特許 7026933 撮像光学系および撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-18

(45)【発行日】2022-03-01

(54)【発明の名称】撮像光学系および撮像装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 17/08 20060101AFI20220221BHJP

   G02B 15/16 20060101ALI20220221BHJP

   G02B 13/14 20060101ALI20220221BHJP

【ＦＩ】

G02B17/08 A

G02B15/16

G02B13/14

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2017218681

(22)【出願日】2017-11-14

(65)【公開番号】P2019090890

(43)【公開日】2019-06-13

【審査請求日】2020-11-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000227364

【氏名又は名称】株式会社ｎｉｔｔｏｈ

(74)【代理人】

【識別番号】100102934

【弁理士】

【氏名又は名称】今井 彰

(72)【発明者】

【氏名】山岸 晃

【審査官】堀井 康司

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５７－０４４１１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４８－０４２５０９（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開昭６１－０３９０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２６２１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５０８９９１０（ＵＳ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０３９１３８４０（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２１９６４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ９／００－１７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２－２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００－２５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体側から順に、正の屈折力の反射光学系と、
前記反射光学系の像面側に配置された正の屈折力の屈折光学系とから構成され、
前記反射光学系は、物体側に凹面を向けた主鏡と、
前記主鏡の光軸上に配置され、前記主鏡に反射された光を像面側に導く副鏡とから構成され、
前記屈折光学系は、物体側から順に、ズーミングの際に前記反射光学系と一体で移動し、フォーカシングの際に独立して移動する第１のレンズ群と、
ズーミングの際に独立して移動する第２のレンズ群とから構成されている、撮像光学系。

【請求項2】

請求項１において、
前記反射光学系の合成焦点距離ｆｍと、当該撮像光学系の望遠端から広角端にわたる合成焦点距離ｆａとが以下の条件を満たす、撮像光学系。
１０＜ｆｍ／ｆａ＜２０

【請求項3】

請求項１または２において、
前記第２のレンズ群は、ズーミングの際に独立して移動する負の屈折力の前群と、
ズーミングの際に独立して移動する正の屈折力の後群とを含む、撮像光学系。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記屈折光学系を構成するレンズはゲルマニウム製またはカルコゲナイド製である、撮像光学系。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれかに記載の撮像光学系と、
前記撮像光学系の像面側に配置された撮像デバイスとを有する撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、反射光学系を含む撮像光学系および撮像装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、コンパクトな反射屈折光学系を提供することが記載されている。この反射屈折光学系は、物体側から順に、主反射鏡と副鏡とを持つ正屈折力の第１レンズ群と正屈折力の第２レンズ群とを有し物体の１次像を形成する対物光学系と、この１次像からの光により射出瞳を形成する接眼光学系とを有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平０６－２７３６７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

反射光学系を含むコンパクトな撮像光学系であって、ズーミングが可能で、さらに、フォーカシングの機構も簡易に実現できる撮像光学系が求められている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様は、物体側から順に、正の屈折力の反射光学系と、反射光学系により像面側に導かれた光を結像する正の屈折力の屈折光学系とを有する撮像光学系である。反射光学系は、物体側に凹面を向けた主鏡と、主鏡の光軸上に配置され、主鏡に反射された光を像面側に導く副鏡とを含む。屈折光学系は、物体側から順に、ズーミングの際に反射光学系と一体で移動し、フォーカシングの際に独立して移動する第１のレンズ群と、ズーミングの際に独立して移動する第２のレンズ群とを含む。

【0006】

物体側に反射光学系を配置した撮像光学系は、物体側の大口径のレンズを反射光学系に置き換えることができるので、レンズの価格を抑えることができ、特に、レンズが高額になりやすい赤外線撮像光学系に適している。また、撮像光学系の全長を短縮でき、ＦＮｏ．の小さな明るい光学系を提供できるというメリットもある。本発明においては、撮像光学系を、物体側に配置された反射光学系と、像面側に配置された屈折光学系とに分けて構成することにより、ズーミングおよびフォーカシングの際に、反射光学系と屈折光学系とを分けて制御することが容易となる。その一方、最も反射光学系側に配置される第１のレンズ群をズームの際に反射光学系と一体で移動することによりズーミングの際の諸収差の補正を行い、さらに、反射光学系の像面側に配置された第１のレンズ群でフォーカシングを行うことにより、反射光学系を含むインナーフォーカス型の撮像光学系を提供できる。

【0007】

反射光学系の合成焦点距離ｆｍと、当該撮像光学系の望遠端から広角端にわたる合成焦点距離ｆａとが以下の条件を満たしてもよい。
１０＜ｆｍ／ｆａ＜２０ ・・・（１）
下限を下回ると、反射光学系のパワーが強くなりすぎて収差補正が難しくなり、上限を上回ると反射光学系のパワーが小さくなりすぎて撮像光学系の全長が長くなる。

【0008】

屈折光学系の第２のレンズ群は、ズーミングの際に独立して移動する負の屈折力の前群と、ズーミングの際に独立して移動する正の屈折力の後群とを含んでもよい。屈折光学系を構成するレンズはゲルマニウム製またはカルコゲナイド製であってもよい。

【0009】

本発明の他の態様の１つは、上記に記載の撮像光学系と、撮像光学系の像面側に配置された撮像デバイスとを有する撮像装置である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】撮像光学系を含む撮像装置の構成を示す図。

【図2】レンズデータを示す図。

【図3】非球面係数を示す図。

【図4】ズームデータを示す図。

【図5】諸数値を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１に、撮像用の光学系を備えた撮像装置（カメラ、カメラ装置）の一例を示している。図１（ａ）は広角端の配置を示し、図１（ｂ）は望遠端の配置を示す。この撮像装置１は、撮像光学系（結像光学系、レンズシステム）６と、撮像光学系６の像面側（画像側、撮像側、結像側）３に配置された撮像素子（撮像デバイス、像面）５とを有する。この撮像デバイス５は、赤外線（赤外光）の画像が取得できるように調整されており、撮像装置１は、サーマル・イメージング・システム、監視用途などの赤外光撮像装置である。また、撮像光学系６は、赤外線用の望遠用ズームレンズシステムである。

【0012】

撮像光学系６は、物体側２から順に、正の屈折力の反射光学系１０と、反射光学系１０の像面側３に配置された正の屈折力の屈折光学系２０とを有する。反射光学系１０は、物体側（被写体側）２からの光を集光する対物レンズとしての機能を含み、屈折光学系２０は、反射光学系１０により像面側３に導かれた光を像面である撮像デバイス５に結像する機能を含む。

【0013】

反射光学系１０は、物体側２に凹面を向けた正のパワーの主鏡Ｍ１と、主鏡Ｍ１の光軸７上に配置され、主鏡Ｍ１に反射された光を像面側に導く、像面側３に凸面を向けた負のパワーの副鏡Ｍ２とを含む。この反射光学系１０においては、副鏡Ｍ２は、光軸７に沿って光を反射し、主鏡Ｍ１の像面側３に、光軸７に同軸上に配置された屈折光学系２０へ光を導く。

【0014】

屈折光学系２０は、物体側２から順に、ズーミングの際に反射光学系１０と一体で移動し、フォーカシングの際に独立して移動する第１のレンズ群Ｇ１と、ズーミングの際に独立して移動する第２のレンズ群Ｇ２とを含む。第２のレンズ群Ｇ２は、さらに、ズーミングの際に独立して移動する負の屈折力の前群Ｇ２ｆと、ズーミングの際に独立して移動する正の屈折力の後群Ｇ２ｂとを含む。

【0015】

最も物体側２の反射光学系１０と第１のレンズ群Ｇ１とが全体として正のパワーの移動群を構成し、広角端から望遠端へ変倍する際に、物体側２へ移動する。前群Ｇ２ｆは、全体として負のパワーの移動群を構成し、広角端から望遠端へ変倍する際に、像面側３へ移動する。後群Ｇ２ｂは、全体として正のパワーの移動群を構成し、広角端から望遠端へ変倍する際に、像面側３へ移動する。

【0016】

本例の屈折光学系２０においては、第１のレンズ群Ｇ１は、ゲルマニウム製の両凸の正レンズＬ１の一枚構成である。第２のレンズ群Ｇ２の前群Ｇ２ｆは、カルコゲナイド製で像面側３に凸の負のメニスカスレンズＬ２と、ゲルマニウム製で像面側３に凸の正のメニスカスレンズＬ３との２枚構成である。第２のレンズ群Ｇ２の後群Ｇ２ｂは、カルコゲナイド製で物体側２に凸の正のメニスカスレンズＬ４の一枚構成である。

【0017】

図２に撮像光学系６を構成する各光学素子（ミラーおよびレンズ）のデータを示している。曲率半径（Ｒｉ）は物体側２から順に並んだ各光学素子の各面（Ｓ）の曲率半径（ｍｍ）、面間隔ｄｉは各面の間の光軸に沿った距離（ｍｍ）、屈折率ｎｄは各レンズの屈折率（波長１１μｍ）、各レンズの焦点距離（波長１１μｍ）を示す。

【0018】

主鏡Ｍ１の面Ｓ１、副鏡Ｍ２の面Ｓ２、レンズＬ１の物体側２の面Ｓ３、レンズＬ２の像面側３の面Ｓ６、レンズＬ３の像面側３の面Ｓ８、レンズＬ４の物体側２の面Ｓ９は非球面であり、図３（ａ）および（ｂ）に非球面係数を示す。非球面は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正、Ｒを近軸曲率半径とすると、図３（ａ）および（ｂ）に示した係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥを用いて次式で表わされる。なお、「Ｅｎ」は、「１０のｎ乗」を意味する。
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｙ２／［１＋｛１－（１＋Ｋ）（１／Ｒ）２Ｙ２｝１／２］
＋ＡＹ４＋ＢＹ６＋ＣＹ８＋ＤＹ１０＋ＥＹ１２

【0019】

図４に、変倍の際に移動する各群Ｇ１、Ｇ２ｆ、Ｇ２ｂおよび撮像デバイス５の各面間隔Ｖ１、Ｖ２およびＶ３の値を示している。図５に、撮像光学系６の諸数値を示している。この撮像光学系６は、変倍比１．５のズーム光学系（変倍光学系）であり、Ｆ値（ＦＮｏ．）は広角端で１．４、望遠端で２．１であり、広角端から望遠端にかけて２．５以下と明るい赤外線用の変倍光学系６となっている。また、副鏡Ｍ２の面Ｓ２から撮像デバイス５の撮像面までの光軸上の距離が広角端で２２７ｍｍ、望遠端で２４１ｍｍであり、広角端から望遠端にかけて２５０ｍｍ以下とコンパクトな赤外線用の光学系６となっている。

【0020】

反射光学系１０の合成焦点距離ｆｍは３７２５ｍｍであり、撮像光学系６の全系の合成焦点距離ｆａは、広角端で２００．０ｍｍ、望遠端で２９９．９ｍｍであり、ｆｍ／ｆａは、広角端で１８．６３、望遠端で１２．４２であり、条件（１）を満たす。したがって、コンパクトで、諸収差の補正が良好な赤外線撮像光学系６を提供できる。

【0021】

この撮像光学系６は、物体側２に反射光学系１０を配置しており、物体側２の大口径となる集光光学系をレンズではなく反射光学系に置き換えている。したがって、赤外線光学系において高価格の要因の１つである物体側２の大口径のレンズを省略することが可能であり、低コストでＦＮｏ．が小さく、明るい赤外線光学系を提供できる。特に、反射光学系１０を正のパワーの主鏡Ｍ１と、主鏡Ｍ１と向き合う負のパワーの副鏡Ｍ２との組み合わせによるカセグレンタイプの光学系とすることにより反射光学系１０の全長を短縮し、全体としてコンパクトな撮像光学系６を実現している。

【0022】

さらに、物体側２に反射光学系１０を配置し、像面側３に屈折光学系２０を配置し、屈折光学系２０の最も物体側２の第１のレンズ群Ｇ１をズーミングする際に反射光学系１０と一体で動かし、第１のレンズ群Ｇ１をフォーカシングの際に動かしてインナーフォーカスを実現している。したがって、ズーミングの際に移動する移動群を反射光学系１０の単独で構成せずに第１のレンズ群Ｇ１を含めることにより収差補正を可能とするとともに、その第１のレンズ群Ｇ１を反射光学系１０の内部ではなく主鏡Ｍ１よりも像面側３に離すことにより簡単な機構でインナーフォーカスを実現している。

【0023】

さらに、屈折光学系２０は４枚構成であり、物体側２からゲルマニウム製のレンズＬ１，カルコゲナイド製のレンズＬ２、ゲルマニウム製のレンズＬ３およびカルコゲナイド製のレンズＬ４を配置している。ゲルマニウムガラスは、２～２０μｍの赤外領域に透過波長帯を有し、屈折率が４．０前後と高く、３～１２μｍの波長帯近傍において特に低分散特性を有するレンズ材料である。一方、カルコゲナイドガラスは、赤外線透過性が高く、ゲルマニウムレンズよりも低屈折率で高分散なレンズ材料である。赤外線に対して、屈折率および分散が異なるレンズを交互に配置することにより色収差が良好に補正された赤外線用の撮像光学系６を提供できる。特に、第２のレンズ群Ｇ２の前群Ｇ２ｆは、負のパワーのカルコゲナイド製のレンズＬ２と正のパワーのゲルマニウムレンズＬ３との組み合わせであって、同じ方向を向いたメニスカスレンズが組み合わされた移動群となっており、ズーミングの際の色収差補正に良好に作用する。

【0024】

また、反射光学系１０から出力された光が最初に入力される第１のレンズ群Ｇ１がインナーフォーカス用のレンズであり、さらに、それに、屈折率の高いゲルマニウム製のレンズＬ１を採用することによりフォーカス調整機能を高めている。また、屈折光学系２０の３つの移動群、すなわち、第１のレンズ群Ｇ１、第２のレンズ群Ｇ２の前群Ｇ２ｆ、後群Ｇ２ｂは、正－負－正の対称的なパワー配置となっており、収差補正に適したパワー配置を備えている。

【0025】

なお、上記では、ゲルマニウム製のレンズおよびカルコゲナイド製のレンズを備えた赤外線（赤外光）用の撮像装置を例に本発明を説明しているが、赤外光用としては、シリコン製のレンズ、ＺｎＳ製のレンズなどを採用してもよく、反射光学系１０と可視光用の屈折光学系２０との組み合わせであってもよい。

【符号の説明】

【0026】

１ 撮像装置、 ６ 撮像光学系
１０ 反射光学系、 ２０ 屈折光学系

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】