照明光学系及びそれを備える３次元映像取得装置
【課題】照明光学系及びそれを備える３次元映像取得装置を提供する。
【解決手段】３次元映像取得装置の撮影視野と一致する照明視野を提供するために、所定の断面形状を有するビーム成形素子を含む３次元映像取得装置用の照明光学系。ビーム成形素子は、その断面形状により照明光の形状を調節できる。したがって、３次元映像取得装置の撮影視野に照明光を集光させることにより、被写体からの反射光の光量を増大させて深さ情報の正確性が向上する。また、ビーム成形素子は、光の散乱や吸収なしに照明光を均質化できるため、スペックルノイズを効率的に抑制できる。
【解決手段】３次元映像取得装置の撮影視野と一致する照明視野を提供するために、所定の断面形状を有するビーム成形素子を含む３次元映像取得装置用の照明光学系。ビーム成形素子は、その断面形状により照明光の形状を調節できる。したがって、３次元映像取得装置の撮影視野に照明光を集光させることにより、被写体からの反射光の光量を増大させて深さ情報の正確性が向上する。また、ビーム成形素子は、光の散乱や吸収なしに照明光を均質化できるため、スペックルノイズを効率的に抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学系及びこれを利用した３次元映像取得装置に関し、さらに詳細には、取得される深さ情報の正確性が向上するように３次元映像取得装置の撮影視野と一致する照明視野を有する照明光学系及び、これを利用した３次元映像取得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、深さのある映像を表示できる３Ｄディスプレイ装置の進歩及びニーズの増加と共に３Ｄコンテンツの重要性が高まっている。これにより、一般ユーザが３Ｄコンテンツを直接製作できる３Ｄカメラなどの３次元映像取得装置が研究されている。このような３Ｄカメラは、一回の撮影により既存の２次元カラー映像情報と共に深さ（ｄｅｐｔｈ）情報も取得できるものでなければならない。
【０００３】
被写体の表面と３Ｄカメラ間の距離に関する深さ情報は、２台のカメラを利用した両眼立体視（Ｓｔｅｒｅｏ Ｖｉｓｉｏｎ）方法や、構造光とカメラを利用した三角測量法を利用して取得する。しかし、このような方法は、被写体の距離が遠ざかるほど、深さ情報の正確性が急激に低下し、被写体の表面状態に依存するため正確な深さ情報の取得が困難である。
【０００４】
このような問題を改善するためにタイムオブフライト法（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）が導入された。ＴＯＦ技術は、照明光を被写体に照射した後、被写体から反射される光が受光部において受光されるまでの光飛行時間を測定する方法である。ＴＯＦ技術によれば、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）を含む照明光学系を利用して特定波長の光（例えば、８５０ｎｍの近赤外線）を被写体に照射し、被写体から反射された光を受光部において受光した後、既知の利得波長を有する変調器により受光された光を変調するなど、深さ情報を抽出するための一連の処理過程を経る。このような一連の光処理過程のために多様なＴＯＦ技術が利用されている。
【０００５】
このように照明光学系を利用して光を被写体に照射し、反射光を利用して距離を測定する場合に、３Ｄカメラに入射される反射光の光量が増加するほど、深さ情報の正確性が向上する。これは、３Ｄカメラの深さ情報抽出のための信号処理過程において、信号対ノイズ比は入射される光量に比例するためであり、信号対ノイズ比が大きいほど、取得される深さ情報の正確性が向上するためである。ところが、一般的に３Ｄカメラの撮影視野と照明光学系の照明視野とが異なるため、照明光の相当部分が深さ情報の抽出に使われずに浪費される。したがって、３Ｄカメラに入射される反射光の光量が最大となるように照明光学系を効率的に設計する必要がある。
【０００６】
また、３Ｄカメラにより取得される深さ情報の正確性を向上させるためには、単一波長を有するＬＤ、ＬＥＤなどの可干渉性（ｃｏｈｅｒｅｎｔ）光源を使用することが有利である。ところが、可干渉性光源は被写体から反射される時にスペックルノイズが存在して、撮影された映像の品質を劣化させる虞がある。このようなスペックルノイズを除去するためにすりガラスなどの拡散板を使用できるが、この場合、拡散板による光の散乱及び吸収によって深さ情報の正確性が低下する虞もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、３次元映像取得装置により取得される深さ情報の正確性を向上させる照明光学系を提供することを目的とする。
【０００８】
また本発明は、スペックルノイズを効率的に抑制できる照明光学系を提供することを目的とする。
【０００９】
また本発明は、前述した照明光学系を含む３次元映像取得装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、光源と、前記光源から放出された光を均質化して所定のビーム断面形状を有する光を放出させるビーム成形素子と、前記ビーム成形素子から放出された光をフォーカシングするレンズ装置と、を備える３次元映像取得装置用の照明光学系が提供される。
【００１１】
前記ビーム成形素子から放出された光のビーム断面形状は、前記ビーム成形素子の光出射面の断面形状と同一である。
【００１２】
前記照明光学系は、前記光源と前記ビーム成形素子との間に配置されて、前記光源から放出された光を前記ビーム成形素子の光入射面に案内するマッチングレンズをさらに含む。
【００１３】
本発明の一実施形態において、前記ビーム成形素子の光入射面及び光出射面にそれぞれ反射防止コーティングが形成されている。
【００１４】
本発明の一実施形態において、前記ビーム成形素子の内周面に反射コーティングが形成されており、前記ビーム成形素子の光入射面に入射した光は、前記反射コーティングにより反射されつつ前記ビーム成形素子の光出射面に向かって進む。
【００１５】
前記ビーム成形素子は、例えば、透明な材質からなるインテグレータロッドである。
【００１６】
例えば、前記インテグレータロッドは、長方形の断面を有する。
【００１７】
前記照明光学系は、前記光源から放出された光を前記ビーム成形素子の内部に案内する光導波路をさらに備え、前記光導波路の第１端部は前記光源に連結されており、前記光導波路の第２端部は前記ビーム成形素子の側面に連結されている。
【００１８】
また、前記光導波路の光軸は、前記ビーム成形素子の側面に対して傾いて配置されている。
【００１９】
前記光源は複数の光源を含み、前記光導波路は複数の光導波路を含み、前記複数の光源はそれぞれ、前記複数の光導波路のうちの一つを介して、前記ビーム成形素子に連結されている。
【００２０】
前記ビーム成形素子は長方形の断面を有し、前記ビーム成形素子の４つの側面に、前記光源と前記光導波路とが少なくとも一つずつ配置されている。
【００２１】
前記光源は複数の光源を含み、前記複数の光源と前記ビーム成形素子との間のそれぞれの光路に配置されている複数のマッチングレンズをさらに含む。
【００２２】
前記複数の光源と前記複数のマッチングレンズのうち、少なくとも一つの光源及び少なくとも一つのマッチングレンズの光軸が、前記ビーム成形素子の光入射面に対して傾いている。
【００２３】
前記ビーム成形素子は、光出射面の面積が光入射面の面積より小さくなるようにテーパ形状を有する。
【００２４】
前記光源は複数の光源を含み、前記ビーム成形素子は、前記複数の光源にそれぞれ対応する複数のビーム成形素子を含み、前記複数の光源と前記複数のビーム成形素子との間のそれぞれの光路に配置されている複数のマッチングレンズをさらに含む。
【００２５】
本発明の一実施形態において、前記複数のビーム成形素子は、高さ方向と幅方向のうち少なくとも一方向において互いに隣接するように配置されている。
【００２６】
前記複数のビーム成形素子の幅の和と、前記複数のビーム成形素子の高さの和との比率は、前記所定のビーム断面形状の幅と高さの比率と同一である。
【００２７】
例えば、前記レンズ装置は、ズームレンズである。
【００２８】
また、本発明の他の実施形態によれば、被写体からの映像をフォーカシングする対物レンズと、前記対物レンズによりフォーカシングされた映像を処理して映像信号を生成する映像処理部と、前記被写体を照らす上述した照明光学系と、前記対物レンズ、映像処理部及び照明光学系の動作を制御する制御部と、を備える３次元映像取得装置が提供され、ここで、前記ビーム成形素子の光出射面から放出された光の断面形状は、３次元映像取得装置の撮影視野と比例する。
【００２９】
また、本発明のさらに他の実施形態によれば、照明光学系と、映像を処理して映像信号を生成する映像処理部と、を備える３次元映像取得装置が提供され、ここで、前記照明光学系は、光源と、前記光源から放出された光を均質化して所定のビーム断面形状を有する光を放出させるビーム成形素子と、前記ビーム成形素子から放出された光をフォーカシングするレンズ装置と、を備え、前記所定のビーム断面形状は、前記映像処理部の撮影視野と同一である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態による３次元映像取得装置の構造を例示的に示す概念図である。
【図２】図１に示される照明光学系の本発明の一実施形態による構造を概略的に示す概念図である。
【図３】図２に示される照明光学系のビーム成形素子のＡ−Ａ’断面を概略的に示す断面図である。
【図４】図２に示される照明光学系から放出される照明光の断面形状による光効率の上昇を説明する図面である。
【図５】本発明の他の実施形態による照明光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図６】図５に示される光源及び光導波路がビーム成形素子のすべての側面に配置された例を概略的に示す断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態による照明光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態による照明光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図９】図８に示されるアレイ状のビーム成形素子の配列構造の一例を概略的に示す断面図である。
【図１０】図８に示されるアレイ状のビーム成形素子の配列構造の他の例を概略的に示す断面図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態による照明光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付した図面を参照して、照明光学系及びそれを備える３次元映像取得装置について詳細に説明する。以下の図面上で同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜のため誇張していることもある。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態による３次元映像取得装置１００の構造を例示的に示す概念図である。図１を参照すれば、本発明の一実施形態による３次元映像取得装置１００は、被写体２００からの映像をフォーカシングする対物レンズ１１０、対物レンズ１１０によりフォーカシングされた映像を処理して映像信号を生成する映像処理部１２０、被写体２００についての深さ情報を取得するために被写体２００を照らす照明光学系１３０、並びに対物レンズ１１０、映像処理部１２０及び照明光学系１３０の動作を制御する制御部１４０を備える。このような構造により、照明光学系１３０は被写体２００に赤外線光を照射する。被写体２００により反射された赤外線光は、対物レンズ１１０により映像処理部１２０上にフォーカシングされる。それと同時に、被写体２００から反射された一般的な可視光も映像処理部１２０上にフォーカシングされる。映像処理部１２０は、公知のＴＯＦ技術により、赤外線光を変調して深さ情報を抽出するための深さ映像信号を生成できる。また、映像処理部１２０は、可視光を利用して一般的なＲＧＢ映像信号を生成できる。制御部１４０は、映像処理部１２０において生成された深さ映像信号及びＲＧＢ映像信号を利用して被写体２００の深さ情報を計算し、ユーザに見られる映像を生成できる。
【００３３】
前述したように、被写体２００の深さ情報を取得する過程は、照明光学系１３０から放出された照明光に依存するため、正確な深さ情報を取得するためには照明光学系１３０の役割が重要である。図２は、本発明の一実施形態によって深さ情報の正確性を向上させる照明光学系１３０の構造を概略的に示す概念図である。図２を参照すれば、照明光学系１３０は、光源１３１、光源１３１から放出された光を均質化して光ビームの断面形状を所定の形状に変化させるビーム成形素子１３３、光源１３１とビーム成形素子１３３との間に配置されて光源１３１から放出された光をビーム成形素子１３３の光入射面１３３ｉに案内するマッチングレンズ１３２、及びビーム成形素子１３３の光出射面１３３ｅから出た光を被写体２００上にフォーカシングするレンズ装置１３４を備える。
【００３４】
光源１３１には、例えば、安全のために、人間の肉眼では見えない約８５０ｎｍの近赤外線（Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａ−Ｒｅｄ：ＮＩＲ）波長を有する光を放出させる発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）を使用できる。しかし、これは単に例示的なものであって、設計によっては適切な異なる波長帯域の光と異なる種類の光源とを使用してもよい。また、光源１３１は、制御部１４０から受信した制御信号によって、例えば、サイン波、ランプ波、四角波などのように特殊に定義された波形を有する光を放出できる。
【００３５】
光源１３１から放出された光は、マッチングレンズ１３２を通りビーム成形素子１３３の光入射面１３３ｉに案内される。ビーム成形素子１３３は、例えば、ガラスまたは透光性プラスチックなどの透明な材質からなるインテグレータロッドである。ビーム成形素子１３３の光入射面１３３ｉと光出射面１３３ｅとには、光の反射による損失を低減させるために、反射防止コーティングが形成される。また、ビーム成形素子１３３の内周面には高反射コーティング１３５が形成される。高反射コーティング１３５は、例えば、反射度の高いＡｕやＡｇなどの金属をビーム成形素子１３３の内周面に蒸着して形成された金属ミラーである。または、高反射コーティング１３５は、光源１３１から放出された近赤外線帯域の光に対して約９９％以上の反射度を有するように設計された複数層構造の誘電体ミラーでもあってもよい。したがって、光入射面１３３ｉに入射した光は、ビーム成形素子１３３の内部を全反射しながら進み、ビーム成形素子１３３の光出射面１３３ｅに出る。
【００３６】
この時、光出射面１３３ｅから出射された光は、ビーム成形素子１３３の断面形状と同じ形状のビーム断面を有するようになる。ビーム成形素子１３３の断面形状は、３次元映像取得装置１００の撮影視野と実質的に同じ形状である。図３は、図２に示されるビーム成形素子１３３のＡ−Ａ’断面を概略的に示す断面図である。図３に示されるように、ビーム成形素子１３３は、長方形の断面形状を有する。例えば、３次元映像取得装置１００が、一般的なカメラと同様にアスペクト比４：３の撮影視野を有する場合、ビーム成形素子１３３の幅ｗと高さｈとの比率は、撮影視野と同じ４：３である。それにより、照明光学系１３０により照明される被写体２００の照明視野は、３次元映像取得装置１００の撮影視野と一致する。
【００３７】
図４は、照明光学系１３０の照明視野が３次元映像取得装置１００の撮影視野と一致する場合の利点を説明するための図である。図４においてＡと表示された円は、円形断面を有する従来の照明光学系の照明視野を表し、Ｂと表示された長方形は、３次元映像取得装置１００の撮影視野を表す。前述したように、３次元映像取得装置１００はアスペクト比４：３の長方形の撮影視野を有するため、照明視野の断面が円形である場合に照明光の相当部分が浪費される。すなわち、図４において長方形Ｂの外側にある円Ａの内部は撮影視野と一致しないため、深さ情報の抽出に使われずに浪費される照明光部分となる。したがって、照明光が長方形Ｂの撮影視野内に集光されるならば、すなわち、照明視野が撮影視野に一致するように形成されるならば光効率が上昇するため、光源１３１の出力を増大させなくても、取得される深さ情報の正確性を向上させることができる。
【００３８】
例えば、円Ａの直径がｄならば、円Ａの面積は（π／４）・ｄ２である。そして、アスペクト比４：３を有して円Ａと接する長方形Ｂの面積は（１２／２５）・ｄ２である。したがって、照明光を長方形Ｂ内に集光させるならば、光効率は、（円Ａの面積）／（長方形Ｂの面積）＝２５π／４８＝１．６４まで上昇する。本発明の一実施形態によれば、３次元映像取得装置１００の撮影視野と同じ断面形状を有するビーム成形素子１３３を使用することにより、照明光学系１３０の照明視野と３次元映像取得装置１００の撮影視野とが一致するようになる。したがって、光効率が約６０％以上上昇して、深さ情報の正確性を向上させることができる。
【００３９】
また、ビーム成形素子１３３の内部において光が連続的に全反射を行うことにより、色々な経路に進行する光が互いに混ざりつつ照明断面に沿う光強度が全体的に均質化される。その結果、照明視野内のいかなる点でも光強度がほぼ同一となる。また、可干渉性光源の使用時に発生するスペックルノイズが、光損失なしに効率的に緩和及び抑制される。したがって、深さ情報の正確性をさらに向上させることができる。
【００４０】
再び図２を参照すれば、ビーム成形素子１３３から出た光は、レンズ装置１３４を通り被写体２００にフォーカシングされる。前述したように、被写体２００にフォーカシングされる光は、３次元映像取得装置１００の撮影視野内に集光される。このためには、ビーム成形素子１３３の断面形状だけではなく、レンズ装置１３４のフォーカシングの役割も重要である。すなわち、レンズ装置１３４は、３次元映像取得装置１００の撮影視野と一致する領域に光を照射する適切な倍率を有するように構成される。図２には、レンズ装置１３４が便宜上一つのレンズ素子のみで表されているが、レンズ装置１３４は、例えば、複数のレンズを有する可変倍率のズームレンズであってもよい。３次元映像取得装置１００の対物レンズ１１０がズームレンズである場合、レンズ装置１３４のズーム倍率は、３次元映像取得装置１００の対物レンズ１１０のズーム倍率に連動して調節される。例えば、制御部１４０は、３次元映像取得装置１００の対物レンズ１１０と照明光学系１３０のレンズ装置１３４とを同時に制御して、対物レンズ１１０とレンズ装置１３４とが同じズーム倍率を有するように調節できる。
【００４１】
一方、照明光強度が大きくなるほど、深さ情報の正確性が向上するので、照明光学系は複数の光源を含んでもよい。図５は、複数の光源１３１を含む本発明の他の実施形態による照明光学系２３０の構造を例示的に示す概念図である。図５を参照すれば、照明光学系２３０は、光を均質化して光ビームの断面形状を所定の形状に変化させるビーム成形素子１３３、ビーム成形素子１３３の側面に設置された複数の光源１３１、複数の光源１３１から放出された光をビーム成形素子１３３の内部に案内する複数の光導波路１３６、及びビーム成形素子１３３の光出射面１３３ｅから出た光を被写体２００上にフォーカシングするレンズ装置１３４を備える。光源１３１から放出された光をビーム成形素子１３３の内部に案内するために、それぞれの光導波路１３６の一側端部は光源１３１に連結されており、他側端部はビーム成形素子１３３の側面に連結されている。また、ビーム成形素子１３３の内部に案内された光がビーム成形素子１３３の光出射面１３３ｅに向かって進むように、光導波路１３６は、ビーム成形素子１３３の側面に対して傾いて配置されている。
【００４２】
図５に示されるように、ビーム成形素子１３３の上部側面及び下部側面に、複数の光源１３１及び光導波路１３６がそれぞれ配置されている。しかし、光源１３１及び光導波路１３６は、ビーム成形素子１３３のすべての側面に配置されてもよい。図６は、光源１３１と光導波路１３６とがビーム成形素子１３３のすべての側面に配置された例を概略的に示す断面図である。図６に示されるように、光源１３１及び光導波路１３６は、長方形断面を有するビーム成形素子１３３の４つの側面にそれぞれ配置される。また、図５に示されるように、ビーム成形素子１３３の各側面に複数の光源１３１と光導波路１３６とが配置されているが、各側面に光源１３１と光導波路１３６とが一つずつ配置されてもよい。
【００４３】
図７は、本発明のさらに他の実施形態による照明光学系３３０の構造を概略的に示す概念図である。図７を参照すれば、照明光学系３３０は、複数の光源１３１、複数の光源１３１から放出された光を均質化して光ビームの断面形状を所定の形状に変化させるビーム成形素子１３３、複数の光源１３１から放出された光をそれぞれビーム成形素子１３３の光入射面１３３ｉに案内する複数のマッチングレンズ１３２、及びビーム成形素子１３３の光出射面１３３ｅから出た光を被写体２００上にフォーカシングするレンズ装置１３４を備える。すなわち、図７に示される実施形態の場合、ビーム成形素子１３３が光入射面１３３ｉに対向する位置に、アレイ状の複数の光源１３１とアレイ状の複数のマッチングレンズ１３２とが配置されている。また、図７に示されるように、複数の光源１３１及び複数のマッチングレンズ１３２のうちエッジに配置された一部の光源１３１及び一部のマッチングレンズ１３２の光軸は、ビーム成形素子１３３の光入射面１３３ｉに対して少しずつ傾く。しかし、ビーム成形素子１３３の断面積が十分に大きく、アレイ状の光源１３１とマッチングレンズ１３２とが十分に小さく形成される場合には、すべての光源１３１とマッチングレンズ１３２との光軸が平行に配置されてもよい。
【００４４】
図８は、本発明のさらに他の実施形態による照明光学系４３０の構造を概略的に示す概念図である。図８に示される実施形態の場合、すべての光源１３１とマッチングレンズ１３２との光軸が平行になるように、照明光学系４３０は複数のビーム成形素子１３３を含む。すなわち、照明光学系４３０は、互いに対応するアレイ状の複数の光源１３１、マッチングレンズ１３２及びビーム成形素子１３３を有する。例えば、第１光源１３１ａから放出された光は、第１マッチングレンズ１３２ａにより第１ビーム成形素子１３３ａに入射する。また、第２光源１３１ｂから放出された光は、第２マッチングレンズ１３２ｂにより第２ビーム成形素子１３３ｂに入射し、第３光源１３１ｃから放出された光は、第３マッチングレンズ１３２ｃにより第３ビーム成形素子１３３ｃに入射する。この場合、複数の光源１３１ａ〜１３１ｃとマッチングレンズ１３２ａ〜１３２ｃとの光軸は互いに平行となる。
【００４５】
このように複数のビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃを使用する場合、複数のビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃ全体の断面形状が、３次元映像取得装置１００の撮影視野と実質的に同一である。例えば、図９は、図８に示される複数のビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃのＢ−Ｂ’断面を概略的に示す断面図である。図９に示されるように、３次元映像取得装置１００の撮影視野が４：３のアスペクト比を有する場合、それぞれのビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃの幅ｗと、複数のビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃの高さとの和ｈが４：３の比率を有する。図９には、例示的に３つのビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃが高さ方向に沿って順次に隣接して積層された例を示している。しかし、図１０に示されるように、高さ方向だけでなく幅方向にも複数のビーム成形素子が積層されうる。図１０には、４個のビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｄが、幅方向と高さ方向とにそれぞれ２つずつ配置された場合を例示的に示している。この場合、光源１３１及びマッチングレンズ１３２も、それぞれのビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｄに対応して４つずつ配置される。また、図１０の場合にも、ビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｄ全体の断面形状が３次元映像取得装置１００の撮影視野と実質的に同一である。例えば、３次元映像取得装置１００の撮影視野が４：３のアスペクト比を有する場合、幅方向に２つのビーム成形素子（１３３ａ、１３３ｂ：１３３ｃ、１３３ｄ）の幅の和ｗと、高さ方向に２つのビーム成形素子（１３３ａ、１３３ｃ：１３３ｂ、１３３ｄ）の高さの和ｈとが４：３の比率を有する。
【００４６】
図１１は、本発明のさらに他の実施形態による照明光学系５３０の構造を概略的に示す概念図である。図１１に示される実施形態の場合、図１０の実施形態と同様に、照明光学系５３０は、光軸の平行な複数の光源１３１及びマッチングレンズ１３２を含むが、一つのビーム成形素子２３３のみを含むという点において図１０の実施形態と相違する。本実施形態において、ビーム成形素子２３３は、複数の光源１３１及びマッチングレンズ１３２のすべてと向かい合う大きさの光入射面２３３ｉを有する。一方、ビーム成形素子２３３の光出射面２３３ｅは光入射面２３３ｉに対して相対的に小さい。すなわち、ビーム成形素子２３３は、光出射面２３３ｅが光入射面２３３ｉより小さいテーパ形状を有する。この場合、ビーム成形素子２３３の光出射面２３３ｅから出る光ビームの断面を小さくすることができるため、レンズ装置１３４の口径を相対的に小さくすることができる。したがって、この場合、レンズ装置１３４のコストダウンを実現できる。
【００４７】
これまで、本発明の理解を助けるために照明光学系及びそれを備える３次元映像取得装置についての例示的な実施形態が説明され、かつ添付した図面に示された。しかし、このような実施形態は単に本発明を例示するためのものであり、これを限定するものではない。そして本発明は、図示され、説明された実施形態に限定されるものではない。これは、多様な他の変形が当業者によりなされうるためである。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、照明光学系及びそれを備える３次元映像取得装置関連の技術分野に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００４９】
１００ ３次元映像取得装置、
１１０ 対物レンズ、
１２０ 映像処理部、
１３０ 照明光学系、
１３３ ビーム成形素子、
１３５ 高反射コーティング、
１４０ 制御部、
２００ 被写体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学系及びこれを利用した３次元映像取得装置に関し、さらに詳細には、取得される深さ情報の正確性が向上するように３次元映像取得装置の撮影視野と一致する照明視野を有する照明光学系及び、これを利用した３次元映像取得装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、深さのある映像を表示できる３Ｄディスプレイ装置の進歩及びニーズの増加と共に３Ｄコンテンツの重要性が高まっている。これにより、一般ユーザが３Ｄコンテンツを直接製作できる３Ｄカメラなどの３次元映像取得装置が研究されている。このような３Ｄカメラは、一回の撮影により既存の２次元カラー映像情報と共に深さ（ｄｅｐｔｈ）情報も取得できるものでなければならない。
【０００３】
被写体の表面と３Ｄカメラ間の距離に関する深さ情報は、２台のカメラを利用した両眼立体視（Ｓｔｅｒｅｏ Ｖｉｓｉｏｎ）方法や、構造光とカメラを利用した三角測量法を利用して取得する。しかし、このような方法は、被写体の距離が遠ざかるほど、深さ情報の正確性が急激に低下し、被写体の表面状態に依存するため正確な深さ情報の取得が困難である。
【０００４】
このような問題を改善するためにタイムオブフライト法（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）が導入された。ＴＯＦ技術は、照明光を被写体に照射した後、被写体から反射される光が受光部において受光されるまでの光飛行時間を測定する方法である。ＴＯＦ技術によれば、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）を含む照明光学系を利用して特定波長の光（例えば、８５０ｎｍの近赤外線）を被写体に照射し、被写体から反射された光を受光部において受光した後、既知の利得波長を有する変調器により受光された光を変調するなど、深さ情報を抽出するための一連の処理過程を経る。このような一連の光処理過程のために多様なＴＯＦ技術が利用されている。
【０００５】
このように照明光学系を利用して光を被写体に照射し、反射光を利用して距離を測定する場合に、３Ｄカメラに入射される反射光の光量が増加するほど、深さ情報の正確性が向上する。これは、３Ｄカメラの深さ情報抽出のための信号処理過程において、信号対ノイズ比は入射される光量に比例するためであり、信号対ノイズ比が大きいほど、取得される深さ情報の正確性が向上するためである。ところが、一般的に３Ｄカメラの撮影視野と照明光学系の照明視野とが異なるため、照明光の相当部分が深さ情報の抽出に使われずに浪費される。したがって、３Ｄカメラに入射される反射光の光量が最大となるように照明光学系を効率的に設計する必要がある。
【０００６】
また、３Ｄカメラにより取得される深さ情報の正確性を向上させるためには、単一波長を有するＬＤ、ＬＥＤなどの可干渉性（ｃｏｈｅｒｅｎｔ）光源を使用することが有利である。ところが、可干渉性光源は被写体から反射される時にスペックルノイズが存在して、撮影された映像の品質を劣化させる虞がある。このようなスペックルノイズを除去するためにすりガラスなどの拡散板を使用できるが、この場合、拡散板による光の散乱及び吸収によって深さ情報の正確性が低下する虞もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、３次元映像取得装置により取得される深さ情報の正確性を向上させる照明光学系を提供することを目的とする。
【０００８】
また本発明は、スペックルノイズを効率的に抑制できる照明光学系を提供することを目的とする。
【０００９】
また本発明は、前述した照明光学系を含む３次元映像取得装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、光源と、前記光源から放出された光を均質化して所定のビーム断面形状を有する光を放出させるビーム成形素子と、前記ビーム成形素子から放出された光をフォーカシングするレンズ装置と、を備える３次元映像取得装置用の照明光学系が提供される。
【００１１】
前記ビーム成形素子から放出された光のビーム断面形状は、前記ビーム成形素子の光出射面の断面形状と同一である。
【００１２】
前記照明光学系は、前記光源と前記ビーム成形素子との間に配置されて、前記光源から放出された光を前記ビーム成形素子の光入射面に案内するマッチングレンズをさらに含む。
【００１３】
本発明の一実施形態において、前記ビーム成形素子の光入射面及び光出射面にそれぞれ反射防止コーティングが形成されている。
【００１４】
本発明の一実施形態において、前記ビーム成形素子の内周面に反射コーティングが形成されており、前記ビーム成形素子の光入射面に入射した光は、前記反射コーティングにより反射されつつ前記ビーム成形素子の光出射面に向かって進む。
【００１５】
前記ビーム成形素子は、例えば、透明な材質からなるインテグレータロッドである。
【００１６】
例えば、前記インテグレータロッドは、長方形の断面を有する。
【００１７】
前記照明光学系は、前記光源から放出された光を前記ビーム成形素子の内部に案内する光導波路をさらに備え、前記光導波路の第１端部は前記光源に連結されており、前記光導波路の第２端部は前記ビーム成形素子の側面に連結されている。
【００１８】
また、前記光導波路の光軸は、前記ビーム成形素子の側面に対して傾いて配置されている。
【００１９】
前記光源は複数の光源を含み、前記光導波路は複数の光導波路を含み、前記複数の光源はそれぞれ、前記複数の光導波路のうちの一つを介して、前記ビーム成形素子に連結されている。
【００２０】
前記ビーム成形素子は長方形の断面を有し、前記ビーム成形素子の４つの側面に、前記光源と前記光導波路とが少なくとも一つずつ配置されている。
【００２１】
前記光源は複数の光源を含み、前記複数の光源と前記ビーム成形素子との間のそれぞれの光路に配置されている複数のマッチングレンズをさらに含む。
【００２２】
前記複数の光源と前記複数のマッチングレンズのうち、少なくとも一つの光源及び少なくとも一つのマッチングレンズの光軸が、前記ビーム成形素子の光入射面に対して傾いている。
【００２３】
前記ビーム成形素子は、光出射面の面積が光入射面の面積より小さくなるようにテーパ形状を有する。
【００２４】
前記光源は複数の光源を含み、前記ビーム成形素子は、前記複数の光源にそれぞれ対応する複数のビーム成形素子を含み、前記複数の光源と前記複数のビーム成形素子との間のそれぞれの光路に配置されている複数のマッチングレンズをさらに含む。
【００２５】
本発明の一実施形態において、前記複数のビーム成形素子は、高さ方向と幅方向のうち少なくとも一方向において互いに隣接するように配置されている。
【００２６】
前記複数のビーム成形素子の幅の和と、前記複数のビーム成形素子の高さの和との比率は、前記所定のビーム断面形状の幅と高さの比率と同一である。
【００２７】
例えば、前記レンズ装置は、ズームレンズである。
【００２８】
また、本発明の他の実施形態によれば、被写体からの映像をフォーカシングする対物レンズと、前記対物レンズによりフォーカシングされた映像を処理して映像信号を生成する映像処理部と、前記被写体を照らす上述した照明光学系と、前記対物レンズ、映像処理部及び照明光学系の動作を制御する制御部と、を備える３次元映像取得装置が提供され、ここで、前記ビーム成形素子の光出射面から放出された光の断面形状は、３次元映像取得装置の撮影視野と比例する。
【００２９】
また、本発明のさらに他の実施形態によれば、照明光学系と、映像を処理して映像信号を生成する映像処理部と、を備える３次元映像取得装置が提供され、ここで、前記照明光学系は、光源と、前記光源から放出された光を均質化して所定のビーム断面形状を有する光を放出させるビーム成形素子と、前記ビーム成形素子から放出された光をフォーカシングするレンズ装置と、を備え、前記所定のビーム断面形状は、前記映像処理部の撮影視野と同一である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態による３次元映像取得装置の構造を例示的に示す概念図である。
【図２】図１に示される照明光学系の本発明の一実施形態による構造を概略的に示す概念図である。
【図３】図２に示される照明光学系のビーム成形素子のＡ−Ａ’断面を概略的に示す断面図である。
【図４】図２に示される照明光学系から放出される照明光の断面形状による光効率の上昇を説明する図面である。
【図５】本発明の他の実施形態による照明光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図６】図５に示される光源及び光導波路がビーム成形素子のすべての側面に配置された例を概略的に示す断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施形態による照明光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態による照明光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【図９】図８に示されるアレイ状のビーム成形素子の配列構造の一例を概略的に示す断面図である。
【図１０】図８に示されるアレイ状のビーム成形素子の配列構造の他の例を概略的に示す断面図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態による照明光学系の構造を概略的に示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付した図面を参照して、照明光学系及びそれを備える３次元映像取得装置について詳細に説明する。以下の図面上で同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜のため誇張していることもある。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態による３次元映像取得装置１００の構造を例示的に示す概念図である。図１を参照すれば、本発明の一実施形態による３次元映像取得装置１００は、被写体２００からの映像をフォーカシングする対物レンズ１１０、対物レンズ１１０によりフォーカシングされた映像を処理して映像信号を生成する映像処理部１２０、被写体２００についての深さ情報を取得するために被写体２００を照らす照明光学系１３０、並びに対物レンズ１１０、映像処理部１２０及び照明光学系１３０の動作を制御する制御部１４０を備える。このような構造により、照明光学系１３０は被写体２００に赤外線光を照射する。被写体２００により反射された赤外線光は、対物レンズ１１０により映像処理部１２０上にフォーカシングされる。それと同時に、被写体２００から反射された一般的な可視光も映像処理部１２０上にフォーカシングされる。映像処理部１２０は、公知のＴＯＦ技術により、赤外線光を変調して深さ情報を抽出するための深さ映像信号を生成できる。また、映像処理部１２０は、可視光を利用して一般的なＲＧＢ映像信号を生成できる。制御部１４０は、映像処理部１２０において生成された深さ映像信号及びＲＧＢ映像信号を利用して被写体２００の深さ情報を計算し、ユーザに見られる映像を生成できる。
【００３３】
前述したように、被写体２００の深さ情報を取得する過程は、照明光学系１３０から放出された照明光に依存するため、正確な深さ情報を取得するためには照明光学系１３０の役割が重要である。図２は、本発明の一実施形態によって深さ情報の正確性を向上させる照明光学系１３０の構造を概略的に示す概念図である。図２を参照すれば、照明光学系１３０は、光源１３１、光源１３１から放出された光を均質化して光ビームの断面形状を所定の形状に変化させるビーム成形素子１３３、光源１３１とビーム成形素子１３３との間に配置されて光源１３１から放出された光をビーム成形素子１３３の光入射面１３３ｉに案内するマッチングレンズ１３２、及びビーム成形素子１３３の光出射面１３３ｅから出た光を被写体２００上にフォーカシングするレンズ装置１３４を備える。
【００３４】
光源１３１には、例えば、安全のために、人間の肉眼では見えない約８５０ｎｍの近赤外線（Ｎｅａｒ Ｉｎｆｒａ−Ｒｅｄ：ＮＩＲ）波長を有する光を放出させる発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザーダイオード（ＬＤ）を使用できる。しかし、これは単に例示的なものであって、設計によっては適切な異なる波長帯域の光と異なる種類の光源とを使用してもよい。また、光源１３１は、制御部１４０から受信した制御信号によって、例えば、サイン波、ランプ波、四角波などのように特殊に定義された波形を有する光を放出できる。
【００３５】
光源１３１から放出された光は、マッチングレンズ１３２を通りビーム成形素子１３３の光入射面１３３ｉに案内される。ビーム成形素子１３３は、例えば、ガラスまたは透光性プラスチックなどの透明な材質からなるインテグレータロッドである。ビーム成形素子１３３の光入射面１３３ｉと光出射面１３３ｅとには、光の反射による損失を低減させるために、反射防止コーティングが形成される。また、ビーム成形素子１３３の内周面には高反射コーティング１３５が形成される。高反射コーティング１３５は、例えば、反射度の高いＡｕやＡｇなどの金属をビーム成形素子１３３の内周面に蒸着して形成された金属ミラーである。または、高反射コーティング１３５は、光源１３１から放出された近赤外線帯域の光に対して約９９％以上の反射度を有するように設計された複数層構造の誘電体ミラーでもあってもよい。したがって、光入射面１３３ｉに入射した光は、ビーム成形素子１３３の内部を全反射しながら進み、ビーム成形素子１３３の光出射面１３３ｅに出る。
【００３６】
この時、光出射面１３３ｅから出射された光は、ビーム成形素子１３３の断面形状と同じ形状のビーム断面を有するようになる。ビーム成形素子１３３の断面形状は、３次元映像取得装置１００の撮影視野と実質的に同じ形状である。図３は、図２に示されるビーム成形素子１３３のＡ−Ａ’断面を概略的に示す断面図である。図３に示されるように、ビーム成形素子１３３は、長方形の断面形状を有する。例えば、３次元映像取得装置１００が、一般的なカメラと同様にアスペクト比４：３の撮影視野を有する場合、ビーム成形素子１３３の幅ｗと高さｈとの比率は、撮影視野と同じ４：３である。それにより、照明光学系１３０により照明される被写体２００の照明視野は、３次元映像取得装置１００の撮影視野と一致する。
【００３７】
図４は、照明光学系１３０の照明視野が３次元映像取得装置１００の撮影視野と一致する場合の利点を説明するための図である。図４においてＡと表示された円は、円形断面を有する従来の照明光学系の照明視野を表し、Ｂと表示された長方形は、３次元映像取得装置１００の撮影視野を表す。前述したように、３次元映像取得装置１００はアスペクト比４：３の長方形の撮影視野を有するため、照明視野の断面が円形である場合に照明光の相当部分が浪費される。すなわち、図４において長方形Ｂの外側にある円Ａの内部は撮影視野と一致しないため、深さ情報の抽出に使われずに浪費される照明光部分となる。したがって、照明光が長方形Ｂの撮影視野内に集光されるならば、すなわち、照明視野が撮影視野に一致するように形成されるならば光効率が上昇するため、光源１３１の出力を増大させなくても、取得される深さ情報の正確性を向上させることができる。
【００３８】
例えば、円Ａの直径がｄならば、円Ａの面積は（π／４）・ｄ２である。そして、アスペクト比４：３を有して円Ａと接する長方形Ｂの面積は（１２／２５）・ｄ２である。したがって、照明光を長方形Ｂ内に集光させるならば、光効率は、（円Ａの面積）／（長方形Ｂの面積）＝２５π／４８＝１．６４まで上昇する。本発明の一実施形態によれば、３次元映像取得装置１００の撮影視野と同じ断面形状を有するビーム成形素子１３３を使用することにより、照明光学系１３０の照明視野と３次元映像取得装置１００の撮影視野とが一致するようになる。したがって、光効率が約６０％以上上昇して、深さ情報の正確性を向上させることができる。
【００３９】
また、ビーム成形素子１３３の内部において光が連続的に全反射を行うことにより、色々な経路に進行する光が互いに混ざりつつ照明断面に沿う光強度が全体的に均質化される。その結果、照明視野内のいかなる点でも光強度がほぼ同一となる。また、可干渉性光源の使用時に発生するスペックルノイズが、光損失なしに効率的に緩和及び抑制される。したがって、深さ情報の正確性をさらに向上させることができる。
【００４０】
再び図２を参照すれば、ビーム成形素子１３３から出た光は、レンズ装置１３４を通り被写体２００にフォーカシングされる。前述したように、被写体２００にフォーカシングされる光は、３次元映像取得装置１００の撮影視野内に集光される。このためには、ビーム成形素子１３３の断面形状だけではなく、レンズ装置１３４のフォーカシングの役割も重要である。すなわち、レンズ装置１３４は、３次元映像取得装置１００の撮影視野と一致する領域に光を照射する適切な倍率を有するように構成される。図２には、レンズ装置１３４が便宜上一つのレンズ素子のみで表されているが、レンズ装置１３４は、例えば、複数のレンズを有する可変倍率のズームレンズであってもよい。３次元映像取得装置１００の対物レンズ１１０がズームレンズである場合、レンズ装置１３４のズーム倍率は、３次元映像取得装置１００の対物レンズ１１０のズーム倍率に連動して調節される。例えば、制御部１４０は、３次元映像取得装置１００の対物レンズ１１０と照明光学系１３０のレンズ装置１３４とを同時に制御して、対物レンズ１１０とレンズ装置１３４とが同じズーム倍率を有するように調節できる。
【００４１】
一方、照明光強度が大きくなるほど、深さ情報の正確性が向上するので、照明光学系は複数の光源を含んでもよい。図５は、複数の光源１３１を含む本発明の他の実施形態による照明光学系２３０の構造を例示的に示す概念図である。図５を参照すれば、照明光学系２３０は、光を均質化して光ビームの断面形状を所定の形状に変化させるビーム成形素子１３３、ビーム成形素子１３３の側面に設置された複数の光源１３１、複数の光源１３１から放出された光をビーム成形素子１３３の内部に案内する複数の光導波路１３６、及びビーム成形素子１３３の光出射面１３３ｅから出た光を被写体２００上にフォーカシングするレンズ装置１３４を備える。光源１３１から放出された光をビーム成形素子１３３の内部に案内するために、それぞれの光導波路１３６の一側端部は光源１３１に連結されており、他側端部はビーム成形素子１３３の側面に連結されている。また、ビーム成形素子１３３の内部に案内された光がビーム成形素子１３３の光出射面１３３ｅに向かって進むように、光導波路１３６は、ビーム成形素子１３３の側面に対して傾いて配置されている。
【００４２】
図５に示されるように、ビーム成形素子１３３の上部側面及び下部側面に、複数の光源１３１及び光導波路１３６がそれぞれ配置されている。しかし、光源１３１及び光導波路１３６は、ビーム成形素子１３３のすべての側面に配置されてもよい。図６は、光源１３１と光導波路１３６とがビーム成形素子１３３のすべての側面に配置された例を概略的に示す断面図である。図６に示されるように、光源１３１及び光導波路１３６は、長方形断面を有するビーム成形素子１３３の４つの側面にそれぞれ配置される。また、図５に示されるように、ビーム成形素子１３３の各側面に複数の光源１３１と光導波路１３６とが配置されているが、各側面に光源１３１と光導波路１３６とが一つずつ配置されてもよい。
【００４３】
図７は、本発明のさらに他の実施形態による照明光学系３３０の構造を概略的に示す概念図である。図７を参照すれば、照明光学系３３０は、複数の光源１３１、複数の光源１３１から放出された光を均質化して光ビームの断面形状を所定の形状に変化させるビーム成形素子１３３、複数の光源１３１から放出された光をそれぞれビーム成形素子１３３の光入射面１３３ｉに案内する複数のマッチングレンズ１３２、及びビーム成形素子１３３の光出射面１３３ｅから出た光を被写体２００上にフォーカシングするレンズ装置１３４を備える。すなわち、図７に示される実施形態の場合、ビーム成形素子１３３が光入射面１３３ｉに対向する位置に、アレイ状の複数の光源１３１とアレイ状の複数のマッチングレンズ１３２とが配置されている。また、図７に示されるように、複数の光源１３１及び複数のマッチングレンズ１３２のうちエッジに配置された一部の光源１３１及び一部のマッチングレンズ１３２の光軸は、ビーム成形素子１３３の光入射面１３３ｉに対して少しずつ傾く。しかし、ビーム成形素子１３３の断面積が十分に大きく、アレイ状の光源１３１とマッチングレンズ１３２とが十分に小さく形成される場合には、すべての光源１３１とマッチングレンズ１３２との光軸が平行に配置されてもよい。
【００４４】
図８は、本発明のさらに他の実施形態による照明光学系４３０の構造を概略的に示す概念図である。図８に示される実施形態の場合、すべての光源１３１とマッチングレンズ１３２との光軸が平行になるように、照明光学系４３０は複数のビーム成形素子１３３を含む。すなわち、照明光学系４３０は、互いに対応するアレイ状の複数の光源１３１、マッチングレンズ１３２及びビーム成形素子１３３を有する。例えば、第１光源１３１ａから放出された光は、第１マッチングレンズ１３２ａにより第１ビーム成形素子１３３ａに入射する。また、第２光源１３１ｂから放出された光は、第２マッチングレンズ１３２ｂにより第２ビーム成形素子１３３ｂに入射し、第３光源１３１ｃから放出された光は、第３マッチングレンズ１３２ｃにより第３ビーム成形素子１３３ｃに入射する。この場合、複数の光源１３１ａ〜１３１ｃとマッチングレンズ１３２ａ〜１３２ｃとの光軸は互いに平行となる。
【００４５】
このように複数のビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃを使用する場合、複数のビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃ全体の断面形状が、３次元映像取得装置１００の撮影視野と実質的に同一である。例えば、図９は、図８に示される複数のビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃのＢ−Ｂ’断面を概略的に示す断面図である。図９に示されるように、３次元映像取得装置１００の撮影視野が４：３のアスペクト比を有する場合、それぞれのビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃの幅ｗと、複数のビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃの高さとの和ｈが４：３の比率を有する。図９には、例示的に３つのビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｃが高さ方向に沿って順次に隣接して積層された例を示している。しかし、図１０に示されるように、高さ方向だけでなく幅方向にも複数のビーム成形素子が積層されうる。図１０には、４個のビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｄが、幅方向と高さ方向とにそれぞれ２つずつ配置された場合を例示的に示している。この場合、光源１３１及びマッチングレンズ１３２も、それぞれのビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｄに対応して４つずつ配置される。また、図１０の場合にも、ビーム成形素子１３３ａ〜１３３ｄ全体の断面形状が３次元映像取得装置１００の撮影視野と実質的に同一である。例えば、３次元映像取得装置１００の撮影視野が４：３のアスペクト比を有する場合、幅方向に２つのビーム成形素子（１３３ａ、１３３ｂ：１３３ｃ、１３３ｄ）の幅の和ｗと、高さ方向に２つのビーム成形素子（１３３ａ、１３３ｃ：１３３ｂ、１３３ｄ）の高さの和ｈとが４：３の比率を有する。
【００４６】
図１１は、本発明のさらに他の実施形態による照明光学系５３０の構造を概略的に示す概念図である。図１１に示される実施形態の場合、図１０の実施形態と同様に、照明光学系５３０は、光軸の平行な複数の光源１３１及びマッチングレンズ１３２を含むが、一つのビーム成形素子２３３のみを含むという点において図１０の実施形態と相違する。本実施形態において、ビーム成形素子２３３は、複数の光源１３１及びマッチングレンズ１３２のすべてと向かい合う大きさの光入射面２３３ｉを有する。一方、ビーム成形素子２３３の光出射面２３３ｅは光入射面２３３ｉに対して相対的に小さい。すなわち、ビーム成形素子２３３は、光出射面２３３ｅが光入射面２３３ｉより小さいテーパ形状を有する。この場合、ビーム成形素子２３３の光出射面２３３ｅから出る光ビームの断面を小さくすることができるため、レンズ装置１３４の口径を相対的に小さくすることができる。したがって、この場合、レンズ装置１３４のコストダウンを実現できる。
【００４７】
これまで、本発明の理解を助けるために照明光学系及びそれを備える３次元映像取得装置についての例示的な実施形態が説明され、かつ添付した図面に示された。しかし、このような実施形態は単に本発明を例示するためのものであり、これを限定するものではない。そして本発明は、図示され、説明された実施形態に限定されるものではない。これは、多様な他の変形が当業者によりなされうるためである。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、照明光学系及びそれを備える３次元映像取得装置関連の技術分野に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００４９】
１００ ３次元映像取得装置、
１１０ 対物レンズ、
１２０ 映像処理部、
１３０ 照明光学系、
１３３ ビーム成形素子、
１３５ 高反射コーティング、
１４０ 制御部、
２００ 被写体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から放出された光を均質化して所定のビーム断面形状を有する光を放出させるビーム成形素子と、
前記ビーム成形素子から放出された光をフォーカシングするレンズ装置と、を備える３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項２】
前記ビーム成形素子から放出された光のビーム断面形状は、前記ビーム成形素子の光出射面の断面形状と同一である請求項１に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項３】
前記光源と前記ビーム成形素子との間に配置されて、前記光源から放出された光を前記ビーム成形素子の光入射面に案内するマッチングレンズをさらに含む請求項１または２に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項４】
前記ビーム成形素子の光入射面及び光出射面にそれぞれ反射防止コーティングが形成されている請求項３に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項５】
前記ビーム成形素子の内周面に反射コーティングが形成されており、前記ビーム成形素子の光入射面に入射した光は、前記反射コーティングにより反射されつつ前記ビーム成形素子の光出射面に向かって進む請求項３に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項６】
前記ビーム成形素子は、透明な材質からなるインテグレータロッドである請求項１〜５のいずれか１項に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項７】
前記インテグレータロッドは、長方形の断面を有する請求項６に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項８】
前記光源から放出された光を前記ビーム成形素子の内部に案内する光導波路をさらに備え、
前記光導波路の第１端部は前記光源に連結されており、前記光導波路の第２端部は前記ビーム成形素子の側面に連結されている請求項１に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項９】
前記光導波路の光軸は、前記ビーム成形素子の側面に対して傾いて配置されている請求項８に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１０】
前記光源は複数の光源を含み、
前記光導波路は複数の光導波路を含み、
前記複数の光源はそれぞれ、前記複数の光導波路のうちの一つを介して、前記ビーム成形素子に連結されている請求項８に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１１】
前記ビーム成形素子は長方形の断面を有し、前記ビーム成形素子の４つの側面に、前記光源と前記光導波路とが少なくとも一つずつ配置されている請求項１０に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１２】
前記光源は複数の光源を含み、
前記複数の光源と前記ビーム成形素子との間のそれぞれの光路に配置されている複数のマッチングレンズをさらに含む請求項１に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１３】
前記複数の光源と前記複数のマッチングレンズのうち、少なくとも一つの光源と少なくとも一つのマッチングレンズの光軸が、前記ビーム成形素子の光入射面に対して傾いている請求項１２に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１４】
前記ビーム成形素子は、光出射面の面積が光入射面の面積より小さくなるようにテーパ形状を有する請求項１２に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１５】
前記光源は複数の光源を含み、
前記ビーム成形素子は前記複数の光源にそれぞれ対応する複数のビーム成形素子を含み、
前記複数の光源と前記複数のビーム成形素子との間のそれぞれの光路に配置されている複数のマッチングレンズをさらに含む請求項１に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１６】
前記複数のビーム成形素子は、高さ方向と幅方向のうち少なくとも一方向において互いに隣接するように配置されている請求項１５に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１７】
前記複数のビーム成形素子の幅の和と、前記複数のビーム成形素子の高さの和との比率は、前記所定のビーム断面形状の幅と高さの比率と同一である請求項１６に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１８】
前記レンズ装置は、ズームレンズである請求項１〜１７のいずれか１項に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１９】
被写体からの映像をフォーカシングする対物レンズと、
前記対物レンズによりフォーカシングされた映像を処理して映像信号を生成する映像処理部と、
前記被写体を照らす、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の照明光学系と、
前記対物レンズ、映像処理部及び照明光学系の動作を制御する制御部と、を備え、
前記ビーム成形素子の光出射面から放出された光の断面形状は、３次元映像取得装置の撮影視野と比例する３次元映像取得装置。
【請求項２０】
前記ビーム成形素子から放出された光の断面形状は、前記ビーム成形素子の光出射面の断面形状と同一である請求項１９に記載の３次元映像取得装置。
【請求項２１】
照明光学系と、
映像を処理して映像信号を生成する映像処理部と、を備え、
前記照明光学系は、
光源と、
前記光源から放出された光を均質化して所定のビーム断面形状を有する光を放出させるビーム成形素子と、
前記ビーム成形素子から放出された光をフォーカシングするレンズ装置と、を備え、
前記所定のビーム断面形状は、前記映像処理部の撮影視野と同一である３次元映像取得装置。
【請求項１】
光源と、
前記光源から放出された光を均質化して所定のビーム断面形状を有する光を放出させるビーム成形素子と、
前記ビーム成形素子から放出された光をフォーカシングするレンズ装置と、を備える３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項２】
前記ビーム成形素子から放出された光のビーム断面形状は、前記ビーム成形素子の光出射面の断面形状と同一である請求項１に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項３】
前記光源と前記ビーム成形素子との間に配置されて、前記光源から放出された光を前記ビーム成形素子の光入射面に案内するマッチングレンズをさらに含む請求項１または２に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項４】
前記ビーム成形素子の光入射面及び光出射面にそれぞれ反射防止コーティングが形成されている請求項３に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項５】
前記ビーム成形素子の内周面に反射コーティングが形成されており、前記ビーム成形素子の光入射面に入射した光は、前記反射コーティングにより反射されつつ前記ビーム成形素子の光出射面に向かって進む請求項３に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項６】
前記ビーム成形素子は、透明な材質からなるインテグレータロッドである請求項１〜５のいずれか１項に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項７】
前記インテグレータロッドは、長方形の断面を有する請求項６に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項８】
前記光源から放出された光を前記ビーム成形素子の内部に案内する光導波路をさらに備え、
前記光導波路の第１端部は前記光源に連結されており、前記光導波路の第２端部は前記ビーム成形素子の側面に連結されている請求項１に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項９】
前記光導波路の光軸は、前記ビーム成形素子の側面に対して傾いて配置されている請求項８に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１０】
前記光源は複数の光源を含み、
前記光導波路は複数の光導波路を含み、
前記複数の光源はそれぞれ、前記複数の光導波路のうちの一つを介して、前記ビーム成形素子に連結されている請求項８に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１１】
前記ビーム成形素子は長方形の断面を有し、前記ビーム成形素子の４つの側面に、前記光源と前記光導波路とが少なくとも一つずつ配置されている請求項１０に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１２】
前記光源は複数の光源を含み、
前記複数の光源と前記ビーム成形素子との間のそれぞれの光路に配置されている複数のマッチングレンズをさらに含む請求項１に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１３】
前記複数の光源と前記複数のマッチングレンズのうち、少なくとも一つの光源と少なくとも一つのマッチングレンズの光軸が、前記ビーム成形素子の光入射面に対して傾いている請求項１２に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１４】
前記ビーム成形素子は、光出射面の面積が光入射面の面積より小さくなるようにテーパ形状を有する請求項１２に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１５】
前記光源は複数の光源を含み、
前記ビーム成形素子は前記複数の光源にそれぞれ対応する複数のビーム成形素子を含み、
前記複数の光源と前記複数のビーム成形素子との間のそれぞれの光路に配置されている複数のマッチングレンズをさらに含む請求項１に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１６】
前記複数のビーム成形素子は、高さ方向と幅方向のうち少なくとも一方向において互いに隣接するように配置されている請求項１５に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１７】
前記複数のビーム成形素子の幅の和と、前記複数のビーム成形素子の高さの和との比率は、前記所定のビーム断面形状の幅と高さの比率と同一である請求項１６に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１８】
前記レンズ装置は、ズームレンズである請求項１〜１７のいずれか１項に記載の３次元映像取得装置用の照明光学系。
【請求項１９】
被写体からの映像をフォーカシングする対物レンズと、
前記対物レンズによりフォーカシングされた映像を処理して映像信号を生成する映像処理部と、
前記被写体を照らす、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の照明光学系と、
前記対物レンズ、映像処理部及び照明光学系の動作を制御する制御部と、を備え、
前記ビーム成形素子の光出射面から放出された光の断面形状は、３次元映像取得装置の撮影視野と比例する３次元映像取得装置。
【請求項２０】
前記ビーム成形素子から放出された光の断面形状は、前記ビーム成形素子の光出射面の断面形状と同一である請求項１９に記載の３次元映像取得装置。
【請求項２１】
照明光学系と、
映像を処理して映像信号を生成する映像処理部と、を備え、
前記照明光学系は、
光源と、
前記光源から放出された光を均質化して所定のビーム断面形状を有する光を放出させるビーム成形素子と、
前記ビーム成形素子から放出された光をフォーカシングするレンズ装置と、を備え、
前記所定のビーム断面形状は、前記映像処理部の撮影視野と同一である３次元映像取得装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１２８４２５（Ｐ２０１２−１２８４２５Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７２３９７（Ｐ２０１１−２７２３９７）
【出願日】平成２３年１２月１３日（２０１１．１２．１３）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１３日（２０１１．１２．１３）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
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