JP2012078674A - Omnidirectional camera and omnidirectional lens - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全方位(360度)を撮像することが可能な全方位カメラ及びこれに使用される全方位レンズに関する。 The present invention relates to an omnidirectional camera capable of imaging omnidirectional (360 degrees) and an omnidirectional lens used therefor.
従来の全方位カメラとして、例えば、特許文献1に開示されたものがある。特許文献1に開示された全方位カメラは、所定の曲面で形成された反射鏡と、反射鏡からの反射光を撮像手段上に集光する光学レンズとを備えている。また、従来の全方位カメラとしては、例えば特許文献2に開示されたものもある。特許文献2に開示された全方位カメラは、三角形の平面鏡が配置されて形成された正多角錐の反射鏡と、この反射鏡の頂部側に配置された撮像手段と、この撮像手段と反射鏡とを一体的に回転する回転手段とを備えている。
An example of a conventional omnidirectional camera is disclosed in Patent Document 1. The omnidirectional camera disclosed in Patent Document 1 includes a reflecting mirror formed with a predetermined curved surface, and an optical lens that collects reflected light from the reflecting mirror on an imaging unit. Further, as a conventional omnidirectional camera, for example, there is one disclosed in
このような従来の全方位カメラにおいては、撮像画像の中央部に比べてその周辺部は、径方向に伸縮し、また周方向に伸びるため、撮像画像を表示画像(パノラマ画像)に変換すると各画角での解像度が不均一になりやすいという問題があった。 In such a conventional omnidirectional camera, the peripheral portion thereof expands and contracts in the radial direction and extends in the circumferential direction as compared with the central portion of the captured image. Therefore, when the captured image is converted into a display image (panoramic image), There has been a problem that the resolution at the angle of view tends to be uneven.
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、表示画像の各画角で不均一になりやすかった解像度を改善した全方位カメラ、及びこれに使用される全方位レンズを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an omnidirectional camera with improved resolution that is likely to be nonuniform at each angle of view of a display image, and an omnidirectional lens used in the omnidirectional lens. Objective.
上記課題を解決するため、本発明に係る全方位カメラは、周状に形成された側面を構成し、周囲360度の方向から光を入射する光入射面と、入射した前記光を反射する反射層が形成された凸面である光反射面と、前記反射層で反射した光を出射する光出射面とを有するレンズと、前記レンズから出射された光を、所定の方向に導く光学系と、前記光学系に導かれた光を受光して、撮像画像を得る撮像素子と、を備え、前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする。ここで、光学系とは、レンズから出射された光を撮像素子に導くための光学素子全般を含むものとする。また、レンズとは、レンズプリズム等、全方位から光を入射させて所定の方向に光を出射させるレンズ全般を含むものとする。 In order to solve the above problems, an omnidirectional camera according to the present invention comprises a side surface formed in a circumferential shape, a light incident surface on which light is incident from a direction of 360 degrees around, and a reflection that reflects the incident light. A lens having a light reflecting surface that is a convex surface on which a layer is formed, a light emitting surface that emits light reflected by the reflecting layer, an optical system that guides the light emitted from the lens in a predetermined direction, and An image sensor that receives light guided to the optical system and obtains a captured image, wherein the light reflecting surface forms an aspherical toroidal surface, and the light emitting surface has an aspherical concave surface. It is characterized by forming. Here, the optical system includes all optical elements for guiding light emitted from the lens to the image sensor. The term “lens” includes all lenses such as a lens prism that allow light to enter from all directions and emit light in a predetermined direction.
また、上記課題を解決するため、本発明に係る全方位レンズは、周状に形成された側面を構成し、周囲360度の方向から光を入射する光入射面と、入射した前記光を反射する反射層が形成された凸面である光反射面と、前記反射層で反射した光を出射する光出射面とを有し、前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする。 Moreover, in order to solve the said subject, the omnidirectional lens which concerns on this invention comprises the side surface formed in the periphery shape, the light-incidence surface which injects light from the direction of 360 degrees of periphery, and the said incident light is reflected A light reflecting surface that is a convex surface on which a reflecting layer is formed, and a light emitting surface that emits light reflected by the reflecting layer, the light reflecting surface forming an aspherical toroidal surface, and the light The exit surface is characterized by forming an aspherical concave surface.
本発明によれば、表示画像の各画角で不均一になりやすかった解像度を改善した全方位カメラ及び全方位レンズを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the omnidirectional camera and omnidirectional lens which improved the resolution which was easy to become non-uniform | heterogenous at each angle of view of a display image can be provided.
以下、本発明の実施形態に係る全方位カメラを図面を参照して説明する。図1は本発明の実施形態に係る全方位カメラの構成図を示している。 Hereinafter, an omnidirectional camera according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of an omnidirectional camera according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態に係る全方位カメラ1は、入射した光Lを反射層13で反射して外部へ出射するレンズプリズム10と、レンズプリズム10に接続された鏡筒20とを備えている。また、鏡筒20内には、リレーレンズ30、実絞り40、及び撮像手段50が収容されている。
As shown in FIG. 1, the omnidirectional camera 1 according to the present embodiment includes a
レンズプリズム10は、例えば、空気よりも高い媒質である光学用樹脂を射出成形することにより形成されており、図1に示したレンズプリズム10の外形線を中心軸2周りに回転させた際の軌跡を外周面とする形状に形成されている。なお、レンズプリズム10は、波長587.56mmの光に対する屈折率が1.6以上であり、かつ、同波長の光に対するアッベ数が30以下である光学用樹脂から構成されることが好ましい。なお、レンズプリズム10の側面は光Lが入射する入射面11、上面は入射した光Lを反射する反射面12(この反射面12には、アルミニウムが蒸着されることにより反射層13が形成されている)、及び下面は反射層13で反射された光Lを外部に出射する出射面15に設定されている。
The
図2は、レンズプリズム10の形状を説明するための説明図であり、(a)はレンズプリズム10の断面図、(b)はレンズプリズム10の外面形状を表わしたグラフである。図2(b)では便宜上、入射面11を表わす曲線を曲線A、反射面12を表わす曲線を曲線B、また、出射面15を表わす曲線を曲線Cと表記する。また、曲線A、B、Cに対応するそれぞれの原点は、A、B、Cに´を付して原点A´、B´、C´と表記する。なお、図2(b)に示すように、原点A´、B´、C´は、それぞれ異なる箇所に位置しており、曲線A、B、Cはそれぞれ対応する原点A´、B´、C´を基準にして図示されている。
2A and 2B are explanatory diagrams for explaining the shape of the
曲線Aは、入射面11を表わす曲線であり、図2(b)に示すように、原点A´を基準としてz−y座標を規定すると、以下に示す式1で定義される。なお、原点A´は、レンズプリズム10の中心軸2(光軸)から図中左側に10.5mmずれた箇所に、また原点C´から図中上側へ19.5mmずれた箇所に位置している。また、曲線Aは、式1で表わせる曲線のうち所定の範囲内にある曲線(図中、実線で示した曲線)とするものとする。
A curve A is a curve representing the
ここで、CUY(1/mm)は原点A´における曲率(CUY=1/r(曲率半径(mm))、kはコーニック係数、Aは4次の非球面係数、Bは6次の非球面係数である。なお、曲線Aのこれらのパラメータの値を表1に示す。 Here, CUY (1 / mm) is a curvature at the origin A ′ (CUY = 1 / r (curvature radius (mm))), k is a conic coefficient, A is a fourth-order aspheric coefficient, and B is a sixth-order aspheric surface. Table 1 shows the values of these parameters of the curve A.
入射面11は、図2(b)に示す曲線Aを中心軸2周りに回転した軌跡により表わすことができる。なお、図2(b)においては、レンズプリズム10の中心軸2を軸として曲線Aと線対称となる曲線も併せて示してある。曲線Aを外形線に設定された入射面11は、非球面タイプのトロイダル面を構成する。
The
曲線Bは、反射面12を表わす曲線であり、図2(b)に示すように、原点B´を基準としてz−y座標を規定すると、曲線Aと同様に上記の式1で定義される。なお、原点B´は、レンズプリズム10の中心軸2(光軸)から15.0mmずれた箇所に、また原点C´から図中上側へ40.5mmずれた箇所に位置している。また、曲線Bは、式1で表わせる曲線のうち所定の範囲内にある曲線(図中、実線で示した曲線)とするものとする。
A curve B is a curve representing the reflecting
曲線Bの各パラメータの値を表1に示す。反射面12は、入射面11と同様に、曲線Bを中心軸2周りに回転した軌跡により表わすことができる。なお、図2(b)においては、レンズプリズム10の中心軸2を軸として曲線Bと線対称となる曲線も併せて示してある。曲線Bを外形線に設定された反射面12は、非球面タイプのトロイダル面を構成する。
Table 1 shows the values of the parameters of the curve B. Similar to the
このように形成された反射面12には、前述したようにアルミニウムが蒸着されて反射層13が形成されており、入射面11から入射した光Lを反射層13で反射して出射面15に導く。反射面12は、図2(a)、(b)に示すように、頂部から上方に向けて放射状に伸びる曲線の集合体により形成される凸面であり、その頂部から下方に向けて柱状の遮光部14が形成されている。この遮光部14は、レンズプリズム10の頂部に形成された穴に黒色系の塗料が注入されることにより形成されている。レンズプリズム10に遮光部14が形成されていることにより、レンズプリズム10に入射した光Lや、レンズプリズム10に入射し反射層13で反射した光Lが、中心軸2、あるいはその近傍を通過するのを抑制することができる。これにより、入射した光Lがレンズプリズム10内で複数回反射し、その反射角度によって迷光が発生するのを抑制することができる。
As described above, the
このように形成された入射面11、及び反射面12は、中心軸2に直交する平面で切断した形状が円形となる。そのためレンズプリズム10は、全方位カメラ1の周囲360°からの光Lを入射させることができるとともに、周囲360°から入射させた光Lを反射面12で反射して出射面15に導くことができる。また、反射面12の頂点及びその近傍には、反射層13のかわりに遮光部14が設けられているため、反射層13に撮像手段50が写り込むことを防止することができる。
The
曲線Cは、出射面15を表わす曲線であり、図2(b)に示すように、原点C´を基準としてz−y座標を規定すると、以下の式2で定義される。なお、原点C´は、レンズプリズム10の中心軸2(光軸)上に位置している。また、曲線Cは、式2が表わせる曲線のうちの所定の範囲内にある曲線(図中、実線で示した曲線)とするものとする。
A curve C is a curve representing the
ここで、CUY(1/mm)は原点C´における曲率(CUY=1/r(曲率半径(mm))、kはコーニック係数、Aは4次の非球面係数、Bは6次の非球面係数、Cは8次の非球面係数である。曲線Cのこれらのパラメータの値を表1に示す。 Here, CUY (1 / mm) is a curvature at the origin C ′ (CUY = 1 / r (curvature radius (mm))), k is a conic coefficient, A is a fourth-order aspheric coefficient, and B is a sixth-order aspheric surface. The coefficient, C, is an 8th-order aspheric coefficient, and the values of these parameters for curve C are shown in Table 1.
出射面15は、図2(b)に示す曲線Cを中心軸2周りに回転した軌跡により表わすことができる。このように、曲線Cを外形線に設定された出射面15は、負のパワーを有する凹面非球面を構成する。このように形成された出射面15は、反射面12で反射された光Lを出射し、鏡筒20内に収容されたリレーレンズ30へと導く。
The
なお、出射面15は、反射面12と併せて、レンズプリズム10が負のパワーを有するように設定されている。そのため、レンズプリズム10によって形成される像は虚像となり、この虚像は反射面12の後方(図中上方)に像面湾曲を伴って存在することとなる。
In addition, the
リレーレンズ30は、図1に示すように、レンズプリズム10の直下に配置されて、レンズプリズム10が作り出す虚像を実絞り40へと導く機能を有する。リレーレンズ30は、第1の凸レンズ31と、第1の凹レンズ32とを備えており、リレーレンズ30全体として正のパワーを有するように構成されている。なお、リレーレンズ30の焦点距離は、リレーレンズ30の主点からレンズプリズム10で作られる虚像までの距離と略同一に設定されている。このように、リレーレンズ30を設置することにより、鮮明な画像が撮像できるとともに、像高を制御できるという効果を奏する。
As shown in FIG. 1, the
実絞り40は、リレーレンズ30と撮像手段50の間に設けられ、リレーレンズ30に導かれ撮像手段50に入射する光Lの量を制限する。なお、実絞り40は、撮像手段50の内部に配置してもよい。
The
撮像手段50は、第2の凸レンズ52と第2の凹レンズ53とが貼り合わされて形成された撮像レンズ51と、撮像レンズ51に集光された光Lを受光する撮像素子55とを備えている。第2の凸レンズ52と第2の凹レンズ53とは性質の異なる光学ガラスから構成されている。これにより、撮像レンズ51に起因する色収差を補正することができる。
The imaging means 50 includes an
撮像レンズ51は、実絞り40を通過した光Lを入射させ、入射させた光Lを撮像素子55に導く。
The
撮像素子55は、基板(不図示)上に複数の光電変換素子(不図示)がマトリクス状に配置されて構成されている。この複数の光変換素子は撮像レンズ51により集光された光Lを受け取り、受け取った光Lの強度を電気信号に変換する。撮像素子55は、例えば、CMOSイメージセンサやCCDイメージセンサ等の周知のイメージセンサから構成することができる。
The
図3は、本発明の実施形態に係る全方位カメラにより得られる画像のイメージ図を示しており、(a)は撮像素子に結像する像のイメージ図、(b)は得られた撮像画像を変換して得た表示画像(パノラマ画像)のイメージ図を示している。 FIG. 3 shows an image diagram of an image obtained by the omnidirectional camera according to the embodiment of the present invention. (A) is an image diagram of an image formed on the image sensor, and (b) is a conversion of the obtained captured image. The image figure of the display image (panoramic image) obtained by doing in this way is shown.
図3(a)に示すように、全方位カメラ1(図1)を構成する種々の光学素子により形成される像56は円形となる。この円形の像56の周方向は全方位カメラ1(図1)の水平方向に、像56の径方向は全方位カメラ1(図1)の垂直方向に対応する。撮像素子55に形成された像56は、マトリクス状に配置された光電変換素子(不図示)により、その光の強度が電気信号に変換され撮像画像として取得される。
As shown in FIG. 3A, an
なお、図3(a)(b)には、撮像素子55に形成される像56(図3(a))と、撮像した像56を変換して得た表示画像57(図3(b))との関係が示されている。すなわち、図3(b)に示された表示画像57は、図3(a)の右上の扇形部(中心角90度)の像56´を撮像し画像変換したものである。そのため、表示画像57には、全方位カメラ1(図1)の水平方向に周囲90度の範囲の像が写しだされる。
3A and 3B, an image 56 (FIG. 3A) formed on the
図3に示すように、便宜上、像56及び表示画像57をそれぞれ16の領域に区画している。像56の領域a1と表示画像57の領域a1´とが、画像変換前後において対応する領域である。また、他の領域においても、像56の各領域は、その符号に´を付した表示画像57の領域とそれぞれ対応している。なお、前述したように、図3はイメージ図であり、像56を区画する各領域は、撮像素子55を構成する光電変換素子(不図示)の配置態様とは関係しない。
As shown in FIG. 3, for convenience, the
図3(a)に示すように、本実施形態に係る全方位カメラ1(図1)は、撮像素子55に結像された像56が、その中心から径方向に離れるにつれて径方向に縮む度合が大きくなるように集光されている。すなわち、領域a1に結像される像は、領域a2に結像される像よりも径方向に縮んだ状態で結像される。また、領域a2に結像される像は、領域a3に結像される像よりも径方向に縮んだ状態で結像される。さらに、領域a3に結像される像は、領域a4に結像される像よりも径方向に縮んだ状態で結像される。他の領域に結像される像に関しても同様である。
As shown in FIG. 3A, the omnidirectional camera 1 (FIG. 1) according to the present embodiment has a degree to which the
また、図3(a)に示すように、本実施形態に係る全方位カメラ1(図1)は、撮像素子55に結像された像56が、周方向にその角度位置に依らず一定の伸縮度合となるように集光されている。そのため、撮像素子55に結像された像56は、その中心から径方向に離れるにつれて、周方向に伸びる度合が大きくなる。すなわち、領域a1に結像される像は、領域a2に結像される像よりも周方向に伸びた状態で結像される。また、領域a2に結像される像は、領域a3に結像される像よりも周方向に伸びた状態で結像される。さらに、領域a3に結像される像は、領域a4に結像される像よりも周方向に伸びた状態で結像される。他の領域に結像される像に関しても同様である。
Further, as shown in FIG. 3A, the omnidirectional camera 1 (FIG. 1) according to the present embodiment has an
撮像素子55に結像された像56は、マトリクス状に配置された光電変換素子(不図示)により電気信号に変換されて、撮像画像が取得される。前述したように撮像画像は、周方向あるいは径方向に伸縮した状態で取得される。そのため、撮像画像を表示画像57に画像変換するためには、撮像画像の伸縮の度合に応じた補正をする必要がある。
The
この補正について説明すると、円形の撮像画像において、中心から径方向に離れた位置にある画像ほど径方向に引き伸ばす補正をするとともに、中心近くにある画像ほど周方向に引き伸ばす補正をする。このような補正のイメージを、図3(b)の右側に示した矢印で表わしている。図に示すように、上方(撮像画像の中心より離れた位置)にある画像ほど上下方向(径方向)に大きく伸ばす補正をし、また、下方にある(撮像画像の中心近くに位置する)画像ほど左右方向(周方向)に大きく伸ばす補正をしている。このような補正をすることにより、図3(b)に示すように歪を補正した、全方位カメラ1(図1)の周囲90度の表示画像57を得ることができる。
This correction will be described. In a circular captured image, correction is performed such that an image located at a position distant from the center in the radial direction is expanded in the radial direction, and an image closer to the center is corrected in the circumferential direction. An image of such correction is represented by an arrow shown on the right side of FIG. As shown in the figure, correction is made so that the image in the upper direction (position farther from the center of the captured image) extends in the vertical direction (radial direction), and the image in the lower position (located near the center of the captured image). The correction is made so as to extend greatly in the left-right direction (circumferential direction). By performing such correction, it is possible to obtain a
上記では、図3(a)の右上の扇形部(中心角90度)の像56´を表示画像57に変換する場合について説明したが、他の扇形部の像についても同様に表示画像57に変換する。これにより、全方位カメラ1(図1)の周囲90度を撮像したそれぞれの表示画像を得ることができ、これらを組み合わせることにより周囲360度を撮像した表示画像(パノラマ画像)を得ることができる。
In the above, the case where the
上述した実施形態に係る全方位カメラ1を用いることにより、以下のような効果を奏する。 By using the omnidirectional camera 1 according to the above-described embodiment, the following effects can be obtained.
上述したように、反射面12の頂点、及びその近傍に反射層13が形成されないため、撮像手段50が反射層13に写り込むことがない。そのため、撮像画像として不必要な撮像素子55の像が撮像素子55に形成されることがない。その結果、撮像素子55の中央部に全方位カメラ1の周囲の像を形成することができ、撮像素子55を有効に利用することができる。
As described above, since the
また、レンズプリズム10の反射面12及び出射面15を上述のような形状とすることにより(本実施形態では入射面11、反射面12、反射層13、及び、出射面15を上述のような形状とすることにより)、撮像素子55に結像される像56が、その中心から径方向に離れるにつれて径方向に縮む度合が大きくなるように形成することができる。これにより、径方向あるいは/及び周方向に引き伸ばす補正が、撮像画像内で比較的均等に行われる。これにより、表示画像57の各画角で不均一になりやすかった解像度を改善することができる。
Further, the reflecting
また、反射面12の頂部から下方に向けて遮光部14が形成することにより、全方位カメラ1に入射した光Lによる迷光を抑制することができる。これにより、高品質の表示画像57を得ることができる。
Moreover, stray light due to the light L incident on the omnidirectional camera 1 can be suppressed by forming the
1 全方位カメラ
2 中心軸
10 レンズプリズム
11 入射面
12 反射面
13 反射層
14 遮光部
15 出射面
20 鏡筒
30 リレーレンズ
31 第1の凸レンズ
32 第1の凹レンズ
40 実絞り
50 撮像手段
51 撮像レンズ
52 第2の凸レンズ
53 第2の凹レンズ
55 撮像素子
56 像
57 表示画像
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (9)
前記レンズから出射された光を、所定の方向に導く光学系と、
前記光学系に導かれた光を受光して、撮像画像を得る撮像素子と、を備え、
前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする全方位カメラ。 A light incident surface that forms a side surface formed in a circumferential shape and receives light from a 360-degree direction, a light reflection surface that is a convex surface on which a reflection layer that reflects the incident light is formed, and the reflection layer A lens having a light exit surface for emitting the light reflected by
An optical system for guiding light emitted from the lens in a predetermined direction;
An image sensor that receives light guided to the optical system and obtains a captured image, and
An omnidirectional camera, wherein the light reflecting surface forms an aspherical toroidal surface, and the light emitting surface forms an aspherical concave surface.
前記実絞りは、前記リレーレンズと前記撮像レンズとの間に配されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の全方位カメラ。 The optical system includes a relay lens formed by combining a convex lens and a concave lens, and an imaging lens, and an actual diaphragm that limits the amount of light passing therethrough,
The omnidirectional camera according to claim 1, wherein the real diaphragm is disposed between the relay lens and the imaging lens.
前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする全方位レンズ。 A light incident surface that forms a side surface formed in a circumferential shape and receives light from a 360-degree direction, a light reflection surface that is a convex surface on which a reflection layer that reflects the incident light is formed, and the reflection layer A light exit surface for emitting the light reflected by
An omnidirectional lens, wherein the light reflecting surface forms an aspherical toroidal surface, and the light emitting surface forms an aspherical concave surface.
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