JP2005241791A - ステレオ撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 部材が少なく、コスト的に有利であり、光学系毎のバラツキが生じ難いステレオ撮像装置。
【解決手段】 単一の撮像素子４及び被写体からの視差を持った光束を折り曲げる屈曲手段２１Ｌ、２１Ｒ、２２Ｌ、２２Ｒを含み、単一の撮像素子４上に相互に視差を持つ少なくとも２つの視差像を形成するステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置であり、ステレオ撮像光学系は、単一の撮像素子４の前方に配され、少なくとも２つの視差像を形成する光束が入射し、かつ、それぞれの光束に対して同じ光学的作用又は機能を有する少なくとも１つの光学的手段３が配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステレオ撮像装置に関し、特に、小型かつ単一の撮像素子にステレオ画像が撮影可能なステレオ撮像装置に関するものである。

従来より、同一被写体に対して視差のある２つの画像を左右に並べて同時に撮影するカメラが知られているが、それらは、通常、撮影における撮像面が一般には横長であることから、２つの画像を左右に並べて撮影するようにしているのが一般的である。しかしながら、このような撮影においては、水平方向に長いステレオ画像を得ようとすると、水平方向に長い画像２枚を並べる結果になり、撮像面上に無駄なスペースが生じてしまい、例えば単一の撮像素子でこの２枚の画像を同時に撮像して距離測定等に利用しようとするとき、詳細な画像情報を得ることは困難となってくる。

このような問題を解決するために、横長の撮像面の上下方向にステレオ画像を取り込むステレオ撮影光学系が特許文献１に記載されている。

この光学系は、その特許文献１の図１、図２に示されるように、フイルム面を上下に分割し、各々２枚の反射面にて左右の視差のある画像をフイルム画面の上下に導く構成のものである。
特開平８−１７１１５１号公報

しかしながら、この特許文献１に記載された撮影光学系等は、少なくとも２つの異なる入射位置を有する光学系からなっており、これらの光学系の特性をそれぞれコントロールすると部材が多くなり、また、光学系毎のバラツキが生じやすくなり好ましくない。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、部材が少なく、コスト的に有利であり、光学系毎のバラツキが生じ難いステレオ撮像装置を提供することである。

詳細な説明に先立って、本発明において、視差方向とは、ステレオ撮像光学系については、同一被写体から第１の対物レンズ群の入射面に入射する中心光線位置と第２の対物レンズ群の入射面に入射する中心光線位置とを結んだ方向であり、通常は水平方向（左右方向）に選ばれるが、この方向は限定的ではなく、垂直方向あるいは斜め方向何れでも可能である。また、撮像素子（結像面）上での視差像においては、複数の視差像における同一被写体の相対的なずれ方向が視差方向となる。

また、本発明において、単一の撮像素子とは、受光面（撮像面）が１個のものに限定されず、同一基板（サブストレート。半導体基板が通常である。）上に複数の受光面が併設されているものも意味する。

なお、視差像は左右２枚に限定されず、３枚以上を単一の撮像素子に導くようにしてもよい。その場合は、その数に対応した数の対物レンズ群の組が必要になる。

本発明の第１のステレオ撮像装置は、単一の撮像素子及び被写体からの視差を持った光束を折り曲げる屈曲手段を含み、前記単一の撮像素子上に相互に視差を持つ少なくとも２つの視差像を形成するステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置であって、
前記ステレオ撮像光学系は、前記単一の撮像素子の前方に配され、
前記少なくとも２つの視差像を形成する光束が入射し、かつ、それぞれの光束に対して同じ光学的作用又は機能を有する少なくとも１つの光学的手段が配置されたことを特徴とするものである。

以下に上記第１のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。本発明のステレオ撮像装置のステレオ撮像光学系においては、左右（以後、特に断らない限り、視差方向を意味するものとする。）に視差を持つ被写体から入射した光束は、光学系にて結像に関わる光学作用を受け、少なくとも１つのそれぞれ独立した反射面やミラーやプリズム等による反射や、いわゆるプリズム効果（屈折により光束全体を屈曲させる効果）による屈曲手段を経て、視差を持った画像（視差像）が単一の撮像素子上に導かれる。

このとき、撮像素子を共通部材とすることにより、部品点数の削減を行うことができ、装置の小型化、軽量化が行える。

さらに、それぞれの光束に対して同じ光学的作用又は機能を有する少なくとも１つの光学的手段を屈曲手段とその単一の撮像素子の間に配置ことにより、さらなる装置の小型化、軽量化、高機能化が行える。

本発明の第２のステレオ撮像装置は、単一の撮像素子及び前記単一の撮像素子上に相互に視差を持つ少なくとも２つの視差像を形成するステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置であって、
前記ステレオ撮像光学系は、前記単一の撮像素子の前方に配され、
前記少なくとも２つの視差像を形成する光束が入射し、かつ、それぞれの光束に対して同じ光学的作用又は機能を有する少なくとも１つの光学的手段が配置され、同じ光学的作用又は機能により光学系の状態が変化することを特徴とするものである。

以下に上記第２のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。本発明のステレオ撮像装置のステレオ撮像光学系においては、左右（以後、特に断らない限り、視差方向を意味するものとする。）に視差を持つ被写体から入射した光束は、それぞれ結像に関わる光学作用を受け、少なくとも１つのそれぞれ独立した反射面やミラーやプリズム等による反射や、いわゆるプリズム効果（屈折により光束全体を屈曲させる効果）による屈曲手段を経て、視差を持った画像（視差像）が単一の撮像素子上に導かれる。

このとき、撮像素子を共通部材とすることにより、部品点数の削減を行うことができ、装置を小型化、軽量化が行える。

さらに、それぞれの光束に対して光学的作用又は機能により光学系の状態が変化する同じ光学的作用又は機能を有する少なくとも１つの光学的手段を屈曲手段と単一の撮像素子の間に配置することにより、さらなる装置の小型化、軽量化が図られ、左右の視差を持った光束を独立に変化させるのに対して、変化の状態がばらつかず、変化の精度を高めることが容易になる。又は、左右の光束の変化の差を調整する手段を簡易にすることができる。又は、そのような手段を配置しなくてもよいので、さらなる装置の小型化、軽量化が図れる。

本発明の第３のステレオ撮像装置は、第１、第２のステレオ撮像装置において、前記単一の撮像素子上に投影される前記視差を持つ少なくとも２つの視差像が、それらの視差方向と異なる方向に相互に並んで投影されるように、前記ステレオ撮像光学系が構成されていることを特徴とするものである。

以下に上記第３のステレオ撮像装置の作用効果を説明すると、このようにステレオ撮像光学系を構成することで、左右の視差を持った光束は、各屈曲手段を介して撮像素子の概ね上下方向に結像する。したがって、撮像素子を並んで位置する左右の視差像の外形に合わせて配置することで、左右方向に広画角な画像を得ることが可能となる。

なお、ここで、視差方向と異なる方向とは、視差方向を左右方向とすると、上下方向に限定されず、斜め方向も含むものである。

本発明の第４のステレオ撮像装置は、第１、第２のステレオ撮像装置において、前記ステレオ撮像光学系は、被写体側に入射面を向け、左右に併設して配された第１の入射窓及び第２の入射窓を有し、
前記第１の入射窓に入射した光束を前記単一の撮像素子に導く複数の反射面と、前記第２の入射窓に入射した光束を前記単一の撮像素子に導く複数の反射面とを有し、
前記複数の反射面と撮像素子との間に前記光学的手段を配置したことを特徴とするものである。

以下に上記第４のステレオ撮像装置の作用効果を説明すると、このように構成することにより、レンズ面の増加を抑えながら、効率良く構成できる。

本発明の第５のステレオ撮像装置は、第２のステレオ撮像装置において、前記ステレオ撮像光学系は、被写体側に入射面を向け、左右に併設して配された第１の入射窓及び第２の入射窓を有し、
前記第１の入射窓より順に、正の屈折力を持つ対物レンズ群と、その対物レンズによる一次結像面と、正の屈折力を持つリレーレンズ群により構成され、
前記第２の入射窓より順に、正の屈折力を持つ対物レンズ群と、その対物レンズによる一次結像面と、正の屈折力を持つリレーレンズ群により構成され、
前記正の屈折力を持つリレーレンズ群の少なくとも一部が共通の光学系であることを特徴とするものである。

以下に上記第５のステレオ撮像装置の作用効果を説明すると、リレー光学系を導入することにより、対物レンズの広角化とレンズ径のコンパクト化と、屈曲手段を配するスペースの確保を光学系の性能を維持して達成することができる。さらに リレーレンズ群の少なくとも一部を共通の光学系とし、装置の簡易化、小型化、軽量化、低コスト化が図れる。さらには、この共通の光学系の状態を変化させる機能を持たせる構成としてもよい。

本発明の第６のステレオ撮像装置は、第１、第２のステレオ撮像装置において、前記ステレオ撮像光学系は、被写体側に入射面を向け、左右に併設して配された第１の入射窓及び第２の入射窓を有し
前記第１の入射窓より順に、正の屈折力を持つ対物レンズ群と、その対物レンズによる一次結像面と、正の屈折力を持つリレーレンズ群により構成され、
前記第２の入射窓より順に、正の屈折力を持つ対物レンズ群と、その対物レンズによる一次結像面と、正の屈折力を持つリレーレンズ群により構成され、
前記光学的手段が、前記リレーレンズ群の一部と前記単一の撮像素子の間にあることを特徴とするものである。

以下に上記第６のステレオ撮像装置の作用効果を説明すると、光学的手段が屈曲手段と撮像素子の間に配置されていれば、リレーレンズ群の中に配置されてもよい。

本発明の第７のステレオ撮像装置は、第２のステレオ撮像装置において、前記ステレオ撮像光学系は、前記少なくとも２つの視差像を形成する光束が入射しかつ１つのみ光軸を持つ正屈折力の結像レンズ群と、
被写体側に入射面を向け相互に間隔を持って視差方向に併設して配された負の屈折力を有する第１対物レンズ群及び第２対物レンズ群と、
被写体から前記第１対物レンズ群を経て入射した光束を前記結像レンズ群に導く第１−１反射面及び第１−２反射面を含む第１導光光学系と、被写体から前記第２対物レンズ群を経て入射した光束を前記結像レンズ群に導く第２−１反射面及び第２−２反射面を含む第２導光光学系とを備えており、
前記光学的手段を前記正屈折力の結像レンズ群としたことを特徴とするものである。

以下に上記第７のステレオ撮像装置の作用効果を説明すると、光学的手段は、屈曲手段と撮像素子の間に配置されていれば、結像レンズ群に配置されていてもよい。

さらには、結像レンズ群の少なくとも一部を可動にして光学状態を変化させることにり、効率的な配置が行える。

本発明の第８のステレオ撮像装置は、第１〜第５のステレオ撮像装置において、前記光学的手段は正レンズ群であることを特徴とするものである。

以下に上記第８のステレオ撮像装置の作用効果を説明すると、撮像素子へ光束を垂直に近い状態に入射させることにより、シェーディングの発生を抑えることができる。この光学作用を撮像素子の近くに配置することにより、全体のコンパクト化が図れ、また、共通化することにより低コスト化が図れる。

本発明の第９のステレオ撮像装置は、第１〜第７のステレオ撮像装置において、前記光学的手段は光量調節フィルターであることを特徴とするものである。

以下に上記第９のステレオ撮像装置の作用効果を説明すると、光量を調整する光量調節フィルター（ＮＤフィルター）がステレオ光学系を構成する２系統以上の光学系で形成する明るさは相互に同じであることが望ましい。同一の光量調節フィルターを用いることで、それぞれの光学系の光量調節フィルターのバラツキを考慮する必要がなくなり好ましい。

なお、この光量調節フィルターは光路への挿入退避が可能であってもよい。ステレオ光学系を構成する２系統以上の光学系の反射面の反射率等のバラツキについては、それぞれの光学系に入れるフィルター又は電気的補正で調整をし、被写体等の明るさの調整をその光量調節フィルターで行うと好ましい。

また、この光量調節フィルターは異なる濃度のフィルターが交換可能なものであってもよい。

また、この光量調節フィルターは電気的に濃度を変える素子であってもよい。

本発明の第１０のステレオ撮像装置は、第１〜第７のステレオ撮像装置において、前記光学的手段は明るさ絞りであることを特徴とするものである。

本発明の第１１のステレオ撮像装置は、第１０のステレオ撮像装置において、前記明るさ絞りと前記撮像素子の間に正のレンズ群が配置されていることを特徴とするものである。

以下に上記第１０、第１１のステレオ撮像装置の作用効果を説明すると、このように構成すると、明るさ絞りの径のバラツキがなくなり好ましい。

本発明の第１２のステレオ撮像装置は、第１〜第７のステレオ撮像装置において、前記光学的手段はフォーカシング手段であることを特徴とするものである。

以下に上記第１２のステレオ撮像装置の作用効果を説明すると、このように構成すると、フォーカシングのバラツキがなくなり好ましい。また、駆動系を１つにできるので好ましい。

また、このフォーカシング手段は 正又は負の屈折力、つまり、有限の焦点距離を有するレンズ群を有し、このレンズ群と撮像素子との距離を変化させることによりフォーカシングさせてもよい
また、このフォーカシング手段は、対向する１組の楔状のプリズムからなり、光束がその対向する１組の楔状のプリズムの透過距離が変化するように、その１組の楔状プリズムの相対位置を変化させることによりフォーカシングするようにしてもよい。

また、このフォーカシング手段は、ステレオ撮影光学系と単一の撮像素子の距離を変化させる機構であり、この距離を変化させることによりフォーカシングするものであってもよい。

本発明の第１３のステレオ撮像装置は、第１〜第７のステレオ撮像装置において、前記光学的手段はズーミング手段であることを特徴とするものである。

以下に上記第１３のステレオ撮像装置の作用効果を説明すると、このように構成すると、ズーミングのバラツキがなくなり好ましい。また、駆動系を１つにできるので好ましい。

このズーミング手段は、正又は負の屈折力、つまり、有限の焦点距離を有するレンズ群を有し、このレンズ群と撮像素子との距離を変化させることによってズーミングさせるようにしてもよい
また、このズーミング手段は、正又は負の屈折力、つまり、有限の焦点距離を有する複数のレンズ群を有し、ズーミング時にその複数のレンズ群の相対的距離を複数のレンズ群の光軸上に沿って変化させることによりズーミングさせるものであってもよい。

本発明のステレオ撮像装置によると、撮像素子を共通部材とすることにより、部品点数の削減を行うことができ、装置の小型化、軽量化が行える。また、それぞれの光束に対して同じ光学的作用又は機能を有する少なくとも１つの光学的手段を屈曲手段とその単一の撮像素子の間に配置ことにより、さらなる装置の小型化、軽量化、高機能化が行える。

以下、本発明のステレオ撮像装置の１例を説明する。

図１は、本発明の１実施例のステレオ撮像装置の概略の構成を示す模式的な斜視図であり、図１（ａ）と（ｂ）は視野マスク５Ｌ、５Ｒの形状が異なるのみで、その他の構成は同じであるので、以下に特別な場合以外は区別しない。

以下の説明において、特に断らない限り、符号の後の“Ｌ”と“Ｒ”は左右の光路に属する構成要素等を区別するためのものである。

このステレオ撮像装置は、左右の光路に対して、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒと、それら対物レンズ群１Ｌ、１Ｒから入射した光を順に反射する第１反射面２１Ｌ、２１Ｒ、第２反射面２２Ｌ、２２Ｒと、左右の第２反射面２２Ｌ、２２Ｒで反射された光が入射する共通の光学的手段３と、光学的手段３の像面側に配置されている共通の単一の撮像素子４とからなる。

第１反射面２１Ｌ、２１Ｒと第２反射面２２Ｌ、２２Ｒの反射方向は、図から明らかなように、左の第１反射面２１Ｌは、左の対物レンズ群１Ｌから入射した光路を右の対物レンズ群１Ｒ側へ概ね９０°折り曲げ、第２反射面２２Ｌは、その折り曲げられた光路を左の対物レンズ群１Ｌへ入射する光路と略平行な方向であって反対の方向へ概ね９０°折り曲げて、共通の光学的手段３へ入射させ、同様に、右の第１反射面２１Ｒは、右の対物レンズ群１Ｒから入射した光路を左の対物レンズ群１Ｌ側へ概ね９０°折り曲げ、第２反射面２２Ｒは、その折り曲げられた光路を右の対物レンズ群１Ｒへ入射する光路と略平行な方向であって反対の方向へ概ね９０°折り曲げて、共通の光学的手段３へ入射させる構成になっている。

そのために、このステレオ撮像装置は、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒ間に共通の光学的手段３と撮像素子４を配置することができ、左右方向の幅は左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの端部間の距離（基線長に一方の対物レンズ群の口径を加えた距離）で決まり、被写体に対して奥行き方向の厚さは、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒ先端面と、第１反射面２１Ｌ、２１Ｒ及び第２反射面２２Ｌ、２２Ｒで構成される導光光学系２Ｌ、２Ｒの後端面との間の距離で決まり、さらに、高さは対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの口径以下（対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの有効領域以外はトリミングできるので、口径以下となる。）であり、光学的手段３を通過する光束の範囲で略決まるため、小型に構成することができる。

そして、左の対物レンズ群１Ｌから入射し、第１反射面２１Ｌ、第２反射面２２Ｌを順に経て光学的手段３を通過し撮像素子４上に結像される両眼視差像の左の視差像は、撮像素子４の矩形の撮像面の下半分に倒立して投影され、右の対物レンズ群１Ｒから入射し、第１反射面２１Ｒ、第２反射面２２Ｒを順に経て光学的手段３で撮像素子４上に結像される両眼視差像の右の視差像は、撮像素子４の矩形の撮像面の上半分に倒立して投影される。

ここで、このステレオ撮像装置の光学系全体の視差方向は、左右の主光線を１０Ｌ、１０Ｒとするとき、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの入射レンズ面あるいは視野マスク５Ｌ、５Ｒに左右の主光線１０Ｌ、１０Ｒが入射する点間を結んだ直線Ａ−Ａ’の方向であり、撮像素子４上に投影される視差像の視差方向は、撮像素子４の矩形の辺に平行な直線Ｂ−Ｂ’の方向であり、図１から明らかなように、この実施例のステレオ撮像装置においては、光学系全体の視差方向Ａ−Ａ’と撮像素子４上に投影される視差像の視差方向Ｂ−Ｂ’とは平行でなく、視差方向Ａ−Ａ’に対して視差方向Ｂ−Ｂ’が傾いている。これは、第１反射面２１Ｌ、２１Ｒと第２反射面２２Ｌ、２２Ｒの傾きが、単純に同一平面に直交する軸周りでの傾きでなく、２軸の周りでの傾きであることにより、撮像素子４上に投影される被写体像に回転が起きるためである。ここで、左右の主光線１０Ｌ、１０Ｒは、それぞれ対物レンズ群１Ｌ、１Ｒから入射し、第１反射面２１Ｌ、２１Ｒ、第２反射面２２Ｌ、２２Ｒを順に経て光学的手段３で撮像素子４上に結像される左右の視差像各々の中心に達する光束の中心光線で定義される。

この光学系ついて、簡単に説明しておくと、左右の主光線１０Ｌ、１０Ｒは上記のように定義されるのに対して、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒはそれぞれ光軸（中心軸、回転軸）１１_1L、１１_1Rを有し、また、光学的手段３は１つの軸（中心軸、回転軸）１１₃ を想定している。そして、第１反射面２１Ｌ、２１Ｒと第２反射面２２Ｌ、２２Ｒでの光路を展開して左右の光学系（レンズ系）をそれぞれ１つのレンズ系とするとき、左の対物レンズ群１Ｌの光軸１１_1Lと光学的手段３の軸１１₃ は一致して１つの光軸となっている。また、右の対物レンズ群１Ｒの光軸１１_1Rと光学的手段３の軸１１₃ は一致して１つの光軸となっている。そして、同一被写体からの左右の光束は、左右の主光線１０Ｌ、１０Ｒに沿って左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒに入射して、撮像素子４の矩形の撮像面の下半分、上半分にそれぞれの左右の視差像を倒立して結像する。

ここで、この光学系において、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒに入射する主光線１０Ｌ、１０Ｒは、それぞれの光軸１１_1L、１１_1Rとは一致せず、左の入射する主光線１０Ｌは左の光軸１１_1Lの上側に角度をなしており、右の入射する主光線１０Ｒは右の光軸１１_1Rの下側に角度をなしている。ただし、左右視差像を結像させるために、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒに入射する主光線１０Ｌ、１０Ｒは相互に平行かあるいは略同一面内で被写体までの距離に応じた内輳角を形成しており、そのため、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの光軸１１_1L、１１_1Rは、光学的手段３の軸１１₃ を中心に相互にねじれの関係にあり、１８０°回転対称の関係にある。

左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの入射側に、それぞれ主光線１０Ｌ、１０Ｒを中心とする結像光束を通し、不要光を制限する視野マスク５Ｌ、５Ｒが配置されているが、図１（ａ）の場合は、左の対物レンズ群１Ｌの略下側を覆い、右の対物レンズ群１Ｒの略上側を覆う単純な形状に構成した例であり、図１（ｂ）の場合は、左の対物レンズ群１Ｌの略下側を覆い、撮像素子４上に結像される視差像を左右に長い長方形状に制限する横長の長方形形状、右の対物レンズ群１Ｒの略上側を覆い、撮像素子４上に結像される視差像を左右に長い長方形状に制限する横長の長方形形状に構成した例である。

そして、第１反射面２１Ｌ、２１Ｒは、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒを透過した有効光束を制限しないサイズと形状を持ち、水平方向には約４５°、垂直方向には撮像素子４側に数度傾いて配置されており、第２反射面２２Ｌ、２２Ｒに反射光束を入射させる。第２反射面２２Ｌ、２２Ｒは、水平方向には第２反射面２２Ｌ、２２Ｒに略垂直に、垂直方向には撮像素子側に微小な角度傾いて配置されており、光学的手段３に光束を入射させる。第２反射面２２Ｌ、２２Ｒは、図１に示すように、垂直方向から見た場合は、左の第２反射面２２Ｌが上、右の第２反射面２２Ｒが下で相互に交差するように配置されており、左右から入射してくる光束を光学的手段３の方向に上下方向から入射するように偏向する。

視野マスク５Ｌ、５Ｒにより制限された光束は、光学的手段３により、図示しないローパスフィルターを透過した後、撮像素子４の上下の半分の何れか半分の領域にそれぞれの視差像を結像する。視野マスク５Ｌ、５Ｒの作用により、上下の視差像は相互にオーバーラップせずに、撮像素子４上に分離平行して結像される。

ここで、重要なことであるが、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒ、左右の導光光学系２Ｌ、２Ｒは同じものを用いており、光学的手段３の軸１１₃ を中心に相互に１８０°の回転対称の関係に配置されるので、同一の一対の部品を左右に相互に１８０°の回転した位置に配置して構成すればよい。

なお、光学的手段３を結像レンズやズームレンズ、フォーカシングレンズ等、レンズ素子で構成させる場合、軸１１₃ は、光学的手段３の光軸と言うことができる。

また、光学的手段３が結像作用を持っている場合、第２反射面２２Ｌ、２２Ｒが射出瞳を形成する絞り部材を構成していてもよい。

なお、図１中、符号６、７は、このステレオ撮像装置の回路部品を配置する上下のスペースを示している。

図２はこのようなステレオ撮像装置の左の光学系のレンズレイアウトの１例を示す図である。個々に独立に配置された負の対物レンズ１Ｌと、共通の光学手段３としての結像レンズで構成されている。

超広角レンズ光学系を２個用いて、ステレオ撮像装置を構成する場合の模式的斜視図を図３に示す。

右光路用の超広角レンズ光学系をＯＳＲ、左光路用の超広角レンズ光学系をＯＳＬとし、それぞれの光軸をＷ１Ｒ、Ｗ１Ｌとし、また、超広角レンズ光学系ＯＳＲ、ＯＳＬを構成するそれぞれの要素を示す符号の後に、それぞれ“Ｒ”と“Ｌ”を付して区別する。

このステレオ撮像装置においては、被写体側に向けた２個の入射面を持った対物レンズ群ＯｂＲ、ＯｂＬを備える構成としている。つまり、各々の超広角レンズ光学系ＯＳＲ、ＯＳＬの対物レンズ群ＯｂＲ、ＯｂＬを各々の被写体側に向けて構成し、リレーレンズ群ＷＲｌＲ、ＷＲｌＬをそれぞれの対物レンズ群ＯｂＲ、ＯｂＬに対応させて設ける構成としている。

そして、それぞれの超広角レンズ光学系ＯＳＲ、ＯＳＬの反射ミラーＷＭ１Ｒ、ＷＭ１Ｌで光軸Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｌを相互に平行で反対側から近づくように折り曲げ、その折り曲げられた光軸Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｌの方向を横方向とすると、縦方向に重ねて配置された反射プリズムＷＭ２Ｒ、ＷＭ２Ｌで今度は光軸Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｌを相互に平行で上下に並んで同じ方向に進むように折り曲げている。そして、図３では、両光学系ＯＳＲ、ＯＳＬのフィルターＷＦを共通の１個のものとしている。

また、この例においては、撮像素子Ｗ１０の図４に示すような長方形の撮像面Ｗ１２の長辺方向を縦方向に配し、その撮像面Ｗ１２の上下に並んで、相互に視差を持つ右光路用の超広角レンズ光学系ＯＳＲによる像面ＷＩＲと左光路用の超広角レンズ光学系ＯＳＬによる像面ＷＩＬとが形成されるように構成されている。そして上下に配される各々の反射プリズムＷＭ２Ｒ、ＷＭ２Ｌから撮像面Ｗ１２に対し垂直に光軸Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｌが入射する構成となっている。

このような配置により、単体の撮像素子Ｗ１０を用いた場合でも、横方向、縦方向の双方において広視野を確保することができる。

このような光学系の配置は、特に横方向や手前の観察を必要とする車載カメラ、特に車体の後方を確認するための車載カメラ、監視カメラ等の光学系にも適するものである。

各々の超広角レンズ光学系ＯＳＲ、ＯＳＬの光軸Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｌは、光路を展開した状態で直線となり、撮影に寄与する光学系内の屈折面は光軸Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｌを中心として全て回転対称の形状となっている。反射面ＷＭ１Ｒ、ＷＭ２Ｒ、ＷＭ１Ｌ、ＷＭ２Ｌによる光軸Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｌの折り曲げ方は、各々の光学系ＯＳＲ、ＯＳＬで同一平面内において光軸が折り曲がる構成となっている。そして、各々の光軸Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｌを含む面同士は、撮像面Ｗ１２上に形成される像のずらし量に対応して上下に平行にずらして位置する。

そして、上記のように、撮像面Ｗ１２直前の反射プリズムＷＭ２Ｒ、ＷＭ２Ｌによってそれぞれの光軸を水平方向（撮像面Ｗ１２の短辺方向：横方向）に直角に折り曲げており、さらに、リレーレンズ群ＷＲｌＲ、ＷＲｌＬ内の反射ミラーＷＭ１Ｒ、ＷＭ１Ｌで９０°折り曲げて入射面が被写体に向くようにしている。その結果、光学系ＯＳＲ、ＯＳＬを上方から見たときに、それぞれの光軸Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｌが「コ」の字状（同じ平面内で同方向に９０°２回反射する形状）となるように光学系が配置されている。図５に、この例の右の光学系のレイアウトを示す。なお、対物レンズ群ＯｂＲは負屈折力の前群ＯＧ１と正屈折力の後群ＯＧ２からなり、その間に開口絞りＳが配置されてなる。その超広角レンズ光学系ＯＳＲの像面に視野絞り（視野枠）ＦＳが配置されている。

このように構成して、広い視野を得ながら、視差を持つ左右の像を単一の撮像素子Ｗ１０上に結像させ、全体をコンパクトに構成している。

また、視野絞り（視野枠）ＦＳは、撮像面Ｗ１２上に投影される視差を持つ像が相互に一部で重なるような形状としてもよい。多少の像の重なりがあると、両画像の情報を電気的に比較することにより、どちらの光学系からの画像であるかは判断が可能である。したがって、複数の画像がオーバーラップした状態にて撮像することで、画像情報をより多く取り込むことが可能である。

上記の構成では、水平方向に略１２０°、垂直方向９０°の画角を持ち、略全視野範囲において視差のある像を得る構成としたものである。

図３において、フィルターＷＦは、ＮＤフィルター（光量調節フィルター）で構成してもよい。また、ローパスフィルターとＮＤフィルター、赤外カットフィルター等からなるフィルター群としてもよい。ここで、ＮＤフィルターは電気的に濃度可変な素子（例えば電気光学素子）でもよい。

図６は、図３のような配置において、両方の光学系の反射プリズムＷＭ２Ｒ、ＷＭ２Ｌと共通の撮像面Ｗ１２との間に共通に配置される光学的手段として、異なる濃度を持つＮＤフィルターＮＤ０、ＮＤ１、ＮＤ２、ＮＤ３を回転デスクＮＤＣの円周方向に配置して、共通の光路中に挿入退出可能に構成する場合の右の光学系を示す模式図である（回転デスクＮＤＣ、撮像面Ｗ１２は左右の光学系に共通の部分である。）。回転デスクＮＤＣを回転させることにより、それぞれ異なる濃度を持つＮＤフィルターＮＤ０、ＮＤ１、ＮＤ２、ＮＤ３が光路中に選択的に挿入退出される。なお、撮像面Ｗ１２の直前の平行平板ＣＧはカバーガラスである。

図７、図８は、図３のような配置において、両方の光学系の反射プリズムＷＭ２Ｒ、ＷＭ２Ｌと共通の撮像面Ｗ１２との間に共通に配置される光学的手段として、フォーカシング用のレンズ素子群３Ｆを配置した場合のそれぞれ図３、図５と同様の図であり、レンズ素子群３Ｆを光軸方向に移動することによりフォーカシングが可能になる。

図９は、図３のような配置において、両方の光学系の反射プリズムＷＭ２Ｒ、ＷＭ２Ｌと共通の撮像面Ｗ１２との間に共通に配置される光学的手段として、光軸方向の厚みを変えることのできる１組の楔状のプリズムからなり、これを用いてフォーカシングを行う可変光路長手段３Ｋを配置した場合の図５と同様の図であり、１組の楔状のプリズムを相互に反対方向へ移動させることで、屈折率が１より大きな透明媒体からなる平行平面板の厚みを変えることで光路長を調節してフォーカシングを行う例である。

図１０は、別のステレオ撮像装置の左の光学系のレンズレイアウトを示す図２と同様の図であり、図１のような配置において、左右の光路に対して、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒと、それら対物レンズ群１Ｌ、１Ｒから入射した光を反射する第１反射面２１Ｌ、２１Ｒと、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒで結像された左右の視差像を共通の単一の撮像素子４へリレーするリレーレンズ群８Ｌ、８Ｒと、リレーレンズ群８Ｌ、８Ｒを経て入射する光を反射する第２反射面２２Ｌ、２２Ｒと、左右の第２反射面２２Ｌ、２２Ｒで反射された光が入射する共通のズームレンズ群３Ｚと、ズームレンズ群３Ｚの像面側に配置されている共通の単一の撮像素子４とからなる構成であり、この例においては、左右の光路に共通に負レンズと正レンズからなるズームレンズ群３Ｚを配置し、それらレンズ間の間隔を変えることでズーミングが可能となる。

本発明の１実施例のステレオ撮像装置の概略の構成を示す模式的な斜視図である。 図１のステレオ撮像装置の左の光学系のレンズレイアウトの１例を示す図である。 超広角レンズ光学系を用いてステレオ撮像装置を構成する実施例の模式的斜視図である。 図３のステレオ撮像装置の撮像面とその上に形成される左右の像面を示す正面図である。 図３の例の右の光学系のレイアウトを示す図である。 図３のような配置において共通の光学的手段として可変ＮＤフィルターを配置する場合の右の光学系を示す模式図である。 図３のような配置において共通の光学的手段としてフォーカシング用のレンズ素子群を配置した場合の図３と同様の図である。 図７の場合の図５と同様の図である。 図３のような配置において共通の光学的手段として光軸方向の厚みを変えることのでき可変光路長手段を配置した場合の図５と同様の図である。 別のステレオ撮像装置の左の光学系のレンズレイアウトを示す図２と同様の図である。

符号の説明

１Ｌ、１Ｒ…対物レンズ群
２Ｌ、２Ｒ…導光光学系
３…共通の光学的手段
３Ｆ…フォーカシング用レンズ素子群
３Ｋ…可変光路長手段
３Ｚ…ズームレンズ群
４…撮像素子
５Ｌ、５Ｒ…視野マスク
６、７…回路部品を配置する上下のスペース
８Ｌ、８Ｒ…リレーレンズ群
１０Ｌ、１０Ｒ…主光線
１１_1L、１１_1R…対物レンズ群の光軸
１１₃ …共通の光学的手段の軸
２１Ｌ、２１Ｒ…第１反射面
２２Ｌ、２２Ｒ…第２反射面
ＯＳＲ、ＯＳＬ…超広角レンズ光学系
Ｗ１Ｒ、Ｗ１Ｌ…光軸
ＯｂＲ、ＯｂＬ…対物レンズ群
ＷＲｌＲ、ＷＲｌＬ…リレーレンズ群
ＷＭ１Ｒ、ＷＭ１Ｌ…反射ミラー
ＷＭ２Ｒ、ＷＭ２Ｌ…反射プリズム
ＷＦ…フィルター
Ｗ１０…撮像素子
Ｗ１２…撮像面
ＷＩＲ、ＷＩＬ…像面
ＯＧ１…負屈折力の前群
ＯＧ２…正屈折力の後群
Ｓ…開口絞り
ＦＳ…視野絞り（視野枠）
ＮＤ０、ＮＤ１、ＮＤ２、ＮＤ３…ＮＤフィルター
ＮＤＣ…回転デスク

Claims (13)

1. 単一の撮像素子及び被写体からの視差を持った光束を折り曲げる屈曲手段を含み、前記単一の撮像素子上に相互に視差を持つ少なくとも２つの視差像を形成するステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置であって、
   前記ステレオ撮像光学系は、前記単一の撮像素子の前方に配され、
   前記少なくとも２つの視差像を形成する光束が入射し、かつ、それぞれの光束に対して同じ光学的作用又は機能を有する少なくとも１つの光学的手段が配置されたことを特徴とするステレオ撮像装置。
2. 単一の撮像素子及び前記単一の撮像素子上に相互に視差を持つ少なくとも２つの視差像を形成するステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置であって、
   前記ステレオ撮像光学系は、前記単一の撮像素子の前方に配され、
   前記少なくとも２つの視差像を形成する光束が入射し、かつ、それぞれの光束に対して同じ光学的作用又は機能を有する少なくとも１つの光学的手段が配置され、同じ光学的作用又は機能により光学系の状態が変化することを特徴とするステレオ撮像装置。
3. 前記単一の撮像素子上に投影される前記視差を持つ少なくとも２つの視差像が、それらの視差方向と異なる方向に相互に並んで投影されるように、前記ステレオ撮像光学系が構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のステレオ撮像装置。
4. 前記ステレオ撮像光学系は、被写体側に入射面を向け、左右に併設して配された第１の入射窓及び第２の入射窓を有し、
   前記第１の入射窓に入射した光束を前記単一の撮像素子に導く複数の反射面と、前記第２の入射窓に入射した光束を前記単一の撮像素子に導く複数の反射面とを有し、
   前記複数の反射面と撮像素子との間に前記光学的手段を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載のステレオ撮像装置。
5. 前記ステレオ撮像光学系は、被写体側に入射面を向け、左右に併設して配された第１の入射窓及び第２の入射窓を有し、
   前記第１の入射窓より順に、正の屈折力を持つ対物レンズ群と、その対物レンズによる一次結像面と、正の屈折力を持つリレーレンズ群により構成され、
   前記第２の入射窓より順に、正の屈折力を持つ対物レンズ群と、その対物レンズによる一次結像面と、正の屈折力を持つリレーレンズ群により構成され、
   前記正の屈折力を持つリレーレンズ群の少なくとも一部が共通の光学系であることを特徴とする請求項２記載のステレオ撮像装置。
6. 前記ステレオ撮像光学系は、被写体側に入射面を向け、左右に併設して配された第１の入射窓及び第２の入射窓を有し
   前記第１の入射窓より順に、正の屈折力を持つ対物レンズ群と、その対物レンズによる一次結像面と、正の屈折力を持つリレーレンズ群により構成され、
   前記第２の入射窓より順に、正の屈折力を持つ対物レンズ群と、その対物レンズによる一次結像面と、正の屈折力を持つリレーレンズ群により構成され、
   前記光学的手段が、前記リレーレンズ群の一部と前記単一の撮像素子の間にあることを特徴とする請求項１又２記載のステレオ撮像装置。
7. 前記ステレオ撮像光学系は、前記少なくとも２つの視差像を形成する光束が入射しかつ１つのみ光軸を持つ正屈折力の結像レンズ群と、
   被写体側に入射面を向け相互に間隔を持って視差方向に併設して配された負の屈折力を有する第１対物レンズ群及び第２対物レンズ群と、
   被写体から前記第１対物レンズ群を経て入射した光束を前記結像レンズ群に導く第１−１反射面及び第１−２反射面を含む第１導光光学系と、被写体から前記第２対物レンズ群を経て入射した光束を前記結像レンズ群に導く第２−１反射面及び第２−２反射面を含む第２導光光学系とを備えており、
   前記光学的手段を前記正屈折力の結像レンズ群としたことを特徴とする請求項２記載のステレオ撮像装置。
8. 前記光学的手段は正レンズ群であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
9. 前記光学的手段は光量調節フィルターであることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
10. 前記光学的手段は明るさ絞りであることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
11. 前記明るさ絞りと前記撮像素子の間に正のレンズ群が配置されていることを特徴とする請求項１０記載のステレオ撮像装置。
12. 前記光学的手段はフォーカシング手段であることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
13. 前記光学的手段はズーミング手段であることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載のステレオ撮像装置。

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