JP2022114764A - 光学系、撮像装置、車載システムおよび移動装置 - Google Patents

光学系、撮像装置、車載システムおよび移動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】十分な画角と解像度を有し、魚眼レンズと望遠レンズを両立する射影特性を備えた光学系を提供する。【解決手段】光学系は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、３つ以上のレンズを含む前群と、開口絞りＳＴと、複数のレンズを含む後群からなる。最も拡大共役側のレンズＬ１は正レンズである。画角θと像面での像高ｙとの関係を表す光学系の射影特性ｙ（θ）が、光学系の最大半画角をθｍａｘ、光学系の焦点距離をｆとするとき、１．８０≦ｆｓｉｎθｍａｘ／ｙ（θｍａｘ）≦４．５０なる条件を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、車載カメラ等の撮像装置に好適な光学系に関する。
車載カメラは、車両の周辺の画像データを取得して他車両や障害物等の視認に利用されている。このような車載カメラでは、解像度は低くても広い視野を実現する魚眼レンズや、画角は狭いが遠方を拡大して高い解像度を実現する望遠レンズ等の複数種類の光学系を備えることが多い。これに対して、特許文献１、２には、魚眼レンズと望遠レンズの両方の特性を含む射影特性を有する光学系が開示されている。
特開２０１８－０８７９３８号公報 特開２０２０－０５６８４９号公報
しかしながら、特許文献１の光学系では、画角が小さいうえに、前群が２つのレンズで構成されており、十分な射影特性と高画質を実現できていない。また特許文献２の光学系では、画角が小さいうえに、レンズ構成が魚眼レンズと望遠レンズを両立する射影特性を実現するには最適ではない。
本発明は、十分な画角と解像度を有し、魚眼レンズと望遠レンズを両立する射影特性を備えた光学系を提供する。
本発明の一側面としての光学系は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、３つ以上のレンズを含む前群と、開口絞りと、複数のレンズを含む後群からなる光学系である。最も拡大共役側のレンズは正レンズである。画角θと像高ｙとの関係を表す光学系の射影特性ｙ（θ）が、光学系の最大半画角をθｍａｘ、光学系の焦点距離をｆとするとき、
１．８０≦ｆｓｉｎθｍａｘ／ｙ（θｍａｘ）≦４．５０
なる条件を満足することを特徴とする。なお、上記光学系を用いた撮像装置や、該撮像装置を用いた車載システムや移動装置も、本発明の他の一側面を構成する。
本発明によれば、十分な画角と解像度を有し、魚眼レンズと望遠レンズを両立する射影特性を備えた光学系を実現することができる。
実施例１の光学系の断面図。 実施例１の光学系の収差図。 実施例１の光学系の射影特性を示す図。 実施例１の光学系の解像度特性を示す図。 実施例２の光学系の断面図。 実施例２の光学系の収差図。 実施例２の光学系の射影特性を示す図。 実施例２の光学系の解像度特性を示す図。 実施例３の光学系の断面図。 実施例３の光学系の収差図。 実施例３の光学系の射影特性を示す図。 実施例３の光学系の解像度特性を示す図。 実施例１の光学系の曲率特性を示す図。 各実施例の光学系を用いた車載システムのブロック図。 車載システムを搭載した車両の要部概略図。 車載システムの動作例を示すフローチャート。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。実施例１～３の具体的な説明に先立って、各実施例に共通する事項について説明する。
各実施例の光学系は、デジタルスチルカメラ、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に好適なものである。
図１、図５および図９はそれぞれ、実施例１、２および３の光学系の光軸（一点鎖線）を含む断面を示している。各図は、光学系の撮像距離∞の状態を示している。
各図において、左側が拡大共役側であり、右側が縮小共役側である。各実施例の光学系は、拡大共役側に位置する不図示の物体からの光束を集光させて縮小共役側の像面（１１，２１，３１）に物体像を形成する結像（撮像）光学系である。像面には、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。ただし、各実施例の光学系は、縮小共役側に配置された液晶パネル等の空間光変調素子からの光束を拡大共役側に配置されたスクリーン等の被投射面に投射するプロジェクタの投射光学系として使用することもできる。以下の説明では、光学系が、車載カメラの撮像光学系として用いられる場合について説明する。
各実施例の光学系は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、３つ以上のレンズを含む前群と、開口絞り（ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３）と、複数のレンズを含む後群とにより構成されている。前群のうち最も拡大共役側のレンズ（Ｌ１，Ｌ２１，Ｌ３１）は正の屈折力のレンズ（正レンズ）である。各実施例の光学系は、単一の光学系でありながら、十分な画角と周辺解像度を有しつつ、中心解像度も十分確保し、画角全体にわたって良好な光学性能を得るのに適切なレンズ構成を有する。なお、各実施例の光学系は、前群は少なくとも一つの負の屈折力のレンズ（負レンズ）を含み、前群のうち最も縮小共役側のレンズを正レンズとしている。
以下の説明において、画角１ｄｅｇあたりの単位長を解像度（ｍｍ／ｄｅｇ）と定義し、画角θに対する像高ｙの関係を射影特性ｙ（θ）と定義する。例えば一般的なｆθレンズは、各像高での解像度は一定であり、比例関係の射影特性を有する。また、光軸と最軸外主光線とがなす角度を最大半画角と定義する。
各実施例の光学系は、車載カメラにおいて、光軸近傍の第１の領域（中心領域）が前遠方監視用に使用され、第１の領域よりも軸外側（周辺側）の第２の領域（周辺領域）がフロントビュー用に使用される。この場合、第１の領域に対応する画角内では望遠機能を有することで高解像を実現し、第２の領域では魚眼機能により十分な画角を得るとともに画角全体にわたって良好な光学性能を実現する。
図３、図７および図１１はそれぞれ、実施例１、２および３の光学系の射影特性ｙ（θ）（図では「θ－ｙ＿射影特性」と記している）を示している。各実施例の射影特性は、ｙ＝ｆｓｉｎθで定義される正射影方式と同様に９０°と十分な画角を有する一方、正射影方式に比べて第１の領域での像高が高い。また、図４、図８および図１２はそれぞれ、実施例１、２および３の光学系の画角θごとの解像度を表す解像度特性を示している。各実施例の解像度特性は、ｙ＝ｆθで定義される等距離射影方式に比べて、第１の領域での解像度が高く、第２の領域での解像度は低い。
各実施例ではこのような射影特性および解像度特性を実現するために、上述したように開口絞りよりも拡大共役側の前群を３つ以上のレンズで構成し、前群（光学系）のうち最も拡大共役側のレンズの屈折力を正としている。さらに、拡大共役側から２番目のレンズ（Ｌ２，Ｌ２２，Ｌ３２）の屈折力を負として、テレフォトタイプのレンズ構成としている。加えて、光学系全系の焦点距離を長く設定している。これらによって、コンパクトでありながら望遠効果を持たせて、第１の領域の解像度を増加させている。
具体的には、各実施例の光学系は、画角θと像面での像高ｙとの関係を表す射影特性をｙ（θ）、光学系の焦点距離（ｍｍ）をｆ、光学系の最大半画角（°）をθｍａｘとするとき、以下の条件式（１）を満足する。
１．８０≦ｆｓｉｎθｍａｘ／ｙ（θｍａｘ）≦４．５０ （１）
ｆｓｉｎθｍａｘ／ｙ（θｍａｘ）が条件式（１）の下限を下回ると、望遠効果が弱くなりすぎて第１の領域で十分な解像度を得ることができないため、好ましくない。また、ｆｓｉｎθｍａｘ／ｙ（θｍａｘ）が条件式（１）の上限を上回ると、望遠効果が強くなりすぎて良好な解像性能を実現することができないため、好ましくない。
より良好な光学性能を得るために、以下の条件式（１）′を満足することが好ましい。
１．８５≦ｆｓｉｎθｍａｘ／ｙ（θｍａｘ）≦３．５０ （１）′
さらに良好な光学性能を得るために、以下の条件式（１）″を満足することが好ましい。
１．９０≦ｆｓｉｎθｍａｘ／ｙ（θｍａｘ）≦３．００ （１）″
以上の条件を満足することで、単一の光学系でありながら、十分な画角と周辺解像度、さらには高い中心解像度を有し、画角全体にわたって良好な光学性能を有する光学系を得ることができる。
各実施例の光学系は、十分な望遠性能を得るために、前述したように前群のうち最も拡大共役側のレンズＬ１の焦点距離ｆ１が正であり、拡大共役側から２番目のレンズＬ２の焦点距離ｆ２が負であるテレフォトタイプのレンズ構成としている。そしてこれらの焦点距離は、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
０．１≦｜ｆ２／ｆ１｜≦１．５ （２）
｜ｆ２／ｆ１｜が条件式（２）の下限を下回ると、正の屈折力が相対的に弱くなりすぎて望遠化が難しくなるため、好ましくない。｜ｆ２／ｆ１｜が条件式（２）の上限を上回ると、正の屈折力が相対的に強くなりすぎて像面湾曲が大きくアンダーになり、良好な画質が得られなくなるため、好ましくない。
より十分な望遠性能を得るために、以下の条件式（２）′を満足することが好ましい。
０．２≦｜ｆ２／ｆ１｜≦１．４ （２）′
さらに十分な望遠性能を得るために、以下の条件式（２）″を満足することが好ましい。
０．３≦｜ｆ２／ｆ１｜≦１．３ （２）″
また、等距離射影ｆθの解像度がｙ（θｍａｘ）／θｍａｘと等しくなる半画角をθｂとするとき、以下の条件式（３）を満足することにより前述した射影特性を実現しつつ、より良好な光学性能を実現することができる
０．２０≦θｂ／θｍａｘ≦０．４５ （３）
条件式（３）は、各実施例の光学系の解像度が等距離射影方式ｆθの解像度と交わる画角θ（半画角θｂ）に関する条件を示している。図４、図８および図１２に示すように、各実施例の光学系では、射影特性を示す曲線（実線）がｆθの直線（破線）と最大半画角θｍａｘ＝９０°に対して半画角θｂ＝２０°～３５°の範囲で交わっている。θｂ以下の画角（第１の領域）ではｆθより高解像度が得られ、一方、θｍａｘ＝９０°近傍の周辺解像度もｆθより低いものの十分に確保することができている。
θｂ／θｍａｘが条件式（３）の下限を下回ると、各図における交点の画角がさらに小さくなり、望遠効果が強くなりすぎて良好な解像性能を実現することができないため、好ましくない。逆にθｂ／θｍａｘが条件式（３）の上限を上回ると、望遠効果が弱くなりすぎて第１の領域で十分な解像度を実現することができないため、好ましくない。
より良好な光学性能を得るためには、以下の条件式（３）′を満足することが好ましい。
０．２５≦θｂ／θｍａｘ≦０．４２ （３）′
さらに良好な光学性能を得るためには、以下の条件式（３）″を満足することが好ましい。
０．３０≦θｂ／θｍａｘ≦０．３８ （３）′
さらに、各実施例の光学系では、上述した射影特性を実現しつつ良好な光学特性を得るために、歪曲収差と像面湾曲を良好に補正するレンズ構成としている。具体的には、軸外光線が高い位置に入射するレンズ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ８、Ｌ２１、Ｌ２７、Ｌ３１、Ｌ３７）における拡大共役側および縮小共役側のうち少なくとも一方の面を非球面とすることで、効果的に歪曲収差と像面湾曲を補正している。さらには、拡大共役側のレンズで主に射影特性を実現し、それ以降のレンズで像面湾曲を補正している。
加えて、各実施例の光学系では、上述した射影特性を実現するために、非球面を変曲点を有する形状としている。変曲点とは、曲率Ｃの符号が切り替わる点（光軸を中心とする円）である。図１３（ａ）～（ｄ）は、実施例１の光学系の各非球面の光軸からの径方向高さｙ（縦軸）と曲率Ｃ（横軸）との関係を表す曲率（ｙ－Ｃ）特性を示す。図１３（ａ）はレンズＬ１の拡大共役側の第１面の、（ｂ）はレンズＬ１の縮小共役側の第２面の、（ｃ）はレンズＬ７の拡大共役側の第１４面の、（ｄ）はレンズＬ７の縮小共役側の第１５面のｙ－Ｃ特性をそれぞれ示している。
図１３（ａ）から分かるように、実施例１の光学系のレンズＬ１の拡大共役側の非球面が変曲点を有している。このようにレンズＬ１の拡大共役側の非球面に変曲点を持たせることで、第１の領域と第２の領域とで解像度を大きく変化させ、上述した射影特性を実現している。
さらに、広画角化と上述した射影特性を両立するためには、拡大共役側の任意の非球面を、同一面内に複数の変曲点を有する形状とすることが好ましい。図１３（ａ）に示したレンズＬ１の拡大共役側の非球面の曲率Ｃは、光軸近傍から軸外側（径方向外側）に向かって像高ｙが変化するにつれて、まず曲率Ｃは正から６．３ｍｍ付近の変曲点で負に変化し、さらに軸外側の９．５ｍｍ付近の変曲点で正になる。すなわち、レンズＬ１の拡大共役側の非球面は２つの変曲点を有する。この非球面形状は以下の理由で形成されている。まず、光軸近傍では望遠効果を持たせるために非球面形状を拡大共役側に凸の形状とし、軸外に向かって徐々に解像度を低下させるために拡大共役側に凹の形状へと非球面形状を変化させている。さらに周辺付近の解像度を確保するために、再度、拡大共役側に凸の形状へと非球面形状を変化させている。
また、図１３（ｃ）に示すように、実施例１において後群のうち最も縮小共役側に配置された、軸外主光線の入射高さが高いレンズＬ７により、効果的に像面湾曲を補正している。なお、レンズＬ７は、拡大共役側および縮小共役側のうち少なくとも一方の面が非球面であればよい。さらにレンズＬ７の非球面が変曲点を有してもよい。
また、広画角になるほど上述した射影特性が効果的であるため、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
θｍａｘ≧５０° （４）
より好ましくは、
θｍａｘ≧５５° （４）′
さらに好ましくは、
θｍａｘ≧６０° （４）″
を満足するとよい。
さらに、上述した射影特性と広画角、高画質を実現するために、以下のレンズ構成（屈折力配置）とすることが好ましい。すなわち、前群を、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、正の屈折力の第１レンズ（正レンズ）と、負の屈折力の第２レンズ（負レンズ）と、正または負の屈折力の第３レンズ（正または負レンズ）と、正の屈折力の第４レンズ（正レンズ）により構成する。また、後群を、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、正の屈折力の第５レンズ（正レンズ）と、負の屈折力の第６レンズ（負レンズ）と、正の屈折力の第７レンズ（正レンズ）により構成する。
なお、以上の説明は本発明の実施例として最小限の必要な構成のものであり、実施例の構成が上記説明の内容に限定されるものではない。例えば、開口絞りの位置とは、軸外主光線が光軸と交わる位置近傍を表しており、物理的な開口絞りに限定されない。また、射影特性や変曲点の位置と数等も上記説明のものに限定されない。
以下、実施例１～３の光学系について具体的に説明する。
図１に示す実施例１の光学系は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、正の屈折力の第１レンズＬ１、負の屈折力の第２レンズＬ２、負の屈折力の第３レンズＬ３および正の屈折力の第４レンズＬ４を含む前群と、開口絞りＳＴ１と、正の屈折力の第５レンズＬ５、負の屈折力の第６レンズＬ６および正の屈折力の第７レンズＬ７を含む後群とにより構成されている。図１において、Ｐ１、Ｐ２はフィルター等のガラス平板である。
表１には、本実施例の具体的な数値例を示している。数値例において、ｒｉは物体側からｉ番目の面の曲率半径（mm）、ｄｉはｉ番目と（ｉ＋１）番目の面間のレンズ厚または空気間隔（mm）、ｎｉは第ｉ面と第ｉ＋１面間の光学材料のｄ線における屈折率である。νｉは第ｉ面と第ｉ＋１面間の光学材料のｄ線を基準としたアッベ数である。
アッベ数νｄは、フラウンホーファ線のｄ線（５８７．６ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）における屈折率をＮｄ、ＮＦ、ＮＣとするとき、
νｄ＝（Ｎｄ－１）／（ＮＦ－ＮＣ）で表される。
ＳＴは開口絞りの位置である。面番号に付された「＊」は、その面が非球面であることを意味する。非球面の形状は、ｙを径方向での座標、ｚを光軸方向での座標、Ｋを円錐定数、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを非球面係数とするとき、以下の式で表される。
ｚ（ｙ）＝（ｙ２／Ｒｉ）／［１＋｛１－（１＋ｋ）（ｙ２／Ｒｉ２）｝１／２］
＋Ａｙ４＋Ｂｙ６＋Ｃｙ８＋Ｄｙ１０＋Ｅｙ１２＋Ｆｙ１４
また、数値例における条件式（１）～（４）に対応する値を表中の（Ｃ）にまとめて示す。さらに参考値として、ｙ（θmax）の値も示している。以上の数値例の説明は、他の実施例の数値例についても同じである。
表１の（Ｃ）に示すように、本実施例（数値例１）の光学系は条件式（１）～（４）を満足している。
図２は、本実施例（数値例１）の撮像距離∞での縦収差図を示す。球面収差図において、実線はｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する球面収差を示している。非点収差図において、実線Ｓはサジタル像面を、破線Ｔはメリディオナル像面を示している。歪曲収差はｄ線に対するものを示している。これら縦収差図の説明は、他の実施例の縦収差図についても同じである。
前述したように、図３は本実施例の光学系の射影特性を示し、図４は本実施例の光学系の解像度特性を示している。
図５に示す実施例２の光学系は、実施例１に対して射影特性と屈折力配置が異なる実施例である。本実施例の光学系は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、正の屈折力の第１レンズＬ２１、負の屈折力の第２レンズＬ２２、正の屈折力の第３レンズＬ２３および正の屈折力の第４レンズＬ２４を含む前群と、開口絞りＳＴ２と、正の屈折力の第５レンズＬ２５、負の屈折力の第６レンズＬ２６および正の屈折力の第７レンズＬ２７を含む後群とにより構成されている。拡大共役側から３つ目の第３レンズＬ２３が、実施例１と異なり、正の屈折力を有する。図５において、Ｐ２１はフィルター等のガラス平板である。
表２には、本実施例の具体的な数値例を示している。表２の（Ｃ）に示すように、本実施例（数値例２）の光学系は条件式（１）～（４）を満足している。
図６は、本実施例（数値例２）の撮像距離∞での縦収差図を示す。また前述したように、図７は本実施例の光学系の射影特性を示し、図８は本実施例の光学系の解像度特性を示している。
図９に示す実施例３の光学系は、実施例１に対して射影特性と画角が異なる実施例である。本実施例の光学系は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、正の屈折力の第１レンズＬ３１、負の屈折力の第２レンズＬ３２、負の屈折力の第３レンズＬ３３および正の屈折力の第４レンズＬ３４を含む前群と、開口絞りＳＴ３と、正の屈折力の第５レンズＬ３５、負の屈折力の第６レンズＬ３６および正の屈折力の第７レンズＬ３７を含む後群とにより構成されている。図９において、Ｐ３１はフィルター等のガラス平板である。
表３には、本実施例の具体的な数値例を示している。表３の（Ｃ）に示すように、本実施例（数値例３）の光学系は条件式（１）～（４）を満足している。
図１０は、本実施例（数値例３）の撮像距離∞での縦収差図を示す。また前述したように、図１１は本実施例の光学系の射影特性を示し、図１２は本実施例の光学系の解像度特性を示している。
［表１］数値例１
（Ａ）レンズ構成(単位mm)
ｆ（焦点距離） 8.00
Ｆ（開口比） 3.00
最大半画角 90.0°

* r1 = 6.44 d1 = 3.74 n1 = 1.661 ν1 = 57.0
* r2 = 7.77 d2 = 1.27
* r3 = 11.42 d3 = 2.94 n2 = 1.861 ν2 = 26.8
* r4 = 5.11 d4 = 1.29
r5 = 10.17 d5 = 2.89 n3 = 1.841 ν3 = 44.3
r6 = 3.93 d6 = 2.89
r7 = 6.69 d7 = 1.05 n4 = 1.535 ν4 = 49.7
r8 = -6.62 d8 = 0.62
ST r9 = ∞ d9 = 1.23
r10 = 5.80 d10 = 1.14 n5 = 1.631 ν5 = 58.5
r11 = -5.73 d11 = 0.10
r12 = -4.74 d12 = 0.25 n6 = 1.859 ν6 = 28.8
r13 = 9.79 d13 = 0.11
* r14 = 7.71 d14 = 1.58 n7 = 1.657 ν7 = 57.2
* r15 = -6.30 d15 = 1.21
r16 = ∞ d16 = 0.65 n8 = 1.560 ν8 = 56.0
r17 = ∞ d17 = 1.64
r18 = ∞ d18 = 0.30 n9 = 1.500 ν9 = 63.0
r19 = ∞ d19 = 0.10

Figure 2022114764000002
［表２］数値例２
（Ａ）レンズ構成(単位mm)
ｆ（焦点距離） 8.60
Ｆ（開口比） 2.40
最大半画角 90.0°

* r1 = 6.39 d1 = 2.85 n1 = 1.697 ν1 = 55.5
* r2 = 9.32 d2 = 0.50
r3 = 9.52 d3 = 2.00 n2 = 1.860 ν2 = 36.0
r4 = 3.97 d4 = 3.57
r5 = -16.14 d5 = 1.53 n3 = 1.850 ν3 = 32.0
r6 = -10.06 d6 = 1.13
r7 = -9.59 d7 = 2.00 n4 = 1.576 ν4 = 61.8
r8 = -6.11 d8 = 1.50
ST r9 = ∞ d9 = 0.50
r10 = 4.53 d10 = 1.69 n5 = 1.487 ν5 = 70.2
r11 = -4.43 d11 = 0.50
r12 = -3.76 d12 = 1.00 n6 = 1.850 ν6 = 32.0
r13 = 261.47 d13 = 0.50
r14 = 9.24 d14 = 2.42 n7 = 1.686 ν7 = 55.9
* r15 = -15.32 d15 = 0.96
r16 = ∞ d16 = 1.30 n8 = 1.516 ν8 = 64.1
r17 = ∞ d17 = 1.04

Figure 2022114764000003

［表３］数値例３
（Ａ）レンズ構成(単位mm)
ｆ（焦点距離） 14.50
Ｆ（開口比） 2.40
最大半画角 60.0°

* r1 = 14.30 d1 = 4.54 n1 = 1.861 ν1 = 37.1
* r2 = 29.93 d2 = 2.11
r3 = -78.81 d3 = 1.05 n2 = 1.963 ν2 = 24.1
r4 = 41.30 d4 = 2.25
r5 = -54.67 d5 = 0.88 n3 = 1.963 ν3 = 24.1
r6 = 56.88 d6 = 3.51
r7 = -99.86 d7 = 3.23 n4 = 1.923 ν4 = 27.3
r8 = -17.38 d8 = 10.33
ST r9 = ∞ d9 = 0.84
r10 = 8.26 d10 = 2.011795757 n5 = 1.628 ν5 = 53.5
r11 = -6.64 d11 = 0.64
r12 = -5.36 d12 = 0.31 n6 = 1.946 ν6 = 24.2
r13 = -48.45 d13 = 1.56
* r14 = 9.80 d14 = 4.48 n7 = 1.583 ν7 = 59.4
* r15 = -1000.00 d15 = 0.96
r16 = ∞ d16 = 1.30 n8 = 1.516 ν8 = 64.1
r17 = ∞ d17 = 1.00

Figure 2022114764000004
図１４は、上述した各実施例の光学系を撮像光学系として用いた車載カメラ１０とこれを備えた車載システム（運転支援装置）６００の構成を示している。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１５は、車載システム６００を備えた移動装置としての車両７００を示している。図１５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の後方や側方などに設定してもよい。
図１５に示すように、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（制御部、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（警告部）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、上述した各実施例の光学系と撮像素子とを有する。
図１６のフローチャートは、車載システム６００の動作例を示す。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。
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（像ずれ）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法や面積相関法等の既知の方法を用いることができるため、ここ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間隔情報を、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の内部パラメータおよ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３０や警告装置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（エンジンやモータ等）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。
以上説明した車載システム６００によれば、上記処理により、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、上述した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およ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、様々な方法を採り得るが、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、車載システム６００を運転支援（衝突被害軽減）に適用する場合について説明したが、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。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
Ｌ１，Ｌ２１，Ｌ３１ 第１レンズ
Ｌ２，Ｌ２２，Ｌ３２ 第２レンズ
Ｌ３，Ｌ２３，Ｌ３３ 第３レンズ
Ｌ４，Ｌ２４，Ｌ３４ 第４レンズ
Ｌ５，Ｌ２５，Ｌ３５ 第５レンズ
Ｌ６，Ｌ２６，Ｌ３６ 第６レンズ
Ｌ７，Ｌ２７，Ｌ３７ 第７レンズ
１１，２１，３１ 像面
ＳＴ１，ＳＴ２，ＳＴ３ 開口絞り

Claims (21)

  1. 拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、３つ以上のレンズを含む前群と、開口絞りと、複数のレンズを含む後群からなる光学系であって、
    最も拡大共役側のレンズは正レンズであり、
    画角θと像高ｙとの関係を表す前記光学系の射影特性ｙ（θ）が、前記光学系の最大半画角をθｍａｘ、前記光学系の焦点距離をｆとするとき、
    １．８０≦ｆｓｉｎθｍａｘ／ｙ（θｍａｘ）≦４．５０
    なる条件を満足することを特徴とする光学系。
  2. 前記前群は、負レンズと、 前記開口絞りに隣接する正レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
  3. 最も拡大共役側の前記正レンズの焦点距離をｆ１、該正レンズに隣接するレンズの焦点距離をｆ２とするとき、
    ０．１≦｜ｆ２／ｆ１｜≦１．５
    なる条件を満足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. 前記前群は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、前記正レンズと、負レンズと、正レンズまたは負レンズと、正レンズからなり、
    前記後群は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、正レンズと、負レンズと、正レンズからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学系。
  5. 等距離射影ｆθの解像度がｙ（θｍａｘ）／θｍａｘと等しくなるときの半画角をθｂとするとき、
    ０．２０≦θｂ／θｍａｘ≦０．４５
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光学系。
  6. 最も拡大共役側の前記正レンズが非球面を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光学系。
  7. 最も拡大共役側の前記正レンズが、複数の変曲点を有する非球面を備えることを特徴とする請求項６に記載の光学系。
  8. 最も拡大共役側の前記正レンズが、光軸から径方向外側に向かって順に、拡大共役側に凸の形状、凹の形状および凸の形状を有する非球面を備えることを特徴とする請求項７に記載の光学系。
  9. 前記後群のうち最も縮小共役側のレンズが非球面を備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光学系。
  10. 前記最も縮小共役側のレンズが、変曲点を有する非球面を備えることを特徴とする請求項９に記載の光学系。
  11. θｍａｘ≧５０°
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学系。
  12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学系と、
    該光学系を介して物体を撮像する撮像素子とを備えることを特徴とする撮像装置。
  13. 請求項１２に記載の撮像装置と、
    該撮像装置により取得される前記物体の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。
  14. 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、前記車両の駆動部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１３に記載の車載システム。
  15. 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１３または１４に記載の車載システム。
  16. 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１３から１５のいずれか一項に記載の車載システム。
  17. 請求項１２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。
  18. 前記撮像装置によって得られた前記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１７に記載の移動装置。
  19. 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１８に記載の移動装置。
  20. 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１７または１９に記載の移動装置。
  21. 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１８から２０のいずれか一項に記載の移動装置。
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