JP2015203850A - 赤外線撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【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
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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
TMAX : 段差部の段差の最大値
TMIN : 段差部の段差の最小値
P = TMAX / TMIN
N : Pに最も近い整数
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
TMAX : 段差部の段差の最大値
TMIN : 段差部の段差の最小値
P = TMAX / TMIN
N : Pに最も近い整数
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。
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
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。
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°
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、λ0は設計基準波長(nm)を示す。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
S2 第2面
Claims (14)
- 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° - 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 - 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
TMAX : 段差部の段差の最大値
TMIN : 段差部の段差の最小値
P = TMAX / TMIN
N : Pに最も近い整数 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
TMAX : 段差部の段差の最大値
TMIN : 段差部の段差の最小値
P = TMAX / TMIN
N : Pに最も近い整数 - 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。
- 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 - 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。
- 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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