JP6848967B2 - 赤外線用光学系，撮像光学装置及びデジタル機器 - Google Patents

赤外線用光学系，撮像光学装置及びデジタル機器 Download PDF

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Description

本発明は、赤外線用光学系，撮像光学装置及びデジタル機器に関するものである。例えば、波長３〜５μｍ帯の赤外線領域でガス検知用の撮影光学系として冷却センサーに使用される赤外線用光学系と、赤外線用光学系により得られた赤外線映像を冷却センサー等の撮像センサーで取り込む撮像光学装置と、赤外線用光学系を搭載した画像入力機能付きデジタル機器と、に関するものである。
メタン，エタン，プロパン，ブタン等の炭化水素系の物質に特有の吸収波長帯は、波長３〜５μｍ帯のあたりに集まっていることが知られている。また、これらの炭化水素系の物質は、常温で気体でありかつ引火の危険性があるため、取り扱いには注意を要する。そのため近年では、これらの吸収によるコントラスト差を赤外線カメラで撮影することにより、可視光では捕らえられないガス漏れ等を検知することが行われつつある。
波長３〜５μｍ帯は、プランクの法則から容易に分かるとおり、太陽から放射される光では、可視光より大幅に光量が少ない領域である。また、地面等の周辺環境から放射される光では、８〜１４μｍ帯のいわゆる遠赤外線より大幅に光量が少ない領域でもある。そのため、遠赤外線領域で一般的な非冷却センサーを使用して撮影することは困難であり、結果として、冷却センサーを用いてわずかな光を検知することが必要になる。冷却センサーを使用すれば、上記炭化水素系の吸収が少量であっても感度良く検出することができる。そこで、冷却センサーに搭載可能でＳ／Ｎ比及び光学性能の良好な赤外線用光学系が望まれている。
赤外線用光学系としては、例えば特許文献１に記載のものが挙げられる。特許文献１に記載の赤外線用光学系は、物体側に凹のメニスカス形状を有する第１レンズと、両凸形状を有する第２レンズと、のレンズ２枚で構成されている。絞りは第２レンズの物体側面に配置されており、第１レンズの像側面と第２レンズの物体側面が非球面で構成されている。
ＵＳ２０１２／０２２９８９２ Ａ１
特許文献１に記載の赤外線用光学系では、絞りを第１レンズと第２レンズとの間に配置することにより、２枚という少ないレンズ枚数で光学性能を確保しようとしている。このため、これを冷却センサーに搭載する場合には、絞りとは別にコールドシールドを配置して、絞りと冷却センサーとの間から入射する不要光をカットする必要がある。しかしその場合、瞳を完全に合わせることができず、不要光をすべてカットすることが困難になるという課題がある。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、冷却センサーに搭載可能であって、２枚という少ないレンズ枚数で透過率が高くＳ／Ｎ比及び光学性能の良好な赤外線用光学系、それを備えた撮像光学装置及びデジタル機器を提供することにある。
上記目的を達成するために、第１の発明の赤外線用光学系は、波長３〜５μｍ帯を使用する赤外線用撮影光学系であって、
物体側から像側へかけて、負のパワーを有し物体側に凹のメニスカス形状を有する第１レンズと、正のパワーを有する第２レンズと、絞りとからなり、かつ、前記第２レンズと像面との間にバンドパスフィルターを有し、
前記第１レンズが非球面を少なくとも１面有する非球面レンズであり、
前記第２レンズが球面レンズであり、
前記バンドパスフィルターが波長３．１〜３．５μｍの光のみを透過させる特性を有し、
以下の条件式（１）及び（２）を満足することを特徴とする。
−８＜（ｒ１＋ｒ２）／（ｒ１−ｒ２）＜−７ …（１）
０．７＜（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜１．８ …（２）
ただし、
ｒ１：第１レンズの物体側面の曲率半径、
ｒ２：第１レンズの像側面の曲率半径、
ｒ３：第２レンズの物体側面の曲率半径、
ｒ４：第２レンズの像側面の曲率半径、
である。
第２の発明の赤外線用光学系は、上記第１の発明において、以下の条件式（３）を満足することを特徴とする。
０．３＜ｔ２／ＦＬ＜０．５ …（３）
ただし、
ｔ２：第１レンズの像側面から第２レンズの物体側面までの光軸上での距離、
ＦＬ：全系の焦点距離、
である。
第３の発明の赤外線用光学系は、上記第１又は第２の発明において、以下の条件式（４）を満足することを特徴とする。
−４．５＜ｆ１／ｆ２＜−２．７ …（４）
ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離、
ｆ２：第２レンズの焦点距離、
である。
第４の発明の赤外線用光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、以下の条件式（５）を満足することを特徴とする。
０．９＜ｆ２／ＦＬ＜１．１ …（５）
ただし、
ｆ２：第２レンズの焦点距離、
ＦＬ：全系の焦点距離、
である。
第５の発明の赤外線用光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記第２レンズが物体側に凹の正メニスカスレンズであることを特徴とする。
第６の発明の赤外線用光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記第１，第２レンズがゲルマニウム又はシリコンで構成されていることを特徴とする。
第７の発明の赤外線用光学系は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、以下の条件式（６）を満足することを特徴とする。
−４．５＜ｆ１／ＦＬ＜−２．５ …（６）
ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離、
ＦＬ：全系の焦点距離、
である。
第８の発明の赤外線用光学系は、上記第１〜第７のいずれか１つの発明において、以下の条件式（７）を満足することを特徴とする。
１．３＜ＢＦ／ＦＬ＜１．５ …（７）
ただし、
ＢＦ：第２レンズの像側面から像面までの空気換算長、
ＦＬ：全系の焦点距離、
である。
第９の発明の赤外線用光学系は、上記第１〜第８のいずれか１つの発明において、前記第１，第２レンズのいずれの面にも、表面レリーフ状の回折面又はフレネル面を有しないことを特徴とする。
第１０の発明の赤外線用光学系は、上記第１〜第９のいずれか１つの発明において、前記絞りがコールドシールドの一部からなるコールドアパーチャーであることを特徴とする。
第１１の発明の撮像光学装置は、上記第１〜第１０のいずれか１つの発明に係る赤外線用光学系と、撮像面上に形成された赤外線光学像を電気的な信号に変換する撮像センサーと、を備え、前記撮像センサーの撮像面上に被写体の赤外線光学像が形成されるように前記赤外線用光学系が設けられていることを特徴とする。
第１２の発明のデジタル機器は、上記第１１の発明に係る撮像光学装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とする。
第１３の発明の赤外線用カメラシステムは、上記第１〜第１０のいずれか１つの発明に係る赤外線用光学系を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、冷却センサーに搭載可能であって、２枚という少ないレンズ枚数で透過率が高くＳ／Ｎ比及び光学性能の良好な赤外線用光学系及び撮像光学装置を実現することができる。そして、本発明に係る赤外線用光学系又は撮像光学装置を、ガス検知装置，カメラシステム（例えば、監視カメラ，航空機カメラ）等のデジタル機器に用いることによって、デジタル機器に対し高性能の赤外線画像入力機能を安価に付加することが可能となる。
第１の実施の形態（実施例１）のレンズ構成図。 実施例１の収差図。 第２の実施の形態（実施例２）のレンズ構成図。 実施例２の収差図。 第３の実施の形態（実施例３）のレンズ構成図。 実施例３の収差図。 第４の実施の形態（実施例４）のレンズ構成図。 実施例４の収差図。 第５の実施の形態（実施例５）のレンズ構成図。 実施例５の収差図。 第６の実施の形態（実施例６）のレンズ構成図。 実施例６の収差図。 コールドシールドの概略構成例を示す断面図。 コールドアパーチャーによる赤外カットを説明するための断面図。 赤外線用光学系を搭載したデジタル機器の概略構成例を示す模式図。
以下、本発明の実施の形態に係る赤外線用光学系，撮像光学装置，デジタル機器等を説明する。本発明の実施の形態に係る赤外線用光学系は、波長３〜５μｍ帯を使用する赤外線用撮影光学系であって、物体側から像側へかけて、負のパワーを有し物体側に凹のメニスカス形状を有する第１レンズと、正のパワーを有する第２レンズと、絞りとからなり（パワー：焦点距離の逆数で定義される量）、かつ、前記第２レンズと像面との間にバンドパスフィルターを有している。また、前記第１レンズが非球面を少なくとも１面有する非球面レンズであり、前記第２レンズが球面レンズであり、前記バンドパスフィルターが波長３．１〜３．５μｍの光のみを透過させる特性を有し、以下の条件式（１）及び（２）を満足することを特徴としている。
−８＜（ｒ１＋ｒ２）／（ｒ１−ｒ２）＜−７ …（１）
０．７＜（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜１．８ …（２）
ただし、
ｒ１：第１レンズの物体側面の曲率半径、
ｒ２：第１レンズの像側面の曲率半径、
ｒ３：第２レンズの物体側面の曲率半径、
ｒ４：第２レンズの像側面の曲率半径、
である。
波長３〜５μｍ帯の赤外線は、プランクの法則から容易に分かるとおり、太陽から放射される光では可視光よりも大幅に少なく、また地面等の周辺環境から放射される光では波長８〜１４μｍ帯のいわゆる遠赤外線よりも大幅に少ない。そのため、可視光や遠赤外線の領域での撮影に用いられる、いわゆる非冷却センサーを使用して撮影することが困難であり、冷却センサーを用いてわずかな光を検知することが必要になる。その冷却センサーの具体例としては、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ），プラチナシリコン（ＰｔＳｉ），テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）等を素子素材とする、いわゆる量子型センサーが挙げられる。
赤外線用の撮像センサーは、赤外光（放射熱）を受光するとそれ自身が熱を持ち、それがノイズの原因となる。冷却センサーは、センサー自体を−２００℃程度の極低温まで冷却することでこの現象を抑えている。しかし、冷却センサーはわずかな放射光も検知するため、絞りやレンズの保持部材等から放射される光も無視することができない。それらがセンサーに入射することは大きなノイズ源となり、画質のＳ／Ｎ比が大きく悪化することになる。これを防ぐため、絞りやレンズの保持部材等も同様に極低温に冷やす必要がある。そこで、レンズ系と撮像センサーとの間にコールドシールドを配置することが求められている。
図１３に、コールドシールドの概略構成例を示す。コールドシールドＣＳは真空容器からなっており、コールドシールドＣＳの一部で絞りＳＴが構成されている。絞りＳＴとバンドパスフィルターＢＰＦと冷却センサーＳＲは、赤外線を透過するウィンドウＷＩで密閉されたコールドシールドＣＳ内にセットされて冷却される。第２レンズＬ２と像面ＩＭとの間に絞りＳＴを配置し、かつ、その絞りＳＴを冷却して、いわゆるコールドアパーチャーとすることにより、正規光以外のセンサーＳＲへの入射光をカットすることができる。つまり、絞りＳＴからの放射光の発生を抑えるとともに、レンズ保持部材からの放射光を遮断することが可能となる。図１４に、レンズ保持部材である鏡胴ＢＬからの赤外光を絞りＳＴでカットする様子を示す。
前述したように第１レンズと第２レンズで負正のパワー配置にすると、いわゆるレトロフォーカスとなり、焦点距離よりも長いバックフォーカスを確保することができる。その結果、第２レンズと像面との間に絞り（コールドシールド）を配置することができるため、上述したように、絞りＳＴからの放射光の発生を抑えるとともに、レンズ保持部材からの放射光を遮断することが可能となる（図１４）。また、２枚という少ないレンズ枚数からなる構成には、レンズ面での光の入射・射出の回数が減るため、光量の損失を最小限に抑える効果がある。その結果、光学系としては比較的高い透過率を確保することができ、面間反射の発生を抑えてＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。さらに、第１レンズが物体側に凹のメニスカス形状を有することによって、非点隔差を良好に補正することができる。
絞りを第２レンズと像面との間に配置すると、軸上光と周辺光の通過位置が似通ってしまうが、第１レンズに非球面を用いることで収差補正は容易になる。例えば、第１レンズと第２レンズとの間に絞りを配置した場合、軸上光と周辺光の通過位置が異なるため、画面中心と画面周辺とで発生する異なる感度の収差の補正を個別に行うことが可能となり、その結果、収差補正が比較的容易になる。それに対し、絞りを第２レンズと像面との間に配置した構成では、上記のように軸上光と周辺光の通過位置が似通ってしまうため、上記個別の補正効果が薄くなってしまい収差補正が難しくなる。
そこで、第１レンズを非球面レンズとすることにより、軸上と周辺とで収差補正の両立を可能としている。軸上光束と軸外光束のレンズ通過位置は、第２レンズより第１レンズの方が異なるため、第１レンズに非球面を使用することは、上記個別の収差補正を行う上で効果的である。そして、第１レンズの中心から周辺にいくにつれて曲率が緩くなる（すなわち曲率半径が大きくなる）形状の非球面を、第１レンズの像側面として配置することが更に好ましい。
赤外線用光学系の使用波長帯は、遠赤外用としては８〜１４μｍ、中赤外用としては３〜５μｍが一般的である。それ以外の波長域、例えば５〜８μｍ帯や２．５〜３μｍ帯は大気中での水や二酸化炭素の吸収が多いのであまり一般的ではなく、また、波長３．６〜５μｍの光が撮像センサーに入るとＳ／Ｎ比が低下して検出感度が低下してしまうおそれがある。そこで、波長３．１〜３．５μｍの光のみを透過させる特性のバンドパスフィルターを、絞りと同様、第２レンズと像面との間に配置している。
第２レンズと像面との間にバンドパスフィルターを有する構成では、バンドパスフィルターをコールドアパーチャー近傍に配置することができるため、バンドパスフィルターをコールドアパーチャーと同様に冷却することがメカ構成上可能となる。そして、バンドパスフィルターを冷却することで、バンドパスフィルターからの放射光を最小限に低減する効果が得られる。したがって、コールドアパーチャーの像側にバンドパスフィルターを配置してもよく、コールドアパーチャーの物体側にバンドパスフィルターを配置してもよい。
波長３．１〜３．５μｍの間には、メタン，プロパン等さまざまな炭化水素系の物質の吸収波長帯が存在している。それらの物質を感度良く検知するには、この程度の波長幅で透過させることが望ましい。広すぎては波長幅に対して吸収帯の割合が狭くなり、狭すぎると信号の絶対量が減ってしまい暗くなりすぎてしまう。
前記バンドパスフィルターは、波長３．２〜３．４μｍの光のみを透過させる特性を有することが更に望ましい。この透過特性を有するバンドパスフィルターであれば、上記観点に基づく効果をより一層大きくすることができる。
バンドパスフィルターで波長帯を制限する場合、レンズ系が明るくなるようにＦナンバーを設定することが、光量を確保するために望ましい。つまり、３．１〜３．５μｍや更には３．２〜３．４μｍの波長帯では、光量が不足する可能性があるので、レンズ系には通常より明るいＦナンバーが要求される。したがって、波長３〜５μｍ帯を使用する赤外線用光学系としては、Ｆナンバーが１．５以下に明るいこと（Ｆｎｏ≦１．５）が望ましい。なお、波長３〜５μｍ帯の通常の赤外線用光学系では、通常４程度のＦナンバーである。
条件式（１），（２）は、第１，第２レンズのシェイプファクターを規定している。条件式（１）及び（２）を満足することにより、歪曲収差と球面収差と非点収差とをバランス良く補正することができる。条件式（１）の上限内であれば、非点収差と歪曲とのバランスを取ることが容易になり、条件式（１）の下限内であれば、球面収差と歪曲とのバランスを取ることが容易になる。条件式（２）の上限内であれば、球面収差と歪曲とのバランスを取ることが容易になり、条件式（２）の下限内であれば、非点収差と歪曲とのバランスを取ることが容易になる。したがって、条件式（１），（２）の範囲であることが望ましい。
上記特徴的構成によると、冷却センサーに搭載可能であって、２枚という少ないレンズ枚数で透過率が高くＳ／Ｎ比及び光学性能の良好な赤外線用光学系及び撮像光学装置を実現することができる。そして、その赤外線用光学系又は撮像光学装置を、ガス検知装置，カメラシステム（例えば、監視カメラ，航空機カメラ）等のデジタル機器に用いることによって、デジタル機器に対し高性能の赤外線画像入力機能を安価に付加することが可能となり、デジタル機器の低コスト化，高性能化，高機能化等に寄与することができる。冷却センサー対応の赤外線用光学系を、上記のようにＳ／Ｎ比と光学性能を良好に両立させながらレンズ２枚でも実現可能とし、こういった効果をバランス良く得るとともに、更に高い光学性能，軽量・小型化等を達成するうえで望ましい条件設定等を以下に説明する。
以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
０．３＜ｔ２／ＦＬ＜０．５ …（３）
ただし、
ｔ２：第１レンズの像側面から第２レンズの物体側面までの光軸上での距離、
ＦＬ：全系の焦点距離、
である。
条件式（３）は、第１，第２レンズ間隔に関する好ましい条件範囲を規定している。条件式（３）の下限を下回ると、第１レンズと第２レンズとの間隔が狭くなり、軸上光束と軸外光束の通過位置をずらすことが難しくなるため、軸上の収差と軸外の収差を個別に補正することが難しい傾向となる。また、条件式（３）の上限を上回ると、光学系の全長が増大傾向となる。したがって、この条件式（３）の範囲内が望ましく、条件式（３）を満たすことにより、全長の増大を抑えながら軸上と軸外の収差をバランス良く補正することができ、小型化と高性能化を効果的に両立させることが可能となる。
以下の条件式（４）を満足することが望ましい。
−４．５＜ｆ１／ｆ２＜−２．７ …（４）
ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離、
ｆ２：第２レンズの焦点距離、
である。
条件式（４）は、第１レンズと第２レンズとの好ましいパワー比を規定している。条件式（４）の上限を上回ると、非点収差と歪曲収差とをバランス良く補正することが難しい傾向となる。条件式（４）の下限を下回ると、非点収差と球面収差とをバランス良く補正することが難しい傾向となる。また、条件式（４）の下限を下回ると、第２レンズのパワーと比較して第１レンズのパワーが弱くなるので、レトロフォーカス度合いが薄れ、全系の焦点距離を保持しようとすれば全長の増大を招くおそれがある。したがって、この条件式（４）の範囲内が望ましく、条件式（４）を満たすことにより、全長の増大を抑えながら球面収差，非点収差及び歪曲収差をバランス良く補正することが可能になる。
以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
０．９＜ｆ２／ＦＬ＜１．１ …（５）
ただし、
ｆ２：第２レンズの焦点距離、
ＦＬ：全系の焦点距離、
である。
条件式（５）は、球面で構成された第２レンズのパワーに関する好ましい条件範囲を規定している。条件式（５）の下限を下回ると、第２レンズのパワーが強くなりすぎて非点収差が増大し、それを第１レンズのみで補正することが難しい傾向となる。条件式（５）の上限を上回ると、第２レンズのパワーが弱くなることで、全長を抑えながら球面収差や非点収差を良好に抑えることが難しい傾向となる。また、全長の増大や第１レンズの有効径の増大を招く傾向となる。したがって、この条件式（５）の範囲内が望ましく、条件式（５）を満たすことにより、諸収差（非点収差，球面収差等）の良好な補正と小型化とをバランス良く両立させることが可能になる。
前記第２レンズが物体側に凹の正メニスカスレンズであることが望ましい。第２レンズとして、物体側に凹面を向けたメニスカスレンズを用いると、主に球面収差とコマ収差を効果的に補正することができる。
前記第１，第２レンズがゲルマニウム（Ｇｅ）又はシリコン（Ｓｉ）で構成されていることが望ましく、第１，第２レンズともシリコンであることが更に望ましい。シリコンやゲルマニウムのような高い屈折率の材料を使用すると、レンズに対する入射角・反射角を小さくすることができ、各レンズ面での収差発生量を抑える効果が得られる。各レンズ面での収差発生量が多いと、その収差補正のためにレンズを多数配置する必要があり、その結果、面間反射が増えてＳ／Ｎ比が悪化することになる。そこで、波長３〜５μｍ帯で透過率及び屈折率が高い代表的な硝材と言えば、ゲルマニウムやシリコンということになる。ゲルマニウムやシリコンを非球面加工する場合、研削加工を行う必要があるため、加工時間がかかりコストも高くなる。球面レンズであれば研磨加工を採用することができるため、球面レンズである第２レンズの製造ではコストを抑えつつ大量生産も可能になる。
以下の条件式（６）を満足することが望ましい。
−４．５＜ｆ１／ＦＬ＜−２．５ …（６）
ただし、
ｆ１：第１レンズの焦点距離、
ＦＬ：全系の焦点距離、
である。
条件式（６）は、非球面を少なくとも１面有する第１レンズのパワーに関する好ましい条件範囲を規定している。条件式（６）の下限を下回ると、第１レンズのパワーが弱くなりすぎて、非球面を配置しても顕著な収差補正効果を得ることが難しい傾向となる。条件式（６）の上限を上回ると、第１レンズのパワーが強くなりすぎて、バックフォーカスを確保するためには第２レンズのパワーも強くする必要があり、球面で構成された第２レンズでは収差を十分に補正することが難しい傾向となる。したがって、この条件式（６）の範囲内が望ましく、条件式（６）を満たすことにより、第１レンズに配置した非球面の効果を最大限に発揮することが可能になる。
以下の条件式（７）を満足することが望ましい。
１．３＜ＢＦ／ＦＬ＜１．５ …（７）
ただし、
ＢＦ：第２レンズの像側面から像面までの空気換算長、
ＦＬ：全系の焦点距離、
である。
条件式（７）は、バックフォーカスに関する好ましい条件範囲を規定している。条件式（７）の上限を下回ると、レトロフォーカスを構成する各群のパワーを抑えることができ、その結果、各群での収差発生を効果的に抑制することができる。条件式（７）の下限を上回ると、レンズ−センサー間にコールドシールドを配置する十分なスペースを効果的に確保することができる。また、バックフォーカスが条件式（７）の範囲内であると、レンズ−センサー間にコールドシールドを配置するスペースの確保が容易になるとともに、逆にバックフォーカスを作為的に伸ばすことに起因する収差の悪化も比較的少なくて済む。したがって、この条件式（７）の範囲内が望ましく、条件式（７）を満たすことにより、レンズとセンサーと間にコールドシールドを配置しつつ収差を良好に補正することが可能となる。
前記第１，第２レンズのいずれの面にも、表面レリーフ状の回折面又はフレネル面を有しないことが望ましい。波長８〜１４μｍ帯のいわゆる遠赤外線を使用する光学系では、回折面を使用して色収差を補正することが行われている。しかし、回折面では高次項による回折光が発生してゴースト光やフレア成分になりやすい。また、回折面の特性上、どうしても立ち壁が発生するが、この立ち壁での反射・屈折は上記と同様のゴースト光やフレア成分が発生する原因となる。冷却センサーは感度が高いので、これら不要光は大きなノイズ要因となってＳ／Ｎ比を低下させるおそれがある。これは表面レリーフ状の回折面に限らず、フレネル面でも同様である。
前記絞りがコールドシールドの一部からなるコールドアパーチャーであることが望ましい。絞りを冷却することで（いわゆるコールドアパーチャーとすることで）、例えば、保持部材からの放射光を遮断することができる。また、絞り自体からの放射光の発生を抑える効果もある。
以上説明した赤外線用光学系は、赤外線画像入力機能付きデジタル機器（例えば、赤外線カメラ付きガス漏れ検知システム）用の撮像光学系としての使用に適しており、これを撮像用の冷却センサー等と組み合わせることにより、被写体の赤外線映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する赤外線用撮像光学装置を構成することができる。撮像光学装置は、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラの主たる構成要素を成す光学装置であり、例えば、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の赤外線光学像を形成する赤外線用光学系と、その赤外線用光学系により形成された赤外線光学像を電気的な信号に変換する撮像センサー（例えば、冷却センサーに相当する。）と、を備えることにより構成される。そして、撮像センサーの受光面（すなわち撮像面）上に被写体の赤外線光学像が形成されるように、前述した特徴的構成を有する赤外線用光学系が配置されることにより、小型・低コストで高い性能を有する撮像光学装置やそれを備えたデジタル機器を実現することができる。
赤外線画像入力機能付きデジタル機器の例としては、赤外線カメラ，監視カメラ，航空機カメラ，船舶用カメラ，火災検知用カメラ等が挙げられ、また、ガス検知装置，ガス漏れ検知システム，暗視装置，サーモグラフィー，インフラ監視用システム（高圧電線・工場内・プラント内での異常熱源の監視、構造物の劣化監視等）等が挙げられる。
上記の例から分かるように、赤外線用の撮像光学装置を用いることにより赤外線カメラシステムを構成することができるだけでなく、その撮像光学装置を各種機器に搭載することにより赤外線カメラ機能，暗視機能，温度測定機能等を付加することが可能である。例えば、炭化水素系の物質（メタン，エタン，プロパン，ブタン等）に特有の吸収波長帯の赤外線吸収によるコントラスト差を撮影する機能を、赤外線画像入力機能として備えた赤外線カメラ付きガス検知装置を構成することにより、可視光では捕らえられないガス漏れ等を検知することが可能である。
赤外線画像入力機能付きデジタル機器の一例として、図１５にデジタル機器ＤＵの概略構成例を模式的断面で示す。図１５に示すデジタル機器ＤＵに搭載されている撮像光学装置ＬＵは、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の赤外線光学像（像面）ＩＭを形成する赤外線用光学系ＬＮ（ＡＸ：光軸）と、赤外線用光学系ＬＮにより受光面（撮像面）ＳＳ上に形成された光学像ＩＭを電気的な信号に変換する撮像センサー（冷却センサー）ＳＲと、を備えている。赤外線用光学系ＬＮは、２枚の単レンズと、コールドアパーチャーと、バンドパスフィルターと、からなる２枚構成の単焦点撮影光学系であり、撮像センサーＳＲの光電変換部である受光面ＳＳ上に赤外線からなる光学像ＩＭを形成する構成になっている。
赤外線用光学系ＬＮに内蔵のバンドパスフィルター以外の平行平面板を、必要に応じて配置してもよい。そのような平行平面板として、例えば、冷却部ＣＵを構成するコールドシールドＣＳ（図１３，図１４）を密閉するために、コールドアパーチャー近傍にウィンドウＷＩ（図１３，図１４）を配置してもよく、耐傷・耐薬品等を考慮して、最も物体側に位置する第１レンズの外側に、波長３〜５μｍ帯の赤外線を通過するカバー部材や窓材を配置してもよい。また、撮像光学装置ＬＵで画像入力機能付きデジタル機器ＤＵを構成する場合、通常そのボディ内部に撮像光学装置ＬＵを配置することになるが、カメラ機能を実現する際には必要に応じた形態を採用することが可能である。例えば、ユニット化した撮像光学装置ＬＵをデジタル機器ＤＵの本体に対して着脱可能又は回動可能に構成することが可能である。
デジタル機器ＤＵは、撮像光学装置ＬＵの他に、信号処理部１，制御部２，メモリー３，操作部４，表示部５等を備えている。撮像センサーＳＲで生成した信号は、信号処理部１で所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が必要に応じて施され、デジタル映像信号としてメモリー３（半導体メモリー，光ディスク等）に記録されたり、場合によってはケーブルを介したり赤外線信号等に変換されたりして他の機器に伝送される（例えば携帯電話の通信機能）。制御部２はマイクロコンピューターからなっており、撮影機能（静止画撮影機能，動画撮影機能等），画像再生機能等の機能の制御；フォーカシング等のためのレンズ移動機構の制御等を集中的に行う。例えば、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方を行うように、制御部２により撮像光学装置ＬＵに対する制御が行われる。表示部５は液晶モニター等のディスプレイを含む部分であり、撮像センサーＳＲによって変換された画像信号あるいはメモリー３に記録されている画像情報を用いて画像表示を行う。操作部４は、操作ボタン（例えばレリーズボタン），操作ダイヤル（例えば撮影モードダイヤル）等の操作部材を含む部分であり、操作者が操作入力した情報を制御部２に伝達する。
図１，図３，…，図１１に、無限遠合焦状態にある赤外線用光学系ＬＮの第１〜第６の実施の形態を光学断面でそれぞれ示す。第１〜第６の実施の形態のいずれについても、赤外線用光学系ＬＮは、物体側から像側へかけて、負のパワーを有する第１レンズＬ１と、正のパワーを有する第２レンズＬ２と、絞り（コールドアパーチャー）ＳＴと、が配置されており（パワーについてはすべて近軸での値とする。）、第２レンズＬ２と像面ＩＭとの間には、絞りＳＴの他にバンドパスフィルターＢＰＦが配置されている。バンドパスフィルターＢＰＦは、絞りＳＴの像面ＩＭ側、つまり絞りＳＴと像面ＩＭとの間において絞りＳＴの近傍に配置されている。
第１〜第６の実施の形態において、第１レンズＬ１は物体側に凹の負メニスカスレンズであり、像側面が非球面からなっており、第２レンズＬ２は物体側に凹の正メニスカスレンズであり、球面のみで構成されている。第１〜第６の実施の形態のいずれにおいても、第１レンズＬ１はシリコンで構成されている。第１〜第５の実施の形態では第２レンズＬ２がシリコンで構成されており、第６の実施の形態では第２レンズＬ２がゲルマニウムで構成されている。
第１〜第６の実施の形態のいずれにおいても、コールドアパーチャーＳＴ近傍には、前述した冷却部ＣＵ（図１５）を密閉するためのウィンドウＷＩが配置されることがあるが、冷却効果が十分であれば省略してもよい。また、最も物体側に位置する第１レンズＬ１の外側には、耐傷・耐薬品等を考慮して該当する赤外線を通過するカバー部材又は窓材を配置してもよい。
以下、本発明を実施した赤外線用光学系の構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜６（ＥＸ１〜６）は、前述した第１〜第６の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１〜第６の実施の形態を表すレンズ構成図（図１，図３，…，図１２）は、対応する実施例１〜６のレンズ断面形状，レンズ配置等をそれぞれ示している。
各実施例のコンストラクションデータでは、面データとして、左側の欄から順に、面番号（ＯＢ：物面，ＳＴ：絞り面，ＩＭ：像面），近軸における曲率半径Ｒ（ｍｍ），軸上面間隔ｄ（ｍｍ），波長３．３μｍに対する屈折率Ｎ３．３，及び波長３〜５μｍに対する分散値νを示す。分散値νは分散の性質を表し、ν＝（Ｎ４−１）／（Ｎ３−Ｎ５）で定義される（ただし、Ｎ３：波長３μｍに対する屈折率，Ｎ４：波長４μｍに対する屈折率，Ｎ５：波長５μｍに対する屈折率である。）。表１に、シリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の屈折率Ｎ５，Ｎ４，Ｎ３．３，Ｎ３及び分散値νを示す。
面番号に＊が付された面は非球面であり、その面形状は面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた以下の式（ＡＳ）で定義される。非球面データとして、非球面係数等を示す。なお、各実施例の非球面データにおいて表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０-nである。
ｚ＝（Ｃ・ｈ2）／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）・Ｃ2・ｈ2｝］＋Σ（Ａｉ・ｈi） …（ＡＳ）
ただし、
ｈ：ｚ軸（光軸ＡＸ）に対して垂直な方向の高さ（ｈ2＝ｘ2＋ｙ2）、
ｚ：高さｈの位置での光軸ＡＸ方向のサグ量（面頂点基準）、
Ｃ：面頂点での曲率（近軸曲率半径Ｒの逆数）、
Ｋ：円錐定数、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数（Σはｉについて４次から∞次の総和を表す。）、
である。
表２に、各種データとして、全系の焦点距離ＦＬ（ｍｍ），Ｆナンバー（Ｆｎｏ），全画角２ω（°），レンズ全長ＴＴ（ｍｍ），バックフォーカスＢＦ（ｍｍ），像高Ｙ’（ｍｍ），第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１（ｍｍ），第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２（ｍｍ），第１レンズＬ１の物体側面の曲率半径ｒ１（ｍｍ），第１レンズＬ１の像側面の曲率半径ｒ２（ｍｍ），第２レンズＬ２の物体側面の曲率半径ｒ３（ｍｍ），第２レンズＬ２の像側面の曲率半径ｒ４（ｍｍ），及び第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との間隔ｔ２（ｍｍ）を示し、表３に各実施例の条件式対応値を示す（いずれも波長３．３μｍでの値である。）。表２中のバックフォーカスＢＦは、レンズ最終面から近軸像面までの距離を空気換算長により表記しており（バンドパスフィルターＢＰＦは空気換算長に変換している。）、レンズ全長ＴＴは、レンズ最前面（第１レンズＬ１の物体側面）からレンズ最終面までの距離にバックフォーカスＢＦを加えたものである。
図２，図４，…，図１２は、実施例１〜６（ＥＸ１〜６）にそれぞれ対応する収差図であり、（Ａ）は球面収差図、（Ｂ）は非点収差図、（Ｃ）は歪曲収差図である。球面収差図は、実線で示す設計波長（評価波長）３．３μｍにおける球面収差量、一点鎖線で示す波長３．１μｍにおける球面収差量、破線で示す波長３．５μｍにおける球面収差量を、それぞれ近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量（ｍｍ）で表しており、縦軸はＦナンバーを表している。非点収差図において、破線Ｔは設計波長３．３μｍにおけるタンジェンシャル像面、実線Ｓは設計波長３．３μｍにおけるサジタル像面を、近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量（ｍｍ）で表しており、縦軸は半画角ω（°）を表している。歪曲収差図において、横軸は設計波長３．３μｍにおける歪曲（％）を表しており、縦軸は半画角ω（°）を表している。
実施例１
単位：mm
面データ
面番号 R d N3.3 ν 有効半径
1(OB) ∞ ∞ -
2 -30.853 3.897 3.433 234(L1) 11.5
3* -40.896 8.461 12.4
4 -155.833 10.000 3.433 234(L2) 15.4
5 -41.129 10.489 17
6(ST) ∞ 0.000 6.7
7 ∞ 1.000 4.036 103(BPF) 6.7
8 ∞ 18.738 6.7
9(IM) ∞ 0.000 6.8
非球面データ
面番号 K A4 A6 A8 A10
3 -13.35 -1.173E-05 1.031E-07 -2.266E-10 7.303E-13
実施例２
単位：mm
面データ
面番号 R d N3.3 ν 有効半径
1(OB) ∞ ∞ -
2 -25.507 3.000 3.433 234(L1) 11.3
3* -33.606 7.343 12.3
4 -183.751 10.000 3.433 234(L2) 15.5
5 -41.096 10.481 17
6(ST) ∞ 0.000 6.7
7 ∞ 1.000 4.036 103(BPF) 6.7
8 ∞ 18.738 6.7
9(IM) ∞ 0.000 6.8
非球面データ
面番号 K A4 A6 A8 A10
3 -15.00 -3.417E-05 2.268E-07 -6.745E-10 1.574E-12
実施例３
単位：mm
面データ
面番号 R d N3.3 ν 有効半径
1(OB) ∞ ∞ -
2 -36.014 4.187 3.433 234(L1) 11.5
3* -46.829 9.323 12.3
4 -186.207 10.000 3.433 234(L2) 14.5
5 -43.334 9.512 15
6(ST) ∞ 0.000 6.7
7 ∞ 1.000 4.036 103(BPF) 6.7
8 ∞ 18.855 6.7
9(IM) ∞ 0.000 6.7
非球面データ
面番号 K A4 A6 A8 A10
3 -16.11 -7.622E-06 7.599E-08 -1.215E-10 4.458E-13
実施例４
単位：mm
面データ
面番号 R d N3.3 ν 有効半径
1(OB) ∞ ∞ -
2 -38.886 4.399 3.433 234(L1) 11.5
3* -49.930 9.717 12.2
4 -197.256 10.000 3.433 234(L2) 14.2
5 -44.200 9.100 15
6(ST) ∞ 0.000 6.7
7 ∞ 1.000 4.036 103(BPF) 6.7
8 ∞ 18.855 6.7
9(IM) ∞ 0.000 6.7
非球面データ
面番号 K A4 A6 A8 A10
3 -19.88 -8.259E-06 7.916E-08 -1.366E-10 4.404E-13
実施例５
単位：mm
面データ
面番号 R d N3.3 ν 有効半径
1(OB) ∞ ∞ -
2 -31.548 4.000 3.433 234(L1) 11.5
3* -44.192 8.371 12.4
4 -165.936 10.000 3.433 234(L2) 16.1
5 -40.910 11.100 17
6(ST) ∞ 0.000 6.7
7 ∞ 1.000 4.036 103(BPF) 6.7
8 ∞ 18.844 6.7
9(IM) ∞ 0.000 6.8
非球面データ
面番号 K A4 A6 A8 A10
3 -13.59 -6.438E-06 8.737E-08 -1.830E-10 7.340E-13
実施例６
単位：mm
面データ
面番号 R d N3.3 ν 有効半径
1(OB) ∞ ∞ -
2 -38.349 5.000 3.433 234(L1) 11.7
3* -51.382 10.754 12.6
4 -208.687 10.000 4.036 103(L2) 14.7
5 -53.221 10.100 16
6(ST) ∞ 0.000 6.7
7 ∞ 1.000 4.036 103(BPF) 6.7
8 ∞ 18.851 6.7
9(IM) ∞ 0.000 6.7
非球面データ
面番号 K A4 A6 A8 A10
3 -15.25 -4.012E-06 4.707E-08 -5.214E-11 2.012E-13
Figure 0006848967
Figure 0006848967
Figure 0006848967
ＤＵ デジタル機器
ＬＵ 撮像光学装置
ＣＵ 冷却部
ＬＮ 赤外線用光学系
Ｌ１ 第１レンズ
Ｌ２ 第２レンズ
ＳＴ 絞り（コールドアパーチャー）
ＣＳ コールドシールド
ＷＩ ウィンドウ
ＢＰＦ バンドパスフィルター
ＳＲ 撮像センサー（冷却センサー）
ＳＳ 受光面（撮像面）
ＩＭ 像面（光学像）
ＡＸ 光軸
１ 信号処理部
２ 制御部
３ メモリー
４ 操作部
５ 表示部

Claims (13)

  1. 波長３〜５μｍ帯を使用する赤外線用撮影光学系であって、
    物体側から像側へかけて、負のパワーを有し物体側に凹のメニスカス形状を有する第１レンズと、正のパワーを有する第２レンズと、絞りとからなり、かつ、前記第２レンズと像面との間にバンドパスフィルターを有し、
    前記第１レンズが非球面を少なくとも１面有する非球面レンズであり、
    前記第２レンズが球面レンズであり、
    前記バンドパスフィルターが波長３．１〜３．５μｍの光のみを透過させる特性を有し、
    以下の条件式（１）及び（２）を満足することを特徴とする赤外線用光学系；
    −８＜（ｒ１＋ｒ２）／（ｒ１−ｒ２）＜−７ …（１）
    ０．７＜（ｒ３＋ｒ４）／（ｒ３−ｒ４）＜１．８ …（２）
    ただし、
    ｒ１：第１レンズの物体側面の曲率半径、
    ｒ２：第１レンズの像側面の曲率半径、
    ｒ３：第２レンズの物体側面の曲率半径、
    ｒ４：第２レンズの像側面の曲率半径、
    である。
  2. 以下の条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１記載の赤外線用光学系；
    ０．３＜ｔ２／ＦＬ＜０．５ …（３）
    ただし、
    ｔ２：第１レンズの像側面から第２レンズの物体側面までの光軸上での距離、
    ＦＬ：全系の焦点距離、
    である。
  3. 以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線用光学系；
    −４．５＜ｆ１／ｆ２＜−２．７ …（４）
    ただし、
    ｆ１：第１レンズの焦点距離、
    ｆ２：第２レンズの焦点距離、
    である。
  4. 以下の条件式（５）を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外線用光学系；
    ０．９＜ｆ２／ＦＬ＜１．１ …（５）
    ただし、
    ｆ２：第２レンズの焦点距離、
    ＦＬ：全系の焦点距離、
    である。
  5. 前記第２レンズが物体側に凹の正メニスカスレンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線用光学系。
  6. 前記第１，第２レンズがゲルマニウム又はシリコンで構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外線用光学系。
  7. 以下の条件式（６）を満足することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外線用光学系；
    −４．５＜ｆ１／ＦＬ＜−２．５ …（６）
    ただし、
    ｆ１：第１レンズの焦点距離、
    ＦＬ：全系の焦点距離、
    である。
  8. 以下の条件式（７）を満足することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の赤外線用光学系；
    １．３＜ＢＦ／ＦＬ＜１．５ …（７）
    ただし、
    ＢＦ：第２レンズの像側面から像面までの空気換算長、
    ＦＬ：全系の焦点距離、
    である。
  9. 前記第１，第２レンズのいずれの面にも、表面レリーフ状の回折面又はフレネル面を有しないことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の赤外線用光学系。
  10. 前記絞りがコールドシールドの一部からなるコールドアパーチャーであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の赤外線用光学系。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の赤外線用光学系と、撮像面上に形成された赤外線光学像を電気的な信号に変換する撮像センサーと、を備え、前記撮像センサーの撮像面上に被写体の赤外線光学像が形成されるように前記赤外線用光学系が設けられていることを特徴とする撮像光学装置。
  12. 請求項１１記載の撮像光学装置を備えることにより、被写体の静止画撮影，動画撮影のうちの少なくとも一方の機能が付加されたことを特徴とするデジタル機器。
  13. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の赤外線用光学系を備えたことを特徴とする赤外線用カメラシステム。
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