JP2012103461A - 赤外線光学系 - Google Patents
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- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
Abstract
【課題】過酷な条件下の使用でも良好な画像を得ることができる赤外線光学系を、モールド成型で容易かつ安価に製造及び処理できるようにする。
【解決手段】１〜２μｍの短赤外線、３〜５μｍの中赤外線、８〜１２μｍの遠赤外線波長域などで用いられる赤外線光学系において、物体側より順に、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２を備えた２群２枚の構成を備え、前記第１レンズＬ１は、物体側に凸面を向けた凸非球面レンズであり、前記第２レンズＬ２は、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズであり、第１レンズＬ１の像側面を５輪帯の回折光学素子面（ＤＯＥ）とし、かつ、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２の面形状の極値がレンズ有効径外も含むレンズ面に形成されないようにカルコゲナイドガラスでモールド形成する。
【選択図】図１
【解決手段】１〜２μｍの短赤外線、３〜５μｍの中赤外線、８〜１２μｍの遠赤外線波長域などで用いられる赤外線光学系において、物体側より順に、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２を備えた２群２枚の構成を備え、前記第１レンズＬ１は、物体側に凸面を向けた凸非球面レンズであり、前記第２レンズＬ２は、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズであり、第１レンズＬ１の像側面を５輪帯の回折光学素子面（ＤＯＥ）とし、かつ、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２の面形状の極値がレンズ有効径外も含むレンズ面に形成されないようにカルコゲナイドガラスでモールド形成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、短赤外線から遠赤外線までの波長域で用いられる赤外線光学系に関する。
上述した赤外線光学系として、硫化亜鉛（ＺｎＳ）で形成された２群２枚レンズ、３群３枚レンズの赤外線レンズが開示されている（特許文献１、図５１、図６５、図７９、図９３、図９６）。
しかしながら、上述の特許文献１に記載の赤外線レンズは、レンズの面形状をなす曲面の極値、即ち凸面から凹面への変化点がレンズ有効径内に形成されているので、偏心較差の幅が狭く、超精密な研磨加工によらなければ作成できない。そのため、レンズの偏心が生じやすくなり、結果的に球面収差、歪曲収差、色収差などが発生してしまう。その結果、従来の３〜５μｍの中赤外線、８〜１２μｍの遠赤外線波長域で使用する赤外線イメージングシステム用の赤外線レンズは、過酷な環境下に晒される特殊な光学系に用いることが難しいという問題がある。
また、レンズ有効径からレンズ周縁までの数ｍｍ程度の環状（リング状）の範囲であるレンズ有効径外に極値がある場合も、モールド成型時のレンズ硝材の歪みがレンズ内部に残留し、レンズの使用環境によってはレンズ有効径のレンズ特性に影響する虞がある。
また、レンズ有効径からレンズ周縁までの数ｍｍ程度の環状（リング状）の範囲であるレンズ有効径外に極値がある場合も、モールド成型時のレンズ硝材の歪みがレンズ内部に残留し、レンズの使用環境によってはレンズ有効径のレンズ特性に影響する虞がある。
また、前記従来の赤外線レンズは、上述のように精密な研磨加工を施す必要があり、その製造コストが嵩むという問題があり、低製造コストで製造することが要望されている。
さらに、赤外線イメージングシステムに用いられる赤外線カメラは、レンズ鏡筒などの筐体にコンパクトに収納される必要があることから、光学系全体の全長を短くするとともに、鮮明に撮影できる範囲を広くするため、焦点距離を長くし、光学系を明るくする必要になる。
そこで、本発明は、赤外線イメージングシステムに用いられる赤外線光学系において、過酷な条件下の使用でも良好な画像を得ることができる赤外線光学系を容易かつ安価に製造できることを目的とする。また、光学系全体の全長を短くすることで、レンズ鏡筒などの筐体にコンパクトに収納することができ、焦点距離を長くし、光学系を明るくすることで、鮮明に撮影できる範囲を広くすることができる赤外線光学系を提供することを目的とする。
請求項１の発明は、物体側より順に、第１レンズ及び第２レンズを備えた２群２枚の構成を備え、前記第１レンズは、物体側に凸面を向けた凸非球面レンズであり、前記第２レンズは、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズであり、少なくとも１つのレンズの物側面又は像側面を回折光学素子面とし、かつ、レンズ有効径外も含むレンズ面に極値が形成されないようにしたことを特徴とする赤外線光学系である。
請求項２の発明は、物体側より順に、第１レンズ及び第２レンズを備えた２群２枚の構成を備え、前記第１レンズは、物体側に凸面を向けた凸非球面レンズであり、前記第２レンズは、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズであり、少なくとも１つのレンズの物側面又は像側面を回折光学素子面とし、全系の焦点距離をｆ、第１レンズＬ１の焦点距離をｆ１として、以下の条件式を満たす、赤外線光学系である。
２．０＜ｆ１／ｆ
２．０＜ｆ１／ｆ
請求項３の発明は、物体側より順に、第１レンズ及び第２レンズを備えた２群２枚の構成を備え、前記第１レンズは、物体側に凸面を向けた凸非球面レンズであり、前記第２レンズは、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズであり、少なくとも１つのレンズの物側面又は像側面を回折光学素子面とし、Ｆ／０．９５の明るさを有することを特徴とする赤外線光学系である。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の赤外線光学系において、前記第１レンズ及び前記第２レンズがカルコゲナイドガラスで構成されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の赤外線光学系において、画像形成素子を備えることを特徴とする。
本発明によれば、１〜２μｍの短赤外線、３〜５μｍの中赤外線、８〜１２μｍの遠赤外線波長域で用いられる赤外線光学系において、過酷な環境下で良好な画像を得ることができる赤外線光学系をモールド成型により容易かつ安価に製造することができる。また、光学系全体の全長を短くすることで、レンズ鏡筒などの筐体にコンパクトに収納することができ、焦点距離を長くし、光学系を明るくすることで、鮮明に撮影できる範囲を広くすることができる。
以下実施形態に係る赤外線光学系について説明する。図１は本発明の実施形態に係る赤外線光学系の構成を示す図である。実施形態に係る赤外線光学系１０は物体側より順に、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２からなる２群２枚のレンズ構成を備える。また赤外線光学系１０は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２殿間に開口絞り１１が配置されるほか、イメージサークルに画像撮像素子１２が配置される。
第１レンズＬ１は、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズであり、１〜２μｍの短赤外線、３〜５μｍの中赤外線、８〜１２μｍの遠赤外線波長域で用いられる赤外線光学系で使用でき、２．６近傍の屈折率を有するカルコゲナイドガラスを硝材としてモールド成型で形成する。また、第１レンズＬ１は、その物体側面（第１面）を非球面とする。と共に、像側面（第２面）を回折光学素子面（ＤＯＥ）として構成する。また、第１レンズＬ１の第１面及び第２面の面形状の極値がレンズの有効径内および有効径外に形成されないよう構成する。ここで、カルコゲナイドガラス（カルコゲン化物ガラス）は、硫黄やセレン、テルルなどを主成分とするガラスであり、赤外光の透過性が高いという特徴を備え、主に赤外線透過材料として用いられる素材である。なお、モールド成型以外に、カルコゲナイドガラスを切削により成型してもよい。レンズの有効径とは、ＪＩＳ Ｂ７０９５に有効径の測定方法が規定されているように、レンズの光軸上の無限遠物点から出てレンズを通過する平行光線束の直径のことである。レンズ有効径外とは、有効径からレンズ周縁までの数ｍｍ程度の環状（リング状）の範囲のことである。
また、第２レンズＬ２は、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズであり、前記カルコゲナイドガラスを硝材としてモールド成型で形成する。また、第２レンズＬ２は、その物体側面（第３面）を非球面とする。また、第２レンズＬ２の物体側面（第３面）及び像側面（第４面）の面形状の極値がレンズの有効径内に形成されないよう構成する。
そして、本実施形態に係る赤外線光学系１０では、第１レンズＬ１又は第２レンズＬ２の少なくとも１つの面を回折光学素子面（ＤＯＥ）として構成する。
ここで、本実施例に係る赤外線光学系１０の各レンズＬ１、Ｌ２は、レンズの偏心除去（芯取り、あるいは心取り）作業時において、周縁切削加工されていないレンズを撮像素子ＣＣＤで撮像し偏心状態を確認し、あるいは、レーザ干渉計でレンズ面にレーザ照射し偏心状態を確認する。このような偏心除去（芯取り、あるいは心取り）加工により、レンズの面形状の極値がレンズ有効径内に形成されないようにする。
画像撮像素子１２は、１〜２μｍの短赤外線、３〜５μｍの中赤外線、８〜１２μｍの遠赤外線波長域で撮像できる、例えばＣＣＤ撮像素子であり、短赤外線、中赤外線、遠赤外線などが透過する薄板で形成される検知器窓１３が配置されている。
以下赤外線光学系１０の実施例１について説明する。実施例１に係る赤外線光学系１０は、図１に示した構成を備える。また、赤外線光学系１０は、ｆ：全系の焦点距離、ｆ１：第１レンズＬ１の焦点距離として、以下の条件式を満たすものとした。
２．０≦ｆ１／ｆ・・・条件式
２．０≦ｆ１／ｆ・・・条件式
また、赤外線光学系１０は、Ｆナンバーを０．９５とし、焦点ｆを１９．７ｍｍとすると共に、波長範囲を１〜２μｍの短赤外線、３〜５μｍの中赤外線、８〜１２μｍの遠赤外線波長域のうちで７μｍ〜１４μｍ（中心波長９．３μｍ）とした。ここで、７μｍ〜１４μｍの波長領域としたのは、８〜１２μｍの遠赤外線の一般的な波長領域を拡張し、広範囲な遠赤外線波長領域で撮像可能にするためである。
また、実施例１に係る赤外線光学系１０は、視野角を横２０．３°×縦１５．３°、水平視野基準をｆ＝１９．７ｍｍ、バックフォーカスを少なくとも３．５ｍｍ以上、好ましくは８．０ｍｍ以上とした。赤外線光学系１０は、その周辺光量を対角端で、少なくとも８０％以上、好ましくは８３％以上とし、ＭＴＦは、光軸上で、少なくとも０．６０以上、好ましくは０．７０以上、水平線上で、少なくとも０．５０以上、好ましくは０．６１以上とした（但し、２０ｌｐ／ｍｍ、Ｒ／Ｔ平均）。
また、赤外線光学系１０の歪曲収差は、対角端で、±３％以内、実際に設計した場合、−１．０６％程度とした。また、環境温度は、‐４０℃〜＋８５℃で最適な光学特性を備える。
そして、第１レンズＬ１の第１面は、非球面であり、その非球面係数を最大１６乗とした。また、第１レンズＬ１の第２面を５輪帯ＤＯＥ（回折素子）面とした。
ここで、一般的に使用するゲルマニウムは希少金属の結晶材で非常に高価である。また、研磨や切削にて形状を加工しているのが現状である。カルコゲナイドガラスは、ゲルマニウム、アンチモン、セレン等を主成分とするガラス材であり、前記結晶材に比較して安価であり、モールド成型が可能である。
また、画像撮像素子１２は、横：７．０４ｍｍ、縦：５．２８ｍｍ、対角：８．８ｍｍ、３２０×２４０（ＱＶＧＡ）のものとした。
第１レンズＬ１の具体的なレンズデータは、以下の通りである。
ｆ＝１９．７０ｍｍ、口径比Ｆ／０．９５、画角２ω＝２５°、合焦距離１ｍ〜∞
ｆ１＝４１．７８ｍｍ
２＜ｆ１／ｆ＝２．１２
０．３＜ＦＢ／ｆ＝０．４１
ｆ＝１９．７０ｍｍ、口径比Ｆ／０．９５、画角２ω＝２５°、合焦距離１ｍ〜∞
ｆ１＝４１．７８ｍｍ
２＜ｆ１／ｆ＝２．１２
０．３＜ＦＢ／ｆ＝０．４１
面番号 曲率半径[mm] 間隔[mm] 硝材
１ 17.08 6.30 カルコゲナイドガラス
２ 17.52 9.95
３ 12.90 2.70 カルコゲナイドガラス
１ 17.08 6.30 カルコゲナイドガラス
２ 17.52 9.95
３ 12.90 2.70 カルコゲナイドガラス
名称 波長 7μｍ 8μｍ 10μｍ 12μｍ 14μｍ
カルコゲナイドガラス 屈折率 2.6092 2.6068 2.6010 2.5938 2.5847
カルコゲナイドガラス 屈折率 2.6092 2.6068 2.6010 2.5938 2.5847
非球面式は、下記式で定義され、面番号１、２、３、４のそれぞれの非球面の係数を以下に示す。
また、第１レンズＬ１の第２面は、ＤＯＥ（回折素子）面として形成されており、そのＤＯＥ面の定義が下記の光路差関数Ψで表される。ＤＯＥ（回折素子）面は同心円状で階段状に削られ形成されており、基板面に対する削り量が下記の削り量の式で表される。５輪帯になっているので、光路差関数の係数は下記ａ１〜ａ５で表されている。
光路差関数
基板面に対する削り量
赤外線光学系１０の各面の非球面係数及びＤＯＥ計数は以下の通りである。
面番号１
記号 値
K -0.39283
A4 -1.46985×10-5
A6 -7.44257×10-8
A8 -3.99728×10-9
A10 4.42781×10-11
A12 -5.35900×10-13
A14 3.24691×10-15
A16 -9.41910×10-18
面番号１
記号 値
K -0.39283
A4 -1.46985×10-5
A6 -7.44257×10-8
A8 -3.99728×10-9
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A12 -5.35900×10-13
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面番号２
記号 値
K -5.76364
A4 7.75565×10-5
A6 -1.49645×10-6
A8 -2.00327×10-9
A10 4.49796×10-11
A12 3.97166×10-15
A14 -6.22371×10-16
A16 0
記号 値
K -5.76364
A4 7.75565×10-5
A6 -1.49645×10-6
A8 -2.00327×10-9
A10 4.49796×10-11
A12 3.97166×10-15
A14 -6.22371×10-16
A16 0
面番号２（ＤＯＥ（回折素子）面係数）
記号 値
a1 -5.1315×10-4
a2 -2.1562×10-6
a3 4.7796×10-8
a4 -2.5526×10-10
a5 2.8359×10-13
記号 値
a1 -5.1315×10-4
a2 -2.1562×10-6
a3 4.7796×10-8
a4 -2.5526×10-10
a5 2.8359×10-13
面番号3
記号 値
K 0
A4 5.83897×10-5
A6 -1.62459×10-6
A8 7.21362×10-8
A10 -5.10774×10-9
A12 9.13285×10-11
A14 -7.64069×10-13
A16 -1.62890×10-15
記号 値
K 0
A4 5.83897×10-5
A6 -1.62459×10-6
A8 7.21362×10-8
A10 -5.10774×10-9
A12 9.13285×10-11
A14 -7.64069×10-13
A16 -1.62890×10-15
面番号4
記号 値
K -1.02069
A4 1.95002×10-4
A6 -2.14604×10-6
A8 2.80001×10-8
A10 -5.83949×10-9
A12 6.78996×10-11
A14 0
A16 0
記号 値
K -1.02069
A4 1.95002×10-4
A6 -2.14604×10-6
A8 2.80001×10-8
A10 -5.83949×10-9
A12 6.78996×10-11
A14 0
A16 0
次に、実施例１に係る赤外線光学系１０の特性について説明する。図２は実施例１に係る赤外線光学系１０の球面収差（単位ｍｍ）、非点収差（単位ｍｍ）、歪曲収差（単位％）を示すグラフである。図２に示すように、球面収差、歪曲収差は、ともに略ゼロに抑えられている。歪曲収差図から１．０％以内に歪みが抑えられていることがわかる。
また、図３は同じく周波数特性を示すグラフである。さらに、図４は同じくスルーフォーカス特性を示すグラフである。実施例に係る赤外線光学系１０は、全域において、回折限界値を下回ることがわかる。そして、図５は環境温度によるＭＴＦの変化を示すグラフである。実施例に係る赤外線光学系１０は、−４０°Ｃ〜＋８５°Ｃで良好な光学特性を備えることがわかる。
次に実施例２について説明する。図６は実施例２に係る赤外線光学系の構成を示す図である。赤外線光学系２０は、第２レンズＬ２の像側面（面番号３）にＤＯＥを形成するほか、実施例１と同様の構成を備える。
実施例２に係る赤外線光学系２０は、Ｆナンバーを０．９５、水平視野基準をｆ＝１９．４０ｍｍ、画角を２ω＝２６°とし、第１レンズＬ１の焦点距離をｆ１＝１２０．６６ｍｍとした。また、開口数ＮＡを２．５〜２．６とする。このとき
２＜ｆ１／ｆ＝６．２２
０．３＜ＦＢ／ｆ＝０．６０
を満たすものとした。
２＜ｆ１／ｆ＝６．２２
０．３＜ＦＢ／ｆ＝０．６０
を満たすものとした。
また、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２をカルコゲナイドガラスでモールド成形した。
なお、開口絞り１１、画像撮像素子１２及び検知器窓１３は、実施例１のものと同じ構成を備える。
なお、開口絞り１１、画像撮像素子１２及び検知器窓１３は、実施例１のものと同じ構成を備える。
以下レンズデータを示す。
面番号 曲率半径[mm] 間隔[mm] 硝材
１ 16.5593 6.1956 カルコゲナイドガラス
２ 13.9367 8.3723
３ 21.0956 2.8044 カルコゲナイドガラス
４ 91.3894 ―
面番号 曲率半径[mm] 間隔[mm] 硝材
１ 16.5593 6.1956 カルコゲナイドガラス
２ 13.9367 8.3723
３ 21.0956 2.8044 カルコゲナイドガラス
４ 91.3894 ―
名称 波長 7μm 8μm 10μm 12μm 14μm
カルコゲナイドガラス 屈折率 2.6092 2.6068 2.6010 2.5938 2.5847
カルコゲナイドガラス 屈折率 2.6092 2.6068 2.6010 2.5938 2.5847
また、非球面式Ｚ、光路差係数、第２レンズＬ２の像側面（面番号３）に形成したＤＯＥの光路差関数Ψ、基板面に関する削り料ｄＺ（ｈ）を実施例１と同一の定義を用いて、面番号１、２、３、４のそれぞれの係数、を以下に示す。ここで、第２レンズＬ２の像側面（第３面）は、ＤＯＥ（回折素子）面は同心円状で階段状に削られ形成されている。
非球面係数
面番号1
K -0.31552
A4 -1.90441×10-5
A6 -1.35428×10-7
A8 -4.64337×10-9
A10 4.99537×10-11
A12 -5.57900×10-13
A14 2.36475×10-15
A16 -2.45975×10-18
面番号1
K -0.31552
A4 -1.90441×10-5
A6 -1.35428×10-7
A8 -4.64337×10-9
A10 4.99537×10-11
A12 -5.57900×10-13
A14 2.36475×10-15
A16 -2.45975×10-18
面番号2
記号 値
K -4.28573
A4 1.40585×10-4
A6 -1.90934×10-6
A8 -8.82931×10-9
A10 7.19014×10-11
A12 6.19163×10-13
A14 -4.12287×10-15
A16 0
記号 値
K -4.28573
A4 1.40585×10-4
A6 -1.90934×10-6
A8 -8.82931×10-9
A10 7.19014×10-11
A12 6.19163×10-13
A14 -4.12287×10-15
A16 0
面番号3
記号 値
K 0
A4 1.11929×10-4
A6 2.78881×10-7
A8 -5.56371×10-8
A10 3.37190×10-9
A12 -7.95450×10-11
A14 8.38234×10-13
A16 -3.63517×10-15
記号 値
K 0
A4 1.11929×10-4
A6 2.78881×10-7
A8 -5.56371×10-8
A10 3.37190×10-9
A12 -7.95450×10-11
A14 8.38234×10-13
A16 -3.63517×10-15
面番号３（ＤＯＥ（回折素子）面係数）
記号 値
a1 -8.1796×10-4
a2 -2.0683×10-7
a3 8.9259×10-8
a4 -1.5891×10-9
a5 6.7516×10-12
記号 値
a1 -8.1796×10-4
a2 -2.0683×10-7
a3 8.9259×10-8
a4 -1.5891×10-9
a5 6.7516×10-12
面番号4
記号 値
K -0.65559
A4 1.84181×10-4
A6 -3.22248×10-6
A8 1.56657×10-7
A10 -2.52275×10-9
A12 1.04247×10-11
A14 0
A16 0
記号 値
K -0.65559
A4 1.84181×10-4
A6 -3.22248×10-6
A8 1.56657×10-7
A10 -2.52275×10-9
A12 1.04247×10-11
A14 0
A16 0
次に、実施例２に係る赤外線光学系０の特性について説明する。図７は実施例に係る赤外線光学系１０の球面収差（単位ｍｍ）、非点収差（単位ｍｍ）、歪曲収差（単位ｍｍ）を示すグラフである。図７に示すように、球面収差、歪曲収差は、ともに略ゼロに抑えられている。歪曲収差図から１．０％以内に歪みが抑えられていることがわかる。
以上説明したように、本実施例に係る赤外線光学系は、製造及び処理が容易なモールド成型が可能で安価に入手できるカルコゲナイドガラスを使用し、極値がレンズ有効径外も含むレンズ面にないように十分に製造、加工、切削することができる。
１０ 赤外線光学系
１１ 開口絞り
１２ 画像撮像素子
１３ 検知器窓
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
２０ 赤外線光学系
１１ 開口絞り
１２ 画像撮像素子
１３ 検知器窓
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
２０ 赤外線光学系
Claims (5)
- 物体側より順に、第１レンズ及び第２レンズを備えた２群２枚の構成を備え、
前記第１レンズは、物体側に凸面を向けた凸非球面レンズであり、
前記第２レンズは、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズであり、
少なくとも１つのレンズの物側面又は像側面を回折光学素子面とし、
かつ、レンズ有効径外も含むレンズ面に極値が形成されないようにしたことを特徴とする赤外線光学系。 - 物体側より順に、第１レンズ及び第２レンズを備えた２群２枚の構成を備え、
前記第１レンズは、物体側に凸面を向けた凸非球面レンズであり、
前記第２レンズは、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズであり、
少なくとも１つのレンズの物側面又は像側面を回折光学素子面とし、
全系の焦点距離をｆ、第１レンズＬ１の焦点距離をｆ１として、以下の条件式を満たす
ことを特徴とする赤外線光学系。
２．０＜ｆ１／ｆ - 物体側より順に、第１レンズ及び第２レンズを備えた２群２枚の構成を備え、
前記第１レンズは、物体側に凸面を向けた凸非球面レンズであり、
前記第２レンズは、物体側に凸面を向けた凸メニスカスレンズであり、
少なくとも１つのレンズの物側面又は像側面を回折光学素子面とし、
Ｆ／０．９５の明るさを有することを特徴とする赤外線光学系。 - 前記第１レンズ及び前記第２レンズがカルコゲナイドガラスで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の赤外線光学系。
- 画像形成素子を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の赤外線光学系。
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