JP7244129B1 - night vision camera - Google Patents
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Abstract
【課題】少ない光学部品で水平方向に広く垂直方向に狭い視野を持つナイトビジョンカメラ。【解決手段】物体から放出される熱エネルギーを電気的な信号に変換し画像表示するナイトビジョンカメラであって、 水平方向に負のパワーを有する少なくとも1枚のアナモルフィックレンズと、少なくとも一面の軸外配置された自由曲面ミラーを持ち、水平方向中央部の視野角が120°以上であり、かつ垂直方向中央部の視野角が30°以下である撮像領域を持ち、かつ上記撮像領域全体が一括同時撮像されること特徴とする。【選択図】図1A night vision camera having a horizontally wide and vertically narrow field of view with a small number of optical components. A night vision camera that converts heat energy emitted from an object into an electrical signal and displays an image, comprising at least one anamorphic lens having negative power in the horizontal direction and at least one surface of the anamorphic lens. It has an off-axis free-form surface mirror, has an imaging area with a horizontal central viewing angle of 120° or more and a vertical central viewing angle of 30° or less, and the entire imaging area is It is characterized by simultaneous imaging all at once. [Selection drawing] Fig. 1
Description
本発明は、夜間の人検知に適した水平方向に広い視野を有するナイトビジョンカメラに関する。 The present invention relates to a night vision camera with a wide horizontal field of view suitable for detecting people at night.
安全な車社会実現のために、先進運転支援システム(ADAS)や自動運転の開発が進められている。ADASシステムでは車両周辺の人や物体、道路形状といった周辺環境を認識する必要がある。外部の環境を認識するための「外界センサ」として、レーダーやカメラ、LIDAR、近赤外カメラ、ナイトビジョンなど様々な種類のカメラの開発が進められている。 In order to realize a safe car society, advanced driver assistance systems (ADAS) and autonomous driving are being developed. The ADAS system needs to recognize the surrounding environment such as people and objects around the vehicle and the shape of the road. Various types of cameras such as radar, cameras, LIDAR, near-infrared cameras, and night vision cameras are being developed as "external sensors" for recognizing the external environment.
このうちナイトビジョンは夜間暗視装置のことで、熱を感知して暗闇でも物体をとらえることのできる映像装置である。ナイトビジョンは照明装置なしに、体温から直接人を検知できるため信頼性の高い人検出が可能である。すでにナイトビジョンは自動車で実用化されており高級車を中心にいくつかの車種に搭載されている(特許文献1)。従来のナイトビジョンの課題は水平方向の視野角が20°~30°と狭く、車両近傍の歩行者の検知ができないことであった。 Of these, night vision is a night vision device, and it is a video device that can detect heat and capture objects even in the dark. Night vision can detect people directly from their body temperature without lighting equipment, so it is possible to detect people with high reliability. Night vision has already been put to practical use in automobiles and is installed in several types of vehicles, mainly luxury vehicles (Patent Document 1). The problem with conventional night vision systems is that the horizontal viewing angle is as narrow as 20° to 30°, making it impossible to detect pedestrians in the vicinity of the vehicle.
一方、通常のカメラを用いた方式では、少ないカメラで広範囲の映像情報を取得できるよう、広い視野角を有する撮像光学系(広角レンズ)を用いることが行われている。しかし、車載用のカメラでは全方位について広い視野角が求められるのではなく、水平方向には広い視野角が求められるが、垂直方向については広範囲の観察を行う必要がない。車載用のカメラにおいて、通常の魚眼レンズを用いて広角撮像光学系を構成した場合、垂直方向の視野角も必要以上に広くなり画素の利用効率の低下、高輝度物体の映り込み、歪曲による像の歪みが大きくなるなどの様々な問題が生じる。 On the other hand, in the method using a normal camera, an imaging optical system (wide-angle lens) having a wide viewing angle is used so that a wide range of image information can be obtained with a small number of cameras. However, a vehicle-mounted camera is not required to have a wide viewing angle in all directions, but rather a wide viewing angle in the horizontal direction, but it is not necessary to observe a wide range in the vertical direction. When a wide-angle imaging optical system is configured using an ordinary fisheye lens in an in-vehicle camera, the viewing angle in the vertical direction becomes wider than necessary, resulting in a decrease in pixel utilization efficiency, reflection of high-brightness objects, and distortion of the image. Various problems such as increased distortion occur.
そこで、通常のカメラでは水平方向と垂直方向とで視野角の異なるアナモルフィック光学系を採用して、広い視野角が必要な水平方向については広角を確保しながら、垂直方向については比較的像歪みの少ない画像を提供する撮像光学系を実現する試みが行われている。アナモルフィックレンズを用いて垂直方向と水平方向で視野角の異なるカメラを実現した例としては、特許文献2、3に開示されたものがある。特許文献2では160x96°、特許文献3では約200x85°の視野角を実現している。
Therefore, an ordinary camera adopts an anamorphic optical system that has different viewing angles in the horizontal direction and the vertical direction. Attempts have been made to realize an imaging optical system that provides an image with less distortion.
ここで、アナモルフィックレンズとは回転非対称な形状を持ち、水平方向の焦点距離と垂直方向の焦点距離が異なるレンズのことである。シリンドリカルレンズ(円柱形の一部を切り取った形状のレンズ)は最も簡単なアナモルフィックレンズである。 Here, the anamorphic lens is a lens that has a rotationally asymmetric shape and has different focal lengths in the horizontal and vertical directions. Cylindrical lenses (lenses with a cylindrical shape cut off) are the simplest anamorphic lenses.
アナモルフィックレンズを含む複数のレンズから構成される水平垂直視野角比の異なる像を撮像するための撮像レンズもアナモルフィックレンズと呼ばれることがある。本明細書では明確化のために、このような複数の光学部品で構成される撮像レンズはアナモルフィック光学系とよび、単体の光学部品であるアナモルフィックレンズと区別する。 An imaging lens configured by a plurality of lenses including an anamorphic lens for capturing images with different horizontal/vertical viewing angle ratios is sometimes called an anamorphic lens. For the sake of clarity herein, such an imaging lens composed of multiple optical components is referred to as an anamorphic optical system to distinguish it from an anamorphic lens, which is a single optical component.
ここで、ナイトビジョンシステムに必要な機能について考察する。図2に交差点手前の車両の運転席から撮影したパノラマ画像を示した。画面中央に前方の先行する自動車21が撮影されており、自車両の近傍を走行する自転車22-1~3、歩行者23が撮影されている。図中に四角い枠で従来のナイトビジョンカメラの視野角24(24x18°)を示している。従来のナイトビジョンは視野角が狭く、車両近傍の歩行者、自転車を検出できないことがわかる。
Now consider the functions required for the night vision system. Figure 2 shows a panoramic image taken from the driver's seat of the vehicle in front of the intersection. A preceding
次に、図3を用いてナイトビジョンシステムに必要な視野角について説明する。垂直方向の視野角は中央部に限定すれば20°程度で十分であることがわかる。端部の垂直方向の視野角は中央部の垂直視野角よりも大きく、30°程度あることが望ましい。端部における垂直方向の最適な視野角はナイトビジョンシステムの設置場所により異なり、車両ルーフ上に設置した場合は画面端で下側に視野が広がるような視野角が望ましく、車両フロントグリル部にナイトビジョンシステムが設置される場合には画面端で上側に視野が広がるような視野角であることが望ましい。水平視野端には車両側方の歩行者が大きく撮影されるため、視野端では垂直方向の視野角が広がっていることが望ましい。 Next, the viewing angle required for the night vision system will be described with reference to FIG. It can be seen that a vertical viewing angle of about 20° is sufficient if limited to the central portion. The viewing angle in the vertical direction at the ends is preferably larger than the vertical viewing angle at the center, and is preferably about 30°. The optimum vertical viewing angle at the edges depends on where the night vision system is installed. When a vision system is installed, it is desirable that the viewing angle is such that the field of view spreads upward at the edge of the screen. Pedestrians on the side of the vehicle are photographed large at the edge of the horizontal field of view, so it is desirable that the angle of view in the vertical direction is widened at the edge of the field of view.
一方、水平方向の視野角は、右左折時の歩行者や自転車の巻き込み事故を防ぐためには、交差点の手前で交差点を横断する歩行者や自転車を検知する必要があり、視野角は少なくとも±60°(望ましい視野角25)、は±75°(特に望ましい視野角26)以上であることが求められる。 On the other hand, regarding the horizontal viewing angle, it is necessary to detect pedestrians and cyclists crossing the intersection before the intersection in order to prevent accidents involving pedestrians and cyclists when turning left or right. ° (preferred viewing angle 25) is required to be ±75° (particularly desirable viewing angle 26) or more.
図4は交差点を右左折する車両の軌跡を鳥観図で示している。左折時に交差点を横断する歩行者を検出し、歩行者の巻き込み事故を防ぐためには、少なくとも120°の水平視野角(25)、特に望ましくは歩道の手前の歩行者を検知するために150°以上の視野角(26)が必要であることがわかる。従来のナイトビジョンカメラの視野角(24)である24°では、右左折しようとしている交差点の歩行者を検知することが困難であることがわかる。 FIG. 4 shows a bird's-eye view of the trajectory of a vehicle turning right or left at an intersection. A horizontal viewing angle (25) of at least 120° in order to detect pedestrians crossing an intersection when turning left and to prevent accidents involving pedestrians, particularly preferably 150° or more in order to detect pedestrians in front of the sidewalk. It can be seen that a viewing angle (26) of . It can be seen that it is difficult to detect a pedestrian at an intersection about to turn left or right at a viewing angle (24) of 24° for a conventional night vision camera.
以上の考察から、ナイトビジョンシステムの望ましい視野角は垂直方向中央部で20°程度、水平方向には120~150°以上であることがわかる。また、垂直方向の視野角が中心から端に向かって拡大していることが望ましい。このような極端な横長の視野を持つカメラは、車載用ナイトビジョンシステムとしてだけでなく、通常の車載用カメラとしてもこれまで実現されていない。本発明は、真にナイトビジョンシステムに必要とされる性能を考察し、理想的なナイトビジョンシステムを実現するためになされたものである。 From the above considerations, it can be seen that the desirable viewing angle of the night vision system is about 20° in the vertical center and 120-150° or more in the horizontal direction. It is also desirable that the vertical viewing angle expands from center to edge. A camera with such an extreme horizontal field of view has not been realized so far, not only as an in-vehicle night vision system, but also as a normal in-vehicle camera. The present invention has been made in consideration of the performance truly required for a night vision system and to realize an ideal night vision system.
ナイトビジョンシステムで夜間の歩行者を検知する目的で、特許文献1に示すような物体から放射される熱エネルギーを画像表示するナイトビジョンシステムが搭載された自動車が発売されている。従来の、ナイトビジョンの課題は、水平視野角が20°~30°と狭く、自動車近傍の歩行者を検知できないことにあった。ナイトビジョンでは可視光や近赤外で用いられる魚眼レンズのような視野の広い光学系の設計と製造が困難なため視野角を広げることが困難であったためである。
For the purpose of detecting pedestrians at night with the night vision system, automobiles equipped with a night vision system that displays an image of thermal energy emitted from an object as shown in
一方、可視光や近赤外光を用いたナイトビジョンシステムは光学設計の自由度が高く様々な特徴を持つ光学系が設計されてきた。これは可視光、近赤外領域ではガラスやプラスチックなどの光学材料が使用でき、モールド加工などにより非球面レンズ製造も容易であるためである。 On the other hand, night vision systems using visible light and near-infrared light have a high degree of freedom in optical design, and optical systems with various features have been designed. This is because optical materials such as glass and plastic can be used in the visible light and near-infrared regions, and it is easy to manufacture an aspherical lens by molding.
特許文献2、3に示すように、通常の車載カメラでは必要な水平方向に広い視野、垂直方向は狭い視野を実現するために、水平方向と垂直方向で倍率の異なるアナモルフィックな光学系も採用されている。特許文献2で、は非球面レンズ、アナモルフィックレンズを含む6枚のレンズを用いて水平視野角160°、垂直視野角96°(水平垂直視野角比 1.67)を実現している。特許文献3では、非球面レンズ、アナモルフィックレンズを含む10枚のレンズを用いて、水平視野角200°、垂直視野角86°(水平垂直視野角比 2.3)の光学系が実現されている。
As shown in
上述のアナモルフィック光学系を有する車載カメラにおいても、水平と垂直の視野角の比は2.5程度であった。すでに述べたように道路上の歩行者の確実な検知には4以上の水平垂直視野角比が必要であるが、水平垂直視野角比を大きくしようとすると、特許文献3に記載されているように水平方向と垂直方向の焦点距離の差が大きくなりすぎ、像面湾曲や非点収差の補正が困難となるためである。これまで歩行者検知に真に必要な垂直方向視野30°以下、水平方向視野120°以上という大きな水平垂直視野角比を持つ車載カメラは実現されていない。 Even in the vehicle-mounted camera having the above-described anamorphic optical system, the ratio of horizontal and vertical viewing angles was about 2.5. As already mentioned, reliable detection of pedestrians on the road requires a horizontal/vertical viewing angle ratio of 4 or more. This is because the difference between the focal lengths in the horizontal direction and the vertical direction becomes too large, making it difficult to correct curvature of field and astigmatism. Until now, no vehicle-mounted camera has been realized that has a large horizontal/vertical viewing angle ratio of 30° or less in the vertical direction and 120° or more in the horizontal direction, which are truly necessary for pedestrian detection.
実際には魚眼レンズや上述のアナモルフィック光学系を用いた場合、車載カメラで不要となる上下の撮像領域は切り取って表示することが行われる。しかし、このような方式では、撮像素子の有効領域の一部しか使われないことになり、解像度の低下、コスト上昇という課題があった。 In practice, when a fish-eye lens or the above-described anamorphic optical system is used, upper and lower imaging regions that are not necessary for the vehicle-mounted camera are cut off and displayed. However, in such a system, only a part of the effective area of the image pickup device is used, resulting in problems such as a decrease in resolution and an increase in cost.
撮像画面の一部分を切り取って使用する方式はコストが安価で高解像度しやすい可視カメラや近赤外カメラでは使用可能であるが、画素当たりのコストが高いナイトビジョンでは採用できなかった。 The method of cutting out and using a part of the imaging screen can be used with visible cameras and near-infrared cameras, which are inexpensive and tend to have high resolution, but cannot be used with night vision, which has a high cost per pixel.
ナイトビジョンシステムでは魚眼レンズや縦横の倍率の異なるアナモルフィック光学系自体が実現されていない。これは可視光や近赤外光の領域でレンズとして用いられるガラスやプラスチックが、ナイトビジョンシステムで用いられる遠赤外線を吸収するため、レンズ材料にゲルマニュウムやZnSe、カルコゲナイドなどの特殊で高価な材料を用いる必要があり、これらの材料は加工も困難であるため光学設計が制約されるためでる。 A fisheye lens or an anamorphic optical system with different vertical and horizontal magnifications has not been implemented in the night vision system. This is because the glasses and plastics used as lenses in the visible and near-infrared light regions absorb the far-infrared rays used in night vision systems, so special and expensive materials such as germanium, ZnSe, and chalcogenide are used as lens materials. This is because the optical design is restricted because these materials are difficult to process.
例えば、アナモルフィックな視野を持つ可視光カメラとして、特許文献2ではアナモルフィックレンズを含む6枚のレンズが使用されており、特許文献3ではアナモルフィックレンズを含む10枚のレンズが用いられている。このような多数のレンズを、加工が困難で高価な遠赤外レンズで実現することは精度とコストの両面から現実的ではなかった。
For example, as a visible light camera having an anamorphic field of view,
ここまで述べたように、物質から放射される熱エネルギーを画像化する車載用ナイトビジョンカメラではアナモルフィックな視野を持つ画像装置は実現されていない。通常の車載カメラではアナモルフィックな視野を持つ画像装置は一部実用化されているが、水平垂直視野角比は3以下であることが一般的で、水平垂直視野角比が4以上という大きな値を持つ車載カメラは実現されていない。 As described so far, an image device with an anamorphic field of view has not been realized in an in-vehicle night vision camera that images thermal energy radiated from an object. Image devices with an anamorphic field of view have been put into practical use for some ordinary vehicle-mounted cameras, but the horizontal/vertical viewing angle ratio is generally 3 or less, and the horizontal/vertical viewing angle ratio is 4 or more. An in-vehicle camera with value has not been realized.
水平垂直視野角比を大きくできるカメラとして、従来から走査方式のカメラを用いる場合があった。カメラを回転させながら狭い撮像領域を繋ぎ合わせて広い視野を合成するラインスキャンカメラや、点状あるいは線状の照明光源を走査して反射光を検出することにより広い視野を実現するLIDARスキャナと呼ばれる方式のカメラが提案されている。このような方式では回転方向の視野を自由に広げられるため、極端な水平垂直視野角比を持つカメラを実現できる。しかしこれらの方式は、カメラや照明装置を走査するために可動部分が必要で装置が複雑で高価であること、撮像領域内を順次走査し画像を合成するため画像の同時性が失われるという課題がある。 As a camera capable of increasing the horizontal/vertical viewing angle ratio, conventionally, there are cases where a scanning camera is used. It is called a line scan camera that synthesizes a wide field of view by connecting narrow imaging areas while rotating the camera, and a LIDAR scanner that realizes a wide field of view by scanning a point-like or linear illumination light source and detecting reflected light. A camera of the type has been proposed. With such a system, the field of view in the direction of rotation can be freely expanded, so a camera with an extreme horizontal-to-vertical viewing angle ratio can be realized. However, these methods require moving parts to scan the camera and lighting equipment, making the equipment complex and expensive. In addition, the synchronism of images is lost because the imaging area is sequentially scanned and images are synthesized. There is
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、水平垂直視野角比の高い車載用ナイトビジョンシステムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an in-vehicle night vision system having a high horizontal/vertical viewing angle ratio.
本発明は上述の課題を解決するために、水平方向に負のパワーを有するアナモルフィックレンズと、軸外配置された少なくとも一面の非球面自由曲面ミラーを含むナイトビジョンカメラを用いることで、水平方向中央部の視野角が120°以上であり、垂直方向中央部の視野角が30°以下であり、かつ上記撮像領域全体が一括同時撮像されること特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention uses a night vision camera including an anamorphic lens having negative power in the horizontal direction and at least one aspherical free-form surface mirror arranged off-axis. The viewing angle at the central portion in the direction is 120° or more, the viewing angle at the central portion in the vertical direction is 30° or less, and the entire imaging area is simultaneously imaged.
本発明によれば、水平方向に負のパワーを有するアナモルフィックレンズと、少なくとも一面の軸外配置された非球面自由曲面ミラー用いてナイトビジョンカメラを構成することで、水平方向中央部の視野角120°以上、垂直方向中央部の視野角30°以下とするとすることが可能となった。さらに、本発明の光学系を用いることで、全体の光学部品点数を減らすことが可能になり、ナイトビジョンカメラの製造コストを削減することが可能になる。 According to the present invention, by constructing a night vision camera using an anamorphic lens having a negative power in the horizontal direction and at least one aspherical free-form surface mirror arranged off-axis, the central field of view in the horizontal direction is It has become possible to set the viewing angle to 120° or more and the viewing angle to be 30° or less at the center in the vertical direction. Furthermore, by using the optical system of the present invention, it becomes possible to reduce the total number of optical parts, and it becomes possible to reduce the manufacturing cost of the night vision camera.
既に述べたように、載用カメラに必要な視野角は、垂直方向については視野中央部に限定すれば20°程度で十分であることがわかる。端部の垂直方向の視野角は30°程度あることが望ましい。一方、水平方向の視野角は、右左折時の歩行者や自転車の巻き込み事故を防ぐためには、少なくとも120°、望ましくは150°以上であることが求められる。 As already mentioned, it can be seen that a visual field angle of about 20° is sufficient for the vertical direction, as long as it is limited to the center of the field of view. It is desirable that the viewing angle in the vertical direction at the edge is about 30°. On the other hand, the horizontal viewing angle is required to be at least 120°, preferably 150° or more, in order to prevent accidents involving pedestrians and bicycles when turning right or left.
垂直方向の視野角については、視野が安定していれば20°で十分であるが路面の傾斜や装置の取り付け誤差等を考慮して視野角30°以下という値に設定している。垂直方向の視野を増加させることは画素の有効使用率を低下させて解像度を低下させることになるので、実用上支障の生じない範囲でできるだけ狭く設定することが望ましい。発明者の路上撮像試験の結果からは、ナイトビジョンシステムが車両に適切に設置されていれば中央部の垂直視野は15°で問題がないことがわかっている。 As for the viewing angle in the vertical direction, 20° is sufficient if the viewing angle is stable. Increasing the field of view in the vertical direction lowers the effective utilization rate of the pixels and lowers the resolution. From the results of the inventor's road imaging test, it is found that the central vertical field of view of 15° is acceptable if the night vision system is properly installed in the vehicle.
本発明は上述のような、車載用ナイトビジョンシステムに真に必要な視野角性能を実現するためになされたものである。 The present invention has been devised to achieve the viewing angle performance that is truly required for an in-vehicle night vision system as described above.
<実施例1>
上述のような視野角をナイトビジョンで実現するために、アナモルフィックレンズと、軸外配置された非球面自由曲面ミラーを用いた光学系を設計した。図1に作成したアナモルフィック光学系を有するナイトビジョンカメラの光学系の構成を示した。上側が水平方向の構造、下側が垂直方向の構造を示している。
<Example 1>
In order to achieve the above viewing angles in night vision, we designed an optical system using an anamorphic lens and an off-axis aspherical free-form mirror. FIG. 1 shows the configuration of the optical system of a night vision camera having an anamorphic optical system. The top shows horizontal structures and the bottom shows vertical structures.
物体側から順に、水平方向に負のパワーを有するアナモルフィックレンズ1と、軸外配置された凸面形状を有する第1自由曲面ミラー2-1と、軸外配置された凹面形状を有する第2自由曲面ミラー2-2、遠赤外線に感度を持つ撮像素子3がから構成されている。破線は代表的な光線10を表している。2枚のミラーを傾けて配置することで光路の干渉を避けた配置となっている。
In order from the object side, an
水平方向に入射した光線は負のパワーを有するアナモルフィックレンズ1を透過して屈折して第1自由曲面ミラー2-1に向かう。この凹レンズの作用により水平方向の視野角を拡大している。レンズを透過した光線は凸形状を有する第1自由曲面ミラー2-1により反射され、折り返されて凹型形状を持つ第2自由曲面ミラー2-2に向かう。光線は第2自由曲面ミラー2-2により集光され、撮像素子3の上に結像する。
A horizontally incident light beam passes through the
垂直方向に入射した光線は、垂直方向にはパワーを持たないアナモルフィックレンズ1を透過して、凸形状を有する第1自由曲面ミラー2-1で反射され、凹型形状を持つ第2自由曲面ミラー2-2に向かう。凹面形状の第2自由曲面ミラー2-2で集光されて、撮像素子3の上に結像する。図1に示す光学系からアナモルフィックレンズ1を除いたものは、軸外シュワルツシルド光学系と呼ばれる光学系となっている。軸外シュワルツシルド光学系は遮蔽がないため明るく、比較的大きな視野角を得られる光学系として天体望遠鏡などで用いられている。しかし軸外シュワルツシルド光学系で得られる視野角は20~30°程度が上限であり、望遠鏡としては十分に大きいが、車載用のカメラとしては不十分である。
A light beam incident in the vertical direction passes through the
この軸外シュワルツシルド光学系の入射側にアナモルフィックレンズ1を配置したのが、図1に示す光学系である。水平方向に入射する光線はアナモルフィックレンズ1により屈折され小さな入射角で軸外シュワルツシルド光学系に入射する。アナモルフィックレンズ1は垂直方向にはパワーを持たないために通常の軸外シュワルツシルド光学系と同様の光学特性を持つ。
The optical system shown in FIG. 1 has an
アナモルフィックレンズ1の追加により、水平方向の焦点位置は垂直方向の焦点位置から変化する。この焦点位置を調整するために、第1自由曲面ミラー2-1と第2自由曲面ミラー2-2はアナモルフィックな形状を有する自由曲面ミラーとして設計を行った。
The addition of the
ナイトビジョン光学系では、熱的なノイズが画質に大きな影響を与えるためできるだけ多くの熱エネルギーを取り込める光学系が求められる。図1に示す光学系で水平方向と垂直方向の構造を比較すると、水平方向(上図)では第1自由曲面ミラー2-1により反射され左右に広がる光線が撮像素子3に集光されているが、垂直方向(下図)では第1自由曲面ミラー2-1により上方向に反射された光線だけが第2自由曲面ミラー2-2により集光され撮像素子3に到達することがわかる。このため、水平方向に比べて垂直方向の集光効率は低下する。
In night vision optical systems, thermal noise has a large effect on image quality, so an optical system that can capture as much thermal energy as possible is required. Comparing the structure in the horizontal direction and the vertical direction in the optical system shown in FIG. However, in the vertical direction (lower diagram), only the light rays reflected upward by the first free-form curved mirror 2-1 are condensed by the second free-form curved mirror 2-2 and reach the
ナイトビジョン光学系では理想的には開口数は1.4以下、実用的にも開口数は2以下であることが求められる。図1に示すように、水平方向の光軸と最外光線のなす角θ1と垂直方向の光軸と最外光線のなす角をθ2としたとき、θ1 > 20°(水平方向開口数<1.4)、θ2 >14.4°(垂直方向開口数<2.0)となるよう設計することが望ましい。 A night vision optical system is ideally required to have a numerical aperture of 1.4 or less, and practically it is required to have a numerical aperture of 2 or less. As shown in Fig. 1, θ1 > 20° (horizontal numerical aperture < 1 .4), preferably designed for θ2 >14.4° (vertical numerical aperture <2.0).
ここで、アナモルフィックレンズ1は負のパワーを持つゲルマニウム製のメニスカスレンズであり、両面に8~14μm波長に対応する反射防止膜を蒸着している。製造の容易さを顧慮して水平方向の断面は2面とも円形、垂直方向の断面は四角形となる単純なシリンドリカル形状を持つレンズを採用した。2枚の自由曲面ミラー2-1,2-2はモールド加工したPMMA樹脂に金を蒸着することで形成した。
Here, the
遠赤外線に感度を有する撮像素子3としては、輻射エネルギーによる温度変化により抵抗変化を生じる酸化バナジウム素子を二次元格子状に形成したFPA (Focal Plane Arrays)を用いた。画素数は横640画素、縦480画素(アスペクト比4:3)のセンサを用いた。
As the
実際には、図1に示す光学系は外部環境の影響を避けるために、アナモルフィックレンズ1の光透過部以外の部分は図には示されていない金属製の筐体に覆われている。 Actually, in order to avoid the influence of the external environment, the optical system shown in FIG. .
図1の光学系の視野をシミュレーションした結果を図5に示す。撮像素子の640x480画素の長方形の有効エリアを縦横12分割した169点(13x13)の各センサ位置に対応する視野を示している。垂直方向の視野中心部の視野角は18°、横方向の視野中心の視野角は150°が得られている。水平垂直視野角比は8.3と、従来の光学系では得られない非常に大きな値が得られている。 FIG. 5 shows the result of simulating the field of view of the optical system of FIG. A field of view corresponding to each sensor position of 169 points (13×13) obtained by dividing a rectangular effective area of 640×480 pixels of the imaging device into 12 vertically and horizontally is shown. A viewing angle of 18° is obtained at the center of the vertical viewing field, and a viewing angle of 150° at the center of the horizontal viewing field is obtained. The horizontal/vertical viewing angle ratio is 8.3, which is a very large value that cannot be obtained with conventional optical systems.
水平方向、垂直方向ともに中心から周辺に向かって、点の間隔が大きくなっており中心部で高い倍率、周辺部で低い倍率となっている。水平方向端部の垂直視野は42°であり、水平方中央部の垂直視野は18°となっている。 The distance between dots increases from the center to the periphery in both the horizontal and vertical directions, with high magnification at the center and low magnification at the periphery. The vertical field of view at the horizontal ends is 42°, and the vertical field of view at the horizontal center is 18°.
また、水平方向に着目すると、センサ上で中心から1/6の領域で0~9°の視野(視野角9°)であるのに対し、外周部に行くにつれて画素当たりの視野は広がり5/6~最外部の領域では対応する視野角は60~75°(視野角15°)となっている。水平方向に対しても中央部は端部に比べて解像度を持っている。
Also, looking at the horizontal direction, the field of view is 0 to 9 degrees (viewing angle 9 degrees) in the
得られた視野を、図3に示した運転席からの画像に重ね合わせると、水平方向視野が広く(150°)、水平方向の中央部の垂直視野が狭く(18°)、水平方向端部の垂直視野が広い(42°)という特性を持っており、車載用ナイトビジョンシステムとしてほぼ理想的な視野角が得られていることがわかる。ただし、画面内の点の分布からわかるように、撮影された画像は大きく歪んでおり人が認識しやすい画像とするためには画像の歪補正が必要となる。この歪補正技術については後述する。 When the resulting field of view is superimposed on the image from the driver's seat shown in FIG. has a wide vertical field of view (42°), and it can be seen that an almost ideal viewing angle is obtained for an in-vehicle night vision system. However, as can be seen from the distribution of points in the screen, the captured image is greatly distorted, and distortion correction of the image is required to make it an image that is easily recognizable by humans. This distortion correction technique will be described later.
このように視野の中心部で高い解像度、視野の端に行くいにつれて解像度の低くなる撮像センサは中心窩センサと呼ばれ、人間の視覚に類似する特性であるため研究が進められているセンサである。従来の画像装置は画面中心から画面端まで均一で歪の少ない画像を提供するよう設計された画像装置が一般的であった。従来装置では解像度を上げると画像データ量が増大し、画像演算の負荷が増加するという課題があった。 An image sensor that has high resolution in the center of the field of view and decreases in resolution toward the edges of the field of view is called a foveal sensor, and it is a sensor that is being researched because it has characteristics similar to human vision. be. Conventional imaging devices are generally designed to provide uniform images with little distortion from the center of the screen to the edge of the screen. In the conventional apparatus, increasing the resolution causes an increase in the amount of image data, and there is a problem that the load of image calculation increases.
必要な部分だけを高解像度化することのできる中心窩センサは、撮像装置の低コスト化だけでなく、画像演算装置を含めたシステム全体の低コスト化・高速化を実現できる。これは高速な画像認識が要求される車載用のカメラシステム(ナイトビジョンシステム)にとって特に有用性が高い。 The foveal sensor, which can increase the resolution of only the necessary part, can realize not only cost reduction of the imaging device but also cost reduction and speedup of the entire system including the image processing device. This is particularly useful for in-vehicle camera systems (night vision systems) that require high-speed image recognition.
視野の中心部で高い解像度、視野の端に行くいにつれて解像度の低くなる特性は、既に述べたように、車載用ナイトビジョンシステムでは画面中央部に遠方の歩行者が小さく写り、画面端部には近傍の歩行者が大きく撮影されることに対応しており、より遠方の歩行者を効率的に検出するとともに、車両近傍の歩行者の体全体を捉えることにより近くの歩行者を正確に認識することを可能にする。 The characteristics of high resolution in the center of the field of view and lower resolution toward the edges of the field of view are, as already mentioned, that in the in-vehicle night vision system, distant pedestrians appear small in the center of the screen, while pedestrians appear small at the edges of the screen. , which corresponds to the fact that nearby pedestrians are magnified, efficiently detects pedestrians farther away, and accurately recognizes nearby pedestrians by capturing the entire body of pedestrians near the vehicle. make it possible to
図6に本発明のナイトビジョンカメラを含むナイトビジョンシステムの全体構成図を示す。本発明のナイトビジョンカメラにより取得された歪のある広角画像は、画像演算装置に送られ明るさ調整、ノイズ除去などの画像処理を行う。画像処理後の画像は機械学習を用いた画像認識部に送られ車両周辺の、歩行者、自動車、2輪車などが認識される。認識はナイトビジョンにより取得された歪のある画像データを用いて行う。ナイトビジョンシステムでは、歩行者や車両の認識をアルゴリズムや機械学習を用いて行う方法が用いられるようになっている。機械学習による認識技術を用いる場合、画像の歪の特性は固定しているため、歪補正は行わず歪のある画像を直接学習して認識させることができる。 FIG. 6 shows an overall block diagram of a night vision system including the night vision camera of the present invention. A distorted wide-angle image acquired by the night vision camera of the present invention is sent to an image processing device and subjected to image processing such as brightness adjustment and noise removal. The image after image processing is sent to an image recognition unit that uses machine learning to recognize pedestrians, automobiles, two-wheeled vehicles, etc. around the vehicle. Recognition is performed using distorted image data acquired by night vision. Night vision systems use algorithms and machine learning to recognize pedestrians and vehicles. When a recognition technique based on machine learning is used, since the distortion characteristics of the image are fixed, the distorted image can be directly learned and recognized without performing distortion correction.
従来のカメラ技術では歪のある画像は不自然で見にくいため、画面歪を最小化するための光学設計が行われており、これが極端な水平垂直視野角比の実現を阻害する理由となっていた。機械学習を用いた画像認識では画像歪の影響を含めて学習が可能であるため、歪のある画像から正確に歩行者を認識することが可能になった。 With conventional camera technology, distorted images are unnatural and difficult to see, so optical design has been carried out to minimize screen distortion, which has been the reason for hindering the realization of extreme horizontal-to-vertical viewing angle ratios. . In image recognition using machine learning, it is possible to learn including the influence of image distortion, so it has become possible to accurately recognize pedestrians from distorted images.
このため、画像歪(像面歪曲)を許容した光学系を設計することが可能なり、4以上の大きな水平垂直視野角比を実現することが可能になった。 For this reason, it has become possible to design an optical system that allows image distortion (field distortion), and it has become possible to realize a large horizontal-to-vertical viewing angle ratio of 4 or more.
ただし、運転者が見る表示画面は人が認識するために、画像の歪補正を行う必要がある。ナイトビジョンで取得された歪のある画像データは、図5に示した像面歪曲データを用いて等距離射影座標に変換され画像表示装置に表示される。ナイトビジョンの画像は通常のカメラ画像と比較すると解像度が低く、色を持たないグレースケール画像であるため、多少の画像歪が残っても不自然さを感じることがなく、軽い演算負荷で高速に歪補正を行うことが可能である。 However, since the display screen viewed by the driver is recognizable by humans, it is necessary to correct the distortion of the image. Distorted image data obtained by night vision is converted into equidistant projection coordinates using the field distortion data shown in FIG. 5 and displayed on the image display device. Night vision images have lower resolution than normal camera images and are grayscale images without color, so even if some image distortion remains, it does not look unnatural, and can be processed at high speed with a light computational load. Distortion correction can be performed.
画像認識により得られた歩行者の位置と大きさのデータを座標変換し、歩行者の存在を四角い枠線で画像表示装置に重ね合わさせる。これにより、歩行者の存在をわかりやすく運転者に知らせることができる。 The position and size of the pedestrian obtained by image recognition are subjected to coordinate transformation, and the presence of the pedestrian is superimposed on the image display device with a square frame. This makes it possible to inform the driver of the existence of the pedestrian in an easy-to-understand manner.
画像認識により得られた歩行者の状況に応じて、画像認識装置で歩行者の車との接触の危険度を判定し、危険度が一定以上と判断された場合、画像認識装置から警報が送られ警報装置や画像表示装置により音や光、画像で運転者に危険を通知する。さらに、緊急度の高い危険と判定された場合、信号が車両制御装置に送られ車両制御装置から緊急自動ブレーキを動作させる。画像認識結果と補正された画像は記録装置に送られデータが保存される。 The image recognition device determines the degree of risk of pedestrian contact with a vehicle according to the situation of the pedestrian obtained by image recognition. The danger is notified to the driver by sounds, lights, and images by means of a warning device or an image display device. Furthermore, when it is determined that there is a danger with a high degree of urgency, a signal is sent to the vehicle control device and the vehicle control device operates the emergency automatic brake. The image recognition result and the corrected image are sent to a recording device and the data are saved.
ここでは本発明のナイトビジョンカメラを中心とした車両制御システムの全体像を示したが、先進運転支援システムを有する車両には様々なセンサが搭載されている。通常のカメラや近赤外カメラ、レーダーやライダー、ミリ波レーダーなどが搭載されていることがある。このような場合、センサーフュージョンと呼ばれる複数のセンサを統合して車両の周辺状況をより正確に把握する方式が用いられる場合がある。 Here, an overall image of the vehicle control system centering on the night vision camera of the present invention is shown, but various sensors are installed in the vehicle having the advanced driving support system. Ordinary cameras, near-infrared cameras, radars, lidars, millimeter-wave radars, etc. may be installed. In such cases, a method called sensor fusion may be used in which multiple sensors are integrated to obtain a more accurate understanding of the vehicle's surroundings.
このような統合型のセンサシステムを車両が有している場合には、本発明のナイトビジョンシステムからの画像を統合センサシステムに入力し統合システムで画像認識から車両の制御までを行うことも可能である。 If the vehicle has such an integrated sensor system, it is also possible to input the image from the night vision system of the present invention into the integrated sensor system, and perform everything from image recognition to vehicle control in the integrated system. is.
あるいは本発明のナイトビジョンシステムシステムの画像演算処理装置で歩行者を認識して、その認識結果を統合センサシステムに入力し車両の制御を行うことも可能である。 Alternatively, it is also possible to recognize a pedestrian by the image processing unit of the night vision system of the present invention and input the recognition result to the integrated sensor system to control the vehicle.
本実施例のナイトビジョンで撮像された実際のサーマル画像を図7に示した。自動車21、自転車22、歩行者23が広い視野で撮影されていることがわかる。図7は歪補正を行ったのちの画像であり、ほぼ設計値通りの視野角が得られている。ナイトビジョンシステムに望まれる、垂直方向に狭く、水平方向に広い視野が得られていることがわかる。
An actual thermal image captured by the night vision of this embodiment is shown in FIG. It can be seen that an
<実施例3>
実施例1と同じコンセプトで設計した異なる設計のナイトビジョンカメラの光学系の構成を図8に示す。実施例1と同じく、物体側から順に、水平方向に負のパワーを有するアナモルフィックレンズ1と、軸外配置された凸面形状を有する第1自由曲面ミラー2-1と、軸外配置された凹面形状を有する第2自由曲面ミラー2-2と、遠赤外線に感度を持つ撮像素子3がから構成されている。この設計では、図1の設計例と比べて、アナモルフィックレンズ1を小型化、高曲率している。
<Example 3>
FIG. 8 shows the configuration of the optical system of a night vision camera with a different design based on the same concept as that of the first embodiment. As in Example 1, in order from the object side, an
アナモルフィックレンズ1を小型化することで、アナモルフィックレンズ1の低コスト化を実現し、高曲率化することで視野角を拡大することが可能になった。図8の光学系では水平視野角180°垂直視野角20°で水平垂直視野角比9を実現できた。さらに実効的な開口数1.5を実現した。詳細なシミュレーションの結果、このような水平方向の広い視野と小さな開口数を実現するためには、アナモルフィックレンズ1を高曲率することが有効であることが判明した。これはアナモルフィックレンズ1を高曲率することで入射瞳の位置を第1自由曲面ミラー2-1に近づけることができるためである。
By reducing the size of the
図8に示すように、アナモルフィックレンズ1と第1自由曲面ミラー2-1の距離をdとしたとき、アナモルフィックレンズ1の焦点距離fをf<d/2となるように設計することで、広い水平視野角と小さな開口数を両立することが可能になった。
As shown in FIG. 8, when the distance between the
<実施例3>
第3の実施例として、異なる光学設計の例を図9に示す。上側が水平方向の構造、下側が垂直方向の構造を示している。この例でも、1枚のアナモルフィックレンズと、2枚の軸外配置された非球面自由曲面ミラーを用いている。
<Example 3>
As a third example, an example of a different optical design is shown in FIG. The top shows horizontal structures and the bottom shows vertical structures. This example also uses one anamorphic lens and two off-axis aspherical free-form mirrors.
物体側から順に、水平方向に負のパワーを有するアナモルフィックレンズ1と、軸外配置された凹面形状を有する第1自由曲面ミラー2-1と、軸外配置された凹面形状を有する第2自由曲面ミラー2-2、遠赤外線に感度を持つ撮像素子3がから構成されている。破線は代表的な光線10を表している。この構成も2枚のミラーを傾けて配置することで光線の干渉を避けた配置となっている。
In order from the object side, an
この構造は小型で広視野を実現できる2枚のアナモルフィック非球面ミラーで光線が交差するよう設計されたクロス・ドラゴン光学系と呼ばれる光学系をベースにしている。クロス・ドラゴン光学系の入射側にアナモルフィックレンズ1を設置した構成となっている。第1自由曲面ミラー2-1と第2自由曲面ミラー2-2はともにアナモルフィック非球面ミラーを用いている。
This structure is based on an optical system called the Cross-Dragon optical system, which is designed so that light rays intersect with two anamorphic aspherical mirrors that are compact and can achieve a wide field of view. An
この光学系の利点は軸外配置された2枚の凹面ミラーにより光線を交差させることにより、比較的大きな開口数が得られることである。実効開口数1.4が得られている。非冷却のナイトビジョンではノイズが課題となる。光学系の開口数を大きくすることで、より多くの光エネルギーを取り込むことができ、ノイズを抑制することが可能となった。 The advantage of this optical system is that the light rays are crossed by two off-axis concave mirrors, resulting in a relatively large numerical aperture. An effective numerical aperture of 1.4 is obtained. Noise is an issue for uncooled night vision. By increasing the numerical aperture of the optical system, more light energy can be taken in, making it possible to suppress noise.
さらに光線を交差させることにより、ナイトビジョンカメラを小型化できることもこの光学設計の利点となっている。車載用途ではナイトビジョンカメラを小型化することで設置位置の制約を減らし、デザイン上の悪影響を避けることができる。 Another advantage of this optical design is that the crossing of the light rays allows the night vision camera to be made smaller. For in-vehicle applications, miniaturization of night vision cameras can reduce restrictions on installation positions and avoid adverse effects on design.
アナモルフィックレンズ1として、負のパワーを持つカルコゲナイド製のメニスカスレンズとした。アナモルフィックレンズ1は、裏面に8-14μm波長に対応する反射防止膜、表面には反射防止機能を持つよう設計されたダイアモンドライクカーボン(DLC)膜を蒸着している。アナモルフィックレンズ1は、水平方向の断面については、物体側表面は円形形状、ミラー側の表面形状は非円形形状で設計した。垂直方向の断面は四角形となるシリンドリカル形状を持つレンズとなっている。アナモルフィックレンズ1は量産時のコスト削減のためにカルコゲナイドをモールド加工することにより形成した。自由曲面ミラーはモールド加工したポリカーボネート樹脂にアルミ蒸着することで形成した。
As the
遠赤外線に感度を有する撮像素子3としては、輻射エネルギーによる温度変化により抵抗変化を生じる酸化バナジウム素子を二次元格子状に形成したFPA (Focal Plane Arrays)を用いた。画素数は横384画素、縦288画素(アスペクト比4:3)のマイクロボロメータセンサを用いた。
As the
図10に図9のアナモルフィック光学系の視野のシミュレーション結果を示す。384x288画素の有効エリアを縦横12分割した169点のセンサ位置に対応する視野を示している。垂直方向の視野中心部の視野角は15°、水平方向の視野中心の視野角は120°(水平垂直視野角比8)が得られている。 FIG. 10 shows simulation results of the field of view of the anamorphic optical system of FIG. The field of view corresponding to 169 sensor positions obtained by dividing the effective area of 384×288 pixels into 12 vertically and horizontally is shown. A viewing angle of 15° is obtained at the center of the vertical viewing field, and a viewing angle of 120° at the center of the horizontal viewing field (horizontal-to-vertical viewing angle ratio of 8) is obtained.
<実施例4>
アナモルフィックな超広角撮像領域を有するナイトビジョンの第4の光学設計を図11に示した。この例では、1枚のアナモルフィックレンズと、3面の軸外配置された非球面自由曲面ミラーを用いている。上側が水平方向の構造、下側が垂直方向の構造を示している。
<Example 4>
A fourth optical design for night vision with an anamorphic ultra-wide-angle imaging area is shown in FIG. In this example, one anamorphic lens and three off-axis aspherical free-form mirrors are used. The top shows horizontal structures and the bottom shows vertical structures.
物体側から順に、水平方向に負のパワーを有するアナモルフィックレンズ1と、軸外配置された凹面面形状を有する第1自由曲面ミラー2-1と、軸外配置された凸面形状を有する第2自由曲面ミラー2-2、軸外配置された凹面形状を有する第3自由曲面ミラー2-3、遠赤外線に感度を持つ撮像素子3がから構成されている。破線は代表的な光線10を表している。
In order from the object side, an
アナモルフィックレンズ1は負のパワーを持つ硫化亜鉛のメニスカスレンズを採用した。レンズ加工はモールド加工により行い、裏面に反射防止膜を蒸着し、表面はダイアモンドライクカーボンを蒸着した。
The
この構成ではミラーを3枚用いることで、視野端の収差を低減し視野中央部から視野端まで高い解像度を得ることが可能になった。しかし、ミラーを3面とすることで、光学部品コストの増加し、光学調整の難度が上がるという課題がある。 By using three mirrors in this configuration, it is possible to reduce aberrations at the edges of the field of view and obtain high resolution from the center of the field of view to the edges of the field of view. However, by using three mirrors, there is a problem that the cost of optical parts increases and the difficulty of optical adjustment increases.
3面のミラーを用いる場合、この例に限らず光学設計には凹面と凸面の組み合わせ、光線を交差させるか折り返すかで豊富な光学設計のバリエーションの設計を行うことが可能となる。ナイトビジョンシステムの場合、画面中央部と比べて画面端には近傍の歩行者が大きく撮影されるため、画面端にはかならずしも高い解像度は要求されない。 In the case of using a three-surface mirror, it is possible to design a wide variety of optical designs by combining concave and convex surfaces, intersecting or folding light rays, and not limited to this example. In the case of a night vision system, a nearby pedestrian is captured larger at the edge of the screen than at the center of the screen, so high resolution is not necessarily required at the edge of the screen.
しかし、見守りなどの他の用途を考えた時、画面端での高い解像度が要求される場合がある。例えば廊下の壁面に設置し、左右180°を見守り範囲とする場合などである。この場合、画面端に遠くの人物が撮影されるため、画面端で高い解像度が必要とされる。このような用途では、3面ミラーを用いた設計が特に有効となる。 However, when considering other uses such as monitoring, there are cases where high resolution is required at the screen edges. For example, it is installed on the wall surface of a corridor, and it is used as a monitoring range of 180 degrees to the left and right. In this case, since a distant person is photographed at the edge of the screen, high resolution is required at the edge of the screen. For such applications, a design using a three-sided mirror is particularly effective.
<実施例5>
アナモルフィックな超広角撮像領域を有するナイトビジョン光学系の5番目の構成を図12に示した。この例では、1枚のアナモルフィックレンズ1と、2枚の回転対象なレンズと、水平方向に凸形状を有する非球面自由曲面ミラー2から構成されている。上側が水平方向の構造、下側が垂直方向の構造を示している。
<Example 5>
FIG. 12 shows a fifth configuration of a night vision optical system with an anamorphic ultra-wide-angle imaging area. In this example, it is composed of one
物体側から順に、軸外配置された水平方向に凹面形状を持つ自由曲面ミラー2と、負のパワーを有するアナモルフィックレンズ1と、軸外配置された回転対象な第1レンズ4-1、と第1レンズ4-1と同じ光軸上に配置された第2レンズ4-2、遠赤外線に感度を持つ撮像素子3がから構成されている。破線は代表的な光線10を表している。
In order from the object side, a free-
この光学系では第1レンズ4-1,第2レンズ4-2は撮像レンズを構成している。この撮像レンズの前側(物体側)に、水平方向に凸形状を有する自由曲面ミラー2を配置している。この光学系では広い角度で入射する水平方向の光線が凸型形状を持つ自由曲面ミラー2により撮像素子3の方向に反射することで広い視野を実現している。一方、自由曲面ミラー2は垂直方向には概直線形状をしており、入射光は撮像素子3の方向に折り返される。
In this optical system, the first lens 4-1 and the second lens 4-2 constitute an imaging lens. A free-
自由曲面ミラー2により水平方向に広い視野が得られるが、この自由曲面ミラー2の影響で水平方向と垂直方向の焦点位置が大きくずれてしまい解像度が低下するという課題が発生する。
Although the free-
この水平・垂直方向の焦点差を補正するためにアナモルフィックレンズ1が、第一レンズ4-1と自由曲面ミラー2の間に配置されている。
An
アナモルフィックレンズ1は、垂直方向に負のパワーを持ち(凹面形状)、水平方向は平面形状を持つシンプルなシリンドリカルレンズを用いた。
The
自由曲面ミラー2は撮像装置の映り込みを避けるために、センサに対し傾斜して配置されている。
The free-
このため、垂直方向の焦点位置が像高により変化してしまうという課題が生じる。この焦点ズレを補正するため、アナモルフィックレンズ1、第1レンズ2-1、第2レンズ2―2から構成されるレンズ群は、撮像素子3に対して傾斜して配置される構造とした(チルトレンズ配置)。
Therefore, there arises a problem that the focal position in the vertical direction changes depending on the image height. In order to correct this focal shift, the lens group consisting of the
このレンズ群の傾斜角はレンズ群の瞳位置でレンズ群の光軸と直交する平面と、自由曲面ミラー2と光軸との交点での接平面と撮像素子3の撮像面を含む平面が直線で交わるような角度に設定することで、像面の傾斜は補正される。
The tilt angle of the lens group is such that the plane perpendicular to the optical axis of the lens group at the pupil position of the lens group, the tangential plane at the intersection of the free-
アナモルフィックレンズ1は水平方向と垂直方向の焦点差を補正するために用いられている。垂直方向のアナモルフィックレンズ1の焦点距離fはアナモルフィックレンズ1と自由曲面ミラー2との距離をdとし、自由曲面ミラー2の光軸光線が反射する位置での曲率半径をrとしたとき
0.8 x(d+r/2)< f <1.2 x(d+r/2)
の範囲内に設定することで、水平方向と垂直方向の画像の焦点位置を合わせることが可能である。
An
By setting within the range of , it is possible to match the focal positions of the image in the horizontal and vertical directions.
図12の光学系を用いることで、水平方向180°を超える視野角を実現することができる。また垂直方向の視野角は、自由曲面ミラーの水平方向の形状を変えることで制御することが可能である。本実施例の光学系では垂直方向に小さな凹面形状を与えることで水平方向210°垂直方向15°の視野角が得られた(水平垂直視野角比14)。 By using the optical system of FIG. 12, a viewing angle exceeding 180° in the horizontal direction can be realized. Also, the viewing angle in the vertical direction can be controlled by changing the shape of the free-form surface mirror in the horizontal direction. In the optical system of this example, a viewing angle of 210° in the horizontal direction and 15° in the vertical direction was obtained by providing a small concave shape in the vertical direction (horizontal/vertical viewing angle ratio of 14).
<実施例6>
アナモルフィックな超広角撮像領域を有するナイトビジョンの第6の光学設計を図13に示した。
<Example 6>
A sixth optical design for night vision with an anamorphic ultra-wide-angle imaging area is shown in FIG.
物体側から順に、軸外配置された水平方向に凹面形状を持つ自由曲面ミラー2と、負のパワーを有するアナモルフィックレンズ1と、軸外配置された回転対象な形状を持つ第1レンズ4-1、第2レンズ4-2、遠赤外線に感度を持つ撮像素子3がから構成されている。破線は代表的な光線10を表している。
In order from the object side, a free-
この光学系でも第1レンズ4-1,第2レンズ4-2は撮像レンズを構成している。この撮像レンズの前側に、凹面形状の自由曲面非球面ミラー2を配置することで図に示すように水平方向のみに広い視野を実現している。ここでも水平方向と垂直方向の焦点差を補正するためにアナモルフィックレンズ1が第1レンズ4-1とミラーの間に配置されている。
Also in this optical system, the first lens 4-1 and the second lens 4-2 constitute an imaging lens. By arranging a concave free-form surface
第1レンズ4-1,第2レンズ4-2、アナモルフィックレンズ1は光軸を共有しており、この3つのレンズからなるレンズ群が、自由曲面ミラー2、撮像素子3に対して傾斜して配置されているのは実施例5と同様である。
The first lens 4-1, the second lens 4-2, and the
アナモルフィックレンズ1の垂直方向の焦点距離fはアナモルフィックレンズ1と自由曲面ミラー2との距離をdとし、自由曲面ミラー2の光軸光線が反射する位置での距離率半径をrとしたとき
0.8 x(d-r/2)<f <1.2 x(d-r/2)
の範囲内に設定することで、水平方向と垂直方向の画像の焦点位置を合わせることが可能である。ここで符号が実施例5と反転しているのは、凹面ミラーでは反射像はミラーの内側に結像するためである。ここでは負のパワーを有するアナモルフィックレンズを用いたが、正のパワーを持つアナモルフィックレンズを用いることも可能である。その場合、正のレンズパワーを持つ面は垂直ではなく水平方向に配置される。
For the vertical focal length f of the
By setting within the range of , it is possible to match the focal positions of the image in the horizontal and vertical directions. The reason why the reference numerals are reversed from those in the fifth embodiment is that the reflected image is formed inside the concave mirror. Although an anamorphic lens with negative power is used here, it is also possible to use an anamorphic lens with positive power. In that case, the surfaces with positive lens power are placed horizontally instead of vertically.
本実施例では凹型の非球面自由曲面ミラーが用いられている。凹型ミラーを用いることで、凸型ミラーを用いた場合よりも水平方向の視野角は制限されるが、水平方向の反射光線がミラー近傍で交差するため、ミラーを環境から保護するための光学窓(図面には示されていない)を小型化することが可能になる。この場合、光学窓は光線が交差する近傍に配置することで光学窓のサイズを最小化することが可能となる。光学窓としては両面反射防止膜付きのゲルマニウムの平板窓を用いた。 In this embodiment, a concave aspherical free-form surface mirror is used. Using a concave mirror limits the horizontal viewing angle more than using a convex mirror, but because the reflected horizontal rays intersect near the mirror, an optical window protects the mirror from the environment. (not shown in the drawing) can be miniaturized. In this case, the size of the optical window can be minimized by arranging the optical window near the intersection of the light beams. As the optical window, a germanium flat window with antireflection films on both sides was used.
本実施例の光学系により水平方向150°垂直方向20°(水平垂直視野角比7.5)を実現した。 The optical system of this embodiment realized 150° in the horizontal direction and 20° in the vertical direction (horizontal/vertical viewing angle ratio of 7.5).
ここまでの実施例ではすべて車載用ナイトビジョンシステムについて説明した。しかしながら、本発明の光学系はナイトビジョンに限られるものではなく、可視光カメラ、近赤外カメラにも適用できる。ナイトビジョンシステムに必要な視野は通常の可視光カメラ、近赤外カメラも同じであり、可視光カメラや近赤外カメラに本発明の光学系を採用することでナイトビジョンシステムに求められる水平方向に広い視野を実現できる。 All the embodiments up to this point have been described with respect to the in-vehicle night vision system. However, the optical system of the present invention is not limited to night vision, and can also be applied to visible light cameras and near-infrared cameras. The field of view required for a night vision system is the same for a normal visible light camera and a near-infrared camera. A wide field of view can be realized.
さらに実施例はすべて車載用ナイトビジョンシステムに関するものであるが、本発明の応用範囲はこれに限られるものではない。一方向に広い視野、直交する方向に狭い視野を必要とするような用途に応用することができる。例えば交差点での交通監視への適用を考えると、信号機に本発明のカメラを設置し、横断中の歩行者、横断前後の歩行者を検知し信号を制御するような用途が考えられる。 Furthermore, although all the embodiments relate to a vehicle-mounted night vision system, the scope of application of the present invention is not limited to this. It can be applied to applications that require a wide field of view in one direction and a narrow field of view in an orthogonal direction. For example, when considering application to traffic monitoring at intersections, it is conceivable that the camera of the present invention is installed at a traffic light to detect pedestrians before and after crossing and to control signals.
また、電車のホームに設置しホーム内の乗客の人流をモニタすることでホームでの事故防止を実現できる。地下道の通路や歩道橋に設置し通行者をモニタするような用途も考えられる。 Also, by installing it on a train platform and monitoring the flow of passengers on the platform, it is possible to prevent accidents on the platform. It can also be used to monitor pedestrians by installing it in an underpass passage or a pedestrian bridge.
本明細書では、車載用途のナイトビジョンへの応用について説明したため、視野角は水平方向に広く垂直方向に狭い構成となっているが、ナイトビジョンカメラを90°回転して撮影することで水平方向狭く、垂直方向に広い視野角の画像を提供することも可能である。 In this specification, the application to night vision for in-vehicle use has been described, so the viewing angle is wide in the horizontal direction and narrow in the vertical direction. It is also possible to provide images with narrow and wide vertical viewing angles.
ドローンなどの飛行体に搭載する場合は、ナイトビジョンカメラを下向きに搭載することで、水平垂直方向でなく、前後左右方向の視野をアナモルフィックにすることが可能である。 When mounted on a flying object such as a drone, by mounting the night vision camera downward, it is possible to make the field of view in the front, back, left and right directions anamorphic instead of in the horizontal and vertical directions.
1 アナモルフィックレンズ
2 自由曲面ミラー
2-1 第1自由曲面ミラー
2-2 第2自由曲面ミラー
2-3 第3自由曲面ミラー
3 撮像素子
4―1 第1レンズ
4-2 第2レンズ
10 代表的な光線
21 自動車
22 自転車
23 歩行者
24 従来のナイトビジョンの視野角
25 望ましい視野角(120°)
26 特に望ましい視野角(150°)
1
26 Especially desirable viewing angle (150°)
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