JPWO2016068095A1 - 光学系、撮像装置および距離測定システム - Google Patents

Abstract

撮影画角の広角化と撮影範囲全体にわたる角度分解能の確保を両立するために好適な技術を提供する。撮像光学系において、最大画角θｍａｘにおける画角当たりの像高の変化率ｄｙ／ｄθが０よりも大きく、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）＝１／（ｄｙ（θ）／ｄθ）が、式：Ｄ（θｐ）＞｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）を満たすθｐが０＜θ＜θｍａｘの範囲に存在し、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）の切り替え画角θｓに対して、式：１．５＜（ｙ（θｓ）／θｓ）／｛（ｙ（θｍａｘ）−ｙ（θｓ））／（θｍａｘ−θｓ）｝＜３．０を満たす。

Description

本発明は、光学系、撮像装置および距離測定システムに関するものである。

一般的な撮像装置では、半画角θと像高ｙの関係を示す射影方式は、撮像光学系の近軸焦点距離ｆを用いて、略ｙ（θ）＝ｆ・ｔａｎθで示される透視射影を有する撮像光学系が用いられている。必要に応じて、歪曲収差が補正されていることもある。前記の透視射影方式では、撮像光学系の光軸から離れた広角側において、単位画角当たりの像高の変化は著しく大きくなる性質を持つ。したがって、撮影範囲を広く取ろうとすれば、像高ｙを捕らえるために大きな撮像素子が必要になる。たとえば、撮影できる最大画角を９０°とすると、像高ｙは発散してしまうため、無限に大きな撮像素子が必要となり撮像光学系を実現することができない。そこで、有限な大きさの撮像素子で広角を撮影する射影方式として、正射影 ｙ（θ）＝ｆ・ｓｉｎθが知られている。上記の正射影方式であれば、半画角θが９０°であっても像高ｙは有限であるため、撮像素子上に結像することができる。上記のような射影方式であれば、半画角が９０°まで撮像素子上に結像させることができる。上記の正射影よりも広い画角を撮影する射影方式として、式：ｙ＝ａ・ｆ・ｓｉｎ（ｂ・θ）で表される射影特性を持つ光学系がある。ここで、０＜ａ＜ｓｉｎθｍａｘ，ｂ＝π／（２・θｍａｘ），ｆ：全系の近軸焦点距離、θ：半画角（ｒａｄｉａｎ単位の対角画角）、θｍａｘ：最大半画角（ｒａｄｉａｎ単位の対角画角）、ｙ：撮像素子の受光面上での実像高である。（特許文献１参照）

特開２００４−３５４５７２号公報

例えば、正射影のように比較的広い画角を撮像できる射影方式では、中央部よりも周辺部が撮像素子上に圧縮されて結像されることになり、周辺部ほど情報量が失われる特徴を持つ。正射影の単位画角あたりの像高の変化率に注目すると、ｄｙ（θ）／ｄθ＝ｆ・ｃｏｓθであるため、中央部に対して周辺部の方が小さいことがわかる。言い換えると、中央部に対して周辺部の方が、単位像高あたりの角度の変化量が大きい。これは、周辺部で像が圧縮されていることを示しており、撮像素子上で単位画素当たりの情報が失われていることを意味している。

このような光学系を用いると、広い画角で映像を捉えることができるが、周辺部が圧縮された画像では都合が悪い場合がある。その場合には、撮影した画像データのうち、画角が大きい領域である周辺部に対応する、光学的に圧縮され撮影された撮像データを後処理によって引き伸ばす手法もある。ただし、情報が失われているため補間が必要となり、引き伸ばしても画像が劣化してしまう課題がある。極端な例として、半画角θ＝９０°においては、単位画角あたりの像高の変化量は０であり、撮像素子上の画素が表現できる半画角θの分解能がなく、θ＝９０°近傍における撮像情報量が少なくなっていることがわかる。さらに広い画角を持つ上記特許文献１に記載の構成について、画角当たりの像高変化量ｄｙ（θ）／ｄθについて考える。ｄｙ（θ）／ｄθ＝ａ・ｆ・ｂ・ｃｏｓ（ｂ・θ）となり、最大画角である半画角θ＝θｍａｘのときについて計算すると、ｄｙ（０）／ｄθ＝０となる。すなわち、最大画角において単位画角当たりの像高の変化が０であるため、最大画角近傍では画角の角度分解能が失われてしまう課題がある。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、撮影画角の広角化と撮影範囲全体にわたる角度分解能の確保を両立するために適切な技術を提供するものである。

本発明は特許請求の範囲に記載された構成を特徴とするものである。

より具体的には、本発明に係る光学系は、
撮像光学系において、最大画角θｍａｘにおける画角当たりの像高の変化率ｄｙ／ｄθが０よりも大きく、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）＝１／（ｄｙ（θ）／ｄθ）が、 式：Ｄ（θｐ）＞｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）
を満たすθｐが０＜θ＜θｍａｘの範囲に存在し、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）
の切り替え画角θｓに対して、
式：１．５＜（Ｄ（θｓ）−Ｄ（０））／（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（θｓ））＜３．０
を満たす光学系である。

上記本発明の構成によれば、広い画角を撮影する場合でも、撮像光学系の最大画角近傍の単位画角当たりの像高の変化量を確保しながら、単位画角当たりの像高の変化量を像の周辺部よりも中央を大きくとることができる。すなわち、撮影画角の広角化と撮影範囲全体にわたる角度分解能の確保を両立することが可能である。

射影方式による半画角θと像高ｙとの関係の一例。 像高当たりの画角の変化率の一例。 距離測定システムの構成を示すブロック図の一例。 撮像手段と距離を測定する対象物の配置関係を見た上面図。 撮像手段と距離を測定する対象物の配置関係を見た側面図。 角度分解能と測定距離との関係の説明図。 機能別の要求される画角と角度分解能の一例。 第一の実施例に係る光学系の角度分解能の一例。 第二の実施例に係る光学系の角度分解能の一例。 第三の実施例に係る光学系の角度分解能の一例。 第四の実施例に係る光学系の角度分解能と画角と像高の関係の一例。 第四の実施例に係る光学系の角度分解能を有するレンズの一例。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

図１は、射影方式による半画角θと像高ｙとの関係を示したグラフであり、横軸が半画角θ、縦軸が像高ｙを示している。
１１は透視射影、１２は正射影であり、各射影方式について、撮像範囲の中央である半画角θ＝０における傾き、すなわち画角当たりの像高の変化率ｄｙ（０）／ｄθが等しくなる条件でグラフをプロットしている。

透視射影１１も、正射影１２も画角が増加すると、像高が増加する性質を持ち、撮影画角が決められたとき、その像高は射影方式によって異なる。例えば、一般的に用いられている撮像レンズの射影方式である透視射影１１を例に挙げると、撮像光学系の近軸焦点距離ｆを用いて、像高ｙはｙ（θ）＝ｆ・ｔａｎθで示されるため、像高ｙはｔａｎθにしたがって増大していく。したがって、画角を広く取ると、像高が高くなってしまい、これを撮像するための感光フィルムや撮像素子のサイズを大きくしなければならない。特に、透視射影１１は、半画角θが９０°の時に像高ｙが発散してしまうため、半画角θが９０°以上になる用途では用いることができない。したがって、広画角な光学系では別の射影方式を用いる必要がある。

広い画角を持つレンズの射影方式の例として、正射影１２がある。正射影１２では、像高ｙはｙ（θ）＝ｆ・ｓｉｎθで示されるため、半画角θが９０°であっても、透視射影１１と異なり像高ｙが発散することはなく、有限のサイズの感光フィルムや撮像素子で撮影が可能である。

ところで、像を記録する手段として、撮像系の略結像位置に感光フィルムや撮像素子などを用いることができる。例として、像の光強度分布を電気信号に変換する撮像素子を利用したとして以下説明する。

撮像素子にＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ）イメージセンサなどの撮像素子を採用した場合には、Ｄ（θ）＝１／（ｄｙ（θ）／ｄθ）は、１画素あたりの画角の変化率を示している。つまり、Ｄ（θ）が小さければ１画素が表現する画角が小さいことを意味していて、分解能が高い状態を示す。

上記を考慮して、射影方式の違いによる角度分解能の違いを比較する。２つの射影方式は、中央部では同じ傾きを有していても、比較的広画角側である半画角４０度付近では、正射影１２は透視射影１１よりも傾きｄｙ（θ）／ｄθが小さい。つまり、中央部で同じ角度分解能を持っていても、広角側では正射影の角度分解能がより劣化している。

もうひとつの見方として、画角θにおける１画素あたりの画角の変化率Ｄ（θ）で評価することもできる。図２に像高当たりの画角の変化率Ｄを示す。

Ｄ（０）が同じであるが、Ｄ（４０）では透視射影２１よりも正射影２２の方がＤ（θ）が大きく、１画素あたりの画角の変化率が大きい状態であるため、広角側で角度分解能がより劣化する性質を持つことがわかる。

一方、像高について着目すると、一般レンズの透視射影１１では、広角側になるほど著しく像高が高くなるため、広角領域を撮影するためには、大きなサイズの撮像素子が必要となり、撮像素子のコストが高くなる課題と、それに合わせて光学系と撮像素子とを固定する筐体を大きくしなくてはならず、光学系が大きくなる課題がある。

撮像系の性能として、広い画角で撮影ができ、角度分解能が高いことが望ましいが、上記の射影方式の比較で記載したとおり、撮影画角が広くなるほど、角度分解能を高くするほど撮像素子を大きくしなくてはならない。もしくは、撮像素子のサイズを制限すると角度分解能を低下させるか、撮影範囲を狭くして角度分解能と両立させることを迫られる。

距離測定システムの構成について説明する。図３は距離測定システムの構成を示すブロック図である。

距離測定システムは、撮像光学系３１と、撮像素子３２から構成される撮像手段３を少なくとも２つ以上備え、映像処理部４と距離計算部５と、筐体６とから構成されている。図３の例ではステレオカメラを想定しているため撮像手段３は２つ備えられており、撮像手段３Ａと撮像手段３Ｂや撮像光学系３１Ａ、撮像素子３２Ａと添え字をつけて説明するが、特に両者を区別する必要がなければ添え字を付けずに説明する。

撮像光学系３１は、レンズなどの光学部品で構成される。撮像素子３２には、ＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳイメージセンサなど光強度を電気信号に変換する機能を有する素子を利用することができる。

映像処理部４では、撮影した映像を、距離計算をするために必要な情報を抽出しやすいように、明るさの調整、色の調整、像の歪に対して補正をかけるといった、映像を補正する機能を有する。得られる像の品質や、要求される精度によっては、省略することもできる。
距離計算部５は、複数の撮像手段３から得た映像から距離を計算する処理を行う。

これらの要素は、筐体６にて固定される。特に、複数の撮像手段３の配置関係が距離測定に重要なパラメータとなるため、高精度で配置されている必要がある。したがって、筐体６は剛性が高い材質、構造となっていることが望ましい。

距離測定システムでは、複数配置された撮像手段３から得た撮像データから、対象物が距離測定システムからどれだけの距離離れて存在しているかを算出するシステムであり、撮影対象が存在する方向の情報から対象物が存在する位置を三次元的に算出することができる。

距離を測定する手段の構成の一例を図４に示す。
図４は、撮像手段３と距離を測定する対象物８０の配置関係の概略図であり、図５は図４を側面から見た図である。図５においては撮像手段３Ａ、Ｂともに同様であるため、これらをまとめて図示する。また、撮像手段図４および図５中の撮像素子３２Ａ、Ｂは図面が描写される平面に対して垂直な平面に配置されるものであるが、説明を簡単にするために図面が描写される平面と平行に描写している。また、撮像光学系３１による光線の屈折は、説明を簡単にするために図中では考慮していない。

対象物８０から発された光は撮像光学系３１Ａ、Ｂを介して撮像素子３２Ａ、Ｂの位置８１Ａ、Ｂに結像される。撮像手段３Ａ、３Ｂから得られた映像は、映像処理部４で明るさ、色、歪みなどを調整され、距離計算部５によりパターンマッチングが行われる。パターンマッチングの手法としては例えば、それぞれの映像に対して、特徴点を抽出し、それらが同一の物体であるかどうかを幾何的、位相的な整合性の有無を確認するアルゴリズムを利用することでチェックする。

パターンマッチングの結果、同一の物体であると判断された対象物８０が結像した撮像素子３２Ａ、Ｂ上の位置８１Ａ、Ｂと、撮像光学系３１と撮像素子３２との距離および撮像光学系３１の光学特性から、撮像光学系３１Ａ、Ｂの光軸と対象物８０とがなす水平角θＡ、Ｂおよび仰角φが求められる。筐体６に固定されることにより撮像光学系３１Ａ、Ｂの光軸の距離Ｌは一定であるので、距離Ｌと水平角θＡ、Ｂ、仰角φおよび撮像光学系３１の光学特性を考慮することにより三角測量等の方法で対象物８０までの距離が求められる。

このように、撮像手段３で撮影した撮像データから、対象物８０などのある特徴点の撮像手段３の光軸に対する方向と距離を求めることができ、対象物８０の三次元的な位置を特定することができる。

ここで、図６を用いて角度分解能と距離の測定可能な範囲について説明する。
図６に示すように、１つの画素が表現する画角は幅を持っており、直線で示す画角内であれば、撮像手段３は対象物８０が同じ方向に存在すると認識する。例えば（ａ）のように角度分解能が高ければ撮像素子３２の１画素が捕らえる画角が狭いため、複数の対象物８０それぞれを識別可能となり、距離の測定精度が上がる。しかしながら、（ｂ）のように角度分解能が低いと撮像素子３２の１画素が捉えられる画角が広いため、複数の対象物８０を識別することができず、対象物８０との距離を正確に測定することができない。このため、正確に対象物８０との距離を測定する必要がある画角に関しては角度分解能を高くする必要がある。

特に対象物８０が比較的遠方にある場合は１画素が捕らえる範囲が距離に比例して拡大するため、図６の（ｂ）のように複数の対象物８０が１画素が捕らえる画角に入る可能性が高くなり、高い角度分解能が求められる。

ここで、角度分解能を高くするには、撮像素子３２の高解像度化（撮像素子のサイズの拡大、撮像素子の画素の高密度化）を図る手法と、撮像光学系３１の画角と像高の関係において、単位像高さ当たりの画角の変化率を小さくするという手法がある。しかしながら、撮像素子３２の高解像度化は技術的・物理的な困難性、コストが増大するなどの制限がある。そこで本実施例では、角度分解能に影響をおよぼす要素である撮像光学系３１を変化させることで正確な距離測定が必要な画角における角度分解能を高くすることとした。

本実施例の距離測定システムの使用例として、車両の前方に搭載した用途について説明する。
車両には、運転手の運転をサポート、あるいは運転手の直接の指示なく運転をするための自動運転機能を搭載したものが研究、実施されている。運転のサポートの例を挙げると、前方横方向から飛び出してくる車や人との衝突を回避したり、前方の車との衝突を防ぐように、距離が近づくと警告を発したりブレーキをかけるようなシステムがある。他には、前方の車に追従して走行する機能などもある。

これらの機能を実現するためには、車の周辺に存在する物の配置関係、移動する方向、速度などの情報を利用して、判断制御を行う方法がある。これらの情報を得るためには、距離測定システムを利用することができる。距離測定システムを用いて運転のサポート、自動運転をすることができるが、各用途、機能によって測定しなければならない距離、方向、精度が異なる。

図７に機能別の要求される画角と角度分解能の一例を示す。
前方の車両に自動的に追従する機能（追従運転８０１）では、高速道路などの比較的車間距離がとられていることも想定され、高速で走行中には距離測定の誤差によって車間距離に大きく影響を与えるので、正面付近の遠方でも精度の高い距離測定が必要である。このため、画角の小さい領域において角度分解能が高い（Ｄ（θ）が小さい）必要がある。また、追従運転８０１の広角側は狭角側と比較して、有効な追従対象は近距離に存在するため、追従運転８０１のグラフは右肩上がりの形となる。一方で、正面以外の領域に対しては追従する車両がないと考えられるので距離測定をする必要がない。

衝突防止する機能（衝突防止８０２）では、カーブなどを走行中でも前方の車両との距離を測定して適切な車間距離を取る必要があるため、追従運転８０１と比較して広い画角である正面周辺領域について距離を測定する必要がある。しかし、衝突する可能性のある車両は比較的近距離にあるので、追従運転８０１ほど正確な距離測定は必要はない。また、衝突防止８０２の広角側は狭角側と比較して衝突の危険性がある対象物の存在範囲が近距離に限定されるため、衝突防止８０２のグラフは右肩上がりの形となる。そして、正面周辺領域よりもさらに広角領域についてはカーブにより衝突する可能性が考えにくいことから距離を測定する必要はない。

交差点などにおける走行方向が略直交する場合の衝突防止機能（衝突防止８０３）では、横方向から飛び出してくる人や車両を検知する必要があるため、できるだけ広い画角を撮像することが必要である。しかし、衝突防止８０２と同様に衝突する可能性のある人や車両は比較的近距離にあるので、追従運転８０１ほど正確な距離測定は必要ない。ただし、衝突防止８０２とは違い、衝突防止８０３では広角側に存在する対象物であっても自車両の進路に向かうため、比較的遠方の対象物も測定する必要がある。また、交差点までの距離が一定のとき、衝突防止８０３の広角側は狭角側と比較して対象物までの距離が遠くなるため、衝突防止８０３のグラフは右肩下がりの形となる。

このように、実現しようとする用途によって、検知しなければならない範囲が異なる。上記の目的で車両に距離測定システムを搭載する場合、一般的に正面に対しては遠距離を、周辺方向については広い画角での撮影が要求される傾向にある。

本実施例の光学系の構成の一例を図８に示す。
８０１から８０３の直線は図７の追従運転８０１、衝突防止８０２、衝突防止８０３をしており、２４が第一の実施例に係る光学系の画角の変化率の一例である。画角の変化率２４は全ての画角で追従運転８０１、衝突防止８０２、衝突防止８０３よりも像高あたりの画角の変化率Ｄを小さくなるように設計されたものである。

すなわち、画角の変化率２４はレンズの中央部分、中央部分よりも外側にある中央周辺部分、中央周辺部分より外側にある外周部分の順に画角の変化率が大きくなるように設計されている。中央部分、中央周辺部分、外周部分の区分けは図中では０度から約２０度、約２０度から約３０度、約３０度以上、となっているが、特にこれに限定するものではなく、図７で説明した求められる特性が異なるのであれば、これに合わせて中央周辺を３０度から４０度と設定するなど、適宜修正することが可能である。

また、画角の変化率Ｄが小さければ高精度で距離測定できるが、撮像素子３２の画素を多く消費してしまう。つまり、広い撮影画角でありながら撮像素子３２の要求解像度を低く抑えるためには、画角の変化率Ｄが、撮像視野正面から最大画角に亘って要求される角度分解能を満足する範囲で画角の変化率Ｄを大きくすることが有効である。本実施例は上記を満足する構成の一例である。

本実施例では、撮像光学系３１において、最大画角θｍａｘにおける画角当たりの像高の変化率ｄｙ／ｄθが０よりも大きく、所定のθｐにおいてＤ（０）とＤ（θｍａｘ）を結ぶ直線２３よりも変化率Ｄが大きい。すなわち、
式：Ｄ（θｐ）＞｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）
を満たすθｐが０＜θ＜θｍａｘの範囲に存在する。
画角の変化率Ｄ（θ）が大きくなることにより、像高の増大を防ぐ効果がある。さらに、本実施例の光学系の画角の変化率２４は、θ＝０近傍で直線２３よりも小さくなっている領域がある。すなわち、画角の変化率２４は、θ＝０近傍の画角が狭い領域において、直線２３よりも角度分解能が高く、周辺部分では、像高が大きくなる割合が抑えられているため、広い画角を撮影できる。最大画角θ＝θｍａｘであっても画角の変化率が０よりも大きいため、最大画角であっても光学的には撮影対象の位置情報は失われない。

このように、本実施例の構成の光学系であれば、直線２３のように単調に変化している光学系に対して、角度分解能を重視する画角領域と、像高の変化率を抑える画角領域とを有する光学系になるため、広い撮影範囲を確保しながら、一部の画角領域において高解像度に撮影できる。

また、本実施例の画角の変化率２４が頂点を持っている場合には、その頂点が存在する範囲領域において角度分解能が下がるが、中央、周辺の角度分解能を高めながら広い画角を撮影できる。

画角の変化率２４が頂点を持つ本実施例の光学系を、車両に搭載する用途の機器に用いる場合、この頂点は２０°から３０°の範囲に存在している事が望ましい。運転手の運転サポートや、自動運転で必要となる用途別の画角ごとに要求される検知距離は、２０°から３０°の領域で短めになっている。そのため、図８に示すように２０°から３０°の画角では角度分解能が小さくても許容されるので、その領域で角度分解能を小さくして像高の増加を抑えると、画角が小さい中央領域と、周辺領域で比較的正確な距離測定をしつつ、広い画角を撮影できる距離測定システムを提供できる。

本発明の第二の実施例の一構成例を説明する。図９は、第二の実施例に係る光学系の角度分解能の一例である。第一の実施例における光学系の光学特性は複雑であるため、光学系の設計も煩雑になる傾向がある。そのため、本実施例では第一の実施例と同様の効果を奏する、より簡易的な光学系を説明する。

本実施例における光学系は、撮像光学系３１において、最大画角θｍａｘにおける画角当たりの像高の変化率ｄｙ／ｄθが０よりも大きく、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）＝１／（ｄｙ（θ）／ｄθ）が０＜θｐ＜θｍａｘの範囲にあるθｐで、
式：Ｄ（θｐ）＞｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）
を満たし、この範囲でＤ（θ）が頂点を持たない光学系である。

画角の変化率Ｄ（θ）が頂点持っている場合には、その頂点が存在する範囲領域において角度分解能が下がる。上記のようにＤ（θ）に頂点を持たない光学系にすることで、画角が０から最大画角θｍａｘまで全域にわたって角度分解能が単調増加しているので、中央から周辺にわたって連続した距離測定に有効な画角領域が得られる効果がある。

距離測定システムに本実施例の光学系を利用する場合、距離測定が可能な画角が連続していることが保証されているため、距離測定システムの距離計算部のアルゴリズムの簡易化、システムの堅牢性を向上させる効果がある。

本発明の第三の実施例の一構成例を説明する。図１０は、第三の実施例に係る光学系の角度分解能の一例である。第二の実施例における光学特性により、第一の実施例と同様の効果を、より簡易的な光学系で実現できるが、その効果は第一の実施例と比較して大きく下がってしまう。そのため、本実施例では光学系の光学特性を第二の実施例と比較して複雑にすることで、第二の実施例より効果が高く、第一の実施例より設計が容易な光学系を説明する。

本実施例における光学系は、撮像光学系３１において、最大画角θｍａｘにおける画角当たりの像高の変化率ｄｙ／ｄθが０よりも大きく、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）＝１／（ｄｙ（θ）／ｄθ）が０＜θｐ＜θｍａｘの範囲にあるθｐで、
式：Ｄ（θｐ）＞｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）
を満たし、Ｄ（θ）が頂点を持たない光学系であって、少なくとも１つ以上の変曲点を有する光学系である。

本実施例の光学系の画角の変化率２６は変曲点２６１を持っているため、θ＝０°近傍の角度分解能を高く維持しながら、θ＝θｍａｘ近傍の画角の増大を抑えることができる。したがって、有効な画角領域が連続でありながら、θ＝０°近傍の中央側と、θ＝θｍａｘ近傍の周辺側それぞれの領域において、比較的高水準な角度分解能が得られ、変曲点周辺における角度分解能の遷移領域を小さくすることができる。本実施例の構成の光学系であれば、中央の画角領域と周辺側の画角領域において高い角度分解能を有し、広い画角を撮像できる距離測定システムを提供できる。

さらに、車両に搭載する用途の機器に用いる場合、像高当たりの画角の変化率の変曲点２６１がある画角である切り替え画角θｓは２０°から３０°の範囲に存在している事が望ましい。運転手の運転サポートや、自動運転で必要となる用途別の画角ごとに要求される検知距離は、２０°から３０°の領域で短く、２０°から３０°の画角では画角倍率が遷移することにより映像の認識精度が低下しても許容されるためである。

本発明の第四の実施例の一構成例を説明する。図１１は、第四の実施例に係る光学系の角度分解能と画角と像高の関係の一例であり、１６は本実施例の画角と像高の関係、２７は画角と画角の変化率である。

本実施例における光学系は、第一から第三の実施例に記載の光学系を応用したものであって、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）の切り替え画角θｓに対して像高ｙ（θ）が
式：１．５＜（ｙ（θｓ）／θｓ）／｛（ｙ（θｍａｘ）−ｙ（θｓ））／（θｍａｘ−θｓ）｝＜３．０
を満たす光学系である。

本実施例の構成の光学系を車両に搭載する用途の機器に用いる場合、運転手の運転サポートや、自動運転で必要となる用途別の画角ごとに要求される検知距離は中央で長く、周辺方向で短い。このため、例えば、３Ｍピクセルの解像度を有する撮像素子を用いた場合、
（ｙ（θｓ）／θｓ）／｛（ｙ（θｍａｘ）−ｙ（θｓ））／（θｍａｘ−θｓ）｝＜１．５であると、９０度の半画角からレンズに入射した光を撮像素子の存在する領域に収束することができず必要な領域の映像を得ることができない。また、
３．０＜（ｙ（θｓ）／θｓ）／｛（ｙ（θｍａｘ）−ｙ（θｓ））／（θｍａｘ−θｓ）｝
であると、広角領域も撮像可能であるが、映像の角度分解能が低下してしまい測定距離の精度が不足してしまう。

したがって、本実施例の構成の光学系であれば、画角が小さい領域で測定距離が長く、周辺部分で測定距離が短いが、広い画角を撮影できる距離測定システムを提供できる。

図１２を用いて、本実施例の角度分解能を有する光学系の一例を示す。球面レンズと非球面レンズから構成されている。最も撮影対象側に近いレンズは、非球面の凸面と、球面の凹面を有するメニスカスレンズ７１が２枚で構成され、その他には４組の張り合わせレンズ７２と１つの球面レンズ７３、さらに所定の不要な偏光をさえぎるための偏光板７４を設けた構成となっている。これらのレンズの構成は、耐候性を優先してガラス製でも良いし、加工性、コストを優先して樹脂プラスチックで製造されていても良い。また、各種光学部品は透過率を確保するためにＡＲコーティングがなされていても良い。これらのレンズ、光学部品は鏡筒、スペーサなどを用いて位置決めされた上で固定される。振動や外的な衝撃で光学部品の位置がずれないように、金属や適度な剛性を有する材質でできていることが望ましい。

本願では、車載ステレオカメラに用いられることを想定して説明したが、本願の光学系や、本願の光学系を有する撮像装置等はその他の分野に使用することも可能である。例えば、監視カメラに用いた場合、カメラ前方の全体を見渡せる広い視野を実現しながら、注視すべき対象物を見つけた場合には対象物をカメラ正面に捉えることで高解像度で詳細に撮影できる効果があり有用である。 なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１１…透視射影、１２…正射影、２１…透視射影の画角の変化率、２２…正射影の画角の変化率、２３…｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）で示される画角の変化率、
２４…第一の実施例の画角の変化率、２５…第二の実施例の画角の変化率、２６…第三の実施例の画角の変化率、２６１…変曲点、２７…第四の実施例の画角の変化率、２８…第五の実施例の画角の変化率、３…撮像手段、３１…撮像光学系、３２…撮像素子、４…映像処理部、５…距離計算部、６…筐体、７１…メニスカスレンズ、７２…貼り合わせレンズ、７３…球レンズ、７４…偏光板、８０…対象物

Claims (7)

1. 最大画角θｍａｘにおける画角当たりの像高の変化率ｄｙ／ｄθが０よりも大きく、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）＝１／（ｄｙ（θ）／ｄθ）が、
   式：Ｄ（θｐ）＞｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）
   を満たすθｐが０＜θ＜θｍａｘの範囲に存在することを特徴とする光学系。
2. 最大画角θｍａｘにおける画角当たりの像高の変化率ｄｙ／ｄθが０よりも大きく、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）＝１／（ｄｙ（θ）／ｄθ）が、
   式：Ｄ（θｐ）＞｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）
   を満たすθｐが０＜θ＜θｍａｘの範囲に存在することを特徴とする光学系であって、
   Ｄ（θ）が頂点を持たないことを特徴とする光学系。
3. 最大画角θｍａｘにおける画角当たりの像高の変化率ｄｙ／ｄθが０よりも大きく、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）＝１／（ｄｙ（θ）／ｄθ）が、
   式：Ｄ（θｐ）＞｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）
   を満たすθｐが０＜θ＜θｍａｘの範囲に存在し、
   Ｄ（θ）が頂点を持たない光学系であって、少なくとも１つ以上の変曲点を有することを特徴とする光学系。
4. 請求項１から３いずれかに記載の光学系であって、
   像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）の切り替え画角θｓに対して、
   像高ｙ（θ）が
   式：１．５＜（ｙ（θｓ）／θｓ）／｛（ｙ（θｍａｘ）−ｙ（θｓ））／（θｍａｘ−θｓ）｝＜３．０
   を満たすことを特徴とする光学系。
5. 請求項４に記載の光学系であって、
   像高当たりの画角の変化率の切り替え画角θｓが
   １０°＜θｓ＜３０°であることを特徴とする光学系。
6. 前記請求項１から５のいずれかに記載の光学系と、撮像素子とを有する撮像装置。
7. 前記請求項６記載の撮像装置を少なくとも２つ以上備える距離測定システム。

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