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JP2019090995A - Optical system, imaging device, distance measuring device, and on-vehicle camera system - Google Patents

Optical system, imaging device, distance measuring device, and on-vehicle camera system Download PDF

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JP2019090995A
JP2019090995A JP2017221624A JP2017221624A JP2019090995A JP 2019090995 A JP2019090995 A JP 2019090995A JP 2017221624 A JP2017221624 A JP 2017221624A JP 2017221624 A JP2017221624 A JP 2017221624A JP 2019090995 A JP2019090995 A JP 2019090995A
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optical system
imaging
axis
plane
imaging optical
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JP2017221624A
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Japanese (ja)
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薫 江口
Kaoru Eguchi
薫 江口
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Canon Inc
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Canon Inc
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Abstract

【課題】小型かつ低コストで距離測定が可能な光学系を提供する。【解決手段】物体の像を形成する光学系(L0)であって、第1及び第2の結像光学系(L1、L2)と、第1及び第2の結像光学系のそれぞれの光路上に配置された第1及び第2の開口絞り(SP)とを有し、第1及び第2の結像光学系のそれぞれにより形成される第1及び第2の像は、Ys軸の方向に沿って配列されており、第1及び第2の開口絞りのそれぞれの開口中心を通過してXsYs平面上の縮小面の中心に至る基準光線の経路を第1及び第2の基準軸とし、第1及び第2の基準軸を縮小面から基準光線の進行方向に延長することで得られる第1及び第2の延長軸をYsZs平面上に射影したとき、第1及び第2の延長軸は互いに交わる。【選択図】図1A compact, low-cost optical system capable of distance measurement is provided. An optical system (L0) for forming an image of an object, comprising first and second imaging optical systems (L1, L2) and light from each of the first and second imaging optical systems The first and second images formed by the first and second imaging optical systems, which have first and second aperture stops (SP) arranged on the path, are oriented in the direction of the Ys axis. and the paths of the reference rays passing through the centers of the apertures of the first and second aperture stops and reaching the center of the reduction surface on the XsYs plane are defined as the first and second reference axes, When the first and second extension axes obtained by extending the first and second reference axes from the reduction surface in the traveling direction of the reference ray are projected onto the YsZs plane, the first and second extension axes are cross each other. [Selection drawing] Fig. 1

Description

本発明は、距離測定が可能であって広角な光学系に関する。   The present invention relates to a wide-angle optical system capable of distance measurement.

監視カメラや車載カメラ、UAV(Unmanned Aerial Vehicle)等に適用される広角レンズとして、広い視野を確保しつつ、小型で低価格化を達成するべくレンズの構成枚数を少なくした2群構成をなす種々のタイプのレンズが知られている。特許文献1には、物体側から順に配列された、負の屈折力を有する両凹レンズ、開口絞り、正の屈折力を有する両凸レンズからなり、両凹レンズまたは両凸レンズの少なくとも一面が非球面に形成された広角レンズが知られている。   A wide-angle lens applied to surveillance cameras, in-vehicle cameras, UAVs (Unmanned Aerial Vehicles), etc., while securing a wide field of view, in a compact, low-priced two-group configuration in which the number of lenses is reduced The type of lens is known. In Patent Document 1, a biconcave lens with negative refractive power, an aperture stop, and a biconvex lens with positive refractive power, which are arranged in order from the object side, form at least one surface of the biconcave lens or biconvex lens as an aspheric surface. Wide-angle lenses are known.

特許文献2および特許文献3には、非共軸光学系に関し、その設計法や焦点距離等の近軸量の計算方法が開示されている。特許文献2や特許文献3のように基準軸という概念を導入し、光学系の構成面を基準軸に対して非対称形状でかつ非球面にすることにより、十分に収差が補正された光学系が構築可能であることが明らかになってきた。   Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose a design method of the non-coaxial optical system and a calculation method of paraxial amount such as focal length. An optical system in which the aberration is sufficiently corrected by introducing the concept of a reference axis as in Patent Document 2 and Patent Document 3 and making the constituent surface of the optical system asymmetrical with respect to the reference axis and aspheric, It has become clear that it can be built.

このような非共軸光学系は、Off−Axial(オフアキシャル)光学系と呼ばれる。Off−Axial光学系は、像中心と瞳中心を通る光線が辿る経路を基準軸とするとき、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面(Off−Axial曲面)を含む光学系として定義される。この場合、基準軸は折れ曲がった形状となる。Off−Axial光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を用いた光学系の構築がしやすい。また、光学系内で中間像を形成することにより、広画角を実現しつつコンパクトな光学系を構成することができる。また、前絞りの光学系でありながら、光路の引き回しが比較的自由に行うことができるため、コンパクトな光学系を構成することが可能である。   Such non-coaxial optics are called off-axial (off-axial) optics. The off-axial optical system is a curved surface (off-axial curved surface) in which the surface normal at the point of intersection with the reference axis of the component surface is not on the reference axis Defined as an optical system including In this case, the reference axis has a bent shape. In the Off-Axial optical system, the constituent surface is generally non-coaxial, and vignetting does not occur even on the reflective surface, so it is easy to construct an optical system using the reflective surface. Further, by forming an intermediate image in the optical system, a compact optical system can be configured while realizing a wide angle of view. In addition, although it is an optical system of the front stop, the optical path can be relatively freely routed, so it is possible to construct a compact optical system.

特許文献4には、ステレオ画像から被写体距離を算出する方法が開示されている。   Patent Document 4 discloses a method of calculating an object distance from a stereo image.

特開平9−159912号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 9-159912 gazette 特開平9−5650号公報JP-A-9-5650 特開2005−24695号公報JP 2005-24695 A 特開平8−14861公報JP-A-8-14861

ところで、車載カメラやUAVに関しては、搭載する撮像装置の大きさや重量について厳しい制限があるため、光学系の小型化や薄型化が望まれている。単純に画像を取得するだけであれば従来の光学系でも問題ない。しかし、画像から距離を測定し、その結果を用いて自車(または自機)を制御するようなセンシングに利用しようとすると、広角化を図りつつ歪曲のような像高ごとに異なる収差を低減させる必要がある。また、高速な画像処理も必要となる。特許文献1に開示されているような屈折レンズで光学系を構成しようとすると、広角化と歪曲低減との両立は困難であり、これらを両立させるには多くのレンズ枚数が必要となり大型化してしまう。   By the way, with regard to on-vehicle cameras and UAVs, since there are severe restrictions on the size and weight of the imaging device to be mounted, downsizing and thinning of the optical system are desired. There is no problem with conventional optical systems as long as images are simply acquired. However, when trying to measure the distance from the image and use it for sensing to control the own vehicle (or own vehicle) using the result, it is possible to widen the angle while reducing aberrations that are different for each image height such as distortion. You need to In addition, high-speed image processing is also required. When an optical system is configured with a refractive lens as disclosed in Patent Document 1, it is difficult to achieve both widening of the angle and distortion reduction. I will.

特許文献2や特許文献3には、自由曲面ミラーを使用した光学系が開示されているが、距離を測定するようなセンシングに利用するための言及がない。例えば、特許文献2や特許文献3の光学系を2つ用いてステレオ光学系を構成しようとしても、2つの撮像素子を使用する必要があるため、信号処理演算の規模が大きくなってしまう。また、信号処理演算の規模を小さくする専用の撮像素子や回路を用意すると、コストが上がってしまう。特許文献4には、ステレオ画像から被写体距離を算出する手法について開示されているが、ステレオ光学系を構成する場合に最適な光学構成については言及されていない。   Although the optical system which uses a free-form surface mirror is disclosed by patent document 2 and patent document 3, there is no mention for utilizing for sensing which measures distance. For example, even if it is necessary to use two imaging elements even if it is going to comprise a stereo optical system using two optical systems of patent document 2 and patent document 3, the scale of a signal processing calculation will become large. In addition, if a dedicated imaging device or circuit for reducing the scale of signal processing operation is prepared, the cost increases. Patent Document 4 discloses a method of calculating a subject distance from a stereo image, but does not mention an optical configuration that is optimal when configuring a stereo optical system.

そこで本発明は、小型かつ低コストで距離測定が可能な光学系、撮像装置、測距装置、および車載カメラシステムを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an optical system, an imaging device, a distance measuring device, and an on-vehicle camera system that can perform distance measurement in a small size and at low cost.

本発明の一側面としての光学系は、物体の像を形成する光学系であって、第1及び第2の結像光学系と、該第1及び第2の結像光学系のそれぞれの光路上に配置された第1及び第2の開口絞りとを有し、前記第1及び第2の開口絞りの開口中心を結ぶ直線の中点を原点、前記第1の開口絞りの開口中心から前記第2の開口絞りの開口中心へ向かう方向を正とした前記直線をYs軸、前記原点を通り右手座標系の定義に従って前記Ys軸に垂直な直線をXs軸、前記原点を通り前記Xs軸および前記Ys軸のそれぞれに垂直な直線をZs軸とするとき、前記第1及び第2の結像光学系のそれぞれにより形成される第1及び第2の像は、前記Ys軸の方向に沿って配列されており、前記第1及び第2の開口絞りのそれぞれの開口中心を通過してXsYs平面上の縮小面の中心に至る基準光線の経路を第1及び第2の基準軸とし、前記第1及び第2の基準軸を前記縮小面から前記基準光線の進行方向に延長することで得られる第1及び第2の延長軸をYsZs平面上に射影したとき、前記第1及び第2の延長軸は互いに交わる。   An optical system according to one aspect of the present invention is an optical system that forms an image of an object, and includes light of first and second imaging optical systems and respective light of the first and second imaging optical systems. An intermediate point of a straight line connecting the aperture centers of the first and second aperture stops is an origin point, and the first and second aperture stops are arranged from the aperture center of the first aperture stop. The straight line whose direction toward the opening center of the second aperture stop is positive is the Ys axis, and the straight line perpendicular to the Ys axis passes the origin according to the definition of the right-handed coordinate system, the Xs axis passes the origin, the Xs axis and the Xs axis When a straight line perpendicular to each of the Ys axes is taken as a Zs axis, first and second images formed by each of the first and second imaging optical systems are along the direction of the Ys axis. Arrayed, passing through the centers of the respective first and second apertures and X The path of the reference ray reaching the center of the reduction plane on the Ys plane is taken as the first and second reference axes, and the first and second reference axes are extended from the reduction plane in the traveling direction of the reference ray When the obtained first and second extension axes are projected onto the YsZs plane, the first and second extension axes intersect with each other.

本発明の他の側面としての撮像装置は、前記光学系と、前記光学系により形成される像を受光する撮像素子とを有する。   An imaging device as another aspect of the present invention includes the optical system and an imaging element that receives an image formed by the optical system.

本発明の他の側面としての測距装置は、物体の画像データを取得する前記撮像装置と、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有する。   A distance measuring apparatus according to another aspect of the present invention includes the imaging device for acquiring image data of an object, and a distance calculating unit for acquiring distance information to the object based on the image data.

本発明の他の側面としての車載カメラシステムは、前記測距装置と、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とを有する。   An on-vehicle camera system according to another aspect of the present invention includes the distance measuring device, and a collision determination unit that determines the possibility of collision between the host vehicle and the object based on the distance information.

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。   Other objects and features of the present invention will be described in the following embodiments.

本発明によれば、小型かつ低コストで距離測定が可能な光学系、撮像装置、測距装置、および車載カメラシステムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a compact, low-cost optical system capable of distance measurement, an imaging device, a distance measuring device, and an on-vehicle camera system.

第1の実施形態における光学系の断面図および撮像装置の概略配置図である。1 is a cross-sectional view of an optical system and a schematic layout view of an imaging device in a first embodiment. 第1の実施形態における光学系のディストーションを示す図である。It is a figure which shows the distortion of the optical system in 1st Embodiment. 第1の実施形態における光学系の横収差図である。FIG. 5 is a lateral aberration diagram of the optical system in the first embodiment. 第2の実施形態における光学系の断面図および撮像装置の概略配置図である。They are a sectional view of an optical system in a 2nd embodiment, and a schematic layout of an imaging device. 第2の実施形態における光学系のディストーションを示す図である。It is a figure which shows the distortion of the optical system in 2nd Embodiment. 第2の実施形態における光学系の横収差図である。It is a transverse aberration figure of the optical system in a 2nd embodiment. 第3の実施形態における光学系の断面図および撮像装置の概略配置図である。They are a sectional view of an optical system in a 3rd embodiment, and a schematic layout of an imaging device. 第3の実施形態における光学系のディストーションを示す図である。It is a figure which shows the distortion of the optical system in 3rd Embodiment. 第3の実施形態における光学系の横収差図である。It is a transverse-aberration figure of the optical system in 3rd Embodiment. 各実施形態における座標系の説明図である。It is explanatory drawing of the coordinate system in each embodiment. 各実施形態における座標系の説明図である。It is explanatory drawing of the coordinate system in each embodiment. 各実施形態における横収差の評価位置の説明図である。It is explanatory drawing of the evaluation position of the horizontal aberration in each embodiment. 各実施形態における撮像素子上の最終結像面の配置図である。It is an arrangement | positioning figure of the last image formation surface on the image pick-up element in each embodiment. 各実施形態における撮像素子上の最終結像面の配置図である。It is an arrangement | positioning figure of the last image formation surface on the image pick-up element in each embodiment. 各実施形態におけるステレオ光学系の座標系と各結像光学系の絶対座標系との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the coordinate system of the stereo optical system in each embodiment, and the absolute coordinate system of each imaging optical system. 各実施形態におけるステレオ光学系と各結像光学系との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the stereo optical system and each imaging optical system in each embodiment. 第4の実施形態における車載カメラシステムの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the in-vehicle camera system in a 4th embodiment. 第4の実施形態における車両の要部概略図である。It is the principal part schematic of the vehicle in 4th Embodiment. 第4の実施形態における車載カメラシステムの動作例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation example of the vehicle-mounted camera system in 4th Embodiment.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず、各実施形態に共通する事項について本発明の概要と共に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, matters common to each embodiment will be described together with the outline of the present invention.

(各実施形態に共通する事項)
1)光学座標系等の定義
図10は、各実施形態の光学系(ステレオ光学系)に用いられる結像光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。各実施形態において、物体側(被写体側)から像側(撮像素子に形成される結像面側)に向かって、不図示の物体面の中心から瞳(絞り:開口絞りSP)の中心(開口中心)を通って像面の中心に至る一つの光線を、中心主光線または基準軸光線と定義する。なお、物体側は拡大共役側、像側は縮小共役側ということもできる。図10において、中心主光線または基準軸光線を一点鎖線で示す。また、中心主光線または基準軸光線が辿る経路を基準軸と定義する。また、基準軸に沿って、物体側からi番目の面を第i面Riとする。
(Items common to each embodiment)
1) Definition of Optical Coordinate System, etc. FIG. 10 is an explanatory view of a coordinate system which defines configuration data of an imaging optical system used for the optical system (stereo optical system) of each embodiment. In each embodiment, from the center of the object surface (not shown) to the center of the pupil (aperture: aperture stop SP) from the object side (the object side) to the image side (the image forming surface formed on the imaging device) One ray passing through the center) to the center of the image plane is defined as a central chief ray or a reference axis ray. The object side may be referred to as a magnifying conjugate side, and the image side may be referred to as a reduction conjugate side. In FIG. 10, the central chief ray or the reference axis ray is indicated by an alternate long and short dash line. Also, the path followed by the central chief ray or the reference axis ray is defined as a reference axis. Further, along the reference axis, the i-th surface from the object side is the i-th surface Ri.

図10において、第1面R1は光路上に配置された開口絞りSP(絞り面)、第2面R2は第1面R1に対してチルトした反射面、第3面R3、第4面R4は各々の前の面に対してシフトおよびチルトした反射面である。第2面R2から第4面R4までの各々の反射面は、金属、ガラス、プラスチック等の媒質で構成されるミラーである。なお、第4面R4までに限定せず、第5面R5以降に反射面が続いてもよい。   In FIG. 10, the first surface R1 is an aperture stop SP (diaphragm surface) disposed on the light path, the second surface R2 is a reflective surface tilted with respect to the first surface R1, the third surface R3 and the fourth surface R4 are Reflective surfaces shifted and tilted with respect to each previous surface. Each of the reflecting surfaces from the second surface R2 to the fourth surface R4 is a mirror made of a medium such as metal, glass, or plastic. In addition, it does not limit to 4th surface R4, and a reflective surface may continue on 5th surface R5 or subsequent ones.

各実施形態のステレオ光学系内の結像光学系はOff−Axial光学系(オフアキシャル光学系)であるため、結像光学系を構成する各面は共通の光軸を有しない。そこで各実施形態において、第1面R1の中心を原点とする絶対座標系を設定する。すなわち、第1面R1の中心である結像光学座標系の原点位置と光学的な最終結像面(縮小面)の中心位置とを通る光線(中心主光線または基準軸光線)の辿る経路が基準軸である。また、基準軸は方向(向き)を持っている。その方向は、中心主光線または基準軸光線が結像に際して進行する方向である。ここで「最終結像面」とは、結像光学系の光路の最後に存在する結像面であり、単に「結像面」または「像面」ともいう。最終結像面に撮像素子IMG0を配置することで撮像を行う。最終結像面は光学的な面であり、直接撮像素子を意味するものではない。このため「最終結像面の中心」とは、「撮像素子IMG0の中心」を意味するものではない。このため「最終結像面の中心」とは、「前記撮像素子IMG0の中心」に限定するものではない。後述するように、光路の途中で実像を結ぶ結像面が存在する場合、その結像面を「中間結像面」と呼ぶ。単に「結像面」または「像面」との記述は、最終結像面のことを指す。   Since the imaging optical system in the stereo optical system of each embodiment is an off-axial optical system (off axial optical system), the surfaces constituting the imaging optical system do not have a common optical axis. So, in each embodiment, the absolute coordinate system which makes the origin the center of 1st surface R1 is set. That is, the path followed by the ray (central chief ray or reference axis ray) passing through the origin position of the imaging optical coordinate system that is the center of the first surface R1 and the center position of the optical final imaging surface (reduction surface) is It is a reference axis. Also, the reference axis has a direction. The direction is the direction in which the central chief ray or the reference axis ray travels during imaging. Here, the “final image forming surface” is an image forming surface which exists at the end of the light path of the image forming optical system, and is also simply referred to as “image forming surface” or “image surface”. Imaging is performed by disposing the imaging element IMG0 on the final imaging plane. The final imaging plane is an optical plane and does not directly mean an imaging device. Therefore, "the center of the final image forming surface" does not mean "the center of the imaging element IMG0". Therefore, "the center of the final image forming plane" is not limited to "the center of the imaging element IMG0". As described later, when there is an imaging surface connecting a real image in the middle of the light path, the imaging surface is called an “intermediate imaging surface”. The term "imaging plane" or "image plane" simply refers to the final imaging plane.

以下の各実施形態において、中心主光線または基準軸光線は、開口絞りSPの開口中心である第1面R1の中心点(原点)を通り最終結像面の中心へ至るまでに、各屈折面および反射面によって屈折および反射する。各構成面の順番は、中心主光線または基準軸光線が物体側(拡大共役側)から入射して屈折および反射を受ける順番に設定されている。このため、基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折または反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に最終結像面の中心に到達する。また、以下の各実施形態において、物体側(拡大共役側)および像側(縮小共役側)とは、基準軸の方向に対してどちら側であるかを意味している。   In each of the following embodiments, each refracting surface until the central chief ray or the reference axis ray passes through the center point (origin) of the first surface R1 which is the aperture center of the aperture stop SP to the center of the final image forming surface And refract and reflect by reflective surfaces. The order of the constituent surfaces is set in the order in which the central chief ray or the reference axis ray is incident from the object side (enlarged conjugate side) to be refracted and reflected. For this reason, the reference axis finally reaches the center of the final image plane while changing its direction according to the law of refraction or reflection along the order of each set surface. Moreover, in each of the following embodiments, the object side (enlargement conjugate side) and the image side (reduction conjugate side) mean which side with respect to the direction of the reference axis.

なお各実施形態において、結像光学系の基準となる基準軸を前述のように設定しているが、軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、または、結像光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すればよい。一般的には、像面の中心と、絞り、入射瞳、射出瞳、または、結像光学系の第1面R1や最終面の中心のいずれかを通る光線の辿る経路を基準軸に設定するとよい。   In each embodiment, the reference axis which is the reference of the imaging optical system is set as described above, but the method of determining the axis is an optical design, an aberration summary, or each constituting the imaging optical system. A convenient axis may be employed to express the surface shape. In general, if the path taken by the ray passing through the center of the image plane and either the stop, the entrance pupil, the exit pupil, or the center of the first surface R1 of the imaging optical system or the final surface is set as the reference axis Good.

以下の各実施形態において、結像光学系の絶対座標系の各軸は、以下のように定められる。すなわち、Z軸は、原点と物体面中心を通る直線(物体側から開口絞りSP(第1面R1)の中心(開口中心)を通る基準軸)であり、物体面から第1面R1に向かう方向を正の方向とする。Y軸は、原点を通り、右手座標系の定義に従ってZ軸に対して反時計回り方向に90゜をなす直線である。X軸は、原点を通り、Z軸およびY軸のそれぞれに垂直な直線であり、図10の紙面奥に向かう方向を正とする。   In each of the following embodiments, each axis of the absolute coordinate system of the imaging optical system is determined as follows. That is, the Z-axis is a straight line passing through the origin and the center of the object plane (a reference axis passing from the object side to the center (opening center) of the aperture stop SP (first surface R1)), from the object plane to the first surface R1. The direction is positive. The Y-axis is a straight line passing through the origin and at 90 ° counterclockwise to the Z-axis according to the definition of the right-handed coordinate system. The X-axis is a straight line passing through the origin and perpendicular to each of the Z-axis and the Y-axis, and the direction toward the back of the paper surface of FIG. 10 is positive.

また、光学系を構成する第i面の面形状およびチルト角を表すには、次のように表することにより理解が容易になる。基準軸と第i面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定する。そして、ローカル座標系でその面の面形状を表し、基準軸とローカル座標系のなす角度でチルト角を表すとよい。このため、第i面の面形状は、以下のローカル座標系で表す。すなわち、z軸は、ローカル座標の原点を通る面法線である(正方向は図10に示されている)。y軸は、ローカル座標の原点を通り、右手座標系の定義に従ってz方向に対し反時計方向に90゜をなす直線である。x軸は、ローカル座標の原点を通り、yz面に対し垂直な直線であり、図10の紙面奥に向かう方向を正とする。   Further, the surface shape and tilt angle of the ith surface constituting the optical system can be easily understood by expressing as follows. Set a local coordinate system whose origin is the point where the reference axis and the i-th plane intersect. Then, the surface shape of the surface may be represented in the local coordinate system, and the tilt angle may be represented by the angle between the reference axis and the local coordinate system. Therefore, the surface shape of the i-th surface is expressed by the following local coordinate system. That is, the z-axis is the surface normal that passes through the origin of the local coordinates (the positive direction is shown in FIG. 10). The y-axis is a straight line passing through the origin of the local coordinates and making a 90 ° counterclockwise with respect to the z-direction according to the definition of the right-handed coordinate system. The x-axis is a straight line passing through the origin of the local coordinates and perpendicular to the yz-plane, and the direction toward the back of the paper surface of FIG. 10 is positive.

従って、第i面のyz面内でのチルト角は、ローカル座標系のz軸が基準軸に対してなす鋭角で、反時計回り方向を正とした角度θxi(単位「°」)で表される。また、第i面のxz面内でのチルト角は、基準軸に対して反時計回り方向を正とした角度θyi(単位「°」)で表される。また、第i面のxy面内でのチルト角は、y軸に対して反時計回り方向を正とした角度θzi(単位「°」)で表される。ただし、通常、角度θziは面の回転に相当し、以下の各実施形態においては存在しない。図10は、これらの絶対座標系とローカル座標系との相互関係を表している。また図10の各軸の矢印の方向は、各軸の正負の方向を表している。(+)が正方向、(−)が負方向を表す。図10において、絶対座標原点に斜めに入射している光線を軸外主光線として描いている。YZ平面上における軸外主光線の入射角度をωyとするとき、上から入射した軸上主光線を負、下から入射した軸上主光線を正の角度として入射角度の符号を定義する。図10ではYZ平面上で描いているが、XZ平面上での入射角度の符号は、図11に示される。 Therefore, the tilt angle in the yz-plane of the i-th surface is an acute angle that the z-axis of the local coordinate system makes with the reference axis, and is represented by an angle θ xi (unit “°”) with the counterclockwise direction being positive. Be done. Further, the tilt angle in the xz plane of the i-th plane is expressed by an angle θ yi (unit “°”) with the positive counterclockwise direction with respect to the reference axis. Further, the tilt angle in the xy plane of the i-th plane is expressed by an angle θ zi (unit “°”) with the positive counterclockwise direction with respect to the y axis. However, normally, the angle θ zi corresponds to the rotation of the surface, and does not exist in the following embodiments. FIG. 10 shows the correlation between these absolute coordinate systems and the local coordinate system. The directions of the arrows of the respective axes in FIG. 10 indicate the positive and negative directions of the respective axes. (+) Indicates the positive direction, and (-) indicates the negative direction. In FIG. 10, a ray obliquely incident on the absolute coordinate origin is drawn as an off-axis chief ray. When the incident angle of the off-axis principal ray on the YZ plane is ωy, the sign of the incident angle is defined with the on-axis principal ray entering from above as negative and the on-axis chief ray entering from below as a positive angle. Although drawn on the YZ plane in FIG. 10, the sign of the incident angle on the XZ plane is shown in FIG.

図11は、図10で描いた座標系をZ軸回りに時計回りに90度回転させた図であり、Y軸が紙面奥から手前に向かう方向が正である。このとき、XZ平面上での軸外主光線の入射角度をZ軸を基準としてωxとするとき、上から入射した軸外主光線を負、下から入射した軸外主光線を正の角度として入射角度の符号を定義する。入射角度ωx、ωyのうち一番外側(入射角度ωxやωyが最大の角度となる位置)に位置する光線がそれぞれXZ平面上とYZ平面上での光学系の最大画角を決めている光線である。   FIG. 11 is a diagram in which the coordinate system depicted in FIG. 10 is rotated 90 degrees clockwise about the Z axis, and the direction from the back of the paper to the front of the Y axis is positive. At this time, assuming that the incident angle of the off-axis chief ray on the XZ plane is ωx with the Z-axis as a reference, the off-axis chief ray incident from above is negative, and the off-axis chief ray incident from below is positive. Define the sign of the incident angle. A light ray located at the outermost side (a position where the incident angle ωx or ωy is the largest angle) of the incident angles ωx and ωy determines the maximum angle of view of the optical system on the XZ plane and the YZ plane, respectively It is.

ここまでは各結像光学系ごとの座標系について説明したが、2つの結像光学系が組み合わされることでステレオ光学系を構成した際の座標系を次のように定める。すなわちZs軸は、結像光学系L1の開口絞り(第1の開口絞り)SPの中心(開口中心)SPO1と結像光学系L2の開口絞り(第2の開口絞り)SPの中心(開口中心)SPO2とを結ぶ直線の中点を原点Oとし、物体面中心と原点を通る直線である。なお、物体面中心から原点Oに向かう方向を正とする。Ys軸は、原点Oを通り右手座標系の定義に従ってZs軸に対して反時計回り方向に90゜をなす直線である。Xs軸は、原点Oを通りZs軸とYs軸のそれぞれに垂直な直線である。なお、Ys軸をZs軸回りに反時計回り方向に90゜をなす方向を正とする。換言すると、各軸は以下のように定義される。すなわち、結像光学系L1の開口絞りSPの中心SPO1と結像光学系L2の開口絞りSPの中心SPO2とを結ぶ直線の中点を原点Oとする。このとき、Ys軸は、結像光学系L1の開口絞りSPの中心SPO1から結像光学系L2の開口絞りSPの中心SPO2へ向かう方向を正とした直線である。Xs軸は、原点Oを通り右手座標系の定義に従ってYs軸に対して垂直な直線である。Zs軸は、Xs軸およびYs軸のそれぞれに垂直な直線である。   So far, the coordinate system for each imaging optical system has been described. However, the coordinate system when a stereo optical system is configured by combining two imaging optical systems is determined as follows. That is, the Zs axis is the center (opening center) SPO1 of the aperture stop (first aperture stop) SP of the imaging optical system L1 and the center (opening center of the aperture stop (second aperture stop) SP of the imaging optical system L2. ) A middle point of a straight line connecting SPO 2 is an origin point O, and the straight line passes through the center of the object plane and the origin. The direction from the object plane center to the origin O is positive. The Ys axis is a straight line that passes through the origin O and forms an angle of 90 ° counterclockwise with respect to the Zs axis according to the definition of the right-handed coordinate system. The Xs axis is a straight line passing through the origin O and perpendicular to each of the Zs axis and the Ys axis. The direction in which the Ys axis makes 90 ° counterclockwise around the Zs axis is positive. In other words, each axis is defined as follows. That is, an intermediate point of a straight line connecting the center SPO1 of the aperture stop SP of the imaging optical system L1 and the center SPO2 of the aperture stop SP of the imaging optical system L2 is set as an origin O. At this time, the Ys axis is a straight line whose direction from the center SPO1 of the aperture stop SP of the imaging optical system L1 to the center SPO2 of the aperture stop SP of the imaging optical system L2 is positive. The Xs axis is a straight line passing through the origin O and perpendicular to the Ys axis according to the definition of the right-handed coordinate system. The Zs axis is a straight line perpendicular to each of the Xs axis and the Ys axis.

図15は、ステレオ光学系L0の座標系と結像光学系L1、L2の絶対座標系との相互関係を示す図である。図15において、各軸の矢印の方向が各軸の正負の方向を表している。すなわち、(+)が正方向、(−)が負方向を示している。   FIG. 15 is a diagram showing the mutual relationship between the coordinate system of the stereo optical system L0 and the absolute coordinate system of the imaging optical systems L1 and L2. In FIG. 15, the directions of the arrows of the respective axes indicate the positive and negative directions of the respective axes. That is, (+) indicates the positive direction, and (-) indicates the negative direction.

2)結像光学系の具体的表現
また各実施形態において、数値実施例として各構成面の数値データを示す。Diは第i面と第(i+1)面とのローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ndi、νdiは第i面と第(i+1)面間の媒質の屈折率とアッベ数である。なお各実施形態において、原点間の媒質は空気である。E−Xは、10−Xを表す。球面は、Riを第i面の曲率半径、x、yを第i面の各ローカル座標値とするとき、以下の式(A)で表される形状である。
2) Specific Expression of Imaging Optical System In each embodiment, numerical data of each constituent surface is shown as a numerical example. Di is a scalar quantity representing the distance between the origin of the local coordinates of the i-th surface and the (i + 1) -th surface, Ndi and didi are the refractive index and Abbe number of the medium between the i-th surface and the (i + 1) -th surface. In each embodiment, the medium between the origins is air. E-X represents a 10 -X. A spherical surface is a shape represented by the following formula (A), where Ri is the radius of curvature of the i-th surface and x and y are local coordinate values of the i-th surface.

また、以下の各実施形態の結像光学系は、回転非対称な形状(曲率)を有する面(自由曲面)を2面以上有し、その形状は以下の式(B)により表される。   The imaging optical systems of the following embodiments each have two or more surfaces (free-form surfaces) having a rotationally asymmetric shape (curvature), and the shape is represented by the following equation (B).

式(B)で表される曲面式は、xに関して偶数次の項のみである。このため、式(B)で表される曲面式により規定される曲面は、yz面を対称面とする面対称な形状である。   The surface equation represented by the equation (B) is only an even order term with respect to x. Therefore, the curved surface defined by the curved surface equation represented by the equation (B) has a plane-symmetrical shape with the yz plane as a plane of symmetry.

3)ステレオ光学系としてのあるべき姿
各実施形態におけるステレオ光学系(被写体からの光束を第1および第2の結像面に集光する第1および第2の結像光学系)は、以下のような考えに基づく。従来、車載カメラ用途での光学系において、レンズを使用した透過型の光学系があった。そして、同じ光学系を2つ水平に並べてステレオ視することで距離を測定する、または、3D形状を取得する種々の光学系が提案されている。また、回転非対称な反射面を含む結像光学系を利用した小型で高画質な種々の光学系も提案されている。ステレオ光学系を用いて精度良く距離を測定する、または3D形状を取得するには、結像性能を高めて高画質化することが必要となる。また、車載カメラでの距離測定用途では、周囲も広く捉える必要があるため、ある程度の広角化が必要である。
3) Ideal form as stereo optical system The stereo optical system in each embodiment (the first and second imaging optical systems for condensing the light flux from the subject on the first and second imaging planes) Based on ideas like Heretofore, there has been a transmission type optical system using a lens in an optical system for use in a car-mounted camera. Then, various optical systems have been proposed which measure the distance by arranging the same two optical systems horizontally and viewing them in stereo, or acquiring a 3D shape. In addition, various optical systems of small size and high image quality have also been proposed using an imaging optical system including a rotationally asymmetric reflective surface. In order to measure a distance with high precision using a stereo optical system or to acquire a 3D shape, it is necessary to enhance imaging performance to achieve high image quality. Moreover, in the distance measurement application by a vehicle-mounted camera, since it is necessary to catch the circumference widely, it is necessary to widen to a certain extent.

透過型のレンズ光学系でステレオ光学系を構成すると、レンズ枚数を増やせば広角でF値が明るい高画質なステレオ光学系を組むことができる。しかしながら、部品点数が大幅に増えるためコストが増大し、また、製造誤差や組み立て誤差を抑える必要があるため、製造難易度が上がってしまう。一方、透過型のレンズ光学系でなく、回転非対称な反射面をプリズム内に有する自由曲面プリズム光学系でステレオ光学系を構成すると、複数の反射面を一体で構成することができる。このため、組み立て時の製造誤差による結像性能劣化を低減させることができる。しかしながら、自由曲面プリズムの場合、入射側の空気との界面、または射出側の界面で色収差が発生し、プリズムだけで幅広い可視光領域を高画質に維持することは難しい。また、波長によってプリズム内の透過率が異なる、または耐環境性においても温度変化によって光学系の全体がひずむ可能性があり、プリズムを構成する材料が限定される。更に、光学系全体がプリズムであるため、重量が見かけ以上に重くなる。   When a stereo optical system is configured by a transmission type lens optical system, it is possible to form a wide-angle high-quality stereo optical system having a bright F value by increasing the number of lenses. However, since the number of parts is greatly increased, the cost is increased, and it is necessary to suppress the manufacturing error and the assembling error, which increases the manufacturing difficulty. On the other hand, when the stereo optical system is configured not by a transmission type lens optical system but by a free-form surface prism optical system having a rotationally asymmetric reflective surface in a prism, a plurality of reflective surfaces can be integrated. Therefore, it is possible to reduce the imaging performance deterioration due to the manufacturing error at the time of assembly. However, in the case of the free-form surface prism, chromatic aberration occurs at the interface with the air on the incident side or the interface at the exit side, and it is difficult to maintain a wide visible light region with high image quality only with the prism. In addition, the transmittance in the prism may differ depending on the wavelength, or even in the environment resistance, the entire optical system may be distorted due to temperature change, and the material constituting the prism is limited. Furthermore, because the entire optical system is a prism, the weight is heavier than it looks.

4)本発明の概要(回転非対称な形状を有する中空反射ミラー構成、およびステレオ光学系を一つの撮像素子へ結像させる構成)
各実施形態では、ステレオ光学系を構成する結像光学系を回転非対称な形状(自由曲面形状)を有する中空反射ミラー構成(中空ミラー構成)とする。これにより、色収差補正のためにレンズを増やす必要がなく、少ない部品点数でF値が明るく結像性能が高い状態を維持できる。ここで中空ミラー構成とは、反射面が銀やアルミなど可視光領域などで反射率の高い材料が蒸着されたミラー構造になっており、反射面の入射側と射出側(反射側)が共に空気などの気体媒質もしくは真空であるような構成をいう。このように各実施形態は、プリズムなどの透明な固体内に光が伝播して固体内の壁面(または外界との境界部)で反射する構成ではない。プリズム等を使用すると、前述のように色収差が発生する原因となるため、好ましくない。
4) Outline of the present invention (hollow reflection mirror configuration having a rotationally asymmetric shape, and configuration in which a stereo optical system is imaged on one imaging device)
In each embodiment, the imaging optical system constituting the stereo optical system has a hollow reflection mirror configuration (hollow mirror configuration) having a rotationally asymmetric shape (free curved surface shape). As a result, it is not necessary to increase the number of lenses for chromatic aberration correction, and it is possible to maintain a high F value and high imaging performance with a small number of parts. Here, in the hollow mirror configuration, the reflecting surface is a mirror structure in which a material having a high reflectance in the visible light region such as silver or aluminum is vapor-deposited, and both the incident side and the emitting side (reflection side) of the reflecting surface A configuration that is a gaseous medium such as air or vacuum. Thus, each embodiment is not a configuration in which light propagates in a transparent solid such as a prism and is reflected by a wall surface (or a boundary with the outside) in the solid. Use of a prism or the like is not preferable because it causes chromatic aberration as described above.

また各実施形態では、ステレオ光学系を構成する2つの結像光学系の最終結像面を一つの撮像素子IMG0の面上に構成している。これにより、独立した信号処理回路を2つ用意する必要がなく、読み出し領域を特定するだけで2つの結像光学系の画像情報を取り出すことができる。   Further, in each embodiment, the final image forming surface of the two image forming optical systems constituting the stereo optical system is formed on the surface of one imaging element IMG0. As a result, it is not necessary to prepare two independent signal processing circuits, and image information of the two imaging optical systems can be extracted only by specifying the readout region.

《第1の実施形態》
次に、本発明の第1の実施形態について説明する。まず、図1を参照して、本実施形態のステレオ光学系(光学系)L0の基本的な構成を説明する。ステレオ光学系L0は、少なくとも2面以上の反射面第i面Ri(iは物体側から順に付与される面番号)と共通の撮像素子IMG0を備える結像光学系(第1の結像光学系)L1および結像光学系(第2の結像光学系)L2を有する。また、ステレオ光学系L0に含まれる2つの結像光学系L1、L2はそれぞれ、最も物体側に開口絞りSP(第1面R1)を有する。図1中には、開口絞りSP、共通の撮像素子IMG0、結像光学系L1、L2を表示している。なお、開口絞りSPに関し、図1では一つの光学素子面であるとし、R1という表記を括弧書きでしている。ステレオ光学系L0が有する2つの結像光学系L1、L2が形成する最終結像面のそれぞれは、一つの撮像素子IMG0面上に形成される。
First Embodiment
Next, a first embodiment of the present invention will be described. First, the basic configuration of the stereo optical system (optical system) L0 of the present embodiment will be described with reference to FIG. An imaging optical system (first imaging optical system) including an imaging element IMG0 common to at least two reflecting surface i-th surfaces Ri (i is a surface number sequentially given from the object side) of the stereo optical system L0 ) L1 and an imaging optical system (second imaging optical system) L2. The two imaging optical systems L1 and L2 included in the stereo optical system L0 each have an aperture stop SP (first surface R1) on the most object side. In FIG. 1, the aperture stop SP, the common imaging element IMG0, and the imaging optical systems L1 and L2 are displayed. In addition, regarding the aperture stop SP, in FIG. 1, it is assumed that it is one optical element surface, and the notation R1 is in parentheses. Each of the final imaging planes formed by the two imaging optical systems L1 and L2 of the stereo optical system L0 is formed on one imaging element IMG0.

図1は、本実施形態におけるステレオ光学系L0の内部の結像光学系の配置(YsZs面)を示している。図1において、それぞれ2つの開口絞りSPから光を取り込み、結像光学系L1と結像光学系L2が有する反射面である第2面R2〜第6面R6を通って、撮像素子IMG0に結像する様子を示している。開口絞りSPの位置は、複数の反射面である第2面R2〜第6面R6で構成されたOff−Axial結像光学系L1と結像光学系L2の入射瞳の位置に相当する。   FIG. 1 shows the arrangement (YsZs plane) of the imaging optical system inside the stereo optical system L0 in this embodiment. In FIG. 1, light is taken in from each of two aperture stops SP, and passes through the second surface R2 to the sixth surface R6, which are reflection surfaces of the imaging optical system L1 and the imaging optical system L2, to be coupled to the imaging element IMG0. It shows how to make an image. The position of the aperture stop SP corresponds to the position of the entrance pupil of the Off-Axial imaging optical system L1 and the imaging optical system L2 which are composed of the second surface R2 to the sixth surface R6, which are a plurality of reflecting surfaces.

図1において、結像光学系L1、L2を構成する反射面第2面R2〜第6面R6は、いずれも回転非対称形状を有し、前述したように基準軸が折れ曲がったOff−Axial光学系(オフアキシャル光学系)を構成している。結像光学系L1、L2が構成する最終結像面の位置に撮像素子IMG0が配置されている。図13は、撮像素子IMG0上における最終結像面IMG1、IMG2の配置図である。図13において、結像光学系L1が形成する最終結像面をIMG1、結像光学系L2が形成する最終結像面をIMG2として示している。このように本実施形態では、水平方向(Ys軸と同じ方向)に2つの最終結像面(部分領域)が撮像素子IMG0上に並んで配置される。このように本実施形態において、結像光学系L1、L2は、一つの撮像素子IMG0の異なる領域に、相互に視差を有する複数の画像を形成する。   In FIG. 1, the reflecting surface second surface R2 to the sixth surface R6 constituting the imaging optical systems L1 and L2 each have a rotationally asymmetric shape, and the off-axial optical system in which the reference axis is bent as described above (Off axial optical system) is configured. The imaging element IMG0 is disposed at the position of the final imaging plane formed by the imaging optical systems L1 and L2. FIG. 13 is a layout view of final imaging planes IMG1 and IMG2 on the imaging element IMG0. In FIG. 13, the final imaging surface formed by the imaging optical system L1 is shown as IMG1, and the final imaging surface formed by the imaging optical system L2 is shown as IMG2. As described above, in the present embodiment, two final imaging planes (partial areas) are arranged side by side on the imaging element IMG0 in the horizontal direction (the same direction as the Ys axis). As described above, in the present embodiment, the imaging optical systems L1 and L2 form a plurality of images having parallax with each other in different regions of one imaging element IMG0.

結像光学系L1、L2は同じ設計値の光学系であるため、数値実施例や後述するディストーション、横収差のデータは結像光学系L2の例で代表して示している。図2は、本実施形態(数値実施例1)におけるディストーションの様子を示す。図2において、横軸はX軸方向の像面上での座標値(X画角に相当)、縦軸はY軸方向の像面上での座標値(Y画角に相当)を示す。また、ディストーションの無い理想格子(Paraxial FOV)と実際の光線追跡結果の格子(Actual FOV)を重ねて描いている。ディストーションの大きい光学系の場合は格子がずれているのがわかりやすいが、本実施形態の結像光学系L1、L2はディストーションを非常によく低減することができるため、実際の格子は理想格子と実質的に区別が付かない。   Since the imaging optical systems L1 and L2 are optical systems having the same design value, data of numerical examples and distortions and lateral aberrations described later are representatively shown by an example of the imaging optical system L2. FIG. 2 shows the state of distortion in the present embodiment (Numerical Example 1). In FIG. 2, the horizontal axis represents coordinate values (corresponding to an X angle of view) on the image plane in the X axis direction, and the vertical axis represents coordinate values (corresponding to a Y angle of view) on the image plane in the Y axis direction. Also, the distortion-free ideal grid (Paraxial FOV) and the grid of actual ray tracing results (Actual FOV) are superimposed and drawn. In the case of an optical system with large distortion, it is easy to see that the gratings are offset, but since the imaging optical systems L1 and L2 of this embodiment can reduce distortion very well, an actual grating is substantially the same as the ideal grating. Indistinguishable.

図12は、撮像素子IMG0上の最終結像面IMG1、IMG2における評価位置1、2、3、4、5を示す。図3は、評価位置1〜5における横収差図を示す。また、図3の横収差図では、横軸を瞳面上でのX軸またはY軸とし、縦軸は像面上での収差量を意味している。評価光線の波長はd線である。ωは半画角である。全ての収差図では、後述する各数値実施例をmm単位で表した場合、横収差±0.025mmのスケールで描かれている。なお、本実施形態以降の各実施形態中、重複する説明は省略し、重複して用いられる符号の意味は断りのない限り共通のものとする。   FIG. 12 shows evaluation positions 1, 2, 3, 4 and 5 on final imaging planes IMG1 and IMG2 on the imaging element IMG0. FIG. 3 shows transverse aberration diagrams at evaluation positions 1 to 5. Further, in the lateral aberration diagram of FIG. 3, the horizontal axis is taken as the X-axis or Y-axis on the pupil plane, and the vertical axis is meant for the amount of aberration on the image plane. The wavelength of the evaluation beam is d-line. ω is a half angle of view. In all aberration diagrams, when each numerical value example to be described later is expressed in mm, it is drawn on a scale of lateral aberration ± 0.025 mm. In addition, the overlapping description is abbreviate | omitted in each embodiment after this embodiment, and the meaning of the code | symbol used redundantly is made common unless there is a notice.

次に、本実施形態の構成に基づいて、本発明の特徴および奏する効果について説明する。前述のように、従来、ステレオ光学系を利用して、被写体とカメラとの距離や被写体同士の距離を取得する手法は種々開示されている。また、回転非対称な形状の自由曲面ミラーを利用した反射光学系を撮像装置に利用することで、小型化と結像性能の向上を両立した技術も種々開示されている。   Next, based on the configuration of the present embodiment, the features and advantageous effects of the present invention will be described. As described above, various methods for acquiring the distance between a subject and a camera and the distance between subjects using a stereo optical system have been conventionally disclosed. In addition, various techniques have been disclosed in which miniaturization and improvement in imaging performance are compatible by using a reflection optical system utilizing a free curved surface mirror having a rotationally asymmetric shape for an imaging device.

しかしながら、ステレオ光学系は2つの結像光学系が必要である。すなわち、単純に考えると2つの撮像素子が必要である。2つの撮像素子からの画像情報を取得し、2つの画像情報について撮像後に演算処理を行う。ここで時間をかけて演算処理を行うことが許容される場合には、従来の信号処理装置で十分である。しかし、ステレオ光学系をUAVなどの機器に搭載させて、リアルタイムにセンシング結果をフィードバックさせつつ自律的に機器を動かそうとする場合、速い信号処理能力が必要となる。その結果、廃熱対策や電源の確保など機材が大型化し、UAVへ搭載することができない可能性がある。   However, stereo optics require two imaging optics. That is, two imaging elements are needed if it thinks simply. Image information from two imaging elements is acquired, and arithmetic processing is performed on the two image information after imaging. If it is permissible to take time to perform arithmetic processing here, the conventional signal processing apparatus is sufficient. However, in the case where a stereo optical system is mounted on a device such as a UAV and it is intended to autonomously move the device while feeding back the sensing result in real time, it is necessary to have a fast signal processing capability. As a result, equipment such as waste heat measures and securing of the power supply may become large, and it may not be able to be installed in the UAV.

そこで本実施形態では、図1に示されるように、結像光学系L1、L2が形成する2つの最終結像面を一つの撮像素子面上に形成することができるようにしている。しかし、単純に2つの結像光学系を並べて、一つの撮像素子上に結像させようとすると、非常に大きな撮像素子面が必要となるか、または特殊な形状の撮像素子が必要となる。その結果、専用の撮像素子を作る必要があり、コストが非常に高くなるため、好ましくない。または、大きな撮像素子を用いる場合、撮像に使用しない領域が多く出るため、効率が良くない。そこで、従来から量産されている撮像素子を利用できるようにするため、2つの最終結像面を近接配置にした。またそれを実現できるようにするために、2つの最終結像面を互いに基準軸から傾けて構成している。これにより、2つの結像光学系を構成する各光学部材が干渉することなく配置可能となり、2つの最終結像面も近接配置することができるようになる。このため、一つの撮像素子面をステレオ画像取得のために効率的に利用することが可能となる。   Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the two final imaging planes formed by the imaging optical systems L1 and L2 can be formed on one imaging element plane. However, if two imaging optical systems are simply arranged to form an image on one imaging device, a very large imaging device surface is required, or an imaging device having a special shape is required. As a result, it is necessary to make a dedicated imaging device, which is not preferable because the cost is extremely high. Alternatively, when a large imaging element is used, there are many areas not used for imaging, which is not efficient. Therefore, in order to make it possible to use imaging elements conventionally mass-produced, the two final imaging planes are arranged in close proximity. Also, in order to be able to do that, the two final imaging planes are arranged at an angle to one another from the reference axis. As a result, the optical members constituting the two imaging optical systems can be arranged without interference, and the two final imaging planes can be arranged close to each other. For this reason, it is possible to efficiently use one imaging element surface for stereo image acquisition.

このように2つの最終結像面を互いに基準軸から傾けて構成したため、結像光学系L1、L2のそれぞれの基準軸を光線進行方向に更に延長させると、それぞれの最終結像面位置よりも奥側の交点Pで交わる。結像光学系L1、L2が誤差なく理想的に製造組み立てできた場合には、図15に示されるようにYsZs平面上に交点Pが形成される。しかし、実際は製造誤差があり、結像光学系L1、L2のそれぞれの基準軸が同じYsZs平面上にない場合も考えられる。そこで、2つの延長した基準軸をYsZs平面内に射影して考える。このように考えると、2つの基準軸は必ず一点で交わる交点Pを有する。すなわち本実施形態において、結像光学系L1、L2のそれぞれにより形成される第1及び第2の像(視差画像)は、Ys軸の方向に沿って配列されている。ここで、第1及び第2の開口絞り(結像光学系L1、L2の開口絞りSP)のそれぞれの開口中心(SPO1、SPO2)を通過してXsYs平面上の最終結像面(縮小面)の中心に至る基準光線の経路を第1及び第2の基準軸とする。第1及び第2の基準軸を縮小面から基準光線の進行方向に延長することで得られる第1及び第2の延長軸をYsZs平面上に射影したとき、第1及び第2の延長軸は交点Pで互いに交わる。   As described above, since the two final imaging planes are configured to be inclined from the reference axis, when the respective reference axes of the imaging optical systems L1 and L2 are further extended in the light ray traveling direction, the respective final imaging plane positions It crosses at the intersection point P on the back side. When the imaging optical systems L1 and L2 can be ideally manufactured and assembled without error, the intersection point P is formed on the YsZs plane as shown in FIG. However, there is actually a manufacturing error, and it is also conceivable that the reference axes of the imaging optical systems L1 and L2 are not on the same YsZs plane. Therefore, two extended reference axes are projected and considered in the YsZs plane. In this way, the two reference axes have an intersection point P which always intersects at one point. That is, in the present embodiment, the first and second images (parallax images) formed by the imaging optical systems L1 and L2 are arranged along the direction of the Ys axis. Here, the final image forming surface (reduction surface) on the Xs Ys plane passes through the opening centers (SPO1 and SPO2) of the first and second aperture stops (the aperture stops SP of the imaging optical systems L1 and L2). The path of the reference beam leading to the center of the first and second reference axes. When the first and second extension axes obtained by extending the first and second reference axes in the direction of travel of the reference beam from the reduction plane are projected onto the YsZs plane, the first and second extension axes are Cross each other at intersection point P.

本実施形態の結像光学系L1、L2は以上のように構成されるが、好ましくは、以下の条件のうち少なくとも1つを満足するように構成される。これによれば、広角化と歪曲の低減の両立をしつつ、小型で距離測定が可能であり、情報処理演算規模も小さくできるステレオ光学系およびそれを用いた撮像装置を得ることができる。   The imaging optical systems L1 and L2 of the present embodiment are configured as described above, but preferably are configured to satisfy at least one of the following conditions. According to this, it is possible to obtain a stereo optical system that is compact and capable of distance measurement and can reduce the information processing calculation scale while achieving both widening of angle and reduction of distortion, and an imaging device using the same.

結像光学系L1、L2は、基準軸を折り曲げるため、回転非対称な形状を有する反射面(自由曲面)をそれぞれ2つ以上有している。このような反射面を有することにより、収差補正をより容易にすることができ、結像性能の向上が可能となる。好ましくは、結像光学系L1、L2には、回転非対称な形状を有する反射面のうち少なくとも1つは偏心して配置されている。また、結像光学系L1、L2はそれぞれ、回転非対称な形状を有する複数の反射面のうち、最も物体側の反射面(第1反射面)よりも物体側に開口絞りSPを有する。これにより、最終的に撮像素子に入射する光線の全てが結像光学系L1、L2に含まれる各光学素子のエッジでけられることなく撮像素子に入射できるため、周辺減光を低減させることが可能となる。   The imaging optical systems L1 and L2 each have two or more reflecting surfaces (free-form surfaces) having a rotationally asymmetric shape in order to bend the reference axis. By having such a reflective surface, aberration correction can be made easier, and imaging performance can be improved. Preferably, at least one of the reflective surfaces having a rotationally asymmetric shape is decentered in the imaging optical systems L1 and L2. Further, each of the imaging optical systems L1 and L2 has an aperture stop SP on the object side of the reflection surface (first reflection surface) closest to the object side among the plurality of reflection surfaces having a rotationally asymmetric shape. As a result, all of the light rays finally incident on the imaging device can be incident on the imaging device without being disturbed by the edges of the optical elements included in the imaging optical systems L1 and L2, so that peripheral light reduction can be reduced. It becomes possible.

また、結像光学系L1、L2のそれぞれにおいて、第1面R1として開口絞りSPを配置し、開口絞りSPの位置が入射瞳位置となるように構成することにより、広角化しても各反射面が大型化しないという利点も生まれる。これにより、各反射面への入射光と反射光が同じ空間を共有できるため空間を有効に利用することができ、小型化が可能となる。なお、製造誤差等で入射瞳位置が厳密に開口絞りSPの位置にならない場合でも、多少のずれは許容される。   Further, in each of the imaging optical systems L1 and L2, the aperture stop SP is disposed as the first surface R1 and the position of the aperture stop SP is the entrance pupil position, so that each reflecting surface is obtained even if the angle of view is increased. Also has the advantage of not becoming larger. As a result, the incident light and the reflected light on each of the reflection surfaces can share the same space, so that the space can be effectively used, and downsizing can be achieved. Even when the entrance pupil position does not strictly come to the position of the aperture stop SP due to a manufacturing error or the like, a slight deviation is allowed.

本実施形態のステレオ光学系L0を構成する結像光学系L1、L2は、YZ平面内において、Z軸を中心として±40度の画角を有し、XZ平面内においてはZ軸を中心として±20度の画角を有する。また、第2面R2の反射面を第1反射面とし、続く反射面を第2反射面、第3反射面というように、基準軸に沿って物体側から順に回転非対称な形状を有する反射面に番号を付する。このとき、この画角を維持しつつ画面全体に渡って高画質化を達成するため、第1反射面は正のパワーを有する深い凹面形状としている。   The imaging optical systems L1 and L2 constituting the stereo optical system L0 of the present embodiment have an angle of view of ± 40 degrees around the Z axis in the YZ plane, and around the Z axis in the XZ plane. It has an angle of view of ± 20 degrees. A reflecting surface having a rotationally asymmetric shape in order from the object side along the reference axis such that the reflecting surface of the second surface R2 is the first reflecting surface and the succeeding reflecting surfaces are the second reflecting surface and the third reflecting surface. Number the. At this time, in order to achieve high image quality over the entire screen while maintaining this angle of view, the first reflective surface has a deep concave shape having positive power.

本実施形態において、全ての画角光束に関して、第1反射面と最終反射面との間に中間結像面を有する。最終反射面は、結像光学系L1、L2が有する光学的な結像面へ入射する光線が直前に反射した反射面である。本実施形態では、第5反射面(R6)が最終反射面に相当する。中間結像面を有することにより、画角が広い結像光学系であっても周辺画角の光線を基準軸上付近にまとめることが可能となり、反射面の面積を小さくすることができる。   In this embodiment, an intermediate imaging plane is provided between the first reflection surface and the final reflection surface for all angle-of-view light fluxes. The final reflection surface is a reflection surface where a light beam incident on the optical imaging surface of the imaging optical systems L1 and L2 is reflected immediately before. In the present embodiment, the fifth reflective surface (R6) corresponds to the final reflective surface. By having the intermediate imaging surface, even in the case of an imaging optical system having a wide angle of view, it is possible to combine light rays of peripheral angle of view around the reference axis, and the area of the reflecting surface can be reduced.

より好ましくは、回転非対称な形状を有する複数の反射面のうち、最も物体側の反射面(第1反射面)と基準軸上に沿って隣接する反射面(第2反射面)との間に少なくとも一つの光束が中間結像点を有する。広い画角を有する結像光学系の場合、第1反射面の大きさが決まるパラメータとして画角の広さが大きく関係している。そして中間結像をせずに第2反射面へ導光させると、第2反射面も非常に大きくなってしまう。一方、第1反射面と第2反射面との間に中間結像点を有する構成にすると、広い画角であっても各画角の光線を狭い面積に集めることができるため、第2反射面以降の面積を小さくすることができる。   More preferably, among the plurality of reflecting surfaces having a rotationally asymmetric shape, the reflecting surface (first reflecting surface) closest to the object side and the reflecting surface (second reflecting surface) adjacent along the reference axis. At least one beam has an intermediate imaging point. In the case of an imaging optical system having a wide angle of view, the width of the angle of view is closely related as a parameter for determining the size of the first reflection surface. When the light is guided to the second reflection surface without intermediate image formation, the second reflection surface also becomes very large. On the other hand, if an intermediate imaging point is provided between the first reflection surface and the second reflection surface, rays of each angle of view can be collected in a narrow area even at a wide angle of view. The area after the surface can be reduced.

より好ましくは、全ての画角光束に関して、第1反射面と第2反射面との間に中間結像点を有する。また好ましくは、第1反射面と第2反射面との間に中間結像面Mを有することが好ましい。一つの画角だけでなく全ての画角光線で中間結像をする中間結像面Mを有することにより、第1反射面で反射した軸外の主光線を全て基準軸上光線付近にまとめることができる。その結果、第1反射面と第2反射面との間の距離を短くしつつ第2反射面の反射面を小さくすることができる。これにより、±40度という広い画角であっても各反射面の小型化が達成できる。なお、中間結像面Mの位置は図1に示される位置に限定されるものではない。また、以下に示す他の実施形態でも、同様に結像光学系L1、L2内に中間結像面Mを有する。   More preferably, an intermediate imaging point is provided between the first reflection surface and the second reflection surface for all angle-of-view light fluxes. Also preferably, it is preferable to have an intermediate imaging surface M between the first reflection surface and the second reflection surface. By having an intermediate imaging plane M which forms an intermediate image at all angles of view not only at one angle of view, all off-axis chief rays reflected by the first reflection surface are grouped near the ray on the reference axis Can. As a result, it is possible to make the reflecting surface of the second reflecting surface smaller while shortening the distance between the first reflecting surface and the second reflecting surface. Thereby, miniaturization of each reflective surface can be achieved even at a wide angle of view of ± 40 degrees. The position of the intermediate image formation plane M is not limited to the position shown in FIG. Also, in the other embodiments described below, the intermediate imaging plane M is similarly provided in the imaging optical systems L1 and L2.

また本実施形態において、ステレオ光学系L0を構成する結像光学系L1、L2は、回転非対称な形状を有する中空反射ミラー構成としている。これにより、色収差補正のためにレンズを増やす必要が無く、少ない部品点数でF値が明るく結像性能が高い状態を維持できる。   Further, in the present embodiment, the imaging optical systems L1 and L2 constituting the stereo optical system L0 have a hollow reflection mirror configuration having a rotationally asymmetric shape. As a result, it is not necessary to increase the number of lenses for chromatic aberration correction, and it is possible to maintain a bright F value and high imaging performance with a small number of parts.

また本実施形態において、YZ平面内において偶数番目の反射面での光線の反射方向と、奇数番目の反射面での光線の反射方向とが、光線の進行方向に向かって互いに逆向きになるように各回転非対称な形状を有する反射面が構成される。例えば本実施形態の結像光学系L2の場合、第1反射面では光線入射後に基準軸に沿って右方向に反射しているのに対し、第2反射面では左方向に反射している。これにより、各反射面で発生する偏心収差をキャンセルすることが容易となり、画面全体に渡り高画質化が可能となる。   Further, in the present embodiment, the reflection direction of the light beam on the even-numbered reflection surface and the reflection direction of the light beam on the odd-numbered reflection surface in the YZ plane are opposite to each other in the traveling direction of the light beam. The reflective surface having each rotationally asymmetric shape is constructed. For example, in the case of the imaging optical system L2 of the present embodiment, the first reflecting surface reflects light in the right direction along the reference axis after light incidence, while the second reflecting surface reflects it in the left direction. As a result, it becomes easy to cancel the decentration aberration generated on each reflecting surface, and it becomes possible to improve the image quality over the entire screen.

また好ましくは、結像光学系L1、L2は、略同一の光学系であることが好ましい。画角やFナンバーが2つの光学系で異なると、距離を測定できる範囲が画角の狭い結像光学系で決まってしまうか、または被写界深度が異なると、距離測定精度が劣化してしまうため、好ましくない。   Preferably, the imaging optical systems L1 and L2 are substantially the same optical system. If the angle of view or F number differs between the two optical systems, the range over which the distance can be measured is determined by the imaging optical system with a narrow angle of view, or if the depth of field is different, the distance measurement accuracy is degraded. It is not preferable because it

図16は、ステレオ光学系L0と各結像光学系L1、L2との関係を示す図である。図16に示されるように、2つの開口絞りSPの中心(開口中心)SPO1、SPO2を結ぶ直線の長さをdsp、2つの最終結像面の中心同士を結ぶ直線の長さをdimとするとき、以下の条件式(1)を満足することが好ましい。   FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the stereo optical system L0 and the imaging optical systems L1 and L2. As shown in FIG. 16, let dsp be the length of the straight line connecting the centers (opening centers) SPO1 and SPO2 of the two aperture stops SP, and let dim be the length of the straight line connecting the centers of the two final imaging planes. At the same time, it is preferable to satisfy the following conditional expression (1).

dsp>dim … (1)
これにより、2つの結像光学系L1、L2の結像面を近接させつつ、2つの開口絞りSPを離すことができる。条件式(1)を満足すると、基線長が長く取れて視差画像から距離を算出する精度を上げることができるため、好ましい。一方、条件式(1)を満足しない場合、基線長が短すぎてしまい、距離を算出する精度が低下するため、好ましくない。
dsp> dim ... (1)
As a result, the two aperture stops SP can be separated while the imaging surfaces of the two imaging optical systems L1 and L2 are close to each other. If conditional expression (1) is satisfied, it is preferable because a long baseline length can be obtained and the accuracy of calculating the distance from the parallax image can be increased. On the other hand, when the conditional expression (1) is not satisfied, the base length is too short, and the accuracy of calculating the distance is unfavorably reduced.

ここで、基準軸が反射を繰り返す平面、すなわち折れ曲がった基準軸を含む平面(YZ面)をOff−Axial断面(オフアキシャル断面)と呼ぶ。結像光学系L1とL2において、Off−Axial断面上での半画角をωy(Y軸方向の画角)、Off−Axial断面に垂直な断面上での半画角をωx(X軸方向の画角)とする。このとき、以下の条件式(2)を満足することが好ましい。   Here, a plane in which the reference axis repeats reflection, that is, a plane including the bent reference axis (YZ plane) is referred to as an off-axial cross section (off axial cross section). In the imaging optical systems L1 and L2, the half angle of view on the Off-Axial cross section is ωy (angle of view in the Y-axis direction), and the half angle of view on the cross section perpendicular to the Off-Axial cross section is ωx (X-axis direction Angle of view). At this time, it is preferable to satisfy the following conditional expression (2).

ωy>ωx … (2)
これにより、Off−Axial断面と垂直方向で小型化が可能となる。これは、用途によって水平方向と垂直方向で同じ範囲が見えている必要がない場合に有用である。例えば、本実施形態のステレオ光学系L0を車載カメラに用いた場合、周囲を監視する際に歩道や対向車など水平方向は広く見えた方がよいが、垂直方向は最低限信号機や道路標識が見えればよく、水平方向に比べて見る範囲を狭くしても支障がない。このような場合、条件式(2)を満足することにより、更なる小型化が達成できるため、好ましい。
ωy> ωx (2)
As a result, miniaturization can be achieved in the direction perpendicular to the off-axial cross section. This is useful when the application does not need to see the same range in the horizontal and vertical directions. For example, when the stereo optical system L0 of this embodiment is used for an on-vehicle camera, it is better to look wide in the horizontal direction such as a sidewalk or an oncoming car when monitoring the surroundings, but at least in the vertical direction If you can see it, there is no problem even if you narrow the viewing range compared to the horizontal direction. In such a case, by satisfying conditional expression (2), further miniaturization can be achieved, which is preferable.

2つの結像光学系L1、L2の最終結像面は、基準軸と最終結像面の交点を回転中心としてX軸回りに傾いていることが好ましい。これにより、XsYs平面上に2つの結像光学系L1、L2の最終結像面を配置することができる。   It is preferable that the final imaging surface of the two imaging optical systems L1 and L2 be inclined around the X axis with the point of intersection of the reference axis and the final imaging surface as a rotation center. Thereby, the final imaging plane of the two imaging optical systems L1 and L2 can be arranged on the XsYs plane.

2つの結像光学系L1、L2のYsZs平面内における平均焦点距離をfavとする。YsZs平面上に光線進行方向に延長した基準軸の最終結像面の中心位置を射影した場合、結像光学系L1、L2のそれぞれの最終結像面の中心位置から2つの基準軸が一点で交わる点までの平均距離をdavとする。このとき、以下の条件式(3)を満足することが好ましい。   The average focal length in the YsZs plane of the two imaging optical systems L1 and L2 is fav. When the center position of the final imaging plane of the reference axis extended in the ray traveling direction is projected on the YsZs plane, two reference axes are at one point from the center positions of the final imaging plane of each of the imaging optical systems L1 and L2. The average distance to the intersection point is dav. At this time, it is preferable to satisfy the following conditional expression (3).

2.00<dav/fav<8.00 … (3)
条件式(2)において、平均焦点距離favは、YsZs平面内における結像光学系L1の焦点距離をf1、結像光学系L2の焦点距離をf2とするとき、以下の式(4)で表される。
2.00 <dav / fav <8.00 ... (3)
In the conditional expression (2), the average focal length fav is represented by the following expression (4) when the focal length of the imaging optical system L1 in the YsZs plane is f1 and the focal length of the imaging optical system L2 is f2. Be done.

fav=(f1+f2)/2 … (4)
結像光学系L1に関し、YsZs平面上に光線進行方向に延長した基準軸と最終結像面の中心位置を射影したときを考える。結像光学系L1の最終結像面の中心位置から2つの延長した基準軸が一点で交わる点までの距離をd1とする。同様に、結像光学系L2に関し、結像光学系L2の最終結像面の中心位置から2つの延長した基準軸が一点で交わる点までの距離をd2とする。このとき、平均距離davは、以下の式(5)で表される。
fav = (f1 + f2) / 2 (4)
Consider the case of projecting the center position of the final imaging plane and the reference axis extended in the ray traveling direction on the YsZs plane with respect to the imaging optical system L1. The distance from the center position of the final imaging plane of the imaging optical system L1 to the point where the two extended reference axes intersect at one point is d1. Similarly, in the imaging optical system L2, the distance from the center position of the final imaging surface of the imaging optical system L2 to the point at which two extended reference axes intersect at one point is d2. At this time, the average distance dav is expressed by the following equation (5).

dav=(d1+d2)/2 … (5)
平均距離davは、結像光学系L1、L2の焦点距離f1、f2と比較して長くなればなるほど、2つの結像光学系L1、L2が形成する最終結像面同士の間隔(Ys軸方向の間隔)が長くなる。このとき、一つの撮像素子で2つの像を撮像するには、大きな撮像素子が必要となり、大型化してしまうため好ましくない。または、2つの結像光学系L1、L2が形成する基準軸同士がなす鋭角の角度が小さ過ぎる。このとき、2つの結像光学系L1、L2の最終反射面(第5反射面(R6))が干渉してしまうため、好ましくない。
dav = (d1 + d2) / 2 (5)
As the average distance dav becomes longer compared to the focal lengths f1 and f2 of the imaging optical systems L1 and L2, the distance between the final imaging planes formed by the two imaging optical systems L1 and L2 (Ys axis direction) Interval) becomes longer. At this time, in order to capture two images with one imaging element, a large imaging element is required, which is not preferable because it becomes large. Alternatively, the acute angle formed by the reference axes formed by the two imaging optical systems L1 and L2 is too small. At this time, the final reflection surface (fifth reflection surface (R6)) of the two imaging optical systems L1 and L2 interfere with each other, which is not preferable.

より好ましくは、条件式(3)は、以下の条件式(3a)を満足する。   More preferably, conditional expression (3) satisfies the following conditional expression (3a).

3.00<dav/fav<7.00 … (3a)
更に好ましくは、条件式(3a)は、以下の条件式(3b)を満足する。
3.00 <dav / fav <7.00 ... (3a)
More preferably, conditional expression (3a) satisfies the following conditional expression (3b).

3.50<dav/fav<6.50 … (3b)
また好ましくは、2つの結像光学系L1、L2の最終結像面は同一平面上にある。これにより、平面形状の従来の撮像素子を用いて2つの結像光学系から視差画像を容易に得ることができる。
3.50 <dav / fav <6.50 (3b)
Also preferably, the final imaging planes of the two imaging optical systems L1 and L2 are on the same plane. Thereby, a parallax image can be easily obtained from two imaging optical systems using the conventional imaging device of planar shape.

なお、各条件式の数値については、後述する数値実施例の部分に記述する。本実施形態によれば、広角化と歪曲の低減の両立をしつつ、小型で距離測定が可能であり、情報処理演算規模を小さくすることが可能なステレオ光学系およびそれを用いた撮像装置を提供することができる。   The numerical values of the conditional expressions will be described in the part of the numerical examples to be described later. According to the present embodiment, a stereo optical system that is compact and capable of distance measurement and can reduce the scale of information processing calculation while achieving both widening of angle and reduction of distortion, and an imaging apparatus using the same Can be provided.

《第2の実施形態》
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図4を参照して、本実施形態のステレオ光学系L0の基本的な構成を説明する。本実施形態のステレオ光学系L0は、第5反射面から最終結像面への光路(バックフォーカス)を長く取り、最終結像面付近に、波長選択性のフィルタなどを入れやすくした点で、第1の実施形態と異なる。波長選択性のフィルタを入れることで、紫外光、赤外光、可視光と、取得したい情報をフィルタ交換機構で選択できるようになるため、好ましい。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The basic configuration of the stereo optical system L0 of this embodiment will be described with reference to FIG. The stereo optical system L0 of this embodiment has a long optical path (back focus) from the fifth reflection surface to the final imaging surface, and is easy to put a wavelength selective filter or the like in the vicinity of the final imaging surface. It differs from the first embodiment. The wavelength selective filter is preferable because it is possible to select ultraviolet light, infrared light, visible light, and information to be acquired by a filter exchange mechanism.

図5は、本実施形態(数値実施例2)におけるディストーションの様子を示す。図5において、横軸はX軸方向の像面上での座標値(X画角に相当)、縦軸はY軸方向の像面上での座標値(Y画角に相当)を示す。また、ディストーションの無い理想格子(Paraxial FOV)と実際の光線追跡結果の格子(Actual FOV)を重ねて描いている。図6は、評価位置1〜5における横収差図を示す。また、図6の横収差図では、横軸を瞳面上でのX軸またはY軸とし、縦軸は像面上での収差量を意味している。評価光線の波長はd線である。ωは半画角である。全ての収差図では、後述する各数値実施例をmm単位で表した場合、横収差±0.025mmのスケールで描かれている。   FIG. 5 shows the appearance of distortion in the present embodiment (Numerical Example 2). In FIG. 5, the horizontal axis represents coordinate values (corresponding to an X angle of view) on the image plane in the X axis direction, and the vertical axis represents coordinate values (corresponding to a Y angle of view) on the image plane in the Y axis direction. Also, the distortion-free ideal grid (Paraxial FOV) and the grid of actual ray tracing results (Actual FOV) are superimposed and drawn. FIG. 6 shows transverse aberration diagrams at evaluation positions 1 to 5. Further, in the lateral aberration diagram of FIG. 6, the horizontal axis is taken as the X axis or Y axis on the pupil plane, and the vertical axis is meant for the amount of aberration on the image plane. The wavelength of the evaluation beam is d-line. ω is a half angle of view. In all aberration diagrams, when each numerical value example to be described later is expressed in mm, it is drawn on a scale of lateral aberration ± 0.025 mm.

本実施形態によれば、広角化と歪曲の低減の両立をしつつ、小型で距離測定が可能であり、情報処理演算規模を小さくすることが可能なステレオ光学系およびそれを用いた撮像装置を提供することができる。   According to the present embodiment, a stereo optical system that is compact and capable of distance measurement and can reduce the scale of information processing calculation while achieving both widening of angle and reduction of distortion, and an imaging apparatus using the same Can be provided.

《第3の実施形態》
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図7を参照して、本実施形態のステレオ光学系L0の基本的な構成を説明する。本実施形態のステレオ光学系L0は、第5反射面から最終結像面への光路(バックフォーカス)を短く取り、より小型化を行った点で、第1の実施形態と異なる。ステレオ光学系L0をZs軸方向に薄型化することができれば、鏡筒などの保持部材の重量も軽くできるため、UAVなどに搭載しやすくなるため、好ましい。
Third Embodiment
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The basic configuration of the stereo optical system L0 of the present embodiment will be described with reference to FIG. The stereo optical system L0 of the present embodiment differs from the first embodiment in that the optical path (back focus) from the fifth reflection surface to the final image forming surface is shortened to further miniaturize. If the thickness of the stereo optical system L0 can be reduced in the Zs axis direction, the weight of the holding member such as a lens barrel can also be reduced, which is preferable because it can be easily mounted on a UAV or the like.

図8は、本実施形態(数値実施例2)におけるディストーションの様子を示す。図8において、横軸はX軸方向の像面上での座標値(X画角に相当)、縦軸はY軸方向の像面上での座標値(Y画角に相当)を示す。また、ディストーションの無い理想格子(Paraxial FOV)と実際の光線追跡結果の格子(Actual FOV)を重ねて描いている。図9は、評価位置1〜5における横収差図を示す。また、図9の横収差図では、横軸を瞳面上でのX軸またはY軸とし、縦軸は像面上での収差量を意味している。評価光線の波長はd線である。ωは半画角である。全ての収差図では、後述する各数値実施例をmm単位で表した場合、横収差±0.025mmのスケールで描かれている。   FIG. 8 shows the state of distortion in the present embodiment (Numerical Example 2). In FIG. 8, the horizontal axis represents coordinate values (corresponding to an X angle of view) on the image plane in the X axis direction, and the vertical axis represents coordinate values (corresponding to a Y angle of view) on the image plane in the Y axis direction. Also, the distortion-free ideal grid (Paraxial FOV) and the grid of actual ray tracing results (Actual FOV) are superimposed and drawn. FIG. 9 shows transverse aberration diagrams at evaluation positions 1 to 5. Further, in the lateral aberration diagram of FIG. 9, the horizontal axis is taken as the X axis or Y axis on the pupil plane, and the vertical axis is meant for the amount of aberration on the image plane. The wavelength of the evaluation beam is d-line. ω is a half angle of view. In all aberration diagrams, when each numerical value example to be described later is expressed in mm, it is drawn on a scale of lateral aberration ± 0.025 mm.

本実施形態によれば、広角化と歪曲の低減の両立をしつつ、小型で距離測定が可能であり、情報処理演算規模を小さくすることが可能なステレオ光学系およびそれを用いた撮像装置を提供することができる。   According to the present embodiment, a stereo optical system that is compact and capable of distance measurement and can reduce the scale of information processing calculation while achieving both widening of angle and reduction of distortion, and an imaging apparatus using the same Can be provided.

また各実施形態において、変形例として、ステレオ光学系L0の内部にゴミ等が入り込まないように、開口絞りSPの前後にカバーガラスを配置してもよい。また、撮像素子IMG0よりも物体側にローパスフィルタや波長選択フィルタなどの各種フィルタ、またはカバーガラスを配置してもよい。以下、第1の実施形態〜3の実施形態にそれぞれ対応する数値実施例1〜3を示す。各実施形態の結像光学系L1、L2は同じ光学系を用いているため、以下の各数値実施例では結像光学系L2の内容を記述し、結像光学系L1の内容の記述は省略する。図14は、第1の実施形態〜第3の実施形態に共通する撮像素子IMG0上における最終結像面IMG1、IMG2の配置図である。   In each embodiment, as a modification, cover glasses may be disposed before and after the aperture stop SP so that dust and the like do not enter the interior of the stereo optical system L0. In addition, various filters such as a low pass filter and a wavelength selection filter, or a cover glass may be disposed closer to the object than the imaging element IMG0. Hereinafter, numerical value examples 1 to 3 respectively corresponding to the first to third embodiments will be described. Since the imaging optical systems L1 and L2 of each embodiment use the same optical system, the contents of the imaging optical system L2 are described in the following numerical examples, and the description of the contents of the imaging optical system L1 is omitted. Do. FIG. 14 is a layout diagram of final imaging planes IMG1 and IMG2 on the imaging element IMG0 common to the first to third embodiments.


(数値実施例1)
物体面から開口絞りSPまでの距離は無限大で、画角は、X:±20度、Y:±40度である。焦点距離はX:2.87mm、Y:2.83mmである。像面サイズはx:2.082mm、y:4.8mmである。入射瞳(開口絞りSP)は円形であり、その直径は1.5mmである。X軸方向のF値は1.91、Y軸方向のF値は1.92である。本実施形態の反射面は全て回転非対称面で構成されており、各反射面をXZ平面に射影すると矩形形状をなしている。回転非対称面形状は、式(B)により与えられる。

(Numerical Example 1)
The distance from the object plane to the aperture stop SP is infinite, and the angle of view is X: ± 20 degrees, Y: ± 40 degrees. The focal length is X: 2.87 mm, Y: 2.83 mm. The image plane size is x: 2.082 mm, y: 4.8 mm. The entrance pupil (aperture stop SP) is circular and its diameter is 1.5 mm. The F value in the X-axis direction is 1.91 and the F value in the Y-axis direction is 1.92. The reflecting surfaces in the present embodiment are all configured by rotationally asymmetric surfaces, and when each reflecting surface is projected onto the XZ plane, it has a rectangular shape. The rotationally asymmetric surface shape is given by equation (B).


面データ
面番号 Xi Yi Zi Di θxi θyi
1(SP) 0.00 0.00 0.00 16.50 0.00 0.00 絞り
2(R2) 0.00 0.00 16.50 27.50 25.00 0.00 第1反射面
3(R3) 0.00 -21.07 -1.18 20.50 -36.50 0.00 第2反射面
4(R4) 0.00 -29.08 17.69 20.50 24.00 0.00 第3反射面
5(R5) 0.00 -37.74 -0.89 20.50 -33.00 0.00 第4反射面
6(R6) 0.00 -51.19 14.59 21.91 26.00 0.00 第5反射面
像面 0.00 -55.35 -6.75 -11.00 0.00 IMG1,2

回転非対称面データ
第2面(R2) 第1反射面
C20 = -2.1083E-02 C02 = -1.9062E-02 C21 = -5.3706E-06
C03 = -1.0783E-04 C40 = -9.8216E-06 C22 = -7.2322E-06
C04 = -6.6462E-06 C41 = 3.3789E-07 C23 = 5.8855E-08
C05 = 1.2921E-07 C60 = 1.5916E-07 C42 = 2.8131E-08
C24 = 9.1731E-09 C06 = 5.4053E-09 C60 = 1.7743E-09
C43 = 7.7018E-10 C25 = 2.7041E-10 C07 = -7.3999E-10
C80 = -9.4570E-10 C62 = -1.3043E-11 C44 = -9.8469E-12
C26 = -2.8803E-11 C08 = -3.8363E-11

第3面(R3) 第2反射面
C20 = -2.2290E-02 C02 = -1.5436E-02 C21 = 3.0179E-04
C03 = 1.2301E-03 C40 = -1.8460E-05 C22 = 8.7500E-06
C04 = -2.8366E-05 C41 = -5.4030E-06 C23 = 3.7340E-08
C05 = -1.4290E-06 C60 = -2.8325E-07 C42 = -1.0483E-06
C24 = 1.1108E-08 C06 = 1.7965E-07 C60 = -1.3624E-07
C43 = -1.5749E-07 C25 = -3.5693E-08 C07 = 6.3169E-09
C80 = 4.5763E-08 C62 = 8.2309E-08 C44 = 1.0904E-08
C26 = 3.0443E-09 C08 = -1.0202E-09

第4面(R4) 第3反射面
C20 = -1.8373E-02 C02 = -9.5725E-03 C21 = 2.2499E-05
C03 = 1.6044E-04 C40 = -7.5926E-06 C22 = -9.2543E-06
C04 = 6.7798E-07 C41 = -1.5985E-07 C23 = 3.1090E-08
C05 = -6.1270E-08 C60 = -1.9291E-09 C42 = -9.8197E-09
C24 = -7.9524E-09 C06 = -5.5537E-09 C60 = 5.4368E-10
C43 = 3.8048E-10 C25 = -1.0940E-10 C07 = -1.1075E-10
C80 = -1.3858E-12 C62 = 2.5615E-11 C44 = -5.4602E-11
C26 = 4.7002E-11 C08 = -2.9674E-11

第5面(R5) 第4反射面
C20 = -8.0733E-02 C02 = -8.5416E-03 C21 = -1.1258E-03
C03 = -1.3124E-04 C40 = -1.2440E-03 C22 = -2.6615E-04
C04 = -2.9658E-05 C41 = -9.3874E-05 C23 = -1.2101E-05
C05 = -1.4412E-06 C60 = 4.4922E-05 C42 = -1.3598E-05
C24 = -5.0439E-06 C06 = -1.9912E-07 C60 = 3.4539E-06
C43 = -1.2107E-06 C25 = -2.8823E-07 C07 = -3.5184E-09
C80 = -8.0363E-06 C62 = -3.1719E-07 C44 = 4.4547E-09
C26 = 4.3268E-08 C08 = 1.6535E-10

第6面(R6) 第5反射面
C20 = -2.3549E-02 C02 = -1.4857E-02 C21 = 2.6640E-05
C03 = 1.6841E-05 C40 = -1.4024E-05 C22 = -1.7537E-05
C04 = -5.1626E-06 C41 = 6.4278E-08 C23 = 3.9511E-08
C05 = 3.3663E-08 C60 = -1.6124E-08 C42 = -3.6300E-08
C24 = -1.9936E-08 C06 = -6.4908E-09 C60 = 6.2117E-12
C43 = 1.4904E-09 C25 = 8.7835E-10 C07 = -1.0945E-10
C80 = -3.1885E-11 C62 = -2.1066E-11 C44 = -1.3538E-10
C26 = -5.3118E-11 C08 = 2.2457E-11

各反射面の軸上光束における焦点距離データ
fix、fiyのiは第i反射面に相当する。
fixはX断面での焦点距離、fiyはY断面での焦点距離を表す。
fxはX断面での全系の焦点距離、fyはY断面での全系の焦点距離を表す。
f1x = 13.084 mm f1y = 11.887 mm
f2x = -13.953 mm f2y = -13.019 mm
f3x = 14.894 mm f3y = 23.859 mm
f4x = -3.692 mm f4y = -24.547 mm
f5x = 11.812 mm f5y = 15.124 mm
fx = 2.867 mm fy = 2.830 mm

各反射面の形状データ
矩形形状であるため、各Eaix,Eaiyの2倍の値が矩形の辺の長さに相当する。各辺の長さのうち長いほうを「長辺」、短いほうを「短辺」と呼ぶ。以降の数値実施例でも同様である。
なおEaix、Eaiyのiは第i反射面に相当する。
EaixはX断面での辺の長さの半分の値、EaiyはY断面での辺の長さの半分の値を表す。

Surface data surface number Xi Yi Zi Di θxi θyi
1 (SP) 0.00 0.00 0.00 16.50 0.00 0.00 aperture
2 (R2) 0.00 0.00 16.50 27.50 25.00 0.00 1st reflective surface
3 (R3) 0.00 -21.07 -1.18 20.50 -36.50 0.00 2nd reflective surface
4 (R4) 0.00-29.08 17.69 20.50 24.00 0.00 Third reflective surface
5 (R5) 0.00 -37.74 -0.89 20.50 -33.00 0.00 Fourth reflection surface
6 (R6) 0.00-51.19 14. 59 21. 91 26.00 0.00 Image plane of the fifth reflective surface 0.00-55. 35-6. 75-1 1 00 0.00 IMG 1, 2

Rotationally asymmetric surface data second surface (R2) first reflection surface
C20 = -2.1083E-02 C02 = -1.9062E-02 C21 = -5.3706E-06
C03 = -1.0783E-04 C40 = -9.8216E-06 C22 = -7.2322E-06
C04 = -6.6462 E-06 C41 = 3.3789 E-07 C23 = 5.8855 E-08
C05 = 1.2921 E-07 C60 = 1.5916 E-07 C42 = 2.8131 E-08
C24 = 9.1731 E-09 C06 = 5.4053 E-09 C60 = 1.7743 E-09
C43 = 7.7018 E-10 C25 = 2.7041 E-10 C07 = -7.3999 E-10
C80 = -9.4570E-10 C62 = -1.3043E-11 C44 = -9.8469E-12
C26 = -2.8803E-11 C08 = -3.8363E-11

Third surface (R3) Second reflective surface
C20 = -2.2290 E-02 C02 = -1.5436 E-02 C21 = 3.0179 E-04
C03 = 1.2301E-03 C40 = -1.8460E-05 C22 = 8.7500E-06
C04 = -2.8366E-05 C41 = -5.4030E-06 C23 = 3.7340E-08
C05 = -1.4290E-06 C60 = -2.8325E-07 C42 = -1.0483E-06
C24 = 1.1108E-08 C06 = 1.7965E-07 C60 = -1.3624E-07
C43 = -1.5749E-07 C25 = -3.5693E-08 C07 = 6.3169E-09
C80 = 4.5763E-08 C62 = 8.2309E-08 C44 = 1.0904E-08
C26 = 3.0443E-09 C08 = -1.0202E-09

Fourth surface (R4) Third reflective surface
C20 = -1.8373E-02 C02 = -9.5725E-03 C21 = 2.2499E-05
C03 = 1.6044E-04 C40 = -7.5926E-06 C22 = -9.2543E-06
C04 = 6.7798E-07 C41 = -1.5985E-07 C23 = 3.1090E-08
C05 = -6.1270E-08 C60 = -1.9291E-09 C42 = -9.8197E-09
C24 = -7.9524E-09 C06 = -5.5537E-09 C60 = 5.4368E-10
C43 = 3.8048E-10 C25 = -1.0940E-10 C07 = -1.1075E-10
C80 = -1.3858 E-12 C62 = 2.5615 E-11 C44 = -5.4602 E-11
C26 = 4.7002E-11 C08 = -2.9674E-11

Fifth surface (R5) Fourth reflective surface
C20 = -8.0733E-02 C02 = -8.5416 E-03 C21 = -1.1258E-03
C03 = -1.3124E-04 C40 = -1.2440E-03 C22 = -2.6615E-04
C04 = -2.9658E-05 C41 = -9.3874E-05 C23 = -1.2101E-05
C05 = -1.4412 E-06 C60 = 4.4922 E-05 C42 = -1.3598 E-05
C24 = -5.0439E-06 C06 = -1.9912E-07 C60 = 3.4539E-06
C43 = -1.2107E-06 C25 = -2.8823E-07 C07 = -3.5184E-09
C80 = -8.0363E-06 C62 = -3.1719E-07 C44 = 4.4547E-09
C26 = 4.3268E-08 C08 = 1.6535E-10

Sixth surface (R6) Fifth reflective surface
C20 = -2.3549E-02 C02 = -1.4857E-02 C21 = 2.6640E-05
C03 = 1.6841E-05 C40 = -1.4024E-05 C22 = -1.7537E-05
C04 = -5.1626E-06 C41 = 6.4278 E-08 C23 = 3.9511 E-08
C05 = 3.3663E-08 C60 = -1.6124E-08 C42 = -3.6300E-08
C24 = -1.9936E-08 C06 = -6.4908E-09 C60 = 6.2117E-12
C43 = 1.4904 E-09 C25 = 8.7835 E-10 C07 = -1.0945 E-10
C80 = -3.1885E-11 C62 = -2.1066E-11 C44 = -1.3538E-10
C26 = -5.3118 E-11 C08 = 2.2457 E-11

Focal length data of axial luminous flux of each reflecting surface
i of fix and fiy corresponds to the i-th reflective surface.
fix represents the focal length in the X section, and fiy represents the focal length in the Y section.
fx represents the focal length of the entire system at the X cross section, and fy represents the focal length of the entire system at the Y cross section.
f1x = 13.084 mm f1y = 11.887 mm
f2x = -13.953 mm f2y = -13.019 mm
f3x = 14.894 mm f3y = 23859 mm
f4x = -3.692 mm f4y = -24.547 mm
f5x = 11.812 mm f5y = 15.124 mm
fx = 2.867 mm fy = 2.830 mm

Since the shape data of each reflecting surface is rectangular, twice the value of each of Eaix and Eaiy corresponds to the length of the side of the rectangle. The longer side of each side is called the "long side" and the shorter side is called the "short side". The same applies to the following numerical examples.
In addition, i of Eaix and Eaiy corresponds to the i-th reflective surface.
Eaix represents a half of the length of the side in the X cross section, and Eaiy represents a half of the length of the side in the Y cross section.


Ea1x = 7.29mm Ea1y = 13.46mm
Ea2x = 4.37mm Ea2y = 6.82mm
Ea3x = 10.73mm Ea3y = 8.22mm
Ea4x = 1.91mm Ea4y = 4.35mm
Ea5x = 9.11mm Ea5y = 7.70mm

dsp=117.1
dim=6.4
ωx =±20度
ωy =±40度
d1=16.77
d2=16.77
f1=2.830
f2=2.830
dav=16.77
fav=2.830

(数値実施例2)
物体面から開口絞りSPまでの距離は無限大で、画角は、X:±20度、Y:±40度である。焦点距離はX:2.86mm、Y:2.83mmである。像面サイズはx:2.082mm、y:4.8mmである。入射瞳(開口絞りSP)は円形であり、その直径は1.5mmである。X軸方向のF値は1.91、Y軸方向のF値は1.94である。本実施形態の反射面は全て回転非対称面で構成されており、各反射面をXZ平面に射影すると矩形形状をなしている。回転非対称面形状は、式(B)により与えられる。

Ea1x = 7.29 mm Ea1y = 13.46 mm
Ea2x = 4.37 mm Ea2y = 6.82 mm
Ea3x = 10.73 mm Ea3y = 8.22 mm
Ea4x = 1.91 mm Ea4y = 4.35 mm
Ea5x = 9.11 mm Ea5y = 7.70 mm

dsp = 117.1
dim = 6.4
ω x = ± 20 degrees ω y = ± 40 degrees
d1 = 16.77
d2 = 16.77
f1 = 2.830
f2 = 2.830
dav = 16.77
fav = 2.830

(Numerical Example 2)
The distance from the object plane to the aperture stop SP is infinite, and the angle of view is X: ± 20 degrees, Y: ± 40 degrees. The focal length is X: 2.86 mm, Y: 2.83 mm. The image plane size is x: 2.082 mm, y: 4.8 mm. The entrance pupil (aperture stop SP) is circular and its diameter is 1.5 mm. The F value in the X-axis direction is 1.91 and the F value in the Y-axis direction is 1.94. The reflecting surfaces in the present embodiment are all configured by rotationally asymmetric surfaces, and when each reflecting surface is projected onto the XZ plane, it has a rectangular shape. The rotationally asymmetric surface shape is given by equation (B).


面データ
面番号 Xi Yi Zi Di θxi θyi
1(SP) 0.00 0.00 0.00 16.50 0.00 0.00 絞り
2(R2) 0.00 0.00 16.50 27.00 25.00 0.00 第1反射面
3(R3) 0.00 -20.68 -0.86 21.50 -33.00 0.00 第2反射面
4(R4) 0.00 -26.61 19.81 22.50 24.00 0.00 第3反射面
5(R5) 0.00 -38.53 0.73 24.50 -43.00 0.00 第4反射面
6(R6) 0.00 -58.35 15.13 34.60 33.50 0.00 第5反射面
像面 0.00 -66.14 -18.58 -13.00 0.00 IMG1,2

回転非対称面データ
第2面(R2) 第1反射面
C20 = -1.9750E-02 C02 = -2.0001E-02 C21 = -4.1410E-06
C03 = -1.0050E-04 C40 = 6.5089E-06 C22 = -2.7138E-07
C04 = -8.3210E-06 C41 = -1.4237E-08 C23 = 3.8332E-07
C05 = -6.7157E-09 C60 = -6.0088E-08 C42 = -1.2266E-08
C24 = 2.7699E-08 C06 = 1.8921E-09 C60 = 1.3661E-09
C43 = 1.7521E-10 C25 = 1.2924E-09 C07 = -3.3266E-10
C80 = 4.6821E-10 C62 = 6.5690E-11 C44 = -2.8772E-11
C26 = -6.3987E-12 C08 = -2.2304E-11

第3面(R3) 第2反射面
C20 = -1.1301E-02 C02 = -2.3824E-02 C21 = 5.1853E-04
C03 = 2.7676E-03 C40 = -1.7298E-05 C22 = -8.6299E-05
C04 = -1.5444E-04 C41 = 5.7041E-06 C23 = 1.1015E-05
C05 = 1.1884E-05 C60 = 5.2959E-08 C42 = -1.2392E-06
C24 = -2.6190E-06 C06 = -1.2825E-06 C60 = -2.4132E-08
C43 = 1.2519E-07 C25 = 4.0196E-07 C07 = 1.0481E-07
C80 = -2.0193E-09 C62 = 1.1236E-08 C44 = -8.3473E-09
C26 = -2.0372E-08 C08 = -3.5478E-09

第4面(R4) 第3反射面
C20 = -1.5381E-02 C02 = -9.4433E-03 C21 = -4.8941E-05
C03 = 2.5686E-04 C40 = -3.6217E-06 C22 = -1.4979E-05
C04 = 1.0664E-05 C41 = 1.4366E-07 C23 = -4.3390E-07
C05 = 6.2941E-07 C60 = -1.4222E-09 C42 = -3.5277E-09
C24 = -3.5152E-08 C06 = 3.0693E-08 C60 = 3.3911E-10
C43 = 3.3406E-10 C25 = -1.6438E-09 C07 = 1.4417E-09
C80 = -1.4330E-11 C62 = 4.9920E-11 C44 = 4.2387E-12
C26 = -4.1780E-11 C08 = 3.1378E-11

第5面(R5) 第4反射面
C20 = -1.1121E-01 C02 = -8.6804E-03 C21 = -3.0158E-03
C03 = 6.2725E-05 C40 = -1.6793E-03 C22 = -2.4409E-04
C04 = -1.4311E-05 C41 = -1.3192E-04 C23 = -7.9405E-06
C05 = 1.2376E-07 C60 = -4.1737E-05 C42 = -1.4777E-05
C24 = -1.9762E-06 C06 = -3.0936E-08 C60 = -4.2105E-06
C43 = -1.1558E-06 C25 = -1.0052E-07 C07 = 1.2267E-10
C80 = -2.6568E-06 C62 = -1.0462E-06 C44 = -1.0392E-07
C26 = 2.5897E-09 C08 = -1.9610E-10

第6面(R6) 第5反射面
C20 = -1.9332E-02 C02 = -1.0363E-02 C21 = -6.1723E-06
C03 = 1.2595E-05 C40 = -7.2754E-06 C22 = -7.5142E-06
C04 = -1.9237E-06 C41 = -1.3298E-09 C23 = 6.0055E-09
C05 = 6.2133E-09 C60 = -5.6655E-09 C42 = -9.2351E-09
C24 = -6.4478E-09 C06 = -9.1306E-10 C60 = -8.7282E-12
C43 = 3.4691E-12 C25 = 6.7088E-11 C07 = 2.7296E-12
C80 = -4.7559E-12 C62 = -1.3729E-11 C44 = -4.5294E-12
C26 = 7.1144E-14 C08 = -1.1136E-14

各反射面の軸上光束における焦点距離データ
fix、fiyのiは第i反射面に相当する。
fixはX断面での焦点距離、fiyはY断面での焦点距離を表す。
fxはX断面での全系の焦点距離、fyはY断面での全系の焦点距離を表す。
f1x = 13.967 mm f1y = 11.328 mm
f2x = -26.377 mm f2y = -8.801 mm
f3x = 17.792 mm f3y = 24.185 mm
f4x = -3.074 mm f4y = -21.063 mm
f5x = 15.508 mm f5y = 20.117 mm
fx = 2.863 mm fy = 2.833 mm

各反射面の形状データ
矩形形状であるため、各Eaix,Eaiyの2倍の値が矩形の辺の長さに相当する。各辺の長さのうち長いほうを「長辺」、短いほうを「短辺」と呼ぶ。以降の数値実施例でも同様である。
なおEaix、Eaiyのiは第i反射面に相当する。
EaixはX断面での辺の長さの半分の値、EaiyはY断面での辺の長さの半分の値を表す。

Surface data surface number Xi Yi Zi Di θxi θyi
1 (SP) 0.00 0.00 0.00 16.50 0.00 0.00 aperture
2 (R2) 0.00 0.00 16.50 27.00 25.00 0.00 1st reflective surface
3 (R3) 0.00 -20.68 -0.86 21.50 -33.00 0.00 Second reflective surface
4 (R4) 0.00 -26.61 19.81 22.50 24.00 0.00 Third reflective surface
5 (R5) 0.00-38.53 0.73 24. 50-43.00 0.00 Fourth reflection surface
6 (R6) 0.00 -58.35 15.13 34.60 33.50 0.00 Image plane of the fifth reflective surface 0.00 -66.14 -18.58 -13.00 0.00 IMG 1,2

Rotationally asymmetric surface data second surface (R2) first reflection surface
C20 = -1.9750E-02 C02 = -2.0001E-02 C21 = -4.1410E-06
C03 = -1.0050E-04 C40 = 6.5089E-06 C22 = -2.7138E-07
C04 = -8.3210E-06 C41 = -1.4237E-08 C23 = 3.8332E-07
C05 = -6.7157E-09 C60 = -6.0088E-08 C42 = -1.2266E-08
C24 = 2.7699 E-08 C06 = 1.8921 E-09 C60 = 1.3661 E-09
C43 = 1.7521 E-10 C25 = 1.2924 E-09 C07 = -3.3266 E-10
C80 = 4.6821 E-10 C62 = 6.5690 E-11 C44 = -2.8772 E-11
C26 = -6.3987E-12 C08 = -2.2304E-11

Third surface (R3) Second reflective surface
C20 = -1.1301E-02 C02 = -2.3824E-02 C21 = 5.1853E-04
C03 = 2.7676E-03 C40 = -1.7298E-05 C22 = -8.6299E-05
C04 = -1.5444E-04 C41 = 5.7041E-06 C23 = 1.1015E-05
C05 = 1.1884 E-05 C60 = 5.2959 E-08 C42 = -1.2392 E-06
C24 = -2.6190E-06 C06 = -1.2825E-06 C60 = -2.4132E-08
C43 = 1.2519E-07 C25 = 4.0196E-07 C07 = 1.0481E-07
C80 = -2.0193 E-09 C62 = 1.1236 E-08 C44 =-8.3473 E-09
C26 = -2.0372E-08 C08 = -3.5478E-09

Fourth surface (R4) Third reflective surface
C20 = -1.5381E-02 C02 = -9.4433E-03 C21 = -4.8941E-05
C03 = 2.5686 E-04 C40 = -3.6217 E-06 C22 =-1.4979 E-05
C04 = 1.0664E-05 C41 = 1.4366E-07 C23 = -4.3390E-07
C05 = 6.2941E-07 C60 = -1.4222E-09 C42 = -3.5277E-09
C24 = -3.5152 E-08 C06 = 3.0693 E-08 C60 = 3.3911 E-10
C43 = 3.3406 E-10 C25 = -1.6438 E-09 C07 = 1.4417 E-09
C80 = -1.4330 E-11 C62 = 4.920 E-11 C44 = 4.2387 E-12
C26 = -4.1780E-11 C08 = 3.1378E-11

Fifth surface (R5) Fourth reflective surface
C20 = -1.1121 E-01 C02 = -8.6804 E-03 C21 = -3.0158 E-03
C03 = 6.2725E-05 C40 = -1.6793E-03 C22 = -2.4409E-04
C04 = -1.4311E-05 C41 = -1.3192E-04 C23 = -7.9405E-06
C05 = 1.2376E-07 C60 = -4.1737E-05 C42 = -1.4777E-05
C24 = -1.9762E-06 C06 = -3.0936E-08 C60 = -4.2105E-06
C43 = -1.1558E-06 C25 = -1.0052E-07 C07 = 1.2267E-10
C80 = -2.6568E-06 C62 = -1.0462E-06 C44 = -1.0392E-07
C26 = 2.5897E-09 C08 = -1.9610E-10

Sixth surface (R6) Fifth reflective surface
C20 = -1.9332E-02 C02 = -1.0363E-02 C21 = -6.1723E-06
C03 = 1.2595E-05 C40 = -7.2754E-06 C22 = -7.5142E-06
C04 = -1.9237E-06 C41 = -1.3298E-09 C23 = 6.0055E-09
C05 = 6.2133 E-09 C60 = -5.6655 E-09 C42 = -9.2351 E-09
C24 = -6.4478 E-09 C06 = -9.1306 E-10 C60 =-8.7282 E-12
C43 = 3.4691 E-12 C25 = 6.7088 E-11 C07 = 2.7296 E-12
C80 = -4.7559E-12 C62 = -1.3729 E-11 C44 = -4.5294 E-12
C26 = 7.1144E-14 C08 = -1.1136E-14

Focal length data of axial luminous flux of each reflecting surface
i of fix and fiy corresponds to the i-th reflective surface.
fix represents the focal length in the X section, and fiy represents the focal length in the Y section.
fx represents the focal length of the entire system at the X cross section, and fy represents the focal length of the entire system at the Y cross section.
f1x = 13.967 mm f1y = 11.328 mm
f2x = -26.377 mm f2y = -8.801 mm
f3x = 17.792 mm f3y = 24.185 mm
f4x = -3.074 mm f4y =-21.063 mm
f5x = 15.508 mm f5y = 20.117 mm
fx = 2.863 mm fy = 2.833 mm

Since the shape data of each reflecting surface is rectangular, twice the value of each of Eaix and Eaiy corresponds to the length of the side of the rectangle. The longer side of each side is called the "long side" and the shorter side is called the "short side". The same applies to the following numerical examples.
In addition, i of Eaix and Eaiy corresponds to the i-th reflective surface.
Eaix represents a half of the length of the side in the X cross section, and Eaiy represents a half of the length of the side in the Y cross section.


Ea1x = 7.26mm Ea1y = 13.30mm
Ea2x = 5.20mm Ea2y = 5.47mm
Ea3x = 10.41mm Ea3y = 9.57mm
Ea4x = 2.04mm Ea4y = 7.17mm
Ea5x = 10.01mm Ea5y = 12.87mm

dsp=138.68
dim=6.4
ωx =±20度
ωy =±40度
d1=14.23
d2=14.23
f1=2.833
f2=2.833
dav=14.23
fav=2.833

(数値実施例3)
物体面から開口絞りSPまでの距離は無限大で、画角は、X:±20度、Y:±40度である。焦点距離はX:2.86mm、Y:2.81mmである。像面サイズはx:2.082mm、y:4.8mmである。入射瞳(開口絞りSP)は円形であり、その直径は1.5mmである。X軸方向のF値は1.90、Y軸方向のF値は1.95である。本実施形態の反射面は全て回転非対称面で構成されており、各反射面をXZ平面に射影すると矩形形状をなしている。回転非対称面形状は、式(B)により与えられる。

Ea1x = 7.26 mm Ea1y = 13.30 mm
Ea2x = 5.20 mm Ea2y = 5.47 mm
Ea3x = 10.41 mm Ea3y = 9.57 mm
Ea4x = 2.04mm Ea4y = 7.17mm
Ea5x = 10.01 mm Ea5 y = 12.87 mm

dsp = 138.68
dim = 6.4
ω x = ± 20 degrees ω y = ± 40 degrees
d1 = 14.23
d2 = 14.23
f1 = 2.833
f2 = 2.833
dav = 14.23
fav = 2.833

(Numerical Example 3)
The distance from the object plane to the aperture stop SP is infinite, and the angle of view is X: ± 20 degrees, Y: ± 40 degrees. The focal length is X: 2.86 mm, Y: 2.81 mm. The image plane size is x: 2.082 mm, y: 4.8 mm. The entrance pupil (aperture stop SP) is circular and its diameter is 1.5 mm. The F value in the X axis direction is 1.90, and the F value in the Y axis direction is 1.95. The reflecting surfaces in the present embodiment are all configured by rotationally asymmetric surfaces, and when each reflecting surface is projected onto the XZ plane, it has a rectangular shape. The rotationally asymmetric surface shape is given by equation (B).


面データ
面番号 Xi Yi Zi Di θxi θyi
1(SP) 0.00 0.00 0.00 16.50 0.00 0.00 絞り
2(R2) 0.00 0.00 16.50 27.00 25.00 0.00 第1反射面
3(R3) 0.00 -20.68 -0.86 21.50 -38.00 0.00 第2反射面
4(R4) 0.00 -30.11 18.47 21.50 24.00 0.00 第3反射面
5(R5) 0.00 -38.16 -1.47 22.50 -28.00 0.00 第4反射面
6(R6) 0.00 -50.74 17.19 20.60 25.00 0.00 第5反射面
像面 0.00 -56.42 -2.61 -16.00 0.00 IMG1,2

回転非対称面データ
第2面(R2) 第1反射面
C20 = -2.1752E-02 C02 = -1.8762E-02 C21 = 4.5605E-05
C03 = -1.1903E-04 C40 = -4.4143E-06 C22 = -8.8552E-06
C04 = -1.0364E-05 C41 = 3.7019E-07 C23 = 1.1859E-07
C05 = -1.2062E-07 C60 = -1.7188E-08 C42 = 6.3369E-09
C24 = 1.8695E-08 C06 = 5.9282E-09 C60 = -5.4593E-09
C43 = -1.2181E-09 C25 = 9.6491E-10 C07 = -8.5169E-11
C80 = -3.8137E-10 C62 = -3.3888E-10 C44 = -6.4926E-11
C26 = -1.0921E-11 C08 = -2.0387E-11

第3面(R3) 第2反射面
C20 = -2.9740E-02 C02 = -1.7248E-02 C21 = -2.8145E-04
C03 = 1.0149E-03 C40 = -3.5696E-05 C22 = 3.2040E-05
C04 = -6.9447E-08 C41 = -1.0255E-05 C23 = -4.1195E-06
C05 = -5.5308E-06 C60 = -1.4069E-07 C42 = 2.8538E-07
C24 = 1.0658E-07 C06 = 4.6121E-07 C60 = -3.5895E-08
C43 = -8.4108E-08 C25 = -5.2627E-08 C07 = 1.4631E-08
C80 = -2.7804E-09 C62 = -3.4851E-08 C44 = -1.5725E-08
C26 = 3.7679E-09 C08 = -2.6396E-09

第4面(R4) 第3反射面
C20 = -1.8431E-02 C02 = -9.4522E-03 C21 = 2.0620E-05
C03 = 2.7832E-05 C40 = -7.6258E-06 C22 = -8.1940E-06
C04 = -4.8882E-07 C41 = -2.7783E-08 C23 = 1.2141E-08
C05 = -1.3191E-07 C60 = -4.2573E-09 C42 = -6.9482E-09
C24 = -7.8375E-09 C06 = -5.2620E-09 C60 = 3.7623E-13
C43 = -5.1286E-10 C25 = -5.0713E-10 C07 = 7.7427E-11
C80 = -1.2239E-11 C62 = -2.0310E-11 C44 = 2.1960E-11
C26 = 2.8146E-11 C08 = 1.3207E-11

第5面(R5) 第4反射面
C20 = -6.7863E-02 C02 = -6.9259E-03 C21 = -1.0418E-03
C03 = -4.3290E-04 C40 = -8.9955E-04 C22 = -2.6960E-04
C04 = -2.9782E-05 C41 = -3.8668E-05 C23 = -1.4324E-05
C05 = -2.7579E-06 C60 = -7.1171E-06 C42 = -8.8544E-06
C24 = -3.0115E-06 C06 = -3.3960E-07 C60 = -4.8234E-06
C43 = -2.3326E-06 C25 = -6.1996E-07 C07 = -2.8021E-08
C80 = -1.7552E-06 C62 = -1.0971E-06 C44 = -4.8498E-07
C26 = -3.8503E-08 C08 = -5.6218E-10

第6面(R6) 第5反射面
C20 = -2.2785E-02 C02 = -1.4606E-02 C21 = 2.3030E-05
C03 = -3.2261E-05 C40 = -1.2786E-05 C22 = -1.6104E-05
C04 = -2.5347E-06 C41 = 2.7110E-08 C23 = -6.7259E-10
C05 = -7.7368E-08 C60 = -1.1785E-08 C42 = -2.4514E-08
C24 = -1.0989E-08 C06 = 2.3414E-09 C60 = 1.7760E-10
C43 = 4.2642E-11 C25 = 1.0319E-09 C07 = -8.9921E-10
C80 = -3.4260E-11 C62 = -9.4841E-11 C44 = -2.4550E-11
C26 = -1.4396E-10 C08 = 4.5861E-11

各反射面の軸上光束における焦点距離データ
fix、fiyのiは第i反射面に相当する。
fixはX断面での焦点距離、fiyはY断面での焦点距離を表す。
fxはX断面での全系の焦点距離、fyはY断面での全系の焦点距離を表す。
f1x = 12.682 mm f1y = 12.077 mm
f2x = -10.668 mm f2y = -11.422 mm
f3x = 14.848 mm f3y = 24.162 mm
f4x = -4.172 mm f4y = -31.871 mm
f5x = 12.106 mm f5y = 15.513 mm
fx = 2.858 mm fy = 2.813 mm

各反射面の形状データ
矩形形状であるため、各Eaix,Eaiyの2倍の値が矩形の辺の長さに相当する。各辺の長さのうち長いほうを「長辺」、短いほうを「短辺」と呼ぶ。以降の数値実施例でも同様である。
なおEaix、Eaiyのiは第i反射面に相当する。
EaixはX断面での辺の長さの半分の値、EaiyはY断面での辺の長さの半分の値を表す。

Surface data surface number Xi Yi Zi Di θxi θyi
1 (SP) 0.00 0.00 0.00 16.50 0.00 0.00 aperture
2 (R2) 0.00 0.00 16.50 27.00 25.00 0.00 1st reflective surface
3 (R3) 0.00 -20.68 -0.86 21.50 -38.00 0.00 2nd reflective surface
4 (R4) 0.00 -30.11 18.47 21.50 24.00 0.00 Third reflection surface
5 (R5) 0.00 -38.16-1.47 22.50 -28.00 0.00 4th reflective surface
6 (R6) 0.00 -50.74 17.19 20.60 25.00 0.00 Image plane of the fifth reflective surface 0.00-56.42-2.61-16.00 0.00 IMG 1, 2

Rotationally asymmetric surface data second surface (R2) first reflection surface
C20 = -2.1752E-02 C02 = -1.8762E-02 C21 = 4.5605E-05
C03 = -1.1903E-04 C40 = -4.4143E-06 C22 = -8.8552E-06
C04 = -1.0364E-05 C41 = 3.7019E-07 C23 = 1.1859E-07
C05 = -1.2062E-07 C60 = -1.7188E-08 C42 = 6.3369E-09
C24 = 1.8695 E-08 C06 = 5.9282 E-09 C60 = -5.4593 E-09
C43 = -1.2181 E-09 C25 = 9.6491 E-10 C07 = -8.5169 E-11
C80 = -3.8137E-10 C62 = -3.3888 E-10 C44 = -6.4926E-11
C26 = -1.0921E-11 C08 = -2.0387E-11

Third surface (R3) Second reflective surface
C20 = -2.9740E-02 C02 = -1.7248E-02 C21 = -2.8145E-04
C03 = 1.0149E-03 C40 = -3.5696E-05 C22 = 3.2040E-05
C04 = -6.9447E-08 C41 = -1.0255E-05 C23 = -4.1195E-06
C05 = -5.5308E-06 C60 = -1.4069E-07 C42 = 2.8538E-07
C24 = 1.0658E-07 C06 = 4.6121E-07 C60 = -3.5895E-08
C43 = -8.4108E-08 C25 = -5.2627E-08 C07 = 1.4631E-08
C80 = -2.7804E-09 C62 = -3.4851E-08 C44 = -1.5725E-08
C26 = 3.7679E-09 C08 = -2.6396E-09

Fourth surface (R4) Third reflective surface
C20 = -1.8431 E-02 C02 = -9.4522 E-03 C21 = 2.0620 E-05
C03 = 2.7832E-05 C40 = -7.6258E-06 C22 = -8.1940E-06
C04 = -4.8882E-07 C41 = -2.7783E-08 C23 = 1.2141E-08
C05 = -1.3191 E-07 C60 = -4.2573 E-09 C42 = -6.9482 E-09
C24 = -7.8375E-09 C06 = -5.2620E-09 C60 = 3.7623E-13
C43 = -5.1286 E-10 C25 = -5.0713 E-10 C07 = 7.7427 E-11
C80 = -1.2239E-11 C62 = -2.0310 E-11 C44 = 2.1960 E-11
C26 = 2.8146 E-11 C08 = 1.3207 E-11

Fifth surface (R5) Fourth reflective surface
C20 = -6.7863E-02 C02 = -6.9259E-03 C21 = -1.0418E-03
C03 = -4.3290E-04 C40 = -8.9955 E-04 C22 = -2.6960E-04
C04 = -2.9782E-05 C41 = -3.8668E-05 C23 = -1.4324E-05
C05 = -2.7579E-06 C60 = -7.1171E-06 C42 = -8.8544E-06
C24 = -3.0115E-06 C06 = -3.3960E-07 C60 = -4.8234E-06
C43 = -2.3326E-06 C25 = -6.1996E-07 C07 = -2.8021E-08
C80 = -1.7552E-06 C62 = -1.0971E-06 C44 = -4.8498E-07
C26 = -3.8503E-08 C08 = -5.6218E-10

Sixth surface (R6) Fifth reflective surface
C20 = -2.2785E-02 C02 = -1.4606E-02 C21 = 2.3030E-05
C03 = -3.2261E-05 C40 = -1.2786E-05 C22 = -1.6104E-05
C04 = -2.5347E-06 C41 = 2.7110E-08 C23 = -6.7259E-10
C05 = -7.7368E-08 C60 = -1.1785E-08 C42 = -2.4514E-08
C24 = -1.0989 E-08 C06 = 2.3414 E-09 C60 = 1.7760 E-10
C43 = 4.2642 E-11 C25 = 1.0319 E-09 C07 = -8.9921 E-10
C80 = -3.4260 E-11 C62 =-9.4841 E-11 C44 =-2.4550 E-11
C26 = -1.4396E-10 C08 = 4.5861E-11

Focal length data of axial luminous flux of each reflecting surface
i of fix and fiy corresponds to the i-th reflective surface.
fix represents the focal length in the X section, and fiy represents the focal length in the Y section.
fx represents the focal length of the entire system at the X cross section, and fy represents the focal length of the entire system at the Y cross section.
f1x = 12.682 mm f1y = 12.077 mm
f2x = -10. 668 mm f2y =-11.422 mm
f3x = 14.848 mm f3y = 24.162 mm
f4x = -4.172 mm f4y = -31.871 mm
f5x = 12.106 mm f5y = 15.513 mm
fx = 2.858 mm fy = 2.813 mm

Since the shape data of each reflecting surface is rectangular, twice the value of each of Eaix and Eaiy corresponds to the length of the side of the rectangle. The longer side of each side is called the "long side" and the shorter side is called the "short side". The same applies to the following numerical examples.
In addition, i of Eaix and Eaiy corresponds to the i-th reflective surface.
Eaix represents a half of the length of the side in the X cross section, and Eaiy represents a half of the length of the side in the Y cross section.


Ea1x = 7.27mm Ea1y = 13.48mm
Ea2x = 4.23mm Ea2y = 6.60mm
Ea3x = 14.65mm Ea3y = 8.78mm
Ea4x = 2.64mm Ea4y = 5.17mm
Ea5x = 11.98mm Ea5y = 7.53mm

dsp=119.24
dim=6.4
ωx =±20度
ωy =±40度
d1=11.61
d2=11.61
f1=2.813
f2=2.813
dav=11.61
fav=2.813

Ea1x = 7.27 mm Ea1y = 13.48 mm
Ea2x = 4.23 mm Ea2y = 6.60 mm
Ea3x = 14.65 mm Ea3y = 8.78 mm
Ea4x = 2.64 mm Ea4y = 5.17 mm
Ea5x = 11.98 mm Ea5y = 7.53 mm

dsp = 119.24
dim = 6.4
ω x = ± 20 degrees ω y = ± 40 degrees
d1 = 11.61
d2 = 11.61
f1 = 2.813
f2 = 2.813
dav = 11.61
fav = 2.813

表1は、各数値実施例における条件式(1)〜(3)に関する値を示す。第1の実施形態〜第3の実施形態のステレオ光学系L0は、監視カメラや車載カメラ、またはドローンに代表されるUAV(Unmanned Aerial Vehicle)のような無人航空機などに適用することが可能である。これにより、各実施形態によれば、広角化と歪曲の低減の両立をしつつ、小型で距離測定が可能であり、情報処理演算規模も小さくすることが可能なステレオ光学系を実現することができる。   Table 1 shows values regarding conditional expressions (1) to (3) in each numerical example. The stereo optical system L0 according to the first to third embodiments can be applied to a surveillance camera, an on-vehicle camera, or an unmanned aerial vehicle such as a UAV (Unmanned Aerial Vehicle) represented by a drone. . Thus, according to each embodiment, it is possible to realize a stereo optical system that is compact and capable of distance measurement and can reduce the information processing operation scale while achieving both widening of the angle and reduction of distortion. it can.

《第4の実施形態》
次に、第1の実施形態〜3のステレオ光学系を備えた車載カメラ10およびそれを備える車載カメラシステム(運転支援装置)600について説明する。図17は、車載カメラ10および車載カメラシステム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18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18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。
Fourth Embodiment
Next, the on-vehicle camera 10 including the stereo optical system according to the first to third embodiments and the on-vehicle camera system (driving support apparatus) 600 including the on-vehicle camera 10 will be described. FIG. 17 is a configuration diagram of the on-vehicle camera 10 and the on-vehicle camera system 600. The on-vehicle camera system 600 is a device installed in a vehicle such as a car and supporting driving of the vehicle based on the image information of the surroundings of the vehicle acquired by the on-vehicle camera 10. FIG. 18 is a schematic view of a vehicle 700 equipped with an on-vehicle camera system 600. As shown in FIG. Although FIG. 18 shows the case where the imaging range 50 of the on-vehicle camera 10 is set in front of the vehicle 700, the imaging range 50 may be set behind the vehicle 700.

図17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。画像処理部2、視差算出部3、距離算出部4、及び衝突判定部5で、処理部が構成されている。撮像部1は、上述した何れかの実施形態に係る光学系と撮像素子とを有する。   As shown in FIG. 17, the on-vehicle camera system 600 includes an on-vehicle camera 10, a vehicle information acquisition device 20, a control device (ECU: electronic control unit) 30, and an alarm device 40. The on-vehicle camera 10 further includes an imaging unit 1, an image processing unit 2, a parallax calculation unit 3, a distance calculation unit 4, and a collision determination unit 5. The image processing unit 2, the parallax calculation unit 3, the distance calculation unit 4, and the collision determination unit 5 constitute a processing unit. The imaging unit 1 includes an optical system and an imaging device according to any of the above-described embodiments.

図19は、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。   FIG. 19 is a flowchart showing an operation example of the on-vehicle camera system 600. Hereinafter, the operation of the on-vehicle camera system 600 will be described along the flowchart.

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。続いてステップ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。続いてステップ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。   First, in step S1, an object (subject) around the vehicle is imaged using the imaging unit 1, and a plurality of image data (parallax image data) are acquired. Subsequently, in step S2, vehicle information is acquired from the vehicle information acquisition device 20. The vehicle information is information including the vehicle speed of the vehicle, the yaw rate, the steering angle, and the like. Subsequently, in step S <b> 3, the image processing unit 2 performs image processing on a plurality of image data acquired by the imaging unit 1. Specifically, image feature analysis is performed to analyze feature amounts such as the amount and direction of edges in image data, and density values. Here, the image feature analysis may be performed on each of the plurality of image data, or may be performed on only a part of the plurality of image data.

続いてステップ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。   Subsequently, in step S <b> 4, parallax (image shift) information between the plurality of pieces of image data acquired by the imaging unit 1 is calculated by the parallax calculation unit 3. A known method such as an SSDA method or an area correlation method can be used as a method of calculating disparity information, and thus the description thereof will be omitted in this embodiment. In the steps S2, S3 and S4, the processing may be performed in the above order or may be performed in parallel with each other.

続いてステップS5では、撮像部1により撮像した対象物との間隔情報(距離情報)を、距離算出部4によって算出する。すなわち距離算出部4は、複数の光学系を介してそれぞれ形成された複数の画像に基づいて被写体の距離情報を算出する。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、対象物との間隔、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。   Subsequently, in step S5, the distance calculation unit 4 calculates distance information (distance information) with the object captured by the imaging unit 1. That is, the distance calculation unit 4 calculates distance information of the subject based on the plurality of images formed respectively through the plurality of optical systems. The distance information can be calculated based on the parallax information calculated by the parallax calculation unit 3 and the internal parameter and the external parameter of the imaging unit 1. Here, the distance information is information on the relative position to the object such as the distance to the object, defocus amount, image shift amount, etc., and the distance value of the object in the image is directly Or may indirectly represent information corresponding to the distance value.

続いてステップ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)。   Subsequently, in step S6, the collision determination unit 5 determines whether the distance information calculated by the distance calculation unit 4 is included in the range of the preset distance set in advance. Thus, it is possible to determine whether an obstacle is present within the set distance around the vehicle and to determine the possibility of collision between the vehicle and the obstacle. The collision determination unit 5 determines that there is a collision possibility if there is an obstacle within the set distance (step S7), and determines that there is no collision possibility if there is no obstacle within the set distance (step S8) ).

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。   Next, when the collision determination unit 5 determines that there is a collision possibility (step S7), the collision determination unit 5 notifies the control device 30 or the alarm device 40 of the determination result. At this time, the control device 30 controls the vehicle based on the determination result of the collision determination unit 5, and the alarm device 40 issues an alarm based on the determination result of the collision determination unit 5.

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。   For example, the control device 30 performs control such as applying a brake to the vehicle, returning an accelerator, or generating a control signal for causing each wheel to generate a braking force to suppress an output of an engine or a motor. Further, the alarm device 40 sounds an alarm such as a sound to a user (driver) of the vehicle, displays alarm information on a screen of a car navigation system or the like, gives a vibration to a seat belt or steering wheel, etc. I do.

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、上述した各実施形態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、広画角にわたって障害物の検知及び衝突判定を行うことが可能になる。   As mentioned above, according to the vehicle-mounted camera system 600 which concerns on this embodiment, an obstacle can be detected effectively by said process, and it becomes possible to avoid the collision with a vehicle and an obstacle. In particular, by applying the optical system according to each of the above-described embodiments to the on-vehicle camera system 600, the entire on-vehicle camera 10 can be miniaturized to enhance the freedom of arrangement while detecting obstacles and determining collisions over a wide angle of view. It will be possible to do.

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、一つの画素部は、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。   In addition, various embodiments can be considered for the calculation of distance information. As an example, a case where a pupil division type imaging device having a plurality of pixel units regularly arranged in a two-dimensional array is adopted as an imaging device of the imaging unit 1 will be described. In the pupil division type imaging device, one pixel unit is composed of a micro lens and a plurality of photoelectric conversion units, receives a pair of light beams passing through different areas in the pupil of the optical system, and makes a pair of image data It can be output from each photoelectric conversion unit.

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との間隔の距離マップデータを取得してもよい。   Then, the image shift amount of each area is calculated by correlation calculation between the pair of image data, and the distance calculation unit 4 calculates image shift map data representing the distribution of the image shift amount. Alternatively, the distance calculation unit 4 may further convert the image shift amount into a defocus amount, and generate defocus map data representing the distribution of the defocus amount (distribution on the two-dimensional plane of the captured image). In addition, the distance calculation unit 4 may acquire distance map data of an interval with an object to be converted from the defocus amount.

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。   In the present embodiment, the on-vehicle camera system 600 is applied for driving assistance (collision damage reduction), but the invention is not limited thereto. For example, the on-vehicle camera system 600 may be used for cruise control (including all vehicle speed tracking function) and automatic driving. It may apply. In addition, the on-vehicle camera system 600 can be applied not only to a vehicle such as a host vehicle but also to a mobile object (mobile device) such as a ship, an aircraft, or an industrial robot. Further, the present invention can be applied not only to the on-vehicle camera 10 and the moving body according to the present embodiment, but also to devices that widely use object recognition, such as the Intelligent Transportation System (ITS).

なお各実施形態の撮像光学系は、好ましくは、可視光や赤外光(遠赤外光)もしくはその両方を利用して人物などの被写体を検出することが可能な撮像装置に適用されるが、これに限定されるものではない。各実施形態のステレオ光学系は、監視カメラや車載カメラだけでなく、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、または、UAVに搭載されるカメラなどの各種の撮像装置に適用することが可能である。各実施形態によれば、広角化と歪曲の低減の両立をしつつ、小型で距離測定が可能であり、情報処理演算規模も小さくすることができる。このため各実施形態によれば、小型かつ低コストで距離測定が可能な光学系、撮像装置、測距装置、および車載カメラシステムを提供することができる。   The imaging optical system of each embodiment is preferably applied to an imaging apparatus capable of detecting a subject such as a person using visible light and infrared light (far infrared light) or both of them. Not limited to this. The stereo optical system according to each embodiment can be applied not only to surveillance cameras and in-vehicle cameras but also to various imaging devices such as video cameras, digital still cameras, and cameras mounted on UAVs. According to each embodiment, while achieving both widening of the angle and reduction of distortion, it is possible to miniaturize and measure distance, and to reduce the information processing operation scale. For this reason, according to each embodiment, it is possible to provide an optical system, an imaging device, a distance measuring device, and an on-vehicle camera system capable of distance measurement at a small size and at low cost.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。   As mentioned above, although the preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.

例えば、上述した各実施形態に係る光学系を投影光学系として投影装置に適用することもできる。この場合、光学系の縮小面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。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、各実施形態における各条件式を満足することが望ましい。また、各実施形態の光学系を投影装置に適用する場合、光学系の縮小側に配置する照明系で光束(F値)が決定されるため、開口部としての開口絞りSP(R1)を配置する必要はない。この場合、開口部の位置は射出瞳として定義される。   For example, the optical system according to each embodiment described above can be applied to a projection apparatus as a projection optical system. In this case, the display surface of a display element such as a liquid crystal panel (spatial modulator) is disposed at the position of the reduction surface of the optical system. However, when the optical system is applied to a projection apparatus, the object side and the image side are reversed and the light path is reversed. That is, a configuration in which an image displayed on the display surface (reduction surface) of the display element disposed on the object side is projected (imaged) on a projection surface (enlarged surface) such as a screen disposed on the image side by the optical system. Can be taken. Also in this case, as in the case of applying the optical system to the imaging apparatus, it is desirable to satisfy each conditional expression in each embodiment. Further, when the optical system of each embodiment is applied to a projection apparatus, the luminous flux (F value) is determined by the illumination system disposed on the reduction side of the optical system, so the aperture stop SP (R1) as the aperture is disposed. do not have to. In this case, the position of the aperture is defined as the exit pupil.

なお、各実施形態の光学系を撮像光学系として用いる場合、縮小面(縮小側共役面)は像面(撮像面)、拡大面(拡大側共役面)は物体面(被写体面)にそれぞれ相当する。また撮像光学系の場合、縮小側(縮小共役側)は像側、拡大側(拡大共役側)は物体側にそれぞれ相当する。一方、各実施形態の光学系を投影光学系として用いる場合、縮小面(縮小側共役面)は物体面(表示面)、拡大面(拡大側共役面)は像面(投射面)にそれぞれ相当する。また投影光学系の場合、縮小側(縮小共役側)は物体側(表示側)、拡大側(拡大共役側)は像側(投射側)にそれぞれ相当する。   When the optical system of each embodiment is used as an imaging optical system, the reduction plane (reduction side conjugate plane) corresponds to an image plane (image plane), and the enlargement plane (magnification side conjugate plane) corresponds to an object plane (object plane). Do. Further, in the case of the imaging optical system, the reduction side (the reduction conjugate side) corresponds to the image side, and the enlargement side (the enlargement conjugate side) corresponds to the object side. On the other hand, when the optical system of each embodiment is used as a projection optical system, the reduction plane (reduction side conjugate plane) corresponds to the object plane (display plane), and the enlargement plane (magnification side conjugate plane) corresponds to the image plane (projection plane). Do. In the case of a projection optical system, the reduction side (reduction conjugate side) corresponds to the object side (display side), and the enlargement side (magnification conjugate side) corresponds to the image side (projection side).

L0 ステレオ光学系(光学系)
L1 結像光学系(第1の結像光学系)
L2 結像光学系(第2の結像光学系)
R2〜R6 反射面
SP 開口絞り
L0 Stereo optical system (optical system)
L1 Imaging optical system (first imaging optical system)
L2 Imaging optical system (second imaging optical system)
R2 to R6 Reflective surface SP Aperture stop

Claims (18)

物体の像を形成する光学系であって、
第1及び第2の結像光学系と、該第1及び第2の結像光学系のそれぞれの光路上に配置された第1及び第2の開口絞りとを有し、
前記第1及び第2の開口絞りの開口中心を結ぶ直線の中点を原点、前記第1の開口絞りの開口中心から前記第2の開口絞りの開口中心へ向かう方向を正とした前記直線をYs軸、前記原点を通り右手座標系の定義に従って前記Ys軸に垂直な直線をXs軸、前記原点を通り前記Xs軸および前記Ys軸のそれぞれに垂直な直線をZs軸とするとき、
前記第1及び第2の結像光学系のそれぞれにより形成される第1及び第2の像は、前記Ys軸の方向に沿って配列されており、
前記第1及び第2の開口絞りのそれぞれの開口中心を通過してXsYs平面上の縮小面の中心に至る基準光線の経路を第1及び第2の基準軸とし、
前記第1及び第2の基準軸を前記縮小面から前記基準光線の進行方向に延長することで得られる第1及び第2の延長軸をYsZs平面上に射影したとき、前記第1及び第2の延長軸は互いに交わることを特徴とする光学系。
An optical system for forming an image of an object,
First and second imaging optical systems, and first and second aperture stops disposed on the optical paths of the first and second imaging optical systems,
The straight line connecting the opening centers of the first and second aperture stops as the origin, and the straight line with the direction from the opening center of the first aperture stop to the opening center of the second aperture stop being positive When a straight line perpendicular to the Ys axis passing through the Ys axis and the origin according to the definition of the right-handed coordinate system is taken as an Xs axis, and a straight line perpendicular to the Xs axis and the Ys axis passing through the origin is a Zs axis,
The first and second images formed by each of the first and second imaging optical systems are arranged along the direction of the Ys axis,
Paths of reference rays passing through the centers of the apertures of the first and second aperture stops to the center of the reduction plane on the XsYs plane are taken as first and second reference axes,
When the first and second extension axes obtained by extending the first and second reference axes from the reduction plane in the traveling direction of the reference beam are projected onto the YsZs plane, the first and second extension axes are An optical system characterized in that the extension axes of the two intersect with each other.
前記第1及び第2の結像光学系はそれぞれ、光路を折り曲げるための回転非対称な形状を有する複数の反射面を有し、
前記複数の反射面のうち少なくとも一つの反射面の前記基準軸との交点における面法線は、前記基準軸に対して傾いていることを特徴とする請求項1に記載の光学系。
Each of the first and second imaging optical systems has a plurality of reflective surfaces having a rotationally asymmetric shape for bending an optical path,
The optical system according to claim 1, wherein a surface normal at an intersection of at least one of the plurality of reflecting surfaces with the reference axis is inclined with respect to the reference axis.
前記第1及び第2の結像光学系はそれぞれ、前記複数の反射面のうち最も拡大側の反射面と前記縮小面との間に、少なくとも一つの中間結像面を形成することを特徴とする請求項2に記載の光学系。   Each of the first and second imaging optical systems forms at least one intermediate imaging surface between the reduction surface and the reflection surface closest to the magnification side among the plurality of reflection surfaces. The optical system according to claim 2. 前記第1及び第2の結像光学系はそれぞれ、前記複数の反射面のうち最も拡大側の反射面と前記基準軸に沿って隣接する反射面との間に、少なくとも一つの光束の中間結像点を形成することを特徴とする請求項2または3に記載の光学系。   Each of the first and second imaging optical systems is an intermediate connection of at least one light beam between the reflection surface on the most enlargement side among the plurality of reflection surfaces and the reflection surface adjacent along the reference axis. The optical system according to claim 2 or 3, which forms an image point. 前記第1及び第2の結像光学系のそれぞれの前記開口絞りは、前記複数の反射面のうち最も拡大側の反射面よりも拡大側に設けられていることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項に記載の光学系。   The aperture stop of each of the first and second imaging optical systems is provided on an enlargement side of the reflection surface on the enlargement side among the plurality of reflection surfaces. The optical system according to any one of 4. 前記第1及び第2の結像光学系のそれぞれに関し、前記複数の反射面のうち最も拡大側の反射面から数えて、偶数番目の反射面での光線の反射方向と、奇数番目の反射面での光線の反射方向とが、前記基準軸に沿った光線の進行方向に向かって互いに逆向きであることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の光学系。   Regarding each of the first and second imaging optical systems, the reflection direction of light rays at the even-numbered reflecting surface and the odd-numbered reflecting surface, counting from the reflecting surface on the expansion side among the plurality of reflecting surfaces The optical system according to any one of claims 2 to 5, wherein the reflection direction of the light beam at is opposite to each other in the traveling direction of the light beam along the reference axis. 前記第1及び第2の結像光学系はそれぞれ、中空ミラー構成であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光学系。   The optical system according to any one of claims 1 to 6, wherein each of the first and second imaging optical systems has a hollow mirror configuration. 前記2つの開口絞りの開口中心を結ぶ直線の長さをdsp、前記2つの縮小面の中心を結ぶ直線の長さをdimとするとき、
dsp>dim
なる条件を満足することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光学系。
Assuming that the length of a straight line connecting the centers of the two aperture stops is dsp, and the length of the straight line connecting the centers of the two reduced surfaces is dim:
dsp> dim
The optical system according to any one of claims 1 to 7, wherein the following condition is satisfied.
前記第1及び第2の結像光学系のそれぞれのX軸方向の画角をωx、Y軸方向の画角をωyとするとき、
ωy>ωx
なる条件を満足することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光学系。
Assuming that the angle of view in the X-axis direction of each of the first and second imaging optical systems is ωx, and the angle of view in the Y-axis direction is ωy,
ωy> ωx
The optical system according to any one of claims 1 to 8, wherein the following condition is satisfied.
前記第1及び第2の結像光学系のそれぞれの前記縮小面は、前記基準軸と前記縮小面との交点を回転中心としてX軸回りに傾いていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光学系。   10. The image forming apparatus according to claim 1, wherein each of the reduction surfaces of the first and second imaging optical systems is inclined about an X-axis with a point of intersection of the reference axis and the reduction surface as a rotation center. The optical system according to any one of the above. 前記第1及び第2の結像光学系のそれぞれの前記縮小面は、同一平面上にあることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光学系。   The optical system according to any one of claims 1 to 10, wherein the reduction surfaces of the first and second imaging optical systems are on the same plane. 前記第1及び第2の結像光学系の前記YsZs平面上における平均焦点距離をfav、前記YsZs平面上に前記基準軸および前記縮小面の中心を射影したとき、前記第1及び第2の結像光学系のそれぞれの縮小面の中心から2つの前記基準軸が交わる点までの平均距離をdavとするとき、
2.00<dav/fav<8.00
を満足することを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の光学系。
When the average focal length on the YsZs plane of the first and second imaging optical systems is fav, and the center of the reference axis and the reduction plane is projected on the YsZs plane, the first and second resultants are obtained. Assuming that the average distance from the center of each reduction plane of the image optical system to the point where the two reference axes intersect is dav
2.00 <dav / fav <8.00
The optical system according to any one of claims 1 to 11, characterized in that
請求項1乃至12のいずれか1項に記載の光学系と、
前記光学系により形成される像を受光する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。
An optical system according to any one of claims 1 to 12;
And an imaging device for receiving an image formed by the optical system.
前記光学系は、前記撮像素子の異なる領域に、相互に視差を有する前記第1及び第2の像を形成することを特徴とする請求項13に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 13, wherein the optical system forms the first and second images having parallax with each other in different areas of the imaging device. 物体の画像データを取得する請求項13または14に記載の撮像装置と、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、を有することを特徴とする測距装置。   A distance measuring apparatus comprising: the imaging device according to claim 13 for acquiring image data of an object; and a distance calculation unit for acquiring distance information to the object based on the image data. 請求項15に記載の測距装置と、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と、を有することを特徴とする車載カメラシステム。   An on-vehicle camera system comprising: the distance measuring apparatus according to claim 15; and a collision determination unit which determines the possibility of collision between the host vehicle and the object based on the distance information. 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有す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。   17. The control device according to claim 16, further comprising: a control device that outputs a control signal that causes each wheel of the vehicle to generate a braking force when it is determined that there is a collision possibility between the vehicle and the object. In-vehicle camera system as described. 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有することを特徴とする請求項16または17に記載の車載カメラシステム。   18. The on-vehicle according to claim 16, further comprising: an alarm device that issues an alarm to a driver of the host vehicle when it is determined that there is a collision possibility between the host vehicle and the object. Camera system.
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