JP2009168447A

JP2009168447A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2009168447A
Application number: JP2006118658A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Imada; 勝巳今田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2009-07-30
Also published as: WO2007125876A1

Abstract

【課題】近距離において測距可能領域が撮像領域に比べて著しく狭くなるため、近距離の被写体に対して測距が困難であった。
【解決手段】本発明の撮像装置は、互いに光軸の異なる少なくとも２つの光学レンズを有する光学レンズアレイ（３）と、少なくとも２つの光学レンズのそれぞれに１対１に対応する少なくとも２つの撮像領域を有する撮像素子(５)と、光学レンズアレイ（３）の撮像素子（５）側とは反対側に配置され、少なくとも２つの光学レンズと１対１に対応する少なくとも２つの光学フード（６）とを有し、少なくとも２つの光学フード（６）は、互いに隣接する側の画角がその反対側の画角よりも大きくなるような形状である。
【選択図】図１

Description

本発明は複眼型の撮像装置に関する。特に、複眼によるステレオ視により、対象物までの距離を測定する撮像装置に関する。

対象となる前方風景を、左右あるいは上下に設置した２つの撮像装置により撮像し、左右画像または上下画像の２つの画像の視差を利用して対象までの距離を測定する双眼測距システムが、車間距離測定やカメラの自動焦点システム等に用いられている。この双眼測距システムには、対象を撮像素子上に結像させる双眼光学系である双眼光学装置が設けられている。

従来、この双眼光学装置としては、左右各々の画像を結像する一対の光学レンズを用いて、左右各々に１個設けられた撮像素子に結像する装置が知られている（特許文献１）。
特開平０４−０４３９１１号公報

しかしながら、このような従来の対象物までの距離を計測する撮像装置では、近距離の被写体を計測しようとすると測距可能領域が著しく狭くなる課題があった。これは、２つの撮像装置の撮像領域の重複領域のみが測距可能領域であることに起因する。この課題を解決する手段として、２つの撮像装置の設置間隔を狭くし、重複領域を撮像装置に近づける取り組みが従来よりなされてきた。その構成を図７に示す。

図７（ａ）は、２つの撮像装置が別体で構成され、撮像装置間の距離が離れた構成の複眼型の撮像装置を示す。図７（ｂ）は、２つの撮像装置を近接させ一体化した構成の複眼型の撮像装置を示す。図７において、２０は、第１の光学レンズ３ａと固体撮像素子４により撮像される領域であって、撮像装置の先端からの距離ａにおける撮像領域を表す。また、２１はステレオ視により測距可能な領域を表す。なお、本来、撮像領域２０および測距可能領域２１は２次元形状となるが、本説明に用いた図７は断面図であるため線分として表現されている。図７（ａ）からわかるように、撮像装置の先端から距離ａだけ離れた位置においては、撮像領域２０に対し測距可能領域２１は著しく狭くなっている。一方、撮像装置の間隔を狭く構成した図７（ｂ）の構成の撮像装置では、撮像領域２０に対して測距可能領域２１は狭くなっているものの、図７（ａ）の構成に比べて測距可能領域２１が広くなっている。

しかしながら、図７（ｂ）の構成でも、依然として撮像領域に占める測距可能領域の比率が小さいため、近距離にある広い範囲の被写体を測距するには、撮像領域に占める測距可能領域の比率を向上させる必要がある。例えば、２つの撮像装置のレンズ中心間距離が２０ｍｍ、画角が共に６０°の場合、撮像装置から約１７ｍｍ離れた位置で初めて測距可能領域が現れる。従って、撮像装置からの距離が１７ｍｍ付近における測距可能領域は、それぞれの撮像装置の撮像領域に比べて著しく狭いものである。一方、撮像領域の９５％が測距可能領域となるのは、撮像装置からの距離が約３３０ｍｍである位置である。

上記したように、従来の構成では近距離における測距可能領域が狭いため、近距離に位置する被写体を計測することは困難であった。本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、近距離の被写体においても測距が可能な撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の撮像装置は、互いに光軸の異なる少なくとも２つの光学レンズを有する光学レンズアレイと、少なくとも２つの光学レンズのそれぞれに１対１に対応する少なくとも２つの撮像領域を有する撮像素子と、光学レンズアレイの撮像素子側とは反対側に配置され、少なくとも２つの光学レンズと１対１に対応する少なくとも２つの光学フードとを有し、少なくとも２つの光学フードは、互いに隣接する側の画角がその反対側の画角よりも大きくなるような形状である。

本発明の撮像装置により、近距離においても撮像領域と測距可能領域とをほぼ同等の広さにすることができ、近距離の被写体に対しても広い範囲で測距することが可能となる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る撮像装置の断面図である。図１において、１は一体化された複眼構成の撮像装置、２は鏡筒、３は光学レンズアレイ、３ａは第１の光学レンズ、３ｂは第２の光学レンズ、４は固体撮像素子、５は基板、６は光学フードである。光学フード６は、互いに隣接する側６ａの内面の傾斜が、反対側の内面の傾斜に比べて緩やかになっている。即ち、光軸に対して角度が大きくなっている。また、光軸方向の高さも隣接する側６ａの方が低くなっている。

また、図１において、７ａ、８ａ、７ｂ、８ｂは、光学フード６による光学レンズ３ａ、３ｂの画角を示す。７ａは第１の光学レンズ３ａのｘの負の方向の撮像領域の限界を示す線であり、８ａは第１の光学レンズ３ａのｘの正の方向の撮像領域の限界を示す線である。７ｂは第２の光学レンズ３ｂのｘの負の方向の撮像領域の限界を示す線であり、８ｂは第２の光学レンズ３ｂのｘの正の方向の撮像領域の限界を示す線である。また、９は被写体であり、１０ａは第１の光学レンズ３ａの光軸、１０ｂは第２の光学レンズ３ｂの光軸である。

限界を示す線７ａと８ａにより囲まれた領域に存在する被写体９からの光線は、第１の光学レンズ３ａにより集光され、撮像素子４上に像として結像する。図１の断面図においては、光軸１０ａを境に限界を示す線８ａ側の被写体は、撮像素子４上の撮像領域４ａ上に結像される。また、光軸１０ａを境に限界を示す線７ａ側の被写体は、撮像素子４上の撮像領域４ｃ上に結像される。撮像領域４ｃは、撮像領域４ａに比べて図のｘの正方向に拡大され大きくなっている。

同様に、限界を示す線７ｂと８ｂにより囲まれた領域に存在する被写体９からの光線は、第２の光学レンズ３ｂにより集光され、撮像素子４上に像として結像する。図１の断面図においては、光軸１０ｂを境に限界を示す線７ｂ側の被写体は、撮像素子４上の撮像領域４ｂ上に結像される。また、光軸１０ｂを境に限界を示す線８ｂ側の被写体は、撮像素子４上の撮像領域４ｄ上に結像される。撮像領域４ｄは、撮像領域４ｂに比べて図のｘの負方向に拡大され大きくなっている。

撮像素子４に結像された被写体像は、光電変換され画像情報として出力される。出力された２つの画像情報は電気信号として後段の画像処理部（不図示）に転送される。画像処理部では、画像を複数のブロックに分割し、パターンマッチングを行う事により、２つの画像上の視差分布を抽出する。得られた視差を元に三角測量の原理を利用して、対象物までの距離を測定する。

図２を用いて、複眼構成の撮像装置における測距原理について説明する。図２において、１５は有限距離に設置された被写体、１６ａは光学レンズ３ａにより固体撮像素子４上に結像された被写体像、１６ｂは光学レンズ３ｂにより固体撮像素子４上に結像された被写体像、１７ａは光学レンズ３ａの光軸、１７ｂは光学レンズ３ｂの光軸、１８ａは固体撮像素子４上にある光学レンズ３ａの撮像中心、１８ｂは固体撮像素子４上にある光学レンズ３ｂの撮像中心である。

光学レンズ３ａの光軸上にある有限距離の被写体１５が発する光線は、光学レンズ３ａで集光され、固体撮像素子４上に像１６ａとして結像する。同様に、被写体１５が発した光線は、光学レンズ３ｂで集光され、固体撮像素子４上に像１６ｂとして結像する。被写体１５は光学レンズ３ｂの光軸１７ｂ上から離れた場所に存在するため、固体撮像素子４上の撮像中心１８ｂから視差Δだけ離れた位置に像１６ｂを結像する。ここで、被写体距離をｚとし、２つの光学レンズ３ａ、３ｂの撮像中心間距離である基線長をＢとし、光学レンズ３ａ、３ｂの焦点距離をｆとし、視差量をΔとすると、近似式(数１)が成立する。

（数１）により、視差Δを測定する事により、被写体までの距離を算出することが可能となる。

図７に示す従来の構成では、撮像領域の大部分を測距可能領域にするためには、撮像装置を被写体から遠く離す必要があった。例えば前述したように、測距可能領域を撮像領域の９５％にするためには、図７に示す従来の撮像装置（例えば、中心間距離が２０ｍｍ、画角が６０°の光学系）では、フードの先端より、被写体までの距離を約３３０ｍｍにする必要があった。ところが図１に示す本発明の構成では、光学フードの互いに隣接する側６ａの内面の傾斜を緩くしたことにより、第１の光学レンズ３ａに入射する光線に対して、第２の光学レンズ３ｂ側の画角が拡大されている。即ち、第１の光学レンズ３ａにより撮像できる撮像領域は、第２の光学レンズ３ｂ方向に拡大されている。同様に、第２の光学レンズ３ｂにより撮像できる撮像領域も、第１の光学レンズ３ａ方向に拡大されている。

このように、画像処理部（不図示）において視差抽出処理を行う際に、対になる像を結像させる光学レンズ方向に画角を拡大することにより、近距離に被写体に対して測距可能領域を拡大することができる。これにより、近距離被写体の測距も可能な撮像装置を提供することが出来る。例えば、本構成の光学フードの構成とする事により１５゜画角を拡大した場合では、測距可能領域が撮像領域の９５％となる被写体距離は約４５ｍｍとなり、従来の構成に比べ著しく測距可能領域を撮像装置に近接させることが出来る。

図３は従来の撮像装置の撮像領域と測距可能領域との関係を示し、図４は本発明の撮像装置における撮像領域と測距可能領域との関係を示す。図３、４を用いて撮像領域と測距可能領域との関係を以下に説明する。図３、４において、図１と同様の機能を有する箇所には同じ番号を付している。

図３において、図１の構成と異なるのはレンズアレイ３の前方に構成された光学フード６がすべて同じ高さ（ｚ方向に同じ長さ）であり、内面の傾きも同じである点である。第１の光学レンズ３ａと固体撮像素子４により撮像できる撮像領域は、第１の光学レンズ３ａのｘの負の方向の被写体領域の限界を示す線７ａと第１の光学レンズ３ａのｘの正の方向の被写体領域の限界を示す線８ａと光学レンズ３ａにより規定される領域である。また、第２の光学レンズ３ｂと固体撮像素子４により撮像できる撮像領域は、第２の光学レンズ３ｂのｘの負の方向の撮像領域の限界を示す線７ｂと第２の光学レンズ３ｂのｘの正の方向の撮像領域の限界を示す線８ｂと光学レンズ３ｂにより規定される領域である。三角測量の原理を使って測距を行うには、両方の光学レンズを通して、被写体像を結像させる必要があるため、測距可能領域は光学レンズ３ａ、３ｂによる撮像領域の重複部１１である。図３の構成では、限界を示す線７ａと限界を示す線８ａと第１の光学レンズ３ａにより規定される領域および限界を示す線７ｂと限界を示す線８ｂと第２の光学レンズ３ｂにより規定される領域に比べ、重複部１１は狭くなっており、これが近距離の被写体に対して十分な測距可能領域（画角）を確保出来ない原因となっている。

一方、図４においても、第１の光学レンズ３ａと固体撮像素子４により撮像できる撮像領域は、第１の光学レンズ３ａのｘの負の方向の撮像領域の限界を示す線７ａと第１のレンズ３ａのｘの正の方向の撮像領域の限界を示す線８ａと光学レンズ３ａにより規定される領域である。また、第２の光学レンズ３ｂと固体撮像素子４により撮像できる撮像領域は、第２の光学レンズ３ｂのｘの負の方向の撮像領域の限界を示す線７ｂと第２の光学レンズ３ｂのｘの正の方向の撮像領域の限界を示す線８ｂと光学レンズ３ｂにより規定される領域である。図４の構成においても、三角測量の原理を用いて測距を行うには、光学レンズ３ａ、３ｂを通して被写体像を結像させる必要があるため、測距可能領域は光学レンズによる撮像領域の重複部１２である。

図３に示した従来構成の重複部１１と、図４に示した本発明の構成における重複部１２とを比べると、明らかに後者の方が広く、撮像装置のすぐ近くで、限界を示す線７ａおよび限界を示す線８ｂまで測距可能領域が拡大されている。これは、光学フード６の隣接する側の内面の傾斜を他の部分よりも緩やかにしたことにより（即ち、光軸に対して角度を大きくしたことにより）、隣接する光学レンズ方向の画角を拡大した効果である。本効果により、従来構造に比べて撮像装置に近い被写体に対しても、十分な撮像領域並びに測距可能領域を確保する事ができ、近距離の対象物を高精度に測距することが出来る。

なお、本実施の形態（図１の構成）では、光学フード６の隣接する側の内面の傾きを緩やかにするとともに、その高さ（光軸方向の長さ）を低くする事によって、画像処理において対になる光学レンズ側の画角を拡大したが、同方向の画角を拡大することを実現する構成であれば、同じ効果を実現することができる。例えば、図５、図６に、本実施形態の撮像装置の別構成の断面図を示す。図５、６についても、図１と同様の機能を有する箇所には同じ番号を付している。

図５において図１の構成と異なるのは、光学フード６の互いに隣接する側６ｂが、光学フード６の反対側と比べて同じ高さ（ｚ方向に同じ長さ）でありながら、内面の傾きが緩やかになっている（光軸に対して角度が大きくなっている）点である。また、図６において図１の構成と異なるのは、光学フード６の互いに隣接する側６cが、光学フード６の反対側に比べて内面の傾きが同じであるが、高さが低く（ｚ方向の長さが短く）なっている点である。これら２つ構成においても、画像処理において対になる光学レンズと同方向の画角を拡大することを実現することが出来るため、図１に記載した構成と同様の効果があり、近距離測距が可能な撮像装置を提供することができる。

本発明にかかる撮像装置は、近距離の被写体に対しても広い範囲で測距可能であるため、モバイル機器用、監視カメラ用、車載用などの撮像装置として有用である。

本発明の実施形態１の撮像装置の断面図本発明の実施形態１の撮像装置における三角測量の原理を説明する図従来の撮像装置における撮像領域と測距可能領域を示す図本発明の実施形態１の撮像装置における撮像領域と測距可能領域を示す図本発明の実施形態１の撮像装置の別構成の断面図本発明の実施形態１の撮像装置の別構成の断面図従来の撮像装置の断面図

符号の説明

１撮像装置
２鏡筒
３光学レンズアレイ
３ａ第１の光学レンズ
３ｂ第２の光学レンズ
４固体撮像素子
５基板
６光学フード
７ａ第１の光学レンズ３ａのｘの負の方向の被写体領域の限界を示す線
８ａ第１の光学レンズ３ａのｘの正の方向の被写体領域の限界を示す線
７ｂ第２の光学レンズ３ｂのｘの負の方向の被写体領域の限界を示す線
８ｂ第２の光学レンズ３ｂのｘの正の方向の被写体領域の限界を示す線
９被写体
１０ａ第１の光学レンズ３ａの光軸
１０ｂ第２の光学レンズ３ｂの光軸
１５有限距離に設置された被写体
１６ａ光学レンズ３ａにより固体撮像素子１２上に結像された像
１６ｂ光学レンズ３ｂにより固体撮像素子１２上に結像された像
１７ａ光学レンズ３ａの光軸
１７ｂ光学レンズ３ｂの光軸
１８ａ光学レンズ３ａの撮像中心
１８ｂ光学レンズ３ｂの撮像中心

Claims

互いに光軸の異なる少なくとも２つの光学レンズを有する光学レンズアレイと、
前記少なくとも２つの光学レンズのそれぞれに１対１に対応する少なくとも２つの撮像領域を有する撮像素子と、
前記光学レンズアレイの前記撮像素子側とは反対側に配置され、前記少なくとも２つの光学レンズと１対１に対応する少なくとも２つの光学フードと、を有し、
前記少なくとも２つの光学フードは、互いに隣接する側の画角がその反対側の画角よりも大きくなるような形状である撮像装置。