JP2003185919A

JP2003185919A - 赤外光学系およびこれを備えた赤外光学装置

Info

Publication number: JP2003185919A
Application number: JP2001383440A
Authority: JP
Inventors: Kaori Mukai; 香織向井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2003-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】１０μｍ帯の赤外波長域で使用される赤外光
学系において、その像面に到達するノイズ光を確実に低
減できる赤外光学系、およびそれを備えた赤外光学装置
を提供する。【解決手段】複数のレンズからなるレンズ群１１〜１
３と絞りＳ１とを備え、レンズ群が、ゲルマニウムを材
料として形成され、絞りが、レンズ群の各レンズ面のう
ち最も像側に位置するレンズ面１３ａとレンズ群の像面
１０ａとの間に配置され、レンズ群の各レンズ面のうち
最も物体側に位置するレンズ面１１ａの有効径Ｄが、レ
ンズ群の半画角をω、焦点距離をｆ、ＦナンバーをＦと
するとき、「２ｆtanω＋ｆ/Ｆ＜Ｄ＜８ｆtanω＋
ｆ/Ｆ」を満足する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１０μｍ帯の赤外
波長域（７μｍ〜１３μｍ）で使用される赤外光学系お
よびそれを備えた赤外光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、１０μｍ帯の赤外波長域で使
用される赤外光学系としては、レンズ群より物体側に絞
りを配置する構成（例えば特開昭５２−８５８３４号公
報）や、レンズ群の中央付近に絞りを配置する構成（例
えば特公昭６１−１９９６６号公報）が知られている。

【０００３】１０μｍ帯の赤外波長域で使用される赤外
光学系は、通常、マイクロボロメータなどを用いた非冷
却型の赤外検出器に組み込まれ、物体から放射される熱
すなわち赤外線(１０μｍ帯)を集光して検出面上に像を
形成するための光学系として機能する。以下の説明で
は、１０μｍ帯の赤外波長域で使用される赤外光学系を
単に「赤外光学系」ということにする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の赤外光学系(１０μｍ帯用)を組み込んだ非冷却
型の赤外検出器では、鏡筒などの自己放射によるノイズ
光が物体からの赤外光に混じって検出面に到達するた
め、周辺温度などの環境条件が変化すると検出器の出力
も変化してしまい、高精度な撮像は困難であった。

【０００５】高精度な撮像を行うためには、上記のよう
なノイズ光を減らさなければならず、一般に、赤外検出
器を冷却することが考えられる。しかし、上記した従来
の赤外光学系(１０μｍ帯用)では、絞りがレンズ群より
物体側またはレンズ群の中央付近に配置されているた
め、赤外検出器を単に冷却してもノイズ光を充分に減ら
すことはできなかった。

【０００６】本発明の目的は、１０μｍ帯の赤外波長域
で使用される赤外光学系において、その像面に到達する
ノイズ光を確実に低減できる赤外光学系、およびそれを
備えた赤外光学装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、複数のレンズからなるレンズ群と、絞りとを備え、
１０μｍ帯の赤外波長域で使用される赤外光学系におい
て、前記レンズ群が、ゲルマニウムを材料として形成さ
れ、前記絞りが、前記レンズ群の各レンズ面のうち最も
像側に位置するレンズ面と前記レンズ群の像面との間に
配置され、前記レンズ群の各レンズ面のうち最も物体側
に位置するレンズ面の有効径Ｄが、前記レンズ群の半画
角をω、焦点距離をｆ、ＦナンバーをＦとするとき、以
下の条件式を満足するものである。

【０００８】２ｆtanω＋ｆ/Ｆ＜Ｄ＜８ｆtanω＋ｆ/Ｆ請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の赤外光学系
において、前記レンズ群が、物体側から順に、正のパワ
ーを持つ第一レンズ群と、正のパワーを持つ第二レンズ
群とで構成され、前記第一レンズ群が、物体側に凸の正
のパワーを持つメニスカス形状のレンズと、負のパワー
を持つレンズとを含み、前記第二レンズ群が、物体側に
凸の正のパワーを持つメニスカス形状のレンズを含み、
前記第一レンズ群の焦点距離ｆ１と前記第二レンズ群の
焦点距離ｆ２とが、以下の条件式を満足するものであ
る。

【０００９】２＜ｆ１/ｆ２＜６請求項３に記載の発明は、物体からの赤外光を集光する
請求項１または請求項２に記載の赤外光学系と、前記赤
外光学系によって集光された赤外光を受光する赤外検出
部とを備えたものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
形態を詳細に説明する。

【００１１】(第１実施形態)本発明の第１実施形態は、
請求項１〜請求項３に対応する。第１実施形態の赤外光
学装置２０は、図１に示すように、１０μｍ帯の赤外波
長域（７μｍ〜１２μｍ）で使用される赤外光学系１０
と、赤外透過窓２１と、赤外撮像素子２２と、筐体２３
と、冷却器２４とで構成されている。

【００１２】また、赤外光学系１０は、物体側（図の左
方）から順に、第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群Ｇ２と
絞りＳ１とが配置された二群構成の光学系である。第一
レンズ群Ｇ１,第二レンズ群Ｇ２は、請求項の「レンズ
群」に対応する。このうち、第一レンズ群Ｇ１は、２枚
のレンズ１１,１２によって構成され、全体として正の
パワーを持っている。第一レンズ群Ｇ１のうち物体側に
配置されたレンズ１１は、物体側に凸の正のパワーを持
つメニスカス形状のレンズである。他方のレンズ１２
は、負のパワーを持つレンズである。

【００１３】第二レンズ群Ｇ２は、１枚のレンズ１３に
よって構成され、正のパワーを持っている。このレンズ
１３は、物体側に凸の正のパワーを持つメニスカス形状
のレンズである。上記したレンズ群(１１〜１３)は、何
れも、ゲルマニウムを光学材料(硝材)として形成されて
いる。ここで、レンズ群(１１〜１３)の光学材料として
用いたゲルマニウムの屈折率は、表１に示す通りであ
る。表１には、波長７μｍ,９μｍ,１２μｍの赤外光に
対する屈折率を示した。

【表１】赤外光学系１０の絞りＳ１は、上記したレンズ群(１１
〜１３)の各レンズ面のうち最も像側に位置するレンズ
面１３ａと、レンズ群(１１〜１３)の像面１０ａとの間
に配置されている。以下、このような絞りＳ１の配置を
「後ろ絞り」という。さらに、レンズ群(１１〜１３)の
各レンズ面のうち最も物体側に位置するレンズ面１１ａ
の有効径Ｄ１は、レンズ群(１１〜１３)の半画角をω、
焦点距離をｆ、ＦナンバーをＦとして、以下の条件式
(１)を満足するように規定されている。レンズ面１１ａ
の有効径Ｄ１は、いわゆる前玉有効径である。

【００１４】２ｆtanω＋ｆ/Ｆ＜Ｄ１＜８ｆtanω＋ｆ/Ｆ …(１) 条件式(１)を満足するようにレンズ面１１ａの有効径Ｄ
１を規定することで、後ろ絞りの赤外光学系１０におい
て、良好な収差補正が可能となる。また、条件式(１)の
ｆ/Ｆは、入射角０°の赤外光Ｌ０がレンズ面１１ａに
おいて必要とする有効径である。条件式(１)は、入射角
ωの赤外光Ｌωに対しても、レンズ面１１ａにおいて上
記の赤外光Ｌ０と同じ有効径(ｆ/Ｆ)を確保できるよう
に、レンズ面１１ａの有効径Ｄ１の範囲を定めたもので
ある。

【００１５】すなわち、条件式(１)を満足するようにレ
ンズ面１１ａの有効径Ｄ１を規定することで、後ろ絞り
の赤外光学系１０を口径食のない開口効率１００％の光
学系とすることができる。なお、レンズ面１１ａの有効
径Ｄ１を条件式(１)の下限より小さくしようとすると、
入射瞳の位置をレンズ面１１ａに近づけなければなら
ず、そのためには、赤外光学系１０のバックフォーカス
（レンズ面１３ａから像面１０ａまでの光軸上の距離）
を大きく確保しなければならない。

【００１６】このため、赤外光学系１０の収差補正（主
に非点収差と像面彎曲の補正）が困難になってしまう。
さらに、バックフォーカスを大きくした分だけ筐体２３
の容積が大きくなり、赤外光学装置２０の大型化や、冷
却器２４の負荷の増大を引き起こすことになる。一方、
レンズ面１１ａの有効径Ｄ１を条件式(１)の上限より大
きくすることは、必要以上に有効径Ｄ１を大きくするこ
とであり、軸外光線の収差補正が困難になってしまう。
また、コスト的にも不利である。

【００１７】このように、条件式(１)を満足するように
レンズ面１１ａの有効径Ｄ１を規定することで、後ろ絞
りの赤外光学系１０における収差補正が容易になると共
に、筐体２３の容積を小さくすることができ、結果とし
て、赤外光学装置２０の小型化や冷却器２４の負荷の低
減を図ることができる。

【００１８】さらに、上記したレンズ群(１１〜１３)の
パワー配置、つまり、第一レンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ１
と、第二レンズ群Ｇ２の焦点距離ｆ２とは、以下の条件
式(２)を満足するように規定されている。２＜ｆ１/ｆ２＜６ …(２) 条件式(２)を満足するように焦点距離ｆ１,ｆ２を規定
することで、後ろ絞りの赤外光学系１０において、より
良好な収差補正が可能となる。

【００１９】なお、焦点距離ｆ１,ｆ２の比を条件式
(２)の下限より小さくしようとすると、第一レンズ群Ｇ
１のパワーが強くなるため、第一レンズ群Ｇ１と第二レ
ンズ群Ｇ２を近づけて配置しなければならない。その結
果、赤外光学系１０の球面収差の補正が難しくなる。一
方、焦点距離ｆ１,ｆ２の比を条件式(２)の上限より大
きくしようとすると、逆に第一レンズ群Ｇ１のパワーが
弱くなるため、第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群Ｇ２を
離して配置しなければならない。その結果、軸外光線が
第一レンズ群Ｇ１の光軸から離れたところを通過するこ
とになり、赤外光学系１０の非点収差が大きくなる。ま
た、歪曲収差の補正も難しくなる。

【００２０】このように、条件式(２)を満足するように
焦点距離ｆ１,ｆ２を規定することで、後ろ絞りの赤外
光学系１０における収差補正（主に球面収差や非点収
差、歪曲収差の補正）が容易になる。上記の赤外光学系
１０を組み込んだ赤外光学装置２０において、赤外透過
窓２１は、赤外光学系１０の第二レンズ群Ｇ２と絞りＳ
１との間に配置される。赤外透過窓２１は、ゲルマニウ
ムを材料として形成された平行平面板であり、パワーを
持たない。なお、赤外透過窓２１は、いわゆるデュア窓
である。

【００２１】赤外撮像素子２２は、赤外光学系１０の像
面１０ａに配置されている。赤外撮像素子２２は、１０
μｍ帯の赤外波長域に感度を持つ冷却型の撮像素子であ
る。赤外撮像素子２２は、請求項の「赤外検出器」に対
応する。

【００２２】筐体２３は、赤外撮像素子２２および赤外
光学系１０の絞りＳ１を収納するデュアル構造の容器で
ある。筐体２３の内部には、上記の赤外透過窓２１から
赤外光が導かれる。冷却器２４は、筐体２３の内部全体
を冷却する装置である。このため、赤外撮像素子２２と
共に絞りＳ１も冷却される。このように構成された赤外
光学装置２０では、物体から放射される熱すなわち赤外
線(１０μｍ帯)が、赤外光学系１０によって赤外撮像素
子２２の撮像面上に集光され、そこで受光される。

【００２３】次に、上記した赤外光学系１０と赤外透過
窓２１の具体的なレンズデータを表２に示す。

【表２】表２において、面番号１〜９は、物体側から順に付した
ものである。曲率半径のマイナス(−)は、面が像側に凸
の形状であることを表している。面間隔は、光軸上での
レンズ厚または空気間隔である。面番号９の面間隔は、
絞りＳ１から像面１０ａまでの空気間隔に対応する。

【００２４】後ろ絞りの赤外光学系１０が開口効率１０
０％となるように、赤外光学系１０のレンズ面１１ａ
(面番号１)の有効径Ｄ１を上記した表２のレンズデータ
から計算すると、Ｄ１＝６０.３ｍｍとなる。なお、表
２のレンズデータから計算した有効径Ｄ１に関する条件
式(１)の下限値は、２ｆtanω＋ｆ/Ｆ＝５０.７とな
る。同様に、条件式(１)の上限値は、８ｆtanω＋ｆ/Ｆ
＝９５.５となる。このことから、上記の計算で得られ
た有効径Ｄ１(＝６０.３ｍｍ)は、条件式(１)を満足し
ていることが分かる。

【００２５】また、表２のレンズデータから赤外光学系
１０の第一レンズ群Ｇ１の焦点距離ｆ１および第二レン
ズ群Ｇ２の焦点距離ｆ２を計算すると、ｆ１＝１４９.
０２、ｆ２＝４３.９１となる。そして、焦点距離ｆ１,
ｆ２の比は、ｆ１/ｆ２＝３.４となる。このことから、
上記の計算で得られた焦点距離ｆ１(＝１４９.０２),ｆ
２(＝４３.９１)は、条件式(２)を満足していることが
分かる。

【００２６】ここで、表２のレンズデータに基づく光学
系（赤外光学系１０,赤外透過窓２１）の結像性能につ
いて、図２と図３を用いて評価する。図２(ａ)は、縦の
球面収差(Longitudinal spherical aber.)に関する収差
図であり、横軸は光軸上の位置(Focus)、縦軸は入射高
を表す。入射高は、Ｆ値で規定される口径によって規格
化されている。図２(ｂ)は、非点収差および像面彎曲(A
stigmatic field curves)に関する収差図であり、横軸
は光軸上の位置(Focus)、縦軸は光軸に対する入射角(An
gle)を表す。

【００２７】図２(ｃ)は、歪曲収差(Distortion)に関す
る収差図であり、横軸は焦点の位置ずれ量(Distortio
n)、縦軸は光軸に対する入射角(Angle)を表す。また、
図２(ａ)において、一点鎖線は波長７μｍの赤外光、点
線は波長９μｍの赤外光、実線は波長１２μｍの赤外光
に対する収差を示している。図３(ａ)〜(ｃ)は、スポッ
トダイアグラムであり、像面１０ａにおける計算結果
(ｂ)と、像面１０ａの近傍で光軸に垂直な面における計
算結果(ａ),(ｃ)とを示している。また、図３(ａ)〜
(ｃ)の各々には、入射角θの異なる４種類の光線に関す
る計算結果が示されている。

【００２８】これらの収差図(図２(ａ)〜(ｃ))とスポッ
トダイアグラム(図３(ａ)〜(ｃ))とから分かるように、
表２のレンズデータに基づく光学系（赤外光学系１０,
赤外透過窓２１）は、良好に収差補正されている。以上
説明したように、第１実施形態の赤外光学装置２０によ
れば、赤外光学系１０を後ろ絞りの構成とし、かつ、条
件式(１)を満足するようにレンズ面１１ａの有効径Ｄ１
を規定したので、赤外撮像素子２２と共に絞りＳ１を冷
却することにより、物体からの赤外光に混じって赤外撮
像素子２２に到達するノイズ光を確実に低減することが
できる。このため、周辺温度などの環境条件の変化に関
わらず、常に、高精度な撮像を行うことができる。

【００２９】また、レンズ面１１ａの有効径Ｄ１が条件
式(１)を満足することで、後ろ絞りの赤外光学系１０に
おける収差補正が容易になり、赤外光学系１０の開口効
率が１００％になるので、高品質な赤外画像を得ること
もできる。さらに、第１実施形態の赤外光学装置２０に
よれば、赤外光学系１０の第一レンズ群Ｇ１と第二レン
ズ群Ｇ２の焦点距離ｆ１,ｆ２が条件式(２)を満足する
ように規定したので、後ろ絞りの赤外光学系１０におけ
る収差（主に球面収差や非点収差、歪曲収差）をより良
好に補正でき、さらに高品質な赤外画像を得ることがで
きる。

【００３０】(第２実施形態)本発明の第２実施形態は、
請求項１〜請求項３に対応する。第２実施形態の赤外光
学装置は、上記した赤外光学装置２０の赤外光学系１０
に代えて、図４に示す赤外光学系３０を用いたものであ
る。赤外光学系３０も、１０μｍ帯の赤外波長域（７μ
ｍ〜１２μｍ）で使用される光学系である。

【００３１】第２実施形態の赤外光学装置において、赤
外光学系３０(図４)以外の構成は、上記した赤外光学装
置２０と同じであるため、図示と説明を省略する。ただ
し、赤外透過窓２１は図４にも示されている。さらに、
赤外光学系３０(図４)の基本的な構成は、上記した赤外
光学系１０(図１)と同じである。つまり、赤外光学系３
０は、第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群Ｇ２と絞りＳ２
とで構成されている。また、第一レンズ群Ｇ１は、上記
レンズ１１と同様のレンズ３１および上記レンズ１２と
同様のレンズ３２にて構成され、第二レンズ群Ｇ２は、
上記レンズ１３と同様のレンズ３３にて構成され、これ
らのレンズ３１〜３３は、ゲルマニウムを材料として形
成されている。

【００３２】赤外光学系３０の絞りＳ２は、上記したレ
ンズ群(３１〜３３)の各レンズ面のうち最も像側に位置
するレンズ面３３ａと、レンズ群(３１〜３３)の像面３
０ａとの間に配置されている（後ろ絞りの配置）。

【００３３】また、レンズ群(３１〜３３)の各レンズ面
のうち最も物体側に位置するレンズ面３１ａの有効径Ｄ
２は、上述した条件式(１)を満足するように規定されて
いる。さらに、上記したレンズ群(３１〜３３)のパワー
配置、つまり、第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群Ｇ２の
焦点距離ｆ１,ｆ２の比は、上述した条件式(２)を満足
するように規定されている。

【００３４】次に、上記した赤外光学系３０と赤外透過
窓２１の具体的なレンズデータを表３に示す。表３は、
上記した表２と同様であるため、その補足説明を省略す
る。

【表３】後ろ絞りの赤外光学系３０が開口効率１００％となるよ
うに、赤外光学系３０のレンズ面３１ａ(面番号１)の有
効径Ｄ２を上記した表３のレンズデータから計算する
と、Ｄ２＝５８ｍｍとなる。

【００３５】なお、表３のレンズデータから計算した有
効径Ｄ２に関する条件式(１)の下限値は、２ｆtanω＋
ｆ/Ｆ＝５１.８となる。同様に、条件式(１)の上限値
は、８ｆtanω＋ｆ/Ｆ＝１３２.２となる。このことか
ら、上記の計算で得られた有効径Ｄ２(＝５８ｍｍ)は、
条件式(１)を満足していることが分かる。また、表３の
レンズデータから赤外光学系３０の第一レンズ群Ｇ１の
焦点距離ｆ１および第二レンズ群Ｇ２の焦点距離ｆ２を
計算すると、ｆ１＝１１０.７３、ｆ２＝５２.３３とな
る。そして、焦点距離ｆ１,ｆ２の比は、ｆ１/ｆ２＝
２.１となる。このことから、上記の計算で得られた焦
点距離ｆ１(＝１１０.７３),ｆ２(＝５２.３３)は、条
件式(２)を満足していることが分かる。

【００３６】ここで、表３のレンズデータに基づく光学
系（赤外光学系３０,赤外透過窓２１）の結像性能につ
いて、図５,図６を用いて評価する。図５,図６は、各
々、既出の図２,図３と同様であるため、その補足説明
を省略する。なお、図５(ａ)の縦軸は、Ｆ値で規定され
る口径によって規格化された入射高である。また、図３
(ｂ)は、像面３０ａにおけるスポットダイアグラムであ
る。

【００３７】これらの収差図(図５(ａ)〜(ｃ))とスポッ
トダイアグラム(図６(ａ)〜(ｃ))とから分かるように、
表３のレンズデータに基づく光学系（赤外光学系３０,
赤外透過窓２１）は、良好に収差補正されている。以上
説明したように、第２実施形態の赤外光学装置によれ
ば、赤外光学系３０を後ろ絞りの構成とし、かつ、条件
式(１)を満足するようにレンズ面３１ａの有効径Ｄ２を
規定したので、赤外撮像素子２２と共に絞りＳ２を冷却
することにより、物体からの赤外光に混じって赤外撮像
素子２２に到達するノイズ光を確実に低減することがで
きる。このため、周辺温度などの環境条件の変化に関わ
らず、常に、高精度な撮像を行うことができる。

【００３８】また、レンズ面３１ａの有効径Ｄ２が条件
式(１)を満足することで、後ろ絞りの赤外光学系３０に
おける収差補正が容易になり、赤外光学系３０の開口効
率が１００％になるので、高品質な赤外画像を得ること
もできる。さらに、第２実施形態の赤外光学装置によれ
ば、赤外光学系３０の第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群
Ｇ２の焦点距離ｆ１,ｆ２が条件式(２)を満足するよう
に規定したので、後ろ絞りの赤外光学系３０における収
差（主に球面収差や非点収差、歪曲収差）をより良好に
補正でき、さらに高品質な赤外画像を得ることができ
る。

【００３９】(第３実施形態)本発明の第３実施形態は、
請求項１〜請求項３に対応する。第３実施形態の赤外光
学装置は、上記した赤外光学装置２０の赤外光学系１０
に代えて、図７に示す赤外光学系４０を用いたものであ
る。赤外光学系４０も、１０μｍ帯の赤外波長域（７μ
ｍ〜１２μｍ）で使用される光学系である。

【００４０】第３実施形態の赤外光学装置において、赤
外光学系４０(図７)以外の構成は、上記した赤外光学装
置２０と同じであるため、図示と説明を省略する。ただ
し、赤外透過窓２１は図７にも示されている。さらに、
赤外光学系４０(図７)の基本的な構成は、上記した赤外
光学系１０(図１)と同じである。つまり、赤外光学系４
０は、第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群Ｇ２と絞りＳ３
とで構成されている。また、第一レンズ群Ｇ１は、上記
レンズ１１と同様のレンズ４１および上記レンズ１２と
同様のレンズ４２にて構成され、第二レンズ群Ｇ２は、
上記レンズ１３と同様のレンズ４３にて構成され、これ
らのレンズ４１〜４３は、ゲルマニウムを材料として形
成されている。

【００４１】赤外光学系４０の絞りＳ３は、上記したレ
ンズ群(４１〜４３)の各レンズ面のうち最も像側に位置
するレンズ面４３ａと、レンズ群(４１〜４３)の像面４
０ａとの間に配置されている（後ろ絞りの配置）。ま
た、レンズ群(４１〜４３)の各レンズ面のうち最も物体
側に位置するレンズ面４１ａの有効径Ｄ３は、上述した
条件式(１)を満足するように規定されている。さらに、
上記したレンズ群(４１〜４３)のパワー配置、つまり、
第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群Ｇ２の焦点距離ｆ１,
ｆ２の比は、上述した条件式(２)を満足するように規定
されている。

【００４２】次に、上記した赤外光学系４０と赤外透過
窓２１の具体的なレンズデータを表４に示す。表４は、
上記した表２と同様であるため、その補足説明を省略す
る。

【表４】後ろ絞りの赤外光学系４０が開口効率１００％となるよ
うに、赤外光学系４０のレンズ面４１ａ(面番号１)の有
効径Ｄ３を上記した表４のレンズデータから計算する
と、Ｄ３＝６９.６ｍｍとなる。

【００４３】なお、表４のレンズデータから計算した有
効径Ｄ３に関する条件式(１)の下限値は、２ｆtanω＋
ｆ/Ｆ＝５８.７となる。同様に、条件式(１)の上限値
は、８ｆtanω＋ｆ/Ｆ＝８５.０となる。このことか
ら、上記の計算で得られた有効径Ｄ３(＝６９.６ｍｍ)
は、条件式(１)を満足していることが分かる。また、表
４のレンズデータから赤外光学系４０の第一レンズ群Ｇ
１の焦点距離ｆ１および第二レンズ群Ｇ２の焦点距離ｆ
２を計算すると、ｆ１＝２０４.９９、ｆ２＝３７.００
となる。そして、焦点距離ｆ１,ｆ２の比は、ｆ１/ｆ２
＝５.５となる。このことから、上記の計算で得られた
焦点距離ｆ１(＝２０４.９９),ｆ２(＝３７.００)は、
条件式(２)を満足していることが分かる。

【００４４】ここで、表４のレンズデータに基づく光学
系（赤外光学系４０,赤外透過窓２１）の結像性能につ
いて、図８,図９を用いて評価する。図８,図９は、各
々、既出の図２,図３と同様であるため、その補足説明
を省略する。なお、図８(ａ)の縦軸は、Ｆ値で規定され
る口径によって規格化された入射高である。また、図９
(ｂ)は、像面４０ａにおけるスポットダイアグラムであ
る。

【００４５】これらの収差図(図８(ａ)〜(ｃ))とスポッ
トダイアグラム(図９(ａ)〜(ｃ))とから分かるように、
表４のレンズデータに基づく光学系（赤外光学系４０,
赤外透過窓２１）は、良好に収差補正されている。以上
説明したように、第３実施形態の赤外光学装置によれ
ば、赤外光学系４０を後ろ絞りの構成とし、かつ、条件
式(１)を満足するようにレンズ面４１ａの有効径Ｄ３を
規定したので、赤外撮像素子２２と共に絞りＳ３を冷却
することにより、物体からの赤外光に混じって赤外撮像
素子２２に到達するノイズ光を確実に低減することがで
きる。このため、周辺温度などの環境条件の変化に関わ
らず、常に、高精度な撮像を行うことができる。

【００４６】また、レンズ面４１ａの有効径Ｄ３が条件
式(１)を満足することで、後ろ絞りの赤外光学系４０に
おける収差補正が容易になり、赤外光学系４０の開口効
率が１００％になるので、高品質な赤外画像を得ること
もできる。さらに、第３実施形態の赤外光学装置によれ
ば、赤外光学系４０の第一レンズ群Ｇ１と第二レンズ群
Ｇ２の焦点距離ｆ１,ｆ２が条件式(２)を満足するよう
に規定したので、後ろ絞りの赤外光学系４０における収
差（主に球面収差や非点収差、歪曲収差）をより良好に
補正でき、さらに高品質な赤外画像を得ることができ
る。

【００４７】なお、上記した第１〜第３実施形態では、
赤外光学系１０,３０,４０の第二レンズ群Ｇ２と絞りＳ
１,Ｓ２,Ｓ３との間にゲルマニウムの赤外透過窓２１
（デュア窓）を配置したが、赤外透過窓２１は平行平面
板であり、このような平行平面板が赤外光学系１０,３
０,４０の収差に及ぼす影響は軽微であるため問題な
い。

【００４８】このため、赤外透過窓２１の他に、フィル
タ（例えばバンドパスフィルタ）などの平行平面板が赤
外光学系１０,３０,４０の光軸上に配置されていても、
同様に問題はない。さらに、フィルタなどの平行平面板
の配置としては、第二レンズ群Ｇ２と絞りＳ１,Ｓ２,Ｓ
３との間に限らず、絞りＳ１,Ｓ２,Ｓ３と像面１０ａ,
３０ａ,４０ａとの間でも構わない。

【００４９】このように、絞りＳ１,Ｓ２,Ｓ３と像面１
０ａ,３０ａ,４０ａとの間に平行平面板が配置されたと
しても、赤外光学系１０,３０,４０が後ろ絞りの配置で
あることに変わりはない。赤外光学系１０,３０,４０に
含まれるレンズ群は、あくまでもパワーを持った複数の
レンズによって構成され、平行平面板を含まない。さら
に、赤外光学系１０,３０,４０のレンズ面１１ａ,３１
ａ,４１ａよりも物体側に赤外透過窓などの平行平面板
を配置する構成も考えられるが、この場合の前玉有効径
Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３は、あくまでも、パワーを持ったレンズ
面の有効径である。

【００５０】また、赤外透過窓やフィルタなどの平行平
面板の光学材料としては、使用する波長範囲で透過率に
問題がなければ、ゲルマニウムに限らず、例えば、ジン
クセレナイド（ＺｎＳｅ）やジンクサルファイド（Ｚｎ
Ｓ）を用いることもできる。さらに、上記した実施形態
では、１０μｍ帯の赤外波長域（７μｍ〜１２μｍ）で
使用される赤外光学系１０,３０,４０の例を説明した
が、１２μｍと１３μｍの波長におけるゲルマニウムの
屈折率はほとんど変わらないので、本発明は、１２μｍ
〜１３μｍの赤外波長域にも同じように適用することが
できる。

【００５１】また、上記した実施形態では、第一レンズ
群Ｇ１を２枚のレンズで構成したが、レンズの枚数は１
枚でも３枚以上でも良い。また、第二レンズ群Ｇ２を１
枚のレンズで構成したが、２枚以上でも良い。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１０μｍ帯の赤外波長域で使用される赤外光学系におい
て、その像面に到達するノイズ光を確実に低減できるた
め、高精度な撮像が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の赤外光学装置２０の光路図であ
る。

【図２】第１実施形態の赤外光学装置２０の収差図であ
る。

【図３】第１実施形態の赤外光学装置２０のスポットダ
イアグラムである。

【図４】第２実施形態の赤外光学装置の光路図である。

【図５】第２実施形態の赤外光学装置の収差図である。

【図６】第２実施形態の赤外光学装置のスポットダイア
グラムである。

【図７】第３実施形態の赤外光学装置の光路図である。

【図８】第３実施形態の赤外光学装置の収差図である。

【図９】第３実施形態の赤外光学装置のスポットダイア
グラムである。

【符号の説明】

１０，３０，４０赤外光学系１１，１２，１３，３１，３２，３３，４１，４２，４
３レンズ２０赤外光学装置２１赤外透過窓２２赤外撮像素子２３筐体２４冷却器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H087 KA00 LA01 NA03 PA03 PA17 PB03 QA02 QA06 QA12 QA22 QA25 QA32 QA42 QA45 RA35 RA42 RA43 UA02 5C022 AA15 AC41 AC54 AC56 5C024 AX06 CX37 EX42

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のレンズからなるレンズ群と、絞り
とを備え、１０μｍ帯の赤外波長域で使用される赤外光
学系において、前記レンズ群は、ゲルマニウムを材料として形成され、前記絞りは、前記レンズ群の各レンズ面のうち最も像側
に位置するレンズ面と前記レンズ群の像面との間に配置
され、前記レンズ群の各レンズ面のうち最も物体側に位置する
レンズ面の有効径Ｄは、前記レンズ群の半画角をω、焦
点距離をｆ、ＦナンバーをＦとするとき、以下の条件式
を満足する２ｆtanω＋ｆ/Ｆ＜Ｄ＜８ｆtanω＋ｆ/Ｆことを特徴とする赤外光学系。
【請求項２】請求項１に記載の赤外光学系において、前記レンズ群は、物体側から順に、正のパワーを持つ第
一レンズ群と、正のパワーを持つ第二レンズ群とで構成
され、前記第一レンズ群は、物体側に凸の正のパワーを持つメ
ニスカス形状のレンズと、負のパワーを持つレンズとを
含み、前記第二レンズ群は、物体側に凸の正のパワーを持つメ
ニスカス形状のレンズを含み、前記第一レンズ群の焦点距離ｆ１と前記第二レンズ群の
焦点距離ｆ２とは、以下の条件式を満足する２＜ｆ１/ｆ２＜６ことを特徴とする赤外光学系。
【請求項３】物体からの赤外光を集光する請求項１ま
たは請求項２に記載の赤外光学系と、前記赤外光学系によって集光された赤外光を受光する赤
外検出部とを備えたことを特徴とする赤外光学装置。