WO2017150492A1 - 光学系、それを備える撮像装置及び投影装置 - Google Patents

光学系、それを備える撮像装置及び投影装置 Download PDF

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WO2017150492A1
WO2017150492A1 PCT/JP2017/007645 JP2017007645W WO2017150492A1 WO 2017150492 A1 WO2017150492 A1 WO 2017150492A1 JP 2017007645 W JP2017007645 W JP 2017007645W WO 2017150492 A1 WO2017150492 A1 WO 2017150492A1
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optical system
optical
optical element
reflection surface
group
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Application number
PCT/JP2017/007645
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English (en)
French (fr)
Inventor
中野　正嗣
Original Assignee
キヤノン株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D1/00—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle
    • B62D1/02—Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle vehicle-mounted
    • B62D1/04—Hand wheels
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/74—Projection arrangements for image reproduction, e.g. using eidophor

Definitions

  • the present invention relates to an optical system having a refracting surface and a reflecting surface, and, for example, an imaging device such as a digital still camera, a digital video camera, a mobile phone camera, a surveillance camera, a wearable camera, a medical camera, or a projection device are preferred.
  • an imaging device such as a digital still camera, a digital video camera, a mobile phone camera, a surveillance camera, a wearable camera, a medical camera, or a projection device are preferred.
  • Patent Document 1 describes an optical system having a lens with a convex surface facing the object side and a catadioptric lens having a concave internal reflection surface, thereby realizing a wide angle of view. it can.
  • Patent Document 2 describes an optical system having a plurality of reflective / transmissive surfaces, whereby downsizing can be realized.
  • an object of the present invention is to provide an optical system capable of realizing a wide angle of view and a reduction in size while suppressing the loss of light quantity in an imaging device or a projection device.
  • An optical system as one aspect of the present invention for achieving the above object is an optical system including a first group, an aperture stop, and a second group in this order from the enlargement side, and the second group is all
  • the light from the enlarged side which has a reflection surface and a concave reflection surface and which has passed through the aperture stop is totally reflected by the total reflection surface, then reflected by the reflection surface and transmitted through the total reflection surface
  • Rm radius of curvature of the reflecting surface
  • Rt radius of curvature of the total reflecting surface
  • FIG. 1 is a schematic view of a main part of an optical system according to a first embodiment.
  • FIG. 6 is a view for explaining the configuration of a fifth optical element according to the first embodiment;
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a configuration of a second group according to the first embodiment.
  • FIG. 6 shows aberration of the optical system according to Example 1.
  • FIG. 7 shows aberration of an optical system according to Example 2.
  • FIG. 7 shows aberration of an optical system according to Example 3.
  • FIG. 7 shows aberration of an optical system according to Example 4.
  • FIG. 1 is a functional block diagram of an on-vehicle camera system according to an embodiment of the present invention.
  • BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The principal part schematic of the vehicle which concerns on embodiment of this invention.
  • 6 is a flowchart showing an operation example of the on-vehicle camera system according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic view of an essential part in an YZ cross section including an optical axis AX1 of an imaging device 1000 provided with an optical system 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • the imaging apparatus 1000 includes an optical system 100 as an imaging optical system, an imaging element 110 including an imaging surface (light receiving surface) disposed at a position of an image surface (reduction surface) IMG of the optical system 100, a cable 120, and a processing unit 130. Equipped with
  • the optical system 100 condenses a light flux from an unshown object present on the left side of FIG. 1 and forms an image of the object on the imaging surface IMG of the imaging element 110.
  • the image sensor 110 photoelectrically converts the image of the subject formed by the optical system 100 and outputs an electrical signal.
  • the processing unit 130 processes the electrical signal from the imaging element 110 transmitted via the cable 120, and acquires image data of the subject.
  • a solid-state imaging device such as a CCD sensor or a CMOS sensor can be employed.
  • FIG. 2 is a schematic view of relevant parts in the YZ cross section including the optical axis AX1 of the optical system 100.
  • the optical system 100 includes an aperture stop STO for limiting the light beam width, a first group G1 disposed on the object side (enlargement side) of the aperture stop STO, and an image side (reduction) of the aperture stop STO. And a second group G2 disposed on the side).
  • the first group G1 includes, in order from the object side, a first optical element L1, a second optical element L2, and a third optical element L3.
  • the second group G2 includes, in order from the object side, a fourth optical element L4, The fifth optical element L5, the sixth optical element L6, and the seventh optical element CG are provided.
  • the first optical element L1 is a biconvex lens having a first surface and a second surface as an optical surface through which an effective light beam contributing to image formation passes.
  • the first surface of the first optical element L1 is a refractive surface that is convex toward the object side.
  • the second optical element L2 is a biconcave lens, and the third optical element L3 is a meniscus lens having a convex surface facing the object.
  • the fourth optical element L4 and the sixth optical element L6 are biconvex lenses.
  • the fifth optical element L5 has three optical components: a first surface 51 which is an incident surface, a second surface 52 which is a total reflection surface, and a third surface 53 which is a concave reflection surface toward incident light. It is a catadioptric lens including a surface.
  • the third surface 53 of the fifth optical element L5 is an internal reflection surface formed of a metal film, a dielectric multilayer film, or the like.
  • the seventh optical element CG is an optical filter such as an IR cut filter, but if necessary, a lens or the like may be adopted as the seventh optical element CG.
  • the aperture stop STO is formed of a light shielding member provided with an opening, which is disposed on the joint surface between the second surface 32 of the third optical element L3 and the first surface 41 of the fourth optical element.
  • the opening of the aperture stop STO has an elliptical shape with a short axis of 30 mm and a long axis of 76 mm, so that the long axis coincides with the horizontal direction (X direction) and the short axis coincides with the vertical direction (Y direction) It is provided.
  • a light flux from an object sequentially passes through the first optical element L1, the second optical element L2, and the third optical element L3 and enters the aperture stop STO. At this time, since a part of the light flux is blocked by the light blocking portion of the aperture stop STO, the light flux width is limited.
  • the light beam transmitted through the opening of the aperture stop STO is transmitted through the fourth optical element L4 and is incident on the first surface 51 of the fifth optical element L5.
  • the light flux having an incident angle larger than the critical angle is totally reflected by the second surface 52.
  • the traveling direction is changed to the object side to reach the third surface 53 of the fifth optical element L5.
  • the light beam reflected by the third surface 53 of the fifth optical element L5 reaches the second surface 52 of the fifth optical element L5 again, and transmits this surface without total reflection.
  • the light beam transmitted through the sixth optical element L6 and the seventh optical element CG forms an image plane IMG having a planar shape.
  • the positive Petzval image surface generated in the first group G1 is canceled by generating the negative Petzval image surface by the concave reflecting surface 53 in the second group G2.
  • the image plane IMG is formed on the object side, so the imaging element 110 may be disposed so as not to interfere with the optical element. It becomes difficult.
  • the optical system 100 interference between the image surface IMG and the optical element is avoided by adopting a configuration in which light from the aperture stop STO is totally reflected by the total reflection surface 52 and then is incident on the reflection surface 53. . Furthermore, by adopting a total reflection surface as means for deflecting light toward the reflection surface 53, compared to the case where a transmission / reflection surface (a half mirror etc.) formed of a metal film, a dielectric multilayer film, etc. is adopted. Thus, it is possible to suppress the loss of light quantity when light is reflected.
  • the optical axis AX1 is an axis passing through the center (surface vertex) of each optical surface in the first group G1.
  • each surface vertex of the optical surface of the first group G1 exists on the optical axis AX1.
  • the first group G1 according to this embodiment is a rotationally symmetric system.
  • each optical surface of the fourth optical element L4 and each surface vertex of the first surface 51 of the fifth optical element L5 exist on the optical axis AX1, but the other optical surfaces are
  • Each center (face vertex) is an eccentric surface shifted from on the optical axis AX1.
  • the optical surface on the image side of the first surface 51 of the fifth optical element L5 is disposed to be inclined with respect to the optical axis AX1.
  • FIG. 3 shows only the fourth optical element L4 and the fifth optical element L5 in the optical system 100 according to the present embodiment.
  • the fifth optical element L5 is a portion of the plano-convex lens in which the portion overlapping the other optical element and the unnecessary portion through which the effective light beam does not pass are cut. It shows including the cut part.
  • the surface vertex P1 of the third surface 53 of the fifth optical element L5 is decentered with respect to the optical axis AX1.
  • each of the normal at the surface vertex P1 of the third surface 53 and the normal at the intersection P2 of the optical axis AX1 and the second surface 52 is ⁇ with respect to the optical axis AX1. It has an angle of 25.36 °.
  • each optical element in the second group G2 in a decentered manner, the position of the image plane IMG can be decentered, so that the degree of freedom in arrangement is increased and interference between the imaging element and the optical path is avoided. It will be possible to Further, by disposing the total reflection surface 52 at an angle such that the optical axis AX1 and the normal at the point P2 of the total reflection surface 52 are not parallel to each other, the total reflection surface 52 of the light from the aperture stop STO is arranged. Can increase the incident angle. Thereby, light of an angle of view close to the optical axis AX1 can be totally reflected, and it becomes possible to alleviate the influence of the decrease in light quantity at the periphery (the cosine fourth law) on the image plane IMG.
  • the angle of view (horizontal angle of view) in the ZX cross section (first cross section) is set symmetrically on both sides of the optical axis AX1, but in the YZ cross section (second cross section).
  • the angle of view (vertical angle of view) at is set to one side (the lower side in FIG. 1) with respect to the optical axis AX1.
  • the imaging element 110 can be disposed so as not to interfere with each optical element or each optical path.
  • the curvature of the total reflection surface 52 becomes too large in the direction of concave shape toward the incident light, and light from the first surface 51 of the fifth optical element L5
  • the curvature of the total reflection surface 52 becomes too large in the direction of convex shape toward the incident light, and the positive Petzval image surface generated on the total reflection surface 52 The curvature increases.
  • the incident angle of the light reflected by the reflection surface 53 to the total reflection surface 52 is reduced. Can. As a result, it is possible to suppress that the light reflected by the reflection surface 53 is totally reflected again by the total reflection surface 52 and the loss of light quantity occurs.
  • the second group G2 has a plurality of reflecting surfaces, it is desirable that the reflecting surface with the largest power satisfy the conditional expression (2).
  • the distance from the aperture stop STO to the reflection surface 53 becomes short, and the incident angle of the light reflected by the reflection surface 53 to the total reflection surface 52 becomes large. For this reason, the light totally reflected without being transmitted through the total reflection surface 52 increases, and it becomes difficult to suppress the loss of the light quantity.
  • the value goes below the lower limit value of the conditional expression (2) an image is formed inside the fifth optical element L5, which makes it difficult to arrange the imaging element 110.
  • the reflecting surface 53 according to the present embodiment is decentered, and the surface apex is not present on the optical axis AX1. Therefore, the distance between the aperture stop STO and the total reflection surface 52 on the optical axis AX1 is La, and the distance between the total reflection surface 52 and the reflection surface 53 on the normal line passing through the surface vertex P1 of the reflection surface 53 is Lb.
  • La 8.500 mm
  • Lb 9.800 mm
  • Lm 18.300 mm, so
  • /Lm 2.373, and the conditional expressions (2) and (2 ′) are obtained. I am satisfied.
  • a plane vertex P1 of the reflecting surface 53 is a line AX2 connecting the intersection point P2 of the optical axis AX1 of the first group G1 and the total reflecting surface 52 and the image point P3 to the total reflecting surface 52 at the center of the aperture stop STO.
  • the distance up to is Ym (mm)
  • the focal length of the whole system is f (mm).
  • the image point P3 is formed at a position symmetrical to the total reflection surface 52 with respect to the center of the aperture stop STO. At this time, it is desirable to satisfy the following conditional expression (3).
  • conditional expression (3) By satisfying the conditional expression (3), the surface vertex P1 of the reflecting surface 53 can be disposed in the vicinity of the line AX2, and the generation of decentration aberration due to the decentering of the reflecting surface 53 can be suppressed. If conditional expression (3) is not satisfied, the amount of decentration aberration generated when light passes through the reflection surface 53 and the total reflection surface 52 is too large, and the imaging performance of the optical system 100 is degraded. The possibility arises. In the present embodiment, since
  • 0.818, the conditional expression (3) is satisfied.
  • FIG. 4 shows only the fourth optical element L4, the fifth optical element L5, and the sixth optical element L6 in the optical system 100 according to the present embodiment.
  • a line connecting the surface vertex P1 of the reflecting surface 53 and the curvature center P4 is taken as an axis AX3, and the second surface 62 of the sixth optical element L6 disposed on the image side of the reflecting surface 53 (first A line connecting a surface vertex P5 of the transmission surface and the curvature center P6 is AX4.
  • the inclinations of the axes AX3 and AX4 of the reflecting surface 53 and the first transmitting surface 62 having high aberration correction capability can be made close to each other, thereby suppressing the occurrence of decentration aberration. It becomes possible. If the conditional expression (4) is not satisfied, the amount of decentration aberration generated may be too large, and the imaging performance of the optical system 100 may be degraded.
  • conditional expression (5) the principal ray of the on-axis light beam can be made incident at an incident angle close to perpendicular to the first transmission surface 62, so that the occurrence of decentration aberration can be suppressed. Become. Furthermore, it is more preferable to satisfy the following conditional expression (5 '). In the present embodiment, since
  • 0.721 °, the conditional expressions (5) and (5 ′) are satisfied.
  • the effect of the present invention can be obtained when at least one of the transmission surfaces disposed on the image side of the reflection surface 53 satisfies the conditional expression (4) or the conditional expression (5).
  • the transmission surface having the largest power is conditional expression (4) or conditional expression (5). It is desirable to be configured to fill.
  • the first surface 11 (refractive surface 11) convex toward the object side of the first optical element L1 has a radius of curvature approximately equal to the distance to the aperture stop STO. It is desirable to use a shape (point-symmetrical shape). Specifically, when the radius of curvature of the refracting surface 11 is Rl (mm) and the distance between the refracting surface 11 and the aperture stop STO is Ll (mm), the refracting surface 11 satisfies the following conditional expression (6) It is desirable to use a shape. 0.7 ⁇
  • conditional expression (6) By satisfying conditional expression (6), off-axis aberrations can be well corrected even with a simple and compact configuration. If the range of the conditional expression (6) is exceeded, the amount of off-axis aberrations generated may increase, which may make it impossible to obtain good optical characteristics. This is explained below.
  • off-axis aberrations such as coma, astigmatism, curvature of field, distortion and lateral chromatic aberration, and on-axis aberrations such as spherical aberration and on-axis chromatic aberration are used. Correction is required.
  • off-axis a large off-axis aberration occurs at the peripheral angle of view (off-axis), so the optical performance on the optical axis (on-axis) becomes the highest. Therefore, the optical performance at the peripheral angle of view decreases.
  • the refracting surface having a point-symmetrical shape has substantially the same shape from the optical axis to the peripheral angle of view, it is possible to suppress the occurrence of off-axis aberration and to suppress the decrease in optical performance at the peripheral angle of view. Therefore, by adopting a point-symmetrical refracting surface, the aberration to be corrected can be limited to spherical aberration, axial chromatic aberration, Petzval image surface, etc., so that various aberrations can be made excellent even with a simple configuration. It becomes possible to correct.
  • the point-symmetrical refracting surface 11 satisfying the conditional expression (6), it is possible to realize a high-resolution and compact optical system over a wide angle of view while reducing the F value.
  • a plane-shaped image surface IMG may be formed by the reflecting surface 53 of the second group G2. It will be possible. Therefore, in the imaging apparatus 1000, there is no need to provide a spherical imaging element and light guiding means, so that the overall size of the apparatus can be reduced.
  • a plurality of refracting surfaces that satisfy the conditional expression (6) may be provided. Also in that case, the effect of the present invention can be obtained by configuring at least one of the plurality of refractive surfaces in the first group G1 to satisfy the conditional expression (6).
  • the refractive surface further away from the aperture stop STO, or the refractive surface having a large difference in refractive index with the adjacent medium, ie, the most object side It is desirable to make the refracting surface point-symmetrical.
  • the aperture stop STO and the entrance pupil be configured to be close to each other.
  • the distance between the aperture stop STO and the entrance pupil is Lp (mm) and the focal length of the entire system is f (mm)
  • the focal length is positive when the optical system has positive power, and negative when the optical system has negative power. ⁇ 0.2 ⁇ Lp / f ⁇ 0.2 (7)
  • conditional expression (7) it is possible to provide a concentric configuration in which light rays of each angle of view are incident at an angle close to perpendicular to the point-symmetrical refracting surface 11, It becomes possible to make it easy to correct the aberration.
  • the value exceeds the upper limit value of the conditional expression (8) it deviates from the concentric configuration, and the effect of the refracting surface 11 can not be sufficiently obtained.
  • Lp / f 0.113
  • the bonding surface (the second surface 22 and the first surface 31) of the second optical element L2 and the third optical element L3 has a convex shape toward the object side.
  • the Abbe number for the d line of the second optical element L2 disposed on the object side is AA
  • the Abbe number for the d line of the third optical element L3 disposed on the image side is BB. It is preferable to satisfy the following conditional expression (8).
  • the on-axis chromatic aberration generated on the refracting surface 11 of the first optical element L1 can be favorably corrected by generating on-axis chromatic aberration of the opposite sign.
  • the conditional expression (8) is satisfied.
  • conditional expression (9) it is possible to satisfactorily correct the spherical aberration generated on the refracting surface 11 of the first optical element L1 by generating the spherical aberration of the opposite sign.
  • the first surface 11 of the first optical element L1 and the third surface 53 of the fifth optical element L5 are aspheric.
  • the first surface 11 of the first optical element L1 an aspheric surface
  • correction of coma aberration generated in the astigmatic components of the third surface 53 of the fifth optical element L5 and other optical surfaces is corrected. It is carried out.
  • the third surface 53 of the fifth optical element L5 an aspheric surface, astigmatism generated by the spherical component of this surface and other astigmatism components of the optical surface is corrected.
  • each of the aspheric optical surfaces in the present embodiment is a rotationally symmetric shape centered on the optical axis AX1, and is expressed by the following aspheric expression.
  • z is the sag amount (mm) in the optical axis direction of the aspheric shape
  • c is the curvature (1 / mm) on the optical axis AX1
  • k is the conical coefficient
  • h is the radial distance from the optical axis AX1 ( mm)
  • A, B, C,... are aspheric coefficients of the fourth order term, the sixth order term, the eighth order term,.
  • the first term indicates the sag amount of the base spherical surface
  • the second and subsequent terms indicate the amount of sag of the aspheric surface component provided on the base spherical surface.
  • Table 1 shows surface data of each optical surface in the optical system 100.
  • r is the radius of curvature (mm)
  • d is the surface distance (mm)
  • nd is the refractive index for d line
  • ⁇ d is Abbe for d line Represents a number.
  • the surface separation is positive when going to the image side along the optical path, and negative when going to the object side.
  • Table 2 shows eccentricity data of the surface vertex of each optical surface.
  • each of x, y and z represents coordinates based on the surface vertex of the optical surface of surface number 1
  • ⁇ is around the x axis Represents rotation about the y axis
  • ⁇ represents rotation about the z axis.
  • Table 3 shows various data of the imaging apparatus 1000.
  • Fno represents the aperture value (F value) of the optical system 100.
  • Table 4 shows values of conditional expressions (1) to (7) in the imaging device 1000 according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is an aberration diagram of the optical system 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 5 shows transverse aberration with respect to light of each wavelength of 656 nm, 587 nm, 486 nm and 435 nm at a vertical angle of view of 42.50 °, 25.25 ° and 8.000 °.
  • various aberrations are well corrected in the visible wavelength range (400 to 700 nm).
  • optical system 100 As described above, according to the optical system 100 according to the present embodiment, wide angle of view and miniaturization can be realized while suppressing the loss of light quantity.
  • FIG. 6 is a schematic view of the essential parts in the YZ cross section including the optical axis AX1 of the optical system 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • the first group G1 includes, in order from the object side, a first optical element L1, a second optical element L2, and a third optical element L3, and the second group G2 includes, in order from the object side,
  • the fourth optical element L4 and the fifth optical element L5 are provided.
  • Each of the first optical element L1, the second optical element L2, and the third optical element L3 is a meniscus lens having a convex surface facing the object side.
  • the fourth optical element L4 is a catadioptric lens that includes a first surface 41 and a second surface 42 which are transmission surfaces, and a third surface 43 which is a concave reflection surface.
  • the fifth optical element L5 is a plano-convex lens having a convex surface directed to incident light.
  • the optical elements according to the present embodiment are cemented to each other, and the aperture stop STO is disposed on the cemented surface of the third optical element L3 and the fourth optical element L4.
  • a light flux from an object sequentially passes through the first optical element L1, the second optical element L2, and the third optical element L3 and is limited by the aperture stop STO.
  • the light beam that has passed through the aperture stop STO passes through the first surface 41 and the second surface 42 of the fourth optical element L4 and the first surface 51 of the fifth optical element L5 in order, and the second surface of the fifth optical element L5 It reaches 52 (total reflection surface).
  • the light flux whose incident angle is larger than the critical angle is totally reflected by the second surface 52 to change the traveling direction toward the object side, and the fifth optical element It transmits through the first surface 51 of L5 and the second surface 42 of the fourth optical element L4. Thereafter, the light beam is reflected by the third surface 43 of the fourth optical element L4, and sequentially passes through the second surface 42 of the fourth optical element L4 and the first surface 51 and the second surface 52 of the fifth optical element L5. Form the image plane IMG of the shape.
  • the first surface 11 (surface number 1) of the first optical element L1 and the third surface 43 (surface number 8) of the fourth optical element L4 are It is aspheric.
  • the optical system 200 according to the present example satisfies all of the conditional expressions (1) to (7) described above.
  • the joint surface of the first optical element L1 and the second optical element L2 and the joint surface of the second optical element L2 and the third optical element L3 are on the object side. It has a convex shape.
  • the Abbe number of the second optical element L2 is larger than the Abbe number of the first optical element L1
  • the Abbe number of the third optical element L3 is larger than the Abbe number of the second optical element L2.
  • FIG. 7 is an aberration diagram of the optical system 200 according to the present embodiment.
  • FIG. 7 shows transverse aberration with respect to light of each wavelength of 656 nm, 587 nm, 486 nm and 435 nm at a vertical angle of view of 63.00 °, 51.50 ° and 40.00 °.
  • various aberrations are well corrected in the visible wavelength range (400 to 700 nm).
  • FIG. 8 is a schematic view of the essential parts in the YZ cross section including the optical axis AX1 of the optical system 300 according to the third embodiment of the present invention.
  • the first group G1 includes, in order from the object side, a first optical element L1, a second optical element L2, and a third optical element L3.
  • the second group G2 includes a third optical element L3 and a third optical element L3. It has a fourth optical element L4. That is, in the present embodiment, a part of the third optical element L3 is shared by the first group G1 and the second group G2. And each optical element which concerns on a present Example is mutually joined.
  • Each of the first optical element L1, the second optical element L2, and the third optical element L3 is a meniscus lens having a convex surface facing the object side.
  • the second surface 32 of the third optical element L3 is an internal reflection surface formed of a metal film, a dielectric multilayer film, or the like.
  • the aperture stop STO is formed of a light shielding member provided with an opening and disposed on the second surface 32 of the third optical element L3.
  • the fourth optical element L4 is a catadioptric lens that includes a first surface 41 that is a transmission surface, a second surface 42 that is a total reflection surface, and a third surface 43 that is a concave reflection surface. .
  • a light flux from an object sequentially passes through the first optical element L1, the second optical element L2, and the third optical element L3 and is limited by the aperture stop STO.
  • the light beam reflected by the aperture of the aperture stop STO that is, the second surface 32 of the third optical element L3 passes through the first surface 41 of the fourth optical element L4, and the second surface 42 of the fourth optical element L4 Reach the total reflection surface).
  • light fluxes incident on the second surface 42 of the fourth optical element L4 light flux having an incident angle larger than the critical angle is totally reflected on the second surface 42 and then reflected on the third surface 43, and then the second surface 42 To form a planar image plane IMG.
  • the optical system 300 has a configuration in which the light beam is reflected an odd number of times (three times) by using the opening of the aperture stop STO as a reflection surface, thereby making the image plane IMG larger than the aperture stop STO. Being formed on the object side, miniaturization in the optical axis direction is made possible.
  • the first surface 11 (surface number 1) of the first optical element L1 and the third surface 43 (surface number 7) of the fourth optical element L4 are It is aspheric.
  • the optical system 300 according to this example satisfies all of the conditional expressions (1) to (7) described above.
  • the second optical element L2 and the third optical element L3 having a cemented surface convex toward the object side satisfy the conditional expression (8).
  • FIG. 9 is an aberration diagram of the optical system 300 according to the present embodiment.
  • FIG. 9 shows transverse aberration for light of each wavelength of 656 nm, 587 nm, 486 nm, and 435 nm at a vertical angle of view of 80.00 °, 63.50 °, and 47.00 °.
  • various aberrations are well corrected in the visible wavelength range (400 to 700 nm).
  • FIG. 10 is a schematic view of the essential parts in the YZ cross section including the optical axis AX1 of the optical system 400 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the first group G1 has a first optical element L1 and a second optical element L2 in order from the object side
  • the second group G2 has a third optical element L3, fourth optical element in order from the object side
  • the element L4 and the fifth optical element CG are provided.
  • the first optical element L1 and the second optical element L2 are meniscus lenses having convex surfaces directed to the object side.
  • the third optical element L3 is a catadioptric lens that includes a first surface 31 which is a transmission surface, a second surface 32 which is a total reflection surface, and a third surface 33 which is a concave reflection surface.
  • the fourth optical element L4 is a prism
  • the fifth optical element CG is an optical filter.
  • the aperture stop STO is disposed between the second optical element L2 and the third optical element L3.
  • a light flux from an object passes through the first surface 31 of the first optical element L1, the second optical element L2, the aperture stop STO, and the third optical element L3 in this order, and the third optical element
  • the light is incident on the second surface 32 (total reflection surface) of L3.
  • light fluxes incident on the second surface 32 of the third optical element L3 light flux having an incident angle larger than the critical angle is totally reflected on the second surface 32, reflected on the third surface 33, and then reflected again on the second surface 32.
  • the light beam passes through the second surface 32, passes through the fourth optical element L4 and the fifth optical element CG in order, and forms an image plane IMG having a planar shape.
  • the first surface 31 (surface number 6) of the third optical element L3 and the third surface 33 (surface number 8) of the third optical element L3 are It is aspheric.
  • the optical system 400 according to this example satisfies the conditional expressions (1) to (5) and (7) described above.
  • FIG. 11 is an aberration diagram of the optical system 400 according to the present embodiment.
  • FIG. 11 shows transverse aberration with respect to light of each wavelength of 656 nm, 587 nm, 486 nm and 435 nm at a vertical angle of view of 30.00 °, 20.00 ° and 10.00 °.
  • various aberrations are well corrected in the visible wavelength range (400 to 700 nm).
  • the concave-shaped reflective surface in the second group G2 is an internal reflective surface configured by providing a reflective film on the optical element, but the present invention is not limited to this.
  • another optical element such as a mirror having a surface reflection surface may be provided instead of the internal reflection surface.
  • the display surface of a display element such as a liquid crystal panel (spatial modulator) is disposed at the position of the reduction plane IMG.
  • the reduction side is the object side
  • the enlargement side is the image side
  • the first group G1 is the second group G2
  • the second group G2 is the first group G1
  • the entrance surface of each optical element is the exit surface
  • the exit surface is the entrance surface.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of the on-vehicle camera 10 according to the present embodiment and the on-vehicle camera system (drive support device) 600 including the on-vehicle camera 10.
  • the on-vehicle camera system 600 is a device installed in a vehicle such as a car and supporting driving of the vehicle based on the image information of the surroundings of the vehicle acquired by the on-vehicle camera 10.
  • FIG. 13 is a schematic view of a vehicle 700 equipped with an on-vehicle camera system 600. Although FIG. 13 shows the case where the imaging range 50 of the on-vehicle camera 10 is set in front of the vehicle 700, the imaging range 50 may be set behind the vehicle 700.
  • the on-vehicle camera system 600 includes an on-vehicle camera 10, a vehicle information acquisition device 20, a control device (ECU: electronic control unit) 30, and an alarm device 40.
  • the on-vehicle camera 10 further includes an imaging unit 1, an image processing unit 2, a parallax calculation unit 3, a distance calculation unit 4, and a collision determination unit 5.
  • the imaging unit 1 includes the optical system according to any one of the above-described embodiments and an imaging surface phase difference sensor.
  • the imaging surface phase difference sensor and the image processing unit 2 according to the present embodiment correspond to, for example, the imaging element 110 and the processing unit 130 provided in the imaging apparatus 1000 according to the first embodiment shown in FIG.
  • FIG. 14 is a flowchart showing an operation example of the on-vehicle camera system 600 according to the present embodiment. Hereinafter, the operation of the on-vehicle camera system 600 will be described along the flowchart.
  • step S1 an object (subject) around the vehicle is imaged using the imaging unit 1, and a plurality of image data (parallax image data) are acquired.
  • step S2 vehicle information is acquired from the vehicle information acquisition device 20.
  • the vehicle information is information including the vehicle speed of the vehicle, the yaw rate, the steering angle, and the like.
  • step S 3 the image processing unit 2 performs image processing on a plurality of image data acquired by the imaging unit 1. Specifically, image feature analysis is performed to analyze feature amounts such as the amount and direction of edges in image data, and density values. Here, the image feature analysis may be performed on each of the plurality of image data, or may be performed on only a part of the plurality of image data.
  • step S ⁇ b> 4 parallax (image shift) information between a plurality of image data acquired by the imaging unit 1 is calculated by the parallax calculation unit 3.
  • a known method such as an SSDA method or an area correlation method can be used as a method of calculating disparity information, and thus the description thereof will be omitted in this embodiment.
  • Steps S2, S3 and S4 may be processed in the order described above, or may be processed in parallel with each other.
  • the distance calculation unit 4 calculates distance information to the object captured by the imaging unit 1.
  • the distance information can be calculated based on the parallax information calculated by the parallax calculation unit 3 and the internal parameter and the external parameter of the imaging unit 1.
  • the distance information is information on the relative position to the object such as the distance to the object, the defocus amount, the image shift amount, etc., and the distance value of the object in the image is directly Or may indirectly represent information corresponding to the distance value.
  • step S6 the collision determination unit 5 determines whether the distance information calculated by the distance calculation unit 4 is included in the range of the preset distance set in advance. Thus, it is possible to determine whether an obstacle is present within the set distance around the vehicle and to determine the possibility of collision between the vehicle and the obstacle.
  • the collision determination unit 5 determines that there is a collision possibility if there is an obstacle within the set distance (step S7), and determines that there is no collision possibility if there is no obstacle within the set distance (step S8) ).
  • step S7 when the collision determination unit 5 determines that there is a collision possibility (step S7), the collision determination unit 5 notifies the control device 30 or the alarm device 40 of the determination result. At this time, the control device 30 controls the vehicle based on the determination result of the collision determination unit 5, and the alarm device 40 issues an alarm based on the determination result of the collision determination unit 5.
  • control device 30 performs control such as applying a brake to the vehicle, returning an accelerator, or generating a control signal for causing each wheel to generate a braking force to suppress an output of an engine or a motor.
  • the alarm device 40 sounds an alarm such as a sound to a user (driver) of the vehicle, displays alarm information on a screen of a car navigation system or the like, gives a vibration to a seat belt or steering wheel, etc. I do.
  • the vehicle-mounted camera system 600 which concerns on this embodiment, an obstacle can be detected effectively by said process, and it becomes possible to avoid the collision with a vehicle and an obstacle.
  • the optical system according to each of the above-described embodiments to the on-vehicle camera system 600, the entire on-vehicle camera 10 can be miniaturized to enhance the degree of freedom of arrangement while detecting obstacles and judging collisions over a wide angle of view. It will be possible to do.
  • the configuration in which the on-vehicle camera 10 includes only one imaging unit 1 having an imaging surface phase difference sensor has been described, but the present invention is not limited thereto.
  • a stereo camera including two imaging units as the on-vehicle camera 10 May be adopted.
  • image data is simultaneously acquired by each of the two synchronized imaging units, and the same processing as described above is performed by using the two image data. be able to.
  • the difference between the imaging times of the two imaging units is known, it is not necessary to synchronize the two imaging units.
  • various embodiments can be considered for the calculation of distance information.
  • a pupil division type imaging device having a plurality of pixel units regularly arranged in a two-dimensional array is adopted as an imaging device of the imaging unit 1
  • one pixel unit is composed of a micro lens and a plurality of photoelectric conversion units, receives a pair of light beams passing through different areas in the pupil of the optical system, and makes a pair of image data It can be output from each photoelectric conversion unit.
  • the image shift amount of each area is calculated by correlation calculation between the pair of image data, and the distance calculation unit 4 calculates image shift map data representing the distribution of the image shift amount.
  • the distance calculation unit 4 may further convert the image shift amount into a defocus amount, and generate defocus map data representing the distribution of the defocus amount (distribution on the two-dimensional plane of the captured image).
  • the distance calculation unit 4 may acquire distance map data of the distance to the object to be converted from the defocus amount.
  • the vertical angle of view of the optical system according to each embodiment is set to only one side with respect to the optical axis AX1. Therefore, when the optical system according to each embodiment is applied to the on-vehicle camera 10 and the on-vehicle camera 10 is installed in a vehicle, the optical axis AX1 of the optical system should be arranged so as not to be parallel to the horizontal direction. Is desirable. For example, when the optical system 100 according to the first embodiment shown in FIG. 2 is employed, the optical axis AX1 is inclined upward with respect to the horizontal direction (Z direction) so that the center of the vertical angle of view approaches the horizontal direction. do it.
  • the optical axis AX1 may be arranged to be inclined downward with respect to the horizontal direction. Thereby, the imaging range of the vehicle-mounted camera 10 can be set appropriately.
  • the optical performance on the axis is the highest, while the optical performance at the peripheral angle of view decreases, so that the light from the target object of interest is the axis in the optical system. It is more preferable to arrange so as to pass near the upper side. For example, when it is necessary to pay attention to a sign or an obstacle on a road by the on-vehicle camera 10, the optical performance at an angle of view below the ground (ground side) relative to the upper side (air side) with respect to the horizontal direction is enhanced. Is preferred.
  • the optical system 100 when the optical system 100 according to the first embodiment is adopted, the optical system 100 is temporarily turned upside down as described above, and then the optical axis AX1 is inclined downward with respect to the horizontal direction to near the optical axis AX1. It may be disposed so that the angle of view of the lens faces downward.
  • the on-vehicle camera system 600 is applied for driving assistance (collision damage reduction), but the invention is not limited thereto.
  • the on-vehicle camera system 600 may be used for cruise control (including all vehicle speed tracking function) and automatic driving. It may apply.
  • the on-vehicle camera system 600 can be applied not only to a vehicle such as a host vehicle but also to a mobile object (mobile device) such as a ship, an aircraft, or an industrial robot.
  • the present invention can be applied not only to the on-vehicle camera 10 and the moving body according to the present embodiment, but also to devices that widely use object recognition, such as the Intelligent Transportation System (ITS).
  • ITS Intelligent Transportation System

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Abstract

拡大側から順に、第１群Ｇ１、開口絞りＳＴＯ、及び第２群Ｇ２を備える光学系１００であって、第２群Ｇ２は、全反射面５２と、凹形状の反射面５３と、を含み、開口絞りＳＴＯを通過した拡大側からの光は、全反射面５２で全反射した後、反射面５３で反射されて全反射面５２を透過しており、反射面５３の曲率半径をＲｍ（ｍｍ）、全反射面５２の曲率半径をＲｔ（ｍｍ）、とするとき、－０．６≦Ｒｍ／Ｒｔ≦０．６なる条件を満足する。

Description

光学系、それを備える撮像装置及び投影装置
　本発明は、屈折面及び反射面を有する光学系に関し、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、携帯電話用カメラ、監視カメラ、ウェアラブルカメラ、医療用カメラ等の撮像装置や、プロジェクタ等の投影装置に好適なものである。
　近年、撮像装置や投影装置に用いられる光学系として、広画角でかつ小型なものが求められている。特許文献１には、物体側に凸面を向けたレンズと、凹形状の内部反射面を有する反射屈折レンズと、を有する光学系が記載されており、これにより広画角化を実現することができる。また、特許文献２には、複数の反射透過面を有する光学系が記載されており、これにより小型化を実現することができる。
特開２００９－３００９９４号公報 特開２００５－３５２２７３号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の光学系では、内部反射面のパワーが大きいため、小型化しつつ各収差を良好に補正することが困難である。また、特許文献２に記載の光学系では、反射透過面としてシート状ビームスプリッタやハーフミラー等を採用しているため、その反射透過面により光量の損失が生じてしまう。
　そこで本発明は、撮像装置や投影装置において、光量の損失を抑制しつつ、広画角化及び小型化を実現可能な光学系を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するための、本発明の一側面としての光学系は、拡大側から順に、第１群、開口絞り、及び第２群を備える光学系であって、前記第２群は、全反射面と、凹形状の反射面と、を含み、前記開口絞りを通過した拡大側からの光は、前記全反射面で全反射した後、前記反射面で反射されて前記全反射面を透過しており、前記反射面の曲率半径をＲｍ（ｍｍ）、前記全反射面の曲率半径をＲｔ（ｍｍ）、とするとき、－０．６≦Ｒｍ／Ｒｔ≦０．６なる条件を満足することを特徴とする。
本発明の実施例１に係る撮像装置の要部概略図。 実施例１に係る光学系の要部概略図。 実施例１に係る第５光学素子の構成を説明するための図。 実施例１に係る第２群の構成を説明するための図。 実施例１に係る光学系の収差図。 本発明の実施例２に係る光学系の要部概略図。 実施例２に係る光学系の収差図。 本発明の実施例３に係る光学系の要部概略図。 実施例３に係る光学系の収差図。 本発明の実施例４に係る光学系の要部概略図。 実施例４に係る光学系の収差図。 本発明の実施形態に係る車載カメラシステムの機能ブロック図。 本発明の実施形態に係る車両の要部概略図。 実施形態に係る車載カメラシステムの動作例を示すフローチャート。
　以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。また、各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。
　図１は、本発明の実施例１に係る光学系１００を備える撮像装置１０００の、光軸ＡＸ１を含むＹＺ断面における要部概略図である。撮像装置１０００は、撮像光学系としての光学系１００、光学系１００の像面（縮小面）ＩＭＧの位置に配置される撮像面（受光面）を含む撮像素子１１０、ケーブル１２０、及び処理部１３０を備える。
　撮像装置１０００において、光学系１００は、図１の左側に存在する不図示の被写体からの光束を集光し、撮像素子１１０の撮像面ＩＭＧに被写体を結像する。撮像素子１１０は、光学系１００により形成された被写体の像を光電変換し、電気信号を出力する。処理部１３０は、ケーブル１２０を介して伝送される撮像素子１１０からの電気信号を処理し、被写体の画像データを取得する。撮像素子１１０としては、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）を採用することができる。
　図２は、光学系１００の光軸ＡＸ１を含むＹＺ断面における要部概略図である。本実施例に係る光学系１００は、光束幅を制限する開口絞りＳＴＯと、開口絞りＳＴＯよりも物体側（拡大側）に配置された第１群Ｇ１と、開口絞りＳＴＯよりも像側（縮小側）に配置された第２群Ｇ２と、を備える。第１群Ｇ１は、物体側から順に、第１光学素子Ｌ１、第２光学素子Ｌ２、及び第３光学素子Ｌ３を有し、第２群Ｇ２は、物体側から順に、第４光学素子Ｌ４、第５光学素子Ｌ５、第６光学素子Ｌ６、及び第７光学素子ＣＧを有する。
　第１光学素子Ｌ１は、結像に寄与する有効光束が通過する光学面として、第１面及び第２面を有する両凸レンズである。第１光学素子Ｌ１の第１面は、物体側に向かって凸形状の屈折面である。また、第２光学素子Ｌ２は両凹レンズであり、第３光学素子Ｌ３は物体側に凸面を向けたメニスカスレンズである。
　第４光学素子Ｌ４及び第６光学素子Ｌ６は両凸レンズである。第５光学素子Ｌ５は、入射面である第１面５１と、全反射面である第２面５２と、入射光に向かって凹形状の反射面である第３面５３と、の３つの光学面を含む反射屈折レンズである。第５光学素子Ｌ５の第３面５３は、金属膜や誘電体多層膜などによって形成される内部反射面である。第７光学素子ＣＧは、ＩＲカットフィルタ等の光学フィルタであるが、必要に応じて、第７光学素子ＣＧとしてレンズ等を採用してもよい。
　光学系１００において、第１光学素子Ｌ１乃至第５光学素子Ｌ５は互いに接合されている。そして、開口絞りＳＴＯは、第３光学素子Ｌ３の第２面３２と第４光学素子の第１面４１との接合面に配置される、開口部が設けられた遮光部材から成る。開口絞りＳＴＯの開口部は、短軸が３０ｍｍ、長軸７６ｍｍである楕円形状であり、長軸が水平方向（Ｘ方向）に一致し、短軸が垂直方向（Ｙ方向）に一致するように設けられている。
　図２において、不図示の物体からの光束は、第１光学素子Ｌ１、第２光学素子Ｌ２、及び第３光学素子Ｌ３を順に透過して、開口絞りＳＴＯに入射する。このとき、光束の一部は開口絞りＳＴＯの遮光部により遮光されるため、光束幅が制限されることになる。開口絞りＳＴＯの開口部を透過した光束は、第４光学素子Ｌ４を透過して、第５光学素子Ｌ５の第１面５１に入射する。
　第５光学素子Ｌ５の第１面５１を透過して第５光学素子Ｌ５の第２面５２に入射する光束のうち、入射角が臨界角よりも大きい光束は、第２面５２で全反射し、物体側に進行方向を変えて第５光学素子Ｌ５の第３面５３に到達する。第５光学素子Ｌ５の第３面５３により反射された光束は、再び第５光学素子Ｌ５の第２面５２に到達し、今度は全反射せずにこの面を透過する。そして、第６光学素子Ｌ６及び第７光学素子ＣＧを透過した光束は、平面形状の像面ＩＭＧを形成する。
　本実施例に係る光学系１００では、第１群Ｇ１において生じる正のペッツバール像面を、第２群Ｇ２における凹形状の反射面５３により負のペッツバール像面を発生させることで打ち消している。このとき、仮に光学系１００が反射面を１面しか有していないとした場合、像面ＩＭＧが物体側に形成されてしまうため、撮像素子１１０を光学素子と干渉しないように配置することが難しくなる。
　そこで、光学系１００では、開口絞りＳＴＯからの光を全反射面５２で全反射させてから反射面５３に入射させる構成を採ることで、像面ＩＭＧと光学素子との干渉を回避している。さらに、反射面５３に向けて光を偏向する手段として全反射面を採用することで、金属膜や誘電体多層膜などによって形成される透過反射面（ハーフミラー等）を採用する場合と比較して、光が反射される際の光量の損失を抑制することができる。
　本実施例において、光軸ＡＸ１は、第１群Ｇ１における各光学面の中心（面頂点）を通る軸である。言い換えると、第１群Ｇ１が有する光学面の夫々の面頂点は、光軸ＡＸ１上に存在している。そして、本実施例に係る第１群Ｇ１は、回転対称系となっている。一方、第２群Ｇ２において、第４光学素子Ｌ４の各光学面及び第５光学素子Ｌ５の第１面５１の各面頂点は光軸ＡＸ１上に存在しているが、その他の光学面は、夫々の中心（面頂点）が光軸ＡＸ１上からずれた偏心面である。そして、第５光学素子Ｌ５の第１面５１よりも像側の光学面は、光軸ＡＸ１に対して傾いて配置されている。
　図３は、本実施例に係る光学系１００のうち、第４光学素子Ｌ４及び第５光学素子Ｌ５のみを抽出して示したものである。なお、図２に示したように、第５光学素子Ｌ５は、平凸レンズのうち、他の光学素子と重なる部分及び有効光束が通過しない不要な部分がカットされたものであるが、図３ではそのカットされた部分も含めて示している。図３に示すように、第５光学素子Ｌ５の第３面５３の面頂点Ｐ１は光軸ＡＸ１に対して偏心している。そして、第５光学素子Ｌ５について、第３面５３の面頂点Ｐ１での法線、光軸ＡＸ１と第２面５２との交点Ｐ２での法線、の夫々は、光軸ＡＸ１に対して－２５．３６°の角度を有している。
　このように、第２群Ｇ２における各光学素子を偏心させて配置することで、像面ＩＭＧの位置も偏心させることができるため、配置の自由度を高め、撮像素子と光路との干渉を回避すること可能になる。また、光軸ＡＸ１と全反射面５２の点Ｐ２での法線とが互いに非平行となるように、全反射面５２を傾けて配置したことにより、開口絞りＳＴＯからの光の全反射面５２に対する入射角を大きくすることができる。これにより、光軸ＡＸ１に近い画角の光についても全反射させることができ、像面ＩＭＧにおける周辺部の光量の低下（コサイン４乗則）の影響を緩和することが可能になる。
　また、本実施例において、ＺＸ断面（第１断面）内での画角（水平画角）は光軸ＡＸ１の両側に対称に設定されているのに対して、ＹＺ断面（第２断面）内での画角（垂直画角）は光軸ＡＸ１に対して片側（図１の下側）にのみ設定されている。このように、ＹＺ断面内において、光学系１００の各光学面に光束を斜入射させることで、撮像素子１１０の撮像面が、光軸ＡＸ１に対して下側から光学系１００に入射する光束のみを受光するように構成することができる。これにより、撮像素子１１０を各光学素子や各光路と干渉しないように配置することができる。
　ここで、本実施例に係る光学系１００は、反射面５３の曲率半径をＲｍ（ｍｍ）、全反射面５２の曲率半径をＲｔ（ｍｍ）、とするとき、以下の条件式（１）を満足する。具体的には、全反射面５２は平面であるため、Ｒｍ／Ｒｔ＝０．００となる。全反射面５２及び反射面５３の曲率半径を、条件式（１）を満たすように適切に設定することで、広画角にわたり収差を良好に補正することが可能になる。
－０．６≦Ｒｍ／Ｒｔ≦０．６　　　（１）
　条件式（１）の下限値を下回ると、全反射面５２の曲率が、入射光に向かって凹形状となる方向に大きくなり過ぎてしまい、第５光学素子Ｌ５の第１面５１からの光が、全反射面５２で全反射条件を満たすことが困難になる。これにより、反射面５３に入射する光が減少してしまい、光量の損失が生じ、かつ反射面５３による収差の補正が困難になる。一方、条件式（１）の上限値を上回ると、全反射面５２の曲率が、入射光に向かって凸形状となる方向に大きくなり過ぎてしまい、全反射面５２で生じる正のペッツバール像面湾曲が大きくなる。その結果、負のペッツバール像面湾曲を大きく発生させるために、反射面５３のパワーを大きくしなくてはならず、反射面５３において他の収差が発生してしまう。
　また、反射面５３と開口絞りＳＴＯとの間隔をＬｍ（ｍｍ）、とするとき、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。ただし、特に断りがない限り、「間隔」は「光軸上での間隔」を示すものとする。
２≦｜Ｒｍ｜／Ｌｍ≦７　　　（２）
　反射面５３の形状及び開口絞りＳＴＯとの間隔を、条件式（２）を満たすように適切に設定することで、反射面５３で反射された光の全反射面５２に対する入射角を小さくすることができる。これにより、反射面５３で反射された光が全反射面５２で再び全反射されて光量の損失が生じることを抑制することが可能になる。なお、第２群Ｇ２が反射面を複数有する場合は、パワーが最も大きい反射面が条件式（２）を満たすことが望ましい。
　条件式（２）の上限値を上回ると、開口絞りＳＴＯから反射面５３までの距離が短くなり、反射面５３で反射された光の全反射面５２に対する入射角が大きくなってしまう。このため、全反射面５２を透過せずに全反射してしまう光が増加し、光量の損失を抑制することが困難になる。一方、条件式（２）の下限値を下回ると、第５光学素子Ｌ５の内部に像が形成されてしまい、撮像素子１１０を配置することが困難になる。
　さらに、以下の条件式（２´）を満足することがより好ましい。
２．３≦｜Ｒｍ｜／Ｌｍ≦５．１　　　（２´）
　なお、図３に示したように、本実施例に係る反射面５３は偏心しており、その面頂点は光軸ＡＸ１上に存在していない。そこで、開口絞りＳＴＯと全反射面５２との光軸ＡＸ１上での間隔をＬａとし、反射面５３の面頂点Ｐ１を通る法線上での、全反射面５２と反射面５３との間隔をＬｂとするとき、開口絞りＳＴＯと反射面５３との間隔をＬｍ＝Ｌａ＋Ｌｂと定義する。本実施例では、Ｌａ＝８．５００ｍｍ、Ｌｂ＝９．８００ｍｍであり、Ｌｍ＝１８．３００ｍｍであるため、｜Ｒｍ｜／Ｌｍ＝２．３７３となり、条件式（２）及び（２´）を満足する。
　光学系１００において、光軸ＡＸ１に対して偏心した光学面を設けた場合、その偏心に起因して収差（偏心収差）が発生する。ここで、第１群Ｇ１の光軸ＡＸ１と全反射面５２との交点Ｐ２と、開口絞りＳＴＯの中心の全反射面５２に対する像点Ｐ３と、を結ぶ線ＡＸ２から反射面５３の面頂点Ｐ１までの距離をＹｍ（ｍｍ）、全系の焦点距離をｆ（ｍｍ）、とする。なお、像点Ｐ３は、全反射面５２に対して開口絞りＳＴＯの中心と対称な位置に形成される。このとき、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
｜Ｙｍ／ｆ｜≦１　　　（３）
　条件式（３）を満足することで、反射面５３の面頂点Ｐ１を線ＡＸ２の近傍に配置することができ、反射面５３の偏心に起因する偏心収差の発生を抑制することができる。条件式（３）を満足しない場合、光が反射面５３及び全反射面５２を通過する際に発生する偏心収差の量が多くなり過ぎてしまい、光学系１００の結像性能が低下してしまう可能性が生じる。本実施例では、｜Ｙｍ／ｆ｜＝０．８１８であるため、条件式（３）を満足する。
　図４は、本実施例に係る光学系１００のうち、第４光学素子Ｌ４、第５光学素子Ｌ５、及び第６光学素子Ｌ６のみを抽出して示したものである。図４に示すように、反射面５３の面頂点Ｐ１及び曲率中心Ｐ４を結ぶ線を軸ＡＸ３とし、反射面５３よりも像側に配置された第６光学素子Ｌ６の第２面６２（第１透過面）の面頂点Ｐ５及び曲率中心Ｐ６を結ぶ線をＡＸ４とする。そして、軸ＡＸ３と光軸ＡＸ１とが成す角度をθα（ｄｅｇ）、軸ＡＸ４と光軸ＡＸ１とが成す角度をθβ（ｄｅｇ）、とするとき、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。
｜θα－θβ｜＜２０　　　（４）
　条件式（４）を満足することで、収差補正能力の高い反射面５３及び第１透過面６２の夫々の軸ＡＸ３及び軸ＡＸ４の傾きを互いに近づけることができるため、偏心収差の発生を抑制することが可能になる。条件式（４）を満足しない場合、偏心収差の発生量が多くなり過ぎてしまい、光学系１００の結像性能が低下してしまう可能性が生じる。
　さらに、以下の条件式（４´）を満足することがより好ましい。本実施例では、θα＝－２５．３５°、θβ＝－３０．０８°であり、｜θα－θβ｜＝４．７２°となるため、条件式（４）及び（４´）を満足する。
｜θα－θβ｜＜１０　　　（４´）
　また、光軸ＡＸ１に対して平行となる光束（軸上光束）の主光線の第１透過面６２に対する入射角をθγとするとき、以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
｜θγ｜＜１０　　　（５）
　条件式（５）を満足することにより、軸上光束の主光線を第１透過面６２に対して垂直に近い入射角で入射させることができるため、偏心収差の発生を抑制することが可能になる。さらに、以下の条件式（５´）を満足することがより好ましい。本実施例では、｜θγ｜＝０．７２１°であるため、条件式（５）及び（５´）を満足する。
｜θγ｜＜５　　　（５´）
　なお、反射面５３よりも像側に配置された透過面のうち少なくとも１つが条件式（４）や条件式（５）を満たすように構成すれば、本発明の効果を得ることができる。ただし、本実施例に係る第１透過面６２のように、反射面５３よりも像側に配置された透過面のうち最もパワーが大きい透過面が条件式（４）や条件式（５）を満たすように構成することが望ましい。
　本実施例に係る光学系１００においては、第１光学素子Ｌ１が有する物体側に向かって凸形状の第１面１１（屈折面１１）を、開口絞りＳＴＯまでの距離と曲率半径とが略等しい形状（点対称形状）とすることが望ましい。具体的に、屈折面１１の曲率半径をＲｌ（ｍｍ）、屈折面１１と開口絞りＳＴＯとの間隔をＬｌ（ｍｍ）、とするとき、屈折面１１を以下の条件式（６）を満足する形状とすることが望ましい。
０．７≦｜Ｒｌ｜／Ｌｌ≦１．５　　　（６）
　条件式（６）を満足することにより、簡易かつ小型な構成であっても、軸外収差を良好に補正することができる。条件式（６）の範囲を外れると、軸外収差の発生量が増加してしまい、良好な光学特性が得られなくなる可能性が生じる。このことについて、以下に説明する。
　一般的に、光学系を設計する際は、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差、及び倍率色収差などの軸外収差と、球面収差や軸上色収差などの軸上収差と、を補正することが求められる。しかし、通常の軸対称形状の屈折面を用いた場合、周辺画角（軸外）では軸外収差が大きく発生するため、光軸上（軸上）での光学性能が最も高くなり、それに対して周辺画角での光学性能は低下してしまう。
　一方、点対称形状の屈折面は、光軸上から周辺画角にかけて略同等の形状を有するため、軸外収差の発生を抑え、周辺画角における光学性能の低下を抑制することができる。よって、点対称形状の屈折面を採用することで、補正すべき収差を球面収差、軸上色収差、ペッツバール像面などに限定することができるため、簡易な構成であっても諸収差を良好に補正することが可能になる。
　このように、条件式（６）を満足する点対称形状の屈折面１１を採用することで、Ｆ値を小さくしつつ、広画角にわたって高解像度でかつ小型な光学系を実現することができる。このとき、点対称形状の屈折面１１に起因して、第１群Ｇ１の結像面は湾曲してしまうが、第２群Ｇ２の反射面５３により平面形状の像面ＩＭＧを形成することが可能になる。よって、撮像装置１０００において、球面形状の撮像素子や導光手段を設ける必要が無くなるため、装置全体の小型化を実現することができる。
　なお、第１群Ｇ１において、条件式（６）を満足する屈折面を複数設けてもよい。その場合にも、第１群Ｇ１における複数の屈折面のうち、少なくとも１つが条件式（６）を満たすように構成することで、本発明の効果を得ることができる。ただし、軸外収差を良好に補正するためには、本実施例のように、より開口絞りＳＴＯから離れた屈折面、あるいは隣接する媒質との屈折率差が大きい屈折面、すなわち最も物体側の屈折面を点対称形状とすることが望ましい。
　さらに、以下の条件式（６´）を満足することがより好ましい。本実施例では、｜Ｒｌ｜／Ｌｌ＝１．１７３であるため、条件式（６）及び（６´）を満足する。
０．８≦｜Ｒｌ｜／Ｌｌ≦１．３　　　（６´）
　光学系１００においては、開口絞りＳＴＯと入射瞳（拡大側瞳）とが互いに近接するように構成することが望ましい。具体的には、開口絞りＳＴＯと入射瞳との間隔をＬｐ（ｍｍ）、全系の焦点距離をｆ（ｍｍ）、とするとき、以下の条件式（７）を満足することが好ましい。ただし、焦点距離は、光学系が正のパワーを有するときは正、負のパワーを有するときは負、となるものとする。
－０．２≦Ｌｐ／ｆ≦０．２　　　（７）
　条件式（７）を満足することにより、点対称形状の屈折面１１に対して各画角の光線が垂直に近い角度で入射する、コンセントリックな構成とすることができるため、屈折面１１により収差を補正し易くすることが可能になる。条件式（８）の上限値を上回ると、コンセントリックな構成から離れてしまい、屈折面１１による効果が十分に得られなくなる。本実施例では、Ｌｐ／ｆ＝０．１１３であるため、条件式（７）を満足する。
　また、点対称形状の屈折面１１に起因する軸上収差を良好に補正するためには、屈折面１１よりも像側に、物体側に向かって凸形状の光学面を設けることが望ましい。そこで、本実施例では、第２光学素子Ｌ２と第３光学素子Ｌ３との接合面（第２面２２及び第１面３１）を、物体側に向かって凸形状としている。さらに、この構成においては、物体側に配置される第２光学素子Ｌ２のｄ線に対するアッベ数をνＡ、像側に配置される第３光学素子Ｌ３のｄ線に対するアッベ数をνＢ、とするとき、以下の条件式（８）を満足することが好ましい。
νＡ＜νＢ　　　（８）
　条件式（８）を満足することで、第１光学素子Ｌ１の屈折面１１で発生する軸上色収差を、それと逆符号の軸上色収差を発生させることで良好に補正することができる。本実施例では、νＡ＝２４．０、νＢ＝３５．３であるため、条件式（８）を満足する。
　さらに、物体側に配置される第２光学素子Ｌ２のｄ線に対する屈折率をＮＡ、像側に配置される第３光学素子Ｌ３のｄ線に対する屈折率をＮＢ、とするとき、以下の条件式（９）を満足することが好ましい。
ＮＡ＞ＮＢ　　　（９）
　条件式（９）を満足することで、第１光学素子Ｌ１の屈折面１１で発生する球面収差を、それと逆符号の球面収差を発生させることで良好に補正することができる。本実施例では、ＮＡ＝１．９２１、ＮＢ＝１．７４９であるため、条件式（９）を満足する。
　なお、光学系１００において、第１光学素子Ｌ１の第１面１１及び第５光学素子Ｌ５の第３面５３は非球面である。本実施例では、第１光学素子Ｌ１の第１面１１を非球面とすることで、第５光学素子Ｌ５の第３面５３やその他の光学面の非点対称成分で発生するコマ収差の補正を行っている。また、第５光学素子Ｌ５の第３面５３を非球面とすることで、この面の球面成分やその他の光学面の非点対称成分で発生する非点収差の補正を行っている。
　ただし、本実施例における非球面形状の光学面の夫々は、光軸ＡＸ１を中心とした回転対称形状であり、以下の非球面式で表現される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｚは非球面形状の光軸方向のサグ量（ｍｍ）、ｃは光軸ＡＸ１上における曲率（１／ｍｍ）、ｋは円錐係数、ｈは光軸ＡＸ１からの半径方向の間隔（ｍｍ）、Ａ，Ｂ，Ｃ，・・・の夫々は４次項，６次項，８次項，・・・の非球面係数、である。なお、この非球面式において、第１項はベース球面のサグ量を示しており、このベース球面の曲率半径はＲ＝１／ｃである。また、第２項以降の項は、ベース球面上に付与される非球面成分のサグ量を示している。
　本実施例に対応する数値実施例１の各データを表１～４に示す。
　［数値実施例１］
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表１は光学系１００における各光学面の面データであり、表１において、ｒは曲率半径（ｍｍ）、ｄは面間隔（ｍｍ）、ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはｄ線に対するアッベ数、を表す。ただし、面間隔は、光路に沿って像側に向かうときに正、物体側に向かうときに負、としている。表２は各光学面の面頂点の偏心データであり、表２において、ｘ、ｙ、ｚの夫々は、面番号１の光学面の面頂点を基準とした座標を表し、αはｘ軸周りの回転、βはｙ軸周りの回転、γはｚ軸周りの回転、を表す。
　表３は撮像装置１０００の各種データであり、表３において、Ｆｎｏは光学系１００の絞り値（Ｆ値）を表す。表３に示すように、本実施例に係る撮像装置１０００は、全長が３８．１５ｍｍと小型な構成でありながら、Ｆ値がＦｎｏ＝１．３９と明るく、水平画角５０°（±２５°）、垂直画角３４．５°（８°～４２．５°）の広い画角を有している。また、表４は、本実施例に係る撮像装置１０００における、条件式（１）～（７）の値を表す。
　図５は、本実施例に係る光学系１００の収差図である。図５では、垂直画角４２．５０°、２５．２５°、８．０００°における、６５６ｎｍ、５８７ｎｍ、４８６ｎｍ、４３５ｎｍ、の各波長の光に関する横収差を示している。図５から明らかなように、可視波長域（４００～７００ｎｍ）において諸収差が良好に補正されている。
　以上、本実施例に係る光学系１００によれば、光量の損失を抑制しつつ、広画角化及び小型化を実現することができる。
　［実施例２］
　図６は、本発明の実施例２に係る光学系２００の、光軸ＡＸ１を含むＹＺ断面における要部概略図である。
　光学系２００において、第１群Ｇ１は、物体側から順に、第１光学素子Ｌ１、第２光学素子Ｌ２、及び第３光学素子Ｌ３を有し、第２群Ｇ２は、物体側から順に、第４光学素子Ｌ４及び第５光学素子Ｌ５を有する。第１光学素子Ｌ１、第２光学素子Ｌ２、及び第３光学素子Ｌ３の夫々は、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズである。第４光学素子Ｌ４は、透過面である第１面４１及び第２面４２と、凹形状の反射面である第３面４３と、を含む反射屈折レンズである。第５光学素子Ｌ５は、入射光に凸面を向けた平凸レンズである。本実施例に係る各光学素子は互いに接合されており、開口絞りＳＴＯは第３光学素子Ｌ３と第４光学素子Ｌ４との接合面に配置されている。
　図６において、不図示の物体からの光束は、第１光学素子Ｌ１、第２光学素子Ｌ２、及び第３光学素子Ｌ３を順に透過して、開口絞りＳＴＯにより制限される。開口絞りＳＴＯを通過した光束は、第４光学素子Ｌ４の第１面４１及び第２面４２、第５光学素子Ｌ５の第１面５１を順に透過して、第５光学素子Ｌ５の第２面５２（全反射面）に到達する。
　第５光学素子Ｌ５の第２面５２に入射する光束のうち、入射角が臨界角よりも大きい光束は、第２面５２で全反射して物体側に進行方向を変え、再び第５光学素子Ｌ５の第１面５１及び第４光学素子Ｌ４の第２面４２を透過する。その後、光束は第４光学素子Ｌ４の第３面４３で反射され、第４光学素子Ｌ４の第２面４２、第５光学素子Ｌ５の第１面５１及び第２面５２を順に透過し、平面形状の像面ＩＭＧを形成する。
　実施例１と同様に、本実施例に対応する数値実施例２の各データを表５～８に示す。
　［数値実施例２］
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　表５に示すように、本実施例に係る光学系２００において、第１光学素子Ｌ１の第１面１１（面番号１）及び第４光学素子Ｌ４の第３面４３（面番号８）は、非球面である。そして、表７に示すように、本実施例に係る光学系２００は、全長が２８．２３ｍｍと小型な構成でありながら、Ｆ値がＦｎｏ＝１．８と明るく、水平画角±３０°、垂直画角４０～６３°の広い画角を有している。また、表８に示すように、本実施例に係る光学系２００は、上述した条件式（１）～（７）の全てを満足している。
　なお、本実施例に係る第１群Ｇ１において、第１光学素子Ｌ１と第２光学素子Ｌ２との接合面、及び第２光学素子Ｌ２と第３光学素子Ｌ３との接合面は、物体側に向かって凸形状である。このとき、第２光学素子Ｌ２のアッベ数は第１光学素子Ｌ１のアッベ数よりも大きく、第３光学素子Ｌ３のアッベ数は第２光学素子Ｌ２のアッベ数よりも大きいため、各光学素子の組合せが条件式（８）を満足する。また、第１光学素子Ｌ１の屈折率は第２光学素子Ｌ２の屈折率よりも高く、第２光学素子Ｌ２の屈折率は第３光学素子Ｌ３の屈折率よりも高いため、各光学素子の組合せが条件式（９）を満足する。
　図７は、本実施例に係る光学系２００の収差図である。図７では、垂直画角６３．００°、５１．５０°、４０．００°における、６５６ｎｍ、５８７ｎｍ、４８６ｎｍ、４３５ｎｍ、の各波長の光に関する横収差を示している。図７から明らかなように、可視波長域（４００～７００ｎｍ）において諸収差が良好に補正されている。
　［実施例３］
　図８は、本発明の実施例３に係る光学系３００の、光軸ＡＸ１を含むＹＺ断面における要部概略図である。
　光学系３００において、第１群Ｇ１は、物体側から順に、第１光学素子Ｌ１、第２光学素子Ｌ２、及び第３光学素子Ｌ３を有し、第２群Ｇ２は、第３光学素子Ｌ３及び第４光学素子Ｌ４を有する。すなわち、本実施例では、第３光学素子Ｌ３の一部を第１群Ｇ１と第２群Ｇ２とで共有している。そして、本実施例に係る各光学素子は、互いに接合されている。
　第１光学素子Ｌ１、第２光学素子Ｌ２、及び第３光学素子Ｌ３の夫々は、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズである。第３光学素子Ｌ３の第２面３２は、金属膜や誘電体多層膜などによって形成される内部反射面である。開口絞りＳＴＯは、第３光学素子Ｌ３の第２面３２の上に配置される、開口部が設けられた遮光部材から成る。また、第４光学素子Ｌ４は、透過面である第１面４１と、全反射面である第２面４２と、凹形状の反射面である第３面４３と、を含む反射屈折レンズである。
　図８において、不図示の物体からの光束は、第１光学素子Ｌ１、第２光学素子Ｌ２、及び第３光学素子Ｌ３を順に透過して、開口絞りＳＴＯにより制限される。開口絞りＳＴＯの開口部、すなわち第３光学素子Ｌ３の第２面３２で反射された光束は、第４光学素子Ｌ４の第１面４１を透過し、第４光学素子Ｌ４の第２面４２（全反射面）に到達する。第４光学素子Ｌ４の第２面４２に入射する光束のうち、入射角が臨界角よりも大きい光束は、第２面４２で全反射した後、第３面４３で反射され、第２面４２を透過して平面形状の像面ＩＭＧを形成する。
　このように、本実施例に係る光学系３００は、開口絞りＳＴＯの開口部を反射面とし、光束を奇数回（３回）反射させる構成を採ることで、像面ＩＭＧを開口絞りＳＴＯよりも物体側に形成しているため、光軸方向における小型化を可能にしている。
　実施例１と同様に、本実施例に対応する数値実施例３の各データを表９～１２に示す。
　［数値実施例３］
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
　表９に示すように、本実施例に係る光学系３００において、第１光学素子Ｌ１の第１面１１（面番号１）及び第４光学素子Ｌ４の第３面４３（面番号７）は、非球面である。そして、表１１に示すように、本実施例に係る光学系３００は、全長が６．４２ｍｍと小型な構成でありながら、Ｆ値がＦｎｏ＝２．０と明るく、水平画角４０．０°、垂直画角３３．０°の広い画角を有している。また、表１２に示すように、本実施例に係る光学系３００は、上述した条件式（１）～（７）の全てを満足している。なお、本実施例に係る第１群Ｇ１においては、物体側に向かって凸形状の接合面を有する第２光学素子Ｌ２及び第３光学素子Ｌ３が条件式（８）を満足する。
　図９は、本実施例に係る光学系３００の収差図である。図９では、垂直画角８０．００°、６３．５０°、４７．００°における、６５６ｎｍ、５８７ｎｍ、４８６ｎｍ、４３５ｎｍ、の各波長の光に関する横収差を示している。図９から明らかなように、可視波長域（４００～７００ｎｍ）において諸収差が良好に補正されている。
　［実施例４］
　図１０は、本発明の実施例４に係る光学系４００の、光軸ＡＸ１を含むＹＺ断面における要部概略図である。
　光学系４００において、第１群Ｇ１は、物体側から順に第１光学素子Ｌ１及び第２光学素子Ｌ２を有し、第２群Ｇ２は、物体側から順に、第３光学素子Ｌ３、第４光学素子Ｌ４、及び第５光学素子ＣＧを有する。第１光学素子Ｌ１及び第２光学素子Ｌ２は、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズである。第３光学素子Ｌ３は、透過面である第１面３１と、全反射面である第２面３２と、凹形状の反射面である第３面３３と、を含む反射屈折レンズである。また、第４光学素子Ｌ４はプリズムであり、第５光学素子ＣＧは光学フィルタである。開口絞りＳＴＯは、第２光学素子Ｌ２と第３光学素子Ｌ３との間に配置されている。
　図１０において、不図示の物体からの光束は、第１光学素子Ｌ１、第２光学素子Ｌ２、開口絞りＳＴＯ、及び第３光学素子Ｌ３の第１面３１を順に通過して、第３光学素子Ｌ３の第２面３２（全反射面）に入射する。第３光学素子Ｌ３の第２面３２に入射する光束のうち、入射角が臨界角よりも大きい光束は、第２面３２で全反射して、第３面３３で反射され、再び第２面３２に到達する。そして、光束は第２面３２を透過し、第４光学素子Ｌ４及び第５光学素子ＣＧを順に通過した後、平面形状の像面ＩＭＧを形成する。
　実施例１と同様に、本実施例に対応する数値実施例４の各データを表１３～１６に示す。
　［数値実施例４］
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000017
　表１３に示すように、本実施例に係る光学系４００において、第３光学素子Ｌ３の第１面３１（面番号６）及び第３光学素子Ｌ３の第３面３３（面番号８）は、非球面である。そして、表１５に示すように、本実施例に係る光学系３００は、全長が２０．４９ｍｍと小型な構成でありながら、Ｆ値がＦｎｏ＝２．０と明るく、水平画角±３０°、垂直画角１０～３０°の広い画角を有している。また、表１６に示すように、本実施例に係る光学系４００は、上述した条件式（１）～（５），（７）を満足している。
　図１１は、本実施例に係る光学系４００の収差図である。図１１では、垂直画角３０．００°、２０．００°、１０．００°における、６５６ｎｍ、５８７ｎｍ、４８６ｎｍ、４３５ｎｍ、の各波長の光に関する横収差を示している。図１１から明らかなように、可視波長域（４００～７００ｎｍ）において諸収差が良好に補正されている。
　［変形例］
　以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。
　上述した各実施例において、第２群Ｇ２における凹形状の反射面は、光学素子に反射膜を設けることで構成された内部反射面であるが、これに限られるものではない。例えば、内部反射面の代わりに、表面反射面を有する別の光学素子（ミラーなど）を設けてもよい。
　また、各実施例では、光学系を撮像光学系として撮像装置に適用した場合について説明したが、例えば、光学系を投影光学系として投影装置に適用してもよい。この場合、縮小面ＩＭＧの位置に液晶パネル（空間変調器）等の表示素子の表示面が配置される。ただし、光学系が投影装置に適用される場合は、物体側と像側とが反転して光路が逆向きになる。よって、縮小側が物体側、拡大側が像側、第１群Ｇ１が第２群Ｇ２、第２群Ｇ２が第１群Ｇ１、となり、各光学素子の入射面が出射面、出射面が入射面となる。
　すなわち、物体側に配置された表示素子の表示面（縮小面）に表示される画像を、光学系により像側に配置されたスクリーン等の投影面（拡大面）に投影（結像）させる構成を採ることができる。この場合にも、光学系を撮像装置に適用した場合と同様に、各実施例における各条件式を満足することが望ましい。なお、条件式（３）について、撮像光学系における像点Ｐ３は、投影光学系における開口絞りの中心の全反射面に対する虚物点に対応する。また、条件式（７）について、撮像光学系における開口絞りの入射瞳（拡大側瞳）は、投影光学系における開口絞りの射出瞳（縮小側瞳）に対応する。
　［車載カメラシステム］
　図１２は、本実施形態に係る車載カメラ１０及びそれを備える車載カメラシステム（運転支援装置）６００の構成図である。車載カメラシステム６００は、自動車等の車両に設置され、車載カメラ１０により取得した車両の周囲の画像情報に基づいて、車両の運転を支援するための装置である。図１３は、車載カメラシステム６００を備える車両７００の概略図である。図１３においては、車載カメラ１０の撮像範囲５０を車両７００の前方に設定した場合を示しているが、撮像範囲５０を車両７００の後方に設定してもよい。
　図１２に示すように、車載カメラシステム６００は、車載カメラ１０と、車両情報取得装置２０と、制御装置（ＥＣＵ：エレクトロニックコントロールユニット）３０と、警報装置４０と、を備える。また、車載カメラ１０は、撮像部１と、画像処理部２と、視差算出部３と、距離算出部４と、衝突判定部５と、を備えている。撮像部１は、上述した何れかの実施例に係る光学系と、撮像面位相差センサと、を有する。なお、本実施形態に係る撮像面位相差センサ及び画像処理部２は、例えば、図１に示した実施例１に係る撮像装置１０００が備える撮像素子１１０及び処理部１３０に対応する。
　図１４は、本実施形態に係る車載カメラシステム６００の動作例を示すフローチャートである。以下、このフローチャートに沿って、車載カメラシステム６００の動作を説明する。
　まず、ステップＳ１では、撮像部１を用いて車両の周囲の対象物（被写体）を撮像し、複数の画像データ（視差画像データ）を取得する。
　また、ステップＳ２では、車両情報取得装置２０から車両情報の取得を行う。車両情報とは、車両の車速、ヨーレート、舵角などを含む情報である。
　ステップＳ３では、撮像部１により取得された複数の画像データに対して、画像処理部２により画像処理を行う。具体的には、画像データにおけるエッジの量や方向、濃度値などの特徴量を解析する画像特徴解析を行う。ここで、画像特徴解析は、複数の画像データの夫々に対して行ってもよいし、複数の画像データのうち一部の画像データのみに対して行ってもよい。
　ステップＳ４では、撮像部１により取得された複数の画像データ間の視差（像ズレ）情報を、視差算出部３によって算出する。視差情報の算出方法としては、ＳＳＤＡ法や面積相関法などの既知の方法を用いることができるため、本実施形態では説明を省略する。なお、ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４は、上記の順番に処理を行ってもよいし、互いに並列して処理を行ってもよい。
　ステップＳ５では、撮像部１により撮像した対象物までの距離情報を、距離算出部４によって算出する。距離情報は、視差算出部３により算出された視差情報と、撮像部１の内部パラメータ及び外部パラメータと、に基づいて算出することができる。なお、ここでの距離情報とは、対象物までの距離、デフォーカス量、像ズレ量、などの対象物との相対位置に関する情報のことであり、画像内における対象物の距離値を直接的に表すものでも、距離値に対応する情報を間接的に表すものでもよい。
　そして、ステップＳ６では、距離算出部４により算出された距離情報が予め設定された設定距離の範囲内に含まれるか否かの判定を、衝突判定部５によって行う。これにより、車両の周囲の設定距離内に障害物が存在するか否かを判定し、車両と障害物との衝突可能性を判定することができる。衝突判定部５は、設定距離内に障害物が存在する場合は衝突可能性ありと判定し（ステップＳ７）、設定距離内に障害物が存在しない場合は衝突可能性なしと判定する（ステップＳ８）。
　次に、衝突判定部５は、衝突可能性ありと判定した場合（ステップＳ７）、その判定結果を制御装置３０や警報装置４０に対して通知する。このとき、制御装置３０は、衝突判定部５での判定結果に基づいて車両を制御し、警報装置４０は、衝突判定部５での判定結果に基づいて警報を発する。
　例えば、制御装置３０は、車両に対して、ブレーキをかける、アクセルを戻す、各輪に制動力を発生させる制御信号を生成してエンジンやモータの出力を抑制する、などの制御を行う。また、警報装置４０は、車両のユーザ（運転者）に対して、音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステムなどの画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与える、などの警告を行う。
　以上、本実施形態に係る車載カメラシステム６００によれば、上記の処理により、効果的に障害物の検知を行うことができ、車両と障害物との衝突を回避することが可能になる。特に、上述した各実施例に係る光学系を車載カメラシステム６００に適用することで、車載カメラ１０の全体を小型化して配置自由度を高めつつ、広画角にわたって障害物の検知及び衝突判定を行うことが可能になる。
　ここで、本実施形態では、車載カメラ１０が撮像面位相差センサを有する撮像部１を１つのみ備える構成について説明したが、これに限られず、車載カメラ１０として撮像部を２つ備えるステレオカメラを採用してもよい。この場合、撮像面位相差センサを用いなくても、同期させた２つの撮像部の夫々によって画像データを同時に取得し、その２つの画像データを用いることで、上述したものと同様の処理を行うことができる。ただし、２つの撮像部による撮像時間の差異が既知であれば、２つの撮像部を同期させなくてもよい。
　なお、距離情報の算出については、様々な実施形態が考えられる。一例として、撮像部１が有する撮像素子として、二次元アレイ状に規則的に配列された複数の画素部を有する瞳分割型の撮像素子を採用した場合について説明する。瞳分割型の撮像素子において、１つの画素部は、マイクロレンズと複数の光電変換部とから構成され、光学系の瞳における異なる領域を通過する一対の光束を受光し、対をなす画像データを各光電変換部から出力することができる。
　そして、対をなす画像データ間の相関演算によって各領域の像ずれ量が算出され、距離算出部４により像ずれ量の分布を表す像ずれマップデータが算出される。あるいは、距離算出部４は、その像ずれ量をさらにデフォーカス量に換算し、デフォーカス量の分布（撮像画像の２次元平面上の分布）を表すデフォーカスマップデータを生成してもよい。また、距離算出部４は、デフォーカス量から変換される対象物までの距離の距離マップデータを取得してもよい。
　上述したように、各実施例に係る光学系の垂直画角は、光軸ＡＸ１に対して片側にのみ設定されている。よって、各実施例に係る光学系を車載カメラ１０に適用し、その車載カメラ１０を車両に設置する場合は、光学系の光軸ＡＸ１が水平方向に対して非平行となるように配置することが望ましい。例えば、図２に示した実施例１に係る光学系１００を採用する場合、光軸ＡＸ１を水平方向（Ｚ方向）に対して上側に傾け、垂直画角の中心が水平方向に近づくように配置すればよい。あるいは、光学系１００をＸ軸周りに１８０°回転（上下反転）させてから、光軸ＡＸ１が水平方向に対して下側に傾くように配置してもよい。これにより、車載カメラ１０の撮像範囲を適切に設定することができる。
　ただし、上述したように、光学系においては、軸上での光学性能が最も高く、それに対して周辺画角での光学性能は低下するため、注目する撮像対象物からの光が光学系における軸上付近を通過するように配置することがより好ましい。例えば、車載カメラ１０によって道路上の標識や障害物などに注目する必要がある場合は、水平方向に対して上側（空側）よりも下側（地面側）の画角での光学性能を高めることが好ましい。このとき、実施例１に係る光学系１００を採用する場合、上述したように光学系１００を一旦上下反転させてから、光軸ＡＸ１を水平方向に対して下側に傾け、光軸ＡＸ１の近傍の画角が下側を向くように配置すればよい。
　なお、本実施形態では、車載カメラシステム６００を運転支援（衝突被害軽減）に適用したが、これに限られず、車載カメラシステム６００をクルーズコントロール（全車速追従機能付を含む）や自動運転などに適用してもよい。また、車載カメラシステム６００は、自車両等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機あるいは産業用ロボットなどの移動体（移動装置）に適用することができる。また、本実施形態に係る車載カメラ１０、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）等、広く物体認識を利用する機器に適用することができる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
　本願は、２０１６年３月４日提出の日本国特許出願特願２０１６－０４２６８３を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。
　５２　全反射面
　５３　反射面
　１００　光学系
　Ｇ１　第１群
　Ｇ２　第２群
　ＳＴＯ　開口絞り
　ＩＭＧ　像面

Claims (19)

  1. 　拡大側から順に、第１群、開口絞り、及び第２群を備える光学系であって、
    　前記第２群は、全反射面と、凹形状の反射面と、を含み、
    　前記開口絞りを通過した拡大側からの光は、前記全反射面で全反射した後、前記反射面で反射されて前記全反射面を透過しており、
    　前記反射面の曲率半径をＲｍ（ｍｍ）、前記全反射面の曲率半径をＲｔ（ｍｍ）、とするとき、
    　－０．６≦Ｒｍ／Ｒｔ≦０．６
      なる条件を満足することを特徴とする光学系。
  2. 　前記開口絞りと前記反射面との間隔をＬｍ（ｍｍ）とするとき、
    　２≦｜Ｒｍ｜／Ｌｍ≦７
    　なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
  3. 　前記第１群の光軸と前記全反射面との交点と、前記開口絞りの中心の前記全反射面に対する像点と、を結ぶ線から前記反射面の面頂点までの距離をＹｍ（ｍｍ）、全系の焦点距離をｆ（ｍｍ）、とするとき、
    　｜Ｙｍ／ｆ｜≦１
    　なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学系。
  4. 　前記反射面の面頂点及び曲率中心を結ぶ線と前記第１群の光軸とが成す角度をθα（ｄｅｇ）、前記反射面よりも縮小側に配置された第１透過面の面頂点及び曲率中心を結ぶ線と前記第１群の光軸とが成す角度をθβ（ｄｅｇ）、とするとき、
    　｜θα－θβ｜＜２０
    　なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光学系。
  5.   前記反射面よりも縮小側に配置された第１透過面に対する軸上光束の主光線の入射角をθγとするとき、
      ｜θγ｜＜１０
      なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光学系。
  6. 　前記第１群は、拡大側に向かって凸形状の屈折面を含み、該屈折面の曲率半径をＲｌ（ｍｍ）、前記屈折面と前記開口絞りとの間隔をＬｌ（ｍｍ）、とするとき、
    　０．７≦｜Ｒｌ｜／Ｌｌ≦１．５
    　なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の光学系。
  7. 　前記開口絞りと拡大側瞳との間隔をＬｐ（ｍｍ）、全系の焦点距離をｆ（ｍｍ）、とするとき、
    　－０．２≦Ｌｐ／ｆ≦０．２
    　なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光学系。
  8.   前記第１群は、拡大側から順に配置された第１光学素子及び第２光学素子を有し、該第１光学素子及び第２光学素子は、互いに接合されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の光学系。
  9. 　前記第１光学素子及び第２光学素子の接合面は、拡大側に向かって凸形状であることを特徴とする請求項８に記載の光学系。
  10. 　前記第１光学素子のｄ線に対するアッベ数をνＡ、前記第２光学素子のｄ線に対するアッベ数をνＢ、とするとき、
    　νＡ＜νＢ
    　なる条件を満足することを特徴とする請求項９に記載の光学系。
  11. 　前記第１光学素子のｄ線に対する屈折率をＮＡ、前記第２光学素子のｄ線に対する屈折率をＮＢ、とするとき、
    　ＮＡ＞ＮＢ
    　なる条件を満足することを特徴とする請求項９又は１０に記載の光学系。
  12. 　前記第１群の光軸と、該光軸及び前記全反射面の交点における法線と、は互いに非平行であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の光学系。
  13. 　前記反射面は、前記開口絞りに最も近接した光学面であることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の光学系。
  14. 　物体を撮像する撮像素子と、該撮像素子の撮像面に前記物体を結像する光学系と、を備え、該光学系は請求項１乃至１３の何れか１項に記載の光学系であることを特徴とする撮像装置。
  15. 　物体の画像データを取得する撮像装置と、該画像データに基づいて前記物体までの距離情報を取得する距離算出部と、を備え、前記撮像装置は請求項１４に記載の撮像装置であることを特徴とする車載カメラシステム。
  16. 　前記距離情報に基づいて自車両と前記物体との衝突可能性を判定する衝突判定部を備えることを特徴とする請求項１５に記載の車載カメラシステム。
  17. 　前記自車両と前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記自車両の各輪に制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置を備えることを特徴とする請求項１６に記載の車載カメラシステム。
  18.   前記自車両と前記物体との衝突可能性が有ると判定された場合に、前記自車両の運転者に対して警報を発する警報装置を備えることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の車載カメラシステム。
  19. 　画像を表示する表示素子と、該表示素子の表示面を結像する光学系と、を備え、該光学系は請求項１乃至１３の何れか１項に記載の光学系であることを特徴とする投影装置。
     
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