(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
広角視野で像形成するシステムであって、
前記視野から放射されている入射エネルギーを反射するための凸面を有し、軸方向に延びるアパーチャ、関連の共通中心点、及び中心点から凸面まで延びる第１の半径を有している環状回転楕円体と、
前記環状回転楕円体から伝播するエネルギーを前記中心点に向かって反射するための凹面を有し、前記環状回転楕円体に対して同心的に配置されかつ前記共通中心点から前記凹面まで延びている第２の半径を有している第２の回転楕円体と、
前記第２の回転楕円体から反射された前記エネルギーの少なくとも一部を受け取るため配置された少なくとも一つの検出器とを備えていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記少なくとも一つの検出器は、前記エネルギーの少なくとも一部を表わす信号を発生することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のシステム。
【請求項３】
前記信号を受け取るための前記少なくとも一つの検出器と通信するコンピュータを更に備えていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも一つの検出器は、
前記中心点からおおよそ等距離に配置された複数の検出器を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記複数の検出器は、並置されることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも一つの検出器のそれぞれは、
ほぼ平面が対向するほぼ球面を有している屈折力を有する素子と、
前記屈折力を有する素子の前記ほぼ平面に結合された光検出器とを備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記第２の半径は、低次の収差を低減すべく前記第１の半径よりも約2.6倍大きいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも一つの検出器は、前記中心点に関して回転可能であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記少なくとも一つの検出器のそれぞれは、
前記第２の回転楕円体から反射された前記エネルギーの画像面の彎曲を修正するための光ファイバー表面板と、
前記光ファイバー表面板に光学的に結合された光学的感知素子のアレーとを備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記光ファイバー表面板は、第１及び第２の終端と異なる長さを有している複数のファイバを備え、前記複数のファイバは、前記第１の終端が実質的に共面であり前記第２の終端がほぼ凸状回転楕円面を画定するように配置されていることを特徴とする請求の範囲第９項に記載のシステム。
【請求項１１】
360度の視野で光ファイバー形成するシステムであって、
前記視野からの光を反射するため、二つのほぼ平行面とほぼ球面鏡との交叉によって画定された表面を有し、対称軸に中心がありそれを貫通して延びているアパーチャを有し、関連の共通中心点及び該中心点から前記表面まで延びている第１の半径を有している凸面鏡と、
前記開口を通って凸面鏡からの光を反射するため、ほぼ球面鏡と前記二つのほぼ平行面にほぼ平行な第３の平面の交叉によって画定された表面を有し、前記凸面鏡に関して同心的に配置されかつ前記共通中心点から前記表面まで延びている第２の半径を有し、当該第２の半径が前記第１の半径よりも大きい凹面鏡と、
前記凹面鏡から反射された光を受け取るべく配置された湾曲面を有しかつほぼ平坦対向面を有し、前記湾曲面から反射された光を前記ほぼ平坦対向面に送る少なくとも一つの素子と、
前記少なくとも一つの素子によって送られた光を受け取るべく配置された少なくとも一つの検出器とを備えていることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
光の伝達を選択的に変化させるためにアパーチャ内に配置された絞りを更に含む請求の範囲第11項に記載のシステム。
【請求項１３】
第２の半径が第１の半径の約２倍の大きさである請求の範囲第11項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの検出器が、対応する複数の要素に結合され中心点からほぼ等距離で配列された複数の光学の要素対／検出器対を形成する複数の検出器を含み、前記アパーチャを通って伝達した光の焦点を合わせるように、各複数の光学の対が独立して放射状に移動可能である請求の範囲第11項に記載のシステム。
【請求項１５】
各複数の検出器が電荷結合デバイスのアレーを含む請求の範囲第14項に記載のシステム。
【請求項１６】
同心に配置され共通の中心点を有する第１及び第２の球面を使用して広角視野の光ファイバーを形成する方法であって、
ほぼ球状の第１表面を使用して視野から発出する光線を反射して、反射後にほぼ平行な光線が発散するようにし、
ほぼ球状の第２表面を使用して、ほぼ球状の第１表面から発出する光線を反射して、前記ほぼ球状の第１表面のアパーチャを通らせ、反射後にほぼ平行な光線が収束して画像面にほぼ球状の画像を形成するようにし、
ほぼ球状の画像をほぼ平面の画像に変換することを含む方法。
【請求項１７】
応答して電気信号を発生することによりほぼ平面の画像を検出することを更に含む請求の範囲第16項に記載の方法。
【請求項１８】
ほぼ平面の画像を蓄積することを更に含む請求の範囲第17項に記載の方法。
【請求項１９】
ほぼ球状の画像を変換することが、画像面の彎曲を修正するため電気信号に基づいて数理的にデータを処理することを含む請求の範囲第18項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、広角で、パノラマ状の画像形成用システム及び方法に関する。
背景技術
パノラマカメラおよび投影システムは、数十年の間存在している。パノラマイメージを得て、表示する問題は長年にわたって広く扱われており、多くの商業製品がこのコンセプトに基づいて開発されている。360度の視野を捕獲して、表示することができるパノラマシステムは、娯楽、（仮想現実のトレーニングシナリオのような）テレプレゼンス、ビデオ会議、および監視へ応用される。
従来技術の多くの方法は、多重球面反射及び屈折光学素子を有する複雑な反射及び屈折を利用した光学系を用いている。米国特許第4,012,126;4,395,093;及び4,484,801号を参照すると、これらのシステムの例は、屈折系に21までのレンズ素子、幾つかの必要な特別なめがね、及び反射系に双曲ミラーを含んでいる。これらの光ファイバー形成システムは、非常に多くのカスタム素子のために製造するのに非常に高価である。
パノラマ投影及び画像形成への簡単なアプローチは、米国特許第3,240,113号に記載されている。この特許は、その回転軸の周りに中心を有する開口のある筒体から形成された第１の凸面ミラーを開示している。このミラーの外面は、本体の軸外にその中心を有し、鋭角に回転軸と交差する回転曲面素子によって作られている。第２のミラーは、第１のミラーから物体に向かって光を反射する平面、球面、円錐、凸面或いは回転ミラーである。この配列は、従来設計で問題を克服するには360度の画像の垂直角度を制限する。
パノラマ画像を形成する他のアプローチは、連続する隣の間隔にある多くのカメラ、又は単一のカメラによって取られるフレームを合成することである。しかし、単一のカメラを走査させると、イメージを移動するための望ましくない人為的なものを導入し、一方、多くのカメラの使用は、コストが非常に高くなる。
従って、高い解像度の画像を与える一方で、比較的低コストの光学素子を利用する広い視野を捉えることができる光学システムを提供することが望まれている。
発明の開示
本発明の１つの目的は、広角の、パノラマ的視野をキャプチャ（捕獲）できる光学システムを提供することにある。
本発明の別の目的は、非球面レンズ又は非球面ミラーを必要としない、広角視野で光ファイバー形成できるシステム及び方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、球面収差、コマ収差、非点収差を最小にする、広角視野で光ファイバー形成するシステム及び方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、360゜の視野の範囲に広がりで光ファイバーを捕獲できる、費用のかからない光学システムを提供することにある。
本発明の更に別の目的は、球面光学素子の使用によって誘導される光ファイバー面の湾曲を修正する、広角視野で光ファイバー形成するシステム及び方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、検出器アレーに広角視野で光ファイバー形成するシステム及び方法を提供することにある。
本発明の上記目的及び他の目的及び特徴を実施する場合において、本発明の広角視野で光ファイバー形成するシステムは、前記広角視野から放射する入射エネルギーを反射する凸面を有する環状の回転楕円体（spheroid）を包含し、該環状回転楕円体は、軸方向に延びるアパーチャと、関連の中心点と、該中心点から前記凸面に延びる第１の曲率半径とを包含する。前記光ファイバー形成システムは、また、前記環状回転楕円体から伝播するエネルギーを前記中心点に向かって．反射する凹面を有する第２の回転楕円体を包含する。この第２回転楕円体は、前記環状回転楕円体に対して同心に配置されるのが好ましく、また、前記中心点から前記凹面に延びる第２の曲率半径を包含する。光ファイバーのキャプチャのために、前記第２回転楕円体から反射したエネルギーの少なくとも一部を受取るように配置された少なくとも１つの検出器が設けられている。
第１と第２の球面を使用して広角視野で光ファイバー形成する方法も開示されている。その方法は、第１のほぼ球形の表面を使用する視野から出た光線を反射し、それにより反射後ほぼ平行な光線が発散するようにし、また第２のほぼ球形の表面を使用して第１のほぼ球形の表面から出た光線を反射し、それにより、反射後ほぼ平行な光線が収束して光ファイバー面にほぼ球形の画像を形成し、そのほぼ球形の画像をほぼ平坦な画像に変換することを含む。
好ましくは、この方法は、それに応答して電気信号を発生することによりほぼ平坦な画像を検出し、ほぼ平坦な画像の表現を記憶することも含む。
本発明による利点は、多数ある。例えば、本発明は、球面収差、コマ収差および非点収差などの低次収差のない球形の要素のみを使用して高解像度の画像を与える。非球面とは全く関係がないので、システムのコストは、従来の方法よりもかなり安価である。
本発明の上述の目的及び他の目的、特徴並びに利点は、以下に述べる本発明を実施する最良のモードの詳細な説明から、当業者により、容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による広角視野で光ファイバー形成するシステム及び方法の簡略化した図解的表現である。
図２は、本発明による光ファイバー形成措置で使用するために視野曲率を補正する検出器の頂面図である。
図３は、本発明による広角視野で光ファイバー形成する方法を示すフローチャートである。
発明実施のための最良の態様
図１を参照すると、全体を参照番号10で示されている本発明の光学システムが示されている。光学システム10において実施される本発明は、カールシュヴァルツシルドにちなんで命名された良く知られている同心のシュヴァルツシルド装置に基づいており、広い視野を提供し、ベッツヴァルフィールドの視野湾曲を補正するのに適している。基本的なシュヴァルツシルド装置は望遠鏡や顕微鏡の対物レンズにおいてしばしば使用され、特に、多数ある中でもとりわけ米国特許番号4,205,902、4,226,501、5,131,023、5,212,588、5,291,339、5,471,346に参照されるようにＸ線リソグラフィーといったような用途に使用される。基本的な同心シュヴァルツシルド装置は、中央に開口部を有する凹面鏡と凹面鏡の開口部に対向するように配置された凸面鏡とを使用する。望遠鏡用途のこの装置の不利な点の１つは、十分な光強度を達成するために凹面鏡に対して比較的大きなサイズが要求されることである。この装置の凹面鏡のサイズは、有効な光及び視野を限定するアパーチャのサイズに直接的に関連する。このように、この装置は、凹面鏡のサイズの制限により限定された視野を有する。
同心シュヴァルツシルド装置（ヘテロセントリック（heterocentric）装置と比較して）は、同心に配置された凹球面鏡及び凸球面鏡を有し、凹面鏡の曲率半径が、凸面鏡の曲率半径に対して約2.6である「黄金率」（約1.618）の平方になるようにされている。黄金率（phi）は、そこから１を減算することによって、それ自体の反数になるような唯一の正の数である。この黄金率は、
0003549898.tif 000002
の平方根、もしくは、一般化されたフィボナッチ数列が無限に進んだ場合である該数列の２つの隣接項の比率の極限値である。
シュヴァルツシルドは、黄金率の平方の関係にある曲率を有する２つの球面により反射される平行線が、球面収差、コマ、非点収差といったような低次元の収差がないことを発見した。
図１の光学システム10で実施されている本発明は、シュヴァルツシルドの発見を利用し、さらに構成要素の特有の配置を提供して、広い、全体の視野に対応するようにする。光学システム10は、第１のミラー12を含み、このミラーは中心点14から反射面16へ延びる曲率半径R1を有する凸球面切頭体であるのが好ましい。第１のミラー12は、ほぼ凸球面のミラーとほぼ平行な平面P1及びP2との交差によって形成される。
第１のミラー12は第２のミラー18と同心状に配置されており、この第２のミラー18は中心点14から反射面20へのびる曲率半径R2を有する。第２のミラー18は、面P3（この面は面P1と面P2とに平行であるのが好ましい）で切られる全体として球面もしくは球形凹面鏡であるのが好ましい。第１のミラー12に対する第２のミラー18の曲率半径の比（R2/R1）は好ましくは黄金比率の二乗、すなわちほぼ2.6に等しくして、上に述べたように低い次元の収差を最小とする。
全体として矢印22で指示されている視野から放射される入射エネルギーは第１のミラー12により第２のミラー18に反射され、それから第１のミラー12のアパーチャ24を通る。本発明の一実施例では入射エネルギーは可視光線の形を取る。第２のミラー18から反射されたエネルギー即ち光の少なくとも一部分が、視野絞り26を通過して、少なくとも一つの検出器28に入る。視野絞り即ちアパーチャ絞り26はシステム10の対称軸と同心であるのが好ましい。光は斜めの角度で視野絞りに入るので、接線方向における解像力は矢印の方向におけるよりも低い。システム10の視野の深さと実効アパーチャとはストップ位置に絞りを置いてそれを通った光の伝達を選択的に調整する様にして調整できる。
好ましい実施例では、検出器28は、中心点14から球面32へ計って曲率半径がR3である球面を有する光学素子30を含んでいる。光学素子30のほぼ平行な表面34は球面32に対向し、電荷結合デバイス（CCD）アレーのような光検出器36に結合されている。光学素子30は光ファイバーの表面板（face plate）であるのが好ましいが、普通のレンズでも同じ効果を奏する。しかしながら、普通のレンズを使うとシステムの構成は複雑となり、（従って高価ともなり）、解像力は一般に低下する。システム10が作る画像におけるかなりの画像面の彎曲を矯正するのに光学素子30が必要である。平面34に対向して湾曲面32を有する光学素子30の構成が、システムの湾曲した焦点面を入射エネルギーに応じて電気信号を発生する光検出器36の平面に変換している。
検出器28は、光検出器36に入射する画像を表す情報を記憶することができるコンピュータ38と通信を行うのが好ましい。このコンピュータ38は、視野絞り（field  stop）26内で、又は視野絞り26に代えて使用される絞りを制御することもできる。更に、コンピュータ38は、検出器28における画像の合焦（焦点合わせ）を、そのような各検出器の変換を他のものとは独立に制御することによって、また、継ぎ目を横切っての不連続な遷移を避けるべく光学素子30の複数の隣接エッジをほぼ同じ焦点面に存在する状態になるようにして、制御することができる。勿論、この能力を持たない固定型の合焦システムも可能であり、かなり安価となるであろう。
コンピュータ38は、１つ又は２つ以上の検出器によって発生された信号を用いて様々なデジタル画像処理を実行したり、捕獲した画像を表示する処理データや未処理データを後に使用するために記憶することもできる。コンピュータ38による処理は、ハードウェアで実行されてもよいし、ソフトウェアで実行されてもよいし、又はそれら双方の組み合わせで実行されてもよい。例えば、コンピュータ38を用いて、デジタル合焦を実行するために１つ又は２つ以上の光検出器によって捕獲されたデータをデジタル的に修正することもできるし、また、画像面の彎曲を修正して適当な検出器が利用できるようにすることもできる。これは、光学素子30のようなデバイスの必要性を減少させ、又は除去する。
図２を参照すると、広い視野角の光ファイバー形成するための本発明によるシステム及び方法で用いる、図１の検出器28の２−２線における検出器の断面が示されている。断面において焦点面40は一般に円形である。なぜなら、実際の焦点面は、一般には、図１に示されているように球状だからである。検出器アレー42は、検出器281〜28nによって表示されている複数の検出器（複数の検出器のうち２つのみを示す）を含む。検出器281〜28nは、それらの対応する光学素子301〜30nがそれらの隣接の光学素子と接触するように並列されるのが好ましい。この並列によって作り出される継ぎ目は、２、３画素ほどの幅にしかならないことが多いことから、画像処理ソフトウェアやハードウェアによって矯正し又は濾波することができる。
他の実施例では、１つ又は２つ以上の検出器を除去することができ、一方、残りの検出器は、360度の視野の全体を画像形成するために、中央点14の周りで回転され、若しくは、回転的に振動される。この構成は、画像における継ぎ目や重なりを除去し、また、検出器を除去することによりシステムのコストを減少させる。しかしながら、各画素についての電荷集積時間が減少されてしまうことから、システムの光収集能力はかなり低い。
図３を参照すると、本発明の広角視野で光ファイバー形成する方法が示される。当業者には明らかなように、ここの例示は順番のプロセスを示すが、本発明の精神と範囲から離れることなく、１つ又はそれ以上のステップを同時に行うことが出来、又はステップの順番を入れ替えることもできる。視野から放射される光エネルギーは、ブロック50で示されるように、第１のほぼ球形表面で反射される。第１のほぼ球面の表面は、入射する平行光線が表面から反射すると発散するように、凸表面であるのが好ましい。ブロック52で示すように、同心的に位置する第２の球形表面が、第１の表面から反射した光を反射する。第２の球形表面は、入射する平行光線が反射すると、収束するように凹面であるのが好ましい。、ブロック52に示すように、第２ステップは、第２の球形表面からの光を反射し、第１の球形表面のアパーチャを通すことを含む。
図３を続けて参照すると、第２の球形表面で反射した後に形成された球形の画像は、ブロック54で示されるように、変換される。このステップは、１枚又は一連の光学素子により行われる画像の物理的変換を含み、一連の光学素子にはレンズ系又は光ファイバーの表面板等が含まれる。又は、このブロックをなくし、変換は、ブロック56で示すように画像を捕獲した後、ブロック58で示すように、コンピュータで行うことも出来る。変換により、球形の画像を平面の画像に変換するように、画像面の彎曲を修正するのが好ましい。
ブロック56で示すように、画像を捕獲することは、画像のデジタル表現を作成し、次の処理と復元のためこの表現を記憶することを含む。ブロック58で示す画像の処理は、用途によって画像処理のステップの数は色々になる場合がある。画像処理は、デジタル焦点合わせ、濾波等を含む。
ここに記載した形式は、本発明の最良の形態を示すが、本発明の全ての可能な形式を例示するものではない。又、ここに使用する言葉は、説明するためのもので制限するものではなく、請求の範囲により定義される本発明の精神と範囲を制限するものではない。
【図１】
0003549898.tif 000003
【図２】
0003549898.tif 000004
【図３】
0003549898.tif 000005