立體成像設備的制作方法

專利名稱：立體成像設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及拍攝立體圖像的立體成像設備，并且更具體地涉及調節作為用于立體圖像進行成像的多個透鏡的透鏡之間的距離的基線長度的技術。
背景技術：
近年來，用于可以拍攝3D(立體)圖像的攝像機(立體成像設備)的需要已經變得很強烈。作為立體圖像的成像方法，知道使用半反射鏡進行拍攝的分光器方法(半反射鏡法)、使用物理上并排布置的兩個成像設備進行拍攝的并排方法(并排雙眼法)等。在這些拍攝方法中，成像設備安裝在稱為架臺(Rig)的基座上進行拍攝，并且安裝成像設備的自由度更高。例如，用于拍攝立體圖像的兩個透鏡的透鏡之間的距離(基線長度；以下稱為 IAD 軸間距離)、會聚、視角等可以以高的自由度選擇。然而，在自由度高的同時，存在這樣的問題因為設備安裝在架臺上，所以對于每次拍攝進行設置和調整需要很多的精力和時間。此外，存在這樣的問題用于分光器方法的架臺尺寸很大，不適合在現場和采訪拍攝。為了解決這些問題，用于通過并排方法進行拍攝的兩個2D視頻拍攝攝像機結合在一個殼體中以形成集成的雙眼3D攝像機。具有這種構造的集成的雙眼3D攝像機不必組裝或者對準的調整。此外，攝像機緊湊，并容易在現場和采訪中進行拍攝時攜帶，并具有在短時間設置之后迅速地開始拍攝的優點。然而，集成的雙眼3D攝像機基本上根據并排方法，并且IAD的調整受到限制。艮口， 雙眼的各個光學系統和成像器物理上彼此干涉，并且難以使IAD比依賴于光學系統和成像器的布置位置而確定的特定距離短。因而，例如，在非常靠近對象進行拍攝的情況下，當對象在顯示器后方幾米處顯示在3D顯示器上時的視差超過當人能舒適地觀看3D圖像時的視
差范圍。作為對象和成像設備非常靠近的情況，例如，可以想到采訪人物的拍攝、體育消息廣播中在后院的拍攝等。在此情況下，對象和成像設備之間的距離約為1至2m，并且會聚點設定為1至an的距離。在此情況下，可以認為用于使視差在人能舒適地觀看3D圖像的范圍內的最有用的IAD是IOmm至40mm。然而，在當前雙眼3D攝像機中，難以在保持圖像品質和功能(即，不減小透鏡的直徑或成像器的尺寸)的同時實現短IAD。在根據以上所述的分光器方法進行拍攝的情況下，兩個成像設備不會物理上彼此干涉，并且能使IAD很短。然而，如上所述，存在對每次拍攝進行設置和調整需要很多精力和時間的問題，并且仍存在該方法不適合于人物采訪拍攝或者體育消息廣播中在后院的拍攝的問題。例如，在專利文件l(JP-A-2003-5313)中，描述了這樣的立體圖像拍攝設備，在攝像機的焦點與雙眼的會聚點一致的情況下能將會聚點調整到任意位置。使用這種設備，在 IAD等于人的瞳孔距離的情況下執行拍攝，并且在近距離拍攝的情況下，可以拍攝具有自然立體感的視頻。

發明內容
然而，在專利文件1描述的構造中，具體地在圖3A和;3B和5A和5B中，為了使會聚點和焦點彼此一致，認為需要將成像光學系統聚焦在無限遠處。在此情況下，在通常拍攝中，即，在恒定地聚焦移動對象的合焦狀態下進行拍攝等，認為短視頻很不自然。例如，當對象前后移動時，拍攝對象本身不向前或向后移動而是周圍的風景前后移動的視頻。即，在專利文件1描述的立體圖像拍攝設備中，存在這樣的問題在不改變屏幕上的位置的情況下不能改變焦點或者在不改變焦點的情況下不能改變屏幕上位置。因而，期望在維持圖像品質和功能的情況下以短基線長度執行立體圖像的拍攝。根據本發明的實施例的立體成像設備包括目標光學系統，其具有將對象成像為實像或者虛像的功能；以及多個成像光學系統，其使用多個獨立光學系統將從目標光學系統的不同路徑出射的多個對象光束再次成像為視差圖像，其中，在目標光學系統將對象成像為實像時的焦距值為正并且目標光學系統將對象成像為虛像時的焦距值為負的情況下， 目標光學系統的焦距(f)和從目標光學系統的后側主點到成像光學系統的前側主點之間的距離(L)設定為滿足以下公式的值|f/(L-f) I 彡 1。根據該構造，實質光瞳(有效光瞳)形成在對象和目標光學系統之間或者在目標光學系統和成像光學系統之間，并且對通過有效光瞳獲得的圖像進行成像。此外，通過將目標光學系統的焦距和從目標光學系統的后側主點到成像光學系統的前側主點的距離(L) 設置為滿足以上所述的公式的值，可以使有效光瞳之間的距離比取決于多個成像光學系統的透鏡之間的距離而確定的實際基線長度短。因而，在不減小透鏡的直徑和成像設備的成像器的尺寸的情況下，在保持圖像品質和功能的同時以更短的基線執行立體圖像的拍攝。


圖1是示出根據本發明的一個實施例的立體成像設備的構造示例的框圖。圖2是示出根據本發明的一個實施例在從對象發射的光線中通過成像光學系統的透鏡的主點的光線行進的路徑的光學路徑圖。圖3A和圖;3B是說明圖，用于說明根據本發明的一個實施例的有效光瞳的形成的原理，并且圖3A是示出其中在從對象的特定點發射的光線中與光軸平行的光線和通過目標光學系統的透鏡的中心的光線行進的路徑的光學路徑圖，并且圖3B是示出從成像光學系統的透鏡的中心發射的光線行進的路徑的光學路徑圖。圖4是示出根據本發明的一個實施例從成像光學系統的透鏡的中心發射的光線中與光軸平行的光線和通過目標光學系統的透鏡的中心的光線行進的路徑的光學路徑圖。圖5A和圖5B是說明圖，用于說明根據本發明的一個實施例的有效IAD的計算方法，并且圖5A是示出通過有效光瞳的光線中與光軸平行的光線的路徑的光學路徑圖，并且圖5B僅僅提取和示出計算圖5A所示的信息的有效IAD所需的部分。圖6A和圖6B是說明圖，用于說明根據本發明的一個實施例的有效光瞳位置的計算方法，并且圖6A是示出從成像光學系統的透鏡的中心發射的光線中與光軸平行的光線的路徑的光學路徑圖，并且圖6B僅僅提取和示出計算圖6A所示的信息的有效光瞳位置所需的部分。圖7A至圖7C是說明圖，示出根據本發明的一個實施例當改變成像光學系統IAD 的寬度時有效IAD的變化，并且圖7A示出當成像光學系統IAD變窄時的示例，圖7B示出了當成像光學系統IAD比圖7A所示更長時的示例，并且圖7C示出了當成像光學系統IAD比圖7B所示更長時的示例。圖8A至圖8C是說明圖，示出當從目標光學系統的后側主點到成像光學系統的前側主點的距離變化時的有效IAD的變化，圖8A示出了當從目標光學系統的后側主點到成像系統的前側主點的距離變寬時的示例，圖8B示出了當從目標光學系統的后側主點到成像光學系統的前側主點的距離變得比圖8A所示更窄時的示例，并且圖8C示出了當從目標光學系統的后側主點到成像光學系統的前側主點的距離變得比圖8B所示更窄時的示例。圖9A至圖9C是說明圖，示出根據本發明的一個實施例當目標光學系統的焦距變化時的有效IAD的變化，圖9A示出了當焦距變窄時的示例，圖9B示出了當焦距變得比圖9A 所示更寬時的示例，并且圖9C示出了當焦距變得比圖9B所示更寬時的示例。圖10是示出根據本發明的一個實施例當對象沿著光軸方向移動時從對象發射并通過成像光學系統的透鏡的中心的光線通過的光學路徑圖。圖11是示出根據本發明的一個實施例的修改示例的立體成像設備的構造示例的框圖。圖12是示出根據本發明的一個實施例的修改示例從對象發射的光線中通過成像光學系統的透鏡的主點的光線行進的光學路徑圖。圖13A和圖1 是說明圖，用于說明根據本發明的一個實施例的修改示例的有效光瞳的形成的原理，并且圖13A是其中從對象的特定點發射的光線中與光軸平行的光線和通過目標光學系統的透鏡的中心的光線行進的路徑的光學路徑圖，并且圖13B是示出從成像光學系統的透鏡中心發射的光線行進的路徑的光學路徑圖。圖14是示出根據本發明的一個實施例的修改示例在從成像光學系統的透鏡的中心發射的光線中與光軸平行的光線和通過目標光學系統的透鏡的中心的光線行進的光學路徑圖。圖15A和圖15B是說明圖，用于說明根據本發明的一個實施例的修改示例的有效 IAD的計算方法，并且圖15A是示出在通過有效光瞳的光線中與光軸平行的光線的路徑的光學路徑圖，并且圖15B僅僅提取和示出計算圖15A所示的信息的有效IAD所需的部分。
具體實施例方式以下，將說明用于實施本發明的實施例。將以下列順序進行說明。1.立體成像設備的構造示例2.各種修改示例1.立體成像設備的構造示例立體成像設備的總構造示例圖1示出了根據本發明第一實施例的立體成像設備的構造示例。立體成像設備1 包括具有將對象S成像為實像的功能的目標光學系統10，以及兩個成像光學系統20a、20b， 其分別將從目標光學系統10的不同路徑出射的多個對象光束再次成像為視差圖像。在實施例中，凸透鏡用于目標光學系統10。注意，在圖1所示的示例中，為了容易理解說明，目標光學系統10是具有焦距f的薄透鏡，成像光學系統20a、20b分別包括薄透鏡201a、201b 和成像器2(^a、202b。實際目標光學系統10包括多個或者多組透鏡、濾光器、光圈、透鏡驅動機構等。此外，除了這些機構，可以提供縮放功能、聚焦功能和其他功能。成像光學系統 20a、20b還實際上包括多個或者多組透鏡、濾光器、光圈、透鏡驅動機構等，并可以具有縮放功能、聚焦功能和其他功能。在圖1所示的構造中，目標光學系統10和成像光學系統20a、 20b布置成使得目標光學系統10的光軸Al和各個成像光學系統20a、20b的光軸A2a、A2b 可以存在相同的平面上。立體成像設備中的有效IAD的形成示例接著，將參照圖2描述形成在立體成像設備1中的實質IAD(以下稱為“有效 IAD”)。圖2是示出其中從對象S發射的光線中通過成像光學系統20a、20b的透鏡的主點的光線行進的路徑的光學路徑圖。允許從對象S發射的光束進入目標光學系統10，然后由兩個成像光學系統20a、20b引導，并成像在成像器20 和202b上，并分別形成視差圖像。 在此方面，考慮通過成像光學系統20a的透鏡的前側主點fH20a的光線和通過成像光學系統20b的透鏡的前側主點fH20b的光線。例如，通過成像光學系統20a的主點fH20a的光線組是由虛線所示的上光線，并且通過成像光學系統20b的主點fH20b的光線是由實線所示的下光線。此外，虛線所示的光線和實線所示的光線分別通過虛擬地存在于對象S和目標光學系統10之間的兩個有效的光瞳(以下稱為有效光瞳EP)。然后，從有效光瞳EP的位置看見的對象S成像在成像光學系統20a的成像器20 和成像光學系統20b的成像器 202b上。即，這兩個有效光瞳EP之間的距離(以下稱為“有效IADed”)是立體成像設備1 中的實質IAD。在對象S和目標光學系統10之間形成有效光瞳EP的原理將在下文參照圖 3A、3B和4描述。有效IADed由下列公式表示。ed = f/(L-f) Xd...(公式 1)在公式1中，“f”是目標光學系統10的焦距，“L”是從目標光學系統10的后側主點rHIO到成像光學系統20a的前側主點fH20a和成像光學系統20b的前側主點fH20b的距離。注意，當光學系統理想化為圖2所示的薄透鏡時，在前側主點和后側主點之間沒有區別，并且前側主點和后側主點與主點一致。此外，“d”是取決于成像光學系統20a和成像光學系統20b的布置位置而確定的IAD，并且一般是指成像光學系統的前側主點之間的距離， 即，成像光學系統20a和成像光學系統20b的前側主點fH20a和fH20b之間的距離。例如，目標光學系統10的焦距f是70mm，并且距離L是370mm。此外，成像光學系統20a和成像光學系統20b以目標光學系統10的光軸Al作為對稱軸線分別布置在距離d =60mm處(成像光學系統IADd = 60mm)。在此情況下，有效IADed通過以上公式1計算為14mm。這意味著，與依賴于成像光學系統20a和20b的布置位置而獲得的成像光學系統 IADd(60mm)相比，可以使實質IAD(有效IADed)更短達f/(L_f)倍(14mm)。因而，通過將目標光學系統10的焦距f和距離L設定為滿足以下公式2的值，有效IADed可以比依賴于成像光學系統20a和20b的布置位置而獲得成像光學系統IADd更短。注意，以下公式的前提是凸透鏡用作目標光學系統10的透鏡，并且其焦距f是正的(f > 0)。
f/(L-f)≤ 1···(公式 2)立體成像設備中有效光瞳的形成原理接著，在立體成像設備1中，將參照圖3AJB和4說明對象S和目標光學系統10 之間的有效光瞳的假想形成的原理。首先，將參照圖3A說明由目標光學系統10形成的空間圖像S’，然后將參照圖;3B說明從對象S到成像器20^^202b)的光線路徑。然后，參照圖 4說明有效光瞳的形成機制。(1)關于空間圖像如圖3A所示，從對象S發射的光束通過目標光學系統10，并再次成像，由此，空間圖像S’形成在目標光學系統10和成像光學系統20a、20b之間。空間圖像S’可以被看成為似乎在其位置有物體，并可以從成像光學系統20a、20b的透鏡的視點看見空間圖像S’。 通過考慮從對象S的特定點發射的光線中與光軸Al平行的光線和通過目標光學系統10的透鏡的中心的光線的兩個光線而被容易地理解形成空間圖像S’的原理。從對象S的特定點輸出的光線中與光軸Al平行的光線在通過透鏡之后由于目標光學系統10的透鏡的性質而變成通過目標光學系統10的焦點F的光線。另一方面，通過目標光學系統10的透鏡的中心的光線由于透鏡的性質而沒有變化地直線前進。然后，這兩個光線再次在另一點處交叉。交叉點是與已經發射光線的對象S對應的空間圖像S’中點。(2)從對象到成像光學系統的成像器的光線路徑如在圖:3B所示，如果光線從成像光學系統20a、20b的透鏡的中心發射，則從對象 S發射的光線沿著與那些光線的路徑相同的路徑行進。因而，通過從成像光學系統20a、20b 的透鏡的中心考慮而容易理解路徑。在圖3B所示的示例中，將從成像光學系統20a的透鏡的中心發射的光線行進的路徑作為示例進行說明。從成像光學系統20a的透鏡的中心發射的光線通過空間圖像S’的特定點，然后到達目標光學系統10的透鏡，并朝著對象S的與 “空間圖像S’的特定點”對應的特定點行進。從成像光學系統20a的透鏡的中心到成像器 202a的光線可以通過將通過成像光學系統20a的透鏡中心的光線不變化地延長到成像器 202a的位置而獲得。(3)關于有效光瞳隨后，將參照圖:3B說明有效光瞳EP的形成的原理。對通過空間圖像S’的其他點的光線執行如上所述的從對象S到成像光學系統20a的成像器20 的光線路徑的形成。然后，知道從成像光學系統20a的透鏡中心發射的光線在通過目標光學系統10之后再次在特定點處交叉。此點是有效光瞳EP。有效光瞳EP是要通過成像光學系統20a的透鏡中心的所有光線通過的點。因而，在成像光學系統20a的成像器20 的成像表面上成像的圖像是與使用有效光瞳EP作為光瞳進行拍攝的圖像等價的圖像。即，通過使用根據本實施例的立體成像設備1對對象S進行成像，能獲得與布置在有效光瞳EP的位置的攝像機拍攝的圖像相同的圖像。還可以通過考慮從成像光學系統20a的透鏡中心發射的光線中與光軸Al平行的光線和通過目標光學系統10的透鏡中心的光線還獲得形成有效光瞳EP的位置。如上所述， 如果光線從成像光學系統20a的透鏡的中心發射，則從對象S發射的光線沿著與那些光線行進的路徑相同的路徑行進。這意味著，如果發光點布置在成像光學系統20a的透鏡中心處，從該點發射的所有的光線通過有效光瞳EP。即，有效EP是成像光學系統20a的“透鏡的影子”或者“空間圖像”。因而，如圖4所示，可知有效EP在從成像光學系統20a的透鏡中心發射的光線中與光軸Al平行的光線和通過目標光學系統10的透鏡中心的光線再次交叉的點處形成。有效IAD的計算方法如上所述，有效光瞳EP是從對象S朝著成像光學系統20a (20b)的透鏡中心的所有光線通過的點。這些光線包括與光軸Al平行的光線。為了獲得有效IADed，容易理解對與光軸Al平行的光線的考慮。在圖5A中，通過有效光瞳EP的光線中與光軸Al平行的光線的路徑由虛線示出。通過有效光瞳EP的光線中與光軸Al平行的光線通過目標光學系統 10的透鏡，然后，由于透鏡的性質而朝著目標光學系統10的透鏡的焦點F行進。已經通過焦點F的光線根據有效光瞳EP的定義朝著成像光學系統20a、20b的各個透鏡的中心行進。圖5B僅僅提取獲得圖5A所示的信息的有效IADed所需的特征部分。在附圖中，示出形狀彼此類似的兩個三角形。一個是陰影較大的三角形，具有作為成像光學系統20a、20b 的各個透鏡之間的距離的成像光學系統IADd的底邊和(距離L-目標光學系統焦距f)的高度。另一個是陰影較小的三角形，其具有作為兩個有效光瞳EP之間的距離的有效IADed 的底邊以及目標光學系統10的焦距f的高度。這兩個三角形彼此具有類似的形狀，并且由于它們的性質它們由以下公式表示。有效IADed 成像光學系統IADd=目標光學系統焦距f距離L-目標光學系統焦距f因而，計算edX (L-f) = fXd，并且ed = f/ (L-f) Xd...公式(1)可以使用目標光學系統10的透鏡的焦距f、成像光學系統IADd和有效IADed來計算光軸方向上有效光瞳EP的位置。圖6A示出了從成像光學系統20a、20b的各個透鏡中心發射的光線中與光軸A平行的光線的路徑。從成像光學系統20a的透鏡的中心發射的光線和從成像光學系統20b的透鏡的中心發射的光線到達目標光學系統10的透鏡，并通過透鏡，并變成通過目標光學系統10的焦點F的光線。然后，在通過焦點F之后，光線分別通過兩個有效光瞳EP，并朝著對象S (未示出)行進。圖6B僅僅提取獲得圖6A所示的信息中有效光瞳的光軸方向上的位置所需的特征部分。在附圖中，示出彼此具有類似形狀的兩個三角形。一個是陰影較大的三角形，其具有成像光學系統IADd的底邊和有效光瞳目標光學系統焦距f的高度。另一個是陰影較小的三角形，其具有有效IADed的底邊和從焦點F到有效光瞳EP的距離(以下稱為“有效光瞳位置EPd”)的高度。這兩個三角形彼此具有類似的形狀，并且由于它們的性質它們由以下公式表示。有效IADed 成像光學系統IADd=有效光瞳位置EPd目標光學系統焦距f因而，計算edXf = dXEPd,并且Epd= (edXf)/d...公式(3)接著，將參照圖7A至圖9C說明根據本實施例的立體成像設備1的有效IADed的形成示例。有效IADed可以使用以上所述的公式1計算。即，通過改變目標光學系統焦距 f、距離L和成像光學系統IADd，可以改變有效IADed。即，通過改變這些參數，可以實現具有任意長度的有效IADed。圖7A至圖7C示出了當通過改變成像光學系統IADd (成像光學系統20a、20b的各個透鏡之間的距離)而改變有效IADed的寬度(長度)時的示例。相同的符號賦予給與圖 2中的部件對應的部件，并且它們詳細的說明將省略。圖7A示出了當成像光學系統IADd設定較窄(設定到圖1至圖6B所示的寬度)的示例，并且圖7B示出當使成像光學系統IADd 比圖7A所示的寬時的示例。圖7C示出了當使成像光學系統IADd比圖7B所示的寬的示例。 如圖7A至圖7C所示，可知成像光學系統IADd越寬，有效IADed越寬。圖8A至圖8C示出了當通過改變距離L(從目標光學系統10的后側主點rHIO到成像光學系統20a (20b)的前側主點fH20a(fH20b)的距離)而改變有效IADed的寬度時的示例。相同的符號賦予給與圖2中的部件對應的部件，并且將省略它們詳細的說明。圖8A 示出了當距離L較寬時的示例，而圖8B示出了當使距離L比圖8A示出的距離短時的示例。 此外，圖8C示出了當使距離L比圖8B所示的距離短時的示例。如在圖8A至圖8C所示，可知距離L越短，有效IADed越寬。注意，如在圖8C所示，通過設定距離L(和焦距f)以滿足f/(L_f) > 1，能使有效 IADed比成像光學系統IADd寬。例如，目標光學系統10的焦距是70mm，距離L是105mm， 并且成像光學系統IADd是60mm。在此構造的情況下，成像光學系統IADd通過上述公式1 計算為120mm。即，與依賴于成像光學系統20a和20b的布置位置而獲得的成像光學系統 IADd(60mm)相比，可以使有效IADed長達f/(L_f)倍。圖9A至圖9C示出了有效IADed通過改變目標光學系統10的焦距f而改變的示例。焦距f可以通過使用具有不同焦距f的透鏡和使用縮放透鏡而改變。在圖9A至圖9C 中，相同的符號賦予給與圖2中的部件對應的部件，并且將省略它們的詳細描述。圖9A示出了當焦距f較窄時的示例，并且圖9B示出了當焦距f比圖9A中的長的示例。此外，圖9C 示出了當焦距f長于圖9B所示的焦距f時的示例。如圖9A至圖9C所示，可知目標光學系統10的透鏡的焦距f越長，有效IADed越寬。如上所述，根據本實施例的立體成像設備1，通過選擇目標光學系統10的焦距f、 與成像光學系統20a、20b的位置相關的參數(距離L)和成像光學系統IADd，可以選擇立體成像設備1的實質IAD。因而，可以提高立體成像設備1的設計的自由度。此外，通過將目標光學系統10的透鏡的焦距f和距離L設定為滿足公式2的值， 可以使實質IAD (有效IADed)比依賴于成像光學系統20a和20b的布置位置而確定的實際 IAD (成像光學系統IADd)短。因而，一個屏幕內的視差范圍可以限制在固定范圍內。由此， 不拍攝對觀看者施加大的負擔的內容，諸如從屏幕飛出量和深度量大的內容和具有在場景改變時改變較大的視差的內容。因而，可以降低觀看內容的觀看者感覺到的眼睛過度緊張和一般疲勞的不舒適。此外，可以容易地實現執行近距離拍攝時最頻繁使用的從IOmm到 40mm的重要IAD。此外，可以在不使成像光學系統20a和20b的布置位置靠近的情況下使立體成像設備1的有效IADed較短，因而，不必降低成像器的尺寸或者安裝具有小直徑的透鏡。艮口， 在不惡化攝像機主體的性能(諸如分辨率和靈敏度)的情況下可以使立體成像設備1的有效IADed較短。因而，即使在難以降低透鏡之間距離的并排方法和集成方法的立體成像設備中，可以容易地執行以更短的IAD進行的拍攝。此外，通過設定目標光學系統10的透鏡的焦距f和距離L以滿足f/(L_f) > 1， 能使有效IADed比成像光學系統IADd更寬。根據此構造，即使在可僅僅具有物理上窄的 IAD (諸如內診鏡)的設備中，例如，可以拍攝具有更有立體感的視頻。此外，形成在立體成像設備1中的有效光瞳EP是從對象S朝著成像光學系統20a、 20b的透鏡中心的所有光線通過的點。因而，例如，即使當對象S如圖10所示從位置A朝著位置B移動，從位置B的對象S的位置發射并通過成像光學系統20a、20b的透鏡中心的所有光線通過有效光瞳EP。由此，即使當對象S可移動時，可以拍攝與當攝像機布置在有效光瞳位置EPd時相同的移動圖像。因而，能附加地提供將成像光學系統20a、20b的焦點(焦點位置)移動到有限距離內的期望位置并控制焦點的功能。因而，例如，可以以連動的方式控制兩個成像光學系統20a、20b的焦距，并且可以恒定地聚焦在移動物體S上來執行拍攝。 通過執行拍攝，可以拍攝通常自然的圖像，其中顯示屏幕上的對象S與對象S的移動一致地前后移動。此外，根據本實施例的立體成像設備1，與專利文件1所示的技術不同，不必恒定地將會聚點和焦點彼此一致。因而，可以通過成像光學系統20a(20b)或者目標光學系統10 調整會聚點，可以通過成像光學系統20a(20b)或者目標光學系統10調整焦點，并且可以通過成像光學系統20a(20b)或者目標光學系統10調整視角。即，可以通過分別調整目標光學系統10和成像光學系統20a(20b)來設定用于拍攝的參數。2.各種修改示例在以上描述的實施例中，已經描述了其中設置兩個成像光學系統的示例。然而，可以提供多個成像光學系統。例如，如圖11所示，可以提供三個成像光學系統，如成像光學系統20a、20b、20c。此外，可以布置目標光學系統10和成像光學系統20a、20b、20c，使得目標光學系統的光軸Al和成像光學系統20a、20b、20c的各個光軸Ah、A2b、A2c可以存在不同的平面上。根據該構造，可以獲得豎直方向上的視差信息，并且例如，可以執行當假定立體的觀看者以躺下等的姿勢觀看圖像時的拍攝。此外，在以上描述的實施例中，已經描述了其中凸透鏡用于目標光學系統10的透鏡的示例用于說明，然而，可以使用凹透鏡。將參照圖12至15B說明使用凹透鏡的構造示例。圖12示出當凹透鏡用于目標光學系統時的立體成像設備的構造示例。在圖12中，相同的符號賦予給與圖2中的部件對應的部件，并將省略它們的詳細說明。在圖12所示的示例中，凹透鏡用作目標光學系統10 α的透鏡，并且焦距f形成在更靠近對象S的一側。因而，有效光瞳EP形成在目標光學系統10 α與成像光學系統20a和成像光學系統20b之間。圖13A和13B是用于說明在使用凹透鏡的立體成像設備Ia中在目標光學系統 IOa和成像光學系統20a、20b之間的有效光瞳EP的形成原理的圖。在圖13A和1 中，相同的符號賦予給與圖3A和圖;3B中的部件對應的部件，并將省略它們詳細的說明。在凹透鏡用作目標光學系統的情況下，虛像V形成在對象S和目標光學系統IOa之間。如參照圖 3A和圖;3B進行說明的情況那樣，通過考慮從對象S的特定點發射的光線中與光軸Al平行的光線和通過目標光學系統IOa的透鏡的中心的光線這兩個光線而容易理解其中形成虛像V的位置。如圖13A所示，虛像V形成在其中輔助線aL和通過目標光學系統IOa的透鏡的中心的光線交叉的位置處，該輔助線從與光軸Al平行的光線與目標光學系統10 α的透鏡相交的點朝著目標光學系統10 α的焦點F引出。圖1 示出了其中從成像光學系統20b的透鏡的中心發射的光線行進的路徑。從成像光學系統20b的透鏡中心發射的實際光線朝著對象S沿著實線所示的路徑行進。另一方面，當從成像光學系統20b的透鏡上的視點看去時的可見光線通過目標光學系統IOa， 然后，朝著虛像V沿著虛線所示的輔助線aL所示的路徑行進。此外，可見光線必定沿著與目標光學系統ΙΟα相反的方向通過在輔助線aL的延長的位置處的有效光瞳ΕΡ。S卩，形成在成像光學系統20b的成像器202b上的視頻相當于使用有效光瞳EP作為瞳孔拍攝的視頻。此外，即使在使用凹透鏡的情況下，通過考慮從成像光學系統20b的透鏡中心發射的光線中與光軸Al平行的光線和通過目標光學系統10 α的透鏡的透鏡中心的光線可以獲得其中形成有效光瞳EP的位置。圖14示出了其中從成像光學系統20b的透鏡的中心發射的光線行進的路徑。在圖14中，相同的符號賦予給與圖4中的部件對應的部件，并將省略其詳細的說明。在圖14中，目標光學系統10 α的焦點F和與光軸Al平行的光線與目標光學系統IOa的透鏡碰撞的點之間的輔助線aL由虛線示出。此外，有效光瞳EP形成在從成像光學系統20b的透鏡的中心發射并由實線示出的光線與輔助線aL交叉的位置處。這意味著如果發光點布置在成像光學系統20b的透鏡中心處，從該點發射的所有光線通過有效光瞳EP。即，有效光瞳EP是成像光學系統20b的“透鏡的影子”或者“虛像”。圖15A和15B是用于說明當凹透鏡用于目標光學系統10 α時的有效IADed的計算方法的圖。在圖15Α和15Β中，相同的符號賦予給與圖5Α和圖5Β中的部件對應的部件， 并將省略它們的描述。圖15Α示出了來自對象S(未示出)朝著成像光學系統20a(20b)的透鏡中心的光線中與光軸Al平行的光線的路徑。其中光線實際行進的路徑由實線示出，并且從成像光學系統20a和20b的透鏡的視點看去的可見光線由虛線示出。此外，與實線所示的光軸Al平行的光線和由虛線所示的可見光線與目標光學系統10 α碰撞，然后，在兩個點處交叉。兩個點之間的距離是有效IADed。圖15B僅僅提取獲得圖15A所示的信息的有效IADed所需的特征部分。在附圖中， 示出了彼此具有類似形狀的兩個三角形。一個是陰影較大的三角形，其具有作為成像光學系統20a、20b的各個透鏡之間的距離的成像光學系統IADd的底邊和(目標光學系統焦距 f+距離L)的高度。另一個是陰影較小的三角形，其具有有效IADed的底邊和目標光學系統 IOa的焦距f的高度。這兩個三角形彼此具有類似的形狀，并且由于它們的性質它們由下列公式4表示。有效IADed 成像光學系統IADd=目標光學系統焦距f距離L+目標光學系統焦距f此外，由于當使用凹透鏡時的焦距f為負(f <0)，所以計算edX (L+ (-f)) = fXd,并且ed = I f/(L-f) Xd...公式(4)S卩，在使用凸透鏡和使用凹透鏡用于目標光學系統10的透鏡的兩個情況下，可以使用公式(4)計算有效IADed。此外，在使用凸透鏡和使用凹透鏡用于目標光學系統10的透鏡的兩個情況下，通過設置目標光學系統10的焦距f和距離L以滿足以下公式5，可以使有效IADed比實際成像光學系統IADd短。
|f/(L-f) I 彡 1···公式(5)以此方式，即使當凹透鏡用于目標光學系統10的透鏡時，可以獲得與當使用凸透鏡時的優點相同的優點。此外，當使用凹透鏡時，因為與使用凸透鏡的情況相比焦距f是負的，對于與當使用凸透鏡時相同的焦距Ifl和相同的成像光學系統IADd，實現相同有效 IADed所需的距離L能變短。因而，立體成像設備Ια可以形成為較小。本公開包含了與在于2010年11月10日向日本專利局提交的日本優先權專利申請JP2010-251750中公開的主題相關的主題，該專利申請的全部內容通過引用而結合于此。本領域的一般技術人員應該理解到取決于設計要求和其他因素，可以進行各種修改、組合、子組合和替換，只要它們在權利要求或者等同物的范圍內即可。
權利要求
1.一種立體成像設備，包括目標光學系統，其具有將對象成像為實像或者虛像的功能；以及多個成像光學系統，其使用多個獨立光學系統將從所述目標光學系統的不同路徑出射的多個對象光束再次成像為視差圖像，其中，在所述目標光學系統將所述對象成像為所述實像時的焦距值為正并且所述目標光學系統將所述對象成像為所述虛像時的焦距值為負的情況下，所述目標光學系統的焦距 (f)和從所述目標光學系統的后側主點到所述成像光學系統的前側主點之間的距離(L)設定為滿足以下公式的值 f/(L-f) I ( 1。
2.根據權利要求1所述的立體成像設備，其中，所述成像光學系統的焦點被設定在有限距離內的預定位置。
3.根據權利要求2所述的立體成像設備，其中，所述目標光學系統和所述成像光學系統被布置成使得它們的光軸位于相同的平面上。
4.一種立體成像設備，包括目標光學系統，其具有將對象成像為實像的功能；以及多個成像光學系統，其使用多個獨立光學系統將從所述目標光學系統的不同路徑出射的多個對象光束再次成像為視差圖像。
5.根據權利要求4所述的立體成像設備，其中，所述成像光學系統的焦點被設定在有限距離內的預定位置。
6.根據權利要求5所述的立體成像設備，其中，所述目標光學系統和所述成像光學系統被布置成使得它們的光軸位于相同的平面上。
全文摘要
本發明公開一種立體成像設備，包括目標光學系統，其具有將對象成像為實像或者虛像的功能；以及多個成像光學系統，其使用多個獨立光學系統將從目標光學系統的不同路徑出射的多個對象光束再次成像為視差圖像，其中，在目標光學系統將對象成像為實像時的焦距值為正并且目標光學系統將對象成像為虛像時的焦距值為負的情況下，目標光學系統的焦距(f)和從目標光學系統的后側主點到成像光學系統的前側主點之間的距離(L)設定為滿足以下公式的值|f/(L-f)|≤1。
文檔編號G02B27/22GK102566248SQ201110348448
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月3日 優先權日2010年11月10日
發明者山田正裕, 青木直 申請人:索尼公司