JP4624532B2

JP4624532B2 - 光学システム

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Publication number: JP4624532B2
Application number: JP2000284284A
Authority: JP
Inventors: アールダンスクリストファー; エーテイラースチュアート; シーガーモーリチャス
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 2000-09-19
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2020-09-19
Also published as: US6512539B1; EP1089548A3; JP2001133855A; EP1089548A2; DE60042470D1; EP1089548B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像取り込みシステムに関し、特に、カメラシステムによって対象をスキャン撮像する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
机上スキャン法はしばしば、消費者レベルのビデオカメラによって実行される。カメラを用いた対象のスキャンは、従来のスキャン方法に比べ多くの利点を有するが、消費者レベルのビデオカメラの使用による文書スキャンではしばしば、カメラの解像度に制限が与えられる。消費者レベルのビデオカメラなどの低解像度カメラは典型的には、光学文字認識（ＯＣＲ）を使った文書復号を成功させるために十分な品質の画像を生じない。例えば、ビデオカメラによってスキャンされた１０ポイントのタイムズローマン（10-point Times Roman）の文章では、注意深く生成されたバイナリ化アルゴリズムを、１００ドット毎インチ（dots per inch）（ｄ．ｐ．ｉ）ほどの低解像度で取得されたカメラ画像に適用することにより、１％以下のＯＣＲエラー率を達成できる。これ以下の解像度では、エラー率及びページを認識するための時間が急激に増加する。現在ではいくつかの高解像度カメラが入手可能であるが、これらのカメラは典型的には、机上スキャン法のためには費用効果が低い。
【０００３】
低解像度カメラの画像を向上させるために使われる一つの方法に、しばしば「モザイク法」、「タイル張り法」、又は「縫い合わせ法」と呼ばれる方法がある。これらの技法は、いくつかの小さな低解像度画像を貼り合わせ、高解像度を有する大きな画像を作り出す。小さな低解像度画像間のいくらかの重複が、これらの画像を一緒に繕い、一つの複合画像を形成するために必要とされる。一般的には、モザイク技法は、モザイク内の画像の数におおよそ比例する高められた解像度を生ずる。
【０００４】
モザイクする際には、小さな低解像度画像は、いくつかの方法によって得ることができる。例えば、カメラが、大きな写像領域に対して動いてもよい。カメラはユーザによって手動で動かされてもよいし、自動的に移動装置によって動かされてもよい。残念ながら、カメラがパンされる及び／又は傾けられると、遠近の歪みをたびたび修正する必要がある。
【０００５】
これに代えて、モザイクは、写像対象（例えば文書）をカメラに対して動かすことによって実行してもよい。この種類のモザイクは、対象を容易に動かせる場合にのみ可能である。文書をスキャン撮像するために使用された場合にはこの方法は、ユーザとの、直感的でなく不便な相互作用を必要とし、このユーザは文書を動かし、文書の全ての部分がカメラによって見えるようにする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの二つの種類のモザイク技法はしばしば、スケールの変更、回転、又は非線型の歪曲によって、画像をお互いに対して変容させてしまう。その後、モザイクが得られる前に、変容を検出又は較正し、画像をその歪曲されていない座標に戻す作業を行う必要がある、計算が複雑のみならず、これらの作業は、画像の品質を劣化させる恐れがある。
【０００７】
第三の種類のモザイク技法は、カメラの画像センサを画像平面に平行な平面上で動かすことにより達成できる。これは一般的には、画像センサを２軸平行移動装置に取付けるために、現存する消費者レベルカメラの大規模な変更又は改装を伴う。市販されている消費者レベルビデオカメラを使用できないことにより、机上スキャンシステムのコストが増加する可能性が高い。
【０００８】
これらの種類のモザイク技法のもう一つの制限は、モザイクシステムにより到達できる速度が、文書又はカメラをどれだけ早く動かせるかに内在的に制限されていることである。文書又はカメラを動かすことは、両者を動かす代わりに展望鏡を用いた光の移動ほど効率的ではありえない。光の位置を変える方法は、机上スキャン画像の品質を高め、机上スキャン法の費用的な可能性を保持しつつ、モザイクシステムの効率を向上させる可能性が高い。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的の一つは、カメラシステムによってスキャンされた画像の解像度を高めることである。
【００１０】
本発明の目的のもう一つは、展望鏡を用いて、カメラの視界を対象の様々な小区分へと位置を変えることである。
【００１１】
本発明の更なる目的の一つは、他のモザイク技法を使った時に可能なものよりも、高い解像度の画像を高いフレーム率でカメラシステムから得ることである。
【００１２】
本発明に係る光学システムは、回転軸を有する内部反射表面と、前記内部反射表面に取付けられ、前記内部反射表面を複数の所定の位置に回転軸に対して回転させるよう機能できる駆動機構と、複数の外部反射表面と、を有し、複数の外部反射表面は、内部反射表面が回転される間静止したままであり、各外部反射表面が、前記所定位置の一つに回転軸に対して配置された内部反射表面と共に、複数の対象小区分の一つから発せられる光の光線をカメラが、内部反射表面の回転軸に対して整列された光学軸によって取込むことができるよう、反射光経路を形成する。
【００１３】
また、光学システムであって、複数の反射表面と、一つ又はそれ以上の反射表面に取付けられた駆動機構と、を有する光学システムも提案される。駆動機構は、取付けられた反射表面を、回転軸において、複数の所定位置に回転し、各所定位置において反射光経路を形成し、複数の対象小区分の一つから発せられる光の光線をカメラが取込めるようにする。
【００１４】
これに加え、カメラシステムが提案される。このカメラシステムは、画像センサと、レンズシステムと、内部反射表面と、複数の外部反射表面と、を有する。反射表面は、複数の反射光経路を画像センサとレンズシステムとの間に作り出す。各光経路は、画像センサによって取込むべき対象の複数の小区分の一つから発せられた光を反射する。
【００１５】
カメラシステムによって対象をスキャン撮像する方法もまた提案される。対象はＮ個の小区分を含む。カメラシステムは、展望鏡を含み、この展望鏡は、内部反射表面と、複数の外部反射表面と、を備える。内部反射表面は、その回転軸に対して第一の位置に配置され、対象の第一の小区分から発せられた光の光線が、内部反射表面と外部反射表面の第一の集合とによって形成された第一反射経路を通過するようにする。対象の第一小区分の画像が記録される。内部反射表面は、その回転軸に対して次の位置に配置され、対象の次の小区分から発せられた光の光線が、内部反射表面と外部反射表面の次の集合とによって形成された、次の反射経路を通過するようにする。対象の次の小区分の画像が記録される。前述の二つのステップが、対象の全ての小区分が記録されるまで繰り返される。Ｎ個の小区分の画像が組み合わされ、対象の画像を生成する。
【００１６】
カメラシステムによって対象をスキャン撮像する更なる方法が提案される。対象はＮ個の小区分を有し、カメラシステムは、回転可能な反射表面の集合を備える展望鏡を含む。回転可能な反射表面の集合は、回転軸に対して第一の所定の位置に配置され、対象の第一小区分から発せられた光の光線が第一の反射経路を通過するようにする。対象の第一小区分の画像が記録される。回転可能な反射表面の集合は、回転軸に対して次の位置に配置され、対象の次の小区分から発せられた光の光線が次の反射経路を通過するようにする。対象の次の小区分の画像が記録される。前述の二つのステップが、Ｎ個の小区分全ての画像が記録されるまで繰り返される。Ｎ個の小区分の画像が組み合わされ、対象の画像を生成する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
光学文字認識（「ＯＣＲ」）に適切な、対象の複合高解像度画像は、複数の低解像度カメラ画像を組み合わせ又は貼り合わせ、高い解像度を有する複合画像を形成することにより得られる。各低解像度カメラ画像は、スキャン対象の小区分（「対象小区分」としても参照する）を表す。例えば、各小区分は、文書ページの一象限を表してもよい。展望鏡を使うことにより、カメラから見える画像の位置が変わり、様々な対象小区分の画像を取込むことができる。このスキャン方法は、現存する消費者レベルのビデオカメラの使用を可能にしつつスキャンされた文書の解像度を高める。
【００１８】
図１において、本発明の一つの実施形態による、対象を写像するための画像取得システム１００を示す。説明を簡易にするため、スキャンによって写像される対象は、この明細書を通して「対象」として参照される。画像取得システム１００は、カメラ１１０と、展望鏡１２０と、画像処理システム１５０と、を有する。矢印１０１は、対象から発せられる光の光線を表す。対象は、一つ又はそれ以上の二次元（２Ｄ）対象（例えば文書の１ページなど）、一つ又はそれ以上の三次元（３Ｄ）対象（例えば人間の指など）、２Ｄ及び３Ｄ対象の組み合わせ、又は一つ又はそれ以上の対象の一部を含んでもよい。画像取得システム１００は特に、「机上」スキャンなどの文書スキャン適用法に良く適している。
【００１９】
本発明の一つの実施形態では、カメラ１１０は、消費者レベルデジタルビデオカメラとして参照される。デジタルビデオカメラは典型的には、画像センサ（例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイ）上に画像を形成するレンズシステム（又は光学系）を含む。画像センサは一般的には、カメラ電子機器及び／又は画像処理システム１５０による画像処理のために、光を電気信号に変換する。消費者レベルビデオカメラは一般的には、一般社会に適度の値段で市販され入手可能な、解像度（すなわち水平及び垂直方向へのピクセル数）が６４０ｘ４８０から１２８０ｘ９６０の範囲のビデオカメラを示す。例えば、ソニーＤＦＷＶ３００（Sony DFW V300)）デジタルカメラは、消費者レベルビデオカメラとして考慮される。本発明の代替実施形態ではカメラ１１０は、プロによって商業目的に使われる、より高い解像度のビデオカメラや、カスタム化されたカメラを含んでもよい。これに加え、カメラ１１０は、ビデオカメラでなく、ラインスキャンカメラ（line-scan camera）であってもよい。また、カメラ１１０は単一のカメラを表してもよく、複数のカメラのシステムを表してもよいことにも留意すべきである。
【００２０】
カメラ１１０は、対象がカメラ１１０によって見えるよう、一表面（机の上又はホワイトボード、壁など）の上に配置される。本発明の一つの実施形態では、対象から発せられた光の光線がカメラ１１０に記録される前に、展望鏡１２０によって反射されるよう、展望鏡１２０がカメラ１１０と対象との間に配置される。展望鏡１２０を使いカメラ１１０から見える画像の位置を変更することにより、カメラ１１０は、より大きな画像領域を見ることができる。
【００２１】
例えば対象は、約２９７ｘ２１０ｍｍの寸法を有するＡ４サイズの紙（文書のページとしても参照される）を含んでもよい。各ページの一つの象限のみがカメラ１１０によって同時に見えるようカメラ１１０が配置される。展望鏡１２０が、全ての象限の画像（「カメラ画像」としても参照される）がカメラ１１０によって記録されるまで、カメラ１１０の視界の位置を、一つの象限から次の象限へと変更する。
【００２２】
カメラ画像は次に、カメラ１１０と接続した画像処理システム１５０によって処理される。本発明の一つの実施形態では、画像処理システム１５０は汎用コンピュータである。画像処理システム１５０は、対象の様々なカメラ画像を組み合わせ、複合画像を作り出す。様々なカメラ画像は、対象の小区分（例えば象限）の画像を表し、複合画像は、対象全体の画像を表す。画像処理システム１５０は、当業者には広く知られた様々なモザイク技法を使いカメラ画像の解像度を高め複合画像を作り出してもよい。対象の小区分を別個に記録し、次に様々なカメラ画像を繕い複合画像を作り出すことにより、スキャンされた対象の解像度が向上できる。
【００２３】
代替実施形態では、展望鏡はカメラに一体化され、反射屈折位置変更写真システムを形成してもよい。このようなカメラシステムでは、展望鏡はカメラレンズシステムと、カメラセンサとの間に配置される。
【００２４】
図２において、本発明の一つの実施形態における画像処理システム２００のブロック図を示す。画像処理システム２００は、ハードウェア部分２０２と、ソフトウェアモジュール２０４と、を含む。ハードウェア部分２０２は、プロセッサ（すなわちＣＰＵ）２０６と、メモリ２０８（ＲＯＭやＲＡＭなど）と、持続性保存装置２１０（例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フロッピドライブ、テープドライブ等）と、ユーザＩ／Ｏ２１２と、ネットワークＩ／Ｏ２１４と、を備える。ユーザＩ／Ｏ２１２は、キーボード２１６と、位置支持装置２１７（例えば、位置支持スティックやマウス等）と、ディスプレイ２１３と、を含むことができる。カメラ１１０もまた、ユーザＩ／Ｏ２１２を介して画像処理システム２００に接続されている。ネットワークＩ／Ｏ２１４は、画像処理システム２００の、ＬＡＮやＷＡＮやインターネットなどのネットワーク２１５への通信ゲートウェイである。
【００２５】
ソフトウェアモジュール２０４は、オペレーティングシステム２１９と、フレーム結合モジュール２１８や文書編集モジュール２２０や画像向上モジュール２２２などの様々なプログラムと、を含む。オペレーティングシステム２１９は、プロセッサ２０６が、周辺機器などの様々なハードウェア装置を制御することを可能にする。
【００２６】
フレーム結合モジュール２１８は、複数のカメラ画像をディスプレイ２１３における表示するために縫いあわせるよう適合される。その後、望まれるならば、フレーム結合モジュール２１８によって生成された複合画像が、画像向上モジュール２２２又は文書編集モジュール２２０を呼び出すことにより、それぞれ向上又は編集されてもよい。
【００２７】
当業者には、画像処理システム２００が汎用コンピュータであってもよく複数の構造のいずれか一つによって実施できることが理解できるであろう。例えば、プロセッサ２０６は、代替実施形態では、マルチ処理のために構成されたマイクロプロセッサの集合によって定義されてもよい。更に他の実施形態では、ソフトウェアモジュール２０４によって提供される機能が、一つの処理ユニットとして働く複数のコンピュータに分配されてもよい。更に、様々なソフトウェアモジュール２０４の一つ又はそれ以上の態様は、ソフトウェアの代わりにハードウェアによって実施されてもよい。
【００２８】
本発明の更に追加の実施形態では、画像処理システム２００は、汎用コンピュータではなく、データ処理装置によって実施されてもよい。例えば、データ処理は、文書カメラ（すなわち画像処理を行う能力のあるカメラシステム）などの携帯装置のハードウェア及び／又はソフトウェアによって実施されてもよい。
【００２９】
図３において、本発明の一つの実施形態における展望鏡３２０の斜視図を示す。展望鏡３２０は、一つの内部反射表面３２２と、四つの外部反射表面３２３、３２４、３２５、及び３２６と、の五つの反射表面を備える。内部反射表面３２２は、内部反射表面３２２を回転軸において回転させるための駆動機構３２１に取付けられ、この回転軸は、カメラ３１０の光学軸３２７に対応する。内部反射表面３２２は、回転されるにしたがって、複数の所定の位置に配置される。各所定位置では、内部反射表面３２２は、外部反射表面３２３から３２６の一つに実質的に平行である。本発明の一つの実施形態では、五つの反射表面は、カメラ３１０の光学軸３２７に対して約４５°の角度に取付けられる。
【００３０】
一般的には、展望鏡３２０は、ページ３３０の上に配置され、内部反射表面３２２が回転されるに従って、カメラ３１０によって、ページ３３０の全体が見えるようにする。例えば、ページ３３０は対象を表す。ページ３３０は白紙に見えるが、ページ３３０は一般的には文字及び／又はグラフィック画像を含む。
【００３１】
展望鏡３２０によって作り出される反射の効果は、カメラ３１０を象限３３３から３３６の中心に平行移動させ、更に鏡間の経路長だけ移動させたものと等しい。象限３３３から３３６は、ページ３３０の小区分を表す。ページ３３０の複合画像をこの方法で再生することにより、カメラの解像度を高めることなく、画像の解像度を高める手段を提供しつつ、ページ３３０の歪み又は倒置を非常に少なくできる。
【００３２】
内部反射表面３２２は駆動機構３２１によって、複数の所定位置へとその回転軸において回転される。図３に示す実施形態では、内部反射表面３２２はその回転軸において４つの所定位置を有する。第一の所定位置を図３に示し、この位置では内部反射表面３２２は、外部反射表面３２３と実質上平行に配置される。内部反射表面３２２は、象限３３４の反射光経路を作り出すために外部反射表面３２４と実質上平行に配置された時に、第二の所定位置に配置される。内部反射表面３２２は、象限３３５の反射光経路を作り出すために外部反射表面３２５と実質上平行に配置された時に、第三の所定位置に配置される。内部反射表面３２２は、象限３３６の反射光経路を作り出すために外部反射表面３２６と実質上平行に配置された時に、第四の所定位置に配置される。図３は、内部反射表面が第二、第三、及び第四の所定位置にあるものは示さないことに留意されたい。各所定位置に配置された時には、内部反射表面は外部反射表面３２３から３２６の一つと共に、象限の一つに対して反射光経路を作り出す。よって、内部反射表面３２２が回転軸において回転し、外部反射表面（３２３から３２６）の一つに実質上平行に配置されるにしたがって、象限（３３３から３３６）の一つがカメラ３１０によって見える。
【００３３】
図３は、カメラ３１０が象限３３３を見ることを可能にするよう展望鏡３２０が配置されたものを示す。象限３３３の画像点３４０から発せられた光は、矢印３２８によって示される経路をたどり、象限３３３の画像点３５０から発せられた光は、矢印３２９によって示される経路をたどる。反射表面３２２及び３２３によってページ象限３３３の全ての点のために形成された反射光経路により、カメラ３１０が単一のフレーム内で象限３３３を見、記録することを可能にする。
【００３４】
図３では、展望鏡３２０内の外部反射表面の数は、観察対象のページ象限の数に対応する。展望鏡３２０が回転されるにしたがって、象限３３３から３３６のカメラ画像が続けて記録される。図３には図示しないが、象限３３３から３３６は典型的には一つ又はそれ以上の隣接する象限と重複する部分を含む。これは、画像処理システム１５０が、モザイク、タイル張り、及び／又は縫いあわせアルゴリズムのいくつかを実行するための必要条件である。
【００３５】
図３に示す実施形態は４つの正方形の外部反射表面（すなわち３２３から３２６）を含むが、代替実施形態では、少なくとも二つの反射表面があれば、四以上又は四以下の外部反射表面を含んでいてもよい。
【００３６】
本発明の代替実施形態では、展望鏡は二セットの四つの外部反射表面を含むよう設計されてもよい。例えば、四つの外部反射表面の第二セットが図３に示す展望鏡３２０に追加されてもよい。四つの外部反射表面の第二セットは、四つの外部反射表面の第一セット３２３から３２６及び内部反射表面２２２の外側に配置されてもよい。これに加え、内部反射表面３２２は垂直に移動可能（すなわちその回転軸又はＺ軸に沿って）であってもよく、これにより、一つの垂直位置では内部鏡が一つの外部鏡のセットを見、第二の垂直位置では内部鏡が第二の外部鏡のセットを見る。この種類の構成は、この構成でなければお互いを妨げるであろう外部鏡の使用を可能にする。
【００３７】
これに加え、外部反射表面の形状は、様々な設計上の制約が満たされている限り、正方形又は方形の形状から離れてもよい。設計上の制約の例は、後に詳しく説明する。特定の場合では、非方形の鏡が慣性及び費用を低減するために用いられる場合もある。
【００３８】
本発明の一つの実施形態では、反射表面３２２から３２６は鏡である。代替実施形態では、プリズム又は他の種類の反射表面を使って、スキャン対象から発せられる光を反射してもよい。例えば、ペンタプリズムを使ってもよい。
【００３９】
外部反射表面の数はしばしば、対象小区分の数に対応することに留意すべきである。例えば展望鏡は、８つの外部反射表面を含み、カメラの視界の位置を八回変更し、八個の異なる対象小区分を記録してもよい。
【００４０】
図３において、本発明の一つの実施形態を実施するために使われる反射表面の一つの構成を示す。しかしながら、本発明の他の実施形態は反射表面の様々な他の構成において実施してもよいことに留意すべきである。一般的には、反射表面の形状、寸法、配置、及び数量は、様々な設計上の必要条件を満たして設計されているものであれば、変更してもよい。
【００４１】
本発明の一つの実施形態では、駆動機構３２１はステッパモータである。ステッパモータ及びパルスシーケンスを用いて内部反射表面３２２の回転を制御することにより、運動ぼけなしに一秒間に少なくとも二つのモザイク画像を取得することが可能になる。代替実施形態では、駆動機構３２１は、内部反射表面をその回転軸において所望の速度で回転させる能力のある他の種類の駆動機構であってもよい。内部反射表面３２２の回転軸は、カメラ３１０の光学軸３２７と整列される。
【００４２】
カメラ３１０が画像を記録するために必要な時間の量が、内部反射表面３２２が指定された速度で連続的に回転するかどうか、又は各所定位置で休止するかどうかを決定する。一般的には、カメラ３１０がページ象限（又はその他の対象の小区分）を記録するために必要な時間の量は、三つの変数に依存する。一つはカメラ３１０の露光時間であり、第二はカメラ３１０のフレーム率であり、第三は駆動機構３２１を停止させ開始させるための時間である。カメラ３１０の露光時間とは、カメラ３１０が、画像を形成するために十分な光を画像センサに露光するために必要な時間の量を示す。カメラ３１０のフレーム率とは、一秒間に取得できる画像フレームの数のことを示す。
【００４３】
本発明の一つの実施形態では、駆動機構３２１は連続的に内部反射表面３２２を回転させ、象限３３３から３３６を取込む。カメラの前に配置されたストロボ光及び／又はシャッタを使い運動ボケを防止してもよい。この代わりに、駆動機構３２１は、象限３３３から３３６を記録するために各所定位置において内部反射表面３２２を一時的に止めることを必要とされてもよい。
【００４４】
図３に示す実施形態では、外部反射表面３２３から３２６は、内部反射表面３２２が回転される間静止したままである。内部反射表面３２２は、支持構成に回転可能に取付けられ、外部反射表面３２３から３２６は固定される。代替実施形態では、回転可能なことに加え、内部反射表面は垂直調整可能であってもよい。展望鏡３２０の適切なフレームを図８及び図９に示し、下に詳しく説明する。代替実施形態では、様々な外部反射表面がカメラの光学軸において半径方向に調整可能であってもよく、これによりカメラから見える領域を変化させる。
【００４５】
これに加え、展望鏡３２０は、様々な象限３３３から３３６を、特定の連続的な順序で記録する必要はない。例えば、内部反射表面３２２が回転される際に、象限３３３から３３６は時計周り又は半時計周りの順序で見られる必要はない。外部反射表面３２３から３２６の間の非連続的な運動を使うことにより、重要なページ象限又は領域のみ（例えば指を追跡する時など）を見てもよい。
【００４６】
更に、複数のカメラが一つ又はそれ以上の展望鏡の上に配置され、各カメラが異なるページ領域を写像してもよい。これに加え、本発明の展望鏡は様々な反射表面の構成を使って実施してもよい。
【００４７】
図３に示す展望鏡３２０を設計する際には、下記の設計上の制約が考慮された。下記の設計上の制約は、本発明の全ての実施形態における必要条件でないことに留意すべきである。反射表面の異なる構成では、他の設計上の制約を用いる場合もある。
【００４８】
第一に、カメラは典型的な高さ（例えば５０ｃｍ）から対象を見るように配置された。より詳しくは、対象全体がカメラによって見えるようにカメラが各対象小区分を見るよう、展望鏡が配置された。対象は、文書ページを表してもよく、又は文書ページの一部を表してもよい。これに加え、対象は、他の２Ｄ及び／又は３Ｄ対象を表してもよい。
【００４９】
第二に、内部反射表面及び外部反射表面は、光が外部反射表面に反射される前に内部反射表面に妨げられることを防止するように、配置された。
【００５０】
第三に、内部反射表面はカメラ又は外部反射表面のいずれとも交差しなかった。
【００５１】
最後に、反射された斜めの光線のみがカメラ開口部を通過する。本発明の様々な他の実施形態もまた、これらの設計上の必要条件を厳守してもよいし、異なる設計上の制約の集合にしたがってもよい。
【００５２】
図４は、展望鏡の反射表面４００の一つの構成を示す断面図であり、展望鏡が対象の一小区分を記録するために配置されたものを示す。より詳しくは、内部鏡４１０が所定の第一位置にあり、外部鏡４２０が鏡の平面に垂直な垂直平面にある断面図を示す。図４は、本発明の一つの実施形態の、上述の設計上の制約を満たして設計された展望鏡４００の適切な数値を示す。
【００５３】
ソニーＤＦＷＶ３００デジタルビデオカメラなどの、展望鏡４００と関連して使われるビデオカメラは、４つのページ小区分（象限としても参照する）に分割されたＡ４サイズの文書ページ（２９７ｘ２１０ｍｍ）を見るように配置され構成されてもよい。カメラがＡ４サイズのページを見る時は、カメラの最低視界領域は約２２５ｘ３００ｍｍであり、これはＡ４サイズのページの寸法よりも少し大きく、これにより配置のための余白を設ける。この例では、カメラセンサが水平及び垂直ピクセル数を、縦横比３：４で含む。
【００５４】
Ａ４サイズのページを見る時には、視角が１１度及び１４．６度のカメラの典型的な高さは５００から６００ｍｍである。この高さは、カメラの底面とページとの距離である。カメラ底面は、下向きカメラの光学軸４０４とカメラの下で一番高く配置できる水平平面との交点と定義される。この例では、内部鏡４１０の回転軸が光学軸４０４に対応することに留意されたい。
【００５５】
展望台の反射表面４００の構成は、ページ象限の画像を記録するために配置される。カメラが、Ａ４ページの一つの象限の全画像点を取込むために、この設計では、２４ｍｍの最大底面開口直径４０７が選択された。底面開口直径は、レンズキャップとして機能でき、カメラ底面に中心がある最小のディスクの直径と定義される。これは、全ての斜めの光線が取込まれることを確実にするために定義される抽象概念である。底面開口部の大きさは、カメラの開口部を通過する全ての斜めの光線が、内部及び外部反射表面（例えば内部鏡４１０及び外部鏡４２０）によって作り出された反射光経路から反射されるように選択された。
【００５６】
様々な反射表面の物理的な寸法及びそのお互いに対しての位置は、レイトレース分析を使い選択された。レイトレースとは一般的に、光の光線を光源から写像平面に当たるまで一つ又はそれ以上の表面から反射する間、追跡するために使われる技法のことを示す。反射した光が通過する経路は、反射光経路と呼ばれる。本発明では、写像平面は典型的にはカメラセンサと一致する。
【００５７】
図５は、鏡の法線に沿って見られる内部鏡４１０を示し、図６は、鏡の法線に沿って見られる外部鏡４２０を示し、これらの図は、反射された点の集合を示す。図５及び図６は、カメラ底面に原点４０１を有するデカルト座標システムを用いる。この座標システムは、Ｘ軸をページの幅に平行に（右が正）Ｙ軸をページの長さに平行に（ページの上が正）、Ｚ軸を光学軸４０４に平行に（カメラからページへが正）有する。
【００５８】
図５において、Ｘ軸及びＹ軸及びＺ軸はそれぞれ符号５０１、５０２、及び５０３によって示される。内部鏡４１０は正方形の形状をしており、一辺の長さが４０ｍｍである。よって、図４に矢印４０５で示す内部鏡４１０の対角線は４０√２ｍｍである。図６において、Ｘ軸及びＹ軸及びＺ軸はそれぞれ符号６０１、６０２、及び６０３で表される。外部鏡４２０は正方形の形状をしており、一辺の長さが８０ｍｍである。よって、図４に矢印４０６で示す外部鏡４２０の対角線は８０√２ｍｍである。
【００５９】
内部鏡４１０の重心４０２は、内部鏡４１０の中心に座標（０，０，２０）ｍｍに位置し、外部鏡４２０の図心４０３は、外部鏡４２０の中心に座標（５５．５，７４，２０）ｍｍに位置する。内部鏡４１０と外部鏡４２０との間の水平距離４０８は９２．５ｍｍである。内部鏡４１０（第一位置）の法線は、（０．６，０．８，−１）√２であり、外部鏡４２０の法線は（０．６，０．８，−１）√２である。よって、この実施形態の第一位置では、内部鏡４１０と外部鏡４２０とは実質上平行である。
【００６０】
上述の反射表面４００の構成を使い、Ａ４ページの一象限内の点の集合がカメラによってスキャンのために見られる。カメラは、６４０ｘ４８０の画像センサを含み、Ａ４ページの５００ｍｍ上に配置される。点の集合（７０１から７０９）は、図７に示すように、規則的に距離を置かれた格子上に構成された九つの点（格子点としても参照される）を表し、内部鏡４１０及び外部鏡４２０によって作り出された反射光経路を通って反射される。
【００６１】
各格子点７０１から７０９は、円錐形の光をカメラの底面開口部に発生させる。底面開口部の境界に当たる光線は、極端な光線（extreme ray）と呼ばれる。底面開口部の中心を移動する光線は、近軸光線と呼ばれる。図５及び図６に示す反射された点の集合は、各格子点からの近軸光線の反射の場所と極端な光線の集合とを含む。
【００６２】
カメラの画像センサは、ページ象限の左上の隅が（−２，１５０）ｍｍで、右下の隅が（１１３，−２）である時に、Ｘ−Ｙ平面に存在するページ象限から全ての格子点７０１から７０９を取込むことができる。第一象限は、１１度（Ｘ軸に対し）及び１６度（Ｙ軸に対し）の視角を持つカメラの視界内に現れる。左上の隅の−２のＸ座標及び右下隅のー２のＹ座標は、第一ページ象限と隣接するページ象限との重複領域を示すことに留意すべきである。
【００６３】
図８及び図９において、本発明の一実施形態による展望鏡フレームを示す。より詳しくは、図８及び図９はそれぞれ、フレーム８００の上からの斜視図及び下からの斜視図を示す。フレーム８００は４つの取付辺８１０、８２０、８３０、及び８４０を含み、したがって４つの外部反射表面３２３から３２６を有する展望鏡３００に適している。各外部反射表面３２３から３２６は、取付辺８１０、８２０、８３０、及び８４０の一つの内部壁に取付けられてもよい。フレーム８００の上端部には、正方形の形状の開口部８５０がある。開口部８５０は、カメラレンズのための開口部を提供する。
【００６４】
フレーム８００の底面図を図９に示す。フレーム８００は、底面９００と、十字形の底面取付台９０１と、を有し、底面９００は正方形を形成するよう取付けられた四つの脚を備える。底面取付台９０１は四つの脚に取付けられる。内部反射表面３２２などの内部反射表面は底面取付台９０１の交差部に取付けられてもよい。取付辺８１０、８２０、８３０、及び８４０は、接続装置９１０を介して底面９００に取付けられる。
【００６５】
代替実施形態では、フレームは折りたためるように設計されてもよく、これにより展望鏡を携帯することが、より容易になる。これに加え、展望鏡は取外し可能なフレーム部品を有するよう設計されてもよい。取外し可能なフレーム部品は、展望鏡を容易に再構成できるようにする。例えば、Ａ４スキャナに対して構成された展望鏡をＡ３スキャナに格上げすることが望まれる場合もあり、また、展望鏡を様々な形状の領域を写像するためにカスタム化することが望まれる場合もある。これは、追加の外部反射表面を規則的な配置で取付け、内部反射表面が、元の外部反射表面に加え、これらの追加の表面にも平行になるようにすることで達成される。
【００６６】
展望鏡の較正は典型的には、製造及び検査の段階で行われ、反射表面が正しく支持構造に取付けられることを確実にする。特定の条件下では、展望鏡を画像取得システム内で使用する前に較正することが望まれる場合もある。様々な較正方法を使い、反射表面の調整不良を修正するためのパラメータの集合を決定することができる。例えば、カメラをズームアウトし、見られた象限間の重複部分にあるポイント同士の対応を決定して自動較正を行ってもよい。この代わりに、ズーム及び既知の検査ページを持たないカメラでは、内部反射鏡が正確には外部反射鏡と平行でない、複数の視界を使うことができる。
【００６７】
上述の本発明の実施形態は一般的には、内部反射鏡及び外部反射鏡を持つ反射光経路を示す。しかしながら、本発明の代替実施形態では、外部鏡のいくつかを超えて光を伝達する目的のため又は余剰の経路の長さを導入し光学軸の有効角形成を低減する目的のために、内部反射表面と外部反射表面との間に中間鏡を導入してもよい。
【００６８】
図４は内部反射表面（特定の対象小区分を見るために光学軸における所定の位置に配置された時）が外部反射表面と実質上平行な反射表面の構成を示すことに留意すべきである。図４では、内部鏡４１０が対応するページ象限を記録する際には、外部鏡４２０と実質上平行である。代替実施形態では、内部反射表面は、特定の対象小区分を見る際に、外部反射表面と実質上平行でなくてもよい。内部反射表面の光学軸に対する角度を変更することは、パン及び傾けヘッド機構と同様の方法で、カメラの光学軸を対象の平面に対して傾けることと等しい効果を持つ。この種類の改修は展望鏡の寸法を低減しその費用及び美学的な品質を向上させるという利点を有する。この種類の展望鏡は、「低寸法展望鏡」と呼ばれる場合もある。
【００６９】
図１０において、展望鏡の反射表面１０００の構成が所定の位置にある断面図を示し、この構成では、内部鏡１０２０の角度が外部鏡１０１０の角度から変化する。点線１０３０はカメラの光学軸を表す。内部鏡１０２０と点線１０４０（外部鏡１０１０の角度を表す）との間に形成される角度αは、内部反射表面と外部反射表面との間の角度の変化を示す。
【００７０】
本発明の一実施形態では、低減した寸法を有する展望鏡（「低寸法展望鏡」としても参照される）は、下記のパラメータを有する。低寸法展望鏡は、Ａ４又はレターページをスキャン撮像するよう設定された時は、２０３ｘ１５６ｍｍの境界の箱を有する。これは、全ての反射表面、駆動機構、及び支持構造を含む展望鏡全体が、この寸法を持つ箱の中に納まるという意味である。更に、角度αは約３度であり、内部鏡１０２０の法線が（０．４４６，０．５９５，−０．６６９）、外部鏡１０１０の法線が（０．６，０．８，−１）√２、視角が１２度及び１６度である。この特定の構成は、非常に小さな画像の歪みのみを導入し、かなり大きなカメラ開口部に対してもうまく機能する。内部鏡１０２０の角度が遠隔から調整可能であれば、特にカメラがズーム機能を有していない時に、展望鏡の配置を補償するために使うことができる。
【００７１】
図１１は、反射した点の集合をＸ−Ｙ平面に投影したものを示し、ページ小区分を見る時に反射内部鏡及び外部鏡が多少平行でない展望鏡の可能性を示す。九つの小円１１０１から１１０９は、ページ上のカメラから見える領域（すなわちページ小区分）に３ｘ３の格子状に配置される。点の集合１１１０は、内部鏡１０１０において反射された点の集合を表し、点の集合１１２０は外部鏡１０２０において反射された点の集合を表す。
【００７２】
図１１は、光学軸の有効傾きが多少の歪みを導入するが、見られる領域は十分であることを示す。この歪みは、最上部の黒色の位置によって明確である。点の集合１１１０及び点の集合１１２０に対応する凸状の殻（ｈｕｌｌ）が重複しないという特徴は、内部鏡１０２０が、回転する際に外部鏡１０１０と交差しないことを示す。
【００７３】
図からは明らかではないが、内部鏡１０２０と外部鏡１０１０とは、鏡の最上部の反射がＺ＝５．７ｍｍであるので、カメラ底部平面と交差しない。更に、内部鏡はページと外部鏡との間の光線を妨げない。これは、点の集合１１１０及び１１２０の凸状の殻が交差しないことから明らかである。
【００７４】
図１２は、カメラレンズの後ろに展望鏡を備えるカメラシステム１２００の一つの実施形態を示す。この種類のカメラシステムは、「反射屈折位置変化写真システム」又は「後レンズシステム」と呼ばれる場合もある。より詳しくは、図１２は、カメラレンズ１２３０とカメラセンサ１２２０（例えばＣＣＤ）との間に配置された反射表面の構成を示す断面図である。対象（例えば文書）をスキャン撮像する適用法に加え、カメラシステム１２００は、振動制御に使われてもよい。
【００７５】
カメラシステム１２００は四つの反射表面を、二組の実質上平行な反射表面に配置して含む。反射表面の第一の組は、反射表面１２０２及び１２０３を含み、実質上平行な反射表面の第二の組は反射表面１２０１及び１２０４を含む。反射表面１２０１から１２０４は共通の回転軸１２１０において硬直に回転し、この回転軸は、カメラセンサ１２２０に垂直であり、カメラセンサの重心を通る。カメラレンズ１２３０の光学軸１２１２は回転軸１２１０と実質上平行であるが、回転軸１２１０と整列している必要はない。
【００７６】
一実施形態では、反射表面１２０１から１２０４は、回転軸１２１０に対して４５度に設けられた鏡である。反射表面１２０２、１２０３及び１２０４は、回転軸１２１０において半径方向に移動できる。そのような半径方向への移動中は、反射表面１２０３及び１２０４は一つのユニット１２０５として移動し、反射表面１２０２は同じ方向に反射表面１２０３及び１２０４が移動した距離の二倍だけ移動する。よって、反射表面１２０２の運動は、光の光線を選択しカメラセンサ１２２０に届くようにし、同時に反射表面１２０３及び１２０４は、総合経路長を等しくすることにより反射表面１２０２の移動による焦点ずれを防止する。更に、カメラシステム１２００は、迷光に対して覆い隠されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施形態による画像取得システムを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による画像処理システムのブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による展望鏡の斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態による展望鏡の反射表面の一構成の断面図であり、一組の平行な表面がページ小区分を記録するために配置されたものを示す。
【図５】本発明の一実施形態による内部反射表面上の反射点の集合を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による外部反射表面上の反射点の集合を示す図である。
【図７】ページ小区分内で、３ｘ３の格子状に構成された点の集合を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態による展望鏡支持構成の斜視平面図である。
【図９】本発明の一実施形態による展望鏡支持構成の斜視底面図である。
【図１０】本発明の一実施形態による展望鏡の反射表面の一構成の断面図であり、ページ小区分を記録するために、平行でない反射表面が配置されたものを示す。
【図１１】本発明の一実施形態による低寸法展望鏡の内部及び外部反射表面上の反射点の集合を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態による反射屈折位置変更写真システムの反射表面の一構成の断面図である。
【符号の説明】
１００画像取得システム、１０１光の光線、１１０，３１０カメラ、１２０，３２０展望鏡、１５０，２００画像処理システム、２０２ハードウェア部品、２０４ソフトウェアモジュール、２１０持続性保存装置、２１２ユーザＩ／Ｏ、２１３ディスプレイ、２１４ネットワークＩ／Ｏ、２１５ネットワーク、２１６キーボード、２１７位置指示装置、２１８フレーム結合モジュール、２１９オペレーティングシステム、２２０文書編集モジュール、２２２画像向上モジュール、３２１駆動機構、３２２内部反射表面、３２３，３２４，３２５，３２６外部反射表面、３２７光学軸、３２８，３２９矢印、３３０対象、３３３，３３４，３３５，３３６小区分、３４０，３５０画像点、４００反射表面、４０２，４０３重心、４０４，１０３０光学軸、４０５内部鏡の対角線、４０６外部鏡の対角線、４０７底面開口部直径、４０８平行距離、４１０，１０２０内部鏡、４２０，１０１０外部鏡、５０１，６０１Ｘ軸、５０２，６０２Ｙ軸、５０３，６０３Ｚ軸、７０１，７０２，７０３，７０４，７０５，７０６，７０７，７０８，７０９格子点、８００フレーム、８１０，８２０，８３０，８４０取付辺、８５０開口部、９００底面、９０１底面取付台、９１０接続装置、１０４０外部鏡の角度、１１０１，１１０２，１１０３，１１０４，１１０５，１１０６，１１０７，１１０８，１１０９格子点、１１１０，１１２０反射した点の集合。

Claims

光学システムであって、
回転軸を有する内部反射表面と、
前記内部反射表面に取付けられ、前記内部反射表面を複数の所定の位置に回転軸に対して回転させるよう機能できる駆動機構と、
複数の外部反射表面と、
を有し、
複数の外部反射表面は、内部反射表面が回転される間静止したままであり、各外部反射表面が、前記所定位置の一つに回転軸に対して配置された内部反射表面と共に、複数の対象小区分の一つから発せられる光の光線をカメラが、内部反射表面の回転軸に対して整列された光学軸によって取込むことができるよう、反射光経路を形成することを特徴とする光学システム。
請求項１に記載の光学システムであって更に、複数の中間反射表面の組を備え、各組が、対応する外部反射表面及び回転軸に対して前記所定位置の一つに配置された内部反射表面と共に、複数の対象小区分の一つから発せられる光の光線をカメラが取込むことができるようにすることを特徴とする光学システム。