JP5617642B2 - 赤外線光学系、赤外線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばサーモグラフィやナイトビジョン等のように赤外線についての撮像画像を得るシステムにおいて用いられる赤外線光学系と、当該赤外線光学系を用いた赤外線撮像装置とに関する。

特開２０１０−３９２４３号公報 特開２００９−６３９４２号公報 特開２００８−１２８９１３号公報

遠赤外光は、８μｍ〜１２μｍの波長帯の光であり、人間や動物などから熱、すなわち赤外線として発せられる。このことから、暗所での撮影や温度分布の観測などに用いられている。

遠赤外光を集光する光学系には、通常の可視光に用いられるようなガラスレンズはその透過率の低さから使用することができず、赤外光をよく通す材料としてゲルマニウム（Ｇｅ）が用いられることが多い。ゲルマニウムは、屈折率が４程度と高いため、表面反射率は高いものの、吸収がほとんどないことから、適当な反射防止膜をコーティングすることによって９０％以上の透過率を得ることができる。

しかしながら、ゲルマニウムは希少鉱物のため極めて高価である。
そこで、ゲルマニウムに比して透過率は低下するものの、比較的安価なレンズ材料として、例えばシリコン（Ｓｉ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、さらにはカルコゲンとゲルマニウムなどを化合したカルコゲナイドガラスといった結晶性材料が用いられている。

但し、これらの材料は安価ではあるが、Ｇｅと同様に硬度が高いという難点を有する。すなわち、高硬度であるがゆえ、その加工に長時間を要するなどして、コストの削減が困難となる場合がある。特に、非球面形状に研磨する場合には、精密な設備を用いた長時間の作業が必要であり、高コスト化は避けられないものとなる。
硫化亜鉛（ＺｎＳ）とカルコゲナイドガラスはプレス成形も検討されているが、遠赤外用レンズおよび光学系の低価格供給には至っていないのが現状である。

なお、赤外線光学系の前例としては、例えば上記特許文献１〜３を挙げることができる。
例えば上記特許文献１には、Ｇｅレンズ３枚を用いた光学系が開示されている。当該光学系では、画角３０度以上で非常によい光学特性を示している。
また、特許文献１ではレンズ形状を球面にすることで、加工コストも抑制している。
しかしながら、材料であるＧｅが非常に高価なものであり、安価なデバイスには結びつかない。

また、特許文献２では、Ｇｅと比較して材料コストが安価なＺｎＳを用いているが、Ｇｅより屈折率が低いことで増加する収差を抑制するために、非球面形状を採用している。このため、加工の難度や加工時間の面で、低コスト化が困難となる。

また特許文献３では、ポリエチレンレンズを収差補正用、シリコンレンズを集光用レンズとして用いる例が開示されているが、ポリエチレンレンズが物体に一番近い側に配置されているため、強度や紫外線による劣化を回避することができない。また、絞りに対して対称な構成を採っておらず、収差補正力が十分に得られない虞がある。

本発明は上記のような問題点に鑑み為されたもので、遠赤外線領域である８μｍから１２μｍで良好な光学特性を有し、なおかつ低コストで実現可能な赤外線光学系及び赤外線撮像装置を提供することをその課題とする。

上記課題の解決のため、本発明では赤外線光学系として以下のように構成することとした。
つまり、本発明の赤外線光学系は、物体側から像面側にかけて第１光学素子、第２光学素子、第３光学素子、第４光学素子を備える。
また、前記第４光学素子が正の屈折力を有し、前記第２光学素子と前記第３光学素子との間に絞りが設けられている。
そして、前記第１光学素子及び前記第４光学素子がシリコン（Ｓi）、カルコゲナイドガラス、硫化亜鉛（ＺｎＳ）の何れかによって作製されている。
また、前記第４光学素子は、前記物体側の面と前記像面側の面のうち一方の面が平面で、他方の面が球面形状とされている。
さらに、前記第２光学素子及び前記第３光学素子が樹脂材料で作製され、且つ前記物体側の面又は前記像面側の面の少なくとも一方の面が非球面とされているものである。

また本発明では赤外線撮像装置として以下のように構成することとした。
すなわち、本発明の赤外線撮像装置は、前記本発明の赤外線光学系を備えると共に、前記赤外線光学系により集光された赤外光を検出する赤外線検出部と、前記赤外線検出部により得られた赤外線検出信号に基づき赤外線撮像画像信号を得る画像信号取得部とを備えるものである。

ここで、低コスト化を実現するには、使用するレンズ枚数を減らし、加工の難しい非球面形状を有する面・レンズを削減することが必要となる。
また一方で、透過光量を確保するためには、レンズの厚さを薄くすることが望ましい。
また、良好な光学特性の実現のためには、各種収差が適正に抑制される必要がある。前述のように収差補正にあたっては非球面を用いることが有効である。
上記のように本発明では、第１光学素子と第４光学素子との間に配される第２及び第３光学素子を樹脂材料で構成し、且つそれらに非球面をもたせるようにしている。
樹脂材料を用いることで、材料費を削減して製品コストの削減を図ることができる。また樹脂材料とすれば、非球面加工は、例えばプレス成形等の簡易な手法で実現可能であり、従ってシリコン等の従前の赤外線用レンズを非球面加工する場合よりも加工コストの削減、ひいては製品コストの削減を図ることができる。
また、樹脂材料によれば、第２及び第３光学素子の薄型化も容易であり、従って高透過率の実現も容易である。
但し、単に光学系を構成する光学素子に樹脂材料を用いたのみでは、それら樹脂による光学素子の紫外線に依る性能劣化を避けることができない。そこで本発明では、第２及び第３光学素子を、シリコン、カルコゲナイトガラス、硫化亜鉛の何れかで構成された第１及び第４光学素子により挟み込むように配している。この場合、第１及び第４光学素子は、可視光領域の透過率が低い結晶質材料で構成されることとなるので、樹脂製の第２及び第３光学素子を可視光から有効に保護することができる。

本発明によれば、遠赤外線領域で良好な光学特性を有し、なおかつ低コストで実現可能な赤外線光学系及び赤外線撮像装置を提供することができる。

実施の形態の赤外線撮像装置の内部構成を示したブロック図である。 実施の形態の赤外線光学系の構成概要について説明するための図である。 ＦＺ法、ＣＺ法をそれぞれ採用した場合におけるＳｉの赤外光領域における透過率を示した図である。 実施例１としての赤外線光学系の構成を示した図である。 実施例１の赤外線光学系におけるレンズの形状（及び絞り）についての係数及び面間隔を示した図である。 実施例１の赤外線光学系についての各像高（０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示した図である。 実施例２としての赤外線光学系の構成を示した図である。 実施例２の赤外線光学系におけるレンズの形状（及び絞り）についての係数及び面間隔を示した図である。 実施例２の赤外線光学系についての各像高（０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示した図である。 実施例３としての赤外線光学系の構成を示した図である。 実施例３の赤外線光学系におけるレンズの形状（及び絞り）についての係数及び面間隔を示した図である。 実施例３の赤外線光学系についての各像高（０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示した図である。

以下、発明を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明していく。
なお、説明は以下の順で行う。

＜１．実施の形態としての赤外線光学系及び赤外線撮像装置＞
[1-1．赤外線撮像装置の構成]
[1-2．実施の形態の赤外線光学系の概要]
＜２．具体的な実施例＞
[2-1．実施例１]
[2-2．実施例２]
[2-3．実施例３]
＜３．変形例＞

＜１．実施の形態としての赤外線光学系及び赤外線撮像装置＞
[1-1．赤外線撮像装置の構成]

図１は、本発明の赤外線撮像装置の一実施形態としての、赤外線撮像装置１の内部構成を示したブロック図である。
この図１に示すように、赤外線撮像装置１には、光学ブロック２、イメージセンサ３、画像信号取得部４、及び画像信号処理部５が設けられる。

光学ブロック２は、後述する実施の形態としての赤外線光学系を包括的に表している。光学ブロック２は、図中に入射光Ｌｉと示す被写体（物体）からの赤外光（赤外線）をイメージセンサ３の撮像面（像面）に集光する。

イメージセンサ３は、光学ブロック２により集光された赤外線を検出し、上記被写体からの赤外線に応じた赤外線検出信号を得る。
赤外線検出信号を得るにあたってイメージセンサ３が備えるべき赤外線検出素子としては、例えば焦電素子を用いたものを挙げることができる。或いは、ゼーベック効果を生じさせる熱電対を接続したサーモパイル型、温度上昇による抵抗値の変化を利用したボロメータ型などの赤外線検出素子を用いることもできる。
なお赤外線検出素子についてはこれらに限定されるべきものでなく、赤外線を検出できるものであればその種類は問わない。

画像信号取得部４は、イメージセンサ３により得られる赤外線検出信号（上記赤外線検出素子ごとに得られる検出信号）を入力して、赤外線撮像画像信号を得る。

画像信号処理部５は、画像信号取得部４で得られた撮像画像信号について各種の画像信号処理を施す。例えば、黒レベル補正、画素欠陥補完、収差補正、光学シェーディング補正、レンズディストーション補正、温度調整、距離変化量の算出、コーディング等を行う。
画像信号処理部５からの出力は、図示しないがインターフェース等を介して、撮像装置の外部のディスプレイ（画像表示装置）等に送られる。

[1-2．実施の形態の赤外線光学系の概要]

図２は、光学ブロック２の内部構成の概要について説明するための図である。
なお図２では光学ブロック２内部の概要と共にイメージセンサ３も併せて示している。
図示するように実施の形態の光学ブロック２には、物体側から像面側にかけて第１レンズ１０、第２レンズ１１、第３レンズ１３、第４レンズ１４が設けられている。また、第２レンズ１１と第３レンズ１３との間に、開口絞り１２が設けられている。
光学ブロック２において、これら第１レンズ１０、第２レンズ１１、開口絞り１２、第３レンズ１３、第４レンズ１４は鏡筒内に配置されている。

実施の形態では、このように少なくとも第１レンズ１０、第２レンズ１１、開口絞り１２、第３レンズ１３、第４レンズ１４を有する光学ブロック２について、主に遠赤外線領域（８μｍ〜１２μｍ）で良好な光学特性を有し、なおかつ低コストでの製造を可能とすることを目的として、以下のような構成を採るものとしている。

先ず、第１レンズ１０及び第４レンズ１４として、シリコン（Ｓi）、カルコゲナイドガラス、硫化亜鉛（ＺｎＳ）の何れかによって作製されたものを用いる。
さらに、第２レンズ１１及び第３レンズ１３として、樹脂材料で作製されたレンズを用いるものとし、なおかつ、これら第２レンズ１１及び第３レンズ１３としては、物体側の面又は像面側の面の少なくとも一方の面を非球面として、収差補正機能をもたせる。

第２レンズ１１及び第３レンズ１３を、樹脂材料で作製したレンズとすると、材料費を削減して製品コストの削減を図ることができる。また樹脂材料とすれば、非球面加工は、射出成形やプレス成形などが可能となり、例えばシリコン等の結晶質材料を用いた場合の表面加工と比較して大幅な製作時間の短縮化が図られ、この面でも低コスト化を実現できる。

また、樹脂材料によれば、第２及び第３光学素子の薄型化も容易であり、従って高透過率の実現も容易である。

但し、単に樹脂製のレンズを配したのみでは、それら樹脂製のレンズの紫外線に依る性能劣化を避けることができない。そこで本実施の形態では、上記のように第２レンズ１１及び第３レンズ１３を、シリコン、カルコゲナイトガラス、硫化亜鉛の何れかで構成された第１レンズ１０及び第４レンズ１４により挟み込むように配している。
ここで、シリコン、カルコゲナイトガラス、硫化亜鉛の何れかで構成された第１レンズ１０及び第４レンズ１４は、可視光領域の透過率が低い結晶質材料で構成されていることになる。通常、光学系における各レンズは鏡筒内に配置され、当該鏡筒の端部に位置するレンズ以外のレンズは、可視光の直接的な照射を受けることはない。この点を考慮すれば、上記の構成により、樹脂製の第２レンズ１１及び第３レンズ１３を可視光から有効に保護できることが分かる。
このように樹脂製のレンズの可視光からの保護が図られることで、製品出荷後の実際の使用に伴う経時的な性能劣化を抑制して、より安定な赤外線光学系を実現することができる。

なお、樹脂製のレンズに対しては、一般に耐光性（主に紫外線に対する）を改善するためにカーボンブラックを混練することがあるが、遠赤外線の透過率の低下につながり、赤外線レンズ用途に用いることができない点に留意すべきである。

また、収差補正に関しては、上記のように第２レンズ１１及び第３レンズ１３が主として担うので、第１レンズ１０と第４レンズ１４とについては、非球面を形成する必要性は無いものとできる。
このことから第１レンズ１０、第４レンズ１４については、その物体側の面と像面側の面を球面或いは平面形状とすることができる。球面加工・平面加工は非球面加工に比して簡易であるため、加工コストを抑制できる。つまりこの点でも製品コストの削減が図られる。

後の実施例においても説明するように、実施の形態では、第１レンズ１０については、前記物体側の面を平面、像面側の面を凸面とする。つまり、像面側に凸となる平凸形状とするものである。
また第４レンズ１４については、前記物体側の面が凸面、像面側の面が平面となる、物体側に凸の平凸形状とする。

なお、第４レンズ１４の像側面を平面とすることにより、通常イメージセンサ３の保護のために用いられる平行平面板（センサ窓１５）を省略することができ、構成部品数を削減できる（実施例２を参照）。つまりこの点でも低コスト化が図られる。

また、本実施の形態の赤外線光学系では、低コスト化のために樹脂レンズを用いるものとしているが、一般的に樹脂材料としては、遠赤外線に対する吸収の大きい材料が多く、具体的な材料の選定に留意すべきである。
遠赤外線に対する吸収が比較的小さい樹脂材料の一例としては、ポリオレフィン樹脂を挙げることができる。中でも、材料費、加工のし易さ、強度などを考慮すると、直鎖状ポリオレフィン樹脂や、高密度ポリエチレン、又は超高分子量ポリエチレンを使用することが好ましい。
なお、ここで言う高密度ポリエチレンとは、密度が０．９４２[ｋｇ／ｍ３]以上のポリエチレンを指す。

但し、これらの樹脂材料を使用しても、前述のシリコン、カルコゲナイドガラス、硫化亜鉛といった結晶質材料と比較すると、その透過率は低いものとなる。
このため、樹脂材料による第２レンズ１１及び第３レンズ１３については、その厚を薄くすることが望ましい。
ここで、透過率は、レンズ内を透過する光の光線長が大となるほど低くなると言える。このため、透過率を高めるにあたっては、レンズ内を透過する光（この場合は赤外線）の最大光線長（レンズ内を透過する光のうち光線長が最大となる光の光線長）が小となるように、レンズの厚さを設定すべきである。
具体的に、上記最大光線長としては、２ｍｍ以下とすることが望ましい。さらに、現状におけるイメージセンサ３の感度を考慮すると、上記最大光線長は１ｍｍ以下とすることが望ましい。

本実施の形態では、第２レンズ１１及び第３レンズ１３としてメニスカス形状レンズを用いる。メニスカス形状レンズはレンズ厚の薄型化に有利であり、従って赤外線透過率の向上の点で有利とできる。

さらに実施の形態では、第２レンズ１１を、物体側に凸面を向けたメニスカス形状レンズとし、第３レンズ１３を物体側に凹面を向けたメニスカス形状レンズとする。
前述のようにこれら第２レンズ１１と第３レンズ１３との間には開口絞り１２が配置されるので、これにより、絞り１２を中心に対称な光学構成が採られることとなる。このような光学構成によって、収差をより抑制することに成功している。

また、収差補正機能を担う第２レンズ１１及び第３レンズ１３については、その物体側の面及び像面側の面における有効領域（イメージセンサ３に受光されるべき赤外線が入射／出射する領域）を、「２回微分が連続となる面」に形成する。
ここで、例えば下記の参考文献１、参考文献２には、人感センサ等の光学系に樹脂レンズを使用したものが開示されている。しかしながらこれら参考文献１，２における樹脂レンズとしては、レンズアレイやフレネルレンズといった２回微分が非連続となる面を使用しており、これに伴い、光学面を透過する電磁波の位相面にずれを生じさせてしまう。このため、参考文献１，２に記載の発明では、高解像の絵を結像することが非常に困難となる。
そこで本実施の形態では、第２レンズ１１及び第３レンズ１３について、その物体側の面及び像面側の面における有効領域を２回微分が連続となる面に形成するものとし、高解像度化が図られるようにする。

・参考文献１：特開平１０−６８６５６号公報
・参考文献２：特開２００９−１７５０１８号公報

なお、上記参考文献１，２は、人感センサ等の単画素或いは非常に少ない画素数の赤外線センサを前提としたものである。従って、これら参考文献１，２においては、赤外線撮像画像についてのイメージャとして例えば水平画素数×垂直画素数＝数百（又は数千）×数百（又は数千）程度の非常に多くの画素数による赤外線センサを前提とする本実施の形態の場合のように、光学系を高解像度（高分解能）とする必要性に乏しい点を付記しておく。

ここで、第１レンズ１０と第４レンズ１４の材料としては、前述したシリコン、カルコゲナイトガラス、硫化亜鉛の結晶性材料のうち、材料コストの面からＳｉを用いることが望ましい。
Ｓｉを用いる場合には、抵抗率が４００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が１．５×１０¹⁸個／ｃｍ³以下であり、ＦＺ（Floating Zone）法、又はＣＺ（Czochralski）法、又はＭＣＺ（Magnetic Field Applied CZ）法の製造方法を用いて結晶成長させたものがよい。
抵抗率の高さ、及び酸素濃度の低さは、Ｓｉレンズ内に含まれる不純物が少ないことを意味しており、不純物が少ないほど、遠赤外線領域における透過率が高くなることが知られている。

図３は、ＦＺ法、ＣＺ法をそれぞれ採用した場合におけるＳｉの赤外光領域における透過率を示している。
なお、図３では各製法ごとの透過率に関しＡＲ（Anti Reflective）コート有りの場合とＡＲコート無しの場合の結果をそれぞれ示している。
破線がＣＺ法、実線がＦＺ法による結果を表す。

この図３を参照して分かるように、Ｓｉには、波長９μｍ付近に透過率の低下が見られる。当該透過率の低下は、主に酸素を吸収源として生じるものである。
従って、Ｓｉにおける酸素濃度を低くすることにより、Ｓｉの透過率を改善することができる。

図３によれば、ＣＺ法を採用する場合よりも、ＦＺ法を採用した場合の方が透過率の改善効果が得られることが確認できる。すなわち、ＣＺ法、及び当該ＣＺ法に基づくＭＣＺ法を採用するよりも、ＦＺ法を採用した方が酸素濃度の低下が促され、これにより良好な光学特性を得ることができる。
この点より上記３つの製法のうちではＦＺ法が最も望ましいものとなる。

また、Ｓｉについては、抵抗率が５００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が１．３×１０¹⁸個／ｃｍ³以下であることがより望ましい。
さらには、抵抗率が１０００Ω・ｃｍ以上であり、酸素濃度が１．０×１０¹⁸個／ｃｍ³以下であり、ＦＺ法の製造方法を用いて結晶成長させたＳｉを用いることが最も望ましい。

また、実際において、赤外線光学系を設計するにあたっては、以下の点も留意すべきである。
ここで、近年では温度センサや人感センサとして、遠赤外線を利用したデバイスが用いられるようになってきたが、解像度が低い構成であり、サーモビュワーやナイトビジョンシステムのように撮像対象の形状まで結像するような光学系を有するデバイスは、限られている。今後、遠赤外デバイスの用途を広げていくためには、光学系の広画角化が必要である。具体的には、少なくとも画角２５度を越えるものが望ましく、また特にナイトビジョンに用いる場合等には画角は５０度以上が望ましい。さらに、セキュリティ用途では６５度以上が望ましい。
後述する具体的な実施例においては、この点を考慮して光学系の設計を行っている。

また、遠赤外光はエネルギーが低いため、可視光で使用している撮像素子は使用できず、より多くの光量を集光するためにもＦナンバ＝１．８以下の構成することが必要である。
また、温度分布測定等の解像度の必要な用途においては、集光量を上げ分解能をあげるためにＦナンバ＝１．３以下とすることが望ましい。
実施例においては、このようなＦナンバに係る要請についても考慮して光学系の設計を行った。

＜２．具体的な実施例＞
[2-1．実施例１]

図４は、実施例１としての光学ブロック２の構成を示している。
なお図４において、図中の面Ｓimgは、図１（及び図２）に示したイメージセンサ３の撮像面を表す。
また図４では赤外光の光線も併せて示している。
図中の短破線で示す光線は像高０ｍｍに集光する光線を表し、丸破線で示す光線は像高１．５ｍｍに集光する光線を表している。
また実線で示す光線は像高３．５ｍｍに、長破線で示す光線は像高５．０ｍｍにそれぞれ集光する光線を表す。

本例において、第１レンズ１０と第４レンズ１４はＳｉ製、第２レンズ１１と第３レンズ１３が高密度ポリエチレン製とされる。
ここで、本例では、物体側から５枚目となる位置に、平坦な部材によるセンサ窓１５を設けるものとしている。このセンサ窓１５は、イメージセンサ３の撮像面保護のために設けられる。
当該センサ窓１５としても、Ｓｉ製とする。

第１レンズ１０は正の屈折力を有し、物体側に平面、像面側に球面形状をもつ平凸レンズとされる。
第２レンズ１１は、両面とも非球面形状をもち、物体側に凸となるメニスカスレンズである。
第３レンズ１３は、両面非球面形状の、像面側に凸となるメニスカスレンズである。
第４レンズ１４は、物体面側に球面形状、像面側に平面をもち、正の屈折力をもつ。

これらのレンズの形状（及び開口絞り１２）についての係数、及び面間隔を図５に示す。
ここで、レンズ面の凹凸は、半径ｒを用いて次のように表されるものである。

ただし、Ｚ（ｒ）は、光軸を中心としたときの半径ｒの点におけるレンズ面の高さを示す。面の高さは、物体側を負、像面側を正としている。Ｒは曲率半径、ｋは離心率、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、・・・は非球面係数である。

図５において、面Ｓ０は物体を表し、本例では、対物レンズである第１レンズ１０から１０００ｍｍ離れた位置に設定している。
面Ｓ１、面Ｓ２は、第１レンズ１０の物体側の面、像面側の面をそれぞれ表す。面Ｓ３、面Ｓ４は第２レンズ１１の物体側の面、像面側の面となる。また、面Ｓ５は開口絞り１２、面Ｓ６、面Ｓ７が第３レンズ１３の物体側の面、像面側の面、面Ｓ８、Ｓ９が第４レンズ１４の物体側の面、像面側の面である。面Ｓ１０、Ｓ１１は、センサ窓１５の物体側の面、像面側の面でそれぞれ平坦面となる。

また、実施例１において、第１レンズ１０及び第４レンズ１４で用いるＳｉの屈折率は３．４２１２、第２レンズ１１及び第３レンズ１３で用いる高密度ポリエチレンの屈折率は１．５４である。
また、開口絞り１２の直径は１１．４２６ｍｍ、焦点距離は１６ｍｍとし、Ｆナンバ＝１．２６、水平画角２８°を実現している。

また、Ｓｉ等の結晶性材料と比較して透過率の低いポリエチレンレンズの厚さについては、第２レンズ１１で前述の最大光線長が０．９４ｍｍ、第３レンズ１３についても最大光線長が０．９４ｍｍとなるようにした。すなわち、最大光線長≦１ｍｍに抑えた。このことにより、赤外線透過率の低下を抑えることができる。

また上記の光学設計によれば、第２レンズ１１及び第３レンズ１３の物体側の面及び像面側の面における有効領域は、２回微分が連続となる面で構成されるものとなる。つまりこれにより、前述した位相面のずれの抑制が図られ、分解能の向上に寄与する。

図６は、実施例１の光学ブロック２についての各像高（０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示している。
具体的にこの図では、各像高における特性を横軸を空間周波数（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）、縦軸をＯＴＦ（Optical Transfer Function）として表している。
なおこの図においても像高０ｍｍが短破線、像高１．５ｍｍが丸破線、像高３．５ｍｍが実線、像高５．０ｍｍが長破線である。また、図中「Ｔ」の表記はタンジェンシャル値を意味し、「Ｓ」の表記はサジタル値を意味する。

ここで、像高５．０ｍｍを１０割とした場合、０割にあたる像高０ｍｍと、３割にあたる像高１．５ｍｍとで、２０ｌｉｎｅｓ／ｍｍにおけるＭＴＦ値（ＯＴＦ値）が０．３以上となり、且つ、７割にあたる像高３．５ｍｍと１０割にあたる像高５ｍｍとで１０ｌｉｎｅｓ／ｍｍにおけるＭＴＦ値が０．３以上となることが望ましい。

本実施例の赤外線光学系では、像高０ｍｍにおける２０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦ値が０．５９８、像高１．５ｍｍにおける２０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．５７８、サジタル値０．５９８、像高３．５ｍｍにおける１０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．６７４、サジタル値０．７１２、像高５．０ｍｍにおける１０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．４８９、サジタル値０．５２３と、高い分解能が得られている。

以上で説明した実施例１としての光学系によれば、比較的安価な材料であるＳｉを加工しやすい平凸レンズとして用い、さまざまな収差を調整するレンズとして、非常に安価で加工しやすいポリエチレンを非球面レンズとして用いることで、コストアップを抑えつつ、画角３０°近い広画角を図りながら、十分な分解能性能を得ることができている。

[2-2．実施例２]

図７は、実施例２としての光学ブロック２の構成を示している。
なお、図７においても、各像高（０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）に集光する赤外光の光線を併せて示している。この場合も像高０ｍｍ＝短破線、像高１．５ｍｍ＝丸破線、像高３．５ｍｍ＝実線、像高５．０ｍｍ＝長破線となる。

先ず、実施例２では、実施例１で設けていたセンサ窓１５を省略するものとしている。これにより部品点数が削減され、低コスト化が図られる。

実施例２においても、第１レンズ１０及び第４レンズ１４についてはＳｉレンズとし、第２レンズ１１及び第３レンズ１３については高密度ポリエチレンレンズとしている。
またこの場合も、第１レンズ１０は物体側に平面、像面側に球面形状をもつ平凸レンズとされ、正の屈折力を有している。
また第２レンズ１１は、この場合も両面非球面形状であり、物体側に凸となるメニスカスレンズである。また、第３レンズ１３はこの場合も両面非球面形状であり、像面側に凸となるメニスカスレンズである。
また第４レンズ１４としても、実施例１の場合と同様に物体面側に球面形状、像面側に平面をもち、正の屈折力を有する。

実施例２の場合の各レンズの形状（及び開口絞り１２）についての係数及び面間隔を図８に示す。
なお、面番号の定義は実施例１の場合と同様とである。
また、この場合も面Ｓ０としての物体は、対物レンズである第１レンズ１０から１０００ｍｍ離れた位置に設定している。

ここで、この場合としても、第１レンズ１０及び第４レンズ１４で用いるＳｉの屈折率、第２レンズ１１及び第３レンズ１３で用いる高密度ポリエチレンの屈折率、開口絞り１２の直径、焦点距離、Ｆナンバ、水平画角の各値は、実施例１の場合と同様である。
また、第２レンズ１１及び第３レンズ１３の厚さについては、前述の最大光線長が共に０．９３ｍｍとなるように設定した（すなわち最大光線長≦１）。

また上記の設計によれば、この場合も第２レンズ１１及び第３レンズ１３の物体側の面及び像面側の面における有効領域は２回微分が連続となる面で構成されるものとなり、従ってこの場合も位相面のずれが抑制されて、高分解能化に寄与する。

図９は、実施例２の光学ブロック２についての各像高（０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示している。
なおこの図においても横軸＝空間周波数（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）、縦軸＝ＯＴＦである。

実施例２の光学系では、像高０ｍｍにおける２０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦ値が０．４４１、像高１．５ｍｍにおける２０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．４７、サジタル値０．４９９、像高３．５ｍｍにおける１０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．６８７、サジタル値０．７５８、像高５．０ｍｍにおける１０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．５２３、サジタル値０．５７５となり、高い分解能が得られていることが分かる。

上記による実施例２の光学系によれば、比較的安価な材料であるＳｉを加工し易い平凸レンズとして用い、さまざまな収差を調整するレンズとして、非常に安価で加工しやすいポリエチレンを非球面レンズとして用い、さらに第４レンズ１４にセンサ窓１５の役割を兼ねさせることにより、コストアップを抑えつつ、画角３０°近い広画角を図りながら、十分な分解能性能を得ることができる。

[2-3．実施例３]

図１０は、実施例３としての光学ブロック２の構成を示している。
なお、図１０においても、各像高（０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）に集光する赤外光の光線を併せて示している。この場合も像高０ｍｍ＝短破線、像高１．５ｍｍ＝丸破線、像高３．５ｍｍ＝実線、像高５．０ｍｍ＝長破線となる。

先ず、実施例３も先の実施例２の場合と同様に、実施例１で設けていたセンサ窓１５を省略するものとしている。これにより部品点数が削減され、低コスト化が図られる。

実施例３においても、第１レンズ１０及び第４レンズ１４についてはＳｉレンズとし、第２レンズ１１及び第３レンズ１３については高密度ポリエチレンレンズとしている。

そしてこの場合、第１レンズ１０については、平板状のものを用いることとしている。すなわち、この場合の第１レンズ１０は物体側に平面、像面側にも平面を有する。

その他、第２レンズ１１についてはこの場合も両面非球面形状であり、物体側に凸となるメニスカスレンズとされ、第３レンズ１３としても、この場合も両面非球面形状であって、像面側に凸となるメニスカスレンズとされる。
また第４レンズ１４としても、実施例１，２の場合と同様に物体面側に球面形状、像面側に平面をもち、正の屈折力を有する。

実施例３の場合の各レンズの形状（及び開口絞り１２）についての係数及び面間隔を図１１に示す。
なお、面番号の定義は実施例１の場合と同様とである。
また、この場合も面Ｓ０としての物体は、対物レンズである第１レンズ１０から１０００ｍｍ離れた位置に設定している。

ここで、この場合としても、第１レンズ１０及び第４レンズ１４で用いるＳｉの屈折率、第２レンズ１１及び第３レンズ１３で用いる高密度ポリエチレンの屈折率、開口絞り１２の直径、焦点距離、Ｆナンバ、水平画角の各値は、実施例１の場合と同様である。
また、第２レンズ１１及び第３レンズ１３の厚さについては、前述の最大光線長が共に０．６２ｍｍとなるように設定した。

また上記の設計によれば、この場合も第２レンズ１１及び第３レンズ１３の物体側の面及び像面側の面における有効領域は２回微分が連続となる面で構成されるものとなり、従ってこの場合も位相面のずれが抑制されて、高分解能化に寄与する。

図１２は、実施例３の光学ブロック２についての各像高（０ｍｍ、１．５ｍｍ、３．５ｍｍ、５．０ｍｍ）における分解能特性（ＭＴＦ）を示している。
なおこの図においても横軸＝空間周波数（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）、縦軸＝ＯＴＦである。

実施例３の光学系では、像高０ｍｍにおける２０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦ値が０．６６１、像高１．５ｍｍにおける２０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．６０１、サジタル値０．６４３、像高３．５ｍｍにおける１０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．５９７、サジタル値０．７４５、像高５．０ｍｍにおける１０ｌｉｎｅｓ／ｍｍでのＭＴＦのタンジェンシャル値０．５５３、サジタル値０．６５２となり、高い分解能が得られていることが分かる。

上記による実施例３の光学系によれば、比較的安価な材料であるＳｉを加工し易い平凸レンズ又は平板として用い、さまざまな収差を調整するレンズとして、非常に安価で加工しやすいポリエチレンを非球面レンズとして用い、さらに第４レンズ１４にセンサ窓１５の役割を兼ねさせることにより、コストアップを抑えつつ、画角３０°近い広画角を図りながら、十分な分解能性能を得ることができる。

＜３．変形例＞

以上、本発明の赤外線光学系及び赤外線撮像装置の実施の形態について説明したが、本発明としてはこれまでで説明した具体例に限定されるべきものではない。
例えば、各実施例においては、第２レンズ１１及び第３レンズ１３で用いる樹脂材料として高密度ポリエチレンを例示したが、これに限るものではなく、遠赤外領域での透過率を改善した樹脂材料であれば他の樹脂材料を適用可能であることは言うまでもない。

また、第１レンズ１０及び第４レンズ１４を構成する結晶性材料として、それぞれに同一の材料を用いる場合を例示したが、シリコン、カルコゲナイトガラス、硫化亜鉛のうちからそれぞれに異なる材料を用いることもできる。
同様に第２レンズ１１及び第３レンズ１３についても同一材料でなく、それぞれ異なる材料を選定することもできる。

また、樹脂材料で構成する第２レンズ１１、第３レンズ１３の何れかにおける物体側の面若しくは像面側の面の少なくとも一方に対し、回折構造を与えることで、波長の異なる光線間で発生する色収差を抑制する構成とすることも可能である。

１ 赤外線撮像装置、２ 光学ブロック、３ イメージセンサ、４ 画像信号取得部、５ 画像信号処理部、１０ 第１レンズ、１１ 第２レンズ、１２ 開口絞り、１３ 第３レンズ、１４ 第４レンズ、１５ センサ窓

Claims (16)

1. 物体側から像面側にかけて第１光学素子、第２光学素子、第３光学素子、第４光学素子を備え、
   前記第４光学素子が正の屈折力を有し、
   前記第２光学素子と前記第３光学素子との間に絞りが設けられていると共に、
   前記第１光学素子及び前記第４光学素子がシリコン（Ｓi）、カルコゲナイドガラス、硫化亜鉛（ＺｎＳ）の何れかによって作製され、
   前記第４光学素子は、前記物体側の面と前記像面側の面のうち一方の面が平面で、他方の面が球面形状とされ、
   前記第２光学素子及び前記第３光学素子が樹脂材料で作製され、且つ前記物体側の面又は前記像面側の面の少なくとも一方の面が非球面とされている
   赤外線光学系。
2. 前記第２光学素子、前記第３光学素子を構成する前記樹脂材料がポリオレフィン樹脂とされる請求項１に記載の赤外線光学系。
3. 前記樹脂材料は直鎖状ポリオレフィン樹脂である請求項２に記載の赤外線光学系。
4. 前記樹脂材料が高密度ポリエチレン、又は超高分子量ポリエチレンである請求項２に記載の赤外線光学系。
5. 前記第２光学素子、前記第３光学素子は、それらの内部を透過する光の最大光線長がそれぞれ２ｍｍ以下となるように厚さが設定されている請求項１に記載の赤外線光学系。
6. 前記第２光学素子、前記第３光学素子における前記最大光線長が１ｍｍ以下である請求項５に記載の赤外線光学系。
7. 前記第２光学素子、前記第３光学素子が有する面のうち前記物体側の面及び前記像面側の面における有効領域が、２回微分が連続となる面で形成されている
   請求項１に記載の赤外線光学系。
8. 前記第２光学素子、前記第３光学素子の何れかの面に回折構造が与えられている請求項１に記載の赤外線光学系。
9. 前記第２光学素子は、物体側に凸面を向けたメニスカス形状レンズであり、前記第３光学素子は、物体側に凹面を向けたメニスカス形状レンズである
   請求項１に記載の赤外線光学系。
10. 前記第１光学素子と前記第４光学素子がシリコンで構成され、
    前記シリコンは、
    ＦＺ（Floating Zone）法、又はＣＺ（Czochralski）法、又はＭＣＺ（Magnetic Field Applied CZ）法の何れかの製造方法を用いて結晶成長させたものであって、抵抗率が４００Ω・ｃｍ以上、酸素濃度が１．５×１０¹⁸個／ｃｍ³以下とされる
    請求項１に記載の赤外線光学系。
11. 前記第１光学素子は、前記物体側の面と前記像面側の面のうち一方の面が平面で、他方の面が球面形状とされる請求項１に記載の赤外線光学系。
12. 前記第１光学素子は、前記物体側の面が平面とされる請求項１１に記載の赤外線光学系。
13. 前記第１光学素子が平板状とされる請求項１に記載の赤外線光学系。
14. 前記第４光学素子は、前記像面側の面が平面とされる請求項１に記載の赤外線光学系。
15. Ｆナンバが１．８以下、画角が２５度以上である請求項１に記載の赤外線光学系。
16. 物体側から像面側にかけて第１光学素子、第２光学素子、第３光学素子、第４光学素子を備え、前記第４光学素子が正の屈折力を有し、前記第２光学素子と前記第３光学素子との間に絞りが設けられていると共に、前記第１光学素子及び前記第４光学素子がシリコン（Ｓi）、カルコゲナイドガラス、硫化亜鉛（ＺｎＳ）の何れかによって作製され、前記第４光学素子は、前記物体側の面と前記像面側の面のうち一方の面が平面で、他方の面が球面形状とされ、前記第２光学素子及び前記第３光学素子が樹脂材料で作製され、且つ前記物体側の面又は前記像面側の面の少なくとも一方の面が非球面とされている赤外線光学系と、
    前記赤外線光学系により集光された赤外光を検出する赤外線検出部と、
    前記赤外線検出部により得られた赤外線検出信号に基づき赤外線撮像画像信号を得る画像信号取得部と
    を備える赤外線撮像装置。

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