JP2012173561A - 赤外線レンズ - Google Patents

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Abstract

【課題】、十分な明るさすなわち開口数を確保した上で、１０μｍ前後の波長域においても色収差が残存せず、また、球面収差、コマ収差及び像面湾曲を十分に補正して、鮮明な結像をえることができる赤外線レンズを提供すること。
【解決手段】物体側から順に、正の第１レンズ群、負の第２レンズ群、正の第３レンズ群からなり、前記第２レンズ群の材料が第１レンズ群及び第３レンズ群の材料の分散より大きくなることを特徴とする赤外線レンズ。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線レンズ、さらに詳しくは、赤外線による鮮明な結像を形成することによって赤外線サーモグラフィーや監視カメラに好適に使用できる赤外線レンズに関する。ここで、赤外線とは、波長が３０００〜５０００ｎｍの中赤外線、及び波長が８０００〜１４０００ｎｍの遠赤外線を含む放射である。
医療用や工業用に用いられる、１０μｍ前後の波長を使用する遠赤外線用の検知器やビジコンは、感度が低い。また、これらの光学系に使用されているゲルマニュウムは、一般の光学レンズに比較して透過率が低い。従って、これらの測定器の光学系は、小口径比のいわゆる明るいことが求められている。
従来の赤外線レンズとしては、物体側から、凸面を物体側へ向けた凸メニスカスレンズの第１レンズ、凹レンズである第２レンズ、及び凹面を物体側に向けた凸メニスカスレンズの第３レンズからなる３群３枚構成に赤外線レンズにおいて、
ｆ ： 全系の焦点距離
ｆ１： 第１レンズの焦点距離
ｒｉ： 物体側からｉ番目のレンズ面の曲率半径
ｄｉ： 物体側からｉ番目のレンズ面間隔又は厚さ
とするとき、
０．７９≦／ｆ／ｆ１＜０．８７
−０．４３≦（ｒ１＋ｒ５）／ｒ３≦０．０７６
０．１５１ｆ≦（ｄ１＋ｄ３＋ｄ５）≦０．１７６ｆ
の各条件を満足する赤外線レンズが提案されている（特許文献１参照）。
他の従来技術の赤外線レンズとしては、２枚のメニスカスレンズにより構成し、所定の条件式を満足することにより、低コスト化および低重量化を図るとともに、コンパクトかつ実用上十分な結像性能を有する赤外線レンズが提供されている。すなわち、物体側に凸面を向けた正の屈折力を有するメニスカスレンズからなる第１レンズＬ1と第２レンズＬ2により構成される。また、以下の条件式（１）〜（４）を満足する。
０．８＜Ｒ1凸／ｆ＜３．０ （１）
０．３＜Ｒ2凸／ｆ＜１．２ （２）
０．８＜Ｄ ／ｆ＜１．４ （３）
Ｎ1＞２．０、Ｎ2＞２．０ （４）
但し、ｆは全系焦点距離、Ｒ1凸およびＲ2凸は第１レンズＬ1および第２レンズＬ2の凸面側曲率半径、Ｄは第１レンズＬ1と第２レンズＬ2との間隔、Ｎ1およびＮ2は第１レンズＬ1および第２レンズＬ2の屈折率であり、各レンズＬ1、Ｌ2の材料は、ゲルマニウムである（特許文献２参照）
特開昭６２−３０２０８号公報 特開２０００−７５２０３号公報
特許文献１の赤外線用レンズは、１０μｍ前後の波長域において色収差が残存し、さらに、球面収差及び像面湾曲が十分に補正されておらず、改造性能が低く、鮮明な結像を得ることができない。
特許文献２の赤外線用レンズは、１０μｍ前後の波長域において色収差が残存し、解像性能が低く鮮明な結像を得ることができない。さらに、光学全長が長くなり、小型化に適さないという問題がある。
（発明の目的）
本発明は、従来の赤外線レンズに関する上述した問題点に鑑みてなされたものであって、十分な明るさすなわち開口数を確保した上で、１０μｍ前後の波長域においても色収差が残存せず、また、球面収差、コマ収差及び像面湾曲を十分に補正して、鮮明な結像をえることができる赤外線レンズを提供することを目的とする。
本発明は、物体側から順に、正の第１レンズ群、負の第２レンズ群、正の第３レンズ群からなり、前記第２レンズ群の材料が第１レンズ群及び第３レンズ群の材料の分散より大きくなることを特徴とする。
ゲルマニウムの屈折率は、n(8μm)：4.0074 ／ n(10μm)：4.0052 ／ n(12μ)：4.0039である。分散の演算式 [ n(8μm) - n(12μm) ] ／ [ n(10μm) - 1 ] によって演算すると、ゲルマニウムの分散は、0.0012である。
セレン化亜鉛の屈折率は、n(8μm)：2.5917 ／ n(10μm)：2.5861 ／ n(12μ)：2.5794である。分散の演算式 [ n(8μm) - n(12μm) ] ／ [ n(10μm) - 1 ] によって演算すると、セレン化亜鉛の分散は、0.0078である。
セレン化亜鉛の屈折率は、n(8μm)：2.4163 ／ n(10μm)：2.4053 ／ n(12μ)：2.3915である。分散の演算式 [ n(8μm) - n(12μm) ] ／ [ n(10μm) - 1 ] によって演算すると、セレン化亜鉛の分散は、0.0176である。
本発明によれば、十分な明るさすなわち開口数を確保した上で、１０μｍ前後の波長域においても色収差が残存せず、また、球面収差、コマ収差及び像面湾曲を十分に補正して、鮮明な結像をえることができる赤外線レンズを構成することができる。
本発明の実施態様は、以下の通りである。
本発明において、前記第２レンズ群の材料が、カルコゲナイトであることを特徴とする。
このように構成することによって、光学特性や供給が安定して供給される材料を使用して、１０μｍ前後の波長域においても色収差を十分に補正することができる効果を得ることができる。
他の実施態様は、本発明において、前記第２レンズ群の材料が、セレン化亜鉛であることを特徴とする。
このように構成することによって、光学特性や供給が安定して供給される材料を使用して、１０μｍ前後の波長域においても色収差を十分に補正することができる効果を得ることができる。
他の実施態様は、本発明において、前記赤外線レンズの焦点距離をｆ、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とするとき、
０．８≦ｆ／ｆ１≦１．１ （１）
の条件を満たすことを特徴とする。
このように構成することによって、球面収差を良好に低減させ、特に軸上の解像性能を向上させることができる。
他の実施態様は、本発明において、前記赤外線レンズのいずれか一面が、非球面であることを特徴とする。
このように構成することによって、コマ収差を良好に低減させることができる。
他の実施態様は、本発明において、前記赤外線レンズのいずれか一面が、非球面回折素子であることを特徴とする。
このように構成することによって、色収差を良好に低減させることができる。
他の実施態様は、本発明において、前記第３レンズ群を光軸に直交する方向に変位させて像振れを補正することを特徴とする。
前記第３レンズ群は、前記第１レンズ群より直径が小さく軽量であり、光軸に直交する方向により容易に変位させることができる。また、前記第３レンズ群を光軸と直交する方向へ変位させるための駆動機構は、レンズ系の中間部及び後方部に配置することができ、レンズ全体をコンパクトにまとめることができる。
本発明の第１実施形態の赤外線レンズの光学断面図である。 本発明の第１実施形態の赤外線レンズの球面収差図である。 本発明の第１実施形態の赤外線レンズの非点収差図ある。 本発明の第１実施形態の赤外線レンズのメリジオナルコマ収差図ある。 本発明の第１実施形態の赤外線レンズのサジタルコマ収差図である。 本発明の第２実施形態の赤外線レンズの光学断面図である。 本発明の第２実施形態の赤外線レンズの球面収差図である。 本発明の第２実施形態の赤外線レンズの非点収差図ある。 本発明の第２実施形態の赤外線レンズのメリジオナルコマ収差図ある。 本発明の第２実施形態の赤外線レンズのサジタルコマ収差図である。 本発明の第３実施形態の赤外線レンズの光学断面図である。 本発明の第３実施形態の赤外線レンズの球面収差図である。 本発明の第３実施形態の赤外線レンズの非点収差図ある。 本発明の第３実施形態の赤外線レンズのメリジオナルコマ収差図ある。 本発明の第３実施形態の赤外線レンズのサジタルコマ収差図である。 本発明の第４実施形態の赤外線レンズの光学断面図である。 本発明の第４実施形態の赤外線レンズの球面収差図である。 本発明の第４実施形態の赤外線レンズの非点収差図ある。 本発明の第４実施形態の赤外線レンズのメリジオナルコマ収差図ある。 本発明の第４実施形態の赤外線レンズのサジタルコマ収差図である。 本発明の第１実施形態の赤外線レンズの光学断面図である。 本発明の第５実施形態の赤外線レンズの球面収差図である。 本発明の第５実施形態の赤外線レンズの非点収差図ある。 本発明の第５実施形態の赤外線レンズのメリジオナルコマ収差図ある。 本発明の第５実施形態の赤外線レンズのサジタルコマ収差図である。
以下に、本発明の赤外線レンズの実施形態のレンズデータ等を示す。波長は、１０μｍである。
（第１実施形態）
焦点距離 ９９．９５ｍｍ
全長 １２６．８６ｍｍ
バックフォーカス １５．９５ｍｍ
Ｆ／Ｎｏ １．０
半画角 ３．１７°
像高 ５．５ｍｍr
面番号 曲率半径 厚さ間隔 半径 屈折率 焦点距離
１ 97.2692 6.0 56.1 4.0052 104.567(ゲルマニュウム)
２ 134.355 57.92 55.9
ｓ絞り 2.4 21.7
３ 1783.56 4.93 20.7 2.5861 -77.984(カルコゲナイト)
４ 115.472 31.66 19.6
５ 31.5434 8.0 15.1 4.0052 48.7808(ゲルマニュウム)
６ 32.5432 4.0 12.2
第１実施形態の条件式の値は、以下の通りである。
条件式（１） ０．９５５８５
（第２実施形態）
焦点距離 ９９．９４ｍｍ
全長 １３３．９９ｍｍ
バックフォーカス １４．９８ｍｍ
Ｆ／Ｎｏ １．０
半画角 ３．１５°
像高 ５．５ｍｍr
面番号 曲率半径 厚さ間隔 半径 屈折率 焦点距離
１ 122.547 6.2 58.6 4.0052 110.146(ゲルマニュウム)
２ 187.2 62.33 58.4
ｓ絞り 2.4 20.6
３ -164.46 3.54 20.2 2.5861 -86.691(カルコゲナイト)
４ 849.936 36.54 20.0
５ 38.0357 8.0 15.3 4.0052 41.7968(ゲルマニュウム)
６ 45.9462 4.0 13.0
第２実施形態の第３面及び第４面は、以下の非球面式による非球面である。
Figure 2012173561
第２実施形態の非球面係数は、以下の通りである。
面番号 Ｋ Ａ Ｂ Ｃ
３ 11.18 -2.6157E-07 1.3647E-09 -6.4802E-13
４ -133.59 -1.0171E-06 1.3567E-09 -6.5785E-13
第２実施形態の条件式の値は、以下の通りである。
条件式（１） ０．９０７３４
（第３実施形態）
焦点距離 ９９．９７ｍｍ
全長 １３４．２３ｍｍ
バックフォーカス １５．９９ｍｍ
Ｆ／Ｎｏ １．０３
半画角 ３．１６°
像高 ５．５ｍｍr
面番号 曲率半径 厚さ間隔 半径 屈折率 焦点距離
１ 122.56 7.4 48.6 4.0052 118.61(ゲルマニュウム)
２ 178.322 7.05 47.4
ｓ絞り 45.29 47.0
３ -247.09 5.2 30.3 2.5861 -278.32(カルコゲナイト)
４ -565.88 49.2 30.2
５ 26.1384 4.1 14.3 4.0052 67.2485(ゲルマニュウム)
６ 26.4879 4.0 12.6
第３実施形態の非球面係数は、以下の通りである。
面番号 Ｋ Ａ Ｂ Ｃ
３ 41.052 -1.2762E-06 9.5458E-10 -1.1180E-13
４ 235.153 -1.6921E-06 1.0090E-09 -1.9671E-13
第３実施形態の第４面は、以下のＤＯＥ式によるＤＯＥ面である。
Figure 2012173561
第３実施形態の第４面のＤＯＥ係数は、以下の通りである。
面番号 Ｃ１ Ｃ２ Ｃ３
４ -1.5364E-05 1.7070E-09 8.6709E-13
第３実施形態の条件式の値は、以下の通りである。
条件式（１） ０．８４２８５
（第４実施形態）
焦点距離 ９９．９７ｍｍ
全長 １３４．３０ｍｍ
バックフォーカス １６．０６ｍｍ
Ｆ／Ｎｏ １．０３
半画角 ３．１６°
像高 ５．５ｍｍr
面番号 曲率半径 厚さ間隔 半径 屈折率 焦点距離
１ 122.56 7.4 48.6 4.0052 118.61(ゲルマニュウム)
２ 178.322 7.1 47.4
３絞り 45.3 47.0
４ -247.09 5.2 30.3 2.5861 -279.32(カルコゲナイト)
５ -565.88 49.2 30.2
６ 26.1384 4.1 14.3 4.0052 67.2485(ゲルマニュウム)
７ 26.4879 4.0 12.6
第４実施形態の非球面係数は、以下の通りである。
面番号 Ｋ Ａ Ｂ Ｃ
３ 41.092 -1.2135E-06 8.6047E-10 -6.3565E-14
４ 237.001 -1.6278E-06 9.1084E-10 -1.4261E-13
第４実施形態の条件式の値は、以下の通りである。
条件式（１） ０．８４２８５
（第５実施形態）
焦点距離 ９９．９１ｍｍ
全長 １２８．９０ｍｍ
バックフォーカス １２．７７ｍｍ
Ｆ／Ｎｏ ０．９１
半画角 ３．１４°
像高 ５．５ｍｍｒ
面番号 曲率半径 厚さ間隔 半径 屈折率 焦点距離
１ 115.567 6.9 63.0 4.0052 102.653(ゲルマニュウム)
２ 176.492 58.9 63.0
３絞り 2.4 21.0
４ -167.43 4.91 21.5 2.5861 -79.815(カルコゲナイト)
５ 528.426 35.3124 20.832
６ 35.2129 7.7 14.3 4.0052 40.2048(ゲルマニュウム)
７ 41.5215 4.0 11.9
第５実施形態の非球面係数は、以下の通りである。
面番号 Ｋ Ａ Ｂ Ｃ
３ 6.589 2.5359E-08 5.2297E-10 -1.3297E-13
４ -1486.6 1.4375E-07 -3.1084E-10 4.1217E-13
第５実施形態の第３面のＤＯＥ係数は、以下の通りである。
面番号 Ｃ１ Ｃ２ Ｃ３
３ 5.8600E-05 1.4624E-07 -2.1360E-10
第５実施形態の条件式の値は、以下の通りである。
条件式（１） ０．９７３２８
１ 第１レンズ群
２ 第２レンズ群
３ 第３レンズ群
ｒ１ 第１面
ｒ２ 第２面
ｓ 絞り
ｒ３ 第３面
ｒ４ 第４面
ｒ５ 第５面
ｒ６ 第６面

Claims (7)

  1. 物体側から順に、正の第１レンズ群、負の第２レンズ群、正の第３レンズ群からなり、前記第２レンズ群の材料が第１レンズ群及び第３レンズ群の材料の分散より大きくなることを特徴とする赤外線レンズ。
  2. 前記第２レンズ群の材料が、カルコゲナイト又はセレン化亜鉛であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線レンズ。
  3. 前記第１レンズ群及び前記第２レンズ群が、ゲルマニウムからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線レンズ。
  4. 前記赤外線レンズの焦点距離をｆ、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１とするとき、
    ０．８≦ｆ／ｆ１≦１．１ （１）
    の条件を満たすことを特徴とする請求項１から３のうちの一項に記載の赤外線レンズ。
  5. 前記赤外線レンズのいずれか一面が、非球面であることを特徴とする請求項１から４ののうちの一項に記載の赤外線レンズ。
  6. 前記赤外線レンズのいずれか一面が、非球面回折素子であることを特徴とする請求項１から５のうちの一項に記載の赤外線レンズ。
  7. 前記第３レンズ群を光軸に直交する方向に変位させて像振れを補正することを特徴とする請求項１から６のうちの一項に記載の赤外線レンズ。
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