(57)【要約】【課題】  撮像装置や投影装置において、小型化及び広画角にわたる高解像度化を実現可能な光学系を提供すること。【解決手段】  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１群Ｇ１は、拡大側に向かって凸形状の屈折面１１を含み、第２群Ｇ２は、透過反射面３１と、凹形状の反射面３２と、を含み、開口絞りＳＴＯを通過した拡大側からの光は、透過反射面３１を透過した後、反射面３２及び透過反射面３１で順に反射されており、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、０．７≦｜Ｒｌ｜／Ｌｌ≦１．５なる条件を満足する。【選択図】  図２
2017156712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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１群は、拡大側に向かって凸形状の屈折面を含み、
前記第２群は、透過反射面と、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、前記透過反射面を透過した後、前記反射面及び前記透過反射面で順に反射されており、
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光学系。
【請求項２】
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に記載の光学系。
【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に記載の光学系。
【請求項４】
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３の何れか１項に記載の光学系。
【請求項５】
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４に記載の光学系。
【請求項６】
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５に記載の光学系。
【請求項７】
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５又は６に記載の光学系。
【請求項８】
前記反射面で反射された光は、前記透過反射面で全反射す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。
【請求項９】
前記透過反射面は、透過反射膜を含む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。
【請求項１０】
前記透過反射面と、光路上で前記透過反射面に最も近接した光学面と、は空気を介して互いに対向していることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の光学系。
【請求項１１】
前記透過反射面の曲率半径と、光路上で前記透過反射面に最も近接した光学面の曲率半径と、は互いに同じであることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の光学系。
【請求項１２】
前記開口絞りの開口部は、反射面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。
【請求項１３】
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１２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。
【請求項１４】
前記撮像面は、平面であることを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項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１３又は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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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１２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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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】
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。また、特許文献３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。
【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
【特許文献３】特開２００９−３００９９４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。そのため、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】
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。また、特許文献３に記載の光学系では、Ｆ値を小さくしつつ収差を良好に補正することが困難であるため、小型化と高解像度との両立が難しくなる。
【０００８】
そこで本発明は、撮像装置や投影装置において、小型化及び広画角にわたる高解像度化を実現可能な光学系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】
【０００９】
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１群は、拡大側に向かって凸形状の屈折面を含み、前記第２群は、透過反射面と、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、前記透過反射面を透過した後、前記反射面及び前記透過反射面で順に反射されており、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。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、撮像装置や投影装置において、小型化及び広画角にわたる高解像度化を実現可能な光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１に係る撮像装置の要部概略図。
【図２】本発明の実施例１に係る光学系の要部概略図。
【図３】本発明の実施例１に係る光学系の収差図。
【図４】本発明の実施例２に係る光学系の要部概略図。
【図５】本発明の実施例２に係る光学系の収差図。
【図６】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７】本発明の実施形態に係る車両の要部概略図。
【図８】本発明の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】
［実施例１］
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、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。
【００１４】
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。
【００１５】
図２は、光学系１００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。
【００１６】
第１群Ｇ１は、物体側に向かって凸形状の屈折面（入射面）１１を含む第１光学素子Ｌ１と、第２光学素子Ｌ２と、光束幅を制限する開口絞りＳＴＯと、を有する。また、第２群Ｇ２は、第１光学素子Ｌ１と、第２光学素子Ｌ２と、凹形状の反射面３２を含む第３光学素子Ｌ３と、第４光学素子ＣＧと、を有する。このように、本実施例では、第１光学素子Ｌ１の一部及び第２光学素子Ｌ２を第１群Ｇ１と第２群Ｇ２とで共有している。
【００１７】
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を３つ有するレンズであり、具体的には、第１面１１、第２面１２、及び第３面１３の３つの透過面を有する。第１光学素子Ｌ１において、第１面１１及び第２面１２は第１群Ｇ１であり、第２面１２及び第３面１３は第２群Ｇ２である。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り、屈折面である第１面２１と反射面である第２面２２とを有する。第２光学素子Ｌ２の第２面２２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。また、開口絞りＳＴＯは、第２光学素子Ｌ２の第２面２２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。
【００１８】
第３光学素子Ｌ３は、透過反射面である第１面３１と、入射光に向かって凹形状の第２面３２と、出射面である第３面３３と、の３つの光学面を含む反射屈折レンズである。第３光学素子Ｌ３において、第１面３１は透過反射面であり、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り、第３面３３は透過面である。第４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。ただし、必要に応じて、第４光学素子ＣＧとしてレンズ等を採用してもよい。
【００１９】
なお、第３光学素子Ｌ３の透過反射面３１と、光路上で透過反射面３１に最も近接した第１光学素子Ｌ１の第３面１３と、は互いに同一形状である。このように、透過反射面と光路上で該透過反射面３１に最も近接した光学面とを互いに曲率半径が同じ形状とすることで、開口絞りＳＴＯからの光が透過反射面を効率的に透過することができるようになる。本実施例では、第１光学素子Ｌ１の第３面１３と第３光学素子Ｌ３の透過反射面３１とは、空気を介して互いに対向している。
【００２０】
本実施例において、光軸Ａは、光学系１００におけるパワーを有する各光学面の中心（面頂点）を通る軸である。すなわち、光学系１００が有する屈折面及び反射面の夫々の面頂点は、光軸Ａ上に存在している。なお、第１光学素子Ｌ１の第１面１１は、光軸Ａと交わらないが、光軸Ａ上に面頂点が存在する（光軸Ａと中心軸とが一致する）面の一部を切り出した形状である。
【００２１】
ここで、本実施例に係る第１群Ｇ１が有する屈折面１１は、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）である。具体的に、屈折面１１は、その曲率半径をＲｌ（ｍｍ）、屈折面１１と開口絞りＳＴＯとの間隔をＬｌ（ｍｍ）、とするとき、以下の条件式（１）を満足する形状である。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      （１）
【００２２】
条件式（１）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（１）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。このことについて、以下に説明する。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
このように、条件式（１）を満足する点対称形状の屈折面１１を採用することで、絞り値を小さくしつつ、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に凹形状の反射面３２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。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。
【００２６】
なお、第１群Ｇ１において、条件式（１）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（１）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。
【００２７】
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、｜Ｒｌ｜／Ｌｌ＝１．０１２であるため、条件式（１）及び（１´）を満足する。
０．８≦｜Ｒｌ｜／Ｌｌ≦１．３      （１´）
【００２８】
図２において、不図示の物体からの光は、第１光学素子Ｌ１の第１面１１より第１群Ｇ１に入射し、第１光学素子Ｌ１及び第２光学素子Ｌ２を順に通過して、開口絞りＳＴＯに入射する。このとき、光の一部は開口絞り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、すなわち第２光学素子Ｌ２の第２面２２で反射された光は、第２光学素子Ｌ２の第１面２１及び第１光学素子Ｌ１の第２面を再び通過し、第１光学素子Ｌ１の第３面１３を透過する。
【００２９】
そして、第３光学素子Ｌ３の第１面３１を透過した光は、第３光学素子Ｌ３の第２面３２で反射され、再び第３光学素子Ｌ３の第１面３１に到達する。このとき、臨界角より大きい入射角で入射する光は、第３光学素子Ｌ３の第１面３１において全反射し、第３光学素子Ｌ３の第３面３３を透過し、平面形状の像面ＩＭＧを形成する。
【００３０】
このように、第３光学素子Ｌ３において、第１面３１を透過反射面とし、第２面３２で反射された光を第１面３１でさらに反射させる構成を採ることにより、開口絞りＳＴＯから離れた位置に像面ＩＭＧを形成することができる。これにより、開口絞りＳＴＯの遮光部で遮光されなかった不要光が像面ＩＭＧに到達することを抑制することができるため、撮像装置１０００の広画角化を実現することが可能になる。
【００３１】
上述したように、本実施例では、第１光学素子Ｌ１の第３面１３と第３光学素子Ｌ３の第１面３１との間に空気層を設け、第３光学素子Ｌ３の第２面３２で反射された光が第３光学素子Ｌ３の第１面３１で全反射条件を満たすように構成している。この構成によれば、第３光学素子Ｌ３の第１面３１に透過反射膜を設ける場合と比較して、第１面３１で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。
【００３２】
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±２７（ｄｅｇ）、ＹＺ断面（第２断面）内での画角（垂直画角）は１５〜５３（ｄｅｇ）、である。すなわち、水平画角は光軸Ａの両側に対称に設定されているのに対して、垂直画角は光軸Ａに対して片側（＋側）にのみ設定されている。
【００３３】
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Ａに対して撮像素子１１０とは反対側から光学系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が各光学素子や各光路と干渉しないようにすることができる。
【００３４】
なお、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（２）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      （２）
【００３５】
条件式（２）を満足することにより、点対称形状の屈折面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、点対称形状の屈折面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、点対称形状の屈折面による効果が十分に得られなくなる。本実施例では、Ｌｐ／ｆ＝−０．００５であるため、条件式（２）を満足する。
【００３６】
さらに、第２群Ｇ２が有する反射面３２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）
【００３７】
反射面３２の形状を、条件式（３）を満たす形状とすることで、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、像面ＩＭＧが光路と干渉してしまう可能性が生じる。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（３）を満たすことが望ましい。
【００３８】
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、｜Ｒｍ｜／Ｌｍ＝２．７６５であるため、条件式（３）及び（３´）を満足する。
２．５≦｜Ｒｍ｜／Ｌｍ≦５．７      （３´）
【００３９】
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１光学素子Ｌ１と第２光学素子Ｌ２との接合面（第２面１２及び第１面２１）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１光学素子Ｌ１のｄ線に対するアッベ数をνＡ、像側に配置される第２光学素子Ｌ２のｄ線に対するアッベ数をνＢ、とするとき、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
νＡ＜νＢ      （４）
【００４０】
条件式（４）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＝４３．７、νＢ＝５７．７であるため、条件式（４）を満足する。
【００４１】
さらに、物体側に配置される第１光学素子Ｌ１のｄ線に対する屈折率をＮＡ、像側に配置される第２光学素子Ｌ２のｄ線に対する屈折率をＮＢ、とするとき、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
ＮＡ＞ＮＢ      （５）
【００４２】
条件式（５）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＝１．６０６、ＮＢ＝１．５７３であるため、条件式（５）を満足する。
【００４３】
なお、光学系１００において、第１光学素子Ｌ１の第１面１１、第２光学素子Ｌ２の第２面２２、及び第３光学素子Ｌ３の第２面３２の夫々は、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３光学素子Ｌ３の第２面３２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３光学素子Ｌ３の第２面３２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。
【００４４】
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。
【００４５】
【数１】
2017156712.tif 000003
【００４６】
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。
【００４７】
本実施例に対応する数値実施例１の各データを表１〜３に示す。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。
【００４８】
［数値実施例１］
【００４９】
【表１】
2017156712.tif 000004
【００５０】
【表２】
2017156712.tif 000005
【００５１】
【表３】
2017156712.tif 000006
【００５２】
図３は、本実施例に係る光学系１００の収差図である。図３では、垂直画角５３°、３４°、１５°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３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。
【００５３】
以上、本実施例に係る光学系１００によれば、簡素でかつ小型な構成でありながら、広画角にわたる高解像度化を実現することができる。具体的には、全長が３６．５９ｍｍと小型な構成でありながら、Ｆ値がＦｎｏ＝２．３と明るく、広画角において諸収差を良好に補正することが可能になる。
【００５４】
［実施例２］
図４は、本発明の実施例２に係る光学系２００の、光軸Ａを含むＹＺ断面における要部概略図である。
【００５５】
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及び第２光学素子Ｌ２を有する。第１光学素子Ｌ１は、物体側に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第１面１１及び第２面１２を有する。第２光学素子Ｌ２は、平凸レンズであり、第１面２１及び第２面２２を有する。
【００５６】
また、光学系２００において、第２群Ｇ２は、第３光学素子Ｌ３、第４光学素子Ｌ４、第５光学素子Ｌ５、及び第６光学素子ＣＧを有する。第３光学素子Ｌ３は平凸レンズであり、第１面３１及び第２面３２を有する。第４光学素子Ｌ４は、物体側に向かって凹形状の第１面４１と平面形状の第２面４２とを有する。
【００５７】
第５光学素子Ｌ５は、透過反射面である第１面５１と、像側に向かって凹形状の第２面５２と、出射面である第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において、第１面５１は透過反射面であり、第２面５２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り、第３面５３は透過面である。第６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。
【００５８】
第１光学素子Ｌ１の第２面１２及び第２光学素子Ｌ２の第１面２１、第２光学素子Ｌ２の第２面２２及び第３光学素子Ｌ３の第１面３１、第３光学素子Ｌ３の第２面３２及び第４光学素子Ｌ４の第１面４１、の夫々は互いに接合されている。開口絞りＳＴＯは、第２光学素子Ｌ２及び第３光学素子Ｌ３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。
【００５９】
本実施例に係る第２群Ｇ２の透過反射面５１は、実施例１に係る第２群Ｇ２の透過反射面３１とは異なり、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膜（ハーフミラーやビームスプリッタなど）で構成されている。これにより、透過反射面の全反射条件を考慮する必要が無くなるため、画角や明るさを確保し易くすることができる。
【００６０】
なお、第１光学素子Ｌ１の第１面１１及び第５光学素子Ｌ５の第２面５２は、非球面である。また、第４光学素子Ｌ４の第４面４２と第５光学素子Ｌ５の第１面５１とは、互いに曲率半径が同じ形状であり、空気を介して互いに対向している。
【００６１】
図４において、不図示の物体からの光は、第１光学素子Ｌ１の第１面１１より第１群Ｇ１に入射し、第１光学素子Ｌ１及び第２光学素子Ｌ２を順に通過して、開口絞りＳＴＯに入射する。このとき、光の一部は開口絞り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、すなわち第３光学素子Ｌ３の第１面３１を通過した光は、第３光学素子の第２面３２、第４光学素子Ｌ４の第１面４１及び第２面４２を順に透過する。
【００６２】
そして、第５光学素子Ｌ５の第１面５１を透過した光は、第５光学素子Ｌ５の第２面５２で反射され、第５光学素子Ｌ５の第１面５１でさらに反射され、第５光学素子Ｌ５の第３面５３を透過し、平面形状の像面ＩＭＧを形成する。このように、第５光学素子Ｌ５において、第１面５１を透過反射面とし、第２面５２で反射された光を第１面５１でさらに反射させる構成を採ることにより、開口絞りＳＴＯから離れた位置に像面ＩＭＧを形成することができる。
【００６３】
なお、本実施例では、｜Ｒｌ｜／Ｌｌ＝１．１１６であるため条件式（１）及び（１´）を満足し、Ｌｐ／ｆ＝０．０４４であるため条件式（２）を満足し、｜Ｒｍ｜／Ｌｍ＝５．６３５であるため条件式（３）及び（３´）を満足する。また、本実施例では、物体側に向かって凸形状の接合面を有する第１光学素子Ｌ１及び第２光学素子Ｌ２について、νＡ＝１９．３、νＢ＝４４．３であるため条件式（４）を満足し、ＮＡ＝２．００３、ＮＢ＝１．６１３であるため条件式（５）を満足する。
【００６４】
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４〜６に示す。
【００６５】
［数値実施例２］
【００６６】
【表４】
2017156712.tif 000007
【００６７】
【表５】
2017156712.tif 000008
【００６８】
【表６】
2017156712.tif 000009
【００６９】
図５は、本実施例に係る光学系２００の収差図であり、図３と同様に、垂直画角５３°、３４°、１５°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。
【００７０】
以上、本実施例に係る光学系２００によれば、簡素でかつ小型な構成でありながら、広画角にわたる高解像度化を実現することができる。具体的には、全長が４５．２０ｍｍと小型な構成でありながら、Ｆ値がＦｎｏ＝２．３と明るく、広画角において諸収差を良好に補正することが可能になる。
【００７１】
［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。
【００７２】
実施例１及び２の夫々において、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。
【００７３】
また、各実施例では、第２群Ｇ２における透過反射面と、光路上で透過反射面に最も近接した光学面と、の間に空隙を設けているが、これに限られず、その空隙を屈折率が１以上の媒質で満たしてもよい。また、第２群の反射屈折レンズにおける透過反射面に透過反射膜を設ける場合は、第２群Ｇ２における透過反射面と、光路上で透過反射面に最も近接した光学面と、を接合してもよい。
【００７４】
なお、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。
【００７５】
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（２）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。
【００７６】
［車載カメラシステム］
図６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７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７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。
【００７７】
図６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。
【００７８】
図８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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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）。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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、広画角にわたって高精度な障害物の検知及び衝突判定を行うことが可能になる。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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１０の撮像範囲を適切に設定することができる。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【符号の説明】
【００９４】
１１  屈折面
３１  透過反射面
３２  反射面
１００  光学系
Ｇ１  第１群
Ｇ２  第２群
ＳＴＯ  開口絞り
ＩＭＧ  像面
【図１】
2017156712.tif 000010
【図２】
2017156712.tif 000011
【図３】
2017156712.tif 000012
【図４】
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【図５】
2017156712.tif 000014
【図６】
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【図７】
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【図８】
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