全方位カメラ及び全方位レンズ
【課題】表示画像の各画角で不均一になりやすかった解像度を改善した全方位カメラ及び全方位レンズを提供する。
【解決手段】全方位カメラは、周状に形成された側面を構成し、周囲３６０度の方向から光を入射する入射面１１と、入射した光を反射する反射層１３が形成された凸面である反射面１２と、反射層１３で反射した光を出射する出射面１５とを有するレンズプリズム１０と、レンズプリズム１０から出射された光を、所定の方向に導く光学系３０，４０，５１と、光学系３０，４０，５１に導かれた光を受光して、撮像画像を得る撮像素子５５と、を備える。入射面１１と反射面１２とは非球面タイプのトロイダル面を形成し、出射面１５は非球面タイプの凹面を形成する。
【解決手段】全方位カメラは、周状に形成された側面を構成し、周囲３６０度の方向から光を入射する入射面１１と、入射した光を反射する反射層１３が形成された凸面である反射面１２と、反射層１３で反射した光を出射する出射面１５とを有するレンズプリズム１０と、レンズプリズム１０から出射された光を、所定の方向に導く光学系３０，４０，５１と、光学系３０，４０，５１に導かれた光を受光して、撮像画像を得る撮像素子５５と、を備える。入射面１１と反射面１２とは非球面タイプのトロイダル面を形成し、出射面１５は非球面タイプの凹面を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全方位（３６０度）を撮像することが可能な全方位カメラ及びこれに使用される全方位レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の全方位カメラとして、例えば、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示された全方位カメラは、所定の曲面で形成された反射鏡と、反射鏡からの反射光を撮像手段上に集光する光学レンズとを備えている。また、従来の全方位カメラとしては、例えば特許文献２に開示されたものもある。特許文献２に開示された全方位カメラは、三角形の平面鏡が配置されて形成された正多角錐の反射鏡と、この反射鏡の頂部側に配置された撮像手段と、この撮像手段と反射鏡とを一体的に回転する回転手段とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９０８０７号公報
【特許文献２】特開２０１０−４５５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来の全方位カメラにおいては、撮像画像の中央部に比べてその周辺部は、径方向に伸縮し、また周方向に伸びるため、撮像画像を表示画像（パノラマ画像）に変換すると各画角での解像度が不均一になりやすいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、表示画像の各画角で不均一になりやすかった解像度を改善した全方位カメラ、及びこれに使用される全方位レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る全方位カメラは、周状に形成された側面を構成し、周囲３６０度の方向から光を入射する光入射面と、入射した前記光を反射する反射層が形成された凸面である光反射面と、前記反射層で反射した光を出射する光出射面とを有するレンズと、前記レンズから出射された光を、所定の方向に導く光学系と、前記光学系に導かれた光を受光して、撮像画像を得る撮像素子と、を備え、前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする。ここで、光学系とは、レンズから出射された光を撮像素子に導くための光学素子全般を含むものとする。また、レンズとは、レンズプリズム等、全方位から光を入射させて所定の方向に光を出射させるレンズ全般を含むものとする。
【０００７】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る全方位レンズは、周状に形成された側面を構成し、周囲３６０度の方向から光を入射する光入射面と、入射した前記光を反射する反射層が形成された凸面である光反射面と、前記反射層で反射した光を出射する光出射面とを有し、前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、表示画像の各画角で不均一になりやすかった解像度を改善した全方位カメラ及び全方位レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る全方位カメラの構成図。
【図２】本発明の実施形態に係るレンズプリズムの形状を説明するための説明図であり、（ａ）はレンズプリズムの断面図、（ｂ）はレンズプリズムの外面形状を表わしたグラフ。
【図３】本発明の実施形態に係る全方位カメラにより得られる画像のイメージ図を示しており、（ａ）は撮像素子に結像する像のイメージ図、（ｂ）は得られた撮像画像を画像変換して得た表示画像のイメージ図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る全方位カメラを図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態に係る全方位カメラの構成図を示している。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態に係る全方位カメラ１は、入射した光Ｌを反射層１３で反射して外部へ出射するレンズプリズム１０と、レンズプリズム１０に接続された鏡筒２０とを備えている。また、鏡筒２０内には、リレーレンズ３０、実絞り４０、及び撮像手段５０が収容されている。
【００１２】
レンズプリズム１０は、例えば、空気よりも高い媒質である光学用樹脂を射出成形することにより形成されており、図１に示したレンズプリズム１０の外形線を中心軸２周りに回転させた際の軌跡を外周面とする形状に形成されている。なお、レンズプリズム１０は、波長５８７．５６ｍｍの光に対する屈折率が１．６以上であり、かつ、同波長の光に対するアッベ数が３０以下である光学用樹脂から構成されることが好ましい。なお、レンズプリズム１０の側面は光Ｌが入射する入射面１１、上面は入射した光Ｌを反射する反射面１２（この反射面１２には、アルミニウムが蒸着されることにより反射層１３が形成されている）、及び下面は反射層１３で反射された光Ｌを外部に出射する出射面１５に設定されている。
【００１３】
図２は、レンズプリズム１０の形状を説明するための説明図であり、（ａ）はレンズプリズム１０の断面図、（ｂ）はレンズプリズム１０の外面形状を表わしたグラフである。図２（ｂ）では便宜上、入射面１１を表わす曲線を曲線Ａ、反射面１２を表わす曲線を曲線Ｂ、また、出射面１５を表わす曲線を曲線Ｃと表記する。また、曲線Ａ、Ｂ、Ｃに対応するそれぞれの原点は、Ａ、Ｂ、Ｃに´を付して原点Ａ´、Ｂ´、Ｃ´と表記する。なお、図２（ｂ）に示すように、原点Ａ´、Ｂ´、Ｃ´は、それぞれ異なる箇所に位置しており、曲線Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ対応する原点Ａ´、Ｂ´、Ｃ´を基準にして図示されている。
【００１４】
曲線Ａは、入射面１１を表わす曲線であり、図２（ｂ）に示すように、原点Ａ´を基準としてｚ−ｙ座標を規定すると、以下に示す式１で定義される。なお、原点Ａ´は、レンズプリズム１０の中心軸２（光軸）から図中左側に１０．５ｍｍずれた箇所に、また原点Ｃ´から図中上側へ１９．５ｍｍずれた箇所に位置している。また、曲線Ａは、式１で表わせる曲線のうち所定の範囲内にある曲線（図中、実線で示した曲線）とするものとする。
【００１５】
【数１】
【００１６】
ここで、ＣＵＹ（１／ｍｍ）は原点Ａ´における曲率（ＣＵＹ＝１／ｒ（曲率半径（ｍｍ））、ｋはコーニック係数、Ａは４次の非球面係数、Ｂは６次の非球面係数である。なお、曲線Ａのこれらのパラメータの値を表１に示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】
入射面１１は、図２（ｂ）に示す曲線Ａを中心軸２周りに回転した軌跡により表わすことができる。なお、図２（ｂ）においては、レンズプリズム１０の中心軸２を軸として曲線Ａと線対称となる曲線も併せて示してある。曲線Ａを外形線に設定された入射面１１は、非球面タイプのトロイダル面を構成する。
【００１９】
曲線Ｂは、反射面１２を表わす曲線であり、図２（ｂ）に示すように、原点Ｂ´を基準としてｚ−ｙ座標を規定すると、曲線Ａと同様に上記の式１で定義される。なお、原点Ｂ´は、レンズプリズム１０の中心軸２（光軸）から１５．０ｍｍずれた箇所に、また原点Ｃ´から図中上側へ４０．５ｍｍずれた箇所に位置している。また、曲線Ｂは、式１で表わせる曲線のうち所定の範囲内にある曲線（図中、実線で示した曲線）とするものとする。
【００２０】
曲線Ｂの各パラメータの値を表１に示す。反射面１２は、入射面１１と同様に、曲線Ｂを中心軸２周りに回転した軌跡により表わすことができる。なお、図２（ｂ）においては、レンズプリズム１０の中心軸２を軸として曲線Ｂと線対称となる曲線も併せて示してある。曲線Ｂを外形線に設定された反射面１２は、非球面タイプのトロイダル面を構成する。
【００２１】
このように形成された反射面１２には、前述したようにアルミニウムが蒸着されて反射層１３が形成されており、入射面１１から入射した光Ｌを反射層１３で反射して出射面１５に導く。反射面１２は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、頂部から上方に向けて放射状に伸びる曲線の集合体により形成される凸面であり、その頂部から下方に向けて柱状の遮光部１４が形成されている。この遮光部１４は、レンズプリズム１０の頂部に形成された穴に黒色系の塗料が注入されることにより形成されている。レンズプリズム１０に遮光部１４が形成されていることにより、レンズプリズム１０に入射した光Ｌや、レンズプリズム１０に入射し反射層１３で反射した光Ｌが、中心軸２、あるいはその近傍を通過するのを抑制することができる。これにより、入射した光Ｌがレンズプリズム１０内で複数回反射し、その反射角度によって迷光が発生するのを抑制することができる。
【００２２】
このように形成された入射面１１、及び反射面１２は、中心軸２に直交する平面で切断した形状が円形となる。そのためレンズプリズム１０は、全方位カメラ１の周囲３６０°からの光Ｌを入射させることができるとともに、周囲３６０°から入射させた光Ｌを反射面１２で反射して出射面１５に導くことができる。また、反射面１２の頂点及びその近傍には、反射層１３のかわりに遮光部１４が設けられているため、反射層１３に撮像手段５０が写り込むことを防止することができる。
【００２３】
曲線Ｃは、出射面１５を表わす曲線であり、図２（ｂ）に示すように、原点Ｃ´を基準としてｚ−ｙ座標を規定すると、以下の式２で定義される。なお、原点Ｃ´は、レンズプリズム１０の中心軸２（光軸）上に位置している。また、曲線Ｃは、式２が表わせる曲線のうちの所定の範囲内にある曲線（図中、実線で示した曲線）とするものとする。
【００２４】
【数２】
【００２５】
ここで、ＣＵＹ（１／ｍｍ）は原点Ｃ´における曲率（ＣＵＹ＝１／ｒ（曲率半径（ｍｍ））、ｋはコーニック係数、Ａは４次の非球面係数、Ｂは６次の非球面係数、Ｃは８次の非球面係数である。曲線Ｃのこれらのパラメータの値を表１に示す。
【００２６】
出射面１５は、図２（ｂ）に示す曲線Ｃを中心軸２周りに回転した軌跡により表わすことができる。このように、曲線Ｃを外形線に設定された出射面１５は、負のパワーを有する凹面非球面を構成する。このように形成された出射面１５は、反射面１２で反射された光Ｌを出射し、鏡筒２０内に収容されたリレーレンズ３０へと導く。
【００２７】
なお、出射面１５は、反射面１２と併せて、レンズプリズム１０が負のパワーを有するように設定されている。そのため、レンズプリズム１０によって形成される像は虚像となり、この虚像は反射面１２の後方（図中上方）に像面湾曲を伴って存在することとなる。
【００２８】
リレーレンズ３０は、図１に示すように、レンズプリズム１０の直下に配置されて、レンズプリズム１０が作り出す虚像を実絞り４０へと導く機能を有する。リレーレンズ３０は、第１の凸レンズ３１と、第１の凹レンズ３２とを備えており、リレーレンズ３０全体として正のパワーを有するように構成されている。なお、リレーレンズ３０の焦点距離は、リレーレンズ３０の主点からレンズプリズム１０で作られる虚像までの距離と略同一に設定されている。このように、リレーレンズ３０を設置することにより、鮮明な画像が撮像できるとともに、像高を制御できるという効果を奏する。
【００２９】
実絞り４０は、リレーレンズ３０と撮像手段５０の間に設けられ、リレーレンズ３０に導かれ撮像手段５０に入射する光Ｌの量を制限する。なお、実絞り４０は、撮像手段５０の内部に配置してもよい。
【００３０】
撮像手段５０は、第２の凸レンズ５２と第２の凹レンズ５３とが貼り合わされて形成された撮像レンズ５１と、撮像レンズ５１に集光された光Ｌを受光する撮像素子５５とを備えている。第２の凸レンズ５２と第２の凹レンズ５３とは性質の異なる光学ガラスから構成されている。これにより、撮像レンズ５１に起因する色収差を補正することができる。
【００３１】
撮像レンズ５１は、実絞り４０を通過した光Ｌを入射させ、入射させた光Ｌを撮像素子５５に導く。
【００３２】
撮像素子５５は、基板（不図示）上に複数の光電変換素子（不図示）がマトリクス状に配置されて構成されている。この複数の光変換素子は撮像レンズ５１により集光された光Ｌを受け取り、受け取った光Ｌの強度を電気信号に変換する。撮像素子５５は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の周知のイメージセンサから構成することができる。
【００３３】
図３は、本発明の実施形態に係る全方位カメラにより得られる画像のイメージ図を示しており、（ａ）は撮像素子に結像する像のイメージ図、（ｂ）は得られた撮像画像を変換して得た表示画像（パノラマ画像）のイメージ図を示している。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、全方位カメラ１（図１）を構成する種々の光学素子により形成される像５６は円形となる。この円形の像５６の周方向は全方位カメラ１（図１）の水平方向に、像５６の径方向は全方位カメラ１（図１）の垂直方向に対応する。撮像素子５５に形成された像５６は、マトリクス状に配置された光電変換素子（不図示）により、その光の強度が電気信号に変換され撮像画像として取得される。
【００３５】
なお、図３（ａ）（ｂ）には、撮像素子５５に形成される像５６（図３（ａ））と、撮像した像５６を変換して得た表示画像５７（図３（ｂ））との関係が示されている。すなわち、図３（ｂ）に示された表示画像５７は、図３（ａ）の右上の扇形部（中心角９０度）の像５６´を撮像し画像変換したものである。そのため、表示画像５７には、全方位カメラ１（図１）の水平方向に周囲９０度の範囲の像が写しだされる。
【００３６】
図３に示すように、便宜上、像５６及び表示画像５７をそれぞれ１６の領域に区画している。像５６の領域ａ１と表示画像５７の領域ａ１´とが、画像変換前後において対応する領域である。また、他の領域においても、像５６の各領域は、その符号に´を付した表示画像５７の領域とそれぞれ対応している。なお、前述したように、図３はイメージ図であり、像５６を区画する各領域は、撮像素子５５を構成する光電変換素子（不図示）の配置態様とは関係しない。
【００３７】
図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る全方位カメラ１（図１）は、撮像素子５５に結像された像５６が、その中心から径方向に離れるにつれて径方向に縮む度合が大きくなるように集光されている。すなわち、領域ａ１に結像される像は、領域ａ２に結像される像よりも径方向に縮んだ状態で結像される。また、領域ａ２に結像される像は、領域ａ３に結像される像よりも径方向に縮んだ状態で結像される。さらに、領域ａ３に結像される像は、領域ａ４に結像される像よりも径方向に縮んだ状態で結像される。他の領域に結像される像に関しても同様である。
【００３８】
また、図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る全方位カメラ１（図１）は、撮像素子５５に結像された像５６が、周方向にその角度位置に依らず一定の伸縮度合となるように集光されている。そのため、撮像素子５５に結像された像５６は、その中心から径方向に離れるにつれて、周方向に伸びる度合が大きくなる。すなわち、領域ａ１に結像される像は、領域ａ２に結像される像よりも周方向に伸びた状態で結像される。また、領域ａ２に結像される像は、領域ａ３に結像される像よりも周方向に伸びた状態で結像される。さらに、領域ａ３に結像される像は、領域ａ４に結像される像よりも周方向に伸びた状態で結像される。他の領域に結像される像に関しても同様である。
【００３９】
撮像素子５５に結像された像５６は、マトリクス状に配置された光電変換素子（不図示）により電気信号に変換されて、撮像画像が取得される。前述したように撮像画像は、周方向あるいは径方向に伸縮した状態で取得される。そのため、撮像画像を表示画像５７に画像変換するためには、撮像画像の伸縮の度合に応じた補正をする必要がある。
【００４０】
この補正について説明すると、円形の撮像画像において、中心から径方向に離れた位置にある画像ほど径方向に引き伸ばす補正をするとともに、中心近くにある画像ほど周方向に引き伸ばす補正をする。このような補正のイメージを、図３（ｂ）の右側に示した矢印で表わしている。図に示すように、上方（撮像画像の中心より離れた位置）にある画像ほど上下方向（径方向）に大きく伸ばす補正をし、また、下方にある（撮像画像の中心近くに位置する）画像ほど左右方向（周方向）に大きく伸ばす補正をしている。このような補正をすることにより、図３（ｂ）に示すように歪を補正した、全方位カメラ１（図１）の周囲９０度の表示画像５７を得ることができる。
【００４１】
上記では、図３（ａ）の右上の扇形部（中心角９０度）の像５６´を表示画像５７に変換する場合について説明したが、他の扇形部の像についても同様に表示画像５７に変換する。これにより、全方位カメラ１（図１）の周囲９０度を撮像したそれぞれの表示画像を得ることができ、これらを組み合わせることにより周囲３６０度を撮像した表示画像（パノラマ画像）を得ることができる。
【００４２】
上述した実施形態に係る全方位カメラ１を用いることにより、以下のような効果を奏する。
【００４３】
上述したように、反射面１２の頂点、及びその近傍に反射層１３が形成されないため、撮像手段５０が反射層１３に写り込むことがない。そのため、撮像画像として不必要な撮像素子５５の像が撮像素子５５に形成されることがない。その結果、撮像素子５５の中央部に全方位カメラ１の周囲の像を形成することができ、撮像素子５５を有効に利用することができる。
【００４４】
また、レンズプリズム１０の反射面１２及び出射面１５を上述のような形状とすることにより（本実施形態では入射面１１、反射面１２、反射層１３、及び、出射面１５を上述のような形状とすることにより）、撮像素子５５に結像される像５６が、その中心から径方向に離れるにつれて径方向に縮む度合が大きくなるように形成することができる。これにより、径方向あるいは／及び周方向に引き伸ばす補正が、撮像画像内で比較的均等に行われる。これにより、表示画像５７の各画角で不均一になりやすかった解像度を改善することができる。
【００４５】
また、反射面１２の頂部から下方に向けて遮光部１４が形成することにより、全方位カメラ１に入射した光Ｌによる迷光を抑制することができる。これにより、高品質の表示画像５７を得ることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 全方位カメラ
２ 中心軸
１０ レンズプリズム
１１ 入射面
１２ 反射面
１３ 反射層
１４ 遮光部
１５ 出射面
２０ 鏡筒
３０ リレーレンズ
３１ 第１の凸レンズ
３２ 第１の凹レンズ
４０ 実絞り
５０ 撮像手段
５１ 撮像レンズ
５２ 第２の凸レンズ
５３ 第２の凹レンズ
５５ 撮像素子
５６ 像
５７ 表示画像
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全方位（３６０度）を撮像することが可能な全方位カメラ及びこれに使用される全方位レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の全方位カメラとして、例えば、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１に開示された全方位カメラは、所定の曲面で形成された反射鏡と、反射鏡からの反射光を撮像手段上に集光する光学レンズとを備えている。また、従来の全方位カメラとしては、例えば特許文献２に開示されたものもある。特許文献２に開示された全方位カメラは、三角形の平面鏡が配置されて形成された正多角錐の反射鏡と、この反射鏡の頂部側に配置された撮像手段と、この撮像手段と反射鏡とを一体的に回転する回転手段とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９０８０７号公報
【特許文献２】特開２０１０−４５５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来の全方位カメラにおいては、撮像画像の中央部に比べてその周辺部は、径方向に伸縮し、また周方向に伸びるため、撮像画像を表示画像（パノラマ画像）に変換すると各画角での解像度が不均一になりやすいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、表示画像の各画角で不均一になりやすかった解像度を改善した全方位カメラ、及びこれに使用される全方位レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る全方位カメラは、周状に形成された側面を構成し、周囲３６０度の方向から光を入射する光入射面と、入射した前記光を反射する反射層が形成された凸面である光反射面と、前記反射層で反射した光を出射する光出射面とを有するレンズと、前記レンズから出射された光を、所定の方向に導く光学系と、前記光学系に導かれた光を受光して、撮像画像を得る撮像素子と、を備え、前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする。ここで、光学系とは、レンズから出射された光を撮像素子に導くための光学素子全般を含むものとする。また、レンズとは、レンズプリズム等、全方位から光を入射させて所定の方向に光を出射させるレンズ全般を含むものとする。
【０００７】
また、上記課題を解決するため、本発明に係る全方位レンズは、周状に形成された側面を構成し、周囲３６０度の方向から光を入射する光入射面と、入射した前記光を反射する反射層が形成された凸面である光反射面と、前記反射層で反射した光を出射する光出射面とを有し、前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、表示画像の各画角で不均一になりやすかった解像度を改善した全方位カメラ及び全方位レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る全方位カメラの構成図。
【図２】本発明の実施形態に係るレンズプリズムの形状を説明するための説明図であり、（ａ）はレンズプリズムの断面図、（ｂ）はレンズプリズムの外面形状を表わしたグラフ。
【図３】本発明の実施形態に係る全方位カメラにより得られる画像のイメージ図を示しており、（ａ）は撮像素子に結像する像のイメージ図、（ｂ）は得られた撮像画像を画像変換して得た表示画像のイメージ図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係る全方位カメラを図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態に係る全方位カメラの構成図を示している。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態に係る全方位カメラ１は、入射した光Ｌを反射層１３で反射して外部へ出射するレンズプリズム１０と、レンズプリズム１０に接続された鏡筒２０とを備えている。また、鏡筒２０内には、リレーレンズ３０、実絞り４０、及び撮像手段５０が収容されている。
【００１２】
レンズプリズム１０は、例えば、空気よりも高い媒質である光学用樹脂を射出成形することにより形成されており、図１に示したレンズプリズム１０の外形線を中心軸２周りに回転させた際の軌跡を外周面とする形状に形成されている。なお、レンズプリズム１０は、波長５８７．５６ｍｍの光に対する屈折率が１．６以上であり、かつ、同波長の光に対するアッベ数が３０以下である光学用樹脂から構成されることが好ましい。なお、レンズプリズム１０の側面は光Ｌが入射する入射面１１、上面は入射した光Ｌを反射する反射面１２（この反射面１２には、アルミニウムが蒸着されることにより反射層１３が形成されている）、及び下面は反射層１３で反射された光Ｌを外部に出射する出射面１５に設定されている。
【００１３】
図２は、レンズプリズム１０の形状を説明するための説明図であり、（ａ）はレンズプリズム１０の断面図、（ｂ）はレンズプリズム１０の外面形状を表わしたグラフである。図２（ｂ）では便宜上、入射面１１を表わす曲線を曲線Ａ、反射面１２を表わす曲線を曲線Ｂ、また、出射面１５を表わす曲線を曲線Ｃと表記する。また、曲線Ａ、Ｂ、Ｃに対応するそれぞれの原点は、Ａ、Ｂ、Ｃに´を付して原点Ａ´、Ｂ´、Ｃ´と表記する。なお、図２（ｂ）に示すように、原点Ａ´、Ｂ´、Ｃ´は、それぞれ異なる箇所に位置しており、曲線Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ対応する原点Ａ´、Ｂ´、Ｃ´を基準にして図示されている。
【００１４】
曲線Ａは、入射面１１を表わす曲線であり、図２（ｂ）に示すように、原点Ａ´を基準としてｚ−ｙ座標を規定すると、以下に示す式１で定義される。なお、原点Ａ´は、レンズプリズム１０の中心軸２（光軸）から図中左側に１０．５ｍｍずれた箇所に、また原点Ｃ´から図中上側へ１９．５ｍｍずれた箇所に位置している。また、曲線Ａは、式１で表わせる曲線のうち所定の範囲内にある曲線（図中、実線で示した曲線）とするものとする。
【００１５】
【数１】
【００１６】
ここで、ＣＵＹ（１／ｍｍ）は原点Ａ´における曲率（ＣＵＹ＝１／ｒ（曲率半径（ｍｍ））、ｋはコーニック係数、Ａは４次の非球面係数、Ｂは６次の非球面係数である。なお、曲線Ａのこれらのパラメータの値を表１に示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】
入射面１１は、図２（ｂ）に示す曲線Ａを中心軸２周りに回転した軌跡により表わすことができる。なお、図２（ｂ）においては、レンズプリズム１０の中心軸２を軸として曲線Ａと線対称となる曲線も併せて示してある。曲線Ａを外形線に設定された入射面１１は、非球面タイプのトロイダル面を構成する。
【００１９】
曲線Ｂは、反射面１２を表わす曲線であり、図２（ｂ）に示すように、原点Ｂ´を基準としてｚ−ｙ座標を規定すると、曲線Ａと同様に上記の式１で定義される。なお、原点Ｂ´は、レンズプリズム１０の中心軸２（光軸）から１５．０ｍｍずれた箇所に、また原点Ｃ´から図中上側へ４０．５ｍｍずれた箇所に位置している。また、曲線Ｂは、式１で表わせる曲線のうち所定の範囲内にある曲線（図中、実線で示した曲線）とするものとする。
【００２０】
曲線Ｂの各パラメータの値を表１に示す。反射面１２は、入射面１１と同様に、曲線Ｂを中心軸２周りに回転した軌跡により表わすことができる。なお、図２（ｂ）においては、レンズプリズム１０の中心軸２を軸として曲線Ｂと線対称となる曲線も併せて示してある。曲線Ｂを外形線に設定された反射面１２は、非球面タイプのトロイダル面を構成する。
【００２１】
このように形成された反射面１２には、前述したようにアルミニウムが蒸着されて反射層１３が形成されており、入射面１１から入射した光Ｌを反射層１３で反射して出射面１５に導く。反射面１２は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、頂部から上方に向けて放射状に伸びる曲線の集合体により形成される凸面であり、その頂部から下方に向けて柱状の遮光部１４が形成されている。この遮光部１４は、レンズプリズム１０の頂部に形成された穴に黒色系の塗料が注入されることにより形成されている。レンズプリズム１０に遮光部１４が形成されていることにより、レンズプリズム１０に入射した光Ｌや、レンズプリズム１０に入射し反射層１３で反射した光Ｌが、中心軸２、あるいはその近傍を通過するのを抑制することができる。これにより、入射した光Ｌがレンズプリズム１０内で複数回反射し、その反射角度によって迷光が発生するのを抑制することができる。
【００２２】
このように形成された入射面１１、及び反射面１２は、中心軸２に直交する平面で切断した形状が円形となる。そのためレンズプリズム１０は、全方位カメラ１の周囲３６０°からの光Ｌを入射させることができるとともに、周囲３６０°から入射させた光Ｌを反射面１２で反射して出射面１５に導くことができる。また、反射面１２の頂点及びその近傍には、反射層１３のかわりに遮光部１４が設けられているため、反射層１３に撮像手段５０が写り込むことを防止することができる。
【００２３】
曲線Ｃは、出射面１５を表わす曲線であり、図２（ｂ）に示すように、原点Ｃ´を基準としてｚ−ｙ座標を規定すると、以下の式２で定義される。なお、原点Ｃ´は、レンズプリズム１０の中心軸２（光軸）上に位置している。また、曲線Ｃは、式２が表わせる曲線のうちの所定の範囲内にある曲線（図中、実線で示した曲線）とするものとする。
【００２４】
【数２】
【００２５】
ここで、ＣＵＹ（１／ｍｍ）は原点Ｃ´における曲率（ＣＵＹ＝１／ｒ（曲率半径（ｍｍ））、ｋはコーニック係数、Ａは４次の非球面係数、Ｂは６次の非球面係数、Ｃは８次の非球面係数である。曲線Ｃのこれらのパラメータの値を表１に示す。
【００２６】
出射面１５は、図２（ｂ）に示す曲線Ｃを中心軸２周りに回転した軌跡により表わすことができる。このように、曲線Ｃを外形線に設定された出射面１５は、負のパワーを有する凹面非球面を構成する。このように形成された出射面１５は、反射面１２で反射された光Ｌを出射し、鏡筒２０内に収容されたリレーレンズ３０へと導く。
【００２７】
なお、出射面１５は、反射面１２と併せて、レンズプリズム１０が負のパワーを有するように設定されている。そのため、レンズプリズム１０によって形成される像は虚像となり、この虚像は反射面１２の後方（図中上方）に像面湾曲を伴って存在することとなる。
【００２８】
リレーレンズ３０は、図１に示すように、レンズプリズム１０の直下に配置されて、レンズプリズム１０が作り出す虚像を実絞り４０へと導く機能を有する。リレーレンズ３０は、第１の凸レンズ３１と、第１の凹レンズ３２とを備えており、リレーレンズ３０全体として正のパワーを有するように構成されている。なお、リレーレンズ３０の焦点距離は、リレーレンズ３０の主点からレンズプリズム１０で作られる虚像までの距離と略同一に設定されている。このように、リレーレンズ３０を設置することにより、鮮明な画像が撮像できるとともに、像高を制御できるという効果を奏する。
【００２９】
実絞り４０は、リレーレンズ３０と撮像手段５０の間に設けられ、リレーレンズ３０に導かれ撮像手段５０に入射する光Ｌの量を制限する。なお、実絞り４０は、撮像手段５０の内部に配置してもよい。
【００３０】
撮像手段５０は、第２の凸レンズ５２と第２の凹レンズ５３とが貼り合わされて形成された撮像レンズ５１と、撮像レンズ５１に集光された光Ｌを受光する撮像素子５５とを備えている。第２の凸レンズ５２と第２の凹レンズ５３とは性質の異なる光学ガラスから構成されている。これにより、撮像レンズ５１に起因する色収差を補正することができる。
【００３１】
撮像レンズ５１は、実絞り４０を通過した光Ｌを入射させ、入射させた光Ｌを撮像素子５５に導く。
【００３２】
撮像素子５５は、基板（不図示）上に複数の光電変換素子（不図示）がマトリクス状に配置されて構成されている。この複数の光変換素子は撮像レンズ５１により集光された光Ｌを受け取り、受け取った光Ｌの強度を電気信号に変換する。撮像素子５５は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の周知のイメージセンサから構成することができる。
【００３３】
図３は、本発明の実施形態に係る全方位カメラにより得られる画像のイメージ図を示しており、（ａ）は撮像素子に結像する像のイメージ図、（ｂ）は得られた撮像画像を変換して得た表示画像（パノラマ画像）のイメージ図を示している。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、全方位カメラ１（図１）を構成する種々の光学素子により形成される像５６は円形となる。この円形の像５６の周方向は全方位カメラ１（図１）の水平方向に、像５６の径方向は全方位カメラ１（図１）の垂直方向に対応する。撮像素子５５に形成された像５６は、マトリクス状に配置された光電変換素子（不図示）により、その光の強度が電気信号に変換され撮像画像として取得される。
【００３５】
なお、図３（ａ）（ｂ）には、撮像素子５５に形成される像５６（図３（ａ））と、撮像した像５６を変換して得た表示画像５７（図３（ｂ））との関係が示されている。すなわち、図３（ｂ）に示された表示画像５７は、図３（ａ）の右上の扇形部（中心角９０度）の像５６´を撮像し画像変換したものである。そのため、表示画像５７には、全方位カメラ１（図１）の水平方向に周囲９０度の範囲の像が写しだされる。
【００３６】
図３に示すように、便宜上、像５６及び表示画像５７をそれぞれ１６の領域に区画している。像５６の領域ａ１と表示画像５７の領域ａ１´とが、画像変換前後において対応する領域である。また、他の領域においても、像５６の各領域は、その符号に´を付した表示画像５７の領域とそれぞれ対応している。なお、前述したように、図３はイメージ図であり、像５６を区画する各領域は、撮像素子５５を構成する光電変換素子（不図示）の配置態様とは関係しない。
【００３７】
図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る全方位カメラ１（図１）は、撮像素子５５に結像された像５６が、その中心から径方向に離れるにつれて径方向に縮む度合が大きくなるように集光されている。すなわち、領域ａ１に結像される像は、領域ａ２に結像される像よりも径方向に縮んだ状態で結像される。また、領域ａ２に結像される像は、領域ａ３に結像される像よりも径方向に縮んだ状態で結像される。さらに、領域ａ３に結像される像は、領域ａ４に結像される像よりも径方向に縮んだ状態で結像される。他の領域に結像される像に関しても同様である。
【００３８】
また、図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る全方位カメラ１（図１）は、撮像素子５５に結像された像５６が、周方向にその角度位置に依らず一定の伸縮度合となるように集光されている。そのため、撮像素子５５に結像された像５６は、その中心から径方向に離れるにつれて、周方向に伸びる度合が大きくなる。すなわち、領域ａ１に結像される像は、領域ａ２に結像される像よりも周方向に伸びた状態で結像される。また、領域ａ２に結像される像は、領域ａ３に結像される像よりも周方向に伸びた状態で結像される。さらに、領域ａ３に結像される像は、領域ａ４に結像される像よりも周方向に伸びた状態で結像される。他の領域に結像される像に関しても同様である。
【００３９】
撮像素子５５に結像された像５６は、マトリクス状に配置された光電変換素子（不図示）により電気信号に変換されて、撮像画像が取得される。前述したように撮像画像は、周方向あるいは径方向に伸縮した状態で取得される。そのため、撮像画像を表示画像５７に画像変換するためには、撮像画像の伸縮の度合に応じた補正をする必要がある。
【００４０】
この補正について説明すると、円形の撮像画像において、中心から径方向に離れた位置にある画像ほど径方向に引き伸ばす補正をするとともに、中心近くにある画像ほど周方向に引き伸ばす補正をする。このような補正のイメージを、図３（ｂ）の右側に示した矢印で表わしている。図に示すように、上方（撮像画像の中心より離れた位置）にある画像ほど上下方向（径方向）に大きく伸ばす補正をし、また、下方にある（撮像画像の中心近くに位置する）画像ほど左右方向（周方向）に大きく伸ばす補正をしている。このような補正をすることにより、図３（ｂ）に示すように歪を補正した、全方位カメラ１（図１）の周囲９０度の表示画像５７を得ることができる。
【００４１】
上記では、図３（ａ）の右上の扇形部（中心角９０度）の像５６´を表示画像５７に変換する場合について説明したが、他の扇形部の像についても同様に表示画像５７に変換する。これにより、全方位カメラ１（図１）の周囲９０度を撮像したそれぞれの表示画像を得ることができ、これらを組み合わせることにより周囲３６０度を撮像した表示画像（パノラマ画像）を得ることができる。
【００４２】
上述した実施形態に係る全方位カメラ１を用いることにより、以下のような効果を奏する。
【００４３】
上述したように、反射面１２の頂点、及びその近傍に反射層１３が形成されないため、撮像手段５０が反射層１３に写り込むことがない。そのため、撮像画像として不必要な撮像素子５５の像が撮像素子５５に形成されることがない。その結果、撮像素子５５の中央部に全方位カメラ１の周囲の像を形成することができ、撮像素子５５を有効に利用することができる。
【００４４】
また、レンズプリズム１０の反射面１２及び出射面１５を上述のような形状とすることにより（本実施形態では入射面１１、反射面１２、反射層１３、及び、出射面１５を上述のような形状とすることにより）、撮像素子５５に結像される像５６が、その中心から径方向に離れるにつれて径方向に縮む度合が大きくなるように形成することができる。これにより、径方向あるいは／及び周方向に引き伸ばす補正が、撮像画像内で比較的均等に行われる。これにより、表示画像５７の各画角で不均一になりやすかった解像度を改善することができる。
【００４５】
また、反射面１２の頂部から下方に向けて遮光部１４が形成することにより、全方位カメラ１に入射した光Ｌによる迷光を抑制することができる。これにより、高品質の表示画像５７を得ることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 全方位カメラ
２ 中心軸
１０ レンズプリズム
１１ 入射面
１２ 反射面
１３ 反射層
１４ 遮光部
１５ 出射面
２０ 鏡筒
３０ リレーレンズ
３１ 第１の凸レンズ
３２ 第１の凹レンズ
４０ 実絞り
５０ 撮像手段
５１ 撮像レンズ
５２ 第２の凸レンズ
５３ 第２の凹レンズ
５５ 撮像素子
５６ 像
５７ 表示画像
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周状に形成された側面を構成し、周囲３６０度の方向から光を入射する光入射面と、入射した前記光を反射する反射層が形成された凸面である光反射面と、前記反射層で反射した光を出射する光出射面とを有するレンズと、
前記レンズから出射された光を、所定の方向に導く光学系と、
前記光学系に導かれた光を受光して、撮像画像を得る撮像素子と、を備え、
前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする全方位カメラ。
【請求項２】
前記光入射面は、非球面タイプのトロイダル面を形成していることを特徴とする請求項１に記載の全方位カメラ。
【請求項３】
前記反射層は、前記光反射面の頂点を中心とした所定の範囲には形成されていないことを特徴とする請求項１又は２に記載の全方位カメラ。
【請求項４】
前記光反射面の頂点から前記光出射面に向けて、柱状の遮光部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の全方位カメラ。
【請求項５】
前記遮光部は、前記頂点から形成された穴に黒色系の塗料が充填されて形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の全方位カメラ。
【請求項６】
前記レンズは、波長５８７．５６ｎｍの光に対する屈折率が１．６以上であり、かつ、前記波長の光に対するアッベ数が３０以下である光学用樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の全方位カメラ。
【請求項７】
前記光学系は、凸レンズと凹レンズとが組み合わされて形成されたリレーレンズ、及び撮像レンズと、通過する光量を制限する実絞りと、を有し、
前記実絞りは、前記リレーレンズと前記撮像レンズとの間に配されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の全方位カメラ。
【請求項８】
前記リレーレンズ及び前記撮像レンズは、それぞれ正のパワーを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の全方位カメラ。
【請求項９】
周状に形成された側面を構成し、周囲３６０度の方向から光を入射する光入射面と、入射した前記光を反射する反射層が形成された凸面である光反射面と、前記反射層で反射した光を出射する光出射面とを有し、
前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする全方位レンズ。
【請求項１】
周状に形成された側面を構成し、周囲３６０度の方向から光を入射する光入射面と、入射した前記光を反射する反射層が形成された凸面である光反射面と、前記反射層で反射した光を出射する光出射面とを有するレンズと、
前記レンズから出射された光を、所定の方向に導く光学系と、
前記光学系に導かれた光を受光して、撮像画像を得る撮像素子と、を備え、
前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする全方位カメラ。
【請求項２】
前記光入射面は、非球面タイプのトロイダル面を形成していることを特徴とする請求項１に記載の全方位カメラ。
【請求項３】
前記反射層は、前記光反射面の頂点を中心とした所定の範囲には形成されていないことを特徴とする請求項１又は２に記載の全方位カメラ。
【請求項４】
前記光反射面の頂点から前記光出射面に向けて、柱状の遮光部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の全方位カメラ。
【請求項５】
前記遮光部は、前記頂点から形成された穴に黒色系の塗料が充填されて形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の全方位カメラ。
【請求項６】
前記レンズは、波長５８７．５６ｎｍの光に対する屈折率が１．６以上であり、かつ、前記波長の光に対するアッベ数が３０以下である光学用樹脂から構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の全方位カメラ。
【請求項７】
前記光学系は、凸レンズと凹レンズとが組み合わされて形成されたリレーレンズ、及び撮像レンズと、通過する光量を制限する実絞りと、を有し、
前記実絞りは、前記リレーレンズと前記撮像レンズとの間に配されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の全方位カメラ。
【請求項８】
前記リレーレンズ及び前記撮像レンズは、それぞれ正のパワーを有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の全方位カメラ。
【請求項９】
周状に形成された側面を構成し、周囲３６０度の方向から光を入射する光入射面と、入射した前記光を反射する反射層が形成された凸面である光反射面と、前記反射層で反射した光を出射する光出射面とを有し、
前記光反射面は非球面タイプのトロイダル面を形成し、前記光出射面は非球面タイプの凹面を形成することを特徴とする全方位レンズ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−７８６７４（Ｐ２０１２−７８６７４Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２５２６５（Ｐ２０１０−２２５２６５）
【出願日】平成２２年１０月４日（２０１０．１０．４）
【出願人】（０００２３１５１２）日本精機株式会社 (1,561)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月４日（２０１０．１０．４）
【出願人】（０００２３１５１２）日本精機株式会社 (1,561)
【Ｆターム（参考）】
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