JP4895169B2

JP4895169B2 - 赤外光学系

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Publication number: JP4895169B2
Application number: JP2006087560A
Authority: JP
Inventors: 健太須藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP2007264191A

Description

本発明は、赤外線撮像装置等に好適な赤外光学系に関する。

赤外光学系は、暗闇などにおいて肉眼では見えない被写体を、赤外線を利用して可視像に変換する赤外線撮像装置等に利用されている。赤外線撮像装置は、赤外光学系と、赤外線検出器（ディテクタ）とから主に構成されている。赤外光学系は、被検物体等から放射される熱すなわち赤外線を集光し、赤外線検出器の検出面上に結像させている。赤外線検出器（ディテクタ）は、赤外光学系により被検物体等からの赤外線が集光される位置に配置され、検出器面上に複数の受光素子（ＣＣＤ（電荷結合素子））を有している。

そして、上記のような赤外線撮像装置では、赤外線検出器にて被検物以外から放射される不要な赤外線（例えば、鏡筒の自己放射）の影響を取り除くため、赤外光学系と赤外線検出器との間に、赤外光学系によって集光された赤外線を通過させる開口部を備えたコールドシールドを配置して、検出面の周囲（側方や斜方）からの不要光を遮断するとともに、このコールドシールドと赤外線検出器を低温（ほぼ液体窒素温度）に冷却して、これら自体から放射する赤外線を極力除去する構成となっている。

また、コールドシールドが備えている開口部は、赤外光学系の射出瞳の位置と大きさ（射出瞳の径）が一致するように設計されており、このような状態は一般に「開口整合の取れた状態」と呼ばれている。このように、コールドシールドが赤外光学系の射出瞳と開口整合を取ることにより、赤外線検出器において、赤外光学系の被検物体以外の不要な赤外光を効率良く抑えることができ、被検物体の赤外光のみを取り入れることができるようになっている。

しかしながら、上記のような開口整合を取るために、赤外光学系の射出瞳の位置とコールドシールドの開口部とを一致させようとすると、射出瞳が赤外光学系と赤外線検出器との間に置かれることになり、光学系の収差補正が困難になってしまったり、レンズ口径が大きくなってしまったりといった問題があった。このような問題を解決するため、近年、種々の赤外光学系が開示されている（例えば、特許文献１及び２を参照）。

具体的には、特許文献１に記載の赤外光学系は、物体側より順に、第１〜第５からなる５つのレンズ群、開口絞りが主に配置され、第４レンズ群及び第５レンズ群は各々少なくとも１つの非球面形状を備えた構成となっている。また、特許文献２に記載の赤外光学系は、物体側より順に、第１〜第３からなる３つのレンズ群、開口絞りが配置され、中間像が第２と第３レンズ群との間に形成される構成となっている。
特開２００２−１４２８３号公報特開平１１−２８７９５１号公報

ところで、赤外線を透過させる光学材料としては、従来より、ゲルマニウム（Ｇｅ），シリコン（Ｓｉ），硫化亜鉛（ＺｎＳ）などの結晶材料が使われているが、これらの材料は非常に高価であるため、レンズの構成枚数が多いとコストが高くなってしまうといった問題がある。また、レンズの構成枚数が多いと、光学系における透過率の低下が問題となり、赤外線検出器の低感度化や熱雑音の増加を招いてしてしまう。よって、赤外光学系では、最小限のレンズ枚数で構成することが望まれている。

しかしながら、特許文献１及び２に開示の赤外光学系では、レンズの構成枚数が多い上に、非球面形状を有するレンズが複数含まれている。上記のように赤外光学系用の光学材料は高価であり、さらに非球面レンズも高価であるため、コスト上不利となってしまう。また、コスト以外の観点からも、レンズの構成枚数が多いと、透過率の減少、フレアの増加、ゴーストの発生、ナルシサスの発生等が考えられ、性能上不利であり、好ましくない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、少ないレンズ枚数で構成しつつも、良好に諸収差を補正し、レンズ口径の小型化を図り、開口整合を取ることができる赤外光学系を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係る赤外光学系は、物体側より順に、全体として正の屈折力を有し、中間像を形成する第１レンズ群と、全体として正の屈折力を有し、前記中間像をリレー結像する第２レンズ群と、開口絞りとが配置され、前記第１レンズ群は、２枚のレンズからなり、そのうち物体側のレンズが物体側に凸面を向けた正レンズであり、前記第２レンズ群は、正の屈折力を有する前群と、正の屈折力を有する後群とからなり、前記前群は、物体側より順に並んだ、両凸レンズと、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズとからなり、前記後群は、物体側から順に並んだ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズと、平行平板とからなり、前記第２レンズ群のとるリレー結像倍率の絶対値をβとしたとき、次式０．７５＜β＜１．５０を満足し、前記第１レンズ群と前記中間像の形成位置との間に倍率切り換えレンズ群が配置され、変倍に際して、前記倍率切り換えレンズ群を光軸上から挿脱させ、前記倍率切り換えレンズ群を光軸上から離脱させた状態において、前記第１レンズ群に含まれる各レンズ面の有効径のうちの最大有効径をＤＧ１とし、光学系全系の入射瞳径をＤｅしたとき、次式ＤＧ１＜１．０５＊Ｄｅを満足し、前記倍率切り換えレンズ群は、物体側より順に並んだ、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた正レンズと、物体側に凹面を向けた負レンズとからなり、各レンズ群を構成する全てのレンズは球面形状である。

以上説明したように、本発明によれば、少ないレンズ構成枚数でありながら、良好に諸収差を補正し、レンズ口径の小型化を図り、開口整合を取ることができる赤外光学系を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る赤外光学系は、赤外線撮像装置等に搭載されるものであり、物体より順に、全体として正の屈折力を有し、中間像を形成する第１レンズ群と、全体として正の屈折力を有し、前記中間像をリレー結像する第２レンズ群と、開口絞りとが配置される。

第１レンズ群は、物体側に凸面を向けた正レンズを含んで構成されている。第２レンズ群は、正の屈折力を有する前群と正の屈折力を有する後群とから構成されている。なお、第２レンズ群の後群は、像側が曲率半径の小さな球面で形成された、物体側に凸面を向けた１枚のメニスカス形状のレンズを含んで構成されており、ペッツバール和の良好な補正に役立っている。

このような構成によれば、本光学系は、レンズ構成枚数を最小限に抑えることができる。また、本光学系は、開口絞りを光学系の最も像側に配置することにより、本光学系の射出瞳の位置と開口絞りの位置とを一致させ、開口整合を取ることができる。さらに、本光学系は、第１レンズ群により中間結像をさせて、入射瞳の位置を開口絞りより物体側に配置することにより、本光学系の物体側のレンズ口径を小さくすることを可能にしている。

なお、本光学系は、異なる物体距離に応じて合焦させるべく、第１レンズ群の一部もしくは全てのレンズ、或いは、第２レンズ群の前群を、光軸に沿って移動可能に構成されている。

そして、本光学系は、前記第２レンズ群のとるリレー結像倍率の絶対値をβとしたとき、次式（１）を満足することが望ましい。

０．７５＜β＜１．５０ …（１）

本光学系は、上記したように、開口絞りが光学系の最も像側に配置され、開口絞りに対して非対称な「後ろ絞り」と呼ばれる構成である。この後ろ絞りの構成は、周知のように、コマ収差、倍率色収差、歪曲収差等のいわゆる軸外収差の補正を行うことが難しい。そこで、本光学系では、上記条件式（１）にて、リレー結像倍率の適切な範囲を規定し、軸上収差と軸外収差のバランスを取ることによって、良好な結像性能が得られるようになっている。

上記条件式（１）の上限値を上回ると、中間結像の大きさが小さくなり、第２レンズ群に発生する軸外収差を補正する負担は小さくなるが、中間結像のＮＡ（開口数）が大きくなり、この高ＮＡの光線に対する収差、すなわち軸上収差（特に球面収差）を補正する負担が大きくなってしまう。逆に、上記条件式（１）の下限値を下回ると、中間結像のＮＡ（開口数）は小さくなり、この高ＮＡの光線に対する収差を補正する負担が小さくなるが、中間結像の大きさが大きくなり、第２レンズ群に発生する軸外収差（特に非点収差、コマ収差、倍率色収差）を補正する負担が大きくなってしまう。また、条件式（１）の下限値を下回ると、第１レンズ群の焦点距離が長くなり、光学系の大型化を招いてしまう。このように、上記条件式（１）の上限値・下限値のいずれを超えても、軸上収差と軸外収差のバランスが大きく崩れてしまい、良好な結像性能が得られず、好ましくない。

さらに、本発明の赤外光学系では、第１レンズ群と前記中間像の形成位置との間に倍率切り換えレンズを配置して、変倍に際して、光軸上から挿脱可能に構成されることが望ましい。このような構成によれば、本光学系では、倍率切り換えレンズ群を、光軸上に挿入すると、光学系の焦点距離が短くなり、低倍率での撮像が可能になる（低倍状態）。また、光軸上から離脱させると、光学系の焦点距離が長くなり、高倍率での撮像が可能になる（高倍状態）。このように、使用倍率を低倍と高倍との間で切り換えることができ、本光学系の利便性を向上させることができる。

なお、倍率切り換えレンズ群を本光学系の光軸上から離脱させた状態（高倍状態）において、第１レンズ群に含まれる各レンズ面の有効径のうちの最大有効径をＤＧ１とし、光学系全系の入射瞳径をＤｅしたとき、次式（２）を満足することが望ましい。

ＤＧ１＜１．０５＊Ｄｅ …（２）

上記条件式（２）は、第１レンズ群に含まれる各レンズ面の有効径のうちの最大有効径ＤＧ１と入射瞳径Ｄｅとの比について適切な範囲を規定するものである。上記条件式（２）を満足することで、良好な収差補正が容易ながらも、第１レンズ群の前玉有効径の小型化を図ることができる。さらに、このことは、本光学系の軽量化及び小型化にも繋がり、ひいてはコスト的にも有利になる。

以下、本発明に係る実施例について、図面を用いて説明する。

ここで、各実施例において、本光学系を構成するレンズの光学材料として用いた、ゲルマニウム，シリコン及び硫化亜鉛の屈折率は、表１に示す通りである。表１では、波長３〜５μｍ（第１実施例及び第２実施例に対応）及び波長８〜１０μｍ（第３実施例に対応）の赤外光に対する屈折率を示している。

（第１実施例）
図１及び図２は、本実施例に係る赤外光学系のレンズ構成図であり、３〜５μｍの波長域（基準波長４μｍ）に対応したものである。図１は、高倍状態におけるレンズ構成を示す図であり、赤外光学系は、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、開口絞りＡＳが配置されている。また、図２は、低倍状態におけるレンズ構成を示す図であり、図１に示す高倍状態の第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間の光軸上に、変倍機能を有する第３レンズ群Ｇ３が挿入されている。すなわち、図２では、赤外光学系は、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第３レンズ群Ｇ３と、第２レンズ群Ｇ２と、開口絞りＡＳが配置されている。

なお、図１及び図２のいずれの場合も、光学系の射出瞳の位置と開口絞りＡＳの位置とが一致した、開口整合が取れた状態となっている。また、図１及び図２において、Ｉは像面を示しており、複数の受光素子（ＣＣＤ（電荷結合素子））を有して構成される、請求項１の「検出器面」に対応するものである。

上記第１レンズ群Ｇ１は、全体として正の屈折力を有し、物体側より順に、物体側に凸面を向けた正レンズＬ１１と、両凹レンズＬ１２とが配置されている。なお、本実施例では、合焦に際して、第１レンズ群Ｇ１の全てのレンズ（Ｌ１１及びＬ１２）を、光軸に沿って移動可能に構成している。

また、第２レンズ群Ｇ２は、全体として正の屈折力を有し、物体側より順に、正の屈折力を有する前群Ｇ２１と、正の屈折力を有する後群Ｇ２２とからなる。前群Ｇ２１は、物体側より順に、両凸レンズＬ２１ａと、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２１ｂとが配置されている。また、後群Ｇ２２は、正の屈折力を有し、物体側より順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズＬ２２ａと、平行平板Ｌ２２ｂとが配置されている。

第３レンズ群Ｇ３は、高倍状態から低倍状態に変倍させるときに、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間との光軸上に挿入されるものであり、物体側より順に、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ３１と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３２と、両凹レンズＬ３３とが配置されている。なお、低倍状態から高倍状態に変倍させるときには、第３レンズ群Ｇ３を、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間から光軸外に離脱させればよい。

なお、本実施例では、色収差を良好に補正するために、第１レンズ群Ｇ１及び第２レンズ群Ｇ２を構成するレンズについて、分散の異なる２種類の光学材料を用いて設計している。具体的には、第１レンズ群Ｇ１では、正レンズＬ１１にシリコンを、両凹レンズＬ１２にゲルマニウムを用いて設計している。また、第２レンズ群Ｇ２では、前群Ｇ２１の両凸レンズＬ２１ａにシリコンを、負メニスカスレンズＬ２１ｂにゲルマニウムを、後群Ｇ２２のメニスカス形状のレンズＬ２２ａにシリコンを、平行平板Ｌ２２ｂにゲルマニウムを用いて設計している。また、第３レンズ群Ｇ３では、負メニスカスレンズＬ３１にシリコンを、正メニスカスレンズＬ３２にシリコンを、両凹レンズＬ３３にゲルマニウムを用いて設計している。

このような構成によれば、本実施例の赤外光学系では、被検物体（不図示）から放射される熱すなわち赤外線は、図１に示す高倍状態において、第１レンズ群Ｇ１を通って中間像が形成された後、この中間像が第２レンズ群によりリレー結像され、開口絞りＡＳを介して、像面Ｉ（検出器面）上に集光され、この検出器面Ｉ上に設けられた受光素子（不図示）により受光される。また、図２に示す低倍状態において、第１レンズ群Ｇ１及び第３レンズ群Ｇ３を通って中間像が形成された後、この中間像が第２レンズ群によりリレー結像され、開口絞りＡＳを介して、像面Ｉ（検出器面）上に集光され、この検出器面Ｉ上に設けられた受光素子（不図示）により受光される。

続いて、表２に、本実施例の赤外光学系における各レンズの諸元値を示す。表２に示すように、諸元の表では、第１欄ｍは物体側からの各光学面の番号（以下、面番号と称する）、第２欄ｒは各光学面の曲率半径、第３欄ｄは各光学面から次の光学面（又は像面Ｉ）までの光軸上の距離（以下、面間隔と称する）、第４欄は光学材料、第５欄は所属するレンズ群をそれぞれ表している。

なお、本実施例では、上記したように、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間の光軸上に、変倍機能を有する第３レンズ群Ｇ３を挿脱させることにより、高倍状態（図１参照）から低倍状態（図２参照）との間で切り換え可能に構成されている。そこで、表２では、高倍状態のレンズデータを、面番号１〜４（第１レンズ群Ｇ１に該当）、面番号１１〜１８（第２レンズ群Ｇ２に該当）及び面番号１９〜２０（開口絞りＡＳに該当）で示している。また、このような高倍状態のレンズ配置に、変倍機能を有する第３レンズ群Ｇ３を挿入した低倍状態のレンズデータを、面番号１〜４（第１レンズ群Ｇ１に該当）、太枠で囲った面番号５〜１０（第３レンズ群Ｇ３に該当）、面番号１１〜１８（第２レンズ群Ｇ２に該当）及び面番号１９〜２０（開口絞りＡＳに該当）で示している。

また、本実施例では、面番号４に示す面間隔ｄ４（具体的には、高倍状態における面番号４と面番号１１との面間隔及び低倍状態における面番号４と面番号５との面間隔）が、合焦に際して変化するため、表２では、無限遠物点及び近距離物点１０ｍにおけるこれらの値を示している。

また、表中では、ｆは焦点距離を、ＦＮＯはＦナンバーを、βはリレー結像倍率を、２ωは画角を示すとともに、上記条件式（１）及び（２）に対応する値、すなわち条件対応値も以下に示している。

なお、表中では、長さの単位は特記の無い場合は「ｍｍ」が使われている。但し、光学系は、比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることなく、他の適当な単位を用いることが可能である。また、曲率半径∞は、平面を示している。以上の表の説明は、他の実施例においても同様である。

表２に示す諸元の表から分かるように、本実施例に係る赤外光学系では、上記条件式（１）及び（２）を全て満たすことが分かる。

図３〜図６は、本実施例に係る赤外光学系の横収差図である。図３は高倍状態の無限遠物点における合焦状態での横収差を示す図、図４は高倍状態の近距離物点１０ｍにおける合焦状態での横収差図、図５は低倍状態の無限遠物点における合焦状態での横収差を示す図、図６は低倍状態の近距離物点１０ｍにおける合焦状態での横収差図を示す図である。

なお、上記収差図では、サジタル像面及びタンジェンシャル像面において各像高（半画角ω）毎に収差曲線を示し、実線は波長５μｍ、点線は４μｍ、一点鎖線は３μｍの収差曲線をそれぞれ示す。

図３〜図６に示す各収差図から明らかであるように、本実施例の赤外光学系では、高倍状態における無限遠状態から近距離物点１０ｍの状態までの各焦点距離状態、及び、低倍状態における無限遠状態から近距離物点１０ｍの状態までの各焦点距離状態において、いずれの場合にも良好に収差補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。

（第２実施例）
図７及び図８は、本実施例に係る赤外光学系のレンズ構成図であり、３〜５μｍの波長域（基準波長４μｍ）に対応したものである。図７は、高倍状態におけるレンズ構成を示す図であり、赤外光学系は、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ１と、開口絞りＡＳが配置されている。また、図８は、低倍状態におけるレンズ構成を示す図であり、図７に示す高倍状態の第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間の光軸上に、変倍機能を有する第３レンズ群Ｇ３が挿入されている。すなわち、図２では、赤外光学系は、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第３レンズ群Ｇ３と、第２レンズ群Ｇ２と、開口絞りＡＳが配置されている。

なお、図７及び図８のいずれの場合も、光学系の射出瞳の位置と開口絞りＡＳの位置とが一致した、開口整合が取れた状態となっている。また、図７及び図８において、Ｉは像面を示しており、複数の受光素子（ＣＣＤ（電荷結合素子））を有して構成される、請求項１の「検出器面」に対応するものである。

上記第１レンズ群Ｇ１は、全体として正の屈折力を有し、物体側より順に、物体側に凸面を向けた正レンズＬ１１と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１２とが配置されている。

また、第２レンズ群Ｇ２は、全体として正の屈折力を有し、物体側より順に、正の屈折力を有する前群Ｇ２１と、正の屈折力を有する後群Ｇ２２とからなる。前群Ｇ２１は、物体側より順に、両凸レンズＬ２１ａと、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ２１ｂとが配置されている。また、後群Ｇ２２は、正の屈折力を有し、物体側より順に、物体側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズＬ２２ａと、平行平板Ｌ２２ｂとが配置されている。なお、本実施例では、合焦に際して、第２レンズ群Ｇ２の前群Ｇ２１（Ｌ２１ａ及びＬ２１ｂ）を、光軸に沿って移動可能に構成している。

なお、本実施例では、色収差を良好に補正するために、第１レンズ群Ｇ１及び第２レンズ群Ｇ２を構成するレンズについて、分散の異なる２種類の光学材料を用いて設計している。具体的には、第１レンズ群Ｇ１では、正レンズＬ１１にシリコンを、負メニスカスレンズＬ１２にゲルマニウムを用いて設計している。また、第２レンズ群Ｇ２では、前群Ｇ２１の両凸レンズＬ２１ａにシリコンを、負メニスカスレンズＬ２１ｂにゲルマニウムを、後群Ｇ２２のメニスカス形状のレンズＬ２２ａにシリコンを、平行平板Ｌ２２ｂにゲルマニウムを用いて設計している。また、第３レンズ群Ｇ３では、負メニスカスレンズＬ３１にシリコンを、正メニスカスレンズＬ３２にシリコンを、両凹レンズＬ３３にゲルマニウムを用いて設計している。

このような構成によれば、本実施例の赤外光学系では、被検物体（不図示）から放射される熱すなわち赤外線は、図７に示す高倍状態において、第１レンズ群Ｇ１を通って中間像が形成された後、この中間像が第２レンズ群によりリレー結像され、開口絞りＡＳを介して、像面Ｉ（検出器面）上に集光され、この検出器面Ｉ上に設けられた受光素子（不図示）により受光される。また、図８に示す低倍状態において、第１レンズ群Ｇ１及び第３レンズ群Ｇ３を通って中間像が形成された後、この中間像が第２レンズ群によりリレー結像され、開口絞りＡＳを介して、像面Ｉ（検出器面）上に集光され、この検出器面Ｉ上に設けられた受光素子（不図示）により受光される。

続いて、表３に、本実施例の赤外光学系における各レンズの諸元値を示す。なお、本実施例では、上記したように、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との光軸上に間に、変倍機能を有する第３レンズ群Ｇ３を挿脱させることにより、高倍状態（図７参照）から低倍状態（図８参照）との間で切り換え可能に構成されている。そこで、表３では、高倍状態のレンズデータを、面番号１〜４（第１レンズ群Ｇ１に該当）、面番号１１〜１８（第２レンズ群Ｇ２に該当）及び面番号１９〜２０（開口絞りＡＳに該当）で示している。また、このような高倍状態のレンズ配置に、変倍機能を有する第３レンズ群Ｇ３を挿入した低倍状態のレンズデータを、面番号１〜４（第１レンズ群Ｇ１に該当）、太枠で囲った面番号５〜１０（第３レンズ群Ｇ３に該当）、面番号１１〜１８（第２レンズ群Ｇ２に該当）及び面番号１９〜２０（開口絞りＡＳに該当）で示している。

また、本実施例では、面番号４に示す面間隔ｄ４（具体的には、高倍状態における面番号４と面番号１１との面間隔（低倍状態では一定値））、面番号ｄ１０（具体的には、低倍状態における面番号１０と面番号１１との面間隔）、及び、面番号ｄ１４（具体的には、高倍状態及び低倍状態における面番号１４と面番号１５との面間隔）が、合焦に際して変化するため、表３では、無限遠物点及び近距離物点１０ｍにおけるこれらの値を示している。

表３に示す諸元の表から分かるように、本実施例に係る赤外光学系では、上記条件式（１）及び（２）を全て満たすことが分かる。

図９〜図１２は、本実施例に係る赤外光学系の横収差図である。図９は高倍状態の無限遠物点における合焦状態での横収差を示す図、図１０は高倍状態の近距離物点１０ｍにおける合焦状態での横収差図、図１１は低倍状態の無限遠物点における合焦状態での横収差を示す図、図１２は低倍状態の近距離物点１０ｍにおける合焦状態での横収差図を示す図である。

図９〜図１２に示す各収差図から明らかであるように、本実施例の赤外光学系では、高倍状態における無限遠状態から近距離物点１０ｍの状態までの各焦点距離状態、及び、低倍状態における無限遠状態から近距離物点１０ｍの状態までの各焦点距離状態において、いずれの場合にも良好に収差補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。

（第３実施例）
図１３及び図１４は、本実施例に係る赤外光学系のレンズ構成図であり、８〜１０μｍの波長域（基準波長９μｍ）に対応したものである。図１３は、高倍状態におけるレンズ構成を示す図であり、赤外光学系は、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ１と、開口絞りＡＳが配置されている。また、図１４は、低倍状態におけるレンズ構成を示す図であり、図１３に示す高倍状態の第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間の光軸上に、変倍機能を有する第３レンズ群Ｇ３が挿入されている。すなわち、図１４では、赤外光学系は、物体側より順に、第１レンズ群Ｇ１と、第３レンズ群Ｇ３と、第２レンズ群Ｇ２と、開口絞りＡＳが配置されている。

なお、図１３及び図１４のいずれの場合も、光学系の射出瞳の位置と開口絞りＡＳの位置とが一致した、開口整合が取れた状態となっている。また、図１３及び図１４において、Ｉは像面を示しており、複数の受光素子（ＣＣＤ（電荷結合素子））を有して構成される、請求項１の「検出器面」に対応するものである。

上記第１レンズ群Ｇ１は、全体として正の屈折力を有し、物体側より順に、物体側に凸面を向けた正レンズＬ１１と、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ１２とが配置されている。なお、本実施例では、合焦に際して、第１レンズ群Ｇ１の一部、具体的には物体側に位置する正レンズＬ１１を、光軸に沿って移動可能に構成している。

第３レンズ群Ｇ３は、高倍状態（図１３参照）から低倍状態（図１４参照）に変倍させるときに、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間との光軸上に挿入されるものであり、物体側より順に、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズＬ３１と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３２と、両凹レンズＬ３３とが配置されている。なお、低倍状態から高倍状態に変倍させるときには、第３レンズ群Ｇ３を、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間から光軸外に離脱させればよい。

なお、本実施例では、第１レンズ群Ｇ１を構成するレンズについて、正レンズＬ１１にゲルマニウムを、負メニスカスレンズＬ１２に硫化亜鉛を用いて設計している。また、第２レンズ群Ｇ２を構成するレンズについて、全てのレンズ（Ｌ２１ａ，Ｌ２１ｂ，Ｌ２２ａ及びＬ２２ｂ）にゲルマニウムを用いて設計している。また、第３レンズ群Ｇ３を構成するレンズについて、全てのレンズ（Ｌ３１〜Ｌ３３）にゲルマニウムを用いて設計している。

このような構成によれば、本実施例の赤外光学系では、被検物体（不図示）から放射される熱すなわち赤外線は、図１３に示す高倍状態において、第１レンズ群Ｇ１を通って中間像が形成された後、この中間像が第２レンズ群によりリレー結像され、開口絞りＡＳを介して、像面Ｉ（検出器面）上に集光され、この検出器面Ｉ上に設けられた受光素子（不図示）により受光される。また、図１４に示す低倍状態において、第１レンズ群Ｇ１及び第３レンズ群Ｇ３を通って中間像が形成された後、この中間像が第２レンズ群によりリレー結像され、開口絞りＡＳを介して、像面Ｉ（検出器面）上に集光され、この検出器面Ｉ上に設けられた受光素子（不図示）により受光される。

続いて、表４に、本実施例の赤外光学系における各レンズの諸元値を示す。なお、本実施例では、上記したように、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との光軸上に間に、変倍機能を有する第３レンズ群Ｇ３を挿脱させることにより、高倍状態（図１３参照）から低倍状態（図１４参照）との間で切り換え可能に構成されている。そこで、表４では、高倍状態のレンズデータを、面番号１〜４（第１レンズ群Ｇ１に該当）、面番号１１〜１８（第２レンズ群Ｇ２に該当）及び面番号１９〜２０（開口絞りＡＳに該当）で示している。また、このような高倍状態のレンズ配置に、変倍機能を有する第３レンズ群Ｇ３を挿入した低倍状態のレンズデータを、面番号１〜４（第１レンズ群Ｇ１に該当）、太枠で囲った面番号５〜１０（第３レンズ群Ｇ３に該当）、面番号１１〜１８（第２レンズ群Ｇ２に該当）及び面番号１９〜２０（開口絞りＡＳに該当）で示している。

また、本実施例では、面番号２に示す面間隔ｄ２（具体的には、高倍状態及び低倍状態における面番号２と面番号３との面間隔）が、合焦に際して変化するため、表４では、無限遠物点及び近距離物点１０ｍにおけるこれらの値を示している。

表４に示す諸元の表から分かるように、本実施例に係る赤外光学系では、上記条件式（１）及び（２）を全て満たすことが分かる。

図１５〜図１８は、本実施例に係る赤外光学系の横収差図である。図１５は高倍状態の無限遠物点における合焦状態での横収差を示す図、図１６は高倍状態の近距離物点１０ｍにおける合焦状態での横収差図、図１７は低倍状態の無限遠物点における合焦状態での横収差を示す図、図１８は低倍状態の近距離物点１０ｍにおける合焦状態での横収差図を示す図である。

なお、上記収差図では、サジタル像面及びタンジェンシャル像面において各像高（半画角ω）毎に収差曲線を示し、実線は波長１０μｍ、点線は９μｍ、一点鎖線は８μｍの収差曲線をそれぞれ示す。

図１５〜図１８に示す各収差図から明らかであるように、本実施例の赤外光学系では、高倍状態における無限遠状態から近距離物点１０ｍの状態までの各焦点距離状態、及び、低倍状態における無限遠状態から近距離物点１０ｍの状態までの各焦点距離状態において、いずれの場合にも良好に収差補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。

以上のような本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば適宜改良可能である。

本発明の第１実施例に係る赤外光学系のレンズ構成図（高倍時：f=250）である。本発明の第１実施例に係る赤外光学系のレンズ構成図（低倍時：f=80）である。上記第１実施例に係る赤外光学系における、高倍状態（f=250）の無限遠物点での合焦状態での横収差を示す図である。上記第１実施例に係る赤外光学系における、高倍状態（f=250）の近距離物点１０ｍでの合焦状態での横収差を示す図である。上記第１実施例に係る赤外光学系における、低倍状態（f=80）の無限遠物点での合焦状態での横収差を示す図である。上記第１実施例に係る赤外光学系における、低倍状態（f=80）の近距離物点１０ｍでの合焦状態での横収差を示す図である。本発明の第２実施例に係る赤外光学系のレンズ構成図（高倍時：f=250）である。本発明の第２実施例に係る赤外光学系のレンズ構成図（低倍時：f=80）である。上記第２実施例に係る赤外光学系における、高倍状態（f=250）の無限遠物点での合焦状態での横収差を示す図である。上記第２実施例に係る赤外光学系における、高倍状態（f=250）の近距離物点１０ｍでの合焦状態での横収差を示す図である。上記第２実施例に係る赤外光学系における、低倍状態（f=80）の無限遠物点での合焦状態での横収差を示す図である。上記第２実施例に係る赤外光学系における、低倍状態（f=80）の近距離物点１０ｍでの合焦状態での横収差を示す図である。本発明の第３実施例に係る赤外光学系のレンズ構成図（高倍時：f=250）である。本発明の第３実施例に係る赤外光学系のレンズ構成図（低倍時：f=80）である。上記第３実施例に係る赤外光学系における、高倍状態（f=250）の無限遠物点での合焦状態での横収差を示す図である。上記第３実施例に係る赤外光学系における、高倍状態（f=250）の近距離物点１０ｍでの合焦状態での横収差を示す図である。上記第３実施例に係る赤外光学系における、低倍状態（f=80）の無限遠物点での合焦状態での横収差を示す図である。上記第３実施例に係る赤外光学系における、低倍状態（f=80）の近距離物点１０ｍでの合焦状態での横収差を示す図である。

符号の説明

Ｇ１第１レンズ群Ｇ２第２レンズ群（Ｇ２１前群，Ｇ２２後群）
Ｇ２第３レンズ群ＡＳ開口絞りＩ像面（検出器面）

Claims

物体側より順に、
全体として正の屈折力を有し、中間像を形成する第１レンズ群と、
全体として正の屈折力を有し、前記中間像をリレー結像する第２レンズ群と、
開口絞りとが配置され、
前記第１レンズ群は、２枚のレンズからなり、そのうち物体側のレンズが物体側に凸面を向けた正レンズであり、
前記第２レンズ群は、正の屈折力を有する前群と、正の屈折力を有する後群とからなり、
前記前群は、物体側より順に並んだ、両凸レンズと、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズとからなり、
前記後群は、物体側から順に並んだ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状のレンズと、平行平板とからなり、
前記第２レンズ群のとるリレー結像倍率の絶対値をβとしたとき、次式
０．７５＜β＜１．５０
を満足し、
前記第１レンズ群と前記中間像の形成位置との間に倍率切り換えレンズ群が配置され、
変倍に際して、前記倍率切り換えレンズ群を光軸上から挿脱させ、
前記倍率切り換えレンズ群を光軸上から離脱させた状態において、前記第１レンズ群に含まれる各レンズ面の有効径のうちの最大有効径をＤＧ１とし、光学系全系の入射瞳径をＤｅしたとき、次式
ＤＧ１＜１．０５＊Ｄｅ
を満足し、
前記倍率切り換えレンズ群は、物体側より順に並んだ、物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズと、物体側に凸面を向けた正レンズと、物体側に凹面を向けた負レンズとからなり、
各レンズ群を構成する全てのレンズは球面形状であることを特徴とする赤外光学系。
前記赤外光学系は、開口整合を取ることを特徴とする請求項１に記載の赤外光学系。
合焦に際して、前記第１レンズ群の一部もしくは全てのレンズを、光軸に沿って移動させることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外光学系。
合焦に際して、前記第２レンズ群の前記前群を、光軸に沿って移動させることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外光学系。