JP4947563B2 - 結像光学系および距離測定装置 - Google Patents
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Description
0.5< Fno (L2/L3) <1.3
が満たされる。
L2が大きくなるほど、第1反射面103によって反射して第2反射面107に進む光線が第3反射面109によって遮られる光線のケラレの制約が小さくなり、光束径を大きくすることができ、その結果として明るさを向上させることができる。
0.5< Fno (L2/L3) <1.3
を満たすようにL2を定める。Fno (L2/L3)が、下限値より小さい場合には、第2反射面および第3反射面が接触または重複してしまう可能性が生じる。Fno (L2/L3)が、上限値より大きな場合には、等価エフ・ナンバーが2.2以下の場合に、適切なL3に対して、十分な画角(たとえば、±6°以上)を確保することができない。たとえば、特開2004-126510の図24に示された実施の形態6において、
Fno (L2/L3)=1.45
である。この場合に、エフ・ナンバーは、2であるが、画角(対角)は、1°である。また、Fno (L2/L3)が、上限値より大きな場合には、迷光の影響を受けやすくなり、フレア、ゴーストのある画像を生じてしまう。
図65は、凸面としての第1反射面の機能を説明するための図である。図65に示すように、第1反射面を凸面とすると、第1反射面により作成される虚像視野は、実際の視野よりも縮小する。これによって、レイアウト寸法を縮小し、光線のケラレを回避することができる。ここで、光線のケラレとは、具体的に、第1反射面103によって反射して第2反射面107に進む光線が第3反射面109によって遮られることをいう。また、画角を増大させ、像面に入射する画角のテレセントリック性(画面に対して垂直に入射する度合い)を向上させることができる。また、明るさ(Fno.)が向上する。さらに、第1の反射面と第2の反射面との間に遮光板を配置するスペースが確保される。
0< fx1/L3 <5
0< fy1/L3 <10
を満たすようにfx1およびfy1を定める。
0< fx1’/L3 <5
0< fy1’/L3 <10
を満たすようにfx1’およびfy1’を定める。
迷光をできるだけ遮蔽するように、
0.35 < L1/L <0.5
を満たすようにL1を定める。L1/Lが、下限値より小さい場合には、窓板に入射した光線が第一反射面で反射せず直接像面に入射する。すなわち、迷光が像面に入射するリスクが上昇する。また、L1が短くなると、L2が相対的に大きくなる。その結果、たとえば、反射鏡が干渉して全体の結像光学系が実現できなくなる。L1/Lが、上限値より大きな場合には、光学レイアウトサイズ(光学系を設置するのに必要最小限のエリア)が過剰に大きくなる。
(1) 窓板に入射して反射鏡で反射せず直接像面に入射する光線
(2) 窓板に入射して第一反射鏡で反射して直接像面に入射する光線
(3) 窓板に入射して順に第一反射鏡、第二反射鏡で反射して像面に入射する光線
(4) 窓板に入射して光線が順に第一反射鏡、第三反射鏡で反射して像面に入射する光線
(5) 窓板に入射して光線が順に第二反射鏡、第三反射鏡で反射して像面に入射する光線
図66は、結像光学系の視野中心の光軸と像面に入射する光軸が平行である場合の結像光学系の機能を説明するための図である。図66に示すように、結像光学系の視野中心の光軸と像面に入射する光軸が平行であるので、光学系全体を像面に入射する光軸の周りに回転させながら、該光軸方向に移動させても視野範囲(視野角度)が変化しない。したがって、ネジによる回転機構で、光学系全体を該光軸方向に移動させることによってフォーカシングを行うことができる。
3枚の反射面の内、少なくとも一つの反射面を回転非対称面とすることにより、像面湾曲およびコマ収差を小さくすることができる。
反射光学系の反射面の粗さは、透過光学系の面の粗さの半分に抑える必要がある。自由曲面などの回転非対称な面は、直線加工されるので加工痕は直線状となる。3枚の反射面を全て、自由曲面などの回転非対称な面として、X軸またはY軸に沿って加工した場合に、2枚の反射鏡の直線状加工痕が同じ方向となる。この2枚の直線状加工痕と直交する方向にフレアが増大し、解像度が劣化する。他方、直線状加工痕を小さくするにはコストが増加する。そこで、3枚の反射鏡の内の1枚を回転対称非球面とすれば、回転対称な非球面は旋盤で加工することが出来、加工痕も回転対称となるので解像度の劣化が防止できる。
図69は、第1反射面103が絞り105に対して映し出す虚像面1031を含む光路図である。図69に示すように、絞り105におけるYZ断面像面側に対して光路が短くなるようにコマ収差が発生している。
明るさが同じ矩形形状の絞りと円形形状の絞りとを比較すると、たとえば、正方形の直交する辺の方向の開口比は、円形形状の絞りの開口比よりも小さくすることができる。開口比を小さくすることができれば、製造誤差の許容値を大きくすることができる。本発明の結像光学系は、撮像素子に使用されることが多く、その受光部分は矩形であり、矩形の直交する辺の方向の解像度を維持することの重要性が高い。
2/π×(cos-1(λ×fre×Fno)-λ×fre×Fno×(1-(λ×fre×Fno)2)1/2)
によって表せる。正方形の絞りの回折限界は、カットオフ周波数をfre0として
1-1/fre0
と表せる。
本明細書において、実施例1乃至6は、参考例1乃至6と、実施例8乃至15は参考例7乃至14と読み替える。また、実施例7は実施例1と、実施例16は実施例2と読み替える。
表1乃至4は、実施例1乃至16の特性を示す表である。
fx1=(1/4)/C4
と表せる。第1反射面のYZ断面の焦点距離をfy1は、後に示す反射面の形状を表す式におけるY2項の係数C6によって
fy1=(1/4)/C6
と表せる。
Fno×(L2/L3) ・・・式(1)
fx1/L3 ・・・式(2)
fx1’/L3 ・・・式(3)
fy1/L3 ・・・式(4)
fy1’/L3 ・・・式(5)
L1/L ・・・式(6)
表35によれば、第2および第3反射鏡の反射面の形状を表わす式は、Yの奇数乗項を含む。このことは、第2および第3反射鏡の反射面のYZ断面形状は、ローカル座標のZ軸に関して非対称であることを示す。本実施形態においては、効果的に迷光を遮光するように、第1の反射鏡103と第2の反射鏡107との間に、絞りを設置したので、YZ断面における光軸の変化角度が大きくなる。したがって、YZ断面形状がローカル座標のZ軸に関して対称であると、コマ収差または非点収差が大きくなる。そこで、コマ収差または非点収差を小さくするように、YZ断面形状を、ローカル座標のZ軸に関して非対称としている。
図72は、本発明の一実施形態による、結像光学系の製品としての構成を示す図である。第1の反射鏡103と絞り105とを成型品201として構成し、第2の反射鏡107と第3の反射鏡109とを成型品211として構成している。
2)像面のZ軸方向の移動および第1反射面のZ軸方向の移動
3)像面のZ軸方向の移動および第2反射面のY軸方向の移動
4)像面のZ軸方向の移動および第2反射面のZ軸方向の移動
5)像面のZ軸方向の移動および第3反射面のY軸方向の移動
6)像面のZ軸方向の移動および第3反射面のZ軸方向の移動
7)像面のZ軸方向の移動にのみ
1)31.13
2)31.94
3)32.22
4)38.12
5)32.78
6)32.78
7)7.28
図79は、距離測定装置の概念を示す図である。物体(被写体)までの距離を測定・計測するために、当該物体を異なる視点から撮影し、得られる画像間で各画素の対応点を探索し、対応する画素の視差に基づいて、被写体までの距離を得ることができる。ここで、異なる視点間の距離を基線長という。したがって、通常の距離測定装置では、基線長離して配置された二つの結像光学系が使用される。
0< fy1/L3 <5
0< fx1/L3 <10
をさらに満たす。
0< fx1’/L3 <5
0< fy1’/L3 <10
をさらに満たす。
0.35 < L1/L <0.5
をさらに満たす。
Claims (16)
- 3枚の反射鏡を備えた結像光学系であって、視野中心の光軸をZ軸とする、XYZ直交座標系において、XZ断面において光軸の向きを維持しながら、YZ断面において光軸の向きを変化させ、第2反射面に入射する光路と第3反射面から射出される光路とが交差し、視野中心の光軸と像面の光軸とが平行となるように構成され、3枚の反射面の少なくとも一つが回転非対称面であり、
視野中心の光軸に沿った光線の光路に沿って、第2反射面および第3反射面間の距離をL2、第3反射面および像面間の距離をL3、該結像光学系の等価エフナンバーをFnoとして、
第1反射面のXZ断面の焦点距離をfx1、第1反射面のYZ断面の焦点距離をfy1、視野中心の光軸に沿った光線の光路に沿って、第1反射面および第2反射面間の距離をL1、第1反射面および像面間の距離をLとして、
0< fx1/L3 <5
0< fy1/L3 <10
0.35 < L1/L <0.5
をさらに満たす結像光学系。 - 3枚の反射鏡を備えた結像光学系であって、視野中心の光軸をZ軸とする、XYZ直交座標系において、XZ断面において光軸の向きを維持しながら、YZ断面において光軸の向きを変化させ、第2反射面に入射する光路と第3反射面から射出される光路とが交差し、視野中心の光軸と像面の光軸とが平行となるように構成され、3枚の反射面の少なくとも一つが回転非対称面であり、
視野中心の光軸に沿った光線の光路に沿って、第2反射面および第3反射面間の距離をL2、第3反射面および像面間の距離をL3、該結像光学系の等価エフナンバーをFnoとして、
前記窓板および第1反射面のXZ断面の合成焦点距離をfx1’、前記窓板および第1反射面のYZ断面の合成焦点距離をfy1’、視野中心の光軸に沿った光線の光路に沿って、第1反射面および第2反射面間の距離をL1、第1反射面および像面間の距離をLとして、
0< fx1’/L3 <5
0< fy1’/L3 <10
0.35 < L1/L <0.5
をさらに満たす結像光学系。 - 前記第2反射面が回転対称な非球面である請求項1または2に記載の結像光学系。
- 前記結像光学系の収差を減少させるように、視野中心の光軸に沿った光線の光路と前記第第2反射面のとの交点に対して、前記回転対称な非球面の中心を変位させた請求項3に記載の結像光学系。
- 前記第1反射面と前記第2反射面との間に、絞りを備えた請求項1から4のいずれかに記載の結像光学系。
- 前記絞りの形状が矩形である請求項5に記載の結像光学系。
- 中間結像させない、非リレー光学系である、請求項1から6のいずれかに記載の結像光学系。
- 視野中心の光軸と像面の光軸とが異なる向きである、請求項1から7のいずれかに記載の結像光学系。
- 視野中心光軸と像面の光軸とが同じ向きである、請求項1から7のいずれかに記載の結像光学系。
- 第1の反射鏡と第2の反射鏡との間に遮光板を備えた、請求項1から9のいずれかに記載の結像光学系。
- 反射鏡が金属コートされたプラスチックからなる、請求項1から10のいずれかに記載の結像光学系。
- 赤外線に使用される、請求項1から11のいずれかに記載の結像光学系。
- ミリ波またはテラヘルツ波に使用される、請求項1から11のいずれかに記載の結像光学系。
- 前記第2反射面をZ軸方向に移動させて調整を行うことができるように構成された請求項1から13のいずれかに記載の結像光学系。
- 請求項1から14のいずれかに記載の結像光学系を、像面に入射する光軸のまわりに180度回転させるように構成した、距離測定装置。
- 請求項1から14のいずれかに記載の結像光学系を備えた撮像装置。
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