JP6625437B2 - 赤外線用結像レンズ - Google Patents

Description

本発明は、赤外線によってイメージセンサの撮像面に被写体の像を結像する赤外線用結像レンズに関する。

近年、いわゆる遠赤外線（波長３μｍ〜１５μｍ程度の赤外線）で周辺環境等の被写体を撮影する監視カメラや車載カメラ等が普及している。これらのカメラが搭載する赤外線用結像レンズには、当然ながら、赤外線の透過率が高い材料からなるレンズを使用する。例えば、特許文献１〜５の赤外線用結像レンズは、Ｇｅ（ゲルマニウム）、カルコゲナイドガラス、または、ＺｎＳ（硫化亜鉛）を使用している。この他、サファイア等も赤外線に対して高い透過率を有しているので、赤外線用結像レンズに使用可能である。

特開２０１４−１０９６３８号公報 特開２０１２−１７３５６１号公報 特開２０１２−０３７６９７号公報 特開２０１２−１７３５６２号公報 特開２０１０−０３９２４３号公報

赤外線用結像レンズは、赤外線に対して高い透過率を有していなければならないので、使用できる硝材が比較的少数に限られているが、これらの硝材はいずれも高価である。特に、結晶の硝材を使用すると、非球面を研削によって形成するしかないので、赤外線用結像レンズは非常に高価になる。このような赤外線用結像レンズの高価さが、赤外線によって周辺環境等を撮影する監視カメラや車載カメラ等の普及を遅らせる原因の一つとなっているので、より安価に赤外線用結像レンズを製造販売することが求められている。

赤外線用結像レンズによく使用する硝材の中では、カルコゲナイドガラスは比較的安価であり、モールド成形によって非球面を形成して容易に所望の光学性能を得ることもできる。このため、特許文献１〜３の赤外線用結像レンズのように、近年の赤外線用結像レンズではカルコゲナイドガラスの使用頻度が高い。しかしながら、カルコゲナイドガラスは、従来、赤外線用結像レンズに使用されてきた硝材の中では比較的安価であるといっても、可視光によって被写体を撮像するためのレンズ（以下、可視光用結像レンズという）に使用する硝材と比較すれば、非常に高価であることに変わりはない。

可視光用結像レンズには、例えば、樹脂や合成石英（ＳｉＯ_２）等の安価な硝材を使用するが、赤外線（特に遠赤外線）はこれらの硝材に非常に吸収されやすい。例えば、合成石英は、耐候性や温度依存性の点においては、赤外線用結像レンズにも使用可能であるが、９μｍ付近の赤外線を強く吸収するという欠点がある。このため、合成石英を赤外線用結像レンズに使用すると、撮影光量の不足等のために所望の画像が得られ難い。したがって、特許文献１〜５等で使用していないことからも分かるように、従来の赤外線用結像レンズでは合成石英を使用しない。

合成石英が９μｍ付近の赤外線を吸収するのは、シリコン（Ｓｉ）に加えて、酸素を含んでいるからである。このため、合成石英に対して、酸素を含まないシリコンの結晶等であれば、９μｍ付近の赤外線の吸収が抑えられるので、赤外線用結像レンズの硝材として使用可能になる。しかし、酸素を含まないシリコン結晶は、通常は高価なＦＺ法（Floating Zone法）法で製造するので、むしろコスト高になる。このため、従来の赤外線用結像レンズではシリコンの結晶等を硝材としては使用しない。

ＦＺ法の他にも、シリコンの結晶を製造する代表的な方法としては、例えばＣＺ法（Czochralski法）が知られている。ＣＺ法は、ＦＺ法よりも安価にシリコンの結晶を得ることができるが、酸素等の不純物を多く含み、純粋なシリコン結晶を得られないという欠点がある。しかし、近年では、ＣＺ法でも、酸素等の不純物の混入量を制御できるようになってきており、安価なまま、含有する酸素の濃度（以下、酸素濃度という）を低下し、遠赤外線の吸収を抑えたシリコン結晶が得られるようになってきている。このため、遠赤外線の吸収を抑えたシリコン結晶を使用し、より安価に赤外線用結像レンズを提供することが望まれている。

なお、従来の赤外線用結像レンズではシリコンを使用できなかった経緯から、シリコンを使用した場合の赤外線用結像レンズが知られていない。また、レンズの性能は、使用する硝材によっても大きく変わるので、従来の高価な赤外線用硝材を単にシリコンに置き換えただけでは、監視カメラや車載カメラに求められる画質の画像は到底得られない。

本発明は、少なくとも赤外線での使用に堪える程度に酸素濃度が低く、９μｍ付近の赤外線の吸収を抑えたシリコンを使用して、従来よりも安価な赤外線用結像レンズを提供することを目的とする。

本発明の赤外線用結像レンズは、物体側から順に、１ｍｍ厚の場合に、波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率が４０％以上であるシリコンで形成した第１レンズと、カルコゲナイドガラスで形成した第２レンズと、カルコゲナイドガラスで形成した第３レンズと、から構成され、第１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１、第１レンズの像側の面の曲率半径をＲ２とする場合に、
（式１）１．０５≦Ｒ２／Ｒ１≦１．３７
を満たす。
また、本発明の赤外線用結像レンズは、物体側から順に、１ｍｍ厚の場合に、波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率が４０％以上であるシリコンで形成した第１レンズと、カルコゲナイドガラスで形成した第２レンズと、カルコゲナイドガラスで形成した第３レンズと、から構成され、第１レンズの焦点距離をｆ１、第１レンズの像側の面から第２レンズの物体側の面の距離をΔとする場合に、
（式２） ２．７≦ｆ１／Δ≦５．８
を満たす。

第１レンズの物体側の面が球面であり、かつ、像側の面が球面であることが好ましい。

第２レンズは、物体側の面が非球面であり、かつ、像側の面が非球面であることが好ましい。

第３レンズは、物体側の面が非球面であり、かつ、像側の面が非球面であることが好ましい。

第１レンズと第２レンズの間に絞りを有することが好ましい。

第２レンズの物体側の面が回折面であることが好ましい。

第１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１、第１レンズの像側の面の曲率半径をＲ２とする場合に、
（式１）１．０５≦Ｒ２／Ｒ１≦１．３７
を満たすことが好ましい。

第１レンズの焦点距離をｆ１、第１レンズの像側の面から第２レンズの物体側の面の距離をΔとする場合に、
（式２） ２．７≦ｆ１／Δ≦５．８
を満たすことが好ましい。

全系の焦点距離をｆ、第２レンズの焦点距離の絶対値を｜ｆ２｜、第２レンズの像側の面から第３レンズの物体側の面の距離をＤ５、第３レンズの中心厚をＤ６とする場合に、
（式３） ０．７５≦（｜ｆ２｜／ｆ）×（Ｄ５／Ｄ６）≦５．４２
を満たすことが好ましい。

第１レンズの中心厚をＤ１、第３レンズの中心厚をＤ６とする場合に、
（式４） ０．８≦Ｄ６／Ｄ１≦３．０
を満たすことが好ましい。

第１レンズの中心厚をＤ１とする場合に、
（式５） １．０ｍｍ≦Ｄ１≦２．５ｍｍ
を満たすことが好ましい。

本発明は、１ｍｍ厚の場合に、波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率が４０％以上であるシリコンからなるレンズを使用したことで、従来よりも安価に赤外線用結像レンズを提供することができる。

赤外線用結像レンズの断面図である。 １ｍｍ厚のシリコンの透過率を示すグラフである。 反射防止コーティングを施した１ｍｍ厚のシリコンの透過率を示すグラフである。 実施例１の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例１の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例１の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。 実施例２の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例２の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例２の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。 実施例３の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例３の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例３の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。 実施例４の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例４の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例４の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。 実施例５の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例５の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例５の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。 実施例６の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例６の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例６の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。 実施例７の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例７の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例７の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。 実施例８の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例８の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例８の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。 実施例９の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例９の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例９の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。 実施例１０の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例１０の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例１０の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。 実施例１１の赤外線用結像レンズの断面図である。 実施例１１の（Ａ）球面収差、（Ｂ）非点収差、及び（Ｃ）ディストーションを示すグラフである。 実施例１１の空間周波数に対するＭＴＦを示すグラフである。

図１に示すように、赤外線用結像レンズ１０は、イメージセンサ１１の撮像面Ｓ１０に遠赤外線によって被写体の像を結像するレンズである。赤外線用結像レンズ１０は、光軸Ｚ１に沿って、物体側から順に、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び、第３レンズの３枚のレンズを有する３枚構成のレンズ系である。また、赤外線用結像レンズ１０は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に絞りＳ３を備える。イメージセンサ１１は、カバーガラスＣＧによって撮像面Ｓ１０を保護しているので、赤外線用結像レンズ１０は、カバーガラスＣＧを介して撮像面Ｓ１０に被写体の像を結像する。

第１レンズＬ１は、１ｍｍ厚の場合に、波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率が４０％以上であるシリコンによって形成する。１ｍｍ厚の場合に、波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率が４０％以上という条件は、シリコンが含有する酸素の濃度が低い（例えば、従来のＣＺ法で製造する一般的なシリコンよりも酸素濃度が低い）ときに満たされる。以下、従来の酸素濃度が高いシリコンと区別するため、第１レンズＬ１の硝材を便宜的に低酸素シリコンといい、相対的に酸素濃度が高い従来のシリコンを高酸素シリコンという。

図２に破線で示すように、１ｍｍ厚の高酸素シリコンは、波長約９μｍ付近の赤外線の吸収が顕著である。このため、波長８μｍ以上１３μｍ以下の波長帯域でみれば、高酸素シリコンの透過率は、波長約９μｍ付近で最低となり、その最低透過率は４０％を下回る。一方、図２に実線で示すように、１ｍｍ厚の低酸素シリコンは、高酸素シリコンよりも酸素濃度を低下したことにより、波長約９μｍ付近の赤外線の透過率が上がり、波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率は４０％以上になる。低酸素シリコンが、高酸素シリコンに対してどの程度赤外線の吸収（特に波長９μｍ付近の赤外線の吸収）抑えることができるかは、低酸素シリコンの酸素濃度によるが、少なくとも波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率が４０％以上になっていれば、赤外線用結像レンズ１０に使用可能である。

低酸素シリコンは、例えば、ＣＺ法において、酸素濃度を制御することにより安価に得ることができる。低酸素シリコンは、より高価なＦＺ法によって得ることも可能ではあるが、同様の特性であれば、最も安価な方法で製造するのが通常である。したがって、低酸素シリコンは従来の赤外線用硝材よりも安価である。

なお、図３に示すように、低酸素シリコン（実線）及び高酸素シリコン（破線）に、それぞれ同じ反射防止コーティングを施すと、各々の硝材としての赤外線の透過率（図２参照）に対して、どちらも全体的に透過率が向上する。このため、反射防止コーティングを施せば、高酸素シリコン（破線）でも、波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率を４０％以上にすることができる。しかし、反射防止コーティングによって、透過率が向上する波長帯域や透過率の向上の程度は、反射防止コーティングの性能による。また、波長約９μｍ付近の赤外線の吸収が顕著であるという硝材自体の特性には変わりがない。

このため、「波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率を４０％以上である」という条件は、あくまでも第１レンズＬ１の硝材自体の特性に関する条件であり、反射防止コーティングの性能を含まない。但し、これは実際に赤外線用結像レンズ１０を構成する際に、第１レンズＬ１に反射防止コーティングを施してはならないということではなく、第１レンズＬ１は当然に低酸素シリコンに反射防止コーティングを施して形成する。具体的には、赤外線用結像レンズ１０では、第１レンズＬ１の物体側の面Ｓ１及び像側の面Ｓ２、またはこれらのうちいずれか一方の面に反射防止コーティングを施してある。このため、第１レンズＬ１は、例えば図３の実線で示す透過率特性を有する。

第１レンズＬ１を形成する低酸素シリコンは結晶であり、インゴット等から切り出して研削して使用することにより、酸素飽和度が低い状態を保つ。このため、第１レンズＬ１は、モールド成形等の加熱加圧による非球面形成はできず、第１レンズＬ１の物体側の面Ｓ１または像側の面Ｓ２を非球面にする場合には、研削により非球面を形成する必要がある。しかし、研削により非球面を形成すると第１レンズＬ１がコストアップし、その結果、赤外線用結像レンズ１０を安価に製造することができなくなる。したがって、赤外線用結像レンズ１０では、第１レンズＬ１を球面レンズとしている。すなわち、第１レンズＬ１は、物体側の面Ｓ１が球面であり、かつ、像側の面Ｓ２が球面である。

また、第１レンズＬ１は、赤外線用結像レンズ１０の保護部材（例えばカバーガラス）を兼ねている。すなわち、赤外線用結像レンズ１０は監視カメラや車載カメラ等の過酷な環境で使用するが、第１レンズＬ１よりも前に保護部材を置いて赤外線用結像レンズ１０を保護する必要がない。

例えば、カルコゲナイドガラスは脆く、耐候性等も低いので、少なくとも最も物体側のレンズをカルコゲナイドガラスで形成した従来の赤外線量結像レンズは、赤外線量結像レンズの前に保護部材を置いて赤外線用結像レンズ（特に、最も物体側のカルコゲナイドガラスで形成したレンズ）を保護する必要がある。保護部材は、例えば、レンズとしてのパワーを有しない平行平板である。但し、保護部材は、撮影に必要な赤外線を十分に透過しなければならないので、保護部材にも、耐候性等が良い高価な赤外線用硝材等を使用する必要がある。このように保護部材に高価な材料を使用しなければならない点も、従来の赤外線用結像レンズのコストアップの原因の一つになっている。これに対し、赤外線用結像レンズ１０では、最も物体側に位置する第１レンズＬ１が低酸素シリコンという耐候性等が高く、かつ、安価な材料でできているので、従来の赤外線用結像レンズに必要な高価な保護部材を使用しなくて済む。その結果、赤外線用結像レンズ１０は従来の赤外線用結像レンズよりも安価に構成できる。

第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３は、いずれもカルコゲナイドガラスで形成したレンズである。カルコゲナイドガラスとは、酸素（Ｏ）の代わりに、硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）といったカルコゲン元素と呼ばれる互いに性質の似通った一連の元素の少なくとも１つを主成分として含むガラスである。カルコゲナイドガラスは、種々の赤外線用硝材の中でも比較的安価であること。このため、赤外線用結像レンズ１０は、第２レンズＬ２をカルコゲナイドガラスで形成したことで、赤外線用結像レンズ１０全体としても安価な構成にしている。

また、カルコゲナイドガラスは、モールド成形によって容易に非球面を形成することができる。このため、赤外線用結像レンズ１０では、カルコゲナイドガラスで形成した第２レンズＬ２及び第３レンズを非球面レンズにすることで、赤外線用結像レンズ１０の各種収差を補正し、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成した場合でも、赤外線用結像レンズ１０全体として必要な結像性能が得られるようにしている。より具体的には、第２レンズＬ２は、物体側の面Ｓ４が非球面であり、かつ、像側の面Ｓ５が非球面である。また、第３レンズＬ３は、物体側の面Ｓ６が非球面であり、かつ、像側の面Ｓ７が非球面である。このように、第２レンズＬ２の両面を非球面とすることで、第１レンズＬ１を低酸素シリコンによって形成し、かつ、第１レンズＬ１の両面を球面とした場合でも、良好な結像性能が得られやすい。同様に、第３レンズＬ３の両面を非球面としたことで、第１レンズＬ１を低酸素シリコンによって形成し、かつ、第１レンズＬ１の両面を非球面とした場合でも、良好な結像性能が得られやすい。特に、赤外線用結像レンズ１０では、第２レンズＬ２及び第３レンズがともに両面非球面となっていることで、第１レンズＬ１を低酸素シリコンによって形成し、かつ、第１レンズＬ１の両面を非球面としても、良好な結像性能が得られやすい。

さらに、第２レンズＬ２の物体側の面Ｓ４は、回折面になっている。これは色収差の補正のためである。なお、回折面によって色収差を補正する場合、回折面はできる限り絞りＳ３の近くにある方がより良好に色収差を補正できる。このため、赤外線用結像レンズ１０では、回折面を形成し得る第２レンズＬ２の物体側の面Ｓ４及び像側の面Ｓ５のうち、より絞りＳ３に近い物体側の面Ｓ４を回折面にしている。

この他、赤外線用結像レンズ１０が、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に絞りＳ３を配置しているのは、赤外線用結像レンズ１０のコストダウンと良好な収差補正のためである。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に絞りＳ３を配置する代わりに、第１レンズＬ１の物体側に絞りＳ３を配置すると、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３が大径化する。第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３が大径化すると、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３の硝材であるカルコゲナイドガラスの使用量が多くなるので、その分、コストアップしてしまう。また、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に絞りＳ３を配置する代わりに、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３の間に絞りＳ３を配置すると、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に絞りＳ３を配置する場合よりも各種収差の補正が難しくなる。すなわち、赤外線用結像レンズ１０のように、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に絞りＳ３を配置する方が、より容易かつ良好に各種収差の補正がしやすい。

また、赤外線用結像レンズ１０は、下記の５個の条件を満たすように形成している。第１に、赤外線用結像レンズ１０は、第１レンズＬ１の物体側の面Ｓ１の曲率半径をＲ１、第１レンズＬ１の像側の面Ｓ２の曲率半径をＲ２とする場合に、
（式１） １．０５≦Ｒ２／Ｒ１≦１．３７
を満たす。

Ｒ２／Ｒ１の値が式１の下限を下回ると、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３が大径化しやすい。第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３が大径化すると、その分、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３の硝材であるカルコゲナイドガラスの使用量が多くなる。このため、赤外線用結像レンズ１０がコストアップしてしまう。

一方、Ｒ２／Ｒ１の値が式１の上限を上回ると、像面湾曲が増大する。具体的には、Ｒ２／Ｒ１の値が式１の上限を上回ると、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成し、かつ、両面を球面にしたことに起因する像面湾曲を、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３によって補正することが難しくなる。

すなわち、式１は、赤外線用結像レンズ１０のコストを抑えつつ、かつ、第１レンズＬ１の硝材及び形状に起因した像面湾曲を、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３によって良好に補正し得る範囲に抑えるための条件である。なお、式１のＲ２／Ｒ１は、１．１０≦Ｒ２／Ｒ１≦１．２５を満たすことがより好ましい。

第２に、赤外線用結像レンズ１０は、第１レンズＬ１の焦点距離をｆ１、第１レンズＬ１の像側の面Ｓ２から第２レンズＬ２の物体側の面Ｓ４の距離（Ｓ２とＳ４の中心距離）をΔとする場合に、
（式２） ２．７≦ｆ１／Δ≦５．８
を満たす。

ｆ１／Δの値が式２の下限を下回ると、像面湾曲が増大してしまいやすい。具体的には、ｆ１／Δの値が式２の下限を下回ると、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成し、かつ、両面を球面にしたことに起因する像面湾曲を、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３では十分に補正できない場合がある。

一方、ｆ１／Δの値が式２の上限を上回ると、球面収差が増大する。具体的には、ｆ１／Δの値が式２の上限を上回ると、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成し、かつ、両面を球面にしたことに起因する球面収差を、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３では十分に補正できない場合がある。また、ｆ１／Δの値が式２の上限を上回ると、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３が大径化して、コストが増大する。

すなわち、式２は、赤外線用結像レンズ１０のコストを抑えつつ、第１レンズＬ１の硝材及び形状に起因した像面湾曲及び球面収差を、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３によって良好に補正し得る範囲に抑えるための条件である。なお、式２のｆ１／Δは、３．０≦ｆ１／Δ≦４．０を満たすことがより好ましい。

第３に、赤外線用結像レンズ１０は、全系の焦点距離をｆ、第２レンズＬ２の焦点距離の絶対値を｜ｆ２｜、第２レンズＬ２の像側の面Ｓ５から第３レンズＬ３の物体側の面Ｓ６の距離（Ｓ５とＳ６の中心距離）をＤ５、第３レンズＬ３の中心厚（Ｓ６とＳ７の中心距離）をＤ６とする場合に、
（式３） ０．７５≦（｜ｆ２｜／ｆ）×（Ｄ５／Ｄ６）≦５．６０
を満たす。

（｜ｆ２｜／ｆ）×（Ｄ５／Ｄ６）の値が式３の下限を下回ると、像面湾曲が増大する。具体的には、（｜ｆ２｜／ｆ）×（Ｄ５／Ｄ６）の値が式３の下限を下回ると、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成し、かつ、両面を球面にしたことに起因する像面湾曲を、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３では十分に補正できない場合がある。また、（｜ｆ２｜／ｆ）×（Ｄ５／Ｄ６）の値が式３の下限を下回ると、第３レンズＬ３が大径化してコストが増大する。

一方、（｜ｆ２｜／ｆ）×（Ｄ５／Ｄ６）の値が式３の上限を上回ると、赤外線用結像レンズ１０のバックフォーカスが短くなりすぎて、撮像システムへの組み込みが困難になる場合がある。また、（｜ｆ２｜／ｆ）×（Ｄ５／Ｄ６）の値が式３の上限を上回ると、第３レンズＬ３が大径化してコストが増大する。

すなわち、式３は、第３レンズＬ３の径を抑えて赤外線用結像レンズ１０を低コスト化しつつ、第１レンズＬ１の硝材及び形状に起因した像面湾曲を、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３によって良好に補正し得る範囲に抑え、かつ、撮像システムへの赤外線用結像レンズ１０の組み込みが容易な程度にバックフォーカスを確保するための条件である。なお、式４の（｜ｆ２｜／ｆ）×（Ｄ５／Ｄ６）は、１．００≦（｜ｆ２｜／ｆ）×（Ｄ５／Ｄ６）≦５．００を満たすことがより好ましい。

第４に、赤外線用結像レンズ１０は、第１レンズＬ１の中心厚（Ｓ１とＳ２の中心距離）をＤ１、第３レンズＬ３の中心厚（Ｓ６とＳ７の中心距離）をＤ６とする場合に、
（式４） ０．８≦Ｄ６／Ｄ１≦３．０
を満たす。

Ｄ６／Ｄ１の値が式４の上限を上回ると、球面収差が増大する。具体的には、Ｄ６／Ｄ１の値が式４の上限を上回ると、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成し、かつ、両面を球面にしたことに起因する球面収差を、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３では十分に補正できない場合がある。また、Ｄ６／Ｄ１の値が式４の上限を上回ると、第１レンズＬ１が厚くなりすぎて、加工性が悪化する。さらに、Ｄ６／Ｄ１が式４の上限を上回ると、第３レンズＬ３が厚くなって体積が大きくなるので、コストが増大する。

一方、Ｄ６／Ｄ１が式４の下限を下回ると、像面湾曲が増大する。具体的には、Ｄ６／Ｄ１が式４の下限を下回ると、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成し、かつ、両面を球面にしたことに起因する像面湾曲を、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３では十分に補正できない場合がある。また、Ｄ６／Ｄ１が式４の下限を下回ると、第１レンズＬ１が厚くなりすぎたことによって赤外線の透過率が低下する。その結果、撮影した画像が暗くなってしまう場合がある。

すなわち、式４は、第３レンズＬ３の体積を抑えて赤外線用結像レンズ１０を低コスト化しつつ、第１レンズＬ１の硝材及び形状に起因した球面収差及び像面湾曲を、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３によって良好に補正し得る範囲に抑え、かつ、第１レンズＬ１の加工性及び赤外線透過率を確保するための条件である。なお、式４のＤ６／Ｄ１は、０．８≦Ｄ６／Ｄ１≦２．５を満たすことがより好ましく、１．０≦Ｄ６／Ｄ１≦２．０を満たすことが特に好ましい。

第５に、赤外線用結像レンズ１０は、第１レンズＬ１の中心厚（Ｓ１とＳ２の中心距離）をＤ１とする場合に、
（式５） １．０ｍｍ≦Ｄ１≦２．５ｍｍ
を満たす。

第１レンズＬ１の中心厚Ｄ１が式５の上限を上回る場合、第１レンズＬ１が厚くなりすぎたことによって赤外線の透過率が低下する。その結果、撮影した画像が暗くなってしまう場合がある。一方、第１レンズＬ１の中心厚Ｄ１が式５の下限を下回る場合、第１レンズＬ１が薄くなりすぎて加工性が低下する。すなわち、式５は、第１レンズＬ１の赤外線の透過率を確保しつつ、かつ、第１レンズＬ１の加工性を確保するための条件である。なお、式５のＤ１は、１．０≦Ｄ１≦２．０を満たすことがより好ましい。

赤外線用結像レンズ１０のように、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成し、かつ、球面レンズとする場合には、上記式１〜式５の条件は少なくともいずれか１つを満たすことが好ましく、式１〜式５の全ての条件を満たすことが特に好ましい。

上記のように、赤外線用結像レンズ１０は、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成し、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３をカルコゲナイドガラスで形成したことで、従来の赤外線用結像レンズよりも安価である。また、赤外線用結像レンズ１０は、第２レンズＬ２及び第３レンズＬ３をカルコゲナイドガラスによって形成した非球面のレンズとしたこと、及び、絞りＳ３を第１レンズＬ１及び第２レンズＬ３の間に配置したこと、式１〜式５の条件を満たすようにしたこと等により、低コストに第１レンズＬ１の硝材及び形状に起因した収差等のデメリットを改善し、安価かつ良好な結像性能を有する。

［実施例］
以下、上記赤外線用結像レンズ１０の実施例を説明する。図４は、実施例１の赤外線用結像レンズ１０の断面図を示す。面番号は第１レンズＬ１の物体側の面Ｓ１から順にＳｉ（ｉ＝１〜１０）で示す。Ｓ３は絞りであり、Ｓ８はカバーガラスＣＧの物体側の面であり、Ｓ９はカバーガラスＣＧの像側の面であり、Ｓ１０はイメージセンサ１１の撮像面である。面間隔Ｄｉ（ｉ＝１〜１０、単位ｍｍ）は、面Ｓｉから面Ｓｉ＋１の間隔である。

また、実施例１のレンズデータを下記表１〜表３に示す。表１は実施例１の赤外線用結像レンズ１０の各面Ｓｉの面番号ｉ、各面Ｓｉの曲率半径Ｒｉ（ｉ＝１〜１０、単位ｍｍ）、面間隔Ｄｉ、波長１０μｍの赤外線に対する屈折率ｎｉ（ｉ＝１〜１０）、及び、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び第３レンズの材料を示す。また、面番号Ｓｉに付した「＊」印は非球面であることを表し、「＃」印は回折面であることを表す。「＊」印及び「＃」印がない曲面は全て球面である。

非球面は、下記数１の非球面式によって表される。数１の非球面式において、「Ｚ」は非球面の深さ（ｍｍ）、「ｈ」は光軸からレンズ面までの距離（ｍｍ）、「Ｃ」は近軸曲率（すなわち近軸曲率半径をＲ（ｍｍ）とする場合にＣ＝１／Ｒである）、「Ｋ」は円錐定数、「Ａｉ」は非球面係数である。表２には、実施例１の各非球面（表１＊印参照）の「Ｋ」及び「Ａｉ」を示す。

回折面は、下記数２の光路差関数φにより表される。光路差関数φは、回折面が光路長差の負荷量を光軸からの距離「ｒ」において、「ｒ」は光軸からの距離（ｍｍ）であり、「Ｃｎ」（ｎ＝１〜１０）は回折面係数である。表３には、実施例１の回折面（表１＃印参照）の回折面係数Ｃｎのうち零でないものを示す。

また、図５（Ａ）は実施例１の波長８μｍ、波長１０μｍ、及び波長１２μｍの各赤外線について球面収差を示す。図５（Ｂ）は、波長１０μｍの赤外線について、実施例１のサジタル（ラジカル）方向の非点収差Ｓと、タンジェンシャル（メリジオナル）方向の非点収差Ｔを示す。図５（Ｃ）は、波長１０μｍの赤外線について、実施例１のディストーションを示す。なお、実施例１の赤外線用結像レンズ１０は、１２μｍピッチ、３８４画素×２８８画素のイメージセンサ１１に使用するレンズであるため、最大像高は２．８８ｍｍである。

図６には、実施例１の赤外線用結像レンズ１０について、空間周波数に対する軸上（像高０．０ｍｍ）のＭＴＦと、最大像高２．８８ｍｍにおけるタンジェンシャル方向のＭＴＦ（符号Ｔ）とラジアル方向のＭＴＦ（符号Ｒ）を示す。

上記実施例１と同様に、実施例２〜１１の赤外線用結像レンズ１０の断面図、各種レンズデータ、各種収差、及びＭＴＦを、図７〜図３６及び表４〜表３３に示す。但し、実施例２、及び実施例８〜１１の赤外線用結像レンズ１０は、実施例１と同様に、１２μｍピッチ、３８４画素×２８８画素のイメージセンサ１１に使用するレンズであり、最大像高は２．８８ｍｍである。実施例３、実施例４、及び実施例７の赤外線用結像レンズ１０は、ＱＶＧＡ（３２０画素×２４０画素）、１７μｍピッチのイメージセンサ１１に使用するレンズであり、最大像高は３．４０ｍｍである。実施例５及び実施例６の赤外線用結像レンズ１０は、３８４画素×２８８画素、１７μｍピッチのイメージセンサ１１に使用するレンズであり、最大像高は４．０８ｍｍである。

下記表３４及び表３５には、上記実施例１〜１１のＦ値（FNo）等のその他の性能、式１〜式５の各値を算出するためのパラメータのうち上記レンズデータに記載していないパラメータ、及び、式１〜式５の各値を示す。「ｆ」は赤外線用結像レンズ１０の全系の焦点距離、「ｆ１」は第１レンズＬ１の焦点距離、「ｆ２」は第２レンズの焦点距離である。「Δ」は第１レンズＬ１の像側の面Ｓ２と第２レンズＬ２の物体側の面Ｓ４との距離、すなわち、上記レンズデータの面間隔Ｄ２と面間隔Ｄ３の合計である。表１９から分かる通り、実施例１〜６の各赤外線用結像レンズ１０は、いずれも式１〜式５の条件を満たす。また、表１９と、上記各実施例の収差図及びＭＴＦのグラフから分かる通り、実施例１〜６の各赤外線用結像レンズ１０は、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成し、かつ、両面を球面としたにもかかわらず、良好な結像性能を有する。

［比較例］
特許文献１〜５に記載された各実施例の従来の赤外線用結像レンズは、従来の高価な赤外線用硝材のみを使用するレンズであるため単純に本発明の赤外線用結像レンズ１０と比較することはできないが、本発明の赤外線用結像レンズ１０と同様に３枚構成の赤外線用結像レンズであるため、以下、比較例として説明する。

まず、特許文献１の実施例１（以下、比較例１という）〜実施例１４（以下、比較例１４という）の赤外線用結像レンズは、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に絞りを配置した３枚構成の赤外線用結像レンズである。そして、表３６〜表３８に示すように、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２は全てゲルマニウム（Ｇｅ）で形成されており、第３レンズＬ３がカルコゲナイドガラスで形成されている。そして、式１〜式５の条件については、太字及び下線で示すように、一部の条件を偶然に満たす場合があるが、全実施例で式１〜式５の条件を満たすわけではないことから、特許文献１では、赤外線用結像レンズが式１〜式５の条件を意図的に満たすようには構成していないことが分かる。

特許文献２の実施例１（以下、比較例１５という）〜実施例５（以下、比較例１９という）の赤外線用結像レンズは、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に絞りを配置した３枚構成の赤外線用結像レンズである。そして、表３９に示すように、第１レンズＬ１及び第３レンズＬ１はゲルマニウム（Ｇｅ）で形成し、第２レンズＬ２をカルコゲナイドガラスで形成している。そして、式１〜式５の条件については、太字及び下線で示すように、一部の条件を偶然に満たす場合があるが、全実施例で式１〜式５の条件を満たすわけではないことから、特許文献２も、赤外線用結像レンズが式１〜式５の条件を意図的に満たすように構成していないことが分かる。

特許文献３の実施例１（以下、比較例２０という）〜実施例５（以下、比較例２４という）の赤外線用結像レンズは、最前面のレンズ径自体を絞りとした３枚構成の赤外線用結像レンズである。そして、表４０に示すように、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び第３レンズＬ３を、カルコゲナイドガラスまたは硫化亜鉛（ＺｎＳ）で形成している。式１〜式５の条件については、太字及び下線で示すように、一部の条件を偶然に満たす場合があるが、全実施例で式１〜式５の条件を満たすわけではないことから、特許文献３もまた、式１〜式５の条件を意図的に満たすようには赤外線用結像レンズを構成していないことが分かる。

特許文献４の実施例１（以下、比較例２５という）及び実施例２（以下、比較例２６という）の赤外線用結像レンズは第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に絞りを配置した３枚構成の赤外線用結像レンズである。そして、表４１に示すように、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び第３レンズＬ３は、全てゲルマニウム（Ｇｅ）で形成している。式１〜式５の条件については、太字及び下線で示すように、一部の条件を偶然に満たす場合があるが、実施例１及び実施例２で式１〜式５の条件を満たすわけではないことから、特許文献４もまた、式１〜式５の条件を意図的に満たすようには赤外線用結像レンズを構成していないことが分かる。

また、特許文献５の実施例１（以下、比較例２７という）〜実施例３（以下、比較例２９という）は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に絞りを配置した３枚構成の赤外線用結像レンズである。そして、表４２に示すように、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び第３レンズＬ３を、全てゲルマニウム（Ｇｅ）で形成している。式１〜式５の条件については、太字及び下線で示すように、一部の条件を偶然に満たす場合があるが、全実施例で式１〜式５の条件を満たすわけではないことから、特許文献５もまた、式１〜式５の条件を意図的に満たすようには赤外線用結像レンズを構成していないことが分かる。

上記のように、従来の赤外線用結像レンズが式１〜式５の条件を満たすように構成されていないのは、式１〜式５が、本発明の赤外線用結像レンズ１０のように２枚構成のレンズ系で、第１レンズＬ１を低酸素シリコンで形成し、かつ、球面レンズとした場合に特有の条件であり、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び第３レンズＬ３に従来の高価な赤外線用硝材を使用する従来の赤外線用結像レンズは式１〜式５を満たすように構成する必要がないからである。

なお、上記実施形態及び実施例は、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例に挙げた赤外線用結像レンズ１０以外にも、曲率半径や屈折率、その他レンズデータを変えて、形状や配置及び結像性能が赤外線用結像レンズ１０と同等の赤外線用結像レンズを構成することができる。

１０ 赤外線用結像レンズ
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
Ｌ３ 第３レンズ
Ｓ３ 絞り
ＣＧ カバーガラス
Ｓ１０ 撮像面

Claims (11)

1. 物体側から順に、
   １ｍｍ厚の場合に、波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率が４０％以上であるシリコンで形成した第１レンズと、
   カルコゲナイドガラスで形成した第２レンズと、
   カルコゲナイドガラスで形成した第３レンズと、
   から構成され、
   前記第１レンズの物体側の面の曲率半径をＲ１、前記第１レンズの像側の面の曲率半径をＲ２とする場合に、
   （式１） １．０５≦Ｒ２／Ｒ１≦１．３７
   を満たす赤外線用結像レンズ。
2. 前記第１レンズの物体側の面が球面であり、かつ、像側の面が球面である請求項１に記載の赤外線用結像レンズ。
3. 前記第２レンズは、物体側の面が非球面であり、かつ、像側の面が非球面である請求項１または２に記載の赤外線用結像レンズ。
4. 前記第３レンズは、物体側の面が非球面であり、かつ、像側の面が非球面である請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外線用結像レンズ。
5. 前記第１レンズと前記第２レンズの間に絞りを有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線用結像レンズ。
6. 前記第２レンズの物体側の面が回折面である請求項５に記載の赤外線用結像レンズ。
7. 前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第１レンズの像側の面から前記第２レンズの物体側の面の距離をΔとする場合に、
   （式２） ２．７≦ｆ１／Δ≦５．８
   を満たす請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外線用結像レンズ。
8. 全系の焦点距離をｆ、前記第２レンズの焦点距離の絶対値を｜ｆ２｜、前記第２レンズの像側の面から前記第３レンズの物体側の面の距離をＤ５、前記第３レンズの中心厚をＤ６とする場合に、
   （式３） ０．７５≦（｜ｆ２｜／ｆ）×（Ｄ５／Ｄ６）≦５．６０
   を満たす請求項１〜７のいずれか１項に記載の赤外線用結像レンズ。
9. 前記第１レンズの中心厚をＤ１、前記第３レンズの中心厚をＤ６とする場合に、
   （式４） ０．８≦Ｄ６／Ｄ１≦３．０
   を満たす請求項１〜８のいずれか１項に記載の赤外線用結像レンズ。
10. 前記第１レンズの中心厚をＤ１とする場合に、
    （式５） １．０ｍｍ≦Ｄ１≦２．５ｍｍ
    を満たす請求項１〜９のいずれか１項に記載の赤外線用結像レンズ。
11. 物体側から順に、
    １ｍｍ厚の場合に、波長８μｍ以上１３μｍ以下の赤外線の最低透過率が４０％以上であるシリコンで形成した第１レンズと、
    カルコゲナイドガラスで形成した第２レンズと、
    カルコゲナイドガラスで形成した第３レンズと、
    から構成され、
    前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第１レンズの像側の面から前記第２レンズの物体側の面の距離をΔとする場合に、
    （式２） ２．７≦ｆ１／Δ≦５．８
    を満たす赤外線用結像レンズ。

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