JP2020118779A - 遠赤外線変倍光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 明るいＦナンバーで解像力の高い、レンズ枚数の少ない遠赤外線変倍光学系を提供すること。【解決手段】 物体側より順に正レンズの第一レンズ、正レンズの第二レンズ、正レンズの第三レンズを備え、第一レンズ、第二レンズ、第三レンズを光軸方向に移動することにより焦点距離を可変することが可能な遠赤外変倍光学系。【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像するためのレンズ構成に関する。

遠赤外線光学系は可視の波長域で得ることのできない熱情報を検知して可視化することができるため、その特性を活かした様々なアプリケーションに対応する光学系の開発が行われている。

遠赤外線センサは可視域のセンサに比べ解像度が低いものが多い。そのため、焦点距離を可変できる遠赤外線変倍光学系は、近距離から遠距離において被写体の解像度を落とさず撮影することできるため非常に有用である。

また、遠赤外線センサの高画素化やセンサピッチの小型化に伴い、遠赤外線光学系には高い解像力が求められる。そのためレンズは明るいＦナンバーにおいて、良好に収差補正されている必要がある。

遠赤外線を透過する硝材は高価であるため、少ないレンズ枚数で解像力の高い遠赤外線変倍光学系の開発が求められる。遠赤外線の波長域（８〜１４μｍ）を透過する材料（遠赤外線硝材）としてゲルマニウム（Ｇｅ）、カルコゲナイド、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、シリコン（Ｓｉ）等がある。この中でもゲルマニウム（Ｇｅ）は遠赤外線の波長域において高屈折率低分散である。それによって、少ないレンズ枚数で高い結像性能を得ることできる。

特許文献１では、第一群の正レンズを固定し、第二群の負レンズと第三群の正レンズをそれぞれ光軸方向に駆動することで焦点距離を可変する３枚系の遠赤外線変倍光学系が紹介されている。

米国特許出願公開第２０１３／０００３１６８号明細書

しかしながら、特許文献１では、第二群の負レンズと第三群の正レンズの移動だけでは焦点距離変化による収差変動を補正するための自由度が足らない。そのため、Ｆナンバーは暗く、収差補正が不十分であるためレンズの解像力は低くなり、結果的に焦点距離の変動倍率も小さくなる場合がある。

本発明の目的は、明るいＦナンバーで解像力の高い、レンズ枚数の少ない遠赤外線変倍光学系を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る遠赤外変倍光学系は、
物体側より順に正レンズの第一レンズ、正レンズの第二レンズ、正レンズの第三レンズを備え、第一レンズ、第二レンズ、第三レンズを光軸方向に移動することにより焦点距離を可変することが可能な遠赤外変倍光学系である。

本発明によれば、明るいＦナンバーで解像力の高い、レンズ枚数の少ない遠赤外線変倍光学系の提供を実現できる。

実施例１の光路図 実施例１の焦点距離１５ｍｍにおけるＭＴＦ図 実施例１の焦点距離３０ｍｍにおけるＭＴＦ図 実施例１レンズ位置での軸上メリディオナル最周辺光線の入射角 実施例１レンズ位置での軸上メリディオナル最周辺光線の高さ 実施例２の光路図 実施例２の焦点距離３０ｍｍにおけるＭＴＦ図 実施例２の焦点距離６０ｍｍにおけるＭＴＦ図 実施例２レンズ位置での軸上メリディオナル最周辺光線の入射角 実施例２レンズ位置での軸上メリディオナル最周辺光線の高さ

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施例１は焦点距離を１５ｍｍから３０ｍｍに可変可能な２倍系の遠赤外変倍光学系である。

図１（ａ）は焦点距離１５ｍｍにおける光路図、図１（ｂ）は焦点距離３０ｍｍにおける光路図を示している。

このレンズは焦点距離にかかわらずＦナンバーを１．２としている。レンズは物体から順に、第一レンズＬ１１はゲルマニウム（Ｇｅ）を材質とした正レンズ、絞りＳ１、第二レンズＬ１２はゲルマニウム（Ｇｅ）を材質とした正レンズ、第三レンズＬ１３はゲルマニウム（Ｇｅ）を材質とした正レンズで構成される。焦点距離に応じて第一レンズＬ１１、絞りＳ１と第二レンズＬ１２、第三レンズＬ１３は適切な間隔に配置されるように、光軸方向に駆動する機構を有する。レンズで導光された遠赤外波長域（８〜１４μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ１を透過して遠赤外線センサＩＭ１で結像する。因みに、第一レンズＬ１１と物体面の間にカバーガラスを設けた場合や遠赤外線センサのカバーガラスＣＧ１がゲルマニウム（Ｇｅ）以外の遠赤外線硝材でも発明の適用効果は得られる。

実施例１の遠赤外線光学系の数値データを表１に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表１（ａ）は焦点距離１５ｍｍ、表１（ｂ）は焦点距離３０ｍｍにおける実施例１の数値データを示している。

表２に実施例１の非球面形状データを示す。非球面形状は、光軸方向にｚ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐係数、Ａ〜Ｆを４〜１４次の非球面係数としたとき、数式１で表している。

図２は焦点距離１５ｍｍ、図３は焦点距離３０ｍｍにおける実施例１のＭＴＦ図である。一般的な遠赤外線センサのピクセルピッチは数十ミクロンである。例としてピクセルピッチが１７μｍのセンサを使用することを想定すると、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。この周波数で被写体を解像するためには、経験的にＭＴＦ値が３０％以上あれば良い。図２における３０ｌｐ／ｍｍの周波数でのＭＴＦ値ａ１１は３５％、図３における３０ｌｐ／ｍｍの周波数でのＭＴＦ値ｂ１１は３７％である。遠赤外線センサのナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため結像性能は良好であることがわかる。

各実施例の発明に至った過程について説明する。

一般的なレンズでは、色収差を補正するために、数式２の条件を満たすようなレンズ構成になる。数式２のｆ１は第一レンズの焦点距離、ｆ２は第二レンズの焦点距離、ｆ３は第三レンズの焦点距離、ν１は第一レンズの分散値、ν２は第二レンズの分散値、ν３は第三レンズの分散値を示す。通常、レンズの分散値は正であるため、色収差を低減するためには少なくとも一つのレンズを負の焦点距離にすることが好ましい。そのため、色収差を補正するレンズ構成は正レンズと負レンズを組合せた構成になる。

また、像面湾曲を補正するためには、ペッツバール和を小さくする下記の数式３の条件を満たすレンズ構成が必要になる。ペッツバール和は像面湾曲と相関があるため、ペッツバール和を小さくすることで像面湾曲を小さくすることができる。数式３のｆ１は第一レンズの焦点距離、ｆ２は第二レンズの焦点距離、ｆ３は第三レンズの焦点距離、ｎ１は第一レンズの屈折率、ｎ２は第二レンズの屈折率、ｎ３は第三レンズの屈折率を示す。通常、レンズの屈折率は正であるため、ペッツバール和を低減するためには、少なくとも一つのレンズを負の焦点距離にすることが好ましい。そのため、像面湾曲を補正するレンズ構成は正レンズと負レンズを組合せた構成になる。

しかし、屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３が非常に大きく、分散値ν１、ν２、ν３が非常に大きい場合、必ずしも正レンズと負レンズの組合せにする必要がない場合がある。

表３は遠赤外線を透過する材料の屈折率Ｎ１０及び分散値ν１０を示す。表３中の屈折率Ｎ１０は波長１０μｍにおける屈折率、分散値ν１０は数式４により定義した数値である。一般的に、分散値は数値が大きいほど波長による屈折率の変化（分散）が小さいことを意味している。数式４中のＮ８は波長８μｍでの屈折率、Ｎ１２は波長１２μｍでの屈折率である。各社の硝材メーカーによって数値が若干異なるため、ここではおおよその数値として記載する。表３のように、遠赤外線においてセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）は屈折率が２程度であり、分散値も２０〜６０程度である。そのため、色収差や像面湾曲補正のために、正レンズと負レンズの組合せが必要になるが、ゲルマニウム（Ｇｅ）の場合、屈折率が非常に大きく、分散も非常に小さい。そのため数式２と数式３から明らかなように、第一レンズ、第二レンズ、第三レンズのそれぞれで色収差やペッツバール和が小さくなる。つまり、ゲルマニウム（Ｇｅ）を使用した場合、色収差と像面湾曲補正のために、必ずしも正レンズと負レンズの組合せである必要性はなく、少ないレンズ枚数で良好な結像性能が得られる。

遠赤外線カメラでは熱情報を高精度に得るために、レンズのＦナンバーは１．５以下にすることが多い。Ｆナンバーの明るいレンズで良好な結像性能を得るためには、レンズの瞳径に比例する球面収差を高度に補正することが重要になる。これにより、球面収差量を３枚のレンズで分担させて補正することが有用になる。

一般的な変倍光学系の場合、焦点距離を変化させることで生じる、光線の高さや光線の入射角の変化で発生する収差の変化を、各レンズ群で発生する収差のバランスをとることで補正することがある。しかし、発明では焦点距離によらず、光線高さや入射角の変動を小さく抑えた構成を提案している。先行例１のようにレンズ位置を可変させる数が少ない場合は困難であるが、実施例１や実施例２のように３枚のレンズが各々移動することを可能にしたことで、収差補正の自由度が向上し、各レンズ位置での光線高さや入射角の変動を小さく抑えた構成が可能になる。図５は実施例１のレンズ位置での軸上光束（メリディオナル方向の最周辺光線）の光線入射角である。光線の入射角は焦点距離１５ｍｍの場合と、焦点距離３０ｍｍの場合で大きく変わらないことがわかる。図４は実施例１のレンズ位置での軸上光束（メリディオナル方向の最周辺光線）の光線高さである。焦点距離１５ｍｍの場合と、焦点距離３０ｍｍの場合で第一レンズＬ１１以外は光線の高さも大きく変わらないことがわかる。これに加え、第一レンズＬ１１の曲面に対してこの面に入射する光線は緩やかに収斂するため、第一レンズＬ１１で発生する球面収差量は他のレンズ群に比べ、非常に小さい。これにより、レンズ位置での光線の高さの変化による球面収差の変化量は小さくなる。このように、発明では焦点距離を可変しても、球面収差の発生量の大きいレンズ面で光線の入射角や光線の高さが大きく変化しないことにより、高い解像力を得ることができるレンズ構成も特徴の一つである。

以上のような発明の過程により、ゲルマニウムを材質とした正レンズ３枚のレンズ構成が、少ないレンズ枚数でありながら焦点距離を可変しても、高い結像性能を得ることができるレンズ配置となることを考案した。

実施例２は焦点距離を３０ｍｍから６０ｍｍに可変可能な２倍系の遠赤外変倍光学系である。

図６（ａ）は焦点距離３０ｍｍにおける光路図、図６（ｂ）は焦点距離６０ｍｍにおける光路図を示している。

このレンズは焦点距離にかかわらずＦナンバーを１．２としている。レンズは物体から順に、第一レンズＬ２１はゲルマニウム（Ｇｅ）を材質とした正レンズ、絞りＳ２、第二レンズＬ２２はゲルマニウム（Ｇｅ）を材質とした正レンズ、第三レンズＬ２３はゲルマニウム（Ｇｅ）を材質とした正レンズで構成される。焦点距離に応じて第一レンズＬ２１、絞りＳ２と第二レンズＬ２２、第三レンズＬ２３は適切な間隔に配置されるように、光軸方向に駆動する機構を有する。レンズで導光された遠赤外波長域（８〜１４μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ２を透過して遠赤外線センサＩＭ２で結像する。因みに、第一レンズＬ２１と物体面の間にカバーガラスを設けた場合や遠赤外線センサのカバーガラスＣＧ２がゲルマニウム（Ｇｅ）以外の遠赤外線硝材でも発明の適用効果は得られる。実施例２の遠赤外線光学系の数値データを表４に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表４（ａ）は焦点距離３０ｍｍ、表４（ｂ）は焦点距離６０ｍｍにおける実施例２の数値データを示している。

表５に、非球面形状データを示す。

非球面形状は、光軸方向にｚ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐係数、Ａ〜Ｆを４〜１４次の非球面係数としたとき、数式１で表している。

図７は焦点距離３０ｍｍ、図８は焦点距離６０ｍｍにおけるＭＴＦ図である。

一般的な遠赤外線センサのピクセルピッチは数十ミクロンである。例としてピクセルピッチが１７μｍのセンサを使用することを想定すると、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。この周波数で被写体を解像するためには、経験的にＭＴＦ値が３０％以上あれば良い。図７における３０ｌｐ／ｍｍの周波数でのＭＴＦ値ａ２１は３６％、図８における３０ｌｐ／ｍｍの周波数でのＭＴＦ値ｂ２１は３４％である。遠赤外線センサのナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため結像性能は良好であることがわかる。

実施例１と同様、実施例２でも３枚のレンズが各々移動することを可能にしたことで、焦点距離が可変しても、各レンズ位置での光線高さや入射角の変動を小さく抑えたレンズ構成が可能になる。図９は実施例２のレンズ位置での軸上光束（メリディオナル方向の最周辺光線）の光線入射角である。光線の入射角は焦点距離３０ｍｍの場合と、焦点距離６０ｍｍの場合で大きく変わらないことがわかる。また図１０は実施例２のレンズ位置での軸上光束（メリディオナル方向の最周辺光線）の光線高さである。光線の高さは焦点距離３０ｍｍの場合と、焦点距離６０ｍｍの場合で第一レンズＬ２１やＬ２３Ｒ１以外は光線の高さも大きく変わらないことがわかる。第一レンズＬ２１や第三レンズＬ２３Ｒ１の曲面に対して光線は緩やかに収斂するため、第一レンズＬ２１、第三レンズＬ２３Ｒ１面で発生する球面収差量は他のレンズ群に比べ、非常に小さい。これにより、レンズ位置での光線の高さの変化による球面収差の変化量は小さくなる。

実施例に共通した、焦点距離を可変してもレンズ位置での光線高さや入射角の変動を小さく抑えたレンズ構成の条件として、第一レンズの焦点距離をｆ１、第二レンズの焦点距離をｆ２、第二レンズの焦点距離をｆ３とすると、下記の数式５を満たすことがより好ましい。

表６は各実施例におけるｆ２／ｆ１とｆ３／ｆ２の数値である。各実施例は数式５を満たすことで、焦点距離が可変しても良好な結像性能を得ることができる。

Ｌ１１ 第一レンズ、Ｌ１２ 第二レンズ、Ｌ１３ 第三レンズ、Ｓ１ 絞り

Claims (3)

1. 物体側より順に正レンズの第一レンズ、正レンズの第二レンズ、正レンズの第三レンズを備え、第一レンズ、第二レンズ、第三レンズを光軸方向に移動することにより焦点距離を可変することが可能な遠赤外変倍光学系。
2. 第一レンズ、第二レンズ、第三レンズともにゲルマニウムを材料とすることを特徴とする請求項１に記載の遠赤外変倍光学系。
3. 第一レンズの焦点距離をｆ１、第二レンズの焦点距離をｆ２、第二レンズの焦点距離をｆ３とすると、下記の式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の遠赤外線光学系。
   ０．０１＜ｆ１／ｆ２かつ０．０１＜ｆ３／ｆ２