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JP4136087B2 - Compound eye imaging device - Google Patents

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JP4136087B2
JP4136087B2 JP19647198A JP19647198A JP4136087B2 JP 4136087 B2 JP4136087 B2 JP 4136087B2 JP 19647198 A JP19647198 A JP 19647198A JP 19647198 A JP19647198 A JP 19647198A JP 4136087 B2 JP4136087 B2 JP 4136087B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の撮像系を有する複眼撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、被写体の3次元画像を入力する方法として、複数の撮像系(撮像光学系)を有する複眼撮像装置による撮影が知られている。この複眼撮像装置は、2眼の場合、被写体を左右2つの撮像系で撮影し、被写体部分の左右画像間の視差から被写体の3次元形状を把握する。このような3次元形状の把握は人間の左右の眼球を使って行う場合と基本的に同様の方法である。
【0003】
複眼撮像装置の撮影において、被写体が遠くに位置する場合と近くに位置する場合とでは、基線長(左右撮像系の間隔)や輻輳角(左右撮像系の光軸のなす角度)を変更することが行われる。
【0004】
これは、被写体が遠くに位置する場合と近くに位置する場合とでは、左右の画像中の重複する領域が変わってしまい、例えば左右撮像系を平行に配置した場合、被写体が近くなるほど重複する領域が少なくなってしまい、画像全体を重複して撮影するためには左右撮像系の光軸方向を調整する必要があるためである。
【0005】
また、左右2つの撮像系間の距離が近い場合、遠距離の被写体に対して左右画像間の視差がなくなってしまい、十分な立体感が得られないので、左右2つの撮像系間の距離を長くする必要がある。
【0006】
このように、複眼撮像装置で撮影する場合、被写体に応じてカメラの基線長や輻輳角を調整することは重要な要素技術である。
【0007】
図14は従来の複眼撮像装置における撮像系の構成を示す図である。従来の複眼撮像装置では、通常の共軸光学系を複数本並べることが一般に行われている。そして、輻輳角や基線長を変更する方法として、共軸光学系の光軸の間隔や光軸のなす角度を機械的に変更することが行われている。
【0008】
また、複眼撮像装置では、撮影系が2つ以上あることを利用して水平方向により広角ないわゆるパノラマ画像を撮影することも行われている。この際、複数の撮像系は、視点をほぼ一致させ、複数の撮影画像を画像処理で繋ぐために必要な部分だけをオーバラップしてできるだけ異なる視野を撮影できるように配置されている。その際、光軸の間隔や光軸のなす角度を機械的に変更することが行われる。
【0009】
ところで、最近、非共軸光学系においても、基準軸という概念を導入して構成面を非対称非球面にすることで十分に収差が補正された光学系を構築できることが明らかになってきた。特開平9−5650号公報にはその設計法が示され、特開平8−292371号公報および特開平8−292372号公報にはその設計例が示されている。
【0010】
こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系と呼ばれる。オフアキシャル光学系は、像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えた場合、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面(オフアキシャル曲面)を含む光学系として定義されるものであり、このとき、基準軸は折れ曲がった形状となる。
【0011】
このオフアキシャル光学系は、構成面が一般に非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないので、反射面を使った光学系を構築し易い。また、光路の引き回しを比較的自由に行うことができ、構成面を一体成形する手法で一体型の光学系を作り易いという特徴を有している。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の共軸光学系を用いた複眼撮像装置では、輻輳角や基線長を変更する場合、撮像系全体を回転させたり移動する必要があるので、共軸光学系で撮像系を構成した場合、装置全体が大きくなってしまうという問題があった。
【0013】
特に、パノラマ撮影時、左右の視点をほぼ一致させる、つまり撮像系の入射瞳の中心の間隔である基線長をほぼ零にすることが必要であるが、共軸光学系では入射瞳を物体側に大きく出せない関係上、輻輳角がある場合、レンズ同士が干渉しあい、基線長はある程度までしか短くできない、あるいは基線長を適正な長さまで短くしようとすれば輻輳角は大きく取れないという問題があった。
【0014】
また、複眼撮像装置の場合、左右各々の撮像系での倍率や結像性能が揃っていることが要求されるが、従来では左右各々の撮像系は複数枚のレンズを鏡筒内に組み込んで構成されているので、左右の撮像系には光学特性にばらつきがあり、左右の撮像系における倍率などの調整が必要であるといった問題もあった。
【0015】
さらに、図15は従来の撮像系に輻輳をつけてパノラマ撮影を行った場合の画像を概念的に示す図である。撮像系に輻輳をつけてパノラマ撮影を行う場合(同図(A))、左右の撮像系の各々の中心視点(各撮像系の基準軸の物体側延長点)が合成画像の理想の中心視点と異なるので(同図(B)、(C))、左右の画像を繋ぐ場合、中心視点の違いからくる見かけ上のいわゆる台形歪みを取り去っておく必要がある。この台形歪みを画像処理だけに分担させると、画質が低下してしまうという問題があった。
【0016】
そこで、本発明は各撮像系の構成要素を少なくすることができ、コンパクトな構成を実現できる複眼撮像装置を提供することを第1の目的とする。
【0017】
また、本発明は基線長を長くすることなく輻輳角を容易に変更することができる複眼撮像装置を提供することを第2の目的とする。
【0018】
さらに、本発明は基線長を容易に変更することができる複眼撮像装置を提供することを第3の目的とする。
【0019】
また、本発明は結像性能のばらつきを抑えることができる複眼撮像装置を提供することを第4の目的とする。
【0020】
さらに、本発明は3次元画像撮影モードとパノラマモードとの切り替えを容易に行うことができる複眼撮像装置を提供することを第5の目的とする。
【0021】
また、本発明はパノラマ画像を合成する際、左右の中心視点の違いによる見かけ上の台形歪みの少ない画像を得ることができる複眼撮像装置を提供することを第6の目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、左右の撮像系を有する複眼撮像装置において、上下対称かつ左右非対称非球面のオフアキシャル反射面を含み、全体として実像を結像する屈折力を持つオフアキシャル光学系ブロックを、前記左右の撮像系の各々に、前記左右の撮像系で上下逆の関係となるように設けた複眼撮像装置を特徴とする。
【0023】
また本発明によれば、左右の撮像系を有する複眼撮像装置において、非対称非球面のオフアキシャル反射面を含み、全体として実像を結像する屈折力を持つオフアキシャル光学系ブロックを、前記左右の撮像系の各々に設けるとともに、前記オフアキシャル光学系ブロックを含む前記左右の撮像系の少なくとも一方について、その一部または全体を回動させることにより、前記左右の撮像系の基線長を変更するように構成した複眼撮像装置を特徴とする。
【0035】
【発明の実施の形態】
本発明の複眼撮像装置の実施の形態について説明する。
【0036】
[第1の実施形態]
図1は第1の実施形態における複眼撮像装置の構成を示す図である。図において、10は複眼カメラヘッド部であり、被写体を撮影して画像信号を出力するものである。
【0037】
20は信号処理部であり、複眼カメラヘッド部10から得られた画像信号をJPEG(Joint Photographic Expert Group)方式等の画像データに変換する処理を行う。30は露光制御部であり、被写体の明るさに応じて複眼カメラヘッド部10の左右撮像系の露光量を制御する。
【0038】
40はフォーカス制御部であり、被写体に対するピント合わせを制御する。50はレリーズボタンである。60はメモリであり、画像データを記憶する。70はシステムコントローラであり、複眼撮像装置全体の動作を制御する。
【0039】
図2はカメラヘッド部10の構成を示す図である。図において、11L、11Rはそれぞれ物体側の光学素子であり、ガラス等の透明体で成形され複数の反射面および屈折面を有するオフアキシャル光学系ブロックである。
【0040】
図3は物体側の光学素子11Rの形状を示す図である。物体側の光学素子11Rの表面には物体からの光線の通過順に負の屈折力を有する凹屈折面(入射面)r11、反射面r12、反射面r13、正の屈折力を有する凸屈折面(射出面)r14が形成されている。
【0041】
凹屈折面r11および凸屈折面r14は球面形状である。反射面r12、r13は紙面に垂直方向に対称性を有するが、紙面内では対称性を有してなく全体として回転非対称の非球面形状である。
【0042】
もう一方の物体側の光学素子11Lは、物体側の光学素子11Rと左右対称の形状であり、同様に凹屈折面(入射面)、2つの反射面および凸屈折面(射出面)を有する。具体的には、光学素子11Rは紙面に垂直方向に対称性を有するので、光学素子11Rと同じものを紙面垂直方向に上下逆にして光学素子11Lとする。
【0043】
光学素子11R、11Lはプラスチックや硝子等のモールド成形によって透明体からなる一体の形状に作られる。成形条件が一定の下でモールド成形が行われた場合、従来のようにレンズを鏡筒に組み込む場合に比べて光学特性のばらつきが小さいので、結像性能において左右の差が小さい複眼撮像系を構築することができる。
【0044】
図4は像側の光学素子12Rの形状を示す図である。光学素子12Rは複数の反射面および屈折面を有するガラス等の透明体である。
【0045】
像側の光学素子12Rの表面には、物体からの光線の通過順に正の屈折力を有する凸屈折面(入射面)r21、反射面r22、反射面r23および正の屈折力を有する凸屈折面(射出面)r24が形成されている。
【0046】
凸屈折面r21、r24は球面形状である。反射面r22、r23は紙面に垂直方向に対称性を有するが、紙面内では対称性を有してなく全体として回転非対称の非球面形状である。
【0047】
もう一方の像側の光学素子12Lは像側の光学素子12Rと左右対称の形状を有しており、同様に凸屈折面(入射面)、2つの反射面および凸屈折面(射出面)を有する。具体的には、光学素子12Rは紙面に垂直方向に対称性を有するので、光学素子12Rと同じものを紙面垂直方向に上下逆にして光学素子12Lとする。
【0048】
光学素子12Rおよび光学素子12Lはプラスチックや硝子等のモールド成形によって透明体からなる一体の形状に作られる。モールド成形により結像性能において左右の差が小さい複眼撮像系を構築できることは、上記光学素子11R、11Lの場合と同様である。
【0049】
図2において、13L、13Rはそれぞれ光学素子11L、11Rへの入射光量を制限する絞りであり、それぞれ光学素子11L、11Rが設けられた物体側に配置されている。また、14L、14RはCCDなどの撮像素子であり、それぞれ像側の光学素子12L、12Rからの射出光が結像する位置に配置されている。そして、光学素子11L、12L、絞り13L、撮像素子14Lが左撮像系を、光学素子11R、12R、絞り13R、撮像素子14Rが右撮像系を構成しており、2つの撮像系は左右対称に配置されている。
【0050】
また、15L、15Rはそれぞれ光学素子11L、11Rおよび絞り13L、13Rを固定する保持部材であり、16は光学素子12L、12Rを固定する保持部材である。17は保持部材15L、15R、16および撮像素子14L、14Rを保持する台である。
【0051】
18L、18Rは台17に形成されたカム溝である。光学素子11L、11Rを保持する保持部材15L、15Rはそれぞれカム溝18L、18Rに沿って中心CL、CRの周りに回動自在である。ここで、中心CL、CRはそれぞれ光学素子11L、11Rの射出面r14の曲率中心に位置し、光学素子11L、11Rを保持する保持部材15L、15Rはこの中心CL、CRを回動軸として台17に回動自在に取り付けられている。
【0052】
19は台17に形成されたガイド溝である。光学素子12L、12Rを保持する保持部材16はガイド溝19に沿って移動自在に台17に取り付けられている。
【0053】
図5は被写体が遠距離にある場合における左右撮像系の配置および光路を示す図である。図6は被写体が近距離にある場合における左右撮像系の配置および光路を示す図である。被写体の距離に応じて左右撮像系の輻輳角は異なる。
【0054】
本実施形態では、絞りの光線有効径の中心点を通り、最終結像面の中心に至る光線(基準軸光線)は各屈折面および反射面でそれぞれ屈折および反射する経路に設定されており、図中1点鎖線で表されている。
【0055】
まず、被写体が遠距離にある場合(図5参照)の結像作用を右撮像系で説明する。物体から右撮像系に入射した光束は、絞り13Rでその入射光量が制限された後、光学素子11Rの入射面r11に入射し、反射面r12で反射された後、反射面r13近傍で一旦結像し、射出面r14から射出する。ここで、反射面r13近傍で一旦結像させるのは、入射面r11から入射した光束を反射面r13で収束させることにより、撮像系が大きくならないようにするためであり、撮像系をコンパクトな大きさにすることができる。
【0056】
そして、射出面r14から射出した光束は、光学素子12Rの入射面r21に入射し、反射面r22、r23で反射された後、射出面r24から射出し、結像面上に配置された撮像素子14Rに結像する。この場合(図5参照)、光学素子11R、12Rは、それぞれ入射する基準軸(入射基準軸)と射出する基準軸(射出基準軸)の方向が平行となるように配置されている。
【0057】
また、左撮像系は右撮像系と左右対称であるので、左撮像系に入射した光束は同様の光路を経て撮像素子14Lに結像する。
【0058】
つぎに、被写体が近距離にある場合(図6参照)の結像作用について説明する。本実施形態では、光学素子12L、12Rはフォーカスレンズの作用を有し、それぞれ入射および射出基準軸に沿って図5の位置よりも物体側に同じ量だけ移動している。この光学素子12L、12Rを保持する保持部材16の動きはガイド溝19によって規制されている。尚、光学素子12L、12Rは、その入射基準軸および射出基準軸が互いに平行になるように保持部材16上に配置されている。
【0059】
また、光学素子11L、11Rは、それぞれ中心CL、CRの周りに光学素子11L、11Rの入射基準軸が互いに内側に輻輳するように回動されている。この回動量は、光学素子11L、11Rを保持する保持部材15L、15Rをそれぞれ案内するカム溝18L、18Rによって規制されている。
【0060】
像側の光学素子12L、12Rおよび物体側の光学素子11L、11Rの動きは物体側に移動する保持部材16と連動し(図2参照)、その突出部16a、16bがそれぞれ保持部材15L、15Rを押圧することにより、光学素子11L、11Rはそれぞれ射出基準軸を含む平面内で回動する。
【0061】
また、保持部材15L、15Rはそれぞれバネ(図示せず)により常に保持部材16の突出部16a、16bに突き当たるように付勢されている。そして、この状態で左右撮像系に入射した光束は、図5の場合と同様の光路を経て撮像素子14L、14Rに結像する。
【0062】
このように、撮像素子14L、14Rの間隔が短くなるように配置しても、光学素子11L、11R、12L、12Rにオフアキシャル光学系ブロックを用いているので、絞り13L、13Rの間隔である基線長を長くすることができ、図6のように輻輳をつけても光学素子同士が干渉しないコンパクトな構成にすることができる。
【0063】
つぎに、図1を用いて複眼撮像装置全体の動作について説明する。特に断らない限り、動作は全てシステムコントローラ70によって制御されるものとする。
【0064】
まず、レリーズボタン50が操作されてレリーズ信号が発せられると、フォーカス制御が行われる。フォーカス制御では、左右撮像系の撮像素子14L、14Rで得られたそれぞれの画像信号が信号処理部20で画像データに変換され、左右の画像データの中央部の位相差が検出される。
【0065】
そして、フォーカス制御部40で検出された位相差から被写体距離を推定し、左右撮像系のフォーカスレンズの作用を持つ光学素子12L、12Rを保持している保持部材16を被写体距離に応じた位置にガイド溝19に沿って移動させて左右撮像系のピント合わせを行う。このとき、保持部材16の移動に連動して物体側の光学素子11L、11Rをそれぞれ保持している保持部材15L、15Rが回動し、輻輳角が被写体距離に応じて変化する。
【0066】
この後、露光制御が行われる。左右撮像系の撮像素子14L、14Rで得られたそれぞれの画像信号は信号処理部20で画像データに変換される。そして、露光制御部30は、左右それぞれの画像データから被写体の明るさを測定し、左右それぞれの撮像系においてその測定値に応じた絞りおよびシャッター速度を決定し、絞り13L、13Rの絞り値を変更した後、決定されたシャッター速度で撮像素子14L、14Rへの露光を行う。
【0067】
左右撮像系の撮像素子14L、14Rで得られたそれぞれの画像信号が信号処理部20で画像データに変換されると、変換された画像データがメモリ60に記憶される。
【0068】
このように、第1の実施形態では、被写体距離に応じてカメラの輻輳角を調整可能な複眼カメラヘッド部10を持つ複眼撮像装置を提供することができる。この撮像系は、非対称非球面のオフアキシャル反射面および正の屈折力を持つオフアキシャル光学系ブロックである複数のプリズムから構成されており、その一部のプリズムだけを射出基準軸を含む平面内で回動させることにより輻輳角を調整することができる。
【0069】
したがって、撮像系をコンパクトに構成することができ、このような撮像系を設けることで輻輳角の調整可能な複眼撮像装置全体をコンパクトな形状にすることができる。
【0070】
尚、本実施形態では、光学素子11R、11L、12R、12Lのブロックとして、非対称非球面のオフアキシャル反射面および複数の屈折力を持つプリズムが用いられているが、オフアキシャル反射面を持つオフアキシャル光学系ブロックとしては、特開平8−292371号公報や特開平8−292372号公報に開示されているような全て反射面からなる中空タイプのブロックであってもよい。
【0071】
また、本実施形態では、左右撮像系を4つのプリズムからなるオフアキシャル光学系ブロックで構成したが、光学素子12L、12Rを一体に成形したプリズムを用いて左右撮像系を構成してもよい。
【0072】
[第2の実施形態]
図7は第2の実施形態における複眼撮像装置の構成を示す図である。図において、10Aは複眼カメラヘッド部であり、被写体を撮影して画像信号を出力するものである。
【0073】
20は信号処理部であり、複眼カメラヘッド部10Aで得られた画像信号をJPEG方式等の画像データに変換する処理を行う。30は露光制御部であり、被写体の明るさに応じて複眼カメラヘッド部10Aの左右撮像系の露光量を制御する。40はフォーカス制御部であり、被写体に対するピント合わせを制御する。
【0074】
50はレリーズボタンである。60はメモリであり、画像データを記憶する。70はシステムコントローラであり、複眼撮像装置全体の動作を制御する。80は基線長切換部であり、複眼カメラヘッド部10Aの基線長を切り換える。
【0075】
第2の実施形態では、前記第1の実施形態における複眼撮像装置に対して基線長切換部80が新たに設けられており、光学素子11L、11Rはその射出基準軸の周りに回動自在に設けられている。また、複眼カメラヘッド部10Aでは輻輳角が固定されている。その他の構成および動作については前記第1の実施形態と同様であるので、同一の符号を付すことによりその説明を省略し、構成および動作の異なる基線長切換部80について説明する。
【0076】
第2の実施形態では、基線長切換部80により、複眼カメラヘッド部10Aの物体側の光学素子11L、11Rをそれぞれの射出基準軸の周りに180゜回動させることができ、この回動により長短2つの基線長を切り換え可能である。前述した図5は基線長の長い状態の光学的配置を表している。一方、図8は基線長の短い状態の光学的配置を示す図である。このように、複眼カメラヘッド部10Aでは、長短2つの基線長の状態が切り換えられる。
【0077】
尚、第2の実施形態では、複眼カメラヘッド部10Aの物体側の光学素子11L、11Rをそれぞれの射出基準軸の周りに180゜回動させることにより、基線長を長短2つの状態に切り替えるように構成したが、光学素子11L、11Rを任意の同じ量だけ回動させるように構成することで、長短2つの状態の中間の基線長を持つ状態に複眼カメラヘッド部10Aを設定するようにしてもよい。
【0078】
このように、第2の実施形態では、被写体に応じて基線長の切り換え可能な複眼カメラヘッド部を有する複眼撮像装置を提供することができる。
【0079】
また、オフアキシャル光学系ブロックを含む撮像系は非対称非球面のオフアキシャル反射面および複数の屈折力を持つ複数のプリズムから構成されており、その一部のプリズムだけを回動させることにより基線長を切り換えるので、撮像系をコンパクトに構成できる。また、このような撮像系が設けられた複眼撮像装置全体をコンパクトな形状にすることができる。
【0080】
さらに、第2の実施形態では、光学素子11R、11L、12R、12Lは非対称非球面のオフアキシャル反射面および複数の屈折力を持つプリズムからなるオフアキシャル光学系ブロックであったが、オフアキシャル反射面を持つオフアキシャル光学系ブロックとしては、特開平8−292371号公報や特開平8−292372号公報に示されているように全て反射面で構成される中空タイプのブロックであってもよい。
【0081】
また、前記第1の実施形態では輻輳角、前記第2の実施形態では基線長が変更可能な複眼撮像装置をそれぞれ示したが、これらの機能を組み合わせて輻輳角および基線長がともに変更可能な複眼撮像装置を構成してもよいことはいうまでもない。
【0082】
また、光学素子11L、11R、12L、12Rにオフアキシャル光学系ブロックが使用された撮像系を示したが、入射基準軸と射出基準軸の配置の自由度はオフアキシャル光学系ブロックを含んでいることにより実現されるので、光学素子11L、11R、12L、12Rのいずれかを従来の共軸光学系ブロックで置き換えてもよい。
【0083】
このように、左右の撮像系を、非対称非球面のオフアキシャル反射面を構成要素として含み、全体として実像を結像できる屈折力を持つオフアキシャル光学系ブロックであるプリズムが少なくとも1つ含まれる構成としたことにより、オフアキシャル光学系ブロックの持つ入射基準軸と射出基準軸の配置の自由度を活かして輻輳角や基線長を比較的自由に設定できるコンパクトな複眼撮像装置を提供することができる。
【0084】
また、前記第1および第2の実施形態では、複眼の数については簡単のために左右2眼であったが、レンチキュラーレンズを使った3次元表示に使われるような画像ではよりたくさんの視点を持った画像の組が必要となる。この場合、撮像系の数を3つ以上持った複眼撮像装置が必要となるが、この場合にも2眼の場合と同様に適用可能である。
【0085】
[第3の実施形態]
第3の実施形態における複眼撮像装置では、左右の撮像系は各1つのオフアキシャル光学素子(オフアキシャル光学系ブロック)で構成されている。結像光学素子としてのオフアキシャル光学素子21R、21Lは、入射屈折面、4つの非対称非球面の反射面および射出屈折面を有し、絞り13R、13Lを通過した光束をCCD等の撮像素子14L、14Rに結像させる。
【0086】
結像光学素子としてのオフアキシャル光学素子21R、21Lは、前記第1および第2の実施形態と同様に、紙面内では対称性を有してなく全体として回転非対称の形状である。
【0087】
また、光学素子21Lは光学素子21Rと左右対称の形状をなしており、前記第1および第2の実施形態と同様に、光学素子21Rと同じものを紙面垂直方向に上下逆にして用いられる。
【0088】
光学素子21R、21Lはプラスチックや硝子等のモールド成形によって透明体からなる一体の形状に作られる。モールド成形により、結像性能において左右の差が小さい光学系を構成できることは、前記第1および第2の実施形態における光学素子11R、11Lと同様である。また、光学素子21R、21Lはそれぞれ中心20R、20Lの周りに回動自在である。
【0089】
図9は左右の撮像系が視差を持つ3次元画像撮影モードとして用いる場合のオフアキシャル光学素子21R、21Lの配置を示す図である。図10は左右の撮像系の視点をほぼ一致させたパノラマモードとして用いる場合のオフアキシャル光学素子21R、21Lの配置を示す図である。図には説明を簡単にするために像中心と絞り中心を通る光線の光路である基準軸光線だけが一点鎖線で描かれている。
【0090】
一般に、オフアキシャル光学系は、絞りを被写体に一番近い所に設ける前絞りタイプにすると、撮像系をコンパクトに構成しやすい。こうした前絞りタイプの撮像系は左右の入射瞳の位置を一致させ、パノラマモードに適した撮像系である。したがって、前絞りタイプのオフアキシャル光学系ブロックを使用することにより、共軸光学系では構成することが難しかったパノラマモード撮影可能な複眼撮像装置をコンパクトに構成することができる。
【0091】
また、2つの撮影モードの切り替えは、絞り、オフアキシャル光学系ブロック(オフアキシャル光学素子)および撮像素子の相対位置関係が変化しないように、これらを中心20R、20Lの周りに回動させることにより行われる。この2つの撮影モードの切替により、より高付加価値の複眼撮像装置を提供することができる。
【0092】
尚、第3の実施形態では、光学素子21R、21Lは非対称非球面のオフアキシャル反射面および複数の屈折力を持つプリズムであったが、オフアキシャル反射面を持つオフアキシャル光学系ブロックとしては、特開平8−292371号公報や特開平8−292372号公報に示されているように全て反射面で構成される中空タイプのブロックであってもよい。
【0093】
[第4の実施形態]
図11は第4の実施形態におけるオフアキシャル光学素子を含む撮像系の配置を示す図である。この撮像系はパノラマモード専用の撮像系であり、図10とほぼ同様の構成である。
【0094】
第4の実施形態では、左右の撮像系は各1つのオフアキシャル光学素子(オフアキシャル光学系ブロック)で構成されている。結像光学素子としてのオフアキシャル光学素子31R、31Lは、入射屈折面、4つの非対称非球面の反射面および射出屈折面から構成され、左右共通の絞り13を通過した光束をCCD等の撮像素子14L、14Rに結像させる。尚、図には説明を簡単にするために、像中心と絞り中心を通る光線の光路である基準軸光線だけが一点鎖線で描かれている。
【0095】
結像光学素子としてのオフアキシャル光学素子31R、31Lは、前記第1および第2の実施形態の場合と同様に、紙面内では対称性を有してなく全体として回転非対称の形状である。また、光学素子31Lは光学素子31Rと左右対称の形状を有し、前記第3の実施形態と同様に、光学素子31Rと同じものを紙面垂直方向に上下逆にして用いられる。
【0096】
光学素子31R、31Lはプラスチックや硝子等のモールド成形によって透明体からなる一体の形状に作られる。モールド成形により、結像性能において左右の差が小さい光学系を構成できることは、前記第1および第2の実施形態における光学素子11R、11Lの場合と同様である。
【0097】
前述したように、一般にオフアキシャル光学系では、絞りを被写体に一番近い所に設ける前絞りタイプにすると、撮像系をコンパクトに構成しやすい。前絞りタイプの撮像系は左右の入射瞳の位置を一致させるパノラマモードの構成に適した撮像系である。したがって、前絞りタイプのオフアキシャル光学系ブロックを使用することにより、共軸光学系では構成が難しかったパノラマモード撮影可能な複眼撮像装置をコンパクトに構成することができる。
【0098】
ここで、前記第3の実施形態と異なる第4の実施形態の複眼撮像装置の特徴は、パノラマモードでの画像がより自然に見えるように結像特性に左右非対称な台形型のディストーション(歪み)を導入していることにある。
【0099】
一般にオフアキシャル光学系では、左右に非対称な非球面が主として反射面に用いられる。したがって、回転対称な共軸光学系では偏心させない限り発生しなかった左右非対称な収差を容易に発生させることができる。そういった意味においてはオフアキシャル光学系はパノラマモードを持つ複眼撮像系に適した光学系であると言える。
【0100】
図12は結像性能に台形型のディストーションを持たせた光学素子で左右の撮像系の正面にある物体を撮影した画像を概念的に示す図である。光学素子の結像性能に台形型のディストーションを持たせない場合、同図(A)の左右各撮像系の正面にある立方体の「A」、「B」が書かれている前面の正方形は正方形のまま写る。これに対し、像を繋ぐ部分(中央部)が外側に対して短くなるように台形型のディストーションを左右の結像特性に与えておくことにより、同図(B)の2枚の画像のように立方体の「A」、「B」が書かれている前面の正方形は変形した形で画像として記録される。この変形した形で記録された2枚の画像を合成すると、同図(C)に示すように見かけ上の中心視点が真ん中にある画像として自然な合成画像が得られる。
【0101】
このように、左右の光学素子の結像性能に台形型のディストーションを持たせることは、中心視点を見かけ上移動させる効果を有する。
【0102】
図13は結像性能に台形型のディストーションを持たせた左右の光学素子でパノラマモードにより撮影した画像を概念的に示す図である。像を繋ぐ部分(中央部)が外側に対して短くなる台形型のディストーションのために、左右ともにディストーションのない撮像系で撮影した従来の場合(図15参照)のように中央部が見かけ上長くなることなく補正され、見かけ上理想的合成画像の中心視点にあるような画像が得られる(図13(A)、(B))。これを繋ぐと、図13(C)に示すようにほぼ理想的合成画像と同様の画像が得られる。
【0103】
第4の実施形態では、パノラマ画像を合成するための複眼の数は、簡単のために左右2眼とした。一般に左右方向により長い画像を合成する場合、3つ以上の撮像光学系を並べた複眼撮像装置も同様に考えることができる。こうした場合、外側に並ぶカメラほど発生させる台形型のディストーションを大きくすればよい。また、撮像系が奇数個の場合、真ん中の撮像系は台形型のディストーションのない撮像系にすればよい。
【0104】
尚、第4の実施形態では、光学素子31R、31Lは非対称非球面のオフアキシャル反射面および複数の屈折力を持つプリズムからなるオフアキシャル光学系ブロックであったが、オフアキシャル反射面を持つオフアキシャル光学系ブロックとしては、特開平8−292371号公報や特開平8−292372号公報に示されているように全て反射面で構成される中空タイプのブロックであってもよい。
【0105】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、上下対称かつ左右非対称非球面のオフアキシャル反射面を含み、全体として実像を結像する屈折力を持つオフアキシャル光学系ブロックを、前記左右の撮像系の各々に、前記左右の撮像系で上下逆の関係となるように設けたので、各撮像系の構成要素を少なくすることができ、コンパクトな構成を実現できる。また、撮像素子の間隔が短くなるように配置しても、絞りの間隔である基線長を長くとることができ、輻輳をつけても互いの光学素子が干渉しあうことを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態における複眼撮像装置の構成を示す図である。
【図2】カメラヘッド部10の構成を示す図である。
【図3】物体側の光学素子11Rの形状を示す図である。
【図4】像側の光学素子12Rの形状を示す図である。
【図5】被写体が遠距離にある場合における左右撮像系の配置および光路を示す図である。
【図6】被写体が近距離にある場合における左右撮像系の配置および光路を示す図である。
【図7】第2の実施形態における複眼撮像装置の構成を示す図である。
【図8】基線長の短い状態の光学的配置を示す図である。
【図9】左右の撮像系が視差を持つ3次元画像撮影モードとして用いる場合のオフアキシャル光学素子21R、21Lの配置を示す図である。
【図10】左右の撮像系の視点をほぼ一致させたパノラマモードとして用いる場合のオフアキシャル光学素子21R、21Lの配置を示す図である。
【図11】第4の実施形態におけるオフアキシャル光学素子を含む撮像系の配置を示す図である。
【図12】結像性能に台形型のディストーションを持たせた光学素子で左右の撮像系の正面にある物体を撮影した画像を概念的に示す図である。
【図13】結像性能に台形型のディストーションを持たせた左右の光学素子でパノラマモードにより撮影した画像を概念的に示す図である。
【図14】従来の複眼撮像装置における撮像系の構成を示す図である。
【図15】従来の撮像系に輻輳をつけてパノラマ撮影を行った場合の画像を概念的に示す図である。
【符号の説明】
10、10A 複眼カメラヘッド部
11L、11R、12L、12R、21L、21R、31L、31R 光学素子
13L、13R、13 絞り
14L、14R 撮像素子
18L、18R カム溝
20 信号処理部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compound eye imaging apparatus having a plurality of imaging systems.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method for inputting a three-dimensional image of a subject, photographing with a compound eye imaging device having a plurality of imaging systems (imaging optical systems) is known. In the case of two eyes, this compound-eye imaging device captures a subject with two left and right imaging systems, and grasps the three-dimensional shape of the subject from the parallax between the left and right images of the subject portion. Such grasping of the three-dimensional shape is basically the same method as in the case of using the human right and left eyeballs.
[0003]
When shooting with a compound-eye imaging device, the baseline length (interval between the left and right imaging systems) and the convergence angle (angle formed by the optical axes of the left and right imaging systems) are changed depending on whether the subject is located far or near. Is done.
[0004]
This is because the overlapping area in the left and right images changes depending on whether the subject is located far away or close. For example, when the left and right imaging systems are arranged in parallel, the overlapping area becomes closer to the subject. This is because it is necessary to adjust the optical axis direction of the left and right imaging systems in order to capture the entire image in duplicate.
[0005]
Also, when the distance between the left and right imaging systems is short, the parallax between the left and right images is lost for a long-distance subject, and a sufficient stereoscopic effect cannot be obtained. It needs to be long.
[0006]
As described above, when photographing with a compound-eye imaging device, it is an important elemental technique to adjust the base line length and the convergence angle of the camera according to the subject.
[0007]
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of an imaging system in a conventional compound eye imaging apparatus. In a conventional compound-eye imaging apparatus, a plurality of ordinary coaxial optical systems are generally arranged. As a method of changing the convergence angle and the base line length, the interval between the optical axes of the coaxial optical system and the angle formed by the optical axes are mechanically changed.
[0008]
In addition, in a compound eye imaging device, a so-called panoramic image having a wider angle in the horizontal direction is also captured by using two or more imaging systems. At this time, the plurality of imaging systems are arranged so that viewpoints can be substantially matched, and only necessary portions for overlapping a plurality of captured images can be overlapped to capture as many different fields of view as possible. At that time, the interval between the optical axes and the angle formed by the optical axes are mechanically changed.
[0009]
Recently, it has become clear that even in non-coaxial optical systems, it is possible to construct an optical system in which aberrations are sufficiently corrected by introducing the concept of a reference axis and making the configuration surface an asymmetric aspherical surface. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-5650 discloses the design method, and Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-292371 and 8-292372 provide design examples.
[0010]
Such a non-coaxial optical system is called an off-axial optical system. The off-axial optical system includes a curved surface (off-axial curved surface) in which the surface normal at the intersection point with the reference axis of the component surface is not on the reference axis when the reference axis along the ray passing through the image center and the pupil center is considered. In this case, the reference axis has a bent shape.
[0011]
In this off-axial optical system, the constituent surfaces are generally non-coaxial, and no vignetting occurs even on the reflecting surface, so that it is easy to construct an optical system using the reflecting surface. Further, the optical path can be routed relatively freely, and an integrated optical system can be easily formed by a method of integrally forming the constituent surfaces.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the compound eye imaging device using the conventional coaxial optical system, when changing the convergence angle or the base line length, it is necessary to rotate or move the entire imaging system, so the imaging system is configured with the coaxial optical system. In this case, there is a problem that the entire apparatus becomes large.
[0013]
In particular, during panoramic photography, it is necessary to make the left and right viewpoints substantially coincide, that is, the baseline length, which is the distance between the centers of the entrance pupils of the imaging system, must be almost zero. When there is a convergence angle, the lenses interfere with each other and the base line length can only be shortened to a certain extent, or if the base line length is shortened to an appropriate length, the convergence angle cannot be increased. there were.
[0014]
In addition, in the case of a compound eye imaging device, it is required that the magnification and imaging performance of each of the left and right imaging systems be uniform. Conventionally, each of the left and right imaging systems incorporates a plurality of lenses in a lens barrel. Since it is configured, there is a problem in that the optical characteristics of the left and right imaging systems vary, and it is necessary to adjust the magnification and the like in the left and right imaging systems.
[0015]
Further, FIG. 15 is a diagram conceptually showing an image when panoramic photography is performed with congestion on a conventional imaging system. When panoramic shooting is performed with the imaging system congested ((A) in the same figure), the central viewpoint of each of the left and right imaging systems (the object side extension point of the reference axis of each imaging system) is the ideal central viewpoint of the composite image Therefore, when connecting the left and right images, it is necessary to remove the apparent so-called trapezoidal distortion caused by the difference in the central viewpoint. If this trapezoidal distortion is shared only for image processing, there is a problem that the image quality deteriorates.
[0016]
Accordingly, a first object of the present invention is to provide a compound eye imaging apparatus that can reduce the number of components of each imaging system and can realize a compact configuration.
[0017]
It is a second object of the present invention to provide a compound eye imaging device that can easily change the convergence angle without increasing the baseline length.
[0018]
Furthermore, a third object of the present invention is to provide a compound eye imaging device that can easily change the baseline length.
[0019]
It is a fourth object of the present invention to provide a compound eye imaging device that can suppress variations in imaging performance.
[0020]
Furthermore, a fifth object of the present invention is to provide a compound eye imaging apparatus that can easily switch between a three-dimensional image capturing mode and a panoramic mode.
[0021]
It is a sixth object of the present invention to provide a compound eye imaging apparatus that can obtain an image with little apparent trapezoidal distortion due to the difference between the left and right central viewpoints when synthesizing panoramic images.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
  To achieve the above object, the present inventionAccording to the left and rightIn a compound eye imaging device having the imaging system ofSymmetrical and left / rightAn off-axial optical system block including an asymmetric aspherical off-axial reflecting surface and having a refractive power for forming a real image as a whole;Left and rightFor each imaging system, So that the left and right imaging systems are upside downProvidedCompound eye imaging deviceIt is characterized by.
[0023]
Further, according to the present invention, in a compound eye imaging apparatus having left and right imaging systems, an off-axial optical system block that includes an asymmetric aspherical off-axial reflecting surface and has a refractive power for forming a real image as a whole is provided on the left and right sides. It is provided in each of the imaging systems, and at least one of the left and right imaging systems including the off-axial optical system block is rotated by partially or entirely rotating the base line length of the left and right imaging systems. The compound eye imaging device configured as described above is characterized.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of a compound eye imaging device of the present invention will be described.
[0036]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a compound eye imaging apparatus according to the first embodiment. In the figure, reference numeral 10 denotes a compound-eye camera head unit for photographing a subject and outputting an image signal.
[0037]
A signal processing unit 20 performs processing for converting an image signal obtained from the compound-eye camera head unit 10 into image data such as a JPEG (Joint Photographic Expert Group) method. An exposure control unit 30 controls the exposure amount of the left and right imaging systems of the compound-eye camera head unit 10 according to the brightness of the subject.
[0038]
Reference numeral 40 denotes a focus control unit which controls focusing on the subject. 50 is a release button. A memory 60 stores image data. Reference numeral 70 denotes a system controller that controls the operation of the entire compound-eye imaging apparatus.
[0039]
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the camera head unit 10. In the figure, 11L and 11R are optical elements on the object side, which are off-axial optical system blocks formed of a transparent body such as glass and having a plurality of reflecting surfaces and refractive surfaces.
[0040]
FIG. 3 is a diagram illustrating the shape of the optical element 11R on the object side. A concave refracting surface (incident surface) r11 having a negative refractive power, an reflecting surface r12, a reflecting surface r13, and a convex refracting surface having a positive refractive power (on the surface of the optical element 11R on the object side) An exit surface r14 is formed.
[0041]
The concave refractive surface r11 and the convex refractive surface r14 are spherical. The reflection surfaces r12 and r13 have symmetry in the direction perpendicular to the paper surface, but do not have symmetry in the paper surface and have a rotationally asymmetric aspherical shape as a whole.
[0042]
The other optical element 11L on the object side has a symmetrical shape with the optical element 11R on the object side, and similarly has a concave refractive surface (incident surface), two reflecting surfaces, and a convex refractive surface (exit surface). Specifically, since the optical element 11R has symmetry in the direction perpendicular to the paper surface, the same optical element 11R as the optical element 11L is turned upside down in the paper vertical direction.
[0043]
The optical elements 11R and 11L are made into an integral shape made of a transparent body by molding such as plastic or glass. When molding is performed under constant molding conditions, the optical characteristic variation is small compared to the conventional case where the lens is incorporated into the lens barrel. Can be built.
[0044]
FIG. 4 shows the shape of the image-side optical element 12R. The optical element 12R is a transparent body such as glass having a plurality of reflecting surfaces and refracting surfaces.
[0045]
On the surface of the optical element 12R on the image side, a convex refractive surface (incident surface) r21 having a positive refractive power in the order of passage of light from the object, a reflective surface r22, a reflective surface r23, and a convex refractive surface having a positive refractive power. (Ejection surface) r24 is formed.
[0046]
The convex refractive surfaces r21 and r24 are spherical. The reflection surfaces r22 and r23 have symmetry in the direction perpendicular to the paper surface, but do not have symmetry in the paper surface and have a rotationally asymmetric aspherical shape as a whole.
[0047]
The other optical element 12L on the image side has a symmetrical shape with the optical element 12R on the image side, and similarly has a convex refractive surface (incident surface), two reflecting surfaces, and a convex refractive surface (exit surface). Have. Specifically, since the optical element 12R is symmetrical in the direction perpendicular to the paper surface, the same optical element 12R is turned upside down in the direction perpendicular to the paper surface to form the optical element 12L.
[0048]
The optical element 12R and the optical element 12L are made into an integral shape made of a transparent body by molding such as plastic or glass. As in the case of the optical elements 11R and 11L, it is possible to construct a compound-eye imaging system with a small difference in left and right imaging performance by molding.
[0049]
In FIG. 2, 13L and 13R are diaphragms that limit the amount of light incident on the optical elements 11L and 11R, respectively, and are arranged on the object side where the optical elements 11L and 11R are provided. Reference numerals 14L and 14R denote image sensors such as CCDs, which are arranged at positions where light emitted from the image-side optical elements 12L and 12R forms an image, respectively. The optical elements 11L and 12L, the diaphragm 13L, and the imaging element 14L constitute the left imaging system, and the optical elements 11R and 12R, the diaphragm 13R, and the imaging element 14R constitute the right imaging system, and the two imaging systems are symmetrical. Has been placed.
[0050]
Reference numerals 15L and 15R denote holding members for fixing the optical elements 11L and 11R and the diaphragms 13L and 13R, respectively. Reference numeral 16 denotes a holding member for fixing the optical elements 12L and 12R. Reference numeral 17 denotes a table for holding the holding members 15L, 15R, 16 and the image sensors 14L, 14R.
[0051]
Reference numerals 18L and 18R denote cam grooves formed on the base 17. The holding members 15L and 15R that hold the optical elements 11L and 11R are rotatable around the centers CL and CR along the cam grooves 18L and 18R, respectively. Here, the centers CL and CR are positioned at the centers of curvature of the exit surfaces r14 of the optical elements 11L and 11R, respectively, and the holding members 15L and 15R that hold the optical elements 11L and 11R are mounted on the centers CL and CR as rotation axes. 17 is rotatably attached.
[0052]
Reference numeral 19 denotes a guide groove formed in the table 17. The holding member 16 holding the optical elements 12L and 12R is attached to the base 17 so as to be movable along the guide groove 19.
[0053]
FIG. 5 is a diagram showing the arrangement of the left and right imaging systems and the optical path when the subject is at a long distance. FIG. 6 is a diagram showing the arrangement of the left and right imaging systems and the optical path when the subject is at a short distance. The convergence angle of the left and right imaging systems varies depending on the distance of the subject.
[0054]
In the present embodiment, the light beam (reference axis light beam) that passes through the center point of the effective beam diameter of the stop and reaches the center of the final imaging surface is set to a path that is refracted and reflected by each refracting surface and reflecting surface, respectively. It is represented by a one-dot chain line in the figure.
[0055]
First, the imaging action when the subject is at a long distance (see FIG. 5) will be described using the right imaging system. The light beam incident on the right imaging system from the object is incident on the incident surface r11 of the optical element 11R after the amount of incident light is limited by the diaphragm 13R, reflected by the reflecting surface r12, and then once combined in the vicinity of the reflecting surface r13. And exits from the exit surface r14. Here, the image is formed once in the vicinity of the reflecting surface r13 in order to prevent the imaging system from becoming large by converging the light beam incident from the incident surface r11 on the reflecting surface r13. Can be
[0056]
The light beam emitted from the exit surface r14 enters the entrance surface r21 of the optical element 12R, is reflected by the reflection surfaces r22 and r23, exits from the exit surface r24, and is disposed on the imaging surface. The image is formed on 14R. In this case (see FIG. 5), the optical elements 11R and 12R are arranged so that the directions of the incident reference axis (incident reference axis) and the outgoing reference axis (exit reference axis) are parallel to each other.
[0057]
Further, since the left imaging system is symmetrical with the right imaging system, the light beam incident on the left imaging system forms an image on the imaging element 14L through the same optical path.
[0058]
Next, the imaging action when the subject is at a short distance (see FIG. 6) will be described. In the present embodiment, the optical elements 12L and 12R have a function of a focus lens, and move by the same amount toward the object side from the position in FIG. 5 along the incident and exit reference axes. The movement of the holding member 16 that holds the optical elements 12L and 12R is restricted by the guide groove 19. The optical elements 12L and 12R are disposed on the holding member 16 so that the incident reference axis and the emission reference axis are parallel to each other.
[0059]
The optical elements 11L and 11R are rotated around the centers CL and CR so that the incident reference axes of the optical elements 11L and 11R converge toward the inside. The amount of rotation is regulated by cam grooves 18L and 18R that guide the holding members 15L and 15R that hold the optical elements 11L and 11R, respectively.
[0060]
The movements of the image-side optical elements 12L and 12R and the object-side optical elements 11L and 11R are interlocked with the holding member 16 that moves to the object side (see FIG. 2), and the protrusions 16a and 16b are the holding members 15L and 15R, respectively. , The optical elements 11L and 11R are rotated in a plane including the injection reference axis.
[0061]
The holding members 15L and 15R are always urged by springs (not shown) so as to abut against the protruding portions 16a and 16b of the holding member 16. In this state, the light beam incident on the left and right imaging systems forms an image on the imaging elements 14L and 14R through the same optical path as in FIG.
[0062]
As described above, even if the imaging elements 14L and 14R are arranged so that the distance between them is reduced, the optical elements 11L, 11R, 12L, and 12R use the off-axial optical system block, and thus the distance between the apertures 13L and 13R. The base line length can be increased, and a compact configuration in which the optical elements do not interfere with each other even when congestion is applied as shown in FIG. 6 can be achieved.
[0063]
Next, the overall operation of the compound eye imaging apparatus will be described with reference to FIG. Unless otherwise specified, all operations are controlled by the system controller 70.
[0064]
First, when the release button 50 is operated to generate a release signal, focus control is performed. In the focus control, the respective image signals obtained by the imaging elements 14L and 14R of the left and right imaging systems are converted into image data by the signal processing unit 20, and the phase difference between the center portions of the left and right image data is detected.
[0065]
Then, the subject distance is estimated from the phase difference detected by the focus control unit 40, and the holding member 16 holding the optical elements 12L and 12R having the function of the focus lens of the left and right imaging system is placed at a position corresponding to the subject distance. It moves along the guide groove 19 to focus the left and right imaging system. At this time, the holding members 15L and 15R holding the optical elements 11L and 11R on the object side are rotated in conjunction with the movement of the holding member 16, and the convergence angle changes according to the subject distance.
[0066]
Thereafter, exposure control is performed. The respective image signals obtained by the imaging elements 14L and 14R of the left and right imaging system are converted into image data by the signal processing unit 20. Then, the exposure control unit 30 measures the brightness of the subject from the left and right image data, determines the aperture and shutter speed according to the measured values in the left and right imaging systems, and sets the aperture values of the apertures 13L and 13R. After the change, the image sensors 14L and 14R are exposed at the determined shutter speed.
[0067]
When the respective image signals obtained by the left and right imaging elements 14L and 14R are converted into image data by the signal processing unit 20, the converted image data is stored in the memory 60.
[0068]
As described above, in the first embodiment, it is possible to provide a compound eye imaging apparatus having the compound eye camera head unit 10 capable of adjusting the convergence angle of the camera according to the subject distance. This imaging system is composed of an asymmetrical aspherical off-axial reflecting surface and a plurality of prisms which are off-axial optical system blocks having a positive refractive power, and only some of the prisms are in a plane including the exit reference axis. The angle of convergence can be adjusted by rotating with.
[0069]
Therefore, the imaging system can be configured compactly, and by providing such an imaging system, the entire compound-eye imaging apparatus capable of adjusting the convergence angle can be made compact.
[0070]
In the present embodiment, an asymmetric aspherical off-axial reflecting surface and a prism having a plurality of refractive powers are used as the blocks of the optical elements 11R, 11L, 12R, and 12L. The axial optical system block may be a hollow type block having a reflecting surface as disclosed in JP-A-8-292371 and JP-A-8-292372.
[0071]
In the present embodiment, the left and right imaging system is configured by an off-axial optical system block including four prisms, but the left and right imaging system may be configured by using a prism in which the optical elements 12L and 12R are integrally formed.
[0072]
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a compound eye imaging apparatus according to the second embodiment. In the figure, reference numeral 10A denotes a compound-eye camera head unit for photographing a subject and outputting an image signal.
[0073]
A signal processing unit 20 performs processing for converting an image signal obtained by the compound-eye camera head unit 10A into image data such as a JPEG method. An exposure control unit 30 controls the exposure amount of the left and right imaging system of the compound-eye camera head unit 10A according to the brightness of the subject. Reference numeral 40 denotes a focus control unit which controls focusing on the subject.
[0074]
50 is a release button. A memory 60 stores image data. Reference numeral 70 denotes a system controller that controls the operation of the entire compound-eye imaging apparatus. Reference numeral 80 denotes a baseline length switching unit for switching the baseline length of the compound eye camera head unit 10A.
[0075]
In the second embodiment, a baseline length switching unit 80 is newly provided for the compound-eye imaging device in the first embodiment, and the optical elements 11L and 11R are rotatable around its emission reference axis. Is provided. In the compound eye camera head unit 10A, the convergence angle is fixed. Since other configurations and operations are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted by assigning the same reference numerals, and the baseline length switching unit 80 having different configurations and operations will be described.
[0076]
In the second embodiment, the base line length switching unit 80 can rotate the object-side optical elements 11L and 11R of the compound-eye camera head unit 10A by 180 ° around the respective emission reference axes. Long and short base line lengths can be switched. FIG. 5 described above represents an optical arrangement in a state where the base line length is long. On the other hand, FIG. 8 is a diagram showing an optical arrangement in a state where the base line length is short. As described above, in the compound-eye camera head unit 10A, the state of the two base lines is switched.
[0077]
In the second embodiment, the base line length is switched between the long and short states by rotating the object-side optical elements 11L and 11R of the compound-eye camera head unit 10A by 180 ° around the respective emission reference axes. However, by configuring the optical elements 11L and 11R to rotate by the same arbitrary amount, the compound-eye camera head unit 10A is set to a state having an intermediate baseline length between the two long and short states. Also good.
[0078]
As described above, in the second embodiment, it is possible to provide a compound-eye imaging apparatus having a compound-eye camera head unit whose baseline length can be switched according to the subject.
[0079]
In addition, the imaging system including the off-axial optical system block is composed of an asymmetric aspherical off-axial reflecting surface and a plurality of prisms having a plurality of refractive powers. Therefore, the imaging system can be made compact. In addition, the entire compound-eye imaging apparatus provided with such an imaging system can be made compact.
[0080]
Further, in the second embodiment, the optical elements 11R, 11L, 12R, and 12L are off-axial optical system blocks that include asymmetric aspherical off-axial reflecting surfaces and a plurality of prisms having refractive power. The off-axial optical system block having a surface may be a hollow type block composed entirely of a reflective surface as disclosed in JP-A-8-292371 and JP-A-8-292372.
[0081]
In addition, although the compound eye imaging device in which the convergence angle is changeable in the first embodiment and the baseline length can be changed in the second embodiment, both the convergence angle and the baseline length can be changed by combining these functions. Needless to say, a compound-eye imaging device may be configured.
[0082]
In addition, the imaging system in which the off-axial optical system block is used for the optical elements 11L, 11R, 12L, and 12R is shown. However, the degree of freedom of arrangement of the incident reference axis and the emission reference axis includes the off-axial optical system block. Therefore, any one of the optical elements 11L, 11R, 12L, and 12R may be replaced with a conventional coaxial optical system block.
[0083]
As described above, the left and right imaging systems include an asymmetric aspherical off-axial reflecting surface as a constituent element, and include at least one prism which is an off-axial optical system block having refractive power capable of forming a real image as a whole. Therefore, it is possible to provide a compact compound-eye imaging device that can set the convergence angle and the base line length relatively freely by taking advantage of the degree of freedom of the arrangement of the entrance reference axis and the exit reference axis of the off-axial optical system block. .
[0084]
In the first and second embodiments, the number of compound eyes is two for the sake of simplicity. However, an image used for three-dimensional display using a lenticular lens has more viewpoints. A set of images is required. In this case, a compound eye imaging device having three or more imaging systems is required, but in this case as well, it can be applied as in the case of two eyes.
[0085]
[Third Embodiment]
In the compound eye imaging apparatus according to the third embodiment, the left and right imaging systems are each configured by one off-axial optical element (off-axial optical system block). The off-axial optical elements 21R and 21L as imaging optical elements have an incident refracting surface, four asymmetric aspheric reflecting surfaces, and an exit refracting surface, and the light beam that has passed through the apertures 13R and 13L is used as an imaging device 14L such as a CCD. , 14R.
[0086]
As in the first and second embodiments, the off-axial optical elements 21R and 21L as the imaging optical elements do not have symmetry within the plane of the paper and have a rotationally asymmetric shape as a whole.
[0087]
Further, the optical element 21L has a symmetrical shape with the optical element 21R, and the same element as the optical element 21R is used upside down in the direction perpendicular to the paper surface as in the first and second embodiments.
[0088]
The optical elements 21R and 21L are made into an integral shape made of a transparent body by molding such as plastic or glass. It is the same as the optical elements 11R and 11L in the first and second embodiments that an optical system having a small left-right difference in imaging performance can be configured by molding. The optical elements 21R and 21L are rotatable around the centers 20R and 20L, respectively.
[0089]
FIG. 9 is a diagram illustrating an arrangement of off-axial optical elements 21R and 21L when the left and right imaging systems are used as a three-dimensional image capturing mode having a parallax. FIG. 10 is a diagram showing the arrangement of the off-axial optical elements 21R and 21L when used as a panoramic mode in which the viewpoints of the left and right imaging systems are substantially matched. In order to simplify the explanation, only the reference axis light beam, which is the light path of the light beam passing through the center of the image and the center of the stop, is drawn with a one-dot chain line.
[0090]
In general, when the off-axial optical system is a front aperture type in which the aperture is provided closest to the subject, the imaging system can be easily configured compactly. Such a front-aperture type imaging system is an imaging system suitable for the panoramic mode by matching the positions of the left and right entrance pupils. Therefore, by using a front-aperture type off-axial optical system block, a compound eye imaging apparatus capable of panoramic mode imaging, which was difficult to configure with a coaxial optical system, can be configured compactly.
[0091]
The two shooting modes are switched by rotating them around the centers 20R and 20L so that the relative positional relationship between the aperture, the off-axial optical system block (off-axial optical element), and the image sensor does not change. Done. By switching between these two photographing modes, a compound camera with higher added value can be provided.
[0092]
In the third embodiment, the optical elements 21R and 21L are asymmetric aspherical off-axial reflecting surfaces and prisms having a plurality of refractive powers. However, as an off-axial optical system block having an off-axial reflecting surface, As shown in JP-A-8-292371 and JP-A-8-292372, it may be a hollow type block that is entirely constituted by a reflective surface.
[0093]
[Fourth Embodiment]
FIG. 11 is a diagram illustrating an arrangement of an imaging system including an off-axial optical element in the fourth embodiment. This imaging system is an imaging system dedicated to the panorama mode, and has substantially the same configuration as that in FIG.
[0094]
In the fourth embodiment, the left and right imaging systems are each composed of one off-axial optical element (off-axial optical system block). The off-axial optical elements 31R and 31L as imaging optical elements are composed of an incident refracting surface, four asymmetric aspherical reflecting surfaces and an exit refracting surface. The images are formed on 14L and 14R. For the sake of simplicity, only the reference axis light beam, which is the light path of the light beam that passes through the image center and the stop center, is drawn with a one-dot chain line in the drawing.
[0095]
The off-axial optical elements 31R and 31L as the imaging optical elements have a rotationally asymmetric shape as a whole without having symmetry in the paper as in the case of the first and second embodiments. Further, the optical element 31L has a shape that is bilaterally symmetric with the optical element 31R, and the same element as the optical element 31R is used upside down in the direction perpendicular to the paper surface as in the third embodiment.
[0096]
The optical elements 31R and 31L are made into an integral shape made of a transparent body by molding such as plastic or glass. As in the case of the optical elements 11R and 11L in the first and second embodiments, it is possible to configure an optical system having a small difference in left and right imaging performance by molding.
[0097]
As described above, in general, in an off-axial optical system, if the front aperture type is provided where the aperture is located closest to the subject, the imaging system can be easily configured in a compact manner. The front aperture type imaging system is an imaging system suitable for a panoramic mode configuration in which the positions of the left and right entrance pupils coincide. Therefore, by using a front-aperture type off-axial optical system block, a compound eye imaging apparatus capable of panorama mode imaging, which is difficult to configure with a coaxial optical system, can be configured in a compact manner.
[0098]
Here, the feature of the compound eye imaging device of the fourth embodiment different from the third embodiment is that a trapezoidal distortion (distortion) asymmetric with respect to the imaging characteristics so that the image in the panoramic mode looks more natural. It is in having introduced.
[0099]
In general, in an off-axial optical system, an aspherical surface that is asymmetric to the left and right is mainly used as a reflecting surface. Accordingly, it is possible to easily generate a left-right asymmetric aberration that does not occur unless the coaxial optical system is rotationally symmetric. In that sense, it can be said that the off-axial optical system is an optical system suitable for a compound eye imaging system having a panoramic mode.
[0100]
FIG. 12 is a diagram conceptually showing an image obtained by photographing an object in front of the left and right imaging systems with an optical element having a trapezoidal distortion in imaging performance. When the trapezoidal distortion is not given to the imaging performance of the optical element, the square in front of the cubes “A” and “B” written in front of the left and right imaging systems in FIG. It is reflected as it is. On the other hand, by giving trapezoidal distortion to the left and right imaging characteristics so that the portion (center portion) connecting the images is shorter than the outside, the two images in FIG. The squares in front of which cubes “A” and “B” are written are recorded as images in a deformed form. When two images recorded in this deformed form are combined, a natural combined image is obtained as an image having an apparent central viewpoint in the middle as shown in FIG.
[0101]
As described above, providing the trapezoidal distortion in the imaging performance of the left and right optical elements has an effect of apparently moving the central viewpoint.
[0102]
FIG. 13 is a diagram conceptually showing an image photographed in the panoramic mode with the left and right optical elements having a trapezoidal distortion in imaging performance. Due to the trapezoidal distortion in which the part connecting the images (center part) is shorter with respect to the outside, the center part is apparently long as in the conventional case (see FIG. 15) taken with an imaging system without distortion on both the left and right sides. Thus, an image that is apparently at the central viewpoint of the ideal composite image is obtained (FIGS. 13A and 13B). When these are connected, an image almost similar to the ideal composite image is obtained as shown in FIG.
[0103]
In the fourth embodiment, the number of compound eyes for synthesizing a panoramic image is set to two eyes for the sake of simplicity. In general, when synthesizing a longer image in the left-right direction, a compound eye imaging device in which three or more imaging optical systems are arranged can be considered in the same manner. In such a case, the trapezoidal distortion generated by the cameras arranged on the outside may be increased. When the number of imaging systems is an odd number, the middle imaging system may be a trapezoidal imaging system without distortion.
[0104]
In the fourth embodiment, the optical elements 31R and 31L are off-axial optical blocks including asymmetric aspherical off-axial reflecting surfaces and prisms having a plurality of refractive powers. However, the optical elements 31R and 31L are off-axial reflecting surfaces having off-axial reflecting surfaces. The axial optical system block may be a hollow block composed entirely of a reflective surface as disclosed in JP-A-8-292371 and JP-A-8-292372.
[0105]
【The invention's effect】
As mentioned above,Main departureClearlyAccording toSymmetrical and left / rightAn off-axial optical system block including an asymmetric aspherical off-axial reflecting surface and having a refractive power for forming a real image as a whole;Left and rightFor each imaging system, So that the left and right imaging systems are upside downSince it is provided, the components of each imaging system can be reduced, and a compact configuration can be realized. Further, even if the distance between the image pickup elements is shortened, the base line length that is the distance between the apertures can be increased, and even when congestion is applied, mutual optical elements can be prevented from interfering with each other.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a compound eye imaging apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a camera head unit 10;
FIG. 3 is a diagram showing the shape of an optical element 11R on the object side.
FIG. 4 is a diagram illustrating the shape of an image-side optical element 12R.
FIG. 5 is a diagram showing the arrangement of the left and right imaging systems and the optical path when the subject is at a long distance.
FIG. 6 is a diagram showing the arrangement of the left and right imaging systems and the optical path when the subject is at a short distance.
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a compound eye imaging apparatus according to a second embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing an optical arrangement with a short base line length.
FIG. 9 is a diagram illustrating an arrangement of off-axial optical elements 21R and 21L when the left and right imaging systems are used as a three-dimensional image capturing mode having a parallax.
FIG. 10 is a diagram showing the arrangement of off-axial optical elements 21R and 21L when used as a panoramic mode in which the viewpoints of the left and right imaging systems are substantially matched.
FIG. 11 is a diagram illustrating an arrangement of an imaging system including an off-axial optical element in the fourth embodiment.
FIG. 12 is a diagram conceptually showing an image obtained by photographing an object in front of the left and right imaging systems with an optical element having a trapezoidal distortion in imaging performance.
FIG. 13 is a diagram conceptually showing an image photographed in a panoramic mode by left and right optical elements having a trapezoidal distortion in imaging performance.
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of an imaging system in a conventional compound eye imaging apparatus.
FIG. 15 is a diagram conceptually showing an image when panorama shooting is performed with congestion on a conventional imaging system.
[Explanation of symbols]
10, 10A compound eye camera head
11L, 11R, 12L, 12R, 21L, 21R, 31L, 31R Optical element
13L, 13R, 13 Aperture
14L, 14R Image sensor
18L, 18R Cam groove
20 Signal processor

Claims (12)

左右の撮像系を有する複眼撮像装置において、上下対称かつ左右非対称非球面のオフアキシャル反射面を含み、全体として実像を結像する屈折力を持つオフアキシャル光学系ブロックを、前記左右の撮像系の各々に、前記左右の撮像系で上下逆の関係となるように設けたことを特徴とする複眼撮像装置。In the compound-eye imaging device having left and right imaging system, the vertical symmetry and asymmetry aspheric off comprises axial reflecting surfaces, the off-axial optical system block having a refractive power for imaging a real image as a whole, of the left and right imaging system A compound eye imaging apparatus , wherein each of the left and right imaging systems has an upside-down relationship . 前記オフアキシャル光学系ブロックはモールド成形により作られていることを特徴とする請求項1記載の複眼撮像装置。The off-axial optical system block claim 1 Symbol placement compound-eye imaging device characterized by Tei Rukoto made by molding. 前記左右の撮像系は左右逆の台形歪みを発生させて結像することを特徴とする請求項1記載の複眼撮像装置。 The left and right image pickup system according to claim 1 Symbol placement compound-eye imaging apparatus, characterized in that to generate a trapezoidal distortion of the left and right opposite to imaged. 前記撮像系では、入射基準軸および射出基準軸が同一直線上にないことを特徴とする請求項1乃至請求項いずれかに記載の複眼撮像装置。In the imaging system, the compound-eye imaging apparatus according to any one claims 1 to 3, characterized in that the entering reference axis and the emergent reference axis is not on the same straight line. 前記撮像系は物体側入射面の直前部に絞りを有することを特徴とする請求項1乃至請求項いずれかに記載の複眼撮像装置。The compound-eye imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the imaging system has a stop immediately before the object-side entrance surface. 前記オフアキシャル光学系ブロックの物体側入射面の直前部に絞りを有することを特徴とする請求項記載の複眼撮像装置。6. The compound-eye imaging apparatus according to claim 5 , further comprising a stop in front of the object-side entrance surface of the off-axial optical system block. 前記オフアキシャル光学系ブロックを含む撮像系は、結像面に至る光路の途中で少なくとも1回結像することを特徴とする請求項1乃至請求項いずれかに記載の複眼撮像装置。The off-imaging system including an axial optical system block, the compound-eye imaging apparatus according to any one of claims 1 to 6, characterized in that at least one imaging in the middle of the optical path to the imaging surface. 前記オフアキシャル光学系ブロックを含む前記撮像系の一部または全体回動させることにより、前記左右の撮像系の輻輳角を変更することを特徴とする請求項1記載の複眼撮像装置。The off by rotating part or all of the imaging system including an axial optical system block, multi-lens imaging apparatus according to claim 1, wherein changing the convergence angle of the right and left imaging systems. 前記左右の撮像系の輻輳角を変更することにより、前記左右の撮像系が視差を持つ3次元画像撮影モードと、前記左右の撮像系の視点を略一致させたパノラマモードとを切り替えることを特徴とする請求項記載の複眼撮像装置。 By changing the angle of convergence of the left and right imaging system, characterized in that the left and right imaging system to switch the three-dimensional image photographing mode having a parallax, and a panorama mode which substantially matched the viewpoint of the left and right imaging system The compound eye imaging device according to claim 8 . 前記オフアキシャル光学系ブロックを含む撮像系の一部または全体は、該オフアキシャル光学系ブロックの射出基準軸を含む平面内で回動自在であることを特徴とする請求項記載の複眼撮像装置。The compound-eye imaging apparatus according to claim 9 , wherein a part or the whole of the imaging system including the off-axial optical system block is rotatable in a plane including an emission reference axis of the off-axial optical system block. . 左右の撮像系を有する複眼撮像装置において、非対称非球面のオフアキシャル反射面を含み、全体として実像を結像する屈折力を持つオフアキシャル光学系ブロックを、前記左右の撮像系の各々に設けるとともに、前記オフアキシャル光学系ブロックを含む前記左右の撮像系の少なくとも一方について、その一部または全体回動させることにより、前記左右の撮像系の基線長を変更することを特徴とする複眼撮像装置。 In a compound eye imaging device having left and right imaging systems, each of the left and right imaging systems includes an off-axial optical system block that includes asymmetric aspherical off-axial reflecting surfaces and has a refractive power for forming a real image as a whole. , for at least one of the left and right imaging system including the off-axial optical system block, by pivoting the some or all of their, you and changes the base line length of the imaging system of the right and left double Eye imaging device. 前記オフアキシャル光学系ブロックを含む前記撮像系の一部または全体は、該オフアキシャル光学系ブロックの射出基準軸の周りに回動自在であることを特徴とする請求項11記載の複眼撮像装置。The compound-eye imaging apparatus according to claim 11 , wherein a part or the whole of the imaging system including the off-axial optical system block is rotatable around an emission reference axis of the off-axial optical system block.
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