JP2019008271A

JP2019008271A - 光学系及びそれを有する撮像装置

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Publication number: JP2019008271A
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Inventors: 直人道塲; Naoto Dojo
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Abstract

【課題】簡易なレンズ構成で、しかも赤外域において高い光学性能が容易に得られる光学系を得ること。【解決手段】物体側から像側へ順に配置された、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第１レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第２レンズを有し、第１レンズはシリコン材料から成り、第２レンズはシリコン材料又はゲルマニウム材料から成り、全系の焦点距離ｆ、第１レンズと第２レンズの光軸上の間隔Ｄを各々適切に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は光学系に関し、例えば波長８μｍ〜１３μｍ程度の赤外線を用いて赤外像を得る監視カメラ、車載カメラ等の撮像装置に好適なものである。

赤外域（波長８μｍ〜１３μｍ程度）の光を対象とした光学系（赤外用光学系）を用いると、可視の波長域（波長０．４μｍ〜０．７μｍ）では得ることのできない人体の温度分布等の熱情報を検知して可視化することができる。赤外用の光学系を構成するレンズの材料としては、赤外域の光を透過する材料（赤外線材料）、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧＡＡＳ）、カルコゲナイド、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、シリコン（Ｓｉ）等がある。

特許文献１は、ゲルマニウムから成る２枚のレンズ、あるいはシリコンから成る２枚のレンズで構成された光学系を開示している。特許文献２は、シリコンから成る２枚のレンズで構成された光学系)を開示している。この他、カルコゲナイド又はセレン化亜鉛から成るレンズとシリコン、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、カルコゲナイドの何れか一つから成るレンズとで構成された２枚のレンズよりなる光学系を開示している。また、特許文献３は、シリコンから成る１枚のレンズとカルコゲナイドから成る２枚のレンズよりなる３枚のレンズで構成された光学系を開示している。

特開２０００−７５２０３号公報米国特許第９００７６８３号特開２０１７−９０７８６号公報

カルコゲナイド、セレン化亜鉛、硫化亜鉛は人体に与える影響が大きい。そして、低屈折率高分散であるセレン化亜鉛や硫化亜鉛等を使用して高い解像力の光学系を構成するためには、色収差や像面湾曲等の各収差の補正のために、多くのレンズが必要になる。また、ゲルマニウムは希少金属であるため、ゲルマニウムから成るレンズのみで光学系を構成することは困難である。

本発明は、赤外域において高い光学性能が容易に得られる光学系の提供を目的とする。

本発明の光学系は、物体側から像側へ順に配置された、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第１レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第２レンズを有し、
前記第１レンズはシリコン材料から成り、
前記第２レンズはシリコン材料又はゲルマニウム材料から成り、
全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズと前記第２レンズの光軸上の間隔をＤとするとき、
０．９０＜Ｄ／ｆ＜２．００
なる条件式を満たすことを特徴としている。

本発明によれば、簡易なレンズ構成で、しかも赤外域において高い光学性能が容易に得られる光学系が得られる。

実施例１のレンズ断面図実施例１のＭＴＦと縦収差図実施例２のレンズ断面図実施例２のＭＴＦと縦収差図実施例３のレンズ断面図実施例３のＭＴＦと縦収差図実施例４のレンズ断面図実施例４のＭＴＦと縦収差図実施例５のレンズ断面図実施例５のＭＴＦと縦収差図実施例６のレンズ断面図実施例６のＭＴＦと縦収差図実施例７のレンズ断面図実施例７のＭＴＦと縦収差図実施例８のレンズ断面図実施例８のＭＴＦと縦収差図実施例９のレンズ断面図実施例９のＭＴＦと縦収差図実施例１０のレンズ断面図実施例１０のＭＴＦと縦収差図実施形態の撮像装置の要部概略図

本発明の各実施例に係る光学系の構成について説明する。各実施例の光学系は、波長が８μｍ〜１３μｍの赤外線を用いて赤外像を結像する赤外用の光学系である。各実施例の光学系は、物体側から像側へ順に配置された、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第１レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第２レンズを有する。また、本発明の撮像装置は、光学系と該光学系により形成される像を受光する撮像素子（赤外線センサ）とを有している。

図１は本発明の光学系の実施例１のレンズ断面図である。図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例１の光学系に係るＭＴＦ図と縦収差図である。

図３は本発明の光学系の実施例２のレンズ断面図である。図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例２の光学系に係るＭＴＦ図と縦収差図である。

図５は本発明の光学系の実施例３のレンズ断面図である。図６（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例３の光学系に係るＭＴＦ図と縦収差図である。

図７は本発明の光学系の実施例４のレンズ断面図である。図８（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例４の光学系に係るＭＴＦ図と縦収差図である。

図９は本発明の光学系の実施例５のレンズ断面図である。図１０（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例５の光学系に係るＭＴＦ図と縦収差図である。

図１１は本発明の光学系の実施例６のレンズ断面図である。図１２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例６の光学系に係るＭＴＦ図と縦収差図である。

図１３は本発明の光学系の実施例７のレンズ断面図である。図１４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例７の光学系に係るＭＴＦ図と縦収差図である。

図１５は本発明の光学系の実施例８のレンズ断面図である。図１６（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例８の光学系に係るＭＴＦ図と縦収差図である。

図１７は本発明の光学系の実施例９のレンズ断面図である。図１８（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例９の光学系に係るＭＴＦ図と縦収差図である。

図１９は本発明の光学系の実施例１０のレンズ断面図である。図２０（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ実施例１０の光学系に係るＭＴＦ図と縦収差図である。

図２１は本発明の撮像装置の要部概略図である。

レンズ断面図において左方が物体側（前方）で、右方が像側（後方）である。Ｌ０は光学系である。Ｌ１１、Ｌ２１、Ｌ３１、Ｌ４１、Ｌ５１、Ｌ６１，Ｌ７１、Ｌ８１、Ｌ９１、Ｌ１０１は各々第１レンズである。Ｌ１２、Ｌ２２、Ｌ３２、Ｌ４２、Ｌ５２、Ｌ６２，Ｌ７２、Ｌ８２、Ｌ９２、Ｌ１０２は各々第２レンズである。Ｌ６３，Ｌ７３、Ｌ８３、Ｌ９３、Ｌ１０３は各々第３レンズである。Ｌ１０４は第４レンズである。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０は各々開口絞り（絞り）である。

ＣＧ１、ＣＧ２、ＣＧ３、ＣＧ４、ＣＧ５、ＣＧ６、ＣＧ７、ＣＧ８、ＣＧ９、ＣＧ１０は各々カバーガラスである。ＩＭ１、ＩＭ２、ＩＭ３、ＩＭ４、ＩＭ５、ＩＭ６、ＩＭ７、ＩＭ８、ＩＭ９、ＩＭ１０は各々赤外線センサ（撮像素子）である。

球面収差図において縦軸は瞳位置である。実線は波長１３μｍ、点線は波長８μｍの球面収差を示す。非点収差図において縦軸は像高である。Ｓ１は波長１３μｍのサジタル像面、Ｔ１は波長１３μｍのメリディオナル像面である。Ｓ２は波長８μｍのサジタル像面、Ｔ２は波長８μｍのメリディオナル像面である。歪曲収差において縦軸は像高である。歪曲収差は波長１３μｍについて示している。

従来、例えば車載カメラや監視カメラのようなアプリケーションでは、明るいＦナンバーで全系が小型で、かつ高い解像力の赤外用の光学系が要望されている。赤外用の材料として、ゲルマニウム（Ｇｅ）とシリコン（Ｓｉ）は他の赤外線用の材料に比べ高屈折率低分散であるため、少ないレンズ枚数で高い解像力の赤外用光学系を構成することが容易である。

赤外用の光学系においては、可視域光学系と同じように諸収差のうち、例えば色収差、球面収差、像面湾曲等の諸収差を良好に補正しないと高い結像性能を得るのが困難になる。赤外用の光学系において高い結像性能を得るためにはレンズ構成、例えばレンズの数やレンズの材料、屈折力配置等を適切に設定することが重要になってくる。

本発明の光学系は、物体側から像側へ順に配置された、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第１レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第２レンズを有する。第１レンズはシリコン材料から成り、第２レンズはシリコン材料又はゲルマニウム材料からなる。

この他、本発明の光学系は、第１レンズと第２レンズより構成され、第２レンズはゲルマニウム材料から成る。

この他、本発明の光学系は、物体側から像側へ順に配置された、第１レンズ、第２レンズ、物体側に凸面を向けた正の屈折力の第３レンズより構成され、第３レンズはシリコン材料又はゲルマニウム材料から成る。

この他、本発明の光学系は、物体側から像側へ順に配置された、第１レンズ、第２レンズ、物体側に凸面を向けた正の屈折力の第３レンズ、物体側に凸面を向けた正の屈折力の第４レンズ、より構成される。そして第４レンズはシリコン材料又はゲルマニウム材料から成る。

尚、各実施例におい使用されているシリコンやゲルマニウムは多少の不純物を含んだものであっても良い。

本発明の赤外用の光学系Ｌ０において、結像性能を良好にするために、次の構成をとっている。

物体側から像側へ順に配置された、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第１レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第２レンズを有する。第１レンズはシリコン材料から成り、第２レンズはシリコン材料又はゲルマニウム材料から成る。全系の焦点距離をｆ、第１レンズと第２レンズの光軸上の間隔をＤとする。このとき、
０．９０＜Ｄ／ｆ＜２．００・・・（１）
なる条件式を満たす。

条件式（１）は各実施例がシリコンを材料とする第１レンズのレンズ厚さを薄く維持しつつ、色収差や球面収差、像面湾曲等の諸収差を良好に補正し、高い光学性能を有する赤外用の光学系を得るためのものである。条件式（１）の上限値、又は下限値を超えると、像面湾曲と球面収差の補正バランスが崩れ、光学性能が低下してくる。

更に好ましくは条件式（１）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。
０．９０＜Ｄ／ｆ＜１．６５・・・（１ａ）

また各実施例における赤外用の光学系においては、第１レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正レンズよりなり、第２レンズは物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正レンズより構成している。第２レンズを物体面に凹面を向けたメニスカス形状の正レンズにすると、その凹面による作用で非点収差の補正が困難になる。各実施例では第１レンズと第２レンズを前述の如く構成している。これによれば、明るいＦナンバーで解像力が高い赤外用の光学系が容易に得られる。

各実施例のレンズ構成について説明する。一般的な撮像レンズでは、色収差を補正するために、（１Ｘ）式を満たすようなレンズ構成をとっている。（１Ｘ）式のｆ１は第１レンズの焦点距離、ｆ２は第２レンズの焦点距離、ｆｉは第ｉレンズの焦点距離、ν１は第１レンズの材料の分散値（アッベ数）、ν２は第２レンズの材料の分散値、νｉは第ｉレンズの材料の分散値を示す。

通常、レンズの材料の分散値は正であるため、色収差を低減するためには片方のレンズの焦点距離を負にすることが好ましい。そのため、色収差を補正するレンズ構成は多く場合、正レンズと負レンズを組合せたレンズ構成になる。

また、像面湾曲を補正するためには、ペッツバール和を小さくする下記の（２Ｘ）式の条件を満たすレンズ構成が必要になる。ペッツバール和は像面湾曲と相関があるため、ペッツバール和を小さくすることで像面湾曲を小さくすることができる。

（２Ｘ）式のｆ１は第１レンズの焦点距離、ｆ２は第２レンズの焦点距離、ｆｉを第ｉレンズの焦点距離、ｎ１は第１レンズの材料の屈折率、ｎ２は第２レンズの材料の屈折率、ｎｉは第ｉレンズの材料の屈折率を示す。

一般的なレンズの材料の屈折率は正であるため、ペッツバール和を低減するためには片方のレンズの焦点距離を負にすることが好ましい。そのため、像面湾曲を補正するレンズ構成は多くの場合、正レンズと負レンズを組合せたレンズ構成になる。

しかし、レンズの材料の屈折率ｎ１、ｎ２、ｎｉが非常に大きく、またレンズの材料の分散値ν１、ν２、νｉが非常に大きい場合、必ずしも正レンズと負レンズの組合せにする必要がない場合がある。

表２１は赤外線を透過する代表的な材料の屈折率Ｎ１０及び分散値ν１０を示す。表２１中の屈折率Ｎ１０は波長１０μｍにおける屈折率、分散値ν１０は後述する（３Ｘ）式により定義した数値である。

一般的に、分散値は数値が大きいほど波長による屈折率の変化（分散）が小さいことを意味している。（３Ｘ）式中のＮ８は波長８μｍでの屈折率、Ｎ１２は波長１２μｍでの屈折率である。各社の硝材メーカーによって数値が若干個異なるため、ここではおおよその数値として記載する。表２１に示すように、赤外線においてセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）は屈折率が２程度であり、分散値も２０〜６０程度である。カルコゲナイドは屈折率が２．５程度、分散が１０９である。

このカルコゲナイドはセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）や硫化亜鉛（ＺｎＳ）に比べ低分散ではあるが、第１レンズの材料として選択した場合は色収差が大きく発生してしまい、良好な結像性能を得ることが難しい。

色収差の補正や像面湾曲の補正のためには、正レンズと負レンズの組合せが一般的であるが、ゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）の場合、屈折率が非常に大きく（高く）、分散も非常に小さい。そのため（１Ｘ）式と（２Ｘ）式から明らかなように、第１レンズ、第２レンズのそれぞれで色収差やペッツバール和が小さくなる。

つまり、ゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）を使用した場合、色収差の補正と像面湾曲の補正のために、必ずしも正レンズと負レンズの組合せである必要性はなく、少ないレンズ枚数で良好な結像性能が得られる。また、ゲルマニウム（Ｇｅ）とシリコン（Ｓｉ）は人体に影響が少ないため、レンズが破損した場合でも人体や環境への影響は少ない。

赤外線カメラでは熱情報を高精度に得るために、赤外用の光学系のＦナンバーは１．５以下にすることが多い。Ｆナンバーの明るい赤外用の光学系で良好な結像性能を得るためには、レンズの瞳径に比例する球面収差を補正することが重要になる。これにより、球面収差量を分担させて補正することが有用になるため、赤外用の光学系の材料をゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）としたとき、正レンズと正レンズの組合せが良くなる。

さらに、前記の収差補正作用に加えて、第１レンズをメニスカス形状、第２レンズをメニスカス形状にすることで高い透過率を確保しつつ、収差補正を良好に行った赤外用の光学系を得ている。第１レンズと第２レンズのメニスカス形状の屈折面により緩やかに光束を収斂することで球面収差の発生量を抑え、シリコン（Ｓｉ）を材料とする第１レンズのレンズ厚さを薄くして、シリコンによる透過率の低下を軽減している。

各実施例の光学系において更に好ましくは次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。第１レンズの焦点距離をｆ１、第２レンズの焦点距離をｆ２とする。第１レンズのレンズ厚さをｔ１とする。また本発明に係る光学系が第２レンズの像側に第２レンズに隣接して正の屈折力の第３レンズを有するとき、第３レンズの焦点距離をｆ３とする。このとき、次の条件式のうち１つ以上を満足するのが良い。

０．１＜ｆ２／ｆ１＜３．０・・・（２）
１．０＜ｆ１／ｆ＜６．０・・・（３）
０．５＜ｆ２／ｆ＜６．０・・・（４）
０．００１＜ｔ１／ｆ１＜０．０６５・・・（５）
０．１＜ｆ３／ｆ２＜２．０・・・（６）
０．１＜ｆ３／ｆ＜３．０・・・（７）

次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式（２）乃至（４）は第１レンズと第２レンズの屈折力のバランスを適切に設定し、主に像面湾曲の発生を軽減するためのものである。条件式（２）乃至（４）の数値範囲から外れると、像面湾曲の補正が不足または過剰になり、結像性能が低下するので良くない。条件式（５）はレンズ口径の大きい第１レンズは厚さと、第１レンズの焦点距離の比に関する。

条件式（５）は、第１レンズと第２レンズで緩やかに光束を収斂させることで球面収差の発生量を抑え、シリコン（Ｓｉ）を材料とする第１レンズのレンズ厚さを抑えて、高い透過率を確保するためのものである。この条件式（５）の数値範囲から外れると、球面収差を補正しつつレンズの厚さにより透過率が低下するため良くない。

条件式（６）、（７）は光学系全体を３枚以上のレンズで構成するときの第２レンズと第３レンズの屈折力のバランスを適切に設定しつつ、各レンズから収差発生量を軽減するためのものである。条件式（６）、（７）の数値範囲を外れると、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズで緩やかに光束を収斂させるのが困難となり、各レンズからの収差の発生量が増加するので良くない。特に条件式（６）、（７）の数値範囲から外れると、各レンズから球面収差が多く発生して、結像性能が低下するので良くない。更に好ましくは条件式（２）乃至（７）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

０．２＜ｆ２／ｆ１＜１．５・・・（２ａ）
１．５＜ｆ１／ｆ＜５．０・・・（３ａ）
０．７＜ｆ２／ｆ＜４．０・・・（４ａ）
０．０１＜ｔ１／ｆ１＜０．０５・・・（５ａ）
０．１５＜ｆ３／ｆ２＜１．００・・・（６ａ）
０．５＜ｆ３／ｆ＜２．５・・・（７ａ）

Ｆナンバーを明るくしたことにより、少ないレンズ枚数では高次の球面収差の収差や像面湾曲の補正が困難になる。そのため、各レンズ形状に少なくとも１面の非球面形状を採用することが好ましい。

次に各実施例の赤外用の光学系Ｌ０のレンズ構成について説明する。
［実施例１］
図１は実施例１に係る光学系Ｌ０のレンズ断面図である。実施例１は焦点距離２５ｍｍ、Ｆナンバー１．０の光学系である。実施例１の光学系Ｌ０は物体から像側へ順に、配置されたシリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第１レンズＬ１１、開口絞りＳ１、ゲルマニウム（Ｇｅ）材料よりなる正の屈折力の第２レンズＬ１２より構成される。以下、全ての実施例において、ゲルマニウムやシリコンの材料が単結晶または多結晶材であっても良い。また多少の不純物を含んでいても良い。

物体から放射され、光学系Ｌ０で導光された赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ１を透過して赤外線センサＩＭ１上で結像する。因みに、第１レンズＬ１１と物体との間にカバーガラスを設けた場合や赤外線センサＩＭ１のカバーガラスＣＧ１の材料がゲルマニウム（Ｇｅ）以外の赤外線用の材料でも本実施例の効果は得られる。実施例１の光学系の数値データを表１に示す。表１における各光学面の曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

表２に実施例１の光学系Ｌ０の非球面の非球面形状データを示す。非球面形状は後述する（４Ｘ）式で表している。

図２（Ａ）は実施例１のＭＴＦ図である。一般的な赤外線センサのピクセルピッチは数十ミクロンである。例としてピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサを使用することを想定すると、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。このナイキスト周波数で被写体を解像するためには、経験的にＭＴＦ値が３０％以上あれば良い。図２（Ａ）中の点１１は実施例１の３０ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は４４％である。赤外線センサＩＭ１のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため結像性能は良好であることがわかる。

図２（Ｂ）に実施例１の縦収差を示す。図２（Ｂ）に示すように、球面収差、像面湾曲、色収差が良く補正されていることがわかる。

光学的な条件から、赤外用の光学系は材料にゲルマニウム（Ｇｅ）とシリコン（Ｓｉ）を使用した正レンズと正レンズの組合せが良いことを示した。ゲルマニウム（Ｇｅ）は希少金属である。一方、シリコン（Ｓｉ）は安易に入手できる。また、透過率の観点ではシリコン（Ｓｉ）は化学的な要因で厚さに対する透過率の減衰が大きい。よって、材料にゲルマニウム（Ｇｅ）のみを使用した正レンズと正レンズの組合せのレンズ構成は製造が難しくなる傾向がある。

一方、シリコン（Ｓｉ）のみを使用した正レンズと正レンズの組合せは、球面収差の補正のために所定の厚さが必要になり、透過率が低下する。さらに、レンズの口径は物体側に比べて像側の方が小さくなる。このため、第１レンズの材料はシリコン（Ｓｉ）、第２レンズの材料はゲルマニウム（Ｇｅ）を用いるのが好ましい。

以上の実施例１の光学系Ｌ０は、シリコン（Ｓｉ）を材料とする正の屈折力の第１レンズとゲルマニウム（Ｇｅ）を材料とする正の屈折力の第２レンズより構成している。これにより、結像性能や透過率等のバランスが取れた赤外用の光学系Ｌ０を構成している。

［実施例２］
図３は実施例２に係る光学系Ｌ０のレンズ断面図である。実施例２は焦点距離２５ｍｍ、Ｆナンバー１．０の光学系である。実施例２の光学系Ｌ０は物体から像側へ順に配置された、開口絞りＳ２、シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第１レンズＬ２１、ゲルマニウム（Ｇｅ）を材料とした正の屈折力の第２レンズＬ２２より構成される。

開口絞りＳ２の位置を物体側に配置したことにより、レンズの外径の小径化が図られるため、全系が、より小型化されている。物体から放射され、光学系Ｌ０で導光された赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ２を透過して赤外線センサＩＭ２上で結像する。実施例２の光学系Ｌ０の数値データを表３に示す。表３における各光学面の曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表４に実施例２の光学系Ｌ０の非球面の非球面形状データを示す。非球面形状は、実施例１と同様に（４Ｘ）式で表している。

図４（Ａ）は実施例２のＭＴＦ図である。図４（Ａ）中の点２１は実施例２の３０ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は４５％である。赤外線センサＩＭ２のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、結像性能は良好であることがわかる。図４（Ｂ）に実施例２の縦収差を示す。図４（Ｂ）に示すように、球面収差、像面湾曲、色収差が良く補正されていることがわかる。このように本実施例の光学系Ｌ０において、開口絞りの位置は光軸方向のどこにあっても良い。

［実施例３］
図５は実施例３に係る光学系Ｌ０のレンズ断面図である。実施例３は焦点距離２５ｍｍ、Ｆナンバー１．０の光学系である。実施例３の光学系Ｌ０は物体から像側へ順に配置された、シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第１レンズＬ３１、開口絞りＳ３、ゲルマニウム（Ｇｅ）材料よりなる正の屈折力の第２レンズＬ３２より構成される。

実施例３は実施例１に比べてバックフォーカスが短い。物体から放射され光学系Ｌ０で導光された遠赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ３を透過して赤外線センサＩＭ３上で結像する。実施例３の光学系Ｌ０の数値データを表５に示す。表５における各光学面の曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表６に実施例３の光学系Ｌ０の非球面の非球面形状データを示す。非球面形状は、実施例１と同様に（４Ｘ）式で表している。

図６（Ａ）は実施例３のＭＴＦ図である。図６（Ａ）中の点３１は実施例３の３０ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は５３％である。赤外線センサＩＭ３のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、結像性能は良好であることがわかる。図６（Ｂ）に実施例３の縦収差を示す。図６（Ｂ）に示すように、球面収差、像面湾曲、色収差が良く補正されていることがわかる。

［実施例４］
図７は実施例４に係る光学系Ｌ０のレンズ断面図である。実施例４は焦点距離４０ｍｍ、Ｆナンバー１．０の光学系である。実施例４の光学系Ｌ０は物体から像側へ順に配置された、シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第１レンズＬ４１、開口絞りＳ４、ゲルマニウム（Ｇｅ）材料よりなる正の屈折力の第２レンズＬ４２より構成される。

物体から放射され、光学系Ｌ０で導光された赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ４を透過して赤外線センサＩＭ４上に結像する。実施例４の光学系Ｌ０の数値データを表７に示す。表７における各光学面の曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表８に実施例４の光学系Ｌ０の非球面の非球面形状データを示す。非球面形状は、実施例１と同様（４Ｘ）式で表している。

図８（Ａ）は実施例４のＭＴＦ図である。図８（Ａ）中の点４１は実施例２の３０ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は５２％である。赤外線センサＩＭ４のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため結像性能は良好であることがわかる。図８（Ｂ）に実施例４の縦収差を示す。図８（Ｂ）に示すように、球面収差、像面湾曲、色収差が良く補正されていることがわかる。実施例４は実施例１よりも望遠型の焦点距離の光学系Ｌ０である。

［実施例５］
図９は実施例５に係る光学系Ｌ０のレンズ断面図である。実施例５は焦点距離２０ｍｍ、Ｆナンバー１．０の光学系である。実施例５の光学系Ｌ０は物体から像側へ順に配置された、シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第１レンズＬ５１、開口絞りＳ５、ゲルマニウム（Ｇｅ）材料よりなる正の屈折力の第２レンズＬ５２より構成される。

実施例５は焦点距離を実施例１に比べて広画角化にしている。物体から放射され、光学系Ｌ０で導光された赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ５を透過して赤外線センサＩＭ５上に結像する。実施例５の光学系Ｌ０の数値データを表９に示す。表９における各光学面の曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表１０に実施例５の光学系Ｌ０の非球面の非球面形状データを示す。非球面形状は、実施例１と同様（４Ｘ）式で表している。

図１０（Ａ）は実施例５のＭＴＦ図である。図１０（Ａ）中の点５１は実施例５の３０ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は４３％である。赤外線センサＩＭ５のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、結像性能は良好であることがわかる。図１０（Ｂ）に実施例５の縦収差を示す。図１０（Ｂ）に示すように、球面収差、像面湾曲、色収差が良く補正されていることがわかる。

［実施例６］
図１１は本発明の光学系Ｌ０の実施例６のレンズ断面図である。実施例６は焦点距離８ｍｍ、Ｆナンバー０．８の光学系である。

実施例６の光学系Ｌ０は物体から像側へ順に配置された、次のレンズより構成している。シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第１レンズＬ６１、開口絞りＳ１、ゲルマニウム（Ｇｅ）材料よりなる正の屈折力の第２レンズＬ６２、シリコン材料よりなる正の屈折力の第３レンズＬ１３より構成される。第１レンズＬ６１乃至第３レンズＬ６３はいずれも物体側に凸面を向けたメニスカス形状よりなっている。

物体から放射され、光学系Ｌ０で導光された赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ１を透過して赤外線センサＩＭ１上で結像する。因みに、第１レンズＬ６１と物体との間にカバーガラスを設けた場合や赤外線センサＩＭ６のカバーガラスＣＧ１の材料がゲルマニウム（Ｇｅ）以外の赤外線用の材料でも本実施例の効果は得られる。

実施例６の光学系Ｌ０の数値データを表１１に示す。表１０における各光学面の曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表１２に実施例６の光学系Ｌ０の非球面の非球面形状データを示す。非球面形状は、実施例１と同様（４Ｘ）式で表している。

表１１において、面番号は物体側から面の順番を示す。ｒｉは第ｉ番目の光学面の曲率半径、ｄｉは第ｉ番目と第（ｉ＋１）番目との間の間隔を示す。第１レンズＬ６１、開口絞りＳ６、第２レンズＬ６２、第３レンズＬ６３、カバーガラスＣＧ６の材料についても示している。これら表１、表２の表記は後述する各実施例においても同様である。

図１２（Ａ）は実施例６のＭＴＦ図である。一般的な赤外線センサのピクセルピッチは数十ミクロンである。例としてピクセルピッチが１２μｍの赤外線センサを使用することを想定すると、ナイキスト周波数は約４２ｌｐ／ｍｍとなる。このナイキスト周波数で被写体を解像するためには、経験的にＭＴＦ値が３０％以上あれば良い。図１２（Ａ）中の点１１は実施例６の４２ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は３８％である。赤外線センサＩＭ６のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため結像性能は良好であることがわかる。

図１２（Ｂ）に実施例６の縦収差を示す。図１２（Ｂ）に示すように、球面収差、像面湾曲、色収差が良く補正されていることがわかる。

実施例６はレンズ厚が厚くなる第２レンズＬ６２の材料をゲルマニウム（Ｇｅ）レンズの直径（有効径）が大きくなるが、レンズ厚の厚さを薄くできる第１レンズＬ６１の材料をシリコン（Ｓｉ）を用いている。そしてレンズ厚の厚さが薄く、レンズの直径が小さい第３レンズＬ６３をシリコン（Ｓｉ）にすることにより、高い透過率を確保しつつ、良好な光学性能を得ている。

［実施例７］
図１３は本発明の光学系Ｌ０の実施例７のレンズ断面図である。実施例７は焦点距離１８ｍｍ、Ｆナンバー０．８の光学系である。

実施例７の光学系Ｌ０は物体から像側へ順に配置された、次のレンズより構成している。シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第１レンズＬ７１、開口絞りＳ７、ゲルマニウム（Ｇｅ）材料よりなる正の屈折力の第２レンズＬ７２、ゲルマニウム（Ｇｅ）材料よりなる正の屈折力の第３レンズＬ７３より構成される。第１レンズＬ７１乃至第３レンズＬ７３はいずれも物体側に凸面を向けている。

物体から放射され、光学系Ｌ０で導光された赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ７を透過して赤外線センサＩＭ７上で結像する。実施例７の光学系Ｌ０の数値データを表１２に示す。表１２における各光学面の曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表１３に実施例７の光学系Ｌ０の非球面の非球面形状データを示す。非球面形状は、実施例６と同様に（４Ｘ）式で表している。

図１４（Ａ）は実施例７のＭＴＦ図である。図１４（Ａ）中の点７１は実施例７の４２ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は３９％である。赤外線センサＩＭ２のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、結像性能は良好であることがわかる。図１４（Ｂ）に実施例７の縦収差を示す。図１４（Ｂ）に示すように、球面収差、像面湾曲、色収差が良く補正されていることがわかる。このように本発明の光学系Ｌ０において、開口絞りの位置はどこにあっても良い。

［実施例８］
図１５は本発明の光学系Ｌ０の実施例８のレンズ断面図である。実施例８は焦点距離１８ｍｍ、Ｆナンバー０．８の光学系である。

実施例８の光学系Ｌ０は物体から像側へ順に配置された、次のレンズより構成している。シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第１レンズＬ８１、開口絞りＳ８、シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第２レンズＬ８２、シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第３レンズＬ８３より構成される。第１レンズＬ８１乃至第３レンズＬ８３はいずれも物体側に凸面を向けている。

物体から放射され光学系Ｌ０で導光された遠赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ８を透過して赤外線センサＩＭ８上で結像する。実施例８の光学系Ｌ０の数値データを表１５に示す。表１５における各光学面の曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表１６に実施例８の光学系Ｌ０の非球面の非球面形状データを示す。非球面形状は、実施例１と同様に（４Ｘ）式で表している。

図１６（Ａ）は実施例８のＭＴＦ図である。図１６（Ａ）中の点８１は実施例８の４２ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は４０％である。赤外線センサＩＭ３のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、結像性能は良好であることがわかる。図１６（Ｂ）に実施例８の縦収差を示す。図１６（Ｂ）に示すように、球面収差、像面湾曲、色収差が良く補正されていることがわかる。

［実施例９］
図１７は本発明の光学系Ｌ０の実施例９のレンズ断面図である。実施例９は焦点距離１８ｍｍ、Ｆナンバー０．８の光学系である。

実施例９の光学系Ｌ０は物体から像側へ順に配置された、次のレンズより構成している。シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第１レンズＬ９１、開口絞りＳ９、シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第２レンズＬ９２、ゲルマニウム（Ｇｅ）材料よりなる正の屈折力の第３レンズＬ９３より構成される。第１レンズＬ９１乃至第３レンズＬ９３はいずれも物体側に凸面を向けている。

物体から放射され、光学系Ｌ０で導光された赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ９を透過して赤外線センサＩＭ９上に結像する。実施例９の光学系Ｌ０の数値データを表１７に示す。表１７における各光学面の曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表１８に実施例９の光学系Ｌ０の非球面の非球面形状データを示す。非球面形状は、実施例６１と同様（４Ｘ）式で表している。

図１８（Ａ）は実施例９のＭＴＦ図である。図１８（Ａ）中の点４１は実施例９の４２ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は３６％である。赤外線センサＩＭ４のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため結像性能は良好であることがわかる。図１８（Ｂ）に実施例９の縦収差を示す。図１８（Ｂ）に示すように、球面収差、像面湾曲、色収差が良く補正されていることがわかる。

［実施例１０］
図１９は本発明の光学系Ｌ０の実施例１０のレンズ断面図である。実施例１０は焦点距離１８ｍｍ、Ｆナンバー０．８の光学系である。

実施例１０の光学系Ｌ０は物体から像側へ順に配置された、次のレンズより構成している。シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第１レンズＬ１０１、開口絞りＳ１０、ゲルマニウム（Ｇｅ）材料よりなる正の屈折力の第２レンズＬ１０２、シリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第３レンズＬ１０３を有する。更にシリコン（Ｓｉ）材料よりなる正の屈折力の第４レンズＬ１０４により構成される。第１レンズＬ１０１乃至第４レンズＬ１０４はいずれも物体側に凸面を向けている。

物体から放射され、光学系Ｌ０で導光された赤外波長域（８〜１３μｍ）の光束はカバーガラスＣＧ１０を透過して赤外線センサＩＭ１０上に結像する。実施例１０の光学系Ｌ０の数値データを表１９に示す。表１９における各光学面の曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。表２０に実施例１０の光学系Ｌ０の非球面の非球面形状データを示す。非球面形状は、実施例１と同様（４Ｘ）式で表している。

図２０（Ａ）は実施例１０のＭＴＦ図である。図２０（Ａ）中の点１０１は実施例１０の５０ｌｐ／ｍｍの周波数におけるＭＴＦ値であり、その数値は３４％である。赤外線センサＩＭ１０を１０μｍピッチのセンサとすると、センサＩＭ１０のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため結像性能は良好であることがわかる。図２０（Ｂ）に実施例１０の縦収差を示す。図２０（Ｂ）に示すように、球面収差、像面湾曲、色収差が良く補正されていることがわかる。このように、発明の効果はレンズの枚数に関わらず、有効である。

次に各実施例の光学系を用いた赤外用のカムコーダー（ビデオカメラ）（撮像装置）の実施例を図２１を用いて説明する。図２１において、１３はカメラ本体、１１は実施例１乃至１０に説明したいずれか１つの光学系によって構成された撮像光学系である。１２はカメラ本体に内蔵され、撮像光学系１１によって形成された被写体像を受光（光電変換）するマイクロボロメータ等の撮像素子（赤外線センサ）である。赤外線センサとしては、例えば酸化バナジウムやアモルファスシリコンを用いて形成されたものが採用される。この撮像装置は車載カメラや監視カメラ等へ適用できる。

以下、実施例１乃至１０の具体的な各レンズに係る数値データを表１乃至表２０に示す。各数値データにおいて、面番号ｉは物体側から数えた順序を示し、ｒｉは第ｉ番目の光学面（第ｉ面又は開口絞り）の曲率半径、ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面との間の軸上間隔を示す。また、光学部材の材料を示す。非球面係数は光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＨ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、Ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇを各々非球面係数としたとき、次の（４Ｘ）式で表している。

「ｅ−ｘ」は１０^-xを意味している。また、前述の各条件式に関するパラメータの値と数値データとの関係を表２２に示す。

Ｌ１１第１レンズＬ１２第２レンズ
Ｓｉ開口絞りＣＧ１カバーガラスＩＭ１撮像素子

Claims

物体側から像側へ順に配置された、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第１レンズ、物体側に凸面を向けたメニスカス形状の正の屈折力の第２レンズを有し、
前記第１レンズはシリコン材料から成り、
前記第２レンズはシリコン材料又はゲルマニウム材料から成り、
全系の焦点距離をｆ、前記第１レンズと前記第２レンズの光軸上の間隔をＤとするとき、
０．９０＜Ｄ／ｆ＜２．００
なる条件式を満たすことを特徴とする光学系。
前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第２レンズの焦点距離をｆ２とするとき、
０．１＜ｆ２／ｆ１＜３．０
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
前記第１レンズの焦点距離をｆ１とするとき、
１．０＜ｆ１／ｆ＜６．０
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
前記第２レンズの焦点距離をｆ２とするとき、
０．５＜ｆ２／ｆ＜６．０
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学系。
前記第１レンズの焦点距離をｆ１、前記第１レンズのレンズ厚さをｔ１とするとき、
０．００１＜ｔ１／ｆ１＜０．０６５
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学系。
前記光学系は、前記第１レンズと前記第２レンズより構成され、前記第２レンズはゲルマニウム材料から成ることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学系。
前記光学系は、物体側から像側へ順に配置された、前記第１レンズ、前記第２レンズ、物体側に凸面を向けた正の屈折力の第３レンズより構成され、前記第３レンズはシリコン材料又はゲルマニウム材料から成ることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学系。
前記光学系は、物体側から像側へ順に配置された、前記第１レンズ、前記第２レンズ、物体側に凸面を向けた正の屈折力の第３レンズ、物体側に凸面を向けた正の屈折力の第４レンズ、より構成され、前記第４レンズはシリコン材料又はゲルマニウム材料から成ることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学系。
前記第２レンズの焦点距離をｆ２、前記第３レンズの焦点距離をｆ３とするとき、
０．１＜ｆ３／ｆ２＜２．０
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項７または８に記載の光学系。
前記第３レンズの焦点距離をｆ３とするとき、
０．１＜ｆ３／ｆ＜３．０
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載の光学系。
請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学系と、該光学系によって形成された像を光電変換する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。