JP4442834B2 - 近赤外光学撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近赤外光線を主たる撮像光線として利用するビデオカメラや電子スチルカメラ等の撮像光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より赤外利用のカメラ装置の提案の多くは、熱線を含む数μｍから数十μｍの赤外波長領域であるため、吸収の多い従来の光学ガラスは使用することができず、専らゲルマニュム等不可視波長を透過する光学素子を利用していた。
また、０．７８μｍや０．６３μｍ近傍の半導体ＬＥＤ等の発光を利用したオートフォーカスや光ピックアップ用光学素子は、発光波長が狭帯域であるためほぼ単色光と考えてよく、その光学素子は単なる集光作用を目的としたものであった。
また、２波長を利用した光ピックアップ光学装置も提案されているが、基本的に波長を替えることによってピント位置を替えて情報量を増やすことを目的としたものであって、１つのピント面に対し良好な結像を得ることはできない。
また、従来からあるビデオカメラ等において赤外カットフィルター等を一時的に光学系から排除し近赤外光線までも撮像素子で利用するカメラ等も提案されているが、これはもともと可視光線において適切な色消しを行なうことを目的として構成されたレンズであるから、その延長上の波長域では当然色収差の補正がなされておらず、単なる明るいレンズでしかないというものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来からビデオカメラ、電子スチルカメラにおいても明るいレンズを望まれている。特に、監視カメラでは夜間撮影が多く、また十分な照明設備が得られない環境での撮影機会が大きいため、なおのこと明るいカメラ装置が要求されている。このため、従来は大口径レンズを使うか、可視用カメラの赤外カットフィルターを除去するなどの手段でＣＣＤの高感度領域を使って夜間でも明るい撮影が可能となるような工夫がなされていた。
しかしながら、従来ビデオカメラの開放Ｆｎｏは大方１．２から１．６クラスはあり、更なる大口径化はレンズシステムやカメラシステムの肥大化を招きかねず、コストも高くなり好ましくない。
また、単なる赤外カットフィルターの除去による高感度化によっては、映像性能の劣化を招き、撮像画像の解析を必要とする監視カメラでは甚だ不十分な性能しか発揮できず、満足のいくものではなかった。
【０００４】
そこで本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、暗闇においても高感度でかつ高解像度を保って撮影することができる近赤外光学撮像装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、近赤外光学撮像装置をつぎの（１）のように構成したことを特徴としている。
（１）物体側から像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群と、負の屈折力の第２レンズ群と、正の屈折力の第３レンズ群と、正の屈折力の第４レンズ群より構成され、各レンズ群の間隔を変化させてズーミングを行う光学系と、ＣＣＤ撮像素子とを備え、近赤外光線を主たる撮像光線とする近赤外光学撮像装置において、 前記第３レンズ群には絞りが配置されており、該絞りの像側には波長選択フィルターが配置されており、
前記波長選択フィルターの透過波長選択域をＲｔ（μｍ）、前記第４レンズ群の焦点距離をｆ４、前記第１レンズ群から前記第３レンズ群までの合成焦点距離をｆ（１−３）、前記第１レンズ群の負レンズのアッベ数をνＮ、前記第１レンズ群の正レンズの平均アッベ数をνＰ、前記第２レンズ群の負レンズのうち屈折率が最も高いレンズのアッベ数をνＨ、前記第２レンズ群の正レンズのアッベ数をνＬとしたとき、
つぎの（１）から（５）の条件式を全ズーム範囲で満足することを特徴とする近赤外光学撮像装置。
０．６＜Ｒｔ＜０．９ （１）
０．０≦ｆ４／ｆ（１−３）＜１．２ （２）
８０＜νＰ （３）
３０＜νＰ−νＮ （４）
２０＜νＨーνＬ （５）
【０００６】
【発明の実施の形態】
本実施の形態で開示する近赤外光学撮像装置は、上記したように少なくとも１枚の正レンズと負レンズを有する光学系とＣＣＤ撮像素子にて構成された撮像光学系において、該光学系中に可視領域の中波長以短の波長域を選択的にカットするハイパスフィルターを装備し、可視領域を意図的に排除するように構成することによって、ＣＣＤにとって最も感度が高い０．６μｍから０．９μｍの近赤外光線を利用することが可能となる。
また、光学系中に正レンズと負レンズを配置することによって、近赤外領域における色消しをすることができ、結像性能を十分良好に保つことが可能となる。
さらに、光学系を変倍レンズ構成とし、ズームレンズ系における近赤外色消しを行なうことによって、高変倍、高解像力、高感度撮像光学系を達成することが可能となる。
【０００７】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
本発明の実施例においては、物体側から順に正の屈折力の第１群、負の屈折力の第２群、正の屈折力の第３群、正の屈折力の第４群を有し、変倍とフォーカスのために該第２群と第３群と第４群の各レンズ群の間隔を変化させてズーミングを行うようにすると共に、前記第３群の絞りより像面側にハイパスフィルターを配置した構成をとっている。
また、本実施例においては、０．７８μｍを基準波長とし、０．６３μｍから０．８５μｍに至るまでを色消し状態に保っている。従って、利用バンド幅は可視領域専用の従来レンズとほぼ同じでありながら、ＣＣＤの感度的には数倍高い領域を高度に色収差が補正された状態で利用可能となり、従来程度の口径比でも２倍以上の高感度を得ることが可能となる。
さらに、本実施例においては、前記第３群に非球面を採用することによって、より効果的に収差補正を行なっている。第３群中どこに非球面を配置してもその効果を発揮させることが可能であるが、非球面の形状は周辺部に行くに従って屈折力が弱くなるような形状が好ましい。凸面に適用した場合、従来なら球面収差がアンダーとなり易くなるのを防ぎ、凹面に適用した場合はその逆の効果を発揮する。
【０００８】
ハイパスフィルターは、選択的吸収特性を有するフィルターでも選択的に波長を反射するダイクロイックフィルターでも構わないが、ダイクロイックフィルターを利用する場合は、フィルターに入射する光線束の傾角（入射角）によってその特性が変化し易いため傾角が比較的少ない第３群近傍が好ましい。
更にハイパスフィルターの透過波長選択域をＲｔ（μｍ）とした時、
０．６＜Ｒｔ＜０．９ （１）
なる条件式を満足させる。
条件式（１）は可視域で通常使われている光学ガラスを利用して近赤外領域を選択的に色消しを可能とするための波長範囲であり、上限値を越えた長波長域は、通常ガラスの吸収帯に近接するため効率が悪くなり好ましくなく、下限値を越えて広い範囲での色消しを行なおうとすると２次スペクトルが大きくなり十分な色消し効果が得られなくなり好ましくない。
【０００９】
更に、本実施例の光学系においては、１群から３群までの焦点距離をｆ（１−３）とし第４群の焦点距離をｆ４とした時、全ズーム域に渡って
０．０≦ｆ４／ｆ（１−３）＜１．２ （２）
なる条件式を満足させる。
下限値は１群から３群までが完全にアフォーカルな条件で下限値を越えると３群からの光束が発散系となり４群以降が大きくなり好ましくなく、上限値を越えることは３群からの光束が収斂系となりすぎ各光線束のハイパスフイルターヘの入射角変動量が大きくなりすぎ好ましくない。上限値が１．０以下であれば更に好ましい。
【００１０】
また、本実施例の近赤外における色消し条件として、基準波長（０．７８μｍ）での屈折率をＮ、短波長を０．６３μｍ、長波長側を０．８５μｍとしアッベ数を０．６３μｍ、０．８５μｍでの屈折率をそれぞれＮＬ、ＮＨとした時、ν＝（Ｎ−１）／（ＮＬ−ＮＨ）と定義し、第１群の負レンズのアッベ数をνＮ、正レンズの平均アッベ数をνＰとした時、
８０＜νＰ （３）
且つ ３０＜νＰ−νＮ （４）
なる条件式を満足させる。
（３）、（４）式とも下限値を越えると第１群の色消しが不十分となって、望遠端での色消しバランスが不十分となり好ましくない。また、第２群の負レンズ中、屈折率の高い方のレンズのアッベ数をνＨ、正レンズのアッベ数をνＬとした時、
２０＜νＨ−νＬ （５）
なる条件式を満足させる。
（５）式の下限値を越えると第２群の色消しが不十分となって、１群で発生する残留色成分を十分バランスすることが出来なくなり好ましくない。
【００１１】
次に本発明の数値実施例を示す。
数値実施例において、Ｒｉ、Ｄｉ、Ｎｉ、νＬは物体側から順にｉ番目の曲率半径、レンズ厚または空気間隔、０．７８μｍでの屈折率、アッベ数をさし、Ｒ１６、Ｒ１７はハイパスフィルターをまた、Ｒ２３、Ｒ２４は水晶等のＬＰＦまたはＣＣＤカバーガラス等を示す。アッベ数は０．６３μｍ、０．８５μｍでの屈折率をそれぞれＮＬ、ＮＨとした時、
ν＝（Ｎ−１）／（ＮＬ−ＮＨ）で定義する。又、非球面形状は光軸方向にＸ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を離心率、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを各々非球面係数としたとき、

なる式で表している。
また、この数値実施例に基づいて、基準状態の収差図を図２〜図４に示すとともに、本実施例における２次スペクトルと、従来レンズの色消し条件である残留２次スペクトルによる軸上色収差の比較図を図５に示す。

【００１２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、近赤外光線を主たる撮像光線として利用する近赤外光学撮像装置の光学系中に、可視領域の中波長以短の波長域を選択的にカットするハイパスフィルターを設けた構成によって、暗闇においても高感度でかつ高解像度を保って撮影することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における光学系のレンズ構成の断面図。
【図２】数値実施例による基準状態の収差図。
【図３】数値実施例による基準状態の収差図。
【図４】数値実施例による基準状態の収差図。
【図５】本発明の実施例における２次スペクトルと、従来レンズの色消し条件である残留２次スペクトルによる軸上色収差の比較図。
【符号の説明】
ΔＭ：メリジオナル像面
ΔＳ：サジタル像面
０．６３、０．６８、０．８５：各線の倍率色収差（μｍ）

Claims (1)

1. 物体側から像側へ順に、正の屈折力の第１レンズ群と、負の屈折力の第２レンズ群と、正の屈折力の第３レンズ群と、正の屈折力の第４レンズ群より構成され、各レンズ群の間隔を変化させてズーミングを行う光学系と、ＣＣＤ撮像素子とを備え、近赤外光線を主たる撮像光線とする近赤外光学撮像装置において、
   前記第３レンズ群には絞りが配置されており、該絞りの像側には波長選択フィルターが配置されており、
   前記波長選択フィルターの透過波長選択域をＲｔ（μｍ）、前記第４レンズ群の焦点距離をｆ４、前記第１レンズ群から前記第３レンズ群までの合成焦点距離をｆ（１−３）、前記第１レンズ群の負レンズのアッベ数をνＮ、前記第１レンズ群の正レンズの平均アッベ数をνＰ、前記第２レンズ群の負レンズのうち屈折率が最も高いレンズのアッベ数をνＨ、前記第２レンズ群の正レンズのアッベ数をνＬとしたとき、
   つぎの（１）から（５）の条件式を全ズーム範囲で満足することを特徴とする近赤外光学撮像装置。
   ０．６＜Ｒｔ＜０．９ （１）
   ０．０≦ｆ４／ｆ（１−３）＜１．２ （２）
   ８０＜νＰ （３）
   ３０＜νＰ−νＮ （４）
   ２０＜νＨーνＬ （５）

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