JP3208259U - 近赤外撮像レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の像平面への撮像において、対象近赤外（ＮＩＲ）波長で動作する光学系を提供する。【解決手段】光学系２０は、被写体側から画像側３６へと順に配置された複数の光学的要素、すなわち、対象ＮＩＲ波長で第１の屈折率を有する第１の材料を含み、正の屈折力を有する第１のレンズ２２と、第１の材料を備え、メニスカス形状を有する第２のレンズ２４と、第１の材料を備え、メニスカス形状を有する第３のレンズ２６と、対象ＮＩＲ波長で第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する第２の材料を含み、非球面形状の前面及び後面を有する第４のレンズ２８と、を含む。これらの非球面係数は、光線が第４のレンズ２８内で内部全反射せず、像平面に当たるように選択される。【選択図】図１

Description

本考案は概して光学に関し、特に高解像度撮像レンズに関するものである。

近赤外（ＮＩＲ）撮像装置は、８００ｎｍから１３００ｎｍの波長範囲にある光を捕捉する。かかる装置はとりわけ、医療診断、食物検査、及び暗視に使用される。ＮＩＲ撮像装置は、パターンベースのデプスマッピングなど、種々の消費者向け電子技術における用途への関心も高めてきた。

以下に説明される本考案の実施形態は、改良された光学系及びそれらの設計方法を提供する。

そのため、本考案の一実施形態によれば、被写体の像平面への撮像において対象近赤外（ＮＩＲ）波長で動作する光学系が提供される。この系は、被写体側から画像側へと順に配置された以下の複数の光学的要素、すなわち、対象ＮＩＲ波長で第１の屈折率を有する第１の材料を含み、正の屈折力を有する第１のレンズと、第１の材料を含み、第１のメニスカス形状を有する第２のレンズと、第１の材料を含み、第２のメニスカス形状を有する第３のレンズと、対象ＮＩＲ波長で第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する第２の材料を含む第４のレンズと、を含む。第４のレンズは、非球面形状の前面及び後面であって、これらの面のうちの少なくとも１つ内に少なくとも１つの変曲点を有し、かつ、被写体から後面に達する光線が第４のレンズ内で内部全反射せず、像平面に当たるように選択された非球面係数を有する前面及び後面を有する。

いくつかの実施形態において、この系は、第４のレンズと像平面との間に配置され、対象ＮＩＲ波長以外の光を遮断するように構成された帯域通過フィルタを含む。

開示された実施形態において、これらの光学的要素は、８０°を上回る全対角視野と、視野の縁端において軸上における画像輝度の３０％を上回る画像輝度と、を有する画像をＦ／２．０で形成するように構成されている。

この系は、第１のレンズに隣接する開口絞りを含むのが典型的である。

開示された実施形態において、第１のレンズは、凸型の前面を有し、第４のレンズの前面及び後面の両方がそれぞれの変曲点を有する。

いくつかの実施形態において、第４のレンズの前面及び後面の非球面係数は、被写体側から系へ進入する光線が交差し得るどの場所でも、前面及び後面のいずれかに対する接平面が、系の光軸に直角な平面に対して既定の最大角度を超えない角度だけ傾斜しているように選択される。一実施形態において、これらの光学的要素は、８０°を上回る全対角視野を有する画像をＦ／２．０で形成するように構成され、既定の最大角度は４５°未満である。

そのため、本考案の一実施形態によれば、被写体の像平面への撮像において対象近赤外（ＮＩＲ）波長で動作する光学系を製造する方法も提供される。この方法は、複数の光学的要素、すなわち、対象ＮＩＲ波長で第１の屈折率を有する第１の材料を含み、正の屈折力を有する第１のレンズと、第１の材料を含み、第１のメニスカス形状を有する第２のレンズと、第１の材料を含み、第２のメニスカス形状を有する第３のレンズと、対象ＮＩＲ波長で第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する第２の材料を含み、非球面形状の前面及び後面を有し、これらの面のうちの少なくとも１つ内に少なくとも１つの変曲点を有する、第４のレンズと、を被写体側から画像側への順に配置することを含む。第４のレンズの前面及び後面の非球面係数は、被写体から後面に達する光線が第４のレンズ内で内部全反射せず、像平面に当たるように選択される。本考案は、下記の図面と併せて解釈される、以下の本考案の実施形態の詳細な説明からより完全に理解されよう。

本考案の一実施形態にかかる光学系の模式側面図である。 図１の光学系の視野全体にわたる角度（画像の高さ）の関数としての変調伝達関数（ＭＴＦ）のプロットである。 図１の光学系の視野全体にわたる角度（画像の高さ）の関数としての光量低下のプロットである。 系内で反射する光線の軌跡を示す例示的な光学系の模式側面図である。 本考案の一実施形態にかかる、像平面上への内部全反射を避けながら系内で反射する光線の軌跡を示す図１の光学系の模式側面図である。

現行のＮＩＲ撮像装置は、可視（ＶＩＳ）写真用に設計された撮像レンズを基に、ＮＩＲ帯域通過フィルタを加えて改良したものが最も一般的である。ただし、かかる系の性能及びフォームファクタは、ＶＩＳとＮＩＲとの間のスペクトルの違いによって妨げられ得る。特に、光学材料は、ほとんどのＮＩＲ撮像用途での対象スペクトル領域の分散が概して低い。この特性により、特定のＮＩＲスペクトル領域内での収差制御を容易にするために、屈折率と分散の高い材料をＮＩＲ撮像レンズ内に配置することができる。その一方で、かかる配置は、過剰な色収差が生じることから、一般にＶＩＳ撮像には適さない。そのため、ＮＩＲ狭帯域撮像用途で使用されるレンズ系には、異なる設計上の検討事項が該当する。

本考案の実施形態は、この設計手法を利用して、例えばポータブル電子デバイスにおける、高解像度ＮＩＲ撮像に使用できる高速、広角、小型の撮像レンズを提供する。以下に記載されている特定の実施形態は、８４°の全対角視野を有し、光学歪みが画像全体で２％を超えないＦ／２．０で動作可能なこの種のレンズを提供する。

かかるレンズは、単一のＮＩＲ波長で動作するように設計されていることから、この設計は色収差を考慮する必要がない。代わりに、このレンズ設計は、画像の隅において少ない光量低下を維持することに加え、レンズ面での内部全反射（ＴＩＲ）によるフレアを最小化するように最適化されている。この２つの特性は、投影パターンに基づくデプスマッピングなど、像面全体の再現性の高さ、及び迷光などの環境ノイズに対する耐性の高さを有する良好な画像再現を必要とするＮＩＲ撮像用途に極めて重要である。

図１は、本考案の一実施形態にかかる、請求された設計群の一例として提示されたＮＩＲ光学系２０の模式側面図である。先述のとおり、描かれている設計は、８４°の全対角視野と、画像全体で２％未満の光学歪みと、を有し、Ｆ／２．０で動作することができる。この設計は、特にポータブル電子デバイスにおいて、安価でコンパクト、そして高品質のＮＩＲ撮像用途向けソリューションを提供する。

光学系２０は、被写体側（図の左部）から像平面３６（右部）への順にレンズ２２、２４、２６、及び２８と付番された、屈折力を有する４つのレンズ要素を備える。レンズ２２が凸型の前面３０及び正の屈折力を有するのに対し、レンズ２８は、少なくとも後ろ側レンズ面３２内に少なくとも１つの変曲点を有し負の屈折力を有する。レンズ２４及び２６は、低度の屈折力を有するメニスカス要素であり、例えば、そのうちの一方が正、他方が負であり得る。描かれた実施例においては、レンズ２４及び２６の前側が凹型、後ろ側が凸型だが、これらのレンズのうちの少なくとも１つが逆になっていて、前側が凸型、後ろ側が凹型であってもよい。光学系２０は、対象となるスペクトル領域の外側における無用な光の干渉をなくすためのＮＩＲ帯域通過フィルタ３４を含む。

レンズ２２、２４、及び２６が、ＥＰ５０００など、第１の高屈折率（その設計の赤外線基準波長である９４０ｎｍで屈折率＝１．６１３を有する）材料を備えるのに対し、レンズ２８は、ＡＰＥＬ９などの低屈折率（その設計の赤外線基準波長である９４０ｎｍでｎ＝１．５０８）材料を備える。これらの材料のアッベＶ数は、ＥＰ５０００の場合でＶｄ＝２３．８、ＡＰＥＬの場合でＶｄ＝５５．９である。レンズ２２、２４、及び２６が同じ材料を備えることは、設計及び製造には便利だが、代替実施形態においては、この３枚のレンズのうちの少なくとも１枚が、異なる高屈折率の材料を備え得る。描かれている設計においては、全ての面が非球面だが、代替実施形態においては、レンズ２２、２４、及び２６の面のうちの１つ以上が球状であり得る。レンズ２８は、像平面における像面湾曲及び歪曲を減じるように設計された屈折状の前面及び後面を有する双非球面である。

図１に示す設計は、光学系の輝度を制御する際に有用な開口絞り３８を含む。図１においては、開口絞り３８が光学系２０の被写体側に示されているが、代替として、例えば、レンズ２２と２４との間など、他の場所に位置してもよい。開口絞り３８の場所は、系の総トラック長（ＴＴＬ）の短縮化も支援する。このことは、ポータブル電子デバイスなど、特に消費者向け用途において望ましい。

図１に示す光学系２０の正確な設計パラメータは、付録に列記されている。これらのパラメータは、例としてのみ提示される。本記載内容を読めば、本明細書に記載の原理を実装する他の設計が当業者にとって明らかであろうし、それらは本考案の範囲内であるものとみなされる。

図２及び図３は、光学系２０の視野全体にわたる、角度（画像の高さ）に伴うＭＴＦ及び光量低下をそれぞれ示す。図２の複数の曲線は、以下の光軸に対する画像の高さに対応する。
−回折限界（４０）
−画像の高さゼロ（４２）
−画像の高さ１．１３５ｍｍ、横方向（４４）、
−画像の高さ１．１３５ｍｍ、半径方向（４６）
−画像の高さ１．５８９ｍｍ、横方向（４８）
−画像の高さ１．５８９ｍｍ、半径方向（５０）
−画像の高さ２．２７０ｍｍ、横方向（５２）
−画像の高さ２．２７０ｍｍ、半径方向（５４）

像面の中央では、ＭＴＦが、２００サイクル／ｍｍまで０．５を超えており、一方、像面の縁端でも、約１００サイクル／ｍｍまでＭＴＦが依然として０．５を超えている。像面の最縁端でも、画像輝度は、光軸における輝度の３５％を超えている。そのため、ＮＩＲ電子撮像系に組み込まれたとき、光学系２０は、画像センサの最縁端まで有用な水準の画像輝度及び解像度を提供する。

レンズ２８は、内部全反射（ＴＩＲ）を原因とするフレアと、それによる「ゴースト」と、を厳に最小化するように入念に設計されている。この要件は、レンズ２８に低屈折率材料を使用することにより、及び、任意の点におけるレンズ面に対する法線とその点に当たる光線との間の角度が、ＴＩＲ角度未満となるようにレンズの面を設計することにより、少なくとも部分的に満たされる。換言すれば、レンズ２８の前面及び後面の非球面係数は、被写体から後面に達する光線が、第４のレンズ内で内部全反射をせず、像平面に当たるように選択される。

図４Ａは、系２０との比較を目的とした、系内で反射する高角度光線７０の軌跡を示す例示的な光学系６０の模式側面図である。系６０は系２０と設計が類似しているが、非球面係数を選択する際にＴＩＲの制限を考慮していない。光線７０は、（レンズ２２、２４、及び２６に類似している）初めの３枚のレンズを通過し、その後、レンズ６８の後面７２で内部反射した後、レンズの前面７４でＴＩＲする。反射した光線７６が、像平面３６にゴースト画像を作る。

図４Ｂは、本考案の一実施形態にかかる、このゴースト画像が本設計によって回避されることを示す系２０の模式側面図である。概して、内部反射によるフレアは、レンズの後面８２及び前面８４において高角度を避けるようにレンズ２８を設計することによって避けることができる。具体的には、レンズ２８の後面８２又は前面８４のいずれかへの接平面が、被写体側から系２０へ進入する光線が交差し得るどの場所においても、光軸に直角な平面に対して特定の最大角度以下、例えば、本事例においては４５°以下、の角度だけ傾斜しているように面の非球面係数が選択される。（面７２の傾きの高角度であることは、図４Ａで確認することができる。）結果的に、面８２から反射した光線８６は、レンズ２８内で内部全反射をせず、前方へと通過して無害な散乱場所に達する。

本考案の他の実施形態においては、接平面の傾きの制限角度が、例えば、Ｆ値、視野、及び画像センサの特性など特定の設計パラメータによって小さくも大きくもなり得るが、系における最後のレンズの面の傾き角度も同様に制限される。

したがって、上述の実施形態は例として挙げられており、本考案は、以上に具体的に図示され説明されたものに限定されないことが理解されるであろう。むしろ、本考案の範囲は、以上に説明した様々な特徴の組み合わせ及び部分的組み合わせの両方、並びに当業者であれば前述の説明を読むことによって想到するであろう従来技術に開示されていないそれらの変型及び修正を含む。

付録−レンズリスト
以下のリストは、図１に示す設計についてのものである。「曲率半径」列は軸上の各レンズ面の曲率半径を表し、「厚み」列は、その設計における所与の面から次の面までの距離を表す。ＦＯＶは、系の全対角視野を表す。設計の基準波長は９４０ｎｍである。光学材料は、屈折率ｎ_d及びアッベ数ｖ_dで規定される。

式中、ｚはｚ軸に平行な面のサグである。

ｃは面の極における曲率である。

Ｋは円錐定数である。

Ａ₄〜Ａ₂₄は非球面係数である。

Claims (7)

1. 被写体の像平面への撮像において対象近赤外（ＮＩＲ）波長で動作する光学系であって、被写体側から画像側へと順に配置された複数の光学的要素、すなわち、
   前記対象ＮＩＲ波長で第１の屈折率を有する第１の材料を備え、正の屈折力を有する第１のレンズと、
   前記第１の材料を備え、第１のメニスカス形状を有する第２のレンズと、
   前記第１の材料を備え、第２のメニスカス形状を有する第３のレンズと、
   第４のレンズであって、前記対象ＮＩＲ波長で前記第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する第２の材料を備え、非球面形状の前面及び後面であって、前記面のうちの少なくとも１つ内に少なくとも１つの変曲点を有し、前記被写体から前記後面に達する光線が前記第４のレンズ内で内部全反射せず、前記像平面に当たるように選択された非球面係数を有する前面及び後面を有する第４のレンズと、
   を備える光学系。
2. 前記対象ＮＩＲ波長以外の光を遮断するように構成され、前記第４のレンズと前記像平面との間に配置された帯域通過フィルタを備える、請求項１に記載の光学系。
3. 前記光学的要素が、前記画像の視野の縁端において軸上における画像輝度の３０％を上回る画像輝度を有する画像を形成するように構成されている、請求項１に記載の光学系。
4. 前記第１のレンズに隣接する開口絞りを備える、請求項１に記載の光学系。
5. 前記第１のレンズが凸型の前面を有し、前記第４のレンズの前記前面及び後面の両方がそれぞれの変曲点を有する、請求項１に記載の光学系。
6. 前記前面及び後面のいずれかに対する接平面が、前記被写体側から前記系へ進入する光線が交差し得るどの場所でも、前記系の光軸に直角な平面に対して既定の最大角度を超えない角度だけ傾斜しているように、前記第４のレンズの前記前面及び後面の前記非球面係数が選択される、請求項１に記載の光学系。
7. 前記光学的要素が、８０°を上回る全対角視野を有する画像をＦ／２．０で形成するように構成され、前記既定の最大角度が４５°以下である、請求項１に記載の光学系。

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