JP2008197541A - 結像光学系、光学装置、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、画角を維持しつつ射影方式を変化させることの可能な結像光学系、光学装置、及びそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の結像光学系は、単体で結像機能を持つ基本光学系と、前記基本光学系の物体側に配置され、物体側に凸面を向け、前記基本光学系に対する光軸方向の相対位置が可変のドーム型レンズとを備えたことを特徴とする。なお、前記ドーム型レンズの厚さを略均一にしたり、前記ドーム型レンズの少なくとも一方の面を非球面にしたりしてもよい。
【選択図】 図４

Description

本発明は、監視カメラなどの撮像装置に適用される結像光学系、光学装置、及び撮像装置に関する。

通常の結像レンズの射影方式には、直線の再現性を良くするために次式（１）で表される射影方式が採用される。
ｙ＝ｆｔａｎθ …（１）
式（１）においてｆは結像レンズの焦点距離、θは物体からの光（物体光）が光軸と成す角度（物体角）、ｙはその物体の像の像高である。この式（１）で表される条件は「正像条件」と呼ばれており、自然な画像を取得するための条件として知られている。

しかし、現実の結像レンズが正像条件を厳密に満たすことは困難なので、多少の歪曲収差が発生している。歪曲量Ｄは、或る像の実際の像高をｙ_P、その像の理想像高をｙ₀とおくと次式（２）で表される。
Ｄ（％）＝１００×（ｙ_P−ｙ₀）／ｙ₀ …（２）
一方、魚眼レンズは、通常の結像レンズとは異なり１８０°近い画角を有するが、この場合に正像条件（式（１））を満たそうとすると、物体角θが９０°に近づくにつれて像高ｙが著しく増大し、θ＝９０°のときにｙ＝∞となり、非現実的である。このため、魚眼レンズには歪曲収差の発生を許容した他の射影方式が採用される。このうち代表的な射影方式は、以下の２つである。

第１の射影方式は、物体角θと像高ｙとが比例関係にある等距離射影方式であり、次式（３）で表される。
ｙ＝ｆθ …（３）
第２の射影方式は、像高ｙが物体角θのｓｉｎに比例する正射影方式であり、次式（４）で表される。

ｙ＝ｆｓｉｎθ …（４）
このうち等距離射影方式（式（３））は、例えば１８０°の画角の円形の像を作る円形魚眼レンズに採用され、正射影方式（式（４））は、例えば四角形の画面の対角線方向に１８０°の画角を持つ対角線魚眼レンズに採用される。
以上を踏まえ、監視カメラに適した結像レンズについて検討する。

仮に、監視カメラに正像条件（式（１））を満たした結像レンズを使用する場合、それを超広角レンズにすれば良いが、監視対象の像の歪みは小さくなるものの、像のサイズが小さくなるので視認性が悪い。
一方、監視カメラに等距離射影方式（式（３））や正射影方式（式（４））の魚眼レンズを使用する場合、監視対象の像のサイズは大きくなるものの、像の歪みが大きくなるので視認性が良いとは言い難い。

そこで、等距離射影方式（式（３））又は正射影方式（式（４））を変形し、監視範囲の周辺部の視認性が悪くなることを許容する代わりに、監視範囲の中央部の視認性をより良好にした射影方式が提案された。この射影方式を採用したレンズは「中心窩レンズ」などと呼ばれている（特許文献１等を参照）。因みに、中心窩レンズの像面中央において視認性の良い部分は「中心窩」と呼ばれる。この中心窩レンズは、監視カメラの性能を高める上で有効と考えられる。
特開２００４−３５４５７２号公報

しかし、監視カメラの監視対象は移動する可能性があるので、結像レンズの射影方式は状況に応じて動的に変化することが望ましい。射影方式が可変であるならば、例えば、平常時は監視範囲の全体を満遍なく監視し、監視範囲の中央部に監視対象が入ったときには、その監視対象を詳細に監視する、といった柔軟な監視動作が可能となるからである。
因みに、射影方式の可変機能を持つレンズとしてズームレンズがあるが、ズームレンズの画角はズームアップにより狭まるので、監視範囲を維持できないという問題がある。

また、射影方式の可変機能を画像処理によって実現することも可能だが、画像処理では画素補間が不可欠であるため画質の低下が生じ、画像の真正性を保証できないという問題がある。
本発明は、上記の問題に鑑みて成されたもので、画角を維持しつつ射影方式を変化させることの可能な結像光学系、光学装置、及びそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の結像光学系は、単体で結像機能を持つ基本光学系と、前記基本光学系の物体側に配置され、物体側に凸面を向け、かつ前記基本光学系に対する光軸方向の相対位置が可変のドーム型レンズとを備えたことを特徴とする。
なお、前記ドーム型レンズの厚さは、略均一であることが望ましい。
また、前記ドーム型レンズの少なくとも一方の面は、非球面であることが望ましい。

また、前記ドーム型レンズの口径は、前記基本光学系の画角を狭めないよう十分に大きく確保されていることが望ましい。
また、本発明の結像光学系の画角は、９０°以上であることが望ましい。
また、本発明の光学装置は、本発明の結像光学系と、前記ドーム型レンズを光軸方向に移動させる移動機構と、前記基本光学系の焦点位置を変化させるフォーカシング機構と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の撮像装置は、本発明の光学装置と、前記結像光学系が形成する像を検出する撮像素子と、を備えたことを特徴とする。
なお、本発明の撮像装置は、前記撮像素子が取得する画像の変化に応じて前記光学装置を制御する制御手段を更に備えることが望ましい。

本発明によれば、画角を維持しつつ射影方式を変化させることの可能な結像光学系、光学装置、及びそれを用いた撮像装置が実現する。

［結像光学系の実施形態］
本実施形態の結像光学系は、単体で結像機能を持った基本光学系を備える（図１参照）。この基本光学系の単体の仕様（画角、焦点距離、Ｆ値、色収差、全長など）は、監視カメラが要求する仕様を満たしている。例えば、基本光学系の単体の画角は広く、９０°以上、望ましくは１４０°以上である。

この結像光学系の先頭には、物体側に凸面を向け、かつ光軸方向へ移動可能なドーム型レンズが配置される（図４参照）。
ドーム型レンズは、厚さが略均一なメニスカスレンズである。よって、このドーム型レンズの各部分に着目すると、概ね平行平板とみなせる。したがって、ドーム型レンズの挿入により、結像光学系の全体の収差（歪曲収差以外の収差）は殆ど変化しない。つまり、結像光学系の全体の収差（歪曲収差以外の収差）は、基本光学系の単体の収差（歪曲収差以外の収差）と略同じである。

但し、このドーム型レンズの各位置に入射する各物体光は、ドーム型レンズを通過する際に横ずれを起こす。よって、基本光学系からドーム型レンズ越しに物体を見ると、個々の物体の位置は、その物体角に応じて横ずれする。しかも、物体角と横ずれ量との関係は、ドーム型レンズの光軸方向のポジションにより変化する。以下、ドーム型レンズの光軸方向のポジションを単に「ポジション」という。

したがって、ドーム型レンズのポジションを、その横ずれ量が略ゼロとなるような基準ポジションに一致させると、結像光学系の全体の射影方式は、基本光学系の単体の射影方式と略同じになるが、ドーム型レンズのポジションをその基準ポジションから徐々に変化させると、結像光学系の全体の射影方式を、基本光学系の単体の射影方式と同じものから徐々に変化させることができる。

例えば、基本光学系の射影方式を中心窩レンズと同じ射影方式又は中心窩レンズと似た射影方式にした場合、ドーム型レンズのポジションを基準ポジションから徐々に変化させることにより、画角中央部に位置する物体の像の歪み量と、画角周辺部に位置する物体の像の歪み量とのバランスを徐々に変化させることも可能である。このような結像光学系は、監視カメラに好適である。

なお、本実施形態の結像光学系では、ドーム型レンズの口径のサイズは、予め十分に大きく確保される必要がある（図４参照）。その口径のサイズは、ドーム型レンズのポジションに依らず結像光学系の画角が基本光学系の画角と同等に維持されるようなサイズである。
また、本実施形態の結像光学系では、ドーム型レンズの厚さを完全に均一化する代わりに、若干の分布を持たせてもよい。ドーム型レンズの厚さ分布を調整すれば、ドーム型レンズのポジション変化量と射影方式の変化量との関係（射影方式の変化度）を調整することができる。

また、本実施形態の結像光学系では、ドーム型レンズの少なくとも一方の面を非球面とすることで、結像光学系の全体の収差（歪曲収差以外の収差）を補正してもよい。
［光学装置の実施形態］
本実施形態の光学装置は、上述した結像光学系と、ドーム型レンズを光軸方向へ移動させる移動機構（ヘリコイド式の鏡筒など）と、フォーカシング機構とを備える。このうち移動機構を駆動すると、結像光学系の画角を維持したまま、結像光学系の射影方式のみを変化させることができる。

なお、本実施形態の光学装置においては、移動機構とフォーカシング機構とをモータによって電動化してもよい。また、フォーカシング機構を電動化する場合は、公知のオートフォーカス制御を適用することができる。また、フォーカシング機構は、移動機構が駆動される度に駆動されることが望ましい。なぜなら、ドーム型レンズのポジションが変化すると、結像光学系の像面もずれるからである。

［監視カメラの実施形態］
本実施形態の監視カメラは、上述した光学装置と、結像光学系の像面近傍へ配置される撮像素子と、光学装置及び撮像素子を制御する制御部とを備える。この制御部は、撮像素子が取得する映像に基づき、監視カメラの監視範囲内に監視対象が入ったか否かを監視し、必要に応じて光学装置の移動機構を駆動する。

例えば、基本光学系の射影方式が中心窩レンズと同じ射影方式、又は中心窩レンズと似た射影方式であり、移動機構を駆動することにより、画角中央部に位置する物体の像の歪み量と、画角周辺部に位置する物体の像の歪み量とのバランスが変化する場合、制御部は、次のような柔軟な監視動作を行うことができる。
すなわち、制御部は、平常時には、監視範囲の中央部に位置する物体の像の歪み量と、監視範囲の周辺部に位置する物体の像の歪み量とのバランスを均等にする。このとき、監視カメラは、監視範囲の全体を満遍なく監視することができる。一方、制御部は、監視対象が監視範囲の中央部に近づいてきたときには、監視範囲の中央部に位置する物体の像の歪み量を、監視範囲の周辺部に位置する物体の像の歪み量よりも小さくする。このとき、監視カメラは、監視対象をより詳細に監視することができる。また、制御部がこのように動作しても、結像光学系の画角は維持されたままなので、監視カメラの監視範囲が狭まるようなことは無い。

そして、本実施形態の監視カメラを応用すれば、例えば、人物を監視する際に、監視範囲内を移動した人物の顔や服装を詳細に撮影することが可能となる。或いは、自動車を監視する際に、監視範囲内を通過する自動車の運転者を詳細に撮影したり、その自動車のナンバープレートを読み取ったりすることも可能となる。
［その他］
また、上述した監視カメラの機能を他種のディジタルカメラへ搭載し、従来にないデフォルメ効果や人間の視覚と異なる像の形成などを実施して、映像表現の可能性を広げてもよい。また、上述した結像光学系や光学装置は、特殊効果レンズ、自動車やロボットの画像センサ等ヘ応用することも可能である。

上述した結像光学系の実施例を説明する。
基本光学系の仕様は下記の通りである。この基本光学系は、監視カメラでの使用を想定し、１４０°の広い画角を持ち、比較的大きな負の歪曲収差（樽型の歪曲収差）を持つよう設計されたものである。
・焦点距離ｆ＝５．６ｍｍ，
・Ｆ値＝２．８，
・画角＝１４０°，
基本光学系の詳細データは表１の通りである。表１において、ｎＣはＣ線（６５６．２７ｎｍ）の屈折率，ｎｄは、ｄ線（５８７．５６ｎｍ）の屈折率，ｎＦは、Ｆ線（４８６．１３ｎｍ）の屈折率である。
［表１］
面番号 曲率半径(mm) 面間隔(mm) ｎＣ ｎｄ ｎＦ
0(物体面) ∞ ∞
1 137.373 12.000 1.876625 1.883000 1.898172
2 42.875 29.819
3 -229.892 75.883 1.876625 1.883000 1.898172
4 30.751 58.135
5 -1423.298 13.105 1.836523 1.846660 1.871977
6 -79.860 11.743
7 184.885 72.419 1.767827 1.772500 1.783411
8 -200.589 5.701
9(絞り) ∞ 3.451
10 -226.467 12.000 1.836523 1.846660 1.871977
11 21.020 12.992 1.767827 1.772500 1.783411
12 -164.470 0.100
13 34.011 12.725 1.615008 1.618000 1.624759
14 -218.680 0.100
15 54.841 12.077 1.876625 1.883000 1.898172
16 54.664 0.252
17 230.816 25.853 1.495520 1.497820 1.502969
18 ∞ 0
19(像面) ∞ 0
基本光学系の光路図を図１に、基本光学系の歪曲収差図を図２に、基本光学系のスポットダイヤグラムを図３に示す。

なお、図１では、紙面サイズの都合上、像面に近い幾つかのレンズを省略してある（因みに後述する図４、図７、図１０には全てのレンズを省略せずに描いてある。）。
また、図２の横軸（歪曲量）はｄ線（５８７．５６ｎｍ）に関する値であり、横軸の各目盛りは、左から順に−８０°，−４０°，０°，＋４０°，＋８０°である。
また、図２の縦軸は、最大像高で規格化した規格化像高であり、各目盛りは上から順に１００％，７５％，５０％，２５％である。但し、図中の数値は、規格化像高ｙ_sを物体角θに換算したものであり、上から順に７０°，６４．１１°，５３．９５°，３４．４８°である。因みに、その換算式は、最大の物体角をθ_maxとおくと次式（５）で表される。なお、図２の表記方法は、以降の同種の図にも共通する。

θ＝ａｒｃｔａｎ（ｙ_sｔａｎθ_max） …（５）
また、図３のスポットダイヤグラムでは、Ｃ線（６５６．２７ｎｍ）、ｄ線（５８７．５６ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１３ｎｍ）の結果を重ねてある。なお、図３の表記方法は、以降の同種の図にも共通する。
さて、本実施例の結像光学系は、以上の基本光学系の物体側に、表２に示す仕様のドーム型レンズを設置している。表２において、νはアッベ数である。
［表２］
面番号 曲率半径(mm) 面間隔(mm) ｎｄ ν
1 130.000 10.000 2.5000 90
2(非球面) 100.000 可変
第２面の非球面係数は、以下の通りである。この非球面係数は、ドーム型レンズのポジション変化に伴うスポットダイヤグラムの広がりを補正する目的で、試行錯誤又は数値最適化により決定されたものである。

４次係数ａ：6.19619×10^-8
６次係数ｂ：-1.20776×10^-11
８次係数ｃ：-1.44282×10^-17
これらの非球面係数ａ，ｂ，ｃにより、第２面の半径位置ｈにおける非球面量ｙ（＝球面からの変位量）は以下のとおり表される。

ｙ＝ａｈ⁴＋ｂｈ⁶＋ｃｈ⁸ …（６）
本実施例では、上記ドーム型レンズのポジション（基本光学系の物体側の面からドーム型レンズの像側の面までの間隔）を４０ｍｍ，１００ｍｍ，１２０ｍｍ，１５０ｍｍの４段階に変化させて、結像光学系の光路、歪曲収差、スポットダイヤグラムをそれぞれ計算した。

ドーム型レンズのポジションが４０ｍｍであるときの光路図、歪曲収差図、スポットダイヤグラムを図４、図５、図６に示す。
ドーム型レンズのポジションが１００ｍｍであるときの光路図、歪曲収差図、スポットダイヤグラムを図７、図８、図９に示す。
ドーム型レンズのポジションが１２０ｍｍであるときの光路図、歪曲収差図、スポットダイヤグラムを図１０、図１１、図１２に示す。

ドーム型レンズのポジションが１５０ｍｍであるときの光路図、歪曲収差図、スポットダイヤグラムを図１３、図１４、図１５に示す。
先ず、ドーム型レンズが挿入されていないときには（図１参照）、結像光学系の歪曲収差は図２に示すとおりであって、樽型の歪曲収差であることがわかる。
この状態から、ドーム型レンズを挿入し、そのポジションを４０ｍｍに設定すると（図４参照）、結像光学系の歪曲収差は図５に示すとおりとなり、ドーム型レンズが挿入されていないときの歪曲収差（図２参照）と殆ど変化が無いことがわかる。したがって、４０ｍｍのポジションを、ドーム型レンズの基準ポジションとみなすことができる。

そして、ドーム型レンズのポジションを１００ｍｍに変化させると（図７参照）、結像光学系の歪曲収差は図８に示すとおりとなり、物体角θ≦５０°における歪曲量が小さくなることがわかる。
さらに、ドーム型レンズのポジションを１２０ｍｍに変化させると（図１０参照）、結像光学系の歪曲収差は図１１に示すとおりとなり、物体角θ≦４０°における歪曲はさらに小さくなることがわかる。

さらに、ドーム型レンズのポジションを１５０ｍｍに変化させると（図１３参照）、結像光学系の歪曲収差は図１４に示すとおりとなり、物体角θ≦４０°における歪曲はさらに小さくなり、略ゼロとなることがわかる。つまり、物体角θ≦４０°という限られた範囲においては正像条件が略満たされ、直線の再現性が良好となることがわかる。
また、本実施例では、ドーム型レンズのポジションが４０ｍｍであるとき（図４参照）、負の歪曲収差が発生していたので（図５参照）、結像光学系の像は樽型に歪み、その像倍率は、正像条件を満たす結像光学系の像倍率よりも小さくなるが、ドーム型レンズのポジションを４０ｍｍ→１５０ｍｍの方向に変化させると、物体角θ≦４０°の範囲における歪曲量が小さくなるので（図８，図１１，図１４参照）、結像光学系の像倍率は、正像条件を満たす結像光学系の像倍率と同等になる。

したがって、本実施例の結像光学系では、ドーム型レンズのポジションを４０ｍｍ→１５０ｍｍの方向に変化させると、画角中央部の像の歪曲量を小さくし、像倍率を大きくすることができる。
また、本実施例の結像光学系の画角は１４０°であり、ドーム型レンズのポジションに依らず不変である。つまり、画角周辺部の像の圧縮率はドーム型レンズのポジションにより変化するが、画角周辺部の像が欠落することははない。

しかも、ドーム型レンズが各ポジションにあるときのスポットダイヤグラム（図６、図９、図１２、図１５）からも確認できるように、スポットサイズはドーム型レンズのポジションに依らず小さく抑えられている。したがって、ドーム型レンズのポジション変化は、結像光学系の結像性能に影響しない。

基本光学系の光路図である。 基本光学系の歪曲収差である。 基本光学系のスポットダイヤグラムである。 ドーム型レンズのポジションが４０ｍｍであるときの結像光学系の光路図である。 ドーム型レンズのポジションが４０ｍｍであるときの結像光学系の歪曲収差である。 ドーム型レンズのポジションが４０ｍｍであるときの結像光学系のスポットダイヤグラムである。 ドーム型レンズのポジションが１００ｍｍであるときの結像光学系の光路図である。 ドーム型レンズのポジションが１００ｍｍであるときの結像光学系の歪曲収差である。 ドーム型レンズのポジションが１００ｍｍであるときの結像光学系のスポットダイヤグラムである。 ドーム型レンズのポジションが１２０ｍｍであるときの結像光学系の光路図である。 ドーム型レンズのポジションが１２０ｍｍであるときの結像光学系の歪曲収差である。 ドーム型レンズのポジションが１２０ｍｍであるときの結像光学系のスポットダイヤグラムである。 ドーム型レンズのポジションが１５０ｍｍであるときの結像光学系の光路図である。 ドーム型レンズのポジションが１５０ｍｍであるときの結像光学系の歪曲収差である。 ドーム型レンズのポジションが１５０ｍｍであるときの結像光学系のスポットダイヤグラムである。

Claims (8)

1. 単体で結像機能を持つ基本光学系と、
   前記基本光学系の物体側に配置され、物体側に凸面を向け、かつ前記基本光学系に対する光軸方向の相対位置が可変のドーム型レンズと、
   を備えたことを特徴とする結像光学系。
2. 請求項１に記載の結像光学系において、
   前記ドーム型レンズの厚さは、略均一である
   ことを特徴とする結像光学系。
3. 請求項１又は請求項２に記載の結像光学系において、
   前記ドーム型レンズの少なくとも一方の面は、非球面である
   ことを特徴とする結像光学系。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の結像光学系において、
   前記ドーム型レンズの口径は、前記基本光学系の画角を狭めないよう十分に大きく確保されている
   ことを特徴とする結像光学系。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の結像光学系において、
   ９０°以上の画角を有する
   ことを特徴とする結像光学系。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の結像光学系と、
   前記ドーム型レンズを光軸方向に移動させる移動機構と、
   前記基本光学系の焦点位置を変化させるフォーカシング機構と、
   を備えたことを特徴とする光学装置。
7. 請求項６に記載の光学装置と、
   前記結像光学系が形成する像を検出する撮像素子と
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
8. 請求項７に記載の撮像装置において、
   前記撮像素子が取得する画像の変化に応じて前記光学装置を制御する制御手段を更に備えた
   ことを特徴とする撮像装置。
   

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