JP6191285B2

JP6191285B2 - 赤外線反射屈折光学系

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Description

本発明は、赤外線反射屈折光学系に関する。

赤外線用の屈折光学系には、温度変動に極端に弱いという欠点がある。その理由として、屈折率の温度依存係数ｄｎ／ｄＴが、通常の光学ガラスでは１０^−６Ｋ^−１のオーダーであることに対し、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）といった赤外線用の屈折材では１０^−４Ｋ^−１のオーダーであることが挙げられる。このことにより、わずかな温度変動が生じた場合でも、光学系全体の屈折率を大幅に変動させてしまい、光学性能を劣化させてしまう。

そこで、こうした問題を解決するために、３種類の屈折材を用いた赤外線光学系（特許文献１参照）や、非球面と回折光学素子とを用いた赤外線光学系（特許文献２参照）などが提案されている。

特許第２５０９３９６号公報特開２０１２−１０３４６１号公報

しかしながら、上記特許文献１および上記特許文献２に記載の赤外線光学系では、両方とも開口整合を取る構成となっていないため、ノイズの多い光学系となってしまう。

本発明の第１の態様による赤外線反射屈折光学系は、物体側より順に、全体として正の屈折力を有し、第１中間像を形成するための屈折型の第１結像光学系と、第１中間像の形成位置の近傍に配置され、第１結像光学系からの光束を折り曲げるための第１光路折り曲げ鏡と、凹面反射鏡と少なくとも１つの負レンズとを有し、第１中間像からの光束に基づいて第１中間像とほぼ等倍の第２中間像を第１中間像の形成位置の近傍に形成するための第２結像光学系と、第２中間像の形成位置の近傍に配置され、第２結像光学系からの光束を折り曲げるための第２光路折り曲げ鏡と、第２中間像からの光束に基づいて、結像面に最終像を形成するための屈折型の第３結像光学系と、から構成され、第３結像光学系のとるリレー結像倍率の絶対値をβとしたとき、次式２．０＜β＜３．３を満足する。

本発明によれば、開口整合を取る構成を可能としながら、温度変動に強い赤外線反射屈折光学系を提供することができる。

第１実施例に係る赤外線反射屈折光学系の斜視図である。第１実施例に係る赤外線反射屈折光学系のｙｚ平面断面図である。第１実施例に係る赤外線反射屈折光学系のｘｚ平面断面図である。第１実施例に係る赤外線反射屈折光学系の第３結像光学系の拡大図である。第１実施例および第２実施例における１次元ラインセンサの受光面を示す図である。環境温度が２０℃の状態において、第１実施例に係る赤外線反射屈折光学系の集光性能を表す横収差図である。環境温度が４０℃の状態において、第１実施例に係る赤外線反射屈折光学系の集光性能を表す横収差図である。第２実施例に係る赤外線反射屈折光学系の斜視図である。第２実施例に係る赤外線反射屈折光学系のｙｚ平面断面図である。第２実施例に係る赤外線反射屈折光学系のｘｚ平面断面図である。第２実施例に係る赤外線反射屈折光学系の第３結像光学系の拡大図である。環境温度が２０℃の状態において、第２実施例に係る赤外線反射屈折光学系の集光性能を表す横収差図である。環境温度が４０℃の状態において、第２実施例に係る赤外線反射屈折光学系の集光性能を表す横収差図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための一実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態による赤外線反射屈折光学系１の斜視図である。図２は、赤外線反射屈折光学系１のｙｚ平面断面図である。図３は、赤外線反射屈折光学系１のｘｚ平面断面図である。ここで、ｚ軸は、光軸ＡＸ１に平行な方向の座標軸とする。ｙ軸は、光軸ＡＸ２に平行な方向の座標軸とする。なお、光軸ＡＸ２は、光軸ＡＸ１に対して垂直である。ｘ軸は、ｙ軸およびｚ軸に対して垂直な座標軸とする。また、ｚ軸の正方向は、図２および図３における右方向とする。ｙ軸の正方向は、図２における上方向とする。ｘ軸の正方向は、図３における下方向とする。

本実施形態による赤外線反射屈折光学系１は、物体からの赤外線を集光し、結像面Ｉ上に物体の像を形成する光学系である。赤外線反射屈折光学系１は、物体側から順に、第１結像光学系Ｇ１と、第１光路折り曲げ鏡ＦＭ１と、第２結像光学系Ｇ２と、第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２と、第３結像光学系Ｇ３と、を備える。第１結像光学系Ｇ１および第３結像光学系Ｇ３は、光軸ＡＸ１に沿って配置される。第２結像光学系Ｇ２は、光軸ＡＸ２に沿って配置される。

第１結像光学系Ｇ１は、屈折型の結像光学系であり、全体として正の屈折力を有し、物体からの光束（赤外線）に基づいて第１中間像を形成する。

第１光路折り曲げ鏡ＦＭ１は、第１中間像の形成位置の近傍に配置され、第１結像光学系Ｇ１からの光束を反射して、第２結像光学系Ｇ２の方向に折り曲げる。

第２結像光学系Ｇ２は、凹面反射鏡ＣＭと負レンズＬ２１とから構成される反射屈折型の結像光学系である。第２結像光学系Ｇ２は、第１中間像からの光束に基づいて、第１中間像とほぼ等倍の第２中間像を第１中間像の形成位置の近傍に形成する。

第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２は、第２中間像の形成位置の近傍に配置され、第２結像光学系Ｇ２からの光束を反射して、第３結像光学系Ｇ３の方向に折り曲げる。

第３結像光学系Ｇ３は、屈折型の結像光学系であり、第２中間像からの光束に基づいて、結像面Ｉに最終像を形成する。結像面Ｉには、ｘ軸方向に延設された１次元ラインセンサが設けられており、１次元画像を取得できるように構成されている。

赤外線反射屈折光学系１に入射された物体からの光束は、第１結像光学系Ｇ１を透過した後、第１光路折り曲げ鏡ＦＭ１により反射され、負レンズＬ２１を透過し、凹面反射鏡ＣＭで反射され、再び負レンズＬ２１を透過した後、第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２により反射され、第３結像光学系Ｇ３を透過して、結像面Ｉに結像する。

なお、第１光路折り曲げ鏡ＦＭ１および第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２は、光軸ＡＸ１に対して４５度の角度をなすように設定された平面の反射面をそれぞれ有する。また、第１光路折り曲げ鏡ＦＭ１と第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２とは、１つの光学部材として一体的に構成されている。

開口絞りＡＳは、第３結像光学系Ｇ３と結像面Ｉとの間に配置されている。したがって、開口絞りＡＳは赤外線反射屈折光学系１の射出瞳と一致し、開口整合を取るように構成される。

赤外線反射屈折光学系１を備える赤外線撮像装置では、被検物体以外から放射される不要な赤外線の影響を取り除くため、赤外線反射屈折光学系１と結像面Ｉに設けられた１次元ラインセンサの間にコールドシールドが配置される。コールドシールドは、赤外線反射屈折光学系１によって集光された赤外線を通過させる開口部を有し、この開口部が赤外線反射屈折光学系１の開口絞りＡＳとなる。コールドシールドは、１次元ラインセンサの周囲（側方や斜方）からの不要光を遮断すると共に、コールドシールドと１次元ラインセンサとが冷却されて、これら自体から放射する赤外線を極力除去するように構成される。コールドシールドが備える開口部（開口絞りＡＳ）は、赤外線反射屈折光学系１の射出瞳と位置および大きさ（射出瞳の径）が一致するように設計され、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。

図４は、第３結像光学系Ｇ３の拡大図であり、第２中間像Ｉｍ２から最終像Ｉｍ３までの光路を示す。なお、図４では、第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２を省略して記載し、光軸ＡＸ２と光軸ＡＸ１をまとめて光軸ＡＸと記載している。図４に示すように、物体からの光束は、光軸ＡＸからｙ軸負方向にずれた位置（第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２による折り返し前の場合はｚ軸正方向）に第２中間像Ｉｍ２を結像した後、第３結像光学系Ｇ３および開口絞りＡＳを透過して、光軸ＡＸからｙ軸正方向にずれた位置に最終像Ｉｍ３を結像する。

赤外線反射屈折光学系１において開口整合を成立させながら、第３結像光学系Ｇ３において諸収差（特に非点収差やコマ収差などの軸外収差）をバランス良く補正するためには、第２中間像Ｉｍ２からの光束において、開口絞りＡＳの中心を通る主光線Ｐｒができるだけ光軸ＡＸの近くを通ることが望ましい。主光線Ｐｒを光軸ＡＸに近づけるには、第２中間像Ｉｍ２の形成位置を光軸ＡＸに近づける、すなわち第２中間像Ｉｍ２を小さくして、第３結像光学系Ｇ３のリレー結像倍率の絶対値βを大きくすればよい。したがって、第３結像光学系Ｇ３のリレー結像倍率の絶対値βをできるだけ大きくすることが望ましい。

しかしながら、第３結像光学系Ｇ３のリレー結像倍率の絶対値βが大きくなり過ぎて、第２中間像Ｉｍ２が小さくなり過ぎると、第２中間像Ｉｍ２の形成位置が光軸ＡＸに近づき過ぎる。この結果、第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２で折り返すべき光束が光軸ＡＸに近づきすぎてしまい、ケラレが生じてしまう。たとえば、図２では、物体からの光束が第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２の手前で第２中間像を形成した後、第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２に入射している。第２中間像が光軸ＡＸに近づき過ぎると、第２中間像からの光束の一部が第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２に入射できなくなり、第２中間像からの光束にケラレが生じてしまう。

以上の点を考慮すると、第３結像光学系Ｇ３のリレー結像倍率の絶対値βは、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
２．０＜β＜３．３・・・（１）

さらに理想的には、第３結像光学系Ｇ３のリレー結像倍率の絶対値βは、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
２．３＜β＜３．０・・・（２）

また、本実施形態の赤外線反射屈折光学系１では、全ての屈折光学部材（すなわち、第１結像光学系Ｇ１を構成する全てのレンズ、第２結像光学系Ｇ２の負レンズＬ２１、および第３結像光学系Ｇ３を構成する全てのレンズ）が、単一の屈折材で構成されている。これは、温度変動による結像位置のずれを抑えるためである。全ての屈折光学部材が単一の屈折材で構成された光学系では、温度変動による屈折材の屈折率の変化が全ての屈折光学部材で同一となるため、温度変動によって屈折材の屈折率が変化することは、使用波長が変化することに相当する。したがって、広帯域の波長で色消しを行うことで、温度変動によって屈折率が変化しても、結像位置を移動させないようにできる。

しかしながら、一般に、屈折光学系において色収差の補正を行うためには、屈折率の分散が異なる２種類以上の屈折材を組み合わせて設計を行う。そこで、本実施形態の赤外線反射屈折光学系１では、第２結像光学系Ｇ２の凹面反射鏡ＣＭと負レンズＬ２１とを組み合わせて、色収差を補正するようにした。これにより、凹面反射鏡ＣＭによって色収差を発生させずに正の屈折力を発生させるとともに、負レンズＬ２１によって第１結像光学系Ｇ１および第３結像光学系Ｇ３で発生する色収差を打ち消すことで、屈折材の種類が１種類のみでありながら、広帯域の波長において色収差を良好に補正することができる。

このように、赤外線反射屈折光学系１では、全ての屈折光学部材を単一の屈折材で構成すると共に、広帯域の波長において色収差を良好に補正することで、温度変動による結像位置のずれを抑えることができるようになっている。

＜第１実施例＞
次に、本実施形態の第１実施例について説明する。図１は、第１実施例に係る赤外線反射屈折光学系１の斜視図である。図２は、第１実施例に係る赤外線反射屈折光学系１のｙｚ平面断面図である。図３は、第１実施例に係る赤外線反射屈折光学系１のｘｚ平面断面図である。第１実施例の第１結像光学系Ｇ１は、２枚のレンズＬ１１〜Ｌ１２から構成される。これら２枚のレンズＬ１１〜Ｌ１２のレンズ面は、全て球面である。第１実施例の第２結像光学系Ｇ２は、凹面反射鏡ＣＭと負レンズＬ２１とから構成される。凹面反射鏡ＣＭの反射面は球面である。負レンズＬ２１のレンズ面は、両面とも球面である。第３結像光学系Ｇ３は、４枚のレンズＬ３１〜Ｌ３４から構成される。これら４枚のレンズＬ３１〜Ｌ３４のレンズ面は、全て球面である。第１実施例においてこの他の構成は、本実施形態の説明で上述した通りである。

図４は、第１実施例に係る赤外線反射屈折光学系１の第３結像光学系Ｇ３の拡大図である。図４に示すように、第１実施例において、第２中間像Ｉｍ２は、光軸ＡＸからｙ軸負方向（実際は第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２による折り返し前なのでｚ軸正方向）に１．８５ｍｍずれた位置に形成される。最終像Ｉｍ３は、光軸ＡＸからｙ軸正方向に４．３ｍｍずれた位置に形成される。

以下の表１および表２に、第１実施例におけるレンズ系データを示す。表１は、環境温度２０℃の状態にある場合を示す。表２は、環境温度４０℃の状態にある場合を示す。表１および表２において、面番号は、物体側からの各光学面の番号を示す。面間隔は、次の光学面までの光軸上の距離を示す。曲率半径の「INFINITY」は平面または開口を示す。なお、曲率半径、面間隔および屈折率は、反射面を境に数値の正負が逆転する。したがって、面間隔および屈折率の符号は、第１結像光学系Ｇ１（第１面〜第４面）と、凹面反射鏡ＣＭから第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２まで（第８面〜第１０面）とでは正とし、第１光路折り曲げ鏡ＦＭ１から凹面反射鏡ＣＭまで（第５面〜第７面）と、第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２から像面まで（第１１面〜第２１面）とでは負としている。また、曲率半径については、第１結像光学系Ｇ１（第１面〜第４面）と、凹面反射鏡ＣＭから第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２まで（第８面〜第１０面）とでは、光の進行方向側に向かって凹面の曲率半径を正とし、光の進行方向側に向かって凸面の曲率半径を負としている。一方、第１光路折り曲げ鏡ＦＭ１から凹面反射鏡ＣＭまで（第５面〜第７面）と、第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２から像面まで（第１１面〜第２１面）とでは、光の進行方向側に向かって凸面の曲率半径を正とし、光の進行方向側に向かって凹面の曲率半径を負としている。また、以下の表３に、表１および表２のレンズ系データにおいて、温度変動時のレンズ曲率半径、レンズ中心厚、屈折率、およびそれぞれの変化を計算するために用いた屈折材のデータを示す。また、表１および表２のレンズ系データにおいて、レンズ間隔は、レンズ鏡筒がスーパーインバー等の線膨張係数が０の極低膨張材で形成されているとして、温度変動時に変化しないものとして計算した。さらに、表１および表２のレンズ系データにおいて、凹面反射鏡ＣＭの曲率半径は、凹面反射鏡ＣＭが線膨張係数０の極低膨張ガラスで形成されているとして、温度変動時に変化しないものとして計算した。

表１および表２に示すように、第１実施例では、全てのレンズ（第１結像光学系Ｇ１のレンズＬ１１〜Ｌ１２、第２結像光学系Ｇ２の負レンズＬ２１、および第３結像光学系Ｇ３のレンズＬ３１〜Ｌ３４）が、屈折材としてゲルマニウムを用いて構成されている。したがって、全てのレンズが単一の屈折材で構成されている。また、第１実施例において、第３結像光学系Ｇ３のリレー結像倍率の絶対値βは、２．３３であり、上述した条件式（１）および（２）を満たす。

図５は、第１実施例における１次元ラインセンサ（結像面Ｉと同一面）の受光面の位置および大きさを示す図である。図５に示すように、１次元ラインセンサは、ｘ軸方向に９．１ｍｍの長さを有し、光軸ＡＸからｙ軸正方向に４．３ｍｍずれた位置に配置されている。

図６および図７は、第１実施例の赤外線反射屈折光学系１における集光性能を表す横収差図である。図６は、環境温度２０℃の状態を示す。図７は、環境温度４０℃の状態を示す。なお、図６および図７では、同じ像面位置で評価を行っている。図６および図７の横収差図の点ａ〜ｃは、それぞれ図５に示す１次元ラインセンサ上の集光性能評価点ａ〜ｃに対応している。各点ａ〜ｃと各光線入射角（φｘ,φｙ）との対応は、図６および図７に示す通りである。また、光線入射角φｘの座標上の定義は、図３に示すようにｘｚ平面上でのｚ軸に対する角度であり、図３において時計周り方向を正方向とする。光線入射角φｙの座標上の定義は、図２に示すようにｙｚ平面上でのｚ軸に対する角度であり、図２において反時計回り方向を正方向とする。

図６および図７の横収差図を参照すると、第１実施例の赤外線反射屈折光学系１では、環境温度が２０℃および４０℃の状態においてそれぞれ、波長３〜１４μｍの広帯域で良好に色収差が補正されていることが分かる。

また、表１および表２のレンズ系データを基に近軸光線追跡を行うと、第１実施例において、環境温度が２０℃から４０℃に変化したとき、赤外線反射屈折光学系１の焦点距離は０．１４ｍｍ短くなり、近軸像面位置は０．０１７ｍｍ物体面側へ移動することが分かる。図６の横収差図と図７の横収差図とを比較すると、２０℃の温度変動による横収差の変動は極めて小さく、ほとんど問題とならないレベルであることが分かる。

このように、第１実施例の赤外線反射屈折光学系１では、全てのレンズを単一の屈折材（ゲルマニウム）で構成すると共に、広帯域の波長（３μｍ〜１４μｍ）において色収差を良好に補正することで、温度変動による結像位置のずれが良好に抑えられている。

＜第２実施例＞
次に、本実施形態の第２実施例について説明する。図８は、本実施形態の第２実施例に係る赤外線反射屈折光学系１の斜視図である。図９は、第２実施例に係る赤外線反射屈折光学系１のｙｚ平面断面図である。図１０は、第２実施例に係る赤外線反射屈折光学系１のｘｚ平面断面図である。第２実施例において、第１実施例との違いは、赤外線反射屈折光学系１の焦点距離が１２０ｍｍから２００ｍｍに伸び、画角が４度から２．４度に小さくなったことである。Ｆ値はＦ／４から変わっていないため、入射瞳径は３０ｍｍから５０ｍｍへと大きくなっている。１次元ラインセンサの位置および大きさは、図５に示した第１実施例の１次元ラインセンサと同じである。

また、第２実施例の第１結像光学系Ｇ１は、第１実施例よりも１枚増えて３枚のレンズＬ１１〜Ｌ１３で構成される。これら３枚のレンズＬ１１〜Ｌ１３のレンズ面は、全て球面である。第２実施例の第２結像光学系Ｇ２は、凹面反射鏡ＣＭと負レンズＬ２１とから構成される。凹面反射鏡ＣＭの反射面は球面である。負レンズＬ２１のレンズ面は、両面とも球面である。第２実施例の第３結像光学系Ｇ３は、第１実施例よりも１枚減って３枚のレンズＬ３１〜Ｌ３３から構成される。これら３枚のレンズＬ３１〜Ｌ３３のレンズ面は、全て球面である。第２実施例においてこの他の構成は、本実施形態の説明で上述した通りである。

図１１は、第２実施例に係る赤外線反射屈折光学系１の第３結像光学系Ｇ３の拡大図である。図１１では、図４と同様に、第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２を省略して記載し、光軸ＡＸ１と光軸ＡＸ２をつなげて光軸ＡＸとして記載している。図１１に示すように、第２実施例において、第２中間像Ｉｍ２は、光軸ＡＸからｙ軸負方向に１．４８ｍｍずれた位置に形成される。最終像Ｉｍ３は、光軸ＡＸからｙ軸正方向に４．３ｍｍずれた位置に形成される。

以下の表４および表５に、第２実施例におけるレンズ系データを示す。表４は、環境温度２０℃の状態にある場合を示す。表５は、環境温度４０℃の状態にある場合を示す。表４および表５において、面番号は、物体側からの各光学面の番号を示す。面間隔は、次の光学面までの光軸上の距離を示す。曲率半径の「INFINITY」は平面または開口を示す。なお、曲率半径、面間隔および屈折率は、反射面を境に数値の正負が逆転する。したがって、面間隔および屈折率の符号は、第１結像光学系Ｇ１（第１面〜第６面）と、凹面反射鏡ＣＭから第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２まで（第１０面〜第１２面）とでは正とし、第１光路折り曲げ鏡ＦＭ１から凹面反射鏡ＣＭまで（第７面〜第９面）と、第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２から像面まで（第１３面〜第２１面）とでは負としている。また、曲率半径については、第１結像光学系Ｇ１（第１面〜第６面）と、凹面反射鏡ＣＭから第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２まで（第１０面〜第１２面）とでは、光の進行方向側に向かって凹面の曲率半径を正とし、光の進行方向側に向かって凸面の曲率半径を負としている。一方、第１光路折り曲げ鏡ＦＭ１から凹面反射鏡ＣＭまで（第７面〜第９面）と、第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２から像面まで（第１３面〜第２１面）とでは、光の進行方向側に向かって凸面の曲率半径を正とし、光の進行方向側に向かって凹面の曲率半径を負としている。なお、表４および表５に示すレンズ系データの変化は、上述した表３に示すデータを用いて第１実施例と同様の条件で計算されている。

表４および表５に示すように、第２実施例では、全てのレンズ（第１結像光学系Ｇ１のレンズＬ１１〜Ｌ１３、第２結像光学系Ｇ２の負レンズＬ２１、および第３結像光学系Ｇ３のレンズＬ３１〜Ｌ３３）が、屈折材としてゲルマニウムを用いている。したがって、全てのレンズが単一の屈折材で構成されている。また、第２実施例において、第３結像光学系Ｇ３のリレー結像倍率の絶対値βは、２．９１であり、上述した条件式（１）および（２）を満たす。

図１２および図１３は、第２実施例の赤外線反射屈折光学系１０における集光性能を表す横収差図である。図１２は、環境温度２０℃の状態を示し、図１３は、環境温度４０℃の状態を示す。なお、図１２および図１３では、同じ像面位置で評価を行っている。図１２および図１３の横収差図の点ａ〜ｃは、それぞれ図５に示した１次元ラインセンサ上の集光性能評価点ａ〜ｃに対応している。各点ａ〜ｃと各光線入射角（φｘ,φｙ）との対応は、図１２および図１３に示している通りである。また、光線入射角φｘの座標上の定義は、図１０に示すようにｘｚ平面上でのｚ軸に対する角度であり、図１０において時計周り方向を正方向とする。光線入射角φｙの座標上の定義は、図９に示すようにｙｚ平面上でのｚ軸に対する角度であり、図９において反時計回り方向を正方向とする。

図１２および図１３の横収差図を参照すると、第２実施例の赤外線反射屈折光学系１でも、第１実施例と同様に、波長３〜１４μｍの広帯域において良好に色収差が補正されていることが分かる。

また、表４および表５のレンズ系データを基に近軸光線追跡を行うと、第２実施例において、環境温度が２０℃から４０℃に変化したとき、赤外線反射屈折光学系１の焦点距離は０．２７ｍｍ短くなり、近軸像面位置は０．０２８ｍｍ物体面側へ移動することが分かる。図１２の横収差図と図１３の横収差図とを比較すると、２０℃の温度変動による横収差の変動は極めて小さく、ほとんど問題とならないレベルであることが分かる。

このように、第２実施例の赤外線反射屈折光学系１でも、全てのレンズを単一の屈折材（ゲルマニウム）で構成すると共に、広帯域の波長（３μｍ〜１４μｍ）において色収差を良好に補正することで、温度変動による結像位置のずれが良好に抑えられている。

以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
本実施形態による赤外線反射屈折光学系１は、物体側より順に、全体として正の屈折力を有し、第１中間像を形成するための屈折型の第１結像光学系Ｇ１と、第１中間像の形成位置の近傍に配置され、第１結像光学系Ｇ１からの光束を折り曲げるための第１光路折り曲げ鏡ＦＭ１と、凹面反射鏡ＣＭと負レンズＬ２１とを有し、第１中間像からの光束に基づいて第１中間像とほぼ等倍の第２中間像を第１中間像の形成位置の近傍に形成するための第２結像光学系Ｇ２と、第２中間像の形成位置の近傍に配置され、第２結像光学系Ｇ２からの光束を折り曲げるための第２光路折り曲げ鏡ＦＭ２と、第２中間像からの光束に基づいて、結像面Ｉに最終像を形成するための屈折型の第３結像光学系Ｇ３と、を備え、第３結像光学系Ｇ３のリレー結像倍率の絶対値βが上述した条件式（１）を満足するようにした。これにより、第１結像光学系Ｇ１、第２結像光学系Ｇ２および第３結像光学系Ｇ３の全てのレンズ面および反射面を球面で構成し且つ開口整合を取る構成を可能とし、赤外線の広い波長範囲において高い色消し性能を有しながら、温度変動に強い赤外線反射屈折光学系１を提供することができる。

上記特許文献１に記載の赤外線光学系では、利用可能な波長帯域が８〜１２μｍと遠赤外線域になっており、大気の透過率が高く、解像力も高い中赤外線（３〜６μｍ）を利用できなかった。また、上記特許文献２に記載の赤外線光学系でも、利用可能な波長帯域が７〜１４μｍと遠赤外線域になっており、中赤外線を利用できなかった。これに対して、本実施形態の赤外線反射屈折光学系１は、赤外線の広い波長範囲（３μｍ〜１４μｍ）において高い色消し性能を実現しており、中赤外線を含む広帯域の波長を利用することができる。

また、上記特許文献１および特許文献２に記載の赤外線光学系では、両方とも開口整合を取る構成となっていなかったため、ノイズの多い光学系となることが予想される。これに対して、本実施形態の赤外線反射屈折光学系１は、開口整合を取る構成としたことにより、ノイズを低減することができる。

上記特許文献１に記載の赤外線光学系では、実施例においてＡｓＳｅ（セレン化ヒ素）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）といった屈折材が用いられている。しかしながら、これらの屈折材は有毒であり、環境に配慮することをより強く求められている昨今の状況においては、極力使用を控えることが望ましい。本実施形態の赤外線反射屈折光学系１は、屈折材としてゲルマニウムのみを用いて構成し、上述した有毒な屈折材を用いなくても温度変動に強い赤外線反射屈折光学系を実現した。

上記特許文献２に記載の赤外線光学系では、非球面と回折光学素子を採用しているが、回折光学素子からの不要な回折光は全てノイズとなるため、結像性能の劣化を招くことになる。さらに、回折光学素子や非球面といった特殊な加工を採用することが、加工のコスト高を招く。これに対して、本実施形態の赤外線反射屈折光学系１は、第１結像光学系Ｇ１、第２結像光学系Ｇ２、および第３結像光学系Ｇ３の全てのレンズ面および反射面を球面で構成するようにした。これにより、本実施形態の赤外線反射屈折光学系１では、回折光学素子を採用する場合と比べてノイズを少なくできる。また、本実施形態の赤外線反射屈折光学系１では、回折光学素子や非球面を採用する場合と比べてコストを削減することができる。

＜変形例＞
上述した実施例では、第２結像光学系Ｇ２が凹面反射鏡ＣＭと１枚の負レンズＬ２１とで構成されている例について説明した。しかしながら、第２結像光学系Ｇ２が凹面反射鏡ＣＭと複数のレンズとで構成されていてもよい。第２結像光学系Ｇ２は、凹面反射鏡ＣＭと少なくとも１枚以上の負レンズとを有していればよい。

上述した実施例では、赤外線反射屈折光学系１の屈折材としてゲルマニウムを用いる例について説明したが、この他の赤外線用の屈折材（たとえばシリコンやカルコゲナイドガラスなど）を用いるようにしてもよい。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。たとえば、第１結像光学系Ｇ１〜第３結像光学系Ｇ３を構成するレンズ枚数や、各レンズの曲率半径、面間隔などを適宜変更してもよい。

１…赤外線反射屈折光学系、ＣＭ…凹面反射鏡、ＦＭ１…第１光路折り曲げ鏡、ＦＭ２…第２光路折り曲げ鏡、Ｇ１…第１結像光学系、Ｇ２…第２結像光学系、Ｇ３…第３結像光学系、Ｌ２１…負レンズ

Claims

物体側より順に、
全体として正の屈折力を有し、第１中間像を形成するための屈折型の第１結像光学系と、
前記第１中間像の形成位置の近傍に配置され、前記第１結像光学系からの光束を折り曲げるための第１光路折り曲げ鏡と、
凹面反射鏡と少なくとも１つの負レンズとを有し、前記第１中間像からの光束に基づいて前記第１中間像とほぼ等倍の第２中間像を前記第１中間像の形成位置の近傍に形成するための第２結像光学系と、
前記第２中間像の形成位置の近傍に配置され、前記第２結像光学系からの光束を折り曲げるための第２光路折り曲げ鏡と、
前記第２中間像からの光束に基づいて、結像面に最終像を形成するための屈折型の第３結像光学系と、
から構成され、
前記第３結像光学系のとるリレー結像倍率の絶対値をβとしたとき、次式
２．０＜β＜３．３
を満足する赤外線反射屈折光学系。
請求項１に記載の赤外線反射屈折光学系において、
前記赤外線反射屈折光学系は、開口整合を取る赤外線反射屈折光学系。
請求項１または請求項２に記載の赤外線反射屈折光学系において、
前記赤外線反射屈折光学系が有する全ての屈折光学部材は、単一の屈折材で構成されている赤外線反射屈折光学系。
請求項３に記載の赤外線反射屈折光学系において、
前記単一の屈折材は、ゲルマニウムである赤外線反射屈折光学系。