JP2006030664A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い範囲を撮影でき、パララックスの発生を抑制して良好な画質が得られると共に、パッケージが比較的大きい撮像素子を利用可能にする撮像装置を提供する。
【解決手段】 広範囲の被写体を分割した複数の各分割被写部をそれぞれ個別に複数の撮像手段１１，１２によって撮影し、撮像手段１１，１２がレンズ１，３Ａ，３Ｂ及び撮像素子６を備え、複数の撮像手段１１，１２の各ＮＰ９点を１つのＮＰ点９を中心とした微小の半径領域内に集合させ、各撮像手段１１，１２において、最も被写体に近いレンズ１の屈折面よりも後方に反射機能を有する光学素子５を設け、この光学素子５よりも後方かつＮＰ点９とレンズ１の各方向の外周部とを通る直線からなる空間の外部に配置された撮像素子６によって、光学素子５により屈曲された光線が検知される撮像装置を構成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、全方位等の広い範囲を撮像することができる撮像装置に係わる。

周知のように、多数のビデオカメラを１つの筐体に収納して、全方位或いは全周を同時に撮影するカメラが種々開発されている。

上述のカメラの構成では、各ビデオカメラの視点中心が一致していないと、パララックス（視差）が生じて、高品質に複数の画像を繋ぎ合わせることができない、という問題を生じる。

そこで、パララックスの問題を解決するために、例えば、ミラーを用いることにより、複数のカメラの視点中心を仮想的に略一致させた構成（例えば、特許文献１参照）や、ミラーを用いないでパララックスを解決する（即ちノンパララックスを実現する）光学系（特許文献２参照）等が提案されている。
特公昭３９−８１４０号公報 特開２００３−１６２０１８号公報

しかしながら、前者のミラーを用いた構成では、ミラー部分の体積が必要であるために装置全体が大きくなること、ミラーの割れや汚れを生じないようにする必要があるために取り扱いが難しい、という問題点があった。

一方、後者のミラーを用いずにノンパララックスを実現する光学系では、ミラーが無いため、装置の小型化や通常のレンズと同等の扱いやすさを実現することができる、という利点がある。

しかしながら、後者の構成では、視差を生じないで視点中心となるノンパララックス点（ＮＰ点）と、レンズの各方向の外周部とを通る空間に、撮像素子を含む光学系が内包されるように配置することが条件となるため、比較的小さなパッケージで構成された撮像素子でないと使用が難しくなる。
従って、撮像素子の選定上の自由度が小さくなるという問題点があった。

これに対して、比較的大きいパッケージで構成された撮像素子が使用できると、汎用で安価な撮像素子や、画素数が多く比較的大型の撮像素子も、使用可能になる。画素数を多くすることができれば、画像の解像度も向上することができる。

上述した問題の解決のために、本発明においては、広い範囲を撮影することができ、パララックスの発生を抑制して良好な画質が得られると共に、パッケージが比較的大きい撮像素子を利用可能にする撮像装置を提供するものである。

本発明の撮像装置は、広範囲の被写体を分割した複数の各分割被写部をそれぞれ個別に複数の撮像手段によって撮影するものであり、撮像手段がレンズ及びレンズを通過した光線を検知する撮像素子を備え、撮像手段のレンズの開口絞りの中心を通る主光線中、ガウス領域に位置する主光線を選択し、選択された主光線の物空間における直線成分を延長して光軸と交わる点をＮＰ点と定義したときに、複数の撮像手段の各ＮＰ点を１つのＮＰ点を中心とした微小の半径領域内に集合させ、各撮像手段において、最も被写体に近いレンズの屈折面よりも後方に反射機能を有する光学素子が配置され、撮像素子は、反射機能を有する光学素子より後方であり、かつＮＰ点とレンズの各方向の外周部とを通る直線からなる空間の外部に配置され、反射機能を有する光学素子により屈曲された光線が撮像素子で検知されるものである。

上述の本発明の撮像装置の構成によれば、複数の撮像手段の各ＮＰ点を１つのＮＰ点を中心とした所定の半径領域内に集合させたことにより、各撮像手段の間のパララックスをなくすことが可能になる。
そして、広範囲の被写体を分割した複数の各分割被写部をそれぞれ個別に複数の撮像手段によって撮影するので、広範囲の被写体を、パララックスを生じることなく撮影することができる。
また、各撮像手段において、最も被写体に近いレンズの屈折面よりも後方に反射機能を有する光学素子が配置され、この光学素子より後方でかつＮＰ点とレンズの各方向の外周部とを通る直線からなる空間の外部に撮像素子が配置されているため、ＮＰ点とレンズの各方向の外周部とを通る直線からなる空間の大きさに係わらず、その外部に配置されている撮像素子には、パッケージの比較的大きい撮像素子を使用することが可能になる。
これにより、パッケージの比較的大きい、既存の汎用の撮像素子を使用することが可能になる。そして、例えば、高画質・高精細のＣＣＤ固体撮像素子や、高機能のＣＭＯＳ型固体撮像素子を使用することが可能になる。

また、上記本発明の撮像装置において、隣り合う撮像手段において、それぞれの撮像素子が空間的に干渉しないように配置されている構成とすることも可能である。
このように構成したときには、隣り合う撮像手段の撮像素子が互いに空間的に干渉しないため、パッケージの比較的大きい撮像素子を使用しても、容易に隣り合う撮像手段のＮＰ点を略一致させることができる。

また、上記本発明の撮像装置において、隣り合う撮像手段において、光学素子による光線の屈曲方向が互いに異なっている構成とすることも可能である。
このように構成することにより、光学素子による光線の屈曲方向を適切に選定して、隣り合う撮像手段の撮像素子が互いに空間的に干渉しないようにすることが可能になる。

上述の本発明によれば、パッケージの比較的大きい撮像素子を使用することが可能になると共に、各撮像手段の間でパララックスをなくし、広い範囲例えば全方位を撮影することができる。
そして、複数の撮像手段を使用して撮像領域を分担して撮像するため、各カメラで高い解像度で撮像することにより、広い範囲を高い解像度で撮像することが可能になる。

また、本発明によれば、撮像素子の選択の自由度が高まるため、撮像装置の設計の自由度を広げることが可能である。
そして、パッケージの大きな撮像素子を使用することができるため、画素数の多い比較的大型の撮像素子を使用することにより、解像度を高めて高精細な画像を撮像することが可能になる。
さらに、撮像手段を撮像素子のパッケージの大きさにとらわれずに小型化することが可能であり、これにより撮像装置全体の小型化・軽量化を図ることができる。

本発明の一実施の形態として、撮像装置を構成する１つの撮像部（カメラ）の概略構成図を図１及び図２に示す。図１は上面図であり、図２は側面図である。
この撮像装置は、図１及び図２に示す撮像部（カメラ）を、放射状に複数個配置して、かつ隣接する撮像部同士を接合することにより構成されるものである。

各撮像部（カメラ）は、図１及び図２に示すように、前端にレンズ前玉１が設けられ、レンズ前玉１の後ろに複数のレンズが組み合わされたレンズ群（第１のレンズ群３Ａ及び第２のレンズ群３Ｂ）が配置されている。また、第１のレンズ群３Ａと第２のレンズ群３Ｂとの間に、開口絞り４が配置されている。
これらレンズ前玉１、第１のレンズ群３Ａ、第２のレンズ群３Ｂ、開口絞り４の各部品は、鏡胴２の中心軸に沿って鏡胴２内部に配置されている。

各撮像部は、視点中心となるＮＰ点９を一致させる構成となっている。
このＮＰ点９は、前述した特許文献２にも記載されているように、撮像部（カメラ）のレンズの開口絞り４の中心を通る主光線のうちで、ガウス領域に位置する主光線を選択して、この選択された主光線の物空間における直線成分を延長して光軸と交わる点を指している。そして、このＮＰ点９を視点中心として用い、さらに複数の撮像部（カメラ）でＮＰ点９を略一致させるようにして撮像装置を構成することにより、複数の撮像部（カメラ）で撮影した画像間で視差を生じないようにすることができる。

各撮像部のＮＰ点９を略一致させることは、具体的には所定の半径領域（球体）内に各撮像部のＮＰ点９を設定することに相当する。
パララックスをなくして各撮像部が撮像した画像を張り合わせるためには、少なくとも各撮像部のＮＰ点９が半径約５０ｍｍの領域（球体）内に配置されるように構成し、より好ましくは各撮像部のＮＰ点が半径約２０ｍｍの領域（球体）内に配置されるように構成する。

鏡胴２は、図１に線２Ａで示す接合面により、横に隣り合う撮像部（カメラ）と接合される。
そして、鏡胴２の接合面２Ａの延長線２Ｂの交点が、ＮＰ点９とほぼ一致している。
なお、この接合面２Ａは、ＮＰ点９とレンズ前玉１の各方向の外周部とを通る直線からなる空間とほぼ一致している。

レンズ前玉１及びレンズ群３Ａ，３Ｂは、いずれもレンズの中心軸が鏡胴２の中心軸に一致するように配置されている。

本実施の形態においては、特に、第２のレンズ群３Ｂよりも後段に、光学ミラー５が設けられており、この光学ミラー５で被写体からの光線を反射させて、図２中上方向Ｕへ光路を屈曲させるように構成している。
そして、撮像素子６を、光学ミラー５により反射させた光線を受光することができるように、かつ鏡胴２の外に配置している。即ち、撮像素子６が、ＮＰ点９とレンズ前玉１の各方向の外周部とを通る直線からなる空間の外部に配置されている。
この撮像素子６は、光学ミラー５が配置されている部分の鏡胴２の断面積よりも、大きい面積を有している。

撮像素子６は、鏡胴２の外に付属して設けられたユニット（図示せず）の内部に配置されている。
このユニット内には、撮像素子６の他に、フィルタ７や図示しない光学系の調整機構等が設けられる。

このように撮像部の光学系が構成されていることにより、被写体からの光線は、最も被写体に近いレンズ前玉１を通り、さらに第１のレンズ群３Ａ、開口絞り４、第２のレンズ群３Ｂを通過した後、光学ミラー５で約９０度上方に曲げられて、撮像素子６上の受光面に像を結ぶ。これにより撮像素子６において、被写体からの光線を受光検出することができる。

そして、光線を光学ミラー５により屈曲させて、鏡胴２の外部にある撮像素子６により受光検出する構成となっているため、撮像素子６を鏡胴２の内部に収納させる必要がないため、比較的大きい撮像素子６を使用することが可能になる。
また、フィルタ７も同様に、鏡胴２の内部に収納させる必要がないため、比較的大きいフィルタ７を使用することができる。

本実施の形態の撮像装置（カメラ）は、複数個、例えば図３に示すように２個の撮像部１１，１２を、水平方向に鏡胴２の接合面２Ａに沿って接するように配置し、水平方向に広い範囲を撮影可能にするものである。図３は、図２中上方向Ｕから見た平面図である。

図３に示すように、２個の撮像部１１，１２の光学系において、ＮＰ点９が略共有されるため、パララックスのない画像の取得が可能となる。なぜなら、水平方向においては、いずれの撮像部１１，１２でもＮＰ点９とレンズ前玉１の各方向の外周部とを通るラインからなる空間に内包されるように配置されているためである。

仮に、使用する撮像素子６がベアチップ等のようにパッケージ寸法の小さいものであるなら、光学ミラー５で光軸を曲げなくとも、鏡胴２内に撮像素子のパッケージを内包することが可能であるが、通常のＣＣＤ固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子ではパッケージ寸法が大きいため、鏡胴２内に内包させることが困難である。
これに対して、本実施の形態の構成によれば、図１及び図２で示したように、光学ミラー５にて上方向Ｕに光軸が曲げられるため、撮像素子６が大きなパッケージ寸法を有していても、撮像素子６以外の光学系を、ＮＰ点９とレンズ前玉１の各方向の外周部とを通るライン２Ａからなる空間に内包することが可能である。

しかしながら、大きなパッケージ寸法の撮像素子６を有している撮像部１１，１２の場合、隣り合う第１の撮像部１１及び第２の撮像部１２において共に光軸を同じ図２の上方向Ｕに曲げて配置すると、図４に平面図を示すように、斜線部を付した領域２０において、撮像素子６のパッケージ同士が干渉するため、ＮＰ点９を共有することができなくなる。

これを解決するために、本実施の形態では、図３に示すように、第１の撮像部１１では光学ミラー５により図１及び図２と同様に上方向Ｕに光軸を曲げるように構成し、一方、第２の撮像部１２では、図１及び図２とは上下逆に、即ち光学ミラー５により下方向Ｄに光軸を曲げるように構成する。
このように構成することにより、隣り合う第１の撮像部１１及び第２の撮像部１２で撮像素子６のパッケージ同士が干渉することなく、隣り合う複数の撮像部１１，１２でＮＰ点９を共有することが可能となる。

なお、図３では２個の撮像部を使用した場合を説明したが、３個以上の撮像部を有する構成とすることも可能である。
このように撮像部を３個以上とした場合には、隣り合う撮像部の撮像素子６の位置を、それぞれ空間的に干渉しない位置、例えば互いに逆方向即ち互い違いに上方向Ｕ・下方向Ｄ・上方向Ｕ・下方向Ｄと配置すれば、ミラーなしでパララックスの発生を抑制する光学系に、パッケージの比較的大きな撮像素子６を利用可能になる。

また、レンズ前玉１から撮像素子６までの光路長を、撮像装置を構成する全ての撮像部で揃えるようにすれば、各撮像部において、撮像素子６に入射する光の照射スポットの大きさやピント等の状態がほぼ同じになる。
これにより、各撮像部において撮像素子６に要求される仕様が等しくなるため、容易に同じ構成の撮像素子６を使用することができる。

そして、本実施の形態の撮像装置では、各撮像部（カメラ）１１，１２により、広範囲の被写体を分割した複数の各分割被写部をそれぞれ個別に撮影し、撮影した映像情報を図示しない処理手段により１つの映像に張り合わせ処理するように構成する。
この処理手段には、例えば信号処理回路や、信号処理回路を有する編集機器等を使用することができる。処理手段の構成を選定することにより、処理手段を撮像装置に内蔵することも、撮像装置に接続してその外部に処理手段を設けたりすることも、いずれも可能である。
張り合わせ処理は、撮影後すぐに、或いはいったん撮影した映像情報を蓄積した後に、実行される。

上述の本実施の形態によれば、各撮像部１１，１２において、第２のレンズ群３Ｂと刷層素子６との間に光学ミラー５を配置して、被写体からの光線を光学ミラー５により屈曲させて、鏡胴２の外部に配置された撮像素子６において受光させるように構成されていることにより、鏡胴２の断面積よりも大きい、パッケージの比較的大きい撮像素子６を使用することが可能である。
また、第１の撮像部１１では光線を上方向Ｕに屈曲させ、第２の撮像部１２では光線を下方向Ｄに屈曲させており、光学ミラー隣り合う撮像部１１及び１２において、光学ミラー５により光線を屈曲させる向きを互いに反対側にしているため、撮像素子６同士が空間的に干渉しないようにすることができる。

これにより、パッケージの比較的大きい、既存の汎用の撮像素子６を使用することが可能になる。また、フィルタ７も汎用の比較的大きいものを使用することが可能になる。
そして、例えば、高画質・高精細のＣＣＤ固体撮像素子や、高機能のＣＭＯＳ型固体撮像素子を使用することが可能になる。
特に、ＣＭＯＳ型固体撮像素子では周辺回路部もチップ内に形成しているため、受光面に対してパッケージが大きくなることから、本実施の形態の構成が有効である。

また、複数の撮像部（カメラ）を使用して撮像領域を分担して撮像するため、各撮像部（カメラ）で高い解像度で撮像することにより、広い範囲を高い解像度で撮像することが可能になる。

従って、本実施の形態によれば、パッケージの比較的大きい撮像素子６を使用しつつ、各撮像部１１，１２間においてパララックスをなくし、広い範囲例えば全方位を撮影することができる。
そして、例えば高画質・高精細のＣＣＤ固体撮像素子や、高機能のＣＭＯＳ型固体撮像素子を使用した、広画角の撮像装置を実現することができる。
また、撮像素子６の選択の自由度が高まるため、撮像装置の設計の自由度を広げることが可能になる。

また、大きいパッケージの撮像素子６を各撮像部の鏡胴２内に入れた場合と比較して、鏡胴２を撮像素子６のパッケージの大きさにとらわれずに小型化することが可能であり、これにより撮像装置全体の小型化・軽量化を図ることができる。

続いて、本発明の他の実施の形態として、撮像装置を構成する各撮像部を横から見た断面図を、図５Ａ及び図５Ｂにそれぞれ示す。
本実施の形態では、隣り合う第１の撮像部１１と第２の撮像部１２において、光学ミラー５の位置をずらすことにより、撮像素子６が空間的に干渉しないようにしている。
即ち、図５Ａに示すように、第１の撮像部１１では、第２のレンズ群３Ｂの近くに光学ミラー５を配置している。また、図５Ｂに示すように、第２の撮像部１２では、第２のレンズ群３Ｂから離して光学ミラー５を配置している。
なお、図５Ａ及び図５Ｂでは、図２に示したフィルタ７の図示を省略している。

その他の構成は図１〜図３に示した先の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。

上述の本実施の形態の構成によれば、隣り合う第１の撮像部１１と第２の撮像部１２において、光学ミラー５の位置を前後にずらしていることにより、撮像素子６の高さ及び水平位置を異ならせている。これにより、撮像素子６が空間的に干渉しないようにすることができる。
従って、先の実施の形態と同様に、比較的大型のパッケージの撮像素子６を使用することが可能になる。

なお、図５Ａ及び図５Ｂでは、第２のレンズ群３Ｂから撮像素子６の受光面までの距離が、ほぼ等しくなるように構成している。これにより、レンズ前玉１から撮像素子６までの光路長がほぼ等しくなり、撮像素子６に要求される仕様がほぼ等しくなることから、容易に同じ構成の撮像素子６を使用することができる。

続いて、本発明のさらに他の実施の形態として、撮像装置を構成する各撮像部を横から見た断面図を、図６Ａ及び図６Ｂにそれぞれ示す。
本実施の形態では、隣り合う第１の撮像部１１と第２の撮像部１２において、光学ミラー５の反射面と被写体からの入射光の光軸との角度を異ならせることにより、撮像素子６が空間的に干渉しないようにしている。
即ち、図６Ａに示すように、第１の撮像部１１では、光学ミラー５の反射面の光軸とのなす角度を、図２の４５°と比較して垂直寄り（約６０°）にしている。また、図６Ｂに示すように、第２の撮像部１２では、光学ミラー５の反射面の光軸とのなす角度を、図２の４５°と比較して水平寄り（約３０°）にしている。
なお、図６Ａ及び図６Ｂでは、図２に示したフィルタ７の図示を省略している。

その他の構成は図１〜図３に示した先の実施の形態と同様であるので、同一符号を付して重複説明を省略する。

上述の本実施の形態の構成によれば、隣り合う第１の撮像部１１と第２の撮像部１２において、光学ミラー５の反射面の光軸とのなす角度を異ならせていることにより、撮像素子６の水平位置を異ならせている。これにより、撮像素子６が空間的に干渉しないようにすることができる。
従って、先の各実施の形態と同様に、比較的大型のパッケージの撮像素子６を使用することが可能になる。

なお、図６Ａ及び図６Ｂでは、第２のレンズ群３Ｂから撮像素子６の受光面までの距離が、ほぼ等しくなるように構成している。これにより、レンズ前玉１から撮像素子６までの光路長がほぼ等しくなり、撮像素子６に要求される仕様がほぼ等しくなることから、容易に同じ構成の撮像素子６を使用することができる。

上述の各実施の形態では、第２のレンズ群３Ｂと撮像素子６との間に光学ミラー５が配置された構成であったが、光学ミラーは、レンズ前玉１より後段で、撮像素子６より手前であれば、その他の位置に配置することも可能である。
その場合、光が屈曲される位置が手前側になるため、例えば第２のレンズ群３Ｂ等の部品が鏡胴２外のユニットに入ることもある。

上述の各実施の形態では、被写体からの光を光学ミラー５を用いて反射させることにより、屈曲させる構成としたが、光学ミラー５に限らず、反射面等を有して同様の機能を発現する光学素子を用いてもよい。

上述の各実施の形態では、いずれも、光学ミラー５で屈曲した光の光軸が鏡胴２の中心軸を含む鉛直面内（図３では真上方向及び真下方向、図５では真上方向、図６では鉛直面内の斜め上方向）にある。
本発明では、鏡胴の中心軸を含む鉛直面内に限らず、この鉛直面に対して斜め上方向や斜め下方向に屈曲させても構わない。
なお、この鉛直面から大きい角度傾けて屈曲させてしまうと、隣り合う撮像部の接合面により光路が遮られることになるので、あまり傾け過ぎないようにする。
そして、さらに別の実施の形態として、各撮像部で、光学素子によって、鏡胴の中心軸を含む鉛直面に対して同一の斜め上方向に入射光を屈曲させるように構成することにより、撮像素子が空間的に干渉しないようにすることも可能である。

本発明では、隣り合う撮像部同士で、撮像素子が空間的に干渉しないようにすればよく、そのために例えば、異なる方向に屈曲させたり、異なる位置で屈曲させたりするように光学素子を配置すればよい。

なお、各撮像部の構成は、必ずしも全ての撮像部が均等でなくても構わない。
例えば、水平方向に並んだ多数の撮像部のうち、中央部にある１つ又は複数の撮像部を、周辺部の撮像部よりも解像度が高い構成としてもよい。
また、撮像部によって、画角を異ならせても構わない。

さらに、上述の各実施の形態では、複数の撮像部を水平方向に接合して撮像装置を構成していたが、複数の撮像部を水平方向に接合した層を、複数層（レイヤー）積層することも可能である。
この場合、例えば、上の層と下の層とで、光軸を屈曲させる方向を同じ方向に合わせるようにすれば、上下の層で撮像素子が空間的に干渉しない。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

本発明の一実施の形態の撮像装置を構成する１つの撮像部の概略構成図（上面図）である。 図１の撮像部を横から見た断面図である。 撮像部を２つ隣り合わせて構成した本発明の一実施の形態の撮像装置の概略平面図である。 図１及び図２の撮像部を２つ隣り合わせたときの状態を示す概略平面図である。 Ａ、Ｂ 本発明の他の実施の形態の撮像装置の各撮像部を横から見た断面図である。 Ａ、Ｂ 本発明のさらに他の実施の形態の撮像装置の各撮像部を横から見た断面図である。

符号の説明

１ レンズ前玉、２ 鏡胴、３Ａ，３Ｂ レンズ群、４ 開口絞り、５ 光学ミラー、６ 撮像素子、７ フィルタ、９ ＮＰ点、１１ 第１の撮像部、１２ 第２の撮像部

Claims (3)

1. 広範囲の被写体を分割した複数の各分割被写部をそれぞれ個別に複数の撮像手段によって撮影する撮像装置であって、
   前記撮像手段が、レンズ及び前記レンズを通過した光線を検知する撮像素子を備え、
   前記撮像手段の前記レンズの開口絞りの中心を通る主光線中、ガウス領域に位置する主光線を選択し、選択された主光線の物空間における直線成分を延長して光軸と交わる点をＮＰ点と定義したときに、
   前記複数の撮像手段の各ＮＰ点を１つのＮＰ点を中心とした微小の半径領域内に集合させ、
   各前記撮像手段において、最も被写体に近いレンズの屈折面よりも後方に、反射機能を有する光学素子が配置され、
   前記撮像素子は、前記反射機能を有する光学素子より後方であり、かつ前記ＮＰ点と前記レンズの各方向の外周部とを通る直線からなる空間の外部に配置され、前記反射機能を有する光学素子により屈曲された光線が、前記撮像素子で検知される
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 隣り合う前記撮像手段において、それぞれの前記撮像素子が空間的に干渉しないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 隣り合う前記撮像手段において、前記光学素子による光線の屈曲方向が互いに異なっていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
   

Images