JP2020170139A - 短波長赤外線用撮像レンズ及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短波長赤外線用撮像レンズにおいて、非球面レンズを用いることなく短波長赤外域で十分な色収差補正と球面収差補正とが両立し、十分なバックフォーカスを取る。
【解決手段】物体側から順に全体として負の屈折力を有する第１レンズ群ＧＲ１と、全体として正の屈折力を有する第２レンズ群ＧＲ２とを有し、前記第２レンズ群は、アッベ数Ｖ２ｐ及び屈折率Ｎ２ｐに関して下記条件式（１）及び（２）の両方を満足する少なくとも１つの正レンズを有するＶ２ｐ＞４０・・・・・・（１）Ｎ２ｐ＞１．７・・・・・・（２）尚、Ｎ２ｐは同レンズの波長１．５３μｍでの屈折率Ｎ［１．５３］である。ここで、０．９μｍでの屈折率をＮ［０．９］、波長１．５３μｍでの屈折率をＮ［１．５３］、波長２．３２５μｍでの屈折率をＮ［２．３２５］とするとき、短波長赤外域でのアッベ数Ｖ２ｐは、（Ｎ［１．５３］−１）／（Ｎ［０．９］−Ｎ［２．３２５］）である。
【選択図】図１

Description

本発明は、短波長赤外線用撮像レンズ及び撮像装置に関し、更に詳細には、レトロフォーカス型の短波長赤外線用撮像レンズ及び該撮像レンズを備えた撮像装置に関するものである。

通常、赤外線は、波長によって近赤外、短波長赤外、中赤外、遠赤外に分けられ、短波長赤外線とは通常１０００〜２５００ｎｍの帯域を意味する。短波長赤外線は、可視光に近い波長を有することから、可視光と同様に対象物によって反射または吸収されるため、高解像のイメージングに有利である。また、可視域では判別が難しいが、短波長赤外線を用いることで判別が可能になるものもあり、短波長赤外線光学系は検査・検出・監視等の分野で利用されている。短波長赤外線用光学系に関する従来技術としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。

従来から知られている光学系として、負の屈折力を有する第１レンズ群及び正の屈折力を有する第２レンズ群を含むレトロフォーカス型レンズがある（例えば、特許文献２）。このレトロフォーカス型レンズは、像面から射出瞳までの距離を十分確保することができる。

従来から知られている光学系として、開口絞りの前後に各々レンズ群を有する光学系がある（例えば、特許文献３）。

特開２００８−０２６５９４号公報 特許第５８９１９１２号公報 特開２０１８−４０８５８号公報

特許文献１に記載の短波長赤外線用光学系は、波長域１５００〜２０００ｎｍで色収差を良好に補正しているが、Ｆ値が４程度の、明るくない光学系である。短波長赤外線用撮像レンズとしては、波長域９００ｎｍ〜１７００ｎｍ、１７００ｎｍ−２４００ｎｍであるものなどがあるが、Ｆ値が小さく、広帯域９００−２４００ｎｍで色収差を良好に補正した高解像の撮像レンズがなかった。

特許文献２に記載の光学系は、Ｆ値は１．８程度の明るい光学系であるが、対象となる波長域が可視域である。

特許文献３に記載の光学系は、Ｆ値が１．４程度の明るい光学系であるが、対象となる波長域が可視域であり、非球面レンズを用いたレンズ枚数の多い光学系となっている。

一般的に使用される低分散光学ガラスとしてはｄ線に対するアッベ数Ｖｄが７０以上のものがあるが、ｄ線に対する屈折率Ｎｄは１．５５以下である。このようなガラスは短波長赤外域でも分散は小さいが、屈折率が小さいため十分な球面収差補正ができない。特許文献２、３に記載の光学系ではＮｄが１．７以上の光学ガラスでアッベ数Ｖｄが比較的大きい５０以上であるが、このようなガラスは短波長赤外域でのアッベ数Ｖが２６程度と大きく、十分な色収差補正ができない。

本発明は上記したような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、非球面レンズを用いることなく短波長赤外域で十分な色収差補正と球面収差補正とを両立させ、しかも十分なバックフォーカスを取ることができる短波長赤外線用撮像レンズ及び当該撮像レンズを備えた撮像装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一つの実施形態による短波長赤外線用撮像レンズは、物体側から順に全体として負の屈折力を有する第１レンズ群と、全体として正の屈折力を有する第２レンズ群とを有し、前記第２レンズ群は、アッベ数Ｖ２ｐ及び屈折率Ｎ２ｐに関して下記条件式（１）及び（２）の両方を満足する少なくとも１つの正レンズを有する。
Ｖ２ｐ＞４０・・・・・・（１）
Ｎ２ｐ＞１．７・・・・・・（２）
尚、Ｎ２ｐは同レンズの波長１．５３μｍでの屈折率Ｎ［１．５３］である。
ここで、０．９μｍでの屈折率をＮ［０．９］、波長１．５３μｍでの屈折率をＮ［１．５３］、波長２．３２５μｍでの屈折率をＮ［２．３２５］とするとき、短波長赤外域でのアッベ数Ｖ２ｐは、Ｖ２ｐ＝（Ｎ［１．５３］−１）／（Ｎ［０．９］−Ｎ［２．３２５］）である。

この構成によれば、非球面レンズを用いることなく短波長赤外域で十分な色収差補正と球面収差補正とを両立させることができる。しかも、物体側に負の屈折力を有する第１レンズ群、像側に正の屈折力を有する第２レンズが配置されていることにより、十分なバックフォーカスを取ることができる。

上記短波長赤外線用撮像レンズにおいて、好ましくは、更に、前記第２レンズ群は、アッベ数Ｖ２ｎ及び屈折率Ｎ２ｎに関して下記条件式（３）及び（３）の両方を満足する少なくとも１つの負レンズを有する。
Ｖ２ｎ＜２２・・・・・・・・（３）
Ｎ２ｎ＞１．８１・・・・・・・（４）
尚、Ｎ２ｎは同レンズの波長１．５３μｍでの屈折率Ｎ［１．５３］である。
ここで、波長０．９μｍでの屈折率をＮ［０．９］、波長１．５３μｍでの屈折率をＮ［１．５３］、２．３２５μｍでの屈折率をＮ［２．３２５］とするとき、短波長赤外域でのアッベ数Ｖ２ｎは、Ｖ２ｎ＝（Ｎ［１．５３］−１）／（Ｎ［０．９］−Ｎ［２．３２５］）である。

この構成によれば、短波長赤外域での色収差補正と球面収差補正とがより一層良好に行われる。

上記短波長赤外線用撮像レンズにおいて、好ましくは、更に、前記第２レンズ群は、開口絞りと、前記開口絞りよりも物体側に配置された少なくとも３枚のレンズから構成される第２レンズ前群と、前記開口絞りよりも像側に配置された少なくとも３枚のレンズから構成された第２レンズ後群とを有し、前記第２レンズ前群及び前記第２レンズ後群のそれぞれが、前記正レンズ及び前記負レンズを含む。

この構成によれば、短波長赤外域での色収差補正と球面収差補正とがより一層良好に行われる。

上記短波長赤外線用撮像レンズにおいて、好ましくは、更に、前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、全系の焦点距離をｆとしたとき、前記第１レンズ群の物体側の面が物体側に凹面であり、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間隔をd_１２としたときに、下記条件式（５）及び（６）を満足する。
−１．５＜ｆ１／ｆ＜−１．０・・・・・（５）
０．３５＜ｄ_１２／ｆ＜０．６・・・・（６）

この構成によれば、十分なバックフォーカスを取ること及び球面収差補正が良好に行われる。

本発明の一つの実施形態による撮像装置は、上述の実施形態の短波長赤外線用撮像レンズを備えている。

本発明による短波長赤外線用撮像レンズによれば、非球面レンズを用いることなく短波長赤外域で十分な色収差補正と球面収差補正とを両立させ、しかも十分なバックフォーカスを取ることができる。

本発明の実施形態１に関わる短波長赤外線用撮像レンズの構成を示す断面図 実施形態１に関わる短波長赤外線用撮像レンズの収差図 本発明の実施形態２に関わる短波長赤外線用撮像レンズの構成を示す断面図 実施形態２に関わる短波長赤外線用撮像レンズの収差図 本発明の実施形態３に関わる短波長赤外線用撮像レンズの構成を示す断面図 実施形態３に関わる短波長赤外線用撮像レンズの収差図 本発明による撮像装置を含む撮像システムの一つの実施形態を示す構成図

以下に、本発明による短波長赤外線用撮像レンズの実施形態を、添付の図を参照して説明する。尚、本明細書では、正の屈折力を有するレンズを正レンズと云い、負の屈折力を有するレンズを負レンズと云う。

（実施形態１）
実施形態１の短波長赤外線用撮像レンズ（赤外線用結像レンズ）１０は図１に示されている。図１において、左側が物体側、右側が像側である。尚、図１において、符号１、２、３...は、レンズの面番号Ｓｉを示している。

実施形態１の短波長赤外線用撮像レンズ１０は、物体側から順に同一の光軸上に配列された第１レンズ群ＧＲ１及び第２レンズ群ＧＲ２を備えている。

第１レンズ群ＧＲ１は一つの負レンズＬ１１を有し、負の屈折力を有する。第２レンズ群ＧＲ２は、物体側から順に、正レンズＬ２１、Ｌ２２、負レンズＬ２３、Ｌ２４、正レンズＬ２５、Ｌ２６の６枚の球面レンズにより構成され、全体として、正の屈折力を有する。

これにより、短波長赤外線用撮像レンズ１０は物体側から順に全体として負の屈折力を有する第１レンズ群ＧＲ１及び全体として正の屈折力を有する第２レンズ群ＧＲ２により構成される。尚、第１レンズ群ＧＲ１は負レンズＬ１１を含む複数枚のレンズによって構成されていてもよい。

短波長赤外線用撮像レンズ１０は、物体側に負の屈折力を有する負レンズＬ１１を含む第１レンズ群ＧＲ１が配置され、像側に正の屈折力を有する正レンズＬ２１、Ｌ２２及びＬ２５を含む第２レンズ群ＧＲ２が配置されていることにより、十分なバックフォーカスを取ることができる。

第２レンズ群ＧＲ２の負レンズＬ２３とＬ２４との間には開口絞りＳｔが配置されている。これにより、第２レンズ群ＧＲ２は、開口絞りＳｔよりも物体側に配置された正レンズＬ２１、Ｌ２２、負レンズＬ２３の３枚のレンズで構成された第２レンズ前群と、開口絞りＳｔよりも像側に配置された負レンズＬ２４、正レンズＬ２５、Ｌ２６の３枚のレンズで構成された第２レンズ後群とに区分される。

この短波長赤外線用撮像レンズ１０の像面Ｓｉｍｇには撮像素子（不図示）が配置される。第２レンズ群ＧＲ２と撮像素子との間には、短波長赤外線用撮像レンズ１０を装着する装置側の構成に応じて、種々の光学部材ＧＣが配置されている。光学部材ＧＣとしては、例えば、フィルタやカバーガラスなどが配置される。

第２レンズ群ＧＲ２の正レンズＬ２１、Ｌ２５及びＬ２６は、アッベ数Ｖ２ｐ及び屈折率Ｎ２ｐに関して下記条件式（１）及び（２）の両方を満足している。尚、アッベ数Ｖ２ｐは、第２レンズ群ＧＲ２が有する１つ以上の正レンズの本短波長赤外域でのアッベ数である。尚、Ｎ２ｐは同レンズの波長１．５３μｍでの屈折率Ｎ［１．５３］である。
Ｖ２ｐ＞４０・・・・・・（１）
Ｎ２ｐ＞１．７・・・・・・（２）

ここで、波長０．９μｍでの屈折率をＮ［０．９］、波長１．５３μｍでの屈折率をＮ［１．５３］、波長２．３２５μｍでの屈折率をＮ［２．３２５］とするとき、本短波長赤外域でのアッベ数Ｖ２ｐは、Ｖ２ｐ＝（Ｎ［１．５３］−１）／（Ｎ［０．９］−Ｎ［２．３２５］）である。

条件式（１）の下限を下回ると、十分な色収差補正ができなくなり、結像性能が低下する。条件式（２）の下限を下回ると、球面収差が補正不足となり、結像性能が低下する。

本実施形態の短波長赤外線用撮像レンズ１０は、正レンズＬ２１、Ｌ２５及びＬ２６が条件式（１）及び（２）の両方を満たすことにより、非球面レンズを用いることなく短波長赤外域での十分な色収差補正と球面収差補正とが両立する。

更に、第２レンズ群ＧＲ２の負レンズＬ２３及びＬ２４は、アッベ数Ｖ２ｎ及び屈折率Ｎ２ｎに関して下記条件式（３）及び（３）の両方を満足している。尚、Ｎ２ｎは同レンズの波長１．５３μｍでの屈折率Ｎ［１．５３］である。
Ｖ２ｎ＜２２・・・・・・・・（３）
Ｎ２ｎ＞１．８１・・・・・・・（４）

ここで、Ｖ２ｎは本短波長赤外域で定義したアッベ数で、波長０．９μｍでの屈折率をＮ［０．９］、波長１．５３μｍでの屈折率をＮ［１．５３］、２．３２５μｍでの屈折率をＮ［２．３２５］とするとき、本短波長赤外域でのアッベ数Ｖ２ｎは、Ｖ２ｎ＝（Ｎ［１．５３］−１）／（Ｎ［０．９］−Ｎ［２．３２５］）である。

条件式（３）の上限を超えると、十分な色収差補正ができなくなり、結像性能が低下する。条件式（４）の下限を下回ると、十分な光束の発散作用が得られなく、球面収差の補正が不十分となり、結像性能の低下を生じる。

本実施形態の短波長赤外線用撮像レンズ１０は、負レンズＬ２３及びＬ２４が条件式（３）及び（４）の両方を満たすことにより、非球面レンズを用いることなく短波長赤外域での色収差補正と球面収差補正とがより一層良好に行われる。

更に、負レンズＬ２３及びＬ２４が条件式（３）及び（４）の両方を満足しおり、上述の第２レンズ前群及び第２レンズ後群の両方が、条件式（１）〜（４）の全てを満足する構成となっている。このことによっても、波長赤外域での色収差補正と球面収差補正とがより良好に行われる。

更に、第１レンズ群ＧＲ１の焦点距離をｆ１、全系の焦点距離をｆとしたとき、第１レンズ群ＧＲ１の物体側の面が物体側に凹面であり、第１レンズ群ＧＲ１と第２レンズ群ＧＲ２との間隔をd_１２とし、下記条件式（５）及び（６）を満足することが、十分なバックフォーカスを取ること及び球面収差補正に関して有利となる。
−１．５＜ｆ１／ｆ＜−１．０・・・・・（５）
０．３５＜ｄ_１２／ｆ＜０．６・・・・（６）
実施形態１ではｆ１／ｆ＝−１．３２、ｄ_１２＝Ｄ_２で、Ｄ_２／ｆ=０．４１となっている。

条件式（５）の下限を下回ると、第１レンズ群ＧＲ１のパワーが弱くなり、球面収差がアンダとなってしまう。逆に上限を超えると、第１レンズ群ＧＲ１のパワーが強くなりすぎ、球面収差が補正過剰となってしまう。

条件式（６）の下限を下回ると、第１レンズ群ＧＲ１と第２レンズ群ＧＲ２の間隔が短くなり、十分なバックフォーカスを取れなくなる。逆に上限を超えると第１レンズ群ＧＲ１と第２レンズ群ＧＲ２の間隔が大きくなり、光学系の全長が大きくなると共に十分な球面収差補正ができなくなり、結像性能の低下を招く。

図２は実施形態１の短波長赤外線用撮像レンズ１０の各収差（球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差）を示している。

実施形態１の全体諸元を表１に、レンズデータを表２に示す。

（実施形態２）
実施形態２の短波長赤外線用撮像レンズ２０は図２に示されている。図２においても、左側が物体側、右側が像側である。尚、図２において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

短波長赤外線用撮像レンズ２０は、第２レンズ群ＧＲ２の第２レンズ前群の最も物体側の、正レンズＬ２１と次の正レンズＬ２２との間に正レンズＬ２７が追加されている。

正レンズＬ２７の追加により、特に、球面収差、非点収差、倍率色収差が、より一層改善される。

図４は実施形態２の短波長赤外線用撮像レンズ２０の各収差（球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差）を示している。

実施形態２の全体諸元を表３に、レンズデータを表４に示す。

（実施形態３）
実施形態３の短波長赤外線用撮像レンズ３０は図５に示されている。図５においても、左側が物体側、右側が像側である。尚、図５において、図１、３に対応する部分は、図１、３に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

実施形態３では、第２レンズ群ＧＲ２の第２レンズ前群の最も物体側の正レンズＬ２１の最も物体側の面３が凹面となっている。このことにより、特に、非点収差が、より一層改善される。

図６は実施形態２の短波長赤外線用撮像レンズ３０の各収差（球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差）を示している。

実施形態３の全体諸元を表５に、レンズデータを表６に示す。

実施形態１〜３の条件式に関する各値を表７に示す。

次に、本発明の一実施形態にかかる撮像装置を含む撮像システムを、図７を参照して説明する。

当該撮像システムは赤外線カメラ（撮像装置）１００を含む。赤外線カメラ１００は、撮像素子１０２等を内蔵したカメラ本体１０４及びカメラ本体１０４の前部に取り付けられた付けられた鏡胴１０６を有する。鏡胴１０６は短波長赤外線用撮像レンズ１０の各レンズを収容している。撮像素子１０２は、赤外線用のものであり、短波長赤外線用撮像レンズ１０によって形成される１０００〜２５００ｎｍの帯域の短波長赤外線による光学像を撮像して電気信号（画像信号）に変換する素子である。

赤外線カメラ１００は、コード１０８によって演算・表示装置１１０に電気的に接続されている。尚、赤外線カメラ１００は無線通信等によって演算・表示装置１１０に接続されていてもよい。演算・表示装置１１０は、コンピュータ等による演算部１１２と、液晶ディスプレイ等による表示部１１４と、キーホードやマウス等による入力部１１６を含む。

短波長赤外線用撮像レンズ１０により得られた光学像は撮像素子１０２によって画像信号に変換され、演算・表示装置１１０へ伝送される。撮像素子１０２から伝送された画像信号は、使用者が入力部１１６を用いて入力した指示に基づき演算部１１２により演算処理され、この演算処理で得られた画像が表示部１１４に表示される。例えば、赤外線カメラ１００によって撮像された被写体の像及び被写体の明るさ分布等が、演算部１１２での演算処理を経た後、表示部１１４にカラー表示される。

短波長赤外線用撮像レンズ１０の最も像側のレンズと撮像素子１０２との間には、レンズを装着するカメラ側の構成に応じて、撮像素子１０２を保護するためのカバーガラスや、各種フィルタ等の光学部材が配置されていてもよい。また、撮像用のシャッタ機構が設けられていてもよい。

以上、実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、非球面係数、回折面係数等の値は、上記各実施形態で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０ ：短波長赤外線用撮像レンズ
２０ ：短波長赤外線用撮像レンズ
３０ ：短波長赤外線用撮像レンズ
１００ ：赤外線カメラ
１０２ ：撮像素子
１０４ ：カメラ本体
１０６ ：鏡胴
１０８ ：コード
１１０ ：演算・表示装置
１１２ ：演算部
１１４ ：表示部
１１６ ：入力部
ＧＣ ：光学部材
ＧＲ１ ：第１レンズ群
ＧＲ２ ：第２レンズ群
Ｌ１１ ：負レンズ
Ｌ２１ ：正レンズ
Ｌ２２ ：正レンズ
Ｌ２３ ：負レンズ
Ｌ２４ ：負レンズ
Ｌ２５ ：正レンズ
Ｌ２６ ：正レンズ
Ｌ２７ ：正レンズ

Claims (5)

1. 物体側から順に全体として負の屈折力を有する第１レンズ群と、全体として正の屈折力を有する第２レンズ群とを有し、
   前記第２レンズ群は、アッベ数Ｖ２ｐ及び屈折率Ｎ２ｐに関して下記条件式（１）及び（２）の両方を満足する少なくとも１つの正レンズを有する短波長赤外線用撮像レンズ。
   Ｖ２ｐ＞４０・・・・・・（１）
   Ｎ２ｐ＞１．７・・・・・・（２）
   尚、Ｎ２ｐは同レンズの波長１．５３μｍでの屈折率Ｎ［１．５３］である。
   ここで、０．９μｍでの屈折率をＮ［０．９］、波長１．５３μｍでの屈折率をＮ［１．５３］、波長２．３２５μｍでの屈折率をＮ［２．３２５］とするとき、短波長赤外域でのアッベ数Ｖ２ｐは、（Ｎ［１．５３］−１）／（Ｎ［０．９］−Ｎ［２．３２５］）である。
2. 前記第２レンズ群は、アッベ数Ｖ２ｎ及び屈折率Ｎ２ｎに関して下記条件式（３）及び（４）の両方を満足する少なくとも１つの負レンズを有する請求項１に記載の短波長赤外線用撮像レンズ。
   Ｖ２ｎ＜２２・・・・・・・・（３）
   Ｎ２ｎ＞１．８１・・・・・・・（４）
   尚、Ｎ２ｎは同レンズの波長１．５３μｍでの屈折率Ｎ［１．５３］である。
   ここで、波長０．９μｍでの屈折率をＮ［０．９］、波長１．５３μｍでの屈折率をＮ［１．５３］、２．３２５μｍでの屈折率をＮ［２．３２５］とするとき、短波長赤外域でのアッベ数Ｖ２ｎは、（Ｎ［１．５３］−１）／（Ｎ［０．９］−Ｎ［２．３２５］）である。
3. 前記第２レンズ群は、開口絞りと、前記開口絞りよりも物体側に配置された少なくとも３枚のレンズから構成される第２レンズ前群と、前記開口絞りよりも像側に配置された少なくとも３枚のレンズから構成された第２レンズ後群とを有し、
   前記第２レンズ前群及び前記第２レンズ後群のそれぞれに、前記正レンズ及び前記負レンズを含む請求項２に記載の短波長赤外線用撮像レンズ。
4. 前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、全系の焦点距離をｆとしたとき、前記第１レンズ群の物体側の面が物体側に凹面であり、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間隔をd_１２としたときに、下記条件式（５）及び（６）を満足する請求項１から３のいずれか１項に記載の短波長赤外線用撮像レンズ。
   −１．５＜ｆ１／ｆ＜−１．０・・・・・（５）
   ０．３５＜ｄ_１２／ｆ＜０．６・・・・（６）
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の短波長赤外線用撮像レンズを備えた撮像装置。

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