JP2007214612A

JP2007214612A - 立体撮像装置

Info

Publication number: JP2007214612A
Application number: JP2006029125A
Authority: JP
Inventors: Kunio Ando; 邦郎安藤
Original assignee: I SYSTEMS KK; Systems Kk I
Current assignee: I SYSTEMS KK; Systems Kk I
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2007-08-23

Abstract

【課題】立体撮像装置を構成する一対の撮像手段の光軸間隔を任意に設定できる立体撮像装置。
【解決手段】本発明による立体撮像装置では、撮像レンズと固体撮像素子を含んだ一対の撮像手段と被検物の間の空間に半透鏡を配置し、第1の撮像手段は半透鏡を透過する光路で被検物を撮像する位置に配置し、第2の撮像手段は半透鏡で反射された光路で被検物を撮像する位置に配置する構造を持たせることで立体撮像に適した所定の光軸間隔を得られるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、被検体の立体撮像をおこなう装置に関するもので、特に観察に適した撮像装置の視差を容易に設定可能な構造を有する立体撮像装置に関する。

被検体を立体視しようとする試みは内視鏡の分野をはじめ産業用分野でも行われてきており、これまでもいろいろな立体撮像装置が提案されている。近年ＣＣＤやＣＭＯＳの様な固体撮像素子が広く使われるようになり、立体撮像装置も固体撮像素子を用いた電子立体撮像装置が実用化されている。固体撮像素子を用いた立体撮像装置では、立体視しようとする画像は撮影レンズとＣＣＤやＣＭＯＳの様な固体撮像素子を含んだ第１の撮像手段と、撮影レンズと固体撮像素子を含んだ第２の撮像手段を視差を持つように左右一対として配置し、撮像された固体撮像素子の映像信号を信号処理し視差のある画像として取り出し、この左右一対の画像をモニター上に時分割で交互に表示し、液晶シャッター等を持った眼鏡を用い左右画像を交互に観察する等の方式がとられている。

立体撮像装置に用いられる前記一対の撮像手段、即ち第1の撮像手段と第２の撮像手段は、基本的には視差が生じるよう所定の光軸間隔を持って配置されるが、撮像手段の光軸間隔が立体視の見え方を左右するので適切な光軸間隔を選ぶことが重要になる。特に被検体までの距離に対応した光軸間隔が大きい場合には、輻輳角が大きくなり立体感が誇張され、立体視が困難になる。

撮影レンズと固体撮像素子を含んだ撮像手段は、撮影レンズの大きさや固体撮像素子の大きさの制約のために、撮像手段を一対平行に配置した場合には設定できる光軸間隔は機械的に制約される。撮像レンズは使用する固体撮像素子に合わせて有る程度まで小型化することは容易であるが、固体撮像素子の寸法・形状を変えることは困難な場合が多い。被検物を立体で観察しようとする場合は、被検物が比較的に近距離にある場合が多く、これに適した光軸間隔で一対の撮像手段を配置するのが難しい場合が多い。このために、光軸間隔を狭く設定する工夫が立体内視鏡等でいろいろ提案されているが、これらは光軸間隔を任意に設定することは出来ず、設定出来る光軸間隔には制約があった。
特開平６−３３１９３７号公報特開平１１−５６７５７号公報特許第３２５７６４０号公報

前述のように立体撮像装置を構成する一対の撮像手段は光軸間隔を設定するに当たって、撮像手段を構成する撮像レンズ、固体撮像素子の機械的な形状の制約を受けていた。そのために内視鏡のような比較的小さい外形を持つ撮像レンズや、特殊な小型固体撮像素子を使用する機器への応用は多く開示されているが、しかし口径の大きい撮像レンズや外形の大きな一般的な固体撮像素子を用いた立体撮像装置は光軸間隔を小さくすることが困難なため、具体的な提案は無く良好な立体視の出来る被検体までの距離を大きくする等の制約を受けるといった問題がある。

本発明は上記問題点に注目し、撮像手段を構成する撮像レンズや固体撮像素子の形状の大きさに制約されず、良好な立体視が得られる光軸間隔を得られるような構造を持った立体撮像装置を提示することを課題とする。

上記目的を達成するために、請求項１に関わる発明は、第１の撮影レンズと第１の固体撮像素子を含んだ第１の撮像手段と、第２の撮影レンズと第２の固体撮像素子を含んだ第２の撮像手段を視差を有するように配置した立体撮像装置において、被検体と第１，第２の撮像手段の間に半透鏡を配置し第1の撮像手段は半透鏡を透過した光路で被検体を撮像する位置に配置し、第２の撮像手段は半透鏡で反射した光路で被検体を撮像する位置に配置し所定の視差が得られるような構造を有することを特徴とした立体撮像装置に関するものである。

さらに詳細な説明を加えると、第１、第２の撮像手段を構成する対物レンズと被検体の間に光路を２分する半透鏡を配置し、被検体と半透鏡までの空間では各撮像手段の光軸を所定の間隔に設定し半透鏡を通過した後の各撮像手段の光軸方向をそれぞれ異なった方向に設定することで、各々の撮像手段の機械的外形の干渉を避ける構造を有している。また第1の撮像手段と第2の撮像手段は半透鏡によって各々の光軸方向が異なった方向に設定されるので、第1の撮像手段と第2の撮像手段の相対的な位置を干渉を避けながら容易に設定可能になる。

前述のように本発明による立体撮像装置は、立体内視鏡のように細い先端部を要求する機器には適しないが、立体顕微鏡をはじめ一般の立体撮像機器には広く適用出来る。

本発明による立体撮像装置では、第１，第２の撮像手段に使用する撮像レンズや固体撮像素子の機械的な大きさに制約されずに、立体撮像に適した一対の撮像装置の光軸間隔を設定出来るので立体撮像装置の設計・製作の自由度が大きくなり、良好な立体視が可能な立体撮像装置が得られるので実用上の効果は非常に大きい。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお実施例の説明で使用する図面は理解を容易にするために、被検体とその像の関係を容易に把握出来るよう撮影レンズ、固体撮像素子の大きさ等は実際のものと異なる誇張したスケールで示してある。

図1は立体撮像装置の基本的な構成を示すもので図中１００は第1の撮像手段、２００は第２の撮像手段を示しており、第1の撮像手段１００と第２の撮像手段２００で一対の立体撮像系を構成している。第1の撮像手段、第２の撮像手段の名称は一対の撮像手段を区別するためにあくまでも便宜上付けたもので特に数値の意味はない。第１の撮像手段は光軸１０３を持つ撮像レンズ１０１と固体撮像素子１０２を含んでおり、第２の撮像手段は光軸２０３を持つ撮像レンズ２０１と固体撮像素子２０２を含んでいる。各々の撮像手段には、このほかにも回路の一部等が含まれるが省略して図示していない。

第1の撮像手段１００と第２の撮像手段２００はｄ１の光軸間隔をもって配置されており、１３は第1の撮像手段と第２の撮像手段の中心を通る軸を表しており、１０は被検体を表している。この撮像手段の輻輳角は第1の撮像レンズ中心Ｐ１を通り被検物と軸１３の交点を結ぶ直線１１と、第２の撮像レンズ中心Ｐ２を通り被検物と軸１３の交点を結ぶ直線１２のなす角２θで表している。各撮像レンズの中心P１、P２から被検物までの距離をＳとすれば輻輳角の半分θはｔａｎ（θ）＝（ｄ/２）/Ｓで表せる。

1例として固体撮像素子に６分の１インチＣＣＤを使用した場合をみると、ＣＣＤのチップ寸法（３．３×３ミリ）よりもパッケージは大きな形状をしており、パッケージの寸法は９．３×８ミリ程度になっている。ＣＣＤを図のように水平方向に２個並べて配置すると光軸間隔は最少でも１０ミリ程度となり５０ミリ離れた被検体を観察しようとすると、輻輳角は２２．６度となり立体視が困難となる。

良好な立体視を得ようとすれば、輻輳角は２度から３度位が望ましい。この角度で光軸間隔を逆算すると輻輳角３度とした場合には、光軸間隔は２．６ｍｍとなり一般に市販されているＣＣＤでは満足する解は得られない。

小さい輻輳角を得るためにＣＣＤとして１０分の１インチ（外形寸法２×２ｍｍ）を使用した例もあるが、画素数も少なく特殊な形状をしており内視鏡のような機器に使われているが一般的ではない。

図２はこの問題を解決する本発明の基本的な構成を説明するもので、図1の光軸間隔ｄ１を所定の間隔ｄ２まで狭くした様子を示している。この様にすると当然のことであるが第1の撮像手段１００と点線で表示した第２の撮像手段２００は機械的に干渉して配置出来なくなる。ここで薄い半透鏡等を用いて第1の撮像手段１００の光軸１０３は透過させ、第２の撮像手段２００の光軸２０３を撮像レンズ２０１と被検物１０の空間内の一点Ｑ２で紙面に直角に曲げれば、第1の撮像手段と第２の撮像手段は機械的に干渉せずに配置できる。

図３（Ａ），（Ｂ）は第1の撮像手段と第２の撮像手段を機械的に干渉せずに配置する具体的な構造の１例を示す。第1の撮像手段１００の撮像レンズ１０１と被検体１０の間に薄い半透鏡１４を光軸１０３及び軸１３に対して４５度の角度で配置することで、第２の撮像手段２００の光軸２０３を反射点Ｑ２で２０３ａと２０３ｂに分割し、第２の撮像手段２００の光軸２０３の半透鏡１４で反射された後の光軸２０３ｂを点Ｑ２で紙面に直角に紙面の後方に曲げた様子を示している。図３（Ｂ）中、光軸１０３と光軸２０３ａは重なって表示されている。なを（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。

第１の撮像手段１００は、光軸１０３は図に見られるように半透鏡１４上の点Ｑ１を通過して配置されているので、半透鏡を透過した光路で被検体を撮像している。一方第２の撮像手段２００は半透鏡で反射した光路で被検体を撮像する。第２の撮像手段２００を水平（点Ｑ１，点Ｑ２を結ぶ直線）方向に移動可能な機構に設置することで、反射点Ｑ２は水平方向に選択可能となり、第１の撮像手段１００の光軸１０３が半透鏡を通過する点Ｑ１に対して点Ｑ２は水平方向にかなり自由に選ぶことが出来るので、光軸２０３ａと光軸２０１の間隔は撮像手段１００，撮像手段２００の機械的寸法に制約されずに立体視に適した所定の位置に配置可能となる。

以上の説明では薄い半透鏡用いたが、厚い透明板に半透膜を形成した半透鏡を用いた場合には入射する光線と透過する光線の位置がシフトするのでシフト量だけ光軸位置を補正する必用がある。また半透鏡として直角プリズムを２個斜面で貼り合わせ、接合面に半透膜を形成したハーフプリズムを用いることが出来るには言うまでもない。また第２の撮像手段の光軸は半透鏡の反射点で９０度に曲げた状態を示したが、機器の構成によっては９０度前後の曲げ方向を選択する構造をとることも可能である。

立体計測装置の基本的な配置を示す概略説明図である。本発明による撮像装置の基本的な構成を説明する概略説明図である。本発明による撮像装置の具体的な構成を示す概略説明図である。

符号の説明

１０被検物
１４半透鏡
１００第1の撮像手段
１０１第1の撮像レンズ
１０２第１の固体撮像素子
１０３第1の撮像手段の光軸
２００第2の撮像手段
２０１第2の撮像レンズ
２０２第2の固体撮像素子
２０３第2の撮像手段の光軸

Claims

第１の撮影レンズと第１の固体撮像素子を含んだ第１の撮像手段と、第２の撮影レンズと第２の固体撮像素子を含んだ第２の撮像手段を視差を有するように配置した立体撮像装置において、被検体と第１，第２の撮像手段の間に半透鏡を配置し第1の撮像手段は半透鏡を透過した光路で被検体を撮像する位置に配置し、第２の撮像手段は半透鏡で反射した光路で被検体を撮像する位置に配置し所定の視差が得られるような構造を有することを特徴とした立体撮像装置。