JP3651844B2 - 撮像装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周囲３６０°の全方位を撮像することが可能で、監視カメラ等の視覚システムの分野に用いられる撮像装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、監視カメラ等の視覚システムの分野において、カメラとコンピュータを組み合わせることにより、従来は人間が自らの視覚で行っていた観測作業をカメラに行わせるための様々な試みが実用化されつつある。
【０００３】
このような用途に適用するためには、一般的に用いられるカメラでは視野角が限られているため、魚眼レンズ等の広角レンズを用いて視野角を広げる試みがなされている。その一つとして、例えば移動ロボット等の分野では、円錐ミラーや球面ミラー等の回転対称形状を有する凸面鏡（以下、凸型回転体ミラーと称する）を応用する研究が活発に行われている。これは、凸型回転体ミラーにより周囲３６０°の視野角の光学映像を撮像し、これをビデオ画像に変換し、さらにコンピュータにより所望の画像へ変換処理するものである。
【０００４】
図８（ａ）は従来の凸型回転体ミラーを利用した撮像装置の概略構成を示す図であり、図８（ｂ）はその断面図である。この図８（ａ）および図８（ｂ）において、５０は凸型回転体ミラー、５１は撮像機構、５２は撮像機構内部のレンズ、５３は撮像機構内部の撮像部、５４は透光性の光学部材である。
【０００５】
この撮像装置は、図８に示すように、凸型回転体ミラー５１を利用して得られた反射像を撮像機構５１により映像信号に変換し、後段の信号処理部へと送出する。この凸型回転体ミラー５０と撮像機構５１とは透光性の光学部材５４により光学的に結合されている。このように透光性の光学部材を用いるのは、ミラーの保持体を別に設けるとミラーの保持体自身が撮像画面に映り込んでしまうのを避けるためである。従来、このような光学部材の外観は球状や円柱状等で、その中が空洞状態となっており、その中に凸型回転ミラーが設置されていた。
【０００６】
この撮像装置で撮像される画像の光の経路を具体的に説明すると、透光性の光学部材５４の側面から入射される入射光１１は、透光性の光学部材５４を通過する際に２度屈折し（図示せず）、入射光１２となって凸型回転体ミラー５０へと向かう。そして、回転体ミラー５０で反射された反射光１２が撮像機構５１に至る。ここで、光学部材５４の側面の厚みは、通常、入射光１１と入射光１２が近似的に平行とみなされる程度に薄くされており、画像の歪みは後段の信号処理部で処理可能となる。
【０００７】
上記凸型回転体ミラーとしては、反射像が重なって映像が２重にならないように、表面で反射する光学系のミラーを用いる。また、この凸型回転体ミラーは、ミラー自体を金属材料で構成するか、凸型形状面の表面に金属材料を蒸着やメッキにより形成して作製される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の撮像装置において、上記凸型回転体ミラーの表面は、撮像機構と凸型回転体ミラーを光学的に結合するための上記光学部材の中で直接空気に触れているため、凸型回転体ミラー表面の金属の酸化や、蒸着またはメッキした金属材料の剥がれ等により反射率が低下するという問題があった。それに加えて、凸型回転体ミラーと上記光学部材の隙間からのごみや水分の侵入が発生し、画質が低下するという問題もあった。さらに、上記光学部材の構造が中空であるため、機械的に破損し易く、実際に使用する場面では機械的に破損しないようにするために取り扱いに特別な配慮が必要であった。
【０００９】
従って、このような撮像装置を屋外等で長時間使用すると、外部因子（例えば温度、湿度、紫外線等）により凸型回転体ミラー表面の金属材料が酸化して腐食したり、表面に蒸着もしくはメッキした金属材料が剥離したり、腐食したりするおそれがある。このため、金属材料の剥離や腐食を防ぎ、また、光学部材と凸型回転ミラーの接合部の防塵対策や防水対策を施す必要がある。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するべくなされたものであり、外部因子により凸型回転体ミラー表面の金属材料（蒸着もしくはメッキされた金属材料も含む）が酸化して凸型回転体ミラー表面の反射率が低下したり、凸型回転体ミラーと撮像機構を光学的に結合する光学部材の内部へゴミや水分が入り込んで撮像に障害を与えるのを防ぐことができる堅牢な撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、回転対称形状を有する凸面鏡と、該凸面鏡と対向する位置に配置され、レンズおよび撮像部を含む撮像機構とを有する撮像装置において、該凸面鏡と該撮像機構とを光学的に結合する光学部材を有し、該光学部材は、前記凸面鏡の回転軸と回転軸が一致した回転対称形状である半球形状であって、前記凸面鏡の表面を覆って密着するように透光性物質が充填されて形成されており、前記撮像機構のレンズは、前記光学部材によって直接支持された部材によって、その光軸が前記凸面鏡の回転軸と重なるように保持されており、前記凸面鏡から反射された反射光を、前記光学部材から前記撮像機構のレンズに向かって空気中に放出する反射光放出面が前記半球状の光学部材の外周面に設けられており、該反射光放出面が前記凸面鏡からの反射光と直交するように凹状に形成されていることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００１２】
前記光学部材は、前記レンズよりも屈折率が小さい物質からなっていてもよい。
【００１３】
前記光学部材と前記レンズとが同一物質からなっていてもよい。
【００１６】
前記反射光放出面が球面であってもよい。
【００１７】
前記凸面鏡が、鏡面効果を有する物質からなる薄膜を前記光学部材に形成された凹型形状面に形成することによって構成されていてもよい。
【００１８】
前記凸面鏡が、前記光学部材に形成された凹型形状面に密着する金属体の凸型形状表面にて構成されていてもよい。
【００１９】
前記鏡面効果を有する物質からなる薄膜または金属体がアルミニウムからなっていてもよい。
【００２０】
本発明は、前記撮像装置を製造する方法であって、前記凹型形状面を有する前記光学部材を成形し、該凹型形状面に、鏡面効果を有する物質からなる薄膜を形成して凸面鏡を作製する工程と、該光学部材の該凸面鏡と対向する位置に、前記レンズおよび前記撮像部を含む前記撮像機構を配置して該凸面鏡と該撮像機構とを光学的に結合させる工程とを含むことを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００２１】
また、本発明は、前記撮像装置を製造する方法であって、前記凹型形状面を有する前記光学部材を成形するとともに、前記金属体の凸型形状表面にて構成された前記凸面鏡を形成して、該光学部材を該凸面鏡に、該凹型形状面が凸面鏡表面を覆うように密着させる工程と、該光学部材の該凸面鏡と対向する位置に、前記レンズおよび前記撮像部を含む撮像機構を配置して該凸面鏡と該撮像機構とを光学的に結合させる工程とを含むことを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００２２】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００２３】
本発明にあっては、透光性物質が凸型回転体ミラー表面を覆うように密着して設けられ、その透光性物質自体が撮像機構と凸型回転体ミラーを光学的に結合する光学部材を構成している。よって、外部からの熱や紫外線等が加わっても、凸型回転体ミラー表面が酸化等により劣化することはなく、蒸着やメッキされた金属材料の剥離も生じず、凸型回転体ミラーの反射率低下を防ぐことが可能である。しかも、その透光性物質が光学部材の内部に充填されているため、光学部材内部へのごみや水分の入り込みによる撮像の障害も防ぐことが可能である。さらに、透光性物質が光学部材の内部に充填されているため、従来のように光学部材が中空になっている場合に比べて強度が高まり、視野角を広げることも可能である。
【００２４】
上記光学部材をレンズよりも屈折率が小さい物質で構成することにより、後述する実施形態２に示すように、光学部材として屈折率が大きい高価な材料を用いる必要がなくなる。
【００２５】
または、上記光学部材とレンズとを同一物質で構成することにより、後述する実施形態１に示すように、光学部材とレンズとを一体形成して光学系の調整を減らし、部品点数を減らすことも可能である。
【００２６】
上記凸面鏡を２葉双曲面のうちの一方の形状とし、光学部材の側面をその２葉双曲面の一方の焦点を中心とする球面とすることにより、光学部材内面での反射光の影響を無くして鮮明な画像を得ることが可能となる。
【００２７】
上記凸面鏡から反射された反射光を光学部材から撮像機構に向かって放出する反射光放出面を、反射光と直交して形成することにより、後述する実施形態３に示すように、光学設計が容易となる。なお、反射光が所定の焦点に集光するように設計されている場合には、反射光放出面をその焦点から一定距離の球面としてもよい。
【００２８】
上記光学部材に構成された凹型形状面に、鏡面効果を有する物質からなる薄膜を形成して凸面鏡とすることにより、凸面鏡と光学部材を一体的に作製して小型化を図ると共に、製造工程を簡略化することが可能となる。
【００２９】
または、金属体の凸型形状表面にて凸面鏡を構成することも可能である。
【００３０】
上記鏡面効果を有する物質または金属体としては、例えばアルミニウム、銀、白金、ニッケル−クロム合金および金等を用いることができるが、アルミニウムを用いることにより、安価な製品を提供することが可能である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
（実施形態１）
図１（ａ）は本発明の一実施形態である撮像装置の概略構成を示す図であり、図１（ｂ）はその断面図である。この図１（ａ）および図１（ｂ）において、１は凸型回転体ミラー、２は撮像機構、３は撮像機構内部のレンズ、４は撮像機構内部の撮像部、５は撮像機構２と凸型回転体ミラー１とを光学的に結合する（本実施形態では両者を一体的に保持している）透光性の光学部材である。
【００３３】
この撮像装置において、凸型回転体ミラー１は半球面、円錐形または双曲面等、回転対称形状を有する凸型ミラーである。この凸型回転体ミラー１は、アルミニウムやステンレス等の金属材料を使用して凸型回転体ミラーに沿った表面形状に成形した金属体を用いてもよい。または、凸型回転体の表面にアルミニウム、銀、白金、ニッケル−クロム合金、金等の鏡面効果を有する物質を蒸着したり、スパッタリングまたはメッキすることにより形成することができる。
【００３４】
特に、光学部材の撮像機構とは反対側の面に凹型回転体形状を形成し、その表面に鏡面効果を有する物質からなる薄膜を形成することにより、凸型回転体ミラーと光学部材を一体的に作製して、小型化および製造工程の簡略化を図ることもできる。この場合、ミラー裏面は樹脂等の透光性材料で埋めたり、フタを設けることにより、酸化等による光学部材の劣化を防ぐことができる。または、薄膜の厚みをある程度以上の厚みとしておくことにより、撮像機構側の表面まで酸化されるのを防ぐことができる。なお、凸型回転体ミラーを光学部材とは別に作製して、光学部材により撮像機構と結合させることも可能である。
【００３５】
撮像機構２は、ＣＣＤ等を用いた撮像部４にレンズを組み合わせた構成であり、凸型回転体ミラー１を利用して得られた反射像をレンズで集光して撮像部４で撮像し、その画像を電気信号（映像信号）として後段の信号処理部へ伝送する。
【００３６】
透光性の光学部材５は、アクリルやポリカーボネイト等、透光性で水分を通しにくい性質を有する樹脂や、透光性のガラス等からなる。この光学部材５は、従来技術とは異なり、その内部（側面、底面および凸型回転体ミラー１で囲まれた領域）が透光性物質で充填されている。
【００３７】
充填された透光性物質は、凸型回転体ミラー１表面と密着している。光学部材５の形状は、どのような形状であってもよいが、図１のような半球状や図２に示すような円柱状等、回転対称形状であって、その回転軸と凸型回転体ミラーの回転軸が一致している位置に配置されているのが好ましい。これは、回転軸から一定の距離だけ離れた光学部材側面では、入射された光が凸型回転体ミラー１に届くまでの光路長が同じ距離となるため、取り込まれた画像を処理する際に処理が容易になるからである。なお、図２（ａ）は本発明の他の一実施形態である撮像装置の概略構成を示す図であり、図２（ｂ）はその断面図である。この図２（ａ）および図２（ｂ）において、６は凸型回転体ミラー、７は撮像機構、８は撮像機構内部のレンズ、９は撮像機構内部の撮像部、１０は撮像機構７と凸型回転体ミラー６とを光学的に結合する（本実施形態では一体的に保持している）透光性の光学部材である。
【００３８】
図１に示すように、撮像機構２のレンズ３は、その光軸が凸型回転体ミラー１の回転軸と重なるように、光学部材５を挟んで配置されている。このように構成された撮像装置で撮像される画像の光の経路を具体的に説明すると、光学部材５の側面から入射される入射光１は、光学部材５内部に入射されるとその構成物質（透光性物質）により屈折して入射光２となる。ここで、透光性の光学部材５を構成するアクリルやポリカーボネイト等の透光性樹脂およびガラスは、屈折率が室温では空気よりも大きい。例えば透光性樹脂では屈折率が１．４９〜１．７１、ガラスでは屈折率が１．５２〜１．９０であるため、光学部材１の内部に樹脂やガラス等が充填されていない従来の構成と比べると、視野角が広がるため、このためにも、光学部材に透光性物質を充填することは有利な手段である。
【００３９】
この入射光２は凸型回転体ミラー１で反射され、反射光１となって光学部材５内部を通過して撮像機構２に至る。ここで、光学部材５を構成している透光性物質は凸型回転体ミラー１と密着しており、水分や空気を通さないため、凸型回転体ミラー１表面の腐食を防ぐことができる。
【００４０】
撮像機構２に入射された光はレンズ３を通り、画像が撮像部４に取り込まれて電気信号に変換され、後段の信号処理部へと伝送されていく。
【００４１】
なお、光学部材を構成する物質であるアクリル、ポリカーボネイト等の透光性樹脂やガラスは、光学用レンズとしても用いることが可能であるため、図３に示すように、撮像機構のレンズを光学部材と一体形成することもできる。図３（ａ）は本発明の他の一実施形態である撮像装置の概略構成を示し、図３（ｂ）はその断面図である。この図３（ａ）および図３（ｂ）において、１１は凸型回転体ミラー、１２は撮像機構、１３は撮像機構内部のレンズ、１４は撮像機構内部の撮像部、１５は撮像機構１２と凸型回転体ミラー１１とを光学的に結合する（本実施形態では両者を一体的に保持している）ための透光性の光学部材である。
【００４２】
この構成では、光学部材１５とレンズ１３の形状および位置を調整して設計しておくことにより、製品を作製する際に光学系の調整を減らし、また、部品点数も減らすことができるため、生産効率が向上して有利である。この場合にも、従来のように内部が中空状態の光学部材と比べて、機械的強度が高まることは言うまでもない。
【００４３】
（実施形態２）
図４（ａ）は実施形態２の撮像装置の概略構成を示す図であり、図４（ｂ）はその断面図である。この図４（ａ）および図４（ｂ）において、１６は凸型回転体ミラー、１７は撮像機構、１８は撮像機構内部のレンズ、１９は撮像機構内部の撮像部、２０は撮像機構１７と凸型回転体ミラー１６とを光学的に結合する（本実施形態では両者を一体的に保持している）ための透光性の光学部材である。
【００４４】
本実施形態の撮像装置において、光学部材２０とレンズ１８は共に透光性物質からなるが、光学部材２０よりも大きい屈折率を有する物質を用いてレンズ１８を構成する。また、本実施形態では、上記実施形態１において図１および図２に示した構成とは異なり、光学部材２０とレンズ１８が密着している。
【００４５】
この構成において、光学部材２０の側面から入射する光は、透光性の光学部材２０を構成する樹脂またはガラスを通過して凸型回転体ミラー１６に向かい、その光は凸型回転体ミラー１６の表面で反射される。そして、再度、光学部材２０の内部を通過して、空中に放出されることなく、撮像機構１７のレンズ１８に入射される。
【００４６】
本実施形態でも、図３の場合と同様に、光学部材２０とレンズ１８の形状および位置を調整して設計しておくことにより、製品を作製する際に光学系の調整を減らし、また、部品点数も減らすことができるため、生産効率が向上して有利である。また、この場合にも、従来のように内部が中空状態の保持体と比べて、機械的強度を向上させることができる。さらに、凸型回転体ミラー１６とレンズ１８が透光性樹脂またはガラス（透光性の光学部材２０）で密着されているため、レンズの入射面が汚れるのを防止することができる。
【００４７】
但し、上記透光性の光学部材を構成する物質の屈折率は空気の屈折率よりも大きいため、本実施形態の構成では、光学部材から放出された光が一旦空気層を通る構成に比べてレンズの曲率が大きくなる。よって、レンズを構成する物質としては屈折率の大きなものを用いる必要がある。しかし、屈折率が１．９２である鉛ガラスや屈折率が２．４２であるダイヤモンド等、屈折率の大きな物質は高価である場合が多いため、光学部材の材料としては極力、屈折率が低い物質を用いるのが望ましい。
【００４８】
（実施形態３）
図５は実施形態３の撮像装置の概略構成を示す図である。但し、この図では、光学部材内に充填されている透光性物質を省略して示している。この図５において、２１は凸型回転体ミラー、２３は撮像機構、２２は撮像機構２３と凸型回転体ミラー２１とを光学的に結合する（本実施形態では両者を一体的に保持している）ための透光性の光学部材である。
【００４９】
本実施形態では、凸型回転体ミラー２１で反射された光が撮像機構２３で像を作るような場合を考え、そのときに凸型回転体ミラー２１に入射される光を入射光３、入射光４、入射光５とし、その反射光を反射光３、反射光４、反射光５とする。入射光３、入射光４、入射光５は凸型回転体ミラー２１に至るまで空気中および透光性の光学部材２２の中を通過するが、空気と光学部材の境界面では屈折の法則が成り立つ。
【００５０】
この構成において、入射光３、入射光４、入射光５が光学部材側面の法線方向であれば、光学部材を構成する物質の屈折率に係わりなく、光が直進する。よって、必要な画像を得るための入射光を法線方向とする側面を有する光学部材を作製すれば、光の屈折を考慮する必要がないため、透光性の光学部材を構成する物質は屈折率が大きなものであっても、屈折率が小さなものであっても活用可能となり、光学設計が一層容易になる。
【００５１】
次に、光学部材側面と入射光が直交しない構成について考える。図６は、図５のＡに示すような凸型回転体ミラーの外側に近い部分を拡大した図である。この図６において、２４は凸型回転体ミラー、２６は撮像機構、２５は撮像機構２６と凸型回転体ミラー２４とを光学的に結合する（本実施形態では両者を一体的に保持している）ための透光性の光学部材である。
【００５２】
この構成において、入射光６が透光性の光学部材２５に向かって入射した場合、光学部材２５を構成する物質の屈折率により屈折し、入射光７となって凸型回転体ミラー２４に至る。凸型回転体ミラー２４で反射された光は反射光６となって透光性の光学部材２５の内部を通過して、空気との界面で屈折を起こし、反射光７となって撮像機構２６に向かう。
【００５３】
このとき、撮像機構においては、従来のように光学部材内が透光性樹脂やガラスで充填されていない構成では図６に示す入射光６’のような方向の光が進む部分に、上記構成では入射光６のような方向の光が入ってくるため、入力される画像の視野角が広がる。すなわち、光学部材の側面と入射光が直交しない構成では、視野角を広げることが可能になる。
【００５４】
さらに、光学部材側面の形状を球面形状にすることにより、光学部材内面での反射光の影響が無くなり、鮮明な画像を得ることが可能となる。また凸型回転体ミラーの形状を２葉双曲面形状とすることにより、撮像データを透視画像やパノラマ画像等の画像データに変換することが容易となる。
【００５５】
次に、図６に示した反射光６と反射光７について考える。図７は、図５のＢに示す部分を拡大した図である。この図７において、２７は透光性の光学部材、２８は撮像機構である。
【００５６】
ここでは、透光性の光学部材２７の中を凸型回転体ミラーから反射された光である反射光８、反射光９、反射光１０が進んでいる。これらの反射光は、光学部材２７から空気の層へと放出される際に、光学部材２７の屈折率と空気の屈折率の差により、その界面（反射光放出面）で屈折する。しかし、反射光がその界面に対して直交する場合には、光学部材を構成する物質の屈折率に係わりなく、光は屈折しない。よって、光学部材からレンズに向かう部分に反射光が法線方向となるような面を設けると、反射光が屈折しないので、光の屈折を考慮する必要がないため、透光性の光学部材を構成する物質は屈折率が大きなものであっても屈折率が小さなものであっても活用可能となり、光学設計が一層容易になる。
【００５７】
なお、図７に示すように、反射光が所定の焦点に集光されるように設計されている場合には、その焦点から一定距離の球面を描くように反射光放出面を構成すればよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、凸型回転体ミラー表面が透光性の光学部材を構成する透光性樹脂やガラス等の透光性物質と密着しているため、ミラー表面の酸化、腐食、剥離、汚れ、水分の侵入等を防ぐことができる。また、透光性の光学部材が、凸型回転体ミラー直下と光学部材側面と光学部材底面とに囲まれた領域を透光性物質にて充填して構成されているため、従来のように透光性光学部材が中空になっている場合に比べて光学部材の機械的強度が増す。さらに、小型化にも有利となり、製造工程も簡略化される。
【００５９】
さらに、透光性の光学部材の側面の形状を球面形状にすることにより、光学部材内面での反射光の影響がなくなり、鮮明な画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は実施形態１の撮像装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図２】（ａ）は実施形態１の他の撮像装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図３】（ａ）は実施形態１の他の撮像装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図４】（ａ）は実施形態２の撮像装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図５】実施形態３の撮像装置の概略構成を示す図である。
【図６】図５のＡに示すような凸型回転体ミラーの外側に近い部分を拡大した図である。
【図７】図５のＢに示す部分を拡大した図である。
【図８】（ａ）は従来の撮像装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はその断面図である。
【符号の説明】
１、６、１１、１６、２１、２４、５０ 凸型回転体ミラー
２、７、１２、１７、２３、２６、２８、５１ 撮像機構
３、８、１３、１８、５２ レンズ
４、９、１４、１９、５３ 撮像部
５、１０、１５、２０、２２、２５、２７、５４ 透光性の光学部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、周囲３６０°の全方位を撮像することが可能で、監視カメラ等の視覚システムの分野に用いられる撮像装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、監視カメラ等の視覚システムの分野において、カメラとコンピュータを組み合わせることにより、従来は人間が自らの視覚で行っていた観測作業をカメラに行わせるための様々な試みが実用化されつつある。
【０００３】
このような用途に適用するためには、一般的に用いられるカメラでは視野角が限られているため、魚眼レンズ等の広角レンズを用いて視野角を広げる試みがなされている。その一つとして、例えば移動ロボット等の分野では、円錐ミラーや球面ミラー等の回転対称形状を有する凸面鏡（以下、凸型回転体ミラーと称する）を応用する研究が活発に行われている。これは、凸型回転体ミラーにより周囲３６０°の視野角の光学映像を撮像し、これをビデオ画像に変換し、さらにコンピュータにより所望の画像へ変換処理するものである。
【０００４】
図８（ａ）は従来の凸型回転体ミラーを利用した撮像装置の概略構成を示す図であり、図８（ｂ）はその断面図である。この図８（ａ）および図８（ｂ）において、５０は凸型回転体ミラー、５１は撮像機構、５２は撮像機構内部のレンズ、５３は撮像機構内部の撮像部、５４は透光性の光学部材である。
【０００５】
この撮像装置は、図８に示すように、凸型回転体ミラー５１を利用して得られた反射像を撮像機構５１により映像信号に変換し、後段の信号処理部へと送出する。この凸型回転体ミラー５０と撮像機構５１とは透光性の光学部材５４により光学的に結合されている。このように透光性の光学部材を用いるのは、ミラーの保持体を別に設けるとミラーの保持体自身が撮像画面に映り込んでしまうのを避けるためである。従来、このような光学部材の外観は球状や円柱状等で、その中が空洞状態となっており、その中に凸型回転ミラーが設置されていた。
【０００６】
この撮像装置で撮像される画像の光の経路を具体的に説明すると、透光性の光学部材５４の側面から入射される入射光１１は、透光性の光学部材５４を通過する際に２度屈折し（図示せず）、入射光１２となって凸型回転体ミラー５０へと向かう。そして、回転体ミラー５０で反射された反射光１２が撮像機構５１に至る。ここで、光学部材５４の側面の厚みは、通常、入射光１１と入射光１２が近似的に平行とみなされる程度に薄くされており、画像の歪みは後段の信号処理部で処理可能となる。
【０００７】
上記凸型回転体ミラーとしては、反射像が重なって映像が２重にならないように、表面で反射する光学系のミラーを用いる。また、この凸型回転体ミラーは、ミラー自体を金属材料で構成するか、凸型形状面の表面に金属材料を蒸着やメッキにより形成して作製される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の撮像装置において、上記凸型回転体ミラーの表面は、撮像機構と凸型回転体ミラーを光学的に結合するための上記光学部材の中で直接空気に触れているため、凸型回転体ミラー表面の金属の酸化や、蒸着またはメッキした金属材料の剥がれ等により反射率が低下するという問題があった。それに加えて、凸型回転体ミラーと上記光学部材の隙間からのごみや水分の侵入が発生し、画質が低下するという問題もあった。さらに、上記光学部材の構造が中空であるため、機械的に破損し易く、実際に使用する場面では機械的に破損しないようにするために取り扱いに特別な配慮が必要であった。
【０００９】
従って、このような撮像装置を屋外等で長時間使用すると、外部因子（例えば温度、湿度、紫外線等）により凸型回転体ミラー表面の金属材料が酸化して腐食したり、表面に蒸着もしくはメッキした金属材料が剥離したり、腐食したりするおそれがある。このため、金属材料の剥離や腐食を防ぎ、また、光学部材と凸型回転ミラーの接合部の防塵対策や防水対策を施す必要がある。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するべくなされたものであり、外部因子により凸型回転体ミラー表面の金属材料（蒸着もしくはメッキされた金属材料も含む）が酸化して凸型回転体ミラー表面の反射率が低下したり、凸型回転体ミラーと撮像機構を光学的に結合する光学部材の内部へゴミや水分が入り込んで撮像に障害を与えるのを防ぐことができる堅牢な撮像装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、回転対称形状を有する凸面鏡と、該凸面鏡と対向する位置に配置され、レンズおよび撮像部を含む撮像機構とを有する撮像装置において、該凸面鏡と該撮像機構とを光学的に結合する光学部材を有し、該光学部材は、前記凸面鏡の回転軸と回転軸が一致した回転対称形状である半球形状であって、前記凸面鏡の表面を覆って密着するように透光性物質が充填されて形成されており、前記撮像機構のレンズは、前記光学部材によって直接支持された部材によって、その光軸が前記凸面鏡の回転軸と重なるように保持されており、前記凸面鏡から反射された反射光を、前記光学部材から前記撮像機構のレンズに向かって空気中に放出する反射光放出面が前記半球状の光学部材の外周面に設けられており、該反射光放出面が前記凸面鏡からの反射光と直交するように凹状に形成されていることを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００１２】
前記光学部材は、前記レンズよりも屈折率が小さい物質からなっていてもよい。
【００１３】
前記光学部材と前記レンズとが同一物質からなっていてもよい。
【００１６】
前記反射光放出面が球面であってもよい。
【００１７】
前記凸面鏡が、鏡面効果を有する物質からなる薄膜を前記光学部材に形成された凹型形状面に形成することによって構成されていてもよい。
【００１８】
前記凸面鏡が、前記光学部材に形成された凹型形状面に密着する金属体の凸型形状表面にて構成されていてもよい。
【００１９】
前記鏡面効果を有する物質からなる薄膜または金属体がアルミニウムからなっていてもよい。
【００２０】
本発明は、前記撮像装置を製造する方法であって、前記凹型形状面を有する前記光学部材を成形し、該凹型形状面に、鏡面効果を有する物質からなる薄膜を形成して凸面鏡を作製する工程と、該光学部材の該凸面鏡と対向する位置に、前記レンズおよび前記撮像部を含む前記撮像機構を配置して該凸面鏡と該撮像機構とを光学的に結合させる工程とを含むことを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００２１】
また、本発明は、前記撮像装置を製造する方法であって、前記凹型形状面を有する前記光学部材を成形するとともに、前記金属体の凸型形状表面にて構成された前記凸面鏡を形成して、該光学部材を該凸面鏡に、該凹型形状面が凸面鏡表面を覆うように密着させる工程と、該光学部材の該凸面鏡と対向する位置に、前記レンズおよび前記撮像部を含む撮像機構を配置して該凸面鏡と該撮像機構とを光学的に結合させる工程とを含むことを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００２２】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００２３】
本発明にあっては、透光性物質が凸型回転体ミラー表面を覆うように密着して設けられ、その透光性物質自体が撮像機構と凸型回転体ミラーを光学的に結合する光学部材を構成している。よって、外部からの熱や紫外線等が加わっても、凸型回転体ミラー表面が酸化等により劣化することはなく、蒸着やメッキされた金属材料の剥離も生じず、凸型回転体ミラーの反射率低下を防ぐことが可能である。しかも、その透光性物質が光学部材の内部に充填されているため、光学部材内部へのごみや水分の入り込みによる撮像の障害も防ぐことが可能である。さらに、透光性物質が光学部材の内部に充填されているため、従来のように光学部材が中空になっている場合に比べて強度が高まり、視野角を広げることも可能である。
【００２４】
上記光学部材をレンズよりも屈折率が小さい物質で構成することにより、後述する実施形態２に示すように、光学部材として屈折率が大きい高価な材料を用いる必要がなくなる。
【００２５】
または、上記光学部材とレンズとを同一物質で構成することにより、後述する実施形態１に示すように、光学部材とレンズとを一体形成して光学系の調整を減らし、部品点数を減らすことも可能である。
【００２６】
上記凸面鏡を２葉双曲面のうちの一方の形状とし、光学部材の側面をその２葉双曲面の一方の焦点を中心とする球面とすることにより、光学部材内面での反射光の影響を無くして鮮明な画像を得ることが可能となる。
【００２７】
上記凸面鏡から反射された反射光を光学部材から撮像機構に向かって放出する反射光放出面を、反射光と直交して形成することにより、後述する実施形態３に示すように、光学設計が容易となる。なお、反射光が所定の焦点に集光するように設計されている場合には、反射光放出面をその焦点から一定距離の球面としてもよい。
【００２８】
上記光学部材に構成された凹型形状面に、鏡面効果を有する物質からなる薄膜を形成して凸面鏡とすることにより、凸面鏡と光学部材を一体的に作製して小型化を図ると共に、製造工程を簡略化することが可能となる。
【００２９】
または、金属体の凸型形状表面にて凸面鏡を構成することも可能である。
【００３０】
上記鏡面効果を有する物質または金属体としては、例えばアルミニウム、銀、白金、ニッケル−クロム合金および金等を用いることができるが、アルミニウムを用いることにより、安価な製品を提供することが可能である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
（実施形態１）
図１（ａ）は本発明の一実施形態である撮像装置の概略構成を示す図であり、図１（ｂ）はその断面図である。この図１（ａ）および図１（ｂ）において、１は凸型回転体ミラー、２は撮像機構、３は撮像機構内部のレンズ、４は撮像機構内部の撮像部、５は撮像機構２と凸型回転体ミラー１とを光学的に結合する（本実施形態では両者を一体的に保持している）透光性の光学部材である。
【００３３】
この撮像装置において、凸型回転体ミラー１は半球面、円錐形または双曲面等、回転対称形状を有する凸型ミラーである。この凸型回転体ミラー１は、アルミニウムやステンレス等の金属材料を使用して凸型回転体ミラーに沿った表面形状に成形した金属体を用いてもよい。または、凸型回転体の表面にアルミニウム、銀、白金、ニッケル−クロム合金、金等の鏡面効果を有する物質を蒸着したり、スパッタリングまたはメッキすることにより形成することができる。
【００３４】
特に、光学部材の撮像機構とは反対側の面に凹型回転体形状を形成し、その表面に鏡面効果を有する物質からなる薄膜を形成することにより、凸型回転体ミラーと光学部材を一体的に作製して、小型化および製造工程の簡略化を図ることもできる。この場合、ミラー裏面は樹脂等の透光性材料で埋めたり、フタを設けることにより、酸化等による光学部材の劣化を防ぐことができる。または、薄膜の厚みをある程度以上の厚みとしておくことにより、撮像機構側の表面まで酸化されるのを防ぐことができる。なお、凸型回転体ミラーを光学部材とは別に作製して、光学部材により撮像機構と結合させることも可能である。
【００３５】
撮像機構２は、ＣＣＤ等を用いた撮像部４にレンズを組み合わせた構成であり、凸型回転体ミラー１を利用して得られた反射像をレンズで集光して撮像部４で撮像し、その画像を電気信号（映像信号）として後段の信号処理部へ伝送する。
【００３６】
透光性の光学部材５は、アクリルやポリカーボネイト等、透光性で水分を通しにくい性質を有する樹脂や、透光性のガラス等からなる。この光学部材５は、従来技術とは異なり、その内部（側面、底面および凸型回転体ミラー１で囲まれた領域）が透光性物質で充填されている。
【００３７】
充填された透光性物質は、凸型回転体ミラー１表面と密着している。光学部材５の形状は、どのような形状であってもよいが、図１のような半球状や図２に示すような円柱状等、回転対称形状であって、その回転軸と凸型回転体ミラーの回転軸が一致している位置に配置されているのが好ましい。これは、回転軸から一定の距離だけ離れた光学部材側面では、入射された光が凸型回転体ミラー１に届くまでの光路長が同じ距離となるため、取り込まれた画像を処理する際に処理が容易になるからである。なお、図２（ａ）は本発明の他の一実施形態である撮像装置の概略構成を示す図であり、図２（ｂ）はその断面図である。この図２（ａ）および図２（ｂ）において、６は凸型回転体ミラー、７は撮像機構、８は撮像機構内部のレンズ、９は撮像機構内部の撮像部、１０は撮像機構７と凸型回転体ミラー６とを光学的に結合する（本実施形態では一体的に保持している）透光性の光学部材である。
【００３８】
図１に示すように、撮像機構２のレンズ３は、その光軸が凸型回転体ミラー１の回転軸と重なるように、光学部材５を挟んで配置されている。このように構成された撮像装置で撮像される画像の光の経路を具体的に説明すると、光学部材５の側面から入射される入射光１は、光学部材５内部に入射されるとその構成物質（透光性物質）により屈折して入射光２となる。ここで、透光性の光学部材５を構成するアクリルやポリカーボネイト等の透光性樹脂およびガラスは、屈折率が室温では空気よりも大きい。例えば透光性樹脂では屈折率が１．４９〜１．７１、ガラスでは屈折率が１．５２〜１．９０であるため、光学部材１の内部に樹脂やガラス等が充填されていない従来の構成と比べると、視野角が広がるため、このためにも、光学部材に透光性物質を充填することは有利な手段である。
【００３９】
この入射光２は凸型回転体ミラー１で反射され、反射光１となって光学部材５内部を通過して撮像機構２に至る。ここで、光学部材５を構成している透光性物質は凸型回転体ミラー１と密着しており、水分や空気を通さないため、凸型回転体ミラー１表面の腐食を防ぐことができる。
【００４０】
撮像機構２に入射された光はレンズ３を通り、画像が撮像部４に取り込まれて電気信号に変換され、後段の信号処理部へと伝送されていく。
【００４１】
なお、光学部材を構成する物質であるアクリル、ポリカーボネイト等の透光性樹脂やガラスは、光学用レンズとしても用いることが可能であるため、図３に示すように、撮像機構のレンズを光学部材と一体形成することもできる。図３（ａ）は本発明の他の一実施形態である撮像装置の概略構成を示し、図３（ｂ）はその断面図である。この図３（ａ）および図３（ｂ）において、１１は凸型回転体ミラー、１２は撮像機構、１３は撮像機構内部のレンズ、１４は撮像機構内部の撮像部、１５は撮像機構１２と凸型回転体ミラー１１とを光学的に結合する（本実施形態では両者を一体的に保持している）ための透光性の光学部材である。
【００４２】
この構成では、光学部材１５とレンズ１３の形状および位置を調整して設計しておくことにより、製品を作製する際に光学系の調整を減らし、また、部品点数も減らすことができるため、生産効率が向上して有利である。この場合にも、従来のように内部が中空状態の光学部材と比べて、機械的強度が高まることは言うまでもない。
【００４３】
（実施形態２）
図４（ａ）は実施形態２の撮像装置の概略構成を示す図であり、図４（ｂ）はその断面図である。この図４（ａ）および図４（ｂ）において、１６は凸型回転体ミラー、１７は撮像機構、１８は撮像機構内部のレンズ、１９は撮像機構内部の撮像部、２０は撮像機構１７と凸型回転体ミラー１６とを光学的に結合する（本実施形態では両者を一体的に保持している）ための透光性の光学部材である。
【００４４】
本実施形態の撮像装置において、光学部材２０とレンズ１８は共に透光性物質からなるが、光学部材２０よりも大きい屈折率を有する物質を用いてレンズ１８を構成する。また、本実施形態では、上記実施形態１において図１および図２に示した構成とは異なり、光学部材２０とレンズ１８が密着している。
【００４５】
この構成において、光学部材２０の側面から入射する光は、透光性の光学部材２０を構成する樹脂またはガラスを通過して凸型回転体ミラー１６に向かい、その光は凸型回転体ミラー１６の表面で反射される。そして、再度、光学部材２０の内部を通過して、空中に放出されることなく、撮像機構１７のレンズ１８に入射される。
【００４６】
本実施形態でも、図３の場合と同様に、光学部材２０とレンズ１８の形状および位置を調整して設計しておくことにより、製品を作製する際に光学系の調整を減らし、また、部品点数も減らすことができるため、生産効率が向上して有利である。また、この場合にも、従来のように内部が中空状態の保持体と比べて、機械的強度を向上させることができる。さらに、凸型回転体ミラー１６とレンズ１８が透光性樹脂またはガラス（透光性の光学部材２０）で密着されているため、レンズの入射面が汚れるのを防止することができる。
【００４７】
但し、上記透光性の光学部材を構成する物質の屈折率は空気の屈折率よりも大きいため、本実施形態の構成では、光学部材から放出された光が一旦空気層を通る構成に比べてレンズの曲率が大きくなる。よって、レンズを構成する物質としては屈折率の大きなものを用いる必要がある。しかし、屈折率が１．９２である鉛ガラスや屈折率が２．４２であるダイヤモンド等、屈折率の大きな物質は高価である場合が多いため、光学部材の材料としては極力、屈折率が低い物質を用いるのが望ましい。
【００４８】
（実施形態３）
図５は実施形態３の撮像装置の概略構成を示す図である。但し、この図では、光学部材内に充填されている透光性物質を省略して示している。この図５において、２１は凸型回転体ミラー、２３は撮像機構、２２は撮像機構２３と凸型回転体ミラー２１とを光学的に結合する（本実施形態では両者を一体的に保持している）ための透光性の光学部材である。
【００４９】
本実施形態では、凸型回転体ミラー２１で反射された光が撮像機構２３で像を作るような場合を考え、そのときに凸型回転体ミラー２１に入射される光を入射光３、入射光４、入射光５とし、その反射光を反射光３、反射光４、反射光５とする。入射光３、入射光４、入射光５は凸型回転体ミラー２１に至るまで空気中および透光性の光学部材２２の中を通過するが、空気と光学部材の境界面では屈折の法則が成り立つ。
【００５０】
この構成において、入射光３、入射光４、入射光５が光学部材側面の法線方向であれば、光学部材を構成する物質の屈折率に係わりなく、光が直進する。よって、必要な画像を得るための入射光を法線方向とする側面を有する光学部材を作製すれば、光の屈折を考慮する必要がないため、透光性の光学部材を構成する物質は屈折率が大きなものであっても、屈折率が小さなものであっても活用可能となり、光学設計が一層容易になる。
【００５１】
次に、光学部材側面と入射光が直交しない構成について考える。図６は、図５のＡに示すような凸型回転体ミラーの外側に近い部分を拡大した図である。この図６において、２４は凸型回転体ミラー、２６は撮像機構、２５は撮像機構２６と凸型回転体ミラー２４とを光学的に結合する（本実施形態では両者を一体的に保持している）ための透光性の光学部材である。
【００５２】
この構成において、入射光６が透光性の光学部材２５に向かって入射した場合、光学部材２５を構成する物質の屈折率により屈折し、入射光７となって凸型回転体ミラー２４に至る。凸型回転体ミラー２４で反射された光は反射光６となって透光性の光学部材２５の内部を通過して、空気との界面で屈折を起こし、反射光７となって撮像機構２６に向かう。
【００５３】
このとき、撮像機構においては、従来のように光学部材内が透光性樹脂やガラスで充填されていない構成では図６に示す入射光６’のような方向の光が進む部分に、上記構成では入射光６のような方向の光が入ってくるため、入力される画像の視野角が広がる。すなわち、光学部材の側面と入射光が直交しない構成では、視野角を広げることが可能になる。
【００５４】
さらに、光学部材側面の形状を球面形状にすることにより、光学部材内面での反射光の影響が無くなり、鮮明な画像を得ることが可能となる。また凸型回転体ミラーの形状を２葉双曲面形状とすることにより、撮像データを透視画像やパノラマ画像等の画像データに変換することが容易となる。
【００５５】
次に、図６に示した反射光６と反射光７について考える。図７は、図５のＢに示す部分を拡大した図である。この図７において、２７は透光性の光学部材、２８は撮像機構である。
【００５６】
ここでは、透光性の光学部材２７の中を凸型回転体ミラーから反射された光である反射光８、反射光９、反射光１０が進んでいる。これらの反射光は、光学部材２７から空気の層へと放出される際に、光学部材２７の屈折率と空気の屈折率の差により、その界面（反射光放出面）で屈折する。しかし、反射光がその界面に対して直交する場合には、光学部材を構成する物質の屈折率に係わりなく、光は屈折しない。よって、光学部材からレンズに向かう部分に反射光が法線方向となるような面を設けると、反射光が屈折しないので、光の屈折を考慮する必要がないため、透光性の光学部材を構成する物質は屈折率が大きなものであっても屈折率が小さなものであっても活用可能となり、光学設計が一層容易になる。
【００５７】
なお、図７に示すように、反射光が所定の焦点に集光されるように設計されている場合には、その焦点から一定距離の球面を描くように反射光放出面を構成すればよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、凸型回転体ミラー表面が透光性の光学部材を構成する透光性樹脂やガラス等の透光性物質と密着しているため、ミラー表面の酸化、腐食、剥離、汚れ、水分の侵入等を防ぐことができる。また、透光性の光学部材が、凸型回転体ミラー直下と光学部材側面と光学部材底面とに囲まれた領域を透光性物質にて充填して構成されているため、従来のように透光性光学部材が中空になっている場合に比べて光学部材の機械的強度が増す。さらに、小型化にも有利となり、製造工程も簡略化される。
【００５９】
さらに、透光性の光学部材の側面の形状を球面形状にすることにより、光学部材内面での反射光の影響がなくなり、鮮明な画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は実施形態１の撮像装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図２】（ａ）は実施形態１の他の撮像装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図３】（ａ）は実施形態１の他の撮像装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図４】（ａ）は実施形態２の撮像装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図５】実施形態３の撮像装置の概略構成を示す図である。
【図６】図５のＡに示すような凸型回転体ミラーの外側に近い部分を拡大した図である。
【図７】図５のＢに示す部分を拡大した図である。
【図８】（ａ）は従来の撮像装置の概略構成を示す図であり、（ｂ）はその断面図である。
【符号の説明】
１、６、１１、１６、２１、２４、５０ 凸型回転体ミラー
２、７、１２、１７、２３、２６、２８、５１ 撮像機構
３、８、１３、１８、５２ レンズ
４、９、１４、１９、５３ 撮像部
５、１０、１５、２０、２２、２５、２７、５４ 透光性の光学部材
Claims (9)
- 回転対称形状を有する凸面鏡と、
該凸面鏡と対向する位置に配置され、レンズおよび撮像部を含む撮像機構とを有する撮像装置において、
該凸面鏡と該撮像機構とを光学的に結合する光学部材を有し、該光学部材は、前記凸面鏡の回転軸と回転軸が一致した回転対称形状である半球形状であって、前記凸面鏡の表面を覆って密着するように透光性物質が充填されて形成されており、
前記撮像機構のレンズは、前記光学部材によって直接支持された部材によって、その光軸が前記凸面鏡の回転軸と重なるように保持されており、
前記凸面鏡から反射された反射光を、前記光学部材から前記撮像機構のレンズに向かって空気中に放出する反射光放出面が前記半球状の光学部材の外周面に設けられており、該反射光放出面が前記凸面鏡からの反射光と直交するように凹状に形成されていることを特徴とする撮像装置。 - 前記光学部材は、前記レンズよりも屈折率が小さい物質からなることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記光学部材と前記レンズとが同一物質からなることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記反射光放出面が球面であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記凸面鏡が、鏡面効果を有する物質からなる薄膜を前記光学部材に形成された凹型形状面に形成することによって構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記凸面鏡が、前記光学部材に形成された凹型形状面に密着する金属体の凸型形状表面にて構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記鏡面効果を有する物質からなる薄膜または金属体がアルミニウムからなることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の撮像装置。
- 請求項５に記載の撮像装置を製造する方法であって、
前記凹型形状面を有する前記光学部材を成形し、該凹型形状面に、鏡面効果を有する物質からなる薄膜を形成して凸面鏡を作製する工程と、
該光学部材の該凸面鏡と対向する位置に、前記レンズおよび前記撮像部を含む前記撮像機構を配置して該凸面鏡と該撮像機構とを光学的に結合させる工程とを含むことを特徴とする撮像装置の製造方法。 - 請求項６に記載の撮像装置を製造する方法であって、
前記凹型形状面を有する前記光学部材を成形するとともに、前記金属体の凸型形状表面にて構成された前記凸面鏡を形成して、該光学部材を該凸面鏡に、該凹型形状面が凸面鏡表面を覆うように密着させる工程と、
該光学部材の該凸面鏡と対向する位置に、前記レンズおよび前記撮像部を含む撮像機構を配置して該凸面鏡と該撮像機構とを光学的に結合させる工程とを含むことを特徴とする撮像装置の製造方法。
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