JP5136758B2 - 複合光学系及びこの複合光学系を有する光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、複合光学系及びこの複合光学系を有する光学装置に関する。

監視用途や車載などの屋外でも使用される電子撮像素子を用いたカメラには、様々なものが存在する。これらの光学系では、カメラの画質を良好に維持するための方策、例えばオートゲイン、オートフォーカス、色バランス補正などが施されているのは周知である。画質に寄与する環境条件で極めて重要なのは、窓ガラスを通過して遠方を監視する場合の窓ガラス表面の汚れや曇り、雨による表面の屈折異常の影響である。窓ガラスに付着した表面の汚れや曇り、雨による表面の屈折異常を検知できれば、その雨滴の付着の程度に応じて洗浄するか吹き飛ばすか警告を発することが可能となる。監視用途においても、環境保護用の保護ガラスの表面に雨滴やゴミが付着した際にそれをリアルタイムに検知して、ワイパーを駆動させることにより表面をクリアにして画質を維持することが可能である。屋内から玄関を監視する防犯装置においても、窓ガラスの表面の雨滴やゴミを検知した場合に洗浄するか吹き飛ばす等の対策を講じることが可能である。窓付近、若しくは窓の外の、例えば鍵の開閉状態など着目すべき物体に対しても、その状態をリアルタイムで監視し、異常を認めた場合に、常時異なる視野を見ていた撮像用光学系を異常のある必要な箇所の方向に向けて撮像を続けることが望まれる。なお、このような監視目的等で用いられる光学系には、広角レンズ等が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
特公昭５１−１４０１７号公報

しかしながら、これらの検知装置（センサー）とカメラは従来別の装置として構成されており、設置に当たっては、窓付近にそれぞれ個別に設置して、さらにそれぞれを個別に調整しなければならなかった。すなわち、設置場所に制約を生じ、個別の調整に時間を要し、それぞれのセンサーに受光部を持つなど余分な部材があることから各装置が高価になってしまうという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、撮像用光学系と情報取得用光学系を統合し、合理的な光学配置によって設置場所の自由度を向上させ、調整を容易にし、部材の一部を共用して安価にした複合光学系を提供し、さらに、この複合光学系を有する光学装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る複合光学系は、光を透過する光学部材からなる窓により分割された空間のうち一方の空間に配置され、自空間、及び窓を通した他方の空間の少なくとも一方を撮影する撮像用光学系と、この撮像用光学系により、窓の他方の空間に接する面または当該面上の物体の像を観察する機能を有する情報取得用光学系とからなり、この情報取得用光学系は、少なくとも１枚の正の屈折力を持つ光学部材を有し、且つ、当該情報取得用光学系の後側焦点と撮像用光学系の入射瞳の位置とが一致し、且つ、撮像用光学系の入射瞳位置を瞳とした場合、物体側がテレセントリック光学系であるように配置される。

このような本発明に係る複合光学系において、情報取得用光学系は、当該情報取得用光学系の前側焦点が、窓の他方の空間に接する面上もしくは当該面上の物体に位置するように配置されることが好ましい。

また、このような本発明に係る複合光学系において、情報取得用光学系は、反射系または反射屈折系で構成されることが好ましい。

このとき、情報取得用光学系は、凹面の反射面を少なくとも１面有するように構成されることが好ましい。

あるいは、情報取得用光学系は、凹面の反射面（例えば、実施形態における凹面鏡３１）と凸面の反射面（例えば、実施形態における凸面鏡３２）との各々を少なくとも１面ずつ有するように構成されることが好ましい。

また、このような本発明に係る複合光学系において、情報取得用光学系は、反射系を構成する反射部材若しくは反射屈折系を構成する反射屈折部材を、少なくとも所定の波長の光線を透過する光線透過部材と一体に構成することが好ましい。

このとき、この情報取得用光学系は、光線透過部材が所定の波長以外の光線の光量を制限する部材を有することが好ましい。

また、このような本発明に係る複合光学系において、情報取得用光学系は、凹面の反射面と凸面の反射面とを少なくとも各１面有し、凹面の反射面は軸外しの放物面で構成され、凸面の反射面は、入射瞳の光軸上の位置と凹面の中心とを焦点とする双曲面で構成されることが好ましい。

さらに、このような本発明に係る複合光学系は、撮像用光学系の光軸と情報取得用光学系の光軸とが撮像用光学系の入射瞳の位置で交差し、撮像用光学系の光軸と情報取得用光学系の光軸とのなす角度が、光軸が交差する点を中心として変化可能に構成されることが好ましい。

また、本発明に係る光学装置（例えば、実施形態における撮影システム１０）は、情報取得用光学系の物体面付近を照射する照明光学系と、上述の複合光学系の何れかとから構成される。

あるいは、本発明に係る光学装置は、撮像用光学系の被写体を照明する照明光学系と、上述の複合光学系の何れかとから構成される。

本発明に係る複合光学系及びこの複合光学系を有する光学装置を以上のように構成すると、撮像用光学系と情報取得用光学系とを統合することができ、極めてコンパクトで調整が簡単で部材が少なく安価な光学系を達成することができ、窓の表面状態の情報を取得でき、必要に応じてその情報を周辺装置若しくは撮像用光学系にフィードバックすることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１は、監視カメラの保護用の窓Ｗで分割された空間ＲＩ，ＲＯのうち、一方の空間ＲＩ（例えば、監視カメラの場合であれば、ハウジングの内部）に配置された、撮像用光学系２及び情報取得用光学系３からなる複合光学系１を示している。

撮像用光学系２は、窓Ｗで分割され、この撮像用光学系２が配置された空間ＲＩ内から窓Ｗを通して他方の空間ＲＯ（例えば、監視カメラの場合であれば、ハウジング外部の前方の空間ＲＯ）を撮像する（観察する）ように構成されている。このような撮像用光学系２としては、広角レンズが用いられるのが良い。本実施例では特公昭５１−１４０１７に示された実施例を所定の焦点距離に比例短縮させて用いたが、どのようなレンズを適用しても良い。

情報取得用光学系３は、窓Ｗ側から順に、正の屈折力を有する光学部材３１と負の屈折力を有する光学部材３２とから構成されている。この図１に示す実施例においては、正の屈折力を有する光学部材３１として、窓Ｗ側に凹面３１ａを向けた凹面鏡３１で構成し、負の屈折力を有する光学部材３２として、撮像用光学系２側に凸面３２ａを向けた凸面鏡３２で構成した場合を示している。この情報取得用光学系３は、その後側焦点（情報取得用光学系３に対して窓Ｗ側から入射した光線が集光される焦点）が、撮像用光学系２の入射瞳の位置と一致するように配置されている。すなわち、情報取得用光学系３の後側焦点が、撮像用光学系２の入射瞳面と光軸とが交わる点と一致するかその近傍に位置するように配置されている。また、撮像用光学系２の入射瞳位置をこの情報取得用光学系３の瞳とした場合、情報取得用光学系３は、物体側がテレセントリック光学系となるように構成されている。情報取得用光学系３をこのように配置することにより、この情報取得用光学系３に入射した光線の全てを撮像用光学系２で取り込むことができる。

照明光学系４は、窓Ｗの内側あるいは外側に適宜配置可能であるが、図１には示していない。図１の場合は無くても構わない。照明光学系４を用いない場合は、背景の散乱光が入射するので、背景の像と窓Ｗの表面の像が重畳されるが、窓Ｗの表面Ｗａに情報取得用光学系３の前側焦点があるので、窓表面Ｗａの像がより鮮明に観察される。ここで、例えば降雨により窓Ｗの外側の面（空間ＲＯ側の面）に雨滴が付着すると、観察面Ｗａにおいて雨滴が付着している部分では光線の屈折異常が起こり、この観察面Ｗａの像を撮像用光学系２で集光して結像することにより撮像素子で、画像の歪み及び明暗コントラストの強調により雨滴の状態を検出することができる。

以上で説明した図１においては、情報取得用光学系３を、凹面鏡３１の凹面（反射面）３１ａと凸面鏡３２の凸面（反射面）３２ａとからなる反射系で構成した場合について説明したが、図２に示すように、窓Ｗから順に、両凸レンズ３３と窓Ｗ側に凹面を向けた負メニスカスレンズ３４とを貼り合わせた正接合レンズ３５で構成することも可能である（ここで、図２においては、照明光学系４は省略している）。すなわち、この情報取得用光学系３は、少なくとも１枚の正の屈折力を有する光学部材（例えば、上述の正接合レンズ３５）で構成することが可能である。また、この図１及び図２以外にも、情報取得用光学系３として、反射系にレンズ等の屈折系を加えた反射屈折系で構成することも可能である。

なお、情報取得用光学系３を反射系または反射屈折系で構成する場合は、窓Ｗの観察面Ｗａで反射した照明光を集光するためには、この情報取得用光学系３に凹面の反射面を少なくとも１面設ける（図１の場合は凹面鏡３１の凹面３１ａを設けている）必要があり、さらに、凹面の反射面と凸面の反射面とを少なくとも各１面設けることにより（図１の場合は、凹面鏡３１の凹面３１ａ及び凸面鏡３２の凸面３２ａを設けている）ペッツヴァル和を小さくして像面湾曲を低減させることができる。さらに、コマ収差等の諸収差を補正して観察面Ｗａの良好な画像を得るためには、凹面鏡３１の凹面（反射面）３１ａを軸外しの放物面で構成し、凸面鏡３２の凸面（反射面）３２ａを、撮像用光学系２の入射瞳の光軸上の位置と凹面鏡３１の凹面（反射面）３１ａの中心とを焦点とする双曲面で構成することが望ましい。

さらに具体的には、正の屈折力を有する光学部材３１は放物面の焦点を通り、入射光に平行な光軸を回転軸とする凹面の回転放物面であり、負の屈折力を有する光学部材３２は、光学部材３１の焦点を第一の焦点、撮像用光学系２の入射軸の位置を第二の焦点とし、二つの焦点を結ぶ直線を回転軸とする凸面の回転対称双曲面の場合、収差が無く撮像用光学系２の入射瞳に理想的に光線を集中させることができ、結果として撮像用光学系２に光量の損失が無く且つ諸収差が補正された光線を導き入れることが可能である。また、光学部材３１と光学部材３２とは、それぞれ上記の軸を回転軸とする近似球面による回転体であっても充分良好であり、加工が容易でコストの比較的安い光学系を得ることが可能である。なお、各反射面が球面または他の非球面形状を持つ非球面で構成されていても構わない。

ところで、空間ＲＩ内に、上述のような凹面鏡３１及び凸面鏡３２のそれぞれを単体で精度良く配置するのは困難である。そのため、少なくとも所定の波長の光線、すなわち、照明光学系４により照射される照明光（例えば赤外光）を透過する光線透過部材に、凹面鏡３１及び凸面鏡３２の反射面３１ａ，３２ａに相当する曲面を形成してその上に反射層を形成することにより、情報取得用光学系３の反射系若しくは反射屈折系を一体に構成することが望ましい。これにより、この情報取得用光学系３の配置が容易になり、また、複合光学系１全体の調整も容易に行うことができる。このとき、光線透過部材として、上述の照明光は透過するが、それ以外の波長の光線についてはその光量を制限するような光学材料を用いることにより、照明光以外の光（例えば、ハウジング内ＲＩから発せられた光や、外部の空間ＲＯから窓Ｗを透過して情報取得用光学系３に入射する自然光）を除去することができるので、観察面Ｗａの像を精度良く取得することができる。

また、このような複合光学系１を空間ＲＩ側に設置する場合、撮像用光学系２を窓Ｗに対して自由な方向に向けたい場合がある。上述のように、情報取得用光学系３の後側焦点は、撮像用光学系２の入射瞳面と光軸とが交わる点、言い換えると、情報取得用光学系３と撮像用光学系２の光軸が交わる点若しくはその近傍に位置するように配置されている。そのため、複合光学系１を構成する撮像用光学系２を、入射瞳の位置（入射瞳面と光軸とが交わる位置）若しくはその近傍を中心に回転可能に構成することにより、情報取得用光学系３の窓Ｗに対する角度の違いに対応させることができる。図３は、撮像用光学系２を、図２に比較して２５度、入射瞳の位置を中心に回転させた場合を示している。

図４は、この複合光学系１を屋内に設置し、略垂直に延びるように配置された窓Ｗを通して屋外を監視若しくは撮影する防犯カメラ装置等にも適用する実施形態である。本実施形態の場合は、照明光学系４を明視野光源として使用している。本実施形態の照明光学系４は、所定の波長の照明光（例えば赤外光）を放射する光源４１と、この光源４１から放射された照明光を集光して平行光束に変換するコンデンサレンズ４２とから構成されている。この照明光学系４は、外界の空間ＲＯから窓Ｗに対して平行光束となった照明光を照射するように構成されている。この照明光は、窓Ｗに入射するが、この窓Ｗと空間ＲＯとの境界面（以降の説明においては、この照明光が照射された境界面を「観察面Ｗａ」と呼ぶ）を透過して、情報取得用光学系３に入射し、凹面鏡３１で反射してさらに撮像用光学系２に入射し、この撮像用光学系２で集光されて、その像面Ｉに配置された撮像素子（図１においては図示せず）により窓Ｗの像（窓Ｗと空間ＲＯとの境界面、すなわち、観察面Ｗａの像）として検出される。

ここで、例えば降雨により窓Ｗの外側の面（空間ＲＯ側の面）に雨滴が付着すると、窓Ｗの屈折率と雨滴（水）の屈折率の差が小さいため、観察面Ｗａにおいて雨滴が付着している部分では、光学的に平面ではなくなり、平行光の一部が平行ではなく乱れて透過し、一部の光線は光路から外れてしまう。そのため、情報取得用光学系３の前側焦点近傍に観察面Ｗａが位置するようにこの複合光学系１を配置すると、この観察面Ｗａの像を撮像用光学系２で集光して結像することにより、通常の画像よりは明暗が強調された画像を撮像素子で検出することができる。このとき、撮像素子で検出した観察面Ｗａの像の強度が高いほどその画像を明るく表示するとした場合、雨滴が付着している部分だけが黒い画像となるので、この画像を解析することにより、窓Ｗにおける外側の空間ＲＯとの境界面の状態、すなわち、観察面Ｗａに雨滴等が付着しているか否かを検出することができる（窓Ｗの状態を検出するための撮像装置の構成については後述する）。

観察面Ｗａに雨滴以外の、例えば泥や葉などが付着した場合も黒い画像となって識別される。撮像エリアＲＯが明るい場合、情報取得用光学系３の像と重畳して見分け難い場合があり得るが、発光ダイオード（ＬＥＤ）をパルス発光させ、変調を掛けることで観察面Ｗａの情報を切り分ける手段が有効である。情報取得用光学系３に上述の波長選択光学材料を用いることにより、照明光以外の光（例えば、家屋内ＲＩから発生られた光や、外部の空間ＲＯから窓Ｗを透過して情報取得用光学系３に入射する自然光）を除去することも有効である。

図５は、上述の複合光学系１を有し、例えば監視用カメラのハウジングの窓Ｗを通して前方の状況を撮影する撮影システム１０の構成を示している。この撮影システム１０は、上述のように窓Ｗで区切られたハウジング内に配置される画像記録装置８と、窓Ｗの観察面に照明光を照射する照射光学系４と、画像記録装置８で生成された画像から窓Ｗの観察面の状態を検出する制御部９とから構成されている。ここで画像記録装置８は、上述の複合光学系１と、この複合光学系１を構成する撮像用光学系２の撮像面に配置されて撮像用光学系２により結像された像を検出する撮像素子５と、撮像素子５より出力された電気信号から被写体の画像を生成する画像処理部６と、この画像処理部６で生成された画像を記憶する画像記憶部７とから構成され、画像処理部６で生成された画像は、制御部９にも出力されるように構成されている。

図６は、撮像用光学系２で結像されて撮像素子５で検出された信号を、画像処理部６で画像５０として生成したものであり、この画像５０の一部に情報取得用光学系３で集光し、撮像用光学系２で結像した観察面の像５１が含まれる。そのため、制御部９でこの観察面の像５１を上述の方法で解析することにより、窓Ｗの観察面の状態（外部との境界面の状態）を検出することができる。例えば、観察面の像５１に雨滴の像５２が含まれており、観察面に雨滴が付着していると判断した場合は、制御部９により駆動系統（風、温風、ワイパー等）を制御して雨滴を除去することができ、これにより、画像記録装置８で記録される画像の画質を維持することができる。

本発明に係る複合光学系の構成を説明するための説明図である。 上記複合光学系を屈折系で構成した場合を示す説明図である。 複合光学系を構成する撮像用光学系を回転させた場合を示す説明図である。 住宅のように窓が略垂直方向に延びるように配置されている場合の、複合光学系の配置について説明するための説明図である。 撮影システムの構成を示すブロック図である。 上記撮影システムで撮影された画像を示す説明図である。

符号の説明

１ 複合光学系 ２ 撮像用光学系 ３ 情報取得用光学系 ４ 照明光学系
１０ 撮影システム（光学装置） ３１ 凹面鏡 ３２ 凸面鏡
４１ 光源 ４２ コンデンサレンズ Ｗ 窓 Ｗａ 観察面

Claims (11)

1. 光を透過する光学部材からなる窓により分割された空間のうち一方の空間に配置され、自空間、及び前記窓を通した他方の空間の少なくとも一方を撮影する撮像用光学系と、
   前記撮像用光学系により、前記窓の前記他方の空間に接する面または当該面上の物体の像を観察する機能を有する情報取得用光学系とからなり、
   前記情報取得用光学系は、少なくとも１枚の正の屈折力を持つ光学部材を有し、且つ、当該情報取得用光学系の後側焦点と前記撮像用光学系の入射瞳の位置とが一致し、且つ、前記撮像用光学系の入射瞳位置を瞳とした場合、物体側がテレセントリック光学系であるように配置されている複合光学系。
2. 前記情報取得用光学系は、当該情報取得用光学系の前側焦点が、前記窓の前記他方の空間に接する前記面上若しくは当該面上の物体に位置するように配置された請求項１に記載の複合光学系。
3. 前記情報取得用光学系は、反射系または反射屈折系で構成された請求項１または２に記載の複合光学系。
4. 前記情報取得用光学系は、凹面の反射面を少なくとも１面有するように構成された請求項３に記載の複合光学系。
5. 前記情報取得用光学系は、凹面の反射面と凸面の反射面との各々を少なくとも１面ずつ有するように構成された請求項３に記載の複合光学系。
6. 前記情報取得用光学系は、前記反射系を構成する反射部材若しくは前記反射屈折系を構成する反射屈折部材を、少なくとも所定の波長の光線を透過する光線透過部材と一体に構成した請求項３〜５いずれか一項に記載の複合光学系。
7. 前記情報取得用光学系は、前記光線透過部材が、前記所定の波長以外の光線の光量を制限する部材を有する請求項６に記載の複合光学系。
8. 前記情報取得用光学系は、凹面の反射面と凸面の反射面とを少なくとも各１面有し、
   前記凹面の反射面は軸外しの放物面で構成され、
   前記凸面の反射面は、前記入射瞳の光軸上の位置と前記凹面の中心とを焦点とする双曲面で構成された請求項３〜７いずれか一項に記載の複合光学系。
9. 前記撮像用光学系の光軸と前記情報取得用光学系の光軸とが前記撮像用光学系の前記入射瞳の位置で交差し、
   前記撮像用光学系の光軸と前記情報取得用光学系の光軸とのなす角度が、前記光軸が交差する点を中心として変化可能に構成された請求項１〜８いずれか一項に記載の複合光学系。
10. 前記情報取得用光学系の物体面付近を照明する照明光学系と、
    請求項１〜９いずれか一項に記載の複合光学系とから構成された光学装置。
11. 前記撮像用光学系の被写体を照明する照明光学系と、
    請求項１〜９いずれか一項に記載の複合光学系とから構成された光学装置。

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