JP4727340B2 - 車載用撮像装置および車載カメラシステム - Google Patents

Description

本発明は、主に自動車の周囲を監視して、車内にある表示器に車両の周囲の様子を映像として表示させる車載用撮像装置および、車載用撮像装置を用いた車載カメラシステムに関する。更には、撮像装置に用いられる撮像素子の縦横比と表示器の縦横比の異なるものに関する。

従来、自動車の車外の状況を撮像カメラにより据え、車両後方・前方・側方の風景や物体を表示器に表示する技術が開示されている。近年、車載の用途では、撮像装置に用いられる撮像素子のアスペクト比と車内の表示器のアスペクト比とを変換したり、水平方向に広く撮像されている画像が得られるような技術が開示されている。

この種の従来の技術では、魚眼レンズを用いることによって広角な画像が得られ、この画像が画像処理されて歪みの少ない画像とすることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来の技術では、撮像カメラの撮像レンズにシリンドリカルレンズを使用し、被写体の像が光学的に水平または垂直のうち一方向に圧縮されることにより、撮像カメラの画角を広くして撮像範囲を大きくすることが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

また、他の従来の技術では、画角の狭い複数のカメラを並べて配置し、重なる部分が画像合成されることによって、撮像範囲を大きくすることが開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００２−３６６９３７号公報 特開２０００−２７８６７０号公報 特開２０００−１７５１８２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、魚眼レンズを用いて広角にするような場合には、広角な画像が得られるが、画像の中心から周辺側部分が大きく歪むため、画像処理が複雑になり、画像処理の規模が大きくならざるを得ないという問題がある。また、一般的に、魚眼レンズの中心から周辺にわたって解像度を良くするためには、撮像カメラのレンズ枚数が多く必要であるため、レンズが大きくなって装置の小型化を阻害するという課題も有している。

一方、特許文献２の技術では、シリンドリカルレンズを使用した場合に水平または垂直のうち一方向の画角を広げることは容易に実現できるが、一方向の倍率比を変えるだけでは、画像の解像度の向上が基本的に困難になるという課題を有している。従って、特許文献１の場合と同様に特許文献２の技術では、画像の周辺側部分が大きく歪み、視認性のよい画像を得るための複雑な画像処理を行う必要性がある課題を有しており、複雑な画像処理を行っても、視認性が必ずしも良好とはいえない画像が生成されてしまう。

さらに、特許文献３の技術では、複数のカメラや撮像素子が必要になるため、システム全体の小型化を阻害すると共に、カメラの取り付けや調整などの煩雑な付帯作業が増加するという課題があった。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、撮像素子のアスペクト比と表示器のアスペクト比の異なる場合において、小型化が可能でしかも広角の映像を高い解像度で画面に表示することができる車載用撮像装置および車載カメラシステムを提供するものである。

本発明の車載用撮像装置は、レンズを含む撮像光学系と、前記撮像光学系を介した被写体の像を表示器に表示される映像に変換する撮像素子とを備えた車両に搭載される車載用撮像装置であって、前記撮像光学系が有する水平倍率と垂直倍率との割合を、前記撮像素子が有する第１のアスペクト比から、前記表示器が有する第２のアスペクト比に変換するための変換係数の値より高くかつ１未満の値に設定した構成を有している。

この構成により、撮像素子のアスペクト比と表示器のアスペクト比の異なる場合において、撮像光学系が有する水平倍率と垂直倍率との割合が、撮像素子が有する第１のアスペクト比から、表示器が有する第２のアスペクト比に変換するための変換係数の値より高くかつ１未満の値になるため、垂直および水平の拡大または縮小の倍率が、撮像光学系のそれぞれの倍率を同じ程度とすることが可能となる。これにより、水平、垂直で極端な変倍率とすることがないので、表示装置での表示で映像の歪みが大きくなることが防止できる。換言すれば、撮像素子に入光される被写体からの光の情報量において、撮像素子と表示装置とのアスペクト比の違いを補完するように作用する。つまり、映像が表示装置に表示される際に、大きく拡大される方向に対しては、結像光学系から撮像素子へ入力される入光される被写体からの光の情報量が大きくなるように作用するために、拡大しても映像の歪みが少なく、映像を高い解像度で画面に表示することができる。

また、本発明の車載用撮像装置は、前記第１のアスペクト比または前記第２のアスペクト比は、アスペクト比の水平方向が、アスペクト比の垂直方向より大きい構成を有している。

この構成により、車載用撮像装置として要求される大きな水平画角の映像の歪みを低減させることができる。

また、本発明の車載用撮像装置は、前記レンズの少なくとも１枚が、光軸に対して軸非対称である非球面形状を有し、前記撮像光学系が有する水平倍率が、前記撮像光学系が有する垂直倍率より小さい構成を有している。

この構成により、水平方向をより広角に構成することができるため小型化が可能となり、さらに大きな水平画角の映像の歪みを低減させることができるので、小型でしかも視認性の優れた撮像装置が実現できる。

また、本発明の車載用撮像装置は、前記車両の進行方向に対して主に後方を撮像する構成を有している。

この構成により、車庫入れなどの後方の監視をする場合に運転者の死角となり易い車両の後側を高い視認性で確認できる。

また、本発明の車載用撮像装置は、前記第１のアスペクト比が、垂直方向が３であって水平方向が４である比であり、前記第２のアスペクト比が、垂直方向が９であって水平方向が１６である比である構成を有している。

この構成により、通常多用されている３：４のアスペクト比をもつ撮像素子を用いることができるので、車載用撮像装置に使うときの撮像素子の採用の範囲が拡大でき、設計の自由度を拡大できる。また、ナビゲーションの表示器に多用される９：１６アスペクト比をもつ表示器を用いて表示できるので、新たに表示器を用意することが不用で、費用の削減ができるとともに、容易に撮像装置を車両に付加して、周囲の監視を行うことが可能となるので利便性が高いという利点も有する。

また、本発明の車載用撮像装置は、前記車両の運転席よりも上方に配置される構成を有している。

この構成により、運転者の位置よりも高い視点からの監視が可能となり、車の平面的な死角を減少することができる。これによって、より周囲の監視が容易にできる。

本発明の車載カメラシステムは、本発明の車載用撮像装置と、前記車両に設置される前記表示器を備えた構成を有している。

この構成により、広角でしかも高い視認性が小型化できる車載カメラシステムとして実現できる。

以上のように本発明は、小型化が可能でしかも広角の映像を高い解像度で画面に表示することができる車載用撮像装置および車載カメラシステムを提供するものである。

以下、本発明の実施の形態に係る車載用撮像装置および車載カメラシステムについて、図面を参照して説明する。

図１および図２は、本発明の実施の形態における撮像装置の構成の一例を示した図である。図１は、車両に搭載したときの撮像装置の垂直方向の断面図であり、図２は、車両に搭載したときの水平方向の断面図である。なお、本発明の実施の形態に係る車載用撮像装置は、被写体を撮像して得られる映像を図示しない表示器に表示する。

図１に示したように、撮像装置１２は、撮像光学系１３と撮像素子６とによって構成され、撮像光学系１３は、第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３、絞り５、および第４レンズ４によって構成される。

光線は、図の左方向から第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３、絞り５、および第４レンズ４を透過して撮像素子６に結像する。撮像光学系１３の中心軸７（光軸）付近の光束８は、撮像素子６のＡ点にて結像し、光束９は、レンズ１〜レンズ４で徐々に曲がり集光して撮像素子６のＢ点にて結像する。

各レンズは、Ｓｃｈｏｔｔ社のＢＫ７（ｎｅ＝１．５２）またはＨＯＹＡ社のＴａＦ１（ｎｅ＝１．７８）などの光学ガラスや、Ｚｅｏｎｅｘ社のＺ４８０Ｒ（ｎｅ＝１．５３）またはＰＣ（ｎｅ＝１．５５）などの樹脂材料を用いる。

絞り５は、光学絞りであり、結像性能を向上させるために、透過する光線の範囲を制限させる遮へい板である。本発明の実施の形態において、絞り５は、可視光領域の透過率を０．１％程度以下としてあり、樹脂（ＰＥＴなど）などの０．１ｍｍ厚の板の両面に黒色の艶消し塗装を施したものを用いる。また、絞り５は、第３レンズ３と第４レンズ４との間に配置されているが、同じ効果が得られれば、他のレンズ間に配置してもかまわない。

撮像素子６は、その外形の垂直方向と水平方向との比（アスペクト比）が３：４の大きさであり、１／４インチ、１／３インチ、または１／６インチなどのサイズの大きさである。また、撮像素子６の画素数は２５万画素、３７万画素、または１００万画素などである。

本発明の実施の形態においては、軸非対称レンズを第２レンズ２に用いている。なお、図２では、便宜上、図１で示した水平方向の第２レンズ２を第２レンズ１０とし、異なる符合を用いている。また、図２では、第２レンズ１０の中に破線で水平方向の第２レンズ２の形状を示している。

一般的なレンズは、回転対称系の形状であり、光軸まわりで対称の形状である。本発明の実施の形態において、第２レンズ２（第２レンズ１０）では、垂直および水平方向で面形状が異なるため、各方向における光束の曲げ方が異なる。また、第２レンズ２（第２レンズ１０）の形状は、非球面形状であり、通常の非球面レンズと同様に収差補正の機能を持たせている。

また、第２レンズ２の方向別の形状を比較すると、図１で示した垂直方向のレンズ面２ａと、図２で示した水平方向のレンズ面１０ａとでは、レンズ面２ａの方が曲率が小さく、レンズ面２ｂとレンズ面１０ｂとでは、レンズ面１０ｂの方が曲率が小さい。

よって、レンズ２よりレンズ１０の形状の方が、凹レンズとしてのパワーが強く、結果としてレンズ１０の形状の方がレンズ２の形状より焦点距離が短くなり、光束９のみならずさらに周辺の光束１１を撮像素子６のＢ点に結像させることができる。この場合、水平方向の焦点距離をｆｈ、垂直方向の焦点距離をｆｖ、水平方向の倍率をβｈ、垂直方向の倍率をβｖとすると、ｆｈ＜ｆｖに対して、ある距離の被写体においてβｈ＜βｖであることは公知として知られている。つまり、水平および垂直方向で変倍率としてある。

図３および図４に、本発明の実施の形態に係る撮像装置を用いた車載カメラシステムの概略図を示す。図３は車両を横から見た図であり、図４は車両を上から見下ろした図である。本車載カメラシステムは、車両の周囲、主には後方の様子を撮像装置１２で撮像し、撮像したときの映像を車内の表示器１５に表示する。

例えば、撮像装置１２は、ケースに包まれた状態で、車体１４の後方側に設置され、進行方向に対して後方の様子を撮像する。なお、車体１４の後方の映像では、より広い視野が視認できることが求められるため、水平方向の画角Ｃは、１００°以上、好ましくはおおよそ１３０°以上、更に好ましくはおおよそ１６０°以上を確保できればよい。

撮像装置１２によって撮像されたときの映像は、例えば、運転席側に設置された、カーナビゲーション装置に用いられる表示器１５に表示され、運転者は、車庫入れなどの後方の監視をする場合、後方を振り返らずとも死角となり易い車両の後ろの両側を高い視認性で確認できる。

一般的に、回転対称系レンズをもつ撮像装置を構成する撮像素子は、３：４である垂直方向と水平方向との比（アスペクト比）を有する。一方、カーナビゲーションなどの表示器のアスペクト比は、９：１６が一般的である。よって、回転対称系レンズを有する撮像装置は、撮像素子のアスペクト比３：４から、表示器のアスペクト比９：１６に映像変換することが必要になるため、水平方向が延びて映像の歪みが大きくなる不具合が生じる。また、撮像範囲を大きくすればするほど、表示器の画面周辺の映像の解像度が悪くなり、視認性が悪くなる。

このため、本発明の実施の形態では、撮像光学系１３の水平倍率βｈと垂直倍率βｖをβｈ ＝ ０．７５×βｖの関係になるように構成することにより、水平方向の映像を圧縮し、上記の映像変換の際にあたかも元の映像に戻るように施されている。

図５は、本発明の実施の形態における水平方向の圧縮、及び表示器への映像変換の概念図である。

例えば、アスペクト比９：１６をもつ映像の水平方向が、撮像光学系１３により、βｖ：βｈ＝１：０．７５の倍率比で圧縮されることにより、９：（１６×０．７５）＝９：１２＝３：４のアスペクト比で映像が撮像素子６に取り込まれる。撮像素子６は、取り込まれた映像を表示器１５に出力する際に、撮像素子６のアスペクト比３：４から表示器１５のアスペクト比９：１６に映像変換すれば、撮像光学系１３で水平方向に圧縮された映像が元に戻り、映像歪みの少ない良好な映像を表示することができる。

また、水平倍率βｈと垂直倍率βｖとの割合が、撮像素子６のアスペクト比３：４から表示器１５のアスペクト比９：１６への変換係数である０．７５でなくとも、次のような関係、０．７５ ＜ βｈ／βｖ ＜ １ であれば、通常のアスペクト比３：４の撮像素子をもつ回転対称系レンズよりも、撮像装置１２は、画像歪みの少ない良好な画像を画面に表示することができる。

また、撮像光学系１３は、非対称光軸系であるため、撮像装置１２は、回転対称系レンズと比較して、水平方向と垂直方向のそれぞれに対して、ある程度独立した収差補正が容易になり、撮像範囲が大きくなる場合にも、画面に表示される映像の中心から周辺まで画質の良い、視認性の高い映像を表示することができる。
通常、撮像範囲が大きい映像を表示するには、レンズ枚数を多くして収差を補正するが、逆に、撮像装置１２は、より少ないレンズ枚数で良好な画質を表示することができるため、撮像装置の小型化が可能になる。
また、撮像装置１２は、撮像素子に通常多用されているアスペクト比３：４をもつ撮像素子を用いることができるので、撮像素子の選択範囲が拡大でき、設計の自由度を拡大できる。

また、撮像装置１２は、ナビゲーションの表示器に多用されるアスペクト比９：１６をもつ表示器１５を用いて映像を表示できるので、専用の表示器を用意することが不用であり、費用の削減ができると共に、容易に撮像装置１２を車両に設置して車両の周囲の様子を撮像することが可能となるので利便性が高いという利点も有する。更に、撮像装置１２を車両に設置後、アスペクト比９：１６をもつ表示器を容易に交換できるという利便性も有する。

また、図５では、撮像装置１２が車体１４のボンネット部付近に取り付けているが、車種により、撮像装置１２を車の運転席よりも上方に配置してもよい。この配置により、運転者の位置よりも高い視点からの監視が可能となり、車両付近の死角を減少することができ、より周囲の監視が容易にできる。車両の周囲の様子を視認しやすく撮像できる。

さらに、本発明の実施の形態では、車両の後部に撮像装置１２を設置するとしたが、側方または前方に撮像装置１２を設置して側方監視カメラ、前側方監視カメラの用途としての使用も可能である。

また、本発明の実施の形態では、レンズの使用枚数は４枚で第２レンズ２を非球面型非対称レンズとしたが、画角、性能、大きさに応じてレンズ枚数を削減、または増やした構成にすることも可能であり、非球面型非対称レンズを第２レンズ以外に配置することや、複数枚の非球面型非対称レンズを組み合わせて、同じ効果を実現することも可能である。この構成により、小型化が可能でしかも高画質化ができる車載用撮像装置を実現することができる。そして、撮像装置の小型化によって車両の周囲の様子を撮像して、車内にある表示器１５に周囲の様子を映像として表示する車載カメラシステムの小型化を実現することができる。

以上のように、本発明は、小型化が可能でしかも広角の映像を高い解像度で画面に表示することができるという効果を有し、車両内にある表示器に車両の周囲の様子を映像として表示させる車載用撮像装置および、車載用撮像装置を用いた車載カメラシステム等として有用である。

本発明の実施の形態における撮像装置の構成の一例を示し、車両に搭載したときの垂直方向の断面図 本発明の実施の形態における撮像装置の構成の一例を示し、車両に搭載したときの水平方向の断面図 本発明の実施の形態に係る撮像装置を用いた車載カメラシステムの概略図であり、車両を横から見た図 本発明の実施の形態に係る撮像装置を用いた車載カメラシステムの概略図であり、車両を上から見下ろした図 水平方向の圧縮、及び表示器への映像変換の概念図

符号の説明

１ 第１レンズ
２ 第２レンズ
３ 第３レンズ
４ 第４レンズ
５ 絞り
６ 撮像素子
７ 中心軸
８、９、１１ 光束
１０ 第２レンズ
１２ 撮像装置
１３ 撮像光学系
１４ 車体
１５ 表示器

Claims (3)

1. レンズを含む撮像光学系と、
   前記撮像光学系を介した被写体の像を表示器に表示される映像に変換する撮像素子とを備えた車両に搭載される車載用撮像装置であって、
   前記撮像光学系が有する水平倍率と垂直倍率との割合を、前記撮像素子が有する第１のアスペクト比から、前記表示器が有する第２のアスペクト比に変換するための変換係数の値より高くかつ１未満の値に設定したことを特徴とする車載用撮像装置。
2. 前記レンズの少なくとも１枚が、光軸に対して軸非対称である非球面形状を有し、前記撮像光学系が有する水平倍率が、前記撮像光学系が有する垂直倍率より小さいことを特徴とする請求項１に記載の車載用撮像装置。
3. 前記撮像光学系の水平方向の画角は、１６０°以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車載用撮像装置。

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