(57)【要約】【課題】撮影レンズによる外部空間を撮影するための画角を広げることができるとともに、小型化された付着物検出光学系及び観察装置を提供する。【解決手段】ウィンドシールド２０を介して外部空間を撮影する撮影レンズ７と組み合わされて、ウィンドシールド２０の外表面２０ａの像を結像する付着物検出光学系６は、光源１からの光を略平行光束にしてウィンドシールド２０の外表面２０ａに照射するプリズムブロック２と、外表面２０ａで反射した略平行光束を撮影レンズ７に導くとともに、この撮影レンズ７の入射瞳に外表面２０ａの像を結像させる反射面を有する第１〜第３のミラー３〜５と、を有し、反射面のうちの少なくとも１面は回転非対称な曲面で構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウィンドシールドを介して外部空間を撮影する撮影レンズと組み合わされて、前記ウィンドシールドの外表面の像を結像する付着物検出光学系であって、
光源からの光を略平行光束にして前記ウィンドシールドの前記外表面に照射するコリメータレンズと、
前記ウィンドシールドの前記外表面で反射した前記略平行光束を前記撮影レンズに導くとともに、前記撮影レンズの入射瞳に前記外表面の像を結像させる反射面を有する反射部材と、を有し、
前記反射面のうちの少なくとも１面は回転非対称な曲面で構成されることを特徴とする付着物検出光学系。
【請求項２】
前記回転非対称な曲面は、自由曲面であることを特徴とする請求項１に記載の付着物検出光学系。
【請求項３】
前記反射面は、前記ウィンドシールドの前記外表面で反射された前記光を反射する第１の反射面と、前記第１の反射面で反射された前記光を反射する第２の反射面と、前記第２の反射面で反射された前記光を反射して前記撮像素子に導く第３の反射面と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の付着物検出光学系。
【請求項４】
前記第２の反射面は前記回転非対称な曲面であって、前記外表面で反射された光を集光して前記撮像素子の前記入射瞳に結像するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の付着物検出光学系。
【請求項５】
前記反射面は、三次元の軸のそれぞれに対して所定の角度回転させることで傾けて配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の付着物検出光学系。
【請求項６】
前記反射面は、側面視において、前記撮像素子の下方に配置され、
前記撮像素子の光軸が延びる方向をＺ軸とし、当該Ｚ軸に直交する面内において水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸としたとき、
前記第１の反射面の光軸上の頂点から延びる前記Ｘ軸を中心に当該第１の反射面を回転させた回転角度をα１とし、前記第２の反射面の光軸上の頂点から延びる前記Ｘ軸を中心に当該第２の反射面を回転させた回転角度をα２とし、前記第３の反射面の光軸上の頂点から延びる前記Ｘ軸を中心に当該第３の反射面を回転させた回転角度をα３としたとき、次式
２６．３°  ≦  α１  ≦    ３４．５°
−２２．６°  ≦  α２  ≦  −１９．８°
−１２．１°  ≦  α３  ≦    １３．８°
の条件を満足することを特徴とする請求項３〜５いずれか一項に記載の付着物検出光学系。
【請求項７】
前記コリメータレンズは、前記ウィンドシールドに取り付けられ、前記略平行光束を前記外表面に導くとともに、当該外表面で反射した前記略平行光束を前記反射面に導くプリズムブロックであることを特徴とする請求項１〜６いずれか一項に記載の付着物検出光学系。
【請求項８】
前記プリズムブロックの前記撮影レンズの物体側に位置する部分は、当該撮影レンズの画角を遮らないように面取りされていることを特徴とする請求項７に記載の付着物検出光学系。
【請求項９】
前記プリズムブロックから出射して前記撮影レンズに入射する光束が結像する領域が、前方認識領域から前記撮影レンズに入射する光束が結像する領域から分離されるように、前記プリズムブロックの前記光束が射出する射出面が面取りされていることを特徴する請求項７または８に記載の付着物検出光学系。
【請求項１０】
前記プリズムブロックは、近赤外から赤外までの光を透過するように構成されたことを特徴する請求項７〜９に記載の付着物検出光学系。
【請求項１１】
前記撮影レンズの前方の前記反射面からの光を遮らない位置であって、当該撮影レンズの前方から入射する光束が通過する位置に、近赤外から赤外までの光をカットする赤外カットフィルタが配置されていることを特徴とする請求項１〜１０いずれか一項に記載の付着物検出光学系。
【請求項１２】
前記ウィンドシールドを介して前記外部空間を撮像する前記撮影レンズと、
前記ウィンドシールドの外表面の像を前記撮影レンズの入射瞳に結像する請求項１〜１１いずれか一項に記載の付着物検出光学系と、
前記撮影レンズで結像された像を検出する撮像素子と、を有することを特徴とする観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、付着物検出光学系及び観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載用の観察装置を、ウィンドシールドの外部空間及びウィンドシールドの外表面の観察に同時に使用することにより、外部空間及びウィンドシールドに付着した雨滴などの付着物を検出するように構成した装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０５２２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような付着物検出光学系は、ウィンドシールドの外表面からの光を撮像レンズに導くための光路が複雑になるため、小型化することが難しく、そのため、この付着物検出光学系を有する観察装置を小型化することも難しいという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、撮影レンズによる外部空間を撮影するための画角を広げることができるとともに、小型化された付着物検出光学系及び観察装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る付着物検出光学系は、ウィンドシールドを介して外部空間を撮影する撮影レンズと組み合わされて、ウィンドシールドの外表面の像を結像する付着物検出光学系であって、光源からの光を略平行光束にしてウィンドシールドの外表面に照射するコリメータレンズと、ウィンドシールドの外表面で反射した略平行光束を撮影レンズに導くとともに、この撮影レンズの入射瞳に外表面の像を結像させる反射面を有する反射部材と、を有し、反射面のうちの少なくとも１面は回転非対称な曲面で構成されることを特徴とする。
【０００７】
このような付着物検出光学系において、回転非対称な曲面は、自由曲面であることが好ましい。
【０００８】
また、このような付着物検出光学系において、反射面は、ウィンドシールドの外表面で反射された光を反射する第１の反射面と、この第１の反射面で反射された光を反射する第２の反射面と、この第２の反射面で反射された光を反射して撮像素子に導く第３の反射面と、を有することが好ましい。
【０００９】
このとき、第２の反射面は回転非対称な曲面であって、外表面で反射された光を集光して撮像素子の入射瞳に結像するように構成されることが好ましい。
【００１０】
また、反射面は、三次元の軸のそれぞれに対して所定の角度回転させることで傾けて配置されていることが好ましい。
【００１１】
また、反射面は、側面視において、撮像素子の下方に配置され、撮像素子の光軸が延びる方向をＺ軸とし、当該Ｚ軸に直交する面内において水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸としたとき、第１の反射面の光軸上の頂点から延びるＸ軸を中心に当該第１の反射面を回転させた回転角度をα１とし、第２の反射面の光軸上の頂点から延びるＸ軸を中心に当該第２の反射面を回転させた回転角度をα２とし、第３の反射面の光軸上の頂点から延びるＸ軸を中心に当該第３の反射面を回転させた回転角度をα３としたとき、次式
２６．３°  ≦  α１  ≦    ３４．５°
−２２．６°  ≦  α２  ≦  −１９．８°
−１２．１°  ≦  α３  ≦    １３．８°
の条件を満足することが好ましい。
【００１２】
また、このような付着物検出光学系において、コリメータレンズは、ウィンドシールドに取り付けられ、略平行光束を外表面に導くとともに、当該外表面で反射した略平行光束を反射面に導くプリズムブロックであることが好ましい。
【００１３】
このとき、プリズムブロックの撮影レンズの物体側に位置する部分は、当該撮影レンズの画角を遮らないように面取りされていることが好ましい。
【００１４】
また、プリズムブロックから出射して撮影レンズに入射する光束が結像する領域が、前方認識領域から撮影レンズに入射するの光束が結像する領域から分離されるように、プリズムブロックの前記光束が射出する射出面が面取りされていることが好ましい。
【００１５】
また、プリズムブロックは、近赤外光から赤外光までの波長帯の光を透過するように構成されることが好ましい。
【００１６】
また、このような付着物検出光学系は、撮影レンズの前方の反射面からの光を遮らない位置であって、当該撮影レンズの前方から入射する光束が通過する位置に、近赤外から赤外の光をカットする赤外カットフィルタが配置されていることが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る観察装置は、ウィンドシールドを介して外部空間を撮像する撮影レンズと、ウィンドシールドの外表面の像を撮影レンズの入射瞳に結像する上述の付着物検出光学系のいずれかと、撮影レンズで結像された像を検出する撮像素子と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る付着物検出光学系及び観察装置を以上のように構成すると、撮影レンズによる外部空間を撮影するための画角を広げることができるとともに、付着物検出光学系及び観察装置の小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】観察装置の光学系の構成を示す斜視図である。
【図２】観察装置の光学系の構成を示す側面図である。
【図３】ウィンドシールドを介して見た観察装置の光学系の説明図である。
【図４】プリズムブロックの形状と撮像レンズの画角との関係を示す説明図であって、（ａ）は面取りした場合を示し、（ｂ）は面取りしていない場合を示す。
【図５】鏡筒と付着物検出光学系の光束との関係を示す説明図であって、（ａ）は面取りした場合を示し、（ｂ）は面取りしていない場合を示す。
【図６】観察装置の光学系に入射する前方認識領域からの光束と付着物検出光学系からの光束との関係を示す説明図である。
【図７】撮影レンズのイメージサークル径内の前方認識領域と付着物検出領域との関係を示す説明図である。
【図８】第１〜第３の実施例に用いられる撮影レンズを示す説明図である。
【図９】第１の実施例に係る観察装置の光学系の構成を示す説明図である。
【図１０】第１の実施例に係る観察装置の光学系の第１の収差図である。
【図１１】第１の実施例に係る観察装置の光学系の第２の収差図である。
【図１２】第１の実施例に係る観察装置の光学系の第３の収差図である。
【図１３】第１の実施例に係る観察装置の光学系の第４の収差図である。
【図１４】第１の実施例における撮影レンズのイメージサークル径内の状態を示す説明図である。
【図１５】第２の実施例に係る観察装置の光学系の構成を示す説明図である。
【図１６】第２の実施例に係る観察装置の光学系の第１の収差図である。
【図１７】第２の実施例に係る観察装置の光学系の第２の収差図である。
【図１８】第２の実施例に係る観察装置の光学系の第３の収差図である。
【図１９】第２の実施例に係る観察装置の光学系の第４の収差図である。
【図２０】第２の実施例における撮影レンズのイメージサークル径内の状態を示す説明図である。
【図２１】第３の実施例に係る観察装置の光学系の構成を示す説明図である。
【図２２】第３の実施例に係る観察装置の光学系の第１の収差図である。
【図２３】第３の実施例に係る観察装置の光学系の第２の収差図である。
【図２４】第３の実施例に係る観察装置の光学系の第３の収差図である。
【図２５】第３の実施例に係る観察装置の光学系の第４の収差図である。
【図２６】第３の実施例における撮影レンズのイメージサークル径内の状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１及び図２を用いて、ウィンドシールドの外表面を観察するための付着物検出光学系を有する観察装置の構成について説明する。この観察装置１０は、自動車のフロントウィンドウ等のウィンドシールド２０の車内側に取り付けられ、このウィンドシールド２０の外部の空間を観察するものであり、ウィンドシールド２０を通して外部空間の像を撮像素子８の撮像面に結像する撮影レンズ７と、光源１からの所定の波長の光（例えば赤外光）をウィンドシールド２０に照射してこのウィンドシールド２０の外表面（付着物検出エリア２０ａ）の像を、撮影レンズ７を介して撮像素子８の撮像面の一部に結像する付着物検出光学系６と、から構成される。このような観察装置に用いられる撮影レンズ７としては広角レンズが用いられるのが良い。
【００２１】
付着物検出光学系６は、ＬＥＤ等で構成される光源１の光を略平行光束に変換してウィンドシールド２０に照射するコリメータレンズとしてのプリズムブロック２と、ウィンドシールド２０の外表面（付着物検出エリア２０ａ）で反射した光を撮影レンズ７と干渉しない方向に反射する反射面を有する反射部材である第１のミラー３と、第１のミラー３で反射した光を反射するとともに、ウィンドシールド２０の外表面の像を撮影レンズ７の入射瞳の位置に結像させる非軸対称形状の反射面を有する反射部材である第２のミラー４と、主に結像位置を調整するために第２のミラー４で反射した光を反射して撮影レンズ７に導く反射面を有する反射部材である第３のミラー５と、から構成される。ここで、プリズムブロック２は、光源１に対向する面２ａが光源１側に凸形状となっており、その焦点と略一致するように光源１が配置されている。また、凸面２ａで集光されて射出する面２ｂは、透明シート３０を介してウィンドシールド２０の内側面に接着されている。さらに、この付着物検出光学系６をコンパクトにするために、第１のミラー３、第２のミラー４及び第３のミラー５は三次元に偏心して配置されている。すなわち、これらのミラー３〜５の反射面は、三次元の軸のそれぞれに対して所定の角度だけ回転させることで傾けて配置されている。
【００２２】
付着物検出光学系６を以上のように構成すると、光源１から放射されプリズムブロック２の凸面２ａから入射した光は略平行光束になって接着面２ｂから出射し、透明シート３０を透過してウィンドシールド２０に照射される。このような略平行光束によりウィンドシールド２０の付着物検出エリア２０ａ内の全ての領域を均等に照明することができるので、均等な情報を取得することができる。また、ウィンドシールド２０を構成する光学部材（例えばガラス）の屈折率に比べてこのウィンドシールド２０の外部空間の屈折率（通常、空気の屈折率）が小さいため、このウィンドシールド２０の外表面（付着物検出エリア２０ａ）と外部空間との境界面で光源１からの光は全反射して、再び透明シート３０を透過して接着面２ｂからプリズムブロック２に入射し、射出面２ｃから出射して第１のミラー３に入射する。そして、第１のミラー３、第２のミラー４及び第３のミラー５の順で反射されて撮影レンズ７に導かれ、この撮影レンズ７によりウィンドシールド２０の像（ウィンドシールド２０と外部空間との境界面である付着物検出エリア２０ａの像）が結像され撮像素子８により検出される。
【００２３】
ここで、ウィンドシールド２０を構成する光学部材の屈折率を仮にｎ＝１．５とした場合、全反射をする臨界角は４１．８°である。実際、自動車のフロントウィンドウは、屈折率がｎ＝１．５程度であるので、図１の場合では４５°の入射角にしている。この入射角は臨界角以上が必要であるが、あまり大きな角度だとプリズムブロック２の寸法が大きくなり過ぎる等の影響が出るため、４５°程度が適当である。
【００２４】
このようなウィンドシールド２０の外表面の付着物検出エリア２０ａに例えば降雨により雨滴が付着すると、ウィンドシールド２０の屈折率と雨滴（水）の屈折率との差がウィンドシールド２０と空気との屈折率の差より小さくなり、外表面の平面性も悪化するため、付着物検出エリア２０ａにおいて雨滴が付着している部分では照明光の一部がこの付着物検出エリア２０ａで正反射せずに透過又は乱反射してしまう。これにより、付着物検出光学系６及び撮影レンズ７でウィンドシールド２０の外表面（付着物検出エリア２０ａ）の像を結像することにより、この画像を用いて雨滴が付着しているか否かを検出することができる。
【００２５】
ここで、本実施形態に係る観察装置１０は、ウィンドシールド２０を介して撮影レンズ７により外部空間（自動車の前方）の像を撮像するものであるため、撮影レンズ７の画角は１３０°を超える広い画角であることが望ましい。また、一般的な自動車のウィンドシールドに取り付けることを考慮すると、撮影レンズ７の光軸とウィンドシールド２０とのなす角度θは、次の条件式（１）を満足することが望ましい。
【００２６】
２５°  ≦  θ  ≦  ３０°                        （１）
【００２７】
また、この観察装置１０のウィンドシールド２０での取付位置は、一般的には自動車のフロントウィンドウの上部であり、撮影レンズ７の視野に含まれない位置に光源１からの照明光を照射することを考えると、図１及び図２に示すように、プリズムブロック２は側面視において、撮影レンズ７の上方に配置され、第１〜第３のミラー３〜５は撮影レンズ７の下方に配置されることになる。そして、上記条件式（１）を満足するためには、各ミラー３〜５の偏心角度を調整する必要がある。今、撮影レンズ７の光軸と最も物体側の面との交点（最も物体側の面の頂点）を原点とし、光軸方向をＺ軸とし、この光軸と直交する面の水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸として定義すると、各ミラー３〜５の光軸上の頂点から延びるＸ軸を中心に各ミラー３〜５を回転させたときの回転角度α１，α２，α３は、次の条件式（２）を満足することが望ましい。
【００２８】
２６．３°  ≦  α１  ≦    ３４．５°
−２２．６°  ≦  α２  ≦  −１９．８°          （２）
−１２．１°  ≦  α３  ≦    １３．８°
【００２９】
また、３つのミラー３〜５のうち、少なくとも一つは回転非対称な曲面（例えば、自由曲面）であることが望ましく、付着物検出光学系６をコンパクトにするためには、上述のように第２のミラー４を回転非対称な曲面にすることが望ましい。第２のミラー４から第３のミラー５を経て撮影レンズ７の入射瞳位置までの光路長が、付着物検出光学系６の焦点距離になることが好ましいためである。また、回転非対称な曲面を自由曲面とすることで、収差の補正を行うこともできる。
【００３０】
また、付着物検出光学系６は、第１〜第３の反射面３〜５の合成の焦点距離をｆとすると、次の条件式（３）を満足することが望ましい。
【００３１】
３０  ≦  ｆ  ≦  ３５                            （３）
【００３２】
この条件式（３）の条件値を上回ると、光路長が長くなることで付着物検出光学系６が大きくなり、観察装置１０の小型化に向かないためのである。反対にこの条件式（３）の下限値を下回ると、第１〜第３のミラー３〜５のいずれかが他のミラーと干渉するなどして、付着物検出光学系６を適切に構成することができなくなるためである。
【００３３】
また、付着物検出光学系６によるウィンドシールド２０に対する付着物の検出は近赤外〜赤外光が用いられるため、光源１は近赤外から赤外までの光を放射するものが望ましく、プリズムブロック２はこれらの波長の光を透過する光学材料で形成されていることが望ましい。また、プリズムブロック２は樹脂成形物であることが望ましい。付着物検出光学系６の全体を一体で樹脂成形すれば、低コスト化と小型化を両立させることができるからである。このとき、撮影レンズ７の物体側で、第３のミラー５で反射されて撮影レンズ７に入射する光と干渉しない位置に赤外カットフィルタを配置することにより、ウィンドシールド２０の外部空間から入射する近赤外から赤外までの光を遮断することができるので、迷光を防いで付着物検出光学系６による像だけを結像させることができ、付着物の検出精度を向上させることができる。
【００３４】
また、第１〜第３のミラー３〜５の反射面には、金属薄膜が形成されていることが望ましい。上述のようにプリズムブロック２を含む付着物検出光学系６の全体を一体で樹脂成形し、第１〜第３のミラー３〜５の反射面に相当する部分のみに金属薄膜を形成すれば良いので、低コスト・小型化が可能になる。また、プリズムでなくミラーにすることで軽量化させることができる。
【００３５】
また、ウィンドシールド２０にプリズムブロック２を接着するための透明シート３０はシリコン樹脂でできているものが望ましい。温度変化に十分対応できるためである。
【００３６】
また、このような付着物検出光学系６は、図３に示すように、撮影レンズ７から見て、左右２組備える方が望ましい。このとき、左右の付着物検出光学系６Ｌ，６Ｒの一部の部材を一体に構成することも可能である。例えば、図３に示す構成の場合、光源１Ｌ，１Ｒ、プリズムブロック２Ｌ，２Ｒ、第１のミラー３Ｌ，３Ｒ及び第２のミラー４Ｌ，４Ｒはそれぞれ２組設けているが、第３のミラー５は左右の付着物検出光学系６Ｌ，６Ｒで共通の部材として構成している。
【００３７】
以上のように、ウィンドシールド２０を介して車内から外部空間を撮像する観察装置１０に付着物検出光学系６を加えることによりウィンドシールド２０の外表面に付着した異物や雨滴を検出することが可能となる。このとき、付着物検出光学系６において３枚のミラー３〜５によりリレーされる光路を確保しなければならないため、付着物検出エリア２０ａを撮影レンズ７の左右若しくは前方に配置する必要である。この配置方法は外部空間の撮影において、左右方向の撮影画角を大きく取ることができなくなる。
【００３８】
本実施形態に係る観察装置１０は、外部空間を撮像するためにその中心部に撮影レンズ７を備えており、その左右に付着物検出エリア２０ａ（プリズムブロック２の接着面２ｂ）が形成されている。図４（ｂ）に示す観察装置１０′のように、ウィンドシールド２０側から見たプリズムブロック２′の形状、すなわち、接着面２ｂ′の形状を長方形にすると、この左右の接着面２ｂ′と撮影レンズ７及びプリズムブロック２′を保持する保持部材９′の厚みを考慮すると、撮影画角は１００°までしか確保することができない。
【００３９】
そのため、本実施形態に係る観察装置１０においては、図４（ａ）に示すように、プリズムブロック２の撮影レンズ７側（内側）の角部分において、左右Ｃ５程度の面取りを行い第１の面取り面２ｄを形成する。このように構成することにより、保持部材９の厚みを考慮しても撮影画角を１３０°程度まで確保することができる。すなわち、プリズムブロック２の撮影レンズ７側の面取りを行うことにより、撮影レンズ７の画角をおよそ３０°広げることができる。ここで、撮影レンズ７の鏡筒４０と、プリズムブロック２の面取りをした場合の付着物検出光学系６の光路エリア５０及び面取りをしなかった場合の光路エリア５０′の関係を図５に示す。この図５において、プリズムブロック２の面取りを行った場合の左右の光路エリア５０間の距離をＡとし、鏡筒４０と光路エリア５０間の上下方向の距離をＣとし、プリズムブロック２の面取りを行わなかった場合の左右の光路エリア５０′間の距離をＢとし、鏡筒４０と光路エリア５０′間の上下方向の距離をＤとすると、左右光路エリア間の距離はＡ＜Ｂとすることができ、また、鏡筒と光路エリア間の距離はＣ＜Ｄとすることができる。すなわち、この観察装置１０の全体構成を小型化することができる。
【００４０】
また、図６に示すように、本実施形態に係る観察装置１０は、プリズムブロック２の下方に第１〜第３のミラー３〜５を配置することにより、撮影レンズ７の下方から付着物検出光学系６の光束７０が入射するように構成されている。また、図４（ａ）に示す保持部材９等により、撮影レンズ７の前方認識のための光束６０は、下方の視野が制限され、上方に広がるように構成されている。また、図４（ａ）に示すように、付着物検出光学系６を構成するプリズムブロック２の撮影レンズ７と反対側（外側）の角部分において面取りを行い第２の面取り面２ｅを形成されている。これにより、射出面２ｃの対応する部分が面取りされる。そのため、撮像素子８の撮像面上のイメージサークル８０において、付着物検出光学系６の光束７０により形成される付着物検出領域７１は、上方側の角７１ｂが面取りされた形状となり、そのため、この付着物検出領域７１の上方に位置する前方認識のための光束６０により形成される前方認識領域６１と分離させることができる。これにより、各領域６１，７１のコントラストを落とすことなく結像させることができる。なお、付着物検出領域７１の内側の角７１ａは、上述の第１の面取り部２ｄに対応した形状となっている。
【実施例】
【００４１】
以下に、本実施の形態に係る観察装置１０の３つの実施例を示すが、第２のミラー４は回転非対称なパワーを有する自由曲面形状で構成されている。各実施例に示す自由曲面形状は、この自由曲面の光軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する面において互いに直交する方向をＸ軸、Ｙ軸とすると、以下に示す式（ａ）で表される。なお、この式（ａ）において、ｚは、自由曲面の頂点の接平面上の座標（ｘ，ｙ）におけるこの接平面から光軸に沿った距離である。また、ｃは曲率を示し（曲率半径（頂点曲率半径）をｒとするとｃ＝１／ｒ）、ｋはコーニック係数を示し、Ｃm,nはｍ次のｘ及びｎ次のｙの積の項の係数を示す。
【００４２】
【数１】
2012008360.tif 000003
【００４３】
また、各実施例において、非球面は、光軸に垂直な方向の高さをｙとし、高さｙにおける各非球面の頂点の接平面から各非球面までの光軸に沿った距離（サグ量）をｚとし、基準球面の曲率をｃ（曲率半径（頂点曲率半径）をｒとするとｃ＝１／ｒ）とし、コーニック係数をｋとし、ｎ次の非球面係数をＡnとしたとき、以下の式（ｂ）で表される。なお、以降の実施例において、「Ｅ−ｎ」は「×１０-n」を示す。
【００４４】
【数２】
2012008360.tif 000004
【００４５】
なお、第１〜第３の実施例に用いられる撮影レンズ７は同一の使用を有しており、図８に示すように、物体側から順に、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ２と、両凸レンズＬ３と、開口絞りＳと、両凸レンズＬ４と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５と、から構成される。また、この撮影レンズ７の焦点距離は１．５７ｍｍ、画角は１５０°、Ｆナンバーは２．０である。
【００４６】
［第１実施例］
まず、第１実施例として図９に示す観察装置１００の光学系について説明する。この図９に示す第１実施例に係る観察装置１００の光学系の構成は、上述の図１及び図２を用いて説明した観察装置１０の構成と同様であり、同一の構成要素に対しては同一の符号を付して詳細な説明は省略する。なお、この図９においては、プリズムブロック２の一部は省略している。
【００４７】
以下の表１に、この第１実施例に係る観察装置１００の光学系の諸元を示す。なお、この表１において、θはウィンドシールド２０と撮影レンズ７の光軸との角度を示し、α１は第１のミラー３のＸ軸中心の回転角度を、α２は第２のミラー４のＸ軸中心の回転角度を、α３は第３のミラー５のＸ軸中心の回転角度を示し、ｆは第１〜第３のミラー３〜５の合成の焦点距離を示している。また、第１欄ｍはウィンドシールド２０の外表面（付着物観察エリア２０ａ）からの各光学面の番号を、第２欄ｒは各光学面の曲率半径を、第３欄ｄは各光学面から次の光学面までの光軸上の距離（面間隔）を、第４欄ｎｄはｄ線に対する屈折率を、そして、第５欄νｄはｄ線に対するアッベ数を示している。ここで、第１欄ｍに示す各光学面の番号は、図８及び図９に示した面番号ｍ０〜ｍ１９に対応している（ｍ１９面は像面である）。また、第２欄ｒにおいて、曲率半径∞は平面若しくは開口を示している。また、自由曲面及び回折光学面の場合は、第２欄ｒにベースとなる非球面の基準となる球面の曲率半径を示している。また、第４欄ｎｄにおいて、空気の屈折率1.000は省略してある。この表１の説明は以降の実施例においても同様である。
【００４８】
なお、以下の全ての諸元において掲載される曲率半径ｒ、面間隔ｄ、焦点距離ｆその他長さの単位は、特記の無い場合、一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることはなく、他の適当な単位を用いることもできる。
【００４９】
（表１）
θ＝27.13°
α１＝30.58°    α２＝-22.67°    α３＝8.71°
ｆ＝33mm
ｍ        ｒ          ｄ       ｎｄ       νｄ
m0        ∞         0.00      1.527      64.1
m1        ∞         7.07      1.527      64.1
m2        ∞         2.12      1.411      50.0
m3        ∞        11.36      1.5837     30.1
m4        ∞        14.20
m5        ∞       -16.00
m6       66.000     22.30                          自由曲面
m7        ∞        -8.66
m8      -11.347     -0.80      1.632      63.8
m9       -2.221     -1.50
m10      -5.748     -0.80      1.632      63.8
m11      -1.664     -0.50
m12      -3.838     -1.00      1.907      21.2
m13      77.150     -0.50
m14       ∞        -0.20                          絞り面
m15      -7.420     -1.60      1.497      81.5
m16       2.737     -0.10
m17      -3.338     -1.00      1.632      64.8
m18    -179.811     -2.36                          非球面
m19       ∞         0.00
自由曲面データ
第６面    ｋ＝0      Ｃ2,0＝-0.000911      Ｃ0,2＝0.001016
Ｃ3,0＝4.77E-05    Ｃ1,2＝6.21E-05
非球面データ
第１８面    ｋ＝0    Ａ4＝-0.023915    Ａ6＝0.003894
Ａ8＝-0.000607    Ａ10＝0
【００５０】
また、次の表２に、この第１実施例における各光学面毎の面頂点座標及び回転角度を示す。ここで、面頂点座標は、上述のように、撮影レンズ７の光軸と最も物体側の面（ｍ８面）との交点（最も物体側の面の頂点）を原点とし、光軸方向をＺ軸とし、この光軸と直交する面の水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸とするグローバル座標で定義する。また、Ｘ軸回転角度はＸ軸の正方向から見て反時計回りを正とする。Ｙ軸回転角度はＹ軸の正方向から見て反時計回りを正とする。また、Ｚ軸回転角度はＺ軸の正方向から見て反時計回りを正とする。これら表２の説明は以降の実施例においても同様である。
【００５１】
（表２）
面頂点座標                       回転角度［°］
ｍ    Ｘ座標    Ｙ座標    Ｚ座標       Ｘ軸      Ｙ軸      Ｚ軸
m0    -28.470   -21.885    -9.126      117.127     0.000     4.868
m1    -28.470   -21.885    -9.126      117.127     0.000     4.868
m2    -27.982   -27.982    -6.972      117.127     0.000     4.868
m3    -27.855   -13.147    -6.326      117.127     0.000     4.868
m4    -27.141    -2.524    -2.339       72.230    -3.440     3.446
m5    -26.289    10.971     1.986       30.582    15.272   -28.852
m6    -19.397    15.127   -11.842      -22.665    -5.274   -10.343
m7     -6.289     6.301     3.892        8.710     0.000     0.000
m8      0.000     0.000     0.000        0.000     0.000     0.000
m9      0.000     0.000    -0.800        0.000     0.000     0.000
m10     0.000     0.000    -2.300        0.000     0.000     0.000
m11     0.000     0.000    -3.100        0.000     0.000     0.000
m12     0.000     0.000    -3.600        0.000     0.000     0.000
m13     0.000     0.000    -4.600        0.000     0.000     0.000
m14     0.000     0.000    -5.100        0.000     0.000     0.000
m15     0.000     0.000    -5.300        0.000     0.000     0.000
m16     0.000     0.000    -6.900        0.000     0.000     0.000
m17     0.000     0.000    -7.000        0.000     0.000     0.000
m18     0.000     0.000    -8.000        0.000     0.000     0.000
m19     0.000     0.000   -10.362        0.000     0.000     0.000
【００５２】
以上のように、この第１実施例に係る観察装置１００の光学系は、上記条件式（１）〜（３）を全て満たしていることが分かる。このような第１実施例に係る観察装置１００の撮像素子８の撮像面（ｍ１９面）上の各点（Ｘ，Ｙ）における横収差図を図１０〜図１３に示す。なお、この横収差図において、各点の座標（Ｘ，Ｙ）は表２で説明した座標で表され、Ｘ−ＦＡＮはＸ軸方向の横収差を、Ｙ−ＦＡＮはＹ軸方向の横収差を示している。この収差図の説明は以降の実施例においても同様である。このように、第１実施例に係る観察装置１００の光学系は収差が補正され、良好な光学性能を有していることが分かる。さらに、図１４に示すように、前方認識領域は撮影レンズ７が本来有する画角を確保できていることが分かる。
【００５３】
［第２実施例］
次に、第２実施例として図１５に示す観察装置２００の光学系について説明する。この図１５に示す第２実施例に係る観察装置２００の光学系の構成は、上述の図１及び図２を用いて説明した観察装置１０の構成と同様であり、同一の構成要素に対しては同一の符号を付して詳細な説明は省略する。なお、この図１５においては、プリズムブロック２の一部は省略している。
【００５４】
以下の表３に、この第２実施例に係る観察装置２００の光学系の諸元を示す。
【００５５】
（表３）
θ＝26.32°
α１＝26.37°    α２＝-20.50°    α３＝-12.00°
ｆ＝33mm
ｍ        ｒ          ｄ       ｎｄ       νｄ
m0        ∞         0.00      1.527      64.1
m1        ∞         7.07      1.527      64.1
m2        ∞         2.12      1.411      50.0
m3        ∞        10.36      1.58       30.1
m4        ∞        10.20
m5        ∞       -15.00
m6       66.000     25.00                          自由曲面
m7        ∞        -5.96
m8      -11.347     -0.80      1.632      63.8
m9       -2.221     -1.50
m10      -5.748     -0.80      1.632      63.8
m11      -1.664     -0.50
m12      -3.838     -1.00      1.907      21.2
m13      77.150     -0.50
m14       ∞        -0.20                          絞り面
m15      -7.420     -1.60      1.497      81.5
m16       2.737     -0.10
m17      -3.338     -1.00      1.632      64.8
m18    -179.811     -2.36                          非球面
m19       ∞         0.00
自由曲面データ
第６面    ｋ＝0      Ｃ2,0＝-0.000911      Ｃ0,2＝0.001016
Ｃ3,0＝4.77E-05    Ｃ1,2＝6.21E-05
非球面データ
第１８面    ｋ＝0    Ａ4＝-0.023915    Ａ6＝0.003894
Ａ8＝-0.000607    Ａ10＝0
【００５６】
また、次の表４に、この第２実施例における各光学面毎の面頂点座標及び回転角度を示す。
【００５７】
（表４）
面頂点座標                       回転角度［°］
ｍ    Ｘ座標    Ｙ座標    Ｚ座標       Ｘ軸      Ｙ軸      Ｚ軸
m0    -29.418   -27.160    -5.950      116.322     0.000     5.036
m1    -29.418   -27.160    -5.950      116.322     0.000     5.036
m2    -28.979   -20.470    -3.703      116.322     0.000     5.036
m3    -28.848   -18.463    -3.028      116.322     0.000     5.036
m4    -28.170    -8.843     0.788       71.433    -3.559     3.566
m5    -27.538     0.804     4.028       26.373    -2.635    -2.399
m6    -27.582     5.583   -10.190      -20.499   -28.495    -4.049
m7     -6.686     0.000     2.349      -12.000     0.000     0.000
m8      0.000     0.000     0.000        0.000     0.000     0.000
m9      0.000     0.000    -0.800        0.000     0.000     0.000
m10     0.000     0.000    -2.300        0.000     0.000     0.000
m11     0.000     0.000    -3.100        0.000     0.000     0.000
m12     0.000     0.000    -3.600        0.000     0.000     0.000
m13     0.000     0.000    -4.600        0.000     0.000     0.000
m14     0.000     0.000    -5.100        0.000     0.000     0.000
m15     0.000     0.000    -5.300        0.000     0.000     0.000
m16     0.000     0.000    -6.900        0.000     0.000     0.000
m17     0.000     0.000    -7.000        0.000     0.000     0.000
m18     0.000     0.000    -8.000        0.000     0.000     0.000
m19     0.000     0.000   -10.375        0.000     0.000     0.000
【００５８】
以上のように、この第２実施例に係る観察装置２００の光学系は、上記条件式（１）〜（３）を全て満たしていることが分かる。このような第２実施例に係る観察装置２００の撮像素子８の撮像面（ｍ１９面）上の各点（Ｘ，Ｙ）における横収差図を図１６〜図１９に示す。このように、第２実施例に係る観察装置２００の光学系は収差が補正され、良好な光学性能を有していることが分かる。さらに、図２０に示すように、付着物検出領域がイメージサークルの上下方向中央部の左右方向周辺部に形成されるため、前方認識領域の左右方向の画角は狭くなっているが、上下方向の画角は撮影レンズ７が本来有する画角を確保できていることが分かる。
【００５９】
［第３実施例］
最後に、第３実施例として図２１に示す観察装置３００の光学系について説明する。この図２１に示す第３実施例に係る観察装置３００の光学系の構成は、上述の図１及び図２を用いて説明した観察装置１０の構成と同様であり、同一の構成要素に対しては同一の符号を付して詳細な説明は省略する。なお、この図２１においては、プリズムブロック２の一部は省略している。
【００６０】
以下の表５に、この第３実施例に係る観察装置３００の光学系の諸元を示す。
【００６１】
（表５）
θ＝30.0°
α１＝34.53°    α２＝-19.84°    α３＝13.71°
ｆ＝33mm
ｍ        ｒ          ｄ       ｎｄ       νｄ
m0        ∞         0.00      1.527      64.1
m1        ∞         7.07      1.527      64.1
m2        ∞         2.12      1.411      50.0
m3        ∞        11.36      1.58       30.1
m4        ∞        14.20
m5        ∞       -16.00
m6       66.000     22.30                          自由曲面
m7        ∞        -8.66
m8      -11.347     -0.80      1.632      63.8
m9       -2.221     -1.50
m10      -5.748     -0.80      1.632      63.8
m11      -1.664     -0.50
m12      -3.838     -1.00      1.907      21.2
m13      77.150     -0.50
m14       ∞        -0.20                          絞り面
m15      -7.420     -1.60      1.497      81.5
m16       2.737     -0.10
m17      -3.338     -1.00      1.632      64.8
m18    -179.811     -2.36                          非球面
m19       ∞         0.00
自由曲面データ
第６面    ｋ＝0      Ｃ2,0＝-0.000911      Ｃ0,2＝0.001016
Ｃ3,0＝4.77E-05    Ｃ1,2＝6.21E-05
非球面データ
第１８面    ｋ＝0    Ａ4＝-0.023915    Ａ6＝0.003894
Ａ8＝-0.000607    Ａ10＝0
【００６２】
また、次の表６に、この第３実施例における各光学面毎の面頂点座標及び回転角度を示す。
【００６３】
（表６）
面頂点座標                       回転角度［°］
ｍ    Ｘ座標    Ｙ座標    Ｚ座標       Ｘ軸      Ｙ軸      Ｚ軸
m0    -27.9417  -21.1433   -9.40378    120.000     0.000     4.8676
m1    -27.9417  -21.1433   -9.40378    120.000     0.000     4.8676
m2    -27.5175  -14.3221   -7.58927    120.000     0.000     4.8676
m3    -27.3902  -12.2758   -7.04492    120.000     0.000     4.8676
m4    -26.6755   -1.46615  -3.59555     75.1035   -3.4398    3.446
m5    -25.8237   12.22871   0.04747     34.5303   17.8251  -32.2353
m6    -17.9731   15.51595 -13.501      -19.8408   -1.8189  -10.3029
m7     -5.82764   7.23349   3.26737     13.7137    0.000     0.000
m8      0.000     0.000     0.000        0.000     0.000     0.000
m9      0.000     0.000    -0.800        0.000     0.000     0.000
m10     0.000     0.000    -2.300        0.000     0.000     0.000
m11     0.000     0.000    -3.100        0.000     0.000     0.000
m12     0.000     0.000    -3.600        0.000     0.000     0.000
m13     0.000     0.000    -4.600        0.000     0.000     0.000
m14     0.000     0.000    -5.100        0.000     0.000     0.000
m15     0.000     0.000    -5.300        0.000     0.000     0.000
m16     0.000     0.000    -6.900        0.000     0.000     0.000
m17     0.000     0.000    -7.000        0.000     0.000     0.000
m18     0.000     0.000    -8.000        0.000     0.000     0.000
m19     0.000     0.000   -10.3616       0.000     0.000     0.000
【００６４】
以上のように、この第３実施例に係る観察装置３００の光学系は、上記条件式（１）〜（３）を全て満たしていることが分かる。このような第３実施例に係る観察装置３００の撮像素子８の撮像面（ｍ１９面）上の各点（Ｘ，Ｙ）における横収差図を図２２〜図２５に示す。このように、第３実施例に係る観察装置３００の光学系は収差が補正され、良好な光学性能を有していることが分かる。さらに、図２６に示すように、前方認識領域は撮影レンズ７が本来有する画角を確保できていることが分かる。
【符号の説明】
【００６５】
１  光源    ２  プリズムブロック（コリメータレンズ）
３〜５  第１〜第３のミラー（反射面を有する反射部材）
７  撮影レンズ    １０  観察装置    ２０  ウィンドシールド
２０ａ  外表面（付着物検出エリア）
【図１】
2012008360.tif 000005
【図２】
2012008360.tif 000006
【図３】
2012008360.tif 000007
【図４】
2012008360.tif 000008
【図５】
2012008360.tif 000009
【図６】
2012008360.tif 000010
【図７】
2012008360.tif 000011
【図８】
2012008360.tif 000012
【図９】
2012008360.tif 000013
【図１０】
2012008360.tif 000014
【図１１】
2012008360.tif 000015
【図１２】
2012008360.tif 000016
【図１３】
2012008360.tif 000017
【図１４】
2012008360.tif 000018
【図１５】
2012008360.tif 000019
【図１６】
2012008360.tif 000020
【図１７】
2012008360.tif 000021
【図１８】
2012008360.tif 000022
【図１９】
2012008360.tif 000023
【図２０】
2012008360.tif 000024
【図２１】
2012008360.tif 000025
【図２２】
2012008360.tif 000026
【図２３】
2012008360.tif 000027
【図２４】
2012008360.tif 000028
【図２５】
2012008360.tif 000029
【図２６】
2012008360.tif 000030