JP4653313B2 - パノラマ画像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、超広角視野のパノラマの画像感知に関し、特に、本発明は実質的に自己補正型である２ミラー・サブシステムを使用した画像感知に関する。「パノラマ」という用語は水平面における３６０°の視野を意味し、一方、「超広角」という用語は垂直面における１２０°以上の大きさの視野を意味する。垂直面における視野は、約１８０°より大きいことが好ましい。約２００°より大きいことがより好ましい。そして、望ましい装置に対しては、約２６０°より大きいことが最も好ましい。
【０００２】
（発明の背景）
透視画像システムは、単一基準点を通過する光線をシーンから収集し、それをフィルムまたは電荷結合デバイス（ＣＣＤ）の上に投影する。透視画像システムにおける単一参照点は、そのシステムの視点として知られている。ヤマザワ他の“Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｈｙｐｅｒｂｏｌｏｉｄａｌ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ”（双曲面投影による全方向画像処理）、ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ（ロボットおよびオートメーションに関する国際会議）、１９９３、ナルワの“Ａ Ｔｒｕｅ Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｖｉｅｗｅｒ”（真の全方向性ビューア）、ＡＴＴ Ｂｅｌｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍ（ＡＴＴベル研究所の技術メモ）、ＢＬ０１１５５００‐９６０１１５‐０１，Ｊａｎ．１９９６、およびナヤールの“Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｃａｍｅｒａ”（全方向性ビデオ・カメラ）、ＤＡＲＰＡ Ｉｍａｇｅ Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ（画像理解ワークショップ）（１９９７年５月）は、単一視点に対する必要性を記述し、これらはすべて引用によって本明細書の記載に援用する。
【０００３】
発明者は画像システムを通過する光の伝播の性質およびイメージ・センサの形状が感知要素上に投影された画像における幾何学的変換を導入する可能性があることを知った。偵察、遠隔感知、ナビゲーション、モデル収集、仮想現実感、コンピュータ視覚およびロボットなどの多数の用途において、これらの幾何学的変換は見る目的および解析のために補正されることが望ましい。単一視点がない場合、瞳孔において収差が導入され、それは補正不可能な幾何学的変換（歪み）として現れる。
【０００４】
視野に基づいた画像システムの分類は以下のとおりである
（１）普通は視野の球面のオクタントである狭い視野（９０度まで）を画像化する従来の画像システム。
（２）そのシーンのパノラマを画像化するパノラマ画像システム。その視野は水平における３６０°の視野および垂直における制限された視野を与える２つの平行平面によって切り取られた球面としてみなすことができる。
（３）実質的に球面の、または実質的に半球面の視野を画像化する全方向画像システム。
【０００５】
それぞれの光学的コンポーネントに基づいた画像システムの分類：
（１）屈折要素だけを使用する光屈折システム
（２）反射要素だけを使用する光反射システム
（３）反射要素および屈折要素の組合せを使用する光反射屈折システム
透視投影を提供するおそらく最も単純なシステムはピンホール・カメラである。従来、ピンホールの代わりにレンズが使用されてきた。というのは、レンズの集光能力が卓越しているからである。しかし、レンズはその角度がいかに広くても、やはり単一視点を維持しながら半球の視野に制限される。ただし、そのような広角レンズを設計することは物理的に興味深いことではある。
【０００６】
単一視点を維持することから離れているレンズがＥ．Ｈ．ホール他による“Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｖｉｅｗｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａ Ｆｉｓｈ Ｅｙｅ ｌｅｎｓ”（魚眼レンズを使用した全方向視）、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．７２８ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖｉｓｉｏｎ（機械視覚のための光学系、および照明および画像感知）１９８６，ｐｐ．２５０の中で記述されている。これは引用によって本明細書の記載に援用する。
【０００７】
そのようなレンズは半球より大きい視野、垂直面における２８０°までの視野が得られることが知られている。しかし、これらのいわゆる魚眼レンズはかなり大きく、従来のレンズより複雑であり、その視野全体にわたっての画像における厳しい幾何学的歪みおよび分解能の損失の欠点がある。さらに、そのレンズによって画像化される光線に対する単一視点が欠けているので、上記大多数の用途においてそれらを使用することは不適切となる。ツィンマーマンの米国特許第５，１８５，６６７号およびキューバンの米国特許第５，３５９，３６３号は、魚眼レンズのその他の使用について記述しており、これらの特許はすべて引用によって本明細書の記載に援用する。このように、単一視点を保持しようとするこれらの既知の光屈折システムは狭い視野に限定される。
【０００８】
反射要素だけを使用した光反射画像システムは理想の画像システムに最も近い。屈折要素がないことによって色収差の可能性が除去され、これらのシステムは広い範囲の照明波長において動作することができる。しかし、光反射システムの最大の利点は、瞳孔における視野湾曲および球面収差などの画像システムにとって厄介なほとんどすべての収差に対して補正するように反射要素を一致させることができることである。そのようなシステムの１つの欠点は、比較的小さいＦナンバーで動作させるのに必要な集光能力である。
【０００９】
光反射システムは、従来の狭い視野に対して全方向性からパノラマまでの視野に関する全範囲をカバーすることは周知である。最も単純な広角の光反射システムは、２つの光学コンポーネントを含み、それらは対物レンズの前に置かれた湾曲した非平坦一次反射器である。単一視点を維持しながら、広角の視野を捕らえる完全なクラスのミラー・レンズの組合せがナヤール他の“Ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ Ｉｍａｇｅ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ”（光反射画像形成）、ＩＥＥＥ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｖｉｓｉｏｎ”（コンピュータ視覚に関する国際会議）（１９９８年１月）によって記述されており、それは引用によって本明細書の記載に援用する。
【００１０】
さらに、ミラーが単一視点を有するためには、そのミラーの表面が２次元曲線の回転面であることが必要である。引用によって本明細書の記載に援用する、ダニエル・ドラッカー他の“Ａ Ｎａｔｕｒａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｒｖｅｓ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ Ｗｉｔｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ”（反射の性質を有する曲線および曲面の自然な分類），Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ Ｍａｇａｚｉｎｅ，ｖｏｌ．６９，ｎｏ．４，ｐｐ．２４９−２５６，１９９６は、焦点の性質がある唯一の２次元曲線は円錐曲線であることを示している。したがって、単一視点を維持する唯一のミラーは円錐曲線回転面である。
【００１１】
さらに、実際に実現できるのは放物面、双曲面、および楕円面である。ここで言及する価値があることは、球面は直感的な解であるが、その焦点が球の中心にあるので非実際的であることである。同様に、円錐もその焦点が円錐の頂点にあるという理由で非実際的である。
【００１２】
光反射全方向性画像システムがシュリー・ナヤールの米国特許第５，７６０，８２６号の中で記述されており、それは引用によって本明細書の記載に援用する。そのシステムは、凸面の放物面ミラー、遠隔中心リレー対物レンズおよび標準のカメラ・レンズを使用し、カメラ・レンズは単一視点から捕捉された実質的に半球のシーンをＣＣＤなどの平坦な感知装置上に投影する。このシステムの１つの欠点は非球面を使用する結果、残留視野湾曲が生じることである。このために、それを低いＦナンバーのコンパクトなシステムで使用することができない。
さらに複合光反射パノラマ画像システムは、リレー対物レンズと組み合わせて２つの反射面を使用するシステムである。該システムにおいては、一次反射器がシーンの強度情報を収集し、それが次に二次反射器によって反射されてリレー対物レンズに入る。
【００１３】
システム全体が単一視点を持つためには、その一次ミラーが単一視点（それはシステム全体の視点である）を持たなければならないが、二次ミラーが単一視点を持つ必要はない。全体としての単一視点を持つミラーのそのようなシステムを開発するためのツールがコムリートのＪｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓにおいて１９８４年に発行された“Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒａｙ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ”（マイクロ波および光線の幾何学）に記述されており、それは引用によって本明細書の記載に援用する。あるものは風変わりな形状の、各種のミラー・ペアを使用して注目している光反射画像システムを構築することができる。しかし、形状が複雑なミラーは厄介な光収差を発生することが分かっている。さらに、二次曲面（平坦な二次代数曲線の回転面）などの一見単純な面であっても、それは複合光学収差を生じる可能性がある。発明者等の調査においては、光学的に受け入れ可能な二ミラー・システムを形成することができる唯一の二次曲面は円錐曲線回転面、すなわち、放物面、楕円面および双曲面であることが分かっている。
【００１４】
円錐曲線（そして円錐曲線の回転から形成されるミラー）の１つの性質は、円錐曲線の１つの焦点の方向における光線は円錐曲線によって反射され、その円錐曲線の他の焦点において収束するという性質であることは、幾何学におけるよく知られた事実である。したがって、円錐ミラー・ペアが全体としての単一視点を維持するためには、２つの円錐曲面が共焦であること、すなわち、一次円錐ミラーの遠焦点が二次円錐ミラー（その特殊ケースは放物面で、その場合、その共通焦点は無限大にある）の近焦点と一致する必要があることが分かっている。２つのミラーが共焦である時、すなわち、そのシステムが単一基準視点を維持している時、その２ミラー・サブシステムは瞳孔における球面の収差に対して補正する。その画像システムは、そのリレー対物レンズの入口の瞳孔を二次円錐曲面の遠焦点に置くことによって完全なものとなる。
【００１５】
２ミラー放物面画像システムは、ジェフリー・チャールズによってｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｖｅｒｓａｃｏｒｐ．ｃｏｍにおいて維持されているインターネットのウェブ・サイトにおいて、また、コックスの米国特許第４，４８４，８０１号の中で記述されている。これらのシステムは、本質的にパノラマ的であるが、いずれも単一基準視点を保存しようとしておらず、その結果として一次反射器から捕捉された画像の中に厳しい幾何学的歪みが生じる。この歪みは瞳孔における球面収差の形で現れる。これらのシステムの複雑性は、そのような厳しい球面収差に対して補正するために必要なリレー対物レンズにある。また、これらのシステムはこれまでに補正することが最も難しい収差であるコンプレックス視野湾曲を示す。結果として、これらのシステムは、Ｆナンバーが高く、結果としてそのリレー対物レンズがさらに複雑になる。ジェフリー・チャールズのシステムは、２２から１６までの範囲のＦナンバーを有している。コックスのシステムは視野湾曲補正のために１２個のコンポーネント・レンズを含んでいる。
【００１６】
類似のパノラマ・システムのもう１つの例は、ドリスコル他による国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ９７／０９３１３の中で記述されている。そのシステムは凸面の一次放物面反射器および二次平坦反射器を使用し、したがって、厳しい非点収差および視野湾曲を示し、追加の視点収差補正レンズおよび視野平坦化用レンズが必要である。さらに、その非点収差補正用レンズにおける強い要素の使用によって、有害な量の球面収差（単一基準視点がない場合）およびコマ収差が最終画像の中に導入される。
【００１７】
２ミラー光反射システムのもう１つの例がリースの米国特許第３，５０５，４６５号の中で記述されている。そのシステムは一次反射器として凸面の放物面ミラーおよび二次反射器として凸面の球面ミラーを複合リレー対物レンズと組み合わせて使用する。２つの凸面ミラーを使用することによって、そのシステムは厳しい視野湾曲を示し、したがって、複合リレー対物レンズが必要となる。
【００１８】
２ミラー・システムのもう１つの例がグレガスの米国特許第４，５６６，７６３号の中で記述されており、それは２つの放物反射面と、１つの屈折面と１つの遠隔中心対物レンズとを使用する。単一総合視点を保存しようとする２つの放物面によるそのような共焦点形ミラー・サブシステムは、透視対物リレー・レンズを使用しなければならず、したがって、その記述されているシステムは単一基準視点を保持しないことを示すことができる。
【００１９】
ローゼンダールおよびディックスの米国特許第４，３９５，０９３号は、一次反射器が凸面の双曲面であり、二次反射器が凹面の双曲面であって、２１個のコンポーネントを含んでいる複合対物レンズと組み合わされている二ミラー・システムを記述している。その２つの反射器の曲率半径の違いが非常に大きいので、そのシステムは厳しい視野湾曲を示し、それは複合対物レンズによって部分的に補正される。
【００２０】
イアン・パウエルの米国特許第５，６３１，７７８号は、２つの反射器と複合屈折性対物レンズを有するパノラマ画像システムを記述している。その一次反射器は凹面の円錐曲線回転面であり、それは楕円面、球、または偏平球面のいずれかである。その二次反射器は凸面の円錐曲線回転面であり、通常、双曲面であるが、球面も使用されている。一次ミラーが凹面であるので、垂直面における視野は１８０°に制限される。全体の配置の前面に負の屈折シェルを追加することによって追加の１０°が可能である。検討によって、２つのミラーを共焦にするための努力はなされていないことが明らかであることが示され、そしてさらに、双曲面と組み合わせて球面または偏球面を使用することによって、結果として瞳孔の厳しい球面収差が生じることは明らかである。したがって、そのシステムは単一視点を持たず、複合リレー対物レンズを必要とする。
【００２１】
デーヴィス他の米国特許第５，６２７，６７５号は、その一次収集サブシステムとして、Ｍｅｒｓｅｎｎｅの光学系を含む２つの要素を採用し、その第１の要素が凸面の放物面反射器であり、その第２の要素が凹面の放物面反射器であるパノラマ画像システムを開示している。上記の記述から、そのような放物面ミラーのシステムは円錐曲面ミラーの共焦ペアを含み、それは単一基準視点を保持し、したがって、瞳孔における大きな収差を消去している。しかし、２ミラー・サブシステムにおいて発生する視野補正のために、その２つのミラーは曲率半径が同じでなければならない。そうすることによって、二次反射器によるシーンのビネットのために、その視野が、通常、水平線の上下４５°以下に制限される。
【００２２】
要約すると、技術上周知である光反射パノラマ画像システムにはすべて欠点がある。ほとんどのシステムがその画像システムに対する単一基準視点を持たない。この結果、瞳孔において厳しい球面収差が生じ、それが捕捉された画像における補正不可能な幾何学的歪みとして現れる。単一視点を維持するそれらのシステムは補正されずに残る大きな視野湾曲に起因する光の状態およびＦナンバーの下でのそれらの性能において、あるいは光学コンポーネントによるビネットに起因するそれらの垂直の視野においてのいずれかで制限される。さらに、上記球面収差および視野湾曲を補正するために対物レンズを使用することによって、色収差が生じる。さらに、これらの対物レンズは非常に複雑で高価になる傾向がある。従来の技術の上記の欠点は、ここで開示される本発明によって実質的に救済される。上記の特許および刊行物はここで開示されるパノラマの画像装置および方法を示していない。
【００２３】
（発明の開示）
本発明の１つの態様は、シーンを画像化するための超広視野のパノラマ画像装置であり、該装置は、
ａ．前記超広視野を受け取るように配置されたイメージ・センサと、
ｂ．実質的に自己補正される２反射器サブシステムとを含み、該サブシステムは、
ｉ．前記実質的に超広角のシーンの画像を反射するように配置されている一次切取り型反射器と、
ｉｉ．前記一次反射器に光学的に結合されていて、前記一次反射器によって反射された前記画像を反射するように位置決めされている二次切取り型反射器とを含み、
前記一次および二次反射器は、前記イメージ・センサ上に投影される画像の視野湾曲を実質的に補正するための形状およびサイズを有していて、
ｃ．前記二次反射器に光学的に結合され、前記二次反射器によって反射されない原光線を実質的に濾過するためのリレー・システムとを含んでいる。
１つの実施形態の場合には、その２つのミラーは、単一基準視点から超広角シーンを捕捉するための形状およびサイズを有している。
【００２４】
本発明の目的のための超広視野は、１２０°より大きいか、あるいはそれに等しい視野を含む。すなわち、それは光軸から少なくとも６０°広がる円錐を構成する。光軸のごく近傍において、盲点が存在する可能性がある。本発明の超広角視野は１８０°より大きいか、あるいはそれに等しいパノラマ的な視野を含むことが好ましく、さらに２００°より大きいか、あるいはそれに等しい視野を含むことが好ましい。本発明の選択された実施形態の場合には、その視野は２２０°より大きいか、あるいはそれに等しくすることができる。
【００２５】
本発明による装置の一実施形態の場合には、一次反射器は凸面である。もう１つの実施形態の場合には、その一次反射器は凹面である。
さらにもう１つの実施形態の場合には、一次反射器の表面は、下記の式に従う回転の円錐面である。
ｒ^２＝２Ｒ_１ｚ−（１＋ｋ_１）ｚ^２ ………（１）
反射器は軸対称であるので、式（１）は、反射器の断面も表す。ｒは半径座標、すなわち、ｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２であり、ｚは光軸Ｚに沿っての座標である。Ｒ_１は反射器を形成する円錐の曲率半径であり、ｋ_１はその円錐定数である。ｋ_１＜−１の場合、その反射器は回転双曲線面であり、ｋ_１＝−１の場合、放物面であり、−１＜ｋ_１≦０の場合、楕円面である。ｋ_１＝０の特殊ケースの場合、その一次反射器は球面であることに留意されたい。
【００２６】
反射器は光軸Ｚに対して垂直である面において切り取られ、所望の視野がその反射器によって画像化されるようにする。
選択された直径を有している孔が反射器の頂点において生成され、光が二次反射器から反射されて通る光学的径路を大きなビネットなしで通過できるようにする。その孔は一次反射器によって反射された光線を捨てる追加の目的に役立ち、それらが実質的にその画像システムの単一視点を通らないようにする。
もう１つの例示としての配置構成においては、一次反射器は高次（＞２、例えば、１４）の回転面である。
【００２７】
本発明による装置の一実施形態の場合には、二次反射器は凹面である。他の配置構成においては、二次反射器は凸面である。
さらにもう１つの実施形態の場合には、二次反射器は回転の円錐面の形になっている。その二次反射器は光軸に沿って位置決めされることが好ましく、それはその一次反射器の光軸Ｚと一致している。二次反射器の表面は下記の式に従う。
ｒ^２＝２Ｒ_２ｚ−（１＋ｋ_２）ｚ^２ ………（２）
【００２８】
ここでふたたび、軸対称のために、式（２）は、その反射器の断面も表し、ｒは半径座標であり、ｚは光軸Ｚに沿っての座標である。Ｒ_２は二次反射器を形成する円錐の曲率半径であり、ｋ_２はその円錐定数である。ｋ_２＜−１の場合、その反射器は回転の双曲面であり、ｋ_２＝−１の場合、放物面であり、−１＜ｋ_２≦０の場合、楕円面である。ｋ_２＝０の特殊ケースの場合、その二次反射器は球面である。
反射器は光軸Ｚに対して垂直である平面の中で切り取られ、一次反射器から反射される光が二次反射器によって画像化されるようにする。
もう１つの例示としての配置構成においては、二次反射器は高次（＞２、例えば、１４）の回転面である。
【００２９】
１つの実施形態の場合には、２つの反射器の頂点間の距離は実質的に下記の式に従う。
【数１】

【００３０】
１つの実施形態の場合には、リレー・システムが一次および二次反射器に共通の光軸Ｚに一致している１つの光軸に沿って配置され、その一次反射器がリレー・システムと二次反射器との間に物理的に置かれているようにすることが好ましい。リレー・システムは、画像を別の位置に投影するために使用される光学コンポーネントである。すなわち、それは画像をセンサに対して中継するための手段である。
【００３１】
もう１つの例示としての配置構成においては、そのリレー・システムはピンホール・カメラのような単純な開口部である。
もう１つの例示としての配置構成においては、そのリレー・システムは少なくとも１つのレンズを含む。そのレンズはダブレットなどの一緒に接着された光学材料の複数の部分から作ることができる。
【００３２】
１つの実施形態の場合には、一次反射器の頂点と、リレー・システムの入口の瞳孔との間の距離は実質的に下記の式に従う。
【数２】

【００３３】
１つの例示としての配置構成においては、イメージ・センサは、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）または相補性金属酸化物半導体センサ（ＣＭＯＳ）などの電子的センサであり、そのイメージ・センサ上に投影された画像を表す電子的な信号を提供する。この画像信号がディジタル化されて画像記憶装置へ転送される。次にそのディジタル化された画像を画像処理装置に対して転送することができる。もう１つの例示としての配置構成においては、そのディジタル化された信号は中間の記憶装置を使用せずに、画像処理装置に対して直接転送される。さらにもう１つの例示としての配置構成においては、そのイメージ・センサは写真のフィルムであり、その画像をそれ以降でディジタル化し、その結果の信号を画像処理装置に対して転送することができる。その画像処理装置は、超広角シーンの任意の部分を見ることができるように適応されることが有利である。
【００３４】
本発明のもう１つの態様は、パノラマの光学系において発生する収差を大部分消去し、光学的品質の高い画像を生成することができる二ミラー・システムであり、該システムは、
ａ．第１のミラーを含む一次反射器と、
ｂ．前記一次反射器の形状およびサイズに注意深く一致させられた形状およびサイズの第２のミラーを含む二次反射器とを含んでいる。
【００３５】
光学系における視野湾曲を最小化するためには、そのシステムのペッツヴァル湾曲が０に近くなければならない。これは３次視野湾曲を補正するが、高次視野湾曲は、その光学コンポーネントの光学的パワーを最適化することによって補正することができる。その結果は、可能な最高の画像品質の回折リミットのシステムである。
【００３６】
本発明のさらにもう１つの態様は、商用の超広角パノラマ画像装置の製造のコストを大幅に減らし、使用の多様性を増加させる２ミラー・サブシステムであり、前記サブシステムは、
ａ．第１のミラーを含む一次反射器と、
ｂ．第２のミラーを含む二次反射器とを含み、その２つのミラーの形状およびサイズは２ミラー・サブシステムによって導入される視野湾曲を最小化するように選定されている。
【００３７】
視野が湾曲しているシステムにおいては、複雑なレンズのアレイが視野湾曲の負の効果をオフセットするために必要であり、このアレイがそのシステムのコストを増加させることが知られている。さらに、視野湾曲補正用レンズまたは視野の平坦化装置は、通常、そのイメージ・センサにごく近接して導入され、標準の棚卸しのコンポーネントと一緒に使用することに関してシステムの多様性を削減する。
本発明のもう１つの態様は、単一基準視点から超広角のシーンを感知するパノラマ画像装置である。１つの実施形態の場合には、その基準視点は４ｍｍより長くない半径の球の内部にある点の軌跡である。
【００３８】
本発明は、超広角のシーンの画像を感知するための１つの方法も提供し、その方法は本発明の一実施形態の場合には、以下のステップ：
ａ）一次反射器（上記）上でその超広角視野の画像を反射し、その単一視点が一次反射器を形成する円錐の近焦点と実質的に一致するようになっているステップと、
ｂ）ステップ（ａ）において反射された画像を二次反射器（上記）で反射し、その二次反射器によって反射された光線が一次反射器上の孔を通過するようにするステップと、
ｃ）ステップ（ｂ）からの光線をリレー・システムを通して伝播させるステップと、
ｄ）ステップ（ｃ）においてリレー・システムを通して伝播された光線を感知するステップと、
を含んでいる。
【００３９】
本発明は、また、その画像処理の方法のもう１つの実施形態の場合には、さらに以下のステップ：
１．イメージ・センサ上に投影された画像を表している画像信号を提供するステップと、
２．その画像信号を画像データに変換し、その画像データをデカルト座標系にマップするステップと、
３．その画像データを補間し、そのマップされた画像データおよびその補間された画像データからディジタル画像を形成するステップと、
を含んでいる。
本発明のもう１つの態様は、実質的にスケーラブルな２ミラー・パノラマ・システムであり、すべてのコンポーネントのサイズおよびそれらの相対位置を、画像品質を大きく損なうことなしにスケールすることができる。
【００４０】
（好適な実施形態の詳細な説明）
超広角視野を感知するためのパノラマ画像装置が本発明によって提供される。その装置は、（ａ）（ｉ）第１の形状および第１のサイズを有し、そして超広角シーンの第１の反射を提供する一次反射器と、（ｉｉ）第２の形状および第２のサイズを有し、第１の反射を受け入れて第１の位置において第２の反射を提供する二次反射器とを含み、一次および二次反射器の形状およびサイズ、およびそれぞれの位置が、第１の位置において提供される第２の反射が実質的に視野湾曲効果および非点収差効果のないものになっている一対の反射器と；（ｂ）第２の反射を第２の位置に再配置することができる光学系を含んでいるリレー・システムと；（ｃ）第２の位置において再配置された反射を受け入れるように配置されているイメージ・センサとを含み、パノラマ画像装置は実質的に単一基準視点から超広角シーンを捕捉する。
【００４１】
本発明の１つの特定の実施形態の場合には、一次反射器によって直接反射された到来光線から二次反射器によって直接反射された光線以外の光線を実質的に濾過して取り除くことができる光学系を含んでいるリレー・システムが、パノラマ画像装置に装備されている。さらに、１つの実施形態の場合には、第２の反射が実質的に平らで非点収差と画像湾曲が補正されている。１つの好適な実施形態の場合には、一次反射器が凸面であり、二次反射器が凹面である。一次反射器が実質的に双曲面であって、二次反射器が実質的に楕円であることがさらに好ましい。
【００４２】
このように、本発明の代わりの１つの実施形態は、超広角視野を感知するためのパノラマ画像装置を含み、前記装置は（ａ）（ｉ）第１の形状および第１のサイズを有し、超広角シーンの第１の反射を提供することができる一次反射器と、（ｉｉ）第２の形状および第２のサイズを有し、前記第１の反射を受け入れて第１の位置において第２の反射を提供するように配置されている二次反射器とを含み、前記一次および二次反射器の形状およびサイズ、およびそれぞれの位置が、前記第１の位置において提供される前記第２の反射を実質的に視野湾曲効果および非点収差効果がないものにする一対の反射器と；（ｂ）前記第２の反射を受け入れるように配置されていて、前記一次反射器によって直接反射された到来光線から前記二次反射器によって直接に反射された光線以外の光線を実質的に濾過して取り除くことができ、濾過した反射を提供するリレー・システムと；（ｃ）前記濾過された反射を受け入れるように配置されたイメージ・センサとを含み、前記パノラマ画像装置は前記超広角シーンを実質的に単一基準視点から捕捉する。好適には、その代替実施形態には、第１の位置における反射（任意の反射、例えば、第２の反射または濾過された反射）を第２の位置に再配置し、再配置された反射を提供することができる光学系を含むリレー・システムが装備されていることが好ましい。
【００４３】
イメージ・センサは、任意の適切なセンサを含むことができる。例えば、写真用フィルム、ＣＣＤイメージ・センサ、ＣＭＯＳイメージ・センサ、ビデオ・カメラなどがあるが、それらに限定されるものではない。また、リレー・システムは二次反射器と、リレー・システムとの間に一次反射器があるように配置される。リレー・システムは、任意の適切なリレーを含むことができる。例えば、ピンホール、少なくとも１つのレンズ、少なくとも１つのミラーなどがあるが、それらに限定されるわけではない。
【００４４】
本発明の１つの好適な実施形態の場合には、一次反射器は円筒座標で、ｒ^２＝２Ｒ_１ｚ−（１＋ｋ_１）ｚ^２で表される式に実質的に従う表面を有している実質的に双曲面のミラーを含む。ここでｚは光軸に沿っての座標であり、ｒは半径方向の座標であり、Ｒ_１は一次反射器を形成する円錐の頂点における曲率半径であり、ｋ_１は一次反射器の円錐定数であり、二次反射器は実質的に楕円面または球面のミラーを含み、その表面は円筒座標で、ｒ^２＝２Ｒ_２ｚ−（１＋ｋ_２）ｚ^２で表される式に実質的に従う。ここでｚは光軸に沿っての座標であり、ｒは半径方向の座標であり、Ｒ_２は二次反射器を形成する円錐の頂点における曲率半径であり、ｋ_２は二次反射器の円錐定数である。さらに、一次反射器は１つの回転軸を有し、その回転軸に対して実質的に垂直である平面において切り取られた、そしてさらに近焦点および遠焦点を有するミラーを含む。同様に、二次反射器は一次反射器の回転軸と実質的に一致している１つの回転軸を有し、二次反射器の回転軸に対して実質的に垂直である平面において切り取られ、さらに近焦点および遠焦点を有しているミラーを含む。
【００４５】
本発明の装置の構成は、二次反射器の近焦点の位置が一次反射器の遠焦点の位置と実質的に一致しているいるように作ることができ、そしてオプションとして、リレー・システムが一次反射器と二次反射器の回転軸に沿って配置される。必要な場合、イメージ・センサは、一次反射器と二次反射器の回転軸に沿って配置される。その装置は、一次反射器と二次反射器と、リレー・システムとイメージ・センサとの相対位置を維持する、透明機械的支持機構をさらに含むことができる。特定の１つの実施形態の場合には、そのイメージ・センサは再配置された反射を表すイメージ信号を提供し、その装置は、画像信号を画像信号データに変換し、その画像信号データをデカルト座標系にマップするためのイメージ・センサに対して結合されている画像信号プロセッサをさらに含む。画像信号プロセッサは補間された画像データを提供するための補間器をさらに含み、補間された画像データと画像信号が組み合わされてディジタル画像を形成するようにすることができる。
【００４６】
本発明のパノラマ画像装置は、固体の透明光学ブロックのバック反射ミラー型の面を含んでいる一次および二次反射器を装備することができる。さらに、その透明のブロックは、少なくとも１つの孔または溝を有し、オプションとして一次および二次反射器の光軸と一致する光軸を有している。
【００４７】
また、本発明は実質的に単一基準視点から捕捉された超広角視野の実質的に無非点収差の反射を提供する方法も考慮し、前記方法は（ａ）近焦点および遠焦点を有している、超広角シーンの第１の反射を発生するための一次反射器を提供するステップと；（ｂ）近焦点および遠焦点を有していて、前記第１の反射を受け入れて第２の反射を発生するための二次反射器を提供するステップと；（ｃ）入口の瞳孔を有しているリレー・システムを提供するステップとを含み、前記一次反射器の前記遠焦点が前記二次反射器の前記近焦点と実質的に一致し、前記リレー・システムの前記入口の瞳孔が前記二次反射器の前記遠焦点と実質的に一致しているように一次反射器と二次反射器とレンズとが配置されている。１つの好適な実施形態の場合には、前記二次反射器の光線が前記一次反射器の中の１つの孔を通過し、前記一次反射器の光軸上の一点において実質的に出会う。さらに、前記方法は前記一次反射器によって直接に反射された到来光線から前記二次反射器によって直接に反射された光線以外の光線を実質的に濾過して取り除き、濾過された反射を提供するステップをさらに含むことが好ましい。さらに、前記方法は前記リレー・システムを通して、前記第２の反射または前記濾過された反射を伝播させ、再配置された反射を発生するステップをさらに含むことが好ましく、そして前記再配置された反射を感知するステップをさらに含むことが最も好ましい。さらに、本発明のこの好適な方法は、実質的に視野湾曲効果がない第２の反射を生じる形状およびサイズを有している一次反射器および二次反射器を利用する。
【００４８】
また、本発明は実質的に単一基準視点から捕捉された超広角視野の実質的に平坦で無非点収差の反射を提供する方法も考慮し、前記方法は、（ａ）超広角シーンの第１の反射を発生するための第１の形状および第１のサイズを有している一次反射器を提供するステップと；（ｂ）第１の反射を受け入れて第２の反射を発生するための第２の形状および第２のサイズを有している二次反射器を提供するステップとを含み、前記一次および二次反射器の形状およびサイズ、およびそれぞれの位置が、実質的に平坦で無非点収差である第２の反射を生じるようになっていて、そして超広角視野が実質的に単一基準視点から捕捉される。特定の実施形態の場合には、前記方法は一次反射器によって直接反射される到来光線から二次反射器によって直接に反射される光線以外の光線を実質的に濾過して取り除くステップをさらに含む。さらに前記方法は前記濾過された反射を別の位置に対してリレーし、再配置された反射を提供し、そして次にその再配置された反射を感知するステップをさらに含むことができる。
【００４９】
本発明の内容は、本発明の装置の下記の説明を参照することによって、当業者であれば理解することができるだろう。実施形態も以下に例示として提供される。それは当業者であれば、本発明の内容にしたがって装置を製作し、使用することができる方法を示すものとして理解することができるだろう。
図の中の類似の参照番号は異なる実施形態における対応している要素を指す。
【００５０】
図１６は、一次ミラーが双曲面であり、二次ミラーが楕円面である共焦点形二ミラー・システムにおける一次光線の径路の断面図を示している。垂直の入口の瞳孔の方向におけるシーンからの一次光線Ｉ_１（一次双曲面ミラーＣ_１の近焦点Ｆ_１と一致する）が一次ミラーＣ_１に当たり、そして双曲面ミラーによってその幾何学的遠焦点Ｆ′_１の方向にＩ_２によって反射され、Ｆ′_１によって光軸と交差する。仮想の入口の瞳孔の実際の中間画像が、この点において形成される。
【００５１】
反射された光線Ｉ_２が次に二次楕円面ミラーＣ_２に当たる。二次ミラーの幾何学的近焦点Ｆ_２がＦ′_１と一致するので、光線Ｉ_２はミラーＣ_１の中の孔を通って幾何学的遠焦点Ｆ′_２の方向にＩ_３に沿って楕円面ミラーによって反射される。物体空間の実際の中間画像が楕円面ミラーの反射の直後に形成される。瞳孔に対する、そして物体に対する実際の中間画像は、異なる光学的空間の中にあることに留意されたい。前者は２つのミラーの間の光学的空間の中にあり、一方、後者は第２のミラーとリレー・レンズＲ_１との間の空間にある。
【００５２】
リレー対物レンズＲ_１の入口の瞳孔は、実際のダイアフラムとして図１６の中に条件付きで示されている、楕円面ミラーＦ′_２の遠焦点にある。リレー対物レンズは平坦な二次元センサ、表面Ｉ上にシーンの最終画像を形成する。その画像は中央に小さい黒い丸が付いている環状の画像である。これは二次ミラーＣ_２と一次ミラーＣ_１の中の孔とによる物体空間のビネットの結果である。
【００５３】
図の中の各種の角度間の関係が以下の式で与えられる。
【数３】

【００５４】
式（５）および（６）は以下の式を与える。
【数４】

【００５５】
（実施例）
実施例１
図１は本発明によるパノラマ画像装置の第１の実施例を示している。凸型の双曲面反射面Ｃ_１がその頂点において２５．６５８ｍｍの曲率半径を有し、そして円錐定数ｋ_１＝−３．６２０５を有していた。凹面の楕円面反射器Ｃ_２は、その頂点において３２．１５０ｍｍの曲率半径を有し、そして円錐定数ｋ_２＝−０．２３９８を有し、Ｃ_１ミラーから５０ｍｍの距離にあった。焦点距離が７ｍｍであるピンホール・カメラがＣ_１ミラーの右側に、その頂点から１３ｍｍの距離に置かれ、マイクロ投影レンズの役割を演じた。画像平面Ｉは、ピンホール・レンズから８．４３ｍｍの距離にあった。このパノラマ画像装置は、２００度の垂直視野および３６０度の水平視野をカバーした。そのＦナンバーは２．５であり、焦点距離が−０．９ｍｍであった。パノラマのシーンからの光ビーム束の一次光線が双曲面ミラーＣ１の仮想の幾何学的近焦点（図１には示されていない）へ進み、ミラーの表面に当たり、そして双曲面ミラーＣ_１の幾何学的遠焦点を通過するようにＣ_１によって反射された。凹面の楕円面反射器Ｃ_２が、その幾何学的近焦点Ｆ_２がＦ′_１と一致するように配置された。楕円面ミラーＣ_２は、Ｃ１からの反射された画像を受け取り、そしてそれを一次反射器の中の孔を通して反射させて戻し、すべての一次光線が、ピンホール・レンズＨ_１のアパーチャＲと一致する、その遠焦点Ｆ′_２を通過し、Ｆ′_２を通過しない光線を濾過して取り除くようにした。イメージ・センサＩが、そのシーンの画像を感知するためにアパーチャの後に置かれた。
【００５６】
図２（Ａ）は、この例に対する２ミラー・システムの視野湾曲のグラフである。このグラフから分かるように、このシステムは実質的に平坦なパノラマ画像視野を有している。合計の非平坦性は１０マイクロメートルより小さい。高次視野湾曲を補正するために両方のミラーの円錐定数および曲率半径を使用して光学系の最適化が行われた。さらに、このグラフは矢状の（ｓａｇｇｉｔａｌ）、そして接線方向の視野湾曲（図の中でＳおよびＴの中で示されている）の両方が互いに続くことを示している。これはこのシステムが全体の画像システムに対する基準の実質的に単一視点を有し、しかも非点収差がないことを示している。
図２（Ｂ）は、この画像システムにおける歪みグラフである。このケースにおいては、それはコンピュータ・ソフトウェアによって適切に解凍され得る特定の画像圧縮であると考えられる。
【００５７】
図３は、多色光に対する回折リミット・システムと比較される２ミラー画像システムの変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフである。そのグラフから分かるように、そのパノラマ画像システムは２００ライン・ペア／ｍｍの分解能を提供する。
この実施形態は、ここで説明されている他の実施形態と同様に、本発明の２つの重要な特徴、すなわち、視野全体にわたる実質的にコンパクトな／単一基準視点および実質的に平らで完全に無視点収差の画像を示している。
ここでは可視光に関して説明されているが、本発明は紫外線または赤外線などの他の形式の電磁放射に対しても等しく適用できること、そして添付の特許請求の範囲は可視光の場合と同様に、これらの形式でも正常に動作する装置を含むことを理解されたい。
【００５８】
実施例２
図４は、本発明によるパノラマ画像装置の第２の実施例を示している。凸面の双曲面反射器Ｃ_１が２００度の視野の画像を反射するように配置された。Ｃ_１によって反射されるシーンからの一次光線が切り取られた球面である二次反射器Ｃ_２によってピックアップされた。Ｃ_２による反射はガウスの光学系の法則に従い、Ｆ_２およびＦ′_２に反射器Ｃ_２の２つの共役焦点がある。Ｆ_２を通過した光線がＦ′_２を通過するようにＣ_２によって反射された。この実施形態の場合には、Ｆ_２はＣ_１の遠焦点であるＦ′_１と実質的に一致していた。２つの焦点が正確に一致しない時、このシステムにおける支配的なファクタはＣ_２による反射の法則である。そのような配置構成においては、この画像システムは正確な単一基準視点を有しないことになる。代わりに、その視点は反射の火面（ｃａｕｓｔｉｃ）として知られている面上を動く。Ｈ_１とＦ′_１との間にあるＦ_２の位置においては、その火面が実質的にコンパクトな面であり、システム全体の視点をＦ_１に近似することができ、感知された画像における歪みを最小限にすることができる。ここでふたたび、Ｒは感知された画像に実質的には属していない光線を濾過して除くピンホール・アパーチャであり、ＩはＣＣＤ、ＣＭＯＳ、フィルム、または本発明の光学装置で使用するのに適用できる他の感知装置などのイメージ・センサであった。ピンホール・カメラの焦点の長さは６ｍｍであり、後焦点の長さは７．８ｍｍであり、そのミラーＣ_１の凸面からの距離は１０ｍｍであった。画像の円の直径は４ｍｍであり、システムのＦナンバーは２．５であり、焦点距離は１．２ｍｍであった。
【００５９】
図５（Ａ）は、この２ミラー画像システムの視野湾曲のグラフを示している。このグラフから分かるように、この二ミラー・システムは実質的に平らな視野湾曲を有し、非平坦性は６マイクロメートル以下である。さらに、このシステムによって示された非点収差は２マイクロメートル以下である。瞳孔における球面収差は非常に小さく、したがって、システム全体の視点は実質的にコンパクトであり、品質を損なわずに一点として近似することができる。
図５（Ｂ）は、この２ミラー・システムにおける圧縮のグラフを示している。
【００６０】
図６は、多色光に対する回折リミット・システムと比較されたこの２ミラー画像システムの変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフを示している。そのグラフから分かるように、その実施形態のＭＴＦは、屈折率リミットのシステムのＭＴＦに実質的に従い、さらに、その二ミラー・システムの光学的品質が理想に近いことを示している。このシステムの分解能は４０％のコントラストにおいて４００ｌｐ／ｍｍ（１ｍｍ当たりのライン・ペア数）である。
【００６１】
実施例３
図７は、一次反射器が双曲面の形状であり、二次反射面が球面、したがって、楕円面であった本発明の第３の例示としての配置構成を示している。このシステムの視野は垂直面において２２０度であり、Ｆナンバーは２．８であり、焦点距離は−０．９５ｍｍであり、画像の直径は３分の１インチ（０．８５ｃｍ）のＣＣＤに適合する３．６であった。マイクロ投影リレー・レンズの焦点距離は６．２５ｍｍであり、後焦点距離は８．２４５ｍｍであり、そしてＣ_１の頂点からの距離は９ｍｍであった。ここでふたたび、前の配置構成の場合と同様に、二次反射器の位置は一次反射器の遠焦点と、一次反射器の頂点との間にあった。そのような配置構成においては、瞳孔における球面収差は、図８（Ａ）の矢状の、そして接線方向の視野湾曲のグラフから分かるように最小限であった。ＳおよびＴのグラフは、互いに密接に追従し合い、視点のコンパクトな火面を示している。図８（Ｂ）は、システムによる歪みグラフを示している。
【００６２】
図９はシステムのＭＴＦのグラフであり、それはこのシステムが光学系における物理的なリミットである回折リミット・システムに密接に従うことを示している。第１のミラーの直径は約５ｃｍ以下であった。第２の例の場合と同様に、この例の装置は、商用ロボットに適合し、機械視覚用に適している。
【００６３】
実施例４
図１０、１１（Ａ），（Ｂ）および１２は、図１における第１の実施例に類似していた第４の実施例を示している。その一次および二次ミラーはこの場合もそれぞれ凸面の双曲面および凹面の楕円面であり、その頂点における曲率半径がほとんど同じであった。このシステムの視野は、垂直平面において２６０度であり、焦点距離は−０．６ｍｍであり、Ｆナンバーは２．８であり、画像の直径は３．６ｍｍであった。リレーの焦点距離は１０．２５ｍｍであり、その後焦点距離は１３．２ｍｍであった。画像の品質は第２および第３の例と同程度（４０％のコントラストにおいて３００ｌｐ／ｍｍ）であった。図１１（Ａ）から、非常に高レベルの非点収差および視野湾曲の補正を見ることができる。画像の平坦性は約４〜５マイクロメートルの範囲内にある。この種の画像品質補正は、２つのミラーに対して高次非球面を導入することなしに達成された。他方、第１の双曲面ミラーの直径は約１３５．５ｍｍ、すなわち、第１および第２の例の場合の約３倍であった。
【００６４】
実施例５
図１３は、リレーの対物レンズがここでは二重ガウス・タイプのレンズであった第５の例示としての配置構成を示している。その配置構成の残りの部分は図１の中のものと同様であり、一次ミラーの形状は双曲面であり、二次反射器の形状は楕円面であり、この２つの円錐は厳密に共焦であった。ふたたび、この配置構成においては、視点の火面が実質的に単一視点であり、したがって、そのシステムは単一基準視点を有していた。
【００６５】
実施例６
図１４は、２つの反射器に対して可能な光学機械式配置構成を示している第６の配置構成を示している。この配置構成においては、２つの反射器はアクリル樹脂などの透明プラスチック材料の同じブロックから作られた。一次反射器は２で示され、そのブロックの１つの面を双曲回転面の形状に成形することによって形成された。そのブロックの外面は、表面２を双曲面のバック反射器のように働かせるように変換する適切な反射材料でコーティングされた。表面３は上記の配置構成と同様に、回転楕円面または球面を表すように成形され、その外面がバック反射器を形成するために適切な反射材料でコーティングされた。そのブロックの長さは上記の式に従い、そして反射器の特定の配置構成によって変わる。表面２の適切な中央部分４は、コーティングされないままにされた。したがって、それは反射面として働き、双曲面２と同じ形状を有している。表面１は、光線が画像システムに入ることができるようにするために透明とされた。さらに、４における表面は透明ブロックの屈折効果を考慮するためにオプションとして適切に成形することができ、表面４の形状が一般に表面２の形状と異なっているようにすることができる。システム全体に対して単一視点を保持するための最善の方法は、一次光線の通常の入射がシステムから出入りする球面として屈折面１および４の両方を作る方法である。同時に、それらの曲率半径はシステム全体の動作する波長範囲において色収差を導入しない特定の値とする必要がある。
【００６６】
実施例７
図１５は、２ミラー・システムに対する第７の例示としての光学機械式配置構成を示している。二次ミラーは、シリンダ４が取り付けられている適切な材料から作られた透明ドーム１によって保持された。二次反射器はこの円筒状のアタッチメント上に装着された。４の表面は光が円筒状のアタッチメントに入るのを防止するためにコーティングされた。ドームの形状および円筒状のアタッチメントの形状はシステムの光学的配置構成に一致するように決定された。
【００６７】
実施例８
図１７、図１８、および図１９は、２ミラー・システムが単一光学ブロックの中に統合化されている例示としての配置構成を示している。ミラーは両方とも良好な環境保護のために提供されているバック反射器であった。その光学的ブロックにおける４つの注目している面のうち、最初と最後の面は屈折面であり、主光線が屈折の無い通常の入射でその表面を横切り、システム全体の単一視点を維持するようになっていた。これらの面において屈折するアパーチャ光線はその面の色消しによって処理された。屈折面は両方とも画像のコントラストを増加させるため、そして検出器の面上のゴースト画像を防止するために広帯域の多層コーティングを備えていることが好ましい。
【００６８】
ゴースト画像、周囲光を防止し、画像のコントラストを増加させるために、２つのピン（ａ）が両方の屈折面から導入され、そして１つの溝（ｂ）が中間の実画像の位置（図１９に示す）において適切に導入された。これらのピンは、実際に、その固体の光学ブロックを通して孔開けされた孔を含み、そして不透明となるようにコーティングあるいは表面処理することができることに留意されたい。同様に、溝は光学ブロックの中に機械加工される。
【００６９】
リレー・システムがフラット・センサ（図１７および図１８に示す）上に実際の画像を投影するためにミラー・ブロックの第２の反射面の後に配置されている。リレー・システムは適切な焦点距離の標準のカメラ・レンズか、あるいは好ましくは、強力な高解像度システムを得るために特別に設計されたマイクロ投影レンズのいずれかである。
【００７０】
実施例９
図２０は、第３の実施例に類似の例示としての配置構成を示しており、その２ミラー・システムは一次双曲面切取り型反射器および二次球面反射器を含んでいる。その２つの反射器の形状は第３の例とは異なっている。第３の実施例の場合のように、システムの視野は垂直平面内で２２０度であるが、画像の直径は２０ｍｍであり、それは第３の実施例の場合のほぼ６倍である。焦点距離は−５．５ｍｍであり、Ｆナンバーは４であり、リレーの焦点距離は２８ｍｍであり、後焦点距離は４２．１５ｍｍである。この二ミラー・システムは単一レンズの反射またはディジタル・カメラに対するアタッチメントとして適合し、第３の例の場合より約５倍高い分解能を提供する。
【００７１】
実施例１０
図２１は、第９の実施例に類似の例示としての配置構成を示しており、その主な違いは一次反射器が１４次回転双曲線面であることである。
【００７２】
実施例１１
図２２は、第１０の実施例に類似の例示としての配置構成を示しており、その主な違いはその一次反射器が１４次回転楕円面であることである。
したがって、本発明はパノラマ画像装置を設計するための新しい方法も含む。パノラマ・システムまたはパノラマ装置の設計のための方法の商業的な目標は、一般的な仕様の特性および適切な視像品質を提供する、システムの光学的な、そしてパッケージングのパラメータを定義することである。
【００７３】
発明者は、水平視野が３６０°で、垂直視野が２６０°までの超広角パノラマ画像装置を設計するための新しい独占的は方法を発見した。その装置は少なくとも４つの要素、すなわち、２ミラー・サブシステム、リレー・システムおよびイメージ・センサを含む。この方法は円錐曲線およびこれらの曲線によって作り出される回転面に関する、解析幾何学および光学系の設計からの３つのよく知られている概念に基づいている。解析幾何学から、それはそれらの焦点の特殊な特徴に関して周知である。円錐面を反射器として使用して、２つの無収差共役点、それらの幾何学的焦点を有する。これはその焦点が完全な共役点であることを意味する。１つの焦点からのすべての光線は、その表面による反射の後、他の焦点を通過する。
【００７４】
両方の点がその光軸上にあるので、球面収差は全く存在しない。２つの円錐反射面を組み合わせてこの特徴を維持する。これらの点にその光学系の入口および出口の瞳孔を置くことによって、システム全体に対する単一視点が生じる。ナヤールの米国特許第５，７６０，８２６号のように、１つの幾何学的焦点に実際のダイアフラムを置くことによって、あるいは、カメラ・レンズのハードウェア・アパーチャを光学的に投影することによってこれを行うことができる。
【００７５】
幾何学からの第２のよく知られている概念は、瞳孔をその幾何学的焦点に置く場合（Ｍ．Ｍ．Ｒｕｓｉｎｏｖ、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｍａｓｈｉｎｏｓｔｒｏｅｎｉｅ，Ｌｅｎｉｎｇｒａｄ，１９７９，ｐ．２５０）、物体の任意の位置に対して全体の視野の無非点収差画像について教えている。これによって単一視野の非点収差補正型パノラマ画像装置を、放物面ミラーと、リレー・レンズと、標準のカメラ・レンズとを使用して作ることができるようになった。そのような装置はナヤールの米国特許第５，７６０，８２６号の中で記述されている。その特許の中で開示されている装置の１つの欠点は、画像の視野湾曲であり、それは放物面ミラーによって生成される。
【００７６】
光学系の理論によると、画像面を平坦にするためには、その光学系におけるペッツヴァルの曲線を補正しなければならない。すなわち、ペッツヴァルのサムを０にしなければならない。例えば、二ミラー・システムにおいては、曲率半径が同じである凹面および凸面のミラーを単純に使用しなければならない（Ｖｉｒｅｎｄｒａ Ｎ．Ｍａｈａｊａｎ，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ，ＳＰＩＥ Ｐｒｅｓｓ，１９９８，ｐ．３７５）。これは三次近似の、すなわち、光軸に近い画像湾曲補正を提供する。超広角システムにおいては高次視野湾曲が存在しているので、画像面を平坦にするためにペッツヴァルの曲率半径を補正することだけでは不十分である。
【００７７】
それにもかかわらず、本発明の発明者はシーンの「自己補正」反射を提供することができることを発見した。それはミラー（または反射器）の光学的パワー、それらの円錐定数、およびそれらの２つのミラーの間の距離を使用した二ミラー・システムにおける超広角システムに主として関連する光学収差（すなわち、非点収差補正効果および視野湾曲効果；もちろん、他の光学収差、例えば、コマおよび色彩の効果などがあるが、それらは二の次である）が実質的にないものである。発明者は、３６０°の水平視野、約２８０°までの垂直視野の、高品質の超広角視野パノラマ画像システムを設計するための独自の方法を開発した。さらに、実質的に単一基準視点も提供する共焦点形装置を採用することによって、本発明においては別の光学的収差、すなわち、球面効果がほぼ消去される。
【００７８】
この方法には２つの基本のステップがある。１）それらは初期変形パラメータの解析的計算、２）光学設計プログラムを使用した初期変形の最適化である。第２のステップの出力にまだ何か不満足なものがある場合、第１のステップを必要な回数だけ繰り返し、所望の画像品質を達成する必要がある。いくつかの光学設計ソフトウェア、例えば、ＣＯＤＥ Ｖ、ＺＥＭＡＸ、ＯＳＬＯまたは他の商用のプログラムを第２のステップにおいて使用することができることを理解されたい。
初期パラメータを形成するために解析的な式が作られてプログラムされた。
【００７９】
一般に、本発明の画像装置は４つのコンポーネント、すなわち、２つの反射器またはミラー、リレー・システムおよびセンサを含む。特定の例として、発明者はＣＣＤをセンサとして、また、カメラ・レンズをリレー・システムとして使用した。計算を開始するために、一般的な使用特性が前もって定義される必要がある。それらはＣＣＤのサイズ、カメラ・レンズの焦点距離、および垂直の物体空間平面における視野である。発明者はＣＣＤ平面周縁に画像の円の半径をプログラムの中に導入する。それは半垂直ＣＣＤサイズに等しく、Ｆ′ｃｌはカメラの焦点距離であり、β１は物体空間内の視野角の半分である。さらに、発明者は、第１のミラーの頂点に対して相対的なカメラ・レンズの位置、ｄ２１を導入しなければならない。より正確には、それは第１ミラーの頂点と、カメラ・レンズの入口の瞳孔との間の距離であり（正の数）、そして第１および第２のミラーの頂点における曲率半径（曲率半径は両方とも正であり、視野湾曲補正のための第１近似として互いにほぼ等しい）。二ミラー・システムにおける両方の曲率半径が互いに等しく、それらのうちの１つが凹面であり、他の１つが凸面である場合に、三次近似においては視野湾曲は０に等しい（すなわち、光軸の回りに、あるいは程良い視野角の場合）ことは周知である。第１のミラーの曲率半径はスケーリング・ファクタの役割を演じる。したがって実際には、２つのパッケージング・データ、ｄ２１ｓｃおよびＲ２ｓｃだけを導入する場合、後者の数値はカメラ・レンズの線形の倍率である。それは前もって分かっていないので、繰返しパラメータである。第１近似として、カメラ・レンズが無限大から動作するかのように、それを０に等しく置くことができる。
【００８０】
結果として、回転円錐面の異なる組合せによる４つの解がある。そのような解の１つは、第１の双曲面ミラー、および第２の楕円面ミラーを利用する。既に述べたように、初期解が何らかの理由で不満足であることが分かった場合、ミラーの曲率半径およびカメラ・レンズの位置を、例えば、変更することによってその計算を繰り返すことができる。
最終のシステム・パラメータを得るために、初期変形のコンピュータ最適化を行わなければならない。それはこの分野の技術を普通に有している人にとっては単純な技術的手順に過ぎないことは明らかである。
【００８１】
結果として、垂直視野が約２００°から約２６０°までである異なる種類の超広角パノラマ画像装置（図１−図２２）を開発することができる。第１の例（図１）において、厳密に単一視点の、視野全体に渡って視野湾曲が実質的に完全に補正された（図２Ａ）狭義無非点収差システムがある。例４（図１０）において、非常に小さい量の非点収差を導入して高いレベルの視野湾曲補正を行っている（５マイクロメートル以下、図１１Ａ）。接線方向の曲線には３つのゼロがあり、非平坦性は１マイクロメートルである。矢状の曲線には２つのゼロがあり、非平坦性は５マイクロメートルより少ない。
【００８２】
提供されているすべての例においてペッツヴァルの湾曲を得ようとする時、得られる値はすべて非ゼロである。この結果は画像面の平坦性を得るために超広角システムにおいては、ペッツヴァルの湾曲を補正するだけでは不十分であることを意味する。代わりに、超広角システムの技術者にとっての関心時である実質的に大きな光学収差のない反射を得るために一次および二次反射器の形状およびサイズが設定され、評価され、そして／または最適化されなければならない。
【００８３】
本発明は、ここで開示された例題および実施形態によって範囲が限定されるべきではない。それらは本発明の１つの態様の一つの例示として意図されていて、機能的にそれらと等価なものは本発明の範囲内にある。実際に、ここで示されて説明されたもののほかに、本発明の各種の変更例は前記の説明から当業者であれば理解することができるだろう。上記変更も添付の特許請求の範囲内に含まれる。ここで参照されたすべての特許および刊行物は引用によって本明細書の記載に援用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一次双曲面ミラーと、二次楕円面ミラーと、ピンホール・リレー・レンズと、２００°の視野とを有する第１の例示としての配置構成を示す断面図である。
【図２】 図１の配置構成に対する視野湾曲（図２Ａ）および歪みグラフ（図２Ｂ）を示す図である。
【図３】 図１の配置構成に対する変調伝達関数のグラフを示す図である。
【図４】 一次双曲面ミラーと、二次球面ミラーと、ピンホール・リレー・レンズと、２００°の視野とを有する第２の例示としての配置構成を示す断面図である。
【図５】 図４の配置構成に対する視野湾曲（図５Ａ）および歪みグラフ（図５Ｂ）を示す図である。
【図６】 図４の配置構成に対する変調伝達関数のグラフを示す図である。
【図７】 一次双曲面ミラーと、二次球面ミラーと、ピンホール・リレーと、２２０°の視野とを有する第３の例示としての配置構成を示す断面図である。
【図８】 図７の配置構成に対する視野湾曲（図８Ａ）および歪みグラフ（図８Ｂ）を示す図である。
【図９】 図７の配置構成に対する変調伝達関数のグラフを示す図である。
【図１０】 一次双曲面ミラーと、二次楕円面ミラーと、ピンホール・リレー・レンズと、２６０°の視野とを有する第４の例示としての配置構成を示す断面図である。
【図１１】 図１０の配置構成に対する視野湾曲（図１１Ａ）および歪みグラフ（図１１Ｂ）を示す図である。
【図１２】 図１０の配置構成に対する変調伝達関数のグラフを示す図である。
【図１３】 二重ガウスのリレー対物レンズによる第５の例示としての配置構成を示す断面図である。
【図１４】 単一ブロックの光学材料から作られている光学機械式実装の第６の例示としての配置構成を示す断面図である。
【図１５】 保護用の透明ドームを使用している光学機械式実装の第７の例示としての配置構成を示す断面図である。
【図１６】 本発明による共焦点形２ミラー・システムにおける一次光線の径路の断面図である。一次ミラーが双曲面であり、二次ミラーが楕円面である。
【図１７】 小型化され、耐久性が高められたパラカメラの光学的レイアウトを示す図である。
【図１８】 レイ・トレイシングによる小型化され、耐久性が高められたパラカメラの断面を示す図である。
【図１９】 ゴースト画像および周囲光を防止するための溝、トップおよびボトムのピンを備えた小型化され、耐久性が高められたパラカメラの断面を示す図である。
【図２０】 一次双曲面切取り型反射器および二次球面反射器を含む２ミラー・システムを備える本発明による一実施形態を示す。
【図２１】 高次双曲線回転面である一次切取り型反射器を有し、二次球面反射器を有する、本発明の装置の一実施形態を示す。
【図２２】 高次楕円回転面である一次切取り型反射器を備え、二次球面反射器を備える実施形態を示す。

Claims (37)

1. 超広角視野を感知するためのパノラマ画像装置であって、
   （ａ）（ｉ）凸型の形状および第１のサイズを有していて、近焦点と遠焦点とを含み、超広角シーンの第１の反射を提供することができる一次反射器と、（ｉｉ）凹型の形状および第２のサイズを有していて、近焦点と遠焦点とを含み、前記第１の反射を受け取るように配置され、第１の位置において第２の反射を提供する二次反射器とを含み、
   前記二次反射器の前記近焦点の位置は、前記一次反射器の前記遠焦点の位置と実質的に一致し、
   前記一次と二次反射器の形状およびサイズ、およびそれぞれの位置が、前記第１の位置において提供される前記第２の反射が視野湾曲効果および非点収差効果が実質的にないようになっている一対の反射器と、
   （ｂ）前記第２の反射を受け入れるように配置され、前記一次反射器の内部にアパーチャを有し、前記一次反射器によって直接に反射される到来光線から前記二次反射器によって直接に反射される光線以外の光線を実質的に濾過して取り除き、濾過された反射を提供することができるリレー・システムと、
   （ｃ）前記濾過された反射を受け入れるように配置されたイメージ・センサとを含み、前記パノラマ画像装置は、実質的に単一基準視点から前記超広角シーンを捕捉することを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
   前記リレー・システムが第１の位置における反射を第２の位置に再配置し、再配置された反射を提供することができる光学系を含むことを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
   前記第２の反射が実質的に平らで無非点収差の反射であることを特徴とする装置。
4. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
   前記一次反射器が実質的に双曲面であり、前記二次反射器が実質的に楕円面であることを特徴とする装置。
5. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
   前記イメージ・センサが写真フィルムを含むことを特徴とする装置。
6. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
   前記イメージ・センサがＣＣＤイメージ・センサを含むことを特徴とする装置。
7. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
   前記イメージ・センサがＣＭＯＳイメージ・センサを含むことを特徴とする装置。
8. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
   前記イメージ・センサがビデオ・カメラを含むことを特徴とする装置。
9. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
   前記一次反射器が前記二次反射器と前記リレー・システムとの間にあるように前記リレー・システムが配置されていることを特徴とする装置。
10. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記アパーチャがピンホールアパーチャを含むことを特徴とする装置。
11. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記リレー・システムが少なくとも１つのレンズを含むことを特徴とする装置。
12. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記リレー・システムが少なくとも１つのミラーを含むことを特徴とする装置。
13. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記一次反射器が円筒座標で表された式、ｒ^２＝２Ｒ_１ｚ−（１＋ｋ_１）ｚ^２に実際に従う表面を有している実質的に双曲面のミラーを含み、
    ここで、ｚは光軸に沿っての座標であり、ｒは半径方向の座標であり、Ｒ_１は一次反射器を形成する円錐の頂点における曲率半径であり、ｋ_１は前記一次反射器の円錐定数であることを特徴とする装置。
14. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記一次反射器が１つの回転軸を有し、前記回転軸に対して実質的に垂直である平面において切り取られたミラーを含むことを特徴とする装置。
15. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記二次反射器が、円筒座標で表されている式、ｒ^２＝２Ｒ_２ｚ−（１＋ｋ_２）ｚ^２に実質的に従う面を有している実質的に楕円面または球面のミラーを含み、
    ここで、ｚは光軸に沿っての座標であり、ｒは半径方向の座標であり、Ｒ_２は前記二次反射器を形成する円錐の頂点における曲率半径であり、そしてｋ_２は前記二次反射器の円錐定数であることを特徴とする装置。
16. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記二次反射器が、前記一次反射器の回転軸と実質的に一致している回転軸を有し、前記二次反射器の回転軸に対して実質的に垂直である平面において切り取られたミラーを含むことを特徴とする装置。
17. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記リレー・システムが前記一次反射器と前記二次反射器の前記回転軸に沿って配置されていることを特徴とする装置。
18. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記イメージ・センサが前記一次反射器と前記二次反射器の前記回転軸に沿って配置されていることを特徴とする装置。
19. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記一次反射器と、前記二次反射器と、前記リレー・システムと、前記イメージ・センサとの相対位置を維持している透明機械的支持機構をさらに含むことを特徴とする装置。
20. 請求項２に記載のパノラマ画像装置において、
    前記イメージ・センサが前記再配置された反射を表す画像信号を提供し、
    前記装置が、前記イメージ・センサに対して結合されていて、前記画像信号を画像信号データに変換し、前記画像信号データをデカルト座標系にマップする画像信号プロセッサをさらに含むことを特徴とする装置。
21. 請求項２０に記載のパノラマ画像装置において、
    前記画像信号プロセッサが、さらに、補間された画像データを提供するための補間器を含み、
    前記補間された画像データおよび前記画像信号が組み合わされてディジタル画像が形成されることを特徴とする装置。
22. 請求項１に記載のパノラマ画像装置において、
    前記一次および二次反射器が固体の透明光学ブロックのバック反射ミラー面を含むことを特徴とする装置。
23. 請求項２２に記載のパノラマ画像装置において、
    前記透明ブロックが少なくとも１つの孔または溝を有することを特徴とする装置。
24. 請求項２３に記載のパノラマ画像装置において、
    前記少なくとも１つの孔または溝が、前記一次および二次反射器の光軸と一致する光軸を有することを特徴とする装置。
25. 実質的に単一基準視点から捕捉された超広角視野の実質的に無非点収差の反射を提供する方法であって、
    （ａ）近焦点および遠焦点を有していて、超広角シーンの第１の反射を発生するための凸型の形状および第１のサイズを有する一次反射器を提供するステップと、
    （ｂ）近焦点および遠焦点を有していて、前記第１の反射を受け入れて第２の反射を発生するための凹型の形状および第２のサイズを有する二次反射器を提供するステップと、
    （ｃ）入口の瞳孔を有し、前記一次反射器、二次反射器およびレンズが、前記一次反射器の遠焦点が前記二次反射器の近焦点と実質的に一致し、前記入口の瞳孔が前記二次反射器の前記遠焦点と実質的に一致するようになっているリレー・システムを提供するステップとを含み、
    前記一次と二次反射器が実質的に視野湾曲効果がない第２の反射を生じる形状およびサイズを有することを特徴とする方法。
26. 請求項２５に記載の方法において、
    前記二次反射器の光線が前記一次反射器の中の孔を通過し、前記一次反射器の前記光軸上の一点において実質的に出会うことを特徴とする方法。
27. 請求項２５に記載の方法において、
    前記一次反射器によって直接に反射された到来光線から前記二次反射器によって直接に反射された光線以外の光線を実質的に濾過して取り除き、濾過された反射を提供するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
28. 請求項２５に記載の方法において、
    前記リレー・システムを通して前記第２の反射を伝播させ、再配置された反射を発生するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
29. 請求項２７に記載の方法において、
    前記リレー・システムを通して前記濾過された反射を伝播させ、再配置された反射を発生するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
30. 請求項２８に記載の方法において、
    前記再配置された反射を感知するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
31. 請求項２９に記載の方法において、
    前記再配置された反射を感知するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
32. 超広角視野を感知するためのパノラマ画像装置であって、
    （ａ）（ｉ）凸型の形状および第１のサイズを有していて、近焦点と遠焦点とを含み、超広角シーンの第１の反射を提供することができる一次反射器と、（ｉｉ）凹型の形状および第２のサイズを有していて、近焦点と遠焦点とを含み、前記第１の反射を受け取って第１の位置において第２の反射を提供する二次反射器とを含み、
    前記二次反射器の前記近焦点の位置は、前記一次反射器の前記遠焦点の位置と実質的に一致し、
    前記一次と二次反射器の形状およびサイズ、およびそれぞれの位置が、前記第１の位置において提供される前記第２の反射の視野湾曲効果および非点収差が実質的にないようになっている一対の反射器と、
    （ｂ）前記第２の反射を第２の位置に再配置し、再配置された反射を提供することができる光学系を含むリレー・システムと、
    （ｃ）前記再配置された反射を前記第２の位置において受け取るように配置されたイメージ・センサとを含み、前記パノラマ画像装置は実質的に単一基準視点から前記超広角シーンを捕捉することを特徴とする装置。
33. 請求項３２に記載のパノラマ画像装置において、
    前記リレー・システムが、前記一次反射器の内部にアパーチャを有し、前記一次反射器によって直接に反射された到来光線から前記二次反射器によって直接に反射された光線以外の光線を実質的に濾過して取り除くことができる光学系を含むことを特徴とする装置。
34. 実質的に単一基準視点から捕捉された超広角視野の実質的に平坦で無非点収差の反射を提供する方法であって、
    （ａ）凸型の形状および第１のサイズを有していて、近焦点と遠焦点とを含み、超広角シーンの第１の反射を発生する一次反射器を提供するステップと、
    （ｂ）凹型の形状および第２のサイズを有していて、近焦点と遠焦点とを含み、前記第１の反射を受け取り、第２の反射を発生する二次反射器を提供するステップとを含み、
    前記二次反射器の前記近焦点の位置は、前記一次反射器の前記遠焦点の位置と実質的に一致し、
    前記一次および二次反射器の前記形状およびサイズ、およびそれぞれの位置が、実質的に平坦で無非点収差の第２の反射を生じるようになっていて、超広角視野が実質的に単一基準視点から捕捉されることを特徴とする方法。
35. 請求項３４に記載の方法において、
    前記一次反射器によって直接に反射された到来光線から前記二次反射器によって直接に反射された光線以外の光線を実質的に濾過して取り除き、濾過された反射を提供するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
36. 請求項３５に記載の方法において、
    前記濾過された反射を別の位置に対して中継し、再配置された反射を提供するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
37. 請求項３６に記載の方法において、
    前記再配置された反射を感知するステップをさらに含むことを特徴とする方法。

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