JP2009180752A - 結像光学系および距離測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】コンパクトで、車両などに搭載して使用することのできる、反射鏡を使用した結像光学系を提供する。
【解決手段】本発明による結像光学系は、3枚の反射鏡(103、107、109)を備え、視野中心の光軸をZ軸とする、XYZ直交座標系を定めた場合に、XZ断面において光軸の向きを維持しながら、YZ断面において光軸の向きを変化させ、視野中心の光軸と像面の光軸とが平行となるように構成し、収差を小さくするように、少なくとも一つの反射鏡のYZ断面の形状を、それぞれの反射面のローカル座標のZ軸に関して非対称としたことを特徴とする。
【選択図】図2
【解決手段】本発明による結像光学系は、3枚の反射鏡(103、107、109)を備え、視野中心の光軸をZ軸とする、XYZ直交座標系を定めた場合に、XZ断面において光軸の向きを維持しながら、YZ断面において光軸の向きを変化させ、視野中心の光軸と像面の光軸とが平行となるように構成し、収差を小さくするように、少なくとも一つの反射鏡のYZ断面の形状を、それぞれの反射面のローカル座標のZ軸に関して非対称としたことを特徴とする。
【選択図】図2
Description
本発明は、反射鏡を使用した結像光学系および当該結像光学系を使用した距離測定装置に関する。特に、赤外線に使用され、コンパクトな、反射鏡を使用した結像光学系および当該結像光学系を使用した距離測定装置に関する。
赤外線撮像装置用の結像光学系をレンズなどの透過型光学素子によって実現しようとすると、素材としてゲルマニウムなどを用いる必要があり価額が高くなる。
そこで、低価額の結像光学系を実現するには、反射鏡を使用した結像光学系が好ましい。反射鏡を使用した結像光学系は、たとえば、特許文献1に記載されている。
しかし、コンパクトで、車両などに搭載して使用することのできる、反射鏡を使用した結像光学系は開発されていない。
WO2002/084364
したがって、コンパクトで、車両などに搭載して使用することのできる、反射鏡を使用した結像光学系に対するニーズがある。
本発明による結像光学系は、3枚の反射鏡を備え、視野中心の光軸をZ軸とする、XYZ直交座標系を定めた場合に、XZ断面において光軸の向きを維持しながら、YZ断面において光軸の向きを変化させ、視野中心の光軸と像面の光軸とが平行となるように構成し、収差を小さくするように、当該3枚の反射鏡のYZ断面の形状を、Z軸に関して非対称としたことを特徴とする。
YZ断面において光軸の向きを変化させ、視野中心の光軸と像面の光軸とが平行となるように構成したことにより、結像光学系がコンパクトになる。また、結像光学系をZ軸のまわりに回転させても視野が変わらないので、ネジなどによって結像光学系をZ軸のまわりに回転させながらフォーカシングを行うことができる。
図28は、視野中心の光軸と像面の光軸とが平行ではない結像光学系の一例を示す図である。図29は、像面の光軸を基準に座標をとった場合の、図28の光学系を示す図である。図30は、像面の光軸を中心に、図29の結像光学系を180度回転させた図である。図29および図30によると、視野中心の光軸の方向が異なり、ネジなどによって結像光学系をZ軸(光軸)のまわりに回転させながらフォーカシングを行うことはできない。
また、収差を小さくするように、当該3枚の反射鏡のYZ断面の形状を、Z軸に関して非対称としたことにより、Z軸に関して対称な断面では、低減することのできないコマ収差や非点収差を低減することができる。
本発明の一実施形態による結像光学系は、光路に沿って隣接する、いずれかの反射鏡の中間に絞りを配置したことを特徴とする。
絞りを設置したことにより、迷光を効果的に遮光する遮光板を設置するスペースを確保することができる。
本発明の他の実施形態による結像光学系は、光路に沿って最上流の反射鏡が凸面であり、光路に沿って最下流の反射鏡が凹面であることを特徴とする。
光路に沿って最上流の反射鏡が凸面であり、光路に沿って最下流の反射鏡が凹面であれば、非リレー光学系であっても、Fナンバーの小さい光学系が得られる。
本発明の他の実施形態による結像光学系は、中間結像させない、非リレー光学系であることを特徴とする。
中間結像させない、非リレー光学系とすることにより、コンパクトな結像光学系が得られる。
本発明の他の実施形態による結像光学系は、視野中心の光軸と像面の光軸とが異なる向きであることを特徴とする。
視野中心の光軸と像面の光軸とが異なる向きであるので、物体側からの光が、直接像面にはいることはない。
本発明の他の実施形態による結像光学系は、視野中心光軸と像面の光軸とが同じ向きであることを特徴とする。
視野中心光軸と像面の光軸とが同じ向きであっても、遮光板を設置すれば、物体側から像面への光を遮光することができる。
本発明の他の実施形態による結像光学系は、光路に沿って最下流の反射鏡からの光以外の光が、像面に入射しないように遮光板を備えたことを特徴とする。
本発明の他の実施形態による結像光学系の反射鏡は、金属コートされたプラスチックからなることを特徴とする。
プラスチックであるので、成形が容易で安価である。
本発明の他の実施形態による結像光学系は、赤外線に使用されることを特徴とする。
ゲルマニウムなどの高価な素材を使用しないで、結像光学系を実現することができる。
本発明による距離測定装置は、上記のいずれかの実施形態による結像光学系を、像面の光軸のまわりに180度回転させるように構成したことを特徴とする。
本発明によれば、結像光学系を一つしか使用しないので、大幅にコストが低減できる。
図1は、本発明の一実施形態による、結像光学系の構成を示す図である。視野中心の光軸をZ軸とし、Z軸と窓板101の物体側の面との交点を座標原点Oとする直交座標系を定める。
窓板101を通過した光は、第1の反射鏡103、第2の反射鏡107および第3の反射鏡109によって反射され、窓板111を通過した後、赤外線撮像素子の像面113上で結像する。
図2は、図1に示した結像光学系のYZ断面図である。本実施形態においては、第1の反射鏡103と第2の反射鏡107との間に絞り105を設ける。
図2に示すように、YZ断面において光軸の向きが変化しているが、XZ断面において光軸の向きは変化していない。また、視野中心の光軸と像面に入射する光軸とが平行となるように構成されている。
反射鏡は、プラスチックに金属コートを行って作成してもよい。プラスチックは、成形が容易であり、反射面の曲面の形状を高精度で実現できる。アルミニウム、銀または金などの可視光を反射する金属を使用すれば、結像光学系を、可視光によって容易に検査・調整することができる。
以下、本発明の実施例1乃至4について説明する。
表1において、光学ディストーションは、リファレンス座標に対して結像位置がずれる量、すなわち歪曲収差量である。RadおよびTanは、図31にように定められる。表1において、BFは、像面において視野中心を通過する光線の、第3の反射鏡の反射面との交点および像面との交点の間の距離である。表1において、周辺光量比は、絞りを通過して像面上に集光する視野中心の光線の光量に対して、視野中心以外の光線で絞りを通過して像面上に集光する光線の光量うち一番低い光量の比である。表1において、光学レイアウト寸法は、第1の反射鏡の反射面から像面までの各面の光学有効領域と絞りを通過して像面上の各点に集光する光線が必要とするエリアの寸法である。
表2において、偏心配置は、図1および2の座標原点Oを基準とした、それぞれの面のローカル座標中心の位置である。回転角度は、ローカル座標のX軸まわりの回転角度であり、YZ断面において、図1および2の座標系を基準とした、反時計回りの角度である。
第1乃至第3反射鏡の反射面の形状は、それぞれの面のローカル座標によって以下の式によって表せる。
表3によれば、第1乃至第3反射鏡の反射面の形状を表わす式は、Yの奇数乗項を含む。このことは、第1乃至第3反射鏡の反射面のYZ断面形状は、ローカル座標のZ軸に関して非対称であることを示す。本実施形態においては、効果的に迷光を遮光するように、第1の反射鏡103と第2の反射鏡107との間に、絞りを設置したので、YZ断面における光軸の変化角度が大きくなる。したがって、YZ断面形状がローカル座標のZ軸に関して対称であると、コマ収差または非点収差が大きくなる。そこで、コマ収差または非点収差を小さくするように、YZ断面形状を、ローカル座標のZ軸に関して非対称としている。
表3によれば、第1乃至第3反射鏡の反射面の形状を表わす式は、Yの奇数乗項を含む。このことは、第1乃至第3反射鏡の反射面のYZ断面形状は、ローカル座標のZ軸に関して非対称であることを示す。本実施形態においては、効果的に迷光を遮光するように、第1の反射鏡103と第2の反射鏡107との間に、絞りを設置したので、YZ断面における光軸の変化角度が大きくなる。したがって、YZ断面形状がローカル座標のZ軸に関して対称であると、コマ収差または非点収差が大きくなる。そこで、コマ収差または非点収差を小さくするように、YZ断面形状を、ローカル座標のZ軸に関して非対称としている。
図3は、実施例1の結像光学系のYZ断面図である。本実施例において、視野中心の光軸と像面の光軸とは平行であるが、向きが異なる。
図4は、実施例1の結像光学系の構成を示す図である。
図5は、実施例1の結像光学系の歪曲収差を示す図である。点線がリファレンス格子を示す。
図6は、実施例1の結像光学系の横収差を示す図である。図6は、子午像面(Y−FAN)および球欠像面(X−FAN)に関する横収差を示す。横軸は各像面における絞り面上での光線の通過する相対位置を示す。主光線Lの位置が0であり、絞り径最外位置がそれぞれ±1となる。縦軸は各像面上の主光線Lが通過する像面上の座標を0とした場合に、当該相対位置を通過した光線の通過する像面主光線からのズレ量Dを示す(図32)。図6において、(X,Y)は、横収差を観測する像面上の位置を示す。すなわち、図6は、(X,Y)で表わされる像面上の9点について横収差を示している。像面のサイズは、X軸方向が12ミリメータ、Y軸方向が9ミリメータであるので、たとえば、(−1,0)は、座標(−6,0)を、(0,1)は、座標(0,4.5)を示す。角度のベクトルは、観測する像面上の点に集光する光線の光学系に入射するX成分とY成分の角度を示す。
図7は、実施例1の結像光学系の非点収差を示す図である。図7において、横軸は、像面を基準としてZ軸方向の位置を示し、縦軸は、X軸またはY軸方向の像高さを示す。Y軸方向の像高さを示す図面においては、実線は、球欠像面を示し、点線は、子午像面像面を示す。X軸方向の像高さを示す図面においては、実線は、子午像面像面を示し、点線は、球欠像面を示す。
表4において、偏心配置は、図1および2の座標原点Oを基準とした、それぞれの面のローカル座標中心の位置である。回転角度は、ローカル座標のX軸まわりの回転角度であり、YZ断面において、図1および2の座標系を基準とした、反時計回りの角度である。
第1乃至第3反射鏡の反射面の形状は、それぞれの面のローカル座標によって以下の式によって表せる。
表5によれば、第1乃至第3反射鏡の反射面の形状を表わす式は、Yの奇数乗項を含む。このことは、第1乃至第3反射鏡の反射面のYZ断面形状は、ローカル座標のZ軸に関して非対称であることを示す。本実施形態においては、効果的に迷光を遮光するように、第1の反射鏡103と第2の反射鏡107との間に、絞りを設置したので、YZ断面における光軸の変化角度が大きくなる。したがって、YZ断面形状がローカル座標のZ軸に関して対称であると、コマ収差または非点収差が大きくなる。そこで、コマ収差または非点収差を小さくするように、YZ断面形状を、ローカル座標のZ軸に関して非対称としている。
表5によれば、第1乃至第3反射鏡の反射面の形状を表わす式は、Yの奇数乗項を含む。このことは、第1乃至第3反射鏡の反射面のYZ断面形状は、ローカル座標のZ軸に関して非対称であることを示す。本実施形態においては、効果的に迷光を遮光するように、第1の反射鏡103と第2の反射鏡107との間に、絞りを設置したので、YZ断面における光軸の変化角度が大きくなる。したがって、YZ断面形状がローカル座標のZ軸に関して対称であると、コマ収差または非点収差が大きくなる。そこで、コマ収差または非点収差を小さくするように、YZ断面形状を、ローカル座標のZ軸に関して非対称としている。
図8は、実施例2の結像光学系のYZ断面図である。本実施例において、視野中心の光軸と像面の光軸とは平行であるが、向きが異なる。
図9は、実施例2の結像光学系の構成を示す図である。
図10は、実施例2の結像光学系の歪曲収差を示す図である。点線がリファレンス格子を示す。
図11は、実施例2の結像光学系の横収差を示す図である。図11は、子午像面(Y−FAN)および球欠像面(X−FAN)に関する横収差を示す。横軸は各像面における絞り面上での光線の通過する相対位置を示す。主光線Lの位置が0であり、絞り径最外位置がそれぞれ±1となる。縦軸は各像面上の主光線Lが通過する像面上の座標を0とした場合に、当該相対位置を通過した光線の通過する像面主光線からのズレ量Dを示す(図32)。図11において、(X,Y)は、横収差を観測する像面上の位置を示す。すなわち、図11は、(X,Y)で表わされる像面上の9点について横収差を示している。像面のサイズは、X軸方向が12ミリメータ、Y軸方向が9ミリメータであるので、たとえば、(−1,0)は、座標(−6,0)を、(0,1)は、座標(0,4.5)を示す。角度のベクトルは、観測する像面上の点に集光する光線の光学系に入射するX成分とY成分の角度を示す。
図12は、実施例1の結像光学系の非点収差を示す図である。図12において、横軸は、像面を基準としてZ軸方向の位置を示し、縦軸は、X軸またはY軸方向の像高さを示す。Y軸方向の像高さを示す図面においては、実線は、球欠像面を示し、点線は、子午像面像面を示す。X軸方向の像高さを示す図面においては、実線は、子午像面像面を示し、点線は、球欠像面を示す。
表6において、偏心配置は、図1および2の座標原点Oを基準とした、それぞれの面のローカル座標中心の位置である。回転角度は、ローカル座標のX軸まわりの回転角度であり、YZ断面において、図1および2の座標系を基準とした、反時計回りの角度である。
第1乃至第3反射鏡の反射面の形状は、それぞれの面のローカル座標によって以下の式によって表せる。
表7によれば、第1乃至第3反射鏡の反射面の形状を表わす式は、Yの奇数乗項を含む。このことは、第1乃至第3反射鏡の反射面のYZ断面形状は、ローカル座標のZ軸に関して非対称であることを示す。本実施形態においては、効果的に迷光を遮光するように、第1の反射鏡103と第2の反射鏡107との間に、絞りを設置したので、YZ断面における光軸の変化角度が大きくなる。したがって、YZ断面形状がローカル座標のZ軸に関して対称であると、コマ収差または非点収差が大きくなる。そこで、コマ収差または非点収差を小さくするように、YZ断面形状を、ローカル座標のZ軸に関して非対称としている。
表7によれば、第1乃至第3反射鏡の反射面の形状を表わす式は、Yの奇数乗項を含む。このことは、第1乃至第3反射鏡の反射面のYZ断面形状は、ローカル座標のZ軸に関して非対称であることを示す。本実施形態においては、効果的に迷光を遮光するように、第1の反射鏡103と第2の反射鏡107との間に、絞りを設置したので、YZ断面における光軸の変化角度が大きくなる。したがって、YZ断面形状がローカル座標のZ軸に関して対称であると、コマ収差または非点収差が大きくなる。そこで、コマ収差または非点収差を小さくするように、YZ断面形状を、ローカル座標のZ軸に関して非対称としている。
図13は、実施例3の結像光学系のYZ断面図である。本実施例において、視野中心の光軸と像面の光軸とは平行であり、向きも同じである。本実施例においては、物体側から直接像面に向かう光を遮断する遮光板106を設けている。絞り105によって、遮光板106のスペースが確保される。
図14は、実施例3の結像光学系の構成を示す図である。
図15は、実施例3の結像光学系の歪曲収差を示す図である。点線がリファレンス格子を示す。
図16は、実施例3の結像光学系の横収差を示す図である。図16は、子午像面(Y−FAN)および球欠像面(X−FAN)に関する横収差を示す。横軸は各像面における絞り面上での光線の通過する相対位置を示す。主光線Lの位置が0であり、絞り径最外位置がそれぞれ±1となる。縦軸は各像面上の主光線Lが通過する像面上の座標を0とした場合に、当該相対位置を通過した光線の通過する像面主光線からのズレ量Dを示す(図32)。図16において、(X,Y)は、横収差を観測する像面上の位置を示す。すなわち、図16は、(X,Y)で表わされる像面上の9点について横収差を示している。像面のサイズは、X軸方向が12ミリメータ、Y軸方向が9ミリメータであるので、たとえば、(−1,0)は、座標(−6,0)を、(0,1)は、座標(0,4.5)を示す。角度のベクトルは、観測する像面上の点に集光する光線の光学系に入射するX成分とY成分の角度を示す。
図17は、実施例1の結像光学系の非点収差を示す図である。図17において、横軸は、像面を基準としてZ軸方向の位置を示し、縦軸は、X軸またはY軸方向の像高さを示す。Y軸方向の像高さを示す図面においては、実線は、球欠像面を示し、点線は、子午像面像面を示す。X軸方向の像高さを示す図面においては、実線は、子午像面像面を示し、点線は、球欠像面を示す。
表8において、偏心配置は、図1および2の座標原点Oを基準とした、それぞれの面のローカル座標中心の位置である。回転角度は、ローカル座標のX軸まわりの回転角度であり、YZ断面において、図1および2の座標系を基準とした、反時計回りの角度である。
第1乃至第3反射鏡の反射面の形状は、それぞれの面のローカル座標によって以下の式によって表せる。
表9によれば、第1乃至第3反射鏡の反射面の形状を表わす式は、Yの奇数乗項を含む。このことは、第1乃至第3反射鏡の反射面のYZ断面形状は、ローカル座標のZ軸に関して非対称であることを示す。本実施形態においては、効果的に迷光を遮光するように、第1の反射鏡103と第2の反射鏡107との間に、絞りを設置したので、YZ断面における光軸の変化角度が大きくなる。したがって、YZ断面形状がローカル座標のZ軸に関して対称であると、コマ収差または非点収差が大きくなる。そこで、コマ収差または非点収差を小さくするように、YZ断面形状を、ローカル座標のZ軸に関して非対称としている。
表9によれば、第1乃至第3反射鏡の反射面の形状を表わす式は、Yの奇数乗項を含む。このことは、第1乃至第3反射鏡の反射面のYZ断面形状は、ローカル座標のZ軸に関して非対称であることを示す。本実施形態においては、効果的に迷光を遮光するように、第1の反射鏡103と第2の反射鏡107との間に、絞りを設置したので、YZ断面における光軸の変化角度が大きくなる。したがって、YZ断面形状がローカル座標のZ軸に関して対称であると、コマ収差または非点収差が大きくなる。そこで、コマ収差または非点収差を小さくするように、YZ断面形状を、ローカル座標のZ軸に関して非対称としている。
図18は、実施例4の結像光学系のYZ断面図である。本実施例において、視野中心の光軸と像面の光軸とは平行であり、向きも同じである。本実施例においては、物体側から直接像面に向かう光を遮断する遮光板106を設けている。絞り105によって、遮光板106のスペースが確保される。
図19は、実施例4の結像光学系の構成を示す図である。
図20は、実施例4の結像光学系の歪曲収差を示す図である。点線がリファレンス格子を示す。
図21は、実施例4の結像光学系の横収差を示す図である。図21は、子午像面(Y−FAN)および球欠像面(X−FAN)に関する横収差を示す。横軸は各像面における絞り面上での光線の通過する相対位置を示す。主光線Lの位置が0であり、絞り径最外位置がそれぞれ±1となる。縦軸は各像面上の主光線Lが通過する像面上の座標を0とした場合に、当該相対位置を通過した光線の通過する像面主光線からのズレ量Dを示す(図32)。図21において、(X,Y)は、横収差を観測する像面上の位置を示す。すなわち、図21は、(X,Y)で表わされる像面上の9点について横収差を示している。像面のサイズは、X軸方向が12ミリメータ、Y軸方向が9ミリメータであるので、たとえば、(−1,0)は、座標(−6,0)を、(0,1)は、座標(0,4.5)を示す。角度のベクトルは、観測する像面上の点に集光する光線の光学系に入射するX成分とY成分の角度を示す。
図22は、実施例4の結像光学系の非点収差を示す図である。図22において、横軸は、像面を基準としてZ軸方向の位置を示し、縦軸は、X軸またはY軸方向の像高さを示す。Y軸方向の像高さを示す図面においては、実線は、球欠像面を示し、点線は、子午像面像面を示す。X軸方向の像高さを示す図面においては、実線は、子午像面像面を示し、点線は、球欠像面を示す。
結像光学系の製品
図23は、本発明の一実施形態による、結像光学系の製品としての構成を示す図である。第1の反射鏡103と絞り105とを成型品201として構成し、第2の反射鏡107と第3の反射鏡109とを成型品211として構成している。
図23は、本発明の一実施形態による、結像光学系の製品としての構成を示す図である。第1の反射鏡103と絞り105とを成型品201として構成し、第2の反射鏡107と第3の反射鏡109とを成型品211として構成している。
図24は、第1の反射鏡103と絞り105とを含む成型品201の一実施形態を示す図である。
図25は、第2の反射鏡107と第3の反射鏡109とを含む成型品211の一実施形態を示す図である。振動に強いボックス構造としている。
図26は、第2の反射鏡107と第3の反射鏡109とを含む成型品211の別の実施形態を示す図である。
図27は、第2の反射鏡107と第3の反射鏡109とを含む成型品211のさらに別の実施形態を示す図である。
距離測定装置
図33は、距離測定装置の概念を示す図である。物体(被写体)までの距離を測定・計測するために、当該物体を異なる視点から撮影し、得られる画像間で各画素の対応点を探索し、対応する画素の視差に基づいて、被写体までの距離を得ることができる。ここで、異なる視点間の距離を基線長という。したがって、通常の距離測定装置では、基線長離して配置された二つの結像光学系が使用される。
図33は、距離測定装置の概念を示す図である。物体(被写体)までの距離を測定・計測するために、当該物体を異なる視点から撮影し、得られる画像間で各画素の対応点を探索し、対応する画素の視差に基づいて、被写体までの距離を得ることができる。ここで、異なる視点間の距離を基線長という。したがって、通常の距離測定装置では、基線長離して配置された二つの結像光学系が使用される。
図34は、実施例4の結像光学系の構成およびその結像光学系を像面の光軸のまわりに180度回転させた構成を示す図である。dは約33ミリメータであるので、このような構成により基線長約66ミリメータの距離測定装置が一つの結像光学系によって実現される。赤外線カメラにおいては光学系以外に受光部の冷却系にコストがかかる。したがって、光学系を一つにすることにより、コストが大幅に低減される。
本発明によれば、コンパクトで、車両などに搭載して使用することのできる、反射鏡を使用した結像光学系が得られる。
101…窓板、103…第1の反射鏡、105…絞り、107…第2の反射鏡、109…第3の反射鏡、111…窓板、113…像面
Claims (10)
- 結像光学系であって、3枚の反射鏡を備え、視野中心の光軸をZ軸とする、XYZ直交座標系を定めた場合に、XZ断面において光軸の向きを維持しながら、YZ断面において光軸の向きを変化させ、視野中心の光軸と像面の光軸とが平行となるように構成し、収差を小さくするように、少なくとも一つの反射鏡のYZ断面の形状を、それぞれの反射面のローカル座標のZ軸に関して非対称とした、結像光学系。
- 光路に沿って隣接する、いずれかの反射鏡の中間に絞りを配置した、請求項1に記載の結像光学系。
- 光路において最上流の反射鏡が凸面であり、光路に沿って最下流の反射鏡が凹面である、請求項1または2に記載の結像光学系。
- 中間結像させない、非リレー光学系である、請求項1から3のいずれかに記載の結像光学系。
- 視野中心の光軸と像面の光軸とが異なる向きである、請求項1から4のいずれかに記載の結像光学系。
- 視野中心光軸と像面の光軸とが同じ向きである、請求項1から4のいずれかに記載の結像光学系。
- 光路に沿って最下流の反射鏡からの光以外の光が、像面に入射しないように遮光板を備えた、請求項6に記載の結像光学系。
- 反射鏡が金属コートされたプラスチックからなる、請求項1から7のいずれかに記載の結像光学系。
- 赤外線に使用される、請求項1から8のいずれかに記載の結像光学系。
- 請求項1から9のいずれかに記載の結像光学系を、像面に入射する光軸のまわりに180度回転させるように構成した、距離測定装置。
Priority Applications (3)
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