JP3726699B2 - 光学撮像装置、光学測距装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学撮像装置・光学測距装置に関し、特に被写体までの距離情報を取得し得る光学撮像装置・光学測距装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、ビデオ画像等の合成を行う際に、色信号からキーを作成するクロマキー技術が知られている。このクロマキー技術では、被写体を例えば青い背景をバックにして被写体を撮影する。そして撮影後、背景の青い部分を色の違いを利用して除去する。すると全体画像が被写体の輪郭に沿って切り取られ、被写体画像のみが残る。この残った被写体画像を別の画像上に貼り付けることにより合成写真が作成される。
【0003】
前記クロマキー技術あるいはクロマキー合成では、一般に青色の背景を用いるが、この理由は青色が人間の肌色と補色関係にあるためである。
【0004】
しかし、この場合例えば、被写体は、使用した背景の色と同じ色の混じる衣装等を着用することができないと云う問題がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、前記従来技術の課題を解決することであり、前記クロマキー技術を用いることなく画像合成等に使用することが可能な光学撮像装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、この発明の光学撮像装置は、
被写体へ向けて赤外光を放射する赤外光源と、
赤外光源から射出される赤外光を変調すると共に、被写体からの反射赤外光を変調する変調手段と、
被写体からの可視光及び赤外光を受ける撮影レンズと、
撮像レンズの後方に配置され、可視光と赤外光とを分離する可視光・赤外光分離手段と
前記分離手段からの可視光を受け結像面上で被写体の可視光像検出する可視光検出手段と
前記分離手段からの赤外光を受け結像面上で被写体の赤外光像を検出する赤外光検出手段と
を有する。
【0007】
前記変調手段は、赤外光源から射出される赤外光を変調する第1変調手段と、被写体からの反射赤外光を変調する第2変調手段とを有することが出来る。
【0008】
前記変調手段は、シャッタからなることが出来る。
【0009】
前記撮影レンズは、ズームレンズを含み得る。
【0010】
可視光・赤外光分離手段及び可視光検出手段は、同じ光路長を有する光学要素を含むのが望ましい。
【0011】
前記光学要素は、組み合わせプリズムから成るのが好ましい。
【0012】
前記光学撮像装置は、結像面でのフォーカスを調整するフォーカス調整手段を有するのが好ましい。
【0013】
前記フォーカス調整手段は、相互に平行な平行面を有する光学透明体から成るのが好ましい。
【0014】
前記フォーカス調整手段は、平行面間の距離を変更するために、相互に移動自在の一対のくさび形状光学透明体からなるのが好ましい。
【0015】
前記光学撮像装置は、光路長を調整するための光路長調整手段を有するのが好ましい。
【0016】
前記前記可視光結像面と赤外光結像面は、相互に直交する方向を向いていることが出来る。
【0017】
この発明の他の側面は、被写体へ向けて赤外光を放射する赤外光源と、赤外光源から射出される赤外光を変調すると共に、被写体からの反射赤外光を変調する変調手段と、被写体からの赤外光を受ける撮影レンズと、前記赤外光結像面へのフォーカスを調整するフォーカス調整手段と、結像面で被写体の赤外光像を検出する赤外光検出手段と、を有する光学測距装置にある。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の光学撮像装置の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は類似の要素には同一又は類似の図番が振られる。
【0019】
この実施の形態では、特表平11−508371に記載される技術を用いて、カメラの如き光学撮像装置から被写体までの距離情報を取得する。
【0020】
図1は、特表平11−508371に記載される被写体までの距離情報を取得する技術を示す。
【0021】
図1に示すように、この技術で使用される光学測距カメラ508は、被写体511までの距離情報を取得するために、被写体511へレーザ光を放射するレーザ光源510と、第1レンズ513と、ハーフミラー550と、シャッタの如き変調手段518と、第2レンズ542と、瞳540と、第3レンズ544と、第2瞳546と、CCDの如き光検出手段512と、前記変調手段518を制御する制御手段521と、前記検出手段512からの画像信号を処理する処理手段522と、を有する。
【0022】
ここに前記シャッタ518は、このカメラと被写体511との間を光が往復する時間間隔の程度だけ開放される。シャッタの開放時間間隔は撮像したい被写体とカメラの距離に応じて可変出来る。これにより、CCD512上において、被写体511のカメラに近い部位Bの像の光強度は、カメラから遠い部位Aの像の光強度よりも強くなる。従って、CCD512上の各像の光強度を検出することにより、カメラから部位B又は部位Aまでの距離が測定される。
【0023】
より詳細には以下の通りである。
【0024】
図2は、前記距離測定の原理を示す。
【0025】
図2(a)は、前記シャッタ518が開閉されるタイミング及び、当該シャッタ518の前方に射出されるレーザ光の強度変動を表す。ここで横軸は時間を表し、縦軸はシャッタの開閉又はレーザ光の光強度を表す。既に述べたように、前記シャッタが開放される時間tはこのカメラ508と被写体511の間を光が往復する時間と同程度に設定されている。なお、シャッタの開放時間は、撮像する被写体とカメラの距離に応じて可変できる。
【0026】
図2(b)は、前記シャッタ518の開閉のタイミング及び、前記部位Bからの反射光が前記シャッタ518を通過する時間B及び、部位Aからの反射光がシャッタ518を通過する時間Aを示す。より詳細には、部位Bからの反射光は、部位Aからの反射光よりも早くシャッタ511へ戻ってくることができる。従って、部位Bからの反射光がシャッタ518へ戻ってきてシャッタ518が閉鎖されるまでの時間(部位Bからの反射光がシャッタを通過する時間)Bは、部位Aからの反射光がシャッタ518へ戻ってきてシャッタ518が閉鎖されるまでの時間(部位Aからの反射光がシャッタを通過する時間)Aよりも長い。
【0027】
従って、図2(b)の斜線部に相当する面積及びクロス斜線部に相当する面積に比例した光強度が、部位B及び部位Aの像が形成されるCCD画素に受光される。従ってまた、各部位に対応する各CCD画素からの信号を測定することにより、カメラ508から部位B及び部位Aまでの距離を測定することができる。
【0028】
図3は、前記測距技術を用いたこの発明の光学撮像装置の一実施形態を示す。
【0029】
この光学撮像装置は、合成画像を作成するために、クロマキー技術を用いることなく所望の被写体をカラー画像から切り出し又は抽出することができる。
【0030】
この実施形態の光学撮像装置20は、一般的には、被写体へ向けて赤外光を放射する赤外光源21と、赤外光源21から射出される赤外光を変調すると共に、被写体からの反射赤外光を変調する変調手段43と、被写体からの可視光及び赤外光を受ける撮影レンズ23と、撮像レンズ23の後方に配置され、可視光と赤外光とを分離する可視光・赤外光分離手段29と、前記分離手段からの可視光を受け結像面上で被写体の可視光像を検出する可視光検出手段35a,b,cと、前記分離手段からの赤外光を受け結像面上で被写体の赤外光像を検出する赤外光検出手段45とを有する。
【0031】
より詳細には、以下の通りである。
【0032】
図3に示すように、この光学撮像装置20は、被写体からの反射光を受ける撮影レンズ23と、前記撮影レンズからの集束光を、光路長調整手段としての光学透明体24及び第1像面25を介して受光する赤外光・可視光リレーレンズ27と、前記リレーレンズ27からの光線を赤外光及び可視光へ分離する可視光・赤外光分離プリズム29と、前記プリズム29により分離された可視光を集光する可視光リレーレンズ31と、前記リレーレンズ31からの収束光を受けて被写体の可視光像を生成する可視光カメラ47とを有する。
【0033】
ここに、可視光カメラ47は、前記リレーレンズ31からの収束光を赤、青、緑の各色の光へ分離する色分解プリズム33と、前記色分解プリズム33の各色の射出面へ配置されたCCDの如き可視光検出手段35a,b,cとを有する。
【0034】
なお、前記撮影レンズ23は、ズームレンズを含む。
【0035】
従って、上記構成により、可視光カメラ47から被写体のカラー画像85が生成される。
【0036】
図3に示すように、この光学撮像装置20は更に、レーザ光の如き赤外光を被写体へ照射する赤外光源としての赤外光照射ユニット21を有する。このユニット21は、射出される赤外光を変調するシャッタの如き第1変調手段(図示せず)を内蔵する。前記光学撮像装置20は更に、前記可視光・赤外光分離プリズム29から分離された赤外光を伝達する第1赤外光リレーレンズ37と、前記リレーレンズ37からの赤外光の進行方向を(撮影レンズ23への入射光の進行方向と平行方向へ)変える反射ミラー39と、反射ミラー39からの赤外光を集束する第2赤外光リレーレンズ41と、集束された赤外光を受けて被写体の赤外光像を生成する赤外光カメラ49とを有する。
【0037】
ここに赤外光カメラ49は、前記リレーレンズ41からの集束光を変調するシャッタの如き第2変調手段43と、前記集束光の結像面に配置されたCCDの如き赤外光検出手段45とを有する。
【0038】
なお、光路長調整手段(ダミーガラス)24により、可視光検出手段35a,b,cの結像面上及び赤外光検出手段45の結像面上への集光性を向上させることが出来る。
【0039】
なお前記第1変調手段及び第2変調手段43としてのシャッタの開放時間t(図2)は、赤外光が、遠近を識別したい被写体までの距離を往復する時間と同程度に設定される。
【0040】
上記構成により、図1,2を参照して説明した光学測距カメラと同様に、赤外光検出手段45の結像面上に被写体の赤外光像が形成される。ここに、近い被写体からの赤外光像は大きな光強度を有し、遠い被写体からの像は低い光強度を有する。従って、赤外光カメラ49から、上記各被写体の距離情報を含む赤外光画像87が出力される。
【0041】
図3に示すようにこの実施形態の光学撮像装置は更に、前記カラーカメラ47からのカラー画像85及び前記赤外カメラ49からの赤外光画像89に基づいて、特定の被写体のカラー画像を抽出或いは切り出す特定被写体カラー画像抽出手段51を有する。より詳細には、この手段51は、前記赤外光画像87から前記距離情報に基づいて前記特定被写体の輪郭データを求める。より詳細には、例えば撮像装置20の近くに位置する特定被写体の像は高い強度で形成され、背景の像は低い強度で形成される。従って、例えば高い強度で形成された赤外像の輪郭を検出することにより、装置20の近くに位置する特定被写体の輪郭(データ)を求めることができる。
【0042】
つぎに手段51は、前記輪郭データに基づいて、前記カラー画像85から特定被写体のカラー画像を抽出或いは切り出す。
【0043】
上記構成により、この光学撮像装置20によれば例えば、合成画像の作成のために、特定被写体のカラー画像を背景のカラー画像から切り出すことが出来る。
【0044】
図4は、この発明の光学撮像装置の第2実施形態を示す。
【0045】
この第2実施形態と第1実施形態との相違は、第1実施形態における赤外光・可視光リレーレンズ27が省略されること及び、第1実施形態の2つの赤外光リレーレンズ37、41が一つのリレーレンズ65へ纏められることである。
【0046】
従って、この第2実施形態によれば、部品点数を減らしコストを削減することができる。
【0047】
図5は、この発明の光学撮像装置の第3実施形態を示す。
【0048】
この第3実施形態と第2実施形態との相違は、撮影レンズ23と赤外光カメラ49との間に前記色分解プリズム33と同じ形状、材質を有する可視光・赤外光分離プリズム73を設けたこと及び、赤外光検出手段45と前記分離プリズム73との間にフォーカス調整手段75を設けたことである。
【0049】
前記可視光・赤外光分離プリズム73を設けることにより、赤外光リレーレンズが省略され、且つ、可視光・赤外光とも良好な集光性能を実現することが出来る。更に、可視光・赤外光分離プリズム73の入射面から可視光検出手段35a、b、cの結像面と共役な像面(第1像面25)へ至る光路(A)と、可視光・赤外光分離プリズム73の入射面から赤外光検出手段45の結像面へ至る光路(a+b+c)と、が同じ光路長となるため、可視光像と同等に収差が補正された赤外光線が得られて、正確な測距を行うことが出来る。なお前記光路aは、前記分離プリズム73の入射面からプリズム73中の第1反射面までの赤外光の光路であり、光路bは、前記第1反射面から第2反射面(分離プリズム73の入射面)までの赤外光の光路であり、光路cは、前記第2反射面から赤外光検出手段45の結像面までの赤外光の光路である。
【0050】
また前記フォーカス調整手段75を赤外光検出手段45の前方に配置することにより、赤外光結像面に形成される赤外光像のフォーカスを最適に調整することができる。
【0051】
より詳細には以下の通りである。
【0052】
図6は前記フォーカス調整手段75の拡大図である。
【0053】
図6に示すように、このフォーカス調整手段75は、赤外光カメラ49の光軸nとほぼ直交して対向される射出面77aを有する第1くさび形ガラス(第1くさび形光学透明体)77と前記射出面77aと平行に配置される入射面79aを有する第2くさび形ガラス79とを有する。そして、前記第2くさび形ガラス79は、前記射出面77aと入射面79aとの間隔tを変動するために、くさび接触面に沿って(図3においてA軸方向に)移動自在に設けてある。ここに、前記第1くさび形ガラス77と第2くさび形ガラス79の断面形状は、図3においては三角形であるが必ずしもこれに限られない。例えば前記第1くさび形ガラス77及び第2くさび形ガラス79の少なくとも一方の断面形状は台形であってもよい。要するに第1くさび形ガラス77、第2くさび形ガラス79が相互に移動することにより射出面77aと入射面79aの間隔tが変動するものであればどのようなものでもよい。
【0054】
前記第1くさび形ガラス77に対して第2くさび形ガラス79を移動するために、前記第2くさび形ガラス79にマイクロねじ(図示せず)が結合されている。
【0055】
従って前記マイクロねじを適宜の電気モータの如き駆動手段により駆動することにより、第1くさび形ガラス77に対して第2くさび形ガラス79を図においてA軸方向へ移動せしめ、入射面79aと射出面77aとの間隔tを変動、調整することができる。
【0056】
そして、前記間隔tがδtだけ変化するとき、赤外光の焦点位置は、
δT=δt(1−1/N)
だけ変化する。ここにNは、前記第1,第2くさび形ガラス(第1、第2くさび状光学透明体)77,79の屈折率である。
【0057】
前記構成により、撮影レンズ23としてのズームレンズの焦点距離が変化しても、赤外光の焦点位置を赤外光検出手段45の結像面に正確に保持することができる。
【0058】
より詳細には以下の通りである。
【0059】
一般にズームレンズは可視光領域で良好な性能を保持し、焦点距離を変動させてもその焦点位置を常に一定の像面位置に保持することができる。しかし赤外領域は使用範囲外であり、ワイド位置では所定の像面位置にあった焦点が、望遠位置では前記像面位置からずれることが有る。
【0060】
図7は、前記ズームレンズの焦点距離の変動により、赤外光(IR)の結像位置がずれる様子を表す。
【0061】
また表1は、赤外波長790nm、800nm、810nmのそれぞれの赤外光について、焦点距離が7.8,16,31,62,94,133(mm)と変動する場合のピント位置のずれ量を表す。
【0062】
【表1】
従って、一般のズームレンズを用いる場合、可視光領域では良好な結像性能を得ても、赤外領域ではピントのずれた画像を捉えることとなり、前記光学撮像装置と被写体との距離測定の精度が劣化することとなる。
【0063】
再び図5を参照するに、この第3実施形態は、前記ズームレンズの焦点距離の変動による赤外光の結像位置(フォーカス位置)のずれを前記フォーカス調整手段75により補償するために、前記第2くさび形ガラス79と結合されたマイクロねじを駆動する駆動手段(図示せず)を制御する制御装置81を有する。この制御装置81は、表1に対応する検索テーブル83を有する。そして前記制御装置81は、前記撮影レンズ23としてのズームレンズからの焦点距離情報に基づいて、前記検索テーブル83を参照して前記マイクロねじ駆動手段を制御する。
【0064】
従ってこの実施形態によれば、ズームレンズの焦点距離の変動による赤外光の焦点位置のずれが補償され、赤外光像が常に前記赤外光検出手段45の結像面に集光し、この光学撮像装置70と被写体との間の距離を正確に測定することができる。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明の光学撮像装置によれば、クロマキー技術を用いることなく所望の被写体をカラー画像から抽出或いは切り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は光学測距カメラの一例を示す概略図である。
【図2】図2は図1の光学測距カメラの測距原理を示す説明図である。
【図3】図3はこの発明の光学撮像装置の第1実施形態の説明図である。
【図4】図2はこの発明の光学撮像装置の第2実施形態の説明図である。
【図5】図5はこの発明の光学撮像装置の第3実施形態の説明図である。
【図6】図6は前記第3実施形態に設けたフォーカス調整手段の説明図である。
【図7】図7は、ズームレンズの焦点距離の変動により赤外光の結像位置がずれる様子を表す説明図である。
Claims (3)
- 撮像された可視光像から所望の被写体画像を抽出する光学撮像装置であって、
所望の被写体からの反射光の一部が当該光学撮像装置に到達するように赤外光を射出する赤外光源と、
前記所望の被写体からの可視光と前記到達した反射赤外光とを透過させる撮影レンズと、
前記撮像レンズを介して入射した前記可視光と前記反射赤外光とを分離する分離手段と、
前記所望の被写体の部位毎の反射赤外光の到達タイミングが得られるよう前記分離手段で分離された反射赤外光を変調して変調赤外光を得る変調手段と、
前記分離手段で分離された可視光を結像させて前記可視光像を検出する可視光検出手段と、
前記変調手段で得られた変調赤外光を結像させて、前記所望の被写体の部位毎の光強度に応じた赤外光像を検出する赤外光検出手段と、
前記赤外光検出手段で検出された赤外光像の光強度に応じて前記所望の被写体の輪郭を抽出するとともに、この抽出された輪郭に基づき前記可視光検出手段で検出された可視光像から前記所望の被写体画像を抽出する抽出手段と、
を備え、
前記撮像レンズを介して入射された前記可視光及び前記反射赤外光の光路長を調整するための光路長調整手段を、前記撮像レンズと前記分離手段との間に配置することを特徴とする光学撮像装置。 - 前記赤外光検出手段に結像させる変調赤外光のフォーカスを調整するフォーカス調整手段を、前記分離手段と前記変調手段との間に具備することを特徴とした請求項1に記載の光学撮像装置。
- 前記フォーカス調整手段は、前記変調赤外光の光軸と直交した入射面及び射出面を有する一対のくさび形ガラスを有し、前記一対のうち少なくとも一方のくさび形ガラスをガラス接触面方向に移動可能なように構成したことを特徴とする請求項2に記載の光学撮像装置。
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