JPWO2014038397A1 - 立体視用光学系 - Google Patents

Abstract

ゴーストを防止して鮮明な立体視用の画像を取得する。間隔をあけて並列に配列され物体側からの光を集光する２組の対物光学系（２）と、各該対物光学系（２）により集光された光をそれぞれ２回偏向して光学像を近接させる２つの平行四辺形プリズム（３）と、対物光学系（２）により集光された光束の結像位置に配置され、平行四辺形プリズム（３）により近接させられた２つの光学像を撮影する撮像素子（４）と、対物光学系（２）の瞳位置（Ｄ）から光軸方向に離れたいずれかの位置において、該対物光学系（２）の間隔方向の内側および外側の少なくとも一側の光束の一部を遮蔽する絞り部材（５ａ，５ｂ）とを備える立体視用光学系（１）を提供する。

Description

本発明は、立体視用光学系に関するものである。

従来、２つの対物光学系によって形成した左右の２つの光学像を１つの撮像素子に結像させる立体視用光学系が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この立体視用光学系は、左右２つの対物光学系により集光された光をそれぞれ平行四辺形プリズムによって２回偏向させることで光軸を近接させ、単一のＣＣＤに２つの光学像を結像させるようになっている。

特開２００１−７５０１１号公報

しかしながら、特許文献１の立体視用光学系は、平行四辺形プリズムに入射する光の位置および角度によっては、平行四辺形プリズム内において２回より多く偏向されたり、１回も偏向されずにそのままＣＣＤに入射したりして実際の光学像とは異なる像（ゴースト）が形成される不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ゴーストを防止して鮮明な立体視用の画像を取得することができる立体視用光学系を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、間隔をあけて並列に配列され物体側からの光を集光する２組の対物光学系と、各該対物光学系により集光された光をそれぞれ２回偏向して光学像を近接させる２つの平行四辺形プリズムと、前記対物光学系により集光された光束の結像位置に配置され、平行四辺形プリズムにより近接させられた２つの光学像を撮影する撮像素子と、前記対物光学系の瞳位置から光軸方向に離れたいずれかの位置において、該対物光学系の間隔方向の内側および外側の少なくとも一側の光束の一部を遮蔽する絞り部材とを備える立体視用光学系を提供する。

本態様によれば、間隔をあけて並列に対物光学系によって物体側からの光が集光されることにより、撮像素子には視差を有する２つの光学像が結像されるので、これら画像を左右の目で別個に観察することにより、物体を立体視することができる。２つの対物光学系により集光された光は、各対物光学系の後段に配置された平行四辺形プリズムによって２回偏向されて、光軸が近接させられた状態で撮像素子に入射されることにより、小さい撮像素子により２つの画像を同時に取得して装置のコンパクト化を図ることができる。

この場合において、対物光学系の瞳位置から光軸方向に離れたいずれかの位置に配置された絞り部材によって、対物光学系の間隔方向の内側または外側の少なくとも一側光束の一部が遮蔽されるので、平行四辺形プリズム内において２回以外の反射回数で撮像素子に入射される光を低減し、ゴーストの発生を軽減することができる。これにより、鮮明な立体視用の画像を取得することができる。

上記態様においては、前記絞り部材が、半画角２５°以上の角度から入射する光を遮蔽してもよい。
このようにすることで、半画角２５°程度の画角の画像を得ることができ、それ以上の角度から入射する光を遮蔽して、ゴーストの発生を軽減することができる。

上記態様においては、前記絞り部材が、該対物光学系の間隔方向の内側に配置され、以下の条件式を満足することが好ましい。
Ｌ０−Ｉｈｙ−Ｗ＞Ｚ０×ｓｉｎθ
ここで、Ｌ０は前記平行四辺形プリズムによる光束の折り曲げ距離、Ｉｈｙは前記撮像素子の撮像面における像高、Ｗは前記絞り部材における光軸から開口縁までの開口幅、Ｚ０は前記絞り部材から前記撮像面までの光軸方向の距離、θは前記瞳位置と前記撮像面における前記光学像の前記像高とを結ぶ線と光軸とのなす角度である。

このようにすることで、対物光学系から入射した光が平行四辺形プリズム内において１回も反射することなく撮像素子に到達することを防止してゴーストの発生を軽減することができる。

上記態様においては、前記絞り部材が、該対物光学系の間隔方向の外側に配置され、以下の条件式を満足することが好ましい。
Ｗ＜Ｄ０×ｓｉｎα
ここで、Ｗは前記絞り部材における光軸から開口縁までの開口幅、Ｄ０は前記瞳位置から前記絞り部材までの光軸方向の距離、αは前記平行四辺形プリズムの前記撮像素子に対向する面における前記間隔方向の外側の角から前記平行四辺形プリズム内で２回偏向されて前記瞳位置を通過する光束と光軸とのなす角度である。

このようにすることで、対物光学系から入射した光が平行四辺形プリズム内において３回以上反射して撮像素子に到達することを防止してゴーストの発生を軽減することができる。

上記態様においては、前記撮像素子の略中央において相互に近接する２つの前記平行四辺形プリズムの端縁を、前記撮像素子の撮像面に対して被覆する遮光部材を備えていてもよい。
このようにすることで、平行四辺形プリズムの端縁において発生したフレア光を遮光部材によって遮り、撮像素子の撮像面に入射することを防止できる。

上記態様においては、前記遮光部材が、前記撮像素子の撮像面を被覆するように接着される透明な材質からなるプレートの表面に、光を吸収する材質からなる塗料を蒸着して構成されていてもよい。
このようにすることで、透明なプレートに塗料を蒸着するだけで遮光部材を構成でき、また、このように構成された遮光部材は平行四辺形プリズムに接着することができて、特別な支持部材を不要とすることができる。

本発明によれば、ゴーストを防止して鮮明な立体視用の画像を取得することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る立体視用光学系を示す正面図である。 図１の立体視用光学系の撮像素子に結像される光学像の配置例を示す図である。 図１の立体視用光学系の絞り部材の配置例を示す部分的な拡大図である。 図１の立体視用光学系の絞り部材の他の配置例を示す部分的な拡大図である。 図１の立体視用光学系の変形例を示す正面図である。 図１の立体視用光学系の他の変形例であって、撮像素子に設けられる遮光部材を示す正面図である。 撮像素子における図６の遮光部材の配置を示す図である。

本発明の一実施形態に係る立体視用光学系１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る立体視用光学系１は、図１に示されるように、間隔をあけて並列に配列される２つの対物光学系２と、該対物光学系２の後段に配置される２つの平行四辺形プリズム３と、該平行四辺形プリズム３の後段に配置される１つの撮像素子４と、絞り部材５ａ，５ｂとを備えている。

対物光学系２は、物体側から順に、負の屈折力を有する第１群６と、正の屈折力を有する第２群７とを備えている。対物光学系２により集光された光束は、第１群６によって細径にされた後に拡がり、第２群７によって再度集光されてその焦点位置に結像されるようになっている。第２群７の焦点位置は、後述する撮像素子４の撮像面４ａに一致させられている。

平行四辺形プリズム３は、対物光学系２の第２群７から出射された光を入射させるように対物光学系２の光軸（入射光軸）Ａに直交して配置される第１面３ａと、該第１面３ａから内部に入射した光を偏向させるように対物光学系２の光軸Ａに対して４５°の角度をなして配置される第２面３ｂと、該第２面３ｂに平行に配置される第３面３ｃと、第１面３ａと平行に配置される第４面３ｄとを備えている。入射光軸Ａに沿って第１面３ａから平行四辺形プリズム３の内部に入射した光は、第２面３ｂと第３面３ｃにおいて２回偏向された後、入射光軸Ａに平行な出射光軸Ｂに沿って第４面３ｄから後段の撮像素子４に向けて出射されるようになっている。

このとき、２つの平行四辺形プリズム３を入射光軸Ａの間隔よりも出射光軸Ｂの間隔が狭くなるように配置することにより、２つの対物光学系２により集光されて撮像素子４の撮像面４ａに結像される光学像を相互に近接させることができ、２つの光学像を同時に取得する撮像素子４の撮像面４ａの大きさを小さくすることができる。

撮像素子４は、例えば、ＣＣＤであって、図１および図２に示されるように、撮像面４ａ上の２箇所の受光領域４ｂ，４ｃに、各対物光学系２により集光された２つの光学像が並んで結像されるようになっている。

本実施形態においては、対物光学系２の第２群７と平行四辺形プリズム３の第１面３ａとの間に絞り部材５ａ，５ｂが配置されている。
絞り部材５ａ，５ｂは、間隔をあけて配列された２つの対物光学系２の間隔方向の内側と外側から、光軸Ａに向かって開口縁Ｃを突出させて配置されている。

間隔方向の内側に配置された絞り部材５ａ，５ｂは、図３に示されるように、以下の条件式（１）を満たす位置に配置されている。
すなわち、
Ｌ０−Ｉｈｙ−Ｗ＞Ｚ０×ｓｉｎθ （１）
ここで、Ｌ０は平行四辺形プリズム３による光束の折り曲げ距離、Ｉｈｙは撮像素子４の撮像面４ａにおける光学像の像高、Ｗは絞り部材５ａにおける光軸Ａから開口縁Ｃまでの開口幅、Ｚ０は絞り部材５ａから撮像面４ａまでの光軸Ａ方向の距離、θは瞳位置Ｄと撮像面４ａにおける光学像の像高とを結ぶ線と光軸Ａとのなす角度である。

条件式（１）を満たすように、平行四辺形プリズム３に入射する光を、対物光学系２の間隔方向の内側において制限することで、対物光学系２から射出され、平行四辺形プリズム３の第１面３ａに入射した光が、第２面３ｂおよび第３面３ｃを経ることなく、直接第４面３ｄから平行四辺形プリズム３外に射出されることを防止することができる。

また、間隔方向の外側に配置された絞り部材５ｂは、図４に示されるように、以下の条件式（２）を満たす位置に配置されている。
すなわち、
Ｗ＜Ｄ０×ｓｉｎα （２）
ここで、Ｗは絞り部材５ｂにおける光軸Ａから開口縁Ｃまでの開口幅、Ｄ０は瞳位置Ｄから絞り部材５ｂまでの光軸方向の距離、αは平行四辺形プリズム３の第４面３ｄにおける間隔方向の外側の角から平行四辺形プリズム３内で２回偏向されて瞳位置Ｄを通過する光束と光軸Ａとのなす角度である。

条件式（２）を満たすように、平行四辺形プリズム３に入射する光を、対物光学系２の間隔方向の外側において制限することにより、対物光学系２から射出され、平行四辺形プリズム３の第１面３ａに入射した光が、第２面３ｂと第３面３ｃにおいてそれぞれ１回ずつ反射されて第４面３ｄから平行四辺形プリズム３外に射出されるようにすることができる。

すなわち、本実施形態に係る立体視用光学系１によれば、平行四辺形プリズム３に入射した光は、平行四辺形プリズム３内において２回反射されたものだけを撮像素子４に入射させることができ、２回以外の反射回数で撮像素子４に入射する光学像（ゴースト）の発生を確実に防止することができる。また、対物光学系２からの光が入射する平行四辺形プリズム３の第１面３ａの直前に絞り部材５ａ，５ｂを配置したので、ゴーストの発生をより確実に防止することができる。

本実施形態に係る立体視用光学系１においては、対物光学系２の光軸Ａの間隔方向の内側および外側の両方に絞り部材５ａ，５ｂを配置した。これにより、図３に示されるように、平行四辺形プリズム３内で１回も反射せずに撮像素子４に入射して形成されるゴースト（無反射のゴースト）も、図４に示されるように、平行四辺形プリズム３内で３回以上反射した後に撮像素子４に入射して形成されるゴースト（３回以上反射のゴースト）も、両方とも防止することができる。

これに代えて、内側または外側のいずれか一方のみに絞り部材５ａ，５ｂを配置してもよい。これにより上記いずれかのゴーストの発生を防止できる効果がある。
さらに、条件式（２）におけるαを、平行四辺形プリズム３の第１面３ａにおける間隔方向の内側の角から平行四辺形プリズム３内で１回偏向されて瞳位置Ｄを通過する光束と光軸Ａとのなす角度に設定することにしてもよい。

このようにすることで、平行四辺形プリズム３の第１面３ａから入射した光が、第２面３ｂにおいて反射して、再度第１面３ａの内側で反射し、その後第３面３ｃにおいて反射した後に撮像素子４に入射されることにより発生するゴースト（３回反射の場合のゴースト）を防止することができる。

本実施形態においては、絞り部材５ａ，５ｂを対物光学系２と平行四辺形プリズム３との間に配置することとしたが、これに代えて、図５に示されるように、対物光学系２の物体側に配置してもよい。この場合には、対物光学系２の間隔方向の外側に絞り部材５ａを配置することで、無反射のゴーストを防止することができ、対物光学系２の間隔方向の内側に絞り部材５ｂを配置することで、３回以上反射のゴーストを防止することができる。

絞り部材５ａ，５ｂの位置は、上述した位置に限定されるものではなく、対物光学系２の瞳位置Ｄから光軸Ａ方向に離れたいずれかの位置に配置すればよい。この場合に、瞳位置Ｄから離れて物体位置あるいは結像位置に近づくほど光束の断面形状が光学像の形状に近接するので、その位置に絞り部材５ａ，５ｂを配置した方が、必要な光を遮蔽せずに済み、撮像範囲の周辺光量を確保することができるので好ましい。

また、図６および図７に示されるように、撮像素子４に対向する平行四辺形プリズム３の第４面３ｄにおける対物光学系２の間隔方向の内側の角部Ｅと撮像素子４との間を遮蔽するように被覆する遮光部材８を配置してもよい。平行四辺形プリズム３内を伝播してきた光が上記角部Ｅに入射すると、予期しない方向に反射するフレア光となるので、遮光部材８によって角部Ｅを覆うことで、フレア光が撮像素子４に入射されることを防止することができる。

遮光部材８としては、撮像素子４の撮像面４ａを覆う透明な材質からなるプレート８ａに光を吸収する塗料８ｂを蒸着したものを採用することが好ましい。これにより、遮光部材８を取り付けた撮像素子４と平行四辺形プリズム３の第４面３ｄとを接着等により固定することが可能となり、特別な固定部材を不要とすることができる。

１ 立体視用光学系
２ 対物光学系
３ 平行四辺形プリズム
４ 撮像素子
４ａ 撮像面
５ａ，５ｂ 絞り部材
８ 遮光部材
８ａ プレート
８ｂ 塗料
Ａ 光軸
Ｃ 開口縁
Ｄ 瞳位置
Ｅ 角部（端縁）

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、間隔をあけて並列に配列され物体側からの光を集光する２組の対物光学系と、各該対物光学系により集光された光をそれぞれ２回偏向して光学像を近接させる２つの平行四辺形プリズムと、前記対物光学系により集光された光束の結像位置に配置され、平行四辺形プリズムにより近接させられた２つの光学像を撮影する撮像素子と、前記対物光学系の瞳位置から光軸方向に離れたいずれかの位置において、該対物光学系の間隔方向の内側および外側の少なくとも一側の光束の一部を遮蔽する絞り部材とを備え、前記絞り部材が、該対物光学系の間隔方向の内側に配置され、以下の条件式を満足する立体視用光学系を提供する。
Ｌ０−Ｉｈｙ−Ｗ＞Ｚ０×ｓｉｎθ
ここで、Ｌ０は前記平行四辺形プリズムによる光束の折り曲げ距離、Ｉｈｙは前記撮像素子の撮像面における像高、Ｗは前記絞り部材における光軸から開口縁までの開口幅、Ｚ０は前記絞り部材から前記撮像面までの光軸方向の距離、θは前記瞳位置と前記撮像面における前記光学像の前記像高とを結ぶ線と光軸とのなす角度である。

この場合において、対物光学系の瞳位置から光軸方向に離れたいずれかの位置に配置された絞り部材によって、対物光学系の間隔方向の内側または外側の少なくとも一側光束の一部が遮蔽されるので、平行四辺形プリズム内において２回以外の反射回数で撮像素子に入射される光を低減し、ゴーストの発生を軽減することができる。また、対物光学系から入射した光が平行四辺形プリズム内において１回も反射することなく撮像素子に到達することを防止してゴーストの発生を軽減することができる。これにより、鮮明な立体視用の画像を取得することができる。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、間隔をあけて並列に配列され物体側からの光を集光する２組の対物光学系と、各該対物光学系により集光された光をそれぞれ２回偏向して光学像を近接させる２つの平行四辺形プリズムと、前記対物光学系により集光された光束の結像位置に配置され、平行四辺形プリズムにより近接させられた２つの光学像を撮影する撮像素子と、前記対物光学系の瞳位置から光軸方向に離れたいずれかの位置において、該対物光学系の間隔方向の内側の光束の一部を遮蔽する絞り部材とを備え、前記絞り部材が、以下の条件式を満足し、前記２組の対物光学系の一方の対物光学系を通って前記撮像素子における前記一方の対物光学系に対応する１つの受光領域に到達する光線の内、前記平行四辺形プリズム内で１回も反射されることなく前記１つの受光領域に到達する光線を遮光する立体視用光学系を提供する。
Ｌ０−Ｉｈｙ−Ｗ＞Ｚ０×ｔａｎθ
ここで、Ｌ０は前記平行四辺形プリズムによる光束の折り曲げ距離、Ｉｈｙは前記撮像素子の撮像面における像高、Ｗは前記絞り部材における光軸から開口縁までの開口幅、Ｚ０は前記絞り部材から前記撮像面までの光軸方向の距離、θは前記瞳位置と前記撮像面における前記光学像の前記像高とを結ぶ線と光軸とのなす角度である。

上記態様においては、前記対物光学系の間隔方向の外側に配置される絞り部材を備え、以下の条件式を満足することが好ましい。
Ｗ＜Ｄ０×ｓｉｎα
ここで、Ｗは前記絞り部材における光軸から開口縁までの開口幅、Ｄ０は前記瞳位置から前記絞り部材までの光軸方向の距離、αは前記平行四辺形プリズムの前記撮像素子に対向する面における前記間隔方向の外側の角から前記平行四辺形プリズム内で２回偏向されて前記瞳位置を通過する光束と光軸とのなす角度である。

間隔方向の内側に配置された絞り部材５ａは、図３に示されるように、以下の条件式（１）を満たす位置に配置されている。
すなわち、
Ｌ０−Ｉｈｙ−Ｗ＞Ｚ０×ｔａｎθ （１）
ここで、Ｌ０は平行四辺形プリズム３による光束の折り曲げ距離、Ｉｈｙは撮像素子４の撮像面４ａにおける光学像の像高、Ｗは絞り部材５ａにおける光軸Ａから開口縁Ｃまでの開口幅、Ｚ０は絞り部材５ａから撮像面４ａまでの光軸Ａ方向の距離、θは瞳位置Ｄと撮像面４ａにおける光学像の像高とを結ぶ線と光軸Ａとのなす角度である。

Claims (6)

1. 間隔をあけて並列に配列され物体側からの光を集光する２組の対物光学系と、
   各該対物光学系により集光された光をそれぞれ２回偏向して光学像を近接させる２つの平行四辺形プリズムと、
   前記対物光学系により集光された光束の結像位置に配置され、平行四辺形プリズムにより近接させられた２つの光学像を撮影する撮像素子と、
   前記対物光学系の瞳位置から光軸方向に離れたいずれかの位置において、該対物光学系の間隔方向の内側および外側の少なくとも一側の光束の一部を遮蔽する絞り部材とを備える立体視用光学系。
2. 前記絞り部材が、半画角２５°以上の角度から入射する光を遮蔽する請求項１に記載の立体視用光学系。
3. 前記絞り部材が、該対物光学系の間隔方向の内側に配置され、以下の条件式を満足する請求項１または請求項２に記載の立体視用光学系。
   Ｌ０−Ｉｈｙ−Ｗ＞Ｚ０×ｓｉｎθ
   ここで、Ｌ０は前記平行四辺形プリズムによる光束の折り曲げ距離、
   Ｉｈｙは前記撮像素子の撮像面における像高、
   Ｗは前記絞り部材における光軸から開口縁までの開口幅、
   Ｚ０は前記絞り部材から前記撮像面までの光軸方向の距離、
   θは前記瞳位置と前記撮像面における前記光学像の前記像高とを結ぶ線と光軸とのなす角度
   である。
4. 前記絞り部材が、該対物光学系の間隔方向の外側に配置され、以下の条件式を満足する請求項１または請求項２に記載の立体視用光学系。
   Ｗ＜Ｄ０×ｓｉｎα
   ここで、Ｗは前記絞り部材における光軸から開口縁までの開口幅、
   Ｄ０は前記瞳位置から前記絞り部材までの光軸方向の距離、
   αは前記平行四辺形プリズムの前記撮像素子に対向する面における前記間隔方向の外側の角から前記平行四辺形プリズム内で２回偏向されて前記瞳位置を通過する光束と光軸とのなす角度
   である。
5. 前記撮像素子の略中央において相互に近接する２つの前記平行四辺形プリズムの端縁を、前記撮像素子の撮像面に対して被覆する遮光部材を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の立体視用光学系。
6. 前記遮光部材が、前記撮像素子の撮像面を被覆するように接着される透明な材質からなるプレートの表面に、光を吸収する材質からなる塗料を蒸着して構成されている請求項５に記載の立体視用光学系。

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