WO2013001880A1 - 立体撮影装置、およびそれを備えた電子機器 - Google Patents

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WO2013001880A1
WO2013001880A1 PCT/JP2012/058821 JP2012058821W WO2013001880A1 WO 2013001880 A1 WO2013001880 A1 WO 2013001880A1 JP 2012058821 W JP2012058821 W JP 2012058821W WO 2013001880 A1 WO2013001880 A1 WO 2013001880A1
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WO
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image
polarization
light
polarized
polarized light
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PCT/JP2012/058821
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Inventor
三宅　隆浩
三木　錬三郎
哲史 野呂
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シャープ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B35/00—Stereoscopic photography
    • G03B35/08—Stereoscopic photography by simultaneous recording
    • G03B35/10—Stereoscopic photography by simultaneous recording having single camera with stereoscopic-base-defining system
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/20—Image signal generators
    • H04N13/204—Image signal generators using stereoscopic image cameras
    • H04N13/239—Image signal generators using stereoscopic image cameras using two 2D image sensors having a relative position equal to or related to the interocular distance

Definitions

  • the present invention relates to a polarization-combining stereo camera capable of taking still images or moving images in stereo, and in particular, a polarization-combining stereo camera that can combine two polarized images of the same subject and obtain two polarized images again through an optical system.
  • a polarization-combining stereo camera capable of taking still images or moving images in stereo
  • a polarization-combining stereo camera that can combine two polarized images of the same subject and obtain two polarized images again through an optical system.
  • a method for displaying a subject on a display in three dimensions it has been proposed to shoot a subject image from two different directions to generate a stereo image. Further, as one method for measuring the distance to the subject, a stereo image of the subject is generated, and the distance to the subject is measured from the deviation of the subject using the principle of triangulation.
  • the left and right cameras are each provided with a positioning device arranged on a jig, and using a reference point and a reference horizontal line provided on a white plate arranged in parallel with the jig, The camera's optical axis and horizontal angle are adjusted.
  • a stereo adapter is attached to a camera capable of taking a stereo image, and a stereo format screen is divided into two to expose the right-eye and left-eye photos side by side (see Patent Document 2), or the camera's image sensor is arranged horizontally (horizontal). (Direction)
  • the left and right fields of view are narrowed. Therefore, the optical path of the two left and right imaging lenses is compressed in the left and right direction using a rotating mirror and a curved (convex) mirror.
  • a stereo adapter and a stereo image imaging device see Patent Document 3 in which the aspect ratio is the same as when the image is expanded by processing and imaged using the entire imaging device.
  • the image sensor is divided into left and right in this way, the left and right optical axes for capturing the same subject (subject) are different (physically separated), so the lens distortion is eliminated.
  • the field of view in the left and right direction of the captured image is narrowed. To avoid this, for example, complicated correction means as described in Patent Document 3 Is required.
  • the left and right images are picked up by half of the image pickup device, there is a problem that the images become rough as compared with the case of picking up using the whole pixels.
  • Patent Document 4 it is conceivable that the right-eye image is a P-polarized image, the left-eye image is an S-polarized image, and the S-polarized light is easily reflected.
  • the glass window is projected, the reflected light is well reflected and the reflected light is not easily reflected in the P-polarized light. Therefore, even if the same image is captured in the P-polarized image and the S-polarized image, the left and right images are different. Even if two images are combined, it is difficult to recognize as a stereoscopic image.
  • the present invention has been made to solve the problems of the conventional method for capturing a stereo image, and its purpose is to capture an image once divided into left and right by a stereo adapter with the entire imaging pixels of the camera.
  • a stereo adapter with the entire imaging pixels of the camera.
  • the stereoscopic imaging apparatus of the present invention takes out polarized image light beams having different parallaxes from the same subject image, and uses the same optical axis by the first prism provided with a polarization separation film that separates different polarization components.
  • the combined image beam is formed by a polarization combining unit that forms a combined image beam, a camera optical system that forms an image of the combined image beam formed by the polarized beam combining unit on a plurality of imaging elements described later, and a second prism.
  • a polarization separation unit that separates polarized image light beams in different optical axis directions and forms images on a plurality of image pickup devices.
  • a stereoscopic image with no parallax can be obtained with one camera, and no distortion occurs in the left and right captured images. do not need.
  • polarized image light beams having different parallaxes extracted from the same subject image are set as the same polarization component.
  • the difference in the appearance of the image due to the difference in polarization can be eliminated, and a good stereoscopic image can be obtained using the two images.
  • the stereoscopic imaging apparatus of the present invention is provided with means for shifting the phase by 1 / 2 ⁇ in an optical path until polarized image light beams of different parallax extracted from the same subject image exit from the first prism. Yes.
  • polarized image light beams having different parallaxes extracted from the same subject image can be made the same polarization component.
  • the stereoscopic imaging apparatus of the present invention is characterized in that polarized image light beams having different parallax extracted from the same subject image are polarized light of an S-polarized component.
  • the polarization combining unit of the stereoscopic imaging device of the present invention includes a first lens on which two lenses for forming an image and a polarization separation film that reflects one polarized light and transmits the other polarized light are formed. It is characterized by comprising a prism, a ⁇ / 4 film disposed on a surface orthogonal to one of the reflected polarized light, and a reflective surface disposed in parallel to the ⁇ / 4 film.
  • the polarization combining unit of the stereoscopic imaging device of the present invention is characterized in that the optical path lengths of different images from the light incident unit to the light emitting unit to the camera optical system unit are the same.
  • the polarization beam combining unit of the present invention is characterized in that a polarization sheet for transmitting a specific polarization component is provided on the incident side or the emission side of the two lenses.
  • the polarization beam combining unit is characterized in that the camera optical system unit is composed of a zoom optical system capable of changing an image forming magnification.
  • the polarization beam combiner of the present invention is characterized by including a polarization correction sheet for correcting polarization deviation.
  • phase difference sheet By arranging the phase difference sheet, an image with bias due to polarization can be made a natural image without bias.
  • the arrangement position of the phase difference sheet may be in the previous stage of the polarization combining unit of the first prism.
  • the polarization separation unit separates one polarization image and the other polarization image, forms the separated one polarization image on a corresponding image sensor, and separates the other polarization image. It is composed of a prism that forms an image of a polarized image on the other corresponding image sensor.
  • the stereoscopic imaging apparatus of the present invention is characterized in that a polarizing sheet for reducing crosstalk during polarization separation is disposed between the second prism and the plurality of imaging elements.
  • an electronic device equipped with the stereoscopic imaging apparatus of the present invention can obtain a stereoscopic image with a parallax without blurring with a single camera.
  • the stereoscopic imaging apparatus of the present invention has a distance measuring unit that calculates the distance to the subject based on the two separated images, so that the calculation processing for each small area divided on the image based on the principle of triangulation By performing the above, the distance to the object included in the small area can be obtained.
  • a stereoscopic image having a parallax without blurring can be obtained with one camera, two cameras having exactly the same characteristics as in the case of using two cameras as in the past are used. There is no need to prepare a stand, and there is no need for adjustment work such as mounting of two cameras, that is, alignment of the optical axes, and a synchronization mechanism of the two cameras.
  • different polarizations can be obtained by shifting the image light of the same polarization of the same subject having the parallax according to the distance between the two light incident portions by shifting the phase of the image light of one parallax by ⁇ / 2. Since the combined image light is separated into image light beams of different polarization by a polarization separation element and imaged on the corresponding image sensor, the difference in the appearance of the image due to the difference in polarization It can be eliminated, and a good stereoscopic image can be obtained using two images.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a stereoscopic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. It is a top view explaining the three-dimensional imaging device which concerns on embodiment of this invention. It is a perspective view explaining the three-dimensional imaging device which concerns on embodiment of this invention. It is a perspective view of the other three-dimensional imaging device of this invention. It is a figure of the other polarization separation part of this invention. It is a figure of the other polarization separation part of this invention. It is a figure of the other polarization separation part of this invention. It is a figure of the other polarization separation part of this invention. It is the schematic of the three-dimensional imaging device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. It is a figure of the other polarization composition part of the present invention.
  • the stereoscopic imaging apparatus shifts the phase of an image light beam of the same subject having the parallax corresponding to the difference in distance between the two incident surfaces by ⁇ / 2.
  • the configuration will be specifically described below.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing a polarization combining type stereoscopic photographing apparatus according to an embodiment of the present invention. That is, the polarization-combining stereoscopic imaging apparatus roughly includes two light incident portions 10 and 12 that capture an image of the subject 0 as light rays ⁇ 1 and ⁇ 2 with different parallaxes, and an image incident from the light incident portion 10. The phase of the S-polarized component of the light beam ⁇ 1 and the S-polarized component of the image light beam ⁇ 2 incident from the light incident portion 12 are shifted by ⁇ / 2 to form P-polarized light, and the optical axes of the light beam ⁇ 1 and the light beam ⁇ 2 coincide.
  • the polarization combining unit 2 that guides the camera optical system 3 to the camera optical system 3, the camera optical system 3 that emits an image formed so that the combined and incident image light beam forms an image on the image sensor at a desired magnification, and camera optics
  • the formed image emitted from the system 3 is imaged (photoelectrically converted) after being separated from the polarization separation unit 4 that separates the formed image in the direction of the two imaging sensors (elements) 5 and 6 according to the difference in polarization, and then A / D converted.
  • Image processing apparatus for forming an image from obtained digital image data It is made up of 7.
  • the phase of the S-polarized component of the image beam ⁇ 1 incident from the light incident unit 10 and the S-polarized component of the image beam ⁇ 2 incident from the light incident unit 12 are set to ⁇ /
  • the P-polarized component of the image beam ⁇ 1 incident from the light incident unit 10 and the P-polarized component of the image beam ⁇ 2 incident from the light incident unit 12 are combined. May be combined as an S-polarized component with a phase shift of ⁇ / 2.
  • the first polarization separation film 13 ′ positioned in the polarization beam combiner 2 shown in FIG. 2 reflects the P-polarized light and transmits the S-polarized light.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a specific embodiment of the polarization combining type stereoscopic photographing apparatus 1, FIG. 2 (a) is a plan view, and FIG. 2 (b) is a perspective view.
  • the polarization beam combining unit 2 includes lenses 10 and 12 that are light incident portions and a first prism 13 when viewed from the light incident side.
  • the first prism 13 bends and propagates the image incident from the lens, and reflects the first polarized light and transmits the other polarized light (for example, reflects the S polarized light and transmits the P polarized light).
  • a reflecting mirror 18 is disposed as a reflecting surface for reflection.
  • the image rays ⁇ 1 and ⁇ 2 will be described with reference to FIG.
  • the image ray ⁇ 1 is indicated by a solid line
  • ⁇ 2 is indicated by a broken line.
  • Light rays ⁇ 1 and ⁇ 2 incident on the lenses 10 and 12 from the Z direction are reflected in the direction of the first polarization separation film 13 ′ by the prism portion below.
  • the first polarization separation film 13 ′ is a polarization separation film that reflects S-polarized light and transmits P-polarized light will be described.
  • the polarized image light beam composed of the S-polarized component is reflected and travels in the direction of the camera optical system unit 3 in the ⁇ Y direction.
  • the polarized image light beam composed of the P-polarized component in the light beam ⁇ 2 is transmitted through the first polarization separation film 13 ′ and does not move toward the camera optical system unit 3 and does not contribute to image formation.
  • the light ray ⁇ 1 shown by the solid line is composed of P-polarized light and S-polarized light from the lens 10 to the polarization separation film 13 ′, but the light ray ⁇ 1 is transmitted from the polarization separation film 13 ′ to the camera optical system unit 3 only from S-polarization.
  • the polarized image light beam composed of the S-polarized component of the light beam ⁇ 2 incident on the first polarization separation film 13 ′ from the lens 12 side is reflected in the Y direction and transmitted through the ⁇ / 4 sheet 17, for example, to the right
  • the light is converted into circularly polarized light and further reflected by the reflecting mirror 18 to become counterclockwise circularly polarized light, and again transmitted through the ⁇ / 4 sheet 17 to become P polarized light.
  • the polarized image light beam that has become P-polarized light passes through the first polarization separation film 13 ′ and is emitted in the direction of the camera optical system unit 3.
  • the polarization image light composed of the P-polarized component is transmitted through the first polarization separation film 13 ′ and directed toward the camera optical system unit 3. It does not contribute to image formation. That is, the light ray ⁇ 2 indicated by the broken line is composed of P-polarized light and S-polarized light from the lens 12 to the polarization separation film 13 ′, and the S-polarized light reflected by the polarization separation film 13 ′ is transmitted through the ⁇ / 4 sheet 17 and reflected. Reflected by the mirror 18 and again transmitted through the ⁇ / 4 sheet 17, it becomes P-polarized light, and is transmitted through the polarization separation film 13 ′. From the polarization separation film 13 ′, the light ⁇ 2 is P-polarized light. Consist only of.
  • the optical path lengths of the image light beam emitted from the lens 10 side in the direction of the camera optical system unit 3 and the image light beam emitted from the lens 12 side in the direction of the camera optical system unit 3 are the same.
  • the prism length on the lens 10 side is made longer than that on the lens 12 side, and the optical path length is made uniform. That is, the S-polarized light of the image light beam ⁇ 2 incident from the lens 12 side is reflected by the polarization separation film 13 ′, and then passes through the reflection separation film 13 ′ through the ⁇ / 4 sheet 17 and the reflection mirror 18 to become P-polarization.
  • the prism length on the lens 10 side is lengthened by the amount of the optical path length until this time.
  • the 2A has a configuration in which a ⁇ / 4 sheet 17 and a reflection mirror 18 are provided on the lens 12 side in order to change the S-polarized light of the image light beam ⁇ 2 to the P-polarized light.
  • the polarization separation film 13 ′ reflects P-polarized light and transmits S-polarized light
  • a ⁇ / 2 sheet having the S-polarized light of the image light ⁇ 1 on the lens 10 side as P-polarized light is the polarization separation film 13.
  • the polarized image light beam that has become P-polarized light of the image light beam ⁇ 1 is reflected by the polarization separation film 13 ′ and directed to the camera optical system unit 3, while the image light beam ⁇ 2 on the lens 12 side is reflected by the reflection mirror 18.
  • the light is incident on the camera optical system unit 3 from the direction of the light, the P-polarized light is reflected by the polarization separation film 13 ′ and is directed in a direction different from the direction of the camera optical system unit 3, and the S-polarized light is directed to the camera optical system unit 3. It does not matter.
  • the relationship between the P-polarized light and the S-polarized light described above may be reversed with respect to the P-polarized light and the S-polarized light including the configuration of the polarization separation film 13 ′ and the like.
  • the lenses 10 and 12 in the light incident portion can easily obtain optical characteristics of the camera optical system portion 3 described later, or can reduce the diameter of the light beam propagating through the polarization combining portion 2, but the assembling property is improved.
  • two images taken from the lens 10 side and the lens 12 side can be synthesized on one optical axis and emitted to the camera optical system unit 3.
  • the difference between P-polarized light and S-polarized light is used for image synthesis, all the captured images are S-polarized images, and the phase of one of the S-polarized images is shifted by 1 / 2 ⁇ inside the apparatus. Because it is only converted to P-polarized light, for example, the difference in polarization between the two images, such as the water surface, the reflected light of the glass, and the liquid crystal display screen, does not occur, and a stereoscopic image described later is generated. If you do this, you will get an image without any sense of incongruity.
  • a visible light wavelength band ⁇ (450 nm to 700 nm) is used, and a P-polarized light transmittance 80 in a range of an incident angle of 45 ⁇ 10 degrees to the first polarization separation film 13 ′.
  • % Or more and S-polarized reflectance of 80% or more are desirable.
  • a polarizing sheet 9 may be disposed either before or after the lenses 10 and 12, as shown in FIG. 3A shows that the polarizing sheet 9 is arranged in front of the lenses 10 and 12, and FIG. 3B shows that the polarizing sheet 9 is arranged after the lenses 10 and 12.
  • FIG. 3A shows that the polarizing sheet 9 is arranged in front of the lenses 10 and 12
  • FIG. 3B shows that the polarizing sheet 9 is arranged after the lenses 10 and 12.
  • the P-polarized image can be removed and the ratio of the S-polarized image can be increased at the stage of incidence on the first prism 13, so that a difference in image due to the difference in polarization does not occur, and a three-dimensional image is generated. If this is the case, an image without a sense of incongruity can be obtained.
  • the polarizing sheet 9 is disposed after the lenses 10 and 12, the light rays are collected by the lens, and the incident angle of the light rays to the polarizing sheet 9 can be narrowed. Therefore, the performance of the polarizing sheet 9 is further exhibited. More effective.
  • a polarization correction sheet 11 may be disposed before and after the lenses 10 and 12 of the subject image capturing unit.
  • the polarization correction sheet 11 converts the phase of the linearly polarized light component including the polarization component of the S-polarized light component or the P-polarized light component (especially, water surface, reflected light of glass, liquid crystal display screen, etc.) to a circularly polarized light component by shifting it by ⁇ / 4. And has a function of correcting a difference in appearance due to polarization deviation.
  • a polarizing sheet 9 that transmits only the S-polarized light may be added behind it in order to reduce crosstalk during polarization synthesis.
  • the light from ⁇ 1 is mixed as P-polarized light and the light from ⁇ 2 is mixed as S-polarized light at the time of polarization synthesis, thereby degrading the 3D image as crosstalk. Can be prevented.
  • the 3D image is degraded.
  • Stray light other than the light rays ⁇ 1 and ⁇ 2 can be suppressed.
  • by increasing the distance in the X direction between the lenses 10 and 12 and the camera optical system unit 3, stray light entering the camera optical system unit 3 through the lens can be suppressed.
  • the camera optical system unit 3 is composed of a plurality of lens groups 8 and is a zoom optical system that can change the focal length by driving a part of these lens groups 8.
  • the two types of input polarized images are simultaneously zoomed and focused by this set of zoom lens units, and the influence of the aberration of the optical system acts on the two images in the same way.
  • the difference between the images does not occur, and the cost of the imaging system is the highest, and the effect of cost reduction and size minimization is great for the camera optical system part that is affected by the size increase.
  • the characteristics of the second prism 4 ′ are such that the P-polarized light transmittance is 80% or more in the visible light wavelength band ⁇ (450 nm to 700 nm) and the incident angle to the second polarization separation film 4 ′′ is 45 ⁇ 10 degrees, S The polarization reflectance is preferably 80% or more. Further, by arranging the polarizing sheet 9 between the second polarization separation film 4 ′′ and the imaging sensors 5 and 6, crosstalk at the time of polarization separation can be reduced.
  • a polarizing sheet 9 is disposed between the second polarization separation film 4 ′′ and the imaging sensors 5 and 6 in order to reduce crosstalk during polarization separation.
  • the polarization separation film 4 ′′ For example, the polarization separation film 4 ′′.
  • the stray light is blocked by disposing a polarizing sheet 9 that transmits S-polarized light between the image sensor 5 and the imaging sensor 5 and a polarizing sheet 9 that transmits P-polarized light between the polarization separation film 4 ′′ and the image sensor 6.
  • the light rays incident from the lenses 10 and 13 can be neatly subdivided and imaged on each sensor.
  • 5 (a) to 5 (e) are other examples of the polarization separation unit 4 having a layout in which the interval between the image sensors 5 is widened to facilitate the arrangement.
  • 5A to 5C the shape of the second prism 4 ′ is made different, and the incident angle of the light to the second polarization separation film 4 ′′ is made smaller than 45 degrees, so that the interval between the image sensors 5 is increased.
  • the second prism 4 ′ in FIG. 5D has a second polarization separation film 4 ′′ that reflects S-polarized light and transmits P-polarized light, and ⁇ / 4 on the side facing the direction of the camera optical system unit 3.
  • the sheet 17 and the reflection mirror 18 are disposed.
  • the S-polarized component is reflected by the second polarization separation film 4 "and directed to the image sensor 5, and the P-polarized component is transmitted through the second polarization separation film 4".
  • the ⁇ / 4 sheet By passing through the ⁇ / 4 sheet, it is converted into, for example, clockwise circularly polarized light, and further reflected by the reflecting mirror 18 to become counterclockwise circularly polarized light, and again through the ⁇ / 4 sheet, it becomes S polarized light.
  • the S-polarized image reflects off the polarization separation film 4 ′′ and enters the image sensor 6.
  • the second prism 4 'on the sensor 5 side is lengthened to make the optical path length uniform.
  • the second prism 4 ′ in FIG. 5E includes a second polarization separation film 4 ′′ that reflects S-polarized light and transmits P-polarized light, a ⁇ / 4 sheet 17 and a reflecting mirror 18 on the side perpendicular to the direction of the camera optical system 3.
  • the P-polarized light component passes through the second polarization separation film 4 ′′ and travels toward the image sensor 6, and the S-polarized light component is the second polarization separation film.
  • the optical path lengths of the images incident on the imaging sensors 5 and 6 are the same, and the second prism 4 ′ on the imaging sensor 6 side is lengthened to make the optical path lengths uniform.
  • a polarization element 20 for transmitting P-polarized light and a changing element for transmitting S-polarized light are alternately arranged at positions corresponding to the respective pixels 21 of the imaging sensor 6.
  • the polarizing plate 22 is configured to separate the P and S polarized light from the camera optical system unit 3.
  • the imaging sensors 5 and 6 include, for example, an imaging element (sensor) such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor, a sample hold circuit, an A / D converter, and the like, and imaging based on the P-polarized and S-polarized separated images. Image data is generated based on the output of the element.
  • the camera device has a built-in memory for recording information related to the image taken by itself, and image processing is performed by a general-purpose interface capable of transferring images at high speed, such as a bidirectional parallel interface or a SCSI interface, or USB (Universal Series Bus). It is connected to the computer of the device 7.
  • FIG. 7 shows another embodiment of the polarization beam combiner 2.
  • the polarization beam combiner 2 includes lenses 10 and 12 that are light incident portions when viewed from the image incident side, and a first prism 13.
  • lenses 10 and 12 that are light incident portions when viewed from the image incident side
  • first prism 13 a first prism 13
  • the first prism 13 is composed of a prism portion that bends and propagates an image incident from the lenses 10 and 12, and a first polarization separation film 13 ′ that reflects one polarized light and transmits the other polarized light. .
  • a case where the first polarization separation film 13 ′ reflects S-polarized light and transmits P-polarized light will be described.
  • the S-polarized light of the image beam ⁇ 1 on the lens 10 side is reflected by the polarization separation film 13 ′ and travels to the camera optical system unit 3, and the P-polarized light is transmitted through the polarization separation film 13 ′ and differs from the direction of the camera optical system unit 3. Head for.
  • the image light beam ⁇ 2 on the lens 12 side is incident on the first prism 13 from the direction facing the camera optical system unit 3, and the S-polarized light is reflected by the polarization separation film 13 ′ and is different from the direction of the camera optical system unit 3.
  • the P-polarized light is directed to the camera optical system unit 3 while moving in the direction. That is, the polarization combining unit 2 here is guided to the camera optical system unit 3 so that the optical axes of the S-polarized light of the image light ⁇ 1 and the P-polarized light of the image light ⁇ 2 coincide.
  • the relationship between the P-polarized light and the S-polarized light described above may be reversed with respect to the P-polarized light and the S-polarized light including the configuration of the polarization separation film 13 ′ and the like.
  • the lenses 10 and 12 in the light incident portion can easily obtain optical characteristics of the camera optical system portion 3 described later, or can reduce the diameter of the light beam propagating through the polarization combining portion 2, but the assembling property is improved.
  • a polarization correction sheet ( ⁇ / 4 phase difference sheet) 11 is provided in front of the lenses 10 and 12 in order to reduce crosstalk during polarization synthesis.
  • the polarization correction sheet 11 may be provided in any polarization synthesis unit 2 up to the polarization separation film 13 ′.
  • the images incident from the lenses 10 and 12 are polarized by the polarization correction sheet 11 ( ⁇ / 4 retardation sheet), and the polarization component of the S-polarization component or the P-polarization component (especially water surface, reflected light of glass, liquid crystal display screen, etc.) Is converted into a circularly polarized light component, and a uniform image with corrected polarization deviation is obtained.
  • the polarization correction sheet 11 is not limited to the ⁇ / 4 phase difference sheet, and the ⁇ / 2 phase difference sheet rotates the 45-degree polarized light with respect to the polarization direction of the P-polarized light or S-polarized light of the polarization separation film 13 ′.
  • the polarization direction of the light which was the S-polarized component at the time of light incidence, is rotated by 45 degrees with respect to the polarization-separating film surface of the polarization separating film 13 ′, so that the P-polarized component is 50%, S
  • the light that was the P-polarized component at the time of incident light is converted into 50% P-polarized component and 50% S-polarized component by rotating 45 degrees.
  • the S-polarized light reflected by the polarization separation film surface of the polarization separation film 13 ' is composed of 50% of the light that was S-polarized at the time of light incidence and 50% of the light that was P-polarized at the time of light incidence. It is possible to capture without bias (only P-polarized light or only S-polarized light).
  • the polarization correction sheet 11 may be omitted for cost reduction when the polarization deviation of the subject is not a concern.
  • the uniform polarization-corrected image is bent and propagated by the prism unit that propagates the image incident from the lenses 10 and 12, the optical axis is bent by 90 degrees, one polarized light is transmitted, and the other polarized light is reflected.
  • PBS polarizing beam splitter, polarizing beam splitter, hereinafter referred to as PBS
  • the characteristics of PBS are visible light wavelength band ⁇ (450 nm to 700 nm), P-polarized light transmittance of 80% or more, and S-polarized light reflectance of 80% or more in the range of 45 ⁇ 10 degrees incident angle to the first polarization separation film 13 ′. Is desirable.
  • the polarizing sheet 9 may be disposed between the ⁇ / 4 phase difference sheet 11 and the first polarization separation film 13 ′.
  • the S-polarized component of the image from the lens 10 side is reflected by the first prism 13 and proceeds in the direction of the camera optical system unit 3, and the image from the lens 12 side is the S-polarized component by the ⁇ / 4 phase difference sheet.
  • the polarization component of the P-polarized component (particularly the water surface, the reflected light of the glass, the liquid crystal display screen, etc.) is converted into a circularly polarized component, and the P-polarized component of the image obtained by correcting the polarization polarization is uniform.
  • the S-polarized image from the lens 10 side and the P-polarized image from the lens 12 side are synthesized by the polarization synthesizing unit 2 and input to the camera optical system unit 3 with the optical axes coincident.
  • the lenses 10 and 12 are aligned in the X direction of the drawing, and the combined polarization light is emitted in the ⁇ Y direction. Therefore, it is possible to reduce the size without creating a useless space. Furthermore, if the layouts as shown in FIGS. 8C to 8F are taken, the distance between the lenses 10 and 12 (base line length) can be increased, and when a stereoscopic image is generated, a more stereoscopic image can be created. Can do. Further, in the case of the layouts as shown in FIGS. 8D to 8F, since the camera optical unit can be arranged in the X direction, an apparatus that can further shorten the length in the Y direction can be realized.
  • FIG. 9 shows a structure in which the first prism 13 of the polarization beam combiner 2 is divided.
  • the base line length can be increased, and when a stereoscopic image is generated, an image with a more stereoscopic effect can be created.
  • the stereoscopic effect of the generated stereoscopic image can be adjusted by adding the function of the tilt to the divided lens-side prism.
  • the factor that determines the stereoscopic effect is the convergence angle ⁇ formed by the intersection of the optical axes of the two light rays ⁇ 1 and ⁇ 2, and the convergence angle ⁇ decreases as the subject 0 is far, and increases when the subject 0 is close.
  • the stereoscopic effect of the subject 0 can be adjusted by the size of the convergence angle ⁇
  • the stereoscopic effect of the stereoscopic image can be adjusted by adjusting the convergence angle ⁇ by adding a tilt to the divided prism.
  • the device can be realized.
  • FIG. 10 an image incident on the lenses 10 and 12 from the Z direction has a circular component of the S-polarized component or P-polarized component (particularly water surface, reflected light of glass, liquid crystal display screen, etc.) by the ⁇ / 4 retardation sheet 11. It is converted into a polarization component, the polarization deviation is corrected, and reflected by the prism 14 below in the prism direction.
  • the prism has a cross prism structure formed of a polarizing film 15 that reflects S-polarized light and transmits P-polarized light and a polarizing film 16 that transmits and reflects S-polarized light.
  • the S-polarized light component is transmitted through the polarizing film 16 and reflected by the polarizing film 15 toward the camera optical system in the -Y direction, and from the lens 12 side to the prism.
  • the P-polarized light component passes through the polarizing film 15 and is reflected by the polarizing film 16 and travels in the ⁇ Y direction toward the camera optical system.
  • the prism shape is made atypical and the angle of incidence of the image on the polarizing film 15 is made smaller than 45 degrees, so that the distance between the lenses 10 and 12 is made relatively small. And the base line length that is the interval can be increased.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating the structure of the image processing device 7.
  • the image processing apparatus 7 includes a CPU 71 having a function of executing arithmetic processing and outputting an instruction, a ROM 72 storing a program for causing the CPU 71 to execute a procedure for image processing, and the processing operation of the CPU. Therefore, the above-mentioned program read from the ROM 72, the computer 70 composed of the RAM 73 for temporarily storing data necessary for the processing of the CPU, the input unit 74 for inputting data, commands, etc.
  • a display unit 75 for displaying the output of the CPU and storage means (not shown) for storing image data as necessary are provided.
  • the incident images ⁇ 1 and ⁇ 2 that have passed through each of the light incident units 10 and 12 pass through the polarization combining unit 2, the camera optical system unit 3, and the polarization separation unit 4, respectively, on the image sensor, respectively with P-polarized light and S An image separated into polarized light is formed.
  • the P and S polarized images are slightly shifted from each other according to the parallax of the light incident portions 10 and 12.
  • the image is converted into an electrical signal by the imaging sensor, A / D converted, then entered into the built-in image signal processing circuit, subjected to processing such as shading correction and ⁇ correction, and then recorded in the built-in memory.
  • the image data recorded in the built-in memory is input to the image processing device 7 in response to an image data request from the image processing device 3.
  • the image data input to the image processing device 7 is formed into two stereo images by the computer 70.
  • the computer 70 of the image processing device 7 can also calculate, for example, the distance to the subject from the two images obtained in this way, and output it to an output device (not shown).
  • FIG. 13 shows an embodiment in which the polarization combining type stereoscopic photographing apparatus 1 of the present invention is incorporated in a casing of an electronic device such as a mobile phone, a pocket movie, or a digital camera.
  • the light incident units 10 and 12 are arranged on a plane composed of the polarization combining unit 2, the camera optical system unit 3, and the polarization separation unit 4, as in the stereoscopic imaging apparatus of the embodiment of FIG. 6.
  • FIG. 13B shows an example of mounting when arranged on the orthogonal side, and the electronic apparatus of FIG. 13B includes a light combining unit 10 and a polarization combining unit 2 and a camera optical system as shown in FIG. 4 shows an example of mounting in the case where the unit 3 and the polarization separation unit 4 are arranged in a plane direction.
  • the stereoscopic imaging apparatus of the present invention can make a distance measurement possible by further providing a configuration necessary for distance measurement and mounting it on an electronic device.
  • the distance measurement by the polarization combining type stereo camera is performed based on the already known triangulation principle.
  • the stereoscopic photographing apparatus according to the present invention can be widely applied to all photographing apparatuses such as a digital still camera.
  • the present invention can be applied to a small photographing device suitable for carrying. Specifically, it is mounted on a portable information terminal or a mobile phone.

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Abstract

　被写体（０）の像を取り込む２か所の光入射部（１０、１２）と、光入射部（１０）から入射した入射画像と光入射部（１２）から入射した入射画像の同じ偏光成分をＰ偏光成分とＳ偏光成分として合成して、カメラ光学系部（３）に導く偏光合成部（２）と、合成されて入射した像を所望の倍率で撮像センサ上に結像するように結像画像を出射するカメラ光学系部（３）とカメラ光学系部（３）を出射した結像画像を偏光の違いにより２つの撮像センサ（素子）（５、６）方向に分離する偏光分離部（４）と分離した像を撮像（光電変換）した後Ａ／Ｄ変換して得たデジタル画像データから画像を形成する画像処理装置（７）とから成る。

Description

立体撮影装置、およびそれを備えた電子機器
　本発明は、静止画または動画のステレオ撮影が可能な偏光合成式ステレオカメラ、特に、同一被写体の２つの偏光画像を合成し光学系を通して再び２つの偏光画像を得ることができる偏光合成式ステレオカメラに関する。
　被写体を立体的にディスプレイに表示する方法として被写体の画像を異なる２方向から撮影し、ステレオ画像を生成することが提案されている。また、被写体までの距離の測定のための１つの方法としても被写体のステレオ画像を生成し被写体のズレから、三角測量の原理を用いて被写体までの距離を測定することが行われている。
　このステレオ画像を撮影する一般的な方式としては以下のものがある。
（１）カメラを２台使用するもの。
（２）左右で対となる反射手段を使用してカメラの撮影素子を半分に分けて撮影するもの。
　（１）のカメラを２台使用する方式では、全く同じ特性のカメラ２台が必要であり、とくに、２台のカメラの取り付け、即ち光軸合わせを精度よく行う必要がある。また、２台のカメラに外部信号に同期させて映像を取り込む機構も必要である。例えば、特許文献１に記載されたものでは、左右カメラに夫々治具上に配置された位置決め装置を備え、この治具と平行に配置された白板に設けた参照点と参照水平線を用いて、カメラの光軸と水平角度を調節するようにしている。
　また（２）の左右で対となる反射手段を使用して、カメラの撮影素子を半分に分けて左右別々の撮像素子を使用して撮影する方式としては、例えば、２つの被写体光入射窓を持つステレオアダプタをステレオ撮影可能なカメラに取り付け、ステレオフォーマットの画面を２分割して右目用、左目用の写真を並べて露光するもの（特許文献２参照）、或いは、カメラの撮影素子を左右（水平方向）半分に分けて撮像を行った場合、左右の視野が狭くなるため、左右二つの撮影レンズの光路を回転ミラーと湾曲（凸面）ミラーを用いて左右方向に圧縮して撮像した後、画像処理で伸張して撮像素子全体を用いて撮像したときと同じアスペクト比にしたステレオアダプタ及びステレオ画像撮像装置（特許文献３参照）が知られている。
　ただ、このように撮像素子を左右に分割して使用すると、左右で同じ撮影対象（被写体）を取り込む光軸が異なる（物理的に離れた位置にある）ため、レンズの歪みをうち消すように撮像した左右画像を補正する必要があるだけではなく、撮像画像の左右方向の視野が狭くなるため、これを回避しようとすれば、例えば、特許文献３に記載されているような複雑な補正手段が必要になる。また左右の画像は撮像素子の半分で撮像するため、全体画素を用いて撮像する場合に比して、画像が粗くなるという問題もある。
　また、それ以外に、特許文献４として、右目用の像としてＰ偏光像、左目用の像としてＳ偏光像とし、偏光の違いにより撮像することも考えられるが、Ｓ偏光は反射しやすく、水面やガラス窓を写すと反射光がよく写り、Ｐ偏光は反射光が写りにくいため、Ｐ偏光像とＳ偏光像では同じ像を写しても見え方に違いが発生し左右の像が異なり、２つの像を合成しても立体像としては認識しにくくなる。
特開平７－２２９７３６号公報 特開平７－７７７４７号公報 特開２００３－１４０２８０号公報 特開昭６４－５４４３８公報
　本発明は、ステレオ画像を撮影するための従来の方式の問題を解消するためなされたものであって、その目的は、一旦ステレオアダプタで左右に分けた画像を、カメラの撮像画素全体で撮像して１枚の画像を形成することで従来の撮像画素を左右に分けた場合の問題を解決し、また、そこから左右画像を容易に分割できるようにすることで、従来のように光学系の補正や撮像画像の補正を必要とすることなく、ぶれや歪みのないステレオ画像を容易に得られるようにすることである。
　本課題を解決するために本発明の立体撮像装置は、同一被写体像からそれぞれ異なる視差の偏光画像光線を取り出して、異なる偏光成分を分離する偏光分離膜を備えた第１のプリズムにより同一光軸上に合成画像光線を形成する偏光合成部と、前記偏光合成部で形成される合成画像光線を後記する複数の撮像素子に結像するカメラ光学系部と、第２のプリズムにより前記合成画像光線から異なる光軸方向に偏光画像光線を分離して複数の撮像素子に結像させる偏光分離部と、を有する。
　上記構成によれば、１台のカメラでぶれのない視差を持った立体画像を得ることができ、左右の撮像画像に歪みが発生することもないため、歪み補正のための装置や画像処理も必要としない。
　また、本発明の立体撮像装置は、前記同一被写体像から取り出される異なる視差の偏光画像光線を、同一偏光成分とする。
　上記構成によれば、偏光の違いによる像の見え方の違いも解消でき、２つの画像を使って良好な立体画像が得られる。
　また、本発明の立体撮像装置は、前記同一被写体像から取り出される異なる視差の偏光画像光線が、前記第１のプリズムを出射するまでの光路中に、位相を１／２λずらす手段が設けられている。
　上記構成によれば、前記同一被写体像から取り出される異なる視差の偏光画像光線を、同一偏光成分とすることができる。
　また、本発明の立体撮像装置は、前記同一被写体像から取り出される異なる視差の偏光画像光線は、Ｓ偏光成分の偏光であることを特徴とする。
　上記構成によれば、反射の影響を反映した撮像画像が得られる。
　また、本発明の立体撮像装置の前記偏光合成部は、画像を結像するための２つのレンズと、一方の偏光を反射し、他方の偏光を透過する偏光分離膜が形成された第１のプリズムと、反射された一方の偏光に対して直交する面に配置したλ／４膜と、λ／４膜に平行に配置された反射面で構成されていることを特徴とする。
　上記構成によれば、薄型でコンパクトな記偏光合成部が得られる。
　また、本発明の立体撮像装置の前記偏光合成部は、光入射部からカメラ光学系部への光出射部までの異なる画像の光路長が同じであることを特徴とする。
　上記構成によれば、シンプルな構成で歪の無い撮像画像が得られる。
　また、本発明の偏光合成部は、前記２つのレンズの入射側または出射側に特定の偏光成分を透過するための偏光シートを備えることを特徴とする。
　上記構成によれば、違和感のない立体像を得られる。
　また、本発明の立体撮像装置の前記偏光合成部は、前記カメラ光学系部は像の結像倍率を変更できるズーム光学系からなることを特徴とする。
　上記構成によれば、ズーミングの可能な立体撮像装置が得られる。
　また、本発明の偏光合成部は、偏光の偏りを補正するための偏光補正シートを備えることを特徴とする。
　位相差シートを配置することで、偏光による偏りのある画像が偏りのない自然な画像にすることができる。位相差シートの配置位置は第1プリズムの偏光合成部の前段であれば良い。
　また、本発明の立体撮像装置は、前記偏光分離部は、一方の偏光画像と他方の偏光画像とを分離し、分離した一方の偏光画像を対応する撮像素子に結像させ、分離した他方の偏光画像を他方の対応する撮像素子に結像させるプリズムで構成されていることを特徴とする。
　また、本発明の立体撮像装置は、前記第２のプリズムと前記複数の撮像素子の間には、偏光分離時のクロストークを低減するための偏光シートが配置されていることを特徴とする。
　上記構成によれば、偏光分離時のクロストークを低減することができる。
　また、本発明の立体撮像装置搭載した電子機器は１台のカメラでぶれのない視差を持った立体画像を得ることができる。
　また、本発明の立体撮像装置において、分離した二枚の画像に基づき被写体までの距離を算出する距離測定手段を有することにより、三角測量の原理に基づき、画像上に区切った小領域毎演算処理を施すことで、その小領域に含まれる物体までの距離を求めることができる。
　本発明によれば、１台のカメラでぶれのない視差を持った立体画像を得ることができるため、従来のように２台のカメラを用いた場合のように、全く同じ特性のカメラを２台用意する必要がなく、２台のカメラの取り付け、即ち光軸合わせ等の調整作業や、２台のカメラの同期機構等を必要としない。
　また、左右の撮像画像に歪みが発生することがないから、歪み補正のための装置や画像処理も必要としない。したがって、本発明によれば、コストだけではなくステレオ画像を得るための設備や処理負担も大幅に軽減できる。
　また、本発明によれば、二つの光入射部の距離に応じた視差を備えた同一被写体の同一偏光の画像光線を、一方の視差の画像光線の位相をλ／２ずらすことで、異なる偏光の画像光線として合成し、この合成画像光線を偏光分離素子で、互いに異なる偏光の画像光線に分離し、それぞれに対応した撮像素子に結像するため、偏光の違いによる像の見え方の違いも解消でき、２つの画像を使って良好な立体画像が得られる。
本発明の実施形態に係る立体撮影装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る立体撮影装置を説明する平面図である。 本発明の実施形態に係る立体撮影装置を説明する斜視図である。 本発明の他の立体撮影装置の斜視図である。 本発明の他の偏光分離部の図である。 本発明の他の偏光分離部の図である。 本発明の他の偏光分離部の図である。 本発明の第２の実施形態に係る立体撮影装置の概略図である。 本発明の他の偏光合成部の図である。 本発明の他の偏光合成部の図である。 本発明の他の偏光合成部の図である。 本発明の他の偏光合成部の図である。 画像処理装置の構造を説明するブロック図である。 本発明の実施形態に係る立体撮影装置を電子機器に搭載した実施例である。
　＜実施の形態１＞
　本発明の１実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態に係る立体撮影装置は、二つの入射面の距離の差に応じた視差を備えた同一被写体の同一偏光の画像光線を、一方の視差の画像光線の位相をλ／２ずらすことで、異なる偏光の画像光線として合成し、１つのカメラ光学系で撮影し、再び偏光の違いにより２つの画像光線に分離しそれぞれに対応した撮像素子に結像させ、左右２枚の画像を形成するものである。以下、その構成について具体的に説明する。
　図１は、本発明の実施形態に係る偏光合成式立体撮影装置を概略的に示す概念図である。即ち、偏光合成式立体撮影装置は、概略的には被写体０の像を、光線α1、α２としてそれぞれ異なる視差で取り込む２か所の光入射部１０、１２と、光入射部１０から入射した画像光線α１のＳ偏光成分と、光入射部１２から入射した画像光線α２のＳ偏光成分の位相をλ／２ずらしてＰ偏光とした後で合成して、光線α１と光線α２の光軸が一致するようにカメラ光学系３に導く偏光合成部２と、合成されて入射した画像光線を所望の倍率で撮像センサ上に結像するように結像画像を出射するカメラ光学系３と、カメラ光学系３を出射した結像画像を偏光の違いにより２つの撮像センサ（素子）５、６の方向に分離する偏光分離部４と分離した像を撮像（光電変換）した後Ａ／Ｄ変換して得たデジタル画像データから画像を形成する画像処理装置７とから成っている。
　上記実施の形態では、反射光の影響を考慮して、光入射部１０から入射した画像光線α１のＳ偏光成分と、光入射部１２から入射した画像光線α２のＳ偏光成分の位相をλ／２ずらしてＰ偏光として合成したが、反射光の影響を抑圧する場合には、光入射部１０から入射した画像光線α１のＰ偏光成分、光入射部１２から入射した画像光線α２のＰ偏光成分の位相をλ／２ずらしてＳ偏光成分として合成してもよい。その場合、図２に記載する偏光合成部２に位置する第１の偏光分離膜１３’は、Ｐ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過して使用することになる。
　図２は、偏光合成式立体撮影装置1の具体的な実施形態を模式的に示した図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は斜視図を表す。偏光合成部２は、光の入射側からみて、光入射部であるレンズ１０、１２と、第１のプリズム１３とからなっている。
　第１のプリズム１３は、レンズから入射した画像を折り曲げ、伝搬させるプリズム部と、一方の偏光を反射し、他方の偏光を透過（例えば、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過）する第１の偏光分離膜１３’からなる。また、カメラ光学系部３と対向する側の反対面側にλ／４膜（λ／４シート、λ／４位相差シート）１７（λは可視波長域としλ＝４５０ｎｍ～７００ｎｍ）と画像を反射する反射面として反射ミラー１８が配置されている。
　次に画像光線α１とα２について、図２（ａ）を用いて説明する。画像光線α１は実線、α２は破線でそれぞれ記載している。Ｚ方向からレンズ１０、１２に入射した光線α１、α２はその下のプリズム部で第１の偏光分離膜１３’の方向に反射する。ここで第１の偏光分離膜１３’は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する偏光分離膜とした場合について説明する。レンズ１０側から第１の偏光分離膜１３’に入射する光線α１のうちＳ偏光成分からなる偏光画像光線は、反射して―Ｙ方向のカメラ光学系部３の方向に向かう。一方、光線α２のうちＰ偏光成分からなる偏光画像光線に関しては、第１の偏光分離膜１３’を透過し、カメラ光学系部３の方向に向かわず結像に寄与しない。つまり、実線で示した光線α１は、レンズ１０から偏光分離膜１３’まではＰ偏光とＳ偏光からなるが、偏光分離膜１３’からカメラ光学系部３へは、光線α１はＳ偏光のみからなる。
　また、レンズ１２側から第１の偏光分離膜１３’に入射する光線α２のうちＳ偏光成分からなる偏光画像光線は、Ｙ方向に反射してλ／４シート１７を透過することで、たとえば右回り円偏光に変換され、さらに反射ミラー１８で反射することで左回り円偏光になり、再びλ／４シート１７を透過することでＰ偏光になる。Ｐ偏光になった偏光画像光線は、第１の偏光分離膜１３’を透過し、カメラ光学系部３の方向に出射する。
　レンズ１２側から第１の偏光分離膜１３’に入射する画像光線のうちＰ偏光成分からなる偏光画像光線は、第１の偏光分離膜１３’を透過し、カメラ光学系部３の方向に向かわず結像に寄与しない。つまり、破線で示した光線α２は、レンズ１２から偏光分離膜１３’まではＰ偏光とＳ偏光からなり、偏光分離膜１３’で反射されたＳ偏光はλ／４シート１７を透過し、反射ミラー１８で反射し、再びλ／４シート１７を透過することでＰ偏光となって偏光分離膜１３’を透過し、偏光分離膜１３’からカメラ光学系部３へは、光線α２はＰ偏光のみからなる。
　また、光学特性上、レンズ１０側からカメラ光学系部３の方向に出射する画像光線とレンズ１２側からカメラ光学系部３の方向に出射する画像光線の光路長を同一にすることが望ましく、レンズ１０側のプリズム長をレンズ１２側に比べて長くし光路長をそろえている。つまり、レンズ１２側から入射した画像光線α２のうちＳ偏光が偏光分離膜１３’で反射されてから、λ／４シート１７、反射ミラー１８を経てＰ偏光となって反射分離膜１３’を透過するまでの間の光路長の分だけ、レンズ１０側のプリズム長を長くしている。
　図２（ａ）の立体撮影装置では、画像光線α２のＳ偏光をＰ偏光とするためにレンズ１２側にλ／４シート１７および反射ミラー１８を設けた構成とした。別の構成としては、偏光分離膜１３’がＰ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過する構成とし、レンズ１０側の画像光線α１のＳ偏光をＰ偏光とするλ／２シートを偏光分離膜１３’の手前に設けることで、画像光線α１のＰ偏光となった偏光画像光線が偏光分離膜１３’で反射されカメラ光学系部３に向かい、一方、レンズ１２側の画像光線α２を反射ミラー１８の方向からカメラ光学系部３に入射させ、偏光分離膜１３’でＰ偏光を反射してカメラ光学系部３の方向と異なる方向に向かわすと共に、Ｓ偏光をカメラ光学系部３に向かう構成としても構わない。
　これまでに説明したＰ偏光とＳ偏光との関係は、偏光分離膜１３’等の構成も含めてＰ偏光とＳ偏光を逆としても良い。また、光入射部のレンズ１０、１２は後述するカメラ光学系部３の光学特性を得やすく、あるいは偏光合成部２を伝搬する光束径を小さくすることができる効果があるが、組立性を良くする、部品削減によるコスト削減、装置厚みを薄くするために光入射部であるレンズ１０、１２をなくすこともできる。
　上記の方法にて、レンズ１０側とレンズ１２側から取り込んだ２つの像を１つの光軸上に合成してカメラ光学系部３に出射することができる。また、像の合成にはＰ偏光とＳ偏光の違いを利用しているが、取り込んでいる像はいずれもＳ偏光像であり、そのうち一方のＳ偏光像を装置内部で位相を１／２λずらして、Ｐ偏光に変換しているだけであるため、たとえば水面、ガラスの反射光、液晶の表示画面等２つの像間で偏光の違いによる像の違いが発生せず、後述の立体像を生成した場合にも違和感のない像が得られる。
　第１の偏光分離膜１３’の特性としては、可視光波長帯域λ（４５０ｎｍ～７００ｎｍ）を用い、第１の偏光分離膜１３’への入射角４５±１０度の範囲でＰ偏光透過率８０％以上、Ｓ偏光反射率８０％以上が望ましい。
　また、カメラ光学系部３に出射するＰ偏光をさらに除去するため、図３に示すように、レンズ１０、１２の前後どちらかに偏光シート９を配置しても良い。図３（ａ）はレンズ１０、１２の前に偏光シート９を配置したもので、図３（ｂ）はレンズ１０、１２の後に偏光シート９を配置したものである。これにより、第１のプリズム１３に入射する段階で、Ｐ偏光像を除去し、Ｓ偏光像の比率を高くすることができるため、偏光の違いによる像の違いが発生せず、立体像を生成した場合により違和感のない像を得られる。なお、レンズ１０、１２の後に偏光シート９を配置するほうが、光線がレンズにより集光され、偏光シート９への光線の入射角を狭くすることができるため、偏光シート９の性能をより発揮することができ、より高い効果を得られる。
　また更に、被写体像取込部のレンズ１０、１２の前後に偏光補正シート１１を配置しても良い。偏光補正シート１１は、Ｓ偏光成分あるいはＰ偏光成分の偏り成分（特に水面、ガラスの反射光、液晶の表示画面など）を含む直線偏光成分の位相をλ／４ずらして円偏光成分に変換し、偏光の偏りによる見え方の違いを補正する機能を有する。さらにその後ろに偏光合成時のクロストークを減らすためにＳ偏光のみを透過させる偏光シート９を付加してもよい。これにより後段の偏光分離膜１３’の変更分離特性が十分でない場合でも偏光合成時にα１からの光がＰ偏光、α２からの光がＳ偏光として混じってしまいクロストークとして３Ｄ像を劣化させることを防止できる。
　また、３Ｄ像を劣化させる迷光を抑制するために、光線α１、α２が通る部分を除く第１のプリズム１３の表面への墨塗りや、すりガラス加工を行うことも良い。レンズの縁や反射面での散乱等によって生じる迷光が、カメラ光学系部３に出射し、撮像センサ５、６に結像すると、３Ｄ像を劣化させてしまうが、上記の方法によれば、光線α１、α２以外の迷光を抑制することができる。その他には、レンズ１０、１２とカメラ光学系部３間のＸ方向の距離を広げることで、レンズを通ってカメラ光学系部３へ侵入する迷光を抑制できる。
　次に、カメラ光学系部３は、複数のレンズ群８から構成されており、これらのレンズ群８の一部が駆動することにより焦点距離を変更できるズーム光学系となっている。このため入力された２種類の偏光像はこの１組のズームレンズユニットで同時にズーミング、フォーカシングが行われるとともに、光学系のもつ収差の影響は２つの像に対して同じように働くため、２つの像間の画像の違いが発生せず、さらに、撮像系として最もコストがかかり、サイズアップの影響があるカメラ光学系部分に対してコストダウンとサイズの最小化の効果が大きいこととなる。
　カメラ光学系部３から出射した２種類の偏光像光線は偏光分離部４に入射し、第２のプリズム４’（例えば、ＰＢＳ　偏光ビームスプリッタ　Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　Ｂｅａｍ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）で元のＰ偏光像とＳ偏光像に分離され撮像センサ５に結像する。このとき第２のプリズム４’の特性は可視光波長帯域λ（４５０ｎｍ～７００ｎｍ）、第２の偏光分離膜４”への入射角４５±１０度の範囲でＰ偏光透過率８０％以上、Ｓ偏光反射率８０％以上が望ましい。また、第２の偏光分離膜４”と撮像センサ５、６の間に偏光シート９を配置することにより、偏光分離時のクロストークを低減することができる。
　図４は、偏光分離時のクロストークを低減するために、第２の偏光分離膜４”と撮像センサ５、６の間に偏光シート９を配置したものである。例えば、偏光分離膜４”と撮像センサ５の間にＳ偏光を透過させる偏光シート９を配置し、偏光分離膜４”と撮像センサ６の間にＰ偏光を透過させる偏光シート９を配置することで、迷光を遮断することができ、各レンズ１０、１３から入射した光線をきれいに再分割して各センサに結像することができる。
　撮像センサ５の間隔を広げ、配置しやすくなるレイアウトの偏光分離部４の他の実施例として図５（ａ）～（ｅ）がある。図５（ａ）～（ｃ）は第２のプリズム４’の形状を異型にし、第２の偏光分離膜４”への光の入射角を４５度より小さくすることで撮像センサ５の間隔を広げたものである。図５（ｄ）の第２のプリズム４’はＳ偏光反射、Ｐ偏光透過する第２の偏光分離膜４”とカメラ光学系部３方向と対向する側にλ／４シート１７と反射ミラー１８に配置されている。カメラ光学系部３方向から入射した画像のうちＳ偏光成分は第２の偏光分離膜４”で反射して撮像センサ５に向かい、Ｐ偏光成分は第２の偏光分離膜４”を透過してλ／４シートを透過することで、たとえば右回り円偏光に変換され、さらに反射ミラー１８で反射することで左回り円偏光になり、再びλ／４シートを透過することでＳ偏光になる。Ｓ偏光になった画像は偏光分離膜４”を反射し、撮像センサ６に入射する。また、光学特性上、撮像センサ５、６に入射する画像の光路長を同一にすることが望ましく、撮像センサ５側の第２のプリズム４’を長くし光路長を揃えている。
　図５（ｅ）の第２のプリズム４’はＳ偏光反射、Ｐ偏光透過する第２の偏光分離膜４”とカメラ光学系部３方向と直交する側にλ／４シート１７と反射ミラー１８に配置されている。カメラ光学系部３方向から入射した画像のうちＰ偏光成分は第２の偏光分離膜４”を透過して撮像センサ６に向かい、Ｓ偏光成分は第２の偏光分離膜４”を反射してλ／４シートを透過することで、たとえば右回り円偏光に変換され、さらに反射ミラー１８で反射することで左回り円偏光になり、再びλ／４シートを透過することでＰ偏光になる。Ｐ偏光になった画像は第２の偏光分離膜４”を透過し、撮像センサ５に入射する。また、光学特性上、撮像センサ５、６に入射する画像の光路長を同一にすることが望ましく、撮像センサ６側の第２のプリズム４’を長くし光路長を揃えている。
　また偏光分離部４の他の実施例として図６に示すように、撮像センサ６の各画素２１に対応した位置にＰ偏光透過の偏光素子２０とＳ偏光透過の変更素子が交互に配置された偏光板２２を構成することでカメラ光学系部３からのＰ，Ｓ偏光を分離するようにしている。これにより撮像センサ６は１個しか使用する必要がなくなり、組立性が向上し、コスト削減が可能となるとともに、プリズムのような大きな光学素子が不要となり、装置の小型化が可能となると共に、光学性能の改善が図られる効果がある。
　撮像センサ５、６は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子（センサ）、サンプルホールド回路、Ａ／Ｄ変換器等を備えており、上記Ｐ偏光及びＳ偏光の分離画像に基づく撮像素子の出力に基づいて画像データを生成する。また、カメラ装置は、自身が撮影した画像に関する情報を記録する内蔵メモリを有し、双方向パラレルインターフェースやＳＣＳＩインターフェース等の、高速で画像転送可能な汎用インターフェースやＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｂｕｓ）によって画像処理装置７のコンピュータに接続される。
　＜実施の形態２＞
　次に、本発明の立体撮影装置に関わる実施の形態２を図７～図１１を用いて説明する。実施の形態1では、Ｓ偏光像のうち一方のＳ偏光像を偏光合成部によってＰ偏光に変換するための手段として、λ／４シートと反射ミラーを用いた構成について説明したが、本実施の形態２では、λ／４シートと反射ミラーを用いない構成である。その他の構成については実施の形態１と同一であるため、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
　図７は、偏光合成部２の他の実施例である。偏光合成部２は、画像の入射側からみて光入射部であるレンズ１０、１２と、第１のプリズム１３とからなっている。ここでは、偏光補正シート１１を設けない構成として説明する。
　第１のプリズム１３は、レンズ１０、１２から入射した画像を折り曲げ、伝搬させるプリズム部と、一方の偏光を反射し、他方の偏光を透過する第１の偏光分離膜１３’から構成されている。以下は、第１の偏光分離膜１３’として、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する場合について説明する。レンズ１０側の画像光線α１のＳ偏光は偏光分離膜１３’で反射されカメラ光学系部３に向かうと共に、Ｐ偏光は偏光分離膜１３’を透過してカメラ光学系部３の方向と異なる方向に向かう。一方、レンズ１２側の画像光線α２は、カメラ光学系部３と対向した方向から第１のプリズム１３へ入射させ、Ｓ偏光は偏光分離膜１３’反射してカメラ光学系部３の方向と異なる方向に向かわすと共に、Ｐ偏光をカメラ光学系部３に向かう。つまり、ここでの偏光合成部２は、画像光線α１のＳ偏光と画像光線α２のＰ偏光の光軸が一致するようにカメラ光学系部３へ導かれることとなる。
　これまでに説明したＰ偏光とＳ偏光との関係は、偏光分離膜１３’等の構成も含めてＰ偏光とＳ偏光を逆としても良い。また、光入射部のレンズ１０、１２は後述するカメラ光学系部３の光学特性を得やすく、あるいは偏光合成部２を伝搬する光束径を小さくすることができる効果があるが、組立性を良くする、部品削減によるコスト削減、装置厚みを薄くするために光入射部であるレンズ１０、１２をなくすこともできる。
　次に、偏光合成時のクロストークを減らすために偏光補正シート（λ／４位相差シート）１１をレンズ１０、１２の前に設けた場合について説明する。偏光補正シート１１は、偏光分離膜１３’までの偏光合成部２であれば、何れに設けても良い。このときレンズ１０、１２から入射した画像は、偏光補正シート１１（λ／４位相差シート）によりＳ偏光成分あるいはＰ偏光成分の偏り成分（特に水面、ガラスの反射光、液晶の表示画面など）が円偏光成分に変換され、偏光の偏りが補正された均一な画像になる。なおこの偏光補正シート１１はλ／４位相差シートに限るものではなく、λ／２位相差シートで後段の偏光分離膜１３’のＰ偏光あるいはＳ偏光の偏光方向に対して４５度偏光を回転するシートであってもよく、この場合、偏光分離膜１３’の偏光分離膜面に対して光入射時にＳ偏光成分だった光の偏光方向が４５度回転することによりＰ偏光成分５０％、Ｓ偏光成分５０％に変換され、同様に光入射時にＰ偏光成分だった光が４５度回転することによりＰ偏光成分５０％、Ｓ偏光成分５０％に変換される。その結果、偏光分離膜１３’の偏光分離膜面で反射するＳ偏光は光入射時Ｓ偏光だった光の５０％と光入射時Ｐ偏光だった光の５０％分からなり、入射光の偏光の偏り（Ｐ偏光だけ、あるいはＳ偏光だけ）がなく取り込むことができる。偏光補正シート１１は、被写体の偏光の偏りが気にならない場合にはコスト削減のため省いても良い。
　次に偏光の偏りが補正された均一な画像は、レンズ１０、１２から入射した画像を折り曲げ、伝搬させるプリズム部で９０度光軸が曲げられ、一方の偏光を透過し、他方の偏光を反射するプリズム部（例えば、ＰＢＳ　偏光ビームスプリッタ　Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　Ｂｅａｍ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ、以下ＰＢＳと表記する。）に入射する。ＰＢＳの特性としては可視光波長帯域λ（４５０ｎｍ～７００ｎｍ）、第１の偏光分離膜１３’への入射角４５±１０度の範囲でＰ偏光透過率８０％以上、Ｓ偏光反射率８０％以上が望ましい。
　また更に偏光合成時のクロストークを減らすためにλ／４位相差シート１１と第１の偏光分離膜１３’の間に偏光シート９を配置しても良い。このときレンズ１０側からの画像のうちＳ偏光成分は、第１のプリズム１３で反射してカメラ光学系部３方向に進み、レンズ１２側からの画像はλ／４位相差シートによりＳ偏光成分あるいはＰ偏光成分の偏り成分（特に水面、ガラスの反射光、液晶の表示画面など）が円偏光成分に変換され、偏光の偏りが補正され均一になった画像のうちＰ偏光成分は、第１のプリズム１３を透過しカメラ光学系部３方向に進む。これによりカメラ光学系部３に対してレンズ１０側からのＳ偏光像とレンズ１２側からのＰ偏光像が偏光合成部２で合成され、光軸が一致して入力される。
　偏光合成部２の更に他の実施例として図８（ａ）～（ｂ）のような構成にするとレンズ１０、１２が図面Ｘ方向にならび、偏光合成光は－Ｙ方向に出射するため、装置に無駄なスペースができずに、小型化が図れる。さらに図８（ｃ）～（ｆ）のようなレイアウトをとるとレンズ１０と１２の間隔（基線長）が長くとることができ、立体像を生成した場合、より立体感のある像をつくることができる。また図８（ｄ）～（ｆ）のようなレイアウトの場合、カメラ光学部もＸ方向に配置できるため、Ｙ方向の長さをより短縮できる装置が実現可能となる。
　また、図９は、偏光合成部２の第１のプリズム１３を分割構造にしたものである。これにより基線長を長くとることができ、立体像を生成した場合、より立体感のある像をつくることができる。また、図９（ｂ）のように、分割させたレンズ側のプリズムにあおりの機能を追加することで、生成する立体像の立体感を調整することができる。立体感を決める要素は、２つの光線α1、α２の光軸が交差してできる輻輳角θであり、被写体０が遠いと輻輳角θは小さくなり、近いと大きくなる。このように輻輳角θの大きさにより、被写体０の立体感を調整できるため、分割させたプリズムにあおりを加えて輻輳角θを調整することで、立体像の立体感を調整することができる装置が実現可能となる。また、分割させて空いた隙間に偏光シート９を追加してもよい。
　さらに、基線長を長くとりながら、プリズムの大きさをできるだけ小さくする実施例として図１０のような構成も可能となる。図１０ではＺ方向からレンズ１０、１２に入射した画像はλ／４位相差シート１１によりＳ偏光成分あるいはＰ偏光成分の偏り成分（特に水面、ガラスの反射光、液晶の表示画面など）が円偏光成分に変換され、偏光の偏りが補正されその下のプリズム１４でプリズム方向に反射する。この時、プリズムはＳ偏光反射、Ｐ偏光透過する偏光膜１５とＳ偏光透過、Ｐ偏光反射する偏光膜１６から形成されているクロスプリズムの構造を有する。これにより、レンズ１０側からプリズムに入射する画像のうちＳ偏光成分は偏光膜１６を透過し、偏光膜15で反射して―Ｙ方向のカメラ光学系部方向に向かい、レンズ１２側からプリズムに入射する画像のうちＰ偏光成分は偏光膜１５を透過し、偏光膜１６で反射して―Ｙ方向のカメラ光学系部方向に向かう。このような構成にすることにより、より小型化された立体撮影装置を提供できる。
　図１１（ａ）～（ｂ）はプリズムの形状を異型にし、偏光膜１５への画像の入射角を４５度より小さくすることでプリズムの大きさを比較的小さくしながらレンズ１０，１２の間隔を広げ、その間隔である基線長を大きくすることができる。
　＜実施の形態３＞
　次に、本発明の立体撮影装置を搭載した電子機器について、図１２、図１３を用いて説明する。立体撮影装置の構成については実施の形態１または実施の形態２と同一であるため、同一の符号を付してその詳細な説明および図面を省略する。図１２は画像処理装置7の構造を説明するブロック図である。
　画像処理装置７は、演算処理を実行し命令を出力する等の機能を備えたＣＰＵ７１と、画像処理のための手順をＣＰＵ７１に実行させるためのプログラム等を格納したＲＯＭ７２と、ＣＰＵの処理動作のために、ＲＯＭ７２から読み出した上記プログラムや、ＣＰＵの処理のために必要なデータ等を一時的に格納しておくＲＡＭ7３からなるコンピュータ７０と、データやコマンド等を入力するための入力部７４と、ＣＰＵの出力を表示するための表示部７５、更に必要に応じて画像データを収納するための記憶手段（図示せず）を備えている。
　以上の構成において、各光入射部１０及び１２を通った入射画像α１及びα２は、それぞれ偏光合成部２、カメラ光学系部３、偏光分離部４を通して、その撮像センサ上にそれぞれＰ偏光及びＳ偏光に分離した画像を結像する。このＰ、Ｓ偏光画像は上記光入射部１０及び１２の視差に応じてそれぞれ互いに僅かにずれている。
　画像は撮像センサで電気信号に変換されて、Ａ／Ｄ変換した後、内蔵の画像信号処理回路に入りシェーディング補正やγ補正等の処理を行った後、その内蔵メモリに記録される。この内蔵メモリに記録された画像データは、画像処理装置３からの画像データ要求に応じて画像処理装置7に入力される。画像処理装置7に入力された画像データは、そのコンピュータ7０で画像２枚のステレオ画像に形成される。画像処理装置7のコンピュータ7０はこのようにして得られた２つの画像から、例えば被写体までの距離を演算し、図示しない出力装置に出力することもできる。
　図１３は、本発明の偏光合成式立体撮影装置１を携帯電話あるいはポケットムービー、デジカメの等の電子機器の筐体に組み込んだときの実施例である。図１３（ａ）の電子機器は、図６の実施例の立体撮影装置のように、光入射部１０，１２が、偏光合成部２、カメラ光学系部３、偏光分離部４から成る平面に直交する側に配置されている場合の搭載例を表したものであり、図１３（ｂ）の電子機器は、図1のように光入射部１０，１２が、偏光合成部２、カメラ光学系部３、偏光分離部４から成る平面方向に配置されている場合の搭載例を表したものである。
　また、本発明の立体撮影装置は、距離測定に必要な構成をさらに設け電子機器に搭載することにより距離測定を可能にすることが出来る。偏光合成式ステレオカメラによる距離計測は、既に知られた三角測量の原理に基づいて行う。画像上に区切った小領域毎に三角測量の原理に基づく演算処理を施すことで、その小領域に含まれる物体までの距離を求めることができる。
　本発明に係る立体撮影装置は、デジタルスチルカメラなどの撮影機器全般に広く適用することができる。また、携帯に適した小型の撮影装置に適用することができる。具体的には、携帯型情報端末または携帯電話に搭載される。
　１　偏光合成式立体撮影装置
　２　偏光合成部
　３　カメラ光学系部
　４　偏光分離部
　４’　第２のプリズム
　４’’　偏光分離膜
５，６　撮像センサ
　７　画像処理装置
　９　偏光シート
７０　コンピュータ
７１　ＣＰＵ
７２　ＲＯＭ
７３　ＲＡＭ
７４　入力部
７５　表示部
１０、１２　光入射部
１１　偏光補正シート
１３　第１のプリズム
１３'　偏光分離膜

Claims (13)

  1. 　同一被写体像からそれぞれ異なる視差の偏光画像光線を取り出して第１のプリズム（１３）により同一光軸上に合成画像光線を形成する偏光合成部（２）と、
    　前記偏光合成部（２）で形成される合成画像光線を結像するカメラ光学系部（３）と、
    　第２のプリズム（４’）により前記合成画像光線から異なる光軸方向に偏光画像光線を分離して複数の撮像素子に結像させる偏光分離部（４）と
    を有することを特徴とする立体撮影装置。
  2. 前記同一被写体像から取り出される異なる視差の偏光画像光線は、同一偏光成分であることを特徴とする請求項1記載の立体撮影装置。
  3. 前記同一被写体像から取り出される異なる視差の偏光画像光線が、前記第１のプリズム（１３）を出射するまでの光路中に、位相をλ／２ずらす手段が設けられていることを特徴とする請求項1記載の立体撮影装置。
  4. 前記同一被写体像から取り出される異なる視差の偏光画像光線は、Ｓ偏光成分の偏光であることを特徴とする請求項1記載の立体撮影装置。
  5. 前記偏光合成部（２）は、光入射部（１０，１２）を成し画像を結像するための２つのレンズと、一方の偏光を反射し、他方の偏光を透過する偏光分離膜（１３’）が形成された第１のプリズム（１３）と、反射された一方の偏光に対して直交する面に配置したλ／４膜と、λ／４膜に平行に配置された反射面で構成されていることを特徴とする請求項１記載の立体撮影装置。
  6. 前記偏光合成部（２）の光入射部（１０，１２）からカメラ光学系部（３）への光出射部までの異なる画像の光路長が同じであることを特徴とする請求項１記載の立体撮影装置。
  7. 前記偏光合成部（２）は、前記２つのレンズの入射側または出射側に特定の偏光成分を透過するための偏光シート（９）を備えることを特徴とする請求項５記載の立体撮影装置。
  8. 前記カメラ光学系部（３）は、像の結像倍率を変更できるズーム光学系からなることを特徴とする請求項１ないし請求項５記載の立体撮影装置。
  9. 前記偏光合成部（２）は、偏光の偏りを補正するための偏光補正シート（１１）を備えることを特徴とする請求項１に記載の立体撮影装置。
  10. 前記偏光分離部（４）は、一方の偏光画像と他方の偏光画像とを分離し、分離した一方の偏光画像を対応する撮像素子に結像させ、分離した他方の偏光画像を他方の対応する撮像素子に結像させるプリズムで構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６記載の立体撮影装置。
  11. 前記第２のプリズム（４’）及び前記複数の撮像素子の間には、偏光分離時のクロストークを低減するための偏光シート（９）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６記載の立体撮影装置。
  12. 請求項１ないし請求項６記載の立体撮影装置を搭載したことを特徴とする電子機器。
  13. 請求項１ないし請求項６記載の立体撮影装置において、分離した二枚の画像に基づき被写体までの距離を算出する距離測定手段を有することを特徴とする立体撮影装置。
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