JPH08146290A - 赤外広角単レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 結像特性に優れると同時に、周辺光量比特性
が略均一な赤外広角単レンズを提供する。 【構成】 本発明の赤外広角単レンズは、物体側に絞り
を有する両凸レンズであって、ｄ０を絞りからレンズ第
１面までの面間隔、ｄ１をレンズ中心厚、ｒ１を第１面
の曲率半径、ｒ２を第２面の曲率半径、ｎを波長１０μ
ｍにおける硝材の屈折率、ｆを焦点距離、ｂｆをバック
フォーカス、半画角３５ｄｅｇの最大像高における理想
像高をｙ０、実光線の主光線像高をｙとし、次式でＤｉ
ｓｔを定義するとき、Ｄｉｓｔ＝（ｙ−ｙ０）／ｙ０ (1) -3.6＜ｒ１／ｒ２＜-0.9 (2) 0.3＜ｄ０／ｆ＜0.6 (3) 0.6＜（ｄ０＋ｄ１／ｎ）／ｆ＜0.9 (4) -0.19＜
Ｄｉｓｔ＜-0.16 (5) 0.7＜ｂｆ／ｆ＜1 なる条件(1),(2),(3),(4),(5)を
満足する構成を備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に室内の温度分布状
況などの検出を行なう非接触温度測定装置に用いられる
赤外光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、非接触温度測定装置には安価な単
一素子の赤外検出器が用いられ、画角の狭い赤外光学系
によって熱像は赤外検出器上に結像される。広い範囲を
観測する場合には、揺動ミラー等によって走査すること
で、２次元的な領域の温度分布の測定を行っていた。し
かしながら、構成が複雑で小型化、低コスト化が困難と
いう問題点があった。従来例としては、特開昭５３−４
１２７９号公報がある。以下、図面を参照しながら、上
述した従来の非接触温度測定装置の一例について説明す
る。

【０００３】図１１は従来の非接触温度測定装置の構成
図を示すものである。非接触温度測定装置２６は、一定
速度で回転するモータ１３、モータの回転軸１４、回転
円盤１５、ピン１６、走査用反射鏡１７、支持軸１８、
連結アーム１９、測定対象物２０、反射鏡２１、２２、
赤外線を断続する回転セクタ２３、集光レンズ２４、赤
外検出器２５から構成されている。

【０００４】モータ１３の回転運動は、連結アーム１９
を介し、走査用反射鏡１７に伝えられ、走査用反射鏡１
７は往復揺動運動をする。走査用反射鏡１７の往復揺動
運動により走査された測定対象物２０の各点から放射さ
れる赤外線は、反射鏡２１、２２で反射し、集光レンズ
２４で集光され、赤外検出器２５に送られる。赤外検出
器２５の前面に設けられた回転セクタ２３はモータ１３
により回転し、走査反射鏡１７の往復揺動運動の片道に
おいてのみ赤外線が透過するようにスリットが形成され
ている。

【０００５】他の従来例として、特開平６−９４９９１
号公報がある。この従来例は、赤外用単レンズを提供す
るものであるが、周辺光量比の変化が１５％程度残存し
ている。このため、高精度に被測定物の温度分布を求め
ようとすると、赤外検出器からの出力を、周辺光量比特
性を補正するようにしなければならず、コストが上昇し
たり、Ｓ／Ｎ比が測定領域の周辺部で低下するなどの問
題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成では、２次元の温度分布を測定するには、さ
らに、もう１次元の走査が必要となり小型化、低コスト
化が困難であるという課題を有していた。

【０００７】近年、安価なアレイ状あるいは２次元状の
赤外検出器の研究が進み、２次元の広い領域を１度に検
出器上に結像する小型、低コストの赤外広角レンズが要
望されている。

【０００８】本発明は上記課題に鑑み、単レンズであり
ながら結像領域全域において良好な結像特性を実現しつ
つ、周辺光量比の変化幅が最大でも５％以内である赤外
広角単レンズを提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の赤外広角単レンズは、物体側に絞りを有す
る両凸レンズであって、ｄ０を絞りからレンズ第１面ま
での距離、ｄ１をレンズ中心厚、ｒ１を第１面の曲率半
径、ｒ２を第２面の曲率半径、ｎを波長１０μｍにおけ
る硝材の屈折率、ｆを焦点距離をするとき、 （１）−３．６＜ｒ１／ｒ２＜−０．９ （２）０．３＜ｄ０／ｆ＜０．６ （３）０．６＜（ｄ０＋ｄ１／ｎ）／ｆ＜０．９ なる条件を満足する構成を備えたものである。

【００１０】望ましくは、半画角３５ｄｅｇの最大像高
における歪曲収差をＤｉｓｔとするとき、 （４）−０．１９＜Ｄｉｓｔ＜−０．１６ なる条件を満足する構成を備えたものである。ただし、
Ｄｉｓｔは、半画角３５ｄｅｇにおける理想像高をｙ
０、実光線の主光線像高をｙとしたとき、次の式で定義
する歪曲収差である。

【００１１】Ｄｉｓｔ＝（ｙ−ｙ０）／ｙ０ さらに望ましくは、ｂｆをバックフォーカスとしたと
き、 （５）０．７＜ｂｆ／ｆ＜１ なる条件を満足する構成を備えたものである。

【００１２】

【作用】本発明は上記した構成によって、適度な負の歪
曲収差を発生させ、これにより、周辺光量比の均一化を
図るものであり、単レンズでありながら半画角３５ｄｅ
ｇの結像領域全域において、良好な結像特性を実現しつ
つ、周辺光量比の変化幅が５％以内の優れた性能を満た
す赤外広角単レンズを提供することを可能としている。
特に、周辺光量比が略均一であるために、赤外検出器を
構成する１次元のアレイ状、あるいは２次元状に配列さ
れた複数の赤外検出画素に、測定対象物の温度分布と同
一分布で赤外線を集光することができる。これにより、
赤外検出器の出力を光学系の周辺光量比特性で補正する
必要がなく、画像の周辺部まで高いＳ／Ｎ比を得ること
ができる。さらに加えて、結像の中心から周辺部まで良
好な結像特性と均一な周辺光量比特性のため、本発明に
なる赤外広角単レンズと赤外検出器の光軸合わせに多少
のディセンタが生じても測定に誤差が発生し難く、組立
調整が容易となる。

【００１３】これらの優れた光学特性を得るために、本
発明になる赤外広角単レンズは上記各条件を満足する構
成となっている。

【００１４】条件（１）、（２）、（３）は、良好な結
像特性と均一な周辺光量比特性を同時に実現する範囲を
規定するものである。

【００１５】条件（１）の下限を越えると、歪曲収差が
必要以上に負に偏奇し、周辺光量比が軸外で増加する傾
向が発生する。さらに、軸外光束の上側光線が補正不足
となりコマ収差が劣化する。上限を越えると、歪曲収差
が必要な程度に発生せず、周辺光量比が軸外で減少し、
周辺光量比の均一化が困難となる。

【００１６】条件（２）の下限を越えると、レンズ面へ
の軸外光束の主光線高が小さくなり、歪曲収差を必要な
程度に発生させることが困難となり、周辺光量比が軸外
で減少し、周辺光量比の均一化が困難となる。これを抑
制するために、レンズ第２面の曲率半径を小さくし、歪
曲収差を負の方向に大きく発生させようとするとコマ収
差が発生し、結像特性が劣化する。上限を越えると、歪
曲収差が必要以上に負に偏奇し、周辺光量比が軸外で増
加する傾向が発生する。さらに、軸外光束の上側光線が
補正不足となりコマ収差が劣化する。

【００１７】条件（３）の下限を越えると、絞りからレ
ンズ第２面までの光路長が小さくなり、レンズ第２面で
の軸外光束の主光線高が小さくなる。これにより、負の
歪曲収差が必要な程度に発生せず、周辺光量比が軸外で
減少し、周辺光量比の均一化が困難となる。上限を越え
ると、歪曲収差が必要以上に負に偏奇し易くなったり、
レンズ中心厚が大となり、バックフォーカスを確保する
ことが困難となる。

【００１８】条件（４）は、均一な周辺光量比特性を実
現する歪曲収差の発生量の範囲を規定するものである。
下限を越えると、負の歪曲収差が大きくなりすぎ、周辺
光量比が軸外で増加する傾向が発生する。上限を越える
と、負の歪曲収差が小さくなりすぎ、周辺光量比が軸外
で減少する傾向が発生する。

【００１９】条件（５）は、本発明になる赤外広角単レ
ンズと組み合わせて用いる赤外検出器との空気間隔を必
要量確保する範囲を規定するものである。下限を越える
と、赤外広角単レンズと組み合わせて用いる赤外検出器
との空気間隔が小さくなりすぎ、組立調整が困難とな
る。上限を越えると、組立調整は容易となるが装置が大
きくなる。

【００２０】本発明になる赤外広角単レンズは、シリコ
ン（Ｓｉ）からなることが望ましい。一般的に、波長１
０μｍ程度の赤外領域において十分な透過特性を有する
材料としては、シリコンの他にゲルマニウム（Ｇｅ）、
セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等があるが、コストが高いと
いう問題点がある。これに反して、シリコンは半導体材
料として大量に生産されており、レンズ素材としてのコ
ストが低い。

【００２１】本発明になる赤外広角単レンズと赤外検出
器を組み合わせると、小型で低コストしかも広い測定範
囲の温度分布を正確に測定可能な非接触温度測定装置を
実現することができる。さらに、赤外検出器を冷却不要
な焦電型赤外検出器とすることにより、小型で低コスト
な温度分解能の良好な非接触温度測定装置を実現するこ
とができる。

【００２２】また、上記非接触温度測定装置を用いるこ
とにより、人体位置検出及び室内の各領域ごとの温度分
布を測定し、その測定結果を用いて最適な空調制御を行
なうことができる空調装置を小型、低コストで実現でき
る。

【００２３】

【実施例】以下に本発明になる走査光学装置の実施例を
示す。但し、各実施例中、ｄ０は絞りからレンズ第１面
までの面間隔、ｄ１はレンズ中心厚、ｒ１、ｒ２はレン
ズ第１面と第２面の曲率半径、ｎはレンズの硝材の波長
１０μｍにおける屈折率、ｆは焦点距離、Ｄｉｓｔは最
大像高における歪曲収差、ｂｆはバックフォーカスであ
る。

【００２４】第１実施例 Ｆナンバー ：１．４ 半画角＝３５ｄｅｇ ｆ＝３．１６ ｒ１／ｒ２＝−１．４０ ｄ０／ｆ＝０．４９ （ｄ０＋ｄ１／ｎ）／ｆ＝０．７２ Ｄｉｓｔ＝−０．１８０ ｂｆ／ｆ＝０．９０ ｄ０＝１．５６ ｒ１＝１７．２１８ ｄ１＝２．４３ ｎ＝３．４１７７ ｒ２＝−１２．３３２ 第２実施例 Ｆナンバー ：１．４ 半画角＝３５ｄｅｇ ｆ＝３．１７ ｒ１／ｒ２＝−１．００ ｄ０／ｆ＝０．４０ （ｄ０＋ｄ１／ｎ）／ｆ＝０．８１ Ｄｉｓｔ＝−０．１８３ ｂｆ／ｆ＝０．７６ ｄ０＝１．２６ ｒ１＝１３．４９２ ｄ１＝４．５２ ｎ＝３．４１７７ ｒ２＝−１３．４９２ 第３実施例 Ｆナンバー ：１．４ 半画角＝３５ｄｅｇ ｆ＝３．１８ ｒ１／ｒ２＝−１．００ ｄ０／ｆ＝０．５２ （ｄ０＋ｄ１／ｎ）／ｆ＝０．７２ Ｄｉｓｔ＝−０．１８４ ｂｆ／ｆ＝０．８９ ｄ０＝１．６４ ｒ１＝１４．５３５ ｄ１＝２．２０ ｎ＝３．４１７７ ｒ２＝−１４．５３５ 第４実施例 Ｆナンバー ：１．４ 半画角＝３５ｄｅｇ ｆ＝３．１７ ｒ１／ｒ２＝−１．６１ ｄ０／ｆ＝０．５０ （ｄ０＋ｄ１／ｎ）／ｆ＝０．７０ Ｄｉｓｔ＝−０．１７７ ｂｆ／ｆ＝０．９２ ｄ０＝１．５７ ｒ１＝１８．９６０ ｄ１＝２．１９ ｎ＝３．４１７７ ｒ２＝−１１．７９９ 第５実施例 Ｆナンバー ：１．４ 半画角＝３５ｄｅｇ ｆ＝３．１４ ｒ１／ｒ２＝−３．３３ ｄ０／ｆ＝０．４１ （ｄ０＋ｄ１／ｎ）／ｆ＝０．６９ Ｄｉｓｔ＝−０．１６９ ｂｆ／ｆ＝０．９３ ｄ０＝１．２８ ｒ１＝３１．１１８ ｄ１＝３．０１ ｎ＝３．４１７７ ｒ２＝−９．３５６ 第６実施例 Ｆナンバー ：１．４ 半画角＝３５ｄｅｇ ｆ＝３．１５ ｒ１／ｒ２＝−２．５２ ｄ０／ｆ＝０．４０ （ｄ０＋ｄ１／ｎ）／ｆ＝０．７３ Ｄｉｓｔ＝−０．１７２ ｂｆ／ｆ＝０．９０ ｄ０＝１．２７ ｒ１＝２４．９０２ ｄ１＝３．４８ ｎ＝３．４１７７ ｒ２＝−９．８６９ 第７実施例 Ｆナンバー ：１．４ 半画角＝３５ｄｅｇ ｆ＝３．１６ ｒ１／ｒ２＝−１．４２ ｄ０／ｆ＝０．４３ （ｄ０＋ｄ１／ｎ）／ｆ＝０．８０ Ｄｉｓｔ＝−０．１８０ ｂｆ／ｆ＝０．８３ ｄ０＝１．３５ ｒ１＝１６．６４０ ｄ１＝４．０７ ｎ＝３．４１７７ ｒ２＝−１１．７０４ 本発明の赤外広角単レンズの実施例について図面を参照
しながら説明する。図１は本発明に係る赤外広角単レン
ズの第１実施例に基づく概略構成を示す。物体側から像
面側へと、絞り、赤外広角単レンズ１の順に配置され
る。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明に係る赤外広
角単レンズの第１実施例の収差特性を示す収差図であ
る。図２（ａ）は球面収差特性、図２（ｂ）は非点収差
特性、図２（ｃ）は歪曲収差特性をそれぞれ示す。同様
に、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）ないし図８（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）は本発明に係る赤外広角単レンズの第２
実施例から第７実施例の収差特性を示す収差図である。

【００２５】（表１）は、本発明になる赤外広角単レン
ズの第１実施例から第７実施例の、各相対画角に対する
周辺光量比を示す。（表１）に示されるように、周辺光
量比特性の変化幅は５％以内に収まり、良好な周辺光量
比特性を実現している。

【００２６】

【表１】

【００２７】図９は上記実施例の赤外広角単レンズを非
接触温度測定装置６に用いた場合の概略構成図である。
非接触温度測定装置６は、本発明の赤外広角単レンズ
１、絞り２、縦方向に８素子アレイ状に配置された焦電
型赤外検出器３、赤外光を断続的に遮蔽するチョッパ
４、ユニット全体を横方向に走査するモータ５で構成さ
れている。このような構成において、チョッパ４により
断続的に遮蔽される赤外光は赤外広角単レンズ１により
焦電型赤外検出器３に結像され、縦方向に８分割された
領域の１次元赤外線像が検出される。そして、モータ５
により横方向に走査することで２次元赤外線像を検出す
る。また、測定した各領域の温度分布から人体位置検出
も可能である。

【００２８】以上のように本実施例によれば、本発明の
赤外広角単レンズと焦電型赤外検出器を用いることによ
り、被測定物の温度分布を測定することができ、小型で
低コストの非接触温度測定装置を実現することができ
る。

【００２９】図１０は、上記本発明の非接触温度測定装
置６を用いた空調装置１２の概略構成を示す。空調装置
１２は本発明の非接触温度測定装置６、非接触温度測定
装置６から出力される信号から各領域の温度分布のデー
タを形成するデータ形成部７、データ形成部７から得ら
れたデータから空調制御信号を形成するための制御信号
形成部８、空調装置の送風力、風向、排出風の温度など
の制御をする空調制御部９、、送風口１１を有する空調
装置筐体１０から構成される。本空調装置１２は、本発
明になる赤外広角単レンズを用いた非接触温度測定装置
６を用いることにより、人体位置検出及び室内の各領域
ごとの温度分布を測定し、その測定結果を用いて最適な
空調制御を行なうことのできる空調装置を小型で低コス
トで実現できる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明の赤外広角単レンズ
は上記のような構成とすることにより、単レンズであり
ながら半画角３５ｄｅｇの結像領域全域において、良好
な結像特性を実現しつつ、周辺光量比の変化幅が５％以
内の優れた性能を満たす赤外広角単レンズを提供するこ
とを可能としている。特に、周辺光量比が略均一である
ために、赤外検出器を構成する１次元のアレイ状、ある
いは２次元状に配列された複数の赤外検出画素に、測定
対象物の温度分布と同一分布で赤外線を集光することが
できる。これにより、赤外検出器の出力を光学系の周辺
光量比特性で補正する必要がなく、画像の周辺部まで高
いＳ／Ｎ比を得ることができる。さらに加えて、結像の
中心から周辺部まで良好な結像特性と均一な周辺光量比
特性のため、本発明になる赤外広角単レンズと赤外検出
器の光軸合わせに多少のディセンタが生じても測定に誤
差が発生し難く、組立調整が容易となる。

【００３１】また、本発明の赤外広角単レンズと赤外検
出器を用いることにより小型、低コストの非接触温度測
定装置を実現できる。また、本発明の非接触温度測定装
置を用いることにより、人体位置検出及び室内の各領域
ごとの温度分布を測定し、その測定結果を用いて最適な
空調制御を行なうことのできる空調装置を、小型、低コ
ストで実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の赤外広角単レンズの第１実施例に基づ
く概略構成を示す図

【図２】（ａ）は第１実施例の球面収差特性を示す図 （ｂ）は同実施例の非点収差特性を示す図 （ｃ）は同実施例の歪曲収差特性を示す図

【図３】（ａ）は第２実施例の球面収差特性を示す図 （ｂ）は同実施例の非点収差特性を示す図 （ｃ）は同実施例の歪曲収差特性を示す図

【図４】（ａ）は第３実施例の球面収差特性を示す図 （ｂ）は同実施例の非点収差特性を示す図 （ｃ）は同実施例の歪曲収差特性を示す図

【図５】（ａ）は第４実施例の球面収差特性を示す図 （ｂ）は同実施例の非点収差特性を示す図 （ｃ）は同実施例の歪曲収差特性を示す図

【図６】（ａ）は第５実施例の球面収差特性を示す図 （ｂ）は同実施例の非点収差特性を示す図 （ｃ）は同実施例の歪曲収差特性を示す図

【図７】（ａ）は第６実施例の球面収差特性を示す図 （ｂ）は同実施例の非点収差特性を示す図 （ｃ）は同実施例の歪曲収差特性を示す図

【図８】（ａ）は第７実施例の球面収差特性を示す図 （ｂ）は同実施例の非点収差特性を示す図 （ｃ）は同実施例の歪曲収差特性を示す図

【図９】本発明の赤外広角単レンズを用いた非接触温度
測定装置の概略構成図

【図１０】本発明の非接触温度測定装置を用いた空調装
置の概略構成図

【図１１】従来の非接触温度測定装置の概略構成図

【符号の説明】

１ 赤外広角単レンズ ２ 絞り ３ 焦電型赤外検出器 ４ チョッパ ５ モータ ６ 非接触温度測定装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体側に絞りを有する両凸レンズであっ
   て、ｄ０を絞りからレンズ第１面までの面間隔、ｄ１を
   レンズ中心厚、ｒ１を第１面の曲率半径、ｒ２を第２面
   の曲率半径、ｎを波長１０μｍにおける硝材の屈折率、
   ｆを焦点距離とするとき、 （１） −３．６＜ｒ１／ｒ２＜−０．９ （２） ０．３＜ｄ０／ｆ＜０．６ （３） ０．６＜（ｄ０＋ｄ１／ｎ）／ｆ＜０．９ なる条件（１）、（２）、（３）を満足することを特徴
   とする赤外広角単レンズ。
2. 【請求項２】半画角３５ｄｅｇ、Ｄｉｓｔを最大像高に
   おける理想像高をｙ０、実光線の主光線像高をｙとした
   とき、次の式で定義する歪曲収差であるとき、 Ｄｉｓｔ＝（ｙ−ｙ０）／ｙ０ （４） −０．１９＜Ｄｉｓｔ＜−０．１６ なる条件（４）を満足することを特徴とする請求項１記
   載の赤外広角単レンズ。
3. 【請求項３】ｂｆをバックフォーカスとしたとき、 （５） ０．７＜ｂｆ／ｆ＜１ なる条件（５）を満足することを特徴とする請求項１記
   載の赤外広角単レンズ。
4. 【請求項４】硝材がシリコン（Ｓｉ）であることを特徴
   とする請求項１記載の赤外広角単レンズ。
5. 【請求項５】請求項１記載の赤外広角単レンズと赤外検
   出器とを備えたことを特徴とする非接触温度測定装置。
6. 【請求項６】赤外検出器は焦電型赤外検出器であること
   を特徴とした請求項５記載の非接触温度測定装置。
7. 【請求項７】請求項５記載の非接触温度測定装置を用い
   たことを特徴とする空調装置。