JP2020013002A

JP2020013002A - 赤外線レンズ及び赤外線レンズユニット

Info

Publication number: JP2020013002A
Application number: JP2018135524A
Authority: JP
Inventors: 遼太山口; Ryota Yamaguchi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2020-01-23

Abstract

【課題】本発明は、単レンズで解像度を高くすることができる赤外線レンズを提供することを課題とする。【解決手段】本発明の一態様に係る赤外線レンズは、物体側の負の焦点距離を有する第１光学面と、像側の正の焦点距離を有する第２光学面とを有し、上記第１光学面の焦点距離の上記第２光学面の焦点距離に対する比が−２．０以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線レンズ及び赤外線レンズユニットに関する。

赤外線光学系を形成する複数のレンズ（レンズ群）を備える赤外線レンズユニットと、この赤外線レンズユニットが結像した赤外線像を撮像する赤外線撮像素子とを備え、赤外線画像データを生成する赤外線カメラが様々な用途で使用されている。例として、赤外線カメラを車輌に搭載し、夜間等に赤外線カメラによって車輌周辺の撮像を行い、衝突の可能性がある歩行者等を検出して運転者に警告を発するナイトビジョンシステムが実用化されている。

一般に、赤外線光学系は、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、カルコゲナイドガラス、硫化亜鉛等の赤外線透過材料から形成されるレンズを複数枚組み合わせて構成される。中でも、赤外線光学系用の低コストのレンズとして、硫化亜鉛の焼結体から形成されるレンズが知られている（特開２００７−２４１０３２号公報参照）。硫化亜鉛の焼結体から形成されるレンズは、型成形によりレンズを製造することができるため、比較的安価に製造することができる。

硫化亜鉛の焼結体は、一般に例えばゲルマニウム、セレン化亜鉛、カルコゲナイドガラス等の他の赤外線透過材料に比して厚み増加による光量損失の増加が遠赤外線波長域（８〜１２μｍ）で大きいという特性がある。このため、上記公報に記載の赤外線レンズでは、光軸上での厚さを小さくすることによって遠赤外線波長域の光量損失を抑制している。

特開２００７−２４１０３２号公報

上記公報に開示される赤外線レンズユニットのように、複数のレンズを用いれば、解像度を高くすることができるが、占有スペースが大きくなるという不都合がある。

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、単レンズで解像度を高くすることができる赤外線レンズ及び赤外線レンズユニットを提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一態様に係る赤外線レンズは、物体側の負の焦点距離を有する第１光学面と、像側の正の焦点距離を有する第２光学面とを有し、上記第１光学面の焦点距離の上記第２光学面の焦点距離に対する比が−２．０以下である。

本発明の一態様に係る赤外線レンズは、単レンズで解像度を高くすることができる。

図１は、本発明の一実施形態の赤外線レンズユニットを示す模式的断面図である。

［本発明の実施形態の説明］
本発明の一態様に係る赤外線レンズは、物体側の負の焦点距離を有する第１光学面と、像側の正の焦点距離を有する第２光学面とを有し、上記第１光学面の焦点距離の上記第２光学面の焦点距離に対する比が−２．０以下である。

当該赤外線レンズは、上記第１光学面の焦点距離の上記第２光学面の焦点距離に対する比が上記上限以下であることによって、画角中心及び周辺画角の両方において良好な解像度を得ることができる。

当該赤外線レンズは、硫化亜鉛を主成分とする焼結体から形成される基材を有することが好ましい。このように、硫化亜鉛を主成分とする焼結体から形成される基材を有することによって、当該赤外線レンズを比較的安価に提供することができる。

本発明の別の態様に係る赤外線レンズユニットは、上記赤外線レンズと、この赤外線レンズを保持する鏡筒とを備える。

当該赤外線レンズユニットは、上記赤外線レンズを備えることによって、高解像度としながら占有空間を小さくすることができる。

ここで、「主成分」とは、最も質量含有率が大きい成分を意味する。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、本発明に係る赤外線レンズユニットの実施形態について図面を参照しつつ詳説する。

［赤外線レンズユニット］
図１に、本発明の一実施形態に係る赤外線レンズユニットを示す。当該赤外線レンズユニットは、平板状のカバーガラスを備えた撮像素子（不図示）に結像する光学系として、赤外線カメラに使用することができる。

当該赤外線レンズユニットは、それ自体が本発明の別の実施形態である赤外線レンズ１と、赤外線レンズ１を保持する鏡筒２とを備える。

＜赤外線レンズ＞
赤外線レンズ１は、物体側の負の焦点距離を有する第１光学面３と、像側の正の焦点距離を有する第２光学面４とを有する。赤外線レンズ１の第１光学面３及び第２光学面４は非球面であることが好ましい。

赤外線レンズ１の第１光学面３の焦点距離ｆ１の第２光学面４の焦点距離ｆ２に対する比（ｆ１／ｆ２）の下限としては、−１０．０が好ましい。一方、第１光学面３の焦点距離ｆ１の第２光学面４の焦点距離ｆ２に対する比の上限としては、−２．０であり、−３．０が好ましい。第１光学面３の焦点距離ｆ１の第２光学面４の焦点距離ｆ２に対する比が上記下限に満たない場合、十分な解像度が得られないおそれがある。逆に、第１光学面３の焦点距離ｆ１の第２光学面４の焦点距離ｆ２に対する比が上記上限を超える場合にも、十分な解像度が得られないおそれがある。

赤外線レンズ１の第２光学面４には色収差補正のための回折構造が形成されることが好ましい。この回折構造としては、光学面を例えばキノフォーム形状（のこぎり形状）、バイナリ形状（階段形状）、サイン波形状等の形状とする公知の構造を適用することができる。

（基材）
基材５は、赤外線レンズ１の光学形状を主に定める。

この基材５の材質としては、赤外線を透過する材料であればよく、例えば硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）等の誘電体や、例えばシリコン、ゲルマニウム等の半導体結晶、カルコゲナイドガラスなどを挙げることができる。

基材５が硫化亜鉛を主成分とする場合、化学蒸着法（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成してもよいが、比較的安価な硫化亜鉛粉末の焼結によって形成することで、製造コストを抑制することができる。つまり、基材５は、硫化亜鉛を主成分とする焼結体から形成されることが好ましい。

硫化亜鉛焼結体からなる基材５は、硫化亜鉛粉末を成形する工程と、この成形体を予備焼結する工程と、この予備焼結体を加圧焼結する工程とを備える方法によって形成することができる。

硫化亜鉛の焼結体を形成する硫化亜鉛粉末としては、平均粒径が１μｍ以上３μｍ以下、かつ純度が９５質量％以上であるものを使用することが好ましい。このような硫化亜鉛粉末は、例えば共沈法等の公知の粉末合成法によって得ることができる。なお、「平均粒径」とは、レーザー回折法により測定される粒子径の分布において体積積算値が５０％となる粒子径である。

上記成形工程では、金型を用いたプレス成形によって、最終的に得ようとする光学部品に準じた概略形状を有する成形体を形成する。上記金型は、例えば超硬合金、工具鋼等の硬質の材料から形成される。また、この成形工程は、例えば一軸加圧プレス機等を用いて行うことができる。

上記予備焼結工程では、成形工程において作製された成形体を、例えば３０Ｐａ以下の真空雰囲気下又は大気圧の窒素ガス等の不活性雰囲気下で加熱する。この予備焼結温度としては、５００℃以上１０００℃以下とすることができ、予備焼結時間（予備焼結温度の保持時間）としては、０．５時間以上１５時間以下とすることができる。この予備焼結工程で得られる予備焼結体は、５５％以上８０％以下の相対密度を有する。

上記加圧焼結工程では、予備焼結体をプレス型で加圧しつつ加熱することにより、所望の形状を有する焼結体（基材５）を得る。具体的には、上記プレス型としては、例えばガラス状カーボンから形成され、鏡面研磨された拘束面（キャビティ）を有する１対の型（上型及び下型）を用いることができる。この加圧焼結温度としては、５５０℃以上１２００℃以下が好ましい。また、焼結圧力としては１０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下が好ましい。また、焼結時間としては、１分以上６０分以下が好ましい。

この加圧焼結工程で得られる焼結体は、そのまま基材５として使用してもよいが、必要に応じて例えば入射面や出射面の研磨等の仕上げ加工を行うことにより基材５として使用してもよい。

基材５の物体側または像側の面に、反射防止層を設けてもよい。この反射防止層を形成する材料としては、公知の反射防止コート（ＡＲコーティング）を用いることができる。

赤外線レンズ１の耐傷性を向上させるために、反射防止層の最も物体側の面を比較的硬度が大きい赤外線透過材料から成る保護層としてもよい。硫化亜鉛の機械強度は高いため、保護層を設けることで赤外線レンズより物体側に配置される保護窓を設ける必要がなくなり、レンズモジュール全体の小型化及び低価格化が可能となる。

この保護層としては、例えば化学蒸着法（ＣＶＤ：ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により積層されるダイヤモンドライクカーボン膜等を用いることができる。

＜鏡筒＞
鏡筒２は、赤外線レンズ１を保持し、当該赤外線レンズユニットを使用する例えば赤外線カメラ等の機器に取り付けられる。このため、鏡筒２は、赤外線カメラ等の機器に取り付けるための取り付け構造を有してもよい。

＜利点＞
当該赤外線レンズユニットは、単レンズ光学系から構成されるため、光軸方向の長さを比較的小さくして占有空間を小さくすることができる。

また、当該赤外線レンズユニットは、上述のような形状を備えることによって解像度に優れる赤外線レンズ１を用いるので、解像度を高くすることができる。

［その他の実施形態］
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

当該赤外線レンズにおいて、反射防止層及び保護層は省略できる。また、当該赤外線レンズは、例えば密着力を向上する層、水分の透過を防止する層等、他の機能を付与する層をさらに有してもよい。

当該赤外線レンズユニットは、保護窓を有しないものであってもよい。

以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。

［レンズユニットのモデリング］
本発明を検証するために、以下に説明するように、像側から順に単レンズ及び撮像素子のカバーガラスを備えるレンズユニットのモデル１〜５について、その解像度をコンピューター解析により確認した。

＜モデル１＞
硫化亜鉛の焼結体から形成され、第１光学面及び第２光学面が次の表１に示す形状を有するレンズと、ゲルマニウムから形成され表１に示すように第３光学面及び第４光学面が平面であるカバーガラスとを有するレンズユニットであるモデル１のレンズデータを表１に示す。なお、表において、面間隔は、光軸上における次の光学面との間隔を意味し、第４光学面の欄に記載の値は、結像面との間隔である。

なお、表１に示した非球面係数Ａｎ（ｎは偶数）は、光学面の形状を次式ｚで定義した場合の係数Ａｎである。なお、式中のｃは曲率（１／ｒ）、ｈは光軸からの高さ、ｋは円錐係数である。

ｚ＝ｃｈ^２／［１＋｛１−（１＋ｋ）ｃ^２ｈ^２｝１／２］＋Ａ４ｈ^４＋Ａ６ｈ^６＋Ａ８ｈ^８＋Ａ１０ｈ^１０・・・

また、回折構造は、光路差ρ（ｈ）の分布から、光路差が波長λ_０（２πの位相差）の整数倍になるごとに断面が鋸歯状の輪帯として形成した。このため、第２光学面に形成した回折構造の形状は、下記の光路差ρ（ｈ）を表す関数式と、回折面を付加する基準面に対する削り量ｄＺ（ｈ）を表す関数式とにより定義される。なお、光路差ρ（ｈ）を表す関数式において、Ｄ２，Ｄ４，Ｄ６，１０が回折面係数であり、ｈは径方向の距離である。また、削り量（ｄＺ）を表す関数式において、ｎは基板の屈折率である。

（光路差）
ρ（ｈ）＝（Ｄ２ｈ^２＋Ｄ４ｈ^４＋Ｄ６×ｈ^６＋Ｄ１０ｈ^１０）

（削り量）
ｄＺ（ｈ）＝１／（ｎ−１）［ρ（ｈ）］

＜モデル２＞
硫化亜鉛の焼結体から形成され、第１光学面及び第２光学面が次の表２に示す形状を有するレンズと、ゲルマニウムから形成され表２に示すように第３光学面及び第４光学面が平面であるカバーガラスとを有するレンズユニットのモデル２をコンピューター上でモデリングした。

＜モデル３＞
硫化亜鉛の焼結体から形成され、第１光学面及び第２光学面が次の表３に示す形状を有する（第２光学面には色差補正用回折構造が形成されている）レンズと、ゲルマニウム結晶から形成され表３に示すように第３光学面及び第４光学面が平面である保護窓とを有するレンズユニットのモデル３をコンピューター上でモデリングした。

＜モデル４＞
硫化亜鉛の焼結体から形成され、第１光学面及び第２光学面が次の表４に示す形状を有するレンズと、ゲルマニウム結晶から形成され表４に示すように第３光学面及び第４光学面が平面である保護窓とを有するレンズユニットのモデル４をコンピューター上でモデリングした。

＜モデル５＞
硫化亜鉛の焼結体から形成され、第１光学面及び第２光学面が次の表５に示す形状を有するレンズと、ゲルマニウム結晶から形成され表５に示すように第３光学面及び第４光学面が平面である保護窓とを有するレンズユニットのモデル５をコンピューター上でモデリングした。

［評価］
レンズユニットのモデル１〜５のレンズの第１光学面及び第２光学面の焦点距離を算出した。焦点距離は、像側に焦点を有する場合に正の値、物体側に焦点を有する場合に負の値として表す。そして、この焦点距離から、第１光学面の焦点距離の第２光学面の焦点距離に対する比（焦点距離比）を算出した。

さらに、レンズユニットのモデル１〜５について、レンズ形成材料の一般的な屈折率（波長１０μｍにおいて、硫化亜鉛の焼結体が２．１７０、ゲルマニウムが４．００２）を用い、レンズの設計形状に基づいて変調伝達関数（ＭＴＦ：ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）を算出した。なお、評価結果は、１０Ｌｐ／ｍｍでのＭＴＦが７０％以上を「Ａ」、１０Ｌｐ／ｍｍでのＭＴＦが５０％以上７０％未満を「Ｂ」、１０Ｌｐ／ｍｍでのＭＴＦが５０％未満を「Ｃ」とした。

次の表６に、レンズユニットのモデル１〜５の第１光学面及び第２光学面の焦点距離比と水平画角０度及び水平画角２４度でのＭＴＦの値とをまとめて示す。

以上のように、第１光学面の焦点距離の第２光学面の焦点距離に対する比を一定範囲内とすることによって、単レンズでも比較的高い解像度が得られることが確認された。

本発明に係る赤外線レンズ及び赤外線レンズユニットは、車輌に搭載されるナイトビジョンシステム等に好適に利用することができる。

１赤外線レンズ
２鏡筒
３第１光学面
４第２光学面
５基材

Claims

物体側の負の焦点距離を有する第１光学面と、像側の正の焦点距離を有する第２光学面とを有し、
上記第１光学面の焦点距離の上記第２光学面の焦点距離に対する比が−２．０以下である赤外線レンズ。
硫化亜鉛を主成分とする焼結体から形成される基材を有する請求項１に記載の赤外線レンズ。
請求項１又は請求項２に記載の赤外線レンズと、
この赤外線レンズを保持する鏡筒と
を備える赤外線レンズユニット。