CN103163717A - 立体摄像设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及立体摄像设备。根据示意性实施方式，提供了一种摄像系统。该系统包括第一摄像单元、第二摄像单元和光耦合至第一摄像单元和第二摄像单元的物镜光学系统，其中该物镜光学系统具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向。

Description

立体摄像设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年12月14日向日本专利局提交的日本专利申请JP2011-273664的优先权，其全部内容通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明涉及一种捕获立体图像的立体摄像设备，更具体地，涉及一种用于减少信号中出现的像差对形成立体像施加的不利影响的技术。

背景技术

近年来，对能够捕获3D（立体）图像的相机（立体摄像设备）的需求不断增加。作为捕获立体图像的方法，已经使用了使用半透明反射镜来捕获图像的分束器类型（半透明反射镜型）、使用物理布置和安装的两个摄像装置进行捕获图像的并排型（并行双透镜型）等。在这些捕获类型中，摄像设备安装在被称为台（rig）的架台上，并进行图像捕获，从而增加了摄像装置的安装自由度。例如，可以以高自由度选择捕获立体图像的两个透镜之间的距离（基线长度，以下称为IAD（轴间距离））、会聚性或视场角。

然而，存在的问题在于：虽然自由度高，但对于每次捕获进行的设定以及调整需要很大的精力和时间来将立体摄像设备安装在架台上。此外，还存在的问题是：特别是采用分束器类型的摄像设备的架台是大型设备，且不适合在视野内捕获或覆盖。此外，在采用并排型的摄像设备中，由于两个透镜的各自光学系统或摄像器物理上互相干扰，所以IAD不可以短于由光学系统或摄像器的设置位置所限定的特定距离。由于这个原因，例如，在非常近地捕获被摄体的情况下，显示于3D显示器上的位于被摄体后面的仅几米远位置处的视差超出人们舒适地观察3D图像的视差范围。

例如，JP-A-2003-5313公开了单个物镜光学系统设置在多个摄像光学系统的前侧（被摄体侧），并从而可移动会聚点。

发明内容

然而，根据在JP-A-2003-5313中所公开的构造，认为提供了一种物镜光学系统，且因此不仅形成了图像形成光学系统的实际光瞳，而且还形成了其相应的虚拟光瞳。这里所描述的虚拟光瞳是从被摄体射出的光束所通过的点，穿过物镜光学系统并穿过图像形成光学系统的透镜中心的所有光束穿过该点。换言之，也可以说，在图像形成光学系统的摄像装置中形成的图像是与使用虚拟光瞳作为光瞳而捕获的图像等价的图像（在下文中，虚拟光瞳被称为“有效光瞳”）。

因此，两个有效光瞳之间的距离成为立体摄像设备的实质IAD（在下文中，实质IAD被称为“有效IAD”）。此外，本发明人已经发现通过设计用作物镜光学系统的透镜的构造或设置而使有效IAD比由摄像光学系统的设置位置所设定的物理IAD短。

另一方面，当单个物镜光学系统设置在多个图像形成光学系统的前侧时，物镜光学系统的光轴和图像形成光学系统的光轴彼此不一致。由于这个原因，在光束穿过与物镜光学系统的光轴偏离的位置的图像区域中，由于与中心轴的偏离，放大倍率的畸变像差或色像差的影响增加。因此，所捕获的图像被分为像差对图像中心施加大影响和小影响的部分。

具体地，在由两个透镜摄像的立体视觉的情况下，由于两个图像形成光学系统设置在相对于物镜光学系统的光学中心轴向左方向和右方向偏离的位置处，所以放大倍率的畸变像差或色像差的产生状态在具有由捕获的结果所获得的视差的左图像和右图像上是不同的。图20A和图20B示出图像的示例，其中该图像是通过使用具有单个物镜光学系统和两个图像形成光学系统的立体摄像设备，捕获其中纵向线和横向线彼此相交的间隔相等且具有相对宽的视场角的格子图案所获得的结果。可以看出，在示出左眼视差图像的图20A中，在图像的左端侧出现大的畸变像差，并且在示出右眼视差图像的图20B中，在图像的右端侧出现大的畸变像差。其特征在于在任何图像中，垂直方向上表现出的畸变大于水平方向上表现出的畸变。

为了防止这种像差，设计一种难以发生像差的光学系统是解决方案。然而有很多情况：物镜光学系统的后级上的多个图像形成光学系统的光轴之间的间隙比较大，并且在这些情况下，在用于减少像差的物镜光学系统中，透镜的数量增加或透镜的大小变大。换言之，这将导致光学系统的重量和价格增加。

此外，可通过立体摄像设备的信号处理电路进行的图像信号处理来校正像差。然而，如图20A和图20B中所示，如果垂直方向上的图像畸变较大，则需准备垂直方向上的线存储器的数量与水平方向上的所有像素一样多，以进行校正。然而，如果线存储器的总容量增加，则制造成本也相应增加。

因此，期望在尽可能不增加立体摄像设备的制造成本的情况下，将出现在图像信号中的像差施加至形成立体视觉的不利影响降低，该立体摄像设备可调整实际上是由立体摄像设备形成的多个光瞳之间的距离。

根据示意性实施方式的摄像系统包括第一摄像单元、第二摄像单元和光耦合至第一摄像单元和第二摄像单元的物镜光学系统，其中物镜光学系统具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向。

通过这种构造，作用到第一方向或第二方向上入射的被摄体光上的屈光力减弱，并因此能够减少在摄像装置获得的图像的一个方向上产生的像差的出现。换言之，可能尽可能多地抑制制造成本的增加（在不设计专用的像差校正透镜或增加线存储器的容量的情况下），并减少图像信号中出现的像差对形成立体视觉施加的不利影响。

附图说明

图1A和图1B是示出其中相关技术中在物镜光学系统中使用正透镜的立体摄像设备的构造示例的示意图。

图2A至图2C是示出其中相关技术中在物镜光学系统使用负透镜的构造示例的示意图，其中图2A示出其中物镜光学系统由两个正透镜构成的示例，图2B示出其中物镜光学系统由负透镜和正透镜构成的示例，以及图2C示出其中物镜光学系统由正透镜和负透镜构成的示例。

图3是示出根据本发明第一实施方式的立体摄像设备的构造示例的框图。

图4是示出根据本发明第一实施方式的立体摄像设备的构造示例的透视图。

图5A至图5C是示出负柱面透镜的光学特性的示图，其中图5A是透视图，以及图5B和图5C是侧视图。

图6A至图6C是示出正柱面透镜的光学特性的示图，其中图6A是透视图，以及图6B和图6C是侧视图。

图7A和图7B是示出根据本发明第一实施方式的立体摄像设备的构造示例的示意图，其中图7A是顶视图，以及图7B是侧视图。

图8A和图8B是示出由根据本发明第一实施方式的立体摄像设备捕获的左视差图像和右视差图像的示例的示图，其中图8A示出左眼视差图像，以及图8B示出右眼视差图像。

图9是示出根据本发明第一实施方式的变形例的立体摄像设备的构造示例的框图。

图10是示出根据本发明第一实施方式的变形例的像差校正处理的示例的流程图。

图11A和图11B是示出根据本发明第二实施方式的立体摄像设备的构造示例的示意图，其中图11A是顶视图，且图11B是侧视图。

图12A和图12B是示出由根据本发明第二实施方式的立体摄像设备捕获的左视差图像和右视差图像的示例的示图，其中图12A示出左眼视差图像，以及图12B示出右眼视差图像。

图13是示出当以重叠方式设置两个正柱面透镜时光束被折射以使其母线彼此垂直的情况的示图。

图14A和图14B是示出根据本发明第三实施方式的立体摄像设备的构造示例的示意图，其中图14A是顶视图，且图14B是侧视图。

图15A和图15B是示出由根据本发明第三实施方式和第四实施方式的立体摄像设备捕获的左视差图像和右视差图像的示例的示图，其中图15A示出左眼视差图像，以及图15B示出右眼视差图像。

图16A和图16B是示出根据本发明第四实施方式的立体摄像设备的构造示例的示意图，其中图16A是顶视图，以及图16B是侧视图。

图17是示出根据本发明变形例的立体摄像设备的构造示例的顶视图。

图18A和图18B是示出根据本发明变形例的立体摄像设备的构造示例的示意图，其中图18A是顶视图，以及图18B是侧视图。

图19A和图19B是示出根据本发明变形例的立体摄像设备的构造示例的示意图，其中图19A是顶视图，以及图19B是侧视图。

图20A和图20B是示出其中相关技术中由具有物镜光学系统的立体摄像设备捕获的视差图像的示例的示图，其中图20A示出左眼视差图像，以及图20B示出右眼视差图像。

具体实施方式

下文中，将描述本发明的实施方式。此外，将按以下顺序进行描述。

1．有效光瞳的形成原理

2．第一实施方式

3．第一实施方式的变形例

4．第二实施方式

5．第三实施方式

6．第四实施方式

7．各种变形例

<1.有效光瞳的形成原理>

首先，将参照图1A和图1B对由立体摄像设备形成的有效光瞳的原理进行描述。图1A和图1B中示出的立体摄像设备50包括物镜光学系统10、摄像单元20L和摄像单元20R。物镜光学系统10具有将被摄体（未示出）形成为实像的功能。即，物镜光学系统10被构造为焦点光学系统。图1A示出其中具有正屈光力的正透镜（凸透镜）11p用作物镜光学系统10的示例，以及图1B示出其中具有负屈光力的负透镜（凹透镜）11m用作物镜光学系统10的示例。

摄像单元20R和摄像单元20L包括图像形成光学系统（未示出），且图像形成光学系统将从物镜光学系统10的不同路径发射的多个被摄体光束形成为视差图像。此外，通过摄像单元20R和20L中的摄像装置（未示出）将由图像形成光学系统形成的视差图像转换成图像信号。

图1A是其中从顶部观察立体摄像设备50的顶视图。立体摄像设备50被设置或保持为使构成摄像装置的像素的设置的水平方向平行于地面。换言之，图1A的上部中示出的摄像单元20L是产生左眼视差图像的摄像单元，而下部示出的摄像单元20R是产生右眼视差图像的摄像单元。

图1A中的虚线和实线表示当假设光束从摄像单元20L和摄像单元20R的图像形成光学系统（未示出）的透镜中心辐射时辐射光束的光路。虚线表示从摄像单元20L和摄像单元20R的图像形成光学系统（未示出）的透镜中心辐射并穿过物镜光学系统10A的后侧焦点F'的光的光路。如虚线所表示，从左图像形成光学系统和右图像形成光学系统的透镜中心辐射并穿过物镜光学系统10A的后侧焦点F'的光被物镜光学系统10A折射，并变为平行于物镜光学系统10A的光轴Ax。

图1A中所示的实线表示穿过各个图像光学系统的视角的左端和右端的光束的光路和从摄像单元20L和摄像单元20R的图像形成光学系统（未示出）的透镜中心辐射的光束的光路。由实线表示的各个光束被物镜光学系统10A折射，然后与由虚线表示的光束相交。即，这意味着从摄像单元20L和摄像单元20R的图像形成光学系统（未示出）的透镜中心辐射的所有光束一定穿过交点。

由于这个原因，形成于摄像单元20L和摄像单元20R的摄像面（未示出）上的图像等同于使用交点作为光瞳所捕获的图像。换言之，这些交点被认为是立体摄像设备50的实质光瞳（有效光瞳）。因此，由摄像单元20L和摄像单元20R所抓获的图像与通过在形成交点的位置处安装相机所捕获的图像相同。在图1A和图1B中，以这种方式形成的相机被示为“有效相机20L'”和“有效相机20R'”。

这可以说，有效相机20L'的有效光瞳（有效光瞳EpL）和有效相机20R'的有效光瞳（有效光瞳EpR）之间的距离是立体摄像设备50的实质IAD（以下称为“有效IAD”）。在图1A中所示的示例中，有效IAD比由摄像单元20R和摄像单元20L的设置所限定的物理IAD短。换言之，通过构造立体摄像设备50，能够实现即使在不能使捕获左视差图像和右视差图像的相机（在本文中为摄像单元20L和摄像单元20R）之间的设置间隙变窄的情况下，使为实质有效IAD的“有效IAD”比物理IAD短。

即使在负透镜11m用于图1B中所示的物镜光学系统10B的构造中，也可使有效IAD比物理IAD短，同样如图1A中所示的构造。

图2A至图2C是示出当物镜光学系统10C至物镜光学系统10E被构造为远焦光学系统时，摄像单元20L和摄像单元20R和与其对应的有效相机20L'和有效照相机20R'之间的位置关系的示图。在图2A至图2C中，对应于图1A和图1B的部分被赋予相同的参考标号，并且将省略重复描述。此外，在以下描述中，在没有必要进行物镜光学系统10之间的区分的情况下，它们被简称为“物镜光学系统10”或“多个物镜光学系统10”。

图2A是示出其中物镜光学系统10C由两个正透镜（正透镜11p1和正透镜11p2）构成的示例的示图，以及图2B是示出其中物镜光学系统10D由负透镜11m和正透镜11p构成且负透镜11m设置在被摄体侧的示例的示图。图2C是示出其中物镜光学系统10E由正透镜11p和负透镜11m构成且正透镜11p设置在被摄体侧的示例的示图。

在任何构造中，摄像单元20L和摄像单元20R被设置为使其光轴平行于物镜光学系统10的光轴Ax。此外，构成物镜光学系统10的透镜设置在其中透镜之间的间隙成为透镜的焦距之和（成为共焦点）的位置处。在图2A所示的示例中，正透镜11p1的后侧焦点Fp1'和正透镜11p2的位置被调整为使正透镜11p1的后侧焦点Fp1'和正透镜11p2的前侧焦点Fp2位于相同位置上。通过该设置，实现远焦光学系统。即，平行于设置在被摄体侧的正透镜11p1入射的光束从设置在摄像单元20侧的正透镜11p2以平行光射出。

假设光束从摄像单元20L和摄像单元20R的透镜中心射出，被构造为远焦光学系统的物镜光学系统10具有将光束（即，平行光束）之间的间隙转换为不同间隙的功能。可通过使构成物镜光学系统10的透镜构造不同来改变由远焦光学系统转换的平行光束的可变放大倍率。当物镜光学系统10被构造为远焦光学系统时，有效光瞳EpL和有效光瞳EpR形成于由物镜光学系统10转换其放大倍率的平行光束上。因此，通过改变构成物镜光学系统10的各个透镜的构造，能够使作为有效光瞳EpL和有效光瞳EpR之间的间隙的有效IAD比物理IAD短或反过来比物理IAD长。

在其中如图2A所示的物镜光学系统10设置在两个正透镜11p形成共焦点关系的位置上的构造中，或在其中如图2B所示的正透镜11p被设置在负透镜11m的后侧（摄像单元20侧）上的构造中，可使有效IAD比物理IAD短。在其中如图2C所示负透镜11m设置在正透镜11p的后侧上的构造中，可使有效IAD比物理IAD长。

然而，在任何构造中，如每个图所示，入射至摄像单元20L和摄像单元20R的光束的光路不同，这是因为光路通过物镜光学系统10的中心附近并通过其端部（外侧）。具体地，通过端部（外侧）的光路比通过中心附近的光路长。由于这个原因，在图20A所示的左眼视差图像中，畸变像差的出现朝向屏幕的左侧增加，而且在图20B所示的右眼视差图像中，畸变像差的出现朝向其右侧增加。

为了减少畸变像差对形成立体视觉施加的不利影响，根据本发明实施方式的立体摄像设备使用变形光学系统的透镜作为物镜光学系统的透镜。变形光学系统是光在纵向方向上的折射率和横向方向上的折射率不同的光学系统，并在许多情况下用于电影术。在被用作电影术的情况下，当在电影院的宽屏幕的宽度上为横向比较长的图像被在横向方向上压缩为适合于电影的帧宽度时，且当记录的图像被压缩回原始宽屏幕的大小并被投射时，使用变形光学系统。作为具有最简单构造的透镜，已知的是柱面透镜，其具有圆柱被切割的形状，并具有其中折射光的方向和其中不折射光的方向。此外，物镜光学系统可具有光被折射所沿的方向，和光被不同地折射所沿的方向。

<2.第一实施方式>

[2-1.立体摄像设备的构造示例]

接下来，将参照图3描述根据本发明第一实施方式的立体摄像设备1的构造示例。立体摄像设备1包括物镜光学系统100、摄像单元200L和摄像单元200R。在本实施方式中，物镜光学系统100被构造为远焦光学系统，且物镜光学系统100是将从被摄体发射的光束合并且将光束导向到后级的光学系统。入射为平行光的光束被发射为平行光。构成远焦光学系统的各透镜使用作为变形光学系统的透镜的柱面透镜。稍后将参考图4至图7B描述物镜光学系统100的构造细节。

摄像单元200L包括图像形成光学系统201L和摄像装置202L，且摄像单元200R包括图像形成光学系统201R和摄像装置202R。图像形成光学系统201L和图像形成光学系统201R将从物镜光学系统100的不同光路发射的多个物光束形成为视差图像。摄像装置202L和摄像装置202R包括设置在水平方向和垂直方向上的多个像素，且多个像素中的每个像素将图像形成光学系统201L或图像形成光学系统201R所形成的视差图像转换成图像信号以输出。

摄像单元200L和摄像单元200R设置在其光轴平行于物镜光学系统100的光轴Ax的位置处，并且被设置为关于物镜光学系统100的光轴Ax彼此对称。

此外，立体摄像设备1包括信号处理单元300L、信号处理单元300R、图像处理单元400、控制单元500、操作单元600以及存储单元700。信号处理单元300L和信号处理单元300R对从摄像装置202L或摄像装置202R输出的图像信号进行诸如CDS（相关双采样）、AGC（自动增益控制）、AWB（自动白平衡）和AIC（自动光圈控制）的信号处理。

图像处理单元400调整从摄像装置202L或摄像装置202R输出的左视差图像或右视差图像的光轴偏差、色彩偏差或相位偏差。控制单元500由CPU（中央处理单元）等构成，并控制构成立体摄像设备1的各个单元。在一些情况下，对存储在稍后描述的存储单元700中的图像数据进行预定图像处理。

操作单元600包括由按钮、旋钮或开关构成的操作输入部（未示出），并产生和输出对应于在操作输入部上进行的操作的操作信号。存储单元700由非易失性存储器等构成，且像素信号中所包含的像素信息等被累积在存储单元700中或从存储单元700中读取，或图像数据被累积在其中。此外，存储单元700可被设置在信号处理单元300L和信号处理单元300R内，或设置在图像处理单元400内，并因此可存储不被其它电路参照的数据，或可用作用于实现高速缓存的高速缓冲存储器。

[2-2.物镜光学系统的构造示例]

接下来，将参照图4至图7B描述物镜光学系统100的构造细节。图4是示出物镜光学系统100、摄像单元200L和摄像单元200R的设置示例的透视图，并示出其中从前上侧（被摄体侧）与右边对角地观察立体摄像设备1的示例。如图4所示，物镜光学系统100由具有负屈光力的负柱面透镜（以下，简称为“负透镜”）101m和具有正屈光力的正柱面透镜（在下文中，简称为“正透镜”）101p构成。在图4中，物镜光学系统100的光轴Ax的方向被表示为z轴，且构成摄像装置202L（和摄像装置202R）的像素的水平方向和垂直方向分别被表示为x轴和y轴。

图5A至图6C示出负透镜101m和正透镜101p的构造示例。图5A中所示的负透镜101m具有包括在x轴方向上绘制的线段并连接图中的“a”和“b”的横截面（以下，称为“ab横截面”），以及包括在y轴方向上绘制的线段并连接图中的“c”和“d”的横截面（下文中，简称为“cd横截面”）。图5B示出负透镜101m的ab横截面，且图5C示出其cd横截面。

在入射到图5B中所示的ab横截面上的光束中，沿负透镜101m的光轴入射的光束R1保持原样直线传播，而入射到ab横截面的其它部分上的光束R2被负透镜101m折射并传播为向外扩散。

图5C中所示的cd横截面不包括弯曲表面，并因此不具有透镜操作。因此，沿该横截面入射的光束都直线传播。此外，虽然图5A至图5C示出其中负透镜101m的一个表面具有弯曲表面（凹面）的示例，但是本发明不限于此，且可使用其中两个表面是弯曲的负透镜。

图6A中所示的正透镜101p具有包括在x轴方向上绘制的线段并连接图中的“e”和“f”的横截面（下文中，称为“ef横截面”），以及包括在y轴方向上绘制的线段并连接图中的“g”和“h”的横截面（下文中，称为“gh横截面”）。图6B示出正透镜101p的ef横截面，以及图6C示出其gh横截面。

在入射到图6B中所示的ef横截面上的光束中，沿正透镜101p的光轴入射的光束R1保持原样直线传播，且入射到ef横截面的其它部分上的光束R2被负透镜101m折射并会聚到正透镜101p的后侧焦点F’上。图6C中所示的gh横截面不包括弯曲表面，并因此不具有透镜操作。因此，沿该横截面入射的光束都直线传播。换言之，可以看出，由图5A至图6C中所示的柱面透镜构成的负透镜101m和正透镜101p在作为第二方向的y轴方向上的第二屈光力比作为第一方向的上的x轴方向上第一屈光力低。

如图4所示，通过将负透镜101m和正透镜101p设置为使其x轴方向与摄像单元200L和摄像单元200R的设置方向相一致，仅被入射为平行于每个透镜的光束被折射。在图4所示的示例中，摄像单元200L和摄像单元200R被设置为被布置在水平方向上，并且因此摄像单元200L和摄像单元200R的设置方向与构成摄像装置的各个像素的设置中的水平方向相一致。通过这样的设置，在图像的纵向方向上不会发生在物镜光学系统100中的折射。

图7A是其中从顶部观察的立体摄像设备1的顶视图，并且图7B是其中从左侧（设置摄像装置202L侧）观察立体摄像设备1的侧视图。在本实施方式中，如图7A所示，构成物镜光学系统100的负透镜101m和正透镜101p被设置为使负透镜101m的后焦点Fm'和正透镜101p的前焦点Fp位于相同的位置。通过这样的构造，平行于物镜光学系统100的光轴Ax而入射的光束被负透镜101m和正透镜101p折射，并作为平行光被再次发射。

此外，以一个角度入射到负透镜101m上并到达负透镜101m的主平面的光束然后被负透镜101m折射并在朝外扩散的方向上传播。在这些光束中，有效光瞳EpR和有效光瞳EpL形成于入射到负透镜101m上并到达负透镜101m的主平面的光束保持原样延伸的位置处。此外，在摄像单元200L和摄像单元200R的摄像面（未示出）上形成的图像相当于通过将相机（有效相机200L'和有效相机200R'）设置在有效光瞳EpR和有效光瞳EpL形成的位置处所捕获的图像。

在图7A所示的示例中，以与图2B中所示的相关技术中的构造相同的方式，可以看出，作为有效光瞳EpR和有效光瞳EpL之间的间隙的有效IAD小于由摄像单元200L和摄像单元200R之间的实际设置间隙所定义的物理IAD。即，入射到被构造为变形光学系统的物镜光学系统100上并由摄像单元200L和摄像单元200R产生的图像在横向方向上减少。

另一方面，如图7B所示，当从侧表面观察物镜光学系统100时，通过物镜光学系统100的各个透镜的光束的光路不同于如图2B中所示的相关技术中的构造中那些光路。在根据本发明第一实施方式的立体摄像设备1中，由于物镜光学系统100被构造为变形光学系统，如图5B所示，所以在y轴方向（纵向方向）上入射到物镜光学系统100的光束不被折射，而是直线传播。换言之，由于被构造为变形光学系统的物镜光学系统100等同于薄板玻璃，所以在纵向方向上入射的光束不发生折射。因此，入射在物镜光学系统100上并由摄像单元200L和摄像单元200R产生的图像的纵向方向不被可变地放大，而是保持不放大。

图8A和图8B示意地示出当具有相同间隔的格子图案被图7A和图7B示出的立体摄像设备1捕获时的捕获结果的图像。如上所述，由于在纵向方向上入射到物镜光学系统100上的光束不被折射，所以在所捕获图像中纵向方向上的格子图案的间隔处于被物镜光学系统100不放大的状态下，即为等于在不包括物镜光学系统100的状态下捕获的图像中的间隔。

另一方面，由于图像的横向方向受物镜光学系统100中的折射的影响，所以横向方向上的格子图案的宽度减小。然而，在图8A和图8B所示的图像中，考虑到假设可能无法光学校正物镜光学系统100的整个畸变像差，所以由于像差影响，格子图案具有不相等的间隔。具体地，考虑到假设产生了相当于球面透镜中的筒像差（barrel aberration）的畸变像差，在像差对其施加更大影响的左图像的左端和右图像的右端上的格子间隔稍窄。

如上所述，然而，透镜操作在由立体摄像设备1捕获的图像的纵向方向不工作，并且因此在纵向（垂直）方向上在左视差图像和右视差图像中不会发生这样的位置偏差。如果左视差图像和右视差图像中的相应像素在纵向方向上偏离，则认为观察者在立体视觉期间会感觉疲劳或不适。在如图20A和图20B中所示的球面透镜用于物镜光学系统中的示例中，由于畸变在左视差图像和右视差图像中不同，所以在屏幕的两端的纵向偏差增加，其对立体视觉的形成施加不利影响。与之相比，由于物镜光学系统100被构造为根据本发明第一实施方式的立体摄像设备1中的变形光学系统，所以可分离左视差图像和右视差图像中的横向方向上的像差和纵向方向上的像差。由此，能够抑制在倾斜方向上产生的畸变像差。因此，当进行立体视觉时，能够消除垂直方向上左视差图像和右视差图像中的对应点的位置偏差。

此外，根据本实施方式，由于消除了左视差图像和右视差图像之间的垂直方向上的位置偏差，所以没有必要增加用于校正纵向方向上的像差的线存储器的容量。此外，由于可将左视差图像和右视差图像中的横向方向的像差和纵向方向的像差分离，所以物镜光学系统100的放大倍率的畸变像差或色像差可在图像处理期间容易地校正。换言之，由于可以加宽能够通过图像处理来校正该像差的范围，所以没有必要设计用于防止放大倍率的畸变像差或色像差的专用透镜。因此，能够抑制透镜为大型透镜以及使用多个透镜，并因此能够抑制光学系统的体积和制造成本的增加。

<3.第一实施方式的变形例>

虽然，在上述第一实施方式中，已经对其中通过将物镜光学系统100构造为变形光学系统来减少畸变像差施加至形成立体视觉的不利影响以改变畸变像差的显现方式的示例进行了描述，但是本发明不限于此。可进行用于抑制畸变像差的信号处理或图像处理，或用于校正视差图像的高宽比的信号处理或图像处理。

图9中所示的立体摄像设备1a执行用于抑制视差图像中的畸变像差的信号处理或图像处理或用于校正视差图像的高宽比的信号处理或图像处理。在图9中，对应于图3的部分被赋予相同的参考符号，并且将省略重复的描述。在图9中所示的立体摄像设备1a中，与图3中所示的立体摄像设备1的差异在于，信号处理单元300La和信号处理单元300Ra执行像差校正处理，并且设置纵向轴和横向轴偏差检测单元800，且图像处理单元400a执行高宽比校正处理。此外，存储单元700a的构造也有差异。

首先，将描述存储单元700a的构造。存储单元700a包括期望图像存储部701、观察图像保持部702和校正参数存储部703。期望图像存储部701存储用于参照的期望图像Ie，该图像是期望在不产生像差的状态下捕获的图像。

通过准备其中相同图案规则地表现出具有相等的间隔（诸如，例如格子图案、圆点图案或方格图案）的图像作为参考图像Ir并且产生参考图像Ir的数据来获得期望图像Ie。准备作为参考图像Ir的图像优选为具有这样规则图案的图像；然而可使用诸如情景图像的其它图像。可替换地，在通过由立体摄像设备1捕获参考图像Ir获取的观察图像Io中，提取具有小像差的区域的数据，并根据该数据估计其它区域的数据，从而产生期望图像Ie。

观察图像保持部702保持通过由立体摄像设备1捕获参考图像Ir所获取的观察图像Io。校正参数存储部703存储由控制单元500计算的像差校正参数。像差校正参数通过将形成图像的各个像素的校正值（R、G和B值）与校正表格形式中的像素的位置信息关联来获得。信号处理单元300La和信号处理单元300Ra比较和分析期望图像Ie和观察图像Io，从而产生像差校正参数。

如果将其中图案的间隔在纵向方向和横向方向上相等的图像准备为参照图像Ir，即，准备其在相同高宽比下不包括畸变像差的图像，则从参考图像Ir产生的期望图像Ie在相同高宽比下也不包括畸变像差。通过使用通过比较和分析期望图像Ie和观察图像Io所产生的校正参数来校正像差，并因此能够一起校正畸变像差和高宽比。

此外，虽然本文中例示了仅将R、G和B的色彩值用作校正值的情况，但是本发明并不限于此。例如，也可通过使用与作为校正值参照对象的像素相邻的像素的色彩值作为校正值的参照。此外，可不提供用于形成图像的所有像素的校正表。例如，可每十个像素保持参考位置，且可通过在进行校正时对校正表的参考位置进行差值来为每个像素计算校正之前的像素位置。

信号处理单元300La和信号处理单元300Ra通过使用存储于校正参数存储部703中的像差校正参数而对从摄像装置202L或摄像装置202R输出的图像信号进行像差校正处理。此外，在本实施方式中，虽然已经描述了其中通过信号处理单元300La和信号处理单元300Ra对左图像信号和右图像信号彼此分离进行像差校正处理的示例，但是可通过图像处理单元400a进行像差校正处理。此外，不是通过信号处理单元300La和信号处理单元300Ra而是通过图像处理单元400a进行像差校正参数的产生。

纵向轴和横向轴偏差检测单元800确定物镜光学系统100的各个透镜的纵向轴和横向轴是否与观察图像Io的纵向轴和横向轴一致，且如果它们彼此不一致，则检测其偏差量。

如果纵向轴和横向轴偏差检测单元800检测到纵向轴和横向轴的偏差，则图像处理单元400a进行用于消除偏差的处理。具体地，例如，通过进行仿射变换，使观察图像Io的纵向轴和横向轴与物镜光学系统100的各个透镜的纵向轴和横向轴相一致。可替换地，可设置用于在关于光轴的旋转方向上物理驱动物镜光学系统100的驱动机构，且可通过用驱动机构旋转物镜光学系统100而使物镜光学系统100的各个透镜的纵向轴和横向轴与观察图像的纵向轴和横向轴一致。

根据本实施方式的立体摄像设备1a包括两种模式，即用于获取像差校正参数的“像差校正参数获取模式”和用于校正像差的“校正模式”。由用户经由操作单元600选择这两种模式。图10是示出当选择这些模式时的校正处理的示例的流程图。

首先，如果由用户输入用于选择一个模式的操作（步骤S1），则信号处理单元300La和信号处理单元300Ra（参照图3）确定所选择的模式是否是“像差校正参数获取模式”（步骤S2）。如果所选择的模式不是“像差校正参数获取模式”，即，如果其为“校正模式”，则从校正参数存储部703（参考图9）读取像差校正参数（步骤S3）。此外，信号处理单元300La和信号处理单元300Ra或图像处理单元400a校正所捕获的图像的像差（步骤S4），并输出校正的图像（步骤S5）。

在步骤S2中，如果确定用户所选择的模式是“像差校正参数获取模式”，则信号处理单元300La和信号处理单元300R从期望图像存储部701中读取期望图像Ie（步骤S6）。接下来，信号处理单元300La和信号处理单元300Ra比较和分析所读取的期望图像Ie和通过捕获所获得的观察图像Io，并基于分析结果产生像差校正参数（步骤S7）。此外，将所产生的像差校正参数存储于校正参数存储部703中（步骤S8）。

如此，通过信号处理或图像处理进行物镜光学系统100的像差的校正，并因此能够消除由于像差而在横向方向上发生的捕获的图像的位置偏差。此外，通过信号处理或图像处理校正物镜光学系统100的像差，能够提高物镜光学系统100的光学设计的自由度。此外，由于用户方获取像差校正参数，所以即使在由于老化而使像差形式变化的情况下，用户也可以适当地进行校正。

此外，虽然，在本实施方式中，已经描述了其中用户可选择“像差校正参数获取模式”和“校正模式”的示例，但是本发明并不限于此。可具有以下构造：在工厂装运之前进行“像差校正参数获取模式”中的参数获取且用户可不校正参数的构造。

<4.第二实施方式>

接下来，将参考图11A和图11B描述本发明的第二实施方式。在第一实施方式或其变形例中所描述的立体摄像设备1（1a）中，物镜光学系统100被构造为变形光学系统，因此能够消除左视差图像和右视差图像的相应点的垂直方向上的位置偏差。然而，存在的问题在于，虚拟形成于有效光瞳EpL（EpR）的位置处的有效相机200L'（200R'）的视场角变得比实际摄像单元200L（200R）的视场角宽。

为了解决这个问题，根据本实施方式的立体摄像设备1b不仅包括第一物镜光学系统（其覆盖摄像单元200L的视场角和摄像单元200R的视场角），而且也包括第二物镜光学系统（其对应于各个图像形成光学系统201）。第一物镜光学系统和第二物镜光学系统都被构造为变形光学系统。此外，构成第二物镜光学系统的透镜的设置与构成第一物镜光学系统的透镜的设置相反，且第二物镜光学系统的远焦放大倍率是第一物镜光学系统的远焦放大倍率的倒数。此外，这里描述的“远焦放大倍率”表示两个透镜的焦距比。

图11A是其中从顶部观察立体摄像设备1b的俯视图，且图11B是其中从左侧（设置摄像单元202L侧）观察立体摄像设备1b的侧视图。在图11A和图11B中，对应于图7A和图7B的部分被赋予相同的参考符号。如图11A所示，立体摄像设备1b包括物镜光学系统100b、摄像单元200L和摄像单元200R。

物镜光学系统100b由第一物镜光学系统100b1、第二物镜光学系统100b2L和第二物镜光学系统100b2R构成。第一物镜光学系统100b1包括负透镜101m和正透镜101p，负透镜101m设置在被摄体侧（未示出），且正透镜101p设置在其后侧（被摄体光的发射侧）。第一物镜光学系统100b1的构造与图7A中所示的物镜光学系统100的构造相同。

第一物镜光学系统100b1设置在摄像单元200L和摄像单元200R的前一级，并因此以与图7A中所示的构造相同的方式形成有效光瞳EpL和有效光瞳EpR。此外，作为有效光瞳EpL和有效光瞳EpR之间的间隙的有效IAD比由摄像单元200L和摄像单元200R的构造定义的物理IAD短。换言之，第一物镜光学系统100b1设置在摄像单元200L和摄像单元200R的前一级，并因此能够实现与图7A和图7B中所示的构造相同的效果。

在本实施方式中，第二物镜光学系统设置在第一物镜光学系统100b1的后侧。第二物镜光学系统由被安装为对应于摄像单元200L中的图像形成光学系统（未示出）的第二物镜光学系统100b2L和被安装为对应于摄像单元200L中的图像形成光学系统（未示出）的第二物镜光学系统100b2R构成。第二物镜光学系统100b2L和第二物镜光学系统100b2R被设置为其透镜中心分别位于摄像单元200L和摄像单元200R的图像形成光学系统（未示出）的光轴AXL和光轴AXR上。

第二物镜光学系统100b2L和第二物镜光学系统100b2R分别由正透镜101p和负透镜101m构成，且正透镜101p设置在被摄体侧（未示出），且负透镜101m设置在其后侧。

此外，在第二物镜光学系统100b2L和第二物镜光学系统100b2R中，构成这两个第二物镜光学系统的透镜在光轴方向上的设置与构成第一物镜光学系统100b1的透镜的设置相反。换言之，正透镜101p设置在被摄体侧，且负透镜101m设置在摄像单元200侧。通过这种设置，第二物镜光学系统100b2L和第二物镜光学系统100b2R的放大倍率是第一物镜光学系统100b1的放大倍率的倒数。因此，通过第一物镜光学系统100b1的透镜操作使有效相机200L'或有效相机200R′的稍微展开的视场角变窄，并因此变得与摄像单元200L或摄像单元200R的视场角大致相同。

此外，还是在本实施方式中，由第一物镜光学系统100b1、第二物镜光学系统100b2L和第二物镜光学系统100b2R构成的物镜光学系统100b被构造为变形光学系统。此外，构成各物镜光学系统的负透镜101m和正透镜101p被设置为使得其x轴方向与摄像装置的像素（未示出）的设置的水平方向相一致。

因此，如图11B中所示，入射到物镜光学系统100b上的光束在纵向方向（在图中的y轴方向）上不被折射而是直线传播。换言之，由于被构造为变形光学系统的各个物镜光学系统相当于薄板玻璃，所以入射的光束在纵向方向上不被折射。由摄像单元200L和摄像单元200R产生的图像的纵向方向不被可变地放大，而是保持不放大。

图12A和图12B示意地示出当具有相同间隔的格子图案由图11A和图11B示出的立体摄像设备1b捕获时的捕获结果的图像。图12A示出左眼视差图像，且图12B示出右眼视差图像。如上所述，由于入射到物镜光学系统100b上的光束在纵向方向上不被折射，所以在所捕获图像中，格子图案在纵向方向上的间隔等于在不包括物镜光学系统100b的状态下捕获的图像的间隔。

另一方面，由于图像的横向方向受第一物镜光学系统100b1中的折射影响，所以横向方向上的格子图案的宽度暂时减小。然而，此后，由于光束通过第二物镜光学系统100b2R和第二物镜光学系统100b2L，所以横向方向上的格子图案的宽度为等于在不包括第一物镜光学系统100b1的状态下捕获的图像的间隔。

此外，在图12A和图12B所示的图像中，考虑到假设可能会无法光学校正物镜光学系统100b的整个畸变像差，从而由于像差影响使得格子图案具有不相等的间隔。具体地，考虑到假设产生了相当于球面透镜中的筒像差的畸变像差，格子间隔在像差对其施加更大影响的左图像的左端和右图像的右端上变得稍稍更窄。

立体摄像设备1b的其它块的构造可为如图3所示的构造，或可为如图9所示的构造，以使根据信号进行像差校正。然而，在本实施方式中，由于通过物镜光学系统100b的光束不使图像的高宽比变化，所以即使应用图9中所示的构造，也没有必要校正高宽比。

根据上述第二实施方式，能够实现相当于由第一实施方式实现的效果的效果。除此之外，能够实现由第一物镜光学系统100b1形成的有效相机200L'和有效相机200R'的视场角与摄像单元200L和摄像单元200R的视场角基本相同的效果。

<5.第三实施方式>

接下来，将参照图13至图14B描述本发明的第三实施方式。在本实施方式中，为了使视差图像的高宽比与其中摄像单元200的视场角被加宽的状态下的高宽比相同，第二物镜光学系统100c2的设置方向相对于第一物镜光学系统100c1的设置方向旋转90°。在描述根据本实施方式的立体摄像设备1c的构造之前，将参照图13描述其原理。

图13是示出通过当由柱面透镜构成的正透镜101p1和正透镜101p2被设置为使母线在设置方向上彼此垂直时光束通过透镜的光路的示图。在图13中，假设在图中光束从上入射并向下传播。设置在被摄体侧（上侧）（未示出）上的正透镜101p1被设置为使具有弯曲表面的边平行于包括摄像装置202L的摄像单元（未示出）和包括摄像装置202L的摄像单元的设置方向。在此，两个摄像单元被设置为在水平方向上对齐，并且因此，摄像单元的设置方向与摄像装置202L和摄像装置202R中的像素设置的水平方向相一致。此外，设置在正透镜101p1下方的正透镜101p2被设置为使具有弯曲表面的边设置在垂直于摄像单元200L和摄像单元200R的设置方向的位置处。

沿母线B1入射到设置在被摄体侧的正透镜101p1上的光束R3和光束R4像没有接收透镜的操作一样直线传播。与之相比，通过接收透镜的操作而使作为平行于光束R3和光束R4的光束且入射到正透镜101p1的母线B1之外的部分上的光束R5向内折射。

然而，折射仅在x轴方向（横方向）上发生，而在y轴方向（纵向方向）上不发生。因此，光束R3和光束R5在由x-z平面上的右下斜线表示的平面区域Ar1上直线传播。即，在x轴方向具有宽度的被摄体光通过正透镜101p1，并因此减小其在横向方向上的宽度。

入射到正透镜101p1的母线B1并直线传播通过正透镜101p1的光束R3入射到下面的正透镜101p2的母线B2上。由于这个原因，光束R3如在不接收正透镜101p2的操作的情况下一样直线传播。另一方面，入射到正透镜101p1的母线B1并直线传播通过正透镜101p1的光束R4入射到与正透镜101p2的母线B2偏离的位置上。由于这个原因，通过正透镜101p2的弯曲表面的透镜功能使光束向内折射。光束R4的折射仅在x轴方向发生，而在y轴方向上不发生。

因此，光束R3和光束R4都在由y-z平面上的左下斜线表示的平面区域Ar2上传播。换言之，可以看出，在y轴方向具有宽度的被摄体光通过正透镜101p2，并因此减小其在横向方向上的宽度。因此，如果两个柱面透镜设置在其中其母线彼此垂直的位置处，则纵向方向和宽度方向上的图像的宽度可被可变地放大。换言之，可使纵向方向和横向方向上的可变放大倍率比率原则上是相同的，且能够获得与通过使用由典型的球形负透镜和正透镜构成的物镜光学系统10获得的捕获结果一样的结果。

此外，在由柱面透镜构成的正透镜101p1和正透镜101p2中，不会发生母线B上的畸变像差。因此，不会发生其中直线图像被弯曲的像差，诸如称为球面透镜的畸变像差的垫（cushion）型或筒型像差。

图14A是其中从顶部观察立体摄像设备1c的俯视图，以及图14B是其中从左侧（设置摄像单元202L侧）观察立体摄像设备1c的侧视图。在图14A和图14B中，对应于图7A和图7B以及图11A和图11B的部分被赋予相同的参考符号。如图14A中所示，立体摄像设备1c包括被构造为变形光学系统的物镜光学系统100c、摄像单元200L和摄像单元200R。

物镜光学系统100c由第一物镜光学系统100c1、第二物镜光学系统100c2L和第二物镜光学系统100c2R构成。第一物镜光学系统100c1包括负透镜101m和正透镜101p，并且负透镜101m设置在被摄体侧（未示出），且正透镜101p设置在其后侧（被摄体光的发射侧）。第一物镜光学系统100c1的构造与图7A中所示的物镜光学系统100的构造相同。

第一物镜光学系统100c1设置在摄像单元200L和摄像单元200R的前一级，并因此以与图7A中所示的构造相同的方式形成有效光瞳EpL和有效光瞳EpR。此外，作为有效光瞳EpL和有效光瞳EpR之间的间隙的有效IAD比由摄像单元200L和摄像单元200R的设置定义的物理IAD短。换言之，第一物镜光学系统100c1设置在摄像单元200L和摄像单元200R的前一级，并因此可能实现与图7A和图7B中所示的构造相同的效果。

在本实施方式中，第二物镜光学系统设置在第一物镜光学系统100c1的后侧。第二物镜光学系统由被安装为对应于摄像单元200L中的图像形成光学系统（未示出）的第二物镜光学系统100c2L和被安装为对应于摄像单元200L中的图像形成光学系统（未示出）的第二物镜光学系统100c2R构成。第二物镜光学系统100c2L和第二物镜光学系统100c2R被设置为使其透镜中心分别位于摄像单元200L和摄像单元200R的图像形成光学系统（未示出）的光轴AxL和光轴AxR上。

第二物镜光学系统100c2L和第二物镜光学系统100c2R分别由负透镜101m和正透镜101p构成，且负透镜101m设置在被摄体侧（未示出），且正透镜101p设置在其后侧。

此外，在第二物镜光学系统100c2L和第二物镜光学系统100c2R中，构成它们的透镜的设置方向与构成第一物镜光学系统100c1的透镜的设置方向相反。换言之，每个物镜光学系统100c2中的正透镜和负透镜的母线彼此平行，但是第一物镜光学系统100c1和第二物镜光学系统100c2的母线被设置为彼此垂直。此外，第一物镜光学系统100c1的母线被设置在与摄像单元200L和摄像单元200R的设置方向（图中的x轴方向）垂直的位置处，即，与图中的y轴方向平行的位置。

通过这样的设置，如图14A所示，入射到物镜光学系统100c的光束被第一物镜光学系统100c1在横向方向（图中的x轴方向）上折射并直线传播通过第二物镜光学系统100c2L和第二物镜光学系统100c2R。另一方面，如图14B所示，在纵向方向（图中的y轴方向）上，入射到物镜光学系统100c的光束直线传播通过第一物镜光学系统100c1，并被第二物镜光学系统100c2L和第二物镜光学系统100c2R折射。

换言之，通过第一物镜光学系统100c1使从屏幕的左侧入射的被摄体光的放大倍率变化，且使摄像单元200L和摄像单元200R在横向方向上的视场角加宽。因此，可变地放大（减小）有效IAD的长度。随后，通过第二物镜光学系统100c2可变地放大（减小）纵向方向上的长度，并使摄像单元200L和摄像单元200R在纵向方向上的视场角加宽。此时，通过组合第一物镜光学系统100c1的可变放大倍率（远焦倍率）和第二物镜光学系统100c2的可变放大倍率，视差图像的高宽比可基本上与通过图2B中所示的构造所获得的高宽比相同，如使用球面透镜的情况的示例。

立体摄像设备1c的其它块的构造可以是图3中所示的构造，或者可以是图9中所示的构造，使得根据信号进行像差的校正。然而，在本实施方式中，由于通过物镜光学系统100c的光束不使图像的高宽比变化，所以即使应用图9中所示的构造，也没有必要校正高宽比。

根据上述第三实施方式，能够实现相当于由第一实施方式实现的效果的效果。除此之外，能够使在左视差图像和右视差图像的高宽比大致相同。

图15A和图15B示意地示出当具有相同间隔的格子图案由图14A和图14B示出的立体摄像设备1c捕获时的捕获结果的图像。图15A示出左眼视差图像，且图15B示出右眼视差图像。如上所述，横向方向上的视差图像的宽度首先由第一物镜光学系统100c1可变地放大，且纵向方向上的宽度被以相同的量或基本上相同的量可变地放大，作为由第一物镜光学系统、由第二物镜光学系统100c2L和第二物镜光学系统100c2R放大的倍率。因此，所捕获的视差图像中的格子图案的间隔在纵向方向和横向方向上基本上相同。

然而，在图15A和图15B所示的图像中，考虑到假设可能无法光学校正物镜光学系统100c的整个畸变像差，所以由于像差影响，格子图案具有不相等的间隔。具体地，考虑到假设产生了对应于球面透镜中的筒像差的畸变像差，格子间隔在像差对其施加更大影响的左图像的左端和右图像的右端上稍短。然而，根据变形光学系统的折射产生畸变像差，因此原则上在图像的倾斜方向上不产生畸变像差。

此外，如图14A中所示，在第二物镜光学系统100c2L和100c2R中，透镜中心存在于图像形成光学系统（未示出）的光轴上，因此畸变像差的程度小于第一物镜光学系统100c1的程度。因此，通过图14A和图14B中所示的立体摄像设备1c所捕获的图像信号中出现的像差变为其中横向线不会畸变而是保持为横向线，且横向线的间隔朝向图15A和图15B中所示的图像的上端和下端变得更窄的这样像差。由于这个原因，可能的是，与其中如果没有保持多条线而可能无法计算原始横向线的像素的球面透镜的畸变像差相比，导致可更容易地根据图像处理来处理像差。

<6.第四实施方式>

接下来，将参照图16A和图16B描述本发明的第四实施方式。在本实施方式中，为了减少物镜光学系统100d在光轴方向上的长度，调整构成被构造为变形光学系统的物镜光学系统100d的透镜的设置方向和设置顺序。

图16A是其中从顶部观察立体摄像设备1d的俯视图，且图16B是其中从左侧（设置摄像装置202L侧）观察立体摄像设备1d的侧视图。在图16A和图16B中，对应于图7A和图7B、图11A和图11B、图14A和图14B的部分被赋予相同的参考符号，并且将省略重复的说明。

图16A和图16B中所示的立体摄像设备1d包括对视差图像在横向方向上进行可变放大的第一物镜光学系统100d1和对视差图像在纵向方向上进行可变放大的第二物镜光学系统100d2。第一物镜光学系统100d1由负透镜101m1和正透镜101m2构成，且这两个透镜的大小覆盖摄像单元200L的视场角和摄像单元200R的视场角。此外，第一物镜光学系统100d1用于对视差图像在横向方向上进行可变放大，并因此被设置为使具有弯曲表面的边平行于摄像单元200L和摄像单元200R的设置方向（图中的x轴方向）。

第二物镜光学系统100d2由负透镜101m2、正透镜101p2L和正透镜101p2R构成。负透镜101m2具有覆盖摄像单元200L的视场角和摄像单元200R的视场角的大小，正透镜101p2L被设置为对应于摄像单元200L，且正透镜101p2R被设置为对应于摄像单元200R。第二个物镜光学系统100d2用于对视差图像在纵向方向上进行可变放大，并因此被设置为使具有弯曲表面的边平行于摄像单元200L和摄像单元200R的设置方向（图中的y轴方向）。

此外，构成第一物镜光学系统100d1和第二物镜光学系统100d2的透镜交替地设置在光轴方向上。具体地，从被摄体侧顺次设置负透镜101m1、负透镜101m2、正透镜101p1和正透镜101p2L（或正透镜101p2R）。

立体摄像设备1d的其它块的构造可为如图3所示的构造，或可为如图9所示的构造，使得根据信号进行像差校正。然而，还是在本实施方式中，由于通过物镜光学系统100d的光束不使图像的高宽比变化，所以即使应用图9中所示的构造，也没有必要校正高宽比。

由根据本实施方式的立体摄像设备1d进行的视差图像的捕获结果也与图15A和图15B中所示的那些结果相同。换言之，上述第四实施方式也可以实现相当于由第三实施方式实现的效果。此外，通过物镜光学系统100d的这种构造，与根据图14A和图14B中所示的第三实施方式的物镜光学系统100c相比，能够减小物镜光学系统100d在光轴方向上的长度。因此，由于通过摄像单元200L和摄像单元200R（其为物理相机）的设置位置，整个物镜光学系统100d可以彼此靠近，能够使覆盖视场角的透镜孔径较小。

此外，在图16A和图16B中所示的示例中，构成第二物镜光学系统100d2的透镜中被定位为接近摄像单元200L和摄像单元200R的两个透镜被设置为对应于各个摄像单元200，但本发明不限于此。如果设置在最接近摄像单元200L和摄像单元200R的位置处的透镜被分为左侧和右侧，则能够实现轻质的整体物镜光学系统100d；然而透镜不可被分开。

通过这种构造，在构成第一物镜光学系统100d1和第二物镜光学系统100d2的透镜的光轴方向上的设置顺序的限制消失。换言之，可以实现下面的组合。下文中，“纵向”表示在纵向方向上可变地放大视差图像的长度的透镜，且“横向”表示在横向方向上可变地放大视差图像的长度的透镜。

纵向-横向-纵向-横向

横向-纵向-横向-纵向

纵向-纵向-横向-横向

横向-横向-纵向-纵向

纵向-横向-横向-纵向

横向-纵向-纵向-横向

<7.各种变形例>

此外，在上述各实施方式中，为了更好地理解描述，构成物镜光学系统100的各透镜是薄透镜。然而，物镜光学系统100可以由多个透镜或多个透镜组、滤波器、光圈、透镜驱动机构等构成。图像形成光学系统201L和图像形成光学系统201R也可由多个透镜或多个透镜组、滤波器、光圈、透镜驱动机构等构成。

虽然，在上述各实施方式中，已经基于图2D中所示的构造（其中负透镜设置在被摄体侧，且正透镜设置在其后侧）进行了其描述，但本发明不限于此。本发明可以应用至其中如图2A所示仅使用正透镜的构造，或如图2C中所示正透镜设置在被摄体侧且负透镜设置在其后侧的构造。可替换地，本发明可以应用至如图1A和图1B所示的物镜光学系统10为远焦光学系统的情况。

此外，可将上述各实施方式中的物镜光学系统100制造为单元，并可以能够附接在市售的普通3D相机（立体摄像设备）上并且能够从市售的普通3D相机拆卸下来。如果根据本发明实施方式的物镜光学系统100安装在普通3D相机上，能够改变发生在由相机捕获的图像中的畸变像差的出现，并因此减少畸变像差对形成立体视觉施加的不利影响。

此外，在上述各实施方式中，可改变有效IAD。为了改变有效IAD，用于在光轴方向上移动物镜光学系统100α的物镜光学系统驱动单元（未示出）是必要的。图17是示出物镜光学系统100α被构造为远焦光学系统的情况的示例的示图。如果在不违反远焦光学系统的条件的情况下进行变焦，则构成物镜光学系统100α的透镜的数量至少是三个。

在图17中所示的示例中，物镜光学系统100α由正透镜101p1、负透镜101m1和正透镜101p2构成，而且从被摄体侧（图的左侧）正透镜101p1、负透镜101m1和正透镜101p2顺次设置在光轴方向上。在本文中，假设正透镜101p1从由虚线表示的位置朝向光轴Ax上的被摄体侧（未示出）移动Δ，且正透镜101p2从由虚线表示的位置移动Δ'。然后，由实线表示的有效IAD'（由移动之后的设置形成）比由虚线表示的有效IAD（由移动之前的设置形成）短。与之一起，物镜光学系统100α的远焦放大倍率在移动前和移动后变化。换言之，由物镜光学系统100α在纵向方向和/或横向方向上进行的可变倍率比（第一屈光力和/或第二屈光力）变化。

换言之，通过移动正透镜101p1最接近被摄侧，以及一起移动正透镜101p2最接近摄像单元200L（200R），能够维持无焦光学系统并将有效IAD长度调整到所希望的长度。此外，根据这种调整，物镜光学系统100α的远焦放大倍率改变。

此外，由期望实现的有效IAD长度定义正透镜101p1的移动量Δ和正透镜101p2的移动量Δ'。预先设定移动量Δ和移动量Δ'的组合，并在此基础上，在相同的方向上移动两个透镜，从而容易地调整有效IAD的长度。

此外，虽然，在上述各实施方式中，已经例示了设置两个摄像单元200的情况，但是本发明并不限于此。例如，可设置三个以上摄像单元200。图18A和图18B示出其中三个摄像单元200（摄像单元200-1至摄像单元200-3）被设置为布置在水平方向上的示例，并且，根据第一实施方式的物镜光学系统100作为物镜光学系统。在图18A和图18B中，对应于图7A和图7B、图11A和图11B、图14A和图14B、图16A和图16B的部分被赋予相同的参考符号，并且将省略重复的说明。

图18A是其中从顶部观察立体摄像设备1β的俯视图，且图18B是其中从侧部（设置摄像单元200-3侧）观察立体摄像设备1β的侧视图。甚至在设置三个摄像单元200的情况下，如图18A所示，有效相机200'-1至有效相机200'-3中的相邻不同相机之间的间隙比物理上设置的摄像单元200-1至摄像单元200-3中的两个之间的间隙短。更具体地，有效相机200'-1至有效相机200'-3中的任一个相机中的有效光瞳EP的位置与物镜光学系统100β之间的间隙比摄像单元200中的任一个的透镜中心和光轴Ax之间的间隙窄。

此外，如图18B所示，在y轴方向（纵向方向）上，入射到物镜光学系统100β的光束不被折射而是直线传播。换言之，由于被构造为变形光学系统的物镜光学系统100β相当于薄板玻璃，所以入射的光束在纵向方向上不被折射。这就是说，即使在设置三个摄像单元200的情况下，也能够实现与由第一实施方式实现的效果相同的效果。

此外，本发明可应用于多个摄像单元200被设置为不被布置在水平方向上而是被布置在垂直方向上的构造。图19A是其中从顶部观察的以此方式构造的立体摄像设备1γ的顶视图，且图19B是其中在横向方向上观察的立体摄像设备1γ的侧视图。在图19A和图19B所示的立体摄像设备1γ中，摄像单元200-1和摄像单元200-2被设置为布置在垂直方向上。当摄像单元200被以此方式设置，如图19A和图19B所示，需设置构成物镜光学系统100γ的负透镜101m和正透镜101p，使得其母线垂直于摄像单元200-1和摄像单元200-2的设置方向。通过该构造，能够实现与由第一实施方式实现的效果相同的效果。

此外，虽然已经例示了根据第一实施方式的物镜光学系统100被用作图17A至图19B中的物镜光学系统的情况，但是本发明不限于此。在根据其它实施方式的立体摄像设备1中，即使设置多个摄像单元200，也能够实现与通过各个实施方式实现的效果相同的效果。

此外，本发明可具有以下构造。

（1）一种摄像系统，包括第一摄像单元；第二摄像单元和物镜光学系统，光耦合至所述第一摄像单元和所述第二摄像单元，其中所述物镜光学系统具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向。

（2）根据（1）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统是变形光学系统。

（3）根据（1）所述的摄像系统，其中，光沿第二方向不折射。

（4）根据（1）所述的摄像系统，其中，摄像系统的有效轴间距离不同于由第一摄像单元和第二摄像单元的设置限定的物理轴间向距离。

（5）根据（1）所述的摄像系统，其中，有效轴间距离小于物理轴间距离。

（6）根据（1）所述的摄像系统，其中，有效轴间距离大于物理轴间距离。

（7）根据（4）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统包括正透镜。

（8）根据（4）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统包括负透镜。

（9）根据（1）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统包括正透镜和负透镜。

（10）根据（1）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统是远焦光学系统。

（11）根据（1）所述的摄像系统，其中，第一摄像单元和第二摄像单元中的每个的光轴平行于物镜光学系统的光轴。

（12）根据（1）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统包括至少一个柱面透镜。

（13）根据（1）所述的摄像系统，其中，第一摄像单元和第二摄像单元中的每个都包括图像形成光学系统和摄像装置。

（14）根据（1）所述的摄像系统，其中，第一摄像单元和第二摄像单元被设置为相对于物镜光学系统的光轴彼此对称。。

（15）根据（1）所述的摄像系统，还包括光耦合至第一摄像单元和第二摄像单元的第二物镜光学系统，其中所述第二物镜光学系统具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向。

（16）根据（15）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统在第一方向上可变地放大，且第二物镜光学系统在不同于第一方向的第二方向上可变地放大。

（17）根据（16）所述的摄像系统，其中，由物镜光学系统提供的放大倍率与由第二物镜光学系统提供的放大倍率相同或基本相同。

（18）根据（16）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统和第二物镜光学系统中的每个都包括多个透镜，且物镜光学系统和第二物镜光学系统的透镜沿光轴的设置为使物镜光学系统或第二物镜光学系统的透镜不相邻。

（19）根据（1）所述的摄像系统，还包括用于第一摄像单元和第二摄像单元中的每个的第二物镜光学系统，其中每个第二物镜光学系统光耦合至各自摄像单元，并具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向。

（20）根据（19）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统在第一方向上可变地放大，且每个第二物镜光学系统在不同于第一方向的第二方向上可变地放大。

（21）根据（20）所述的摄像系统，其中，由物镜光学系统提供的放大倍率与由每个第二物镜光学系统提供的放大倍率相同或基本相同。

（22）根据（19）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统和每个第二物镜光学系统在相同方向上可变地放大。

（23）根据（22）所述的摄像系统，其中，对于每个第二物镜光学系统，由第二物镜光学系统提供的放大倍率是由物镜光学系统提供的放大倍率的倒数。

（24）根据（15）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统和每个第二物镜光学系统都包括多个透镜，对于每个第二物镜光学系统，物镜光学系统和第二物镜光学系统的透镜沿光轴的设置为以使物镜光学系统或第二物镜光学系统的透镜不相邻。

（25）根据（15）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统和第二物镜光学系统在相同方向上可变地放大。

（26）根据（25）所述的摄像系统，其中，由第二物镜光学系统提供的可变放大倍率是由物镜光学系统提供的可变放大倍率的倒数。

（27）根据（1）所述的摄像系统，还包括驱动单元，用于在光轴方向上移动物镜光学系统。

（28）根据（27）所述的摄像系统，其中，物镜光学系统包括至少三个透镜。

（29）一种摄像系统，包括第一摄像单元；第二摄像单元；光耦合至第一摄像单元和第二摄像单元的物镜光学系统，其中物镜光学系统具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向；以及处理器，用于执行像差校正处理。

（30）一种摄像方法，包括提供光耦合至第一摄像单元和第二摄像单元的物镜光学系统，其中物镜光学系统具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向；使用第一摄像单元从物镜光学系统捕获第一图像；以及使用第二摄像单元从物镜光学系统捕获第二图像。

本发明还可以具有以下构造。

（1）一种立体摄像设备，包括：物镜光学系统，所述物镜光学系统为将从被摄体发射的光束合并并将所述光束导向至后一级的光学系统，且其中在垂直于光轴的表面上，第一方向上的第一屈光力低于垂直于第一方向的第二方向上的第二屈光力；多个图像形成光学系统，用于将从所述物镜光学系统的不同路径发射的多个被摄体光束形成为视差图像；以及多个摄像装置，被设置为对应于所述多个图像形成光学系统，并将由所述多个图像形成光学系统形成的视差图像转换为图像信号。

（2）如（1）所述的立体摄像设备，其中，物镜光学系统是变形光学系统。

（3）如（1）或（2）所述的立体摄像设备，其中，在物镜光学系统中，第一方向对应于垂直于多个摄像装置的设置方向的方向，且第二方向被设定为对应于多个摄像装置的设置方向。

（4）如（1）或（2）所述的立体摄像设备，其中，物镜光学系统包括第一物镜光学系统和第二物镜光学系统，且第一物镜光学系统和第二物镜光学系统具有彼此相逆的放大倍率。

（5）如（1）至（4）中任一项所述的立体摄像设备，其中，第二物镜光学系统被分离地设置为对应于多个图像形成光学系统，并设置在第一物镜光学系统和图像形成光学系统之间。

（6）如（1）或（2）所述的立体摄像设备，其中物镜光学系统包括第一物镜光学系统和第二物镜光学系统，且其中在第一物镜光学系统中，第一方向被设定为与构成摄像装置的像素设置中的垂直方向相对应，且在第二物镜光学系统中，第一方向被设定为与构成摄像装置的像素设置中的水平方向相对应。

（7）如（1）至（6）中任一项所述的立体摄像设备，其中，第二物镜光学系统被分离地设置为对应于多个图像形成光学系统，并设置在第一物镜光学系统和图像形成光学系统之间。

（8）如（1）至（7）中任一项所述的立体摄像设备，其中，第一物镜光学系统和第二物镜光学系统从被摄体侧以第一物镜光学系统和第二物镜光学系统的顺序设置在第一物镜光学系统的光轴方向上。

（9）如（1）或（2）所述的立体摄像设备，还包括物镜光学系统驱动单元，其在光轴方向上移动物镜光学系统，其中，物镜光学系统的第一屈光力和/或第二屈光力根据物镜光学系统驱动单元移动物镜光学系统的移动量而变化。

（10）如（1）或（2）所述的立体摄像设备，其中，物镜光学系统被构造为能够附接至包括图像形成光学系统和摄像装置的摄像单元并且能够从所述摄像单元拆卸下来。

（11）如（1）或（2）所述的立体摄像设备设置，还包括：信号处理单元，用于对由摄像装置产生的图像信号进行信号处理；和图像处理单元，用于对在信号处理单元中已经受信号处理的图像信号进行图像处理，其中信号处理单元或图像处理单元进行用于减少由于第二屈光力引起的畸变的校正。

（12）如（1）至（11）中任一项所述的立体摄像设备，其中，信号处理单元或图像处理单元对预先准备的且不含有像差期望图像和由图像信号观察的图像进行比较，以产生用于降低像差的校正参数，并使用校正参数校正像差。

（13）如（1）至（12）中任一项所述的立体摄像设备，还包括纵向轴和横向轴偏差检测单元，用于确定物镜光学系统中的第一方向和第二方向是否与所观察的图像中的垂直方向和水平方向相一致，其中信号处理单元或图像处理单元基于由纵向轴和横向轴偏差检测单元检测到的结果进行用于消除轴线偏差的校正。

（14）如（1）至（13）中任一项所述的立体摄像设备，还包括物镜光学系统驱动机构，其基于由纵向轴和横向轴偏差检测单元检测到的结果，在相对于其光轴的旋转方向上移动物镜光学系统，其中物镜光学系统驱动机构根据由纵向轴和横向轴偏差检测单元检测到的结果在旋转方向上移动物镜光学系统的位置。

本领域技术人员应当理解，根据设计需要和其他因素，可以有各种改变、组合、子组合和变形，只要它们在所附权利要求及其等同替换的范围。

Claims (20)

1.一种摄像系统，包括：

第一摄像单元；

第二摄像单元；以及

物镜光学系统，光耦合至所述第一摄像单元和所述第二摄像单元，其中所述物镜光学系统具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向。

2.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述物镜光学系统是变形光学系统。

3.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，光沿所述第二方向不折射。

4.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述摄像系统的有效轴间距离不同于由所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的设置限定的物理轴间距离。

5.根据权利要求4所述的摄像系统，其中，所述有效轴间距离小于所述物理轴间距离。

6.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述物镜光学系统是远焦光学系统。

7.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述第一摄像单元和所述第二摄像单元中的每个的光轴平行于所述物镜光学系统的光轴。

8.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述物镜光学系统包括至少一个柱面透镜。

9.根据权利要求1所述的摄像系统，其中，所述第一摄像单元和所述第二摄像单元被设置为相对于所述物镜光学系统的光轴彼此对称。

10.根据权利要求1所述的摄像系统，还包括光耦合至所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的第二物镜光学系统，其中，所述第二物镜光学系统具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向。

11.根据权利要求10所述的摄像系统，其中，所述物镜光学系统在第一方向上可变地放大，且所述第二物镜光学系统在不同于所述第一方向的第二方向上可变地放大。

12.根据权利要求11所述的摄像系统，其中，由所述物镜光学系统提供的放大倍率与由所述第二物镜光学系统提供的放大倍率相同或基本相同。

13.根据权利要求1所述的摄像系统，还包括用于所述第一摄像单元和所述第二摄像单元中的每个的第二物镜光学系统，其中每个第二物镜光学系统光耦合至各自的摄像单元，并具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向。

14.根据权利要求13所述的摄像系统，其中，所述物镜光学系统在第一方向上可变地放大，且每个第二物镜光学系统在不同于所述第一方向的第二方向上可变地放大。

15.根据权利要求10所述的摄像系统，其中，所述物镜光学系统和所述第二物镜光学系统在相同方向上可变地放大。

16.根据权利要求15所述的摄像系统，其中，由所述第二物镜光学系统提供的可变放大倍率是由所述物镜光学系统提供的可变放大倍率的倒数。

17.根据权利要求1所述的摄像系统，还包括用于在光轴方向上移动所述物镜光学系统的驱动单元。

18.根据权利要求1所述的摄像系统，所述物镜光学系统由从被摄体侧在所述物镜光学系统的光轴上顺次设置的正透镜、负透镜和正透镜构成。

19.一种摄像系统，包括：

第一摄像单元；

第二摄像单元；

物镜光学系统，光耦合至所述第一摄像单元和所述第二摄像单元，其中所述物镜光学系统具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向；以及

用于进行像差校正处理的处理器。

20.一种摄像方法，包括：

提供光耦合至第一摄像单元和第二摄像单元的物镜光学系统，其中，所述物镜光学系统具有光折射所沿的第一方向和光不同地折射所沿的第二方向；

使用所述第一摄像单元从所述物镜光学系统捕获第一图像；以及

使用所述第二摄像单元从所述物镜光学系统捕获第二图像。

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