JP2009113687A

JP2009113687A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2009113687A
Application number: JP2007290047A
Authority: JP
Inventors: Kiyoyuki Kawai; 清幸川井
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2009-05-28

Abstract

【課題】水平方向を広範囲に撮像するだけでなく、垂直方向も広範囲に撮像し、特に鉛直下方向の画像を撮像できる広視野範囲の「撮像装置」を提供すること。
【解決手段】撮像装置１００は、カメラ２と、回転体鏡１を含み、回転体鏡１は、回転軸を通る断面において、双曲線の中心軸が前記回転軸と傾きを持つ双曲線形状であり、回転軸上かつ双曲線の焦点にカメラ２の中心を配置する。回転体鏡１はカメラ２が配置された位置を通る鉛直軸（回転体中心軸）に対して所要の角度の軸をｙ軸（双曲線中心軸）とし、このｙ軸と直交し鉛直軸を通る軸をｘ軸としたときのｘｙ平面における第１象限（ｘ≧０、ｙ≧０）の範囲の双曲線を鉛直軸を中心に回転させて形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に水平方向だけでなく垂直方向にも広い範囲の視野角確保に好適な撮像装置に関する。

車両の周辺を監視する技術として、車両のドアミラーやナンバープレート近傍にカメラを設置し、カメラにより撮像された画像をモニタ画面に表示する装置が検討されている。ここで使用されるカメラとしては、広範囲の周辺状況を取得するために、広範囲な視野角の画像を撮像可能な魚眼レンズが使用されている。

しかし、魚眼レンズを使用した場合、視野角は確保されて広範囲の画像が得られるものの、歪みのある画像が取得されることになり、ユーザにとって画像が認識しづらいという問題がある。

他の広視野角の画像を撮像可能なカメラとして、回転体凸面鏡を使用したものが開発されている。回転体凸面鏡は、球面ミラーや円錐ミラーなどの凸面鏡により反射光を撮像する方法であり、従来、ロボット用の視覚センサや監視用のカメラとして開発されている。特に、広範囲の視野情報を得るために、３６０度の視野範囲を持つ画像を得る全方位カメラが開発されている。

これに関連する技術として、特許文献１には、２葉双曲面ミラーで最大方位３６０度の視野情報を撮像することが可能な全方位カメラと、その視野情報に基づいて所定の変換を行うことにより、２葉双曲面ミラーの一方の焦点を射影中心とした透視投影画像を高速に得る手法が提案されている。

また、広視野角のカメラを車両に搭載して車両周辺を監視する技術として、特許文献２には、車両後方に設置した特定方位視覚センサにより、車両の後方ほぼ１８０°の視野における画像を運転者に提供する技術が開示されている。
特許第２９３９０８７号公報特開２００２−５９７８２号公報

上記したように、双曲面ミラーを利用した全方位カメラでは、水平方向に３６０度の広範囲の撮像が可能である。この全方位カメラを車両に設置すれば、車両の後方や側方などの水平方向の情報を容易に取得可能である。

一方、例えば、車両の駐車等でバック走行をする際には、車両後方、特に車両に近い路上の安全確認をすることが欠かせない。

しかし、特許文献１に記載された全方位カメラでは、カメラの真下付近はカメラ自体の存在により、その方向からの入射光を遮ってしまうため、撮像することができない。

また、特許文献２では、カメラを鉛直軸からずらして配設し、カメラの真下付近の撮像をすることが記載されているが、球面ミラーを用いているため画像歪が発生し、撮像画像の画質が低下してしまう。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、水平方向を広範囲に撮像するだけでなく、垂直方向も広範囲に撮像し、特に鉛直下方向の画像を撮像できる広視野範囲の撮像装置を提供することである。

上述した従来技術の課題を解決するため、本発明の一形態によれば、カメラと、回転体鏡を含む撮像装置であって、前記回転体鏡は、回転軸を通る断面において、双曲線の中心軸が前記回転軸と傾きを持つ双曲線形状であり、前記回転軸上かつ前記双曲線の焦点に前記カメラの中心を配置することを特徴とする撮像装置が提供される。

この形態に係る撮像装置は、断面が双曲線の反射鏡（回転体鏡）とカメラで基本構成され、カメラの鉛直上方は反射鏡が一部欠けた状態になっている。また、反射鏡はカメラが配置された位置を通る鉛直軸（回転体中心軸）に対して所要の角度の軸をｙ軸（双曲線中心軸）とし、このｙ軸と直交し鉛直軸を通る軸をｘ軸としたときのｘｙ平面における第１象限（ｘ≧０、ｙ≧０）の範囲の双曲線を鉛直軸を中心に回転させて形成される。このように、回転体鏡の回転体中心軸と双曲線の中心軸はオフセット角度が与えられるため、鉛直下の画像に対してもカメラによる影ができず、撮像装置の鉛直下方向の撮影が可能になり、垂直方向の視野角を広くすることが可能になる。また、断面が双曲線となる反射鏡を使用しているため、焦点からみた像を撮像して歪みの少ない画像を取得でき、撮像した画像の処理を容易に行うことが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

図１（ａ）は、本実施形態の撮像装置の主要部分の概略を示す断面図であり、図１（ｂ）はその上面図である。

撮像装置１００は、基本的には、反射像を映し出すオフセット双曲線断面回転体鏡である反射鏡１と、撮像ユニット２とにより構成されている。反射鏡１は凸面部を下向きにして配置され、反射鏡１の下方に撮像ユニット２が配置されている。撮像ユニット２は、図示の例では結像レンズ３とＣＣＤセンサ等の撮像素子４とを有している。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、反射鏡１は撮像ユニット２の上方に形成され、かつ、撮像ユニット２の鉛直上方は反射鏡１の一部を欠いた状態で形成されている。

以下に、反射鏡１の形状及び撮像ユニット２との位置関係について詳細に説明する。

図１（ａ）に示すように、撮像ユニット２が鉛直軸７上に配置されたとする。このとき、図１（ａ）の断面図は、鉛直軸７と所要の角度θだけ傾斜した軸６をｙ軸とし、このｙ軸と直交し、かつ鉛直軸７を通る軸５をｘ軸としたときに規定されるｘｙ平面における反射鏡１の断面を示している。反射鏡１の断面の形状は、このｘｙ平面において双曲線の一部に相当している。すなわち、図１（ａ）では、図２に示す双曲線のうちのｘｙ平面の第１象限（ｘ≧０、ｙ≧０）に存在する双曲線の形状になっている。

このような第１象限に存在する双曲線を、鉛直軸７を中心として所要の角度だけ回転させることにより形成される回転面の形状が、反射鏡１の曲面の形状を表している。これにより、反射鏡１のうちの欠けた部分が撮像ユニット２の鉛直上方に位置するようになる。

所要の角度は、図１（ｂ）に示す角度αであり、水平方向にほぼ１８０度の範囲に形成される。この角度αは水平方向に広い範囲の視野角が必要であれば角度を大きくする等、必要な視野角に合わせて適宜設定可能である。

また、垂直方向の視野角は、図１（ａ）の反射鏡１の点Ｐ１から点Ｐ３までの距離（双曲線Ｐ１−Ｐ２−Ｐ３の距離）によって規定される。すなわち、垂直方向に広い範囲の視野角が必要であれば、双曲線Ｐ１−Ｐ２−Ｐ３の距離を長くする等、必要な視野角に合わせて適宜設定可能である。

このようにして形成される反射鏡１は、その底部が点Ｐ２を通る水平面上に位置し、最上部が点Ｐ３を通る水平面上に位置する。

なお、本実施形態では、ｘｙ平面の第１象限内のｘ≧０の範囲の双曲線を鉛直軸７を中心に回転させて反射鏡１の曲面を形成するようにしたが、これに限定されず、第１象限内のｘが０より大きい範囲の双曲線に対して鉛直軸７を中心に回転させて形成するようにしてもよい。

次に、反射鏡１と撮像ユニット２とを配置する位置関係について説明する。この位置関係は基本的には特許文献１等に記載されている双曲面ミラーを用いた撮像装置と同様である。

図２は、図１（ａ）のｘｙ平面における双曲線を示した図である。図２では、原点Ｏからｙ軸と交差する点の間の距離をｂ、漸近線と直線ｙ＝ｂとが交差する点と原点とのｘ方向の距離をａとしたときの、−ｘ²／ａ²＋ｙ²／ｂ²＝１で表わされる双曲線ｈ₁、ｈ₂を示している。この双曲線ｈ₁、ｈ₂は、２つの焦点ｆ₁（０、√（ａ²＋ｂ²））、ｆ₂（０、−√（ａ²＋ｂ²））を持つ。

この双曲線ｈ₁、ｈ₂のうちの一方の双曲線ｈ₁において、ｘｙ平面の第１象限（ｘ≧０、ｙ≧０）に対応する部分が、反射鏡１の断面になるように、反射鏡１が配置されている。また、双曲線ｈ₁、ｈ₂のうちの他方の双曲線ｈ₂の焦点ｆ₂の位置に撮像ユニット２（カメラ）のレンズの主点（中心）がくるように撮像装置１００が配置されている。

鉛直軸７とｙ軸６とのなす角度θは、撮像ユニット２のサイズに応じて決定する。例えば、図３に示すように、撮像ユニット２の水平方向の長さを２ｄとし、原点Ｏからｙ軸と交差する点の間の距離をｂ、原点から焦点までの距離をｃとしたとき、ｘ／（ｂ＋ｃ）＝ｓｉｎθの関係を満たすように角度θを設定することにより、図１（ａ）、（ｂ）に示すように反射鏡１の直下から撮像ユニット２をずらすことができる。

このように反射鏡１と撮像ユニット２とを配置することにより、焦点ｆ₁に向う光８ａ，８ｂ，８ｃは反射鏡１によって反射し、焦点ｆ₂に向う光に変換される。そして、撮像ユニット２で撮影される光学像は、焦点ｆ₁からみた周囲の画像を一般のカメラの画像に変換可能となる。

特に、反射鏡１の鉛直下方向から撮像ユニット２をずらして配置しているので、鉛直下方から焦点ｆ₁へ向かう入射光８ｃも反射鏡１によって反射し焦点ｆ₂へ向かう光に変換されて撮像可能となる。

上記の関係は、図１（ｂ）の線９における断面とは異なる鉛直軸７を通る断面のｘｙ平面に対しても成立する。すなわち、双曲線が断面になるように反射鏡１を配置し、他方の双曲線の焦点の位置にカメラのレンズの主点がくるように配置することにより、反射鏡１に入射して焦点ｆ₁に向う光は焦点ｆ₂に向う光に変換され、撮像ユニット２では焦点ｆ₁からみた画像を取得可能となる。

なお、上記したように、本実施形態の反射鏡１は、ｙ軸を中心に双曲線を回転させて形成される一般的な双曲面ミラーの形状ではなく、ｘｙ平面の第１象限内の双曲線を鉛直軸を中心に回転させて形成する回転体の形状をしている。従って、特許文献１等に開示されている双曲面ミラーとは異なる形状をしている。

ここで、特許文献１に開示されている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４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２００は、回転軸対称形状を有する双曲面ミラー２０１と、結像レンズ２０２と、撮像素子２０３とを備える。双曲面ミラー２０１の回転中心軸をＺ軸とし、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。

広角撮像装置２００は、２葉双曲面のうち、一方の双曲面を反射ミラー２０１として用いている。図５に示すように、２葉双曲面は、２つの焦点ｆ₃、ｆ₄を有し、焦点ｆ₃は、双曲面ミラー２０１として用いられる双曲面の焦点である。一方、焦点ｆ₄は、２葉双曲面のうち、他方の双曲面の焦点である。

結像レンズ２０２は、撮像素子２０３上に被写体の光学的な像を形成する。結像レンズ２０２は、その主点の位置と、双曲面の焦点ｆ₄の位置とが等しくなるように設置されている。

図４において、ＹＺ平面内の任意の点からの光束は焦点ｆ₃に向って入射する。双曲面ミラー２０１に入射した光束は反射面上で反射したあと、主点２０２ａに結像される。主点２０２ａに結像された光束は、結像レンズ２０２により撮像素子２０３の撮像面上に結像される。

このように、双曲面ミラー２０１を用いた広角撮像装置２００は、結像レンズ２０２の主点２０２ａと、双曲面の焦点ｆ₄とを等しい位置に配置することにより、任意の点からの光束の延長が、２葉双曲面のうち、双曲面ミラー２０１のもう一方の双曲面の焦点ｆ₄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２０１の焦点ｆ₃を中心とする座標系に変換することが可能となる。従って、双曲面ミラー２０１を用いた広角撮像装置２００は、双曲面ミラー２０１の回転軸周り３６０度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。

以上説明した双曲面ミラー２０１と、本実施形態で使用するミラーとは形状が異なる。しかし、結像レンズの主点を通る鉛直方向の断面に着目すると、双曲面ミラー２０１を用いた撮像装置２００と本実施形態の撮像装置１００とでは、ミラー（反射鏡１）とカメラ（撮像ユニット２）の配置関係が同様であり、ミラーに入射する光と結像との関係も同様である。従って、本実施形態の撮像装置１００においても、焦点ｆ₁に向う光は焦点ｆ₂に向う光に変換され、特許文献１に記載されたように画像を一般のカメラでとった画像に容易に変換することが可能となる。

なお、本実施形態の撮像装置１００は、車両に搭載して車両周辺の監視に適用して十分な効果を発揮できる。例えば、車両の後部バンパー付近に本実施形態の撮像装置１００の反射鏡１の曲面を外側方向に設置する。これにより、反射鏡１の鉛直下方には路面まで遮るものがなくなり、車両近くの路面を撮像することが可能となる。従って、バック走行などのときの安全確認を有効に行うことが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る撮像装置１００は、反射鏡１がほぼ半面状に形成され、かつ、鉛直軸上に配置したカメラ２の鉛直上方であって鉛直軸からカメラ２のサイズに応じた水平方向の距離に相当する部分を欠くようにしている。また、断面が双曲線の形状を有する反射鏡とカメラとの配置関係は、特許文献１等に記載された双曲面ミラーを用いた全方位撮像装置と同じ位置関係になるようにしている。かかる構成にすることで、撮像装置１００の鉛直下方向の撮影が可能になり、垂直方向の視野角を広くすることが可能になる。また、断面が双曲線となる反射鏡を使用しているため、焦点からみた像を撮像して歪みの少ない画像を取得でき、撮像した画像の処理を容易に行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係る撮像装置の構成を示す断面図及び上面図である。図１に係る撮像装置の反射鏡の構造を説明する図（その１）である。図１に係る撮像装置の反射鏡の構造を説明する図（その２）である。従来の広角撮像装置の構成を示す概略図である。２葉双曲面を示す図である。

符号の説明

１…反射鏡、
２…撮像ユニット（カメラ）、
３…結像レンズ、
４…撮像素子。

Claims

カメラと、回転体鏡を含む撮像装置であって、
前記回転体鏡は、回転軸を通る断面において、双曲線の中心軸が前記回転軸と傾きを持つ双曲線形状であり、
前記回転軸上かつ前記双曲線の焦点に前記カメラの中心を配置することを特徴とする撮像装置。