JP4970798B2 - Stereoscopic image observation device - Google Patents
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Description
本発明は、立体画像観察装置に関し、更に詳しくは、撮影装置と表示装置から構成される立体観察用顕微鏡システムおよび立体観察用内視鏡システムに関するものである。 The present invention relates to a stereoscopic image observation apparatus, and more particularly to a stereoscopic observation microscope system and a stereoscopic observation endoscope system including an imaging device and a display device.
従来、顕微鏡下での微細加工や、患部付近の狭い領域での正確な作業が求められる顕微鏡下での手術には、実体顕微鏡が用いられてきた。近年、これらの作業を遠隔操作で行うことが望まれている。というのは、遠隔操作で作業を行うことができれば、加工技能者や医師が現場へ移動することなく、遠隔地から対応できるようになるからである。このような遠隔操作を実現するためには、実体顕微鏡により観察される被写体の像を画像化して表示装置上に表示できるようにするのが望ましい。 Conventionally, a stereomicroscope has been used for microscopic processing under a microscope and surgery under a microscope that requires accurate work in a narrow area near the affected area. In recent years, it has been desired to perform these operations remotely. This is because if a work can be performed remotely, a processing engineer or doctor can respond from a remote location without moving to the site. In order to realize such remote operation, it is desirable that an image of a subject observed with a stereomicroscope can be imaged and displayed on a display device.
このような用途に適用されるものとしては、観察者の両眼視差を利用して表示画像を立体的に観察させる装置が知られている。例えば、両眼視差の効果が現れる程度に被写体に対する角度を変えて撮影した2つの画像を表示装置上に表示し、観察者が左右の目で夫々の画像を見ることにより被写体を立体的に観察するステレオ画像観察装置などがある。 As an apparatus applied to such a use, an apparatus for stereoscopically observing a display image using a binocular parallax of an observer is known. For example, two images taken at different angles with respect to the subject to the extent that binocular parallax effects appear are displayed on the display device, and the viewer observes the subject stereoscopically by viewing each image with his left and right eyes Stereo image observation device.
このようなステレオ画像観察装置によるステレオ画像は、観察者の視線方向で立体的に見えにくいことが知られている。すなわち、被写体の境界部分(例えば物体の輪郭)の画像は比較的立体として捉え易いが、観察者の視線方向に連続的に物体が存在するような被写体では、平面に絵を書いたような立体感の無い画像が視線方向にいくつも並んでいるように見えてしまい、観察者が被写体を立体として認識することができない。この現象は、一般に「書割効果」として知られている。このような観察者の視線方向の立体感の欠如した画像は、術者が観察物体の形状を誤認する可能性があるため、この種の用途のステレオ画像としては適さない。 It is known that a stereo image obtained by such a stereo image observation apparatus is difficult to see stereoscopically in the direction of the observer's line of sight. That is, the image of the boundary part of the subject (for example, the contour of the object) is relatively easy to grasp as a three-dimensional object, but for a subject in which an object exists continuously in the line of sight of the observer, It appears that there are a number of images with no sense in the line-of-sight direction, and the observer cannot recognize the subject as a solid. This phenomenon is generally known as the “book breaking effect”. Such an image lacking a stereoscopic effect in the viewing direction of the observer is not suitable as a stereo image for this type of use because the operator may misidentify the shape of the observation object.
ステレオ画像における「書割効果」を改善してより実際に近い立体感をもたせるため、新たに運動視差の効果を付加して画像を構築する方法が提案されている。例えば、特許文献1の第2実施例等には、運動視差の効果を利用して、観察者が画像を立体的に把握し易くした実体顕微鏡の構成が開示されている。
In order to improve the “book splitting effect” in a stereo image and provide a more realistic stereoscopic effect, a method for constructing an image by newly adding a motion parallax effect has been proposed. For example, the second embodiment of
すなわち、可変WD対物レンズと、対物レンズと同軸に配置されたアフォーカル変倍系と、アフォーカル変倍系から射出された光束の垂直断面上に配置された5つの結像レンズと、結像レンズの結像面に配置された撮像素子で構成される撮影装置により、被写体を異なる角度から撮影し、観察者が覗く角度を変えると見える像が変わるように製作されたレンチキュラー表示素子と、レンチキュラー表示素子を観察するための接眼レンズで構成される表示装置により、撮影装置で撮影した画像を表示することで、運動視差の効果を付加した画像を提供できるようにしている。
先行文献1に開示される実体顕微鏡の撮影装置は、被写体を異なる角度から撮影するために複数の撮像素子を配置している。そのため、撮影装置が大型化してしまうとともに、製造コストが高いという問題がある。
The stereomicroscope imaging device disclosed in the
本発明の目的は、運動視差の効果を利用して、観察者が画像を立体的に把握し易くするとともに撮影装置を小型化することができ、更に製造コストを低くすることができる立体画像観察装置を提供することである。 An object of the present invention is to make use of the effect of motion parallax to make it easier for an observer to grasp an image three-dimensionally, to reduce the size of a photographing device, and to further reduce manufacturing costs. Is to provide a device.
第1の発明の立体画像観察装置は、物体側から順に、対物光学系と、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第1の光学素子と、撮像素子で構成される撮影装置と、観察者側から順に、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第2の光学素子と、表示素子で構成される表示装置からなり、前記撮像素子の撮像面は、前記第1の光学素子と、前記対物光学系と該第1の光学素子との合成の結像面との間であって、該第1の光学素子における夫々の前記レンズ作用のある部材を経た夫々の物点の像ごとに、夫々入射角度の異なる光線による当該物点の像を該撮像素子における複数の画素で撮像することのできる所定位置に配置され、前記表示素子は、夫々の絵素に、前記撮像素子における夫々の画素が撮像した画像を割り当てて表示するように構成され、前記表示素子の表示面は、前記第2の光学素子の略焦点位置に配置され、以下の条件式を満足することを特徴としている。 A stereoscopic image observation apparatus according to a first aspect of the present invention is an imaging that includes, in order from the object side, an objective optical system, a first optical element in which members having a lens action are arranged at equal intervals on the same plane, and an imaging element. In order from the device and the observer side, the display device includes a second optical element in which members having a lens action are arranged at equal intervals on the same surface, and a display device. Between the first optical element and an image forming surface formed by combining the objective optical system and the first optical element, the first optical element passes through each member having the lens action. for each image of each object point is disposed at a predetermined position capable of taking an image of the object point with different rays of each angle of incidence of a plurality of pixels in the image sensor, wherein the display element is, picture elements respectively Assigned to the image captured by each pixel in the image sensor. It is configured to display Te, the display surface of the display device is disposed substantially focal position location of the second optical element, and satisfies the following conditional expression.
0.95 ≦ (b/B)×(D/d) ≦ 1.05
ただし、bは前記撮像素子の画素間隔、Bは前記表示素子の表示絵素間隔、dは前記第1の光学素子におけるレンズ作用のある部材どうしの間隔、Dは前記第2の光学素子におけるレンズ作用のある部材どうしの間隔である。
0.95 ≤ (b / B) x (D / d) ≤ 1.05
However, b is the pixel spacing of the imaging device, B display pixel spacing of the display elements, d is spacing member to each other with a lens action in the first optical element, D is a lens in the second optical element This is the distance between the active members.
また、第1の発明の立体画像観察装置は、前記対物光学系が物体側と像側ともにテレセントリックであることが望ましい。 Further, the three-dimensional image observation apparatus according to the first invention, it is preferable the objective optical system is telecentric in both object and image sides.
また、第1の発明の立体画像観察装置は、以下の条件式を満足するのが望ましい。 Moreover, it is desirable that the stereoscopic image observation apparatus of the first invention satisfies the following conditional expression.
0.95 ≦ (e/E)×(B/b) ≦ 1.05
0.95 ≦ (e/E)×(D/d) ≦ 1.05
ただし、eは前記第1の光学素子の中心軸から前記撮像素子の撮像面上の任意の画素Xnまでの距離、Eは前記第2の光学素子の中心軸から前記表示素子の表示面上で前記画素Xnが撮像した画像を表示する絵素Ynまでの距離である。
0.95 ≤ (e / E) x (B / b) ≤ 1.05
0.95 ≤ (e / E) x (D / d) ≤ 1.05
However, e is the distance from the center axis of the first optical element to an arbitrary pixel Xn on the imaging surface of the imaging element, E is on the display surface of the display element from the center axis of the second optical element This is the distance to the picture element Yn that displays the image captured by the pixel Xn.
また、本発明の立体画像観察装置は、前記レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた光学素子が、レンチキュラーレンズまたはマイクロレンズアレーであることが望ましい。 Further, the three-dimensional image observation apparatus of the present invention, the optical element of the member with the lens action arranged at equal intervals on the same plane is, it is desirable also lenticular lens is microswitch lens array.
また、第1の発明の立体画像観察装置は、前記第1の光学素子の有するパワーと、前記第2の光学素子の有するパワーが異なるとより望ましい。 Further, the three-dimensional image observation apparatus according to the first invention, a power having a first optical element, a power possessed by the second optical element is different and more desirable.
第2の発明の立体画像観察素装置は、物体側から順に、対物光学系と、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第1の光学素子と、リレー光学系と、撮像素子で構成される撮像装置と、観察者側から順に、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第2の光学素子と、表示素子で構成される表示装置からなり、前記撮像素子の撮像面と共役な面が、前記第1の光学素子と、前記対物レンズと該第1の光学素子との合成の結像面との間であって、該第1の光学素子における夫々の前記レンズ作用のある部材を経た夫々の物点の像ごとに、夫々入射角度の異なる光線による当該物点の像を該撮像素子における複数の画素で撮像することのできる所定位置に配置され、前記表示素子は、夫々の絵素に、前記撮像素子における夫々の画素が撮像した画像を割り当てて表示するように構成され、前記表示素子の表示面は、前記第2の光学素子の略焦点位置に配置され、以下の条件式を満足することを特徴としている。 A stereoscopic image observation element according to a second aspect of the present invention includes an objective optical system, a first optical element in which members having a lens action are arranged at equal intervals on the same surface, a relay optical system, and an imaging in order from the object side. An imaging device including elements, a second optical element in which members having a lens action are arranged at equal intervals on the same surface, and a display device including display elements, in order from the observer side, and the imaging device husband imaging surface conjugate with the plane of the element, in the first optical element, wherein a between the imaging plane of the combination of the objective lens and the first optical element, the first optical element s For each object point image that has passed through the lens-acting member, the object point image by a light beam having a different incident angle is disposed at a predetermined position at which a plurality of pixels in the imaging element can be imaged . The display element is provided for each picture element and for each of the imaging elements. Pixels are configured to display assign a captured image and the display surface of the display element is disposed substantially focal position of the second optical element, and satisfies the following conditional expression.
0.95 ≦ (b/(βr×B))×(D/d) ≦ 1.05
ただし、bは前記撮像素子の画素間隔、Bは前記表示素子の表示絵素間隔、dは前記第1の光学素子におけるレンズ作用のある部材どうしの間隔、Dは前記第2の光学素子におけるレンズ作用のある部材どうしの間隔、βrは前記リレー光学系のリレー倍率である。
0.95 ≦ (b / (βr × B)) × (D / d) ≦ 1.05
However, b is the pixel spacing of the imaging device, B display pixel spacing of the display elements, d is spacing member to each other with a lens action in the first optical element, D is a lens in the second optical element spacing member with each other with the action, .beta.r is a relay magnification of the relay optical system.
また、第2の発明の立体画像観察装置は、前記対物光学系が開口絞りを有し、前記開口絞りと光学的に共役な位置に前記リレー光学系の絞りを設けられているのが望ましい。 Further, the three-dimensional image observation apparatus of the second invention, the objective optical system has an aperture stop, it is desirable the provided the aperture of the relay optical system to the aperture stop and the optically conjugate position.
また、第2の発明の立体画像観察装置は、前記レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた光学素子が、レンチキュラーレンズまたはマイクロレンズアレーであるのが望ましい。 Further, the three-dimensional image observation apparatus according to the second invention, the optical element of the member with the lens action arranged at equal intervals on the same plane is, or lenticular lens is desirably microswitch lens array.
本発明の立体画像観察装置に採用される光学系の基本構成について、図8、図9を用いて説明する。図8(a)は、撮影装置を構成する光学部材の配置関係を説明するための光線図であり、図8(b)は、撮像素子の撮像面近傍を拡大表示した光線図である。また、図9(a)は、表示装置を構成する光学部材の配置関係を説明するための光線図であり、図9(b)は、表示素子の表示面近傍を拡大表示した光線図である。 The basic configuration of the optical system employed in the stereoscopic image observation apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8A is a light ray diagram for explaining the arrangement relationship of the optical members constituting the photographing apparatus, and FIG. 8B is a light ray diagram in which the vicinity of the image pickup surface of the image pickup element is displayed in an enlarged manner. FIG. 9A is a light ray diagram for explaining the arrangement relationship of optical members constituting the display device, and FIG. 9B is a light ray diagram in which the vicinity of the display surface of the display element is enlarged. .
図8(a)に示すように、撮影装置は、物体側から順に、対物光学系と、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第1の光学素子(以下、単に光学素子Aと記述する)と、撮像素子で構成されている。 As shown in FIG. 8A, the photographing apparatus includes a first optical element (hereinafter simply referred to as an optical element) in which an objective optical system and a member having a lens action are arranged on the same plane in order from the object side. A) and an image sensor.
対物光学系と光学素子Aにより、物体Oの像が撮像素子の撮像面に結像する。このとき、撮像素子の撮像面は、光学素子Aと、対物光学系と光学素子Aによる光線の結像位置との間であって、光学素子Aにおける夫々のレンズ作用のある部材を経た夫々の物点の像ごとに、夫々入射角度の異なる光線による当該物点の像を撮像素子における複数の画素で撮像することのできる所定位置に配置される。その結果、物体O上の物点Onの像は、図8(b)に示すように、撮像素子の撮像面上の複数の画素により撮像される。 By the objective optical system and the optical element A, an image of the object O is formed on the imaging surface of the imaging element. At this time, the image pickup surface of the image pickup element is between the optical element A, the objective optical system, and the image forming position of the light beam by the optical element A, and passes through each member having the lens action in the optical element A. For each object point image, the object point image is formed at a predetermined position where a plurality of pixels in the image sensor can capture the object point image by light beams having different incident angles . As a result, the image of the object point On on the object O is picked up by a plurality of pixels on the image pickup surface of the image pickup device as shown in FIG.
例えば、画素cは撮像面に対する入射角度が0°の光線k1による像を撮像し、画素bは、画素cに入射する光線よりも撮像面に対する入射角度が大きく、且つ、図8(b)上で左側から入射する光線k2による像を撮像する。また、画素dは、画素cに入射する光線よりも撮像面に対する入射角度が大きく、且つ図8(b)上で右側から入射する光線k3による像を撮像する。すなわち、上記のような配置とすることで、物点Onをそれぞれ異なる方向から見た像を、それぞれの画素により撮像することができる。 For example, the pixel c captures an image of the light ray k1 having an incident angle of 0 ° with respect to the imaging surface, the pixel b has an incident angle larger than that of the light beam incident on the pixel c, and the top of FIG. The image by the light ray k2 which injects from the left side is imaged. Further, the pixel d has an incident angle with respect to the imaging surface larger than the light beam incident on the pixel c, and captures an image of the light beam k3 incident from the right side in FIG. That is, with the arrangement as described above, images of the object points On viewed from different directions can be captured by the respective pixels.
一方、撮影装置が撮影した画像を表示する表示装置は、図9(a)に示すように、観察者側から順に、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第2の光学素子(以下、単に光学素子Bと記述する)と、表示素子で構成されている。観察者は、表示素子の表示面に表示される画像を、光学素子Bを通して観察する。このとき、表示素子は、夫々の絵素に、撮像素子における夫々の画素が撮像した画像を割り当てて表示するように構成され、表示素子の表示面は、光学素子Bの略焦点位置に配置される。例えば、撮影装置で撮影した物点Onの画像を表示する場合には、表示面の絵素に撮像素子の画素a〜eが撮像した画像を割り当てて表示する。ここでは、簡単のために、撮像素子の画素a〜eが撮像した画像を表示素子の絵素a〜eに1対1で割り当てる場合を例にとって説明する。 On the other hand, as shown in FIG. 9A, the display device that displays an image taken by the photographing device is a second optical device in which members having lens action are arranged on the same surface at equal intervals in order from the viewer side. An element (hereinafter simply referred to as an optical element B) and a display element are included. The observer observes the image displayed on the display surface of the display element through the optical element B. At this time, the display element, the picture elements each, each pixel is configured to display assign an image captured in the image sensor, the display surface of the display element is disposed substantially focal position of the optical element B The For example, when displaying an image of the object point On photographed by the photographing apparatus, the images captured by the pixels a to e of the image sensor are assigned to the picture elements on the display surface and displayed. Here, for the sake of simplicity, a case will be described as an example in which images captured by the pixels a to e of the image sensor are assigned to the picture elements a to e of the display element on a one-to-one basis.
図9(b)に示される表示面の絵素の符号は、撮像素子の画素の符号に対応している。すなわち、撮像素子の画素bで撮像した画像は、表示面の絵素bに表示される。図9(b)に示すように、絵素bを射出する光線は光学素子Bによって所定の角度に曲げられ、観察者に到達する。同様に、各絵素a〜eを射出する光線は、光学素子Bによりそれぞれ異なる角度で曲げられて観察者に到達するので、観察者が表示素子の表示面を覗く角度を変えることにより、物点Onを異なる方向から観察することが可能になる。 The symbol of the picture element on the display surface shown in FIG. 9B corresponds to the symbol of the pixel of the image sensor. That is, the image captured by the pixel b of the image sensor is displayed on the picture element b on the display surface. As shown in FIG. 9B, the light beam exiting the picture element b is bent at a predetermined angle by the optical element B and reaches the observer. Similarly, since the light beams emitted from the picture elements a to e are bent at different angles by the optical element B and reach the observer, the object can be changed by changing the angle at which the observer looks at the display surface of the display element. It becomes possible to observe the point On from different directions.
また、絵素bに表示される画像と、絵素dに表示される画像は両眼視差の効果が現れる程度に角度を変えて撮像されているので、観察者が表示面に表示される画像を左右の眼で観察することにより、物点Onを立体的に観察することができる。 In addition, since the image displayed on the picture element b and the image displayed on the picture element d are picked up at different angles so that the binocular parallax effect appears, the image displayed on the display surface by the observer Can be observed three-dimensionally.
なお、物点Onの像を撮像する画素の数が多いほど、観察者が表示素子の表示面を覗く角度を変えたときの画像の変化が連続的になり、滑らかな立体画像を観察することができる。例えば、光学素子A、Bとしてレンチキュラーレンズを採用する場合には、物点Onの像を少なくとも5画素以上で撮像するのが望ましく、光学素子A、Bとしてマイクロレンズアレーを採用する場合には、物点Onの像を20画素以上で撮像するのが望ましい。 Note that the more pixels that capture the image of the object point On, the more the image changes when the observer changes the viewing angle of the display surface of the display element, and a smooth stereoscopic image is observed. Can do. For example, when lenticular lenses are used as the optical elements A and B, it is desirable to capture an image of the object point On with at least five pixels, and when a microlens array is used as the optical elements A and B, It is desirable to capture an image of the object point On with 20 pixels or more.
また、光学素子Aが有する屈折力に対して光学素子Bが有する屈折力を異ならせることにより、観察者が観察する画像の立体感を調整することが可能である。 Also, by making the refractive power of the optical element B different from the refractive power of the optical element A, it is possible to adjust the stereoscopic effect of the image observed by the observer.
以上のような装置構成により、立体画像に運動視差の効果を加えた画像を提供することができる。 With the above apparatus configuration, it is possible to provide an image obtained by adding a motion parallax effect to a stereoscopic image.
本発明によれば、運動視差の効果を利用して、観察者が画像を立体的に把握し易くするとともに撮影装置を小型化することができ、更に製造コストを低くすることができる立体画像観察装置を提供することができる。 According to the present invention, the effect of motion parallax can be used to make it easier for an observer to grasp an image in three dimensions, to reduce the size of the photographing apparatus, and to further reduce the manufacturing cost. An apparatus can be provided.
(実施例1)
本発明の実施例1の立体観察装置の構成を図1、図2を用いて説明する。図1は、本実施例の立体観察装置の撮影装置部分の構成を説明する図であり、図2は、本実施例の立体観察装置の表示装置部分の構成を説明する図である。
Example 1
The configuration of the stereoscopic observation apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an imaging device portion of the stereoscopic observation apparatus according to the present embodiment, and FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a display device portion of the stereoscopic observation apparatus according to the present embodiment.
本実施例の撮像装置は、図1に示すように、対物光学系1とレンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第1の光学素子2と撮像素子4により構成されている。対物光学系1は、明るさ絞り10を挟んで、全体として負の屈折力を有する前群レンズ系11と、全体として正の屈折力を有する後群レンズ系12で構成されている。第1の光学素子2としては、マイクロレンズアレー(蝿の目レンズ)が用いられている。撮像素子4の撮像面5は、マイクロレンズアレー2と、対物光学系1とマイクロレンズアレー2の合成の結像位置3との間であって、マイクロレンズアレー2における夫々のレンズ作用のある部材を経た夫々の物点の像ごとに、夫々入射角度の異なる光線による当該物点の像を撮像素子4における複数の画素で撮像することのできる所定位置に配置されている。
As shown in FIG. 1, the image pickup apparatus of the present embodiment includes a first
上記のような構成により、運動視差の効果を含んだ立体画像を撮影することができるとともに、例えば、電子内視鏡の撮像ユニットとして採用可能な程度に小型化することが可能である。 With the configuration as described above, a stereoscopic image including the effect of motion parallax can be taken, and for example, the size can be reduced to a level that can be adopted as an imaging unit of an electronic endoscope.
本実施例の表示装置は、図2に示すように、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第2の光学素子としてのマイクロレンズアレー8と表示素子6により構成されている。表示素子6の表示面は、マイクロレンズアレー8の略焦点位置に配置されている。撮影装置により撮影した画像を表示素子6の表示面に表示することにより、観察者7は表示された画像を立体観察することが可能である。観察者7が観察する立体画像には運動視差の効果が付加されているので、観察者7が首を動かすなどの動作により表示素子6の表示面を見る方向を変えても、常に立体感が失われることなく観察を行うことができる。
As shown in FIG. 2, the display device of the present embodiment is configured by a
更に、本実施例の撮影装置および表示装置は以下の条件式(1a)(1b)(1c)を満足するように構成されている。 Further, the photographing apparatus and the display apparatus of the present embodiment are configured to satisfy the following conditional expressions (1a) (1b) (1c).
0.95 ≦ (b/B)×(D/d) ≦ 1.05 …… (1a)
0.95 ≦ (e/E)×(B/b) ≦ 1.05 …… (1b)
0.95 ≦ (e/E)×(D/d) ≦ 1.05 …… (1c)
ここで、bは撮像素子4の画素間隔、Bは表示素子6の表示面の絵素間隔、dは撮影装置に配置されるマイクロレンズアレー2のマイクロレンズどうしの間隔、Dは表示装置に配置されるマイクロレンズアレー8のマイクロレンズどうしの間隔、eはマイクロレンズアレー2の中心軸から撮像素子4の撮像面上の任意の画素Xnまでの距離、Eはマイクロレンズアレー8の中心軸から表示素子6の表示面上で画素Xnが撮像した画像を表示する絵素Ynまでの距離である。
0.95 ≤ (b / B) x (D / d) ≤ 1.05 (1a)
0.95 ≤ (e / E) x (B / b) ≤ 1.05 (1b)
0.95 ≤ (e / E) x (D / d) ≤ 1.05 (1c)
Here, b is a pixel interval of the
これらの符号の定義を明確にするために、図3にマイクロレンズアレー2と撮像素子4の撮像面5上の画素との関係を示し、図4にマイクロレンズアレー8と表示素子6の表示面上の絵素との関係を示した。
In order to clarify the definition of these symbols, FIG. 3 shows the relationship between the
図3において、符号9は対物光学系1(図示せず)とマイクロレンズアレー2の合成の結像位置を示している。また、一点鎖線は、マイクロレンズアレー2を構成するマイクロレンズの光軸を示し、二点鎖線はマイクロレンズアレー2の中心軸を示している。図3に示すように、符号bは隣り合う画素の画素中心どうしの間隔であり、符号dはマイクロレンズの光軸どうしの間隔であり、符号eはマイクロレンズアレー2の中心軸から任意の画素Xnの画素中心まで距離である。
In FIG. 3,
図4において、符号30はマイクロレンズアレー8の焦点位置を示している。また、一点鎖線はマイクロレンズアレー8を構成するマイクロレンズの光軸を示し、二点鎖線はマイクロレンズアレー8の中心軸を示している。図4に示すように、符号Dは隣り合う絵素の絵素中心どうしの間隔であり、符号Dはマイクロレンズの光軸どうしの間隔であり、符号Eはマイクロレンズアレー8の中心軸と絵素Ynの絵素中心までの距離である。
In FIG. 4,
撮影装置および表示装置が条件式(1a)を満足することにより、観察者7が首を動かすなどの動作により表示素子6の表示面を見る方向を変えても、立体感が失われることなく、表示画像を正しく立体として認識可能な範囲を広範囲に確保することができる。この条件を外れると観察像にモアレが発生し、立体感が失われる。また、条件式(1b)、(1c)を満たすことにより、撮影装置が撮影した立体画像を表示装置で忠実に(画像が歪むことなく)再現することができる。この条件を外れると立体的な像の歪みが発生し、観察物体の正しい立体把握できない。
When the photographing device and the display device satisfy the conditional expression (1a), even when the
さらに 、以下の条件式(1d)(1e)(1f)を満足するように構成されているとよい。 Further, it may be configured to satisfy the following conditional expressions (1d), (1e), and (1f).
0.98 ≦ (b/B)×(D/d) ≦ 1.02 …… (1d)
0.98 ≦ (e/E)×(B/b) ≦ 1.02 …… (1e)
0.98 ≦ (e/E)×(D/d) ≦ 1.02 …… (1f)
撮影装置および表示装置が条件式(1d)を満足することにより、観察者の観察像の「見かけの視野」を広げることで観察像を大きく見ることができ、よりリアルな立体像に見える。条件式(1e)、(1f)を満たすと、マイクロレンズアレー1要素に含む画素を増やして調節(accommodation)も再現した画像にした「超多眼立体」にした場合でも、自然な調節の再現が可能になる。
0.98 ≤ (b / B) x (D / d) ≤ 1.02 (1d)
0.98 ≤ (e / E) x (B / b) ≤ 1.02 (1e)
0.98 ≤ (e / E) x (D / d) ≤ 1.02 (1f)
When the imaging device and the display device satisfy the conditional expression (1d), the observation image can be viewed larger by expanding the “apparent field of view” of the observer's observation image, and a more realistic stereoscopic image can be seen. When Conditional Expressions (1e) and (1f) are satisfied, natural adjustments can be reproduced even when a “super multi-view three-dimensional” image is created in which the number of pixels included in one element of a microlens array is increased to reproduce the accommodation. Is possible.
なお、マイクロレンズアレー2、8をレンチキュラーレンズに置き換えることもできる。この場合、表示装置側に配置されるレンチキュラーレンズは、レンチキュラーレンズのレンズ作用のない方向と観察者7の左右の眼を結ぶ方向とが垂直になるように調整されるのが望ましい。このようにすることで、表示装置が提供する画像の立体感が失われることがなく、観察者7が眼の疲労を感じるのを防止することができる。
The
また、マイクロレンズアレーやレンチキュラーレンズに限らず、同じレンズ作用のある光学要素を等間隔に並べて構成したものであればよい。例えば、マイクロレンズアレーのような配置の不均質レンズの集合板や、フレネルレンズの集合体を用いることもできる。
(実施例2)
本発明の実施例2の立体観察装置の構成を図5を用いて説明する。図5(a)は、本実施例の立体観察装置の撮影装置部分の構成を説明するための光線図であり、図5(b)は、撮影装置の配置される撮像素子の近傍の拡大図である。なお、本実施例の表示装置部分の構成は、実施例1に示した構成と同じであるので図示を省略する。
In addition to the microlens array and the lenticular lens, any optical element having the same lens action may be arranged at equal intervals. For example, an inhomogeneous lens aggregate plate or a Fresnel lens aggregate arranged like a microlens array can be used.
(Example 2)
The configuration of the stereoscopic observation apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5A is a light ray diagram for explaining the configuration of the imaging device part of the stereoscopic observation apparatus of the present embodiment, and FIG. 5B is an enlarged view of the vicinity of the image sensor on which the imaging device is arranged. It is. Note that the configuration of the display device portion of the present embodiment is the same as the configuration shown in the first embodiment, and is not shown.
本実施例の撮像装置は、図5(a)に示すように、ズーム光学系13と、開口絞り14と、結像光学系15と、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第1の光学素子16と、撮像素子18により構成されている。ズーム光学系13は、物体側から順に、全体として正の屈折力を有する第1レンズ群と、全体として負の屈折力を有する第2レンズ群と、全体として正の屈折力を有する第3レンズ群とで構成されている。 As shown in FIG. 5A, the image pickup apparatus of the present embodiment has a zoom optical system 13, an aperture stop 14, an imaging optical system 15, and a member having a lens action arranged on the same plane at equal intervals. The first optical element 16 and the image sensor 18 are included. The zoom optical system 13 includes, in order from the object side, a first lens group having a positive refractive power as a whole, a second lens group having a negative refractive power as a whole, and a third lens having a positive refractive power as a whole. It consists of groups.
第1の光学素子16としては、マイクロレンズアレー(蝿の目レンズ)が用いられている。撮像素子18の撮像面は、マイクロレンズアレー16と、ズーム光学系13と結像光学系15とマイクロレンズアレー16の合成の結像面(図5(b)における符号17の位置)との間であって、マイクロレンズアレー16における夫々のレンズ作用のある部材を経た夫々の物点の像ごとに、夫々入射角度の異なる光線による当該物点の像を撮像素子18における複数の画素で撮像することのできる所定位置に配置されている。 The first optical element 16, a microlens array (fly-eye lens) is used. Imaging surface of the imaging device 18, between the microlens array 16, the image plane of the synthesis of the zoom optical system 13 and the imaging optical system 15 and the microlens array 16 (the position of the reference numeral 17 in FIG. 5 (b)) In addition, for each object point image that has passed through each lens member in the microlens array 16, an image of the object point by a light beam having a different incident angle is captured by a plurality of pixels in the image sensor 18. It is arranged at a predetermined position where it is possible.
本実施例では、ズーム光学系13と、開口絞り14と、結像光学系15により、物体側と像側共にテレセントリックな光学系を形成している。すなわち、開口絞り14を挟んで、開口絞り14より物体側に配置されるズーム光学系13で物体側のテレセントリック条件を満足し、開口絞り14より像側に配置される結像光学系15で像側のテレセントリック条件を満足するように構成している。ズーム光学系13は、3つのレンズ群を適宜移動させることで物体側のテレセントリック条件を満足するように構成されている。 In this embodiment, the zoom optical system 13, the aperture stop 14, and the imaging optical system 15 form a telecentric optical system on both the object side and the image side. That is, the zoom optical system 13 disposed on the object side of the aperture stop 14 with the aperture stop 14 interposed therebetween satisfies the telecentric condition on the object side, and the image is formed by the imaging optical system 15 disposed on the image side of the aperture stop 14. Side telecentric conditions are configured. The zoom optical system 13 is configured to satisfy the telecentric condition on the object side by appropriately moving the three lens groups.
物体側と像側共にテレセントリックな光学系とすることで、撮影装置が物体Oを撮像する方向と、観察者が表示装置を通して物体Oを観察する方向との相関性を良くすることができる。例えば、観察者が表示装置に表示された物体Oの画像を見ながら物体Oに対して作業を施す場合、撮影装置が物体Oを撮像する方向と、観察者が表示装置を通して物体Oを観察する方向がずれていると、観察者が作業を施す位置を把握し難くなり、作業性が悪くなるとともに、観察者が著しい疲労を覚える原因となり好ましくない。 By using a telecentric optical system on both the object side and the image side, the correlation between the direction in which the photographing apparatus images the object O and the direction in which the observer observes the object O through the display apparatus can be improved. For example, when the observer performs an operation on the object O while viewing the image of the object O displayed on the display device, the direction in which the imaging device captures the object O and the observer observes the object O through the display device. If the direction is deviated, it becomes difficult for the observer to grasp the position where the work is performed, the workability is deteriorated, and the observer feels significant fatigue, which is not preferable.
上記の構成によれば、このような不具合を改善することができる。特に、撮像装置に配置されるマイクロレンズアレー16が有する屈折力に対して表示装置に配置されるマイクロレンズアレー8が有する屈折力を異ならせて、観察者が観察する画像の立体感を調整する場合には、上記のような構成とすることで、広い範囲で画像が歪むことなく観察することができるので好ましい。
(実施例3)
本発明の実施例3の立体観察装置の構成を図6を用いて説明する。図6は、本実施例の立体観察装置の撮影装置部分の構成を説明するための図である。なお、本実施例の表示装置部分の構成は、実施例1に示した構成と同じであるので図示を省略する。
According to said structure, such a malfunction can be improved. In particular, the refractive power of the
(Example 3)
The configuration of the stereoscopic observation apparatus according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of the imaging device portion of the stereoscopic observation apparatus of the present embodiment. Note that the configuration of the display device portion of the present embodiment is the same as the configuration shown in the first embodiment, and is not shown.
本実施例の撮像装置は、図6に示すように、対物光学系19と、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第1の光学素子20と、リレー光学系21と、撮像素子22により構成されている。第1の光学素子20としては、マイクロレンズアレー(蝿の目レンズ)が用いられている。撮像素子22の撮像面23では、リレー光学系21を挟んで撮像面23と共役な面24が、マイクロレンズアレー20と、対物光学系19とマイクロレンズアレー20の合成の結像面25との間であって、マイクロレンズアレー20における夫々のレンズ作用のある部材を経た夫々の物点の像ごとに、夫々入射角度の異なる光線による当該物点の像を撮像素子22における複数の画素で撮像することのできる所定位置に配置されている。対物光学系19には明るさ絞り27が設置されており、リレー光学系21中で明るさ絞り27と共役な位置には、開口絞り26が設置されている。
As shown in FIG. 6, the imaging apparatus of the present embodiment includes an objective
本実施例では、開口絞り26の開口面積を可変にすることにより、撮像素子22が取得する物体Oの像の明るさを調整することができるように構成されている。
In the present embodiment, the brightness of the image of the object O acquired by the image sensor 22 can be adjusted by making the aperture area of the
更に、本実施例の撮影装置および表示装置は以下の条件式(2)を満足するように構成されている。 Furthermore, the photographing apparatus and the display apparatus of the present embodiment are configured to satisfy the following conditional expression (2).
0.95 ≦ (b/(βr×B))×(D/d) ≦ 1.05 …… (2a)
0.95 ≦ (e/E)×((βr×B)/b) ≦ 1.05 …… (2b)
0.95 ≦ (e/E)×(D/d) ≦ 1.05 …… (2c)
ここで、bは撮像素子22の画素間隔、Bは表示素子の表示面の絵素間隔、dは撮影装置に配置されるマイクロレンズアレー20のマイクロレンズどうしの間隔、Dは表示装置に配置されるマイクロレンズアレーのマイクロレンズどうしの間隔、βrはリレー光学系21のリレー倍率である。また、撮像素子22の任意の画素Xnがリレー光学系21を通したときの共役位置をXn′とする。eはマイクロレンズアレー20の中心軸から撮像素子22の撮像面上の任意の画素Xn′までの距離、Eはマイクロレンズアレーの中心軸から表示素子の表示面上で画素Xnが撮像した画像を表示する絵素Ynまでの距離である。
0.95 ≦ (b / (βr × B)) × (D / d) ≦ 1.05 (2a)
0.95 ≦ (e / E) × ((βr × B) / b) ≦ 1.05 (2b)
0.95 ≤ (e / E) x (D / d) ≤ 1.05 (2c)
Here, b is the pixel interval of the image sensor 22 , B is the pixel interval of the display surface of the display element, d is the interval between the microlenses of the
これらの符号の定義を明確にするために、図7に、マイクロレンズアレー20と、リレー光学系21を通して撮像素子22の撮像面23と共役な面24上に投影される撮像素子の画素28との関係を示した。図7において、符号25は対物光学系19(図示せず)とマイクロレンズアレー20の合成の結像位置を示している。また、一点鎖線は、マイクロレンズアレー20を構成するマイクロレンズの光軸を示している。図7に示すように、符号(b/βr)は隣り合う画素の画素中心どうしの間隔であり、符号dはマイクロレンズの光軸どうしの間隔である。符号Bおよび符号Dは実施例1で図4を用いて説明したものと同様である。
In order to clarify the definitions of these symbols, FIG. 7 shows a
撮影装置および表示装置が条件式(2a)を満足することにより、観察者7が首を動かすなどの動作により表示素子6の表示面を見る方向を変えても、立体感が失われることなく、表示画像を正しく立体として認識可能な範囲を広範囲に確保することができる。この条件を外れると観察像にモアレが発生し、立体感が失われる。また、条件式(2b)、(2c)を満たすことにより、撮影装置が撮影した立体画像を表示装置で忠実に(画像が歪むことなく)再現することができる。この条件を外れると立体的な像の歪みが発生し、観察物体の正しい立体把握できない。
When the photographing device and the display device satisfy the conditional expression (2a), even when the
さらに 、以下の条件式(2d)(2e)(2f)を満足するように構成されているとよい。 Further, it may be configured to satisfy the following conditional expressions (2d), (2e), and (2f).
0.98 ≦ (b/(βr×B))×(D/d) ≦ 1.02 …… (2d)
0.98 ≦ (e/E)×((βr×B)/b) ≦ 1.02 …… (2e)
0.98 ≦ (e/E)×(D/d) ≦ 1.02 …… (2f)
撮影装置および表示装置が条件式(2d)を満足することにより、観察者の観察像の「見かけの視野」を広げることで観察像を大きく見ることができ、よりリアルな立体像に見える。条件式(2e)、(2f)を満たすと、マイクロレンズアレー1要素に含む画素を増やして調節(accommodation)も再現した画像にした「超多眼立体」にした場合でも、自然な調節の再現が可能になる。
0.98 ≦ (b / (βr × B)) × (D / d) ≦ 1.02 (2d)
0.98 ≤ (e / E) x ((βr x B) / b) ≤ 1.02 (2e)
0.98 ≤ (e / E) x (D / d) ≤ 1.02 (2f)
When the imaging device and the display device satisfy the conditional expression (2d), the observation image can be enlarged by widening the “apparent field” of the observation image of the observer, and a more realistic stereoscopic image can be seen. When Conditional Expressions (2e) and (2f) are satisfied, natural adjustments can be reproduced even when the “super multi-view stereoscopic” image is created by increasing the number of pixels included in one element of the microlens array and reproducing the accommodation. Is possible.
また、実施例2と同様に、対物光学系19およびリレー光学系21により、物体側と像側共にテレセントリックな光学系を形成することができるのはいうまでもない。
Needless to say, similarly to the second embodiment, the objective
1 対物光学系
2 第1の光学素子
3 結像位置
4 撮像素子
5 撮像面
10 明るさ絞り
11 前群レンズ系
12 後群レンズ系
DESCRIPTION OF
Claims (8)
観察者側から順に、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第2の光学素子と、表示素子で構成される表示装置からなる立体画像観察装置において、
前記撮像素子の撮像面は、前記第1の光学素子と、前記対物光学系と該第1の光学素子との合成の結像面との間であって、該第1の光学素子における夫々の前記レンズ作用のある部材を経た夫々の物点の像ごとに、夫々入射角度の異なる光線による当該物点の像を該撮像素子における複数の画素で撮像することのできる所定位置に配置され、
前記表示素子は、夫々の絵素に、前記撮像素子における夫々の画素が撮像した画像を割り当てて表示するように構成され、
前記表示素子の表示面は、前記第2の光学素子の略焦点位置に配置され、
以下の条件式を満足することを特徴とする立体画像観察装置。
0.95 ≦ (b/B)×(D/d) ≦ 1.05
ただし、
b:前記撮像素子の画素間隔、
B:前記表示素子の表示絵素間隔、
d:前記第1の光学素子におけるレンズ作用のある部材どうしの間隔、
D:前記第2の光学素子におけるレンズ作用のある部材どうしの間隔 In order from the object side, an objective optical system, a first optical element in which members having a lens action are arranged at equal intervals on the same surface, and an imaging device including an imaging element,
In order from the observer side, in a stereoscopic image observation apparatus consisting of a display device composed of a second optical element in which members having a lens action are arranged at equal intervals on the same surface, and a display element,
The image pickup surface of the image pickup element is between the first optical element and an image forming surface of the composite of the objective optical system and the first optical element, and each of the first optical elements For each object point image that has passed through the lens-acting member, the object point image is formed at a predetermined position where a plurality of pixels in the image sensor can capture the image of the object point with different incident angles .
The display element is configured to assign and display an image captured by each pixel in the image sensor to each picture element,
The display surface of the display element is disposed substantially focal position location of the second optical element,
A stereoscopic image observation apparatus satisfying the following conditional expression:
0.95 ≤ (b / B) x (D / d) ≤ 1.05
However,
b: pixel spacing of the imaging element,
B: Display pixel spacing of the display elements,
d: an interval between members having a lens action in the first optical element,
D: Distance between members having lens action in the second optical element
0.95 ≦ (e/E)×(B/b) ≦ 1.05
0.95 ≦ (e/E)×(D/d) ≦ 1.05
ただし、
e:前記第1の光学素子の中心軸から前記撮像素子の撮像面上の任意の画素Xnまでの距離、
E:前記第2の光学素子の中心軸から前記表示素子の表示面上で前記画素Xnが撮像した画像を表示する絵素Ynまでの距離 The stereoscopic image observation apparatus according to claim 1, further satisfying the following conditional expression:
0.95 ≤ (e / E) x (B / b) ≤ 1.05
0.95 ≤ (e / E) x (D / d) ≤ 1.05
However,
e: the distance from the center axis of the first optical element to an arbitrary pixel Xn on the imaging surface of the imaging element,
E: the distance from the center axis of the second optical element to the picture elements Yn to display an image in which the pixel Xn is imaged on the display surface of the display device
観察者側から順に、レンズ作用のある部材を同一面上に等間隔に並べた第2の光学素子と、表示素子で構成される表示装置からなる立体画像観察装置において、
前記撮像素子の撮像面と共役な面が、前記第1の光学素子と、前記対物レンズと該第1の光学素子との合成の結像面との間であって、該第1の光学素子における夫々の前記レンズ作用のある部材を経た夫々の物点の像ごとに、夫々入射角度の異なる光線による当該物点の像を該撮像素子における複数の画素で撮像することのできる所定位置に配置され、
前記表示素子は、夫々の絵素に、前記撮像素子における夫々の画素が撮像した画像を割り当てて表示するように構成され、
前記表示素子の表示面は、前記第2の光学素子の略焦点位置に配置され、
以下の条件式を満足することを特徴とする立体画像観察装置。
0.95 ≦ (b/(βr×B))×(D/d) ≦ 1.05
ただし、
b:前記撮像素子の画素間隔、
B:前記表示素子の表示絵素間隔、
d:前記第1の光学素子におけるレンズ作用のある部材どうしの間隔、
D:前記第2の光学素子におけるレンズ作用のある部材どうしの間隔、
βr:前記リレー光学系のリレー倍率 In order from the object side, an imaging device including an objective optical system, a first optical element in which members having a lens action are arranged at equal intervals on the same surface, a relay optical system, and an imaging element;
In order from the observer side, in a stereoscopic image observation apparatus consisting of a display device composed of a second optical element in which members having a lens action are arranged at equal intervals on the same surface, and a display element,
A surface conjugate with the imaging surface of the imaging element is between the first optical element and an image forming plane of the objective lens and the first optical element, and the first optical element. For each object point image that has passed through each of the lens-acting members in FIG. 1, the object point image by a light beam having a different incident angle is arranged at a predetermined position at which a plurality of pixels in the image sensor can be imaged. And
The display element is configured to assign and display an image captured by each pixel in the image sensor to each picture element,
The display surface of the display element is disposed substantially focal position location of the second optical element,
A stereoscopic image observation apparatus satisfying the following conditional expression:
0.95 ≦ (b / (βr × B)) × (D / d) ≦ 1.05
However,
b: pixel spacing of the imaging element,
B: Display pixel spacing of the display elements,
d: an interval between members having a lens action in the first optical element,
D: a distance between members having a lens action in the second optical element,
.beta.r: Relay magnification of the relay optical system
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