JP4435341B2 - 赤外線レンズ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外光用の結像レンズに関し、特に、長波長の赤外光に適したレンズシステムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
波長8000〜12000nm(波長8〜12μm)の赤外光(赤外線)は太陽光の影響を受けずに温度、画像およびその他のデータを取得することができるなどの利用分野がある。このため、この長波長帯の赤外線を結像することにより画像あるいは温度を検出する光学装置あるいは測定機器が開発されている。例えば、温度分布を検出する装置においては、検出面において温度差の感知精度を確保するためにF値の小さいレンズが要求される。また、高解像を達成するためには、中心から周辺部までのコマ収差、像面湾曲、歪曲収差の小さなレンズあるいはレンズシステムが要求される。
【0003】
波長が8から12μmの赤外光用のレンズは、赤外線の透過率を考慮すると光学材料にはゲルマニウムが使用される。ゲルマニウムの屈折率はこの波長領域で4程度と非常に大きい。したがって、レンズの曲率は小さくて良いので球面収差などの補正はほとんど必要とされない。また、ゲルマニウムのこの波長領域での色分散は非常に小さいので色収差も大きくない。このため、従来、この長い波長帯では、1枚あるいは2枚程度の比較的簡単な構成のレンズあるいはレンズシステムが採用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、この波長領域においても、検出面においてさらに高い感知精度が要求されており、このため、F値の小さな、たとえばF値が1あるいはそれ以下のレンズ(レンズシステム)が要求されている。そして、F値が小さくなると、コマ収差、像面湾曲あるいは歪曲収差を小さくすることが難しくなる。さらに、この波長領域においても、望遠レンズとしての機能を持つ焦点距離が100mm程度の長焦点レンズが要求されており、焦点距離が長くなると、さらに収差を小さくすることが難しくなる。
【0005】
そこで、本発明においては、長波長の赤外光に対し、上記のような要求を満たすことができる赤外線レンズを提供することを目的としている。さらに、この赤外線レンズに用いられる材質は非常に高価なゲルマニウムであり、レンズを小型化してコストを下げることが要求される。したがって、本発明においては、小型で、さらに、結像性能の良い赤外線レンズを提供することも目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明においては、少なくとも4枚のゲルマニウム製のレンズを用いた3群構成の赤外線レンズ(赤外線レンズシステム)を提供することにより、長波長領域でF値が1以下と小さく、長焦点距離で、さらに十分な収差性能とバックフォーカスを持ったレンズを実現している。すなわち、本発明にかかる赤外線レンズは、物体側から像側に向かって順に、物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズを備えた第1のレンズ群と、物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズ、および少なくとも1つの物体側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズを備えた負の屈折力の第2のレンズ群と、少なくとも1つの物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズを備えた正の屈折力の第3のレンズ群とを有し、これら第1、第2および第3のレンズ群はゲルマニウム製のレンズで構成されていることを特徴としている。
【0007】
上述したように、ゲルマニウムは屈折率が大きく曲率を大きくしなくても(曲率半径を小さくしなくても)屈折力を確保できる。また、曲率を大きくしないほうがレンズを薄くすることができるのでコストも安い。その一方で、曲率が小さいとレンズ間の反射によるゴースト(ナルシサス)が発生し易い。そして、このレンズを採用する赤外線を検出する装置では、可視光と異なり人間が識別できないので、ゴーストがすべて記録および評価の対象となってしまう。このため、本発明の赤外線レンズでは、全てのレンズを物体側に凸のメニスカスレンズとすることによりゴーストの発生を最小限にしている。
【0008】
また、F値を小さくするために、最も物体側のレンズ径を大きくする必要があるが、いわゆるトリプレット型のレンズ構成とは異なり、正の第1のレンズ群に対し、負の第2のレンズ群を独立させて、レンズ間の距離を開けることにより、最も物体側のレンズに対し第2のレンズ群以降のレンズ径を小さくし、コストを低減できる構成としている。さらに、負のパワーの第2のレンズ群と、正のパワーの第3のレンズ群の組み合わせにより、光線を平行化し、十分な量のバックフォーカスが確保できるようにしている。
【0009】
本発明のレンズシステムにおいて、レンズ径が最も大きくなるのは最も物体側のレンズである。したがって、このレンズを小型化することがコストを下げる上で重要である。そして、小型でF値を小さくするには最も物体側のレンズの曲率を大きくすることが望ましい。しかしながら、最も物体側のレンズの曲率を大きくすると収差を補正するためには第2のレンズ群のパワーを上げる必要がある。このため、第2のレンズ群の焦点距離f2は、第1のレンズ群の最も前記物体側の面の曲率半径r1に対し、以下の条件を満足することが望ましい。
【0010】
|f2/r1| < 0.6 ・・・(A)
この式(A)の上限を超えると、コマ収差および像面湾曲の補正が困難になってくる。
【0011】
また、第2および第3のレンズ群の間隔を広くした方が諸収差の変動は小さくなるが、第2あるいは第3のレンズ群のレンズ径が大きくなる。したがって、第2のレンズ群および第3のレンズ群の距離D23は、赤外線レンズの焦点距離fに対し以下の条件を満足することが望ましい。
【0012】
D23/f < 0.4 ・・・(B)
この式(B)の上限を超えると、レンズ径、特に第2のレンズ群のレンズ径が大きくなるので、高価なレンズになってしまう。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1に、本発明にかかる赤外レンズ(レンズシステム)の一例を示してある。本例のレンズ1は、物体側2から像側3に向かって順に並んだ、正の屈折力の第1のレンズ群G1、負の屈折力の第2のレンズ群G2および正の屈折力の第3のレンズ群G3によって構成されている。第1のレンズ群G1は、物体側2に凸の正のメニスカスレンズL11によって構成されている。また、第2のレンズ群G2は、物体側2に凸の正のメニスカスレンズL21と、物体側2に凸の負のメニスカスレンズL22と、さらに、物体側2に凸の負のメニスカスレンズL23により構成されている。また、第3のレンズ群G3は、物体側2に凸の正のメニスカスレンズL31により構成されている。
【0014】
このように、本例の赤外線レンズ1は、計5枚のレンズを用いた3群構成であり、それぞれのレンズのデータは次の通りである。なお、以下に示すレンズデータにおいて、riは物体側2から順番に並んだ各レンズの曲率半径(mm)、diは物体側2から順番に並んだ各レンズ面の間の距離(mm)であり、レンズの材質はすべてゲルマニウムである。
【0015】
レンズデータ
また、このレンズシステム1の合成焦点距離(以降においては焦点距離)f、第2のレンズ群の合成焦点距離(以降においては焦点距離、但し絶対値で示す)f2、F値およびバックフォーカスは次の通りである。
【0016】
焦点距離 f=100.00
焦点距離 f2= 62.82
F値 0.80
バックフォーカス 19.71mm
さらに、距離d8が第2および第3のレンズ群の間隔にあたるので、上述した条件は次のようになる。
【0017】
条件(A) |f2/r1| =0.46
条件(B) D23/f =0.25
このように、本例の赤外線レンズ1は、全て物体側2に凸のゲルマニウム製のメニスカスレンズで構成されており、焦点距離fが100mmと長く、また、F値が0.8と非常に明るいレンズシステムである。また、図2および図3に示してあるように、収差も良好に補正されている。なお、図2には、球面収差、非点収差および歪曲収差を示してあり、図3には、球面収差を横収差図により示してある。各々の球面収差は、8000nm(破線)、10000nm(実線)および12000nm(一点鎖線)の各波長における収差を示している。また、非点収差および横収差図においては、タンジェンシャル光線(T)およびサジタル光線(S)の収差をそれぞれ示してある。これらの図から判るように、本例の赤外線レンズ1の縦収差および横収差は、ほぼ±0.1mm程度の範囲に入り、さらに、非点収差および歪曲収差も非常に低い値に補正されている。
【0018】
このように、本例の赤外線レンズ1は、8〜12μmの長波長の赤外線領域においてF値が非常に小さく、例えば本例のレンズが温度分布を検出する装置に用いられた場合に、その検出面において非常に高い温度差の感知精度を確保することができる。また、中心から周辺部までのコマ収差、像面湾曲、歪曲収差の小さなレンズであることが示されており、解像度の高い検出結果を得ることができる。さらに、バックフォーカスも充分に大きいので、検出装置などに本例の赤外線レンズを組み込むことも容易である。
【0019】
また、本例の赤外線レンズ1を構成する全てのレンズは物体側に凸のメニスカスレンズであるので、ゴーストが発生することはなく、その影響が検出装置に表れることもない。したがって、精度の高い温度検出に適した赤外線レンズとなっている。さらに、計5枚のゲルマニウム製のレンズを採用しているが、最も物体側のレンズL11の曲率はそれほど大きくない範囲で薄くすることによりコストダウンを図っている。そして、条件(A)を満足するように曲率r1と、第2のレンズ群のパワー(焦点距離f2)を設定することによりレンズ径も適当な大きさで上記のようにF値が小さく、その一方で収差性能の良い赤外線レンズを得ている。また、条件(B)を満足するように第2および第3のレンズ群の間の距離(空気間距離)を設定することにより第2および第3のレンズ群を構成するレンズ径を小さくしてコストダウンを図っている。
【0020】
図4に、本発明にかかる赤外線レンズの異なる例を示してある。このレンズ1も上記と同様に物体側2から像側3へ、正の屈折力の第1のレンズ群G1と、負の屈折力の第2のレンズ群G2と、正の屈折力の第3のレンズ群G3が順番に配置されたレンズシステムである。第1のレンズ群G1およびは第2のレンズ群G2は、上記と物体側2に凸の正のメニスカスレンズL11、物体側2に凸の正のメニスカスレンズL21、物体側2に凸の負のメニスカスレンズL22および物体側2に凸の負のメニスカスレンズL23により各々構成されている。また、第3のレンズ群G3は、物体側2に凸の正のメニスカスレンズL31に続き、物体側2に凸の正のメニスカスレンズL32の2枚により構成されている。また、これらレンズはすべてゲルマニウム製である。したがって、本例の赤外線レンズ1は、計6枚構成であり、各々のレンズのデータは以下の通りである。
【0021】
レンズデータ
また、このレンズシステム1の焦点距離f、第2のレンズ群の焦点距離f2、F値およびバックフォーカスは次の通りである。
【0022】
焦点距離 f= 99.99
焦点距離 f2= 58.97
F値 0.70
バックフォーカス 20.03mm
さらに、距離d8が第2および第3のレンズ群の間隔にあたるので、上述した条件は次のようになる。
【0023】
条件(A) |f2/r1| =0.42
条件(B) D23/f =0.12
本例の赤外線レンズ1も、全て物体側2に凸のゲルマニウム製のメニスカスレンズで構成されており、焦点距離fがほぼ100mmと長く、また、F値が0.7とさらに明るいレンズシステムとなっている。また、図5および図6に示してあるように、収差も良好に補正されている。特に像面歪曲はほとんど見られず、歪みのない画像あるいは検出結果を得ることができる赤外線レンズであることが判る。
【0024】
このように、本例の赤外線レンズ1も、8〜12μmの長波長の赤外線領域においてF値が非常に小さく、上記のレンズと同様に温度分布を検出する装置に用いられた場合に、その検出面において非常に高い温度差の感知精度を確保することができ、それと共に諸収差は非常に小さいので高解像度の検出結果を得ることができる。また、バックフォーカスも充分に大きいので、装置に本例の赤外線レンズを組み込むことが容易である。
【0025】
そして、本例の赤外線レンズ1も全て物体側に凸のメニスカスレンズで構成されておりゴーストの発生しにくい構成となっている。また、計6枚のゲルマニウム製のレンズを採用しているが、最も物体側のレンズL11の曲率はそれほど大きく設定せずに径がそれほど大きくならない範囲で薄くしており、条件(A)および(B)を満足することにより、低コストで性能の良い赤外線レンズとなっている。
【0026】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、8から12μmという長波長領域の赤外光に適した複数のゲルマニウム製のレンズを用い、F値が1.0と非常に明るく、さらに、焦点距離が100mm程度と長焦点であり、さらに、諸収差の小さな赤外線レンズシステムを開示している。すなわち、本発明におけるレンズシステムでは、全てのレンズを物体側に凸のメニスカスレンズとすることによりゴーストの発生を避け、さらに、物体側から正−負−正の屈折力の3群構成にすることにより、長波長領域で長焦点距離でありながらF値が小さく、収差も小さなレンズシステムを実現している。したがって、本発明により、長波長の赤外線画像の撮影あるいは温度検出などに使用でき、コンパクトで無限遠から近距離まで視野全域で高い結像性能を備えた低コストの赤外線レンズを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態にかかる赤外線レンズの構成を示す図である。
【図2】図1に示す赤外線レンズの縦収差図である。
【図3】図1に示す赤外線レンズの横収差図である。
【図4】本発明の実施の形態にかかる上記と異なる赤外線レンズの構成を示す図である。
【図5】図4に示す赤外線レンズの縦収差図である。
【図6】図4に示す赤外線レンズの横収差図である。
【符号の説明】
1 赤外線レンズ(レンズシステム)
2 物体側
3 像側
G1 第1のレンズ群
G2 第2のレンズ群
G3 第3のレンズ群
Claims (3)
- 物体側から像側に向かって順に、
前記物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズからなる第1のレンズ群と、
前記物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズ、および2枚の前記物体側に凸の負の屈折力のメニスカスレンズからなる負の屈折力の第2のレンズ群と、
前記物体側に凸の正の屈折力のメニスカスレンズからなる正の屈折力の第3のレンズ群とから構成され、これら第1、第2および第3のレンズ群はゲルマニウム製のレンズで構成され、前記第2のレンズ群の焦点距離f 2 および、前記第1のレンズ群の最も前記物体側の面の曲率半径r 1 が、以下の条件を満足する赤外線レンズ。
|f 2 /r 1 | < 0.6 - 請求項1において、前記第2のレンズ群および第3のレンズ群の距離D23および該赤外線レンズの焦点距離fが、以下の条件を満足することを特徴とする赤外線レンズ。
D23/f < 0.4 - 請求項1または2に記載の赤外線レンズと、
前記赤外線レンズを介して赤外線を検出する系とを有する検出装置。
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