JP3758072B2

JP3758072B2 - 赤外線光学系

Info

Publication number: JP3758072B2
Application number: JP32112299A
Authority: JP
Inventors: 恭久玉川; 貴敬中野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: JP2001141993A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、温度に応じて赤外線を放射する被写体を撮影する赤外線カメラに用いる赤外線光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線カメラは、被写体が放射した赤外線を画像化する装置である。被写体から放射される赤外線量は、その温度に応じている。被写体の温度がおよそ３００Ｋ程度であるとすると、波長１０μｍ程度に輝度のピークがある。加えて、大気中の水分による吸収が少ないことから、赤外線カメラには、波長８〜１２μｍ程度の赤外線を利用するものがある。
【０００３】
被写体の赤外線放射分布を画像化するためには、上記波長帯の赤外線を忠実に写像する機能、すなわち結像する機能が赤外線光学系に必要となる。結像の劣化の要因として収差がある。赤外線光学系には広い波長帯に亘って収差が小さいことが要求される。また、被写体を網羅する視野の範囲で収差が小さいことが要求される。収差には、屈折率の波長変化に依存する色収差、レンズ形状に依存する球面収差、コマ収差、非点収差などがある。
【０００４】
図８は、例えば特開昭６２−１０９０１４号公報に示された従来の赤外線光学系の断面図である。
図８において、１１は凸面を物体側に向けた凸メニスカスレンズ、１２は凹面を物体側に向けた凹メニスカスレンズ、１３は凸面を物体側に向けた凸メニスカスレンズである。各レンズの材料はゲルマニウムであり、各レンズのレンズ形状はすべて球面形状である。１４は絞りである。１５は光軸（レンズの回転対称軸）、１６は像面である。
【０００５】
上記構成において、レンズの材料として用いられるゲルマニウムは、８〜１２μｍ程度の波長範囲においては低分散、すなわち屈折率の変化が微小であるという利点がある。ゲルマニウムをレンズ材料として採用することにより、屈折率の波長変化に依存する色収差の発生を抑えている。また、３枚組構成とし、６面の球面レンズ面を、物体面から順に凸、凹、凹、凸、凸、凹と配置することにより、視野全域に亘って収差を小さくし、被写体の赤外線放射分布を像面１６に結像する赤外線光学系を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の赤外線光学系において、レンズ材料として使用しているゲルマニウムは希少なレンズ材料であり、高価である。また、メニスカスレンズは、レンズ有効径と、凸面の頂点から凹面の周辺部までの長さで決まる円柱状のレンズ材料から切り出す必要がある。このため、従来の赤外線光学系は、以上のようなメニスカスレンズから構成されているので、容量が増大し、また、多くのレンズ材料が必要となり、光学系全体のコストが高くなるという課題があった。
【０００７】
この発明は上述したような課題を解決するためになされたもので、使用するレンズ材料の容量を低減し、光学系のコストの低減を図ることができる赤外線光学系を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る赤外線光学系は、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もつフレネルレンズを２枚具備し、
（φ−φ１）／φ２＞０．１（１）
１．５＞φ（φ２＋φ１−φ）／（φ１φ２）＞０．５（２）
ただし、φは赤外線光学系全系のパワー
φ１は物体側に配置されたフレネルレンズのパワー
φ２は像側に配置されたフレネルレンズのパワー
上記条件式（１）と（２）を満たすことを特徴とするものである。
【０００９】
また、上記２枚のフレネルレンズは低分散な材料からなることを特徴とするものである。
【００１０】
また、上記フレネルレンズの材料を、ゲルマニウムまたはシリコンとしたことを特徴とするものである。
【００１１】
また、上記２枚のフレネルレンズの４つの面の少なくとも１つの面に回折レンズ作用をもつ微細構造を備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、上記フレネルレンズを切削加工によって製造したことを特徴とするものである。
【００１３】
また、上記フレネルレンズを成形加工によって製造したことを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、上記フレネルレンズをエッチング技術によって製造したことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る赤外線光学系の基本的な構成を示す断面図であり、赤外線光学系は、片面がフレネル面、他方の面を平面としたフレネルレンズの２枚構成としている。
図１において、１はゲルマニウムで作られたフレネルレンズであり、物体側に凸レンズの屈折作用をもつフレネル面１ａ、像側に平面１ｂを有し、光学部品としては凸レンズの屈折作用をもつ。２も同様にゲルマニウムで作られたフレネルレンズであり、物体側に凸レンズの屈折作用をもつフレネル面２ａ、像側に平面２ｂを有し、光学部品としては凸レンズの屈折作用をもつ。
【００１６】
前述の通り、ゲルマニウムは８〜１２μｍ程度の波長範囲においては低分散であり、屈折率の変化が微小であるので、フレネルレンズ１および２で発生する色収差は無視できるほどに小さい。１５は光軸であり、フレネル面１ａおよび２ａの回転対称軸となっている。１６は像面であり、フレネルレンズ１および２で結像された被写体の赤外線像が形成される。他方の面を平面としたフレネルレンズ構造とすることにより、レンズを薄くすることができるので、使用するレンズ材料の容量を非常に少なくすることができる。
【００１７】
ただ１枚のフレネルレンズを用いた場合、光軸１５と像面１６とが交わる近傍の非常に狭い範囲では収差を小さくすることができるが、光軸１５から離れると非対称な収差（コマ収差、非点収差など）が大きくなる。したがって、被写体の赤外線像を得ることはできない。凸レンズの屈折作用をもつフレネルレンズ１および２を適当な間隔をもって配置することにより、すべての収差を小さくして、鮮明な赤外線像を得ることができる。
【００１８】
また、フレネルレンズ１および２は、下式（１）および（２）に示すバックフォーカスおよびレンズ間隔に関する条件を満たすように設定される。
（φ−φ１）／φ２＞０．１（１）
１．５＞φ（φ２＋φ１−φ）／（φ１φ２）＞０．５（２）
ただし、φは赤外線光学系全系のパワー
φ１は物体側に配置されたフレネルレンズのパワー
φ２は像側に配置されたフレネルレンズのパワー
【００１９】
すなわち、条件式（１）はバックフォーカスに関する条件である。赤外線光学系により形成された赤外線像をモニタなどの表示手段に映像化するためには、赤外線検出器により電気信号に変換する必要がある。赤外線検出器を配置するためには、十分なバックフォーカスを確保する必要がある。条件式（１）を満足することにより、コマ収差を抑えながら、十分なバックフォーカスを確保することができる。条件式（１）の下限を越えると、バックフォーカスの確保が不可能となるとともに、コマ収差が増大する。
【００２０】
一方、条件式（２）はレンズ間隔に関する条件である。条件式（２）を満足することにより、レンズ間隔を全系の焦点距離の０．５倍から１．５倍の範囲に設定することができ、非点収差や像面彎曲を抑えることができる。条件式（２）の範囲を越えると、非点収差および像面彎曲が補正不足となり、実用に耐えられなくなる。
【００２１】
また、図２はフレネル面の形状を示す説明図である。
光軸（回転対称軸）１５からの変位をｘ、フレネル面の曲率半径をｒ、円錐係数をｂとすると、式（３）で示されるｆ（ｘ）を、一定の段差で分割することにより、フレネル面の形状を形成している。
【００２２】
【数１】

【００２３】
フレネルレンズ１および２ともに、物体側にフレネル面を配し、像側に平面を配している。また、フレネルレンズ１および２ともに、レンズ材料をゲルマニウムとしているので、発生する色収差は無視できるほどに小さくなっている。さらに、光学系の絞りはフレネルレンズ１の物体側のフレネル面上に配している。
【００２４】
以下、具体的な実施例を用いてこの発明を説明する。
実施例１．
この発明の赤外線光学系の具体的な数値データを示す。
諸元は、波長帯が８〜１２μｍ、Ｆナンバーが１．６、焦点距離が１００ｍｍ、半画角が８．０°、段差が０．１ｍｍである。
表１は実施例１の具体的な数値データを示す。
表１において、Ｓは面番号、Ｒは曲率半径（ｍｍ）、ｂは円錐係数、ｄは面間隔（ｍｍ）、ｎは波長１０μｍにおける屈折率である。
【００２５】
図３は結像性能を示す図であり、光線追跡により求めたスポット径の画角依存性を示している。円形開口による回折の広がりを、エアリーの第１暗帯の直径で表すと、およそ（２．５×Ｆナンバー×波長）となる。この場合、この実施例の諸元によればおよそ４０μｍである。この発明の赤外線光学系によるスポット径が回折程度であり、収差が小さく抑えられており、結像されていることがわかる。
【００２６】
【表１】

【００２７】
実施例２．
諸元は、Ｆナンバーが１．３、半画角が５．０°、その他は実施例１と同じである。
表２は、実施例２の具体的な数値データを示す。
図４は、結像性能としてスポット径の画角依存性を示す。
【００２８】
【表２】

【００２９】
実施例３．
諸元は、Ｆナンバーが２．０、その他は実施例１と同じである。
表３は実施例３の具体的な数値データを示す。
図５は、結像性能としてスポット径の画角依存性を示す。
【００３０】
【表３】

【００３１】
実施例４．
諸元は、半画角が１．４、その他は実施例１と同じである。
表４は実施例４の具体的な数値データを示す。
図６は、結像性能としてスポット径の画角依存性を示す。
【００３２】
【表４】

【００３３】
次に、実施例１ないし実施例４の各条件式に対する値を表５に示す。
表５から明らかなように、実施例１ないし実施例４の数値は、条件式（１）および（２）を満足している。
【００３４】
【表５】

【００３５】
以上では、物体側にフレネル面を配し、像側に平面を配したフレネルレンズについて説明したが、これとは逆に、フレネル面を像側に配し、平面を物体側に配しても、条件式（１）および（２）を満足すれば、同様な効果が得られる。
また、光学系の絞りをフレネルレンズ１の物体側のフレネル面上に配しているが、絞りの位置はこれに限定されることはなく、光学系のいずれに配置してもよい。
【００３６】
また、フレネル面の形状は、式（３）で示した２次の非球面であるｆ（ｘ）をもとに決めたが、任意の非球面形状をもとにしても同様な効果が得られる。例えば、次式で表される一般的な非球面形状の表現式（４）を用いてもよい。ただし、式中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは非球面の形状を表す係数である。
【００３７】
【数２】

【００３８】
また、フレネル面の各輪帯の形状は、同一の関数ｆ（ｘ）をもとに定めたが、輪帯毎に関数を変えてもよい。輪帯の番号をｉで表すと、各輪帯毎にフレネル面の形状を表すｆ_i（ｘ）を定めることにより、フレネルレンズ１および２を形成することができる。また、上記実施例では、フレネル面の段差を０．１ｍｍとしているが、この値に限定される理由ことはなく、波長に比べて十分に大きな値であれば、０．１ｍｍ以外の値でもよい。
【００３９】
また、上記説明では、レンズ材料としてゲルマニウムを採用しているが、屈折率の波長依存性が小さい材料であれば、ほかの材料でも効果があることはいうまでもない。８〜１２μｍ程度の波長範囲において、波長変化に伴う屈折率の変化が微小な材料としては、シリコンがある。シリコンは吸収が比較的大きなレンズ材料であるので、上記波長帯では肉厚なレンズとしては使用できない。しかしながら、この発明の赤外線光学系に使用するフレネルレンズのように薄いレンズであれば、レンズ材料による吸収を抑えることができる。
【００４０】
また、フレネルレンズ１または２のフレネル面は回転対称としているので、精密旋盤による切削加工によって製造することができる。また、精密旋盤による切削加工によって製造した金型を用いて、成形加工によっても製造することができる。さらに、レンズ材料として例記したゲルマニウムやシリコンは半導体であり、エッチング技術など半導体製造技術を用いて製造することもできる。
【００４１】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２に係る赤外線光学系を示す断面図である。
図７において、１はフレネルレンズであり、物体側に凸レンズの屈折作用をもつフレネル面１ａ、像側に平面上に凸の回折レンズ作用をもつ微細構造（輪帯構造）を備えた面１ｃを有し、光学部品としては凸レンズの作用をもつ。２はフレネルレンズであり、物体側に凸レンズの屈折作用をもつフレネル面２ａ、像側に平面２ｂを有し、光学部品としては凸レンズの作用をもつ。
【００４２】
レンズ材料の分散が無視できない場合、鮮明な被写体像を得るためには、色収差を低減する必要がある。一般的な色収差低減方法は、材料の異なるレンズを用いて、低分散な材料のレンズに凸の屈折作用を、高分散な材料のレンズに凹の屈折作用をもたせることである。しかしながら、この方法では、２つの凸レンズのを適当な間隔をもって配置することにより、収差を小さくすることができない。
【００４３】
一方、回折レンズ作用は負の分散特性を有するので、凸の回折レンズ作用をもって、凸の屈折作用ともに色収差を低減することができる。したがって、フレネルレンズ１および２ともに、凸レンズ作用を有することができ、鮮明な画像を得るための条件式（１）および（２）を満足することができる。
【００４４】
微細構造の回折レンズは平面上だけでなく、屈折作用をもつフレネル面上にも作成することができる。図７に示す実施の形態２では、物体側のフレネルレンズ１の像側の平面上に微細構造を備えたが、物体側のフレネル面上に備えてもよい。もちろん、フレネルレンズ２の平面上またはフレネル面上に備えてもよい。
【００４５】
以上の実施の形態では、波長帯を熱赤外線領域である８〜１２μｍとしたが、他の赤外線領域であっても同様の効果がある。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、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もつフレネルレンズを２枚具備し、条件式（１）と（２）を満たすようにしたので、使用するレンズ材料の容量を低減し、光学系のコストの低減をすることができる。
【００４７】
また、上記２枚のフレネルレンズは低分散な材料からなるので、発生する色収差は無視できるほどに小さくなり、鮮明な被写体象を得ることができる。
【００４８】
また、上記フレネルレンズの材料を、ゲルマニウムまたはシリコンとしたので、発生する色収差は無視できるほどに小さくなり、鮮明な被写体象を得ることができる。また、波長変化に伴う屈折率の変化を微小にすることができる。
【００４９】
また、上記２枚のフレネルレンズの４つの面の少なくとも１つの面に回折レンズ作用をもつ微細構造を備えたので、低分散でない材料を用いて光学系のコストの低減をすることができる。
【００５０】
また、上記フレネルレンズを切削加工によって容易に製造することができる。
【００５１】
また、上記フレネルレンズを成形加工によって容易に製造することができる。
【００５２】
さらに、上記フレネルレンズをエッチング技術によって容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る赤外線光学系の基本的な構成を示す断面図である。
【図２】図１のレンズのフレネル面の形状を示す説明図である。
【図３】赤外線光学系の具体的な数値データ例としての実施例１の結像性能であるスポット径の画角依存性を示す説明図である。
【図４】赤外線光学系の具体的な数値データ例としての実施例２の結像性能であるスポット径の画角依存性を示す説明図である。
【図５】赤外線光学系の具体的な数値データ例としての実施例３の結像性能であるスポット径の画角依存性を示す説明図である。
【図６】赤外線光学系の具体的な数値データ例としての実施例３の結像性能であるスポット径の画角依存性を示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る赤外線光学系を示す断面図である。
【図８】特開昭６２−１０９０１４号公報に示された従来の赤外線光学系の断面図である。
【符号の説明】
１，２フレネルレンズ、１ａ，２ａフレネルレンズ１，２のフレネル面、１ｂ，２ｂフレネルレンズ１，２の平面、１ｃフレネルレンズの凸の回折レンズ作用を持つ微細構造を備えた面、１６像面。

Claims

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もつフレネルレンズを２枚具備し、
（φ−φ１）／φ２＞０．１（１）
１．５＞φ（φ２＋φ１−φ）／（φ１φ２）＞０．５（２）
ただし、φは赤外線光学系全系のパワー
φ１は物体側に配置されたフレネルレンズのパワー
φ２は像側に配置されたフレネルレンズのパワー
上記条件式（１）と（２）を満たすことを特徴とする赤外線光学系。
請求項１に記載の赤外線光学系において、上記２枚のフレネルレンズは低分散な材料からなることを特徴とする赤外線光学系。
請求項１または２に記載の赤外線光学系において、上記フレネルレンズの材料を、ゲルマニウムまたはシリコンとしたことを特徴とする赤外線光学系。
請求項１に記載の赤外線光学系において、上記２枚のフレネルレンズの４つの面の少なくとも１つの面に回折レンズ作用をもつ微細構造を備えたことを特徴とする赤外線光学系。
請求項１ないし４のいずれかに記載の赤外線光学系において、上記フレネルレンズを切削加工によって製造したことを特徴とする赤外線光学系。
請求項１ないし４のいずれかに記載の赤外線光学系において、上記フレネルレンズを成形加工によって製造したことを特徴とする赤外線光学系。
請求項１ないし４のいずれかに記載の赤外線光学系において、上記フレネルレンズをエッチング技術によって製造したことを特徴とする赤外線光学系。