JP2015203850A - 赤外線撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い解像性能を維持しかつ入手が困難で高価な赤外線レンズ材料の容積を減少させることによって、赤外線撮像装置のコンパクト化及びコストダウン化を実現した赤外線撮像装置を提供すること。
【解決手段】少なくとも一面がフレネル面であるフレネルレンズを少なくとも一枚有する赤外線レンズ光学系を有する赤外線撮像装置であって、前記フレネルレンズが、波長３０００ｎｍ〜１４０００ｎｍの間の使用波長範囲の少なくとも一つの単波長において、厚さ４ｍｍのコート無しの平行平面板の透過率が３５％以上のレンズ材料のレンズからなり、該フレネル面の曲面の法線とフレネルレンズの光軸とのなす角度θの最大値が、条件式５°≦ θ ≦ ６５を満足する赤外線撮像装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線撮像装置、さらに詳しくは、被写体が放射した赤外線によって赤外線像を形成して撮影する赤外線撮像装置に関する。

赤外線撮像装置は、近年、赤外線サーモグラフィ、監視装置、工業計測機器、医療計測機器だけでなく、車載用機器、自動ドア、冷暖房機器等に使用する対人センサ(人検出センサ)として幅広く利用されている。

しかし、波長３０００ｎｍ（３μｍ）〜１４０００ｎｍ（１４μｍ）の赤外波長領域における使用に適したレンズ材料であるゲルマニュウム、ジンクセレン、カルコゲドナイドガラス等は、可視光用のレンズ材料に比較して、材料鉱石の採掘が困難である等の理由により非常に高価であり、構成レンズ枚数の削減や構成レンズのコンパクト化による製造コストの低減が強く要望されている。

構成レンズ枚数の削減や構成レンズのコンパクト化のために、赤外線レンズ光学系にフレネル面を含めることは、公知である。すなわち、片面をフレネル面、他方の面を平面で構成した凸レンズの作用を持つフレネルレンズを２枚具備し、二つの条件式を有する赤外線レンズ光学系が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

他の従来の赤外線レンズ光学系として、少なくとも２枚の球面レンズと、少なくとも１枚の薄い平板レンズとを備え、前記平板レンズの一方の面がフレネルレンズである赤外線レンズ光学系が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献では、前記平板レンズの一方の面が回折面である赤外線レンズ光学系も提案している。

なお、可視光レンズ光学系においても、構成レンズ枚数の削減や構成レンズのコンパクト化のために、フレネル面を有するレンズ光学系が提案されている。すなわち、物体側より順に負の屈折力を有する第１のレンズ及び正の屈折力を有する第２のレンズからなり、前記第１のレンズの入射面がフレネル面、前記第２のレンズの入射面がフレネル面、前記第２レンズの出射面が非球面である広角レンズが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

構成レンズ枚数の削減や構成レンズのコンパクト化のためにフレネル面を有する可視光レンズ光学系の他の従来技術として、物体側より順に負の屈折力を持つ第１のレンズと、正の屈折力を持つ第２のレンズとを備え、これら第１及び第２のレンズの少なくとも一面の球面を基準に並べたフレネル面、及び非球面を設けた広角レンズであって、フレネル面が不均一な輪帯間隔をもって形成されている広角レンズが提案されている（例えば、特許文献４参照）。

一方、公知の可視光光学系でフレネル面を有するレンズとしては、レンズ本体の少なくとも１つの面を非球面に形成するとともに、このレンズ本体の物体側の第１面または撮像面側の第２面のうち少なくとも１面をフレネル面とした撮像レンズが提案されている（引用文献５請求項１）。
引用文献５の撮影レンズに関し、レンズ本体を、第１レンズと第２レンズとを接合することにより形成も提案されている（特許文献５請求項２）。

公知の可視光光学系でフレネル面を有するレンズとしては、また、レンズ本体の撮像面側の第２面をフレネル面に形成するとともに、前記レンズ本体の物体側の第１面または撮像面側の第２面のうち少なくとも１面に回折素子を一体的に形成したことを特徴とする撮像レンズが提案されている（例えば、特許文献６参照）。

特許第３７５８０７２号公報 特開平１０−３０１０２４号公報 特開平０６−２３０２７５号公報 特開平０７−０４３６０７号公報 特開２００２−５５２７３号公報 特開２００２−３５０７２３号公報

上述した従来技術の可視光レンズ光学系は、例えば１００本／ｍｍ以上の高い解像力を要求される可視光領域の撮像装置においては、フレネルレンズの輪帯のピッチと光の波長に関連して発生する回折像や、輪帯間の段差によって発生するフレアーの影響によって、解像力が著しく低下する。一方、可視光撮像装置は、一般的にカラー像を形成し、そのため撮像素子は各画素のＲ，Ｇ，Ｂのいずれかのフィルターを配置している。これらのＲ，Ｇ，Ｂのフィルターは、所定の波長をピークとし、１００〜数１０ｎｍの範囲を透過領域とするものである。そのため、各受光画素は、狭い回折角度範囲の光を受光することになり、結像面上にある程度鮮明な回折像が形成され、さらに正規画像と該正規像に対しずれた位置する回折像が形成されることになる。そのため、可視光結像系にフレネル面を含めることは好ましくなく、産業上フレネル面が採用されるのは、上述した回折像問題やフレアー問題が許容される照明系や簡易な拡大鏡等のように高い解像力を要求されないものに限定されている。

一方、赤外線撮像素子は、いずれの受光素子も入射光を分光することなく所定波長領域の全ての波長の光を受光する。その結果、赤外線撮像素子の受光感度波長範囲に対応する非常に広波長範囲の回折角度に回折した光による画像が、撮像素子上に、正規画像からずれて形成される。
従って、赤外線撮像素子上では、回折像はぼやけた像であり、また輪帯間の段差によって発生するフレアーの影響もあり、不鮮明な回折光の光赤外線像が形成される。
さらに、３０００ｎｍ〜１４０００ｎｍの赤外線は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光に比較して波長が１０〜２０倍長く、解像限界が低い。しかし、画像処理によって画像全体のコントラストを上げることが可能であり、回折の影響を実用上弊害にならない程度に小さくすることができる。

引用文献１によって提案された片面をフレネル面、他方の面を平面で構成した凸レンズの作用を持つフレネルレンズを２枚具備し、二つの条件式を有する赤外線レンズ光学系は、全レンズ系の焦点距離と、各フレネルレンズの焦点距離が決定されると、前記フレネルレンズの曲率と主点位置が決定される。その結果、収差補正のために使用できるパラメータはフレネル面の非球面形状のみであり、収差補正が十分でない状態で実施せざるを得ず、所望の解像力を実現できないという問題がある。

引用文献２によって提案された少なくとも２枚の球面レンズと、少なくとも１枚の薄い平板レンズとを備え、前記平板レンズの一方の面がフレネルレンズである赤外線レンズ光学系は、２枚のレンズが球面レンズであり、入手が困難で高価な赤外線レンズ材料を多く含み、製造コストの低減の程度は低い。また、球面収差はある程度補正されるが、非点収差やコマ収差は十分補正することができないという問題が推定される。

また、仮に、引用文献５請求項２に記載された接合レンズを形成して色収差を補正することを本発明の赤外線撮像装置に応用しようとすると、赤外線用レンズ材料の種類は非常に少なく、赤外線用レンズ材料の貼り合わせによって色収差を補正することは困難である。加えて、赤外線を透過する接着剤は存在しない。従って、引用文献５の凹凸２枚のレンズを接合する技術は、赤外線レンズ光学系には応用することが実質上不可能である。

さらに、仮に、引用文献５請求項２に記載された接合レンズを形成して色収差を補正することを本発明の赤外線撮像装置に応用しようとすると、製造上の大きな問題がある。すなわち、２枚のレンズを接合する場合、基準となる一方のレンズＡを固定し、次に他方のレンズＢをレンズＡに対して移動させて、両レンズＡ，Ｂの合成透過芯精度すなわち両レンズＡ，Ｂを単一レンズと過程したときの芯精度を高めるように調整する。しかし、実際上、レンズＢのレンズＡに対する光学的シフト／ティルト量は、両レンズＡ，Ｂの芯精度の影響を受けるから、大きくなることが避けられない。その結果、レンズＢのフレネル面の輪帯から発生する回折光や輪帯間の段差によって発生するフレアーが、結像面の偏った位置に出現することになり、レンズＢのフレネル面の大きな光学的シフト／ティルト量の影響が顕著になり、画像の鮮明さが低下する。

（発明の目的）
本発明は、赤外線撮像装置、特に赤外線撮像装置の赤外線レンズ系の上述した問題点に鑑みなされたものであって、高い解像性能を維持しかつ入手が困難で高価な赤外線レンズ材料の容積を減少させることによって、赤外線撮像装置のコンパクト化及びコストダウン化を実現した赤外線撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、
少なくとも一面がフレネル面であるフレネルレンズを少なくとも一枚有する赤外線レンズ光学系を有する赤外線撮像装置であって、
前記赤外線レンズ光学系が、波長３０００ｎｍ〜１４０００ｎｍの間の使用波長範囲の少なくとも一つの単波長において、厚さ４ｍｍのコート無しの平行平面板の透過率が３５％以上のレンズ材料からなり、前記フレネルレンズの両面が曲面であり、該曲面の法線とフレネルレンズの光軸とのなす角度θの最大値が、条件式（１）を満足することを特徴とする赤外線撮像装置
条件式（１） ５°≦ θ ≦ ６５°
である。

本発明の赤外線撮像装置によれば、高い解像性能を維持しかつ材料鉱石の採掘が困難である等の理由で高価な赤外線レンズ材料の容積を減少させることによって、赤外線撮像装置のコンパクト化及びコストダウン化を実現した赤外線撮像装置を構成することができる。

条件式（１）について説明する。条件式（１）は、少なくとも一面がフレネル面であるフレネルレンズを少なくとも一枚有する赤外線レンズ光学系を有する赤外線撮像装置において、収差補正、特に球面収差、非点収差、コマ収差を十分に補正するための条件である。
条件式（１）の下限を超えると、フレネル面の基礎面の変化による球面収差、非点収差、コマ収差等の変化量が少なく、球面収差、非点収差、コマ収差等を十分に補正することができない。
条件式（１）の上限を超えると、収差補正は可能になるが、フレネルレンズの厚さを一定範囲内に抑えるためにフレネル面の輪帯数が多くなり、フレネル輪帯の半径方向の幅が小さくなる。その結果、各フレネル輪帯の内外周の段差すなわち輪帯のサグから多くのフレアが発生し、鮮明な結像の形成を妨げる。
鮮明な結像の形成するために、５°≦ θ ≦ ５５°はより好ましい。

前記赤外線レンズ光学系が、波長３０００ｎｍ〜１４０００ｎｍの間の使用波長範囲の少なくとも一つの単波長における厚さ４ｍｍのコート無しの平行平面板の透過率が３５％以上のレンズ材料を使用することは、明るく鮮明な結像を得るための条件である。
より好ましくは、前記赤外線レンズ光学系が、波長３０００ｎｍ〜１４０００ｎｍの間の使用波長範囲の少なくとも一つの単波長における厚さ４ｍｍのコート無しの平行平面板の透過率が４５％以上のレンズ材料を使用する。
さらにより好ましくは、前記赤外線レンズ光学系が、波長３０００ｎｍ〜１４０００ｎｍにおける厚さ４ｍｍのコート無しの平行平面板の透過率が５５％以上のレンズ材料を使用する。

（実施態様１）
本発明の赤外線撮像装置において、前記フレネルレンズのフレネル面が、条件式（２）を満足することを特徴とする。
条件式（２） ｜Ｘ／Ｒ｜ ≦ ０．１７
Ｒ：フレネル面の同心円状に分割されたフレネル輪帯のうちの最外側輪帯の外周縁の半径
Ｘ：最大深さ、すなわち光軸方向において、フレネル面の中心光軸方向位置から、フレネル面の最も遠い位置すなわちフレネル輪帯境界の最も深い位置までの距離

条件式（２）について説明する。フレネルレンズにおいて、フレネル面の輪帯への分割数を多くすると、設計上の解像力を高くすることができる。一方、輪帯の分割数を多くすると、輪帯間の段差及び該段差の加工誤差によるフレアーの発生が増えて解像力を低下させる。逆に、フレアーの発生を抑えるために、輪帯数を少なくすると、球面収差、非点収差、コマ収差等の補正が困難になる。

ここで、段差とは、輪帯の境界における両輪帯の縁部の光軸Ｏ方向の距離である。図８２において、段差ＳＤ（２０１２，２０１４）は、輪帯２０１２，２０１４の段差である。

従来の多くのフレネルレンズは、輪帯の半径方向の幅を一定にするか、又は各輪帯の外周縁及び内周縁の光軸方向の間隔すなわちいわゆる段差を一定にすることにより、各輪帯の頂点円周を結ぶ線がレンズ光軸と直交する直線となるようにしている。
しかし、フレネル面の輪帯の法線とレンズ光軸とのなす角度θが大きいフレネルレンズの場合、設計上の解像力を高くするために輪帯数を多くするが、輪帯間の段差及び該段差の加工誤差によって発生するフレアーが多くなり、解像力が低下する。

条件式（２）は、この輪帯間の段差及び該段差の加工誤差によって発生するフレアーを少なくするために、Ｒ：フレネル面の同心円状に分割された輪帯のうちの最外側輪帯の外周半径と、Ｘ：最大深さ、すなわち、光軸方向において、フレネル面の中心光軸方向位置から、フレネル面の最も遠い位置すなわちフレネル輪帯境界の最も遠い位置までの光軸方向距離の比を制限する。条件式（２）の上限を超えた場合、赤外線レンズ材料の容積を減少させる効果が少なく、赤外線撮像装置のコンパクト化及びコストダウン化が十分に実現できない。

ここで、最大深さＸは、図８２に示すように、フレネル面２００２がフレネル中心領域２００１，フレネル輪帯２０１０，２０１２、２０１４を有するフレネルレンズ２０００において、フレネル中心領域２００１の中心にある中心光軸方向位置Ｃから、フレネル面の最も遠い光軸方向位置Ｄすなわちフレネル輪帯境界の最も深い光軸方向位置Ｄまでの距離である。
最外側輪帯の外周半径Ｒは、フレネル面の同心円状に分割されたフレネル輪帯のうちの最外側輪帯の外周縁の半径である。
また、本発明において、フレネル中心領域２００１も、内周縁の直径０ｍｍの輪帯とする。

（実施態様２）
本発明の赤外線撮像装置において、前記フレネル面の少なくとも一面は、該フレネル輪帯間の段差部の総数の８０％以上が、条件式（３）を満足することを特徴とする。
条件式（３） ０．７≦Ｐ／Ｎ≦１．３
Ｔ_ＭＡＸ ： 段差部の段差の最大値
Ｔ_ＭＩＮ ： 段差部の段差の最小値
Ｐ ＝ Ｔ_ＭＡＸ ／ Ｔ_ＭＩＮ
Ｎ ： Ｐに最も近い整数

条件式（３）は、フレネル面の隣り合うフレネル輪帯の段差部の光軸方向の段差すなわち長さの比を定義している。フレネル面の隣り合うフレネル輪帯の段差部の光軸方向の段差は、光束がフレネル面のそれぞれの輪帯部分を通過する前後で光束の波面が揃う（位相が揃う）、すなわちフレネル輪帯に入射した光束の波面が揃っている場合、該フレネル輪帯から射出する光束の波面が揃うように設定すると、解像性能を高く維持できる。但し、レンズ系に要求される解像性能に応じてある範囲の収差量は許容されるので、射出される光束の波面は、完全に揃わなくても、フレネル面の有効径内の段差部数の８０％以上の段差部において、条件式（３）を満足していれば、解像性能を確保できる。
より好ましくは、０．８≦Ｐ／Ｎ≦１．２を満足すると、より良い解像性能を確保できる。
さらに好ましくは、０．８５≦Ｐ／Ｎ≦１．１５を満足すると、より鮮明な解像性能を確保できる。
さらに好ましくは、０．９≦Ｐ／Ｎ≦１．１を満足すると、更により鮮明な解像性能を確保できる。

ここで、段差部Ｓは、図８２に示すように、フレネル輪帯の境界部である。フレネル身体２０１２，２０１４の段差部Ｓ(２０１２，２０１４）は、光軸方向の段差ＳＤ(２０１２，２０１４）を有する。

（実施態様３）
本発明の赤外線撮像装置において、前記フレネルレンズは、両面がフレネル面であることを特徴とする。
一枚のレンズの両面をフレネル面にすることによって、高価な赤外線レンズ材料の容積を減少させることができる。さらに、該レンズの両面の形状を収差補正のためのパラメータとして使用することによって光学設計の自由度が増加し、収差を良好に補正し、高い解像力の結像を得ることができる。

さらに、引用文献５に関する段落０００９に記載された製造に関する問題を鑑みるとき、本発明の一枚のレンズの両面をフレネル面にする構成は、フレネルレンズの光学的シフト／ティルト量をレンズ加工機の加工精度まで向上させることができ、高い画質を得ることができる。
さらに、両面をフレネル面にすることによって、フレネル化したレンズの主点間隔を小さくすることができる。その結果、本赤外光学系の周辺部を通過する光線の通過高さを低くし、レンズ直径を小さくして赤外線レンズ材料容積を削減することができる。

（実施態様４）
本発明の赤外線撮像装置において、前記フレネル面は、その輪帯の半径方向幅が不均一であることを特徴とする。
フレネル面の各輪帯の半径方向幅を変えることによって輪帯からの光の回折角度を変えることができる。輪帯の半径方向幅を不均一化することによって輪帯からの光の回折角度を不均一にして分散させ、回折によって発生するフレアーの影響を薄め、高い解像力を得ることができる。

回折角度を不均一とする構成例は、（１）フレネルレンズの中心から周辺部にかけてフレネル輪帯の半径方向幅を漸減させること、（２）フレネルレンズの中心から周辺部にかけてフレネル輪帯の半径方向幅を漸減させる中で、該フレネル輪帯の半径方向幅を部分的に前記漸減以上に減少させることもしくは部分的に増加させること、（３）フレネルレンズの中心から周辺部にかけてフレネル輪帯の半径方向幅を漸減させる中で、部分的に漸減を繰り返すこと、（４）フレネルレンズの中心から周辺部にかけてフレネル輪帯の半径方向幅を漸減させる中で、減少の割合を変化させることである。
好ましくは、フレネルレンズの中心から周辺部にかけてフレネル輪帯の半径方向幅を漸減させる中で、部分的に前記漸減以上に減少させる構成である。

ここで、フレネル輪帯の直径方向幅とは、図８２に示すように、フレネル輪帯２０１２に関し、直径方向幅Ｗ（２０１２）である。

（実施態様５）
本発明の赤外線撮像装置において、前記フレネル面の少なくとも一面は、フレネル輪帯数の８０％の輪帯の直径方向幅が全フレネル輪帯の直径方向幅の平均値の±２０％以内にあることを特徴とする。

フレネル面の輪帯の半径方向幅を均一にしながら輪帯の数を多くすれば、フレネル面を平面に近づけて赤外線レンズ材料の容積を低減できる。しかし、輪帯の数を多くすることによって、輪帯によって発生する回折光や、輪帯間の段差及び該段差の加工誤差によるフレアーの発生が増加し、結像の解像力が低下する。
そのため、赤外線レンズ材料の容積低減を維持しながら輪帯の数を低減するために、フレネル輪帯数の８０％の輪帯の直径方向幅が全フレネル輪帯の直径方向幅の平均値の±２０％以内にする。輪帯の直径方向幅をこのように制限することにより、フレネル面の加工が容易になり、またフレネル加工面の測定を効率的に行うことができる。

（実施態様６）
本発明の赤外線撮像装置において、前記フレネル面の有効直径の７５％以内の領域内に、全フレネル輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の輪帯があることを特徴とする。

上述したように、フレネル輪帯の分割数を多くすれば、フレネルレンズ面をよりフラットに近づけ、赤外線材料の容積を低減することができる。しかし、回折光や同心円状の段差部分からのフレアーが多く発生し、解像力が低下する。そのため、レンズ面の直交方向の変化に対する光軸方向位置の変化が大きいところは、細かくフレネル輪帯に分割し、逆に直径方向の変化に対する光軸方向位置の変化が少ないところは、細かいフレネル輪帯に分割せずにスムーズなレンズ面のままとすることによって、赤外線材料の容積を低減する。
このように構成することによって、同時に、フレアー量を低減して高い解像力を維持することができる。多くのレンズにおいては、レンズ材料の厚さへの影響力は、レンズ面の中心部分より周辺部分の方が大きい。また、解像力に最も影響するのは有効光束径の約７０％の光線である。

これらのことを考慮すると、フレネルレンズの輪帯に分割する範囲を、フレネルレンズの中心部分をスムーズなレンズ面のままにしたり、周辺部分より輪帯数を減らしたりすることにより、材料の容積を低減し、かつフレアー量を削減し、高い解像力を得ることができる。レンズ面の中心領域が、周辺領域に比較して直径方向の変化に対する光軸方向位置の変化が大きいレンズは、フレネルレンズを輪帯に分割する領域を、レンズ面の中心部分にするなど、レンズ面の形状に応じてフレネル面に分割する範囲を適当に選択することにより、赤外線材料の容積を低減すると同時に、フレアー量を低減して高い解像力を維持することができる。

（実施態様７）
本発明の赤外線撮像装置において、前記赤外線光学系が、複数のフレネル面を有し、それぞれのフレネル輪帯の直径方向幅が異なることを特徴とする。
フレネルレンズの輪帯の半径方向幅を均一にしながら輪帯の数を多くすれば、フレネル面を平面に近づけて赤外線レンズ材料の容積を低減できることは、上述した通りである。しかし、輪帯の数を多くすることによって、回折光や段差部分及び段差部分の加工誤差によるフレアーの発生が増加し、結像の解像力が低下する。
前記回折光の影響の問題を、回折光の回折角度の分散によって減少させるため、前記赤外線撮像装置が、前記フレネル面を複数枚有し、該フレネル面のうち少なくとも２面が、異なった半径方向幅の輪帯を有する。

（実施態様８）
本発明の赤外線撮像装置において、前記フレネルレンズが、回折素子を一体的に形成していることを特徴とする。
引用文献６においては、可視光において、レンズ本体の結像側の第２面をフレネル面にするとともに、前記レンズ本体の被写体側の第１面又は前記結像側の第２面のうち少なくとも一面に回折素子を一体に形成する撮影レンズの構成を提案している。
回折角度は、基準波長と屋根形回折格子の幅の関数である。同じ回折角度を得るための回折格子数を検討すると、基準波長５５０ｎｍの可視光では、基準波長４０００ｎｍの赤外線に比較して、７倍の回折格子数となり、基準波長１１０００ｎｍの赤外線に比較して、２０倍の回折格子数となる。回折格子の数が増えると、輪帯間の段差の加工誤差が増え、解像力が低下する。従って、引用文献６の可視光用の撮影レンズは、回折面を有効に利用していない。
本実施態様のようにフレネルレンズに回折素子を一体的に形成すると、回折素子の数が少なくなってフレアーが減る利点に加えて、色収差を補正し、また画面の中心や周辺の収差を補正することができる。

本発明は、また、
フレネル輪帯の内周縁と外周縁の光軸方向の高さ差が最大である輪帯が、フレネルレンズの有効径の７５％の領域内にあり、かつ前記フレネル輪帯間の段差部の総数の８０％以上が、条件式（３）を満足する前記フレネルレンズを有することを特徴とする撮像装置
条件式（３） ０．７≦Ｐ／Ｎ≦１．３
Ｔ_ＭＡＸ ： 段差部の段差の最大値
Ｔ_ＭＩＮ ： 段差部の段差の最小値
Ｐ ＝ Ｔ_ＭＡＸ ／ Ｔ_ＭＩＮ
Ｎ ： Ｐに最も近い整数
である。

本発明の撮像装置の実施態様は、以下の通りである。
（実施態様９）
本発明の撮像装置において、前記フレネルレンズが、波長３０００ｎｍ〜１４０００ｎｍにおいて、厚さ４ｍｍのコートなし平行平面板での透過率が３５％以上ある材料で構成されていることを特徴とする。

（実施態様１０）
本発明の撮像装置において、前記フレネルレンズのフレネル面が、条件式（２）を満足することを特徴とする。
条件式（２） ｜Ｘ／Ｒ｜ ≦ ０．１７
Ｒ：フレネル面の同心円状に分割されたフレネル輪帯のうちの最外側輪帯の外周縁の半径
Ｘ：最大深さ、すなわち、光軸方向において、フレネル面の中心光軸方向位置から、フレ
ネル面の最も遠い位置すなわちフレネル輪帯境界の最も遠い位置までの光軸方向距離

（実施態様１１）
本発明の撮像装置において、前記フレネルレンズの両面が、それぞれ曲面であることを特徴とする。

（実施態様１２）
本発明の撮像装置において、前記フレネルレンズは、両面が曲面であり、該曲面の法線とフレネルレンズの光軸とのなす角度θの最大値が、条件式（１）を満足することを特徴とする撮像装置。
条件式（１） ５°≦ θ ≦ ６５°

本発明の赤外線撮像装置の第１実施形態の撮像光学系の光学図である。 第１実施形態の光学系の第１フレネル面の断面図である。 第１実施形態の光学系の第２フレネル面の断面図である。 第１実施形態の光学系の球面収差図である。 第１実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第２実施形態の撮像光学系の光学図である。 第２実施形態の光学系の第１フレネル面の断面図である。 第２実施形態の光学系の第２フレネル面の断面図である。 第２実施形態の光学系の第４フレネル面の断面図である。 第２実施形態の光学系の第５フレネル面の断面図である。 第２実施形態の光学系の球面収差図である。 第２実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第３実施形態の撮像光学系の光学図である。 第３実施形態の光学系の第２フレネル面の断面図である。 第３実施形態の光学系の第３フレネル面の断面図である。 第３実施形態の光学系の球面収差図である。 第３実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第４実施形態の撮像光学系の光学図である。 第４実施形態の光学系の第１フレネル面の断面図である。 第４実施形態の光学系の第２フレネル面の断面図である。 第４実施形態の光学系の第４フレネル面の断面図である。 第４実施形態の光学系の第５フレネル面の断面図である。 第４実施形態の光学系の球面収差図である。 第４実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第５実施形態の撮像光学系の光学図である。 第５実施形態の光学系の第６フレネル面の断面図である。 第５実施形態の光学系の第７フレネル面の断面図である。 第５実施形態の光学系の球面収差図である。 第５実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第６実施形態の撮像光学系の光学図である。 第６実施形態の光学系の第１フレネル面の断面図である。 第６実施形態の光学系の第２フレネル面の断面図である。 第６実施形態の光学系の球面収差図である。 第６実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第７実施形態の撮像光学系の光学図である。 第７実施形態の光学系の第５フレネル面の断面図である。 第７実施形態の光学系の球面収差図である。 第７実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第８実施形態の撮像光学系の光学図である。 第８実施形態の光学系の第５フレネル面の断面図である。 第８実施形態の光学系の球面収差図である。 第８実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第９実施形態の撮像光学系の光学図である。 第９実施形態の光学系の第１フレネル面の断面図である。 第９実施形態の光学系の第２フレネル面の断面図である。 第９実施形態の光学系の球面収差図である。 第９実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第１０実施形態の撮像光学系の光学図である。 第１０実施形態の光学系の第１フレネル面の断面図である。 第１０実施形態の光学系の第２フレネル面の断面図である。 第１０実施形態の光学系の球面収差図である。 第１０実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第１１実施形態の撮像光学系の光学図である。 第１１実施形態の光学系の第５フレネル面の断面図である。 第１１実施形態の光学系の第６フレネル面の断面図である。 第１１実施形態の光学系の第７フレネル面の断面図である。 第１１実施形態の光学系の球面収差図である。 第１１実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第１２実施形態の撮像光学系の光学図である。 第１２実施形態の光学系の第６フレネル面の断面図である。 第１２実施形態の光学系の第７フレネル面の断面図である。 第１２実施形態の光学系の球面収差図である。 第１２実施形態の光学系の非点収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第１３実施形態の撮像光学系の広角端及び望遠端の光学図である。 第１３実施形態の光学系の第１フレネル面の断面図である。 第１３実施形態の光学系の第３フレネル面の断面図である。 第１３実施形態の光学系の第４フレネル面の断面図である。 第１３実施形態の光学系の広角端の球面収差図である。 第１３実施形態の光学系の広角端の非点収差図である。 第１３実施形態の光学系の広角点で回折格子を除去した場合の球面収差図である。 第１３実施形態の光学系の望遠端の球面収差図である。 第１３実施形態の光学系の望遠端の非点収差図である。 第１３実施形態の光学系の望遠点で回折格子を除去した場合の球面収差図である。 本発明の赤外線撮像装置の第１４実施形態の撮像光学系の広角端及び望遠端の光学図である。 第１４実施形態の光学系の第６フレネル面の断面図である。 第１４実施形態の光学系の第７フレネル面の断面図である。 第１４実施形態の光学系の第８フレネル面の断面図である。 第１４実施形態の光学系の広角端の球面収差図である。 第１４実施形態の光学系の広角端の非点収差図である。 第１４実施形態の光学系の望遠端の球面収差図である。 第１４実施形態の光学系の望遠端の非点収差図である。 本発明のフレネル面の説明図である。

（第１実施形態）
第１実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１００の光学性能は、表１に示される。表１において、ｆは焦点距離（ｍｍ）を示し、ＦはＦナンバーを示し、２ωは画角（°）を示し、λ_０は設計基準波長（ｎｍ）を示す。

第１実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１００は、図１に示すように、フレネルレンズ１０２からなる。フレネルレンズ１０２は、物体側の面Ｓ１及び結像側の面Ｓ２を有する。フレネルレンズ１０２の材料は、シリコンである。

面Ｓ１及びＳ２は、ともに非球面のフレネル面である。面Ｓ１及びＳ２のフレネル面形状は、両面とも、ほぼ同一の直径方向幅の同心円の輪帯に分割したフレネル面である。しかし、面Ｓ１及びＳ２は、両面とも、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。

面Ｓ１及びＳ２の非球面は、式１に示す非球面式によって示される。式１において、光軸方向をＸ軸方向、光軸と直交する方向をＹ軸方向とし、光軸からの高さをＨ，光軸と交わるレンズ面頂点Ｏからの光軸方向の距離をＸとする。Ｘ軸方向は、結像側方向を正とする。

第１実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１００の光学データは、表２に示される。

フレネル面Ｓ１及びＳ２の非球面データは、表３に示される。

フレネル面Ｓ１及びＳ２のフレネル断面は、図２及び図３に示される。図２及び図３において、横軸は光軸からの距離（ｍｍ）を示し、縦軸はレンズ面頂点Ｏを基準とする高さ（深さ）を示す。

第１実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１００の球面収差を図４に示し、図５に同非点収差を示す。図５において、実線はサジタル平面の非点収差を示し、点線はメリジオナル平面の非点収差を示す。

（第２実施形態）
第２実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系２００の光学性能は、表１に対応する表４に示される。

第２実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系２００は、図６に示すように、フレネル面Ｓ１及びＳ２を有する負のフレネルレンズ２０２、及びフレネル面Ｓ４及びＳ５を有する正のフレネルレンズ２０４からなる。フレネルレンズ２０２、２０４の材料は、ゲルマニウムである。

フレネル面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５は、全て非球面のフレネル面である。
フレネル面Ｓ１は、不均質な直径方向幅の同心円の輪帯に分割したフレネル面である。フレネル面Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。

第２実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１００の光学データは、表５に示される。

フレネル面Ｓ１、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５の非球面データは、表６に示される。

フレネル面Ｓ１、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５のフレネル断面は、図７〜図１０に示される。
第２実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系２００の球面収差を図１１に示し、図１２に同非点収差を示す。

（第３実施形態）
第３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系３００の光学性能は、表１に対応する表７に示される。

第３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系３００は、図１３に示すように、非球面Ｓ１及びフレネル面Ｓ２を有する正のフレネルレンズ３０２、及びフレネル面Ｓ４及び球面Ｓ５を有する負のフレネルレンズ３０４からなる。フレネルレンズ３０２の材料は、ゲルマニウムであり、フレネルレンズ３０４の材料は、硫化亜鉛である。

フレネル面Ｓ２、Ｓ３は、非球面のフレネル面である。フレネル面Ｓ２、Ｓ３は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。

第３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系３００の光学データは、表８に示される。

フレネル面Ｓ１、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５の非球面データは、表９に示される。

フレネル面Ｓ２、Ｓ３のフレネル断面は、図１４及び図１５に示される。
第３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系３００の球面収差を図１６に示し、図１７に同非点収差を示す。

（第４実施形態）
第４実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系４００の光学性能は、表１に対応する表１０に示される。

第４実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系４００は、図１８に示すように、フレネル非球面Ｓ１及びフレネル非球面Ｓ２を有する正のフレネルレンズ４０２、及びフレネル非球面Ｓ４及びフレネル非球面Ｓ５を有する正のフレネルレンズ４０４からなる。フレネルレンズ４０２，４０４の材料は、ゲルマニウムである。

フレネル非球面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、全て、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。

第４実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系４００の光学データは、表１１に示される。

フレネル非球面Ｓ１、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５の非球面データは、表１２に示される。

フレネル非球面Ｓ１、Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５のフレネル断面は、図１９〜図２２に示される。
第４実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系４００の球面収差を図２３に示し、図２４に同非点収差を示す。

（第５実施形態）
第５実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系５００の光学性能は、表１に対応する表１３に示される。

第５実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系５００は、図２５に示すように、球面Ｓ１及び球面Ｓ２を有する正の球面レンズ５０２、球面Ｓ３及び球面Ｓ４を有する負の球面レンズ５０４、及びフレネル非球面Ｓ６及びフレネル非球面Ｓ７を有する正のフレネル非球面レンズ５０６からなる。球面レンズ５０２，５０４の材料は、ゲルマニウムである。フレネル非球面レンズ５０６の材料は、カルコゲナイドである。

フレネル非球面Ｓ６，Ｓ７は、ほぼ均一な直径方向幅の輪帯を有している。

第５実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系５００の光学データは、表１４に示される。

フレネル非球面Ｓ６，Ｓ７の非球面データは、表１５に示される。

フレネル非球面Ｓ６、Ｓ７のフレネル断面は、図２６及び図２７に示される。
第５実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系５００の球面収差を図２８に示し、図２９に同非点収差を示す。

（第６実施形態）
第６実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系６００の光学性能は、表１に対応する表１６に示される。

第６実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系６００は、図３０に示すように、フレネル非球面Ｓ１及びフレネル非球面Ｓ２を有する正のフレネル非球面レンズ６０２、球面Ｓ３及び球面Ｓ４を有する負の球面レンズ６０４、及び球面Ｓ６及び球面Ｓ７を有する正の球面レンズ６０６からなる。レンズ６０２，６０４、６０６の材料は、全てゲルマニウムである。

フレネル非球面Ｓ1，Ｓ２は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。
第６実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系６００の光学データは、表１７に示される。

フレネル非球面Ｓ１，Ｓ２の非球面データは、表１８に示される。

フレネル非球面Ｓ１、Ｓ２のフレネル断面は、図３１及び図３２に示される。
第６実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系６００の球面収差を図３３に示し、図３４に同非点収差を示す。

（第７実施形態）
第７実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系７００の光学性能は、表１に対応する表１９に示される。

第７実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系７００は、図３５に示すように、球面Ｓ１及び球面Ｓ２を有する正の球面レンズ７０２、非球面Ｓ４及びフレネル非球面Ｓ５を有する負のフレネルレンズ７０４、及び球面Ｓ６及び球面Ｓ７を有する正の球面レンズ７０６からなる。レンズ７０２，７０４、７０６の材料は、全てゲルマニウムである。

フレネル非球面Ｓ５は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。
第７実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系７００の光学データは、表２０に示される。

フレネル非球面Ｓ１，Ｓ２の非球面データは、表２１に示される。

フレネル非球面Ｓ５のフレネル断面は、図３５に示される。
第７実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系７００の球面収差を図３７に示し、図３８に同非点収差を示す。

（第８実施形態）
第８実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系８００の光学性能は、表１に対応する表２２に示される。

第８実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系８００は、図３９に示すように、球面Ｓ１及び球面Ｓ２を有する正の球面レンズ８０２、球面Ｓ４及びフレネル球面Ｓ５を有する負のフレネルレンズ８０４、及び球面Ｓ６及び球面Ｓ７を有する正の球面レンズ８０６からなる。球面レンズ８０２の材料はゲルマニウムである。フレネルレンズ８０４の材料は硫化亜鉛である。球面レンズ８０６の材料はセレン化亜鉛である。

フレネル非球面Ｓ５は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。
第８実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系８００の光学データは、表２３に示される。

フレネル球面Ｓ５のフレネル断面は、図４０に示される。
第８実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系８００の球面収差を図４１に示し、図４２に同非点収差を示す。

（第９実施形態）
第９実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系９００の光学性能は、表１に対応する表２４に示される。

第９実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系９００は、図４３に示すように、球面Ｓ１及び球面Ｓ２を有する正の球面レンズ９０２、フレネル非球面Ｓ４及びフレネル非球面Ｓ５を有する負のフレネルレンズ９０４、及び球面Ｓ６及び球面Ｓ７を有する正の球面レンズ９０６からなる。球面レンズ９０２、９０６の材料はゲルマニウムである。フレネルレンズ９０４の材料はフッ化マグネシュウムである。

フレネル非球面Ｓ４、Ｓ５は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。但し、フレネル非球面Ｓ４の輪帯の直径方向幅は、フレネル非球面Ｓ５の輪帯の直径方向幅より小さい。

第９実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系９００の光学データは、表２５に示される。

フレネル非球面Ｓ４，Ｓ５の非球面データは、表２６に示される。

フレネル非球面Ｓ５、Ｓ６のフレネル断面は、図４４，図４５に示される。
第９実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系９００の球面収差を図４６に示し、図４７に同非点収差を示す。

（第１０実施形態）
第１０実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１０００の光学性能は、表１に対応する表２７に示される。

第１０実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１０００は、図４８に示すように、球面Ｓ１及び球面Ｓ２を有する正の球面レンズ１００２、フレネル非球面Ｓ４及びフレネル非球面Ｓ５を有する負のフレネルレンズ１００４、及び球面Ｓ６及び球面Ｓ７を有する正の球面レンズ９０６からなる。球面レンズ１００２、１００４、１００６の材料は、全てゲルマニウムである。

フレネル非球面Ｓ５は、レンズ中心領域及び全ての輪帯の光軸方向の高さが等しい。フレネル非球面Ｓ６は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の光軸方向の高さより大きい光軸方向の高さの中心領域を有している。
第１０実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１０００の光学データは、表２８に示される。

フレネル非球面Ｓ４，Ｓ５の非球面データは、表２９に示される。

フレネル非球面Ｓ５、Ｓ６のフレネル断面は、図４９，図５０に示される。
第１０実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１０００の球面収差を図５１に示し、図５２に同非点収差を示す。

（第１１実施形態）
第１１実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１１００の光学性能は、表１に対応する表３０に示される。

第１１実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１１００は、図５３に示すように、球面Ｓ１及び球面Ｓ２を有する正の球面レンズ１１０２、非球面Ｓ４及びフレネル非球面Ｓ５を有する負のフレネルレンズ１１０４、及びフレネル非球面Ｓ６及びフレネル非球面Ｓ７を有する正のフレネルレンズ１１０６からなる。レンズ１１０２、１１００４、１１０６の材料は、全てゲルマニウムである。

フレネル非球面Ｓ５、Ｓ６，Ｓ７は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。
第１１実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１１００の光学データは、表３１に示される。

非球面Ｓ４，フレネル非球面Ｓ５、フレネル非球面Ｓ４，フレネル非球面Ｓ５の非球面データは、表３２に示される。

フレネル非球面Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７のフレネル断面は、図５４，図５５、図５６に示される。
第１１実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１１００の球面収差を図５７に示し、図５８に同非点収差を示す。

（第１２実施形態）
第１２実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１２００の光学性能は、表１に対応する表３３に示される。

第１２実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１２００は、図５９に示すように、球面Ｓ１及び球面Ｓ２を有する正の球面レンズ１２０２、非球面Ｓ４及び非球面Ｓ５を有する負のフレネルレンズ１２０４、及びフレネル非球面Ｓ６及びフレネル非球面Ｓ７を有する正のフレネルレンズ１２０６からなる。レンズ１２０２、１１０６の材料は、ゲルマニウムである。レンズ１２０４の材料は、カルコゲナイドである。

フレネル非球面Ｓ６，Ｓ７は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。
第１２実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１２００の光学データは、表３４に示される。

非球面Ｓ４，非球面Ｓ５、フレネル非球面Ｓ６，フレネル非球面Ｓ７の非球面データは、表３５に示される。

フレネル非球面Ｓ６、Ｓ７のフレネル断面は、図６０，図６１に示される。
第１２実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１２００の球面収差を図６２に示し、図６３に同非点収差を示す。

（第１３実施形態）
ズームレンズである第１３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１３００の光学性能は、表１に対応する表３６に示される。

ズームレンズである第１３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１３００は、図６４に示すように、フレネル非球面Ｓ１及び回折非球面Ｓ２を有する負のフレネル回折レンズ１３０２、フレネル非球面Ｓ３及びフレネル回折非球面Ｓ４を有する正のフレネル回折レンズ１３０４、及び回折非球面Ｓ６及び非球面Ｓ７を有する正の回折レンズ１３０６からなる。レンズ１３０２、１３０４，１３０６の材料は、全てカルコゲナイドである。

フレネル非球面Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。
第１３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１３００の光学データは、表３７に示される。

第１３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１３００のズームレンズ間隔は、表３８に示される。

第１３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１３００の非球面係数は、表３９に示される。

第１３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１３００の回折格子係数は、表４０に示される。

フレネル非球面Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４のフレネル断面は、図６５，図６６，図６７に示される。
回折非球面Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６は、式２による光路差関数及び式３による基板面に対する削り量によって、隣り合う回折素子の輪帯間で１波長分の光路差が生じさせる。

ズームレンズである第１３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１３００の広角端の球面収差を、図６８に示し、図６９に同非点収差を示す。図６８及び図６９において、一点鎖線は波長８０００ｎｍの球面収差及び時点収差を示し、二点鎖線は波長１２０００ｎｍの球面収差及び時点収差を示す。図６９に、回折非球面Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６を回折素子のない非球面に変更した場合の球面収差を示す。

ズームレンズである第１３実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１３００の望遠端の球面収差を、図７０に示し、図７１に同非点収差を示す。図７０及び図７１において、一点鎖線は波長８０００ｎｍの球面収差及び時点収差を示し、二点鎖線は波長１２０００ｎｍの球面収差及び時点収差を示す。図７３に、回折非球面Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６を回折素子のない非球面に変更した場合の球面収差を示す。

（第１４実施形態）
ズームレンズである第１４実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１４００の光学性能は、表１に対応する表４１に示される。

ズームレンズである第１４実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１４００は、図７４に示すように、球面Ｓ１及び非球面Ｓ２を有する正の非球面レンズ１４０２、非球面Ｓ３及び非球面Ｓ４を有する負の非球面レンズ１４０４、フレネル非球面Ｓ６及びフレネル非球面Ｓ７を有する正のフレネル非球面レンズ１４０６、及びフレネル非球面Ｓ８及び非球面Ｓ９を有する正のフレネル非球面レンズ１４０８からなる。レンズ１４０２、１４０４，１４０６の材料は、ゲルマニウムである。レンズ１４０８の材料は、セレン化亜鉛である。

フレネル非球面Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８は、レンズ有効直径の７５％の直径の領域内に、その外側の領域の輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の平均値の輪帯を有している。
第１４実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１４００の光学データは、表４２に示される。

第１４実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１３００のズームレンズ間隔は、表４３に示される。

第１４実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１４００の非球面係数は、表４４に示される。

フレネル非球面Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８のフレネル断面は、図７５，図７６，図７７に示される。

ズームレンズである第１４実施形態の赤外線撮像装置の撮像光学系１４００の広角端の球面収差を、図７８に示し、図７９に同非点収差を示す。同じく望遠端の球面収差を、図８０に示し、図８１に同非点収差を示す。

各実施形態の条件式の値を表４５に示す。

Ｓ１ 第１面
Ｓ２ 第２面

Claims (14)

1. 少なくとも一面がフレネル面であるフレネルレンズを少なくとも一枚有する赤外線レンズ光学系を有する赤外線撮像装置であって、
   前記フレネルレンズが、波長３０００ｎｍ〜１４０００ｎｍの間の使用波長範囲の少なくとも一つの単波長において、厚さ４ｍｍのコート無しの平行平面板の透過率が３５％以上のレンズ材料からなり、前記フレネル面の曲面の法線とフレネルレンズの光軸とのなす角度θの最大値が、条件式（１）を満足することを特徴とする赤外線撮像装置。
   条件式（１） ５°≦ θ ≦ ６５°
2. 前記フレネルレンズのフレネル面が、条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像装置。
   条件式（２） ｜Ｘ／Ｒ｜ ≦ ０．１７
   Ｒ：フレネル面の同心円状に分割されたフレネル輪帯のうちの最外側輪帯の外周縁の半径
   Ｘ：最大深さ、すなわち、光軸方向において、フレネル面の中心光軸方向位置から、フレネル面の最も遠い位置すなわちフレネル輪帯境界の最も遠い位置までの光軸方向距離
3. 前記フレネル面の少なくとも一面は、該フレネル輪帯間の段差部の総数の８０％以上が、条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線撮像装置。
   条件式（３） ０．７≦Ｐ／Ｎ≦１．３
   Ｔ_MAX ： 段差部の段差の最大値
   Ｔ_MIN ： 段差部の段差の最小値
   Ｐ ＝ Ｔ_MAX ／ Ｔ_MIN
   Ｎ ： Ｐに最も近い整数
4. 前記フレネルレンズは、両面がフレネル面であることを特徴とする請求項１ないし３のうちに一項に記載の赤外線撮像装置。
5. 前記フレネル面の輪帯の光軸方向幅が、不均一であり、かつ前記フレネル面の有効直径の７５％以内の領域内に、全フレネル輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の輪帯があることを特徴とする請求項１ないし４のうちに一項に記載の赤外線撮像装置。
6. 前記フレネル面の少なくとも一面は、フレネル輪帯数の８０％の輪帯の直径方向幅が、全フレネル輪帯の直径方向幅の平均値の±２０％以内にあることを特徴とする請求項１ないし５に記載の赤外線撮像装置。
7. 前記フレネル面の有効直径の７５％以内の領域内に、全フレネル輪帯の直径方向幅の平均値より大きい直径方向幅の輪帯があることを特徴とする請求項１ないし６に記載の赤外線撮像装置。
8. 前記赤外線光学系が、複数のフレネル面を有し、それぞれのフレネル輪帯の直径方向幅が異なることを特徴とする請求項１ないし７のうちに一項に記載の赤外線撮像装置。
9. 前記フレネルレンズが、回折素子を一体的に形成していることを特徴とする請求項１ないし８のうちに一項に記載の赤外線撮像装置。
10. フレネル輪帯の内周縁と外周縁の光軸方向の高さ差が最大である輪帯が、フレネルレンズの有効径の７５％の領域内にあり、かつ前記フレネル輪帯間の段差部の総数の８０％以上が、条件式（３）を満足する前記フレネルレンズを有することを特徴とする撮像装置。
    条件式（３） ０．７≦Ｐ／Ｎ≦１．３
    Ｔ_MAX ： 段差部の段差の最大値
    Ｔ_MIN ： 段差部の段差の最小値
    Ｐ ＝ Ｔ_MAX ／ Ｔ_MIN
    Ｎ ： Ｐに最も近い整数
11. 前記フレネルレンズが、波長３０００ｎｍ〜１４０００ｎｍにおいて、厚さ４ｍｍのコートなし平行平面板での透過率が３５％以上ある材料で構成されていることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
12. 前記フレネルレンズのフレネル面が、条件式（２）を満足することを特徴とする請求項９又は１０に記載の撮像装置。
    条件式（２） ｜Ｘ／Ｒ｜ ≦ ０．１７
    Ｒ：フレネル面の同心円状に分割されたフレネル輪帯のうちの最外側輪帯の外周縁の半径
    Ｘ：最大深さ、すなわち、光軸方向において、フレネル面の中心光軸方向位置から、フレ
    ネル面の最も遠い位置すなわちフレネル輪帯境界の最も遠い位置までの光軸方向距離
13. 前記フレネルレンズの両面が、それぞれ曲面であることを特徴とする請求項９ないし１１のうちの一項に記載の撮像装置。
14. 前記フレネルレンズは、両面が曲面であり、該曲面の法線とフレネルレンズの光軸とのなす角度θの最大値が、条件式（１）を満足することを特徴とする請求項９ないし１２のうちの一項に記載の撮像装置。
    条件式（１） ５°≦ θ ≦ ６５°

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