CN117561468A - 光学系统、图像拾取装置和图像拾取系统 - Google Patents

光学系统、图像拾取装置和图像拾取系统 Download PDF

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Abstract

[问题]借助于单个光学系统来实现周边区域中的高分辨率和足够的视角。[解决方案]该光学系统具有多个透镜L1至L2以及部署在多个透镜中的两个透镜之间的孔径光阑ST1。条件0.20≤2ftan(θmax/2)/y(θmax)≤0.95被满足，其中表示半视角θ与像高y之间的关系的光学系统的投影特性为y(θ)，光学系统的最大半视角为θmax，并且光学系统的焦距为f。

Description

光学系统、图像拾取装置和图像拾取系统
技术领域
本发明涉及适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
一些使用图像传感器的图像拾取装置被安装在诸如汽车之类的可移动体上，并且获取可移动体周围的图像数据。通过使用获取的图像数据，可以视觉地识别或机器识别可移动体周围的诸如障碍物之类的物体。这种图像拾取装置例如被用在将由部署在车身的侧表面上的图像拾取装置获取的图像数据显示在车载监视器上的所谓的电子镜或数字镜(下文中称为E镜)中。要求E镜捕获后面的车辆的大图像，并且还捕获前轮附近的大图像。
此外，除了E镜之外，还存在使用通过成像获取的图像数据进行自动识别等的系统，并且要求这些系统在不增加图像拾取装置的数量的情况下获取包括大量信息的图像数据。
专利文献1公开了一种具有投影特性的光学系统，其允许布设在车身的侧表面上的图像拾取装置对包括后方和前轮附近的宽范围进行成像。另外，专利文献2公开了一种具有周边区域是鱼眼透镜并且中心区域是望远透镜的投影特性的光学系统。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开No.2006-224927
专利文献2：日本专利公开No.2018-120125
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在专利文献1中的光学系统的投影特性的情况下，相对于视角的成像倍率(分辨率)是恒定的，因此难以对用户车辆的前轮附近或后面的车辆进行放大和成像。另外，专利文献2中的光学系统可以提供用户车辆的前轮附近和后面的车辆中的一个的大图像，但提供另一个的小图像。因此，难以通过单个光学系统同时对存在于不同方向上的多个物体进行放大和成像。
本发明提供了即使通过单个光学系统也可以确保周边区域中的高分辨率和足够的视角的光学系统、图像拾取装置等。
解决问题的手段
作为本发明的一个方面的一种光学系统包括从物侧到像侧依次布置的多个透镜、以及布置在所述多个透镜中的任意两个透镜之间的孔径光阑。在表示半视角θ与像面上的像高y之间的关系的光学系统的投影特性为y(θ)，光学系统的最大半视角为θmax，并且光学系统的焦距为f的情况下，
0.20≤2ftan(θmax/2)y(θmax)≤0.95
这通过满足以下条件来表征。注意的是，具有以上光学系统的图像拾取装置、图像拾取装置被安装在可移动体中的图像拾取系统以及配备有图像拾取系统的可移动体也构成本发明的另一方面。
本发明的效果
本发明即使通过单个光学系统也可以确保周边区域中的高分辨率和足够的视角。
附图说明
图1是根据示例1的光学系统的截面图。
图2是根据示例1的光学系统的成像距离∞的像差图。
图3是根据示例2的光学系统的截面图。
图4是根据示例2的光学系统的成像距离∞的像差图。
图5是根据示例3的光学系统的截面图。
图6是根据示例3的光学系统的成像距离∞的像差图。
图7是根据示例4的光学系统的截面图。
图8是根据示例4的光学系统的成像距离∞的像差图。
图9是图示根据示例1至4的光学系统的投影特性的示图。
图10是图示根据示例1至4的光学系统的相对于视角的分辨率的示图。
图11是图示根据示例4的光学系统的非球面的曲率变化的示图。
图12是图示用于E镜的图像拾取装置的布置的示意图。
图13是图示用于车身的图像拾取装置的布置的示图。
图14是图示使用fθ透镜和根据示例1至4的光学系统获取的图像的模拟结果的示图。
图15是说明图像传感器的示图。
图16是图示对于各种参数的模拟结果的示图。
图17是图示车载系统的配置的框图。
图18是图示车载系统的操作示例的流程图。
具体实施方式
现在，将参考附图给出根据本发明的示例的描述。在示例1至4的具体描述之前，将给出对每个示例的共同事项的描述。
根据每个示例的光学系统是成像倍率(分辨率)在光轴附近的中心区域和其外侧(在离轴侧)的周边区域之间不同并且可以实现周边区域中的高分辨率和足够的视角的单个光学系统。
在每个示例中，分辨率(mm/deg)是每单位视角的像高y的长度(在实际使用中图像传感器的像素数量)，投影特性y(θ)是像高y与视角θ之间的关系，并且最大半视角是光学系统的光轴与最离轴主光线之间形成的角度。
一般的fθ透镜具有每个像高处的分辨率是恒定的并且像高与分辨率成比例关系的投影特性。另一方面，根据每个示例的光学系统具有周边区域(第二区域)的分辨率高于中心区域(第一区域)的分辨率的投影特性并且例如用于E镜。
图12的(a)图示了部署在作为可移动体的汽车的车身700的侧部并且将通常的鱼眼透镜用于其光学系统的用于E镜的图像拾取装置。E镜是使得能够通过对后方a进行成像来确认后面的车辆、并且通过对前方下侧b进行成像来确认前轮与临街道路(或辅路)之间的关系的图像拾取系统。在光学系统包括鱼眼透镜的情况下，在图像拾取装置的视角FA内，后方a和前方下侧b以相同的分辨率成像，并且后方下侧c也以与后方a和前方下侧b中的每一个的分辨率相同的分辨率成像。由于不需要后方下侧c的特别详细的信息，因此如果后方下侧c的分辨率与后方a和前方下侧b的分辨率相同，则后方下侧c的成像是浪费的。
图12的(b)图示了类似地部署在车身700的侧部并且使用根据每个示例的光学系统的用于E镜的图像拾取装置。如上所述，根据每个示例的光学系统具有周边区域FA2的分辨率高于其视角的中心区域FA1的分辨率的投影特性，因此可以执行成像以获取与后方下侧c的信息相比更详细的关于后方a和前方下侧b的信息。即，尽管根据每个示例的光学系统是单个光学系统，但它可以对位于不同方向上的物体进行放大和成像。
图1图示了根据示例1的光学系统(在成像距离∞处)的配置。根据示例1的光学系统的各种具体数值将在表格1中被描述为数值示例1。
根据示例1(数值示例1)的光学系统从物侧(放大共轭侧)到像侧(缩小共轭侧)依次包括多个(八个)透镜L1至L8，并且具有90°的最大半视角。根据示例1的光学系统在透镜L4和透镜L5之间包括孔径光阑ST1。透镜L1至L4构成前组，并且透镜L5至L8构成后组。
诸如IR截止滤光器之类的平板P1部署在透镜L8和像面之间。诸如CMOS传感器之类的图像传感器11的成像面部署在像面上。图像拾取装置从图像传感器11的输出生成图像数据。
图9的(a)图示了根据示例1的光学系统的θ-y投影特性(半视角θ与像高y之间的关系)。根据示例1的光学系统具有如下的投影特性：在光轴附近的视角小的中心区域中像高y的增加率(斜率)小，并且在周边区域中像高y的增加率随着视角的增加而增加。该投影特性是像高y的变化大于通常已知的等距投影(y＝fθ)和立体投影(y＝2ftan(θ/2))中的每一个的变化的投影特性。
为了实现这样的投影特性y(θ)，根据示例1和其他示例的光学系统满足以下式子(1)的条件，其中θmax是最大半视角并且f是焦距。
0.20≤2ftan(θmax/2)/y(θmax)≤0.95 (1)
在式子(1)的值变得低于下限的情况下，诸如像场弯曲和畸变之类的各种像差增加，并且不能获取具有优异图像质量的图像数据，这不是优选的。此外，在式子(1)的值变得高于上限的情况下，中心区域与周边区域之间的分辨率的差异增加，并且不能实现期望的投影特性，这不是优选的。
更优选的是如下地设置式子(1)的数值范围。
0.25≤2ftan(θmax/2)/y(θmax)≤0.94 (1a)
此外，更优选的是如下地设置式子(1)的数值范围。
0.30≤2ftan(θmax/2)/y(θmax)≤0.80 (1b)
图10的(a)图示了根据示例1的光学系统的θ-分辨率特性。对于全高清(1920×1080像素)图像传感器，图示了该θ-分辨率特性。如可以从该图中看出的，在y＝fθ的情况下，对于视角，分辨率总是相同的，并且在y＝2ftan(θ/2)的情况下，分辨率随着视角变大而增加。
另一方面，在根据示例1的光学系统中，在周边区域中，分辨率的增加率(倾斜)大于y＝2ftan(θ/2)的增加率。由此，使中心区域1的分辨率与周边区域中的最大半视角附近的分辨率之间的差异大于y＝2ftan(θ/2)的差异。
另外，优选的是，根据每个示例的光学系统满足以下式子(2)的条件，其中θ80是最大半视角的80％的视角。
1.35≤{y(θmax)-y(θ80)}/(fθmax-fθ80)≤2.50 (2)
式子(2)定义关于根据鱼眼透镜的每个示例的光学系统的周边区域中的分辨率分布的条件。在式子(2)的值变得低于下限的情况下，诸如像场弯曲和畸变之类的各种像差增加，并且不能获得优异图像质量的图像数据，这不是优选的。此外，在式子(2)的值变得高于上限的情况下，中心区域与周边区域之间的分辨率的差异减小并且不能实现期望的投影特性，这不是优选的。
更优选的是如下地设置式子(2)的数值范围。
1.40≤{y(θmax)-y(θ80)}/(fθmax-fθ80)≤2.30 (2a)
此外，更优选的是如下地设置式子(2)的数值范围。
1.44≤{y(θmax)-y(θ80)}/(fθmax-fθ80)≤2.10 (2b)
图10的(b)图示了根据具有最大半视角为60°的示例2的光学系统的θ-分辨率特性，并且图10的(c)图示了根据各自具有最大半视角为90°的示例3和4的θ-分辨率特性。即使在根据示例2至4的光学系统中，如在示例1中，分辨率随着视角的增加而增加。示例2使中心区域与周边区域之间的分辨率的差异大于其他示例的光学系统中的差异。因此，即使诸如最大半视角、最大像高和Fno之类的规格变化，也可以实现具有足够大的视角和上述所需的投影特性的光学系统。
此外，根据每个示例的光学系统通过满足以下式子(3)的条件可以具有更好的投影特性，其中fsinθ是正交投影。
0.1≤fsinθmax/y(θmax)≤0.8 (3)
在式子(3)的值变得低于下限的情况下，诸如像场弯曲和畸变之类的各种像差增加，不能获得具有优异图像质量的图像数据，这不是优选的。此外，在式子(3)的值变得高于上限的情况下，中心区域与周边区域之间的分辨率的差异减小并且不能实现期望的投影特性，这不是优选的。
更优选的是如下地设置式子(3)的数值范围。
0.1≤fsinθmax/y(θmax)≤0.6 (3a)
此外，更优选的是如下地设置式子(3)的数值范围。
0.2≤fsinθmax/y(θmax)≤0.5 (3b)
此外，在实际使用具有根据每个示例的光学系统的图像拾取装置的应用中，中心区域与周边区域之间的视角的差异达到一定程度或更大可以更有效地增强中心区域与周边区域之间的分辨率的差异的效果，因此θmax可以满足以下式子(4)的条件。
θmax≥60° (4)
在可移动体(汽车)在水平方向上移动的情况下，图像拾取装置被安装为使得光学系统的光轴不平行于水平方向。在这种情况下，优选地满足以下条件：
55°≤θmax
20％<|dθmax|
其中θmax是最大半视角，并且dθmax是与光学系统的最大像高对应的位置处的畸变量。
此外，根据每个示例的光学系统具有可以控制畸变和像场弯曲的光学配置以便实现期望的投影特性。更具体地，至少一个非球面部署在具有高的离轴光线高度的透镜L1和L2中的至少一个上。此外，至少一个非球面部署在像侧的透镜L7和透镜L8中的至少一个上。由于这些非球面，可以有效地控制畸变和像场弯曲。
此外，具有包括拐点的形状的非球面可以更有效地实现期望的投影特性。这里所指的拐点是曲率的正/负符号切换(反转)的位置。更具体地，图11的(a)和(b)图示了设置在根据示例4的光学系统中的非球面(第三表面和第十五表面)在径向方向上距光轴的高度h(垂直轴)和曲率(水平轴)。第三表面是透镜L2的物侧表面，并且第十五表面是透镜L8的物侧非球面。这些非球面在径向上具有拐点，该拐点是曲率的符号反转的位置。
此外，为了实现上述期望的投影特性，优选的是物侧的非球面具有多个拐点。在图11的(a)中图示的第三表面中，从光轴(h＝0mm)到近轴h＝4.0mm附近的拐点的曲率为正，从该拐点到离轴点h＝6.5附近的拐点的曲率为负，并且超过其朝向周边的曲率为正。即，第三表面在近轴侧具有朝向物侧的凸形状，逐渐改变为朝向物侧的凹形状，并且再次改变为朝向物侧的凸形状。通过以这种方式提供具有多个拐点的非球面，可以有效地实现期望的投影特性。
另外，为了实现上述期望的投影特性、宽视角和高图像质量，光学系统优选地从物侧到像侧依次包括具有负折光力的第一透镜、具有负折光力的第二透镜、具有负折光力的第三透镜、孔径光阑、以及具有正折光力并最靠近像侧部署的透镜。例如，在根据示例1的光学系统中，透镜L1具有负折光力，透镜L2具有负折光力，透镜L3具有负折光力，并且透镜L4具有正折光力。此外，在透镜L4和透镜L5之间设置孔径光阑ST1，并且透镜L5具有正折光力，透镜L6具有正折光力，透镜L7具有负折光力，并且透镜L8具有正折光力。
在这样的折光力布置中，至少满足上述式子(1)(优选地，式子(2)至(4)的条件)可以提供即使利用单个光学系统也可以确保足够的视角、中心区域中的足够的分辨率和周边区域中的较高的分辨率并且此外在整个视角内具有优异的光学性能的光学系统。
特别地，从物侧起使三个透镜是负透镜可以使周边视角处的光线分阶段地弯曲，并且抑制诸如过度畸变和像场弯曲之类的各种像差。
此外，使最靠近像侧的透镜是正透镜可以使入射在图像传感器上的光线的角度平缓，并且确保由图像传感器捕获的足够的光量。
另外，为了实现期望的投影特性和高图像质量，光学系统更优选地从物侧到像侧依次包括具有负折光力的第一透镜、具有负折光力的第二透镜、具有负折光力的第三透镜、具有正或负折光力的第四透镜、孔径光阑、具有正折光力的第五透镜、具有负折光力的第六透镜、具有正折光力的第七透镜、以及具有正折光力的第八透镜。
示例1至4图示了本发明的代表性配置图示，并且根据本发明的示例包括其他配置图示。例如，投影特性以及非球面上的拐点的位置和数量不限于示例1至4中的那些。
现在，将给出作为包括使用根据每个示例的光学系统的E镜图像拾取装置的图像拾取系统的E镜的描述。如图12的(b)中图示的，图像拾取装置被安装在车身700的侧部，并且对后方和垂直方向上的下侧(正下方和前方下侧)的物体进行成像。
图像拾取装置包括被配置为形成物体图像的根据每个示例的光学系统、以及被配置为对物体图像进行光电转换(以经由光学系统对物体进行成像)的图像传感器。二维布置的多个像素设置在图像传感器的成像面上。
图15的(a)中图示的图像传感器上的成像面11a包括用于对光学系统的视角当中的中心区域(第一视角)中包括的物体进行成像的第一区域R1、以及用于对周边区域(大于第一视角的第二视角)中包括的物体进行成像的第二区域R2。光学系统具有第二区域R2中的每单位视角的像素数量大于第一区域R1中的每单位视角的像素数量的投影特性。即，在分辨率被定义为每单位视角的像素数量的情况下，图像拾取装置被配置为使得周边区域的分辨率高于中心区域的分辨率。
图14的(a)图示了由使用fθ透镜作为光学系统的E镜的图像拾取装置获得的图像数据(捕获图像)的模拟结果。图14的(b)图示了由使用根据每个示例的光学系统的E镜的图像拾取装置获得的捕获图像的模拟结果。在每个图中，上侧图示了车身的后方，右侧图示了车身的侧表面附近，右下侧图示了前轮的附近，并且左侧图示了车身的侧部。图14的(b)还图示了捕获图像的后方部分的放大图像。
在图14的(b)中，与图14的(a)相比，后面的自行车和车辆被放大并且以大尺寸成像。因此，可以从捕获图像获得关于后方的详细信息，并且可以提高作为E镜的可视性，并且可以提高自动识别的识别精度。
为了实现这样的E镜，如图12的(b)和图13的(a)中图示地部署图像拾取装置10。图13的(a)图示了从作为车身700的移动方向(第一方向)的前后方向(水平方向)上的前方观察的车身700。图13的(a)的下部是与前后方向正交的垂直方向(第二方向)，并且左方向是与前后方向和垂直方向正交的侧部(第三方向)。
如图13的(a)中图示的，图像拾取装置10位于车身700的侧部(面对第三方向的部分)的横向地(在第三方向上)离车身侧表面710距离L的位置处。另外，如图12的(b)中图示的，图像拾取装置10被安装为使得光轴AX从后方对角地面向下(路面侧)，即，朝向后方向下方向c。另外，如图13的(a)中图示的，图像拾取装置10被安装为使得当从前方观察车身700时，光轴L1(AX)面对相对于垂直方向(第二方向)形成角度θL的方向。更具体地，优选的是安装它以满足以下式子(5)的条件。
0°≤θL≤90° (5)
其中，大于0°的θL指示在相对于垂直方向而朝向侧方远离车身侧表面710的方向上的光轴AX的倾斜角度。
图16的(a)图示了θL为90°的捕获图像的模拟结果。在这种情况下，路面上的车道不是沿着图像传感器的成像面的边被成像，对于驾驶员，难以直观地识别捕获图像，但可以通过执行诸如畸变校正之类的图像处理来生成可以容易识别的图像。
更优选地，式子(5)的数值范围可以如下地设置：
0°≤θL≤20°(5a)
图16的(b)图示了θL为0°的捕获图像的模拟结果。在这种情况下，由于车道是沿着成像面的边被成像并且在直线上易于视觉识别的捕获图像，因此不需要执行诸如畸变校正之类的图像处理。因此，可以执行可以利用简单的配置提供具有高实时性的捕获图像的高响应成像。另外，在这种情况下，由于用户车辆的侧表面也可以被成像，因此可以提供用户车辆的侧表面与障碍物之间的距离可以被容易地识别的捕获图像。在θL大于0°且小于20°的情况下也可以获得类似的捕获图像。
此外，如图15的(b)中图示的，光学系统可以被部署为使得光轴AX相对于成像面11a的中心(下文中称为传感器中心)SAX远离车身的侧表面偏移。由此，如图16的(c)中图示的，可以获得具有较高的可视性的捕获图像。
图16的(c)图示了光轴AX在相对于传感器中心SAX远离车身侧的方向上偏移的捕获图像。与图16的(b)中图示的光轴AX与传感器中心SAX彼此重合的捕获图像相比，该捕获图像具有用于图示自身车辆的侧表面的最小需要面积，并且图示了车身的侧部的宽范围的物体。
光轴AX相对于传感器中心SAX的偏移量(被偏移量)La优选地满足以下式子(6)的条件，其中Ls是成像面11a上的从传感器中心SAX朝向光轴AX延伸的边的长度。
0.3Ls≤La≤0.5Ls (6)
另外，如图13的(b)中图示的，在从前方观察在水平方向上移动的车身700的情况下，图像拾取装置10被安装为使得光学系统的光轴L1平行于垂直方向。图像拾取装置10被远离车身侧表面710安装。此时，优选的是，偏移量La满足以下式子(7)的条件：
0.3Ls≤La+yα≤0.5Ls (7)
如图13的(b)中图示的，α是当从前方观察车身700时在光学系统的光轴L1(AX)与直线L2之间形成的角度，直线L2连接光学系统的最靠近物体的表面与光轴L1(AX)的交点和车身侧表面710在垂直方向上的端点(前轮的接地点)。此外，yα是从直线L2与成像面的交点到光轴L1的距离。即使在满足式子(7)的条件的范围内图像拾取装置10被安装离车身侧表面的任意距离处，也可以执行适当的成像。
图13的(c)图示了图像拾取装置10相对于车身700的安装角度。当从侧部观察车身700时，θb是图像拾取装置10(光学系统的光轴L1)相对于垂直方向朝向后方的倾斜角度，并且θf是朝向前方的倾斜角度。倾斜角度θf是光轴L1、与连接图像拾取装置10的光学系统的最靠近物体的表面与光轴L1的交点和在移动方向上的视角(第二视角)的周边区域中的车身700的前轮的端点的直线之间的角度。此时，优选的是满足以下式子(8)或(9)的条件：
0.7θmax≤θb<θmax (8)
0.7θmax≤θf<θmax (9)
为了对于后方和前方下侧的物体满足式子(8)或(9)，光轴L1从水平方向朝向垂直方向倾斜，以面对后方下侧或前方下侧。设置图像拾取装置10的水平安装角度(光轴的朝向)以便满足式子(8)或(9)可以以足够的分辨率并且在成像面上的适当区域中对不同方向(后方和前方下侧)中的物体进行成像。
由于可移动体的目标通常是后面的物体，因此优选的是使光轴L1向后倾斜，即，以满足式子(8)。式子(8)可以被替换为以下的式子(8a)：
θmax<θf≤1.3θmax(8a)
图16的(d)图示了θb＝0.95θmax(θf＝1.05θmax)的捕获图像的模拟结果。在中心区域的下部中以足够的分辨率图示前轮周围的区域，并且在周边区域以较高的分辨率图示作为主要物体的后面的车辆。
关于图像传感器上的成像面的周边区域，Lb是成像面上的后面的物体的图像位置(图像点)与传感器中心SAX之间的距离，Lf是成像面上的前方下侧的物体的图像位置与传感器中心SAX之间的距离，并且Lh是在成像面上这两个图像位置分离的方向上延伸的边的长度。换句话说，当从侧部观察车身700时，Lf是在视角(第二视角)的周边区域中的移动方向上的车身700的前轮的端点(前端点)的图像点与传感器中心SAX之间的距离，并且Lf是在从传感器中心SAX到前端点的图像点的方向上延伸的成像面的边的长度。此时，优选的是满足以下式子(10)和(11)中的至少一个：
0.35Lh≤Lb<0.5Lh (10)
0.35Lh≤Lf<0.5Lh (11)
如图15的(c)中图示的，式子(10)和(11)定义了用于有效地使用成像面11a的最周边区域R3的条件。除非满足这些条件，否则最周边区域R3中的高分辨率成像是不可用的，并且变得难以从捕获图像获得详细信息。换句话说，满足式子(10)和(11)中的至少一个可以在最周边区域R3中提供高分辨率成像。然后，切割出在最周边区域R3中获得的高分辨率部分图像并将其输出到车身监视器(显示单元)进行显示可以向驾驶员提供关于后方的详细信息。由于可移动体的目标通常是后方的物体，因此优选的是满足式子(10)。另外，式子(11)可以被替换为以下的式子(11a)：
0.5Lh<Lf≤0.65Lh(11a)
上述的图像拾取系统仅仅是例示性的，并且可以采用其他配置和布置。例如，在E镜中，安装在车身的侧部的图像拾取装置的光轴从前后方向(移动方向)向与其正交的垂直方向倾斜，以对后方或前方下侧进行成像。另一方面，图像拾取装置可以被安装在车身的前方或后方，并且光轴可以朝向与前后方向正交的侧部倾斜，以对前方和侧部或后方和侧部进行成像。
类似于E镜配置的图像拾取系统可以被安装在诸如飞机或船之类的除了汽车之外的可移动体中。
现在，将给出根据示例1至4的光学系统的具体描述。
示例1
如上所述，图1中图示的根据示例1的光学系统从物侧到像侧依次包括具有负折光力的第一透镜L1、具有负折光力的第二透镜L2、具有负折光力的第三透镜L3、具有正折光力的第四透镜L4、孔径光阑ST1、具有正折光力的第五透镜L5、具有正折光力的第六透镜L6、具有负折光力的第七透镜L7、和具有正折光力的第八透镜L8。
表格1中图示的与该示例对应的数值示例1的(A)透镜配置图示了光学系统的焦距f(mm)、孔径比(F数)F和最大半视角(°)。ri表示从物侧起计数的第i个表面的曲率半径(mm)，di表示第i个表面与第(i+1)个表面之间的透镜厚度或气隙(mm)，并且ni表示第i个表面与第(i+1)个表面之间的光学材料的d线的折射率。νi是基于第i个表面与第(i+1)个表面之间的光学材料的基于d线的阿贝数。
阿贝数νd被表示为νd＝(Nd-1)/(NF-NC)，其中Nd、NF和NC分别是夫琅和费谱线中的d线(587.6nm)、F线(486.1nm)、C线(656.3nm)的折射率。
ST表示孔径光阑。另外，“*”意指它所附接的表面是非球面。非球面形状由下式表示，其中z是光轴方向上的坐标，y是与光轴正交的方向上的坐标，光行进方向被设置为正，ri是近轴曲率半径，K是圆锥常数，并且A至G是非球面系数。表格1中的(B)非球面系数指示圆锥常数K和非球面系数A至G。“E±-x”意指×10-x。
z(y)＝(y2/ri)/[1+{1-(1+K)(y2/ri2)}1/2]+Ay4+By6+Cy8+Dy10+Ey12+Fy14+Gy16
关于数值示例的描述类似地应用于与下面描述的其他示例对应的数值示例。
根据该示例(数值示例1)的光学系统满足式子(1)至(4)的条件。表格5总结了对于每种条件的值。
图2图示了根据该示例(数值示例1)的光学系统的成像距离∞处的纵向像差(球面像差、像散和畸变)。在球面像差图中，实线指示d线(波长587.6nm)的球面像差。在像散图中，实线S指示矢状像面，并且虚线T指示子午像面。在畸变图中，实线指示d线的畸变。这些像差图的描述类似地应用于下面描述的其他示例的像差图。
此外，如上所述，图9的(a)图示了根据该示例的光学系统的投影特性，并且图10的(a)图示了根据该示例的光学系统的θ-分辨率特性。
示例2
图3图示了根据示例2的光学系统(成像距离∞)的配置。根据该示例的光学系统从物侧到像侧依次包括具有负折光力的第一透镜L21、具有负折光力的第二透镜L22、具有负折光力的第三透镜L23、具有正折光力的第四透镜L24、孔径光阑ST2、具有正折光力的第五透镜L25、具有负折光力的第六透镜L26、和具有正折光力的第七透镜L27。在图3中，P21表示诸如IR截止滤光器之类的平板，并且21表示图像传感器。
从表格2中图示的与该示例对应的数值示例2中可以看出，根据该示例的光学系统的最大半视角θmax是60°，这不同于根据示例1的光学系统的90°。
根据该示例(数值示例2)的光学系统满足式子(1)至(4)的条件。表格5总结了对于每种条件的值。
图4图示了该示例(数值示例2)的光学系统的成像距离∞处的纵向像差。另外，图9的(b)图示了该示例的光学系统的投影特性，并且如上所述，并且图10的(b)图示了根据该示例的光学系统的θ-分辨率特性。
示例3
图5图示了根据示例3的光学系统(成像距离∞)的配置。根据该示例的光学系统从物侧到像侧依次包括具有负折光力的第一透镜L31、具有负折光力的第二透镜L32、具有负折光力的第三透镜L33、具有负折光力的第四透镜L34、孔径光阑ST3、具有正折光力的第五透镜L35、具有正折光力的第六透镜L36、具有负折光力的第七透镜L37、和具有正折光力的第八透镜L38。在图5中，P31和P32表示诸如IR截止滤光器之类的平板，并且31表示图像传感器。
从表格3中图示的与该示例对应的数值示例3中可以看出，根据该示例的光学系统具有与示例1相同的90°的最大半视角、以及与示例1(3.64mm)不同的1.79mm的高度y(θmax)。
根据该示例(数值示例3)的光学系统满足式子(1)至(4)的条件。表格5总结了对于每种条件的值。
图6图示了根据该示例(数值示例3)的光学系统的成像距离∞处的纵向像差。另外，图9的(c)图示了根据该示例的光学系统的投影特性，并且如上所述，并且图10的(c)图示了根据该示例的光学系统的θ-分辨率特性。
示例4
图7图示了根据示例4的光学系统(成像距离∞)的配置。根据该示例的光学系统从物侧到像侧依次包括具有负折光力的第一透镜L41、具有负折光力的第二透镜L42、具有负折光力的第三透镜L43、具有负折光力的第四透镜L44、孔径光阑ST4、具有正折光力的第五透镜L45、具有正折光力的第六透镜L46、具有负折光力的第七透镜L47、和具有正折光力的第八透镜L48。在图7中，P41是诸如IR截止滤光器之类的平板，并且41是图像传感器。
从表格4中图示的与该示例对应的数值示例4中可以看出，根据该示例的光学系统具有比示例1的F数(2.80)亮的1.80的F数，并且满足式子(1)的条件的值为0.92，这比示例1的值(0.78)大。
根据该示例(数值示例4)的光学系统满足式子(1)至(4)的条件。表格5总结了对于每种条件的值。
图8图示了根据该示例(数值示例4)的光学系统的成像距离∞处的纵向像差。另外，图9的(c)图示了根据该示例的光学系统的投影特性，并且如上所述，并且图10的(c)图示了根据该示例的光学系统的θ-分辨率特性。
(表格1)数值示例1
(A)透镜配置
f(焦距) 1.42mm
F(孔径比) 2.80
最大半视角 90.0°
(B)非球面系数
(表格2)数值示例2
(A)透镜配置
f(焦距) 1.30mm
F(孔径比) 2.80
最大半视角 60.0°
(B)非球面系数
(表格3)数值示例3
(A)透镜配置
f(焦距) 0.80mm
F(孔径比) 2.00
最大半视角 90.0°
(B)非球面系数
/>
(表格4)数值示例4
(A)透镜配置
f(焦距) 1.68mm
F(孔径比) 1.80
最大半视角 90.0°
(B)非球面系数
(表格5)条件式的值
条件式 示例1 示例2 示例3 示例4
(1) 0.78 0.41 0.89 0.92
(2) 1.65 2.09 1.55 1.45
(3) 0.39 0.31 0.45 0.46
(4)(θmax) 90° 60° 90° 90°
y(θmax) 3.64 3.65 1.79 3.64
图17图示了作为以上E镜(图像拾取系统)的车载系统(驱动支持装置)600的配置。这里描述的车载系统600是基于由图像拾取装置10获取的车辆的后视图、下侧视图和前方下侧视图的图像数据来支持车辆的驾驶(操纵)的系统。
车载系统600包括图像拾取装置10、车辆信息获取装置20、控制装置(控制单元；ECU：电子控制单元)30和警告装置(警告单元)40。图像拾取装置10包括包含光学系统和图像传感器的成像单元1、图像处理单元2、视差计算器3、距离获取单元(获取单元)4和危险确定单元5。成像单元1设置在车辆的左侧和右侧中的每一个上。图像处理单元2、视差计算器3、距离获取单元4和危险确定单元5构成处理单元。
图18中的流程图图示了车载系统600的操作示例。首先，在步骤S1中，成像单元1对诸如车辆的后方、下方和前方下侧的诸如障碍物和行人之类的物体进行成像，以获得捕获图像(图像数据)。
在步骤S2中，车辆信息获取装置20获取车辆信息。车辆信息是包括车辆速度、偏航率、转向角等的信息。
在步骤S3中，图像处理单元2对由成像单元1获取的图像数据执行处理。更具体地，执行图像特征分析，以分析图像数据中的诸如边缘的量和方向以及浓度值之类的特征量。
在步骤S4中，视差计算器3计算由成像单元1获取的多个图像数据之间的视差(图像偏移)信息。用于计算视差信息的方法可以使用诸如SSDA方法和面积相关方法之类的已知方法，因此这里将省略其描述。步骤S2、S3和S4可以按以上顺序执行、或者可以并行地执行。
在步骤S5中，距离获取单元4获取(计算)与由成像单元1成像的物体的距离信息。可以基于由视差计算器3计算的视差信息以及成像单元1的内部参数和外部参数来计算距离信息。这里的距离信息是指诸如与物体的距离、散焦量和图像偏移量之类的关于与物体的相对位置的信息，并且也可以直接或间接地表示与物体的距离。
然后，在步骤S6中，危险确定单元5使用由车辆信息获取装置20获取的车辆信息和由距离获取单元4计算的距离信息来确定与物体的距离是否被包括在设定的距离范围内。由此，可以确定在车辆后方的设定距离内是否存在物体，并且确定是否有可能存在诸如在变道时与斜后方的车辆碰撞、前轮落入沟中或开到人行道之类的危险事件。如果物体存在于设定距离内并且危险事件是有可能的，则危险确定单元5确定“危险”(步骤S7)，并且如果物体不存在于设定距离内，则确定“不危险”(步骤S8)。
接下来，在危险确定单元5确定“危险”的情况下，它将确定结果通知(发送)到控制装置30和警告装置40。此时，控制装置30基于危险确定单元5的确定结果来控制车辆(步骤S6)，并且警告装置40基于危险确定单元5的确定结果来警告车辆使用者(驾驶员、乘客)(步骤S7)。确定结果可以被通知给控制装置30和警告装置40中的至少一个。
在“危险”的情况下，控制装置30控制车辆，诸如返回方向盘以便不变道、不掉入沟中或不开到人行道上、或者在车轮上产生制动力。警告装置40诸如通过发出警告声(警报)、在汽车导航系统的画面上显示警告信息或者向安全带或方向盘施加振动来向用户发出警告。
存在各种用于计算距离信息的方法。例如，将描述以下情况：具有布置为二维阵列的多个像素部分的光瞳分割型图像传感器被用作包括在成像单元1中的图像传感器。在光瞳分割型图像传感器中，单个像素单元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，并且可以从每个光电转换器输出一对图像数据。
通过成对的图像数据之间的相关性计算来计算每个区域中的图像偏移量，并且距离获取单元4计算表示图像偏移量的分布的图像偏移图数据。距离获取单元4还可以将图像偏移量转换成散焦量，并且生成表示散焦量的分布(捕获图像的二维平面上的分布)的散焦图数据。另外，距离获取单元4可以获取与从散焦量转换的目标的距离的距离图数据。
车载系统600可以包括用于在实际发生诸如碰撞之类的危险事件时通知车载系统的制造商、车辆销售商(经销商)等的通知装置(通知单元)。例如，通知装置可以是经由电子邮件等将关于危险事件的信息发送到预设的外部通知目的地的装置。
因此，通知装置自动地通知关于危险事件的信息的配置可以在危险事件发生之后及时地采取诸如检查和修复之类的措施。危险事件信息的通知目的地可以是保险公司、医疗机构、警察或由用户设置的任意通知目的地。
另外，该示例将车载系统600应用于驾驶支持(碰撞损害减少)，但车载系统600不限于此，并且可以用于巡航控制(包括自适应性巡航控制功能)和自动驾驶等。另外，具有与车载系统600的配置等同的配置的图像拾取系统可以被安装在诸如飞机、船或者甚至工业机器人之类的可移动体上。
此外，在以上示例中，已描述以下情况：透镜装置被应用于作为距离测量装置的图像拾取装置10，但它可以应用于除了距离测量装置外的图像拾取装置(车载相机)。例如，车载相机可以布设在车辆的后方或侧部，并且所获取的图像信息可以显示在车辆内部的显示单元(监视器)上，以提供驾驶辅助。在这种情况下，不需要提供诸如视差计算器、距离获取单元和碰撞确定单元之类的用于距离测量的组件。
此外，以上示例已描述将透镜装置应用于车载系统中的成像单元的情况，但该实施例不限于此。例如，透镜装置可以被应用于诸如数字静态相机、数字摄像机或基于胶片的相机之类的图像拾取装置，或者可以被应用于诸如望远镜之类的光学装置或诸如投影仪之类的投影装置。
上述的每个示例仅仅是典型示例，并且在实现本发明时可以对每个示例进行各种修改和改变。

Claims (28)

1.一种光学系统，所述光学系统包括多个透镜和孔径光阑，所述孔径光阑部署在所述多个透镜中的任意两个透镜之间，
其中，所述光学系统满足以下条件：
0.20≤2ftan((θmax/2)/y(θmax)≤0.95
其中y(θ)是表示半视角θ与像高y之间的关系的所述光学系统的投影特性，θmax是所述光学系统的最大半视角，并且f是所述光学系统的焦距。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学系统满足以下条件：
1.35≤{y(θmax)-y(θ80)}(fθmax-fθ80)≤2.50
其中θ80是所述最大半视角的80％的半视角。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，还包括在所述孔径光阑的物侧具有非球面的至少两个透镜、以及在所述孔径光阑的像侧具有非球面的至少一个透镜。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述非球面中的至少一个具有曲率的符号在径向方向上的多个位置处反转的形状。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学系统，其中，所述光学系统满足以下条件：
0.1≤fsinθmax/y(θmax)≤0.8。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学系统，其中，所述光学系统满足以下条件：
θmax≥60°。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学系统，包括部署在所述孔径光阑的物侧的三个负透镜、以及最靠近像侧部署的正透镜。
8.根据权利要求7所述的光学系统，从物侧到像侧依次包括：
具有负折光力的第一透镜；
具有负折光力的第二透镜；
具有负折光力的第三透镜；
具有正折光力或负折光力的第四透镜；
所述孔径光阑；
具有正折光力的第五透镜；
具有负折光力的第六透镜；
具有正折光力的第七透镜；以及
具有正折光力的第八透镜。
9.根据权利要求7所述的光学系统，从物侧到像侧依次包括：
具有负折光力的第一透镜；
具有负折光力的第二透镜；
具有负折光力的第三透镜；
具有正折光力的第四透镜；
所述孔径光阑；
具有正折光力的第五透镜；
具有负折光力的第六透镜；以及
具有正折光力的第七透镜。
10.一种图像拾取装置，包括：
根据权利要求1至9中任一项所述的光学系统；以及
图像传感器，所述图像传感器被配置为通过所述光学系统对物体进行成像。
11.一种图像拾取系统，所述图像拾取系统包括安装在可移动体上的根据权利要求10所述的图像拾取装置，
其中，所述图像传感器的成像面具有用于对包括在第一视角中的物体进行成像的第一区域、以及用于对包括在第二视角中的物体进行成像的第二区域，所述第二视角比所述第一视角大，
其中，所述第二区域中的每单位视角的像素的数量大于所述第一区域中的每单位视角的像素的数量，
其中，在所述可移动体在水平方向上移动的情况下，所述图像拾取装置被安装为使得所述光学系统的光轴不平行于所述水平方向，并且
其中，所述光学系统满足以下条件：
55°≤θmax
20％＜|dθmax|
其中0max是最大半视角，并且dθmax是与所述光学系统的最大像高对应的位置处的畸变量。
12.根据权利要求11所述的图像拾取系统，其中，在所述可移动体在所述水平方向上移动的情况下，所述图像拾取装置被安装为使得在从所述可移动体的移动方向观察时，所述光轴平行于垂直方向。
13.根据权利要求11或12所述的图像拾取系统，其中，在所述可移动体在所述水平方向上移动的情况下，所述图像抬取装置被安装为使得在从所述可移动体的移动方向观察时，所述光轴相对于垂直方向朝向远离所述可移动体的一侧倾斜。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的图像拾取系统，其中，在所述可移动体在所述水平方向上移动的情况下，所述图像拾取装置被安装为对相对于所述光学系统在垂直方向上的下侧的物体进行成像。
15.根据权利要求11至14中任一顼所述的图像拾取系统，其中，在从作为第一方向的所述水平方向观察时，所述光学系统满足以下条件：
0°≤θL≤20°
其中θL是所述光轴与作为第二方向的垂直方向之间的角度。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的图像拾取系统，其中，所述光学系统被部署为使得所述光轴相对于所述成像面的中心在第三方向上朝向远离所述可移动体的一侧偏移，所述第三方向与所述第一方向和第二方向正交。
17.根据权利要求16所述的图像拾取系统，其中，所述光学系统满足以下条件：
0.3Ls≤La≤0.5Ls
其中La是所述光轴从所述成像面的中心的偏移量，并且Ls是在从所述成像面的中心朝向所述光轴的方向上延伸的所述成像面的边的长度。
18.根据权利要求16或17所述的图像拾取系统，其中，在所述可移动体在所述水平方向上移动的情况下，在从所述可移动体的移动方向观察时，所述光学系统满足以下条件：
0.3Ls≤La+yα≤0.5Ls
其中α是所述光轴与第一直线之间的角度，所述第一直线连接所述光学系统的最靠近物体的表面与所述光轴的交点和所述可移动体在垂直方向上的端点，yα是从所述第一直线与所述成像面的交点到所述光轴的距离，La是所述光轴从所述成像面的中心的偏移量，并且Ls是在从所述成像面的中心朝向所述光轴的方向上延伸的所述成像面的边的长度。
19.根据权利要求11至18中任一顼所述的图像拾取系统，其中，在所述可移动体在所述水平方向上移动的情况下，在从与所述可移动体的移动方向和垂直方向正交的方向观察时，所述光学系统满足以下条件：
θmax＜θf≤1.3θmax
其中θf是在所述光轴与如下直线之间形成的角度，所述直线连接所述光学系统的最靠近物体的表面与所述光轴的交点和在所述第二视角中所述可移动体的前轮在所述移动方向上的端点，并且θmax是最大半视角。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的图像拾取系统，其中，在所述可移动体在所述水平方向上移动的情况下，在从与所述可移动体的移动方向和垂直方向正交的第三方向观察时，所述光学系统满足以下条件：
0.5Lh＜Lf≤0.65Lh
其中Lf是在所述第二视角中所述可移动体的前轮在所述移动方向上的端点图像点处的图像点与所述成像面的中心之间的距离，并且Lh是在从所述成像面的中心朝向所述图像点的方向上延伸的所述成像面的边的长度。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的图像拾取系统，还包括显示单元，所述显示单元被配置为显示使用来自所述图像传感器的输出生成的图像数据。
22.一种图像拾取系统，包括：
根据权利要求10所述的图像拾取装置，所述图像拾取装置被安装在可移动体中；以及
处理单元，所述处理单元被配置为处理由所述图像拾取装置获取的图像信息。
23.根据权利要求22所述的图像抬取系统，还包括确定单元，所述确定单元被配置为基于由所述图像拾取装置获取的与物体的距离信息来确定危险事件是否是有可能的。
24.根据权利要求23所述的图像拾取系统，还包括控制装置，所述控制装置被配置为在确定所述危险事件是有可能的情况下控制所述可移动体。
25.根据权利要求23或24所述的图像拾取系统，还包括警告装置，所述警告装置被配置为在确定所述危险事件是有可能的情况下向所述可移动体的用户发出警告。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的图像拾取系统，还包括通知装置，所述通知装置被配置为向外部通知关于所述危险事件的信息。
27.一种可移动体，所述可移动体包括根据权利要求10所述的图像拾取装置。
28.一种可移动体，所述可移动体包括根据权利要求11至26中任一项所述的图像拾取系统。
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