(57)【要約】【課題】  小型でかつ広画角な撮像装置及び投影装置を提供すること。【解決手段】  物体を撮像する撮像素子２００と、撮像素子２００の撮像面ＩＭＧに物体を結像する光学系１００と、を備える撮像装置１０００であって、光学系１００は、物体側から順に前群Ｇ１、開口絞りＳＴＯ、及び後群Ｇ２を有し、前群Ｇ１は、物体側に向かって凸形状の屈折面１ａを含み、後群は、凹形状の反射面３ｂを含み、開口絞りＳＴＯの開口部は、前群Ｇ１の光軸Ａに垂直な方向において撮像素子２００とは離間され、かつ光軸Ａに対して撮像素子２００とは反対側に偏心している。【選択図】  図１
2017156713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、を備える撮像装置であって、
前記光学系は、物体側から順に前群、開口絞り、及び後群を有し、
前記前群は、物体側に向かって凸形状の屈折面を含み、
前記後群は、凹形状の反射面を含み、
前記開口絞りの開口部は、前記前群の光軸に垂直な方向において前記撮像素子とは離間され、かつ前記光軸に対して前記撮像素子とは反対側に偏心していることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記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に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記反射面の曲率半径をＲｍ（ｍｍ）、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又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記前群において、最も物体側の屈折面の曲率半径の絶対値をＲ１Ａ、前記開口絞りに最も近い屈折面の曲率半径の絶対値をＲ１Ｂ、とするとき、
０≦Ｒ１Ａ／Ｒ１Ｂ＜４
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項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記前群において、物体側に向かって凸形状の屈折面の曲率半径の絶対値のうち、最大値をＲＭＡＸ、最小値をＲＭＩＮ、とするとき、
１≦ＲＭＡＸ／ＲＭＩＮ＜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項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記前群が有する屈折面の全ては、物体側に向かって凸形状であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記前群は、共軸系であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記撮像面は、平面であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記前群及び前記後群は、前記開口絞りを介して互いに接合されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
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１乃至９の何れか１項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。
【請求項１１】
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１０に記載の車載カメラシステム。
【請求項１２】
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１１に記載の車載カメラシステム。
【請求項１３】
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１１又は１２に記載の車載カメラシステム。
【請求項１４】
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、を備える投影装置であって、
前記光学系は、物体側から順に前群、開口絞り、及び後群を有し、
前記前群は、凹形状の反射面を含み、
前記後群は、像側に向かって凸形状の屈折面を含み、
前記開口絞りの開口部は、前記後群の光軸に垂直な方向において前記表示素子とは離間され、かつ前記光軸に対して前記表示素子とは反対側に偏心していることを特徴とする投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置及び投影装置に関し、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。
【背景技術】
【０００２】
近年、撮像装置や投影装置として、広画角にわたって高解像度でかつ小型なものが求められている。
【０００３】
特許文献１には、球状レンズを備える撮像装置が記載されている。この球状レンズによれば、コマ収差、非点収差、倍率色収差などの軸外収差の発生を抑制しつつ、球面収差や軸上色収差などの軸上収差を良好に補正することができるため、広画角にわたり高解像度な光学系の実現が可能になる。
【０００４】
また、特許文献２には、複数の屈折面と、反射型の開口絞りと、反射面と、が媒質を介して一体化された反射屈折光学系が記載されており、これにより収差を良好に補正することができる小型な光学系の実現が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２１０５４９号公報
【特許文献２】特開２００４−３６１７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の球状レンズによる結像面は球面状となってしまうため、この球状レンズを撮像装置や投影装置に設ける場合、球面形状の撮像素子や表示素子、あるいは一端が球面でかつ他端が平面である導光手段などが必要となる。これにより、装置全体が複雑化及び大型化し、高コスト化してしまう。
【０００７】
また、特許文献２に記載の光学系においては、開口絞りと像面とが近接しており、開口絞りで遮光されなかった不要光が像面に到達してしまう可能性があるため、広画角化が困難である。
【０００８】
そこで本発明は、小型でかつ広画角な撮像装置及び投影装置を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための、本発明の一側面としての撮像装置は、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、を備える撮像装置であって、前記光学系は、物体側から順に前群、開口絞り、及び後群を有し、前記前群は、物体側に向かって凸形状の屈折面を含み、前記後群は、凹形状の反射面を含み、前記開口絞りの開口部は、前記前群の光軸に垂直な方向において前記撮像素子とは離間され、かつ前記光軸に対して前記撮像素子とは反対側に偏心していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、小型でかつ広画角な撮像装置及び投影装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る撮像装置の要部概略図。
【図２】比較例１に係る撮像装置の要部概略図。
【図３】比較例２に係る撮像装置の要部概略図。
【図４】開口部が偏心した開口絞りの例を示す図。
【図５】実施形態に係る撮像装置の変形例を示す図。
【図６】本発明の実施例１に係る撮像装置の要部概略図。
【図７】本発明の実施例１に係る光学系の横収差図。
【図８】本発明の実施例２に係る撮像装置の要部概略図。
【図９】本発明の実施例２に係る光学系の横収差図。
【図１０】本発明の実施例３に係る撮像装置の要部概略図。
【図１１】本発明の実施例３に係る光学系の横収差図。
【図１２】実施例１に係る撮像装置の変形例を示す図。
【図１３】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。
【図１４】本発明の実施形態に係る車両の要部概略図。
【図１５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る撮像装置１０００の、光軸Ａを含むＹＺ断面における要部概略図である。撮像装置１０００は、不図示の物体を撮像する撮像素子２００と、撮像素子２００の撮像面ＩＭＧに物体を結像する撮像光学系としての光学系１００と、を備える。撮像素子２００としては、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の、平面形状の撮像面を有する固体撮像素子（光電変換素子）を採用することができる。
【００１４】
光学系１００は、光束幅を制限する開口絞りＳＴＯと、開口絞りＳＴＯよりも物体側に配置された光学素子群である前群Ｇ１と、開口絞りＳＴＯよりも像側に配置された光学素子群である後群Ｇ２と、から構成される。本実施形態において、前群Ｇ１は、光学素子Ｌ１及び光学素子Ｌ２から成る屈折光学系であり、後群Ｇ２は、光学素子Ｌ３から成る反射屈折光学系である。開口絞りＳＴＯは、前群Ｇ１と後群Ｇ２との接合面に設けられており、図１では、開口絞りＳＴＯの開口部を点線で示し、遮光部を省略している。
【００１５】
本実施形態において、光学素子Ｌ１は、物体側に向かって（入射光に向かって）凸形状の屈折面１ａを含むレンズであり、光学素子Ｌ３は、入射光に向かって凹形状の反射面３ｂを含む反射屈折レンズである。この構成により、光学系１００は、諸収差を良好に補正しつつ、平面形状の撮像面ＩＭＧに物体を結像することができるため、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り、装置全体の小型化を実現することができる。
【００１６】
そして、図１に示すように、開口絞りＳＴＯの開口部は、光軸Ａに垂直な方向（Ｙ方向）において撮像素子２００とは離間されており、かつ前群Ｇ１の光軸Ａに対して撮像素子２００とは反対側に偏心している。ただし、光軸Ａは、前群Ｇ１における結像に寄与する各光学面の中心（面頂点）を通る軸である。すなわち、本実施形態に係る開口絞りＳＴＯは、その開口部の中心が光軸Ａ上に存在しないように配置されている。これは、図１に示すように、反射面３ｂに対して開口絞りＳＴＯと同じ側（−Ｚ側）に撮像素子２００が配置される場合、開口絞りＳＴＯの開口部を偏心させないと、開口絞りＳＴＯ及び撮像素子２００が互いに近接してしまうためである。
【００１７】
開口絞りＳＴＯの開口部を撮像素子２００から離れる方向に偏心させることにより、開口絞りＳＴＯの開口部と撮像素子２００とを十分に離間することができる。これにより、開口部の周辺の光線と撮像素子２００との干渉や、開口絞りＳＴＯの遮光部で遮光されなかった不要光が撮像面ＩＭＧに到達することを抑制することができる。よって、Ｆ値を大きく（暗く）したり、撮像面ＩＭＧのサイズを小さくしたりする必要がなくなるため、撮像装置１０００の広画角化を実現することが可能になる。
【００１８】
図２は、比較例１に係る撮像装置の要部概略図である。比較例１に係る撮像装置は、本実施形態に係る光学系１００の後群Ｇ２を、前群Ｇ１と対称な構成の屈折光学系で置き換え、本実施形態に係る撮像素子２００を、球面形状の撮像面を有する撮像素子で置き換えたものである。図２に示す通り、比較例１に係る撮像装置は、凹形状の反射面を備えていないため、光学系の結像面が湾曲して球面形状となってしまう。そのため、撮像面ＩＭＧが湾曲した撮像素子が必要となり、装置全体が大型化してしまう。
【００１９】
図３は、比較例２に係る撮像装置の要部概略図である。比較例２に係る撮像装置は、開口絞りＳＴＯの開口部が偏心していないという点以外は、本実施形態に係る撮像装置１０００と同様の構成を採っている。図３に示す通り、比較例２に係る撮像装置では、開口絞りＳＴＯの開口部と撮像面ＩＭＧとが近接しているため、開口部の周辺の光線と撮像素子との干渉を回避することが難しく、Ｆ値を小さくしつつ広画角化を実現することが困難である。
【００２０】
開口絞りＳＴＯの開口部を偏心させるためには、開口絞りＳＴＯの遮光部を物理的に移動することに限られず、開口部の中心（重心）を前群Ｇ１の光軸Ａからずらしさえすればよい。例えば、所望のＦ値が確保できるのであれば、図４に示すように、開口部の一部を遮光することにより、開口絞りＳＴＯの開口部を偏心させてもよい。図４に示すように、開口部の中心が光軸Ａ上に存在する開口絞りＳＴＯに対して、開口部の一部（上部）に遮光部材ＯＢＳを設けることで、開口部の重心が光軸Ａから下方に移動して点Ｂとなっている。
【００２１】
図１に示したように、本実施形態に係る撮像装置１０００では、ＹＺ断面内において、光学系１００の各光学面に光束が斜入射するように画角を設定し、光軸Ａに対して撮像素子２００とは反対側から光学系１００に入射する光束のみを使用している。よって、図５に示すように、前群Ｇ１を、有効光束が通過する有効部以外が省略（カット）された構成としてもよい。
【００２２】
なお、本実施形態に係る光学系１００においては、前群Ｇ１が２つの光学素子で構成され、後群Ｇ２が１つの光学素子で構成されているが、各群を構成する光学素子の数はこれに限られるものではない。例えば、後群Ｇ２を、１以上の屈折光学素子（レンズなど）と１つの反射光学素子（ミラーなど）とにより構成してもよい。
【００２３】
また、光学系１００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、撮像面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１００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、前群Ｇ１が後群、後群Ｇ２が前群となり、光路が逆向きになる。すなわち、表示素子の表示面に表示される画像を、光学系によりスクリーン等の投影面に投影（結像）させる構成を採ることができる。
【００２４】
［実施例１］
以下、本発明の実施例１に係る撮像装置について詳細に説明する。
【００２５】
図６は、本実施例に係る撮像装置１１００の、光軸Ａ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１１０について、全系の焦点距離はｆ＝２９．１３ｍｍ、ＺＸ断面内での画角はθｘ＝５４°（θｘ＝−２７°〜＋２７°）、ＹＺ断面内での画角はθｙ＝３５°（θｙ＝＋８°〜＋４３°）、Ｆ値はＦ＝２．０、である。
【００２６】
光学系１１０において、前群Ｇ１は、第１光学素子１、第２光学素子２、第３光学素子３、及び第４光学素子４、の４つのレンズで構成される屈折光学系である。第１光学素子１の第２面１ｂ及び第２光学素子２の第１面２ａ、第２光学素子２の第２面２ｂ及び第３光学素子３の第１面３ａ、第３光学素子３の第２面３ｂ及び第４光学素子４の第１面４ａ、の夫々は互いに接合されている。前群Ｇ１は、その光軸Ａに関して共軸系となっている。
【００２７】
また、本実施例に係る光学系１１０において、後群Ｇ２は、第５光学素子５、第６光学素子６、及び第７光学素子７の、３つのレンズから構成される反射屈折光学系である。第５光学素子５の第２面５ｂ及び第６光学素子６の第１面６ａ、第６光学素子６の第２面６ｂ及び第７光学素子７の第１面７ａ、の夫々は互いに接合されている。そして、開口絞りＳＴＯは、前群Ｇ１と後群Ｇ２との接合面に設けられており、その開口部は、前群Ｇ１の光軸Ａに対して撮像面ＩＭＧとは反対側に偏心している。
【００２８】
本実施例において、第５光学素子５は、第１面５ａ、第２面５ｂ、及び第３面５ｃ、の３つの光学面を含んでおり、第１面５ａと第３面５ｃとは互いに異なる形状を有している。第７光学素子７は反射屈折レンズであり、その第２面７ｂは凹形状の反射面である。すなわち、後群Ｇ２では、反射面７ｂにより光路が折り返されるため、各接合面を光束が２回通過することになる。なお、反射面７ｂは、光学面に金属膜や誘電体多層膜などの反射膜を設けることで形成することができる。
【００２９】
図６に示すように、不図示の物体からの光束は、第１光学素子１が有する物体側に向かって凸形状の第１面１ａより前群Ｇ１に入射し、第１光学素子１、第２光学素子２、第３光学素子３、及び第４光学素子４を順に通過して、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。
【００３０】
開口絞りＳＴＯの開口部を通過した光束は、第５光学素子５の第１面５ａ、第６光学素子６の第１面６ａ及び第２面６ｂ、及び第７光学素子７の第１面７ａを順に通過して、第７光学素子７の第２面７ｂで反射される。そして、第７光学素子７の第２面７ｂで反射された光束は、第７光学素子７の第１面７ａ、第６光学素子６の第２面６ｂ及び第１面６ａを順に通過して、第５光学素子５の第３面５ｃから出射し、平面形状の撮像面ＩＭＧに集光される。
【００３１】
このように、本実施例に係る光学系１１０によれば、物体側に向かって凸形状の屈折面１ａを含む前群Ｇ１及び凹形状の反射面７ｂを含む後群Ｇ２によって、諸収差を良好に補正しつつ、平面形状の撮像面ＩＭＧに物体を結像することができる。これにより、撮像装置１１００の小型化を実現することができる。また、開口絞りＳＴＯの開口部を光軸Ａに対して撮像面ＩＭＧとは反対側に偏心させたことにより、撮像装置１１００の広画角化を実現することが可能になる。
【００３２】
ここで、前群Ｇ１における最も物体側の光学面と開口絞りＳＴＯとの光軸方向での距離をＬ１（ｍｍ）、開口絞りＳＴＯと撮像面ＩＭＧとの光軸方向での距離をＬ２（ｍｍ）、とするとき、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。ただし、Ｌ１＞０、Ｌ２≧０である。
Ｌ２／Ｌ１＜０．３      （１）
【００３３】
条件式（１）式の上限を上回ると、最も物体側の光学面が開口絞りＳＴＯに近づき過ぎてしまい、収差の補正が難しくなる。さらに、以下の条件式（１´）を満足することがより好ましい。本実施例では、屈折面１ａと開口絞りＳＴＯとの間隔はＬ１＝４５．１４９ｍｍ、開口絞りＳＴＯと撮像面ＩＭＧとの間隔はＬ２＝０．００４ｍｍであり、Ｌ２／Ｌ１＝０．０００１となるため、条件式（１）及び（１´）を満足する。
Ｌ２／Ｌ１＜０．１      （１´）
【００３４】
また、前群Ｇ１が有する物体側に向かって凸形状の屈折面を、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。具体的には、屈折面の曲率半径をＲｌ（ｍｍ）、屈折面と開口絞りＳＴＯとの間隔をＬｌ（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Ａ上での間隔」を示すものとする。
０．７≦｜Ｒｌ｜／Ｌｌ≦１．５      （２）
【００３５】
条件式（２）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（２）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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
本実施例では、第１光学素子１の第１面１ａが条件式（２）を満足しているため、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に起因して、前群Ｇ１の結像面は湾曲してしまうが、本実施例のように、後群Ｇ２に凹形状の反射面７ｂを設けることで、平面形状の像面ＩＭＧを形成することが可能になる。
【００３９】
なお、前群Ｇ１において、条件式（２）を満足する屈折面を複数設けてもよい。その場合にも、前群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（２）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。
【００４０】
さらに、以下の条件式（２´）を満足することがより好ましい。本実施例では、第１光学素子１の第１面１ａについて、｜Ｒｌ｜／Ｌｌ＝０．９４７となるため、条件式（２）及び（２´）を満足する。
０．８≦｜Ｒｌ｜／Ｌｌ≦１．３      （２´）
【００４１】
また、後群Ｇ２が有する凹形状の反射面について、曲率半径をＲｍ（ｍｍ）、開口絞りＳＴＯとの間隔をＬｍ（ｍｍ）、とするとき、以下の条件式（３）を満足することが望ましい。
２≦｜Ｒｍ｜／Ｌｍ≦７      （３）
【００４２】
条件式（３）を満足することにより、撮像面ＩＭＧと光路との干渉を回避しつつ、像面湾曲を良好に補正することができる。条件式（３）の上限値を上回ると、像面湾曲量が増加してしまう可能性が生じる。また、条件式（３）の下限値を下回ると、撮像面ＩＭＧが光路と干渉してしまう可能性が生じる。なお、後群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（３）を満たすことが望ましい。
【００４３】
さらに、以下の条件式（３´）を満足することがより好ましい。本実施例では、第７光学素子７の第２面７ｂについて、｜Ｒｍ｜／Ｌｍ＝４．５２０となるため、条件式（３）及び（３´）を満足する。
２．５≦｜Ｒｍ｜／Ｌｍ≦５      （３´）
【００４４】
そして、前群Ｇ１が複数の屈折面を有する場合、そのうち、最も物体側の屈折面の曲率半径の絶対値をＲ１Ａ、開口絞りＳＴＯに最も近い屈折面の曲率半径の絶対値をＲ１Ｂ、とするとき、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。
０≦Ｒ１Ａ／Ｒ１Ｂ＜４      （４）
【００４５】
条件式（４）を満足することにより、開口絞りＳＴＯの開口部の偏心に伴って発生する収差を低減することができる。条件式（４）の範囲を外れると、開口絞りＳＴＯの開口部の偏心が大きくなるに従い非対称収差の発生が大きくなり、収差の補正が難しくなる可能性が生じる。
【００４６】
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、前群Ｇ１において、最も物体側の屈折面１ａの曲率半径は４２．７５ｍｍ、開口絞りＳＴＯに最も近い屈折面３ｂ，４ａの曲率半径は１３．９４ｍｍであり、Ｒ１Ａ／Ｒ１Ｂ＝３．０６７となるため、条件式（４）及び（４´）を満足する。
０≦Ｒ１Ａ／Ｒ１Ｂ＜３．５      （４´）
【００４７】
本実施例において、第１光学素子１の第１面１ａ及び第７光学素子７の第２面７ｂは非球面である。ただし、本実施例における非球面の夫々は、光軸Ａ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。
【００４８】
【数１】
2017156713.tif 000003
【００４９】
ここで、ｚは非球面形状の光軸方向のサグ量（ｍｍ）、ｃは光軸Ａ上における曲率（１／ｍｍ）、Ｋは円錐係数、ｈは光軸Ａ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。
【００５０】
表１〜表４に、本実施例に係る光学系１１０の構成を示す。
【００５１】
【表１】
2017156713.tif 000004
【００５２】
【表２】
2017156713.tif 000005
【００５３】
【表３】
2017156713.tif 000006
【００５４】
【表４】
2017156713.tif 000007
【００５５】
なお、表１〜表４においては、互いに接合された光学面及び開口絞りＳＴＯを同一面として表している。表１において、ｒは該当面の近軸曲率半径（ｍｍ）、ｄは該当面から次の面までの面間隔（ｍｍ）、Ｎｄは該当面と次の面との間の媒体のｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率、νｄは該当面と次の面との間の媒体のｄ線に対するアッべ数、である。表２及び表３の夫々は、屈折面１ａ（面番号１）及び反射面７ｂ（面番号９）の非球面係数を示している。
【００５６】
また、表４は、開口絞りＳＴＯ（面番号５）及び光学面５ａ（面番号６）の偏心データを示している。表４において、Ｘは図１における紙面に垂直なＸ方向での偏心量、Ｙは図１における紙面内の光軸Ａに垂直なＹ方向での偏心量（図１での上向きが正）、Ｚは光軸方向（Ｚ方向）での偏心量、を夫々示している。本実施例では、開口絞りＳＴＯ及び光学面５ａの何れも、平行偏心（シフト偏心）しているが、回転偏心（チルト偏心）はしていない。なお、各偏心量の単位はｍｍである。
【００５７】
なお、表１及び表４における「普通偏心」とは、該当面が偏心した場合にそれよりも像側の光学面も該当面の軸に固定された状態で偏心することを示している。具体的に、本実施例では、開口絞りＳＴＯの開口部をＹ方向において−１．３０９８ｍｍ偏心させている。そして、偏心した開口部に対して、直後の光学面５ａをＹ方向において＋１．３０９８ｍｍ偏心させている。すなわち、表４は、開口絞りＳＴＯのみが光軸Ａに対して偏心しており、それ以外の光学面は光軸Ａに対して偏心していないということを示している。
【００５８】
図７は、本実施例に係る光学系１１０の収差図である。図７においては、６５６．２７００ｎｍ（Ｃ線）、５８７．５６００ｎｍ（ｄ線）、４８６．１３００ｎｍ（Ｆ線）、４３５．８３５０ｎｍ（ｇ線）、の各波長の光に関する横収差を示している。また、図７において、ＹＺ断面（メリディオナル面）では画角θｙ＝＋８°〜＋４３°についての収差を示し、ＺＸ断面（サジタル面）では画角θｘ＝０°についての収差を示している。図７から明らかなように、諸収差が良好に補正されている。
【００５９】
［実施例２］
以下、本発明の実施例２に係る撮像装置について詳細に説明する。
【００６０】
図８は、本実施例に係る撮像装置１２００の、光軸Ａ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１２０について、全系の焦点距離はｆ＝２９．０８ｍｍ、ＺＸ断面内での画角はθｘ＝５４°（θｘ＝−２７°〜＋２７°）、ＹＺ断面内での画角はθｙ＝３８°（θｙ＝＋１０°〜＋４８°）、Ｆ値はＦ＝２．０、である。
【００６１】
本実施例に係る撮像装置１２００では、実施例１に係る撮像装置１１００と比較して、より広画角での光学性能を確保するために、光学系１２０における前群Ｇ１をよりコンセントリックに近い構成としている。具体的に、光学系１２０は、前群Ｇ１において、物体側に向かって凸形状の屈折面の曲率半径の絶対値のうち、最大値をＲＭＡＸ、最小値をＲＭＩＮ、とするとき、以下の条件式（５）を満足するように構成されている。
１≦ＲＭＡＸ／ＲＭＩＮ＜１０      （５）
【００６２】
条件式（５）を満足することにより、広画角にわたって良好な光学性能を得ることができる。条件式（５）の範囲を外れると、コマ収差や非点収差などの軸外収差が大きくなる可能性が生じる。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、ＲＭＡＸ＝４２．４７ｍｍ、ＲＭＩＮ＝１５．２９ｍｍであり、ＲＭＡＸ／ＲＭＩＮ＝２．７８となるため、条件式（５）及び（５´）を満足する。
１≦ＲＭＡＸ／ＲＭＩＮ＜５      （５´）
【００６３】
本実施例では、Ｌ１＝４９．３８３ｍｍ、Ｌ２＝０．００４ｍｍであり、Ｌ２／Ｌ１＝０．０００１となるため、条件式（１）及び（１´）を満足する。また、屈折面１ａについて｜Ｒｌ｜／Ｌｌ＝０．９４７となるため条件式（２）及び（２´）を満足し、反射面７ｂについて｜Ｒｍ｜／Ｌｍ＝４．５２０となるため条件式（３）及び（３´）を満足する。さらに、Ｒ１Ａ＝４２．４７ｍｍ、Ｒ１Ｂ＝１５．２９ｍｍであり、Ｒ１Ａ／Ｒ１Ｂ＝２．７８となるため、条件式（４）及び（４´）を満足する。
【００６４】
表５〜表９に、本実施例に係る光学系１２０の構成を示す。
【００６５】
【表５】
2017156713.tif 000008
【００６６】
【表６】
2017156713.tif 000009
【００６７】
【表７】
2017156713.tif 000010
【００６８】
【表８】
2017156713.tif 000011
【００６９】
【表９】
2017156713.tif 000012
【００７０】
表５に示すように、本実施例では、前群Ｇ１が有する屈折面の全ての曲率中心が、各屈折面に対して開口絞りＳＴＯの側に存在している。すなわち、前群Ｇ１が有する屈折面の全てが、物体側に向かって凸形状となっている。そして、第１光学素子１の第１面１ａ（面番号１）、第７光学素子７の第２面７ｂ（面番号９）及び第５光学素子５の第３面５ｃ（面番号１２）、の３つの光学面は非球面であり、それ以外の光学面は球面又は平面である。また、表９に示すように、実施例１と同様に本実施例においても、開口絞りＳＴＯ（面番号５）のみが光軸Ａに対して偏心している。
【００７１】
図９は、本実施例に係る光学系１２０の収差図であり、図７に対応している。なお、図９において、ＹＺ断面（メリディオナル面）では画角θｙ＝＋１０°〜＋４８°についての収差を示し、ＺＸ断面（サジタル面）では画角θｘ＝０°についての収差を示している。図９から明らかなように、諸収差が良好に補正されている。
【００７２】
［実施例３］
以下、本発明の実施例３に係る撮像装置について詳細に説明する。
【００７３】
図１０は、本実施例に係る撮像装置１３００の、光軸Ａ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１３０について、全系の焦点距離はｆ＝０．９７９ｍｍ、ＺＸ断面内での画角はθｘ＝７２°（θｘ＝−３６°〜＋３６°）、ＹＺ断面内での画角はθｙ＝４０°（θｙ＝＋１８°〜＋５８°）、Ｆ値はＦ＝１．８、である。
【００７４】
本実施例に係る撮像装置１３００は、実施例１及び実施例２とは異なり、光学系１３０が第１光学素子１及び第２光学素子２の２つのレンズで構成されており、第１光学素子１及び第２光学素子２の夫々が前群Ｇ１と後群Ｇ２とで共有されている。
【００７５】
第１光学素子１は、第１面１ａ及び第２面１ｂの２つの光学面を有するレンズであり、第２光学素子２は、第１面２ａ、第２面２ｂ、及び第３面２ｃの３つの光学面を有するレンズである。第１光学素子１の第２面１ｂと第２光学素子２の第１面２ａとは、互いに接合されている。第２光学素子２の第２面２ｂは反射面であり、そこに開口絞りＳＴＯが設けられている。すなわち、本実施例に係る開口絞りＳＴＯの開口部は、反射面となっており、他の実施例と同様に前群Ｇ１の光軸Ａに対して撮像面ＩＭＧとは反対側に偏心している。
【００７６】
また、第１光学素子１の第１面１ａについて、その下部は物体側に向かって凸形状の屈折面（屈折部）、その上部は凹形状の反射面（反射部）となっている。そして、第１光学素子１の第１面１ａの反射部は、開口絞りＳＴＯの開口部で反射された光束をさらに反射するように構成されている。すなわち、光学系１３０に入射した光束は、開口絞りＳＴＯの開口部及び第１光学素子１の第１面１ａにおいて合計２回反射されるため、第１光学素子１の第２面１ｂと第２光学素子２の第１面２ａとの接合面を３回通過することになる。なお、第２光学素子２の第２面２ｂと第３面２ｃとは互いに異なる形状を有している。
【００７７】
図１０に示すように、不図示の物体からの光束は、第１光学素子１の第１面１ａの屈折部より前群Ｇ１に入射し、第１光学素子１の第２面１ｂを通過して、第２光学素子２の第２面２ｂに設けられた開口絞りＳＴＯで反射される。開口絞りＳＴＯの開口部で反射された光束は、再び第１光学素子１の第２面１ｂを通過して、第１光学素子１の第１面１ａの反射部で反射される。そして、第１光学素子１の第１面１ａの反射部で反射された光束は、さらに第１光学素子１の第２面１ｂを通過し、第２光学素子２の第３面２ｃから出射して、平面形状の撮像面ＩＭＧに集光される。
【００７８】
本実施例では、Ｌ１＝１．１７９ｍｍ、Ｌ２＝０．０８６ｍｍであり、Ｌ２／Ｌ１＝０．０７３となるため、条件式（１）及び（１´）を満足する。また、第１光学素子１の第１面１ａの反射部について、｜Ｒｍ｜／Ｌｍ＝３．６７９となるため、条件式（３）及び（３´）を満足する。
【００７９】
表１０〜表１７に、本実施例に係る光学系１３０の構成を示す。
【００８０】
【表１０】
2017156713.tif 000013
【００８１】
【表１１】
2017156713.tif 000014
【００８２】
【表１２】
2017156713.tif 000015
【００８３】
【表１３】
2017156713.tif 000016
【００８４】
【表１４】
2017156713.tif 000017
【００８５】
【表１５】
2017156713.tif 000018
【００８６】
【表１６】
2017156713.tif 000019
【００８７】
【表１７】
2017156713.tif 000020
【００８８】
表１０において、面番号１は第１光学素子１の第１面１ａ（屈折部）、面番号２，７，９は第１光学素子１の第２面１ｂ及び第２光学素子２の第１面２ａ、面番号３〜６は第２光学素子２の第２面２ｂ及び開口絞りＳＴＯ、を夫々示している。具体的には、面番号３は前群Ｇ１としての第２面２ｂの屈折面成分、面番号４は開口絞りＳＴＯ、面番号５は開口絞りＳＴＯの偏心の影響を除くために設定された第２面２ｂの面成分、面番号６は第２面２ｂの反射面成分、を夫々示している。また、面番号８は第１光学素子１の第１面１ａ（反射部）、面番号１０は第２光学素子２の第３面２ｃ、面番号１１は像面と一致する仮想面、を夫々示している。
【００８９】
そして、第１光学素子１の第１面１ａ（面番号１，８）及び第２光学素子２の第３面２ｃ（面番号１０）は非球面であり、それ以外の光学面は球面又は平面である。また、第２光学素子２の第２面２ｂ（面番号６）及び第２光学素子２の第３面２ｃ（面番号１０）は、回折特性を有する回折面であり、各面の回折特性を表１４及び表１５に示している。ただし、各回折面は、面頂点を中心とした回転対称な位相変化を与えるものであり、以下の多項式で表される。
【００９０】
【数２】
2017156713.tif 000021
【００９１】
表１０及び表１７における「指定面へのリターン」とは、該当面の座標が指定した面の座標に戻るように偏心することを示している。具体的に、本実施例では、開口絞りＳＴＯの開口部をＹ方向において−０．２７３５ｍｍ偏心させている。そして、偏心した開口部に対して、面番号５の面成分をその座標系が面番号３の面成分に一致するように偏心させている。すなわち、表１６及び表１７は、開口絞りＳＴＯよりも像側の各光学面の座標が、開口絞りＳＴＯの偏心の影響を受けていないということを示している。
【００９２】
なお、表１６において、α，β，γの夫々は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸を回転軸としたときの回転角（ｄｅｇ）を示している。表１６に示すように、面番号１１の面成分は、図１０における紙面内で０．５８０８°だけ回転しており、これにより像面湾曲の影響を抑制している。つまり、像面（撮像面ＩＭＧ）についても、面番号１１の面成分に付随して０．５８０８°回転していることになる。
【００９３】
図１１は、本実施例に係る光学系１３０の収差図であり、図７に対応している。なお、図１１において、ＹＺ断面（メリディオナル面）では画角θｙ＝＋１８°〜＋５８°についての収差を示し、ＺＸ断面（サジタル面）では画角θｘ＝０°についての収差を示している。図１１から明らかなように、諸収差が良好に補正されている。
【００９４】
［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。
【００９５】
例えば、上述した各実施例に係る反射面は、レンズの表面に反射膜を設けることで形成された裏面反射面であるが、これに限られず、裏面反射面の代わりに、レンズとは別の表面反射面を有する光学素子（ミラーなど）を設けてもよい。図１２は、実施例１に係る撮像装置１１００における第７光学素子７の第２面７ｂを反射面とする代わりに、表面反射面ＭＲａを有する反射光学素子（ミラー）ＭＲを設けた変形例を示している。図１２の構成では、開口絞りＳＴＯを通過した光束は面７ｂでは反射されずに透過して、ミラーＭＲの反射面ＭＲａにて反射される。変形例の構成では、実施例１に係る構成と比較して、要求される反射面の面精度が低減される。
【００９６】
また、各実施例において、全ての光学素子は互いに接合されているが、必要に応じて、互いに空気を隔てて各光学素子を配置する構成を採ってもよい。そして、各実施例における光学系を、そのまま投影装置に適用することができる。その場合、上述したように、撮像装置における物体側（縮小側）と像側（拡大側）とが反転して光路が逆向きになり、前群Ｇ１が後群、後Ｇ２が前群となり、各光学素子の入射面が出射面、出射面が入射面となる。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。
【００９７】
［車載カメラシステム］
図１３は、本実施形態に係る車載カメラ６１０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６１０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１４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１４においては、車載カメラ６１０の撮像範囲６５０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６５０を車両７００の後方に設定してもよい。
【００９８】
図１３に示すように、車載カメラシステム６００は、車載カメラ６１０と、車両情報取得装置６２０と、制御装置（ＥＣＵ：エレクトロニックコントロールユニット）６３０と、警報装置６４０と、を備える。また、車載カメラ６１０は、撮像部６０１と、画像処理部６０２と、視差算出部６０３と、距離算出部６０４と、衝突判定部６０５と、を備えている。撮像部６０１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は、例えば、図１に示した実施形態に係る撮像装置１０００が備える撮像素子２００に対応する。
【００９９】
図１５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。
【０１００】
まず、ステップＳ１では、撮像部６０１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。
【０１０１】
また、ステップＳ２では、車両情報取得装置６２０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。
【０１０２】
ステップＳ３では、撮像部６０１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６０２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。
【０１０３】
ステップＳ４では、撮像部６０１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６０３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。
【０１０４】
ステップＳ５では、撮像部６０１により撮像した対象物までの距離情報を、距離算出部６０４によって算出する。距離情報は、視差算出部６０３により算出された視差情報と、撮像部６０１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。
【０１０５】
そして、ステップＳ６では、距離算出部６０４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６０５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６０５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）。
【０１０６】
次に、衝突判定部６０５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６３０や警報装置６４０に対して通知する。このとき、制御装置６３０は、衝突判定部６０５での判定結果に基づいて車両を制御し、警報装置６４０は、衝突判定部６０５での判定結果に基づいて警報を発する。
【０１０７】
例えば、制御装置６３０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６４０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。
【０１０８】
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６１０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。
【０１０９】
ここで、本実施形態では、車載カメラ６１０が撮像面位相差センサを有する撮像部６０１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６１０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。
【０１１０】
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６０１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。
【０１１１】
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６０４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６０４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６０４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。
【０１１２】
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Ａ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６１０に適用し、その車載カメラ６１０を車両に設置する場合は、光学系の光軸Ａ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１に示した実施形態に係る光学系１００を採用する場合、光軸Ａ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Ａ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６１０の撮像範囲を適切に設定することができる。
【０１１３】
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６１０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Ａを水平方向に対して下側に傾け、光軸Ａの近傍の画角が下側を向くように配置すればよい。
【０１１４】
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６１０、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。
【符号の説明】
【０１１５】
１ａ  屈折面
３ｂ  反射面
１００  光学系
２００  撮像素子
１０００  撮像装置
Ｇ１  前群
Ｇ２  後群
ＩＭＧ  撮像面
ＳＴＯ  開口絞り
【図１】
2017156713.tif 000022
【図２】
2017156713.tif 000023
【図３】
2017156713.tif 000024
【図４】
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【図５】
2017156713.tif 000026
【図６】
2017156713.tif 000027
【図７】
2017156713.tif 000028
【図８】
2017156713.tif 000029
【図９】
2017156713.tif 000030
【図１０】
2017156713.tif 000031
【図１１】
2017156713.tif 000032
【図１２】
2017156713.tif 000033
【図１３】
2017156713.tif 000034
【図１４】
2017156713.tif 000035
【図１５】
2017156713.tif 000036