JP2007155883A - 赤外線レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】所定範囲の波長帯域の入射赤外線を小さなスポットに集光させることができ，かつ，安価に製造することが可能な赤外線レンズを提供する。
【解決手段】本発明によれば，入射赤外線の波長が１．１〜１６μｍの広帯域である赤外線レンズであって，上記赤外線レンズの表面に，球面が形成され，上記赤外線レンズの裏面に，上記球面による収差を補正する回折面が形成されることを特徴とする赤外線レンズが提供される。かかる構成による赤外線レンズは，広範な波長帯域の入射赤外線を小さなスポットに集光させることができ，かつ，赤外線レンズ自体を安価に製造することが可能となる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は，赤外線レンズに関し，特に，広範な波長帯域の入射赤外線を小さな集光スポット径に集光させる赤外線レンズに関する。

離れた物体から発せられる赤外線を受光して物体面の温度を非接触で測定したり，生体から発せられる赤外線を受光して不審者を発見したりといった応用分野で，赤外線センサーの需要が増大している。

このような赤外線センサーは，人間等の発熱物体から発せられる赤外線を，レンズによって赤外線受光器面上に集光し，この赤外線受光器から得られる信号情報をもとに，照明装置のオン・オフを行ったり，防犯センサーとして動作させたりという応用が，広く実用化されてきた。

このような赤外線センサーは，基本的に単チャンネルであるが，近年の赤外線受光器製造技術の進歩に伴い，同様の赤外線受光器を複数個アレイ状に並べて使用する応用も，進展しつつある。

図９に，赤外線受光器が複数個アレイ状に並べられた赤外線センサーの概略図を示す。この応用例では，人間２０ａの２次元画像２０ｂを，受光器アレイ３０上に，結像光学系１０を用いて結像し，人体における温度分布を計測するものである。同様な温度分布測定技術を，例えば住宅の外壁における温度分布計測に応用すれば，外見では判断不可能な，建物内部における断熱材の施行状況をモニターすることが可能となる。

このような２次元画像を得るための受光器アレイは，その解像度に応じて，数百から数十万個の赤外線受光器を，２次元状に配列させたものである。赤外線受光器の配列間隔（ピッチ）は，アレイ数に応じて５０〜１５０μｍ程度であり，鮮明な２次元画像を得るためには，赤外線受光器の像面において，上記のピッチよりも十分細かく集光がなされていなくてはならない。

図１０Ａは，直径６ｍｍの非球面レンズ１２に入射した赤外線が，非球面レンズから４ｍｍ離れた像面に集光する様子を図示した，側面図である。図１０Ｂは，直径６ｍｍの球面レンズ１４に入射した赤外線が，球面レンズから４ｍｍ離れた像面に集光する様子を図示した，側面図である。

上記の結像光学系１０として，単レンズを用いる場合には，像面での結像性能を良好なものとするためには，図１０Ａに示したように，非球面レンズ１２を用いることが好ましい。これは，図１０Ｂに示したように，レンズの外周部における収差の影響のために，像面におけるスポット径が大きくなり，得られる像がぼけたものとなってしまうからである。

その一方で，一般的に，球面レンズの価格に比べ，非球面レンズの価格は，一桁近く高価であるため，上記のような２次元赤外線センサーの低価格化を図る上で，ネックとなっている。そのために，非球面レンズと同等の性能を有するレンズとして，回折型レンズが提案されている（例えば，特許文献１参照。）。

特許第２７１３５５０号公報 Ｄ．Ｗ．Ｓｗｅｅｎｅｙ ａｎｄ Ｇ．Ｅ．Ｓｏｍｍａｒｇｒｅｎ，"Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓｅｓ"，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，３４，ｐｐ．２４６９−２４７５ （１９９５）．

しかしながら，回折型レンズの設計には，予めこのレンズを使用する赤外線の波長を設定する必要があり，レンズの焦点距離が赤外線の波長により，大きく変動するという問題点がある。

図１１Ａ〜図１１Ｃは，回折型レンズの焦点距離の波長依存性を概略的に説明する概略図を示す。図１１Ａは，設計波長が８μｍである回折型レンズ１６に，８μｍの赤外線を入射させた場合の，シミュレーション結果である。図１１Ａを参照すると，入射コリメート光が像面４０にシャープに集光されていることがわかる。

図１１Ｂは，上記の設計波長の回折型レンズに，６μｍの赤外線を入射させた場合の，シミュレーション結果である。図１１Ｂを参照すると，像面４０では入射赤外線は，完全には絞り切れていないことがわかる。これは，波長λで設計された焦点距離ｆのレンズは，設計波長と異なる波長λ’に対しては，焦点距離ｆ’が以下の式５で定義されるレンズとして振る舞うからであり，図１１Ｂの場合には，焦点の位置が像面４０の更に遠方となってしまうからである。

図１１Ｃは，上記の設計波長の回折型レンズ１６に，１０μｍの赤外線を入射させた場合の，シミュレーション結果である。図１１Ｃを参照すると，上記の式４よりレンズの焦点距離が短くなりレンズ１６側となるために，入射赤外線は像面４０の手前で集光され，再び広がりながら像面４０に達することがわかる。

このように，回折型レンズの場合は，設計波長以外の波長での像のボケが大きく，赤外線結像光学系への適用が難しいという問題点がある。

上記の焦点距離の波長依存性についてシミュレーションを行った結果を，図１２に示す。図１２は，像面における集光スポット径と，入射赤外線の波長との関係を示したグラフ図である。ここで，上記の像面における集光スポット径とは，レンズに入射した赤外線の光量の９０％を補足可能な赤外線受光器の直径である。

図１２を参照すると，非球面レンズと球面レンズは，集光スポット径の波長依存性をほとんど持たないことがわかる。また，非球面レンズの集光スポット径に対し，球面レンズの集光スポット径は，約２３０μｍ程度であり，非球面レンズに比べて非常にぼけた像しか得られないことがわかる。また，回折型レンズの場合には，設計波長近傍の非常に狭い波長範囲では，球面レンズを上回り非球面レンズと同等の結像性能が得られるが，それ以外の波長範囲では，球面レンズ以上に像がぼけてしまうことがわかる。

このように，所定範囲の波長帯域の入射赤外線を，小さな集光スポット径に集光させて鮮明な画像を得ることができ，かつ，安価に製造することが可能な赤外線レンズが，希求されていた。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，所定範囲の波長帯域の入射赤外線を小さなスポットに集光させることができ，かつ，安価に製造することが可能な，新規かつ改良された赤外線レンズを提供することにある。

本願発明者は，上記の課題を解決するために鋭意研究を行い，以下の発明に想到するに至った。

すなわち，上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，入射赤外線の波長が１．１〜１６μｍの広帯域である赤外線レンズであって，上記赤外線レンズの表面に，球面が形成され，上記赤外線レンズの裏面に，上記球面による収差を補正する回折面が形成される赤外線レンズが提供される。

かかる構成による赤外線レンズは，赤外線が表面に形成された球面に入射することで生じてしまう収差を，裏面に形成された回折面で補正する。その結果，上記の波長帯域の赤外線を，小さな集光スポットに集光させることが可能となり，かつ，球面レンズを用いていることから，安価に製造することが可能となる。

上記の入射赤外線は，６〜１０μｍの波長帯域であってもよい。かかる波長帯域の赤外線は，生物が発する赤外線の波長帯域であるため，生物が発する赤外線を，小さな集光スポットに集光させることが可能となる。

上記の回折面は，上記波長帯域内における所定の基準波長に基づき定められる所定の深さの凹凸形状を有し，上記凹凸形状の深さｈは，レンズの材質の屈折率ｎと上記基準波長λとハーモニクス次数ｍとに対して，以下の式１で定義され，以下の式１におけるハーモニクス次数ｍは，１であってもよい。かかる構成による赤外線レンズは，上記波長帯域の赤外線を，小さなスポット径に集光させることが可能である。

上記の回折面は，上記波長帯域内における所定の基準波長に基づき定められる所定の深さの凹凸形状を有し，上記凹凸形状の深さｈは，レンズの材質の屈折率ｎと上記基準波長λとハーモニクス次数ｍに対して，以下の式１で定義され，以下の式１におけるハーモニクス次数ｍは，２以上１０以下の整数であってもよい。かかる構成によれば，上記波長帯域の赤外線を，非常に小さなスポット径に集光させることが可能となる。

上記の回折面の上記凹凸形状は，エッチングによって形成されてもよい。かかる方法で回折面の凹凸形状が形成されることにより，本発明に係る赤外線レンズを，容易かつ安価に作製することが可能となる。

上記の回折面の上記凹凸形状は，エッチングもしくは切削加工によって作製した母型を基に，転写成形により形成されてもよい。かかる方法により回折面の凹凸形状が形成されることで，本発明に係る赤外線レンズを，容易かつ安価に大量生産することが可能となる。

上記回折面における上記凹凸形状の少なくとも一部分は，光軸を含む平面で切断した断面が，鋸歯形状を有するようにしてもよい。また，上記回折面における上記凹凸形状の少なくとも一部分は，光軸を含む平面で切断した断面が，Ｎ段（Ｎは３以上の整数）の階段形状を有し，上記凹凸形状の深さｈを，以下の式２で定義される深さｈ’で近似させてもよい。上記凹凸形状の断面を係る形状にすることにより，本発明に係る赤外線レンズのレンズの厚さを，薄くすることが可能となる。

上記のレンズの材質は，屈折率が２以上のものを用いることも可能である。かかる材質を使用することにより，上記の凹凸形状の深さｈを小さくすることが可能となる。

上記のレンズの材質は，Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，およびＧａＰからなる群より選択されるいずれかであってもよい。かかる材質は，それぞれ赤外線を透過させる波長帯域が異なっているため，本発明に係る赤外線レンズが集光させる赤外線の波長帯域を，選択することが可能となる。

本発明に係る赤外線レンズの表面または裏面の少なくともいずれか一方に，無反射コーティングが施されてもよい。かかる無反射コーティングを施すことにより，入射した赤外線が本発明に係る赤外線レンズで反射されて，透過する赤外線の割合が減少するのを防ぐことができる。

本発明によれば，所定範囲の波長帯域の入射赤外線を小さな集光スポットに集光させることができ，安価に製造することが可能な赤外線レンズを提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１Ａは，本発明の第１の実施形態に係る赤外線レンズ１００を，光軸１７０を含む平面で切断した断面図である。なお，以下の説明にあたっては，図１Ａ中に記載した座標軸を用いることとする。

本実施形態に係る赤外線レンズ１００は，屈折率が例えば２以上である材質から形成されている。赤外線レンズ１００を形成する材質の例としては，例えば，シリコン（Ｓｉ，屈折率３．４３），ゲルマニウム（Ｇｅ，屈折率４．０１），ガリウム−ヒ素（ＧａＡｓ，屈折率３．４２），インジウム−リン（ＩｎＰ，屈折率３．３７），ガリウム−リン（ＧａＰ，屈折率３．３５）を使用することが可能である。ただし，本発明に係る赤外線レンズの材質は，上記のものに限定されるわけではなく，屈折率が２以上の材質であれば，任意のものを使用することが可能である。

赤外線レンズ１００は，その材質を変更することにより，透過する赤外線の波長帯域を選択することができる。例えば，材質としてＳｉを用いた場合には，１．１〜１６μｍ程度の波長を有する赤外線を選択的に透過させることが可能である。また，Ｇｅを用いた場合には１．８〜２３μｍ程度の，ＧａＡｓを用いた場合には１．０〜１８μｍ程度の，ＩｎＰを用いた場合には１．０〜１４μｍ程度の，ＧａＰを用いた場合には０．５３〜１６μｍ程度の波長を有する赤外線を，選択的に透過させることが可能である。

図１Ａに示したように，赤外線レンズ１００は，例えば，表面に球面部１１０が形成され，裏面に凹凸部１３０が形成されている。赤外線は，赤外線レンズ１００に，表面からＹ軸正方向に向かって入射する。ここで，赤外線レンズ１００の表面とは赤外線が入射する面を意味し，赤外線レンズ１００の裏面とは赤外線が出射する面を意味する。

本実施形態に係る赤外線レンズ１００は，例えば光軸１７０に対して対称な形状をしている。赤外線レンズ１００の球面部１１０は，所定の曲率半径を有する球面に形成されている。赤外線レンズ１００の凹凸部１３０は，例えば，半円形状部１３０ａと，鋸歯形状部１３０ｂとからなる。半円形状部１３０ａは所定の径を有し，その中心は，例えば光軸１７０上に存在する。また，半円形状部１３０ａの外周に，鋸歯形状部１３０ｂが形成されている。それぞれの鋸歯形状部１３０ｂは，図１Ａに示したように，光軸１７０に近い側の側面が，垂直に形成されている。また，光軸１７０から遠い側の側面は，図１Ａに示したような，なだらかな湾曲面となっている。また，Ｙ軸上から見た赤外線レンズ１００の全体形状は，例えば円形状であり，半円形状部１３０ａと鋸歯形状部１３０ｂとが，同心円状に配置されている。

上記の垂直な側面の高さｈは，用いたレンズ材質の屈折率ｎ，設定した基準波長λ，および，ハーモニクス次数ｍとを用いて，以下の式１で定義される値である。ここで，上記のハーモニクス次数ｍは，１以上１０以下の整数である。

また，それぞれの鋸歯形状部１３０ｂの横幅，すなわち，Ｘ軸方向の横幅は，例えば，光軸１７０から離れるに従って小さくなるように設けられる。

表面の球面部１１０から入射した赤外線は，球面部１１０により集光されるが，表面は球面レンズに形成されているため，球面収差が問題となる。しかし，裏面に形成された凹凸部１３０が，この球面収差を補正する回折面の役割を果たす。

図１Ｂは，本発明の第２の実施形態に係る赤外線レンズ２００を，光軸１７０を含む平面で切断した断面図である。なお，以下の説明にあたっては，図１Ｂ中に記載した座標軸を用いることとする。

本実施形態に係る赤外線レンズ２００は，本発明の第１の実施形態に係る赤外線レンズ１００の凹凸部１３０と同様の構造を，階段形状で近似的に形成したものであり，赤外線レンズ１００と同様の材質を用いて作製することが可能である。図１Ｂに示したように，本実施形態に係る赤外線レンズ２００は，例えば，表面に球面部１１０が形成され，裏面に凹凸部１３０が形成されている。赤外線は，赤外線レンズ２００に，表面からＹ軸正方向に向かって入射する。ここで，赤外線レンズ２００の表面とは赤外線が入射する面を意味し，赤外線レンズ２００の裏面とは赤外線が出射する面を意味する。

赤外線レンズ２００は，例えば光軸１７０に対して対称な形状をしている。赤外線レンズ２００の球面部１１０は，所定の曲率半径を有する球面に形成されている。赤外線レンズ２００の凹凸部１３０は，例えば，回転対称な階段形状部１３０ｃと，階段形状部１３０ｄとからなる。回転対称な階段形状部１３０ｃは所定の径を有し，その中心は，例えば光軸１７０上に存在する。また，回転対称な階段形状部１３０ｃの外周に，階段形状部１３０ｄが形成されている。それぞれの階段形状部１３０ｃ，１３０ｄは，少なくとも３段以上の階段形状となっていることが好ましい。図１Ｂでは，それぞれの階段形状部１３０ｃ，１３０ｄは，３段の階段形状となっているが，本発明に係る赤外線レンズの階段の段数は上記の例に限定されるわけではなく，例えば，４段以上であっても良い。また，Ｙ軸上から見た赤外線レンズ２００の全体形状は，例えば円形状であり，回転対称な階段形状部１３０ｃと階段形状部１３０ｄとが，同心円状に配置されている。

また，それぞれの階段形状部１３０ｃ，１３０ｄの高さ，すなわち，階段形状の一番下から一番上の階段までの高さ（図１Ｂにおけるｈ’）の値は，第１の実施形態で用いた式１によって定まる高さｈを，以下の式２で定義される値で近似したものである。なお，式２のＮ（Ｎは３以上の整数。）は，階段形状の段数を表し，図１ＢはＮ＝３の場合に該当する。

また，それぞれの階段形状部１３０ｄの横幅，すなわち，Ｘ軸方向の横幅は，例えば，光軸１７０から離れるにしたがって小さくなるように形成される。

表面の球面部１１０から入射した赤外線は，球面部１１０により集光されるが，表面は球面レンズに形成されているため，球面収差が問題となる。しかし，裏面に形成された凹凸部１３０が，この球面収差を補正する回折面の役割を果たす。

続いて，本発明の特徴の一つである，凹凸部１３０の深さｈの定義方法と，その効果について，図２を用いて説明する。図２は，凹凸部の深さとその効果について，概略的に説明するための概略図である。

図２（ａ）は，入射光を曲げる機能を有する一般的なプリズム３００の側面図である。プリズム３００は，Ｙ軸負領域から入射した光を，その波長λに応じて方向を変化させて出射させる役割を果たす。

特許文献１で開示されている回折レンズ３２０は，図２（ａ）に示したプリズム３００と同様な機能を実現するために，図２（ｂ）に示したように，プリズムの構造を，所定の深さｈ_２で折り返した周期構造を有している。ｈ_２は，用いたレンズの材質の屈折率ｎと，レンズの設計波長λに対して，以下の式３で定義される値である。

上記の式３から明らかなように，単位周期構造において，溝の一番深い部分と溝の頭頂部とを，すなわち，図２（ｂ）のｈ_２の下端部と上端部とを通過する入射光同士の位相差は，ちょうど１波長（λ）である。つまり，この周期構造は，プリズムの構造を，設計波長１波長を単位として，折り返した構造となっている。このような周期構造を有する回折型光学素子では，入射光は１次の回折光に入射光が１００％回折されて伝搬し，その伝搬方向は，図２（ａ）に示すプリズム３００によって曲げられた出射光の伝搬方向と一致する。しかしながら，設計波長λと異なる波長の光は，図２（ａ）に示すプリズム３００による出射光の伝搬方向とは異なる方向に伝搬される。

一方，図２（ｃ）に示したように，プリズムを設計波長λのｍ倍（ｍは整数）を単位として折り返した周期構造をもつ光学素子も存在し，ｍ次のハーモニック回折光学素子と呼ばれている（例えば，非特許文献１参照。）。すなわち，図２（ｃ）のｈ_１の値は，以下の式１に示した値となっている。このｍ次のハーモニック回折光学素子３４０においては，入射光はｍ次の回折次数に１００％回折され，この回折方向は，図２（ａ）のプリズム３００による回折方向に一致する。

さらに，上述したように，回折光学素子において，周期構造の折り返し深さは，単位周期構造での入射光λに対する位相差に相当しているため，ｍ次のハーモニック回折光学素子では，ｈ_１が入射光λとは異なる波長λ’のｋ倍の位相差となっている場合が存在しうる。ここで，ｋはｍ以外の整数である。言い換えると，以下の式４の関係を満たすｋとλ’の組み合わせが，複数存在しうる。

上記の式４から明らかなように，ｍ次のハーモニック回折光学素子３４０では，設計波長λ以外に，設計波長λと全く同じ方向に入射光が回折する別の波長λ’に対する回折次数ｋが，複数存在することが可能である。このｍ次のハーモニック回折光学素子を用いることで，広範な波長帯域の光が回折型レンズに入射した場合に，レンズの焦点距離が異なってしまうという問題点を解決することが可能となる。

上記の非特許文献１では，ｍを２０前後に設定することで，本発明で着目している赤外線よりも短い波長帯域である，波長４００〜６８０ｎｍに渡る可視光領域で，同一の焦点距離を実現した例が報告されている。

本実施形態に係る赤外線レンズでは，上記のｍ次のハーモニック回折光学素子を，広範な赤外線の波長帯域に適用し，球面部１１０による収差を補正する回折面とする。上記の周期構造が，本実施形態に係る鋸歯形状部分１３０ｂまたは階段形状部分１３０ｃ，１３０ｄに相当する。本実施形態で着目している波長帯域は，例えば，１．１〜１６μｍという波長帯域であり，本実施形態に係る赤外線レンズは，上記の非特許文献１で着目している波長帯域の約５０倍という非常に広範な波長帯域の光について，球面部１１０による収差を補正し，赤外線を小さな集光スポット径に集光させることが可能である。

図３は，設計波長を８μｍ，ハーモニクス次数ｍを６とした場合の赤外線レンズにおける，同じ方向に回折する赤外線の波長λ’と回折次数ｋとの関係を示したグラフ図である。

図３に示したグラフ図は，上記の式４を用いて同一方向に回折する赤外線の波長λ’と回折次数ｋとの関係を計算した結果である。図３を参照すると，設計波長である８μｍ（回折次数ｋ＝６）の赤外線が１００％回折される方向に，１６μｍ（回折次数ｋ＝３），１２μｍ（回折次数ｋ＝４），９．６μｍ（回折次数ｋ＝５），６．８６μｍ（回折次数ｋ＝７），６μｍ（回折次数ｋ＝８），５．３３μｍ（回折次数ｋ＝９）の波長の赤外線も，１００％回折されることがわかる。

上記の結果より，ハーモニック構造を有する回折レンズを用いることで，複数の波長を有する入射赤外線を，同一の回折方向に１００％回折させることができる。

また，ウェハースケールの安価な量産技術を適用し，以下に示す製造工程を経ることで，本実施形態に係る赤外線レンズの量産性を高めることが可能であることを明らかにした。

以下に，本発明の各実施形態に係る赤外線レンズの製造方法について，説明する。

まず，所定の凹凸形状を作製するためのマスクを作製する。次いで，フォトリソグラフィーを用いて，母型を作製する。さらに，この母型を用いて，エッチングによりレンズを形成する所定の材質の基板に，凹凸形状を転写する。次いで，上記の基板の凹凸形状が転写されていない面を，球面レンズを作製する従来からの手法を用いて研削することにより，本発明の各実施形態に係る赤外線レンズが作製される。続いて，このようにして作製された赤外線レンズの表面か裏面のすくなくとも一方に，無反射コーティングを施す。このような製造方法を用いることで，本発明の各実施形態に係る赤外線レンズを作製することが可能となる。

また，所定の基板上に，上記の方法で凹凸部を複数形成した後に，基板のダイシングを行い個々の赤外線レンズに切り分ける。その後，上記の基板の凹凸形状が転写されていない面を，球面レンズを作製する従来からの手法を用いて研削することにより，本発明の各実施形態に係る赤外線レンズが形成される。このようにして作製された赤外線レンズの表面か裏面のすくなくとも一方に，無反射コーティングを施すことも可能である。このような方法を用いることで，本発明の各実施形態に係る赤外線レンズを，ウェハースケールで安価かつ大量に生産することが可能となる。

上記のエッチングは，任意のエッチング手法を用いることが可能であるが，反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）を用いることが好ましい。

また，上記の製造方法では，エッチングを用いて母型を作製し，これをエッチングにより転写する方法を示したが，母型を作製せずに，エッチングで各実施形態に係る赤外回折レンズを作製することも可能である。また，エッチングではなく切削加工によって母型を作製することも可能である。

以下，本発明の具体的な実施例を順次説明するが，以下の各実施例は，あくまでも本発明の実施形態を具体的に説明するためのものであり，本発明が以下の実施例によって限定されるわけではないことは言うまでもない。

（シミュレーションにおけるパラメータ設定）
図４は，シミュレーションに用いた光学系の概略図である。赤外線レンズ１００は，Ｓｉから形成され，図１Ａに示した鋸歯形状の凹凸部を有するとした。赤外線レンズの直径ｄは６ｍｍとし，赤外線レンズ１００の光軸６００上に，赤外線受光器４００があると仮定した。赤外線レンズ１００と赤外線受光器４００との間の間隔ｌは４ｍｍとした。

また，各実施例および比較例において，入射赤外線５００の波長帯域を，６〜１０μｍと仮定した。この波長帯域は，生物が多く放出する赤外線の波長帯域である。従って，かかる波長帯域の赤外線に対する赤外線レンズの性能は，生物体センサーに本実施形態に係る赤外線レンズを用いた場合に，重要となる。また，赤外線レンズの設計波長は，８μｍとした。この８μｍという波長は，生物が最も多く放出する赤外線の代表的な波長である。

以下に示す比較例および実施例では，上記のパラメータは固定したままで，赤外線レンズのハーモニクス次数ｍを変化させることで，本実施形態に係る赤外線レンズの性能の比較を行った。なお，ハーモニクス次数ｍを変化させているために，赤外線レンズの凹凸形状の深さｈも，各実施例で異なった値となることは，言うまでもない。

上記のようなパラメータ設定をした上で，一般的に入手可能な光学ＣＡＤプログラムを用いて，赤外線の集光の度合いと位相分布とをシミュレーションした。

（実施例１）
ｍ＝１とした場合のシミュレーションの結果を，図５Ａ〜図５Ｃに示した。また，本実施例の赤外線レンズによって入射赤外線の９０％の光量が捕捉される赤外線受光器４００上のスポット径を，図６に示した。なお，図６には，本実施例に係る赤外線レンズの代わりに，球面レンズを用いた場合の結果も，合わせて示してある。

図５Ａは，上記の本実施例に係る赤外線レンズ１００に，設計波長である８μｍの波長を有する赤外線５００を入射させた場合のシミュレーション結果である。図５Ａを参照すると，入射した赤外線は，像面４００上でシャープに集光されていることがわかる。

図５Ｂは，上記の赤外線レンズ１００に，設計波長よりも短い６μｍの波長を有する赤外線５００を入射させた場合のシミュレーション結果である。図５Ｂを参照すると，設計波長よりも短い赤外線が入射されたために，本実施例に係る赤外線レンズの凹凸部による焦点距離は，設計値よりも長くなってしまい，像面４００ではシャープに集光せず，ボケが生じていることがわかる。しかしながら，そのボケ具合は，図１１Ｂに示した回折型レンズ（本実施例の凹凸部だけが存在するレンズに相当）の場合に比べて，小さくなっていることがわかる。

図５Ｃは，上記の赤外線レンズ１００に，設計波長よりも長い１０μｍの波長を有する赤外線５００を入射させた場合のシミュレーション結果である。図５Ｃを参照すると，設計波長よりも長い赤外線が入射されたために，本実施例に係る赤外線レンズの凹凸部による焦点距離は，設計値よりも短くなってしまい，像面４００の手前で一度集光されてしまうために，像面４００ではボケが生じていることが分かる。しかしながら，そのボケ具合は，図１１Ｃに示した回折型レンズ（本実施例の凹凸部だけが存在するレンズに相当）の場合に比べて，小さくなっていることがわかる。

図６に，本実施例の赤外線レンズ１００によって入射赤外線の９０％の光量が捕捉される赤外線受光器４００上の集光スポット径の波長依存性を示す。図６を参照すると，図１２の場合に比べて，集光スポット径が著しく小さくなっていることがわかる。また，約６．５〜９μｍの波長範囲において，球面レンズよりも良好な集光性能を有していることがわかる。

（実施例２）
ハーモニクス次数ｍ＝６とした以外は，上記の実施例１と同様にして，シミュレーションを行った。シミュレーションの結果を，図７Ａ〜図７Ｃに示した。また，本実施例の赤外線レンズによって，入射赤外線の９０％の光量が捕捉される赤外線受光器４００上のスポット径を，図８に示した。なお，図８には，本実施例に係る赤外線レンズの代わりに，非球面レンズを用いた場合の結果も，合わせて示してある。

図７Ａは，上記の本実施例に係る赤外線レンズ１００に，設計波長である８μｍの波長を有する赤外線５００を入射させた場合のシミュレーション結果である。図７Ａを参照すると，入射した赤外線は，像面４００上でシャープに集光されていることがわかる。

図７Ｂは，本実施例に係る赤外線レンズ１００に，設計波長より短い６μｍの波長を有する赤外線５００を入射させた場合のシミュレーション結果である。図７Ｂを参照すると，設計波長とは異なる波長が入射されているにもかかわらず，入射赤外線の波長が，上記の式４を満たす波長であるために，像面４００上でシャープに集光されており，設計波長と同等の集光性能が得られていることがわかる。

図７Ｃは，本実施例に係る赤外線レンズ１００に，設計波長より長い９．６μｍの波長を有する赤外線５００を入射させた場合のシミュレーション結果である。図７Ｃの場合にも，設計波長と異なる波長が入射されているにもかかわらず，入射赤外線の波長が，上記の式４を満たす波長であるために，像面４００上でシャープに集光されており，設計波長と同等の集光性能が得られていることがわかる。

図８は，本実施例に係る赤外線レンズ１００によって，入射赤外線の９０％の光量が捕捉される赤外線受光器４００上の集光スポット径の，波長に対する依存性を示したものである。また，図８には，本実施例に係る赤外線レンズ１００に代えて非球面レンズを用いた場合の結果も，合わせて図示してある。図８を参照すると，６〜１０μｍの広範な波長帯域で，非球面レンズと同等な集光性能を有していることがわかる。

上記の各実施例では，Ｓｉを透過する赤外線の波長領域のうち，６〜１０μｍの波長帯域に着目して説明したが，上記以外の波長帯域である，１．１〜６μｍおよび１０〜１６μｍでも，ハーモニクス次数ｍを適宜変更することで，上記のように良好な集光スポット径を得ることができる。

なお，上記では，赤外線レンズがＳｉで形成されているとしてシミュレーションを行ったが，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰで赤外線レンズが形成された場合でも，上記の各実施例と同様な良好な結果が得られることは，言うまでもない。また，赤外線レンズの凹凸部の形状が鋸歯形状である場合についてシミュレーションを行ったが，凹凸部が階段形状であっても良いことは，言うまでもない。

以上のように，本実施形態に係る赤外線レンズは，２次元画像用の結像光学系用レンズとして，非常に優れていることが明らかとなった。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば，上述した各実施形態においては，赤外線レンズがＹ軸に対して対称な断面形状を有する場合を説明したが，入射する赤外線の方向にあわせ，Ｙ軸に対して非対称な形状を有していてもかまわない。

また，上述した各実施形態においては，レンズの材質の屈折率が２以上の場合について説明したが，レンズの材質の屈折率が２未満のものを用いることも可能である。

本発明は，広範な波長帯域の入射赤外線を小さな集光スポット径に集光させる赤外線レンズに適用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る赤外線レンズを概略的に示した断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る赤外線レンズを概略的に示した断面図である。 凹凸部の深さとその効果について，概略的に説明した概略図である。 入射赤外線の波長と回折次数との関係を示したグラフ図である。 本発明の各実施例に係る赤外線レンズのシミュレーションの設定を概略的に示した概略図である。 本発明の実施例１に係る赤外線レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 本発明の実施例１に係る赤外線レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 本発明の実施例１に係る赤外線レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 像面における集光スポット径の波長依存性を示したグラフ図である。 本発明の実施例２に係る赤外線レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 本発明の実施例２に係る赤外線レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 本発明の実施例２に係る赤外線レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 像面における集光スポット径の波長依存性を示したグラフ図である。 赤外線受光器が複数個アレイ状に並べられた赤外線センサーの概略図である。 非球面レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 球面レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 回折型レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 回折型レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 回折型レンズに入射した赤外線の集光度合いを示した側面図である。 像面における集光スポット径と，入射赤外線の波長との関係を示したグラフ図である。

符号の説明

１０ 結像光学系
１２ 非球面レンズ
１４ 球面レンズ
１６ 回折レンズ
２０ａ 物体
２０ｂ 物体像
３０ 赤外線受光器アレイ
４０ 像面
１００ 赤外線レンズ
１１０ 球面レンズ部
１３０ 凹凸部
１３０ａ 半球形状部
１３０ｂ 鋸歯形状部
１３０ｃ，１３０ｄ 階段形状部
１７０ 光軸
２００ 赤外線レンズ
３００ プリズム
３２０ 回折レンズ
３４０ ハーモニック回折レンズ
４００ 像面
５００ 赤外線
６００ 光軸

Claims (11)

1. 入射赤外線の波長が１．１〜１６μｍの広帯域である赤外線レンズであって：
   前記赤外線レンズの表面に，球面が形成され，
   前記赤外線レンズの裏面に，前記球面による収差を補正する回折面が形成されていることを特徴とする，赤外線レンズ。
2. 前記入射赤外線は，６〜１０μｍの波長帯域であることを特徴とする，請求項１に記載の赤外線レンズ。
3. 前記回折面は，前記波長帯域内における所定の基準波長に基づき定められる所定の深さの凹凸形状を有し，
   前記凹凸形状の深さｈは，レンズの材質の屈折率ｎと前記基準波長λとハーモニクス次数ｍとに対して，式１で定義され，
   

   

   前記式１のハーモニクス次数ｍは，１であることを特徴とする，請求項１または２に記載の赤外線レンズ。
4. 前記回折面は，前記波長帯域内における所定の基準波長に基づき定められる所定の深さの凹凸形状を有し，
   前記凹凸形状の深さｈは，レンズの材質の屈折率ｎと前記基準波長λとハーモニクス次数ｍに対して，式１で定義され，
   

   

   前記式１のハーモニクス次数ｍは，２以上１０以下の整数であることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線レンズ。
5. 前記回折面の前記凹凸形状は，エッチングによって形成されることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線レンズ。
6. 前記回折面の前記凹凸形状は，エッチングもしくは切削加工によって作製した母型を基に，転写成形により形成されることを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線レンズ。
7. 前記回折面における前記凹凸形状の少なくとも一部分は，光軸を含む平面で切断した断面が，鋸歯形状を有することを特徴とする，請求項１〜６のいずれかに記載の赤外線レンズ。
8. 前記回折面における前記凹凸形状の少なくとも一部分は，光軸を含む平面で切断した断面が，Ｎ段（Ｎは３以上の整数）の階段形状を有し，
   前記凹凸形状の深さｈを，式２で定義される深さｈ’で近似させることを特徴とする，請求項３〜７のいずれかに記載の赤外線レンズ。
   

   
9. 前記レンズの材質は，屈折率が２以上のものを用いることを特徴とする，請求項１〜８のいずれかに記載の赤外線レンズ。
10. 前記レンズの材質は，Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，およびＧａＰからなる群より選択されるいずれかであることを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載の赤外線レンズ。
11. 前記赤外線レンズの前記表面または前記裏面の少なくともいずれか一方に，無反射コーティングが施されることを特徴とする，請求項１〜１０のいずれかに記載の赤外線レンズ。
    

Images