JP2002196438A

JP2002196438A - 広角撮像装置

Info

Publication number: JP2002196438A
Application number: JP2001290313A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sogabe; 靖曽我部; Shigeki Murata; 茂樹村田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2002-07-12
Also published as: KR20040010543A; WO2002035285A1; US20040027689A1; TW522254B; EP1333318A4; US6847497B2; EP1333318A1

Abstract

(57)【要約】【課題】略１８０度の監視領域に適した広角撮像装置
を提供することを目的とする。【解決手段】回転対称体の回転中心軸６の回りで基準
光軸方向の略±９０度の凸面形状の反射面を有する第１
の反射鏡１を設け、第１の反射鏡１の回転中心軸上に主
点７を有し第１の反射鏡１からの反射光を結像するよう
結像レンズ２と撮像素子３を配置し、第１の反射鏡１の
回転中心軸回りの略±９０度方向の対象物を撮像する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射面による反射
光を撮像する広角撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】広角の画角を撮像するカメラとして魚眼
カメラがある。魚眼カメラは、曲率の高いレンズを複数
枚用いて、光軸回りの半球領域の画像を撮像することが
できる。

【０００３】反射面を用いた広角のカメラ装置としては
特許第２９３９０８７号に示されたいわゆる全方位カメ
ラがある。これは、カメラの光軸回りの軸回転対称の形
状を有した反射面により、回転軸回りの３６０度の方向
の画像を一度に撮像面に結像することができるものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】魚眼カメラは、魚眼画
像を形成するため特殊な光学系を有しており、レンズ形
状が複雑かつ高価である。また、魚眼カメラで撮像した
画像は中心と周辺部の歪曲度合いが異なるため、魚眼カ
メラで撮像した画像の中央部分と周辺部分の歪み量が大
きく異なり、違和感のある画像が撮像される。

【０００５】一方、反射面を用いた前記全方位カメラ
は、１度に３６０度の画像が撮像でき、しかも画像変換
によりパノラマ画像が生成できる特徴を有する。しか
し、監視領域が３６０度の場合にはこの全方位カメラが
有効であるが、監視領域が略１８０度のような場合に
は、前記全方位カメラは撮像素子の未使用画素が多くな
ってしまい、非効率である。

【０００６】具体的には、前記全方位カメラは３６０度
方向の像を円形画像として撮像するため、長方形の撮像
面（例えばＣＣＤ）の面に結像させる場合に、長方形の
短辺を直径とする円形に結像せねばならないため、未使
用画素が多くなってしまう。たとえば、縦横比４：３の
ＣＣＤ面に結像させる場合を想定すると、画像として使
用できる範囲は、短辺（：３）を直径とする円であるた
め、全ＣＣＤ領域の約５９％しか使用しないことになり
非効率である。

【０００７】さらに、１回反射した像を撮像しているた
め、像が反転してしまい、撮像された画像からは直接状
況が認識しにくい。本発明は略１８０度または１８０度
を超える監視領域に適した広角撮像装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
広角撮像装置は、回転対称体の回転中心軸回りで基準光
軸方向の略±９０度の凸面形状の反射面を有する第１の
反射鏡と、前記第１の反射鏡の回転中心軸上に主点を有
し前記第１の反射鏡からの反射光を結像し前記第１の反
射鏡の回転中心軸回りの略±９０度方向の対象物を撮像
する撮像装置とを設けたことを特徴とする。

【０００９】本発明の請求項２記載の広角撮像装置は、
請求項１において、前記第１の反射鏡が回転中心軸上に
内部焦点を持つ双曲面形状であり、前記双曲面形状の外
部焦点の位置と前記撮像装置の主点の位置が略一致し、
前記撮像装置の画角を２αとすると、前記撮像装置の光
軸と前記第１の反射鏡の回転中心軸とが略αの角度をな
すことを特徴とする。

【００１０】本発明の請求項３記載の広角撮像装置は、
回転対称体の回転中心軸回りの任意の基準光軸方向の略
±９０度の凸面形状の反射面を有する第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡の回転中心軸上に配置され前記第１の
反射鏡からの反射光を前記基準光軸方向と逆の方向に光
路変更する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡により光
路変更された反射光を結像し前記第１の反射鏡の回転中
心軸回りの略±９０度の方向の対象物を撮像する撮像装
置とを設けたことを特徴とする。

【００１１】本発明の請求項４記載の広角撮像装置は、
請求項３において、前記第１の反射鏡が回転中心軸上に
内部焦点を持つ双曲面形状であり、前記第２の反射鏡に
より位置変換された前記双曲面形状の外部焦点の位置と
前記撮像装置の主点の位置が略一致することを特徴とす
る。

【００１２】本発明の請求項５記載の広角撮像装置は、
請求項４において、前記撮像装置の光軸が、第１の反射
鏡の回転中心軸と略直交し、かつ前記第１の反射鏡の基
準光軸方向と略１８０度の方向に略一致し、前記第１の
回転軸方向における前記撮像装置の画角を２αとする
と、前記第２の反射鏡の面の法線方向と前記撮像装置の
光軸とのなす角の狭角が略４５＋（α／２）度であるこ
とを特徴とする。

【００１３】本発明の請求項６記載の広角撮像装置は、
請求項３において、前記第２の反射鏡を移動する移動装
置を有し、前記第２の反射鏡の移動により前記第１の反
射鏡からの反射光を前記撮像装置に結像させず前記撮像
装置が直接に対象物を撮像するよう構成したことを特徴
とする。

【００１４】本発明の請求項７記載の広角撮像装置は、
請求項６において、前記撮像装置が、前記移動装置によ
る第２の反射鏡の位置に応じて焦点位置を調整する調整
装置を有することを特徴とする。

【００１５】本発明の請求項８記載の広角撮像装置は、
回転対称体の回転中心軸回りの基準光軸方向の略±９０
度の凸面形状の反射面を有する第１の反射鏡と、前記第
１の反射鏡の回転中心軸上に配置され、前記第１の反射
鏡からの反射光を前記基準光軸方向に光路変更する第２
の反射鏡と、前記第２の反射鏡により光路変更された反
射光を結像し前記第１の反射鏡の回転中心軸回りの略±
９０度の方向の対象物を撮像する撮像装置からなること
を特徴とする。

【００１６】本発明の請求項９記載の広角撮像装置は、
請求項８において、前記第１の反射鏡が回転中心軸上に
内部焦点を持つ双曲面形状であり、前記第２の反射鏡に
より位置変換された前記双曲面形状の外部焦点の位置と
前記撮像装置の主点の位置が略一致することを特徴とす
る。

【００１７】本発明の請求項１０記載の広角撮像装置
は、請求項９において、前記回転対称体の回転中心軸回
りの基準光軸方向の略±９０度の方向の空間内に、前記
第１の反射鏡と前記第２の反射鏡と前記撮像装置が含ま
れるよう配置したことを特徴とする。

【００１８】本発明の請求項１１記載の広角撮像装置
は、請求項１，請求項３，請求項８において、前記撮像
装置の撮像面が長辺と短辺と有する長方形であり、前記
第１の反射鏡の回転軸中心が、前記撮像面の長辺の略中
点に結像するよう、前記撮像装置の撮像素子の位置を前
記撮像装置の光軸に垂直な方向にずらして設けたことを
特徴とする。

【００１９】本発明の請求項１２記載の広角撮像装置
は、請求項１，請求項３，請求項８の何れかにおいて、
前記撮像装置の撮像面が長辺と短辺とを有する長方形で
あり、前記第１の反射鏡の回転軸中心が、前記撮像面の
長辺方向の略中線上に結像し、第１の反射鏡からの半円
状の反射光の直径が前記撮像面の長辺の長さに略一致す
るよう構成したことを特徴とする。

【００２０】本発明の請求項１３記載の広角撮像装置
は、請求項２，請求項５，請求項９，請求項１１の何れ
かにおいて、前記撮像装置の撮像面が長辺と短辺と有す
る長方形であり、前記第１の反射鏡の回転軸中心が前記
撮像面の長辺の略中点に結像し、前記第１の反射鏡から
の半円状の反射光の直径が前記撮像面の長辺に一致する
ことを特徴とする。

【００２１】本発明の請求項１４記載の広角撮像装置
は、請求項１〜請求項１３の何れかにおいて、前記第１
の反射鏡の回転中心軸回りの略±９０度の方向の対象物
を撮像した撮像装置の撮像面上の有効領域のみを走査し
て前記有効領域の画像を幾何変換し出力するカメラ処理
回路を有することを特徴とする。

【００２２】本発明の請求項１５記載の広角撮像装置
は、請求項１４において、前記幾何変換の処理時間が前
記有効領域以外の不用領域を走査する時間以内に終わる
ことを特徴とするカメラ処理回路であることを特徴とす
る。

【００２３】本発明の請求項１６記載の広角撮像装置
は、回転対称体の回転中心軸回りで基準光軸方向の１８
０度を越える凸面形状の反射面を有する第１の反射鏡
と、前記第１の反射鏡の回転中心軸上に主点を有し前記
第１の反射鏡からの反射光を結像し撮像する撮像装置と
を設け、前記第１の反射鏡の回転軸中心が、前記撮像面
の長辺方向の略中線上に結像し前記第１の反射鏡からの
円形の反射光の直径が前記撮像面の長辺の長さに略一致
するように構成したことを特徴とする。

【００２４】本発明の請求項１７記載の広角撮像装置
は、請求項１６において、前記撮像装置の撮像面の短辺
方向の画角を２αとし、前記撮像装置の撮像面の長辺の
長さｎ、短辺長さｍとすると、前記撮像装置の光軸と前
記第１の反射鏡の回転中心軸とが、ｔａｎβ ＝［（ｎ／ｍ）−１］・ｔａｎα の成立する角度βをなすことを特徴とする。

【００２５】本発明の請求項１８記載の広角撮像装置
は、請求項１７において、前記第１の反射鏡の回転中心
軸回りの略±（９０＋γ）度方向の対象物が結像した前
記撮像面上の領域の画像を取り出して幾何変換して出力
するカメラ処理回路を有し、ｓｉｎγ ＝（２ｍ−ｎ）／ｎであることを特徴とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施の形態を図
１〜図２７に基づいて説明する。（実施の形態１）図１〜図４は本発明の（実施の形態
１）の広角撮像装置を示す。

【００２７】図１に示す（実施の形態１）の広角撮像装
置は、反射鏡１と結像レンズ２および撮像素子３とで構
成されている。結像レンズ２と撮像素子３とで撮像装置
が構成されている。

【００２８】反射鏡１は回転対称体の回転中心軸回りの
略±９０度の凸面形状の反射面を有しており、図１に示
すように双曲面形状の半球状で、反射鏡１の回転中心軸
上の内部焦点４に向かって入射した光Ａ，Ｂ，Ｃは、反
射鏡１を介して図１では下方に反射され、結像レンズ２
を介して撮像素子３の撮像面５に結像する。

【００２９】６は反射鏡１の双曲面の回転中心軸で、Ｚ
軸上に配置されている。結像レンズ２は主点７がＺ軸
上、すなわち前記双曲面の回転中心軸６に配置されてい
る。なお、光Ａ，Ｂ，Ｃは対象物からの光を説明のため
に表示したモデルであり、対象物そのものと同一として
以後の説明では対象物Ａ，Ｂ，Ｃと呼ぶことにし、図１
の広角撮像装置をＺ軸方向から観測した図２に示す状態
において、対象物Ａ、対象物Ｂ、対象物Ｃは、Ｚ軸回り
にＹ軸方向（基準光軸方向）に対して±９０度の領域内
に配置されている。

【００３０】反射鏡１は双曲面であるため、回転中心軸
６上の内部焦点４に向かう光は、反射鏡１で反射し、全
て双曲面の外部焦点に集光する。双曲面の外部焦点と結
像レンズの主点７を一致するように配置しているため、
内部焦点４へ向かう光は、全て撮像面５に結像する。

【００３１】反射鏡１が半球状すなわち回転中心軸６の
回りに１８０度の反射部を有しているため、回転中心軸
６の回りの１８０度の方向の対象物が半円状に撮像面に
結像することになる。すなわち１８０度の画角を有する
ことになる。

【００３２】したがって、図２のように対象物Ａ，Ｂ，
Ｃが配置された場合でも、画角が１８０度あるため、全
て撮像することが可能である。図３，図４を用いて、１
８０度の画角の画像が撮像面５にどのように結像するか
を説明する。

【００３３】図３は（実施の形態１）の広角撮像装置の
光学的配置を示し、図１におけるＹ−Ｚ断面を示してい
る。８は結像レンズ２の光軸を示しており、２αが結像
レンズ２の画角を示す。結像レンズ２の光軸８と回転中
心軸６とのなす角は、画角２αの半分αになるように配
置されている。具体的には、αは１５度〜３０度程度で
ある。

【００３４】このような配置により、反射鏡１上の点９
ａ，９ｂ，９ｃからの反射光は、結像レンズ２を通り、
撮像面５に結像する。ここで９ａは反射鏡１のＹ軸方向
の端点を示している。

【００３５】図４は（実施の形態１）の広角撮像装置の
撮像面上での像の結像状態を示した模式図である。斜線
部は反射鏡１により反射して結像した像を示しており、
Ａ，Ｂ，Ｃは図１に示した対象物の結像する位置を模式
的に示している。

【００３６】図３において、端点９ａからの反射光は結
像レンズ２を通り、撮像面５の位置１０ａに結像する。
点９ｂは反射鏡１と光軸８との交点を示している。点９
ｂからの反射光も同様に撮像面５の位置１０ｂに結像す
る。点９ｃは反射鏡１の頂点を示しており、点９ｃから
の反射光は撮像面５の位置１０ｃに結像する。

【００３７】結果として、１８０度の画角の画像が半円
状に結像される。さらに、半円状の像の直径が撮像面５
のＸ方向の長さに略一致するように結像レンズ２の倍率
を選択することにより、図４のように撮像面５に半円状
の像１１が結像する。これは、半円状の像を長方形の撮
像面５に結像させる場合に最も効率的な配置である。

【００３８】したがって、本実施の形態によれば、１８
０度の画角の画像を一度に撮像できると共に、１８０度
の画角の画像を長方形の撮像面に効果的に配置できる。

【００３９】図５は、この（実施の形態１）を示す図４
に従来の全方位カメラを監視領域１８０度で使用した場
合の結像レンズ２ａの配置と撮像素子３ａの配置を重ね
て記載したもので、従来の全方位カメラでは反射鏡１の
回転中心軸６と撮像素子３ａの光軸が一致し、反射鏡１
の端部９ａからの反射光が撮像面５の短軸の端部１０ｄ
に結像する位置に撮像素子３ａが配置されている。

【００４０】図６では（実施の形態１）の半円状の像１
１に対して結像レンズ２ａと撮像素子３ａによる従来の
全方位カメラの結像は、像１１ａのように撮像素子３ａ
の未使用画素が多くなってしまい、（実施の形態１）に
比べて従来の全方位カメラは非効率である。縦横比が
４：３の撮像面であれば、１８０度画角分の使用領域は
従来の全方位カメラでは約３０％であるのに対して、こ
の（実施の形態１）では約５２％となり、２２％も使用
領域が増えて画質が向上する。

【００４１】（実施の形態２）図７と図８は（実施の形
態２）を示し、反射鏡１と結像レンズ２との間に第２の
反射鏡１２を介装した点が（実施の形態１）とは異なっ
ている。

【００４２】第２の反射鏡１２は平面ミラーで構成され
ており、この第２の反射鏡１２は反射鏡１（第１の反射
鏡）の回転中心軸６上に図８では４５度の傾きで配置さ
れており、第１の反射鏡１からの反射光を基準光軸方向
（Ｙ軸方向）と逆の方向（Ｙ軸の負方向）に光路変更す
る。撮像素子３の位置は（実施の形態１）における破線
位置から矢印１３で示す方向に移動させて実線位置に配
置することができ、広角撮像装置のＺ軸方向の高さを
（実施の形態１）よりもコンパクトに構成できる。

【００４３】さらに、反射鏡１で反射した光が第２の反
射鏡１２で反射してから撮像素子３に入射するため、２
回の反射によって像が正立像になり対象が認識し易い。（実施の形態３）図９と図１０は（実施の形態３）を示
し、（実施の形態２）とは第２の反射鏡１２の傾きが異
なり、それに伴って撮像素子３の位置も変更されてい
る。

【００４４】撮像素子３の光軸８と反射鏡１の回転中心
軸６とが直交しており、撮像素子３の撮像面５に半円状
の像１１を配置するために、第２の反射鏡１２をＸ軸の
回りに撮像素子３の光軸８に対して４５＋（α／２）度
の角度に傾けて配置されている。

【００４５】この構成によると、反射鏡１の中心部分が
撮像面５の端部（図９では上端）に結像し、結像レンズ
２の倍率を適当に選択することにより、（実施の形態
１）の図４を上下反転した画像が得られる。

【００４６】（実施の形態４）図１１と図１２は（実施
の形態４）を示す。この（実施の形態４）の広角撮像装
置は、（実施の形態３）と同じように反射鏡１を介して
１８０度の画角を撮像できる広角状態と反射鏡１を介さ
ずに結像レンズ２を介して光が撮像素子３に入射する標
準状態とに切り換え可能に構成されている。図１２
（ｂ）は広角状態において撮像素子３の出力をカメラ処
理回路１４で幾何変換処理を施して１８０度のパノラマ
画像に変換して表示装置１５に表示される画像の内容を
示している。

【００４７】広角状態では反射鏡１で反射するため撮像
面５では反射像となるが、標準状態では図１２（ａ）に
示すように通常の視野の画像となる。カメラ本体１６に
は、反射鏡１と結像レンズ２と撮像素子３および第２の
反射鏡１２とが（実施の形態３）の配置条件で設けられ
ているとともに、第２の反射鏡１２は回動装置１７を介
して取りつけられて実線位置と仮想線で示すように撮像
素子３の視野を妨げない退避位置とに移動可能に構成さ
れている。結像レンズ２は、広角状態と標準状態とで光
軸方向に位置を変更可能に構成されている。

【００４８】結像レンズ２の位置と回動装置１７の回動
とは焦点位置制御回路１８によって管理されている。結
像レンズ２の焦点は広角状態では仮想物点が反射鏡１の
近傍に設定されており、標準状態では第２の反射鏡１２
を待避位置に移動させるとともに結像レンズ２の位置が
比較的遠方の位置に焦点が合うように変更される。

【００４９】撮像素子３の出力信号はカメラ処理回路１
４を介して画像変換して表示装置１５で表示される。な
お、この（実施の形態４）では回動装置１７で第２の反
射鏡１２を回動させて通常視野を妨げないように構成し
たが、回動装置１７を用いずに、例えば、標準状態の場
合には第２の反射鏡１２を図１１に示す位置から通常視
野を妨げないようにＸ軸方向（図１１の紙面方向）に移
動させるように構成することもできる。

【００５０】（実施の形態５）図１３〜図１５は（実施
の形態５）を示す。この（実施の形態５）の広角撮像装
置は、（実施の形態２）における第２の反射鏡１２の反
射面が逆向きに配置し、それに伴って撮像素子３の位置
が変更されている。その他は（実施の形態２）と同じで
ある。

【００５１】図１３と図１４に示すように、第２の反射
鏡１２の角度は撮像素子３の撮像面に（実施の形態１）
の図４と同じように結像されるように配置する。結像レ
ンズ２と撮像素子３を含めた装置全体が反射鏡１の回転
中心軸６の後ろ側にないよう、すなわち、結像レンズ２
と撮像素子３がＹ軸の正の位置に配設できる。

【００５２】このように構成したため、広角撮像装置の
背面に近いところに反射面の焦点があり、室内の壁面な
どに取りつけた場合に壁面に非常に近い位置から１８０
度を見渡すことができるため、死角がほぼ無くなる。室
内の壁面でなくても冷蔵庫の表パネルなどへ組み込んで
室内を監視するようにも構成できる。

【００５３】さらに、図１５に示すように壁面コンセン
ト１９に差し込んだ状態で使用できる広角撮像装置を実
現できる。この場合、壁面コンセント１９に差し込まれ
たプラグ２０によって広角撮像装置を支持できるととも
に、広角撮像装置の内部への給電もこのプラグ２０から
行い、撮像した画像の伝送もプラグ２０を介して屋内配
線を介して多重伝送することができる。

【００５４】（実施の形態６）図１６（ａ）（ｂ）
（ｃ）は（実施の形態６）を示す。この（実施の形態
６）の広角撮像装置は、上記の各実施の形態の撮像面を
結像レンズ２の光軸からずらして配置した場合の具体例
を示している。

【００５５】図１６（ａ）では、結像レンズ２の光軸を
反射鏡１の回転中心軸６に一致させて撮像素子３の位置
をずらして図４に示したように効率的に受光できるよう
に構成されている。

【００５６】図１６（ｂ）では、第２の反射鏡１２を４
５度に設定し、反射鏡１の回転中心軸６からの光が撮像
素子３の撮像面５の端部に受光するように撮像素子３の
位置をずらして配置して図４に示したように効率的に受
光できるように構成されている。図１６（ｃ）では、図
１６（ｂ）とは第２の反射鏡１２の角度と向きが異なる
ものの同様である。

【００５７】このように、結像レンズ２の光軸と反射鏡
１の回転中心軸を一致させた状態で図４のように効率的
に受光できる光学配置を比較的簡単に実現できる。（実施の形態７）図１７，図１８は（実施の形態７）を
示す。

【００５８】この（実施の形態７）は、上記の各実施の
形態における撮像素子３の出力信号処理の具体例を示す
ものである。図１７が撮像素子３における半円状の像の
位置を示している。また、横線が読み取り走査列１〜ｎ
を示している。なお、上記の各実施の形態において撮像
素子３の走査の開始ライン上に半円状の像の直径位置が
結像するように配設している。したがって、第２の反射
鏡１２の有無により、左右反転した像になる場合もある
が、本実施の形態の効果は変わらない。

【００５９】カメラ処理回路は撮像素子３の全ての読み
取り走査位置を読み込まずに、読み取り走査列１〜ｉま
でを順に走査して読み取ると、読み取り走査列１に戻っ
て読み取りを繰り返すよう構成し、読み取り走査列（ｉ
＋１）〜ｎの読み出しを実行しない。

【００６０】このように構成したため、変換画像を迅速
に出力できる。また、この読み取り処理に加えて、図１
１と図１２に示した（実施の形態４）の場合には、図１
８に示すフローに従って処理する。

【００６１】ステップＳ１で画像撮像をスタートし、ス
テップＳ２では広角状態か標準状態かを判別する。ステ
ップＳ２で広角状態であると検出された場合にはステッ
プＳ３で上記のように読み取り走査列１〜ｉまでを順に
走査して読み取る。ステップＳ４で幾何変換処理を実行
し、生成したパノラマ画像をステップＳ５で画像表示す
る。

【００６２】ステップＳ２で標準状態であると検出され
た場合にはステップＳ６で読み取り走査列１〜ｎを順に
走査して読み取り、ステップＳ５で画像表示する。ステ
ップＳ５が終了すると、ステップＳ７では表示終了かど
うかを判定して、終了しない場合にはステップＳ２に戻
って上記のルーチンを繰り返し実行する。ステップＳ７
で表示終了が検出された場合にはステップＳ８を実行し
て表示を終了する。

【００６３】なお、ステップＳ４の幾何変換の処理時間
は、有効領域以外の不用領域である（ｉ＋１）〜ｎを走
査する時間以内に終わるようにカメラ処理回路１４を構
成する。

【００６４】このように構成することによって、半円状
に結像する画像に対して、走査を必要分だけにして残り
操作時間に幾何変換処理を実行するので、ほぼリアルタ
イムでパノラマ画像を出力できる。

【００６５】（実施の形態８）図１９，図２０，図２１
は（実施の形態８）を示し、反射鏡１の回転中心軸６
と、結像レンズ２の光軸８とのなす角が(実施の形態
１）とは異なっている。

【００６６】図２０は（実施の形態８）の撮像素子３の
撮像面５の上での結像状態を示した模式図である。１０
３は反射鏡１により反射して結像した像を示している。
ｎは撮像面５の長辺の長さ、ｍは撮像面５の短辺の長さ
を示している。

【００６７】図１９において、Ｌは結像レンズ２の主点
７と撮像素子３の光軸方向の距離を示している。２αが
結像レンズ２のＹ−Ｚ平面内での画角、すなわち撮像面
５の短辺方向の画角を示しており、回転中心軸６と結像
レンズ２の光軸８とのなす角をβとすると、ｔａｎβ＝［（ｎ／ｍ）−１］・ｔａｎα （式１０１）が成立するよう配置されている。

【００６８】図１９において、反射鏡１の外周部の点１
０１ａからの反射光は、結像レンズ２を通って撮像素子
３の撮像面５の点１０２ａに結像する。また、結像レン
ズ２の光軸８と反射鏡１との交点１０１ｂからの反射光
は、結像レンズ２を通って撮像面５の点１０２ｂに結像
し、反射鏡１の回転中心軸上の点１０１ｃからの反射光
は、結像レンズ２を通って撮像面５の点１０２ｃに結像
する。このようにＺ軸回りにＹ軸方向を中心として、略
±９０度方向からの反射光が撮像素子３に結像し、結果
として略１８０度画角の画像がほぼ半円状に結像する。

【００６９】ここで、図２０の像１０３が撮像面５に内
接し、かつ点１０２ａが撮像面５の端点に接するために
は、結像レンズ２の光軸８上からの反射光の結像の点１
０２ｂと、反射鏡１の外周部の点１０１ａの結像の点１
０２ａとの距離が、撮像面５のｍ／２に一致しなければ
ならない。したがって、Ｙ軸方向の画角２αの半分の画
角の像が、ｍ／２の距離に結像することになる。図１９
の幾何学的関係より、Ｌ・ｔａｎα ＝ｍ／２（式１０２）が成立する。

【００７０】一方で、像１０３の半径は撮像面５の長辺
ｎの半分になるため、反射鏡１の回転中心軸上の点１０
１ｃからの反射光が結像した点１０２ｃと、反射鏡１の
外周部の点１０１ａの結像の点１０２ａとの距離は、撮
像面５の長辺ｎの半分に一致する。したがって、幾何学
的関係より、Ｌ・ｔａｎβ ＝（ｎ／２）−（ｍ／２）（式１０３）が成立する。

【００７１】（式１０２）と（式１０３）より（式１０
１）が導出される。したがって、（式１０１）が成立す
るように結像レンズ２の光軸を角度βだけ傾け、かつ、
結像レンズ２の倍率を選択すれば、１８０度画角の画像
が、半円部の円弧部が撮像面５の３辺にほぼ接するよう
な状態で結像する。

【００７２】なお、（式１０１）が成立する条件で結像
した場合、像１０３のＸ方向すなわち撮像面５の長辺方
向の長さは、Ｙ方向より（１／ｃｏｓβ）倍長くなる。
したがって、半円状の画像はＸ方向に撮像面５を若干は
み出すが、βが比較的小さいため実用上に問題がない。

【００７３】なお、図２０では半円状の像１０３が撮像
面５に内接するように配置したが、半円状の像１０３の
半径が撮像面５の長辺ｎの略１／２になるように結像す
るのであれば、必ずしも内接する必要はない。すなわ
ち、図２１に示すように撮像面５において像１０３が結
像位置１０４に結像しても、１８０度の画角の画像を撮
像面に有効に撮像できる。図２１には（実施の形態１）
の場合の半円状の像１１の結像位置も比較のために記載
している。

【００７４】このように、撮像装置の全体の大きさを考
慮しなければ横長の撮像面５に１８０度画角の画像をで
きるだけ大きく、すなわち解像度が高くなるように配置
するためには、反射鏡１の回転軸中心が、撮像面５の長
辺の中線上に結像し、かつ半円状の画像の半径が、撮像
面５の長辺の略半分の長さに結像すればよい。

【００７５】したがって、結像レンズ２のＹ−Ｚ平面内
での画角、すなわち撮像面５の短辺方向の画角を２αと
し、結像レンズ２の光軸方向と、反射鏡１の回転中心軸
６が、Ｙ−Ｚ平面上でなす角度をτとすると、τは（実
施の形態１）の傾き角α以下で、（式１０１）における
β以上であればよい。すなわち、下記（式１０４）の範
囲にτがあれば良いことになる。

【００７６】 α ≧ τ ≧ ｔａｎ^-1［（ｎ／ｍ−１）・ｔａｎα］（式１０４）例えば、結像レンズ２の画角２α＝４０度とし、撮像面
の長辺長さｎ＝４〔ミリメートル〕、短辺長さｍ＝３
〔ミリメートル〕とすると、２０° ≧ τ ≧ ６．９１° となる。ここで、図１９から明らかなように、τが大き
くなればなるほど光学系が傾くため、光学系のＹ軸方向
の大きさが大きくなる。したがって、（式１０１）を満
足するように光学的に配置することにより、（実施の形
態１）に比べて結像レンズ２の傾き角が小さくなり、装
置を小型化できる。

【００７７】（実施の形態９）図２２，図２３は（実施
の形態９）を示す。（実施の形態８）では撮像面５上で
の半円状の画像の位置を（実施の形態１）のそれとは変
更するように構成したが、第２の反射鏡１２を使用した
（実施の形態３）においても同様に撮像面５上での半円
状の画像の位置を変更できる。

【００７８】具体的には、図２２は（実施の形態９）の
光学系のＹ−Ｚ断面を示し、（実施の形態３）と同様に
反射鏡１と結像レンズ２の間に第２の反射鏡１２を介装
し、かつ（実施の形態８）と同様に、撮像面５に１８０
度画角の画像を内接するように結像する光学的配置を示
したものである。

【００７９】ここで、結像レンズ２の光軸方向をＹ軸方
向と一致させたときに、撮像面５に１８０度画角の画像
を内接させるために、Ｙ−Ｚ平面上にて、第２の反射鏡
１２の面の法線方向と撮像素子３の光軸とが、４５＋
（β／２）度をなすように配置する。βは（実施の形態
８）の（式１０１）から求まる。

【００８０】このような光学配置にすることによって、
結像レンズ２の光軸８と反射鏡１との交点１０１ｂから
の反射光は、第２の反射鏡１２によりＹ軸方向に一致す
る方向に光路変更し、図２３に示すように撮像面５の中
心１０５ｂに結像する。さらに、反射鏡１の外周部の点
１０１ａからの反射光は、結像レンズ２を通り撮像面５
上の点１０５ａに結像する。反射鏡１の回転中心軸上の
点１０１ｃからの反射光は、結像レンズ２を通り撮像面
５上の点１０５ｃに結像する。

【００８１】したがって、結像レンズ２を水平に配置し
第２の反射鏡１２を設けることによって、図２３に示す
ように、図２０とは上下左右が反転した画像を得ること
ができる。そのため（実施の形態２）と同様に、Ｚ軸方
向にコンパクトである。

【００８２】この（実施の形態９）では、撮像面５に１
８０度画角の画像を内接するように結像する光学的配置
を示したものであるが、半円状の画像の半径が撮像面５
の長辺の略１／２になるように結像するのであれば、必
ずしも内接する必要はない。したがって第２の反射鏡１
２は、Ｙ−Ｚ平面上にて、第２の反射鏡１２の面の法線
方向と撮像素子３の光軸とが、４５＋（β／２）度をな
すように配置する設定角度と、（実施の形態３）におけ
る第２の反射鏡１２の設置角度との間の設置角度に設定
し、半円状の画像の直径が撮像面５の長辺の長さに略一
致するようにすれば、半円状の画像を撮像面５に有効に
結像することができる。

【００８３】なお、（実施の形態５）においても同様に
実施できる。（実施の形態１０）図２４（ｂ）（ｃ）は（実施の形態
１０）を示す。

【００８４】これは上記の各実施の形態において撮像素
子３の撮像面５における１８０度画角の画像が結像する
領域を示している。ここで、図２４（ａ）の領域１２１
は、例えば（実施の形態１）に示された光学的配置すな
わち、半円状の結像領域の中心が撮像面５の長辺の中点
に位置する場合である。

【００８５】図２４（ｂ）の領域１２３は、例えば（実
施の形態８）に示された光学的配置により得られる結像
領域であり、半円状の結像領域が撮像面５に内接する場
合である。

【００８６】図２４（ｃ）は図２４（ａ）と図２４
（ｂ）の中間に結像の領域１２５がある場合である。先
の（実施の形態７）では、図２４（ａ）のような結像状
態の場合には、不要な領域１２２を走査する時間内に幾
何変換処理を実施するとして説明した。図２４（ｂ）
（ｃ）の場合も同様であって、図２４（ｂ）の場合には
不要な領域１２４を走査する時間内に幾何変換処理を実
施し、図２４（ｃ）の場合には不要な領域１２６を走査
する時間内に幾何変換処理を実施することによって、何
れの場合も変換画像を迅速に出力できる。

【００８７】（実施の形態１１）図２５，図２６，図２
７は（実施の形態１１）を示す。図２５においては、
（実施の形態８）の反射鏡１が回転中心軸回りに１８０
度の凸面であるのに対して、この図２５の反射鏡１０５
は回転対称体の回転中心軸回りで基準光軸方向の１８０
度を越える凸面形状の反射面、より具体的には、回転中
心軸６の回りに３６０度の回転対称形状である点が異な
り、２αが結像レンズ２のＹ−Ｚ平面内での画角、すな
わち撮像面５の短辺方向の画角を示しており、回転中心
軸６と結像レンズ２の光軸８とがＹ−Ｚ平面上でなす角
度をβとすると（式１０１）が成立するように結像レン
ズ２，撮像素子３が配置されている。

【００８８】図２６は撮像素子３の撮像面５の拡大平面
図であり、図２５に示したように反射鏡１０５が回転対
称であるため、撮像面には３６０度の方向の反射光の一
部が結像する。１０８ａと１０８ｂの領域域が結像した
像を示している。

【００８９】図２５に示すように、（実施の形態８）と
は異なり反射鏡１０５が３６０度の回転対称体であるた
め、反射鏡１０５上の点１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ
に加えて、点１０６ｄからの光も、結像レンズ２を通り
撮像素子３に結像する。

【００９０】点１０６ａからの反射光が１０７ａ、点１
０６ｂは結像レンズ２の光軸上にあるため撮像面５の中
心１０７ｂに、点１０６ｃからの反射光は１０７ｃに、
点１０６ｄからの反射光は１０７ｄに結像する。したが
って、図２６の領域１０８ａ，１０８ｂに画像が結像す
ることになる。

【００９１】ここで、結像する画像のＺ軸回りの画角に
ついて説明する。図２６のγは、本実施の形態において
１８０度を越えて撮像できる画角を示しており、ここで
γは、撮像面５の縦横の長さ比により決まる。撮像面５
の長辺長さがｎ、短辺長さがｍであるため、ｓｉｎγ ＝（２ｍ−ｎ）／ｎとなる。例えば、最も一般的な長辺と短辺の比が４：３
の比率の撮像素子３の場合、（２ｍ−ｎ）／ｎ＝０．５
となるため、γは３０度になる。したがって、４：３の
縦横比のＣＣＤの場合には、約１８０度＋２×３０＝２
４０度の画角が得られることになる。したがって、（実
施の形態１）のように１８０度画角での有効な撮像面利
用率を維持しつつ１８０度を越えるより広角の画角の画
像を撮像することが可能である。

【００９２】図２７は、図２６の領域１０８ｂの画像を
パノラマ画像に変換した例である。矢印の方向に１８０
度画角以上の画像角を有するパノラマ画像が得られる。
この変換処理については、（実施の形態４）でのカメラ
処理回路１４と同様の処理により実現できる。

【００９３】このように、本実施の形態によれば、１８
０度より広い画角の画像を一度に撮像できるとともに、
この画像を、長方形の撮像面５に効果的に配置すること
ができる。

【００９４】なお、この実施例では、反射鏡１０５は３
６０度の完全な回転対称形状である場合について説明し
たが、回転中心軸回りに撮像できる画角分に相当する回
転対称体の一部の反射部があればよい。ただし、反射鏡
の製造上、３６０度の回転対称形状が望ましい。

【００９５】

【発明の効果】以上のように本発明の広角撮像装置は、
回転対称体の回転中心軸回りで基準光軸方向の略±９０
度の凸面形状の反射面を有する第１の反射鏡で反射され
た光を、撮像装置によって直接に撮影するか、または第
１の反射鏡と前記撮像装置の間の光路に配置された第２
の反射鏡を介して撮影するように構成したので、略１８
０度の監視領域を撮影装置における撮像素子の画素を効
率よく使用して、良好な画質の映像を得ることができ
る。

【００９６】また、本発明の広角撮像装置は、回転対称
体の回転中心軸回りで基準光軸方向の１８０度を越える
凸面形状の反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の
反射鏡の回転中心軸上に主点を有し前記第１の反射鏡か
らの反射光を結像し撮像する撮像装置とを設け、前記第
１の反射鏡の回転中心軸が、前記撮像面の長辺方向の略
中点に結像し前記第１の反射鏡からの円形の反射光の直
径が前記撮像面の長辺に略一致するように構成したの
で、１８０度を越える広角の監視領域を撮影装置におけ
る撮像素子の画素を効率よく使用して、良好な画質の映
像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の（実施の形態１）の広角撮像装置の概
略斜視図

【図２】（実施の形態１）の広角撮像装置により撮像さ
れる対象物の位置を示し図１の広角撮像装置をＺ軸方向
から観測した状態図

【図３】図１におけるＹ−Ｚ側面断面図

【図４】同実施の形態の撮像素子の撮像面の拡大平面図

【図５】同実施の形態と従来例とを比較するもので図１
におけるＹ−Ｚ側面断面図

【図６】同実施の形態と従来例とを比較するもので撮像
素子の撮像面の拡大平面図

【図７】本発明の（実施の形態２）の広角撮像装置の概
略斜視図

【図８】（実施の形態２）の広角撮像装置により撮像さ
れる対象物の位置を示し図７の広角撮像装置をＸ軸方向
から観測した状態図

【図９】本発明の（実施の形態３）の広角撮像装置の概
略斜視図

【図１０】（実施の形態３）の広角撮像装置により撮像
される対象物の位置を示し図９の広角撮像装置をＺ軸方
向から観測した状態図

【図１１】本発明の（実施の形態４）の広角撮像装置の
構成図

【図１２】同実施の形態の標準状態と広角状態の表示画
面の内容の説明図

【図１３】本発明の（実施の形態５）の広角撮像装置の
概略斜視図

【図１４】（実施の形態５）の広角撮像装置により撮像
される対象物の位置を示し図１３の広角撮像装置をＺ軸
方向から観測した状態図

【図１５】同実施の形態の広角撮像装置の具体的な使用
形態を示す要部断面図

【図１６】本発明の（実施の形態６）の広角撮像装置の
撮像面と結像レンズの光軸からずらして配置した場合の
Ｙ−Ｚ側面断面図

【図１７】本発明の（実施の形態７）の撮像素子３の出
力信号処理を説明する撮像面の拡大平面図

【図１８】本発明の（実施の形態７）のフローチャート
図

【図１９】本発明の（実施の形態８）の広角撮像装置の
光学的配置の構成図

【図２０】同実施の形態の撮像面の平面図

【図２１】同実施の形態の撮像面の別の例の平面図

【図２２】本発明の（実施の形態９）の広角撮像装置の
光学的配置の構成図

【図２３】同実施の形態の撮像面の平面図

【図２４】本発明の（実施の形態１０）の広角撮像装置
の幾何変換処理のタイミングの説明図

【図２５】本発明の（実施の形態１１）の広角撮像装置
の光学的配置の構成図

【図２６】同実施の形態の撮像面の平面図

【図２７】同実施の形態の幾何変換後のパノラマ画像の
説明図

【符号の説明】

１反射鏡（第１の反射鏡）２結像レンズ３撮像素子４反射鏡１の内部焦点５撮像素子３の撮像面６反射鏡１の回転中心軸７結像レンズ２の主点８結像レンズ２の光軸１２第２の反射鏡１７回動装置１８焦点位置制御回路１４カメラ処理回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H059 BA03 2H087 KA03 LA07 RA04 RA12 RA44 TA01 TA03 TA04 TA06 5C022 AB68 AC51 AC54

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転対称体の回転中心軸回りで基準光軸方
向の略±９０度の凸面形状の反射面を有する第１の反射
鏡と、前記第１の反射鏡の回転中心軸上に主点を有し前記第１
の反射鏡からの反射光を結像し前記第１の反射鏡の回転
中心軸回りの略±９０度方向の対象物を撮像する撮像装
置とを設けた広角撮像装置。
【請求項２】前記第１の反射鏡が回転中心軸上に内部焦
点を持つ双曲面形状であり、前記双曲面形状の外部焦点
の位置と前記撮像装置の主点の位置が略一致し、前記撮
像装置の画角を２αとすると、前記撮像装置の光軸と前
記第１の反射鏡の回転中心軸とが略αの角度をなすこと
を特徴とする請求項１記載の広角撮像装置。
【請求項３】回転対称体の回転中心軸回りの任意の基準
光軸方向の略±９０度の凸面形状の反射面を有する第１
の反射鏡と、前記第１の反射鏡の回転中心軸上に配置され前記第１の
反射鏡からの反射光を前記基準光軸方向と逆の方向に光
路変更する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡により光路変更された反射光を結像し
前記第１の反射鏡の回転中心軸回りの略±９０度の方向
の対象物を撮像する撮像装置とを設けた広角撮像装置。
【請求項４】前記第１の反射鏡が回転中心軸上に内部焦
点を持つ双曲面形状であり、前記第２の反射鏡により位
置変換された前記双曲面形状の外部焦点の位置と前記撮
像装置の主点の位置が略一致することを特徴とする請求
項３記載の広角撮像装置。
【請求項５】前記撮像装置の光軸が、第１の反射鏡の回
転中心軸と略直交し、かつ前記第１の反射鏡の基準光軸
方向と略１８０度の方向に略一致し、前記第１の回転軸方向における前記撮像装置の画角を２
αとすると、前記第２の反射鏡の面の法線方向と前記撮
像装置の光軸とのなす角の狭角が略４５＋（α／２）度
であることを特徴とする請求項４記載の広角撮像装置。
【請求項６】前記第２の反射鏡を移動する移動装置を有
し、前記第２の反射鏡の移動により前記第１の反射鏡か
らの反射光を前記撮像装置に結像させず前記撮像装置が
直接に対象物を撮像するよう構成した請求項３記載の広
角撮像装置。
【請求項７】前記撮像装置が、前記移動装置による第２
の反射鏡の位置に応じて焦点位置を調整する調整装置を
有する請求項６記載の広角撮像装置。
【請求項８】回転対称体の回転中心軸回りの基準光軸方
向の略±９０度の凸面形状の反射面を有する第１の反射
鏡と、前記第１の反射鏡の回転中心軸上に配置され、前記第１
の反射鏡からの反射光を前記基準光軸方向に光路変更す
る第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡により光路変更された反射光を結像し
前記第１の反射鏡の回転中心軸回りの略±９０度の方向
の対象物を撮像する撮像装置からなる広角撮像装置。
【請求項９】前記第１の反射鏡が回転中心軸上に内部焦
点を持つ双曲面形状であり、前記第２の反射鏡により位
置変換された前記双曲面形状の外部焦点の位置と前記撮
像装置の主点の位置が略一致することを特徴とする請求
項８記載の広角撮像装置。
【請求項１０】前記回転対称体の回転中心軸回りの基準
光軸方向の略±９０度の方向の空間内に、前記第１の反
射鏡と前記第２の反射鏡と前記撮像装置が含まれるよう
配置した請求項９記載の広角撮像装置。
【請求項１１】前記撮像装置の撮像面が長辺と短辺と有
する長方形であり、前記第１の反射鏡の回転軸中心が、
前記撮像面の長辺の略中点に結像するよう、前記撮像装
置の撮像素子の位置を前記撮像装置の光軸に垂直な方向
にずらして設けたことを特徴とする請求項１，請求項
３，請求項８の何れかに記載の広角撮像装置。
【請求項１２】前記撮像装置の撮像面が長辺と短辺とを
有する長方形であり、前記第１の反射鏡の回転軸中心
が、前記撮像面の長辺方向の略中線上に結像し、第１の
反射鏡からの半円状の反射光の直径が前記撮像面の長辺
の長さに略一致するよう構成した請求項１，請求項３，
請求項８の何れかに記載の広角撮像装置。
【請求項１３】前記撮像装置の撮像面が長辺と短辺と有
する長方形であり、前記第１の反射鏡の回転軸中心が前
記撮像面の長辺の略中点に結像し、前記第１の反射鏡か
らの半円状の反射光の直径が前記撮像面の長辺に一致す
るよう構成した請求項２，請求項５，請求項９，請求項
１１の何れかに記載の広角撮像装置。
【請求項１４】前記第１の反射鏡の回転中心軸回りの略
±９０度の方向の対象物を撮像した撮像装置の撮像面上
の有効領域のみを走査して前記有効領域の画像を幾何変
換し出力するカメラ処理回路を有する請求項１〜請求項
１３の何れかに記載の広角撮像装置。
【請求項１５】前記幾何変換の処理時間が前記有効領域
以外の不用領域を走査する時間以内に終わることを特徴
とするカメラ処理回路である請求項１４記載の広角撮像
装置。
【請求項１６】回転対称体の回転中心軸回りで基準光軸
方向の１８０度を越える凸面形状の反射面を有する第１
の反射鏡と、前記第１の反射鏡の回転中心軸上に主点を有し前記第１
の反射鏡からの反射光を結像し撮像する撮像装置とを設
け、前記第１の反射鏡の回転軸中心が、前記撮像面の長
辺方向の略中線上に結像し前記第１の反射鏡からの円形
の反射光の直径が前記撮像面の長辺の長さに略一致する
ように構成した広角撮像装置。
【請求項１７】前記撮像装置の撮像面の短辺方向の画角
を２αとし、前記撮像装置の撮像面の長辺の長さｎ、短
辺長さｍとすると、前記撮像装置の光軸と前記第１の反
射鏡の回転中心軸とが、ｔａｎβ ＝［（ｎ／ｍ）−１］・ｔａｎα の成立する角度βをなすことを特徴とする請求項１６記
載の広角撮像装置。
【請求項１８】前記第１の反射鏡の回転中心軸回りの略
±（９０＋γ）度方向の対象物が結像した前記撮像面上
の領域の画像を取り出して幾何変換して出力するカメラ
処理回路を有し、ｓｉｎγ ＝（２ｍ−ｎ）／ｎである請求項１７記載の広角撮像装置。