JP4131818B2 - 光軸合わせ能力を有する単軸立体ビデオ撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単レンズ系を用いて左右の目で立体映像を作るビデオ撮像装置（システム）に関し、さらに詳しくは最適画質を得るためレンズ系に対して左右の目の視野を一致させることのできる上記システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単レンズ系を用いて左右の目で立体映像を作るビデオ撮影システムはよく知られている。そのようなシステムは、単一の小径レンズ系を用いて対象物体の３次元像を与えるため、カメラやビデオのレンズ、顕微鏡、望遠鏡、内視鏡およびボアスコープのような無数の用途に長く使われてきている。しかし、このような従来技術は大いに開発されているが、一般領域においてある欠陥が存在する。
【０００３】
特許文献１は、ＣＣＤイメージャ等、ｆ／２以上の有効口径をもつ広角レンズアセンブリ、およびカメラの光路にレンズアセンブリと隣接して置かれた絞り板を配置した小型カメラアセンブリを用いる立体撮像・ビューシステムを開示している。絞り板は、レンズアセンブリの光軸の両対向側に左右の瞳孔を有する。左右の瞳孔は、レンズ径よりもいくぶん小さな予め定められた距離だけ互いに離れている。左像は左瞳孔を通ってイメージャの結像面上にレンズの対応する部分によって結像し、右像は右瞳孔を通ってイメージャの結像面上にレンズの対応する部分によって結像する。次に、代替シャッターや別の色フィルターのような選択機構によって、目的物の左右の像が分離させられる。続いて、左右の像がディスプレーに送られて、左右の像を表示することにより立体視される。
【０００４】
特許文献２は、外科内視鏡の末端に装着された単一の対物レンズ系をもつ立体ビデオカメラシステムを開示している。レンズとビデオカメラ／センサの間に電子シャッターが光路内に置かれている。このシャッターは、カメラ／センサ、および切換可能な左右の視野レンズをもつ立体視野眼鏡を伴って同期する駆動信号に対応して、不透明と透明の両状態に切り換えられる左右の光学ゾーンを有する。
【０００５】
特許文献３は、単イメージ路において２次元レンズ系とカメラとの間に位置する不透明なリーフを含む立体ビューシステムを開示している。この不透明なリーフは左位置から右位置まで単イメージ路を側方に動くことができ、カメラのイメージ路の左右の透視像を与える。切換素子によって不透明リーフが左右位置の間で動かされ、各位置でリーフを十分な時間静止させて各透視像をカメラで撮れるようにさせる。立体ビュー素子を用いて同期システムによって左右の透視像を撮像システムから交互に切り換え、一方の目で左の透視像のみを見させ、他方の目で右の視野像を見させる。
【０００６】
特許文献４は、対物レンズおよび該対物レンズから離れてはいるが光路内にある末端レンズをもつ光学素子、および末端レンズから受光して光検知像面に結像するための立体イメージ素子を有する立体イメージ配列を開示している。立体イメージ素子は、末端レンズの左右域から出る光を選択的に遮って像面に左右の像を形成するためのシャッターを有する。また同素子は、左右の像を結合して末端レンズの視野のステレオ像を形成する。この像はモニターに表示され、切り換わる光景をもってステレオ視させる。
【０００７】
特許文献５は、内視鏡やボアスコープのような機器に付けられ、近接域で出口瞳孔によって特徴づけられる立体イメージ素子を開示している。そのイメージ素子は、機器の近くに付けられる筐体内に置かれた２つの絞り板と光スイチを有する。２つの絞り板は、器具の出口瞳孔の面内に実質的に対称に離れて置かれた左右の開口を絞る。光スイッチは、機器から受光し左右の光路を通る光を交互に遮って、ステレオ像を発生させ得る。
【０００８】
上記従来技術の各々は単レンズ系を用いて左右立体像を作るシステムを開示しているが、これらはすべて、少なくとも１つの共通の欠点を有している。どんな立体システムにおいても、見る人に対する左右の目のバランスした像の表現は眼精疲労を防ぐのに危険である。すなわち、２つの像は澄明さ、鮮明さ、色彩、明るさ等において精密に一致していなければならない。単軸立体カメラにおいてこれを達成するため、光線を左右像に分ける素子はレンズ系の光軸に正確に一致しなければならない。この要請が公知の設計においていくつかの問題を生じている。
【０００９】
光線を左右像に分ける素子が（内視鏡のような）機器それ自身の内部に統合されている特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４において開示されているような設計において、上記素子の軸をレンズ系の光軸に正確に一致させることは、骨の折れる製造基準と精密な許容誤差を必要とし、これらは達成するのにコストがかかるとともに困難でもある。さらに、そのような正確な光軸合わせ（ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ）が製造中に達成できたとしても、素子のくり返し使用およびくり返し殺菌によりシステム部材が急速に移動し、曲がり、膨張し、あるいは縮小するようになり、それらがわずかでも生ずると、上記素子はもはやレンズ系の光軸と正確に軸が合わなくなり、その結果、このシステムによって作られる映像は質が悪化する。
【００１０】
特許文献５に開示されているような（内視鏡のような）機器に付けられる立体像システムに統合される光線を左右像に分ける素子における設計に関し、上記問題が悪化している。骨の折れる製造基準と精密な許容誤差の要求に伴う問題、およびくり返し使用による問題に加えて、そのようなシステムはまた上記素子をレンズ系の光軸と正確に軸合わせをするため、（レンズ系を含む）機器を（上記素子を含む）立体像システムと正確に整列させることをユーザー（内視鏡の場合には一般に医師）に要求するという欠点も有する。そのような要求を達成することは、不可能ではないにしても、ユーザーにとってきわめて困難である。さらに、上記素子をレンズ系の光軸と軸合わせすることはできないので、可変絞り位置をもつ機器を使って上記従来技術による設計を用いることはできない。
【００１１】
したがって、望ましいものは、骨の折れる製造基準と精密な許容誤差を必要とせず、像の画質を劣化させることなくシステム部分の移動、屈曲、膨張あるいは縮小等を受け入れ、機器を立体像システムと正確に整列させることをユーザーに要求せず、かつ、可変絞り位置をもつ機器を用いて使い得る、単レンズ系を用いて左右の立体像を作る立体像システムである。
【００１２】
【特許文献１】
米国特許第５，２２２，４７７号
【特許文献２】
米国特許第５，４７１，２３７号
【特許文献３】
米国特許第５，８２８，４８７号
【特許文献４】
米国特許第５，９１４，８１０号
【特許文献５】
米国特許第５，９６４，６９６号
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、単レンズ系を用いて左目と右目の立体像を作る立体像システムを提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的は、骨の折れる製造基準と精密な許容誤差を要求しない、上記特性をもつ立体像システムを提供することにある。
【００１５】
さらに本発明の目的は、像の画質を劣化させることなくシステム部材の移動、屈曲、膨張あるいは縮小等を受け入れることのできる、上記特性をもつ立体像システムを提供することにある。
【００１６】
また本発明の目的は、機器を立体像システムと正確に整列させることをユーザーに要求しない、上記特性をもつ立体像システムを提供することにある。
【００１７】
さらに他の本発明の目的は、可変絞り位置をもつ機器とともに使うことのできる、上記特性をもつ立体像システムを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
これらおよび他の本発明の目的は、対象の像を受けるカメラをもつ対象の立体像発生用の像システム、対象とカメラの間に置かれた単軸光学システム、および対象とカメラの間に置かれた像阻止部材を提供することにより達成される。像阻止部材は左右の像を交互に発生するように作動でき、光学システムの光軸に軸合わせできるように該光軸と直交する方向に調整できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
１つの実施形態において、像システムは像阻止部材を収納する筐体を有し、像阻止部材の調整のため光学システムの光軸に直交する方向に像阻止部材は筐体内を動ける。その場合、像阻止部材は左半分と右半分を有してその間の接合部を区画することが好ましく、その接合部が光軸と整列すると像阻止部材が光学システムの光軸と軸合わせされる。
【００２０】
本発明のこの実施形態は、いくつかの場合に特に有用である。たとえば、像阻止部材が左半分および右半分を通る光の透過を交互に阻止する液晶シャッターからなる場合、あるいは異なる偏光状態の２つの半部をもつ偏光子からなる場合である。後者の場合、透過光の偏光角を変調させるための偏光セレクターをさらに有し、偏光子の左半分と右半分を通る透過光を交互に阻止するように偏光子と偏光セレクターが共同する。
【００２１】
他の実施形態において、像阻止部材は左右に配列された複数のセグメントをもつ液晶素子からなり、各セグメントは電子信号に応じて透過光を通したり阻んだりするシャッターとして切り換えられる。この場合、像システムはさらに、セグメントの隣接する一群が左像を作るために一斉に切り換わり、残りのセグメントが右像を作るために一斉に切り換わるように、電子信号をセグメントに加えるコントローラを含む。左像を作るセグメント群と右像を作るセグメント群は、その間に接合部を区画する。左像を作るために切り換えられるセグメントの数と右像を作るために切り換えられるセグメントの数は、光学システムの光軸と直交する方向に液晶素子が調整できるように変えられるので、液晶素子は光軸と軸合わせできる。接合部が整列すると、液晶素子は光学システムの光軸と軸合わせされる。この第２の実施形態において、液晶素子のセグメントは長方形のセグメントからなることが好ましい。
【００２２】
双方の実施形態において、左像と右像がユーザーに見ることができ、かつ、像阻止部材がユーザーが左右の像を見ながら調整できることが好ましい。
【００２３】
本発明の特徴と効果は、添付図面を参照して行う以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。
【００２４】
【実施例】
まず図１・２に、ビデオレンズ、写真レンズ、顕微鏡、望遠鏡あるいは内視鏡のような単軸光学系３０を通して立体像を作るために本発明で用いる液晶素子を示す。次に立体像は、単センサあるいは、多センサ像素子４０を介して検出される。液晶素子は光の透過を阻む電子シャッター５０、あるいは透過光の偏光角を選択する偏光セレクター６０のいずれかである。
【００２５】
図１は、電子シャッター５０として液晶素子を使う第１例を示している。電子シャッターは分離した（セパレーツの）シャッター、あるいは単一の多部分素子として形成できる。適当な電子信号２４０によって制御されて、電子シャッターは光学系の適当な開口の各側を通る透過光を交互に阻む。電子シャッターの好ましい取付け位置は、光学系の開口止め、入口瞳孔あるいは出口瞳孔であるが、以後これらをまとめて「開口」（ａｐｅｒｔｕｒｅ）と総称する。図１は単軸光学系の出口瞳孔７０に、電子シャッターを置いている例を示している。開口を通る透過光を交互に阻むことにより、リアルタイム・ベースで左目と右目の２つの分離した像を生じる。左目像は電子シャッターの左側８０、あるいは光学系の設計によっては右側が透過光を阻むときに発生し、右目像は電子シャッターの反対側（右側）９０が透過光を阻むときに発生する。
【００２６】
図２は、適当な電子信号２５０に応じて透過光の偏光角を変調する偏光セレクター６０として液晶素子を使う第２例を示している。異なる偏光状態にある２つの半部１１０・１２０をもつ偏光子１００が、直交偏光１３０を伴って開口の各側を通る透過光を符号化するため、光学系の開口（出口の瞳孔）７０に置かれている。
【００２７】
図３は、偏光セレクターの初期状態を示している。適当な電子信号２５０がセレクターに加えられると、偏光の受入れ角１４０が、開口７０の一方の側からの光１５０のみが透過できるように配向される。図４は偏光セレクターの逆の状態を示している。適当な電子信号２５０によって元の受入れ角に対して偏光受け入れ角１６０が今度は直交するように、状態が変わっている。これにより、開口７０の反対側からの光１７０のみが通過できる。
【００２８】
こうして、液晶素子を電子シャッターあるいは偏光セレクターとして使うことにより、適当な電子信号のシーケンシャル・タイミングが、インタレース走査フォーマットあるいは非インタレース走査フォーマットをもつビデオシステムの交流電界と同期する。あるビデオ電界が作用しているとき、対応する開口の左あるいは右側からの光によって、液晶素子を制御する同期電気信号に応じて左あるいは右の像を生じる。こうして、像素子４０からのビデオ信号は、交流電界がまず左像を含み、次に右像を含むことを除いて、標準フォーマットを有する。
【００２９】
上述したように、どんな立体系においても、見る人に対するバランスした左目像と右目像の表現は、見る人の眼精疲労を防ぐのに危険である。すなわち、２つの像は澄明さ、鮮明さ、色彩、明るさ等において精密に一致しなければならない。単軸立体カメラにおいてこのことを達成するため、光線を左目像と右目像に分ける素子はレンズ系の開口と精密に光軸合わせをしなければならない。
【００３０】
こうして、図５のように電子シャッター５０として液晶素子が使われると、光学系３０の開口７０は電子シャッター５０の左右の接合部１９０と精密に整列されねばならない。同様に、図６のように偏光セレクターとして液晶素子が使われると、光学系３０の開口７０は偏光部材（偏光子）１００の直交する偏光接合部２１０と精密に整列されねばならない。どちらの場合も、筐体１８０内の電子シャッター５０あるいは偏光子１００を（矢印Ｄ方向に）筐体１８０内で光学系３０の光軸Ａに直交する軸に沿って、変位できるように配置することによって機械的に達成される。
【００３１】
電子シャッター５０あるいは偏光子１００を機械的に整列させるため、どんな機構も使われ得る。たとえば、１組の歯車、ネジ、ラック・ピニオン等を用いて、電子シャッター５０あるいは偏光子１００を運動の道筋に沿って変位させ、精密な光軸合わせを達成できる。このような機構はユーザーによって手動で操作され、あるいはユーザーによって制御されるモーターによって操作される。しかし、左右の像をユーザーが見ている間、この２つの像のバランスが最適化されるように、カメラユーザーが制御しながら光軸合わせの機構を操作することが好ましいということに注意すべきである。
【００３２】
図７ａ〜７ｃに、本発明の他の実施例を示している。この例では、多セグメント２２５をもつ電子液晶素子２２０が使われている。素子の各セグメントは、図１−５のような電子シャッター５０とよく似ている、適当な電子信号の印加に応じて透過光を通したり阻んだりするシャッターとして作用する。セグメント２２５は長方形で、図７ａ〜７ｃのように縦方向（光軸方向）に配列されあるいは正方形、六角形等のような他のどんな適当な形状も取り得る。コントローラ２３５から適当な電子信号が与えられる。
【００３３】
素子２２０の多連結セグメント２２５は、可変中心位置すなわち接合部２３０をもつシャッター作用において左目と右目の２つの分離像を生じさせるため、コントローラ２３５によって調和して切り換えられる。一実施例は次の通りである。図７ａに示すように、光学系３０の開口位置が左に寄っていると、２つの像を作る光線の光軸合わせ（ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ）は左側の２つのセグメント２２５および右側の６つのセグメントをそれぞれ一斉に切り換えることにより達成される。図７ｂにおいて、光学系３０の開口は素子の中央に位置し、左右等しい数のセグメント２２５が一斉に切り換えられる。図７ｃにおいて、光学系３０の開口は右に寄って、左側の６つのセグメント２２５および右側の２つのセグメントがそれぞれ一斉に切り換えられる。こうして、各セグメント２２５からなる電子シャッター２２０の左右側の接合部２３０は、接合部２３０に対して直交する軸に沿って（矢印Ｄの方向に）変位することができる。
【００３４】
したがって本発明は、骨の折れる製造標準および精密な許容誤差を必要とせず、像の画質を劣化させることなくシステム部材の移動、屈曲、膨張あるいは縮小等を受け入れることができ、ユーザーが機器をステレオ像システムと精密に整列させることを必要とせず、かつ、可変開口位置を有する機器を用いて使い得る。単レンズ系を用いて左右の目の立体像を生じる立体像システムを提供するものである。
【００３５】
本発明を部材や形状等のある特定の配列を用いて説明したが、これらはすべての可能な配列や形状を尽くしたものではなく、実際、他の多くの修正や変形が当業者には可能であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 液晶素子を電子シャッターとして用いる標準的な立体像システムの概略構成図。
【図２】 液晶素子を偏光セレクターとして用いる標準的な立体像システムの概略構成図。
【図３】 図２の液晶偏光素子の作用を説明するための斜視図。
【図４】 図２の液晶偏光素子の作用を説明するための斜視図。
【図５】 電子シャッターとして用いる液晶素子を光軸合わせするための機械的機構を用いる本発明の立体像システムの概略図。
【図６】 偏光セレクターとして用いる液晶素子を光軸合わせするための機械的機構を用いる本発明の立体像システムの概略図。
【図７】 シャッターの光軸合わせをするための多セグメントをもつ電子液晶シャッターを用いる本発明の立体像システムの概略図。
【符号の説明】
３０：単軸光学系
４０：単（多）センサ像素子
５０：電子シャッター
６０：偏光セレクター
１３０：直交偏光
１９０、２１０、２３０：接合部
２２０：電子液晶素子
２２５：多セグメント
２３５：コントローラ
Ａ：光軸
Ｄ：変位方向

Claims (19)

1. 対象物の像を受けるためのカメラ、該カメラと対象物の間に置かれ、単一の光軸と開口を有する光学系、及び該カメラと対象物の間に置かれ、右半分と左半分をもちその間に接合部を区画し、左像と右像が通過することを交互に可能にするように作動可能な像阻止部材からなり、
   該像阻止部材は、撮像システムの使用の間該光学系の光軸と該像阻止部材の接合部との軸合わせのずれを補正するための機構を提供するために該像阻止部材の接合部が該光学系の光軸に対して調整できるように、該光学系の光軸に直交する方向に、撮像システムの使用の間対象物の立体像を見ながら、調整可能であることを特徴とする対象物の立体像を生じさせるための撮像装置。
2. さらに、像阻止部材を受けるための筐体を有し、像阻止部材を調整するために光学系の光軸と直交する方向に像阻止部材が筐体内を動くことができる請求項１記載の撮像装置。
3. 像阻止部材がその左半分と右半分を通る透過光を交互に阻む液晶シャッターをもつ請求項２記載の撮像装置。
4. 像阻止部材が異なる偏向状態の２つの半分をもつ偏向子からなり、撮像システムがさらに透過光の偏光角を変調するための偏光セレクターを有し、ここで偏光子と偏光セレクターが偏光子の左半分と右半分を通る透過光を交互に阻むように作用する請求項２記載の撮像装置。
5. 像阻止部材が左半分と右半分からなり、この左半分と右半分とがその間に接合部を有し、ここで該接合部が光学系の開口に整列したとき像阻止材が光学系内に適切に位置取りされる請求項１記載の撮像装置。
6. 該阻止部材がその左半分と右半分を通る透過光を交互に阻む液晶シャッターをもつ請求項５記載の撮像装置。
7. 該阻止部材が異なる偏光状態の２つの半分をもつ偏光子からなり、撮像装置がさらに透過光の偏光角を変調するための偏光セレクターを有し、ここで偏光部材と偏光セレクターが偏光部材の左半分と右半分を通る透過光を交互に阻むように作用する請求項５記載の撮像装置。
8. 左像と右像がユーザーに見ることができ、ユーザーが左右の像を見ている間、像阻止部材がユーザーによって調整できる請求項１記載の撮像装置。
9. 像阻止部材が左右に配列された複数のセグメントをもつ液晶素子からなり、各セグメントが電子信号の印加に従って透過光を通したり阻んだりするシャッターとして切り換えられ、撮像装置がさらに、左像を生じさせるために一群の隣り合うセグメントが一斉に切り換えられ、右像を生じさせるために残りのセグメントが一斉に切り換えられるように電子信号をセグメントに印加するためのコントローラを有し、左像を生じさせる一群のセグメントと右像を生じさせる一群のセグメントがその間に接合部を有し、ここで左像を生じさせるために切り換えられたセグメントの数と右像を生じさせるために切り換えられたセグメントの対応する数が、液晶素子が光学系の光軸と軸合わせできるように光学系の光軸と直交する方向に液晶素子を調整できるように変えられる請求項１記載の撮像装置。
10. 接合部が光学系の開口と整列しているとき、液晶素子が光学内に適切に位置取りさせる請求項９記載の撮像装置。
11. 液体素子のセグメントが長方形のセグメントからなる請求項９記載の撮像装置。
12. 対象物の像を受けるためのカメラ、該カメラと対象物の間に置かれ、単一の光軸を有する光学系、該カメラと対象物の間に置かれた筐体、及び該筐体内に置かれ、左半分及び右半分からなり、その間に接合部を区画し、左像と右像が通過することを交互に可能にするために作動可能である像阻止部材からなり、
    該像阻止部材は、撮像システムの使用の間該光学系の光軸と該像阻止部材の接合部との軸合わせのずれを補正する機構を提供するために該像阻止部材の左半分及び右半分によって区画される接合部が該光学系の光軸と軸合わせされるように、該光学系の光軸に直交する方向に、撮像システムの使用の間対象物の立体像を見ながら、筐体内を動くことができることを特徴とする対象物の立体像を生じさせるための撮像装置。
13. 阻止部材がその左半分と右半分を通る透過光を交互に阻む液晶シャッターをもつ請求項１２記載の撮像装置。
14. 像阻止部材が異なる偏光状態の２つの半分をもつ偏光子からなり、撮像装置がさらに透過光の偏光角を変調するための偏光セレクターを有し、ここで偏光子と偏光セレクターが偏光子の左半分と右半分を通る透過光を交互に阻むように作用する請求項１２記載の撮像装置。
15. 左像と右像がユーザーに見ることができ、ユーザーが左右の像を見ている間、像阻止部材がユーザーによって調整できる請求項１２記載の撮像装置。
16. 対象物の像を受けるためのカメラ、該カメラと対象体の間に置かれ、単一の光軸を有する光学系、該カメラと対象体の間に置かれ、左右に配列された複数のセグメントを有し、各セグメントが電子信号の印加に従って透過光を通し又は阻むシャッターとして切り換え可能である液晶素子、及び左像を通過させるための一群のセグメント及び右像を通過させるための一群のセグメントがその間に接合部を区画し、左像を通過させるために隣接する一群のセグメントが一斉に切り換えられ、そして右像を通過させるために残りのセグメントが一斉に切り換えられるように電子信号をセグメントに印加するためのコントローラからなり、
    左像を通過させることを可能にするために切り換えられるセグメントの数および右像を通過させることを可能にするために切り換えられる対応するセグメントの数は、液晶素子の接合部の位置が撮像システムの使用の間該光学系の光軸と該像阻止部材の接合部との軸合わせのずれを補正する機構を提供するために該光学系の光軸に直交する方向に、撮像システムの使用の間対象物の立体像を見ながら、調整可能であるように、変えることができることを特徴とする対象物の立体像を生じさせるための撮像装置。
17. 接合部が光学系の開口と整列しているとき、液晶素子が光学内に適切に位置取りされる請求項１６記載の撮像装置。
18. 液晶素子のセグメントが長方形のセグメントからなる請求項１６記載の撮像装置。
19. 左像と右像がユーザーに見ることができ、ユーザーが左右の像をみている間、像阻止部材がユーザーによって調整できる請求項１６記載の撮像装置。

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