JP2009128846A - Compound optical system and optical device having the compound optical system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複合光学系及びこの複合光学系を有する光学装置に関する。 The present invention relates to a composite optical system and an optical apparatus having the composite optical system.
監視用途や車載などの屋外でも使用される電子撮像素子を用いたカメラには、様々なものが存在する。これらの光学系では、カメラの画質を良好に維持するための方策、例えばオートゲイン、オートフォーカス、色バランス補正などが施されているのは周知である。画質に寄与する環境条件で極めて重要なのは、窓ガラスを通過して遠方を監視する場合の窓ガラス表面の汚れや曇り、雨による表面の屈折異常の影響である。窓ガラスに付着した表面の汚れや曇り、雨による表面の屈折異常を検知できれば、その雨滴の付着の程度に応じて洗浄するか吹き飛ばすか警告を発することが可能となる。監視用途においても、環境保護用の保護ガラスの表面に雨滴やゴミが付着した際にそれをリアルタイムに検知して、ワイパーを駆動させることにより表面をクリアにして画質を維持することが可能である。屋内から玄関を監視する防犯装置においても、窓ガラスの表面の雨滴やゴミを検知した場合に洗浄するか吹き飛ばす等の対策を講じることが可能である。窓付近、若しくは窓の外の、例えば鍵の開閉状態など着目すべき物体に対しても、その状態をリアルタイムで監視し、異常を認めた場合に、常時異なる視野を見ていた撮像用光学系を異常のある必要な箇所の方向に向けて撮像を続けることが望まれる。なお、このような監視目的等で用いられる光学系には、広角レンズ等が用いられる(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、これらの検知装置(センサー)とカメラは従来別の装置として構成されており、設置に当たっては、窓付近にそれぞれ個別に設置して、さらにそれぞれを個別に調整しなければならなかった。すなわち、設置場所に制約を生じ、個別の調整に時間を要し、それぞれのセンサーに受光部を持つなど余分な部材があることから各装置が高価になってしまうという課題があった。 However, these detection devices (sensors) and cameras have been conventionally configured as separate devices, and it has been necessary to individually install them in the vicinity of the windows and further adjust them individually. That is, there is a problem that the installation location is restricted, each adjustment takes time, and each device is expensive because there is an extra member such as a light receiving portion in each sensor.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、撮像用光学系と情報取得用光学系を統合し、合理的な光学配置によって設置場所の自由度を向上させ、調整を容易にし、部材の一部を共用して安価にした複合光学系を提供し、さらに、この複合光学系を有する光学装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, integrates an imaging optical system and an information acquisition optical system, improves the degree of freedom of installation location by a rational optical arrangement, facilitates adjustment, It is an object of the present invention to provide a composite optical system in which a part of the members is shared and made inexpensive, and to provide an optical device having the composite optical system.
前記課題を解決するために、本発明に係る複合光学系は、光を透過する光学部材からなる窓により分割された空間のうち一方の空間に配置され、自空間、若しくは窓を通して他方の空間を撮影する撮像用光学系と、この撮像用光学系により、窓の他方の空間に接する面または当該面の近傍の画像を撮像するか若しくは当該面または当該面の近傍の物体の像を観察する機能を有する情報取得用光学系とからなり、この情報取得用光学系は、少なくとも1枚の正の屈折力を持つ光学部材を有し、且つ、当該情報取得用光学系の後側焦点と撮像用光学系の入射瞳の位置とが概略一致し、且つ、撮像用光学系の入射瞳位置を瞳とした場合、概略物体側がテレセントリック光学系であるように配置される。 In order to solve the above problems, the composite optical system according to the present invention is disposed in one of the spaces divided by the window made of an optical member that transmits light, and the other space through the window or through the window. An imaging optical system for photographing and a function of capturing an image of a surface in contact with the other space of the window or an image in the vicinity of the surface, or observing an image of the object in the vicinity of the surface or the surface by the imaging optical system The information acquisition optical system includes at least one optical member having a positive refractive power, and the rear focal point of the information acquisition optical system and the imaging When the position of the entrance pupil of the optical system is substantially coincident and the entrance pupil position of the imaging optical system is the pupil, the object is arranged so that the approximate object side is a telecentric optical system.
このような本発明に係る複合光学系において、情報取得用光学系は、当該情報取得用光学系の前側焦点が、窓の他方の空間に接する面上若しくは当該面の近傍に位置するように配置されることが好ましい。 In such a composite optical system according to the present invention, the information acquisition optical system is disposed such that the front focal point of the information acquisition optical system is located on or near the surface in contact with the other space of the window. It is preferred that
また、このような本発明に係る複合光学系において、情報取得用光学系は、反射系または反射屈折系で構成されることが好ましい。 Further, in such a composite optical system according to the present invention, the information acquisition optical system is preferably configured by a reflection system or a catadioptric system.
このとき、情報取得用光学系は、凹面の反射面を少なくとも1面有するように構成されることが好ましい。 In this case, the information acquisition optical system is preferably configured to have at least one concave reflecting surface.
あるいは、情報取得用光学系は、凹面の反射面(例えば、実施形態における凹面鏡31)と凸面の反射面(例えば、実施形態における凸面鏡32)との各々を少なくとも1面ずつ有するように構成されることが好ましい。
Alternatively, the information acquisition optical system is configured to have at least one each of a concave reflecting surface (for example, the
また、このような本発明に係る複合光学系において、情報取得用光学系は、反射系を構成する反射部材若しくは反射屈折系を構成する反射屈折部材を、少なくとも所定の波長の光線を透過する光線透過部材と一体に構成することが好ましい。 Further, in such a composite optical system according to the present invention, the information acquisition optical system is a light beam that transmits at least a light beam having a predetermined wavelength through the reflective member constituting the reflective system or the catadioptric member constituting the catadioptric system. It is preferable to configure the transmission member integrally.
このとき、この情報取得用光学系は、光線透過部材が所定の波長以外の光線の光量を制限する部材を有することが好ましい。 In this case, in the information acquisition optical system, it is preferable that the light transmitting member has a member that limits the amount of light other than the predetermined wavelength.
また、このような本発明に係る複合光学系において、情報取得用光学系は、凹面の反射面と凸面の反射面とを少なくとも各1面有し、凹面の反射面は略軸外しの放物面で構成され、凸面の反射面は、入射瞳の光軸上の位置と凹面の中心とを焦点とする略双曲面で構成されることが好ましい。 Further, in such a composite optical system according to the present invention, the information acquisition optical system has at least one concave reflecting surface and a convex reflecting surface, and the concave reflecting surface is a substantially off-axis paraboloid. It is preferable that the convex reflecting surface is formed by a substantially hyperboloid having a position on the optical axis of the entrance pupil and the center of the concave surface as a focal point.
さらに、このような本発明に係る複合光学系は、撮像用光学系の光軸と情報取得用光学系の光軸とが撮像用光学系の入射瞳の位置若しくは当該入射瞳の近傍で交差し、撮像用光学系の光軸と情報取得用光学系の光軸とのなす角度が、光軸が交差する点を略中心として変化可能に構成されることが好ましい。 Furthermore, in such a composite optical system according to the present invention, the optical axis of the imaging optical system and the optical axis of the information acquisition optical system intersect at the position of the entrance pupil of the imaging optical system or in the vicinity of the entrance pupil. It is preferable that the angle formed by the optical axis of the imaging optical system and the optical axis of the information acquisition optical system is configured to be changeable about the point where the optical axes intersect.
また、本発明に係る光学装置(例えば、実施形態における撮影システム10)は、情報取得用光学系の物体面付近を照射する照明光学系と、上述の複合光学系の何れかとから構成される。
In addition, the optical device according to the present invention (for example, the
あるいは、本発明に係る光学装置は、撮像用光学系の被写体を照明する照明光学系と、上述の複合光学系の何れかとから構成される。 Alternatively, the optical device according to the present invention includes an illumination optical system that illuminates a subject of the imaging optical system and any one of the above-described composite optical systems.
本発明に係る複合光学系及びこの複合光学系を有する光学装置を以上のように構成すると、撮像用光学系と情報取得用光学系とを統合することができ、極めてコンパクトで調整が簡単で部材が少なく安価な光学系を達成することができ、窓の表面状態の情報を取得でき、必要に応じてその情報を周辺装置若しくは撮像用光学系にフィードバックすることができる。 When the composite optical system and the optical apparatus having the composite optical system according to the present invention are configured as described above, the imaging optical system and the information acquisition optical system can be integrated, and are extremely compact and easy to adjust. And an inexpensive optical system can be achieved, information on the surface state of the window can be acquired, and the information can be fed back to the peripheral device or the imaging optical system as necessary.
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図1は、監視カメラの保護用の窓Wで分割された空間RI,ROのうち、一方の空間RI(例えば、監視カメラの場合であれば、ハウジングの内部)に配置された、撮像用光学系2及び情報取得用光学系3からなる複合光学系1を示している。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an imaging optical device arranged in one space RI (for example, in the case of a surveillance camera, inside a housing) among the spaces RI and RO divided by the protection window W for the surveillance camera. A composite
撮像用光学系2は、窓Wで分割され、この撮像用光学系2が配置された空間RI内から窓Wを通して他方の空間RO(例えば、監視カメラの場合であれば、ハウジング外部の前方の空間RO)を撮像する(観察する)ように構成されている。このような撮像用光学系2としては、広角レンズが用いられるのが良い。本実施例では特公昭51−14017に示された実施例を所定の焦点距離に比例短縮させて用いたが、どのようなレンズを適用しても良い。
The imaging
情報取得用光学系3は、窓W側から順に、正の屈折力を有する光学部材31と負の屈折力を有する光学部材32とから構成されている。この図1に示す実施例においては、正の屈折力を有する光学部材31として、窓W側に凹面31aを向けた凹面鏡31で構成し、負の屈折力を有する光学部材32として、撮像用光学系2側に凸面32aを向けた凸面鏡32で構成した場合を示している。この情報取得用光学系3は、その後側焦点(情報取得用光学系3に対して窓W側から入射した光線が集光される焦点)が、撮像用光学系2の入射瞳の位置と概略一致するように配置されている。すなわち、情報取得用光学系3の後側焦点が、撮像用光学系2の入射瞳面と光軸とが交わる点と一致するかその近傍に位置するように配置されている。また、撮像用光学系2の入射瞳位置をこの情報取得用光学系3の瞳とした場合、情報取得用光学系3は、概略物体側がテレセントリック光学系となるように構成されている。情報取得用光学系3をこのように配置することにより、この情報取得用光学系3に入射した光線の全てを撮像用光学系2で取り込むことができる。
The information acquisition
照明光学系4は、窓Wの内側あるいは外側に適宜配置可能であるが、図1には示していない。図1の場合は無くても構わない。照明光学系4を用いない場合は、背景の散乱光が入射するので、背景の像と窓Wの表面の像が重畳されるが、窓Wの表面Waに情報取得用光学系3の前側焦点があるので、窓表面Waの像がより鮮明に観察される。ここで、例えば降雨により窓Wの外側の面(空間RO側の面)に雨滴が付着すると、観察面Waにおいて雨滴が付着している部分では光線の屈折異常が起こり、この観察面Waの像を撮像用光学系2で集光して結像することにより撮像素子で、画像の歪み及び明暗コントラストの強調により雨滴の状態を検出することができる。
The illumination optical system 4 can be appropriately arranged inside or outside the window W, but is not shown in FIG. In the case of FIG. When the illumination optical system 4 is not used, the background scattered light is incident, so the background image and the image of the surface of the window W are superimposed, but the front focus of the information acquisition
以上で説明した図1においては、情報取得用光学系3を、凹面鏡31の凹面(反射面)31aと凸面鏡32の凸面(反射面)32aとからなる反射系で構成した場合について説明したが、図2に示すように、窓Wから順に、両凸レンズ33と窓W側に凹面を向けた負メニスカスレンズ34とを貼り合わせた正接合レンズ35で構成することも可能である(ここで、図2においては、照明光学系4は省略している)。すなわち、この情報取得用光学系3は、少なくとも1枚の正の屈折力を有する光学部材(例えば、上述の正接合レンズ35)で構成することが可能である。また、この図1及び図2以外にも、情報取得用光学系3として、反射系にレンズ等の屈折系を加えた反射屈折系で構成することも可能である。
In FIG. 1 described above, the case where the information acquisition
なお、情報取得用光学系3を反射系または反射屈折系で構成する場合は、窓Wの観察面Waで反射した照明光を集光するためには、この情報取得用光学系3に凹面の反射面を少なくとも1面設ける(図1の場合は凹面鏡31の凹面31aを設けている)必要があり、さらに、凹面の反射面と凸面の反射面とを少なくとも各1面設けることにより(図1の場合は、凹面鏡31の凹面31a及び凸面鏡32の凸面32aを設けている)ペッツヴァル和を小さくして像面湾曲を低減させることができる。さらに、コマ収差等の諸収差を補正して観察面Waの良好な画像を得るためには、凹面鏡31の凹面(反射面)31aを軸外しの放物面で構成し、凸面鏡32の凸面(反射面)32aを、撮像用光学系2の入射瞳の光軸上の位置と凹面鏡31の凹面(反射面)31aの中心とを焦点とする略双曲面で構成することが望ましい。
When the information acquisition
さらに具体的には、正の屈折力を有する光学部材31は放物面の焦点を通り、入射光に平行な光軸を回転軸とする凹面の回転放物面であり、負の屈折力を有する光学部材32は、光学部材31の焦点を第一の焦点、撮像用光学系2の入射軸の位置を第二の焦点とし、二つの焦点を結ぶ直線を回転軸とする凸面の回転対称双曲面の場合、収差が無く撮像用光学系2の入射瞳に理想的に光線を集中させることができ、結果として撮像用光学系2に光量の損失が無く且つ諸収差が補正された光線を導き入れることが可能である。また、光学部材31と光学部材32とは、それぞれ上記の軸を回転軸とする近似球面による回転体であっても充分良好であり、加工が容易でコストの比較的安い光学系を得ることが可能である。なお、各反射面が球面または他の非球面形状を持つ非球面で構成されていても構わない。
More specifically, the
ところで、空間RI内に、上述のような凹面鏡31及び凸面鏡32のそれぞれを単体で精度良く配置するのは困難である。そのため、少なくとも所定の波長の光線、すなわち、照明光学系4により照射される照明光(例えば赤外光)を透過する光線透過部材に、凹面鏡31及び凸面鏡32の反射面31a,32aに相当する曲面を形成してその上に反射層を形成することにより、情報取得用光学系3の反射系若しくは反射屈折系を一体に構成することが望ましい。これにより、この情報取得用光学系3の配置が容易になり、また、複合光学系1全体の調整も容易に行うことができる。このとき、光線透過部材として、上述の照明光は透過するが、それ以外の波長の光線についてはその光量を制限するような光学材料を用いることにより、照明光以外の光(例えば、ハウジング内RIから発せられた光や、外部の空間ROから窓Wを透過して情報取得用光学系3に入射する自然光)を除去することができるので、観察面Waの像を精度良く取得することができる。
By the way, it is difficult to dispose each of the
また、このような複合光学系1を空間RI側に設置する場合、撮像用光学系2を窓Wに対して自由な方向に向けたい場合がある。上述のように、情報取得用光学系3の後側焦点は、撮像用光学系2の入射瞳面と光軸とが交わる点、言い換えると、情報取得用光学系3と撮像用光学系2の光軸が交わる点若しくはその近傍に位置するように配置されている。そのため、複合光学系1を構成する撮像用光学系2を、入射瞳の位置(入射瞳面と光軸とが交わる位置)若しくはその近傍を中心に回転可能に構成することにより、情報取得用光学系3の窓Wに対する角度の違いに対応させることができる。図3は、撮像用光学系2を、図2に比較して25度、入射瞳の位置を中心に回転させた場合を示している。
Further, when such a composite
図4は、この複合光学系1を屋内に設置し、略垂直に延びるように配置された窓Wを通して屋外を監視若しくは撮影する防犯カメラ装置等にも適用する実施形態である。本実施形態の場合は、照明光学系4を明視野光源として使用している。本実施形態の照明光学系4は、所定の波長の照明光(例えば赤外光)を放射する光源41と、この光源41から放射された照明光を集光して平行光束に変換するコンデンサレンズ42とから構成されている。この照明光学系4は、外界の空間ROから窓Wに対して平行光束となった照明光を照射するように構成されている。この照明光は、窓Wに入射するが、この窓Wと空間ROとの境界面(以降の説明においては、この照明光が照射された境界面を「観察面Wa」と呼ぶ)を透過して、情報取得用光学系3に入射し、凹面鏡31で反射してさらに撮像用光学系2に入射し、この撮像用光学系2で集光されて、その像面Iに配置された撮像素子(図1においては図示せず)により窓Wの像(窓Wと空間ROとの境界面、すなわち、観察面Waの像)として検出される。
FIG. 4 shows an embodiment in which the composite
ここで、例えば降雨により窓Wの外側の面(空間RO側の面)に雨滴が付着すると、窓Wの屈折率と雨滴(水)の屈折率の差が小さいため、観察面Waにおいて雨滴が付着している部分では、光学的に平面ではなくなり、平行光の一部が平行ではなく乱れて透過し、一部の光線は光路から外れてしまう。そのため、情報取得用光学系3の前側焦点近傍に観察面Waが位置するようにこの複合光学系1を配置すると、この観察面Waの像を撮像用光学系2で集光して結像することにより、通常の画像よりは明暗が強調された画像を撮像素子で検出することができる。このとき、撮像素子で検出した観察面Waの像の強度が高いほどその画像を明るく表示するとした場合、雨滴が付着している部分だけが黒い画像となるので、この画像を解析することにより、窓Wにおける外側の空間ROとの境界面の状態、すなわち、観察面Waに雨滴等が付着しているか否かを検出することができる(窓Wの状態を検出するための撮像装置の構成については後述する)。
Here, for example, when raindrops adhere to the outer surface of the window W (surface on the space RO side) due to rain, the difference between the refractive index of the window W and the refractive index of the raindrops (water) is small. In the adhering part, it is not optically flat, part of the parallel light is transmitted in a disordered manner rather than parallel, and part of the light beam is out of the optical path. Therefore, when the composite
観察面Waに雨滴以外の、例えば泥や葉などが付着した場合も黒い画像となって識別される。撮像エリアROが明るい場合、情報取得用光学系3の像と重畳して見分け難い場合があり得るが、発光ダイオード(LED)をパルス発光させ、変調を掛けることで観察面Waの情報を切り分ける手段が有効である。情報取得用光学系3に上述の波長選択光学材料を用いることにより、照明光以外の光(例えば、家屋内RIから発生られた光や、外部の空間ROから窓Wを透過して情報取得用光学系3に入射する自然光)を除去することも有効である。
Even when, for example, mud or leaves other than raindrops adhere to the observation surface Wa, the image is identified as a black image. When the imaging area RO is bright, it may be difficult to distinguish it by superimposing it on the image of the information acquisition
図5は、上述の複合光学系1を有し、例えば監視用カメラのハウジングの窓Wを通して前方の状況を撮影する撮影システム10の構成を示している。この撮影システム10は、上述のように窓Wで区切られたハウジング内に配置される画像記録装置8と、窓Wの観察面に照明光を照射する照射光学系4と、画像記録装置8で生成された画像から窓Wの観察面の状態を検出する制御部9とから構成されている。ここで画像記録装置8は、上述の複合光学系1と、この複合光学系1を構成する撮像用光学系2の撮像面に配置されて撮像用光学系2により結像された像を検出する撮像素子5と、撮像素子5より出力された電気信号から被写体の画像を生成する画像処理部6と、この画像処理部6で生成された画像を記憶する画像記憶部7とから構成され、画像処理部6で生成された画像は、制御部9にも出力されるように構成されている。
FIG. 5 shows the configuration of an
図6は、撮像用光学系2で結像されて撮像素子5で検出された信号を、画像処理部6で画像50として生成したものであり、この画像50の一部に情報取得用光学系3で集光し、撮像用光学系2で結像した観察面の像51が含まれる。そのため、制御部9でこの観察面の像51を上述の方法で解析することにより、窓Wの観察面の状態(外部との境界面の状態)を検出することができる。例えば、観察面の像51に雨滴の像52が含まれており、観察面に雨滴が付着していると判断した場合は、制御部9により駆動系統(風、温風、ワイパー等)を制御して雨滴を除去することができ、これにより、画像記録装置8で記録される画像の画質を維持することができる。
FIG. 6 shows a signal imaged by the image pickup
1 複合光学系 2 撮像用光学系 3 情報取得用光学系 4 照明光学系
10 撮影システム(光学装置) 31 凹面鏡 32 凸面鏡
41 光源 42 コンデンサレンズ W 窓 Wa 観察面
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記撮像用光学系により、前記窓の前記他方の空間に接する面または当該面の近傍の画像を撮像するか若しくは当該面または当該面の近傍の物体の像を観察する機能を有する情報取得用光学系とからなり、
前記情報取得用光学系は、少なくとも1枚の正の屈折力を持つ光学部材を有し、且つ、当該情報取得用光学系の後側焦点と前記撮像用光学系の入射瞳の位置とが概略一致し、且つ、前記撮像用光学系の入射瞳位置を瞳とした場合、概略物体側がテレセントリック光学系であるように配置されている複合光学系。 An imaging optical system that is arranged in one of the spaces divided by a window made of an optical member that transmits light, and shoots the other space through the window or the window,
Information acquisition optics having a function of capturing an image of a surface in contact with the other space of the window or an image in the vicinity of the surface or observing an image of an object in the vicinity of the surface or the surface by the imaging optical system Consisting of a system,
The information acquisition optical system includes at least one optical member having a positive refractive power, and the rear focal point of the information acquisition optical system and the position of the entrance pupil of the imaging optical system are approximately A composite optical system that is matched and arranged so that the object side is a telecentric optical system when the entrance pupil position of the imaging optical system is a pupil.
前記凹面の反射面は略軸外しの放物面で構成され、
前記凸面の反射面は、前記入射瞳の光軸上の位置と前記凹面の中心とを焦点とする略双曲面で構成された請求項3〜7いずれか一項に記載の複合光学系。 The information acquisition optical system has at least one concave reflecting surface and at least one convex reflecting surface,
The concave reflecting surface is composed of a substantially off-axis paraboloid,
The compound optical system according to any one of claims 3 to 7, wherein the convex reflecting surface is configured by a substantially hyperboloid having a focal point at a position on an optical axis of the entrance pupil and a center of the concave surface.
前記撮像用光学系の光軸と前記情報取得用光学系の光軸とのなす角度が、前記光軸が交差する点を略中心として変化可能に構成された請求項1〜8いずれか一項に記載の複合光学系。 The optical axis of the imaging optical system and the optical axis of the information acquisition optical system intersect at the position of the entrance pupil of the imaging optical system or in the vicinity of the entrance pupil,
The angle formed by the optical axis of the imaging optical system and the optical axis of the information acquisition optical system is configured to be changeable about a point where the optical axes intersect with each other. The composite optical system described in 1.
請求項1〜9いずれか一項に記載の複合光学系とから構成された光学装置。 An illumination optical system that illuminates the vicinity of the object plane of the information acquisition optical system;
The optical apparatus comprised from the compound optical system as described in any one of Claims 1-9.
請求項1〜9いずれか一項に記載の複合光学系とから構成された光学装置。 An illumination optical system for illuminating a subject of the imaging optical system;
The optical apparatus comprised from the compound optical system as described in any one of Claims 1-9.
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