JP4304973B2

JP4304973B2 - 撮像装置

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Publication number: JP4304973B2
Application number: JP2002358580A
Authority: JP
Inventors: 功一吉川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: JP2004191593A

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、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１参照）。
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、各カメラ間にパララックスを生じず、高品質に複数の画像を繋ぎ合わせることができる。
また、カメラから近い距離の被写体を撮影する場合でも、撮影されない死角が生じることがない。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭３９−８１４０号公報（第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の構成の撮像装置では、１つのカメラが近距離の被写体にピントを合わせていて、隣の他のカメラが中距離の被写体にピントを合わせている場合には、遠距離の被写体の像倍率が２つのカメラで異なることから、遠距離の被写体に対する像の大きさが違ってくる。
【０００６】
上述のように複数のカメラを用いて視点中心を略一致させた撮像装置において、１つのカメラの光路を図５に示す。
図５は、１つのカメラにおいて、レンズを移動させて、近距離の被写体、中距離の被写体、遠距離（無限遠）の被写体にそれぞれピントを合わせた場合の光路を、それぞれ図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃに示している。
【０００７】
図５Ａ〜図５Ｃに示すように、カメラは、レンズとして第１のレンズ群５３及び第２のレンズ群５４と、これらレンズ群５３，５４の間に配置された絞り５５と、後方に撮像手段５１として、例えば撮像素子（ＣＣＤ固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子）やフィルムを備えて構成されている。
なお、このカメラでは、第１のレンズ群５３及び第２のレンズ５４に、通常使われているレンズ、即ちレンズ通過後の主光線が光軸とは平行でないレンズを用いている。
【０００８】
そして、被写体までの距離に応じて、レンズ群５３，５４と撮像手段５１との距離を変化させて、具体的にはレンズ群５３，５４に対する撮像手段５１の相対位置を動かすことにより、撮像手段５１上にピントが合った像を結ぶように構成されている。
【０００９】
レンズ５３，５４の画角（図示せず）に対する像の大きさ、即ち撮像領域の両端に対応する像の大きさは、被写体の距離に関わらず、ピントを合わせた被写体の距離が近距離（図５Ａ）、中距離（図５Ｂ）、無限遠（図５Ｃ）のいずれである場合でも、Ｙ０で一定である。
【００１０】
一方、無限遠に位置する被写体の像は、図５Ｃに示す無限遠にピントを合わせた場合の像の位置と同じ位置、即ち絞り５５から距離ＬＦの位置であり、ピントを合わせた被写体の距離に関わらず一定である。
そして、図５Ａに示すように、近距離の被写体にピントを合わせた場合には、無限遠に位置する被写体の像の大きさはＹ１になる。このとき、主光線５２はレンズ５３，５４を通過したあと広がっているため、Ｙ１＜Ｙ０となる。
同様に、図５Ｂに示すように、中距離の被写体にピントを合わせた場合には、無限遠に位置する被写体の像の大きさはＹ２になる。このときも、主光線５２は、レンズ５３，５４を通過したあと広がるので、Ｙ２＜Ｙ０となる。また、レンズ５３，５４を通過したあとの主光線５２の広がる度合いが、近距離の被写体にピントを合わせた場合よりも大きくなるため、Ｙ１＜Ｙ２＜Ｙ０である。
【００１１】
従って、１つのカメラが近距離の被写体にピントを合わせて、隣り合う別のカメラが中距離の被写体にピントを合わせた場合に、背景等の遠距離にある被写体の像の大きさ（即ち像倍率）が異なってくることがわかる。
【００１２】
そして、隣り合うカメラで像倍率が大きく異なってくると、これら隣り合うカメラの画像を貼り合わせることが困難になる。
即ち隣り合うカメラの画像同士を、近距離の像が連続するように画像を拡大縮小して調整しようとすると、背景画像が連続しなくなってしまう。一方、遠距離の像が連続するように画像を拡大縮小して調整しようとすると、近距離の像が連続しなくなってしまう。
【００１３】
この問題を解決する方法としては、例えば、近距離、中距離、遠距離の映像をそれぞれ距離ごとにオブジェクト化して、このオブジェクト化した映像ごとに画像の拡大縮小を行い、再度重ね合わせる方法が考えられる。
しかしながら、この方法では、近距離から遠距離まで被写体が連続している場合には対応が難しくなり、また処理時間もかかる。
【００１４】
撮像素子のサイズが小さく、かつ広角レンズを用いる場合、被写界深度が広くなるため、この問題が顕在化しにくい。
これに対して、狭角レンズ（望遠レンズ等）を用いる場合や、大きな撮像素子を用いる場合には問題となる。
従って、撮影の際に、全てのカメラでフォーカスを揃える必要があり、これが大きな制約となっていた。
【００１５】
上述した問題の解決のために、本発明においては、複数の撮像部においてフォーカスを合わせなくても、画像を重ね合わせることができ、複数の撮像部により広い範囲の撮影を行うことができる撮像装置を提供するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、撮像手段と、光を集光して撮像手段に結像させる集光手段とを備えた撮像部を複数有して成り、複数の撮像部の各撮像部において、集光手段と撮像手段との間を通るあらゆる主光線が、集光手段と撮像手段との間を通る光の光軸と略平行であり、集光手段が前方の第１のレンズ群と後方の第２のレンズ群とから成り、第１のレンズ群と第２のレンズ群との間に絞りが配置されているものである。
なお、主光線とは、開口絞りの中心を通る光線のうち光軸を除いた光線として定義されるものである。
【００１７】
本発明の撮像装置は、撮像手段と、光を集光して撮像手段に結像させる集光手段とを備えた撮像部を複数有して成り、複数の撮像部の各撮像部において、集光手段と撮像手段との間を通るあらゆる主光線が、集光手段と撮像手段との間を通る光の光軸となす角度の絶対値をαとしたとき、０＜α＜１０度であり、集光手段が前方の第１のレンズ群と後方の第２のレンズ群とから成り、第１のレンズ群と第２のレンズ群との間に絞りが配置されているものである。
【００１８】
上述の本発明の撮像装置の構成によれば、複数の撮像部の各撮像部において、集光手段と撮像手段との間を通るあらゆる主光線を、集光手段と撮像手段との間を通る光の光軸と略平行とすることにより、或いはあらゆる主光線の、集光手段と撮像手段との間を通る光の光軸となす角度の絶対値αを０＜α＜１０度とすることにより、複数の撮像部において、像倍率を略一致させる、或いは像倍率の差を非常に小さくすることが可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態として、撮像装置を構成する１つの撮像部（カメラ）の概略構成図を図１に示す。
そして、図１に示す撮像部（カメラ）１０を、後述するように多数配置することにより広い範囲を撮影する撮像装置が構成される。
【００２０】
各撮像部１０は、図１に示すように、前方の第１のレンズ群３及び後方の第２のレンズ群４と、これらレンズ群３，４の間に配置された絞り５と、後方に撮像手段１として、例えば撮像素子（ＣＣＤ固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子）やフィルムを備えて構成されている。これら各部品１，３，４，５は、図中に示す光軸６に沿って配置されている。
【００２１】
そして、被写体までの距離に応じて、レンズ群３，４と撮像手段１との距離を変化させることにより、具体的にはレンズ群３，４に対する撮像手段１の相対位置を動かすことにより、撮像手段１上にピントが合った像を結ぶように構成されている。
【００２２】
この撮像部（カメラ）１０を多数配置した撮像装置の構成としては、例えば図２Ａに平面図、図２Ｂに図２ＡのＡ−Ａにおける断面図を示すように、角錐ミラー１１を用いて、複数の撮像部１０の視点中心２０を仮想的に略一致させた構成や、例えば図３に示すように、ミラーを用いないで複数の撮像部１０を放射状に配置して視点中心２０を一致させた構成が考えられる。
これらいずれの撮像装置の構成においても、後述する本発明による効果が得られるものである。
【００２３】
なお、各撮像部（カメラ）１０に使用するレンズ３，４や撮像手段１は、後述するように撮像部１０毎に異なる構成としてもよいが、全ての撮像部１０において同様の構成を共通に使用することができる。
【００２４】
本実施の形態の撮像装置においては、特に各撮像部（カメラ）１０において、レンズ群３，４と、撮像手段１との間を通るあらゆる主光線２（図４参照）について、光軸６となす角度の絶対値をαとしたとき、αがほぼ０である構成、即ちレンズ群３，４及び撮像手段１の間を通るあらゆる主光線２が光軸６と略平行である構成とする。
主光線２とは、開口絞り５の中心を通る光線のうち光軸６を除いた光線として定義され、これは、Ｆナンバーを逐次大きくしていったとき、即ち同じレンズ口径で絞りを大きくしていったときに撮像手段１に到達する光線のうち、光軸６を除いた光線に該当する。
【００２５】
続いて、本実施の形態の撮像装置において、１つの撮像部（カメラ）１０の光路を図４に示す。
この図４では、１つの撮像部１０において、レンズを移動させて、近距離の被写体、中距離の被写体、遠距離（無限遠）の被写体にそれぞれピントを合わせた場合の光路を、それぞれ図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃに示している。
なお、図４では撮像部１０の１つの断面について光路を示しているため、主光線２は２本ずつしか示されていないが、実際には光軸６の周囲に略円筒状に無数の主光線２が存在する。
【００２６】
レンズ３，４の画角（図示せず）に対する像の大きさ、即ち撮像領域の両端に対応する像の大きさは、図５に示した従来のカメラと同様に、被写体の距離に関わらず、ピントを合わせた被写体の距離が近距離（図４Ａ）、中距離（図４Ｂ）、無限遠（図４Ｃ）のいずれである場合でも、Ｙ０で一定である。
これは、レンズ３，４の画角と焦点距離ｆが、ピントの状態に関わらず、一定であるからである。
【００２７】
また、無限遠に位置する被写体の像は、図４Ｃに示す無限遠にピントを合わせた場合の像の位置と同じ位置、即ち絞り５から距離ＬＦの位置であり、ピントを合わせた被写体の距離に関わらず一定である。
そして、図４Ａに示すように、近距離の被写体にピントを合わせた場合には、無限遠に位置する被写体の像の大きさはＹ３になる。このとき、主光線２は光軸６と略平行であるため、Ｙ３＝Ｙ０となる。
同様に、図４Ｂに示すように、中距離の被写体にピントを合わせた場合には、無限遠に位置する被写体の像の大きさはＹ４になる。このときも、主光線２は、光軸６と略平行であるため、Ｙ４＝Ｙ０となる。
即ち、Ｙ３＝Ｙ４＝Ｙ０である。
【００２８】
このことは、１つの撮像部（カメラ）で近距離の被写体にピントを合わせて、隣り合う別の撮像部（カメラ）で中距離の被写体にピントを合わせた場合においても、これら隣り合う撮像部の各画像において、背景など遠距離にある被写体の像の大きさ（像倍率）が同じであることを意味する。
像倍率が同じであるため、隣り合う撮像部の画像を貼り合わせる際に問題を生じることがない。
【００２９】
このとき、隣り合う撮像部１０でピントを合わせる被写体の距離が異なることにより、画像のデフォーカスによるボケの発生具合が異なるが、ボケの大きい画像の方にボケの少ない画像を画像処理することにより、ボケの具合を同程度に調整して、画像の繋ぎ目に違和感のないようにすることができる。
この場合の画像処理は、比較的簡単な処理で済むため、短い時間で処理を行うことが可能である。
【００３０】
従来は、複数のカメラにおいて、フォーカスを同じ被写体距離にして撮影を行う必要があった。
これに対して、本実施の形態の構成によれば、フォーカスの被写体距離が異なっていても容易に画像処理で画像を重ねあわせることが可能になるため、全ての撮像部のフォーカスを同じ被写体距離にする必要がなくなる。
【００３１】
これにより、各撮像部１０の設計条件をより自由に設定することが可能になり、例えば撮像手段に大きい撮像素子を用いて解像度を大きくしたり、例えば撮像装置を構成する撮像部（カメラ）１０の数をより多くして画素数を増やしたり、例えば撮像部（カメラ）１０毎に部品等の構成を異ならせたりすることが可能になる。
解像度を大きくしたり、画素数を増やしたりした場合には、レンズ３，４の被写界深度が狭くなるため、各撮像部１０でピントをしっかり合わせる必要が生じるが、本実施の形態の構成によれば、他の撮像部１０とピントを合わせる位置を一致させなくてもよいので、それぞれ撮像部１０において被写体までの距離に応じてピントを合わせる位置を変えることができる。
従って、解像度を大きくしたり、画素数を増やしたりして、容易に画質を改善することが可能になる。
【００３２】
上述の本実施の形態によれば、撮像装置を構成するそれぞれの撮像部１０において、第２のレンズ群４を通過した主光線２が光軸６と略平行である構成としたことにより、撮像部１０毎にフォーカスの合っているピント位置が異なっていても、像倍率がほぼ同じになるため、隣り合う撮像部１０の画像を容易に貼り合わせることができる。
また、撮像部１０毎にフォーカスの合っているピント位置が異なっていても像倍率がほぼ同じになるため、各撮像部１０の設計条件をより自由に設定することができ、大きい撮像素子を用いたり、撮像部１０の数を増やして画素数を増やしたり、撮像部１０毎に構成を異ならせることが可能になる。
【００３３】
特に、大きい撮像素子を用いたり、撮像部１０の数を増やして各撮像部のレンズの画角を狭くしたりした場合には、被写界深度が狭くなるため、各撮像部毎にフォーカスを異なるピント位置に合わせる必要がある。その場合でも、像倍率がほぼ同じになるため、各撮像部でフォーカス位置を一致させなくても隣り合う画像をスムーズにつなぎ合わせることが可能になる。
従って、大きい撮像素子を用いて解像度を大きくしたり、撮像部１０を多くして画素数を増やしたりして、容易に画質を改善することが可能になる。
【００３４】
また、画像を貼り合わせる際の画像処理が不要になったり、簡略化したりすることが可能になるため、画像を貼り合わせる際に要する時間を短縮することができ、これによりリアルタイムに処理を行うことができるため、生放送に適用することが可能になる。
【００３５】
なお、上述の実施の形態では、円筒状の全周の映像を撮影する撮像装置に適用した場合であったが、例えば全方位をカバーしない一部の領域のパノラマ撮影を行う撮像装置、またあらゆる方向を撮像領域とする球状全方位の映像を撮影する撮像装置にも適用することができる。
【００３６】
また、上述の実施の形態では、集光手段３，４及び撮像手段１の間に位置するあらゆる主光線２が光軸６と略平行であり、これらあらゆる主光線２が光軸６となす角度の絶対値αをほぼ０とした構成であったが、この角度の絶対値αが充分小さい範囲であれば、本発明の効果が得られる。
【００３７】
そして、各撮像部１０の画像を貼り合わせる際の画像処理を容易に行うためには、あらゆる主光線２の光軸６となす角度の絶対値αがα＜１０度を満たすことが望ましい。α＝０のときは主光線２が光軸６と平行になる。
例えば、この角度の絶対値α＝９度とすることができる。
【００３８】
ここで、角度の絶対値αの値を変えて、被写体の像の大きさのずれβの変化を調べた。
水平方向の画角が３１度、垂直方向（上下方向）の画角が２３度のカメラを用い、撮像素子として水平方向の一辺が８．８ｍｍ、垂直方向の一辺が４．４ｍｍであり、水平方向の画素数が７２０ピクセル、垂直方向の画素数が４８０ピクセルのＣＣＤ撮像素子を用いて、撮像装置の１つの撮像部１０を構成した。
そして、無限遠に位置する被写体の像に対して、近距離０．５ｍに位置する被写体の像の大きさのずれβ〔ピクセル〕を、角度α〔度〕の大きさを変えてそれぞれ求めた。結果を表１に示す。なお、被写体の像の大きさのずれβは、像の大きさのずれ量をピクセル単位に換算したものであるので、小数点以下の数値を有している。
【００３９】
【表１】

【００４０】
表１より、角度αが１０度未満であれば、ずれ量βは８ピクセル以内となる。現状では、水平総画素数が７２０ピクセルの場合において、隣接する撮像部の画像をブレンドする（張り合わせて画像処理を行う）際に、隣り合う画像の色調やその他の要因で起こる微小なずれを目立たなくすることができるのは、この８ピクセル以内である。８ピクセルを越えるずれがあると、ブレンドしてもずれが残存し、違和感を生じさせることになる。
従って、角度の絶対値αは、α＜１０度であることが望ましいことがわかる。
【００４１】
なお、上述した具体的な形態の画角（水平方向３１度程度、垂直方向２３度程度）よりも画角が狭いレンズを使用して全方位を撮影する撮像装置を構成すると、撮像部（カメラ）の総数が７０個程度以上となるため、実用性が低くなる。
従って、各撮像部は上述した形態と同等の画角もしくはより大きい画角を有することが望ましい。
【００４２】
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。
【００４３】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、各撮像部でフォーカスが合わされている被写体までの距離が異なっていても、像倍率をほぼ一致させることができるため、容易に隣り合う撮像部の画像を貼り合わせることができる。
これにより、各撮像部の設計条件をより自由に広く設定することができ、大きい撮像素子を用いて解像度を大きくしたり、撮像部の数を増やして画素数を増やしたりすることにより、画質を向上することが可能になる。また、撮像部毎に構成を異ならせたりすることも可能になる。
従って、本発明によれば、広い範囲の撮影を良好な画質で行うことが可能になる。
【００４４】
さらに、本発明によれば、画像を貼り合わせる際に要する時間を短縮することができる。
これにより、リアルタイムに処理を行うことができるため、生放送に適用することが可能になる。
また、撮像装置の構成を簡略化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の撮像装置を構成する１つの撮像部の概略構成図である。
【図２】Ａ、Ｂ図１の撮像部を多数配置して成る撮像装置の一形態の概略構成図である。
【図３】図１の撮像部を多数配置して成る撮像装置の他の形態の概略構成図である。
【図４】図１の撮像部において、ピントを合わせる被写体の距離を変化させたときの光路を示す図である。
Ａ近距離の被写体にピントを合わせた場合である。
Ｂ中距離の被写体にピントを合わせた場合である。
Ｃ無限遠の被写体にピントを合わせた場合である。
【図５】従来の撮像装置の１つのカメラにおいて、ピントを合わせる被写体の距離を変化させたときの光路を示す図である。
Ａ近距離の被写体にピントを合わせた場合である。
Ｂ中距離の被写体にピントを合わせた場合である。
Ｃ無限遠の被写体にピントを合わせた場合である。
【符号の説明】
１撮像手段、２主光線、３第１のレンズ群、４第２のレンズ群、５絞り、６光軸、１０撮像部（カメラ）、１１角錐ミラー

Claims

撮像手段と、光を集光して前記撮像手段に結像させる集光手段とを備えた撮像部を複数有して成り、
複数の前記撮像部の各撮像部において、前記集光手段と前記撮像手段との間を通るあらゆる主光線が、前記集光手段と前記撮像手段との間を通る光の光軸と略平行であり、
前記集光手段が、前方の第１のレンズ群と、後方の第２のレンズ群とから成り、
前記第１のレンズ群と第２のレンズ群との間に絞りが配置されている
撮像装置。
撮像手段と、光を集光して前記撮像手段に結像させる集光手段とを備えた撮像部を複数有して成り、
複数の前記撮像部の各撮像部において、前記集光手段と前記撮像手段との間を通るあらゆる主光線が、前記集光手段と前記撮像手段との間を通る光の光軸となす角度の絶対値をαとしたとき、
０＜α＜１０度であり、
前記集光手段が、前方の第１のレンズ群と、後方の第２のレンズ群とから成り、
前記第１のレンズ群と第２のレンズ群との間に絞りが配置されている
撮像装置。