(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの撮像素子と、
上記撮像素子の撮像領域の互いに異なる複数の部分に対応して反射面が斜め外側を向くように設けられた複数の撮像素子側反射手段と、
上記複数の撮像素子側反射手段に対応してその外側に反射面が斜め前方を向くように配置され、互いに被写体からの光をその対応する撮像素子側反射手段へ反射する複数の被写体側反射手段と、
上記複数の被写体側反射手段により反射され更に上記撮像素子側反射手段により反射されて被写体から上記撮像素子の撮像領域の互いに異なる複数の部分に至る各光路の少なくとも上記被写体側反射手段よりも撮像素子側に設けられ同じ被写体に対して視差のある複数の被写体像を結像する複数の又は複数組のレンズと、
上記各光路のレンズが一個の場合にはそのレンズよりも、一組の場合には少なくとも一個のレンズよりも被写体側に設けられた複数の絞りと、
上記撮像素子から光路に沿って数えて１回目の反射をする撮像素子側反射手段の前方であって、前記撮像素子側とは反対側の被写体側のみに配置された、被写体像となる光線の外側の周辺光束が撮像領域に入射するのを防止する光線制限手段と、
からなることを特徴とする三次元撮像装置。
【請求項２】
少なくとも固体撮像素子と撮像素子側反射手段との間において各被写体像を結像する各光路間を遮断する光遮断手段を設けてなる
ことを特徴とする請求項１記載の三次元撮像装置。
【請求項３】
撮像素子からの画像信号を、視点の異なる被写体像を撮像する各撮像領域において撮像された各被写体像の画像信号に分割して信号処理する信号処理手段を有する
ことを特徴とする請求項１、又は２記載の三次元撮像装置。
【請求項４】
視差（視点間の距離）が１ｃｍ以上である
ことを特徴とする請求項１、２、又は３記載の三次元撮像装置。
【請求項５】
複数の撮像領域を有する一つの撮像素子及び該複数の撮像領域にそれぞれ被写体の像を結像するための複数の光学系からなる三次元撮像装置と、
上記複数の撮像領域で結像された画像を単一の画像信号として出力するように上記三次元撮像装置の駆動を行う、単一のタイミングゼネレータ及び単一のドライバと、
上記単一の画像信号をカメラ信号処理するカメラ信号処理部と、
上記カメラ信号処理部から出力された上記画像信号を単一の記録メディアに記録する単一の信号記録部と、
上記記録メディアに記録された上記画像信号を再生する単一の信号再生部と、
上記信号再生部から出力された上記画像信号を上記複数の撮像領域に対応した信号に分離する画像分離回路と、
上記画像分離回路から出力された上記複数の撮像領域に対応した信号を各別に表示する表示装置と、を有するステレオカメラ記録再生システムであって、
上記三次元撮像装置は、一つの撮像素子と、
上記撮像素子の撮像領域の互いに異なる複数の部分に対応して反射面が斜め外側を向くように設けられた複数の撮像素子側反射手段と、
上記複数の撮像素子側反射手段に対応してその外側に反射面が斜め前方を向くように配置され、互いに被写体からの光をその対応する撮像素子側反射手段へ反射する複数の被写体側反射手段と、
上記複数の被写体側反射手段により反射され更に上記撮像素子側反射手段により反射されて被写体から上記撮像素子の撮像領域の互いに異なる複数の部分に至る各光路の少なくとも上記被写体側反射手段よりも撮像素子側に設けられ同じ被写体に対して視差のある複数の被写体像を結像する複数の又は複数組のレンズと、
上記各光路のレンズが一個の場合にはそのレンズよりも、一組の場合には少なくとも一個のレンズよりも被写体側に設けられた複数の絞りと、
上記撮像素子から光路に沿って数えて１回目の反射をする撮像素子側反射手段の前方であって、前記撮像素子側とは反対側の被写体側のみに配置された、被写体像となる光線の外側の周辺光束が撮像領域に入射するのを防止する光線制限手段と、
からなることを特徴とするステレオカメラ記録再生システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元撮像装置、特に同じ被写体に対して視差を持たせた複数の画像を撮像して三次元画像（立体画像）を得たり、あるいは被写体との距離測定（測距）をすることができる三次元撮像装置と、それを用いたステレオカメラ記録再生システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
三次元画像を撮像するには、同じ被写体に対して互いに離間した異なる複数の場所から視た複数の画像、即ち、視差を持たせた画像を撮像する必要がある。そのため、従来においては、一般に一つの三次元撮像装置に二つのカメラを設け、異なる二つの場所から捉えた二つの被写体像を各別のカメラにより撮像するようにしたものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、二つのカメラを用いて三次元画像を撮像するようにした三次元撮像装置は、二つのカメラを用いるが故に、全体が大きくなってしまい、小型化の要請には応えることが難しいという問題があった。
【０００４】
また、複数のカメラユニットにより三次元撮像装置を構成するには、二つのカメラ間の光軸合わせが必要であるが、別々のカメラ間の光軸合わせは相当に難しいという問題もあった。
【０００５】
また、カメラを複数設けた場合、画像信号の処理にあたり、外部からそのカメラ間の同期を取るようにすることが必要であり、それには当然に同期を取るための回路が必要であり、三次元撮像装置の高価格化の要因になる。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決すべく為されたものであり、単一の撮像手段を用いて比較的簡単な構成で且つ小型でありながら充分な視差のある複数の画像を得ることのでき、且つ装置の光学的特性、性能の大きなウェイトを占める結像用のレンズが装置表面に露出してゴミ等に汚されるおそれのない三次元撮像装置を提供すること一つの目的とし、そのような三次元撮像装置を用いた比較的簡単な構成のステレオカメラ記録再生システムを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の三次元撮像装置は、一つの撮像素子と、撮像素子の撮像領域の互いに異なる複数の部分に対応して反射面が斜め外側を向くように設けられた複数の撮像素子側反射手段と、複数の撮像素子側反射手段に対応してその外側に反射面が斜め前方を向くように配置され、互いに被写体からの光をその対応する撮像素子側反射手段へ反射する複数の被写体側反射手段と、複数の被写体側反射手段により反射され更に上記撮像素子側反射手段により反射されて被写体から上記撮像素子の撮像領域の互いに異なる複数の部分に至る各光路の少なくとも上記被写体側反射手段よりも撮像素子側に設けられ同じ被写体に対して視差のある複数の被写体像を結像する複数の又は複数組のレンズと、各光路のレンズが一個の場合にはそのレンズよりも、一組の場合には少なくとも一個のレンズよりも被写体側に設けられた複数の絞りと、撮像素子から光路に沿って数えて１回目の反射をする撮像素子側反射手段の前方であって、前記撮像素子側とは反対側の被写体側のみに配置された、被写体像となる光線の外側の周辺光束が撮像領域に入射するのを防止する光線制限手段と、からなることを特徴とする。
【０００８】
従って、本発明の三次元撮像装置によれば、同じ被写体を結像光学系により、複数回の反射、集光により互いに離間した異なる複数の視点から捉えた複数の像として上記撮像素子の異なる複数の領域に各別に結像するので、三次元撮像装置に必要な撮像素子の数が一つで済む。そして、撮像素子が一つで視差の異なる複数の撮像画像が得られるので、三次元画像を撮像する等のために複数のカメラ間の同期を取ると言うことが必要でなく、従って、同期を取る特別な回路を設ける必要がない。また、同じ撮像素子に対して各光学系毎に光軸合わせをすれば必要な光軸合わせが済むので、複数のカメラ間で光軸合わせをする場合に比較して光軸合わせが容易になる。しかも、レンズが三次元撮像装置の表面側ではなく、光路の必ず最も被写体側の反射手段よりも撮像素子側に位置されており、露出しないようにすることができるので、光学的特性、性能を大きく左右するレンズが表面に露出してゴミ等により汚れるという従来存在したおそれをなくすことができる。
【０００９】
また、本発明の三次元撮像装置によれば、一つの被写体が、被写体側反射手段、撮像素子側反射手段、レンズ、絞り及び一つの撮像素子の撮像領域の異なる部分からなる複数の光学系により互いに異なる視差を以て撮像されるので、三次元撮像装置に必要な撮像素子の数が一つで済む。そして、撮像素子が一つで視差の異なる複数の撮像画像が得られるので、三次元画像を撮像する等のために複数のカメラ間の同期を取ると言うことが必要でなく、従って、同期を取る特別な回路を設ける必要がない。また、同じ撮像素子に対して各光学系毎に光軸合わせをすれば必要な光軸合わせが済むので、複数のカメラ間で光軸合わ
せをする場合に比較して光軸合わせが容易になる。さらに、撮像素子から光路に沿って数えて１回目の反射をする反射手段の後方に、一つの被写体像となる光が上記撮像素子の他の被写体像を撮像する領域に入射するのを防止し、各被写体像の結像領域を規定する光線制限手段を設けるので、その光線制限板の位置を三次元撮像装置の外側ではなく中心軸側寄りにしつつ被写体より外側からの周辺光束の入射を光線制限板によりカットすることができ、三次元撮像装置の大型化を伴うことなく効果的な周辺光束によるノイズを防止することができる。
【００１０】
そして、複数の互いに視差のある画像を得るところの複数の被写体側反射手段を複数の撮像素子側反射手段の外側に設けたので、三次元撮像装置の大きさの割に被写体側反射手段間の距離を大きくして視差を比較的大きくできる。従って、より立体的な三次元画像を高い精度で得ることができる。
【００１１】
また、各光路におけるレンズ数が１個の場合には、絞りにより絞りをかけた光束を結像レンズにより撮像素子の撮像領域の各部分に結像させるし、各光路におけるレンズが複数一組のレンズからなる場合は、少なくともそのうちの一個のレンズを絞りよりも撮像素子側に位置させ、絞りをかけた光束をそのレンズに通すので、徒らに大きなレンズを用いなくて済むという効果を全レンズないしは少なくとも一部のレンズについて享受することができる。従って、小型で、低価格でありながら優れた光学的特性を有する三次元撮像装置を得ることができる。そして、レンズが三次元装置の表面側ではなく、光路の必ず被写体側反射手段よりも撮像素子側に位置されており、露出しないようにすることができるので、光学的特性、性能を大きく左右するレンズが表面に露出してゴミ等により汚れるという従来存在したおそれをなくすことができる。
【００１２】
本発明のステレオカメラ記録再生システムは、一つの撮像素子の該複数の撮像領域に複数の光学系によりそれぞれ被写体の像を結像する三次元撮像装置と、上記複数の撮像領域で結像された画像を単一の画像信号として出力するように上記三次元撮像装置を駆動する単一のタイミングゼネレータ及び単一のドライバと、上記単一の画像信号をカメラ信号処理する単一のカメラ信号処理部と、該カメラ信号処理部から出力された上記画像信号を単一の記録メディアに記録する単一の信号記録部と、該記録メディアに記録された上記画像信号を再生する単一の信号再生部と、該信号再生部から出力された上記画像信号を上記複数の撮像領域に対応した信号に分離する画像分離回路と、該画像分離回路から出力された上記複数の撮像領域に対応した信号を各別に表示する表示装置と、を有するステレオカメラ記録再生システムであって、上記三次元撮像装置は、一つの撮像素子と、撮像素子の撮像領域の互いに異なる複数の部分に対応して反射面が斜め外側を向くように設けられた複数の撮像素子側反射手段と、複数の撮像素子側反射手段に対応してその外側に反射面が斜め前方を向くように配置され、互いに被写体からの光をその対応する撮像素子側反射手段へ反射する複数の被写体側反射手段と、複数の被写体側反射手段により反射され更に上記撮像素子側反射手段により反射されて被写体から上記撮像素子の撮像領域の互いに異なる複数の部分に至る各光路の少なくとも上記被写体側反射手段よりも撮像素子側に設けられ同じ被写体に対して視差のある複数の被写体像を結像する複数の又は複数組のレンズと、各光路のレンズが一個の場合にはそのレンズよりも、一組の場合には少なくとも一個のレンズよりも被写体側に設けられた複数の絞りと、撮像素子から光路に沿って数えて１回目の反射をする撮像素子側反射手段の前方であって、前記撮像素子側とは反対側の被写体側のみに配置された、被写体像となる光線の外側の周辺光束が撮像領域に入射するのを防止する光線制限手段と、からなることを特徴とする。
【００１３】
従って、本発明のステレオカメラ記録再生システムによれば、三次元撮像装置から出力されたところの一つの被写体に対する異なる視点で捉えた複数の被写体像の信号を一つの画像信号として扱ってカメラ信号処理、信号記録、信号再生を行うことができるので、カメラ信号処理部、信号記録部及び信号再生部並びに記録メディアをそれぞれ１個ずつ設ければ良く、これらを複数の撮像領域に結像された被写体像数ずつ設ける必要がない。従って、記録再生システムの構成を比較的簡単にできる。そして、一つの画像信号として扱った被写体像の信号は画像分離回路により各被写体像毎に分離して表示するので、被写体の三次元再生表示、即ち立体像として再生表示や測距（被写体との距離の測定）ができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の三次元撮像装置は、基本的には、一つの撮像素子と、被写体からの光に対しての１回乃至複数回の反射と、集光とにより互いに離間した異なる視点から捉えた上記被写体の像を上記撮像素子の異なる各別の領域に結像する複数の結像光学系と、を有する。視差（視点間の距離）は例えば１ｃｍ以上程度が好適である。
【００１５】
本発明の三次元撮像装置の最も典型的な実施の形態は、一つの撮像素子と、該撮像素子の撮像領域の互いに異なる複数の部分に対応して反射面が斜め外側を向くように設けられた複数の撮像素子側反射手段と、該複数の撮像素子側反射手段に対応してその外側に反射面が斜め前方を向くように配置され、互いに被写体からの光をその対応する撮像素子側反射手段へ反射する複数の被写体側反射手段と、該複数の被写体側反射手段により反射され更に上記撮像素子側反射手段により反射されて被写体から上記撮像素子の撮像領域の互いに異なる複数の部分に至る各光路の少なくとも上記被写体側反射手段よりも撮像素子側に設けられ同じ被写体に対して視差のある複数の被写体像を結像する複数の又は複数組のレンズと、上記各光路のレンズが一個の場合にはそのレンズよりも、一組の場合には少なくとも一個のレンズよりも被写体側に設けられた複数の絞りと、を設けるからなるものであり、上記撮像素子はＣＣＤ固体撮像素子であっても、ＭＯＳ型固体撮像素子であっても増幅型固体撮像素子であっても良く、その種類の如何は問わない。
【００１６】
そして、三次元撮像装置には、撮像素子から光路に沿って数えて１回目の反射をする撮像素子側反射手段の前方に、一つの被写体像となる光が上記撮像素子の他の被写体像を撮像する領域に入射するのを防止する光線制限手段を設けると良い。というのは、撮像素子の被写体像を結像する各撮像領域内に周辺光束が漏れ込むのを効果的に防止することができるからである。
【００１７】
即ち、同じ被写体を互いに離間した視点から捉え、その視点間の距離、即ち視差を必要なだけ確保しつつ小さな撮像素子の異なる領域に複数の被写体像を結像するには、被写体側からの光を何回か反射する必要がある。一方、三次元撮像装置には、被写体像を結像する各撮像領域内に周辺光束が漏れ込むおそれがあり、その漏れ込みを防止することが必要になる場合がある。そこで、その漏れ込みを防止するために光線制限手段を設けることとするのが良い。そして、それを設けるには撮像素子から数えて１回目の反射を行う反射手段の後が良い。というのは、撮像素子の各撮像領域間に入射する光というのは、その反射手段の前では三次元撮像装置における外側ではなく中心寄りを通ることになり、被写体像の結像領域を規定し複数の撮像領域間におけるクロストークを防止する光線制限手段は三次元撮像装置の中心寄りに設けることができる。従って、三次元撮像装置の徒な大型化を伴うことなく光線制限手段を設けて複数の撮像領域間に入射する光によるクロストーク、即ち一つの撮像領域に入射すべき光が別の撮像領域へ漏れ込むという現象を有効に防止することができるからである。
【００１８】
上記撮像素子側反射手段、被写体側反射手段は例えばミラーで構成しても良いし、プリズムを用いても良い等、光を反射する機能を有すれば良い。そして、被写体側反射手段及び撮像素子側反射手段を、被写体からの光を９０度の角度で２回反射することにより被写体を固体撮像素子の撮像領域の二つの部分に照射するようにしても良いが、三次元撮像装置の二つの光学系を奥行き方向における寸法を小さくするために９０度よりも大きい角度（例えば１２０度）で２回反射するようにして被写体からの光を固体撮像素子迄導くようにしても良い。
【００１９】
そして、各光路に設けられる結像用のレンズは、それぞれ一枚玉レンズであっても良いし、二枚以上の玉レンズであっても良いことは言うまでもない。特に高い光学的特性を得る場合には二枚以上の玉レンズが使用されるが、そこまで光学的特性を高くする必要がない場合には一枚玉レンズでも良いのである。いずれの場合においても、本発明においては、各光路において、レンズは必ず被写体側反射手段よりも撮像素子側に位置される。というのは、光学的特性、性能に最も大きなウェイトを占めるレンズを被写体側反射手段よりも被写体側に置くと、そのレンズが三次元撮像装置の表面に露出し、ゴミが付着し易くなるおそれがあるからである。
【００２０】
そして、レンズが一枚玉レンズの場合（要するに各光路のレンズ数が一個の場合）には、そのレンズは必ず絞りよりも撮像素子側に配置する必要があり、また、複数玉レンズの場合（要するに各光路のレンズが複数一組のレンズからなる場合）には、少なくとも一部のレンズは絞りよりも撮像素子側に配置する必要がある。というのは、絞りにより絞られた光束をレンズにより集光して結像するようにすることにより全部又は少なくとも一部のレンズを小さくて済むようにすることができるという効果を享受することができるからである。
【００２１】
尚、レンズは球面レンズであっても非球面レンズであっても良い。そして、結像レンズと撮像素子との間等、各光路のいずれかの部分に赤外線カットフィルタを設けるようにしても良い。また、各光路のいずれかの部分に光学的ローパスフィルタを設けて偽信号の抑圧をするようにしても良い。
【００２２】
更に、少なくとも固体撮像素子と撮像素子側反射手段との間において各光路間を遮断する光遮断手段を設けるようにしても良い。このようにすると、複数の互いに視差のある画像を得るための各光学系間において光学的クロストークが発生するおそれをなくすことができるからである。
【００２３】
三次元撮像装置は、撮像素子からの画像信号を、視点の異なる被写体像を撮像する各撮像領域において撮像された各被写体像の画像信号に分割して信号処理する信号処理手段を有する。このようにすれば、各被写体像を独立して検出した上で、この独立した複数の被写体像に基づいて三角測量法の原理により測距や、三次元画像の生成ができるからである。
【００２４】
また、上述した三次元撮像装置を用いたステレオカメラ記録再生システムは、斯かる三次元撮像装置の他に、該装置を構成する一つの撮像素子を複数の撮像領域にて各別の被写体像を撮像するにも拘わらず一つの画像信号を撮像したものとして駆動するタイミングゼネレータ及びドライバと、その撮像素子の出力である画像信号をカメラ信号処理するカメラ信号処理部と、該カメラ信号処理部からの画像信号を記録メディアに記憶する信号記録部と、該記録メディアに記憶された画像信号を再生する信号再生部と、該信号再生部から出力された上記画像信号を上記複数の被写体像の画像信号に分離する画像分離回路と、該画像分離回路からの複数の被写体像の画像信号を各別に表示する複数の表示装置を有する。画像分離回路は、例えば、各水平周期を複数に分割し、その分割期間だけ画像信号を抽出する抽出部を複数個設けて各抽出部の出力を各抽出部に対応して設けた表示部に表示させるような回路で構成できる。
【００２５】
【参考例】
以下に参考例を説明する。図１は本発明三次元撮像装置の参考例の概略構成図である。図面において、１は固体撮像素子、１ａは該固体撮像素子１の撮像領域の一半部、１ｂは同じく撮像領域の他半部である。２は赤外線カットフィルタで、上記固体撮像素子１の撮像領域の前方に平行に配設されている。３ａ、３ｂは赤外線カットフィルタ２越しに固体撮像素子１の各半部１ａ、１ｂに対応して設けられた結像レンズ、４ａ、４ｂは該結像レンズ３ａ、３ｂに対応してその前方に配設された絞り、５ａ、５ｂは該絞り４ａ、４ｂの前方に上記固体撮像素子１の撮像領域の各半部１ａ、１ｂに対応して斜め外側を向くように設けられた撮像素子側ミラー、６ａ、６ｂは該撮像素子側ミラー５ａ、５ｂの外側にそれ等と対応して斜め内側を向くように設けられた被写体側ミラーである。７は撮像素子側ミラー５ａ、５ｂと固体撮像素子１との間において撮像素子側ミラー５ａ、絞り４ａ、レンズ３ａ、固体撮像素子１の半部１ａによる結像光学系と、撮像素子側ミラー５ｂ、絞り４ｂ、レンズ３ｂ、固体撮像素子１の半部１ｂによる結像光学系との間に設けられてその間を遮断する光遮断手段であり、これにより二つの結像光学系間における光学的クロストークを防止することができる。
【００２６】
一対の被写体側ミラー６ａ、６ｂは同じ被写体からの光を異なる位置（その視点間の距離、即ち視差は例えば１ｃｍ〜１５ｃｍ程度が好適である。）にて一対の撮像素子側ミラー５ａ、５ｂへ反射する。該一対の撮像素子側ミラー５ａ、５ｂは一対の被写体側ミラー６ａ、６ｂにより反射されたところの被写体からの光を上記固体撮像素子１の撮像領域の各半部１ａ、１ｂに向けて反射する。そして、一対の撮像素子側ミラー５ａ、５ｂにより反射されたところの被写体からの一対の光は絞り４ａ、４ｂにより絞られ、結像レンズ３ａ、３ｂにより固体撮像素子１の撮像領域の異なる半部１ａ、１ｂに結像される。その際、赤外線カットフィルタ２を通ることによって赤外線がカットされる。
【００２７】
図２（Ａ）、（Ｂ）は三次元画像の撮像原理の説明図であり、（Ａ）は同じ被写体を被写体側ミラー６ａ、６ｂの存在する二つの視点にて捉え、各視点で捉えた被写体を撮像素子側ミラー５ａ、５ｂ、絞り４ａ、４ｂ、レンズ３ａ、３ｂにより固体撮像素子１の撮像領域の異なる半部１ａ、１ｂに結像することを模式的に示す。また、（Ｂ）は同じ被写体を異なる視点で捉えて得た二つの撮像画像を模式的に示す。この図２（Ｂ）に示す左右の撮像画像を見ると、一番奥の円柱に対してその手前にある稍小さな円柱及び更にその手前にある鉛筆の位置がずれていることが解る。これは同じ被写体に対する撮像画像に視差があることに起因している。従って、この同じ被写体に対する視差のある二つの画像から被写体の立体像を把握することが可能である。
【００２８】
即ち、上述した二つの撮像画像を示すデータを、適宜データ処理し、画像合成することにより被写体を三次元的に認識することができ、その認識結果に基づいて三次元像の形で画像再生することができる。勿論、三次元撮像装置から被写体までの距離を測定することもできる。これらは、謂わば三角測量原理により被写体の各部分の座標を得ることができるから為し得るのである。
【００２９】
図３（Ａ）、（Ｂ）は三次元撮像装置及びその出力を処理する回路の一つの構成例を示すもので、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）はそのブロック図である。固体撮像素子１からは同じ被写体の異なる視点で捉えた二つの撮像画像が得られ、その画像を示す映像信号は情報処理装置８により処理され、所望の三次元画像データに変換され、外部に出力される。この出力されたデータは図示しない立体表示可能な表示装置に入力され、該表示装置により三次元画像として再生される。
【００３０】
尚、左右の画像を分離せずに直接三次元情報を信号処理して被写体の位置情報を示すものとして出力することとし、それを画像認識データ、被写体からの距離を示すデータとして用いるようにしても良い。
【００３１】
参考例の三次元撮像装置によれば、一つの被写体が、被写体側ミラー６ａ、６ｂ、撮像素子側ミラー５ａ、５ｂ、レンズ３ａ、３ｂ及び絞り４ａ、４ｂ及び一つの固体撮像素子１の撮像領域の異なる部分１ａ、１ｂからなる一対の結像光学系により互いに異なる視差を以て撮像されるので、三次元撮像装置に必要な固体撮像素子１の数が一つで済む。そして、一つの固体撮像素子１で視差の異なる二つの撮像画像が得られるので、二つのカメラ間の同期を取ると言うことが必要でなく、従って同期を取る特別な回路は必要でなくなる。
【００３２】
また、同じ撮像素子に対して各光学系毎に光軸合わせをすれば必要な光軸合わせが済むので、従来におけるような二つのカメラ間で光軸合わせをする場合に比較して光軸合わせが容易になる。
【００３３】
そして、二つの互いに視差のある画像を得るための一対の離間した視点となる被写体側ミラー６ａ、６ｂを一対の撮像素子側ミラー５ａ、５ｂの外側に設けたので、三次元撮像装置の大きさの割に被写体側ミラー６ａ、６ｂ間の距離を大きくすることができ、延いては視差を比較的大きくできる。従って、より立体的な三次元画像を比較的高い精度で得ることができる。
【００３４】
尚、上記参考例で６、被写体側ミラー６ａ、６ｂ及び撮像素子側ミラー５ａ、５ｂを、被写体からの光を９０度の角度で２回反射することにより被写体を固体撮像素子１の撮像領域の二つの部分１ａ、１ｂに照射するようにしていたが、三次元撮像装置の二つの光学系の奥行き方向における寸法を小さくするために、９０度よりも大きい角度（例えば１２０度）で２回反射するようにして被写体からの光を固体撮像素子迄導くようにしても良い。
【００３５】
【実施例】
図４は本発明三次元撮像装置の実施例の概略構成図である。本実施例は図１に示した参考例と共通する部分を有し、共通する部分については既に説明済みであるのでその詳細な説明を省略し、それ以外の部分についてのみ詳細に説明することとし、また、図４の図１と共通する部分には共通の符号を付すこととした。
【００３６】
図面において、１５ａ、１５ｂは該絞り４ａ、４ｂの前方に上記固体撮像素子１の撮像領域の各半部１ａ、１ｂに対応して斜め外側を向くように設けられた撮像素子側反射手段を成す反射プリズムであり、図１に示す参考例における撮像素子側ミラー５ａ、５ｂと全く同じ役割を果たす。
【００３７】
１６a、１６ｂは赤外線カットフィルタで、本実施例では各撮像素子側反射手段を成す反射プリズム１５ａ、１５ｂの前側（光入射側）に配置されている。１７は固体撮像素子１の前側に設けられた固体撮像素子用カバーガラスである。
【００３８】
１８ａ、１８ｂは光線制限板で、固体撮像素子１の各別の撮像領域１ａ、１ｂに入るべき光以外の光が漏れて入射するのを防止する役割を果たす。即ち、各撮像領域１ａ、１ｂにそれと対応する結像光学系以外からの光が漏れて入射すると、その光はノイズ成分となり、画質低下の原因となる。そこで、その周辺光束の漏れを防止するのが光線制限板１８ａ、１８ｂなのである。
【００３９】
図５はその光線制限板１８による入射光の制限の原理についての説明図である。被写体からの光は結像光学系を通って撮像素子１の各撮像領域に結像するも結像に寄与する光線の周辺の光線は隣接撮像領域（隣接撮像エリア）のノイズ成分となるおそれがあるわけであるが、図５において被写体枠の最も外の部分からの光をＡ、Ｂ、Ｃとし、そのうちＡが撮像素子１に入射する角度が大きい。従って、その光線Ａよりも外側の光はカットする必要があることになる。それには、光線制限板１８を撮像素子１から数えて１回目の反射手段、この場合、反射プリズム１５よりも前側にて光線Ａよりも内側の光をカットする位置に配置すればよい。というのは、この位置では、光線制限板１８を三次元撮像装置の中心軸よりのところに配置して周辺光束の漏れ入射を効果的に防止することができる。即ち、光線Ａが光線Ｂ、Ｃよりも外側にきており、これにより光線Ｂ、Ｃを遮蔽することなく光線Ａ、Ｂ、Ｃで造られる光線束を総て結像に寄与させることができるからである。
【００４０】
因みに、もし光線制限板１８を撮像素子１から数えて偶数回（２ｎ回）目の反射手段の前に位置させた場合には、光線制限板１８を三次元撮像装置の外側に設けなければ周辺光束のカットができず、三次元撮像装置の小型化を阻むことになり、光線の遮光性も効果的でなく、好ましくない。
【００４１】
図６（Ａ）乃至（Ｄ）は本発明三次元撮像装置の更に他の各別の参考例であり、この各参考例は図１、図４に示した実施例と相違点を有するも、多くの点で共通し、その共通点については既に説明済みなので、詳細な説明を省略し、相違点についてのみ詳細に説明する。
【００４２】
図６（Ａ）乃至（Ｄ）に示す４つの参考例は、共に、反射手段としてミラーに代えてプリズムを使用している点で、図１に示す参考例と異なっている。１０ａ、１０ｂは被写体側反射手段を成すプリズム、１１ａ、１１ｂは撮像素子側反射手段を成すプリズムである。プリズムを反射手段として用いると、入射面或いは出射面を撮像素子１の表面或いは垂直面に対して平行乃至垂直に位置合わせすることにより自ずと、反射面を被写体及び撮像素子１の撮像面に対して４５度の角度に位置合わせすることができ、位置合わせがし易いという利点がある。
【００４３】
図６（Ａ）、（Ｂ）に示すものは、共に、各光路に配置するレンズの数が一個で、絞り３ａ、３ｂの直ぐ後側（つまり直ぐ撮像素子１側）にそのレンズ４ａ、４ｂが配置されている。そして、その絞り３ａ、３ｂとレンズ４ａ、４ｂは、図６（Ａ）に示す参考例の場合は被写体側反射手段を成すプリズム１０ａ、１０ｂと、撮像素子側反射手段を成すプリズム１１ａ、１１ｂとの間に、図６（Ｂ）に示す参考例の場合は撮像素子側反射手段を成すプリズム１１ａ、１１ｂと、撮像素子１との間に設けられている。
【００４４】
図６（Ｃ）、（Ｄ）に示すものは、各光路毎に複数枚のレンズ４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂを設けたもので、図６（Ｃ）に示すものは、その絞り３ａ、３ｂとその直ぐ後ろ側のレンズ１４ａ、１４ｂを被写体側反射手段を成すプリズム１０ａ、１０ｂと、撮像素子側反射手段を成すプリズム１１ａ、１１ｂとの間に配置し、もう一つのレンズ４ａ、４ｂを、撮像素子側反射手段を成すプリズム１１ａ、１１ｂと、撮像素子１との間に配置している。この場合、各光路の二つのレンズ１４ａ、１４ｂ、４ａ、４ｂは、共に絞り３ａ、３ｂよりも光路上における撮像素子１側に位置しているので、絞り３ａ、３ｂにより狭められた光束を集光して結像するので、小型のものを用いることができる。
【００４５】
図６（Ｄ）に示すものは、図６（Ｃ）の三次元撮像装置における絞り３ａ、３ｂとレンズ１４ａ、１４ｂとの位置関係を逆にしたものであり、レンズ１４ａ、１４ｂは絞り３ａ、３ｂによる絞りがかからない段階で集光しているが、しかし、レンズ４ａ、４ｂについては絞りのかかった光束に対して集光しているので、小型のものを用いることができるという効果を享受することができる。
【００４６】
尚、図６（Ａ）乃至（Ｄ）に示す各参考例においては赤外線カットフィルタが設けられていないが、設けるようにしても良いことは言うまでもない。そして、図１に示す光遮断板７に代えて図４に示す実施例の光線制限板１８を設けるようにしても良いし、両方とも設けるようにしても良いことはいうまでもない。また、上述した参考例において図４に示す実施例を除き、光学的ローパスフィルタが設けられていないが、設けるようにしても良いことは言うまでも無い。設ける場合には、各光学系における光路のどの部分に設けても良い。このように、本発明三次元撮像装置は種々の態様で実施することができる。
【００４７】
【実施例】
図７は上述した本発明三次元撮像装置を用いたステレオカメラ記録再生システムの一つの例（本発明ステレオカメラ記録再生システムの第１の実施例）の構成を示すブロック図である。図７において、２１は例えば図４に示すようなステレオ光学系（他の態様のステレオ光学系でも良い。）、１はそのステレオ光学系２１により被写体像が結像される撮像素子、１ａ及び１ｂは撮像素子１の一つの被写体を異なる視点から捉えた異なる被写体像が結像される撮像領域、２２は該撮像素子１を一つの画像信号を出力するように駆動するためのタイミングゼネレータ、２３は該タイミングゼネレータ２２の出力を受け撮像素子１を駆動するドライバである。
【００４８】
２４は撮像素子１からの画像信号を一つの被写体を示す画像信号としてカメラ信号処理するカメラ信号処理部、２５はそのＣＤＳ回路（相関二重サンプリング回路）で、画像信号から雑音成分を除去する。２６はＡＧＣ回路（オートゲインコントロール回路）、２７は該ＡＧＣ回路２６の出力をディジタル信号に変換して必要な処理をする処理回路で、Ａ／Ｄ変換回路２８と、それによりディジタル信号に変換された信号を処理するマイクロコンピュータ２９により構成される。３０は該処理回路２７からの信号を増幅等して画像信号を出力する画像信号出力回路、３１は該画像信号出力回路３０から出力された画像信号を記録する画像信号記録回路（ビデオレコーダ）、３２は該画像信号記録回路３１により画像信号の記録がされる記録メディアで、例えばビデオテープ或いはディジタルビデオディスク等からなる。３３はビデオ再生機で、上記記録メディア３２に記憶された画像信号を再生する。
【００４９】
３４は画像分離回路で、ビデオ再生機３３からの画像信号を受けて、上記撮像素子１の二つの撮像領域１ａ、１ｂに対応する各画像信号を互いに分離し、二つの表示装置３５ａ、３５ｂに振り分けて出力する。表示装置３５ａは上記撮像領域１ａに結像された被写体像の画像信号を表示し、３５ｂは上記撮像領域１ｂに結像された被写体像の画像信号を表示する。従って、二つの表示装置３５ａ、３５ｂに一つの被写体を異なる視点から捉えた各別の被写体像が表示され、立体表示が可能となり、被写体とステレオカメラ記録再生システムとの距離の測定（測距）も可能となる。
【００５０】
本ステレオカメラ記録再生システムは、撮像素子１がその各別の撮像領域１ａ、１ｂに同じ被写体に対して異なる視点から捉えた異なる被写体像が結像されるが、その撮像素子１の撮像により得た画像信号を恰も一つの被写体像の信号のように処理し、その後、画像分離回路３４の前までは、総て画像信号は一つの被写体像を示す単一画像信号として処理する。そして、該画像分離回路３４で初めて単一画像信号として扱われていた画像信号を二つの被写体像を示す二つの画像信号に分離し、表示装置３５ａ、３５ｂに振り分け、各別に表示させる。
【００５１】
尚、画像分離回路３４は、例えば、画像信号の各水平周期における前半のみ抽出する抽出部と、同じく後半のみ抽出する抽出部を設け、各抽出部の出力を互いに異なる表示装置３５ａ、３５ｂに送出するようにすることにより構成できる。この場合は、撮像素子１は、水平方向に２分割して２個の撮像領域１ａ、１ｂが設定されることになる。
【００５２】
また、撮像素子１を垂直方向に２分割して２個の撮像領域１ａ、１ｂを設定し、画像分離回路３４を、各垂直周期における前半のみ抽出する抽出部と、同じく後半のみ抽出する抽出部を設け、各抽出部の出力を互いに異なる表示装置３５ａ、３５ｂに送出するようにすることにより構成するようにすることもできる。
【００５３】
本ステレオカメラ記録再生システムによれば、タイミングゼネレータ２２、ドライバ２３、ＣＤＳ回路２５、ＡＧＣ回路２６、Ａ／Ｄ変換回路２８、マイクロコンピュータ２９、画像信号出力回路３０、ビデオレコーダ３１、記録メディア３２及びビデオ再生機３３は一つずつ設ければ良く、複数個ずつ設けることは必要ではない。従って、ステレオカメラ記録再生システムを簡単な構成にできる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の三次元撮像装置によれば、同じ被写体を結像光学系により、１又は複数回の反射、集光により互いに離間した異なる複数の視点から捉えた複数の像として上記撮像素子の異なる複数の領域に各別に結像するので、三次元撮像装置に必要な撮像素子の数が一つで済む。そして、撮像素子が一つで視差の異なる複数の撮像画像が得られるので、三次元画像を撮像する等のために複数のカメラ間の同期を取ると言うことが必要でなく、従って、同期を取る特別な回路を設ける必要がない。また、同じ撮像素子に対して各光学系毎に光軸合わせをすれば必要な光軸合わせが済むので、複数のカメラ間で光軸合わせをする場合に比較して光軸合わせが容易になる。しかも、レンズが三次元撮像装置の表面側ではなく、光路の必ず最も被写体側の反射手段よりも撮像素子側に位置されており、露出しないようにすることができるので、光学的特性、性能を大きく左右するレンズが表面に露出してゴミ等により汚れるという従来存在したおそれをなくすことができる。
【００５５】
そして、複数の互いに視差のある画像を得るところの複数の被写体側反射手段を複数の撮像素子側反射手段の外側に設けたので、三次元撮像装置の大きさの割に被写体側反射手段間の距離を大きくして視差を比較的大きくできる。従って、より立体的な三次元画像を高い精度で得ることができる。
【００５６】
また、各光路におけるレンズ数が１個の場合には、絞りにより絞りをかけた光束を結像レンズにより撮像素子の撮像領域の各部分に結像させるし、各光路におけるレンズが複数一組のレンズからなる場合は、少なくともそのうちの一個のレンズは絞りよりも撮像素子側に位置させ、絞りをかけた光束をそのレンズに通すので、結像レンズとして徒に大きなものを用いることが必要ではなく、小型で、低価格でありながら優れた光学的特性を有する三次元撮像装置を得ることができる。そして、レンズが三次元装置の表面側ではなく、光路の必ず被写体側反射手段よりも撮像素子側に位置されており、露出しないようにすることができるので、光学的特性、性能を大きく左右するレンズが表面に露出してゴミ等により汚れるというおそれをなくすことができる。
【００５７】
本発明の三次元撮像装置によれば、一つの被写体が、被写体側反射手段、撮像素子側反射手段、レンズ、絞り及び一つの撮像素子の撮像領域の異なる部分からなる複数の光学系により互いに異なる視差を以て撮像されるので、三次元撮像装置に必要な撮像素子の数が一つで済む。そして、撮像素子が一つで視差の異なる複数の撮像画像が得られるので、三次元画像を撮像する等のために複数のカメラ間の同期を取ると言うことが必要でなく、従って、同期を取る特別な回路を設ける必要がない。また、同じ撮像素子に対して各光学系毎に光軸合わせをすれば必要な光軸合わせが済むので、複数のカメラ間で光軸合わせをする場合に比較して光軸合わせが容易になる。
【００５８】
そして、複数の互いに視差のある画像を得るところの複数の被写体側反射手段を複数の撮像素子側反射手段の外側に設けたので、三次元撮像装置の大きさの割に被写体側反射手段間の距離を大きくして視差を比較的大きくできる。従って、より立体的な三次元画像を高い精度で得ることができる。
【００５９】
また、各光路におけるレンズ数が１個の場合には、絞りにより絞りをかけた光束を結像レンズにより撮像素子の撮像領域の各部分に結像させるし、各光路におけるレンズが複数一組のレンズからなる場合は、少なくともそのうちの一個のレンズを絞りよりも撮像素子側に位置させ、絞りをかけた光束をそのレンズに通すので、徒らに大きなレンズを用いなくて済むという効果を全レンズないしは少なくとも一部のレンズについて享受することができる。従って、小型で、低価格でありながら優れた光学的特性を有する三次元撮像装置を得ることができる。そして、レンズが三次元装置の表面側ではなく、光路の必ず被写体側反射手段よりも撮像素子側に位置されており、露出しないようにすることができるので、光学的特性、性能を大きく左右するレンズが表面に露出してゴミ等により汚れるという従来存在したおそれをなくすことができる。
【００６０】
本発明の三次元撮像装置によれば、少なくとも固体撮像素子と撮像素子側反射手段との間において各被写体像を結像する各光路間を遮断する光遮断手段を設けたので、複数の互いに視差のある画像を得るための光学系間において光学的クロストークが発生するおそれをなくすことができる。
【００６１】
本発明の三次元撮像装置によれば、撮像素子から光路に沿って数えて１回目の反射をする撮像素子側反射手段の前方であって、前記撮像素子側とは反対側の被写体側のみに、一つの被写体像となる光が上記撮像素子の他の被写体像を撮像する領域に入射するのを防止し、各被写体像の結像領域を規定する光線制限手段を設けるので、その光線制限板の位置を三次元撮像装置の外側ではなく中心軸側寄りにしつつ被写体より外側からの周辺光束の入射を光線制限板によりカットすることができ、三次元撮像装置の大型化を伴うことなく効果的な周辺光束によるノイズを防止することができる。
【００６２】
本発明の三次元撮像装置によれば、各被写体像を独立して検出してデータを得ることができ、延いては、この独立した複数の被写体像のデータに基づいて三角測量法の原理により測距や、三次元画像の生成ができる。
【００６３】
本発明の三次元撮像装置によれば、視差が１ｃｍ以上、例えば１〜１５ｃｍ程度なので、小型で比較的正確な測距や三次元画像（立体画像）の生成ができる。
【００６４】
本発明のステレオカメラ記録再生システムによれば、三次元撮像装置から出力されたところの一つの被写体に対する異なる視点で捉えた複数の被写体像の信号を一つの画像信号として扱ってカメラ信号処理、信号記録、信号再生を行うことができるので、カメラ信号処理部、信号記録部及び信号再生部並びに記録メディアをそれぞれ１個ずつ設ければ良く、これらを複数の撮像領域に結像された被写体像数ずつ設ける必要がない。従って、記録再生システムの構成を比較的簡単にできる。そして、一つの画像信号として扱った被写体像の信号は画像分離回路により各被写体像毎に分離して表示するので、被写体の三次元再生表示、即ち立体像として再生表示や測距（被写体との距離の測定）ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明三次元撮像装置の参考例を示す概略構成図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は三次元画像の撮像原理の説明図であり、（Ａ）は同じ被写体を被写体側反射手段の存在する二つの視点にて捉え、各視点で捉えた被写体を撮像素子側反射手段、絞り、レンズにより固体撮像素子の撮像領域の異なる部分に結像することを模式的に示し、（Ｂ）は同じ被写体を異なる視点で捉えて得た二つの撮像画像を模式的に示す。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は三次元撮像装置及びその出力を処理する回路の一つの構成例を示すもので、（Ａ）は概略構成図、（Ｂ）はそのブロック図である。
【図４】本発明三次元撮像装置の実施例を示す概略構成図である。
【図５】図４に示す実施例における光線制限板の周辺光束カットの原理説明図である。
【図６】（Ａ）乃至（Ｄ）は本発明三次元撮像装置の更に他の各別の参考例を示す概略構成図である。
【図７】本発明三次元撮像装置を用いたステレオカメラ記録再生システムの一例（本発明ステレオカメラ記録再生システムの第１の実施例）の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１・・・撮像素子、１ａ、１ｂ・・・撮像素子の撮像領域の異なる部分、３ａ、３ｂ・・・結像レンズ、４ａ、４ｂ・・・絞り、５ａ、５ｂ・・・撮像素子側反射手段（ミラー）、６ａ、６ｂ・・・被写体側反射手段（ミラー）、７・・・光遮断手段、１０ａ、１０ｂ・・・被写体側反射手段（プリズム）、１１ａ、１１ｂ・・・撮像素子側反射手段（プリズム）、１５ａ、１５ｂ・・・撮像素子側反射手段（プリズム）、１８・・・光線制限手段、２１・・・ステレオ光学系、２２・・・タイミングゼネレータ、２３・・・ドライバ、２４・・・カメラ信号処理部、３１・・・信号記録部、３２・・記録メディア、３３・・・信号再生部、３４・・・画像分離部、３５ａ、３５ｂ・・・表示装置。
【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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