JP2019045819A - 光学系、それを備える撮像装置及び投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型でありながら十分な明るさ及び解像度を有する光学系を提供すること。【解決手段】 拡大側に向かって凸形状の第１反射領域Ｇ１Ｍを含む第１光学素子Ｇ１と、拡大側に向かって凸形状の第２反射領域Ｇ２Ｍを含む第２光学素子Ｇ２とを備え、拡大側からの光は、第２反射領域Ｇ２Ｍ、第１反射領域Ｇ１Ｍ、第２光学素子Ｇ２の屈折領域Ｇ２Ｔを順に介して縮小側へ向かい、第１反射領域Ｇ１Ｍは、光軸Ａを含む第１の断面（ＹＺ断面）において、光軸Ａに対して一方の側（＋Ｙ側）にのみ配置されており、第２反射領域Ｇ２Ｍは、光の一部を反射する反射部と、光の一部を遮光する遮光部とを含み、第１の断面に垂直な第１の方向（Ｘ方向）における反射部の径は、光軸Ａ及び第１の方向に垂直な第２の方向（Ｙ方向）における反射部の径よりも大きい。【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、反射面及び屈折面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

特許文献１及び２に記載の反射屈折光学系では、光路が折り畳まれて光軸に対して非対称になる断面（垂直断面）と、それに垂直な断面（水平断面）の夫々における光学設計が適切に行われる必要がある。しかしながら、特許文献１及び２に記載の反射屈折光学系では、水平断面における明るさ及び解像度が十分に確保されていなかった。

本発明は、小型でありながら十分な明るさ及び解像度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第１反射領域を含む第１光学素子と、拡大側に向かって凸形状の第２反射領域を含む第２光学素子とを備え、拡大側からの光は、前記第２反射領域、前記第１反射領域、前記第２光学素子の屈折領域を順に介して縮小側へ向かい、前記第１反射領域は、光軸を含む第１の断面において、光軸に対して一方の側にのみ配置されており、前記第２反射領域は、前記光の一部を反射する反射部と、前記光の一部を遮光する遮光部とを含み、前記第１の断面に垂直な第１の方向における前記反射部の径は、光軸及び前記第１の方向に垂直な第２の方向における前記反射部の径よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、小型でありながら十分な明るさ及び解像度を有する光学系を提供することができる。

実施例１に係る光学系の要部概略図。 実施形態に係る第２反射領域の反射部の形状の例を示す図。 実施例１に係る光学系の横収差図。 実施例２に係る光学系の要部概略図。 実施例２に係る光学系の横収差図。 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。 実施形態に係る測距光学系の反射部における有効領域を示す図。

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）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、拡大側（物体側）に向かって凸形状の第１反射領域Ｇ１Ｍを含む第１光学素子Ｇ１と、拡大側に向かって凸形状の縮小側面を含む第２光学素子Ｇ２とを備える反射屈折光学系である。拡大側からの光は、第２反射領域Ｇ２Ｍ、第１反射領域Ｇ１Ｍ、第２光学素子Ｇ２の屈折領域Ｇ２Ｔを順に介して縮小側（像側）へ向かい、像面ＩＭＧを形成する。

ここで、本実施形態に係る第１反射領域Ｇ１Ｍは、光軸Ａを含むＹＺ断面（第１の断面）において、光軸Ａに対して一方の側（＋Ｙ側）にのみ配置されている。ただし、本実施形態における第１反射領域Ｇ１Ｍは、第１光学素子Ｇ１における結像に寄与する有効光束を反射させる有効領域のことを指している。すなわち、仮に第１光学素子Ｇ１の有効領域外に反射面が形成されていたとしても、それは第１反射領域Ｇ１Ｍには含まれない。

このように、ＹＺ断面において第１反射領域Ｇ１Ｍを＋Ｙ側にのみ配置することで、光軸Ａに対して第１反射領域Ｇ１Ｍとは反対側（−Ｙ側）から光学系１００に入射する光のみが、撮像素子の撮像面に到達するように構成することができる。この構成によれば、ＹＺ断面において光路を折り畳んで光軸Ａに対して非対称にすることで、光路同士の干渉を回避しつつ全系を小型化することができる。

さらに、光学系１００は、正のパワーの反射面（凹反射面）である第１反射領域Ｇ１Ｍと負のパワーの反射面（凸反射面）である第２反射領域Ｇ２Ｍとによって光路を折り畳んでいる。これにより、全系の小型化を実現しつつ、収差の発生を抑制することができる。このとき、第１反射領域Ｇ１Ｍ及び第２反射領域Ｇ２Ｍの配置は、シュバルツシルト光学系と同様になるため、絞り値（Ｆ値）が小さく明るい光学系を実現することが可能になる。

また、本実施形態に係る第２反射領域Ｇ２Ｍは、拡大側からの光の一部を反射する反射部と、拡大側からの光の一部を遮光する遮光部とを含んでいる。反射部によって結像に寄与する有効光を反射し、遮光部によってそれ以外の光を遮光するように構成することで、第２反射領域Ｇ２Ｍに開口絞りの役割を持たせることができる。なお、反射部は反射膜（蒸着膜）などで構成され、遮光部は吸光部材で構成される。

そして、本実施形態に係る反射部について、ＹＺ断面に垂直なＸ方向（第１の方向）における径は、光軸Ａ及びＸ方向に垂直なＹ方向（第２の方向）における径よりも大きくなっている。すなわち、本実施形態に係る光学系１００の絞り値は、ＹＺ断面よりもＺＸ断面（水平断面）の方が小さく（明るく）なるように設定されている。ただし、ここでの径とは、光軸Ａに垂直かつ光軸Ａを通る軸の上における長さのことを指している。

これにより、反射部のＸ方向での径がＹ方向での径以下である場合と比較して、ＺＸ断面における絞り値を十分に小さくしつつ、ＹＺ断面において光束幅を狭めて光路同士の干渉を回避し易くすることができる。よって、光路が光軸Ａに対して非対称であるＹＺ断面においては、各光学面の設計自由度を向上させて更なる小型化を実現しつつ、ＺＸ断面においては明るさ及び解像度を十分に確保することが可能になる。

第２反射領域Ｇ２Ｍの反射部は、Ｘ方向における径がＹ方向における径よりも大きいものであれば、どのような形状であってもよい。図２に、第２反射領域Ｇ２Ｍの反射部の例を示す。図２では、Ｚ方向における−Ｚ側から見たときの反射部を破線で示している。第２反射領域Ｇ２Ｍの反射部の形状としては、例えば図２（ａ）に示すような楕円、図２（ｂ）や図２（ｃ）に示すような矩形、図２（ｄ）に示すような多角形などを採用することができる。

ただし、ここでの楕円とは、数学的に定義される厳密な楕円に限らず、略楕円を含むものとする。また、ここでの矩形とは、図２（ｂ）に示すような厳密な矩形に限らず、図２（ｃ）に示すような各辺のうちの少なくとも１辺を曲線にしたものや、各頂点をなくしたようなもの等（略矩形）を含むものとする。

以上、本実施形態に係る光学系１００によれば、全系の小型化と十分な明るさ及び解像度の確保を両立することができる。

［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。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。

本実施例に係る光学系１００は、正のパワーの屈折領域Ｇ１Ｔを含む第１光学素子Ｇ１と、負のパワーの屈折領域Ｇ２Ｔを含む第２光学素子Ｇ２と、正のパワーの屈折領域Ｇ３Ｔを含む第３光学素子Ｇ３とを備えている。また、第２光学素子Ｇ２の縮小側面に設けられた第２反射領域Ｇ２Ｍが開口絞りの役割を果たしている。この構成により、開口絞りの前後における各屈折領域のパワー配置の対称性を確保し、倍率色収差などの諸収差を良好に補正することができる。

具体的に、本実施例に係る第１光学素子Ｇ１は、拡大側面及び縮小側面の両方が拡大側に向かって凸形状である正メニスカスレンズであって、屈折領域Ｇ１Ｔ及び第１反射領域Ｇ１Ｍを有する反射屈折素子（反射屈折レンズ）である。本実施例に係る第１反射領域Ｇ１Ｍは、第１光学素子Ｇ１の縮小側面に設けられた表面鏡であるが、第１光学素子Ｇ１の拡大側面に設けられた裏面鏡であってもよい。ただし、倍率色収差等の諸収差の補正のために、後述する開口絞りの前後での光の屈折回数の対称性を持たせるには、第１反射領域Ｇ１Ｍを表面鏡とすることが望ましい。

本実施例に係る第２光学素子Ｇ２は、拡大側面及び縮小側面の両方が拡大側に向かって凸形状である負メニスカスレンズであって、屈折領域Ｇ２Ｔ及び第２反射領域Ｇ２Ｍを有する反射屈折素子である。また、本実施例に係る第３光学素子Ｇ３は、正のパワーの両凸レンズであって、反射領域を持たない屈折素子（屈折レンズ）である。なお、第１光学素子Ｇ１、第２光学素子Ｇ２、及び第３光学素子Ｇ３の夫々の形状は、図１に示したものに限られず、必要に応じて適宜変更可能である。

なお、第２光学素子Ｇ２の縮小側面ではなく、第３光学素子Ｇ３の拡大側面に第２反射領域Ｇ２Ｍを設けてもよい。その場合は第２光学素子Ｇ２が屈折素子となり、第３光学素子Ｇ３が反射屈折素子となる。ただし、第３光学素子Ｇ３の拡大側面に第２反射領域Ｇ２Ｍを設けた場合、第２光学素子Ｇ２の縮小側面から光が出射する際に収差が発生してしまう可能性が生じる。よって、本実施例のように、第２光学素子Ｇ２の縮小側面に第２反射領域Ｇ２Ｍを設けることが好ましい。また、第３光学素子Ｇ３の拡大側面に第２反射領域Ｇ２Ｍを設ける場合は、第２光学素子Ｇ２の縮小側面と第３光学素子Ｇ３の拡大側面とを接合するか、あるいは各面を非球面とすることで、上述した収差の発生を抑制することが望ましい。

不図示の物体からの光は、第１光学素子Ｇ１の拡大側面に入射し、第１光学素子Ｇ１の縮小側面における屈折領域Ｇ１Ｔ及び第２光学素子Ｇ２の拡大側面における屈折領域Ｇ２Ｔを透過して、第２反射領域Ｇ２Ｍにおける反射部で反射される。このとき、光の一部は第２反射領域Ｇ２Ｍの遮光部により遮光される。

第２反射領域Ｇ２Ｍの反射部で反射された光は、第２光学素子Ｇ２の拡大側面を透過して、第１光学素子Ｇ１の縮小側面における第１反射領域Ｇ１Ｍで反射される。第１反射領域Ｇ１Ｍで反射された光は、再び第２光学素子Ｇ２の拡大側面に入射して、第２光学素子Ｇ２の屈折領域Ｇ２Ｔ及び第３光学素子Ｇ３の屈折領域Ｇ３Ｔを透過し、光学ブロックＣＧを介して平面形状の像面ＩＭＧを形成する。なお、光学ブロックＣＧは、カバーガラスや光学フィルター等に相当するパワーを持たない光学素子である。

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に対して両側から第１光学素子Ｇ１に入射する。すなわち、Ｙ方向の各位置でのＺＸ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も、光学系１００は光軸Ａに対して対称な形状であるが、拡大側からの光は光軸Ａに対して下側（−Ｙ側）のみから第１光学素子Ｇ１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（第２の断面）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２９°である。第１光学素子Ｇ１の拡大側面に入射する光線のうち中心像高に到達する光線（中心光線）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−１４．５°≦θｙ≦＋１４．５°である。なお、この中心光線と光軸Ａとのなす角度は４０°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での画角よりも、光軸を含み水平断面に垂直な垂直断面での画角の方が小さくなっている。また、本実施例に係る光学系１００は、全ての光学面の面頂点及び曲率中心が光軸Ａの上に存在する共軸系であり、かつ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である。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。

本実施例では、第１光学素子Ｇ１と第２光学素子Ｇ２との間の媒質を、第２光学素子Ｇ２よりも小さい屈折率の材料としている。これにより、第２光学素子Ｇ２の拡大側面における、光軸Ａに対して下側で屈折する光の屈折角と上側で屈折する光の屈折角とを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。

第２光学素子Ｇ２の拡大側面における光軸Ａに対して下側の領域は、拡大側から入射する光に向かって凸形状であるため、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を大きく屈折させる。よって、第２光学素子Ｇ２の拡大側面における下側の領域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、第２光学素子Ｇ２の拡大側面における光軸Ａに対して上側の領域は、第１光学素子Ｇ１の方へ出射する光に向かって凹形状であるため、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を大きく屈折させる。

ここで、第２光学素子Ｇ２の拡大側面における下側の領域と上側の領域との間の光路には第２反射領域Ｇ２Ｍ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、下側の領域に入射する時と上側の領域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、第２光学素子Ｇ２の拡大側面における下側の領域で発生したコマ収差、倍率色収差、及び歪曲収差を、第２光学素子Ｇ２の拡大側面における上側の領域によってキャンセルすることができる。

このとき、第１光学素子Ｇ１と第２光学素子Ｇ２との間の媒質と第２光学素子Ｇ２とに十分な屈折率差を生じさせるためには、その媒質の屈折率をできるだけ小さくすることが望ましく、特に本実施例のように空気とすることがより好ましい。なお、必要に応じて、第１光学素子Ｇ１と第２光学素子Ｇ２との間に他の光学素子を配置してもよい。ただし、その場合は、第１光学素子Ｇ１とそれに隣接する光学素子との間に、空気などの屈折率が小さい媒質を配置することが望ましい。

本実施例に係る第２反射領域Ｇ２Ｍ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、負のパワーの第２反射領域Ｇ２Ｍを開口絞りとすることにより、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、第２反射領域Ｇ２Ｍに負のパワーを持たせることによって、第１反射領域Ｇ１Ｍと像面ＩＭＧとの間隔を適切に確保することができ、光学系１００と撮像素子や表示素子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、第２反射領域Ｇ２Ｍ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、本実施例に係る第２反射領域Ｇ２Ｍの反射部の形状は、図２（ａ）に示した楕円であり、その長軸は水平方向（Ｘ方向）に平行、短軸は垂直方向（Ｙ方向）となっている。言い換えると、第２反射領域Ｇ２Ｍの反射部の水平方向での径は、垂直方向での径よりも大きくなっている。具体的に、本実施例に係る光学系１００の絞り値は、水平方向においてはＦ＝１．１７、垂直方向においてはＦ＝２．８である。

すなわち、本実施例に係る光学系１００の絞り値は、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十分に確保しつつ、垂直断面において全系の更なる小型化を実現することが可能になる。

本実施例に係る第１反射領域Ｇ１Ｍは、主に像面湾曲を補正する役割を果たしている。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１光学素子Ｇ１の第１反射領域Ｇ１Ｍ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、第１反射領域Ｇ１Ｍ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、第１反射領域Ｇ１Ｍと像面ＩＭＧ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、第１反射領域Ｇ１Ｍが生じさせた像高毎の光路差により、光学系１００の像面湾曲を良好に補正することができる。さらに、第１反射領域Ｇ１Ｍを非球面とすることで、第１反射領域Ｇ１Ｍが球面である場合に補正しきれない像面湾曲を、第１反射領域Ｇ１Ｍ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、第１反射領域Ｇ１Ｍ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、光学系の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第１反射領域Ｇ１Ｍのサグ量により像面湾曲を補正しているため、第１反射領域Ｇ１Ｍの非球面量は光軸Ａ上と比較して周辺部でパワーが大きくなるように設定されている。

本実施例では、第１光学素子Ｇ１における屈折領域Ｇ１Ｔ及び第１反射領域Ｇ１Ｍによって、上述したような良好な収差補正を可能にしている。このとき、屈折領域Ｇ１Ｔ及び第１反射領域Ｇ１Ｍを一つの光学素子に設けることで、これらを互いに異なる光学素子に設ける場合と比較して、光学素子の枚数の増大や各光学素子の相対的な配置誤差の発生を抑制することができる。そして、第１光学素子Ｇ１を拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズとすることで、光学系１００を広角化した場合にも、屈折領域Ｇ１Ｔによって倍率色収差を良好に補正することができる。

上述したように、本実施例に係る第３光学素子Ｇ３は、正パワーを有することで、凸反射面である第２反射領域Ｇ２Ｍを有する第２光学素子Ｇ２の縮小側面における屈折領域Ｇ２Ｔで発生するコマ収差等の諸収差を良好に補正している。このとき、本実施例のように第３光学素子Ｇ３の縮小側面を拡大側に向かって凹形状とすることが望ましい。光学系１００における最も縮小側に配置された光学面（最終面）を拡大側に向かって凹形状の屈折面とすることで、他の光学面で補正しきれなかった像面湾曲や非点収差を良好に補正することができる。ただし、必要に応じて第３光学素子Ｇ３の縮小側面を拡大側に向かって凸形状としてもよいが、この場合は第３光学素子Ｇ３よりも縮小側に、拡大側に向かって凹形状の屈折面を更に配置することが望ましい。

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、物体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Ｏ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。

ただし、ｚは非球面形状の光軸方向のサグ量（ｍｍ）、ｃは光軸Ｏ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Ｏからの半径方向の距離（ｍｍ）、Ａ〜Ｇの夫々は４次項〜１４次項の非球面係数である。上記の非球面式において、第１項は参照球面のサグ量を示しており、この参照球面の曲率半径はＲ＝１／ｃである。また、第２項以降の項は、参照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〜１０次項の非球面係数を用いており、後述する実施例２では４次項〜１４次項の非球面係数を用いているが、夫々１６次以上の項の非球面係数を用いてもよい。また、本実施例においては、光学面が非球面形状である場合、参照球面の曲率半径をその光学面の曲率半径としており、その曲率半径が上述した各条件式を満足している。

ここで、第１反射領域Ｇ１Ｍを含む光学面と第２反射領域Ｇ２Ｍを含む光学面との間隔をＬ１、第２反射領域Ｇ２Ｍを含む光学面と像面ＩＭＧとの間隔をＬ２とするとき、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。
１．５≦Ｌ２／Ｌ１≦６．５ ・・・（１）

条件式（１）を満足することにより、光学系１００を撮像装置に適用した場合に、光学系１００の全長の増大を抑制しつつ、ゴーストの発生を抑制することが可能になる。なお、ここでのゴーストとは、不要光が各反射面を介さずに撮像素子の撮像面に入射することで、取得される画像に生じる高輝度成分のことである。

条件式（１）の下限値を下回ると、第２反射領域Ｇ２Ｍを含む光学面と像面ＩＭＧとの間隔が小さくなり過ぎてしまい、不要光が撮像素子の撮像面に到達し易くなってしまう。また、条件式（１）の上限値を上回ると、第２反射領域Ｇ２Ｍを含む光学面と像面ＩＭＧとの間隔が大きくなり過ぎてしまい、光学系１００の全長を短くすることが難しくなる。更に、以下の条件式（１ａ）を満足することがより好ましい。
１．６≦Ｌ２／Ｌ１≦４．０ ・・・（１ａ）

また、第１反射領域Ｇ１Ｍを含む光学面の曲率半径をＲ１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≦｜Ｒ１／Ｌ１｜≦４．０ ・・・（２）

条件式（２）を満足することにより、像面ＩＭＧに配置される撮像素子や表示素子と各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、撮像素子や表示素子が各光路と干渉してしまう可能性が生じる。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（２ａ）を満足することがより好ましい。
１．５≦｜Ｒ１／Ｌ１｜≦３．０ ・・・（２ａ）

また、光学系１００の全長を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。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ＩＭＧから最も離れた光学面と像面ＩＭＧとの間隔を指している。すなわち、本実施例においては、第１光学素子Ｇ１の拡大側面と像面ＩＭＧとの間隔が光学系１００の全長である。
Ｌａ／ｆ≦３．０ ・・・（３）

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で、全系の小型化を実現することが可能になる。更に、以下の条件式（３ａ）を満足することがより好ましい。
Ｌａ／ｆ≦２．７ ・・・（３ａ）

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。ただし、光学系１００の焦点距離はｆ＝１０．８であり、Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、及びＬａの値は表１から求められる。表２に示すように、光学系１００は上述した条件式の全てを満足している。

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（波長６５６．３ｎｍ）、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）、及びｇ線（波長４３５．８ｎｍ）の夫々に対する横収差を示しており、数値の単位はｍｍである。図３を見て分かる通り、コマ収差や倍率色収差が良好に補正されている。また、光学系１００の開口率（ビネッティング）は全画角において１００％であるため、第２反射領域Ｇ２Ｍ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。

［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と実施例１に係る光学系１００との違いは、各光学素子の形状及び材料である。

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、ＺＸ断面での画角は３５°、ＹＺ断面での画角は２０°、焦点距離はｆ＝１１．２ｍｍ、絞り値はＸ方向において１．１７、Ｙ方向において２．８である。そして、以下の表４に示すように、本実施例に係る光学系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の横収差図である。図５を見て分かる通り、コマ収差や倍率色収差が良好に補正されている。また、光学系２００の開口率は全画角において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。

［車載カメラシステム］
図６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７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７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６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等の測距用撮像素子と、を有する。

図８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を一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として撮像部を二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、同期させた二つの撮像部の夫々によって画像データを同時に取得し、その二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、二つの撮像部による撮像時間の差異が既知であれば、二つの撮像部を同期させなくてもよい。

また、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、一つの画素部は、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。測距装置は、後述する測距光学系及び測距用撮像素子と、上述した処理部とによって構成される。

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、被写体の位置に応じて光学系の光軸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、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。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束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９（ａ）及び（ｂ）の夫々は、実施例１及び２に係る光学系１００，２００を測距光学系として採用した場合の第２反射領域Ｇ２Ｍ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９（ａ）及び（ｂ）において、破線は実施例１及び２に係る光学系１００，２００の第２反射領域Ｇ２Ｍにおける反射部を示し、実線は光学系１００，２００を測距光学系として採用したときの結像に寄与する有効光束が反射される領域（有効領域）を示している。なお、各測距光学系における有効領域２０１，２０２の夫々の絞り値は、Ｘ方向及びＹ方向において共に２．８である。

図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、測距光学系における第２反射領域Ｇ２Ｍには、光軸Ａに対してＸ方向に偏心した二つの有効領域２０１，２０２が存在している。この二つの有効領域２０１，２０２は、像面ＩＭＧに配置される測距用撮像素子の光電変換部によって決定されるものである。

なお、ここでの測距用撮像素子とは、二つの有効領域２０１，２０２（第１及び第２の有効領域）で反射された光束が形成する像の夫々を区別して光電変換することができるものであり、例えば上述したような撮像面位相差センサ（瞳分割型の撮像素子）である。具体的に、測距用撮像素子は、有効領域２０１で反射された光束が形成する被写体の像を光電変換する第１の光電変換部と、有効領域２０２で反射された光束が形成する被写体の像を光電変換する第２の光電変換部を含んでいる。すなわち、測距用撮像素子を用いることで、測距光学系の瞳が二分割されることになる。

被写体が測距光学系の前側焦点面上にあるときは、測距光学系の像面において、有効領域２０１，２０２で反射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の前側焦点面以外の位置にあるときは、有効領域２０１，２０２で反射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。

上述したように、各実施例に係る光学系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。そのため、図９に示すように二つの有効領域２０１，２０２を光軸Ａに対してＸ方向に偏心させることで、夫々を互いに離間させて基線長を十分に確保することができる。よって、各実施例に係る光学系１００，２００を測距光学系として採用することで、明るさ及び光学性能を確保しつつ全画角において高い測距精度を実現することが可能になる。

なお、図９（ａ）及び（ｂ）に示した測距光学系の反射部における有効領域２０１，２０２は、何れも円形であるが、必要に応じて図９（ｃ）に示すような楕円などの円以外の形状としてもよい。ただし、測定装置の測距精度を確保するためには、有効領域２０１，２０２のＸ方向において最も離れた端部同士の距離を、有効領域２０１，２０２のＹ方向における最大径よりも大きくすることが望ましい。

［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。

［変形例］
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。

例えば、各実施例では第１光学素子Ｇ１として第１反射領域Ｇ１Ｍ及び屈折領域Ｇ１Ｔの両方を含む反射屈折素子を採用しているが、第１光学素子Ｇ１として第１反射領域Ｇ１Ｍのみを含む反射素子（ミラー）を採用してもよい。また、各実施例に係る光学系は、第３光学素子Ｇ３を備えているが、第１光学素子Ｇ１及び第２光学素子Ｇ２から成る構成を採用してもよい。この場合、第２光学素子Ｇ２として、拡大側面及び縮小側面の夫々が曲率半径の異なる複数の光学面で構成されたプリズムを採用してもよい。これにより、各実施例に係る光学系と比較して光学素子の数を減らしつつ、良好な結像性能を得ることが可能になる。

１００ 光学系
Ａ 光軸
Ｇ１ 第１光学素子
Ｇ２ 第２光学素子
Ｇ１Ｍ 第１反射領域
Ｇ２Ｍ 第２反射領域
Ｇ２Ｔ 第２光学素子の屈折領域

Claims (23)

1. 拡大側に向かって凸形状の第１反射領域を含む第１光学素子と、
   拡大側に向かって凸形状の第２反射領域を含む第２光学素子とを備え、
   拡大側からの光は、前記第２反射領域、前記第１反射領域、前記第２光学素子の屈折領域を順に介して縮小側へ向かい、
   前記第１反射領域は、光軸を含む第１の断面において、光軸に対して一方の側にのみ配置されており、
   前記第２反射領域は、前記光の一部を反射する反射部と、前記光の一部を遮光する遮光部とを含み、
   前記第１の断面に垂直な第１の方向における前記反射部の径は、光軸及び前記第１の方向に垂直な第２の方向における前記反射部の径よりも大きいことを特徴とする光学系。
2. 前記反射部の形状は楕円であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記反射部の形状は矩形であることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
4. 前記第２反射領域は、前記第２光学素子の縮小側面に含まれ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。
5. 前記第２光学素子は、負のパワーの屈折領域を含む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反射領域は、前記第１光学素子の縮小側面に含まれ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１光学素子は、正のパワーの屈折領域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反射領域を含む光学面と前記第２反射領域を含む光学面との間隔をＬ１、前記第２反射領域を含む光学面と像面との間隔をＬ２とするとき、
   １．５≦Ｌ２／Ｌ１≦６．５
   なる条件を満たす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反射領域を含む光学面と前記第２反射領域を含む光学面との間隔をＬ１、前記第１反射領域を含む光学面の曲率半径をＲ１とするとき、
   １．３≦｜Ｒ１／Ｌ１｜≦４．０
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の光学系。
10. 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９の何れか一項に記載の光学系。
11. 前記第１反射領域を含む光学面及び前記第２反射領域を含む光学面は、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１０の何れか一項に記載の光学系。
12. 前記第１反射領域を含む光学面及び前記第２反射領域を含む光学面の曲率中心は、光軸上に存在することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の光学系。
13. 前記第２光学素子よりも縮小側に配置された第３光学素子を備える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. 前記第３光学素子は、正のパワーの屈折領域を含むことを特徴とする請求項１３に記載の光学系。
15. 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１４の何れか一項に記載の光学系であることを特徴とする撮像装置。
16. 前記第１の断面における画角は光軸に対して非対称であり、光軸を含み前記第１の断面に垂直な第２の断面における画角は光軸に対して対称であることを特徴とする請求項１５に記載の撮像装置。
17. 前記第１の断面における画角は、前記第２の断面における画角よりも小さいことを特徴とする請求項１６に記載の撮像装置。
18. 前記撮像素子は、前記反射部における第１及び第２の有効領域で反射された光束が形成する被写体の像の夫々を光電変換する第１及び第２の光電変換部を含み、前記第１及び第２の有効領域は、前記第１の方向において互いに離間していることを特徴とする請求項１５乃至１７の何れか一項に記載の撮像装置。
19. 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１５乃至１８の何れか一項に記載の撮像装置であることを特徴とする測距装置。
20. 請求項１９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。
21. 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２０に記載の車載カメラシステム。
22. 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２０又は２１に記載の車載カメラシステム。
23. 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１４の何れか一項に記載の光学系であることを特徴とする投影装置。

Images