JP3631718B2

JP3631718B2 - 光学装置

Info

Publication number: JP3631718B2
Application number: JP2001369956A
Authority: JP
Inventors: 章仁竹家
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2021-12-04
Also published as: JP2003167195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学装置、特に広い視野の光像を撮影するために利用される光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非常に広い範囲を一つのカメラで撮像又は監視するために魚眼レンズが用いられており、現在提供されている魚眼レンズの殆どが等距離射影方式（小倉敏布著、１９９５年、朝日ソノラマ発行を参照）を採用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、等距離射影方式を採用している魚眼レンズを備えた監視カメラを天井に下向きに取り付けて室内全体を監視する場合、カメラ直下の被写体は大きく映るが、被写体がカメラ直下から離れていくにしたがって像が小さくなり、しかも撮影された像の歪みが大きくなるという問題があった。
【０００４】
また、魚眼レンズを備えたカメラを水道管等の管路の内壁検査に用いる場合、カメラの光軸を管路に沿って挿入すると、カメラの真横にある内壁部分は大きく映るが、前方の離れた場所にある内壁部分は小さく映るという問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消するためになされたもので、
第１のレンズと、
第１のレンズを透過した光像を受像する受像面と、
第１の反射鏡と、
第１の反射鏡で反射した光を第１のレンズに向けて反射する第２の反射鏡を備え、
受像面中心部における光像拡大率が受像面周辺部における光像拡大率よりも小さくなるように、第１の反射鏡と第２の反射鏡の反射面が、以下の関係を満足するように形成されていることを特徴とする。

【０００７】
本発明の他の形態の光学装置は、第２の反射鏡の反射面は光軸を中心とする開口部を有し、この開口部に第２のレンズが配置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の形態の光学装置は、第１のレンズと第２のレンズが、光軸を中心として対称形状の略半球状又は略ドーム状の透明カバーによって覆われていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の形態の光学装置は、
レンズ又は反射鏡を含む光学系と、
光学系によって案内された光を受像する受像面を有し、
光学系は、第１の反射鏡と、第１の反射鏡で反射した光をレンズに向けて反射する第２の反射鏡を備え、
受像面中心部における光像拡大率が受像面周辺部における光像拡大率よりも小さくなるように、第１の反射鏡と第２の反射鏡の反射面が、以下の関係を満足するように形成されていることを特徴とする。

【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の複数の実施の形態を説明する。なお、以下の説明では、理解を容易にするために種々の方向を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」、「後」、「前」及びこれらを含む用語）を用いているが、本発明はこれらの用語によって限定的に解釈されるものでない。また、以下の説明において、「レンズ」とは、一枚のレンズによって構成されるものだけでなく、複数枚のレンズによって構成される組レンズも含む。
【００１４】
〔実施の形態１〕
図１は、実施の形態１に係る光学装置を具体化した監視カメラ１０を示す。監視カメラ１０は、図面の上下方向に向けられた光軸１２を有するレンズ（結像レンズ）１４備えている。レンズ１４の下には撮像装置１６が配置されており、レンズ１４によって結像された光像が撮像装置１６の受像面１８に受像されるようにしてある。レンズ１４の上には、光軸１２を中心とする対称形状の略半球状又は略ドーム状の透明カバー２０が配置されている。透明カバー２０の内側であってレンズ１４の外側には、光軸１２を中心とするドーナッツ状の主鏡（第１の反射鏡）２２が配置されている。主鏡２２の上面である反射面（第１の反射面）２４は、図１において断面で表された部分に明瞭に描かれているように、上に向けて凸形状に加工されている。また、透明カバー２０の内側であってレンズ１４の真上には、副鏡（第２の反射鏡）２６が配置されている。副鏡２６の下面である反射面（第２の反射面）２８は、図１において断面で表された部分に明瞭に描かれているように、下に向けて凸形状（例えば、円錐状）に加工されている。このように構成された監視カメラ１０によれば、図示するように、監視カメラ１０に入る光のうち主鏡２２に入射された光３０は、この主鏡２２の反射面２４で反射し、次に副鏡２６の反射面２８で反射し、レンズ１４によって撮像装置１６の受像面１８に結像される。
【００１５】
主鏡２２と副鏡２６の反射面２４，２８の形状について説明する。理解を容易にするために、図２に示すように、監視カメラ１０の視野角を１８０°とし、監視カメラ１０から直径ｄの半球の仮想表面３２を撮影する場合を考える。この場合、光軸１２の方向を入射角０の方向とすると、光軸１２を中心として入射角φの方向に見える半球仮想表面３２上の円３４の周長ｃ_φは、式（１）で与えられる。

【００１６】
また、入射角９０°方向に見える半球仮想表面３２上の円３６の周長ｃ_ｍａｘは、式（２）で与えられる。

【００１７】
ここで、入射角９０°方向に見える半球仮想表面３２上の円３６の監視カメラ１０から見た見込み角は２πであるから、入射角φ方向に見える半球仮想表面３２上の円３４の見込み角は、式（３）で与えられる。

【００１８】
次に、図３に示すように、撮像装置１６の受像面１８に半径１の円形像３８が映っている場合を考える。この場合、半径ｙの円４０の周長ｃ_ｙは、式（４）で与えられる。

【００１９】
また、この円４０が、監視カメラ１０から見て入射角φ方向に見える半球仮想表面３２上の円３４と完全に重なって映っているとすると、式（５）の関係が成立する。

【００２０】
式（５）を変形すると式（６）が得られる。

【００２１】
式（６）を積分すると、式（７）が得られる。

【００２２】
ここで、φ＝０のとき、ｙ＝０である。したがって、Ｃ＝０である。よって、式（７）から式（８）が導かれる。

【００２３】
式（８）の関係が成立するとき、図４に示すように、半球仮想表面３２にある小さな球状被写体を投影した受像面１８の光像４２において、光軸１２を中心とする径方向の幅ＡＢと周方向の幅ＣＤは等しくなる。また、式（５）より、φ＝０、ｙ＝０のとき、

となり、φ＝π／２、ｙ＝１のとき、

となり、入射角９０°方向の光像は入射角０°方向の光像に比べて２倍の拡大率をもって受像される。そのため、図５に示すように、入射角を変化させて微小な球体を撮像しても該球体の光像４４は歪まず、大きさのみが変化する。
【００２４】
以上より、主鏡２２と副鏡２６の反射面２４，２８が式（８）の関係を満足するように設計することで、受像面中心の像に比べて受像面周辺の像が拡大して表示される。そのため、例えば、天井に下向きに監視カメラ１０を取り付けて室内全体を監視する場合、被写体が監視カメラ１０の真下から離れていく（つまり、受像面周辺部寄りになる）ほど被写体が監視カメラ１０から遠くなって見込み角が小さくなるが、拡大率が大きくなることによって撮影される像は小さくならず、被写体の監視が容易に行える。
【００２５】
〔実施の形態２〕
魚眼レンズを備えた監視カメラを水道管等の管路の内壁検査に用いる場合、カメラの光軸を管路に沿って挿入すると、カメラの真横にある内壁部分は大きく映るが、前方の離れた場所にある内壁部分は小さく映る。したがって、実施の形態１の監視カメラ１０に対する主鏡２２と副鏡２６の設計とは逆に、主鏡２２と副鏡２６の反射面２４，２８は式（９）の関係を満足するように設計する

【００２６】
このように設計された監視カメラによれば、受像面周辺部の像に比べて受像面中心部の像が拡大して表示されるので、例えば水道管の内壁検査に用いる場合、カメラの光軸を水道管の回転対称軸（長軸）に平行に挿入すると、カメラから見て前方にある内壁部分（つまり、受像面中心部寄りになる）ほど被写体が監視カメラから遠くなって見込み角が小さくなるが、拡大率が大きくなることによって撮影される像は小さくならず、水道管内壁の検査が容易に行える。
【００２７】
〔実施の形態３〕
図１に示す実施の形態１の監視カメラ１０では、図６に示すように、視野４６内で副鏡２６の背後が死角４８となり、副鏡２６の背後から該副鏡２６に向かって進行する光は副鏡２６によって遮断され、レンズ１４に入射することがない。したがって、図７に示すように、副鏡２６の中心に光軸１２を中心とする円形の開口部５０を形成すると共に、この開口部５０にレンズ（例えば凹レンズ）５２を配置し、レンズ１４の正面から該レンズ１４に向かって進行する光をレンズ５２で集光してレンズ１４に入射することが望ましい。これにより、監視カメラ１０の視野４６が拡大され、広範囲の被写体を撮像できる。
【００２８】
〔実施の形態４〕
本発明は、反射鏡を含まないレンズ又はレンズ系にも適用することができる。具体的に、図８に示すように複数枚のレンズによって構成されるレンズ系（組レンズ）５４において、レンズ系５４に入射される光の入射角をφ、受像面１８における像高をＹ、像高の最大値をＹ_ｍａｘとすると、このレンズ系５４が式（１０）を満足するように設計することで、受像面中心部に比べて受像面周辺部の拡大率を大きくすることができる。

【００２９】
その結果、例えば、天井に下向きに監視カメラ１０を取り付けて室内全体を監視する場合、被写体が監視カメラ１０の真下から離れていく（つまり、受像面周辺部寄りになる）ほど被写体が監視カメラ１０から遠くなって見込み角が小さくなるが、拡大率が大きくなることによって撮影される像は小さくならず、被写体の監視が容易に行える。
【００３０】
逆に、レンズ系５４が式（１１）を満足するように設計することで、受像面周辺部に比べて受像面中心部の拡大率を大きくすることができる。

【００３１】
その結果、受像面周辺部の像に比べて受像面中心部の像が拡大して表示されるので、例えば水道管の内壁検査に用いる場合、カメラの光軸を水道管の回転対称軸（長軸）に平行に挿入すると、カメラから見て前方にある内壁部分（つまり、受像面中心部寄りになる）ほど被写体が監視カメラから遠くなって見込み角が小さくなるが、拡大率が大きくなることによって撮影される像は小さくならず、水道管内壁の検査が容易に行える。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る光学装置によれば、広範囲の領域の像を少ない歪で受像できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学装置の実施の形態１を示す斜視図。
【図２】図１に示す光学装置を中心とする球形仮想表面を示す斜視図。
【図３】受像面に受像される円形像を示す平面図。
【図４】受像面に受像される球形被写体の像を示す平面図。
【図５】同一の大きさの球形被写体が受像面に受像された状態を示す平面図。
【図６】実施の形態１において副鏡によって遮断される光路を示す断面図。
【図７】実施の形態３に係る光学装置の断面図。
【図８】実施の形態４に係る光学装置の断面図。
【符号の説明】
１０監視カメラ、１２光軸、１４レンズ、１６撮像装置、１８受像面、２０透明カバー、２２主鏡、２４反射面、２６副鏡、２８反射面、３０光。

Claims

第１のレンズと、
第１のレンズを透過した光像を受像する受像面と、
第１の反射鏡と、
第１の反射鏡で反射した光を第１のレンズに向けて反射する第２の反射鏡を備え、
受像面中心部における光像拡大率が受像面周辺部における光像拡大率よりも小さくなるように、第１の反射鏡と第２の反射鏡の反射面が、以下の関係を満足するように形成されていることを特徴とする光学装置。
第２の反射鏡の反射面は光軸を中心とする開口部を有し、この開口部に第２のレンズが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
第１のレンズと第２のレンズが、光軸を中心として対称形状の略半球状又は略ドーム状の透明カバーによって覆われていることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
レンズ又は反射鏡を含む光学系と、
光学系によって案内された光を受像する受像面を有し、
光学系は、第１の反射鏡と、第１の反射鏡で反射した光をレンズに向けて反射する第２の反射鏡を備え、
受像面中心部における光像拡大率が受像面周辺部における光像拡大率よりも小さくなるように、第１の反射鏡と第２の反射鏡の反射面が、以下の関係を満足するように形成されていることを特徴とする光学装置。