JP2021182019A - Imaging apparatus and imaging system - Google Patents

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Abstract

To provide an imaging apparatus and imaging system which can easily capture a panoramic image.SOLUTION: An imaging apparatus (11) comprises: an imaging element (12); and an optical system (IL). The imaging element constitutes an imaging surface (12a) which has first and second directions (X, Y) crossing each other. The optical system is arranged so as to form an image on the imaging surface. The optical system includes an asymmetric free-form surface lens (Lf) between the first and second directions in accordance with the projection relation with respect to a cylindrical surface (20) being a virtual curved surface that is curved so as to cover the opposite side to the imaging surface. The projection relation of the optical system makes the straight line direction (d2) crossing the arc direction on the cylindrical surface correspond to the second direction of the imaging surface while making the arc direction (d1) in which the cylindrical surface is curved correspond to the first direction of the imaging surface.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、光学系を備えた撮像装置、及び撮像システムに関する。 The present disclosure relates to an image pickup apparatus provided with an optical system and an image pickup system.

特許文献1は、長方形の画像センサによりデジタルパノラマ画像を撮像する方法を開示している。特許文献1は、魚眼対物レンズに円環レンズを用いて、変形されたパノラマ画像を、円板形画像が占めるピクセル数よりも多いピクセル数を占めるように、画像セクタに投影している。これにより、使用する画像のゾーンの精細度を向上し、デジタルズームの品質を高めている。 Patent Document 1 discloses a method of capturing a digital panoramic image with a rectangular image sensor. In Patent Document 1, a ring lens is used as a fisheye objective lens, and a deformed panoramic image is projected onto an image sector so as to occupy a larger number of pixels than the disk-shaped image occupies. This improves the definition of the zone of the image used and enhances the quality of the digital zoom.

国際公開第2003/010599号International Publication No. 2003/010599

本開示は、パノラマ状の画像を撮像し易くすることができる撮像装置、及び撮像システムを提供する。 The present disclosure provides an imaging device and an imaging system capable of easily capturing a panoramic image.

本開示に係る撮像装置は、撮像素子と、光学系とを備える。撮像素子は、互いに交差する第1及び第2方向を有する撮像面を構成する。光学系は、撮像面に結像するように配置される。光学系は、撮像面とは反対側を覆うように湾曲した仮想的な曲面である円筒面に対する射影関係に応じて第1及び第2方向の間で非対称な自由曲面レンズを備える。光学系の射影関係は、円筒面が湾曲する円弧方向と撮像面の第1方向を対応させながら、円筒面において円弧方向に交差する直線方向と撮像面の第2方向を対応させる。 The image pickup apparatus according to the present disclosure includes an image pickup device and an optical system. The image pickup device constitutes an image pickup surface having first and second directions intersecting with each other. The optical system is arranged so as to form an image on the imaging surface. The optical system comprises a free-form surface lens that is asymmetric between the first and second directions depending on the projection relationship with respect to the cylindrical surface, which is a virtual curved surface that is curved so as to cover the side opposite to the imaging surface. Regarding the projection relationship of the optical system, the arc direction in which the cylindrical surface is curved corresponds to the first direction of the imaging surface, and the linear direction intersecting the arc direction in the cylindrical surface corresponds to the second direction of the imaging surface.

本開示に係る撮像システムは、上記の撮像装置と、画像処理部とを備える。画像処理部は、撮像装置によって撮像された撮像画像に基づいて、パノラマ画像を生成する。 The image pickup system according to the present disclosure includes the above image pickup device and an image processing unit. The image processing unit generates a panoramic image based on the captured image captured by the imaging device.

本開示に係る撮像装置及び撮像システムによると、円筒面に対する射影関係に基づいて、パノラマ状の画像を撮像し易くすることができる。 According to the image pickup apparatus and the image pickup system according to the present disclosure, it is possible to easily capture a panoramic image based on the projection relationship with respect to the cylindrical surface.

本開示の実施形態1に係る撮像システムの概要を説明するための図The figure for demonstrating the outline of the image pickup system which concerns on Embodiment 1 of this disclosure. 実施形態1に係る撮像システムの構成を示す図The figure which shows the structure of the image pickup system which concerns on Embodiment 1. 撮像システムにおける撮像素子を説明するための図The figure for demonstrating the image pickup element in an image pickup system. 撮像システムにおける光学系の構成を例示する図The figure which illustrates the structure of the optical system in an image pickup system. 撮像システムにおける円筒射影方式を説明するための図A diagram for explaining a cylindrical projection method in an imaging system. 円筒射影方式における水平面と垂直面との対応関係を例示する図A diagram illustrating the correspondence between a horizontal plane and a vertical plane in a cylindrical projection method. 円筒射影方式における水平面と垂直面との対応関係の別例を示す図A diagram showing another example of the correspondence between the horizontal plane and the vertical plane in the cylindrical projection method. 実施形態1における光学系の光学特性を説明するための図The figure for demonstrating the optical property of the optical system in Embodiment 1. 実施形態1に係る実施例1の光学系における画角と像点との関係を示す散布図Scatter plot showing the relationship between the angle of view and the image point in the optical system of the first embodiment according to the first embodiment. 中心射影方式における画角と像点との関係を例示する散布図Scatter plot exemplifying the relationship between the angle of view and the image point in the central projection method 実施例2の光学系における画角と像点との関係を示す散布図Scatter plot showing the relationship between the angle of view and the image point in the optical system of Example 2. 実施例3の光学系における画角と像点との関係を示す散布図Scatter plot showing the relationship between the angle of view and the image point in the optical system of Example 3. 撮像システムにおけるパノラマ画像の合成処理を例示するフローチャートA flowchart illustrating a panoramic image composition process in an imaging system. 撮像システムにおける撮像装置の動作を例示する図The figure which illustrates the operation of the image pickup apparatus in an image pickup system 撮像システムにおけるパノラマ画像の合成処理を説明するための図The figure for demonstrating the composition process of a panoramic image in an imaging system. 撮像システムの変形例を説明するための図The figure for demonstrating the modification of the image pickup system.

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、或いは実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, more detailed explanation than necessary may be omitted. For example, detailed explanations of already well-known matters or duplicate explanations for substantially the same configuration may be omitted. This is to avoid unnecessary redundancy of the following description and to facilitate the understanding of those skilled in the art.

なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。 It should be noted that the applicant is not intended to limit the subject matter described in the claims by those skilled in the art by providing the accompanying drawings and the following description in order to fully understand the present disclosure. No.

(実施形態1)
以下、本開示の実施形態1を、図面を用いて説明する。実施形態1では、光学系に新規の円筒射影方式を採用した撮像装置及び撮像システムについて説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, Embodiment 1 of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the first embodiment, an image pickup apparatus and an image pickup system that employ a novel cylindrical projection method for the optical system will be described.

1.構成
実施形態1に係る撮像システムについて、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る撮像システムの概要を説明するための図である。
1. 1. Configuration The imaging system according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram for explaining an outline of an imaging system according to the present embodiment.

図1(a)は、本実施形態の撮像システムにおける撮像装置11に対する円筒面20の一例を示す。図1(b)は、図1(a)の例において撮像装置11が撮像した撮像画像を示す。 FIG. 1A shows an example of a cylindrical surface 20 with respect to the image pickup apparatus 11 in the image pickup system of the present embodiment. FIG. 1B shows an image captured by the image pickup apparatus 11 in the example of FIG. 1A.

本実施形態の撮像システムは、撮像装置11において撮像を行う際の光学的な結像に、円筒射影方式を採用する。円筒射影方式は、図1(a)に例示するように、円筒形状を有する仮想的な曲面である円筒面20に基づく射影方式である。円筒面20は、例えば撮像装置11の光軸を基準とする水平面上に沿って湾曲する円弧方向d1および水平面に直交する直線方向d2によって、撮像装置11の光の入射側を覆うように設定される。円筒面20上には、例えば撮像装置11周囲のシーンの像がパノラマ状に展開することとなる。 The imaging system of the present embodiment employs a cylindrical projection method for optical imaging when imaging is performed by the imaging device 11. As illustrated in FIG. 1A, the cylindrical projection method is a projection method based on a cylindrical surface 20 which is a virtual curved surface having a cylindrical shape. The cylindrical surface 20 is set to cover the incident side of the light of the image pickup device 11 by, for example, an arc direction d1 curved along a horizontal plane with respect to the optical axis of the image pickup device 11 and a linear direction d2 orthogonal to the horizontal plane. NS. On the cylindrical surface 20, for example, an image of a scene around the image pickup apparatus 11 is developed in a panoramic manner.

本実施形態の撮像装置11は、例えば図1(a)に示すように、円筒面20上で水平画角θ1および垂直画角θ2によって規定される範囲のシーンを撮像する。図1(b)は、このような撮像1回あたりで生成された撮像画像を示している。水平画角θ1は、水平面上で撮像装置11の光軸に直交する水平方向において撮像可能な角度の範囲を示す。垂直画角θ2は、例えば水平面に直交する垂直方向(即ち直線方向d2)において撮像可能な角度範囲を示す。 As shown in FIG. 1A, for example, the image pickup apparatus 11 of the present embodiment captures a scene in a range defined by the horizontal angle of view θ1 and the vertical angle of view θ2 on the cylindrical surface 20. FIG. 1B shows an captured image generated per such imaging. The horizontal angle of view θ1 indicates a range of angles that can be imaged in the horizontal direction orthogonal to the optical axis of the image pickup device 11 on a horizontal plane. The vertical angle of view θ2 indicates, for example, an angle range that can be imaged in a vertical direction (that is, a linear direction d2) orthogonal to a horizontal plane.

本実施形態の撮像システムによると、円筒射影方式に基づき、円筒面20上に展開するシーンの像を、撮像装置11内部の撮像面上で歪めないように結像して、撮像画像が生成される。これにより、例えば1回の撮像においても、パノラマ状の撮像画像が、円筒面20の円弧方向d1に対応する水平画角θ1の方向にわたって均一な画質で得られる。本撮像システムは、ロボットビジョン等の各種アプリケーションに適用可能であり、例えば移動ロボット、Visual−SLAM(同時位置決め地図作成)、360°カメラ、会議システム及び車載センサなどに適用可能である。 According to the imaging system of the present embodiment, based on the cylindrical projection method, an image of a scene developed on the cylindrical surface 20 is imaged on the imaging surface inside the imaging device 11 so as not to be distorted, and an captured image is generated. NS. As a result, for example, even in one imaging, a panoramic image can be obtained with uniform image quality over the horizontal angle of view θ1 corresponding to the arc direction d1 of the cylindrical surface 20. This imaging system is applicable to various applications such as robot vision, and is applicable to, for example, mobile robots, Visual-SLAM (simultaneous positioning map creation), 360 ° cameras, conference systems, in-vehicle sensors, and the like.

1−1.システム構成
本実施形態に係る撮像システムの構成を、図2を用いて説明する。図2は、撮像システムの構成を示す図である。
1-1. System Configuration The configuration of the imaging system according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an imaging system.

本実施形態に係る撮像システムは、例えば図2に示すように、撮像装置11と、画像処理部13とを備える。撮像装置11は、光学系ILと、撮像素子12とを備える。撮像装置11は、種々の物体を被写体とする画像を撮像する装置であり、例えば各種のカメラを構成する。画像処理部13は、PCなどの情報処理装置で構成されてもよいし、カメラ等に組み込まれてもよい。 As shown in FIG. 2, for example, the image pickup system according to the present embodiment includes an image pickup device 11 and an image processing unit 13. The image pickup device 11 includes an optical system IL and an image pickup element 12. The image pickup device 11 is a device that captures images of various objects as subjects, and constitutes, for example, various cameras. The image processing unit 13 may be configured by an information processing device such as a PC, or may be incorporated in a camera or the like.

以下、撮像装置11における光学系ILの光軸d0の方向をZ方向とし、Z方向に直交する水平方向をX方向とし、Z,X方向に直交する垂直方向をY方向とする。また、光学系ILにおける+Z側を像面側といい、−Z側を物体側という場合がある。 Hereinafter, the direction of the optical axis d0 of the optical system IL in the image pickup apparatus 11 is defined as the Z direction, the horizontal direction orthogonal to the Z direction is defined as the X direction, and the vertical direction orthogonal to the Z and X directions is defined as the Y direction. Further, the + Z side in the optical system IL may be referred to as an image plane side, and the −Z side may be referred to as an object side.

光学系ILは、撮像装置11の外部から入射する光を取り込んで、取り込んだ光によるイメージサークル等の像を結像する。光学系ILは、例えば単焦点レンズ又はズームレンズを構成する。図1に例示した円筒面20は、撮像装置11の光軸d0の周りには回転非対称になる。本実施形態の撮像装置11は、回転非対称に導光する光学系ILを用いて、円筒射影方式を実装する。光学系IL及び円筒射影方式の詳細については後述する。 The optical system IL captures light incident from the outside of the image pickup apparatus 11 and forms an image such as an image circle by the captured light. The optical system IL constitutes, for example, a single focus lens or a zoom lens. The cylindrical surface 20 illustrated in FIG. 1 becomes rotationally asymmetric about the optical axis d0 of the image pickup apparatus 11. The image pickup apparatus 11 of the present embodiment implements a cylindrical projection method by using an optical system IL that guides light in a rotational asymmetry. Details of the optical system IL and the cylindrical projection method will be described later.

撮像素子12は、例えばCCD又はCMOSイメージセンサである。撮像素子12は、複数の画素が等間隔で二次元的に配置された撮像面を有する。撮像素子12は、撮像装置11において撮像面が光学系ILの像面に位置するように配置される。撮像素子12は、光学系ILを介して撮像面に結像した像を撮像し、撮像画像を示す画像信号を生成する。 The image sensor 12 is, for example, a CCD or CMOS image sensor. The image pickup device 12 has an image pickup surface in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged at equal intervals. The image pickup device 12 is arranged in the image pickup apparatus 11 so that the image pickup surface is located on the image plane of the optical system IL. The image pickup device 12 takes an image formed on the image pickup surface via the optical system IL and generates an image signal indicating the image pickup image.

画像処理部13は、撮像素子12からの画像信号に基づいて、撮像装置11による撮像画像に所定の画像処理を行って、例えば複数の撮像画像に基づくパノラマ画像を生成する。画像処理部13による画像処理は、複数の画像を連結するスティッチングを含む。画像処理は、例えばガンマ補正および歪曲補正等を含んでもよい。 The image processing unit 13 performs predetermined image processing on the image captured by the image pickup device 11 based on the image signal from the image pickup device 12, and generates, for example, a panoramic image based on a plurality of captured images. The image processing by the image processing unit 13 includes stitching for connecting a plurality of images. Image processing may include, for example, gamma correction, distortion correction, and the like.

画像処理部13は、例えば内部メモリに格納されたプログラムを実行することで種々の機能を実現するCPU又はMPU等を含む。画像処理部13は、所望の機能を実現するように設計された専用のハードウェア回路を含んでもよい。画像処理部13は、CPU、MPU、GPU、DSP、FPGA又はASIC等を含んでもよい。 The image processing unit 13 includes, for example, a CPU or an MPU that realizes various functions by executing a program stored in an internal memory. The image processing unit 13 may include a dedicated hardware circuit designed to realize a desired function. The image processing unit 13 may include a CPU, MPU, GPU, DSP, FPGA, ASIC, or the like.

本実施形態の撮像システムにおいて、撮像素子12の撮像面は、例えば矩形状に構成される。撮像素子12の撮像面について、図3を用いて説明する。 In the image pickup system of the present embodiment, the image pickup surface of the image pickup element 12 is configured, for example, in a rectangular shape. The image pickup surface of the image pickup device 12 will be described with reference to FIG.

図3は、撮像素子12の撮像面12aが長方形である場合を例示している。撮像素子12は、撮像面12aを規定する長辺Dxおよび短辺Dyを有する。図3の例において、長辺Dxは、短辺Dyに直交し、且つ短辺Dyよりも大きい。本例の撮像素子12において、長辺DxはX方向に平行であり、短辺DyはY方向に平行である。 FIG. 3 illustrates a case where the image pickup surface 12a of the image pickup element 12 is rectangular. The image pickup device 12 has a long side Dx and a short side Dy that define the image pickup surface 12a. In the example of FIG. 3, the long side Dx is orthogonal to the short side Dy and larger than the short side Dy. In the image sensor 12 of this example, the long side Dx is parallel to the X direction and the short side Dy is parallel to the Y direction.

図3では、光学系ILによるイメージサークルIsと撮像素子12の撮像面12aとの位置関係を例示している。本実施形態のイメージサークルIsは、円形状から楕円などに歪んだ形状であり、長径Ix及び短径Iyを有する。図3の例において、長径Ixは、短径Iyに直交し、且つ短径Iyよりも大きい。光学系ILは、撮像素子12の長辺Dx及び短辺Dyに対応して、イメージサークルIsの長径IxがX方向に平行であり、短径IyがY方向に平行であるように配置される。本実施形態の撮像素子12において、X方向は第1方向の一例であり、Y方向は第2方向の一例である。 FIG. 3 illustrates the positional relationship between the image circle Is by the optical system IL and the image pickup surface 12a of the image pickup device 12. The image circle Is of the present embodiment has a shape distorted from a circular shape to an ellipse or the like, and has a major axis Ix and a minor axis Iy. In the example of FIG. 3, the major axis Ix is orthogonal to the minor axis Iy and larger than the minor axis Iy. The optical system IL is arranged so that the major axis Ix of the image circle Is is parallel to the X direction and the minor axis Iy is parallel to the Y direction corresponding to the long side Dx and the short side Dy of the image pickup device 12. .. In the image sensor 12 of the present embodiment, the X direction is an example of the first direction, and the Y direction is an example of the second direction.

光学系ILのイメージサークルIsは、例えば、撮像素子12の撮像面12aの範囲に包含されない部分を有する。図3の例において、イメージサークルIsの長径Ixは、撮像素子12の長辺Dxよりも大きい。また、イメージサークルIsの短径Iyは、撮像素子12の短辺Dyよりも大きい。撮像素子12は、撮像面12aの範囲内のイメージサークルIsによる画像を撮像する。 The image circle Is of the optical system IL has, for example, a portion not included in the range of the image pickup surface 12a of the image pickup element 12. In the example of FIG. 3, the major axis Ix of the image circle Is is larger than the long side Dx of the image pickup device 12. Further, the short diameter Iy of the image circle Is is larger than the short side Dy of the image pickup device 12. The image pickup device 12 captures an image by the image circle Is within the range of the image pickup surface 12a.

1−2.光学系について
本実施形態における光学系ILの詳細について、図4を用いて説明する。図4は、撮像システムにおける光学系ILの構成を例示する図である。
1-2. Optical system The details of the optical system IL in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the optical system IL in the imaging system.

図4(a)は、光学系ILのYZ断面におけるレンズ配置図を示す。図4(b)は、光学系ILのXZ断面におけるレンズ配置図を示す。なお、図4(b)では、各種符号を省略している。 FIG. 4A shows a lens arrangement diagram in a YZ cross section of the optical system IL. FIG. 4B shows a lens arrangement diagram in the XZ cross section of the optical system IL. In FIG. 4B, various reference numerals are omitted.

図4(a),(b)の各レンズ配置図は、光学系ILにおける各種レンズ等の配置を示す。図4(a)のYZ断面は、Y方向と光学系ILの光軸d0に沿った仮想的な断面である。以下ではYZ断面を垂直面ともいう。図4(b)のXZ断面は、水平方向であるX方向と光軸d0に沿った仮想的な断面であり、撮像装置11の水平面に対応する。 Each lens arrangement diagram of FIGS. 4A and 4B shows the arrangement of various lenses and the like in the optical system IL. The YZ cross section of FIG. 4A is a virtual cross section along the Y direction and the optical axis d0 of the optical system IL. Hereinafter, the YZ cross section is also referred to as a vertical plane. The XZ cross section of FIG. 4B is a virtual cross section along the X direction, which is the horizontal direction, and the optical axis d0, and corresponds to the horizontal plane of the image pickup apparatus 11.

本実施形態の光学系ILは、図4(a)に示すように、複数のレンズ素子Lnと、絞りAとを備える。複数のレンズ素子Lnは、光学系ILにおける光軸d0に沿って、物体側から像面側へ順番に並んでいる。 As shown in FIG. 4A, the optical system IL of the present embodiment includes a plurality of lens elements Ln and a diaphragm A. The plurality of lens elements Ln are arranged in order from the object side to the image plane side along the optical axis d0 in the optical system IL.

絞りAは、開口絞りであり、複数のレンズ素子Lnの間に配置される。例えば、絞りAは16未満のF値を有する。これにより、回折限界の影響の観点から良好な像が得られない事態を回避し易い。絞りAのF値は、上記の観点から8未満に設定されてもよい。 The diaphragm A is an aperture diaphragm and is arranged between a plurality of lens elements Ln. For example, the aperture A has an F value of less than 16. This makes it easy to avoid a situation where a good image cannot be obtained from the viewpoint of the influence of the diffraction limit. The F value of the aperture A may be set to less than 8 from the above viewpoint.

光学系ILにおける複数のレンズ素子Lnは、自由曲面レンズLfを含む。自由曲面レンズLfは、物体側と像面側の少なくとも一方に自由曲面を有するレンズ素子である。自由曲面は、光軸d0に対して回転非対称な曲面である。本例において、自由曲面レンズLfは、絞りAよりも物体側と像面側とにそれぞれ配置されている。また、光学系ILにおけるレンズ素子Lnは、球面レンズおよび非球面レンズなどの回転対称レンズLrを含んでもよい。光学系ILは、撮像素子12のカバーガラスを含んでもよい。 The plurality of lens elements Ln in the optical system IL include a free curved lens Lf. The free curved surface lens Lf is a lens element having a free curved surface on at least one of the object side and the image plane side. The free curved surface is a curved surface that is rotationally asymmetric with respect to the optical axis d0. In this example, the free-form surface lens Lf is arranged on the object side and the image plane side of the diaphragm A, respectively. Further, the lens element Ln in the optical system IL may include a rotationally symmetric lens Lr such as a spherical lens and an aspherical lens. The optical system IL may include a cover glass of the image pickup device 12.

本実施形態の光学系ILにおいては、自由曲面レンズLfが、例えば図4(a),(b)に示すように、X方向とY方向との間で非対称な自由曲面を有する。このような自由曲面レンズLfによって、本実施形態の光学系ILは、円筒射影方式に応じて、入射する光線を回転非対称に制御する。自由曲面レンズLfにおける自由曲面は、例えばXY多項式面である。 In the optical system IL of the present embodiment, the free curved surface lens Lf has an asymmetric free curved surface between the X direction and the Y direction, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), for example. With such a free-form surface lens Lf, the optical system IL of the present embodiment controls the incident light rays in a rotationally asymmetric manner according to the cylindrical projection method. The free curved surface in the free curved surface lens Lf is, for example, an XY polynomial plane.

本実施形態の光学系ILにおいては、円筒射影方式が実装されるように、自由曲面レンズLfを含むレンズ素子Lnについての各種パラメータが設定可能である。各種パラメータは、例えばXY多項式面を規定するXY多項式の各種係数のように、対応する面形状を規定する種々の係数を含む。各種パラメータは、曲率半径、面間隔、屈折率、及びアッベ数等を含んでもよい。 In the optical system IL of the present embodiment, various parameters for the lens element Ln including the free-form surface lens Lf can be set so that the cylindrical projection method is implemented. The various parameters include various coefficients that define the corresponding surface shape, for example, various coefficients of the XY polynomial that define the XY polynomial surface. Various parameters may include radius of curvature, interplanar spacing, refractive index, Abbe number, and the like.

本実施形態の光学系ILは、例えば光学系ILの焦点距離の10倍よりも大きくて且つ1000倍よりも小さい合焦距離を有する。上記の下限値を下回ると、像面歪曲の制御が困難になり得る。また、上記の上限値を上回ると、被写界深度の関係から近距離物体の像にボケが生じ得る。 The optical system IL of the present embodiment has, for example, a focusing distance larger than 10 times and smaller than 1000 times the focal length of the optical system IL. Below the above lower limit, it can be difficult to control curvature of field. Further, if the above upper limit value is exceeded, the image of a short-distance object may be blurred due to the depth of field.

また、本実施形態の光学系ILにおいて、水平画角θ1の半画角θ1/2は、例えば20°よりも大きくて且つ85°よりも小さい。上記の下限値を下回ると、対応する円筒面20が狭くなり過ぎる。また、上記の上限値を上回ると、光学系ILにおける非点収差の制御が難しくなる。以上のような観点から、40°<θ1/2<70°であってもよい。 Further, in the optical system IL of the present embodiment, the half angle of view θ1 / 2 of the horizontal angle of view θ1 is, for example, larger than 20 ° and smaller than 85 °. Below the above lower limit, the corresponding cylindrical surface 20 becomes too narrow. Further, if it exceeds the above upper limit value, it becomes difficult to control astigmatism in the optical system IL. From the above viewpoint, 40 ° <θ1 / 2 <70 ° may be used.

1−3.円筒射影方式について
本実施形態の撮像システムによる円筒射影方式について、図5〜12を用いて説明する。
1-3. Cylindrical projection method The cylindrical projection method by the imaging system of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 12.

図5は、撮像システムにおける円筒射影方式を説明するための図である。図6は、円筒射影方式における水平面と垂直面との対応関係を例示する図である。図7は、水平面と垂直面との対応関係の別例を示す図である。 FIG. 5 is a diagram for explaining a cylindrical projection method in an imaging system. FIG. 6 is a diagram illustrating the correspondence between the horizontal plane and the vertical plane in the cylindrical projection method. FIG. 7 is a diagram showing another example of the correspondence between the horizontal plane and the vertical plane.

図6(a)は、円筒射影方式の光学系ILによる水平面(即ちXZ断面)上の射影関係を例示する。図6(b)は、円筒射影方式の光学系ILによる垂直面(即ちYZ断面)上の射影関係を例示する。 FIG. 6A illustrates a projection relationship on a horizontal plane (that is, an XZ cross section) by a cylindrical projection type optical system IL. FIG. 6B illustrates a projection relationship on a vertical plane (that is, a YZ cross section) by a cylindrical projection type optical system IL.

円筒射影方式の理論式は、理想的には次式(E1),(E2)のように表される。
x=fx*θx …(E1)
y=fy*cosθx*tanθy …(E2)
The theoretical formula of the cylindrical projection method is ideally expressed as the following formulas (E1) and (E2).
x = fx * θx ... (E1)
y = fy * cosθx * tanθy ... (E2)

上式(E1)において、xはX方向における像高を示し、光軸d0を基準として像点毎に規定される。θxは、X方向における当該像点の半画角を示す角度である(図5参照)。fxは、光学系ILについてのX方向の近軸焦点距離である。同様に、上式(E2)において、yはY方向における各種像点の像高を示し、θyはY方向における当該像点の半画角を示す角度であり、fyはY方向の近軸焦点距離である。なお、上式(E1),(E2)は各種変数x,θx,y,θyが負の領域においても適宜、定義可能である。 In the above equation (E1), x indicates the image height in the X direction and is defined for each image point with the optical axis d0 as a reference. θx is an angle indicating a half angle of view of the image point in the X direction (see FIG. 5). fx is the paraxial focal length in the X direction for the optical system IL. Similarly, in the above equation (E2), y indicates the image height of various image points in the Y direction, θy is an angle indicating the half angle of view of the image points in the Y direction, and fy is the paraxial focal length in the Y direction. The distance. The above equations (E1) and (E2) can be appropriately defined even in a region where various variables x, θx, y, and θy are negative.

上式(E1)のように、円筒射影方式の光学系ILは、水平面においては等距離射影に従って、入射する光線の制御(即ち導光)を行う。これにより、例えば図6(a)に示すように、水平画角における角度幅Δθ毎に円筒面20上に並んだ複数の点P2aの像は、光学系ILを介して、撮像面12a上でX方向に並ぶ各々の像点P1aに結像する。光学系ILの射影関係が理想的な場合(式(E1)参照)、円筒面20の円弧方向d1に沿って等間隔の角度幅Δθは、撮像面12a上ではX方向において等間隔な像点P1a間の距離Δxに対応する。 As in the above equation (E1), the cylindrical projection type optical system IL controls (that is, guides) the incident light rays according to equidistant projection in the horizontal plane. As a result, as shown in FIG. 6A, for example, the images of the plurality of points P2a arranged on the cylindrical surface 20 for each angle width Δθ at the horizontal angle of view are formed on the imaging surface 12a via the optical system IL. An image is formed at each image point P1a arranged in the X direction. When the projection relationship of the optical system IL is ideal (see equation (E1)), the angular width Δθ at equal intervals along the arc direction d1 of the cylindrical surface 20 is the image points at equal intervals in the X direction on the imaging surface 12a. It corresponds to the distance Δx between P1a.

以上のような水平面における等距離射影と共に、円筒射影方式の光学系ILは、垂直面(即ちYZ断面)において上式(E2)のように、中心射影に従った導光を行う。図6(b)では、光軸d0を通ったXZ断面(即ちθx=0)における光学系ILの射影関係を示している。例えば、円筒面20上で直線方向d2の幅Δd毎に並んだ複数の点P2bの像は、光学系ILを介して、撮像面12a上でY方向に並ぶ各々の像点P1bに結像する。光学系ILの射影関係が理想的な場合(式(E2)参照)、円筒面20上で等間隔の幅Δdは、撮像面12a上でY方向において等間隔な像点P1b間の距離Δyに対応する。 Along with the equidistant projection in the horizontal plane as described above, the cylindrical projection type optical system IL guides the vertical plane (that is, the YZ cross section) according to the central projection as in the above equation (E2). FIG. 6B shows the projection relationship of the optical system IL in the XZ cross section (that is, θx = 0) passing through the optical axis d0. For example, images of a plurality of points P2b arranged on the cylindrical surface 20 for each width Δd in the linear direction d2 are imaged on each image point P1b arranged in the Y direction on the imaging surface 12a via the optical system IL. .. When the projection relationship of the optical system IL is ideal (see equation (E2)), the equally spaced width Δd on the cylindrical surface 20 is the distance Δy between the equally spaced image points P1b in the Y direction on the imaging surface 12a. handle.

また、光学系ILによる中心射影の導光は、上式(E2)に示すように、水平画角における角度θx毎に変化する。図7(a)は、図6(a)と同様の射影関係を示す。図7(b)は、図7(a)の光軸d0からずれたYZ断面における光学系ILの射影関係を例示している。理想的な光学系ILの射影関係によると、θx≠0の各種位置において上式(E2)におけるcosθx<1の分、図7(b)に示すように近付いた円筒面20上の各点P2cと像点P1cとの間で、図6(b)と同様に中心射影の導光が行われる。 Further, the light guide of the central projection by the optical system IL changes for each angle θx in the horizontal angle of view as shown in the above equation (E2). FIG. 7 (a) shows the same projection relationship as in FIG. 6 (a). FIG. 7B illustrates the projection relationship of the optical system IL in the YZ cross section deviated from the optical axis d0 of FIG. 7A. According to the projection relationship of the ideal optical system IL, each point P2c on the cylindrical surface 20 approached as shown in FIG. 7 (b) by the amount of cos θx <1 in the above equation (E2) at various positions of θx ≠ 0. A central projection is guided between the image point P1c and the image point P1c as in FIG. 6 (b).

本実施形態の光学系ILは、以上のような円筒射影方式に特有の光学特性を有する。例えば、光学系ILは、X方向とY方向との間で非対称な歪曲収差を有する。図8を用いて、光学系ILの歪曲収差について説明する。 The optical system IL of the present embodiment has the above-mentioned optical characteristics peculiar to the cylindrical projection method. For example, the optical system IL has an asymmetric distortion between the X direction and the Y direction. The distortion of the optical system IL will be described with reference to FIG.

図8は、本実施形態における光学系ILの光学特性を説明するための図である。図8(a)は、光学系ILの歪曲収差の特性を例示する。図8(b)は、歪曲収差の基準となる被写体を例示する。 FIG. 8 is a diagram for explaining the optical characteristics of the optical system IL in the present embodiment. FIG. 8A illustrates the characteristics of the distortion aberration of the optical system IL. FIG. 8B exemplifies a subject that serves as a reference for distortion.

図8(a)は、本実施形態の撮像装置11が、図8(b)のような正方格子状の被写体を撮像した場合に、歪曲収差が生じた撮像画像に対応する。図8(a)の原点Oは、光軸d0の位置に対応する。なお、図8(a)では、光学系ILがfx=fyの場合の歪曲特性を例示している。 FIG. 8A corresponds to a captured image in which distortion occurs when the imaging device 11 of the present embodiment captures a square grid-shaped subject as shown in FIG. 8B. The origin O in FIG. 8A corresponds to the position of the optical axis d0. Note that FIG. 8A illustrates the distortion characteristics when the optical system IL is fx = fy.

本実施形態の光学系ILにおいて、X方向における歪曲収差の特性は、等距離射影方式の場合と類似している。例えば図8(a)に示すように、光学系ILは、X方向においては光軸d0から離れる程、負に大きい歪曲収差を有する。これにより、円筒面20の円弧方向d1と撮像面12aのX方向とを対応させて結像を行える。また、本実施形態の光学系ILにおいて、Y方向における歪曲収差の特性は、例えば図8(a)に示すように、X方向における位置に応じて負に変動する。これにより、X方向の角度θx毎に、円筒面20の直線方向d2と撮像面12aのY方向とを対応させて結像を行える。 In the optical system IL of the present embodiment, the characteristics of distortion in the X direction are similar to those of the equidistant projection method. For example, as shown in FIG. 8A, the optical system IL has a negatively large distortion as the distance from the optical axis d0 in the X direction increases. As a result, an image can be formed by associating the arc direction d1 of the cylindrical surface 20 with the X direction of the imaging surface 12a. Further, in the optical system IL of the present embodiment, the characteristic of distortion in the Y direction varies negatively depending on the position in the X direction, for example, as shown in FIG. 8A. As a result, an image can be formed by associating the linear direction d2 of the cylindrical surface 20 with the Y direction of the imaging surface 12a for each angle θx in the X direction.

上述した例においては、fx=fyにより、X,Y方向の双方において滑らかな歪曲特性を得やすい。光学系ILにおける円筒射影方式に特有の光学特性は、例えば上述した各種パラメータにより設定できる。本実施形態に係る光学系ILの実施例1〜3について、図9〜図12を用いて説明する。 In the above example, fx = fy makes it easy to obtain smooth distortion characteristics in both the X and Y directions. The optical characteristics peculiar to the cylindrical projection method in the optical system IL can be set by, for example, various parameters described above. Examples 1 to 3 of the optical system IL according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 9 to 12.

図9は、本実施形態に係る実施例1の光学系ILにおける画角と像点P11との関係を示す散布図である。本実施例の光学系ILは、円筒射影方式の理論式(E1),(E2)を満たす。本実施例の光学系ILは、最大値としての水平像高3mmおよび垂直像高1.85mmを有する。また、光学系ILの焦点距離は、焦点距離fx=fy=2.64mmであった。また、光学系ILにおける水平画角θ1の半画角は、65.0°であり、垂直画角θ2の半画角は35.0°であった。 FIG. 9 is a scatter diagram showing the relationship between the angle of view and the image point P11 in the optical system IL of the first embodiment according to the present embodiment. The optical system IL of this embodiment satisfies the theoretical equations (E1) and (E2) of the cylindrical projection method. The optical system IL of this embodiment has a horizontal image height of 3 mm and a vertical image height of 1.85 mm as maximum values. The focal length of the optical system IL was fx = fy = 2.64 mm. The half-angle of view of the horizontal angle of view θ1 in the optical system IL was 65.0 °, and the half-angle of view of the vertical angle of view θ2 was 35.0 °.

図9においては、光学系ILの画角全体における所定の角度幅毎に、入射する光が像面上で結像する像点P11をプロットしている。当該角度幅は、水平方向及び垂直方向の各々について5°に設定した。図9では、光軸d0の位置を原点とする像面のXY平面において、第1象限の像点P11を例示している。本実施例の光学系ILは、X軸及びY軸に対してそれぞれ線対称であることから、第2〜第4象限についても図9と同様である。 In FIG. 9, the image point P11 in which the incident light is imaged on the image plane is plotted for each predetermined angle width over the entire angle of view of the optical system IL. The angle width was set to 5 ° in each of the horizontal and vertical directions. FIG. 9 illustrates the image point P11 in the first quadrant on the XY plane of the image plane whose origin is the position of the optical axis d0. Since the optical system IL of this embodiment is line-symmetrical with respect to the X-axis and the Y-axis, the same applies to the second to fourth quadrants as in FIG.

図10は、中心射影方式における画角と像点P0との関係を例示する散布図である。図10の例では、X,Y方向間で対称な、単なる中心射影方式に従う光学系について、図9と同様にプロットされた像点P0を示している。図10によると、水平像高が大きくなるほど、所定の角度幅毎の像点P0間の間隔が拡がっている。このように、単なる中心射影方式の場合、水平方向において画質が不均一になっている。 FIG. 10 is a scatter diagram illustrating the relationship between the angle of view and the image point P0 in the central projection method. In the example of FIG. 10, the image points P0 plotted in the same manner as in FIG. 9 are shown for an optical system that is symmetrical between the X and Y directions and follows a simple central projection method. According to FIG. 10, as the horizontal image height increases, the distance between the image points P0 for each predetermined angle width increases. As described above, in the case of the simple central projection method, the image quality is non-uniform in the horizontal direction.

これに対して、円筒射影方式に基づく本実施例の光学系ILによると、図9に示すように、水平方向において像点P11の間隔が等間隔であり、均一な画質が得られている。このように、本実施形態の撮像システムによると、円筒射影方式の光学系ILにより像面全体で効率良く結像を行うことができる。 On the other hand, according to the optical system IL of the present embodiment based on the cylindrical projection method, as shown in FIG. 9, the intervals of the image points P11 are evenly spaced in the horizontal direction, and uniform image quality is obtained. As described above, according to the imaging system of the present embodiment, it is possible to efficiently form an image on the entire image plane by the optical system IL of the cylindrical projection method.

本実施形態の撮像システムにおける光学系ILは、理論式(E1),(E2)を厳密に満たす必要はなく、次式(1),(2)を満たすことによって、円筒射影方式を実装してもよい。
0.5<x/(fx*θx)<2.0 …(1)
0.5<y/(fy*cosθx*tanθy)<2.0 …(2)
上式(1),(2)を満たす光学系ILの射影関係によっても、実用上充分に精度良くパノラマ状の画像を結像することができる。
The optical system IL in the imaging system of the present embodiment does not have to strictly satisfy the theoretical equations (E1) and (E2), and the cylindrical projection method is implemented by satisfying the following equations (1) and (2). May be good.
0.5 <x / (fx * θx) <2.0 ... (1)
0.5 <y / (fy * cosθx * tanθy) <2.0 ... (2)
A panoramic image can be formed with sufficient accuracy for practical use even by the projection relationship of the optical system IL satisfying the above equations (1) and (2).

図11は、実施例2の光学系ILにおける画角と像点P12との関係を示す散布図である。本実施例の光学系ILは、水平像高3mm、垂直像高2.14mm、X方向の近軸焦点距離fx=2.64mm、Y方向の近軸焦点距離fy=3.50mm、水平半画角θ1/2=65°、及び垂直半画角θ2/2=35°を有する。 FIG. 11 is a scatter diagram showing the relationship between the angle of view and the image point P12 in the optical system IL of the second embodiment. The optical system IL of this embodiment has a horizontal image height of 3 mm, a vertical image height of 2.14 mm, a paraxial focal length fx in the X direction fx = 2.64 mm, a paraxial focal length in the Y direction fy = 3.50 mm, and a horizontal half-angle. It has an angle θ1 / 2 = 65 ° and a vertical paraxial angle θ2 / 2 = 35 °.

本実施例の光学系ILでは、上式(1)の中辺の値が0.97〜1.00の範囲内であり、上式(2)の中辺の値が0.74〜1.00の範囲内であり、上式(1),(2)を満たしている。本実施例の光学系ILによっても、図11に示すように、水平方向において均一な画質を得ることができる。 In the optical system IL of this embodiment, the value of the middle side of the above equation (1) is in the range of 0.97 to 1.00, and the value of the middle side of the above equation (2) is 0.74 to 1. It is within the range of 00 and satisfies the above equations (1) and (2). As shown in FIG. 11, the optical system IL of this embodiment can also obtain uniform image quality in the horizontal direction.

図12は、実施例3の光学系ILにおける画角と像点P13との関係を示す散布図である。本実施例の光学系ILは、水平像高3.15mm、垂直像高2.14mm、X方向の近軸焦点距離fx=2.64mm、Y方向の近軸焦点距離fy=3.50mm、水平半画角θ1/2=50°、及び垂直半画角θ2/2=35°を有する。 FIG. 12 is a scatter diagram showing the relationship between the angle of view and the image point P13 in the optical system IL of the third embodiment. The optical system IL of this embodiment has a horizontal image height of 3.15 mm, a vertical image height of 2.14 mm, a paraxial focal length fx in the X direction fx = 2.64 mm, a paraxial focal length in the Y direction fy = 3.50 mm, and is horizontal. It has a half-angle of view θ1 / 2 = 50 ° and a vertical half-angle of view θ2 / 2 = 35 °.

本実施例の光学系ILでは、上式(1)の中辺の値が1.00〜1.37の範囲内であり、上式(2)の中辺の値が0.79〜1.00の範囲内であり、上式(1),(2)を満たしている。本実施例の光学系ILによっても、図12に示すように、水平方向において均一な画質を得ることができる。 In the optical system IL of this embodiment, the value of the middle side of the above equation (1) is in the range of 1.00 to 1.37, and the value of the middle side of the above equation (2) is 0.79 to 1. It is within the range of 00 and satisfies the above equations (1) and (2). As shown in FIG. 12, even with the optical system IL of this embodiment, uniform image quality can be obtained in the horizontal direction.

2.動作
以上のように構成される撮像システム及び撮像装置11の動作について、以下説明する。
2. 2. Operation The operation of the image pickup system and the image pickup apparatus 11 configured as described above will be described below.

本実施形態に係る撮像システムは、例えば撮像装置11において複数回の撮像を行い、画像処理部13において複数の撮像画像を合成することによって、複数回分の撮像結果のシーンが連続的に映るパノラマ画像を生成する。撮像装置11が各撮像画像を生成する際に、光学系ILは、上述した円筒射影方式に従って、撮像素子12の撮像面12aに、円筒面20に展開するシーンの像を結像する。これにより、画像処理部13において複数の撮像画像を連結するスティッチングの画像処理を行い易くし、パノラマ画像の画質を良くすることができる。 In the imaging system according to the present embodiment, for example, a panoramic image in which scenes of the imaging results for a plurality of times are continuously projected by performing imaging a plurality of times in the imaging apparatus 11 and synthesizing a plurality of captured images in the image processing unit 13. To generate. When the image pickup apparatus 11 generates each captured image, the optical system IL forms an image of a scene developed on the cylindrical surface 20 on the image pickup surface 12a of the image pickup element 12 according to the above-mentioned cylindrical projection method. As a result, the image processing unit 13 can easily perform stitching image processing for connecting a plurality of captured images, and can improve the image quality of the panoramic image.

2−1.パノラマ画像の合成処理
本実施形態の撮像システムにおいて、画像処理部13がパノラマ画像を合成する処理について、図13〜15を用いて説明する。
2-1. Panorama Image Synthesis Processing In the imaging system of the present embodiment, the processing in which the image processing unit 13 synthesizes panoramic images will be described with reference to FIGS. 13 to 15.

図13は、撮像システムにおけるパノラマ画像の合成処理を例示するフローチャートである。図13のフローチャートによる各処理は、撮像システムの画像処理部13によって実行される。 FIG. 13 is a flowchart illustrating a panoramic image compositing process in an imaging system. Each process according to the flowchart of FIG. 13 is executed by the image processing unit 13 of the imaging system.

まず、撮像システムの画像処理部13は、例えば1台の撮像装置11から複数の撮像画像を取得する(S1)。撮像装置11は、例えば時分割で複数回、周囲のシーンを撮像して、複数の撮像画像を画像処理部13に出力する。ステップS1における撮像装置11の撮像の様子の一例を、図14(a),(b)に示す。 First, the image processing unit 13 of the image pickup system acquires a plurality of captured images from, for example, one image pickup device 11 (S1). The image pickup apparatus 11 captures the surrounding scene a plurality of times, for example, by time division, and outputs the plurality of captured images to the image processing unit 13. 14 (a) and 14 (b) show an example of the state of the image pickup of the image pickup apparatus 11 in step S1.

図14(a)は、撮像装置11が1回目の撮像を行う様子を例示する。図14(b)は、図14(a)に続いて撮像装置11が2回目の撮像を行う様子を例示する。図14(a),(b)の例では、撮像装置11の周囲に、複数の被写体31,32が配置されている。撮像装置11による撮像の回数は特に2回に限らず、3回以上であってもよい。 FIG. 14A illustrates how the image pickup apparatus 11 performs the first image pickup. FIG. 14B exemplifies a state in which the image pickup apparatus 11 performs a second image pickup following FIG. 14 (a). In the example of FIGS. 14A and 14B, a plurality of subjects 31 and 32 are arranged around the image pickup apparatus 11. The number of times of imaging by the image pickup apparatus 11 is not particularly limited to two, and may be three or more.

ステップS1において撮像装置11は、例えば図14(a),(b)に示すように、円筒面20の円弧方向d1の中心を回転軸として、光軸d0の向きを変えながら順次、撮像を行う。このような撮像装置11の動作は、ユーザによって操作されてもよいし、自動制御されてもよい。撮像システムは、撮像装置11を駆動する駆動装置を含んでもよい。 In step S1, as shown in FIGS. 14A and 14B, for example, the image pickup apparatus 11 sequentially performs imaging while changing the direction of the optical axis d0 with the center of the arcuate direction d1 of the cylindrical surface 20 as the rotation axis. .. The operation of such an image pickup apparatus 11 may be operated by a user or may be automatically controlled. The image pickup system may include a drive device for driving the image pickup device 11.

ステップS1において、撮像装置11から取得される撮像画像は、適宜許容誤差の範囲内で、円筒射影方式に従っている。画像処理部13は、取得した撮像画像に対して、理想的な円筒射影方式に対する誤差を補正するための画像処理などを行ってもよい。 In step S1, the captured image acquired from the image pickup apparatus 11 follows a cylindrical projection method, as appropriate within the margin of error. The image processing unit 13 may perform image processing on the acquired captured image to correct an error with respect to the ideal cylindrical projection method.

次に、画像処理部13は、取得した複数の撮像画像にスティッチングの画像処理を行って(S2)、パノラマ画像を合成する。画像処理部13によるスティッチングの画像処理について、図15を用いて説明する。 Next, the image processing unit 13 performs stitching image processing on the acquired plurality of captured images (S2) to synthesize a panoramic image. The image processing of stitching by the image processing unit 13 will be described with reference to FIG.

図15(a)は、図14(a)の撮像時に得られた撮像画像41を例示する。図15(b)は、図14(b)の撮像時に得られた撮像画像42を例示する。図15(c)は、図15(a),(b)の撮像画像41,42に対するスティッチング後のパノラマ画像4を例示する。 FIG. 15 (a) illustrates the captured image 41 obtained at the time of imaging of FIG. 14 (a). FIG. 15 (b) illustrates the captured image 42 obtained during the imaging of FIG. 14 (b). FIG. 15 (c) illustrates the panoramic image 4 after stitching with respect to the captured images 41 and 42 of FIGS. 15 (a) and 15 (b).

ステップS2において、画像処理部13は、例えば図15(a),(b)に示す撮像画像41,42を互いに連結して、図15(c)に例示するようにパノラマ画像4を合成する。この際、画像処理部13は、例えば画像解析によって撮像画像41,42間の重なりの領域40を判定し、判定した領域40について平均化或いは置換等の処理を行ってもよい。 In step S2, the image processing unit 13 connects the captured images 41 and 42 shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b) to each other, and synthesizes the panoramic image 4 as illustrated in FIG. 15 (c). At this time, the image processing unit 13 may determine the overlapping region 40 between the captured images 41 and 42 by, for example, image analysis, and perform processing such as averaging or replacement of the determined region 40.

ステップS2の画像処理時に、画像処理部13は、例えば図14(a),(b)の各例における光軸d0の向きのように、取得した各々の撮像画像41,42についての向きを示す情報を用いてもよい。当該情報は、例えばユーザの操作で入力されてもよいし、撮像装置11に組み込まれたジャイロセンサ等から取得されてもよい。 At the time of image processing in step S2, the image processing unit 13 indicates the orientation of each of the acquired captured images 41 and 42, such as the orientation of the optical axis d0 in each of the examples of FIGS. 14A and 14B. Information may be used. The information may be input by a user operation, for example, or may be acquired from a gyro sensor or the like incorporated in the image pickup apparatus 11.

図13に戻り、画像処理部13は、合成したパノラマ画像4を、各種の表示デバイス又は記憶デバイス等に出力して(S3)、本フローチャートによる処理を終了する。 Returning to FIG. 13, the image processing unit 13 outputs the combined panoramic image 4 to various display devices or storage devices (S3), and ends the processing according to this flowchart.

以上の処理によると、撮像装置11から取得される撮像画像(S1)が円筒射影方式に従って、円筒面20の円弧方向d1に沿って均一な画質で周囲のシーンを映している。例えば、図15(a),(b)の撮像画像41,42間では、同じ被写体32が、違う位置に映っている。この際、円筒射影方式によると、被写体32に対する光軸d0の向きが回転しているにも拘わらず(図14(a),(b))、被写体32が撮像画像41,42に映る形状は変化していない。 According to the above processing, the captured image (S1) acquired from the image pickup apparatus 11 projects the surrounding scene with uniform image quality along the arc direction d1 of the cylindrical surface 20 according to the cylindrical projection method. For example, the same subject 32 appears at a different position between the captured images 41 and 42 in FIGS. 15A and 15B. At this time, according to the cylindrical projection method, although the direction of the optical axis d0 with respect to the subject 32 is rotated (FIGS. 14 (a) and 14 (b)), the shape of the subject 32 reflected in the captured images 41 and 42 is It hasn't changed.

よって、スティッチングの画像処理時(S2)に、撮像画像41,42に映る被写体32を変形するような大幅な座標変換を特に行うことなく、パノラマ画像4を合成でき、スティッチングの画像処理における処理負荷を低減できる。また、上記のような大幅な座標変換を回避できることから、撮像時から画質を劣化させることなく撮像画像のスティッチングを行え、パノラマ画像4の画質を良くすることができる。 Therefore, during the stitching image processing (S2), the panoramic image 4 can be synthesized without performing a large coordinate transformation that deforms the subject 32 reflected in the captured images 41 and 42, and in the stitching image processing. The processing load can be reduced. Further, since the above-mentioned large coordinate conversion can be avoided, stitching of the captured image can be performed without deteriorating the image quality from the time of imaging, and the image quality of the panoramic image 4 can be improved.

3.まとめ
以上のように、本実施形態における撮像装置11は、撮像素子12と、光学系ILとを備える。撮像素子12は、互いに交差する第1及び第2方向の一例としてX,Y方向を有する撮像面12aを構成する。光学系ILは、撮像面12aに結像するように配置される。光学系ILは、撮像面12aとは反対側を覆うように湾曲した仮想的な曲面である円筒面20に対する射影関係に応じてX,Y方向の間で非対称な自由曲面レンズLfを備える。光学系ILの射影関係は、円筒面20が湾曲する円弧方向d1と撮像面12aのX方向を対応させながら、円筒面20において円弧方向d1に交差する直線方向d2と撮像面12aのY方向を対応させる。
3. 3. Summary As described above, the image pickup device 11 in the present embodiment includes the image pickup element 12 and the optical system IL. The image pickup device 12 constitutes an image pickup surface 12a having X and Y directions as an example of the first and second directions intersecting each other. The optical system IL is arranged so as to form an image on the image pickup surface 12a. The optical system IL includes a free curved lens Lf that is asymmetrical between the X and Y directions depending on the projection relationship with respect to the cylindrical surface 20 which is a virtual curved surface curved so as to cover the side opposite to the imaging surface 12a. The projection relationship of the optical system IL is such that the linear direction d2 intersecting the arc direction d1 on the cylindrical surface 20 and the Y direction of the image pickup surface 12a while associating the arc direction d1 in which the cylindrical surface 20 curves with the X direction of the image pickup surface 12a. Correspond.

以上の撮像装置11によると、円筒射影方式に従う光学系ILの円筒面20に対する射影関係によって、円筒面20上のシーンの歪みを低減して撮像でき、パノラマ状の画像を撮像し易くすることができる。 According to the above image pickup apparatus 11, the distortion of the scene on the cylindrical surface 20 can be reduced and image pickup can be performed by the projection relationship of the optical system IL according to the cylindrical projection method with respect to the cylindrical surface 20, and it is possible to easily capture a panoramic image. can.

本実施形態において、光学系ILは、円弧方向d1とX方向を対応させながら直線方向d2とY方向を対応させるように、X,Y方向の間で非対称な歪曲収差を有する(図8参照)。円筒射影方式に特有の歪曲特性を有する光学系ILによって、円筒面20に沿ったパノラマ状の画像を撮像し易くすることができる。 In the present embodiment, the optical system IL has an asymmetric distortion between the X and Y directions so as to correspond the linear direction d2 and the Y direction while making the arc direction d1 correspond to the X direction (see FIG. 8). .. The optical system IL, which has distortion characteristics peculiar to the cylindrical projection method, makes it easy to capture a panoramic image along the cylindrical surface 20.

また、本実施形態において、光学系ILの射影関係は、X方向においては等距離射影に基づき、Y方向においては中心射影に基づく(図6,7参照)。これにより、円弧方向d1と直線方向d2との各々に沿ったパノラマ状の画像を撮像し易くすることができる。 Further, in the present embodiment, the projection relationship of the optical system IL is based on equidistant projection in the X direction and based on central projection in the Y direction (see FIGS. 6 and 7). This makes it possible to easily capture a panoramic image along each of the arc direction d1 and the linear direction d2.

また、本実施形態の撮像装置11において、撮像面12a上で、X方向における像高x及びY方向における像高yが、以下の式(1)及び式(2)を満たす。
0.5<x/(fx*θx)<2 …(1)
0.5<y/(fy*cosθx*tanθy)<2 …(2)
ここで、
θx:X方向における像高xの半画角
θy:Y方向における像高yの半画角
fx:光学系におけるX方向の近軸焦点距離
fy:光学系におけるY方向の近軸焦点距離
である。これにより、式(1),(2)のように円筒射影方式を実装することにより、パノラマ状の画像を実用上、充分に撮像し易くすることができる。
Further, in the image pickup apparatus 11 of the present embodiment, the image height x in the X direction and the image height y in the Y direction on the image pickup surface 12a satisfy the following equations (1) and (2).
0.5 <x / (fx * θx) <2 ... (1)
0.5 <y / (fy * cosθx * tanθy) <2 ... (2)
here,
θx: Half angle of view of image height x in X direction θy: Half angle of view of image height y in Y direction fx: Paraxial focal length in X direction in optical system fy: Paraxial focal length in Y direction in optical system .. As a result, by implementing the cylindrical projection method as in the equations (1) and (2), it is possible to sufficiently easily capture a panoramic image in practice.

また、本実施形態の撮像装置11において、X方向における像高xの半画角θxは、20°よりも大きくて且つ85°よりも小さい。これにより、非点収差を制御しながら、撮像される円筒面20の範囲を充分に確保することができる。 Further, in the image pickup apparatus 11 of the present embodiment, the half angle of view θx of the image height x in the X direction is larger than 20 ° and smaller than 85 °. As a result, it is possible to sufficiently secure the range of the cylindrical surface 20 to be imaged while controlling astigmatism.

また、本実施形態の撮像装置11において、X方向の近軸焦点距離fxとY方向の近軸焦点距離fyとは、同じ大きさを有してもよい。この場合、X,Y方向の双方において滑らかな歪曲収差を得やすい。 Further, in the image pickup apparatus 11 of the present embodiment, the paraxial focal length fx in the X direction and the paraxial focal length fy in the Y direction may have the same magnitude. In this case, it is easy to obtain smooth distortion in both the X and Y directions.

また、本実施形態の撮像装置11において、光学系ILは、例えばX,Y方向の近軸焦点距離fx,fyの少なくとも一方の10倍よりも大きくて、且つ1000倍よりも小さい合焦距離を有する。このように遠い合焦距離により、像面歪曲を制御しながら、撮像装置11付近の物体のボケの低減を実現し易い。 Further, in the image pickup apparatus 11 of the present embodiment, the optical system IL has, for example, a focusing distance larger than 10 times of at least one of the paraxial focal lengths fx and fy in the X and Y directions and smaller than 1000 times. Have. With such a long focusing distance, it is easy to reduce blurring of an object near the image pickup apparatus 11 while controlling curvature of field.

また、本実施形態において、光学系ILは、例えば16よりも小さいF値を有する。これにより、回折限界の観点から良好な像が得難くなる事態を回避しやすい。 Further, in the present embodiment, the optical system IL has an F value smaller than, for example, 16. This makes it easy to avoid a situation in which it becomes difficult to obtain a good image from the viewpoint of the diffraction limit.

また、本実施形態における撮像システムは、撮像装置11と、画像処理部13とを備える。画像処理部13は、撮像装置11によって撮像された撮像画像41,42に基づいて、パノラマ画像4を生成する。本実施形態の撮像システムによると、撮像装置11の光学系ILにより、パノラマ画像4の生成を行い易い。 Further, the image pickup system in the present embodiment includes an image pickup device 11 and an image processing unit 13. The image processing unit 13 generates a panoramic image 4 based on the captured images 41 and 42 captured by the image pickup device 11. According to the image pickup system of the present embodiment, the panoramic image 4 can be easily generated by the optical system IL of the image pickup device 11.

(他の実施形態)
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態1を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。
(Other embodiments)
As described above, the first embodiment has been described as an example of the technique disclosed in the present application. However, the technique in the present disclosure is not limited to this, and can be applied to embodiments in which changes, substitutions, additions, omissions, etc. are made as appropriate. It is also possible to combine the components described in each of the above embodiments into a new embodiment. Therefore, other embodiments will be exemplified below.

上記の実施形態1では、1台の撮像装置11を備える撮像システムの例を説明した。本実施形態の撮像システムは、複数台の撮像装置11を備えてもよい。本変形例について、図16を用いて説明する。 In the first embodiment described above, an example of an imaging system including one imaging device 11 has been described. The image pickup system of the present embodiment may include a plurality of image pickup devices 11. This modification will be described with reference to FIG.

図16では、撮像システムに含まれる2台の撮像装置11が撮像を行う様子を例示する。各撮像装置11は、例えば共通の画像処理部13に接続して、本変形例の撮像システムを構成する。なお、本実施形態の撮像システムは、3台以上の撮像装置11を含んでもよい。 FIG. 16 illustrates how two image pickup devices 11 included in the image pickup system perform image pickup. Each image pickup device 11 is connected to, for example, a common image processing unit 13 to form an image pickup system of this modification. The image pickup system of the present embodiment may include three or more image pickup devices 11.

図16の例において、各々の撮像装置11は、共通の円筒面20上で異なる領域を撮像するように配置されている。画像処理部13は、図13のステップS1において、各撮像装置11から撮像画像を取得し、スティッチングの画像処理を行う(S2)。この場合においても、各々の撮像装置11において円筒面20の円弧方向d1に沿って均質な撮像画像が得られることから、画像処理部13は簡単にスティッチングを実行でき、高画質のパノラマ画像を生成できる。 In the example of FIG. 16, each image pickup device 11 is arranged so as to image different regions on a common cylindrical surface 20. In step S1 of FIG. 13, the image processing unit 13 acquires an image captured from each image pickup device 11 and performs stitching image processing (S2). Even in this case, since a uniform image taken along the arc direction d1 of the cylindrical surface 20 can be obtained in each image pickup device 11, the image processing unit 13 can easily perform stitching and obtain a high-quality panoramic image. Can be generated.

また、上記の各実施形態では、円筒面20に基づく円筒射影方式について説明した(理論式(E1),(E2)参照)。本実施形態の撮像システムにおいて、円筒面20は適宜、許容誤差の範囲内で歪んだ曲面に設定されてもよい。例えば、円筒面20の円弧方向d1は、真円における円弧でなくてもよく、適宜凸状の曲線による方向であってもよい。また、直線方向d2は、厳密な直線による方向でなくてもよく、円弧方向d1よりも直線的な方向であってもよい。また、円弧方向d1と直線方向d2とは、直角から適宜、許容誤差の角度範囲内で互いに交差してもよい。 Further, in each of the above embodiments, the cylindrical projection method based on the cylindrical surface 20 has been described (see the theoretical formulas (E1) and (E2)). In the imaging system of the present embodiment, the cylindrical surface 20 may be appropriately set to a distorted curved surface within a tolerance. For example, the arc direction d1 of the cylindrical surface 20 does not have to be an arc in a perfect circle, and may be a direction due to an appropriately convex curve. Further, the linear direction d2 does not have to be a direction based on a strict straight line, and may be a direction more linear than the arc direction d1. Further, the arc direction d1 and the linear direction d2 may intersect each other from a right angle as appropriate within an angle range of the margin of error.

また、上記の各実施形態では、円筒射影方式に従う光学系ILの射影関係として、X方向においては等距離射影に基づき、Y方向においては中心射影に基づく場合を例示した。本実施形態の光学系ILの射影関係は、X方向において等立体各射影、正射影あるいは立体射影に基づいてもよいし、Y方向において弱中心射影あるいは疑似中心射影に基づいてもよい。 Further, in each of the above embodiments, the case where the optical system IL according to the cylindrical projection method is based on equidistant projection in the X direction and based on central projection in the Y direction is illustrated. The projection relationship of the optical system IL of the present embodiment may be based on each stereographic projection, orthographic projection, orthographic projection in the X direction, or may be based on a weak center projection or a pseudo-center projection in the Y direction.

また、上記の各実施形態では、図3において長方形の撮像面12aを例示したが、撮像素子12の撮像面12aはこれに限らない。本実施形態において、撮像素子12の撮像面12aは、長方形でない各種の矩形状であってもよく、部分的にマスクされていてもよい。また、撮像素子12の撮像面12aは、湾曲していてもよい。 Further, in each of the above embodiments, the rectangular image pickup surface 12a is illustrated in FIG. 3, but the image pickup surface 12a of the image pickup element 12 is not limited to this. In the present embodiment, the image pickup surface 12a of the image pickup element 12 may have various rectangular shapes other than a rectangle, or may be partially masked. Further, the image pickup surface 12a of the image pickup device 12 may be curved.

例えば、本実施形態の撮像素子12の長辺Dxと短辺Dyとは直交していなくてもよく、各種の角度で交差してもよい。また、撮像素子12は、長辺Dx及び短辺Dyの代わりに同じ長さの二辺を有してもよい。本実施形態の光学系ILでは、イメージサークルIsの長径Ixと短径Iyとによる第1及び第2方向も、互いに直交していなくてもよく、各種の角度で交差してもよい。また、イメージサークルIsにおける第1及び第2方向の径の長さが同じであってもよい。イメージサークルIsは、必ずしも円形から歪んでいなくてもよい。また、本実施形態ではイメージサークルIsは撮像素子12の撮像面12aに包含されない部分を有していたが、イメージサークルIsは撮像面12aを包含していてもよい。 For example, the long side Dx and the short side Dy of the image pickup device 12 of the present embodiment may not be orthogonal to each other and may intersect at various angles. Further, the image pickup device 12 may have two sides having the same length instead of the long side Dx and the short side Dy. In the optical system IL of the present embodiment, the first and second directions of the major axis Ix and the minor axis Iy of the image circle Is do not have to be orthogonal to each other, and may intersect at various angles. Further, the lengths of the diameters in the first and second directions in the image circle Is may be the same. The image circle Is does not necessarily have to be distorted from a circle. Further, in the present embodiment, the image circle Is has a portion not included in the image pickup surface 12a of the image pickup element 12, but the image circle Is may include the image pickup surface 12a.

上記の各実施形態では、自由曲面の一例として、XY多項式面を例示した。本実施形態において、自由曲面は上記に限らず、例えばアナモルフィック非球面、或いはトーリック面を含んでもよい。また、本実施形態の光学系ILにおいて、自由曲面レンズは、アナモルフィックではない自由曲面を有してもよい。アナモルフィックではない自由曲面は、XY多項式面は含む一方でアナモルフィック非球面を含まない。アナモルフィックではない自由曲面は、例えば対称面を有さなくてもよい。 In each of the above embodiments, an XY polynomial plane is illustrated as an example of a free-form surface. In the present embodiment, the free curved surface is not limited to the above, and may include, for example, an anamorphic aspherical surface or a toric surface. Further, in the optical system IL of the present embodiment, the free-form surface lens may have a free-form surface that is not anamorphic. A non-anamorphic free-form surface contains an XY polynomial surface but does not contain an anamorphic aspherical surface. A non-anamorphic free-form surface does not have to have, for example, a plane of symmetry.

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。 As described above, an embodiment has been described as an example of the technique in the present disclosure. To that end, the accompanying drawings and detailed description are provided.

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。 Therefore, among the components described in the attached drawings and the detailed description, not only the components essential for problem solving but also the components not essential for problem solving in order to illustrate the above-mentioned technology. Can also be included. Therefore, the fact that those non-essential components are described in the accompanying drawings or detailed description should not immediately determine that those non-essential components are essential.

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。 Further, since the above-described embodiment is for exemplifying the technique in the present disclosure, various changes, substitutions, additions, omissions, etc. can be made within the scope of claims or the equivalent thereof.

本開示は、撮像を行う各種アプリケーションに適用可能であり、例えば移動ロボット、Visual−SLAM、360°カメラ、会議システム及び車載センサなどに適用可能である。 The present disclosure is applicable to various applications for imaging, and is applicable to, for example, mobile robots, Visual-SLAM, 360 ° cameras, conference systems, in-vehicle sensors, and the like.

11 撮像装置
12 撮像素子
13 画像処理部
20 円筒面
d1 円弧方向
d2 直線方向
IL 光学系
Ln レンズ素子
Lf 自由曲面レンズ
11 Image pickup device 12 Image pickup element 13 Image processing unit 20 Cylindrical surface d1 Arc direction d2 Linear direction IL Optical system Ln Lens element Lf Free curved lens

Claims (9)

互いに交差する第1及び第2方向を有する撮像面を構成する撮像素子と、
前記撮像面に結像するように配置された光学系と
を備え、
前記光学系は、前記撮像面とは反対側を覆うように湾曲した仮想的な曲面である円筒面に対する射影関係に応じて前記第1及び第2方向の間で非対称な自由曲面レンズを備え、
前記光学系の射影関係は、前記円筒面が湾曲する円弧方向と前記撮像面の第1方向を対応させながら、前記円筒面において前記円弧方向に交差する直線方向と前記撮像面の第2方向を対応させる
撮像装置。
An image sensor constituting an image pickup surface having first and second directions intersecting with each other,
It is provided with an optical system arranged so as to form an image on the imaging surface.
The optical system comprises a free-form surface lens that is asymmetric between the first and second directions depending on the projection relationship to a cylindrical surface that is a virtual curved surface that is curved so as to cover the side opposite to the imaging surface.
The projection relationship of the optical system corresponds to the arc direction in which the cylindrical surface is curved and the first direction of the imaging surface, and the linear direction intersecting the arc direction in the cylindrical surface and the second direction of the imaging surface. Corresponding image pickup device.
前記光学系は、前記円弧方向と前記第1方向を対応させながら前記直線方向と前記第2方向を対応させるように、前記第1及び第2方向の間で非対称な歪曲収差を有する
請求項1に記載の撮像装置。
The first aspect of the optical system has an asymmetric distortion between the first and second directions so that the linear direction and the second direction correspond to each other while the arc direction and the first direction correspond to each other. The imaging device according to.
前記光学系の射影関係は、前記第1方向においては等距離射影に基づき、前記第2方向においては中心射影に基づく
請求項1又は2に記載の撮像装置。
The imaging device according to claim 1 or 2, wherein the projection relationship of the optical system is based on equidistant projection in the first direction and central projection in the second direction.
前記撮像面上で、前記第1方向における像高x及び前記第2方向における像高yが、以下の式(1)及び式(2)を満たし、
0.5<x/(fx*θx)<2 …(1)
0.5<y/(fy*cosθx*tanθy)<2 …(2)
ここで、
θx:前記第1方向における像高xの半画角
θy:前記第2方向における像高yの半画角
fx:前記光学系における前記第1方向の近軸焦点距離
fy:前記光学系における前記第2方向の近軸焦点距離
である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像装置。
On the imaging surface, the image height x in the first direction and the image height y in the second direction satisfy the following equations (1) and (2).
0.5 <x / (fx * θx) <2 ... (1)
0.5 <y / (fy * cosθx * tanθy) <2 ... (2)
here,
θx: Half-angle of view of image height x in the first direction θy: Half-angle of view of image height y in the second direction fx: Paraxial focal length in the first direction in the optical system: The imaging device according to any one of claims 1 to 3, which is a paraxial focal length in the second direction.
前記第1方向における像高xの半画角θxは、20°よりも大きくて且つ85°よりも小さい
請求項4に記載の撮像装置。
The image pickup apparatus according to claim 4, wherein the half angle of view θx of the image height x in the first direction is larger than 20 ° and smaller than 85 °.
前記第1方向の近軸焦点距離fxと前記第2方向の近軸焦点距離fyとが、同じ大きさを有する
請求項4又は5に記載の撮像装置。
The image pickup apparatus according to claim 4 or 5, wherein the paraxial focal length fx in the first direction and the paraxial focal length fy in the second direction have the same magnitude.
前記光学系は、前記第1及び第2方向の近軸焦点距離fx,fyの少なくとも一方の10倍よりも大きくて、且つ1000倍よりも小さい合焦距離を有する
請求項4〜6のいずれか1項に記載の撮像装置。
Any of claims 4 to 6, wherein the optical system has a focusing distance larger than 10 times and less than 1000 times the paraxial focal lengths fx and fy in the first and second directions. The image pickup apparatus according to item 1.
前記光学系は、16よりも小さいF値を有する
請求項1〜7のいずれか1項に記載の撮像装置。
The imaging device according to any one of claims 1 to 7, wherein the optical system has an F value smaller than 16.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置によって撮像された撮像画像に基づいて、パノラマ画像を生成する画像処理部と
を備える撮像システム。
The image pickup apparatus according to any one of claims 1 to 8.
An image pickup system including an image processing unit that generates a panoramic image based on an image captured by the image pickup device.
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