JP4288939B2

JP4288939B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4288939B2
Application number: JP2002353994A
Authority: JP
Inventors: 功一吉川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: US20060114332A1; US7515177B2; KR20050084074A; CN100449402C; EP1593999A1; JP2004184862A; WO2004051365A1; DE60336851D1; EP1593999A4; KR100983625B1; CN1745337A; EP1593999B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズと撮像素子を有する撮像部を複数備えて成り、全周等広い範囲を撮影することができる撮像装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、複数のカメラを用いて、広画角を同時に撮影できる撮像装置が数々提案されている。
【０００３】
例えば、複数のカメラを多面体フレームにマウントした撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、この構成では、各カメラの視点中心が一致していないため、各カメラ間にパララックス（視差）が生じ、高品質に複数の画像を繋ぎ合わせることができない。また、カメラに近い（至近距離の）被写体を撮影しようとすると、撮影されない死角が生じてしまう。
【０００４】
これに対して、例えば、角錐ミラーを用いることにより、複数のカメラの視点中心を仮想的に略一致させた撮像装置が提案されている（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２０３９２４号公報（図５）
【特許文献２】
特公昭３９−８１４０号公報（第１図）
【特許文献３】
特開平８−３０７７３５号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように角錐ミラーを用いた構成では、光学的に複数のカメラの視点中心が一致しているため、これらパララックスや至近距離にある被写体に対する死角の問題は生じない。
【０００７】
しかしながら、角錐ミラーを必要とするために、撮像装置全体が大きくなること、ミラーの割れや汚れを生じないようにする必要があり角錐ミラーの取り扱いが難しいことが問題になる。
さらに、角錐ミラーの構造上、角錐の中心軸に沿った方向（通常の角錐ミラーの配置では上下方向になる）の撮影ができないため、全方位の撮影を行うことが難しい。
【０００８】
上述した問題の解決のために、本発明においては、複数の撮像部から広い範囲を撮影することができ、良好な画質が得られると共に、装置の小型化を図ることが可能な撮像装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、撮像素子とレンズ前玉とを備えた撮像部を複数有して成り、隣接する撮像部同士において互いに前記撮像部の撮像領域が重なり合うように配置され、各撮像部において画角端における主光線を延長して光軸と交わる点を視点中心と定義し、隣接する撮像部と撮像領域が重なり合う方向において視点中心と撮像素子とレンズ前玉とを通る断面をとり、この断面において撮像素子の断面長をＡ、レンズ前玉の断面長をＤ、レンズ前玉から撮像素子までの距離をＬ、レンズ前玉を含む撮像部内のレンズ全体を合成した焦点距離をｆとするとき、条件式ＡＬ＜ｆＤ（１）を満たし、かつ複数の撮像部の各視点中心が略一致するように配置されているものである。
【００１０】
また、上記撮像装置において、撮像部が複数の方向において、それぞれ隣接する撮像部と撮像領域が重ね合わされ、この複数の方向の全てにおいてそれぞれ条件式（１）を満たす構成を可とする。
【００１１】
上述の本発明の撮像装置の構成によれば、各撮像部において画角端における主光線を延長して光軸と交わる点を視点中心と定義し、隣接する撮像部と撮像領域が重なり合う方向において視点中心と撮像素子とレンズ前玉とを通る断面をとり、この断面において撮像素子の断面長をＡ、レンズ前玉の断面長をＤ、レンズ前玉から撮像素子までの距離をＬ、レンズ前玉を含む撮像部内のレンズ全体を合成した焦点距離をｆとするとき、条件式ＡＬ＜ｆＤ（１）を満たす。
このとき、隣接する撮像部と撮像領域が重なり合う方向における、レンズ画角Ｗ及び撮像素子からレンズを見込む角度θは、それぞれ、以下の式（２）及び（３）で表される。
Ｗ＝２ｔａｎ^-1（Ａ／（２ｆ））（２）
θ＝２ｔａｎ^-1（Ｄ／（２Ｌ））（３）
そして、条件式（１）のＡＬ＜ｆＤを満たすことから、０＜Ａ／（２ｆ）＜Ｄ／（２Ｌ）が成り立ち、関数ｆ（ｘ）＝２ｔａｎ^-1ｘがｘに関して単調増加するため、Ｗ＜θとなる。
【００１２】
これにより、撮像素子からレンズを見込む角度θの方が、レンズ画角Ｗよりも大きいことにより、視点中心が撮像素子よりも後方に存在することになる。これにより他の撮像部と視点中心を略一致させることが可能になる。
そして、複数の撮像部の各視点中心が略一致するように配置されていることにより、これら複数の撮像部で撮影した画像を、パララックスを生じないで重ね合わせることが可能になる。
【００１３】
また、上記撮像装置において、撮像部が複数の方向において、それぞれ隣接する撮像部と撮像領域が重ね合わされ、この複数の方向の全てにおいてそれぞれ条件式（１）を満たす構成としたときには、この複数の方向全てにおいて、パララックスを生じないで画像を重ね合わせることが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態として、撮像装置の概略構成図（水平方向の断面図）を図１に示す。
この撮像装置２０は、レンズ前玉２及び撮像素子３を有する撮像部（カメラ）１が、１２個（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ，１Ｉ，１Ｊ，１Ｋ，１Ｌ）放射状に配置され、かつ隣接する撮像部１同士が接合されて、構成されている。
【００１５】
各撮像部１において、その前端にレンズ前玉２が配置され、後端付近に撮像素子３が配置されている。また、レンズ前玉２と撮像素子３との間に、レンズ群４を有している。
【００１６】
このような構成により、水平方向において、各撮像部１Ａ〜１Ｌにより３０度ずつ撮像領域が分担され、合計３６０度の撮像領域となっている。
【００１７】
なお、隣接する撮像部１同士で、撮影した画像を重ね合わせることができるように、またメカニカルな誤差を吸収することができるようにするため、各撮像部１の水平方向の画角Ｗを３０度よりも少し大きくして、隣接する撮像部１の撮像領域を重複させるようにすることが好ましい。
【００１８】
また、図示しないが、垂直方向においても同様に、各撮像部１Ａ〜１Ｌの撮像領域が３０度の画角を有しており、撮像装置２０全体で円筒状のパノラマ画像を撮影することができる。
【００１９】
各撮像部（カメラ）１の視点中心は、撮像装置２０の中心点１０において略一致している。この視点中心は、各撮像部１において、画角端における主光線を延長して光軸と交わる点として定義される。
【００２０】
次に、図１の撮像装置２０の１つの撮像部（カメラ）１の詳細な断面図を図２に示す。
撮像部１の各部品（レンズ前玉２、レンズ群４、撮像素子３）は、外周をカメラ鏡胴５によって覆われており、このカメラ鏡胴５は、ほぼ画角端の光線に沿うように形成されている。
なお、撮像素子３は、図示しないが正方形の平面形状となっている。
【００２１】
本実施の形態の撮像装置２０においては、特に各撮像部１（１Ａ〜１Ｌ）において、前述した条件式（１）を満たす構成とする。即ち、隣接する撮像部１同士の撮像領域が重ね合わされる水平方向において、
Ａ：撮像素子３の水平方向の断面長（＝一辺の長さ）
ｆ：レンズ焦点距離（レンズ前玉２及びレンズ群４全体の焦点距離）
Ｄ：レンズ前玉２の水平方向の断面長
Ｌ：レンズ前玉２から撮像素子３までの距離
としたとき、条件式（１）のＡＬ＜ｆＤを満たす構成とする。
【００２２】
本実施の形態では、撮像素子３の平面形状を正方形としているため、通常正方形の各辺が水平方向及び上下方向となるように配置されることから、撮像素子３の水平方向の断面長は撮像素子３の一辺の長さと一致する。なお、例えば正方形の対角線が水平方向及び上下方向となるように配置すると、撮像素子３の水平方向の断面長は撮像素子３の対角線長と一致する。
【００２３】
これにより、レンズ画角Ｗと、撮像素子３からレンズ前玉２を見込む角度θについて、条件式（１）と下記の式（２）及び（３）とからＷ＜θとなる。
Ｗ＝２ｔａｎ^-1（Ａ／（２ｆ））（２）
θ＝２ｔａｎ^-1（Ｄ／（２Ｌ））（３）
このように撮像素子３からレンズ前玉２を見込む角度θがレンズ画角Ｗより大きいことから、視点中心が撮像素子３よりも後方に位置するようになり、各撮像部１（１Ａ〜１Ｌ）の視点中心を、図１に示した一点１０に略一致させることが可能になる。
【００２４】
本実施の形態の撮像装置２０の設計条件としては、例えば、撮像素子３の一辺の長さＡ＝３．６ｍｍ、レンズ前玉２の直径Ｄ＝３８．６ｍｍ、レンズ前玉２から撮像素子３までの距離Ｌ＝５８．７ｍｍ、レンズの焦点距離ｆ＝６．５ｍｍとすることができる。
このとき、ＡＬ＝３．６×５８．７＝２１１．３２，ｆＤ＝６．５×３８．６＝２５０．９であるから、ＡＬ＜ｆＤとなり条件式（１）を満たす。
そして、（２）及び（３）式より、
Ｗ＝２×ｔａｎ^-1（３．６／２／６．５）＝３０．９６
θ＝２×ｔａｎ^-1（３８．６／２／５８．７）＝３６．４
となるため、θ＞Ｗとなり、視点中心が撮像素子３よりも後方に位置することがわかる。
【００２５】
一方、比較構成として、条件式（１）を満たさない場合を考えてみる。
撮像素子３の一辺の長さＡ＝３．６ｍｍ、レンズ前玉２の直径Ｄ＝３０ｍｍ、レンズ前玉２から撮像素子３までの距離Ｌ＝５８．７ｍｍ、レンズの焦点距離ｆ＝６．５ｍｍ、即ちレンズ前玉２の直径Ｄを３０ｍｍに小さくすると、ＡＬ＝２１１．３２，ｆＤ＝６．５×３０＝１９５であるから、ＡＬ＞ｆＤとなり条件式（１）を満たさない。
この場合、（２）及び（３）式より、
Ｗ＝２×ｔａｎ^-1（３．６／２／６．５）＝３０．９６
θ＝２×ｔａｎ^-1（３０／２／５８．７）＝２８．７
となるため、θ＜Ｗとなる。また、レンズ前玉から視点中心までの距離Ｐ＝Ｄ／２／ｔａｎ（Ｗ／２）＝５４．２ｍｍであり、Ｐ＜Ｌとなる。
従って、θ＜Ｗ及びＰ＜Ｌから、視点中心がレンズ鏡胴内に位置してしまうため、複数の撮像部の視点中心を近づけることが困難になる。
【００２６】
上述の本実施の形態の撮像装置２０の構成によれば、各撮像部１が条件式（１）を満たすことにより、視点中心を撮像素子よりも後方に位置させることができる。
これにより、ミラーを用いないで、複数の撮像部（カメラ）１（１Ａ〜１Ｌ）の各視点中心１０を、好ましくは略一致させることができる。
このように視点中心を略一致させることにより、パララックスを生じないため、各撮像部１で撮影した画像を繋ぎ合わせる際に、繋ぎ目の画像を画像処理する必要がなくなる。
これにより、画質を高品質に維持することができると共に、画像を繋ぎ合わせるために要する処理時間を省略または短縮することができる。
従って、画像を重ね合わる処理をリアルタイムで行うことを可能にし、生放送等へ容易に適用することが可能になる。
【００２７】
そして、本実施の形態の撮像装置２０は、ミラーを用いていないため、取り扱いが難しいミラーに煩わされることがなく、通常のレンズと同様の使い勝手の良さを実現することができると共に、ミラーを用いた場合と比較して撮像装置２０を小型化することができる。
また、本実施の形態撮像装置２０から至近距離にある被写体を撮影する場合でも、死角が生じないため、撮影対象を選ばない。
【００２８】
さらに、本実施の形態の撮像装置２０を、全方位を撮影する撮像装置の他の構成、例えば魚眼レンズと単数のカメラとを用いた場合や、曲面ミラーと単数のカメラとを用いた場合と比較すると、複数の撮像部１（１Ａ〜１Ｌ）を使用して撮像領域を重ね合わせるため、画素数を多く確保することができる。
このように画素数を多く確保することができることにより、解像度を向上し、また画質を向上することが可能になる。
また、１つの撮像部１の撮像領域が狭くなる分、撮像部１に用いるレンズ（レンズ前玉２やレンズ群４）の選択の幅が広がり、高い光学性能のレンズを用いることが可能になるため、特に各撮像部１の撮像領域の繋ぎ目付近の解像度を確保して、充分な解像度や画質を得ることを可能にする。
従って、帯状の領域の全周で高画質な画像を撮影することができる。
【００３０】
また、上述の実施の形態では、各撮像部１の光学部品（レンズ前玉２、レンズ群４、撮像素子３）を同一の構成として、各撮像部１が図２に示した同一の構成を有するとして説明しているが、各撮像部１の構成が異なっていても、それぞれで条件式（１）を満たす構成となっていれば、視点中心が撮像素子よりも後方になるため、支障なく画像を貼り合わせることが可能である。
【００３１】
上述の実施の形態の撮像装置２０では、１２個のカメラ（撮像部）１を１列に配置して、水平方向３６０度、垂直方向３０度の帯状の範囲を撮影領域としたが、垂直方向の撮影範囲をさらに広げるためには、例えば、水平方向に帯状にカメラ（撮像部）が配置されたカメラ列を、垂直方向に複数積み重ねればよい。
これにより、上下方向を含むあらゆる方向（全方位）を撮影することが可能となる。
この場合の実施の形態を次に示す。
【００３２】
続いて、本発明の撮像装置の他の実施の形態の概略構成図（斜視図）を図３に示す。
図３に示すように、カメラ（撮像部）Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，・・・から成る第１のカメラ列Ｒ１と、カメラ（撮像部）Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２４，Ｃ２５，・・・から成る第２のカメラ列Ｒ２と、カメラ（撮像部）Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ３３，Ｃ３４，Ｃ３５，・・・から成る第３のカメラ列Ｒ３と、カメラ（撮像部）Ｃ４１，Ｃ４２，Ｃ４３，Ｃ４４，Ｃ４５，・・・から成る第４のカメラ列Ｒ４と、カメラ（撮像部）Ｃ５１，Ｃ５２，Ｃ５３，Ｃ５４，・・・から成る第５のカメラ列Ｒ５と、カメラ（撮像部）Ｃ６１，Ｃ６２，Ｃ６３，・・・から成る第６のカメラ列Ｒ６との、合計６つのカメラ列Ｒ１〜Ｒ６が積み重ねられて、球形状の撮像装置１００が構成されている。
また、この撮像装置１００では、さらに球の極部に、他のカメラＣ７１が設けられている。なお、図示しない反対側の極部にもカメラを設けてもよい。
【００３３】
そして、それぞれのカメラ列Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６において、カメラ列を構成する数個のカメラ（撮像部）の視点中心が、より好ましくは略一致しているように構成する。各カメラ（撮像部）の視点中心は、前述した先の実施の形態と同様に定義される。
なお、各カメラ列Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６のカメラ（撮像部）の視点中心は、上下のカメラ列の画像をパララックスなく重ね合わせるために、帯状の各カメラ列Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６の中心付近にあるよりも、全て撮像装置１００の球の中心付近にあるように各カメラを配置した方がよい。
さらに好ましくは、全てのカメラ（撮像部）の視点中心が、撮像装置１００の球の中心に略一致しているように構成する。
【００３４】
先の実施の形態においては、Ｄをレンズ前玉２の水平方向の断面長、Ａを撮像素子３の水平方向の断面長（一辺の長さ）としたが、本発明では、隣接する撮像部同士の各撮像領域を重ね合わせる方向で考え、その方向における断面長としてＤ及びＡを定義する。
【００３５】
従って、本実施の形態の撮像装置１００では、同じカメラ列内の隣接する撮像部同士の各撮像領域を重ね合わせることから、レンズ前玉の水平方向の断面長ＤｘをＤとして、撮像素子の水平方向の断面長（＝水平方向の辺の長さ）ＡｘをＡとして、これらが条件式（１）を満たすように構成する。
即ち次式（１Ｘ）を満たすように構成する。
ＡｘＬ＜ｆＤｘ（１Ｘ）
【００３６】
さらに、上下に積層されるカメラ列の撮像部同士、即ち上下の撮像部同士でも撮像領域を重ね合わせるときには、さらにレンズ前玉の上下方向の断面長ＤｙをＤとして、撮像素子の上下方向の断面長（＝上下方向の辺の長さ）ＡｙをＡとして、これらも条件式（１）を満たすように構成する。
即ち次式（１Ｙ）を満たすように構成する。
ＡｙＬ＜ｆＤｙ（１Ｙ）
撮像素子の平面形状が正方形である場合には、Ａｘ＝Ａｙとなる。
【００３７】
なお、Ｌは方向に関わらず一定である。
また、方向に関わらず焦点距離ｆが一定になるレンズ（球面レンズ等）をレンズ前玉や途中のレンズ群に使用して非点収差が生じないようにする。
【００３８】
上述の本実施の形態の撮像装置１００によれば、カメラ（撮像部）を重ね合わせる方向において、条件式（１）を満たすように構成したことにより、各カメラ（撮像部）の視点中心が撮像素子よりも後方になり、各カメラ列の数個のカメラの視点中心や全てのカメラの視点中心を、より好ましくは略一致させることが可能になる。
これにより、先の実施の形態の撮像装置２０と同様に、パララックスを生じないため、各撮像部で撮影した画像を繋ぎ合わせる際に、繋ぎ目の画像を画像処理する必要がなくなり、画質を高品質に維持することができると共に、画像を繋ぎ合わせるために要する処理時間を省略または短縮することができる。
従って、画像を重ね合わる処理をリアルタイムで行うことを可能にし、生放送等へ容易に適用することが可能になる。
【００３９】
そして、本実施の形態の撮像装置１００は、ミラーを用いていないため、取り扱いが難しいミラーに煩わされることがなく、通常のレンズと同様の使い勝手の良さを実現することができると共に、ミラーを用いた場合と比較して撮像装置１００を小型化することができる。
また、本実施の形態撮像装置１００から至近距離にある被写体を撮影する場合でも、死角が生じないため、撮影対象を選ばない。
【００４０】
また、本実施の形態の撮像装置１００を、全方位を撮影する撮像装置の他の構成、例えば魚眼レンズと単数のカメラとを用いた場合や、曲面ミラーと単数のカメラとを用いた場合と比較すると、複数の撮像部Ｃ１１〜Ｃ７１を使用して撮像領域を重ね合わせるため、画素数を多く確保することができる。
このように画素数を多く確保することができることにより、解像度を向上し、また画質を向上することが可能になる。
また、１つの撮像部の撮像領域が狭くなる分、撮像部に用いるレンズの選択の幅が広がり、高い光学性能のレンズを用いることが可能になるため、各撮像部の撮像領域の繋ぎ目付近の解像度を確保して、充分な解像度や画質を得ることを可能にする。
従って、高画質な画像を全方位で撮影することができる。
【００４１】
さらに、本実施の形態の撮像装置１００によれば、数個のカメラ（撮像部）が帯状に配置されたカメラ列Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６を６列積み重ねたことにより、上下方向も含む全方位を同時に撮影することが可能になる。
【００４２】
上述の各実施の形態では、いずれも撮像装置２０，１００の中心軸の周囲に放射状に複数の撮像部が配置され、この中心軸が鉛直方向となっているが、この中心軸を水平方向やその他の方向としてもよい。
【００４３】
さらに、上述の各実施の形態では、いずれも複数の撮像部により帯状の領域の３６０度即ち全周を撮影する構成となっているが、複数の撮像部により全周の一部（例えば１２０度、１８０度、２４０度等）を撮影する構成としてもよい。
【００４４】
また、各撮像部の撮像領域の形状は略四角形状に限定されるものではなく、例えばサッカーボールのような六角形状や五角形状等、その他の形状も可能である。
いずれの形状においても、隣接する撮像部同士の撮像領域を重ね合わせる方向（一方向或いは複数の方向）のそれぞれの方向において、視点中心と撮像素子とレンズ前玉を通る断面を採ったときの撮像素子の断面長Ａとレンズ前玉Ｄが条件式（１）を満たすように構成すればよい。
【００４５】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【００４６】
【発明の効果】
上述の本発明の撮像装置によれば、パララックスを生じないため、各撮像部で撮影した画像を繋ぎ合わせる際に、繋ぎ目の画像を画像処理する必要がなくなり、画質を高品質に維持することができると共に、画像を繋ぎ合わせるために要する処理時間を省略または短縮することができる。
従って、画像を重ね合わる処理をリアルタイムで行うことを可能にし、生放送等へ容易に適用することが可能になる。
【００４７】
また、本発明の撮像装置によれば、ミラーを用いていないため、取り扱いが難しいミラーに煩わされることがなく、通常のレンズと同様の使い勝手の良さを実現することができると共に、撮像装置を小型化することができる。
さらに、至近距離にある被写体を撮影する場合でも死角が生じないため、撮影対象を選ばない。
【００４８】
さらに、本発明の撮像装置によれば、複数の撮像部の画像を重ね合わせることができ、画素数を多く確保することができることにより、解像度や画質を向上することが可能になる。
また、１つの撮像部の撮像領域が狭くなる分、撮像部に用いるレンズの選択の幅が広がり、高い光学性能のレンズを用いることが可能になるため、各撮像部の撮像領域の繋ぎ目付近の解像度を確保して、充分な解像度や画質を得ることを可能にする。
従って、高画質な画像を全周や全方位等の広範囲で撮影することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像装置の一実施の形態の概略構成図（水平方向の断面図）である。
【図２】図１の撮像装置の１つの撮像部の断面図である。
【図３】本発明の撮像装置の他の実施の形態の概略構成図（斜視図）である。
【符号の説明】
１撮像部、２レンズ前玉、３撮像素子、４レンズ群、５レンズ鏡胴、１０視点中心、２０、１００撮像装置

Claims

撮像素子とレンズ前玉とを備えた撮像部を複数有して成り、
隣接する前記撮像部同士において、互いに前記撮像部の撮像領域が重なり合うように配置された撮像装置であって、
各前記撮像部において、画角端における主光線を延長して光軸と交わる点を視点中心と定義し、
隣接する前記撮像部と前記撮像領域が重なり合う方向において前記視点中心と前記撮像素子と前記レンズ前玉とを通る断面をとり、該断面において前記撮像素子の断面長をＡ、前記レンズ前玉の断面長をＤ、前記レンズ前玉から前記撮像素子までの距離をＬ、前記レンズ前玉を含む前記撮像部内のレンズ全体を合成した焦点距離をｆとするとき、条件式
ＡＬ＜ｆＤ（１）
を満たし、
かつ複数の前記撮像部の各前記視点中心が略一致するように配置されている
撮像装置。
前記撮像部が複数の方向において、それぞれ隣接する前記撮像部と撮像領域が重ね合わされ、前記複数の方向の全てにおいてそれぞれ前記条件式（１）を満たす請求項１に記載の撮像装置。