(57)【要約】  撮影画角の広角化と撮影範囲全体にわたり必要な角度分解能の確保とを両立できる撮像レンズを提供するために、主光線が入射する第１面及び主光線が出射する第２面を有する第１レンズと、第１レンズから出射した主光線が入射する第３面及び主光線が出射する第４面を有する第２レンズとを少なくとも備え、第１レンズに主光線が入射する際、主光線が第１面に垂直に入射する入射角度θｎが、第１面の中心以外にも存在する撮像レンズとする。
2016121550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主光線が入射する第１面及び前記主光線が出射する第２面を有する第１レンズと、
第１レンズから出射した前記主光線が入射する第３面及び前記主光線が出射する第４面を有する第２レンズとを少なくとも備え、
前記第１レンズに前記主光線が入射する際、前記主光線が前記第１面に垂直に入射する入射角度θｎが、前記第１面の中心以外にも存在することを特徴とする撮像レンズ。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像において、
前記入射角度θｎは、１０°〜３０°の範囲に存在することを特徴とする撮像レンズ。
【請求項３】
請求項２項記載の撮像レンズにおいて、
前記主光線の入射面側に配置された前記第１レンズの前記第１面及び前記第２レンズの前記第３面は、それぞれ非球面であることを特徴とする撮像レンズ。
【請求項４】
請求項２項に記載の撮像レンズにおいて、
前記主光線の入射面側に配置された前記第１レンズ及び前記第２レンズは、両面非球面レンズであることを特徴とする撮像レンズ。
【請求項５】
請求項３項に記載の撮像レンズにおいて、
前記第１レンズ及び前記第２レンズの後段には後群レンズが配置され、
前記後群レンズは、ガウス型の構成を有することを特徴とする撮像レンズ。
【請求項６】
請求項２項に記載の撮像レンズにおいて、
前記第１レンズに対する最大入射角θｍａｘにおける入射角当たりの像高の変化率ｄｙ／ｄθが、０よりも大きく、像高当たりの画角の変化率Ｄ（θ）＝１／（ｄｙ（θ）／ｄθ）の切り替え入射角θｓに対して、
像高ｙ（θ）が、
１．５＜（ｙ（θｓ）／θｓ）／｛（ｙ（θｍａｘ）−ｙ（θｓ））／（θｍａｘ−θｓ）｝＜３．０
を満たすことを特徴とする撮像レンズ。
【請求項７】
請求項２に記載の撮像レンズを用いた撮像装置であって、車両に搭載されることを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項２に記載の撮像レンズを用いた撮像装置を少なくとも２つ備え、電源部と、映像処理部と、距離計算部と、筐体と、を有することを特徴とする距離測定システム。
【請求項９】
請求項８に記載の距離測定システムであって、車両に搭載されることを特徴とする距離測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像レンズ及びそれを用いた撮像装置並びに距離測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な撮像装置では、入射角θと像高ｙの関係を示す射影方式は、撮像光学系の近軸焦点距離ｆを用いた下記式（１）で示される透視射影を有する撮像光学系が用いられている。
ｙ（θ）＝ｆ・ｔａｎθ      ・・・（１）
式（１）で示される透視射影方式では、撮像光学系の光軸から離れた広角側において、単位画角当たりの像高の変化は著しく大きくなる性質を持つ。したがって、撮影範囲を広く取ろうとすれば、像高ｙを捕らえるために大きな撮像素子が必要になる。例えば、撮影できる最大画角を９０°とすると、像高ｙは発散してしまうため、無限に大きな撮像素子が必要となり撮像光学系を実現することができない。そこで、有限な大きさの撮像素子で広角を撮影する射影方式として、下記式（２）で示される正射影が知られている。
ｙ（θ）＝ｆ・ｓｉｎθ      ・・・（２）
式（２）で示される正射影方式であれば、入射角θが９０°であっても像高ｙは有限であるため、撮像素子上に結像することができる。正射影方式であれば、半画角（最大入射角）が９０°まで撮像素子上に結像させることができるが、正射影よりも広い画角を撮影する射影方式として、下記式（３）で表される射影特性を持つ光学系がある（特許文献１参照）。
ｙ＝ａ・ｆ・ｓｉｎ（ｂ・θ）      ・・・（３）
ここで、０＜ａ＜ｓｉｎθｍａｘ、ｂ＝π／（２・θｍａｘ）、ｆ：全系の近軸焦点距離、θ：入射角（ｒａｄｉａｎ単位の対角入射角）、θｍａｘ：最大入射角（ｒａｄｉａｎ単位の対角最大入射角）、ｙ：撮像素子の受光面上での実像高、である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３５４５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、正射影のように比較的広い画角を撮像できる射影方式では、中央部よりも周辺部が撮像素子上に圧縮されて結像されることになり、周辺部ほど情報量が失われる特徴を持つ。正射影の単位入射角あたりの像高の変化率に注目すると、その変化率は式（４）で表わされるため、中央部に対して周辺部の方が小さいことがわかる。
ｄｙ（θ）／ｄθ＝ｆ・ｃｏｓθ      ・・・（４）
言い換えると、中央部に対して周辺部の方が、単位像高あたりの角度の変化量が大きい。これは、周辺部で像が圧縮されていることを示しており、撮像素子上で単位画素当たりの情報が失われていることを意味している。【０００５】
このような光学系を用いると、広い画角で映像を捉えることができるが、周辺部が圧縮された画像では都合が悪い場合がある。その場合には、撮影した画像データのうち、入射角が大きい領域である周辺部に対応する、光学的に圧縮され撮影された撮像データを後処理によって引き伸ばす手法もある。ただし、情報が失われているため補間が必要となり、引き伸ばしても画像が劣化してしまう課題がある。極端な例として、半画角θ＝９０°においては、単位入射角あたりの像高の変化量は０であり、撮像素子上の画素が表現できる入射角θの分解能がなく、θ＝９０°近傍における撮像情報量が少なくなっていることがわかる。【０００６】
さらに広い画角を持つ上記特許文献１に記載の構成について、入射角当たりの像高変化量ｄｙ（θ）／ｄθについて考える。その変化量は、式（５）で表わされる。
ｄｙ（θ）／ｄθ＝ａ・ｆ・ｂ・ｃｏｓ（ｂ・θ）      ・・・（５）
式（５）を用いて最大入射角である半画角θ＝θｍａｘのときについて計算すると、ｄｙ（θｍａｘ）／ｄθ＝ａ・ｆ・｛π／（２・θｍａｘ）｝・ｃｏｓ［｛π／（２・θｍａｘ）｝・θｍａｘ］=ａ・ｆ・｛π／（２・θｍａｘ）｝・ｃｏｓ(π／２)＝０となる。
すなわち、最大入射角において単位入射角当たりの像高の変化が０であるため、最大入射角（半画角）近傍では入射角の角度分解能が失われてしまうという課題がある。
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、撮影画角の広角化と撮影範囲全体にわたり必要な角度分解能の確保とを両立できる撮像レンズ及びそれを用いた撮像装置並びに距離測定システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は特許請求の範囲に記載された構成を特徴とするものである。【０００８】
より具体的には、本発明に係る撮像レンズは、
主光線が入射する第１面及び前記主光線が出射する第２面を有する第１レンズと、
第１レンズから出射した前記主光線が入射する第３面及び前記主光線が出射する第４面を有する第２レンズとを少なくとも備え、
前記第１レンズに前記主光線が入射する際、前記主光線が前記第１面に垂直に入射する入射角度θｎが、前記第１面の中心以外にも存在することを特徴とする撮像レンズである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、撮影画角の広角化と撮影範囲全体にわたり必要な角度分解能の確保とを両立できる撮像レンズ及びそれを用いた撮像装置並びに距離測定システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】射影方式による入射角θと像高ｙとの関係の一例を示すグラフである。
【図２】入射角に対する像高当たりの入射角の変化率の一例を示すグラフである。
【図３】距離測定システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図４】撮像手段と距離を測定する対象物との配置関係の一例を示す上面図である。
【図５】図４に示す配置関係において、対象物が撮像素子に結像される位置の一例を示す上面図（一部平面図）である。
【図６】撮像手段と距離を測定する対象物との配置関係の一例を示す側面図（一部平面図）である。
【図７】角度分解能と測定可能範囲との関係の説明図であり、(a)は角度分解能が高い撮像素子の場合、（ｂ）は角度分解能が低い撮像素子の場合を示す。
【図８】機能別の要求される画角と角度分解能の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態に係る撮像レンズにおける入射角に対する像高当りの入射角の変化率及び像高との関係の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態に係る他の撮像レンズにおける入射角に対する像高当たりの入射角の変化率（角度分解能）の一例を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態に係る撮像レンズに入射する主光線入射角度を説明するための図であり、（ａ）は各屈折面（レンズ表面）における主光線入射角度を示すグラフ、（ｂ）は撮像レンズの各屈折面の位置を説明するための図である。
【図１２】本発明の第一の実施例に係る撮像レンズの構成の一例を示す図である。
【図１３】本発明の第二の実施例に係る撮像レンズの構成の一例を示す図である。
【図１４】本発明の第三の実施例に係る撮像レンズの構成の一例を示す図である。
【図１５】本発明の第三の実施例に係る撮像レンズにおけるＭＴＦの改善効果を示す図であり、（ａ）は光入射側の２枚のレンズが片側非球面レンズの場合、（ｂ）は光入射側の２枚のレンズが両面非球面レンズの場合を示す。
【図１６】本発明の第三の実施例に係る撮像レンズにおける像面湾曲の改善効果を示す図であり、（ａ）は光入射側の２枚のレンズが片側非球面レンズの場合、（ｂ）は光入射側の２枚のレンズが両面非球面レンズの場合を示す。
【図１７】本発明の第四の実施例に係る撮像レンズの構成の一例を示す図である。
【図１８】本発明の第五の実施例に係る撮像装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、従来の構成やその課題を含め添付の図面を参照して説明する。
【００１２】
まず、本発明に係る撮像レンズの主な用途である距離測定システムの構成や、距離測定システムへ適用するために求められる撮像レンズの要件等について説明する。但し、本撮像レンズの用途を距離測定システムに限定するものではない。
【００１３】
図３は距離測定システムの構成の一例を示すブロック図である。
距離測定システムは、撮像光学系３１０と、撮像素子３２０から構成される撮像手段３００を少なくとも２つ備え、映像処理部４００と距離計算部５００と、筐体６００とから構成されている。図３の例ではステレオカメラを想定しているため撮像手段３００は２つ備えられており、撮像手段３００Ａと撮像手段３００Ｂや撮像光学系３１０Ａ、撮像素子３２０Ａと添え字をつけて説明するが、特に両者を区別する必要がなければ添え字を付けずに説明する。
【００１４】
撮像光学系３１０は、レンズなどの光学部品で構成される。像を記録する手段として、撮像系の略結像位置に感光フィルムや撮像素子などを用いることができる。撮像素子３２０としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサや、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide）イメージセンサなどがある。
【００１５】
映像処理部４００では、撮影した映像を、距離計算をするために必要な情報を抽出しやすいように、明るさの調整、色の調整、像の歪に対して補正をかけるといった、映像を補正する機能を有する。得られる像の品質や、要求される精度によっては、省略することもできる。
【００１６】
距離計算部５００は、複数の撮像手段３００Ａ、３００Ｂから得た映像から距離を計算する処理を行う。
【００１７】
これらの要素は、筐体６００にて固定される。特に、複数の撮像手段３００Ａ、３００Ｂの配置関係が距離測定に重要なパラメータとなるため、高精度で配置されている必要がある。したがって、筐体６００は剛性が高い材質、構造となっていることが望ましい。
【００１８】
距離測定システムでは、複数配置された撮像手段３００Ａ、３００Ｂから得た撮像データから、対象物が距離測定システムからどれだけの距離離れて存在しているかを算出するシステムであり、撮影対象が存在する方向の情報から対象物が存在する位置を三次元的に算出することができる。
【００１９】
距離を測定する手段の構成の一例を図４乃至図６に示す。
図４は撮像手段３００と距離を測定する対象物８００との配置関係の一例を示す上面図であり、図５は図４に示す配置関係において、対象物が撮像素子に結像される位置の一例を示す上面図（一部平面図）であり、図６は図５を側面から見た図である。図６においては撮像手段３００Ａ、３００Ｂともに同様であるため、これらをまとめて図示する。また、撮像手段３００において、図５および図６中の撮像素子は図面が描写される平面に対して垂直な平面に配置されるものであるが、説明を簡単にするために図面が描写される平面と平行に描写している。また、撮像光学系３１０による光線の屈折は、説明を簡単にするために図中では考慮していない。  
対象物８００から発された光は撮像光学系３１０Ａ、３１０Ｂを介して撮像素子３２０Ａ、３２０Ｂの位置８１０Ａ、８１０Ｂに結像される。撮像手段３００Ａ、３００Ｂから得られた映像は、映像処理部４００で明るさ、色、歪みなどを調整され、距離計算部５００によりパターンマッチングが行われる。パターンマッチングの手法としては例えば、それぞれの映像に対して、特徴点を抽出し、それらが同一の物体であるかどうかを幾何的、位相的な整合性の有無を確認するアルゴリズムを利用することでチェックする。
【００２０】
パターンマッチングの結果、同一の物体であると判断された対象物８００が結像した撮像素子３２０Ａ、３２０Ｂ上の位置８１０Ａ、８１０Ｂと、撮像光学系３１０Ａ、３１０Ｂと撮像素子３２０Ａ、３２０Ｂとの距離および撮像光学系３１０Ａ、３１０Ｂの光学特性から、撮像光学系３１０Ａ、３１０Ｂの光軸と対象物８００とがなす水平角φＡ、φＢおよび仰角φが求められる。筐体６００に固定されることにより撮像光学系３１０Ａ、３１０Ｂの光軸の距離Ｌは一定であるので、距離Ｌと水平角φＡ、φＢ、仰角φおよび撮像光学系３１０Ａ、３１０Ｂの光学特性を考慮することにより三角測量等の方法で対象物８００までの距離が求められる。  
このように、撮像手段３００で撮影した撮像データから、対象物８００などのある特徴点の撮像手段３００の光軸に対する方向と距離を求めることができ、対象物８００の三次元的な位置を特定することができる。
【００２１】
ここで、図７を用いて角度分解能と距離の測定可能な範囲について説明する。
図７に示すように、１つの画素が表現する入射角は幅を持っており、直線で示す入射角内であれば、撮像手段３００は対象物８００が同じ方向に存在すると認識する。例えば図７（ａ）のように角度分解能が高ければ撮像素子３２０の１画素３２１が捕らえる入射角が狭いため、複数の対象物８００Ａ、８００Ｂそれぞれを識別可能となり、距離の測定精度が上がる。しかしながら、図７（ｂ）のように角度分解能が低いと撮像素子３２０の１画素が捉えられる入射角が広いため、複数の対象物８００Ａ、８００Ｂを識別することができず、対象物８００Ａ、８００Ｂの距離を正確に測定することができない。このため、正確に対象物８００との距離を測定する必要がある入射角に関しては角度分解能を高くする必要がある。
【００２２】
距離測定システムの使用例として、車両の前方に搭載した用途について説明する。
車両には、運転手の運転をサポート、あるいは運転手の直接の指示なく運転をするための自動運転機能を搭載したものが研究、実施されている。運転のサポートの例を挙げると、前方横方向から飛び出してくる車や人との衝突を回避したり、前方の車との衝突を防ぐように、距離が近づくと警告を発したりブレーキをかけるようなシステムがある。他には、前方の車に追従して走行する機能などもある。
【００２３】
これらの機能を実現するためには、車の周辺に存在する物の配置関係、移動する方向、速度などの情報を利用して、判断制御を行う方法がある。これらの情報を得るためには、距離測定システムを利用することができる。距離測定システムを用いて運転のサポート、自動運転をすることができるが、各用途、機能によって測定しなければならない距離、方向、精度が異なる。
【００２４】
図８に機能別の要求される入射角と角度分解能の一例を示す。
前方の車両に自動的に追従する機能（追従運転９０１）では、高速道路などの比較的車間距離がとられていることも想定され、高速で走行中には距離測定の誤差によって車間距離に大きく影響を与えるので、正面付近の遠方でも精度の高い距離測定が必要である。このため、入射角の小さい領域において角度分解能が高い必要がある。また、追従運転９０１の広角側は狭角側と比較して、有効な追従対象は近距離に存在するため、追従運転９０１のグラフは右肩上がりの形となる。一方で、正面以外の領域に対しては追従する車両がないと考えられるので距離測定をする必要がない。
【００２５】
衝突防止する機能（衝突防止９０２）では、カーブなどを走行中でも前方の車両との距離を測定して適切な車間距離を取る必要があるため、追従運転９０１と比較して広い画角である正面周辺領域について距離を測定する必要がある。しかし、衝突する可能性のある車両は比較的近距離にあるので、追従運転９０１ほど正確な距離測定は必要ではない。また、衝突防止９０２の広角側は狭角側と比較して衝突の危険性がある対象物の存在範囲が近距離に限定されるため、衝突防止９０２のグラフは右肩上がりの形となる。そして、正面周辺領域よりもさらに広角領域についてはカーブにより衝突する可能性が考えにくいことから距離を測定する必要はない。
【００２６】
交差点などにおける走行方向が略直交する場合の衝突防止機能（衝突防止９０３）では、横方向から飛び出してくる人や車両を検知する必要があるため、できるだけ広い入射角を撮像することが必要である。しかし、衝突防止９０２と同様に衝突する可能性のある人や車両は比較的近距離にあるので、追従運転９０１ほど正確な距離測定は必要ない。ただし、衝突防止９０２とは違い、衝突防止９０３では広角側に存在する対象物であっても自車両の進路に向かうため、比較的遠方の対象物も測定する必要がある。また、交差点までの距離が一定のとき、衝突防止９０３の広角側は狭角側と比較して対象物までの距離が遠くなるため、衝突防止９０３のグラフは右肩下がりの形となる。
【００２７】
このように、実現しようとする用途によって、検知しなければならない範囲が異なる。上記の目的で車両に距離測定システムを搭載する場合、一般的に正面に対しては遠距離を、周辺方向については広い入射角での撮影が要求される傾向にある。
【００２８】
しかし、前述したように遠方まで距離測定するためには、角度分解能が必要となる。
【００２９】
次に、正面に対しては遠距離を、周辺方向については広い入射角での撮影が要求される距離測定システムに搭載するための撮像レンズとの観点で、従来の撮像レンズ（透視射影、正射影）の課題について説明する。
【００３０】
図１は、射影方式による入射角θと像高ｙとの関係を示したグラフであり、横軸が入射角θ、縦軸が像高ｙを示している。 
符号１１０で示す実線は透視射影の特性曲線、符号１２０で示す破線は正射影の特性曲線であり、各射影方式について、撮像範囲の中央である入射角θ＝０における傾き、すなわち入射角当たりの像高の変化率ｄｙ（０）／ｄθが等しくなる条件でグラフをプロットしている。
【００３１】
透視射影１１０も、正射影１２０も入射角が増加すると、像高が増加する性質を持ち、撮影半画角（最大入射角）が決められたとき、その像高は射影方式によって異なる。例えば、一般的に用いられている撮像レンズの射影方式である透視射影１１０を例に挙げると、像高ｙは前記式（１）で示される。即ち、像高ｙはｔａｎθにしたがって増大していく。したがって、画角を広く取ると、像高が高くなってしまい、これを撮像するための感光フィルムや撮像素子のサイズを大きくしなければならない。特に、透視射影１１０は、半画角θが９０°の時に像高ｙが発散してしまうため、半画角θが９０°以上になる用途では用いることができない。したがって、広画角な光学系では別の射影方式を用いる必要がある。
【００３２】
広い画角を持つレンズの射影方式の例として、公知の正射影１２０がある。正射影１２０では、像高ｙは前記式（２）の関係が成立するため、入射角θが９０°であっても、透視射影１１０と異なり像高ｙが発散することはない。
【００３３】
ところで、像を記録する手段として、撮像系の略結像位置に感光フィルムや撮像素子などを用いることができる。例として、像の光強度分布を電気信号に変換する撮像素子を利用したとして以下説明する。撮像素子にＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子を採用した場合には、入射角当たりの像高の変化率ｄｙ（θ）／ｄθは、単位入射角あたりどれだけの画素が含まれるかを示す指標となる。つまり、傾きが立ち上がっていると、単位入射角あたりに含まれる画素が多くなり、１画素あたりで細かい入射角を撮影できる、角度分解能が高い状態を示している。
【００３４】
上記を考慮して、射影方式の違いによる角度分解能の違いを比較する。図１に示すように、２つの射影方式は、中央部（入射角θ＝０度）では同じ傾きを有していても、比較的広画角側である入射角４０度付近では、正射影１２０は透視射影１１０よりも傾きｄｙ（４０）／ｄθが小さい。つまり、中央部（入射角θ＝０度）で同じ角度分解能を持っていても、広角側（入射角θ＝４０度）では正射影の角度分解能がより劣化している。
【００３５】
別の指標として、入射角θにおける１画素あたりの入射角の変化率Ｄ（θ）で評価することもできる。下記式（６）は、入射角θにおける１画素あたりの入射角の変化率を示している。
Ｄ（θ）＝１／（ｄｙ（θ）／ｄθ）      ・・・（６）
つまり、Ｄ（θ）が小さければ１画素が表現する入射角が小さいことを意味していて、分解能が高い状態を示す。図２に像高当たりの入射角の変化率Ｄを示す。
【００３６】
透視射影２１０と正射影２２０とを比較すると、Ｄ（０）は同じであるが、入射角４０度の場合のＤ（４０）では透視射影２１０よりも正射影２２０の方が大きく、１画素あたりの入射角の変化率が大きい状態であるため、広角側で角度分解能がより劣化する性質を持つことがわかる。
【００３７】
一方、像高について着目すると、一般レンズの透視射影１１０では、広角側になるほど著しく像高が高くなる（図１）ため、広角領域を撮影するためには、大きなサイズの撮像素子が必要となり、撮像素子のコストが高くなる課題と、それに合わせて光学系と撮像素子とを固定する筐体を大きくしなくてはならず、光学系が大きくなる課題がある。
【００３８】
撮像系の性能として、広い画角で撮影ができ、角度分解能が高いことが望ましいが、上記の射影方式の比較で記載したとおり、撮影画角を広くするほど、角度分解能を高くするほど撮像素子を大きくしなくてはならない。もしくは、撮像素子のサイズを制限すると角度分解能を低下させるか、撮影範囲を狭くして角度分解能と両立させることを迫られる。
【００３９】
特に車両等の対象物８００が比較的遠方にある場合（追従運転９０１）は１画素が捕らえる範囲が距離に比例して拡大するため、図７の（ｂ）のように複数の対象物８００Ａ、８００Ｂが１画素内に入射する可能性が高くなり、高い角度分解能が求められるため、従来の撮像レンズでの対応は困難であると思われた。
【００４０】
そこで発明者等は、角度分解能を高くする方法について検討した。角度分解能を高くするには、撮像素子３２０の高解像度化（撮像素子のサイズの拡大、撮像素子の画素の高密度化）を図る手法と、撮像光学系３１０の入射角と像高の関係において、単位像高さ当たりの入射角の変化率を小さくするという手法がある。しかしながら、撮像素子３２０の高解像度化は技術的・物理的な困難性、コストが増大するなどの制限がある。そこで発明者等は、角度分解能に影響をおよぼす要素である撮像光学系３１０を変化させることで正確な距離測定が必要な入射角における角度分解能を高くすることとした。  
本実施の形態に係る撮像レンズの特性について図９を用いて説明する。図９は、本実施の形態に係る撮像レンズにおける入射角θに対する像高当りの入射角の変化率Ｄ及び像高ｙとの関係の一例を示すグラフである。符号２７０が入射角の変化率を示すグラフ、符号１６０が像高を示すグラフ、符号２６１が入射角の変化率における変曲点であり、これに対応する入射角が切り替え入射角θｓである。
【００４１】
本撮像レンズは、像高当たりの入射角の変化率Ｄ（θ）の切り替え入射角θｓに対して像高ｙ（θ）が、下記の不等式（７）を満たすことを特徴とする。
１．５＜（ｙ（θｓ）／θｓ）／｛（ｙ（θｍａｘ）−ｙ（θｓ））／（θｍａｘ−θｓ）｝＜３．０      ・・・（７）
本実施の形態に係る撮像レンズを車両に搭載する用途の機器（距離測定システム等）に用いる場合、運転手の運転サポートや、自動運転で必要となる用途別の入射角ごとに要求される検知距離は中央で長く、周辺方向で短くなっている。例えば、３Ｍピクセルの解像度を有する撮像素子を用いた場合、
（ｙ（θｓ）／θｓ）／｛（ｙ（θｍａｘ）−ｙ（θｓ））／（θｍａｘ−θｓ）｝＜１．５であれば、有限な十分な画角を全画角で９０度を得ることができず、
３．０＜（ｙ（θｓ）／θｓ）／｛（ｙ（θｍａｘ）−ｙ（θｓ））／（θｍａｘ−θｓ）｝であれば、十分な角度分解能を得ることができず測定距離が不足してしまう。
【００４２】
したがって、上記不等式（７）を満たす撮像レンズであれば、入射角が小さい中央領域で測定距離が長く、入射角が大きな周辺部分では測定距離は短いが、広い範囲を撮影できる距離測定システムを提供することができる。
【００４３】
図１０は、本実施の形態に係る他の撮像レンズにおける入射角θに対する像高当りの入射角の変化率Ｄとの関係の一例を示すグラフである。符号２８０が入射角の変化率を示すグラフ、符号２６１が入射角の変化率における変曲点であり、これに対応する入射角が図９と同様に切り替え入射角θｓである。なお、θｐは０＜θｐ＜θｍａｘを満たす任意の入射角を表わす。また、符号２３０は、｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）で示される入射角の変化率を示すグラフである。
本例に係る撮像レンズは、像高当たりの画角の変化率の切り替え入射角θｓが１０°＜θｓ＜３０°であることを特徴とする。
車両に搭載する用途の機器に用いる場合、像高当たりの入射角の変化率の切り替え入射角θｓは１０°から３０°の範囲に存在している事が望ましい。運転手の運転サポートや、自動運転で必要となる用途別の入射角ごとに要求される検知距離は、１０°から３０°の領域で短めになっている。つまり、角度分解能の要求精度は比較的低い。そのため、１０°から３０°の入射角では角度分解能の精度が小さくても許容される傾向である。その領域に、角度分解能がばらつきやすい角度分解能の遷移領域を設けることで、角度分解能のばらつきを原因とする距離の算出誤差があっても、車載用距離測定システムとしての処理が破綻しにくい堅牢性がある中央で比較的長い距離を測定しつつ、広い画角を撮影できる距離測定システムを提供できる。
【００４４】
上記の構成によれば、広い画角を撮影する場合でも、撮像光学系の最大入射角近傍の単位入射角当たりの像高の変化量を確保しながら、単位入射角当たりの像高の変化量を像の周辺部よりも中央を大きくとることができる。すなわち、撮影画角の広角化と撮影範囲全体にわたり必要な角度分解能の確保を両立することが可能である。
図１１を用いて、上記特性を持ち、十分な分解能を持つレンズ設計として考慮すべき撮像レンズの構成の特徴について説明する。図１１は、実施の形態に係る撮像レンズに入射する主光線入射角度を説明するための図であり、（ａ）は各屈折面（レンズ表面）における主光線入射角度を示すグラフ、（ｂ）は撮像レンズの各屈折面の位置を説明するための図である。
【００４５】
本撮像レンズの特徴は、第１面（絞りから最も遠く、対象物に最も近い第１レンズの表面）に入射する光線が面に垂直入射となる入射角θｎをθｓ近傍になるように光学系を設計することにある。有限の角度θｓにおいて、角度分解能曲線（入射角に対する像高当りの入射角の変化率の曲線）の変曲点を持つような入射角像高特性を得るためには、この機能を持つ面を絞りからもっとも離れた位置にある第１面に持たせるのが良い。絞りから離れることで、レンズ面を通過する特定の入射角の光線束は十分細くなり、収差の影響が小さい状態で光線を所望の向きに向けることができるからである。一般的に、各種収差が小さいレンズを設計するためには、ここの屈折面の屈折角度は小さいほうが良い。本撮像レンズのような、角度分解能の変曲点θｓより内側では高倍率、外側では低倍率の光学系の場合には、第１面で高倍率側、低倍率側にバランスよく光線の屈折角度を配分することで、第１面における屈折角度の絶対値を小さくすることができる。
【００４６】
図１１（ａ）は撮像レンズの第１面から第６面（対象物に近い順に第１レンズの表面と裏面、第２レンズの表面と裏面、第３レンズの表面と裏面）までの主光線の入射角の変化を示したものである。ここに示した撮像レンズの場合、入射角度θｎ＝２５°で第１面（第１レンズの表面）に入射した光線は角度変化せず第２面（第１レンズの裏面）に入射していることがわかる。このように面を通過した際に、主光線の角度が変わらないと言うことは、面に主光線が垂直に入射していることを意味する。
【００４７】
通常のレンズは面に垂直に主光線が入射する点は軸上（中心）のみである。軸上以外に垂直入射するレンズであることがこのレンズの光学的な特徴である。屈折角の振り分けという観点では垂直入射点の主光線入射角θｎは角度分解能曲線の変曲点の角度θｓと略等しく設定するのが好ましい。
【００４８】
以下、本発明について実施例により説明する。
【実施例１】
【００４９】
本発明の第１の実施例に係る、上記のような光学特性を具備する撮像レンズのレンズ構成について図１２を用いて説明する。このレンズは２枚の非球面レンズ７２０、７３０及び球面レンズ群７４０で構成されている。なお、実施の形態に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。【００５０】
この撮像レンズの構成の詳細を表１に示す。なお、第１面および、第３面が非球面表面となっており、非球面レンズのパラメータは表１の次に示す式のとおりである。また屈折率．アッベ数欄の数字は小数点以上が屈折率の小数点６桁分、小数点以下がアッベ数を１／１００した数字である。一例を示せば、５８９１００．６１は屈折率１．５８９１００、アッベ数６１．０００である材料である。【００５１】
【表１】
2016121550.tif 000003
【００５２】
レンズ入射第１面７１０に入射した光線は、光線入射側の２枚の非球面レンズ７２０、７３０により所望の像高と入射角の関係が得られるように光線が導かれ、後群の球面レンズ群７４０によりセンサー７５０の上に像を結像する。十分収差補正された像を得るためには、前群の非球面レンズ７２０、７３０により滑らかに変化する物体の虚像が得られている必要があるが、本実施例の入射角と像高との関係と、滑らかな物体虚像を得るためには２枚の非球面レンズが必要になる。【００５３】
これらのレンズ、光学部品は鏡筒、スペーサなどを用いて位置決めされた上で固定される。振動や外的な衝撃で光学部品の位置がずれないように、金属や適度な剛性を有する材質でできていることが望ましい。【００５４】
図１２及び表１に示す構成とすることにより、正面に対しては遠距離撮影が、周辺方向については広い入射角での撮影ができる撮像レンズを提供することができる。【００５５】
また、本実施例に係る撮像レンズを撮像装置に搭載することにより、正面に対しては遠距離撮影が、周辺方向については広い入射角での撮影ができる。また、本実施例に係る撮像レンズを搭載したステレオカメラ、或いは２つ以上の撮像装置を図３に示す距離測定システムに適用することにより、正面に対しては角度分解能が高い遠距離計測が、周辺方向については広い入射角において近距離計測が可能となる。この距離測定システムを車に取り付けることにより、前方の車両に自動的に追従する機能、カーブや交差点における衝突防止する機能を実現することが可能となる。【００５６】
以上、本実施例によれば、撮影画角の広角化と撮影範囲全体にわたり必要な角度分解能の確保とを両立できる撮像レンズ及びそれを用いた撮像装置並びに距離測定システムを提供することができる。
【実施例２】
【００５７】
図１３を用いて、本発明の第２の実施例に係る撮像レンズのレンズ構成について説明する。第１の実施例に赤外線を吸収するためのＩＲフィルター７６０をレンズ射出面に追加した構成例である。なお、実施の形態に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。
この撮像レンズ構成の詳細を表２に示す。なお、第１面および、第３面が非球面表面となっている。【００５８】
【表２】
2016121550.tif 000004
【００５９】
この表で、面番号１８―１９が追加したＩＲフィルターに相当する。【００６０】
図１３及び表２に示す構成とすることにより、赤外線をカットした光を用いて、正面に対しては角度分解能が高い遠距離撮影が、周辺方向については広い入射角での撮影ができる撮像レンズを提供することができる。【００６１】
また、本実施例に係る撮像レンズを撮像装置に搭載することにより、赤外線をカットした光を用いて、正面に対しては角度分解能が高い遠距離撮影が、周辺方向については広い入射角での撮影ができる。また、本撮像レンズを搭載したステレオカメラ、或いは２つ以上の撮像装置を図３に示す距離測定システムに適用することにより、赤外線をカットした光を用いて、正面に対しては角度分解能が高い遠距離計測が、周辺方向については広い入射角において近距離計測が可能となる。この距離測定システムを車に取り付けることにより、前方の車両に自動的に追従する機能、カーブや交差点における衝突防止する機能を実現することが可能となる。【００６２】
以上、本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、赤外線をカットした光を用いた撮影をすることができる。
【実施例３】
【００６３】
図１４を用いて、本発明の第３の実施例に係る撮像レンズのレンズ構成を説明する。本発明に係る撮像レンズでは入射角像高の関係を得るために符号７２０、符号７３０で示す２枚の非球面レンズを用いているが、さらに距離の測定精度を上げるためには、収差を小さくする必要がある。そのため、符号７２０、符号７３０で示すレンズを両面非球面にした場合の実施例である。なお、実施の形態に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。
この撮像レンズ構成の詳細を表３に示す。【００６４】
【表３】
2016121550.tif 000005
【００６５】
第１面、第２面、第３面、第４面が非球面表面である。図１５は第１の実施例と第３の実施例のレンズのコ空間周波数伝達関数（ＭＴＦ）を示す。横軸が空間周波数であり、縦軸はコントラスト（ＭＴＦの振幅）である。グラフでは０度から６０度迄の角度範囲において、１０度おきのサジタル方向、メリディオナル方向のＭＴＦをそれぞれ示している。図１５（ａ）が第１の実施例（片面非球面レンズ）、図１５（ｂ）が両面非球面レンズの結果である。片面非球面（図１５（ａ））の場合は変曲点θｓ（ここでは２０°）近くの角度でＭＴＦの振幅が小さくなっている。一方、両面非球面（図１５（ｂ））では、θｓ（２０°）近傍でも良好なＭＴＦ振幅を維持している。【００６６】
図１６には第１の実施例のレンズと第３の実施例のレンズの像面湾曲を示す。片面非球面レンズ（図１６（ａ））の場合にはθｓ（２０度）近傍の１０〜２０度の領域で像面が大きくうねっていることがわかるが、両面非球面レンズ（図１６（ｂ））の場合にはこのうねりの振幅は１／３以下となっていることがわかる。【００６７】
図１４及び表３に示す構成とすることにより、正面に対しては角度分解能が高い遠距離撮影が、周辺方向については広い入射角での撮影ができる撮像レンズを提供することができる。また、２枚の非球面レンズの両面を非球面とすることにより収差を小さくすることができる。【００６８】
また、本実施例に係る撮像レンズを撮像装置に搭載することにより、正面に対しては角度分解能が高い遠距離撮影が、周辺方向については広い入射角での撮影ができる。また、本撮像レンズを搭載したステレオカメラ、或いは２つ以上の撮像装置を図３に示す距離測定システムに適用することにより、正面に対しては角度分解能が高い遠距離計測が、周辺方向については広い入射角において近距離計測が可能となる。また、２枚の非球面レンズの両面を非球面とすることにより収差を小さくすることができ、距離の測定精度を上げることができる。この距離測定システムを車に取り付けることにより、前方の車両に自動的に追従する機能、カーブや交差点における衝突防止する機能を実現することが可能となる。【００６９】
以上、本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、２枚の非球面レンズの両面を非球面とすることにより収差を小さくすることができ、距離測定システムにおいて、距離の測定精度を上げることができる。
【実施例４】
【００７０】
図１７を用いて、本発明の第４の実施例に係る撮像レンズのレンズ構成を説明する。本発明の実施例に係る撮像レンズは入射面の２枚の非球面レンズで大部分が特性付けられる。したがって、それ以降の後群のレンズ構成については、既存の撮像レンズ７７０の構成を用いることができる。画角としては、第１非球面レンズ７２０の画角の１／３程度の画角を持つ既存の撮像レンズを流用して設計できる。この後群レンズの画角としては、３０〜４０度程度になるためカメラ用の標準レンズのレンズ構成が適当である。図１７は標準レンズの構成として多用されるガウス型レンズを後群として用いた場合の構成例である。この撮像レンズの構成例を表４に示す。【００７１】
【表４】
2016121550.tif 000006
【００７２】
この構成例では、５面以降がガウス型となっている。【００７３】
図１７及び表４に示す構成とすることにより、正面に対しては角度分解能が高い遠距離撮影が、周辺方向については広い入射角での撮影ができる撮像レンズを提供することができる。また、２枚の非球面レンズの両面を非球面とすることにより収差を小さくすることができる。更に、２枚の非球面レンズと既存の後群レンズとを組み合わせて撮像レンズを作製することができる。【００７４】
また、本実施例に係る撮像レンズを撮像装置に搭載することにより、正面に対しては角度分解能が高い遠距離撮影が、周辺方向については広い入射角での撮影ができる。また、本撮像レンズを搭載したステレオカメラ、或いは２つ以上の撮像装置を距離測定システムに適用することにより、正面に対しては角度分解能が高い遠距離計測が、周辺方向については広い入射角において近距離計測が可能となる。また、２枚の非球面レンズの両面を非球面とすることにより収差を小さくすることができ、距離の測定精度を上げることができる。この距離測定システムを車に取り付けることにより、前方の車両に自動的に追従する機能、カーブや交差点における衝突防止する機能を実現することが可能となる。【００７５】
以上、本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、２枚の非球面レンズと既存の後群レンズとを組み合わせて撮像レンズを作製することができる。また、２枚の非球面レンズの両面を非球面とすることにより収差を小さくすることができ、距離測定システムにおいて、距離の測定精度を上げることができる。
【実施例５】
【００７６】
図１８は、本発明の第５の実施例に係る撮像装置の一例である。なお、実施の形態や第１から第４の実施例のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。【００７７】
本実施例は、前記第１から第４の実施例のいずれかに記載の撮像光学系３１０と、撮像素子３２０と、鏡筒９００とから構成される撮像手段３００を備えた撮像装置である。本構成の撮像装置であれば、有限の大きさを持つ撮像素子を用いて、広い画角と解像度の両立を図った撮像装置を提供できる。必要に応じて、映像のゆがみ補正や、明るさ、色を補正などの機能を有する映像処理部を搭載していても良い。【００７８】
広い画角を持っていながら高い解像度を実現できるので、ゆがみが発生する広角領域の映像に対して、撮像素子３２から得られる映像データを元に引き伸ばしてゆがみを補正する処理を加えても、画像の劣化を抑えることができる撮像装置を提供できる。【００７９】
また、図１８に示す撮像装置を２つ用いて図３に示す距離測定システムに適用することにより、正面に対しては角度分解能が高い遠距離計測が、周辺方向については広い入射角において近距離計測が可能となる。また、この距離測定システムを車に取り付けることにより、前方の車両に自動的に追従する機能、カーブや交差点における衝突防止する機能を実現することが可能となる。【００８０】
以上、本実施例によれば、撮影画角の広角化と撮影範囲全体にわたり必要な角度分解能の確保とを両立できる撮像レンズを用いた撮像装置及び距離測定システムを提供することができる。【００８１】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００８２】
１１０…透視射影（通常レンズ）、１２０…正射影、１６０…像高、２１０…透視射影の入射角の変化率、２２０…正射影の入射角の変化率、２３０…｛（Ｄ（θｍａｘ）−Ｄ（０））／θｍａｘθ｝θｐ＋Ｄ（０）で示される入射角の変化率、２６１…変曲点、２７０…入射角の変化率、２８０…入射角の変化率、３００…撮影手段、３１０…撮像光学系、３２０…撮像素子、３２１…画素、４００…映像処理部、５００…距離計算部、６００…筐体、７１０…レンズ入射第１面、７２０…第１非球面レンズ、７３０…第２非球面レンズ、７４０…球面レンズ群、７５０…センサー表面、７６０…ＩＲフィルター、７７０…ガウス型レンズ、８００…対象物、８１０Ａ…撮像素子３２０Ａに結像した対象物の位置、８１０Ｂ…撮像素子３２０Ｂに結像した対象物の位置、９００…鏡筒、９０１…追従運転のために要求される入射角と角度分解の関係、９０２…衝突防止（カーブ）のために要求される入射角と角度分解の関係、９０３…衝突防止（交差点）のために要求される入射角と角度分解の関係。
【図１】
2016121550.tif 000007
【図２】
2016121550.tif 000008
【図３】
2016121550.tif 000009
【図４】
2016121550.tif 000010
【図５】
2016121550.tif 000011
【図６】
2016121550.tif 000012
【図７】
2016121550.tif 000013
【図８】
2016121550.tif 000014
【図９】
2016121550.tif 000015
【図１０】
2016121550.tif 000016
【図１１】
2016121550.tif 000017
【図１２】
2016121550.tif 000018
【図１３】
2016121550.tif 000019
【図１４】
2016121550.tif 000020
【図１５】
2016121550.tif 000021
【図１６】
2016121550.tif 000022
【図１７】
2016121550.tif 000023
【図１８】
2016121550.tif 000024
【国際調査報告】
2016121550.tif 000025
2016121550.tif 000026
2016121550.tif 000027
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