KR20030096409A - 반사형 광학장치와 이를 이용한 촬상 장치, 비디오 카메라장치와 차 적재용 감시장치 - Google Patents

반사형 광학장치와 이를 이용한 촬상 장치, 비디오 카메라장치와 차 적재용 감시장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체로부터의 광속을 상면(像面)(4)에 결상하는 2면의 비축 대칭 형상의 반사면이 광속 진행 방향에 따라 제1 반사면(2), 제2 반사면(3)의 순으로 배치되고, 제1 반사면(2)과 제2 반사면(3)이 편심하여 배치되며, 상면(4)의 중심과 각 반사면(2, 3)의 각 정점을 포함하는 평면으로 자른 단면 형상은 제1 반사면(2) 및 제2 반사면(3)의 각각이 오목 형상이다. 이에 따라 광속을 차단하지 않고 상면까지 인도할 수 있고, 양호하게 결상할 수 있어, 광각(廣角), 고성능의 반사형 광학장치를 실현할 수 있다.

Description

반사형 광학장치와 이를 이용한 촬상 장치, 비디오 카메라 장치와 차 적재용 감시장치{REFLECTION OPTICAL DEVICE, IMAGING DEVICE COMPRISING THIS, VIDEO CAMERA, AND MONITORING DEVICE MOUNTED ON VEHICLE}
본 발명은 반사면을 이용한 광학계 및 촬상장치에 관한 것으로 특히 적외선에 의한 촬상장치에 관한 것이다.
최근, 반사형 광학장치는 주로 적외선의 검출, 촬상을 목적으로 하여 연구되고 있다. 특히 광속(光束)을 도중의 반사면에서 차단하지 않고 유효하게 결상(結像)시키도록 각 반사면을 편심되게 배치한 광학장치가 특허공보 2, 763, 055호, 2, 598, 50l호, 2, 716, 933호 등에서 다양하게 제안되고 있다. 또한, 적외선 용도는 아니지만 반사면의 형상을 자유 곡면으로 한 반사형 광학장치로는 특개평 8-292371호 공보에 기재된 장치 등이 제안되어 있다.
또한, 가시역의 화상정보를 촬상하기 위한 결상 광학계로서, 광학 유리를 렌즈로서 이용한 굴절 광학계가 이용되어 왔다. 특개평 11-l4906호 공보에는 다수의 반사면을 투명체인 광학매질의 외부에 형성한 구성의 광학장치가 제안되어 있다.
한편, 적외선을 이용하여 열화상을 촬상하는 광학장치는 적외역의 파장을 취급하기 때문에, 렌즈에 이용되는 재료는 게르마늄, 실리콘 및 ZnSe 등에서 선택되는 재료가 이용되어 왔다. 특개평 10-339842호 공보에는 게르마늄과 ZnSe로 형성된 렌즈를 가지는 광학장치가 제안되어 있다. 특개평 1-88414호공보에는 게르마늄과 실리콘으로 형성된 렌즈를 가지는 광학장치가 제안되어 있다.
이에 대해 반사 광학계는 반사면의 재료를 적절히 선택함으로써 가시역으로부터 적외역까지를 결상할 수 있는 등의 특징이 있다. 특개평 10-206986호 공보에는 주거울과 부거울의 2개의 반사면의 공축(共軸) 반사 광학계에 릴레이 렌즈를 추가한 광학장치가 제안되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 각 반사면을 편심하여 배치한 광학장치는 모두 밝기, 해상력, 변형, 투영각 등의 광학수단이 실용 레벨에 미치지 않는다는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 상기와 같은 종래의 가시역의 화상 정보를 촬상하는 광학장치에서는 가시역의 화상정보를 촬상하는 경우, 굴절 광학계에서는 다수개의 렌즈가 필요해져 고가였다. 또한, 투명체인 광학매질의 외부에 반사면을 형성한 광학장치에서는 부품점수는 삭감되지만 가격 저감은 충분하지 않았다.
한편, 적외선을 이용하여 열화상을 촬상하는 광학장치에 굴절 광학계를 이용한 경우는 고가이고, 경우에 따라서는 독성을 가지는 게르마늄이나 ZnSe와 같은 재료를 이용하고 있었다. 반사 광학계에서는 특수한 재료를 이용하지 않고 비교적 대구경비의 광학계를 구성할 수 있지만, 반사면 자체에 의한 광속의 차폐가 발생하기 쉽고, 작은 투영각의 광학장치밖에 얻을 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하는 것으로, 광각화를 실현하고, 광학성능을 향상시켜 소형화와 저비용을 양립시킨 반사형 광학장치와 반사형 고체 광학장치 및 이를 이용한 촬상장치와 비디오 카메라 장치 및 차 적재용 감시장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 해결하기 위해, 본 발명의 첫번째 반사형 광학장치는 물체로부터의 광속을 상면에 결상하는 2면의 비축 대칭형상의 반사면이 광속 진행 방향에 따라 제1 반사면, 제2 반사면의 순으로 배치되고, 상기 제1 반사면과 상기 제2 반사면이 편심하여 배치되고, 상기 상면의 중심과 상기 각 반사면의 각 정점을 포함하는 평면으로 자른 단면 형상은 상기 제1 및 제2 반사면의 각각이 오목 형상인 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 비축 대칭 형상의 반사면을 2매 편심하여 배치하였으므로, 광속을 차단하지 않고 상면까지 인도하고, 양호하게 결상시킬 수 있어, 광각, 고성능인 반사형 광학장치를 실현할 수 있다.
상기 첫번째 반사형 광학장치에서는 상기 제1 반사면과 물체와의 사이에 광속을 제한하는 조리개가 배치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 조리개의 중심과 상기 제1 반사면의 정점과의 간격을 d1, 상기 상면의 중심과 상기 제1 및 제2 반사면의 각 정점을 포함하는 평면내의 초점 거리를 efy로 하면,
0.3<dl/efy<1.5
의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 관계식의 범위내이면, 수차의 발생을 억제할 수 있고, 광학 성능의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 제1 반사면의 정점과 상기 제2 반사면의 정점과의 간격을 d2, 상기 상면의 중심과 상기 제1 및 제2 반사면의 각 정점을 포함하는 평면내의 초점 거리를 efy로 하면,
l.0<d2/efy<4.0
의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 관계식의 범위내이면, 수차의 발생을 억제할 수 있고, 광학성능의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 상면의 중심과 상기 제1 및 제2 반사면의 각 정점을 포함하는 평면에 수직인 방향의 상기 제1 반사면의 단면형상은 오목 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 상면의 중심과 상기 제1 및 제2 반사면의 각 정점을 포함하는 평면에 수직인 방향의 상기 제2 반사면의 단면형상은 오목 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 및 제2 반사면의 형상은 회전 중심축을 가지지 않는 자유 곡면인 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 설계 자유도가 증가하여, 보다 광각화, 광학성능의 향상을 실현할 수 있다.
또한, 상기 자유곡면은 정점을 원점으로 하여, 상기 상면의 중심과 반사면의 각 정점을 포함하는 평면에 수직인 방향을 X, 상기 평면에 포함되어 정점의 접선방향을 Y로 하는 직교 좌표계(X, Y)에서 함수 f(X, Y)로 정의되고, 각 Y좌표의 X방향단면형상의 곡률 반경 중심을 연결한 선이 만곡된 곡선인 만곡축 Y 원환체(toric)면, 또는 각 X좌표의 Y방향 단면형상의 곡률 반경 중심을 연결한 선이 만곡된 곡선인 만곡축 X 원환체면인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 반사면의 형상은 정점을 포함하는 Y방향 단면 형상이 정점의 법선에 관해 비대칭이고, X방향 단면의 곡률 중심을 연결한 곡선이 법선에 관해 비대칭인 만곡축 Y 원환체면 또는 만곡축 X 원환체면인 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 더욱 성능 향상을 도모할 수 있다.
또한, 상기 제2 반사면 형상은 정점을 포함하는 Y방향 단면 형상이 정점의 법선에 관해 비대칭이고, X방향 단면의 곡률 중심을 연결한 곡선이 법선에 관해 비대칭인 만곡축 Y원환체면 또는 만곡축 X원환체면인 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 더욱 성능향상을 도모할 수 있다.
다음에, 본 발명의 두번째 반사형 광학장치는 물체로부터의 광속을 상면에 결상하는 적어도 3면의 반사면을 가지고, 상기 각 반사면은 편심하여 배치되며, 상기 각 반사면의 각 정점을 포함하는 평면내의 F치가 3.5보다 작고, 또한 상기 각 반사면 중 상기 물체측의 2면을 상기 물체측으로부터 광속 진행방향에 따라 순서대로 제1 반사면, 제2 반사면으로 하면, 상기 평면으로 자른 단면 형상은 상기 제1 및 제2 반사면의 각각이 오목형상인 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 2매 구성과 비교해 광학성능의 향상을 도모할 수 있고, 고해상도, 고감도가 요구되는 시스템에 이용할 수 있다.
다음에, 본 발명의 세번째 반사형 광학장치는 물체로부터의 광속을 상면에결상하는 적어도 3면의 반사면을 가지고, 상기 각 반사면은 편심하여 배치되고, 상기 각 반사면의 각 정점을 포함하는 평면내의 F치가 1.9보다 작은 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 고해상도, 고감도가 요구되는 적외역 촬상 시스템에 이용할 수 있다.
상기 세번째 반사형 광학장치에 있어서는 상기 F치가 l.6보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 반사면중 상기 물체측의 2면을 상기 물체측에서 광속진행 방향에 따라 순서대로 제1 반사면, 제2 반사면으로 하면, 상기 평면으로 자른 단면 형상은 상기 제1 및 제2 반사면의 각각이 오목 형상인 것이 바람직하다.
다음에, 본 발명의 네번째 반사형 광학장치는 물체로부터의 광속을 상면에 결상하는 적어도 3면의 반사면을 가지고, 상기 각 반사면은 편심하여 배치되고, 상기 각 반사면중 상기 물체측에서 광속 진행 방향에 따라 두번째의 반사면을 제2의 반사면으로 하면, 상기 제2 반사면의 정점 근방의 형상은 상기 각 반사면의 각 정점을 포함하는 평면으로 자른 단면 형상이 오목형상이고, 또한 상기 평면에 수직인 방향의 단면 형상이 볼록 형상인 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 한층 더 고해상도, 고감도가 요구되는 시스템에 이용할 수 있다.
상기 두번째, 세번째, 또는 네번째의 반사형 광학장치에 있어서는 상기 적어도 3면의 반사면의 형상이 비축 대칭면인 것이 바람직하다.
또한, 상기 두번째, 세번째, 또는 네번째의 반사형 광학장치에 있어서는 상기 반사면은 상기 물체측에서 광속 진행 방향에 따라 순서대로 제1 반사면, 제2 반사면, 제3 반사면 및 제4 반사면의 4면인 것이 바람직하다.
상기 반사면이 4면인 반사형 광학장치에 있어서는 상기 제3 반사면의 정점의 법선과 상기 제3 반사면의 정점에서 상기 제4 반사면의 정점으로 향하는 광축이 이루는 각도(deg)를 α3로 하면,
26<α3<56
의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 관계식의 하한을 넘으면, 제4 반사면에서 반사된 일부 광속이 제3 반사면으로 되돌아가 차폐되므로 상면에 도달하지 않는다. 상한을 넘으면, 수차(收差)가 크게 발생하여, 광학 성능이 열화된다.
또한, 상기 제1 반사면과 상기 물체와의 사이에 광속을 제한하는 조리개가 배치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 조리개의 중심과 상기 제1 반사면의 정점과의 간격을 dl, 상기 각 반사면의 각 정점이 포함되는 평면내의 초점거리를 efy로 하면,
0.3<d1/efy<1.5
의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 조리개의 중심과 상기 제1 반사면의 정점과의 간격을 d1, 상기 각 반사면의 각 정점이 포함되는 평면내의 초점거리를 efy로 하면,
0.6<dl/efy<1.0
의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 반사면의 정점과 상기 제2 반사면의 정점과의 간격을 d2, 상기 제3 반사면의 정점과 상기 제4 반사면의 정점과의 간격을 d4로 하면,
0.3<d2/d4<1.0
의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3 반사면의 정점과 상기 제4 반사면의 정점과의 간격을 d4, 상기 각 반사면의 각 정점이 포함되는 평면내의 초점거리를 efy로 하면,
2.6<d4/efy＜7.5
의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3 반사면의 정점과 상기 제4 반사면의 정점과의 간격을 d4, 상기 각 반사면의 각 정점이 포함되는 평면내의 초점거리를 efy로 하면,
3.5<d4/efy<6.5
의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제4 반사면의 정점과 상기 상면의 중심과의 간격을 d5, 상기 각 반사면의 각 정점이 포함되는 평면내의 초점거리를 efy로 하면,
0.5<d5/efy<2.0
의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 각 관계식의 범위내이면, 일부 광속의 반사면에서의 차폐나, 수차의 발생을 억제할 수 있고, 광학성능의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 상기 4면의 반사면은 상기 각 반사면의 각 정점을 포함하는 평면으로 자른 단면형상이 모두 오목 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 반사면의 각 정점을 포함하는 평면에 수직인 방향의 단면 형상중, 상기 제1 반사면의 단면 형상이 오목 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 반사면의 각 정점을 포함하는 평면에 수직인 방향의 단면 형상중, 상기 제3 반사면의 단면 형상이 오목 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 반사면의 각 정점을 포함하는 평면에 수직인 방향의 단면 형상중, 상기 제4 반사면이 오목 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 4면의 반사면은 비축 대칭 형상이고, 또한 회전 중심축을 가지지 않는 자유 곡면인 것이 바람직하다.
또한, 상기 4면의 반사면은 자유 곡면이고, 상기 자유 곡면은 정점을 원점으로 하고, 각 정점을 포함하는 평면에 수직인 방향을 X, 상기 평면에 포함되어 정점의 접선 방향을 Y로 하는 직교 좌표계(X, Y)에 있어서 함수 f(X, Y)로 정의되고, 각 Y좌표의 X방향 단면 형상의 곡률 반경 중심을 연결한 선이 만곡된 곡선인 만곡축 Y원환체면 또는 각 X좌표의 Y방향 단면형상의 곡률 반경 중심을 연결한 선이 만곡된 곡선인 만곡축 X원환체면인 것이 바람직하다.
다음에, 본 발명의 첫번째 촬상 장치는 상기 각 반사형 광학장치와, 광강도를 전기신호로 변환하는 검출 수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 촬상 장치에 의하면, 광각이고 또한 해상도가 높은 영상 신호를 얻을 수 있다.
상기 첫번째 촬상 장치에 있어서는 상기 검출수단이 2차원 촬상 소자인 것이 바람직하다.
또한, 상기 검출 수단이 적외역의 광선에 감도를 가지는 것이 바람직하다.
다음에 본 발명의 첫번째 멀티 파장 촬상장치는 반사면만으로 광속을 집속시키는 반사형 광학장치와, 다수의 다른 파장대의 광선에 대해 감도를 가지는 검출수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 멀티 파장 촬상 장치에 의하면, 반사면에서만 광속을 집속시키기 때문에, 적외역(파장3∼5μm 또는 8∼12μm)으로부터 가시역(파장 400∼750nm), 자외역(파장 200∼400nm)까지 어떤 파장대에서도 사용 가능하고, 다수의 파장대에 감도를 가지는 검출 수단과 조합하면, 하나의 광학계에서 동시에 다수의 파장대의 화상을 촬상하는 것이 가능해진다. 예컨대, 검출 수단이 적외역과 가시역의 어느쪽 광선에 대해서도 감도를 가지는 검출수단이면, 한낮의 촬상에 적합한 가시역과, 야간의 촬상에 적합한 적외역의 촬상이 가능해진다.
상기 첫번째 멀티 파장 촬상장치에 있어서는 상기 다수의 다른 파장대가 적외역, 가시역 및 자외역에서 선택되는 2종 이상의 파장대인 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사형 광학장치는 상기 첫번째, 두번째, 세번째, 또는 네번째의 반사형 광학장치인 것이 바람직하다.
또한, 상기 검출수단은 파장에 의한 광속 분리수단과 다수의 각 파장대에 대응하는 검출면을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 검출수단은 동일 검출면내에 다른 파장대의 광선에 대해 감도를 가지는 다수의 영역을 가지는 것이 바람직하다. 상기와 같은 멀티 파장 촬상장치에 의하면, 하나의 광학계, 하나의 검출소자로 동시에 다수의 파장대의 화상을 촬상하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 검출수단이 동일 검출면내에 다른 파장대의 광선에 대해 감도를 가지는 복수의 영역을 가지는 멀티 파장 촬상장치에 있어서는 상기 반사형 광학장치는 상기 첫번쩨, 두번째, 세번째, 또는 네번째의 반사형 광학장치인 것이 바람직하다.
다음에, 본 발명의 첫번째 차 적재용 감시장치는 상기 촬상장치와, 촬상된 영상을 운전자에게 전하는 표시수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 차 적재용 감시장치에 의하면, 앞에 달리는 차, 사람 등의 위치정보를 고정밀도로 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명의 두번째 차 적재용 감시장치는 상기 멀티 파장 촬상장치와 촬상된 영상을 운전자에게 전하는 표시수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
다음에 본 발명의 다섯번째 반사형 광학장치는 쉘(shell) 형상의 다수의 광학부재가 중공부를 형성하도록 대향 배치하여 일체화되고, 상기 중공부측의 면은 적어도 하나의 반사면을 형성하고 있는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 복수의 쉘 형상의 광학부재를 대향 배치하여 일체화하여 형성하고 있으므로, 저비용화와 소형화를 양립시킬 수 있다.
상기 다섯번째의 반사형 광학장치에 있어서는 상기 반사면중 적어도 하나는 회전 중심축을 가지지 않는 자유 곡면인 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 자유곡면으로 형성된 반사면을 가지고 있으므로, 편심 광학계의 수차 보정 능력을 얻을 수 있고, 종래에 없는 광로를 가지는 광학계의 구성이 가능해진다. 또한 반사면 자체에 의한 차폐가 억제되어 투영각이 큰 광학계를 얻을 수 있다.
또한, 상기 복수의 광학부재는 전측 광학부재와 후측 광학부재의 2개의 광학부재이고, 상기 전측 광학부재의 쉘 형상의 개구측과 상기 후측 광학부재의 쉘 형상의 개구측을 대향 배치하여 일체화함으로써 상기 중공부가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광학부재는 수지 성형물로, 상기 반사면에는 금속 박막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 전체는 수지 성형물로 하고, 반사면에만 금속 박막을 형성하면 되므로, 저비용의 반사형 광학장치를 얻을 수 있다.
또한, 상기 금속 박막의 재료는 알루미늄, 금, 은, 동 및 아연에서 선택되는 적어도 하나의 금속 박막 재료인 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사면상에 다시 SiO2막이 형성되는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 반사율의 감쇠를 방지할 수 있다.
또한, 상기 광학부재는 금속재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광학부재는 알루미늄, 금, 은, 동 및 아연에서 선택되는 적어도 하나의 금속재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속재료로 형성된 광학부재의 반사면에 다시 금속 박막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 양호한 반사율을 얻을 수 있다.
또한, 상기 금속 박막의 재료는 알루미늄, 금, 은, 동 및 아연에서 선택되는 적어도 하나의 금속 박막 재료인 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속재료로 형성된 광학부재의 반사면에 다시 금속 박막이 형성된 반사형 광학장치에 있어서는 반사면상에 다시 SiO2막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 반사율의 감쇠를 방지할 수 있다.
또한, 상기 다섯번째의 반사형 광학장치에 있어서는 상기 다수의 광학부재중 적어도 하나에는 촬상용의 개구가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 개구에 창재(窓材)를 형성하여 필요한 광속을 투과시킬 수 있다.
또한, 상기 촬상용의 개구에 촬상에 필요한 파장역의 광속을 투과하는 창재가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 필요한 광속을 투과시키면서, 복수의 광학부재가 일체화하여 형성된 중공상의 공간내에 외부로부터 먼지나 물방울이 침입하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 촬상을 위한 개구에 촬상에 필요한 파장역의 광속을 투과하고, 그 이외의 파장역의 광속을 차폐하는 창재가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 불필요한 파장역의 광속을 반사형 광학장치내에 넣지않고 콘트라스트가 양호한 화상을 얻을 수 있다.
또한, 상기 촬상을 위한 개구에 게르마늄, 실리콘, 폴리에틸렌, CaF2, BaF2및 ZnSe에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 형성된 창재가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 창재에 게르마늄, 또는 실리콘을 이용하면, 가시역을 차폐하여 적외역을 투과시킬 수 있고, 가시역의 광속의 영향이 없는 적외역의 광속을 사용한 촬상이가능하게 된다. 또한, 창재에 폴리에틸렌 또는 ZnSe를 이용하면, 가시역과 적외역을 투과시키는 것이 가능하고, 가시역과 적외역의 광속을 함께 사용한 촬상이 가능해진다.
또한, 상기 창재는 평판인 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 가공이 용이하고 또한 저비용이며, 광학부재에의 부가도 용이해진다.
또한, 상기 창재는 렌즈 작용을 가지는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 결상에 기여하는 광학적 파워를 창재에도 분담시키는 것이 가능해지고, 전체 시스템에서의 수차 보정 능력이 높아져 광학 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 촬상용의 개구에 입사하는 적외선중 적어도 일정범위의 파장역의 적외선의 투과를 차단하는 광학특성을 가지는 창재가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 저비용화와 소형화를 양립시키면서, 불필요한 파장역의 광속을 반사형 광학장치내에 넣지 않도록 할 수 있으므로, 콘트라스트가 양호한 화상을 얻을 수 있다.
상기 촬상용의 개구에 입사하는 적외선중 적어도 일정범위의 파장역의 적외선의 투과를 차단하는 광학특성을 가지는 창재가 형성되어 있는 반사형 광학장치에 있어서는 상기 창재는 적외선을 반사하는 광학특성을 가지고, 투명기재상에 유전체 다층막이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명기재는 유리 재료인 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명기재는 수지 재료인 것이 바람직하다.
또한, 상기 투명기재는 CaF2, BaF2및 ZnSe에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 창재는 적외선을 흡수하는 광학 특성을 가지는 유리 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 창재는 적외선을 흡수하는 광학 특성을 가지는 수지재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 창재는 근적외역의 적외선의 투과를 차단하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 감광특성을 가지는 부재가 가시역과 원적외역의 양쪽에 감도를 가지는 경우에는 이 감광특성을 가지는 부재에 불필요한 광이 되는 성분의 광선의 입사를 억제할 수 있다.
또한, 상기 근적외역의 파장역은 700nm에서 1100nm의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 창재는 평판인 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 가공이 용이하고 또한 저비용이며, 광학부재에의 부가도 용이해진다.
또한, 상기 창재는 렌즈 작용을 가지는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 결상에 기여하는 광학적 파워를 창재에도 분담시키는 것이 가능해지고, 전체 시스템에서의 수차 보정 능력이 높아져 광학성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 각 반사면상에 입사하는 적외선중 적어도 일정범위의 파장역의적외선을 반사하지 않는 광학특성을 가지는 막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 개구로부터 입사한 광속중에서 촬상에 필요한 분광 성분만을 결상에 기여시킬 수 있고, 불필요한 파장역의 광속을 억제할 수 있으므로, 콘트라스트가 양호한 화상을 얻을 수 있다. 또한, 구성부품 점수가 적기 때문에 저비용화가 가능하다.
상기 각 반사면상에 입사하는 적외선중 적어도 일정범위의 파장역의 적외선을 반사하지 않는 광학특성을 가지는 막이 형성되어 있는 반사형 광학장치에서는 상기 막은 가시역보다 장파장역의 적외선을 반사하지 않는 광학특성을 가지는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 결상 광속은 가시역의 분광 성분만으로 이루어지므로, 바람직한 색조의 화상을 촬상할 수 있다.
또한, 상기 가시역보다 장파장역인 파장역은 700nm보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 상기 막은 근적외역의 파장역의 적외선을 반사하지 않는 광학특성을 가지는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 감광특성을 가지는 부재가 가시역과 원적외역의 양쪽에 감도를 가지는 경우에는 이 감광특성을 가지는 부재에 불필요한 광이 되는 성분의 광선의 입사를 억제할 수 있다.
또한, 상기 근적외역의 파장역은 700nm에서 1100nm의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 다수의 광학 부재중 적어도 하나에는 감광 특성을 가지는 부재상에 화상을 결상시키기 위한 개구가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
다음에 본 발명의 첫번째 반사형 고체 광학장치는 입사하는 적외선중, 적어도 일정 범위의 파장역의 적외선의 투과를 차단하는 광학특성을 가지는 광학 매질로 속이 찬 상태의 장치 본체가 형성되고, 상기 장치본체에는 상기 장치본체 표면과 상기 장치본체 표면에 형성된 막에 의해 적어도 하나의 반사면이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 저비용화와 소형화를 양립시킬 수 있다.
상기 첫번째 반사형 고체 광학장치에 있어서는 상기 반사면의 적어도 하나의 상기 장치 본체 표면은 회전 중심축을 가지지 않은 자유곡면으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 광학장치에 의하면, 자유곡면으로 형성된 반사면을 가지고 있으므로, 편심 광학계의 수차 보정 능력을 얻을 수 있고, 종래에 없는 광로를 가지는 광학계의 구성이 가능해진다. 또한 반사면 자체에 의한 차폐가 억제되어 투영각이 큰 광학계를 얻을 수 있다.
또한, 상기 광학매질은 가시역보다 장파장역의 적외선의 투과를 차단하는 광학 특성을 가지는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 고체 광학장치에 의하면, 결상 광속은 가시역의 분광 성분만으로 이루어지므로, 바람직한 색조의 화상을 촬상할 수 있다.
또한, 상기 가시역보다 장파장역의 파장역은 700nm보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 상기 광학매질은 근적외역의 파장역의 적외선의 투과를 차단하는 광학특성을 가지는 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 상기와 같은 반사형 고체 광학장치에 의하면, 각 파장역에 감도를 가지는 부재에 불필요한 광이 되는 성분의 광선 입사를 억제할 수 있다.
또한, 상기 근적외역의 파장역은 700nm에서 1100nm의 범위인 것이 바람직하다.
다음에 본 발명의 두번째 촬상 장치는 상기 다섯번째의 반사형 광학장치를 이용한 촬상장치로서, 상기 반사형 광학장치의 결상부에 촬상소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 촬상장치에 의하면, 소형, 저비용화를 도모하면서, 고콘트라스트화가 가능하다.
상기 두번째 촬상장치에 있어서는 상기 촬상소자는 가시역에 감도를 가지는 것이 바람직하다.
다음에 본 발명의 세번째 촬상장치는 상기 다섯번째 반사형 광학장치를 이용한 촬상장치로서, 상기 반사형 광학장치의 결상부에 가시역에 감도를 가지는 촬상소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 촬상장치에 의하면, 소형, 저비용화를 도모하면서, 고콘트라스트화가 가능하다.
다음에 본 발명의 네번째 촬상장치는 상기 다섯번째 반사형 광학장치를 이용한 촬상장치로서, 상기 반사형 광학장치의 결상부에 가시역 및 적외역에 감도를 가지는 촬상 소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
다음에, 본 발명의 다섯번째 촬상장치는 상기 근적외역 적외선의 투과를 차단하는 창재를 가지는 반사형 광학장치 또는 상기 근적외역의 파장역의 적외선을 반사하지 않는 광학특성을 가지는 반사형 광학장치를 이용한 촬상장치로서, 상기 반사형 광학장치의 결상부에 가시역 및 적외역에 감도를 가지는 촬상 소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
다음에, 본 발명의 여섯번째 촬상장치는 상기 첫번째 반사형 고체 광학장치를 이용한 촬상장치로서, 상기 반사형 고체 광학장치의 결상부에 촬상소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 촬상장치에 의하면, 소형, 저비용화를 도모하면서 고콘트라스트화가 가능하다.
상기 여섯번째 촬상장치에 있어서는 상기 촬상소자는 가시역에 감도를 가지는 것이 바람직하다.
다음에 본 발명의 일곱번째 촬상장치는 상기 광학매질이 근적외역의 파장역의 적외선의 투과를 차단하는 광학특성을 가지는 재료로 형성된 반사형 고체 광학장치를 이용한 촬상장치로서, 상기 반사형 고체 광학장치의 결상부에 가시역 및 적외역에 감도를 가지는 촬상소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
다음에 본 발명의 첫번째의 비디오 카메라 장치는 상기 두번째 촬상장치를 이용한 것을 특징으로 한다.
다음에 본 발명의 두번째 비디오 카메라 장치는 상기 여섯번째의 촬상장치를 이용한 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 비디오 카메라에 의하면, 촬상 장치가 소형, 저비용, 또한 고콘트라스트이므로, 비디오 카메라 장치의 소형, 저비용화 및 고성능화를 도모할 수 있다.
다음에 본 발명의 세번째 차 적재용 감시장치는 상기 두번째 촬상장치를 이용한 것을 특징으로 한다.
다음에 본 발명의 네번째 차 적재용 감시장치는 상기 여섯번째 촬상장치를 이용한 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 차 적재용 감시장치에 의하면, 주행 레인일탈의 유무, 또는 전방 주행 차량의 검출, 나아가서는 전방의 장해물의 검출 등이 가능하다. 또한, 이 화상을 운전석에 구비된 표시장치에 표시함으로써 인간의 시각을 보조할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시형태1에 관한 반사형 광학장치를 도시하는 구성도,
도2는 반사면 형상을 설명하기 위한 사시도,
도3은 본 발명의 실시형태1의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도4는 본 발명의 실시형태1의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도5는 본 발명의 실시형태2에 관한 반사형 광학장치를 도시하는 구성도,
도6은 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도7은 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도8은 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도9는 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을도시하는 수차도,
도10은 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도11은 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도12는 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도13은 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도14는 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도15는 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도16은 본 발명의 실시형태2의 실시예에 관한 반사형 광학장치의 광학성능을 도시하는 수차도,
도17은 본 발명의 실시형태3에 관한 촬상장치를 도시하는 구성도,
도18은 본 발명의 실시형태4에 관한 멀티 파장 촬상장치를 도시하는 구성도,
도19는 본 발명의 실시형태5에 관한 멀티 파장 촬상장치를 도시하는 구성도,
도20은 본 발명의 실시형태6에 관한 차 적재용 감시장치를 도시하는 구성도,
도21은 본 발명의 실시형태7에 관한 반사형 광학장치의 사시도,
도22는 본 발명의 실시형태7에 관한 반사형 광학장치의 단면도,
도23은 본 발명의 실시형태7에 관한 별도의 반사형 광학장치의 단면도,
도24는 본 발명의 실시형태8에 관한 반사형 광학장치의 단면도,
도25는 본 발명의 실시형태9에 관한 반사형 광학장치의 단면도,
도26은 본 발명의 실시형태9에 관한 별도의 반사형 광학장치의 단면도,
도27은 본 발명의 실시형태10에 관한 반사형 광학장치의 단면도,
도28은 본 발명의 실시형태11에 관한 반사형 광학장치의 단면도,
도29는 본 발명의 각 실시형태에 관한 촬상장치를 이용한 차 적재용 감시장치의 배치도,
도30은 본 발명의 실시형태12에 관한 반사형 광학장치의 구성을 도시하는 사시도,
도31은 본 발명의 실시형태12에 관한 반사형 광학장치의 단면도,
도32는 본 발명의 실시형태12에 관한 결상용 개구를 가지는 반사형 광학장치의 단면도,
도33은 본 발명의 실시형태12에 관한 결상용 개구를 가지는 별도의 반사형 광학장치의 단면도,
도34는 본 발명의 실시형태13에 관한 반사형 광학장치의 단면도,
도35는 본 발명의 실시형태13에 관한 결상용 개구를 가지는 반사형 광학장치의 단면도,
도36은 본 발명의 실시형태13에 관한 결상용 개구를 가지는 별도의 반사형 광학장치의 단면도,
도37은 본 발명의 실시형태14에 관한 반사형 고체 광학장치의 구성을 도시하는 사시도,
도38은 본 발명의 실시형태14에 관한 반사형 고체 광학장치의 단면도,
도39는 본 발명의 실시형태14에 관한 별도의 반사형 고체 광학장치의 단면도,
도40은 본 발명의 실시형태15에 관한 비디오 카메라 장치의 개략도이다.
이하, 본 발명의 일실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
(실시형태1)
도1은 본 발명의 실시형태1에 관한 반사형 광학장치를 도시하는 구성도이다. 본 도면에 도시한 반사형 광학장치는 조리개(1), 제1 미러(2), 제2 미러(3) 및 상면(4)을 가지고 있다. 제1 미러(2) 및 제2 미러(3)는 광속이 비스듬히 반사되도록 광축에 대해 경사지게 배치되어 있다.
본 도면은 반사형 광학장치를 상면(4)의 중심과 각 미러(2, 3)의 각 정점을 포함하는 평면으로 자른 단면 형상을 도시하고 있고, 각 미러(2, 3)의 반사면은 모두 오목 형상이다. 물체로부터 발생한 광속은 조리개(1)에서 광속이 제한되고, 제1 미러(2) 및 제2 미러(3)에 의해 반사되어 상면(4)에 결상된다.
제1 미러(2) 및 제2 미러(3)의 면형상은 비축 대칭면이고, 일반의 구면, 축대칭 비구면과 달리 정점의 법선을 회전 대칭축으로 하지 않은 면이다. 비축 대칭면의 반사면을 자유 곡면으로 하면, 설계 자유도가 증가하고, 보다 광각화, 광학성능의 향상을 실현할 수 있다. 여기서, 자유 곡면이란 원환체면 등이 가지는 회전 중심축을 가지지 않는 면을 말한다(이하의 실시 형태에서도 동일).
자유 곡면의 일례로서, 도2에 도시한 것과 같은 만곡축 Y원환체면이 있다.만곡축 Y 원환체면은 도2에 도시한 바와같이 상면의 중심과 각 정점을 포함하는 평면에 수직인 방향을 X, 상기 평면에 포함되어 정점의 접선 방향을 Y로 하는 직교 좌표계(X, Y)에 있어서, 각 Y좌표의 X방향 단면형상의 곡률 반경 중심을 연결한 선이 만곡된 곡선인 면이다.
도2 중, L1은 X방향 단면형상(원호), L2는 X방향 곡률을 연결한 선(비원호의 곡선), L3은 Y방향 모선 형상(비원호), P는 정점을 도시하고 있다. 또한, 자유곡면의 다른 예로서, X와 Y를 교체한 만곡축 X 원환체면도 있다.
만곡축 Y 원환체면은 면의 정점을 원점으로 하는 x(mm), y(mm)의 위치의 정점에서의 새그(sag)량을 입사 광속이 향하는 방향을 양으로 하는 Z(mm)로 하여 하기 식(1)∼(5)로 표시된다.
여기서 M(y)은 정점을 포함하는 Y방향 단면 형상인 비원호를 표시하는 식이고, Rdy(mm)은 Y방향 곡률 반경, YAD, YAE, YAF, YAG는 Y방향에 기여하는 짝수차 정수, YAOD, YAOE, YAOF, YAOG는 홀수차 정수이다.
S(x, y)는 X방향 단면형상을 나타내는 식이고, Rds는 각 y좌표의 X방향 곡률 반경을 나타내는 함수, Rdx(mm)는 중심의 X방향 곡률 반경, BC, BD, BE, BF, BG는 짝수차 정수, BOC, BOD, BOE, BOF, BOG는 홀수차 정수, XAD, XAE, XAF, XAG는 X방향에 기여하는 짝수차 정수, θ(rad)는 면의 비틀림 각도를 정하는 함수이고, QC,QD, QE는 변형 계수이다.
만곡축 X 원환체면은 마찬가지로 면의 정점을 원점으로 하는 x(mm), y(mm)의 위치의 정점에서의 새그량을 입사 광속이 향하는 방향을 양으로 하는 Z(mm)로서 하기의 식(6)∼(10)으로 표시된다.
여기서, M(x)은 정점을 포함하는 X방향 단면 형상인 비원호를 표시하는 식, S(x, y)는 Y방향 단면 형상을 나타내는 식이다. Rdx(mm)는 X방향 곡률 반경, XAD, XAE, XAF, XAG는 X방향에 기여하는 짝수차 정수이다.
Rds는 각 x좌표의 Y방향 곡률 반경을 나타내는 함수, Rdy(mm)는 중심의 Y방향 곡률 반경, BC, BD, BE, BF, BG는 짝수차 정수, BOC, BOD, BOE, BOF, BOG는 홀수차 정수, YAD, YAE, YAF, YAG는 Y방향에 기여하는 짝수차 정수, YAOD, YAOE, YAOF, YAOG는 홀수차 정수, θ(rad)는 면의 비틀림 각도를 정하는 함수이고, QC, QD, QE는 변형 계수이다.
또한, 조리개의 중심과 제1 미러(2)의 정점과의 간격을 d1, 상면(4)의 중심과 제1 미러(2) 및 제2 미러(3)의 반사면의 각 정점을 포함하는 평면내의 초점 거리를 efy로 하면, 하기의 식(11)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
식(11) 0.3＜d1/efy＜1.5
또한, 제1 미러(2)의 정점과 제2 미러(3)의 정점과의 간격을 d2로 하면, 하기의 식(12)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
식(l2) 1.0<d2/efy<4.0
식(11), (12)의 범위내이면, 수차의 발생을 억제할 수 있고, 광학 성능의 열화를 방지할 수 있다.
다음에, 본 실시형태의 구체적인 수치예를 표l, 표2에 표시한다. 표 중, M1은 제1 미러(2), M2는 제2 미러(3)를 표시하고, 표1에서 M1, M2 모두 면형상은 만곡축 Y 원환체면이고 표2에서 M1, M2 모두 만곡축 X 원환체면이다.
또한, efy는 y방향의 전체 시스템 초점 거리, efx는 x방향의 전체 시스템 초점 거리, d1은 조리개(1)의 중심에서 제1 미러(2)의 정점까지의 거리(mm), d2는 제1 미러(2)의 정점에서 제2 미러(3)의 정점까지의 거리(mm), d3는 제2 미러(3)의 정점에서 상면(4)의 중심까지의 거리(mm), α1는 제1 미러(2)의 법선과 광축이 이루는 각(deg), α2는 제2 미러(3)의 법선과 광축이 이루는 각(deg)이다. 또한, 표2에 표시한 실시예에서는 상면을 광축에 대해 기울여 배치하고 있고, 그 각도를 α3으로 했다.
표1, 2에 표시한 실시예에서는 M1, M2 모두 Rdy는 음이다. 이는 Y방향에서는 M1, M2 모두 오목면인 것을 의미하고 있다(표3∼13의 실시예도 동일). 또한, M1, M2 모두 Rdx는 음이다. 이는 X방향에서는 M1, M2 모두 오목면인 것을 의미하고 있다.
<표1>
<표2>
본 실시형태에 의하면, 고도로 수차 보정 기능을 가지는 만곡축 원환체면 형상의 미러를 2매, 편심하여 배치하였으므로, 광속을 차단하지 않고 상면까지 인도하여, 양호하게 결상할 수 있고, 광각, 고성능인 반사형 광학장치를 실현할 수 있다. 도3, 4에 표1, 2에 표시한 실시예의 수차도를 나타내고 있다.
또한, 본 실시형태에서는 미러면의 형상을 상기 식(1)∼(5), 또는 식(6)∼(10)으로 정의했는데, 동일한 면이면 다른 정의식이어도 된다.
(실시형태 2)
도5는 본 발명의 실시형태 2에 관한 반사형 광학장치를 도시하는 구성도이다.
본 도면에 도시한 반사형 광학장치는 조리개(5), 제1 미러(6), 제2 미러(7), 제3 미러(8), 제4 미러(9) 및 상면(10)을 가지고 있다. 각 미러(6∼9)는 광속이 비스듬히 반사되도록 광축에 대해 경사져 배치되어 있다. 물체로부터 발생한 광속은 조리개(5)에서 광속이 제한되고, 각 미러(6∼9)에 의해서 상면(10)에 결상된다.
본 도면은 반사형 광학장치를, 각 미러(6∼9)의 각 정점을 포함하는 평면으로 자른 단면형상을 나타내고 있고, 각 미러(6∼9)의 반사면은 모두 오목 형상이다.
각 미러(6∼9)의 형상은 도2에 도시한 만곡축 Y 원환체면(상기 식(l)∼(5)), 또는 만곡축 X 원환체면(상기 식(6)∼(10))이다.
본 실시형태에서는 제3 미러(8)의 반사면의 정점의 법선과 제3 미러(8)의 정점에서 제4 미러(9)의 정점으로 향하는 광축이 이루는 각도(deg)를 α3로 하면, 하기의 식(13)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
식(13) 26<α3<56
식(13)의 하한을 넘으면, 제4 미러(9)에서 반사된 일부의 광속이 제3 미러(8)의 반사면으로 되돌아가 차폐되기 때문에 상면에 도달하지 않는다. 상한을 넘으면 수차가 크게 발생하여, 광학성능이 열화된다.
또한, 조리개의 중심과 제1 미러(6) 반사면의 정점과의 간격을 d1, 각 반사면의 각 정점이 포함되는 평면내에서의 초점 거리를 efy로 하면,
하기 식(14)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
식(14) 0.3<dl/efy<1.5
또한, 식(l4)는 하기의 식(15)의 범위인 것이 바람직하다.
식(15) 0.6<d1/efy<l.0
또한, 제1 미러(6)의 정점과 제2 미러(7)의 반사면의 정점과의 간격을 d2, 제3 미러(8)의 반사면의 정점과 제4 미러(9)의 반사면의 정점과의 간격을 d4로 하면, 하기의 식(16)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
식(16) 0.3<d2/d4<l.0
또한, 제3 미러(8)의 반사면의 정점과 제4 미러(9)의 반사면의 정점과의 간격을 d4로 하면, 하기의 식(17)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
식(17) 2.6<d4/efy<7.5
또한, 식(17)은 하기의 식(18)의 범위인 것이 바람직하다.
식(18) 3.5<d4/efy<6.5
제4 미러(9)의 반사면의 정점과 상면(10)의 중심과의 간격을 d5로 하면, 하기의 식(19)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
식(19) 0.5<d5/efy<2.0
상기 식(13)∼(19)의 범위내이면, 일부 광속의 반사면에서의 차폐나, 수차의 발생을 억제할 수 있고, 광학성능의 열화를 방지할 수 있다.
다음에, 구체적인 수치예를 표3∼13에 표시한다. 표 중, M1은 제1 미러(6), M2는 제2 미러(7), M3은 제3 미러(8), M4는 제4 미러(9)를 나타내고 있다. 표4∼9에 나타낸 실시예에서는 M1∼M4의 면형상은 만곡축 X 원환체면이고, 표10∼12에 나타낸 실시예에서는 M1, M4가 만곡축 X 원환체면이며, M2, M3이 만곡축 Y 원환체면이고, 표13에 나타낸 실시예에서는 M1이 만곡축 X 원환체면이고, M2∼M4가 만곡축 Y 원환체면이다.
또한, efy는 y방향의 전체 시스템 초점 거리, efx는 x방향의 전체 시스템 초점 거리, d1은 조리개(5)의 중심에서 제1 미러(6)의 정점까지의 거리(mm), d2는 제1 미러(6)의 정점에서 제2 미러(7)의 정점까지의 거리(mm), d3는 제2 미러(7)의 정점에서 제3 미러(8)의 정점까지의 거리(mm), d4는 제3 미러(8)의 정점에서 제4 미러(9)의 정점까지의 거리(mm), d5는 제4 미러(9)의 정점에서 상면(10)의 중심까지의 거리(mm)이다.
α1∼α4는 각각 제1 미러(6)로부터 순서대로 각 미러(6∼9)의 정점의 법선과 광축이 이루는 각(deg)이다. 표10∼13에 나타낸 실시예에서는 상면을 광축에 대해 경사지게 배치하고 있고, 그 각도를 α5로 했다.
<표3>
<표4>
<표5>
<표6>
<표7>
<표8>
<표9>
<표10>
<표11>
<표12>
<표13>
본 실시형태에 의하면, 고도로 수차 보정 기능을 가지는 만곡축 X 원환체면 형상, 만곡축 Y 원환체면 형상의 미러를 편심하여 배치하였으므로, 광속을 차폐하지 않고 상면까지 인도하여 양호하게 결상시킬 수 있다.
또한, 2매 구성과 비교해 광학 성능의 향상을 도모할 수 있고, 또한 F치 3.5이하를 달성하고 있으므로, 고해상도, 고감도가 요구되는 시스템에 이용할 수 있다. 표3∼13에 표시한 각 실시예의 수차도를 각각 도6∼16에 나타낸다.
또한, 본 실시형태에서는 미러면의 형상을 상기의 식(1)∼(5), 또는 식(6)∼(10)으로 정의했는데 동일한 면이면, 다른 정의식이어도 된다.
또한, 반사면이 4면인 반사형 광학장치의 경우로 설명했는데, 반사면이 3면인 경우라도 된다. 반사면이 3면 이상이면, 2매 구성과 비교해 광학성능의 향상을 도모할 수 있다. 이 때문에, 고해상도, 고감도가 요구되는 시스템에 이용할 수 있고, 적외역(파장 3∼5μm 또는 8∼12μm)의 촬상에 있어서 필요한 해상도를 얻을 수 있다.
이러한 필요한 해상도를 얻기 위해서는 회절의 영향이 적어지는 정도로 F치를 작게 할 필요가 있는데, 본 실시형태와 같이, 반사면이 3면 이상이면, 이것이 가능하다. 예컨대 파장 10μm, F치 1.9인 경우, 35(l.P/mm)에서 MTF 20%이상이 가능해지고, F치 1.6인 경우, 40(1.P/mm)에서 MTF 20% 이상이 가능해져, 고해상도, 고감도가 요구되는 적외역 촬상 시스템에 이용할 수 있다.
(실시형태 3)
도17은 본 발명의 실시형태3에 관한 촬상 장치를 도시하는 구성도이다. 본 도면에 도시한 촬상장치는 개구 창(11), 제1 미러(12), 제2 미러(13) 및 2차원 촬상소자(14)를 구비하고 있다. 제1 미러(12) 및 제2 미러(13)의 배치, 면형상은 실시형태1과 동일하다. 개구 창(11)은 촬상에 필요한 파장대를 투과하면 동시에 광속 직경을 제한하는 개구 조리개의 기능을 행하고, 분진을 광학계 내부에 진입하지 않도록 막는 기능도 가지고 있다.
물체로부터 발생한 광속은 조리개 위치에 배치한 개구 창(11)에서 광속이 제한되고, 미러(12, 13)에 의해 2차원 촬상소자(14)에 결상된다.
그리고, 2차원 촬상소자(14)에서 전기 신호로 된 영상이 출력된다(화살표 a).
본 실시형태에 의하면, 실시형태 l의 반사형 광학장치와 광 강도를 전기신호로 변환하는 검출수단을 구비하고, 또한 검출 수단으로서 2차원 촬상소자를 이용하고 있으므로, 광각이고 또한 해상도가 높은 영상 신호를 얻을 수 있다. 또한, 적외역(파장 3∼5μm 또는 8∼12μm)의 광선에 감도를 가지는 2차원 촬상소자를 이용하면, 적외상을 촬상할 수 있다.
(실시형태 4)
도18은 본 발명의 실시형태4에 관한 멀티 파장 촬상장치를 도시하는 구성도이다. 본 도면에서 11에서 13의 구성은 실시형태3과 동일하다. 본 실시형태4에서는 파장 선택 필터(15), 적외 촬상소자(16), 가시 촬상소자(17)를 구비하고 있고, 파장 선택 필터(15)는 적외역(파장 3∼5μm 또는 8∼12μm)의 광선만을 투과하여 가시역(파장 400∼750nm)의 광선을 반사하고, 적외 촬상소자(16)는 적외역의 광선에 감도를 가지고, 가시 촬상소자(17)는 가시역의 광선에 대해 감도를 가진다.
물체로부터 발생한 2개의 파장대(가시역, 적외역)의 광속은 조리개 위치에 배치한 개구 창(11)에서 광속이 제한되고, 2매 구성의 미러(12, 13)에 의해 집속 광속으로 되고, 파장 선택 필터(15)에서 적외역의 광속은 투과하고, 2차원 촬상소자(16)에 결상되며, 전기신호로 된 영상이 출력된다(화살표 b).
파장 선택 필터(15)에서 반사된 가시역의 광속은 2차원 촬상소자(17)에 결상되고, 전기신호로 된 영상이 출력된다(화살표c). 2개의 파장대의 광속은 전혀 색수차를 발생하지 않는 미러만으로 구성된 광학계에 의해 결상되므로, 동등한 광학 성능을 달성할 수 있다.
또한, 결상 소자로서 적외 촬상 소자와 가시 촬상 소자를 이용하고 있으므로, 낮동안의 촬상에 적합한 가시역과, 야간의 촬상에 적합한 적외역의 촬상이 가능해진다. 즉, 본 실시형태에 의하면, 반사형 광학장치는 광속을 집속시키는 광학계가 반사면만으로 구성되어 있으므로, 적외역(파장 3∼5㎛ 또는 8∼12㎛)으로부터 가시역(파장 400∼750nm), 자외역(파장 200∼400nm)까지 어느 파장대에서도 사용 가능하고, 다수의 파장대에 감도를 가지는 검출 수단과 조합함으로써 하나의 광학계에서 동시에 다수의 파장대의 영상을 촬상하는 것이 가능해진다.
(실시형태 5)
도19는 본 발명의 실시형태5에 관한 멀티 파장 촬상장치를 도시하는 구성도이다. 본 도면에서 11에서 13의 구성은 실시형태3과 동일하다. 본 실시형태에서는 적외역과 가시역의 어느쪽 광선에 대해서도 감도를 가지는 멀티 파장 촬상소자(18)를 구비하고 있다.
물체로부터 발생한 2개의 파장대(가시역, 적외역)의 광속은 조리개 위치에 배치한 개구 창(11)에서 광속이 제한되고, 2매 구성의 미러(12, 13)에 의해 멀티 파장 촬상 소자(18)에 결상된다.
2개의 파장대의 광속은 전혀 색수차를 발생하지 않는 미러만으로 구성된 광학계에 의해 결상되므로, 동등한 광학 성능을 달성할 수 있다. 또한, 멀티 파장 촬상소자(18)는 동일 촬상면내에 가시역에 감도를 가지는 영역과 적외역에 감도를 가지는 영역을 이산적으로 배치하고 있다. 이 때문에 2개의 파장대의 영상을 원적외역 영상신호(화살표 d)와 가시역 영상 신호(화살e)의 2종류의 전기신호로 변환하여 출력할 수 있다.
즉, 본 실시형태에 의하면, 하나의 광학계와 하나의 촬상소자로 다수의 파장대의 영상을 동시에 촬상하는 것이 가능해진다.
(실시형태 6)
도20은 본 발명의 실시형태6에 관한 차 적재용 감시장치를 도시하는 구성도이다. 본 도면에 도시한 차 적재용 감시장치는 실시형태4의 멀티 파장 촬상장치(19)와 표시 장치(20)를 구비하고 있다.
멀티 파장 촬상장치(19)로부터 출력되는 2파장대(가시역, 적외역)의 영상은 표시장치(20)에 의해 표시되며, 운전자는 필요에 따라 정보를 얻을 수 있다. 예를들면, 낮동안 외부가 밝은 경우에는 주로 가시광에 의한 영상으로부터 정보를 얻고, 또한, 야간은 적외선에 의한 영상으로부터 사람, 차의 위치 등 귀중한 정보를 얻을 수 있다. 즉, 본 실시형태에 의하면, 앞에 달리는 차, 사람 등의 위치 정보를 밤낮에 상관없이 고정밀도로 얻을 수 있다.
(실시형태 7)
도21은 본 발명의 실시형태 7에 관한 반사형 광학장치의 구성을 도시하는 사시도이다. 본 도면에 도시한 반사형 광학장치(21)는 쉘 형상의 전측 광학 부재(22)와 후측 광학부재(23)가 경계면(25)을 끼고 대향 배치되어 양쪽이 일체화되고, 중공부가 형성되어 있다. 전측 광학 부재(22)에는 촬상을 위한 광속이 입사하는 개구(24)가 형성되어 있다.
도22는 도21에 도시한 반사형 광학장치(21)의 경계면(25)의 수직 방향의 단면도를 도시하고 있다. 촬상을 위한 개구(24)로부터 입사한 광속은 광축(26)에 따라 쉘 형상의 후측 광학부재(23)의 내면에 형성된 반사면(27)을 반사한 후, 쉘 형상의 전측 광학부재(22)의 내면에 형성된 반사면(28)에 의해 반사되고, 감광 특성을 가지는 부재(29)상에 결상된다.
반사면(27) 또는 반사면(28)은 적어도 하나의 자유 곡면으로 구성되어 있고, 편심 광학계의 양호한 결상을 얻을 수 있다. 자유 곡면에는 예를들면 도2에 도시한 만곡축 Y원환체면(상기 식(1)∼(5)), 또는 만곡축 X원환체면(상기 식(6)∼(10))을 이용할 수 있다.
이러한 자유 곡면으로 이루어지는 반사면을 쉘 형상의 광학부재의 내면에 도입함으로써, 편심 광학계의 수차 보정 능력을 얻을 수 있고, 종래에 없는 광로를 가지는 광학계의 구성이 가능해진다. 또한 반사면 자체에 의한 차폐가 억제되어 투영각이 큰 광학계를 얻을 수 있다. 즉, 본 실시형태와 같이 다수의 쉘 형상의 광학부재를 대향 배치하여 일체화함으로써, 저비용화와 소형화를 양립시키고, 수차 보정 능력을 높여 투영각을 크게한 반사형 광학장치를 구성할 수 있다.
도23은 도21에 도시한 반사형 광학장치(21)의 경계면(25)의 수직 방향의 단면도를 도시하고 있다. 본 도면에 도시한 반사형 광학장치는 결상을 반사형 광학장치(21)의 외부에 발생시키기 위한 개구(30)가 형성되어 있다.
결상을 위한 개구(24)로부터 입사한 광속은 광축(26)을 따라 쉘 형상의 후측 광학부재(23)의 내면에 형성된 반사면(27)을 반사한 후, 쉘 형상의 전측 광학부재(22)의 내면에 형성된 반사면(28)에 의해 반사되어 결상을 위한 개구(30)의 외부에 형성된 감광 특성을 가지는 부재(29)상에 결상된다.
또한, 본 실시형태에서는 반사면의 형상을 상기 식(1)∼(5) 또는 식(6)∼(10)으로 정의했는데, 동일한 면이면 다른 정의식이어도 된다.
(실시형태 8)
도24는 광학부재가 수지 성형물로 형성된 반사면의 영역에 금속 박막을 형성한 반사형 광학장치를 도시하고 있다. 쉘 형상의 전측 광학부재(22)는 수지 재료를 열 프레스 또는 사출 성형에 의해 원하는 형상으로 성형한 후에 반사면 영역에 금속 박막(31)을 진공 증착 또는 도금에 의해 형성한 것이다.
마찬가지로 쉘 형상의 후측 광학부재(23)는 수지 재료를 열 프레스 또는 사출 성형에 의해 원하는 형상으로 성형한 후에 반사면의 영역에 금속 박막(32)을 진공 증착 또는 도금에 의해 형성한 것이다. 이와같은 구성에 의하면, 전체는 수지 성형물로 하고, 반사면에만 금속 박막을 형성하면 되므로, 저비용의 반사형 광학장치를 얻을 수 있다.
금속 박막에 이용하는 재료는 대상으로 하는 피사체로부터의 파장에 최적인 것을 선택할 수 있고, 알루미늄, 금, 은, 동 또는 아연 등을 이용할 수 있다. 알루미늄은 저비용이면서 반사율도 양호하다. 금은 내분위기 특성이 우수하고, 적외역의 반사율이 양호하다. 은은 비용적으로도 산업 용도에 사용할 수 있고, 반사율도양호하다. 동은 저비용이면서 적외역의 반사율은 양호하다. 아연은 저비용이면서 적외역의 반사율도 비교적 양호하다.
또한, 알루미늄, 은, 동, 아연 등을 이용하여 금속 박막을 형성한 반사면은 산화에 의해 반사율이 감쇠하기 쉬우므로, SiO2등을 금속 박막상에 형성하는 것이 바람직하다.
(실시형태 9)
도25는 광학부재가 금속으로 형성되어 있는 반사형 광학장치를 도시하고 있다. 금속으로 형성된 쉘 형상의 전측 광학부재(22)의 내면에는 반사면에 상호 접하는 영역(33)이 형성되어 있다. 마찬가지로 금속으로 형성된 쉘 형상의 후측 광학부재(23)의 내면에는 반사면에 상호 접하는 영역(34)이 형성되어 있다. 각 반사면(33, 34)은 각각의 쉘 형상의 광학부재(22, 23)를 프레스 성형 또는 다이캐스트 성형과 동시에 형성할 수 있다. 또한, 성형후에 절삭 실에 의해 반사면을 형성할 수 있다.
광학부재에 이용하는 재료는 대상으로 하는 피사체로부터의 파장에 최적인 것을 선택할 수 있고, 알루미늄, 금, 은, 동 또는 아연 등을 이용할 수 있다. 알루미늄은 저비용이면서 가공성, 반사율도 양호하다. 금은 내분위기 특성이 우수하고, 적외역의 반사율이 양호하다. 은은 비용적으로도 산업 용도에 사용할 수 있고, 반사율도 양호하다. 동은 저비용이면서 가공성과 적외역의 반사율이 양호하다. 아연은 저비용이면서 가공성은 양호하다.
또한, 알루미늄, 은, 동 또는 아연 등을 이용한 광학부재의 표면에 형성한 반사면은 산화에 의해 반사율이 감쇠되기 쉬우므로 SiO2등을 광학부재 표면상에 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 도26에 도시한 바와같이 금속으로 형성한 쉘 형상의 광학부재(22, 23)의 표면에 형성된 반사면에 상당하는 영역에 금속박막(35, 36)을 형성하면 광학 특성이 보다 향상된다.
일반적으로 구조물을 구성하는 금속재료와 비교하면, 진공 증착 또는 도금에 이용되는 금속재료는 순도가 높고, 이들 금속 재료에 의해 형성되는 금속 박막의 반사율은 보다 양호하다. 금속 박막에 이용하는 재료는 대상으로 하는 피사체로부터의 파장에 최적인 것을 선택할 수 있고, 알루미늄, 금, 은, 동 또는 아연 등을 이용할 수 있다. 알루미늄은 저비용이면서 반사율도 양호하다. 금은 내분위기 특성이 우수하고, 적외역의 반사율이 양호하다. 은은 비용적으로도 산업 용도에 사용할 수 있고,. 반사율도 양호하다. 동은 저비용이면서 적외역의 반사율은 양호하다. 아연은 저비용이면서 적외역 반사율도 비교적 양호하다.
또한, 알루미늄, 은, 동 등을 이용한 금속 박막을 형성한 반사면은 산화에 의해 반사율이 감쇠하기 쉬우므로 SiO2등을 금속 박막상에 형성하는 것이 바람직하다.
(실시형태 10)
도27은 쉘 형상의 전측 광학부재(22)와 후측 광학부재(23)가 대향 배치되어일체화되고, 전측 광학부재(22)에 형성된 개구(24)에 촬상에 필요한 파장역의 광속이 투과하는 창재(38)를 부가한 반사형 광학장치를 나타내고 있다.
본 실시형태에 의하면 필요한 광속을 투과시키면서 쉘 형상의 전측 광학부재(22)와 후측 광학부재(23)가 일체화되어 형성된 속이 빈 상태의 공간내에 외부로부터 먼지나 물방울이 침입하는 것을 방지할 수 있다.
창재(38)는 촬상에 필요한 파장역의 광속을 투과하고, 그 이외의 파장역의 광속을 차폐하는 재료로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 불필요한 파장역의 광속을 반사형 광학장치내에 넣을 수 없게 되어 콘트라스트가 양호한 화상을 얻을 수 있다.
창재에 게르마늄을 이용하면 가시역을 차폐하고 적외역을 투과시킬 수 있다. 이에 따라 가시역의 광속의 영향이 없는 적외역의 광속을 사용한 촬상이 가능해진다. 마찬가지로, 창재에 실리콘을 이용해도 가시역을 차폐하고 적외역을 투과시킬 수 있고, 가시역 광속의 영향이 없는 적외역의 광속을 사용한 촬상이 가능해진다. 창재에 폴리에틸렌을 이용하면, 가시역과 적외역을 투과시키는 것이 가능하고, 가시역과 적외역의 광속을 함께 사용한 촬상이 가능해진다. 마찬가지로 창재에 ZnSe를 이용하면, 가시역과 적외역을 투과시키는 것이 가능하고, 가시역과 적외역의 광속을 모두 사용한 촬상이 가능해진다. 또한, 필요에 따라 이 이외의 재료를 이용하여 창재를 구성할 수 있다. 예를들면 CaF2나 BaF2를 이용할 수 있다.
도27에 도시한 바와같이 창재(38)는 평판으로 구성된다. 평판 형상은 가공이용이하고 저비용이며, 광학부재에의 부가도 용이하다. 창재는 렌즈 형상으로 렌즈 작용을 가지는 것이 바람직하다. 이에 따라 결상에 기여하는 광학적 파워를 창재에도 분담시키는 것이 가능해지고, 전체 시스템에서의 수차 보정 능력이 높아 광학 특성을 향상시키는 것이 가능해진다.
(실시형태 11)
도28은 쉘 형상의 전측 광학부재(22)와 후측 광학부재(23)로 이루어지는 반사형 광학장치에 후측 광학부재(23)에 형성한 결상용 개구(30)의 외부에 촬상소자(39)를 부가한 촬상장치를 도시하고 있다. 촬상소자(39)에는 CCD소자, 열-저항 변환 기능을 이용한 볼로미터(bolometer) 어레이 소자, 또는 열-기전력 변환 기능을 이용한 파이로미터(phrometer) 소자 등을 이용할 수 있다.
가시역에 감도를 가지는 촬상소자로서 CCD 촬상소자를 이용함으로써 가시역에 관한 촬상이 가능해진다. 적외역에 감도를 가지는 촬상소자로서 볼로미터 어레이 소자 또는 파이로미터 어레이 소자를 이용함으로써 적외역에 관한 촬상이 가능해진다. 모놀리딕에 포토다이오드 어레이와 볼로미터 어레이 또는 파이로미터 어레이를 형성한 촬상소자를 이용함으로써 가시역과 적외역의 양쪽에 관한 촬상이 가능해진다.
(실시형태 12)
도29는 본 발명에 관한 촬상장치(40)를 차량(41)에 탑재하고, 차 적재용 시각 지원 장치를 포함하는 차 적재용 감시장치로서 이용한 일례를 나타내고 있다. 촬상장치(40)에 의해 차량(41) 전방의 상황을 촬상한다. 이 화상을 화상 처리하면,주행 레인 일탈의 유무를 검출할 수 있다. 또한, 운전석에 형성된 표시장치(도시하지 않음)에 표시함으로써 인간의 시각을 보조할 수 있다.
또한, 적외역의 감도를 가지는 촬상소자를 이용한 촬상장치이면, 야간의 인간의 시각으로는 인식할 수 없는 상황을 촬상할 수 있다. 또한, 촬상장치는 차량의 측방 혹은 후방에도 탑재할 수 있어 각종 상황에 따른 필요한 촬상을 가능하게 한다.
(실시형태 13)
도30은 본 발명의 실시형태13에 관한 반사형 광학장치의 구성을 도시하는 사시도이다. 쉘 형상의 전측 광학부재(43)와 후측 광학부재(44)는 각각의 오목면끼리 대향한 상태로 경계면(46)에서 접합되어 일체화되어 있다. 전측 광학부재(43)에는 개구가 형성되어 있고, 개구의 물체측(외측)에는 창재(45)가 형성되어 있다. 촬상용의 광속은 창재(45)와 개구를 경유하여 입사한다. 창재(45)는 입사하는 적외선 중, 적어도 일정범위의 파장역의 적외선의 투과를 차단하는 광학특성을 가진다. 이러한 창재(45)를 형성함으로써 불필요한 파장역의 광속을 반사형 광학장치내에 넣지 않을 수 있으므로, 콘트라스트가 양호한 화상을 얻을 수 있다.
도31은 도30에 도시한 반사형 광학장치(42)를, 광축을 포함하여 경계면(46)에 수직인 면으로 절단한 단면도이다. 촬상용의 창재(45)를 거쳐 개구(51)로부터 입사한 광속은 광축(47)에 따라 쉘 형상의 후측 광학부재(44)의 내면에 형성된 반사면(48)과 쉘 형상의 전측 광학부재(43)의 내면에 형성된 반사면(49)을 반사한 후, 감광특성을 가지는 감광부재(50)상에 결상된다.
반사면(48) 및 반사면(49)중, 적어도 하나가 자유곡면으로 구성되어 있고, 편심 광학계의 양호한 결상을 얻을 수 있다. 자유곡면에는 예컨대 도2에 도시한 만곡축 Y 원환체면(상기 식(1)∼ (5)) 또는 만곡축 X 원환체면(상기 식(6)∼(10))을 이용할 수 있다.
이러한 자유곡면으로 이루어지는 반사면을 쉘 형상의 광학부재의 내면에 도입함으로써 편심 광학계의 수차 보정 능력을 얻을 수 있고, 종래에 없는 광로를 가지는 광학계의 구성이 가능해진다. 또한 반사면 자체에 의한 차폐가 억제되어 투영각이 큰 광학계를 얻을 수 있다. 즉, 본 실시형태와 같이 복수의 쉘 형상의 광학 부재를 대향 배치하여 일체화함으로써, 저비용화와 소형화를 양립시키고, 또한 수차 보정 능력을 높여, 투영각을 크게한 반사형 광학장치를 구성할 수 있다.
도32에 도시한 반사형 광학장치는 도30에 도시한 반사형 광학장치(42)에, 결상을 반사형 광학장치(42)의 외부에 발생시키기 위한 개구(52)를 형성한 것이다. 촬상용의 창재(45)를 거쳐 개구(51)로부터 입사한 광속은 광축(47)에 따라 쉘 형상의 후측 광학부재(44)의 내면에 형성된 반사면(48)과, 쉘 형상의 전측 광학부재(43)의 내면에 형성된 반사면(49)을 반사한 후, 개구(52)의 외부에 형성된 감광 특성을 가지는 감광부재(50)상에 결상된다.
여기서, 창재(45)는 투명 기재상에 굴절율이 낮은 유전체와 굴절율이 높은 유전체로 형성된 박막을 번갈아 증착 형성한 다층막에 의해 구성한다. 투명 기재로는 유리 재료, 수지 재료, CaF2, BaF2또는 ZnSe를 이용한다. 또한, 창재(45)는 적외선을 흡수하는 유리 재료로 구성해도 되고, 적외선을 흡수하는 수지재료로 구성해도 된다.
창재(45)는 평판으로 형성하는 것이 바람직하다. 평판 형상은 가공이 용이하고, 또한 저비용으로 가공 가능하고, 전측 광학부재에의 부가도 용이하다. 창재(45)는 렌즈 형상을 가지고, 렌즈 작용을 가지는 것이 보다 바람직하다. 이에 따라 결상에 기여하는 광학적 파워를 창재(45)에도 분담시키는 것이 가능해져, 전체시스템에서의 수차 보정 능력이 높아져 광학 성능을 향상시키는 것이 가능해진다.
감광 부재(50)가 가시역과 원적외역의 양쪽에 감도를 가지는 경우에는 창재의 적외선을 투과하지 않는 파장역은 근적외역이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 각 파장역에 감도를 가지는 부재에 불필요한 광이 되는 성분의 광선의 입사를 억제할 수 있다. 근적외역의 파장역으로는 700nm에서 1100nm의 범위가 바람직하다. 불필요한 광이 되는 근적외역 투과율은 10% 이하의 투과율로 하는 것이 보다 바람직하다. 이에 따라 양호한 촬상이 가능하다. 즉, 가시역의 분광 파장 성분에 영향을 주지 않고 바람직한 색조의 화상을 촬상할 수 있다. 동시에, 근적외역의 분광 파장 성분에도 영향이 없어 열화상의 촬상이 가능하다.
도33은 개구(52)의 외부에 촬상소자(54)를 부가한 촬상장치(53)의 단면도를 도시하고 있다. 촬상소자(54)에는 CCD 소자, 열-저항 변환 기능을 이용한 볼로미터 어레이 소자 또는 열-기전력 변환 기능을 이용한 파이로미터 어레이 소자 등을 이용할 수 있다.
촬상소자(54)로서 CCD 촬상소자를 이용하면, 가시역에 관한 촬상이 가능해진다. 이 경우의 창재(45)는 적외선을 투과하지 않는 특성이 좋다. 촬상소자(54)로서 볼로미터 어레이 소자 또는 파이로미터 어레이 소자를 이용함으로써 적외역에 관한 촬상이 가능해진다. 또한, 모놀리딕에 포토 다이오드 어레이와, 볼로미터 어레이 또는 파이로미터 어레이를 형성한 촬상소자(54)를 이용하여 가시역과 적외역 양쪽의 촬상이 가능해진다. 이 경우의 창재(45)는 근적외역을 투과하지 않는 특성이 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 반사면의 형상을 상기의 식(1)∼(5), 또는 식(6)∼(10)으로 정의했는데 동일한 면이면 다른 정의식이어도 된다.
또한, 촬상소자(54)를 반사형 촬상장치(53)의 내부에 형성해도 된다. 또한, 각 광학부재(43, 44)에 다수의 반사면을 형성할 수 있고, 이 경우는 수차 보정 능력을 보다 높일 수 있다.
(실시형태 14)
도34는 실시형태14에 관한 반사형 광학장치의 단면도를 도시하고 있다. 전측 광학부재(43)의 내면의 반사면이 되는 영역에는 입사하는 적외선중, 적어도 일정범위의 파장역의 적외선을 반사하지 않는 광학특성을 가지는 막(55)이 형성되어 있다. 마찬가지로 후측 광학부재(44)의 내면의 반사면이 되는 영역에도 적어도 일정 범위의 파장역의 적외선을 반사하지 않는 광학 특성을 가지는 막(56)이 형성되어 있다. 막(55, 56)은 진공 증착이나 도포에 의해 형성된다.
이러한 구성으로 함으로써, 개구(51)로부터 입사한 광속중에서 촬상에 필요한 분광 성분만을 결상에 기여시킬 수 있어, 불필요한 파장역의 광속을 억제할 수 있으므로, 콘트라스트가 양호한 화상을 얻을 수 있다. 또한, 구성부품 점수가 적으므로 저비용화가 가능하다.
막(55, 56)이 형성되어 있는 각 반사면은 적어도 하나가 자유곡면으로 구성되어 있고, 편심 광학계의 양호한 결상을 얻을 수 있다. 자유곡면에는 예컨대 도2에 도시한 만곡축 Y 원환체면(상기 식(l) ∼ (5)), 또는 만곡축 X 원환체면(상기 식(6)∼(10))을 이용할 수 있다.
이 예와 같은 식으로 정의되는 자유 곡면으로 형성된 반사면을 각 광학부재(43, 44)의 내면에 도입함으로써 편심 광학계의 수차 보정 능력을 얻을 수 있고, 종래에 없는 광로를 가지는 광학계의 구성이 가능해진다. 또한, 반사면 자체에 의한 차폐가 억제되어 투영각이 큰 광학계를 얻을 수 있다. 즉, 본 실시형태와 같이 복수의 쉘 형상의 광학 부재를 대향 배치하여 일체화함으로써 저비용화와 소형화를 양립시키고, 또한 수차 보정 능력을 높여, 투영각을 크게 한 반사형 광학장치를 구성할 수 있다.
도35는 개구(52)를 형성한 반사형 광학장치의 단면도이다. 개구(52), 감광부재(50)이외의 구성은 도34에 도시한 반사형 광학장치와 동일한 구성이다. 개구(52)는 결상을 반사형 광학장치의 외부에 발생시키게 하기 위한 것이다. 촬상용의 개구(51)로부터 입사한 광속은 쉘 형상의 후측 광학부재(44)의 내면에 형성된 반사면과, 쉘 형상의 전측 광학부재(43)의 내면에 형성된 반사면을 반사한 후, 결상용의 개구(52)의 외부에 형성된 감광특성을 가지는 감광부재(50)상에 결상된다.
막(55, 56)을 진공 증착에 의해 형성하기 위해서는 광학부재(43, 44)의 내면에 굴절율이 낮은 유전체와 굴절율이 높은 유전체로 형성된 박막을 번갈아 증착 형성한 다층막을 형성한다. 도포에 의해 형성하기 위해서는, 광학부재(43, 44)의 내면에 미리 형성한 반사면상에 아크릴 수지 등의 가시역에서는 투명하지만, 적외역에서는 흡수하는 특성을 가지는 재료를 도포한다.
막(55, 56)의 광학특성으로서, 가시역보다 장파장역을 반사하지 않는 광학특성으로 하고, 바람직하게는 700nm보다 큰 파장역을 반사하지 않는 광학특성으로 한다. 이에 따라 결상 광속은 가시역의 분광 성분만으로 이루어지기 때문에, 바람직한 색조의 화상을 촬상할 수 있다.
감광 특성을 가지는 감광 부재(50)가 가시역과 원적외역의 양쪽에 감도를 가지는 경우에는 막의 적외선을 반사하지 않는 파장역은 근적외역이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 각 파장역에 감도를 가지는 부재에 불필요한 광이 되는 성분의 광선의 입사를 억제할 수 있다. 근적외역의 파장역으로는 700nm에서 1100nm의 범위가 바람직하다. 불필요한 광이 되는 근적외역의 반사율은 10% 이하의 반사율로 하는 것이 보다 바람직하다. 이에 따라 양호한 촬상이 가능하다. 즉, 가시역의 분광 파장 성분에 영향을 주지 않고 바람직한 색조의 화상을 촬상할 수 있다. 동시에, 원적외역의 분광 파장성분에도 영향이 없어, 열화상의 촬상이 가능하다.
도36에 도시한 반사형 광학장치(57)는 개구(52)의 외부에 촬상소자(54)를 부가하고 있는 점이 도35에 도시한 반사형 광학장치와 다르다. 촬상소자(54)는 CCD소자, 열-저항 변환 기능을 이용한 볼로미터 어레이 소자, 또는 열-기전력 변환 기능을 이용한 파이로미터 어레이 소자 등을 이용할 수 있다.
촬상소자(54)에 CCD 촬상소자를 이용함으로써 가시역에 관한 촬상이 가능해진다. 이 경우는 반사면은 적외선을 반사하지 않는 특성이 좋다. 촬상소자(54)에 볼로미터 어레이 소자 또는 파이로미터 어레이 소자를 이용함으로써 적외역에 관한 촬상이 가능해진다. 모놀리딕에 포토 다이오드 어레이와 볼로미터 어레이 또는 파이로미터 어레이를 형성한 촬상소자를 이용함으로써 가시역과 적외역의 양쪽에 관한 촬상이 가능해진다. 이 경우의 반사면은 근적외역을 반사하지 않는 특성이 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 반사면의 형상을 상기의 식(1)∼(5), 또는 식(6)∼(l0)으로 정의했는데, 동일한 면이면 다른 정의식이어도 된다.
또한, 촬상소자(54)를 쉘 형상의 반사형 촬상장치(57)의 내부에 형성해도 된다. 또한, 각 광학부재(43, 44)에 복수의 반사면을 형성할 수 있고, 이 경우는 수차 보정 능력을 보다 높일 수 있다.
(실시형태 16)
도37은 본 발명의 반사형 고체 광학장치의 구성을 도시하는 사시도이다. 조리개(81)가 반사형 고체 광학장치(80)의 입사측에 형성되어 있다. 도38은 광축(47)을 포함하는 면에서 절단한 단면도이다. 반사형 고체 광학장치(80)는 입사하는 적외선 중, 적어도 일정범위의 파장역의 적외선의 투과를 차단하는 광학특성을 가지는 고체의 광학 매질을 이용하여, 속이 찬 상태로 형성되어 있다. 이 광학 매질의 표면에는 적어도 하나가 자유 곡면으로 형성된 면(91, 92)이 형성되어 있다.면(91, 92)상에는 반사막(93, 94)이 형성되고, 광학계가 일체화되어 있다.
조리개(81)로부터 입사한 촬상을 위한 광속은 광축(47)에 따라 속이 찬 상태의 광학 매질중을 진행하여, 반사막(94)과 자유곡면의 면(92)으로 형성된 반사면 및 반사막(93)과 자유곡면의 면(91)으로 형성된 반사면에 의해 반사되어, 감광특성을 가지는 감광부재(50)상에 결상된다.
이에 따라 불필요한 파장역의 광속을 감광부재(50)에 넣지 않고 콘트라스트가 양호한 화상을 얻을 수 있다. 또한, 구성 부품 점수가 적으므로 저비용화가 가능하다.
면(91, 92)은 적어도 하나가 자유곡면으로 형성되어 있고, 편심 광학계에서의 양호한 결상을 얻고 있다. 자유 곡면에는 예컨대 도2에 도시한 만곡축 Y원환체면(상기 식(1)∼(5)), 또는 만곡축 X 원환체면(상기 식(6)∼(l0))을 이용할 수 있다.
이 예와 같은 식으로 정의되는 자유곡면으로 형성된 반사면을 고체의 광학 매질 표면에 도입함으로써 편심 광학계의 수차 보정 능력을 얻을 수 있고, 종래에 없는 광로를 가지는 광학계의 구성이 가능해진다. 또한, 반사면 자체에 의한 차폐가 억제되어 투영각이 큰 광학계를 얻을 수 있다. 즉, 본 실시형태와 같이 복수의 반사면이 고체의 광학 매질 표면에 일체화함으로써 저비용화와 소형화를 양립시키고, 또한 수차 보정 능력을 높여, 투영각을 크게한 반사형 고체 광학장치를 구성할 수 있다.
광학매질의 광학 특성으로서, 가시역보다 장파장역을 투과하지 않는 광학특성으로 하고, 바람직하게는 700nm보다 큰 파장역을 투과하지 않는 광학 특성으로 한다. 이에 따라 결상 광속은 가시역의 분광 성분만으로 이루어지므로 바람직한 색조의 화상을 촬상할 수 있다.
감광특성을 가지는 감광부재(50)가 가시역과 원적외역 양쪽에 감도를 가지는 경우에는 광학매질의 적외선을 투과하지 않는 파장역은 근적외역이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 각 파장역에 감도를 가지는 부재에 불필요한 광이 되는 성분의 광선의 입사를 억제할 수 있다. 근적외역의 파장역으로는 700nm에서 1100nm의 범위가 바람직하다. 불필요한 광이 되는 근적외역의 투과율은 10% 이하의 투과율로 하는 것이 보다 바람직하다. 이에 따라 양호한 촬상을 할 수 있다. 즉, 가시역의 분광 파장 성분에 영향을 주지 않고 바람직한 색조의 화상을 촬상할 수 있다. 동시에 원적외역의 분광 파장성분에도 영향이 없고, 열화상의 촬상이 가능하다.
도39에 도시한 반사형 고체 광학장치는 도38에 도시한 반사형 고체 광학장치의 감광부재(50)에 대신해 촬상소자(59)를 형성한 점이 다르다. 촬상소자(59)는 CCD소자, 열-저항 변환 기능을 이용한 볼로미터 어레이 소자, 또는 열-기전력 변환 기능을 이용한 파이로미터 어레이 소자 등을 이용할 수 있다. 촬상소자(59)로서, CCD 촬상소자를 이용하여 가시역에 관한 촬상이 가능해지고, 이 때의 광학매질은 적외선을 투과하지 않는 특성이 좋다.
촬상소자(59)로서 볼로미터 어레이 소자 또는 파이로 미터 어레이 소자를 이용하여 적외역에 관한 촬상이 가능해진다. 모놀리딕에 포토 다이오드 어레이와 볼로미터 어레이 또는 파이로미터 어레이를 형성한 촬상소자를 이용함으로써 가시역과 적외역의 양쪽에 관한 촬상이 가능해진다. 이 때의 광학 매질은 근적외역을 투과하지 않는 특성이 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 반사면의 형상을 상기의 식(1)∼(5), 또는 식(6)∼(10)으로 정의했는데, 동일한 면이면 다른 정의식이어도 된다.
(실시형태 17)
도40은 본 발명에 관한 촬상장치(110)를 비디오 카메라 장치(111)에 탑재한 모양을 도시한다. 촬상장치(110)는 피사체의 화상을 반사형 광학장치 또는 반사형 고체 광학장치에 의해 촬상소자상에 결상하고, 화상신호를 출력한다. 화상신호는 도시 하지 않고 있지만, 전기회로와 기구에 의해 기록매체상에 기록된다. 촬상장치가 소형, 저비용, 또한 고콘트라스트이므로 비디오 카메라 장치의 소형, 저비용화 및 고성능화에 유효하다.
(실시형태 18)
도29는 본 발명에 관한 촬상장치(110)를 차량(41)에 탑재하고, 차 적재용 감시장치의 하나인 차 적재용 시각 지원 장치를 구성한 형태를 도시한다. 촬상장치(110)에 의해 차량(41) 전방의 상황을 촬상한다. 이 화상을 차 적재용 시각 지원장치를 구성하는 화상 처리 장치(도시하지 않음)에 의해 처리함으로써 주행 레인 일탈의 유무 또는 전방 주행 차량의 검출 또한 전방의 장해물의 검출 등이 가능하다.
또한, 이 화상을 운전석에 형성된 표시장치(도시하지 않음)에 표시함으로써 인간의 시각을 보조할 수 있다. 또한, 적외역의 감도를 가지는 촬상소자를 이용한촬상장치이면, 야간의 인간의 시각으로는 인식할 수 없는 상황을 촬상할 수 있다. 또한, 촬상장치는 차량의 측방 또는 후방에도 탑재할 수 있으므로 각종 상황에 따른 필요한 촬상을 가능하게 한다. 또한, 촬상장치가 소형, 저비용, 고콘트라스트이므로, 촬상장치의 설치의 자유도가 높고, 고성능인 차 적재용 시각 지원장치를 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 광각화를 실현하여, 광학성능을 향상시키고, 소형화와 저비용을 양립시킨 반사형 광학장치나 반사형 고체 광학장치로서 이용할 수 있고, 이들을 이용한 촬상장치, 비디오 카메라 장치 및 차 적재용 시각 지원장치를 포함하는 차 적재용 감시장치로서도 이용할 수 있다.

Claims (41)

  1. 쉘 형상의 복수의 광학부재가 중공부를 형성하도록 대향 배치하여 일체화되고, 상기 중공부측의 면은 적어도 하나의 반사면을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사면중 적어도 하나는 회전 중심축을 가지지 않는 자유 곡면인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 광학부재는 전측 광학부재와 후측 광학부재의 2개의 광학부재로, 상기 전측 광학부재의 쉘 형상의 개구측과 상기 후측 광학부재의 쉘 형상의 개구측을 대향 배치하여 일체화함으로써 상기 중공부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광학부재는 수지 성형물로, 상기 반사면에는 금속 박막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 박막의 재료는 알루미늄, 금, 은, 동 및 아연에서 선택되는 적어도 하나의 금속 박막 재료인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 반사면상에 다시 SiO2막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광학부재는 금속 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 광학부재는 알루미늄, 금, 은, 동 및 아연에서 선택되는 적어도 하나의 금속재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 금속재료로 형성된 광학부재의 반사면에 다시 금속 박막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 금속 박막의 재료는 알루미늄, 금, 은, 동 및 아연에서 선택되는 적어도 하나의 금속 박막 재료인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 반사면상에 다시 SiO2막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 다수의 광학부재중 적어도 하나에는 촬상용의 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 촬상용의 개구에 촬상에 필요한 파장역의 광속을 투과하는 창재가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 촬상을 위한 개구에 촬상에 필요한 파장역의 광속을 투과하고, 그 이외의 파장역의 광속을 차폐하는 창재가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 촬상을 위한 개구에 게르마늄, 실리콘, 폴리에틸렌, CaF2, BaF2및 ZnSe에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 형성된 창재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 창재는 평판인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  17. 제13항에 있어서, 상기 창재는 렌즈 작용을 가지는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  18. 제12항에 있어서, 상기 촬상용의 개구에, 입사하는 적외선중 적어도 일정 범위의 파장역의 적외선의 투과를 차단하는 광학특성을 가지는 창재가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 창재는 적외선을 반사하는 광학특성을 가지고, 투명기재상에 유전체 다층막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 투명기재는 유리 재료인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 투명기재는 수지재료인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  22. 제19항에 있어서, 상기 투명기재는 CaF2, BaF2및 ZnSe에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  23. 제18항에 있어서, 상기 창재는 적외선을 흡수하는 광학 특성을 가지는 유리 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  24. 제18항에 있어서, 상기 창재는 적외선을 흡수하는 광학 특성을 가지는 수지재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  25. 제18항에 있어서, 상기 창재는 근적외역의 적외선의 투과를 차단하는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 근적외역의 파장역은 700nm에서 1100nm의 범위인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  27. 제18항에 있어서, 상기 창재는 평판인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  28. 제18항에 있어서, 상기 창재는 렌즈 작용을 가지는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  29. 제12항에 있어서, 상기 각 반사면상에, 입사하는 적외선중 적어도 일정범위의 파장역의 적외선을 반사하지 않는 광학특성을 가지는 막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 막은 가시역보다 장파장역의 적외선을 반사하지 않는광학특성을 가지는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 가시역보다 장파장역인 파장역은 700nm보다 큰 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  32. 제29항에 있어서, 상기 막은 근적외역의 파장역 적외선을 반사하지 않는 광학특성을 가지는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 근적외역 파장역은 700nm으로부터 1100nm의 범위인 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  34. 제1항에 있어서, 상기 다수의 광학 부재중 적어도 하나에는 감광 특성을 가지는 부재상에 화상을 결상시키기 위한 개구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반사형 광학장치.
  35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항 기재의 반사형 광학장치를 이용한 촬상장치로서, 상기 반사형 광학장치의 결상부에 촬상소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  36. 제35항에 있어서, 상기 촬상소자는 가시역에 감도를 가지는 것을 특징으로하는 촬상장치.
  37. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항 기재의 반사형 광학장치를 이용한 촬상장치로서, 상기 반사형 광학장치의 결상부에 가시역에 감도를 가지는 촬상소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  38. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항 기재의 반사형 광학장치를 이용한 촬상장치로서, 상기 반사형 광학장치의 결상부에 가시역 및 적외역에 감도를 가지는 촬상 소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  39. 제25항, 제26항, 제32항 또는 제33항에 기재의 반사형 광학장치를 이용한 촬상장치로서, 상기 반사형 광학장치의 결상부에 가시역 및 적외역에 감도를 가지는 촬상 소자가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
  40. 제35항 기재의 촬상장치를 이용한 것을 특징으로 하는 비디오 카메라 장치.
  41. 제35항 기재의 촬상장치를 이용한 것을 특징으로 하는 차 적재용 감시장치.
KR10-2003-7014973A 1999-02-10 2000-02-09 촬상용 반사형 광학장치와 이를 이용한 촬상 장치, 비디오 카메라 장치와 차 적재용 감시장치 KR100473797B1 (ko)

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