JP2006211367A - Wide angle imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、広角の画角を撮影するための撮像装置に関し、より特定的には、反射ミラーにより反射された画像の撮影を行う小型化された広角撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus for photographing a wide angle of view, and more particularly to a miniaturized wide-angle imaging apparatus that photographs an image reflected by a reflecting mirror.
近年、広い範囲の視覚情報を入力することのできる画像入力装置が研究されている。これらは、移動型ロボットや監視装置などへの応用が期待されており、その中でも特に、視覚情報を一度に多く取得することができる画像入力装置が研究されている。 In recent years, image input devices capable of inputting a wide range of visual information have been studied. These are expected to be applied to mobile robots, monitoring devices, and the like, and among them, image input devices that can acquire a large amount of visual information at once are being researched.
このような画像入力装置として、装置の周囲360°の方向の画像情報(以下、全方位画像という)を一度に取得することができる広角撮像装置が提案されている。そして、これらの広角撮像装置の1つとして、回転体ミラーを用いた装置が知られている。この装置は、鉛直下向きに設置した反射面を有する回転体ミラーと、回転体ミラーの鉛直下向きの方向に設置された撮像装置とから構成され、回転体ミラーにより反射された被写体光を撮像装置により撮像する。これにより、全方位画像を一度に取得することが可能である。しかしながら、回転体ミラーの形状に円錐や球面を用いた広角撮像装置は、その形状の性質により、大きな収差が発生するため、撮像画像の画質が低いという問題や、撮像画像が歪み、観察者にとって見づらくなるという問題があった。 As such an image input device, a wide-angle imaging device capable of acquiring image information in a 360 ° direction around the device (hereinafter referred to as an omnidirectional image) at a time has been proposed. An apparatus using a rotating mirror is known as one of these wide-angle imaging devices. This device is composed of a rotator mirror having a reflecting surface installed vertically downward, and an imaging device installed in a vertically downward direction of the rotator mirror, and subject light reflected by the rotator mirror is captured by the imaging device. Take an image. Thereby, it is possible to acquire an omnidirectional image at a time. However, a wide-angle imaging device using a cone or a spherical surface as the shape of the rotating mirror generates large aberrations due to the shape of the rotating mirror, so that the image quality of the captured image is low and the captured image is distorted. There was a problem that it was difficult to see.
これに対して、回転体ミラーの形状を放物面または双曲面にした広角撮像装置が提案されている(特許文献1)。例として、双曲面ミラーを用いた広角撮像装置について説明する。図10は、双曲面ミラーを用いた広角撮像装置の構成を示す概略図である。広角撮像装置500は、回転軸対称形状を有する双曲面ミラー501と、結像レンズ502と、撮像素子503とを備える。ここで、双曲面ミラー501の回転中心軸をZ軸とする。また、Z軸と垂直な平面内において、直交する軸をそれぞれX軸およびY軸とする。
On the other hand, a wide-angle imaging device in which the shape of the rotating mirror is a paraboloid or hyperboloid has been proposed (Patent Document 1). As an example, a wide-angle imaging device using a hyperboloid mirror will be described. FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a wide-angle imaging device using a hyperboloid mirror. The wide-
広角撮像装置500は、2葉双曲面のうち、一方の双曲面を反射ミラーとして用いている。図11に示すように、2葉双曲面は、2つの焦点504aおよび504bを有する。焦点504aは、双曲面ミラー501として用いられる双曲面の焦点である。一方、焦点504bは、2葉双曲面のうち、他方の双曲面の焦点である。なお、双曲面ミラー501は、ZY平面による切り口の形状は双曲線になり、XY平面による切り口の形状は円になる性質を有する。
The wide-
結像レンズ502は、撮像素子503上に被写体の光学的な像を形成する。結像レンズ502は、結像レンズ502の主点507の位置と、双曲面の焦点504bの位置とが等しくなるように設置されている。
The
図10(a)に示すように、YZ平面内の任意の点Pからの光束は、焦点504aに向かって入射する。双曲面ミラー501に入射した光束508a、508bは、反射面上で反射したあと、主点507に集光される。なお、主点507は、2葉双曲面のうち、他方の双曲面の焦点504bと等しい位置にある。主点507に集光された光束は、図10(b)に示すように、結像レンズ502により、撮像素子503の撮像面505上に結像される。このとき、光束508aおよび508bは、撮像素子503の撮像面505上の結像点510a、510bにそれぞれ結像される。
As shown in FIG. 10A, a light beam from an arbitrary point P in the YZ plane enters the
このように、双曲面ミラーを用いた広角撮像装置は、結像レンズの主点と、双曲面の焦点とを等しい位置に構成することにより、任意の点Pからの光束の延長が、2葉双曲面のうち、双曲面ミラーのもう一方の双曲面の焦点を通過する光学系を構成することができる。これにより、撮像面に結像される画像は、双曲面ミラーの焦点を中心とする座標系に変換することが可能となる。したがって、双曲面ミラーを用いた広角撮像装置は、双曲面ミラーの回転軸周り360°の方向の画像を一度に撮像面に結像させることができる。 As described above, the wide-angle imaging device using the hyperboloidal mirror is configured so that the main point of the imaging lens and the focal point of the hyperboloid are configured at the same position, so that the extension of the light flux from an arbitrary point P is two-leafed. Among the hyperboloids, an optical system that passes through the focal point of the other hyperboloid of the hyperboloidal mirror can be configured. As a result, the image formed on the imaging surface can be converted into a coordinate system centered on the focal point of the hyperboloidal mirror. Therefore, a wide-angle imaging device using a hyperboloid mirror can form an image in the direction of 360 ° around the rotation axis of the hyperboloid mirror on the imaging surface at a time.
また、放物面ミラーを用いた広角撮像装置は、双曲面と同様に、放物面は焦点を有することから、撮像面に結像される画像を放物面ミラーの焦点を中心とする座標系に変換が可能である。したがって、放物面ミラーの回転軸周り360°の方向の画像を一度に撮像面に結像させることができる。 In addition, a wide-angle imaging device using a paraboloidal mirror, like a hyperboloid, has a paraboloid having a focal point, so that the image formed on the imaging surface is centered on the focal point of the parabolic mirror. Conversion to a system is possible. Therefore, an image in the direction of 360 ° around the rotation axis of the parabolic mirror can be formed on the imaging surface at a time.
一方、近年、電子機器や携帯機器の小型化に伴い、これらの装置に搭載可能な撮像装置が要求されている。しかしながら、単一の光学系を用いた従来の撮像装置は、収差の発生を抑え、一定の光学性能を確保するために、複数のレンズを光軸方向に組み合わせることにより、光学系を構成している。したがって、単一の光学系を用いた従来の撮像装置は、小型軽量化に限界がある。 On the other hand, in recent years, with the miniaturization of electronic devices and portable devices, imaging devices that can be mounted on these devices are required. However, the conventional imaging apparatus using a single optical system is configured by combining a plurality of lenses in the optical axis direction in order to suppress the occurrence of aberration and ensure a certain optical performance. Yes. Therefore, there is a limit to reducing the size and weight of a conventional imaging device using a single optical system.
これに対して、昆虫等が持つ複眼構造を模倣した光学系を備える撮像装置が提案されている(特許文献2または特許文献3)。このような複眼光学系を備えた撮像装置は、複数の撮影レンズ部をもつレンズアレイと、レンズアレイに対向配置された平面上の撮像素子により構成されている。撮影レンズ部により、被写体の部分画像を撮像素子上の所定領域に結像させ、これらの部分画像を合成することにより、全体画像を得ることができる。これにより、結像レンズと撮像素子との距離を短くすることができ、単一の光学系を用いた撮像装置と比べて、小型軽量化することができる。
双曲面ミラーを用いた広角撮像装置500において、被写体の虚像が形成される位置は、双曲面ミラー501の形状によって変化する。図12に示すように、物体511aから発せられた光束は、双曲面ミラー501上で反射したあと、結像レンズ502を介して、撮像素子503の撮像面505上に結像される。また、物体511aの虚像511bが、双曲面ミラー501により形成される。虚像511bが形成される位置から撮像素子503までの距離は、物体511aから双曲面ミラー501までの距離や、物体511aが発する光束の双曲面ミラー501に入射する径方向の位置、すなわち双曲面ミラーの形状などに依存する。したがって、双曲面ミラーを用いた広角撮像装置500は、虚像511bに対して撮像素子503の視野内全体を合焦可能とするために、被写界深度の深い結像レンズ502を必要とする。
In the wide-
しかしながら、深い被写界深度を得るためには、結像レンズ502と撮像素子503との距離、および結像レンズ502と双曲面ミラー501との距離を大きくする必要がある。したがって、広角撮像装置500は、光学系の全長を短くすることが困難である。また、双曲面ミラー501の径は、結像レンズ502と双曲面ミラー501との距離、すなわち、結像レンズ502に入射する光線の入射角に依存するため、広角撮像装置全体の小型化が困難であるという問題があった。また、双曲面ミラー501の断面の曲率は、XY断面とZY断面とで異なるため、虚像が一点に結ばれず、撮像画像の画質が劣化するという問題があった。
However, in order to obtain a deep depth of field, it is necessary to increase the distance between the
また、放物面ミラーを用いた広角撮像装置は、物体から発せられ、放物面ミラー上で反射された光束の主光線が、各結像レンズの光軸と平行になる性質を有する。しかしながら、これらの平行射影が成立する受光系は、従来の広角撮像装置および光学系では実現することができず、撮像画像を放物面の焦点を中心とする画像へ正確に変換することができなかった。 A wide-angle imaging device using a parabolic mirror has a property that a principal ray of a light beam emitted from an object and reflected on the parabolic mirror is parallel to the optical axis of each imaging lens. However, the light receiving system in which these parallel projections are established cannot be realized by the conventional wide-angle imaging device and optical system, and the captured image can be accurately converted into an image centered on the paraboloid focus. There wasn't.
一方、特許文献2および特許文献3に記載された複眼光学系を備えた撮像装置は、結像レンズを小径化し、結像レンズと撮像素子との間の距離を短くすることにより、小型化を図っている。しかしながら、被写体と結像レンズとの距離、および結像レンズと撮像素子との距離とを含む光学系の全長を短くすることについては提案されていない。また、他の光学系と組み合わせて撮像装置全体を小型化することについても提案されていない。
On the other hand, the image pickup apparatus including the compound eye optical system described in Patent Document 2 and
そこで本発明の目的は、上記の問題を解決するために、光学系を含む装置全体を小型化するとともに、画質の劣化が抑制された鮮明な全方位画像を取得可能な広角撮像装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a wide-angle imaging device capable of obtaining a clear omnidirectional image with reduced image quality while reducing the size of the entire device including the optical system in order to solve the above problems. There is.
本発明の目的は、以下の構成を備えた広角撮像装置によって達成される。
被写体の光学的な像を電気的な画像信号として出力可能な撮像装置であって、
曲面形状の反射面を有する反射ミラーと、
反射面によって反射された光を受光して光学的な像を形成する結像レンズを含む撮像光学系と、
撮像光学系により結像される光学的な像を電気的な画像信号に変換して出力し、結像レンズと対向して配置される撮像素子とを備え、
結像レンズと、結像レンズが形成する光学的な像を受光する複数の受光部を有する撮像素子上の撮像領域とによりユニットが構成されており、
複数のユニットが2次元に配列されていることを特徴としている。
The object of the present invention is achieved by a wide-angle imaging device having the following configuration.
An imaging apparatus capable of outputting an optical image of a subject as an electrical image signal,
A reflecting mirror having a curved reflecting surface;
An imaging optical system including an imaging lens that receives the light reflected by the reflecting surface and forms an optical image;
An optical image formed by the imaging optical system is converted into an electrical image signal and output, and includes an imaging device disposed opposite to the imaging lens.
A unit is constituted by an imaging lens and an imaging region on an imaging device having a plurality of light receiving portions that receive an optical image formed by the imaging lens,
A plurality of units are two-dimensionally arranged.
この構成により、撮像素子と結像レンズとの距離、および反射ミラーと結像レンズとの距離を短くすることができる。これに伴い、反射ミラーも小さくすることができるので、小型化された広角撮像装置を提供することができる。 With this configuration, the distance between the imaging element and the imaging lens and the distance between the reflection mirror and the imaging lens can be shortened. Along with this, the reflecting mirror can also be made small, so that a miniaturized wide-angle imaging device can be provided.
一例として、反射ミラーは、放物面の形状を有する凸面鏡を含むことを特徴としている。 As an example, the reflecting mirror includes a convex mirror having a parabolic shape.
この構成により、放物面ミラーにより反射された光束は、各結像レンズに平行光として入射し、撮像素子上に結像される。これにより、撮像画像は、放物面の焦点を中心とした画像に容易に変換できるので、光学系の全長が短い小型化された広角撮像装置を提供することができる。 With this configuration, the light beam reflected by the parabolic mirror enters each imaging lens as parallel light and forms an image on the image sensor. As a result, the captured image can be easily converted into an image centered on the focal point of the paraboloid, so that it is possible to provide a miniaturized wide-angle imaging device with a short overall optical system length.
具体的には、撮像素子により出力される複数の画像信号に基づいて、被写体像の画像信号を生成する画像合成器を備え、
画像合成器は、複数のユニットにより出力される複数の画像信号に基づいて、放物面の焦点を中心とする被写体像の画像信号を生成することを特徴としている。
Specifically, an image synthesizer that generates an image signal of a subject image based on a plurality of image signals output by the image sensor,
The image synthesizer is characterized in that it generates an image signal of a subject image centered on the paraboloidal focus based on a plurality of image signals output by a plurality of units.
この構成により、ユニットごとに出力される被写体の部分画像は、放物面ミラーの焦点を視野中心とする単一の全体画像に合成される。 With this configuration, the partial image of the subject output for each unit is combined into a single whole image with the focal point of the parabolic mirror as the center of the visual field.
一例として、反射ミラーは、2葉双曲面のうち、一方の双曲面の形状を有する凸面鏡を含むことを特徴としている。 As an example, the reflecting mirror includes a convex mirror having a shape of one of the two leaf hyperboloids.
この構成により、撮像画像は、双曲面ミラーの焦点を中心とした画像に変換することができる。 With this configuration, the captured image can be converted into an image centered on the focal point of the hyperboloid mirror.
具体例として、撮像光学系は、反射面により反射された光のうち、結像レンズの配列位置に応じた画角の光を入射させる偏向素子とを含み、
反射面によって反射され、撮像素子に入射する光の主光線は、2葉双曲面のうち、他方の双曲面の焦点を通ることを特徴としている。
As a specific example, the imaging optical system includes a deflecting element that makes light having an angle of view corresponding to the arrangement position of the imaging lenses out of the light reflected by the reflecting surface,
The principal ray of light reflected by the reflecting surface and incident on the image sensor passes through the focal point of the other hyperboloid of the two-leaf hyperboloid.
この構成により、双曲面ミラーにより反射された光束は、複数の結像レンズにより構成されるレンズアレイにより、撮像素子上に結像される。これにより、撮像画像は、双曲面ミラーの焦点を中心とした画像に容易に変換できるので、光学系の全長が短く小型化された広角撮像装置を提供することができる。また、径の小さい結像レンズを用いることにより、双曲面ミラーでの反射領域を小さくすることができるので、虚像の形成される位置のずれが微小となり、画質の劣化が抑制された全方位画像を得ることができる。 With this configuration, the light beam reflected by the hyperboloid mirror is imaged on the image sensor by the lens array including a plurality of imaging lenses. As a result, the captured image can be easily converted into an image centered on the focal point of the hyperboloidal mirror, so that it is possible to provide a compact and wide-angle imaging device with a short overall optical system length. In addition, by using an imaging lens with a small diameter, the reflection area of the hyperboloidal mirror can be reduced, so that the displacement of the position where the virtual image is formed becomes minute and the omnidirectional image in which the deterioration of the image quality is suppressed. Can be obtained.
具体例として、撮像素子により出力される複数の画像信号に基づいて、被写体像の画像信号を生成する画像合成器を備え、
画像合成器は、複数の画像信号に基づいて、反射ミラーの焦点を視野中心とする被写体像の画像信号を生成することを特徴としている。
As a specific example, an image synthesizer that generates an image signal of a subject image based on a plurality of image signals output by an image sensor,
The image synthesizer is characterized in that it generates an image signal of a subject image with the focus of the reflection mirror as the center of the visual field based on a plurality of image signals.
この構成により、ユニットごとに出力される被写体の部分画像は、双曲面ミラーの焦点を視野中心とする単一の全体画像に合成される。 With this configuration, the partial image of the subject output for each unit is combined into a single whole image with the focal point of the hyperboloid mirror as the center of the visual field.
具体例として、偏向素子は、レンズからなることを特徴としている。 As a specific example, the deflection element is characterized by comprising a lens.
この構成により、各結像レンズに入射する光束は、平行光に屈折されるので、被写体に対する視野を確保することができ、結像レンズを平面上に配置することができる。 With this configuration, since the light beam incident on each imaging lens is refracted into parallel light, a field of view for the subject can be secured, and the imaging lens can be arranged on a plane.
具体例として、偏向素子は、フレネルレンズからなることを特徴としている。 As a specific example, the deflection element is characterized by comprising a Fresnel lens.
この構成により、被写体に対する視野を確保することができる効果に加えて、レンズの厚さを薄くすることができるので、さらに光軸方向に小型化することができる。 With this configuration, in addition to the effect of securing the field of view for the subject, the thickness of the lens can be reduced, so that the size can be further reduced in the optical axis direction.
以上のように、光学系を含む装置全体を小型化するとともに、画質の劣化が抑制された鮮明な全方位画像を取得可能な広角撮像装置を提供することができる。 As described above, it is possible to provide a wide-angle imaging device capable of obtaining a clear omnidirectional image in which deterioration of image quality is suppressed while reducing the size of the entire device including the optical system.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る広角撮像装置100の構成を示す概略図である。広角撮像装置100は、放物面ミラー1と、レンズアレイ3と、撮像素子4と、A/D変換器12と、画像合成器13とを備える。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a wide-
放物面ミラー1は、反射面を有する凸面鏡であり、焦点5を有する放物線を軸周りに回転させて得られる曲面形状である。図1に示すように、放物面ミラー1の回転中心軸6は、鉛直方向を示すZ軸と一致する。また、Z軸と垂直な平面内において、直交する軸をそれぞれX軸およびY軸とする。なお、放物面ミラー1は、ZY平面による切り口の形状は放物線になり、XY平面による切り口の形状は円になる性質を有する。
The
レンズアレイ3は、複数の微小な結像レンズにより構成され、撮像素子4と対向して配置される。本実施の形態において、レンズアレイ3は、単一の平面内に、それぞれX方向に5個、Y方向に5個の合計25個の結像レンズにより構成される。レンズアレイ3に入射した光束は、結像レンズの屈折作用により撮像素子4上に結像される。
The
撮像素子4は、CCD(Charge Coupled Device)であり、結像レンズにより形成される光学的な像を電気的な信号に変換する。撮像素子4上には、入射した光束を取り入れる受光部が複数形成されている。さらに、撮像素子4は、結像レンズの個数と等しい数の撮像領域が形成されており、1つの撮像領域には複数の受光部が含まれている。ここで、各結像光学系をユニットとし、1ユニットは、1つの結像レンズと、1つの撮像領域により構成される。そして、これらの複数のユニットは2次元に配列される。これにより、1つの結像レンズに入射する光束は、1つの撮影領域に結像され、電気的なアナログ信号に変換される。なお、撮像素子4は、CMOS(Complementary Metal−Oxide Semiconductor)でもよい。
The
A/D変換器12は、撮像素子4により出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。画像合成器13は、A/D変換器12により出力される画像信号に、後述する合成処理を施す。
The A /
物体11aから発せられた光束のうち、主光線が放物面ミラー1の焦点5へ向かう光束8は、放物面ミラー1の反射面上で反射される。光束8の主光線は、放物面ミラー1の性質により、Z軸と平行になるように反射される。その後、反射された光束8は、レンズアレイ3に入射し、ユニットごとに結像される。この構成により、物体11aの位置に関わらず、放物面ミラー1上で反射された光束8の主光線は、レンズアレイ3の各結像レンズ
に平行光として入射するので、撮像画像は、焦点5を中心とした座標系に変換することができる。
Of the luminous flux emitted from the
次に、本実施の形態に係る広角撮像装置によって得られる画像について説明する。図2において、「a」「b」「c」「d」の4つの文字が描かれたスクリーン20は、Z軸を中心に放物面ミラー1の周囲に設置される。また、図2(c)に示すように、スクリーン20は、その表面から放物面ミラー1までの距離が一定になるように設置される。
Next, an image obtained by the wide-angle imaging device according to the present embodiment will be described. In FIG. 2, a
図3は、放物面ミラー1により形成されるスクリーン20の虚像を示す。このとき形成される虚像は、スクリーン20に描かれた文字が相対的に反転された画像である。スクリーン20から放物面ミラー1の焦点5に向かう光束8は、放物面ミラー1上で反射される。主光線がZ軸と平行になるように反射された光束8は、レンズアレイ3に入射し、各結像レンズにより撮像素子4上に結像される。このとき、各結像レンズは、スクリーン20の虚像の部分画像を撮像素子4上に結像する。例えば、図4に示すように、ユニットA11において、領域A11の虚像は、結像レンズA11により、撮像素子4上の撮像領域A11に結像される。したがって、25個の結像レンズを用いた場合、25個のユニットが構成されることになり、スクリーン20の撮影領域は25個に分割される。また、結像レンズの結像作用により、部分画像の倒立像が、それぞれ撮像素子4上に結像される。撮像素子4上に結像された各画像は、CCDにより電気的なアナログ信号に変換されたあと、A/D変換器12によりデジタル信号に変換される。
FIG. 3 shows a virtual image of the
図5は、各ユニットにより得られる各部分画像を再構成した図を示す。各ユニットにより出力された部分画像は、A/D変換器12によりデジタル信号に変換された後、画像合成器13により合成処理が行われる。画像合成器13は、回転処理回路と合成処理回路とを含み、図5に示す各部分画像に回転処理および合成処理を行うことにより、合成画像を形成する。画像合成器13は、まず、A/D変換器12により出力された各部分画像を倒立像から正立像に変換する処理を行う。すなわち、それぞれの撮影領域の中心を軸として180°回転させ、これらを合成し、1枚の全体画像として合成画像を出力する。この際、隣接する結像レンズの撮像範囲は一部重複していることから、重複した部分を利用することにより、周知の相関処理などのパターンマッチング手法を用いて各部分画像をつなぎ合わせる。つなぎ合わされた合成画像は、記録装置に記録され、またはモニタに表示される。
FIG. 5 shows a diagram in which each partial image obtained by each unit is reconstructed. The partial image output by each unit is converted into a digital signal by the A /
このように、放物面ミラーと、複数の結像レンズを用いた複眼光学系により、撮像素子と結像レンズとの距離、および放物面ミラーと結像レンズとの距離を短くすることができ、光軸方向に小型化が可能となる。また、放物面ミラーと結像レンズとの距離が短くなることにより、放物面ミラーも小さくすることができるので、広角撮像装置全体の小型化が可能となる。さらに、各結像レンズの径は微小であることから、虚像が形成される位置のずれが微小となり、画質の劣化を抑制することができる。 Thus, the compound eye optical system using the parabolic mirror and the plurality of imaging lenses can shorten the distance between the imaging element and the imaging lens and the distance between the parabolic mirror and the imaging lens. The size can be reduced in the optical axis direction. Further, since the distance between the paraboloid mirror and the imaging lens is shortened, the paraboloid mirror can also be made small, so that the entire wide-angle imaging device can be downsized. Furthermore, since the diameter of each imaging lens is very small, the displacement of the position where the virtual image is formed becomes small, and deterioration in image quality can be suppressed.
以上のように、実施の形態1に係る広角撮像装置を用いることにより、放物面ミラーにより反射された光束の主光線は、放物面ミラーの回転軸と平行になるので、撮像画像は、放物面ミラーの焦点を中心とした画像に変換することができる。また、複眼光学系において、結像レンズの径は微小であることから、単一の光学系において1枚の結像レンズを用いる場合と比べて、主点の位置をずらすことができる。これにより、バックフォーカスを短くすることができ、光軸方向に小型化が可能となる。 As described above, by using the wide-angle imaging device according to the first embodiment, the principal ray of the light beam reflected by the parabolic mirror is parallel to the rotation axis of the parabolic mirror. It can be converted into an image centered on the focus of the parabolic mirror. Further, in the compound eye optical system, since the diameter of the imaging lens is very small, the position of the principal point can be shifted compared to the case where one imaging lens is used in a single optical system. As a result, the back focus can be shortened and the size can be reduced in the optical axis direction.
また、各結像レンズは、虚像の部分画像を、ユニットごとに撮像素子上に結像させる。そして、全体画像は、各ユニットによる部分画像を合成することにより得られる。したがって、各ユニットにより得られる部分画像は、低解像度になることから、パンフォーカスとすることが可能であり、レンズアレイと放物面ミラーとの距離を短くすることができる。したがって、結像レンズと撮像素子との距離および結像レンズと放物面ミラーとの距離、すなわち光学系の全長を短くすることができるので、小型化された広角撮像装置を提供することができる。 Each imaging lens forms a partial image of the virtual image on the image sensor for each unit. Then, the entire image is obtained by synthesizing the partial images from each unit. Therefore, the partial image obtained by each unit has a low resolution, so that it can be pan-focused, and the distance between the lens array and the parabolic mirror can be shortened. Therefore, since the distance between the imaging lens and the imaging element and the distance between the imaging lens and the parabolic mirror, that is, the total length of the optical system can be shortened, a miniaturized wide-angle imaging device can be provided. .
また、結像レンズの径は微小であることから、各結像レンズに入射する光束の放物面ミラーにおける反射領域は小さくなる。したがって、放物面ミラーの断面の曲率の差による虚像の形成位置のずれを微小にすることができる。これにより、画質の劣化を抑えた鮮明な全方位画像を得ることができる。 Further, since the diameter of the imaging lens is very small, the reflection area of the parabolic mirror for the light beam incident on each imaging lens becomes small. Therefore, the displacement of the virtual image forming position due to the difference in the curvature of the cross section of the parabolic mirror can be made minute. Thereby, it is possible to obtain a clear omnidirectional image in which deterioration of image quality is suppressed.
なお、本実施の形態において、反射ミラーの形状は放物面としたが、これに限られない。例えば、被写体光を結像レンズに対して平行光となるように反射させることができる回転対称性を有する円錐形状や、回転非対称の形状のミラーを用いても、全方位画像の撮像が可能な広角撮像装置を構成することができる。 In the present embodiment, the shape of the reflecting mirror is a paraboloid, but is not limited thereto. For example, it is possible to capture an omnidirectional image using a rotationally symmetric conical shape that can reflect subject light so that it becomes parallel light to the imaging lens, or a rotationally asymmetrical mirror. A wide-angle imaging device can be configured.
(実施の形態2)
図6は、実施の形態2に係る広角撮像装置200の構成を示す概略図である。広角撮像装置200は、実施の形態1に係る広角撮像装置100の構成とほぼ等しい構成を持つが、以下の点で異なる。すなわち、回転体ミラーの形状を双曲面とし、また、レンズアレイ3の双曲面ミラー側に偏向素子を備える点で異なる。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a configuration of the wide-
2葉双曲面は、2つの焦点25および27を有する。2葉双曲面のうち、焦点25を有する一方の双曲面は、双曲面ミラー21として用いられる。また、双曲面ミラー21は、反射面を有する凸面鏡である。ここで、双曲面ミラー21の回転中心軸26と、鉛直方向を示すZ軸とは一致している。また、Z軸と垂直な平面内において、直交する軸をそれぞれX軸およびY軸とする。なお、双曲面ミラー21は、ZY平面による切り口の形状は双曲線になり、XY平面による切り口の形状は円になる性質を有する。
The bilobal hyperboloid has two
偏向光学素子は、平凸レンズ22からなり、入射した光束をレンズアレイ3の結像レンズに対して平行光となるように屈折させる。これにより、双曲面ミラー21により反射された光束を、レンズアレイ3の端部周辺に位置する結像レンズに入射させることができ、被写体に対する視野を確保することができる。平凸レンズ22は、双曲面の焦点7と平凸レンズの焦点との位置が等しくなるように配置される。したがって、双曲面ミラー21により反射され、平凸レンズ22に入射する光束の主光線は、2葉双曲面のうち、他方の双曲面の焦点を通過する。平行光として入射した光束は、レンズアレイ3を構成する各結像レンズにより撮像素子4上に結像される。
The deflecting optical element includes a plano-
物体11aから発せられた光束のうち、主光線が双曲面ミラー21の焦点25へ向かう光束28は、双曲面ミラー21の反射面上で反射したあと、回転中心軸26上の双曲面の焦点27に達する。焦点27に達した光束28は、平凸レンズ22により平行光にされた後、レンズアレイ3に入射する。そして、レンズアレイ3に入射した光束28は、結像レンズによって、ユニットごとに結像される。このような構成により、物体11aの位置に関わらず、双曲面ミラー21上で反射された光束の主光線は、双曲面および平凸レンズの焦点27に達するので、撮像画像は、焦点25を中心とした座標系に変換することができる。
Of the luminous flux emitted from the
次に、本実施の形態に係る広角撮像装置によって得られる画像について説明する。実施の形態1と同様に、図2において、「a」「b」「c」「d」の4つの文字が描かれたスクリーン20は、Z軸を中心に双曲面ミラー21の周囲に設置される。この際、実施の形態1と同様に、スクリーン20は、その表面から双曲面ミラー21までの距離が一定になるように設置される。
Next, an image obtained by the wide-angle imaging device according to the present embodiment will be described. As in the first embodiment, in FIG. 2, the
双曲面ミラー21により形成される虚像は、実施の形態1における放物面ミラーを用いた場合と比べて、文字の歪みの少ない画像となる。双曲面ミラー21上で反射され、主光線が焦点27に達する光束28は、双曲面の焦点27と等しい位置に焦点を有する平凸レンズ22により、平行光に屈折される。平行光に屈折された光束28は、レンズアレイ3に入射し、撮像素子4上に結像される。ここで、実施の形態1と同様に、レンズアレイ3を構成する各結像レンズは、微小であることから、スクリーン20の部分画像を、ユニットごとに結像させる。このとき、平凸レンズおよび結像レンズの結像作用により、部分画像の正立像が、それぞれ撮像素子4上に結像される。
The virtual image formed by the
図7は、各ユニットにより得られる各部分画像を再構成した図を示す。実施の形態1の場合と異なり、撮像画像は正立像であるため、画像合成器13は回転処理回路が不要となる。したがって、実施の形態1と比べて、画像合成器13における信号処理の負担を減少させることができる。画像合成器13は、周知の相関処理などのパターンマッチング手法を用いて合成処理を行い、1枚の全体画像として合成画像信号を出力する。
FIG. 7 shows a diagram in which each partial image obtained by each unit is reconstructed. Unlike the case of the first embodiment, since the captured image is an erect image, the
このように、双曲面ミラーと、複数の結像レンズを用いた複眼光学系により、撮像素子と結像レンズとの距離、および双曲面ミラーと結像レンズとの距離を短くすることができ、光軸方向に小型化が可能となる。また、放物面ミラーと結像レンズとの距離を短くなることにより、双曲面ミラーも小さくすることができるので、広角撮像装置全体の小型化が可能となる。さらに、各結像レンズの径は微小であることから、虚像が形成される位置のずれが微小となり、画質の劣化を抑制することができる。 Thus, by the compound eye optical system using the hyperboloid mirror and a plurality of imaging lenses, the distance between the imaging element and the imaging lens and the distance between the hyperboloid mirror and the imaging lens can be shortened. Miniaturization in the optical axis direction is possible. In addition, by shortening the distance between the paraboloidal mirror and the imaging lens, the hyperboloidal mirror can also be made small, so that the entire wide-angle imaging device can be miniaturized. Furthermore, since the diameter of each imaging lens is very small, the displacement of the position where the virtual image is formed becomes small, and deterioration in image quality can be suppressed.
以上のように、実施の形態2に係る広角撮像装置は、小型化が困難であった双曲面ミラーを用いた場合においても、実施の形態1と同様に、光軸方向の小型化が可能となる。また、結像レンズと双曲面ミラーとの距離を短くすることにより、双曲面ミラーの径を小さくすることができるので、さらに小型化された広角撮像装置とすることができる。また、双曲面ミラーにおける光束の反射領域を小さくすることができるので、画質の劣化が抑制された全方位画像を得ることができる。したがって、回転体ミラーの形状に双曲面を用いた広角撮像装置においても、小型化および画質劣化の抑制が可能となる。 As described above, the wide-angle imaging device according to the second embodiment can be downsized in the optical axis direction as in the first embodiment even when a hyperboloid mirror that has been difficult to downsize is used. Become. Moreover, since the diameter of the hyperboloidal mirror can be reduced by shortening the distance between the imaging lens and the hyperboloidal mirror, a further miniaturized wide-angle imaging device can be obtained. In addition, since the reflection region of the light beam in the hyperboloid mirror can be reduced, an omnidirectional image in which deterioration of image quality is suppressed can be obtained. Therefore, even in a wide-angle imaging device using a hyperboloid as the shape of the rotator mirror, it is possible to reduce the size and suppress deterioration in image quality.
また、実施の形態2に係る広角撮像装置において、撮像画像は正立像であることから、回転処理回路が不要な信号処理の負担が少ない画像合成器とすることができるので、簡素化および小型化された広角撮像装置とすることができる。 Further, in the wide-angle imaging device according to the second embodiment, since the captured image is an erect image, it is possible to provide an image synthesizer that does not require a rotation processing circuit and has a low signal processing load. A wide-angle imaging device can be obtained.
なお、実施の形態2において、偏向光学素子は平凸レンズを用いたがこれに限られない。例えば、図8に示すように、平凸レンズと同等の効果を有するフレネルレンズを用いてもよい。これにより、平凸レンズを用いたときと比べて、レンズの厚さを薄くすることができ、さらに光軸方向への小型化が可能になる。 In the second embodiment, a plano-convex lens is used as the deflecting optical element, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 8, you may use the Fresnel lens which has an effect equivalent to a plano-convex lens. Thereby, compared with the case where a plano-convex lens is used, the thickness of the lens can be reduced, and further downsizing in the optical axis direction is possible.
なお、実施の形態1および2において、図9に示すように、レンズアレイと撮像素子との間に遮光板として隔壁を設けてもよい。これにより、レンズアレイを構成する各結像レンズによる像が、隣接する結像レンズによる像と重なって撮像素子に入力されることを防止することができる。したがって、実施の形態1および2の効果に加えて、さらに画質の劣化を抑制することができ、良好な全方位画像信号を得ることができる。
In
なお、実施の形態1および2において、撮影領域を25分割し、レンズアレイを構成する結像レンズの個数はX方向に5個、Y方向に5個とする25個としたが、これに限られない。
In
なお、ユニットの2次元の配列とは、実施の形態1および2に示した、単一の平面上に限られず仮想球面上でもよい。 The two-dimensional arrangement of units is not limited to a single plane as shown in the first and second embodiments, but may be on a virtual sphere.
本発明の広角撮像装置は、小型化が要望されている、監視装置や移動型ロボットの視覚センサ、車載撮像装置などに好適である。 The wide-angle imaging device of the present invention is suitable for a monitoring device, a visual sensor of a mobile robot, an in-vehicle imaging device, and the like that are required to be downsized.
1 放物面ミラー
3 レンズアレイ
4 撮像素子
5 放物面ミラーの焦点
6 放物面ミラーの回転中心軸
8 光束
9 隔壁
11a 撮影対象物
11b 虚像
12 A/D変換器
13 画像合成器
14 フレネルレンズ
15 放物面ミラーの内部焦点
20 スクリーン
21 双曲面ミラー
22 平凸レンズ
25 双曲面の焦点
26 双曲面ミラーの回転中心軸
27 双曲面の焦点
28 光束
DESCRIPTION OF
Claims (8)
曲面形状の反射面を有する反射ミラーと、
前記反射面によって反射された光を受光して光学的な像を形成する結像レンズを含む撮像光学系と、
前記撮像光学系により結像される光学的な像を電気的な画像信号に変換して出力し、前記結像レンズと対向して配置される撮像素子とを備え、
前記結像レンズと、当該結像レンズが形成する光学的な像を受光する複数の受光部を有する前記撮像素子上の撮像領域とによりユニットが構成されており、
複数の前記ユニットが2次元に配列されていることを特徴とする、広角撮像装置。 An imaging apparatus capable of outputting an optical image of a subject as an electrical image signal,
A reflecting mirror having a curved reflecting surface;
An imaging optical system including an imaging lens that receives the light reflected by the reflecting surface and forms an optical image;
An optical image formed by the imaging optical system is converted into an electrical image signal and output, and includes an imaging device disposed facing the imaging lens.
A unit is constituted by the imaging lens and an imaging region on the imaging device having a plurality of light receiving portions that receive an optical image formed by the imaging lens,
A wide-angle imaging device, wherein the plurality of units are arranged two-dimensionally.
前記画像合成器は、複数の前記ユニットにより出力される複数の前記画像信号に基づいて、前記放物面の焦点を視野中心とする前記被写体像の画像信号を生成することを特徴とする、請求項2記載の広角撮像装置。 An image synthesizer that generates an image signal of a subject image based on the plurality of image signals output by the image sensor;
The image synthesizer generates an image signal of the subject image with a focal point being the focal point of the paraboloid, based on a plurality of the image signals output from the plurality of units. Item 3. The wide-angle imaging device according to Item 2.
前記反射面によって反射され、前記撮像素子に入射する光の主光線は、2葉双曲面のうち、他方の双曲面の焦点を通ることを特徴とする、請求項4記載の広角撮像装置。 The imaging optical system includes a deflection element that makes light having an angle of view corresponding to the arrangement position of the imaging lenses out of the light reflected by the reflection surface,
The wide-angle imaging device according to claim 4, wherein a principal ray of light reflected by the reflecting surface and incident on the imaging device passes through a focal point of the other hyperboloid of two leaf hyperboloids.
前記画像合成器は、複数の前記ユニットにより出力される複数の前記画像信号に基づいて、前記反射ミラーの焦点を視野中心とする前記被写体像の画像信号を生成することを特徴とする、請求項4記載の広角撮像装置。 An image synthesizer that generates an image signal of a subject image based on the plurality of image signals output by the image sensor;
The image synthesizer generates an image signal of the subject image with the focal point of the reflecting mirror as the center of the visual field based on the plurality of image signals output from the plurality of units. 4. The wide-angle imaging device according to 4.
The wide-angle imaging device according to claim 4, wherein the deflection element is a Fresnel lens.
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