(57)【要約】【課題】フイルムに比べて小型の撮像素子を用いた場合であっても、適度な視差と広画角化が確保できるステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置。【解決手段】左右に並んだ第１入射窓５Ｌ、第２入射窓５Ｒと、第１入射窓５Ｌからの光束を単一撮像素子４に導く複数の反射面２１Ｌ、２２Ｌと、第２入射窓５Ｒからの光束を撮像素子４に導く複数の反射面２１Ｒ、２２Ｒと、第１入射窓５Ｌからの光束に対して第１負レンズ群１Ｌと、レンズ系中最も長い空気間隔を介してその像側に位置する第１正レンズ群３と、第２入射窓５Ｒからの光束に対して第２負レンズ群１Ｒと、レンズ系中最も長い空気間隔を介してその像側に位置する第２正レンズ群３とを備え、負レンズ群の焦点距離と正レンズ群の焦点距離を全系の焦点距離で規定した条件式（１）〜（４）を満たす。【選択図】        図１
2004354434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の撮像素子及び前記単一の撮像素子上に相互に視差を持つ少なくとも２つの視差像を形成するステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置であって、
前記ステレオ撮像光学系は、被写体側に入射面を向け、左右に併設して配された第１の入射窓及び第２の入射窓を有し、
前記第１の入射窓に入射した光束を前記単一の撮像素子に導く複数の反射面と、
前記第２の入射窓に入射した光束を前記単一の撮像素子に導く複数の反射面と、
前記第１の入射窓に入射した光束に対して、負の屈折作用を持つ第１負レンズ群と、レンズ系中最も長い空気間隔を介して該第１負レンズ群の像側に位置する正の屈折作用を持つ第１正レンズ群と、
前記第２の入射窓に入射した光束に対して、負の屈折作用を持つ第２負レンズ群と、レンズ系中最も長い空気間隔を介して該第２負レンズ群の像側に位置する正の屈折作用を持つ第２正レンズ群と、を備え、
前記第１負レンズ群及び前記第２負レンズ群の焦点距離をそれぞれｆＮ１、ｆＮ２、前記第１正レンズ群及び前記第２正レンズ群の焦点距離をそれぞれｆＰ１、ｆＰ２、前記第１負レンズ群を含む全系の焦点距離をｆ１Ｔ、前記２負レンズ群を含む全系の焦点距離をｆ２Ｔとしたときに、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とするステレオ撮像装置。
−１０．０＜ｆＮ１／ｆ１Ｔ＜−２．０                            ・・・（１）
−１０．０＜ｆＮ２／ｆ２Ｔ＜−２．０                                ・・・（２）
１．５＜ｆＰ１／ｆ１Ｔ＜１０                                    ・・・（３）
１．５＜ｆＰ２／ｆ２Ｔ＜１０                                    ・・・（４）
【請求項２】
前記第１正レンズ群の横倍率をβＰ１、前記第２正レンズ群の横倍率をβＰ２とするときに、以下の条件式（５）、（６）を満足することを特徴とする請求項１記載のステレオ撮像装置。
−０．４＜βＰ１＜−０．０６                                  ・・・（５）
−０．４＜βＰ２＜−０．０６                                      ・・・（６）
【請求項３】
前記第１負レンズ群と前記第１正レンズ群との間隔、及び、前記第２負レンズ群と前記第２正レンズ群との間隔各々に、射出瞳を形成する絞り部材が位置することを特徴とする請求項１又は２記載のステレオ撮像装置。
【請求項４】
光路を展開した状態において、前記絞り部材から前記第１正レンズ群の入射面までの距離をＤＰＰ１  、前記絞り部材から前記第２正レンズ群の入射面までの距離をＤＰＰ２  とするときに、以下の条件式（７）、（８）を満足することを特徴とする請求項３記載のステレオ撮像装置。
０．０３＜ＤＰＰ１  ／ｆＰ１＜１．５                                              ・・・（７）
０．０３＜ＤＰＰ２  ／ｆＰ２＜１．５                                              ・・・（８）
【請求項５】
各々の入射窓から入射した光路を展開した状態において、各々の光学系は概略共通の光軸を持つ光学系として構成され、かつ、少なくとも前記第１正レンズ群、前記第２正レンズ群の少なくとも一部のレンズ又はレンズ群が、前記単一の撮像素子の前方に配置された共通の光軸を持つ単一のレンズ又はレンズ群であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
【請求項６】
前記複数の反射面は、前記単一の撮像素子上に投影される各々の視差像の並列方向が前記第１の入射窓及び前記第２の入射窓の並列方向とは異なる方向に相互に並んで投影されるように構成されていることを特徴とする請求項５記載のステレオ撮像装置。
【請求項７】
前記第１負レンズ群の光軸と前記第２負レンズ群の光軸とは相互に非平行で、かつ、同一平面内に位置しないことを特徴とする請求項６記載のステレオ撮像装置。
【請求項８】
前記第１負レンズ群と前記複数の反射面と前記第１正レンズ群を経て前記単一の撮像素子上に投影される視差像の中心に達する光束の中心光線を第１主光線、前記第２負レンズ群と前記複数の反射面と前記第２正レンズ群を経て前記単一の撮像素子上に投影される視差像の中心に達する光束の中心光線を第２主光線とするとき、前記第１負レンズ群に入射する前記第１主光線と前記第２負レンズ群に入射する前記第２主光線との角度差が、前記第１負レンズ群の光軸と前記第２負レンズ群の光軸との角度差よりも小さいことを特徴とする請求項７記載のステレオ撮像装置。
【請求項９】
前記単一の撮像素子の撮像面が長辺方向と短辺方向を持つ矩形形状であり、前記撮像面の長辺方向を前記ステレオ撮像光学系の視差方向に対して傾けたことを特徴とする請求項６から８の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
【請求項１０】
前記異なる方向が、前記視差像の視差方向に対して略直交する方向であることを特徴とする請求項６から９の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
【請求項１１】
前記単一の撮像素子の撮像面が長辺方向と短辺方向を持つ矩形形状であり、前記第１負レンズ群を介した視差像及び前記第２負レンズ群を介した視差像が、前記単一の撮像素子の短辺方向に並んで投影されるように前記単一の撮像素子を配したことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
【請求項１２】
前記単一の撮像素子の走査方向を前記ステレオ撮像光学系の視差方向に対して傾けたことを特徴とする請求項１から１１の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
【請求項１３】
前記単一の撮像素子の走査方向を視差像の視差方向と略平行にしたことを特徴とする請求項１から１２の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
【請求項１４】
前記第１負レンズ群を介した視差像及び前記第２負レンズ群を介した視差像が、前記単一の撮像素子の走査方向に略直交する方向に並んで投影されるように前記単一の撮像素子を配したことを特徴とする請求項１から１３の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
【請求項１５】
前記少なくとも２つの視差像を前記撮像素子の撮像面上にて分離させて結像する視野制限部材を備えていることを特徴とする請求項１から１４の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
【請求項１６】
前記視野制限部材の少なくとも１つが、前記第１の入射窓及び前記第２の入射窓であり、かつ、概略矩形の開口部を持つ視野マスクであることを特徴とする請求項１５記載のステレオ撮像装置。
【請求項１７】
前記視野マスクが前記第１負レンズ群及び前記第２負レンズ群の光軸に対して偏った位置に配置されていることを特徴とする請求項１６記載のステレオ撮像装置。
【請求項１８】
前記第１負レンズ群と前記複数の反射面と前記第１正レンズ群を経て前記単一の撮像素子上に投影される視差像の中心に達する光束の中心光線を第１主光線、前記第２負レンズ群と前記複数の反射面と前記第２正レンズ群を経て前記単一の撮像素子上に投影される視差像の中心に達する光束の中心光線を第２主光線とするとき、前記第１負レンズ群及び前記第２負レンズ群の少なくとも何れかのレンズの外形が、該レンズの光軸に対してそれぞれの主光線が入射する側とは反対側において光軸に最も近づく非回転対称の形状となっていることを特徴とする請求項１から１７の何れか１項記載のステレオ撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステレオ撮像装置に関し、特に、小型かつ水平方向の画角が大きいステレオ画像が撮影可能なステレオ撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、同一被写体に対して視差のある２つの画像を左右に並べて同時に撮影するカメラが知られているが、それらは、通常、撮影における撮像面が一般には横長であることから、２つの画像を左右に並べて撮影するようにしているのが一般的である。しかしながら、このような撮影においては、水平方向に長いステレオ画像を得ようとすると、水平方向に長い画像２枚を水平方向に並べる結果になり、撮像面上に無駄なスペースが生じてしまい、例えば単一の撮像素子でこの２枚の画像を同時に撮像して距離測定等に利用しようとするとき、詳細な画像情報を得ることは困難となってくる。
【０００３】
このような問題を解決するために、横長の撮像面の上下方向にステレオ画像を取り込むステレオ撮影光学系が特許文献１に記載されている。
【０００４】
この光学系は、その特許文献１の図１、図２に示されるように、フイルム面を上下に分割し、各々２枚の反射面にて左右の視差のある画像をフイルム画面の上下に導く構成のものである。
【０００５】
また、特許文献１の図７には、被写体側に負レンズを配してレトロフォーカスタイプのレンズ構成として、小型広角化を行ったステレオ撮像光学系も開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−１７１１５１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この特許文献１に記載された撮影光学系は、写真フイルム用に設計されており、そのため、撮像面が小さい撮像素子を用いようとすると、十分な画角が得られず、また、撮像素子特有の入射角依存性にも対応できていないものである。
【０００８】
また、その撮影光学系の光路を展開したときに、各々独立した光学系となっており、レンズ部品点数を減らすことが困難な構成となっている。
【０００９】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フイルムに比べて小型の撮像素子を用いた場合であっても、適度な視差と広画角化が確保できるステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置を提供することである。
【００１０】
さらには、部品点数を減らしつつ、小型かつ水平方向（視差方向）の画角が大きいステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置を提供することを目的とする。
【００１１】
また、さらには、収差補正をより良好になし得るステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置を提供することを目的とする。
【００１２】
また、さらには、撮像素子上における視差を持つ画像の利用効率が良好なステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の第１のステレオ撮像装置は、単一の撮像素子及び前記単一の撮像素子上に相互に視差を持つ少なくとも２つの視差像を形成するステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置であって、
前記ステレオ撮像光学系は、被写体側に入射面を向け、左右に併設して配された第１の入射窓及び第２の入射窓を有し、
前記第１の入射窓に入射した光束を前記単一の撮像素子に導く複数の反射面と、
前記第２の入射窓に入射した光束を前記単一の撮像素子に導く複数の反射面と、
前記第１の入射窓に入射した光束に対して、負の屈折作用を持つ第１負レンズ群と、レンズ系中最も長い空気間隔を介して該第１負レンズ群の像側に位置する正の屈折作用を持つ第１正レンズ群と、
前記第２の入射窓に入射した光束に対して、負の屈折作用を持つ第２負レンズ群と、レンズ系中最も長い空気間隔を介して該第２負レンズ群の像側に位置する正の屈折作用を持つ第２正レンズ群と、を備え、
前記第１負レンズ群及び前記第２負レンズ群の焦点距離をそれぞれｆＮ１、ｆＮ２、前記第１正レンズ群及び前記第２正レンズ群の焦点距離をそれぞれｆＰ１、ｆＰ２、前記第１負レンズ群を含む全系の焦点距離をｆ１Ｔ、前記２負レンズ群を含む全系の焦点距離をｆ２Ｔとしたときに、以下の条件式（１）、（２）、（３）、（４）を満足することを特徴とするものである。
【００１４】
−１０．０＜ｆＮ１／ｆ１Ｔ＜−２．０                            ・・・（１）
−１０．０＜ｆＮ２／ｆ２Ｔ＜−２．０                                ・・・（２）
１．５＜ｆＰ１／ｆ１Ｔ＜１０                                    ・・・（３）
１．５＜ｆＰ２／ｆ２Ｔ＜１０                                    ・・・（４）
以下に、この本発明の第１のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００１５】
説明に先立って、本発明において、視差方向とは、ステレオ撮像光学系については、同一被写体から第１負レンズ群の入射面に入射する中心光線位置と第２負レンズ群の入射面に入射する中心光線位置とを結んだ方向であり、通常は水平方向（左右方向）に選ばれるが、この方向は限定的ではなく、垂直方向あるいは斜め方向何れでも可能である。また、撮像素子（結像面）上での視差像においては、複数の視差像における同一被写体の相対的なずれ方向が視差方向となる。
【００１６】
また、本発明において、単一の撮像素子とは、受光面（撮像面）が１個のものに限定されず、同一基板（サブストレート。半導体基板が通常である。）上に複数の受光面が併設されているものも意味する。
【００１７】
さて、本発明のステレオ撮像装置のステレオ撮像光学系においては、左右（以後、特に断らない限り、視差方向を意味する。）の入射窓に対応して配された負レンズ群に入射した光束は、途中、それぞれ上記の各複数の反射面にて反射されると共に、結像レンズ群を経由して、視差を持った画像（視差像）が撮像素子上に導かれる。
【００１８】
このとき、対物レンズ群に相当する負レンズ群と像面側の結像作用を持つ正レンズ群とにて左右の光学系全系をレトロフォーカスタイプに構成して、広画角化を図っている。
【００１９】
また、これらの条件式（１）〜（４）は、小さい撮像素子であっても適度な画角と適度な視差を持った視差像を得るために、各々の負レンズ群の焦点距離と正レンズ群の焦点距離を全系の焦点距離で規定したものである。
【００２０】
条件式（１）、（２）の下限値の−１０．０を越えて負レンズ群の屈折力が弱くなると、広画角を得ることができなくなると共に、負レンズ群の径が大きくなる。
【００２１】
一方、条件式（１）、（２）の上限値の−２．０を上回ると、両レンズ群間の間隔が短くなり、適度な視差を持つように光路を折り曲げることが困難となってくる。
【００２２】
同様に、条件式（３）（４）の下限値の１．５を越えて正レンズ群の屈折力が強くなると、両レンズ群間の間隔が短くなり、上限値の１０を越えて正レンズ群の屈折力が小さくなると、両レンズ群間の間隔が長くなりすぎて、装置が大きくなる。
【００２３】
さらには、条件式（１）、（２）の下限値を−８．０としてもよい。さらには、条件式（１）、（２）の下限値を−６．０としてもよい。
【００２４】
また、さらには、条件式（１）、（２）の上限値を−３．０としてもよい。さらには、条件式（１）、（２）の上限値を−４．０としてもよい。
【００２５】
また、さらには、条件式（３）、（４）の下限値を２．５としてもよい。さらには、条件式（３）、（４）の下限値を３．０としてもよい。
【００２６】
また、さらには、条件式（３）、（４）の上限値を７．０としてもよい。さらには、条件式（３）、（４）の上限値を５．０としてもよい。
【００２７】
本発明の第２のステレオ撮像装置は、第１のステレオ撮像装置において、前記第１正レンズ群の横倍率をβＰ１、前記第２正レンズ群の横倍率をβＰ２とするときに、以下の条件式（５）、（６）を満足することを特徴とするものである。
【００２８】
−０．４＜βＰ１＜−０．０６                                  ・・・（５）
−０．４＜βＰ２＜−０．０６                                      ・・・（６）
この第２のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００２９】
この条件式（５）、（６）は、正レンズ群の横倍率を規定するものである。条件式（５）、（６）の下限値の−０．４を下回ると、バックフォーカスが長くなり光学系全体が大きくなる。一方、条件式（５）、（６）の上限値の−０．０６を越えると、負レンズ群の屈折力が弱くなるので、広画角が達成できなくなると共に、負レンズ群の径が大きくなりすぎる。
【００３０】
さらには、条件式（５）、（６）の下限値を−０．３としてもよい。さらには、条件式（５）、（６）の下限値を−０．２５としてもよい。
【００３１】
また、さらには、条件式（５）、（６）の上限値を−０．１としてもよい。さらには、条件式（５）、（６）の上限値を−０．１５としてもよい。
【００３２】
以上の、条件式（１）〜（６）に関して、後記の実施例のステレオ撮像光学系の値は次の通りである。
【００３３】
ｆＮ１      ＝−２２．９０８
ｆＮ２      ＝−２２．９０８
ｆＰ１      ＝  １８．７１４
ｆＰ２      ＝  １８．７１４
ｆ１Ｔ      ＝    ５．００
ｆ２Ｔ      ＝    ５．００
ｆＮ１／ｆ１Ｔ＝  −４．５７
ｆＮ２／ｆ２Ｔ＝  −４．５７
ｆＰ１／ｆ１Ｔ＝    ３．７４
ｆＰ２／ｆ２Ｔ＝    ３．７４
βＰ１      ＝  −０．２１８
βＰ２      ＝  −０．２１８
本発明の第３のステレオ撮像装置は、第１、第２のステレオ撮像装置において、前記第１負レンズ群と前記第１正レンズ群との間隔、及び、前記第２負レンズ群と前記第２正レンズ群との間隔各々に、射出瞳を形成する絞り部材が位置することを特徴とするものである。
【００３４】
この第３のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００３５】
このようにすると、撮像素子への入射光束をテレセントリックにしやすくなる。また、負レンズ群及び正レンズ群の径の肥大化も抑えられる。
【００３６】
本発明の第４のステレオ撮像装置は、第３のステレオ撮像装置において、光路を展開した状態において、前記絞り部材から前記第１正レンズ群の入射面までの距離をＤＰＰ１  、前記絞り部材から前記第２正レンズ群の入射面までの距離をＤＰＰ２  とするときに、以下の条件式（７）、（８）を満足することを特徴とするものである。
【００３７】
０．０３＜ＤＰＰ１  ／ｆＰ１＜１．５                                              ・・・（７）
０．０３＜ＤＰＰ２  ／ｆＰ２＜１．５                                              ・・・（８）
この第４のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００３８】
条件式（７）、（８）の下限値の０．０３を越えると、撮像素子側へテレセントリックにする効果が小さくなる。一方、上限値の１．５を越えると、正レンズ群による軸外光束のケラレが生じやすくなる。
【００３９】
さらには、条件式（７）、（８）の下限値を０．１としてもよい。さらには、条件式（７）、（８）の下限値を０．２としてもよい。
【００４０】
また、さらには、条件式（７）、（８）の上限値を１．０としてもよい。さらには、条件式（７）、（８）の上限値を０．５としてもよい。
【００４１】
以上の、条件式（７）、（８）に関して、後記の実施例のステレオ撮像光学系の値は次の通りである。
【００４２】
ＤＰＰ１        ＝    ８．２４
ＤＰＰ２        ＝    ８．２４
ｆＰ１        ＝  １８．７１４
ｆＰ２        ＝  １８．７１４
ＤＰＰ１  ／ｆＰ１＝  ０．４４０
ＤＰＰ２  ／ｆＰ２＝  ０．４４０
本発明の第５のステレオ撮像装置は、第１〜第４のステレオ撮像装置において、各々の入射窓から入射した光路を展開した状態において、各々の光学系は概略共通の光軸を持つ光学系として構成され、かつ、少なくとも前記第１正レンズ群、前記第２正レンズ群の少なくとも一部のレンズ又はレンズ群が、前記単一の撮像素子の前方に配置された共通の光軸を持つ単一のレンズ又はレンズ群であることを特徴とするものである。
【００４３】
この第５のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００４４】
このような構成にすることにより、光学系全体を概略共軸系とすることができ、収差補正が容易となる。
【００４５】
また、撮像素子に加えてレンズ系の一部を共通部材とすることができ、部品点数の削減を行うことができる。
【００４６】
本発明の第６のステレオ撮像装置は、第５のステレオ撮像装置において、前記複数の反射面は、前記単一の撮像素子上に投影される各々の視差像の並列方向が前記第１の入射窓及び前記第２の入射窓の並列方向とは異なる方向に相互に並んで投影されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００４７】
この第６のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００４８】
このように複数の反射面を配置することで、左右の入射窓に入射した光束は、各反射面を介して撮像素子の概ね上下方向に結像する。したがって、撮像素子を並んで位置する左右の視差像の外形に合わせて配置することで、左右方向に広画角な画像を得ることが可能となる。
【００４９】
なお、ここで、異なる方向とは、ステレオ撮像光学系の視差方向を左右方向とすると、上下方向に限定されず斜め方向も含むものである。
【００５０】
本発明の第７のステレオ撮像装置は、第６のステレオ撮像装置において、前記第１負レンズ群の光軸と前記第２負レンズ群の光軸とは相互に非平行で、かつ、同一平面内に位置しないことを特徴とするものである。
【００５１】
この第７のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００５２】
光路を展開した状態にて、負レンズ群と正レンズ群との光軸のズレ幅が大きい場合、負レンズ群、正レンズ群の双方にて収差補正を行わないと、両者の光軸のズレによる偏心収差が生じやすくなる。
【００５３】
一方、本発明のように、光路を展開した状態にて、負レンズ群と正レンズ群との光軸を略共通にした場合、正レンズ群での光軸に対称な残存収差を略同軸の負レンズ群にて補正できるので、光軸ズレによる影響が小さくて済むようになる。
【００５４】
しかしながら、このように負レンズ群の光軸を正レンズ群の光軸と概略一致させた場合、単純に光軸を同一面上で折り曲げたのみでは、左右の入射光束が被写体側にて重複しなくなり、視差のある複数の視差像を撮影するステレオ撮影ができなくなる。
【００５５】
そこで、上述するように、双方の負レンズ群の光軸を非平行で、かつ、同一平面内に位置しない関係とすることで、共通被写体からの光束により相互に視差のある左右の視差像を撮像素子上に別々に導くことが可能となる。
【００５６】
本発明の第８のステレオ撮像装置は、第７のステレオ撮像装置において、前記第１負レンズ群と前記複数の反射面と前記第１正レンズ群を経て前記単一の撮像素子上に投影される視差像の中心に達する光束の中心光線を第１主光線、前記第２負レンズ群と前記複数の反射面と前記第２正レンズ群を経て前記単一の撮像素子上に投影される視差像の中心に達する光束の中心光線を第２主光線とするとき、前記第１負レンズ群に入射する前記第１主光線と前記第２負レンズ群に入射する前記第２主光線との角度差が、前記第１負レンズ群の光軸と前記第２負レンズ群の光軸との角度差よりも小さいことを特徴とするものである。
【００５７】
この第８のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００５８】
これら角度差が以上の関係を満たすことで、左右両視差像中に対応点が存在し、例えば被写体の距離測定に利用することができるようになる。
【００５９】
本発明の第９のステレオ撮像装置は、第６〜第８のステレオ撮像装置において、前記単一の撮像素子の撮像面が長辺方向と短辺方向を持つ矩形形状であり、前記撮像面の長辺方向を前記ステレオ撮像光学系の視差方向に対して傾けたことを特徴とするものである。
【００６０】
本発明の第１０のステレオ撮像装置は、第６〜第８のステレオ撮像装置において、前記異なる方向が、前記視差像の視差方向に対して略直交する方向であることを特徴とするものである。
【００６１】
この第９、第１０のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００６２】
本発明のように、光路を展開したときに各々の視差像に至る入射側主光線が相互に傾いている光学系の場合、視差像相互を近接させつつ両主光線（定義は、第８のステレオ撮像装置）を平行に近づけるように光路を折り曲げようとすると、複数の反射面の少なくとも１つを、その法線をステレオ撮像光学系の視差方向を含む平面に対して傾けなければならないため、像面がステレオ撮像光学系の視差方向に対して傾いてしまう。
【００６３】
したがって、この傾斜した像面に沿うように撮像素子の撮像面を傾けることで、撮像領域を有効利用することが可能となる。そして、特に、左右の視差像が相互に並ぶ方向を視差像の視差方向に対して略直交する方向とすることで、撮像領域を最も有効利用することが可能となる。
【００６４】
本発明の第１１のステレオ撮像装置は、第１〜第１０のステレオ撮像装置において、前記単一の撮像素子の撮像面が長辺方向と短辺方向を持つ矩形形状であり、前記第１負レンズ群を介した視差像及び前記第２負レンズ群を介した視差像が、前記単一の撮像素子の短辺方向に並んで投影されるように前記単一の撮像素子を配したことを特徴とするものである。
【００６５】
この第１１のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００６６】
矩形形状の撮像素子の短辺方向へ左右の視差像が並んで投影されるため、より横長の視差像を得ることが可能となる。それにより、概略水平方向に広い画角の情報が要求される車両搭載型のステレオ撮像装置等に好適なステレオ撮像装置とすることができる。
【００６７】
本発明の第１２のステレオ撮像装置は、第１〜第１１のステレオ撮像装置において、前記単一の撮像素子の走査方向を前記ステレオ撮像光学系の視差方向に対して傾けたことを特徴とするものである。
【００６８】
本発明の第１３のステレオ撮像装置は、第１〜第１２のステレオ撮像装置において、前記単一の撮像素子の走査方向を視差像の視差方向と略平行にしたことを特徴とするものである。
【００６９】
この第１２、第１３のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００７０】
本発明のように、光路を展開したときに各々の視差像の入射側主光線が傾いている光学系の場合、光路を展開したときに各々の視差像に至る入射側主光線（定義は、第８のステレオ撮像装置）が相互に傾いている光学系の場合、視差像相互を近接させつつ両主光線を平行に近づけるように光路を折り曲げようとすると、複数の反射面の少なくとも１つを、その法線をステレオ撮像光学系の視差方向を含む平面に対して傾けなければならないため、像面がステレオ撮像光学系の視差方向に対して傾いてしまう。したがって、この傾いた像面に沿うように撮像素子の走査方向を傾けることで、画像処理時間を短縮することが可能となる。
【００７１】
本発明の第１４のステレオ撮像装置は、第１〜第１３のステレオ撮像装置において、前記第１負レンズ群を介した視差像及び前記第２負レンズ群を介した視差像が、前記単一の撮像素子の走査方向に略直交する方向に並んで投影されるように前記単一の撮像素子を配したことを特徴とするものである。
【００７２】
この第１４のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００７３】
撮像素子が受像面を上下分割して同時に読み出し可能なものを用いる場合に、メモリを用いなくとも、同時並列処理が可能になり、画像情報処理時間を短縮することができる。
【００７４】
本発明の第１５のステレオ撮像装置は、第１〜第１４のステレオ撮像装置において、前記少なくとも２つの視差像を前記撮像素子の撮像面上にて分離させて結像する視野制限部材を備えていることを特徴とするものである。
【００７５】
この第１５のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００７６】
左右の視差像が撮像面上にてオーバーラップしないように、左右の光路中の何れかの位置にそれぞれ視野制限部材を配することが好ましい。この場合、左右の光路中に中間像結像位置が存在しない場合は、ケラレにより視野を制限するようにする。
【００７７】
本発明の第１６のステレオ撮像装置は、第１５のステレオ撮像装置において、前記視野制限部材の少なくとも１つが、前記第１の入射窓及び前記第２の入射窓であり、かつ、概略矩形の開口部を持つ視野マスクであることを特徴とするものである。
【００７８】
この第１６のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００７９】
負レンズ群の被写体に近い位置に視野マスクを配することで、マスクに視野絞りの機能を持たせやすくできる。また、その形状を得たい像形状に近い形状（概略矩形）とすることで、視野絞りの機能とフードの機能を併せて果たさせることができる。
【００８０】
本発明の第１７のステレオ撮像装置は、第１６のステレオ撮像装置において、前記視野マスクが前記第１負レンズ群及び前記第２負レンズ群の光軸に対して偏った位置に配置されていることを特徴とするものである。
【００８１】
この第１７のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００８２】
撮像素子の所望領域に視差像を形成したい場合は、負レンズ群の傾きによらず視野マスクを負レンズ群に対して偏った位置に配することが好ましい。
【００８３】
本発明の第１８のステレオ撮像装置は、第１〜１７のステレオ撮像装置において、前記第１負レンズ群と前記複数の反射面と前記第１正レンズ群を経て前記単一の撮像素子上に投影される視差像の中心に達する光束の中心光線を第１主光線、前記第２負レンズ群と前記複数の反射面と前記第２正レンズ群を経て前記単一の撮像素子上に投影される視差像の中心に達する光束の中心光線を第２主光線とするとき、前記第１負レンズ群及び前記第２負レンズ群の少なくとも何れかのレンズの外形が、該レンズの光軸に対してそれぞれの主光線が入射する側とは反対側において光軸に最も近づく非回転対称の形状となっていることを特徴とするものである。
【００８４】
この第１８のステレオ撮像装置の作用効果を説明する。
【００８５】
負レンズ群中の有効面以外の部分は欠落させることが好ましい。特に、負レンズ群が主光線に対して偏心している場合は、主光線とは反対側の領域の一部は不要となるため、上記のような形状とすることで、軽量化が図れる。さらには、そのようなレンズ形状にして視野制限部材の一部として機能させることも可能となる。
【００８６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のステレオ撮像装置を実施例に基づいて説明する。
【００８７】
図１は、本発明の１実施例のステレオ撮像装置の概略の構成を示す模式的な斜視図であり、図１（ａ）と（ｂ）は視野マスク５Ｌ、５Ｒの形状が異なるのみで、その他の構成は同じであるので、以下に特別な場合以外は区別しない。
【００８８】
以下の説明において、特に断らない限り、符号の後の“Ｌ”と“Ｒ”は左右の光路に属する構成要素等を区別するためのものである。
【００８９】
このステレオ撮像装置は、左右の光路に対して、左右の負レンズ群である左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒと、それら対物レンズ群１Ｌ、１Ｒから入射した光を順に反射する第１反射面２１Ｌ、２１Ｒ、第２反射面２２Ｌ、２２Ｒと、左右の第２反射面２２Ｌ、２２Ｒで反射された光が入射する左右共通で正レンズ群である結像レンズ群３と、結像レンズ群３の像面に配置されている共通の単一の撮像素子４とからなる。
【００９０】
第１反射面２１Ｌ、２１Ｒと第２反射面２２Ｌ、２２Ｒの反射方向は、図から明らかなように、左の第１反射面２１Ｌは、左の対物レンズ群１Ｌから入射した光路を右の対物レンズ群１Ｒ側へ概ね９０°折り曲げ、第２反射面２２Ｌは、その折り曲げられた光路を左の対物レンズ群１Ｌへ入射する光路と略平行な方向であって反対の方向へ概ね９０°折り曲げて、共通の結像レンズ群３へ入射させ、同様に、右の第１反射面２１Ｒは、右の対物レンズ群１Ｒから入射した光路を左の対物レンズ群１Ｌ側へ概ね９０°折り曲げ、第２反射面２２Ｒは、その折り曲げられた光路を右の対物レンズ群１Ｒへ入射する光路と略平行な方向であって反対の方向へ概ね９０°折り曲げて、共通の結像レンズ群３へ入射させる構成になっている。
【００９１】
そのために、このステレオ撮像装置は、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒ間に共通の結像レンズ群３と撮像素子４を配置することができ、左右方向の幅は左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの端部間の距離（基線長に一方の対物レンズ群の口径を加えた距離）で決まり、被写体に対して奥行き方向の厚さは、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒ先端面と、第１反射面２１Ｌ、２１Ｒ及び第２反射面２２Ｌ、２２Ｒで構成される導光光学系２Ｌ、２Ｒの後端面との間に距離で決まり、さらに、高さは対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの口径以下（対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの有効領域以外はトリミングできるので、口径以下となる。）で略決まるため、小型に構成することができる。
【００９２】
そして、左の対物レンズ群１Ｌから入射し、第１反射面２１Ｌ、第２反射面２２Ｌを順に経て結像レンズ群３で撮像素子４上に結像される両眼視差像の左の視差像は、撮像素子４の矩形の撮像面の下半分に倒立して投影され、右の対物レンズ群１Ｒから入射し、第１反射面２１Ｒ、第２反射面２２Ｒを順に経て結像レンズ群３で撮像素子４上に結像される両眼視差像の右の視差像は、撮像素子４の矩形の撮像面の上半分に倒立して投影される。
【００９３】
ここで、このステレオ撮像装置の光学系全体の視差方向は、左右の主光線を１０Ｌ、１０Ｒとするとき、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの入射レンズ面あるいは視野マスク５Ｌ、５Ｒに左右の主光線１０Ｌ、１０Ｒが入射する点間を結んだ直線Ａ−Ａ’の方向であり、撮像素子４上に投影される視差像の視差方向は、撮像素子４の矩形の辺に平行な直線Ｂ−Ｂ’の方向であり、図１から明らかなように、この実施例のステレオ撮像装置においては、光学系全体の視差方向Ａ−Ａ’と撮像素子４上に投影される視差像の視差方向Ｂ−Ｂ’とは平行でなく視差方向Ａ−Ａ’に対して視差方向Ｂ−Ｂ’が傾いている。これは、第１反射面２１Ｌ、２１Ｒと第２反射面２２Ｌ、２２Ｒの傾きが、単純に同一平面に直交する軸回りでの傾きでなく、２軸の回りでの傾きであることにより、撮像素子４上に投影される被写体像に回転が起きるためである。ここで、左右の主光線１０Ｌ、１０Ｒは、それぞれ対物レンズ群１Ｌ、１Ｒから入射し、第１反射面２１Ｌ、２１Ｒ、第２反射面２２Ｌ、２２Ｒを順に経て結像レンズ群３で撮像素子４上に結像される左右の視差像各々の中心に達する光束の中心光線で定義される。
【００９４】
この実施例の光学系の詳細な説明の前に、簡単に説明しておくと、左右の主光線１０Ｌ、１０Ｒは上記のように定義されるのに対して、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒはそれぞれ光軸（中心軸、回転軸）１１１Ｌ、１１１Ｒを有し、また、結像レンズ群３は１つの光軸（中心軸、回転軸）１１３  を有している。そして、第１反射面２１Ｌ、２１Ｒと第２反射面２２Ｌ、２２Ｒでの光路を展開して左右の光学系（レンズ系）をそれぞれ１つのレンズ系とするとき、左の対物レンズ群１Ｌの光軸１１１Ｌと結像レンズ群３の光軸１１３  は一致して１つの光軸となっている。また、右の対物レンズ群１Ｒの光軸１１１Ｒと結像レンズ群３の光軸１１３  は一致して１つの光軸となっている。そして、同一被写体からの左右の光束は、左右の主光線１０Ｌ、１０Ｒに沿って左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒに入射して、撮像素子４の矩形の撮像面の下半分、上半分にそれぞれの左右の視差像を倒立して結像する。
【００９５】
ここで、この実施例において、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒに入射する主光線１０Ｌ、１０Ｒは、それぞれの光軸１１１Ｌ、１１１Ｒとは一致せず、左の入射する主光線１０Ｌは左の光軸１１１Ｌの上側に角度をなしており、右の入射する主光線１０Ｒは右の光軸１１１Ｒの下側に角度をなしている。ただし、左右視差像を結像させるために、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒに入射する主光線１０Ｌ、１０Ｒは相互に平行かあるいは略同一面内で被写体までの距離に応じた内輳角を形成しており、そのため、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの光軸１１１Ｌ、１１１Ｒは、結像レンズ群３の光軸１１３  を中心に相互にねじれの関係にあり、１８０°回転対称の関係にある。
【００９６】
左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの入射側に、それぞれ主光線１０Ｌ、１０Ｒを中心とする結像光束を通し、不要光を制限する視野マスク５Ｌ、５Ｒが配置されているが、図１（ａ）の場合は、左の対物レンズ群１Ｌの略下側を覆い、右の対物レンズ群１Ｒの略上側を覆う単純な形状に構成した例であり、図１（ｂ）の場合は、左の対物レンズ群１Ｌの略下側を覆い、撮像素子４上に結像される視差像を左右に長い長方形状に制限する横長の長方形形状、右の対物レンズ群１Ｒの略上側を覆い、撮像素子４上に結像される視差像を左右に長い長方形状に制限する横長の長方形形状に構成した例である。
【００９７】
そして、第１反射面２１Ｌ、２１Ｒは、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒを透過した有効光束を制限しないサイズと形状を持ち、水平方向には約４５°、垂直方向には撮像素子３側に数度傾いて配置されており、第２反射面２２Ｌ、２２Ｒに反射光束を入射させる。第２反射面２２Ｌ、２２Ｒは、水平方向には第２反射面２２Ｌ、２２Ｒに略垂直に、垂直方向には撮像素子側に微小な角度傾いて配置されており、結像レンズ群３に光束を入射させる。第２反射面２２Ｌ、２２Ｒは、図１に示すように、垂直方向から見た場合は、左の第２反射面２２Ｌが上、右の第２反射面２２Ｒが下で相互に交差するように配置されており、左右から入射してくる光束を結像レンズ群３の方向に上下方向から入射するように偏向する。ここで、この第２反射面２２Ｌ、２２Ｒが射出瞳を形成する絞り部材を構成している。
【００９８】
視野マスク５Ｌ、５Ｒにより制限された光束は、結像レンズ群３により、図示しないローパスフィルターを透過した後、撮像素子４の上下の半分の何れか半分の領域にそれぞれの視差像を結像する。視野マスク５Ｌ、５Ｒの作用により、上下の視差像は相互にオーバーラップせずに、撮像素子４上に分離平行して結像される。
【００９９】
ここで、重要なことであるが、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒ、左右の導光光学系２Ｌ、２Ｒは同じものを用いており、結像レンズ群３の光軸１１３  を中心に相互に１８０°の回転対称の関係に配置されるので、同一の一対の部品を左右に相互に１８０°の回転した位置に配置して構成すればよい。
【０１００】
そして、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒは負の屈折力を持ち、結像レンズ群３は正の屈折力を持つので、左右の光学系はそれぞれレトロフォーカスタイプの構成となっており、広画角な左右の視差像を撮像することができる。
【０１０１】
なお、図１中、符号６、７は、このステレオ撮像装置の回路部品を配置する上下のスペースを示している。
【０１０２】
次に、本実施例のステレオ撮像装置のステレオ撮像光学系の詳細を説明する。
【０１０３】
上記したように、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒ、左右の導光光学系２Ｌ、２Ｒは同一構成のものであり、結像レンズ群３の光軸１１３  を中心に相互に１８０°の回転対称の関係に配置される。そして、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの光軸１１１Ｌと結像レンズ群３の光軸１１３  は一致した１つの光軸となっているので、主として左の光学系を説明する。
【０１０４】
図２は、左の光学系を示す光路展開図であり、左の対物レンズ群１Ｌ、第１反射面２１Ｌ、第２反射面２２Ｌ、結像レンズ群３は、一転鎖線で示す光軸１１Ｌを中心とする回転対称光学系を構成している。この図では、第１反射面２１Ｌ、第２反射面２２Ｌは光軸１１Ｌに垂直な直線で代表させてあるが、光路展開しない状態では、第１反射面２１Ｌと第２反射面２２Ｌはこの光軸１１Ｌに対して、後で説明するように、２軸の回りで傾いているので、光学系の配置上は回転対称ではない。
【０１０５】
図２から明らかなように、左の対物レンズ群１Ｌは、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１  と、平凹負レンズＬ２  と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３  の３枚からなる負パワーのレンズ群からなり、結像レンズ群３は、両凸正レンズＬ４  と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ５  と、平凹負レンズＬ６  と、両凸正レンズＬ７  の４枚からなる正パワーのレンズ群からなり、第２反射面２２Ｌの位置に絞りが配置されている（第２反射面２２Ｌの外形が絞りを構成している。）。そして、撮像素子４の撮像面（像面）の下半分に結像される左の視差像の中心に至る主光線１０Ｌの通る画角（光軸１１Ｌと主光線１０Ｌのなす角度）は９．７°である。
【０１０６】
このレンズ系のレンズデータは後記の表１の通りである。ただし、表中、ｒ１  、ｒ２  …はレンズＬ１  の入射側の面から数えて順の各レンズ面（反射面、像面を含む。）の曲率半径、ｄ１  、ｄ２  …は各レンズ面間の間隔、ｎｄ１、ｎｄ２…は各レンズのｄ線の屈折率、νｄ１、νｄ２…は各レンズのアッベ数である。表１中では、このレンズ系自体の全画角を示してあるが、左の光学系として示す画角は、縦方向（垂直方向）では９．７°±７°の２．７°から１６．７°の１４°であり、左右方向（水平方向、視差方向）では、４２°となる。
【０１０７】
この実施例のレンズ系の縦収差図を図３に、横収差図を図４に示す。これら収差図において、“ＳＡ”は球面収差、“ＡＳ”は非点収差、“ＤＴ”は歪曲収差、“ＣＣ”は倍率色収差を示す。また、各収差図中、“ω”は片側の画角を示す。
【０１０８】
さて、ここで、座標を定義する。撮像素子４の像面（撮像面）中心において、その法線方向であって被写体方向に向かう方向（像面の表から裏へ向かう方向）を正としたｚ軸、ｚ軸に直交し、像面から対物レンズ群方向に正を向いたｘ軸、ｚ軸とｘ軸とに直交し右手座標系を構成するｙ軸を定義する。
【０１０９】
図５に本実施例のステレオ撮像装置の左の光学系のｘ−ｚ面への投影図、図６にそのｙ−ｚ面への投影図を示す。第１反射面２１Ｌと第２反射面２２Ｌは、上記のように、２軸の回りで傾いているが、この第１反射面２１Ｌ、第２反射面２２Ｌの回転（傾き）については、ｙ軸回りでの回転角として、その像面中心に設定した座標系のｙ軸正方向に向いて右回りを正、左回りを負とし、各反射面の法線がｚ軸正方向を向いている位置を回転角０°として定義する。また、ｘ軸回りでの回転角として、その像面中心に設定した座標系のｘ軸を各反射面の回転と共に回転するもの、すなわち、ｘ軸は各反射面内にｙ軸に直交して存在するものとし、その新たに設定されたｘ軸正方向に向いて右回りを正、左回りを負と定義する。
【０１１０】
この実施例においては、後記の表２の通り、第１反射面２１Ｌのｙ軸回りでの回転角は−４４．６°、ｘ軸回りでの回転角は＋８°、第２反射面２２Ｌのｙ軸回りでの回転角は＋４５°、ｘ軸回りでの回転角は−１．２°である。
【０１１１】
また、上記の撮像素子４の像面（撮像面）中心に定義した座標系における各レンズ面（反射面、像面を含む。）の面頂位置は、後記の表３の通りである。
【０１１２】
以上の図２で光路展開図、図５のでｘ−ｚ面への投影図、図６でｙ−ｚ面への投影図に示した左の光学系の斜視図は、図７のようになる。
【０１１３】
2004354434.tif 000003
【０１１４】
2004354434.tif 000004
【０１１５】
2004354434.tif 000005
【０１１６】
以上の表１〜表３において、寸法を表す値の単位はｍｍである。
【０１１７】
以上にこの実施例のステレオ撮像光学系の左の光学系を説明したが、上記のように、右の光学系は、結像レンズ群３を共有し、右の対物レンズ群１Ｒと右の導光光学系２Ｒは、左の対物レンズ群１Ｌと右の導光光学系２Ｌと同一構成のものであり、右の対物レンズ群１Ｒと右の導光光学系２Ｒは、結像レンズ群３の光軸１１３  を中心に相互に１８０°の回転対称の位置に配置されるものであり、同一の撮像素子４の撮像面の上半分に右の視差像が結像されることになる。
【０１１８】
図８は、撮像素子４の撮像面に投影される左の視差像１２Ｌと右の視差像１２Ｒの位置関係を示す図であり、撮像素子４の撮像面は長辺方向と短辺方向を持つ矩形形状をしており、その長辺方向は左右の視差像１２Ｌ、１２Ｒの回転に合わせてｚ軸正方向に向いて右回りに１３．１°回転して配置される。そして、右の視差像１２Ｒと左の視差像１２Ｌは、矩形の撮像素子４の撮像面の走査方向である長辺方向に略直交する短辺方向に並んで投影される。この際、左の光学系に入射する主光線１０Ｌは、この像面のｘ＝０．１９ｍｍ、ｙ＝−０．８２ｍｍの位置に入射する。右の光学系に入射する主光線１０Ｒは、それと対称なｘ＝−０．１９ｍｍ、ｙ＝０．８２ｍｍの位置に入射する。なお、ここで用いた座標系は先に撮像素子４の像面（撮像面）中心に定義した座標系である。
【０１１９】
以上の説明から明らかなように、本実施例のステレオ撮像光学系は、左右の同一構成の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒを視差方向へずらして配置し、それら対物レンズ群１Ｌ、１Ｒから入射した光束を、それぞれ２枚の反射面２１Ｌと２２Ｌ、２１Ｒと２２Ｒからなる左右の同一の導光光学系２Ｌ、２Ｒにより、共通の結像レンズ群３の入射瞳位置へ導き、結像レンズ群３の入射瞳のそれぞれ下半分を上半分を通って結像レンズ群３の像面の下半分と上半分に左右の視差像を投影するようにしたものであり、しかも、対物レンズ群１Ｌと結像レンズ群３、対物レンズ群１Ｒと結像レンズ群３は、それぞれ同じ同軸光学系を構成するように対物レンズ群１Ｌ、１Ｒを配置するため、等価的には１つの対物レンズ群の上側所定画角範囲の光束で左の視差像を、下側所定画角範囲の光束で右の視差像を同じ像面に分けて投影させるようにするために、それら上側所定画角範囲と下側所定画角範囲が被写体の同じ画角範囲をカバーできるように、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒのへ入射する主光線１０Ｌ、１０Ｒは相互に平行か被写体までの距離に応じた微小な内輳角を形成するようにする。そのため、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの光軸１１１Ｌ、１１１Ｒは平行ではなく、結像レンズ群３の光軸１１３  を中心に相互にねじれの関係になるように、途中の複数の反射面からなる導光光学系２Ｌ、２Ｒで光路を導くように構成したものである。したがって、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの光軸１１１Ｌ、１１１Ｒ相互の角度差は、入射主光線１０Ｌ、１０Ｒ相互の角度差に比較して大きくなる。入射主光線１０Ｌ、１０Ｒ相互は、上記のように平行か被写体までの距離に応じた微小な内輳角を形成しているが、左の対物レンズ群１Ｌの光軸１１１Ｌと右の対物レンズ群１Ｒの光軸１１１Ｒとは相互に非平行で反対側を向いている。なお、上記実施例の場合、左の対物レンズ群１Ｌの光軸１１１Ｌと右の対物レンズ群１Ｒの光軸１１１Ｒとは交差しないが、一方を含む平面に他方を投影したときの角度差は上記の関係にある。
【０１２０】
ところで、撮像素子４の撮像面は、上記のように、左右の視差像１２Ｌ、１２Ｒの回転に合わせて傾けて配置しており、視差像１２Ｌ、１２の視差方向が撮像素子４の走査線に対して概ね平行になるようにすることが望ましい。通常、撮像系で取得された画像は、水平走査によって画像処理系のフレームメモリーに転送され、一旦記憶され、その後の一連の画像処理に利用される。画像処理の一例として、視差像１２Ｌ、１２Ｒ間の視差画像ステレオマッチング処理の対応点探索を考えると、視差像中の対応点は視差方向に存在するため、対応点探索方向は視差方向に行われるのが最も効率が高い。
【０１２１】
上記のようにフレームメモリーに蓄積された画像情報の読み出しは、読み出しアドレスの指定の観点から、蓄積順に順次読み出すのが効率が高く、結局水平走査方向が視差方向であれば、その後の画像処理に最も効率的な撮像が可能となる。
【０１２２】
また、画像処理の高速化のための並列処理を考えた場合にも、水平走査が前提となれば、垂直走査方向に所定量シフトさせた水平走査線上の画像の処理が、結果的に画素読み出しアドレスにオフセットを加えて処理するだけの単純処理になり、効果的な処理が可能となる。
【０１２３】
したがって、本実施例の場合、ＣＣＤ等の撮像素子４の撮像面を傾け、視差方向が走査線に対して概ね平行になるよう設置されているため、フレームメモリーから無駄なアドレッシング処理なしに、高速に画像処理のための画像読み出しが可能となる。
【０１２４】
ところで、図１〜図８の実施例においては、共通の単一の撮像素子４の撮像面は被写体側と反対側を向くように、導光光学系２Ｌ、２Ｒの第１反射面２１Ｌ、２１Ｒと第２反射面２２Ｌ、２２Ｒによって光路折り曲げているが、その撮像素子４の撮像面が被写体側を向くように導光光学系２Ｌ、２Ｒを構成することも可能である。その場合は、例えば図１において、左の第１反射面２１Ｌは、左の対物レンズ群１Ｌから入射した光路を右の対物レンズ群１Ｒ側へ概ね９０°折り曲げ、第２反射面２２Ｌは、その折り曲げられた光路を左の対物レンズ群１Ｌへ入射する光路と略平行な方向であってその入射光路と略同じ方向へ概ね９０°折り曲げて、共通の結像レンズ群３へ入射させ、同様に、右の第１反射面２１Ｒは、右の対物レンズ群１Ｒから入射した光路を左の対物レンズ群１Ｌ側へ概ね９０°折り曲げ、第２反射面２２Ｒは、その折り曲げられた光路を右の対物レンズ群１Ｒへ入射する光路と略平行な方向であってその入射光路と略同じ方向へ概ね９０°折り曲げて、共通の結像レンズ群３へ入射させるようにすればよい。この場合でも、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒ、左右の導光光学系２Ｌ、２Ｒは同一構成のものを用い、結像レンズ群３の光軸１１３  を中心に相互に１８０°の回転対称の関係に配置し、かつ、左右の対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの光軸１１１Ｌ、１１１Ｒと結像レンズ群３の光軸１１３  とを一致した１つの光軸とすることができる。
【０１２５】
ところで、図１（ａ）、（ｂ）からも明らかなように、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒに入射する光束は視野マスク５Ｌ、５Ｒによって制限される。これら視野マスク５Ｌ、５Ｒの開口形状は、主光線１０Ｌ、１０Ｒを略中心にした半円形あるいは視差方向に長い矩形のものであり、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの光軸１１１Ｌ、１１１Ｒから外れた位置にそれら開口が位置するため、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒに入射する光束が通る有効領域も光軸１１１Ｌ、１１１Ｒに対して偏心しており、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの有効領域以外をトリミングする際には、対物レンズ群１Ｌ、１Ｒの少なくとも何れかのレンズの外形を、光軸１１１Ｌ、１１１Ｒに対して主光線１０Ｌ、１０Ｒが入射する側とは反対側において光軸１１１Ｌ、１１１Ｒに最も近づく非回転対称な形状にトリミングすることが望ましい。
【０１２６】
次に、図９は、上記の本発明の実施例に係るステレオ撮像装置を適用したステレオ撮像システムの構成を示す図である。なお、このステレオ撮像システムは、車両に搭載された例として説明する。
【０１２７】
すなわち、このステレオ撮像システムは、距離画像入力装置１００と、制御装置１０４、物体認識装置１０５、警告装置１０６、運転装置１０７、表示装置１０８、車速センサ１０９、測距レーダ１１０、照度センサ１１１、外部カメラ１１２、ＧＰＳ（全地球測位システム）１１３、ＶＩＣＳ（渋滞情報取得装置）１１４、及び、外部通信装置１１５から構成されるものである。
【０１２８】
ここで、上記距離画像入力装置１００は、被写体４００を撮影する撮像素子１０２とこの撮像素子１０２の前方に取り付けられるステレオ撮像光学系１０１とを備えたステレオ撮像装置１１６と、被写体４００の距離画像２０５を計測する距離画像処理装置１０３と、から構成される。
【０１２９】
ステレオ撮像装置１１６は、一般のビデオカメラ、デジタルスティルカメラなどと同様に、撮影絞り調整装置（図示せず）と、撮影フォーカス調整装置（図示せず）と、撮影シャッタ速度調整装置（図示せず）と、感度調整装置（図示せず）とを適宜備えている。
【０１３０】
また、ステレオ撮像光学系１０１は、複数のミラー（１０１Ａ、１０１Ｂの対）からなる反射光学系２１１を有する。この反射光学系２１１は、撮像素子１０２の前方の結像レンズ群１０２Ａの前に取り付けられ、対物レンズ群１０１Ｃから入射した異なる視点からの被写体４００の像を撮像素子１０２に結像することができるようになっている。
【０１３１】
このようにしてステレオ撮像装置１１６で撮影された、すなわち、撮像素子１０２で捕らえたステレオ画像２０１は、図９に示すように、距離画像処理装置１０３に供給される。そして、この距離画像処理装置１０３により処理されて三次元距離画像２０５となり、制御装置１０４及び物体認識装置１０５に出力される。
【０１３２】
なお、「距離画像」という用語は、本明細書では、被写体画像のピクセルに距離情報を有する画像を意味している。
【０１３３】
なお、図９中の参照番号２１２は露出制御装置であり、この露出制御装置２１２は、ステレオ撮像装置１１６が備える上記撮影絞り調整装置、撮影フォーカス調整装置、撮影シャッタ、速度調整装置、及び、感度調整装置（何れも図示せず）に接続されている。また、この露出制御装置２１２は、制御装置１０４に接続されており、この制御装置１０４で、撮像素子１０２からの輝度情報により算出された露出値に応じて撮像装置１１６を制御する。
【０１３４】
また、距離画像処理装置１０３には、上述したように、撮像素子１０２で撮像されたステレオ画像２０１が入力される。このステレオ画像２０１は、フレームメモリ２１３に入力され、デジタル画像２０２となる。
【０１３５】
このフレームメモリ２１３の出力は、レクティフィケーション装置２１４に入力される。このレクティフィケーション装置２１４は、距離算出装置２１５に、左画像２０３及び右画像２０４を出力する。距離算出装置２１５は、距離画像出力２１６を通して物体認識装置１０５に、三次元距離画像２０５を出力する。また、制御装置１０４に対しても、二次元画像（ステレオ画像２０１）、距離画像２０５なども出力する。
【０１３６】
なお、距離画像処理装置１０３には、キャリブレーション装置２１７が別途存在し、レクティフィケーション装置２１４に対してはレクティフィケーションパラメータを、距離算出装置２１５に対しては距離算出用パラメータを、物体認識装置１０５に対しては、物体認識用パラメータを出力する。
【０１３７】
物体認識装置１０５は、入力された三次元距離画像２０５を利用して、その中にある物体あるいは物体領域を認識し、その結果である物体データ（図示せず）を出力する。
【０１３８】
なお、距離画像処理装置１０３内の各装置は、計算機上のソフトウェアで実現してもよい。
【０１３９】
制御装置１０４は、画像情報と車両情報を統括する役割を持っており、例えば、距離画像処理装置１０３で処理された結果を表示装置１０８に表示したり、距離画像処理装置１０３で得られた距離情報と車速センサ１０９等の情報とを分析して、警告装置１０６に警告を発生させたり、運転装置１０７を制御して運転者に安全運転を促すことができるようになっている。なお、警告装置１０６は、音声装置や振動装置などからなり、例えば、音声装置はスピーカ等からの音声、振動装置は運転席シートの振動により運転者に警告を発するものである。
【０１４０】
このように、このステレオ撮像装置を用いたシステムによると、本発明に直接関係しないためその詳細説明は省略するが、本実施例に係るステレオ撮像装置１１６及び距離画像入力装置１００から得られた画像情報と各種センサ等から得られた車両情報とを統合することができ、表示装置１０８による画像情報の表示、警告装置１０６による警告、運転装置１０７の制御等により、運転者に安全走行を促すことができる。
【０１４１】
例えば、前方の被写体に近づきすぎたときに注意を促す表示、警告、さらには運転装置１０７（例えばブレーキ）の制御を行うことができる。
【０１４２】
若しくは、道路の分離帯を読み取って自動で運転を制御する等に用いることができる。
【０１４３】
その他に、車外を観察し、前方や後方の走行車両、障害物、白線検知等に用いる他、車内の運転者、搭乗者の顔の位置、向きを検出し、脇見運転や居眠りの検知、エアバック点火時に、大人か子供かや顔の位置方向を判断し、安全にエアバッグを作動させるセンサとして利用することも可能である。
【０１４４】
また、本発明によるステレオ撮像装置は、車載のステレオ撮像システムの他に、ロボット、鉄道、飛行機、船舶、監視カメラ、遠隔会議システム用カメラ等にも応用ができるものである。
【０１４５】
なお、図９のミラー１０１Ａ、１０１Ｂは、それぞれ図１〜８の第１反射面２１Ｌ、２１Ｒ、第２反射面２２Ｌ、２２Ｒに対応し、対物レンズ群１０１Ｃは対物レンズ群（負レンズ群）１Ｌ、１Ｒに対応し、結像レンズ群１０２Ａは結像レンズ群（正レンズ群）３に対応し、撮像素子１０２は撮像素子４に対応する。
【０１４６】
以上の本発明のステレオ撮像装置を適用したステレオ撮像システムは次のように構成することができる。
【０１４７】
〔１〕  請求項１から１８の何れか１項記載のステレオ撮像装置と、前記ステレオ撮像装置からの画像を元に、被写体までの距離を算出し距離信号を出力する画像処理装置と、その距離信号に基づいて他の装置を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするステレオ撮像システム。
【０１４８】
〔２〕  前記他の装置が表示装置である上記〔１〕記載のステレオ撮像システム。
【０１４９】
〔３〕  前記他の装置が警告装置である上記〔１〕記載のステレオ撮像システム。
【０１５０】
〔４〕  前記他の装置が運転装置である上記〔１〕記載のステレオ撮像システム。
【０１５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のステレオ撮像装置によると、小型の撮像素子を用いた場合であっても、適度な視差と広画角化が確保できるステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置を提供することがことができる。また、収差補正をより良好になし得るステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置を提供することができる。さらには、撮像素子上における視差を持つ画像の利用効率が良好なステレオ撮像光学系を備えたステレオ撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例のステレオ撮像装置の概略の構成を示す模式的な斜視図である。
【図２】図１の実施例の左の光学系の例を示す光路展開図である。
【図３】図２の例のレンズ系の縦収差図である。
【図４】図２の例のレンズ系の横収差図である。
【図５】図２の例のステレオ撮像装置の左の光学系のｘ−ｚ面への投影図である。
【図６】図２の例のステレオ撮像装置の左の光学系のｙ−ｚ面への投影図である。
【図７】図２の例のステレオ撮像装置の左の光学系の斜視図である。
【図８】図１の実施例のステレオ撮像装置の撮像素子の撮像面に投影される左の視差像と右の視差像の位置関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例に係るステレオ撮像装置を適用したステレオ撮像システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
Ｌ１  …負メニスカスレンズ（第１レンズ）
Ｌ２  …平凹負レンズ（第２レンズ）
Ｌ３  …正メニスカスレンズ（第３レンズ）
Ｌ４  …両凸正レンズ（第４レンズ）
Ｌ５  …正メニスカスレンズ（第５レンズ）
Ｌ６  …平凹負レンズ（第６レンズ）
Ｌ７  …両凸正レンズ（第７レンズ）
１Ｌ、１Ｒ…対物レンズ群（負レンズ群）
２Ｌ、２Ｒ…導光光学系
３…結像レンズ群（正レンズ群）
４…撮像素子
５Ｌ、５Ｒ…視野マスク
６、７…回路部品を配置するスペース
１０Ｌ、１０Ｒ…主光線
１１１Ｌ、１１１Ｒ…対物レンズ群の光軸（中心軸、回転軸）
１１３  …結像レンズ群の光軸（中心軸、回転軸）
１１Ｌ…光軸
１２Ｌ、１２Ｒ…視差像
２１Ｌ、２１Ｒ…第１反射面
２２Ｌ、２２Ｒ…第２反射面
１００…距離画像入力装置
１０１…ステレオ撮像光学系
１０１Ａ、１０１Ｂ…ミラー
１０１Ｃ…対物レンズ群
１０２Ａ…結像レンズ群
１０２…撮像素子
１０３…距離画像処理装置
１０４…制御装置
１０５…物体認識装置
１０６…警告装置
１０７…運転装置
１０８…表示装置
１０９…車速センサ
１１０…測距レーダ
１１１…照度センサ
１１２…外部カメラ
１１３…ＧＰＳ（全地球測位システム）
１１４…ＶＩＣＳ（渋滞情報取得装置）
１１５…外部通信装置
１１６…ステレオ撮像装置
２０１…ステレオ画像
２０２…デジタル画像
２０３…左画像
２０４…右画像
２０５…三次元距離画像
２１１…反射光学系
２１２…露出制御装置
２１３…フレームメモリ
２１４…レクティフィケーション装置
２１５…距離算出装置
２１６…距離画像出力
２１７…キャリブレーション装置
４００…被写体
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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