JP2021156917A - 光学系、撮像装置、および車載システム - Google Patents

Abstract

【課題】注目領域に応じて解像力を変更可能な光学系を提供する。【解決手段】光束を縮小面に集光する光学系（ＬＯ１）であって、回転非対称な形状を有する複数の反射面（Ｒ２〜Ｒ６）を備え、複数の反射面は、拡大側から縮小側へ順に配置された第１の反射面（Ｍ１（Ｒ２））および第２の反射面（Ｍ２（Ｒ３））を含み、第１の反射面の焦点距離ｆＭ１、第２の反射面の焦点距離ｆＭ２は、光学系の基準軸に対して垂直な第１の断面と、基準軸および第１の断面のそれぞれに垂直な第２の断面との少なくとも一方において、所定の条件式を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学系、撮像装置、および車載システムに関する。

特許文献１には、車載用の撮像装置において、自由曲面レンズを有する非共軸光学系としてのオフアキシャル（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ）光学系を用いることが記載されている。

特開２０１９−３２５４０号公報

しかしながら、特許文献１のように自由曲面レンズを使用して光学系を構成すると、回転非対称な収差が生じるため、自由曲面レンズのパワー（屈折力）を大きくすることが難しく、注目領域に応じて解像力を変更することが困難である。

そこで本発明は、注目領域に応じて解像力を変更可能な光学系、撮像装置、測距装置、車載システム、および、移動装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光学系は、光束を縮小面に集光する光学系であって、回転非対称な形状を有する複数の反射面を備え、前記複数の反射面は、拡大側から縮小側へ順に配置された第１の反射面および第２の反射面を含み、前記第１の反射面の焦点距離ｆＭ１、前記第２の反射面の焦点距離ｆＭ２は、前記光学系の基準軸に対して垂直な第１の断面と、前記基準軸および前記第１の断面のそれぞれに垂直な第２の断面との少なくとも一方において、所定の条件式を満足する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、注目領域に応じて解像力を変更可能な光学系、撮像装置、測距装置、車載システム、および、移動装置を提供することができる。

実施例１におけるオフアキシャル光学系を示す図である。 実施例１における横収差図である。 実施例１における歪曲収差図である。 実施例１における絞りの周囲の拡大図である。 実施例２におけるオフアキシャル光学系を示す図である。 実施例２における横収差図である。 実施例２における歪曲収差図である。 実施例３におけるオフアキシャル光学系を示す図である。 実施例３における横収差図である。 実施例３における歪曲収差図である。 実施例４における車載システムの機能ブロック図である。 実施例４における車両の要部概略図である。 実施例４における車載システムの動作例を示すフローチャートである。 各実施例における光学座標系の説明図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず、各実施例に共通する事項について本発明の概要と共に説明する。なお各実施例の光学系（オフアキシャル光学系）は、車載カメラなどの撮像装置やプロジェクタなどの画像投射装置に適して用いられるが、これらに限定されるものではない。

オフアキシャル光学系は、光束を縮小面に集光する光学系である。またオフアキシャル光学系は、像中心と瞳中心とを通る光線（絞りＳＰの開口中心を通過して像面の中心に至る基準光線）の経路を基準軸とするとき、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面）を含む光学系である。この場合、基準軸は折れ曲がった形状となる。オフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を用いた光学系の構築がしやすい。また、光学系内で中間像を形成することにより、広画角を実現しつつコンパクトな光学系を構成することができる。また、前絞りの光学系でありながら、光路の引き回しが比較的自由に行うことができるため、コンパクトな光学系を構成することが可能である。

図１４は、各実施例のオフアキシャル光学系に用いられる結像光学系の構成データを定義する光学座標系の説明図である。各実施例において、物体側（被写体側）から像側（撮像素子に形成される像面側）に向かって、不図示の物体面の中心から瞳（絞り）の中心を通って像面の中心に至る一つの光線を、中心主光線又は基準軸光線と定義する。この中心主光線又は基準軸光線を、図１４中に一点鎖線で示す。そして、中心主光線又は基準軸光線が辿る経路を基準軸と定義する。また、基準軸に沿って、物体側からｉ番目の面を第ｉ面Ｒｉとする。

図１４において、第１面Ｒ１は絞りＳＰ（開口部）、第２面Ｒ２は第１面Ｒ１に対してチルトした反射面、第３面Ｒ３、第４面Ｒ４は各々の前の面に対してシフト、チルトした反射面である。第２面Ｒ２から第４面Ｒ４までの各々の反射面は、後に詳述するように金属やガラス、プラスチック等の媒質で構成されるミラーである。

各実施例の結像光学系はオフアキシャル光学系であるため、結像光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、各実施例においては、第１面Ｒ１の中心位置を原点位置とする光学座標系を設定する。すなわち、第１面Ｒ１の中心である光学座標系の原点位置と最終結像面（撮像素子面）の中心位置とを通る光線（中心主光線又は基準軸光線）の辿る経路が基準軸である。さらに、基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は、中心主光線又は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。

各実施例では、中心主光線又は基準軸光線は、第１面Ｒ１の中心点（原点）を通り最終結像面の中心へ至るまでに、各屈折面および反射面によって屈折・反射する。各構成面の順番は、中心主光線又は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。このため、基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。また各実施例において、像側または物体側とは、基準軸の方向に対する像側または物体側であることをそれぞれ意味している。なお各実施例において、結像光学系の基準となる基準軸を前述のように設定したが、軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは結像光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。一般的には、像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は結像光学系の第１面Ｒ１や最終面の中心のいずれかを通る光線の辿る経路を基準軸に設定すると良い。

各実施例における結像光学系の光学座標系の各軸は、以下のように定める。

Ｚ軸：原点と物体面中心を通る直線。物体面から第１面Ｒ１に向かう方向を正とする。

Ｙ軸：原点を通り右手座標系の定義に従ってＺ軸に対して反時計回り方向に９０゜をなす直線。

Ｘ軸：原点を通りＺ、Ｙの各軸に垂直な直線。図１４の紙面奥に向かう方向を正とする。

また、光学系を構成する第ｉ面の面形状およびチルト角は、次のように表すことで理解が容易になる。基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定する。そして、このローカル座標系でその面の面形状を表し、基準軸とローカル座標系のなす角度でチルト角を表すと良い。このため、第ｉ面の面形状は以下のローカル座標系で表す。

ｚ軸：ローカル座標の原点を通る面法線。

ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、右手座標系の定義に従ってｚ方向に対し反時計方向に９０゜をなす直線。

ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ｙｚ面に対し垂直な直線。図７の紙面奥に向かう方向を正とする。

従って、第ｉ面のｙｚ面内でのチルト角は、ローカル座標系のｚ軸が基準軸に対してなす鋭角で、反時計回り方向を正とした角度θ_ｘｉ（単位°）で表す。また、第ｉ面のｘｚ面内でのチルト角は、基準軸に対して反時計回り方向を正とした角度θ_ｙｉ（単位°）で表す。さらに、第ｉ面のｘｙ面内でのチルト角は、光学座標系のｙ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θ_ｚｉ（単位°）で表す。ただし、通常、θ_ｚｉは面の回転に相当するもので、以下の各実施例においては存在しない。図１４は、光学座標系、基準軸上座標系、および、ローカル座標系の相互関係を表している。また、図１４の各軸の矢印の方向が各軸の正の方向を表している。

後述のように、各実施例に対応する数値実施例として、各構成面の数値データを示す。ここで、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面とのローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、である。なお、Ｅ−Ｘは、１０^−Ｘを表す。また、各実施例の結像光学系は、回転非対称な曲率（形状）を有した面を２面以上有し、その形状は以下の式（Ａ）により表される。

式（Ａ）の曲面式は、ｘに関して偶数次の項のみであるため、式（Ａ）により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。

各実施例では、結像光学系が回転非対称な曲率を有した反射面で構成されており、２回結像のオフアキシャル光学系として構成されている。このように２回結像にして中間像を形成することで、光束が細く中間像に近い面で歪曲を制御することが容易となる。各実施例のオフアキシャル光学系は、物体側から像側へ順に配置された、第１の反射面Ｍ１および第２の反射面Ｍ２を有する。また、第１の反射面Ｍ１および第２の反射面Ｍ２のそれぞれの焦点距離を適切に設定することで歪曲を制御し、注目領域に応じて解像力を変更可能なオフアキシャル光学系を提供することが可能となる。各実施例では、入射側と射出側（反射側）が共に空気などの気体媒質もしくは真空であるような中空ミラー構成を示している。ただし各実施例は、これに限定されるものではなく、プリズムなどの透明な固体内に光が伝播して固体内の壁面（または外界との境界部）で反射する構成とした中実ミラー構成を採用しても良い。また、歪曲を制御する必要がある第１の反射面Ｍ１と第２の反射面Ｍ２以外の光学素子をレンズで構成しても良い。

＜実施例１＞
次に、図１を参照して、本発明の実施例１におけるオフアキシャル光学系の基本的な構成について説明する。図１は、本実施例におけるオフアキシャル光学系ＬＯ１の内部の光学系の配置（ＹＺ面）を示す図である。

オフアキシャル光学系ＬＯ１は、少なくとも２面以上の反射面である第ｉ面Ｒｉ（ｉは物体側（拡大側）から順に付与される面番号）、および撮像素子ＩＭＧを備える。撮像素子ＩＭＧは、オフアキシャル光学系ＬＯ１からの光を受光する。またオフアキシャル光学系ＬＯ１は、最も物体側に絞り（開口部）ＳＰ１（第１面Ｒ１）を有する。なお、絞りＳＰ１に関し、図１では一つの光学素子面との立場で、Ｒ１という表記を括弧書きでしている。

図１では、絞りＳＰから光を取り込み、オフアキシャル光学系ＬＯ１が有する第２面Ｒ２、第３面Ｒ３、第４面Ｒ４、第５面Ｒ５、第６面Ｒ６を反射した後、撮像素子ＩＭＧに結像する様子を示している。絞りＳＰの位置は、複数の反射面（第２面Ｒ２〜第６面Ｒ６）で構成されたオフアキシャル光学系ＬＯ１の入射瞳の位置に相当する。図１において、複数の反射面（第２面Ｒ２〜第６面Ｒ６）はいずれも回転非対称の形状（自由曲面）を有し、前述のように基準軸が折れ曲がったオフアキシャル光学系ＬＯ１を構成している。なお本実施例において、オフアキシャル光学系ＬＯ１は５つの反射面を有するが、これに限定されるものではなく、少なくとも二つの反射面を有していればよい。このような構成において、オフアキシャル光学系ＬＯ１は、像面（縮小面）よりも物体側（拡大側）で中間像を形成する（より具体的には、オフアキシャル光学系ＬＯ１は、１回中間像を結ぶ２回結像光学系である）。

図２は、本実施例における横収差図である。図３は、本実施例における歪曲収差図である。図２を見て分かるように、本実施例では、バランスの良い収差補正状態が得られている。また、図３を見て分かるように、画面中心領域の歪曲は小さく、画面端に行くにつれて歪曲を大きくすることで、遠くまで認識したい中心領域は解像度が高く、近距離の認識で十分な画面端の解像度は低くなるように制御している。なお、本実施例以降の各実施例中、重複する説明は省略し、重複して用いられる符号の意味は断りのない限り共通のものとする。

本実施例のオフアキシャル光学系ＬＯ１は、物体側（拡大側）から像側（縮小側）へ順に配置された、第１の反射面Ｍ１（第２面Ｒ２）および第２の反射面Ｍ２（第３面Ｒ３）のそれぞれの焦点距離を適切に設定することで、歪曲を制御している。本実施例において、第１の反射面Ｍ１の焦点距離をｆＭ１、第２の反射面Ｍ２の焦点距離をｆＭ２とするとき、基準軸に対して垂直な第１の断面と、基準軸および第１の断面のそれぞれに垂直な第２の断面の少なくとも一方において、以下の条件式（１）を満足する。なお焦点距離は、反射面のチルト角も考慮して、基準軸に沿って算出されるものとする。

１．２０＜｜ｆＭ２／ｆＭ１｜＜５０．００ ・・・（１）
条件式（１）の下限値を下回ると、中間像に近い第２の反射面Ｍ２の焦点距離ｆＭ２が小さくなりミラー径も小さくなるため、注目領域に応じて解像力を変更することが困難になり好ましくない。一方、条件式（１）の上限値を上回ると、第２の反射面Ｍ２の焦点距離ｆＭ２が大きくなりミラー径が大きくなるため、オフアキシャル光学系ＬＯ１の全体が大型化し好ましくない。

本実施例において、オフアキシャル光学系ＬＯ１の全体の焦点距離をｆ、第１の反射面Ｍ１から第２の反射面Ｍ２までの合成焦点距離をｆＭ１２とする。このとき、基準軸に対して垂直な第１の断面と、基準軸および第１の断面のそれぞれに垂直な第２の断面の少なくとも一方において、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。

１．８０＜｜ｆＭ１２／ｆ｜＜５．００ ・・・（２）
条件式（２）の下限値を下回ると、合成焦点距離ｆＭ１２が小さくなり第１の反射面Ｍ１および第２の反射面Ｍ２のそれぞれのミラー径も小さくなるため、注目領域に応じて解像力を変更することが難しくなり好ましくない。一方、条件式（２）の上限値を上回ると、合成焦点距離ｆＭ１２が大きくなり、第１の反射面Ｍ１および第２の反射面Ｍ２のミラー径が大きくなるため、オフアキシャル光学系ＬＯ１が大型化し好ましくない。

本実施例において、第２の反射面Ｍ２は、オフアキシャル光学系ＬＯ１を構成する複数の反射面のうち中間像から最も近い位置に配置されていることが好ましい。このような構成により、第２の反射面Ｍ２で歪曲を制御しやすくなり、注目領域に応じて解像力を変更するオフアキシャル光学系ＬＯ１を構成しやすくなる。

また本実施例において、オフアキシャル光学系ＬＯ１は、画角が最も小さい断面（ＹＺ断面）において基準軸を折り曲げることが好ましい。注目領域に応じて解像力を変更する光学系では、物体側から第２の反射面Ｍ２のミラー径が大きくなるため、このような構成により、光線の取り回しが容易となる。

また本実施例において、オフアキシャル光学系ＬＯ１は、絞りＳＰの前後に更に開口部ＦＳ１、ＦＳ２を配置することが好ましい。図４は、絞りＳＰの周囲の拡大図である。図４に示されるように、絞りＳＰの物体側（拡大側）に開口部（第１の開口部）ＦＳ１が配置され、絞りＳＰの像側（縮小側）に開口部（第２の開口部）ＦＳ２が配置されている。本実施例のように、歪曲を制御したオフアキシャル光学系ＬＯ１では、画角に応じて開口率が変わるため、特に最軸外では不要光を生じやすい。しかし、オフアキシャル光学系ＬＯ１では基準軸が折り返されているため、光路をけらないように遮光部材を配置することが難しい。このため本実施例では、絞りＳＰの物体側および像側に開口部ＦＳ１、ＦＳ２をそれぞれ配置し、不要光を低減（除去）することが好ましい。

より好ましくは、条件式（１）、（２）の数値範囲をそれぞれ、以下の条件式（１ａ）、（２ａ）のように設定する。

１．３５＜｜ｆＭ２／ｆＭ１｜＜４５．００ ・・・（１ａ）
１．９０＜｜ｆＭ１２／ｆ｜＜４．５０ ・・・（２ａ）
更に好ましくは、条件式（１）、（２）の数値範囲をそれぞれ、以下の条件式（１ｂ）、（２ｂ）のように設定する。

１．５０＜｜ｆＭ２／ｆＭ１｜＜４０．００ ・・・（１ｂ）
２．００＜｜ｆＭ１２／ｆ｜＜４．００ ・・・（２ｂ）
本実施例によれば、注目領域に応じて解像力を変更可能なオフアキシャル光学系を提供することができる。

＜実施例２＞
次に、図５乃至図７を参照して、本発明の実施例２におけるオフアキシャル光学系の基本的な構成について説明する。図５は、本実施例におけるオフアキシャル光学系ＬＯ２の内部の光学系の配置（ＹＺ面）を示す図である。本実施例のオフアキシャル光学系ＬＯ２は、歪曲の出し方が実施例１のオフアキシャル光学系ＬＯ１と異なる。

図６は、本実施例における横収差図である。図７は、本実施例における歪曲収差図である。図６を見て分かるように、本実施例では、バランスの良い収差補正状態が得られている。また、図７を見て分かるように、画面中心領域の歪曲は小さく、水平方向の画面端に行くにつれて歪曲を大きくしているが、垂直方向の歪曲は小さくし、垂直方向の中心と画面端で解像度が変わらないようにしている。本実施例によれば、注目領域に応じて解像力を変更可能なオフアキシャル光学系を提供することができる。

＜実施例３＞
次に、図８乃至図１０を参照して、本発明の実施例３におけるオフアキシャル光学系の基本的な構成について説明する。図８は、本実施例におけるオフアキシャル光学系ＬＯ３の内部の光学系の配置（ＹＺ面）を示す図である。本実施例のオフアキシャル光学系ＬＯ３は、物体側に第１のレンズ（第１面Ｒ１、第２面Ｒ２）および第２のレンズ（第３面Ｒ３、第４面Ｒ４）を配置している点が実施例１のオフアキシャル光学系ＬＯ１と異なる。また本実施例において、第１の反射面Ｍ１は第６面Ｒ６、第２の反射面Ｍ２は第７面Ｒ７にそれぞれ相当する。

図９は、本実施例における横収差図である。図１０は、本実施例における歪曲収差図である。図９を見て分かるように、本実施例では、バランスの良い収差補正状態が得られている。また、図１０を見て分かるように、画面中心領域の歪曲は小さく、画面端に行くにつれて歪曲を大きくすることで、遠くまで認識したい中心領域は解像度が高く、近距離の認識で十分な画面端の解像度は低く制御している。本実施例によれば、注目領域に応じて解像力を変更可能なオフアキシャル光学系を提供することができる。

以下、実施例１乃至３にそれぞれ対応する数値実施例１乃至３を示す。

（数値実施例１）
物体面から開口部ＳＰまでの距離は無限大で、画角は、ｘ：±５０度、ｙ：±２０度で、焦点距離は９．５６ｍｍである。像面サイズはｘ：９．４ｍｍ、ｙ：５．８ｍｍである。入射瞳径はΦ３．８ｍｍである。本数値実施例の反射面は全て回転非対称面で構成されている。回転非対称面形状は、式（Ａ）により与えられる。

面データ
面番号 Xi Yi Zi Di θxi θyi
R1(SP) 0.00 0.00 0.00 26.76 0.00 0.00 絞り
R2(M1) 0.00 0.00 26.76 -38.00 23.58 0.00 反射面
R3(M2) 0.00 -20.37 -5.32 37.25 -31.57 0.00 反射面
R4 0.00 -28.80 30.96 -37.58 19.11 0.00 反射面
R5 0.00 -41.32 -4.47 37.40 -31.48 0.00 反射面
R6 0.00 -55.93 29.96 -51.23 20.36 0.00 反射面
像面 0.00 -57.86 -21.23

回転非対称面データ
第２面
C20 = -7.2046E-03 C02 = -9.3740E-03 C21 = 5.8168E-05
C03 = -1.5572E-05 C40 = -1.7499E-06 C22 = -2.7827E-06
C04 = -3.1894E-06 C41 = 5.0507E-08 C23 = 2.1954E-07
C05 = -1.4175E-07 C60 = 5.1396E-10 C42 = -5.7446E-10
C24 = 1.1085E-08 C06 = -3.9536E-08 C61 = -1.7696E-10
C43 = -6.0448E-10 C25 = -1.1997E-09 C07 = 1.4840E-09
C80 = -1.1592E-12 C62 = -8.0687E-12 C44 = -3.6132E-11
C26 = -2.7897E-11 C08 = 4.2560E-10 C81 = 1.5873E-13
C63 = 5.6470E-13 C45 = 1.5871E-12 C27 = 8.7087E-13
C90 = -4.9356E-12 C100= 9.8076E-16 C82 = 1.0037E-14
C64 = 3.0400E-14 C46 = 9.1814E-14 C28 = -2.4764E-13
C010= -1.2736E-12

第３面
C20 = -2.7293E-03 C02 = 1.6896E-04 C21 = 6.9982E-05
C03 = 3.4189E-05 C40 = 1.4264E-06 C22 = -9.2544E-06
C04 = -1.5406E-05 C41 = 7.0531E-08 C23 = 9.0351E-07
C05 = -7.1410E-08 C60 = 1.3455E-10 C42 = 6.3881E-09
C24 = 6.0706E-08 C06 = 2.2358E-08 C61 = 5.1607E-10
C43 = 4.1614E-10 C25 = -9.5281E-09 C07 = 7.7140E-09
C80 = -5.3853E-12 C62 = -5.5173E-11 C44 = -4.0778E-11
C26 = 2.9895E-11 C08 = -2.3774E-10 C81 = -6.0022E-14
C63 = -2.1464E-12 C45 = 1.5215E-11 C27 = 6.4471E-12
C90 = -5.2171E-11 C100= 2.4980E-15 C82 = 3.2546E-14
C64 = 5.1953E-14 C46 = -2.7259E-13 C28 = -1.4574E-12
C010= 5.7728E-12

第４面
C20 = -8.9245E-03 C02 = -4.6022E-03 C21 = 2.0252E-06
C03 = -2.7914E-06 C40 = -2.9598E-07 C22 = -4.3088E-07
C04 = -4.2083E-07 C41 = 2.3442E-08 C23 = 3.7334E-08
C05 = 3.3493E-08 C60 = 2.7692E-10 C42 = 5.7317E-10
C24 = 1.2798E-09 C06 = 8.2379E-10 C61 = -5.4946E-12
C43 = -7.4664E-12 C25 = -2.5939E-10 C07 = 8.0408E-11
C80 = -2.6614E-13 C62 = -2.2647E-12 C44 = -7.6908E-14
C26 = -8.0233E-12 C08 = 2.3927E-11 C81 = 3.5893E-14
C63 = 6.5286E-14 C45 = 1.9698E-13 C27 = 3.4538E-13
C90 = -5.6272E-13 C100= 1.6505E-16 C82 = 3.0130E-15
C64 = 2.1632E-15 C46 = -1.2739E-16 C28 = -4.4507E-15
C010= 2.5679E-15

第５面
C20 = -4.8384E-02 C02 = -1.0217E-02 C21 = -1.1849E-04
C03 = -1.4797E-04 C40 = -1.2946E-04 C22 = -4.9442E-05
C04 = -6.2372E-06 C41 = -1.3876E-06 C23 = -9.3353E-07
C05 = -7.3893E-08 C60 = -1.8211E-06 C42 = -9.9644E-07
C24 = -2.0052E-07 C06 = 5.1917E-09 C61 = 1.4352E-07
C43 = 6.8207E-08 C25 = -4.0575E-08 C07 = -5.53736E-10
C80 = 1.51018E-08 C62 = 1.29769E-08 C44 = 3.3735E-09
C26 = -2.3393E-09 C08 = 4.47344E-10 C81 = -2.42088E-09
C63 = -4.14352E-09 C45 = 7.8295E-10 C27 = 2.95953E-10
C90 = -2.57562E-12 C100= -4.24615E-10 C82 = -4.46643E-10
C64 = -3.40363E-10 C46 = 1.63976E-10 C28 = -8.51185E-12
C010= -4.37825E-12

第６面
C20 = -0.010904996 C02 = -0.00884548 C21 = 3.84009E-06
C03 = -1.8788E-06 C40 = -1.3247E-06 C22 = -2.15799E-06
C04 = -7.92375E-07 C41 = 1.49262E-09 C23 = -8.10459E-10
C05 = -4.82243E-10 C60 = -2.04773E-10 C42 = -5.5121E-10
C24 = -4.88321E-10 C06 = -3.37744E-10 C61 = -2.85652E-12
C43 = 2.96784E-11 C25 = 3.87753E-11 C07 = 5.60196E-13
C80 = -9.26398E-13 C62 = -3.1294E-12 C44 = -2.25759E-12
C26 = -7.62588E-13 C08 = 2.70256E-12 C81 = 6.76137E-15
C63 = -6.99146E-14 C45 = -2.72456E-13 C27 = -1.47587E-13
C90 = 2.41734E-15 C100= 1.76294E-15 C82 = 6.31695E-15
C64 = 9.94347E-15 C46 = -2.14989E-15 C28 = 1.12606E-15
C010= -1.07049E-14

（数値実施例２）
物体面から開口部ＳＰまでの距離は無限大で、画角は、ｘ：±５０度、ｙ：±２０度で、焦点距離は水平方向（ＸＺ断面）が９．５２ｍｍ、垂直方向（ＹＺ断面）が６．６８ｍｍである。像面サイズはｘ：９．４ｍｍ、ｙ：４．６ｍｍである。入射瞳径は水平方向がΦ４．００ｍｍ、垂直方向がΦ２．６４ｍｍである。本数値実施例の反射面は全て回転非対称面で構成されている。回転非対称面形状は、式（Ａ）により与えられる。

面データ
面番号 Xi Yi Zi Di θxi θyi
R1(SP) 0.00 0.00 0.00 35.50 0.00 0.00 絞り
R2(M1) 0.00 0.00 35.50 -37.61 11.18 0.00 反射面
R3(M2) 0.00 -14.31 0.72 38.55 -22.56 0.00 反射面
R4 0.00 -29.22 36.26 -35.31 20.42 0.00 反射面
R5 0.00 -40.19 2.69 35.02 -21.78 0.00 反射面
R6 0.00 -55.25 34.31 -48.41 12.92 0.00 反射面
像面 0.00 -55.57 -14.10

回転非対称面データ
第２面
C20 = -7.1092E-03 C02 = -1.1873E-02 C21 = 2.6928E-05
C03 = -1.2698E-06 C40 = -1.1111E-06 C22 = -1.9374E-06
C04 = -1.8610E-06 C41 = 2.0489E-08 C23 = 2.1413E-08
C05 = -6.2464E-08 C60 = 4.0456E-10 C42 = 1.5550E-09
C24 = 3.5874E-09 C06 = -7.0931E-09 C61 = -6.4673E-11
C43 = -7.1129E-11 C25 = 1.3761E-11 C07 = 2.6896E-10
C80 = -1.0716E-12 C62 = -3.7006E-12 C44= -7.6170E-12
C26 = -2.7002E-12 C08 = 4.7722E-11 C81 = 3.0646E-14
C63 = 4.4253E-14 C45 = 5.7392E-14 C27 = -9.9713E-14
C90 = -5.8721E-13 C100 = 4.3222E-16 C82 = 1.6428E-15
C64 = 3.0108E-15 C46 = 6.0348E-15 C28 = -8.9102E-15
C010= -1.0212E-13

第３面
C20 = -4.4603E-03 C02 = -2.3670E-02 C21 = 2.8281E-04
C03 = 2.5838E-04 C40 = 1.1581E-06 C22 = -1.3311E-05
C04 = -1.6905E-05 C41 = 2.2245E-07 C23 = 1.5003E-06
C05 = -1.1024E-06 C60 = -2.6813E-09 C42 = 2.0075E-09
C24 = 2.8859E-08 C06 = 2.5208E-07 C61 = 9.2443E-11
C43 = -3.3534E-09 C25 = -8.6376E-09 C07 = -3.1042E-08
C80 = 5.0718E-12 C62 = -6.3052E-12 C44 = 4.0563E-10
C26 = 5.8044E-10 C08 = 1.3509E-08 C81 = -2.7278E-13
C63 = 4.1201E-12 C45 = -1.5922E-11 C27 = -6.3251E-10
C90 = 4.9847E-10 C100= -9.1557E-15 C82 = 1.3166E-14
C64 = -8.5838E-13 C46 = 8.7392E-12 C28 = 5.3940E-12
C010= -4.3062E-11

第４面
C20 = -9.4005E-03 C02 = -6.4556E-03 C21 = 4.4506E-05
C03 = -1.7237E-05 C40 = -3.5234E-07 C22 = -1.4561E-06
C04 = -8.4940E-08 C41 = 3.3045E-08 C23 = 8.4465E-09
C05 = -1.1759E-08 C60 = -4.9703E-11 C42 = -2.6772E-10
C24 = -1.4445E-10 C06 = 7.9010E-10 C61 = -1.6757E-12
C43 = -8.1813E-12 C25 = -9.3375E-12 C07 = 1.4467E-11
C80 = 1.9988E-13 C62 = -2.2062E-14 C44 = 4.8063E-13
C26 = -6.6288E-13 C08 = -3.0554E-12 C81 = 3.1660E-14
C63 = 4.1670E-14 C45 = 7.9891E-15 C27 = -3.4940E-14
C90 = -7.4856E-14 C100= 1.1961E-16 C82 = 7.8423E-16
C64 = -5.5349E-16 C46 = 2.0550E-16 C28 = 2.3130E-15
C010= 1.5052E-14

第５面
C20 = -5.0161E-02 C02 = -4.7699E-03 C21 = 4.3481E-04
C03 = -9.5914E-05 C40 = -1.4995E-04 C22 = -3.7000E-05
C04 = -8.0868E-07 C41 = 3.7035E-06 C23 = 8.4037E-09
C05 = -8.8116E-08 C60 = -1.4242E-06 C42 = -1.9836E-07
C24 = -1.4883E-08 C06 = -4.4233E-10 C61 = 1.2722E-07
C43 = -2.6541E-08 C25 = -6.3976E-09 C07 = -2.2918E-11
C80 = 1.17167E-08 C62 = -1.70217E-08 C44 = -4.62734E-10
C26 = -1.07983E-10 C08 = 4.87514E-11 C81 = -3.38361E-10
C63 = 7.06577E-10 C45 = 3.24751E-10 C27 = 8.90049E-12
C90 = 1.44152E-12 C100= -6.07429E-10 C82 = 1.60824E-10
C64 = 4.907E-12 C46 = -5.19886E-13 C28 = 4.27375E-13
C010= -2.11932E-13

第６面
C20 = -0.01157068 C02 = -0.007341579 C21 = 1.77293E-05
C03 = -1.93531E-05 C40 = -1.55413E-06 C22 = -2.22981E-06
C04 = -1.40023E-07 C41 = 7.26758E-09 C23 = 4.71593E-09
C05 = -1.68461E-08 C60 = -4.29234E-10 C42 = -1.02866E-09
C24 = -7.14168E-10 C06 = 4.75112E-10 C61 = -2.48401E-12
C43 = -6.07847E-12 C25 = 3.36916E-11 C07 = 5.90245E-12
C80 = -6.42174E-14 C62 = 2.17582E-12 C44 = 2.89475E-12
C26 = 2.87572E-12 C08 = -1.82245E-13 C81 = 3.3799E-14
C63 = -1.36152E-13 C45 = 1.61416E-13 C27 = -2.76876E-13
C90 = -1.89441E-13 C100= -3.21475E-16 C82 = -9.6668E-15
C64 = 1.87724E-14 C46 = -6.62947E-14 C28 = -8.3954E-15
C010= 1.48345E-14

（数値実施例３）
物体面から開口部ＳＰまでの距離は無限大で、画角は、ｘ：±７５度、ｙ：±２０度で、焦点距離は９．８２ｍｍである。像面サイズはｘ：１３．９ｍｍ、ｙ：６．３ｍｍである。入射瞳径はΦ４．２５ｍｍである。本数値実施例の反射面は全て回転非対称面で構成されている。回転非対称面形状は、式（Ａ）により与えられる。Ｌ１は屈折率が１．６２０、アッベ数が６０．３の硝材、Ｌ２は屈折率が１．７５５、アッベ数が２７．５の硝材を使用している。

面データ
面番号 Xi Yi Zi Di θxi θyi
R1(L1) 0.00 0.00 -17.75 2.00 0.00 0.00 屈折面
R2 0.00 0.00 -15.75 8.47 0.00 0.00 屈折面
R3(L2) 0.00 0.00 -7.28 4.00 0.00 0.00 屈折面
R4 0.00 0.00 -3.28 3.28 0.00 0.00 屈折面
R5(SP) 0.00 0.00 0.00 32.38 0.00 0.00 絞り
R6(M1) 0.00 0.00 32.38 -34.59 16.93 0.00 反射面
R7(M2) 0.00 -19.27 3.65 34.64 -26.00 0.00 反射面
R8 0.00 -30.06 36.57 -33.28 19.65 0.00 反射面
R9 0.00 -42.07 5.53 31.31 -23.72 0.00 反射面
R10 0.00 -55.94 33.61 -43.22 13.14 0.00 反射面
像面 0.00 -55.94 -9.61
回転非対称面データ
第６面
C20 = -9.9155E-03 C02 = -9.7190E-03 C21 = 1.4816E-05
C03 = -8.8056E-06 C40 = -1.9252E-06 C22 = -3.3172E-06
C04 = -2.8142E-06 C41 = 2.3522E-08 C23 = 5.8341E-08
C05 = -5.9033E-09 C60 = 7.0192E-11 C42 = 1.4440E-10
C24 = 1.6267E-09 C06 = 1.3140E-09 C61 = -1.2326E-11
C43 = -6.3916E-11 C25 = -1.0940E-10 C07 = -1.3154E-11
C80 = -5.4347E-13 C62 = -2.2821E-12 C44 = -4.2240E-12
C26 = -9.0605E-12 C08 = -5.5087E-12

第７面
C20 = -6.9045E-03 C02 = -4.6708E-03 C21 = 1.0925E-04
C03 = -5.5133E-05 C40 = -1.1991E-05 C22 = -3.7394E-05
C04 = -1.4231E-05 C41 = 4.7972E-07 C23 = 2.1271E-06
C05 = 1.2300E-07 C60 = 1.2797E-08 C42 = 1.0644E-08
C24 = 4.6269E-09 C06 = 6.0560E-08 C61 = 2.7004E-09
C43 = 7.1144E-10 C25 = -5.1771E-09 C07 = 2.8669E-09
C80 = -5.9908E-11 C62 = -2.1100E-10 C44 = 6.9295E-11
C26 = -2.7904E-10 C08 = -5.3867E-11

第８面
C20 = -9.6320E-03 C02 = -7.5347E-03 C21 = 1.2939E-05
C03 = -9.8141E-06 C40 = -9.4961E-07 C22 = -2.0107E-06
C04 = -4.4780E-07 C41 = 1.4973E-08 C23 = 2.8502E-08
C05 = 6.6005E-09 C60 = -1.7529E-10 C42 = -6.9440E-10
C24 = -9.2788E-10 C06 = 7.8213E-11 C61 = 6.6801E-12
C43 = -1.0795E-11 C25 = -2.9578E-11 C07 = 1.8761E-12
C80 = -1.3640E-13 C62 = -2.9007E-14 C44 = 7.3280E-13
C26 = 9.4189E-13 C08 = -1.6197E-13

第９面
C20 = -2.9416E-02 C02 = -1.5499E-02 C21 = -8.7139E-05
C03 = -2.2756E-04 C40 = -4.1089E-05 C22 = -5.7330E-05
C04 = -1.2413E-05 C41 = -3.8058E-08 C23 = -2.0842E-07
C05 = -4.3141E-07 C60 = -1.8859E-07 C42 = -2.6063E-07
C24 = -2.4578E-07 C06 = -2.6987E-08 C61 = -1.0869E-08
C43 = -3.8886E-08 C25 = -2.3699E-08 C07 = -2.3387E-09
C80 = -7.73259E-10 C62 = -2.65604E-09 C44 = -4.68816E-10
C26 = -1.18253E-10 C08 = -2.42778E-10

第１０面
C20 = -0.011953321 C02 = -0.010581731 C21 = 4.33261E-06
C03 = -3.53093E-06 C40 = -1.83267E-06 C22 = -3.31727E-06
C04 = -1.31603E-06 C41 = 3.05147E-09 C23 = 2.4643E-09
C05 = -3.04717E-09 C60 = -6.03322E-10 C42 = -1.16174E-09
C24 = -1.38332E-09 C06 = -4.2253E-10 C61 = -1.59351E-11
C43 = 2.61181E-13 C25 = -1.45381E-11 C07 = 6.45568E-12
C80 = 2.2972E-13 C62 = -2.14923E-12 C44 = -2.79096E-13
C26 = 2.12194E-12 C08 = 2.23118E-13

表１は、前述した各条件式および各値と各実施例（各数値実施例）との関係を示す。基準軸に対して垂直な第１の方向（第１の断面）として水平方向（ＸＺ断面）、基準軸と前記第１の方向に垂直な第２の方向（第２の断面）として垂直方向（ＹＺ断面）の値を記載している。

＜実施例４＞
次に、図１１乃至図１３を参照して、本発明の実施例４について説明する。本実施例は、前述の各実施例の光学系（オフアキシャル光学系ＬＯ１〜ＬＯ３のいずれか）を有する撮像装置を備えた車載システムに関する。

図１１は、本実施例における車載カメラ（撮像装置）１０及びそれを備える車載システム（運転支援装置）６００の構成図である。車載システム６００は、自動車（車両）等の移動可能な移動体（移動装置）により保持され、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（操縦）を支援するためのシステムである。図１２は、車載システム６００を備える移動装置（車両）７００の概略図である。図１２においては、車載カメラ１０の撮像範囲５０を移動装置７００の前方に設定した場合を示しているが、撮像範囲５０を移動装置７００の後方や側方などに設定してもよい。

図１１に示されるように、車載システム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、警告装置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、距離取得部（取得部）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、距離取得部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、前述の各実施例の光学系と、撮像素子とを有する。また、少なくとも撮像部１と距離取得部４とにより測距装置が構成される。

図１３は、本実施例における車載システム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障害物や歩行者などの対象物（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により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、本実施例では説明を省略する。なお、ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４は、上記の順番に行われてもよいし、互いに並列して処理を行われてもよい。

ステップＳ５では、撮像部１により撮像した対象物との距離情報を、距離取得部４によって取得（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、車両情報取得装置２０により取得された車両情報や、距離取得部４により算出された距離情報を用いて、対象物までの距離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対象物が存在するか否かを判定し、車両と対象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、設定距離内に対象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）、設定距離内に対象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、その判定結果を制御装置（制御部）３０や警告装置（警告部）４０に対して通知（送信）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（ステップＳ６）、警告装置４０は、衝突判定部５での判定結果に基づいて車両のユーザ（運転者、搭乗者）への警告を行う（ステップＳ７）。なお、判定結果の通知は、制御装置３０及び警告装置４０の少なくとも一方に対して行えばよい。

制御装置３０は、車両の駆動部（エンジンやモータなど）に対して制御信号を出力することで、車両の移動を制御することができる。例えば、車両においてブレーキをかける、アクセルを戻す、ハンドルを切る、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、警告装置４０は、ユーザに対して、例えば警告音（警報）を発する、カーナビゲーションシステムなどの画面に警告情報を表示する、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、本実施例の車載システム６００によれば、上記の処理により、効果的に対象物の検知を行うことができ、車両と対象物との衝突を回避することが可能になる。特に、前述の各実施例の光学系を車載システム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、広画角にわたって対象物の検知及び衝突判定を行うことが可能になる。

なお、距離情報の算出については、様々な実施例が考えられる。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、距離取得部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、距離取得部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、距離取得部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。

また、車載システム６００や移動装置７００は、万が一移動装置７００が障害物に衝突した場合に、その旨を車載システムの製造元（メーカー）や移動装置の販売元（ディーラー）などに通知するための通知装置（通知部）を備えていてもよい。例えば、通知装置としては、移動装置７００と障害物との衝突に関する情報（衝突情報）を予め設定された外部の通知先に対して電子メールなどによって送信するもの採用することができる。

このように、通知装置によって衝突情報を自動通知する構成を採ることにより、衝突が生じた後に点検や修理などの対応を速やかに行うことができる。なお、衝突情報の通知先は、保険会社、医療機関、警察などや、ユーザが設定した任意のものであってもよい。また、衝突情報に限らず、各部の故障情報や消耗品の消耗情報を通知先に通知するように通知装置を構成してもよい。衝突の有無の検知については、上述した受光部２からの出力に基づいて取得された距離情報を用いて行ってもよいし、他の検知部（センサ）によって行ってもよい。

なお、本実施例では、車載システム６００を運転支援（衝突被害軽減）に適用したが、これに限らず、車載システム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、車載システム６００は、自動車等の車両に限らず、例えば船舶や航空機、産業用ロボットなどの移動体に適用することができる。また、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等の物体認識を利用する種々の機器に適用することができる。

各実施例によれば、注目領域に応じて解像力を変更可能なオフアキシャル光学系、撮像装置、測距装置、車載システム、および、移動装置を提供することができる。

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

ＬＯ１ オフアキシャル光学系
Ｒ２〜Ｒ６ 反射面
Ｍ１ 第１の反射面
Ｍ２ 第２の反射面

Claims (18)

1. 光束を縮小面に集光する光学系であって、
   回転非対称な形状を有する複数の反射面を備え、
   前記複数の反射面は、拡大側から縮小側へ順に配置された第１の反射面および第２の反射面を含み、
   前記第１の反射面の焦点距離をｆＭ１、前記第２の反射面の焦点距離をｆＭ２とするとき、前記光学系の基準軸に対して垂直な第１の断面と、前記基準軸および前記第１の断面のそれぞれに垂直な第２の断面との少なくとも一方において、
   １．２０＜｜ｆＭ２／ｆＭ１｜＜５０．００
   なる条件式を満足することを特徴とする光学系。
2. 前記光学系の焦点距離をｆ、前記第１の反射面Ｍ１から前記第２の反射面Ｍ２までの合成焦点距離をｆＭ１２とするとき、前記第１の断面と前記第２の断面との少なくとも一方において、
   １．８０＜｜ｆＭ１２／ｆ｜＜４．００
   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. 前記光学系は、中間像を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
4. 前記第２の反射面は、前記複数の反射面のうち前記中間像から最も近い位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
5. 前記光学系は、画角が最も小さい断面において前記基準軸を折り曲げていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学系。
6. 絞りと、
   前記絞りの拡大側に配置された第１の開口部と、
   前記絞りの縮小側に配置された第２の開口部と、を更に有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学系。
7. 前記複数の反射面は、前記第１の反射面および前記第２の反射面を含む５つの反射面からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学系。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学系と、該光学系からの光を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
9. 請求項８に記載の撮像装置と、該撮像装置からの出力に基づいて物体までの距離情報を取得する取得部とを備えることを特徴とする測距装置。
10. 請求項９に記載の測距装置と、前記距離情報に基づいて車両と前記物体との衝突可能性を判定する判定部とを備えることを特徴とする車載システム。
11. 前記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１０に記載の車載システム。
12. 前記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、前記車両のユーザに対して警告を行う警告装置を備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載の車載システム。
13. 前記車両と前記物体との衝突に関する情報を外部に通知する通知装置を備えることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の車載システム。
14. 請求項８に記載の撮像装置を備え、該撮像装置を保持して移動可能であることを特徴とする移動装置。
15. 前記撮像装置からの出力に基づいて得られた物体の距離情報に基づいて前記物体との衝突可能性を判定する判定部を有することを特徴とする請求項１４に記載の移動装置。
16. 前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、移動を制御する制御信号を出力する制御部を備えることを特徴とする請求項１５に記載の移動装置。
17. 前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記移動装置のユーザに対して警告を行う警告部を備えることを特徴とする請求項１５または１６に記載の移動装置。
18. 前記物体との衝突に関する情報を外部に通知する通知部を備えることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の移動装置。
    

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