WO2012117618A1 - 立体画像撮像装置 - Google Patents

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WO2012117618A1
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WO
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stereoscopic image
image capturing
capturing apparatus
light
unit
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PCT/JP2011/075738
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French (fr)
Inventor
岩崎　洋一
Original Assignee
富士フイルム株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B35/00—Stereoscopic photography
    • G03B35/08—Stereoscopic photography by simultaneous recording
    • G03B35/10—Stereoscopic photography by simultaneous recording having single camera with stereoscopic-base-defining system
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/20—Image signal generators
    • H04N13/204—Image signal generators using stereoscopic image cameras
    • H04N13/207—Image signal generators using stereoscopic image cameras using a single 2D image sensor
    • H04N13/218—Image signal generators using stereoscopic image cameras using a single 2D image sensor using spatial multiplexing

Definitions

  • the present invention relates to a stereoscopic image capturing apparatus, and more particularly to a stereoscopic image capturing apparatus capable of performing left and right parallax separation and upper and lower parallax separation by a monocular method.
  • a conventional stereoscopic image capturing apparatus has a two-lens system in which two photographing lens systems arranged in the horizontal direction are mounted on the front surface of a camera housing as described in, for example, Patent Document 1 below.
  • the left taking lens system corresponds to a human right eye
  • the right taking lens system corresponds to a human left eye.
  • the left and right photographic lens systems are provided at a distance of about 6.5 cm, which is the distance between the left and right eyes of a human.
  • the two-lens stereoscopic image pickup apparatus includes two expensive photographing lens systems, there is a problem that the product cost increases.
  • This stereoscopic image pickup apparatus is equipped with one photographing lens system, and converts incident light from a subject condensed through the photographing lens system into parallel light by passing through a relay lens.
  • the parallel light 1 obtained through the relay lens is separated into right and left by a light splitting mirror 4 in which two mirrors 2 and 3 are abutted at right angles, and incident light reflected by the mirror 2 is reflected. Is reflected by the mirror 5 to form an image on the image sensor 6. Incident light reflected by the mirror 3 is reflected by the mirror 7 and forms an image on the image sensor 8.
  • a photographing lens system is provided on the light incident side of the relay lens that emits the parallel light 1.
  • incident light from the object field is reversed left and right, an image viewed through the left eye is formed on the image sensor 6, and an image viewed through the right eye is formed on the image sensor 8.
  • the monocular stereoscopic image capturing apparatus (camera) described in Patent Document 2 can capture a stereoscopic image when the camera is placed horizontally to capture a subject and a horizontally long subject, but a vertically long subject. If a subject is imaged with the camera placed vertically to capture a 3D image, a 3D image cannot be captured.
  • An object of the present invention is to provide a stereoscopic image capturing apparatus that is monocular and that can capture a stereoscopic image of a subject even when the subject is imaged horizontally or the subject is imaged vertically. is there.
  • the stereoscopic image pickup apparatus of the present invention is placed on an optical path of incident light from a monocular photographing lens and a subject incident through the photographing lens, and the incident light is set to an arbitrary vertical line and the vertical line with respect to the optical axis.
  • a light dividing unit that divides the light into four by a perpendicular line perpendicular to the first, a first, a second, a third, and a fourth solid-state imaging device that respectively receive the divided incident light of the four divided incident lights;
  • An image processing unit that performs image processing on output signals of the first, second, third, and fourth solid-state imaging devices to generate stereoscopic image data of the subject that constitutes a stereoscopic image.
  • the stereoscopic image pickup apparatus of the present invention is configured to divide incident light from a subject incident through a monocular photographing lens into four parts and receive each divided incident light by each solid-state imaging element, the stereoscopic image pickup apparatus is It is possible to acquire image data constituting a stereoscopic image regardless of whether it is placed horizontally or vertically.
  • FIG. 1 is an external perspective view of a stereoscopic image capturing apparatus according to an embodiment of the present invention. It is a functional block block diagram of the stereo image imaging device shown in FIG. It is a figure which shows the incident angle sensitivity characteristic in the horizontal direction of the solid-state image sensor 26b shown by FIG. 2, and the incident angle sensitivity characteristic in the horizontal direction of the solid-state image sensor 26d. It is a figure which shows the relationship between a viewpoint position when a parallax is isolate
  • FIG. 1 is an external perspective view of a digital camera capable of capturing a stereoscopic image according to an embodiment of the present invention.
  • This digital camera 10 is provided with a monocular photographing lens 12 on the front surface of a rectangular casing 11.
  • the photographic lens 12 is disposed in a lens barrel 13 provided in the casing 11 so as to be retractable, and a shutter release button 14 is provided on the right shoulder of the casing 11.
  • FIG. 2 is a functional block configuration diagram of the digital camera 10 shown in FIG.
  • a lens barrel 13 that houses the taking lens 12 is provided.
  • the lens barrel 13 houses a focus positioning lens, a telephoto lens, and the like.
  • a relay lens 21 is provided on the back of the lens barrel 13. Incident light collected by the photographic lens 12 or the like is converted into parallel light 22 by passing through the relay lens 21.
  • a parallax separating means 23 and a light splitting mirror 24 are provided in the optical path of the parallel light 22.
  • the parallax separation means 23 is configured by a liquid crystal shutter installed perpendicular to the optical axis.
  • the parallax separation means 23 is provided to improve the parallax separation as will be described in detail later, but may be omitted.
  • the light splitting mirror 24 is constituted by a regular quadrangular pyramid shaped mirror.
  • a diaphragm (not shown) for controlling the F value is provided immediately before the light splitting mirror 24, and the parallax separating means 23 is provided adjacent to the front stage or the rear stage of the diaphragm.
  • the regular quadrangular pyramid shaped light splitting mirror 24 includes reflecting surfaces 24a, 24b, 24c, and 24d.
  • Each of the reflection surfaces 24a, 24b, 24c, and 24d is inclined 45 degrees with respect to the optical axis of the incident light incident through the photographing lens 12, and is slightly separated from each of the reflection surfaces 24a to 24d.
  • mirrors 25a, 25b, 25c and 25d are arranged. Thereby, for example, incident light reflected by the reflecting surface 24 a is reflected by the mirror 25 a, and this reflected light becomes parallel to the parallel light 22. The same applies to the other reflecting surfaces 24b to 24d.
  • the reflected light from the mirrors 25a to 25d is condensed by the condenser lenses 26a to 26d (only two are shown) and imaged on the solid-state image sensors 27a to 27d (only two are shown).
  • the outputs of the respective solid-state imaging devices 27a to 27d include analog signal processing circuits (AFE) 28a to 28d (only two are shown), analog / digital (A / D) converters 29a to 29d (only two are shown), and Is connected. Note that the AFEs 28a to 28d and the A / D converters 29a to 29d may be combined into one and used by switching.
  • the mirrors 25a to 25d may be omitted, and the reflected light of the reflecting surfaces 24a to 24d may be received by the condensing lenses 26a to 26d and the solid-state imaging devices 27a to 27d provided in the directions of the reflected light.
  • the electric control system of the digital camera 10 includes a central control unit (CPU) 40 that performs overall control of the entire digital camera 10, an operation unit (including the shutter release button 14) 41 that receives operation instructions from a user, and image processing.
  • Unit 42 an encoder 44 that encodes image data processed by the image processing unit 42 into display data, a driver 46 that displays the display data on the display unit 45, a main memory 47, and a write / read of the memory card 48.
  • a media control unit 49 that performs read control and a bus 50 that interconnects them are provided.
  • the outputs of the A / D converters 29a to 29d are connected to the bus 50, respectively.
  • a device control unit 51 is connected to the CPU 40.
  • the device control unit 51 controls the photographing lens 12 including the focus alignment lens and the telephoto lens based on an instruction from the CPU 40, and also includes a parallax separation unit 23, solid-state imaging devices 27a to 27d, AFEs 28a to 28d, The A / D converters 29a to 29d are controlled.
  • incident light from a subject that has entered through the taking lens 12 borders four ridge lines of the light splitting mirror 24 when viewed from the optical axis direction. Divided into four lines. That is, the incident light is reflected by the four reflecting surfaces 24a to 24d of the light splitting mirror 24, further reflected by the mirrors 25a to 25d, and condensed by the condenser lenses 26a to 26d, respectively, and the solid-state imaging devices 27a to 27a. 27b is imaged.
  • the reflecting surface 24b and the reflecting surface 24d in FIG. 2 are arranged on the left and right in the horizontal direction (parallel to the bottom surface of the casing 11 in FIG. 1).
  • the incident angle sensitivity characteristic in the horizontal direction of the solid-state image sensor 27b shown in FIG. 2 and the incident angle sensitivity characteristic in the horizontal direction of the solid-state image sensor 27d are as shown in FIG.
  • the light receiving sensitivity TR of the solid-state imaging device 27b that receives incident light reflected by the reflecting surface 24b is shifted to the left, and the light receiving sensitivity of the solid-state imaging device 27d that receives incident light reflected by the reflecting surface 24d. TL shifts to the right.
  • This left-right shift becomes parallax, and the stereoscopic image of the subject can be reproduced by using the image captured by the solid-state image sensor 27b as the right-eye image and the image captured by the solid-state image sensor 27d as the left-eye image. .
  • the images of the incident light reflected by the reflecting surfaces 24a and 24c captured by the solid-state imaging devices 27a and 27c are images having parallax up and down.
  • the solid-state imaging is performed. It is possible to capture a stereoscopic image of the subject with the captured images of the elements 27a and 27c.
  • the vertex side of the light splitting mirror 24 is the subject side
  • the perpendicular line from the vertex to the bottom surface is aligned with the optical axis
  • the upper side 24f and the lower side 24g of the square of the bottom surface are those of the casing 11 of FIG. It is arranged so as to be parallel to the bottom surface.
  • the four solid-state image sensors 27a to 27d have a subject as shown in FIG.
  • An image viewed from the lower viewpoint A, an image viewed from the right viewpoint B, an image viewed from the upper viewpoint C, and an image viewed from the left viewpoint D are captured. That is, it is possible to reproduce a stereoscopic image with the captured images of the viewpoint D and the viewpoint B.
  • the camera 10 is placed vertically (the bottom surface of the housing 11 in FIG. 1 is perpendicular to the ground), it is possible to reproduce a stereoscopic image with the captured images of the viewpoint C and the viewpoint A.
  • the vertex of the light splitting mirror 24 is the subject side, the perpendicular from the vertex to the bottom surface is aligned with the optical axis, and the square sides 24f and 24g of the bottom surface are the casing 11 of FIG. It arrange
  • the four solid-state image sensors 27a to 27d have a subject as shown in FIG. 53, an image viewed from the viewpoint A on the lower left, an image viewed from the viewpoint B on the lower right, an image viewed from the viewpoint C on the upper right, and an image viewed from the viewpoint D on the upper left. I will take an image.
  • a stereoscopic image can be reproduced with the captured images of the viewpoint D and the viewpoint C, and a stereoscopic image can be reproduced with the captured images of the viewpoint A and the viewpoint B. Further, the captured image of the viewpoint D and the captured image of the viewpoint A can be added, the captured image of the viewpoint C and the captured image of the viewpoint B can be added, and a stereoscopic image can be reproduced with the two added images. Similarly, when the camera is placed vertically, a stereoscopic image can be reproduced with the addition image of the viewpoint C and the viewpoint D and the addition image of the viewpoint B and the viewpoint A.
  • the parallax separation means 23 is provided.
  • This parallax separation means 23 cuts off incident light at the incident angle of 0 degrees in the horizontal direction and the vertical direction and incident light in the vicinity thereof (light incident on the ridge line of the mirror 24 in FIG. 4) so as not to enter the light splitting mirror 24. To. As a result, as shown in FIG. 6, the vicinity of the incident angle of 0 degrees in the horizontal direction is cut, and the parallax separation in the horizontal direction is improved. In addition, the vicinity of the incident angle of 0 degrees in the vertical direction is cut, and the vertical parallax separation is also improved.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of the parallax separation means 23.
  • the parallax separating means 23 placed in front of the regular quadrangular pyramid shaped light splitting mirror 24 is composed of, for example, a liquid crystal shutter, and is a light splitting that becomes the four parallax separation boundary lines (border lines for light splitting) of the regular quadrangular pyramid.
  • a cross-shaped (cross-shaped) light non-transmissive region 61 is electrically formed so as to cover the ridge line of the mirror 24 for use with the required width x.
  • the transparent region of the square liquid crystal shutter is completely divided into four regions 23a, 23b, 23c and 23d, and each region 23a to 23d is divided into four reflecting surfaces 24a of the mirror 24. Corresponds to .about.24d.
  • the width x of the light non-transmissive region 61 may be a fixed value, but preferably the width x is variably controlled according to the photographing conditions. For example, when the shooting scene is dark, if the width of the light non-transmission area 61 is widened, only a dark image is captured. Therefore, the width x is narrowed, and when the shooting scene is bright, the width x is widened.
  • the photographic lens 12 has a short focal length, such as a wide-angle lens, it is difficult to separate the parallax. Therefore, it is easy to separate the parallax by increasing the width x of the light non-transmissive region 61, and the focal point is like a telephoto lens. Conversely, when the distance is long, the width x is narrowed.
  • the width x of the light non-transmissive region 61 may be variably controlled in relation to the F value.
  • the F value When the F value is small (when the aperture is open), the scene is often dark, and when the F value is large (when the aperture is narrow), the scene is often bright.
  • the width x of the light non-transmissive region 61 is controlled. That is, when the F value is large, the sensitivity is not lowered even if the width x is wide because the scene is bright, so the width x is widened to increase the degree of parallax separation.
  • the parallax separation means 23 is disposed immediately before the light splitting mirror 24 to shield the light splitting boundary portion of the light splitting mirror 24. It is not limited to just before the light splitting mirror 24.
  • a diaphragm is also arranged near the focal position of the photographing lens 12 that collects incident light, but parallax separation means may be provided at the position where the diaphragm is arranged. Also by providing the parallax separating means at this position, it becomes possible to equally divide the incident light into four in the horizontal and vertical directions with a small area liquid crystal shutter.
  • FIG. 8 is a perspective view of the parallax separation means 63 (also used as the light splitting mirror 24) according to another embodiment.
  • the electrochromic mirrors 65a to 65d in which the reflectance can be partially changed by electric control, are used, and the reflectance of the four ridges of the regular quadrangular pyramid is determined as the required width. Change with.
  • the reflectance is 0%.
  • the portion having the reflectance of 0% becomes the parallax separation means of this embodiment. It is preferable that the width can be variably controlled.
  • TR can be cut off most of the sensitivity near the incident angle of 0 degree and most of the sensitivity near the incident angle of 0 degree in the upper and lower sensitivity distributions.
  • FIG. 9A is a perspective view of the parallax separating means 71 that also serves as the light dividing means according to another embodiment.
  • the reflecting surfaces 24a to 24d of the mirror 24 constituting the regular quadrangular pyramid are configured separately, and the space between the reflecting surfaces 24a to 24d can be widened by the reflecting surface moving mechanism.
  • the width of the gap 72 formed by widening the space between the reflecting surfaces 24a to 24d is variably controlled.
  • FIG. 9B illustrates a reflective surface and a solid-state image sensor that reflect left and right incident light, and illustration of the reflective surface and solid-state image sensor that reflects upper and lower incident light is omitted.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a light splitting mirror according to another embodiment of the present invention.
  • the incident light is divided into four regions with different parallaxes using a regular quadrangular pyramid shaped light dividing mirror, but in this embodiment, the two mirrors are configured to face each other at an apex angle of 90 degrees.
  • the first light splitting mirror 81 first divides the light into two, and then splits one split incident light by a second light splitting mirror 82 configured by abutting two mirrors at an apex angle of 90 degrees and the other split incident light.
  • the parallax separation means 23 is provided, and the light non-transmissive region 61 (cross-shaped and Is formed).
  • the incident light is divided into four parts.
  • it may be configured to be divided into three parts.
  • a regular triangular pyramid may be used as a light dividing mirror.
  • the stereoscopic image capturing apparatus is placed on the optical path of incident light from a monocular photographing lens and a subject incident through the photographing lens, and the incident light is arbitrarily set with respect to the optical axis.
  • a light dividing unit that divides the light into four by a vertical line and a vertical line perpendicular to the vertical line, and first, second, third, and third light receiving the divided incident light of each of the four divided incident lights.
  • Four solid-state imaging devices, and an image processing unit that performs image processing on output signals of the first, second, third, and fourth solid-state imaging devices to generate stereoscopic image data of the subject that constitutes a stereoscopic image. It is characterized by providing.
  • the first, second, third, and fourth solid-state imaging of the incident light on the boundary line with the two vertical lines divided into four as the boundary line is characterized by including a parallax separation unit for blocking incidence on the element.
  • the stereoscopic image capturing apparatus includes a control unit that controls the blocking width on the boundary line.
  • control unit of the stereoscopic image capturing apparatus is characterized in that the blocking width is adjusted according to a shooting condition.
  • control unit of the stereoscopic image capturing apparatus of the embodiment increases the width as the F value is smaller, the photographing scene is brighter, or the focal length of the photographing lens is shorter, and as the F value is larger or the photographing scene is The width is narrowed as the darkness or the focal length of the photographic lens increases.
  • the parallax separation unit of the stereoscopic image pickup device of the embodiment is configured by a liquid crystal shutter placed in front of the light splitting unit, and the boundary is formed by a light non-transmissive region formed in a cross shape in the center of the liquid crystal shutter. The incident light on the line is cut.
  • the light splitting unit of the stereoscopic image capturing apparatus is formed by a regular quadrangular pyramid-shaped reflecting mirror whose apex is directed toward the subject.
  • the stereoscopic image capturing apparatus includes a first light splitting mirror configured by abutting the leading edges of two mirrors opened at 90 degrees, and the first light splitting mirror. Second and third second and third light splitting mirrors facing each of the two mirrors, each configured by abutting the leading edges of the two mirrors opened at 90 degrees.
  • the light splitting unit is composed of the two light splitting mirrors.
  • the light splitting unit and the parallax separating unit of the stereoscopic image capturing apparatus of the embodiment are integrally formed, and the light splitting unit is formed by a regular quadrangular pyramid-shaped reflecting mirror whose apex is directed toward the subject,
  • the parallax separation unit is configured by controlling the reflectance of the four ridge lines of the regular quadrangular pyramid shape over a required width.
  • the light splitting unit and the parallax separating unit of the stereoscopic image capturing apparatus of the embodiment are integrally formed, and the light splitting unit is formed by a regular quadrangular pyramid-shaped reflecting mirror whose apex is directed toward the subject, The four side-view pyramid-shaped reflecting mirrors are separated from each other, the four reflecting mirrors are controlled to be separated from each other, and the parallax separating unit is constituted by a gap between the reflecting mirrors.
  • the stereoscopic image capturing apparatus can capture a subject image from four viewpoints with a monocular system, and can capture a stereoscopic image regardless of whether the camera is placed vertically or horizontally, so that the cost is low. It is useful when applied to a stereoscopic image capturing apparatus.

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Abstract

　単眼方式のカメラを横置きにしても縦置きにしても被写体の立体画像を撮像できる様にする。　単眼の撮影レンズ１２と、撮影レンズ１２を通して入射してくる被写体からの入射光の光路上に置かれ該入射光を光軸に対し任意の垂直線と該垂直線に対し直角の垂直線とにより４分割する光分割手段２４と、４分割した入射光の各々の分割入射光を夫々受光する第１，第２，第３，第４の固体撮像素子２７ａ～２７ｄと、各固体撮像素子２７ａ～２７ｄの出力信号を画像処理し立体画像を構成する前記被写体の立体画像データを生成する画像処理手段４２とを備える。

Description

立体画像撮像装置
　本発明は立体画像撮像装置に係り、特に、単眼方式で左右の視差分離と上下の視差分離を行うことができる立体画像撮像装置に関する。
　立体画像（３Ｄ画像）を表示できるテレビジョン受像機が普及し、被写体の立体画像を撮影できる立体画像撮影用のデジタルカメラ（立体画像撮像装置）も普及の兆しを見せている。
　従来の立体画像撮像装置は、例えば下記の特許文献１に記載されている様に、カメラ筐体の前面に水平方向に並ぶ２個の撮影レンズ系を搭載し、２眼方式となっている。向かって左側の撮影レンズ系は人間の右眼に相当し、右側の撮影レンズ系は人間の左眼に相当する。左右の撮影レンズ系は、人間の左右の眼の距離である６．５ｃｍ程度離して設けられる。
　この様な２眼方式の立体画像撮像装置は、左眼用の被写体画像と右眼用の被写体画像とを、６．５ｃｍ離間した別々の撮影レンズ系を通して撮像するため、左右の視差分離の程度が高い被写体画像を撮影することができる。
　しかし、２眼方式の立体画像撮像装置は、高価な撮影レンズ系を２系統備えるため、製品コストが嵩んでしまうという問題がある。
　そこで、下記の特許文献２に記載されている様に、単眼方式の立体画像撮像装置が提案されている。この立体画像撮像装置は、１系統の撮影レンズ系を搭載し、この撮影レンズ系を通して集光した被写体からの入射光をリレーレンズを通すことで平行光に変換している。
　そして、図１１に示す様に、リレーレンズを通して得られた平行光１を、２枚のミラー２，３を直角に突き合わせた光分割用ミラー４で左右に分離し、ミラー２で反射した入射光をミラー５で反射しイメージセンサ６に結像させる。ミラー３で反射した入射光はミラー７で反射しイメージセンサ８に結像させる。
　平行光１を出射する上記のリレーレンズの光入射側には撮影レンズ系が設けられる。この撮影レンズ系で被写界からの入射光が左右反転し、イメージセンサ６には左眼を通して見た画像が結像し、イメージセンサ８には右眼を通して見た画像が結像する。
日本国特開２００８―１８７３８５号公報 日本国特開２０１０―８１５８０号公報
　しかしながら、特許文献２に記載の単眼方式の立体画像撮像装置（カメラ）は、カメラを横置きで被写体を撮像し横長の被写体を撮像したときは立体画像を撮像することができるが、縦長の被写体を撮像するためにカメラを縦置きにして被写体を撮像すると、立体画像を撮像できない。
　本発明の目的は、単眼方式で、しかも、横置きにして被写体を撮像しても縦置きで被写体を撮像しても被写体の立体画像を撮像することができる立体画像撮像装置を提供することにある。
　本発明の立体画像撮像装置は、単眼の撮影レンズと、該撮影レンズを通して入射してくる被写体からの入射光の光路上に置かれ該入射光を光軸に対し任意の垂直線と該垂直線に対し直角の垂直線とにより４分割する光分割部と、前記４分割した前記入射光の各々の分割入射光を夫々受光する第１，第２，第３，第４の固体撮像素子と、前記第１，第２，第３，第４の各固体撮像素子の出力信号を画像処理し立体画像を構成する前記被写体の立体画像データを生成する画像処理部とを備える。
　本発明の立体画像撮像装置は、単眼の撮影レンズを通して入射してきた被写体からの入射光を４分割して各々の分割入射光を夫々の固体撮像素子で受光する構成としたため、立体画像撮像装置を横置きにしても縦置きにしても立体画像を構成する画像データを取得することが可能となる。
本発明の一実施形態に係る立体画像撮像装置の外観斜視図である。 図１に示す立体画像撮像装置の機能ブロック構成図である。 図２に示される固体撮像素子２６ｂの水平方向における入射角感度特性と固体撮像素子２６ｄの水平方向における入射角感度特性を示す図である。 視差を４つに分離したときの視点位置と正四角錐形状の光分割用ミラーとの関係を示す図である。 視差を４つに分離するときの視点位置の説明図である。 視差分離手段の効果説明図である。 視差分離手段の光非透過領域の説明図である。 視差分離手段の別実施形態の斜視図である。 視差分離手段の更に別実施形態の説明図である。 光分割用ミラーの別実施形態の説明図である。 従来の単眼方式立体画像撮像装置の説明図である。
　以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る立体画像撮像が可能なデジタルカメラの外観斜視図である。このデジタルカメラ１０は、矩形筐体１１の前面に単眼の撮影レンズ１２が設けられる。この撮影レンズ１２は、筐体１１内に沈胴可能に設けられたレンズ鏡筒１３内に配置され、筐体１１の右肩には、シャッタレリーズボタン１４が設けられている。
　図２は、図１に示すデジタルカメラ１０の機能ブロック構成図である。撮影レンズ１２を収納したレンズ鏡筒１３を備える。レンズ鏡筒１３には、撮影レンズ１２の他に、焦点位置合わせ用レンズ，望遠レンズ等が収納される。
　レンズ鏡筒１３の背部にはリレーレンズ２１が設けられている。撮影レンズ１２等で集光された入射光は、このリレーレンズ２１を通ることで、平行光２２に変換される。
　平行光２２の光路には、視差分離手段２３と、光分割用ミラー２４とが設けられる。視差分離手段２３は、本実施形態では光軸に垂直に設置された液晶シャッタで構成される。視差分離手段２３は、詳細は後述するように視差分離を良好にするために設けられるものであるが、無くても良い。
　光分割用ミラー２４は、本実施形態では、正四角錐形状のミラーで構成される。この光分割用ミラー２４の直前にはＦ値を制御する図示省略の絞りが設けられており、視差分離手段２３は、この絞りの前段又は後段に隣接して設けられる。
　正四角錐形状の光分割用ミラー２４は、反射面２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを備える。各反射面２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは、撮影レンズ１２を通って入射してくる入射光の光軸に対し夫々が４５度に傾いており、各反射面２４ａ～２４ｄの夫々に若干離間しかつ平行にミラー２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ（２個のみ図示）が配置されている。これにより、例えば反射面２４ａで反射した入射光はミラー２５ａで反射され、この反射光は平行光２２と平行になる。他の反射面２４ｂ～２４ｄでも同様である。
　各ミラー２５ａ～２５ｄによる反射光は、夫々集光レンズ２６ａ～２６ｄ（２個のみ図示）で集光され、固体撮像素子２７ａ～２７ｄ（２個のみ図示）に結像される。各固体撮像素子２７ａ～２７ｄの出力には、アナログ信号処理回路（ＡＦＥ）２８ａ～２８ｄ（２個のみ図示）と、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器２９ａ～２９ｄ（２個のみ図示）とが接続される。なお、ＡＦＥ２８ａ～２８ｄやＡ／Ｄ変換器２９ａ～２９ｄは夫々１個に集約し、切り替えて使用する構成としても良い。
　なお、ミラー２５ａ～２５ｄを省略し、反射面２４ａ～２４ｄの反射光を各反射光の方向に設けた集光レンズ２６ａ～２６ｄ，固体撮像素子２７ａ～２７ｄで受光する構成としても良い。
　このデジタルカメラ１０の電気制御系は、デジタルカメラ１０の全体を統括制御する中央制御装置（ＣＰＵ）４０と、ユーザからの操作指示を取り込む操作部（シャッタレリーズボタン１４を含む）４１と、画像処理部４２と、画像処理部４２で処理された画像データを表示データにエンコードするエンコーダ４４と、前記表示データを表示部４５に表示するドライバ４６と、メインメモリ４７と、メモリカード４８の書込／読出制御を行うメディア制御部４９と、これらを相互に接続するバス５０とを備える。Ａ／Ｄ変換器２９ａ～２９ｄの出力は夫々バス５０に接続される。
　ＣＰＵ４０にはデバイス制御部５１が接続される。デバイス制御部５１は、ＣＰＵ４０からの指示に基づいて、焦点位置合わせレンズ，望遠レンズを含む撮影レンズ１２を制御すると共に、視差分離手段２３と、固体撮像素子２７ａ～２７ｄと、ＡＦＥ２８ａ～２８ｄと、Ａ／Ｄ変換器２９ａ～２９ｄとを制御する。
　以上述べた構成の立体画像撮像装置（デジタルカメラ）１０では、撮影レンズ１２を通して入射してきた被写体からの入射光は、光軸方向から見たときに、光分割用ミラー２４の４つの稜線を境界線として４分割される。即ち、入射光は、光分割用ミラー２４の４つの反射面２４ａ～２４ｄで反射され、更にミラー２５ａ～２５ｄで夫々反射され、集光レンズ２６ａ～２６ｄで夫々集光され、固体撮像素子２７ａ～２７ｂに結像される。
　図２の反射面２４ｂと反射面２４ｄとが水平方向（図１の筐体１１の底面に平行）の左右に配置されていたとする。この場合、図２に示される固体撮像素子２７ｂの水平方向における入射角感度特性と固体撮像素子２７ｄの水平方向における入射角感度特性とは、図３に示すようになる。
　図３に示されるように、反射面２４ｂで反射した入射光を受光する固体撮像素子２７ｂの受光感度ＴＲは左側にズレ、反射面２４ｄで反射した入射光を受光する固体撮像素子２７ｄの受光感度ＴＬは右側にズレる。
　この左右のズレが視差となり、固体撮像素子２７ｂの撮像画像を右眼用画像とし固体撮像素子２７ｄの撮像画像を左眼用画像とすることで、被写体の立体画像を再生することが可能となる。同様に、反射面２４ａ，２４ｃで反射した入射光の夫々を固体撮像素子２７ａ，２７ｃで撮像した画像は、上下に視差を持つ画像となり、カメラを縦置きにして被写体を撮像したとき、固体撮像素子２７ａ，２７ｃの撮像画像で被写体の立体画像を撮像することが可能となる。
　正四角錐形状の光分割用ミラー２４の配置方法としては、図４（ａ）（ｂ）に示す様に２種類ある。図４（ａ）では、光分割用ミラー２４の頂点側を被写体側とし頂点から底面への垂線を光軸に合わせ、かつ、底面の正方形の上辺２４ｆ，下辺２４ｇが図１の筐体１１の底面に平行となる様に配置している。
　この配置だと、カメラ１０を横置き（図１の筐体１１の底面を地面に対し平行）にしたとき、４つの固体撮像素子２７ａ～２７ｄは、図５（ａ）に示す様に、被写体５３を下側の視点Ａから見た画像、右側の視点Ｂから見た画像、上側の視点Ｃから見た画像、左側の視点Ｄから見た画像の夫々を撮像することになる。つまり、視点Ｄと視点Ｂの夫々の撮像画像で立体画像を再生することが可能となる。また、カメラ１０を縦置き（図１の筐体１１の底面を地面に対し垂直）にしたとき、視点Ｃと視点Ａの夫々の撮像画像で立体画像を再生することが可能となる。
　なお、図４のＡＢＣＤの位置と図５のＡＢＣＤの位置とは対応し、図５のＡＢＣＤの位置が撮影レンズ系を通すことで左右，上下が反転するため、図４のＡＢＣＤの位置となる。
　図４（ｂ）の配置では、光分割用ミラー２４の頂点を被写体側とし頂点から底面への垂線を光軸に合わせ、かつ、底面の正方形の各辺２４ｆ，２４ｇが図１の筐体１１の底面に対し斜め４５度となる様に配置している。
　この配置だと、カメラ１０を横置き（図１の筐体１１の底面を地面に対し平行）にしたとき、４つの固体撮像素子２７ａ～２７ｄは、図５（ｂ）に示す様に、被写体５３を左斜め下側の視点Ａから見た画像、右斜め下側の視点Ｂから見た画像、右斜め上側の視点Ｃから見た画像、左斜め上側の視点Ｄから見た画像の夫々を撮像することになる。
　この場合、視点Ｄと視点Ｃの夫々の撮像画像で立体画像を再生することができ、また、視点Ａと視点Ｂの夫々の撮像画像で立体画像を再生することができる。また、視点Ｄの撮像画像と視点Ａの撮像画像とを加算し、視点Ｃの撮像画像と視点Ｂの撮像画像とを加算し、２枚の加算画像で立体画像を再生することができる。カメラを縦置きにしたときは、同様に、視点Ｃと視点Ｄの加算画像と、視点Ｂと視点Ａの加算画像とで立体画像を再生することができる。
　図３を用い、左右の視差を分離する原理について説明した。しかし、左右のズレ即ち視差が充分にとれないと、左眼用画像，右眼用画像を再生しても、立体画像として視認するのは困難になってしまう。
　そこで、本実施形態では、視差分離手段２３を設けている。この視差分離手段２３により、水平方向及び垂直方向における入射角０度及びその近辺の入射光（図４におけるミラー２４の稜線上に入射する光）をカットして光分割用ミラー２４に入射しない様にする。これにより、図６に示す様に、水平方向における入射角０度近辺がカットされて、水平方向の視差分離が良好となる。また、垂直方向における入射角０度近辺がカットされて、垂直方向の視差分離も良好となる。
　図７は、視差分離手段２３の説明図である。正四角錐形状の光分割用ミラー２４の前段に置かれた視差分離手段２３は、例えば液晶シャッタで構成され、正四角錐の４本の視差分離の境界線（光分割の境界線）となる光分割用ミラー２４の稜線を所要幅ｘで覆うようにクロス形状（十字形状）の光非透過領域６１を電気的に形成している。
　この光非透過領域６１によって、正方形状の液晶シャッタの透明領域は４領域２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄに完全に等分に分割され、夫々の領域２３ａ～２３ｄがミラー２４の４つの反射面２４ａ～２４ｄに対応する。
　光非透過領域６１の幅ｘは、固定値でも良いが、好適には、撮影条件によって幅ｘを可変制御するのが良い。例えば、撮影シーンが暗いときは光非透過領域６１の幅を広くとると暗い画像しか写らなくなるため、幅ｘは狭くし、明るい撮影シーンのときは幅ｘを広くとる。
　また、撮影レンズ１２が広角レンズの様に焦点距離が短い場合には、視差分離が難しいため、光非透過領域６１の幅ｘを広くとって視差を分離し易くし、望遠レンズの様に焦点距離が長い場合には、逆に幅ｘを狭くする。
　更に、Ｆ値との関係で光非透過領域６１の幅ｘを可変制御しても良い。Ｆ値が小さい場合（絞りが開いている場合）は、撮影シーンが暗い場合が多く、Ｆ値が大きい場合（絞りが狭くなっている場合）は撮影シーンが明るい場合が多いため、それに合わせて光非透過領域６１の幅ｘを制御する。即ち、Ｆ値が大きい場合には明るい撮影シーンのため幅ｘを広くとっても感度は低下しないため幅ｘを広くとって視差分離の程度を大きくする。
　図２に示す実施形態では、光分割用ミラー２４の直前に視差分離手段２３を配置して光分割用ミラー２４の光分割の境界線部分を遮光したが、視差分離手段２３を配置する場所は、光分割用ミラー２４の直前に限るものではない。例えば、入射光を集光する撮影レンズ１２の焦点位置付近にも絞りが配置されるが、この絞り配置箇所に視差分離手段を併設しても良い。この位置に視差分離手段を併設することでも、小面積の液晶シャッタで入射光を左右上下に均等に４分割することが可能となる。
　図８は、別実施形態に係る視差分離手段６３（光分割用ミラー２４を兼用する）の斜視図である。光分割用ミラー２４の各反射面２４ａ～２４ｄの替わりに、部分的に反射率を電気制御で変更できるエレクトクロミックミラー６５ａ～６５ｄを用い、正四角錐の４本の稜線部分の反射率を所要幅で変更する。好適には、反射率０％とする。この反射率０％とした部分が本実施形態の視差分離手段となる。この幅を可変制御できる様にしておくのが好ましい。これにより、入射光のうち、稜線部分（視差分離の境界線）に沿う領域が所要幅で遮光されたと同じ効果を得ることができ、図６で説明したのと同様に、左右の感度分布ＴＬ，ＴＲの入射角０度付近の感度の大部分と、上下の感度分布の入射角０度付近の感度の大部分とをカットすることが可能となる。
　図９（ａ）は、更に別実施形態に係る光分割手段を兼用する視差分離手段７１の斜視図である。本実施形態では、正四角錐を構成するミラー２４の各反射面２４ａ～２４ｄを分離して構成し、各反射面２４ａ～２４ｄ間を、反射面移動機構によって広げることを可能としている。また、各反射面２４ａ～２４ｄ間を広げることで形成される隙間７２の幅を可変制御する。
　この様にすることで、光軸方向から見たときの入射光を左右，上下に分割する４本の境界線上の入射光を、左右上下の４つの固体撮像素子２７ａ～２７ｄに入射させないことができ、視差の左右分離と上下分離を良好に行うことが可能となる。また、隙間７２を透過した入射光を受光する第５の固体撮像素子６８を図９（ｂ）に示す様に設けることで、固体撮像素子６８は、被写体の二次元画像（平面画像）を撮像することが可能となる。なお、図９（ｂ）は左右の入射光を反射する反射面と固体撮像素子を図示し、上下の入射光を反射する反射面と固体撮像素子の図示は省略している。
　図１０は、本発明の別実施形態の光分割用ミラーの構成図である。図２の実施形態では、正四角錐形状の光分割用ミラーを用いて入射光を視差の異なる４領域に分割したが、本実施形態では、２枚のミラーを頂角９０度で突き合わせて構成した第１光分割用ミラー８１で先ず２分割し、一方の分割入射光を更に２枚のミラーを頂角９０度で突き合わせて構成した第２光分割用ミラー８２で分割すると共に他方の分割入射光を２枚のミラーを頂角９０度で突き合わせて構成した第３光分割用ミラー８３で分割する構成としている。
　この構成により、リレーレンズを通して平行光となった入射光を視差の異なる４領域に分割することが可能となり、各分割入射光を集光レンズで集光し、各々を固体撮像素子で撮像すれば良い。
　この場合にも、視差分離を良好に行うために、視差分離手段２３を設け、第１，第２，第３光分割用ミラー８１～８３の稜線部分を覆う光非透過領域６１（十字形となる。）を形成すれば良い。
　なお、上述した実施形態では、入射光を４分割したが、例えば３分割する構成とすることも可能である。３分割する場合には、例えば光分割用ミラーとして正三角錐を用いれば良い。
　以上述べた様に、本実施形態による立体画像撮像装置は、単眼の撮影レンズと、該撮影レンズを通して入射してくる被写体からの入射光の光路上に置かれ該入射光を光軸に対し任意の垂直線と該垂直線に対し直角の垂直線とにより４分割する光分割部と、前記４分割した前記入射光の各々の分割入射光を夫々受光する第１，第２，第３，第４の固体撮像素子と、前記第１，第２，第３，第４の各固体撮像素子の出力信号を画像処理し立体画像を構成する前記被写体の立体画像データを生成する画像処理部とを備えることを特徴とする。
　また、実施形態の立体画像撮像装置は、前記４分割する２本の前記垂直線を境界線とし該境界線の上の前記入射光の前記第１，第２，第３，第４の固体撮像素子への入射を阻止する視差分離部を備えることを特徴とする。
　また、実施形態の立体画像撮像装置は、前記境界線上の前記阻止する幅を制御する制御部を備えることを特徴とする。
　また、実施形態の立体画像撮像装置の前記制御部は、撮影条件に応じて前記阻止する幅を調整することを特徴とする。
　また、実施形態の立体画像撮像装置の前記制御部は、Ｆ値が小さいほど又は撮影シーンが明るいほど又は撮影レンズの焦点距離が短いほど前記幅を広くし、Ｆ値が大きいほど又は撮影シーンが暗いほど又は撮影レンズの焦点距離が長いほど前記幅を狭くすることを特徴とする。
　また、実施形態の立体画像撮像装置の前記視差分離部は前記光分割部の前段に置かれた液晶シャッタで構成され、該液晶シャッタの中央に十字形に形成された光非透過領域で前記境界線上の前記入射光をカットすることを特徴とする。
　また、実施形態の立体画像撮像装置の前記光分割部は頂点が前記被写体の方向に向けられた正四角錐形状の反射ミラーで形成されることを特徴とする。
　また、実施形態の立体画像撮像装置は、９０度に開いた２枚のミラーの先端縁を突き合わして構成した第１の光２分割用ミラーと、該第１の光２分割用ミラーの前記２枚のミラーの夫々に対して対面する第２，第３の光２分割用ミラーであって夫々が９０度に開いた２枚のミラーの先端縁を突き合わして構成した第２，第３の光２分割用ミラーとで前記光分割部が構成されることを特徴とする。
　また、実施形態の立体画像撮像装置の前記光分割部と前記視差分離部とは一体成形され、前記光分割部は頂点が前記被写体の方向に向けられた正四角錐形状の反射ミラーで形成され、該正四角錐形状の４本の稜線の部分が所要幅に渡って反射率可変制御されることで前記視差分離部が構成されることを特徴とする。
　また、実施形態の立体画像撮像装置の前記光分割部と前記視差分離部とは一体成形され、前記光分割部は頂点が前記被写体の方向に向けられた正四角錐形状の反射ミラーで形成され、該正四角錐形状の４枚の側面の反射ミラーが分離して構成され４枚の反射ミラー間が離間制御され反射ミラー間の隙間で前記視差分離部が構成されることを特徴とする。
　以上述べた実施形態によれば、カメラを横置きにして被写体を撮像してもカメラを縦置きで被写体を撮像しても被写体の立体画像を撮像することが可能となる。
　本発明の立体画像撮像装置は、単眼式で４視点からの被写体画像を撮像することができ、カメラを縦置き，横置きのいずれにしても立体画像を撮像することが可能となり、低コストな立体画像撮像装置に適用すると有用である。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１１年３月２日出願の日本出願（特願２０１１－４５５４５）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
１０　デジタルカメラ（立体画像撮像装置）
１１　筐体
１２　撮影レンズ
２１　リレーレンズ
２２　平行光
２３，６３　視差分離手段
２４　光分割用ミラー
２４ａ～２４ｄ，６５ａ～６５ｄ　反射面
２７ａ～２７ｄ　固体撮像素子
４０　ＣＰＵ
４２　画像処理部
５１　デバイス制御部
６１　光非透過領域
７２　隙間

Claims (10)

  1. 　単眼の撮影レンズと、
    　該撮影レンズを通して入射してくる被写体からの入射光の光路上に置かれ該入射光を光軸に対し任意の垂直線と該垂直線に対し直角の垂直線とにより４分割する光分割部と、
    　前記４分割した前記入射光の各々の分割入射光を夫々受光する第１，第２，第３，第４の固体撮像素子と、
    　前記第１，第２，第３，第４の各固体撮像素子の出力信号を画像処理し立体画像を構成する前記被写体の立体画像データを生成する画像処理部とを備える立体画像撮像装置。
  2. 　請求項１に記載の立体画像撮像装置であって、
    　前記４分割する２本の前記垂直線を境界線とし該境界線の上の前記入射光の前記第１，第２，第３，第４の固体撮像素子への入射を阻止する視差分離部を備える立体画像撮像装置。
  3. 　請求項２に記載の立体画像撮像装置であって、
    　前記境界線上の前記阻止する幅を制御する制御部を備える立体画像撮像装置。
  4. 　請求項３に記載の立体画像撮像装置であって、
    　前記制御部は、撮影条件に応じて前記阻止する幅を調整する立体画像撮像装置。
  5. 　請求項４に記載の立体画像撮像装置であって、
    　前記制御部は、Ｆ値が小さいほど又は撮影シーンが明るいほど又は撮影レンズの焦点距離が短いほど前記幅を広くし、Ｆ値が大きいほど又は撮影シーンが暗いほど又は撮影レンズの焦点距離が長いほど前記幅を狭くする立体画像撮像装置。
  6. 　請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の立体画像撮像装置であって、
    　前記視差分離部は前記光分割部の前段に置かれた液晶シャッタで構成され、該液晶シャッタの中央に十字形に形成された光非透過領域で前記境界線上の前記入射光をカットする立体画像撮像装置。
  7. 　請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の立体画像撮像装置であって、
    　前記光分割部は頂点が前記被写体の方向に向けられた正四角錐形状の反射ミラーで形成される立体画像撮像装置。
  8. 　請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の立体画像撮像装置であって、
    　９０度に開いた２枚のミラーの先端縁を突き合わして構成した第１の光２分割用ミラーと、該第１の光２分割用ミラーの前記２枚のミラーの夫々に対して対面する第２，第３の光２分割用ミラーであって夫々が９０度に開いた２枚のミラーの先端縁を突き合わして構成した第２，第３の光２分割用ミラーとで前記光分割部が構成される立体画像撮像装置。
  9. 　請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の立体画像撮像装置であって、
    　前記光分割部と前記視差分離部とは一体成形され、前記光分割部は頂点が前記被写体の方向に向けられた正四角錐形状の反射ミラーで形成され、該正四角錐形状の４本の稜線の部分が所要幅に渡って反射率可変制御されることで前記視差分離部が構成される立体画像撮像装置。
  10. 　請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の立体画像撮像装置であって、
    　前記光分割部と前記視差分離部とは一体成形され、前記光分割部は頂点が前記被写体の方向に向けられた正四角錐形状の反射ミラーで形成され、該正四角錐形状の４枚の側面の反射ミラーが分離して構成され４枚の反射ミラー間が離間制御され反射ミラー間の隙間で前記視差分離部が構成される立体画像撮像装置。
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