CN113448064A - 光学系统、图像拾取装置、车载系统和移动装置 - Google Patents

Abstract

公开了光学系统、图像拾取装置、车载系统和移动装置。光学系统由从物侧到像侧依次布置的具有正折光力或负折光力的前透镜单元、光圈和具有正折光力的后透镜单元组成。前透镜单元包括非球面透镜，该非球面透镜在光轴上具有正折光力，并且被部署为最靠近物体。非球面透镜在物侧具有非球面表面，在该非球面表面中轴外曲率半径大于轴上曲率半径。预定条件被满足。

Description

光学系统、图像拾取装置、车载系统和移动装置

技术领域

本发明涉及适合于诸如车载相机之类的图像拾取装置的光学系统。

背景技术

对于在诸如车载相机之类的图像拾取装置中使用的光学系统，具有广视角是重要的。特别地，为了识别车辆牌照等，在视角的中心区域中成像倍率可以大。日本专利公开No.(“JP”)2014-164287公开了包括第一透镜的光学系统，该第一透镜被部署为靠近物体并具有负折光力从第一透镜的光轴到周边变强的非球面表面。JP 2018-087938公开了一种具有非球面表面的光学系统，在该非球面表面中子午截面的曲率从正值改变为负值。

JP 2014-164287中公开的光学系统支持在广视角处成像，但是由于短的近轴焦距，因此不具有中心区域中的足够的成像倍率。JP 2018-087938中公开的光学系统具有长的近轴焦距以及中心区域中的大的成像倍率，但是具有对角地约50°宽的可成像视角，这还不够宽。

发明内容

本发明提供了光学系统、图像拾取装置、车载系统和移动装置，它们中的每个具有中心区域中的大的成像倍率以及广视角。

根据本发明的一个方面的光学系统由从物侧到像侧依次布置的具有正折光力或负折光力的前透镜单元、光圈和具有正折光力的后透镜单元组成。前透镜单元包括非球面透镜，该非球面透镜在光轴上具有正折光力，并且被部署为最靠近物体。非球面透镜在物侧具有非球面表面，在该非球面表面中轴外曲率半径大于轴上曲率半径。以下条件表达式被满足：

0.45≤D1s/L≤0.65

2.6≤Dr8/Dr4≤30.0

其中D1s是从非球面表面到光圈的光轴上的距离，L是光学系统的总光学长度，并且Dr4和Dr8分别是在非球面表面的有效直径的40％和80％的位置处的离参考球面表面的下垂量。

各自具有上述光学系统的图像拾取装置、车载系统和移动装置也构成本发明的其它方面。

通过以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1是根据本发明的示例1的光学系统的截面图。

图2是根据示例1的光学系统在300m的物体距离处的像差图。

图3是根据本发明的示例2的光学系统的截面图。

图4是根据示例2的光学系统在300m的物体距离处的像差图。

图5是根据本发明的示例3的光学系统的截面图。

图6是根据示例3的光学系统在300m的物体距离处的像差图。

图7是根据本发明的示例4的光学系统的截面图。

图8是示例4的光学系统在300m的物体距离处的像差图。

图9是根据本发明的示例5的光学系统的截面图。

图10是根据示例5的光学系统在300m的物体距离处的像差图。

图11是根据本发明的示例6的光学系统的截面图。

图12是根据示例6的光学系统在300m的物体距离处的像差图。

图13是使用根据每个示例的光学系统的图像拾取装置的示意图。

图14A和图14B图示由常规的广角透镜捕获的图像以及由根据每个示例的光学系统捕获的图像。

图15是示出使用根据每个示例的光学系统的车载系统的配置的框图。

图16是包括车载系统的车辆的示意图。

图17是示出车载系统的操作的流程图。

具体实施方式

现在参考附图，将给出根据本发明的实施例的描述。当使用一般的等立体角投影方法的常规的广角透镜(成像光学系统)时，如图14A中所示，可以获得具有均匀划分的视角的捕获的图像。在这个捕获的图像中，中心区域中的成像倍率小，中心区域中的物体以小尺寸被捕获，并且难以分辨。

另一方面，根据本发明的每个示例的光学系统(成像光学系统)通过采用标准透镜而具有中心区域中的物体的大的成像倍率。更具体而言，每个示例设定光学系统，使得按照35mm胶片，焦距为约40mm至50mm。通常的标准透镜不能捕获广视角。因此，根据这个示例的光学系统通过增大筒状畸变(barrel-shaped distortion)将周边区域中的物体图像挤压到视角中。如图14B中所示，根据这个示例的光学系统可以提供在水平方向上以广视角捕获的图像，同时比上述广角透镜大地捕获中心区域中的物体。

图1、图3、图5、图7、图9和图11分别是根据示例1、示例2、示例3、示例4、示例5和示例6的光学系统的截面图。根据每个示例的光学系统是适合于图像拾取装置(诸如数字静态相机或视频相机，更特别地是车载相机或监视相机)的光学系统。在每个截面图中，左侧是物侧(前侧)，并且右侧是像侧(后侧)。OA表示光学系统的光轴。Bi表示从物侧起依次计数的透镜单元，B1表示前透镜单元，并且B2表示后透镜单元。GB表示与滤光器、面板、晶体低通滤波器、红外截止滤波器等对应的光学块。IP表示像面，在该像面上部署了诸如CCD传感器或CMOS传感器之类的固态图像传感器的成像平面。

在根据每个示例的光学系统中，光圈(孔径光阑)SP部署在前透镜单元B1和后透镜单元B2之间。换句话说，在根据每个示例的光学系统中，光圈SP的物侧的透镜单元是前透镜单元B1，并且光圈SP的像侧的透镜单元是后透镜单元B2。通过以这种方式将光圈SP夹在前透镜单元B1和后透镜单元B2之间，在前透镜单元B1和后透镜单元B2中近轴光线高的位置处控制畸变。由于使光圈SP远离图像传感器可以减小成像光在图像传感器上的入射角度，因此可以抑制由阴影等导致的捕获的图像的恶化。

根据每个示例的光学系统由从物侧到像侧依次布置的前透镜单元B1、光圈SP和后透镜单元B2组成。前透镜单元B1具有正或负折光力，并且后透镜单元B2具有正折光力。为了在标准透镜中产生大的筒状畸变，需要使用非球面透镜来控制畸变。由于畸变在光瞳近轴光线的高位置处倾向于大，因此光圈SP被夹在前透镜单元B1和后透镜单元B2之间。此时，由于在前透镜单元B1中最靠近物体的透镜中光瞳近轴光线的高度高，因此非球面表面可以被用于这个透镜。由于在后透镜单元B2中像侧的透镜中的光瞳近轴光线的高度高，因此非球面表面可以被用于这个透镜。

在根据每个示例的光学系统中，前透镜单元B1的物侧的透镜在光轴上以及在包括光轴的中心区域中具有正折光力。中心区域中的折光力是指根据由三个点或者光轴上的(轴上)点和具有有效直径的±40％的点确定的圆的曲率半径计算出的折光力。在广角透镜中，具有负折光力的透镜通常被放置得最靠近物体，但是每个示例的特征在于近轴焦距位于标准透镜范围内，并且因此位于最靠近物体的非球面透镜在光轴上和中心区域中具有正折光力。非球面透镜具有正折光力的近轴折光力。

由于以这种方式位于最靠近物体的透镜具有正折光力，因此前透镜单元B1的主点位置可以被定位在物侧，这对于紧凑的光学系统是有利的。此外，通过正折光力而减小的光圈SP的直径就机构而言也是有利的。

在根据每个示例的光学系统中，前透镜单元B1包括3个或4个透镜。如上所述，在前透镜单元B1中位于最靠近物体的透镜是非球面透镜。非球面透镜在物侧具有非球面表面。在这个非球面表面中，轴外曲率半径大于轴上曲率半径。这个非球面表面可以减小非球面透镜从中心到周边的正折光力，并且可以显著地生成筒状畸变。

非球面透镜的像侧表面也可以是非球面表面。在根据示例1至示例4的光学系统中，非球面透镜在像侧的表面是非球面表面。

在每个示例中，非球面透镜的物侧的非球面表面具有球面形状，在该球面形状中参考球面表面朝着物侧凸出。在截面图中，参考球面表面是由三个点确定的圆，这三个点即为轴上点和具有有效直径的±100％的点。如果物侧表面是球面的并且畸变是由非球面的像侧表面控制的，那么周边具有深凹形状，这使得难以制造用于模制非球面透镜的模具。

在示例1、示例3和示例6中，玻璃被用作非球面透镜的材料。玻璃非球面透镜可以将热形状变化抑制到小程度，并因此可以抑制光学系统的光学性能的环境变化。示例2、示例4和示例5使用树脂作为非球面透镜的材料。树脂非球面透镜可以使光学系统较轻，并提高抗冲击性。

负透镜和具有全正折光力的一个或两个透镜部署在前透镜单元B1中最靠近物体的非球面透镜的像侧。由于具有正折光力的透镜还具有切割成像光束中的下部的作用，因此它可以部署在光圈SP附近。

在每个示例中，后透镜单元B2包括4个或5个透镜。两个非球面透镜被部署成最靠近后透镜单元B2的像侧。随着畸变校正量变大，变得难以仅用前透镜单元B1校正畸变，并因此非球面透镜被用于后透镜单元B2中光瞳近轴光线最高的像面附近的透镜。非球面表面被部署在光圈SP的像侧并且具有正折光力变强的非球面形状。

作为后透镜单元B2的非球面透镜的材料，出于与前透镜单元B1的非球面透镜的原因相同的原因而使用玻璃或树脂。在示例5和示例6中，两个非球面透镜的折光力具有相反的符号。由此，可以抵消由于因热和/或吸湿引起的形状或折射率的变化而导致的焦点变化。

两个或三个球面透镜部署在光圈SP和后透镜单元B2的非球面透镜之间。在这些透镜当中，具有大于70的阿贝数的低色散透镜可以被用于具有正折光力的透镜。由此，可以满意地校正纵向色差。具有高折射率和高色散的透镜可以被用于具有负折光力的透镜。由此，可以满意地校正像场弯曲和横向色差。

为了使用如上所述的标准透镜来生成大的筒状畸变并增大中心区域中的物体的成像倍率，同时使得能够以广视角进行成像，最靠近物体的非球面透镜需要被适当地设定。更具体地，非球面表面部署在远离光圈SP的位置处，以便有效地控制畸变。这是因为光瞳的近轴光线的高度在远离光圈SP的位置处变高，使得可以容易地控制畸变。为了增大筒状畸变，光圈SP的物侧的表面设置有周边处的局部曲率半径大于中心处的曲率半径的非球面形状。特别地，如每个示例中那样，为了在水平方向上以超过100°的广视角捕获图像，需要在水平视角中生成-60％或更小的畸变。为了以这种方式压缩并捕获周边的物体图像，非球面表面具有在周边急剧改变的形状。

为了适当地进行这些设定，根据每个实施例的光学系统满足以下表达式：

0.45≤D1s/L≤0.65 (1)

2.6≤Dr8/Dr4≤30.0 (2)

其中D1s是从前透镜单元B1中的最靠近物体的非球面透镜中的物侧的非球面表面到光圈SP的光轴上的距离，L是光学系统的总光学长度，并且Dr4和Dr8分别是在非球面表面上的有效直径的40％和80％的位置处的离参考球面表面的下垂量(sag amount)。

条件表达式(1)指示当通过光学系统的总光学长度对非球面透镜的物侧的非球面表面相对于光圈SP的位置进行归一化时应满足的条件。当D1s/L低于条件表达式(1)中的下限时，从光圈SP到非球面表面的距离太短，非球面表面上的光瞳近轴光线的高度变低，并且难以有效地控制畸变。另一方面，当D1s/L高于条件表达式(1)中的上限时，从光圈SP到非球面表面的距离变得太长，非球面透镜的直径增大，光学系统变大，或者变得难以制造非球面透镜。

条件表达式(2)示出了非球面表面中具有有效直径的40％的非球面量与具有有效直径的80％的非球面量之间的满意的关系。当Dr8/Dr4低于条件表达式(2)中的下限时，具有有效直径的80％的非球面量相对于具有有效直径的40％的非球面量变得太小，并且变得难以在周边生成大的畸变量并因此难以以广视角捕获图像。另一方面，当Dr8/Dr4高于条件表达式(2)中的上限时，具有有效直径的80％的非球面量相对于具有有效直径的40％的非球面量变得太大，非球面形状倾向于具有带有拐点的形状，并且变得难以制造非球面透镜。满足这些条件可以实现能够以广视角捕获图像同时增大视角的中心区域中的物体的成像倍率的光学系统。

条件表达式(1)和(2)的数值范围可以被如下设定。

0.45≤D1s/L≤0.62 (1a)

2.6≤Dr8/Dr4≤15.0 (2a)

条件表达式(1)和(2)的数值范围可以被如下设定。

0.45≤D1s/L≤0.59 (1b)

2.6≤Dr8/Dr4≤9.0 (2b)

根据每个示例的光学系统还可以满足以下条件表达式(3)至(9)中的至少一个：

0.3≤refR1/D1s≤1.0 (3)

-2.0≤ΔP08/P00≤-0.5 (4)

-0.2≤(refR1-refR2)/(refR1+refR2)≤0.2 (5)

0.38≤D2s/L≤0.60 (6)

-0.7≤Y/ftanω-1≤-1.0 (7)

0.03≤|Dr8/refR1|≤0.08 (8)

3.0≤L/f≤6.0 (9)

在条件表达式(3)至(9)中，refR1和refR2分别是前透镜单元B1中的最靠近物体的非球面透镜的物侧的非球面表面的参考球面表面和像侧的非球面表面的参考球面表面的曲率半径。D2s是从前透镜单元B1中的最靠近物体部署的非球面透镜的像侧表面到光圈SP的距离。f是整个光学系统的焦距，Y是像面IP中的最大像高，并且ω是作为最大可成像视角的实际视角(°)。P00是非球面透镜的轴上折光力，并且P08是非球面透镜的有效直径的80％的折光力。有效直径的80％的折光力是根据物侧表面和像侧表面的有效直径的80％的点处的局部曲率半径、这些点之间的距离(间隔)和玻璃的折射率计算出的折光力。ΔP08是非球面透镜的轴上折光力与有效直径的80％的折光力之间的差(P08-P00)。

条件表达式(3)指示因为光束以非球面透镜的物侧的非球面表面的参考球面表面的曲率半径与距光圈SP的位置之间的关系同心地进入非球面表面所以可以被满足的条件。如果refR1/D1s低于条件表达式(3)中的下限，那么参考球面表面的曲率半径变得太小，变得难以确保非球面透镜的边缘，或非球面表面的下垂变得太大使得变得难以制造模具。另一方面，当refR1/D1s高于条件表达式(3)中的上限时，参考球面表面的曲率半径变得太大，并且成像光束在非球面表面的表面法线上的入射角度变大。因此，在这个非球面表面上大幅地生成像场弯曲，并且难以校正像场弯曲。

条件表达式(4)指示非球面透镜的中心处的折光力和周边处(有效直径的80％)的折光力可以满足的条件。在每个示例中，需要增大周边中的负折光力，以便在周边生成大的筒状畸变。当ΔP08/P00低于条件表达式(4)中的下限时，周边中的负折光力变得太强，因此需要增大非球面透镜的下垂量，并且变得难以制造非球面透镜。另一方面，如果ΔP08/P00高于条件表达式(4)的上限，那么周边中的负折光力变得太弱以致不能生成畸变，并且变得难以以广视角捕获图像。

条件表达式(5)指示非球面透镜的形状因子可以满足的条件。如果(refR1-refR2)/(refR1+refR2)小于条件表达式(5)中的下限，那么物侧的非球面表面的参考球面表面的曲率半径变得太小，变得难以确保非球面透镜的边缘，或者非球面下垂变得太大使得变得难以制造模具。当(refR1-refR2)/(refR1+refR2)大于条件表达式(5)中的上限时，参考球面表面的曲率半径变大，成像光束相对于非球面表面的表面法线的入射角度变得太大，在非球面表面上生成大的像场弯曲，并且难以校正像场弯曲。

条件表达式(6)指示当通过光学系统的总光学长度对非球面透镜的像侧表面相对于光圈SP的位置进行归一化时可以满足的条件。为了校正畸变，不仅可以将物侧表面而且可以将像侧表面部署在光瞳近轴光线的高度高的位置处。当D2s/L低于条件表达式(6)中的下限时，从光圈SP到像侧表面的距离变得太小，光瞳近轴光线的高度变低，并且变得难以有效地控制畸变。另一方面，当D2s/L高于条件表达式(6)中的上限时，从光圈SP到像侧表面的距离变得太大，因此非球面透镜的直径增大，并且光学系统变大。

条件表达式(7)指示实际像高与理想像高的比例或畸变量可以满足的条件。如果Y/ftanω-1低于条件表达式(7)中的下限，那么畸变量太小以致不能以广视角捕获图像。

条件表达式(8)示出了当通过参考球面表面的曲率半径对物侧的非球面表面的周边中(有效直径的80％)的非球面量进行归一化时可以满足的条件。如果Dr8/refR1低于条件表达式(8)中的下限，那么周边中的非球面量变得太小，并且变得难以生成畸变并且难以以广视角捕获图像。另一方面，如果Dr8/refR1高于条件表达式(8)中的上限，那么周边中的非球面量变得太大，非球面表面具有拐点，并且变得难以制造非球面透镜。

条件表达式(9)指示光学系统的总光学长度与焦距之间的比例(望远比)可以满足的条件。根据每个示例的光学系统的特征在于焦距比通常的广角透镜的焦距长，并且望远比小。如果L/f低于条件表达式(9)中的下限，那么总光学长度变得太短，需要增大每个透镜的折光力，并且因此变得难以校正各种像差。另一方面，如果L/f超过条件表达式(9)的上限，那么总光学长度变得太大并且光学系统变大。

条件表达式(3)至(9)的数值范围可以被如下设定：

0.45≤refR1/D1s≤0.70 (3a)

-1.9≤ΔP08/P00≤-0.9 (4a)

-0.24≤(refR1-refR2)/(refR1+refR2)≤0.22 (5a)

0.39≤D2s/L≤0.54 (6a)

0.78≤Y/ftanω-1≤0.92 (7a)

0.03≤|Dr8/refR1|≤0.06 (8a)

4.5≤L/f≤5.9 (9a)

可以通过在光轴方向上移动根据每个示例的光学系统的全部或一部分来执行聚焦。可以通过在与光轴正交的方向上移动光学系统的全部或一部分(绕光轴上的点旋转或平行移位)来进行用于减少或校正取决于在手持成像期间的相机抖动以及安装有车载相机的车身的振动的图像模糊的图像稳定。

接下来，将示出与示例1至示例6中的每个示例对应的数值示例1至数值示例6。基于无穷远处的对焦状态来描述每个数值示例。在每个数值示例中，ri是从物侧起的第i个表面的曲率半径(mm)，di是第i个表面与第(i+1)个表面之间的透镜厚度或空气间距(mm)，并且ndi是第i个光学元件构件的材料对于d线的折射率。vdi是第i个光学元件的材料对于d线的阿贝数。阿贝数vd被表达为vd＝(Nd-1)/(NF-NC)，其中Nd、NF和NC是夫琅和费(Fraunhofer)线中的d线(587.6nm)、F线(486.1nm)和C线(656.3nm)的折射率。

近轴视角是通过Y＝f·tanω的关系计算出的视角，其中f是焦距并且Y是光学系统的最大像高。实际视角是通过光学系统达到最大像高Y的光束的物侧的入射角度。如果没有畸变，那么近轴视角和实际视角几乎彼此相等，但是如果畸变大，那么近轴视角和实际视角彼此不同。BF表示后焦距(mm)。“后焦距”是指按照空气等效长度从光学系统的最后表面(最靠近像面的透镜表面)到近轴像面的光轴上的距离。“总透镜长度”是从光学系统的最前表面(最靠近物体的透镜表面)到光学系统的最后表面的光轴上的距离。总光学长度L是透镜的总长度和后焦距之和，并且从光学系统的最前表面到近轴像面的光轴上的距离由空气等效长度表达。

附于表面编号的“＊”是指表面具有非球面形状。非球面形状被如下表达：

x＝(h²/R)/[1+[1-(1+k)(h/R)²]^1/2]+A4h⁴+A6h⁶+A8h⁸+A10h¹⁰

其中x是光轴方向上的位置，h是与光轴正交的方向上的高度，光行进方向被设定为正，R是近轴曲率半径，k是圆锥常数，并且A4、A6、A8和A10是近轴系数。非球面系数中的“E-Z”表示“×10^-Z”。

在数值示例中，最后两个表面是诸如滤波器和面板之类的光学块的表面。

表1中总结了与示例(数值示例)1至示例(数值示例)6中的以上条件表达式(1)至(9)对应的值。

图2、图4、图6、图8、图10和图12分别是根据示例1至示例6的光学系统在300m的物体距离处的像差图。在球面像差图中，Fno指示F数，实线指示对于d线(波长587.6nm)的球面像差，并且一长两短交替虚线指示对于g线(波长435.8nm)的球面像差。在像散图中，实线S指示矢状像面，并且虚线M指示子午像面。畸变图示出了对于d线的畸变。色差图示出了对于g线的横向色差。ω是实际视角(°)。

数值示例1

单位：mm

表面数据

非球面数据

第一表面

K＝0.00000e+000 A4＝1.23948e-004 A6＝-1.33403e-006

第二表面

K＝0.00000e+000 A4＝2.82836e-004 A6＝-2.77424e-006 A8＝1.95302e-008

第十三表面

K＝0.00000e+000 A4＝-1.03701e-003 A6＝8.02917e-006

第十四表面

K＝0.00000e+000 A4＝-5.64284e-004 A6＝-3.65221e-006

第十五表面

K＝0.00000e+000 A4＝-5.71632e-004 A6＝5.27690e-006

各种数据

数值示例2

单位：mm

表面数据

非球面数据

第一表面

K＝0.00000e+000 A4＝4.94983e-005 A6＝-7.98981e-007

第二表面

K＝0.00000e+000 A4＝1.87777e-004 A6＝-1.69133e-006 A8＝1.57584e-008

第十二表面

K＝5.07374e+002 A4＝-1.43699e-003 A6＝1.18112e-005

第十三表面

K＝0.00000e+000 A4＝-1.87271e-004 A6＝2.43586e-005

第十四表面

K＝0.00000e+000 A4＝6.77818e-005 A6＝8.73334e-006

第十五表面

K＝0.00000e+000 A4＝-2.43181e-003 A6＝3.81106e-005

各种数据

数值示例3

单位：mm

表面数据

非球面数据

第一表面

K＝0.00000e+000 A4＝3.29512e-004 A6＝-1.74347e-006 A8＝-5.39848e-008A10＝3.85932e-010

第二表面

K＝0.00000e+000 A4＝8.52223e-004 A6＝-1.67993e-005 A8＝1.70580e-007A10＝-4.79887e-010

第十五表面

K＝0.00000e+000 A4＝-8.82748e-004 A6＝3.74824e-006

第十六表面

K＝0.00000e+000 A4＝-4.75110e-005 A6＝-1.27201e-005

第十七表面

K＝0.00000e+000 A4＝-5.23871e-004 A6＝2.35842e-006

各种数据

数值示例4

单位：mm

表面数据

非球面数据

第一表面

K＝0.00000e+000 A4＝-7.28068e-006 A6＝1.17264e-006 A8＝1.26655e-008A10＝-3.07829e-010

第二表面

K＝0.00000e+000 A4＝2.15124e-004 A6＝5.25881e-006 A8＝-6.21104e-008A10＝4.63043e-010

第十五表面

K＝0.00000e+000 A4＝-2.84723e-003 A6＝2.80342e-005

第十六表面

K＝0.00000e+000 A4＝-2.24242e-003 A6＝-2.60492e-005

第十七表面

K＝0.00000e+000 A4＝-2.21403e-003 A6＝3.30765e-005

各种数据

数值示例5

单位：mm

表面数据

非球面数据

第一表面

K＝0.00000e+000 A4＝-4.99983e-005 A6＝1.03483e-007 A8＝-1.26594e-008A10＝3.49551e-011

第十三表面

K＝0.00000e+000 A4＝-1.33407e-003 A6＝-2.82553e-005

第十五表面

K＝0.00000e+000 A4＝1.61637e-003 A6＝-1.05133e-005

第十六表面

K＝0.00000e+000 A4＝-1.49039e-003 A6＝1.54620e-005

各种数据

数值示例6

单位：mm

表面数据

非球面数据

第一表面

K＝0.00000e+000 A4＝-3.18124e-005 A6＝3.93509e-008 A8＝-4.48875e-009A10＝4.72429e-012

第十四表面

K＝5.07374e+002 A4＝-1.43699e-003 A6＝1.18112e-005

第十五表面

K＝0.00000e+000 A4＝3.12230e-004 A6＝1.59987e-005

第十六表面

K＝0.00000e+000 A4＝1.04756e-003 A6＝-1.42433e-005

第十七表面

K＝0.00000e+000 A4＝-1.49533e-003 A6＝1.20727e-005

各种数据

表1

图13图示了数字静态相机，该数字静态相机用作使用根据每个示例的光学系统的图像拾取装置。在图13中，附图标记120表示相机主体，并且附图标记121表示根据示例1至示例6中的任一个的光学系统。附图标记122表示诸如CCD传感器或CMOS传感器之类的图像传感器，该图像传感器内置在相机主体中并捕获由光学系统121形成的物体图像。附图标记123表示被配置为记录通过使用来自图像传感器122的成像信号而生成的图像数据的存储器。附图标记124表示用于观察物体图像的取景器，该取景器包括液晶显示面板等。

以这种方式在图像拾取装置中使用根据每个示例的光学系统可以提供一种图像拾取装置，该图像拾取装置可以以广视角捕获图像，同时增大视角的中心区域中的物体的成像倍率。

图15示出了使用根据每个示例的光学系统的车载相机10和包括车载相机10的车载系统(驾驶支持装置)600的配置。车载系统600由诸如汽车(车辆)之类的被配置为移动的移动体(移动装置)保持并且基于由车载相机10获取的车辆周围的图像信息来支持车辆的驾驶(操纵)。图16是用作包括车载系统600的移动装置的车辆700的示意图。虽然图16示出了设定在车辆700前方的车载相机10的成像范围50，但是成像范围50可以被设定为车辆700的后方或侧面。

如图15中所示，车载系统600包括车载相机10、车辆信息获取设备20、控制设备(控制器ECU：电子控制单元)30和警告设备(警告单元)40。车载相机10包括成像器1、图像处理器2、视差计算器3、距离获取器4和碰撞确定器5。处理器包括图像处理器2、视差计算器3、距离获取器4和碰撞确定器5。成像器1具有根据示例1至示例6中的任一个的光学系统以及图像传感器。

图17是示出车载系统600的操作的流程图。首先，在步骤S1中，车载系统600使用成像器1对车辆周围的诸如障碍物或行人之类的目标(对象)成像，并获取多个图像数据(视差图像数据)。接下来，在步骤S2中，车载系统600通过车辆信息获取设备20获取车辆信息。车辆信息是包括车辆的速度、偏航率、转向角等的信息。

接下来，在步骤S3中，车载系统600通过图像处理器2对由成像器1获取的多个图像数据执行图像处理。更具体地，执行图像特征分析以分析诸如图像数据中的边缘量和方向以及浓度值之类的特征量。在此，可以针对多个图像数据中的每个执行图像特征分析，或者可以对多个图像数据中的仅一部分图像数据执行图像特征分析。

接下来，在步骤S4中，车载系统600通过视差计算器3计算由成像器1获取的多个图像数据之间的视差(图像移位)信息。作为计算视差信息的方法，可以使用诸如SSDA方法或面积相关方法之类的已知方法。步骤S2、S3和S4可以以上述次序或并行地执行。

接下来，在步骤S5中，车载系统600通过距离获取器4获取(计算)距由成像器1成像的对象的距离信息。可以基于由视差计算器3计算出的视差信息以及成像器1的内部和外部参数来计算距离信息。这里的距离信息是关于与对象的相对位置的信息，诸如距对象的距离、散焦量和图像移位量，并且可以直接地表示距图像中的对象的距离值或者间接地表示与距离值对应的信息。

接下来，在步骤S6中，车载系统600使用由车辆信息获取设备20获取的车辆信息和由距离获取器4计算出的距离信息，并通过碰撞确定器5确定到对象的距离是否被包括在预设距离范围内。由此，可以确定对象是否存在于车辆周围的设定距离范围内，并且确定车辆与对象之间的碰撞的可能性。碰撞确定器5在对象存在于设定距离范围内时确定碰撞是可能的(步骤S7)，并且在对象不存在于设定距离范围内时确定碰撞是不可能的(步骤S8)。

当碰撞确定器5确定碰撞是可能的时，碰撞确定器5将确定结果通知(发送)到控制设备30和警告设备40。此时，控制设备30基于碰撞确定器5的确定结果来控制车辆(步骤S6)，并且警告设备40基于碰撞确定器5的确定结果警告车辆用户(驾驶员、乘客)(步骤S7)。确定结果可以被通知到控制设备30和警告设备40中的至少一个。

控制设备30可以通过将控制信号输出到车辆的驱动单元(发动机、马达等)来控制车辆的移动。例如，车辆可以提供诸如施加制动、释放加速器、转动方向盘、生成用于在每个车轮上生成制动力的控制信号之类的控制以抑制发动机或马达的输出。此外，警告设备40向用户发出警告，例如发出警告声(警报)、在汽车导航系统的屏幕上显示警告信息，或者使安全带或方向盘振动。

车载系统600可以有效地检测对象并且避免车辆与对象之间的碰撞。特别地，对于车载系统600使用根据每个示例的光学系统可以在广视角上检测对象并确定碰撞，同时减小整个车载相机10的尺寸并增大布置的自由度。

存在用于获取距离信息的各种方法。例如，包括以二维阵列规则地布置的多个像素的光瞳划分型图像传感器可以被用于成像器1中包括的图像传感器。在光瞳划分型图像传感器中，一个像素包括微透镜和多个光电转换器、接收穿过光学系统的光瞳中的不同区域的一对光束，并从光电转换器获取一对图像数据。通过这一对图像数据之间的相关计算来计算每个区域的图像移位量，并且由距离获取器4计算表示图像移位量的分布的图像移位图数据。距离获取器4可以将图像移位量转换成散焦量，以生成表示散焦量的分布(在捕获的图像的二维平面上的分布)的散焦图数据。另外，距离获取器4可以获取从散焦量转换的到对象的距离的距离图数据。

车载系统600和移动设备700可以包括通知设备(通知器)，该通知设备向车载系统的制造者、移动设备的销售者(经销者)等通知车辆700与任何障碍物碰撞。例如，通知设备可以是通过电子邮件等将关于移动设备700和障碍物之间的碰撞的信息(碰撞信息)发送到预设的外部收件人(目的地)的设备。

以这种方式，通过通知设备的碰撞信息的自动通知配置可以在碰撞发生之后迅速地采取诸如检查和修理之类的措施。碰撞信息的收件人可以是保险公司、医疗机构、警察或任何用户设定的目的地。通知设备不仅可以将碰撞信息而且还可以将每个零件的故障信息和消耗品的消耗信息发送给收件人。可以通过使用基于来自光接收器的输出而获取的距离信息或通过其它检测器(传感器)来检测碰撞的存在或不存在。

这个实施例将车载系统600应用于驾驶支持(碰撞损害减轻)，但是本发明不限于这个实施例，并且车载系统600可应用于巡航控制(包括全车速跟踪功能)、自动驾驶等。车载系统600不仅可应用于诸如汽车之类的车辆，而且还可应用于诸如船舶、飞机或工业机器人之类的移动体。它不仅可应用于移动体，而且还可应用于诸如智能运输系统(ITS)之类的利用物体识别的各种设备。

每个示例可以提供光学系统、图像拾取装置、车载系统和移动装置，它们中的每个具有中心区域中的大的成像倍率以及广视角。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (20)

1.一种光学系统，包括从物侧到像侧依次布置的具有正折光力或负折光力的前透镜单元、光圈和具有正折光力的后透镜单元，

其特征在于，前透镜单元包括非球面透镜，该非球面透镜在光轴上具有正折光力，并且被部署为最靠近物体，

其中，非球面透镜在物侧具有非球面表面，在该非球面表面中轴外曲率半径大于轴上曲率半径，并且

其中，以下条件表达式被满足：

0.45≤D1s/L≤0.65

2.6≤Dr8/Dr4≤30.0

其中D1s是从非球面表面到光圈的光轴上的距离，L是光学系统的总光学长度，并且Dr4和Dr8分别是非球面表面的有效直径的40％和80％的位置处的离参考球面表面的下垂量。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，非球面表面的参考球面表面是朝着物侧凸出的球面表面。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，以下条件表达式被满足：

0.3≤refR1/D1s≤1.0

其中refR1是参考球面表面的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，以下条件表达式被满足：

-2.0≤ΔP08/P00≤-0.5

其中P00是非球面透镜在光轴上的折光力，并且ΔP08是非球面透镜在光轴上的折光力与有效直径的80％的位置处的折光力之间的差。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，非球面透镜在像侧上具有非球面表面，

其中，以下条件表达式被满足：

-0.2≤(refR1-refR2)/(refR1+refR2)≤0.2

refR1和refR2分别是非球面透镜的物侧表面和像侧表面的参考球面表面的曲率半径。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，以下条件表达式被满足：

0.38≤D2s/L≤0.60

其中D2s是从非球面透镜在像侧的表面到光圈的光轴上的距离。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，非球面透镜的近轴折光力是正折光力。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，以下条件表达式被满足：

0.03≤|Dr8/refR1|≤0.08

其中refR1是参考球面表面的曲率半径。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，以下条件表达式被满足：

3.0≤L/f≤6.0

其中f是光学系统的焦距。

10.一种图像拾取装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1至9中的任一项所述的光学系统；以及

图像传感器，被配置为经由光学系统对物体成像。

11.根据权利要求10所述的图像拾取装置，其特征在于，以下条件表达式被满足：

0.7≤|Y/ftanω-1|<1.0

其中Y是最大像高，f是光学系统的焦距，并且ω是最大视角。

12.一种车载系统，其特征在于，包括：

根据权利要求10所述的图像拾取装置；以及

确定器，被配置为基于由图像拾取装置获取的对象的距离信息来确定车辆与对象之间的碰撞的可能性。

13.根据权利要求12所述的车载系统，还包括控制设备，该控制设备被配置为在确定在车辆与对象之间碰撞是可能的时输出用于在车辆的驱动单元中生成制动力的控制信号。

14.根据权利要求12所述的车载系统，还包括警告设备，该警告设备被配置为在确定在车辆与对象之间碰撞是可能的时警告车辆的用户。

15.根据权利要求12所述的车载系统，还包括通知设备，该通知设备被配置为通知关于车辆与对象之间的碰撞的信息。

16.一种移动装置，其特征在于，包括根据权利要求10所述的图像拾取装置，并且被配置为保持和移动图像拾取装置。

17.根据权利要求16所述的移动装置，还包括确定器，该确定器被配置为基于由图像拾取装置获取的对象的距离信息来确定移动装置与对象之间的碰撞的可能性。

18.根据权利要求17所述的移动装置，还包括控制设备，该控制设备被配置为在确定在移动装置与对象之间碰撞是可能的时输出用于在移动装置的驱动单元中生成制动力的控制信号。

19.根据权利要求17所述的移动装置，还包括警告设备，该警告设备被配置为在确定在移动装置与对象之间碰撞是可能的时警告移动装置的用户。

20.根据权利要求16所述的移动装置，还包括通知设备，该通知设备被配置为通知关于移动装置与对象之间的碰撞的信息。

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