(57)【要約】【課題】仮想的に形成される瞳の間隔を変化させることなく、フォーカス位置を調整できるようにする。【解決手段】被写体を実像または虚像として形成する機能を有する対物光学系を備える。また、複数の独立した光学系により、対物光学系１０の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像としてそれぞれ改めて結像させる複数の結像光学系２０を備える。さらに、複数の結像光学系２０により結像された視差画像を画像信号に変換する複数の撮像素子２０２を備える。その上で、複数の結像光学系２０の各前側主点ｓから対物光学系１０の光軸Ａｘ１へ垂線を下ろした際の垂線の長さと、垂線と対物光学系の光軸とが交わる交点ｘと対物光学系１０の焦点ｆとを結ぶ線分の長さとの比が一定となるように、各結像光学系２０の前側主点ｓを配置または移動させる。【選択図】図１
2012163851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を実像または虚像として形成する機能を有する対物光学系と、
複数の独立した光学系により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像としてそれぞれ改めて結像させる複数の結像光学系と、
前記複数の結像光学系に対応して設けられ、前記複数の結像光学系により結像された視差画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、
前記複数の結像光学系の各前側主点から前記対物光学系の光軸へ垂線を下ろした際の前記垂線の長さと、前記垂線と前記対物光学系の光軸とが交わる交点と前記対物光学系の焦点とを結ぶ線分の長さとの比が一定となるように、前記各結像光学系の前側主点を配置または移動させる制御を行う制御部とを備えた
立体画像撮像装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記対物光学系の光軸を挟んで対称の位置または、前記各結像光学系の各前側主点と前記対物光学系の光軸とを含む平面上にある、前記対物光学系の光軸に平行であり、かつ前記対物光学系の光軸から所定の距離だけ離れた位置にある線を軸とした場合の、前記軸を挟んで対称な位置に配置されたペアとなる各結像光学系間において、前記対物光学系の焦点と前記各結像光学系の前側主点とを結ぶ線分の長さまたは、前記対物光学系の焦点から前記軸上に降ろした第２の垂線と前記軸とが交わる交点である第２の交点と前記各結像光学系の前記前側主点とを結ぶ線分の長さが互いに同じ値となるように、前記ペアとなる各結像光学系および／または、前記ペアとなる各結像光学系に対応して設けられた各撮像素子を連動させてフォーカスの調整を行う
請求項１記載の立体画像撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記フォーカスの調整において、前記各結像光学系のフォーカス面を、前記結像光学系から有限の距離の範囲内で移動させる
請求項２記載の立体画像撮像装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記各結像光学系の前側主点の位置に対する前記撮像素子の相対的な位置を、前記撮像素子を、前記各結像光学系の各光軸上または前記各結像光学系の後側主点と前記各撮像素子の中心とを結ぶ各直線上を移動させることによって変化させる
請求項３記載の立体画像撮像装置。
【請求項５】
前記各結像光学系は、その光軸が前記対物光学系の光軸と並行になるように配置され、前記各撮像素子は、その撮像面が前記対物光学系の光軸と垂直となるように配置され、
前記制御部は、前記各結像光学系の後側主点と前記各撮像素子の中心とを結ぶ直線上を前記各撮像素子を同一の方向に移動させることで前記フォーカスの調整を行う
請求項３記載の立体画像撮像装置。
【請求項６】
前記各結像光学系のレンズの一つとして凹レンズを使用し、
前記制御部は、前記凹レンズを前記対物光学系の光軸に対して垂直方向に移動させることにより当該立体画像撮像装置の輻輳角を可変させ、前記各撮像素子を前記各結像光学系の光軸上の同一の方向に移動させることで前記フォーカスの調整を行う
請求項３記載の立体画像撮像装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記ペアとなる各結像光学系のレンズ間距離をｄとし、前記垂線の長さまたは、前記複数の結像光学系の各前側主点から前記軸へ下ろした垂線である第３の垂線の長さをｄ／２とし、前記垂線と前記対物光学系の光軸とが交わる交点と前記対物光学系の焦点とを結ぶ線分の長さまたは、前記第３の垂線と前記軸とが交わる交点である第３の交点と前記第２の交点とを結ぶ線分の長さをＡとし、前記各結像光学系の各光軸が交わった点あるいは、前記各結像光学系の後側主点と前記各撮像素子の中心とを結ぶ各直線とが交わった点である輻輳点と、前記対物光学系の焦点または前記第２の交点とを結ぶ線分の長さをδとした場合に、前記各結像光学系の各光軸と前記対物光学系の光軸または前記軸とのなす角度または、前記各結像光学系の後側主点と前記各撮像素子の中心とを結ぶ直線と、前記対物光学系の光軸または前記軸とのなす角度である角θ′が以下の式を満たすように、前記各結像光学系と前記各撮像素子とを含む各撮像部の姿勢の調整または、前記各結像光学系の調整および／または前記各撮像素子の位置の移動を行うことによりフォーカスを調整する
角θ′＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／２（Ａ−δ））
請求項３記載の立体画像撮像装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記各結像光学系のレンズを、前記各結像光学系の前側主点と前記対物光学系の焦点とを結ぶ直線上で移動させ、前記各撮像素子の位置を、前記各結像光学系のレンズが前記対物光学系の焦点に近づくにつれて前記対物光学系の光軸から乖離する方向に移動させることにより前記フォーカスの調整を行う
請求項７記載の立体画像撮像装置。
【請求項９】
前記各結像光学系として、インナーフォーカス方式またはリアフォーカス方式のレンズを使用し、
前記制御部は、前記結像光学系のレンズ位置を調整することによりフォーカスの調整を行う
請求項７記載の立体画像撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、立体画像の撮影を行う立体画像撮像装置に関し、特に、立体画像撮影時のフォーカス調整技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３Ｄ（立体）映像を撮影できるカメラ（立体画像撮像装置）へのニーズが高まっている。立体画像の撮像方法としては、ハーフミラーを使用して撮影を行うビームスプリッタ方式（ハーフミラー方式）や、物理的に並べて設置した２台の撮像装置で撮影を行うサイドバイサイド方式（並立２眼式）等が知られている。これらの撮影方式では、撮像装置をリグ（Ｒｉｇ）と称される架台に搭載して撮影を行うため、撮像装置の装着の自由度が高くなる。例えば、立体映像を撮影する２つのレンズのレンズ間距離（基線長；以下、ＩＡＤ:InterAxial Distanceと称する）や、輻輳（Convergence）や、画角などを高い自由度で選ぶことができる。
【０００３】
ところが、自由度が高い一方、リグに搭載するために、撮影毎の設定・調整に非常な労力と時間を要するという問題点があった。また、特にビームスプリッタ方式のリグは大変に大掛かりな装置となり、フィールドでの撮影や取材用途には適さないといった問題もある。
【０００４】
こういった問題を解決するために、サイドバイサイド方式で撮影を行う２台の２Ｄ映像撮影用カメラを一つの筐体に作りこみ、一体型の２眼３Ｄカメラを構成することも行われている。このように構成された一体型２眼３Ｄカメラは、組み立てる必要が無くアライメントの調整も必要がない。さらに、コンパクトであるため、フィールドでの撮影や取材時においても持ち運びが容易であり、また短時間のセットアップで直ぐに撮影に入れるといったメリットがある。
【０００５】
しかしながら、このような一体型２眼３Ｄカメラは、基本的にはサイドバイサイド方式であるので、ＩＡＤの調整に限界が生ずる。すなわち、２眼のそれぞれの光学系やイメージャがお互いに物理的に干渉するため、ＩＡＤを、光学系やイメージの配置位置により定まる一定の距離より短くすることができない。このため、例えば被写体に非常に近接して撮影を行うようなケースにおいては、被写体の後方ほんの数メートル先で３Ｄディスプレイに表示したときの視差が、人が快適に３Ｄ映像を視聴できるときの視差の範囲を超えてしまう。
【０００６】
被写体と撮像装置との距離が非常に近接するケースとしては、例えば人物のインタビュー撮影や、スポーツ中継におけるバックヤードでの撮影時等が考えられる。このような場合、被写体と撮像装置との距離は１〜２ｍ程度となり、輻輳点も１〜２ｍの距離に合わせることになる。このような場合の、人が快適に３Ｄ映像を視聴できる範囲内に視差を収めるのに最も有用なＩＡＤは、１０ｍｍ〜４０ｍｍであると言われている。しかし、現状の一体型２眼３Ｄカメラでは、そのような短いＩＡＤを、画質や機能を保ったまま、すなわちレンズの径やイメージャのサイズを小さくすることなく実現することは困難な状況にある。
【０００７】
前述したビームスプリッタ方式で撮影を行う場合は、２台の撮像装置が互いに物理的に干渉しないため、ＩＡＤを非常に短くすることも可能となる。ところが、上述したように、撮影毎の設定・調整に非常な労力と時間を要するという問題があり、人物のインタビュー撮影や、スポーツ中継におけるバックヤードでの撮影に適さないという問題は依然として残る。
【０００８】
例えば特許文献１には、カメラのフォーカス点が２眼の輻輳点に合致した状態のまま輻輳点を任意の位置に調整可能な立体画像撮像装置が記載されている。このような装置を使用すれば、ＩＡＤを人の眼幅と同じ広さとして撮影をすることも可能となり、近接での撮影を行う場合にも、自然な立体感を得られる映像を撮影することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−５３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、特許文献１で開示された内容を解析すると、対物光学系を具備したことにより、結像光学系の瞳に対応する仮想的な瞳が、結像光学系の瞳より被写体側（物体側）に形成されると考えられる。仮想的な瞳とは、被写体から出射される光線のうち、対物光学系を通過して結像光学系のレンズ中心を通過するすべての光線が通過する点である。すなわち、結像光学系の撮像素子に形成される映像は、その仮想的な瞳を瞳として撮影された映像と等価な映像となる。（以下、この仮想的な瞳のことを「実効瞳」と称する。）したがって、２つの実効瞳間の距離が、この立体画像撮像装置の実質的なＩＡＤであると言える。この実質的なＩＡＤ（以下、実効ＩＡＤと称する）は、以下の式で算出することができる。
実効ＩＡＤ＝｜ｆ／（Ｌ−ｆ）｜×ｄ
上記式において、“ｆ”は対物光学系の焦点距離であり、“Ｌ”は、対物光学系の後側主点から結像光学系の前側主点までの距離である。また、“ｄ”は、２つの結像光学系のレンズ間距離により定まる実際のＩＡＤである。
【００１１】
上記式が示すように、対物光学系の焦点距離ｆや対物光学系の後側主点から結像光学系の前側主点までの距離Ｌが変化することによって、実効ＩＡＤも変化する。特許文献１に記載の技術によれば、フォーカス点が輻輳点に合致した状態で輻輳点を任意の位置に調整するため、調整を行う度に対物光学系の後側主点から結像光学系の前側主点までの距離Ｌが変化することになる。これにより、実効ＩＡＤも変化してしまう。実効ＩＡＤが変わるということは、立体画像撮像装置によって取得される視差画像における視差量も変化することになる。そして、視差量が変化するということは、画像の立体感も変わることになる。特許文献１に記載の技術のように、フォーカス点を輻輳点に一致させた状態でフォーカス調整を行うことで、撮影された映像が、映像を視聴する視聴者に負荷を与えるような映像になってしまうものと考えられる。
【００１２】
本開示はかかる点に鑑みてなされたものであり、立体画像撮像装置により形成される仮想的な瞳の間隔を変化させることなくフォーカス位置を調整できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本開示の立体画像撮像装置は、被写体を実像または虚像として形成する機能を有する対物光学系を備える。また、複数の独立した光学系により、対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像としてそれぞれ改めて結像させる複数の結像光学系を備える。さらに、複数の結像光学系に対応して設けられ、複数の結像光学系により結像された視差画像を画像信号に変換する複数の撮像素子を備える。その上で、複数の結像光学系の各前側主点から対物光学系の光軸へ垂線を下ろした際の垂線の長さと、垂線と対物光学系の光軸とが交わる交点と対物光学系の焦点とを結ぶ線分の長さとの比が一定となるように、各結像光学系の前側主点を配置または移動させる制御を行う。
【発明の効果】
【００１４】
このように構成することで、フォーカスの調整により様々なパラメータが変化した場合にも、立体画像撮像装置により形成される仮想的な瞳の間隔は変化しなくなる。すなわち、仮想的な瞳の間隔を変化させずにフォーカス調整を行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本開示の一実施の形態による立体画像撮像装置の構成例を示す概略図である。
【図２】本開示の一実施の形態による立体画像により形成される実効瞳および実効ＩＡＤについて説明する説明図である。
【図３】本開示の第１の実施の形態による立体画像撮像装置の構成例を示す概略図であり、（ａ）は撮像素子を結像光学系に近い位置に配置した例を示し、（ｂ）は、撮像素子を結像光学系から離れる方向に（ａ）に示した位置から移動させた例を示す。
【図４】本開示の第２の実施の形態による立体画像撮像装置の構成例を示す概略図であり、（ａ）は撮像素子を結像光学系に近い位置に配置した例を示し、（ｂ）は、撮像素子を結像光学系から離れる方向に（ａ）に示した位置から移動させた例を示す。
【図５】本開示の第３の実施の形態による立体画像撮像装置の構成例を示す概略図であり、（ａ）は輻輳角可変レンズを結像光学系の光軸から離れた位置にシフトさせた例を示し、（ｂ）は、輻輳角可変レンズを（ａ）に示した位置より対物光学系の光軸側にシフトさせた例を示し、（ｃ）は、結像光学系から離れる方向に撮像素子を（ａ）および（ｂ）に示した位置から移動させた例を示す。
【図６】本開示の第４の実施の形態による立体画像撮像装置の構成例を示す概略図であり、（ａ）は撮像部を空間像から離れた位置に配置した例を示し、（ｂ）は、撮像部を（ａ）に示した位置から空間像に近づく方向に移動させた例を示す。
【図７】本開示の第４の実施の形態の変形例による立体画像撮像装置の構成例を示す概略図であり、（ａ）は撮像部を空間像から離れた位置に配置した例を示し、（ｂ）は、撮像部を（ａ）に示した位置から空間像に近づく方向に移動させた例を示す。
【図８】本開示の第５の実施の形態による立体画像撮像装置の構成例を示す概略図であり、（ａ）は撮像部を空間像から離れた位置に配置し、撮像素子を結像光学系に近い位置に配置した例を示し、（ｂ）は、撮像部を（ａ）に示した位置から空間像に近づく方向に移動させ、撮像素子を結像光学系から離れる方向に移動させるとともに対物光学系の光軸から離れる方向に移動させた例を示す。
【図９】本開示の第５の実施の形態の変形例による立体画像撮像装置の構成例を示す概略図であり、（ａ）はフォーカシングレンズを結像レンズに近い位置に配置した例を示し、（ｂ）は、フォーカシングレンズを（ａ）に示した位置から撮像素子に近づく方向に移動させた例を示す。
【図１０】本開示の変形例による、対物光学系の光軸以外の軸上に輻輳点を設定する場合の立体画像装置の構成例を示す概略図である。
【図１１】本開示の変形例による、対物光学系の光軸以外の軸上に輻輳点を設定する場合の立体画像装置の構成例を示す概略図である。
【図１２】本開示の変形例による、撮像部を複数設けた場合の立体画像撮像装置の構成例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、発明を実施するための形態について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．立体画像撮像装置の構成例
２．第１の実施の形態（結像光学系の主点位置は固定とし、撮像素子の位置のみを移動させてフォーカスの調整を行う構成の例）
３．第２の実施の形態（結像光学系のレンズ位置に対して撮像素子の位置をシフトさせて配置した上で、撮像素子の位置のみを移動させてフォーカスの調整を行う構成の例）
４．第３の実施の形態（輻輳角を可変できるレンズを使用して輻輳点の調整を行い、撮像素子の位置を移動させることでフォーカスの調整を行う構成の例）
５．第４の実施の形態（結像光学系の主点の位置を移動させるとともに、その移動に伴って撮像部の姿勢も制御することでフォーカスの調整を行う構成の例）
６．第４の実施の形態の変形例（結像光学系の主点の位置を、結像光学系のレンズ主点と輻輳点とを結ぶ線上を移動させることによりフォーカスの調整を行う構成の例）
７．第５の実施の形態（結像光学系の主点の位置を移動させるとともに、その移動に伴って撮像素子を対物光学系の光軸とは乖離する方向に移動させることによってフォーカスの調整を行う構成の例）
８．第５の実施の形態の変形例（結像光学系のレンズとして、フォーカス調整時に前側主点の位置が殆ど動かないレンズを使用する場合の構成例）
９．第１〜第５の実施の形態の変形例
【００１７】
＜１．立体画像撮像装置の構成例＞
図１に、本開示の立体画像撮像装置１の構成例を示す。図１に示す立体画像撮像装置１を参照して、以下に説明する第１〜第５の実施の形態に共通する基本的な構成およびフォーカス調整動作を説明する。立体画像撮像装置１は、対物光学系１０と２つの撮像部２Ｒと２Ｌとを備える。対物光学系１０は、図示しない被写体Ｓを実像として結像する機能を有する。また、撮像部２Ｒと２Ｌは、対物光学系１０の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像としてそれぞれ改めて結像させ、結像した画像を画像信号に変換する。撮像部２Ｒは、結像光学系２０Ｒと撮像素子２０２Ｒとを有し、撮像部２Ｌは、結像光学系２０Ｌと撮像素子２０２Ｌとを有する。
【００１８】
なお、図１に示す例では説明をわかり易くするために、対物光学系１０を、焦点距離ｆの薄肉レンズであるものとしている。実際の対物光学系１０は、多数枚・多群のレンズやフィルタ、絞り、レンズ駆動機構などから構成されているものとする。さらに、これらの機構に加えて、ズーム機能や焦点調節機能、その他の機能があってもよい。結像光学系２０Ｒ，２０Ｌも、実際は多数枚・多群のレンズやフィルタや絞り、またレンズ駆動機構などから構成されており、ズーム機能や焦点調節機能やその他の機能があってもよい。
【００１９】
図１に示す構成では、対物光学系１０の光軸Ａｘ１と、結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２Ｒおよび，結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌとが同一平面上に存在するように、対物光学系１０と結像光学系２０Ｒ，２０Ｌとを配置している。撮像部２Ｒと撮像部２Ｌとは、結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２Ｒと結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌとが、対物光学系の光軸Ａｘ１上で交差するように配置している。また、撮像部２Ｒと撮像部２Ｌとは、対物光学系１０の光軸Ａｘ１を挟んで対称な位置に配置されている。
【００２０】
そして、結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２Ｒと結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌとが対物光学系の光軸Ａｘ１上で交差する交点ｃが、立体画像撮像装置１の輻輳点となる。図１に示した例では、対物光学系１０の焦点Ｆから距離δだけずれた位置に輻輳点ｃが設定されている。撮像部２Ｒ（２Ｌ）における結像光学系２０Ｒ（２０２Ｌ）と撮像素子２０２Ｒ（２０２Ｌ）との位置関係は、輻輳点位置に最適な結像が得られるような位置に調整されているものとする。なお、以下の説明において、撮像部内のそれぞれの構成について、左（Ｌ）と右（Ｒ）における配置または動作が同一の場合等、左右を特に区別して説明する必要がない場合には、単に撮像部２、結像光学系２０、撮像素子２０２、前側主点ｓ、光軸Ａｘ２のように表記して説明する。
【００２１】
また、立体画像撮像装置１は、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）のレンズを駆動するモータ２１０Ｒ（２１０Ｌ）と、撮像素子２０２Ｒ（２０２Ｌ）の位置を移動させる撮像素子位置制御部２１１Ｒ（２１１Ｌ）を備える。また、撮像部２Ｒ（２Ｌ）の姿勢を可変させるカメラ姿勢制御部２１２Ｒ（２１２Ｌ）を備える。さらに、レンズ駆動用のモータ２１０Ｒと２１０Ｌや撮像素子位置制御部２１１Ｒと２１１Ｌ、カメラ姿勢制御部２１２Ｒと２１２Ｌに対して制御信号を供給する制御部５を備える。なお、立体画像撮像装置１がこれらの各部をすべて備えるように構成してもよいが、実施の形態に応じて最小限の構成のみを備えるようにしてもよい。
【００２２】
このように構成した立体画像撮像装置１によれば、無限遠に在る被写体Ｓの像は対物光学系１０の像側の焦点位置Ｆに結像し、有限距離にある被写体の像は、その対物光学系１０からの距離に応じて焦点Ｆより後方（撮像素子２０２Ｒ，２０２Ｌ側）に結像する。なお、説明の便宜上、対物光学系１０と結像光学系２０Ｒおよび２０Ｌによって実像が形成される場合を例に挙げているが、これに限定されるものではない。
【００２３】
＜２．立体画像撮像装置１によって形成される実効瞳について＞
次に、立体画像撮像装置１によって形成される実効瞳について、図２を参照して説明する。図２は、被写体Ｓから放射される光線のうちの、結像光学系２０Ｒ，２０Ｌのレンズの主点を通過する光線の辿る経路を示す光路図である。図２では、これらの光線を、被写体Ｓの異なる３つの位置から放射される３本の光線で代表して示している。結像光学系２０Ｒの前側主点ｓＲを通過する光線は破線で示してあり、結像光学系２０Ｌの前側主点ｓＬを通過する光線は実線で示してある。
【００２４】
被写体Ｓから放射された光線は、対物光学系１０を通過すると、対物光学系１０と結像光学系２０Ｒ，２０Ｌとの間で再び結像する。結像光学系２０Ｒ，２０Ｌのレンズを視点にして眺めると、あたかもその位置に物体があるように見えるため、この位置にできる像は空間像と称される。図２に示す空間像Ｓ′の形成位置を通過した光線は、２つの結像光学系２０Ｒ，２０Ｌに導かれて撮像素子２０２Ｒおよび撮像素子２０２Ｌの撮像面（図示略）上に結像し、それぞれが視差画像となる。
【００２５】
また、被写体Ｓから放射された光線は、もし結像光学系２０Ｒ，２０Ｌのレンズの中心から光線が放射されるとすると、その光線が辿る経路と同じ経路を辿る。このため、結像光学系２０Ｒ，２０Ｌのレンズの中心から放射された光線についても考えてみると分かりやすい。結像光学系２０Ｒ，２０Ｌのレンズの中心から放射された光線は、空間像Ｓ′のある一点を通過した後に対物光学系１０のレンズに到達し、そこから「空間像Ｓ′のある一点」に対応する被写体Ｓのある一点に向かって進行する。このとき、対物光学系１０のレンズを通過した光線は、被写体Ｓに到達するまでの間に再びある一点で交わっていることが分かる。
【００２６】
つまり、この一点は、結像光学系２０Ｒ，２０Ｌのレンズ中心を通過することになるすべての光線が通過する点であると言える。このため、結像光学系２０Ｒの撮像素子２０２Ｒの撮像面および、に結像光学系２０Ｌの撮像素子２０２Ｌの撮像面結像される映像は、この「一点」を瞳として撮影された画像と等価なものとなる。つまり、この「一点」は、立体画像撮像装置１における実質的な瞳（実効瞳ＥＰ）であると考えられる。したがって、左右の結像光学系２０Ｒと２０Ｌによって形成される各実効瞳ＥＰ間の距離は、立体画像装置１における実質的なＩＡＤ（以下、実効ＩＡＤｅｄと称する）であると言える。
【００２７】
実効ＩＡＤｅｄは、下記の式１で表現される。
実効ＩＡＤｅｄ＝ｆ／（Ｌ−ｆ）×ｄ  …（式１）
上記式１において、“ｆ”は対物光学系１０の焦点距離であり、“Ｌ”は対物光学系１０の後側主点ｒと、結像光学系２０Ｒの前側主点ｓＲおよび結像光学系２０Ｌの前側主点ｓＬまでの距離である。なお、図３で示したように、対物光学系１０のレンズを薄肉レンズとして理想化した場合は前側主点と後側主点の区別はなく、前側主点と後側主点は一致する。“ｄ”は、結像光学系２０Ｒと結像光学系２０Ｌの配置位置により定まる物理的なＩＡＤ（以下、ＩＡＤｄと称する）である。
【００２８】
例えば、対物光学系１０の焦点距離ｆが７０ｍｍであり、距離Ｌが３７０ｍｍであるとする。また、結像光学系２０Ｒと結像光学系２０Ｌとを、対物光学系１０の光軸Ａｘ１を対称軸として距離ｄ＝６０ｍｍだけ離して配置したものとする（ＩＡＤｄ＝６０ｍｍ）。この場合、実効ＩＡＤｅｄは、上記式１により１４ｍｍと算出される。つまり、本開示の立体画像撮像装置１によれば、実効ＩＡＤｅｄが、物理的なＩＡＤｄ（６０ｍｍ）に比べてｆ／（Ｌ−ｆ）倍だけ短く（１４ｍｍ）なる。
【００２９】
したがって、対物光学系１０の焦点距離ｆと距離Ｌとを、以下の式２を満たす値に設定すれば、結像光学系２０Ｒと２０Ｌの配置位置により求まる物理的なＩＡＤｄよりも、実効ＩＡＤｅｄを短くすることができる。なお、以下の式では、対物光学系１０のレンズとして凸レンズを使用しており、その焦点距離ｆが正（ｆ＞０）であることを前提としている。
ｆ／（Ｌ−ｆ）≦１  …（式２）
【００３０】
再び図１に戻って、立体画像撮像装置１によるフォーカス調整方法について説明する。このフォーカス調整方法は、以降で説明する各実施の形態に共通するものである。図１において、結像光学系２０Ｒの前側主点ｓＲと結像光学系２０Ｌの前側主点ｓＬとの間の距離（物理的なＩＡＤ）を距離ｄとし、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）の前側主点ｓＲ（ｓＬ）から対物光学系１０の光軸Ａｘ１に下ろした垂線の、光軸Ａｘ１との交点を交点ｘとしてある。また、対物光学系１０の焦点Ｆと交点ｘとの間の距離は、距離Ａとしてある。
【００３１】
また、対物光学系１０の焦点Ｆと結像光学系２０のレンズの前側主点ｓＲ（ｓＬ）とを結ぶ線と、対物光学系１０の光軸Ａｘ１とのなす角をθとしている。結像光学系２０の光軸Ａｘ２（または結像光学系２０のレンズの後側主点と撮像素子２０２の中心とを結ぶ直線）と、対物光学系１０の光軸Ａｘ１とのなす角は、θ′としてある。
【００３２】
結像光学系２０Ｒの前側主点ｓＲと結像光学系２０Ｌの前側主点ｓＬの位置は、ある撮影距離にある被写体Ｓを撮影する際に最適な視差量が得られる位置に調整されているものとする。つまり、両結像光学系の主点間距離により定まる物理的なＩＡＤｄは、任意の距離に設定されているものとする。この状態で、被写体Ｓの任意の位置にフォーカス位置を移動する場合を考える。前述した実効ＩＡＤｅｄを変化させずにフォーカスの調整を行うには、フォーカスの調整によって“ｔａｎθ＝ｄ／２Ａ”が変化しないようにすればよい。
【００３３】
例えば、結像光学系２０Ｒの前側主点ｓＲと結像光学系２０Ｌの前側主点ｓＬの位置を固定としてフォーカスの調整を行えば、距離Ａや垂線の長さｄ／２の長さも変化することがなくなる。また、結像光学系２０Ｒの前側主点ｓＲと結像光学系２０Ｌの前側主点ｓＬの位置を移動させてフォーカスの調整を行う場合には、その移動を、対物光学系１０の焦点Ｆと結像光学系２０の前側主点ｓとを結ぶ直線に沿って行うようにする。これにより、“ｔａｎθ＝ｄ／２Ａ”を一定に保つことができる。
【００３４】
結像光学系２０Ｒの前側主点ｓＲと結像光学系２０Ｌの前側主点ｓＬの位置を移動させてフォーカスの調整を行う場合は、立体画像撮像装置１の輻輳角を距離Ａの値に応じて調整することで、輻輳点の位置は変えずにフォーカス調整を行うことができる。具体的には、結像光学系２０の光軸Ａｘ２と対物光学系１０の光軸Ａｘ１とのなす角θ′を以下の（式３）を満たす角度に調整する。
角θ′＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／２（Ａ−δ））…（式３）
【００３５】
角θ′の調整は、撮像部２の姿勢制御または、結像光学系２０の前側主点ｓの位置および撮像素子２０２の位置（姿勢）を制御することにより行うことができる。なお、立体画像撮像装置１の構成を、結像光学系２０の光軸Ａｘ２と、結像光学系２０の前側主点ｓと撮像素子２０２の中心を結ぶ線とを一致させないような構成とした場合にも、同様の制御を行うことができる。この場合は、結像光学系２０の前側主点ｓと撮像素子２０２の中心を通る光線と、対物光学系１０の光軸Ａｘ１とのなす角度θ′を調整するようにすればよい。
【００３６】
いずれの構成においても、結像光学系２０Ｒにおける距離Ａと結像光学系２０Ｌにおける距離Ａとが常に同じ値となるように、結像光学系２０Ｒと結像光学系２０Ｌとを連動してフォーカス調整を行うようにする。ここでのフォーカス調整とは、物体面（フォーカス面）を有限距離の範囲内で移動させる調整を指す。すなわち、後段の結像光学系２０（および／または撮像素子２０２）で行える範囲の調整を指す。
【００３７】
＜３．第１の実施の形態＞
本開示の第１の実施の形態による立体画像撮像装置１−１について、図３（ａ）と図３（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、対物光学系１０は凹レンズと凸レンズとを含む構成としてある。撮像部２Ｒと撮像部２Ｌの配置は、図１に示した構成と同様に、結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２Ｒと結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌとが対物光学系の光軸Ａｘ１上で交差するような配置としている。
【００３８】
結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２Ｒと結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌは、対物光学系の光軸Ａｘ１上の、焦点Ｆから距離δだけ離れた地点（交点ｃ）で交差するようにしてある。交点ｃの位置は、立体画像撮像装置１−１によって空間像Ｓ′が形成される範囲内に設定されるように調整される。そして、空間像Ｓ′における交点ｃと対応する位置の像が、両眼視差ゼロの画像として左右の撮像部２Ｌと２Ｒによって取得される。つまり、この交点ｃが立体画像撮像装置１−１の輻輳点となる。
【００３９】
結像光学系２０と撮像素子２０２との位置関係は、結像光学系２０の光軸Ａｘ２と、結像光学系２０の後側主点と撮像素子２０２の中心とを結ぶ線とが一致する位置関係としてある。すなわち、撮像素子２０２を、その撮像面が結像光学系２０の光軸Ａｘ２に垂直になるように配置してある。そして撮像素子２０２を、結像光学系２０の光軸Ａｘ２に沿って移動できるよう構成している。
【００４０】
次に、同じく図３（ａ）と図３（ｂ）を参照して、立体画像撮像装置１−１によるフォーカシング動作について説明する。結像光学系２０の主点ｓの位置は固定とし、撮像素子２０２のみを結像光学系２０の光軸Ａｘ２に沿って移動させることで、空間像の任意位置にフォーカスを合わせることが可能となる。例えば、図３（ａ）に示すように、撮像素子２０２Ｒ（２０２Ｌ）が結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）に近接して配置されている状態から、図３（ｂ）に示すように、撮像素子２０２Ｒ（２０２Ｌ）を光軸Ａｘ２に沿って結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）から離れる方向に移動させる。この動作により、撮像部２Ｒと２Ｌのフォーカス面ｆｐが、対物光学系１０の焦点Ｆ側から結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）側に移動する。
【００４１】
なお、撮像素子２０２Ｒの制御と撮像素子２０２Ｌの制御は、連動させて行う必要がある。この制御は、撮像素子２０２Ｒと２０２Ｌのそれぞれの撮像素子位置制御部２１１Ｒ（２１１Ｌ）を制御部５（図１参照）が制御したり、各撮像素子２０２の駆動機構を機構的に連動させることによって行うことができる。撮像素子２０２の位置の制御を、これらとは異なる別の手法で実現するようにしてもよい。
【００４２】
上述した第１の実施の形態による立体画像撮像装置１−１によれば、結像光学系２０の主点ｓの位置を固定として撮像素子２０２の位置のみを移動させることによりフォーカス調整が行われる。これにより、フォーカス調整によって上述した“ｔａｎθ＝ｄ／２Ａ”が変化することがなくなる。すなわち、実効ＩＡＤｅｄを変化させることなくフォーカス調整を行えるようになる。
【００４３】
さらに、本実施の形態による立体画像撮像装置１−１によれば、輻輳点を所定の位置に固定させたまま、フォーカスの位置（フォーカス面）のみを空間像Ｓ′の任意の位置に移動させることができる。すなわち、輻輳点と異なる位置にフォーカス位置を調整することができる。立体画像がスクリーンやディスプレイに表示される際には、輻輳点上にある視差がゼロの画像はスクリーン上に定位する。また、左右の視差画像の視差が交差方向（逆相）の場合は、視差画像はスクリーンより手前に定位し、左右の視差画像の視差が同側方向（同相）の場合は、視差画像はスクリーンより奥側に定位する。例えば、スクリーンの奥行方向に移動する被写体を撮影する場合を考えてみるとわかり易い。被写体がスクリーンより奥に遠ざかる動きを表現する際に、輻輳点とフォーカス位置とを連動させて調整した場合には、被写体が常にオンスクリーンに定位し、フォーカスの合っていない背景等の画像が前後に移動してしまう。このような映像は、映像を視聴している視聴者に違和感を与えてしまうことになる。本実施の形態による立体画像撮像装置によれば、フォーカスの位置を輻輳点とは異なる位置に合わせることが可能となるため、視聴者にこのような違和感を与えてしまうことがなくなる。
【００４４】
なお、ここまで行ってきた説明では、主に結像光学系２０でのフォーカス調整動作について説明を行う便宜上、「フォーカスの位置を空間像Ｓ′の任意の位置に合わせる」という表現をしている。実際は、対物光学系１０も含めたトータルの光学系によって、最短撮影距離から無限遠にある被写体Ｓまでを撮影可能である。言い換えれば、本開示の立体画像撮像装置１によれば、空間像Ｓ′の形成される範囲内でフォーカス面ｆｐを移動させるだけで、最短撮影距離から無限遠にある被写体までを撮影できるようになる。
【００４５】
＜４．第２の実施の形態＞
第２の実施の形態による立体画像撮像装置１−２について、図４（ａ）と図４（ｂ）とを参照して説明する。図３での説明と同様に、対物光学系１０によって、対物光学系１０の焦点位置Ｆの後方（結像光学系２０側）に空間像Ｓ′が形成される。結像光学系２０Ｒと２０Ｌの配置は、結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２Ｒと結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌは互いに平行となるように、かつ対物光学系１０の光軸Ａｘ１とも平行になるような配置とされている。
【００４６】
撮像素子２０２は、その撮像面が対物光学系１０の光軸Ａｘ１に垂直となるようにその角度が調整されている。その上で、撮像素子２０２を、対物光学系１０の光軸Ａｘ１から乖離する方向に結像光学系２０の光軸Ａｘ２からシフトさせた位置に配置している。そのシフト量は、結像光学系２０の後側主点と撮像素子２０２の中心とを結ぶ直線が、対物光学系１０の光軸Ａｘ１上の空間像Ｓ′が形成される位置（交点ｃ）で交差するような量に調整されている。
【００４７】
次に、同じく図４（ａ）および図４（ｂ）を参照して、立体画像撮像装置１−２によるフォーカス調整動作について説明する。図３（ａ）および図３（ｂ）に示した構成と同様に、結像光学系２０の前側主点ｓの位置は固定とし、撮像素子２０２の位置のみを、結像光学系２０の後側主点と撮像素子２０２の中心とを結ぶ直線に沿って移動させることにより、フォーカス調整を行う。このとき、撮像素子２０２の移動は、左右（撮像素子２０２Ｒと撮像素子２０２Ｌと）で連動して行う必要がある。
【００４８】
このように動作させることにより、図４（ａ）に示すように、撮像素子２０２Ｒ（２０２Ｌ）が結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）に近接して配置されている状態から、図４（ｂ）に示すように、撮像素子２０２Ｒ（２０２Ｌ）が結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）から離れる方向に移動する。これにより、撮像部２Ｒと２Ｌのフォーカス面ｆｐが、対物光学系１０の焦点ｆ側から結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）側に移動する。
【００４９】
このように、結像光学系２０の主点ｓの位置を固定として撮像素子２０２の位置のみを移動させてフォーカス調整を行うことで、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、フォーカス調整によって“ｔａｎθ＝ｄ／２Ａ”が変化することがなくなるため、実効ＩＡＤｅｄを変化させることなくフォーカス調整を行えるようになる。さらに、輻輳点と異なる位置にフォーカス位置を調整することもできる。
【００５０】
また、上述した第２の実施の形態によれば、撮像素子２０２の撮像面が、対物光学系１０の光軸Ａｘ１と結像光学系２０の光軸Ａｘ２に対して垂直に配置される。したがって、フォーカス面も同様に光軸Ａｘ１および光軸Ａｘ２と垂直となる。これにより、左右の視差画像においてそのフォーカス面が同一となるという効果が得られる。左右の視差画像においてそのフォーカス面が同一となれば、輻輳がついた状態でも、左右の撮像部２Ｌと２Ｒの取得画像における台形歪みの発生がなくなる。したがって、台形歪みを取るための画像処理を行うことなく、良好な視差画像を得ることができる。
【００５１】
＜５．第３の実施の形態＞
第３の実施の形態による立体画像撮像装置１−３について、図５（ａ）〜図５（ｃ）を参照して説明する。立体画像撮像装置１−３においては、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、撮像部２Ｒと撮像部２Ｌとを、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）の光軸が対物光学系１０の光軸Ａｘ１と平行となるように配置している。また、結像光学系２０Ｒと２０Ｌとは、凹レンズよりなる輻輳角可変レンズ２０４Ｒと２０４Ｌを備える構成としている。
【００５２】
輻輳角可変レンズ２０４Ｒ（２０４Ｌ）は、結像光学系２０の光軸Ａｘ２に対して、対物光学系１０の光軸Ａｘ１から乖離する方向にシフト可能に構成されている。輻輳角可変レンズ２０４のシフト量に応じて、結像光学系２０の光軸Ａｘ２と対物光学系１０の光軸Ａｘ１との交わる角度が変化する。つまり、立体画像撮像装置１−３の輻輳角を変化させることができる。撮像素子２０２は、結像光学系２０の光軸Ａｘ２に沿って移動可能に構成されている。
【００５３】
次に、同じく図５（ａ）〜図５（ｃ）を参照して、立体画像撮像装置１−３によるフォーカス調整動作について説明する。図５（ａ）と図５（ｂ）は、結像光学系２０の輻輳角可変レンズ２０４をシフトさせた場合の、結像光学系２０の光軸Ａｘ２上での輻輳角可変レンズ２０４の位置の変化を示した図である。図５（ａ）では、輻輳角可変レンズ２０４の位置を、結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２に対して、対物光学系１０の光軸Ａｘ１から大きく離れた位置に配置している。このように配置したことにより、輻輳角可変レンズ２０４における、光線が通過する位置が変化する。これに伴い、輻輳角可変レンズ２０４を通過する光の屈折角が大きくなるため、結像光学系２０Ｒと２０Ｌにより形成される輻輳角が大きくなる。これにより、輻輳点ｃ（交点ｃ）ができる位置も空間像Ｓ′の後方（結像光学系２０側）となる。
【００５４】
図５（ｂ）に示すように、輻輳角可変レンズ２０４の配置位置を、対物光学系の光軸Ａｘ１に近づく方向にシフトさせると、輻輳角は小さくなり、輻輳点ｃも空間像Ｓ′の前方に形成されるようになる。（図５（ｂ）では、輻輳点ｃとフォーカス面ｆｐとが同じ位置に形成されている）つまり、輻輳角可変レンズ２０４の位置を結像光学系２０の光軸Ａｘ２とは垂直の方向にシフトさせることで、そのシフト量に応じて輻輳角の大きさと輻輳点ｃの形成位置を調整することができる。輻輳点ｃは、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、空間像Ｓ′の形成される範囲内の任意の位置に調整することができる。つまり、空間像Ｓ′の形成される範囲が輻輳点ｃの可変範囲ｖｒとなる。
【００５５】
フォーカスの調整は、結像光学系２０の位置は固定とし、撮像素子２０２の位置のみを結像光学系２０の光軸Ａｘ２に沿って前後に移動させることによって行う。図５（ｃ）には、輻輳角可変レンズ２０４の位置を図５（ｂ）に示した位置としたままで、撮像素子２０２を後方に移動させた場合の例を図示してある。撮像素子２０２の位置のみをこのように移動させることで、輻輳点ｃの位置を図５（ｂ）に示した位置から動かすことなく、フォーカス面ｆｐのみを、空間像Ｓ′の形成位置の後方に移動させることができる。
【００５６】
この撮像素子２０２の位置の移動は、これまで述べてきた実施の形態と同様に、左右（撮像素子２０２Ｌと撮像素子２０２Ｒ）とで連動して行う必要がある。本実施の形態による構成では、撮像素子２０２の動きは同一姿勢で同一方向への動きである為、左右の撮像素子２０２Ｌと２０２Ｒとを一体的に移動させることが可能である。そのため、同一の部材上に撮像素子２０２Ｒと２０２Ｌとを固着して、対物光学系１０の光軸Ａｘ１及び結像光学系２０の光軸Ａｘ２と平行に移動することが可能となる。これにより、機構を簡略化することができるだけでなく、左右の撮像素子２０２Ｌと２０２Ｒの撮像面を同一の面上に維持することも容易となる。したがって、経時変化等に対する信頼性の確保が容易となるという効果も得られる。
【００５７】
さらに、第２の実施の形態として説明した構成と同様に、撮像素子２０２の撮像面が対物光学系１０の光軸Ａｘ１と結像光学系２０の光軸Ａｘ２に対して垂直を維持するので、フォーカス面も同様に光軸Ａｘ１および光軸Ａｘ２に対して垂直となる。これにより、左右の視差画像のフォーカス面が同一となるメリットがある。このため、輻輳がついた状態でも、撮像部２Ｒと２Ｌによる左右の各取得画像において台形歪みが発生することが無くなる。したがって、後段での特別な画像処理を必要することなく、良好な視差画像を得ることができる。
【００５８】
＜６．第４の実施の形態＞
第４の実施の形態による立体画像撮像装置１−４について、図６（ａ）と図６（ｂ）を参照して説明する。立体画像撮像装置１−４の構成は、図１に示した構成と基本的に同一である。結像光学系２０Ｒのレンズの前側主点ｓＲと、結像光学系２０Ｌのレンズの前側主点ｓＬとは、それぞれが対物光学系１０の光軸Ａｘ１からｄ／２の距離だけ離れた位置に配置されている。そして、結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２Ｒと結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌとが対物光学系１０の光軸Ａｘ１上で交差するように、結像光学系２０Ｒと結像光学系２０Ｌの向きを調整してある。結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２Ｒと結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌとは、対物光学系１０の焦点Ｆより距離δだけ離れた点ｃで交差している。
【００５９】
図６（ａ）および図６（ｂ）においても、対物光学系１０の焦点Ｆと結像光学系２０のレンズの前側主点ｓＲ（ｓＬ）とを結ぶ線と、対物光学系１０の光軸Ａｘ１とのなす角をθとしている。また、結像光学系２０の光軸Ａｘ２と対物光学系１０の光軸Ａｘ１とのなす角は、θ′としてある。
【００６０】
立体画像撮像装置１−４によるフォーカス調整動作は、撮像部２の位置と姿勢とを制御することにより行う。具体的には、結像光学系２０の前側主点ｓの位置が、結像光学系２０の前側主点ｓと対物光学系１０の焦点Ｆとを結ぶ線に沿って移動するように撮像部２を移動させる。その上で、結像光学系２０の光軸Ａｘ２が対物光学系１０の光軸Ａｘ１上の交点ｃで常に交差するように、撮像部２の姿勢を制御する。つまり、結像光学系２０の光軸Ａｘ２と対物光学系１０の光軸Ａｘ１とのなす角θ′が、前述した式１を満たす値となるように、撮像部２の向きを調整する。
角θ′＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／２（Ａ−δ））…（式３）
【００６１】
図６（ｂ）には、撮像部２の配置位置を空間像Ｓ′に近づく方向に図６（ａ）に示した位置から移動させた図を示してある。撮像部２全体を移動させることにより、撮像部２内の結像光学系２０のレンズの前側主点ｓの位置が、結像光学系２０の前側主点ｓと対物光学系１０の焦点Ｆとを結ぶ実線で示した線に沿って、前側に移動している。このように撮像部２を移動させることにより、前述した“ｔａｎθ＝ｄ／２Ａ”を一定に保ったままフォーカス調整を行うことができる。
【００６２】
“ｄ／２”とは、前述したように、結像光学系２０のレンズの前側主点ｓから対物光学系１０の光軸Ａｘ１に下ろした垂線の長さであり、“Ａ”とは、垂線が対物光学系１０の光軸Ａｘ１と交わる交点ｘと対物光学系１０の焦点Ｆとの間の距離である。撮像部２をこのように移動させることにより、実効ＩＡＤｅｄの長さを変化させることなくフォーカスの調整を行えるようになる。
【００６３】
さらに、図６（ｂ）には、撮像部２Ｒと２Ｌの姿勢が、それぞれ図６（ａ）に示した状態よりも内側（対物光学系１０の光軸Ａｘ１側）に傾いた状態が示されている。このとき、撮像部２Ｒと２Ｌの姿勢は、結像光学系２０の光軸Ａｘ２と対物光学系１０の光軸Ａｘ１とのなす角θ′が上述した式１を満たす角度となるように調整されている。このようにして撮像部２の姿勢を制御することにより、輻輳点ｃの形成される位置を固定としたまま、フォーカス位置（フォーカス面ｆｐの形成位置）のみを空間像Ｓ′上の任意の位置に変更することができる。つまり、第４の実施の形態による立体画像撮像装置１−４によれば、実効ＩＡＤｅｄの長さを変化させることなく、かつ、輻輳点ｃの位置を変えることなくフォーカス調整を行うことができる。
【００６４】
＜７．第４の実施の形態の変形例＞
なお、対物光学系１０のレンズとして、広角レンズ等の焦点距離ｆが短いものを使用する場合には、結像光学系２０のレンズの前側主点ｓの位置を、結像光学系２０の前側主点ｓと輻輳点ｃとを結ぶ線に沿って移動させるように構成してもよい。図７（ａ）と図７（ｂ）に、このように構成した立体画像撮像装置１−４αの例を示してある。立体画像撮像装置１−４αでは、撮像部２を、結像光学系２０の前側主点ｓと対物光学系１０の焦点Ｆとを結ぶ直線ではなく、結像光学系２０の前側主点ｓと輻輳点ｃとを結ぶ線上を移動するように構成している。
【００６５】
撮像部２を、図７（ａ）に示した位置から、結像光学系２０の前側主点ｓと輻輳点ｃとを結ぶ線に沿って前方に移動させた状態を示したものが、図７（ｂ）である。このように、撮像部２を、結像光学系２０の前側主点ｓと輻輳点ｃとを結ぶ線上を移動させてフォーカス調整を行うようにすることで、フォーカス調整動作に連動して輻輳点ｃの位置が移動してしまうことがなくなる。したがって、立体画像撮像装置１−４αでは、撮像部２の姿勢制御は行わずに、撮像部２の結像光学系２０の前側主点ｓの位置を移動させるだけでフォーカス調整を行えるようになる。
【００６６】
ただし、撮像部２が結像光学系２０の前側主点ｓと輻輳点ｃとを結ぶ線上を移動することで、距離Ａは変化する。つまり、実効ＩＡＤｅｄの計算に使用される、（対物光学系１０の後側主点から結像光学系２０の前側主点ｓまでの距離Ｌ）−（対物光学系１０の焦点距離ｆ）の値も変化する。しかし、撮像部２を、結像光学系２０の前側主点ｓと輻輳点ｃとを結ぶ線上を移動させることで、結像光学系２０Ｒの前側主点ｓＲと結像光学系２０Ｌの前側主点ｓＬとの間の距離ｄの変化も、距離Ａの変化と比例したものになる。さらに、対物光学系１０のレンズとして焦点距離ｆの短いものを使用することで、対物光学系１０の焦点Ｆから輻輳点ｃまでの距離であるδの、距離Ａに対する比率が非常に小さなものとなる。つまり、実効ＩＡＤｅｄの計算に使用される“｜ｆ／（Ｌ−ｆ）｜”の値が、無視できる程度に小さなものとなる。これにより、輻輳点ｃと結像光学系２０の前側主点ｓとを結ぶ直線上を撮像部２が移動した場合にも、実効ＩＡＤｅｄは殆ど変化することがない。
【００６７】
第４の実施の形態の変形例による立体画像撮像装置１−４αによれば、撮像部２の姿勢を制御することなくフォーカス調整を行えるため、立体画像撮像装置１−４αの機構や制御を単純化することができる。これにより、立体画像撮像装置１−４αのコストを低減することができるという効果が得られる。
【００６８】
＜８．第５の実施の形態＞
次に、図８（ａ）、図８（ｂ）を参照して、第５の実施の形態による立体画像撮像装置１−５の構成および動作について説明する。立体画像撮像装置１−５を構成する各部の配置は、第４の実施の形態として図６を参照して説明したものとほぼ同一である。第４の実施の形態による立体画像撮像装置１−４と異なる点は、結像光学系２０のレンズと撮像素子２０２とを別々に制御することによりフォーカスの調整を行うようにした点である。
【００６９】
図８（ａ）は、撮像部２の結像光学系２０の撮像素子２０２に対する位置が、遠景にフォーカスが合うような位置に調整された状態を示した図である。図８（ｂ）は、遠景にフォーカスが合った状態から、近景にフォーカスが合うようにフォーカス調整を行った状態を示した図である。図８（ｂ）に示すように、結像光学系２０のレンズの前側主点ｓの位置を撮像素子２０２から離れる方向に移動させることで、フォーカス面ｆｐが後方に移動し、これによって近景にフォーカスが調整される。結像光学系２０のレンズの前側主点ｓの移動を、結像光学系２０の前側主点ｓと対物光学系１０の焦点Ｆとを結ぶ実線で示した線に沿って行うことで、実効ＩＡＤｅｄを変化させることなくフォーカス調整を行うことができる。
【００７０】
ところで、結像光学系２０の前側主点ｓの位置を撮像素子２０２から離れる方向に移動するということは、距離Ａが短くなることを意味する。第４の実施の形態による立体画像撮像装置１−４は、距離Ａの変化に合わせて撮像部２に姿勢も制御することにより、輻輳点（交点ｃ）の位置は変えずにフォーカス調整を行えるようにしたものである。これに対して、本実施の形態による立体画像撮像装置１−５では、距離Ａの変化に合わせて、撮像素子２０２の中心位置を対物光学系１０の光軸Ａｘ１から乖離する方向にシフトすることにより、同様の制御を行うものである。すなわち、結像光学系２０の光軸Ａｘ２と対物光学系１０の光軸Ａｘ１とのなす角θ′が、前述した式１を満たす値となるように、撮像素子２０２の配置位置を調整する。
角θ′＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／２（Ａ−δ））…（式３）
【００７１】
このような制御を行うことによっても、実効ＩＡＤｅｄを変化させずに、かつ輻輳点ｃの位置の制御とは独立してフォーカス位置の調整も行えるようになる。
【００７２】
なお、本開示が適用される立体画像撮像装置が手ぶれ補正機能を有する場合等には、結像光学系２０のレンズの前側主点ｓの移動を、結像光学系２０２の後側主点と、撮像素子２０２による読み出し範囲の中心とを結ぶ線に沿って行うようにすればよい。
【００７３】
＜９．第５の実施の形態の変形例＞
なお、結像光学系２０として、インナーフォーカス方式のレンズやリアフォーカス方式のレンズ等、フォーカス調整によって前側主点ｓの位置が殆ど変化しないレンズを採用することも可能である。この場合は、フォーカスの調整を行っても距離Ａは変化しないため、撮像部２の姿勢制御や撮像素子２０２の位置制御等の、輻輳点ｃの位置を一定に保つための制御を行う必要がなくなる。したがって、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、前群以外のレンズであるフォーカシングレンズ２０５を結像光学系２０の光軸Ａｘ２に沿って前後に移動させることで、実効ＩＡＤｅｄを変化させずにかつ輻輳点ｃの位置とは異なる位置にフォーカスの位置を調整することができる。なお、同様の構成を、結像光学系２０に可変焦点光学素子等を用いることによっても実現することができる。
【００７４】
＜１０．第１〜第５の実施の形態の変形例＞
なお、上述した第１〜第５の実施の形態では、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）の前側主点ｓＲ（ｓＬ）の位置や撮像素子２０２Ｒ（２０２Ｌ）の位置等、撮像部２Ｒ（２Ｌ）を構成する各部を独立して移動させる例を挙げたが、これに限定されるものではない。撮像部２Ｒ（２Ｌ）全体を移動させることによってフォーカスの調整を行うようにしてもよい。この場合の撮像部２Ｒ（２Ｌ）の移動は、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）の前側主点ｓＲ（ｓＬ）を通る、対物光学系１０の光軸Ａｘ１と平行な線上で行うようにする。
【００７５】
また、上述した各実施の形態では、結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２Ｒと結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌとを、対物光学系１０の光軸Ａｘ１上で交差させる場合を例に挙げたが、これに限定されるものではない。図１０に示すように、結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２と結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌとを、対物光学系１０の光軸Ａｘ１と平行な軸Ａｘ３上で交差させるように立体画像撮像装置１′を構成してもよい。軸Ａｘ３は、図１０において長破線で示してある。この軸Ａｘ３は、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）の前側主点ｓＲ（ｓＬ）と対物光学系１０の光軸Ａｘとを含む平面上にあるものとする。
【００７６】
なお、対物光学系１０の光軸Ａｘ１と軸Ａｘ３との間の距離であるΔは、結像光学系２０Ｒの光軸Ａｘ２と結像光学系２０Ｌの光軸Ａｘ２Ｌとの交点である輻輳点ｃを配置する位置（図１０では上下方向）によって、その値が変化する。各結像光学系２０の光軸Ａｘ２が軸Ａｘ３に平行になるように各結像光学系２０を配置した場合には、各結像光学系２０の後側主点と各撮像素子２０２の中心とを結ぶ各直線が軸Ａｘ３上で交わった点が、輻輳点ｃとなる。
【００７７】
立体画像撮像装置１′をこのように構成した場合には、上述した各実施の形態で説明した各部の配置位置や移動の調整（フォーカス調整）を、軸Ａｘ３に対して行うようにすればよい。具体的には、対物光学系１０の焦点Ｆから軸Ａｘ３上に降ろした垂線（第２の垂線）と軸Ａｘ３とが交わる交点ｘ′（第２の交点）と、各結像光学系２０の前側主点ｓとを結ぶ線分の長さが互いに同じ値となるように、ペアとなる各結像光学系２０および／または、各撮像素子２０２を連動させてフォーカスの調整を行う。
【００７８】
また、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）の光軸Ａｘ２Ｒ（Ａｘ２Ｌ）と軸Ａｘ３とのなす角度θ′を可変させてフォーカスの調整を行う場合には、角度θ′が、前述した下記の式を満たすように各撮像部２の姿勢の調整または、各結像光学系２０の位置または各撮像素子２０２の位置を調整する。
角θ′＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／２（Ａ−δ））…（式３）
なお、各結像光学系２０の光軸Ａｘ２が軸Ａｘ３に平行になるように各結像光学系２０を配置した場合には、角度θ′は、結像光学系２０の前側主点ｓと撮像素子２０２の中心とを通る直線と、軸Ａｘ３とがなす角度として示される。
【００７９】
上記式において、“ｄ”はペアとなる各結像光学系２０のレンズ間距離である。したがって、“ｄ／２”は、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）の前側主点ｓＲ（ｓＬ）から軸Ａｘ３へ下ろした垂線（第３の垂線）の長さとなる。また、“Ａ”は、第３の垂線と軸Ａｘ３とが交わる交点ｘ′′（第３の交点）と交点ｘ′とを結ぶ線分の長さである。“δ”は、輻輳点ｃと交点ｘ′とを結ぶ線分の長さである。
【００８０】
なお、図１０では、軸Ａｘ３を、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）の前側主点ｓＲ（ｓＬ）と対物光学系１０の光軸Ａｘとを含む平面上に設けた例を挙げたが、これに限定されるものではない。つまり、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）の前側主点ｓＲ（ｓＬ）とを含む平面と、軸Ａｘ３と対物光学系１０の光軸Ａｘ１とを含む平面とが、同一とならないような位置に、軸Ａｘ３を配置してもよい。すなわち、軸Ａｘ３は、対物光学系１０の光軸Ａｘ１と平行となる位置であれば、光軸Ａｘ１を中心とした３６０°のいずれの位置に配置してもよい。
【００８１】
図１１には、結像光学系２０Ｒ（２０Ｌ）の前側主点ｓＲ（ｓＬ）とを含む三角形で示した平面ｐ１と、対物光学系１０の光軸Ａｘ１と軸Ａｘ３とを含む平面ｐ２とが直交するような位置に、軸Ａｘ３を配置した例を示してある。図１１においては、撮像部２Ｒと２Ｌおよび対物光学系１０を、筒状の形状で簡略的に示している。なお、図１１に示す対物光学系１０は、凸レンズで形成されているものとする。
【００８２】
図１１では、対物光学系１０の光軸Ａｘ１に対して垂直方向で上の方向に距離Δだけ離れた位置に、軸Ａｘ３を設定している。つまり、軸Ａｘ３上に輻輳点（交点ｃ）が形成されるように、結像光学系２０Ｒと２０Ｌとを配置している。このように配置した場合には、撮像部２Ｒに対応する実効瞳ＥｐＲおよび撮像部２Ｌに対応する実効瞳ＥｐＬは、対物光学系１０の光軸Ａｘ１に対して垂直方向の下方向にずれた位置に形成される。対物光学系１０の光軸Ａｘ１から距離Δ′だけ平面ｐ２上を下方向にずれた位置に形成される軸を軸Ａｘ４とすると、例えば撮像部２Ｒに対応する実効瞳ＥｐＲであれば、軸Ａｘ４から右側の方向に距離ｅｄ′だけずれた位置に形成される。図１１に示す例では、対物光学系１０に凸レンズを使用した場合を想定しているため、各実効瞳Ｅｐが形成される位置は、軸Ａｘ４を挟んで、実際の撮像部２Ｒと２Ｌの配置位置とは左右反対の位置となる。
【００８３】
また、上述した実施の形態では、撮像部２を左右の視差画像取得用に２台設けた例を挙げているが、これに限定されるものではない。３つ以上の複数の撮像部２を設ける構成に適用することも可能である。図１２は、撮像部２を８個設けた例を挙げたものである。対物光学系１０の光軸Ａｘ１上に撮像部２−１を配置してあり、撮像部２−１を挟んで左右対称の位置に、撮像部２−２と２−３とを配置している。さらに、撮像部２−２と２−３の外側（光軸Ａｘ１から離れる方向）にも、撮像部２−４と２−５を配置している。これらの各撮像部２の各結像光学系２０の前側主点ｓは、すべて平面ｐ３上に配置されている。また、撮像部２−１を挟んで上下対称の位置にも、撮像部２−６と２−７とを配置している。撮像部２−６と２−７におけるそれぞれの主点ｓは、同一の平面ｐ４上に配置されているものとする。また、平面ｐ３にも平面ｐ４にも属さない位置（図面の左上の位置）にも、撮像部２−８を配置している。
【００８４】
これらの撮像部２−１〜２−８の配置（角度）は、その光軸Ａｘ２あるいは、その前側主点ｓと撮像素子２０２の中心とを結ぶ線が、交点ｃで交わるような位置に調整されている。このように配置することにより、例えば撮像部２−２に対応する実効瞳Ｅｐ−２は、対物光学系１０の光軸Ａｘ１から右斜め下の方向に距離ｅｄ′だけずれた位置に形成される。
【００８５】
複数の撮像部２をこのように配置した場合には、フォーカス調整を行う際は、撮像部２−２と２−３、撮像部２−４と２−５、撮像部２−６と２−７を、それぞれペアとして連動して制御させればよい。
【００８６】
また、上述した各実施の形態では、対物光学系１０の光軸Ａｘ１または、軸Ａｘ３を挟んで対称の位置にある撮像部２同士をペアとして、各撮像部２内の各結像光学系２０および／または、それに対応する各撮像素子２０２を連動して制御する場合を例に挙げた。しかし、本開示を、これらを連動せずに制御する形態に適用してもよい。ただしこの場合も、上述したような、垂線ｄ／２と線分Ａの長さの比が一定となるようにフォーカス調整を行う必要がある。この制御を行うことにより、各撮像部２に対応する各実効瞳Ｅｐの形成位置が、フォーカスの調整に伴って変化してしまうことがなくなる。
【００８７】
なお、本開示の立体画像撮像装置は、以下のような構成も取ることができる。
（１）被写体を実像または虚像として形成する機能を有する対物光学系と、
複数の独立した光学系により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像としてそれぞれ改めて結像させる複数の結像光学系と、
前記複数の結像光学系に対応して設けられ、前記複数の結像光学系により結像された視差画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、
前記複数の結像光学系の各前側主点から前記対物光学系の光軸へ垂線を下ろした際の前記垂線の長さと、前記垂線と前記対物光学系の光軸とが交わる交点と前記対物光学系の焦点とを結ぶ線分の長さとの比が一定となるように、前記各結像光学系の前側主点を配置または移動させる制御を行う制御部とを備えた
立体画像撮像装置。
（２）前記制御部は、前記対物光学系の光軸を挟んで対象の位置に配置されたペアとなる各結像光学系間において、前記対物光学系の焦点から前記各結像光学系の前側主点までを結ぶ線分の長さが同じ値となるように、前記ペアとなる結像光学系および／または、前記ペアとなる結像光学系に対応して設けられた各撮像素子を連動させてフォーカスの調整を行う（１）に記載の立体画像撮像装置。
（３）前記制御部は、前記フォーカスの調整において、前記各結像光学系のフォーカス面を、前記結像光学系から有限の距離の範囲内で移動させる（１）または（２）に記載の立体画像撮像装置。
（４）前記制御部は、前記各結像光学系の前側主点の位置に対する前記撮像素子の相対的な位置を、前記撮像素子を、前記各結像光学系の各光軸上または前記各結像光学系の後側主点と前記各撮像素子の中心とを結ぶ各直線上を移動させることによって変化させる（１）〜（３）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（５）前記各結像光学系は、その光軸が前記対物光学系の光軸と並行になるように配置され、前記各撮像素子は、その撮像面が前記対物光学系の光軸と垂直となるように配置され、
前記制御部は、前記各結像光学系の後側主点と前記各撮像素子の中心とを結ぶ直線上を前記各撮像素子を同一の方向に移動させることで前記フォーカスの調整を行う（１）〜（３）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（６）前記各結像光学系のレンズの一つとして凹レンズを使用し、
前記制御部は、前記凹レンズを前記対物光学系の光軸に対して垂直方向に移動させることにより当該立体画像撮像装置の輻輳角を可変させ、前記各撮像素子を前記各結像光学系の光軸上の同一の方向に移動させることで前記フォーカスの調整を行う（１）〜（３）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（７）前記制御部は、前記制御部は、前記ペアとなる各結像光学系のレンズ間距離をｄとし、前記垂線の長さまたは、前記複数の結像光学系の各前側主点から前記軸へ下ろした垂線である第３の垂線の長さをｄ／２とし、前記垂線と前記対物光学系の光軸とが交わる交点と前記対物光学系の焦点とを結ぶ線分の長さまたは、前記第３の垂線と前記軸とが交わる交点である第３の交点と前記第２の交点とを結ぶ線分の長さをＡとし、前記各結像光学系の各光軸が交わった点あるいは、前記各結像光学系の後側主点と前記各撮像素子の中心とを結ぶ各直線とが交わった点である輻輳点と、前記対物光学系の焦点または前記第２の交点とを結ぶ線分の長さをδとした場合に、前記各結像光学系の各光軸と前記対物光学系の光軸または前記軸とのなす角度または、前記各結像光学系の後側主点と前記各撮像素子の中心とを結ぶ直線と、前記対物光学系の光軸または前記軸とのなす角度である角θ′が以下の式を満たすように、前記各結像光学系と前記各撮像素子とを含む各撮像部の姿勢の調整または、前記各結像光学系の調整および／または前記各撮像素子の位置の移動を行うことによりフォーカスを調整する
角θ′＝ａｒｃｔａｎ（ｄ／２（Ａ−δ））
（１）〜（３）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（８）前記制御部は、前記各結像光学系のレンズを、前記各結像光学系の前側主点と前記対物光学系の焦点とを結ぶ直線上で移動させ、前記各撮像素子の位置を、前記各結像光学系のレンズが前記対物光学系の焦点に近づくにつれて前記対物光学系の光軸から乖離する方向に移動させることにより前記フォーカスの調整を行う（７）に記載の立体画像撮像装置。
（９）前記各結像光学系として、インナーフォーカス方式またはリアフォーカス方式のレンズを使用し、
前記制御部は、前記結像光学系のレンズ位置を調整することによりフォーカスの調整を行う（７）または（８）記載の立体画像撮像装置。
【符号の説明】
【００８８】
１，１−１，１−２，１−３，１−４，１−５，１′…立体画像撮像装置、２，２Ｌ，２Ｒ…撮像部、５…制御部、１０…対物光学系、２０，２０Ｌ，２０Ｒ…結像光学系、２０２，２０２Ｌ，２０２Ｒ…撮像素子、２０４，２０４Ｌ，２０４Ｒ…輻輳角可変レンズ、２０５…フォーカシングレンズ、Ａｘ１，Ａｘ２，Ａｘ２Ｌ，Ａｘ２Ｒ…光軸、Ａｘ３…軸、ｄ…ＩＡＤ、ｅｄ…実効ＩＡＤ、ｆ…対物光学系焦点距離、Ｆ…対物光学系焦点、ｒ…対物光学系後側主点、ｖｒ…輻輳点可変範囲、ｘ，ｘ′，ｘ′′…交点
【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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【図１１】
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【図１２】
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