CN1241401C - 无线摄象装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
为了能够实现对环境变化的传感灵敏度良好的无线摄象装置,无线摄象元件具有备有被拍摄物体的摄象功能的摄象单元和备有无线通信功能的通信单元,摄象单元至少使光学透镜、限制来自上述光学透镜的入射光的光圈(2)、将通过光圈的入射光变换成电信号的光传感器(4)、和用于无线通信的天线与光圈一体地进行构成。
Description
技术领域
本发明涉及无线摄象装置及其控制方法。
背景技术
近年来,用无线电频率(RF)和光来进行的无线通信正在盛行中。例如,便携式电话作为用900-1900MHz频带的电磁波可以在任何时候任何地方进行通话的无线的移动通信工具,已经成为不可缺少的东西。又,作为个人计算机相互之间、个人计算机与打印机之间等的通信装置,根据无线局域网(IEEE8802.11b或IEEE8802.11a)和蓝牙等的标准,可以用2.45GHz频带的无线电波进行无线通信,这些正在办公室和家庭等中广泛地普及。进一步东日本旅客铁道股份有限公司在2001年采用的Suica(注册商标)卡也能够用13.56MHz频带的电磁波,非接触地在车站检票口读写车票。
以上是手掌大小或比手掌大的产品,但是硬币状或比硬币小的无线通信设备、所谓的无线终端(tag)也可用于个体识别(ID)等中。例如,将约1cm的小型无线终端装入汽车的钥匙中,当插入钥匙同时进行认证操作防止偷盗等正在进行实用化。其它用光的通信设备也可以用于例如在难以进行有线通信的山顶上的摄象机进行摄影时的山顶与地上的高速通信。
又,通过将许多传感器编入网络,产生新的附加价值也正在盛行中,例如,也提出了构筑在建筑构造物的钢筋中埋入加速度传感器和畸变传感器,测量钢筋和水泥的疲劳程度的系统,为发生地震做准备的提案。
进一步,最近,用无线实施这些传感网络的提案也正在变得活跃起来。
在日经电子学2002年7月15日号,p99~129中介绍了几个传感网络系统。例如,记载着通过将许多传感器散布在森林内,详细地掌握森林的氧气产生量和CO2的吸收量、森林温度、湿度等,用于早期发现山火、CO2排放权的交易等的例子。
又,也可以考虑通过光传感构筑摄象网络。我们知道用于摄象系统的透镜具有各种类型,但是在US5,004,328中,如图11所示,示出了在球透镜1的中央部分装入光圈2的球透镜的例子。由于该光圈,提高了摄象光学系统的成象特性,这是众所周知的。
在配设许多传感设备(以下称为Mote)构成无线传感网络的情形中,为了能够在广大的范围内检测微小的环境变化,需要减小Mote的尺寸。又,当进行无线通信时,为了能够进行尽可能远的通信,需要使天线的尺寸尽可能地大。
从而,在为了在由用无线通信的无线传感网络的更广大范围内,即便微小的环境变化也能够进行检测而构成的情形中,需要使Mote的尺寸小,并且使使用于通信的天线的尺寸大。
但是,当将用于该无线通信的天线设置在Mote上时,存在着使Mote的尺寸变大,妨碍构筑对环境变化的传感灵敏度良好的无线传感网络那样的问题。进一步,也存在着使Mote的构成复杂化,也使该Mote的制作过程复杂化那样的问题。
又,当配置具有传感和通信功能的设备(以下,称为传感Mote),构筑无线传感网络系统,各个传感Mote具有很高的性能时,因为配置许多这样的传感Mote成本很高等,所以是困难的。
又,当使传感Mote的尺寸小能够捕捉微小的环境变化时,使搭载在微小的传感Mote中的传感功能受到限制。
发明内容
本发明就是为了分别地或综合地解决上述问题而提出的,本发明的目的是不增大无线摄象装置的尺寸,并且能够使构成简易化。
为了实现上述目的,本发明提供一种无线摄象设备,包含:具有对被拍摄物体进行摄象的功能的摄象单元、和具有无线通信功能的通信单元,其中所述的摄象单元包含:光学透镜;限制上述光学透镜的入射光的光圈;将通过上述光圈的入射光变换成电信号的光传感器;和用于将由上述通信单元变换成无线信号的上述电信号无线发送的、与上述光圈一体地设置的天线。
本发明提供一种控制多个上述的设备的控制方法,包含:进行无线通信控制上述多个设备的摄象信息的发送;和进行上述无线通信控制上述摄象信息的接收;其中上述摄象单元和上述通信单元进行电气结合,并且上述通信单元和上述天线由电气性的配线进行电气结合;其中上述发送控制,是在由上述光传感器所检测的摄象信息发送到上述通信单元之后,经上述天线将上述摄象信息发送到上述无线摄象设备外部的控制;其中上述接收控制是经上述天线将所接收的摄象信息输入到上述通信单元的控制。
又,本发明的其它目的是通过使各个无线摄象装置的功能简单化,使许多无线摄象装置共同作业,提供很高的摄象性能。
为了实现该目的,本发明的一种图象获取装置,包含多个具有无线通信功能和单一的摄象功能的摄象器件,其中上述多个摄象器件通过用上述无线通信功能的共同作业,作为全体提供一个以上的高性能的摄象功能。
本发明的其它特点和优点将从下面的结合附图的说明看得很清楚,在这些附图中在相同或相似的部件上加上相同的参照标号。
附图说明
图1和2是包含在实施例1的无线摄象装置中的无线摄象元件的概略构成图。
图3到5是无线摄象元件的光圈的概略构成图。
图6和7是说明无线摄象元件的制作方法的概略图。
图8是包含在无线摄象装置中的无线摄象元件的概略构成图。
图9和10是实施例2的无线摄象装置的概略构成图。
图11是球透镜的概略构成图。
图12是表示第3实施例的无线通信装置的构成的图。
图13是表示实施例3的摄象Mote的构成的图。
图14到17是表示实施例4的摄象Mote的构成的图。
图18A和18B是表示实施例5的摄象Mote的球透镜与光圈的位置关系的图。
图19A到19C是表示实施例6的摄象Mote的光圈孔径的一个例子的图。
图20是表示实施例7的摄象Mote的滤光器构成的图。
图21是表示实施例8的摄象Mote的透镜折射率的一个例子的图。
图22A到22C是表示球透镜与光学传感器的粘合位置的一个例子的图。
图23是表示实施例9的摄象网络系统的一个例子的图。
具体实施方式
下面,我们一面参照附图,一面说明本发明的无线摄象装置的实施形态。
第1实施形态
[无线摄象装置中的无线摄象元件的构成]
图1是本发明的实施形态中的无线摄象装置中的无线摄象元件(摄象Mote)100的概略构成图。
摄象Mote100,具有球透镜1、在中心将球透镜1一分为二,在这2个半球体的底面重合的部分,限制入射到摄象Mote100的入射光的光圈2、和与光圈2一体地构成的线圈状天线3,在一个半球体的顶点附近的球面内侧,具有将通过光圈2的入射光变换成电信号的光传感器4。进一步,在与光传感器4的同一基板上,设置从由光传感器4变换成电信号的摄象数据生成高频信号的无线通信电路4a。
为了在线圈状天线3中具有图中未画出的端子,该端子与无线通信电路4a电连接,能够通过天线3将在无线通信电路4a中产生的高频信号发送到外部而进行构成。
图2是表示与球透镜1分开地配置设置了光传感器4和无线通信电路4a的基板的情形的图。这时,也在光圈2上设置线圈状天线3。当比较图1和图2的构成时,在图2中可以将天线3或光通信用的发光元件设置在该基板的里侧。此外,当构成摄象Mote100时,最好将光传感器4配置在图1那样的球透镜1的内侧球面上。
图3、图4、图5是表示图1和图2中的天线3的不同例子的图。
图3表示大约3周的涡流状卷绕的天线3用的线圈31,为了具有更高通信性能而进行构成。
图4表示与图1大致相同构成的天线3,但是在光圈的外周侧配置天线3用的线圈,具有相同的一次圈数,但提高了通信性能。
图5表示使光圈2的整个面作为天线23起作用的构成。这时,能够最有效地使用用于光圈2的面积。但是,为了有效地起天线作用需要用导电率高的材料构成天线23。
在本发明的构成中,例如当用直径1mm的球构成摄象Mote100时,天线3中直径1mm的线圈最大。
又,通过备有多个摄象Mote100,由无线通信进行共同作业实施摄象功能的功能元件组构成传感网络系统,上述功能元件组全体构成网络,对摄象信息进行管理也包含在本发明的范畴中。
[无线摄象元件的制作方法]
其次,我们说明本实施形态的摄象Mote100的制作方法。
图6是说明本实施形态的摄象Mote100的制作方法的概略图。首先,用具有多个如图6所示的半球状的凹部21的模具50制作半球的树脂模造透镜20。
接着,将制成的半球透镜20如图7所示地在中央部分插入光圈2后粘合起来,这时预先在光圈2上配置天线3。在粘合结束后,如图8所示,通过导线60将由光传感器4和通信电路单元4a构成的基板与天线3电连接起来。
经过上述工序后,完成将天线3配置在光圈2上的本实施形态的摄象Mote100。又,用以上所述的制作方法,可以一次制作许多个摄象Mote100。
第2实施形态
图9是将多个微小球的摄象Mote100配置在卡状的基板42上的无线摄象装置的概略构成图。本实施形态的无线摄象装置与多个摄象Mote100进行通信,进一步在基板42上构成控制它们的基本单元41。
图9所示的无线摄象装置由接受来自被拍摄物体的光43,从该光生成传感摄象信息,通过与内部的光圈2一体地构成的天线3向外部发送的摄象Mote100、和设置在卡状基板42上,接收来自多个摄象Mote100的传感摄象信息的基本单元41构成。基本单元41能够利用从多个摄象Mote100接收的摄象信息和高画质处理与微小球的摄象Mote100之间的视差算出内部区域信息,进行得到作为3维图象的图象信息的处理。
图10与各个方向的光轴一致地配设微小球的摄象Mote100,为了得到广角的摄象信息的无线摄象装置的概略构成图。图10所示的无线摄象装置也与图9所示的装置相同,由接受来自各方向的光43a~43f,从这些光生成传感摄象信息,通过与内部的光圈2一体地构成的天线3向外部发送的摄象Mote100、和接收来自各摄象Mote100的传感摄象信息,合成来自接收的各方向的摄象信息生成广角的摄象信息的基本单元41构成。
图中未画出,但是基本单元41具有发送使多个摄象Mote100的无线通信电路4a的摄象信息的各个发送工作接通断开的控制信号的功能,通过使想要得到摄象信息的摄象Mote100的摄象信息的发送工作接通的控制,能够扫描多个摄象Mote100顺次得到摄象信息。或者,将分别使供给多个摄象Mote100的无线通信电路4a的功率接通断开的控制功能给予基本单元41,通过控制供给想要得到摄象信息的摄象Mote100的无线通信电路4a的功率接通,也能够扫描多个摄象Mote100顺次得到摄象信息。或者,通过使多个摄象Mote100发送的无线信号的频率不同,基本单元41扫描接收频率,也可以顺次得到多个摄象Mote100的摄象信息。
如果根据上述实施例,则因为与光圈2一体地形成用于无线通信的天线3,所以不会增大无线摄象元件的尺寸,能够确保天线3的大小,能够实现对于环境变化传感灵敏度良好的无线摄象装置。因此,与光圈分开设置天线的情形比较,能够使它的构造简单化,并能够使制作过程简易化。
实施形态3
图12是表示本发明的无线摄象装置构成的模式图。该无线摄象装置具有多个具有无线通信功能和摄象功能的功能元件(摄象Mote),构成功能元件组。
如图12所示,随机地配置多个摄象Mote1a~1j,又它们的方向也是随机的。摄象Mote1如图13所示,通过将入射到球透镜111的光113会聚在光传感器112上进行摄象。例如用电磁波120将该摄象信息无线发送到基本单元10。即,也将图中未画出的无线通信单元组入图13的光传感器112中。
例如,在图12中,表示对拍摄对象15进行摄影的情形,但是这时,在基本单元10采用并合成对拍摄对象15配向的摄象Mote1a、1c、1e和1i的图象。
本实施例的各摄象Mote1,例如,由固定光圈和透镜位置等的单纯的构造构成。即,一般的摄象机是可以改变光圈,从而改变被拍摄的景深,或者移动透镜的位置实现对焦的机构,但是在本实施例中的摄象Mote1没有可变部分只备有单一的摄象功能,通过使各部分固定化实现构造简单化。
从而,因为实现了各摄象Mote1的低成本化和低消耗功率化,所以即便集合许多摄象Mote1形成检测网络,也不会提高整体的消耗功率和成本。
又,通过用许多摄象Mote1进行摄象,能够从各个不同的角度对被拍摄物体进行摄影,扩大光圈和聚焦、灵敏度等的动态范围。即,各个摄象Mote1具有单纯的构造,但是作为集合许多摄象Mote1的集团实施功能时,具有整体成为高性能的摄象设备起作用的优点。
此外,在上面的述说中举例表示了在无线通信中用电磁波120的情形,但是也可以用光通信。又,如下面的实施形态所示,在本发明的摄象Mote1中除了没有运动部分外,也可以通过用滤光器形成R、G、B中的任何一种单色等实现简单化。
又,也可以使基本单元10具有与其它的摄象Mote1相同的构成。即这时,不一定存在称为基本单元的别的摄象Mote,为了通过一个摄象Mote1与网络线路连接,与外部进行通信而构成。但是,在与外部的网络线路通信前,校正各个摄象Mote1拍摄的图象,进行整体形成一个图象等的作业的情形等中,最好如上所述地设置与摄象Mote1不同的基本单元10。
实施形态4
图14是表示实施例4的摄象Mote的构成的模式图。
作为摄象Mote34,用微小的球透镜31,在摄象光的入射一侧和相反一侧的球的表面近旁,配置用于摄象的光传感器32,进一步,在看作同一基板的球的表面近旁,接收电波,配置发送来自光传感器32的信号的通信电路单元33。这时,基板成为球面状。
与光轴35平行入射的光36,通过微小的球透镜31会聚在它的表面近旁,37。赋予视场角的光38通过微小的球透镜31会聚在它的表面近旁39。这样一来,在微小的球的表面上形成图象。这里,令微小的球透镜31的折射率nd为“2”并使平行光,即无限远时正好成象在与入射一侧相反一侧的球的表面附近。例如,如果在可见光用对于d线(587.6nm)的玻璃材料SLAH79(Ohara),则在nd=2.003满足该条件。又,如果制成透镜直径1mm的微小的球透镜,则形成5cm以远大致与焦点重合的状态。
因为色差不是那么大,所以可以得到足够好的图象,但是在球透镜31的入射一侧表面上附有滤色镜,通过选择特定的波长,能够形成抑制色差的构成。
又,作为受光元件,能够配置直径为2μm的单元100×100个(1万个象素)。当能够由微小球构成时,能够制成不易受外部环境影响的稳定的微小的功能元件。
图15是将微小的球透镜31的,进行摄象的传感Mote34的光传感器32制成平面的图。因为光传感器32是平面,所以色差增大,但是使到平面基板上的电路制作变得容易。可以用于不那么重视图象品质的应用中。又,作为制造方法,用在制作微小的球透镜31后,将摄象一侧研磨成平面状,与另外制作的平面基板粘合起来的方法,使形成和制作变得容易了。即,预先在平面基板上制作光传感器32和通信电路单元33等,此后,通过粘合等将作成这些部件的平面基板与微小的球透镜31粘合在一起。又,也可以将光通信用的发光元件配置在基板上。
又,通过这种构成,不一定要使微小的球透镜31的折射率为“2”,为了成象在摄象面上最好设定平面基板的厚度。作为玻璃材料,也能够用LaSFN9,nd=1.850和适合于在严酷的条件(高强度、高硬度、耐化学性、能透过IR)使用的蓝宝石、红宝石球透镜、和Al2O3,nd=1.77。或者,也可以用特别一般的玻璃材料BK7,nd=1.517制作非常便宜的检测Mote34。
图16是不在微小的球透镜31的表面上直接构成电路系统,而在由另外制作的平面基板上构成的光传感器32和通信电路单元33等电子电路构成的基板30与微小的球透镜31接触的状态中,用粘合剂54等,将它们粘合起来的例子。这时,粘合剂54构成透镜系统的一部分。出现从光轴1偏离的视场角等的象差的影响,但是根据用途当不需要那么高的图象分辨率时可以使用。如果采用这种制造方法,则因为能够构成非常便宜的传感Mote34,所以用途是很广的。图17是不用如上所述的球透镜而用一般使用的凸透镜构成光学透镜6的摄象Mote的例子。入射光通过光圈7由光学透镜6会聚在光学传感器8上,由通信电路9无线地进行数据分配。
一般,为了使摄象光学系统广视场角化而设计各种透镜。这种光学系统具有透镜直径增大并且必然地使画面尺寸变大,导致摄象光学系统的大型化那样的缺点。又,在已有光学系统中产生当达到广视场角化时,按照众所周知的余弦4次方法则,使周边光量大幅度下降那样的问题。
作为能够达到广视场角化的简便的光学系统,从以前就知道球透镜。通常,在畸变小象面为平面的透镜系统中,使它的视场角接近180°象面尺寸成为无限大。与此相伴达到象面的周边光量也显著降低。从而,在已有的鱼眼透镜中,故意产生大的负的畸变象差,防止达到180°的视场角和周边光量的显著降低。但是,产生负的畸变象差,因为在象面的周边部分压缩图象,所以结果使图象分辨率下降成象性能恶化。
另一方面,当用球形透镜使在无限远处的物体成象时,由于球形透镜的球对称性,使象面成为与球形透镜同心的球面。从而,在球形透镜上使轴上和轴外的象差成为相等的象差。所以,如果在轴上达到大致良好的象差校正,则轴外的象差也同样被校正。
又,通过在上述球面的象面上设置具有球面状的受光面的传感器,能够在接近180°的广视场角内进行良好的摄象。
具体地说,如果球形透镜的焦点距离为f,则因为由于使用的传感器的受光面面积为2πf2能够得到180°的视场角,所以作为传感器能够使用小型装置。又,也没有由于球形透镜的球对称性引起的在周边部分图象分辨率降低的问题。进一步,也没有在通常的透镜系统中产生的按照余弦4次方法则的周边光量的大幅度下降的问题,周边光量只是与入射角余弦的1次方成比例地下降。
从而,与通常的透镜系统比较,因为与小型并且简便的光学系统无关,通过实施适当的象差校正使周边光量的降低变小,所以可以构成在整个画面上明亮的并且成象性能也良好的广视场角的光学系统。
通过将摄象Mote小型化,可以配置多个且可以得到精细的图象。因此,希望用球透镜和光传感器构成摄象Mote。
实施形态5
在实施形态4中,我们述说了用球透镜的摄象Mote。这里是将光圈77的位置如图18A所示地设置在球透镜66的入射光一侧、和如图18B所示地设置在球透镜66的内部的情形。其中,通过将光圈77的位置配置在球透镜66的中央由于减少了慧星象差能够得到高图象分辨率化、增大视场角的效果、和除去不要的光的效果。从而,最好将光圈77的位置配置在球透镜的66的中央。
通过使光圈77变小和抑制透镜的象差,能够减少由象差引起的图象恶化,改善图象分辨率。与象差良好的情形相反,当令图象分辨率为R、波长为λ、透镜孔径数为NA、透镜折射率为n、光圈直径(透镜的有效孔径)为D时,得到下列公式。
即,当光圈D增大时,图象分辨率R与它成比例地提高。
波长约为400nm~900nm时,因为光圈大小为数百μm足够大,所以以上的考虑是适用的。焦点深度DOF为k2{λ/(NA)2},与光圈直径D的2次方成比例地缩短。因为我们认为在球透镜中象差的影响大,所以使光圈小能够提高图象分辨率和景深。
实施形态6
图19A到19C是表示摄象Mote的例子的模式图。摄象Mote由球透镜66和光圈77构成,但是光圈的直径在图19A到19C中是不同的。通过配置多个这种光圈直径不同的摄象Mote,将各摄象Mote的图象数据发送给基本单元。基本单元只选择具有与摄影对象和摄影环境一致的光圈直径的摄象Mote的图象加以使用,能够在一个摄象Mote中,得到与变更光圈直径相同的效果。
本来根据摄象的对象物和透镜与摄象对象的作用距离,明亮度等的摄影环境,变更摄象机的光圈直径,但是用配置如上所述地设定几种光圈的摄象Mote,与这时的状态相应,选择采用的摄影数据的方法,能够实质上变更光圈直径。
实施形态7
在实施形态6中,我们说明了用摄象Mote变更光圈直径的例子,但是也可以在各个摄象Mote中变更光学透镜的滤光器。
作为一个例子,如图20中模式地所示,也可以将滤光器分成彩色图象的3原色的红(R)、蓝(B)、绿(G)进行设置。也可以配置固定CCD传感器的滤光器的3原色中的任何一个的摄象Mote,又,即便不用彩色光传感器,如果用在单色光传感器上附有滤光器的球透镜进行构成,则各个Mote也能够产生各个颜色的图象。
又,也可以用青绿色、深红色、黄色、绿色中任何一个的补色滤光器进行构成。
又,也可以设置偏振滤光器。例如,也可以将线偏振和圆偏振滤光器作为分别设置的摄象Mote,也可以与红外线滤光器组合起来。改变偏振滤光器的摄象Mote当拍摄水面下的鱼等时是有用的。
实施形态8
图21是表示少量改变各摄象Mote中球透镜的折射率n的例子的图,能够对于每个摄象Mote使焦点聚焦在不同的点上。当聚焦在无限远处时,对于折射率nd=2是聚焦在球面上,但是为了聚焦在面前就需要折射率比2大一些。又,如从图22A到22C模式地表示那样,在图16所示的粘合微小的透镜66与基板30的系统中,如果作好使摄象面位置适当地偏离焦点的准备则能够聚焦在任何地方。
此外,在实施形态4~8中我们举出了球透镜的例子,但是不限于球透镜,也可以适用于用凹透镜、凸透镜等的摄象Mote。
实施形态9
为了提高图象分辨率,从多个摄象Mote1得到图象进行图象处理,具有预先正确地控制各摄象Mote1的位置和朝向的方法、和随机地配置从它们的平均值求得的方法。在实施形态3中记述了随机地配置的方法,但是如图23所示,控制摄象Mote1的朝向,使透镜向着摄象对象15时,增加有效的摄象数据的数量,是合适的。又,不仅能够控制朝向,也能够控制摄象Mote1的位置。但是需要在摄象Mote1中组入朝向控制机构和移动装置。
如果根据上述实施形态3到9,则能够使各个功能元件具有简单的构造,能够实现低消耗功率化和低成本化,并且可以构筑高性能的摄象检测网络。
Claims (7)
1.一种无线摄象设备,包含:
具有对被拍摄物体进行摄象的功能的摄象单元、和
具有无线通信功能的通信单元,
其中所述的摄象单元包含:光学透镜;限制上述光学透镜的入射光的光圈;将通过上述光圈的入射光变换成电信号的光传感器;和用于将由上述通信单元变换成无线信号的上述电信号无线发送的、与上述光圈一体地设置的天线。
2.根据权利要求1所述的设备,其中上述通信单元生成基于上述电信号的高频信号,将生成的高频信号供给上述天线。
3.根据权利要求1所述的设备,其中将上述光圈的整个面作为上述天线而形成。
4.根据权利要求1所述的设备,其中上述摄象单元是球体,将上述光圈和上述天线配置在通过该球体的中心的截面上,将上述光传感器配置在球面的一部分上。
5.一种图象获取装置,包含多个权利要求1所述的设备,其中根据权利要求1所述的上述多个设备和无线通信,构成上述多个设备的网络。
6.根据权利要求5所述的装置,其中进一步包含一个基本单元,用于与上述多个设备进行上述无线通信,控制上述多个设备的摄象信息的发送,接收上述摄象信息。
7.一种控制多个权利要求1所述的设备的控制方法,包含:
进行无线通信控制上述多个设备的摄象信息的发送;和
进行上述无线通信控制上述摄象信息的接收;
其中上述摄象单元和上述通信单元进行电气结合,并且上述通信单元和上述天线由电气性的配线进行电气结合;
其中上述发送控制,是在由上述光传感器所检测的摄象信息发送到上述通信单元之后,经上述天线将上述摄象信息发送到上述无线摄象设备外部的控制;
其中上述接收控制是经上述天线将所接收的摄象信息输入到上述通信单元的控制。
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