JP2005062559A - 赤外線カメラ用レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 特に波長域８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適し、像周辺部でのノイズを低減して良好な光学性能を達成することができるようにした赤外線カメラ用レンズを提供する。
【解決手段】 物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズの第１レンズＬ１、および物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズの第２レンズＬ２で構成された第１レンズ群Ｇ１と、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズの第３レンズＬ３、および物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズの第４レンズＬ４で構成された第２レンズ群Ｇ２とを備え、以下の条件を満足する。ただし、Φ１，Φ２は、第１，第２レンズ群Ｇ１，Ｇ２の屈折力。ｆ１は第１レンズＬ１の焦点距離、ｆＴは全系の焦点距離。
０．１２＜｜Φ１／Φ２｜＜０．３２ ……（１）
１．３＜｜ｆ１／ｆＴ｜＜１．９ ……（２）
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外線カメラに用いられるレンズに関し、特に波長８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適した赤外線カメラ用レンズに関する。

従来より、例えば暗所での撮影や物体の温度分布の観測などを行うために、赤外線カメラが利用されている。赤外線カメラでは一般に、３μｍ〜５μｍ帯または８μｍ〜１２μｍ帯の波長域を使用することが多い。

赤外線カメラ用に開発されたレンズの従来技術としては、例えば以下の特許文献記載のものがある。この特許文献１には、赤外線用対物光学系として、４枚構成の単焦点レンズの例が記載されている。この特許文献１では、赤外線撮像素子を配置するのに十分なバックフォーカスを確保しつつ、Ｆ値が１．０程度の明るい赤外線用単焦点レンズを実現している。
特許第３３２６９００号公報

しかしながら、この特許文献１記載の光学系は、波長域として３μｍ〜５μｍ帯の赤外線を対象に設計されているため、８μｍ〜１２μｍ帯の赤外線での使用には適さない。

ところで、一般に赤外線用光学系では、被写体からの赤外線以外にも、レンズ鏡筒やカメラ筐体自身が放射する不要な赤外線成分が撮像素子に入射してしまい、それがノイズとして検出されてしまうという問題がある。特に、開口効率の低い光学系では、中心部に比べて周辺部において上記不要な赤外線が多く含まれることとなり、像周辺部においてノイズが多く検出されてしまう。したがって、像周辺部におけるノイズを低減するためには、開口効率が１００％近くであることが望ましい。上記特許文献１記載の光学系は、開口効率が低く、像周辺部においてノイズが発生しやすいという問題がある。

また、赤外線用光学系では、最終レンズの後ろに撮像素子を保護するための平行平面板や、撮像素子を冷却するためのコールドシールドなどが挿入される場合があるため、ある程度十分なバックフォーカスを確保する必要がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、特に波長域８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適し、十分なバックフォーカスを確保しつつ、Ｆ値が１．０程度と明るく、像周辺部でのノイズを低減して良好な光学性能を達成することができるようにした赤外線カメラ用レンズを提供することにある。

本発明による赤外線カメラ用レンズは、物体側から順に、負の屈折力を持った第１レンズ群と、正の屈折力を持った第２レンズ群とを備え、第１レンズ群が、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第１レンズと、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズからなる第２レンズとで構成され、第２レンズ群が、物体側から順に、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズからなる第３レンズと、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第４レンズとで構成され、かつ、以下の条件式（１），（２）を満足するように構成されているものである。絞りは、第２レンズ群よりも像側に配置されていることが好ましい。

０．１２＜｜Φ１／Φ２｜＜０．３２ ……（１）
１．３＜｜ｆ１／ｆＴ｜＜１．９ ……（２）
ただし、Φ１は第１レンズ群の屈折力を示し、Φ２は第２レンズ群の屈折力を示す。ｆ１は第１レンズの焦点距離を示し、ｆＴは全系の焦点距離を示す。

本発明による赤外線カメラ用レンズでは、全体的な構成を、負の屈折力を持ったレンズ群が先行するレトロフォーカス型としたことで、Ｆ値１．０程度の明るさの確保と、バックフォーカスの確保とが容易となる。さらに、条件式（１），（２）を満たすことで、諸収差の補正が容易となると共に、開口効率を１００％にし易くなる。また、最終レンズである第２レンズ群の後ろに絞りを配置することで、１００％の開口効率をさらに容易に得やすくなる。またこの配置にした場合には、フォーカシングの際に絞りを固定にすることができ、物***置の変化による入射光量の変動が抑制される。これらにより、レンズ鏡筒などからの不要な赤外線成分が低減され、像周辺部におけるノイズが低減される。

この赤外線カメラ用レンズは、さらに以下の条件式（３）〜（５）の少なくとも１つを満足していることが好ましい。これらの好ましい条件を必要に応じて適宜採用することで、さらに良好な光学性能が得られる。

０．３７＜ｄ４／ｆＴ＜０．５ ……（３）
０＜ｄ６／ｆＴ＜０．２２ ……（４）
０．１７＜ｄ２／ｆＴ＜０．３ ……（５）
ただし、ｄ４は、第１レンズ群と第２レンズ群との光軸上の間隔を示し、ｄ６は、第３レンズと第４レンズとの光軸上の間隔を示し、ｄ２は、第１レンズと第２レンズとの光軸上の間隔を示す。ｆＴは全系の焦点距離を示す。

本発明による赤外線カメラ用レンズによれば、全体的な構成を、負の屈折力を持ったレンズ群が先行するレトロフォーカス型とし、さらに、各群のパワー配分などに関して所定の条件式（１），（２）を満足するようにしたので、諸収差の補正が容易となると共に、開口効率を１００％にし易くなり、特に波長域８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適し、十分なバックフォーカスを確保しつつ、Ｆ値が１．０程度と明るく、像周辺部でのノイズを低減して良好な光学性能を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る赤外線カメラ用レンズの構成例を示している。この構成例は、後述の各数値実施例（表１〜表３）のレンズ構成に対応している。なお、図１において、符号ｒｉは、絞りＳｔも含めて最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側（結像側）に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜１１）の面の曲率半径を示す。符号ｄｉは、ｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ１上の面間隔を示す。

この赤外線カメラ用レンズは、例えば波長８μｍ〜１２μｍ帯で使用される赤外線カメラに搭載して好適ものである。この赤外線カメラ用レンズは、光軸Ｚ１に沿って、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とが、物体側より順に配設された構成を基本としている。絞りＳｔは、最終レンズである第２レンズ群Ｇ２の後ろに配置されていることが好ましい。

この赤外線カメラ用レンズの結像面（撮像面）Ｓｉｍｇには、例えば、図示しない赤外線用ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）などの固体撮像素子が配置される。第２レンズ群Ｇ２と結像面Ｓｉｍｇとの間には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、種々の光学部材が配置されていても良い。例えば撮像素子を保護するための平行平面板や、撮像素子を冷却するためのコールドシールドなどの窓部材ＧＷが配置されていても良い。

第１レンズ群Ｇ１は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第１レンズＬ１と、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズからなる第２レンズＬ２とで構成されている。

第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズからなる第３レンズＬ３と、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第４レンズＬ４とで構成されている。

この赤外線カメラ用レンズは、以下の条件式（１），（２）を満足するように構成されている。ただし、Φ１は第１レンズ群Ｇ１の屈折力を示し、Φ２は第２レンズ群Ｇ２の屈折力を示す。ｆ１は第１レンズＬ１の焦点距離を示し、ｆＴは全系の焦点距離を示す。
０．１２＜｜Φ１／Φ２｜＜０．３２ ……（１）
１．３＜｜ｆ１／ｆＴ｜＜１．９ ……（２）

この赤外線カメラ用レンズはさらに、以下の条件式（３）〜（５）の少なくとも１つを満足していることが好ましい。ただし、ｄ４は、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との光軸上の間隔を示し、ｄ６は、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４との光軸上の間隔を示し、ｄ２は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との光軸上の間隔を示す。
０．３７＜ｄ４／ｆＴ＜０．５ ……（３）
０＜ｄ６／ｆＴ＜０．２２ ……（４）
０．１７＜ｄ２／ｆＴ＜０．３ ……（５）

次に、以上のように構成された赤外線カメラ用レンズの作用および効果を説明する。

この赤外線カメラ用レンズでは、全体的な構成を、負の屈折力を持った第１レンズ群Ｇ１が先行するレトロフォーカス型としたことで、Ｆ値１．０程度の明るさの確保と、バックフォーカスの確保とが容易となっている。また、最終レンズである第２レンズ群Ｇ２の後ろに絞りＳｔを配置したことで、１００％の開口効率が得やすくなっている。実際、図１に示した軸上と最大画角での各光線の通過状態を見ても分かるように、この赤外線カメラ用レンズでは、開口効率がほぼ１００％となっている。開口効率が１００％である場合、絞りＳｔを通過した光線に関しては、レンズ鏡筒などから放射された赤外線が含まれないことになるため、像周辺部でのノイズを低減することができる。また、この配置では、フォーカシングの際に絞りＳｔを固定とすることができるので、物***置が変化したときの入射光量の変動を抑制することができる。

なお、図１に示したレンズ配置は、無限遠の物体に合焦している状態であるが、特定のレンズまたはレンズ群を光軸Ｚ１に沿って移動させることで、有限距離の物体に対してもフォーカシングを行うことができる。その際、入射光量の変動を防ぐために絞りＳｔは固定にしておくことが好ましい。その上で、合焦時に一定の光学性能を維持して共役距離を変化させられる移動レンズまたはレンズ群としては、例えば絞りＳｔよりも前のレンズ系全体、第２レンズ群Ｇ２全体、第１レンズＬ１単独、または第４レンズＬ４単独などが考えられる。

条件式（１）は、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の屈折力Φ１，Φ２の比を規定している。この式の下限を越えるとコマ収差が発生してバックフォーカスを確保しにくくなる。上限を越えると、球面収差と像面湾曲の悪化を招くので好ましくない。

条件式（２）は、第１レンズＬ１の焦点距離ｆ１と全系の焦点距離ｆＴとの比を規定している。この式の下限を越えると像面が正側に倒れ、コマ収差が発生し、上限を越えると像面が負側に倒れるので好ましくない。

条件式（３）は、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との光軸上の間隔ｄ４と全系の焦点距離ｆＴとの比を規定している。この式の上限下限どちらを逸脱しても、軸外で大きなコマ収差が発生するため好ましくない。

条件式（４）は、第３レンズＬ３と第４レンズＬ４との光軸上の間隔ｄ６と全系の焦点距離ｆＴとの比を規定している。この式の上限を越えると、像面が正側に倒れてくるので好ましくない。

条件式（５）は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との光軸上の間隔ｄ２と全系の焦点距離ｆＴとの比を規定している。この式の上限下限どちらを逸脱しても、軸外で大きなコマ収差が発生するため好ましくない。

以上のようにして、本実施の形態によれば、特に波長域８μｍ〜１２μｍ帯での使用に適し、十分なバックフォーカスを確保しつつ、Ｆ値が１．０程度と明るく、像周辺部でのノイズを低減して、赤外線カメラ用レンズに適した良好な光学性能を達成することができる。

次に、本実施の形態に係る赤外線カメラ用レンズの具体的な数値実施例について説明する。以下では、第１〜第３の数値実施例（実施例１〜３）をまとめて説明する。表１〜表３は、図１に示した赤外線カメラ用レンズの構成に対応する具体的なレンズデータを示している。なお、これらのレンズデータは、無限遠の物体に対するものであるが、例えば絞りＳｔよりも前のレンズ系全体、第２レンズ群Ｇ２全体、第１レンズＬ１単独、または第４レンズＬ４単独などを、合焦レンズとすることで、絞りＳｔを固定にして入射光量の変動を防ぎながら、有限距離の物体に対するフォーカシングを行うことができる。

各表に示したレンズデータにおける面番号Ｓｉの欄には、各実施例の赤外線カメラ用レンズについて、絞りＳｔ，窓部材ＧＷも含めて最も物体側の構成要素の面を１番目として、像側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目（ｉ＝１〜１１）の面の番号を示している。曲率半径ｒｉの欄には、図１において付した符号ｒｉに対応させて、物体側からｉ番目の面の曲率半径の値を示す。面間隔ｄｉの欄についても、図１において付した符号に対応させて、物体側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸上の間隔を示す。曲率半径ｒｉおよび面間隔ｄｉの値の単位はミリメートル（ｍｍ）である。屈折率Ｎｉの欄には、波長１０μｍに対する値を示す。硝材はすべてゲルマニウムとなっている。各表にはまた、全系の焦点距離ｆＴの値も示す。

また、表４に、上述の条件式（１）〜（５）に関する値を、各実施例についてまとめて示す。表４に示したように、各実施例の値が、各条件式（１）〜（５）の数値範囲内となっている。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の赤外線カメラ用レンズにおける球面収差、非点収差、およびディストーション（歪曲収差）を示している。各収差図には、１０μｍを基準波長とした収差を示すが、球面収差図には、８μｍ，１２μｍについての収差も示す。非点収差図において、実線はサジタル方向、破線はタンジェンシャル方向の収差を示す。ＦＮＯ．はＦ値、ωは半画角を示す。同様にして、実施例２と実施例３とにおける球面収差、非点収差、およびディストーションを、図３（Ａ）〜（Ｃ）と図４（Ａ）〜（Ｃ）とに示す。

図５（Ａ）〜（Ｇ）は、実施例１の赤外線カメラ用レンズにおける各画角（ω＝０°，８．３°，１１．１°，１４．０°）でのコマ収差を示している。特に図５（Ａ）〜（Ｄ）は、タンジェンシャル方向についてのコマ収差、図５（Ｅ）〜（Ｇ）は、サジタル方向についてのコマ収差を示す。同様にして、実施例２と実施例３とにおけるコマ収差を、図６（Ａ）〜（Ｇ）と図７（Ａ）〜（Ｇ）とに示す。

以上の各数値データおよび各収差図から分かるように、各実施例について、十分なバックフォーカスが確保され、波長域８μｍ〜１２μｍ帯において、Ｆ値が１．０程度と明るく、周辺部でも良好に収差補正がなされ、赤外線カメラ用レンズに適した良好な光学性能が実現できている。

なお、本発明は、上記実施の形態および各実施例に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔および屈折率の値などは、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。

また、上記各実施例では、波長８μｍ〜１２μｍ帯で使用されるレンズの数値例を示したが、本発明のレンズは、波長３μｍ〜５μｍ帯において使用することも可能である。

本発明の一実施の形態に係る赤外線カメラ用レンズの構成例を示すものであり、各実施例に対応するレンズ断面図である。 実施例１に係る赤外線カメラ用レンズの球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。 実施例２に係る赤外線カメラ用レンズの球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。 実施例３に係る赤外線カメラ用レンズの球面収差、非点収差、およびディストーションを示す収差図である。 実施例１に係る赤外線カメラ用レンズのコマ収差図である。 実施例２に係る赤外線カメラ用レンズのコマ収差図である。 実施例３に係る赤外線カメラ用レンズのコマ収差図である。

符号の説明

Ｇ１…第１レンズ群、Ｇ２…第２レンズ群、Ｓｔ…絞り、ＧＷ…窓部材、Ｌ１〜Ｌ４…第１レンズ〜第４レンズ、ｒｉ…物体側から第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、ｄｉ…物体側から第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面との面間隔、Ｓｉｍｇ…結像面（撮像面）、Ｚ１…光軸。

Claims (5)

1. 物体側から順に、
   負の屈折力を持った第１レンズ群と、
   正の屈折力を持った第２レンズ群と
   を備え、
   前記第１レンズ群は、物体側から順に、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第１レンズと、物体側に凹面を向けた負のメニスカスレンズからなる第２レンズとで構成され、
   前記第２レンズ群は、物体側から順に、物体側に凹面を向けた正のメニスカスレンズからなる第３レンズと、物体側に凸面を向けた正のメニスカスレンズからなる第４レンズとで構成され、
   かつ、以下の条件式（１），（２）を満足するように構成されている
   ことを特徴とする赤外線カメラ用レンズ。
   ０．１２＜｜Φ１／Φ２｜＜０．３２ ……（１）
   １．３＜｜ｆ１／ｆＴ｜＜１．９ ……（２）
   ただし、
   Φ１：第１レンズ群の屈折力
   Φ２：第２レンズ群の屈折力
   ｆ１：第１レンズの焦点距離
   ｆＴ：全系の焦点距離
2. 前記第２レンズ群よりも像側に絞りが配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の赤外線カメラ用レンズ。
3. さらに、以下の条件式（３）を満足するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線カメラ用レンズ。
   ０．３７＜ｄ４／ｆＴ＜０．５ ……（３）
   ただし、
   ｄ４：第１レンズ群と第２レンズ群との光軸上の間隔
   ｆＴ：全系の焦点距離
4. さらに、以下の条件式（４）を満足するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の赤外線カメラ用レンズ。
   ０＜ｄ６／ｆＴ＜０．２２ ……（４）
   ただし、
   ｄ６：第３レンズと第４レンズとの光軸上の間隔
   ｆＴ：全系の焦点距離
5. さらに、以下の条件式（５）を満足するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の赤外線カメラ用レンズ。
   ０．１７＜ｄ２／ｆＴ＜０．３ ……（５）
   ただし、
   ｄ２：第１レンズと第２レンズとの光軸上の間隔
   ｆＴ：全系の焦点距離
   

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