JP3265212B2 - 多重フォーカス測距装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、被写体までの距
離を被接触で測定するための測距装置に係り、特に複数
個のＣＣＤ撮像素子のような撮像デバイスを用いて多重
フォーカス画像を作成し、該画像から演算処理により距
離を算出する多重フォーカス測距装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被写体までの距離を被接触で測定する測
距技術は、従来より数多くの方式が実用化されている。
それらの中で、特に銀塩フィルム使用のカメラやビデオ
カメラのＡＦ（オートフォーカス）に使用される測距シ
ステムとして、被写体に向けて赤外線を発信し、三角測
量の原理で被写体までの距離を測定する方法がある。こ
の三角測量の原理を用いた測距システムでは、赤外セン
サを横に並べ、反射光のスポット位置ｄと、赤外ＬＥＤ
の発光レンズ・受光レンズ間の距離Ｂおよび受光レンズ
の焦点距離ｆから、距離ＤをＤ＝Ｂ・ｆ／ｄにより求め
る。

【０００３】また、最近ではＴＣＬ(Through the Camer
a Lens) 方式や、画像信号の高周波成分を検出する方式
などの測距システムがビデオカメラで使用されている。
前者のＴＣＬ方式は、マイクロレンズアレイを介して一
対のＣＣＤリニアイメージセンサに被写体の像を結像さ
せ、両センサの出力信号の位相差から位置情報を検出す
る方式である。一方、後者の高周波成分を検出する方式
は、フォーカスが合ったときには被写体を撮像して得ら
れた画像のコントラストが強いために、画像信号の高周
波成分が最大になるという特徴を利用して、高周波成分
が最大値となるように山登りサーボをかける方式であ
る。これらの詳細は例えば、木内雄二著「画像入力ハン
ドブック」の第８章カラーテレビカメラ、 (2)多機能
化、 (b)ＡＦ(Auto Focus)の項（270-275p) に述べられ
ている。

【０００４】しかし、これら従来の測距技術はオートフ
ォーカスの用途には実用化されているが、高精度の距離
測定を必要とする用途には不十分である。銀塩フィルム
使用のカメラやビデオカメラでは、レンズの絞り値から
決まる合焦となる距離範囲、いわゆる焦点深度が存在
し、この焦点深度内にフォーカス位置があれば、距離測
定の絶対値が異なっていてもフォーカスずれにはなら
ず、実用上問題がないからである。

【０００５】一方、高精度の距離測定を可能とする測距
システムとしては、レーザ測距計などが知られている
が、装置の構成、特に光学系が大掛かりなものとなり、
簡便に測定を行うことはできない。

【０００６】さらに、被写体の像をフォーカス位置をず
らせて撮像して複数の画像、すなわち多重フォーカス画
像を作成し、この多重フォーカス画像から演算処理によ
り被写体までの距離を測定する方法も提案されている。
多重フォーカス画像を得るために、被写体の像をフォー
カス位置をずらせて撮像する方法としては図１７、図１
８に示す方法が考えられている。

【０００７】図１７は、撮像レンズ２と撮像デバイス４
の相対位置をフォーカス軸方向に移動させて複数の画像
を時分割で得る方法である。ところが、この方法では多
重フォーカス画像を構成する複数の画像が時間的に異な
る情報であるため、リアルタイムで迅速に距離測定を行
うことは難しい。

【０００８】図１８は、撮像レンズ２を通過した被写体
からの光を複数のハーフミラーＭ１〜Ｍ３と全反射ミラ
ーＭ４を用いて平行な複数の光路に分割し、それらを複
数の撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃに導いて、多重フォ
ーカス画像を構成する複数の画像を得る方法である。こ
の方法では、光学系が多数の分離されたハーフミラーＭ
１〜Ｍ３や全反射ミラーＭ４により構成され、これらを
精度よく位置決めすることが困難であり、位置決めを正
しく行っても経時的に位置ずれが発生することは避けら
れないため、精度のよい距離測定を行うことは困難であ
った。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のオートフォーカスに用いられている測距技術では距離
を高精度に測定することができず、またレーザ測距計な
どは高精度ではあるが装置が大掛かりとなり、さらに多
重フォーカス画像を用いた測距システムでは、従来、多
重フォーカス画像をリアルタイムで迅速に精度よく得る
ことができないために、やはり高精度な測定が難しいと
いう問題点があった。

【００１０】本発明は、このような従来の測距技術の問
題点を解決し、被写体までの距離を簡易な構成によりリ
アルタイムで精度よく測定することができる多重フォー
カス測距装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る多重フォーカス測距装置では、被写体
からの光を所定位置に結像させるための撮像レンズを通
過した光が複合プリズムに入射する。この複合プリズム
は、撮像レンズを通過した被写体からの光を分割して３
つの光出射端から取り出すように構成される。この複合
プリズムにより各光出射端から取り出された被写体から
の光がそれぞれ入射する位置に撮像レンズからの光学距
離を異ならせて、入射する光に対応してフォーカスの異
なる複数の多重フォーカス画像を構成する画像信号を出
力する３個の撮像デバイスが配置される。そして、これ
らの各撮像デバイスから出力される画像信号（多重フォ
ーカス画像信号）から、演算処理により被写体までの距
離が算出される。

【００１２】より具体的には、複合プリズムは撮像レン
ズを通過した被写体からの光が入射するように配置され
た第１の単位プリズムと、第１の単位プリズムと接合さ
れた第２の単位プリズムと、第２の単位プリズムと接合
された第３の単位プリズムと、第１の単位プリズムと第
２の単位プリズムの接合面に配置され、第１の単位プリ
ズムに入射した光の１／３を反射させて第１の光出射端
に導き、２／３を透過させて第２の単位プリズムに入射
させる第１の多層干渉膜と、第２の単位プリズムと第３
の単位プリズムの接合面に配置され、第１の多層干渉膜
を透過して第２の単位プリズムに入射した光の１／２を
反射させて第２の光出射端に導き、残りの１／２を第３
の単位プリズムに入射させて第３の光出射端に導く第２
の多層干渉膜とを有する。

【００１３】複合プリズムと各撮像デバイスの配置関係
を上記のようにするため、撮像デバイスの少なくとも一
つは複合プリズムの光出射端上に所定の厚さのスペーサ
を介して配置されるか、あるいは各撮像デバイスはそれ
ぞれ対応する出射端上に厚さの異なるスペーサをそれぞ
れ介して配置される。スペーサは、例えば撮像デバイス
またはプリズムの光出射端上に設けられた固定くさび状
部材と、この固定くさび状部材と係合する可動くさび状
部材とからなる。

【００１４】このように構成される多重フォーカス測距
装置では、撮像レンズを通過した被写体からの光を複合
プリズムにより分割してそれぞれ異なる光出射端から取
り出し、撮像レンズからの光学距離を相対的に異ならせ
た撮像デバイスに入射させることによって多重フォーカ
ス画像信号が得られる。従って、多重フォーカス画像を
構成する各画像信号（多重フォーカス画像信号）を時間
的に同時に取得することができ、また多重フォーカス画
像信号を得るのに必要な光学系は基本的に一体化された
複合プリズムのみであるから、位置決めが容易となり、
経時的な位置ずれの問題も緩和されるため、リアルタイ
ムで高精度な距離測定が可能となる。

【００１５】さらに、撮像デバイスとして２次元ＣＣＤ
イメージセンサを用いれば、ＣＣＤビデオカメラと同様
の比較的簡単な光学系で多重フォーカス画像信号を生成
することができ、この多重フォーカス画像信号から演算
処理によって距離が高精度に求まるため、簡易な構成に
よって装置を実現することができる。

【００１６】一方、多重フォーカス画像信号から、被写
体までの距離を演算処理で測定するための距離測定アル
ゴリズムとしては、例えば多重フォーカス画像信号から
被写体上のエッジを検出し、これらのエッジのそれぞれ
に対して、撮像レンズの中心と撮像デバイスの撮像面を
結ぶフォーカス軸と、該フォーカス軸に直交する空間軸
とで定義された空間焦点画像を画像信号から作成した
後、これらの各空間焦点画像について、該空間焦点画像
上でエッジの位置を通る直線がフォーカス軸に一致する
ように整形を行って整形空間焦点画像を仮定し、これら
の各整形空間焦点画像上の等明度点を結ぶ等明度直線の
交点を合焦位置として、被写体までの距離を算出する手
順を用いることができる。

【００１７】さらに具体的には、各整形空間焦点画像上
の等明度点を結ぶ等明度直線束上の各点の明度が多重フ
ォーカス画像の明度に一致しているか否かを所定の評価
関数で評価し、この評価関数が最適となるように等明度
直線束のパラメータを最適化した後、等明度直線束を構
成する等明度直線の交点を合焦位置として、被写体まで
の距離を算出することができる。

【００１８】この距離測定アルゴリズムによると、例え
ば３個の撮像デバイスによる３枚分の多重フォーカス画
像信号からでも十分に高精度の距離測定が可能となり、
また距離算出のための演算処理スピードも向上する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１に、本発明の一実施形態に係
る多重フォーカス測距装置の構成を示す。同図におい
て、被写体１からの光は撮像レンズ２を介して複合プリ
ズム３に入射され、この複合プリズム３によって３つの
光路に分割された後、例えば２次元ＣＣＤイメージセン
サからなる３個の撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃの撮像
面上に結像される。撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、
結像された被写体像を光電変換して光の強弱に応じた信
号電荷を生成し、画像信号として出力する。

【００２０】図２を用いて、複合プリズム３の構成と撮
像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃの配置を説明する。複合プ
リズム３は、３つの単位プリズム３Ａ，３Ｂ，３Ｃを接
合して一体化したものであり、単位プリズム３Ａと３Ｃ
の接合面および単位プリズム３Ａと３Ｂの接合面に、第
１および第２の多層干渉膜１１，１２がそれぞれ蒸着に
より形成されている。撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃ
は、単位プリズム３Ａ，３Ｂ，３Ｃの光出射端上にそれ
ぞれ配置される。

【００２１】図１中の撮像レンズ２を通過して複合プリ
ズム３に入射した光は、まず第１の単位プリズム３Ｃを
通して第１の多層干渉膜１１に入射する。この第１の多
層干渉膜１１を透過した光は、第２の単位プリズム３Ａ
を通して第２の多層干渉膜１２に入射する。第１の多層
干渉膜１１を反射した光は、第１の単位プリズム３Ｃの
光出射端（第１の光出射端）上に配置された撮像デバイ
ス４Ｃに入射する。第２の多層干渉膜１２を反射した光
は、第２の単位プリズム３Ａの光出射端（第２の光出射
端）上に配置された撮像デバイス４Ａに入射する。第２
の多層干渉膜１２を透過した光は、第３の単位プリズム
３Ｂの光出射端（第３の光出射端）上に配置された撮像
デバイス４Ｂに入射する。

【００２２】第１の多層干渉膜１１は入射光のうちの１
／３を反射させ、２／３を透過させるように構成され、
第２の多層干渉膜１２は入射光のうちの１／２を反射さ
せ、１／２を透過させるように構成される。このように
すると、複合プリズム３に入射した被写体１からの光は
３つの光路に等分割され、撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４
Ｃに同一光量、同一サイズで被写体１の像が結像され
る。

【００２３】ここで、撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃは
それぞれ単位プリズム３Ａ，３Ｂ，３Ｃの光出射端上
に、入射光の光軸方向に相対的にずらせて、すなわち撮
像レンズ２からの光学距離を異ならせて配置される。具
体的には、撮像レンズ２で所定のフォーカス調整を行っ
た場合に複合プリズム３における単位プリズム３Ａ，３
Ｂ，３Ｃの光出射端からそれぞれ出射される光の本来の
結像位置を１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃとすると、撮像デバ
イス４Ａは撮像面を本来の結像位置１３Ａ上に配置さ
れ、撮像デバイス４Ｂは撮像面を本来の結像位置１３Ｂ
より１ｍｍだけ前方にずらせて配置され、撮像デバイス
４Ｃは撮像面を本来の結像位置１３Ｃより１ｍｍだけ後
方にずらせて配置される。

【００２４】こうした配置を実現するため、本実施形態
では、撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃは撮像デバイス４
Ａ，４Ｂ，４Ｃの端部に接着された固定くさび状部材２
０ａと、この固定くさび状部材２０ａと複合プリズム３
の各光出射端との間に挿入される可動くさび状部材２０
ｂからなるスペーサ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃを介して複
合プリズム３に対し位置決めされている。ここで、スペ
ーサ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃの厚さ（固定くさび状部材
２０ａおよび可動くさび状部材２０ｂの高さ）をＨａ，
Ｈｂ，Ｈｃとすると、Ｈａ＞Ｈｂ＞Ｈｃの関係となって
いる。なお、図では固定くさび状部材２０ａを撮像デバ
イス４Ａ，４Ｂ，４Ｃに接着したが、複合プリズム３の
出射端上に固定くさび状部材を接着しても構わない。

【００２５】このような構成のスペーサ２０Ａ，２０
Ｂ，２０Ｃを用いれば、可動くさび状部材２０ｂを矢印
で示す方向に動かして撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃと
複合プリズム３の光出射端との間に挿入すると、可動く
さび状部材２０ｂが固定くさび状部材２０ａと係合す
る。これにより、撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃと複合
プリズム３の光出射端との間の間隙を撮像デバイス４
Ａ，４Ｂ，４Ｃと本来の結像位置１３Ａ，１３Ｂ，１３
Ｃとの関係が上記の値となるように調整することができ
る。この調整後は、撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃと複
合プリズム３の光出射端との間に接着剤を適用して、両
者を接着して位置関係を固定すればよい。このようにす
ると、複合プリズム３と撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃ
の位置関係が長期間にわたって高精度に維持され、経年
変化による測定誤差の増加を防止することができる。

【００２６】上記のような位置関係で複合プリズム３に
対して撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃを配置すると、撮
像レンズ２を焦点合わせリングにより光軸方向（フォー
カス軸の方向）に動かして所定のフォーカス調整を行っ
た場合、撮像デバイス４Ａは撮像面が合焦位置に一致し
たジャストフォーカスの状態、撮像デバイス４Ｂは撮像
面が合焦位置より前方に位置した前ピンの状態、撮像デ
バイス４Ｃは撮像面が合焦位置より後方に位置した後ピ
ンの状態となり、全体として多重フォーカスの撮像系が
構成されることになる。

【００２７】タイミング発生器５から発生されるタイミ
ング信号は垂直駆動回路６および水平駆動回路７に供給
され、撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃの駆動に必要な垂
直駆動パルスおよび水平駆動パルスが生成される。これ
らの駆動パルスは撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃに供給
され、これにより撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃの撮像
面上に形成された信号電荷が画像信号として取り出され
る。

【００２８】図３に、撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃと
して用いられる２次元ＣＣＤイメージセンサの一例を示
す。このＣＣＤイメージセンサは、撮像面に２次元配列
されたフォトダイオード２１と垂直転送ＣＣＤ２２およ
び水平転送ＣＣＤ２３からなる。フォトダイオード２１
は、例えば水平方向８００画素、垂直方向５００画素の
合計４０万画素からなり、垂直転送ＣＣＤ２２と共に感
光部を構成する。フォトダイオード２１に蓄積された信
号電荷は、まず垂直ＣＣＤ２２により垂直方向に転送さ
れ、さらに水平転送ＣＣＤ２３により水平方向に転送さ
れた後、出力回路２４により電圧信号に変換され、画像
信号として出力される。

【００２９】図１に説明を戻すと、撮像デバイス４Ａ，
４Ｂ，４Ｃからの画像信号はＣＤＳ回路（相関二重サン
プリング回路）８Ａ，８Ｂ，８Ｃによりノイズ除去が行
われた後、信号処理回路９Ａ，９Ｂ，９Ｃに入力され、
クランプ、Ａ／Ｄ変換、マトリクス演算などの一連の信
号処理によって、多重フォーカス画像信号が生成され
る。信号処理回路９Ａ，９Ｂ，９Ｃにより生成された多
重フォーカス画像信号は演算処理部１０に入力され、こ
こで多重フォーカス画像を用いた距離測定のための演算
処理が後述する距離測定アルゴリズムに従って行われ
る。演算処理部１０は例えばＣＰＵによって実現され、
ソフトウェアにより距離測定アルゴリズムを実行する。

【００３０】このように構成された本実施形態の多重フ
ォーカス測距装置によると、従来の多重フォーカス画像
を用いた測距装置の問題点が解決される。すなわち、本
実施形態では撮像レンズ２を通過した被写体１からの光
を複合プリズム３により３分割してそれぞれ異なる光出
射端から取り出し、撮像レンズ２からの光学距離を相対
的に異ならせた撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃに入射さ
せることによって多重フォーカス画像が得られる。

【００３１】従って、多重フォーカス画像を構成する複
数の画像信号を時間的に同時に取得することができ、ま
た多重フォーカス画像を得るのに必要な光学系は撮像レ
ンズ２を除いて基本的に複合プリズム３のみであるた
め、位置決めが容易であり、経時的な位置ずれの問題も
緩和される。これにより、リアルタイムで高精度な距離
測定が可能となる。

【００３２】さらに、この多重フォーカス測距装置にお
いては、基本的にＣＣＤビデオカメラと同様の光学系を
用いて多重フォーカス画像信号を生成し、この多重フォ
ーカス画像信号から演算処理によって距離を高精度に求
めるため、従来の高精度測距システムであるレーザ測距
計のように大掛かりの光学系を必要とせず、簡易な構成
によって装置を実現することができる。

【００３３】次に、演算処理部１０による多重フォーカ
ス画像を用いた距離測定アルゴリズムについて説明す
る。まず、多重フォーカス画像を用いた第１の距離測定
アルゴリズムとして、電子情報通信学会論文誌Ｄ−II V
ol.77-D-II No.6 pp.1048-1058“多重フォーカス画像を
用いたエッジ検出と距離計測”１９９４年６月発行（文
献１）に記載されたアルゴリズムについて述べる。

【００３４】簡単のため、図４に示すように黒部分（斜
線で示す）と白部分の境界に直線エッジＥが存在する被
写体１を考える。この被写体１からの光を図１に示した
ように撮像レンズ２および複合プリズム３を介して撮像
デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃに入射させることにより、被
写体１の像を３種類のフォーカス（ジャストフォーカ
ス、前ピン、後ピン）で撮像する。

【００３５】こうして撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃか
ら得られる画像信号に基づく２次元画像を多重フォーカ
ス画像と呼ぶ。この多重フォーカス画像を構成する各々
の２次元画像をフォーカス軸ｗに沿って並べると、図４
に示すような画像空間（これを多重フォーカス画像空間
という）を作成することができる。

【００３６】ここで、フォーカス軸ｗとは撮像レンズ２
と撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃの撮像面を結ぶ共通の
軸であり、より正確には撮像レンズ２の中心位置を原点
Ｏとし、ここから撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃの撮像
面に向かう方向を正方向とする仮想的な軸である。ま
た、ｕは撮像レンズ２から被写体１までの距離（以下、
被写体距離という）、ｆは撮像レンズ１の焦点距離、ｗ
は任意のフォーカス位置、そしてｖは例えば撮像デバイ
ス４Ｂが合焦状態にあるときのフォーカス軸ｗ上の撮像
面位置（合焦位置という）である。

【００３７】ここで、求めようとしている被写体距離ｕ
は、次式に示すレンズの公式 １／ｆ＝（１／ｕ）＋（１／ｖ） （１） が成立すれば、ｆとｖから求まる。焦点距離ｆは既知で
あるので、合焦位置ｖが求まればｕも求まることにな
る。そこで、本実施形態では以下のようにして合焦位置
ｖを算出する。

【００３８】図４において、直線エッジＥ上のある一点
Ｐ（以下、エッジ点という）と撮像レンズ２の中心Ｏを
通る直線は、各２次元画像平面上のエッジ点Ｐのぼけ像
の中心点を結ぶ直線となる。この直線ＰＯを含む平面の
うち、直線エッジＥの像と直交する平面φを考える。こ
の平面φで多重フォーカス画像空間を切断したときに得
られる断面画像は、各２次元画像平面のエッジ点Ｐに対
応する点を結んだ直線付近のフォーカス変化に伴ったぼ
けの変化を表している。このぼけ変化をフォーカス軸ｗ
に沿って解析するために、フォーカス軸ｗを含み、かつ
平面φが通る撮像レンズ２の直径を含む平面μに、平面
φで切断した断面画像を投影すると、図５に示すような
明度分布の画像が得られる。この画像は、フォーカス軸
ｗとこれに直交する空間軸ｓとで定義されるので、空間
焦点（spatial-focal)画像と呼ぶことにする。

【００３９】図５に示す空間焦点画像では、エッジ点Ｐ
に対応する点を結んだ直線が撮像レンズ２の中心Ｏ
（０，０) と合焦時のエッジ点Ｐの像の位置（合焦エッ
ジ点位置という）Ｑ（ｖ，ｄ）を通る直線ｓ＝（ｄ／
ｖ）ｗとして描かれ、この直線の上側は図４中の被写体
１上の領域Ｌ₁ に、下側は領域Ｌ₂ にそれぞれ対応す
る。また、直線ｓ＝（ｄ／ｖ）ｗに沿ったエッジ点Ｐ周
辺のぼけ変化は、ぼけ円の半径Ｒ（ｗ）に対して線形に
変化するので、合焦エッジ点位置Ｑ（ｖ，ｄ）で交差す
る次の２直線 ｓ＝（（ｄ＋ｒ）／ｖ）ｗ−ｒ （２） ｓ＝（（ｄ−ｒ）／ｖ）ｗ−ｒ （３） により、(i),(ii)ｗ，ｓの値によって明度がＩ₂ ＜Ｉ＜
Ｉ₁ の範囲で変化する遠距離側および近距離側ぼけ領域
と、(iii) 明度がＩ₁ 一定のＬ₁ 側合焦明度領域および
(iV)明度がＩ₂ 一定のＬ₂ 側合焦明度領域の４つの領域
に分割することができる。

【００４０】このように図５の空間焦点画像上では、等
明度点は直線上に並ぶ。これを等明度直線という。この
等明度直線は、領域Ｌ₁ 側ではフォーカス範囲ｆ≦ｗ＜
ｖ，ｖ＜ｗ≦ｗmax に対してそれぞれ ｓ＝（（ｄ−λｒ）／ｖ）ｗ＋λｒ （４） ｓ＝（（ｄ＋λｒ）／ｖ）ｗ−λｒ （５） と表され、これは合焦エッジ点位置Ｑ（ｖ，ｄ）を通る
Ｖ字形の２本の半直線となる。

【００４１】同様に、領域Ｌ₂ 側ではフォーカス範囲ｆ
≦ｗ＜ｖ，ｖ＜ｗ≦ｗmax に対してそれぞれ ｓ＝（（ｄ＋λｒ）／ｖ）ｗ−λｒ （６） ｓ＝（（ｄ−λｒ）／ｖ）ｗ＋λｒ （７） と表され、これは合焦エッジ点位置Ｑ（ｖ，ｄ）を通る
逆Ｖ字形の２本の半直線となる。なお、式（４）〜
（７）におけるλは、０＜λ＜１の定数である。

【００４２】このような等明度直線を色々な明度につい
て求めれば、それらの等明度直線の交点として合焦位置
ｖを求めることができる。合焦位置ｖが求まれば、式
（１）から被写体距離ｕを容易に計算で求めることがで
きる。

【００４３】被写体１上の各エッジは、小さな直線エッ
ジが連結したものと考えることができる。従って、被写
体１上のエッジの位置および方向を検出し、それぞれの
直線エッジに対して空間焦点画像を作成し、これを上述
のように解析してそれぞれの合焦位置ｖを求めることに
より、被写体１のエッジ上の各点に対応する被写体距離
ｕを求めることができる。

【００４４】空間焦点画像を作成するに当たっては、被
写体１上のエッジの位置を知っておかなければならず、
そのためにはエッジ検出を行う必要がある。多重フォー
カス画像中の全ての画像は、基本的にはぼけた画像と考
えなければならないので、単一画像を微分等により解析
してエッジ検出を行う手法は採用できない。そこで、多
重フォーカス画像中の対応点の明度変化を解析すること
によりエッジ検出を行う方法が望ましい。そのようなエ
ッジ検出法については、後述する。

【００４５】次に、図６に示すフローチャートを用い
て、上述した第２の距離測定アルゴリズムの手順を整理
して説明する。まず、多重フォーカス画像から被写体上
のエッジの位置および方向を検出する（ステップＳ１
１）。この多重フォーカス画像のエッジ検出には、例え
ばフォーカス変化によって生じるある点での明度変化の
分散を画素値とする分散値画像を用いる方法が好まし
い。この分散値画像はエッジ上で極小値をとるので、
(1) 分散値画像に線検出オペレータを適用し、分散値の
谷線上の点を検出する、(2) 検出された点に対して分散
値の閾値処理を行う、という手順によってエッジ検出が
可能である。この方法によると、直線エッジのみならず
非直線エッジについても正確な検出を行うことができ
る。

【００４６】次に、ステップＳ１１で検出された各エッ
ジに対して前述した空間焦点画像を作成する（ステップ
Ｓ１２）。次に、ステップＳ１２で作成された各空間焦
点画像について等明度点を検出する（ステップＳ１
３）。次に、ステップＳ１３で検出された等明度点を結
んで等明度直線を求める（ステップＳ１４）。そして、
この等明度直線の交点を求め、その交点位置を合焦位置
ｖとし、これから式（１）に従い被写体距離ｕを求める
（ステップＳ１５）。

【００４７】なお、上述した第１の距離測定アルゴリズ
ムでは、空間焦点画像上の等明度直線の交点として合焦
位置ｖを求めたが、このアルゴリズムは観点を変えれば
次のように考えることも可能である。

【００４８】図７に示すような左半分が白、右半分が黒
の被写体１を撮像すると、図８に示すような画像信号波
形が得られる。図８の画像信号波形では、白レベルと黒
レベルの間がある幅を持つグレーレベルとなる。グレー
レベルの部分の幅、いわゆるぼけ幅(blur width)は、図
９に示すように撮像面が合焦位置から外れるほど大きく
なり、合焦位置（図９のフォーカス目盛が１００の位
置）ではほぼ０となる。図１０は、この様子を撮像レン
ズ２の焦点合わせリングの回転角度とぼけ幅の関係で示
している。

【００４９】従って、このぼけ幅を図１に示した３つの
撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃから出力される画像信号
についてそれぞれ求め、それらを直線で結ぶことによ
り、合焦位置を求めることができる。これは前述した空
間焦点画像の等明度直線の交点を求めることに相当す
る。

【００５０】次に、図１１〜図１４を用いて本発明にお
ける第２の距離測定アルゴリズムについて説明する。本
アルゴリズムでは、第１の距離測定アルゴリズムで用い
た図５に示したような空間焦点画像上でエッジ位置を通
る直線ｓ＝（ｄ／ｖ）ｗがフォーカス軸ｗに一致するよ
うに空間焦点画像の整形を行う。整形前の空間焦点画像
上の明度分布をＩo(ｗ，ｓ）、整形後の空間焦点画像の
明度分布をＩaligned(ｗ，ｓ）で表すと、この整形は次
式で表される。

【００５１】 Ｉaligned(ｗ，ｓ）＝Ｉo(ｗ，ｓ＋（ｄ／ｖ）ｗ）（８） このような成形後の画像を整形空間焦点(aligned spati
al-focal) 画像と呼ぶことにする。図１１に、この整形
空間焦点画像上の明度分布を示す。図１１の横軸はフォ
ーカス軸ｗ、縦軸は空間軸ｓである。この整形により、
式（４）（５）に示した領域Ｌ₁ 側の明度Ｉ₁ −δの等
明度直線は、次式の形となる。 ｓ＝−（λｒ／ｖ）ｗ＋λｒ （９） ｓ＝（λｒ）／ｖ）ｗ−λｒ （１０） 同様に、式（６）（７）に示した領域Ｌ₂ 側の明度Ｉ₂
＋δの等明度直線は、次式の形となる。 ｓ＝（λｒ／ｖ）ｗ−λｒ （１１） ｓ＝−（λｒ）／ｖ）ｗ＋λｒ （１２） このように上記の整形により、整形空間焦点画像上の明
度Ｉ₁ −δ，Ｉ₂ ＋δの等明度直線は、（ａ）合焦エッ
ジ点位置Ｑ（ｖ，ｄ）を通り、フォーカス軸ｗに平行の
直線に対して線対称、（ｂ）合焦エッジ点位置Ｑ（ｖ，
ｄ）を通る直線ｗ＝ｖに対して線対称、という二つの性
質を持つことになる。すなわち、整形空間焦点画像は図
１１に示したように左右対称であり、明度変化は上下対
称となる。

【００５２】このような整形空間焦点画像を導入する第
２の距離測定アルゴリズムは、多重フォーカス画像から
エッジ点を検出し、検出されたエッジ点を中心とした整
形空間焦点画像を作成し、明度分布のモデル当てはめに
より合焦位置を求め、この合焦位置から被写体距離を計
算する、という手順となる。

【００５３】以下、この第２の距離測定アルゴリズムを
図１３に示すフローチャートを用いてさらに具体的に説
明する。まず、先に説明した第１の距離測定アルゴリズ
ムと同様に、多重フォーカス画像から被写体１上のエッ
ジの位置および方向を検出し（ステップＳ２１）、次い
で検出された各エッジに対し、図５に示したような空間
焦点画像を作成する（ステップＳ２２）。次に、図５の
空間焦点画像上でエッジ位置を通る直線ｓ＝（ｄ／ｖ）
ｗがフォーカス軸ｗに一致するように空間焦点画像の整
形を行い、図１１に示すような明度分布の整形空間焦点
画像を作成する（ステップＳ２３）。次に、ぼけモデル
および整形空間焦点画像の性質を踏まえて、整形空間焦
点画像上に図１２に示す等明度直線束を仮定する（ステ
ップＳ２４）。次に、図１２の等明度直線束上の各点の
明度が観測された明度（多重フォーカス画像の明度）に
一致しているか否かを所定の評価関数を用いて評価する
（ステップＳ２５）。次に、上記の評価関数が最適とな
るように等明度直線束のパラメータを最適化する（ステ
ップＳ２６）。最後に、等明度直線束を構成する等明度
直線の交点を求め、その交点位置を合焦位置ｖとして、
これから式（１）に従って被写体距離ｕを求める（ステ
ップＳ２７）。

【００５４】ここで、ステップＳ２４で仮定される等明
度直線束について説明する。図１２は、明度（Ｉ₁ ＋Ｉ
₂ ）／２±ｊδ（ｊ＝１，２，…，ｎ）の等明度直線束
の形状モデルを示している。但し、ｎ，δはｎδ＜（Ｉ
₁ ＋Ｉ₂ ）／２を満たす適当な定数である。このモデル
は次式で表される。

【００５５】 ｓ＝ｓ₀ ＋ｃ_j （ｗ−ｖ₀ ） （１３） ｓ＝ｓ₀ −ｃ_j （ｗ−ｖ₀ ） （１４） この等明度直線束を構成する複数の等明度直線の交点
（ｖ₀ ，ｓ₀ ）は、合焦位置を表す。また、ｃ_j ＞０で
ある。

【００５６】次に、ステップＳ２５〜Ｓ２７の処理につ
いて説明する。今、図１の撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４
Ｃによりフォーカス位置ｗ₁ ，ｗ₂ ，ｗ₃ （ｗ₁ ＜ｗ₂
＜ｗ₃ ）で撮像を行い、多重フォーカス画像Ｂ（ｘ，
ｙ，ｗ₁），Ｂ（ｘ，ｙ，ｗ₂ ），Ｂ（ｘ，ｙ，ｗ₃ ）
が得られたとする。これらの多重フォーカス画像Ｂ
（ｘ，ｙ，ｗ₁ ），Ｂ（ｘ，ｙ，ｗ₂ ），Ｂ（ｘ，ｙ，
ｗ₃ ）から作成される整形空間焦点画像Ｉ（ｗ，ｓ）を
次のようにとる。

【００５７】 Ｉ（ｗ₁ ，ｓ）＝Ｉ_w1（ｓ） Ｉ（ｗ₂ ，ｓ）＝Ｉ_w2（ｓ） Ｉ（ｗ₃ ，ｓ）＝Ｉ_w3（ｓ） （１５） このとき、合焦位置である等明度直線の交点（ｖ₀ ，ｓ
₀ ）とフォーカス位置ｗ₁ ，ｗ₂ ，ｗ₃ との関係より、
図１４に示す４通りの場合が存在する。但し、図１４で
は簡単のため等明度直線をｌ_j ，ｍ_j の２本のみ描いて
いる。図１４の直線ｌ_j ，ｍ_j とｗ₁ ，ｗ₂ ，ｗ₃ との
交点をＰ_jk（ｊ＝１，２，…，ｎ、ｋ＝１，２，…，
６）とすると、Ｐ_jkは次のようになる。

【００５８】(1) ｖ₀ ＜ｗ₁ のとき、Ｐ_j1，Ｐ_j2，Ｐ_j3
は直線ｌ_j 上にあり、Ｐ_j4，Ｐ_j5，Ｐ_j6は直線ｍ_j 上に
ある。 (2) ｗ₁ ＜ｖ₀ ＜ｗ₂ のとき、Ｐ_j2，Ｐ_j3，Ｐ_j4は直線
ｌ_j 上にあり、Ｐ_j1，Ｐ_j5，Ｐ_j6は直線ｍ_j 上にある。 (3) ｗ₂ ＜ｖ₀ ＜ｗ₃ のとき、Ｐ_j3，Ｐ_j4，Ｐ_j5は直線
ｌ_j 上にあり、Ｐ_j1，Ｐ_j2，Ｐ_j6は直線ｍ_j 上にある。 (4) ｗ₃ ＜ｖ₀ のとき、Ｐ_j4，Ｐ_j5，Ｐ_j6は直線ｌ_j 上
にあり、Ｐ_j1，Ｐ_j2，Ｐ_j3は直線ｍ_j 上にある。

【００５９】従って、式（１３）（１４）より、式
（５）で表される観測画像（整形空間焦点画像）Ｉ
（ｗ，ｓ）上において、交点Ｐ_jk（ｋ＝１，２，…，
６）における明度は次のようなる。 Ｐ_j1：Ｉ_w1（ｓ₀ ＋ｃ_j σ₁ （ｗ₁ −ｖ₀ ）） Ｐ_j2：Ｉ_w2（ｓ₀ ＋ｃ_j σ₂ （ｗ₂ −ｖ₀ ）） Ｐ_j3：Ｉ_w3（ｓ₀ ＋ｃ_j σ₃ （ｗ₃ −ｖ₀ ）） Ｐ_j4：Ｉ_w1（ｓ₀ −ｃ_j σ₁ （ｗ₁ −ｖ₀ ）） Ｐ_j5：Ｉ_w2（ｓ₀ −ｃ_j σ₂ （ｗ₂ −ｖ₀ ）） Ｐ_j6：Ｉ_w3（ｓ₀ −ｃ_j σ₃ （ｗ₃ −ｖ₀ ）） （１６） 但し、 (1) ｖ₀ ＜ｗ₁ のとき、σ₁ ＝σ₂ ＝σ₃ ＝１ (2) ｗ₁ ＜ｖ₀ ＜ｗ₂ のとき、σ₁ ＝−１，σ₂ ＝σ₃
＝１ (3) ｗ₂ ＜ｖ₀ ＜ｗ₃ のとき、σ₁ ＝σ₂ ＝−１，σ₃
＝１ (4) ｗ₃ ＜ｖ₀ のとき、σ₁ ＝σ₂ ＝σ₃ ＝−１ である。

【００６０】２直線ｌ_j ，ｍ_j 上の交点Ｐ_j1，Ｐ_j2，Ｐ
_j3の明度は（（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）／２）＋ｊδ、交点Ｐ_j4，
Ｐ_j5，Ｐ_j6の明度は（（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）／２）−ｊδでそ
れぞれ与えられる。

【００６１】そこで、直線ｌ_j ，ｍ_j の妥当性を評価す
る尺度（評価関数）として、観測画像（整形空間焦点画
像）Ｉ（ｗ，ｓ）上での交点Ｐ_j1，Ｐ_j2，Ｐ_j3の明度
と、（（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）／２）＋ｊδとのずれ、観測画像
（整形空間焦点画像）Ｉ（ｗ，ｓ）上での交点Ｐ_j4，Ｐ
_j5，Ｐ_j6の明度と、（（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）／２）−ｊδとの
ずれの２乗和Ｓを用い、このＳを最小化するパラメータ
としてｖ₀ ，ｓ₀ ，ｃ_j ，σ_i を求めれば、ｖ₀ の値に
より図１４に示した場合分けと合焦位置の計算ができた
ことになる。

【００６２】なお、上述した計算を厳密に行うと、計算
量が膨大なものとなる。次の二つの仮定を設ければ、計
算量を減らして距離測定のための演算処理スピードを向
上させることができる。

【００６３】（仮定１）：整形空間焦点画像において、
明度の空間軸ｓ方向の変化は、ある区間では線形であ
る。 （仮定２）：観測された整形空間焦点画像の明度分布Ｉ
（ｗ_i ，ｓ）（ｉ＝１，２，３）に対して直線当てはめ
を行い、式（１５）を次のように表す。 Ｉ（ｗ₁ ，ｓ）＝ａ₁ ＋ｂ₁ ｓ Ｉ（ｗ₂ ，ｓ）＝ａ₂ ＋ｂ₂ ｓ Ｉ（ｗ₃ ，ｓ）＝ａ₃ ＋ｂ₃ ｓ （１７） このとき、図１４に示した交点Ｐ_jk（ｊ＝１，２，…，
ｎ、ｋ＝１，２，…，６）における明度は次のようにな
る。

【００６４】 Ｐ_j1：ａ₁ ＋ｂ₁ （ｓ₀ ＋ｊｃ₀ σ₁ （ｗ₁ −ｖ₀ ）） Ｐ_j2：ａ₂ ＋ｂ₂ （ｓ₀ ＋ｊｃ₀ σ₂ （ｗ₂ −ｖ₀ ）） Ｐ_j3：ａ₃ ＋ｂ₃ （ｓ₀ ＋ｊｃ₀ σ₃ （ｗ₃ −ｖ₀ ）） Ｐ_j4：ａ₁ ＋ｂ₁ （ｓ₀ −ｊｃ₀ σ₁ （ｗ₁ −ｖ₀ ）） Ｐ_j5：ａ₂ ＋ｂ₂ （ｓ₀ −ｊｃ₀ σ₂ （ｗ₂ −ｖ₀ ）） Ｐ_j6：ａ₃ ＋ｂ₃ （ｓ₀ −ｊｃ₀ σ₃ （ｗ₃ −ｖ₀ ））（１８） このようにすると、最適モデル当てはめを反復計算なし
に求める計算法をとることができ、高速計算が可能とな
るため、距離測定の演算処理スピードが向上する。ま
た、第１の距離測定アルゴリズムでは多重フォーカス画
像として多数枚の画像が必要となるが、第２の距離測定
アルゴリズムによれば、３枚の多重フォーカス画像から
でも十分に高精度の距離測定ができるという利点があ
る。

【００６５】次に、図１５を用いて複合プリズム３上の
撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃの好ましい配置方法につ
いて説明する。図２を用いて説明したように、撮像デバ
イス４Ａ，４Ｂ，４Ｃは撮像レンズ２からの光学距離を
異ならせて配置されており、例えば撮像デバイス４Ａは
撮像面を本来の結像位置１３Ａ上に位置させて配置さ
れ、撮像デバイス４Ｂは撮像面を本来の結像位置１３Ｂ
より１ｍｍだけ前方にずらせて配置され、撮像デバイス
４Ｃは撮像面を本来の結像位置１３Ｃより１ｍｍだけ後
方にずらせて配置される。

【００６６】図１５の実施形態では、このような位置関
係で複合プリズム３に対し撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４
Ｃを配置するために、撮像デバイス４Ａは単位プリズム
３Ａの光出射端上に厚さ２ｍｍの透明ガラス板１４を介
して固定され、撮像デバイス４Ｂは単位プリズム３Ｂの
光出射端上に厚さ１ｍｍの透明ガラス板１５を介して固
定され、また撮像デバイス４Ｃは単位プリズム３Ｃの光
出射端上に直接固定される。なお、複合プリズム３に対
する透明ガラス板１４，１５および撮像デバイス４Ａ，
４Ｂ，４Ｃの固定は、例えば標準の貼合わせ装置を用い
て貼合わせにより行えばよい。

【００６７】このようにすると、複合プリズム３と撮像
デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃの位置関係が長期間にわたっ
て高精度に維持されるようになるため、経年変化による
測定誤差の増加を防止することができる。

【００６８】次に、図１６を参照して本発明の他の実施
形態を説明する。本実施形態は、先に説明した複合プリ
ズム３に代えて色分解プリズム（ここでは、ダイクロイ
ックプリズム）１６を用いた点が先の実施形態と異な
る。この色分解プリズム１６は、基本的には図２および
図１５に示した複合プリズム３と同様に３つの単位プリ
ズム１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃを接合して一体化したもの
であり、単位プリズム１６Ａと１６Ｃの接合面および単
位プリズム１６Ａと１６Ｂの接合面に、第１および第２
の多層干渉膜１７，１８がそれぞれ蒸着により形成され
ている。撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃは、単位プリズ
ム１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃの光出射端上にそれぞれ配置
される。

【００６９】さらに、色分解プリズム１６に対し撮像デ
バイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃを先と同様の位置関係で配置す
るために、図１５と同様、撮像デバイス４Ａは単位プリ
ズム１６Ａの光出射端上に厚さ２ｍｍの透明ガラス板１
４を介して固定され、撮像デバイス４Ｂは単位プリズム
１６Ｂの光出射端上に厚さ１ｍｍの透明ガラス板１５を
介して固定され、また撮像デバイス４Ｃは単位プリズム
１６Ｃの光出射端上に直接固定される。

【００７０】ここで、第１の多層干渉膜１７は赤色光を
反射させ、青色光を透過させる分光特性を持ち、第２の
多層干渉膜１８は青色光を反射させ、緑色光を透過させ
る分光特性を持つ。このようにすると単位プリズム１６
Ａの光出射端から青色光、単位プリズム１６Ｂの光出射
端から緑色光、単位プリズム１６Ｃの光出射端から赤色
光がそれぞれ出射され、これらが撮像デバイス４Ａ，４
Ｂ，４Ｃにそれぞれ入射する。従って、撮像デバイス４
Ａ，４Ｂ，４Ｃから青、緑、赤の画像信号がそれぞれ異
なるフォーカス状態で得られることになる。

【００７１】これら撮像デバイス４Ａ，４Ｂ，４Ｃから
出力される画像信号は、図１の場合と同様にＣＤＳ回路
８Ａ，８Ｂ，８Ｃおよび信号処理回路９Ａ，９Ｂ，９Ｃ
を経て多重フォーカス画像信号となる。そして、この多
重フォーカス画像信号が演算処理部１０に入力され、こ
こで先に説明した第１または第２の距離測定アルゴリズ
ムに従って演算処理が行われることにより、被写体距離
が算出される。

【００７２】本実施形態によると、ダイクロイックプリ
ズムを用いたカラーＣＣＤカメラの光学系に透明ガラス
板１４，１５を組み合わせて多重フォーカス画像を撮像
することができ、装置を非常に簡単に実現することがで
きる。

【００７３】なお、以上の説明では撮像デバイス４Ａ，
４Ｂ，４Ｃのうち、撮像デバイス４Ａがジャストフォー
カスの状態、撮像デバイス４Ｂが前ピンの状態、撮像デ
バイス４Ｃが後ピンの状態となるようにしたが、これら
の対応関係はあくまで一例であり、要するに撮像デバイ
ス４Ａ，４Ｂ，４Ｃのうちの一つがジャストフォーカ
ス、一つが前ピン、一つがのピンとなるようにすればよ
い。

【００７４】また、本来の結像位置に対して前ピンの撮
像デバイスは１ｍｍ前方、後ピンの撮像デバイスは１ｍ
ｍ後方にそれぞれ配置したが、この１ｍｍというオフセ
ット値は撮像レンズ２の絞り値がＦ５．６程度で、５〜
６ｍ程度の被写体距離を測定する場合に最適な値であっ
て、絞り値や測定しようとする被写体距離の範囲に応じ
て任意のオフセット値に選ぶことができる。その他、本
発明は種々の変形して実施することが可能である。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば多
重フォーカス画像から演算処理により被写体までの距離
を測定する測距装置において、撮像レンズを通過した被
写体からの光を３つの単位プリズムと２つの多層干渉膜
から構成される複合プリズムにより３分割して、それら
の光をそれぞれ異なる光出射端から取り出した後、撮像
レンズからの光学距離を相対的に異ならせた撮像デバイ
スに入射させることによって多重フォーカス画像信号を
得るようにしたことにより、多重フォーカス画像信号を
構成する３つの画像信号を時間的に同時に取得すること
ができる。

【００７６】しかも、多重フォーカス画像信号を得るの
に必要な光学系は、基本的に一体化された複合プリズム
のみでよいから、位置決めが容易となり、経時的な位置
ずれの問題も緩和される。従って、リアルタイムで高精
度な距離測定が可能となる。

【００７７】また、撮像デバイスとして２次元ＣＣＤイ
メージセンサを用いれば、ＣＣＤビデオカメラと同様の
比較的簡単な光学系で多重フォーカス画像信号を生成す
ることができ、この多重フォーカス画像信号から演算処
理によって距離が高精度に求まるため、簡易な構成によ
って装置を実現することができる。

【００７８】さらに、多重フォーカス画像信号から被写
体上のエッジを検出し、各エッジに対して空間焦点画像
を作成した後、これらの各空間焦点画像について該空間
焦点画像上でエッジの位置を通る直線がフォーカス軸に
一致するように整形を行って整形空間焦点画像を仮定
し、これらの各整形空間焦点画像上の等明度点を結ぶ等
明度直線の交点を合焦位置として、被写体までの距離を
算出するという距離測定アルゴリズムを用いれば、最低
限３個の撮像デバイスによる３枚の多重フォーカス画像
信号のみに基づいて十分に高精度の距離測定が可能とな
り、しかも距離算出のための演算処理スピードがより速
くなるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る多重フォーカス測距
装置の構成を示すブロック図

【図２】本発明に係る複合プリズムの構成と撮像デバイ
スの配置の一例を示す図

【図３】撮像デバイスとして用いられる２次元ＣＣＤイ
メージセンサの概略構成を示す図

【図４】多重フォーカス画像空間の説明図

【図５】空間焦点画像の説明図

【図６】第１の距離測定アルゴリズムを説明するための
フローチャート

【図７】第１の距離測定アルゴリズムを説明するための
エッジを有する被写体の例を示す図

【図８】第１の距離測定アルゴリズムを説明するための
図７の被写体を撮像したときの画像信号波形を示す図

【図９】第１の距離測定アルゴリズムを説明するための
フォーカス位置とぼけ幅の関係を示す図

【図１０】第１の距離測定アルゴリズムを説明するため
の焦点調整リングの回転角度とぼけ幅の関係を示す図

【図１１】第２の距離測定アルゴリズムを説明するため
の整形空間焦点画像の明度分布を示す図

【図１２】第２の距離測定アルゴリズムを説明するため
の等明度直線束モデルを示す図

【図１３】第２の距離測定アルゴリズムを説明するため
のフローチャート

【図１４】第２の距離測定アルゴリズムを説明するため
のフォーカス位置と合焦位置の関係を示す図

【図１５】本発明に係る複合プリズムの構成と撮像デバ
イスの配置の他の例を示す図

【図１６】本発明に係るダイクロイックプリズムの構成
と撮像デバイスの配置を示す図

【図１７】従来の多重フォーカス画像を得るための第１
の方法を示す図

【図１８】従来の多重フォーカス画像を得るための第２
の方法を示す図

【符号の説明】

１…被写体 ２…撮像レンズ ３…複合プリズム ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…撮像デバイス ５…タイミング発生器 ６…垂直駆動回路 ７…水平駆動回路 ８Ａ，８Ｂ，８Ｃ…相関二重サンプリング回路 ９Ａ，９Ｂ，９Ｃ…信号処理回路 １０…演算処理部 １１，１２…多層干渉膜 １３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…本来の結像位置 １４，１５…透明ガラス板 １６…ダイクロイックプリズム １７，１８…多層干渉膜 ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…スペーサ ２０ａ…固定くさび状部材 ２０ｂ…可動くさび状部材 ２１…フォトダイオード ２２…垂直転送ＣＣＤ ２３…水平転送ＣＣＤ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｇ０３Ｂ 3/00 Ａ (72)発明者 福井 和広 大阪府大阪市北区大淀中１丁目１番30号 株式会社東芝関西支社内 (72)発明者 竹村 裕夫 東京都港区新橋３丁目３番９号 東芝エ ー・ブイ・イー株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−167904（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−152550（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−134241（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−72423（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−105280（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−105281（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−90002（ＪＰ，Ｕ) 浅田尚紀 藤原久永 松山隆司，多重 フォーカス画像を用いたエッジ検出と距 離測定，電子情報通信学会論文誌，日 本，社団法人電子情報通信学会，1994年 ６月25日，Ｖｏｌ．Ｊ−77−Ｄ−ＩＩ, 1048−1058，002，ＣＳＮＴ 199800736002 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 3/00 - 3/32 G01B 7/28 - 7/38 G02B 5/00 - 5/136

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被写体からの光を所定位置に結像させるた
   めの撮像レンズと、前記撮像レンズを通過した前記被写体からの光を分割し
   て第１、第２及び第３ の光出射端から取り出す複合プリ
   ズムと、 前記複合プリズムの各光出射端から取り出された前記被
   写体からの光がそれぞれ入射する位置に前記撮像レンズ
   からの光学距離を異ならせて配置され、入射する光に対
   応してフォーカスの異なる複数の多重フォーカス画像を
   構成する画像信号を出力する３個の撮像デバイスと、 前記撮像デバイスからそれぞれ出力される画像信号を演
   算処理して前記被写体までの距離を測定する演算処理手
   段とを備え、 前記複合プリズムは、 前記撮像レンズを通過した前記被写体からの光が入射す
   るように配置された第１の単位プリズムと、 第１の単位プリズムと接合された第２の単位プリズム
   と、 第２の単位プリズムと接合された第３の単位プリズム
   と、 第１の単位プリズムと第２の単位プリズムの接合面に配
   置され、第１の単位プリズムに入射した光の１／３を反
   射させて第１の光出射端に導き、２／３を透過させて第
   ２の単位プリズムに入射させる第１の多層干渉膜と、 第２の単位プリズムと第３の単位プリズムの接合面に配
   置され、第１の多層干渉膜を透過して第２の単位プリズ
   ムに入射した光の１／２を反射させて第２の光出射端に
   導き、残りの１／２を第３の単位プリズムに入射させて
   第３の光出射端に導く第２の多層干渉膜とを有する こと
   を特徴とする多重フォーカス測距装置。
2. 【請求項２】被写体からの光を所定位置に結像させるた
   めの撮像レンズと、 前記撮像レンズを通過した前記被写体からの光を分割し
   て第１、第２及び第３の光出射端から取り出す複合プリ
   ズムと、 前記複合プリズムの各 光出射端から取り出された前記被
   写体からの光がそれぞれ入射する位置に前記撮像レンズ
   からの光学距離を異ならせて配置され、入射する光に対
   応してフォーカスの異なる複数の多重フォーカス画像を
   構成する画像信号を出力する３個の撮像デバイスと、 前記撮像デバイスからそれぞれ出力される画像信号を演
   算処理して前記被写体までの距離を測定する演算処理手
   段とを備え、 前記演算処理手段は、 前記複数の撮像デバイスから出力される画像信号から前
   記被写体上のエッジを検出し、 これらのエッジのそれぞれに対して、前記撮像レンズの
   中心と前記撮像デバイスの撮像面を結ぶフォーカス軸
   と、該フォーカス軸に直交する空間軸とで定義された空
   間焦点画像を前記画像信号から作成し、 これらの各空間焦点画像について、該空間焦点画像上で
   前記エッジの位置を通る直線が前記フォーカス軸に一致
   するように整形を行って整形空間焦点画像を仮定し、 これらの各整形空間焦点画像上の等明度点を結ぶ等明度
   直線の交点を合焦位置として、前記被写体までの距離を
   算出する ことを特徴とする多重フォーカス測距装置。
3. 【請求項３】被写体からの光を所定位置に結像させるた
   めの撮像レンズと、 前記撮像レンズを通過した前記被写体からの光を分割し
   て第１、第２及び第３の光出射端から取り出す複合プリ
   ズムと、 前記複合プリズムの各光出射端から取り出された前記被
   写体からの光がそれぞれ入射する位置に前記撮像レンズ
   からの光学距離を異ならせて配置され、入射する光に対
   応してフォーカスの異なる複数の多重フォーカス画像を
   構成する画像信号を出力する３個の撮像デバイスと、 前記撮像デバイスからそれぞれ出力される画像信号を演
   算処理して前記被写体までの距離を測定する演算処理手
   段とを備え、 前記演算処理手段は、 前記複数の撮像デバイスから出力される画像信号から前
   記被写体上のエッジを検出し、 これらのエッジのそれぞれに対して、前記撮像レンズの
   中心と前記撮像デバイスの撮像面を結ぶフォーカス軸
   と、該フォーカス軸に直交する空間軸とで定義された空
   間焦点画像を前記画像信号から作成し、 これらの各空間焦点画像について、該空間焦点画像上で
   前記エッジの位置を通る直線が前記フォーカス軸に一致
   するように整形を行って整形空間焦点画像を仮定し、 これらの各整形空間焦点画像上の等明度点を結ぶ等明度
   直線束上の各点の明度が前記多重フォーカス画像の明度
   に一致しているか否かを所定の評価関数で評価し、 前記評価関数が最適となるように前記等明度直線束のパ
   ラメータを最適化した後、 前記等明度直線束を構成する等明度直線の交点を合焦位
   置として、前記被写体までの距離を算出することを特徴
   とする 多重フォーカス測距装置。
4. 【請求項４】前記複合プリズムは、 前記撮像レンズを通過した前記被写体からの光が入射す
   るように配置された第１の単位プリズムと、 第１の単位プリズムと接合された第２の単位プリズム
   と、 第２の単位プリズムと接合された第３の単位プリズム
   と、 第１の単位プリズムと第２の単位プリズムの接合面に配
   置され、第１の単位プリズムに入射した光の１／３を反
   射させて第１の光出射端に導き、２／３を透過させて第
   ２の単位プリズムに入射させる第１の多層干渉膜と、 第２の単位プリズムと第３の単位プリズムの接合面に配
   置され、第１の多層干渉膜を透過して第２の単位プリズ
   ムに入射した光の１／２を反射させて第２の光出射端に
   導き、残りの１／２を第３の単位プリズムに入射させて
   第３の光出射端に導く第２の多層干渉膜とを有すること
   を特徴とする請求項２または３記載の 多重フォーカス測
   距装置。
5. 【請求項５】前記撮像デバイスの少なくとも一つは、前
   記光出射端上に所定の厚さのスペーサを介して配置され
   ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載
   の多重フォーカス測距装置。
6. 【請求項６】前記撮像デバイスは、前記光出射端上に厚
   さの異なるスペーサをそれぞれ介して配置されることを
   特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の多重フ
   ォーカス測距装置。
7. 【請求項７】前記スペーサは、前記撮像デバイスまたは
   前記光出射端上に設けられた固定くさび状部材と、該固
   定くさび状部材と係合する可動くさび状部材とからなる
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の多重フォー
   カス測距装置。