(57)【要約】【課題】小型かつ広画角でありながら、距離算出精度を向上させることが可能な複眼撮像光学系を提供する。【解決手段】複眼撮像装置（ＳＴＯ）は、回転非対称な曲率を有する少なくとも２つの反射面を含み、これらの反射面で反射した光束を第１の像面に集光する第１のオフアキシャル光学系（ＬＯ１）と、回転非対称な曲率を有する少なくとも２つの反射面を含み、これらの反射面で反射した光束を第２の像面に集光する第２のオフアキシャル光学系（ＬＯ２）とを有し、第１のオフアキシャル光学系および第２のオフアキシャル光学系は、基線方向において並進対称に配置されている【選択図】図１
2018097189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転非対称な曲率を有する少なくとも２つの反射面を含み、該反射面で反射した光束を第１の像面に集光する第１のオフアキシャル光学系と、
回転非対称な曲率を有する少なくとも２つの反射面を含み、該反射面で反射した光束を第２の像面に集光する第２のオフアキシャル光学系と、を有し、
前記第１のオフアキシャル光学系および前記第２のオフアキシャル光学系は、基線方向において並進対称に配置されていることを特徴とする複眼撮像光学系。
【請求項２】
前記第１のオフアキシャル光学系は、前記少なくとも２つの反射面のうち最も物体側の反射面よりも物体側に配置された第１の絞りを有し、
前記第２のオフアキシャル光学系は、前記少なくとも２つの反射面のうち最も物体側の反射面よりも物体側に配置された第２の絞りを有し、
前記基線方向は、前記第１の絞りの中心と前記第２の絞りの中心とを結ぶ線に沿った方向であることを特徴とする請求項１に記載の複眼撮像光学系。 
【請求項３】
前記第１のオフアキシャル光学系の瞳の中心から前記第１の像面の中心に至る主光線の光路、および、前記第２のオフアキシャル光学系の瞳の中心から前記第２の像面の中心に至る主光線の光路をそれぞれ基準軸とするとき、該基準軸を含む平面である第１のオフアキシャル断面および第２のオフアキシャル断面は、前記基線方向と平行であることを特徴とする請求項２に記載の複眼撮像光学系。
【請求項４】
前記第１のオフアキシャル断面および第２のオフアキシャル断面のそれぞれの半画角をωＨ、該第１のオフアキシャル断面および該第２のオフアキシャル断面のそれぞれの垂直方向における半画角をωＶとするとき、
ωＶ＜ωＨ
なる条件式を満足することを特徴とする請求項３に記載の複眼撮像光学系。
【請求項５】
前記第１の絞りは、前記第１のオフアキシャル断面の方向における幅が該第１のオフアキシャル断面の垂直方向における幅よりも小さく、
前記第２の絞りは、前記第２のオフアキシャル断面の方向における幅が該第２のオフアキシャル断面の垂直方向における幅よりも小さいことを特徴とする請求項３または４に記載の複眼撮像装置。
【請求項６】
前記第１の絞りから前記第１の像面までの光路中および前記第２の絞りから前記第２の像面までの光路中のそれぞれにおいて、少なくとも１つの中間結像面が形成されることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の複眼撮像光学系。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の複眼撮像光学系と、
前記第１の像面に配置された第１の撮像素子と、
前記第２の像面に配置された第２の撮像素子と、を有することを特徴とする複眼撮像装置。
【請求項８】
前記第１のオフアキシャル光学系は、前記少なくとも２つの反射面のうち最も物体側の反射面よりも物体側に配置された第１の絞りを有し、
前記第２のオフアキシャル光学系は、前記少なくとも２つの反射面のうち最も物体側の反射面よりも物体側に配置された第２の絞りを有し、
前記第１の絞りの中心と前記第２の絞りの中心との間の距離をＤ、前記第１の撮像素子の中心と前記第２の撮像素子の中心との間の距離をｄとするとき、
ｄ＝Ｄ
なる条件式を満足することを特徴とする請求項７に記載の複眼撮像装置。
【請求項９】
前記第１の撮像素子または前記第２の撮像素子の一方のみが前記第１の絞りと前記第２の絞りとの間に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の複眼撮像装置。
【請求項１０】
前記第１のオフアキシャル光学系および前記第２のオフアキシャル光学系のそれぞれの最も物体側に配置される光学素子の中心を光学座標系の原点とし、該原点と前記第１の像面の中心とを通る光線の光路を基準軸とし、該原点から該第１の像面の中心までの該基準軸の長さをＯｄとするとき、
０．１＜Ｏｄ/Ｄ＜５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項８または９に記載の複眼撮像装置。
【請求項１１】
前記第１のオフアキシャル光学系に配置される前記光学素子は前記第１の絞りであり、
前記第２のオフアキシャル光学系に配置される前記光学素子は前記第２の絞りであることを特徴とする請求項１０に記載の複眼撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広角な結像光学系を有する複眼撮像光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
監視カメラや車載カメラなどの撮像装置には広角レンズが必要である。特許文献１には、物体側から順に配列された、負の屈折力を有する両凹レンズ、開口絞り、正の屈折力を有する両凸レンズからなり、両凹レンズまたは両凸レンズの少なくとも一面が非球面に形成された広角レンズが開示されている。
【０００３】
一方、特許文献２には、非共軸光学系の設計法や焦点距離などの近軸量の計算方法が開示されている。基準軸という概念を用いて光学系の構成面を基準軸に対して非対称形状かつ非球面にすることにより、十分に収差が補正された光学系を構築することができる。このような非共軸光学系は、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ（オフアキシャル）光学系と呼ばれる。Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系は、像中心と瞳中心とを通る光線が辿る経路を基準軸とする場合、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面）を含む光学系として定義される。このとき、基準軸は折れ曲がった形状となる。
【０００４】
Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を用いた光学系の構築が容易である。また、光学系内で中間像を形成することにより広画角でありながらコンパクトな光学系を構成することができる。また、前絞りの光学系でありながら、光路の引き回しが比較的自由に行うことができるため、コンパクトな光学系を構成することが可能である。
【０００５】
特許文献３には、同一構成の２つのオフアキシャル光学系を線対称にステレオ配置して、立体撮像を行うことが可能な複眼撮像装置が開示されている。特許文献４には、ステレオ画像から被写体距離を算出する３次元形状の計測方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１５９９１２号公報
【特許文献２】特開平９−５６５０号公報
【特許文献３】特開２０００−２３１９９公報
【特許文献４】特開平８−１４８６１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特に車載カメラシステムとしては、車両の衝突防止のために小型かつ軽量なカメラを用いて前の車両との距離を把握することが可能なシステムが望まれている。また、複眼撮像装置の場合、距離算出精度を確保するには、左右各々の結像光学系での倍率や結像性能が揃っていることが要求される。しかしながら、屈折光学系では、画面内の任意の点での距離算出精度を上げるために、広画角と明るいＦ値とを維持した状態で結像性能を向上させようとすると、レンズの枚数が増加、すなわち屈折光学系を構成する部品点数が増加する。このため、コストが上昇するとともに、製造時の組み立て難易度が上がってしまう。
【０００８】
一方、反射面を用いたＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系（オフアキシャル光学系）については、屈折光学系と比べて、少ない部品点数で十分に収差が補正された光学系が構築しやすい。しかしながら、オフアキシャル光学系は回転非対称形状の光学面を有するため、結像性能が回転非対称な特性となる場合が生じやすい。このため、特許文献３に開示された複眼撮像装置において、同一構成の２つのオフアキシャル光学系を線対称にステレオ配置すると、同一像面座標において左右各々の光学系での倍率や結像性能が揃わない。
【０００９】
そこで本発明は、小型かつ広画角であって、距離算出精度を向上させることが可能な複眼撮像光学系および複眼撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面としての複眼撮像光学系は、回転非対称な曲率を有する少なくとも２つの反射面を含み、該反射面で反射した光束を第１の像面に集光する第１のオフアキシャル光学系と、回転非対称な曲率を有する少なくとも２つの反射面を含み、該反射面で反射した光束を第２の像面に集光する第２のオフアキシャル光学系とを有し、前記第１のオフアキシャル光学系および前記第２のオフアキシャル光学系は、基線方向において並進対称に配置されている。
【００１１】
本発明の他の側面としての複眼撮像装置は、前記複眼撮像光学系と、前記第１の像面に配置された第１の撮像素子と、前記第２の像面に配置された第２の撮像素子とを有する。
【００１２】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、小型かつ広画角であって、距離算出精度を向上させることが可能な複眼撮像光学系および複眼撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態における複眼撮像光学系の断面図である。
【図２】第１の実施形態における複眼撮像装置の外観図である。
【図３】第１の実施形態における複眼撮像光学系のディストーションを示す図である。
【図４】第１の実施形態における複眼撮像光学系の横収差図である。
【図５】第１の実施形態における複眼撮像光学系の絞りの説明図である。
【図６】第２の実施形態における複眼撮像光学系の断面図である。
【図７】第２の実施形態における複眼撮像光学系のディストーションを示す図である。
【図８】第２の実施形態における複眼撮像光学系の横収差図である。
【図９】各実施形態における撮像光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。
【図１０】各実施形態における横収差の評価位置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態にて共通する部分については共通の符号を用い、それらの重複する説明は省略する。まず、各実施形態を具体的に説明する前に、各実施形態に共通する事項について本発明の概要と共に説明する。
【００１６】
（各実施形態に共通する事項）
１）光学座標系等の定義
図９は、各実施形態の複眼撮像光学系（ステレオ撮像光学系）における結像光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。各実施形態において、物体側（被写体側）から像側（撮像素子に形成される像面側）に向かって、不図示の物体面の中心から瞳（絞り）の中心を通って像面の中心に至る１つの光線を中心主光線または基準軸光線と定義する。中心主光線または基準軸光線は、図９中に一点鎖線で示されている。また、中心主光線または基準軸光線が辿る経路を基準軸と定義する。また、基準軸に沿って物体側からｉ番目の面を第ｉ面Ｒｉとする。
【００１７】
図９において、第１面Ｒ１は絞りＳＰ（開口部）、第２面Ｒ２は第１面Ｒ１に対してチルトした反射面、第３面Ｒ３および第４面Ｒ４はそれぞれの前の面に対してシフトおよびチルトした反射面である。第２面Ｒ２から第４面Ｒ４までの各々の反射面は、後述のように、金属、ガラス、または、プラスチックなどの媒質で構成されるミラーである。
【００１８】
各実施形態において、複眼撮像光学系内の結像光学系はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系（オフアキシャル光学系）であるため、結像光学系を構成する各面は共通の光軸を有しない。そこで、第１面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。すなわち、第１面の中心である絶対座標系の原点と最終結像面（撮像素子面）の中心とを通る光線（中心主光線または基準軸光線）の辿る経路が基準軸である。また、基準軸は方向（向き）を有する。その方向は、中心主光線または基準軸光線が結像に際して進行する方向である。
【００１９】
各実施形態において、中心主光線または基準軸光線は、第１面の中心点（原点）を通り最終結像面の中心へ至るまでに、各屈折面および反射面によってそれぞれ屈折および反射する。各構成面の順番は、中心主光線または基準軸光線が屈折または反射を受ける順番に設定している。このため、基準軸は、設定された各面の順番に沿って屈折または反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００２０】
各実施形態において、像面側および物体側とはそれぞれ、基準軸の方向に対していずれの側であるかを意味している。なお各実施形態において、結像光学系の基準となる基準軸を前述のように設定したが、軸の決め方は、光学設計上、収差の取り纏め上、または、結像光学系を構成する各面形状を表現する上のいずれかにおいて、都合のよい軸を採用すればよい。一般的には、像面の中心と、絞り、入射瞳、射出瞳、または、結像光学系の第１面Ｒ１や最終面の中心のいずれかを通る光線の辿る経路を基準軸に設定することが好ましい。
【００２１】
各実施形態における結像光学系の絶対座標系の各軸は、以下のように定められる。
【００２２】
Ｚ軸：原点と物体面中心を通る直線であり、物体面から第１面Ｒ１に向かう方向を正とする。
【００２３】
Ｙ軸：原点を通り右手座標系の定義に従ってＺ軸に対して反時計回り方向に９０゜をなす直線である。
【００２４】
Ｘ軸：原点を通りＺ、Ｙの各軸に垂直な直線であり、図９の紙面奥に向かう方向を正とする。
【００２５】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状およびチルト角を表すには、次のように表すことにより理解が容易になる。基準軸と第ｉ面とが交差する点を原点とするローカル座標系を設定する。そして、ローカル座標系でその面の面形状を表し、基準軸とローカル座標系のなす角度でチルト角を表すことが好ましい。このため、第ｉ面の面形状は、以下のローカル座標系で表される。
【００２６】
ｚ軸：ローカル座標の原点を通る面法線である。
【００２７】
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、右手座標系の定義に従ってｚ方向に対し反時計方向に９０゜をなす直線である。
【００２８】
ｘ軸：ローカル座標の原点を通ってｙｚ面に対し垂直な直線であり、図９の紙面奥に向かう方向を正とする。
【００２９】
従って、第ｉ面のｙｚ面内でのチルト角は、ローカル座標系のｚ軸が基準軸に対してなす鋭角で、反時計回り方向を正とした角度θｘｉ（単位°）で表される。また、第ｉ面のｘｚ面内でのチルト角は、基準軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｙｉ（単位°）で表される。また、第ｉ面のｘｙ面内でのチルト角は、絶対座標系のｙ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｚｉ（単位°）で表される。ただし、通常、θｚｉは面の回転に相当し、以下の各実施形態においては存在しない。図９は、これらの絶対座標系、基準軸上座標系、および、ローカル座標系の相互関係を示している。また、図９の各軸の矢印の方向は、各軸の正の方向を表している。
【００３０】
２）結像光学系の具体的表現
また各実施形態に対応する数値実施例として、各構成面の数値データを示す。ここで、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面とのローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉ、νｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。後述する各実施形態において、面間の媒質は空気である。Ｅ−Ｘは、１０−Ｘを表す。
【００３１】
球面の形状は、Ｒｉを第ｉ面の曲率半径、ｘ、ｙを第ｉ面の各ローカル座標値とするとき、以下の式（１）で表される。
【００３２】
【数１】
2018097189.tif 000003
【００３３】
また、各実施形態の光学系は、回転非対称な曲率を有する面を２面以上備え、その形状は以下の式（２）により表される。
【００３４】
【数２】
2018097189.tif 000004
【００３５】
式（２）で表される曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、式（２）により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。
【００３６】
また、以下の条件式（３）、（４）が満たされる場合、面の形状はｘｚ面に関して対称（回転対称）となる。
【００３７】
【数３】
2018097189.tif 000005
【００３８】
【数４】
2018097189.tif 000006
【００３９】
一方、条件式（３）、（４）の少なくとも一方を満たさない場合、面の形状は回転非対称となる。
【００４０】
３）複眼撮像光学系としてのあるべき姿
各実施形態における複眼撮像光学系（被写体からの光束を第１の像面に集光する第１のオフアキシャル光学系、および、被写体からの光束を第２の像面に集光する第２のオフアキシャル光学系）は、以下の考えに基づいて発明されたものである。
【００４１】
従来から、車載カメラに用いられる光学系として、レンズを使用した透過型の光学系がある。そして、同じ構成の２つの光学系を水平に並べてステレオ視することで距離を測定する、または、３Ｄ形状を取得することが可能な種々の撮像装置が提案されている。また、回転非対称な反射面を含む結像光学系を利用した小型で高画質な種々の撮像光学系も提案されている。
【００４２】
ステレオ（複眼）撮像光学系を用いて高精度に距離を測定する、または３Ｄ形状を取得するには、結像性能を向上させて高画質化することが必要である。また、その結像性能は左右に配置された各撮像光学系で同じ特性（並進対称な特性）となることが望まれる。また、車載カメラでの距離測定用途では、周囲も広く捉える必要があるため、ある程度の広角化が必要である。ところが、外部環境によって温度が上下変動しやすい車内環境において、温度変化によって結像性能に大きな変化が生じると、距離測定精度が劣化する場合がある。このため、温度変化による距離測定精度の変化が少ないことが望まれている。また、単純な高感度化では、ノイズの影響などを低減するため、Ｆ２〜４程度の明るいＦ値を有する結像光学系が望まれている。
【００４３】
ここで、透過型の光学系で複眼撮像光学系を構成すると、レンズ枚数を増やせば広角でＦ値が明るい高画質な複眼撮像光学系を組むことができる。しかしながら、部品点数が大幅に増えることからコストが増大するか、または、製造誤差や組み立て誤差を抑えるために製造難易度が上がってしまう。
【００４４】
一方、透過型の光学系ではなく、回転非対称な反射面を有するオフアキシャル光学系でステレオ撮像光学系を構成すると、屈折光学系と比べて、少ない部品点数で、十分に収差が補正された光学系が構築しやすい。この結果、組み立て時の製造誤差による結像性能の劣化を低減することができる。しかしながら、このような光学系は反射光学系であるため、面形状や偏心などの変形に敏感なことが多い。また、オフアキシャル光学系は回転非対称形状の光学面を有するため、温度変化によって面形状や偏心などの変形が生じた際、結像性能が回転非対称な特性となる場合が生じやすい。このため、同一構成の２つのオフアキシャル光学系を線対称にステレオ配置すると、同一像面座標において左右各々の光学系での倍率や結像性能が揃わない。温度変化による前記課題は、事前にキャリブレーションなどで補正することができないため、距離測定精度が劣化する大きな要因となる。
【００４５】
４）各実施形態の概要（並進対称に配置された、回転非対称な曲率を有するオフアキシャル光学系）
各実施形態では、複眼撮像光学系を構成する結像光学系を、回転非対称な曲率を有する反射ミラー構成とする。これにより、少ない部品点数でＦ値が明るく結像性能が高い状態を維持することができる。各実施形態では、各結像光学系を反射面の入射側と射出側（反射側）とが共に空気などの気体媒質または真空であるような中空ミラー構成としている。また各実施形態は、プリズムなどの透明な固体内に光が伝播して固体内の壁面（または外界との境界部）で反射する構成とすることも可能である。この場合、光学素子が一体構成となるため、製造誤差による結像性能の劣化を低減することができる。
【００４６】
各実施形態では、更に、複眼撮像光学系を構成する２つの結像光学系を並進対称に配置することにより、あらゆる製造誤差や変形要因に対して、左右の光学系の結像性能を並進対称な特性となるように保ちやすくなる。このため、２つの結像光学系を通して取得される画像のマッチング誤差を低減することができ、距離測定精度を向上させることが可能となる。
【００４７】
《第１の実施形態》
次に、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施形態における複眼撮像光学系ＳＴＯの基本的な構成を説明する。図１は、本実施形態における複眼撮像光学系ＳＴＯの断面図であり、複眼撮像光学系ＳＴＯの内部の光学系の配置（ＹＺ面）を示している。図２は、複眼撮像光学系ＳＴＯを備えた複眼撮像装置１００の外観図である。
【００４８】
図１に示されるように、複眼撮像光学系ＳＴＯは、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１と第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２とを備えて構成される。第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１は、回転非対称な曲率を有する少なくとも２つの反射面を含み、各反射面で反射した光束を第１の像面ＩＭＧ１に集光する。第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２は、回転非対称な曲率を有する少なくとも２つの反射面を含み、各反射面で反射した光束を第２の像面ＩＭＧ２に集光する。第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２のそれぞれに設けられた反射面は、第ｉ面Ｒｉ（ｉは物体側から順に付与される面番号）で表され、本実施形態では各オフアキシャル光学系は５つの反射面Ｒ２〜Ｒ６を備えて構成される。
【００４９】
第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１により形成される第１の像面ＩＭＧ１には第１の撮像素子１０Ａが配置され、第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２により形成される第２の像面ＩＭＧ２には第２の撮像素子１０Ｂが配置される。また、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２は、最も物体側に開口部としての絞りＳＰ１、ＳＰ２（第１面Ｒ１）をそれぞれ有する。なお図１において、絞りＳＰ１、ＳＰ２をそれぞれ一つの光学素子面として扱い、第１面Ｒ１として示している。
【００５０】
図１は、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１の絞りＳＰ１から光を取り込み、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１の５つの反射面（第２面Ｒ２〜第６面Ｒ６）を通って第１の撮像素子１０Ａ（第１の像面ＩＭＧ１）に結像する様子を示している。また図１は、第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２の絞りＳＰ２から光を取り込み、第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２の５つの反射面（第２面Ｒ２〜第６面Ｒ６）を通って第２の撮像素子１０Ｂ（第２の像面ＩＭＧ２）に結像する様子を示している。絞りＳＰ１の位置は第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１の入射瞳の位置に相当し、絞りＳＰ２の位置は第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２の入射瞳の位置に相当する。第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２のそれぞれに含まれる５つの反射面（第２面Ｒ２〜第６面Ｒ６）は、いずれも回転非対称形状を有し、前述のように基準軸が折れ曲がったオフアキシャル光学系を構成している。
【００５１】
図３は、本実施形態（数値実施例１）のディストーションの様子を示す図である。図３において、横軸は水平方向の画角（Ｘ画角）、縦軸は垂直方向の画角（Ｙ画角）を示す。図１０は、本実施形態における第１の像面ＩＭＧ１および第２の像面ＩＭＧ２のそれぞれにおける横収差の評価位置の説明図である。図４は、図１０に示される第１の像面ＩＭＧ１および第２の像面ＩＭＧ２のそれぞれにおける評価位置１、２、３、４、５に対応する横収差図である。また、図４の横収差図では、横軸は瞳面上でのＸ軸またはＹ軸の位置、縦軸は像面上での収差量をそれぞれ示しており、評価光線の波長はｄ線である。ωは半画角である。全ての収差図（図４および後述の図８）において、後述する各数値実施例をｍｍ単位で表した場合、横収差は±０．０２５ｍｍのスケールで描かれている。
【００５２】
次に、本実施形態の構成に基づく本実施形態の特徴および効果について説明する。前述のように、従来から、複眼撮像光学系を利用して被写体とカメラとの間の距離や被写体同士の距離を取得する種々の方法が知られている。また、回転非対称な形状の自由曲面ミラーを利用した反射光学系を撮像装置に利用することにより、小型化および結像性能の向上を両立させる種々の構成が知られている。
【００５３】
しかしながら、反射光学系は、前述のように面形状や偏心などの変形に敏感である。また、オフアキシャル光学系は回転非対称形状の光学面を有するため、温度変化による面形状や偏心などの変形が生じると、結像性能が回転非対称な特性となる場合が生じやすい。このため、同一構成である２つのオフアキシャル光学系を基線方向に線対称となるようにステレオ配置すると、同一像面座標において左右各々の光学系での倍率や結像性能が揃わないという問題が生じる。ステレオ配置された２つの光学系による画像からの距離算出は、得られた２つの画像に対して基線方向に対応点探索（マッチング）を行い、２つの画像間のズレ量（視差量）に基づいて行われる。すなわち、前述の左右の光学系で結像性能が探索方向（基線の方向）に揃わないという問題は、距離算出の際のマッチング誤差が大きくなる要因となる。また、温度変化による前述の問題は、事前にキャリブレーションなどで補正することができないため、距離測定精度が劣化する要因となる。
【００５４】
そこで本実施形態の複眼撮像光学系を構成する第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１と第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２はそれぞれ、基準軸を折り曲げるため、回転非対称な曲率を有する少なくとも二つの反射面を有する。このような反射面を有することにより、収差の補正が容易となり、結像性能の向上が可能となる。また、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２は、基線方向において並進対称となるように配置される。このように各オフアキシャル光学系を配置することにより、一部の方向からのみ熱が加わってそれぞれの光学系内に温度分布の偏りが生じても、その温度分布はそれぞれの光学系で基線方向に並進対称な分布となる可能性が高い。すなわち、それぞれの撮像面中心を基準として見た場合、二つの光学系で温度分布が互いに等しくなるため、同一像面座標において左右各々の光学系での倍率や結像性能が略等しく変化する。その結果、距離算出の際の対応点探索（マッチング）誤差を低減することができ、距離測定精度を向上させることが可能となる。すなわち、本実施例の構成を採ることにより、温度変化による距離測定精度の劣化を抑制することができる。
【００５５】
好ましくは、本実施形態の複眼撮像光学系ＳＴＯは、以下の条件のうち少なくとも一つを満足するように構成される。これによれば、高い結像性能を維持しつつ、更なる小型化や距離測定精度の向上を図ることができる。
【００５６】
第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２において、最も物体側に配置された回転非対称な曲率を有する反射面の物体側に第１の絞りＳＰ１および第２の絞りＳＰ２がそれぞれ配置されることが好ましい。また、このときの基線方向は、第１の絞りＳＰ１の中心と第２の絞りＳＰ２の中心とを結ぶ線の方向である。このような構成により、各オフアキシャル光学系の入射瞳位置は各絞り位置となり、測距離算出に重要となる射出瞳位置を、光学系の製造誤差に影響せずに配置することができる。入射瞳面の位置のずれが大きい場合、撮像したそれぞれの画像のパースペクティブは互いに異なる。パースペクティブとは、被写体距離に対する被写体倍率の変化率を示す。撮影するシーンが奥行きを有する場合、それぞれの画像でパースペクティブが異なっているため、それぞれの画像の縮小および拡大などの画像処理だけでは、画像全域の被写体倍率が等しい画像を生成することができない。パースペクティブが異なる場合に距離算出精度を保つには、それぞれの入射瞳位置の情報を計測し、その情報に基づいて対応点探索の方向を基線方向に対して修正する必要が生じる。本実施形態では、最も物体側に第１の絞りＳＰ１および第２の絞りＳＰ２をそれぞれ配置することにより、それぞれの光学系の入射瞳位置を精度よく一致させることができる。このため、対応点探索の方向を修正するなどの処理負荷を低減することが可能である。
【００５７】
本実施形態において、基準軸が反射を繰り返す平面、すなわち折れ曲がった基準軸を含む平面（ＹＺ面）をＯｆｆ−Ａｘｉａｌ断面（オフアキシャル断面）と呼ぶ。このとき、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２のそれぞれのオフアキシャル断面（第１のオフアキシャル断面、第２のオフアキシャル断面）が基線方向と平行となることが好ましい。前述のように、オフアキシャル光学系は、少ない部品点数で十分に収差が補正された光学系が構築しやすいという利点がある。ステレオ配置された光学系で撮影された画像による測距算出は、基線方向にその基線方向に垂直なエッジ成分を左右の画像間で探索するため、基線方向の結像性能が高いことがより望まれる。本実施形態では、各光学系のオフアキシャル断面を基線方向と平行とすることにより、基線方向にオフアキシャル光学系が構成され、その基線方向での結像性能を高めることが可能である。
【００５８】
好ましくは、本実施形態の複眼撮像光学系ＳＴＯは、以下の条件式（５）を満足する。
【００５９】
ωＶ＜ωＨ    …  （５）
条件式（５）において、ωＨは第１のオフアキシャル断面および第２のオフアキシャル断面のそれぞれの半画角、ωＶは第１のオフアキシャル断面および第２のオフアキシャル断面のそれぞれの垂直方向における半画角である。
【００６０】
条件式（５）を満足することにより、オフアキシャル断面の垂直方向におけるサイズの小型化が可能となる。これは、用途によって水平方向と垂直方向で同じ範囲が見えている必要がない場合に有用である。例えば、複眼撮像光学系ＳＴＯを車載カメラに用いる場合、周囲を監視する際に歩道や対向車など水平方向は広く見えた方がよいが、垂直方向は最低限信号機や道路標識が見えればよく、水平方向に比べて見る範囲を狭くしても支障がない。このような場合、条件式（５）で表されるような関係を満たすことにより、更なる小型化が達成できるため好ましい。
【００６１】
また、第１の絞りＳＰ１および第２の絞りＳＰ２をそれぞれ楕円形（楕円絞り）にして、オフアキシャル断面を短径方向、オフアキシャル断面の垂直方向を長径方向とそれぞれすることにより、オフアキシャル断面方向のサイズを小型化することが可能になる。楕円開口の長径方向と短径方向の比率については、明るさ（長径方向と短径方向の合成Ｆナンバー）と、光学系のサイズのトレードオフになるため、所望の仕様に合わせて設定すればよい。図５は、本実施形態における絞りの説明図であり、ＸＹ面における入射瞳の概略形状を示している。図５において、Ｅｒは楕円開口の長径方向の開口直径に相当し、Ｅｏは楕円開口の短径方向の開口直径に相当する。すなわち、第１の絞りＳＰ１は、第１のオフアキシャル断面の方向における幅が第１のオフアキシャル断面の垂直方向における幅よりも小さい。同様に、第２の絞りＳＰ２は、第２のオフアキシャル断面の方向における幅が第２のオフアキシャル断面の垂直方向における幅よりも小さい。なお、以降の実施形態についても楕円の概略形状は同じである。
【００６２】
本実施形態において、第１の絞りＳＰ１から第１の像面ＩＭＧ１（第１の撮像素子１０Ａ）までの光路中に少なくとも一つの中間結像面Ｍ１が形成されることが好ましい。また、第２の絞りＳＰ２から第１の像面ＩＭＧ２（第２の撮像素子ＩＭＧ２）までの光路中に少なくとも一つの中間結像面Ｍ２が形成されることが好ましい。これにより、反射面の大型化を防ぎつつ広画角化が可能になる。また、オフアキシャル光学系のレイアウトの自由度が増し、空間を有効利用できるため、複眼撮像光学系ＳＴＯ全体の小型化にもつながる。反射面の小型化は、面形状を精度よく製造する際にも有効である。
【００６３】
また本実施形態において、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１と第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２との相対的な位置関係は所定の条件を満足することが好ましい。すなわち、第１の撮像素子１０Ａと第２の撮像素子１０Ｂとの間の距離が第１の絞りＳＰ１と第２の絞りＳＰ２との間の距離と等しくなるように配置されることが好ましい。これは、第１の絞りＳＰ１の中心と第２の絞りＳＰ２の中心との間の距離をＤ、第１の撮像素子１０Ａの中心と第２の撮像素子１０Ｂの中心との間の距離をｄとするとき、以下の条件式（６）を満足することに相当する。
【００６４】
ｄ＝Ｄ    …  （６）
図１および図２において、距離ｄと距離Ｄとの関係を示している。このような関係を満たすことにより、小型化と基線長を長くすることが両立できるため、小型化しつつも距離測定精度の向上を図ることが可能となる。
【００６５】
本実施形態において、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１の光学座標系の原点位置（本実施形態では第１の絞りＳＰ１上の基準軸位置）から第１の像面ＩＭＧ１上の基準軸位置までの基準軸上の長さをＯｄとする。また、第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２の光学座標系の原点位置（本実施形態では第２の絞りＳＰ２の基準軸位置）から第２の像面ＩＭＧ２上の基準軸位置までの基準軸上の長さをＯｄとする。このとき、以下の条件式（７）を満足することが好ましい。
【００６６】
０．１＜Ｏｄ/Ｄ＜５    …  （７）
条件式（７）を満たすことにより、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２のそれぞれの光路の全長に対して、複眼撮像光学系ＳＴＯの全体を小型化しつつも基線長をある程度確保することができる。その結果、距離測定精度や３Ｄ形状取得精度を高精度に維持することができるため、好ましい。
【００６７】
条件式（７）の下限値を超えると、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２のそれぞれの光路の全長に対して、基線長が長くなり過ぎる。この場合、距離測定精度や３Ｄ形状取得精度の高精度化には有利であるが、装置全体が大型化し、小型化を図ることができないため好ましくない。また、基線長に対して、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２のそれぞれの光路の全長が短くなり過ぎるため、結像性能を確保することが難しくなる。一方、条件式（７）の上限値を超えると、小型化には有効であるが、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２のそれぞれの光路の全長に対して、基線長が短くなり過ぎる。この場合、距離測定精度や３Ｄ形状取得精度が劣化するため好ましくない。
【００６８】
より好ましくは、条件式（７）は、以下の条件式（７ａ）を満足するように設定される。
【００６９】
０．５＜Ｏｄ/Ｄ＜５    …  （７ａ）
より好ましくは、条件式（７ａ）は、以下の条件式（７ｂ）を満足するように設定される。
【００７０】
１＜Ｏｄ/Ｄ＜５    …  （７ｂ）
より好ましくは、条件式（７ｂ）は、以下の条件式（７ｃ）を満足するように設定される。
【００７１】
１．５＜Ｏｄ/Ｄ＜３    …  （７ｃ）
より好ましくは、条件式（７ｃ）は、以下の条件式（７ｄ）を満足するように設定される。
【００７２】
１．６＜Ｏｄ/Ｄ＜２．５    …  （７ｄ）
また本実施形態において、第１の絞りＳＰ１および第２の絞りＳＰ２のそれぞれの位置の近傍に、撮像に必要な波長が透過する透過率特性を有するガラスなどの透明材料で構成されるカバー部材を配置してもよい。このような構成によれば、第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２の内部にごみや埃の混入を防ぐことができるため、好ましい。
【００７３】
《第２の実施形態》
次に、図６を参照して、本発明の第２の実施形態における複眼撮像光学系ＳＴＯＡの基本的な構成を説明する。図６は、本実施形態における複眼撮像光学系ＳＴＯＡの断面図であり、複眼撮像光学系ＳＴＯＡの内部の光学系の配置（ＹＺ面）を示している。
【００７４】
本実施形態の複眼撮像光学系ＳＴＯＡは、反射ミラー間のレイアウトが第１の実施形態と異なる。本実施形態では、第１面Ｒ１が第１の絞りＳＰ１および第２の絞りＳＰ２を構成し、第２面Ｒ２から第５面Ｒ５までが反射面を構成している。図６において、第１のオフアキシャル光学系ＬＯＡ１および第２のオフアキシャル光学系ＬＯＡ２のそれぞれを構成する４つの反射面（第２面Ｒ２〜第５面Ｒ５）は、いずれも回転非対称形状を有し、前述のように基準軸が折れ曲がっている。また、図６に示されるように、本実施形態の中間結像面Ｍ１、Ｍ２の位置は、第２面Ｒ２から第４面Ｒ４までの間に横断的に存在する。
【００７５】
図７は、本実施形態（数値実施例２）のディストーションの様子を示す図である。図７において、横軸は水平方向の画角（Ｘ画角）、縦軸は垂直方向の画角（Ｙ画角）を示す。図８は、図１０に示される第１の像面ＩＭＧ１および第２の像面ＩＭＧ２のそれぞれにおける評価位置１、２、３、４、５に対応する横収差図である。
【００７６】
本実施形態において、第１のオフアキシャル光学系ＬＯＡ１の光学座標系の原点位置（本実施形態では第１の絞りＳＰ１の基準軸位置）から第１の像面ＩＭＧ１上の基準軸位置までの基準軸上の長さをＯｄとする。または、第２のオフアキシャル光学系ＬＯＡ２の光学座標系の原点位置（本実施形態では第２の絞りＳＰ２の基準軸位置）から第２の像面ＩＭＧ２上の基準軸位置までの基準軸上の長さをＯｄとする。その他の構成は、第１の実施形態と同様のため省略する。
【００７７】
以下、第１の実施形態および第２の実施形態にそれぞれ対応する数値実施例１および数値実施例２を示す。
【００７８】
（数値実施例１）
物体面から開口部ＳＰ１、ＳＰ２までの距離は無限大で、画角は、ｘ：±２０度、ｙ：±４０度である。焦点距離は２．８６ｍｍである。像面サイズはｘ：２．１ｍｍ、ｙ：４．８ｍｍである。入射瞳径はＥｏ：１．０ｍｍ、Ｅｒ：１．５ｍｍである。第１の実施形態における反射面は全て回転非対称面で構成されている。回転非対称面形状は第１の実施形態にて示される式により与えられる。
【００７９】
面データ
面番号     Xi      Yi      Zi      Di     θxi    θyi      
1(SP)    0.00    0.00    0.00   16.50    0.00    0.00   絞り
2(R2)    0.00    0.00   16.50   26.00   22.00    0.00   反射面
3(R3)    0.00  -18.06   -2.20   16.50    4.00    0.00   反射面
4(R4)    0.00  -27.76   11.15   16.50  -13.00    0.00   反射面
5(R5)    0.00  -30.62   -5.10   17.00  -22.00    0.00   反射面
6(R6)    0.00  -44.38    4.89   16.50  -33.00    0.00   反射面
像面      0.00  -40.95  -11.25          -12.00    0.00
回転非対称面データ
第２面
C20 = -2.0857E-02 C02 = -2.1888E-02 C21 =  2.2883E-05
C03 = -1.1792E-04 C40 = -1.4475E-05 C22 = -1.4008E-05
C04 = -3.3138E-06 C41 =  4.1310E-07 C23 = -5.2518E-07
C05 =  6.0972E-07 C60 =  2.9054E-07 C42 = -1.2629E-08
C24 =  1.3460E-08 C06 =  2.1424E-08 C61=  -1.0204E-08
C43 = -2.7119E-10 C25 =  1.4741E-09 C07=  -3.1350E-09
C80 = -2.8514E-09 C62 = -4.4041E-10 C44=  -5.5014E-11
C26 = -1.1331E-10 C08 = -1.8916E-10
第３面
C20 = -3.3411E-02 C02 = -1.7794E-02 C21 =  1.0731E-03
C03 =  9.2879E-04 C40 = -1.0676E-04 C22 =  9.5690E-05
C04 = -1.6992E-05 C41 = -5.7359E-06 C23 = -3.2128E-07
C05 =  1.7414E-05 C60 =  3.6392E-06 C42 =  4.9596E-07
C24 = -8.1303E-07 C06 = -1.4305E-06 C61 =  4.8796E-07
C43 = -7.1238E-08 C25 = -2.1807E-07 C07 = -2.9606E-07
C80 = -9.7105E-08 C62 = -5.1755E-08 C44 =  4.0851E-09
C26 =  4.0544E-08 C08 =  2.7686E-08
第４面
C20 = -1.9953E-02 C02 = -1.1000E-02 C21 =  1.1384E-04
C03 =  2.2053E-04 C40 = -1.0742E-05 C22 = -4.2471E-06
C04 =  2.7475E-06 C41 =  1.3695E-07 C23 =  2.6802E-08
C05 = -1.9650E-08 C60 =  3.2625E-09 C42 = -2.9569E-08
C24 = -5.4561E-08 C06 = -2.1198E-07 C61 =  1.2444E-10
C43 =  1.9510E-10 C25 = -4.9204E-10 C07 = -1.0640E-08
C80 = -5.6555E-11 C62 = -1.2475E-11 C44 =  2.0712E-10
C26 =  7.3897E-10 C08 =  2.7092E-09
第５面
C20 = -4.4091E-02 C02 = -3.1065E-03 C21 =  1.3738E-04
C03 =  8.6904E-05 C40 = -2.8483E-04 C22 = -7.1180E-05
C04 = -2.6490E-05 C41 =  2.7196E-06 C23 = -3.3173E-06
C05 =  3.9386E-07 C60 = -1.1862E-07 C42 = -3.2634E-06
C24 = -3.0954E-07 C06 =  7.8930E-08 C61=  -4.8144E-07
C43 = -6.3691E-08 C25 = -5.1389E-08 C07=  -5.4802E-09
C80 = -1.8334E-07 C62 =  5.0966E-08 C44=  -4.8956E-09
C26 =  1.5349E-09 C08 = -1.0858E-09
第６面
C20 = -2.6044E-02 C02 = -1.6213E-02 C21 =  1.1045E-04
C03 =  3.1692E-05 C40 = -1.9222E-05 C22 = -2.4055E-05
C04 = -9.7401E-06 C41 =  3.0818E-07 C23 =  4.1317E-07
C05 =  4.3745E-07 C60 = -3.7488E-08 C42 = -4.9253E-08
C24 = -3.7258E-08 C06 = -1.2912E-08 C61=  -1.0616E-10
C43 = -8.6290E-10 C25 = -3.9698E-09 C07=  -2.8425E-09
C80 = -2.8425E-11 C62 =  1.0533E-11 C44=  -1.0420E-10
C26 =  3.4215E-10 C08 =  2.0951E-10
D＝65.0mm
d＝65.0mm
ωＶ＝20度
ωＨ＝40度
Od＝109.0mm
（数値実施例２）
物体面から絞りＳＰ１、ＳＰ２までの距離は無限大で、画角は、ｘ：±２０度、ｙ：±３０度である。焦点距離はｘ：５．０８１ｍｍ、ｙ：４．２６２ｍｍである。像面サイズはｘ：３．６ｍｍ、ｙ：４．８ｍｍである。入射瞳径はＥｏ：１．０ｍｍ、Ｅｒ：２．０ｍｍである。第２の実施形態における反射面は、全て回転非対称面で構成されている。回転非対称面形状は、第１の実施形態で示した式により与えられる。
【００８０】
面データ
面番号     Xi      Yi      Zi      Di     θxi    θyi
1(SP)    0.00    0.00    0.00    9.00    0.00    0.00   絞り
2(R2)    0.00    0.00    9.00    7.00  -23.00    0.00   反射面
3(R3)    0.00    5.04    4.14   20.00  -28.00    0.00   反射面
4(R4)    0.00  -14.53   -0.02    5.00   25.00    0.00   反射面
5(R5)    0.00  -10.59   -3.10   10.00   35.00    0.00   反射面
像面      0.00   -7.50    6.41            0.00    0.00
回転非対称面データ
第2面
C20 = -2.9022E-02 C02 = -3.4324E-02 C21 = -2.3165E-04
C03 =  1.1589E-04 C40 =  2.2586E-05 C22 =  1.7022E-04
C04 = -9.9750E-05 C41 =  8.1068E-06 C23 = -2.2951E-05
C05 =  5.8400E-06 C60 =  2.6878E-08 C42 = -3.7489E-06
C24 =  5.0980E-07 C06 =  2.9150E-07 
第3面
C20 =  1.4027E-02 C02 = -1.1903E-04 C21 = -7.9665E-04
C03 = -2.9224E-03 C40 =  5.4131E-06 C22 = -8.3118E-05
C04 =  4.3614E-04 C41 = -8.1909E-08 C23 =  4.9785E-05
C05 =  3.9710E-05 C60 =  3.7996E-07 C42 = -4.1703E-06
C24 = -5.3675E-06 C06 = -7.5526E-06       
第4面
C20 = -1.9784E-02 C02 = -2.1337E-02 C21 = -4.3184E-04
C03 =  4.5177E-05 C40 =  6.4395E-05 C22 =  1.4942E-04
C04 = -2.9872E-05 C41 = -3.2194E-05 C23 = -2.1870E-05
C05 =  2.3290E-06 C60 = -9.9196E-08 C42 =  5.7944E-06
C24 =  6.2313E-07 C06 =  8.3017E-07 
第5面
C20 =  2.5506E-02 C02 =  8.6691E-03 C21 =  3.8228E-04
C03 =  4.0033E-04 C40 =  8.5048E-05 C22 =  3.3772E-04
C04 = -1.2191E-05 C41 = -1.6195E-05 C23 =  3.1420E-05
C05 = -1.0146E-05 C60 = -1.4193E-06 C42 = -8.7896E-08
C24 = -4.9093E-06 C06 =  2.3095E-06 
D＝21.0mm
d＝21.0mm
ωＶ＝20度
ωＨ＝30度
Od＝51.0mm
表１は、各数値実施例における条件式（３）の値を示す。
【００８１】
【表１】
2018097189.tif 000007
【００８２】
このように、各実施形態の複眼撮像光学系ＳＴＯ（ＳＴＯＡ）は、広角な結像光学系（第１のオフアキシャル光学系ＬＯ１（ＬＯＡ１）、第２のオフアキシャル光学系ＬＯ２（ＬＯＡ２）を有する。複眼撮像光学系ＳＴＯ（ＳＴＯＡ）を、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置に適用することにより、製造容易かつ軽量で高い光学性能を有する複眼撮像装置を実現することができる。特に、各実施形態の複眼撮像光学系ＳＴＯ（ＳＴＯＡ）は、被写体までの距離を高精度に測定する監視カメラや車載カメラ、または、３次元形状を高精度に取得するカメラなどの複眼撮像装置に適して用いられる。各実施形態によれば、小型かつ広画角であって、距離算出精度を向上させることが可能な複眼撮像光学系および複眼撮像装置を提供することができる。
【００８３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００８４】
ＳＴＯ、ＳＴＯＡ  複眼撮像装置
ＬＯ１、ＬＯＡ１  第１のオフアキシャル光学系
ＬＯ２、ＬＯＡ２  第２のオフアキシャル光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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