JP2005062559A - 赤外線カメラ用レンズ - Google Patents
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Abstract
【課題】 特に波長域8μm〜12μm帯での使用に適し、像周辺部でのノイズを低減して良好な光学性能を達成することができるようにした赤外線カメラ用レンズを提供する。
【解決手段】 物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズの第1レンズL1、および物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズの第2レンズL2で構成された第1レンズ群G1と、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズの第3レンズL3、および物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズの第4レンズL4で構成された第2レンズ群G2とを備え、以下の条件を満足する。ただし、Φ1,Φ2は、第1,第2レンズ群G1,G2の屈折力。f1は第1レンズL1の焦点距離、fTは全系の焦点距離。
0.12<|Φ1/Φ2|<0.32 ……(1)
1.3<|f1/fT|<1.9 ……(2)
【選択図】 図1
【解決手段】 物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズの第1レンズL1、および物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズの第2レンズL2で構成された第1レンズ群G1と、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズの第3レンズL3、および物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズの第4レンズL4で構成された第2レンズ群G2とを備え、以下の条件を満足する。ただし、Φ1,Φ2は、第1,第2レンズ群G1,G2の屈折力。f1は第1レンズL1の焦点距離、fTは全系の焦点距離。
0.12<|Φ1/Φ2|<0.32 ……(1)
1.3<|f1/fT|<1.9 ……(2)
【選択図】 図1
Description
本発明は、赤外線カメラに用いられるレンズに関し、特に波長8μm〜12μm帯での使用に適した赤外線カメラ用レンズに関する。
従来より、例えば暗所での撮影や物体の温度分布の観測などを行うために、赤外線カメラが利用されている。赤外線カメラでは一般に、3μm〜5μm帯または8μm〜12μm帯の波長域を使用することが多い。
赤外線カメラ用に開発されたレンズの従来技術としては、例えば以下の特許文献記載のものがある。この特許文献1には、赤外線用対物光学系として、4枚構成の単焦点レンズの例が記載されている。この特許文献1では、赤外線撮像素子を配置するのに十分なバックフォーカスを確保しつつ、F値が1.0程度の明るい赤外線用単焦点レンズを実現している。
特許第3326900号公報
しかしながら、この特許文献1記載の光学系は、波長域として3μm〜5μm帯の赤外線を対象に設計されているため、8μm〜12μm帯の赤外線での使用には適さない。
ところで、一般に赤外線用光学系では、被写体からの赤外線以外にも、レンズ鏡筒やカメラ筐体自身が放射する不要な赤外線成分が撮像素子に入射してしまい、それがノイズとして検出されてしまうという問題がある。特に、開口効率の低い光学系では、中心部に比べて周辺部において上記不要な赤外線が多く含まれることとなり、像周辺部においてノイズが多く検出されてしまう。したがって、像周辺部におけるノイズを低減するためには、開口効率が100%近くであることが望ましい。上記特許文献1記載の光学系は、開口効率が低く、像周辺部においてノイズが発生しやすいという問題がある。
また、赤外線用光学系では、最終レンズの後ろに撮像素子を保護するための平行平面板や、撮像素子を冷却するためのコールドシールドなどが挿入される場合があるため、ある程度十分なバックフォーカスを確保する必要がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、特に波長域8μm〜12μm帯での使用に適し、十分なバックフォーカスを確保しつつ、F値が1.0程度と明るく、像周辺部でのノイズを低減して良好な光学性能を達成することができるようにした赤外線カメラ用レンズを提供することにある。
本発明による赤外線カメラ用レンズは、物体側から順に、負の屈折力を持った第1レンズ群と、正の屈折力を持った第2レンズ群とを備え、第1レンズ群が、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第1レンズと、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズからなる第2レンズとで構成され、第2レンズ群が、物体側から順に、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズからなる第3レンズと、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第4レンズとで構成され、かつ、以下の条件式(1),(2)を満足するように構成されているものである。絞りは、第2レンズ群よりも像側に配置されていることが好ましい。
0.12<|Φ1/Φ2|<0.32 ……(1)
1.3<|f1/fT|<1.9 ……(2)
ただし、Φ1は第1レンズ群の屈折力を示し、Φ2は第2レンズ群の屈折力を示す。f1は第1レンズの焦点距離を示し、fTは全系の焦点距離を示す。
1.3<|f1/fT|<1.9 ……(2)
ただし、Φ1は第1レンズ群の屈折力を示し、Φ2は第2レンズ群の屈折力を示す。f1は第1レンズの焦点距離を示し、fTは全系の焦点距離を示す。
本発明による赤外線カメラ用レンズでは、全体的な構成を、負の屈折力を持ったレンズ群が先行するレトロフォーカス型としたことで、F値1.0程度の明るさの確保と、バックフォーカスの確保とが容易となる。さらに、条件式(1),(2)を満たすことで、諸収差の補正が容易となると共に、開口効率を100%にし易くなる。また、最終レンズである第2レンズ群の後ろに絞りを配置することで、100%の開口効率をさらに容易に得やすくなる。またこの配置にした場合には、フォーカシングの際に絞りを固定にすることができ、物体位置の変化による入射光量の変動が抑制される。これらにより、レンズ鏡筒などからの不要な赤外線成分が低減され、像周辺部におけるノイズが低減される。
この赤外線カメラ用レンズは、さらに以下の条件式(3)〜(5)の少なくとも1つを満足していることが好ましい。これらの好ましい条件を必要に応じて適宜採用することで、さらに良好な光学性能が得られる。
0.37<d4/fT<0.5 ……(3)
0<d6/fT<0.22 ……(4)
0.17<d2/fT<0.3 ……(5)
ただし、d4は、第1レンズ群と第2レンズ群との光軸上の間隔を示し、d6は、第3レンズと第4レンズとの光軸上の間隔を示し、d2は、第1レンズと第2レンズとの光軸上の間隔を示す。fTは全系の焦点距離を示す。
0<d6/fT<0.22 ……(4)
0.17<d2/fT<0.3 ……(5)
ただし、d4は、第1レンズ群と第2レンズ群との光軸上の間隔を示し、d6は、第3レンズと第4レンズとの光軸上の間隔を示し、d2は、第1レンズと第2レンズとの光軸上の間隔を示す。fTは全系の焦点距離を示す。
本発明による赤外線カメラ用レンズによれば、全体的な構成を、負の屈折力を持ったレンズ群が先行するレトロフォーカス型とし、さらに、各群のパワー配分などに関して所定の条件式(1),(2)を満足するようにしたので、諸収差の補正が容易となると共に、開口効率を100%にし易くなり、特に波長域8μm〜12μm帯での使用に適し、十分なバックフォーカスを確保しつつ、F値が1.0程度と明るく、像周辺部でのノイズを低減して良好な光学性能を達成することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る赤外線カメラ用レンズの構成例を示している。この構成例は、後述の各数値実施例(表1〜表3)のレンズ構成に対応している。なお、図1において、符号riは、絞りStも含めて最も物体側の構成要素の面を1番目として、像側(結像側)に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したi番目(i=1〜11)の面の曲率半径を示す。符号diは、i番目の面とi+1番目の面との光軸Z1上の面間隔を示す。
この赤外線カメラ用レンズは、例えば波長8μm〜12μm帯で使用される赤外線カメラに搭載して好適ものである。この赤外線カメラ用レンズは、光軸Z1に沿って、負の屈折力を有する第1レンズ群G1と、正の屈折力を有する第2レンズ群G2とが、物体側より順に配設された構成を基本としている。絞りStは、最終レンズである第2レンズ群G2の後ろに配置されていることが好ましい。
この赤外線カメラ用レンズの結像面(撮像面)Simgには、例えば、図示しない赤外線用CCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)などの固体撮像素子が配置される。第2レンズ群G2と結像面Simgとの間には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、種々の光学部材が配置されていても良い。例えば撮像素子を保護するための平行平面板や、撮像素子を冷却するためのコールドシールドなどの窓部材GWが配置されていても良い。
第1レンズ群G1は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第1レンズL1と、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズからなる第2レンズL2とで構成されている。
第2レンズ群G2は、物体側から順に、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズからなる第3レンズL3と、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第4レンズL4とで構成されている。
この赤外線カメラ用レンズは、以下の条件式(1),(2)を満足するように構成されている。ただし、Φ1は第1レンズ群G1の屈折力を示し、Φ2は第2レンズ群G2の屈折力を示す。f1は第1レンズL1の焦点距離を示し、fTは全系の焦点距離を示す。
0.12<|Φ1/Φ2|<0.32 ……(1)
1.3<|f1/fT|<1.9 ……(2)
0.12<|Φ1/Φ2|<0.32 ……(1)
1.3<|f1/fT|<1.9 ……(2)
この赤外線カメラ用レンズはさらに、以下の条件式(3)〜(5)の少なくとも1つを満足していることが好ましい。ただし、d4は、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2との光軸上の間隔を示し、d6は、第3レンズL3と第4レンズL4との光軸上の間隔を示し、d2は、第1レンズL1と第2レンズL2との光軸上の間隔を示す。
0.37<d4/fT<0.5 ……(3)
0<d6/fT<0.22 ……(4)
0.17<d2/fT<0.3 ……(5)
0.37<d4/fT<0.5 ……(3)
0<d6/fT<0.22 ……(4)
0.17<d2/fT<0.3 ……(5)
次に、以上のように構成された赤外線カメラ用レンズの作用および効果を説明する。
この赤外線カメラ用レンズでは、全体的な構成を、負の屈折力を持った第1レンズ群G1が先行するレトロフォーカス型としたことで、F値1.0程度の明るさの確保と、バックフォーカスの確保とが容易となっている。また、最終レンズである第2レンズ群G2の後ろに絞りStを配置したことで、100%の開口効率が得やすくなっている。実際、図1に示した軸上と最大画角での各光線の通過状態を見ても分かるように、この赤外線カメラ用レンズでは、開口効率がほぼ100%となっている。開口効率が100%である場合、絞りStを通過した光線に関しては、レンズ鏡筒などから放射された赤外線が含まれないことになるため、像周辺部でのノイズを低減することができる。また、この配置では、フォーカシングの際に絞りStを固定とすることができるので、物体位置が変化したときの入射光量の変動を抑制することができる。
なお、図1に示したレンズ配置は、無限遠の物体に合焦している状態であるが、特定のレンズまたはレンズ群を光軸Z1に沿って移動させることで、有限距離の物体に対してもフォーカシングを行うことができる。その際、入射光量の変動を防ぐために絞りStは固定にしておくことが好ましい。その上で、合焦時に一定の光学性能を維持して共役距離を変化させられる移動レンズまたはレンズ群としては、例えば絞りStよりも前のレンズ系全体、第2レンズ群G2全体、第1レンズL1単独、または第4レンズL4単独などが考えられる。
条件式(1)は、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2の屈折力Φ1,Φ2の比を規定している。この式の下限を越えるとコマ収差が発生してバックフォーカスを確保しにくくなる。上限を越えると、球面収差と像面湾曲の悪化を招くので好ましくない。
条件式(2)は、第1レンズL1の焦点距離f1と全系の焦点距離fTとの比を規定している。この式の下限を越えると像面が正側に倒れ、コマ収差が発生し、上限を越えると像面が負側に倒れるので好ましくない。
条件式(3)は、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2との光軸上の間隔d4と全系の焦点距離fTとの比を規定している。この式の上限下限どちらを逸脱しても、軸外で大きなコマ収差が発生するため好ましくない。
条件式(4)は、第3レンズL3と第4レンズL4との光軸上の間隔d6と全系の焦点距離fTとの比を規定している。この式の上限を越えると、像面が正側に倒れてくるので好ましくない。
条件式(5)は、第1レンズL1と第2レンズL2との光軸上の間隔d2と全系の焦点距離fTとの比を規定している。この式の上限下限どちらを逸脱しても、軸外で大きなコマ収差が発生するため好ましくない。
以上のようにして、本実施の形態によれば、特に波長域8μm〜12μm帯での使用に適し、十分なバックフォーカスを確保しつつ、F値が1.0程度と明るく、像周辺部でのノイズを低減して、赤外線カメラ用レンズに適した良好な光学性能を達成することができる。
次に、本実施の形態に係る赤外線カメラ用レンズの具体的な数値実施例について説明する。以下では、第1〜第3の数値実施例(実施例1〜3)をまとめて説明する。表1〜表3は、図1に示した赤外線カメラ用レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを示している。なお、これらのレンズデータは、無限遠の物体に対するものであるが、例えば絞りStよりも前のレンズ系全体、第2レンズ群G2全体、第1レンズL1単独、または第4レンズL4単独などを、合焦レンズとすることで、絞りStを固定にして入射光量の変動を防ぎながら、有限距離の物体に対するフォーカシングを行うことができる。
各表に示したレンズデータにおける面番号Siの欄には、各実施例の赤外線カメラ用レンズについて、絞りSt,窓部材GWも含めて最も物体側の構成要素の面を1番目として、像側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したi番目(i=1〜11)の面の番号を示している。曲率半径riの欄には、図1において付した符号riに対応させて、物体側からi番目の面の曲率半径の値を示す。面間隔diの欄についても、図1において付した符号に対応させて、物体側からi番目の面Siとi+1番目の面Si+1との光軸上の間隔を示す。曲率半径riおよび面間隔diの値の単位はミリメートル(mm)である。屈折率Niの欄には、波長10μmに対する値を示す。硝材はすべてゲルマニウムとなっている。各表にはまた、全系の焦点距離fTの値も示す。
また、表4に、上述の条件式(1)〜(5)に関する値を、各実施例についてまとめて示す。表4に示したように、各実施例の値が、各条件式(1)〜(5)の数値範囲内となっている。
図2(A)〜(C)は、実施例1の赤外線カメラ用レンズにおける球面収差、非点収差、およびディストーション(歪曲収差)を示している。各収差図には、10μmを基準波長とした収差を示すが、球面収差図には、8μm,12μmについての収差も示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。FNO.はF値、ωは半画角を示す。同様にして、実施例2と実施例3とにおける球面収差、非点収差、およびディストーションを、図3(A)〜(C)と図4(A)〜(C)とに示す。
図5(A)〜(G)は、実施例1の赤外線カメラ用レンズにおける各画角(ω=0°,8.3°,11.1°,14.0°)でのコマ収差を示している。特に図5(A)〜(D)は、タンジェンシャル方向についてのコマ収差、図5(E)〜(G)は、サジタル方向についてのコマ収差を示す。同様にして、実施例2と実施例3とにおけるコマ収差を、図6(A)〜(G)と図7(A)〜(G)とに示す。
以上の各数値データおよび各収差図から分かるように、各実施例について、十分なバックフォーカスが確保され、波長域8μm〜12μm帯において、F値が1.0程度と明るく、周辺部でも良好に収差補正がなされ、赤外線カメラ用レンズに適した良好な光学性能が実現できている。
なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値などは、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。
また、上記各実施例では、波長8μm〜12μm帯で使用されるレンズの数値例を示したが、本発明のレンズは、波長3μm〜5μm帯において使用することも可能である。
G1…第1レンズ群、G2…第2レンズ群、St…絞り、GW…窓部材、L1〜L4…第1レンズ〜第4レンズ、ri…物体側から第i番目のレンズ面の曲率半径、di…物体側から第i番目と第i+1番目のレンズ面との面間隔、Simg…結像面(撮像面)、Z1…光軸。
Claims (5)
- 物体側から順に、
負の屈折力を持った第1レンズ群と、
正の屈折力を持った第2レンズ群と
を備え、
前記第1レンズ群は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第1レンズと、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズからなる第2レンズとで構成され、
前記第2レンズ群は、物体側から順に、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズからなる第3レンズと、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第4レンズとで構成され、
かつ、以下の条件式(1),(2)を満足するように構成されている
ことを特徴とする赤外線カメラ用レンズ。
0.12<|Φ1/Φ2|<0.32 ……(1)
1.3<|f1/fT|<1.9 ……(2)
ただし、
Φ1:第1レンズ群の屈折力
Φ2:第2レンズ群の屈折力
f1:第1レンズの焦点距離
fT:全系の焦点距離 - 前記第2レンズ群よりも像側に絞りが配置されている
ことを特徴とする請求項1に記載の赤外線カメラ用レンズ。 - さらに、以下の条件式(3)を満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の赤外線カメラ用レンズ。
0.37<d4/fT<0.5 ……(3)
ただし、
d4:第1レンズ群と第2レンズ群との光軸上の間隔
fT:全系の焦点距離 - さらに、以下の条件式(4)を満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の赤外線カメラ用レンズ。
0<d6/fT<0.22 ……(4)
ただし、
d6:第3レンズと第4レンズとの光軸上の間隔
fT:全系の焦点距離 - さらに、以下の条件式(5)を満足するように構成されている
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の赤外線カメラ用レンズ。
0.17<d2/fT<0.3 ……(5)
ただし、
d2:第1レンズと第2レンズとの光軸上の間隔
fT:全系の焦点距離
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003293692A JP2005062559A (ja) | 2003-08-15 | 2003-08-15 | 赤外線カメラ用レンズ |
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