(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸が通過する中心部に開口が形成されている結像用レンズと、
前記結像用レンズの開口内に配置された照明用レンズと、
前記結像用レンズの光軸上で前記結像用レンズの非焦点平面に配置された平面ミラーと、
照明光を提供する光源と、
前記光源と前記平面ミラーとの間に配置されたマッチングレンズと、を備え、
前記結像用レンズと前記照明用レンズとは、光軸上に同軸に配置されており、
前記光源は前記平面ミラーに向かって光を放出するように光軸を外れて配置され、
前記平面ミラーは前記光源からの前記照明光を前記照明用レンズの方向へ反射し、
前記マッチングレンズは、前記光源からの光を前記結像用レンズの中心領域に光学的にマッチングさせることを特徴とする３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項２】
光軸が通過する中心部に開口が形成されている結像用レンズと、
前記結像用レンズの開口内に配置された照明用レンズと、
前記結像用レンズの光軸上で前記結像用レンズの非焦点平面に配置された平面ミラーと、
照明光を提供する光源と、
前記平面ミラーと前記光源との間に配置されたものであって、前記光源から放出された光を均質化し、光の断面形態を変化させるビーム成形素子と、を備え、
前記結像用レンズと前記照明用レンズとは、光軸上に同軸に配置されており、
前記光源は、前記平面ミラーに向かって光を放出するように光軸を外れて配置され、
前記平面ミラーは前記光源からの前記照明光を前記結像用レンズの光軸方向へ反射させることを特徴とする３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項３】
前記ビーム成形素子と前記平面ミラーとの間に配置された第１マッチングレンズ、及び前記ビーム成形素子と前記光源との間に配置された第２マッチングレンズをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項４】
前記ビーム成形素子は、透明な材質からなる長方形断面のインテグレータ・ロッドであることを特徴とする請求項２または３に記載の３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項５】
光軸が通過する中心部に開口が形成されている結像用レンズと、
前記結像用レンズの開口内に配置された照明用レンズと、
前記結像用レンズの光軸上で前記結像用レンズの非焦点平面に配置された曲面ミラーと、
照明光を提供する光源と、
前記結像用レンズと前記照明用レンズとは、光軸上に同軸に配置されており、
前記光源は、前記曲面ミラーに向かって光を放出するように光軸を外れて配置され、
前記曲面ミラーは前記光源からの前記照明光を前記照明用レンズの方向へ反射させることを特徴とする３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項６】
前記曲面ミラーは、凸状の反射面を有する凸ミラーであることを特徴とする請求項５に記載の３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項７】
前記光源から前記曲面ミラーに集光された光を伝達するための光伝達部材をさらに備えることを特徴とする請求項５または６に記載の３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項８】
前記光伝達部材は、光ファイバであることを特徴とする請求項７に記載の３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項９】
光軸が通過する中心部に開口が形成されている結像用レンズと、
前記光軸上に配置されたミラーと、
前記ミラーに向かって光を放出するように、光軸を外れて配置されている光源と、
前記結像用レンズの開口内に配置された平らな透明ウィンドウと、を備え、
前記ミラーは、光軸上で前記結像用レンズの非焦点平面に位置し、前記光源からの光が前記ミラーによって前記透明ウィンドウ方向へ反射されることを特徴とする３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項１０】
前記ミラーは、凸状の反射面を有する凸ミラーであることを特徴とする請求項９に記載の３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項１１】
前記ミラーは、平らな反射面を有する平面ミラーであることを特徴とする請求項９に記載の３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項１２】
前記平面ミラーと前記光源との間に配置されたものであって、前記光源から放出された照明光を被写体に投射するための照明用レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項１３】
前記照明用レンズと前記光源との間に配置されたものであって、前記光源から放出された光を均質化し、光の断面形態を変化させるビーム成形素子をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項１４】
前記ビーム成形素子と前記光源との間に配置されたマッチングレンズをさらに備え、前記ビーム成形素子は、透明な材質からなる長方形断面のインテグレータ・ロッドであることを特徴とする請求項１３に記載の３次元映像獲得装置用の光学系。
【請求項１５】
被写体に照明光を投射し、被写体からの反射光をフォーカシングする請求項１ないし１４のうちいずれか一項に記載の３次元映像獲得装置用の光学系と、
前記光学系によりフォーカシングされた光を処理して、映像信号を形成する映像処理部と、
前記光学系及び前記映像処理部の動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする３次元映像獲得装置。
【請求項１６】
前記映像処理部は、
所定の利得波形で前記フォーカシングされた光を変調する光変調器と、
変調された光を感知して、電気的な映像信号に形成する撮像素子と、
光軸上に位置し、結像用レンズの領域を透過した光線のみを前記撮像素子に入射させるために、前記光変調器の前面に配置された集光レンズと、を備えることを特徴とする請求項１５に記載の３次元映像獲得装置。
【請求項１７】
前記映像処理部は、絞りをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の３次元映像獲得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学系と結像光学系とが統合された光学系、及びそれを含む３次元映像獲得装置に係り、特に深さ情報の正確性を向上させるために、３次元映像獲得装置の照明光学系と結像光学系とが、相互の光軸が一致するように統合されている光学系、及びそれを含む３次元映像獲得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、深さのある映像を表示できる３Ｄディスプレイ装置の発展及び需要増加と共に、３Ｄコンテンツの重要性が高くなっている。これによって、一般のユーザーが３Ｄコンテンツを直接製作できる３Ｄカメラのような３次元映像獲得装置が研究されている。かかる３Ｄカメラは、一回の撮影で既存の２次元カラー映像情報と共に深さ情報も得なければならない。
【０００３】
被写体の表面と３Ｄカメラとの距離に関する深さ情報は、二つのカメラを利用した両眼立体視（Ｓｔｅｒｅｏ Ｖｉｓｉｏｎ）方法や、構造光とカメラとを利用した三角測量法（Ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ）を利用して得られる。しかし、かかる方法は、被写体の距離が遠くなるほど、深さ情報に対する正確度が急激に低下し、被写体の表面状態に依存的であるので、精密な深さ情報を得がたい。
【０００４】
かかる問題を改善するために、光時間飛行法（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）が導入された。ＴＯＦ技術は、照明光を被写体に照射した後、被写体から反射される光が受光部で受光されるまでの光飛行時間を測定する方法である。ＴＯＦ技術によれば、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）を含む照明光学系を利用して、特定の波長の光（例えば、８５０ｎｍの近赤外線）を被写体に投射し、被写体から反射された同じ波長の光を受光部で受光した後、既知の利得波形を有する変調器で前記受光された光を変調するなど、深さ情報を抽出するための一連の処理過程を経る。かかる一連の光処理過程によって、多様なＴＯＦ技術が紹介されている。
【０００５】
このように、照明光学系を利用して光を投射し、反射光を利用して距離を測定する場合に、３Ｄカメラに入射される反射光の光量が増加するほど、深さ情報の正確度が向上する。３Ｄカメラの深さ情報の抽出のための信号処理過程において、信号対ノイズ比は、入射される光量に比例し、深さ情報の正確度は、信号対ノイズ比が大きいほど向上するためである。したがって、３Ｄカメラに入射する光量ができる限り大きくなるように光学系を設計する必要がある。
【０００６】
また、ＴＯＦ技術を採用した３Ｄカメラは、通常的に深さ情報のための照明光を放出する照明光学系と、被写体の映像を獲得するための結像光学系とを備える。しかし、照明光学系と結像光学系とは、３Ｄカメラ内に相異なるところに位置しているため、二つの光学系の光軸が一致しない。したがって、照明光学系と結像光学系との間には、視差が存在する。これは、被写体についての深さ情報の正確性を低下させる原因となり、照明光の利用効率を低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開２０１０／００４６８０２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、３次元映像獲得装置の深さ情報の正確性を向上させるために、照明光学系と結像光学系とが、相互の光軸が一致するように統合されている光学系を提供するところにある。
【０００９】
また、前記光学系を含む３次元映像獲得装置を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一類型による３次元映像獲得装置用の光学系は、光軸が通過する中心部に開口が形成されている結像用レンズと、前記結像用レンズの開口内に配置された照明用レンズと、前記照明用レンズに照明光を提供する光源と、を備え、前記結像用レンズと照明用レンズとは、光軸上に同軸に配置される。
【００１１】
前記光源は、光軸上で前記結像用レンズの非焦点平面に位置する。
【００１２】
前記光学系は、前記光軸上に配置された平面ミラーをさらに備え、前記平面ミラーは、光軸上で前記結像用レンズの非焦点平面に位置し、前記光源は、前記平面ミラーに向かって光を放出するように、光軸を外れて配置される。
【００１３】
前記光学系は、前記光源と前記平面ミラーとの間に配置されたマッチングレンズをさらに備える。
【００１４】
また、前記光学系は、前記平面ミラーと前記光源との間に配置されたものであって、前記光源から放出された光を均質化し、光の断面形態を変化させるビーム成形素子をさらに備える。
【００１５】
前記光学系は、また、前記ビーム成形素子と前記平面ミラーとの間に配置された第１マッチングレンズ、及び前記ビーム成形素子と前記光源との間に配置された第２マッチングレンズをさらに備える。
【００１６】
例えば、前記ビーム成形素子は、透明な材質からなる長方形断面のインテグレータ・ロッドでありうる。
【００１７】
前記光学系は、前記光軸上に配置された曲面ミラーをさらに備え、前記曲面ミラーは、光軸上で前記結像用レンズの非焦点平面に位置し、前記光源は、前記曲面ミラーに向かって光を放出するように、光軸を外れて配置される。
【００１８】
前記曲面ミラーは、凸状の反射面を有する凸ミラーでありうる。
【００１９】
前記光学系は、前記光源から前記曲面ミラーに集光された光を伝達するための光伝達部材をさらに備える。
【００２０】
例えば、前記光伝達部材は、光ファイバでありうる。
【００２１】
一方、本発明の他の類型による３次元映像獲得装置用の光学系は、光軸が通過する中心部に開口が形成されている結像用レンズと、前記光軸上に配置されたミラーと、前記ミラーに向かって光を放出するように、光軸を外れて配置されている光源と、前記結像用レンズの開口内に配置された平らな透明ウィンドウと、を備え、前記ミラーは、光軸上で前記結像用レンズの非焦点平面に位置する。
【００２２】
例えば、前記ミラーは、凸状の反射面を有する凸ミラーでありうる。
【００２３】
また、前記ミラーは、平らな反射面を有する平面ミラーでありうる。
【００２４】
前記光学系は、前記平面ミラーと前記光源との間に配置されたものであって、前記光源から放出された照明光を被写体に投射するための照明用レンズをさらに備える。
【００２５】
また、前記光学系は、前記照明用レンズと前記光源との間に配置されたものであって、前記光源から放出された光を均質化し、光の断面形態を変化させるビーム成形素子をさらに備える。
【００２６】
また、本発明のさらに他の類型による３次元映像獲得装置用の光学系は、共通レンズと、前記共通レンズの中心領域に照明光を提供する光源と、前記光源を前記共通レンズの中心領域に光学的にマッチングさせるマッチングレンズと、を備え、前記光源は、前記共通レンズの光軸上で前記共通レンズの非焦点平面に位置する。
【００２７】
また、本発明のさらに他の類型による３次元映像獲得装置用の光学系は、共通レンズと、前記共通レンズの光軸上に配置された平面ミラーと、前記共通レンズの中心領域に照明光を提供するために、前記平面ミラーに向かって光を放出するように、光軸を外れて配置される光源と、前記光源を前記共通レンズの中心領域に光学的にマッチングさせるためのものであって、前記平面ミラーと前記光源との間に配置される第１マッチングレンズと、を備え、前記平面ミラーは、光軸上で前記共通レンズの非焦点平面に位置する。
【００２８】
前記光学系は、前記第１マッチングレンズと前記光源との間に配置されたものであって、前記光源から放出された光を均質化し、光の断面形態を変化させるビーム成形素子、及び前記ビーム成形素子と前記光源との間に配置された第２マッチングレンズをさらに備える。
【００２９】
また、本発明のさらに他の類型によれば、被写体に照明光を投射し、被写体からの反射光をフォーカシングするための前述した構成の光学系と、前記光学系によりフォーカシングされた光を処理して、映像信号を形成する映像処理部と、前記光学系及び映像処理部の動作を制御する制御部と、を備える３次元映像獲得装置が提供され、ここで、前記光源、平面ミラー及び曲面ミラーのうち一つは、前記光学系と前記映像処理部との間の光軸上に位置する。
【００３０】
また、前記映像処理部は、所定の利得波形で入射光を変調する光変調器と、変調された光を感知して、電気的な映像信号に形成する撮像素子と、光軸上に位置した前記光源、平面ミラー及び曲面ミラーのうち一つが前記撮像素子における映像信号の形成を妨害することを防止するために、前記光変調器の前面に配置された集光レンズと、を備える。
【００３１】
また、前記映像処理部は、光軸上に位置した前記光源、平面ミラー及び曲面ミラーによる散乱光を遮断するための絞りをさらに備える。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の光学系は、照明光学系と結像光学系とが同じ光軸を共有するので、照明光学系と結像光学系との間には視差が存在しない。したがって、照明光学系から放出されて、被写体で反射された照明光を受光して計算した被写体についての深さ情報は、被写体と３次元映像獲得装置との実際の距離を反映できる。その結果、被写体についての深さ情報がさらに正確になる。
【００３３】
また、照明光学系と結像光学系との間には視差が存在しないので、照明光の利用効率を向上させることができる。したがって、３次元映像獲得装置に入射する光量が増加して、被写体についての深さ情報がさらに正確になる。
【００３４】
さらに、照明光学系と結像光学系とが一つの光学系に統合されているため、全体的な光学系の大きさを減らすことができる。また、本発明の一実施形態によれば、照明光学系のズーム倍率と結像光学系のズーム倍率とが、別途の精密制御メカニズムなしにも同一に維持される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態による３次元映像獲得装置の構造を例示的に示す概念図である。
【図２】図１に示した光学系の本発明の一実施形態による構造を概略的に示す概念図である。
【図３】図１及び図２に示した映像処理部の構造を概略的に示す概念図である。
【図４】本発明の他の実施形態による光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態による光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図６】本発明のさらに他の実施形態による光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態による光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態による光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図９】本発明のさらに他の実施形態による光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態による光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、添付された図面を参照して、照明光学系と結像光学系とが統合された光学系、及びそれを含む３次元映像獲得装置について詳細に説明する。以下の図面で、同じ参照符号は同じ構成要素を指し、図面上で、各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜上誇張されうる。
【００３７】
図１は、本発明の一実施形態による３次元映像獲得装置１００の構造を例示的に示す概念図である。図１を参照すれば、本発明の一実施形態による３次元映像獲得装置１００は、外部の被写体（図示せず）からの反射光をフォーカシングする（焦点を合わせる）対物レンズ１１１、対物レンズ１１１によりフォーカシングされた光を処理して、映像信号を形成する映像処理部１３０、被写体についての深さ情報を得るために、被写体を照明する照明光学系１２０、及び前記対物レンズ１１１、映像処理部１３０及び照明光学系１２０の動作を制御する制御部１４０を備える。
【００３８】
かかる構造で、照明光学系１２０は、被写体に、例えば赤外線の照明光を照射する。被写体により反射された赤外線照明光は、対物レンズ１１１により映像処理部１３０上にフォーカシングされる。同時に、被写体から反射された一般的な可視光も、映像処理部１３０上にフォーカシングされる。映像処理部１３０は、公知のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）技術によって、照明光を変調して深さ情報を抽出するための深さ映像信号を生成できる。また、映像処理部１３０は、可視光を利用して一般的なＲＧＢ映像信号を生成することもできる。制御部１４０は、映像処理部１３０で生成された深さ映像信号とＲＧＢ映像信号とを利用して、被写体についての深さ情報を計算し、ユーザーが見ることができる映像を生成できる。
【００３９】
ここで、本発明の一実施形態によれば、被写体を照明するための照明光学系１２０は、被写体を結像させるための結像光学系を構成する対物レンズ１１１と一つの光学系１１０に統合される。すなわち、図１に概略的に示すように、照明光学系１２０の光軸は、対物レンズ１１１の光軸と一致するように位置している。照明光学系１２０の光軸と対物レンズ１１１の光軸とが一致する場合、照明光学系１２０と対物レンズ１１１との間には視差が存在しなくなる。したがって、照明光学系１２０から放出された照明光は、対物レンズ１１１の光軸に沿って被写体を照明した後、被写体に反射されて、再び対物レンズ１１１の光軸に沿って映像処理部１３０上にフォーカシングされる。したがって、照明光の経路と被写体の実際映像の経路とが一致するため、被写体と３次元映像獲得装置１００との距離に関する深さ情報がさらに正確に計算される。また、被写体により散乱及び反射された照明光のうち、対物レンズ１１１に再び入射する照明光の比率が増加して、照明光の利用効率を向上させる。これは、映像処理部１３０に収集される照明光の光量を増加させて、被写体についての深さ情報をさらに向上させる。
【００４０】
図２は、かかる本発明の一実施形態によって、結像光学系である対物レンズ１１１と照明光学系１２０とが同一光軸上に統合されている光学系１１０のより詳細な構成を例示的に示している。図２を参照すれば、光学系１１０は、光軸ＯＸが通過する中心部に開口１１５が形成されている結像用対物レンズ１１１（結像用レンズ）、前記結像用対物レンズ１１１の開口１１５内に配置された照明用対物レンズ１２２（照明用レンズ）、及び前記照明用対物レンズ１２２に照明光を提供する光源１２１を備える。図２に示すように、結像用対物レンズ１１１と照明用対物レンズ１２２とは、それらの中心にある光軸ＯＸを互いに共有するように配置されている。したがって、結像用対物レンズ１１１の光軸と、照明用対物レンズ１２２の光軸とは一致する。なお、図１においては、照明用対物レンズ１２２が含まれている結像用対物レンズ１１１の外形のみが見えているため、対物レンズ１１１とした。
【００４１】
図２には、結像用対物レンズ１１１と照明用対物レンズ１２２とが便宜上単に一つのレンズ素子としてのみ表示されているが、前記結像用対物レンズ１１１と照明用対物レンズ１２２とは、例えば、複数のレンズを有する可変倍率のズームレンズであってもよい。この時、結像用対物レンズ１１１のズーム倍率と、照明用対物レンズ１２２のズーム倍率とは互いに連動して調節される。例えば、制御部１４０は、結像用対物レンズ１１１と照明用対物レンズ１２２とを同時に制御して、前記二つの対物レンズ１１１，１２２が同じズーム倍率を有するように調節できる。
【００４２】
光源１２１は、例えば、安全のために人間の目には見えない約８５０ｎｍの近赤外線（ＮＩＲ）波長を有する光を放出させる発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）を使用できる。しかし、これは、単に例示的なものであり、設計によっては、適切な他の波長帯域の光と異なる種類の光源を使用してもよい。また、光源１２１は、制御部１４０から受信された制御信号によって、例えば、サイン波、ランプ（ｒａｍｐ）波、四角波のように特殊に定義された波形を有する光を放出できる。
【００４３】
図２に示すように、かかる光源１２１は、結像用対物レンズ１１１と照明用対物レンズ１２２との共通の光軸ＯＸ上に位置する。また、光源１２１は、前記結像用及び照明用対物レンズ１１１，１２２と映像処理部１３０との間に位置する。ここで、光源１２１と照明用対物レンズ１２２とは、共に照明光学系１２０を形成する。したがって、光源１２１から放出された赤外線光は、照明用対物レンズ１２２に入射した後、照明用対物レンズ１２２により前方の被写体に向かって投射される。このために、光源１２１は、照明用対物レンズ１２２の焦点平面上に位置する。
【００４４】
一方、被写体により反射されて、３次元映像獲得装置１００に入る光は、結像用対物レンズ１１１を通じて映像処理部１３０上にフォーカシングされる。この時、結像用対物レンズ１１１と映像処理部１３０との間の光軸ＯＸ上に位置した光源１２１が、映像処理部１３０に入射する光を遮断しないようにするために、光源１２１は、結像用対物レンズ１１１の非焦点平面上に位置する。光源１２１が結像用対物レンズ１１１の非焦点平面上に位置する場合、光源１２１に入射する光成分はぼやける（ｂｌｕｒ）ため、映像処理部１３０の撮像素子１３５（図３）では、光源１２１がほとんどまたは完全に見えなくなる。したがって、光源１２１が、結像用対物レンズ１１１と映像処理部１３０との間に位置しても、撮像素子１３５における映像形成にはほとんど影響を与えない。
【００４５】
また、光源１２１による影響をさらに減少させるために、映像処理部１３０は、追加的な光学的構成をさらに含むこともできる。図３は、かかる映像処理部１３０の構成を例示的に示している。図３を参照すれば、映像処理部１３０は、光の進行方向に沿って順次に集光レンズ１３１、第１中継（ｒｅｌａｙ）レンズ１３２、光変調器１３３、第２中継レンズ１３４及び撮像素子１３５を備える。集光レンズ１３１は、光源１２１を通過する光線が撮像素子１３５で検出されないようにするために、結像用対物レンズ１１１の領域を、透過した光線のみを撮像素子１３５に入射させる役割を行う。したがって、集光レンズ１３１は、光源１２１による映像の形成の妨害を除去できる。このために、光源１２１は、集光レンズ１３１の非焦点平面に置かれるように配置される。また、集光レンズ１３１は、光源１２１により遮断される部分を除去し、残りの部分のみを撮像素子１３５にフォーカシングするように構成された非球面レンズであってもよい。光源１２１により発生しうる散乱光などをさらに遮断するために、集光レンズ１３１の前面には、絞り１３６がさらに配置されることもある。図３には、絞り１３６が中心部に開口を有するリング形であるものと示しているが、開口のない円盤型に形成されてもよい。また、図３には、絞り１３６が集光レンズ１３１の前面に配置されたものと示しているが、絞り１３６の位置には特に制限がない。絞り１３６は、例えば、集光レンズ１３１と第１中継レンズ１３２との間に配置されてもよい。
【００４６】
第１中継レンズ１３２は、光変調器１３３に光をフォーカシングする役割を行い、第２中継レンズ１３４は、光変調器１３３により変調された光を撮像素子１３５にフォーカシングする役割を行う。光変調器１３３は、被写体についての深さ情報を得るために、一般的なＴＯＦ技術によって、所定の利得波形で入射光を変調する役割を行う。光変調器１３３の利得波形は、例えば、制御部１４０の制御によって決定される。また、撮像素子１３５は、光変調器１３３により変調された光を感知して、電気的な映像信号に形成する役割を行う。例えば、撮像素子１３５は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）映像素子や、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）映像素子のような半導体撮像素子でありうる。
【００４７】
図２に示す実施形態では、結像用対物レンズ１１１と照明用対物レンズ１２２とが別途に配置されているが、一つの共通の対物レンズを使用することも可能である。図４は、一つの共通の対物レンズを使用する光学系の例示的な実施形態を示している。図４を参照すれば、光学系１１０ａは、一つの共通対物レンズ１１２、前記共通対物レンズ１１２と映像処理部１３０との間で光軸ＯＸ上に配置された光源１２１、及び前記光源１２１と共通対物レンズ１１２との間に配置されたマッチングレンズ１２３を備える。前述したように、共通対物レンズ１１２は、便宜上、単に一つのレンズ素子でのみ表示されているが、複数のレンズを有する可変倍率のズームレンズであってもよい。共通対物レンズ１１２がズームレンズである場合、本実施形態では、照明光学系のズーム倍率と結像光学系のズーム倍率とが、別途の精密制御メカニズムなしにも同一に維持される。
【００４８】
図４に示す実施形態による光学系１１０ａの他の構成及び動作は、図２に示す光学系１１０について説明したものと同一でありうる。すなわち、光源１２１は、共通対物レンズ１１２の非焦点平面上に位置する。この場合、光源１２１から放出された赤外線光は、被写体に向かって正確に投射されない。マッチングレンズ１２３は、光源１２１を共通対物レンズ１１２の中心領域に光学的にマッチングさせる役割を行う。マッチングレンズ１２３を使用することで、光源１２１から放出された赤外線光は、マッチングレンズ１２３と共通対物レンズ１１２との中心領域を通じて、前方の被写体に正確に投射される。したがって、照明光が照明する光学系１１０ａの照明視野が、３次元映像獲得装置１００の撮影視野と正確に一致する。
【００４９】
光源１２１による影響をさらに減少させるために、光源１２１を光軸ＯＸから外れて位置させ、その代わりに、光軸ＯＸ上には、体積の小さいミラーを位置させてもよい。図５は、かかる本発明のさらに他の実施形態による光学系の構造を概略的に示す概念図である。図５を参照すれば、光学系１１０ｂは、光軸ＯＸが通過する中心部に開口１１５が形成されている結像用対物レンズ１１１、前記開口１１５と対向して、光軸ＯＸ上に位置する平面ミラー１２４、光軸ＯＸを外れており、平面ミラー１２４に向かって光を放出する光源１２１、及び前記光源１２１と平面ミラー１２４との間に配置された照明用対物レンズ１２２を備える。また、ホコリや湿気のような外部の有害な要素が開口１１５を通じて３次元映像獲得装置１００の内部に浸透することを防止するために、前記結像用対物レンズ１１１の開口１１５内には、平らな透明ウィンドウ１１６がさらに配置されることもある。
【００５０】
ここで、平面ミラー１２４は、図２の実施形態で説明された光源１２１の位置に配置される。すなわち、平面ミラー１２４は、結像用対物レンズ１１１と映像処理部１３０との間で、結像用対物レンズ１１１の非焦点平面上に配置される。また、図５に示すように、平面ミラー１２４は、光源１２１から入射する照明光を、結像用対物レンズ１１１の開口１１５に向かって反射できるように、光軸ＯＸ上に傾斜して配置される。したがって、平面ミラー１２４は、光軸ＯＸから外れている光源１２１から来る照明光を光軸ＯＸ上に整列させる役割を行う。
【００５１】
図２の実施形態では、結像用対物レンズ１１１の開口１１５内に照明用対物レンズ１２２が配置されたが、図５の実施形態では、光源１２１と同様に、照明用対物レンズ１２２も光軸ＯＸから外れて、光源１２１と平面ミラー１２４との間に配置されている。光源１２１と照明用対物レンズ１２２とが光軸ＯＸから外れているため、光源１２１、照明用対物レンズ１２２及び結像用対物レンズ１１１の体積及び設計の自由度が高くなる。また、光軸ＯＸ上には、光源１２１に比べて比較的体積が小さい平面ミラー１２４が配置されているため、映像処理部１３０における映像の形成に妨害される恐れがさらに低下する。したがって、映像処理部１３０内にある集光レンズ１３１の設計が容易になり、または、集光レンズ１３１と絞り１３６とを省略することも可能である。
【００５２】
また、平面ミラー１２４を使用する場合にも、図４に示す一つの共通対物レンズ１１２を使用することが可能である。図６を参照すれば、本発明のさらに他の実施形態による光学系１１０ｃは、一つの共通対物レンズ１１２、前記共通対物レンズ１１２と映像処理部１３０との間の光軸ＯＸ上に配置された平面ミラー１２４、光軸ＯＸを外れており、平面ミラー１２４に向かって光を放出する光源１２１、及び前記光源１２１と平面ミラー１２４との間に配置されたマッチングレンズ１２３を備える。前述したように、共通対物レンズ１１２がズームレンズである場合、照明光学系のズーム倍率と結像光学系のズーム倍率とが、別途のメカニズムなしにも同一に維持されもある。
【００５３】
図５の実施形態と同様に、平面ミラー１２４は、共通対物レンズ１１２の非焦点平面上に位置する。マッチングレンズ１２３は、光源１２１から放出された照明光が平面ミラー１２４にいずれも入射できるように、照明光のビーム径を調節する役割を行う。また、マッチングレンズ１２３は、光源１２１を共通対物レンズ１１２の中心領域にマッチングさせて、照明光を、共通対物レンズ１１２の中心領域を通じて前方の被写体に正確に投射させることができる。
【００５４】
また、平面ミラー１２４を使用する場合にも、図２に示す実施形態のように、結像用対物レンズ１１１の開口１１５内に照明用対物レンズ１２２を配置できる。図７を参照すれば、本発明のさらに他の実施形態による光学系１１０ｄは、光軸ＯＸが通過する中心部に開口１１５が形成されている結像用対物レンズ１１１、前記結像用対物レンズ１１１の開口１１５内に配置された照明用対物レンズ１２２、開口１１５と対向して、光軸ＯＸ上に位置する平面ミラー１２４、光軸ＯＸを外れており、平面ミラー１２４に向かって光を放出する光源１２１、及び前記光源１２１と平面ミラー１２４との間に配置されたマッチングレンズ１２３を備える。結像用対物レンズ１１１及び照明用対物レンズ１２２について図２で説明した内容は、図７の結像用対物レンズ１１１及び照明用対物レンズ１２２にそのまま適用される。また、平面ミラー１２４及び光源１２１について図５で説明した内容は、図７の平面ミラー１２４及び光源１２１にもそのまま適用される。マッチングレンズ１２３は、光源１２１から放出された照明光が平面ミラー１２４にいずれも入射できるように、照明光のビーム径を調節する役割を行い、また、照明用対物レンズ１２２の焦点を光源１２１にマッチングさせるリレイレンズの役割も行える。
【００５５】
図５ないし図７に示す実施形態では、反射面が平らな平面ミラー１２４を使用したが、平面ミラー１２４の代わりに、曲率のある反射面を有する曲面ミラーを使用することも可能である。図８を参照すれば、本発明のさらに他の実施形態による光学系１１０ｅは、光軸ＯＸが通過する中心部に開口１１５が形成されている結像用対物レンズ１１１、前記結像用対物レンズ１１１の開口１１５内に配置された照明用対物レンズ１２２、開口１１５と対向して、光軸ＯＸ上に位置する曲面ミラー１２５、及び前記光軸ＯＸを外れており、曲面ミラー１２５に向かって光を放出する光源１２１を備える。図８の結像用対物レンズ１１１と照明用対物レンズ１２２とは、図２で説明した内容がそのまま適用される。
【００５６】
曲面ミラー１２５は、平面ミラー１２４と同様に、結像用対物レンズ１１１と映像処理部１３０との間の光軸ＯＸ上で、結像用対物レンズ１１１の非焦点平面上に配置される。曲面ミラー１２５は、図８に例示的に示すように、凸状の反射面を有する凸ミラーでありうる。この場合、小さいビーム径を有するように集光された照明光を光源１２１から曲面ミラー１２５に提供できる。このために、例えば、光ファイバのような適切な光伝達部材１２６を通じて、光源１２１から曲面ミラー１２５に光を伝達できる。光ファイバのような光伝達部材１２５を使用すれば、光源１２１から曲面ミラー１２５までの光路が直線である必要がないので、３次元映像獲得装置１００の内部の空間利用効率を向上させることができる。しかし、適切なコリメーティング手段を利用して、光源１２１から曲面ミラー１２５に向かって直接照明ビームを投射することも可能である。
【００５７】
凸状の曲面ミラー１２５を使用する場合、光源１２１から放出された照明光は、曲面ミラー１２５により一定の角度を有して空間上に放射される。曲面ミラー１２５により放射された照明光は、照明用対物レンズ１２２を通じて被写体に投射される。かかる曲面ミラー１２５の反射面の曲率を適切に選択すれば、曲面ミラー１２５は、マッチングレンズ１２３の役割を行える。したがって、曲面ミラー１２５を使用することで、照明用対物レンズ１２２とのマッチングのための図７のマッチングレンズ１２３が省略されうる。しかし、実施形態によって、曲面ミラー１２５は、凹状の反射面を有する凹ミラーであってもよい。例えば、小さいビーム径を有するように集光された照明光を使用せず、一定の角度で放射される照明光を使用する場合には、凹状の曲面ミラー１２５を利用して、照明光を照明用対物レンズ１２２にのみ入射させることができる。
【００５８】
図８の実施形態では、曲面ミラー１２５が単にマッチングレンズの機能を行ったが、前記曲面ミラー１２５は、照明光を被写体に投射する照明用対物レンズ１２２の機能も行える。例えば、図９を参照すれば、本発明のさらに他の実施形態による光学系１００ｆは、光軸ＯＸが通過する中心部に開口１１５が形成されている結像用対物レンズ１１１、開口１１５と対向して、光軸ＯＸ上に位置する曲面ミラー１２５、及び光軸ＯＸを外れており、曲面ミラー１２５に向かって光を放出する光源１２１を備える。また、ホコリや湿気のような外部の有害な要素が開口１１５を通じて３次元映像獲得装置１００の内部に浸透することを防止するために、前記結像用対物レンズ１１１の開口１１５内には、曲率を有さない平らな表面を有する透明ウィンドウ１１６がさらに配置されもする。
【００５９】
前述したように、光ファイバのような光伝達部材１２５を通じて、光源１２１から曲面ミラー１２５に比較的小さいビーム径を有するように集光された照明光を伝達できる。凸状の反射面を有する曲面ミラー１２５は、照明光を反射して、一定の角度で空間上に放射させることができる。この時、曲面ミラー１２５の曲率を適切に選択すれば、曲面ミラー１２５により放射される照明光は、透明ウィンドウ１１６を通過して、直接被写体に投射される。したがって、この場合には、別途の照明用対物レンズ１２２が不要である。また、この場合には、結像用対物レンズ１１１は、曲面ミラー１２５の曲率に対応する固定された倍率を有する短焦点レンズでありうる。
【００６０】
一方、照明光の利用効率をさらに向上させて、被写体についての深さ情報の正確性をさらに向上させるために、照明光学系１２０の照明視野を３次元映像獲得装置１００の撮影視野と一致させることもできる。一般的に、３次元映像獲得装置１００の撮影視野は、約４：３の縦横比を有する長方形であるのに対し、照明光の断面形態（すなわち、照明視野）は円形である。照明視野と撮影視野とが異なる場合、照明光の一部は、深さ情報を得るのに使われずに除去される。これは、照明光の利用効率を低下させる原因となる。したがって、照明光の断面形態を、３次元映像獲得装置１００の撮影視野のような約４：３の縦横比を有する長方形に形成すれば、照明光の利用効率をさらに向上させることができる。
【００６１】
図１０は、このための本発明のさらに他の実施形態による光学系の構成を概略的に示している。図１０を参照すれば、前記光学系１００ｇは、一つの共通対物レンズ１１２、前記共通対物レンズ１１２と映像処理部１３０との間の光軸ＯＸ上に配置された平面ミラー１２４、光軸ＯＸを外れており、平面ミラー１２４に向かって光を放出する光源１２１、光源１２１と平面ミラー１２４との間に配置されたビーム成形素子１２７、平面ミラー１２４とビーム成形素子１２７との間に配置されて、前記ビーム成形素子１２７から出た照明光を、共通対物レンズ１１２の中心部にマッチングさせる第１マッチングレンズ１２３、及び光源１２１とビーム成形素子１２７との間に配置されて、光源１２１から放出された照明光を、ビーム成形素子１２７に入射させる第２マッチングレンズ１２８を備える。
【００６２】
ビーム成形素子１２７は、光源１２１から放出された照明光を均質化し、照明光の断面形態を所定の形態に変化させる役割を行う。例えば、ビーム成形素子１２７は、照明光の断面を、約４：３の縦横比を有する長方形に形成できる。このために、ビーム成形素子１２７は、例えば、ガラスまたは光透過性のプラスチックのような透明な材質からなる長方形断面のインテグレータ・ロッドでありうる。また、ビーム成形素子１２７の光入射面１２７ｉと光出射面１２７ｅとには、光の反射損失を減らすために反射防止コーティングが形成される。また、ビーム成形素子１２７の周囲面には、高反射コーティングが形成される。したがって、光入射面１２７ｉに入射した照明光は、内部全反射を通じてビーム成形素子１２７の内部を進んだ後、ビーム成形素子１２７の光出射面１２７ｅに出る。この時、光出射面１２７ｅを通じて出射された照明光は、ビーム成形素子１２７の断面形態と同じ長方形の断面を有する。したがって、照明光学系１２０の照明視野は、３次元映像獲得装置１００の撮影視野と一致する。また、ビーム成形素子１２７の内部で光が連続的に全反射を経る間に、色々な経路に進む光が互いに混ざりつつ、照明断面による光強度が全体的に均質化される。その結果、照明視野内のいかなる点でも光の強度がほとんど同一である。
【００６３】
図１０には、ビーム成形素子１２７と共に一つの共通対物レンズ１１２を使用する例が示されているが、光軸ＯＸが通過する中心部に開口１１５が形成されている結像用対物レンズ１１１、及び別途の照明用対物レンズ１２２をビーム成形素子１２７と共に使用することも可能である。例えば、図２に示すように、結像用対物レンズ１１１の開口１１５内に照明用対物レンズ１２２を配置させてもよい。また、図５に示すように、結像用対物レンズ１１１の開口１１５内には、透明ウィンドウ１１６を配置させ、図１０の第１マッチングレンズ１２３の位置に照明用対物レンズ１２２をその代わりに配置してもよい。また、平面ミラー１２４の代わりに、曲面ミラー１２５を使用してもよい。
【００６４】
以上、本発明の理解を助けるために、照明光学系と結像光学系とが統合された光学系、及びそれを含む３次元映像獲得装置についての例示的な実施形態が説明され、添付された図面に示した。しかし、かかる実施形態は、単に本発明を例示するためのものであり、これを制限しないという点を理解できるであろう。そして、本発明は、図示されて説明された説明に限定されないという点を理解できるであろう。これは、多様な他の変形が当業者に可能であるためである。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、３Ｄイメージ関連の技術分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１００  ３次元映像獲得装置、
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、１１０ｆ、１１０ｇ  光学系、
１１１  結像用対物レンズ、
１１５  開口、
１２０  照明光学系、
１２１  光源、
１２２  照明用対物レンズ、
１３０  映像処理部、
１４０  制御部、
ＯＸ  光軸。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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