CN105045015B - 红外线摄像装置以及摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种红外线摄像装置以及摄像装置，该红外线摄像装置通过维持高的分辨性能且减少难以得到而昂贵的红外线透镜材料的体积，实现了红外线摄像装置的小型化以及低成本化。红外线摄像装置具有红外线透镜光学系统，该红外线透镜光学系统具有至少一片菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜的至少一面为菲涅尔面，在该红外线摄像装置中，上述菲涅尔透镜包括如下透镜材料的透镜，该透镜材料在以该透镜材料形成厚度4mm的无涂布的平行平面板的情况下，在波长3000nm～14000nm之间的使用波长范围的至少一个单波长时透射率为35％以上，该菲涅尔面的曲面的法线与菲涅尔透镜的光轴所成的角度θ的最大值满足条件式5°≤θ≤65°。

Description

红外线摄像装置以及摄像装置
技术领域
本发明涉及一种红外线摄像装置，更详细地说，涉及一种利用被摄体所放射的红外线形成红外线像来进行摄像的红外线摄像装置。
背景技术
近年来，红外线摄像装置不只是红外热像仪、监视装置、工业测量设备、医疗测量设备，还作为在车载用设备、自动门、制冷制热设备等中使用的对人传感器(人检测传感器)被广泛利用着。
但是，作为适合在波长3000nm(3μm)～14000nm(14μm)的红外波长区域使用的透镜材料的锗、硒化锌、硫属化物玻璃等与可见光用的透镜材料相比由于材料矿石的开采困难等理由而非常昂贵，强烈期望通过削减构成透镜片数、使构成透镜小型化来减少制造成本。
为了削减构成透镜片数、使构成透镜小型化而在红外线透镜光学系统中包括菲涅尔面是众所周知的。即，提出了如下的红外线透镜光学系统：具备两片将一面构成为菲涅尔面并将另一面构成为平面的具有凸透镜的作用的菲涅尔透镜，并具有两个条件式(例如，参照专利文献1)。
作为其它的以往的红外线透镜光学系统，提出了具备至少两片球面透镜和至少一片薄的平板透镜且上述平板透镜的一个面为菲涅尔透镜的红外线透镜光学系统(例如，参照专利文献2)。在该专利文献中，还提出了上述平板透镜的一个面为衍射面的红外线透镜光学系统。
此外，在可见光透镜光学系统中，还提出了为了结构透镜片数的削减、结构透镜的小型化而具有菲涅尔面的透镜光学系统。即，提出了一种广角透镜(例如，参照专利文献3)，该广角透镜自物体侧起依次包括具有负的折射力的第一透镜以及具有正的折射力的第二透镜，上述第一透镜的入射面为菲涅尔面，上述第二透镜的入射面为菲涅尔面，上述第二透镜的出射面为非球面。
作为为了削减构成透镜片数、使构成透镜小型化而具有菲涅尔面的可见光透镜光学系统的其它现有技术，提出了如下的广角透镜：自物体侧起依次具备具有负的折射力的第一透镜以及具有正的折射力的第二透镜，设置有以这些第一透镜和第二透镜的至少一面的球面为基准排列的菲涅尔面和非球面，菲涅尔面以不均匀的环带间隔形成(例如，参照专利文献4)。
另一方面，作为在公知的可见光光学系统中具有菲涅尔面的透镜，提出了如下的摄像透镜：将透镜主体的至少一个面形成为非球面，并且将该透镜主体的物体侧的第一面和摄像面侧的第二面中的至少一面作为菲涅尔面(对比文献5的权利要求1)。
关于对比文献5的摄像透镜，还提出了通过将第一透镜和第二透镜接合来形成透镜主体(专利文献5的权利要求2)。
作为在公知的可见光光学系统中具有菲涅尔面的透镜，还提出了一种摄像透镜，其特征在于，将透镜主体的摄像面侧的第二面形成为菲涅尔面，并且将衍射元件一体地形成于上述透镜主体的物体侧的第一面和摄像面侧的第二面中的至少一个面(例如，参照专利文献6)。
专利文献1：日本特许第3758072号公报
专利文献2：日本特开平10-301024号公报
专利文献3：日本特开平06-230275号公报
专利文献4：日本特开平07-043607号公报
专利文献5：日本特开2002-55273号公报
专利文献6：日本特开2002-350723号公报
发明内容
发明要解决的问题
上述现有技术的可见光透镜光学系统在被要求例如100条/毫米以上的高分辨率的可见光区域的摄像装置中由于与菲涅尔透镜的环带的间距和光的波长关联地产生的衍射图像、因环带间的阶差而产生的杂光的影响而分辨率显著地降低。另一方面，可见光摄像装置一般形成彩色图像，因此摄像元件配置有各像素的R、G、B中的任一个的滤光片。这些R、G、B的滤光片将规定的波长设为峰值，将100～几十nm的范围设为透射区域。因此，各受光像素接收较窄的衍射角度范围的光，在成像面上形成某种程度上清晰的衍射图像，还形成标准图像和位置相对于该标准图像偏移的衍射图像。因此，在可见光成像系统中包括菲涅尔面并非优选，在产业上采用菲涅尔面的设备被限定于如上述的衍射图像问题、杂光问题被允许的照明系统、简单的放大镜等那样不被要求高分辨率的设备。
另一方面，红外线摄像元件中的任一受光元件均不将入射光进行分光而接收规定波长区域的所有波长的光。其结果，以与红外线摄像元件的受光灵敏度波长范围对应的非常广的波长范围的衍射角度衍射的光所产生的图像在摄像元件上偏离标准图像地形成。
因而，在红外线摄像元件上，衍射图像是模糊的图像，并且还存在由于环带间的阶差而产生的杂光的影响，从而形成不清晰的衍射光的光红外线图像。
并且，3000nm～14000nm的红外线与400nm～700nm的可见光相比，波长长10倍～20倍，分辨极限较低。但是，能够通过图像处理提高图像整体的对比度，从而能够将衍射的影响减小到实际使用上不会造成不利影响的程度。
由对比文献1提出的具备两片将一面构成为菲涅尔面、将另一面构成为平面的具有凸透镜的作用的菲涅尔透镜并且具有两个条件式的红外线透镜光学系统当确定整个透镜系统的焦距和各菲涅尔透镜的焦距时，确定上述菲涅尔透镜的曲率和主点位置。其结果，存在如下问题：能够使用于像差校正的参数只有菲涅尔面的非球面形状，在像差校正不充分的状态下不得不实施像差校正而无法实现期望的分辨率。
由对比文献2提出的具备至少两片球面透镜和至少一片薄的平板透镜且上述平板透镜的一个面为菲涅尔透镜的红外线透镜光学系统中两片透镜是球面透镜，包含很多难以得到的昂贵的红外线透镜材料，制造成本的减少程度低。另外，估计有如下问题：虽然球面像差在某种程度上得到校正，但是无法充分地校正像散、彗星像差。
另外，当假设要将对比文献5的权利要求2所记载的形成接合透镜来校正色像差的技术应用于本发明的红外线摄像装置时，红外线用透镜材料的种类非常少，难以通过红外线用透镜材料的粘贴来校正色像差。除此之外，不存在使红外线透过的粘结剂。因而，对比文献5的将两片凹凸的透镜接合的技术实质上不可能应用于红外线透镜光学系统。
并且，当假设要将对比文献5的权利要求2所记载的形成接合透镜来校正色像差的技术应用于本发明的红外线摄像装置时，在制造上存在较大问题。即，在将两片透镜接合的情况下，将作为基准的一方的透镜A固定，接着使另一方的透镜B相对于透镜A移动，并进行调整以提高两个透镜A、B的合成透过芯精度、即使两个透镜A、B合为单个透镜时的芯精度。但是，实际上，透镜B相对于透镜A的光学上的偏移/倾斜量由于受到两个透镜A、B的芯精度的影响，因此变大是不可避免的。其结果，从透镜B的菲涅尔面的环带产生的衍射光、由于环带间的阶差产生的杂光出现在成像面的偏离的位置，透镜B的菲涅尔面的大的光学上的偏移/倾斜量的影响变得显著，图像的清晰度降低。
(发明的目的)
本发明是鉴于红外线摄像装置、特别是红外线摄像装置的红外线透镜系统的上述问题点而完成的，其目的在于提供一种通过维持高的分辨性能且减少难以得到而昂贵的红外线透镜材料的体积而实现了红外线摄像装置的小型化以及低成本化的红外线摄像装置。
用于解决问题的方案
本发明的红外线摄像装置具有红外线透镜光学系统，该红外线透镜光学系统具有至少一片菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜的至少一面为菲涅尔面，上述红外线透镜光学系统包含如下透镜材料，该透镜材料在以该透镜材料形成厚度4mm的无涂布的平行平面板的情况下，在波长3000nm～14000nm之间的使用波长范围的至少一个单波长时透射率为35％以上，上述菲涅尔透镜的两面为曲面，该曲面的法线与菲涅尔透镜的光轴所成的角度θ的最大值满足条件式(1)，
条件式(1) 5°≤θ≤65°。
发明的效果
根据本发明的红外线摄像装置，能够构成通过维持高的分辨性能且减少由于材料矿石的开采困难等理由而昂贵的红外线透镜材料的体积来实现了红外线摄像装置的小型化以及低成本化的红外线摄像装置。
对于条件式(1)进行说明。条件式(1)是用于在具有红外线透镜光学系统的红外线摄像装置中充分地进行像差校正、特别是校正球面像差、像散、彗星像差的条件，该红外线透镜光学系统具有至少一片菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜的至少一面为菲涅尔面。
当超过条件式(1)的下限时，因菲涅尔面的基础面的变化而引起的球面像差、像散、彗星像差等的变化量少，无法充分地校正球面像差、像散、彗星像差等。
当超过条件式(1)的上限时，能够进行像差校正，但是为了将菲涅尔透镜的厚度抑制在固定范围内而菲涅尔面的环带数变多，菲涅尔环带的半径方向的宽度变小。其结果，由于各菲涅尔环带的内外周的阶差即环带的下降(サグ)而产生大量的杂光，妨碍形成清晰的成像。
为了形成清晰的成像，更优选为5°≤θ≤55°。
上述红外线透镜光学系统使用如下透镜材料是用于获得明亮且清晰的成像的条件，该透镜材料在以该透镜材料形成厚度4mm的无涂布的平行平面板的情况下，在波长3000nm～14000nm之间的使用波长范围的至少一个单波长时透射率为35％以上。
更优选的是，上述红外线透镜光学系统使用如下透镜材料，该透镜材料在以该透镜材料形成厚度4mm的无涂布的平行平面板的情况下，在波长3000nm～14000nm之间的使用波长范围的至少一个单波长时透射率为45％以上。
更进一步优选的是，上述红外线透镜光学系统使用如下透镜材料，该透镜材料在以该透镜材料形成厚度4mm的无涂布的平行平面板的情况下，在波长3000nm～14000nm时透射率为55％以上。
(实施方式1)
在本发明的红外线摄像装置中，上述菲涅尔透镜的菲涅尔面满足条件式(2)。
条件式(2) |X/R|≤0.17
其中，R为菲涅尔面的以同心圆状分割得到的菲涅尔环带中的最外侧环带的外周缘的半径，
X为最大深度、即在光轴方向上从菲涅尔面的中心光轴方向位置至菲涅尔面的最远位置为止的距离，该菲涅尔面的最远位置是菲涅尔环带边界的最深的位置。
对于条件式(2)进行说明。在菲涅尔透镜中，如果增加分割菲涅尔面的环带的分割数，则能够提高设计上的分辨率。另一方面，当增加环带的分割数时，因环带间的阶差以及该阶差的加工误差产生的杂光增加而使分辨率降低。相反地，为了抑制杂光的产生，当减少环带数时，难以进行球面像差、像散、彗星像差等的校正。
在此，阶差是指在环带的边界处的两个环带的边缘部在光轴O方向上的距离。在图82中，阶差SD(2012、2014)是环带2012、2014的阶差。
以往很多的菲涅尔透镜通过使环带的半径方向的宽度固定、或者使各环带的外周缘和内周缘在光轴方向上的间隔即所谓的阶差固定，由此使连接各环带的顶点圆周的线成为与透镜光轴正交的直线。
但是，在菲涅尔面的环带的法线与透镜光轴所成的角度θ大的菲涅尔透镜的情况下，虽然为了提高设计上的分辨率而增加环带数，但是由于环带间的阶差以及该阶差的加工误差而产生的杂光变多，从而分辨率降低。
条件式(2)是为了减少由于该环带间的阶差以及该阶差的加工误差所产生的杂光而对R与X之比进行限制，其中，R为菲涅尔面的以同心圆状分割得到的环带中的最外侧环带的外周半径，X为最大深度、即在光轴方向上从菲涅尔面的中心光轴方向位置至菲涅尔面的最远位置即菲涅尔环带边界的最远位置为止的光轴方向距离。在超过条件式(2)的上限的情况下，使红外线透镜材料的体积减小的效果减少，从而无法充分地实现红外线摄像装置的小型化以及低成本化。
在此，如图82所示，最大深度X是指在菲涅尔面2002具有菲涅尔中心区域2001、菲涅尔环带2010、2012、2014的菲涅尔透镜2000中，从位于菲涅尔中心区域2001的中心的中心光轴方向位置C至菲涅尔面的最远的光轴方向位置D即菲涅尔环带边界的最深的光轴方向位置D为止的距离。
最外侧环带的外周半径R是菲涅尔面的以同心圆状分割得到的菲涅尔环带中的最外侧环带的外周缘的半径。
另外，在本发明中，菲涅尔中心区域2001也设为内周缘的直径0mm的环带。
(实施方式2)
在本发明的红外线摄像装置中，上述菲涅尔面中的至少一面的该菲涅尔环带间的总数的80％以上的阶梯部满足条件式(3)。
条件式(3) 0.7≤P/N≤1.3
其中，TMAX为阶梯部的阶差的最大值，
TMIN为阶梯部的阶差的最小值，
P＝TMAX/TMIN，
N为最接近P的整数
条件式(3)定义了菲涅尔面的相邻的菲涅尔环带的阶梯部在光轴方向上的阶差即长度之比。当菲涅尔面的相邻的菲涅尔环带的阶梯部在光轴方向上的阶差设定成在光束通过菲涅尔面的各个环带部分的前后光束的波前一致(相位一致)、即入射到菲涅尔环带的光束的波前一致的情况下从该菲涅尔环带射出的光束的波前一致时，能够维持高的分辨性能。其中，由于与透镜系统所要求的分辨性能相应地允许某个范围的像差量，因此即使射出的光束的波前不完全一致，只要菲涅尔面的有效直径内的阶梯部数的80％以上的阶梯部满足条件式(3)，就能够确保分辨性能。
更优选的是，当满足0.8≤P/N≤1.2时，能够确保更好的分辨性能。
进一步优选的是，当满足0.85≤P/N≤1.15时，能够确保更清晰的分辨性能。
进一步优选的是，当满足0.9≤P/N≤1.1时，能够确保更进一步清晰的分辨性能。
在此，如图82所示，阶梯部S是菲涅尔环带的边界部。菲涅尔主体2012、2014的阶梯部S(2012、2014)具有光轴方向的阶差SD(2012、2014)。
(实施方式3)
在本发明的红外线摄像装置中，上述菲涅尔透镜的两面为菲涅尔面。
通过使一片透镜的两面成为菲涅尔面，能够减少昂贵的红外线透镜材料的体积。并且，通过将该透镜两面的形状使用为用于像差校正的参数，光学设计的自由度增加，能够良好地校正像差从而获得高分辨率的成像。
并且，在考虑到对比文献5所涉及的段落0009所记载的与制造相关的问题时，本发明的使一片透镜的两面成为菲涅尔面的结构能够使菲涅尔透镜的光学上的偏移/倾斜量提高至透镜加工机的加工精度，能够获得高画质。
并且，通过使两面成为菲涅尔面，能够减小菲涅尔化后的透镜的主点间隔。其结果，能够降低通过本红外光学系统的周边部的光线的通过高度，减小透镜直径，从而能够削减红外线透镜材料体积。
(实施方式4)
在本发明的红外线摄像装置中，上述菲涅尔面的环带的半径方向宽度不均匀。
通过改变菲涅尔面的各环带的半径方向宽度，能够改变来自环带的光的衍射角度。通过使环带的半径方向宽度不均匀化，能够使来自环带的光的衍射角度不均匀而分散，减轻由于衍射而产生的杂光的影响，从而获得高的分辨率。
使衍射角度不均匀的结构例为，(1)使菲涅尔环带的半径方向宽度从菲涅尔透镜的中心向周边部逐渐减少；(2)在使菲涅尔环带的半径方向宽度从菲涅尔透镜的中心向周边部逐渐减少的过程中，使该菲涅尔环带的半径方向宽度局部地以上述逐渐减少的程度以上的程度减少或者局部地增加；(3)在使菲涅尔环带的半径方向宽度从菲涅尔透镜的中心向周边部逐渐减少的过程中，局部地重复逐渐减少；(4)在使菲涅尔环带的半径方向宽度从菲涅尔透镜的中心向周边部逐渐减少的过程中，使减少的比例变化。
优选如下结构：在使菲涅尔环带的半径方向宽度从菲涅尔透镜的中心向周边部逐渐减少的过程中，使该菲涅尔环带的半径方向宽度局部地以上述逐渐减少的程度以上的程度减少。
在此，菲涅尔环带的直径方向宽度是指如图82所示那样菲涅尔环带2012的直径方向宽度W(2012)。
(实施方式5)
在本发明的红外线摄像装置中，在上述菲涅尔面中的至少一面中菲涅尔环带数的80％的环带的直径方向宽度处于所有菲涅尔环带的直径方向宽度的平均值的±20％以内。
只要在使菲涅尔面的环带的半径方向宽度均匀的同时增加环带的数量，就能够使菲涅尔面接近平面而减少红外线透镜材料的体积。但是，由于增加环带的数量，而由环带产生的衍射光、因环带间的阶差以及该阶差的加工误差产生的杂光增加，成像的分辨率降低。
因此，为了维持红外线透镜材料的体积减少并减少环带的数量，而将菲涅尔环带数的80％的环带的直径方向宽度设为所有菲涅尔环带的直径方向宽度的平均值的±20％以内。通过像这样限制环带的直径方向宽度，能够容易地进行菲涅尔面的加工并且高效地进行菲涅尔加工面的测定。
(实施方式6)
在本发明的红外线摄像装置中，在上述菲涅尔面的有效直径的75％以内的区域内存在直径方向宽度比所有菲涅尔环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
如上所述，只要增加菲涅尔环带的分割数，就能够使菲涅尔透镜面更接近平面而减少红外线材料的体积。但是，会产生大量的衍射光、来自同心圆状的阶梯部分的杂光，分辨率降低。因此，在光轴方向位置的变化相对于透镜面的正交方向的变化大时，精细地分割为菲涅尔环带，相反地在光轴方向位置的变化相对于直径方向的变化少时，不分割为精细的菲涅尔环带而保持平滑的透镜面，由此减少红外线材料的体积。
通过像这样构成，能够同时减少杂光量并维持高分辨率。在多数透镜中，透镜材料对厚度的影响力在透镜面的周边部分比中心部分更大。另外，最影响分辨率的是有效光束直径的大约70％的光线。
当考虑这些情况时，通过将菲涅尔透镜的分割为环带的范围设为使菲涅尔透镜的中心部分保持平滑的透镜面、或者与周边部分相比减少中心部分的环带数，由此能够减少材料的体积且削减杂光量，从而获得高分辨率。关于透镜面的中心区域与周边区域相比光轴方向位置的变化相对于直径方向的变化更大的透镜，使将菲涅尔透镜分割为环带的区域为透镜面的中心部分等根据透镜面的形状适当地选择在菲涅尔面上分割的范围，由此能够减少红外线材料的体积同时减少杂光量从而维持高分辨率。
(实施方式7)
在本发明的红外线摄像装置中，上述红外线透镜光学系统具有多个菲涅尔面，各个菲涅尔面的菲涅尔环带的直径方向宽度不同。
如上所述，只要使菲涅尔透镜的环带的半径方向宽度均匀并增加环带的数量，就能够使菲涅尔面接近平面而减少红外线透镜材料的体积。但是，由于增加环带的数量，而衍射光、因阶梯部分以及阶梯部分的加工误差产生的杂光增加，成像的分辨率降低。
通过衍射光的衍射角度的分散来减少上述衍射光的影响的问题，因此上述红外线摄像装置具有多个上述菲涅尔面，该菲涅尔面中的至少两个面具有不同的半径方向宽度的环带。
(实施方式8)
在本发明的红外线摄像装置中，上述菲涅尔透镜一体地形成有衍射元件。
在对比文献6中，提出一种摄像透镜的结构，即在可见光中，使透镜主体的成像侧的第二面为菲涅尔面，并且将衍射元件一体地形成于上述透镜主体的被摄体侧的第一面和上述成像侧的第二面中的至少一个面。
衍射角度是基准波长和屋顶形衍射光栅的宽度的函数。当研究用于获得相同的衍射角度的衍射光栅数时，与基准波长4000nm的红外线相比，在基准波长550nm的可见光时形成7倍的衍射光栅数，与基准波长11000nm的红外线相比，在基准波长550nm的可见光时形成20倍的衍射光栅数。当衍射光栅的数量增加时，环带间的阶差的加工误差增加，分辨率降低。因而，对比文献6的可见光用的摄像透镜没有有效地利用衍射面。
当如本实施方式那样将衍射元件一体地形成于菲涅尔透镜时，除了衍射元件的数量变少从而杂光减少的优点之外，能够校正色像差并且校正画面的中心、周围的像差。
本发明还是一种摄像装置，具有菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜的菲涅尔环带的内周缘与外周缘在光轴方向上的高度差最大的环带处于上述菲涅尔透镜的有效直径的75％的区域内，并且上述菲涅尔环带间的总数的80％以上的阶梯部满足条件式(3)。
条件式(3) 0.7≤P/N≤1.3，
其中，TMAX为阶梯部的阶差的最大值，
TMIN为阶梯部的阶差的最小值，
P＝TMAX/TMIN，
N为最接近P的整数。
本发明的摄像装置的实施方式如下。
(实施方式9)
在本发明的摄像装置中，上述菲涅尔透镜包含如下材料，该材料在以该材料形成厚度4mm的无涂布的平行平面板的情况下，在波长3000nm～14000nm时透射率为35％以上。
(实施方式10)
在本发明的摄像装置中，上述菲涅尔透镜的菲涅尔面满足条件式(2)。
条件式(2) |X/R|≤0.17，
其中，R为菲涅尔面的以同心圆状分割得到的菲涅尔环带中的最外侧环带的外周缘的半径，
X为最大深度、即在光轴方向上从菲涅尔面的中心光轴方向位置至菲涅尔面的最远位置为止的光轴方向距离，该菲涅尔面的最远位置是菲涅尔环带边界的最远位置。
(实施方式11)
在本发明的摄像装置中，上述菲涅尔透镜的两面分别为曲面。
(实施方式12)
在本发明的摄像装置中，上述菲涅尔透镜的两面为曲面，该曲面的法线与菲涅尔透镜的光轴所成的角度θ的最大值满足条件式(1)。
条件式(1) 5°≤θ≤65°。
附图说明
图1是本发明的红外线摄像装置的第1实施方式的摄像光学系统的光学图。
图2是第1实施方式的光学系统的第一菲涅尔面的截面图。
图3是第1实施方式的光学系统的第二菲涅尔面的截面图。
图4是第1实施方式的光学系统的球面像差图。
图5是第1实施方式的光学系统的像散图。
图6是本发明的红外线摄像装置的第2实施方式的摄像光学系统的光学图。
图7是第2实施方式的光学系统的第一菲涅尔面的截面图。
图8是第2实施方式的光学系统的第二菲涅尔面的截面图。
图9是第2实施方式的光学系统的第四菲涅尔面的截面图。
图10是第2实施方式的光学系统的第五菲涅尔面的截面图。
图11是第2实施方式的光学系统的球面像差图。
图12是第2实施方式的光学系统的像散图。
图13是本发明的红外线摄像装置的第3实施方式的摄像光学系统的光学图。
图14是第3实施方式的光学系统的第二菲涅尔面的截面图。
图15是第3实施方式的光学系统的第三菲涅尔面的截面图。
图16是第3实施方式的光学系统的球面像差图。
图17是第3实施方式的光学系统的像散图。
图18是本发明的红外线摄像装置的第4实施方式的摄像光学系统的光学图。
图19是第4实施方式的光学系统的第一菲涅尔面的截面图。
图20是第4实施方式的光学系统的第二菲涅尔面的截面图。
图21是第4实施方式的光学系统的第四菲涅尔面的截面图。
图22是第4实施方式的光学系统的第五菲涅尔面的截面图。
图23是第4实施方式的光学系统的球面像差图。
图24是第4实施方式的光学系统的像散图。
图25是本发明的红外线摄像装置的第5实施方式的摄像光学系统的光学图。
图26是第5实施方式的光学系统的第六菲涅尔面的截面图。
图27是第5实施方式的光学系统的第七菲涅尔面的截面图。
图28是第5实施方式的光学系统的球面像差图。
图29是第5实施方式的光学系统的像散图。
图30是本发明的红外线摄像装置的第6实施方式的摄像光学系统的光学图。
图31是第6实施方式的光学系统的第一菲涅尔面的截面图。
图32是第6实施方式的光学系统的第二菲涅尔面的截面图。
图33是第6实施方式的光学系统的球面像差图。
图34是第6实施方式的光学系统的像散图。
图35是本发明的红外线摄像装置的第7实施方式的摄像光学系统的光学图。
图36是第7实施方式的光学系统的第五菲涅尔面的截面图。
图37是第7实施方式的光学系统的球面像差图。
图38是第7实施方式的光学系统的像散图。
图39是本发明的红外线摄像装置的第8实施方式的摄像光学系统的光学图。
图40是第8实施方式的光学系统的第五菲涅尔面的截面图。
图41是第8实施方式的光学系统的球面像差图。
图42是第8实施方式的光学系统的像散图。
图43是本发明的红外线摄像装置的第9实施方式的摄像光学系统的光学图。
图44是第9实施方式的光学系统的第一菲涅尔面的截面图。
图45是第9实施方式的光学系统的第二菲涅尔面的截面图。
图46是第9实施方式的光学系统的球面像差图。
图47是第9实施方式的光学系统的像散图。
图48是本发明的红外线摄像装置的第10实施方式的摄像光学系统的光学图。
图49是第10实施方式的光学系统的第一菲涅尔面的截面图。
图50是第10实施方式的光学系统的第二菲涅尔面的截面图。
图51是第10实施方式的光学系统的球面像差图。
图52是第10实施方式的光学系统的像散图。
图53是本发明的红外线摄像装置的第11实施方式的摄像光学系统的光学图。
图54是第11实施方式的光学系统的第五菲涅尔面的截面图。
图55是第11实施方式的光学系统的第六菲涅尔面的截面图。
图56是第11实施方式的光学系统的第七菲涅尔面的截面图。
图57是第11实施方式的光学系统的球面像差图。
图58是第11实施方式的光学系统的像散图。
图59是本发明的红外线摄像装置的第12实施方式的摄像光学系统的光学图。
图60是第12实施方式的光学系统的第六菲涅尔面的截面图。
图61是第12实施方式的光学系统的第七菲涅尔面的截面图。
图62是第12实施方式的光学系统的球面像差图。
图63是第12实施方式的光学系统的像散图。
图64是本发明的红外线摄像装置的第13实施方式的摄像光学系统的广角端以及远摄端的光学图。
图65是第13实施方式的光学系统的第一菲涅尔面的截面图。
图66是第13实施方式的光学系统的第三菲涅尔面的截面图。
图67是第13实施方式的光学系统的第四菲涅尔面的截面图。
图68是第13实施方式的光学系统的广角端的球面像差图。
图69是第13实施方式的光学系统的广角端的像散图。
图70是在第13实施方式的光学系统的广角端去除了(去掉)衍射光栅的情况下的球面像差图。
图71是第13实施方式的光学系统的远摄端的球面像差图。
图72是第13实施方式的光学系统的远摄端的像散图。
图73是在第13实施方式的光学系统的远摄端去除了(去掉)衍射光栅的情况下的球面像差图。
图74是本发明的红外线摄像装置的第14实施方式的摄像光学系统的广角端以及远摄端的光学图。
图75是第14实施方式的光学系统的第六菲涅尔面的截面图。
图76是第14实施方式的光学系统的第七菲涅尔面的截面图。
图77是第14实施方式的光学系统的第八菲涅尔面的截面图。
图78是第14实施方式的光学系统的广角端的球面像差图。
图79是第14实施方式的光学系统的广角端的像散图。
图80是第14实施方式的光学系统的远摄端的球面像差图。
图81是第14实施方式的光学系统的远摄端的像散图。
图82是本发明的菲涅尔面的说明图。
附图标记说明
S1：第一面；S2：第二面。
具体实施方式
(第1实施方式)
在表1中示出第1实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统100的光学性能。在表1中，f表示焦距(mm)，F表示F光圈值、2ω表示视角(°)，λ0表示设计基准波长(nm)。
[表1]
f 100.0
F 5.4
2ω 25.0
λ0 10000
如图1所示，第1实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统100包括菲涅尔透镜102。菲涅尔透镜102具有物体侧的面S1和成像侧的面S2。菲涅尔透镜102的材料是硅。
面S1和S2都是非球面的菲涅尔面。面S1和S2的菲涅尔面形状为两面均分割为大致相同的直径方向宽度的同心圆的环带的菲涅尔面。然而，面S1和S2这两面均在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
面S1和S2的非球面通过式1所示的非球面公式来表示。在式1中，将光轴方向设为X轴方向，将与光轴正交的方向设为Y轴方向，将离光轴的高度设为H，将在光轴方向上离与光轴相交的透镜面顶点O的距离设为X。X轴方向以成像侧方向为正。
[数1]
其中，R为近轴曲率半径，
K为圆锥常数，
A～E为非球面系数。
在表2中示出第1实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统100的光学数据。
[表2]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 -13.503 5.000
S2 第一透镜第二面 -16.139
在表3中示出菲涅尔面S1和S2的非球面数据。
[表3]
面编号 K A B C D E
S1 0.000E+00 0.000E+00 6.636E-05 -8.902E-07 5.951E-09 0.000E+00
S2 0.000E+00 0.000E+00 3.391E-05 -1.994E-07 1.079E-09 0.000E+00
在图2和图3中示出菲涅尔面S1和S2的菲涅尔截面。在图2和图3中，横轴表示距光轴的距离(mm)，纵轴表示以透镜面顶点O为基准的高度(深度)。
在图4中示出第1实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统100的球面像差，在图5中示出第1实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统100的像散。在图5中，实线表示弧矢平面的像散，虚线表示子午平面的像散。
(第2实施方式)
在与表1对应的表4中示出第2实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统200的光学性能。
[表4]
f 100.0
F 2.0
2ω 50.0
λ0 10000
如图6所示，第2实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统200包括具有菲涅尔面S1和S2的负的菲涅尔透镜202以及具有菲涅尔面S4和S5的正的菲涅尔透镜204。菲涅尔透镜202、204的材料是锗。
菲涅尔面S1、S2、S4、S5都是非球面的菲涅尔面。
菲涅尔面S1是分割为不均匀的直径方向宽度的同心圆的环带的菲涅尔面。菲涅尔面S2、S4、S5在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
在表5中示出第2实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统100的光学数据。
[表5]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 134.894 20.425
S2 第一透镜第二面 103.600 121.355
S3 光圈 inf 121.323
S4 第二透镜第一面 inf 20.425
S5 第二透镜第二面 -388.500
在表6中示出菲涅尔面S1、S2、S4、S5的非球面数据。
[表6]
面编号 K A B C D E
S1 0.000E+00 0.000E+00 3.133E-07 -1.040E-11 1.178E-16 0.000E+00
S2 0.000E+00 0.000E+00 5.521E-07 2.852E-11 -2.108E-15 0.000E+00
S4 0.000E+00 0.000E+00 2.309E-08 -9.707E-12 2.384E-16 0.000E+00
S5 0.000E+00 0.000E+00 2.934E-08 -8.986E-12 2.638E-16 0.000E+00
在图7～图10中示出菲涅尔面S1、S2、S4、S5的菲涅尔截面。
在图11中示出第2实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统200的球面像差，在图12中示出第2实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统200的像散。
(第3实施方式)
在与表1对应的表7中示出第3实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统300的光学性能。
[表7]
f 100.0
F 2.5
2ω 10
λ0 10000
如图13所示，第3实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统300包括具有非球面S1和菲涅尔面S2的正的菲涅尔透镜302以及具有菲涅尔面S3和球面S4的负的菲涅尔透镜304。菲涅尔透镜302的材料是锗，菲涅尔透镜304的材料是硫化锌。
菲涅尔面S2、S3是非球面的菲涅尔面。菲涅尔面S2、S3在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
在表8中示出第3实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统300的光学数据。
[表8]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 161.733 20.000
S2 第一透镜第二面 766.863 24.097
S3 第二透镜第一面 -803.776 20.000
S4 第二透镜第二面 118.644
在表9中示出菲涅尔面S1、S2、S3的非球面数据。
[表9]
面编号 k A B C D E
S1 0.000E+00 0.000E+00 -3.075E-06 -1.916E-09 -2.343E-12 0.000E+00
S2 0.000E+00 0.000E+00 -4.740E-06 -1.683E-09 1.781E-12 0.000E+00
S3 0.000E+00 0.000E+00 -6.595E-06 -1.447E-08 2.358E-11 0.000E+00
在图14和图15中示出菲涅尔面S2、S3的菲涅尔截面。
在图16中示出第3实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统300的球面像差，在图17中示出第3实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统300的像散。
(第4实施方式)
在与表1对应的表10中示出第4实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统400的光学性能。
[表10]
f 100.0
F 2.5
2ω 38.9
λ0 10000
如图18所示，第4实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统400包括具有菲涅尔非球面S1和菲涅尔非球面S2的正的菲涅尔透镜402以及具有菲涅尔非球面S4和菲涅尔非球面S5的正的菲涅尔透镜404。菲涅尔透镜402、404的材料是锗。
菲涅尔非球面S1、S2、S4、S5均在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
在表11中示出第4实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统400的光学数据。
[表11]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 -48.052 20.000
S2 第一透镜第二面 -52.596 44.016
S3 光圈 inf 44.016
S4 第二透镜第一面 -24.729 20.000
S5 第二透镜第二面 -35.989
在表12中示出菲涅尔非球面S1、S2、S4、S5的非球面数据。
[表12]
面编号 K A B C D E
S1 0.000E+00 0.000E+00 -2.726E-06 -3.049E-09 -1.864E-12 0.000E+00
S2 0.000E+00 0.000E+00 -4.189E-07 -3.380E-10 2.298E-13 0.000E+00
S4 0.000E+00 0.000E+00 3.966E-06 -3.910E-08 1.714E-10 0.000E+00
S5 0.000E+00 0.000E+00 2.050E-06 -2.226E-09 5.027E-12 0.000E+00
在图19～图22中示出菲涅尔非球面S1、S2、S4、S5的菲涅尔截面。
在图23中示出第4实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统400的球面像差，在图24中示出第4实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统400的像散。
(第5实施方式)
在与表1对应的表13中示出第5实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统500的光学性能。
[表13]
f 100.0
F 1.4
2ω 12.3
λ0 10000
如图25所示，第5实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统500包括具有球面S1和球面S2的正的球面透镜502、具有球面S4和球面S5的负的球面透镜504以及具有菲涅尔非球面S6和菲涅尔非球面S7的正的菲涅尔非球面透镜506。球面透镜502、504的材料是锗。菲涅尔非球面透镜506的材料是硫属化物。
菲涅尔非球面S6、S7具有大致均匀的直径方向宽度的环带。
在表14中示出第5实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统500的光学数据。
[表14]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 93.211 5.600
S2 第一透镜第二面 123.364 8.000
S3 光圈 inf 62.700
S4 第二透镜第一面 -78.927 8.000
S5 第二透镜第二面 -100.313 17.578
S6 第三透镜第一面 49.145 8.000
S7 第三透镜第二面 84.711
在表15中示出菲涅尔非球面S6、S7的非球面数据。
[表15]
面编号 K A B C D E
S6 0.000E+00 0.000E+00 1.246E-07 1.075E-09 2.031E-12 0.000E+00
S7 0.000E+00 0.000E+00 4.295E-06 -7.142E-09 2.894E-11 0.000E+00
在图26和图27中示出菲涅尔非球面S6、S7的菲涅尔截面。
在图28中示出第5实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统500的球面像差，在图29中示出第5实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统500的像散。
(第6实施方式)
在与表1对应的表16中示出第6实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统600的光学性能。
[表16]
f 100.0
F 1.4
2ω 12.6
λ0 10000
如图30所示，第6实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统600包括具有菲涅尔非球面S1和菲涅尔非球面S2的正的菲涅尔非球面透镜602、具有球面S4和球面S5的负的球面透镜604以及具有球面S6和球面S7的正的球面透镜606。透镜602、604、606的材料都是锗。
菲涅尔非球面S1、S2在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
在表17中示出第6实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统600的光学数据。
[表17]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 95.816 4.000
S2 第一透镜第二面 122.909 8.000
S3 光圈 inf 64.208
S4 第二透镜第一面 inf 8.000
S5 第二透镜第二面 457.700 23.939
S6 第三透镜第一面 61.483 8.000
S7 第三透镜第二面 83.699
在表18中示出菲涅尔非球面S1、S2的非球面数据。
[表18]
面编号 K A B C D E
S1 0.000E+00 0.000E+00 -1.975E-07 -1.405E-10 -9.794E-14 7.878E-18
S2 0.000E+00 0.000E+00 -1.331E-07 -2.281E-10 -6.170E-14 1.599E-18
在图31和图32中示出菲涅尔非球面S1、S2的菲涅尔截面。
在图33中示出第6实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统600的球面像差，在图34中示出第6实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统600的像散。
(第7实施方式)
在与表1对应的表19中示出第7实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统700的光学性能。
[表19]
f 100.0
F 1.4
2ω 12.6
λ0 3000
如图35所示，第7实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统700包括具有球面S1和球面S2的正的球面透镜702、具有非球面S4和菲涅尔非球面S5的负的菲涅尔透镜704以及具有球面S6和球面S7的正的球面透镜706。透镜702、704、706的材料都是锗。
菲涅尔非球面S5在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
在表20中示出第7实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统700的光学数据。
[表20]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 63.888 5.600
S2 第一透镜第二面 69.799 14.000
S3 光圈 inf 56.700
S4 第二透镜第一面 27.061 8.000
S5 第二透镜第二面 20.000 25.460
S6 第三透镜第一面 -61.935 8.000
S7 第三透镜第二面 -44.223
在表21中示出菲涅尔非球面S5的非球面数据。
[表21]
面编号 K A B C D E
S5 0.000E+00 0.000E+00 1.903E-06 3.297E-09 5.922E-11 0.000E+00
在图36中示出菲涅尔非球面S5的菲涅尔截面。
在图37中示出第7实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统700的球面像差，在图38中示出第7实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统700的像散。
(第8实施方式)
在与表1对应的表22中示出第8实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统800的光学性能。
[表22]
f 100.0
F 1.7
2ω 10.8
λ0 3000
如图39所示，第8实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统800包括具有球面S1和球面S2的正的球面透镜802、具有球面S4和菲涅尔球面S5的负的菲涅尔透镜804以及具有球面S6和球面S7的正的球面透镜806。球面透镜802的材料是锗。菲涅尔透镜804的材料是硫化锌。球面透镜806的材料是硒化锌。
菲涅尔非球面S5在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
在表23中示出第8实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统800的光学数据。
[表23]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 88.604 4.807
S2 第一透镜第二面 113.988 12.017
S3 光圈 inf 48.669
S4 第二透镜第一面 61.186 6.867
S5 第二透镜第二面 51.501 21.854
S6 第三透镜第一面 988.347 6.867
S7 第三透镜第二面 -181.191
在图40中示出菲涅尔球面S5的菲涅尔截面。
在图41中示出第8实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统800的球面像差，在图42中示出第8实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统800的像散。
(第9实施方式)
在与表1对应的表24中示出第9实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统900的光学性能。
[表24]
f 100
F 1.4
2ω 12.5
λ0 3000
如图43所示，第9实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统900包括具有球面S1和球面S2的正的球面透镜902、具有菲涅尔非球面S4和菲涅尔非球面S5的负的菲涅尔透镜904以及具有球面S6和球面S7的正的球面透镜906。球面透镜902、906的材料是锗。菲涅尔透镜904的材料是氟化镁。
菲涅尔非球面S4、S5在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。其中，菲涅尔非球面S4的环带的直径方向宽度比菲涅尔非球面S5的环带的直径方向宽度小。
在表25中示出第9实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统900的光学数据。
[表25]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 101.000 5.600
S2 第一透镜第二面 133.000 8.000
S3 光圈 inf 62.700
S4 第二透镜第一面 -17.849 8.000
S5 第二透镜第二面 -24.701 25.460
S6 第三透镜第一面 56.000 8.000
S7 第三透镜第二面 71.000
在表26中示出菲涅尔非球面S4、S5的非球面数据。
[表26]
面编号 K A B C D E
S4 0.000E+00 0.000E+00 1.138E-04 -4.266E-07 1.054E-09 0.000E+00
S5 0.000E+00 0.000E+00 6.033E-05 -1.650E-07 2.435E-10 0.000E+00
在图44、图45中示出菲涅尔非球面S5、S6的菲涅尔截面。
在图46中示出第9实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统900的球面像差，在图47中示出第9实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统900的像散。
(第10实施方式)
在与表1对应的表27示出第10实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1000的光学性能。
[表27]
f 100.0
F 1.4
2ω 12.6
λ0 10000
如图48所示，第10实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1000包括具有球面S1和球面S2的正的球面透镜1002、具有菲涅尔非球面S4和菲涅尔非球面S5的负的菲涅尔透镜1004以及具有球面S6和球面S7的正的球面透镜906。球面透镜1002、1004、1006的材料都为锗。
菲涅尔非球面S4的透镜中心区域以及所有环带的光轴方向上的高度相等。菲涅尔非球面S5在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有光轴方向的高度比其外侧区域的环带的光轴方向的高度大的中心区域。
在表28中示出第10实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1000的光学数据。
[表28]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 101.000 5.600
S2 第一透镜第二面 133.000 8.000
S3 光圈 inf 62.700
S4 第二透镜第一面 -67.361 8.000
S5 第二透镜第二面 -84.409 25.460
S6 第三透镜第一面 56.000 8.000
S7 第三透镜第二面 71.000
在表29中示出菲涅尔非球面S4、S5的非球面数据。
[表29]
面编号 K A B C D E
S4 0.0000E+00 0.0000E+00 1.1861E-06 -2.7885E-09 4.3819E-12 0.0000E+00
S5 0.0000E+00 0.0000E+00 8.7661E-07 -1.8826E-09 2.6110E-12 0.0000E+00
在图49、图50中示出菲涅尔非球面S4、S5的菲涅尔截面。
在图51中示出第10实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1000的球面像差，在图52中示出第10实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1000的像散。
(第11实施方式)
在与表1对应的表30中示出第11实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1100的光学性能。
[表30]
f 100.3
F 1.4
2ω 12.5
λ0 10000
如图53所示，第11实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1100包括具有球面S1和球面S2的正的球面透镜1102、具有非球面S4和菲涅尔非球面S5的负的菲涅尔透镜1104以及具有菲涅尔非球面S6和菲涅尔非球面S7的正的菲涅尔透镜1106。透镜1102、1104、1106的材料都为锗。
菲涅尔非球面S5、S6、S7在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
在表31中示出第11实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1100的光学数据。
[表31]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 101.000 5.600
S2 第一透镜第二面 133.000 8.000
S3 光圈 inf 64.210
S4 第二透镜第一面 235.704 2.000
S5 第二透镜第二面 148.399 23.940
S6 第三透镜第一面 103.815 2.000
S7 第三透镜第二面 299.614
在表32中示出非球面S4、菲涅尔非球面S5、菲涅尔非球面S6、菲涅尔非球面S7的非球面数据。
[表32]
面编号 K A B C D E
S4 0.000E+00 0.000E+00 -1.142E-06 -1.494E-08 3.510E-11 0.000E+00
S5 0.000E+00 0.000E+00 -7.267E-07 -1.640E-08 3.972E-11 0.000E+00
S6 0.000E+00 0.000E+00 -3.948E-06 -2.912E-08 1.339E-11 0.000E+00
S7 0.000E+00 0.000E+00 -4.169E-06 -3.171E-08 2.473E-11 0.000E+00
在图54、图55、图56中示出菲涅尔非球面S5、S6、S7的菲涅尔截面。
在图57中示出第11实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1100的球面像差，在图58中示出第11实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1100的像散。
(第12实施方式)
在与表1对应的表33中示出第12实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1200的光学性能。
[表33]
f 100.0
F 1.0
2ω 6.3
λ0 10000
如图59所示，第12实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1200包括具有球面S1和球面S2的正的球面透镜1202、具有非球面S4和非球面S5的负的菲涅尔透镜1204以及具有菲涅尔非球面S6和菲涅尔非球面S7的正的菲涅尔透镜1206。透镜1202、1206的材料是锗。透镜1204的材料是硫属化物。
菲涅尔非球面S6、S7在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
在表34中示出第12实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1200的光学数据。
[表34]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 107.000 7.420
S2 第一透镜第二面 147.600 12.602
S3 光圈 inf 49.495
S4 第二透镜第一面 -190.566 5.000
S5 第二透镜第二面 -338.366 36.255
S6 第三透镜第一面 33.163 4.000
S7 第三透镜第二面 36.836
在表35中示出非球面S4、非球面S5、菲涅尔非球面S6、菲涅尔非球面S7的非球面数据。
[表35]
面编号 K A B C D E
S4 51.75 0.000E+00 -7.976E-07 3.490E-09 -1.611E-12 2.428E-15
S5 135.33 0.000E+00 -1.450E-06 3.068E-09 -7.645E-14 -2.170E-15
S6 0.00 0.000E+00 2.050E-06 -2.091E-07 8.964E-10 0.000E+00
S7 0.00 0.000E+00 6.338E-06 -4.059E-07 2.229E-09 0.000E+00
在图60、图61中示出菲涅尔非球面S6、S7的菲涅尔截面。
在图62中示出第12实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1200的球面像差，在图63中示出第12实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1200的像散。
(第13实施方式)
在与表1对应的表36中示出作为变焦透镜的第13实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300的光学性能。
[表36]
如图64所示，作为变焦透镜的第13实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300包括具有菲涅尔非球面S1和衍射非球面S2的负的菲涅尔衍射透镜1302、具有菲涅尔非球面S3和菲涅尔衍射非球面S4的正的菲涅尔衍射透镜1304以及具有衍射非球面S6和非球面S7的正的衍射透镜1306。透镜1302、1304、1306的材料都为硫属化物。
菲涅尔非球面S1、S3、S4在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
在表37中示出第13实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300的光学数据。
[表37]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 974.168 30.132
S2 第一透镜第二面 233.165 (D1)
S3 第二透镜第一面 220.406 40.176
S4 第二透镜第二面 -1034.187 (D2)
S5 光圈 inf 8.190
S6 第三透镜第一面 -98.626 41.303
S7 第三透镜第二面 -87.851
在表38中示出第13实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300的变焦透镜间隔。
[表38]
面间隔(mm) WIDE TELE
D1 225.601 71.050
D2 6.884 52.249
在表39中示出第13实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300的非球面系数。
[表39]
面编号 K A B C D E
S1 -172.045 0.000E+00 1.073E-07 -8.513E-12 2.665E-16 0.000E+00
S2 4.549 0.000E+00 1.025E-07 -7.680E-12 -2.660E-16 0.000E+00
S3 1.688 0.000E+00 -1.416E-07 -1.005E-11 -1.070E-15 0.000E+00
S4 78.125 0.000E+00 -1.714E-07 -3.610E-12 1.860E-16 0.000E+00
S6 -3.103 0.000E+00 -1.186E-06 1.238E-10 -6.518E-13 4.883E-16
S7 0.454 0.000E+00 -7.665E-08 6.530E-11 -4.062E-14 1.006E-17
在表40中示出第13实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300的衍射光栅系数。
[表40]
面编号 C1 C2 C3
S2 7.395E-05 4.667E-09 -7.604E-14
S4 -1.092E-04 -8.556E-09 1.561E-12
S6 -7.525E-05 1.273E-08 3.004E-11
在图65、图66、图67中示出菲涅尔非球面S1、S3、S4的菲涅尔截面。
衍射非球面S2、S4、S6根据式2的光程差函数以及式3的针对基板面的磨削量，在相邻的衍射元件的环带间产生一个波长量的光程差。
[数2]
光程差函数；φ(H)＝C1H2+C2H4+C3H6
[数3]
针对基板面的磨削量；i＝0，1，2，3，…
其中，λ为红外线的波长，
n为折射率，
H为离衍射元件面的光轴的高度
在图68中示出作为变焦透镜的第13实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300的广角端的球面像差，在图69中示出作为变焦透镜的第13实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300的广角端的像散。在图68和图69中，实线表示波长8000nm的球面像差以及像散，虚线表示波长10000nm的球面像差以及像散，点划线表示波长12000nm的球面像差以及像散。在图69中示出将衍射非球面S2、S4、S6变更为没有衍射元件的非球面的情况下的球面像差。
在图70中示出作为变焦透镜的第13实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300的远摄端的球面像差，在图71中示出作为变焦透镜的第13实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300的远摄端的像散。在图70和图71中，实线表示波长8000nm的球面像差以及像散，虚线表示波长10000nm的球面像差以及像散，点划线表示波长12000nm的球面像差以及像散。在图73中示出将衍射非球面S2、S4、S6变更为没有衍射元件的非球面的情况下的球面像差。
(第14实施方式)
在与表1对应的表41中示出作为变焦透镜的第14实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1400的光学性能。
[表41]
如图74所示，作为变焦透镜的第14实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1400包括具有球面S1和非球面S2的正的非球面透镜1402、具有非球面S3和非球面S4的负的非球面透镜1404、具有菲涅尔非球面S6和菲涅尔非球面S7的正的菲涅尔非球面透镜1406、具有菲涅尔非球面S8和非球面S9的正的菲涅尔非球面透镜1408。透镜1402、1404、1406的材料是锗。透镜1408的材料是硒化锌。
菲涅尔非球面S6、S7、S8在透镜有效直径的75％的直径的区域内具有直径方向宽度的平均值比其外侧区域的环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
在表42中示出第14实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1400的光学数据。
[表42]
面编号 曲率半径(mm) 面间隔(mm)
S1 第一透镜第一面 357.09 11.060
S2 第一透镜第二面 -8070.24 (D1)
S3 第二透镜第一面 -94.52 4.424
S4 第二透镜第二面 -478.79 (D2)
S5 光圈 inf 15.485
S6 第三透镜第一面 -4746.73 6.636
S7 第三透镜第二面 -216.10 (D3)
S8 第四透镜第一面 64.89 6.636
S9 第四透镜第二面 180.17
在表43中示出第14实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1300的变焦透镜间隔。
[表43]
面间隔(mm) WIDE TELE
D1 10.466 53.106
D2 53.591 10.951
D3 52.388 57.166
在表44中示出第14实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1400的非球面系数。
[表44]
面编号 K A B C D E
S2 -4.593 0.000E+00 2.794E-08 -6.927E-12 2.678E-15 -3.907E-19
S3 -10.470 0.000E+00 4.721E-06 -4.513E-09 2.192E-13 6.176E-15
S4 -7.410 0.000E+00 5.249E-06 -3.194E-09 -2.561E-12 9.788E-15
S6 -7.388 0.000E+00 -9.896E-06 2.389E-08 -7.829E-11 6.813E-14
S7 3.648 0.000E+00 -9.245E-06 2.171E-08 -6.242E-11 5.651E-14
S8 7.193 0.000E+00 1.674E-06 -1.314E-09 -4.343E-12 1.385E-14
在图75、图76、图77中示出菲涅尔非球面S6、S7、S8的菲涅尔截面。
在图78中示出作为变焦透镜的第14实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1400的广角端的球面像差，在图79中示出作为变焦透镜的第14实施方式的红外线摄像装置的摄像光学系统1400的广角端的像散。在图80中同样地示出远摄端的球面像差，在图81中示出远摄端的像散。
在表45中示出各实施方式的条件式的值。
[表45]

Claims (14)

1.一种红外线摄像装置，具有红外线透镜光学系统，该红外线透镜光学系统具有至少一片菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜的至少一面为菲涅尔面，该红外线摄像装置的特征在于，
上述菲涅尔透镜包含如下透镜材料，该透镜材料在以该透镜材料形成厚度4mm的无涂布的平行平面板的情况下，在波长3000nm～14000nm之间的使用波长范围的至少一个单波长时透射率为35％以上，上述菲涅尔面的曲面的法线与菲涅尔透镜的光轴所成的角度θ的最大值满足条件式(1)，
条件式(1) 5°≤θ≤65°。
2.根据权利要求1所述的红外线摄像装置，其特征在于，
上述菲涅尔透镜的菲涅尔面满足条件式(2)，
条件式(2) |X/R|≤0.17，
其中，R为菲涅尔面的以同心圆状分割得到的菲涅尔环带中的最外侧环带的外周缘的半径，
X为最大深度、即在光轴方向上从菲涅尔面的中心光轴方向位置至菲涅尔面的最远位置为止的光轴方向距离，该菲涅尔面的最远位置是菲涅尔环带边界的最远位置。
3.根据权利要求2所述的红外线摄像装置，其特征在于，
上述菲涅尔面中的至少一面的该菲涅尔环带间的总数的80％以上的阶梯部满足条件式(3)，
条件式(3) 0.7≤P/N≤1.3，
其中，TMAX为阶梯部的阶差的最大值，
TMIN为阶梯部的阶差的最小值，
P＝TMAX/TMIN，
N为最接近P的整数。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的红外线摄像装置，其特征在于，
上述菲涅尔透镜的两面为菲涅尔面。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的红外线摄像装置，其特征在于，
上述菲涅尔面的环带的光轴方向宽度不均匀，并且在上述菲涅尔面的有效直径的75％以内的区域内存在直径方向宽度比所有菲涅尔环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的红外线摄像装置，其特征在于，
在上述菲涅尔面中的至少一面中菲涅尔环带数的80％的环带的直径方向宽度处于所有菲涅尔环带的直径方向宽度的平均值的±20％以内。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的红外线摄像装置，其特征在于，
在上述菲涅尔面的有效直径的75％以内的区域内存在直径方向宽度比所有菲涅尔环带的直径方向宽度的平均值大的环带。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的红外线摄像装置，其特征在于，
上述红外线透镜光学系统具有多个菲涅尔面，各个菲涅尔面的菲涅尔环带的直径方向宽度不同。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的红外线摄像装置，其特征在于，
上述菲涅尔透镜一体地形成有衍射元件。
10.一种摄像装置，其特征在于，
具有菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜的菲涅尔环带的内周缘与外周缘在光轴方向上的高度差最大的环带处于上述菲涅尔透镜的有效直径的75％的区域内，并且上述菲涅尔环带间的总数的80％以上的阶梯部满足条件式(3)，
条件式(3) 0.7≤P/N≤1.3，
其中，TMAX为阶梯部的阶差的最大值，
TMIN为阶梯部的阶差的最小值，
P＝TMAX/TMIN，
N为最接近P的整数。
11.根据权利要求10所述的摄像装置，其特征在于，
上述菲涅尔透镜包含如下材料，该材料在以该材料形成厚度4mm的无涂布的平行平面板的情况下，在波长3000nm～14000nm时透射率为35％以上。
12.根据权利要求10或11所述的摄像装置，其特征在于，
上述菲涅尔透镜的菲涅尔面满足条件式(2)，
条件式(2) |X/R|≤0.17，
其中，R为菲涅尔面的以同心圆状分割得到的菲涅尔环带中的最外侧环带的外周缘的半径，
X为最大深度、即在光轴方向上从菲涅尔面的中心光轴方向位置至菲涅尔面的最远位置为止的光轴方向距离，该菲涅尔面的最远位置是菲涅尔环带边界的最远位置。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的摄像装置，其特征在于，
上述菲涅尔透镜的两面分别是曲面。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的摄像装置，其特征在于，
上述菲涅尔透镜的两面为曲面，该曲面的法线与菲涅尔透镜的光轴所成的角度θ的最大值满足条件式(1)，
条件式(1) 5°≤θ≤65°。
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