专利名称：反射型光学装置和反射型固体光学装置及使用这些装置的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用反射面的光学系统和摄像装置，具体地说，涉及红外摄像装置。
背景技术：
近年来，反射型光学装置主要以红外线传感和摄像为目的的研究正在进行。尤其是，在日本专利公告2,763,055、2,598,501，2,716,933中提出了为了使光束不被光路中的反射面遮挡而有效成像，偏心配置各反射面的光学装置的各种方案。另外，作为不用于红外线但把反射面的形状采取自由曲面的反射型光学装置，提出了日本专利特开平8-292371号公告所记述的装置。
另外，作为可见光波段图像信息摄像用的成像光学系统，采用了用光学玻璃制成透镜折射光学系统。在特开平11-14906号公告中，提出了在本身是透明体的光学介质外面设置多个反射面而构成的光学装置。
另一方面，利用红外线摄制热图像的光学系统，为了处理红外波长，透镜所用的材料采用了从锗、硅和ZnSe等选出的材料。在特开平10-33942号公告中，提出了具有用锗和ZnSe形成的透镜的光学装置。在特开平1-88414号公告中，提出了具有用锗和硅形成的透镜的光学装置。
对此，反射型光学系统的特征在于，适当选择反射面的材料，即可在可见光波段直至红外线波段上都能成像。在特开平10-206986号公告中，提出了在主镜和副镜两个反射面的共轴反射光学系统中加上中继透镜的光学系统。
但是，在如上所述的现有偏心设置各反射面的光学装置中，不论在亮度、解像力、畸变、视场角等光学性能方面，都有尚未达到实用水平的问题。
另外，采用上述的现有的可见光波段图像信息摄像用的光学装置而采用，在摄制可见光波段图像信息的场合，折射光学系统需要多个透镜，故成本高。而采用作为透明体的光学介质的外部设置反射面的光学装置中，通过减少零件数还不能充分降低价格。
另一方面，利用红外线摄制热图像的光学装置中采用折射光学系统的场合，价格高，根据情况还使用了诸如锗和ZnSe这样有毒性的材料。采用反射光学系统，不用特殊的材料即可构成口径比较大的光学系统，但存在容易出现反射面本身遮蔽光束、只能制成小视场角的光学装置的问题。
本发明是要解决如上所述的问题，其目的在于提供既实现广角化、提高光学性能，又达到小型化和低成本的反射型光学装置和反射型固体光学装置，以及利用这些装置的摄像装置和摄像机装置以及车载监视装置。
为了达到上述目的，本发明的第一种反射型光学装置的特征在于把物体发出的光束成像在像面上的两个非轴对称形状的反射面，是沿着光束行进方向依第一反射面和第二反射面的次序配置，所述第一反射面和所述第二反射面偏心配置；用包含所述像面中心和所述各反射面的各顶点的平面切割，所述第一和第二反射面的截面形状均为凹形。上述的反射型光学装置，由于非轴对称形状的反射面是两个偏心配置，故能将光束不遮蔽地引导到像面，能良好成像，从而可实现广角、高性能的反射型光学装置。
在所述第一种反射型光学装置中，最好在所述第一反射面与物体之间配置限制光束的光阑。
另外，若所述光阑中心与所述第一反射面顶点的间隔为d1，处于包含所述像面中心和所述第一及第二反射面各顶点的平面内的焦距为efy，则最好满足0.3＜d1/efy＜1.5的关系。若在上列关系式的范围之内，则可以抑制像差的发生，防止光学性能的恶化。
另外，若上述第一反射面的顶点和上述第二反射面的顶点的间隔为d2，在包含所述像面中心和所述第一和第二反射面各顶点的平面内的焦距为efy，则最好满足1.0＜d2/efy＜4.0的关系。若在如上所列的关系式的范围之内，则可以抑制像差的发生，防止光学性能的恶化。
在与包含所述像面中心和所述第一和第二反射面各顶点的平面垂直的方向上所述第一反射面的截面形状最好为凹形。
在与包含所述像面中心和所述第一和第二反射面各顶点的平面垂直的方向上所述第二反射面的截面形状最好为凹形。
另外，所述第一和第二反射面的形状，最好为无回转中心轴的自由曲面。若按如上所述的反射型光学装置，则可增大设计的自由度，进一步广角化，实现光学性能的提高。
所述自由曲面最好是在以顶点为原点、以与包含所述像面中心和反射面各顶点的平面垂直的方向为X、为所述平面包含并通过顶点的切线方向为Y的直角座标系(X、Y)中为函数f(X，Y)所定义的、在各Y座标上的X方向截面形状的曲率半径中心的连线为被弯曲曲线的弯曲轴Y复曲面，或是在各X座标上的Y方向截面形状的曲率半径中心的连线为被弯曲曲线的弯曲轴X复曲面。所述第一反射面的形状最好是其包含顶点的Y方向截面形状为关于通过顶点的法线非对称的，X方向截面的曲率中心连成的曲线为关于法线非对称的弯曲轴Y复曲面。若依照上述的反射型光学装置，性能可望进一步改善。所述第二反射面最好是其包含顶点的Y方向截面形状为关于通过顶点的法线非对称的，连结X方向截面曲率中心的曲线是对法线非对称的弯曲轴Y复曲面或者是弯曲轴X的复曲面。若按如上所述的反射型光学装置，则可望进一步提高性能。
其次，本发明第二种反射型光学装置的特征在于将物体发出的光束成像在像面上的反射面至少有3个，所述各反射面偏心配置，包含所述各反射面各顶点的平面内的F值小于3.5，而且若所述各反射面中在所述物体侧的两个沿着来自所述物体侧的光束的行进方向，依次为第一反射面和第二反射面，则用所述平面切割，所述第一和第二反射面的截面形状均为凹形。若按如上所述的反射型光学装置，与二面结构相比，可望提高光学性能，可用于要求高析像度、高灵敏度的系统。
其次，本发明的第三种反射型光学装置的特征在于，把物体发出的光束成像在像面上的反射面至少有3个，各反射面偏心配置，包含所述各反射面各顶点的平面内的F值小于1.9。若按如上所述的反射型光学装置，则可用于要求高析像度、高灵敏度的红外波段的摄像系统。
在所述第三种反射型光学装置中，所述F值最好小于1.6。
另外，所述各反射面中，若沿着从所述物体侧发出的光束的行进方向，将所述物体侧的2个面依次定为第一反射面和第二反射面，用所述平面切割，所述第一和第二反射面的截面形状最好均呈凹形。
其次，本发明第四种反射型光学装置的特征在于，使物体发出的光束成像在像面上的反射面至少有3个，所述各反射面偏心配置，若所述各反射面中，以沿着所述物体侧发出的光束的行进方向的第二反射面为第二反射面，则所述第二反射面顶点附近的形状，以包含所述各反射面各顶点的平面切割的截面形状最好呈凹形，而且与所述平面垂直的方向上的截面形状最好呈凸形。若按如上所述的反射型光学装置，则可用于要求高析像度、高灵敏度的系统。
在所述第二、第三或第四种反射型光学装置中，所述至少3个反射面的形状，最好是非轴对称面。
另外，在所述第二、第三或第四种反射型光学装置中，所述反射面，沿着所述物体侧发出的光束的行进方向，最好依次为第一反射面、第二反射面、第三反射面和第四反射面，共4个面。
所述反射面，在4个面的反射型光学装置中，通过所述第三反射面顶点的法线与所述第三反射面的顶点指向第四反射面顶点的光轴的夹角为α3，则最好满足26＜α3＜56的关系。若超过上述关系式的下限，则由第四反射面反射的一部分光束返回第三反射面而被遮蔽，所以达不到像面。若超过上限，则发生大的像差，光学性能恶化。
最好在所述第一反射面和所述物体之间配置限制光束的光阑。
另外，若上述光阑中心与上述第一反射面顶点的间隔为d1，包含上述反射面各顶点的平面内的焦距为efy，则最好满足0.3＜d1/efy＜1.5的关系。
另外，若上述光阑中心和上述第一反射面顶点的间隔为d1，包含上述反射面各顶点的平面内的焦距为efy，则最好满足0.6＜d1/efy＜1.0的关系。
另外，若上述第一反射面的顶点和上述第二反射面顶点的间隔为d2，上述第三反射面的顶点和上述第四反射面的顶点的间隔为d4，则最好满足0.3＜d2/d4＜1.0的关系。
另外，若上述第三反射面的顶点和上述第四反射面顶点的间隔为d4，包含上述反射面各顶点的平面内的焦距为efy，则最好满足2.6＜d4/efy＜7.5的关系。
另外，若上述第三反射面的顶点和上述第四反射面顶点的间隔为d4，包含上述各反射面各顶点的平面内的焦距为efy，则最好满足3.5＜d4/efy＜6.5的关系。
另外，若上述第四反射面的顶点和上述像面的中心的间隔为d5，包含上述各反射面各顶点的平面内的焦距为efy，则最好满足0.5＜d5/efy＜2.0的关系。若在上述各关系式的范围之内，则可抑制部分光束被反射面遮蔽和像差的发生，防止光学性能的恶化。
另外，所述四个反射面，用包含上述各反射面各顶点的平面切割后的截面形状最好全都呈凹形。
此外，与包含上述各反射面各顶点的平面垂直的方向上的截面形状中，所述第一反射面的截面形状最好呈凹形。
另外，在与包含上述各反射面各顶点的平面垂直的方向上的截面形状中，上述第三反射面最好呈凹形。
此外，在与包含上述各反射面各顶点的平面垂直的方向上的截面形状中，所述第四反射面最好呈凹形。
另外，所述四个反射面最好均呈非轴对称形状，而且最好是没有回转中心轴的自由曲面。
此外，所述4个反射面均为自由曲面，所述自由曲面最好是以顶点为原点、以与包含各顶点的平面垂直的方向为X轴、以包含在所述平面内的各顶点切线方向为Y轴的直角坐标系(X，Y)上的函数f(X，Y)来定义，连结各Y坐标上X方向截面形状的曲率半径中心的线是被弯曲曲线的弯曲轴Y的复曲面，或者连结各X坐标上Y方向截面形状的曲率半径中心的线是被弯曲曲线的弯曲轴X的复曲面。
其次，本发明的第一种摄像装置的特征在于，它具有上述各种反射型光学装置和把光强度变换成电信号的传感手段。若按如上所述的摄像装置，则可得到广角而且析像度高的视频信号。
在上述第一种摄像装置中，上述传感手段最好是二维摄像元件。
另外，上述传感手段最好对红外波段的光线具有灵敏度。
其次，本发明的第一种多波长摄像装置的特征在于，它装有仅用反射面对光束进行聚焦的反射型光学装置，和对多个不同波段上的光线具有灵敏度的传感手段。若按上述多波长摄像装置，则只用反射面对光束进行聚焦，从红光波段(波长3～5μm或8～12μm)到可见光波段(波长400～750nm)、紫外波段(波长200～400nm)等波段的那一个上均可使用，把多个波段上具有灵敏度的传感手段组合起来，就可以用一个光学系统同时摄制多个波段的图像。例如，传感手段若为对从红外波段到可见光波段中任何波段的光线都具有灵敏度的传感手段，则在适宜白天摄像的可见光波段上，在适用于夜间摄像的红外波段上都能摄像。
在所述第一种多波长摄像装置中，上述多个不同波段最好是从红外波段、可见光波段及紫外波段中选出的2种以上的波段。
另外，所述反射型光学装置最好是上述第一、第二、第三以及第四种反射型光学装置。
此外，所述传感手段最好具有由波长光束分离手段和多个对应于各波段的传感面。
另外，上述传感手段最好具有在同一传感面内对不同的波段的光具有灵敏度的多重区域。若按如上所述的多波长摄像装置，则有可能用一个光学系统、一个传感元件同时摄制多个波段的图像。
此外，上述传感手段，在同一传感面内对不同的波段的光线具有灵敏度的多重区域的多波长摄像装置上，上述反射型光学装置最好是上述第一、第二、第三或第四种反射型光学装置。
其次，本发明的第一车载监视装置的特征在于，它具有上述摄像装置和把所摄制的图像传送给司机的显示手段。若按如上所述的车载监视装置，则可高精度地得到在车前面行走的车辆和行人等的位置信息。
其次，本发明的第二种车载监视装置的特征在于，装有上述多波长摄像装置和把所摄制的影像传送给司机的显示手段。
其次，本发明第五种反射型光学装置的特征在于壳形的多个光学构件相向配置形成整体的空心部件，在所述空心部件的内侧面至少形成一个反射面。若按如上所述的反射型光学装置，多个壳形的光学构件相向配置整体形成，故可同时降低成本和小型化。
在上述第五反射型光学装置中，在上述反射面中最好至少有一个是不持有回转中心轴的自由曲面。若按上述反射型光学装置，则因为具有由自由曲面形成的反射面，故可在偏心光学系统中获得像差补偿能力，可构成具有前所未有的光路的光学装置。再进一步限制反射面自身造成的遮挡，可得到大视场角的光学系统。
另外，所述多个光学构件，最好用前侧光学构件和后侧光学构件2个构件，所述前侧光学构件的壳状的开口侧和后侧光学构件的壳状的开口侧相向配置，整体形成所述空心部件。
此外，所述光学构件最好是树脂成型件，在所述反射面上形成金属薄膜。若按如上所述的反射型光学装置，全体作成树脂成型件，只在反射面上形成金属薄膜，故可制得低成本的反射型光学装置。
另外，所述金属薄膜的材料，最好是由铝、金、银、铜、和锌中至少选择一种的金属薄膜材料。
此外，所述反射面上，最好再形成SiO2膜。若按如上所述的反射型光学装置，则可防止反射率的减弱。
另外，所述光学构件最好用金属材料形成。
此外，所述光学构件最好用从铝、金、银、铜、和锌中至少选择一种的金属材料形成。
另外，用上述金属材料形成的光学构件的反射面上，最好再形成金属薄膜。若按上述反射型光学装置，则可得到良好的反射率。
此外，所述金属薄膜的材料，最好是由铝、金、银、铜、和锌中至少选择一种的金属薄膜材料。
此外，在用所述金属材料形成的光学构件的反射面上再形成金属薄膜的反射型光学装置上，在反射面上最好再形成SiO2膜，若按反射型光学装置，则可以防止反射率的减弱。
另外，在上述第五种反射型光学装置上，最好在上述多个光学构件中(至少其中之一)形成摄像用的开口。若按如上所述的反射型光学装置，则可在开口上设计窗口材料，透过必要的光束。
此外，在上述摄像用的开口上，最好设置可透过摄像所必要的波段的光束的窗口材料。若按上述反射型光学装置，则在可透过必要的光束的同时，使多个光学构件一体化而形成空心部件，可防止粉尘和水滴从外部侵入。
另外，所述摄像用的开口，最好设置透过摄像所必要的波段的光束、遮蔽除此以外的波段的光束的窗口材料。若按如上所述的反射型光学装置，则可阻挡不需要的波段的光束进入反射型光学装置，得到对比度良好的图像。
另外，所述摄像用的开口，最好用从锗、硅、聚乙烯、CaF2、BaF2及ZnSe中选择的至少一种材料形成的窗口材料。若将锗或硅用于窗口材料，则可遮蔽可见光波段而透过红外波段，可使采用不受可见光影响的红外波段光束的摄像成为可能。
此外，上述窗口材料最好是平板型的。若按如上所述的反射型光学装置，则加工容易而且成本低廉，容易附加在光学构件上。
另外，所述窗口材料最好具有透镜的作用。若按如上所述的反射型光学装置，则参与成像的光功率可以由窗口材料分担，可提高全系统的像差补偿能力，提高光学性能。
此外，在所述摄像用的开口上，最好设置具有遮蔽入射的红外线中至少一定范围的波段的红外线的透过的光学特性的窗口材料。若按如上所述的反射型光学装置，则可同时实现成本的降低和小型化，不让不需要的波段的光束进入反射型光学装置内，故可得到对比度良好的图像。
在所述摄像用的开口上，在设置具有遮蔽入射的红外线中至少一定范围的波段的红外线透过的窗口材料的反射型光学装置上，所述窗口材料最好具有反射红外线的光学特性，在透明基底上形成多层电介质膜。
所述透明基底可以是玻璃材料。
所述透明基底可以是树脂材料。
所述透明基底可以采用从CaF2，BaF2及ZnSe中选出的至少一种材料形成的。
所述窗口材料可以用具有红外线吸收光学特性的玻璃材料形成。
所述窗口材料可以用具有红外线吸收光学特性的树脂材料形成。
所述窗口材料最好遮蔽近红外线的透过。若按如上所述的反射型光学装置，则具有感光特性的构件，在同时具有可见光波段和远红外波段灵敏度的情况下，可以抑制成为不需要的光成份的光线入射具有这种感光特性的部件。
此外，所述近红外线波段最好是700nm至1100nm的范围。
另外，所述窗口材料，最好呈平板形。若按如上所述的反射型光学装置，则加工容易，而且成本低廉，还易于附加在光学构件上。
另外，所述窗口材料，最好具有透镜作用。若按如上所述的反射型光学装置，则成像用的光功率可以由窗口材料分担，提高全系统的像差补偿能力，提高光学性能。
此外，最好形成具有不反射入射红外线中至少一定范围波段的红外线的光学特性的膜。若按如上所述的反射型光学装置，则可以只让开口入射的光束中摄像所必要的光成分参与成像，抑制不需要的波段的光束，故可得到对比度良好的图像。另外，构成构件数目少，故可降低成本。
在上述各反射面上形成了具有不反射入射红外线中至少一定波长范围的红外线的光学特性的膜的反射型光学装置中，上述膜最好具有不反射较可见光波段长的波段的红外线的光学特性。若按如上所述的反射型光学装置，则成像光束只由可见光波段的分光成分组成，所以可摄制出具有所希望的色调的图像。
此外，上述的超出可见光波段的波长范围最好是700nm以上。
另外，上述膜最好具有不反射近红外波段波长范围的红外线的光学特性。若按如上所述的反射型光学装置，则具有感光特性的部件，在对可见光波段和红外波段两方面都具有灵敏度的情况下，可以抑制不需要的光组成的成分的光线入射具有该感光特性的部件。
此外，上述近红外波段的波长范围最好在700nm至1100nm的范围。
另外，最好在上述多个光学构件中(至少一个)设置把图像成像在具有感光特性的构件上的开口。
其次，本发明第一种反射型固体光学装置的特征在于用具有遮蔽入射的红外线中至少一定范围的波段的红外线的透过的光学特性的光学介质形成实心的装置主体，在所述装置主体中，用所述装置主体表面和所述装置主体表面上形成的膜，至少形成一个反射面。若按如上所述的反射型光学装置，则可以同时达到降低成本和小型化的目的。
在所述第一反射型固体光学装置上，包括至少一个所述反射面的所述装置主体表面，最好以不具有回转中心轴的自由曲面形成。若按如上所述的反射型光学装置，则具有用自由曲面形成的反射面，故可在偏心光学系统上获得像差补偿能力，可能构成具有前所未有的光路的光学系统。另外，可以抑制反射面本身的遮蔽作用，故可获得大视场角的光学系统。
此外，光学介质最好用具有遮蔽比可见光波段长的红外线透过的光学特性的材料形成。若按如上所述的反射型固体光学装置，则成像光束只由可见光波段的分光成分组成，故可摄制出具有希望色调的图像。
另外，所述比可见光波段长的波段的波长范围最好大于700nm。
此外，所述光学介质最好用具有遮蔽近红外波段波长范围的红外线透过的光学特性的材料形成。若按如上所述的反射型固体光学装置，则可以抑制变成不需要的光成分的光线入射在各波段上具有灵敏度的构件上。
此外，所述近红外波段的波长范围最好是在700nm至1100nm的范围内。
其次，本发明第二种反射型固体光学装置的特征在于它是采用上述第五种反射型光学装置的摄像装置，在所述反射型光学装置的成像部上设有摄像元件。若按如上所述的摄像装置，则可以在小型化和降低成本的同时提高对比度。
在所述第二种摄像装置中，所述摄像元件最好在可见光波段上具有灵敏度。
其次，本发明第三种摄像装置的特征在于它是采用上述第五种反射型光学装置的摄像装置，在所述反射型光学装置的成像部上，设有在可见光波段上具有灵敏度的摄像元件。若按如上所述的摄像装置，则有可能在小型化和降低成本的同时，实现高对比度化。
其次，本发明第四种摄像装置的特征在于它是采用上述第五种反射型光学装置的摄像装置，在所述反射型光学装置的成像部设有在可见光波段和红外波段上具有灵敏度的摄像元件。
其次，本发明第五种摄像装置的特征在于它是具有遮蔽所述近红外波段的红外线透过的窗口材料的反射型光学装置，或者采用具有不反射所述近红外波段波长范围的红外线的光学特性的反射型光学装置的摄像装置，在所述反射型光学装置的成像部设有在可见光波段及红外波段上具有灵敏度的摄像元件。
其次，本发明第六种摄像装置的特征在于它是采用上述第一种反射型固体光学装置的摄像装置，在所述反射型固体光学装置的成像部中设有摄像元件。若按如上所述的摄像装置，则可以在小型化和降低成本的同时，实现高对比度化。
在所述第六种摄像装置中，所述摄像元件最好在可见光波段上具有灵敏度。
其次，本发明第七种摄像装置的特征在于它是一种采用其所述光学介质是用具有遮蔽近红外波段波长范围的红外线的透过的光学特性的材料形成的反射型固体光学装置的摄像装置，在所述反射型固体光学装置的成像部上，设有在可见光波段和红外波段上具有灵敏度的摄像元件。
本发明第一种摄像机装置的特征在于，它采用上述第二种摄像装置。
本发明第二种摄像机装置的特征在于，它采用上述第六种摄像装置。若按如上所述的摄像机装置，则摄像装置可以是小型、低成本，而且是高对比度的，所以摄像机装置可望小型、低成本化及高性能化。
其次，本发明第三种车载监视装置的特征在于，它采用上述第二种摄像装置。
其次，本发明第四种车载监视装置的特征在于，它采用上述第六种摄像装置。若按如上所述的车载监视装置，则可传感出有无脱离行走车道，或者传感出前方行走的车辆，还可以传感出前方的障碍物等。另外，可通过设于司机座位的显示装置显示该图像来辅助人的视觉。
附图的简单说明图1是表示本发明实施方案1的反射型光学装置的构成图；图2是说明反射面形状用的透视图；图3是表示本发明实施方案1实施例的反射型光学装置的光学性能的像差图；
图4是表示本发明实施方案1实施例的反射型光学装置的光学性能的像差图；图5是表示本发明实施方案2的反射型光学装置的构成图；图6是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图7是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图8是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图9是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图10是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图11是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图12是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图13是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图14是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图15是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图16是表示本发明实施方案2的实施例的反射型光学装置光学性能的像差图；图17是表示本发明实施方案3的摄像装置的构成图；图18是表示本发明实施方案4的多波长摄像装置的构成图；图19是表示本发明实施方案5的多波长摄像装置的构成图；
图20是表示本发明实施方案6的车载监视装置的构成图；图21是表示本发明实施方案7的反射型光学装置的透视图；图22是表示本发明实施方案7的反射型光学装置的截面图；图23是表示本发明实施方案7的另一个反射型光学装置的截面图；图24是表示本发明实施方案8的反射型光学装置的截面图；图25是表示本发明实施方案9的反射型光学装置的截面图；图26是表示本发明实施方案9另一个反射型光学装置的截面图；图27是表示本发明实施方案10的反射型光学装置的截面图；图28是表示本发明实施方案11的反射型光学装置的截面图；图29是表示采用本发明各实施方案摄像装置的车载监视装置的配置图；图30是表示本发明实施方案12的反射型光学装置构成的透视图；图31是表示本发明实施方案12的反射型光学装置的截面图；图32是表示本发明实施方案12的具有成像用开口的反射型光学装置的截面图；图33是表示本发明实施方案12的具有成像用开口的另一个反射型光学装置的截面图；图34是表示本发明实施方案13的反射型光学装置的截面图；图35是表示本发明实施方案13的具有成像用开口的反射型光学装置的截面图；图36是表示本发明实施方案13的具有成像用开口的另一个反射型光学装置的截面图；图37是表示本发明实施方案14的反射型固体光学装置构成的透视图；图38是表示本发明实施方案14的反射型固体光学装置的截面图；图39是表示本发明实施方案14的另一个反射型固体光学装置的截面图；图40是表示本发明实施方案15的摄像机装置的略图。
下面将参照
本发明的实施方案。
本发明的最佳实施方案(实施方案1)图1是表示本发明实施方案1的反射型光学装置的构成图。如图所示的反射型光学装置设有光阑1、第一反射镜2、第二反射镜3以及像面4。第一反射镜2及第二反射镜3对光轴斜向配置，使之斜向反射光束。
本图表示用包含像面4的中心及各反射镜2、3的各顶点的平面切割反射型光学装置所得的截面形状，各反射镜2，3的反射面均呈凹形。从物体发出的光束受光阑限制，被第一反射镜2和第二反射镜3反射，在像面4上成像。
第一反射镜2和第二反射镜3的表面形状均为非轴对称面，是一种与一般的球面、轴对称非球面不同的、不以顶点处的法线为回转对称轴的面。若将非轴对称面的反射面定为自由曲面，则设计自由度可增大，可进一步实现广角化和光学性能的提高。这里，所谓自由曲面，是指具有复曲面等、不具有回转中心轴的面(在以下的实施方案中也一样)。
作为自由曲面的一个例子，如图2所示，是弯曲轴Y的复曲面。弯曲轴Y的复曲面，如图2所示，在以与包含像面中心和各顶点的平面垂直的方向为X、以包含于上述平面中的各顶点的切线方向为Y的直角坐标(X，Y)上，连结各Y坐标上X方向截面形状的曲率半径中心的线为被弯曲的曲线的面。
在图2中，L1表示X方向截面形状(圆弧)，L2表示连结X方向曲率的连线(非圆弧曲线)，L3表示Y方向的母线形状(非圆弧)，P表示顶点。另外，作为自由曲面的另一个例子还有X和Y交换的弯曲轴X的复曲面。
弯曲轴Y的复曲面，从以面的顶点为原点x(mm)，y(mm)位置上的顶点起的下垂(sag)量，向着入射光束的方向为正的Z(mm)用下式(1)～(5)表示式(1)Z＝M(y)+S(x，y)式(2)M(y)=(y2Rdy)1+1-(yRdy)2]]>+YADy4+YAEy6+YAFy8+YAGy10+YAODy3+YAOEy5+YAOFy7+YAOGy9式(3)S(x,y)=x2Rds-2x·sinθcosθ+cos2θ-(xRds)2+2x·sinθRds]]>+XADx4+XAEx6+XAFx8+XAGx10式(4)Rds＝Rdx(1+BCy2+BDy4+BEy6+BEy8+BGy10+BOCy+BODy3+BOEy5+BOFy7+BOGy8)式(5)θ＝QCy2+QDy4+QEy6此处，M(y)为包含顶点的Y方向截面形状的非圆弧的表达式，Rdy(mm)为Y方向的曲率半径，YAD、YAE、YAF、YAG为Y方向的偶次项常数，YAOD、YAOE、YAOF、YAOG为奇数项常数。
S(X，Y)为Y方向截面形状的表达式，Rds是表示各y坐标上X方向曲率半径的函数，Rdx(mm)是中心的X方向的曲率半径，BC，BD，BE，BF，BG是偶次项常数，BOC，BOD，BOE，BOF，BOG是奇次项常数，XAD，XAE，XAF，XAG为X方向的偶次项常数，θ(rad)是决定面扭曲角度的函数，QC，QD，QE为扭曲系数。
弯曲轴X的复曲面，同样地以面的顶点为原点x(mm)，y(mm)位置上的顶点起下垂量向着入射光束的方向为正的Z(mm)值，用下式(6)～(10)表示。
式(6)Z＝M(x)+S(x，y)式(7)M(x)=(x2Rdx)1+1-(xRdx)2]]>+XADx4+XAEx6+XAFx8+XAGx10式(8)S(x,y)=y2Rds-2y·sinθcosθ+cos2θ-(yRds)2+2y·sinθRds]]>+YADy4+YAEy6+YAFy8+YAGy10+YAODy3+YAOEy5+YAOFy7+YAOGy9式(9)Rds＝Rdy(1+BCx2+BDx4+BEx6+BFx8+BGx10+BOCx+BODx3+BOEx5+BOFx7+BOGx9)式(10)θ＝QCx2+QDx4+QFx6此处，M(x)表示作为包含顶点的X方向截面形状的非圆弧的表达式，S(x，y)是表示Y方向截面形状的表达式。Rdx(mm)是X方向曲率半径，XAD，XAE，XAF，XAG是X方向上的偶次项常数。
Rds是表示各x坐标上Y方向曲率半径的函数，Rdy(mm)是中心的Y方向曲率半径，BC，BD，BE，BF，BG是偶次项常数，BOC，BOD，BOE，BOF，BOG是奇次项常数，YAD，YAE，YAF，YAG为Y方向的偶次项常数，YAOD，YAOE，YAOF，YAOG为奇次项常数，θ(rad)是决定面扭曲角度的函数，QC，QD，QE为扭曲系数。
另外，若光阑中心与第一反射镜2的顶点的间隔为d1，包含像面4的中心和第一反射镜2及第二反射镜3的反射面各顶点的平面内的焦距为efy，则最好满足如下的式(11)。
式(11)0.3＜d1/efy＜1.5另外，若第一反射镜2的顶点与第二反射镜3的顶点的间隔为d2，则最好满足如下的式(12)式(12)1.0＜d2/efy＜4.0若在式(11)、(12)的范围内，则可抑制像差的发生，防止光学性能恶化。
其次，本实施方案的具体数据例子列于表1、表2。表中，M1表示第一反射镜2，M2表示第二反射镜3，表1中，M1和M2的面形状均为弯曲轴Y复曲面，在表2中，M1和M2都是弯曲轴X复曲面。
另外，efy是y方向全系统焦距，efx是x方向全系统焦距，d1是从光阑1的中心到第一反射镜2的顶点的距离(mm)，d2是从第一反射镜2的顶点到第二反射镜3的顶点的距离(mm)，d3是从第二反射镜3的顶点到像面4的中心的距离(mm)，α1是第一反射镜2的法线与光轴的夹角(度)，α2是第二反射镜3的法线与光轴的夹角(度)。另外，表2所列实施例中像面对光轴倾斜配置，其角度为α3。
表1和表2所示的实施例中，在M1，M2上Rdy都是负的。这一点意味着，在Y方向上，M1和M2都是凹面(表3～13的实施例也一样)。另外，在M1和M2上Rdx都是负的。这一点意味着在X方向上，M1和M2都是凹面。
表1efy＝8.59 efx＝29.58
表2efy＝9.75 efx＝24.94
按本实施方案，具有高度像差补偿能力的弯曲轴复曲面形状的反射镜2个，偏心配置，故可不遮蔽地把光束引导到像面，可以良好成像，实现广角、高性能的反射型光学装置。在图3，4中，表示表1，2所列实施例的像差图。
另外，在本实施方案中，反射镜镜面形状用如上给出的式(1)～(5)或(6)～(10)定义，但同样的面，用不同的定义式也行。
(实施方案2)图5是表示本发明实施方案2的反射型光学装置的构成图。本图所示的反射型光学装置，具有光阑5、第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、第四反射镜9和像面10。各反射镜6～9对光轴倾斜配置，使之斜向反射光束。从物体发出的光束，受光阑5的限制，由各反射镜6-9成像在像面10上。
本图表示用包含各反射镜6～9的各顶点的平面切割反射型光学装置的截面形状，各反射镜的反射面均呈凹形。
各反射镜6～9的形状是图2所示的弯曲轴Y前面给出的复曲面(前面给出的式(1)～(5))，或弯曲轴X复曲面((前面给出的式(6)～(10))。
在本实施方案中，若第三反射镜8反射面的顶点上的法线与从第三反射镜8的顶点指向第四反射镜9的顶点的光轴的夹角(度)为α3，则最好满足以下式(13)的关系。
式(13)26＜α3＜56超过式(13)的下限，则由第四反射镜9反射的一部分光束返回第三反射镜8而被遮蔽，所以达不到像面。超过上限，则出现大像差，光学性能恶化。
此外，若光阑中心和第一反射镜6的反射面顶点的间隔为d1，包含各反射面的各顶点的平面内的焦距为efy，则最好满足如下的式(14)。
式(14)0.3＜d1/efy＜1.5另外，式(14)在下式(15)的范围内则更合适。
式(15)0.6＜d1/efy＜1.0此外，若第一反射镜6的顶点与第二反射镜7的反射面的顶点的间距为d2，第三反射镜8的反射面的顶点与第四反射镜9的反射面的顶点的间距为d4，则最好满足式(16)的关系。
式(16)0.3＜d2/d4＜1.0另外，若第三反射镜8的反射面的顶点与第四反射镜9的反射面的顶点的间距为d4，则最好满足式(17)的关系。
式(17)2.6＜d4/efy＜7.5另外，式(17)在下式(18)的范围内则更合适。
式(15)3.5＜d1/efy＜6.5若第四反射镜9的反射面的顶点与像面10的中心的间距为d5，则最好满足式(19)的关系。
式(19)0.5＜d5/efy＜2.0若在如上给出的式(13)～(19)的范围内，则可抑制一部分光束被反射面遮蔽和像差的发生，防止光学性能的恶化。
其次，具体的数值实例示于表3～13。表中，M1表示第一反射镜6，M2表示第二反射镜7，M3表示第三反射镜8，M4表示第四反射镜9。在表4～9所示的实施例中，M1～M4的面形状为弯曲轴X复曲面，在表10～12所示的实施例中，M1，M4是弯曲轴X复曲面，而M2，M3是弯曲轴Y复曲面，在表13所示的实施例中，M1是弯曲轴X复曲面，M2～M4是弯曲轴Y复曲面。
此外，efy是y方向的全系统焦距，efx是x方向的全系统焦距，d1是从光阑5的中心至第一反射镜6的顶点的距离(mm)，d2是从第一反射镜6的顶点至第二反射镜7的顶点的距离(mm)，d3是从第二反射镜7的顶点至第三反射镜8的顶点的距离(mm)，d4是从第三反射镜8的顶点至第四反射镜9的顶点的距离(mm)，d5是从第四反射镜9的顶点至像面10中心的距离(mm)。
α1～α4依次为(从第一反射镜6开始)各反射镜6～9顶点上的法线与光轴的夹角(度)。在表10～13所示的的实施例中，使像面对光轴倾斜配置，其角度为α5。
表3efy＝6.0 efx＝6.0
表4efy＝6.0 efx＝6.0
表5efy＝6.0 efx＝6.0
表6efy＝6.0 efx＝6.0
表7efy＝6.0 efx＝6.0
表8efy＝6.0 efx＝6.0
表9efy＝6.0 efx＝6.0
表10efy＝4.95 efx＝8.2
表11efy＝4.95 efx＝8.2
表12efy＝4.95 efx＝8.2
表13efy＝4.95 efx＝4.95
按本实施方案，具有高度像差补偿能力的弯曲轴X复曲面形状、弯曲轴Y复曲面形状的反射镜被偏心配置，故可不遮蔽地把光束引导到像面，良好地成像。
另外，与两个反射镜的构成相比，可望提高光学性能，进而使F值达到3.5以下，因此可用于要求高析像度、高灵敏度的系统。表3～13所示各实施例的像差图分别示于图6～16。
此外，本实施方案中，反射镜面的形状用前面给出的式(1)～(5)或式(6)～(10)定义，但同样的面采用不同的定义公式也行。
虽然以4个反射面的反射型光学装置的情况作了说明，但有3个反射面的情况也行。若反射面在3个以上，则与两个反射镜的构成相比，可望提高光学性能。因此，可用于要求高析像度、高灵敏度的系统，在红外波段(波长3～5μm或8～12μm)上摄像时可以获得必要的析像度。
为了获得这样必要的析像度，必须将F值减小到使衍射的影响减小的程度，如本实施方案这样，若反射面在3个以上，这是可能的。例如，波长10μm，F值1.9的情况下，以35(1.P/mm)可达到MTF20％以上，在F值为1.6的情况下，以40(1.P/mm)可达到MTF20％以上，可以用于要求高析像度、高灵敏度的红外波段摄像系统。
(实施方案3)图17是表示本发明实施方案3的摄像装置的构成图。本图所示的摄像装置装有开口窗11、第一反射镜12、第二反射镜13以及二维摄像元件14。第一反射镜12及第二反射镜13的配置和反射面的形状与实施方案1相同。开口窗11在透过摄像所必要的波段的同时，还起限制光束直径的开口光阑作用，具有防止粉尘进入光学系统内部的功能。
从物体发出的光束，受配置在光阑位置上的开口窗11的限制，经由反射镜12、13成像在二维摄像元件14上。然后，输出用二维摄像元件14变为电信号的影像(箭头a)。
按本实施方案，装有实施方案1的反射型光学装置和把光强度变换成电信号的传感手段，另外，作为传感手段还使用二维摄像元件，故可得到广角、高析像度的影像信号。此外，若采用对红外波段(波长3～5μm或8～12μm)的光线具有灵敏度的二维摄像元件，则可摄制红外线图像。
(实施方案4)图18是表示本发明实施方案4的多波长摄像装置的构成图。在本图中，从11到13的构成与实施方案3的相同。在本实施方案4中，装有波长选择滤波器15、红外摄像元件16、可见光摄像元件17，波长选择滤波器15只透过红外波段(波长3～5μm或8～12μm)的光线，而反射可见光波段(波长400～750μm)的光线，红外摄像元件16对红外波段的光线具有灵敏度，可见光摄像元件17对可见光波段的光线具有灵敏度。
从物体发出的两个波段(可见光波段、红外波段)的光束，受配置在光阑位置上的开口窗11限制，经两个反射镜12、13变为聚焦光束，波长选择滤波器15让红外波段的光束透过，成像在二维摄像元件16上，输出变为电信号的影像(箭头b)。
被波长选择滤波器15反射的可见光光束，成像在二维摄像元件17上，输出变成了电信号的影像(箭头c)。两个波段的光束，全都只由不发生色差的反射镜构成的光学系统成像，故可达到同等的光学性能。
另外，摄像元件采用了红外摄像元件和可见光摄像元件，所以既可以进行宜于白天摄像的可见光波段摄像，又可以进行宜于夜间摄像的红外波段摄像。就是说，若按本实施方案，则反射型光学装置的对光束进行聚焦的光学系统只由反射面构成，所以从红外波段(波长3～5μm或8～12μm)到可见光波段(波长400～750μm)直至紫外波段(波长200～400nm)，无论哪个波段均可使用，可组合成对多个波段都具有灵敏度的传感手段，使以一个光学系统同时进行多个波段的影像摄制成为可能。
(实施方案5)图19是表示本发明实施方案5的多波长摄像装置的构成图。在本图中，从11至13的构成与实施方案3相同。在本实施方案中，装有不论红外波段还是可见光波段，对哪一个波段的光线都具有灵敏度的多波长摄像元件18。
从物体发出的2个波段(可见光波段、红外波段)的光束，受配置在光阑位置上的开口窗11限制，由两个反射镜12、13成像在多波长摄像元件18上。
2个波段上的光束是用只由完全不发生色差的反射镜构成的光学系统成像的，故可达到同等的光学性能。另外，多波长摄像元件18是在同一摄像面内，离散地配置了对可见光波段具有灵敏度的和对红外波段具有灵敏度的区域。因此，故可把两个波段的影像变换成远红外波段影像信号(箭头d)和可见光波段影像信号(箭头e)两种类型的电信号而输出。
就是说，按本实施方案，使以一个光学系统和一个摄像元件同时摄制多个波段的影像成为可能。
(实施方案6)图20是表示本发明实施方案6的车载监视装置的构成图。本图所示的车载监视装置装有实施方案4的多波长摄像装置19和显示装置20。
从多波长摄像装置19输出的2波段(可见光波段、红外波段)的影像，由显示装置20显示出来，使司机可以根据需要，得到相应信息。例如，在白天外部明亮的情况下，可以从主要由可见光形成的影像获得信息，此外，夜间从由红外线形成的影像获得人、车位置等宝贵的信息。就是说，按本实施方案，不论昼夜，均可高精度地获得前面行走的车、人等位置信息。
(实施方案7)图21是表示本发明实施方案7的反射型光学装置构成的透视图。本图所示的反射型光学装置21设有壳状的前侧光学构件22和后侧光学构件23，它们相对配置，经由中间的界面25合为一体，形成空心部件。前侧光学构件22中设有摄像用的光束入射的开口窗24。
图22是图21所示的反射型光学装置21在与界面25垂直方向上的剖面图。从摄像用的开口窗24入射的光束，沿着光轴26被在壳状的后侧光学构件23内面形成的反射面27反射后，被在壳状的前侧光学构件22内面形成的反射面28反射，成像在具有感光特性的构件29上。
反射面27或反射面28至少一个是由自由曲面构成的，在偏心光学系统上可得到良好成像。自由曲面，例如，可用图2所示的弯曲轴Y复曲面(前面给出的式(1)～(5))或弯曲轴X复曲面(前面给出的式(6)～(10))。
由这样的自由曲面形成的反射面装在壳状的光学构件的内面，在偏心光学系统上获得像差补偿能力，有可能构成具有前所未有的光路的光学系统。就是说，如本实施方案那样，多个壳状的光学构件相向配置合为一体，就可以同时达到低成本化和小型化，而且提高像差补偿能力，构成扩大了视场角的反射型光学装置。
图23表示图21所示的反射型光学装置21的与界面25垂直的剖面图。本图所示的反射型光学装置，形成在反射型光学装置21外部生成的成像用的开口30。
从摄像用的开口24入射的光束，沿着光轴26，被壳状的后侧光学构件23内面形成的反射面27反射后，被壳状的前侧光学构件22内面形成的反射面28反射，在成像用的开口30外部设置的具有感光特性的构件29上成像。
另外，在本实施方案中，反射面的形状用前面给出的式(1)～(5))或式(6)～(10)定义，但是同样的面，定义式亦可不同。
(实施方案8)图24表示其光学构件是用树脂形成物形成的反射面范围内形成金属薄膜的反射型光学装置。壳状的前侧光学构件22，用热压或注塑成型把树脂材料形成为所希望的形状后，在反射面的范围内用真空蒸镀法或电镀在反射面的范围内形成金属薄膜31。
同样地，壳状的后侧光学构件23，用热压或射注塑成型把树脂材料形成为所希望的形状后，在反射面的范围内用真空蒸镀法或电镀在反射面的范围内形成金属薄膜32。若按这样的构成，全体作为树脂成型件，只在反射面上形成金属薄膜，可得到低成本的反射型光学装置。
金属薄膜的材料，可选择对作为对象而被摄制的物体发出的波长最适宜的材料，可以用铝、金、银、铜或锌。铝成本低，反射率也好。金耐周围气体侵蚀的性能优异，红外波段反射率良好。银在成本上也可用于产业用途，反射率也好。铜成本低，红外波段反射率也好。锌成本低，红外波段的反射率也比较好。
另外，用铝、银、铜或锌等形成金属薄膜的反射面，容易由于氧化而使反射率降低，所以最好在金属薄膜上形成SiO2等膜层。
(实施方案9)图25表示用金属形成光学构件的反射型光学装置。在用金属形成的壳状的前侧光学构件22的内面，形成相当于反射面的区域33。同样地，用金属形成的壳状后侧光学构件23的内面上，形成相当于反射面的区域34。各反射面33、34可在用加压成型或压铸成型法形成各自的壳状光学构件22、33的同时形成。此外，可在成型后，用切削工具形成反射面。
用于光学构件的材料可选择对作为对象而被摄制的物体发出的波长最适合的材料，可用铝、金、银、铜或锌。铝成本低，同时加工性、反射率也好。金耐周围气体侵蚀性能优异，红外波段反射率良好。银在成本上也可用于产业用途，反射率也好。铜成本低，同时加工性、红外波段反射率良好。锌成本低，同时加工性好。
此外，采用铝、银、铜或锌等的光学构件的表面上形成的反射面容易氧化而降低反射率，所以最好在光学构件上形成SiO2等膜层。
另外，在与图26所示的用金属形成的壳状光学构件22、23的表面上形成的反射面相当的区域上形成金属薄膜35、36，可提高光学特性。
一般说来，与形成构件的金属材料相比，用于真空蒸镀法或电镀的金属材料，纯度高，用这些金属材料形成的金属薄膜的反射率会更好。金属薄膜的材料，可选择对作为对象而被摄制的物体发出的波长最适合的材料，可以用铝、金、银、铜或锌等。铝成本低，同时反射率也好。金耐周围气体侵蚀性能优异，红外波段反射率良好。银在成本上也可用于产业用途，反射率也好。铜成本低，同时红外波段反射率良好。锌成本低，同时红外波段反射率也比较好。
另外，形成使用铝、银、铜等的金属薄膜的反射面容易氧化而使反射率降低，所以最好在金属薄膜上形成SiO2等膜层。
(实施方案10)图27表示壳状的前侧光学构件22与后侧光学构件23相向配置合为一体、前侧光学构件22上设置的开口24上附加了透过摄像所必要的波段的光束的窗口材料38的反射型光学装置。
按本实施方案，在透过必要的光束的同时，可以防止粉尘和水滴从外部进入壳状的前侧光学构件22和后侧光学构件23一体化形成的空心部件的空腔。
窗口材料38最好采用透过摄像所必要的波段的光束、而遮蔽除此之外的其他波段的光束的材料。这样，不让不必要的波段的光束进入反射型光学装置，可获得对比度良好的图像。
若把锗用于窗件，则可以遮蔽可见光波段而透过红外波段。这样，便可以用不受可见光波段光束影响的红外波段的光束进行摄像。同样地，若把硅用于窗口材料，则也可以遮蔽可见光波段而透过红外波段，可以用不受可见光波段光束的影响的红外波段的光束进行摄像。若把聚乙烯用于窗口材料，则透过可见光波段和红外波段，可以同时使用可见光波段和红外波段的光束进行摄像。同样地，若把ZnSe用于窗口材料，则可透过可见光波段和红外波段，可以同时使用可见光波段和红外波段的光束进行摄像。另外，根据需要，可以使用其他材料构成窗口材料。例如，可以使用CaF2和BaF2。
如图27所示，窗件38用平板构成。平板状加工方便，而且成本低，容易附加在光学构件上。窗件最好做成透镜形状，起透镜作用。这样，用于成像的光功率可以由窗件分担，可提高全系统的像差补偿能力，提高光学性能。
(实施方案11)图28表示这样的摄像装置，在其壳状的前侧光学构件22和后侧光学构件23组成的反射型光学装置上，有设置于后侧光学构件23上的成像用开口30的外部附加摄像元件39。在摄像元件39上可以采用CCD元件、利用热-电阻变换的测辐射热计阵列元件，或者利用热-电动势变换的高温计阵列元件。
用CCD元件作为在可见光波段上具有灵敏度的摄像元件，即可使可见光波段上的摄像成为可能。利用测辐射热计阵列元件或高温计阵列元件作为在红外波段上具有灵敏度的摄像元件，即可在红外波段上摄像。在同一单片上形成光敏二极管阵列和测辐射热计阵列或高温计阵列的摄像元件，可同时可见光波段和红外波段两波段上摄像。
(实施方案12)图29表示把本发明的摄像装置40装载在车辆41上、用作包含车辆用视觉支持装置的车载监视装置的一个例子。用摄像装置70对车辆92前方的情况进行摄像。若对这个图像进行图像处理，则可检查车辆是否离开行走车道。另外，在设置于司机座位处的显示装置(图中未示出)上显示，所以可以辅助人的视觉。
此外，若利用在红外波段上具有灵敏度的摄像元件的摄像装置，则可以对夜间人的视觉不起作用的状况进行摄像。另外，可以把摄像装置装在车辆的侧面或后方，根据各种情况进行必要的摄像。
(实施方案13)图30是表示本发明实施方案13的反射型光学装置构成的透视图。壳状的前侧光学构件43和后侧光学构件44以各自的凹面相向的状态下在界面46上接合为一体。前侧光学构件43上设有开口，开口的物体侧(外侧)上设有窗件45。摄像用的光束经由窗件45和窗口入射。窗件45具有对入射的红外线中至少一定范围内的波段的红外线的透过起遮蔽作用的光学特性。通过设置这样的窗件，可以不让不需要的光束进入反射型光学装置，从而获得对比度良好的图像。
图31是表示用包含光轴与界面46垂直的面切割图30所示的反射型光学装置42的剖面图。经过摄像用的窗件45，从窗口入射的光束，沿着光轴47，被壳状的后侧光学构件44内面形成的反射面48和壳状的前侧光学构件43内面形成的反射面49反射后，成像在具有感光特性的感光构件50上。
在反射面48和反射面49中，至少有一个是用自由曲面构成的，故可在偏心光学系统中良好成像。自由曲面可以采用，例如，图2所示的弯曲轴Y复曲面(前面给出的式(1)～(5))或者弯曲轴X复曲面(前面给出的式(6)～(10))。
把用这样的自由曲面构成的反射面作为壳状的光学构件内面，可在偏心光学系统上获得像差补偿能力，构成具有前所未有的光路的光学系统。另外，抑制由反射面本身造成的遮蔽作用，可获得大视场角的光学系统。就是说，按照本实施方案把数个壳状的光学构件相向配置合为一体，即可同时实现低成本化和小型化，而且提高像差补偿能力，构成大视场角的反射型光学装置。
图32所示的反射型光学装置是在图30所示的反射型光学装置42上，形成在反射型光学装置42外部成像用的开口52。经过摄像用的窗件45，从开口51入射的光束沿着光轴47，被在壳状的后侧光学构件44内面形成的反射面48和壳状的前侧光学构件43内面形成的反射面49反射后，在设于开口52外部的具有感光特性的感光构件50上成像。
此处，窗件45的制作工艺是在透明基底上交替地蒸镀低折射率率的电介质和高折射率的电介质，形成多层电介质膜。透明基底可以采用玻璃、树脂、CaF2、BaF2或ZnSe。另外，件45也可以采用红外吸收玻璃或红外吸收树脂材料。
窗件45最好为平板件，因为平板件加工容易、加工成本也低，而且易于附设在前侧光学构件上。窗件45为透镜状，具有透镜的功能则更好。由此，可让窗件45分担参与成像的光功率，从而提高全系统的象差补偿能力。
感光构件50在对可见光波段和远红外波段都有灵敏度的情况下，窗件不透过红外线的波段最好是近红外波段。这样，可以抑制所不需要的光束入射对各波段都具有灵敏度的构件。作为近红外波段的波长范围，最好是从700nm到1100nm的范围。不需要的光近红外波段的透过率是10％以下的透过率则更好。这样，可以良好地摄像。就是说，不影响可见光波段的分光波长成分，可以摄制出具有所希望的色调的图像。同时，对远红外波段的分光波长成分亦无影响，可以摄制热图像。
图33表示在开口52的外侧附加摄像元件54的摄像装置53的剖面图。摄像元件54可以用CCD元件、利用热-电阻变换机理的测辐射热计阵列元件、或者利用热-电动势变换机理的高温计阵列元件等。
若用CCD摄像元件作为摄像元件54，则可以对可见光波段进行摄像。这种情况下的窗件45，最好具有不透红外线的特性。用测辐射热计阵列元件或者用高温计阵列元件作为摄像元件54，可以在红外波段摄像。另外，采用在单片上形成光敏二极管阵和测辐射热计阵列元件或高温计阵列元件的摄像元件54，在可见光波段和红外波段上都可以摄像。在这种情况下窗件54不透过近红外波段的特性为好。
此外，在本实施方案中，反射面的形状用前面给出的公式(1)～(5)或(6)～(10)定义，但同样的面，采用不同的定义式也行。
另外，摄像元件54也可以设置在反射型光学装置53内部。此外，各光学构件43、44上可以设置多个反射面，在这种情况下，可以进一步提高像差补偿能力。
(实施方案14)图34表示实施方案14的反射型光学装置的剖面图。前侧光学构件43内面的反射面的区域，形成具有在入射的红外线中至少不反射一定范围的波段的红外线的光学特性的膜55。同样地，后侧光学构件44内面作为反射面的区域上也形成具有不反射至少一定范围的波段的红外线的光学特性的薄膜56。膜55、56用真空蒸镀法或涂敷方法形成。
采用这样的结构，从开口51入射的光束中可以只用成像所必需的分光成分来摄像，抑制不必要的波段的光束，故可得到对比度良好的图像。此外，构成构件件数少，故可降低成本。
形成了膜55、56的各个反射面至少有一个是用自由曲面构成的，在偏心光学系统中可得到良好的成像。
自由曲面可以采用，例如图2所示的弯曲轴Y复曲面(前面给出的式(1)～(5))或弯曲轴X复曲面(前面给出的式(6)～(10))。
把用这个例子的公式所定义的自由曲面形成的反射面引入各光学构件43、44的内面，可使偏心光学系统获得像差补偿能力，构成具有前所未有的光路的光学系统。另外，制止了反射面自身造成的遮蔽，可得到大视场角的光学系统。就是说，如同本实施方案，使多个壳状的光学构件相向配置而一体化，可同时降低成本和小型化，而且提高像差补偿能力，构成大视场角的反射型光学装置。
图35是设置开口52的反射型光学装置的剖面图。除了开口52感光构件以外，其余的结构跟图34所示的反射型光学装置的相同。开口52是为了在反射型光学装置的外部成像而设置的。从摄像用的开口51入射的光束被壳状的后侧光学构件44内面形成的反射面和壳状的前侧光学构件43内面形成的反射面反射之后，在设于成像用的开口52外部的具有感光特性的感光构件50上成像。
用真空蒸镀法形成膜55、56时，在光学构件43、44内面交替地蒸镀低折射率电介质和高折射率电介质薄膜，从而形成多层膜。用涂敷法形成时，在光学构件43、44内面预先形成的反射面上，涂敷丙烯酸树脂等可见光波段透明、但在红外波段上具有吸收特性的材料。
作为膜55、56的光学特性，作为不反射比可见光波段长的波段的光学特性，最好是不反射波长大于700nm的波段的光学特性。这样，成像光束只由可见光波段的分光成分组成，故可摄制出具有所希望色调的图像。
具有感光特性的感光构件50，在对可见光波段和红外波段都具有灵敏度的情况下，膜不反射红外线的波段最好是近红外波段。这样，可抑制不需要的光成分的光线入射对各波段都具有灵敏度的构件。作为近红外波段，最好是在700nm至1100nm的范围。不需要的近红外波段的反射率为10％以下的反射率则更好。这样，可以良好摄像。就是说，在不影响可见光波段的分光波长成分的情况下，可以摄制出具有所希望的色调的图像。同时，也不影响远红外波段的分光波长成分，可摄制热图像。
图36所示的反射型光学装置57，在开口52的外部附加摄像元件54这一点上，与图35所示的反射型光学装置不同。摄像元件54可以采用CCD元件、利用热-电阻变换的测辐射热计阵列元件或者利用热-电动势变换的高温计阵列元件等。
摄像元件54采用CCD摄像元件时，可在可见光波段上摄像。在这种情况下，反射面最好具有不反射红外线的特性。摄像元件54采用测辐射热计阵列元件或高温计阵列元件时，可在红外波段上摄像。采用在单片上形成光敏二极管阵列和测辐射热计阵列或高温计阵列的摄像元件时，在可见光波段和红外波段上都可以摄像。这种情况下的反射面最好具有不反射近红外波段的特性。
另外，在本实施方案中，反射面的形状，用前面给出的式(1)～(5)或式(6)～(10)定义，但同样的面，用不同的定义式也行。
另外，也可以把摄像元件54设置在壳状的反射型光学装置57内部。此外，在各光学构件43、44上可以设置多个反射面，在这种情况下，可以进一步提高像差补偿能力。
(实施方案16)图37是表示本发明的反射型固体光学装置构成的透视图。光圈81设置在反射型固体光学装置80的入射侧。图38是用包含光轴的平面切割的剖面图。反射型固体光学装置80，采用具有在入射的红外线中至少遮蔽一定范围波段的红外线的透过的光学特性的固体光学介质，形成实心体。在这个光学介质的表面上，至少形成一个用自由曲面形成的面91、92。面91、92上，形成反射膜93、94，使光学系统一体化。
从光阑81入射的摄像用的光束，沿着光轴47，行进在实心的光学介质中，被由反射膜94和自由曲面的面92形成的反射面和由反射膜93和自由曲面的面91形成的反射面反射，成像在具有感光特性的感光构件50上。
这样，便可以不让不需要的波段的光束进入感光构件50，从而得到对比度良好的图像。另外，构件数少，故可降低成本。
面91，92中至少一个是用自由曲面形成的，在偏心光学系统中得到良好的成像。自由曲面采用，例如图2所示的弯曲轴Y复曲面(前面给出的式(1)～(5))或弯曲轴X的复曲面(前面给出的式(6)～(10))。
把用本例这样的定义式定义的自由曲面来形成的反射面设置在固体的光学介质表面，就可以获得偏心光学系统上的像差补偿能力，从而构成具有前所未有的光路的光学系统。另外，可以限止反射面自身的遮蔽作用，得到大视场角的光学系统。就是说，像本实施方案那样使多个反射面在固体的光学介质表面上一体化，即可同时降低成本和实现小型化，而且提高像差补偿能力，构成大视场角的反射型固体光学装置。
作为光学介质的光学特性，有不透过比可见光波段长的波段的光学特性，最好具有不透过大于700nm的波段的光学特性。这样，成像光束只由可见光波段分光成分组成，故可摄制出具有所希望色调的图像。
具有感光特性的感光构件50，在可见光波段和红外波段上都具有灵敏度的情况下，光学介质不透过红外线的波段最好是近红外波段。这样，即可抑制不需要的光成分的光线入射对各波段都具有灵敏度的构件。作为近红外波段，最好是700nm至1100nm的范围。不需要的光的近红外波段的透光率是10％以下的透光率更好。这样，可以良好摄像。就是说，在不影响可见光波段的分光波长成分的情况下，可以摄制出具有所希望的色调的图像。同时，在不影响远红外波段分光波长成分的情况下，也可以摄制热图像。
图39所示的反射型固体光学装置，在不用图38所示的反射型固体光学装置的感光构件50、而设置摄像元件59这一点上不同。摄像元件59，可以采用CCD元件、利用热-电阻变换机理的测辐射热计阵列元件或利用热-电动势变换机理的高温计阵列元件等。用CCD元件作为摄像元件59，可以在可见光波段上摄像，这时候光学介质最好具有不透过红外线的特性。
用测辐射热计阵列元件或者高温计阵列元件作为摄像元件59，可以在红外波段上摄像。采用在单片上形成光敏二极管阵列和测辐射热计阵列或高温计阵列而形成的摄像元件，在可见光波段和红外波段上都可以摄像。这时的光学介质最好具有不透过近红外波段的特性。
另外，在本实施方案中，反射面的形状用前面给出的式(1)～(5)或公式(6)～(10)定义，但同样的面，用不同的定义式也行。
(实施方案17)图40表示把本发明的摄像装置110装设在摄像机装置111上的情况。摄像装置110把被摄制的物体的图像用反射型光学装置或反射型固体光学装置成像在摄像元件上，输出图像信号。图像信号，用电路和机构记录在记录介质上在图中没有示出。摄像装置小型化、降低成本、而且对比度高，所以对摄像机装置小型化、降低成本、高性能化是有效的。
(实施方案18)图29表示把本发明的摄像装置110装在车辆41上，构成作为一种车载监视装置的车载视觉支援装置的情况。用摄像装置110对车辆前方的情况进行摄像。这个图像用构成车载视觉支援装置的图像处理装置(图中未示出)处理，可以检查有无脱离行走车道、或用于前方车辆的传感、或前方障碍物的传感等。
此外，把这个图像显示在设置于司机座位处的显示装置上(图中未示出)，可以辅助人的视觉。另外，若是采用对红外波段具有灵敏度的摄像元件的摄像装置，则可以对夜间人的视觉无法辨认的状况进行摄像。此外，可以把摄像装置装在车辆的侧面或后方，根据各种状况进行必要的摄像。另外，摄像装置小型化、低成本、高对比度，所以摄像装置的设置自由度大，可以得到高性能的车载视觉支援装置。
工业上利用的可能性如上所述，本发明可以用作实现广角化、提高光学性能、同时实现小型化和降低成本的反射型光学装置和反射型固体光学装置，还可利用安装了这些装置的摄像机装置及包含车载视觉支援装置的车载用监视装置。
权利要求
1.一种反射型固体光学装置，其特征在于用具有遮蔽入射的红外线中至少一定范围的波段的红外线的透过的光学特性的光学介质形成实心的装置主体；在所述装置主体上，用在所述装置主体表面和所述装置主体表面上形成的膜至少形成一个反射面。
2.权利要求1的反射型固体光学装置，其特征在于所述反射面的至少一个上的所述装置主体表面由不具回转中心轴的自由曲面形成。
3.权利要求1的反射型固体光学装置，其特征在于所述光学介质用具有遮蔽比可见光波段长的红外线透过的光学特性的材料形成。
4.权利要求3的反射型固体光学装置，其特征在于所述比可见光波段长的波段的波长范围大于700nm。
5.权利要求1的反射型固体光学装置，其特征在于所述光学介质用具有遮蔽近红外波段波长范围的红外线透过的光学特性的材料形成。
6.权利要求5的反射型固体光学装置，其特征在于所述近红外波段的波长范围是在700nm至1100nm的范围内。
7.一种摄像装置，其特征在于它是采用权利要求1的反射型固体光学装置的摄像装置，在所述反射型固体光学装置的成像部中设有摄像元件。
8.权利要求7摄像装置，其特征在于所述摄像元件在可见光波段上具有灵敏度。
9.一种摄像装置，其特征在于它是采用权利要求5的反射型固体光学装置的摄像装置，在所述反射型固体光学装置的成像部上，设有在可见光波段和红外波段上具有灵敏度的摄像元件。
10.一种摄像机装置，其特征在于它采用权利要求7所记述的摄像装置。
11.一种车载监视装置，其特征在于它采用权利要求7所记述的摄像装置。
全文摘要
用于在像平面(4)上形成物体的影像并且具有非轴对称形状的第一和第二反射面(2，3)在来自物体的光线的行进方向上按次序排列、彼此偏心地配置。用包含像平面(4)中心和各反射面(2，3)的顶点的平面切割，第一和第二反射面(2，3)的截面形状均为凹形。因此，来自物体的光线被无阻挡地引导到像平面(4)、因而影像质量良好，由此提供一种广角、高性能的反射型光学装置。
文档编号G02B17/06GK1601320SQ20041005671
公开日2005年3月30日 申请日期2000年2月9日 优先权日1999年2月10日
发明者吉川智延, 山本义春 申请人:松下电器产业株式会社