JP3523783B2 - 全方位視角センサ - Google Patents

全方位視角センサ

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    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/58—Means for changing the camera field of view without moving the camera body, e.g. nutating or panning of optics or image sensors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/06—Panoramic objectives; So-called "sky lenses" including panoramic objectives having reflecting surfaces

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，一般的には全方位
を観測するための視覚センサに関するもので，とりわけ
回転体ミラーを利用した全方位視覚センサに関するもの
である．
【０００２】
【従来の技術】従来，回転体ミラーを利用した全方位視
覚としては，円錐ミラー，球面ミラー，双曲面ミラー，
放物面ミラーを利用した視覚センサが知られている．図
１に示す双曲面ミラーを用いた全方位視覚センサの場
合、鉛直下向きに設置した双曲面ミラーとその下に鉛直
上向きに設置したカメラから構成され，双曲面ミラー
（２葉双曲面）には，幾何学的に２つの焦点を持つとい
う性質があり，その２点と双曲面の間には一定の幾何学
関係が成立する．その性質から，カメラのレンズ中心を
双曲面の一方の焦点位置にすることで、環境内の任意の
点Ｐは，その位置にかかわらず、図１のように点Ｐから
の光の延長は，必ずもう一方のミラーの焦点を通るよう
な光学系，すなわち透視変換座標系を作りだすことがで
きる．即ち，双曲面ミラーのもう一方の焦点Ｂを受光レ
ンズ系の主点とすることで，双曲面ミラーを用いた全方
位視覚センサで撮像した画像は，ミラーの焦点Ｃを仮の
レンズ中心とする座標系に容易に変換することができ
る．このような変換は，円錐ミラーや球面ミラーを利用
する全方位視覚センサではできない．
【０００３】従来の双曲面ミラーを用いた全方位視覚セ
ンサに関する詳細は，参考文献：山澤一誠、八木康史、
谷内田正彦，“移動ロボットのナビゲーションのための
全方位視覚系ＨｙｐｅｒＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎの提案，
電子情報通信学会論文誌，Ｖｏｌ．Ｊ７９−Ｄ−ＩＩ，
Ｎｏ．５，６９８−７０７ （１９９６）を参照された
い．
【０００４】また，放物面ミラーを利用した全方位視覚
の場合，ある条件下では，双曲面ミラーと類似した性質
を有する．すなわち，凸面放物面鏡の場合，平行射影が
成立する受光系が用意できれば，双曲面と同様に視点は
一点となり，この点を原点とする球面座標系での表現が
可能となる。従来研究では，長焦点の光学系やテレセン
トリックレンズなど，平行射影が近似的に成立する受光
系を利用していたため，正確な透視変換座標系は実現で
きない．
【０００５】従来の放物面ミラーを利用した全方位視覚
センサに関する詳細は，参考文献：ブイ．ペリー，シェ
リー ネイヤー：，全方位ビデオシステム，ロボティク
スに関する日米大学院生フォーラム（Ｏｍｎｉｄｉｒｅ
ｔｉｏｎａｌ ＶｉｄｅｏＳｙｓｔｅｍ， Ｐｒｏｃ．
Ｕ．Ｓ−Ｊａｐａｎ Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｔｕｄｅ
ｎｔ Ｆｏｒｕｍ ｉｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ）， ｐ
ｐ．２８−３１ （１９９６）を参照されたい．
【０００６】一方，すべての回転体型のミラーでいえる
ことだが，一般に非点収差などの影響を受けるため，ぼ
けが発生し，光学系の設計では十分注意を要する．一般
に収差の影響を減らすためには，単一のミラーないしレ
ンズでは難しく，複数枚を組み合わせる必要がある。従
来研究では，収差の影響を最小限にするために，２次元
トーラス状の主鏡を介し，副鏡により結像される虚像を
通常のテレビカメラで撮像する方法で，最適な曲率を持
つ２枚のミラーを利用する反射型望遠鏡のような光学系
を提案した．
【０００７】詳細に関しては，参考文献：竹家，黒田，
西口，市川 ： 反射型広角光学系の研究，ＳＩＣＥ，
１０２Ａ＿３，ｐｐ．５９−６０ （１９９４）を参照
されたい．
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】の場合，非点収差などの影響により，ぼけ
が発生し，双曲面ミラー形状と受光系のテレビカメラの
光学系の調整だけでは，中心射影の変換ができつつ，鮮
明な映像が得られる視覚センサを小型で実現することが
困難であった．
【０００９】さらに
【０００４】の場合，
【０００２】の場合と同様に小型化が困難なのに加え，
長焦点の光学系やテレセントリックレンズでは，近似的
平行射影のため，正確な中心射影の変換ができなかっ
た．
【００１０】さらに
【０００６】の方法では，結像系としての最適化は行え
ているが，
【０００２】で見られるような中心射影の変換は行えな
かった．
【００１１】本発明では，正確な中心投影，結像系の最
適化，そしてセンサ自体の大きさの小型化の３つのこと
を同時に実現する．
【００１２】
【発明を解決するための手段】上記
【００１１】を実現するために，本発明の全方位視覚セ
ンサでは，複数枚の焦点を持つ回転体ミラーを利用す
る．
【００１３】本発明の全方位視覚センサは，焦点を有す
る回転体凸面鏡と，少なくとも１つの焦点を有する複数
枚の回転体鏡と，回転体凸面鏡と複数枚の回転体鏡とで
反射された光を受光するための結像手段と、結像手段で
受光された光を受け、電気信号に変換するための光電変
換手段とからなる全方位視覚センサであって、回転体凸
面鏡および複数枚の回転体鏡は、回転体凸面鏡および複
数枚の回転体鏡に含まれる第１の鏡の焦点が、第１の鏡
で反射された光をさらに反射する回転体凸面鏡および複
数枚の回転体鏡に含まれる第２の鏡の焦点と一致するよ
うに配設されたことを特徴とする全方位視覚センサであ
る。そして，上記鏡の配設により，中心射影の変換がで
きつつ，鮮明な映像が得られる視覚センサを小型で実現
することができる．
【００１４】さらに，全方位視覚センサは，本発明の焦
点を有する回転体凸面鏡と，少なくとも１つの焦点を有
する複数枚の回転体鏡と，回転体凸面鏡と複数枚の回転
体鏡とで反射された光を受光するための結像手段と、結
豫手段で受光された光を受け、電気信号に変換するため
の光電変換手段とからなる全方位視覚センサであって、
回転体凸面鏡および複数枚の回転体鏡は、回転体凸面鏡
および複数枚の回転体鏡に含まれる１つの焦点のみを有
する第１の鏡が、第１の鏡の反射面と反対側に焦点を有
し、第１の鏡で反射された光をさらに反射する回転体凸
面鏡および複数枚の回転体鏡に含まれる１つの焦点のみ
を有する第２の鏡が、第１の鏡の反射面と反対側に焦点
を有し、かつ第１の鏡の回転軸と第２の鏡の回転軸とが
一致するように配設されたことを特徴とする全方位視覚
センサである．そして，上記の構成により，小型化が可
能な上に，
【０００４】においては近似中心射影だったのに対し，
正確な中心射影の変換ができる．
【００１５】
【発明の実施の形態】発明の実施の形態を
【実施例】に基づき図面を参照して説明する．図２にお
いて，双曲面凸面鏡の主鏡１を介し，双曲面凸面鏡の副
鏡２により結像される虚像を通常のテレビカメラなどの
受光レンズ系３と撮像面４からなる撮像光学系で撮像す
る方法で，同一軸線上に主鏡と副鏡の軸を配置し，主鏡
１の焦点Ａを副鏡２の焦点と一致させ，副鏡２のもう一
方の焦点を撮像光学系の受光レンズ系３の主点Ｂとする
ことで，主鏡１のもう一方の焦点Ｃを中心とした透視座
標変換を可能とする．なお，主鏡１と副鏡２は，円筒ガ
ラス管や半球面アクリル管といった透明管５により連結
される．
【００１６】上記，全方位視覚センサでは，主鏡１と副
鏡２の曲率調整により，撮像面４上への結像のための調
整を行うため，中心射影の変換できる上に，小型化しや
すい．
【００１７】図１の実施例において，副鏡のミラー形状
は，球面や楕円球面であっても構わない．
【００１８】図３に示す実施例では，図２において，双
曲面凸面鏡を用いたのに対し，放物面鏡を用いた実施例
で，放物面凸面鏡の主鏡１を介し，放物面凹面鏡の副鏡
２により結像される虚像を通常のテレビカメラなどの受
光レンズ系３と撮像面４からなる撮像光学系で撮像する
方法で，副鏡２の焦点位置にカメラのレンズ系の主点Ｂ
をおくことで，副鏡２に対し，平行に入射する光線を結
像させることができる．なお，主鏡１で反射した光線
は，ミラーの軸に対し平行となり，副鏡２へ入射する．
従って，主鏡１の焦点Ｃを中心とした透視座標変換が可
能となる．
【００１９】上記，全方位視覚センサでは，主鏡１と副
鏡２の曲率調整により，撮像面４上への結像のための調
整を行うため，正確な中心射影の変換できる上に，小型
化しやすい．
【００２０】図４に示す実施例では，これまでの実施例
では，主鏡と副鏡の２枚のミラーを利用していたのに対
し，３枚のミラーによる実施例で，連続するミラー間で
焦点を連結することができれば，最終的に主鏡の焦点Ｃ
を中心とした透視座標変換が可能となる．同様に４枚以
上のミラーの場合にでも，最終的に主鏡の焦点を中心と
した透視座標変換が可能となる．
【００２１】図５に示す実施例では，副鏡と撮像光学系
レンズ系間に平面鏡６を配置することで，光路を曲げた
場合である．いずれの場所に平面鏡６を配置しても，最
終的に主鏡１の焦点Ｃを中心とした透視座標変換が可能
となる．
【００２２】図６に示す実施例では，副鏡２に非軸放物
面鏡を利用した場合で，これまでの実施例と同様に副鏡
に非軸反射鏡を用いても，最終的に主鏡１の焦点Ｃを中
心とした透視座標変換が可能となる．
【００２３】
【発明の効果】本発明は，以上説明したように構成され
ているもので，以下に記載されるような効果を奏する．
【００２４】最終的に入力画像を主鏡の焦点を中心とし
た座標系に変換することができる．
【００２５】さらに，結像系を保ちながら，小型化を行
うことができる．
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の双曲面鏡を１枚用いた場合の光学系の図
である．
【図２】双曲面鏡を２枚用いた場合の光学系の図であ
る．
【図３】放物面鏡を２枚用いた場合の光学系の図であ
る．
【図４】３枚の回転体ミラーを用いた場合の光学系の図
である．
【図５】平面鏡により光路を曲げた場合の光学系の図で
ある．
【図６】非軸回転体ミラーを用いることで光路を曲げた
場合の光学系の図である．
【符号の説明】
１ 主鏡 ２ 副鏡 ３ 受光レンズ系 ４ 撮像面 ５ 透明管 ６ 平面鏡 ７ 双曲面鏡 Ａ，Ｃ 焦点 Ｂ 主点 Ｐ 物点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−295333（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−80727（ＪＰ，Ｕ) 特表 平９−505447（ＪＰ，Ａ) 国際公開98／25245（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 5/222 - 5/257

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 焦点を有する回転体凸面鏡（１）と，少
    なくとも１つの焦点を有する複数枚の回転体鏡（２）
    と，前記回転体凸面鏡（１）と前記複数枚の回転体鏡
    （２）とで反射された光を受光するための結像手段
    （３）と、前記結像手段（３）で受光された光を受け、
    電気信号に変換するための光電変換手段（４）とからな
    る全方位視覚センサであって、前記回転体凸面鏡（１）
    および前記複数枚の回転体鏡（２）は、前記回転体凸面
    鏡（１）および前記複数枚の回転体鏡（２）に含まれる
    第１の鏡の焦点が、前記第１の鏡で反射された光をさら
    に反射する前記回転体凸面鏡（１）および前記複数枚の
    回転体鏡（２）に含まれる第２の鏡の焦点と一致するよ
    うに配設されたことを特徴とする全方位視覚センサ。
  2. 【請求項２】 前記複数枚の回転体鏡（２）のうち、前
    記結像手段（３）に対して光を反射する回転体鏡（２）
    は、前記結像手段（３）の側に第１の焦点を有し、かつ
    前記第１の焦点が前記結像手段（３）の主点と一致する
    ように配設されたことを特徴とする、請求項１に記載の
    全方位視覚センサ。
  3. 【請求項３】 前記第１の鏡の回転軸と前記第２の鏡の
    回転軸とが一致するように前記回転体凸面鏡（１）と前
    記回転体鏡（２）とを配設することを特徴とする、請求
    項１に記載の全方位視覚センサ。
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