(57)【要約】【課題】特に近距離接写撮像において、被写体までの距離に応じて適切な視差を有する左右の画像を撮像し、高品位な立体画像の取得が可能となる立体撮像装置を提供することを目的とする。またさらに、ズーム時等においても常に左右の画角が等しい画像を撮像することができる立体撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】被写体からの光を集光し、結像させる前段の撮像手段であるマスターレンズ１０と、マスターレンズによって被写体の実像が結像される位置よりも後ろに配置され、マスターレンズ１０により集光された光を再結像させるリレーレンズ３１、３２とを備える。そして、リレーレンズによって被写体の像が結像される位置に、被写体からの光を受光する撮像素子４１、４４を配置して、立体撮像を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アフォーカルでない光学系によって構成され、被写体の像を結像させる一眼の前段の光学部材と、
前記前段の光学部材による前記被写体の結像面よりも後方に、且つその光軸が前記前段の光学部材の光軸と略平行で一致しない位置に配置され、前記前段の光学部材により結像される実像を再結像させる後段の複数の光学部材と、
前記後段の光学部材により結像される光線を受光して撮像信号を得る撮像素子と、
を有する
立体撮像装置。
【請求項２】
前記前段の光学部材と前記後段の光学部材の間に配置され、前記前段の光学部材によって集光される前記被写体からの光束を、それぞれ別の前記後段の光学部材にそれぞれ導き、かつ前記被写体からの前記光束の中心光線を前記後段の複数の光学部材の間に導くフィールドレンズをさらに有する
請求項１に記載の立体撮像素子。
【請求項３】
前記撮像素子は、前記後段の複数の光学素子ごとに個別に設けた
請求項２に記載の立体撮像装置。
【請求項４】
前記前段の光学部材がズームレンズを含む
請求項２に記載の立体撮像装置。
【請求項５】
前記前段の光学部材は、光線を透過させる絞り面積の変化が可能な開口調整部機能をさらに有する
請求項２に記載の立体撮像装置。
【請求項６】
前記フィールドレンズはプラスの屈折力を有するコンデンサレンズである
請求項２に記載の立体撮像装置。
【請求項７】
前記フィールドレンズはマイナスの屈折力を有するレンズである
請求項２に記載の立体撮像装置。
【請求項８】
前段の光学部材により所定位置に結像された被写体の実像を再結像させ、且つその光軸が前記前段の光学部材の光軸と平行で一致しない位置に配置される、後段の複数の光学部材と、
前記後段の光学部材により結像される光線を受光して撮像信号を得る撮像素子と、
を有する
立体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体画像の撮像を行うビデオカメラなどに適用される立体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
立体的な画像を撮像するために、２本の撮像レンズを別々に装備したカメラによって撮像を行うことが従来より行われている。この種のカメラでは、特許文献１のように２本の撮像レンズのうち、片方は右眼用の画像を撮像し、もう一方は左眼用の画像を撮像することで視差のある２つの画像を取得する。これらの画像を観察者の左右眼にそれぞれ提供することで、観察者は立体的な画像を視覚することができる。
このような立体的な画像は、娯楽用だけでなく医療分野等でも利用が望まれており様々な形態の立体撮像装置が提案されてきている。
【０００３】
図５は一般的な立体撮像装置の一例を表す斜視図である。立体撮像装置５００は左眼用の画像を撮像する撮像部３Ｌと右眼用の画像を撮像する撮像部３Ｒを備える。これら撮像された２つの画像を立体画像として提供するには、様々な方式がある。
例えば左右の画像をそれぞれ互いに異なる偏光によって映し、観察者はそれに対応した偏光フィルタを左右のレンズに有する眼鏡をかけて画像を見ることにより、左右の眼に応じた画像が提供され、立体的な画像を得ることができる。
【０００４】
撮像された画像が立体感をもつためには、撮像対象までの距離に応じた左右画像の視差が必要となる。この左右画像の視差は、左眼画像を撮像する撮像部３Ｌのレンズ１Ｌの光学中心２Ｌと、右眼用の画像を撮像する撮像部３Ｒのレンズ１Ｒの光学中心２Ｒとの距離Ｌによって決まる。
【０００５】
効果的な立体感が得られる画像を撮像するためには、遠くの被写体に対してはＬを大きくし、近距離の被写体に対してはＬを小さくして視差を小さくすることが必要となる。
一般的には、Ｌは撮像する被写体までの距離の１／３０程度が好ましいとされている。この場合における被写体までの距離とＬとの関係は例えば表１のようになる。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
ところで、このような立体撮像装置にはもちろんズーム機能を有するものもあり、下記特許文献２には、２本の撮像レンズをギヤ連結し、ズーム時に同期して回転させることが開示されている。
また、下記特許文献３には製造時の組み立て精度が原因として生じる、ズーム時の左右の撮像光学系の光軸のズレを補正するために、焦点距離検出手段によってズレ量を求め、制御することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１６２９９０号公報
【特許文献２】特開平２００１−３３９００号公報
【特許文献３】特開平８−３１７４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、一般的に高画質な画像を撮像するためには、カメラの筐体は大きくなる傾向がある。また、輝度レベルの高い画像を得るためには、開口数の大きいレンズとする必要があり、レンズの直径は大きくなる。また、焦点距離の長いレンズとするほど同様にレンズ直径は大きくなる。
【００１０】
このようなレンズを用いている場合において、接写のように近距離の被写体を立体撮像装置によって撮像しようとする時には問題が生じる。レンズの直径が大きいために図５における左右のレンズ鏡胴４Ｌ、４Ｒ同士又はカメラ筐体５Ｌ、５Ｒ同士がぶつかる等して干渉してしまうため、被写体までの距離に合わせて左右のレンズ中心間距離Ｌを小さくすることができない。
このために、適したＬの値より大きい状態にならざるをえず、左右の画像の視差が必要以上に大きくなり、立体感が誇張され過ぎた不自然な画像となってしまう。
【００１１】
また、Ｌが大きい時には、左右カメラの視野領域の重なる範囲が狭くなるため、近距離撮像においては同じ被写体を撮像できず、異なった被写体が写ってしまうこともある。
これを避けるためには、二つのカメラを向かい合わせ方向に傾けて、光軸に角度を持たせる必要がある。こうすることによって、左右の視野に十分なオーバーラップを確保することができるものの、輻湊角が大きくなり過ぎると自然な立体感を再現することが阻害される。
【００１２】
また、左右２つのカメラがズームレンズを有している場合には、さらなる問題が存在する。とくにズームしながら動画を撮像する場合には、左右のレンズ画角を同期させてズームをおこなわなければ、立体感が不自然なものとなってしまう。
このように、ズーム時には左右のレンズ画角を正確に合わせなければならないが、このためには、上記特許文献２〜３のように複雑な機構や処理を必要とする。また被写体の距離が近い程それは困難となる。
【００１３】
そこで本発明では上記問題に鑑みて、特に近距離接写撮像において、被写体までの距離に応じて適切な視差を有する左右の画像を撮像し、高品位な立体画像の取得が可能となる立体撮像装置を提供することを目的とする。
またさらには、ズーム時等においても常に左右の画角が等しい画像を簡易に撮像することができる立体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では上記課題を解決するために、有焦点の光学系によって構成され、被写体の像を結像させる１眼の前段の光学部材を備える。そして、その前段の光学部材による被写体の結像面よりも後方に、且つその光軸が前段の光学部材の光軸と平行で一致しない位置に配置され、前段の光学部材により結像される実像を再結像させる後段の複数の光学部材を備える。さらに、後段の光学部材により結像される光線を受光する撮像素子を有する。
【００１５】
このように構成したことで、前段の光学部材に入射した被写体からの光線を、視差の異なる複数の画像情報を有する光線に分離して、それぞれ後段の光学部材に導くことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、１眼の前段の光学部材による被写体の結像面よりも後方に、且つその光軸が前段の光学部材の光軸と平行で一致しない位置に後段の光学部材が配置されるようにしてある。このため、前段の光学部材に入射した被写体からの光線を、視差の異なる複数の画像情報を有する光線に分離して、それぞれ後段の光学部材に導くことができる。従って、１眼で構成された前段の光学部材を介して得た像光を使って立体視用の撮像信号が得られ、立体撮像が良好に行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態の例に係る立体撮像装置を表す説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の例に係る立体撮像装置を表す説明図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の例に係る立体撮像装置を表す説明図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の例に係る立体撮像装置を表す説明図である。
【図５】従来の立体撮像装置の一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら、以下の順序で説明する。
１．第１の実施の形態（図１）
２．第２の実施の形態（図２）
３．第３の実施の形態（図３）
４．第４の実施の形態（図４）
５．各実施の形態の変形例
【００１９】
１．第１の実施の形態
図１は本発明の第１の実施の形態に係る立体撮像装置１００を上面から見た構成図である。図１においては、光学系と撮像素子を示してあり、撮像素子で得た撮像信号を処理する処理回路系については省略してある。他の実施の形態で説明する図２以降の図についても同様である。
本実施の形態における立体撮像装置１００は、被写体からの光を集光し、結像させる前段の撮像手段であるマスターレンズ１０を備える。マスターレンズ１０によって被写体の実像が結像される位置よりも後ろには、マスターレンズ１０により集光された光を再結像させるリレーレンズ３１、３２が配置してある。さらに、リレーレンズ３１、３２によって被写体の像が結像される位置に、被写体からの光を受光する撮像素子４１、４５を有する。撮像素子４１、４５は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）型イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型イメージセンサが使用される。
撮像素子４１、４５では、受光した像光を電気的な撮像信号に変換して出力させる。撮像素子４５が右目用の撮像信号を出力し、撮像素子４１が左目用の撮像信号を出力する。この２つの撮像信号を使って、図示しない処理回路では、立体視用の画像信号を得る。
【００２０】
ここで、被写体ａからマスターレンズ１０に入射する光の光束を代表して中心の光線を光線４、その周辺の光線を１及び光線７として表してある。また同様に、マスターレンズ１０の光軸上にある被写体ｂからマスターレンズ１０に入射する光束を代表する中心の光線を光線５、その周辺の光線を光線２及び光線８として表してある。さらに、被写体ｃからマスターレンズ１０に入射する光束を代表する中心の光線を光線６、その周辺の光線を光線３及び光線９として表してある。
【００２１】
被写体ａからの光線である光線１，光線４，光線７は、マスターレンズ１０によって屈折され、それぞれ光線１１，光線１４，光線１７となり、その結像面である像面５１上に集光される。
そして、光線１１はリレーレンズ３２に入射し、撮像素子４５上の点４８に結像される。また、光線１７はリレーレンズ３１に入射し、撮像素子４１上の点４２に結像される。これらリレーレンズ３１，３２は、その光軸３３，３４が、フィールドレンズ１０の光軸５０と平行で一致しない位置に配置される。光線１４は、リレーレンズ３１及びリレーレンズ３２の間に導かれるため撮像素子４１，４５には受光されない。
【００２２】
同様に、マスターレンズ１０の光軸５０上にある被写体ｂからの光線である光線２，光線５，光線８は、マスターレンズ１０によって屈折されて光線１２，光線１５，光線１８となり、像面５１上に集光される。ここで、光線５は、マスターレンズ１０の光軸５０上を進む。そして集光された後各光は開散し、光線１２はリレーレンズ３２に入射して撮像素子４５上の中心点４７に結像する。
また、光線１８はリレーレンズ３１に入射し、撮像素子４１の中心点４３に結像する。本実施の形態においては、撮像素子４１，４５の中心点４３，４７は、リレーレンズ３１，３２の光軸３３，３４上にはなく、マスターレンズ１０の光軸５０から離れる方向にずれた位置に配置されることになる。光線１５は、リレーレンズ３１，３２の間に導かれるため、撮像素子４１，４５には受光されない。
【００２３】
被写体ｃからの光線である光線３，光線６，光線９も同様に、マスターレンズ１０によって屈折され、それぞれ光線１３，光線１６，光線１９として像面５１上に集光された後、開散する。そして、光線１３はリレーレンズ３２に入射して撮像素子４５上の点４８に結像される。また、光線１９はリレーレンズ３１に入射し、撮像素子４１上の点４２に結像する。
光線１６は、リレーレンズ３１，３２の間に導かれるため、撮像素子４１，４５には受光されない。
【００２４】
本実施の形態においては、マスターレンズ１０の結像面よりも後方にリレーレンズ３１，３２が配置され、さらにその光軸３３，３４はマスターレンズ１０の光軸と平行であるが一致せず、離れて配置してある。このため、各被写体からマスターレンズ１０に入射する光束のうちの中心の光線がリレーレンズ３１とリレーレンズ３２との間に導かれるようにマスターレンズ１０を構成することで、撮像素子４１，４５上には中心の光線が結像しない。また逆に、マスターレンズ１０によって集光された後に開散する、中心の光線をとりまく周辺の光線のみをリレーレンズ３１，３２に入射し撮像素子４１，４５上に結像させることができる。
【００２５】
同じ被写体からの光でも、マスターレンズ１０の口径内への入射位置によってその入射角度はそれぞれ異なる。即ち、入射角度の異なる光線はその角度に対応した視差情報を有しているとみなせる。
このため本実施の形態では、例えば被写体からマスターレンズ１０に入射する光のうち、中心の光線を通り、上下方向に平行な面によって、右眼用の視差情報を有する光と、左眼用の視差情報を有する光とに分けて、それぞれを別の撮像素子に結像させている。
例えば図１における被写体ａの光線４よりも右側にある光線１付近の被写体ａからの光は、右眼用の被写体ａの視差情報を有しているとみなせる。また逆に左側にある光線７付近の被写体ａからの光は、左眼用の被写体ａの視差情報を有している。
【００２６】
これらの光はマスターレンズ１０により一度それぞれ集光された後開散するので、その右眼用の視差情報を有する各光線は、リレーレンズ３２に入射し、撮像素子４５上に結像する。また、左眼用の視差情報を有する光線７付近の被写体ａからの光線は、リレーレンズ３１に入射し、撮像素子４１上に結像する。
同様に、被写体ｂからの光線のうち、その中心の光線を通り上下方向に対して平行な面よりも右側にある光線、及び被写体ｃからの光線のうちその中心の光線を通り上下方向に対して平行な面よりも右側にある光線は、リレーレンズ３２に入射して撮像素子４５上に結像する。
また、被写体ｂからの光線のうち、その中心の光線を通り上下方向に対して平行な面よりも左側にある光線、及び被写体ｃからの光線のうちその中心の光線を通り上下方向に対して平行な面よりも左側にある光線は、リレーレンズ３１に入射して撮像素子４１上に結像する。
【００２７】
こうして得られた撮像素子４５による画像を右眼用の画像として、また、撮像素子４１によって取得された画像を左眼用の画像として観察者に提供することにより、観察者は立体的な画像を見ることができる。
【００２８】
従来のように２本のレンズを用いてそれぞれ右眼用、左眼用の画像を取得していた場合、近距離の被写体を撮像しようとするとレンズ同士が互いに物理的に干渉してしまうため、最適な視差量よりも大きくなってしまっていた。しかし本実施の形態では、１つのマスターレンズ１０に入射する光線から２つの視差のある画像を得られるので、これを回避することができ、近距離の被写体から立体視用の画像が得られる。
【００２９】
マスターレンズ１０は、被写体からの光を結像させるものであればよい。特に本実施の形態においては、マスターレンズ１０はアフォーカルでない結像光学系としてある。アフォーカル光学系ではレンズを移動やスライド等させても倍率を変化させにくい。これに対して本実施の形態では、マスターレンズ１０にズーム機能を持たせやすい。
【００３０】
前段に２本のレンズを有する従来の立体撮像装置においては、ズーム時に左右２本のレンズの画角を正確に同期させるのは困難であった。しかし本実施の形態では、マスターレンズ１０にズーム機能を持たせることにより、一本のレンズのみによって倍率の調整が可能であるため、上記のような画角合わせを不要とすることができる。
また、２本のレンズを用いていた場合には、組み立て精度に起因してズーム時に左右のレンズの光軸がずれてしまい、撮像される左右画像がずれるといった問題もあったが、本実施の形態により、なんら複雑な構成をとることなく回避することができる。
【００３１】
２．第２の実施の形態
図２は本発明の第２の実施の形態に係る立体撮像装置２００を上面から見た構成図である。本実施の形態における立体撮像装置２００は、被写体からの光を集光し、結像させる前段の撮像手段であるマスターレンズ１０ａを備える。また、このマスターレンズ１０ａによって被写体の実像が結像される位置に配置され、前記撮像手段によって集光される光束を、被写体からの光束のうちの中心の光線を通り、上下方向に平行な面により分離するフィールドレンズ２０ａも有する。さらに、フィールドレンズ２０ａの後段に配置され、前記分離された光を再結像させるリレーレンズ３１ａ、３２ａを有する。そして、上記リレーレンズによって被写体の像が結像される位置である像面５１ａ上に配置され、被写体からの光を受光する撮像素子４１ａ、４５ａとを有する。
【００３２】
ここで、被写体ａからマスターレンズ１０ａに入射する光を同様に代表して中心の光線を光線４ａ、その周辺の光線を１ａ及び光線７ａとして表してある。また同様に、マスターレンズ１０の光軸上にある被写体ｂからマスターレンズ１０ａに入射する光束のうちの中心の光線を光線５ａ、その周辺の光線を光線２ａ及び光線８ａとして表している。そして被写体ｃからマスターレンズ１０ａに入射する光束のうちの中心の光線を光線６ａ、その周辺の光線を光線３ａ及び光線９ａとしてある。
【００３３】
次に、各被写体からの光線の挙動について説明する。被写体ａからの光線４ａはマスターレンズ１０ａによって屈折されて光線１４ａとなる。また、被写体ａからの光線４ａの周辺光である光線１ａは、マスターレンズ１０ａによって屈折されて光線１１ａとなる。同様に、光線４ａのもう一方の周辺光である光線７ａは、マスターレンズ１０ａによって屈折されて光線１７ａとなる。
【００３４】
これら光線１１ａ，光線１４ａ，光線１７ａが結像する位置である像面５１ａ上には、フィールドレンズ２０ａが配置してあり、このフィールドレンズ２０ａによって、被写体ａからの周辺光である光線１１ａは屈折され光線２１ａとなる。
そしてこの光線２１ａはフィールドレンズ２０ａの後段に配置されたリレーレンズ３２ａに入射し、このリレーレンズ３２ａによって右眼用の画像光線を受光する撮像素子４５ａ上の例えば点４６ａ上に結像する。即ち、リレーレンズ３２ａは、マスターレンズ１０ａにより結像した実像を撮像素子４５ａ上に結像させる。
【００３５】
また、このリレーレンズ３２ａの光軸３４ａはマスターレンズ１０ａの光軸５０ａと略平行で、且つ一致しないようにリレーレンズ３２ａを配置してある。この図２の例においては、マスターレンズ１０ａの光軸５０ａよりも左側にリレーレンズ３２ａの光軸３４ａが位置するように配置してある。
【００３６】
これに対して、被写体ａからのもう一方の周辺光である光線１７ａは、フィールドレンズ２０ａによって屈折され、光線２７ａとなり、リレーレンズ３１ａに入射する。そして左眼用の画像光線を受光する撮像素子４１ａの例えば点４２ａ上に結像する。
被写体ａからの光束のうちの中心の光線である光線１４ａは、フィールドレンズ２０ａによって屈折され、光線２４ａとなる。この光線２４ａはリレーレンズ３１ａとリレーレンズ３２ａの間に到達するため、両リレーレンズには入射せず、撮像素子４１ａ，４５ａによって受光されることはない。
【００３７】
このようにフィールドレンズ２０ａは、像面５１ａ上に向かってマスターレンズ１０ａにより集光される被写体ａからの光線のうち、中心の光線である光線１４ａを通り、上下方向に対して平行な面よりも右側の光線をリレーレンズ３２ａに入射させる。また、光線１４ａを通り、上下方向に対して平行な面よりも左側の光線はリレーレンズ３１ａに入射するように振り分ける。このフィールドレンズ２０ａには、例えばプラスの強い屈折力を有するコンデンサレンズ等を用いることができる。また、本実施の形態ではマスターレンズ１０ａによって被写体の像が結像される位置に配置してあるが、リレーレンズ３１ａ、３２ａに同様に光線を振り分けることができれば、適宜変えてもよい。
【００３８】
同様に、被写体ｂからの光線である光線２ａ，光線５ａ，光線８ａはマスターレンズ１０ａによって像面５１ａ上に結像するように集光される。例えばマスターレンズ１０ａの光軸５０ａ上にある光線５ａは、マスターレンズ１０ａに入射後もその光軸５０ａ上を進み、光線１５ａとなる。また、光線５ａの周辺の光である光線２ａは、マスターレンズ１０ａによって光線１２ａとなる。また、光線５ａのもう一方の周辺光である光線８ａは、マスターレンズ１０ａによって光線１８ａとなる。
【００３９】
マスターレンズ１０ａによって集光されたこれら被写体ｂからの各光線は、その結像面である像面５１ａ上に配置されたフィールドレンズ２０ａによって、その後段にあるリレーレンズ３１ａ又はリレーレンズ３２ａに入射するように振り分けられる。
即ち、被写体ｂからの光線のうち、中心の光線である光線１５ａを通り、上下方向に対して平行な面よりも左側にある光線はリレーレンズ３１ａに入射するように、フィールドレンズ２０ａによって屈折される。また、光線１５ａを通り、上下方向に対して平行な面よりも右側にある光線は、リレーレンズ３２ａに入射するように、フィールドレンズ２０ａによって屈折される。
【００４０】
従って、光線１５ａを通り、上下方向に対して平行な面よりも左側にある光線１８ａは、フィールドレンズ２０ａによってリレーレンズ３２ａに入射するよう導かれ、リレーレンズ３２ａによって撮像素子４５ａの例えば中心点４７ａの位置に結像する。また、右側にある光線１２ａはフィールドレンズ２０ａによってリレーレンズ３１ａに入射するように導かれ、リレーレンズ３１ａによって撮像素子４１ａの中心点４３ａの位置に結像する。中心の光線である光線１５ａはフィールドレンズ２０ａの透過後、リレーレンズ３１ａとリレーレンズ３２ａの間に到達するので集光されることはなく、撮像素子４１ａ，４５ａ上に結像しない。
【００４１】
被写体ｃからマスターレンズ１０ａに入射する光線についても同様である。中心の光線である光線６ａはマスターレンズ１０ａによって光線１６ａとなる。光線６ａの周辺の光である光線３ａ及び光線９ａはそれぞれマスターレンズ１０ａにより屈折され、それぞれ光線１３ａ，光線１９ａとなる。
そして、マスターレンズ１０ａにより像面５１ａ上に集光されるこれら被写体ｃからの光は、像面５１ａ上に配置されたフィールドレンズ２０ａによってその後段にあるリレーレンズ３１ａ及びリレーレンズ３２ａに振り分けられる。
【００４２】
フィールドレンズ１０ａによって集光された被写体ｃからの光束のうち、中心の光線である光線１６ａを通り、上下方向に対して平行な面よりも右側にある光は、フィールドレンズ２０ａによって、リレーレンズ３２ａに導かれる。また、光線１６ａを通り、上下方向に対して平行な面よりも左側にある光は、フィールドレンズ２０ａによってリレーレンズ３１ａに導かれる。
【００４３】
従って、光線１６ａを通り、上下方向に対して平行な面よりも右側にある光線１３ａは、フィールドレンズ２０ａによって光線２３ａとなり、リレーレンズ３２ａに導かれる。そして、リレーレンズ３２ａによって右眼用の画像の撮像素子４５ａ上の例えば点４８ａの位置に結像する。
また、光線１６ａを通り、上下方向に対して平行な面よりも左側にある光線１９ａはフィールドレンズ２０ａによって光線２９ａとなりリレーレンズ３１ａに導かれ、リレーレンズ３１ａによって左眼用の画像の撮像素子４１ａ上の例えば点４４ａの位置に結像する。
被写体ｃからの光束のうちの中心の光線である光線１６ａは、フィールドレンズ２０ａによってリレーレンズ３１ａとリレーレンズ３２ａの間に導かれるため撮像素子上には結像しない。
【００４４】
このように、本実施の形態においても、被写体からマスターレンズ１０ａに入射する光において、その光束のうちの中心の光線は撮像素子上に結像させず、その中心の光線をとりまく周辺の光が撮像素子上に結像するようにしてある。
【００４５】
例えば図２における光線１ａ，２ａ，３ａ付近の光は、右眼用の視差情報を有している。これらの光はマスターレンズ１０ａにより一度それぞれ集光されるが、その右眼用の視差情報を有する各光線は、その各集光光束における被写体からの各光束のうちの中心の光線を通り上下方向に平行な面よりも右側にある光線に対応している。
そしてこの光線はフィールドレンズ２０によりリレーレンズ３２ａに導かれ、撮像素子４５ａ上に結像する。
【００４６】
また、被写体からの光のうち、中心の光線を通り、上下方向に平行な面よりも左側にある光束、即ち図１における光線７ａ，８ａ，９ａ付近の光線は、被写体ａ，ｂ，ｃの左眼用の視差情報を有しているとみなせる。これらの光は同様にマスターレンズ１０ａによって集光されるが、その各集光光束における中心の光線を通り、上下方向に平行な面より左側にある光線に対応する。
そしてこの光線はフィールドレンズ２０によりリレーレンズ３１ａに入射し、撮像素子４１ａ上に結像される。
【００４７】
このように、右目用の視差情報を有する光が結像した撮像素子４５ａの画像を右眼用の画像として、また撮像素子４１ａ上に結像した画像を左眼用の画像として提供することにより、立体視を可能とすることができる。
【００４８】
また、マスターレンズ１０ａは取り外し可能なアダプターレンズとし、状況に合わせて別のレンズと交換できるようにしてもよい。この際には、交換したマスターレンズに対応してフィールドレンズ２０も交換できるようにするのが好ましい。
【００４９】
３．第３の実施の形態
被写体からの光線を２つのリレーレンズに分離して入射させるフィールドレンズには、マイナスの屈折率を有する凹レンズを用いることもできる。
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る立体撮像装置３００の上面図である。本実施の形態に係る立体撮像装置３００は、被写体からの光を集光し、結像させる前段の撮像手段であるマスターレンズ１０ｂを備える。また、上記マスターレンズによって被写体の実像が結像される位置に配置され、前段の撮像手段によって集光される光束を発散させるフィールドレンズ２０ｂを有する。そしてフィールドレンズ２０ｂの後段に配置され、前記分離された光を再結像させるリレーレンズ３１ｂ、３２ｂと、上記リレーレンズによって被写体の像が結像される位置に配置され、被写体からの光を受光する撮像素子４１ｂ、４４ｂとを有する。
【００５０】
この場合においても、被写体ａからの光線１ｂ，光線４ｂ，光線７ｂ、被写体ｂからの光線２ｂ，光線５ｂ，光線８ｂ、被写体ｃからの光線３ｂ，光線６ｂ，光線９ｂはそれぞれマスターレンズ１０ｂによって像面５１ｂ上に結像するように集光される。また、光線４ｂ，光線５ｂ，光線６ｂはそれぞれの被写体ａ，ｂ，ｃからの光束のうちの中心の光線である。
【００５１】
被写体ａからの光線１ｂ，光線４ｂ，光線７ｂはマスターレンズ１０ｂによって集光され、それぞれ光線１１ｂ，光線１４ｂ，光線１７ｂとなる。中心の光線である光線１４ｂを通り、上下方向に対して平行な面よりも右側にある光線１１ｂは右眼用の視差情報を有する光線であり、フィールドレンズ２０ｂによって発散する方向に屈折され、光線２１ｂとなり、リレーレンズ３２ｂに入射する。
また、光線１４ｂを通り、上下方向に対して平行な面よりも左側にある光線１７ｂは左眼用の視差情報を有する光線であり、フィールドレンズ２０ｂによって発散する方向に屈折され、光線２７ｂとなり、リレーレンズ３１ｂに入射する。
このリレーレンズ３１ｂ，３２ｂの光軸３３ｂ，３４ｂは、マスターレンズ１０ｂの光軸５０ｂと平行であり、またこの光軸５０ｂから離れた位置に配置してある。
【００５２】
同様に、被写体ｂからの光線である光線２ｂ，光線５ｂ，光線８ｂはフィールドレンズ１０ｂによって集光され、それぞれ光線１２ｂ，光線１５ｂ，光線１８ｂとなる。そして、中心の光線である光線１５ｂを通り、上下方向に対して平行な面よりも右側にある光線１２ｂは、フィールドレンズ２０ｂによって発散する方向に屈折され光線２２ｂとなり、リレーレンズ３２ｂに入射する。逆に、中心の光線である光線１５ｂを通り、上下方向に対して平行な面よりも左側にある光線１８ｂは、フィールドレンズ２０ｂによって発散する方向に屈折され、リレーレンズ３１ｂに入射する。
【００５３】
被写体ｃからの光線である光線３ｂ，光線６ｂ，光線９ｂも同様である。光線３ｂ，光線６ｂ，光線９ｂは、マスターレンズ１０ｂによって集光され、光線１３ｂ，光線１６ｂ，光線１９ｂとなる。右眼用の視差情報を有する光線である光線１３ｂは、フィールドレンズ２０ｂによって開散される方向に屈折され、光線２３ｂとなりリレーレンズ３２ｂに入射する。また、左眼用の視差情報を有する光線である光線１９ｂは、フィールドレンズ２０ｂによって開散する方向に屈折され光線２９ｂとなり、リレーレンズ３１ｂに入射する。
【００５４】
こうして、各被写体からの右眼用の視差情報を有する光線である光線１ｂ，光線２ｂ，光線３ｂは、光線２１ｂ，光線２２ｂ，光線２３ｂとしてリレーレンズ３２ｂに入射し、撮像素子４５ｂ上に結像する。
左眼用の視差情報を有する光線７ｂ，光線８ｂ，光線９ｂは、光線２７ｂ，光線２８ｂ，光線２９ｂとしてリレーレンズ３１ｂに入射し、撮像素子４１ｂ上に結像する。
また、各被写体からの光束のうちの中心の光線である光線４ｂ，光線５ｂ，光線６ｂは、フィールドレンズ２０ｂにより光線２４ｂ，光線２５ｂ，光線２６ｂとして、リレーレンズ３１ｂ，３２ｂの間に導かれるため、撮像素子上に結像されない。
【００５５】
４．第４の実施の形態
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る立体撮像装置４００を上から見た上面図である。本実施の形態に係る立体撮像装置４００は、被写体からの光を集光し、結像させる前段の撮像手段であるマスターレンズ１０ｃと、マスターレンズ１０ｃに入射する光線を制限するサイズ可変の開口絞り６０ｃとを有する。また、マスターレンズ１０ｃによって被写体の実像が結像される位置に配置され、被写体からの光束の中心の光線を通り上下方向に平行な面によって集光された光を分離するフィールドレンズ２０ｃも備えてある。そしてフィールドレンズ２０ｃの後段には、前記分離された光を結像させるリレーレンズ３１ｃ，３２ｃと、上記リレーレンズによって被写体の像が結像される位置に配置され、被写体からの光を受光する撮像素子４１ｃ，４５ｃとを有する。
【００５６】
本実施の形態を表す図４では、開口絞り６０ｃによって絞り開口を小さくし、第１の実施の形態における図１よりもマスターレンズ１０ｃに入射する光線を制限してあるところが異なる。
【００５７】
ここで、被写体ａからマスターレンズ１０ｃに入射する光束のうちの中心の光線を光線３ｃ、その周辺の光線を光線１ｃ，光線６ｃとして表してある。また、マスターレンズ１０ｃの光軸５０ｃ上の被写体ｂからマスターレンズ１０ｃに入射する光束のうちの中心の光線を光線５ｃ、その周辺の光線を光線２ｃ，光線８ｃとして代表し、同様に被写体ｃからの光束のうちの中心の光線を光線７ｃ、その周辺の光線を光線４ｃ，光線９ｃとして表してある。
各被写体ａ，ｂ，ｃからマスターレンズ１０ｃに入射する光束のうちの中心の光線３ｃ，５ｃ，７ｃは、図示しないが、開口絞り６０ｃの中心部を通過するので、主光線である。
各被写体からマスターレンズ１０ｃの口径周辺部に向かう光線は、開口絞り６０ｃのために内部に入射されないため、マスターレンズ１０ｃに入射する光束は図１の場合と比べて細くなっている。
【００５８】
被写体ａからの光線である光線１ｃ，光線３ｃ，光線６ｃはマスターレンズ１０ｃによって集光され、それぞれ光線１１ｃ，光線１３ｃ，光線１６ｃとなる。そしてこの光線が結像する位置である像面５１ｃ上に配置されたフィールドレンズ２０ｃによって、右眼用の視差情報を有する光線はリレーレンズ３２ｃに、左眼用の視差情報を有する光線はリレーレンズ３１ｃに導かれる。
即ち、被写体ａからの光束のうちの中心の光線である光線１３ｃを通り、上下方向に対して平行な面よりも左側にある光線はリレーレンズ３１ｃに入射する。この光線は被写体ａからマスターレンズ１０ｃに入射する光線において、光束のうちの中心の光線である光線３ｃを通り、上下方向に対して平行な面よりも左側にある光線に対応している。
なお、図４におけるフィールドレンズ２０ｃは、プラスの屈折力を持つレンズの場合の光線の軌跡を図示してあるが、もちろんマイナスの屈折力を持つレンズにより光線を発散させる形態をとっていてもよい。
【００５９】
また、光線１３ｃを通り、上下方向に対して平行な面よりも右側にある光線はリレーレンズ３２ｃに入射する。この光線は被写体ａからマスターレンズ１０ｃに入射する光線において、中心の光線である光線３ｃを通り、上下方向に対して平行な面よりも右側にある光線に対応している。
【００６０】
つまり、光線１１ｃはフィールドレンズ２０ｃによって光線２１ｃとなりリレーレンズ３２ｃに入射する。そして撮像素子４５ｃ上に結像される。また、光線１６ｃは光線２６ｃとなりリレーレンズ３１ｃに入射し、撮像素子４１ｃ上に結像される。被写体ａからの光束のうちの中心の光線である光線１３ｃは、フィールドレンズ２０ｃによって光線２３ｃとなり、リレーレンズ３１ｃ，３２ｃの間に導かれるため入射せず、撮像素子上には結像されない。
【００６１】
本実施の形態においても、図１に表した第１の実施の形態と同様にリレーレンズ３１ｃとリレーレンズ３２ｃの光軸３３ｃ，３４ｃは、マスターレンズ１０ｃの光軸５０ｃと略平行で一致しない位置に配置される。
また、撮像素子４１ｃ，４５ｃの中心は、リレーレンズ３１ｃの光軸３３ｃ及びリレーレンズ３２ｃの光軸３４ｃ上からそれぞれ外側にずれた位置に配置されることになる。
【００６２】
被写体ｂからの光線である光線２ｃ，光線５ｃ，光線８ｃはマスターレンズ１０ｃによって集光され、それぞれ光線１２ｃ，光線１５ｃ，光線１８ｃとなる。そして被写体ｂからの光束のうちの中心の光線である光線１５ｃを通り、上下方向に対して平行な面よりも右側にある光線１２ｃは、フィールドレンズ２０ｃによって光線２２ｃとしてリレーレンズ３２ｃに導かれ、撮像素子４５ｃ上に結像する。
また、光線１５ｃを通り上下方向に対して平行な面よりも左側にある光線１８ｃは、フィールドレンズ２０ｃによって光線２８ｃとなりリレーレンズ３１ｃに導かれ、撮像素子４１ｃ上に結像する。
中心の光線である光線１５ｃは、フィールドレンズ２０ｃにより光線２５ｃとなり、リレーレンズ３１ｃとリレーレンズ３２ｃとの間に到達するため、撮像素子上には結像しない。
【００６３】
同様にして、被写体ｃからマスターレンズ１０ｃに入射した光線４ｃ，光線７ｃ，光線９ｃはそれぞれ光線１４ｃ，光線１７ｃ，光線１９ｃとなり集光される。そして被写体ｃからの光束のうちの中心の光線である光線１７ｃを通り、上下方向に平行な面よりも右側にある光線１４ｃはフィールドレンズ２０ｃによって光線２４ｃとなりリレーレンズ３２ｃに導かれ、撮像素子４５ｃ上に結像する。
また、光線１７ｃを通り、上下方向に平行な面よりも左側にある光線１９ｃは、フィールドレンズ２０ｃにより光線２９ｃとしてリレーレンズ３１ｃに導かれ、撮像素子４１ｃ上に結像する。
【００６４】
光線３ｃ，５ｃ，７ｃが前述したように主光線であるので、これらの光線が屈折した各光線１３ｃ，１５ｃ，１７ｃ，２３ｃ，２５ｃ，２７ｃも、同様に主光線となる。
そして、本実施の形態の立体撮像装置４００においては、撮像素子４１ｃによって取得された画像を左眼用、撮像素子４５ｃによって取得された画像を右眼用の画像として提供することにより、観察者は立体的な画像を得ることができる。
【００６５】
本実施の形態では、被写体からマスターレンズ１０ｃに入射する光束を、開口絞り６０ｃによって細くしてある。つまり、マスターレンズ１０ｃの口径の周辺部に到達する被写体からの光線は開口絞り６０ｃのために遮られるので、視差の大きい情報を有する光線は撮像素子上には結像しない。このことにより、本実施の形態に係る立体撮像装置４００では第１〜３の実施の形態における図１〜３の場合と比較して視差の小さい右眼用、左眼用の画像を撮像することができる。
【００６６】
従って、近距離の被写体を撮像する時にはこのように絞りを小さくして、視差量を小さくすることができる。また、被写体からカメラまでの距離が大きい時には絞りを大きくして視差量を大きくすればよい。
【００６７】
従来のように２本のレンズを用い、被写体距離が連続的に変化する被写体の立体撮像を行う場合には、この２本のレンズの間隔や光軸角度を同期して変化させる必要がある。
また、そのためにメカ構造は複雑になってしまう。
これに対して、本実施の形態では開口絞りの大きさを変化させることで、被写体までの距離に応じた視差量を即座に且つ簡単に調整することができる。
また本実施の形態においても同様に、マスターレンズ１０ｃはアフォーカルでない光学系、例えば入射瞳や出射瞳が焦点面から外れた位置となるようにする等によりズーム機能を持たせやすい。
【００６８】
５．各実施の形態の変形例
ここまで説明した各実施の形態では、撮像素子として、それぞれ２つの撮像素子を配置した例とした。これに対して、１つの撮像素子で撮像する構成としてもよい。即ち、例えば図１の例の場合、撮像素子４１で撮像する範囲と、撮像素子４５で撮像する範囲の双方をカバーする広い面積の撮像が可能な１つの撮像素子を配置する構成とする。そして、その１つの撮像素子が撮像して出力する撮像信号から、撮像素子４１で撮像する範囲の撮像信号を抽出すると共に、撮像素子４５で撮像する範囲の撮像信号を抽出して、立体視用の２つの画像信号を得る構成とする。このようにすることで、撮像素子を削減して構成の簡易化を図ることができる。
【００６９】
また、上述した各実施の形態では、マスターレンズから撮像素子までの光路を構成する光学部品が配置された構成としたが、一部の光学部品を着脱自在に構成してもよい。例えば、マスターレンズを着脱できる構成として、マスターレンズが選択できる構成の撮像装置としてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，２，２ａ，２ｂ，２ｃ，３，３ａ，３ｂ，３ｃ，４，４ａ，４ｂ，４ｃ，５，５ａ，５ｂ，５ｃ，６，６ａ，６ｂ，６ｃ，７，７ａ，７ｂ，７ｃ，８，８ａ，８ｂ，８ｃ，９，９ａ，９ｂ，９ｃ，１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２７，２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２９，２９ａ，２９ｂ，２９・・・光線、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ・・・マスターレンズ、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ・・・フィールドレンズ、３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ・・・リレーレンズ、３３，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ・・・光軸、４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４５，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ・・・撮像素子、４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４４，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４６，４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４７，４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４８，４８ａ，４８ｂ，４８ｃ・・・点、５１，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ・・・像面、６０ｃ・・・開口絞り、１００，２００，３００，４００，５００・・・立体撮像装置、１Ｌ，１Ｒ・・・レンズ、２Ｌ，２Ｒ・・・光学中心、３Ｌ，３Ｒ・・・撮像部、４Ｌ，４Ｒ・・・レンズ鏡胴、５Ｌ，５Ｒ・・・カメラ筐体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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