JP2006047343A

JP2006047343A - 赤外線レンズ

Info

Publication number: JP2006047343A
Application number: JP2004223749A
Authority: JP
Inventors: Akito Fujii; 明人藤井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】非冷却型赤外線センサの集光光学系に最適でセンサを軽量化小型化できる赤外線レンズを提供すること。
【解決手段】二枚レンズよりなる赤外線レンズであって、第１レンズはＺｎＳ製で、凸凹面をもつメニスカスレンズであり波長分散を打ち消すため前面或いは後面は回折面となっている。第２レンズはＺｎＳ、カルコゲナイドガラス、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＺｎＳｅのいずれかよりなり前後面ともに平坦面でいずれかに回折面をもつレンズである。第２レンズは赤外線センサのパッケージ窓を兼ねる。パッケージ内部を真空に引く事もあるその場合は第２レンズによって真空を維持する。Ｇｅ窓がなくて第２レンズのすぐ後ろに検出器面があるからバックフォーカスを短くすることができる。バックフォーカスを短くできるので赤外線センサの全体を短くし軽量小型にできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、軽量小型で安価な赤外線レンズを提供することを目的とする。特に非冷却タイプの赤外線センサの撮像レンズ系を提供することを目的とする。赤外線カメラなど赤外線センサには冷却型のものと非冷却型のものがある。

冷却型のものは、検出素子を冷却するもので検出素子としてＩｎＳｂ、ＨｇＣｄＴｅを用いたものや、ＰｔＳｉを用いたものがある。冷却するので半導体検出器の感度が高く解像度も高い。しかし冷却型のものは対象物以外からくる熱を除去するため検出器の前にコールドアパーチャというマスクを付ける必要があるためにバックフォーカスが長く光学系が大型になってしまう。それに冷却機構も必要で小型軽量化が難しい。

非冷却型のものはサーモパイル、焦電素子やボロメータを検出器に用いる。非冷却型は検出器を冷却する必要がないしコールドアパーチャも不要である。小型化に向いているといえる。しかし非冷却型は感度が低く画素数も少なく性能は冷却型に及ばなかった。

半導体微細加工技術を応用したＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術の発展によって、ボロメータやサーモパイルを検出器に用いた非冷却型の赤外線センサも性能が改善され広く用いられるようになってきた。冷却機構が不要で、コールドアパーチャを必要としないのでバックフォーカスを短くでき光学系も単純化できる可能性がある。赤外線カメラなどの赤外線センサのパッケージには赤外線を通す窓がありゲルマニウム（Ｇｅ）の赤外線窓が設けられる。Ｇｅ窓の存在がセンサ構造のさらなる単純化を妨げている。

赤外線レンズに求められる性質は、赤外線をよく通し、Ｆ値の小さい明るいレンズで、収差が少なく高解像度であることなどである。

石英ガラスや通常のソーダガラスなどは赤外線を充分に通さないので使用できない。Ｇｅ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅなどは赤外線を通すのでレンズ材料として用いることができる。Ｇｅは赤外線に対し屈折率が高く色収差（波長分散）が小さくて良いが高価である。Ｓｉは安価であるが加工が難しい。ＺｎＳは比較的安価であり加工も可能であるが、波長分散が強く色収差の問題がある。波長分散というのは波長λによって屈折率ｎが変化するということでありｄｎ／ｄλが０でないということである。波長分散は解像度を著しく減殺するのでできるだけ除去しなければならない。

赤外線センサは、サーモグラフィや炎検知器を初め、照明やエアコン制御などの人体検知に利用されている。赤外線センサの発展に伴い、今後、ホームセキュリティを初めとした防犯用監視カメラ、夜間前方監視やエアバック制御用等の自動車搭載装置が期待されている。遠方を監視する望遠レンズの他に近隣を広角で撮影する広角レンズ等幅広い応用が考えられている。レンズの仕様は、使用する赤外線センサの大きさ、画角、被写体迄の距離等で決定される。1インチサイズのセンサの場合、画角は１５゜で焦点距離は約５０ｍｍ程度になる。現時点で入手できる赤外線センサの感度からすると、レンズの明るさはＦ１〜２程度必要である。Ｆ１の場合、第１レンズの大きさは５０ｍｍ程度必要となる。高解像度、色収差がないという条件を満足するのは難しく、球面レンズだと屈折率の高いＧｅでも４枚〜６枚程度のレンズが必要である。

しかし、いずれの材料も赤外線に対し全く透明というわけでなくレンズの数が多いと吸収が増える。それにレンズの数が多いと重く大型、高コストになってしまう。民生用の機器だから小型、軽量、低コストでなければならない。小型化するにはどうしてもレンズ枚数を減らす必要がある。球面では無理なので非球面にしてレンズ枚数を減らす試みがなされる。球面に比べ非球面は高コストになるがやむをえない。Ｇｅのレンズで、２〜３枚組で、視野が広いＦ値の小さいレンズ系が作られた例がある。Ｇｅは波長分散（色収差）が少ないし屈折率が高い（ｎ＝４）ので優れた材料である。しかしＧｅは極めて高価な材料なので安価なレンズ系を作るという目的にはそわない。

より安価ということではＳｉが候補になる。が、ＳｉはＧｅやＺｎＳより硬くて加工が難しい。又、９μｍ付近にＳｉ−Ｏの赤外吸収ピークを有し、利用事例としては肉厚の薄い窓材等に限定される。

特開２００１−１４１９９３「赤外線光学系」

特開２００３−２９５０５２「赤外線レンズ」

特許文献１はゲルマニウム（Ｇｅ）を素材とし２枚組のフレネルレンズからなる赤外用レンズと３枚組のフレネルレンズからなる赤外用レンズを提案している。Ｇｅは赤外に対する屈折率が大きいので彎曲の程度や回折格子の階段のステップが小さくて良いという長所がある。それに色分散が少ないのも優れた点である。実際８μｍ〜１０μｍの赤外線に対しＧｅは殆ど波長分散がない。特許文献１はＧｅを使いながら材料が高価であるから材料を減らすために両面平滑の材料の表面側を同心円状に削りフレネルレンズとし正の屈折力を二つのレンズに与えている。

Ｆナンバーは１．６、１．３、２．０、１．４等である。開口角は１６゜、１０゜、１６゜、２．８゜等である。第１、第２レンズのパワーをφ１、φ２とし全体のパワーをφとした場合に、（φ−φ１）／φ２＞０．１、１．５＞φ（φ２＋φ１−φ）／（φ１φ２）＞０．５となるようにしている。近軸理論でのレンズの組み合わせ公式φ＝φ１＋φ２−ｄφ１φ２に基づき、書き直すと前者は０．９＞ｄφ１に後者は１．５＞φ・ｄ＞０．５となり、レンズ間隔を決める範囲を規定している。

これはＧｅレンズのフレネルレンズで収差が少なくなる範囲を規定しているにすぎない。特許文献１は材料がＧｅだから波長分散は殆どなく波長分散に対する工夫はなされていない。

特許文献２は硫化亜鉛（ＺｎＳ）を素材とした２枚組、３枚組の赤外線レンズを提案している。二枚組の場合は第１レンズ（対物レンズ）は正の屈折力をもつ大口径の凸凹メニスカスレンズで凹面側が回折作用をもつキノフォーム面となり、第２レンズは小さい正の屈折力をもつ小口径で凸凹の非球面レンズである。硫化亜鉛は屈折率の波長分散が大きい材料であり色収差が大きい。そこで第１レンズ面の一部をキノフォーム（回折面）とし、屈折率の波長分散を打ち消すようにし、第２レンズを非球面にしている。キノフォームの式について改良を加え、回折面の回折効率を上げている。第１レンズの焦点距離をｆ１とし全体の焦点距離をｆとした場合に１＜ｆ１／ｆ＜１．２という条件を課している。第１レンズが屈折力の殆どをもち、第２レンズは僅かな正屈折力を持つようにということである。

特許文献１はＧｅを赤外線レンズとしているが、Ｇｅは極めて高価な材料である。また特性を向上させるため、Ｇｅレンズは、超精密切削加工によって非球面レンズや、回折レンズ（ＤＯＥ）に加工されるが、加工が難しくコスト高になる。材料費、加工費ともに高コストとなり高価なレンズになってしまう。

特許文献２はＺｎＳを用いて赤外線レンズとしている。これはＧｅより安価な材料であるが、やはり切削加工しなければならないから製造コストが高くつく。それに色分散（屈折率の波長依存性）が大きいという問題もある。色分散をなくすために特許文献２は第１レンズの裏面側（凹面）に回折面（キノフォーム）を形成している。

特許文献２は２枚レンズの例と３枚レンズの例を述べる。本発明と対比するため２枚レンズだけについて考える。第１レンズは凸凹のメニスカスレンズで第１レンズの焦点距離ｆ１と全体の焦点距離ｆの比率ｆ１／ｆが１＜ｆ１／ｆ＜１．２という関係を満足している。さらに第２レンズに凸凹のＺｎＳ彎曲レンズを使っている。第２レンズの後ろにＧｅセンサ窓がある。だから第１レンズ、第２レンズ、Ｇｅ窓というように透明光学部品が３枚ある。そのためにどうしてもバックフォーカスが長くなり小型化が難しい。

Ｓｉは半導体材料として広く流通しており、比較的安価である。Ｓｉを用いて赤外線レンズを作る試行がなされる。Ｓｉは硬くて加工が難しい。ゲルマニウムよりも硬度がさらに高くて、超精密切削で赤外線レンズを作ろうとする試みがなされているが、普及するに至っていない。

赤外線センサの窓に使うレンズとする場合、従来はＧｅ平板窓を付けていた。内部は大気圧であることもある。大気圧にすると気体の対流で温度が伝搬して検出温度の誤差が大きくなるということもある。そこで赤外線センサでは内部空間を真空に引くこともある。そうすると空気によって熱が運ばれないので断熱性がよくなり感度が高まる。

従来の赤外線センサはＧｅの窓が間にあったからＢＦＬは１５ｍｍ〜３０ｍｍ程度はどうしても必要であった。別体のＧｅ窓のせいでバックフォーカスは１５〜３０ｍｍ以上必要とする。それは窓にＧｅを使いセンサ窓の外側にＺｎＳ、Ｇｅよりなる集光光学系が設けられるという構造的な制約に基づくものである。つまり赤外光学系＋Ｇｅ窓という構造をもつのである。しかしバックフォーカスが長いとセンサ全体が長く大きくなるという欠点がある。

本発明はバックフォーカスを短くしてセンサを小型化できるような赤外光レンズを提供する事を目的とする。より具体的にはバックフォーカスを８ｍｍ以下にできるような赤外線レンズを提供することを目的とする。低コストでありしかも波長分散の小さい赤外線レンズを提供することが第２の目的である。

本発明の赤外線レンズは、ＺｎＳを材質とした第１レンズと赤外線センサの窓に一体化された第２レンズとよりなる。第1レンズは、色収差を改善するために回折面を有することが望ましい。第２レンズは、センサパッケージの窓を一体化して設ける。窓と一体化させる為に、平板又は平板に近い形状が望ましい。センサ内部空間が窒素封入などにより大気圧であるセンサにおいては、第２レンズは、センサ前に配置された単なるレンズであるが、内部空間が真空に保つ場合は、第２レンズは真空封止のために窓材の機能を合わせ持つ。

第２レンズがセンサ窓のガラスを兼ねるというのが重要である。従来の赤外光レンズの場合、センサ窓にはＧｅ平板板が設けられていた。その外側に４枚〜２枚の赤外光レンズが設けられるようになっていたが、本発明はＧｅ窓を、第２レンズによって兼用している。第２レンズは平板或いは平板に近い形状であるから窓材としてふさわしい。だから光学系は２枚のレンズだけになる。

窓部材を第２レンズで兼用しているからバックフォーカス（ＢＦＬ）を短くできる。バックフォーカスというのは第２レンズの後端面から結像面までの距離であるが、赤外線センサの場合は、結像面に検出器（サーモパイル、焦電素子、ボロメータ）を置くから、バックフォーカスＢＦＬは第２レンズの後端面と検出器までの距離ということになる。本発明はこれを８ｍｍ以下にすることができる。従来はＧｅの窓が間にあったからＢＦＬは１５ｍｍ〜３０ｍｍ程度あった。どのように短縮しても窓のために１０ｍｍ以下にはできなかった。本発明は窓を第２レンズにしてしまったのでＢＦＬを８ｍｍ以下にできる。それは光学系を短縮できるということで装置の全体を小型軽量にすることができるということである。

さらに第２レンズは真空封止作用をもつ真空窓とすることもできる。第２レンズは平板或いは平板に近い形状になるから窓材としてふさわしい。第２レンズは小型であるから小さいパッケージ窓にぴったりである。第２レンズの口径は視野角の大きさ２ωによって制限される。焦点距離をｆとすると、入射角が±ωの範囲で変わりそれを第２レンズで受光しなければならない。２ｆｓｉｎω程度の口径が必要である。例えば視野角２ω＝１５゜とすると２ｆｓｉｎ７．５゜の口径がいる。例えばｆが５０ｍｍとすると、第２レンズの直径は１３ｍｍ程度必要になる。第１レンズは遠くからの赤外線レンズをできるだけ多く受光するという目的から、かなり大きい直径をもつようにする。

感度は入射光量によっても決まるので光量を多くするのが良い。第１レンズ直径を大きくすると入射光量が大きくなる。直径が大きすぎるとレンズ系が重くなると同時に収差補正が十分ではなくなる。センサの大きさと画角から決定される焦点距離に対し、非冷却センサに要求されるＦ値は、１〜１．８程度である。

図１は本発明の赤外線レンズの構成を示す。第１レンズＬ_１は凸凹のメニスカスレンズである。前面Ｓ_１の凸面あるいは後面Ｓ_２の凹面に凸レンズと等価な回折面が設けられる。第２レンズＬ_２は第１レンズより小さくしかも平板である。Ｓ_３もＳ_４も曲率は０である。しかし、どちらかの面に回折面を設けてありそれによって凸レンズあるいは凹レンズとしての機能をもつことができる。Ｉは像面であるがこれは赤外線検出器の面に一致する。

図２は赤外線センサ２のパッケージ３に本発明の赤外線レンズを取り付けた物の概略図である。第２レンズＬ_２がパッケージ３の窓４に固定されている。パッケージ３の対向面には検出器５が取り付けられる。センサ２の底面には複数のリードピン６が延びている。内部空間７は通常真空であるが、感度を犠牲にしてもコストを重視する場合は窒素雰囲気でも良い。真空にすると対流による熱伝導がないから、より精度が向上する。第２レンズＬ_２が窓ガラスを兼ねるということが重要である。内部空間７の厚みがバックフォーカスになるが、それは極めて短い。

本発明の赤外線レンズは２枚のレンズだけからなるので構造は単純である。従来の赤外線レンズは収差をなくすために４枚〜３枚が多かった。それに比べると単純化されている。それに従来の赤外線カメラなどのパッケージの窓にはＧｅ窓があってその前に集光光学系が設けられるようになっていた。だから集光系の赤外線レンズがたとえ２枚組であったとしてもパッケージ窓のＧｅがあるから３つのレンズを用いていたわけである。本発明では平坦な第２レンズが窓材を兼ねる。Ｇｅ窓が不要になる。それだけ部品点数が減る。コストが下がる。それだけでなくＧｅ窓の代わりに第２レンズをパッケージ窓へ直接に付けるからバックフォーカスが短くなるという利点がある。そのため長い光学系が不要で赤外線カメラなどをより小型化軽量化することができる。

第２レンズが窓にあるので内部空間を真空封止する窓として利用できる。平坦なレンズとすれば窓材として扱い易い。赤外線センサは内部に不活性ガスが封入されているタイプのものもある。それは封入ガスの対流で熱が伝わるので感度が劣る。感度を重視するタイプではパッケージ内部は真空である。その場合でも第２レンズが真空を保持できるということである。

第１レンズは口径も大きく、材料もたくさん必要であるが、それは安価なＺｎＳにするので材料コストを下げる事ができる。第２レンズは小型だからＺｎＳ以外に、カルコゲナイドガラス、Ｇｅ、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、ＧａＡｓなどにすることもできる。ＺｎＳは安価であるが波長分散が大きいので回折面を設けて波長分散を打ち消すようにして収差のないレンズ系を作るようにする。

本発明は、非冷却型赤外線センサの窓として最適の安価でコンパクトな赤外線用レンズを提供する。本発明は２群２枚のレンズによって構成される。第１レンズはメニスカスレンズでその面の少なくとも１面は回折面である。第２レンズはサイズの小さいレンズでほぼ平面形状でありセンサのパッケージ窓に封着されている。平面形状或いは平面に近い形状だから平坦な窓ガラスを代替でき真空封止窓を構成できる。レンズ設計上は、平面に近い第２レンズにレンズパワーの配分や収差を考慮すると回折面を設けるレンズとすることが望ましい。

第１レンズは大型であり集光性をもつため正のパワーを持ったレンズとする。収差を抑制するためにはメニスカス形状が望ましい。大型であるから低コストにすることが望ましい。そこでＺｎＳを第１レンズの材料にする。ＺｎＳはレアメタルを含有しないため低コストであるしＧｅより安価である。超精密旋盤によって回折面の細かい形状を形成することができる。またＲＩＥによって段差を繰り返し形成することができる。

ところが、ＺｎＳは材料の赤外域での波長分散が大きく、レンズとした場合、通常色収差が大きくなる欠点がある。そこで、２枚組レンズの面総数４面中少なくとも１面に回折面を設けることにより、２枚組みレンズとして、色収差を低減することができる。これは、回折面が回折作用により見掛上負の波長分散を持つ原理を利用している。回折面を適用すると収差補正の自由度が上がり、レンズ枚数を低減できるので、軽量コンパクトな光学系となりうる。

そのようにレンズの何れかの面に回折面を設けることによって、材料の組み合わせによらずに色収差を補正することができる。
ここで回折面・非球面Ｚは次のように表すことができる。

レンズ面を与える関数Ｚは物体側（左方向）が正と定義する。Ｚを横軸、ｒを縦軸とする座標系は左向きに軸を引いたものとなる。だから非球面係数、回折面係数が正だということは物体側（左方向）に凹の曲線だということである。
ｃは球面の曲率で曲率半径Ｒとはｃ＝１／Ｒの関係にある。但しｃ、Ｒに関しては左向き（物体側）に凸の場合にこれらを正とするという約束がある。

Ａ_４，Ａ_６，Ａ_８は非球面係数である。非球面係数は非球面レンズの場合に曲面を記述するために使われる係数である。

λは設計波長（μｍ）である。赤外線が対象であるから８μｍ〜１２μｍ程度の波長が問題になる。ここでは１０μｍを設計波長λとしているが、８μｍ〜１２μｍのいずれであってもよい。赤外線カメラが警備用を目的とする場合は特に人間が出す赤外線の波長に敏感であることが望まれる。それは８μｍ以上であるから８μｍ以下を遮断するフィルタをレンズ面に設けてもよい。どの面に設けても良いのであるが、小さいレンズの方がフィルタ面積を節減できるので第２レンズにフィルタを設ける方がコスト的には有利である。

Φは位相関数である。ｍｏｄ関数にλ／（ｎ−１）を掛けているので、これが回折面の高さを示している。ｍｏｄ関数自体は０〜１の間の値をとる。それに２πを掛けると位相による回折面の高さ表現になる。ｎはレンズ材料の設計波長λでの屈折率である。Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３は回折面の係数（ＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）である。

レンズ面は入射側（物体側）に凸な形状を正とする。それはレンズの前面でも後面でも同じことである。前面でＺが正であればそれは凸を示し、後面であってＺが正ならばそれは凹を示す。回折面係数Ｄ_１はｒに関し２次の係数、Ｄ_２はｒに関し４次の係数である。ｍｏｄという記号は、その内部変数の左のものを右の数で割って余りを取るという意味である。だから１ずつ引いていって少数部分だけを取るということである。

図５に一例を示す。それは緩やかな右に凸の曲面である。それだけなら凸レンズ面（後面の場合）あるいは凹レンズ面（前面の場合）である。ここではそれを１ずつ区切ってゆき区切った切片を基準面に引き寄せて鋸歯状のレンズとする。図６は図５の曲面を高さ１ずつ切って鋸歯としたものである。これが回折面である。図５と同じ屈折性をもち、図５が凸面なら図６も凸面のレンズと同等の機能をもっている。

但し連続面でなくて切片の組み合わせにしているから、隣接段を通過した光は基準１波長（λ）分ずつの光路差がある。光路差は基準波長（例えば１０μｍとか）に等しいが実際には連続波長の光が存在し基準波長以外の光にとってそれは１波長分の光路差でない。そのために光路差が１波長分になる方向へ曲がる。長波長の光程長い光路差が必要であるから曲がり角が大きくなる。

それは屈折の場合と反対であり、屈折に関する波長分散ｄｎ／ｄλを打ち消すことができる。反対に短波長の光ほど短い光路差で良いから曲がり角が小さくなる。波長分散ｄｎ／ｄλが分かっているのでそれを打ち消すような山の高さにすればよい。図５を見てわかるように、それは最低次のＤ_１（ｒ^２の係数）で大体与えることができる。

ｍｏｄは整数論の記号であり左のものが正でないとおかしいが、ここでは左の値が負の場合でも同じように−１ずつ引いて行くものだと理解すべきである。空気中と材料中で屈折率の差が（ｎ−１）だけあるから、波長λの光に対してλ／（ｎ−１）が１波長分光路差に対応する材料厚みである。回折面とするのだから段の高さの頂点と底点の光路差が１波長となるのがよい。だからレンズ曲面高さをΔ＝λ／（ｎ−１）で割って余りを段差として与えると回折面となる。ここでは波長を１として、回折面係数Ｄ_１、Ｄ_２などを与えている。実際のレンズの高さはＤ_１、Ｄ_２などにΔ＝λ／（ｎ−１）を掛けた係数をｒ^２やｒ^４に掛けて計算することができる。

Ｆナンバーというのは焦点距離ｆを口径Ｄで割ったｆ／Ｄのことをいう。Ｆナンバーが小さいレンズほど明るい。赤外線カメラの場合はできるだけたくさんの赤外線を集めた方が良いので口径Ｄが大きいものが望まれる。だからＦナンバーが低い方が良い。実施例ではＦナンバーは１のものを述べるが、１．２以下というように明るいレンズが良い。

レンズ材質について述べる。物体側の第１レンズＬ_１が、硫化亜鉛（ＺｎＳ）である。像面側の第２レンズＬ_２は、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、カルコゲナイドガラス、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）のいずれかによって作る。カルコゲナイドガラスというのは、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｓを主成分とする非晶質の材料を意味する。

第１レンズは、焦点距離ｆ、Ｆナンバーによってレンズ径が決まる。集光性のある対物レンズであって大型のレンズである。そのため安価であって加工の容易な材料で製作することが望まれる。そこで本発明は安価で加工容易なＺｎＳを用いる。第２レンズは平面形状で小型のレンズであるから、低コストということは強く要求されないので、赤外線を通す材料であればよいので、ＺｎＳの他に、上に示したように様々の候補がある。

パッケージに組み込まれるセンサ窓には、センサ感度を向上させるために真空封止機能を要求されることが多い。本発明においては、第２レンズにセンサ窓を兼用させる。だから窓用の光学部品が一つ削減できる。第２レンズに真空封止機能を付与することによって、センサ窓の機能を完全に代替させることができる。

レンズ最終面から像面までの距離をバックフォーカス（ＢＦＬ）という。ＢＦＬが長いと容積の大きいセンサとなる。軽量コンパクトなセンサとするためにはバックフォーカスを短くする必要がある。先にも述べたように冷却型の場合はコールドアパーチャが不可欠でＢＦＬを短くできない事情がある。

しかし本発明が対象にする非冷却型の場合はＢＦＬを制限する特別の事情がない。像の歪みを考慮してＢＦＬをできるだけ短くすれば軽量化小型化が図れる。そこで本発明はＢＦＬを８ｍｍ以下とする。そのような短いＢＦＬは従来なかったことである。窓ガラスを第２レンズが兼用するので別体の窓ガラスが不要になるので、そのようなことが可能になる。それは窓と像面の距離が８ｍｍ以下だということを意味しセンサパッケージを短縮できセンサを軽量、小型にできる。

本発明の特徴は主に第２レンズにある。これが窓を兼用することは先に述べた。窓ガラスの代わりになるため特別の工夫が必要である。第２レンズはほぼ平面形状になるようにする。平面形状であるがレンズ作用をもたなくてはならないので回折面を形成してレンズとする。平面形状の回折面レンズは生産性に富む。平面であるためにレンズ材料の選択の範囲を大幅に広げることができる。それだけでなく、平面であるために、パッケージに窓を組み込む工程において従来と全く同じプロセスを採用することができる。曲率をもったレンズを窓の代用にする場合はこれまでの平坦窓組み込みのプロセスを変更しなければならないが本発明の第２レンズは平面であるから従来の機構をそのまま使って窓を構成できる。

赤外線カメラなどのセンサにおいて、人体など特定の種類の被写体に対する感度を上げるために特定波長（８μｍ〜１０μｍ）の赤外光を選択的に透過させる光学フィルタをコートすることがあった。それは平坦な窓の材料に波長選択性フィルタを被覆していたのである。本発明の場合は窓を第２レンズで兼用するから、第２レンズに波長選択性光学フィルタをコートするようにする。そのように第２レンズは真空封止、フィルタ被覆などの点で従来の窓の機能を備えるものとすることができる。

ＺｎＳを第１レンズに使うので低コストであるが、色収差ｄｎ／ｄλがある。球面だと４枚程度のレンズを組み合わせないと色収差やそのほかの収差を抑えられない。しかし本発明は回折面を使って色収差を補正するから２枚レンズですむ。そのため構造が簡単であり光学系を短縮できセンサを軽量小型にできる。

第２レンズは、ＺｎＳの他にカルコゲナイドガラス、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、Ｓｉ、Ｇｅを使う事ができる。しかし特に低コスト、容易造形性ということではＺｎＳかカルコゲナイドガラスが適当である。

カルコゲンというのは６族のＳ、Ｓｅ、Ｔｅ元素を指す。ガラスの主成分の酸素（Ｏ）を、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ元素で置き換えたガラスがカルコゲナイドガラスである。成分元素が重いものばかりなので２０μｍ程度までの赤外光を良く通す。

レンズの製造については
（１）超精密旋盤による機械加工
（２）ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）
など２つの手段がある。

機械加工はレンズ材料を直接に超精密旋盤で加工するものである。ダイヤモンドチップをもつツールによって素材を削ってゆく。円筒対称性をもつから旋盤によって加工できる。わずかな段差の繰り返しを精密に形成することができ優れた方法である。しかし単純な球面でなく多数の段差を含む回折面をもつので機械加工はツールの摩耗も含め、考慮する必要がある。

ＲＩＥはエッチングしない部分をレジストマスクで覆い、ハロゲンを含むエッチングガスをプラズマにして材料に当ててマスクで覆われてない部分を除去することによって素材の一部分を除くものである。しかし本発明では曲面を形成しなければならないからＲＩＥによるエッチングも簡単ではない。稜線となるべき部分をマスクで覆い素材を広くエッチングして浅く材料を除去し、次にマスクを少し広げて非マスク部をＲＩＥして除去する。マスクを次第に広くし露呈部を狭くしてＲＩＥを繰り返す。一つの斜面はλ／（ｎ−１）の高さがある。ＺｎＳの屈折率をｎ＝２．２として、波長を１０μｍとすると、８．３μｍの高さをもつ。これをいくつもの細かい階段に分割し階段状にＲＩＥを繰り返してゆき斜面とする。斜面といってもだから微細な階段の集合となる。そのようなマスク形成、ＲＩＥ、マスク除去、マスク形成、ＲＩＥ…を繰り返し回折面を形成する。これも手数の掛かる方法である。面は平滑でなく段差があるという欠点がある。

レンズの回折面は、キノフォーム形状となっており、不連続な段差を多数同心状に持つ。段差の高さはレンズ中心でも外周部でも同一にする。段差は光の一波長分に合わせることが多いのであるが、そうすると段差はλ／（ｎ−１）となり屈折率が同一なので中心でも周辺部でも同じということになる。しかし段差が１波長分であるという条件を外せば、段差を変える事も可能である。フレネルレンズと同じで一様段差であると周辺部で縞模様の密度が高くなる。それで周辺部では中心部より段差を小さく設定する事もできる。

しかしそうはいっても第１レンズの何れか１面には回折面を形成してＺｎＳの大きい波長分散ｄｎ／ｄλを打ち消すのであるから、段差の条件と、回折面の条件にはある関連がある。それについて述べよう。

回折面はレンズ面Ｚ＝λ／（ｎ−１）Ｄｒ^２というような凸または凹面を、例えばλ／（ｎ−１）毎に切って基準面に下ろし同心鋸歯状の隆起群を作ることによって形成される。この同心状に切って基準面に引き下ろしたリングを輪帯と呼ぶことにする。回折面係数Ｄにはλ／（ｎ−１）を掛けておくと、Ｄｒ^２の刻みは簡単に１となる。そうすると、同心円の半径をｒ＝ｑ_１、ｑ_２、ｑ_３…、ｑ_ｍ…というようにすれば、

Ｄｑ_ｍ ^２＝±ｍ
（３）

という関係がある。Ｄが正の場合プラス符号を、Ｄが負の場合はマイナス符号をとる。ここでは簡単のためＤを正とする。その場合ｑ_ｍ＝（ｍ／Ｄ）^１／２という関係になる。負の場合はＤを−Ｄで置き換えれば良いのである。中心部付近では輪帯の刻みは荒く、周辺部で輪帯の刻みが細かくなり、それはｍの平方根に比例する。ｍ番目の輪帯とｍ＋１番目の輪帯の距離をｇ_ｍとすると、それは

ｇ_ｍ＝ｑ_ｍ＋１−ｑ_ｍ＝｛（ｍ＋１）／Ｄ｝^１／２−（ｍ／Ｄ）^１／２
＝１／［Ｄ｛（ｍ＋１）／Ｄ｝^１／２＋（ｍ／Ｄ）^１／２］
＝１／Ｄ（ｑ_ｍ＋ｑ_ｍ＋１）
（４）

ｍが充分に大きいと、これは１／２Ｄｑ_ｍにほぼ等しい。基準波長λ（例えば１０μｍ）の光のｍ番目の輪帯からとｍ＋１番目の輪帯からの屈折光の光路差は丁度１波長分である。ところが基準波長からそれても一波長分の光路差があるのでそれは基準波長とは異なった方向へ回折される。波長が長い方が強く回折されるから近くに集光し、それが材料分散ｄｎ／ｄλと反対だから丁度打ち消すようにできる。格子間隔をｇとすると、ブラッグ回折の条件は

ｇｓｉｎθ＝λ
（５）

であり、一次回折光に対してはこれが常に成り立つ。通常の回折格子はｇが一定であるが、本発明のような輪帯の集合の場合ｇは一定でない。ある輪帯に着目して、ブラッグ条件を微分すると

ｇｃｏｓθｄθ＝ｄλ
（６）

であるが、

ｄθ＝ｄλ／ｇｃｏｓθ
（７）

となる。これは連続表示であるが、ｍ番目の輪帯の回折角、格子間隔などに引き直すと
ｄθ_ｍ＝ｄλ／ｇ_ｍｃｏｓθ_ｍ（８）

というようになる。（４）の注からＤが正なら

ｄθ_ｍ＝２Ｄｑ_ｍｄλ／ｃｏｓθ_ｍ（９）

ということになる。Ｄが負であるとマイナスの符号が付く。これは基準波長より長い波長の光は余分に曲がり、それは半径座標ｑ_ｍに比例するということを意味している。すると単位長さあたりの曲がり角は２Ｄ／ｃｏｓθであるが、ｃｏｓθは大体１であるから、単位長さあたりの曲がり角度は大体一定ということになる。

それを焦点距離ｆの凸レンズの場合の屈折と比較する。入射光は、レンズのｒ＝ｑ点で屈折してｚ＝ｆの点で光軸を切る。屈折による曲がり角度は

Υ＝２ｃｒ（ｎ−１）＝２ｃｑ（ｎ−１）
（１０）

である。ここでｃはレンズの表裏面の合計曲率である。波長分散があるから

ｄΥ＝２ｃｑｄｎ＝２ｃｑ（ｄｎ／ｄλ）ｄλ
（１１）

となる。回折による長波長の過剰の曲がりｄθと、長波長の不足曲がりｄΥの合計が０であれば、回折面は屈折の分散を打ち消すことになる。その条件は

ｄθ＋ｄΥ＝０（１２）

である。上の式からｃｏｓθを定数とみなすと、ｄθはｑ（ｒ座標）に比例し、ｄΥもｑに比例するのだから、単一の打ち消し条件に還元されるという好都合な性質がある。

ｄθ＋ｄΥ＝２Ｄｑ_ｍｄλ＋２ｃｑ（ｄｎ／ｄλ）ｄλ （１３）

＝２ｑ｛Ｄ＋ｃ（ｄｎ／ｄλ）｝ｄλ （１４）

屈折率の波長分散（ｄｎ／ｄλ）は必ず負である。凸レンズの曲率ｃは正である。そうなると、回折面係数Ｄを正にして

Ｄ＝−ｃ（ｄｎ／ｄλ）
（１５）

とすれば屈折率分散を回折面によって打ち消す（ｄθ＋ｄΥ＝０）ことができるというわけである。Ｄが負である場合も同じことで、Ｄが負の場合は、（９）式で負号が付くので、Ｄ＝ｃ（ｄｎ／ｄλ）となる。要するに｜Ｄ｜＝−ｃ（ｄｎ／ｄλ）であれば良いのである。ただしレンズの前後面の曲率の和ｃには回折面による実効曲率も入っているから、それも加えて計算しなければならない。

ｃ＝１／Ｒ_１＋１／Ｒ_２−２λＤ／（ｎ−１）（１６）
となる。ここでＲ_２は凸の場合を正にしている。その点で以後のＲ_２の定義と異なる。しかしこれはＲ_１、Ｒ_２ともに凸であれば正なのでわかりやすい。Ｄ_２はこれが正なら凹レンズ、負なら凸レンズを表現しているからマイナスが付くのである。（１６）を（１５）に代入してＤをコンシステントに決めることができる。ｄｎ／ｄλはＺｎＳｅの場合一つに決まるから、ｃを決めて、そこからＲ_１、Ｒ_２への配分を考えてＤを設計することができる。後に示す実施例は経験上持ち合わせる初期値を出発点にして、収差の大きさを表す誤差関数（メリットファレクション）を最小化するように自動計算される。（１５）の関係は本発明が初めて与えたもので全く新規な関係である。
ここで述べたのは回折面係数については最低次の２次（Ｄ_１と書く）だけの話であるが、近軸光線についてはそれで充分である。ｑの大きい遠軸の光線に対してはズレが出てくるが、それは高次の回折面係数Ｄ_２（４次）によって打ち消すようにできる。

回折面は第１レンズの前面Ｓ_１、後面Ｓ_２の何れに設けても良い。回折面係数が正というのは導出において後面Ｓ_２について考えたからである。それは凸の回折面にすべきだということである。だから前面Ｓ_１に回折面を設けた場合はやはり凸連続面をλ／（ｎ−１）で刻んで回折面とするべきである。前面で凸だから、後に述べる約束では回折面係数Ｄ_１は負となる。Ｓ_１、Ｓ_２のどちらでも良いが凸の回折面を設けるということである。

次にバックフォーカスを８ｍｍ以下にするということであるが、それは面間隔を第１レンズの焦点距離より僅かに小さい値にすれば良いのである。第２レンズの焦点距離ｆ_２が正（凸レンズ）でも負（凹レンズ）でも同じようにそれは可能である。バックフォーカスをＢＦＬとする。

第２レンズは実効的に凸レンズであってもよいし、凹レンズであってもよい。次に示すのは凸レンズの第２レンズであるが、凹レンズ機能をもつ第２レンズとしてもよいのは勿論である。その場合は、第１レンズによってできる像の第２レンズからの距離ｗはバックフォーカスＢＦＬより短くなる。

［実施例１；焦点距離３８ｍｍ、Ｆナンバー１．０、バックフォーカス３．０ｍｍ、画角１５度、型転写成形］
実施例１のレンズを図１に示す。第１レンズＬ_１はメニスカス（凸凹）形状をしている。第１面Ｓ_１（第１レンズの前面）は非球面（Ｒ＝３２．１６４ｍｍ）である。第２面Ｓ_２（第１レンズの後面）は非球面の回折面となっている。

第２レンズＬ_２はセンサパッケージの窓を兼ねるレンズで小型のレンズとなっている。第２レンズは概略の形状は平板形状であるが、第３面Ｓ_３（第２レンズの前面）は回折面であり、第４面Ｓ_４（第２レンズの後面）は平面である。

Ｓ_１、Ｓ_２は第１レンズ（大口径）の前面（物体側）と後面（像面側）である。Ｓ_３、Ｓ_４は第２レンズ（小口径）の前面（物体側）と後面（像面側）である。曲率半径Ｒは左側に凸の場合を正に、右側に凸の場合を負と約束する。それはＳ_１でもＳ_２でも同じである。曲率ｃはＲの逆数である。符号の約束は同じであり、左向きに凸の場合はＲ、ｃともに正、右向きに凸の場合はＲ、ｃともに負とする。だからレンズ前面Ｓ_１の場合、Ｒ、ｃが正だと凸であるが、Ｓ_２の場合、Ｒ、ｃが正だと凹を表現する。Ｚ座標は右向きを正としている。Ｓ_１、Ｓ_２からなる第１レンズは、両面非球面の正のパワーを持ったメニスカスレンズとなっている。レンズパワーは０．０２３４４ｍｍ^−１程度である。

Ｓ_３、Ｓ_４からなる第２レンズは、回折面を有する平面レンズでそのレンズパワーは、０．０３１ｍｍ^−１程度である。真空封止窓を兼ねるため、平板に近い方が実装コスト面で有利であるため、平板レンズとしている。

面間隔というのは第１レンズの厚み、レンズ間隔（２枚のレンズの間隔）、第２レンズの厚み、レンズと検出素子の間隔を示す。ここでは第１レンズ厚みが４ｍｍで、第１・第２レンズの間隔が３５．８３ｍｍで、第２レンズ厚みが１ｍｍ、第２レンズと検出器の間隔（バックフォーカス）が３ｍｍということを意味している。

屈折率の欄はレンズ・空間…の順に屈折率を示す。レンズＬ_１がｎ＝２．２（ＺｎＳ）であるから１行目は２．２であり、次に空気層がくるので２行目はｎ＝１とある。屈折率の３行目は第２レンズの屈折率でこれもＺｎＳだからｎ＝２．２となっている。

Ｋはレンズ面Ｚを与える第１項ｃｒ^２の分母に現れる項である。Ｓ_１についてはＫ＝−０．８９４７で、Ｓ_２についてはＫ＝−９．２８１である。Ｓ_３、Ｓ_４は０である。第２レンズは前後面ともに平坦面だからｃｒ^２というような項がなく当然にＫ＝０である。

非球面係数Ａ_４はｒ^４の係数（ｍｍ^−４）、Ａ_６はｒ^６の係数（ｍｍ^−６）である。レンズ面を非球面とすることもできる。その場合は係数Ａ_４、Ａ_６等が有限の値をとる。しかし、ここでは非球面係数は０としている。だからといってＳ_１、Ｓ_２が球面かというとそうでなく、Ｋがあるので非球面となっている。

近軸光線については最低次の２次（ｒ^２）の部分で論ずることができる。高次の項は収差を減らすためのものである。ここで問題なのは屈折率の波長分散（ｄｎ／ｄλ）であって高次の収差というものではない。実施例１においてはバックフォーカスを３ｍｍとしている。

第２レンズはセンサパッケージに一体化されている。設計されたレンズの性能を解像度を示すＭＴＦ（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）で示すと図３のようになる。横軸は空間周波数（本／ｍｍ）である。縦軸はＭＴＦである。ＭＴＦはレンズの解像度を評価する１手法である。

３本のカーブが描いてあるが、一番上が入射角Θ＝０゜のＴａｎｇｅｎｔａｌ光線とＳａｇｉｔｔａｌ光線であり、次がΘ＝７．５゜のＳａｇｉｔｔａｌ光線、三番目がΘ＝７．５゜のＴａｎｇｅｎｔａｌ光線である。画角は１５゜だから片側が７．５゜の広がりをもち下２本の曲線はその臨界的な入射角Θ＝７．５゜でのＳ波、Ｔ波のＭＴＦである。

ＭＴＦが０．５程度までは明瞭に隣接スリットが区別できるので入射角が７．５゜のぎりぎりの視野の隅にある像であっても４本／ｍｍなら区別できるということである。入射角が０゜の場合は１０本／ｍｍでも見分けることができる。

実施例のレンズの製造方法を説明する。ＺｎＳレンズ材料は製品曲率を球面で近似した曲率半径Ｒをもつものとして製造したものを準備した。ダイヤモンドツールを備えた超精密旋盤を用い、ＺｎＳレンズ材料を削り上記の関数で表現されるレンズを切削によって製作した。第２面Ｓ_２は段差が８．３μｍ程度の細かい同心円の縞構造であるが超精密旋盤によって創成できる。

第２レンズＬ_２の第４面Ｓ_４には波長８μｍ未満を遮断するフィルタコートを行った。それ以外の面Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３には反射防止膜を形成した。

第２レンズをセンサパッケージに組み込んで、低融点ガラスを用いて真空封止し、レンズシステムとしてアセンブリした。そのセンサによって赤外画像を撮像したところ、設計通りの明るさ、解像度が得られた。

［実施例２；焦点距離５０ｍｍ、Ｆナンバー１．０、バックフォーカス３．０ｍｍ、画角１５度］
レンズは２群２枚構成で材料はＺｎＳ（λ＝１０μｍに対しｎ＝２．２）である。第１レンズＬ_１はメニスカス（凸凹）形状をしている。第１面Ｓ_１（第１レンズの前面）は非球面（Ｒ＝４３．９７６ｍｍ、Ｋ＝−０．８４）である。第２面Ｓ_２（第１レンズの後面）は非球面（Ｒ＝９６．５９６ｍｍ、Ｋ＝−８．７１９、Ｄ_１＝０．２８６２）の回折面となっている。

第２レンズＬ_２はセンサパッケージの窓を兼ねるレンズで小型のレンズとなっている。第２レンズは概略の形状は平板形状であるが、第３面Ｓ_３（第２レンズの前面）は回折面（Ｄ_１＝−１．８１６６、Ｄ_２＝０．０２１８）であり、第４面Ｓ_４（第２レンズの後面）は平面である。

これらの値は様々なパラメータの値を試験的に与え光線追跡法によって物体の適当な部位から出た光の軌跡と位相を計算して、結像面での収差の状況を確認する。収差等を誤差関数（メリットファンクション）として取扱い誤差関数が極小値を取るよう、パラメータを逐次変えて計算する。そのような繰り返しによってパラメータを求めたものである。このメリットファンクションの内容を変えることにより、極小解は無数に存在する。本実施例はその一例にすぎない。

Ｓ_１、Ｓ_２からなる第１レンズは非球面と非球面ベースの回折面からなる正のパワーを持ったメニスカスレンズとなっている。レンズパワーは０．０１７５ｍｍ^−１である。Ｓ_３、Ｓ_４からなる第２レンズは平面ベースと回折面と平面からなる正のパワーを持った平面レンズとなっている。レンズパワーは０．０３６３ｍｍ^−１である。

第２レンズはセンサパッケージに一体化されている。設計されたレンズの性能を解像度を示すＭＴＦ（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）で示すと図４のようになる。Θ＝０゜の場合は空間周波数が増えてもＯＴＦの落ち込みは少ない。しかしΘ＝７．５゜の臨界的な斜め入射の場合は、空間周波数の増加に対してＭＴＦの低下が大きい。さらにΘ＝７．５゜斜め入射の場合（視野の隅からの入射）はＴａｎｇｅｎｔａｌ光線のＭＴＦの低下が速い。

実施例２のレンズは、ＺｎＳの素材を機械加工することによって製造した。初めにダイヤモンド研削によって近似的な形状にＺｎＳ材料を加工する。さらに単結晶ダイヤモンドバイトを取り付けた精密旋盤によって、超精密加工を行いレンズを作製した。

［実施例３；焦点距離３８ｍｍ、Ｆナンバー１．０、バックフォーカス３．０ｍｍ、画角１５度］
レンズは２群２枚構成で材料はＺｎＳ（λ＝１０μｍに対しｎ＝２．２）である。第１レンズＬ_１はメニスカス（凸凹）形状をしている。第１面Ｓ_１（第１レンズの前面）は球面（Ｒ＝２９．２１８ｍｍ、Ｋ＝０）である。第２面Ｓ_２（第１レンズの後面）は非球面（Ｒ＝５７．９９３ｍｍ、Ｋ＝２．１７５、Ｄ_１＝−０．１４５）の回折面となっている。

第２レンズＬ_２はセンサパッケージの窓を兼ねるレンズで小型の凸レンズとなっている。第２レンズは概略の形状は凸平形状であるが、第３面Ｓ_３（第２レンズの前面）は凸面で回折面（Ｒ＝２９．２１８ｍｍ、Ｋ＝４８５２８、Ａ４＝−１.８８７×１０^−４ｍｍ^−３、Ａ６＝-4.45×１０−６ｍｍ^−５
Ｄ_１＝−１．８１６６、Ｄ_２＝０．０２１８）であり、第４面Ｓ_４（第２レンズの後面）は平面である。

Ｓ_１、Ｓ_２からなる第１レンズは球面と非球面ベースの回折面からなる正のパワーを持ったメニスカスレンズとなっている。Ｓ_３、Ｓ_４からなる第２レンズは平面ベースと回折面と平面からなる正のパワーを持った平面レンズとなっている。。

第２レンズはセンサパッケージに一体化されている。設計されたレンズの性能を解像度を示すＭＴＦ（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）で示すと図７のようになる。Θ＝０゜の場合は空間周波数が増えてもＯＴＦの落ち込みは少ない。しかしΘ＝７．５゜の臨界的な斜め入射の場合は、空間周波数の増加に対してＭＴＦの低下が大きい。さらにΘ＝７．５゜斜め入射の場合（視野の隅からの入射）はＴａｎｇｅｎｔａｌ光線のＭＴＦの低下が速い。

実施例３のレンズは、ＺｎＳの素材を機械加工することによって製造した。初めにダイヤモンド研削によって近似的な形状にＺｎＳ材料を加工する。さらに単結晶ダイヤモンドバイトを取り付けた精密旋盤によって、超精密加工を行いレンズを作製した。

［実施例４；焦点距離３８ｍｍ、Ｆナンバー１．０、バックフォーカス５．０ｍｍ、画角１５度］
レンズは２群２枚構成で材料はＺｎＳ（λ＝１０μｍに対しｎ＝２．２）である。第１レンズＬ_１はメニスカス（凸凹）形状をしている。第１面Ｓ_１（第１レンズの前面）は非球面（Ｒ＝２７．５７２ｍｍ、Ｋ＝−０．０５６１５）である。第２面Ｓ_２（第１レンズの後面）は非球面（Ｒ＝５４．４７２ｍｍ、Ｋ＝１．３８９、Ｄ_１＝−０．１５４２）の回折面となっている。

第２レンズＬ_２はセンサパッケージの窓を兼ねるレンズで小型の凸凹レンズとなっている。第２レンズは概略の形状は凸凹形状であるが、第３面Ｓ_３（第２レンズの前面）は凸面で回折面（Ｒ＝４３．５１９ｍｍ、Ｋ＝−１１２．３、
Ｄ_１＝１．４１４）であり、第４面Ｓ_４（第２レンズの後面）は凹面で回折面となっている（Ｒ＝４１．６１９ｍｍ、Ｋ＝４１．３８、
Ｄ_１＝−１．４２７）。

第２レンズをセンサパッケージに組み込んで、低融点ガラスを用いて真空封止し、レンズシステムとしてアセンブリした。そのセンサによって赤外画像を撮像したところ、設計通りの明るさ、解像度が得られた

ＺｎＳ製凸凹メニスカスレンズで後面が回折面である第１レンズと、両側平坦で何れかに回折面をもつ第２レンズとよりなる本発明の赤外線レンズの構成を示す光学系図。

ＺｎＳ製凸凹メニスカスレンズで後面が回折面である第１レンズと、両側平坦で何れかに回折面をもつ第２レンズとよりなる本発明の赤外線レンズの第２レンズがパッケージ窓の窓材を兼ねている赤外線センサの構成を示す光学系図。

実施例１（焦点距離３８ｍｍ）のＭＴＦ特性を示すグラフ。横軸は１ｍｍの中に何本のスリットがあるかということを意味する空間周波数（本／ｍｍ）、縦軸は元のスリットの開口部遮蔽部の明暗の差で像面でのスリットの開口部遮蔽部の明暗の差を割ったものであるスリットの明瞭さ指標（ＭＴＦ）である。入射角がΘ＝０゜の場合は空間周波数がかなり高くても明瞭に区別できる。入射角が視野（全視野１５゜）の端の７．５゜でＴ光線（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）の場合はＭＴＦが速やかに減少して像がぼやけることを示す。７．５度でもS光線（ｓａｇｇｉｔａｌ）の場合はぼやけが少ない。

実施例２（焦点距離５０ｍｍ）のＭＴＦ特性を示すグラフ。横軸は１ｍｍの中に何本のスリットがあるかということを意味する空間周波数（本／ｍｍ）、縦軸は元のスリットの開口部遮蔽部の明暗の差で像面でのスリットの開口部遮蔽部の明暗の差を割ったものであるスリットの明瞭さ指標（ＭＴＦ）である。入射角がΘ＝０゜の場合は空間周波数がかなり高くても明瞭に区別できる。入射角が視野（全視野１５゜）の端の７．５゜のT光線の場合はＭＴＦが速やかに減少して像がぼやけることを示す。

回折面となる前の連続した凸面または凹面を示す図。一定高さλ／（ｎ−１）で刻みを付けることを説明する。

図５の連続曲面を一定高さλ／（ｎ−１）で刻み基準高さに引きなおして同心円上の輪帯の集合となっている回折面の説明図。

実施例３（焦点距離３８ｍｍ）のＭＴＦ特性を示すグラフ。横軸は１ｍｍの中に何本のスリットがあるかということを意味する空間周波数（本／ｍｍ）、縦軸は元のスリットの開口部遮蔽部の明暗の差で像面でのスリットの開口部遮蔽部の明暗の差を割ったものであるスリットの明瞭さ指標（ＭＴＦ）である。入射角がΘ＝０゜の場合は空間周波数がかなり高くても明瞭に区別できる。入射角が視野（全視野１５゜）の端の７．５゜でＴ光線の場合はＭＴＦが速やかに減少して像がぼやけることを示す。実施例３（焦点距離３８ｍｍ）のＭＴＦ特性を示すグラフ。横軸は１ｍｍの中に何本のスリットがあるかということを意味する空間周波数（本／ｍｍ）、縦軸は元のスリットの開口部遮蔽部の明暗の差で像面でのスリットの開口部遮蔽部の明暗の差を割ったものであるスリットの明瞭さ指標（ＭＴＦ）である。入射角がΘ＝０゜の場合は空間周波数がかなり高くても明瞭に区別できる。入射角が視野（全視野１５゜）の端の７．５゜でＴ光線の場合はＭＴＦが速やかに減少して像がぼやけることを示す。

符号の説明

２赤外線センサ
３パッケージ
４窓
５赤外線検出素子
６リードピン
７内部空間
Ｌ_１第１レンズ
Ｌ_２第２レンズ
Ｓ_１第１レンズの前面
Ｓ_２第１レンズの後面
Ｓ_３第２レンズの前面
Ｓ_４第２レンズの後面

Claims

硫化亜鉛（ＺｎＳ）で作製された第１レンズと、赤外線センサのパッケージの窓材としてセンサ窓に固着された第２レンズからなることを特徴とする赤外線レンズ。
第１レンズが色収差を打ち消す為の回折面を有することを特徴とする請求項１記載の赤外線レンズ。
第２レンズが平板型で回折面を有することを特徴とする請求項1又は２記載の赤外線レンズ。
最終レンズの後面と像面との距離であるバックフォーカス（ＢＦＬ）が８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の赤外線レンズ。
センサ窓に固着された第２レンズは、赤外線センサのまの真空封止窓を兼ねていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の赤外線レンズ。
第２レンズは、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、カルコゲナイドガラス、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）の何れかによって作製されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の赤外線レンズ。