JP5816836B2 - 光学素子保持体及びこれを用いたステレオ画像撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、２台のカメラでステレオ画像を撮影する為に用いる光学素子保持体、及びこれを用いたステレオ画像撮像装置に関する。

従来、ステレオ画像を撮影するために、図１１に示すようなステレオ画像撮像装置９００が用いられることがある。ステレオ画像撮像装置９００は、左眼用カメラ９１０と、右眼用カメラ９２０と、平板状のハーフミラー９３０とを備える。ハーフミラー９３０は、入射された光の一部を透過し、他の一部を反射する。左眼用カメラ９１０は、ハーフミラー９３０を透過した光学像を撮影し、右眼用カメラ９２０は、ハーフミラー９３０で反射された光学像を撮影する。また、左眼用カメラ９１０は、紙面に垂直方向に移動することができる。これによって、左眼用カメラ９１０と右眼用撮像装置９２０とのステレオベースが変えられて、左眼及び右眼の視差量が調整される。

特開２００４−３１２５４５号公報

上述したハーフミラー９３０は平板状であるため、ハーフミラー９３０のサイズが大きい場合には、自重に起因する撓みが発生する。この結果、当該ハーフミラー９３０を通過した光や反射した光には、光学像の歪みや光路方向のズレが発生する。そのため、精度の高いステレオ画像を撮影することが困難になるという問題がある。

それ故に、本発明は、高精度のステレオ画像を撮影できる光学素子保持体及びこれを用いたステレオ画像撮影装置を提供することを目的とする。

本発明は、２台のカメラでステレオ画像を撮影する為に用いる光学素子保持体に関する。光学素子保持体は、長方形の入射面及びこれと対向する対向面を有する直方体形状のビームスプリッタと、互いに対向するように配置され、ビームスプリッタの長手方向における両端部が嵌合した状態でビームスプリッタを保持する一対の保持部材と、保持部材を互いに近づく方向に押圧する押圧部材とを備える。保持部材の各々は、ビームスプリッタの側面を覆う平面部と、平面部の周縁から立ち上がる周壁部とを有する。ビームスプリッタの長手方向における対向面と周壁部との重なり幅が、同方向における入射面と周壁部との重なり幅より大きい。

本発明の光学素子保持体を用いると、光学像の歪みや光路方向のズレを防止でき、高精度なステレオ画像を撮影することができる。

本発明の第１の実施形態に係るステレオ画像撮像装置の斜視図 図１に示すステレオ画像撮像装置の側面図 図１に示す光学素子保持体の分解斜視図 入射面を手前にしたビームスプリッタの斜視図 出射面を手前にしたビームスプリッタの斜視図 図１に示すステレオ画像撮像装置のＶ−Ｖラインに沿った断面図 図１に示すステレオ画像撮像装置のＶＩ−ＶＩラインに沿った断面図 本発明の第２の実施形態に係るステレオ画像撮像装置の斜視図 図７に示すステレオ画像撮像装置の側面図 本発明の第３の実施形態に係るステレオ画像撮像装置の斜視図 図９に示すステレオ画像撮像装置の側面図 従来のステレオ画像撮像装置の側面図

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るステレオ画像撮像装置の斜視図であり、図２は、図１に示すステレオ画像撮像装置の側面図であり、図３は、図１に示す光学素子保持体の分解斜視図である。尚、以下においては、ビームスプリッタの入射面の長辺が延びる方向をＸ軸方向とし、短辺が延びる方向をＺ軸方向とする。

ステレオ画像撮像装置１は、立体画像を撮影するためのものであり、光学素子保持体２と、左眼用の光学像を撮影する第１のカメラ３と、右眼用の光学像を撮影する第２のカメラ４とを備える。第１のカメラ３と第２のカメラ４とは、光学系の光軸がＹ軸と平行となるように（入射面１２と直交するように）配置されている。

光学素子保持体２は、光を２方向に分岐するビームスプリッタ５と、ビームスプリッタ５によって折り曲げられた光を更に反射し、当該反射した光学像を第２のカメラ４に導く直角プリズム７と、ビームスプリッタ５及び直角プリズム７を保持する一対の保持部材８と、保持部材８を互いに近づく方向（図１の白抜き矢印方向）に押圧するベース部材９及びネジ１０とを有する。

図４Ａは、入射面を手前にしたビームスプリッタの斜視図であり、図４Ｂは、第１の出射面を手前にしたビームスプリッタの斜視図である。

ビームスプリッタ５は、直方体のプリズム型ビームスプリッタであり、内部に設けられる光学機能面１１と、光が入射する長方形の入射面１２と、入射面１２に対向し、光学機能面１１を透過した光が出射される第１の出射面１３と、ビームスプリッタ５の上面であって、光学機能面１１で折り曲げられた光が出射される第２の出射面２５とを有する。光学機能面１１はハーフミラーであり、入射面１２からの入射光の一部を透過し、入射光の他の一部をＺ軸正方向に反射する。また、光学機能面１１は、入射面１２に対して正確に４５度の角度をなすように、ビームスプリッタ５内部に設けられている。尚、入射面１２は、全域に渡って光が透過するように、全面が透明に形成されている。また、第１の出射面１３においては、図４Ｂの第１の出射面１３の４隅のハッチングで示す領域を遮光することで、第１のカメラ３の光学系を通過しない不要な光を遮光している。また、第２の出射面２５においては、第２のカメラの光学系の画角内を通過する光束を透過させる円状の反射光路用透明部１４が設けられ、反射光路用透明部１４を除く全領域（ハッチング領域）が遮光されている。このように、ビームスプリッタ５において、撮影される光が出射する領域以外の表面を遮光することで、ビームスプリッタ５内に不要な光が入り込むことを抑制できる。

尚、ビームスプリッタ５は、ＹＺ平面と平行な断面が直角２等辺三角形である直角プリズムの斜面どうしを貼り合わせて作製される。直角プリズムの各面は研磨によって精密に面出しが施されているため、張り合わせ後に、隣接する側面同士が正確に直交する直方体プリズム型ビームスプリッタが作製される。また、直角プリズムの斜面には金属蒸着面が形成されている。この金属蒸着面が光学機能面として機能する。

図１〜３に戻って、直角プリズム７は、ビームスプリッタ５で反射された光の一部を反射する反射面６と、ＸＺ平面に平行な出射面１５とを有する。直角プリズム７は、反射面
６である斜面を斜め上に向け、かつ、出射面１５をＹ軸負方向に向けた状態で、ビームスプリッタ５の上方に支持される。そして、光学機能面１１によって反射された光の一部は、反射面６によってＹ軸負方向に折り曲げられ、出射面１５から出射される。

次に、再び図１〜３を用いて、保持部材８、ベース部材９及びネジ１０について説明する。

一対の保持部材８は、互いに対向するように配置され、ビームスプリッタ５及び直角プリズム７のＸ軸方向における両端部（図１のハッチングで示す部分）を保持するものである。一対の保持部材８の各々は、互いに鏡像対称となるように形成されており、例えば、樹脂板の切削加工によって作製される。図３に示すように、一対の保持部材８の各々には、凹部が形成されており、ビームスプリッタ５の両端部と、直角プリズム７の両端部とが嵌め込まれている。より詳細には、保持部材８の各々には、ビームスプリッタ５の側面及び直角プリズム７の側面を覆う平面部１６及び１７と、平面部１６及び１７の周縁から立ち上がる周壁部１８及び１９とを有する。尚、ビームスプリッタ５と周壁部１８との重なり幅については後述する。

ベース部材９は、ビームスプリッタ５の底面を支持する板材である。Ｘ軸方向におけるベース部材９の端面には、保持部材８をネジ止めするためのネジ穴２０が設けられている。

ネジ１０は、保持部材８を貫通してネジ穴２０にねじ込まれ、一対の保持部材８を互いに近づく方向に押圧する。本実施形態においては、ベース部材９とネジ１０とで押圧部材を構成している。ネジ１０を用いて保持部材８とベース部材９とをネジ止めすると、保持部材８がビームスプリッタ５及び直角プリズム７を図１の白抜き矢印方向に挟み込んだ状態で、保持部材８がベース部９に固定される。従って、ビームスプリッタ５には、側面と平行な方向（図１〜３におけるＹＺ平面と平行な方向）の力が加わらない。この結果、ビームスプリッタ５の光学機能面１１が、剥離したり、破壊されたりすることを防止できる。

第１のカメラ３は、光学像を結像する光学系２１と、光学系２１で結像された光学像を電気信号に変換する撮像素子２２とを有する。第１のカメラ３は、光学系２１の光軸がＹ軸方向と一致し、かつ、光学系２１を第１の出射面１３に向けた状態で配置されている。尚、第１のカメラ３は、図示しない支持機構によって、Ｘ軸方向に移動自在に支持されている。これによって、第１のカメラ３と第２のカメラ４とのＸ軸方向のステレオベースを変え、左眼及び右眼の視差量を調整することができる。

第２のカメラ４は、第１のカメラ３と同様に、光学系２３と撮像素子２４とを備える。第２のカメラ４には、光学機能面１１及び反射面６の各々で折り曲げられた光学像が取り込まれる。ここで、第２のカメラ４は、光学系２３の光軸がＹ軸方向に一致し、かつ、光学系２３を出射面１５に向けた状態で配置されている。尚、第１のカメラ３を駆動する代わりに、第１のカメラ３を固定して、第２のカメラ４のみをＸ軸方向に移動しても良い。或いは、第１のカメラ３及び第２のカメラ４の両方をＸ軸方向に移動自在としても良い。また、第１のカメラ３の光軸上の光路長（１点鎖線で示す）と、第２のカメラの光軸上の光路長（破線で示す）とが等しくなるように、第１のカメラ３は、第２のカメラ４よりＹ軸負方向にシフトした位置に支持されている。

次に、図５及び６を用いて、ビームスプリッタ５と保持部材７の周壁部１８との重なり幅について説明する。

図５は、図１に示すステレオ画像撮像装置のＶ−Ｖラインに沿った断面図であり、図６は、図１に示すステレオ画像撮像装置のＶＩ−ＶＩラインに沿った断面図である。

ビームスプリッタ５の第１の出射面１３と周壁部１８とのＸ軸方向の重なり幅Ｗ１と、同方向における、ビームスプリッタ５の入射面１２と周壁部１８とのＸ軸方向の重なり幅Ｗ２とは、第１のカメラ３が有する光学系２１の画角に応じて設計されている。具体的には、図５に示すように、第１のカメラ３をビームスプリッタ５の端部に最も近い位置に配置した時に、第１のカメラ３の光学系２１の画角内を通過する光束（右下がりハッチングで示す）が、周壁１８で遮蔽されない範囲で、周壁１８のＸ軸方向の幅が最大となるように、重なり幅Ｗ１及びＷ２の各々が設計されている。そのため、本実施形態では、重なり幅Ｗ１は、重なり幅Ｗ２より大きく形成されている。尚、図５では、第１のカメラ３と第２のカメラ４とのステレオベースを最大にした状態が示されているが、図５における左側の重なり幅Ｗ１及びＷ２も同様に設定されている。すなわち、第１のカメラ３と第２のカメラ４とのステレオベースを最小にした状態で、第１のカメラ３の光学系２１の画角内を通過する光束が周壁１８で遮蔽されない範囲で最大となるように、図５の左側部分の重なり幅Ｗ１及びＷ２が設定されている。

ビームスプリッタ５の前後の位置ズレを抑制するためには、保持部材８が、入射面１２と第１の出射面１３とに重なった状態でビームスプリッタ５を保持する必要がある。入射面１２及び第１の出射面１３の長辺近傍を保持する構造を採用した場合、垂直画角方向における入射面１２の開口範囲が狭くなってしまう。これに対して、本実施形態では、ビームスプリッタ５の水平画角方向のサイズが垂直画角方向のサイズより余裕があることを利用して、入射面１２及び第１の出射面１３の短辺近傍を保持している。この結果、ビームスプリッタ５の側面サイズをコンパクトに維持しつつ、ビームスプリッタ５の前後の位置ズレを抑制できる。また、第１の出射面１３と周壁部の重なり幅Ｗ１（図５）を可能な範囲で大きくすることによって、ビームスプリッタ５をより安定して保持することができる。

また、図６に示すように、第２の出射面２５と周壁部１８とは、重なり幅Ｗ３でＸ軸方向に重なっている。尚、重なり幅Ｗ３は、光学機能面１１で折り曲げられた光が周壁部１８で遮蔽されない大きさに設計されている。具体的には、重なり幅Ｗ３は、図５に示した重なり幅Ｗ１と同寸法に設計されている。更に、直角プリズム７と周壁部１９とは、直角プリズム７の全周に渡り、重なり幅Ｗ４でＸ軸方向に重なっている。尚、本実施形態では、重なり幅Ｗ４は重なり幅Ｗ３と同寸法に設計されている。

以上のように、本実施形態に係るステレオ画像撮像装置１では、ビームスプリッタ５及び直角プリズム７が、保持部材８によって支持されている。また、ビームスプリッタ５及び直角プリズム７のＸ軸方向の両端部が周壁部１８及び１９の内部に嵌め込まれているため、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向のいずれに対しても、ビームスプリッタ５及び直角プリズム７のガタつきが防止される。そして、ビームスプリッタ５及び直角プリズム７は剛性が高いため、自重によって撓むこともない。この結果、光学素子保持体２で分岐された光には、光学像の歪みや光路方向のズレが発生しない。従って、精度の高いステレオ画像を撮影することができる。更に、ステレオ画像撮像装置１では、屈折率が空気より大きな材質よりなるビームスプリッタ５及び直角プリズム７を設けることで、入射面１２からカメラの入射面までの光路長を短くすることができる。この結果、ステレオ画像撮像装置１の光軸方向の寸法を小さくすることが可能となる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係るステレオ画像撮像装置の斜視図であり、図８は、図７に示すステレオ画像撮像装置の側面図である。以下、本実施形態と第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

まず、本実施形態のプリズム７の配置が第１の実施形態と異なる。より詳細には、プリズム７は、ビームスプリッタ５の上方において、反射面６がビームスプリッタ５の光学機能面１１と平行となるように配置されている。したがって、ビームスプリッタ５の光学機能面１１によってＸ軸方向に折り曲げられた光は、直角プリズム７の内部を通過することなく、反射面６の表面で反射されて第２のカメラ４へと導かれる。第１の実施形態では、小型化のために、ビームスプリッタ５と第１のカメラ３との距離、直角プリズム７と第２のカメラ４との距離を詰めていくと、直角プリズム７の出射面１５に第２のカメラ４が接触する位置関係が限界点の一つとなる。これに対して、第２の実施形態では、直角プリズム７の反射面６を第２のカメラ４側に向けることによって、上述の限界点が緩和されるので、第１の実施形態より全体として小型化が可能な場合がある。

次に、本実施形態に係るステレオ画像撮像装置３１は、第２のカメラ４を載置するための平板３２を更に備える。平板３２は、光学素子保持体２を構成する保持部材８によって支持される。保持部材８には、ビームスプリッタ５を嵌め込むための凹部と、直角プリズムを嵌め込むための凹部との間に、Ｙ軸方向に延びる溝３３が更に設けられる。平板３２は、図７に示すように、対向する側面の一部を溝３３に嵌合させることによって保持部材８に取り付けられている。溝３３は、平板３２の上面とビームスプリッタ５の第２の出射面２５とを平行に保持できるように形成されている。このような嵌合構造を採用することにより、平板３２を保持部材８に確実に固定することができると共に、平板３２の上面位置を精度良く決めることが可能となる。尚、平板３２には、ビームスプリッタ５から直角プリズム７に至る光を遮らずに通過させる窓部３４が設けられている。

平板３２は、図７に示すように、ネジ３５によって保持部材８にネジ止めされている。保持部材８にネジ止めされた平板３２は、ベース部材９及びネジ１０の組み合わせと同じ機能を発揮し、ビームスプリッタ５の光学機能面１１に損傷を与えることなく、ビームスプリッタ５及び直角プリズム７の確実な保持に寄与する。

（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係るステレオ画像撮像装置の斜視図であり、図１０は、図９に示すステレオ画像撮像装置の側面図である。以下、本実施形態と第２の実施形態との相違点を中心に説明する。

まず、本実施形態では、第１の実施形態と比べて、ビームスプリッタ５及び直角プリズム７の位置が逆になっている。すなわち、ビームスプリッタ５が第２のカメラ４の前方に配置され、直角プリズム７が第１のカメラ３の前方に配置される。ビームスプリッタ５の入射面１２から入射した光の一部は、光学機能面１１を透過して出射面１３から出射され、第２のカメラ４に入射する。ビームスプリッタ５の入射面１２から入射した光の残りは、光学機能面１１によってＺ軸負方向に反射された後、平板３２の窓部３４を通過し、直角プリズム７の反射面６によってＹ軸負方向に反射され、第１のカメラ３に入射する。

次に、本実施形態に係るステレオ画像撮像装置３７では、右眼用画像を撮影するための第２のカメラ４がプリズム５の長手方向（Ｘ軸方向）に平行移動可能であり、第２のカメラ４を平行移動させる機構が更に設けられている。具体的には、ステレオ画像撮像装置３７は、平板３２の上面に取り付けられるステージ３８と、ステージ３８上に取り付けられるスライダー３９と、スライダー３９に取り付けられ、第２のカメラ４が取り付けられる取り付けプレート４０とを更に備える。スライダー３９は、ステージ３８上に敷設されるレール４１と、レール４１に係合し、レール４１に沿ってＸ軸方向に摺動自在なスライド部材４２とを含む。

第２の実施形態で説明したように、平板３２は、保持部材８の溝３３への嵌め込みによって、上面がビームスプリッタ５の第２の出射面２５と平行となるように保持部材８に固定されている。平板３２の上面は、ステージ３８及びスライダー３９を載置するための基準面となる。平板３２の上面の配置は、保持部材８によってビームスプリッタ５の面を基準として正確に決められているので、スライダー３９を介した第２のカメラ４の平行移動の精度を確保することができる。

尚、上記の第１〜第３の実施形態に係る光学素子保持体２は直角プリズム７を有するが、直角プリズム７を用いるか否かは任意である。例えば、直角プリズム７を用いずに、第２の出射面２５に対向し、かつ、光学系２３の光軸を垂直方向（Ｚ軸方向）に一致させた状態で、第２のカメラ４を配置しても良い。

また、上記の第１〜第３の実施形態に係る保持部材は、ビームスプリッタ５と直角プリズム７とを一体的に保持しているが、ビームスプリッタ５のみを保持して、直角プリズム７は別の保持機構を用いて保持しても良い。

更に、上記の第１〜第３の実施形態では、第１のカメラ３が左眼用画像を撮影し、第２のカメラ４が右眼用画像を撮影しているが、第１のカメラ３及び第２のカメラ４の左右を逆にしても良い。

更に、上記の第１〜第３の実施形態では、ビームスプリッタ５で折り曲げられた光を第２のカメラ４に導くために直角プリズム７を用いているが、直角プリズム７の代わりに、ミラーを用いることも可能である。直角プリズム７に代えてミラーを用いる場合も同様に、ミラーの対向する側辺部分を嵌め込んで保持できるように、一対の保持部材８に凹部を設ければ良い。

また、ミラーを用いる場合は、直角プリズム７の反射面６をミラー（反射膜）としたものを作製し、直角プリズム７の各辺を剛性のある支持部材で構成するようにしても構わない。この場合、ミラーを構成する側面の形状は直角二等辺三角形となることが好ましい。

更に、上記の第１〜第３の実施形態で説明したように、ビームスプリッタ５及び直角プリズム７の上下の配置は任意であり、各実施形態で具体例として示した、ビームスプリッタ５及び直角プリズム７の配置を逆にしても良い。また、直角プリズム７の反射面６の配置も任意である。したがって、第２及び第３の実施形態において、直角プリズム７を第１の実施形態のように配置しても良い。逆に、第１の実施形態において、直角プリズム７を第２及び第３の実施形態のように配置しても良い。

更に、上記の第１の実施形態においても、第２及び第３の実施形態と同様に、保持部材８に溝３３と、溝３３に嵌合する平板３２とを更に設けても良い。逆に、第２及び第３の実施形態に係る構成から、溝３３及び平板３２をなくしても良い。

更に、上記の第３の実施形態では、第２のカメラ４をビームスプリッタ５の長手方向に平行移動させるためのスライド機構を特定したが、これに限定されず、他の構成のスライド機構を採用しても良い。また、スライド機構には、ボールネジまたは送りネジと、モータとを組み合わせた送り機構が設けられていても良い。

更に、上記の第１および第２の実施形態に、第３の実施形態で説明したスライド機構を更に追加しても良い。

本発明は、例えば、立体画像を撮影するステレオ画像撮像装置に用いることができる。

１ ステレオ撮像装置
２ 光学分岐素子
３ 第１のカメラ
４ 第２のカメラ
５ ビームスプリッタ
６ 反射面
７ 直角プリズム
８ 保持部材
９ ベース部材
１０ ネジ
１１ 光学機能面
１２ 入射面
１３ 第１の出射面
１４ 反射光路用透明部
１５ 出射面
１６、１７ 平面部
１８、１９ 周壁部
２０ ネジ穴
２１、２３ 光学系
２２、２４ 撮像素子
２５ 第２の出射面

Claims (2)

1. ２台のカメラでステレオ画像を撮影する為に用いる光学素子保持体であって、
   長方形の入射面及びこれと対向する対向面を有する直方体形状のビームスプリッタと、
   互いに対向するように配置され、前記ビームスプリッタの長手方向における両端部が嵌合した状態で前記ビームスプリッタを保持する一対の保持部材と、
   前記保持部材を互いに近づく方向に押圧する押圧部材と、
   前記ビームスプリッタによって折り曲げられた光の少なくとも一部を反射する直角プリズムとを備え、
   前記保持部材の各々は、前記ビームスプリッタの側面を覆う平面部と、前記平面部の周縁から立ち上がる周壁部とを有しており、前記ビームスプリッタの入射面と直交する面に対して平行となるように平板を嵌め込むための溝が設けられ、
   前記直角プリズムは、前記一対の保持部材の各々に嵌合した状態で保持され、
   前記ビームスプリッタの長手方向における前記対向面と前記周壁部との重なり幅が、同方向における前記入射面と前記周壁部との重なり幅より大きい、光学素子保持体。
2. ステレオ画像撮像装置であって、
   請求項１に記載の光学素子保持体と、
   光学系の光軸が前記入射面と直交するように配置され、ハーフミラーを透過した光学像を撮影する第１のカメラと、
   光学系の光軸が前記第１のカメラの光学系の光軸と平行となるように配置され、前記直角プリズムによって反射された光学像を撮影する第２のカメラとを備え、
   前記第１のカメラ及び前記第２のカメラの一方が前記ビームスプリッタの長手方向に移動自在に支持される、ステレオ画像撮像装置。

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