JP4435341B2

JP4435341B2 - 赤外線レンズ

Info

Publication number: JP4435341B2
Application number: JP25934899A
Authority: JP
Inventors: 章澤本
Original assignee: Nitto Optical Co Ltd
Current assignee: Nitto Optical Co Ltd
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2019-09-13
Also published as: JP2001083413A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外光用の結像レンズに関し、特に、長波長の赤外光に適したレンズシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長８０００〜１２０００ｎｍ（波長８〜１２μｍ）の赤外光（赤外線）は太陽光の影響を受けずに温度、画像およびその他のデータを取得することができるなどの利用分野がある。このため、この長波長帯の赤外線を結像することにより画像あるいは温度を検出する光学装置あるいは測定機器が開発されている。例えば、温度分布を検出する装置においては、検出面において温度差の感知精度を確保するためにＦ値の小さいレンズが要求される。また、高解像を達成するためには、中心から周辺部までのコマ収差、像面湾曲、歪曲収差の小さなレンズあるいはレンズシステムが要求される。
【０００３】
波長が８から１２μｍの赤外光用のレンズは、赤外線の透過率を考慮すると光学材料にはゲルマニウムが使用される。ゲルマニウムの屈折率はこの波長領域で４程度と非常に大きい。したがって、レンズの曲率は小さくて良いので球面収差などの補正はほとんど必要とされない。また、ゲルマニウムのこの波長領域での色分散は非常に小さいので色収差も大きくない。このため、従来、この長い波長帯では、１枚あるいは２枚程度の比較的簡単な構成のレンズあるいはレンズシステムが採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、この波長領域においても、検出面においてさらに高い感知精度が要求されており、このため、Ｆ値の小さな、たとえばＦ値が１あるいはそれ以下のレンズ（レンズシステム）が要求されている。そして、Ｆ値が小さくなると、コマ収差、像面湾曲あるいは歪曲収差を小さくすることが難しくなる。さらに、この波長領域においても、望遠レンズとしての機能を持つ焦点距離が１００ｍｍ程度の長焦点レンズが要求されており、焦点距離が長くなると、さらに収差を小さくすることが難しくなる。
【０００５】
そこで、本発明においては、長波長の赤外光に対し、上記のような要求を満たすことができる赤外線レンズを提供することを目的としている。さらに、この赤外線レンズに用いられる材質は非常に高価なゲルマニウムであり、レンズを小型化してコストを下げることが要求される。したがって、本発明においては、小型で、さらに、結像性能の良い赤外線レンズを提供することも目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、少なくとも４枚のゲルマニウム製のレンズを用いた３群構成の赤外線レンズ（赤外線レンズシステム）を提供することにより、長波長領域でＦ値が１以下と小さく、長焦点距離で、さらに十分な収差性能とバックフォーカスを持ったレンズを実現している。すなわち、本発明にかかる赤外線レンズは、物体側から像側に向かって順に、物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズを備えた第１のレンズ群と、物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズ、および少なくとも１つの物体側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズを備えた負の屈折力の第２のレンズ群と、少なくとも１つの物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズを備えた正の屈折力の第３のレンズ群とを有し、これら第１、第２および第３のレンズ群はゲルマニウム製のレンズで構成されていることを特徴としている。
【０００７】
上述したように、ゲルマニウムは屈折率が大きく曲率を大きくしなくても（曲率半径を小さくしなくても）屈折力を確保できる。また、曲率を大きくしないほうがレンズを薄くすることができるのでコストも安い。その一方で、曲率が小さいとレンズ間の反射によるゴースト（ナルシサス）が発生し易い。そして、このレンズを採用する赤外線を検出する装置では、可視光と異なり人間が識別できないので、ゴーストがすべて記録および評価の対象となってしまう。このため、本発明の赤外線レンズでは、全てのレンズを物体側に凸のメニスカスレンズとすることによりゴーストの発生を最小限にしている。
【０００８】
また、Ｆ値を小さくするために、最も物体側のレンズ径を大きくする必要があるが、いわゆるトリプレット型のレンズ構成とは異なり、正の第１のレンズ群に対し、負の第２のレンズ群を独立させて、レンズ間の距離を開けることにより、最も物体側のレンズに対し第２のレンズ群以降のレンズ径を小さくし、コストを低減できる構成としている。さらに、負のパワーの第２のレンズ群と、正のパワーの第３のレンズ群の組み合わせにより、光線を平行化し、十分な量のバックフォーカスが確保できるようにしている。
【０００９】
本発明のレンズシステムにおいて、レンズ径が最も大きくなるのは最も物体側のレンズである。したがって、このレンズを小型化することがコストを下げる上で重要である。そして、小型でＦ値を小さくするには最も物体側のレンズの曲率を大きくすることが望ましい。しかしながら、最も物体側のレンズの曲率を大きくすると収差を補正するためには第２のレンズ群のパワーを上げる必要がある。このため、第２のレンズ群の焦点距離ｆ₂は、第１のレンズ群の最も前記物体側の面の曲率半径ｒ₁に対し、以下の条件を満足することが望ましい。
【００１０】
｜ｆ₂／ｒ₁｜＜０．６・・・（Ａ）
この式（Ａ）の上限を超えると、コマ収差および像面湾曲の補正が困難になってくる。
【００１１】
また、第２および第３のレンズ群の間隔を広くした方が諸収差の変動は小さくなるが、第２あるいは第３のレンズ群のレンズ径が大きくなる。したがって、第２のレンズ群および第３のレンズ群の距離Ｄ₂₃は、赤外線レンズの焦点距離ｆに対し以下の条件を満足することが望ましい。
【００１２】
Ｄ₂₃／ｆ＜０．４・・・（Ｂ）
この式（Ｂ）の上限を超えると、レンズ径、特に第２のレンズ群のレンズ径が大きくなるので、高価なレンズになってしまう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明にかかる赤外レンズ（レンズシステム）の一例を示してある。本例のレンズ１は、物体側２から像側３に向かって順に並んだ、正の屈折力の第１のレンズ群Ｇ１、負の屈折力の第２のレンズ群Ｇ２および正の屈折力の第３のレンズ群Ｇ３によって構成されている。第１のレンズ群Ｇ１は、物体側２に凸の正のメニスカスレンズＬ１１によって構成されている。また、第２のレンズ群Ｇ２は、物体側２に凸の正のメニスカスレンズＬ２１と、物体側２に凸の負のメニスカスレンズＬ２２と、さらに、物体側２に凸の負のメニスカスレンズＬ２３により構成されている。また、第３のレンズ群Ｇ３は、物体側２に凸の正のメニスカスレンズＬ３１により構成されている。
【００１４】
このように、本例の赤外線レンズ１は、計５枚のレンズを用いた３群構成であり、それぞれのレンズのデータは次の通りである。なお、以下に示すレンズデータにおいて、ｒｉは物体側２から順番に並んだ各レンズの曲率半径（ｍｍ）、ｄｉは物体側２から順番に並んだ各レンズ面の間の距離（ｍｍ）であり、レンズの材質はすべてゲルマニウムである。
【００１５】
レンズデータ

また、このレンズシステム１の合成焦点距離（以降においては焦点距離）ｆ、第２のレンズ群の合成焦点距離（以降においては焦点距離、但し絶対値で示す）ｆ₂、Ｆ値およびバックフォーカスは次の通りである。
【００１６】
焦点距離ｆ＝１００．００
焦点距離ｆ₂＝６２．８２
Ｆ値０．８０
バックフォーカス１９．７１ｍｍ
さらに、距離ｄ８が第２および第３のレンズ群の間隔にあたるので、上述した条件は次のようになる。
【００１７】
条件（Ａ）｜ｆ₂／ｒ₁｜＝０．４６
条件（Ｂ）Ｄ₂₃／ｆ＝０．２５
このように、本例の赤外線レンズ１は、全て物体側２に凸のゲルマニウム製のメニスカスレンズで構成されており、焦点距離ｆが１００ｍｍと長く、また、Ｆ値が０．８と非常に明るいレンズシステムである。また、図２および図３に示してあるように、収差も良好に補正されている。なお、図２には、球面収差、非点収差および歪曲収差を示してあり、図３には、球面収差を横収差図により示してある。各々の球面収差は、８０００ｎｍ（破線）、１００００ｎｍ（実線）および１２０００ｎｍ（一点鎖線）の各波長における収差を示している。また、非点収差および横収差図においては、タンジェンシャル光線（Ｔ）およびサジタル光線（Ｓ）の収差をそれぞれ示してある。これらの図から判るように、本例の赤外線レンズ１の縦収差および横収差は、ほぼ±０．１ｍｍ程度の範囲に入り、さらに、非点収差および歪曲収差も非常に低い値に補正されている。
【００１８】
このように、本例の赤外線レンズ１は、８〜１２μｍの長波長の赤外線領域においてＦ値が非常に小さく、例えば本例のレンズが温度分布を検出する装置に用いられた場合に、その検出面において非常に高い温度差の感知精度を確保することができる。また、中心から周辺部までのコマ収差、像面湾曲、歪曲収差の小さなレンズであることが示されており、解像度の高い検出結果を得ることができる。さらに、バックフォーカスも充分に大きいので、検出装置などに本例の赤外線レンズを組み込むことも容易である。
【００１９】
また、本例の赤外線レンズ１を構成する全てのレンズは物体側に凸のメニスカスレンズであるので、ゴーストが発生することはなく、その影響が検出装置に表れることもない。したがって、精度の高い温度検出に適した赤外線レンズとなっている。さらに、計５枚のゲルマニウム製のレンズを採用しているが、最も物体側のレンズＬ１１の曲率はそれほど大きくない範囲で薄くすることによりコストダウンを図っている。そして、条件（Ａ）を満足するように曲率ｒ１と、第２のレンズ群のパワー（焦点距離ｆ₂）を設定することによりレンズ径も適当な大きさで上記のようにＦ値が小さく、その一方で収差性能の良い赤外線レンズを得ている。また、条件（Ｂ）を満足するように第２および第３のレンズ群の間の距離（空気間距離）を設定することにより第２および第３のレンズ群を構成するレンズ径を小さくしてコストダウンを図っている。
【００２０】
図４に、本発明にかかる赤外線レンズの異なる例を示してある。このレンズ１も上記と同様に物体側２から像側３へ、正の屈折力の第１のレンズ群Ｇ１と、負の屈折力の第２のレンズ群Ｇ２と、正の屈折力の第３のレンズ群Ｇ３が順番に配置されたレンズシステムである。第１のレンズ群Ｇ１およびは第２のレンズ群Ｇ２は、上記と物体側２に凸の正のメニスカスレンズＬ１１、物体側２に凸の正のメニスカスレンズＬ２１、物体側２に凸の負のメニスカスレンズＬ２２および物体側２に凸の負のメニスカスレンズＬ２３により各々構成されている。また、第３のレンズ群Ｇ３は、物体側２に凸の正のメニスカスレンズＬ３１に続き、物体側２に凸の正のメニスカスレンズＬ３２の２枚により構成されている。また、これらレンズはすべてゲルマニウム製である。したがって、本例の赤外線レンズ１は、計６枚構成であり、各々のレンズのデータは以下の通りである。
【００２１】
レンズデータ

また、このレンズシステム１の焦点距離ｆ、第２のレンズ群の焦点距離ｆ₂、Ｆ値およびバックフォーカスは次の通りである。
【００２２】
焦点距離ｆ＝９９．９９
焦点距離ｆ₂＝５８．９７
Ｆ値０．７０
バックフォーカス２０．０３ｍｍ
さらに、距離ｄ８が第２および第３のレンズ群の間隔にあたるので、上述した条件は次のようになる。
【００２３】
条件（Ａ）｜ｆ₂／ｒ₁｜＝０．４２
条件（Ｂ）Ｄ₂₃／ｆ＝０．１２
本例の赤外線レンズ１も、全て物体側２に凸のゲルマニウム製のメニスカスレンズで構成されており、焦点距離ｆがほぼ１００ｍｍと長く、また、Ｆ値が０．７とさらに明るいレンズシステムとなっている。また、図５および図６に示してあるように、収差も良好に補正されている。特に像面歪曲はほとんど見られず、歪みのない画像あるいは検出結果を得ることができる赤外線レンズであることが判る。
【００２４】
このように、本例の赤外線レンズ１も、８〜１２μｍの長波長の赤外線領域においてＦ値が非常に小さく、上記のレンズと同様に温度分布を検出する装置に用いられた場合に、その検出面において非常に高い温度差の感知精度を確保することができ、それと共に諸収差は非常に小さいので高解像度の検出結果を得ることができる。また、バックフォーカスも充分に大きいので、装置に本例の赤外線レンズを組み込むことが容易である。
【００２５】
そして、本例の赤外線レンズ１も全て物体側に凸のメニスカスレンズで構成されておりゴーストの発生しにくい構成となっている。また、計６枚のゲルマニウム製のレンズを採用しているが、最も物体側のレンズＬ１１の曲率はそれほど大きく設定せずに径がそれほど大きくならない範囲で薄くしており、条件（Ａ）および（Ｂ）を満足することにより、低コストで性能の良い赤外線レンズとなっている。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、８から１２μｍという長波長領域の赤外光に適した複数のゲルマニウム製のレンズを用い、Ｆ値が１．０と非常に明るく、さらに、焦点距離が１００ｍｍ程度と長焦点であり、さらに、諸収差の小さな赤外線レンズシステムを開示している。すなわち、本発明におけるレンズシステムでは、全てのレンズを物体側に凸のメニスカスレンズとすることによりゴーストの発生を避け、さらに、物体側から正−負−正の屈折力の３群構成にすることにより、長波長領域で長焦点距離でありながらＦ値が小さく、収差も小さなレンズシステムを実現している。したがって、本発明により、長波長の赤外線画像の撮影あるいは温度検出などに使用でき、コンパクトで無限遠から近距離まで視野全域で高い結像性能を備えた低コストの赤外線レンズを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる赤外線レンズの構成を示す図である。
【図２】図１に示す赤外線レンズの縦収差図である。
【図３】図１に示す赤外線レンズの横収差図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる上記と異なる赤外線レンズの構成を示す図である。
【図５】図４に示す赤外線レンズの縦収差図である。
【図６】図４に示す赤外線レンズの横収差図である。
【符号の説明】
１赤外線レンズ（レンズシステム）
２物体側
３像側
Ｇ１第１のレンズ群
Ｇ２第２のレンズ群
Ｇ３第３のレンズ群

Claims

物体側から像側に向かって順に、
前記物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズからなる第１のレンズ群と、
前記物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズ、および２枚の前記物体側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズからなる負の屈折力の第２のレンズ群と、
前記物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズからなる正の屈折力の第３のレンズ群とから構成され、これら第１、第２および第３のレンズ群はゲルマニウム製のレンズで構成され、前記第２のレンズ群の焦点距離ｆ _２および、前記第１のレンズ群の最も前記物体側の面の曲率半径ｒ _１が、以下の条件を満足する赤外線レンズ。
｜ｆ _２／ｒ _１｜＜０．６
請求項１において、前記第２のレンズ群および第３のレンズ群の距離Ｄ_２３および該赤外線レンズの焦点距離ｆが、以下の条件を満足することを特徴とする赤外線レンズ。
Ｄ_２３／ｆ＜０．４
請求項１または２に記載の赤外線レンズと、
前記赤外線レンズを介して赤外線を検出する系とを有する検出装置。