(57)【要約】【課題】本発明の課題は高品質な広角画像処理システムをもたらすことであり、その広角画像処理システムは、短い総トラック長及び速いF値(F#)を有し、僅かなレンズ要素しかなく、如何なる接合レンズ要素も必要としない。【解決手段】超広角画像処理システムは短い総トラック長を有する。レンズ系はレトロフォーカス型レンズ系であり、接合レンズ要素を一切伴わずに少数のレンズしか使用しない。後続のディジタル画像処理を利用することで、許容可能なパフォーマンスが達成される。コンパクトなレンズ系は、後続のディジタル処理で復元可能な光学画像を生成するよう設計され、そのディジタル処理はレンズ系で導入された許容できない収差を補償する。【選択図】図３
2009003455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像形成用のレンズ系を有する画像処理システムであって、前記レンズ系は、
負のパワーの非接合のレンズを２枚(L1,L2)有する第１の負パワーレンズ群と、
正のパワーの非接合のレンズを３枚(L3,L4,L5)有する第２の正パワーレンズ群と、
を対象物から像に向かう順序で有し、前記レンズL1,L2,L3,L4,L5は前記対象物から前記像に向かう順序で設けられ、
前記第１及び第２のレンズ群は、少なくとも180度の視界を画像面上で画像処理するように機能する画像処理システム。
【請求項２】
前記画像面は或る画像高さhmを有し、前記レンズ系は高々10hmの総トラック長を有する請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項３】
前記レンズL5が非球面レンズである請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項４】
前記レンズL1-L4が球面レンズである請求項３に記載の画像処理システム。
【請求項５】
前記レンズL3又はL5の何れかが非球面レンズである請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項６】
前記レンズL2の焦点距離f2に対する前記レンズL1の焦点距離f1の比率が、
【数１】
2009003455.tif 000022
の範囲内にあるようにした請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項７】
最大画像高さhmに対する前記第１のレンズ群の焦点距離fG1の比率が、
【数２】
2009003455.tif 000023
の範囲内にあるようにした請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項８】
前記レンズ系の実効焦点距離fに対する前記第１のレンズ群の焦点距離fG1の比率が、
【数３】
2009003455.tif 000024
の範囲内にあるようにした請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項９】
前記レンズL4及びL5の実効焦点距離f45に対する前記レンズL3の焦点距離f3の比率が、
【数４】
2009003455.tif 000025
の範囲内にあるようにした請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項１０】
前記レンズL5の焦点距離f5に対する前記レンズL4の焦点距離f4の比率が、
【数５】
2009003455.tif 000026
の範囲内にあるようにした請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項１１】
前記レンズ系の実効焦点距離fに対する前記レンズ系のレンズ全長Σdの比率が、
【数６】
2009003455.tif 000027
の範囲内にあるようにした請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項１２】
前記レンズ系の焦点面に設けられたセンサアレイを更に有し、前記センサアレイは３つのカラーバンドで動作し、各カラーバンドの中央波長にて及び視界の中の全視野角について、前記レンズ系の変調伝達関数は、前記カラーバンドに関する画素サンプリングレート以下の空間周波数に関し、約10%を下回らないようにした請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項１３】
前記レンズ系の焦点面に設けられたセンサアレイを更に有し、前記センサアレイは３つのカラーバンドで動作し、各カラーバンドについて、あるカラーバンドの全波長について、及び視界の中の全視野角について、前記レンズ系の変調伝達関数は、前記カラーバンドに関する画素サンプリングレート以下の如何なる空間周波数においても、ゼロにならないようにした請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項１４】
前記レンズ系の焦点面に設けられ、前記レンズ系で形成された像を捕捉するセンサアレイを更に有する請求項１に記載の画像処理システム。
【請求項１５】
前記センサアレイに通信可能に結合され、前記センサアレイで捕捉された像をディジタルフィルタリングするディジタル処理部を更に有する請求項１４に記載の画像処理システム。
【請求項１６】
画像形成用のレンズ系を有する画像処理システムであって、前記レンズ系は、
負のパワーのレンズを２枚(L1,L2)有する第１の負パワーレンズ群と、
正のパワーのレンズを２枚(L3,L4)有する第２の正パワーレンズ群と、
を対象物から像に向かう順序で有し、前記レンズL1,L2,L3,L4は前記対象物から前記に向かう順序で設けられた画像処理システム。
【請求項１７】
前記レンズL4が非球面レンズである請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項１８】
前記レンズL1-L3が球面レンズである請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項１９】
前記レンズL3が非球面レンズである請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項２０】
前記レンズL2の焦点距離f2に対する前記レンズL1の焦点距離f1の比率が、
【数７】
2009003455.tif 000028
の範囲内にあるようにした請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項２１】
最大画像高さhmに対する前記第１のレンズ群の焦点距離fG1の比率が、
【数８】
2009003455.tif 000029
の範囲内にあるようにした請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項２２】
前記レンズ系の実効焦点距離fに対する前記第１のレンズ群の焦点距離fG1の比率が、
【数９】
2009003455.tif 000030
の範囲内にあるようにした請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項２３】
前記レンズL4の焦点距離f4に対する前記レンズL3の焦点距離f3の比率が、
【数１０】
2009003455.tif 000031
の範囲内にあるようにした請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項２４】
前記レンズ系の実効焦点距離fに対する前記レンズ系のレンズ全長Σdの比率が、
【数１１】
2009003455.tif 000032
の範囲内にあるようにした請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項２５】
前記レンズ系の焦点面に設けられたセンサアレイを更に有し、前記センサアレイは３つのカラーバンドで動作し、各カラーバンドの中央波長にて及び視界の中の全視野角について、前記レンズ系の変調伝達関数は、前記カラーバンドに関する画素サンプリングレート以下の空間周波数に関し、約10%を下回らないようにした請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項２６】
前記レンズ系の焦点面に設けられたセンサアレイを更に有し、前記センサアレイは３つのカラーバンドで動作し、各カラーバンドについて、あるカラーバンドの全波長について、及び視界の中の全視野角について、前記レンズ系の変調伝達関数は、前記カラーバンドに関する画素サンプリングレート以下の如何なる空間周波数においても、ゼロにならないようにした請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項２７】
前記レンズ系の焦点面に設けられ、前記レンズ系で形成された像を捕捉するセンサアレイを更に有する請求項１６に記載の画像処理システム。
【請求項２８】
前記センサアレイに通信可能に結合され、前記センサアレイで捕捉された像をディジタルフィルタリングするディジタル処理部を更に有する請求項１７に記載の画像処理システム。
【請求項２９】
画像形成用のレンズ系と、前記レンズ系の焦点面に設けられたセンサアレイとを有する画像処理システムであって、前記センサアレイは、１つ以上のカラーバンドで動作し、各カラーバンドについて、前記レンズ系は、該倍率色収差は前記センサアレイの画素間隔の１倍より大きい倍率色収差を示すようにした画像処理システム。
【請求項３０】
前記レンズ系は倍率色収差を示し、該倍率色収差は、各カラーバンドに関する実効画素間隔の１倍より大きく且つ各カラーバンドに関する実効画素間隔の3.5倍より小さいようにした請求項３１に記載の画像処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に車両用途に適した広角光画像処理システムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
車両製造業者が彼らの車両に画像処理システムを装備することが増えてきている。例えば、製造業者は車両の後部に画像処理システムをインストールし、車両が後退している際にドライバ(運転手)を支援する。ドライバの視界を増やすこと及び潜在的なブラインドスポットを排除すること双方のため、これらの画像処理システムは非常に広い視野を有することが好ましい。車両後部の状況を完全に捕捉するには、(少なくとも水平方向に)160-200度の範囲内の視野が望ましい。後方確認システムに加えて、車載画像処理システムは他の用途に使用することも可能であり、例えば、車線マークその他の案内目印を検出すること、後方以外の方向をドライバが目視可能にすること、更にはドライバ、乗客その他の車内の者が何かを見ることにさえ利用可能である。
【０００３】
用途によらず、広角の車載用広角レンズ系は、製造が容易であること、速やかなF#(即ち、小さい開口数)を有すること、及び総飛跡長(総トラック長)の短いこと(即ち、対象物に最も近いレンズ表面から画像面までの物理的な距離が短いこと)が望ましいのが通常的である。光学系の従来の設計では、これらの条件のいくつかを満足しているが、それら全てを満足してはいない。ある設計例は少数の製造の容易なレンズ要素しか必要としないが、総トラック長を長くしなければならない。或いは、総トラック長は短いが、多くのレンズ要素を必要とし、照度低下や深刻な歪みの影響をしばしば被ってしまうかもしれない。広角の光学系の具体例は、特許文献１−５に説明されている。
【特許文献１】米国特許第4525038号明細書
【特許文献２】米国特許第6844991号明細書
【特許文献３】米国特許第7023628号明細書
【特許文献４】米国特許第7173776号明細書
【特許文献５】米国特許公開第2006/0274433(A1)号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って本発明の課題は高品質な広角画像処理システムをもたらすことであり、その広角画像処理システムは、短い総トラック長及び速いF値(F#)を有し、僅かなレンズ要素しかなく、如何なる接合レンズ要素も必要としない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は短い総トラック長と共に超広角画像処理システムをもたらすことで従来の制約を克服しようとする。画像処理システムの光学部分はレトロフォーカス(retrofocus)タイプのレンズ系を有し、負のパワーの第１レンズ群の後に正のパワーの第２レンズ群が、対象物から画像面に向かう順序で続く。第１の負のレンズ群は、実効焦点距離を短く維持しつつ、後方焦点距離を伸ばすことに加えて、広い視野角を狭い視野角にするよう機能する。第２の正のレンズ群は、光の収差を修正し、フラックスをフォトディテクタ配列の画像面に向けるよう機能する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
少数のレンズ要素のみを使用しつつ総トラック長が短いようにすることは、以後のディジタル画像処理を利用することで達成される。画像面で形成される光画像は、センサアレイで捕捉され、ディジタル画像を形成する。画像処理システムは、後にディジタル画像処理を行い、コンパクト光システムで導入された許容できない収差を補償する。本手法は少数のレンズしか伴わず、接合レンズ要素を必要としない短距離のレンズ設計をもたらす。
【０００７】
ある設計例では、レンズ系は５枚のレンズを有する：２枚の球面レンズを第１レンズ群中に、３枚のレンズ(典型的には、少なくとも１つが非球面)を第２レンズ群中に有する。ある設計例では、光学系は190度の視野と共にf=0.8mmの焦点距離を有する。レンズは1.71mmのフィールド高度(field  height)を有するF/2.8レンズであり、これは4.25μmの画素を有する1/7インチVGA解像度画像センサに対応する。システムは、カラーフィルタの標準的なベイヤパターン(Bayer  pattern)を使用して、425-700nmのスペクトル範囲にわたる３色処理用に設計される。高々15mmの総トラック長(最初のレンズ正面から画像面に至るまでの距離)の光学系は、捕捉された画像のディジタルフィルタリング後に許容可能なパフォーマンスを達成可能である。
【０００８】
第２の設計例のレンズ系は４枚のレンズを有する：２枚の球面レンズを第１レンズ群中に、２枚のレンズ(通常的には、両方とも非球面)を第２レンズ群中に有する。このレンズ系は、第１の例と同様な機能原理を示すように設計される。
【０００９】
ある方法では、レンズ系は強い球面収差を有し、コンパクト光システムが他の収差を補償できるよう許容されている。特に、軸方向のピンぼけ収差はその強い球面収差によって減らされ、軸方向のピンぼけに対する変調伝達関数(MTF:  Modulation  Transfer  Function)がゼロと交わることを防ぐ。MTFは結果的に回折限界(diffraction-limited)に関して劣化するかもしれない。しかしながら、ある実施形態では、MFTは適切な空間周波数についてコントラストで約10％より悪く落ち込まない。
【００１０】
本発明の他の形態は上記の画像処理システムを組み込んだシステム、それらのシステムのアプリケーション及び上記全てに関する方法等を含む。
【００１１】
本発明は他の利点及び特徴も有し、それらは添付図面と共に以下の発明の詳細な説明及び特許請求の範囲から更に明確になるであろう。
【００１２】
図面は本発明の実施例を説明するためのものに過ぎない。説明された構造及び方法の代替例はここで説明されている原理から逸脱せずに使用可能であることを、当業者は以下の説明から容易に理解するであろう。
【実施例１】
【００１３】
＜色収差及び画像処理＞
広角画像処理で１つの支配的な収差は、倍率色収差(lateral  chromatic  aberration)である。広角システムに含まれている急激に曲がった角度は、画像面で様々な半径方向の色の光線に分離する。多くの従来の広角レンズ設計は、長い総トラック長を有し、接合レンズを組み込み、倍率色収差による影響を減らそうとする。しかしながら、本発明の一形態では、倍率色収差が大幅に修正されるという条件或いは完全に排除されるという条件は、かなり緩和される。
【００１４】
典型的なフォトディテクタアレイは、カラーフィルタアレイ(CFA:  Color  Filter  Array)を利用し、様々なカラーチャネルのサンプリングを多重する。最も一般的なCFAはベイヤパターンとして知られている。図１にはベイヤパターンの具体例が示されている。CFAにおける３色チャネルの各々は様々なスペクトルフィルタを有し、各画素が色空間内で１つの領域しか占めないようにする。図１におけるR,G,Bの文字は赤、緑及び青のチャネルのカラーフィルタをそれぞれ示す。図２はソニーICX285AQ-CCD画像センサのスペクトル感度を示す。CFAは個々のカラーチャネルについてのサンプリングレートを本質的には下げるので(例えば、ある緑の画素と次の緑の画素との間隔は、ある画素と隣の画素との間隔の２倍である)、倍率色収差についての条件を緩和することができ、特に、後でディジタル画像処理が行われる場合にそうである。ある方法では、倍率色収差についての条件は、同色の２画素の間隔に当てはまらなければならないことになる（あるカラーチャネルの隣接する画素は、２画素離れていることを想定している。）。
【００１５】
更に、カラーチャネル各々はスペクトル全体の一部分のみを捕捉する。従って、色収差は、個々のカラーチャネル各々のスペクトル範囲だけについて補正されることを要し、画像処理システム全体のスペクトル全域にわたって同時に補正されることを要しない。例えば、センサが4.5μmの画素を有し(即ち、画素同士は4.5μmピッチで離れている)、標準的なベイヤパターンが使用される場合、緑のチャネルは実効的に9μmのピッチを有することになる。緑のチャネルは500-600nmの波長範囲をカバーするものとする(この範囲は、50%のスペクトル強度線により規定される)。色倍率収差の制限は、500-600nmのスペクトル範囲において、9μm間隔に緩和可能である。このレベル未満の倍率色収差は、画素サンプリングレートに該当する。これは、(赤、緑及び青チャネルの)可視スペクトル範囲にわたる4.5μm間隔の条件と比較して、かなり顕著に緩和された条件になっている。更に、ディジタル処理は、倍率色収差に起因して不鮮明にされたカラーチャネルをかなり鮮明にするのをしばしば期待することは当を得ている。多くの場合、倍率色収差の制約は、更に、画素ピッチの約3.5倍にさえも緩和されるかもしれない。これらの緩和された条件は、接合レンズ要素を不要にし、よりコンパクトなレンズ系さえも可能にする。
【００１６】
更に、多くの画像処理システムは画像処理サブシステムを含む。これらのサブシステムは、光学レンズ系に課する設計条件を緩和することにも使用可能である。例えば、広角レンズ系はレトロフォーカス型の光学系でもよい。従って実効的な焦点距離は、光学系の後方焦点距離よりも小さくなる。このため、軸上の色収差は、非レトロフォーカス型の光学系に付随するものよりも少ない。この有用性を使って、軸上色収差に対処するために一般的に使用される接合レンズ要素を排除することができる。むしろ、このレンズ設計は、大きな球面及びコマ収差を含むことを許容する。これらの収差は光学的なコントラスト(MTF)を下げるが、そのコントラストはディジタル処理で復元できないものではない。低減したコントラストは、線形な鮮明化フィルタを使って復元可能であり、これについては後述される。このように、光学系に対する条件は緩和可能であり、その結果のコントラスト損失は画像処理で補償される。Robinson及びStorkにより西暦2005年6月17日付けで出願された“End  to  end  design  of  electro-optic  imaging  systems”と題する米国特許出願第11/155,870号、Robinsonにより西暦2006年1月13日付けで出願された“End  to  end  design  of  electro-optic  imaging  systems  with  constrained  digital  filters”と題する米国特許出願第11/332,640号は、そのような設計法を詳細に記述しており、それらの出願の内容全体は本願のリファレンスに組み入れられる。結果的に得られる総トラック長は短くなり、F#は速くなり、少数のレンズしか要しない。
【００１７】
＜第１の設計例＞
図３は本発明によるコンパクト５レンズ光学系を示す。このレンズ設計は、190度の視野でf=0.8mmの焦点距離を使用する。レンズはF/2.8レンズであり、1.71mmの最大フィールド高さを有し、これは4.25μm画素を有する1/7インチVGA解像度画像に対応する。本システムは、各フィルタについてスタンダードベイヤパターンを使用し、425-700nmのスペクトル範囲にわたる３色の処理に備えて設計されている。
【００１８】
このレンズ設計に関する光学的な規定は、表１に示されている。第４及び第５レンズは非球面的(asphere)である。円錐定数(conic  constant)  k及び高次の回転対称偶多項式項(rotationally  symmetric  higher  order  even  polynomial  terms)により、非球面項は規定される。非球面は、次式で規定される半径距離ρの関数のような表面sagS(ρ)と共に、回転対称な面によって規定される。
【数１】
2009003455.tif 000003
ここで、Rは表面の曲率半径である。以下の表１は非球面項の値を与える。
【００１９】
表１：５レンズ設計の場合の具体例
【表１】
2009003455.tif 000004
【００２０】
全フィールドで500及び580nm波長の間における最大の倍率色収差は、10.4μmである。425及び500nmの間の色分解は(color  separation)11μmである。580及び700μmの間の色分解は10.0μmである。これらの色分離は、意図される画素サイズの所望の範囲内に収まるのが一般的であり、画像処理は、色収差に起因するコントラスト損失を復元するのを可能にする。
【００２１】
図４−６は486,587及び656nmの場合のMTF曲線をそれぞれ示す。これらの図の各々において、接平面(tangential  plane)でのMTFについては「T」により、矢状面(sagittal  plane)でのMTFについては「S」により、MTFカーブが示されており、視野角は角度で示される。MTFカーブは確実に回折限界ではない。しかしながら、概してそれら(MTF)はカラーチャネル各々について120サイクル/mmのサンプリングレートで10パーセントよりも低いコントラストには落ちていない。従って、そのパフォーマンスはディジタル整形処理により復元可能な範囲内にある。
【００２２】
図７はそのことを示している。実線はディジタルフィルタリング前の630nmでの軸上MTFを示す。MTFは強い球面収差に起因して減少し、その収差はコンパクト光システムが他の収差を補償できるように許容されている。特に、軸上のピンぼけ収差は強い球面収差によって最小化され、軸上のピンぼけ収差に関してゼロ交差を防ぐ。波線は線形ディジタルフィルタリングを行った場合のMTFを示す。ディジタルフィルタは、強い球面収差に起因するコントラスト損失を復元する。この例でディジタルフィルタは、水平及び垂直方向双方に適用される9タップの1Dフィルタであった。フィルタタップ係数は、[0.05,-0.09,0.17,-0.58,1.90,-0.58,0.17,-0.09,0.05]であった。非分離型フィルタ、非対称フィルタ等のような他のフィルタが、ポイントスプレッド関数の形に依存して画像に適用されてもよい。
【００２３】
図８は変更の影響を考慮に入れた視野の相対照度を示す。レンズ(複数)は視野全体にわたってほぼ一定の照度をもたらし、車両用途に相応しい。  
＜具体例＞
図３−８で光学系が説明されているが、それは同様な原理に基づく一群の設計例の１つである。より一般的には、この種のレンズ系は高々５枚のレンズから構築可能であり、如何なる接合レンズ要素も要しない。レンズ系は２つのレンズ群を有する。第１のレンズ群(図３のG1)は負のパワーの(negatively  powered)レンズ群−負の球面度数のレンズ群−である。G1は広い視野角を狭い視野角に曲げる。第２のレンズ群G2は正のパワーの(positively  powered)レンズ群−正の球面度数のレンズ群−であり、光学的収差のバランスをとりつつ、光束をフォトディテクタアレイに絞り込むように機能する。第２レンズ群は、倍率色収差及び歪み収差を減らすようにも機能する。第２レンズ群の中で画像面に最も近いレンズL5は、軸からずれた光線に備えて急な入射角を有し、強い負パワーの第１レンズ群で導入された負の収差に対処する。
【００２４】
より詳細には、第１レンズ群G1は負のパワーのレンズを２つしか使用していない。第１のレンズL1は凹凸レンズであり、対象物に面する凸面を有する。第２レンズL2は、イメージ側に面する凹面を有する負のパワーのレンズである。オブジェクト対向面は正でも負でもよい。主に第１レンズL1は広い視野角を開口絞り(aperture  stop)に仕向ける。これは、瞳孔を過剰に絞り込んで相対的照度不足を招くことなしに、光学系が広い視野角で光を捕捉できるようにする。第２レンズL2は負の非点収差をもたらし、第２レンズ群の最終要素により加えられる正の非点収差に対処する。これは強い負のパワーも有し、レンズ系の開口絞りに先行する光束の発散を増やす。
【００２５】
第１レンズの焦点距離f1と第２レンズの焦点距離f2との比率は、好ましくは以下の(2A)の範囲内にあり、更に好ましくは(2B)の範囲内にある。
【数２】
2009003455.tif 000005
これら及び以下の説明では、焦点距離は、(軸上の無限遠に対象物を置いた場合に)後方主面から近軸画像面までの距離として規定される。個々のレンズについての又はレンズ群についての焦点距離は、一般的なレンズメーカの数式に基づく。
【００２６】
この焦点距離比率|f1/f2|が下限よりも小さくなった場合、第２レンズは弱くなりすぎてコマ収差を修正できなくなり、第５レンズL5が強い非球面係数を持つことを強制する。より重要なことに、第２レンズL2は弱くなりすぎてレンズ系の全体的な倍率色収差を減らすことができなくなる。焦点距離比率が上限を上回る場合、第１レンズL1は弱くなりすぎる。第１レンズL1の直径が大きくなり、より多くの材料を必要とし、サイズが大きくなり、レンズ系の重さも増えてしまう。また、比率が上限を超える場合、第３レンズの凹凸屈曲が極端になり、レンズの製造を困難にしてしまう。
【００２７】
第１レンズ群G1はある焦点距離を有することが好ましく、その焦点距離は、過剰な収差を招くことなしに、光線をセンサ上に屈折させるのを容易にする。最大画像高さhmに対する第１レンズ群の焦点距離fG1の比率は、好ましくは以下の(3A)の範囲内にあり、更に好ましくは(3B)の範囲内にある。
【数３】
2009003455.tif 000006
(センサ配列のような)四角い画像面に関し、最大画像高さhmは、センサを横切る対角線距離の半分(即ち、センサアレイ中心からセンサアレイ隅までの距離)であることに留意を要する。この比率が上限を超えると、第１要素L1の直径は大きくなりすぎてしまう。これは第３レンズL3が強く湾曲することを強いる。この条件はレンズの製造を困難にしてしまう。更に、歪み及び倍率色収差を修正することが困難になってしまう。比率が下限よりも落ち込むと、レンズ系は多くの軸上色収差の被害を被ってしまう。また、第１レンズ群が過剰に強くなり、照度劣化が深刻になることを引き起こしてしまう。
【００２８】
系全体の実効的な焦点距離fに対する第１レンズ群の焦点距離fG1の比率は、第１及び第２レンズ群の相対的な強度を決める。その比率は、好ましくは以下の(4A)の範囲内にあり、更に好ましくは(4B)の範囲内にある。
【数４】
2009003455.tif 000007
この比率が上限を超えると、第1レンズ群のパワーが弱くなりすぎる。第１レンズL1の直径が大きくなりすぎ、第３レンズでの屈折が強くなりすぎ、レンズの製造を困難に且つレンズを高価にしてしまう。また、第５レンズの曲率が強くなりすぎ、コマ収差のおそれを増やし、製造誤差の影響に敏感になってしまう。この比率が下限を下回ると、第１レンズ群G1が強なりすぎる。照度不足だけでなく、歪み及び倍率色収差が増えてしまう。更に、通常は、軸上色収差が、線形画像処理で復元可能な範囲を増えてしまう。
【００２９】
第２レンズ群G2は３つの正のパワーのレンズを有する。第３レンズL3は低いアッベ数(Abbe  Number)を有し、倍率色収差及び歪み収差に対処する。第５レンズL5、場合によっては第４レンズL4は非球面な表面を有する。そのような非球面を伴うレンズを製造するため、圧縮成形可能な特殊なタイプのガラスや、射出成形可能なポリマ材料等が好ましい。この設計例では、第３レンズL3は、像側に凹面が向いている凹凸レンズ(メニスカス)である。第４及び第５レンズをまとめた焦点距離f45に対する第３レンズの焦点距離f3の比率は、好ましくは以下の(5A)の範囲内にあり、更に好ましくは(5B)の範囲内にある。
【数５】
2009003455.tif 000008
この比率が下限を下回ると、第３レンズは過剰に強くなり、軸上色収差を増やしてしまう。焦点距離比率が上限を超えると、第３レンズはシステムに有意義でなくなり、無視される程度のパワーしか持たなくなる。第３レンズは強く屈折させるようになるので、製造を困難にもしてしまう。
【００３０】
より重要なことは、第４及び第５レンズのパワーの比率である。第５レンズf5に対する第４レンズf4の焦点距離比率は、好ましくは以下の(6A)の範囲内にあり、更に好ましくは(6B)の範囲内にある。
【数６】
2009003455.tif 000009
この焦点距離比率が下限を下回ると、第４レンズL4は過剰に強くなり、球面収差が、線形画像処理でコントラスト損失を復元できる限界点を越えてしまう。焦点距離比率が上限を超えると、軸上色収差が増えてしまう。また、第１レンズの直径も増えてしまう。
【００３１】
上記のレンズ設計の利点の１つは、短い総トラック長のシステムで高品質の像を生成できることである。その短い総トラック長は、ディジタル検出及び処理システムの能力と光収差との均衡を図ることで達成される。総レンズ長Σdは、第１レンズの対象物に向いた表面(目下の例の場合、L1)から最終レンズ(L5)の像に向いた表面に至る光軸に沿う物理的な距離である。本システムの焦点距離に対する総レンズ長の比率は、好ましくは以下の(7A)の範囲内にあり、より好ましくは(7B)の範囲内にあり、特に好ましくは(7C)の範囲内にある。
【数７】
2009003455.tif 000010
【００３２】
この比率が下限を下回ると、歪み及び倍率色収差は極めて深刻になってしまう。レンズの極端な屈曲に起因して、球面及びコマ収差も過剰に強くなってしまう。照度も落ち始める。この比率が上限を超えると、レンズ系は過剰に大きくなり、軸上色収差及び非点収差を接合レンズなしに修正できなくなってしまう。また、この比率が過剰に大きくなると、本システムが過剰に長くなり、有用でなくなってしまう。
【００３３】
あるアプリケーションで特に重要な特性は、最大画像高さhmに対する総トラック長TTLの比率である。ほとんどのセンサシステムは良好な小さな入射主光線角を処理するので(それが要求されてもよい)、その比率はその設計の実用性(ユーティリティ)を決める。この設計例では、最大像高さに対する総トラック長の比率は、好ましくは次式の範囲内にある。
【数８】
2009003455.tif 000011
【００３４】
下限を下回る比率をレンズ系が有する場合、照度の落ち込み及び光学的歪みが極めて深刻になってしまう。倍率色収差も顕著に増えてしまう。第４レンズは高いパワーの表面により過剰に薄くなり、レンズの製造を困難にしてしまう。上限を上回る比率をレンズ系が有する場合、本システムは用途によっては過剰に長くなってしまう。また、第１及び第２レンズは強い表面パワーを有し、この系を製造することが高価になってしまう。
【００３５】
以下の表２は上記の様様な比率を表１の具体的な設計例について示したものである。
【００３６】
表２：５レンズ設計例に対する比率
【表２】
2009003455.tif 000012
【００３７】
上記の数式２−８の範囲は、上記の具体的なシステム条件に関連している：総トラック長は16mmより短く、視野は190度であり、F/2.8レンズが使用され、最大フィールド高さは1.71mmであり、1/7インチVGA分解能画像センサは4.25μmの画素を有し、425-700nmに亘る３色が処理され、カラーフィルタについて標準ベイヤパターンが使用される。
【００３８】
＜第２の設計例＞
図９は本発明によるコンパクト４レンズ光学系を示す。このレンズ設計例は190度の視野角でf=1.12mmの焦点距離を有する。このレンズは1.71mmの最大フィールド高さを有するF/2.6レンズであり、4.25μmの画素を有する1/7インチVGA分解能画像センサに対応する。本システムは、カラーフィルタについて標準ベイヤパターンを使用し、425-700nmのスペクトル範囲にわたる３色処理に備えて設計されている。
【００３９】
レンズ設計についての光学的な規定は表３に示されている。この設計例は、上記の設計例で説明された、軸上及び倍率色収差の軽減力を更に強化したものである。このレンズ系は、第１の負のパワーのレンズ群G1と第２の正のパワーのレンズ群G2とを含む。第３及び第４レンズは非球面要素である。円錐係数ｋ、高次の回転対称偶多項式項及び何らかの非回転対称多項式項により、非球面項は規定される。非球面は半径距離(ρ=√(x2+y2))の関数を含む表面sagS(x,y)により規定される。表面sagは次式で規定される：
【数９】
2009003455.tif 000013
ここで、Rは表面の曲率半径である。以下の表３は非球面項に関する値を列挙している。
【００４０】
表３：４レンズ設計における具体例
【表３】
2009003455.tif 000014
【００４１】
全視界における500及び580nm波長の間の横色分離(lateral  color  separation)は12.0μmである。425及び500nm間の色分離は19μmである。580及び700nm間の色分離は12μmである。これらの色分離は、画素サイズのまさに最適範囲外に該当する。しかしながらこの範囲は許容可能である。なぜなら、この範囲の視野の端における横色収差を画像処理で解決できるからである。
【００４２】
図10-12は486,587及び656nm各々についてのMTF曲線を示す。MTF曲線は図4-6と同様にラベル付けされている：接平面でのMTFについては「T」により、矢状面でのMTFについては「S」により、MTF曲線が示されており、視野角は角度で示される。図4-6のMTF曲線と同様に、図10-12のMTF曲線も回折限界ではない。しかしながら、概してそれら(MTF)はカラーチャネル各々について有効なサンプリングレートで10パーセントよりも低いコントラストには落ちておらず、ゼロ交差はない。そのパフォーマンス(影響)はディジタル整形処理により復元可能な範囲内にある。
【００４３】
図13は偏光の影響を加味した視野に関する相対的な照度を示す。レンズはその視野に関してほぼ一定の照度をもたらし、車載用途に適していることが分かる。
【００４４】
＜具体例＞
図9-13の光学系は同様な原理に基づくものである。より一般的には、この種のレンズ系は高々４枚のレンズから構築可能であり、如何なる接合レンズ要素も要しない。レンズ系は２つのレンズ群を有する。第１のレンズ群(図９のG1)は負のパワーのレンズ群である。G1は広い視野角を狭い視野角に曲げる。第２のレンズ群G2は正のパワーのレンズ群であり、光学的収差のバランスをとりつつ、光束をフォトディテクタアレイに絞り込むように機能する。
【００４５】
第１レンズ群G1は負のパワーのレンズを２つしか要しない。第１レンズL1は、対象物に向いた凸表面を有する凹凸型レンズである。第２レンズL2は、像に向いた凹面を有する負のパワーのレンズである。対象物に向いている面は凹面でも凸面でもよい。第１レンズL1は、広い視野角を口径絞りに仕向ける。第２レンズL2は、負の非点収差を有し、第２レンズ群の最終要素で導入される正の非点収差に対処する。
【００４６】
第２レンズの焦点距離f2に対する第１レンズの焦点距離f1の比率は、好ましくは以下の(10A)の範囲内にあり、更に好ましくは(10B)の範囲内にある。
【数１０】
2009003455.tif 000015
【００４７】
焦点距離比率が下限を下回ると、第２レンズが過剰に弱くなり、コマ収差を修正できなくなり、第４レンズL4が強い非球面係数を有することを強いる。より重要なことに、第２レンズが弱くなりすぎて、レンズ系の倍率色収差を全体的に減らせなくなるかもしれない。焦点距離比率が上限を超えると、第１レンズL1が弱くなりすぎる。第１レンズの直径が増えると、より多くのガラス材料を要し、レンズ系のサイズ及び重さを増やしてしまう。レンズ系全体としては、照度劣化の被害も被ってしまう。
【００４８】
過剰に多くの収差を招くことなく光線をセンサ上に集めやすくする焦点距離を、好ましくは第１レンズ群G1が有する。最大像高さhmに対する第１レンズ群の焦点距離fG1の比率は、好ましくは以下の(11A)の範囲内にあり、更に好ましくは(11B)の範囲内にある。
【数１１】
2009003455.tif 000016
焦点距離比率が上限を超えると、第１レンズL1の直径は過剰に大きくなってしまう。このことは、第２レンズL2及び第４レンズL4が過剰に薄くなることを強いる。そのような条件は、レンズの製造を困難にする。更に、照度劣化が深刻化するかもしれない。歪み及び倍率色収差の修正は困難になる。焦点距離比率が下限を下回ると、レンズ系は過剰な照度劣化の被害を被る。第１及び第２レンズは過剰に強くなり、それ故に製造及び組立を行うには困難に過ぎる。
【００４９】
系の実効的な焦点距離fに対する第１レンズ群の焦点距離fG1の比率は、第１及び第２レンズ群の相対強度を決める。その比率は好ましくは次式の範囲内にある。
【数１２】
2009003455.tif 000017
この焦点距離比率が上限を越えると、第１レンズ群のパワーが弱くなりすぎる。第２及び第３レンズ群の直径は過剰に小さくなり、製造を高価にしてしまう。第４レンズは、全体的に強い第１表面パワーと共に過剰に薄くなる。比率が下限を下回ると、第１レンズ群は過剰に強く且つ厚くなる。倍率色収差も顕著に増えてしまう。
【００５０】
第２レンズ群G2は２つの正のパワーのレンズを有する。第３レンズL3及び場合によっては第４レンズL4は、非球面を有する。第４レンズの焦点距離f4に対する第３レンズの焦点距離f3の比率は、好ましくは以下の(13A)の範囲内にあり、より好ましくは(13B)の範囲内にある。
【数１３】
2009003455.tif 000018
この比率が下限を下回ると、第３レンズが過剰に強くなり、レンズを全体的に厚くしてしまう。第４レンズ端部の厚みは過剰に薄くなり、いずれの事情もレンズの製造を困難にする。２つのレンズ間の隙間は狭まり、レンズの組立を困難にする。比率が上限を超えると、第３レンズは過剰に弱くなり、非常に湾曲するようになる。また、第１レンズは過剰に大きくなり、レンズ群の全長が増えてしまう。第４レンズに対する急激な入射角は、システム全体の製造及び組立を困難にしてしまう。
【００５１】
系の焦点距離に対する総レンズ長Σdの比率は、好ましくは以下の(14A)の範囲内にあり、より好ましくは(14B)の範囲内にある。
【数１４】
2009003455.tif 000019
この範囲を下回ると、歪み及び倍率色収差がかなり深刻になってしまう。L4の第１表面の表面パワーは、過剰に強くなってしまう。この範囲を逸脱すると、レンズ系は過剰に大きくなってしまい、接合レンズを利用せずに軸上及び倍率色収差を修正できなくなってしまう。このことはMTFの劣化も引き起こす。
【００５２】
説明済みの例と同様に、本設計例の利点の１つは、短い総トラック長だけを使って、高品質の像を(画像処理後に)作成できることである。最大像高さhmに対する総トラック長TTLの比率は、好ましくは次式の範囲内にある。
【数１５】
2009003455.tif 000020
下限を下回ると、照度劣化及び光学歪が極めて深刻化する。また、レンズL3,L4に関してレンズ系は高いパワーの表面を要求し、レンズ系の製造を困難にする。倍率色収差も増えてしまう。上限を超えると、照度も落ちる。画像コントラストを復元するためにかなりの画像処理が必要になるほどに、軸上色収差が増えてしまう。第１及び第２レンズは強い表面パワーを有することになり、レンズ系の製造を高価にしてしまう。レンズ群は多くの製品用途で長すぎるものになってしまう。
【００５３】
表４は表３で言及された具体的な設計例について上記の様様な比率を示す。
【００５４】
表４：４レンズ設計例に対する比率
【表４】
2009003455.tif 000021
【００５５】
上記の範囲は、説明済みの具体的なシステム条件に関するものである。
【００５６】
詳細な説明は多くの詳細を含んでいるが、それらは本発明の範囲を限定するように解釈されるべきでなく、本発明の様々な具体例及び形態を単に例示しているに過ぎない。本発明の範囲は、詳細には議論されなかった他の実施例をも含んでいることは、理解されるべきである。修正、変更及び変形等の当業者に明らかな他の様々なものが、特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲及び精神から逸脱せずに、本願で開示される本発明による装置及び方法の構成、処理及び他の詳細についてなされてもよい。従って本発明の範囲は添付の特許請求の範囲及び法的均等物によって決められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】カラーフォトディテクタで使用されるベイヤカラーフィルタアレイパターンの平面図を示す。
【図２】RGB−CCDセンサのスペクトル感度を例示する図である。
【図３】本発明によるコンパクト５レンズ光学系を示す図である。
【図４】図３の光学系における486nmのMTF曲線を示す図である。
【図５】図３の光学系における587nmのMTF曲線を示す図である。
【図６】図３の光学系における656nmのMTF曲線を示す図である。
【図７】ディジタル処理の前及び後の630nmにおける軸上のMTFを示す図である。
【図８】図３の光学系の視野に関する相対強度グラフを示す図である。
【図９】本発明によるコンパクト４レンズ光学系を示す図である。
【図１０】図９の光学系における486nmのMTF曲線を示す図である。
【図１１】図９の光学系における587nmのMTF曲線を示す図である。
【図１２】図９の光学系における656nmのMTF曲線を示す図である。
【図１３】図９の光学系の視野に関する相対強度グラフを示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
L1〜L5  レンズ
G1  第１レンズ群
G2  第２レンズ群
【図１】
2009003455.tif 000033
【図２】
2009003455.tif 000034
【図３】
2009003455.tif 000035
【図４】
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【図５】
2009003455.tif 000037
【図６】
2009003455.tif 000038
【図７】
2009003455.tif 000039
【図８】
2009003455.tif 000040
【図９】
2009003455.tif 000041
【図１０】
2009003455.tif 000042
【図１１】
2009003455.tif 000043
【図１２】
2009003455.tif 000044
【図１３】
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