JP5609562B2 - 立体画像撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、立体画像の撮影を行う立体画像撮像装置に関し、特に、立体画像を撮像する複数のレンズのレンズ間距離である基線長を調整する技術に関する。

近年、３Ｄ（立体）映像を撮影できるカメラ（立体画像撮像装置）へのニーズが高まっている。立体画像の撮像方法としては、ハーフミラーを使用して撮影を行うビームスプリッタ方式（ハーフミラー方式）や、物理的に並べて設置した２台の撮像装置で撮影を行うサイドバイサイド方式（並立２眼式）等が知られている。これらの撮影方式では、撮像装置をリグ（Ｒｉｇ）と称される架台に搭載して撮影を行うため、撮像装置の装着の自由度が高くなる。例えば、立体映像を撮影する２つのレンズのレンズ間距離（基線長；以下、ＩＡＤ:InterAxial Distanceと称する）や、輻輳（Convergence）や、画角などを高い自由度で選ぶことができる。

ところが、自由度が高い一方、リグに搭載するために、撮影毎の設定・調整に非常な労力と時間を要するという問題点があった。また、特にビームスプリッタ方式のリグは大変に大掛かりな装置となり、フィールドでの撮影や取材用途には適さないといった問題もある。

こういった問題を解決するために、サイドバイサイド方式で撮影を行う２台の２Ｄ映像撮影用カメラを一つの筐体に作りこみ、一体型の２眼３Ｄカメラを構成することも行われている。このように構成された一体型２眼３Ｄカメラは、組み立てる必要が無くアライメントの調整も必要がない。さらに、コンパクトであるため、フィールドでの撮影や取材時においても持ち運びが容易であり、また短時間のセットアップで直ぐに撮影に入れるといったメリットがある。

しかしながら、このような一体型２眼３Ｄカメラは、基本的にはサイドバイサイド方式であるので、ＩＡＤの調整に限界が生ずる。すなわち、２眼のそれぞれの光学系やイメージャがお互いに物理的に干渉するため、ＩＡＤを、光学系やイメージの配置位置により定まる一定の距離より短くすることができない。このため、例えば被写体に非常に近接して撮影を行うようなケースにおいては、被写体の後方ほんの数メートル先で３Ｄディスプレイに表示したときの視差が、人が快適に３Ｄ映像を視聴できるときの視差の範囲を超えてしまう。

被写体と撮像装置との距離が非常に近接するケースとしては、例えば人物のインタビュー撮影や、スポーツ中継におけるバックヤードでの撮影時等が考えられる。このような場合、被写体と撮像装置との距離は１〜２ｍ程度となり、輻輳点も１〜２ｍの距離に合わせることになる。このような場合の、人が快適に３Ｄ映像を視聴できる範囲内に視差を収めるのに最も有用なＩＡＤは、１０ｍｍ〜４０ｍｍであると言われている。しかし、現状の一体型２眼３Ｄカメラでは、そのような短いＩＡＤを、画質や機能を保ったまま、すなわちレンズの径やイメージャのサイズを小さくすることなく実現することは困難な状況にある。

前述したビームスプリッタ方式で撮影を行う場合は、２台の撮像装置が互いに物理的に干渉しないため、ＩＡＤを非常に短くすることも可能となる。ところが、上述したように、撮影毎の設定・調整に非常な労力と時間を要するという問題があり、人物のインタビュー撮影や、スポーツ中継におけるバックヤードでの撮影に適さないという問題は依然として残る。

例えば特許文献１には、カメラのフォーカス点が２眼の輻輳点に合致した状態のまま輻輳点を任意の位置に調整可能な立体画像撮影装置が記載されている。このような装置を使用すれば、ＩＡＤを人の眼幅と同じ広さとして撮影をすることも可能となり、近接での撮影を行う場合にも、自然な立体感を得られる映像を撮影することができる。

特開２００３−５３１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の、特に図３および図５に記載の構成では、輻輳点とフォーカスポイントとを一致させるために、結像光学系のフォーカスを無限遠に合わせる必要があると思われる。この場合、通常の撮影、すなわち動いている被写体に常にフォーカスを合わせたオンフォーカスの状態での撮影等においては、撮影映像がきわめて不自然なものとなってしまうことが想定される。例えば、被写体が前後に動いた場合は、被写体自体が前後に動くのではなく、その周囲の風景の方が前後に動くような映像が撮影されてしまう。つまり、特許文献１に記載の立体画像撮影装置では、オンスクリーン位置を変えずにフォーカスを変えることや、フォーカスを変えずにオンスクリーン位置を変えること等を行えないという問題があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、画質や機能を保ったままで、短い基線長での立体画像の撮影を行えるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の立体画像撮像装置は、被写体を実像または虚像として結像する機能を有する対物光学系と、複数の独立した光学系により、対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像として改めて結像させる複数の結像光学系とを備える。そして、対物光学系が被写体を実像として結像する場合の焦点距離の値を正とし、対物光学系が被写体を虚像として結像する場合の焦点距離の値を負とした場合に、対物光学系の焦点距離（ｆ）と、対物光学系の後側主点と結像光学系の前側主点までの距離（Ｌ）とを、下記式を満たす値に設定する。
｜ｆ／（Ｌ−ｆ）｜≦１
ここで、対物光学系は、その開口面内に複数の結像光学系のすべての光軸を含むようにした。

このように構成することで、被写体と対物光学系の間または、対物光学系と結像光学系との間に実質的な瞳（実効瞳）が形成され、その実効瞳を通して得た画像が撮像されるようになる。そして、対物光学系の焦点距離と、対物光学系の後側主点と結像光学系の前側主点までの距離とを上述した式を満たす値とすることで、実効瞳の間隔を、複数の結像光学系のレンズ間距離により定まる実際の基線長より短くすることができる。したがって、撮像装置のレンズの径やイメージャのサイズを小さくすることなく、画質や機能を保ったままで、短い基線長での立体画像の撮影を行えるようになる。

本発明の一実施の形態による立体画像撮像装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態による、被写体から放射される光線のうちの、結像光学系のレンズの主点を通過する光線の辿る経路を示す光路図である。 本発明の一実施の形態による、実効瞳が形成される原理を説明する説明図であり、（ａ）は被写体のある一点から放射された光線のうちの光軸に平行な光線と、対物光学系のレンズ中心を通過する光線が辿る経路を示す光路図であり、（ｂ）は結像光学系のレンズ中心から放射された光が辿る経路を示す光路図である。 本発明の一実施の形態による、結像光学系のレンズ中心から放射される光線のうちの、光軸に並行な光線と対物光学系のレンズ中心を通過する光線とが辿る経路を示す光路図である。 本発明の一実施の形態による実効ＩＡＤの算出方法を説明する説明図であり、（ａ）は実効瞳を通る光線のうちの光軸に平行な光線の経路を示す光路図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した情報のうち、実効ＩＡＤの算出に必要な箇所のみを抽出して表示したものである。 本発明の一実施の形態による実効瞳位置の算出方法を説明する説明図であり、（ａ）は結像光学系のレンズ中心から放射される光線のうちの、光軸に平行な光線の経路を示した光路図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した情報のうち、実効瞳位置の算出に必要な箇所のみを抽出して表示したものである。 本発明の一実施の形態による、結像光学系ＩＡＤの広さを変えた場合の実効ＩＡＤの変化を示す説明図であり、（ａ）は結像光学系ＩＡＤを狭くとった場合の例を示し、（ｂ）は結像光学系ＩＡＤを（ａ）に示したものよりも長くとった場合の例を示し、（ｃ）は結像光学系ＩＡＤを（ｂ）に示したものよりも長くとった場合の例を示す。 本発明の一実施の形態による、対物光学系の後側主点と結像光学系の前側主点までの距離を変えた場合の実効ＩＡＤの変化を示す説明図であり、（ａ）は対物光学系の後側主点と結像光学系の前側主点までの距離を広くとった場合の例を示し、（ｂ）は、対物光学系の後側主点と結像光学系の前側主点までの距離を（ａ）に示したものよりも狭くとった場合の例を示し、（ｃ）は、対物光学系の後側主点と結像光学系の前側主点までの距離を（ｂ）に示したものよりも狭くとった場合の例を示す。 本発明の一実施の形態による、対物光学系の焦点距離を変えた場合の実効ＩＡＤの変化を示す説明図であり、（ａ）は焦点距離を狭くとった場合の例を示し、（ｂ）は、焦点距離を（ａ）に示したものより広くとった場合の例を示し、（ｃ）は、焦点距離を（ｂ）に示したものより広くとった場合の例を示す。 本発明の一実施の形態による、被写体が光軸方向に動いた場合における、被写体から放射されて結像光学系のレンズ中心を通過する光線が通る経路を示す光路図である。 本発明の一実施形態の変形例による立体画像撮像装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態の変形例による、被写体から放射される光線のうちの、結像光学系のレンズの主点を通過する光線の辿る経路を示す光路図である。 本発明の一実施形態の変形例による、実効瞳が形成される原理を説明する説明図であり、（ａ）は被写体のある一点から放射された光線のうちの光軸に平行な光線と、対物光学系のレンズ中心を通過する光線が辿る経路を示す光路図であり、（ｂ）は結像光学系のレンズ中心から放射された光が辿る経路を示す光路図である。 本発明の一実施形態の変形例による、結像光学系のレンズ中心から放射される光線のうちの、光軸に並行な光線と対物光学系のレンズ中心を通過する光線とが辿る経路を示す光路図である。 本発明の一実施形態の変形例による実効ＩＡＤの算出方法を説明する説明図であり、（ａ）は実効瞳を通る光線のうちの光軸に平行な光線の経路を示す光路図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した情報のうち、実効ＩＡＤの算出に必要な箇所のみを抽出して表示したものである。

以下、発明を実施するための形態について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．立体画像撮像装置の構成例
２．各種変形例

＜１．立体画像撮像装置の構成例＞
［立体画像撮像装置の全体構成例］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る立体画像撮像装置の構成例を示す。立体画像撮像装置１は、被写体Ｓを実像として結像する機能を有する対物光学系１０と、対物光学系１０の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像としてそれぞれ改めて結像させる、２つの結像光学系２０ａ，２０ｂとを備える。本実施の形態では、対物光学系１０に凸レンズを使用している。なお、図１に示す例では説明をわかり易くするために、対物光学系１０が焦点距離ｆの薄肉レンズであり、結像光学系２は、薄肉レンズ２０１ａ，２０１ｂとイメージャ２０２ａ，２０２ｂで構成されているものとしている。実際の対物光学系１０は、多数枚・多群のレンズやフィルタ、絞り、レンズ駆動機構などから構成されているものとする。さらに、これらの機構に加えて、ズーム機能や焦点調節機能、その他の機能があってもよい。結像光学系２０ａ，２０ｂも、実際は多数枚・多群のレンズやフィルタや絞り、またレンズ駆動機構などから構成されており、ズーム機能や焦点調節機能やその他の機能があってもよい。図１に示す構成では、対物光学系１０の光軸Ａ１と、結像光学系２０ａ，２０ｂのそれぞれの光軸Ａ２ａ，Ａ２ｂとが同一平面上に存在するように、対物光学系１０と結像光学系２０ａ，２０ｂを配置している。

［立体画像撮像装置における実効ＩＡＤの形成例］
次に、立体画像撮像装置１において形成される実質的なＩＡＤ（以下、実効ＩＡＤと称する）の例について、図２を参照して説明する。図２は、被写体Ｓから放射される光線のうち、結像光学系２０ａ，２０ｂのレンズの主点を通過する光線の辿る経路を示す光路図である。被写体Ｓから放射された光束は、対物光学系１０に入射された後、２つの結像光学系２０ａ，２０ｂに導かれてイメージャ２０２ａおよび２０２ｂ上に結像し、それぞれが視差画像となる。このとき、結像光学系２０ａのレンズの前側主点ｆＨ２０ａを通過する光線および、結像光学系２０ｂのレンズの前側主点ｆＨ２０ｂを通過する光線について考えてみる。すると、例えば結像光学系２０ａの主点ｆＨ２０ａを通過する光線群は破線で示された上側の光線であり、結像光学系２０ｂの主点ｆＨ２０ｂを通過する光線群は、実線で示された下側の光線である。そして、破線で示される光線および実線で示される光線は、それぞれ被写体Ｓと対物光学系１０の間に仮想的に存在する２つの実効的な瞳（以下、実効瞳ＥＰと称する）を通過する。そして、結像光学系２０ａのイメージャ２０２ａおよび結像光学系２０ｂのイメージャ２０２ｂには、実効瞳ＥＰの位置から眺めた被写体Ｓが結像される。つまり、これらの２つの実効瞳ＥＰ間の距離（以下、実効ＩＡＤｅｄと称する）が、立体画像撮像装置１における実質的なＩＡＤとなる。被写体Ｓと対物光学系１０の間に実効瞳ＥＰが形成される原理については、図３および図４を参照して後述する。

実効ＩＡＤｅｄは、下記の式１で表現される。
ｅｄ＝ｆ／（Ｌ−ｆ）×ｄ …（式１）
上記式１において、“ｆ”は対物光学系１０の焦点距離であり、“Ｌ”は対物光学系１０の後側主点ｒＨ１０と、結像光学系２０ａの前側主点ｆＨ２０ａおよび結像光学系２０ｂの前側主点ｆＨ２０ｂまでの距離である。なお、図２で示したように薄肉レンズとして理想化した場合は前側主点と後側主点の区別はなく、前側主点と後側主点はに主点と一致する。また、“ｄ”は結像光学系２０ａと結像光学系２０ｂの配置位置により定まるＩＡＤであるが、一般的には結像光学系の前側主点間距離、即ち、結像光学系２０aと結像光学系２０ｂのそれぞれの前側主点ｆＨ２０aとｆＨ２０ｂとの距離である。

例えば、対物光学系１０の焦点距離ｆが７０ｍｍであり、距離Ｌが３７０ｍｍであるとする。また、結像光学系２０ａと結像光学系２０ｂとを、対物光学系１０の光軸Ａ１を対象軸として距離ｄ＝６０ｍｍだけ離して配置したものとする（結像光学系ＩＡＤｄ＝６０ｍｍ）。この場合、実効ＩＡＤｅｄは、上記式１により１４ｍｍと算出される。つまり、結像光学系２０ａと２０ｂの配置位置により求まる結像光学系ＩＡＤｄ（６０ｍｍ）に比べて、実質的なＩＡＤ（実効ＩＡＤｅｄ）をｆ／（Ｌ−ｆ）倍だけ短く（１４ｍｍ）することができることを意味する。

したがって、対物光学系１０の焦点距離ｆと距離Ｌとを、以下の式２を満たす値に設定することで、結像光学系２０ａと２０ｂの配置位置により求まる結像光学系ＩＡＤｄよりも、実効ＩＡＤｅｄを短くすることができる。なお、以下の式では、対物光学系１０のレンズとして凸レンズを使用しており、その焦点距離ｆが正（ｆ＞０）であることを前提としている。
ｆ／（Ｌ−ｆ）≦１ …（式２）

［立体画像撮像装置において実効瞳が形成される原理］
次に、立体画像撮像装置１において、被写体Ｓと対物光学系１０の間に仮想的に実効瞳が形成される原理について、図３および図４を参照して説明する。まず、図３（ａ）を参照して、対物光学系１０により形成される空間像Ｓ′について説明し、次に図３（ｂ）を参照して、被写体Ｓからイメージャ２０２ａ（２０２ｂ）までの光線経路について説明する。そして、図４を参照して実効瞳ＥＰが形成される仕組みについて説明する。

（１）空間像について
図３（ａ）に示すように、被写体Ｓから放射された光束が対物光学系１０を通過して再び結像することにより、対物光学系１０と結像光学系２０ａ，２０ｂとの間に空間像Ｓ′が形成される。この空間像Ｓ′は、あたかもその位置に物体があるように見えるものであり、結像光学系２０ａ，２０ｂのレンズを視点にして眺めると見ることができる。空間像Ｓ′が形成される原理は、例えば、被写体Ｓのある一点から放射された光線のうちの光軸Ａ１に平行な光線と、対物光学系１０のレンズの中心を通過する光線との２本の光線を考えるとわかり易い。被写体Ｓのある一点から出射された光のうち光軸Ａ１に平行な光線は、対物光学系１０のレンズの性質により、レンズを通過後に対物光学系１０の焦点Ｆを通過する光線となる。一方、対物光学系１０のレンズの中心を通過した光線は、そのレンズの性質によりそのまま直進する。すると、これら２本の光線は再び他の点で交差する。この交差した点が、発射した被写体Ｓの点に対応する空間像Ｓ′における点となる。

（２）被写体から結像光学系のイメージャまでの光線経路
図３（ｂ）に示すように、被写体Ｓから放射された光線は、もし結像光学系２０ａ，２０ｂのレンズの中心から光線が放射されるとすると、その光線が辿る経路と同じ経路を辿る。このため、結像光学系２０ａ，２０ｂのレンズの中心から考えるのがわかり易い。図３（ｂ）に示す例では、結像光学系２０ａのレンズの中心から放射される光が辿る経路を例に挙げて説明する。結像光学系２０ａのレンズの中心から放射された光線は、空間像Ｓ′のある一点を通過した後に対物光学系１０のレンズに到達し、そこから「空間像Ｓ′のある一点」に対応する被写体Ｓのある一点に向かって進行する。結像光学系２０ａのレンズの中心からイメージャ２０２ａまでの光線については、結像光学系２０ａのレンズ中心を通過する光線を、そのままイメージャ２０２ａの位置まで延長すればよい。

（３）実効瞳について
引き続き図３（ｂ）を参照して、実効瞳ＥＰが形成される原理について説明する。上述したような、被写体Ｓから結像光学系２０ａのイメージャ２０２ａまでの光線経路の作成を、空間像Ｓ′のその他の点を通る光線においても行ってみる。すると、結像光学系２０ａのレンズ中心から放射された光線が、対物光学系１０を通過後に再びある一点で交わることがわかる。この一点が実効瞳ＥＰである。実効瞳ＥＰは、結像光学系２０ａのレンズ中心を通過することになる全ての光線が通過する点である。このため、結像光学系２０ａのイメージャ２０２ａの撮像面に結像される映像は、実効瞳ＥＰを瞳として撮影された画像と等価な映像となる。すなわち、本実施の形態による立体画像撮像装置１を用いて被写体Ｓを撮像することにより、実効瞳ＥＰの位置にカメラを置いて撮影した映像と同じ映像を取得することが可能となる。

結像光学系２０ａのレンズ中心から放射される光線のうちの光軸Ａ１に平行な光線と、対物光学系１０のレンズのレンズ中心を通過する光線を考えることによっても、実効瞳ＥＰが形成される位置を求めることができる。上述したように、被写体Ｓから放射された光線は、もし結像光学系２０ａのレンズの中心から光線が放射されるとすると、その光線が辿る経路と同じ経路を辿る。これは、結像光学系２０ａのレンズ中心に発光点を置くとすると、そこから放射される光は全て実効瞳ＥＰを通過するということを意味している。つまり、実効瞳ＥＰは、結像光学系２０ａの「レンズの影」または「空間像」であるといえる。したがって、図４に示すように、結像光学系２０ａのレンズ中心から放射される光線のうちの光軸Ａ１に平行な光線と、対物光学系１０のレンズのレンズ中心を通過する光線とが再び交差する点に、実効瞳ＥＰが形成されることが分かる。

［実効ＩＡＤの算出方法］
実効瞳ＥＰは、前述のように、被写体Ｓから結像光学系２０ａ（２０ｂ）のレンズ中心に向かう全ての光線が通過する点である。これらの光線の中には、光軸Ａ１に平行な光線も含まれる。実効ＩＡＤｅｄを求めるには、この光軸Ａ１に平行な光線を考えるとわかり易い。図５（ａ）には、実効瞳ＥＰを通過する光線のうちの光軸Ａ１に平行な光線の経路を、破線で示した。実効瞳ＥＰを通過した光軸Ａ１に平行な光線は、対物光学系１０のレンズを通過すると、レンズの性質により対物光学系１０のレンズの焦点Ｆに向かう。焦点Ｆを通過した光線は、実効瞳ＥＰの定義により、結像光学系２０ａ，２０ｂの各レンズの中心に向かう。

図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した情報のうち、実効ＩＡＤｅｄを求めるために必要な特徴的な部分のみを抽出したものである。この図には、互いに相似形な２つの三角形が示されている。一つは、結像光学系２０ａと２０ｂの各レンズ間の距離である結像光学系ＩＡＤｄを底辺とし、高さが（距離Ｌ−対物光学系焦点距離ｆ）である、斜線で示した大きな三角形である。そしてもう一つは、２つの実効瞳ＥＰ間の距離である実効ＩＡＤｅｄを底辺とし、高さが対物光学系１０の焦点距離ｆである、網掛けで示した小さな三角形である。これら２つの三角形は互いに相似形であるため、その性質により以下の式で表現される。
実効ＩＡＤｅｄ：結像光学系ＩＡＤｄ＝対物光学系焦点距離ｆ：距離Ｌ−対物光学系焦点距離ｆ
したがって、
ｅｄ×（Ｌ−ｆ）＝ｆ×ｄ
となり、
ｅｄ＝ｆ／（Ｌ−ｆ）×ｄ …式（１）
が算出される。

実効瞳ＥＰの光軸方向における位置は、対物光学系１０のレンズの焦点距離ｆと、結像光学系ＩＡＤｄと、実効ＩＡＤｅｄとを用いて算出することができる。図６（ａ）は、結像光学系２０ａ，２０ｂの各レンズ中心から放射される光線のうちの、光軸Ａ１に平行な光線の経路を示したものである。結像光学系２０ａのレンズの中心から放射された光線および結像光学系２０ｂのレンズの中心から放射された光線は、対物光学系１０のレンズに到達してレンズを通過すると、対物光学系１０の焦点Ｆを通過する光線となる。そして、焦点Ｆを通過後は、２つの実効瞳ＥＰを通過してそれぞれ図示せぬ被写体Ｓに向かって進行する。

図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した情報のうち、実効瞳の光軸方向における位置を求めるために必要な特徴的な部分のみを抽出したものである。この図には、互いに相似形な２つの三角形が示されている。一つは、結像光学系ＩＡＤｄを底辺とし、高さが、実効瞳対物光学系焦点距離ｆである、斜線で示した大きな三角形である。そしてもう一つは、実効ＩＡＤｅｄを底辺とし、高さが、焦点Ｆから実効瞳ＥＰまでの距離（以下、実効瞳位置ＥＰｄと称する）である、網掛けで示した小さな三角形である。これら２つの三角形は互いに相似形であるため、その性質により以下の式で表現される。
実効ＩＡＤｅｄ：結像光学系ＩＡＤｄ＝実効瞳位置ＥＰｄ：対物光学系焦点距離ｆ
したがって、
ｅｄ×ｆ＝ｄ×ＥＰｄ
となり、
ＥＰｄ＝（ｅｄ×ｆ）／ｄ …式（３）
が算出される。

次に、図７〜図９を参照して、本実施の形態の立体画像撮像装置１による、実効ＩＡＤｅｄの形成例について説明する。実効ＩＡＤｅｄは、前述した式１を用いて算出することができる。すなわち、対物光学系焦点距離ｆや、距離Ｌや、結像光学系ＩＡＤｄを変化させることにより、実効ＩＡＤｅｄを変えることができる。すなわち、これらのパラメータを変更することで、任意の長さの実効ＩＡＤｅｄを実現することができる。

図７は、結像光学系ＩＡＤｄ（結像光学系２０ａと２０ｂの各レンズ間の距離）を変化させることにより、実効ＩＡＤｅｄの広さ（長さ）を変化させる場合の例を示したものである。図２と対応する箇所には同一の符号を付してあり、詳細な説明は省略する。図７（ａ）には、結像光学系ＩＡＤｄを狭く（図１〜図６に図示した程度の幅に）設定した場合の例を示し、図７（ｂ）には、図７（ａ）に示したものより結像光学系ＩＡＤｄを広くした例を示している。図７（ｃ）には、図７（ｂ）に示したものより結像光学系ＩＡＤｄをさらに広くした例を示している。図７（ａ）〜（ｃ）に示されるように、結像光学系ＩＡＤｄを広くするほど、実効ＩＡＤｅｄが広くなることが分かる。

図８は、距離Ｌ（対物光学系１０の後側主点ｒＨ１０から結像光学系２０ａ（２０ｂ）の前側主点ｆＨ２０ａ（ｆＨ２０ｂ）までの距離）を変化させることにより、実効ＩＡＤｅｄの広さを変化させる場合の例を示したものである。図２と対応する箇所には同一の符号を付してあり、詳細な説明は省略する。図８（ａ）には、距離Ｌを広くとった場合の例を示し、図８（ｂ）には、図８（ａ）に示したものより距離Ｌを短くした例を示している。さらに図８（ｃ）には、図８（ｂ）に示したものより距離Ｌを短くした例を示している。図８（ａ）〜（ｃ）に示されるように、距離Ｌを短くすればするほど、実効ＩＡＤｅｄが広くなることが分かる。

なお、図８（ｃ）に示すように、ｆ／（Ｌ−ｆ）＞１を満たすように距離Ｌ（および焦点距離ｆ）を設定することで、実効ＩＡＤｅｄを、結像光学系ＩＡＤｄよりも広くすることも可能となる。例えば、対物光学系１０の焦点距離ｆが７０ｍｍとし、距離Ｌを１０５ｍｍとし、結像光学系ＩＡＤｄを６０ｍｍとする。このように構成した場合、実効ＩＡＤｅｄは、前述した式１により１２０ｍｍと算出される。つまり、結像光学系２０ａと２０ｂの配置位置により求まる結像光学系ＩＡＤｄ（６０ｍｍ）に比べて、ｆ／（Ｌ−ｆ）倍だけ、実効ＩＡＤを長くすることができる。

図９は、対物光学系１０の焦点距離ｆを変えることによって、実効ＩＡＤｅｄを変化させられる場合の例を示したものである。焦点距離ｆは、焦点距離ｆの異なるレンズを使用したり、ズームレンズを使用することにより変化させることができる。図９においても、図２と対応する箇所には同一の符号を付してあり、詳細な説明は省略する。図９（ａ）には、焦点距離ｆを狭くした場合の例を示し、図９（ｂ）には、図９（ａ）に示したものより焦点距離ｆを長くした例を示している。さらに図９（ｃ）には、図９（ｂ）に示したものより焦点距離ｆを長くした例を示している。図９（ａ）〜（ｃ）に示されるように、対物光学系１０のレンズの焦点距離ｆを長くするほど、実効ＩＡＤｅｄを広くできることが分かる。

上述したように、本実施の形態の立体画像撮像装置１によれば、対物光学系１０の焦点距離ｆと、結像光学系２０ａ，２０ｂの位置に関するパラメータ（距離Ｌ）と、結像光学系ＩＡＤｄを選ぶことによって、立体画像撮像装置１の実質的なＩＡＤを選ぶことができる。したがって、立体画像撮像装置１の設計の自由度を向上させることができる。

また、対物光学系１０のレンズの焦点距離ｆと距離Ｌとを上述した式２を満たす値に設定することで、結像光学系２０ａと２０ｂの配置位置により定まる実際のＩＡＤ（結像光学系ＩＡＤｄ）よりも、実質的なＩＡＤ（実効ＩＡＤｅｄ）を短くできる。したがって、一つの画面内での視差の範囲を一定の範囲内に制限することができる。これにより、画面からの飛び出し量や奥行き量が大きいコンテンツ、また、シーンが変わるタイミングで視差が大きく変化するようなコンテンツ等の、視聴者に大きな負担を与えるコンテンツが撮影されることがなくなる。よって、コンテンツを視聴する視聴者が感じうる眼精疲労や一般的な疲れなどの不快感を、低減することができる。さらに、近接撮影を行う際に最も使用頻度が高く、従って重要である１０ｍｍ〜４０ｍｍのＩＡＤを、容易に実現することができる。

また、結像光学系２０ａと２０ｂの配置位置を近づけることなく、立体画像撮像装置１の実効ＩＡＤｅｄを短くすることができるため、イメージャのサイズを小さくしたり、口径の小さいレンズを装着する必要がなくなる。つまり、解像度・感度等のカメラ本体の性能を損なうことなく、立体画像撮像装置１の実効ＩＡＤｅｄを短くすることができるようになる。したがって、レンズ間の距離を縮めることが難しいサイドバイサイド方式や一体方式の立体画像撮像装置においても、短いＩＡＤでの撮影を容易に行えるようになる。

また、対物光学系１０のレンズの焦点距離ｆと距離Ｌとを、ｆ／（Ｌ−ｆ）＞１の式を満たす値に設定することで、結像光学系ＩＡＤｄよりも実効ＩＡＤｅｄを広くすることもできる。このように構成すれば、例えば内視鏡等のように物理的に狭いＩＡＤしか構成できない装置においても、より立体感のある映像を撮影できるようになる。

また、立体画像撮像装置１に形成される実効瞳ＥＰは、被写体Ｓから結像光学系２０ａ，２０ｂのレンズ中心に向かう全ての光線が通過する点である。このため、例えば、図１０に示すように、被写体Ｓが位置Ａから位置Ｂに移動したとしても、位置Ｂの被写体Ｓの位置から放射されて結像光学系２０ａ，２０ｂのレンズ中心を通過する光線は、全て実効瞳ＥＰを通過する。これにより、被写体Ｓが動くようなものであっても、実効瞳位置ＥＰｄにカメラを置いたのと同じ動画を撮影することができる。したがって、結像光学系２０ａ，２０ｂのフォーカス（合焦位置）を有限の距離内の所望の位置に合わせ、かつ制御する機能を付加有することも可能である。このため、例えば２台の結像光学系２０ａ，２０ｂの焦点距離を連動して制御し、動いている被写体Ｓに常にオンフォーカスの状態で撮影することもできる。このような撮影を行うことにより、被写体Ｓの動きに合わせて表示画面上の被写体Ｓが前後に動くといった通常の自然な映像を撮影することができる。

また、本実施の形態の立体画像撮像装置１によれば、特許文献１として示した技術のように、輻輳点とフォーカスとを常に一致させる必要が無くなる。したがって、輻輳点は結像光学系２０ａ（２０ｂ）または対物光学系１０によって調整し、フォーカスは結像光学系２０ａ（２０ｂ）または対物光学系１０によって調整し、画角は結像光学系２０ａ（２０ｂ）または対物光学系１０によって調整するといったこともできる。すなわち、対物光学系１０と結像光学系２０ａ（２０ｂ）とを別々に調整して撮影のパラメータを設定することができる。

＜２．各種変形例＞
なお、上述した実施の形態では、結像光学系を２つ設けた例を挙げたが、それ以上の個数を設けるようにしてもよい。例えば図１１に示すように、結像光学系２０ａ，２０ｂ，２０ｃのように３つ設けてもよい。さらに、対物光学系１０の光軸Ａ１と、結像光学系２０ａ，２０ｂ，２０ｃのそれぞれの光軸Ａ２ａ，Ａ２ｂ，Ａ２ｃとが、異なる平面上に存在するように、対物光学系１０と結像光学系２０ａ，２０ｂを配置してもよい。このように構成すれば、垂直方向の視差情報も得られるようになるため、例えば立体画像の視聴者が寝ころんだ姿勢等で視聴する場合を想定した撮影を行うことができる。

また、上述した実施の形態では、対物光学系１０のレンズに凸レンズを使用した例を挙げて説明したが、凹レンズを使用することもできる。凹レンズを使用した場合の構成例について、図１２〜図１５を参照して説明する。図１２は、対物光学系に凹レンズを使用した場合の立体画像撮像装置の構成例を示したものである。図１２において、図２と対応する箇所には同一の符号を付してあり、詳細な説明は省略する。図１２に示す例では、対物光学系１０αのレンズとして凹レンズを使用しているため、焦点距離ｆが被写体Ｓ側に形成される。このため、実効瞳ＥＰは対物光学系１０αと結像光学系２０ａおよび結像光学系２０ｂとの間に形成される。

図１３は、凹レンズを使用した立体画像撮像装置１αにおいて、対物光学系１０αと結像光学系２０ａ，２０ｂとの間に実効瞳ＥＰが形成される原理について説明したものである。図１３において、図３と対応する箇所には同一の符号を付してあり、詳細な説明は省略する。対物光学系に凹レンズを使用した場合には、被写体Ｓと対物光学系１０αとの間に虚像Ｖが形成される。虚像Ｖが形成される位置は、図３を参照して説明した場合と同様に、被写体Ｓのある一点から放射された光線のうちの光軸Ａ１に平行な光線と、対物光学系１０αのレンズの中心を通過する光線との２本の光線を考えるとわかり易い。図１３（ａ）に示すように、虚像Ｖは、光軸Ａ１に平行な光線が対物光学系１０αのレンズとぶつかったところから対物光学系１０αの焦点Ｆに向かって引かれた補助線ａＬと、対物光学系１０αのレンズの中心を通過する光線とが交差する位置に形成される。

図１３（ｂ）は、結像光学系２０ｂのレンズの中心から放射される光が辿る経路を示したものである。結像光学系２０ｂのレンズ中心から放射された実際の光線は、実線で示す経路で被写体Ｓに向かって進む。一方、結像光学系２０ｂのレンズを視点にして眺めた場合の見かけ上の光線は、対物光学系１０αを通過後は、破線で示した補助線ａＬが示す経路を通って虚像Ｖに向かって進む。そして、その見かけ上の光線は、補助線ａＬを対物光学系１０αの反対方向に向かって延伸させた位置にある実効瞳ＥＰを必ず通る。つまり、結像光学系２０ｂのイメージャ２０２ｂに形成される映像は、実効瞳ＥＰを瞳として撮影された映像と等価な映像となる。

また、凹レンズを使用した場合にも、結像光学系２０ｂのレンズ中心から放射される光線のうちの光軸Ａ１に平行な光線と、対物光学系１０αのレンズのレンズ中心を通過する光線を考えることによっても、実効瞳ＥＰが形成される位置を求めることができる。図１４は、結像光学系２０ｂのレンズの中心から放射される光が辿る経路を示したものである。図１４において、図４と対応する箇所には同一の符号を付してあり、詳細な説明は省略する。図１４においては、対物光学系１０αの焦点Ｆと、光軸Ａ１に平行な光線が対物光学系１０αのレンズとぶつかったところの間を破線で示す補助線ａＬで示してある。そして、結像光学系２０ｂのレンズの中心から放射される実線で示した光線と、補助線ａＬとが交差する位置に、実効瞳ＥＰが形成される。これは、もし結像光学系２０ｂのレンズ中心に発光点を置くと、そこから放射される光は全て実効瞳ＥＰを通過するということを意味している。つまり、実効瞳ＥＰは、結像光学系２０ｂの「レンズの影」または「虚像」である。

図１５は、対物光学系１０αに凹レンズを使用した場合の、実効ＩＡＤｅｄの算出方法を説明する図である。図１５において、図５と対応する箇所には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図１５（ａ）は、図示せぬ被写体Ｓから結像光学系２０ａ（２０ｂ）のレンズ中心に向かう光線のうちの、光軸Ａ１に平行な光線の経路を示したものである。光線が実際に辿る経路を実線で示し、結像光学系２０ａおよび２０ｂのレンズを視点にして眺めた場合の見かけ上の光線を破線で示してある。そして、実線で示した光軸Ａ１に平行な光線と、破線で示した見かけ上の光線とは、対物光学系１０αにぶつかったあと２つの箇所で交差する。その２つの箇所の間の距離が、実効ＩＡＤｅｄである。

図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示した情報のうち、実効ＩＡＤｅｄを求めるために必要な特徴的な部分のみを抽出したものである。この図には、互いに相似形な２つの三角形が示されている。一つは、結像光学系２０ａと２０ｂの各レンズ間の距離である結像光学系ＩＡＤｄを底辺とし、高さが（対物光学系焦点距離ｆ＋距離Ｌ）である、斜線で示した大きな三角形である。そしてもう一つは、実効ＩＡＤｅｄを底辺とし、高さが対物光学系１０の焦点距離ｆである、網掛けで示した小さな三角形である。これら２つの三角形は互いに相似形であるため、その性質により以下の式４で表現される。
実効ＩＡＤｅｄ：結像光学系ＩＡＤｄ＝対物光学系焦点距離ｆ：距離Ｌ＋対物光学系焦点距離ｆ
そして、凹レンズ使用時の焦点距離ｆは負（ｆ＜０）であるため、
ｅｄ×（Ｌ＋（−ｆ））＝ｆ×ｄ
となり、
ｅｄ＝｜ｆ／（Ｌ−ｆ）×ｄ｜ …式（４）
が算出される。

つまり、対物光学系１０のレンズとして凸レンズを使用する場合にも凹レンズを使用する場合にも、上記式４を使用することにより、実効ＩＡＤｅｄを算出することができる。そして、対物光学系１０のレンズとして凸レンズと凹レンズのいずれを使用する場合にも、対物光学系１０の焦点距離ｆと距離Ｌとを下記式５を満たすように設定すれば、実際の結像光学系ＩＡＤｄよりも、実効ＩＡＤｅｄを短くすることができる。
｜ｆ／（Ｌ−ｆ）｜≦１ …（式５）

このように、対物光学系１０のレンズとして凹レンズを使用した場合にも、凸レンズを使用した場合と同様の効果を得ることができる。さらに、凹レンズを使用する場合には、凸レンズを使用した場合と比較して焦点距離ｆが負であるため、凸レンズ使用時と同じ焦点距離|ｆ|と同じ結合光学系のＩＡＤｄに対し、同じ実行ＩＡＤｅｄを実現するのに必要な距離Ｌを短くとることが可能となる。したがって、立体画像撮像装置１αをより小型に構成することができるようになる。

１…立体画像撮像装置、２…結像光学系、１０…対物光学系、２０ａ，２０ｂ…結像光学系、２０１ａ，２０１ｂ…薄肉レンズ、２０２ａ，２０２ｂ…イメージャ、Ａ１，Ａ１ａ…光軸、ｆＨ２０ａ，ｆＨ２０ｂ…前側主点、ｒＨ１０…後側主点

Claims (6)

1. 被写体を実像または虚像として結像する機能を有する対物光学系と、
   複数の独立した光学系により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像として改めて結像させる複数の結像光学系とを備え、
   前記対物光学系が前記被写体を前記実像として結像する場合の焦点距離の値を正とし、前記対物光学系が前記被写体を前記虚像として結像する場合の焦点距離の値を負とした場合に、前記対物光学系の焦点距離（ｆ）と、前記対物光学系の後側主点と前記結像光学系の前側主点までの距離（Ｌ）とが、下記式を満たす値に設定され、
   ｜ｆ／（Ｌ−ｆ）｜≦１
   前記対物光学系は、その開口面内に前記複数の結像光学系のすべての光軸を含む
   立体画像撮像装置。
2. 前記結像光学系の合焦位置は、有限の距離内の所定の位置に設定される
   請求項１記載の立体画像撮像装置。
3. 前記対物光学系と前記結像光学系は、互いの光軸が同一平面上に位置するように配置される
   請求項２記載の立体画像撮像装置。
4. 被写体を実像として結像する機能を有する対物光学系と、
   複数の独立した光学系により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像として改めて結像させる複数の結像光学系とを備え、
   前記対物光学系は、その開口面内に前記複数の結像光学系のすべての光軸を含む
   立体画像撮像装置。
5. 前記結像光学系の合焦位置は、有限距離に設定される
   請求項４記載の立体画像撮像装置。
6. 前記対物光学系と前記結像光学系は、互いの光軸が同一平面上に位置するように配置される
   請求項５記載の立体画像撮像装置。

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