特許 7523962 光学系及びそれを有する撮像装置

(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】2024-07-19

(45)【発行日】2024-07-29

(54)【発明の名称】光学系及びそれを有する撮像装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/14 20060101AFI20240722BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20240722BHJP

【ＦＩ】

G02B13/14

G02B13/18

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020108208

(22)【出願日】2020-06-23

(65)【公開番号】P2022003379

(43)【公開日】2022-01-11

【審査請求日】2023-06-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110412

【弁理士】

【氏名又は名称】藤元 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100104628

【弁理士】

【氏名又は名称】水本 敦也

(74)【代理人】

【識別番号】100121614

【弁理士】

【氏名又は名称】平山 倫也

(72)【発明者】

【氏名】道塲 直人

【審査官】瀬戸 息吹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－０３７６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－００２１８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１５４９７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２２５０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１６３８３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－００８２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３０１０２４（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】

波長８μｍ以上の光により物体を結像する光学系であって、
第１レンズと、シリコン材料からなる第１光学素子とを備え、
前記第１光学素子は、非球面を有し、開口絞りとは異なる位置に配置され、
光軸を含む断面において、前記第１光学素子の厚さは軸上から最軸外にかけて単調に増加し、
前記光学系の焦点距離をｆ、前記第１光学素子の焦点距離をＰｆ１、前記第１光学素子の光軸上での厚さをＴ［ｍｍ］とするとき、
０．０＜｜ｆ／Ｐｆ１｜＜０．３
０．０５≦Ｔ≦１．００
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。

【請求項2】

シリコン材料又はゲルマニウム材料からなる第２光学素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項3】

波長８μｍ以上の光により物体を結像する光学系であって、
第１レンズと、第１光学素子と、シリコン材料又はゲルマニウム材料からなる第２光学素子とを備え、
前記第１光学素子は、非球面を有し、開口絞りとは異なる位置に配置され、
光軸を含む断面において、前記第１光学素子の厚さは軸上から最軸外にかけて単調に増加し、
前記光学系の焦点距離をｆ、前記第１光学素子の焦点距離をＰｆ１、前記第１光学素子の光軸上での厚さをＴ［ｍｍ］とするとき、
０．０＜｜ｆ／Ｐｆ１｜＜０．３
０．０５≦Ｔ≦１．００
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。

【請求項4】

前記第１レンズは最も物体側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光学系。

【請求項5】

前記第１レンズの焦点距離をｆ１とするとき、
０．１＜｜ｆ１／ｆ｜＜６．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項４に記載の光学系。

【請求項6】

前記第１レンズに隣接する第２レンズを備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の光学系。

【請求項7】

前記第２レンズの焦点距離をｆ２とするとき、
０．１＜ｆ２／ｆ＜２０.０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項６に記載の光学系。

【請求項8】

前記第２レンズよりも像側に配置される第３レンズを備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の光学系。

【請求項9】

前記第３レンズの焦点距離をｆ３とするとき、
０．１＜ｆ３／ｆ＜５．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項８に記載の光学系。

【請求項10】

請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学系と、
該光学系からの光を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、赤外光に対応する光学系に関し、例えば監視カメラや車載カメラ等の撮像装置に好適なものである。

【背景技術】

【0002】

赤外域（波長８μｍ～１４μｍ程度）の光（赤外光、赤外線）に対応する光学系（赤外用光学系）が知られている。撮像装置に赤外用光学系を適用することで、可視の波長域（波長０．４μｍ～０．７μｍ程度）では得ることのできない被写体の温度分布等の熱情報を可視化することができる。赤外用光学系に用いられる赤外域の光を透過する材料（赤外用材料）としては、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧＡＡＳ）、カルコゲナイド、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、シリコン（Ｓｉ）、樹脂（高密度ポリエチレン等）がある。赤外用光学系は、遠方の被写体の微弱な熱情報を検知するために、高い光学性能（解像力）を有することが望まれる。特許文献１には、諸収差を補正するための非球面を有する赤外用光学系が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１０－３０１０２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、ゲルマニウムやシリコンを非球面形状に加工するためには、研削や研磨などの難易度が高い工程が必要になる。特許文献１の光学系では、非球面の加工難易度を下げるために薄い平板状のシリコンからなる平板レンズを採用しているが、高い光学性能を得るための平板レンズの形状については考慮されていない。一方、上述したゲルマニウムやシリコン以外の赤外用材料は、研削や研磨よりも難易度が低い成形加工により非球面を設けることが可能である。しかしながら、そのような成形可能な赤外用材料は分散が大きいため、高い光学性能を得るためには全系及び各レンズの焦点距離を適切に設定する必要がある。

【0005】

本発明は、製造が容易でありながら赤外域において高い光学性能を有する光学系及びそれを有する撮像装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面としての光学系は、波長８μｍ以上の光により物体を結像する光学系であって、第１レンズと、シリコン材料からなる第１光学素子とを備え、第１光学素子は、非球面を有し、開口絞りとは異なる位置に配置され、光軸を含む断面において、第１光学素子の厚さは軸上から最軸外にかけて単調に増加し、光学系の焦点距離をｆ、第１光学素子の焦点距離をＰｆ１、第１光学素子の光軸上での厚さをＴ［ｍｍ］とするとき、
０．０＜｜ｆ／Ｐｆ１｜＜０．３
０．０５≦Ｔ≦１．００
なる条件式を満足することを特徴とする。

【0007】

また、本発明の他の側面としての光学系は、波長８μｍ以上の光により物体を結像する光学系であって、第１レンズと、第１光学素子と、シリコン材料又はゲルマニウム材料からなる第２光学素子とを備え、第１光学素子は、非球面を有し、開口絞りとは異なる位置に配置され、光軸を含む断面において、第１光学素子の厚さは軸上から最軸外にかけて単調に増加し、光学系の焦点距離をｆ、第１光学素子の焦点距離をＰｆ１、第１光学素子の光軸上での厚さをＴ［ｍｍ］とするとき、
０．０＜｜ｆ／Ｐｆ１｜＜０．３
０．０５≦Ｔ≦１．００
なる条件式を満足することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、製造が容易でありながら赤外域において高い光学性能を有する光学系及びそれを有する撮像装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例１の光学系の断面図である。

【図2】実施例１の光学系のＭＴＦ図である。

【図3】実施例２の光学系の断面図である。

【図4】実施例２の光学系のＭＴＦ図である。

【図5】実施例３の光学系の断面図である。

【図6】実施例３の光学系のＭＴＦ図である。

【図7】実施例４の光学系の断面図である。

【図8】実施例４の光学系のＭＴＦ図である。

【図9】実施例５の光学系の断面図である。

【図10】実施例５の光学系のＭＴＦ図である。

【図11】実施例６の光学系の断面図である。

【図12】実施例６の光学系のＭＴＦ図である。

【図13】実施例７の光学系の断面図である。

【図14】実施例７の光学系のＭＴＦ図である。

【図15】実施例８の光学系の断面図である。

【図16】実施例８の光学系のＭＴＦ図である。

【図17】実施例９の光学系の断面図である。

【図18】実施例９の光学系のＭＴＦ図である。

【図19】実施例１０の光学系の断面図である。

【図20】実施例１０の光学系のＭＴＦ図である。

【図21】実施例１１の光学系の断面図である。

【図22】実施例１１の光学系のＭＴＦ図である。

【図23】実施例１２の光学系の断面図である。

【図24】実施例１２の光学系のＭＴＦ図である。

【図25】実施例１３の撮像装置の一例であるカムコーダーの要部概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

【0012】

各実施例の説明におけるシリコン材料やゲルマニウム材料は、シリコンやゲルマニウムを主成分とする材料を示し、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）のみから成るものに限らず、微小量の不純物を含有するものも含む。

【実施例1】

【0013】

図１は、本実施例の光学系１００の断面図である。光学系１００は、焦点距離１８ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。なお、ここでの赤外用光学系とは、波長８μｍ以上の光により物体（被写体）を結像する光学系のことである。光学系１００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる正の屈折力の第１レンズＬ１１、中心から周辺にかけて徐々に厚みが厚くなる（光軸を含む断面において、厚さが軸上から最軸外にかけて単調に増加する）非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板（光学素子）Ｐ１１、絞り（開口絞り）Ｓ１、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ１２、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ１３、中心から周辺にかけて徐々に厚みが厚くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板（光学素子）Ｐ１２より構成されている。薄型非球面板Ｐ１１，Ｐ１２は、厚さが数百μｍと非常に薄いものを想定している。そのため、シュミット補正板を製造する際に行われる加工等の容易な加工で製作可能である。光学系１００で導光された赤外域（波長８～１４μｍ)の光は、カバーガラスＣＧ１を透過して赤外線センサＩＭ１で結像する。なお、第１レンズＬ１１と物体との間に窓材を設けてもよいし、カバーガラスＣＧ１がゲルマニウム材料以外の赤外用材料で構成されていてもよい。光学系１００の数値データを表１に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0014】

【表1】

【0015】

非球面形状データを表２に示す。

【0016】

【表2】

【0017】

非球面形状は、Ｚを光軸方向の面頂点からの変位量、ｈを光軸と垂直な方向の光軸からの高さ、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐係数、Ａ～Ｆを４～１４次の非球面係数とするとき、

【0018】

【数1】

【0019】

で表している。

【0020】

図２は、光学系１００のＭＴＦ図である。一般的な赤外線センサのピクセルピッチは、数十μｍである。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ１を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。このナイキスト周波数で被写体を解像するためには、経験的にＭＴＦ値が３０％程度あればよい。図２中の１１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、２８％である。赤外線センサＩＭ１のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％程度であるため、光学系１００の光学性能は良好である。

【0021】

シリコン材料は赤外域において高屈折率かつ低分散であり、シリコン材料からなるレンズの一部に非球面を採用することで高い光学性能を得ることができる。しかしながら、シリコン材料の非球面を有する光学素子を加工するためには研削や研磨などの難易度が高い工程が必要となる。そこで、研削や研磨などの難易度が高い工程を経ることなく、容易に非球面部を加工することができる薄型非球面板が有用となる。薄型非球面板は、薄型のレンズ基板に非球面原器に吸着させることで、非球面原器の形状を転写し、研磨加工することで製造されるシュミット補正板と同様の加工やフォトリソグラフィー加工によって製造することができる。

【0022】

赤外線を透過する材料の屈折率Ｎ１０及びアッベ数ν１０を表３に示す。屈折率Ｎ１０は、波長１０μｍにおける屈折率である。アッベ数ν１０は、波長８μｍでの屈折率をＮ８、波長１２μｍでの屈折率をＮ１２とするとき、以下の式（２）により定義される。一般的に、アッベ数は数値が大きいほど波長による屈折率の変化（分散）が小さいことを意味している。なお、各硝材メーカーによって数値が若干異なるため、表３にはおおよその数値が記載されている。特に、カルコゲナイドは、周期表１６族の酸素族元素を用いた化合物の種類によって屈折率やアッベ数が大きく変わる。化合物の種類によって、屈折率Ｎ１０は２．０～４．０、アッベ数ν１０は１００～８００の間で変化する。

【0023】

【表3】

【0024】

【数2】

【0025】

ゲルマニウムやシリコンは、他の材料に比べて屈折率が大きく、分散が非常に小さい。一般的なＮ枚系の光学系は、色収差を補正するために、以下の式（３）を満足する構成になる。式（３）において、ｆ１，ｆ２，ｆ３，…，ｆｎはそれぞれ第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、・・・、第ｎレンズの焦点距離であり、ν１，ν２，ν３，…，νｎはそれぞれ、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、…、第ｎレンズのアッベ数である。

【0026】

【数3】

【0027】

レンズのアッベ数は通常、正であるため、色収差を低減するためには少なくとも一つのレンズが負の焦点距離を有することが好ましい。そのため、色収差を補正する光学系は、正レンズと負レンズを組み合せた構成になる。シリコンレンズの分散は非常に小さいため、正の屈折力のシリコンレンズのみでも色収差の発生は小さいが、負レンズの役割を果たす要素があることが好ましい。本実施例では、薄型非球面板が中心から周辺にかけて徐々に厚みが厚くなる非球面部を有することで、高精度に色収差を補正することが可能である。なお、焦点距離が短い光学系では、複数画角の光束を収斂させる必要があるため、第１レンズを負レンズとすればよい。

【0028】

また、光学系は、像面湾曲を補正するためには、ペッツバール和を小さくする以下の式（４）を満足する必要がある。ペッツバール和は像面湾曲と相関があるため、ペッツバール和を小さくすることで像面湾曲を小さくすることができる。式（４）において、ｆ１，ｆ２，ｆ３，…，ｆｎはそれぞれ第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、・・・、第ｎレンズの焦点距離であり、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，…，Ｎｎはそれぞれ、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ、…、第ｎレンズの屈折率である。

【0029】

【数4】

【0030】

レンズの屈折率は通常、正であるため、ペッツバール和を低減するためには少なくとも一つのレンズが負の焦点距離を有することが好ましい。そのため、像面湾曲を補正する光学系は、正レンズと負レンズを組み合せた構成になる。シリコンレンズの屈折率は非常に大きいため、正の屈折力のシリコンレンズのみでもペッツバール和を小さくできるが、負レンズの役割を果たす要素があることが好ましい。本実施例では、薄型非球面板が中心から周辺にかけて徐々に厚みが厚くなる非球面部を設けることで、高精度にペッツバール和を補正することが可能である。なお、焦点距離が短い光学系では、複数画角の光束を収斂させる必要があるため、第１レンズを負レンズとすればよい。

【0031】

また、高い光学性能を得るためには、レンズの瞳径に比例する球面収差を高度に補正することが重要になる。球面収差を各レンズに分担させて補正することが有用である。各実施例では、主な屈折力を有する球面レンズは正レンズであることが好ましい。これにより光線を緩やかに収斂させることが可能になり、球面収差の発生を抑えることができる。なお、焦点距離が短い光学系では、複数画角の光束を収斂させる必要があるため、第１レンズを負レンズとすればよい。

【0032】

また、赤外レンズのようなＦナンバーの明るいレンズの場合、良好な結像性能を得るためには、高次の像面湾曲を高精度に補正することが必要になる。そこで、本発明では薄型非球面板Ｐ１１を絞りＳ１とは異なる位置に配置することで、薄型非球面板Ｐ１１の非球面部が高次の像面湾曲を補正している。各実施例では、屈折力の小さい薄型非球面板Ｐ１２を絞りＳ１に対して物体側や像側に近い位置に配置することで、高次の像面湾曲や球面収差を補正することができる。つまり、ペッツバール和や色収差補正の条件を主な屈折力を持つ球面レンズで分担し、屈折力の小さい薄型非球面板が高次の球面収差や高次の像面湾曲の補正を担っている。特に、高次の像面湾曲補正は球面レンズのみでは補正が困難であるため、軸上光線と軸外光線が分離している位置に薄型非球面板を配置すればよい。このような構成により、光学系１００は、高い光学性能を得ることができる。

【0033】

薄型非球面板の焦点距離は他の球面レンズに比べ、非球面部の作用のみを効果として与えるため、高い屈折力を有する必要はない。そのため、実施例１乃至８の光学系は、光学系の焦点距離をｆ、薄型非球面板の焦点距離をＰｆ１とするとき、以下の条件式（５）を満足する。

【0034】

０．０＜｜ｆ／Ｐｆ１｜＜０．３ （５）
なお、条件式（５）の数値範囲を以下の条件式（５ａ）の数値範囲とすることが好ましい。

【0035】

０．００＜｜ｆ／Ｐｆ１｜＜０．２５ （５ａ）
以上説明したように、本実施例の構成によれば、製造が容易でありながら赤外域において高い光学性能を有する光学系を実現することができる。

【0036】

また、実施例１乃至８の光学系において、薄型非球面板はシリコン材料の透過率の観点から薄型形状を有することが好ましい。そのため、中心厚さ（光軸上での厚さ）をＴ［ｍｍ］とするとき、以下の条件式（６）を満足することが好ましい。

【0037】

０．０５≦Ｔ≦１．００ （６）
中心厚さＴが条件式（６）の範囲外になると、透過率が大きく低下し、光学性能が劣化する場合がある。

【0038】

なお、条件式（６）の数値範囲を以下の条件式（６ａ）の数値範囲とすることが好ましい。

【0039】

０．０５≦Ｔ≦０．６０ （６ａ）
また、実施例１乃至４の光学系は、第１乃至第３レンズＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３の焦点距離をそれぞれｆ１，ｆ２，ｆ３とするとき、以下の条件式（７）乃至（９）の少なくとも一つを満足することが好ましい。

【0040】

０．１＜｜ｆ１／ｆ｜＜６．０ （７）
０．１＜ｆ２／ｆ＜２０．０ （８）
０．１＜ｆ３／ｆ＜５．０ （９）
条件式（７）乃至（９）は、実施例１乃至４の光学系が色収差や球面収差、像面湾曲等の諸収差を良好に補正し、高い光学性能を得るためのものである。条件式（７）乃至（９）の上限値を上回る、又は下限値を下回ると、像面湾曲と球面収差の補正バランスが崩れ、光学性能が低下する。

【0041】

なお、条件式（７）乃至（９）の数値範囲を以下の条件式（７ａ）乃至（９ａ）の数値範囲とすることが好ましい。

【0042】

０．１＜｜ｆ１／ｆ｜＜５．０ （７ａ）
０．５＜ｆ２／ｆ＜１５.０ （８ａ）
０．１＜ｆ３／ｆ＜４．０ （９ａ）
実施例１乃至４の条件式に対応する数値を表４に示す。

【0043】

【表4】

【実施例2】

【0044】

図３は、本実施例の光学系２００の断面図である。光学系２００は、焦点距離１４ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。光学系２００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる正の屈折力の第１レンズＬ２１、中心から周辺にかけて徐々に厚みが厚くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ２１、中心から周辺にかけて徐々に厚みが薄くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ２２、絞りＳ２、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ２２、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ２３、中心から周辺にかけて徐々に厚みが厚くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ２３より構成されている。薄型非球面板Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３は、厚さが数百μｍと非常に薄いものを想定している。そのため、シュミット補正板を製造する際に行われる加工等の容易な加工で製作可能である。本実施例では、高次の球面収差を補正するため、薄型非球面板Ｐ２２を配置している。光学系２００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ２を透過して赤外線センサＩＭ２で結像する。光学系２００の数値データを表５に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0045】

【表5】

【0046】

非球面形状データを表６に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0047】

【表6】

【0048】

図４は、光学系２００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ２を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図４中の２１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、４３％である。赤外線センサＩＭ２のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系２００の光学性能は良好である。

【実施例3】

【0049】

図３は、本実施例の光学系３００の断面図である。光学系３００は、焦点距離５０ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。光学系２００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる正の屈折力の第１レンズＬ３１、中心から周辺にかけて徐々に厚みが厚くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ３１、絞りＳ３、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ３２、中心から周辺にかけて徐々に厚みが厚くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ３２より構成されている。そのため、シュミット補正板を製造する際に行われる曲げ加工等の容易な加工で製作可能である。薄型非球面板Ｐ３１，Ｐ３２は、厚さが数百μｍと非常に薄いものを想定している。光学系３００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ３を透過して赤外線センサＩＭ３で結像する。光学系２００の数値データを表７に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0050】

【表7】

【0051】

非球面形状データを表８に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0052】

【表8】

【0053】

図６は、光学系３００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ３を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図６中の３１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、３２％である。赤外線センサＩＭ３のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系３００の光学性能は良好である。

【実施例4】

【0054】

図７は、本実施例の光学系４００の断面図である。光学系４００は、焦点距離６ｍｍ、Ｆナンバー０．９の赤外用光学系である。光学系４００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる負の屈折力の第１レンズＬ４１、中心から周辺にかけて徐々に厚みが厚くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ４１、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ４２、絞りＳ４、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ４３、中心から周辺にかけて徐々に厚みが厚くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ４２より構成されている。そのため、シュミット補正板を製造する際に行われる曲げ加工等の容易な加工で製作可能である。薄型非球面板Ｐ４１，Ｐ４２は、厚さが数百μｍと非常に薄いものを想定している。光学系４００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ４を透過して赤外線センサＩＭ４で結像する。光学系４００の数値データを表９に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0055】

【表9】

【0056】

非球面形状データを表１０に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0057】

【表10】

【0058】

図８は、光学系４００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ４を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図８中の４１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、３６％である。赤外線センサＩＭ４のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系４００の光学性能は良好である。

【実施例5】

【0059】

図９は、本実施例の光学系５００の断面図である。光学系５００は、焦点距離４．５ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。光学系５００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる負の屈折力の第１レンズＬ５１、中心と最周辺との間で厚さが最も薄くなる（光軸を含む断面において、厚さが軸上と最軸外との間で最も薄くなる）非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ５１、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ５２、絞りＳ５、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ５３より構成されている。薄型非球面板Ｐ５１，Ｐ５２は、厚さが数百μｍと非常に薄いものを想定している。そのため、シュミット補正板を製造する際に行われる曲げ加工等の容易な加工で製作可能である。光学系５００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ５を透過して赤外線センサＩＭ５で結像する。光学系５００の数値データを表１１に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0060】

【表11】

【0061】

非球面形状データを表１２に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0062】

【表12】

【0063】

図１０は、光学系５００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ５を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図１０中の５１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、４８％である。赤外線センサＩＭ５のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系５００の光学性能は良好である。

【0064】

像面湾曲を高精度に補正する方法として、各画角の光線が分離している位置に非球面効果を持つ薄型非球面板を配置する方法がある。各画角の光線が分離している位置は、絞りが配置されている位置とは異なる位置である。各画角の光線のばらつきは、非球面部により補正される。像面湾曲補正では、４次の非球面項まででは不十分であるため、６次以上の非球面項を持つ関数で表される非球面形状である必要がある。また、中心と最周辺との間で厚さが最も薄い形状であることが収差補正上必要となる。

【0065】

薄型非球面板は絞りが配置されている位置とは異なる位置に配置されていることが、像面湾曲補正の観点から好ましい。第１レンズから絞りまでの距離をＬＰ、絞りから像面までの距離をＬＳ、絞りから薄型非球面板までの距離をＰＺとするとき、薄型非球面板を絞りの物体側に配置する場合は以下の条件式（１０）を満足することが好ましい。

【0066】

ＰＺ／ＬＰ＜０．８ （１０）
また、薄型非球面板を絞りの像側に配置する場合は以下の条件式（１１）を満足することが好ましい。

【0067】

ＰＺ／ＬＳ＜０．８ （１１）
なお、条件式（１０），（１１）の数値範囲を以下の条件式（１０ａ），（１１ａ）の数値範囲とすることが好ましい。

【0068】

０．１＜ＰＺ／ＬＰ＜０．７ （１０ａ）
０．１＜ＰＺ／ＬＳ＜０．７ （１１ａ）
また、実施例５乃至８の光学系は、以下の条件式（１２）乃至（１４）の少なくとも一つを満足することが好ましい。

【0069】

０．１＜｜ｆ１／ｆ｜＜５．０ （１３）
０．１＜ｆ２／ｆ＜１０．０ （１４）
０．１＜ｆ３／ｆ＜１０．０ （１５）
条件式（１２）乃至（１４）は、実施例５乃至８の光学系が色収差や球面収差、像面湾曲等の諸収差を良好に補正し、高い光学性能を得るためのものである。条件式（１２）乃至（１４）の上限値を上回る、又は下限値を下回ると、像面湾曲と球面収差の補正バランスが崩れ、光学性能が低下する。

【0070】

なお、条件式（１２）乃至（１４）の数値範囲を以下の条件式（１２ａ）乃至（１４ａ）の数値範囲とすることが好ましい。

【0071】

０．１＜｜ｆ１／ｆ｜＜３．５ （１２ａ）
０．５＜ｆ２／ｆ＜７．０ （１３ａ）
０．１＜ｆ３／ｆ＜４．０ （１４ａ）
実施例５乃至８の条件式に対応する数値を表１３，１４に示す。

【0072】

【表13】

【0073】

【表14】

【実施例6】

【0074】

図１１は、本実施例の光学系６００の断面図である。光学系６００は、焦点距離４．５ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。光学系６００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる負の屈折力の第１レンズＬ６１、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ６２、絞りＳ６、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ６３、中心と最周辺との間で厚さが最も薄くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ６１より構成されている。光学系６００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ６を透過して赤外線センサＩＭ６で結像する。光学系６００の数値データを表１５に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0075】

【表15】

【0076】

非球面形状データを表１６に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0077】

【表16】

【0078】

図１２は、光学系６００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ６を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図１２中の６１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、５０％である。赤外線センサＩＭ６のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系６００の光学性能は良好である。

【実施例7】

【0079】

図１３は、本実施例の光学系７００の断面図である。光学系７００は、焦点距離３ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。光学系７００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる負の屈折力の第１レンズＬ７１、絞りＳ７、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ７２、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ７３、中心と最周辺との間で厚さが最も薄くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ７１より構成されている。光学系７００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ７を透過して赤外線センサＩＭ７で結像する。光学系７００の数値データを表１７に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0080】

【表17】

【0081】

非球面形状データを表１８に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0082】

【表18】

【0083】

図１４は、光学系７００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ７を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図１４中の７１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、４９％である。赤外線センサＩＭ７のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系７００の光学性能は良好である。

【実施例8】

【0084】

図１５は、本実施例の光学系８００の断面図である。光学系８００は、焦点距離６ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。光学系８００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる負の屈折力の第１レンズＬ８１、絞りＳ８、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ８２、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ８３、中心と最周辺との間で厚さが最も薄くなる非球面部を持つシリコン材料からなる薄型非球面板Ｐ８１より構成されている。光学系８００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ８を透過して赤外線センサＩＭ８で結像する。光学系８００の数値データを表１９に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0085】

【表19】

【0086】

非球面形状データを表２０に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0087】

【表20】

【0088】

図１６は、光学系８００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ８を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図１６中の８１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、５４％である。赤外線センサＩＭ８のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系８００の光学性能は良好である。

【実施例9】

【0089】

図１７は、本実施例の光学系９００の断面図である。光学系９００は、焦点距離４．５ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。光学系９００は、物体側から像側へ順に配置された、ゲルマニウム材料からなる負の屈折力の第１レンズＬ９１、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ９２、絞りＳ９、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ９３、カルコゲナイド材料からなる非球面を有する光学素子（非球面レンズ）ＡＳＰ９１より構成されている。カルコゲナイドは、周期表１６族の酸素族元素を用いた化合物を含み、化合物の種類によって屈折率やアッベ数が変わる。本実施例では、カルコゲナイドとしてＮＨＧ社（Ｈｕｂｅｉ Ｎｅｗ Ｈｕａｇｕａｎｇ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏ．， Ｌｔｄ.）のＩＲＧ２０６を使用するが、周期表１６族の酸素族元素を用いた化合物であればこれに限定されない。光学系８００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ９を透過して赤外線センサＩＭ９で結像する。光学系９００の数値データを表２１に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0090】

【表21】

【0091】

非球面形状データを表２２に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0092】

【表22】

【0093】

図１８は、光学系９００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ９を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図１８中の９１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、５７％である。赤外線センサＩＭ９のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系９００の光学性能は良好である。

【0094】

シリコン材料やゲルマニウム材料は赤外域において高屈折率かつ低分散であり、シリコン材料やゲルマニウム材料からなるレンズの一部に非球面を採用することで高い光学性能を得ることができる。しかしながら、シリコン材料やゲルマニウム材料の非球面を有する光学素子を加工するためには研削や研磨などの難易度が高い工程が必要となる。

【0095】

一方、カルコゲナイド、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、樹脂（高密度ポリエチレン）等は熱等による成型加工が可能な材料であるが、分散が大きいため色収差の発生量が大きい。この色収差を補正するためにレンズ面に回折構造を設けると、回折構造での散乱により不要な光が赤外線センサに入射し、光学性能を劣化させる場合がある。

【0096】

レンズのアッベ数は通常、正であるため、色収差を低減するためには少なくとも一つのレンズが負の焦点距離を有することが好ましい。カルコゲナイド、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、樹脂（高密度ポリエチレン）等の分散が大きい材料を使用する場合は、レンズの焦点距離を長くする（屈折力を小さくする）ことで色収差の発生を抑えることができる。

【0097】

像面湾曲を高精度に補正する方法として、各画角の光線が分離している位置に非球面を有する光学素子を配置する方法がある。また、主に像面湾曲を補正する場合、像側に非球面レンズを配置することが効果的である。非球面レンズとしてカルコゲナイド、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、樹脂（高密度ポリエチレン）等の成型加工が可能な材料を使用すると、色収差の発生が課題となる。この課題を解決するため、本実施例では焦点距離の長い非球面レンズを採用している。

【0098】

したがって、本実施例では、屈折力の小さい非球面を有する光学素子を絞りとは異なる位置に配置することで、光学性能を向上させることができる。非球面を有する光学素子は、２０≦ν１０≦２０００なる条件式を満たすことが望ましい。ただし、非球面を有する光学素子の製造（成型及び加工）の容易性を向上させるためには、該光学素子を分散が大きい材料で構成することがより好ましい。具体的には、非球面を有する光学素子は、２０≦ν１０≦８００なる条件式を満たすことがより好ましい。

【0099】

分散の大きい材料を使用した非球面レンズでは、球面レンズに比べ、非球面部の作用のみを効果として与えつつ、色収差の発生を抑える必要がある。そのため、非球面レンズの焦点距離をＰｆ２とするとき、以下の式（１５）を満足する。

【0100】

０．０＜｜ｆ／Ｐｆ２｜＜０．３ （１５）
なお、条件式（１５）の数値範囲を以下の条件式（１５ａ）の数値範囲とすることが好ましい。

【0101】

０．０＜｜ｆ／Ｐｆ２｜＜０．１ （１５ａ）
また、条件式（１５）の数値範囲を以下の条件式（１５ｂ）の数値範囲とすることが更に好ましい。

【0102】

０．００＜｜ｆ／Ｐｆ２｜＜０．０７ （１５ｂ）
分散の大きい材料を使用した非球面レンズは、像面湾曲補正の観点から絞りよりも像側に配置することが好ましい。絞りから非球面レンズまでの距離をＰＺとするとき、以下の式（１６）を満足することが好ましい。

【0103】

０．３＜ＰＺ／ＬＳ＜１．０ （１６）
なお、条件式（１６）の数値範囲を以下の条件式（１６ａ）の数値範囲とすることが好ましい。

【0104】

０．４＜ＰＺ／ＬＳ＜０．９ （１６ａ）
また、実施例５乃至８の光学系は、以下の条件式（１７）乃至（１９）の少なくとも一つを満足することが好ましい。

【0105】

０．０１＜｜ｆ１／Ｐｆ２｜＜０．８０ （１７）
０．０１＜｜ｆ２／Ｐｆ２｜＜０．８０ （１８）
０．０１＜｜ｆ３／Ｐｆ２｜＜０．８０ （１９）
条件式（１７）乃至（１９）は、実施例９乃至１２の光学系が色収差や球面収差、像面湾曲等の諸収差を良好に補正し、高い光学性能を得るためのものである。条件式（１７）乃至（１９）の上限値を上回る、又は下限値を下回ると、像面湾曲と球面収差の補正バランスが崩れ、光学性能が低下する。

【0106】

なお、条件式（１７）乃至（１９）の数値範囲を以下の条件式（１７ａ）乃至（１９ａ）の数値範囲とすることが好ましい。

【0107】

０．０１＜｜ｆ１／Ｐｆ２｜＜０．５０ （１７ａ）
０．０１＜｜ｆ２／Ｐｆ２｜＜０．５０ （１８ａ）
０．０１＜｜ｆ３／Ｐｆ２｜＜０．５０ （１９ａ）
実施例９乃至１２の条件式に対応する数値を表２３，２４に示す。

【0108】

【表23】

【0109】

【表24】

【実施例10】

【0110】

図１９は、本実施例の光学系１０００の断面図である。光学系１０００は、焦点距離４．５ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。光学系１０００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる負の屈折力の第１レンズＬ１０１、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ１０２、絞りＳ１０、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ１０３、硫化亜鉛材料からなる非球面を有する光学素子（非球面レンズ）ＡＳＰ１０１より構成されている。光学系１０００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ１０を透過して赤外線センサＩＭ１０で結像する。光学系１０００の数値データを表２５に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0111】

【表25】

【0112】

非球面形状データを表２６に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0113】

【表26】

【0114】

図２０は、光学系１０００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ１０を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図２０中の１０１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、５２％である。赤外線センサＩＭ１０のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系１０００の光学性能は良好である。

【実施例11】

【0115】

図２１は、本実施例の光学系１１００の断面図である。光学系１１００は、焦点距離４．５ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。光学系１１００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる負の屈折力の第１レンズＬ１１１、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ１１２、絞りＳ１１、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ１１３、セレン化亜鉛材料からなる非球面を有する光学素子（非球面レンズ）レンズＡＳＰ１１１より構成されている。光学系１１００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ１１を透過して赤外線センサＩＭ１１で結像する。光学系１１００の数値データを表２７に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0116】

【表27】

【0117】

非球面形状データを表２８に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0118】

【表28】

【0119】

図２２は、光学系１１００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ１０を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図２２中の１１１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、５７％である。赤外線センサＩＭ１０のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系１１００の光学性能は良好である。

【実施例12】

【0120】

図２３は、本実施例の光学系１２００の断面図である。光学系１２００は、焦点距離４．５ｍｍ、Ｆナンバー０．８の赤外用光学系である。光学系１２００は、物体側から像側へ順に配置された、シリコン材料からなる負の屈折力の第１レンズＬ１２１、シリコン材料からなる正の屈折力の第２レンズＬ１２２、絞りＳ１２、シリコン材料からなる正の屈折力の第３レンズＬ１２３、樹脂材料からなる非球面を有する光学素子（非球面レンズ）ＡＳＰ１２１より構成されている。樹脂材量として、密度が０．９４２［ｋｇ／ｍ^３］以上のポリエチレンである高密度ポリエチレン（HDPE）等がある。光学系１２００で導光された赤外域の光は、カバーガラスＣＧ１２を透過して赤外線センサＩＭ１２で結像する。光学系１２００の数値データを表２９に示す。曲率半径及び間隔の単位はｍｍである。

【0121】

【表29】

【0122】

非球面形状データを表３０に示す。非球面形状は、式（１）で表している。

【0123】

【表30】

【0124】

図２４は、光学系１２００のＭＴＦ図である。本実施例では一例として、ピクセルピッチが１７μｍの赤外線センサＩＭ７を使用する。この場合、ナイキスト周波数は約３０ｌｐ／ｍｍとなる。図２４中の１２１で表される本実施例のナイキスト周波数におけるＭＴＦ値は、４３％である。赤外線センサＩＭ１２のナイキスト周波数においてＭＴＦ値が３０％以上であるため、光学系１２００の光学性能は良好である。

【実施例13】

【0125】

本実施例では、各実施例の光学系を用いた撮像装置の一例である赤外用のカムコーダー（ビデオカメラ）について説明する。図２５は、本実施例のカムコーダーの要部概略図である。カムコーダーは、カメラ本体１３、および実施例１乃至１２の何れかの光学系により構成された撮像光学系１１を有する。カメラ本体１３は、撮像光学系１１によって形成された被写体像を受光（光電変換）するマイクロボロメータ等の撮像素子（赤外線センサ）１２を備える。赤外線センサとしては、例えば酸化バナジウムやアモルファスシリコンを用いて形成されたものが採用される。取得された画像は、表示装置１４により確認することができる。表示装置１４は、カメラ本体１３に組み込まれていてもよいし、無線通信によりカメラ本体１３と切り離されていてもよい。なお、各実施例の光学系は、車載カメラや監視カメラ等の撮像装置にも適用できる。

【0126】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、各実施例の条件式を組み合わせても効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0127】

１００，２００，３００，４００ 光学系
Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３，Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ４１，Ｐ４２ 薄型非球面板（光学素子）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】