JP2006235139A

JP2006235139A - ２波長結像光学系

Info

Publication number: JP2006235139A
Application number: JP2005048343A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kamozawa; 誠鴨沢
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】同一のレンズに入射する２波長の光を同時に結像し、より低価格で簡素な構造の２波長結像光学系を得る。
【解決手段】可視光と赤外光をそれぞれ透過するレンズを備え、上記レンズの中央部にて赤外光を反射するとともに可視光を透過する第１のコーティング材が付着し、上記周辺部にて可視光を反射するとともに赤外光を透過する第２のコーティング材が付着し、第１、第２のコーティング材の付着面では曲率半径が異なって、赤外光と可視光とが概略同一面で結像する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２波長の光を結像する光学系に関するものである。

従来、可視系と赤外系で２系統の回路を設けなくとも、各波単独または同時に撮像可能な複合センサが提案されている。この複合センサでは、赤外光学系のレンズの一部をくりぬき、くりぬいた部分に可視光学系を配置する結像光学系が用いることによって、小型で安価な２波長結像光学系を実現している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−８３２５９号（第８段落〜第１２段落、及び第３図）

しかしながら、従来の２波長結像光学系は、赤外レンズの一部をくりぬいて、くりぬいた部分に可視光学系を配置する際に、高度なレンズの加工技術と、高精度なレンズの組立技術を必要としていた。このため、光学系は依然として高価なものとなっていた。

この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、同一のレンズに入射する２波長の光を同時に結像し、より低価格で簡素な構造の２波長結像光学系を得ることを目的とする。

この発明による２波長結像光学系は、
第１、第２の波長の光をそれぞれ透過するレンズを備え、
上記レンズは、
上記中央部にて、上記第２の波長の光を反射するとともに、上記第１の波長の光を透過する第１のコーティング材が付着し、
上記周辺部にて、上記第１の波長の光を反射するとともに、上記第２の波長の光を透過する第２のコーティング材が付着し、
上記第１、第２のコーティング材の付着面では曲率半径が異なって、上記第１、第２の波長の光が概略同一面で結像するものである。

また、この発明による２波長結像光学系は、
第１、第２の波長の光をそれぞれ結像するレンズと、上記レンズを透過した第１、第２の波長の光の、いずれか一方を透過し、他方を反射する波長分離板と、を備え、
上記レンズの周辺部は、上記第１、第２の波長の光を透過する透過コーティング材が付着し、
上記レンズの中央部は、上記第１の波長の光を透過するとともに、上記第２の波長の光を反射する反射コーティング材が付着したものである。

この発明によれば、波長に依存して透過率の異なる２種類のコーティング材を、レンズの中央部と周辺部にそれぞれ付着させるという簡単な構造で、同一のレンズに入射する２波長の光を同時に結像することができるので、より安価で簡素な２波長結像光学系を得ることができる。

実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１による２波長結像光学系の構成図を示している。図１（ａ）は２波長結像光学系による赤外光４の集光作用を示し、図１（ｂ）は２波長結像光学系による可視(近赤外)光６の集光作用を示す図である。

２波長結像光学系１００は、１枚または複数枚の２波長レンズで構成される。２波長レンズは、２波長の光をそれぞれ透過するとともに波長毎に集光する。
図の例では、凸レンズを構成する２波長レンズ１と凸レンズを構成する２波長レンズ１ｂとを、凹型のレンズ曲面が互いに対向しかつ光軸が概ね一致するように配置して、２波長結像光学系１０を構成している。２波長レンズ１、１ｂは、いずれも２波長の光を透過し、集光する。２波長レンズ１は、外部から入射する赤外光４と可視（近赤外）光５の入力側に配置されている。

２波長結像光学系１００の後段には、２波長検知素子５が配置されている。２波長検知素子５は、可視（近赤外）から赤外に至る広い波長帯で所望の感度を有する。
２波長結像光学系１００と２波長検知素子５とで、２波長の光検出器を構成する。

２波長レンズ１は、２波長レンズ１ｂとの対向する１曲面が凹型の曲面を成している。２波長レンズ１は、この１曲面の中心部（中央部）に、可視または近赤外を透過し、赤外を反射する反射コーティング２（第１のコーティング材）が付着している。
また、２波長レンズ１は、上記１曲面における中央部周囲の周辺部に、赤外を透過し、可視または近赤外を反射する反射コーティング３（第２のコーティング材）が付着している。すなわち、反射コーティング３は反射コーティング２の外側の外周面に付着している。

反射コーティング２は、例えば、高屈折率材料と低屈折材料を積層して蒸着した干渉フィルタで構成される、赤外反射・可視（近赤外）透過型のコーティング材から形成する。特に、高屈折材料としてSiO2等の赤外不透過材質を使用することで、赤外の反射効果を向上させることができる。

反射コーティング３は、例えば、高屈折率材料と低屈折材料を積層して蒸着した干渉フィルタで構成される、赤外透過・可視（近赤外）反射型のコーティング材から形成する。特に、高屈折材料としてGe等の可視不透過材質を使用することで、可視反射効果を向上させることができる。

次に、動作について説明する。
２波長レンズ１の開口面（凸面側）から入射した赤外光４は、反射コーティング２にて反射され、反射コーティング３を透過する。このため、図１（a）のような光束となり、可視（近赤外）から赤外に感度をもつ２波長検知素子５に、図のＡ点で結像する。

一方、可視(近赤外)光６は、反射コーティング３にて反射され、反射コーティング２を透過する。このため、図１(b)のような光束にて、赤外光４と同様にして２波長検知素子５に、図のＢ点で結像する。
なお、可視(近赤外)光６は、Ｂ点の外周にて、例えば図のＣ点で結像する外周結像点を有する。

一般に、可視（近赤外）領域と赤外領域では材料の屈折率が異なるため、２波長レンズ１の出点側で表面の曲率半径が一様である場合、赤外と可視（近赤外）の結像位置は、光軸方向（図に一点鎖線で示すレンズの主点と焦点を結ぶ方向）に異なってしまう。

しかしながらこの実施の形態では、可視（近赤外）を透過し赤外を反射する反射コーティング２と赤外を透過し可視（近赤外）を反射する反射コーティング３を施す、凹型の曲面において、各々の反射コーティングが対応する部分の曲率半径を変化させている。図１の例では、反射コーティング３の施された周辺部よりも、反射コーティング２の施された中央部の方が、曲率半径が小さくなるように成されている。
これにより、赤外と可視（近赤外）の結像位置を、２波長検知素子５の結像面に一致させることができる。

図２は、本発明の２波長レンズ１、１ｂの設計例を示す図である。
図２（ａ）において、S1〜S4は、２波長レンズ１、１ｂの各面番号を示す。図２（ｂ）は、２波長レンズ１、１ｂの各面Ｓ１〜Ｓ４の曲率半径と、各面Ｓ１〜Ｓ４が隣接する後段の面Ｓ２〜Ｓ４及び５との間の面間距離と、各面Ｓ１〜Ｓ４の屈折率と、各面Ｓ１〜Ｓ４の結像点側を充足している材料を示している。

この例では、２波長レンズ１の材料がZnSの場合であり、可視（近赤外）の波長は550nm、赤外の波長は10μmとしている。
両波長でのZnSの屈折率は各々2.386、2.200と大幅に異なるため、曲率半径が同じレンズである場合は結像位置が異なってしまう。
しかしながら、S2の曲率半径を各々12.094、12.594と違う値とすることにより、ほぼ同じ焦点距離で同じ２波長検知素子に結像することが可能となっている。図２（ｂ）の例では、反射コーティング２を施した部分の焦点距離が１４．９、反射コーティング２を施した部分の焦点距離が１５．０となり、ほぼ同じ距離となっている。

この実施の形態によれば、波長に依存して透過率の異なる２種類のコーティング材を、曲率の異なるレンズの中央部と周辺部にそれぞれ付着させることによって、同一のレンズに入射する２波長の光をほぼ同一面に結像することができるので、より安価で簡素な２波長結像光学系を得ることができる。

実施の形態２．
この発明にかかる実施の形態２は、実施の形態１の２波長レンズ１の材料をZnS、またはZnSe、またはカルコゲナイドガラスとしたものである。
図３は、各レンズ材料による透過率の特性を示す図である。

図３(a)に示すように、ZnSはホットプレスにより、可視全領域から１2μm位の波長の光に対し良好な透過特性を得られる。本材料を使用することで、可視と遠赤外帯の２波長結像光学系が可能となる。

図３(b)に示すように、ZnSeの透過率は約0.5μmから１4μm以上の波長の光に対し良好な透過特性を有する。本材料を使用することで、可視全領域は透過しないものの、遠赤外帯が良好な２波長結像光学系が可能となる。

図３(c)に示すように、カルコゲナイドガラスの透過率は約0.7μmから１2μmの波長の光に対し良好な透過特性を有する。本材料を使用することで、近赤外と遠赤外帯の２波長結像光学系が比較的安価に製造可能となる。

実施の形態３．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態３について説明する。
図４は実施の形態３による２波長結像光学系の構成図を示している。図１（ａ）は２波長結像光学系による赤外光４の集光作用を示し、図１（ｂ）は２波長結像光学系による可視（近赤外）光５の集光作用を示す図である。

この実施の形態では、２波長結像光学系１０１は、１枚または複数枚の２波長レンズと、可視（近赤外）透過・赤外反射型の反射コーティング２を表面に施した２波長分離板７とを備えて構成される。

図の例では、凸レンズを構成する２波長レンズ１と、凸レンズを構成する２波長レンズ１ｃとを、凹型のレンズ曲面が互いに対向し、光軸が一致するように配置している。２波長レンズ１、１ｃは、いずれも２波長の光を透過し、集光する。２波長レンズ１は、外部から入射する赤外光４と可視（近赤外）光５の入力側に配置されている。また、２波長レンズ１は２波長レンズ１ｃよりも設計上薄く構成されている。

２波長レンズ１ｃの後段には、２波長分離板７が配置される。２波長分離板７は２波長レンズ１ｃの光軸に対し所定の角度傾斜して配置される。図の例では、４５°傾斜させている。

２波長分離板７の後段には、赤外検知素子９と可視検知素子１０が配置される。赤外検知素子９は、２波長レンズ１ｃの光軸に対して入光面の法線が概ね直交するように配置する。可視検知素子１０は、２波長レンズ１ｃの光軸上に配置されて入光面が概ね光軸と直交する。すなわち、２波長レンズ１ｃと赤外検知素子９を結ぶ光路の途上に２波長分離板７が配置され、２波長レンズ１ｃと可視検知素子１０を結ぶ光路の途上に２波長分離板７が配置される。
赤外検知素子９は、赤外の波長帯にて平坦で最適な感度を有する。可視検知素子１０は可視（近赤外）の波長帯にて平坦で最適な感度を有する。
２波長結像光学系１０１と赤外検知素子９と可視検知素子１０とで、２波長の光検出器を構成する。

２波長レンズ１は、２波長レンズ１ｃとの対向する１曲面が凹型の曲面を成している。２波長レンズ１は、この１曲面の中心部（中央部）に、可視または近赤外と赤外をともに透過する透過コーティング８（透過コーティング材）が付着している。
また、２波長レンズ１は、上記１曲面における中央部周囲の周辺部に、赤外を透過し、可視または近赤外を反射する可視（近赤外）反射・赤外透過型の反射コーティング３（反射コーティング材）が付着している。すなわち、反射コーティング３は透過コーティング８の外側の外周面に付着している。

次に動作について説明する。
２波長レンズ１に入射する赤外光４は、可視（近赤外）・赤外透過型の透過コーティング８及び赤外透過・可視（近赤外）型の反射コーティング３の両方とも透過し、２波長分離板７で反射される。
このため、図４（a）に示すように、２波長レンズ１を透過する赤外光４は広い光束になり、２波長分離板７で反射されて赤外に感度をもつ赤外検知素子９に図の点Ｄで結像する。
一方、可視(近赤外)光６は、赤外透過・可視（近赤外）反射型の反射コーティング３にて反射するが、透過コーティング８を透過した光束は２波長分離板７を透過する。このため、図４(b)のように中央部を通過する狭い光束にて２波長分離板７を透過し、可視（近赤外）に感度を有する可視検知素子１０に図の点Ｅで結像する。

図５は本発明の２波長レンズ１、１ｂの設計例を示す図である。
図５（ａ）において、S1〜S6は、２波長レンズ１、１ｃの各面番号を示す。図５（ｂ）は、２波長レンズ１、１ｃの各面Ｓ１〜Ｓ４の曲率半径と、各面Ｓ１〜Ｓ４が隣接する後段の面Ｓ２〜Ｓ４及び５との間の面間距離と、各面Ｓ１〜Ｓ４の屈折率と、各面Ｓ１〜Ｓ４の結像点側を充足している材料を示している。

この例では、２波長レンズ１の材料がZnSの場合であり、可視（近赤外）の波長は550nm、赤外の波長は10μmとしている。
両波長でのZnSの屈折率は各々2.386、2.200と大幅に異なるが、２波長分離板により、両波長帯を分離し、各々異なった検知素子上に結像するため、曲率半径を全ての面で同一としても良い。
勿論、実施の形態１で説明したように、透過コーティング８の施された中央部と反射コーティング３の施された周辺部とで、曲率半径を異なるものにしても良いことは言うまでもない。

また、２波長分離板９と、各検知素子（赤外検知素子９及び可視検知素子１０）の間に、各々の波長専用のレンズを設けて、収差補正などを図ることが可能なことは言うまでも無い。

更に他の実施態様として、２波長分離板７に、赤外透過・可視（近赤外）反射型のコーティング材を付着させても良い。
この場合は、２波長レンズ１の光軸の延長上に赤外検知素子９を配置するとともに、２波長レンズ１の光軸を、２波長分離板７の反射面で垂直に折り曲げた直線上に、可視検知素子１０を配置する。
これによって、２波長レンズ１を透過する赤外光４は、２波長分離板７を透過して赤外に感度をもつ赤外検知素子９に結像する。
一方、２波長レンズ１を透過した可視(近赤外)光６は、赤外透過・可視（近赤外）反射コーティング３にて反射し、更に２波長分離板７にて９０°方向に反射して、可視（近赤外）に感度を有する可視検知素子１０に結像する。

実施の形態４．
この発明にかかる実施の形態４は、実施の形態３の２波長レンズ１の材料をZnS、またはZnSe、またはカルコゲナイドガラスとしたものである。
実施の形態２の図３で説明した通り、ZnSはホットプレスにより、図３(a)に示すように、可視全領域から１2μm位の波長の光に対し良好な透過特性を得られる。従って、本材料を使用することで、可視と遠赤外帯の２波長結像光学系が可能となる。

また、ZnSeの透過率は、図３(b)に示すように、約0.5μmから１4μm以上の波長の光に対し良好な透過特性を有する。従って、本材料を使用することで、可視全領域は透過しないものの、遠赤外帯が良好な２波長結像光学系が可能となる。

また、カルコゲナイドガラスの透過率は、図３(c)に示すように、約0.7μmから１2μmの波長の光に対し良好な透過特性を有する。従って、本材料を使用することで、近赤外と遠赤外帯の２波長結像光学系が、比較的安価に製造可能となる。

以上説明した通り、実施の形態１〜４による２波長結像光学系は、波長に依存して透過率の異なる２種類のコーティング材を、レンズの中央部と周辺部にそれぞれ付着させることによって、同一のレンズに入射する２波長の光を、可視（近赤外）検知素子と赤外検知素子に、同時に結像することができる。これによって、より安価で簡素な２波長結像光学系を得ることができる。

なお、上記２波長結像光学系を用いた２波長の光検出器は、例えば、赤外と、可視もしくは近赤外の二波長を同時に使用して、侵入者や進入物を監視、識別する、画像センサや監視システムに適用すると、有用である。

この発明の実施の形態１及び２による２波長結像光学系を説明する図である。この発明の実施の形態１及び２による２波長結像光学系の設計例である。この発明の実施の形態２及び４に挙げた２波長レンズ材料の透過率を示す図である。この発明の実施の形態３及び４による２波長結像光学系を説明する図である。この発明の実施の形態３及び４による２波長結像光学系の設計例である。

符号の説明

１、１ｂ、１ｃ２波長レンズ、２反射コーティング、３反射コーティング、４赤外光、５２波長検知素子、６可視(近赤外)光、７２波長分離板、８透過コーティング、９赤外検知素子、１０可視検知素子。

Claims

第１、第２の波長の光をそれぞれ透過するレンズを備え、
上記レンズは、
上記中央部にて、上記第２の波長の光を反射するとともに、上記第１の波長の光を透過する第１のコーティング材が付着し、
上記周辺部にて、上記第１の波長の光を反射するとともに、上記第２の波長の光を透過する第２のコーティング材が付着し、
上記第１、第２のコーティング材の付着面では曲率半径が異なって、上記第１、第２の波長の光が概略同一面で結像する
ことを特徴とする２波長結像光学系。
上記第１の波長の光は可視または近赤外光であり、上記第２の波長の光は赤外光であって、
上記レンズは、上記第２のコーティング材の付着面よりも上記第１のコーティング材の付着面の曲率半径が小さいことを特徴とする請求項１記載の２波長結像光学系。
第１、第２の波長の光をそれぞれ結像するレンズと、
上記レンズを透過した第１、第２の波長の光の、いずれか一方を透過し、他方を反射する波長分離板と、
を備え、
上記レンズの周辺部は、上記第１、第２の波長の光を透過する透過コーティングが付着し、
上記レンズの中央部は、上記第１の波長の光を透過するとともに、上記第２の波長の光を反射する反射コーティングが付着した、
ことを特徴とする２波長結像光学系。
上記レンズは、ZnS、ZnSe、またはカルコゲナイドガラスで成ることを特徴とする請求項１または請求項３記載の２波長結像光学系。