JP2019028128A - 光学系、それを備える撮像装置及び投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型でありながら高い結像性能を有する光学系を提供すること。【解決手段】 光学系１００は、拡大側に向かって凸形状の屈折面２１を含む第１光学素子１１と、拡大側に向かって凸形状の反射屈折面２２を含む第２光学素子１２と、凹形状の反射面２３を含む第３光学素子１３と、正のパワーの屈折素子である第４光学素子１４とを有し、拡大側からの光は、屈折面２１、反射屈折面２２の反射領域２２ａ、屈折面２１、反射面２３、屈折面２１、反射屈折面２２の屈折領域２２ｂ、第４光学素子１４、を順に介して縮小側へ向かい、屈折面２１と反射面２３との間の媒質の屈折率は、第１光学素子１１の屈折率よりも小さい。【選択図】 図１

Description

本発明は、屈折面及び反射面を有する光学系に関し、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、車載カメラ、携帯電話用カメラ、監視カメラ、ウェアラブルカメラ、医療用カメラ等の撮像装置や、プロジェクタ等の投影装置に好適なものである。

撮像装置や投影装置に用いられる光学系として、反射面及び屈折面を用いることで小型化を図った反射屈折光学系が知られている。特許文献１には、複数の屈折面及び複数の反射面を含む光学素子から成る反射屈折光学系が開示されている。また、特許文献２には、裏面鏡部分及びレンズ部分を含む反射屈折部材と反射面を含む反射部材とを有する反射屈折光学系が開示されている。

特開２００４−３６１７７７号公報 特開２００３−２１５４５８号公報

しかしながら、特許文献１に係る反射屈折光学系では、全ての反射面が光学素子の内部で光を反射させるものであるため、コマ収差や倍率色収差などの補正が困難であった。また、特許文献２に係る反射屈折光学系では、諸収差の補正やテレセントリック性の確保が十分ではなく、高い結像性能が得られていなかった。

本発明は、小型でありながら高い結像性能を有する光学系を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明の一側面としての光学系は、拡大側に向かって凸形状の屈折面を含む第１光学素子と、拡大側に向かって凸形状の反射屈折面を含む第２光学素子と、凹形状の反射面を含む第３光学素子と、正のパワーの屈折素子である第４光学素子とを有し、拡大側からの光は、前記屈折面、前記反射屈折面の反射領域、前記屈折面、前記反射面、前記屈折面、前記反射屈折面の屈折領域、前記第４光学素子、を順に介して縮小側へ向かい、前記屈折面と前記反射面との間の媒質の屈折率は、前記第１光学素子の屈折率よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、小型でありながら高い結像性能を有する光学系を提供することができる。

本発明の実施例１に係る光学系の要部概略図。 実施例１に係る光学系の縦収差図。 実施例１に係る光学系の横収差図。 本発明の実施例２に係る光学系の要部概略図。 実施例２に係る光学系の縦収差図。 実施例２に係る光学系の横収差図。 本発明の実施形態に係る車載カメラシステムの機能ブロック図。 実施形態に係る車両の要部概略図。 実施形態に係る車載カメラシステムの動作例を示すフローチャート。 本発明の実施形態に係る測距光学系の要部概略図。 実施形態に係る測距光学系の反射部の要部概略図。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。本実施形態において、「光学面」とは屈折面や反射面のことを指し、「光軸」とは光学系における各光学面の中心（面頂点）を通る軸を指し、「間隔」とは光軸上での面間隔のことを指すものとする。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る光学系１００の光軸Ａを含むＹＺ断面（垂直断面）における要部概略図であり、図１（ｂ）は、光学系１００をＹ方向（垂直方向）における＋Ｙ側から見たときの要部概略図である。図１（ｂ）では、Ｙ方向における中心像高に向かう光束を示している。なお、図１では、左側（−Ｚ側）が拡大側であり、右側（＋Ｚ側）が縮小側である。本実施形態に係る光学系１００は、不図示の物体（被写体）からの光束を集光して物体の像を形成するための結像光学系であり、撮像装置や投影装置に適用可能なものである。

光学系１００が撮像光学系として撮像装置に適用される場合は、光学系１００の縮小面が像面となり、その位置にＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子の撮像面（受光面）が配置される。また、光学系１００が投影光学系として投影装置に適用される場合は、縮小面が物体面となり、その位置に液晶パネル（空間変調器）等の表示素子の表示面が配置される。すなわち、撮像光学系と投影光学系とでは、物体側と像側とが反転し、光路が逆向きになる。なお、以下の説明では、光学系１００が撮像装置に適用される場合を想定している。

本実施形態に係る光学系１００は、第１光学素子１１、第２光学素子１２、第３光学素子１３、及び第４光学素子１４を有する反射屈折光学系である。第１光学素子１１は拡大側（物体側）に向かって凸形状の屈折面２１を含み、第２光学素子１２は拡大側に向かって凸形状の反射屈折面２２を含み、第３光学素子１３は凹形状の反射面２３を含んでいる。また、第４光学素子１４は正パワーの屈折素子である。

拡大側からの光は、屈折面２１、反射屈折面２２、屈折面２１、反射面２３、屈折面２１、反射屈折面２２、第４光学素子１４、を順に介して縮小側（像側）へ向かい、撮像素子１６の撮像面に入射する。このように、光学系１００は、反射屈折面２２及び反射面２３によって光路を折り畳むことで小型化を実現している。

そして、本実施形態において、屈折面２１と反射面２３との間の媒質の屈折率は、第１光学素子１１の屈折率よりも小さい。このように、屈折面２１と反射面２３との間の媒質を第１光学素子１１とは異なる材料とすることで、その媒質と屈折面２１との界面で屈折率差を生じさせることができる。これにより、コマ収差、倍率色収差、及び歪曲収差を良好に補正することが可能になる。

また、光学系１００は、拡大側からの光が屈折面２１、反射屈折面２２、及び反射面２３を通過した後に正パワーを有する第４光学素子１４を通過するように構成することで、良好なテレセントリック性を確保している。このように、本実施形態に係る光学系１００は、小型化及び高い結像性能の両立を実現している。

［実施例１］
以下、本発明の実施例１に係る光学系１００について説明する。なお、本実施例に係る光学系１００は、上述した実施形態に係る光学系１００と同様の構成を採っているため、重複する説明を省略する。

本実施例に係る第１光学素子１１は、拡大側面である屈折面２１と、縮小側面である拡大側に向かって凸形状の屈折面とを含む屈折素子（レンズ）である。屈折面２１は、光が１回通過する屈折領域２１ａと、光が２回通過する屈折領域２１ｂとを備える。そして、第１光学素子１１は負のパワーを有している。

本実施例に係る第２光学素子１２は、拡大側面である拡大側に向かって凸形状の屈折面と、縮小側面である反射屈折面２２とを含む反射屈折素子（反射屈折レンズ）である。反射屈折面２２は、光を反射させる反射領域２２ａと、光を屈折させる屈折領域２２ｂとを備える。また、第２光学素子１２における反射領域２２ａを除く屈折部分は正のパワーを有している。

そして、本実施例に係る反射領域２２ａは、結像に寄与する有効光を反射する反射部と、それ以外の光を遮光する遮光部とで構成されており、開口絞りの役割を果たしている。なお、反射部は例えば反射膜（蒸着膜）により構成され、遮光部は例えば吸光部材により構成される。

本実施例に係る第３光学素子１３は、正のパワーの反射面２３を含む反射部材（ミラー）である。また、本実施例に係る第４光学素子１４は、拡大側面である拡大側に向かって凸形状の屈折面と、縮小側面である拡大側に向かって凸形状の屈折面とを含む屈折素子である。なお、第１光学素子１１の縮小側面、第２光学素子１２の拡大側面、及び第４光学素子１４の各屈折面は上述した構成に限られるものではなく、必要に応じて各屈折面の向き（パワーの符号）を変更してもよい。

不図示の物体からの光束は、屈折面２１の屈折領域２１ａに入射し、第１光学素子１１の縮小側面及び第２光学素子１２の拡大側面を透過して、反射屈折面２２の反射領域２２ａにおける反射部で反射される。このとき、光の一部は反射領域２２ａの遮光部により遮光される。

反射領域２２ａの反射部で反射された光は、第２光学素子１２の拡大側面及び第１光学素子１１の縮小側面を透過して、屈折面２１の屈折領域２２ｂから第１光学素子１１の外部へ出射する。さらに、光は反射面２３で反射されて再び屈折領域２２ｂに入射し、第１光学素子１１の縮小側面及び第２光学素子１２の拡大側面を透過して、反射屈折面２２の屈折領域２２ｂを透過する。そして、光は第４光学素子１４及びカバーガラス１５を透過し、平面形状の像面を形成する。

図１（ｂ）に示すように、Ｘ方向（水平方向）において光学系１００は光軸Ａに対して対称な形状であり、拡大側からの光は光軸Ａに対して両側から屈折面２１に入射する。すなわち、Ｙ方向の各位置でのＺＸ断面（水平断面）において、光学系１００は光軸Ａに対して対称な形状である。

一方、図１（ａ）に示す垂直断面において、第１光学素子１１、第２光学素子１２、及び第４光学素子１４は光軸Ａに対して対称な形状であるが、第３光学素子１３は光軸Ａに対して非対称な形状である。そして、垂直断面では、拡大側からの光は光軸Ａに対して下側（−Ｙ側）のみから屈折面２１に入射し、光軸Ａに対して上側（＋Ｙ側）に像面が形成される。このように、光学系１００は、垂直断面において光が光軸Ａに対して一方の側のみから屈折面２１に入射する構成、すなわち光が各光学面に斜入射する構成を採っている。

このとき、撮像装置では、撮像面を光軸Ａに対してＹ方向に偏心させ、撮像面が光軸Ａに対して撮像面とは反対側から光学系１００に入射する光束のみを受光するように構成することができる。また、投影装置では、表示面を光軸Ａに対してＹ方向に偏心させ、表示面からの光束が光軸Ａに対して表示面とは反対側から光学系１００の外部に出射するように構成することができる。これにより、光路を折り畳んで小型化を図りつつ、撮像素子や表示素子を各光学素子や各光路と干渉しないように配置することができる。

本実施例に係る光学系１００の光軸Ａを含む水平断面での画角（水平画角）は５０°である。光軸Ａを基準（０°）として＋Ｘ側を正、−Ｘ側を負とするとき、水平画角内の角度θｘの範囲は−２５°≦θｘ≦＋２５°である。また、光学系１００の光軸Ａを含む垂直断面での画角（垂直画角）は４６°である。屈折面２１の屈折領域２１ａに入射する光線のうち中心像高に到達するものを基準（０°）として＋Ｙ側を正、−Ｙ側を負とするとき、垂直画角内の角度θｙの範囲は−２３°≦θｙ≦＋２３°である。

本実施例に係る光学系１００では、水平画角が光軸Ａの両側に対称に設定されているのに対して、垂直画角は光軸Ａに対して−Ｙ側にのみ設定されている。そして、光学系１００では、光軸を含む水平断面（第１断面）での画角よりも、光軸を含み水平断面に垂直な垂直断面（第２断面）での画角の方が小さくなっている。

なお、本実施例に係る光学系１００は、全ての光学面の曲率中心が光軸Ａの上に存在する共軸系である。また、本実施例に係る光学系１００は、全ての光学面が光軸Ａに対して回転対称な形状である回転対称系となっている。ただし、図１（ａ）に示すように、反射面２３は有効光が入射しない不要な部分がカットされた形状となっているが、そのベース面は回転対称な形状であり、ベース面の面頂点は光軸Ａの上に配置される。このように、光学系１００を共軸系かつ回転対称系とすることで、水平断面及び垂直断面の夫々で諸収差を良好に補正することができる。

表１に、本実施例に係る光学系１００の諸元値を示す。表１において、ｒは曲率半径（ｍｍ）、ｄは面間隔（ｍｍ）、Ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはｄ線に対するアッベ数、を表す。ただし、面間隔ｄは、光路に沿って縮小側に向かうときに正、拡大側に向かうときに負としている。また、「Ｅ±Ｎ」は「×１０^±Ｎ」を意味する。

本実施例において、非球面形状の各光学面は、光軸Ａを中心とした回転対称形状であり、以下の非球面式で表現される。

ここで、ｚは非球面形状の光軸方向のサグ量（ｍｍ）、ｃは光軸Ａ上における曲率（１／ｍｍ）、ｋは円錐定数（コーニック定数）、ｒは光軸Ａからの半径方向の距離（ｍｍ）、Ａ〜Ｇの夫々は４次項〜１６次項の非球面係数、である。上記の非球面式において、第１項はベース球面のサグ量を示しており、このベース球面の曲率半径はＲ＝１／ｃである。また、第２項以降の項は、ベース球面上に付与される非球面成分のサグ量（非球面量）を示している。なお、本実施例では４次項〜１４次項の非球面係数を用いたが、１６次以上の項の非球面係数を用いてもよい。

本実施例においては、光学面が非球面形状である場合、ベース球面の曲率半径をその光学面の曲率半径としており、その曲率半径が後述する各条件式を満足している。ただし、ベース球面の曲率半径の特定が困難である場合は、非球面の近軸曲率半径を光学面の曲率半径としてもよい。

次に、本実施例に係る各光学素子の特徴について説明する。

上述したように、第１光学素子１１に入射した光は、屈折領域２１ｂから一旦第１光学素子１１の外部へ出射して反射面２３に向かう。ここで、本実施例では、屈折領域２１ｂと反射面２３との間の媒質を第１光学素子１１とは異なる材料とすることで、屈折領域２１ｂとその媒質とに屈折率差を生じさせている。これにより、屈折領域２１ｂから出射する光の屈折角を、屈折領域２１ａに入射する光の屈折角と同等にすることができ、コマ収差、倍率色収差、及び歪曲収差を良好に補正することが可能になる。

具体的に、屈折領域２１ａは拡大側から入射する光に向かって凸形状の屈折面であるため、屈折領域２１ａにおいては、光軸Ａの近傍を通過する光よりも、光軸Ａから離れた位置を通過する光の方が大きく屈折する。よって、屈折領域２１ａに入射する各光の角度は不均一になり、コマ収差、倍率色収差、及び歪曲収差が発生してしまう。一方、屈折領域２１ｂは反射面２３の方へ出射する光に向かって凹形状の屈折面であるため、屈折領域２１ｂにおいても、光軸Ａの近傍を通過する光よりも、光軸Ａから離れた位置を通過する光の方が大きく屈折する。

ここで、屈折領域２１ａと屈折領域２１ｂの間の光路には反射屈折面２２の反射領域２２ａが配置されているため、光束内の各光線の配置（光軸Ａからの距離の長短）は、屈折領域２１ａに入射する時と屈折領域２１ｂから出射する時とで反対になる。よって本実施例に係る光学系１００は、屈折領域２１ａで発生したコマ収差、倍率色収差、及び歪曲収差を屈折領域２１ｂによってキャンセルすることができる。

なお、第１光学素子１１のｄ線に対する屈折率をＮｌ、屈折面２１と反射面２３との間の媒質のｄ線に対する屈折率をＮｍとするとき、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
０．４０≦Ｎｌ−Ｎｍ≦１．５・・・（１）

条件式（１）を満足することにより、第１光学素子１１とそれに隣接する媒質との屈折率差を大きくし、屈折面２１から第１光学素子１１の外部へ出射する光の屈折角を大きくすることができる。これにより、コマ収差、倍率色収差、及び歪曲収差の補正が容易になる。条件式（１）の下限値を下回ると、第１光学素子１１とそれに隣接する媒質との屈折率差が小さくなり過ぎてしまい、コマ収差、倍率色収差、及び歪曲収差の補正が難しくなる。また、条件式（１）の上限値を上回ると、第１光学素子１１とそれに隣接する媒質との屈折率差が大きくなり過ぎてしまい、他の収差の補正が難しくなる。

更に、以下の条件式（１´）を満足することがより望ましい。特に、空気の屈折率は１．００と非常に低いため、屈折面２１と反射面２３との間の媒質を空気とすることがより好ましい。本実施例においては、屈折面２１と反射面２３との間の媒質が空気であり、第１光学素子１１の屈折率はＮｌ＝１．８５、第１光学素子１１と空気との屈折率差はＮｌ−Ｎｍ＝０．８５であるため、条件式（１）及び（１´）を満足する。
０．６０≦Ｎｌ−Ｎｍ≦１．０・・・（１´）

本実施例に係る反射領域２２ａは、上述したように凸形状の反射面であり、かつ開口絞りの機能を備えている。このように、負のパワーの反射領域２２ａに開口絞りを設けることにより、像面湾曲や非点収差への影響を抑えつつ、球面収差を良好に補正することができる。また、反射領域２２ａに負のパワーを持たせることによって、反射面２３と像面との間隔を適切に確保することができ、光学系１００と撮像素子１６との干渉を回避することが容易になる。なお、本実施例では、反射領域２２ａを、光軸Ａから離れるに従ってパワーが小さくなる非球面とすることによって、球面収差をより良好に補正することを可能にしている。

また、本実施例に係る反射領域２２ａの反射部は楕円形状であり、その長軸は水平断面に平行、短軸は垂直断面に平行となっている。言い換えると、反射領域２２ａの反射部の光軸Ａに垂直な第１の方向（水平方向）の直径は、反射部の光軸Ａ及び第１の方向に垂直な第２の方向（垂直方向）の直径よりも大きくなっている。

すなわち、本実施例に係る光学系１００の絞り値（Ｆナンバー）は、光学系１００の画角が光軸Ａに対して対称である水平断面よりも、光学系１００の画角が光軸Ａに対して非対称である垂直断面の方が大きく（暗く）なるように設定されている。これにより、水平断面において明るさと解像度を向上させつつ、垂直断面において光束幅を狭めて光路干渉を回避し易くすることができ、各光学面の配置の自由度を向上させることが可能になる。なお、反射領域２２ａの反射部は楕円形状に限られるものではなく、必要に応じて矩形などにしてもよい。

本実施例に係る第３光学素子１３は、主に像面湾曲を補正するための素子である。一般的に、光学系において像面湾曲を補正するためには、正のパワーと負のパワーとの打ち消し合いによって各光学面のペッツバール和を小さくし、ペッツバール像面が平面に近づくように光学設計が行われる。それに対して、本実施例に係る光学系１００では、第３光学素子１３の反射面２３のサグ量を適切に設定することで像面湾曲を補正している。これについて、以下で詳細に説明する。

本実施例に係る光学系１００は、全体として正のパワーを有しているため、像面近傍に結像した際のペッツバール像面は、光軸Ａから周辺部へ向かうに従って拡大側に変位した湾曲形状となる傾向がある。一方、反射面２３は、凹形状、すなわち光軸Ａから周辺部へ向かうに従って縮小側に変位した形状であるため、反射面２３と像面との間隔は光軸Ａから周辺部へ向かうに従って短くなる。

よって、光学系１００が発生させた像面湾曲と、反射面２３のサグ量により生じた像高毎の光路差とを相殺することで、その像面湾曲を良好に補正することができる。さらに、反射面２３を非球面とすることで、反射面２３のベース球面だけでは補正しきれない像面湾曲を、反射面２３の非球面成分によって補正することができる。これにより、反射面２３のサグ量の設計自由度を向上させることができ、像面湾曲をより良好に補正することが可能になる。

なお、光学系において発生した像面湾曲を補正するためには、光軸上と比較して周辺部の方でパワーが小さくなるように非球面を構成することが一般的である。一方、本実施例では、一般的な光学系とは異なり反射面２３のサグ量により像面湾曲を補正しているため、反射面２３の非球面量は光軸Ａ上と比較して周辺部の方でパワーが大きくなるように設定されている。

ここで、反射面２３の曲率半径をＲｍ（ｍｍ）、反射領域２２ａ（開口絞り）と反射面２３との間隔をＬｍ（ｍｍ）とするとき、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
１．３≦Ｒｍ／｜Ｌｍ｜≦４．０・・・（２）

条件式（２）を満足することにより、像面に配置される撮像素子や表示素子と光路との干渉を回避しつつ、像面湾曲を良好に補正することが可能になる。条件式（２）の下限値を下回ると、像面に配置される撮像素子や表示素子が光路と干渉してしまう可能性が高くなる。また、条件式（２）の上限値を上回ると、像面湾曲の補正が不十分になり良好な結像性能を得ることが難しくなる。

更に、以下の条件式（２´）を満足することがより好ましい。本実施例においては、反射面２３の曲率半径の絶対値はＲｍ＝３２．９、反射領域２２ａと反射面２３との間隔の絶対値は｜Ｌｍ｜＝２２．６、であり、Ｒｍ／｜Ｌｍ｜＝１．４６となるため、条件式（２）及び（２´）を満足する。
１．４≦Ｒｍ／｜Ｌｍ｜≦２．０・・・（２´）

上述したように、屈折領域２１ａに入射する光と屈折領域２１ｂから出射する光とで諸収差をキャンセルすることは可能であるが、反射面２３により反射された光が屈折領域２１ｂに再入射する際にも倍率色収差が発生してしまう。そこで、本実施例においては、第４光学素子１４によってその倍率色収差を良好に補正している。具体的には、負のパワーの第１光学素子１１で発生した倍率色収差を、正のパワーの第４光学素子１４で発生した倍率色収差によってキャンセルしている。

このとき、第１光学素子１１のアッベ数よりも第４光学素子１４のアッベ数の方を大きく設定することで、より良好に倍率色収差を補正することができる。また、光学系１００において最も縮小側に配置された光学面（最終面）である、第４光学素子１４の縮小側面を非球面とすることで、反射面２３で発生した歪曲収差をより良好に補正することができる。

なお、光学系１００について、全長をＬａ、全系の焦点距離をｆとするとき、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。条件式（３）を満足するように、光学系１００の焦点距離で正規化した全長を小さくすることにより、光学系１００の小型化を実現する事ができる。ただし、本実施例に係る光学系１００の「全長」とは、光軸方向（Ｚ方向）において像面から最も離れた光学面と像面との間隔を指している。すなわち、本実施例においては、反射面２３と像面との間隔が光学系１００の全長である。
Ｌａ／ｆ≦３．０・・・（３）

更に、以下の条件式（３´）を満足することがより望ましい。本実施例に係る光学系１００について、全長はＬａ＝２９．８ｍｍ、焦点距離はｆ＝１２．１ｍｍであり、Ｌａ／ｆ＝２．４６となるため、条件式（３）及び（３´）を満足する。
Ｌａ／ｆ≦２．７・・・（３´）

表２に、本実施例に係る光学系１００についての各条件式の値を示す。

図２は、本実施例に係る光学系１００の縦収差図である。図２では、球面収差及び軸上色収差と、水平方向及び垂直方向における像面湾曲及び非点収差と、歪曲収差とを示している。ただし、図２における実線はＣ線（波長６５６．２７ｎｍ）、点線はｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）、二点鎖線はＦ線（波長４８６．１３ｎｍ）、破線はｇ線（波長４３５．８３ｎｍ）、である。なお、球面収差及び軸上色収差の図と像面湾曲及び非点収差の図において、横軸はデフォーカス量を示している。また、像面湾曲及び非点収差の図及び歪曲収差の図において、縦軸は物体高を示している。

図２を見て分かる通り、球面収差は０．００１ｍｍ、軸上色収差（Ｃ線，ｄ線，Ｆ線，ｇ線内の最大値と最小値の差）は０．００１ｍｍであり、何れも良好に補正されている。また、水平方向での像面湾曲の最大値（絶対値）は０．００９ｍｍ、垂直方向での像面湾曲の最大値は０．００９ｍｍであり、非点収差も良好に補正されている。さらに、歪曲収差の最大値は−８％程度であり、良好に補正されている。

図３は、本実施例に係る光学系１００の横収差図である。図３では、光学系１００の５つの画角におけるＣ線，ｄ線，Ｆ線，ｇ線の夫々に対する横収差を示している。図３を見て分かる通り、コマ収差や倍率色収差も良好に補正されている。さらに、光学系１００は略像側テレセントリックであり、全画角において開口率（ビネッティング）は１００％であるため、反射領域２２ａによるケラレが生じておらず、軸上から軸外にかけて明るい光学系が実現できている。

以上、本実施例に係る光学系１００によれば、小型でありながら高い結像性能を有する光学系を実現することができる。

［実施例２］
以下、本発明の実施例２に係る光学系２００について説明する。本実施例に係る光学系２００において、上述した実施例１に係る光学系１００と同等の構成については説明を省略する。

図４（ａ）は、本実施例に係る光学系２００の光軸Ａを含むＹＺ断面における要部概略図であり、図４（ｂ）は、光学系２００をＹ方向における＋Ｙ側から見たときの要部概略図である。本実施例に係る光学系２００は、第１光学素子１１と第２光学素子１２とが接合されているという点で実施例１に係る光学系１００とは異なる。第１光学素子１１と第２光学素子１２とを接合することで、各光学素子の相対的な位置ずれによる結像性能の低下を抑制することができる。

表３に、本実施例に係る光学系２００の諸元値を示す。

本実施例に係る光学系２００について、全長はＬａ＝３４．６ｍｍ、焦点距離はｆ＝１４．１ｍｍ、水平画角は５０°、垂直画角は４６°である。そして、以下の表４に示すように、光学系２００は上述した各条件式を満足している。

図５は、本実施例に係る光学系２００の縦収差図である。球面収差は０．００１ｍｍ、軸上色収差は０．００１ｍｍであり、何れも良好に補正されている。また、水平方向での像面湾曲の最大値（絶対値）は０．００４ｍｍ、垂直方向での像面湾曲の最大値は０．００２ｍｍであり、非点収差も良好に補正されている。さらに、歪曲収差の最大値は−６％程度であり、良好に補正されている。また、図６に示す光学系２００の横収差図を見て分かる通り、コマ収差や倍率色収差も良好に補正されている。さらに、光学系２００は略像側テレセントリックであり、全画角において開口率は１００％であり、軸上から軸外にかけて明るい光学系が実現できていることがわかる。

［投影装置］
上述した各実施例に係る光学系を投影光学系として投影装置に適用する場合、光学系の縮小面の位置に液晶パネル（空間変調器）等の表示素子の表示面が配置される。ただし、光学系が投影装置に適用される場合は、物体側と像側とが反転して光路が逆向きになる。すなわち、物体側に配置された表示素子の表示面（縮小面）に表示される画像を、光学系により像側に配置されたスクリーン等の投影面（拡大面）に投影（結像）させる構成を採ることができる。この場合にも、光学系を撮像装置に適用した場合と同様に、各実施例における各条件式を満足することが望ましい。

［車載カメラシステム］
図７は、本実施形態に係る車載カメラ１０及びそれを備える車載カメラシステム（運転支援装置）６００の構成図である。車載カメラシステム６００は、自動車等の車両に設置され、車載カメラ１０により取得した車両の周囲の画像情報に基づいて、車両の運転を支援するための装置である。図８は、車載カメラシステム６００を備える車両７００の概略図である。図８においては、車載カメラ１０の撮像範囲５０を車両７００の前方に設定した場合を示しているが、撮像範囲５０を車両７００の後方に設定してもよい。

図７に示すように、車載カメラシステム６００は、車載カメラ１０と、車両情報取得装置２０と、制御装置（ＥＣＵ：エレクトロニックコントロールユニット）３０と、警報装置４０と、を備える。また、車載カメラ１０は、撮像部１と、画像処理部２と、視差算出部３と、距離算出部４と、衝突判定部５と、を備えている。画像処理部２、視差算出部３、距離算出部４、及び衝突判定部５で、処理部が構成されている。撮像部１は、上述した何れかの実施例に係る光学系と、撮像面位相差センサと、を有する。なお、本実施形態に係る撮像面位相差センサは、例えば図１に示した撮像素子１６に対応する。

図９は、本実施形態に係る車載カメラシステム６００の動作例を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに沿って、車載カメラシステム６００の動作を説明する。

まず、ステップＳ１では、撮像部１を用いて車両の周囲の対象物（被写体）を撮像し、複数の画像データ（視差画像データ）を取得する。

また、ステップＳ２では、車両情報取得装置２０から車両情報の取得を行う。車両情報とは、車両の車速、ヨーレート、舵角などを含む情報である。

ステップＳ３では、撮像部１により取得された複数の画像データに対して、画像処理部２により画像処理を行う。具体的には、画像データにおけるエッジの量や方向、濃度値などの特徴量を解析する画像特徴解析を行う。ここで、画像特徴解析は、複数の画像データの夫々に対して行ってもよいし、複数の画像データのうち一部の画像データのみに対して行ってもよい。

ステップＳ４では、撮像部１により取得された複数の画像データ間の視差（像ズレ）情報を、視差算出部３によって算出する。視差情報の算出方法としては、ＳＳＤＡ法や面積相関法などの既知の方法を用いることができるため、本実施形態では説明を省略する。なお、ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４は、上記の順番に処理を行ってもよいし、互いに並列して処理を行ってもよい。

ステップＳ５では、撮像部１により撮像した対象物との間隔情報を、距離算出部４によって算出する。距離情報は、視差算出部３により算出された視差情報と、撮像部１の内部パラメータ及び外部パラメータと、に基づいて算出することができる。なお、ここでの距離情報とは、対象物との間隔、デフォーカス量、像ズレ量、などの対象物との相対位置に関する情報のことであり、画像内における対象物の距離値を直接的に表すものでも、距離値に対応する情報を間接的に表すものでもよい。

そして、ステップＳ６では、距離算出部４により算出された距離情報が予め設定された設定距離の範囲内に含まれるか否かの判定を、衝突判定部５によって行う。これにより、車両の周囲の設定距離内に障害物が存在するか否かを判定し、車両と障害物との衝突可能性を判定することができる。衝突判定部５は、設定距離内に障害物が存在する場合は衝突可能性ありと判定し（ステップＳ７）、設定距離内に障害物が存在しない場合は衝突可能性なしと判定する（ステップＳ８）。

次に、衝突判定部５は、衝突可能性ありと判定した場合（ステップＳ７）、その判定結果を制御装置３０や警報装置４０に対して通知する。このとき、制御装置３０は、衝突判定部５での判定結果に基づいて車両を制御し、警報装置４０は、衝突判定部５での判定結果に基づいて警報を発する。

例えば、制御装置３０は、車両に対して、ブレーキをかける、アクセルを戻す、各輪に制動力を発生させる制御信号を生成してエンジンやモータの出力を抑制する、などの制御を行う。また、警報装置４０は、車両のユーザ（運転者）に対して、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与える、などの警告を行う。

以上、本実施形態に係る車載カメラシステム６００によれば、上記の処理により、効果的に障害物の検知を行うことができ、車両と障害物との衝突を回避することが可能になる。特に、上述した各実施例に係る光学系を車載カメラシステム６００に適用することで、車載カメラ１０の全体を小型化して配置自由度を高めつつ、広画角にわたって障害物の検知及び衝突判定を行うことが可能になる。

ここで、本実施形態では、車載カメラ１０が撮像面位相差センサを有する撮像部１を１つのみ備える構成について説明したが、これに限られず、車載カメラ１０として撮像部を２つ備えるステレオカメラを採用してもよい。この場合、撮像面位相差センサを用いなくても、同期させた２つの撮像部の夫々によって画像データを同時に取得し、その２つの画像データを用いることで、上述したものと同様の処理を行うことができる。ただし、２つの撮像部による撮像時間の差異が既知であれば、２つの撮像部を同期させなくてもよい。

なお、距離情報の算出については、様々な実施形態が考えられる。一例として、撮像部１が有する撮像素子として、二次元アレイ状に規則的に配列された複数の画素部を有する瞳分割型の撮像素子を採用した場合について説明する。瞳分割型の撮像素子において、１つの画素部は、マイクロレンズと複数の光電変換部とから構成され、光学系の瞳における異なる領域を通過する一対の光束を受光し、対をなす画像データを各光電変換部から出力することができる。

そして、対をなす画像データ間の相関演算によって各領域の像ずれ量が算出され、距離算出部４により像ずれ量の分布を表す像ずれマップデータが算出される。あるいは、距離算出部４は、その像ずれ量をさらにデフォーカス量に換算し、デフォーカス量の分布（撮像画像の２次元平面上の分布）を表すデフォーカスマップデータを生成してもよい。また、距離算出部４は、デフォーカス量から変換される対象物との間隔の距離マップデータを取得してもよい。

なお、本実施形態では、車載カメラシステム６００を運転支援（衝突被害軽減）に適用したが、これに限られず、車載カメラシステム６００をクルーズコントロール（全車速追従機能付を含む）や自動運転などに適用してもよい。また、車載カメラシステム６００は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。また、本実施形態に係る車載カメラ１０、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。

［測距装置］
以下、上述した各実施例に係る光学系を、測距光学系として車載カメラなどの測距装置に適用する場合について詳細に説明する。

上述したように、各実施例に係る光学系の垂直画角は、光軸Ａに対して片側にのみ設定されている。よって、光学系を車載カメラ１０に適用し、その車載カメラ１０を車両に設置する場合は、光学系の光軸Ａが水平方向に対して非平行となるように配置することが望ましい。

例えば、上述した各実施例に係る光学系を測距光学系として採用する場合、図１０に示すように光軸Ａを水平方向に対して上側に傾け、垂直画角の中心が水平方向に近づくように配置すればよい。図１０（ａ）及び（ｂ）に示した測距光学系１５０，２５０の夫々は、実施例１に係る光学系１００及び実施例２に係る光学系２００を、光軸Ａが水平方向に対して３５°傾くように配置したものを示している。なお、各光学系をＸ軸周りに１８０°回転（上下反転）させてから、光軸Ａが水平方向に対して下側に傾くように配置してもよい。これにより、車載カメラ１０の撮像範囲を適切に設定することができる。

ただし、各実施例に係る光学系においては、軸上での結像性能が最も高く、それに対して周辺画角での結像性能は低下するため、注目する被写体からの光が光学系における軸上付近を通過するように配置することがより好ましい。例えば、車載カメラ１０によって道路上の標識や障害物などに注目する必要がある場合は、水平方向に対して上側（空側）よりも下側（地面側）の画角での結像性能を高めることが好ましい。このとき、各実施例に係る光学系を採用する場合、上述したように各光学系を一旦上下反転させてから、光軸Ａを水平方向に対して下側に傾け、光軸Ａの近傍の画角が下側を向くように配置すればよい。

図１１は、各実施例に係る光学系を測距光学系として採用した場合の、反射屈折面２２における反射領域２２ａの反射部をＺ方向における−Ｚ側から見たときの要部概略図である。図１１において、実線は測距光学系１５０，２５０の反射領域２２ａにおける反射部を示し、破線は実施例１及び２に係る光学系１００，２００の反射領域２２ａにおける反射部を示している。

図１１に示すように、測距光学系１５０，２５０の反射領域２２ａには、光軸Ａに対してＸ方向に偏心した二つの反射部２０１，２０２が設けられている。この二つの反射部２０１，２０２によれば、測距光学系１５０，２５０の瞳を分割することができる。反射部２０１，２０２は、各実施例と同様に反射膜などによって形成される。なお、測距光学系１５０，２５０の夫々における反射部２０１，２０２の各絞り値は、Ｘ方向及びＹ方向において共に８．０である。

瞳を二分割する測距光学系を採用する場合、その像面に配置される撮像素子１６としては、反射部２０１を通過した光束が形成した被写体の像と、反射部２０２を通過した光束が形成した被写体の像とを区別して光電変換できるものが採用される。このような撮像素子１６と、測距光学系１５０，２５０と、上述した処理部とによって、車載カメラなどの測距装置を構成することができる。

被写体が測距光学系１５０，２５０の前側焦点面上にあるときは、測距光学系１５０，２５０の像面において、分割された二つの光束による像に位置ずれは発生しない。しかし、被写体が測距光学系１５０，２５０の前側焦点面以外の位置にあるときは、分割された二つの光束による像に位置ずれが発生する。このとき、各光束が形成する像の位置ずれは被写体の前側焦点面からの変位量に対応しているので、各光束による像の位置ずれ量及び位置ずれの方向を取得することで、被写体までの距離を測定することができる。

また、測距光学系１５０，２５０の各光学素子を上述した各実施例と同様に構成することで、諸収差を良好に補正することができ、高い測距精度を実現することが可能になる。このとき、測距光学系１５０，２５０の開口率は全画角において１００％となるため、この測距光学系１５０，２５０を測距装置に適用することで、全画角において安定した測距精度を確保することができる。

なお、測距光学系１５０，２５０では二つの反射部をＸ方向に偏心させているが、必要に応じてＹ方向に偏心させてもよい。ただし、測距精度を向上させるためには、二つの反射部をＸ方向に偏心させることが望ましい。これは、二つの反射部を適用する前の光学系１００，２００において、光軸Ａに対して非対称であるＹ方向における絞り値よりも、光軸Ａに対して対称であるＸ方向における絞り値の方が小さいためである。

以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。

１１ 第１光学素子
１２ 第２光学素子
１３ 第３光学素子
１４ 第４光学素子
２１ 屈折面
２２ 反射屈折面
２３ 反射面
２２ａ 反射領域
２２ｂ 屈折領域
１００ 光学系

Claims (19)

1. 拡大側に向かって凸形状の屈折面を含む第１光学素子と、
   拡大側に向かって凸形状の反射屈折面を含む第２光学素子と、
   凹形状の反射面を含む第３光学素子と、
   正のパワーの屈折素子である第４光学素子とを有し、
   拡大側からの光は、前記屈折面、前記反射屈折面の反射領域、前記屈折面、前記反射面、前記屈折面、前記反射屈折面の屈折領域、前記第４光学素子、を順に介して縮小側へ向かい、
   前記屈折面と前記反射面との間の媒質の屈折率は、前記第１光学素子の屈折率よりも小さいことを特徴とする光学系。
2. 前記第１光学素子のｄ線に対する屈折率をＮｌ、前記屈折面と前記反射面との間の媒質のｄ線に対する屈折率をＮｍとするとき、
   ０．４０≦Ｎｌ−Ｎｍ≦１．５
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記反射屈折面における反射領域は、前記光の一部を遮光する遮光部を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
4. 前記反射面の曲率半径をＲｍ、前記反射領域と前記反射面との間隔をＬｍとするとき、
   １．３≦Ｒｍ／｜Ｌｍ｜≦４．０
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項３に記載の光学系。
5. 前記光学系の全長をＬａ、全系の焦点距離をｆとするとき、
   Ｌａ／ｆ≦３．０
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学系。
6. 前記第１光学素子は、負のパワーの屈折素子であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の光学系。
7. 前記第２光学素子は、拡大側に向かって凸形状の屈折面を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光学系。
8. 前記第１光学素子及び前記第２光学素子は、互いに接合されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学系。
9. 前記第１光学素子、前記第２光学素子、及び前記第４光学素子は、光軸に対して回転対称であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学系。
10. 前記屈折面及び前記反射屈折面の曲率中心は、光軸上に存在することを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光学系。
11. 前記反射面の曲率中心は、光軸上に存在することを特徴とする請求項１０に記載の光学系。
12. 前記屈折面と前記反射面との間の媒質は空気であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学系。
13. 前記第１光学素子のアッベ数は、前記第４光学素子のアッベ数よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の光学系。
14. 物体を撮像する撮像素子と、該撮像素子の撮像面に前記物体を結像する光学系とを備え、該光学系は請求項１乃至１３の何れか１項に記載の光学系であることを特徴とする撮像装置。
15. 物体の画像データを取得する撮像装置と、該画像データに基づいて前記物体までの距離情報を取得する距離算出部とを備え、前記撮像装置は請求項１４に記載の撮像装置であることを特徴とする測距装置。
16. 請求項１５に記載の測距装置と、前記距離情報に基づいて自車両と前記物体との衝突可能性を判定する衝突判定部とを備えることを特徴とする車載カメラシステム。
17. 前記自車両と前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記自車両の各輪に制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置を備えることを特徴とする請求項１６に記載の車載カメラシステム。
18. 前記自車両と前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記自車両の運転者に対して警報を発する警報装置を備えることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の車載カメラシステム。
19. 画像を表示する表示素子と、該表示素子の表示面を結像する光学系とを備え、該光学系は請求項１乃至１３の何れか１項に記載の光学系であることを特徴とする投影装置。

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