(57)【要約】      （修正有）【課題】サラウンドビュー飛行時間ベースの衝突回避システムのために所望の範囲の天頂角と方位角の組み合わせを提供する。【解決手段】飛行時間深度検知アプリケーションの撮像システムは、像面（１４）上の画像において、１２０°より大きい画角で撮像するように構成されたレンズ系（１０）と、像面（１４）内の画像の少なくとも一部を電子画像信号に変換するように構成されたセンサシステムと、電子画像信号を分析し、得られた環境情報を出力するように構成された評価電子機器とを具備し、レンズ系（１０）及び／又はセンサシステムは、６０°より大きい天頂角で始まる視野を明確に撮像するように設計されている。【選択図】図３
2020197713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
像面（１４）上の画像において１２０°より大きい画角で撮像するように構成されたレンズ系（１０）と、
前記像面（１４）中の画像（１６）の少なくとも一部を電子画像信号に変換するように構成されたセンサシステム（２０）と、
前記電子画像信号を分析し、得られた環境情報を出力するように構成された評価電子機器（３０）と、
を具備し、
前記レンズ系（１０）及び／又は前記センサシステム（２０）は、６０°より大きい天頂角から始まる視野で明確に撮像するように設計されていることを特徴とする、
飛行時間深度検知アプリケーションのための撮像システム（１００）。
【請求項２】
前記評価電子機器（３０）はさらに、画像信号の光学歪みを補正し、歪みのない画像情報を出力するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像システム。
【請求項３】
前記レンズ系（１０）は、前記視野の外の天頂角と比べて前記視野の天頂角の倍率を増大させるために設計パラメータとしてパノモーフ歪みを使用するパノモーフレンズ系（１０）であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像システム。
【請求項４】
前記レンズ系（１０）は、前記像面（１４）のアスペクト比を変更するように構成されたアナモフィックレンズ系（１０）であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の撮像システム。
【請求項５】
前記レンズ系（１０）の入口開口部の中央領域は、ブラインド（１６）で覆わ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１項に記載の撮像システム。
【請求項６】
前記レンズ系（１０）は、反射屈折レンズ系であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の撮像システム。
【請求項７】
前記レンズ系（１０）の第１のレンズは、オブジェクト光線が単一の内部全反射（４２）によって反射される両凹レンズ要素（４０）であることを特徴とする請求項６に記載の撮像システム。
【請求項８】
前記レンズ系（１０）の第１のレンズは、オブジェクト光線が２回の内部全反射（５２、５４）によって反射される複雑な自由形状レンズ要素（５０）であることを特徴とする請求項６に記載の撮像システム。
【請求項９】
前記レンズ系（１０）は、プラスチックレンズ、ガラスレンズ、又はそれらの組み合わせを具備することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の撮像システム。
【請求項１０】
前記センサシステム（２０）は、少なくとも単一の２Ｄセンサ、少なくとも単一の１Ｄセンサ又はそれらの組み合わせを具備することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の撮像システム。
【請求項１１】
前記画像（１６）の中央領域の検出は、前記センサシステム（２０）から除外されることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の撮像システム。
【請求項１２】
前記視野は、８０°と１００°との間、又は６０°と９０°との間、又は９０°と１２０°との間の天頂角を具備することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の撮像システム。
【請求項１３】
前記センサシステム（２０）は、エミッターアレイと組み合わされることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の撮像システム。
【請求項１４】
前記センサシステム（２０）及び前記エミッターアレイは、コヒーレントトランシーバを形成することを特徴とする請求項１３に記載の撮像システム。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の撮像システムを具備する衝突回避システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛行時間（ＴＯＦ）深度検知アプリケーションのためのサラウンドビュー撮像システム、及びそのような撮像システムを具備する飛行時間深度検知ベースの衝突回避システムに関する。さまざまなタイプの光学システムとセンサ構成により、サラウンドビュー飛行時間深度検知ベースの衝突回避システムに、さまざまな天頂角と方位角の組み合わせを提供することができる。
【背景技術】
【０００２】
セキュリティ、自動車、ロボット工学を含むの多くの分野で、所定の基準点に対する飛行時間深度測定のためにサラウンドビューの視点を取得することの必要性が高まっている。この基準点は、通常、いくつかの照明及び撮像システムに対応している。アプリケーションに応じて、この基準点は静止した位置にある場合（しばしば防犯カメラを伴う場合）、又は移動する物体（自動車、フォークリフト、移動ロボットなど）に配置される場合がある。
【０００３】
サラウンドビュー画像を取得するには、通常、複数の個別の撮像システムが必要であり、個々の視野（ＦＯＶ）をパノラマ環境ビューの形で組み合わせることができるように配置する必要がある。複数の画像システムを実装すると、特にさまざまなセンサを考慮すると、コストが高くなる。従って、単一のレンズ系によって単一のセンサ上に同等のサラウンドビュー画像を作成するための技術的なソリューションが求められている。この文脈では、サラウンドビューとは、３６０°のパノラマビューを単一の撮像システムで（少なくとも原則として）撮像できることを意味する。
【０００４】
典型的な飛行時間深度検知システムは、ビーム形成（例えば、時間的に及び／又は空間的に、電子ビーム形成及び／又は光学ビーム形成を行うこと）を含む照明システムと、受信光学系（例えば、単一レンズ又はレンズ系／対物レンズ）及び画像検出用のセンサを具備する撮像システムと、距離を計算し、検出された画像信号からいくつかのアラームを設定することもできる評価用電子機器とで構成される。照明システムは通常、変調光又はパルス光を送り出す。物体の距離は、放射された光が照明システムからオブジェクトまで行き、そして受信光学系に戻ってくるために必要な飛行時間から計算できる。
【０００５】
光ビーム形成は、照明システムに含まれるビーム整形光学系によって行うことができる。ビーム整形光学系と受信光学系を、別々の光学要素（一方向光学系）にすることができ、又は、ビーム整形光学系と受信光学系は、対応する光学系の単一のコンポーネント、複数コンポーネント、又はすべてのコンポーネントを共通に使用することができる（双方向光学系）。このような飛行時間深度検知システムは、通常、光／レーザー測距及び検出（ＬｉＤＡＲ／ＬａＤＡＲ）を使用するシステムと称される。
【０００６】
撮像システムのレンズ系の最初のレンズとして、広角レンズ（例えば、「魚眼」レンズやレクチリニアレンズ）を使用して、サラウンドビュー画像を作成することができる。広角レンズは、レンズで画像を提供できる最大天頂角として、１８０°を超える画角（ＡＯＶ）を持つことができる。ＡＯＶが１８０°を超えるレンズは、超広角レンズとも呼ばれる。約３００°までの画角を達成することができる。通常の軸対称の撮像システムでは、撮像可能な方位角の範囲は一般に３６０°であり、方位角の方向のサラウンドビューが可能となる。従って、超広角レンズを使用すると、最大約３πステラジアンの立体角Ωで撮像できる。広角レンズは通常、強い曲線バレル歪みを示すが、レクチリニアレンズである程度光学的に補正できる。光学的バレル歪み補正も、関連するレンズ系の設計に含めることができる。１８０°より大きい範囲の角度を持つレンズ系は、超広角レンズ系と呼ばれる。
【０００７】
地上ベースのアプリケーション向けの衝突回避システムでは、多くの場合、地面近くの限られた天頂角範囲でのみサラウンドビュー撮像を必要とする。車両の衝突回避システムの場合、レンズ系の光軸が通常「上空」に向いているため、０°から６０°までの低い天頂角はほとんどの場合、あまり重要ではない。ただし、標準の広角レンズ系は、画像の中央領域に最適な撮像結果が得られるように設計されている。外側の領域では、画像のシャープネスが低下していることが多く、映像の直線性が低くなる。精巧な光学補正を適用した場合でも、標準ゾーンの超広角レンズ系では、対象領域（ＺＯＩ）での曲率や光学歪みの増加のような収差の影響を処理することは困難である。視野角が広いため、オブジェクト光線が可能なすべての方向から光学システムに入射し、レンズ系内部の望ましくない内部反射によってノイズが発生する。さらに、ＺＯＩの外にある明るい日光その他の強い光源がセンサを過度に照らし、センサ検出での信号対雑音比（ＳＮＲ）を低下させる可能性がある。従って、センサの電子画像信号には、計算用電子機器により何らかの処理を行わなければならないような望ましくない画像部分が含まれる。
【０００８】
従って、本発明により解決すべき課題は、飛行時間深度検知アプリケーションのためのサラウンドビュー撮像システム及び飛行時間深度検知ベースの衝突回避システムを提供するための課題に関連し、少なくとも従来技術におけるこのような課題を回避するか、最小限に抑えるものである。特に、本発明は、サラウンドビュー飛行時間ベースの衝突回避システムのために所望の範囲の天頂角と方位角の組み合わせを提供する、サラウンドビュー撮像システムに関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、像面上の画像において１２０°より大きい画角で撮像するように構成されたレンズ系と、像面中の画像の少なくとも一部を電子画像信号に変換するように構成されたセンサシステムと、電子画像信号を分析し、得られた環境情報を出力するように構成された評価電子機器とを具備し、レンズ系及び／又はセンサシステムは、６０°より大きい天頂角から始まる視野で明確に撮像するように設計されていることを特徴とする撮像システムを少なくとも提供することにより、課題を解決する。
【００１０】
好ましくは、レンズ系はさらに、レンズ系の光軸に垂直な像面上の画像（垂直画像）において、レンズ系の光軸の周りを画像化（軸対称撮像）するように構成される。しかしながら、レンズ系のいくつかの構成要素はまた、軸外に配置されてもよく、又は像面は、光学系の光軸に対してずらすこと及び／又は傾斜させることもできる。そのような実施形態により、撮像システムのＦＯＶを所定のＴＯＦ深度検知アプリケーションの好ましいＺＯＩに一致させるための順応性を向上させることができる。
【００１１】
評価電子機器によって出力される環境情報は、画像信号に含まれるあらゆるタイプの情報とすることができる。いくつかの実施形態では、トリガー信号のみを環境情報として出力することができる。トリガー信号は、外部イベントを始動させるために利用することができる。例えば、移動ロボットの衝突回避システムでは、画像信号から完全な３次元画像（３Ｄ画像）又は３Ｄ点群を再構成する必要がない場合がある。最小許容距離に関連付けられた単純なトリガー信号により、ロボットを即座に停止して衝突を十分回避できる。他のタイプの環境情報は、２次元画像（２Ｄ画像）又は完全に再構成された３Ｄ画像又は３Ｄ点群である。これらの画像には、レンズ系によって引き起こされる光学的な歪みが含まれる場合がある。ただし、衝突回避システムでは、所定のレンズ系データを使用して距離の追加計算をする必要になる場合がある。評価用電子機器はさらに、画像認識結果に基づいて、識別されたメタデータの形式で環境情報を出力することができる。この場合、出力される環境情報は、たとえば、２つの要素、すなわち、オブジェクト識別子及び基準点から識別されたオブジェクトまでの距離を示す数値、で構成される配列にすることもできる。
【００１２】
いくつかののアプリケーションでは、環境情報を人間に提示する必要がある場合もある。衝突回避システムは、２Ｄ画像、３Ｄ画像、又はレンズ系からの光学歪みを含む３Ｄ点群で機能する可能性があるが、人間の場合、これらの画像には歪みがないか、歪みが補正されている必要がある。従って、評価電子機器は、画像信号の光学歪みを補正し、歪みのない画像情報を出力するようにさらに適合させることができる。これは、所定のレンズ系データが評価電子回路によって使用され、電子画像信号の光学歪みを補正して、歪みのない画像情報として環境情報を出力することを意味する。センサによって収集された画像の表示又は処理を容易にするために、ソフトウェア又は同等の回路を評価電子機器に実装して、電子画像信号から歪みを除去し、長方形又は台形のフォーマットで画像情報を形成することができる。歪みのない画像情報から、歪みのない３Ｄ点群を計算することもできる。
【００１３】
本発明は、広角レンズ系を使用するほとんどのＴＯＦ深度検知アプリケーションについて、対応するＺＯＩが、６０°より大きい天頂角に広がる視野にあるという発見に基づいている。それより小さい天頂角の範囲は、そのような用途ではあまり重要ではない可能性がある。標準的な広角レンズ系は通常、画像の中央領域で最高の画像結果を提供するように設計されているため、ほとんどの画像機能はＺＯＩの外側の画像領域では使われない。例えば、６０°を超える天頂角から始まる撮像ＦＯＶのためのレンズ系を設計することにより、関連する特定のＴＯＦ深度検知アプリケーションのＺＯＩに対してレンズ系を最適化できる。特に、レンズ系は、ＦＯＶ内のすべての撮像点に回折限界の撮像を提供するように最適化することができる。対応するレンズ系の設計では、６０°未満の天頂角での撮像は完全に無視することができる。
【００１４】
好ましい実施形態では、レンズ系は、視野外の天頂角と比べて視野内の天頂角の倍率を増大させるために設計パラメータとしてパノモーフ歪みを使用する、パノモーフレンズ系である。パノモーフレンズ系は、特に所定のＺＯＩの光学性能を向上させるように設計されている。次に、像面内のＦＯＶの画像が、ＦＯＶの外側の画像領域と比べて拡大される。従って、画像が検知システムによって検出されると、画像の解像度を高めることができる。レンズ系でパノモーフ歪みを使用することにより、利用可能なセンサ面に画像スケールを適合させて、所定のセンサの画像解像度を最適化することができる。従って、レンズ系は、６０°より大きい天頂角から始まる明確な撮像ＦＯＶのために最適化することができる。
【００１５】
別の好ましい実施形態では、レンズ系は、像面内の画像のアスペクト比を変更するように構成されたアナモルフィックレンズ系である。アナモルフィックレンズ系では、シリンドリカルレンズ及び／又はトロイダルレンズが軸対称でない撮像に使用される。アナモルフィック設計は、所定のセンサと像面の画像が異なるアスペクト比を示す場合に役立つことがある。そのため、センサが画像全体を検出できない場合や、センサの一部が撮像に使用されない場合があり、それにより、利用可能な画像解像度が無駄になる。異なるアスペクト比を一致させるために、アナモルフィック歪みをレンズ系に統合することができる。また、この実施形態では、レンズ系は、６０°より大きい天頂角で始まる明確な撮像ＦＯＶのために最適化することができる。
【００１６】
別の好ましい実施形態では、レンズ系の入口開口部の中央領域は、ブラインドで覆われている。ブラインドは、６０°未満の好ましくない小さな天頂角から入る光線をブロックする。望ましくは、ブラインドは、面合わせした（例えば、湾曲した）円形ブラインド、対応する楕円ブラインド又は対応する自由形状ブラインドとすることができる。一部の領域では、ブラインドが６０°を超える天頂角を覆う場合もある。撮像システムの有効ＦＯＶをさらに定義するためにブラインドの形状を用いることもでき、これは、特定の天頂角の範囲及び/又は方位角の範囲をブラインドで選択的にブロックできることを意味する。
【００１７】
代替的な好ましい実施形態では、レンズ系の入口開口部の中央領域以外の少なくとも１つの領域は、ブラインドによって覆われる。この実施形態では、レンズ系のブラインドを特定の天頂角及び／又は方位角角範囲を遮断するために使用することができる一方、６０°より大きい天頂角で始まる明確な撮像ＦＯＶのために別の設計アプローチを用いる。この場合、ブラインドは柔軟なブロッキング機能を提供する。
【００１８】
別の好ましい実施形態では、レンズ系は、屈折光学要素と反射光学要素が組み合わされた反射屈折レンズ系である。反射屈折レンズ系は、非常にコンパクトなレンズ系の設計が必要な場合に一般的に使用される。さらに、そのようなシステムでは、色収差と軸外収差を最小限に抑えることができる。望ましくは、レンズ系の第１のレンズは、オブジェクト光線が単一の内部全反射によって反射される両凹レンズ要素とすることである。また、レンズ系の第１のレンズは、オブジェクト光線が２回の内部全反射によって反射される複雑な自由形状レンズ要素であることも好ましい。しかしながら、反射は、金属又は誘電体ミラーとして設計されたレンズ系の表面でも発生する可能性がある。
【００１９】
別の好ましい実施形態では、レンズ系は、プラスチックレンズ、ガラスレンズ、又はそれらの組み合わせを具備する。プラスチックレンズは、標準のガラスレンズに比べて重量が軽く、価格も手頃であるが、ガラスレンズの方が高い光学品質を得ることができる。両方のタイプのレンズ材料を組み合わせたレンズ系は、ガラスレンズのみのレンズ系と比較して、優れた光学品質、軽量、低価格とすることができる。
【００２０】
別の好ましい実施形態では、センサシステムは、少なくとも単一の２Ｄセンサ、少なくとも単一の１Ｄセンサ又はそれらの組み合わせを具備する。単一の２Ｄセンサが、撮像システムの完全なＦＯＶの画像を検出することができる。ただし、いくつかのアプリケーションでは、ＦＯＶの全方位角又は全天頂角の範囲は必要ない場合がある。このようなアプリケーションの場合、２Ｄセンサは、センサの中央領域がレンズ系の光軸の外側に位置するように配置することができる。アスペクト比が大きいセンサの場合、このように空間的に「シフトされた」検出には、センサの曲線因子を増やすことができるという付加的な利点がある。別のオプションは、画像を検出するための検出領域が小さい２つ以上のセンサを組み合わせることである。このようにして、無関係な画像領域は検出時に除外することができる。画像は、ＦＯＶの画像内に用意された１つ以上の１Ｄセンサによっても削除することができる。２Ｄセンサと１Ｄセンサは組み合わせて使用することもできる。
【００２１】
別の好ましい実施形態では、センサシステムにより、画像の中央領域の検出は除外される。つまり、画像の中央領域はセンサシステムによって検出されず、電子画像信号にはこの領域の画像情報が含まれない。従って、センサの電子画像信号には、計算電子機器で処理すべきでない、望ましくない画像情報は含まれていない。情報が少ないため、エネルギーを節約でき、計算電子機器の計算を高速化できる。
【００２２】
別の好ましい実施形態では、ＦＯＶは、好ましくは８０°と１００°との間、より好ましくは６０°と９０°との間、さらにより好ましくは９０°と１２０°との間の天頂角を具備する。これらの好ましい視野は、衝突回避システムにおける典型的なＺＯＩに対応している。
【００２３】
別の好ましい実施形態では、センサシステムはエミッターアレイと組み合わされる。センサシステム及びエミッターアレイは、個々の要素からなるか、又はセンサシステム及びエミッターアレイは、組み合わされたトランシーバシステムを形成する。従って、単一のレンズ系は、従来のＴＯＦ深度検知システムの照明システム及び撮像システムのための双方向光学系として使用することができる。単一のレンズ系を使用すると、対応する衝突回避システムのコスト、重量、サイズが削減される。さらに、組み合わされたトランシーバシステムは、個々のセンサシステム及び対応するエミッターアレイと比較して、低コストとなる場合がある。
【００２４】
別の好ましい実施形態では、センサシステム及びエミッターアレイは、コヒーレントトランシーバを形成する。コヒーレントＴＯＦ深度検知システムを使用すると、非コヒーレントシステムと比較して有効なＳＮＲを向上させることができるため、放射される光量が少ない場合や距離が長い場合でも高い検出効率を実現できる。
【００２５】
本発明の別の態様によれば、本発明による撮像システムを具備する衝突回避システムが提供される。衝突回避システムは、監視している環境での衝突を検出し防止するための手段と方法を提供するように構成された電気光学システムである。衝突回避システムは、セキュリティ支援システムの一部とすることができ、さらなる構成要素として、起こり得る衝突を判断し、そのような衝突を回避するための適切な手段を開始するように構成された制御電子機器を含むことができる。適切な対策には、単に警告メッセージを発行するだけから、保護された装置又はシステムの完全な制御を引き継いで損傷を回避するまでの範囲がある。
【００２６】
本発明のさらなる態様は、以下の説明から理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。例示は、本発明を説明するためのものである。
【図１】本発明によるレンズ系の第１の実施形態において計算された光線経路を示す図である。
【図２】本発明によるレンズ系の第２の実施形態において計算された光線経路を示す図である。
【図３】本発明によるレンズ系の第３の実施形態において計算された光線経路を示す図である。
【図４】本発明によるレンズ系の第４の実施形態において計算された光線経路を示す図である。
【図５】本発明によるレンズ系の第５の実施形態において計算された光線経路を示す図である。
【図６】本発明によるレンズ系の更なる例示的な実施形態において計算された光線経路を示す図である。
【図７】画像の縮小された方位角範囲を検出する単一の２Ｄ画像センサを図示する。
【図８】アナモフィック歪みを使用して達成可能な画像解像度を最大化する方法を示す。
【図９】本発明によるレンズセンサシステムの例示的な実施形態を示す。
【図１０】本発明による撮像システムの例示的な実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明によるレンズ系１０の第１の実施形態において計算された光線経路を示す。挿入図は、レンズ系１０の光軸１２に対する天頂角φと方位角θの定義を示している。描かれているレンズ系１０は完全に屈折性であり、１０個のガラスレンズで構成されている。ただし、レンズの数と材料については、他の数量と材料に置き換えることができる。レンズ系は、８０°の天頂角から始まる２０°の天頂視野（ＦＯＶ）用に設計されている。従って、レンズ系１０の最小画角（ＡＯＶ）は２００°である。記載された光線はすべて、レンズ系１０の中心光軸１２に垂直な共通の像面１６に集束される。
【００２９】
図示のレンズ系１０は、直列に配置された４つの凹凸（メニスカス）レンズによって個々の光線がＦＯＶから像平面１４へと屈折し、それにより屈折レンズスタックを形成するという点で固有のものである。ＦＯＶからの光線は、これらのレンズの外側の領域のみを透過するため、１つのレンズから次のレンズへと直径を像面１４の方向に小さくすることができる。提案された凸凹レンズの形状は簡単に作成でき、屈折レンズスタック内のレンズの調整は、複雑なレンズ形状のレンズを含む構成に比べて単純である。さらに示されるように、屈折光線のための撮像システムは、屈折レンズスタックの真下に配置される。
【００３０】
図２は、本発明によるレンズ系１０の第２の実施形態において計算された光線経路を示す。レンズ系１０は完全に屈折性であり、６つのプラスチックレンズで構成される。ただし、レンズの数と材料については、他の数量と材料に置き換えることができる。レンズ系は、７５°の天頂角から始まる３０°の天頂ＦＯＶになるように設計されている。従って、レンズ系１０の最小ＡＯＶは２１０°である。レンズ系の中心付近の光線の束に見られるように、小さな天頂角の光線は像面１４にうまく集束しないが、ＦＯＶの光線は像面１４に鋭く集束する。対象領域（ＺＯＩ）としての望ましい天頂ＦＯＶの設計、プラスチックレンズ設計の要件は非常に単純化されているので、レンズ系１０は、ガラスベースの広角レンズ系１０と比較してそれほど複雑ではない方法で設計することができる。
【００３１】
この実施形態のレンズ系１０はまた、屈折した光線による撮像システムの上方に配置された屈折レンズスタックを具備する。ただし、ここでは、屈折レンズスタックに含まれるレンズは３つだけである。特に、図１のレンズスタックの２つの外側の凸凹レンズが、像面１４の方向に凸状の自由形状を有する単一の凸凹レンズに組み込まれる。内側のレンズは、好ましくは凸凹レンズ又は平凹レンズとすることができる。自由形状要素の製造は複雑であるが、屈折レンズスタックに光学補正を直接実施できる。従って、良好な光学的撮像品質を維持しながら、レンズ系１０の全長を短縮することができる。一方、レンズ形状が複雑になるため、調整の手間が少し増える場合がある。図３は、本発明によるレンズ系１０の第３の実施形態において計算された光線経路を示す。図示のレンズ系１０は、図２に示すレンズ系１０に対応する。さらに、ブラインド１８は、レンズ系１０の中央領域を覆って、好ましくない小さな天頂角から入る光線を遮断する。しかしながら、ブラインド１８は、本発明によるどのようなレンズ系１０でも使用することができる。好ましくは、ブラインド１８は、オブジェクト側のレンズ系の表面に合わせた円形構造（いわゆる湾曲円形ブラインド１８）とすることができる。ブラインド１８の他の形状では、選択された天頂角度範囲からの付加的な光線の個々の透過を可能にするか、又は特定の方位角範囲を遮断することが可能である。例えば、ブラインド１８はまた、それらの円周の一部に沿って（曲率あり又はなしで）相互に接着した楕円形又は２つの円形ブラインドの形態とすることができる。ブラインド１８が小さい天頂角から入る光線をブロックするので、視野内の光線のみが像面１４に集束される。
【００３２】
図４は、本発明によるレンズ系１０の第４の実施形態において計算された光線経路を示す。レンズ系１０は、屈折光学要素及び反射光学要素を含む反射屈折レンズ系１０である。図示のレンズ系１０の第１の構成要素は、オブジェクト光線が単一の内部全反射４２（ＴＩＲ）によって反射される両凹レンズ要素４０である。ＦＯＶ内のオブジェクト光線は、側面からレンズ要素４０に入り、レンズ要素４０の上部の内面で反射される。この実施形態では、７５°の天頂角から始まる３０°の天頂ＦＯＶとなっている。ＴＩＲの条件及びレンズ要素４０の上面の凹面形状が撮像可能な天頂角範囲を制限しているため、ＦＯＶの外側からの光線は実質的に遮断される。従って、望ましくない小さな天頂角をブロックするための付加的なブラインドを不要とすることができる。
【００３３】
このレンズ系１０では、個々の光線は、単一の光学要素、すなわち両凹レンズ要素４０によってＦＯＶから像平面１４へと屈折する。ＴＩＲが発生する側の両凹レンズ要素４０の凹状湾曲は、ＦＯＶからの光線を画像平面１４の方向へと直接屈折させるよう構成されている。ＴＩＲ領域は、放物線又は自由形状のプロファイルを有することができる。反対側にある両凹レンズの凹面の曲率は、屈折光線の分散レンズを形成し、光線を直下に配置されている屈折光線に関連する撮像システムに向けさせる。そのような構成の利点は、調整プロセスを簡略化でき、多数の個々のレンズを含むシステムと比較してシステムの安定性を高くできることである一方、正確に成形された両凹レンズ要素４０を製造することの困難さは増す。撮像可能な天頂角の範囲が本質的に制限されているため、レンズ系１０の内部で散乱光を減らすことができる。
【００３４】
図５は、本発明によるレンズ系の第５の実施形態において計算された光線経路を示す。また、このレンズ系１０は、屈折光学要素及び反射光学要素を含む反射屈折レンズ系１０である。記載されたレンズ系１０の第１の構成要素は、オブジェクト光線が２つの内部全反射５２、５４によって反射される複雑な自由形状レンズ要素５０である。ＦＯＶ内のオブジェクト光線は、側面から自由形状レンズ要素５０に入り、レンズ要素５０の下部内面で最初に反射され、レンズ要素５０の上部内面で次に反射される。この実施形態では、天頂角７５°から始まる３０°の天頂ＦＯＶが実現される。レンズ要素５０は、ＦＯＶ内の光線のみがレンズ系１０の次に続く部分に入ることができるように形成される。特に、レンズ要素５０の上部及び下部の表面の自由形状は、ＦＯＶに対応しない角度の天頂光線がブロックされるよう構成される。また、この実施形態では、望ましくない小さい天頂角をブロックするために追加のブラインドを不要とすることができる。
【００３５】
このレンズ系１０において、２つの内部全反射５２、５４は、ＦＯＶからの光線に対する選択性をさらに高める。従って、散乱光又はＦＯＶの外側にある他の方向から入射する光を、効果的に抑制することができる。レンズ要素５０内部の光線経路は、必要なＦＯＶに適合させることが簡単にできる。レンズ要素５０は、周囲の厚い球面レンズ領域と、レンズ要素５０の上部及び下部の２つの自由形状領域との組み合わせとすることができる。特に、レンズ要素５０の上部の自由形状領域は凹形状とすることができ、レンズ要素５０の下部の自由形状は凸形状とすることができる。レンズ要素５０の下部の中央領域には、光線を像面１４に直接向けるためのレンズ機能、特に、光線を屈折させるための撮像システムをさらに含めることができる。光散乱の減少に加えて、この実施形態の別の利点は、レンズ系１０内の光学素子の総数が少ないため、位置合わせが単純となり及び安定性が向上することである。しかしながら、レンズ素子５０内部に２重の光線経路があることから、本発明の他の実施形態と比較して、レンズ系５０の直径は大きくなるが、レンズ系１０の全長は短くすることができる。
【００３６】
図６は、本発明によるレンズ系１０のさらなる例示的な実施形態において計算された光線経路を示す。記載されたレンズ系１０は、図１に示されるレンズ系１０と同様であるが、本発明によるどのようなレンズ系を適用することもできる。図では、そのようなレンズ系１０において天頂ＦＯＶの異なる具体例が示されている。左のレンズ系１０では、３０°のＦＯＶに対応する６０°から９０°の天頂角範囲を有する。右のレンズ系１０では、３０°のＦＯＶに相当する（最小ＡＯＶは２４０°）９０°から１２０°の天頂角範囲が示されている。ただし、ＦＯＶの位置とサイズは、広い天頂角度範囲から選択できる。天頂視野は、６０°から始まり１５０°以上に達する天頂角範囲内で選択された、２０°から４０°までの間が好ましい。
【００３７】
図７は、画像１６の縮小された方位角範囲を検出する単一の２Ｄ画像センサ２０を図示する。特定のアプリケーションにおいて完全なパノラマ視点が必要でないとき、縮小させた方位角範囲のみを検出することが望ましい場合がある。撮像システム１０が、ＦＯＶの一部が不明瞭になり、従って撮像又は衝突回避に使用できないような設置がなされた場合、センサ２０は、光軸１２に対して像面に沿ってずらすことができる。他の選択肢として、センサ２０のサイズを変更するか又は、センサ２０の検出領域を最大化するようにレンズ系１０を構成する。左の図では、方位角ＦＯＶは約２７０°であるが、右の図では、１８０°の方位角ＦＯＶがセンサ上に画像化される。図では、ＦＯＶの最小の天頂角は画像１６の内側の境界Ａで画像化され、ＦＯＶの最大の天頂角は画像１６の外側の境界Ｂで画像化される。検出された方位角範囲を制限することにより、センサ２０の全検出領域を残りの方位角角度範囲について使用することによって、画像解像度を増加させることができる。
【００３８】
図８は、アナモフィック歪みを使用して達成可能な画像解像度を最大化する方法を示す。軸対称レンズ系１０は、ＦＯＶ１６を像面１４内の円として画像化する。長方形の検出面を持つ単一の２Ｄセンサ２０を使用する場合、画像１６とセンサ２０のアスペクト比が異なるため、多くのピクセルは使用できなくなる。レンズ系１０にアナモルフィック歪みを使用することにより、好ましくはシリンドリカルレンズ及び／又はトロイダルレンズを追加することにより、アスペクト比を一致させて、画像１６をセンサ２０上の最大数のピクセルによって検出できるようにすることができる。従って、加えられたアナモルフィック歪みにより、像面１４内の画像センサ２０上で水平方向と垂直方向とでは異なる倍率が生じ、これにより、画像センサ２０上のピクセルの使用量が増加し、従ってより良好な光収集が可能になる。さらに、より大きな倍率で、画像１６の拡大された領域における検出の解像度を高めることができる。従って、撮像システム１０は、ＦＯＶのいくつかの領域を、光学品質を向上させて撮像されるように位置合わせすることができる。
【００３９】
図９は、本発明によるセンサシステム２０の例示的な実施形態を示す。センサシステム２０は、少なくとも単一の２Ｄ検出器、少なくとも単一の１Ｄ検出器、又はそれらの組み合わせを具備する。特定のタイプのセンサ配置を選択することにより、画像を完全に又は部分的に、画像１６のさまざまな部分に特化して検出するよう構成することができる。図は、画像１６を検出するために、２つ又は４つの長方形の検出器をどのように使用することができるかを示している。示されたすべての実施形態において、画像面１４における画像１６の中央領域の検出は、センサシステム２０から除外される。これにより、コストを節約し、光学解像度を高めることができ、電子画像信号中の不要な情報の計算電子機器３０による処理のための時間の浪費及びエネルギーの浪費を避けることができる。
【００４０】
図１０は、本発明による画像化システム１００の例示的な実施形態の概略図を示す。記載された撮像システム１００は、レンズ系１０の光軸１２に垂直な像面１４上の画像１６において、レンズ系１０の光軸１２の周りに対称的に１２０°より大きい画角で撮像するように構成されたレンズ系１０と、像面１４内の画像１６の少なくとも一部を電子画像信号に変換するように構成されたセンサシステム２０と、電子画像信号を分析し、得られた環境情報を出力するように構成された評価電子機器３０とを具備し、レンズ系１０及び／又はセンサシステム２０は、８０°より大きい天頂角で始まる視野を明確に撮像するように設計されている。
【符号の説明】
【００４１】
１０  ・・・  レンズ系
１２  ・・・  光軸
１４  ・・・  像面
１６  ・・・  画像
１８  ・・・  ブラインド
２０  ・・・  センサシステム
３０  ・・・  評価電子機器
４０  ・・・  両凹レンズ要素
４２  ・・・  内部全反射
５０  ・・・  複雑な自由形状レンズ要素
５２  ・・・  第１の内部全反射
５４  ・・・  第２の内部全反射
１００  ・・・  撮像システム
θ  ・・・  方位角
φ  ・・・  天頂角
ＡＯＶ  ・・・  画角
ＦＯＶ  ・・・  視野
ＴＯＦ  ・・・  飛行時間
ＺＯＩ  ・・・  対象領域
Ａ、Ｂ  ・・・  画像化されＦＯＶの境界
【図１】
2020197713.tif 000003
【図２】
2020197713.tif 000004
【図３】
2020197713.tif 000005
【図４】
2020197713.tif 000006
【図５】
2020197713.tif 000007
【図６】
2020197713.tif 000008
【図７】
2020197713.tif 000009
【図８】
2020197713.tif 000010
【図９】
2020197713.tif 000011
【図１０】
2020197713.tif 000012
【外国語明細書】
2020197713000001.pdf