WO2023008148A1 - 赤外線撮像レンズ - Google Patents

赤外線撮像レンズ Download PDF

Info

Publication number
WO2023008148A1
WO2023008148A1 PCT/JP2022/027121 JP2022027121W WO2023008148A1 WO 2023008148 A1 WO2023008148 A1 WO 2023008148A1 JP 2022027121 W JP2022027121 W JP 2022027121W WO 2023008148 A1 WO2023008148 A1 WO 2023008148A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
lens
infrared imaging
imaging lens
wavelength
infrared
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/027121
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
佳雅 松下
史雄 佐藤
信男 堀
Original Assignee
日本電気硝子株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電気硝子株式会社 filed Critical 日本電気硝子株式会社
Priority to EP22849213.8A priority Critical patent/EP4379444A1/en
Priority to CN202280032698.8A priority patent/CN117242386A/zh
Publication of WO2023008148A1 publication Critical patent/WO2023008148A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/14—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration

Definitions

  • the present invention relates to an infrared imaging lens.
  • Infrared cameras that shoot subjects in the mid-to-far infrared region, especially in the 10 ⁇ m band wavelength region suitable for living body detection, are used in surveillance cameras, security cameras, in-vehicle night vision systems, etc. These infrared cameras can be applied to various fields such as intruder monitoring of important facilities, poacher monitoring, traffic network monitoring, warehouse monitoring, obstacle monitoring on the way, forest fire source detection, tunnel monitoring, and maritime monitoring. Demand is expected to grow. An infrared imaging lens applied to such an infrared camera is known.
  • a so-called telephoto lens with a relatively long focal length is required.
  • a low-cost infrared imaging lens that can be used as a consumer product that has excellent resolution that can be used with a small image sensor having a pixel pitch of about the wavelength, a wide wavelength band, and the like.
  • One aspect of the present invention focuses on the above-described problems, and provides an infrared imaging lens that is a telephoto lens that can be used for consumer applications and has excellent resolution that can be used with an image sensor that has a pixel pitch of about the wavelength.
  • the purpose is to realize
  • one aspect of the present invention is an infrared imaging lens used in an infrared region including at least one wavelength within a range of 7 to 14 ⁇ m, wherein from the object side to the image plane side A first lens, a second lens, and a third lens are arranged in order, and each of the first lens, the second lens, and the third lens has a refractive index of 2.5 to 4 at a wavelength of 10 ⁇ m.
  • 0.0 chalcogenide glass, and the focal length fL of the entire system is at least twice the diameter of the image circle.
  • an infrared imaging lens for use in an infrared region including at least one wavelength within a range of 7 to 14 ⁇ m, wherein an image is captured from the object side.
  • a first lens, a second lens, and a third lens are arranged in order toward the surface side, and each of the first lens, the second lens, and the third lens has a refractive index of 2.0 at a wavelength of 10 ⁇ m. It is made of chalcogenide glass of 5 to 4.0 and has a half angle of view of 14° or less.
  • an infrared imaging lens that is a telephoto lens that can be used for consumer applications, that can be used with an image sensor that has a pixel pitch of about the wavelength, and has excellent resolution.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of main parts of an infrared imaging lens according to an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is an aberration diagram showing spherical aberration, astigmatism, and distortion of the infrared imaging lens according to Numerical Example 1 of the present invention
  • 4 is an aberration diagram showing coma aberration of the infrared imaging lens according to Numerical Example 1 of the present invention
  • FIG. 4 is a graph showing image height dependence of relative illuminance of the infrared imaging lens according to Numerical Example 1 of the present invention
  • 5 is a graph showing the spatial frequency dependence of the MTF in the wavelength range of 7 to 14 ⁇ m for the infrared imaging lens according to Numerical Example 1 of the present invention.
  • 5 is a graph showing the spatial frequency dependence of the MTF in the wavelength range of 8 to 12 ⁇ m for the infrared imaging lens according to Numerical Example 1 of the present invention.
  • 4 is a graph showing focus shift dependence of the MTF of the infrared imaging lens according to Numerical Example 1 of the present invention.
  • the infrared imaging lens 1 is a lens system that forms an image of a subject on an image plane S of an image sensor or the like, corresponding to a mid-far infrared wavelength region.
  • the infrared imaging lens 1 according to this embodiment is intended for a telephoto lens in which the focal length fL of the entire system is at least twice the diameter of the image circle.
  • the infrared imaging lens 1 according to the present embodiment is intended for an infrared imaging lens capable of realizing an imaging device capable of magnifying and observing an object at a long distance by providing the infrared imaging lens 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view along the optical axis, showing the configuration of the main parts of the infrared imaging lens 1.
  • FIG. The infrared imaging lens 1 is configured by arranging a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3 in order from the object side toward the image plane S side. During focusing, the first lens L1 to the third lens L3 uniformly move in the optical axis direction.
  • the first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3 are each made of chalcogenide glass with a refractive index of 2.5 to 4.0 at a wavelength of 10 ⁇ m. All of the first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3 may be made of chalcogenide glass, which is the same glass material.
  • a parallel plate P is arranged between the third lens L3 and the image plane S, as shown in FIGS.
  • the parallel plate P is an optical window that is hermetically sealed on the image plane S side and is made of silicon, low-oxygen silicon or germanium. The material and thickness can be determined depending on what kind of image sensor is used.
  • the surfaces of the first lens L1, the second lens L2, the third lens L3, and the plane-parallel plate P are coated with anti-reflection (AR) coating.
  • AR anti-reflection
  • Appropriate known techniques can be applied to such an antireflection coating in the mid-far infrared region.
  • the chalcogenide glass preferably contains 20 to 90% by mol of tellurium (Te) and has an Abbe number of 100 or more at a wavelength of 10 ⁇ m. It should be noted that the definition of the Abbe number in this specification will be described in Numerical Examples below. Further, the chalcogenide glass preferably contains at least one of germanium (Ge) 0 to 50% and gallium (Ga) 0 to 50% by mol %.
  • Such a chalcogenide glass with a high refractive index in the mid-far infrared region which is glass with a refractive index of 2.5 to 4.0 at a wavelength of 10 ⁇ m
  • the refractive index of this glass material at a wavelength of 10 ⁇ m is in the range of 2.74 to 3.92.
  • it preferably has a refractive index of 2.74 to 3.92, 2.8 to 3.8, particularly 2.9 to 3.7 at a wavelength of 10 ⁇ m. If the refractive index is too low, the focal length tends to be too long.
  • the Abbe number ( ⁇ 10) of the chalcogenide glass is preferably 100 or more, 120 or more, 150 or more, 180 or more, particularly 220 or more. A definition of the Abbe number ( ⁇ 10) will be described later. If the Abbe number is too low, chromatic aberration tends to increase. Although the upper limit of the Abbe number is not particularly limited, it is practically 350 or less.
  • This glass material has extremely low light absorption over a wide range of wavelengths in the mid-far infrared region, at least from 7 to 14 ⁇ m.
  • the present glass material has a feature that light absorption is small even in a region exceeding a wavelength of 10 ⁇ m in spite of being a chalcogenide.
  • "infrared absorption edge wavelength” and “internal transmittance” can be used as indices showing that the light transmittance is excellent in the far-infrared region.
  • the infrared absorption edge wavelength refers to the absorption edge wavelength in the wavelength region of 8 ⁇ m or more, and is defined as the wavelength at which the light transmittance in a material thickness of 2 mm is 20%.
  • the internal transmittance means the transmittance inside the material, and does not include the reflection loss on the surface of the material.
  • Chalcogenide glass as a glass material forming the first lens L1, the second lens L2, and the third lens has an infrared absorption edge wavelength of 18 ⁇ m or more.
  • the chalcogenide glass transmits even infrared rays with a wavelength exceeding 10 ⁇ m, and has good transmittance over at least the wavelength range of 7 to 14 ⁇ m.
  • the internal transmittance of the chalcogenide glass with a thickness of 2 mm is 90% or more at a wavelength of 10 ⁇ m.
  • the above chalcogenide glass can be molded into a lens having an aspherical surface by press molding. Also, it is easy to mass-produce aspherical lenses using the chalcogenide glass.
  • the glass transition temperature of the glass material is as low as 200° C. or less, and press molding is easier.
  • at least one lens is an aspherical lens to suppress aberration.
  • an aspherical lens cannot be applied, the configuration of the infrared imaging lens for suppressing aberration will increase the number of lenses, resulting in an increase in weight and size. In addition, as a result, the cost becomes high, and the image pickup lens is not suitable for consumer use.
  • an aspherical surface includes a diffractive surface.
  • the chalcogenide glass is used to make at least one of the lens surfaces a diffractive surface, so that aberrations can be satisfactorily suppressed over a wide wavelength range of 7 to 14 ⁇ m. Become.
  • Crystalline materials such as silicon (Si), germanium (Ge), zinc sulfide (ZnS), and zinc selenide (ZnSe), which are used as materials that transmit far infrared rays, cannot be press-molded. is. Therefore, it is difficult to mass-produce aspherical lenses having complicated shapes. Therefore, it is difficult to realize a low-cost aspherical lens for consumer use with these crystalline materials.
  • the infrared imaging lens 1 of the present embodiment can be configured with details of each part as follows.
  • the infrared imaging lens 1 of this embodiment has a focal length fL of the entire system that is twice the diameter ⁇ s of the image circle. and above. This may be defined as a half angle of view of 14° or less.
  • the focal length fL of the entire system is within the range of 3 to 6 times the diameter of the image circle.
  • the absolute value of the overall system focal length fL is preferably 15 to 30 mm.
  • the infrared imaging lens 1 of this embodiment is an infrared imaging lens that can be used in the infrared region including wavelengths within the range of 7 to 14 ⁇ m.
  • the chalcogenide glass described above as the glass material of each lens, excellent characteristics can be obtained over a wide wavelength range of 7 to 14 ⁇ m.
  • such a telephoto lens can realize a bright imaging lens with an F number within the range of 0.9 to 1.1. Further, it is possible to realize a telephoto lens in which light absorption by the glass material of the lens is small over at least a wide wavelength range of 7 to 14 ⁇ m. Therefore, together with the fact that the F-number is as small as about 1, a bright imaging lens can be realized.
  • the first lens L1 has a positive refractive power and has a meniscus shape with a convex surface facing the object side.
  • the second lens L2 has a positive refractive power and has a meniscus shape with a convex surface facing the image plane side.
  • the third lens L3 has a positive refractive power and has a meniscus shape with a convex surface facing the object side.
  • the third lens L3, the first lens L1, and the second lens L2 are used in descending order of the power of each lens.
  • the power of the third lens L3 closest to the image plane side is the largest, and the infrared imaging lens 1 is configured so that the third lens L3 has a meniscus shape with a convex surface facing the image plane S side, so astigmatism is reduced.
  • the focal length f1 of the first lens and the focal length fL of the entire system are 1.6 ⁇ f1/fL ⁇ 2.5 It is desirable to be configured so as to satisfy the relational expression of In other words, the contribution of the first lens L1 to the overall system focal length fL is not so large, and it is desirable that the second lens L2 and the third lens L3 also contribute to the overall system focal length fL.
  • the infrared imaging lens 1 By configuring the infrared imaging lens 1 in this way, it is possible to obtain a high resolution compatible with an image sensor having a pixel pitch of about the wavelength while maintaining good aberration characteristics.
  • the total optical length TTL which is the distance on the optical axis from the object-side surface (first surface) of the first lens L1 to the image plane S, and the focal length fL of the entire system are 1.2 ⁇ TTL/fL ⁇ 2.0 It is desirable to be configured so as to satisfy the relational expression of In other words, it is desirable that the total optical length TTL is slightly larger than the focal length fL of the entire system.
  • the effective diameter of the object-side surface (second surface) of the first lens L1 is used as the aperture stop.
  • the outer diameter and volume of the infrared imaging lens 1 can be made smaller than when an aperture stop is inserted between the lenses.
  • the total optical length TTL and the back focus BFL are 0.2 ⁇ BFL/fL It is desirable to be configured so as to satisfy the relational expression of With such a configuration, it is possible to realize a telephoto lens that is excellent in aberration characteristics and resolution while ensuring the back focus BFL.
  • At least one of the first lens L1, the second lens L2 and the third lens is preferably an aspherical lens. This makes it possible to reduce spherical aberration and astigmatism of the infrared imaging lens 1 .
  • the first lens L1 is an aspherical lens.
  • the object side surface (first surface) of the first lens L1 can be spherical, and the image plane S side surface (second surface) can be aspherical.
  • either the surface of the second lens L2 or the third lens L3 is a diffractive surface. This makes it possible to reduce axial chromatic aberration and lateral chromatic aberration by generating negative dispersion.
  • the object-side surface (third surface) of the second lens L2 is a diffractive surface. By using the concave surface as the diffractive surface in this way, it becomes easier to form the diffractive surface by press working.
  • the modulation transfer function (MTF: Modulation Transfer Function) in the wavelength range of 7 to 14 ⁇ m at the spatial frequency of 41.7 cycles / mm is 0.3 (30% ) above.
  • the MTF value is a simple average value for the tangential direction and the sagittal direction. The reason for paying attention to the spatial frequency of 41.7 cycles/mm and the image height of 2.5 mm will be described below.
  • the pixel pitch has reached the narrow pitch limit of about the wavelength.
  • Such a miniaturized image sensor can be produced at a lower cost than a large-area image sensor.
  • the diameter of the imaging lens applied to the image sensor can be reduced in accordance with the area of the image sensor, and the cost can be reduced.
  • an image sensor and imaging lens to an infrared camera, it is possible to realize low cost suitable for consumer use, and it will be possible to develop infrared cameras in various fields.
  • an image sensor for the wavelength band of 10 ⁇ m an image sensor with a pixel pitch of 12 ⁇ m is now on the market.
  • the spatial frequency of 41.7 cycles/mm corresponds to the Nyquist frequency of an image sensor with a pixel pitch of 12 ⁇ m.
  • the MTF of 0.3 or more at an image height of 2.5 mm means that the entire area of the image sensor with a pixel pitch of 12 ⁇ m and 320 ⁇ 256 pixels arranged on the image plane S has a sufficient resolution of MTF of 0.3 or more. Show what you get.
  • the infrared imaging lens 1 is a telephoto lens that is sufficiently compatible with an infrared camera to which a miniaturized QVGA (320 ⁇ 240 pixels) class image sensor is applied, which corresponds to a wavelength range of about 7 to 14 ⁇ m. .
  • the infrared imaging lens 1 is configured such that the MTF in the wavelength range of 7 to 14 ⁇ m at the spatial frequency of 29.4 cycles/mm is 0.45 (45%) or more at an image height of 4.1 mm on the image plane S. be.
  • a spatial frequency of 29.4 cycles/mm corresponds to the Nyquist frequency of an image sensor with a pixel pitch of 17 ⁇ m.
  • the MTF of 0.45 or more at a spatial frequency of 29.4 cycles/mm at an image height of 4.1 mm means that the MTF is indicates that a good resolution of 0.45 or more can be obtained.
  • the infrared imaging lens 1 is a telephoto lens having a resolution sufficient for an infrared camera using an image sensor with a pixel pitch of about 12 to 17 ⁇ m in a wavelength range of about 7 to 14 ⁇ m.
  • Numerical Example 1 Numerical examples of the infrared imaging lens 1 are shown. A cross-sectional view of the infrared imaging lens according to Numerical Example 1 is as shown in FIG.
  • r is the radius of curvature
  • d is the lens thickness on the optical axis or the distance between the surfaces
  • ED is the effective diameter (diameter). The unit of length is (mm).
  • An asterisk (*) following the surface number indicates an aspherical surface
  • DOE indicates a diffractive surface.
  • Basic lens data, aspheric surface data, diffraction surface data, and various data are shown below.
  • h height from optical axis r: radius of curvature at vertex ⁇ : conic constant
  • Z the distance from the point on the aspherical surface in h to the tangent plane of the aspherical vertex
  • the definition of the diffractive surface is as follows:
  • ⁇ phase difference function P 1 , P 2 : phase coefficient Z dif : optical path function Z DOE : sag amount of diffraction surface ⁇ : design center wavelength (10 ⁇ m)
  • Chalcogenide glass with a refractive index N10 of 3.465 at a wavelength of 10 ⁇ m is used for the first lens L1, the second lens L2, and the third lens L3.
  • the parallel plate P is made of silicon (Si).
  • the object-side surface (third surface) of the second lens L2 is a diffraction surface having a kinoform-shaped sag on a spherical surface. The depth of each sag ranges from 0 to the design center wavelength ⁇ .
  • the infrared imaging lens 1 can be applied to a QVGA class image sensor having 384 ⁇ 288 pixels with a pixel pitch of 17 ⁇ m and a diagonal length of 8.16 mm.
  • the infrared imaging lens 1 can cover the pixel area of QVGA class image sensors including QVGA (320 ⁇ 240 pixels) and QVGA+ (345 ⁇ 240 pixels) with a pixel pitch of 17 ⁇ m.
  • the infrared imaging lens 1 can cover the pixel area of a QVGA class image sensor with a pixel pitch of 12 ⁇ m, including 320 ⁇ 256 pixels.
  • the 384 x 288 pixels, 320 x 256 pixels, etc. configuration ensures an effective pixel count of QVGA (320 x 240 pixels) even if the center of the optical axis of the lens does not completely match the center of the image sensor. be able to.
  • the infrared imaging lens 1 has an optical total length TTL (lens total length) from the object-side surface (first surface) of the first lens L1 to the image plane S of 46.8 mm, and the maximum effective diameter on the optical path is 28.2 mm. Compact.
  • the infrared imaging lens 1 has a three-lens structure and can be made lightweight. Since each lens can be manufactured by press molding, the infrared imaging lens 1 can be manufactured at a low cost suitable for consumer use.
  • the focal length f2 of the second lens L2 is 121.51 mm.
  • the focal length f3 of the third lens L3 is 41.25 mm. Therefore, the infrared imaging lens 1 is configured such that the power of the third lens L3 is the strongest, followed by the power of the first lens L1.
  • the back focus BFL is 7.84 mm (actual distance), ensuring a sufficient distance.
  • FIGS. 2 and 3 are aberration diagrams of the infrared imaging lens 1.
  • FIG. FIG. 2 shows spherical aberration, astigmatism and distortion. In each, a graph is shown for each wavelength in the range of 7-14 ⁇ m.
  • FIG. 3 is an aberration diagram showing coma at each image height Y from an image height of 0 mm to the maximum image height, divided into tangential (meridional) and sagittal (radical) directions.
  • various aberrations are satisfactorily corrected over a wide wavelength range of 7 to 14 ⁇ m.
  • FIG. 4 is a graph showing the relative illuminance with respect to the image height Y of Numerical Example 1 of the infrared imaging lens 1 .
  • the relative illuminance refers to the ratio of the illuminance on the image plane S to the area on the optical axis (center area of the image plane). As shown in FIG. 4, the relative illuminance is approximately 1 even at the maximum image height of 4.11 mm, and a very uniform light quantity distribution is obtained within the image circle.
  • FIG. 5 is a graph showing the spatial frequency dependence of MTF in the wavelength range of 7-14 ⁇ m.
  • An image sensor with a pixel pitch of 12 ⁇ m and 320 ⁇ 256 pixels has a Nyquist frequency f N of 41.7 cycles/mm and a maximum image height of 2.46 mm.
  • the Nyquist frequency f N 41.7 cycles/mm
  • the MTF at the center of the image is 0.41
  • MTF>0.36 simple average of tangential and sagittal directions
  • the Nyquist frequency fN of the image sensor with 384 ⁇ 288 pixels and a pixel pitch of 17 ⁇ m is 29.4 cycles/mm, and the maximum image height is 4.08 mm.
  • the MTF at the center of the image is 0.57, and MTF>0.49 (simple average of tangential and sagittal directions) is ensured within the area of the image sensor. ing.
  • the infrared imaging lens 1 ensures good resolution even when evaluated by MTF over a wide wavelength range of 7 to 14 ⁇ m within the area of a QVGA class image sensor with a pixel pitch of about 12 to 17 ⁇ m. ing.
  • FIG. 6 is a graph showing the spatial frequency dependence of MTF in the wavelength range of 8-12 ⁇ m.
  • the infrared imaging lens 1 ensures good resolution within the area of a QVGA class image sensor with a pixel pitch of about 12 to 17 ⁇ m.
  • the infrared imaging lens 1 can obtain good characteristics within a wavelength range of 7 to 14 ⁇ m, such as 7 to 12 ⁇ m, 8 to 12 ⁇ m, and 8 to 10 ⁇ m. Needless to say.
  • FIG. 7 is a graph showing changes in MTF in the wavelength range of 7-14 ⁇ m with respect to focal point movement.
  • the infrared imaging lens 1 of Numerical Example 1 can cover the wavelength range of 7 to 14 ⁇ m, and has a good resolution sufficiently compatible with a QVGA class image sensor with a pixel pitch of about 12 to 17 ⁇ m.
  • the infrared imaging lens 1 has an F number of 1.0 and is bright and compact. As described above, according to the present embodiment, it is possible to realize an infrared imaging lens that is a telephoto lens that is compact and has excellent characteristics, which has never existed before.
  • aspects 1 of the present invention is an infrared imaging lens for use in an infrared region including at least one wavelength within the range of 7 to 14 ⁇ m, comprising a first lens, a first Two lenses and a third lens are arranged, and each of the first lens, the second lens, and the third lens is made of chalcogenide glass having a refractive index of 2.5 to 4.0 at a wavelength of 10 ⁇ m.
  • the system focal length fL is at least twice the diameter of the image circle.
  • an infrared imaging lens that is a telephoto lens with excellent resolution that can be used with an image sensor that has a pixel pitch of about the wavelength.
  • Aspect 2 of the present invention is an infrared imaging lens for use in an infrared region including at least one wavelength within the range of 7 to 14 ⁇ m, comprising: a first lens, a second lens in order from the object side to the image side. Two lenses and a third lens are arranged, and each of the first lens, the second lens, and the third lens is made of chalcogenide glass having a refractive index of 2.5 to 4.0 at a wavelength of 10 ⁇ m. The angle of view is 14° or less.
  • an infrared imaging lens that is a telephoto lens with excellent resolution that can be used with an image sensor that has a pixel pitch of about the wavelength.
  • each of the first lens, the second lens, and the third lens is a meniscus lens having positive power. According to the above configuration, it is possible to realize an infrared imaging lens having excellent aberration characteristics.
  • each of the first lens and the third lens has a meniscus shape convex to the object side, and the second lens has It has a convex meniscus shape. According to the above configuration, an increase in the Petzval sum can be suppressed, and curvature of field can be suppressed.
  • An infrared imaging lens according to aspect 5 of the present invention has a configuration in which, in aspects 1 to 4, the effective diameter of the image plane side surface of the first lens is used as an aperture stop. According to the above configuration, vignetting of peripheral light flux is reduced, and the amount of peripheral light can be improved.
  • the first lens is an aspherical lens. According to the above configuration, it is possible to realize an infrared imaging lens with particularly excellent aberration characteristics.
  • either the surface of the second lens or the third lens is a diffractive surface. According to the above configuration, it is possible to reduce longitudinal chromatic aberration and lateral chromatic aberration.
  • the focal length f1 of the first lens and the focal length fL of the entire system satisfy a relationship of 1.6 ⁇ f1/fL ⁇ 2.5 satisfy the formula. According to the above configuration, it is possible to obtain a high resolution compatible with an image sensor having a pixel pitch of about the wavelength while maintaining good aberration characteristics.
  • the optical total length TTL which is the distance on the optical axis from the object-side surface of the first lens to the image plane, and the focal length fL of the entire system satisfies the relational expression of 1.2 ⁇ TTL/fL ⁇ 2.0. According to the above configuration, it is possible to obtain a high resolution compatible with an image sensor having a pixel pitch of about the wavelength while maintaining good aberration characteristics.
  • the optical total length TTL which is the distance on the optical axis from the object-side surface of the first lens to the image plane, and the back focus BFL , 0.2 ⁇ BFL/fL.
  • the relative illuminance on the image plane satisfies 98% or more within the image circle. According to the above configuration, it is possible to realize an infrared imaging lens in which a sufficient amount of peripheral light is ensured.
  • the modulation transfer function in the wavelength range of 7 to 14 ⁇ m at the spatial frequency of 41.7 cycles / mm is 0.3 or more at an image height of 2.5 mm. meet. According to the above configuration, it is possible to realize an infrared imaging lens capable of providing good resolution over the entire area of an image sensor having a pixel pitch of about the wavelength.
  • the infrared imaging lens according to aspect 13 of the present invention is any one of aspects 1 to 12, wherein, in aspects 1 to 12, the focal length fL of the entire system is within a range of 3 to 6 times the diameter of the image circle. 10.
  • the F number is within the range of 0.9 to 1.1. According to the above configuration, it is possible to realize a bright infrared imaging lens with a small F-number, which is a telephoto lens with excellent aberration characteristics and resolution.
  • the chalcogenide glass has an infrared absorption edge wavelength of 18 ⁇ m or more at which the light transmittance at a thickness of 2 mm is 20%. According to the above configuration, it is possible to construct an infrared imaging lens with very low light absorption at least in the wavelength range of 7 to 14 ⁇ m.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

解像度に優れた、望遠レンズを実現する。赤外線撮像レンズ（１）は、第１レンズ（Ｌ１）、第２レンズ（Ｌ２）、及び第３レンズ（Ｌ３）のそれぞれが、波長１０μｍにおける屈折率が２．５～４．０のカルコゲナイドガラスからなり、全系焦点距離が、イメージサークルの径の２倍以上である。

Description

赤外線撮像レンズ
　本発明は赤外線撮像レンズに関する。
　中遠赤外領域、特に生体検知に適した１０μｍ帯の波長領域の赤外線で被写体を撮影する赤外線カメラが、監視カメラや防犯カメラ、車載用ナイトビジョン等に応用されている。これらの赤外線カメラは、重要施設の侵入者監視、密漁者監視、交通網監視、倉庫監視、進路上の障害物監視、森林火災火元検知、トンネル内監視、海上監視など様々な分野に適用可能であり、需要の拡大が期待されている。このような赤外線カメラに適用される赤外線撮像レンズが知られている。
日本国特開２０１９－８２７１号公報
　夜間の遠方監視に代表されるような用途には、焦点距離の比較的長い、いわゆる望遠レンズが要求される。特に、波長程度の画素ピッチを備えた小型のイメージセンサに対応できる優れた解像度を有し、かつ波長帯域が広く、民生品として利用可能な低コストの赤外線撮像レンズの実現が求められている。
　本発明の一態様は、上記課題に着目したものであり、波長程度の画素ピッチを備えたイメージセンサに対応できる、優れた解像度を有する、民生用途に利用可能な望遠レンズである赤外線撮像レンズを実現することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様は、７～１４μｍの範囲内の少なくともいずれかの波長を含む赤外線領域で使用される赤外線撮像レンズであって、物体側から像面側に向かって順に、第１レンズ、第２レンズ、及び第３レンズが配置され、前記第１レンズ、前記第２レンズ、及び前記第３レンズのそれぞれは、波長１０μｍにおける屈折率が２．５～４．０のカルコゲナイドガラスからなり、全系焦点距離ｆＬが、イメージサークルの径の２倍以上である。
　また上記の課題を解決するために、本発明の別の一態様は、７～１４μｍの範囲内の少なくともいずれかの波長を含む赤外線領域で使用される赤外線撮像レンズであって、物体側から像面側に向かって順に、第１レンズ、第２レンズ、及び第３レンズが配置され、前記第１レンズ、前記第２レンズ、及び前記第３レンズのそれぞれは、波長１０μｍにおける屈折率が２．５～４．０のカルコゲナイドガラスからなり、半画角が１４°以下である。
　本発明の上記態様によれば、波長程度の画素ピッチを備えたイメージセンサに対応でき、優れた解像度を有する、民生用途に利用可能な望遠レンズである赤外線撮像レンズを実現することができる。
本発明の実施形態に係る赤外線撮像レンズの、主要部の構成を示す断面図である。 本発明の数値実施例１に係る赤外線撮像レンズの、球面収差、非点収差、ディストーションを示す収差図である。 本発明の数値実施例１に係る赤外線撮像レンズの、コマ収差を示す収差図である。 本発明の数値実施例１に係る赤外線撮像レンズの、相対照度の像高依存性を示すグラフである。 本発明の数値実施例１に係る赤外線撮像レンズの、波長範囲７～１４μｍでのＭＴＦの空間周波数依存性を示すグラフである。 本発明の数値実施例１に係る赤外線撮像レンズの、波長範囲８～１２μｍでのＭＴＦの空間周波数依存性を示すグラフである。 本発明の数値実施例１に係る赤外線撮像レンズの、ＭＴＦの焦点移動依存性を示すグラフである。
　〔実施形態〕
　＜赤外線撮像レンズの概要＞
　実施形態に係る赤外線撮像レンズ１は、中遠赤外の波長領域に対応した、イメージセンサ等の像面Ｓに被写体の像を結像するレンズ系である。本実施形態に係る赤外線撮像レンズ１は、全系焦点距離ｆＬが、イメージサークルの径の２倍以上であるような、望遠レンズを対象とする。つまり本実施形態に係る赤外線撮像レンズ１は、当該赤外線撮像レンズ１を備えることによって、遠距離の物体を拡大して観察することが可能な撮像装置を実現できるようにする、赤外線撮像レンズを対象とする。
　図１は、赤外線撮像レンズ１の主要部の構成を示す、光軸に沿った断面図である。赤外線撮像レンズ１は、物体側から像面Ｓ側に向かって順に、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３が配置されて構成される。フォーカシングの際には、第１レンズＬ１から第３レンズＬ３までが、一律に光軸方向に移動する。
　第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び、第３レンズＬ３は、それぞれが波長１０μｍにおける屈折率が２．５～４．０のカルコゲナイドガラスからなる。第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び、第３レンズＬ３のいずれもが同一の硝材であるカルコゲナイドガラスからなっていてもよい。
　図１及び図２に示されるように、第３レンズＬ３と像面Ｓとの間には、平行平板Ｐが配置されている。平行平板Ｐは像面Ｓ側にハーメチックシーリングで装荷される光学ウィンドーであり、シリコン、低酸素シリコンまたはゲルマニウムが使用される。材質や厚みは、どのようなイメージセンサを採用するかによって決めることができる。
　図１に記号ＡＰで示されているように、第１レンズＬ１の像面側の面（第２面）の有効径が、赤外線撮像レンズ１の開口絞りに相当する。第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、及び、平行平板Ｐの表面には、反射防止（ＡＲ：Anti-Reflection）コーティングが施される。このような中遠赤外領域における反射防止コーティングには適宜の公知技術が適用され得る。
　＜各レンズの硝材＞
　特に、上記カルコゲナイドガラスは、モル％で、テルル（Ｔｅ）２０～９０％を含有し、波長１０μｍにおけるアッベ数が１００以上であるとよい。なお、本明細書におけるアッベ数の定義は、後述の数値実施例に記載される。更に、上記カルコゲナイドガラスは、モル％で、ゲルマニウム（Ｇｅ）０～５０％、あるいは、ガリウム（Ｇａ）０～５０％の少なくともいずれかを含有することが好ましい。
　波長１０μｍにおける屈折率が２．５～４．０のガラスである、このような中遠赤外領域において屈折率の高いカルコゲナイドガラスは、本出願人によって開発された（国際公開公報ＷＯ２０２０／１０５７１９Ａ１参照）。本硝材の波長１０μｍにおける屈折率としては、より具体的には２．７４～３．９２の範囲が実現されている。例えば、波長１０μｍにおける屈折率が、２．７４～３．９２、２．８～３．８、特に２．９～３．７であることが好ましい。屈折率が低すぎると、焦点距離が長くなりすぎやすい。
　また、カルコゲナイドガラスのアッベ数（ν１０）が１００以上、１２０以上、１５０以上、１８０以上、特に２２０以上であることが好ましい。アッベ数（ν１０）の定義については後述する。アッベ数が低すぎると、色収差が大きくなりやすい。なお、アッベ数の上限は特に限定されないが、現実的には３５０以下である。
　本硝材は、少なくとも波長７～１４μｍといった、中遠赤外領域の広い波長範囲に亘って光吸収が極めて小さい。特に本硝材は、カルコゲナイドであるにも係わらず、波長１０μｍを超える領域においても光吸収が小さいという特徴を持つ。カルコゲナイドガラスにおいて、遠赤外領域で光透過性が優れていることを示す指標として、「赤外吸収端波長」と「内部透過率」を用いることができる。
　ここで赤外吸収端波長とは、波長８μｍ以上の領域における吸収端波長をいい、材料の厚み２ｍｍにおける光透過率が２０％となる波長で定義される。なお、内部透過率とは材料内部での透過率をいい、材料表面での反射損失は含まない。第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、及び第３レンズを構成する硝材としてのカルコゲナイドガラスは、赤外吸収端波長が１８μｍ以上である。
　従って、上記カルコゲナイドガラスは、波長１０μｍを超えるような赤外線をも透過し、少なくとも波長７～１４μｍの範囲に亘って透過率が良好である。また上記カルコゲナイドガラスの厚さ２ｍｍでの内部透過率は、波長１０μｍにおいて９０％以上である。こうして本実施形態の赤外線撮像レンズ１では、少なくとも７～１４μｍもの広い波長範囲に亘って、レンズの硝材による光吸収が小さい撮像レンズを実現することができる。
　更に上記カルコゲナイドガラスは、プレス成型により、非球面を有するレンズの成形が可能である。またそのため上記カルコゲナイドガラスを用いて非球面レンズの多量生産が容易である。好ましくは、硝材のガラス転移温度が２００℃以下と低く、プレス成型がより容易であるとよい。赤外線撮像レンズ１では、少なくともいずれかのレンズを非球面レンズとすることにより、収差が抑制されている。
　非球面レンズを適用し得ない場合、収差を抑制するための赤外線撮像レンズの構成は、レンズ枚数が増加したものとなり、重量が増大し、大型化してしまう。またそのため高コストとなり民生向けに適さない撮像レンズとなる。なお、本明細書において、非球面とは回折面を含む。
　また上記カルコゲナイドガラスでは、回折面のような、特に複雑な形状の面を有するレンズをプレス成型することも同様に可能となる。よって、赤外線撮像レンズ１では、上記カルコゲナイドガラスを用いて少なくともいずれかのレンズの面を回折面とすることで、波長７～１４μｍの広い範囲に亘って良好に収差を抑制することができるようになる。
　遠赤外領域を透過する材料として用いられている、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）のような結晶系の材料では、プレス成型が不可能である。そのため、複雑な形状を有する非球面レンズを大量生産することが困難である。よって民生用の低コストの非球面レンズをこれら結晶系の材料で実現することは困難である。
　＜各レンズの構成の詳細＞
　更に、本実施形態の赤外線撮像レンズ１は、各部の詳細を以下のように構成することが可能である。
　遠距離の物体を拡大して観察することが可能な撮像装置を実現できるようにするために、本実施形態の赤外線撮像レンズ１は、全系焦点距離ｆＬが、イメージサークルの径φｓの２倍以上であるように構成される。このことは、半画角が１４°以下であるとして定義されてもよい。
　特に本実施形態の赤外線撮像レンズ１では、全系焦点距離ｆＬが、イメージサークルの径の３～６倍の範囲内であるように構成されることが好ましい。全系焦点距離ｆＬの絶対値としては、１５～３０ｍｍであることが好ましい。
　本実施形態の赤外線撮像レンズ１は、７～１４μｍの範囲内の波長を含む赤外線領域で使用され得る赤外線撮像レンズである。各レンズの硝材として、上述のカルコゲナイドガラスを適用することで、７～１４μｍの広い波長範囲に亘って優れた特性を得ることができる。
　本実施形態によれば、このような望遠レンズにおいて、Ｆナンバーが０．９～１．１の範囲内であるような、明るい撮像レンズが実現可能となる。また、少なくとも７～１４μｍの広い波長範囲に亘って、レンズの硝材による光吸収が小さい望遠レンズを実現することができる。よって、Ｆナンバーが１程度と小さいことと相まって、明るい撮像レンズが実現できる。
　第１レンズＬ１は、正の屈折力を有し、物体側に凸面を向けたメニスカス形状を備える。第２レンズＬ２は、正の屈折力を有し、像面側に凸面を向けたメニスカス形状を備える。第３レンズＬ３は、正の屈折力を有し、物体側に凸面を向けたメニスカス形状を備える。このように各レンズが構成、配置されることで、ペッツバール和の増大を抑制でき、像面湾曲が抑制され、結像面の平面性を保つようにできる。
　また、各レンズのパワーの強さが、大きい順に、第３レンズＬ３、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２であると特に好ましい。最も像面側にある第３レンズＬ３のパワーが最も大きく、第３レンズＬ３が像面Ｓ側に凸面を向けたメニスカス形状を有するように赤外線撮像レンズ１が構成されることで、非点収差が軽減される。
　赤外線撮像レンズ１では、第１レンズの焦点距離ｆ１と、全系焦点距離ｆＬとが、
　　１．６≦ｆ１／ｆＬ≦２．５
の関係式を満たすように構成されることが望ましい。つまり、全系焦点距離ｆＬに対する第１レンズＬ１の寄与度はそれほど大きくなく、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３も全系焦点距離ｆＬに寄与させて構成されることが望ましい。赤外線撮像レンズ１がこのように構成されることで、収差特性を良好に保ちつつ、波長程度の画素ピッチを有するイメージセンサに対応可能な、高い解像度が得られるようになる。
　また赤外線撮像レンズ１では、第１レンズＬ１の物体側の面（第１面）から像面Ｓまでの光軸上の距離である光学全長ＴＴＬと、全系焦点距離ｆＬとが、
　　１．２≦ＴＴＬ／ｆＬ≦２．０
の関係式を満たすように構成されることが望ましい。つまり、光学全長ＴＴＬは、全系焦点距離ｆＬに対して若干大きいように構成されることが望ましい。赤外線撮像レンズ１がこのように構成されることで、収差特性を良好に保ちつつ、波長程度の画素ピッチを有するイメージセンサに対応可能な、高い解像度が得られるようになる。
　赤外線撮像レンズ１では、第１レンズＬ１の物体側の面（第２面）の有効径を開口絞りとすることが好ましい。このように構成されることで、周辺光束のケラレが軽減し、周辺光量が向上する。特に、最大像高においても１００％近い相対照度を確保することが可能となる。また、開口絞りをレンズ間に挿入するよりも赤外線撮像レンズ１の外径と体積を小さくすることが可能となる。
　赤外線撮像レンズ１では、光学全長ＴＴＬと、バックフォーカスＢＦＬとが、
　　０．２≦ＢＦＬ／ｆＬ
の関係式を満たすように構成されることが望ましい。このように構成されることで、バックフォーカスＢＦＬを確保しつつ、収差特性、解像度に優れた望遠レンズを実現することができる。
　第１レンズＬ１、第２レンズＬ２及び第３レンズの少なくともいずれかが非球面レンズであるとよい。このことにより、赤外線撮像レンズ１の球面収差や非点収差を軽減することが可能となる。特に、第１レンズＬ１が非球面レンズであることが好ましい。第１レンズＬ１の物体側の面（第１面）は球面であり、像面Ｓ側の面（第２面）は非球面とすることができる。
　更には第２レンズＬ２または第３レンズＬ３のいずれかの面が回折面であることが好ましい。これにより、負の分散を発生させて軸上色収差や倍率色収差を低減させることが可能となる。特に、第２レンズＬ２の物体側の面（第３面）が回折面であることが好ましい。このように凹面を回折面とすることで、プレス加工による回折面の形成が、より容易になる。
　赤外線撮像レンズ１では、像面Ｓの像高２．５ｍｍにおいて、空間周波数４１．７ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍでの波長範囲７～１４μｍの変調伝達関数（ＭＴＦ：Modulation Transfer Function）が、０．３（３０％）以上であるように構成される。ここで、ＭＴＦの値は、タンジェンシャル方向とサジタル方向についての単純平均値とする。空間周波数４１．７ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍ及び像高２．５ｍｍに着目する理由について、以下に説明する。
　中遠赤外領域のイメージセンサの小型化が進展し、画素ピッチが波長程度の狭ピッチ限界に達するようになった。このように小型化されたイメージセンサは、大面積のものと比較してイメージセンサ自体が低コストで生産可能である。しかも、イメージセンサに適用される撮像レンズもイメージセンサの面積に合せて小口径化することができ、低コスト化できる。
　よって、このようなイメージセンサ及び撮像レンズを赤外線カメラに適用することで、民生用途に適した低コスト化を実現することができ、赤外線カメラを様々な分野に展開することができるようになる。波長１０μｍ帯の領域のイメージセンサとしては、画素ピッチ１２μｍのものが市販されるようになっている。空間周波数４１．７ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍは画素ピッチ１２μｍのイメージセンサのナイキスト周波数に対応する。
　像高２．５ｍｍにおいてＭＴＦが０．３以上であることは、像面Ｓに配置された画素ピッチ１２μｍ、３２０×２５６画素のイメージセンサの全領域においてＭＴＦが０．３以上の十分な解像度が得られることを示す。つまり、赤外線撮像レンズ１は、波長７～１４μｍ程度の波長領域に対応する、小型化されたＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）クラスのイメージセンサが適用された赤外線カメラに十分に対応できる望遠レンズである。
　更に赤外線撮像レンズ１では、像面Ｓの像高４.１ｍｍにおいて、空間周波数２９．４ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍでの波長範囲７～１４μｍのＭＴＦが、０．４５（４５％）以上であるように構成される。空間周波数２９．４ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍは画素ピッチ１７μｍのイメージセンサのナイキスト周波数に対応する。
　また、像高４．１ｍｍにおいて、空間周波数２９．４ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍでのＭＴＦが０．４５以上であることは、像面に配置された画素ピッチ１７μｍ、３８４×２８８画素のイメージセンサ全領域においてＭＴＦが０．４５以上の良好な解像度が得られることを示す。つまり、赤外線撮像レンズ１は、波長７～１４μｍ程度の波長領域の、画素ピッチ１２～１７μｍ程度のイメージセンサが適用された赤外線カメラにも十分に対応できる解像度を備えた望遠レンズである。
　＜数値実施例１＞
　赤外線撮像レンズ１の数値実施例を示す。数値実施例１に係る赤外線撮像レンズの断面図は、図１に示された通りである。数値実施例１において、ｒは曲率半径、ｄは光軸上のレンズ厚、または、面間の距離、ＥＤは有効径（直径）を表す。長さの単位は（ｍｍ）である。面番号の数字の後の＊（アスタリスク）は非球面であることを表し、ＤＯＥは回折面であることを表す。以下に、基本レンズデータ、非球面データ、回折面データ、各種データを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　屈折率及びアッベ数ν１０の定義は以下の通りである：
　　Ｎ８：波長８μｍにおける屈折率
　　Ｎ１０：波長１０μｍにおける屈折率
　　Ｎ１２：波長１２μｍにおける屈折率
　　ν１０=(Ｎ１０－１)／(Ｎ８－Ｎ１２)
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　非球面形状の定義は以下の通りである：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　　ｈ：光軸からの高さ
　　ｒ：頂点における曲率半径
　　κ：円錐定数
　　Ａｎ：ｎ次の非曲面係数（ｎ：偶数）
　　Ｚ：ｈにおける非球面上の点から非球面頂点の接平面までの距離
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　回折面の定義は以下の通りである：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　　Φ：位相差関数
　　Ｐ１,Ｐ２：位相係数
　　Ｚｄｉｆ：光路関数
　　ＺＤＯＥ：回折面のサグ量
　　λ：設計中心波長（１０μｍとする）
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３には、波長１０μｍにおける屈折率Ｎ１０が、３．４６５であるカルコゲナイドガラスを用いている。平行平板Ｐには、シリコン（Ｓｉ）を用いている。第２レンズＬ２の物体側の面（第３面）は、球面上にキノフォーム形状のサグが設けられた回折面である。各々のサグの深さは０から設計中心波長λに相当するまでの範囲である。バックフォーカスＢＦＬ＝７．８４ｍｍは、実距離である。
　像面Ｓでの最大像高は、４．１ｍｍであり、よって、イメージサークルの径φｓは８．２ｍｍである。従って赤外線撮像レンズ１は、対角長が８．１６ｍｍとなる、画素ピッチ１７μｍの３８４×２８８画素といったＱＶＧＡクラスのイメージセンサに適用可能である。また赤外線撮像レンズ１は、画素ピッチ１７μｍのＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）、ＱＶＧＡ＋（３４５×２４０画素）を含む、ＱＶＧＡクラスのイメージセンサの画素領域をカバーできる。
　赤外線撮像レンズ１が、３２０×２５６画素を含む、画素ピッチ１２μｍのＱＶＧＡクラスのイメージセンサの画素領域をカバーできることは言うまでもない。なお、３８４×２８８画素、３２０×２５６画素等の構成は、レンズの光軸中心が、仮にイメージセンサの中心に完全一致しなくても、有効画素数がＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）を確保することができる。
　赤外線撮像レンズ１の全系焦点距離ｆＬとイメージサークルの径φｓとの比は、
　　ｆＬ／φｓ＝３．４１
である。すなわち、赤外線撮像レンズ１は望遠レンズである。また、半画角は８．４°であり、望遠レンズといえる１４°以下の範囲内である。赤外線撮像レンズ１はこのような画角が狭い望遠レンズでありつつ、Ｆナンバー１．０と、極めて明るい撮像レンズである。
　赤外線撮像レンズ１は、第１レンズＬ１の物体側の面（第１面）から像面Ｓまでの光学全長ＴＴＬ（レンズ全長）が４６．８ｍｍ、光路上の最大有効径が、２８．２ｍｍとコンパクトである。また、赤外線撮像レンズ１は、３枚レンズ構成であり軽量にできる。各レンズがプレス成型で製造できることと相まって、赤外線撮像レンズ１は、民生用途に適用し得る低コストで製造できる。
　第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１は、５０．５０ｍｍである。よって、第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１と赤外線撮像レンズ１の全系焦点距離ｆＬとの比は、
　　ｆ１／ｆＬ＝１．８０
である。第２レンズＬ２の焦点距離ｆ２は、１２１．５１ｍｍである。第３レンズＬ３の焦点距離ｆ３は、４１．２５ｍｍである。よって赤外線撮像レンズ１は、第３レンズＬ３のパワーが最も強く、次いで、第１レンズＬ１のパワーが強いように構成されている。
　赤外線撮像レンズ１の光学全長ＴＴＬ（レンズ全長）と全系焦点距離ｆＬとの比は、
　　ＴＴＬ／ｆＬ＝１．６７
である。バックフォーカスＢＦＬは７．８４ｍｍ（実距離）であり、十分な距離を確保している。光学全長ＴＴＬ（レンズ全長）とバックフォーカスＢＦＬとの比は、
　　ＴＴＬ／ＢＦＬ＝５．９７
である。
　赤外線撮像レンズ１の数値実施例１の諸性能を図２から図７に示す。図２及び図３は、赤外線撮像レンズ１の収差図である。図２は、球面収差、非点収差、ディストーションを示す。それぞれにおいて、７～１４μｍの範囲の各波長に対するグラフが示されている。図３は、像高０ｍｍから最大像高までの各像高Ｙにおけるコマ収差を、タンジェンシャル（メリジオナル）方向とサジタル（ラジカル）方向に分けて示す収差図である。図２及び図３に示されるように、数値実施例１に係る赤外線撮像レンズ１では、７～１４μｍの広い波長領域に亘って諸収差が良好に補正されている。
　図４は、赤外線撮像レンズ１の数値実施例１の、像高Ｙに対する相対照度を示したグラフである。ここで相対照度とは、像面Ｓにおいて光軸上領域（像面中央領域）に対する、照度の比をいう。図４に示されるように、最大像高４．１１ｍｍにおいても、相対照度はほぼ１であり、イメージサークル内において極めて均一な光量分布が得られている。
　図５は、波長範囲７～１４μｍでのＭＴＦの空間周波数依存性を示したグラフである。画素ピッチ１２μｍ、３２０×２５６画素のイメージセンサのナイキスト周波数ｆＮは４１．７ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍであり、最大像高は２．４６ｍｍである。ナイキスト周波数ｆＮ＝４１．７ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍにおいて、像中央のＭＴＦが０．４１であり、当該イメージセンサの領域内においてＭＴＦ＞０．３６（タンジェンシャル方向、サジタル方向の単純平均）が確保されている。
　また、画素ピッチ１７μｍ、３８４×２８８画素のイメージセンサのナイキスト周波数ｆＮは２９．４ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍであり、最大像高は４．０８ｍｍである。ナイキスト周波数ｆＮ＝２９．４ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍにおいて、像中央のＭＴＦが０．５７であり、当該イメージセンサの領域内において、ＭＴＦ＞０．４９（タンジェンシャル方向、サジタル方向の単純平均）が確保されている。
　このように赤外線撮像レンズ１は、画素ピッチ１２～１７μｍ程度のＱＶＧＡクラスのイメージセンサの領域内で、波長範囲７～１４μｍの広い波長範囲に亘るＭＴＦで評価しても、良好な解像度を確保している。
　図６は、波長範囲を８～１２μｍでのＭＴＦの空間周波数依存性を示したグラフである。画素ピッチ１２μｍ、３２０×２５６画素のイメージセンサについて、ナイキスト周波数ｆＮ＝４１．７ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍにおいて、像中央のＭＴＦが０．４７であり、当該イメージセンサの領域内においてＭＴＦ＞０．４３（タンジェンシャル方向、サジタル方向の単純平均）が確保されている。
　画素ピッチ１７μｍ、３８４×２８８画素のイメージセンサについて、ナイキスト周波数ｆＮ＝２９．４ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍにおいて、像中央のＭＴＦが０．６２であり、イメージセンサの領域内においてＭＴＦ＞０．５５（タンジェンシャル方向、サジタル方向の単純平均）が確保されている。このように赤外線撮像レンズ１は、画素ピッチ１２～１７μｍ程度のＱＶＧＡクラスのイメージセンサの領域内で、良好な解像度を確保している。
　このように赤外線撮像レンズ１は、波長範囲７～１４μｍの範囲内であれば、例えば７～１２μｍ、８～１２μｍ、８～１０μｍのように任意の波長の範囲内において、良好な特性が得られることは言うまでもない。図７は、焦点移動に対する波長範囲７～１４μｍのＭＴＦの変化を示したグラフである。
　以上のように数値実施例１の赤外線撮像レンズ１は、波長範囲７～１４μｍをカバーでき、画素ピッチ１２～１７μｍ程度のＱＶＧＡクラスのイメージセンサに十分対応する良好な解像度を有する。赤外線撮像レンズ１は、Ｆナンバーが１．０と明るくコンパクトである。このように本実施形態によれば、従来に無い、コンパクトかつ優れた特性の望遠レンズである赤外線撮像レンズが実現できる。
　〔まとめ〕
　本発明の態様１は、７～１４μｍの範囲内の少なくともいずれかの波長を含む赤外線領域で使用される赤外線撮像レンズであって、物体側から像面側に向かって順に、第１レンズ、第２レンズ、及び第３レンズが配置され、前記第１レンズ、前記第２レンズ、及び前記第３レンズのそれぞれは、波長１０μｍにおける屈折率が２．５～４．０のカルコゲナイドガラスからなり、全系焦点距離ｆＬが、イメージサークルの径の２倍以上である。
　上記構成によれば、波長程度の画素ピッチを備えたイメージセンサに対応できる、優れた解像度を有する、望遠レンズである赤外線撮像レンズを実現することができる。
　本発明の態様２は、７～１４μｍの範囲内の少なくともいずれかの波長を含む赤外線領域で使用される赤外線撮像レンズであって、物体側から像面側に向かって順に、第１レンズ、第２レンズ、及び第３レンズが配置され、前記第１レンズ、前記第２レンズ、及び前記第３レンズのそれぞれは、波長１０μｍにおける屈折率が２．５～４．０のカルコゲナイドガラスからなり、半画角が１４°以下である。
　上記構成によれば、波長程度の画素ピッチを備えたイメージセンサに対応できる、優れた解像度を有する、望遠レンズである赤外線撮像レンズを実現することができる。
　本発明の態様３に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１または２において、前記第１レンズ、前記第２レンズ、及び前記第３レンズのそれぞれは、正のパワーを持つメニスカスレンズである。上記構成によれば、収差特性に優れた赤外線撮像レンズを実現することができる。
　本発明の態様４に係る赤外線撮像レンズは、上記態様３において、前記第１レンズ及び前記第３レンズのそれぞれは、物体側に凸のメニスカス形状であり、前記第２レンズは、像面側に凸のメニスカス形状である。上記構成によれば、ペッツバール和の増大を抑制でき、像面湾曲が抑制される。
　本発明の態様５に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から４において、前記第１レンズの像面側の面の有効径を開口絞りとする構成を備える。上記構成によれば、周辺光束のケラレが軽減し、周辺光量が向上できるようになる。
　本発明の態様６に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から５において、前記第１レンズが非球面レンズである。上記構成によれば、収差特性が特に優れた赤外線撮像レンズを実現することができる。
　本発明の態様７に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から６において、前記第２レンズまたは第３レンズのいずれかの面が回折面である。上記構成によれば、軸上色収差や倍率色収差を軽減することが可能となる。
　本発明の態様８に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から７において、前記第１レンズの焦点距離ｆ１と、全系焦点距離ｆＬとが、１．６≦ｆ１／ｆＬ≦２．５の関係式を満たす。上記構成によれば、収差特性を良好に保ちつつ、波長程度の画素ピッチを有するイメージセンサに対応可能な、高い解像度が得られるようになる。
　本発明の態様９に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から８において、前記第１レンズの物体側の面から像面までの光軸上の距離である光学全長ＴＴＬと、全系焦点距離ｆＬとが、１．２≦ＴＴＬ／ｆＬ≦２．０の関係式を満たす。上記構成によれば、収差特性を良好に保ちつつ、波長程度の画素ピッチを有するイメージセンサに対応可能な、高い解像度が得られるようになる。
　本発明の態様１０に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から９において、前記第１レンズの物体側の面から像面までの光軸上の距離である光学全長ＴＴＬと、バックフォーカスＢＦＬとが、０．２≦ＢＦＬ／ｆＬの関係式を満たす。上記構成によれば、バックフォーカスＢＦＬを確保しつつ、収差特性、解像度に優れた望遠レンズを実現することができる。
　本発明の態様１１に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から１０において、像面における相対照度が、イメージサークル内において９８％以上を満たす。上記構成によれば、周辺光量が十分確保された赤外線撮像レンズを実現することができる。
　本発明の態様１２に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から１１において、空間周波数４１．７ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍでの、波長範囲７～１４μｍの変調伝達関数が、像高２．５ｍｍにおいて０．３以上を満たす。上記構成によれば、波長程度の画素ピッチを有するイメージセンサの全領域に亘って良好な解像度を提供できる赤外線撮像レンズを実現することができる。
　本発明の態様１３に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から１２において、全系焦点距離ｆＬが、イメージサークルの径の３～６倍の範囲内である、請求項１から１２のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。上記構成によれば、収差特性、解像度に優れた望遠レンズである赤外線撮像レンズを実現することができる。
　本発明の態様１４に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から１３において、Ｆナンバーが、０．９～１．１の範囲内である。上記構成によれば、収差特性、解像度に優れた望遠レンズである、Ｆナンバーが小さい明るい赤外線撮像レンズを実現することができる。
　本発明の態様１５に係る赤外線撮像レンズは、上記態様１から１４において、前記カルコゲナイドガラスは、厚み２ｍｍでの光透過率が２０％となる赤外吸収端波長が１８μｍ以上である。上記構成によれば、少なくとも７～１４μｍの波長の範囲において、光吸収が非常に小さい赤外線撮像レンズを構成できるようになる。
　本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、明細書中にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、明細書中にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
　１　赤外線撮像レンズ
　Ｌ１　第１レンズ
　Ｌ２　第２レンズ
　Ｌ３　第３レンズ
　Ｐ　平行平板
　Ｓ　像面
　ＡＰ　開口絞り

Claims (15)

  1. 　７～１４μｍの範囲内の少なくともいずれかの波長を含む赤外線領域で使用される赤外線撮像レンズであって、
    　物体側から像面側に向かって順に、第１レンズ、第２レンズ、及び第３レンズが配置され、
    　前記第１レンズ、前記第２レンズ、及び前記第３レンズのそれぞれは、波長１０μｍにおける屈折率が２．５～４．０のカルコゲナイドガラスからなり、
    　全系焦点距離ｆＬが、イメージサークルの径の２倍以上である、赤外線撮像レンズ。
  2. 　７～１４μｍの範囲内の少なくともいずれかの波長を含む赤外線領域で使用される赤外線撮像レンズであって、
    　物体側から像面側に向かって順に、第１レンズ、第２レンズ、及び第３レンズが配置され、
    　前記第１レンズ、前記第２レンズ、及び前記第３レンズのそれぞれは、波長１０μｍにおける屈折率が２．５～４．０のカルコゲナイドガラスからなり、
    　半画角が１４°以下である、赤外線撮像レンズ。
  3. 　前記第１レンズ、前記第２レンズ、及び前記第３レンズのそれぞれは、正のパワーを持つメニスカスレンズである、請求項１または２に記載の赤外線撮像レンズ。
  4. 　前記第１レンズ及び前記第３レンズのそれぞれは、物体側に凸のメニスカス形状であり、
    　前記第２レンズは、像面側に凸のメニスカス形状である、請求項３に記載の赤外線撮像レンズ。
  5. 　前記第１レンズの像面側の面の有効径を開口絞りとする、請求項１から４のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
  6. 　前記第１レンズが非球面レンズである、請求項１から５のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
  7. 　前記第２レンズまたは第３レンズのいずれかの面が回折面である、請求項１から６のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
  8. 　前記第１レンズの焦点距離ｆ１と、全系焦点距離ｆＬとが、
    　　１．６≦ｆ１／ｆＬ≦２．５
    の関係式を満たす、請求項１から７のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
  9. 　前記第１レンズの物体側の面から像面までの光軸上の距離である光学全長ＴＴＬと、全系焦点距離ｆＬとが、
    　　１．２≦ＴＴＬ／ｆＬ≦２．０
    の関係式を満たす、請求項１から８のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
  10. 　前記第１レンズの物体側の面から像面までの光軸上の距離である光学全長ＴＴＬと、バックフォーカスＢＦＬとが、
    　　０．２≦ＢＦＬ／ｆＬ
    の関係式を満たす、請求項１から９のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
  11. 　像面における相対照度が、イメージサークル内において９８％以上を満たす、請求項１から１０のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
  12. 　空間周波数４１．７ｃｙｃｌｅｓ／ｍｍでの、波長範囲７～１４μｍの変調伝達関数が、像高２．５ｍｍにおいて０．３以上を満たす、請求項１から１１のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
  13. 　全系焦点距離ｆＬが、イメージサークルの径の３～６倍の範囲内である、請求項１から１２のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
  14. 　Ｆナンバーが、０．９～１．１の範囲内である、請求項１から１３のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
  15. 　前記カルコゲナイドガラスは、厚み２ｍｍでの光透過率が２０％となる赤外吸収端波長が１８μｍ以上である、請求項１から１４のいずれか１項に記載の赤外線撮像レンズ。
PCT/JP2022/027121 2021-07-28 2022-07-08 赤外線撮像レンズ WO2023008148A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22849213.8A EP4379444A1 (en) 2021-07-28 2022-07-08 Infrared imaging lens
CN202280032698.8A CN117242386A (zh) 2021-07-28 2022-07-08 红外线成像镜头

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021123539A JP2023019071A (ja) 2021-07-28 2021-07-28 赤外線撮像レンズ
JP2021-123539 2021-07-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023008148A1 true WO2023008148A1 (ja) 2023-02-02

Family

ID=85086696

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/027121 WO2023008148A1 (ja) 2021-07-28 2022-07-08 赤外線撮像レンズ

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4379444A1 (ja)
JP (1) JP2023019071A (ja)
CN (1) CN117242386A (ja)
WO (1) WO2023008148A1 (ja)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011253006A (ja) * 2010-06-01 2011-12-15 Fujifilm Corp 赤外線用結像レンズおよび撮像装置
JP2012037697A (ja) * 2010-08-06 2012-02-23 Fujifilm Corp 赤外線用結像レンズおよび撮像装置
JP2015203850A (ja) * 2014-04-16 2015-11-16 株式会社タムロン 赤外線撮像装置
JP2016018162A (ja) * 2014-07-10 2016-02-01 株式会社タムロン 遠赤外線レンズ及び遠赤外線撮像装置
WO2018163831A1 (ja) * 2017-03-10 2018-09-13 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 レンズ系、交換レンズ装置及びカメラシステム
JP2019008271A (ja) 2017-06-27 2019-01-17 キヤノン株式会社 光学系及びそれを有する撮像装置
WO2020105719A1 (ja) 2018-11-21 2020-05-28 日本電気硝子株式会社 カルコゲナイドガラスレンズ

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011253006A (ja) * 2010-06-01 2011-12-15 Fujifilm Corp 赤外線用結像レンズおよび撮像装置
JP2012037697A (ja) * 2010-08-06 2012-02-23 Fujifilm Corp 赤外線用結像レンズおよび撮像装置
JP2015203850A (ja) * 2014-04-16 2015-11-16 株式会社タムロン 赤外線撮像装置
JP2016018162A (ja) * 2014-07-10 2016-02-01 株式会社タムロン 遠赤外線レンズ及び遠赤外線撮像装置
WO2018163831A1 (ja) * 2017-03-10 2018-09-13 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 レンズ系、交換レンズ装置及びカメラシステム
JP2019008271A (ja) 2017-06-27 2019-01-17 キヤノン株式会社 光学系及びそれを有する撮像装置
WO2020105719A1 (ja) 2018-11-21 2020-05-28 日本電気硝子株式会社 カルコゲナイドガラスレンズ

Also Published As

Publication number Publication date
CN117242386A (zh) 2023-12-15
JP2023019071A (ja) 2023-02-09
EP4379444A1 (en) 2024-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6254804B2 (ja) 赤外線光学系
JP5906859B2 (ja) 赤外線用光学系
JP2007219520A (ja) 超小型撮像光学系
KR101671451B1 (ko) 촬영 렌즈 광학계
US9182574B2 (en) Infrared fixed-focus lens
JP6405757B2 (ja) 遠赤外線レンズ及び遠赤外線撮像装置
WO2011162840A1 (en) Wide field athermalized orthoscopic lens system
US10634872B2 (en) Optical system and image pickup apparatus including the same
JP2022003379A (ja) 光学系及びそれを有する撮像装置
WO2013157658A1 (ja) 赤外線ズームレンズ
JP2016018162A5 (ja)
JP2006162829A (ja) 広角撮像レンズ及び撮像装置
JP2010276752A (ja) 広角レンズ
CN110568590A (zh) 一种星光级光学镜头及其成像方法
CN210465835U (zh) 大光圈长波长红外线热成像镜头
JP2012177736A (ja) 撮像レンズ
CN210742599U (zh) 一种星光级光学镜头
TWI689747B (zh) 四片式雙波段成像鏡片組
CN114051590A (zh) 摄像透镜以及摄像装置
JP7098347B2 (ja) 光学系及びそれを有する撮像装置
WO2023008148A1 (ja) 赤外線撮像レンズ
CN110196486A (zh) 一种75mm衍射面红外长波光学无热化镜头及成像方法
CN113253431B (zh) 红外共焦镜头及成像设备
JP2017090786A (ja) 遠赤外線光学系
CN115494627A (zh) 定焦镜头

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22849213

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280032698.8

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18571383

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2022849213

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022849213

Country of ref document: EP

Effective date: 20240228