立体画像撮像装置及び立体画像撮像方法
【課題】複数カメラの物理的な相対位置を変更することなく、実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳を容易に調整する。
【解決手段】同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成されるアフォーカル光学系の対物光学系４１と、複数の独立したレンズ群により、対物光学系４１の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系４２Ｒ，４２Ｌと、複数の撮像光学系４２Ｒ，４２Ｌにより結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える。さらに、対物光学系４１のレンズ群のうち撮像光学系側にあるレンズ群４１−１の焦点面と撮像光学系４２の各レンズ群の焦点面を一致させ、対物光学系４１の被写体側のレンズ群４１−２と撮像光学系側のレンズ群の光軸上での距離を変更する。
【解決手段】同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成されるアフォーカル光学系の対物光学系４１と、複数の独立したレンズ群により、対物光学系４１の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系４２Ｒ，４２Ｌと、複数の撮像光学系４２Ｒ，４２Ｌにより結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える。さらに、対物光学系４１のレンズ群のうち撮像光学系側にあるレンズ群４１−１の焦点面と撮像光学系４２の各レンズ群の焦点面を一致させ、対物光学系４１の被写体側のレンズ群４１−２と撮像光学系側のレンズ群の光軸上での距離を変更する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、立体画像の撮影を行う立体画像撮像装置及び立体画像撮像方法に関し、特に実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳を調整する技術に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来の２眼式の立体画像撮像装置では、撮影対象の被写体を左右２方向に配置したカメラから右画像及び左画像を撮影することで、２眼立体画像を取得する。この際、左右それぞれのカメラの間隔（撮像レンズ間距離）（基線長、ＩＡＤ（InterAxialDistance））、及び輻輳（Convergence）は、取得した２眼立体画像の立体感や快適視差範囲に大きく影響する。従来の２眼式の立体画像撮像装置では、カメラ間隔の調整は実際に左右のカメラの配置を変更して行っており、カメラの輻輳についてもカメラ自体の配置の調整もしくは各カメラのレンズ制御によって行っている。
【０００３】
カメラ間隔に関しては、カメラに搭載されているレンズや撮像素子の大きさを調整する（小さくする）ことによって間隔を狭めるのには限界がある。そのため、リグ（ＲＩＧ）と呼ばれる架台に搭載したハーフミラーを通して反射光と透過光をそれぞれ左右のカメラで撮影することにより、カメラ同士の物理的な干渉を避けてカメラ間隔を狭めることが行われている。
【０００４】
またカメラの輻輳に関しては、左右のカメラの光軸を平行に配置する平行法や、表示時にオンスクリーンとなる撮影対象物の奥行き（コンバージェンス・ポイント）に合わせて左右のカメラの光軸を交わらせる交差法がある。カメラの輻輳は、表示画面からの立体画像の飛び出し量や引っ込み量を調整する上で必須の調整項目になっている。現状は左右のカメラ向きを物理的に直接変更するか、左右のレンズそれぞれで光路調整する形もしくは画像処理的に左右画像のピクセル位置をずらす形を採ることにより、輻輳を調整している。
【０００５】
ここで、２眼式の立体画像撮像装置において、撮像光学系である左右のカメラの前方に１つの対物光学系を配置した構成を、図２９に示す。
この図２９では、撮像光学系内の像面に結像するための対物光学系２０１を、１枚の凸レンズとして表現している。また、撮像光学系２０２Ｒ，２０２Ｌは左右それぞれ１枚の凸レンズとして表現しており、対物光学系２０１がアフォーカル光学系でないことを示している。
【０００６】
図２９は、立体画像撮像装置を上方から見た図であり、対物光学系２０１の中心軸よりも若干右側にずれた被写体２１１〜２１６を撮影した場合に、左のカメラ（右目画像を撮影する撮像素子２０３Ｌ）に結像する被写体像の位置を示している。被写体２１１〜２１６は、前後方向に４個、中央付近の被写体２１２に関しては左右に１個ずつ並べた計６個の被写体である。
【０００７】
被写体２１４を例に説明すると、被写体２１４と対物光学系２０１の中心を結ぶ線と、被写体２１４から対物光学系２０１の中心軸に平行に入射して屈折した光線との交点が、対物光学系２０１による像位置２１４−１である。この像位置２１４−１の像が撮像光学系２０２Ｌにより像位置２１４ｉに結像する。このように、被写体２１１〜２１６の像は、それぞれ像位置２１１−１〜２１６−１を経て、像位置２１１ｉ〜２１６ｉに結像する。
【０００８】
結像する被写体像の位置が像面２０４に垂直に並ぶことから、この被写体２１１〜２１６を通る光線は瞳を通過していると考えられる（当該被写体が対物光学系２０１の中心軸よりも右側であることから右目の瞳）。図２９には示していないが、左目画像に関しても同様に瞳を通る被写体の配置を考えることができる。この際、実効ＩＡＤの距離ｅｄは、対物光学系２０１の後側焦点位置を頂角として持つ相似三角形の相似比から、物理ＩＡＤのｆ１／（Ｌ−ｆ１）倍として求められる。ここで、Ｌは対物光学系２０１と撮像光学系２０２Ｒ，２０２Ｌの主面間距離、ｆ１は対物光学系２０１の焦点距離を示す。なお、図２９のｆ３は撮像光学系２０２Ｒ，２０２Ｌの焦点距離、ｄは対物光学系２０１の主面から被写体２１２までの距離を示す。
【０００９】
図２９の立体画像撮像装置では、実効ＩＡＤの距離ｅｄを物理ＩＡＤよりも小さくできるというメリットを持つが、像面２０４の傾きがフォーカス面２０５の傾きと異なっており、画面全体に渡ってフォーカスを合わせるのが簡単ではないという問題がある。
【００１０】
特許文献１には、フォーカス機能を有する対物光学系と、対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像としてそれぞれ結像させる結像光学系とを備え、結像光学系は、各光学系の光軸が同一の平面内にありかつ該平面内にて各光学系のフォーカス位置で交差し、対物光学系の光軸が平面内に属する立体画像撮影装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−５３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、ハーフミラー方式のＲＩＧは大掛かりな装置のため取り回ししにくいところがあるとともに、撮影結果に影響するハーフミラーの特性を向上させるために高価になりがちであった。
【００１３】
また、左右のカメラの光軸が交差するコンバージェンス・ポイント（輻輳点）は、左右のカメラから等距離に設定されるものである。その観点からすれば、左右のカメラを独立に調整することによって左右のカメラの向きにずれが生じることは避けるべきであり、一つの機構により調整されることが望まれる。したがって、撮影シーンごとに調整が必要になるカメラ間隔や輻輳に関しては、できる限り単純な調整によって変更可能とすることが望まれている。
【００１４】
さらに、２眼式の立体画像撮影では、奥行きの違いから得られる左右視差以外の違いが左右画像間で起きないようにすべきであり、左右のカメラの相対関係を正確に設定する必要がある。この設定を行うため、ハーフミラーを用いたＲＩＧでは撮影前の調整作業に時間を要しており、この時間の短縮が強く望まれている。また、現行のステレオカムコーダではカメラ間距離は固定であり、撮影範囲の制限の一つになっている。
【００１５】
本開示は、上記の状況を考慮し、複数カメラを撮像光学系として持つ立体画像撮像装置において、複数カメラの物理的な相対位置を変更することなく、実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳を容易に調整できるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本開示の立体画像撮像装置は、被写体を実像又は虚像として形成する、同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成されるアフォーカル光学系の対物光学系と、複数の独立したレンズ群により、対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系と、複数の撮像光学系に対応して設けられ、複数の撮像光学系により結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える。
【００１７】
また、上記の対物光学系が、等価的に被写体側と撮像光学系側の２つのレンズ群で構成されている場合に、撮像光学系側の焦点面と撮像光学系の焦点面を一致させた上で、対物光学系内の２つのレンズ群の光軸上の距離を変更する。
【００１８】
本開示の立体画像撮像装置によれば、複数の光学系を備えた撮像光学系に対して、アフォーカル光学系の対物光学系を組み合わせることで、撮像光学系間の物理的な位置を変更することなく、実効瞳間の距離（実効ＩＡＤ）と実効の視差ゼロを与える輻輳を調整することが可能である。
【００１９】
対物光学系がアフォーカル光学系の場合には、対物光学系と撮像光学系の光学的な配置（傾いてはいない）は、実効ＩＡＤの調整には無関係となる。
一方、対物光学系を等価的に２つのレンズ群から構成されていると考えることができ、撮像光学系側のレンズ群と撮像光学系のレンズ群の焦点面を一致させた場合には、対物光学系の２つのレンズ群の距離を変更すると、対物光学系はアフォーカル光学系ではなくなるが、実効ＩＡＤは不変のまま、輻輳を変更することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本開示によれば、複数の撮像光学系及び撮像素子を備える複数カメラの物理的な相対位置を変更することなく、実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳を容易に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】現状の立体画像撮像装置の基本構成例を示す説明図であり、（ａ）は複数の被写体を左右のカメラで撮影する状況を上方から示したものであり、（ｂ）は被写体の像の位置を反転した左画像及び右画像を示している。
【図２】図１に示した立体画像撮像装置で撮像された左右画像をディスプレイに表示し、人が視聴する様子を示した説明図である。
【図３】立体画像撮像装置の左右のカメラの間隔を離して被写体を撮影する様子を示す説明図であり、（ａ）は複数の被写体を左右のカメラで撮影する状況を上方から示したものであり、（ｂ）は被写体の像の位置を反転した左画像及び右画像を示している。
【図４】図３に示した立体画像撮像装置で撮像された左右画像を用いて立体画像を視聴する様子を示す説明図である。
【図５】カメラの向きに平行に配置された複数の被写体と瞳との関係を示す説明図である。
【図６】左右のカメラの向きに平行に配置された２つの被写体列とＩＡＤの関係を示す説明図である。
【図７】カメラの向きに平行な被写体列と、ＩＡＤ変換時のＩＡＤ及び瞳の関係を示す説明図である。
【図８】立体画像撮像装置の向きと像面の法線方向が異なる場合のＩＡＤ変換前後のＩＡＤ及び瞳の関係を示す説明図である。
【図９】コンバージェンス位置を設定した場合のカメラの向きに平行な被写体例と、ＩＡＤの関係を示す説明図である。
【図１０】コンバージェンス位置を設定した場合のカメラの向きに平行な被写体例と、ＩＡＤ変換前後のＩＡＤ及び瞳の関係を示す説明図である。
【図１１】本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置（対物光学系の第１及び第２レンズ群が凸レンズであって共焦点の関係）の概要を示す構成図である。
【図１２】本開示の第２の実施形態に係る立体画像撮像装置（対物光学系の第１及び第２レンズ群が凸レンズであって共焦点、及び対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）の概要を示す構成図である。
【図１３】本開示の第３の実施形態に係る立体画像撮像装置（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）の概要を示す構成図である。
【図１４】本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した場合の、物理的なカメラ間距離（物理ＩＡＤ）と実効のカメラ間距離（実効ＩＡＤ）の関係を示す説明図である。
【図１５】本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した場合の、物理的なコンバージェンス・ポイントと実効のコンバージェンス・ポイントの関係を示す説明図である。
【図１６】リファレンスの立体画像撮像装置における被写体と像の関係を示す説明図である。
【図１７】図１６の各距離の関係を示した説明図であり、Ａは右眼についての各距離の関係を表し、Ｂは左眼についての各距離の関係を表している。
【図１８】本開示の立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凹レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示す説明図である。
【図１９】本開示の立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示す説明図である。
【図２０】本開示の立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凹レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示す説明図である。
【図２１】本開示の立体画像撮像装置の構成例（条件１に対応）を示すブロック図である。
【図２２】本開示の立体画像撮像装置の構成の他の例（条件２に対応）を示すブロック図である。
【図２３】本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を、着脱可能なコンバージョンレンズとして活用した場合の構成例を示すブロック図である。
【図２４】本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を、固定焦点距離のコンバージョンレンズとして活用した場合の構成例を示すブロック図である。
【図２５】本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を３群のレンズ群から構成した場合の一例を示す説明図である。
【図２６】図２５において第１レンズ群を移動させた場合の説明図である。
【図２７】図２６の対物光学系における、物理カメラの瞳を通る像面に垂直な光線の入射方向を示す説明図である。
【図２８】本開示の立体画像撮像装置におけるＩＡＤ制御の説明図である。
【図２９】従来の立体画像撮像装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本開示を実施するための形態の例（以下、「本例」ともいう）について、添付図面を参照しながら説明する。説明は下記の順序で行う。なお、各図において共通の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
１．両眼立体視についての説明
２．本開示の立体画像撮像装置の原理
３．本開示の立体画像撮像装置の構成の概要
３−１．第１の実施形態（対物光学系の第１及び第２レンズ群が共焦点の関係）
３−２．第２の実施形態（対物光学系の第１及び第２レンズ群が共焦点、及び対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）
３−３．第３の実施形態（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）
４．本開示の立体画像撮像装置の構成の詳細
４−１．条件１の説明
４−２．条件２の説明
４−３．２眼立体画像撮像装置における被写体と像の関係
４−４．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凹レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係
４−５．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係
４−６．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凹レンズを配置した場合の被写体と像の関係
４−７．交差法に適用する場合の計算式
５．本開示の立体画像撮像装置のブロック構成
５−１．条件１に対応した構成例
５−２．条件２に対応した構成例
５−３．対物光学系を着脱可能なコンバージョンレンズとした構成例
５−４．対物光学系を固定焦点距離のコンバージョンレンズとした構成例
６．３群のレンズ群から構成される対物光学系の例
【００２３】
＜１．両眼立体視についての説明＞
まず、立体視、視差及びＩＡＤに関する説明と、瞳及び実効瞳についての説明を行う。この瞳及び実効瞳は、両眼視差を考える上で導入したものである。
【００２４】
現状の立体視では、両眼視差（以下、視差と記述する）によって立体感を得ている。このため、視差を制御することは立体画像撮影において非常に重要なことである。視差は左右の異なる視点（撮影位置）から撮影することにより生じる、２つの画像上の左右方向のずれのことであり、左右の視点の位置がどのくらい離れているかは、視差を制御する上で非常に重要な要素である。
【００２５】
図１は、現状の立体画像撮像装置の基本構成例を示す説明図である。図１（ａ）は複数の被写体を左右のカメラで撮影する状況を上方から示したものであり、図１（ｂ）は被写体の像の位置を反転した画像を示している。
【００２６】
図１（ａ）の例では、撮像レンズ（瞳４Ｒ）と撮像素子５Ｒを有する右カメラ、撮像レンズ（瞳４Ｌ）と撮像素子５Ｌを有する左カメラにより、カメラ方向と平行な直線上に並ぶ３つの被写体１〜３を撮影している。左右のカメラに関しては模式的に撮像レンズの各々の中心を瞳として表し、３つの被写体１〜３からの主光線が左右の瞳４Ｒ，４Ｌを通って、撮像素子５Ｒ，５Ｌの撮像面と平行な像面に結像する。この左右の瞳４Ｒ，４Ｌの間隔がＩＡＤであり、その距離ｄは立体画像の撮影における重要な要素である。
【００２７】
像面には被写体の像の左右が逆になって写されるため、左右の撮像素子では像の位置を反転して右画像と左画像を出力する。図１（ｂ）の例では、右の撮像素子５Ｒに被写体１〜３の像１ａＲ〜３ａＲが結像しており、右の撮像素子５Ｒはこれを反転した右画像６Ｒを出力している。また左の撮像素子５Ｌに被写体１〜３の像１ａＬ〜３ａＬが結像しており、左の撮像素子５Ｌはこれを反転した左画像６Ｌを出力している。
【００２８】
図２は、図１に示した立体画像撮像装置で撮像された左右画像をディスプレイに表示し、人が視聴する様子を示している。
表示画面上には右画像６Ｒと左画像６Ｌが提示されるが、液晶シャッターを用いるなどの何らかの方法により、右画像は右目だけ、左画像は左目だけに提示される。図２では、説明の便宜上、右画像６Ｒと左画像６Ｌを表示位置に並べて図示し、左右画像の境目を表示面（スクリーン）として、立体画像の再現の様子を示している。
【００２９】
３つのうち真ん中の被写体２に関しては、表示面上で左右の像２ａＲ，２ａＬが同じ位置（交点２ａ）に示されるので視差は０（ゼロ）である。このため、立体視上は被写体２がちょうど表示画面上に存在するように見える。
また、カメラに最も近い被写体３に関しては、右目７Ｒで見える位置と左目７Ｌで見える位置が異なっているため、人間の脳が奥行き方向のどこに存在したら被写体３（像３ａＲ，３ａＬ）が一つの物体と考えられるかを判断し、左右の視線の交点３ａに被写体３があると判断する。
さらに、カメラから最も遠い被写体１に関しても同様で、人間の脳は表示画面より奥側の視線が交差している交点１ａに被写体１が存在すると判断する。このように左右画像に写った同一被写体の像の位置ずれを視差（両眼視差）といい、視差があることによって脳が立体的な把握を行うことで立体視ができる。
【００３０】
また、被写体２に対応する交点２ａのような視差０の(図１における)奥行き位置をコンバージェンス・ポイントというが、この位置は表示画面上に存在するように認識されるため、人間にとって最も見やすい位置とされる。左右画面の重なり方をずらすことでカメラに最も近い被写体３に合わせて視差を０にしたり、カメラから最も遠い被写体１に合わせて視差を０にしたりすることもできる。ただし、例えば被写体３に合わせて視差を０にした場合には、その分、被写体１に対する視差が広がることになる。そのため、撮影シーンや撮影意図等によってコンバージェンス・ポイントの最適位置は異なると考えられる。
【００３１】
図３は、立体画像撮像装置の左右のカメラの間隔を離して被写体を撮影する様子を示す説明図であり、図３（ａ）は複数の被写体を左右のカメラで撮影する状況を上方から示したものであり、図３（ｂ）は被写体の像の位置を反転した左画像及び右画像を示している。
【００３２】
図３（ｂ）の例では、右の撮像素子５Ｒに被写体１〜３の像１ｂＲ〜３ｂＲが結像しており、右の撮像素子５Ｒはこれを反転した右画像８Ｒを出力している。また左の撮像素子５Ｌに被写体１〜３の像１ｂＬ〜３ｂＬが結像しており、左の撮像素子５Ｌはこれを反転した左画像８Ｌを出力している。この場合にも、３つのうち真ん中の被写体２がコンバージェンス・ポイントと重なるように、左右の画像の切り出し位置を設定している。撮影画像は、図１と同様に、被写体２の像２ｂＲ，２ｂＬを画像の中央に置いた右画像及び左画像となる。
【００３３】
図４は、図３に示した立体画像撮像装置で撮像された左右画像をディスプレイに表示し、人が視聴する様子を示している。
図２の例と同様に、被写体２の像は表示画面上の位置（交点２ｂ）に、被写体３の像は表示画面よりも手前（交点３ｂ）に、被写体１の像は表示画面よりも奥（交点１ｂ）に存在するように見えるが、被写体３の像の飛び出し感及び被写体１の像の引っ込み感は強くなる。すなわち、カメラ間隔(瞳４Ｒ，４Ｌの間隔)によって、視差の範囲が広がっている。これは右画像８Ｒ及び左画像８Ｌに写る３つの被写体１〜３の像の重なり具合が、図２の場合と異なることからも明らかである。以上から、カメラ間隔（ＩＡＤ：瞳の間隔）を制御することは、立体感を制御する上で非常に重要であることがわかる。
【００３４】
＜２．本開示の立体画像撮像装置の原理＞
次に、ＩＡＤを考える上で瞳位置をどのように捉えるかを説明する。
通常のカメラでは瞳位置は、撮像レンズ中心を通る像面に垂直な線上に存在する。これは像面に対して撮像レンズの中心軸が１つである場合には考えやすいが、撮像レンズの中心軸が複数ある場合にはそのまま当てはまるとは限らない。ここでは、左右の瞳はカメラの向きに沿った中心線に対して対称な位置にあり、像面も該中心軸について対称な位置で像面の法線がカメラの向きと平行である場合を考える。
【００３５】
図５は、カメラの向きに平行に配置された複数の被写体と瞳との関係を示している。
まず、撮像レンズ及び撮像素子５を備える一台のカメラについて、被写体と瞳と像面に映る像の関係について考える。通常のカメラでは瞳４の位置は撮像レンズの中心にあるので、像面に垂直な光線は、瞳４を通る前でも像面に垂直な方向であり、カメラの向きの入射光である。そのことから、図５のようにカメラの向きに平行に並んだ３つの被写体１〜３の像１ｃ〜３ｃが像面上で重なる（像位置が像面に垂直な線上にある）場合には、その直線上に瞳が存在することがわかる。なお、カメラの向きと像面に垂直な光線とは必ずしも平行ではないこともあるため、“カメラの向きに平行に並んだ３つの被写体”という表現を用いて説明した。
【００３６】
これを左右のカメラで考えると、図６に示すように、左右のカメラの向きに平行な２つの被写体列をなす被写体１〜３及び被写体１１〜１３の像１ｄＲ〜３ｄＲ及び像１１ｄＬ〜１３ｄＬがそれぞれ像面上で重なれば、そのときの左右の瞳４Ｒ，４Ｌの間の距離ｄ（物理ＩＡＤ）は被写体列間の距離と考えられる。本開示では、この被写体列と像、瞳の関係が重要である。なお、像１３ｄＲは瞳４Ｒの中心を通って撮像素子５Ｒに結像した被写体１１の像であり、像１ｄＬは瞳４Ｌの中心を通って撮像素子５Ｌに結像した被写体１の像である。
【００３７】
ここで、元々存在する物理的なＩＡＤを変換して実効的なＩＡＤを得る場合を考える。
この場合には、物理的なＩＡＤに対する瞳に対して、実効的なＩＡＤに対する実効瞳が考えられる。基本的には図６で示したような瞳４Ｒ，４Ｌを通る光線は変わらないものとすると、図７に示すようにカメラの向きに平行な２つの被写体列をなす被写体１〜３及び被写体１１〜１３の像１ｅＲ〜３ｅＲ及び像１１ｅＬ〜１３ｅＬのそれぞれが像面上で重なる場合に、その２つの被写体列間の距離ｅｄを実効ＩＡＤと考えることができる。
【００３８】
撮像素子５Ｒに結像した像１１ｅＲ，１２ｅＲ，１３ｅＲは、ＩＡＤ変換部１４の入射側の実効瞳１５Ｒ及び出射側の内部瞳１６Ｒを通って結像した被写体１１〜１３の像である。また、撮像素子５Ｌに結像した像１ｅＬ，２ｅＬ，３ｅＬはＩＡＤ変換部１４の入射側の実効瞳１５Ｌ及び出射側の内部瞳１６Ｌの中心を通って結像した被写体１〜３の像である。
【００３９】
ＩＡＤ変換部１４は、物理ＩＡＤの距離ｄと実効ＩＡＤの距離ｅｄを変換する機能を有している。ＩＡＤ変換部１４の入射側にある２つの実効瞳１５Ｒ，１５Ｌは、この２つの被写体列を通る入射光が、各々の像面に垂直に入る際の撮像レンズ主面中心との交点付近にある内部瞳１６Ｒ，１６Ｌ位置に集まる光線を逆算することにより、該ＩＡＤ変換部１４に対して入射される光線が仮想的もしくは実際に集まる位置と考えることができる。実効瞳は当然ながら、先の２つの被写体列を通る入射光線上もしくはその延長線上に存在する。
【００４０】
本明細書中において、ＩＡＤ変換部１４の出射側にある２つの内部瞳１６Ｒ，１６Ｌの間隔ｉｄを、「内部ＩＡＤ」と呼ぶこととする。「内部瞳」及び「内部ＩＡＤ」は、ＩＡＤ変換部１４を取り付ける前の物理的な瞳及び物理的なＩＡＤと必ずしも一致しないため、説明のために便宜的につけた呼称である。例えば、後述する“条件２”に基づいてコンバージェンス位置を設定した場合に、内部瞳と内部ＩＡＤが変換前の瞳及びＩＡＤと異なる。
【００４１】
図８は、立体画像撮像装置の向きと像面の法線方向が異なる場合のＩＡＤ変換前後のＩＡＤ及び瞳の関係を示したものである。
２つの被写体例を通る光線はそれぞれ、ＩＡＤ変換部２４の入力側にある実効瞳２５Ｒ，２５Ｌに入射され、ＩＡＤ変換部２４の出力側にある内部瞳２６Ｒ，２６Ｌから出射して、各々の撮像素子５Ｒ，５Ｌに取り込まれる。図８において、立体画像撮像装置の向きと平行に並んで被写体列をなす被写体１〜３及び被写体１１，１２，１３の像１ｆＲ，１２ｆＲ，３ｆＲ及び像１１ｆＬ，１２ｆＬ，１３ｆＬのそれぞれが、像面上で重なることは図７と同様である。
【００４２】
撮像素子５Ｒに結像した像１１ｆＲ，１２ｆＲ，１３ｆＲは、ＩＡＤ変換部１４の入射側の実効瞳２５Ｒ及び出射側の内部瞳２６Ｒを通って結像した被写体１１〜１３の像である。また、撮像素子５Ｌに結像した像１ｆＬ，２ｆＬ，３ｆＬはＩＡＤ変換部２４の入射側の実効瞳２５Ｌ及び出射側の内部瞳２６Ｌを通って結像した被写体１〜３の像である。
【００４３】
次に、コンバージェンス位置が無限遠でない場合（交差法）における実効ＩＡＤと実効瞳に関して説明する。
上述した図６及び図７の例は平行法を適用したものであったため、被写体列を通った立体画像撮像装置の向きに平行な入射光は、瞳を通過した後に像面の中央に垂直に投影される。したがって、単一のカメラで考えた場合と同じように撮像レンズの中心軸上に瞳が存在する形になる。
【００４４】
しかしながら、図９に示すように、コンバージェンス・ポイントＣＰの位置（破線丸部）を設定した場合、像面の中心を通りかつ像面に垂直な線ＡｘＲ，ＡｘＬは、ＩＡＤを考慮する上で想定した瞳を通過しない。これは単一のカメラでは通常考えない瞳位置である。
【００４５】
すなわち、左右のカメラの向きに平行な２つの被写体列をなす被写体１〜３及び被写体１１〜１３の像１ｇＲ，２ｇＲ，３ｇＲ及び像１１ｇＬ，１２ｇＬ，１３ｇＬがそれぞれ像面上で重なるが、各々の瞳４Ｒ，４Ｌを通過した後に像面の中央に投影されない。撮像素子５Ｒに結像した像１１ｇＲ，１２ｇＲ，１３ｇＲは、瞳４Ｒを通って結像した被写体１１〜１３の像である。また、撮像素子５Ｌに結像した像１ｇＬ，２ｇＬ，３ｇＬは、瞳４Ｌを通って結像した被写体１〜３の像である。
【００４６】
これは、ＩＡＤを変換するＩＡＤ変換部を入れた場合でも同様であり、交差法を利用して立体撮影を行う場合には、図１０に示すように、像面の中心を通りかつ像面に垂直な線ＡｘＲ，ＡｘＬは内部瞳を通過しない。図１０は、コンバージェンス位置を設定した場合のカメラの向きに平行な被写体例と、ＩＡＤ変換前後のＩＡＤ及び瞳の関係を示している。図１０の例では、一例として被写体１にコンバージェンス・ポイントＣＰを合わせている。
【００４７】
すなわち、２つの被写体例を通る光線はそれぞれ、ＩＡＤ変換部３４の入力側にある実効瞳３５Ｒ，３５Ｌに入射され、ＩＡＤ変換部３４の出力側にある内部瞳３６Ｒ，３６Ｌから出射して、各々の撮像素子５Ｒ，５Ｌに取り込まれる。このとき、立体画像撮像装置の向きと平行に並んで被写体列をなす被写体１〜３及び被写体１１〜１３の像１ｈＲ，２ｈＲ，３ｈＲ及び像１１ｈＬ，１２ｈＬ，１３ｈＬのそれぞれは像面上で重なるが、各々の内部瞳３６Ｒ，３６Ｌを通過した後に像面の中央に投影されない。
【００４８】
撮像素子５Ｒに結像した像１１ｈＲ，１２ｈＲ，１３ｈＲは、ＩＡＤ変換部３４の入射側の実効瞳３５Ｒ及び出射側の内部瞳３６Ｒを通って結像した被写体１１〜１３の像である。また、撮像素子５Ｌに結像した像１ｈＬ，２ｈＬ，３ｈＬはＩＡＤ変換部３４の入射側の実効瞳３５Ｌ及び出射側の内部瞳３６Ｌを通って結像した被写体１〜３の像である。
【００４９】
本開示の立体画像撮像装置は、以上説明したようなＩＡＤ変換部と同等の機能を備え、該ＩＡＤ変換部により調整される実効瞳、実効ＩＡＤを用いてＩＡＤの制御を行う。
【００５０】
＜３．本開示の立体画像撮像装置の構成の概要＞
以下、本開示の立体画像撮像装の構成の概要について説明する。
【００５１】
［３−１．第１の実施形態（対物光学系の第１及び第２レンズ群が共焦点の関係）］
図１１は、本開示の第１の実施形態の例に係る立体画像撮像装置の概要を示す構成図である。
この第１の実施形態では、２眼式の立体画像撮像装置において、撮像光学系４２である左右のカメラ（撮像部）の前方に２群のレンズ群を対物光学系４１として配置している。そして、対物光学系４１の第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２を共焦点の関係に配置し、対物光学系４１を平行光の入射に対して平行光を射出するアフォーカル光学系とする。この対物光学系４１と撮像光学系４２が、上述のＩＡＤ変換部に相当する。
【００５２】
アフォーカル光学系とするためには最低２群のレンズ群を用いる必要があり、本例では、等価的に凸レンズとみなせる第１及び第２レンズ群４１−１，４１−２を２組用いて焦点位置を一致させ、アフォーカル光学系としている（条件１）。
【００５３】
図１１は、立体画像撮像装置を上方から見た図であり、対物光学系４１の中心軸よりも若干右側にずれた被写体５１〜５６を撮影した場合に、左のカメラ（右目画像を撮影する撮像素子４３Ｌ）に結像する被写体像の位置を示している。被写体５１〜５６は、前後方向に４個、中央付近の被写体５２に関しては左右に１個ずつ並べた計６個の被写体である。なお、本例の撮像素子４３Ｌは、光軸方向に長いものとなっているが、光軸に垂直に置かれるため、基本的には長くない。例えば、像位置５５ｉと５６ｉを通る直線（図面に垂直方向に厚みがあるので立体的には面）として表現される。図１１の例では、撮像素子４３Ｌの位置を、像位置５５ｉと５６ｉを通る直線（破線）で示し、像位置５２ｉ，５５ｉ，５６ｉにフォーカスが合っている場合を示している。
【００５４】
被写体５４を例に説明すると、被写体５４と対物光学系４１の第１レンズ群４１−１の中心を結ぶ線と、被写体５４から第１レンズ群４１−１の中心軸に平行に入射して屈折した光線との交点が、第１レンズ群４１−１による像位置５４−１である。この像位置５４−１と第２レンズ群４１−２の中心を結ぶ線と、像位置５４−１から第２レンズ群４１−２の中心軸に平行に入射して屈折した光線の延長線との交点が、第２レンズ群４１−２による像位置５４−２である。この像位置５４−２の像が撮像光学系４２の撮像レンズ群４２Ｌにより像位置５４ｉに結像する。このように、被写体５１〜５６の像は、それぞれ像位置５１−１〜５６−１及び像位置５１−２〜５６−２を経て、像位置５１ｉ〜５６ｉに結像する。
【００５５】
第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２が共焦点の関係にある場合、第２レンズ群４１−２を通して観察した被写体の像は、被写界における横方向にｆ２／ｆ１倍、奥行き方向に（ｆ２／ｆ１）２倍された像となっている。この像位置５１ｉ〜５６ｉに結像した像を撮像光学系で撮影することにより、実際の６個の被写体を拡大または縮小した形で撮影することができる。被写体を拡大・縮小して撮影することで相対的に撮像光学系のカメラ間隔を縮小・拡大することができる。これが本発明のもっとも単純化した動作原理であるが、第１群と第２群を共焦点にしない場合においても有効な構造であることは、後に図１３を参照して説明する。
【００５６】
本例では、対物光学系４１の中心軸に平行に入射した光線は、最初の第１レンズ群４１−１で焦点位置に向かって屈折し、２番目の第２レンズ群４１−２で平行に戻されて射出する。したがって、射出した光線がちょうど撮像光学系４２の撮像レンズ群中心（内部瞳ＩＰ）を通る光線を考えると、この光線上に実効瞳ＥＰの位置がある（図１１では、図面の視認性を考慮して左側の実効瞳を記している）。
【００５７】
このときの実効ＩＡＤは、対物光学系４１の二つのレンズ群の間にある、共焦点位置を頂角とする相似三角形の相似比から、物理ＩＡＤのｆ１／ｆ２として求められる。ここで、ｆ１は対物光学系４１の第１レンズ群４１−１（凸レンズ）の焦点距離、ｆ２は第２レンズ群４１−２（凸レンズ）の焦点距離を示す。なお、図１１のｆ３は撮像レンズ群４２Ｒ，４２Ｌの焦点距離である。また、ｄは対物光学系４１の第１レンズ群４１−１主面から被写体５２までの距離、Ｌは第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２の距離、Ｍは対物光学系４１の第２レンズ群４１−２と撮像レンズ群４２Ｒ，４２Ｌの主面間距離を示す。
【００５８】
第１の実施形態に係る立体画像撮像装置では、実効ＩＡＤの距離ｅｄを物理ＩＡＤの距離よりも小さくできる。また、像面の傾きとフォーカス面の傾きが同じであり、画面全体に渡ってフォーカスを合わせるのが簡単である。
【００５９】
また、撮像レンズ群４２Ｒ，４２Ｌでは光軸に近い部位、即ちレンズ中心を主に使用しており、従来設計の延長で光学設計が可能である。これはすべてを特殊設計とするよりもコスト的に大きなメリットとなる。
【００６０】
なお、上述した第１の実施形態では、対物光学系を構成する第１レンズ群と第２レンズ群をともに凸レンズ、もしくは凸レンズとみなせるレンズ群として説明したが、これに限られない。例えば、第１レンズ群と第２レンズ群の組み合わせを、凹レンズと凸レンズ、あるいは凸レンズと凹レンズとしてもよい。第１レンズ群が凹レンズの場合には、後側焦点位置は凹レンズの後側主面よりも対物側に存在するため、第２レンズ群の前側焦点が略一致するためには凸レンズとなる。また、第２レンズ群が凹レンズの場合には第１レンズ群は凸レンズとなる。したがって、片方もしくは両方が凸レンズの構成になる。
【００６１】
［３−２．第２の実施形態（対物光学系の第１及び第２レンズ群が共焦点、及び対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）］
次に、２群のレンズ群を対物光学系として配置することによる他の効果について説明する。
第２の実施形態では、２群のレンズ群から対物光学系を構成し、対物光学系と撮像光学系との距離を「（対物光学系の第２レンズ群の焦点距離）＋（撮像光学系の焦点距離）」として、双方の撮像面もしくは焦点位置を一致させる（条件２）。そして、対物光学系の２群のレンズ群間の距離を変更することで、後述するコンバージェンス・オフセットを制御可能にする。
【００６２】
図１２は、本開示の第２の実施形態に係る立体画像撮像装置の概要を示す構成図である。
この第２の実施形態では、図１１に示した第１の実施形態と同様に、２眼式の立体画像撮像装置において、撮像光学系４２である左右のカメラ（撮像部）の前方に２群のレンズ群を対物光学系４１として配置している。そして、第１の実施形態の条件１（対物光学系の第１及び第２レンズ群が共焦点）に加え、対物光学系と撮像光学系との距離を「（対物光学系の第２レンズ群の焦点距離）＋（撮像光学系の焦点距離）」として、双方の撮像面もしくは焦点位置が一致する（条件２）構成としている。対物光学系４１と撮像光学系４２が、上述のＩＡＤ変換部に相当する。
【００６３】
図１１と同じ被写体５１〜５６を考えると、図１１に示した第１の実施形態と同様の要領で、それぞれ像位置５１−１〜５６−１及び像位置５１−２〜５６−２を経て、像位置５１ｉＡ〜５６ｉＡに結像する。
【００６４】
本実施形態では条件１を満たしているため、図１１に示す第１の実施形態と同様に、対物光学系４１の中心軸に平行に入射した光線は、最初の第１レンズ群４１−１で焦点位置に向かって屈折し、２番目の第２レンズ群４１−２で平行に戻されて射出する。したがって、射出した光線がちょうど撮像光学系４２の撮像レンズ群中心（内部瞳ＩＰ）を通る光線を考えると、この光線上に実効瞳ＥＰの位置がある（図１２では、図面の視認性を考慮して左側の実効瞳を記している）。
【００６５】
本実施形態（図１２）と第１の実施形態（図１１）との違いは、対物光学系４１と撮像光学系４２の間隔を広げ、Ｍ＝ｆ２＋ｆ３としている点である。このため、図１２では、最終的な結像位置が図１１に示す位置とは異なっている。
【００６６】
なお、上述した第２の実施形態では、対物光学系を構成する第１レンズ群と第２レンズ群をともに凸レンズ、もしくは凸レンズとみなせるレンズ群として説明したが、これに限られない。例えば、第１レンズ群と第２レンズ群の組み合わせを、凹レンズと凸レンズ、あるいは凸レンズと凹レンズとしてもよい。
【００６７】
［３−３．第３の実施形態（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）］
ところで、１枚のレンズもしくは１枚のレンズと同等とみなせるレンズ群に平行光線が入射すると、原理的には焦点面上で一点に収束（あるいは一点から発散）する。ここでＭ＝ｆ２＋ｆ３とすることでコンバージェンス・オフセット制御に、この性質を利用することができる。
【００６８】
図１３は、本開示の第３の実施形態に係る立体画像撮像装置の概要を示す構成図である。
本実施の形態では、対物光学系４１の第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２の距離Ｌを延ばして、アフォーカル光学系である条件１を崩した構成（Ｌ≠ｆ１＋ｆ２）としている。対物光学系４１と撮像光学系４２が、上述のＩＡＤ変換部に相当する。
なお、図１３では、光線がレンズ群を通っていない部分があるが、図面の記載上の都合によるもので、該当部分については光線がレンズ群を通っているとして扱うこととする。
【００６９】
図１１と同じ被写体５１〜５６を考えると、図１１に示した第１の実施形態と同様の要領で、それぞれ像位置５１−１〜５６−１及び像位置５１−２´〜５６−２´を経て、像位置５１ｉＢ〜５６ｉＢに結像する。
【００７０】
本実施形態では、条件１を崩すことで、元々撮像光学系４２の撮像レンズ群４２Ｒ，４２Ｌのレンズ中心へ光軸に平行として射出していた光線は、光軸に平行な光線ではなくなる。しかしながら、この光線は、第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２の間では条件１を満たす場合の光線と平行な光線であるため、第２レンズ群４１−２の後側焦点上の交点Ｆで条件１を満たす場合の射出光線と交差する。
【００７１】
ここで、Ｍ＝ｆ２＋ｆ３（条件２）とすることにより、この交点Ｆを撮像光学系４２の前側焦点位置とすることができる。前側焦点を通過した光線は、撮像光学系４２で光軸平行光線に屈折して像面に垂直に入射する。対物光学系４１の第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２が共焦点の場合、実効瞳ＥＰを通る撮像素子４３Ｌに平行な入射光は対物光学系４１から射出する際には撮像素子方向に平行になっているため、撮像光学系４２のレンズ中心を通る光線がそのまま撮像面に垂直になる。したがって、上記の入射光は撮像光学系４２のレンズ群の焦点位置は必ず通るので、対物光学系４１と撮像光学系４２の距離と実効ＩＡＤは無関係になる。それゆえ、実効瞳ＥＰの位置は不変である。したがって、実効ＩＡＤが変化しない状況下で第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２の距離Ｌの伸縮が可能である。Ｌの伸縮によって撮像光学系４２への入射角度を制御することが可能であることから、実効ＩＡＤを変化させずにコンバージェンス・オフセットＣＯを容易に制御することができるようになる。
【００７２】
なお、上述した第３の実施形態では、対物光学系を構成する第１レンズ群と第２レンズ群をともに凸レンズ、もしくは凸レンズとみなせるレンズ群として説明したが、これに限られない。例えば、第１レンズ群と第２レンズ群の組み合わせを、凹レンズと凸レンズ、あるいは凸レンズと凹レンズとしてもよい。
【００７３】
以上から、本開示の立体画像撮像装置では、対物光学系を２群のレンズ群で構成し、条件１及び／又は条件２の特徴を持たせている。
【００７４】
もちろん、対物光学系を３群以上のレンズ群で構成した場合でも、条件２を考えることができる。
まず、対物光学系をアフォーカル光学系としたときに実効瞳を通過する、カメラ方向に平行な光線を考える（実効瞳を通過することが重要である）。その光線を対物光学系の入射光と考えた場合に、対物光学系がアフォーカル光学系であるときに射出する光線と、対物光学系をアフォーカル光学系から崩した場合に射出する光線との交点を求める。この交点が撮像光学系の焦点面上にあることが条件２に相当する。なぜならば、交点が撮像光学系の焦点面上にあれば対物光学系の射出光が撮像光学系を通して撮像面に垂直に入射することになり、実効瞳を通るカメラ方向に平行な光線が撮像面に垂直な光線になるからである。これは対物光学系を等価的に二つのレンズ群とみなしたときの条件２に相当する。
【００７５】
＜４．本開示の立体画像撮像装置の構成の詳細＞
［４−１．条件１の説明］
条件１では、複数カメラ（複数撮像部）を有する立体画像撮像装置において、撮像光学系である複数カメラの前方に１つの対物光学系を配置する。この対物光学系は最低２群のレンズ群から構成される。そして、対物光学系の２群のレンズ群と、撮像光学系の複数カメラに取り付けられた撮像レンズ群を合わせて、３つのレンズ群（対物光学系の第１レンズ群、対物光学系の第２レンズ群、撮像レンズ群）の焦点距離と各レンズ群の位置関係を設定もしくは制御可能にする手段を持つ構成（条件１）を採ることにより、課題を解決し目的を達成する。
【００７６】
略アフォーカル光学系となる対物光学系を持つことは、言い換えると、対物光学系を対物側の第１レンズ群（焦点距離ｆ１）と複数カメラ側の第２レンズ群(焦点距離ｆ２)からなる２群の構成と考えた場合に、第１レンズ群の後側焦点位置と第２レンズ群の前側焦点位置が略一致することである。この結果、実効のカメラ間距離（左右の撮像レンズ群間距離）と実効の輻輳に対して、以下のような作用を生じさせることができる。
【００７７】
（実効のカメラ間距離）
略アフォーカル光学系となる対物光学系を持つことにより、対物光学系の光軸と複数カメラの光軸を一斉に略ｆ１／ｆ２倍に変更可能とする。これは図１４に示すように、カメラ間距離を実効的に略ｆ１／ｆ２に変更できることを意味する。すなわち、カメラ間距離を変更する際に、複数カメラ個々の配置を高精度に調整する必要はなく、対物光学系の着脱もしくは対物光学系内の変倍によってカメラ間距離を調整可能とすることができる。
【００７８】
図１４に、本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した場合の、物理的なカメラ間距離（物理ＩＡＤ）と実効のカメラ間距離（実効ＩＡＤ）の関係を示す。本例では、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した例としているが、他の組み合わせに対して同様の考え方を適用できる。
【００７９】
被写体側（図１４では左側）から入射した光線は、凹レンズの第１レンズ群６１−１と凸レンズの第２レンズ群６１−２で屈折して物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌに入射する。図１４のように、対物光学系６１の第１レンズ群６１−１の後側焦点（凹レンズよりも物体側）と第２レンズ群６１−２の前側焦点を一致させると、破線で示した実効カメラ６３Ｒ，６３Ｌに対して集光する光が、物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌに入力する形になる。
【００８０】
代表の２つの光線として、光軸に平行な光線Ｒ１Ｒ，Ｒ１Ｌと、第１レンズ群６１−１の前側焦点（凹レンズよりもカメラ側）へ向かって入射する光線Ｒ２Ｒ，Ｒ２Ｌを図示している。光線Ｒ１Ｒ，Ｒ１Ｌは第１レンズ群６１−１（凹レンズ）で共通の焦点位置から遠ざかる方向に屈折して、第２レンズ群６１−２に入射するが凸レンズの焦点からの光線であるため、再度平行光線に屈折する。したがって光線Ｒ１Ｒ，Ｒ１Ｌ上にある被写体の像は、第２レンズ群６１−２により物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌの撮像レンズ中心の像位置６５Ｒ，６５Ｌに投影される。一方、光線Ｒ２Ｒ，Ｒ２Ｌは第１レンズ群６１−１で平行光線に屈折し、第２レンズ群６１−２で焦点方向に集光される。
結果として、実効カメラ６３Ｒ，６３Ｌに集光する光は物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌに集光することになる。図１４の対物光学系６１による実効ＩＡＤｅｄは物理ＩＡＤｐｄの略ｆ１／ｆ２倍となる。
【００８１】
（実効の輻輳）
略アフォーカル光学系となる対物光学系を持つことにより、撮像光学系にて元々つけられている輻輳をより好適な実効の輻輳に変更可能とすることができる。（ただし、撮像光学系の光軸が対物光学系の光軸に平行の場合には、実効の輻輳も平行のままである。）輻輳に関しても、カメラの撮像レンズの物理的制約から狭小化には限界があるが、図１５に示すように複数カメラの前面側に対物光学系を付加することで、この物理的制約を越えた位置に輻輳位置を設定することが可能になる。
【００８２】
図１５に、本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した場合の、物理的なコンバージェンス・ポイントと実効のコンバージェンス・ポイントの関係を示す。本例では、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した例としているが、他の組み合わせに対して同様の考え方を適用できる。
【００８３】
撮像光学系６２内の左右の物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌの輻輳角度に対して、対物光学系６１を設けることでコンバージェンス・ポイントＣＰが変化して実効のコンバージェンス・ポイントｅＣＰに移行し、実効の輻輳角度も変化する。物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌからのコンバージェンス方向の視線は、対物光学系６１の第２レンズ群６１−２で対物光学系６１の光軸側に屈折する。そして、第２レンズ群６１−２による物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌの撮像レンズ中心の像位置６５Ｒ，６５Ｌの方向に進み、第１レンズ群６１−１によって実効カメラ７３Ｒ，７３Ｌの撮像レンズ中心を通る視線方向に進む。この結果、実効のコンバージェンス・ポイントｅＣＰは図１５に示すように、物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌで設定したコンバージェンス・ポイントＣＰよりも近接した位置に設定される。
【００８４】
このように、凹レンズ＋凸レンズ構成の対物光学系６１は、画像自体も広角側になり近接撮影向けの特徴を備えているため、コンバージェンス・ポイントをより近接した位置に合わせられることは撮影範囲を拡大できることに繋がるので有効である。
また物理的な制約からコンバージェンス・ポイントを物理カメラに近接させるには限界があり、特に、近接撮影で問題となる。しかし、図１５のように、対物光学系を用いることで、より近接した位置までコンバージェンス・ポイントを設定することが可能になる。
逆に、対物光学系の第１レンズ群を凸レンズ、第２レンズ群を凹レンズとした場合には、実効コンバージェンス・ポイントは、物理的なコンバージェンス・ポイントよりも遠くに位置するようになる。
【００８５】
［４−２．条件２の説明］
条件２では、対物光学系を等価的に対物側の第１レンズ群と複数カメラ側の第２レンズ群からなる２群の構成と考え、撮像光学系の撮像レンズ群を第３レンズ群と考える。そして、第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群の後側焦点距離をｆ１、ｆ２、ｆ３とし、第１レンズ群の後側主面と第２レンズ群の前側主面との距離をＬ、第２レンズ群の後側主面と第３レンズ群の前側主面との距離をＭとした場合に、以下の関係を満たすように、ｆ１、ｆ２、ｆ３、Ｌ，Ｍを設定することを可能な構成とする（条件２）。これについては、後に詳述する。
Ｍ−ｆ３−ｆ２ ≒ ０
【００８６】
（実効のカメラ間距離）
これにより、対物光学系の光軸と複数カメラの光軸を一斉に略ｆ１／ｆ２倍に変更可能とし、カメラ間距離を実効的に略ｆ１／ｆ２に変更可能とする。さらに、ｆ１、ｆ２を調整する手段を持つことで、実効カメラ間距離を調整することが可能になる。
【００８７】
（実効の輻輳）
第１レンズ群の後側主面と第２レンズ群の前側主面との距離Ｌを変更することによって、実効のコンバージェンス・ポイントの位置を変更することができる。この際、撮像光学系の複数カメラの輻輳が掛かっている場合には、Ｌの変更によるコンバージェンス・ポイントの変更が更に掛けられる形になる。
【００８８】
更に、撮像光学系は撮像光学系単独で複数カメラを持つ多眼立体画像撮像装置であるため、対物光学系を取り外して撮影することも可能とすることで、撮影シーンに合わせた対物光学系を用いたり、対物光学系なしで撮影したりすること可能としている。対物光学系を着脱可能とするためには、対物光学系による撮像光学系への制約が少ない方がよい。本開示の条件１では、対物光学系内部の制約としているため、撮像光学系への制約はない。
【００８９】
また、実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳は、対物光学系の第１レンズ群の焦点距離ｆ１と第２レンズ群の焦点距離ｆ２の比によって変化することから、これらの比を制御可能とし、撮影シーンに合わせたカメラ間距離や輻輳をつけることを可能にしている。特に条件２においては、製造工程上、高精度な組み立てが可能となる、光学系の光軸がすべて平行な設計においても、対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群のレンズ間距離によって輻輳をつけることを可能としている。
【００９０】
［４−３．２眼立体画像撮像装置における被写体と像の関係］
次に、コンバージェンス・ポイントを考慮した２眼式の立体画像撮像装置の被写体と像の関係を説明する。説明に際し、ターゲットとするリファレンスの立体画像撮像装置を考慮し、本開示の立体画像撮像装置ではこれと同等な撮像結果が得られることを示す。
【００９１】
図１６は、リファレンスの立体画像撮像装置における被写体と像の関係を示す説明図である。この図１６では、光線がレンズ群を通っていない部分があるが、図面の記載上の都合によるもので、該当部分については光線がレンズ群を通っているとして扱うこととする。以降の図面についても該当する部分があれば同様の扱いである。
【００９２】
２眼式の立体画像撮像装置において、２つの撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌによって生成される被写体８２の像位置８３Ｒ，８３Ｌを表している。すなわち、この図は、左右のカメラを上側から見た図であり、カメラ前方の右側にある被写体８２を撮影したとき、被写体(撮像レンズ８１Ｒ、８１Ｌからの距離ｄ´)から射出する光線が、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌの中心（瞳８５Ｒ，８５Ｌ）を通して結像する点を左右のカメラそれぞれについて示している。
【００９３】
また、左右の撮影画像中で視差が０となるオンスクリーン面（オンスクリーン位置８４を含む面）を、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌの前側主面から距離ｃ´のところに設定している。シフト量ｏＲ，ｏＬは、オンスクリーン位置８４を設定した場合に、オンスクリーン位置８４に対応する像位置８６Ｒ，８６Ｌが、光軸からどれだけずれているかを示している。像位置８６Ｒ，８６Ｌは、オンスクリーン位置８４を設定した場合に、右画像、左画像の原点位置となる。また、ｙＲ，ｙＬは、被写体８２の像位置８３Ｒ，８３Ｌがオンスクリーン位置８４を設定した場合の原点（像位置８６Ｒ，８６Ｌ）に対するずれ量を示している。ｚ３は、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌから像位置８３Ｒ，８３Ｌまでの距離を表す。また、ｚ０は、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌから像位置８６Ｒ，８６Ｌまでの距離を表す。これらの距離の関係を左右のカメラそれぞれについて相似三角形で記したものが、図１７（ａ），（ｂ）である。この関係から、結像座標（ｙＲ、ｙＬ）は、式（１−１）、式（１−２）で示される。
【００９４】
【数１】
【００９５】
これらの結像座標は、カメラ間距離（ｉａｄ´）、焦点距離（ｆ３´）及びオンスクリーン位置（ｃ´）をパラメータとして、被写体８２の位置（ｘ，ｄ´）から計算される。これらのパラメータを立体撮影パラメータと呼ぶこととする。２眼式立体画像撮像装置での結像座標は、この式に即して表現されるべきであり、この式を図１８〜図２０のリファレンスとして考える。
【００９６】
ここで、オンスクリーン位置８４を無限遠にしたときに、原点からシフト量ｏＲ，ｏＬの距離にある像位置８３Ｒ，８３Ｌは左右の撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌの中心軸上に乗る。このときオンスクリーン位置８４を移動しても、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌの中心軸と像位置８３Ｒ，８３Ｌの距離は変わらない。オンスクリーン位置８４が無限遠の場合には、オンスクリーン位置までの距離ｃ´が無限遠なので、ｙＲ，ｙＬについて式（１−１），（１−２）の第２項は０になる。ｃ´が有限の場合、ｃ´がカメラに近づくと、原点からオフセット量ｏＲ，ｏＬの距離にある像位置８３Ｒ，８３Ｌは、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌの中心軸から遠ざかって、ｙＲは大きくなり、ｙＬは小さくなる。
【００９７】
従来、実際にオンスクリーン位置８４を調整するには、左右の撮像素子に対する画素の読み出し位置をずらすか、撮像素子位置を光軸と垂直方向にシフト量ｏＲ，ｏＬだけずらすことにより、読み出し画像の中心位置をずらす形を採っていた。あるいは左右のカメラを寄り目にして、つまり左右のカメラの光軸を交差させて撮影してキーストーン歪を取り除く補正を行うなどしていた。しかし、本開示の立体画像撮像装置では、複数カメラの物理的な相対位置を変更することなく、実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳を容易に設定することができる。
【００９８】
［４−４．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凹レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係］
図１８は、本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凹レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示している。
【００９９】
第１レンズ群１０１−１の凹レンズの焦点距離はｆ１、第２レンズ群１０１−２の凸レンズの焦点距離はｆ２、第３レンズ群（撮像光学系１０２内の撮像レンズ群１０２Ｒ，１０２Ｌ）の凸レンズの焦点距離はｆ３とし、第１レンズ群１０１−１の後側主面と第２レンズ群１０１−２の前側主面の距離をＬ、第２レンズ群１０１−２の後側主面と第３レンズ群の前側主面の距離をＭとする。
【０１００】
この例では、第１レンズ群１０１−１の凹レンズによる被写体１０３の虚像位置１０３−１の座標が（ｘ１，ｚ１）であり、この虚像位置１０３−１の第２レンズ群１０１−２の凸レンズによる虚像位置１０３−２の座標が（ｘ２，ｚ２）となる。そして、この虚像位置１０３−２が第３レンズ群（撮像レンズ群１０２Ｒ，１０２Ｌ）の凸レンズにより、像位置１０３ｉＲ，１０３ｉＬに結像される。この場合、図中の（ｘ、ｄ）の位置にある被写体１０３が最終的に結像する左右の画像中での結像座標（ｙＲ，ｙＬ）は、式（２−１），（２−２）で示される。
【０１０１】
【数２】
ただし、
【数３】
【数４】
である。（ｄ´は実効の被写体距離、ｆ３´は実効の焦点距離である。）。これは、図１８の光学系を図１６のような左右の合成結像レンズ２枚として表現した場合に、合成結合レンズの主面から被写体１０３までの距離がd´となり、合成結合レンズの焦点距離がｆ３´として考えられることを示している。
【０１０２】
また、式（２−１），（２−２）において、
【数５】
の項は、実効カメラ間距離の１／２であり、物理的なカメラ間距離（ｉａｄ）に対して、ｆ１，ｆ２，ｆ３，Ｌ，Ｍを変更することで、実効カメラ間距離が変更できることを示している。
【０１０３】
また、式（２−１），（２−２）において、
【数６】
の項は、実効のオンスクリーン位置を決める項である（撮像光学系の複数カメラを平行配置した場合）。
【０１０４】
式（１−１），（１−２）と式（２−１）（２−２）から、ｉａｄ´とｉａｄの関係は、式（７）で表すことができる。
【数７】
ここから式（８）が導かれ、
【数８】
オンスクリーン位置ｃ´を式（９）で表すことができる。
【数９】
【０１０５】
本例では、上述した計算式の各項に対して、次のような制御を行って使いやすくする。
（１）対物光学系と撮像光学系の着脱容易性を高める。
対物光学系１０１と撮像光学系１０２の着脱を考慮すると、第２レンズ群１０１−２の後側主面と第３レンズ群（撮像レンズ群１０２Ｒ，１０２Ｌ）の前側主面の距離であるＭが多少変化しても、実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´、実効のオンスクリーン位置に影響を与えないことが望ましい。
【０１０６】
ここで、ｆ２−ｆ１−Ｌ＝０とすると、これらの立体撮影パラメータはすべてＭに非依存になる。このため、対物光学系１０１を装着した場合に光軸方向のズレには不感とすることができる。したがって略ｆ２−ｆ１−Ｌ＝０とすることは有意義な設定である。ｆ２−ｆ１−Ｌ＝０のとき、対物光学系１０１の第１レンズ群１０１−１と第２レンズ群１０１−２の焦点位置は一致し、条件１を満たす。
【０１０７】
（２）実効のオンスクリーン位置の制御を容易にする。
ａ）撮像光学系１０２の複数カメラを光軸に平行配置したときに、対物光学系１０１を取り付けても実効のオンスクリーン位置を変化させないようにするためには、条件１が必要である。
ｂ）実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´を変更することなく、実効のオンスクリーン位置を変更する。
これは撮像光学系１０２の複数カメラの輻輳を変更することで可能であるが、複数カメラの輻輳の変更をせずとも、Ｍ−ｆ３−ｆ２＝０とすることで、Ｌの変動が実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´とは無関係になる。それゆえ、実効カメラ間距離と実効焦点距離を設定した後、Ｌを変更して実効のオンスクリーン位置を調整することが可能になる。このＭ−ｆ３−ｆ２＝０の条件は、第２レンズ群１０１−２（対物光学系１０１）と第３レンズ群（撮像光学系１０２の撮像レンズ群１０２Ｒ，１０２Ｌ）の焦点位置が一致することを意味しており、条件２を満たしている。
【０１０８】
上記のように、条件１又は条件２のうちいずれかを満たすように対物光学系と撮像光学系を配置及び設定することで、より簡単に実効のカメラ間距離と視差ゼロを与える奥行き位置を変更することができる。
【０１０９】
［４−５．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係］
図１９は、本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示している。
【０１１０】
第１レンズ群１１１−１の凸レンズの焦点距離はｆ１、第２レンズ群１１１−２の凸レンズの焦点距離はｆ２、第３レンズ群（撮像光学系１１２内の撮像レンズ群１１２Ｒ，１１２Ｌ）の凸レンズの焦点距離はｆ３とし、第１レンズ群１１１−１の後側主面と第２レンズ群１１１−２の前側主面の距離をＬ、第２レンズ群１１１−２の後側主面と第３レンズ群（撮像レンズ群１１２Ｒ，１１２Ｌ）の前側主面の距離をＭとする。
【０１１１】
この例では、第１レンズ群１１１−１の凸レンズによる被写体１１３の像位置１１３−１の座標が（ｘ１，ｚ１）であり、この像位置１１３−１の第２レンズ群１１１−２の凸レンズによる像位置１１３−２の座標が（ｘ２，ｚ２）となる。そして、この像位置１１３−２が第３レンズ群（撮像レンズ群１１２Ｒ，１１２Ｌ）の凸レンズにより、像位置１１３ｉＲ，１１３ｉＬに結像される。この場合、図中の（ｘ、ｄ）の位置にある被写体１１３が最終的に結像する左右の画像中での結像座標（ｙＲ，ｙＬ）は、式（１０−１），（１０−２）で示される。
【０１１２】
【数１０】
ただし、
【数１１】
【数１２】
である。
【０１１３】
この構成の場合にも、上述した計算式の各項に対して、次のような制御を行って使いやすくする。
（１）対物光学系と撮像光学系の着脱容易性を高める。
対物光学系１１１と撮像光学系１１２の着脱を考慮すると、第２レンズ群１１１−２の後側主面と第３レンズ群（撮像レンズ群１１２Ｒ，１１２Ｌ）の前側主面の距離であるＭが多少変化しても、実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´、実効のオンスクリーン位置に影響を与えないことが望ましい。
【０１１４】
ここで、Ｌ−ｆ１−ｆ２＝０とすると、これらの立体撮影パラメータはすべてＭに非依存になる。このため、対物光学系１１１を装着した場合に光軸方向のズレには不感とすることができる。したがって略Ｌ−ｆ１−ｆ２＝０とすることは有意義な設定である。Ｌ−ｆ１−ｆ２＝０のとき、対物光学系１１１の第１レンズ群１１１−１と第２レンズ群１１１−２の焦点位置は一致し、条件１を満たす。（但し、凹レンズと凸レンズで焦点距離の符号が異なる。）
【０１１５】
（２）実効のオンスクリーン位置の制御を容易にする。
ａ）撮像光学系１１２の複数カメラを光軸に平行配置したときに、対物光学系１１１を取り付けても実効のオンスクリーン位置を変化させないようにするためには、条件１が必要である。
ｂ）実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´を変更することなく、実効のオンスクリーン位置を変更する。
これは撮像光学系１１２の複数カメラの輻輳を変更することで可能であるが、複数カメラの輻輳の変更をせずとも、Ｍ−ｆ３−ｆ２＝０とすることで、Ｌの変動が実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´とは無関係となる。それゆえ、実効のオンスクリーン位置のみを制御可能になる。したがって、実効カメラ間距離と実効焦点距離を設定した後、Ｌを変更して実効のオンスクリーン位置を調整することが可能になる。このＭ−ｆ３−ｆ２＝０の条件は、第２レンズ群１１１−２（対物光学系１１１）と第３レンズ群（撮像光学系１１２の撮像レンズ群１１２Ｒ，１１２Ｌ）の焦点位置が一致することを意味しており、条件２を満たしている。
【０１１６】
［４−６．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凹レンズを配置した場合の被写体と像の関係］
図２０は、本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凹レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示している。
【０１１７】
第１レンズ群１２１−１の凸レンズの焦点距離はｆ１、第２レンズ群１２１−２の凹レンズの焦点距離はｆ２、第３レンズ群（撮像光学系１２２内の撮像レンズ群１２２Ｒ，１２２Ｌ）の凹レンズの焦点距離はｆ３とし、第１レンズ群１２１−１の後側主面と第２レンズ群１２１−２の前側主面の距離をＬ、第２レンズ群１２１−２の後側主面と第３レンズ群（撮像レンズ群１２２Ｒ，１２２Ｌ）の前側主面の距離をＭとする。
【０１１８】
この例では、第１レンズ群１２１−１の凸レンズによる被写体１２３の像位置１２３−１の座標が（ｘ１，ｚ１）であり、この像位置１２３−１の第２レンズ群１２１−２の凹レンズによる像位置１２３−２の座標が（ｘ２，ｚ２）となる。そして、この像位置１２３−２が第３レンズ群（撮像レンズ群１２２Ｒ，１２２Ｌ）の凸レンズにより、像位置１２３ｉＲ，１２３ｉＬに結像される。この例では、実効ＩＡＤである実効瞳ＥＰ間の距離は、物理ＩＡＤである内部瞳ＩＰ間の距離ｉａｄより大きくなる。この場合、図中の（ｘ、ｄ）の位置にある被写体１２３が最終的に結像する左右の画像中での結像座標（ｙＲ，ｙＬ）は、式（１３−１），（１３−２）で示される。
【０１１９】
【数１３】
ただし、
【数１４】
【数１５】
である。
【０１２０】
この構成の場合にも、上述した計算式の各項に対して、次のような制御を行って使いやすくする。
（１）対物光学系と撮像光学系の着脱容易性を高める。
対物光学系１２１と撮像光学系１２２の着脱を考慮すると、第２レンズ群１２１−２の後側主面と第３レンズ群（撮像レンズ群１２２Ｒ，１２２Ｌ）の前側主面の距離であるＭが多少変化しても、実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´、実効のオンスクリーン位置に影響を与えないことが望ましい。
ここで、ｆ１−Ｌ−ｆ２＝０とすると、これらの立体撮影パラメータはすべてＭに非依存になる。このため、対物光学系１２１を装着した場合に光軸方向のズレには不感とすることができる。したがって略ｆ１−Ｌ−ｆ２＝０とすることは有意義な設定である。ｆ１−Ｌ−ｆ２＝０のとき、対物光学系１２１の第１レンズ群１２１−１と第２レンズ群１２１−２の焦点位置は一致し、条件１を満たす。（但し、凸レンズと凹レンズで焦点距離の符号が異なる。）
【０１２１】
（２）実効のオンスクリーン位置の制御を容易にする。
ａ）撮像光学系１２２の複数カメラを平行配置したときに、対物光学系１２１を取り付けても実効のオンスクリーン位置を変化させないようにするためには、条件１が必要である。
ｂ）実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´を変更することなく、実効のオンスクリーン位置を変更する。
これは撮像光学系１２２の複数カメラの輻輳を変更することで可能であるが、複数カメラの輻輳の変更をせずとも、Ｍ−ｆ３＋ｆ２＝０とすることで、Ｌの変動が実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´とは無関係となり、実効のオンスクリーン位置のみを制御可能になる。したがって、実効カメラ間距離と実効焦点距離を設定した後、Ｌを変更して実効のオンスクリーン位置を調整することが可能になる。このＭ−ｆ３＋ｆ２＝０の条件は、第２レンズ群１２１−２（対物光学系１２１）と第３レンズ群（撮像光学系１２２の撮像レンズ群１２２Ｒ，１２２Ｌ）の焦点位置が一致することを意味しており、条件２を満たしている。（凸レンズと凹レンズで焦点距離の符号が異なる。）
【０１２２】
［４−７．交差法に適用する場合の計算式］
ここで、上記の計算式を交差法に適用する場合を説明する。
撮像光学系の複数カメラを平行法ではなく、交差法（オンスクリーン位置が無限遠）にて撮影した場合には、式（６）は
【数１６】
となる。（ただし、ｃは撮像光学系の前側主面からの距離）
【０１２３】
よって、式（２−１），（２−２）は、下記式のように変形できる。
【数１７】
【０１２４】
立体画像撮像装置に対物光学系を付けない状態で輻輳をつけて、撮像光学系から距離cの位置をオンスクリーン位置とした場合には、式（６）式の計算式に式（１６）の右項が加わる。これは図１６を参照して説明した式（１−１），（１−２）から理解できよう。この輻輳がついた状態で、対物光学系が取り付けられると式（１６）の左項が付加されることになる。
【０１２５】
上記の実施形態によれば、複数カメラを備えた撮像光学系に対して、対物光学系を組み合わせることで、撮像光学系の複数カメラ間の物理的な位置を変更することなく、実効のカメラ間距離と実効の輻輳（視差ゼロ）を与える奥行き位置を変更することが可能である。
例えば、対物光学系による実効カメラ間距離の変更は、撮像光学系の撮像レンズ群と対物光学系の第２レンズ群の焦点との距離Ｍと無関係である。したがって、既存の撮像光学系に、例えばアタッチメント（補助部品）として対物光学系（コンバージョンレンズ）を付加することでカメラ間距離の変更が可能となる。
また、コンバージェンス・ポイントを変更する際に、対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群の間隔を調整するだけで、実効のコンバージェンス・ポイントを移動させることが可能である。
【０１２６】
＜５．本開示の立体画像撮像装置のブロック構成＞
［５−１．条件１に対応した構成例］
図２１は、本開示の立体画像撮像装置の構成例（条件１に対応）を示すブロック図である。ここでは、カメラ間距離を電動制御すること、並びに撮像処理に必要であるブロックを示している。
【０１２７】
本例の立体画像撮像装置は、第１レンズ群１３１−１及び第２レンズ群１３１−２を有する対物光学系と、撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌ及び撮像素子１３３Ｒ，１３３Ｌから構成される左右のカメラ１３４Ｒ，１３４Ｌ（撮像光学系）を備える。また、撮像素子１３３Ｒ，１３３Ｌで得られた画像信号が入力される撮像回路１３９Ｒ，１３９Ｌと、画像処理回路１４０と、不揮発性のメモリ１４１と、メイン制御部１３８と、入力部１４２を備え、これらがバスを介して通信可能に接続されている。さらに、ＩＡＤ制御部１３５と、ズーム制御部１３６と、コンバージェンス制御部１３７と、モータ１４３，１４４−１，１４４−２，１４５Ｒ，１４５Ｌ，１４６Ｒ，１４６Ｌを備えている。
【０１２８】
ＩＡＤ制御部１３５は、実効カメラ間距離を調整するための制御機構であり、メイン制御部１３８の制御の下で、モータ１４４−１，１４４−２を駆動させる。それにより、対物光学系の第１レンズ群１３１−１及び第２レンズ群１３１−２の焦点距離調整を行い、所望の実効カメラ間距離を得る。また、第１レンズ群１３１−１の位置調整をすることで、本開示における条件１（対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群が共焦点）を満足するように制御する。レンズ群の焦点距離調整は、レンズ群を構成するレンズの位置を微調整することで行う。
【０１２９】
撮像光学系に対しては、メイン制御部１３８の制御の下で、ズーム制御部１３６がモータ１４５Ｒ，１４５Ｌを駆動させ、撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌに対して焦点距離制御を行う。
【０１３０】
視差ゼロとなる奥行き位置の調整に関しては、メイン制御部１３８の制御の下で、コンバージェンス制御部１３７がモータ１４６Ｒ，１４６Ｌを駆動させ、撮像光学系内の個々のカメラ１３４Ｒ，１３４Ｌの向き（カメラ間距離や光軸方向）を変更することで対応可能である。このとき、撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌのみ、又は撮像素子１３３Ｒ，１３３Ｌのみ、あるいは左右のカメラ１３４Ｒ，１３４Ｌ全体を移動させることができる。
【０１３１】
対物光学系（第１レンズ群１３１−１及び第２レンズ群１３１−２）及び撮像光学系（カメラ１３４Ｒ，１３４Ｌ）を通して左右の撮像素子１３３Ｒ，１３３Ｌで得られた撮影画像は画像信号に変換された後、対応する撮像回路１３９Ｒ，１３９Ｌに入力される。撮像回路１３９Ｒ，１３９Ｌでは、例えばフォーカス、絞り、ゲイン調整、ホワイトバランスといった検波処理を行った後、メイン制御部１３８を通じて撮影画像をメモリ１４１に保存する。なお、この図には示していないが、検波処理の結果のうちフィードバックが必要なパラメータに関しては撮影設定にフィードバックするとよい。
【０１３２】
画像処理回路１４０では、個々のカメラ画像に対する個別の処理もしくは複数のカメラ間にまたがる画像処理を行う。
【０１３３】
メイン制御部１３８は、全体の制御を司る制御部の一例であり、入力部１４２が操作入力に応じて出力する操作入力信号に基づいて、あるいはメモリ１４１等に保存されたプログラムに基づいて所定の演算・処理を行う。
【０１３４】
本例では２眼式の立体画像撮像装置の場合について示したが、特に２眼式に限られない。また、対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群を凸レンズとして示しているが、本明細書に記した他のレンズの組み合わせについても有効である。各光学系のブロックを代表するレンズ群の可変焦点距離機構に関しては詳細を記していないが、本開示を適用する上では特定の機構に限定されない。また、本例では、モータを用いて電動制御する例を説明したが、本開示の条件１を満たすようなメカニカルな機構を設けてもよい。
【０１３５】
［５−２．条件２に対応した構成例］
図２２は、本開示の立体画像撮像装置の構成の他の例（条件２に対応）を示すブロック図である。ここでは、カメラ間距離及び視差ゼロとなる奥行き位置を電動制御すること、並びに撮像処理に必要であるブロックを示している。図２２において、図２１の構成と共通の部分については説明を省略する。
【０１３６】
ズーム制御部１５３は、メイン制御部１３８の制御の下で、モータ１５６Ｒ，１５６Ｌを駆動させ、本開示の条件２（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点）を満足するように、対物光学系の第２レンズ群１３１−２と撮像光学系の撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌの距離を制御する。図２２の例では、対物光学系全体を移動することで対物光学系の第２レンズ群１３１−２と撮像光学系の撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌが共焦点関係になるように制御することを示しているが、条件２を満たすような機構であれば特にこれに限定されない。このズーム調整によって実効カメラ間距離を設定した後の表示画面上の像の大きさ調整を行う。なお、この図２２の構成は、条件１を満足するように制御することも勿論可能である。
【０１３７】
ＩＡＤ制御部１５２は、実効カメラ間距離を調整するための制御機構であり、メイン制御部１３８の制御の下で、モータ１５５−１，１５５−２を駆動させ、対物光学系の第１レンズ群１３１−１及び第２レンズ群１３１−２の焦点距離調整を行い、所望の実効カメラ間距離を得る。
【０１３８】
視差ゼロとなる奥行き位置の調整に関しては、メイン制御部１３８の制御の下で、コンバージェンス制御部１５１がモータ１５４を駆動させ、第１レンズ群１３１−１の位置を調整することで所望の奥行き位置になるように調整する。この際、撮像光学系における複数カメラ（撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌ及び撮像素子１３３Ｒ，１３３Ｌ）の向きは、対物光学系の光軸方向と平行でよい。何らかのコンバージェンスを設ければ、対物光学系のコンバージェンスと合成されることになるので、合成コンバージェンスを算出して設定を行えばよい。コンバージェンスを設ける方法としては、左右の撮像素子に対する画素の読み出し位置をずらす方法や、撮像素子位置を光軸と垂直方向にシフトすることにより、読み出し画像の中心位置をずらす方法などがある。
【０１３９】
上記構成において、条件２を満たしている場合には、対物光学系内で実効のカメラ間距離と視差ゼロとなる奥行き位置の調整を行うことができる。
【０１４０】
なお、図２１のコンバージェンス制御部１３７では、撮像光学系内の個々のカメラ１３４Ｒ，１３４Ｌの向きを変更する制御を行うが、本例のズーム制御部１５３が個々のカメラ１３４Ｒ，１３４Ｌの向きを変更する制御を行えるようにしてもよい。また、本例では、モータを用いて電動制御する例を説明したが、本開示の条件２を満たすようなメカニカルな機構を設けてもよい。その他、本例に対して、図２１に示した構成の説明で挙げられたものと同様の変形例を適用することができる。
【０１４１】
裸眼立体ディスプレイなどでは、２眼のみでなく多眼立体画像撮像装置で撮影された画像を表示することで、２眼のみでは難しかった頭部の移動に対応した運動立体視などが可能である。これに伴い、多眼立体画像撮像装置での撮影を行う機会が多くなることが見込まれる。本開示は２眼のみならず、多眼の場合にも適用可能であるばかりでなく、多眼立体画像撮像装置の調整においてより効果を発揮する。本開示を用いると複数カメラの物理的配置を変化させることなく実効カメラ間距離や輻輳の調整が可能であるため、カメラ数とともに増加する個々のカメラの調整作業を簡単かつ正確に行うことができる。
【０１４２】
［５−３．対物光学系を着脱可能なコンバージョンレンズとした構成例］
本開示の対物光学系は、多眼立体画像撮像装置へ組み込むだけでなく、コンバージョンレンズとして既存の多眼立体画像撮像装置の前部に装着する形で活用することが可能である。少なくとも２群のレンズ群を備えるコンバージョンレンズを、立体画像撮像装置に対して着脱可能な構成とし、コンバージョンレンズを本開示の立体画像撮像装置における対物光学系として利用する。
【０１４３】
図２３は、本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を、着脱可能なコンバージョンレンズとして活用した場合の構成例を示すブロック図である。図２３の例は、実効のカメラ間距離を電動制御可能な例であり、この制御のために必要なブロックを示している。例えば、図２１のズーム制御部１３６及びコンバージェンス制御部１３７に対応する記載は省略している。
【０１４４】
コンバージョンレンズ１６１は、第１レンズ群１６１−１と第２レンズ群１６１−２を備えて構成され、本開示の対物光学系として機能する。一方、本例の立体画像撮像装置は、装着されたコンバージョンレンズ１６１の第１レンズ群１６１−１と第２レンズ群１６１−２の焦点位置等を制御するＩＡＤ制御部１６３を備える。
【０１４５】
ＩＡＤ制御部１６３は、メイン制御部１３８の制御の下で、モータ１６４，１６５−１，１６５−２を駆動させ、コンバージョンレンズ１６１の第１レンズ群１６１−１及び第２レンズ群１６１−２の焦点距離調整、並びに第１レンズ群１６１−１の位置調整を行う。それにより、本開示における条件１（対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群が共焦点）を満足するように制御する。
【０１４６】
本開示における条件１では撮像光学系と対物光学系の距離については制限がないため、既存の多眼立体画像撮像装置に対するコンバージョンレンズとして本開示を適用することができる。
【０１４７】
なお、本例では、モータを用いて電動制御する例を説明したが、本開示の条件１を満たすようなメカニカルな機構を設けてもよい。
また、コンバージョンレンズ１６１を立体画像撮像装置に装着したときに、本開示における条件２（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点）を満足するような設計としてもよい。その他、本例に対して、図２１，図２２についての説明で挙げられたものと同様の変形例を適用することができる。
【０１４８】
［５−４．対物光学系を固定焦点距離のコンバージョンレンズとした構成例］
図２４は、本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を、固定焦点距離のコンバージョンレンズとして活用した場合の構成例を示すブロック図である。
【０１４９】
本開示の対物光学系として機能するコンバージョンレンズ１７１は、第１レンズ群１７１−１と第２レンズ群１７１−２を備えて構成されている。コンバージョンレンズ１７１は、本開示における条件１（対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群が共焦点）を満足するように固定焦点距離が設計されている。
【０１５０】
本開示において条件１を満たす場合には、対物光学系と撮像光学系の距離には制限がないため、既存の多眼立体画像撮像装置にコンバージョンレンズ（対物光学系）のみを付加する形で提供することが可能である。もっとも単純な例としては、対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群の焦点距離を固定とし、実効カメラ間距離を一定の倍率で拡大（縮小）するコンバージョンレンズとして提供することが可能である。
【０１５１】
また、コンバージョンレンズ１７１を立体画像撮像装置に装着したときに、本開示における条件２（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点）を満足するような設計としてもよい。なお、図２４においては対物光学系の第１レンズ群１７１−１と第２レンズ群１７１−２を凸レンズとして示しているが、本明細書に記載した他のレンズの組み合わせについても有効である。
【０１５２】
以上説明したように、本開示によれば、任意のカメラ間隔及び輻輳が設定された複数カメラを撮像光学系として備える多眼立体画像撮像装置に対して、本開示を適用することにより、複数カメラの物理的な位置制約に縛られることなく、カメラ間隔や輻輳を変更可能にすることができる。
また、本開示を用いると、実効のカメラ間隔調整や輻輳調整を複数カメラの前部に設けた対物光学系によって行うことができる。このため、撮影のたびに個々のカメラ位置を調整することなく、カメラ間隔調整及び輻輳調整を行うことができ、撮影開始前の調整時間の短縮や多眼立体画像撮像装置における連動機構の簡易化を図ることができる（条件１）。
さらに、本開示の対物光学系では、実効のカメラ間隔調整を行った後、レンズシフト機構による対物光学系内のＬの制御のみで実効の輻輳調整を行うこともできる。このため、実効のカメラ間隔が一定の撮影シーンなど、実効のカメラ間隔を設定した後で輻輳調整を行う場合に、ユーザ操作もしくはレンズ制御機構の簡易化が可能である（条件２）。
【０１５３】
＜６．３群のレンズ群から構成される対物光学系の例＞
次に、３群構成の対物光学系について従来例との比較を交えながら説明する。
初めに、特許文献１（特開２００３−５３１３号公報）に開示された技術について説明する。特許文献１には、対物光学系と結像光学系にズーム率を分け、片方の変倍率を上げた場合には他方の倍率を下げて全体の倍率を一定にすることで、立体感が変化する作用を持たせることができることを示したものと考えられる。この時点では、ＩＡＤ及びコンバージェンス・フォーカスが同時に変更される形になっている。ＩＡＤ及びコンバージェンスをそれぞれ単独で制御することに関する技術開示はされていない。
【０１５４】
本明細書では、立体視の重要な項目であるＩＡＤをコントロールすること、及び、ＩＡＤを決めた上でコンバージェンスを制御することについて技術開示を行っている。
（１）ＩＡＤをコントロールする、ＩＡＤを所望の値になるように変換する技術を開示
ＩＡＤ変換を可変とすること、あるいはＩＡＤ変換は固定だが、対物光学系を取り替えることにより、所望のＩＡＤとする。この手段として、アフォーカル光学系を複数カメラの前部に配置する。ＩＡＤは複数カメラの概念であり、本開示はこのＩＡＤのコントロールを行うものなので、単一カメラの前にコンバージョンレンズを配置するものとは根本的に異なるものである。
（２）ＩＡＤを決めた上でコンバージェンスの制御を行う技術を開示
ＩＡＤを保ったままで、コンバージェンスを変化させるためにはどのようにすればよいかという技術を開示している。この手段として、対物光学系の２群のレンズ群と撮像光学系の焦点面を合わせた上で、対物光学系のアフォーカル光学系の構成を崩すことで実現する。なお、対物光学系が２群構成でなくとも、等価な２群からなるレンズとして考えられれば本開示を適用することができる。
【０１５５】
図２５は、本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を、３群のレンズ群から構成した場合の一例を示す。図２５〜図２８に示した瞳は、対物光学系を用いた場合の瞳であるため、内部瞳として考える瞳である。ただし、ここではコンバージェンス位置の設定を行うものはないので、対物光学系を外した場合の瞳と一致する。
【０１５６】
この図では、第１〜第３レンズ群１８１〜１８３から構成される対物光学系がアフォーカル光学系で、ＩＡＤ変換が行われることを示している。第１〜第３レンズ群１８１〜１８３の焦点距離はｆ１，ｆ２，ｆ３である。物理カメラ１８４Ｒ，１８４Ｌの瞳を通る像面に垂直な光線は、アフォーカル光学系を通しても物理カメラの向きに対して平行である。このため、物理カメラ１８４Ｒ，１８４Ｌのレンズ中心軸上の瞳とその対物光学系による像である実効瞳ＥＰが、この二眼立体画像撮像装置の瞳として機能する。したがって、カメラ向きに平行な実効瞳ＥＰを通る光線と左右の物理カメラ１８４Ｒ，１８４Ｌの中心線との距離ｅｄ／２は実効ＩＡＤ／２である。図からもわかるように、実効ＩＡＤの距離ｅｄは物理ＩＡＤの距離ｉａｄよりも小さく変換されている。
【０１５７】
図２６は、特許文献１で示されているフォーカス調整時の対物光学系の様子を示したものである。
フォーカス調整時に、図２５に示した入射光線がどのように進むかを示した図である。もっとも被写体側にある第１レンズ群１８１を被写体側へ距離△移動させると、対物光学系の倍率が変化するとともに、アフォーカル光学系の条件が崩れてアフォーカル光学系ではなくなる。このため、アフォーカル光学系となっていた場合に撮像光学系（物理カメラ１８４Ｌ）の瞳を通って像面に垂直だった光線（図２５）が、瞳から外れ、像面との角度も変化してしまう。この結果、立体視の重要な制御要素であるＩＡＤが変化する。特許文献１には、自然な立体感と記述されているが、自然な立体感である技術的根拠は示されていない。
【０１５８】
図２７は、図２６の対物光学系における、物理カメラの瞳を通る像面に垂直な光線の入射方向を示したものである。
図に示されるように、図２５の実効瞳位置が移動するとともに、入射方向が対物光学系の中心軸の向きとは異なる方向になっている。この結果、ＩＡＤが変化するとともにコンバージェンスも変化する。本明細書で示したように、ＩＡＤを変化させずにコンバージェンスを変更するには、対物光学系と結像光学系に条件が存在するため、特許文献１に開示された技術内容だけでは、ＩＡＤとコンバージェンスそれぞれを所望の状態になるように制御することはできない。
【０１５９】
図２８は、本開示の立体画像撮像装置におけるＩＡＤ制御の説明図である。
撮像光学系に条件を設けない状況であっても、本開示のように対物光学系がアフォーカル光学系の条件を満たすように制御すれば、ＩＡＤの制御が可能になる。すなわち実効ＩＡＤ／物理ＩＡＤの変換比を制御できる。本開示の技術によれば、図２６で示した第１レンズ群１８１の移動も、図２８に示すように被写体側から第３番目の第３レンズ群１８３と連動して制御することで、ＩＡＤの制御を目的とした対物光学系の制御を実現できる。本例では、実効瞳ＥＰ´のとき実効ＩＡＤ／２の距離は、フォーカス調整前の実効ＩＡＤ／２の距離ｈより短くなっている。なお、図２８で示した対物光学系は、本開示の対物光学系の一例であり、可変倍率とする場合に、この構成に限定されるものではない。
【０１６０】
特許文献１では、図２６のレンズ制御によりフォーカス調整が行われるとともに立体感が変化することが示されている。これに対し、本開示の光学系におけるフォーカス調整は少なくとも撮像光学系内で行うことで解決できる。
【０１６１】
上述したように、本開示の立体画像撮像装置に用いられる対物光学系は少なくとも２群のレンズ群から構成されていればよい。また、撮像光学系は、少なくとも１群の撮像レンズ群から構成されていればよい。
【０１６２】
その他、本開示の立体画像撮像装置を、立体視用の撮像装置のみならず、距離測定装置に適用してもよい。距離測定装置においても、複数カメラの物理的な位置制約に縛られることなく、実効のカメラ間距離及び輻輳が変更できるようになることは距離を測定する上で、大変有効である。例えば、実効ＩＡＤを大きくすると推定測定距離が長くなり、逆に、実効ＩＡＤを小さくすると推定測定距離が短くなる。したがって、実効ＩＡＤを調整して大きな値に設定することにより、測定精度を向上させることができる。
【０１６３】
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１） 被写体を実像又は虚像として形成する、同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成されるアフォーカル光学系の対物光学系と、
複数の独立したレンズ群により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系と、
前記複数の撮像光学系に対応して設けられ、前記複数の撮像光学系により結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える
立体画像撮像装置。
（２） 前記対物光学系が等価的に２つのレンズ群から構成される場合に、前記対物光学系のレンズ群のうち前記撮像光学系側にあるレンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各レンズ群の焦点面を一致させ、前記対物光学系の被写体側のレンズ群と前記撮像光学系側のレンズ群の光軸上での距離を変更する
前記（１）に記載の立体画像撮像装置。
（３） 前記対物光学系が等価的に２つのレンズ群から構成される場合に、第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点が一致している
前記（１）に記載の立体画像撮像装置。
（４） 第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点が一致している状態で、前記対物光学系のレンズ群のうち前記撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各光学系の焦点面が一致している
前記（３）に記載の立体画像撮像装置。
（５） 前記第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上での距離を変更し、第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点を一致させる第１の制御を行う制御部、をさらに備える
前記（１）から（４）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（６） 前記対物光学系の各レンズ群の焦点距離を変更し、前記対物光学系の倍率を変更して実効の撮像光学系間の距離を変更する第２の制御を行う制御部、をさらに備える
前記（１）から（５）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（７） 前記対物光学系のレンズ群のうち撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各光学系との焦点面を一致させる第３の制御を行う制御部、をさらに備える
前記（２）から（６）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（８） 前記制御部は、前記対物光学系のレンズ群のうち撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各レンズ群の焦点面が一致している状態で、対物光学系内の第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上での距離を変更させる第４の制御を行う制御部、をさらに備える
前記（２）から（７）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（９） 前記対物光学系の第１レンズ群及び第２レンズ群の各々を一つのレンズと捉えた場合に、第１レンズ群及び第２レンズ群の組み合わせが、凸レンズ及び凸レンズ、凸レンズ及び凹レンズ、あるいは凹レンズ及び凸レンズである
前記（２）〜（８）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（１０） 前記対物光学系が当該立体画像撮像装置に対して着脱可能に構成されている
前記（１）〜（９）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（１１） 被写体を実像又は虚像として形成する、同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成される対物光学系と、複数の独立したレンズ群により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系と、前記複数の撮像光学系に対応して設けられ、前記複数の撮像光学系により結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える立体画像撮像装置により立体画像撮像を行うに際して、
前記対物光学系の各レンズ群の焦点距離、及び各レンズ群間の光軸上での距離を変更し、前記対物光学系をアフォーカル光学系とし、
前記対物光学系の倍率を変更して実効の撮像光学系間の距離を変更する
立体画像撮像方法。
【０１６４】
以上、本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。
【符号の説明】
【０１６５】
１４，２４，３４…ＩＡＤ変換部、１５Ｒ，１５Ｌ，２５Ｒ，２５Ｌ，３５Ｒ，３５Ｌ…実効瞳、１６Ｒ，１６Ｌ，２６Ｒ，２６Ｌ，３６Ｒ，３６Ｌ…内部瞳、４１…対物光学系、４１−１，４１−２…レンズ群、４２…撮像光学系、４２Ｒ，４２Ｌ…撮像レンズ群、６１…対物光学系、６１−１，６１−２…レンズ群、６２…撮像光学系、６２Ｒ，６２Ｌ…物理カメラ、６３Ｒ，６３Ｌ，７３Ｒ，７３Ｌ…実効カメラ、８１Ｒ，８１Ｌ…撮像レンズ、８４…オンスクリーン位置、８５Ｒ，８５Ｌ…瞳、１０１，１１１，１２１…対物光学系、１０１−１，１０１−２，１１１−１，１１１−２，１２１−１，１２１−２…対物レンズ群、１０２，１１２，１２２…撮像光学系、１０２Ｒ，１０２Ｌ、１１２Ｒ，１１２Ｌ，１２２Ｒ，１２２Ｌ…撮像レンズ群、１３１−１，１３１−２…レンズ群、１３５，１５２…ＩＡＤ制御部、１３６，１５３…ズーム制御部、１３７，１５１…コンバージェンス制御部、１３８…メイン制御部、１６１，１７１…コンバージョンレンズ、１６１−１，１６１−２，１７１−１，１７１−２…レンズ群、１６３…ＩＡＤ制御部、
１８１〜１８３…レンズ群、ＥＰ…実効瞳、ＩＰ…内部瞳、ｏＲ，ｏＬ…シフト量
【技術分野】
【０００１】
本開示は、立体画像の撮影を行う立体画像撮像装置及び立体画像撮像方法に関し、特に実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳を調整する技術に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来の２眼式の立体画像撮像装置では、撮影対象の被写体を左右２方向に配置したカメラから右画像及び左画像を撮影することで、２眼立体画像を取得する。この際、左右それぞれのカメラの間隔（撮像レンズ間距離）（基線長、ＩＡＤ（InterAxialDistance））、及び輻輳（Convergence）は、取得した２眼立体画像の立体感や快適視差範囲に大きく影響する。従来の２眼式の立体画像撮像装置では、カメラ間隔の調整は実際に左右のカメラの配置を変更して行っており、カメラの輻輳についてもカメラ自体の配置の調整もしくは各カメラのレンズ制御によって行っている。
【０００３】
カメラ間隔に関しては、カメラに搭載されているレンズや撮像素子の大きさを調整する（小さくする）ことによって間隔を狭めるのには限界がある。そのため、リグ（ＲＩＧ）と呼ばれる架台に搭載したハーフミラーを通して反射光と透過光をそれぞれ左右のカメラで撮影することにより、カメラ同士の物理的な干渉を避けてカメラ間隔を狭めることが行われている。
【０００４】
またカメラの輻輳に関しては、左右のカメラの光軸を平行に配置する平行法や、表示時にオンスクリーンとなる撮影対象物の奥行き（コンバージェンス・ポイント）に合わせて左右のカメラの光軸を交わらせる交差法がある。カメラの輻輳は、表示画面からの立体画像の飛び出し量や引っ込み量を調整する上で必須の調整項目になっている。現状は左右のカメラ向きを物理的に直接変更するか、左右のレンズそれぞれで光路調整する形もしくは画像処理的に左右画像のピクセル位置をずらす形を採ることにより、輻輳を調整している。
【０００５】
ここで、２眼式の立体画像撮像装置において、撮像光学系である左右のカメラの前方に１つの対物光学系を配置した構成を、図２９に示す。
この図２９では、撮像光学系内の像面に結像するための対物光学系２０１を、１枚の凸レンズとして表現している。また、撮像光学系２０２Ｒ，２０２Ｌは左右それぞれ１枚の凸レンズとして表現しており、対物光学系２０１がアフォーカル光学系でないことを示している。
【０００６】
図２９は、立体画像撮像装置を上方から見た図であり、対物光学系２０１の中心軸よりも若干右側にずれた被写体２１１〜２１６を撮影した場合に、左のカメラ（右目画像を撮影する撮像素子２０３Ｌ）に結像する被写体像の位置を示している。被写体２１１〜２１６は、前後方向に４個、中央付近の被写体２１２に関しては左右に１個ずつ並べた計６個の被写体である。
【０００７】
被写体２１４を例に説明すると、被写体２１４と対物光学系２０１の中心を結ぶ線と、被写体２１４から対物光学系２０１の中心軸に平行に入射して屈折した光線との交点が、対物光学系２０１による像位置２１４−１である。この像位置２１４−１の像が撮像光学系２０２Ｌにより像位置２１４ｉに結像する。このように、被写体２１１〜２１６の像は、それぞれ像位置２１１−１〜２１６−１を経て、像位置２１１ｉ〜２１６ｉに結像する。
【０００８】
結像する被写体像の位置が像面２０４に垂直に並ぶことから、この被写体２１１〜２１６を通る光線は瞳を通過していると考えられる（当該被写体が対物光学系２０１の中心軸よりも右側であることから右目の瞳）。図２９には示していないが、左目画像に関しても同様に瞳を通る被写体の配置を考えることができる。この際、実効ＩＡＤの距離ｅｄは、対物光学系２０１の後側焦点位置を頂角として持つ相似三角形の相似比から、物理ＩＡＤのｆ１／（Ｌ−ｆ１）倍として求められる。ここで、Ｌは対物光学系２０１と撮像光学系２０２Ｒ，２０２Ｌの主面間距離、ｆ１は対物光学系２０１の焦点距離を示す。なお、図２９のｆ３は撮像光学系２０２Ｒ，２０２Ｌの焦点距離、ｄは対物光学系２０１の主面から被写体２１２までの距離を示す。
【０００９】
図２９の立体画像撮像装置では、実効ＩＡＤの距離ｅｄを物理ＩＡＤよりも小さくできるというメリットを持つが、像面２０４の傾きがフォーカス面２０５の傾きと異なっており、画面全体に渡ってフォーカスを合わせるのが簡単ではないという問題がある。
【００１０】
特許文献１には、フォーカス機能を有する対物光学系と、対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束を視差画像としてそれぞれ結像させる結像光学系とを備え、結像光学系は、各光学系の光軸が同一の平面内にありかつ該平面内にて各光学系のフォーカス位置で交差し、対物光学系の光軸が平面内に属する立体画像撮影装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−５３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、ハーフミラー方式のＲＩＧは大掛かりな装置のため取り回ししにくいところがあるとともに、撮影結果に影響するハーフミラーの特性を向上させるために高価になりがちであった。
【００１３】
また、左右のカメラの光軸が交差するコンバージェンス・ポイント（輻輳点）は、左右のカメラから等距離に設定されるものである。その観点からすれば、左右のカメラを独立に調整することによって左右のカメラの向きにずれが生じることは避けるべきであり、一つの機構により調整されることが望まれる。したがって、撮影シーンごとに調整が必要になるカメラ間隔や輻輳に関しては、できる限り単純な調整によって変更可能とすることが望まれている。
【００１４】
さらに、２眼式の立体画像撮影では、奥行きの違いから得られる左右視差以外の違いが左右画像間で起きないようにすべきであり、左右のカメラの相対関係を正確に設定する必要がある。この設定を行うため、ハーフミラーを用いたＲＩＧでは撮影前の調整作業に時間を要しており、この時間の短縮が強く望まれている。また、現行のステレオカムコーダではカメラ間距離は固定であり、撮影範囲の制限の一つになっている。
【００１５】
本開示は、上記の状況を考慮し、複数カメラを撮像光学系として持つ立体画像撮像装置において、複数カメラの物理的な相対位置を変更することなく、実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳を容易に調整できるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本開示の立体画像撮像装置は、被写体を実像又は虚像として形成する、同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成されるアフォーカル光学系の対物光学系と、複数の独立したレンズ群により、対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系と、複数の撮像光学系に対応して設けられ、複数の撮像光学系により結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える。
【００１７】
また、上記の対物光学系が、等価的に被写体側と撮像光学系側の２つのレンズ群で構成されている場合に、撮像光学系側の焦点面と撮像光学系の焦点面を一致させた上で、対物光学系内の２つのレンズ群の光軸上の距離を変更する。
【００１８】
本開示の立体画像撮像装置によれば、複数の光学系を備えた撮像光学系に対して、アフォーカル光学系の対物光学系を組み合わせることで、撮像光学系間の物理的な位置を変更することなく、実効瞳間の距離（実効ＩＡＤ）と実効の視差ゼロを与える輻輳を調整することが可能である。
【００１９】
対物光学系がアフォーカル光学系の場合には、対物光学系と撮像光学系の光学的な配置（傾いてはいない）は、実効ＩＡＤの調整には無関係となる。
一方、対物光学系を等価的に２つのレンズ群から構成されていると考えることができ、撮像光学系側のレンズ群と撮像光学系のレンズ群の焦点面を一致させた場合には、対物光学系の２つのレンズ群の距離を変更すると、対物光学系はアフォーカル光学系ではなくなるが、実効ＩＡＤは不変のまま、輻輳を変更することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本開示によれば、複数の撮像光学系及び撮像素子を備える複数カメラの物理的な相対位置を変更することなく、実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳を容易に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】現状の立体画像撮像装置の基本構成例を示す説明図であり、（ａ）は複数の被写体を左右のカメラで撮影する状況を上方から示したものであり、（ｂ）は被写体の像の位置を反転した左画像及び右画像を示している。
【図２】図１に示した立体画像撮像装置で撮像された左右画像をディスプレイに表示し、人が視聴する様子を示した説明図である。
【図３】立体画像撮像装置の左右のカメラの間隔を離して被写体を撮影する様子を示す説明図であり、（ａ）は複数の被写体を左右のカメラで撮影する状況を上方から示したものであり、（ｂ）は被写体の像の位置を反転した左画像及び右画像を示している。
【図４】図３に示した立体画像撮像装置で撮像された左右画像を用いて立体画像を視聴する様子を示す説明図である。
【図５】カメラの向きに平行に配置された複数の被写体と瞳との関係を示す説明図である。
【図６】左右のカメラの向きに平行に配置された２つの被写体列とＩＡＤの関係を示す説明図である。
【図７】カメラの向きに平行な被写体列と、ＩＡＤ変換時のＩＡＤ及び瞳の関係を示す説明図である。
【図８】立体画像撮像装置の向きと像面の法線方向が異なる場合のＩＡＤ変換前後のＩＡＤ及び瞳の関係を示す説明図である。
【図９】コンバージェンス位置を設定した場合のカメラの向きに平行な被写体例と、ＩＡＤの関係を示す説明図である。
【図１０】コンバージェンス位置を設定した場合のカメラの向きに平行な被写体例と、ＩＡＤ変換前後のＩＡＤ及び瞳の関係を示す説明図である。
【図１１】本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置（対物光学系の第１及び第２レンズ群が凸レンズであって共焦点の関係）の概要を示す構成図である。
【図１２】本開示の第２の実施形態に係る立体画像撮像装置（対物光学系の第１及び第２レンズ群が凸レンズであって共焦点、及び対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）の概要を示す構成図である。
【図１３】本開示の第３の実施形態に係る立体画像撮像装置（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）の概要を示す構成図である。
【図１４】本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した場合の、物理的なカメラ間距離（物理ＩＡＤ）と実効のカメラ間距離（実効ＩＡＤ）の関係を示す説明図である。
【図１５】本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した場合の、物理的なコンバージェンス・ポイントと実効のコンバージェンス・ポイントの関係を示す説明図である。
【図１６】リファレンスの立体画像撮像装置における被写体と像の関係を示す説明図である。
【図１７】図１６の各距離の関係を示した説明図であり、Ａは右眼についての各距離の関係を表し、Ｂは左眼についての各距離の関係を表している。
【図１８】本開示の立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凹レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示す説明図である。
【図１９】本開示の立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示す説明図である。
【図２０】本開示の立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凹レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示す説明図である。
【図２１】本開示の立体画像撮像装置の構成例（条件１に対応）を示すブロック図である。
【図２２】本開示の立体画像撮像装置の構成の他の例（条件２に対応）を示すブロック図である。
【図２３】本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を、着脱可能なコンバージョンレンズとして活用した場合の構成例を示すブロック図である。
【図２４】本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を、固定焦点距離のコンバージョンレンズとして活用した場合の構成例を示すブロック図である。
【図２５】本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を３群のレンズ群から構成した場合の一例を示す説明図である。
【図２６】図２５において第１レンズ群を移動させた場合の説明図である。
【図２７】図２６の対物光学系における、物理カメラの瞳を通る像面に垂直な光線の入射方向を示す説明図である。
【図２８】本開示の立体画像撮像装置におけるＩＡＤ制御の説明図である。
【図２９】従来の立体画像撮像装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本開示を実施するための形態の例（以下、「本例」ともいう）について、添付図面を参照しながら説明する。説明は下記の順序で行う。なお、各図において共通の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
１．両眼立体視についての説明
２．本開示の立体画像撮像装置の原理
３．本開示の立体画像撮像装置の構成の概要
３−１．第１の実施形態（対物光学系の第１及び第２レンズ群が共焦点の関係）
３−２．第２の実施形態（対物光学系の第１及び第２レンズ群が共焦点、及び対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）
３−３．第３の実施形態（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）
４．本開示の立体画像撮像装置の構成の詳細
４−１．条件１の説明
４−２．条件２の説明
４−３．２眼立体画像撮像装置における被写体と像の関係
４−４．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凹レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係
４−５．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係
４−６．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凹レンズを配置した場合の被写体と像の関係
４−７．交差法に適用する場合の計算式
５．本開示の立体画像撮像装置のブロック構成
５−１．条件１に対応した構成例
５−２．条件２に対応した構成例
５−３．対物光学系を着脱可能なコンバージョンレンズとした構成例
５−４．対物光学系を固定焦点距離のコンバージョンレンズとした構成例
６．３群のレンズ群から構成される対物光学系の例
【００２３】
＜１．両眼立体視についての説明＞
まず、立体視、視差及びＩＡＤに関する説明と、瞳及び実効瞳についての説明を行う。この瞳及び実効瞳は、両眼視差を考える上で導入したものである。
【００２４】
現状の立体視では、両眼視差（以下、視差と記述する）によって立体感を得ている。このため、視差を制御することは立体画像撮影において非常に重要なことである。視差は左右の異なる視点（撮影位置）から撮影することにより生じる、２つの画像上の左右方向のずれのことであり、左右の視点の位置がどのくらい離れているかは、視差を制御する上で非常に重要な要素である。
【００２５】
図１は、現状の立体画像撮像装置の基本構成例を示す説明図である。図１（ａ）は複数の被写体を左右のカメラで撮影する状況を上方から示したものであり、図１（ｂ）は被写体の像の位置を反転した画像を示している。
【００２６】
図１（ａ）の例では、撮像レンズ（瞳４Ｒ）と撮像素子５Ｒを有する右カメラ、撮像レンズ（瞳４Ｌ）と撮像素子５Ｌを有する左カメラにより、カメラ方向と平行な直線上に並ぶ３つの被写体１〜３を撮影している。左右のカメラに関しては模式的に撮像レンズの各々の中心を瞳として表し、３つの被写体１〜３からの主光線が左右の瞳４Ｒ，４Ｌを通って、撮像素子５Ｒ，５Ｌの撮像面と平行な像面に結像する。この左右の瞳４Ｒ，４Ｌの間隔がＩＡＤであり、その距離ｄは立体画像の撮影における重要な要素である。
【００２７】
像面には被写体の像の左右が逆になって写されるため、左右の撮像素子では像の位置を反転して右画像と左画像を出力する。図１（ｂ）の例では、右の撮像素子５Ｒに被写体１〜３の像１ａＲ〜３ａＲが結像しており、右の撮像素子５Ｒはこれを反転した右画像６Ｒを出力している。また左の撮像素子５Ｌに被写体１〜３の像１ａＬ〜３ａＬが結像しており、左の撮像素子５Ｌはこれを反転した左画像６Ｌを出力している。
【００２８】
図２は、図１に示した立体画像撮像装置で撮像された左右画像をディスプレイに表示し、人が視聴する様子を示している。
表示画面上には右画像６Ｒと左画像６Ｌが提示されるが、液晶シャッターを用いるなどの何らかの方法により、右画像は右目だけ、左画像は左目だけに提示される。図２では、説明の便宜上、右画像６Ｒと左画像６Ｌを表示位置に並べて図示し、左右画像の境目を表示面（スクリーン）として、立体画像の再現の様子を示している。
【００２９】
３つのうち真ん中の被写体２に関しては、表示面上で左右の像２ａＲ，２ａＬが同じ位置（交点２ａ）に示されるので視差は０（ゼロ）である。このため、立体視上は被写体２がちょうど表示画面上に存在するように見える。
また、カメラに最も近い被写体３に関しては、右目７Ｒで見える位置と左目７Ｌで見える位置が異なっているため、人間の脳が奥行き方向のどこに存在したら被写体３（像３ａＲ，３ａＬ）が一つの物体と考えられるかを判断し、左右の視線の交点３ａに被写体３があると判断する。
さらに、カメラから最も遠い被写体１に関しても同様で、人間の脳は表示画面より奥側の視線が交差している交点１ａに被写体１が存在すると判断する。このように左右画像に写った同一被写体の像の位置ずれを視差（両眼視差）といい、視差があることによって脳が立体的な把握を行うことで立体視ができる。
【００３０】
また、被写体２に対応する交点２ａのような視差０の(図１における)奥行き位置をコンバージェンス・ポイントというが、この位置は表示画面上に存在するように認識されるため、人間にとって最も見やすい位置とされる。左右画面の重なり方をずらすことでカメラに最も近い被写体３に合わせて視差を０にしたり、カメラから最も遠い被写体１に合わせて視差を０にしたりすることもできる。ただし、例えば被写体３に合わせて視差を０にした場合には、その分、被写体１に対する視差が広がることになる。そのため、撮影シーンや撮影意図等によってコンバージェンス・ポイントの最適位置は異なると考えられる。
【００３１】
図３は、立体画像撮像装置の左右のカメラの間隔を離して被写体を撮影する様子を示す説明図であり、図３（ａ）は複数の被写体を左右のカメラで撮影する状況を上方から示したものであり、図３（ｂ）は被写体の像の位置を反転した左画像及び右画像を示している。
【００３２】
図３（ｂ）の例では、右の撮像素子５Ｒに被写体１〜３の像１ｂＲ〜３ｂＲが結像しており、右の撮像素子５Ｒはこれを反転した右画像８Ｒを出力している。また左の撮像素子５Ｌに被写体１〜３の像１ｂＬ〜３ｂＬが結像しており、左の撮像素子５Ｌはこれを反転した左画像８Ｌを出力している。この場合にも、３つのうち真ん中の被写体２がコンバージェンス・ポイントと重なるように、左右の画像の切り出し位置を設定している。撮影画像は、図１と同様に、被写体２の像２ｂＲ，２ｂＬを画像の中央に置いた右画像及び左画像となる。
【００３３】
図４は、図３に示した立体画像撮像装置で撮像された左右画像をディスプレイに表示し、人が視聴する様子を示している。
図２の例と同様に、被写体２の像は表示画面上の位置（交点２ｂ）に、被写体３の像は表示画面よりも手前（交点３ｂ）に、被写体１の像は表示画面よりも奥（交点１ｂ）に存在するように見えるが、被写体３の像の飛び出し感及び被写体１の像の引っ込み感は強くなる。すなわち、カメラ間隔(瞳４Ｒ，４Ｌの間隔)によって、視差の範囲が広がっている。これは右画像８Ｒ及び左画像８Ｌに写る３つの被写体１〜３の像の重なり具合が、図２の場合と異なることからも明らかである。以上から、カメラ間隔（ＩＡＤ：瞳の間隔）を制御することは、立体感を制御する上で非常に重要であることがわかる。
【００３４】
＜２．本開示の立体画像撮像装置の原理＞
次に、ＩＡＤを考える上で瞳位置をどのように捉えるかを説明する。
通常のカメラでは瞳位置は、撮像レンズ中心を通る像面に垂直な線上に存在する。これは像面に対して撮像レンズの中心軸が１つである場合には考えやすいが、撮像レンズの中心軸が複数ある場合にはそのまま当てはまるとは限らない。ここでは、左右の瞳はカメラの向きに沿った中心線に対して対称な位置にあり、像面も該中心軸について対称な位置で像面の法線がカメラの向きと平行である場合を考える。
【００３５】
図５は、カメラの向きに平行に配置された複数の被写体と瞳との関係を示している。
まず、撮像レンズ及び撮像素子５を備える一台のカメラについて、被写体と瞳と像面に映る像の関係について考える。通常のカメラでは瞳４の位置は撮像レンズの中心にあるので、像面に垂直な光線は、瞳４を通る前でも像面に垂直な方向であり、カメラの向きの入射光である。そのことから、図５のようにカメラの向きに平行に並んだ３つの被写体１〜３の像１ｃ〜３ｃが像面上で重なる（像位置が像面に垂直な線上にある）場合には、その直線上に瞳が存在することがわかる。なお、カメラの向きと像面に垂直な光線とは必ずしも平行ではないこともあるため、“カメラの向きに平行に並んだ３つの被写体”という表現を用いて説明した。
【００３６】
これを左右のカメラで考えると、図６に示すように、左右のカメラの向きに平行な２つの被写体列をなす被写体１〜３及び被写体１１〜１３の像１ｄＲ〜３ｄＲ及び像１１ｄＬ〜１３ｄＬがそれぞれ像面上で重なれば、そのときの左右の瞳４Ｒ，４Ｌの間の距離ｄ（物理ＩＡＤ）は被写体列間の距離と考えられる。本開示では、この被写体列と像、瞳の関係が重要である。なお、像１３ｄＲは瞳４Ｒの中心を通って撮像素子５Ｒに結像した被写体１１の像であり、像１ｄＬは瞳４Ｌの中心を通って撮像素子５Ｌに結像した被写体１の像である。
【００３７】
ここで、元々存在する物理的なＩＡＤを変換して実効的なＩＡＤを得る場合を考える。
この場合には、物理的なＩＡＤに対する瞳に対して、実効的なＩＡＤに対する実効瞳が考えられる。基本的には図６で示したような瞳４Ｒ，４Ｌを通る光線は変わらないものとすると、図７に示すようにカメラの向きに平行な２つの被写体列をなす被写体１〜３及び被写体１１〜１３の像１ｅＲ〜３ｅＲ及び像１１ｅＬ〜１３ｅＬのそれぞれが像面上で重なる場合に、その２つの被写体列間の距離ｅｄを実効ＩＡＤと考えることができる。
【００３８】
撮像素子５Ｒに結像した像１１ｅＲ，１２ｅＲ，１３ｅＲは、ＩＡＤ変換部１４の入射側の実効瞳１５Ｒ及び出射側の内部瞳１６Ｒを通って結像した被写体１１〜１３の像である。また、撮像素子５Ｌに結像した像１ｅＬ，２ｅＬ，３ｅＬはＩＡＤ変換部１４の入射側の実効瞳１５Ｌ及び出射側の内部瞳１６Ｌの中心を通って結像した被写体１〜３の像である。
【００３９】
ＩＡＤ変換部１４は、物理ＩＡＤの距離ｄと実効ＩＡＤの距離ｅｄを変換する機能を有している。ＩＡＤ変換部１４の入射側にある２つの実効瞳１５Ｒ，１５Ｌは、この２つの被写体列を通る入射光が、各々の像面に垂直に入る際の撮像レンズ主面中心との交点付近にある内部瞳１６Ｒ，１６Ｌ位置に集まる光線を逆算することにより、該ＩＡＤ変換部１４に対して入射される光線が仮想的もしくは実際に集まる位置と考えることができる。実効瞳は当然ながら、先の２つの被写体列を通る入射光線上もしくはその延長線上に存在する。
【００４０】
本明細書中において、ＩＡＤ変換部１４の出射側にある２つの内部瞳１６Ｒ，１６Ｌの間隔ｉｄを、「内部ＩＡＤ」と呼ぶこととする。「内部瞳」及び「内部ＩＡＤ」は、ＩＡＤ変換部１４を取り付ける前の物理的な瞳及び物理的なＩＡＤと必ずしも一致しないため、説明のために便宜的につけた呼称である。例えば、後述する“条件２”に基づいてコンバージェンス位置を設定した場合に、内部瞳と内部ＩＡＤが変換前の瞳及びＩＡＤと異なる。
【００４１】
図８は、立体画像撮像装置の向きと像面の法線方向が異なる場合のＩＡＤ変換前後のＩＡＤ及び瞳の関係を示したものである。
２つの被写体例を通る光線はそれぞれ、ＩＡＤ変換部２４の入力側にある実効瞳２５Ｒ，２５Ｌに入射され、ＩＡＤ変換部２４の出力側にある内部瞳２６Ｒ，２６Ｌから出射して、各々の撮像素子５Ｒ，５Ｌに取り込まれる。図８において、立体画像撮像装置の向きと平行に並んで被写体列をなす被写体１〜３及び被写体１１，１２，１３の像１ｆＲ，１２ｆＲ，３ｆＲ及び像１１ｆＬ，１２ｆＬ，１３ｆＬのそれぞれが、像面上で重なることは図７と同様である。
【００４２】
撮像素子５Ｒに結像した像１１ｆＲ，１２ｆＲ，１３ｆＲは、ＩＡＤ変換部１４の入射側の実効瞳２５Ｒ及び出射側の内部瞳２６Ｒを通って結像した被写体１１〜１３の像である。また、撮像素子５Ｌに結像した像１ｆＬ，２ｆＬ，３ｆＬはＩＡＤ変換部２４の入射側の実効瞳２５Ｌ及び出射側の内部瞳２６Ｌを通って結像した被写体１〜３の像である。
【００４３】
次に、コンバージェンス位置が無限遠でない場合（交差法）における実効ＩＡＤと実効瞳に関して説明する。
上述した図６及び図７の例は平行法を適用したものであったため、被写体列を通った立体画像撮像装置の向きに平行な入射光は、瞳を通過した後に像面の中央に垂直に投影される。したがって、単一のカメラで考えた場合と同じように撮像レンズの中心軸上に瞳が存在する形になる。
【００４４】
しかしながら、図９に示すように、コンバージェンス・ポイントＣＰの位置（破線丸部）を設定した場合、像面の中心を通りかつ像面に垂直な線ＡｘＲ，ＡｘＬは、ＩＡＤを考慮する上で想定した瞳を通過しない。これは単一のカメラでは通常考えない瞳位置である。
【００４５】
すなわち、左右のカメラの向きに平行な２つの被写体列をなす被写体１〜３及び被写体１１〜１３の像１ｇＲ，２ｇＲ，３ｇＲ及び像１１ｇＬ，１２ｇＬ，１３ｇＬがそれぞれ像面上で重なるが、各々の瞳４Ｒ，４Ｌを通過した後に像面の中央に投影されない。撮像素子５Ｒに結像した像１１ｇＲ，１２ｇＲ，１３ｇＲは、瞳４Ｒを通って結像した被写体１１〜１３の像である。また、撮像素子５Ｌに結像した像１ｇＬ，２ｇＬ，３ｇＬは、瞳４Ｌを通って結像した被写体１〜３の像である。
【００４６】
これは、ＩＡＤを変換するＩＡＤ変換部を入れた場合でも同様であり、交差法を利用して立体撮影を行う場合には、図１０に示すように、像面の中心を通りかつ像面に垂直な線ＡｘＲ，ＡｘＬは内部瞳を通過しない。図１０は、コンバージェンス位置を設定した場合のカメラの向きに平行な被写体例と、ＩＡＤ変換前後のＩＡＤ及び瞳の関係を示している。図１０の例では、一例として被写体１にコンバージェンス・ポイントＣＰを合わせている。
【００４７】
すなわち、２つの被写体例を通る光線はそれぞれ、ＩＡＤ変換部３４の入力側にある実効瞳３５Ｒ，３５Ｌに入射され、ＩＡＤ変換部３４の出力側にある内部瞳３６Ｒ，３６Ｌから出射して、各々の撮像素子５Ｒ，５Ｌに取り込まれる。このとき、立体画像撮像装置の向きと平行に並んで被写体列をなす被写体１〜３及び被写体１１〜１３の像１ｈＲ，２ｈＲ，３ｈＲ及び像１１ｈＬ，１２ｈＬ，１３ｈＬのそれぞれは像面上で重なるが、各々の内部瞳３６Ｒ，３６Ｌを通過した後に像面の中央に投影されない。
【００４８】
撮像素子５Ｒに結像した像１１ｈＲ，１２ｈＲ，１３ｈＲは、ＩＡＤ変換部３４の入射側の実効瞳３５Ｒ及び出射側の内部瞳３６Ｒを通って結像した被写体１１〜１３の像である。また、撮像素子５Ｌに結像した像１ｈＬ，２ｈＬ，３ｈＬはＩＡＤ変換部３４の入射側の実効瞳３５Ｌ及び出射側の内部瞳３６Ｌを通って結像した被写体１〜３の像である。
【００４９】
本開示の立体画像撮像装置は、以上説明したようなＩＡＤ変換部と同等の機能を備え、該ＩＡＤ変換部により調整される実効瞳、実効ＩＡＤを用いてＩＡＤの制御を行う。
【００５０】
＜３．本開示の立体画像撮像装置の構成の概要＞
以下、本開示の立体画像撮像装の構成の概要について説明する。
【００５１】
［３−１．第１の実施形態（対物光学系の第１及び第２レンズ群が共焦点の関係）］
図１１は、本開示の第１の実施形態の例に係る立体画像撮像装置の概要を示す構成図である。
この第１の実施形態では、２眼式の立体画像撮像装置において、撮像光学系４２である左右のカメラ（撮像部）の前方に２群のレンズ群を対物光学系４１として配置している。そして、対物光学系４１の第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２を共焦点の関係に配置し、対物光学系４１を平行光の入射に対して平行光を射出するアフォーカル光学系とする。この対物光学系４１と撮像光学系４２が、上述のＩＡＤ変換部に相当する。
【００５２】
アフォーカル光学系とするためには最低２群のレンズ群を用いる必要があり、本例では、等価的に凸レンズとみなせる第１及び第２レンズ群４１−１，４１−２を２組用いて焦点位置を一致させ、アフォーカル光学系としている（条件１）。
【００５３】
図１１は、立体画像撮像装置を上方から見た図であり、対物光学系４１の中心軸よりも若干右側にずれた被写体５１〜５６を撮影した場合に、左のカメラ（右目画像を撮影する撮像素子４３Ｌ）に結像する被写体像の位置を示している。被写体５１〜５６は、前後方向に４個、中央付近の被写体５２に関しては左右に１個ずつ並べた計６個の被写体である。なお、本例の撮像素子４３Ｌは、光軸方向に長いものとなっているが、光軸に垂直に置かれるため、基本的には長くない。例えば、像位置５５ｉと５６ｉを通る直線（図面に垂直方向に厚みがあるので立体的には面）として表現される。図１１の例では、撮像素子４３Ｌの位置を、像位置５５ｉと５６ｉを通る直線（破線）で示し、像位置５２ｉ，５５ｉ，５６ｉにフォーカスが合っている場合を示している。
【００５４】
被写体５４を例に説明すると、被写体５４と対物光学系４１の第１レンズ群４１−１の中心を結ぶ線と、被写体５４から第１レンズ群４１−１の中心軸に平行に入射して屈折した光線との交点が、第１レンズ群４１−１による像位置５４−１である。この像位置５４−１と第２レンズ群４１−２の中心を結ぶ線と、像位置５４−１から第２レンズ群４１−２の中心軸に平行に入射して屈折した光線の延長線との交点が、第２レンズ群４１−２による像位置５４−２である。この像位置５４−２の像が撮像光学系４２の撮像レンズ群４２Ｌにより像位置５４ｉに結像する。このように、被写体５１〜５６の像は、それぞれ像位置５１−１〜５６−１及び像位置５１−２〜５６−２を経て、像位置５１ｉ〜５６ｉに結像する。
【００５５】
第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２が共焦点の関係にある場合、第２レンズ群４１−２を通して観察した被写体の像は、被写界における横方向にｆ２／ｆ１倍、奥行き方向に（ｆ２／ｆ１）２倍された像となっている。この像位置５１ｉ〜５６ｉに結像した像を撮像光学系で撮影することにより、実際の６個の被写体を拡大または縮小した形で撮影することができる。被写体を拡大・縮小して撮影することで相対的に撮像光学系のカメラ間隔を縮小・拡大することができる。これが本発明のもっとも単純化した動作原理であるが、第１群と第２群を共焦点にしない場合においても有効な構造であることは、後に図１３を参照して説明する。
【００５６】
本例では、対物光学系４１の中心軸に平行に入射した光線は、最初の第１レンズ群４１−１で焦点位置に向かって屈折し、２番目の第２レンズ群４１−２で平行に戻されて射出する。したがって、射出した光線がちょうど撮像光学系４２の撮像レンズ群中心（内部瞳ＩＰ）を通る光線を考えると、この光線上に実効瞳ＥＰの位置がある（図１１では、図面の視認性を考慮して左側の実効瞳を記している）。
【００５７】
このときの実効ＩＡＤは、対物光学系４１の二つのレンズ群の間にある、共焦点位置を頂角とする相似三角形の相似比から、物理ＩＡＤのｆ１／ｆ２として求められる。ここで、ｆ１は対物光学系４１の第１レンズ群４１−１（凸レンズ）の焦点距離、ｆ２は第２レンズ群４１−２（凸レンズ）の焦点距離を示す。なお、図１１のｆ３は撮像レンズ群４２Ｒ，４２Ｌの焦点距離である。また、ｄは対物光学系４１の第１レンズ群４１−１主面から被写体５２までの距離、Ｌは第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２の距離、Ｍは対物光学系４１の第２レンズ群４１−２と撮像レンズ群４２Ｒ，４２Ｌの主面間距離を示す。
【００５８】
第１の実施形態に係る立体画像撮像装置では、実効ＩＡＤの距離ｅｄを物理ＩＡＤの距離よりも小さくできる。また、像面の傾きとフォーカス面の傾きが同じであり、画面全体に渡ってフォーカスを合わせるのが簡単である。
【００５９】
また、撮像レンズ群４２Ｒ，４２Ｌでは光軸に近い部位、即ちレンズ中心を主に使用しており、従来設計の延長で光学設計が可能である。これはすべてを特殊設計とするよりもコスト的に大きなメリットとなる。
【００６０】
なお、上述した第１の実施形態では、対物光学系を構成する第１レンズ群と第２レンズ群をともに凸レンズ、もしくは凸レンズとみなせるレンズ群として説明したが、これに限られない。例えば、第１レンズ群と第２レンズ群の組み合わせを、凹レンズと凸レンズ、あるいは凸レンズと凹レンズとしてもよい。第１レンズ群が凹レンズの場合には、後側焦点位置は凹レンズの後側主面よりも対物側に存在するため、第２レンズ群の前側焦点が略一致するためには凸レンズとなる。また、第２レンズ群が凹レンズの場合には第１レンズ群は凸レンズとなる。したがって、片方もしくは両方が凸レンズの構成になる。
【００６１】
［３−２．第２の実施形態（対物光学系の第１及び第２レンズ群が共焦点、及び対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）］
次に、２群のレンズ群を対物光学系として配置することによる他の効果について説明する。
第２の実施形態では、２群のレンズ群から対物光学系を構成し、対物光学系と撮像光学系との距離を「（対物光学系の第２レンズ群の焦点距離）＋（撮像光学系の焦点距離）」として、双方の撮像面もしくは焦点位置を一致させる（条件２）。そして、対物光学系の２群のレンズ群間の距離を変更することで、後述するコンバージェンス・オフセットを制御可能にする。
【００６２】
図１２は、本開示の第２の実施形態に係る立体画像撮像装置の概要を示す構成図である。
この第２の実施形態では、図１１に示した第１の実施形態と同様に、２眼式の立体画像撮像装置において、撮像光学系４２である左右のカメラ（撮像部）の前方に２群のレンズ群を対物光学系４１として配置している。そして、第１の実施形態の条件１（対物光学系の第１及び第２レンズ群が共焦点）に加え、対物光学系と撮像光学系との距離を「（対物光学系の第２レンズ群の焦点距離）＋（撮像光学系の焦点距離）」として、双方の撮像面もしくは焦点位置が一致する（条件２）構成としている。対物光学系４１と撮像光学系４２が、上述のＩＡＤ変換部に相当する。
【００６３】
図１１と同じ被写体５１〜５６を考えると、図１１に示した第１の実施形態と同様の要領で、それぞれ像位置５１−１〜５６−１及び像位置５１−２〜５６−２を経て、像位置５１ｉＡ〜５６ｉＡに結像する。
【００６４】
本実施形態では条件１を満たしているため、図１１に示す第１の実施形態と同様に、対物光学系４１の中心軸に平行に入射した光線は、最初の第１レンズ群４１−１で焦点位置に向かって屈折し、２番目の第２レンズ群４１−２で平行に戻されて射出する。したがって、射出した光線がちょうど撮像光学系４２の撮像レンズ群中心（内部瞳ＩＰ）を通る光線を考えると、この光線上に実効瞳ＥＰの位置がある（図１２では、図面の視認性を考慮して左側の実効瞳を記している）。
【００６５】
本実施形態（図１２）と第１の実施形態（図１１）との違いは、対物光学系４１と撮像光学系４２の間隔を広げ、Ｍ＝ｆ２＋ｆ３としている点である。このため、図１２では、最終的な結像位置が図１１に示す位置とは異なっている。
【００６６】
なお、上述した第２の実施形態では、対物光学系を構成する第１レンズ群と第２レンズ群をともに凸レンズ、もしくは凸レンズとみなせるレンズ群として説明したが、これに限られない。例えば、第１レンズ群と第２レンズ群の組み合わせを、凹レンズと凸レンズ、あるいは凸レンズと凹レンズとしてもよい。
【００６７】
［３−３．第３の実施形態（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点の関係）］
ところで、１枚のレンズもしくは１枚のレンズと同等とみなせるレンズ群に平行光線が入射すると、原理的には焦点面上で一点に収束（あるいは一点から発散）する。ここでＭ＝ｆ２＋ｆ３とすることでコンバージェンス・オフセット制御に、この性質を利用することができる。
【００６８】
図１３は、本開示の第３の実施形態に係る立体画像撮像装置の概要を示す構成図である。
本実施の形態では、対物光学系４１の第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２の距離Ｌを延ばして、アフォーカル光学系である条件１を崩した構成（Ｌ≠ｆ１＋ｆ２）としている。対物光学系４１と撮像光学系４２が、上述のＩＡＤ変換部に相当する。
なお、図１３では、光線がレンズ群を通っていない部分があるが、図面の記載上の都合によるもので、該当部分については光線がレンズ群を通っているとして扱うこととする。
【００６９】
図１１と同じ被写体５１〜５６を考えると、図１１に示した第１の実施形態と同様の要領で、それぞれ像位置５１−１〜５６−１及び像位置５１−２´〜５６−２´を経て、像位置５１ｉＢ〜５６ｉＢに結像する。
【００７０】
本実施形態では、条件１を崩すことで、元々撮像光学系４２の撮像レンズ群４２Ｒ，４２Ｌのレンズ中心へ光軸に平行として射出していた光線は、光軸に平行な光線ではなくなる。しかしながら、この光線は、第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２の間では条件１を満たす場合の光線と平行な光線であるため、第２レンズ群４１−２の後側焦点上の交点Ｆで条件１を満たす場合の射出光線と交差する。
【００７１】
ここで、Ｍ＝ｆ２＋ｆ３（条件２）とすることにより、この交点Ｆを撮像光学系４２の前側焦点位置とすることができる。前側焦点を通過した光線は、撮像光学系４２で光軸平行光線に屈折して像面に垂直に入射する。対物光学系４１の第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２が共焦点の場合、実効瞳ＥＰを通る撮像素子４３Ｌに平行な入射光は対物光学系４１から射出する際には撮像素子方向に平行になっているため、撮像光学系４２のレンズ中心を通る光線がそのまま撮像面に垂直になる。したがって、上記の入射光は撮像光学系４２のレンズ群の焦点位置は必ず通るので、対物光学系４１と撮像光学系４２の距離と実効ＩＡＤは無関係になる。それゆえ、実効瞳ＥＰの位置は不変である。したがって、実効ＩＡＤが変化しない状況下で第１レンズ群４１−１と第２レンズ群４１−２の距離Ｌの伸縮が可能である。Ｌの伸縮によって撮像光学系４２への入射角度を制御することが可能であることから、実効ＩＡＤを変化させずにコンバージェンス・オフセットＣＯを容易に制御することができるようになる。
【００７２】
なお、上述した第３の実施形態では、対物光学系を構成する第１レンズ群と第２レンズ群をともに凸レンズ、もしくは凸レンズとみなせるレンズ群として説明したが、これに限られない。例えば、第１レンズ群と第２レンズ群の組み合わせを、凹レンズと凸レンズ、あるいは凸レンズと凹レンズとしてもよい。
【００７３】
以上から、本開示の立体画像撮像装置では、対物光学系を２群のレンズ群で構成し、条件１及び／又は条件２の特徴を持たせている。
【００７４】
もちろん、対物光学系を３群以上のレンズ群で構成した場合でも、条件２を考えることができる。
まず、対物光学系をアフォーカル光学系としたときに実効瞳を通過する、カメラ方向に平行な光線を考える（実効瞳を通過することが重要である）。その光線を対物光学系の入射光と考えた場合に、対物光学系がアフォーカル光学系であるときに射出する光線と、対物光学系をアフォーカル光学系から崩した場合に射出する光線との交点を求める。この交点が撮像光学系の焦点面上にあることが条件２に相当する。なぜならば、交点が撮像光学系の焦点面上にあれば対物光学系の射出光が撮像光学系を通して撮像面に垂直に入射することになり、実効瞳を通るカメラ方向に平行な光線が撮像面に垂直な光線になるからである。これは対物光学系を等価的に二つのレンズ群とみなしたときの条件２に相当する。
【００７５】
＜４．本開示の立体画像撮像装置の構成の詳細＞
［４−１．条件１の説明］
条件１では、複数カメラ（複数撮像部）を有する立体画像撮像装置において、撮像光学系である複数カメラの前方に１つの対物光学系を配置する。この対物光学系は最低２群のレンズ群から構成される。そして、対物光学系の２群のレンズ群と、撮像光学系の複数カメラに取り付けられた撮像レンズ群を合わせて、３つのレンズ群（対物光学系の第１レンズ群、対物光学系の第２レンズ群、撮像レンズ群）の焦点距離と各レンズ群の位置関係を設定もしくは制御可能にする手段を持つ構成（条件１）を採ることにより、課題を解決し目的を達成する。
【００７６】
略アフォーカル光学系となる対物光学系を持つことは、言い換えると、対物光学系を対物側の第１レンズ群（焦点距離ｆ１）と複数カメラ側の第２レンズ群(焦点距離ｆ２)からなる２群の構成と考えた場合に、第１レンズ群の後側焦点位置と第２レンズ群の前側焦点位置が略一致することである。この結果、実効のカメラ間距離（左右の撮像レンズ群間距離）と実効の輻輳に対して、以下のような作用を生じさせることができる。
【００７７】
（実効のカメラ間距離）
略アフォーカル光学系となる対物光学系を持つことにより、対物光学系の光軸と複数カメラの光軸を一斉に略ｆ１／ｆ２倍に変更可能とする。これは図１４に示すように、カメラ間距離を実効的に略ｆ１／ｆ２に変更できることを意味する。すなわち、カメラ間距離を変更する際に、複数カメラ個々の配置を高精度に調整する必要はなく、対物光学系の着脱もしくは対物光学系内の変倍によってカメラ間距離を調整可能とすることができる。
【００７８】
図１４に、本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した場合の、物理的なカメラ間距離（物理ＩＡＤ）と実効のカメラ間距離（実効ＩＡＤ）の関係を示す。本例では、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した例としているが、他の組み合わせに対して同様の考え方を適用できる。
【００７９】
被写体側（図１４では左側）から入射した光線は、凹レンズの第１レンズ群６１−１と凸レンズの第２レンズ群６１−２で屈折して物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌに入射する。図１４のように、対物光学系６１の第１レンズ群６１−１の後側焦点（凹レンズよりも物体側）と第２レンズ群６１−２の前側焦点を一致させると、破線で示した実効カメラ６３Ｒ，６３Ｌに対して集光する光が、物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌに入力する形になる。
【００８０】
代表の２つの光線として、光軸に平行な光線Ｒ１Ｒ，Ｒ１Ｌと、第１レンズ群６１−１の前側焦点（凹レンズよりもカメラ側）へ向かって入射する光線Ｒ２Ｒ，Ｒ２Ｌを図示している。光線Ｒ１Ｒ，Ｒ１Ｌは第１レンズ群６１−１（凹レンズ）で共通の焦点位置から遠ざかる方向に屈折して、第２レンズ群６１−２に入射するが凸レンズの焦点からの光線であるため、再度平行光線に屈折する。したがって光線Ｒ１Ｒ，Ｒ１Ｌ上にある被写体の像は、第２レンズ群６１−２により物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌの撮像レンズ中心の像位置６５Ｒ，６５Ｌに投影される。一方、光線Ｒ２Ｒ，Ｒ２Ｌは第１レンズ群６１−１で平行光線に屈折し、第２レンズ群６１−２で焦点方向に集光される。
結果として、実効カメラ６３Ｒ，６３Ｌに集光する光は物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌに集光することになる。図１４の対物光学系６１による実効ＩＡＤｅｄは物理ＩＡＤｐｄの略ｆ１／ｆ２倍となる。
【００８１】
（実効の輻輳）
略アフォーカル光学系となる対物光学系を持つことにより、撮像光学系にて元々つけられている輻輳をより好適な実効の輻輳に変更可能とすることができる。（ただし、撮像光学系の光軸が対物光学系の光軸に平行の場合には、実効の輻輳も平行のままである。）輻輳に関しても、カメラの撮像レンズの物理的制約から狭小化には限界があるが、図１５に示すように複数カメラの前面側に対物光学系を付加することで、この物理的制約を越えた位置に輻輳位置を設定することが可能になる。
【００８２】
図１５に、本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した場合の、物理的なコンバージェンス・ポイントと実効のコンバージェンス・ポイントの関係を示す。本例では、対物光学系を凹レンズと凸レンズで構成した例としているが、他の組み合わせに対して同様の考え方を適用できる。
【００８３】
撮像光学系６２内の左右の物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌの輻輳角度に対して、対物光学系６１を設けることでコンバージェンス・ポイントＣＰが変化して実効のコンバージェンス・ポイントｅＣＰに移行し、実効の輻輳角度も変化する。物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌからのコンバージェンス方向の視線は、対物光学系６１の第２レンズ群６１−２で対物光学系６１の光軸側に屈折する。そして、第２レンズ群６１−２による物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌの撮像レンズ中心の像位置６５Ｒ，６５Ｌの方向に進み、第１レンズ群６１−１によって実効カメラ７３Ｒ，７３Ｌの撮像レンズ中心を通る視線方向に進む。この結果、実効のコンバージェンス・ポイントｅＣＰは図１５に示すように、物理カメラ６２Ｒ，６２Ｌで設定したコンバージェンス・ポイントＣＰよりも近接した位置に設定される。
【００８４】
このように、凹レンズ＋凸レンズ構成の対物光学系６１は、画像自体も広角側になり近接撮影向けの特徴を備えているため、コンバージェンス・ポイントをより近接した位置に合わせられることは撮影範囲を拡大できることに繋がるので有効である。
また物理的な制約からコンバージェンス・ポイントを物理カメラに近接させるには限界があり、特に、近接撮影で問題となる。しかし、図１５のように、対物光学系を用いることで、より近接した位置までコンバージェンス・ポイントを設定することが可能になる。
逆に、対物光学系の第１レンズ群を凸レンズ、第２レンズ群を凹レンズとした場合には、実効コンバージェンス・ポイントは、物理的なコンバージェンス・ポイントよりも遠くに位置するようになる。
【００８５】
［４−２．条件２の説明］
条件２では、対物光学系を等価的に対物側の第１レンズ群と複数カメラ側の第２レンズ群からなる２群の構成と考え、撮像光学系の撮像レンズ群を第３レンズ群と考える。そして、第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群の後側焦点距離をｆ１、ｆ２、ｆ３とし、第１レンズ群の後側主面と第２レンズ群の前側主面との距離をＬ、第２レンズ群の後側主面と第３レンズ群の前側主面との距離をＭとした場合に、以下の関係を満たすように、ｆ１、ｆ２、ｆ３、Ｌ，Ｍを設定することを可能な構成とする（条件２）。これについては、後に詳述する。
Ｍ−ｆ３−ｆ２ ≒ ０
【００８６】
（実効のカメラ間距離）
これにより、対物光学系の光軸と複数カメラの光軸を一斉に略ｆ１／ｆ２倍に変更可能とし、カメラ間距離を実効的に略ｆ１／ｆ２に変更可能とする。さらに、ｆ１、ｆ２を調整する手段を持つことで、実効カメラ間距離を調整することが可能になる。
【００８７】
（実効の輻輳）
第１レンズ群の後側主面と第２レンズ群の前側主面との距離Ｌを変更することによって、実効のコンバージェンス・ポイントの位置を変更することができる。この際、撮像光学系の複数カメラの輻輳が掛かっている場合には、Ｌの変更によるコンバージェンス・ポイントの変更が更に掛けられる形になる。
【００８８】
更に、撮像光学系は撮像光学系単独で複数カメラを持つ多眼立体画像撮像装置であるため、対物光学系を取り外して撮影することも可能とすることで、撮影シーンに合わせた対物光学系を用いたり、対物光学系なしで撮影したりすること可能としている。対物光学系を着脱可能とするためには、対物光学系による撮像光学系への制約が少ない方がよい。本開示の条件１では、対物光学系内部の制約としているため、撮像光学系への制約はない。
【００８９】
また、実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳は、対物光学系の第１レンズ群の焦点距離ｆ１と第２レンズ群の焦点距離ｆ２の比によって変化することから、これらの比を制御可能とし、撮影シーンに合わせたカメラ間距離や輻輳をつけることを可能にしている。特に条件２においては、製造工程上、高精度な組み立てが可能となる、光学系の光軸がすべて平行な設計においても、対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群のレンズ間距離によって輻輳をつけることを可能としている。
【００９０】
［４−３．２眼立体画像撮像装置における被写体と像の関係］
次に、コンバージェンス・ポイントを考慮した２眼式の立体画像撮像装置の被写体と像の関係を説明する。説明に際し、ターゲットとするリファレンスの立体画像撮像装置を考慮し、本開示の立体画像撮像装置ではこれと同等な撮像結果が得られることを示す。
【００９１】
図１６は、リファレンスの立体画像撮像装置における被写体と像の関係を示す説明図である。この図１６では、光線がレンズ群を通っていない部分があるが、図面の記載上の都合によるもので、該当部分については光線がレンズ群を通っているとして扱うこととする。以降の図面についても該当する部分があれば同様の扱いである。
【００９２】
２眼式の立体画像撮像装置において、２つの撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌによって生成される被写体８２の像位置８３Ｒ，８３Ｌを表している。すなわち、この図は、左右のカメラを上側から見た図であり、カメラ前方の右側にある被写体８２を撮影したとき、被写体(撮像レンズ８１Ｒ、８１Ｌからの距離ｄ´)から射出する光線が、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌの中心（瞳８５Ｒ，８５Ｌ）を通して結像する点を左右のカメラそれぞれについて示している。
【００９３】
また、左右の撮影画像中で視差が０となるオンスクリーン面（オンスクリーン位置８４を含む面）を、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌの前側主面から距離ｃ´のところに設定している。シフト量ｏＲ，ｏＬは、オンスクリーン位置８４を設定した場合に、オンスクリーン位置８４に対応する像位置８６Ｒ，８６Ｌが、光軸からどれだけずれているかを示している。像位置８６Ｒ，８６Ｌは、オンスクリーン位置８４を設定した場合に、右画像、左画像の原点位置となる。また、ｙＲ，ｙＬは、被写体８２の像位置８３Ｒ，８３Ｌがオンスクリーン位置８４を設定した場合の原点（像位置８６Ｒ，８６Ｌ）に対するずれ量を示している。ｚ３は、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌから像位置８３Ｒ，８３Ｌまでの距離を表す。また、ｚ０は、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌから像位置８６Ｒ，８６Ｌまでの距離を表す。これらの距離の関係を左右のカメラそれぞれについて相似三角形で記したものが、図１７（ａ），（ｂ）である。この関係から、結像座標（ｙＲ、ｙＬ）は、式（１−１）、式（１−２）で示される。
【００９４】
【数１】
【００９５】
これらの結像座標は、カメラ間距離（ｉａｄ´）、焦点距離（ｆ３´）及びオンスクリーン位置（ｃ´）をパラメータとして、被写体８２の位置（ｘ，ｄ´）から計算される。これらのパラメータを立体撮影パラメータと呼ぶこととする。２眼式立体画像撮像装置での結像座標は、この式に即して表現されるべきであり、この式を図１８〜図２０のリファレンスとして考える。
【００９６】
ここで、オンスクリーン位置８４を無限遠にしたときに、原点からシフト量ｏＲ，ｏＬの距離にある像位置８３Ｒ，８３Ｌは左右の撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌの中心軸上に乗る。このときオンスクリーン位置８４を移動しても、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌの中心軸と像位置８３Ｒ，８３Ｌの距離は変わらない。オンスクリーン位置８４が無限遠の場合には、オンスクリーン位置までの距離ｃ´が無限遠なので、ｙＲ，ｙＬについて式（１−１），（１−２）の第２項は０になる。ｃ´が有限の場合、ｃ´がカメラに近づくと、原点からオフセット量ｏＲ，ｏＬの距離にある像位置８３Ｒ，８３Ｌは、撮像レンズ８１Ｒ，８１Ｌの中心軸から遠ざかって、ｙＲは大きくなり、ｙＬは小さくなる。
【００９７】
従来、実際にオンスクリーン位置８４を調整するには、左右の撮像素子に対する画素の読み出し位置をずらすか、撮像素子位置を光軸と垂直方向にシフト量ｏＲ，ｏＬだけずらすことにより、読み出し画像の中心位置をずらす形を採っていた。あるいは左右のカメラを寄り目にして、つまり左右のカメラの光軸を交差させて撮影してキーストーン歪を取り除く補正を行うなどしていた。しかし、本開示の立体画像撮像装置では、複数カメラの物理的な相対位置を変更することなく、実効のカメラ間距離並びに実効の輻輳を容易に設定することができる。
【００９８】
［４−４．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凹レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係］
図１８は、本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凹レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示している。
【００９９】
第１レンズ群１０１−１の凹レンズの焦点距離はｆ１、第２レンズ群１０１−２の凸レンズの焦点距離はｆ２、第３レンズ群（撮像光学系１０２内の撮像レンズ群１０２Ｒ，１０２Ｌ）の凸レンズの焦点距離はｆ３とし、第１レンズ群１０１−１の後側主面と第２レンズ群１０１−２の前側主面の距離をＬ、第２レンズ群１０１−２の後側主面と第３レンズ群の前側主面の距離をＭとする。
【０１００】
この例では、第１レンズ群１０１−１の凹レンズによる被写体１０３の虚像位置１０３−１の座標が（ｘ１，ｚ１）であり、この虚像位置１０３−１の第２レンズ群１０１−２の凸レンズによる虚像位置１０３−２の座標が（ｘ２，ｚ２）となる。そして、この虚像位置１０３−２が第３レンズ群（撮像レンズ群１０２Ｒ，１０２Ｌ）の凸レンズにより、像位置１０３ｉＲ，１０３ｉＬに結像される。この場合、図中の（ｘ、ｄ）の位置にある被写体１０３が最終的に結像する左右の画像中での結像座標（ｙＲ，ｙＬ）は、式（２−１），（２−２）で示される。
【０１０１】
【数２】
ただし、
【数３】
【数４】
である。（ｄ´は実効の被写体距離、ｆ３´は実効の焦点距離である。）。これは、図１８の光学系を図１６のような左右の合成結像レンズ２枚として表現した場合に、合成結合レンズの主面から被写体１０３までの距離がd´となり、合成結合レンズの焦点距離がｆ３´として考えられることを示している。
【０１０２】
また、式（２−１），（２−２）において、
【数５】
の項は、実効カメラ間距離の１／２であり、物理的なカメラ間距離（ｉａｄ）に対して、ｆ１，ｆ２，ｆ３，Ｌ，Ｍを変更することで、実効カメラ間距離が変更できることを示している。
【０１０３】
また、式（２−１），（２−２）において、
【数６】
の項は、実効のオンスクリーン位置を決める項である（撮像光学系の複数カメラを平行配置した場合）。
【０１０４】
式（１−１），（１−２）と式（２−１）（２−２）から、ｉａｄ´とｉａｄの関係は、式（７）で表すことができる。
【数７】
ここから式（８）が導かれ、
【数８】
オンスクリーン位置ｃ´を式（９）で表すことができる。
【数９】
【０１０５】
本例では、上述した計算式の各項に対して、次のような制御を行って使いやすくする。
（１）対物光学系と撮像光学系の着脱容易性を高める。
対物光学系１０１と撮像光学系１０２の着脱を考慮すると、第２レンズ群１０１−２の後側主面と第３レンズ群（撮像レンズ群１０２Ｒ，１０２Ｌ）の前側主面の距離であるＭが多少変化しても、実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´、実効のオンスクリーン位置に影響を与えないことが望ましい。
【０１０６】
ここで、ｆ２−ｆ１−Ｌ＝０とすると、これらの立体撮影パラメータはすべてＭに非依存になる。このため、対物光学系１０１を装着した場合に光軸方向のズレには不感とすることができる。したがって略ｆ２−ｆ１−Ｌ＝０とすることは有意義な設定である。ｆ２−ｆ１−Ｌ＝０のとき、対物光学系１０１の第１レンズ群１０１−１と第２レンズ群１０１−２の焦点位置は一致し、条件１を満たす。
【０１０７】
（２）実効のオンスクリーン位置の制御を容易にする。
ａ）撮像光学系１０２の複数カメラを光軸に平行配置したときに、対物光学系１０１を取り付けても実効のオンスクリーン位置を変化させないようにするためには、条件１が必要である。
ｂ）実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´を変更することなく、実効のオンスクリーン位置を変更する。
これは撮像光学系１０２の複数カメラの輻輳を変更することで可能であるが、複数カメラの輻輳の変更をせずとも、Ｍ−ｆ３−ｆ２＝０とすることで、Ｌの変動が実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´とは無関係になる。それゆえ、実効カメラ間距離と実効焦点距離を設定した後、Ｌを変更して実効のオンスクリーン位置を調整することが可能になる。このＭ−ｆ３−ｆ２＝０の条件は、第２レンズ群１０１−２（対物光学系１０１）と第３レンズ群（撮像光学系１０２の撮像レンズ群１０２Ｒ，１０２Ｌ）の焦点位置が一致することを意味しており、条件２を満たしている。
【０１０８】
上記のように、条件１又は条件２のうちいずれかを満たすように対物光学系と撮像光学系を配置及び設定することで、より簡単に実効のカメラ間距離と視差ゼロを与える奥行き位置を変更することができる。
【０１０９】
［４−５．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係］
図１９は、本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凸レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示している。
【０１１０】
第１レンズ群１１１−１の凸レンズの焦点距離はｆ１、第２レンズ群１１１−２の凸レンズの焦点距離はｆ２、第３レンズ群（撮像光学系１１２内の撮像レンズ群１１２Ｒ，１１２Ｌ）の凸レンズの焦点距離はｆ３とし、第１レンズ群１１１−１の後側主面と第２レンズ群１１１−２の前側主面の距離をＬ、第２レンズ群１１１−２の後側主面と第３レンズ群（撮像レンズ群１１２Ｒ，１１２Ｌ）の前側主面の距離をＭとする。
【０１１１】
この例では、第１レンズ群１１１−１の凸レンズによる被写体１１３の像位置１１３−１の座標が（ｘ１，ｚ１）であり、この像位置１１３−１の第２レンズ群１１１−２の凸レンズによる像位置１１３−２の座標が（ｘ２，ｚ２）となる。そして、この像位置１１３−２が第３レンズ群（撮像レンズ群１１２Ｒ，１１２Ｌ）の凸レンズにより、像位置１１３ｉＲ，１１３ｉＬに結像される。この場合、図中の（ｘ、ｄ）の位置にある被写体１１３が最終的に結像する左右の画像中での結像座標（ｙＲ，ｙＬ）は、式（１０−１），（１０−２）で示される。
【０１１２】
【数１０】
ただし、
【数１１】
【数１２】
である。
【０１１３】
この構成の場合にも、上述した計算式の各項に対して、次のような制御を行って使いやすくする。
（１）対物光学系と撮像光学系の着脱容易性を高める。
対物光学系１１１と撮像光学系１１２の着脱を考慮すると、第２レンズ群１１１−２の後側主面と第３レンズ群（撮像レンズ群１１２Ｒ，１１２Ｌ）の前側主面の距離であるＭが多少変化しても、実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´、実効のオンスクリーン位置に影響を与えないことが望ましい。
【０１１４】
ここで、Ｌ−ｆ１−ｆ２＝０とすると、これらの立体撮影パラメータはすべてＭに非依存になる。このため、対物光学系１１１を装着した場合に光軸方向のズレには不感とすることができる。したがって略Ｌ−ｆ１−ｆ２＝０とすることは有意義な設定である。Ｌ−ｆ１−ｆ２＝０のとき、対物光学系１１１の第１レンズ群１１１−１と第２レンズ群１１１−２の焦点位置は一致し、条件１を満たす。（但し、凹レンズと凸レンズで焦点距離の符号が異なる。）
【０１１５】
（２）実効のオンスクリーン位置の制御を容易にする。
ａ）撮像光学系１１２の複数カメラを光軸に平行配置したときに、対物光学系１１１を取り付けても実効のオンスクリーン位置を変化させないようにするためには、条件１が必要である。
ｂ）実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´を変更することなく、実効のオンスクリーン位置を変更する。
これは撮像光学系１１２の複数カメラの輻輳を変更することで可能であるが、複数カメラの輻輳の変更をせずとも、Ｍ−ｆ３−ｆ２＝０とすることで、Ｌの変動が実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´とは無関係となる。それゆえ、実効のオンスクリーン位置のみを制御可能になる。したがって、実効カメラ間距離と実効焦点距離を設定した後、Ｌを変更して実効のオンスクリーン位置を調整することが可能になる。このＭ−ｆ３−ｆ２＝０の条件は、第２レンズ群１１１−２（対物光学系１１１）と第３レンズ群（撮像光学系１１２の撮像レンズ群１１２Ｒ，１１２Ｌ）の焦点位置が一致することを意味しており、条件２を満たしている。
【０１１６】
［４−６．本開示の対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凹レンズを配置した場合の被写体と像の関係］
図２０は、本開示の第１の実施形態に係る立体画像撮像装置において、対物光学系の第１レンズ群に凸レンズ、第２レンズ群に凹レンズを配置した場合の被写体と像の関係を示している。
【０１１７】
第１レンズ群１２１−１の凸レンズの焦点距離はｆ１、第２レンズ群１２１−２の凹レンズの焦点距離はｆ２、第３レンズ群（撮像光学系１２２内の撮像レンズ群１２２Ｒ，１２２Ｌ）の凹レンズの焦点距離はｆ３とし、第１レンズ群１２１−１の後側主面と第２レンズ群１２１−２の前側主面の距離をＬ、第２レンズ群１２１−２の後側主面と第３レンズ群（撮像レンズ群１２２Ｒ，１２２Ｌ）の前側主面の距離をＭとする。
【０１１８】
この例では、第１レンズ群１２１−１の凸レンズによる被写体１２３の像位置１２３−１の座標が（ｘ１，ｚ１）であり、この像位置１２３−１の第２レンズ群１２１−２の凹レンズによる像位置１２３−２の座標が（ｘ２，ｚ２）となる。そして、この像位置１２３−２が第３レンズ群（撮像レンズ群１２２Ｒ，１２２Ｌ）の凸レンズにより、像位置１２３ｉＲ，１２３ｉＬに結像される。この例では、実効ＩＡＤである実効瞳ＥＰ間の距離は、物理ＩＡＤである内部瞳ＩＰ間の距離ｉａｄより大きくなる。この場合、図中の（ｘ、ｄ）の位置にある被写体１２３が最終的に結像する左右の画像中での結像座標（ｙＲ，ｙＬ）は、式（１３−１），（１３−２）で示される。
【０１１９】
【数１３】
ただし、
【数１４】
【数１５】
である。
【０１２０】
この構成の場合にも、上述した計算式の各項に対して、次のような制御を行って使いやすくする。
（１）対物光学系と撮像光学系の着脱容易性を高める。
対物光学系１２１と撮像光学系１２２の着脱を考慮すると、第２レンズ群１２１−２の後側主面と第３レンズ群（撮像レンズ群１２２Ｒ，１２２Ｌ）の前側主面の距離であるＭが多少変化しても、実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´、実効のオンスクリーン位置に影響を与えないことが望ましい。
ここで、ｆ１−Ｌ−ｆ２＝０とすると、これらの立体撮影パラメータはすべてＭに非依存になる。このため、対物光学系１２１を装着した場合に光軸方向のズレには不感とすることができる。したがって略ｆ１−Ｌ−ｆ２＝０とすることは有意義な設定である。ｆ１−Ｌ−ｆ２＝０のとき、対物光学系１２１の第１レンズ群１２１−１と第２レンズ群１２１−２の焦点位置は一致し、条件１を満たす。（但し、凸レンズと凹レンズで焦点距離の符号が異なる。）
【０１２１】
（２）実効のオンスクリーン位置の制御を容易にする。
ａ）撮像光学系１２２の複数カメラを平行配置したときに、対物光学系１２１を取り付けても実効のオンスクリーン位置を変化させないようにするためには、条件１が必要である。
ｂ）実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´を変更することなく、実効のオンスクリーン位置を変更する。
これは撮像光学系１２２の複数カメラの輻輳を変更することで可能であるが、複数カメラの輻輳の変更をせずとも、Ｍ−ｆ３＋ｆ２＝０とすることで、Ｌの変動が実効カメラ間距離ｉａｄ´や実効焦点距離ｆ３´とは無関係となり、実効のオンスクリーン位置のみを制御可能になる。したがって、実効カメラ間距離と実効焦点距離を設定した後、Ｌを変更して実効のオンスクリーン位置を調整することが可能になる。このＭ−ｆ３＋ｆ２＝０の条件は、第２レンズ群１２１−２（対物光学系１２１）と第３レンズ群（撮像光学系１２２の撮像レンズ群１２２Ｒ，１２２Ｌ）の焦点位置が一致することを意味しており、条件２を満たしている。（凸レンズと凹レンズで焦点距離の符号が異なる。）
【０１２２】
［４−７．交差法に適用する場合の計算式］
ここで、上記の計算式を交差法に適用する場合を説明する。
撮像光学系の複数カメラを平行法ではなく、交差法（オンスクリーン位置が無限遠）にて撮影した場合には、式（６）は
【数１６】
となる。（ただし、ｃは撮像光学系の前側主面からの距離）
【０１２３】
よって、式（２−１），（２−２）は、下記式のように変形できる。
【数１７】
【０１２４】
立体画像撮像装置に対物光学系を付けない状態で輻輳をつけて、撮像光学系から距離cの位置をオンスクリーン位置とした場合には、式（６）式の計算式に式（１６）の右項が加わる。これは図１６を参照して説明した式（１−１），（１−２）から理解できよう。この輻輳がついた状態で、対物光学系が取り付けられると式（１６）の左項が付加されることになる。
【０１２５】
上記の実施形態によれば、複数カメラを備えた撮像光学系に対して、対物光学系を組み合わせることで、撮像光学系の複数カメラ間の物理的な位置を変更することなく、実効のカメラ間距離と実効の輻輳（視差ゼロ）を与える奥行き位置を変更することが可能である。
例えば、対物光学系による実効カメラ間距離の変更は、撮像光学系の撮像レンズ群と対物光学系の第２レンズ群の焦点との距離Ｍと無関係である。したがって、既存の撮像光学系に、例えばアタッチメント（補助部品）として対物光学系（コンバージョンレンズ）を付加することでカメラ間距離の変更が可能となる。
また、コンバージェンス・ポイントを変更する際に、対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群の間隔を調整するだけで、実効のコンバージェンス・ポイントを移動させることが可能である。
【０１２６】
＜５．本開示の立体画像撮像装置のブロック構成＞
［５−１．条件１に対応した構成例］
図２１は、本開示の立体画像撮像装置の構成例（条件１に対応）を示すブロック図である。ここでは、カメラ間距離を電動制御すること、並びに撮像処理に必要であるブロックを示している。
【０１２７】
本例の立体画像撮像装置は、第１レンズ群１３１−１及び第２レンズ群１３１−２を有する対物光学系と、撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌ及び撮像素子１３３Ｒ，１３３Ｌから構成される左右のカメラ１３４Ｒ，１３４Ｌ（撮像光学系）を備える。また、撮像素子１３３Ｒ，１３３Ｌで得られた画像信号が入力される撮像回路１３９Ｒ，１３９Ｌと、画像処理回路１４０と、不揮発性のメモリ１４１と、メイン制御部１３８と、入力部１４２を備え、これらがバスを介して通信可能に接続されている。さらに、ＩＡＤ制御部１３５と、ズーム制御部１３６と、コンバージェンス制御部１３７と、モータ１４３，１４４−１，１４４−２，１４５Ｒ，１４５Ｌ，１４６Ｒ，１４６Ｌを備えている。
【０１２８】
ＩＡＤ制御部１３５は、実効カメラ間距離を調整するための制御機構であり、メイン制御部１３８の制御の下で、モータ１４４−１，１４４−２を駆動させる。それにより、対物光学系の第１レンズ群１３１−１及び第２レンズ群１３１−２の焦点距離調整を行い、所望の実効カメラ間距離を得る。また、第１レンズ群１３１−１の位置調整をすることで、本開示における条件１（対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群が共焦点）を満足するように制御する。レンズ群の焦点距離調整は、レンズ群を構成するレンズの位置を微調整することで行う。
【０１２９】
撮像光学系に対しては、メイン制御部１３８の制御の下で、ズーム制御部１３６がモータ１４５Ｒ，１４５Ｌを駆動させ、撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌに対して焦点距離制御を行う。
【０１３０】
視差ゼロとなる奥行き位置の調整に関しては、メイン制御部１３８の制御の下で、コンバージェンス制御部１３７がモータ１４６Ｒ，１４６Ｌを駆動させ、撮像光学系内の個々のカメラ１３４Ｒ，１３４Ｌの向き（カメラ間距離や光軸方向）を変更することで対応可能である。このとき、撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌのみ、又は撮像素子１３３Ｒ，１３３Ｌのみ、あるいは左右のカメラ１３４Ｒ，１３４Ｌ全体を移動させることができる。
【０１３１】
対物光学系（第１レンズ群１３１−１及び第２レンズ群１３１−２）及び撮像光学系（カメラ１３４Ｒ，１３４Ｌ）を通して左右の撮像素子１３３Ｒ，１３３Ｌで得られた撮影画像は画像信号に変換された後、対応する撮像回路１３９Ｒ，１３９Ｌに入力される。撮像回路１３９Ｒ，１３９Ｌでは、例えばフォーカス、絞り、ゲイン調整、ホワイトバランスといった検波処理を行った後、メイン制御部１３８を通じて撮影画像をメモリ１４１に保存する。なお、この図には示していないが、検波処理の結果のうちフィードバックが必要なパラメータに関しては撮影設定にフィードバックするとよい。
【０１３２】
画像処理回路１４０では、個々のカメラ画像に対する個別の処理もしくは複数のカメラ間にまたがる画像処理を行う。
【０１３３】
メイン制御部１３８は、全体の制御を司る制御部の一例であり、入力部１４２が操作入力に応じて出力する操作入力信号に基づいて、あるいはメモリ１４１等に保存されたプログラムに基づいて所定の演算・処理を行う。
【０１３４】
本例では２眼式の立体画像撮像装置の場合について示したが、特に２眼式に限られない。また、対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群を凸レンズとして示しているが、本明細書に記した他のレンズの組み合わせについても有効である。各光学系のブロックを代表するレンズ群の可変焦点距離機構に関しては詳細を記していないが、本開示を適用する上では特定の機構に限定されない。また、本例では、モータを用いて電動制御する例を説明したが、本開示の条件１を満たすようなメカニカルな機構を設けてもよい。
【０１３５】
［５−２．条件２に対応した構成例］
図２２は、本開示の立体画像撮像装置の構成の他の例（条件２に対応）を示すブロック図である。ここでは、カメラ間距離及び視差ゼロとなる奥行き位置を電動制御すること、並びに撮像処理に必要であるブロックを示している。図２２において、図２１の構成と共通の部分については説明を省略する。
【０１３６】
ズーム制御部１５３は、メイン制御部１３８の制御の下で、モータ１５６Ｒ，１５６Ｌを駆動させ、本開示の条件２（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点）を満足するように、対物光学系の第２レンズ群１３１−２と撮像光学系の撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌの距離を制御する。図２２の例では、対物光学系全体を移動することで対物光学系の第２レンズ群１３１−２と撮像光学系の撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌが共焦点関係になるように制御することを示しているが、条件２を満たすような機構であれば特にこれに限定されない。このズーム調整によって実効カメラ間距離を設定した後の表示画面上の像の大きさ調整を行う。なお、この図２２の構成は、条件１を満足するように制御することも勿論可能である。
【０１３７】
ＩＡＤ制御部１５２は、実効カメラ間距離を調整するための制御機構であり、メイン制御部１３８の制御の下で、モータ１５５−１，１５５−２を駆動させ、対物光学系の第１レンズ群１３１−１及び第２レンズ群１３１−２の焦点距離調整を行い、所望の実効カメラ間距離を得る。
【０１３８】
視差ゼロとなる奥行き位置の調整に関しては、メイン制御部１３８の制御の下で、コンバージェンス制御部１５１がモータ１５４を駆動させ、第１レンズ群１３１−１の位置を調整することで所望の奥行き位置になるように調整する。この際、撮像光学系における複数カメラ（撮像レンズ群１３２Ｒ，１３２Ｌ及び撮像素子１３３Ｒ，１３３Ｌ）の向きは、対物光学系の光軸方向と平行でよい。何らかのコンバージェンスを設ければ、対物光学系のコンバージェンスと合成されることになるので、合成コンバージェンスを算出して設定を行えばよい。コンバージェンスを設ける方法としては、左右の撮像素子に対する画素の読み出し位置をずらす方法や、撮像素子位置を光軸と垂直方向にシフトすることにより、読み出し画像の中心位置をずらす方法などがある。
【０１３９】
上記構成において、条件２を満たしている場合には、対物光学系内で実効のカメラ間距離と視差ゼロとなる奥行き位置の調整を行うことができる。
【０１４０】
なお、図２１のコンバージェンス制御部１３７では、撮像光学系内の個々のカメラ１３４Ｒ，１３４Ｌの向きを変更する制御を行うが、本例のズーム制御部１５３が個々のカメラ１３４Ｒ，１３４Ｌの向きを変更する制御を行えるようにしてもよい。また、本例では、モータを用いて電動制御する例を説明したが、本開示の条件２を満たすようなメカニカルな機構を設けてもよい。その他、本例に対して、図２１に示した構成の説明で挙げられたものと同様の変形例を適用することができる。
【０１４１】
裸眼立体ディスプレイなどでは、２眼のみでなく多眼立体画像撮像装置で撮影された画像を表示することで、２眼のみでは難しかった頭部の移動に対応した運動立体視などが可能である。これに伴い、多眼立体画像撮像装置での撮影を行う機会が多くなることが見込まれる。本開示は２眼のみならず、多眼の場合にも適用可能であるばかりでなく、多眼立体画像撮像装置の調整においてより効果を発揮する。本開示を用いると複数カメラの物理的配置を変化させることなく実効カメラ間距離や輻輳の調整が可能であるため、カメラ数とともに増加する個々のカメラの調整作業を簡単かつ正確に行うことができる。
【０１４２】
［５−３．対物光学系を着脱可能なコンバージョンレンズとした構成例］
本開示の対物光学系は、多眼立体画像撮像装置へ組み込むだけでなく、コンバージョンレンズとして既存の多眼立体画像撮像装置の前部に装着する形で活用することが可能である。少なくとも２群のレンズ群を備えるコンバージョンレンズを、立体画像撮像装置に対して着脱可能な構成とし、コンバージョンレンズを本開示の立体画像撮像装置における対物光学系として利用する。
【０１４３】
図２３は、本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を、着脱可能なコンバージョンレンズとして活用した場合の構成例を示すブロック図である。図２３の例は、実効のカメラ間距離を電動制御可能な例であり、この制御のために必要なブロックを示している。例えば、図２１のズーム制御部１３６及びコンバージェンス制御部１３７に対応する記載は省略している。
【０１４４】
コンバージョンレンズ１６１は、第１レンズ群１６１−１と第２レンズ群１６１−２を備えて構成され、本開示の対物光学系として機能する。一方、本例の立体画像撮像装置は、装着されたコンバージョンレンズ１６１の第１レンズ群１６１−１と第２レンズ群１６１−２の焦点位置等を制御するＩＡＤ制御部１６３を備える。
【０１４５】
ＩＡＤ制御部１６３は、メイン制御部１３８の制御の下で、モータ１６４，１６５−１，１６５−２を駆動させ、コンバージョンレンズ１６１の第１レンズ群１６１−１及び第２レンズ群１６１−２の焦点距離調整、並びに第１レンズ群１６１−１の位置調整を行う。それにより、本開示における条件１（対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群が共焦点）を満足するように制御する。
【０１４６】
本開示における条件１では撮像光学系と対物光学系の距離については制限がないため、既存の多眼立体画像撮像装置に対するコンバージョンレンズとして本開示を適用することができる。
【０１４７】
なお、本例では、モータを用いて電動制御する例を説明したが、本開示の条件１を満たすようなメカニカルな機構を設けてもよい。
また、コンバージョンレンズ１６１を立体画像撮像装置に装着したときに、本開示における条件２（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点）を満足するような設計としてもよい。その他、本例に対して、図２１，図２２についての説明で挙げられたものと同様の変形例を適用することができる。
【０１４８】
［５−４．対物光学系を固定焦点距離のコンバージョンレンズとした構成例］
図２４は、本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を、固定焦点距離のコンバージョンレンズとして活用した場合の構成例を示すブロック図である。
【０１４９】
本開示の対物光学系として機能するコンバージョンレンズ１７１は、第１レンズ群１７１−１と第２レンズ群１７１−２を備えて構成されている。コンバージョンレンズ１７１は、本開示における条件１（対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群が共焦点）を満足するように固定焦点距離が設計されている。
【０１５０】
本開示において条件１を満たす場合には、対物光学系と撮像光学系の距離には制限がないため、既存の多眼立体画像撮像装置にコンバージョンレンズ（対物光学系）のみを付加する形で提供することが可能である。もっとも単純な例としては、対物光学系の第１レンズ群と第２レンズ群の焦点距離を固定とし、実効カメラ間距離を一定の倍率で拡大（縮小）するコンバージョンレンズとして提供することが可能である。
【０１５１】
また、コンバージョンレンズ１７１を立体画像撮像装置に装着したときに、本開示における条件２（対物光学系の第２レンズ群と撮像光学系が共焦点）を満足するような設計としてもよい。なお、図２４においては対物光学系の第１レンズ群１７１−１と第２レンズ群１７１−２を凸レンズとして示しているが、本明細書に記載した他のレンズの組み合わせについても有効である。
【０１５２】
以上説明したように、本開示によれば、任意のカメラ間隔及び輻輳が設定された複数カメラを撮像光学系として備える多眼立体画像撮像装置に対して、本開示を適用することにより、複数カメラの物理的な位置制約に縛られることなく、カメラ間隔や輻輳を変更可能にすることができる。
また、本開示を用いると、実効のカメラ間隔調整や輻輳調整を複数カメラの前部に設けた対物光学系によって行うことができる。このため、撮影のたびに個々のカメラ位置を調整することなく、カメラ間隔調整及び輻輳調整を行うことができ、撮影開始前の調整時間の短縮や多眼立体画像撮像装置における連動機構の簡易化を図ることができる（条件１）。
さらに、本開示の対物光学系では、実効のカメラ間隔調整を行った後、レンズシフト機構による対物光学系内のＬの制御のみで実効の輻輳調整を行うこともできる。このため、実効のカメラ間隔が一定の撮影シーンなど、実効のカメラ間隔を設定した後で輻輳調整を行う場合に、ユーザ操作もしくはレンズ制御機構の簡易化が可能である（条件２）。
【０１５３】
＜６．３群のレンズ群から構成される対物光学系の例＞
次に、３群構成の対物光学系について従来例との比較を交えながら説明する。
初めに、特許文献１（特開２００３−５３１３号公報）に開示された技術について説明する。特許文献１には、対物光学系と結像光学系にズーム率を分け、片方の変倍率を上げた場合には他方の倍率を下げて全体の倍率を一定にすることで、立体感が変化する作用を持たせることができることを示したものと考えられる。この時点では、ＩＡＤ及びコンバージェンス・フォーカスが同時に変更される形になっている。ＩＡＤ及びコンバージェンスをそれぞれ単独で制御することに関する技術開示はされていない。
【０１５４】
本明細書では、立体視の重要な項目であるＩＡＤをコントロールすること、及び、ＩＡＤを決めた上でコンバージェンスを制御することについて技術開示を行っている。
（１）ＩＡＤをコントロールする、ＩＡＤを所望の値になるように変換する技術を開示
ＩＡＤ変換を可変とすること、あるいはＩＡＤ変換は固定だが、対物光学系を取り替えることにより、所望のＩＡＤとする。この手段として、アフォーカル光学系を複数カメラの前部に配置する。ＩＡＤは複数カメラの概念であり、本開示はこのＩＡＤのコントロールを行うものなので、単一カメラの前にコンバージョンレンズを配置するものとは根本的に異なるものである。
（２）ＩＡＤを決めた上でコンバージェンスの制御を行う技術を開示
ＩＡＤを保ったままで、コンバージェンスを変化させるためにはどのようにすればよいかという技術を開示している。この手段として、対物光学系の２群のレンズ群と撮像光学系の焦点面を合わせた上で、対物光学系のアフォーカル光学系の構成を崩すことで実現する。なお、対物光学系が２群構成でなくとも、等価な２群からなるレンズとして考えられれば本開示を適用することができる。
【０１５５】
図２５は、本開示の立体画像撮像装置における対物光学系を、３群のレンズ群から構成した場合の一例を示す。図２５〜図２８に示した瞳は、対物光学系を用いた場合の瞳であるため、内部瞳として考える瞳である。ただし、ここではコンバージェンス位置の設定を行うものはないので、対物光学系を外した場合の瞳と一致する。
【０１５６】
この図では、第１〜第３レンズ群１８１〜１８３から構成される対物光学系がアフォーカル光学系で、ＩＡＤ変換が行われることを示している。第１〜第３レンズ群１８１〜１８３の焦点距離はｆ１，ｆ２，ｆ３である。物理カメラ１８４Ｒ，１８４Ｌの瞳を通る像面に垂直な光線は、アフォーカル光学系を通しても物理カメラの向きに対して平行である。このため、物理カメラ１８４Ｒ，１８４Ｌのレンズ中心軸上の瞳とその対物光学系による像である実効瞳ＥＰが、この二眼立体画像撮像装置の瞳として機能する。したがって、カメラ向きに平行な実効瞳ＥＰを通る光線と左右の物理カメラ１８４Ｒ，１８４Ｌの中心線との距離ｅｄ／２は実効ＩＡＤ／２である。図からもわかるように、実効ＩＡＤの距離ｅｄは物理ＩＡＤの距離ｉａｄよりも小さく変換されている。
【０１５７】
図２６は、特許文献１で示されているフォーカス調整時の対物光学系の様子を示したものである。
フォーカス調整時に、図２５に示した入射光線がどのように進むかを示した図である。もっとも被写体側にある第１レンズ群１８１を被写体側へ距離△移動させると、対物光学系の倍率が変化するとともに、アフォーカル光学系の条件が崩れてアフォーカル光学系ではなくなる。このため、アフォーカル光学系となっていた場合に撮像光学系（物理カメラ１８４Ｌ）の瞳を通って像面に垂直だった光線（図２５）が、瞳から外れ、像面との角度も変化してしまう。この結果、立体視の重要な制御要素であるＩＡＤが変化する。特許文献１には、自然な立体感と記述されているが、自然な立体感である技術的根拠は示されていない。
【０１５８】
図２７は、図２６の対物光学系における、物理カメラの瞳を通る像面に垂直な光線の入射方向を示したものである。
図に示されるように、図２５の実効瞳位置が移動するとともに、入射方向が対物光学系の中心軸の向きとは異なる方向になっている。この結果、ＩＡＤが変化するとともにコンバージェンスも変化する。本明細書で示したように、ＩＡＤを変化させずにコンバージェンスを変更するには、対物光学系と結像光学系に条件が存在するため、特許文献１に開示された技術内容だけでは、ＩＡＤとコンバージェンスそれぞれを所望の状態になるように制御することはできない。
【０１５９】
図２８は、本開示の立体画像撮像装置におけるＩＡＤ制御の説明図である。
撮像光学系に条件を設けない状況であっても、本開示のように対物光学系がアフォーカル光学系の条件を満たすように制御すれば、ＩＡＤの制御が可能になる。すなわち実効ＩＡＤ／物理ＩＡＤの変換比を制御できる。本開示の技術によれば、図２６で示した第１レンズ群１８１の移動も、図２８に示すように被写体側から第３番目の第３レンズ群１８３と連動して制御することで、ＩＡＤの制御を目的とした対物光学系の制御を実現できる。本例では、実効瞳ＥＰ´のとき実効ＩＡＤ／２の距離は、フォーカス調整前の実効ＩＡＤ／２の距離ｈより短くなっている。なお、図２８で示した対物光学系は、本開示の対物光学系の一例であり、可変倍率とする場合に、この構成に限定されるものではない。
【０１６０】
特許文献１では、図２６のレンズ制御によりフォーカス調整が行われるとともに立体感が変化することが示されている。これに対し、本開示の光学系におけるフォーカス調整は少なくとも撮像光学系内で行うことで解決できる。
【０１６１】
上述したように、本開示の立体画像撮像装置に用いられる対物光学系は少なくとも２群のレンズ群から構成されていればよい。また、撮像光学系は、少なくとも１群の撮像レンズ群から構成されていればよい。
【０１６２】
その他、本開示の立体画像撮像装置を、立体視用の撮像装置のみならず、距離測定装置に適用してもよい。距離測定装置においても、複数カメラの物理的な位置制約に縛られることなく、実効のカメラ間距離及び輻輳が変更できるようになることは距離を測定する上で、大変有効である。例えば、実効ＩＡＤを大きくすると推定測定距離が長くなり、逆に、実効ＩＡＤを小さくすると推定測定距離が短くなる。したがって、実効ＩＡＤを調整して大きな値に設定することにより、測定精度を向上させることができる。
【０１６３】
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１） 被写体を実像又は虚像として形成する、同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成されるアフォーカル光学系の対物光学系と、
複数の独立したレンズ群により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系と、
前記複数の撮像光学系に対応して設けられ、前記複数の撮像光学系により結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える
立体画像撮像装置。
（２） 前記対物光学系が等価的に２つのレンズ群から構成される場合に、前記対物光学系のレンズ群のうち前記撮像光学系側にあるレンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各レンズ群の焦点面を一致させ、前記対物光学系の被写体側のレンズ群と前記撮像光学系側のレンズ群の光軸上での距離を変更する
前記（１）に記載の立体画像撮像装置。
（３） 前記対物光学系が等価的に２つのレンズ群から構成される場合に、第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点が一致している
前記（１）に記載の立体画像撮像装置。
（４） 第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点が一致している状態で、前記対物光学系のレンズ群のうち前記撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各光学系の焦点面が一致している
前記（３）に記載の立体画像撮像装置。
（５） 前記第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上での距離を変更し、第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点を一致させる第１の制御を行う制御部、をさらに備える
前記（１）から（４）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（６） 前記対物光学系の各レンズ群の焦点距離を変更し、前記対物光学系の倍率を変更して実効の撮像光学系間の距離を変更する第２の制御を行う制御部、をさらに備える
前記（１）から（５）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（７） 前記対物光学系のレンズ群のうち撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各光学系との焦点面を一致させる第３の制御を行う制御部、をさらに備える
前記（２）から（６）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（８） 前記制御部は、前記対物光学系のレンズ群のうち撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各レンズ群の焦点面が一致している状態で、対物光学系内の第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上での距離を変更させる第４の制御を行う制御部、をさらに備える
前記（２）から（７）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（９） 前記対物光学系の第１レンズ群及び第２レンズ群の各々を一つのレンズと捉えた場合に、第１レンズ群及び第２レンズ群の組み合わせが、凸レンズ及び凸レンズ、凸レンズ及び凹レンズ、あるいは凹レンズ及び凸レンズである
前記（２）〜（８）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（１０） 前記対物光学系が当該立体画像撮像装置に対して着脱可能に構成されている
前記（１）〜（９）のいずれかに記載の立体画像撮像装置。
（１１） 被写体を実像又は虚像として形成する、同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成される対物光学系と、複数の独立したレンズ群により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系と、前記複数の撮像光学系に対応して設けられ、前記複数の撮像光学系により結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える立体画像撮像装置により立体画像撮像を行うに際して、
前記対物光学系の各レンズ群の焦点距離、及び各レンズ群間の光軸上での距離を変更し、前記対物光学系をアフォーカル光学系とし、
前記対物光学系の倍率を変更して実効の撮像光学系間の距離を変更する
立体画像撮像方法。
【０１６４】
以上、本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。
【符号の説明】
【０１６５】
１４，２４，３４…ＩＡＤ変換部、１５Ｒ，１５Ｌ，２５Ｒ，２５Ｌ，３５Ｒ，３５Ｌ…実効瞳、１６Ｒ，１６Ｌ，２６Ｒ，２６Ｌ，３６Ｒ，３６Ｌ…内部瞳、４１…対物光学系、４１−１，４１−２…レンズ群、４２…撮像光学系、４２Ｒ，４２Ｌ…撮像レンズ群、６１…対物光学系、６１−１，６１−２…レンズ群、６２…撮像光学系、６２Ｒ，６２Ｌ…物理カメラ、６３Ｒ，６３Ｌ，７３Ｒ，７３Ｌ…実効カメラ、８１Ｒ，８１Ｌ…撮像レンズ、８４…オンスクリーン位置、８５Ｒ，８５Ｌ…瞳、１０１，１１１，１２１…対物光学系、１０１−１，１０１−２，１１１−１，１１１−２，１２１−１，１２１−２…対物レンズ群、１０２，１１２，１２２…撮像光学系、１０２Ｒ，１０２Ｌ、１１２Ｒ，１１２Ｌ，１２２Ｒ，１２２Ｌ…撮像レンズ群、１３１−１，１３１−２…レンズ群、１３５，１５２…ＩＡＤ制御部、１３６，１５３…ズーム制御部、１３７，１５１…コンバージェンス制御部、１３８…メイン制御部、１６１，１７１…コンバージョンレンズ、１６１−１，１６１−２，１７１−１，１７１−２…レンズ群、１６３…ＩＡＤ制御部、
１８１〜１８３…レンズ群、ＥＰ…実効瞳、ＩＰ…内部瞳、ｏＲ，ｏＬ…シフト量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を実像又は虚像として形成する、同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成されるアフォーカル光学系の対物光学系と、
複数の独立したレンズ群により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系と、
前記複数の撮像光学系に対応して設けられ、前記複数の撮像光学系により結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える
立体画像撮像装置。
【請求項２】
前記対物光学系が等価的に２つのレンズ群から構成される場合に、前記対物光学系のレンズ群のうち前記撮像光学系側にあるレンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各レンズ群の焦点面を一致させ、前記対物光学系の被写体側のレンズ群と前記撮像光学系側のレンズ群の光軸上での距離を変更する
請求項１に記載の立体画像撮像装置。
【請求項３】
前記対物光学系が等価的に２つのレンズ群から構成される場合に、第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点が一致している
請求項１に記載の立体画像撮像装置。
【請求項４】
第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点が一致している状態で、前記対物光学系のレンズ群のうち前記撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各光学系の焦点面が一致している
請求項３に記載の立体画像撮像装置。
【請求項５】
前記第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上での距離を変更し、第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点を一致させる第１の制御を行う制御部、をさらに備える
請求項３に記載の立体画像撮像装置。
【請求項６】
前記対物光学系の各レンズ群の焦点距離を変更し、前記対物光学系の倍率を変更して実効の撮像光学系間の距離を変更する第２の制御を行う制御部、をさらに備える
請求項１に記載の立体画像撮像装置。
【請求項７】
前記対物光学系のレンズ群のうち撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各光学系との焦点面を一致させる第３の制御を行う制御部、をさらに備える
請求項２に記載の立体画像撮像装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記対物光学系のレンズ群のうち撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各レンズ群の焦点面が一致している状態で、対物光学系内の第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上での距離を変更させる第３の制御を行う制御部、をさらに備える
請求項２に記載の立体画像撮像装置。
【請求項９】
前記対物光学系の第１レンズ群及び第２レンズ群の各々を一つのレンズと捉えた場合に、第１レンズ群及び第２レンズ群の組み合わせが、凸レンズ及び凸レンズ、凸レンズ及び凹レンズ、あるいは凹レンズ及び凸レンズである
請求項２に記載の立体画像撮像装置。
【請求項１０】
前記対物光学系が当該立体画像撮像装置に対して着脱可能に構成されている
請求項１に記載の立体画像撮像装置。
【請求項１１】
被写体を実像又は虚像として形成する、同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成される対物光学系と、複数の独立したレンズ群により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系と、前記複数の撮像光学系に対応して設けられ、前記複数の撮像光学系により結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える立体画像撮像装置により立体画像撮像を行うに際して、
前記対物光学系の各レンズ群の焦点距離、及び各レンズ群間の光軸上での距離を変更し、前記対物光学系をアフォーカル光学系とし、
前記対物光学系の倍率を変更して実効の撮像光学系間の距離を変更する
立体画像撮像方法。
【請求項１】
被写体を実像又は虚像として形成する、同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成されるアフォーカル光学系の対物光学系と、
複数の独立したレンズ群により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系と、
前記複数の撮像光学系に対応して設けられ、前記複数の撮像光学系により結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える
立体画像撮像装置。
【請求項２】
前記対物光学系が等価的に２つのレンズ群から構成される場合に、前記対物光学系のレンズ群のうち前記撮像光学系側にあるレンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各レンズ群の焦点面を一致させ、前記対物光学系の被写体側のレンズ群と前記撮像光学系側のレンズ群の光軸上での距離を変更する
請求項１に記載の立体画像撮像装置。
【請求項３】
前記対物光学系が等価的に２つのレンズ群から構成される場合に、第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点が一致している
請求項１に記載の立体画像撮像装置。
【請求項４】
第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点が一致している状態で、前記対物光学系のレンズ群のうち前記撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各光学系の焦点面が一致している
請求項３に記載の立体画像撮像装置。
【請求項５】
前記第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上での距離を変更し、第１レンズ群の焦点と第２レンズ群の焦点を一致させる第１の制御を行う制御部、をさらに備える
請求項３に記載の立体画像撮像装置。
【請求項６】
前記対物光学系の各レンズ群の焦点距離を変更し、前記対物光学系の倍率を変更して実効の撮像光学系間の距離を変更する第２の制御を行う制御部、をさらに備える
請求項１に記載の立体画像撮像装置。
【請求項７】
前記対物光学系のレンズ群のうち撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各光学系との焦点面を一致させる第３の制御を行う制御部、をさらに備える
請求項２に記載の立体画像撮像装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記対物光学系のレンズ群のうち撮像光学系側にある第２レンズ群の焦点面と前記撮像光学系の各レンズ群の焦点面が一致している状態で、対物光学系内の第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上での距離を変更させる第３の制御を行う制御部、をさらに備える
請求項２に記載の立体画像撮像装置。
【請求項９】
前記対物光学系の第１レンズ群及び第２レンズ群の各々を一つのレンズと捉えた場合に、第１レンズ群及び第２レンズ群の組み合わせが、凸レンズ及び凸レンズ、凸レンズ及び凹レンズ、あるいは凹レンズ及び凸レンズである
請求項２に記載の立体画像撮像装置。
【請求項１０】
前記対物光学系が当該立体画像撮像装置に対して着脱可能に構成されている
請求項１に記載の立体画像撮像装置。
【請求項１１】
被写体を実像又は虚像として形成する、同一光軸に配置された２群以上のレンズ群から構成される対物光学系と、複数の独立したレンズ群により、前記対物光学系の異なる経路から出射された複数の被写体光束をそれぞれ独立した画像として結像させる複数の撮像光学系と、前記複数の撮像光学系に対応して設けられ、前記複数の撮像光学系により結像された画像を画像信号に変換する複数の撮像素子と、を備える立体画像撮像装置により立体画像撮像を行うに際して、
前記対物光学系の各レンズ群の焦点距離、及び各レンズ群間の光軸上での距離を変更し、前記対物光学系をアフォーカル光学系とし、
前記対物光学系の倍率を変更して実効の撮像光学系間の距離を変更する
立体画像撮像方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２９】
【公開番号】特開２０１２−２１５７２０（Ｐ２０１２−２１５７２０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８１３０６（Ｐ２０１１−８１３０６）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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