JP2008216765A - 赤外線光学系及び赤外線光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の赤外線光学装置の色収差及び熱収差の抑制で問題となった、３種類以上の材料で３枚以上のレンズを有する光学系で構成する必要を有する課題に対して、２種類以上の材料で２枚以上のレンズで光学系を構成することで色収差及び熱収差の抑制を可能とする。
【解決手段】撮像対象物からの入射赤外線を集光する屈折光学系と、検出器とで構成する赤外線光学装置において、上記入射赤外線を上記検出器へ入射させる屈折光学系として、２種類以上の材料で２枚以上のレンズで光学系を構築することで、色収差と温度による収差を同時に補正するので、波長の異なる入射赤外線がほぼ同じ位置の結像位置に結像し、かつ、温度が変化しても上記結像位置がほとんど変わらない。
【選択図】図１

Description

この発明は赤外線カメラに用いる赤外線光学装置に関するものである。

一般に、レンズ材料は赤外線の波長によって屈折率が変化し、結像位置が移動して、解像度が低下する（以下、この現象を色収差と呼ぶ。）。

さらに、レンズの温度が変化すると、レンズの屈折率の変化等により、赤外線光学装置の結像位置が移動して、解像度が低下する（以下、この現象を熱収差と呼ぶ。）。

この色収差及び熱収差を抑制するためには、結像位置の移動を何らかの方法で補正する必要がある。

従来のこの種の赤外線光学装置として、特許第３１６８２２１号に示されたものがあり、それぞれ材料の異なるｎ枚組のレンズ厚と間隔を無視した薄肉近接光学系（ｎ：正の整数）における色収差及び熱収差の補正式を以下の式（３）に示す。

これらの式を満足するためには、式（３）を満たす少なくとも３種類の材料からなる３枚組光学系にすることが必要であり、これによって、熱収差及び色収差を抑制できる。

従来の赤外線光学装置は以上のように構成されていて、３種類以上の材料で３枚以上のレンズを有する光学系を構築しなければ、熱収差及び色収差を抑制できないといった課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、従来の赤外線光学装置と比較して少ない２種類の材料からなる２枚のレンズで構成され、熱収差及び色収差を抑制する赤外線光学装置を得ることを目的とする。

請求項１に記載された赤外線光学系は、添え字ｉを１ないし２の番号として、ｆをレンズの焦点距離、νをレンズのアッベ数、ωをレンズ材料の熱アッベ数、εを０に近い微小量とするとき、

となる２種類の材料からなる焦点距離f₁、f₂の２枚のレンズを備えることを特徴とする。

請求項２に記載された赤外線光学系は、撮像対象物からの入射赤外線を集光する屈折光学系と、検出器とで構成する赤外線光学装置において、
上記入射赤外線を上記検出器へ入射させる屈折光学系として、添え字ｉを１ないし２の番号として、ｆをレンズの焦点距離、νをレンズのアッベ数、ωをレンズ材料の熱アッベ数、εを０に近い微小量、Ｐを２×２の正定行列とするとき、

を概略、同時に満足する合計２種類の材料を用いたことを特徴とする。

請求項３に記載された赤外線光学装置は、請求項２に記載の赤外線光学系と、上記赤外線光学系の上記検出器の出力から画像を検出、処理する画像検出処理回路とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、少なくとも２種類の材料からなる屈折光学系を構成して、色収差と熱収差を補正することにより、色収差及び熱収差による解像度の劣化が小さく抑えられ、従来の方法よりレンズ枚数を減らすことにより小型・軽量・安価な赤外線光学系乃至これを利用した赤外線光学装置を得ることができる。

図１に２枚のレンズを用いた赤外線光学系の構成断面図、図２に図１の赤外線光学系を用いた赤外線光学装置を示す。
図１において、１は第１のレンズ、２は第２のレンズ、３は第１、第２のレンズ１、２に入射した赤外線が集光される検知器、１０は入射赤外線である。

図１に示す本実施形態の赤外線光学系によれば、第１レンズ１に入射した入射赤外線１０は第２レンズ２を透過し、検知器３に結像される。

ここで、図１の赤外線光学系における２枚のレンズは、添え字ｉを１ないし２の番号として、ｆをレンズの焦点距離、νをレンズのアッベ数、ωをレンズ材料の熱アッベ数、εを０に近い微小量、Ｐを２×２の正定行列とするとき、上記式（３）に示した色収差及び熱収差の各補正式を、

と近似し、さらに以下の最小化問題を解くことにより焦点距離f1、f2の設計値を得て、これに基づき製作した材料の異なる２枚のレンズである。

式（４）を解くと、

を得る。

式（２）によって与えられるレンズの焦点距離f1、f2を用いた２枚のレンズによる本例の赤外線光学系は、従来と比較して少ない２枚のレンズでありながら色収差及び熱収差を従来よりも効果的に抑制することが可能である。

次に本例の赤外線光学系の上述した作用効果をより具体的な例に基づいて説明する。
レンズ等の配置構成が図１と同様の赤外線光学系であって、第１レンズの材料がGe、焦点距離が３０ｍｍ、第２レンズの材料がZnSe、焦点距離が−４１．３mmの２枚のレンズを有しており、前記各レンズの焦点距離が本発明の手法によらずに設定された赤外線光学系を比較例として考える。
この赤外線光学系の合成焦点距離は１１０ｍｍである。

GeとZnSeの屈折率、アッベ数、熱アッベ数は表１の通りである。

８〜１２μｍ近辺の波長の赤外線のうち、はじめ８μｍの波長の入射赤外線が比較例の赤外線光学系に入射し、その後９μｍの波長の入射赤外線に変化したものとする。加えて比較例の赤外線光学系の温度が６０℃変化したものとする。

このときの比較例の赤外線光学系の合成焦点距離の変化は２．２ｍｍであった。

次に、上記比較例と対比される本発明の実施形態の赤外線光学系として、上記式（１）のε₁ を１／１００００、ε₂ を１／１００００とし、上記式（４）におけるＰを次の式（５）で与えた場合の図１に示す本発明の赤外線光学系を検討する。

このとき、８〜１２μｍ近辺の波長の赤外線のうち、はじめ８μｍの波長の入射赤外線１０が図１に示す本例の赤外線光学系に入射し、その後９μｍの波長の入射赤外線１０に変化したものとし、加えて図１に示す本例の赤外線光学系の温度が６０℃変化したものとする。

このときの図１に示す本例の赤外線光学系の合成焦点距離の変化は１．５ｍｍであった。

以上のように、上記比較例と本発明の実施形態との比較から理解されるように、本発明の赤外線光学系は、第１レンズ１及び第２レンズ２に温度変化が起こり、かつ、撮像対象物から放射された波長の異なる入射赤外線１０がほぼ同じ位置に結像するので、色収差及び熱収差を同時に抑制することができ、比較例に比して同条件では焦点距離の変化が少なくて済む。

次に、図１の赤外線光学系を用いることにより、図２のような赤外線光学装置を構成することができる。
図２の赤外線光学装置において、１は第１のレンズ、２は第２のレンズ、３は第１、第２のレンズ１、２に入射した赤外線が集光される検知器、４は赤外線を透過する材質からなり第１、第２のレンズ１、２と検知器３を収納するドーム、５はドーム４の外部に設けられ、検知器３からの信号を受けて画像を検出、処理する画像検出処理回路、１０は入射赤外線である。

図２に示す本実施形態の赤外線光学装置によれば、ドーム４に入射した入射赤外線１０が第１レンズ１、第２レンズ２を透過し、検知器３に結像され、検知器３の出力から画像検出処理回路５によって画像を検出、処理することができる。

以上のように本実施形態の赤外線光学系乃至これを用いた赤外線光学装置によれば、２種類の異なる材料からなり、従来の構造より少ない２枚のレンズを備えた屈折光学系において、色収差と熱収差が補正されるようにレンズの焦点距離を設定しているので、色収差及び熱収差による解像度の劣化が小さく抑えられ、かつ２枚のレンズで光学系を構成することを可能とすることにより小型・軽量・安価な赤外線光学装置を提供することができるという効果が得られる。

本発明の一実施形態である赤外線光学系の構成断面図である。 本発明の一実施形態である赤外線光学系を用いた赤外線光学装置である。

符号の説明

１ 第１レンズ
２ 第２レンズ
３ 検知器
４ ドーム
５ 画像検出処理回路
１０ 入射赤外線

Claims (3)

1. 添え字ｉを１ないし２の番号として、ｆをレンズの焦点距離、νをレンズのアッベ数、ωをレンズ材料の熱アッベ数、εを０に近い微小量とするとき、
   

   

   となる２種類の材料からなる焦点距離f₁、f₂の２枚のレンズを備えることを特徴とする赤外線光学系。
2. 撮像対象物からの入射赤外線を集光する屈折光学系と、検出器とで構成する赤外線光学装置において、
   上記入射赤外線を上記検出器へ入射させる屈折光学系として、添え字ｉを１ないし２の番号として、ｆをレンズの焦点距離、νをレンズのアッベ数、ωをレンズ材料の熱アッベ数、εを０に近い微小量、Ｐを２×２の正定行列とするとき、
   

   

   を概略、同時に満足する合計２種類の材料を用いたことを特徴とする赤外線光学系。
3. 請求項２に記載の赤外線光学系と、上記赤外線光学系の上記検出器の出力から画像を検出、処理する画像検出処理回路とを備えたことを特徴とする赤外線光学装置。

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