JP5971650B2 - 光学系及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系及び撮像装置に関し、特に、光学系の側方を広角撮像するための光学系及び撮像装置に関する。

全方位カメラは、広角視野情報の獲得のために開発され、側方視野を意識した反射屈折光学系に関する研究が、ロボティクスの分野で活発に研究されている。特に、単一視点性という性質を有する全方位カメラは、人間にとって見易い画像提示が可能である、または従来の画像処理技術が活用可能であるなどの理由から、有用な全方位光学系として期待されている。ここで、単一視点性とは、全方位カメラで撮影された画像を、ある視点から見た透視投影画像（ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ）に歪み無く変換することができる性質である。このような単一視点性を有する全方位光学系の代表例として、双曲面鏡を用いた光学系（例えば、特許文献１参照）及び放物面鏡を用いた光学系（例えば、特許文献２参照）が知られている。

単一ミラーを用いた光学系は、一般に小型化が困難である。このような問題に対して、複数の反射鏡を組み合わせ、かつ、単一視点性を維持した光学系が提案されている（例えば、特許文献３及び４参照）。

特開平６−２９５３３３号公報 米国特許第６１１８４７４号明細書 特開平１１−３３１６５４号公報 国際公開第２０１０／１１６７０５号

しかしながら、いずれの光学系においても、撮像素子に光を導くための受光レンズが必要になる。このため、撮像素子で撮像された画像は色収差の影響を受けるという課題がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、色収差の影響を受けずに光学系の側方を広角撮像することが可能な光学系及び撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のある局面に係る光学系は、レンズを備えない光学系であって、焦点を有する回転対称な凸面の少なくとも一部の形状を有する第１ミラーと、前記第１ミラーの反射光を、前記第１ミラーの焦点に向かう光の反射光に制限すると共に、進行方向が制限された前記第１ミラーの反射光を、レンズを介することなく撮像素子に導くアパーチャー部とを備える。

これらの構成によると、第１ミラーは凸面形状を有することより、光学系の側方から入射する光を反射することができる。また、アパーチャー部が第１ミラーの反射光の進行方向を制限するため、前記第１ミラーの反射光のうち、第１ミラーの焦点に向かう光の反射光のみを撮像素子に導くことができる。この撮像素子が受光した反射光の画像は、単一視点性を維持した画像であることより、第１ミラーの焦点から見た透視投影画像に歪み無く変換することができる。また、この光学系はレンズを使用していないことより、色収差の影響を受けずに光学系の側方を広角撮像することができる。

また、上述の光学系は、さらに、前記アパーチャー部で進行方向が制限された前記第１ミラーの反射光を反射することにより前記撮像素子に導く、回転対称な凹面の少なくとも一部の形状を有する第２ミラーを備えていても良い。

例えば、前記第１ミラーは、二葉双曲面のうちの一方の双曲面の少なくとも一部の形状を有する双曲面ミラーを含んでいても良い。

第１ミラーを双曲面形状とすることにより、光学系の側方を広角撮像することができる。

例えば、前記アパーチャー部は、前記二葉双曲面のうちの他方の双曲面の焦点に配置されていても良い。

第１ミラーの焦点に向かう光は、上記他方の双曲面の焦点に向かって反射される。このため、このような配置にすることにより、第１ミラーの反射光を、第１ミラーの焦点に向かう光の反射光に効率的に制限することができる。

また、前記第２ミラーは、放物面の少なくとも一部の形状を有する放物面ミラーを含んでいても良い。

例えば、前記アパーチャー部は、前記放物面の焦点に配置されていても良い。

このような配置にすることにより、放物面ミラーは、アパーチャー部により進行方向が制限された第１ミラーの反射光を、放物面ミラーの回転軸に平行な方向に反射することができる。

また、前記アパーチャー部は、前記第１ミラーの反射光が集光する位置に開口を有する部材を含んでいても良い。

また、前記アパーチャー部は、前記第１ミラーの反射光が集光する位置に配置された第３ミラーを含んでいても良い。

また、上述の光学系は、さらに、前記第３ミラーで反射された光を反射し、前記第２ミラーに導く第４ミラーを備えていても良い。

例えば、前記第４ミラーは、平面ミラーを含んでいても良い。

また、前記第１ミラーは、前記撮像素子の一方の側方に位置し、第１の二葉双曲面のうちの一方の双曲面の少なくとも一部の形状を有する第１双曲面ミラーと、前記撮像素子の他方の側方に位置し、第２の二葉双曲面のうちの一方の双曲面の少なくとも一部の形状を有する第２双曲面ミラーとを含み、前記アパーチャー部は、前記第１双曲面ミラーの双曲面と対を成す前記第１の二葉双曲面の他方の双曲面の焦点に開口を有する第１部材と、前記第２双曲面ミラーの双曲面と対を成す前記第２の二葉双曲面の他方の双曲面の焦点に開口を有する第２部材とを含み、前記第２ミラーは、前記撮像素子の上方に位置し、かつ第１放物面の焦点が前記第１部材の開口に位置する、前記第１放物面の少なくとも一部の形状を有する第１放物面ミラーと、前記撮像素子の上方に位置し、かつ第２放物面の焦点が前記第２部材の開口に位置する、前記第２放物面の少なくとも一部の形状を有する第２放物面ミラーとを含んでいても良い。

この構成では、光学系の両側の側方に第１双曲面ミラー及び第２双曲面ミラーを配置している。このため、光学系の左右両方の側方を広角撮像することができる。

また、前記第１ミラーは、二葉双曲面のうちの一方の双曲面の少なくとも一部の形状を有する双曲面ミラーを含み、前記アパーチャー部は、前記二葉双曲面のうちの他方の双曲面の焦点に反射面を有する第３ミラーを含み、前記第２ミラーは、放物面の焦点が前記他方の双曲面の焦点に一致し、前記放物面の少なくとも一部の形状を有する放物面ミラーを含んでいても良い。

また、前記第１ミラー及び前記第２ミラーの各々は、放物面の少なくとも一部の形状を有する放物面ミラーであり、前記光学系は、さらに、放物面の少なくとも一部の形状を有する凹面ミラーを備え、前記凹面ミラーは、前記第１ミラーの焦点に向かう光の反射光である前記第１ミラーの反射光を反射可能な位置であって、かつ前記凹面ミラーの焦点が前記第２ミラーの焦点と一致する位置に配置され、前記アパーチャー部は、前記凹面ミラーの焦点に開口を有する部材を含んでいても良い。

この構成によると、双曲面ミラーを用いることなく、放物面ミラーのみで光学系を設計することができる。

本発明の他の局面に係る撮像装置は、上述の光学系と、前記光学系により導かれた第１ミラーの反射光を撮像する撮像素子とを備える。

この構成によっても、上述の光学系と同様の効果を奏することができる。

本発明によると、色収差の影響を受けずに光学系の側方を広角撮像することが可能な光学系及び撮像装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る撮像装置の構成を示す図である。 双曲面ミラーの性質について説明するための図である。 放物面ミラーの性質について説明するための図である。 撮像素子で撮像された画像の一例を示す図である。 撮像素子で撮像された画像の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る撮像装置の斜視図である。 （ａ）は、撮像装置の正面図である。（ｂ）は、撮像装置の右側面図である。（ｃ）は、撮像装置のＡ−Ａ断面図である。（ｄ）は、撮像装置のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の実施の形態３に係る撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４の変形例に係る撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態６に係る撮像装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の構成を示す図である。図１は、撮像装置の垂直面における断面を模式的に示す図である。

撮像装置１００は、双曲面ミラー１０１と、開口部材１０２と、放物面ミラー１０３と、撮像素子１０４とを備える。

双曲面ミラー１０１は、二葉双曲面のうちの一方の双曲面の少なくとも一部の形状を有する凸面鏡である。二葉双曲面は、以下の式１により定義される。

ａＸ^２−ｂＹ^２−ｃＺ^２＝１ （式１）

ここで、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ正の実数である。双曲面ミラー１０１の回転軸はＺ軸である。なお、二葉双曲面を定義する式は式１に限定されるものではなく、３次以上の項を含んでいても良い。

ここで、図２を参照して、双曲面ミラー１０１の性質について説明する。図２は、二葉双曲面の回転中心における断面図を示している。二葉双曲面は、２つの双曲面２１１及び２１３より構成される。二葉双曲面のうちの一方の双曲面２１１の焦点２１２に向かう光２１５は、双曲面２１１の形状を有する凸面の双曲面ミラーによって他方の双曲面２１３の焦点２１４に向かって反射されるという性質を有する。このため、焦点２１４を通過する光を集光することにより、単一視点性を有する像が得られる。

開口部材１０２は、開口部１０２ａを有する不透明部材である。開口部１０２ａが双曲面ミラー１０１と対を成す他方の双曲面の焦点１０１ａに位置するように、開口部材１０２が配置される。なお、開口部１０２ａの大きさは、焦点１０１ａを通過する光を通し、それ以外の光を通さないような大きさに設計される。

放物面ミラー１０３は、放物面形状を有する凹面鏡であり、放物面の焦点が双曲面の焦点１０１ａに一致するような位置に配置される。放物面は、以下の式２により定義される。

−ａＸ^２−ｂＹ^２＋２ｃＺ＝１ （式２）

ここで、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ正の実数である。放物面ミラー１０３の回転軸はＺ軸である。なお、放物面を定義する式は式２に限定されるものではなく、３次以上の項を含んでいても良い。

ここで、図３を参照して、放物面ミラー１０３の性質について説明する。図３は、放物面の回転中心における断面図を示している。放物面２２１の焦点２２２を通過し放物面２２１に向かう光２２３は、放物面２２１の形状を有する凹面の放物面ミラーによって、放物面２２１の回転中心２２４と平行な方向にその光路が変更されるという性質を有する。このため、放物面ミラーと対向する位置に撮像素子を設けることにより、放物面２２１の焦点２２２を通過した光２２３を撮像することができる。

図１を参照して、放物面ミラー１０３の焦点は、双曲面ミラー１０１と対を成す双曲面の焦点１０１ａと一致しており、開口部材１０２の開口部１０２ａが焦点１０１ａに位置している。このため、開口部１０２ａを通過し、放物面ミラー１０３で反射される光は、放物面ミラー１０３の回転軸と平行となる。よって、放物面ミラー１０３に対向する位置に撮像素子１０４を設けることにより、双曲面ミラー１０１の焦点に向かう光を撮像素子１０４において撮像することができる。このため、撮像素子１０４は、単一視点性を有する画像を撮像することができる。なお、図１中の矢印は、光路を示している。以下に説明する他の図において同様である。

撮像素子１０４は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などより構成されるイメージセンサである。

図４及び図５の各々は、撮像素子１０４で撮像された画像の一例を示す。撮像素子１０４で撮像された画像は、側方を広角撮像した画像であることが分かる。

以上説明したように、実施の形態１によると、双曲面ミラー１０１は、凸面形状を有することより、光学系の側方から入射する光を反射することができる。また、開口部材１０２が双曲面ミラー１０１の反射光の進行方向を制限するため、双曲面ミラー１０１の反射光のうち、双曲面ミラー１０１の焦点に向かう光の反射光のみを撮像素子１０４に導くことができる。撮像素子１０４が受光した反射光の画像は、単一視点性を維持した画像であることより、双曲面ミラー１０１の焦点から見た透視投影画像に歪み無く変換することができる。また、この光学系はレンズを使用していないことより、色収差の影響を受けずに光学系の側方を広角撮像することができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、図１に示すように双曲面ミラー１０１を撮像素子１０４の左側にのみ配置していた。このため、撮像素子１０４の左側の側方しか広角撮像することができなかった。これに対し、本実施の形態では、双曲面ミラーを撮像素子１０４の右側にも配置することにより、撮像素子１０４の左右両方の側方を広角撮像することが可能な撮像装置について説明する。

図６は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の構成を示す図である。図６は、撮像装置の垂直面における断面を模式的に示す図である。

撮像装置２００は、双曲面ミラー１０１と、開口部材１０２と、放物面ミラー１０３と、撮像素子１０４と、双曲面ミラー２０１と、開口部材２０２と、放物面ミラー２０３とを備える。

双曲面ミラー１０１、開口部材１０２及び放物面ミラー１０３の構成は実施の形態１と同様である。このため、その詳細な説明はここでは繰り返さない。双曲面ミラー２０１、開口部材２０２及び放物面ミラー２０３は、撮像素子１０４に直交する面に対して双曲面ミラー１０１、開口部材１０２及び放物面ミラー１０３と対称な位置に配置されている。双曲面ミラー２０１、開口部材２０２及び放物面ミラー２０３は、双曲面ミラー１０１、開口部材１０２及び放物面ミラー１０３と、それぞれ対称であるという以外は同様の構成である。撮像素子１０４は、放物面ミラー１０３及び２０３と対向する位置に設けられ、放物面ミラー１０３の反射光及び放物面ミラー２０３の反射光を撮像する。双曲面ミラー２０１、開口部材２０２及び放物面ミラー２０３によると、撮像素子１０４の右側の側方を広角撮像することができる。

なお、放物面ミラー１０３と放物面ミラー２０３とは接触していることより一体形成されていても良い。

以上説明したように、実施の形態２によると、実施の形態１と同様の効果を奏する撮像装置２００を提供することができる。それに加えて、撮像装置２００の左右両方の側方を広角撮像することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係る撮像装置について説明する。実施の形態１では、開口部材を用いることにより双曲面ミラーの反射光の光路を制限した。本実施の形態では、開口部材の代わりに小領域のミラーを用いることにより双曲面ミラーの反射光の光路を制限する撮像装置の構成について説明する。

図７は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置３００の斜視図である。図８（ａ）は、撮像装置３００の正面図である。図８（ｂ）は、撮像装置３００の右側面図である。図８（ｃ）は、撮像装置３００のＡ−Ａ断面図である。図８（ｄ）は、撮像装置３００のＢ−Ｂ断面図である。

図９は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置の構成を示す図である。図９は、撮像装置の垂直面における断面を模式的に示す図である。なお、図９に示す断面図は、図８（ｃ）に示す断面図と左右が反転している。

撮像装置３００は、双曲面ミラー３０１と、アパーチャーミラー３０２と、放物面ミラー３０３と、撮像素子１０４と、筒体３０４及び３０５と、板３０６とを備える。

双曲面ミラー３０１は、双曲面ミラー１０１と同様の構成である。ただし、凸面が下向きである点が異なる。

アパーチャーミラー３０２は、双曲面ミラー３０１と対を成す双曲面の焦点３０１ａに反射面を有するミラーである。なお、アパーチャーミラー３０２は、焦点３０１ａを通る光を反射し、それ以外の光を反射しないような大きさに設計される。アパーチャーミラー３０２は、平面ミラーである。ただし、双曲面ミラー３０１の反射光を、放物面ミラー３０３に効率的に集光するために、曲面形状を有するものとしても良い。つまり、アパーチャーミラー３０２を定義する式は、２次以上の項を含んでいても良い。

放物面ミラー３０３は、放物面ミラー１０３と同様の構成であり、放物面ミラー３０３の焦点が、双曲面ミラー３０１と対を成す双曲面の焦点３０１ａに一致するように配置される。アパーチャーミラー３０２で反射された光は、放物面ミラー３０３で反射されることにより、放物面ミラー３０３の回転軸と平行な方向に光路が変更される。

撮像素子１０４は、放物面ミラー３０３と対向する位置に設けられる。これにより、放物面ミラー３０３で反射された光を受光することができる。

なお、板３０６は、アパーチャーミラー３０２の周辺に設置されており、双曲面ミラー３０１の反射光以外の光が、アパーチャーミラー３０２に入射するのを防止する。

筒体３０４は、放物面ミラー３０３の周囲に設置されており、アパーチャーミラー３０２の反射光以外の光が、放物面ミラー３０３に入射するのを防止する。

筒体３０５は、撮像素子１０４の周囲に設置されており、放物面ミラー３０３の反射光以外の光が、撮像素子１０４に入射するのを防止する。

なお、双曲面ミラー３０１と、筒体３０４と、放物面ミラー３０３とは接触していることより一体形成されていても良い。

以上説明したように、実施の形態３によると、開口部材の代わりにアパーチャーミラー３０２を用いて、双曲面ミラー３０１の反射光の進行方向を制限することができる。これにより、双曲面ミラー３０１の反射光のうち、双曲面ミラー３０１の焦点に向かう光の反射光のみを撮像素子１０４に導くことができる。撮像素子１０４が受光した反射光の画像は、単一視点性を維持した画像であることより、双曲面ミラー３０１の焦点から見た透視投影画像に歪み無く変換することができる。また、この光学系はレンズを使用していないことより、色収差の影響を受けずに光学系の側方を広角撮像することができる。

（実施の形態４）
実施の形態４では、４枚のミラーを用いて、光を４回反射させ、撮像素子に光を集光することにより、広角撮像することが可能な撮像装置について説明する。

図１０は、本発明の実施の形態４に係る撮像装置の構成を示す図である。図１０は、撮像装置の垂直面における断面を模式的に示す図である。

撮像装置４００は、双曲面ミラー４０１と、アパーチャーミラー４０２と、平面ミラー４０３と、放物面ミラー４０４とを備える。

双曲面ミラー４０１は、双曲面ミラー１０１と同様の構成である。ただし、凸面が下向きである点が異なる。

アパーチャーミラー４０２は、アパーチャーミラー３０２と同様の構成である。つまり、アパーチャーミラー４０２は、双曲面ミラー４０１と対を成す双曲面の焦点４０１ａに反射面を有するミラーである。アパーチャーミラー４０２は、焦点４０１ａを通る光を反射し、それ以外の光を反射しないような大きさに設計される。

平面ミラー４０３は、アパーチャーミラー４０２で反射された光を、放物面ミラー４０４に向けて反射するミラーである。

放物面ミラー４０４は、放物面ミラー１０３と同様の構成である。なお、放物面ミラー４０４の焦点を焦点４０１ａに一致させたときの放物面ミラー４０４に到達する光と同じ光が放物面ミラー４０４に到達するように、平面ミラー４０３と放物面ミラー４０４の配置位置が決定される。これにより、放物面ミラー４０４に入射する光は、放物面ミラー４０４で反射されることにより、放物面ミラー４０４の回転軸に平行な方向に光路が変更される。

撮像素子１０４は、放物面ミラー４０４と対向する位置に設けられる。これにより、放物面ミラー４０４で反射された光を受光することができる。

以上説明したように、実施の形態４によると、開口部材の代わりにアパーチャーミラー４０２を用いて、双曲面ミラー４０１の反射光の進行方向を制限することができる。これにより、双曲面ミラー４０１の反射光のうち、双曲面ミラー４０１の焦点に向かう光の反射光のみを撮像素子１０４に導くことができる。撮像素子１０４が受光した反射光の画像は、単一視点性を維持した画像であることより、双曲面ミラー４０１の焦点から見た透視投影画像に歪み無く変換することができる。また、この光学系はレンズを使用していないことより、色収差の影響を受けずに光学系の側方を広角撮像することができる。

（実施の形態４の変形例）
図１１は、本発明の実施の形態４の変形例に係る撮像装置の構成を示す図である。図１１に示す撮像装置は、実施の形態４に係る撮像装置４００と同様に４枚のミラーを用いて、光を４回反射させ、撮像素子に光を集光することで広角撮像を行う。ただし、４枚のミラーの構成及び配置が異なる。

撮像装置４１０は、双曲面ミラー４０１と、凹面鏡４１１と、アパーチャーミラー４１２と、放物面ミラー４１３と、撮像素子１０４とを備える。

双曲面ミラー４０１は、図１０に示した双曲面ミラー４０１と同様の構成である。双曲面ミラー４０１は、双曲面ミラー４０１の焦点に向けて入射する光を、双曲面ミラー４０１と対を成す双曲面の焦点に向けて反射する。

凹面鏡４１１は、双曲面ミラー４０１の側方から入射し、双曲面ミラー４０１の焦点に向かう光の反射光をアパーチャーミラー４１２に向けて反射するためのミラーであり、２次、３次及び４次の項を有する式で特定される形状を有する。

アパーチャーミラー４１２は、凹面鏡４１１で反射された光を放物面ミラー４１３に向けて反射する。なお、アパーチャーミラー４１２は、放物面ミラー４１３の焦点４１３ａに配置され、放物面ミラー４１３の焦点４１３ａの周辺を通る光を反射し、それ以外の光を反射しないような大きさに設計される。

放物面ミラー４１３は、放物面ミラー１０３と同様の形状を有する。ただし、凹面が上向きである点が、放物面ミラー１０３とは異なる。

撮像素子１０４は、放物面ミラー４１３に対向する位置に設けられ、放物面ミラー４１３で反射された光を受光する。

このような構成によって、実施の形態４と同様に、色収差の影響を受けずに光学系の側方を広角撮像することができる。

（実施の形態５）
実施の形態５では、周囲３６０度の画像を撮像することが可能な撮像装置について説明する。

図１２は、本発明の実施の形態５に係る撮像装置の構成を示す図である。図１２は、撮像装置の垂直面における断面を模式的に示す図である。

撮像装置５００は、双曲面ミラー５０１と、開口部材５０２と、放物面ミラー５０３と、撮像素子１０４とを備える。

双曲面ミラー５０１は、双曲面ミラー１０１と同様の形状を有する。ただし、凸面が下向きである点が双曲面ミラー１０１とは異なる。また、双曲面ミラー１０１が双曲面の一部の形状を有するのに対し、双曲面ミラー５０１は完全な双曲面の形状を有する点が異なる。これにより、双曲面ミラー１０１がその回転軸周りに３６０度未満の光しか反射することができないのに対し、双曲面ミラー５０１は、その回転軸周りに３６０度の光を反射することができる。

開口部材５０２は、開口部５０２ａを有する不透明部材である。開口部５０２ａが双曲面ミラー５０１と対を成す双曲面の焦点５０１ａに位置するように、開口部材５０２が配置される。なお、開口部５０２ａの大きさは、焦点５０１ａを通過する光を通し、それ以外の光を通さないような大きさに設計される。

放物面ミラー５０３は、放物面ミラー１０３と同様の形状を有する。ただし、凹面が上向きである点が、放物面ミラー１０３とは異なる。また、放物面ミラー１０３が放物面の一部の形状を有するのに対し、放物面ミラー５０３は完全な放物面の形状を有する点が異なる。放物面ミラー５０３はその焦点が焦点５０１ａと一致するように配置される。また、双曲面ミラー５０１の回転軸と、放物面ミラー５０３の回転軸とは一致するように、放物面ミラー５０３が配置される。

これにより、開口部５０２ａを通過し、放物面ミラー５０３で反射される光は、放物面ミラー５０３の回転軸と平行となる。よって、放物面ミラー５０３に対向する位置に撮像素子１０４を設けることにより、双曲面ミラー５０１の焦点に向かう光を撮像素子１０４において撮像することができる。このため、撮像素子１０４は、単一視点性を有する周囲３６０度の画像を撮像することができる。

以上説明したように、実施の形態５によると、双曲面ミラー５０１は、凸面形状を有することより、光学系の側方の周囲３６０度から入射する光を反射することができる。また、開口部材５０２が双曲面ミラー５０１の反射光の進行方向を制限するため、双曲面ミラー５０１の反射光のうち、双曲面ミラー５０１の焦点に向かう光の反射光のみを撮像素子１０４に導くことができる。撮像素子１０４が受光した反射光の画像は、単一視点性を維持した画像であることより、双曲面ミラー５０１の焦点から見た透視投影画像に歪み無く変換することができる。また、この光学系はレンズを使用していないことより、色収差の影響を受けずに光学系の側方を広角撮像することができる。

（実施の形態６）
実施の形態６に係る撮像装置について説明する。実施の形態６に係る撮像装置は、図１に示した実施の形態１に係る撮像装置１００の構成において、双曲面ミラー１０１の代わりに２枚の放物面ミラーを用いた構成を有する。

図１３は、本発明の実施の形態６に係る撮像装置の構成を示す図である。図１３は、撮像装置の垂直面における断面を模式的に示す図である。

撮像装置６００は、放物面ミラー６０１と、放物面ミラー６０２と、開口部材６０３と、放物面ミラー６０４と、撮像素子１０４とを備える。

放物面ミラー６０１、６０２及び６０４は、放物面ミラー１０３と同様の形状を有する。ただし、放物面ミラー６０１は下向きの凸面鏡であり、放物面ミラー６０２は上向きの凹面鏡である点が、放物面ミラー１０３とは異なる。

放物面ミラー６０１は、放物面ミラー６０１の焦点６０１ａに向かって入射する光を反射する。反射された光は、放物面ミラー６０１の回転軸に平行な光である。

放物面ミラー６０２は、放物面ミラー６０１の反射光が入射する位置に設置され、放物面ミラー６０１の反射光を反射する。

開口部材６０３は、開口部６０３ａを有し、開口部６０３ａが放物面ミラー６０２の焦点６０２ａに位置するように配置される。なお、開口部６０３ａの大きさは、焦点６０２ａを通過する光を通し、それ以外の光を通さないような大きさに設計される。これにより、開口部材６０３は、放物面ミラー６０２に入射した平行光、つまり、放物面ミラー６０１の焦点に向かう光のみを通過させることができる。

放物面ミラー６０４は、その焦点が焦点６０２ａと一致するように配置され、開口部材６０３を通過した光を反射させる。これにより、開口部材６０３を通過した光の光路を、放物面ミラー６０４の回転軸と平行にすることができる。

撮像素子１０４は、放物面ミラー６０４に対応する位置に設けられる。これにより、放物面ミラー６０１の焦点に向かう光を撮像素子１０４において撮像することができる。このため、撮像素子１０４は、単一視点性を有する画像を撮像することができる。

以上説明したように、実施の形態６によると、双曲面ミラー１０１の代わりに放物面ミラー６０１及び６０２を用いて、単一視点性を有する画像を撮像することができる。これにより、撮像素子１０４が撮像した画像を、放物面ミラー６０１の焦点から見た透視投影画像に歪み無く変換することができる。また、この光学系はレンズを使用していないことより、色収差の影響を受けずに光学系の側方を広角撮像することができる。

以上、本発明の一つまたは複数の態様に係る撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

本発明に係る光学系及び撮像装置は、側方の視野を撮像することが可能であるため、監視用途向け全方位カメラ等に適用できる。

１００、２００、３００、４００、４１０、５００、６００ 撮像装置
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１ 双曲面ミラー
１０１ａ、２１２、２１４、２２２、３０１ａ、４０１ａ、４１３ａ、５０１ａ、６０１ａ、６０２ａ 焦点
１０２、２０２、５０２、６０３ 開口部材
１０２ａ、６０３ａ、５０２ａ 開口部
１０３、２０３、３０３、４０４、４１３、５０３、６０１、６０２、６０４ 放物面ミラー
１０４ 撮像素子
２１１、２１３ 双曲面
２１５、２２３ 光
２２１ 放物面
２２４ 回転中心
３０２、４０２、４１２ アパーチャーミラー
３０４、３０５ 筒体
３０６ 板
４０３ 平面ミラー
４１１ 凹面鏡

Claims (13)

1. レンズを備えない光学系であって、
   焦点を有する回転対称な凸面の少なくとも一部の形状を有する第１ミラーと、
   前記第１ミラーの反射光を、前記第１ミラーの焦点に向かう光の反射光に制限すると共に、進行方向が制限された前記第１ミラーの反射光を、レンズを介することなく撮像素子に導くアパーチャー部と、
   前記アパーチャー部で進行方向が制限された前記第１ミラーの反射光を反射することにより前記撮像素子に導く、回転対称な凹面の少なくとも一部の形状を有する第２ミラーと
   を備える光学系。
2. 前記第１ミラーは、二葉双曲面のうちの一方の双曲面の少なくとも一部の形状を有する双曲面ミラーを含む
   請求項１記載の光学系。
3. 前記アパーチャー部は、前記二葉双曲面のうちの他方の双曲面の焦点に配置される
   請求項２記載の光学系。
4. 前記第２ミラーは、放物面の少なくとも一部の形状を有する放物面ミラーを含む
   請求項１または２に記載の光学系。
5. 前記アパーチャー部は、前記放物面の焦点に配置される
   請求項４記載の光学系。
6. 前記アパーチャー部は、前記第１ミラーの反射光が集光する位置に開口を有する部材を含む
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学系。
7. 前記アパーチャー部は、前記第１ミラーの反射光が集光する位置に配置された第３ミラーを含む
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学系。
8. さらに、
   前記第３ミラーで反射された光を反射し、前記第２ミラーに導く第４ミラーを備える
   請求項７記載の光学系。
9. 前記第４ミラーは、平面ミラーを含む
   請求項８記載の光学系。
10. 前記第１ミラーは、前記撮像素子の一方の側方に位置し、第１の二葉双曲面のうちの一方の双曲面の少なくとも一部の形状を有する第１双曲面ミラーと、前記撮像素子の他方の側方に位置し、第２の二葉双曲面のうちの一方の双曲面の少なくとも一部の形状を有する第２双曲面ミラーとを含み、
    前記アパーチャー部は、前記第１双曲面ミラーの双曲面と対を成す前記第１の二葉双曲面の他方の双曲面の焦点に開口を有する第１部材と、前記第２双曲面ミラーの双曲面と対を成す前記第２の二葉双曲面の他方の双曲面の焦点に開口を有する第２部材とを含み、
    前記第２ミラーは、前記撮像素子の上方に位置し、かつ第１放物面の焦点が前記第１部材の開口に位置する、前記第１放物面の少なくとも一部の形状を有する第１放物面ミラーと、前記撮像素子の上方に位置し、かつ第２放物面の焦点が前記第２部材の開口に位置する、前記第２放物面の少なくとも一部の形状を有する第２放物面ミラーとを含む
    請求項１記載の光学系。
11. 前記第１ミラーは、二葉双曲面のうちの一方の双曲面の少なくとも一部の形状を有する双曲面ミラーを含み、
    前記アパーチャー部は、前記二葉双曲面のうちの他方の双曲面の焦点に反射面を有する第３ミラーを含み、
    前記第２ミラーは、放物面の焦点が前記他方の双曲面の焦点に一致し、前記放物面の少なくとも一部の形状を有する放物面ミラーを含む
    請求項１記載の光学系。
12. 前記第１ミラー及び前記第２ミラーの各々は、放物面の少なくとも一部の形状を有する放物面ミラーであり、
    前記光学系は、さらに、放物面の少なくとも一部の形状を有する凹面ミラーを備え、
    前記凹面ミラーは、前記第１ミラーの焦点に向かう光の反射光である前記第１ミラーの反射光を反射可能な位置であって、かつ前記凹面ミラーの焦点が前記第２ミラーの焦点と一致する位置に配置され、
    前記アパーチャー部は、前記凹面ミラーの焦点に開口を有する部材を含む
    請求項１記載の光学系。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学系と、
    前記光学系により導かれた第１ミラーの反射光を撮像する撮像素子とを備える
    撮像装置。