JP2023037298A - 光学系、撮像装置、車載システム、および移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易でありながら高性能な光学系を提供する。【解決手段】開口絞り（Ｓ１）と、開口絞り（Ｓ１）の物体側または像側の少なくとも一方に隣接して配置された接合レンズ（ＣＥ１１、ＣＥ１２）とを有し、接合レンズは負レンズ（Ｌ１２）を含み、負レンズ（Ｌ１２）の有効径をＤ０、負レンズ（Ｌ１２）の外径をＤ１とするとき、１．５＜Ｄ１／Ｄ０＜１５なる条件式を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学系、撮像装置、車載システム、および移動装置に関する。

車載カメラや監視カメラなどの撮像装置においては、低コストで高性能な光学系が求められる。特許文献１には、撮像装置に用いられるレンズ鏡筒（光学系）が開示されている。

特許第６４３６７８７号公報

ところで、レンズ鏡筒の加工コストは、レンズ鏡筒の内部構造の複雑さに応じて決定されるため、より単純な構造が必要となる。しかし、レンズ鏡筒に内包されるレンズの外径は、広角や望遠レンズの仕様（Ｆナンバーや画角、焦点距離等）に応じて変化する。このため、特許文献１に開示されているレンズ鏡筒のように、レンズを保持するためにレンズ鏡筒の内部は階段状の構造などの複雑な形状が必要となる。

そこで本発明は、製造が容易でありながら高性能な光学系、撮像装置、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、開口絞りと、前記開口絞りの物体側または像側の少なくとも一方に隣接して配置された接合レンズとを有し、前記接合レンズは負レンズを含み、前記負レンズの有効径をＤ０、前記負レンズの外径をＤ１とするとき、
１．５＜Ｄ１／Ｄ０＜１５
なる条件式を満足する。

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、製造が容易でありながら高性能な光学系、撮像装置、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における光学系の断面図である。 実施例１における光学系の横収差図である。 実施例２における光学系の断面図である。 実施例２における光学系の横収差図である。 実施例１における光学系の説明図である。 実施例２における光学系の説明図である。 各実施例における光学系を備えた車載システムのブロック図である。 各実施例における光学系を備えた車両の要部概略図である。 各実施例における光学系を備えた車載システムの動作例を示すフローチャートである。

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、本発明に至った過程について説明する。鏡筒の加工コストは鏡筒の内部構造の複雑さによって左右されるため、コストを抑えた鏡筒にするには、単純な鏡筒構造が必要となる。比較的抵コストな加工が可能な加工機として、旋盤加工機がある。旋盤加工機で加工可能な最も単純な構造として円筒形の形状（パイプ構造）がある。しかし、レンズの外径は広角や望遠レンズの仕様によってレンズ内の最大外径と最小外径の差が大きいため、円筒形状の鏡筒内部に外径を揃えたレンズを固定することは困難である。特に広角レンズの場合、絞り近傍のレンズ外径は物体側や像面側のレンズ外径に比べ小さくなる傾向がある。

また、レンズの収差補正において、絞りの近傍に正レンズと負レンズを接合することは、色収差補正を行う上で非常に有用である。接合レンズではなく正レンズと負レンズを空気の層を挟んで並べた場合でも、収差補正の効果はある。しかし、曲率半径が小さい正レンズの場合、外径を径方向に伸ばすとコバが無くなり、加工での破損の可能性が生じることや、鏡筒保持できない形状になることなど、レンズ径を他のレンズと同じ大きさにすることは難しい。また、コバの厚さを確保しつつ、他のレンズと同じ大きさのレンズ外径にするには、正レンズの曲率半径を制約する必要があり、レンズ設計上の自由度が失われるため、好ましくない。

一方、負レンズの場合、コバ厚さを確保しつつ、曲率半径を維持したままレンズ外径を径方向に伸ばすことも可能であるが、光軸と垂直方向にレンズ径を伸ばすことも可能であり、レンズ加工の観点からも難易度は高くない。

各実施例によれば、絞りの近傍に配置された接合レンズの負レンズの曲率半径を維持したままレンズ径方向に伸ばすことや、光軸垂直方向に伸ばすことで、接合レンズの外径を他のレンズの外径と同じ大きさに揃えることが可能になる。このため、低コストの円筒形状鏡筒を用いた光学系を構成することができる。以下、各実施例について説明する。

図１は、実施例１における光学系１ａの断面図である。図３は、実施例２における光学系１ｂの断面図である。図５は、実施例１における光学系１ａの説明図である。図６は、実施例２における光学系１ｂの説明図である。各実施例の光学系は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、放送用カメラ、銀塩フィルム用カメラ、監視用カメラ等の撮像装置に用いられる撮像光学系である。各断面図において、左方が物体側（前方）で、右方が像側（後方）である。また各断面図において、ＩＭ１、ＩＭ２は像面であり、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサなどの撮像素子が配置される。

各実施例の光学系は、光学系のＦ値（絞り値)を決定する絞り（開口絞り）Ｓ１、Ｓ２と、絞りＳ１、Ｓ２の物体側または像側の少なくとも一方に隣接して配置された接合レンズとを有する。接合レンズは、少なくとも一つの負レンズを有する。また各実施例において、少なくとも一つの負レンズの有効径をＤ０、少なくとも一つの負レンズの外径をＤ１とするとき、以下の条件式（１）を満足する。ここで有効径とは、光学面において結像に寄与する有効光線が通過する径（有効領域）である。

１．５＜Ｄ１／Ｄ０＜１５．０ ・・・（１）
条件式（１）の下限を超えると、接合レンズの外径と他のレンズの外径とを揃えることが困難になり、より複雑な鏡筒構造が必要となるため、光学系のコストが高くなる。一方、条件式（１）の上限を超えると、接合レンズの外径と他のレンズの外径とを揃えるための負レンズの材料のコストが高くなる。

好ましくは、条件式（１）の数値範囲は、以下の条件式（１ａ）のように設定される。

２．０＜Ｄ１／Ｄ０＜１４．５ ・・・（１ａ）
より好ましくは、条件式（１）の数値範囲は、以下の条件式（１ｂ）のように設定される。

２．５＜Ｄ１／Ｄ０＜１４．０ ・・・（１ｂ）
好ましくは、接合レンズは、絞りＳ１、Ｓ２の物体側に隣接して配置された第１の接合レンズ（接合レンズＣＥ１１、ＣＥ２１）と、絞りＳ１、Ｓ２の像側に隣接して配置された第２の接合レンズ（接合レンズＣＥ１２、ＣＥ２２）とを含む。より好ましくは、第１の接合レンズおよび第２の接合レンズはそれぞれ、２枚または３枚のレンズからなる。これにより、例えば、接合レンズを容易に製造することができる。また好ましくは、第１の接合レンズは負の屈折力を有し、第２の接合レンズは正の屈折力を有する。また好ましくは、負レンズは、第１の接合レンズを構成する負レンズＬ１２、Ｌ２２である。また好ましくは、負レンズは、光学系を構成する負レンズのうち最も有効径が小さい負レンズである。

好ましくは、光学系１ａ、１ｂを構成するレンズのうち最も外径が大きいレンズの外径をＤ２ｍａｘとするとき、以下の条件式（２）を満足する。

１．０５≦Ｄ２ｍａｘ／Ｄ１≦１．３０ ・・・（２）
また好ましくは、光学系１ａ、１ｂを構成するレンズのうち最も有効径が大きいレンズの有効径をＤｍａｘとするとき、以下の条件式（３）を満足する。

０．８０≦Ｄｍａｘ／Ｄ１≦１．２０ ・・・（３）
なる条件式を満足する。

条件式（１）、（２）の上限または下限を超えると、接合レンズの外径と他レンズの外径を揃えることが困難になり、より複雑な鏡筒構造が必要となり、鏡筒加工のコストが高くなる。

より好ましくは、条件式（２）、（３）の数値範囲は、以下の条件式（２ａ）、（３ａ）のようにそれぞれ設定される。

１．０８≦Ｄ２ｍａｘ／Ｄ１≦１．２８ ・・・（２ａ）
０．８３≦Ｄｍａｘ／Ｄ１≦１．１８ ・・・（３ａ）
更に好ましくは、条件式（２）、（３）の数値範囲は、以下の条件式（２ｂ）、（３ｂ）のようにそれぞれ設定される。

１．１０≦Ｄ２ｍａｘ／Ｄ１≦１．２５ ・・・（２ｂ）
０．８７≦Ｄｍａｘ／Ｄ１≦１．１６ ・・・（３ｂ）
以下、各実施例の光学系の構成について具体的に説明する。

まず、実施例１における光学系１ａについて説明する。図１に示されるように、光学系１ａは、物体側から像側へ順に配置された、負レンズＬ１１、接合レンズＣＥ１１、絞りＳ１、接合レンズＣＥ１２、正レンズＬ１７、および負レンズＬ１８からなる。接合レンズＣＥ１１は、負レンズＬ１２と正レンズＬ１３とからなる。接合レンズＣＥ１２は、正レンズＬ１４と負レンズＬ１５と正レンズＬ１６とからなる。

なお本実施例において、各接合レンズは、正レンズと負レンズとの間に接着剤等を塗布して各レンズを密着して構成されている。また本実施例において、フィルタの有無や波長範囲は限定されるものではない。これらの点は、後述の実施例２に関しても同様である。

表１は、本実施例の光学系１ａの数値データである。本実施例の光学仕様は、焦点距離６ｍｍ、像側Ｆｎｏ２．０、半画角０～６０度に設定されている。設計波長は、４８６．１～６５６．２７ｎｍである。各実施例の硝材は（株）オハラやのＨＯＹＡ（株）の光学ガラスを使用しているが、他の同等品を使用してもよい。

表２は、光学系１ａの非球面形状データである。各実施例の非球面形状は、光軸方向にＺ軸、光軸と垂直方向にｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐係数、Ａ～Ｄをそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数とするとき、以下の式で表される。なお、各非球面係数における「ｅ±ＸＸ」は「×１０^±ＸＸ」を意味している。

図５に示されるように、有効径Ｄ０は、負レンズＬ１２の接合部の凹面部分の有効径である。外径Ｄ１は、負レンズＬ１２の外径である。光学系１ａを構成するレンズのうち最も有効径が大きいレンズの有効径Ｄｍａｘは、正レンズＬ１７の像側の面の有効径である。光学系１ａを構成するレンズのうち最も外径が大きいレンズの外径Ｄ２ｍａｘは、正レンズＬ１７の像側の面の外径である。

図２は、光学系１ａの横収差図である。図２では、光学系１ａの３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）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２を見て分かるように、像面湾曲や色収差等が良好に補正されている。

次に、実施例２における光学系１ｂについて説明する。図３に示されるように、光学系１ｂは、物体側から像側へ順に配置された、負レンズＬ２１、接合レンズＣＥ２１、絞りＳ２、接合レンズＣＥ２２、負レンズＬ２７、正レンズＬ２８、および、正レンズＬ２９からなる。接合レンズＣＥ２１は、負レンズＬ２２と正レンズＬ２３とからなる。接合レンズＣＥ２２は、正レンズＬ２４と負レンズＬ２５と正レンズＬ２６とからなる。なお接合レンズＣＥ２１、ＣＥ２２は、正レンズと負レンズとの間に接着剤等を塗布して各レンズを密着して構成されている。また本実施例において、フィルタの有無や波長範囲は限定されるものではない。

表３は、本実施例の光学系１ｂの数値データである。本実施例の光学仕様は、焦点距離３ｍｍ、像側Ｆｎｏ４、半画角０～７０度に設定されている。設計波長は、４８６．１～６５６．２７ｎｍである。

表４は、光学系１ｂの非球面形状データである。

図６に示されるように、有効径Ｄ０は、負レンズＬ２２の接合部の凹面部分の有効径である。外径Ｄ１は、負レンズＬ２２の外径である。光学系１ｂを構成するレンズのうち最も有効径が大きいレンズの有効径Ｄｍａｘは、正レンズＬ２８の像側の面の有効径である。光学系１ｂを構成するレンズのうち最も外径が大きいレンズの外径Ｄ２ｍａｘは、正レンズＬ２８の像側の面の外径である。

図４は、光学系１ｂの横収差図である。図４では、光学系１ｂの３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）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４を見て分かるように、像面湾曲や色収差等が良好に補正されている。

表５は、各実施例における各条件式の数値データを示す。

次に、図７乃至図９を参照して、各実施例の光学系（光学装置）を備える車載カメラ１００、および車載カメラ１００を備える車載システム（運転支援装置）６００について説明する。図７は、車載カメラ１００およびそれを備える車載システム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１００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８は、車載システム６００を備える移動装置としての車両７００の概略図である。図８においては、車載カメラ１００の撮像範囲５００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５００を車両７００の後方や側方などに設定してもよい。

図７に示されるように、車載システム６００は、車載カメラ１００と、車両情報取得装置２００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）３００と、警告装置（警告部）４００とを備える。また、車載カメラ１００は、撮像部（撮像装置）１０１と、画像処理部１０２と、視差算出部１０３と、距離取得部（取得部）１０４と、衝突判定部１０５とを備えている。画像処理部１０２、視差算出部１０３、距離取得部１０４、及び衝突判定部１０５で、処理部が構成されている。撮像部１０１は、上述した何れかの実施例に係る光学系と、撮像素子（撮像面位相差センサ）とを有する。

図９は、本実施例に係る車載システム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１０１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２００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１０１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１０２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１０１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１０３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１０１により撮像した対象物との間隔情報を、距離取得部１０４によって取得（算出）する。距離情報は、視差算出部１０３により算出された視差情報と、撮像部１０１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２００により取得された車両情報や、距離取得部１０４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１０５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１０５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１０５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３００や警告装置４００に対して通知（送信）する。このとき、制御装置３００は、衝突判定部１０５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４００は、衝突判定部１０５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３００及び警告装置４００の少なくとも一方に対して行えばよい。

制御装置３００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４００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、本実施例に係る車載システム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、上述した実施例に係る光学系を車載システム６００に適用することで、車載カメラ１００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。

本実施例では、車載カメラ１００が撮像面位相差センサを有する撮像部１０１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１００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、様々な実施例が考えられる。一例として、撮像部１０１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（受光部）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１０４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１０４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１０４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や車両７００は、万が一車両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、車両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。

また、上述した実施例では、光学系を車載システムにおける撮像部に適用する場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、光学系をデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、銀塩フィルム用カメラなどの撮像装置に適用してもよいし、望遠鏡等の光学機器やプロジェクタなどの投影装置に適用してもよい。

各実施例によれば、製造が容易でありながら高性能な光学系、撮像装置、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。

Ｓ１、Ｓ２ 絞り（開口絞り）
ＣＥ１１、ＣＥ１２、ＣＥ２１、ＣＥ２２ 接合レンズ
Ｌ１２、Ｌ２２ 負レンズ

Claims (11)

1. 開口絞りと、
   前記開口絞りの物体側または像側の少なくとも一方に隣接して配置された接合レンズと、を有し、
   前記接合レンズは負レンズを含み、
   前記負レンズの有効径をＤ０、前記負レンズの外径をＤ１とするとき、
   １．５＜Ｄ１／Ｄ０＜１５．０
   なる条件式を満足することを特徴とする光学系。
2. 前記開口絞りの物体側に隣接して配置された第１の接合レンズと、前記開口絞りの像側に隣接して配置された第２の接合レンズとを有することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記第１の接合レンズおよび前記第２の接合レンズはそれぞれ、２枚または３枚のレンズからなることを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 前記第１の接合レンズは負の屈折力を有し、前記第２の接合レンズは正の屈折力を有することを特徴とする請求項２または３に記載の光学系。
5. 前記第１の接合レンズは、前記負レンズを含むことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の光学系。
6. 前記負レンズは、前記光学系を構成する負レンズのうち最も有効径が小さい負レンズであ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. 前記光学系を構成するレンズのうち最も外径が大きいレンズの外径をＤ２ｍａｘとするとき、
   １．０５≦Ｄ２ｍａｘ／Ｄ１≦１．３０
   なる条件式を満足す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. 前記光学系を構成するレンズのうち最も外径が大きいレンズの有効径をＤｍａｘとするとき、
   ０．８０≦Ｄｍａｘ／Ｄ１≦１．２０
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学系。
9. 請求項１乃至８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有することを特徴とする撮像装置。
10. 請求項９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有することを特徴とする車載システム。
11. 請求項９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。

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