JP3726699B2

JP3726699B2 - 光学撮像装置、光学測距装置

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Publication number: JP3726699B2
Application number: JP2001123631A
Authority: JP
Inventors: 景三河野; 学小林
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2021-04-20
Also published as: JP2002318104A; US20020186304A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学撮像装置・光学測距装置に関し、特に被写体までの距離情報を取得し得る光学撮像装置・光学測距装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ビデオ画像等の合成を行う際に、色信号からキーを作成するクロマキー技術が知られている。このクロマキー技術では、被写体を例えば青い背景をバックにして被写体を撮影する。そして撮影後、背景の青い部分を色の違いを利用して除去する。すると全体画像が被写体の輪郭に沿って切り取られ、被写体画像のみが残る。この残った被写体画像を別の画像上に貼り付けることにより合成写真が作成される。
【０００３】
前記クロマキー技術あるいはクロマキー合成では、一般に青色の背景を用いるが、この理由は青色が人間の肌色と補色関係にあるためである。
【０００４】
しかし、この場合例えば、被写体は、使用した背景の色と同じ色の混じる衣装等を着用することができないと云う問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、前記従来技術の課題を解決することであり、前記クロマキー技術を用いることなく画像合成等に使用することが可能な光学撮像装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、この発明の光学撮像装置は、
被写体へ向けて赤外光を放射する赤外光源と、
赤外光源から射出される赤外光を変調すると共に、被写体からの反射赤外光を変調する変調手段と、
被写体からの可視光及び赤外光を受ける撮影レンズと、
撮像レンズの後方に配置され、可視光と赤外光とを分離する可視光・赤外光分離手段と
前記分離手段からの可視光を受け結像面上で被写体の可視光像検出する可視光検出手段と
前記分離手段からの赤外光を受け結像面上で被写体の赤外光像を検出する赤外光検出手段と
を有する。
【０００７】
前記変調手段は、赤外光源から射出される赤外光を変調する第１変調手段と、被写体からの反射赤外光を変調する第２変調手段とを有することが出来る。
【０００８】
前記変調手段は、シャッタからなることが出来る。
【０００９】
前記撮影レンズは、ズームレンズを含み得る。
【００１０】
可視光・赤外光分離手段及び可視光検出手段は、同じ光路長を有する光学要素を含むのが望ましい。
【００１１】
前記光学要素は、組み合わせプリズムから成るのが好ましい。
【００１２】
前記光学撮像装置は、結像面でのフォーカスを調整するフォーカス調整手段を有するのが好ましい。
【００１３】
前記フォーカス調整手段は、相互に平行な平行面を有する光学透明体から成るのが好ましい。
【００１４】
前記フォーカス調整手段は、平行面間の距離を変更するために、相互に移動自在の一対のくさび形状光学透明体からなるのが好ましい。
【００１５】
前記光学撮像装置は、光路長を調整するための光路長調整手段を有するのが好ましい。
【００１６】
前記前記可視光結像面と赤外光結像面は、相互に直交する方向を向いていることが出来る。
【００１７】
この発明の他の側面は、被写体へ向けて赤外光を放射する赤外光源と、赤外光源から射出される赤外光を変調すると共に、被写体からの反射赤外光を変調する変調手段と、被写体からの赤外光を受ける撮影レンズと、前記赤外光結像面へのフォーカスを調整するフォーカス調整手段と、結像面で被写体の赤外光像を検出する赤外光検出手段と、を有する光学測距装置にある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の光学撮像装置の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は類似の要素には同一又は類似の図番が振られる。
【００１９】
この実施の形態では、特表平１１−５０８３７１に記載される技術を用いて、カメラの如き光学撮像装置から被写体までの距離情報を取得する。
【００２０】
図１は、特表平１１−５０８３７１に記載される被写体までの距離情報を取得する技術を示す。
【００２１】
図１に示すように、この技術で使用される光学測距カメラ５０８は、被写体５１１までの距離情報を取得するために、被写体５１１へレーザ光を放射するレーザ光源５１０と、第１レンズ５１３と、ハーフミラー５５０と、シャッタの如き変調手段５１８と、第２レンズ５４２と、瞳５４０と、第３レンズ５４４と、第２瞳５４６と、ＣＣＤの如き光検出手段５１２と、前記変調手段５１８を制御する制御手段５２１と、前記検出手段５１２からの画像信号を処理する処理手段５２２と、を有する。
【００２２】
ここに前記シャッタ５１８は、このカメラと被写体５１１との間を光が往復する時間間隔の程度だけ開放される。シャッタの開放時間間隔は撮像したい被写体とカメラの距離に応じて可変出来る。これにより、ＣＣＤ５１２上において、被写体５１１のカメラに近い部位Ｂの像の光強度は、カメラから遠い部位Ａの像の光強度よりも強くなる。従って、ＣＣＤ５１２上の各像の光強度を検出することにより、カメラから部位Ｂ又は部位Ａまでの距離が測定される。
【００２３】
より詳細には以下の通りである。
【００２４】
図２は、前記距離測定の原理を示す。
【００２５】
図２（ａ）は、前記シャッタ５１８が開閉されるタイミング及び、当該シャッタ５１８の前方に射出されるレーザ光の強度変動を表す。ここで横軸は時間を表し、縦軸はシャッタの開閉又はレーザ光の光強度を表す。既に述べたように、前記シャッタが開放される時間ｔはこのカメラ５０８と被写体５１１の間を光が往復する時間と同程度に設定されている。なお、シャッタの開放時間は、撮像する被写体とカメラの距離に応じて可変できる。
【００２６】
図２（ｂ）は、前記シャッタ５１８の開閉のタイミング及び、前記部位Ｂからの反射光が前記シャッタ５１８を通過する時間Ｂ及び、部位Ａからの反射光がシャッタ５１８を通過する時間Ａを示す。より詳細には、部位Ｂからの反射光は、部位Ａからの反射光よりも早くシャッタ５１１へ戻ってくることができる。従って、部位Ｂからの反射光がシャッタ５１８へ戻ってきてシャッタ５１８が閉鎖されるまでの時間（部位Ｂからの反射光がシャッタを通過する時間）Ｂは、部位Ａからの反射光がシャッタ５１８へ戻ってきてシャッタ５１８が閉鎖されるまでの時間（部位Ａからの反射光がシャッタを通過する時間）Ａよりも長い。
【００２７】
従って、図２（ｂ）の斜線部に相当する面積及びクロス斜線部に相当する面積に比例した光強度が、部位Ｂ及び部位Ａの像が形成されるＣＣＤ画素に受光される。従ってまた、各部位に対応する各ＣＣＤ画素からの信号を測定することにより、カメラ５０８から部位Ｂ及び部位Ａまでの距離を測定することができる。
【００２８】
図３は、前記測距技術を用いたこの発明の光学撮像装置の一実施形態を示す。
【００２９】
この光学撮像装置は、合成画像を作成するために、クロマキー技術を用いることなく所望の被写体をカラー画像から切り出し又は抽出することができる。
【００３０】
この実施形態の光学撮像装置２０は、一般的には、被写体へ向けて赤外光を放射する赤外光源２１と、赤外光源２１から射出される赤外光を変調すると共に、被写体からの反射赤外光を変調する変調手段４３と、被写体からの可視光及び赤外光を受ける撮影レンズ２３と、撮像レンズ２３の後方に配置され、可視光と赤外光とを分離する可視光・赤外光分離手段２９と、前記分離手段からの可視光を受け結像面上で被写体の可視光像を検出する可視光検出手段３５ａ，ｂ，ｃと、前記分離手段からの赤外光を受け結像面上で被写体の赤外光像を検出する赤外光検出手段４５とを有する。
【００３１】
より詳細には、以下の通りである。
【００３２】
図３に示すように、この光学撮像装置２０は、被写体からの反射光を受ける撮影レンズ２３と、前記撮影レンズからの集束光を、光路長調整手段としての光学透明体２４及び第１像面２５を介して受光する赤外光・可視光リレーレンズ２７と、前記リレーレンズ２７からの光線を赤外光及び可視光へ分離する可視光・赤外光分離プリズム２９と、前記プリズム２９により分離された可視光を集光する可視光リレーレンズ３１と、前記リレーレンズ３１からの収束光を受けて被写体の可視光像を生成する可視光カメラ４７とを有する。
【００３３】
ここに、可視光カメラ４７は、前記リレーレンズ３１からの収束光を赤、青、緑の各色の光へ分離する色分解プリズム３３と、前記色分解プリズム３３の各色の射出面へ配置されたＣＣＤの如き可視光検出手段３５ａ，ｂ，ｃとを有する。
【００３４】
なお、前記撮影レンズ２３は、ズームレンズを含む。
【００３５】
従って、上記構成により、可視光カメラ４７から被写体のカラー画像８５が生成される。
【００３６】
図３に示すように、この光学撮像装置２０は更に、レーザ光の如き赤外光を被写体へ照射する赤外光源としての赤外光照射ユニット２１を有する。このユニット２１は、射出される赤外光を変調するシャッタの如き第１変調手段（図示せず）を内蔵する。前記光学撮像装置２０は更に、前記可視光・赤外光分離プリズム２９から分離された赤外光を伝達する第１赤外光リレーレンズ３７と、前記リレーレンズ３７からの赤外光の進行方向を（撮影レンズ２３への入射光の進行方向と平行方向へ）変える反射ミラー３９と、反射ミラー３９からの赤外光を集束する第２赤外光リレーレンズ４１と、集束された赤外光を受けて被写体の赤外光像を生成する赤外光カメラ４９とを有する。
【００３７】
ここに赤外光カメラ４９は、前記リレーレンズ４１からの集束光を変調するシャッタの如き第２変調手段４３と、前記集束光の結像面に配置されたＣＣＤの如き赤外光検出手段４５とを有する。
【００３８】
なお、光路長調整手段（ダミーガラス）２４により、可視光検出手段３５ａ，ｂ，ｃの結像面上及び赤外光検出手段４５の結像面上への集光性を向上させることが出来る。
【００３９】
なお前記第１変調手段及び第２変調手段４３としてのシャッタの開放時間ｔ（図２）は、赤外光が、遠近を識別したい被写体までの距離を往復する時間と同程度に設定される。
【００４０】
上記構成により、図１，２を参照して説明した光学測距カメラと同様に、赤外光検出手段４５の結像面上に被写体の赤外光像が形成される。ここに、近い被写体からの赤外光像は大きな光強度を有し、遠い被写体からの像は低い光強度を有する。従って、赤外光カメラ４９から、上記各被写体の距離情報を含む赤外光画像８７が出力される。
【００４１】
図３に示すようにこの実施形態の光学撮像装置は更に、前記カラーカメラ４７からのカラー画像８５及び前記赤外カメラ４９からの赤外光画像８９に基づいて、特定の被写体のカラー画像を抽出或いは切り出す特定被写体カラー画像抽出手段５１を有する。より詳細には、この手段５１は、前記赤外光画像８７から前記距離情報に基づいて前記特定被写体の輪郭データを求める。より詳細には、例えば撮像装置２０の近くに位置する特定被写体の像は高い強度で形成され、背景の像は低い強度で形成される。従って、例えば高い強度で形成された赤外像の輪郭を検出することにより、装置２０の近くに位置する特定被写体の輪郭（データ）を求めることができる。
【００４２】
つぎに手段５１は、前記輪郭データに基づいて、前記カラー画像８５から特定被写体のカラー画像を抽出或いは切り出す。
【００４３】
上記構成により、この光学撮像装置２０によれば例えば、合成画像の作成のために、特定被写体のカラー画像を背景のカラー画像から切り出すことが出来る。
【００４４】
図４は、この発明の光学撮像装置の第２実施形態を示す。
【００４５】
この第２実施形態と第１実施形態との相違は、第１実施形態における赤外光・可視光リレーレンズ２７が省略されること及び、第１実施形態の２つの赤外光リレーレンズ３７、４１が一つのリレーレンズ６５へ纏められることである。
【００４６】
従って、この第２実施形態によれば、部品点数を減らしコストを削減することができる。
【００４７】
図５は、この発明の光学撮像装置の第３実施形態を示す。
【００４８】
この第３実施形態と第２実施形態との相違は、撮影レンズ２３と赤外光カメラ４９との間に前記色分解プリズム３３と同じ形状、材質を有する可視光・赤外光分離プリズム７３を設けたこと及び、赤外光検出手段４５と前記分離プリズム７３との間にフォーカス調整手段７５を設けたことである。
【００４９】
前記可視光・赤外光分離プリズム７３を設けることにより、赤外光リレーレンズが省略され、且つ、可視光・赤外光とも良好な集光性能を実現することが出来る。更に、可視光・赤外光分離プリズム７３の入射面から可視光検出手段３５ａ、ｂ、ｃの結像面と共役な像面（第１像面２５）へ至る光路（Ａ）と、可視光・赤外光分離プリズム７３の入射面から赤外光検出手段４５の結像面へ至る光路（ａ＋ｂ＋ｃ）と、が同じ光路長となるため、可視光像と同等に収差が補正された赤外光線が得られて、正確な測距を行うことが出来る。なお前記光路ａは、前記分離プリズム７３の入射面からプリズム７３中の第１反射面までの赤外光の光路であり、光路ｂは、前記第１反射面から第２反射面（分離プリズム７３の入射面）までの赤外光の光路であり、光路ｃは、前記第２反射面から赤外光検出手段４５の結像面までの赤外光の光路である。
【００５０】
また前記フォーカス調整手段７５を赤外光検出手段４５の前方に配置することにより、赤外光結像面に形成される赤外光像のフォーカスを最適に調整することができる。
【００５１】
より詳細には以下の通りである。
【００５２】
図６は前記フォーカス調整手段７５の拡大図である。
【００５３】
図６に示すように、このフォーカス調整手段７５は、赤外光カメラ４９の光軸ｎとほぼ直交して対向される射出面７７ａを有する第１くさび形ガラス（第１くさび形光学透明体）７７と前記射出面７７ａと平行に配置される入射面７９ａを有する第２くさび形ガラス７９とを有する。そして、前記第２くさび形ガラス７９は、前記射出面７７ａと入射面７９ａとの間隔ｔを変動するために、くさび接触面に沿って（図３においてＡ軸方向に）移動自在に設けてある。ここに、前記第１くさび形ガラス７７と第２くさび形ガラス７９の断面形状は、図３においては三角形であるが必ずしもこれに限られない。例えば前記第１くさび形ガラス７７及び第２くさび形ガラス７９の少なくとも一方の断面形状は台形であってもよい。要するに第１くさび形ガラス７７、第２くさび形ガラス７９が相互に移動することにより射出面７７ａと入射面７９ａの間隔ｔが変動するものであればどのようなものでもよい。
【００５４】
前記第１くさび形ガラス７７に対して第２くさび形ガラス７９を移動するために、前記第２くさび形ガラス７９にマイクロねじ（図示せず）が結合されている。
【００５５】
従って前記マイクロねじを適宜の電気モータの如き駆動手段により駆動することにより、第１くさび形ガラス７７に対して第２くさび形ガラス７９を図においてＡ軸方向へ移動せしめ、入射面７９ａと射出面７７ａとの間隔ｔを変動、調整することができる。
【００５６】
そして、前記間隔ｔがδｔだけ変化するとき、赤外光の焦点位置は、
δＴ＝δｔ（１−１／Ｎ）
だけ変化する。ここにＮは、前記第１，第２くさび形ガラス（第１、第２くさび状光学透明体）７７，７９の屈折率である。
【００５７】
前記構成により、撮影レンズ２３としてのズームレンズの焦点距離が変化しても、赤外光の焦点位置を赤外光検出手段４５の結像面に正確に保持することができる。
【００５８】
より詳細には以下の通りである。
【００５９】
一般にズームレンズは可視光領域で良好な性能を保持し、焦点距離を変動させてもその焦点位置を常に一定の像面位置に保持することができる。しかし赤外領域は使用範囲外であり、ワイド位置では所定の像面位置にあった焦点が、望遠位置では前記像面位置からずれることが有る。
【００６０】
図７は、前記ズームレンズの焦点距離の変動により、赤外光（ＩＲ）の結像位置がずれる様子を表す。
【００６１】
また表１は、赤外波長７９０ｎｍ、８００ｎｍ、８１０ｎｍのそれぞれの赤外光について、焦点距離が７．８，１６，３１，６２，９４，１３３（ｍｍ）と変動する場合のピント位置のずれ量を表す。
【００６２】
【表１】

従って、一般のズームレンズを用いる場合、可視光領域では良好な結像性能を得ても、赤外領域ではピントのずれた画像を捉えることとなり、前記光学撮像装置と被写体との距離測定の精度が劣化することとなる。
【００６３】
再び図５を参照するに、この第３実施形態は、前記ズームレンズの焦点距離の変動による赤外光の結像位置（フォーカス位置）のずれを前記フォーカス調整手段７５により補償するために、前記第２くさび形ガラス７９と結合されたマイクロねじを駆動する駆動手段（図示せず）を制御する制御装置８１を有する。この制御装置８１は、表１に対応する検索テーブル８３を有する。そして前記制御装置８１は、前記撮影レンズ２３としてのズームレンズからの焦点距離情報に基づいて、前記検索テーブル８３を参照して前記マイクロねじ駆動手段を制御する。
【００６４】
従ってこの実施形態によれば、ズームレンズの焦点距離の変動による赤外光の焦点位置のずれが補償され、赤外光像が常に前記赤外光検出手段４５の結像面に集光し、この光学撮像装置７０と被写体との間の距離を正確に測定することができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明の光学撮像装置によれば、クロマキー技術を用いることなく所望の被写体をカラー画像から抽出或いは切り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は光学測距カメラの一例を示す概略図である。
【図２】図２は図１の光学測距カメラの測距原理を示す説明図である。
【図３】図３はこの発明の光学撮像装置の第１実施形態の説明図である。
【図４】図２はこの発明の光学撮像装置の第２実施形態の説明図である。
【図５】図５はこの発明の光学撮像装置の第３実施形態の説明図である。
【図６】図６は前記第３実施形態に設けたフォーカス調整手段の説明図である。
【図７】図７は、ズームレンズの焦点距離の変動により赤外光の結像位置がずれる様子を表す説明図である。

Claims

撮像された可視光像から所望の被写体画像を抽出する光学撮像装置であって、
所望の被写体からの反射光の一部が当該光学撮像装置に到達するように赤外光を射出する赤外光源と、
前記所望の被写体からの可視光と前記到達した反射赤外光とを透過させる撮影レンズと、
前記撮像レンズを介して入射した前記可視光と前記反射赤外光とを分離する分離手段と、
前記所望の被写体の部位毎の反射赤外光の到達タイミングが得られるよう前記分離手段で分離された反射赤外光を変調して変調赤外光を得る変調手段と、
前記分離手段で分離された可視光を結像させて前記可視光像を検出する可視光検出手段と、
前記変調手段で得られた変調赤外光を結像させて、前記所望の被写体の部位毎の光強度に応じた赤外光像を検出する赤外光検出手段と、
前記赤外光検出手段で検出された赤外光像の光強度に応じて前記所望の被写体の輪郭を抽出するとともに、この抽出された輪郭に基づき前記可視光検出手段で検出された可視光像から前記所望の被写体画像を抽出する抽出手段と、
を備え、
前記撮像レンズを介して入射された前記可視光及び前記反射赤外光の光路長を調整するための光路長調整手段を、前記撮像レンズと前記分離手段との間に配置することを特徴とする光学撮像装置。
前記赤外光検出手段に結像させる変調赤外光のフォーカスを調整するフォーカス調整手段を、前記分離手段と前記変調手段との間に具備することを特徴とした請求項１に記載の光学撮像装置。
前記フォーカス調整手段は、前記変調赤外光の光軸と直交した入射面及び射出面を有する一対のくさび形ガラスを有し、前記一対のうち少なくとも一方のくさび形ガラスをガラス接触面方向に移動可能なように構成したことを特徴とする請求項２に記載の光学撮像装置。