JP6661301B2 - ステレオ光学系および撮像装置 - Google Patents
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Description
前記第1及び第2の結像光学系の夫々における少なくとも一つの反射面を保持する共通の鏡筒部材とを備え、
前記少なくとも一つの反射面は、前記鏡筒部材の表面に形成された中空ミラーであることを特徴とする。
1)光学座標系等の定義
図12は、各実施形態のステレオ撮像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。各実施形態において、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1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12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。
また、後述する各実施形態では、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、Ndi、νdiは第i面と第(i+1)面間の媒質の屈折率とアッベ数である。後述する第1の実施形態、第3の実施形態、第4の実施形態では、面間の媒質を空気としている。第2の実施形態では、最も物体側に負レンズと正レンズからなる接合レンズが存在する例を示す。なお、E−Xは、10−Xを表す。
本発明の各実施形態に係るステレオ撮像光学系(被写体からの光束を夫々の結像面(第1および第2の結像面)に設けられる第1および第2の撮像素子に集光する第1および第2の結像光学系)は、以下のような考えに基づいて発明されたものである。
本発明の各実施形態では、ステレオ撮像光学系を構成する第1の結像光学系と第2の結像光学系がそれぞれ複数の反射面を有し、反射面が表面に形成された少なくとも一つの鏡筒部材を有する。鏡筒部材の表面に反射面が形成された中空ミラー構成とすることで、色収差を補正する必要が無く、少ない部品点数でF値が明るく結像性能が高い状態を維持できる。また、鏡筒部材の表面に反射面が一体的に形成されるため、製造誤差による結像性能の劣化を低減できる。
次に、本発明の更なる具体的な構成例として、本発明の第1の実施形態のステレオ撮像光学系STOの基本的な構成を説明する。図1(A)に示すように、ステレオ撮像光学系STOは、それぞれが複数の反射面を備える第1の結像光学系LO1と第2の結像光学系LO2を有する。第1、第2の結像光学系LO1、LO2は、最も物体側に第1、第2の開口部SP1、SP2を有する。また、第1、第2の結像光学系LO1、LO2の結像面には、第1、第2の撮像素子IMG1、IMG2が配置される。
d≦D ・・・(1)
を満たす(上記条件式を満足する)関係に相当する。図1(A)においてもdとDの対応関係を記述した。こうすることで、小型化と基線長を長くすることが両立できるため、小型化しつつも距離測定精度の向上が見込まれる。
D<Od×2 ・・・(2)
を満たすことが好ましい。
ωV<ωH ・・・(3)
なる条件を満たしていることが好ましい。
3.0<D/Sd<50.0 ・・・(4)
なる条件を満足することが好ましい。こうすることで距離測定に必要な基線長の維持と結像光学系LO1、LO2の全長の小型化を両立できるため好ましい。条件式(4)の上限値を超えてしまうと、撮像素子の大きさに比較して、全長が長くなりすぎてしまう。そうすると小型化ができなくなるため好ましくない。一方条件式(4)の下限値を超えてしまうと、小型化には有効であるが、基線長が短くなりすぎてしまう。そうすると、距離測定精度や3D形状取得精度が劣化してしまうため好ましくない。
また条件式(4a)は更に好ましくは次の如く設定するのが良い。
また条件式(4b)は更に好ましくは次の如く設定するのが良い。
そして、前記基線長Dと前記光学座標系の原点位置から結像面上の基準軸位置までの基準軸上の長さOdは、
0.10<D/(Od×2)<1.50 ・・・(5)
なる条件を満足することが好ましい。こうすることで各結像光学系LO1、LO2の光路の全長の総和に対して、ステレオ撮像光学系全体を小型化しつつも基線長をある程度確保することで距離測定精度や3D形状取得精度を高精度に維持することができるため好ましい。
また条件式(5a)は更に好ましくは次の如く設定するのが良い。
また条件式(5b)は更に好ましくは次の如く設定するのが良い。
そして、結像光学系LO1とLO2は結合部α(図1(A))で結合されていることが好ましい。結合部αは、第1の開口部と第1の結像光学系を構成する複数の反射面と第1の撮像素子のいずれかと、第2の開口部と第2の結像光学系を構成する複数の反射面と第2の撮像素子のいずれかとの間隔のうち最小の間隔である。結合部αの長さαdが長すぎるとステレオ撮像光学系STOの小型化が困難になり、長さαdが短すぎると、結像光学系LO1、LO2間での不要光のクロストークが生じてしまう。具体的には、
0.1<αd/Sd<3.0 ・・・(6)
なる条件を満足することが好ましい。
また条件式(6a)は更に好ましくは次の如く設定するのが良い。
各条件式の数値については後述する数値実施例の部分に記述する。
本実施形態のステレオ撮像光学系の基本的な構成を、図4を参照して説明する。本実施形態のステレオ撮像光学系は、隣り合う反射ミラー間の間隔を狭めることでより一層空間を有効に利用した点が第1の実施形態と異なる。また、開口部SP1、SP2付近(本実施形態では開口部SP1、SP2よりも物体側)に全体として正のパワーを有する負レンズと正レンズからなる接合レンズを配置した点が、第1の実施形態と異なる。この接合レンズは第1の鏡筒部材U1により保持されている。
本実施形態のステレオ撮像光学系の基本的な構成を、図7を参照して説明する。本実施形態のステレオ撮像光学系は、反射面のレイアウトと鏡筒部材の分け方が第1、第2の実施形態と異なる。本実施形態では、第1面R1が開口部SP1、SP2であり、第2面R2から第5面R5までが反射面である。図7において、結像光学系LO1と結像光学系LO2を構成する反射面R2〜R5は、いずれも回転非対称形状を有し、前述したように基準軸が折れ曲がったOff−Axial光学系(オフアキシャル光学系)を構成している。
本実施形態のステレオ撮像光学系の基本的な構成を、図10を参照して説明する。本実施形態のステレオ撮像光学系STOは、結像光学系LO1、LO2の配置や鏡筒の分かれ方が第1の実施形態と異なる。本実施形態のステレオ撮像光学系STOに対するユニット座標系(Xu,Yu,Zu)を、図10に示すように定義する。
物体面から開口部SP1、SP2までの距離は無限大で、画角は、x:±20度、y:±40度である。焦点距離はx:5.037mm、y:3.534mmである。像面サイズはx:3.6mm、y:4.8mmである。入射瞳径はEo:1.0mm、Er:2.0mmである。本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第1の実施形態で示した式により与えられる。
面番号 Xi Yi Zi Di θxi θyi
1(SP) 0.00 0.00 0.00 8.51 0.00 0.00 絞り
2(R2) 0.00 0.00 8.51 10.00 14.49 0.00 反射面
3(R3) 0.00 -4.84 -0.24 15.00 -42.00 0.00 反射面
4(R4) 0.00 -17.14 8.36 16.00 46.00 0.00 反射面
5(R5) 0.00 -26.76 -4.42 15.00 -38.00 0.00 反射面
6(R6) 0.00 -36.20 7.23 14.00 38.00 0.00 反射面
7(R7) 0.00 -44.62 -3.95 17.00 -35.00 0.00 反射面
8(R8) 0.00 -53.89 10.30 17.50 25.00 0.00 反射面
像面 0.00 -59.00 -6.44 -39.45 0.00
第2面
C20 = -4.3869E-02 C02 = -4.1827E-02 C21 = -3.4125E-04
C03 = -8.8032E-04 C40 = -3.7856E-05 C22 = -8.2541E-05
C04 = -1.6463E-04 C41 = 3.0014E-06 C23 = -4.6700E-08
C05 = -4.2411E-07 C60 = -1.0431E-07 C42 = -1.9843E-07
C24 = -6.6127E-07 C06 = 4.8084E-07
C20 = -2.3740E-02 C02 = -2.4368E-02 C21 = 1.7622E-03
C03 = 5.8677E-04 C40 = 1.2200E-04 C22 = 4.6065E-04
C04 = -4.9268E-04 C41 = -2.7880E-05 C23 = -8.8763E-05
C05 = -5.0651E-05 C60 = 1.3632E-06 C42 = -1.0560E-05
C24 = 4.2522E-06 C06 = 1.9363E-06
C20 = 1.8541E-03 C02 = -3.6875E-03 C21 = 2.2686E-03
C03 = -3.1075E-04 C40 = 1.2488E-04 C22 = 3.1779E-05
C04 = -1.4102E-05 C41 = 1.1743E-05 C23 = -1.4212E-06
C05 = 1.1584E-07 C60 = 3.4205E-07 C42 = 4.7139E-07
C24 = -7.1675E-08 C06 = 2.3529E-08
C20 = 9.8323E-03 C02 = 1.0636E-02 C21 = 1.2754E-03
C03 = -2.2670E-04 C40 = 7.5215E-06 C22 = -2.2311E-05
C04 = -2.6631E-06 C41 = 7.2752E-07 C23 = 1.3484E-06
C05 = -1.5488E-07 C60 = 8.8763E-09 C42 = 2.9625E-08
C24 = -4.8850E-08 C06 = 1.2589E-09
C20 = -6.9915E-03 C02 = 1.6563E-02 C21 = 1.5237E-03
C03 = -6.2611E-04 C40 = 1.1710E-05 C22 = 1.2367E-05
C04 = 4.7929E-05 C41 = 7.3576E-07 C23 = 5.2673E-06
C05 = 8.3185E-07 C60 = -1.7492E-08 C42 = 2.4955E-07
C24 = 8.9700E-08 C06 = -2.1974E-07
C20 = -3.6429E-03 C02 = 1.1157E-03 C21 = 5.5813E-05
C03 = -9.1500E-06 C40 = -1.2252E-05 C22 = 2.0069E-05
C04 = -2.3172E-05 C41 = -1.3145E-06 C23 = -2.2113E-06
C05 = -1.3773E-08 C60 = -1.0558E-07 C42 = 4.3553E-08
C24 = 2.4969E-07 C06 = -1.4647E-07
C20 = -6.9890E-03 C02 = -1.5332E-02 C21 = -4.4602E-04
C03 = 3.1568E-06 C40 = -1.8619E-05 C22 = 2.1667E-05
C04 = -6.3927E-06 C41 = 4.4032E-07 C23 = -2.0847E-06
C05 = 1.1322E-07 C60 = -2.9870E-08 C42 = -4.1341E-08
C24 = 1.2417E-07 C06 = -2.4008E-08
d=12.0mm
ωV=20度
ωH=40度
Sd=6.0mm
Od=113.01mm
αd=2.0mm
物体面から開口部SP1、SP2までの距離は無限大で、画角は、x:±20度、y:±40度である。焦点距離はx:5.141mm、y:3.906mmである。像面サイズはx:3.6mm、y:4.8mmである。入射瞳径はEo:1.0mm、Er:2.0mmである。本実施例の屈折面は全て球面であり、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、第1の実施形態で示した式により与えられる。
面番号 Xi Yi Zi Di θxi θyi
1(R1) 0.00 0.00 0.00 0.10 0.00 0.00 屈折面
2(R2) 0.00 0.00 0.10 0.50 0.00 0.00 屈折面
3(R3) 0.00 0.00 0.60 0.30 0.00 0.00 屈折面
4(SP) 0.00 0.00 0.90 8.75 0.00 0.00 絞り
5(R5) 0.00 0.00 9.65 10.00 13.62 0.00 反射面
6(R6) 0.00 -4.58 0.76 10.00 -33.00 0.00 反射面
7(R7) 0.00 -10.84 8.56 10.50 22.00 0.00 反射面
8(R8) 0.00 -11.79 -1.90 11.50 -32.00 0.00 反射面
9(R9) 0.00 -21.63 4.06 12.50 38.00 0.00 反射面
10(R10) 0.00 -25.33 -7.88 13.00 -39.00 0.00 反射面
11(R11) 0.00 -36.68 -1.53 15.00 35.00 0.00 反射面
像面 0.00 -39.08 -16.33 -22.62 0.00
第1面
R1 = 11.000
Nd1 = 1.80000
νd1 = 29.8
R2 = 2.540
Nd2 = 1.64769
νd2 = 33.7
R3 = -30.000
第5面
C20 = -5.0969E-02 C02 = -4.1243E-02 C21 = -5.3649E-04
C03 = -7.2246E-04 C40 = -1.7140E-04 C22 = -1.9679E-04
C04 = -4.4895E-04 C41 = -6.3791E-06 C23 = -6.1061E-06
C05 = 8.0118E-06 C60 = 1.4017E-06 C42 = -3.5990E-07
C24 = -8.4577E-07 C06 = 4.1800E-06
C20 = -7.5293E-02 C02 = -4.7146E-02 C21 = -3.2272E-03
C03 = 4.2519E-03 C40 = -1.1678E-03 C22 = 5.0381E-04
C04 = -1.7156E-03 C41 = -2.7783E-04 C23 = -9.8775E-05
C05 = 1.9814E-04 C60 = -8.0862E-05 C42 = -1.6956E-04
C24 = -1.6706E-04 C06 = -8.1387E-05
C20 = -1.5244E-02 C02 = -1.7240E-02 C21 = 4.5725E-04
C03 = -2.0331E-04 C40 = -1.5889E-06 C22 = 5.9336E-06
C04 = -8.3894E-05 C41 = 9.0414E-07 C23 = -7.7816E-06
C05 = -4.0386E-06 C60 = -8.0813E-09 C42 = -1.3439E-07
C24 = -6.6998E-07 C06 = -2.8186E-08
C20 = 9.5350E-03 C02 = 2.6542E-03 C21 = 1.4014E-03
C03 = -5.3744E-04 C40 = -1.8998E-05 C22 = 2.0609E-05
C04 = -1.1697E-04 C41 = 2.1181E-07 C23 = 3.0020E-06
C05 = -7.1519E-06 C60 = -1.0379E-08 C42 = 1.7227E-08
C24 = 2.2932E-07 C06 = -6.7725E-07
C20 = -4.0909E-03 C02 = 4.7487E-03 C21 = 2.0379E-03
C03 = -2.6956E-04 C40 = -1.9919E-05 C22 = 6.2788E-05
C04 = -4.6328E-05 C41 = -1.6873E-06 C23 = -3.1482E-06
C05 = 2.7175E-06 C60 = -6.5891E-09 C42 = -1.2154E-07
C24 = -1.2457E-07 C06 = 2.8098E-07
C20 = -9.2407E-03 C02 = 4.9648E-03 C21 = 1.0413E-03
C03 = 1.2610E-04 C40 = -8.4390E-05 C22 = -3.4532E-05
C04 = -8.7857E-06 C41 = 6.9568E-06 C23 = 8.4359E-07
C05 = 9.7433E-07 C60 = -5.1432E-07 C42 = -1.7306E-07
C24 = -7.8572E-08 C06 = -7.7926E-09
C20 = -1.4684E-02 C02 = -1.0805E-02 C21 = -3.1454E-04
C03 = 1.8511E-04 C40 = -1.2639E-05 C22 = 5.5947E-06
C04 = -2.1845E-06 C41 = -1.6372E-07 C23 = -1.5060E-06
C05 = 8.4211E-07 C60 = -9.5998E-08 C42 = 6.8816E-08
C24 = 6.1045E-08 C06 = -4.3012E-08
d=21.0mm
ωV=20度
ωH=40度
Sd=6.0mm
Od=92.15mm
αd=5.0mm
物体面から開口部SP1、SP2までの距離は無限大で、画角は、x:±20度、y:±30度である。焦点距離はx:5.081mm、y:4.262mmである。像面サイズはx:3.6mm、y:4.8mmである。入射瞳径はEo:1.0mm、Er:2.0mmである。本実施例の反射面は、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、第1の実施形態で示した式により与えられる。
面番号 Xi Yi Zi Di θxi θyi
1(SP) 0.00 0.00 0.00 9.00 0.00 0.00 絞り
2(R2) 0.00 0.00 9.00 7.00 -23.00 0.00 反射面
3(R3) 0.00 5.04 4.14 20.00 -28.00 0.00 反射面
4(R4) 0.00 -14.53 -0.02 5.00 25.00 0.00 反射面
5(R5) 0.00 -10.59 -3.10 10.00 35.00 0.00 反射面
像面 0.00 -7.50 6.41 0.00 0.00
第2面
C20 = -2.9022E-02 C02 = -3.4324E-02 C21 = -2.3165E-04
C03 = 1.1589E-04 C40 = 2.2586E-05 C22 = 1.7022E-04
C04 = -9.9750E-05 C41 = 8.1068E-06 C23 = -2.2951E-05
C05 = 5.8400E-06 C60 = 2.6878E-08 C42 = -3.7489E-06
C24 = 5.0980E-07 C06 = 2.9150E-07
C20 = 1.4027E-02 C02 = -1.1903E-04 C21 = -7.9665E-04
C03 = -2.9224E-03 C40 = 5.4131E-06 C22 = -8.3118E-05
C04 = 4.3614E-04 C41 = -8.1909E-08 C23 = 4.9785E-05
C05 = 3.9710E-05 C60 = 3.7996E-07 C42 = -4.1703E-06
C24 = -5.3675E-06 C06 = -7.5526E-06
C20 = -1.9784E-02 C02 = -2.1337E-02 C21 = -4.3184E-04
C03 = 4.5177E-05 C40 = 6.4395E-05 C22 = 1.4942E-04
C04 = -2.9872E-05 C41 = -3.2194E-05 C23 = -2.1870E-05
C05 = 2.3290E-06 C60 = -9.9196E-08 C42 = 5.7944E-06
C24 = 6.2313E-07 C06 = 8.3017E-07
C20 = 2.5506E-02 C02 = 8.6691E-03 C21 = 3.8228E-04
C03 = 4.0033E-04 C40 = 8.5048E-05 C22 = 3.3772E-04
C04 = -1.2191E-05 C41 = -1.6195E-05 C23 = 3.1420E-05
C05 = -1.0146E-05 C60 = -1.4193E-06 C42 = -8.7896E-08
C24 = -4.9093E-06 C06 = 2.3095E-06
d=21.85mm
ωV=20度
ωH=30度
Sd=6.0mm
Od=51.0mm
αd=7.0mm
各結像光学系の仕様や面データと回転非対称面データは数値実施例1と同じであるため省略する。また、図11(A)に示す配置における各諸量は以下の通りである。
d=49.0mm
ωV=20度
ωH=40度
Sd=6.0mm
Od=113.01mm
αd=1.0mm
βd=10.0mm
D=59.0mm
d=59.0mm
ωV=20度
ωH=40度
Sd=6.0mm
Od=113.01mm
αd=1.0mm
βd=0.0mm
表1に、本発明の各数値実施例における前記条件式に対応する諸量を示す。
Claims (19)
- 夫々が複数の反射面を備える第1及び第2の結像光学系と、
前記第1及び第2の結像光学系の夫々における少なくとも一つの反射面を保持する共通の鏡筒部材とを備え、
前記少なくとも一つの反射面は、前記鏡筒部材の表面に形成された中空ミラーであることを特徴とするステレオ光学系。 - 前記鏡筒部材は樹脂材料で構成されていることを特徴とする請求項1に記載のステレオ光学系。
- 前記少なくとも一つの反射面は、反射膜であることを特徴とする請求項1に記載のステレオ光学系。
- 前記第1及び第2の結像光学系の夫々における物体側から数えたときの面番号が奇数となる反射面を保持する第1の鏡筒部材と、前記第1及び第2の結像光学系の夫々における物体側から数えたときの面番号が偶数となる反射面を保持する第2の鏡筒部材とを有することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載のステレオ光学系。
- 前記少なくとも一つの反射面は、パワーを有することを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載のステレオ光学系。
- 前記第1及び第2の結像光学系の夫々は、前記複数の反射面から成ることを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載のステレオ光学系。
- 前記第1及び第2の結像光学系の夫々は、正レンズを有することを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載のステレオ光学系。
- 前記第1及び第2の結像光学系の夫々は、負レンズと正レンズが接合されて成る正の屈折力の接合レンズを有することを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載のステレオ光学系。
- 前記第1及び第2の結像光学系の夫々は、物体の中間像を形成することを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載のステレオ光学系。
- 前記鏡筒部材には前記第1及び第2の結像光学系の夫々に入射する光を通過させる第1及び第2の開口が設けられており、該第1及び第2の開口は楕円形であることを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載のステレオ光学系。
- 請求項1乃至10の何れか一項に記載のステレオ光学系と、前記第1及び第2の結像光学系の夫々からの光を受光する第1及び第2の撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
- 前記第1及び第2の撮像素子の夫々は、前記鏡筒部材により保持されていることを特徴とする請求項11に記載の撮像装置。
- 前記第1及び第2の撮像素子の夫々は、可視領域及び近赤外領域の光を用いた撮像が可能であることを特徴とする請求項11または12に記載の撮像装置。
- 前記鏡筒部材には前記第1及び第2の結像光学系の夫々に入射する光を通過させる第1及び第2の開口が設けられており、該第1及び第2の開口の中心間の距離をD、前記第1及び第2の撮像素子の夫々の撮像面の中心間の距離をdとするとき、
d≦D
なる条件式を満足することを特徴とする請求項11乃至13の何れか一項に記載の撮像装置。 - 前記鏡筒部材には前記第1及び第2の結像光学系の夫々に入射する光を通過させる第1及び第2の開口が設けられており、該第1及び第2の開口の中心間の距離をD、前記第1の開口の中心から前記第1の撮像素子の撮像面の中心までの基準軸上での長さをOdとするとき、
D<Od×2
なる条件式を満足することを特徴とする請求項11乃至14の何れか一項に記載の撮像装置。 - 前記鏡筒部材には前記第1及び第2の結像光学系の夫々に入射する光を通過させる第1及び第2の開口が設けられており、該第1及び第2の開口の中心間の距離をD、前記第1の開口の中心から前記第1の撮像素子の撮像面の中心までの基準軸上での長さをOdとするとき、
0.10<D/(Od×2)<1.50
なる条件式を満足することを特徴とする請求項11乃至14の何れか一項に記載の撮像装置。 - 前記鏡筒部材には前記第1の結像光学系に入射する光を通過させる第1の開口が設けられており、該第1の開口の中心から前記第1の撮像素子の撮像面の中心までの基準軸を含む断面における半画角をωH、前記断面に垂直な断面における半画角をωVとするとき、
ωV<ωH
なる条件式を満足することを特徴とする請求項11乃至16の何れか一項に記載の撮像装置。 - 前記鏡筒部材には前記第1及び第2の結像光学系の夫々に入射する光を通過させる第1及び第2の開口が設けられており、該第1及び第2の開口の中心間の距離をD、前記第1及び第2の撮像素子の夫々の撮像面の対角長をSdとするとき、
3.0<D/Sd<50.0
なる条件式を満足することを特徴とする請求項11乃至17の何れか一項に記載の撮像装置。 - 前記鏡筒部材には前記第1及び第2の結像光学系の夫々に入射する光を通過させる第1及び第2の開口が設けられており、前記第1の開口部、前記第1の結像光学系における複数の反射面、及び前記第1の撮像素子の撮像面の何れかと、前記第2の開口部、前記第2の結像光学系における複数の反射面、及び前記第2の撮像素子の撮像面の何れかとの間隔のうち最小の間隔をαd、前記第1及び第2の撮像素子の夫々の撮像面の対角長をSdとするとき、
0.1<αd/Sd<3.0
なる条件式を満足することを特徴とする請求項11乃至18の何れか一項に記載の撮像装置。
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