１ 
アパーチャ半径は９．６２５３ｍｍである。
第１レンズＧ１は正の屈折力を持つレンズである。
【００７８】
（Ｇ２の物体側面：面Ｓ３） 
第２レンズの物体側面である面Ｓ３は凹面の球面である。 
曲率半径はＲ＝−２７．０００ｍｍである。
球面なので曲率半径Ｒだけで形状が決まる。
【００７９】
（Ｇ２の像面側面：面Ｓ４） 
第２レンズＧ２の像面側面である面Ｓ４は凹面の非球面である。 
曲率半径はＲ＝−４２．４５９５ｍｍである。
離心率はＫ＝１．００７５×１０１である。 
非球面係数は 
Ａ２＝２．６２８０×１０−２ｍｍ−１、 
Ａ４＝−２．３９９８×１０−４ｍｍ−３、 
Ａ６＝９．５２２８×１０−７ｍｍ−５、 
Ａ８＝−１．７３１３×１０−９ｍｍ−７である。 
回折係数は 
Ｃ１＝−３．４８５０×１０−３、 
Ｃ２＝９．３８９３×１０−６ｍｍ−１、 
【００８０】
（Ｇ３の物体側面：面Ｓ５） 
第３レンズＧ３の物体側面である面Ｓ５は凸面の非球面である。 
曲率半径はＲ＝１７．６０３９ｍｍである。
離心率はＫ＝−５．６８５７×１０−１である。 
非球面係数は 
Ａ２＝１．０５４３×１０−２ｍｍ−１ 
Ａ４＝５．２６４２×１０−７ｍｍ−３ 
Ａ６＝−８．９５９９×１０−８ｍｍ−５ 
Ａ８＝−４．２５３８×１０−８ｍｍ−７ 
である。 
回折係数はいずれも０である。 
【００８１】
（Ｇ３の像面側面：面Ｓ６） 
第３レンズＧ３の像面側面である面Ｓ６は凹面の非球面である。 
曲率半径はＲ＝１９．４０４０ｍｍである。
離心率はＫ＝−２．４８８０×１０である。 
非球面係数は 
Ａ２＝−１．６３８１×１０−２ｍｍ−１
Ａ４＝５．３４１１×１０−４ｍｍ−３ 
Ａ６＝−８．８４０８×１０−６ｍｍ−５ 
Ａ８＝２．７０３４×１０−８ｍｍ−７である。 
回折係数はいずれも０である。 
【００８２】
（窓の物体側面：面Ｓ７） 
センサ窓はセンサと一体となったもので、ＺｎＳでなくＧｅである。物体側面は平坦である。
【００８３】
（窓の像面側面：面Ｓ８）
像面側面も平坦である。曲率半径は無限大、非球面係数は０である。 
バックフォーカスＢＦが９．７ｍｍあるので所定の目的（ＢＦ≧６ｍｍ）を満たしている。ｆ１２／ｆ＝２．３４だから、先述の範囲１≦ｆ１２／ｆ≦３の範囲にある。Ｆ値が１．０１なので明るいレンズである。
【００８４】
図２に実施例１のレンズのＭＴＦカーブを示す。横軸は空間周波数（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；単位ｌｐ／ｍｍ）である。縦軸はＭｏｄｕｌａｔｉｏｎである。入射角度を０゜（軸上）、３．１０゜、６．１８゜、１０．７３゜、１５．１５゜としている。それぞれの角度の入射光に対するサジタル成分（Ｓａｇｉｔｔａｌ）とタンゼンシャル成分（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）を示す。タンゼンシャル成分というのは入射角の傾きの接線の方向での値で、サジタルというのはそれと直交する方向の値である。
【００８５】
イ：回折限界 
ロ：軸上光線（０゜） 
ハ：３．１０゜  タンゼンシャル成分
ニ：３．１０゜  サジタル成分 
ホ：６．１８゜  タンゼンシャル成分
ヘ：６．１８゜  サジタル成分 
ト：１０．７３゜  タンゼンシャル成分
チ：１０．７３゜  サジタル成分
リ：１５．１５゜  タンゼンシャル成分
ヌ：１５．１５゜サジタル成分 
【００８６】
経験上、このレンズ系が像面にあるセンサの上に解像度の高い像を形成するには、センサの画素ピッチｐの２倍（２ｐ）の逆数（１／２ｐ）であるナイキスト周波数において、ＭＴＦが０．２以上だということが条件となる。画素ピッチが２５μｍの場合、ナイキスト周波数は２０ｌｐ／ｍｍである。
このグラフによればヌの１５．１５゜入射のサジタル成分が、空間周波数２８ｌｐ／ｍｍで０．２９に、２４ｌｐ／ｍｍで０．３４に、２０ｌｐ／ｍｍで０．４２に低下している。  チの１０．７３゜入射のサジタル成分が、空間周波数２８ｌｐ／ｍｍで０．２０に、２４ｌｐ／ｍｍで０．２９に、２０ｌｐ／ｍｍで０．３９に低下している。
しかしいずれにしても、空間周波数２０ｌｐ／ｍｍでＭＴＦが０．２以上という条件を満足する。
【００８７】
【表２】
2009063941.tif 000004
【００８８】
表２は実施例１のレンズの入射角が０゜、３．１゜、６．１８゜、１０．７３゜、１５．１５゜で、空間周波数が２０ｌｐ／ｍｍにおけるＭＴＦのｓａｇｉｔｔａｌ、ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ成分の値を示す表である。２０ｌｐ／ｍｍというのは画素ピッチを２５μｍとした時のナイキスト周波数である。グラフ、表に表した角度範囲でナイキスト周波数が２０ｌｐ／ｍｍの時、ＭＴＦが０．２より大きい。
【００８９】
画素ピッチ２５μｍ、画素サイズ３２０×２４０の撮像素子（８ｍｍ×６ｍｍ）と組み合わせる際に要求される高解像度を実現することができる。その場合、画素ピッチがｐ＝０．０２５ｍｍなのでナイキスト周波数は１／２ｐ＝２０ｌｐ／ｍｍである。入射角度が１５．１５゜でも、ナイキスト周波数２０ｌｐ／ｍｍにおけるＭＴＦが０．４程度である。０．２以上であるから画素ピッチ２５μｍの撮像素子と組み合わせ解像度の高いカメラを構成することができる。
【００９０】
さらに非球面を駆使することによって、レンズ系全体でのレンズ厚を小さく抑えることができ、明るいレンズ系を実現できる。各レンズのサグ量、中心厚、コバ厚（周辺厚みのこと）が条件を満たしているため、モールド成形による製造が可能である 。
以下に、実施例１のサグ量、コバ厚の数値を列挙する。
サグ量
Ｇ１レンズ：（物体側）１．４８８３ｍｍ、（像面側）０．４３７７ｍｍ  
Ｇ２レンズ：（物体側）１．５７１３ｍｍ、（像面側）０．２５７１ｍｍ
Ｇ３レンズ：（物体側）１．７５０２ｍｍ、（像面側）０．１５０２ｍｍ
コバ厚
Ｇ１レンズ：２．０７４０ｍｍ
Ｇ２レンズ：３．３１４２ｍｍ
Ｇ３レンズ：１．７０００ｍｍ
【実施例２】
【００９１】
［実施例２（図３、図４）］ 
ＺｎＳ、３枚組レンズ（Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６）
ｆ１２／ｆ＝１．０１
ｆ＝２０．４ｍｍ 
ｆ１２＝２０．６ｍｍ
Ｆ値  １．１１ 
最大径      １８．４ｍｍ 
フランジバック    ８．０８ｍｍ
ディストーション      １．７８％
視野角                ２７．１゜
バックフォーカス：  ８．７ｍｍ
【００９２】
実施例２は、バックフォーカスＢＦがＢＦ＝８．７ｍｍ、ｆ１２／ｆ＝１．０１となる例である。ｆ１２はＧ４、Ｇ５の合成焦点距離、ｆは全体の焦点距離である。レンズのＦ値はｆ／Ｄのことである。Ｆ値が１．１１なので十分に明るいレンズである。
【００９３】
図３に実施例２に係るレンズ系の断面を示す。これも３枚レンズＧ４、Ｇ５、Ｇ６よりなりＺｎＳ製である。４枚目の平坦な部材はセンサの窓Ｗである。センサ窓はセンサに付随するものでＧｅ製である。最後のレンズＧ６と窓Ｗの間にはシャッター（図示せず）が設けられる。窓Ｗの背後にはセンサ面（像面；結像面）Ｊがある。
【００９４】
対物レンズである第１レンズＧ４は両凸レンズである。両面ともに非球面であって一様な曲率でなく、像面側周辺部では平坦に近くなっている。第２（中間）レンズＧ５は物体側が凹、像面側が凹である。非球面であってこれも複雑で像面側で周辺部は凸になっている。第３レンズＧ６は物体側が凸、像面側が凹である。これも一様曲率でなく、周辺部で物体側に凹の部分があり像面側に凸の部分がある。
【００９５】
図４に実施例２のレンズのＭＴＦカーブを示す。横軸は空間周波数（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；単位ｌｐ／ｍｍ）である。縦軸はＭｏｄｕｌａｔｉｏｎである。入射角度を０゜（軸上）、２．８１゜、５．５９゜、９．６７゜、１３．５５゜としている。それぞれの角度の入射光に対するサジタル成分とタンゼンシャル成分を示す。
【００９６】
イ：回折限界 
ロ：軸上光線（０゜） 
ハ：２．８１゜  タンゼンシャル成分
ニ：２．８１゜  サジタル成分 
ホ：５．５９゜  タンゼンシャル成分
ヘ：５．５９゜  サジタル成分 
ト：９．６７゜  タンゼンシャル成分
チ：９．６７゜  サジタル成分 
リ：１３．５５゜タンゼンシャル成分
ヌ：１３．５５゜サジタル成分 
【００９７】
このグラフによれば、リの１３．５５゜入射のタンゼンシャル成分が、空間周波数２８ｌｐ／ｍｍで０．１３に、２４ｌｐ／ｍｍで０．１８に、２０ｌｐ／ｍｍで０．２６に低下している。チの９．６７゜入射のサジタル成分に対し、２４ｌｐ／ｍｍで０．２６に、２０ｌｐ／ｍｍで０．３０に低下している。しかしいずれにしても空間周波数２０ｌｐ／ｍｍで０．２以上という条件を満足する。多数の画素よりなるセンサと組み合わせるには、画素サイズに応じたナイキスト周波数において、ＭＴＦが０．２以上になるということが条件となる。これは１３．５５゜以内の全入射角に対し空間周波数が２０ｌｐ／ｍｍで、ＭＴＦが０．２以上という条件を満たす。 
【００９８】
【表３】
2009063941.tif 000005
【００９９】
表３は実施例２のレンズの入射角が０゜、２．８１゜、５．５９゜、９．６７゜、１３．５５゜で、空間周波数が２０ｌｐ／ｍｍにおけるＭＴＦのサジタル（ｓａｇｉｔｔａｌ）、タンゼンシャル（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）成分の値を示す表である。２０ｌｐ／ｍｍというのは画素ピッチを２５μｍとした時のナイキスト周波数である。画素ピッチをもっと小さくするのであれば、さらに大きい空間周波数でのＭＴＦが問題となる。１３．５５゜でサジタル成分のＭＴＦが０．２５７、タンゼンシャル成分のＭＴＦが０．２１である。それ以外の値はこれらより大きい。つまりグラフ、表に表した角度範囲で２０ｌｐ／ｍｍの時、ＭＴＦが０．２より大きい。有効な入射角の２倍が視野角であるから、このレンズ系では視野角は２７．１゜である。 
以下に、実施例２のサグ量、中心厚、コバ厚の数値を列挙する。
サグ量
Ｇ１レンズ：（物体側）１．５１３６ｍｍ、（像面側）０．３８７４ｍｍ  
Ｇ２レンズ：（物体側）０．２９９１ｍｍ、（像面側）０．００７０ｍｍ
Ｇ３レンズ：（物体側）０．８７８８ｍｍ、（像面側）０．７０９４ｍｍ
中心厚
Ｇ１レンズ：４．０ｍｍ
Ｇ２レンズ：２．０ｍｍ
Ｇ３レンズ：３．３ｍｍ
コバ厚
Ｇ１レンズ：２．０９９０ｍｍ
Ｇ２レンズ：２．２９２１ｍｍ
Ｇ３レンズ：３．１３０６ｍｍ
【実施例３】
【０１００】
［実施例３（図５、図６）］ 
ＺｎＳ、３枚組レンズ（Ｇ７、Ｇ８、Ｇ９）
ｆ１２／ｆ＝２．９８
ｆ＝１７．８ｍｍ、    
ｆ１２＝５３ｍｍ
Ｆ値  １．０２ 
最大径      １７．４ｍｍ 
フランジバック    ８．０８ｍｍ
ディストーション      ４．６４％
視野角                ３０．１゜
バックフォーカス：  ８．７ｍｍ
【０１０１】
実施例３は、バックフォーカスＢＦがＢＦ＝８．７ｍｍ、ｆ１２／ｆ＝２．９８となる例である。Ｆ値が１．０２なので十分に明るいレンズである。
【０１０２】
図５に実施例３に係るレンズ系の断面を示す。これも３枚レンズＧ７、Ｇ８、Ｇ９よりなりＺｎＳ製である。４枚目の平坦な部材はセンサの窓Ｗである。センサ窓はセンサに付随するものでＧｅ製である。最後のレンズＧ９と窓Ｗの間にはシャッター（図示せず）が設けられる。窓Ｗの背後にはセンサ面（像面；結像面）Ｊがある。
【０１０３】
対物レンズである第１レンズＧ７は両凸レンズである。第１面は強い凸面であるが、第２面はほぼ平坦に近い。第２（中間）レンズＧ８は物体側が凹、像面側が凹である。非球面であってこれも複雑で像面側で周辺部は凸になっている。第３レンズＧ９は物体側が凸、像面側が凹である。物体側に強い凸であるが像面側は平坦に近い。これも一様曲率でなく、周辺部で物体側に凹の部分があり像面側に凸の部分がある。
【０１０４】
図６に実施例３のレンズのＭＴＦカーブを示す。横軸は空間周波数（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；単位ｌｐ／ｍｍ）である。縦軸はＭｏｄｕｌａｔｉｏｎである。入射角度を０゜（軸上）、３．２１゜、６．３５゜、１０．９０゜、１５．０５゜としている。それぞれの角度の入射光に対するサジタル成分とタンゼンシャル成分を示す。
【０１０５】
イ：回折限界 
ロ：軸上光線（０゜） 
ハ：３．２１゜  タンゼンシャル成分
ニ：３．２１゜  サジタル成分 
ホ：６．３５゜  タンゼンシャル成分
ヘ：６．３５゜  サジタル成分 
ト：１０．９０゜  タンゼンシャル成分
チ：１０．９０゜  サジタル成分
リ：１５．０５゜  タンゼンシャル成分
ヌ：１５．０５゜  サジタル成分
【０１０６】
全入射角に対し、画素サイズに応じたナイキスト周波数において、ＭＴＦが０．２以上になるということが条件となる。センサの画素の寸法によってナイキスト周波数が変わる。前述のように２５μｍ角の画素を持つセンサの場合は、ナイキスト周波数が２０ｌｐ／ｍｍである。上記に示した角度の範囲で、空間周波数２０ｌｐ／ｍｍでＭＴＦが０．２以上である。
【０１０７】
このグラフによれば、トの１０．９０゜入射のタンゼンシャル成分が、空間周波数２８ｌｐ／ｍｍで０．１３に、２４ｌｐ／ｍｍで０．１８に、２０ｌｐ／ｍｍで０．２３に低下している。チの１０．９０゜入射のサジタル成分に対し、２４ｌｐ／ｍｍで０．２４に、２０ｌｐ／ｍｍで０．２９に低下している。しかしいずれにしても空間周波数２０ｌｐ／ｍｍで０．２以上という条件を満足する。
【０１０８】
【表４】
2009063941.tif 000006
【０１０９】
表４は実施例２のレンズの入射角が０゜、３．２１゜、６．３５゜、１０．９０゜、１５．０５゜で、空間周波数が２０ｌｐ／ｍｍにおけるＭＴＦのサジタル（ｓａｇｉｔｔａｌ）、タンゼンシャル（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）成分の値を示す表である。２０ｌｐ／ｍｍというのは画素ピッチを２５μｍとした時のナイキスト周波数である。画素ピッチをもっと小さくするのであれば、さらに大きい空間周波数でのＭＴＦが問題となる。
【０１１０】
１０．９０゜でサジタル成分のＭＴＦが０．２８７、タンゼンシャル成分のＭＴＦが０．２２９である。それ以外の値はこれらより大きい。つまりグラフ、表に表した角度範囲で、２０ｌｐ／ｍｍの時ＭＴＦが０．２より大きい。有効な入射角の２倍が有効視野角であるから、このレンズ系では視野角は３０．１゜である。 
以下に、実施例３のサグ量、中心厚、コバ厚の数値を列挙する。
サグ量
Ｇ１レンズ：（物体側）１．２４８８ｍｍ、（像面側）０．７３７５ｍｍ
Ｇ２レンズ：（物体側）０．７８７７ｍｍ、（像面側）０．２２１５ｍｍ
Ｇ３レンズ：（物体側）０．８５４１ｍｍ、（像面側）０．７４３１ｍｍ
中心厚
Ｇ１レンズ：４．０ｍｍ
Ｇ２レンズ：２．０ｍｍ
Ｇ３レンズ：３．３ｍｍ
コバ厚
Ｇ１レンズ：２．０１３７ｍｍ
Ｇ２レンズ：２．５６６２ｍｍ
Ｇ３レンズ：１．７０２８ｍｍ
【実施例４】
【０１１１】
［実施例４：３枚レンズからなるレンズユニット（図７、８、９）］ 
実施例１の遠赤外レンズの組を使ってレンズユニットにした。レンズユニットの全体の側面図を図７に示す。斜視図を図８に示す。縦断面図を図９に示す。 
金属製円筒形の鏡筒６０は、前方外周面に雄螺子条６２、後方外周面に雄螺子部６３を有する。内周面は平滑な内筒面６６となっている。内筒面６６は後方で隆起した段部６９となっている。段部６９の後ろに止突条７０がある。外周中間部には平滑部７３がある。 
金属製袋ナット形状のレンズ押さえ６４は雌螺子部６５を持ち、前方は少し直径の狭い前額部７２となっている。鏡筒６０、レンズ押さえ６４は例えばアルミで作ることができる。 
鏡筒６０の内筒面６６に沿って、第１レンズＧ１、第１スペーサ６７、第２レンズＧ２、第２スペーサ６８が挿入されている。第３レンズＧ３は更に奥の段部６９に内接している。第３レンズＧ３は止突条７０で後面が押さえられる。第３レンズＧ３の軸方向の位置が決まる。第２スペーサ６８は略円筒形であるが第３レンズＧ３と第２レンズＧ２の間に挿入され、第２、３レンズＧ２、Ｇ３の相対的な位置を決める。第１スペーサ６７は第２レンズＧ２と第１レンズＧ１の間にあって第１、２レンズＧ１、Ｇ２の相対位置を決める。レンズ押さえ６４は鏡筒６０の前の雄螺子条６２に螺合して第１レンズＧ１の前額部７２を押さえる。 
スペーサ６７、６８の作用によって、Ｇ１、Ｇ２間が４．１１３４ｍｍに、Ｇ２、Ｇ３間が５．３３５３ｍｍに定められる。スペーサ６７、６８はアルミ、セラミック、プラスチック等をリング状に形成することによって作られる。 
【実施例５】
【０１１２】
［実施例５：３枚レンズからなるレンズユニット（図１０）］ 
実施例２の遠赤外レンズの組を使ってレンズユニットにした。レンズユニットの側面図、斜視図は図７、図８に示すものとほぼ同一である。縦断面図を図１０に示す。 
金属製円筒形の鏡筒６０は、前方外周面に雄螺子条６２、後方外周面に雄螺子部６３を有する。内周面は平滑な内筒面６６となっている。内筒面６６は後方で隆起した段部６９となっている。段部６９の後ろに止突条７０がある。 
金属製袋ナット形状のレンズ押さえ６４は雌螺子部６５を持ち、前方は少し直径の狭い前額部７２となっている。鏡筒６０、レンズ押さえ６４は例えばアルミで作ることができる。 
鏡筒６０の内筒面６６に沿って、第１レンズＧ４、第１スペーサ６７、第２レンズＧ５、第２スペーサ６８が挿入されている。第３レンズＧ６は更に奥の段部６９に内接している。第３レンズＧ６は止突条７０で後面が押さえられる。第３レンズＧ６の軸方向の位置が決まる。第２スペーサ６８は略円筒形であるが第３レンズＧ６と第２レンズＧ５の間に挿入され、第２、３レンズＧ５、Ｇ６の相対的な位置を決める。第３レンズＧ６の外径が小さいので後方で広がった楔型の断面となっている。第１スペーサ６７は第２レンズＧ５と第１レンズＧ４の間にあって第１、２レンズＧ４、Ｇ５の相対位置を決める。レンズ押さえ６４は鏡筒６０の前の雄螺子条６２に螺合して第１レンズＧ４の前額部７２を押さえる。 
スペーサ６７、６８はアルミ、セラミック、プラスチック等をリング状に形成することによって作られる。 
【実施例６】
【０１１３】
［実施例６：３枚レンズからなるレンズユニット（図１１）］ 
実施例３の遠赤外レンズの組を使ってレンズユニットにした。レンズユニットの側面図、斜視図は図７、図８に示すものとほぼ同一である。縦断面図を図１１に示す。 
金属製円筒形の鏡筒６０は、前方外周面に雄螺子条６２、後方外周面に雄螺子部６３を有する。内周面は平滑な内筒面６６となっている。内筒面６６は後方に止突条７４がある。 
金属製袋ナット形状のレンズ押さえ６４は雌螺子部６５を持ち、前方は少し直径の狭い前額部７２となっている。鏡筒６０、レンズ押さえ６４は例えばアルミで作ることができる。 
鏡筒６０の内筒面６６に沿って、第１レンズＧ７、第１スペーサ６７、第２レンズＧ８、第２スペーサ６８が挿入されている。第３レンズＧ９は止突条７４で後面が押さえられる。第３レンズＧ９の軸方向の位置が決まる。第２スペーサ６８は略円筒形であるが第３レンズＧ９と第２レンズＧ８の間に挿入され、第２、３レンズＧ８、Ｇ９の相対的な位置を決める。第１スペーサ６７は第２レンズＧ８と第１レンズＧ７の間にあって第１、２レンズＧ７、Ｇ８の相対位置を決める。レンズ押さえ６４の雌螺子部６５は鏡筒６０の前の雄螺子条６２に螺合して第１レンズＧ７の前額部７２を押さえる。 
スペーサ６７、６８はアルミ、セラミック、プラスチック等をリング状に形成することによって作られる。 
【実施例７】
【０１１４】
［実施例７：３枚レンズからなるレンズユニットに撮像素子を結合した撮像装置（図１２）］ 
実施例７は、実施例４の遠赤外レンズユニットに撮像素子を結合して撮像装置としたものである。実施例７の撮像装置の全体の縦断面図を図１２に示す。 
金属製円筒形の鏡筒６０は、前方外周面に雄螺子条６２、後方外周面に雄螺子部６３を有する。内周面は平滑な内筒面６６となっている。内筒面６６は後方で隆起した段部６９となっている。段部６９の後ろに止突条７０がある。外周中間部には平滑部７３がある。 
金属製袋ナット形状のレンズ押さえ６４は雌螺子部６５を持ち、前方は少し直径の狭い前額部７２となっている。鏡筒６０、レンズ押さえ６４は例えばアルミで作ることができる。 
鏡筒６０の内筒面６６に沿って、第１レンズＧ１、第１スペーサ６７、第２レンズＧ２、第２スペーサ６８が挿入されている。第３レンズＧ３は更に奥の段部６９に内接している。第３レンズＧ３は止突条７０で後面が押さえられる。第３レンズＧ３の軸方向の位置が決まる。第２スペーサ６８は略円筒形であるが第３レンズＧ３と第２レンズＧ２の間に挿入され、第２、３レンズＧ２、Ｇ３の相対的な位置を決める。第１スペーサ６７は第２レンズＧ２と第１レンズＧ１の間にあって第１、２レンズＧ１、Ｇ２の相対位置を決める。レンズ押さえ６４は鏡筒６０の前の雄螺子条６２に螺合して第１レンズＧ１の前額部７２を押さえる。 
スペーサ６７、６８の作用によって、Ｇ１、Ｇ２間が４．１１３４ｍｍに、Ｇ２、Ｇ３間が５．３３５３ｍｍに定められる。スペーサ６７、６８はアルミ、セラミック、プラスチック等をリング状に形成することによって作られる。 
円筒形の撮像素子ホルダ−８０は前方内側に雌螺子部８３、後方に底板８２を有する。底板８２には開口部を持つ円筒形の窓ホルダ−８４が形成される。窓ホルダ−８４の開口部には窓Ｗが固定される。底板８２には撮像素子チップ８６が中央に固定してある。撮像素子チップ８６の前面が像面Ｊである。雌螺子部８３を鏡筒６０の雄螺子部６３に螺合する。そうすることによって、撮像素子とレンズユニットが一体化し撮像装置となる。     
【実施例８】
【０１１５】
［実施例８：３枚レンズからなるレンズユニットに撮像素子を結合した撮像装置（図１３）］ 
実施例８は、実施例５の遠赤外レンズユニットに撮像素子を結合して撮像装置としたものである。実施例８の撮像装置の全体の縦断面図を図１３に示す。 
金属製円筒形の鏡筒６０は、前方外周面に雄螺子条６２、後方外周面に雄螺子部６３を有する。内周面は平滑な内筒面６６となっている。内筒面６６は後方で隆起した段部６９となっている。段部６９の後ろに止突条７０がある。外周中間部には平滑部７３がある。 
金属製袋ナット形状のレンズ押さえ６４は雌螺子部６５を持ち、前方は少し直径の狭い前額部７２となっている。鏡筒６０、レンズ押さえ６４は例えばアルミで作ることができる。 
鏡筒６０の内筒面６６に沿って、第１レンズＧ４、第１スペーサ６７、第２レンズＧ５、第２スペーサ６８が挿入されている。第３レンズＧ６は更に奥の段部６９に内接している。第３レンズＧ６は止突条７０で後面が押さえられる。第３レンズＧ６の軸方向の位置が決まる。第２スペーサ６８は略円筒形であるが第３レンズＧ６と第２レンズＧ５の間に挿入され、第２、３レンズＧ５、Ｇ６の相対的な位置を決める。第１スペーサ６７は第２レンズＧ５と第１レンズＧ４の間にあって第１、２レンズＧ４、Ｇ５の相対位置を決める。レンズ押さえ６４の雌螺子部６５が鏡筒６０の前の雄螺子条６２に螺合する。レンズ押さえ６４が第１レンズＧ４の前額部７２を押さえる。 
スペーサ６７、６８はアルミ、セラミック、プラスチック等をリング状に形成することによって作られる。 
円筒形の撮像素子ホルダ−８０は前方内側に雌螺子部８３、後方に底板８２を有する。底板８２には開口部を持つ円筒形の窓ホルダ−８４が形成される。窓ホルダ−８４の開口部には窓Ｗが固定される。底板８２には撮像素子チップ８６が中央に固定してある。撮像素子チップ８６の前面が像面Ｊである。雌螺子部８３を鏡筒６０の雄螺子部６３に螺合する。そうすることによって、撮像素子とレンズユニットが一体化し撮像装置となる。     
【実施例９】
【０１１６】
［実施例９：３枚レンズからなるレンズユニットに撮像素子を結合した撮像装置（図１４）］ 
実施例９は、実施例６の遠赤外レンズユニットに撮像素子を結合して撮像装置としたものである。実施例９の撮像装置の全体の縦断面図を図１４に示す。 
金属製円筒形の鏡筒６０は、前方外周面に雄螺子条６２、後方外周面に雄螺子部６３を有する。内周面は平滑な内筒面６６となっている。内筒面６６は後方で隆起した段部６９となっている。段部６９の後ろに止突条７０がある。外周中間部には平滑部７３がある。 
金属製袋ナット形状のレンズ押さえ６４は雌螺子部６５を持ち、前方は少し直径の狭い前額部７２となっている。鏡筒６０、レンズ押さえ６４は例えばアルミで作ることができる。 
鏡筒６０の内筒面６６に沿って、第１レンズＧ７、第１スペーサ６７、第２レンズＧ８、第２スペーサ６８が挿入されている。第３レンズＧ９は止突条７４で後面が抑えられる。第３レンズＧ９の軸方向の位置が決まる。第２スペーサ６８は略円筒形であるが第３レンズＧ９と第２レンズＧ８の間に挿入され、第２、３レンズＧ８、Ｇ９の相対的な位置を決める。第１スペーサ６７は第２レンズＧ８と第１レンズＧ７の間にあって第１、２レンズＧ７、Ｇ８の相対位置を決める。レンズ押さえ６４の雌螺子部６５が鏡筒６０の前の雄螺子条６２に螺合する。レンズ押さえ６４は第１レンズＧ７の前額部７２を押さえる。 
スペーサ６７、６８はアルミ、セラミック、プラスチック等をリング状に形成することによって作られる。 
円筒形の撮像素子ホルダ−８０は前方内側に雌螺子部８３、後方に開口部を持つ。開口部には円盤形のステム８７が溶接される。ステム８７には開口部を持つ円筒形の窓ホルダ−８４が溶接される。窓ホルダ−８４の開口部には窓Ｗが固定される。ステム８７には撮像素子チップ８６が中央に固定してある。撮像素子チップ８６の前面が像面Ｊである。雌螺子部８３を鏡筒６０の雄螺子部６３に螺合する。そうすることによって、撮像素子とレンズユニットが一体化し撮像装置となる。    
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】両凸の第１レンズＧ１、物体側に凹である負メニスカスの第２レンズＧ２、物体側に凸である正メニスカスの第３レンズＧ３の３枚レンズからなる本発明の実施例１に係る遠赤外線カメラ用レンズの断面図。
【０１１８】
【図２】実施例１の遠赤外線カメラ用レンズの空間周波数を横軸、Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎを縦軸とし、入射角をパラメータとしたＭＴＦ曲線グラフ。
【０１１９】
【図３】両凸の第１レンズＧ４、両凹形状の第２レンズＧ５、物体側に凸である正メニスカス第３レンズであるＧ６の３枚レンズからなる本発明の実施例２に係る遠赤外線カメラ用レンズの断面図。
【０１２０】
【図４】実施例２の遠赤外線カメラレンズの空間周波数を横軸、Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎを縦軸とし、入射角をパラメータとしたＭＴＦ曲線グラフ。
【０１２１】
【図５】物体側が凸像面側が平坦な平凸の第１レンズＧ７、両凹形状の第２レンズＧ８、物体側に凸である正メニスカスの第３レンズＧ９の３枚レンズからなる本発明の実施例３に係る遠赤外線カメラ用レンズの断面図。
【０１２２】
【図６】実施例３の遠赤外線カメラレンズの空間周波数を横軸、Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎを縦軸とし、入射角をパラメータとしたＭＴＦ曲線グラフ。
【０１２３】
【図７】実施例１の遠赤外レンズとスペーサを鏡筒に組み込みレンズ押さえを鏡筒に固定した本発明の実施例４に係るレンズユニットの側面図。
【０１２４】
【図８】実施例１の遠赤外レンズとスペーサを鏡筒に組み込みレンズ押さえを鏡筒に固定した本発明の実施例４に係るレンズユニットの斜視図。
【０１２５】
【図９】実施例１の遠赤外レンズとスペーサを鏡筒に組み込みレンズ押さえを鏡筒に固定した本発明の実施例４に係るレンズユニットの縦断面図。
【０１２６】
【図１０】実施例２の遠赤外レンズとスペーサを鏡筒に組み込みレンズ押さえを鏡筒に固定した本発明の実施例５に係るレンズユニットの縦断面図。
【０１２７】
【図１１】実施例３の遠赤外レンズとスペーサを鏡筒に組み込みレンズ押さえを鏡筒に固定した本発明の実施例６に係るレンズユニットの縦断面図。
【０１２８】
【図１２】実施例４のレンズユニットに撮像素子を結合した本発明の実施例７に係る撮像装置の縦断面図。
【０１２９】
【図１３】実施例５のレンズユニットに撮像素子を結合した本発明の実施例８に係る撮像装置の縦断面図。
【０１３０】
【図１４】実施例６のレンズユニットに撮像素子を結合した本発明の実施例９に係る撮像装置の縦断面図。
【符号の説明】
【０１３１】
Ｇ１、Ｇ４、Ｇ７  第１レンズ 
Ｇ２、Ｇ５、Ｇ８  第２レンズ 
Ｇ３、Ｇ６、Ｇ９  第３レンズ 
Ｓ１〜Ｓ６  レンズ面 
Ｓ７〜Ｓ８  センサ窓面
Ｓ９  像面（センサ面）
Ｊ  像面（センサ面） 
ＢＦ  バックフォーカス 
６０  鏡筒 
６２  雄螺子条 
６３  雄螺子部 
６４  レンズ押さえ 
６５  雌螺子部 
６６  内筒面 
６７  第１スペーサ 
６８  第２スペーサ 
６９  段部 
７０  止突条 
７２  前額部 
７３  平滑部 
７４  止突条 
８０  撮像素子ホルダ− 
８２  底板 
８３  雌螺子部 
８４  窓ホルダ− 
８６  撮像素子チップ 
８７  ステム
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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