立体成像设备的制作方法

专利名称：立体成像设备的制作方法
技术领域：
本公开涉及捕获立体图像的立体 成像设备，并且具体涉及用于减小用于捕获立体视频图像的两个透镜之间的距离的技术。
背景技术：
近些年来，越来越期望能够捕获3D (立体)视频图像的相机(立体成像设备)。已知的立体成像设备的一个示例基于并排(side-by-side)方法，其中，两个相机被布置为使得相机的透镜基线彼此平行(平行双透镜方法)。这种类型的立体成像设备适合于使用例如至少65mm的长基线长度(IAD :轴间距离)的成像或适合于对远处对象成像。另一方面，为了捕获近处对象的图像，基线长度(以下称为“IAD”)需要是范围从大约10至40mm的短长度。其原因是当通过使用导致两个相机的大会聚角的长IAD来捕获近处对象的图像时，在屏幕上表达的立体图像的深度超过观众可以舒适地观看立体图像的范围。在该情况下，观看立体图像的观众不利地感觉到疲劳、恶心或者感到不舒适。然而，在基于并排布置两个相机的光学系统和成像器的并排方法的立体成像设备中，两个相机可以物理地彼此干扰，这防止IAD比两个相机之间的最小距离短，该最小距离由光学系统和成像器之间的位置关系确定。相对比的，基于分束器方法(半反射镜方法)的立体成像设备可以使用短的IAD。在基于将由半反射镜分离的图像光线引导到两个成像单元的分束器方法的立体成像设备中，该两个成像单元被布置为使得其透镜光轴在半反射镜表面上以直角彼此相交。即，因为两个成像单元将不物理地彼此干扰，所以IAD可以甚至被减小为O。然而，基于在被称为台架(rig)的基座上安装两个成像单元的分束器方法的立体成像设备整体大且重。而且，半反射镜的边缘应当不出现在两个成像单元的每个的视场内，半反射镜的大小需要与成像单元中的透镜的直径成比例地很大，这导致在立体成像设备的成本的增大。而且，在台架上安装成像单元的立体成像设备中，每当捕获图像时，通常要求设置IAD、会聚角及其他参数和对准(alignment)，以及其他调整，导致极其繁重的工作。为了解决如上所述的问题,近些年来已经尝试通过在单个壳(enclosure)中包含用于基于并排方法捕获图像的两个透镜来配置集成的立体成像设备。如此配置的立体成像设备通常不要求任何装配或对准。而且，可以容易地在现场成像和材料收集应用中携带这种类型的紧凑立体成像设备，并且可以在短的设置时间段中将该立体成像设备迅速地准备好成像。例如，JP-A-9-46729描述了在单个壳中包含两个透镜的立体成像设备。

发明内容
然而，仍然基于并排方法的、如此集成的立体成像设备在IAD调整中具有限制。SP，最小IAD仍然被限制到由光学系统和成像器之间的位置关系确定的特定距离。鉴于上面的情况，期望实现利用短IAD的成像以及立体成像设备的尺寸减小。
本公开的一个实施例涉及一种立体成像设备，包括物镜光学系统、分离光学系统、第一图像形成光学系统、第二图像形成光学系统、第一成像装置和第二成像装置，并且如上所述的部件的每一个的配置和功能如下所述物镜光学系统获取从对象发射的光线，并且将所述光线引导到下游的部件。所述分离光学系统具有部分反射表面，所述部分反射表面反射通过所述物镜光学系统引导的光线的一部分，并且透射其一部分。所述第一图像形成光学系统被布置在从所述分离光学系统反射的光线沿其传播的路径上，并且将所述反射的光线聚焦以形成视差图像。所述第二图像形成光学系统被布置在穿过所述分离光学系统的光线沿其传播的路径上，并且将透射的光线聚焦以形成视差图像。所述第一成像装置将由所述第一图像形成光学系统形成的视差图像转换为图像信号。所述第二成像装置将由所述第二图像形成光学系统形成的视差图像转换为图像信号。
因为如上所述的配置防止所述第一和第二图像形成光学系统物理地彼此干扰，所以可以减小所述IAD。而且，将所述分离光学系统布置在所述物镜光学系统的下游的位置中允许减小所述分离光学系统的大小，由此可以因此减小整个立体成像设备的大小。根据本公开的实施例，可以通过使用短IAD来执行成像，并且可以减小设备的大小。


图IA和IB是示出根据本公开的第一实施例的立体成像设备的配置的示例的示意图，图IA是侧视图，并且图IB是顶视图。图2是示出根据本公开的第一实施例的、在传播通过具有图像形成能力的物镜光学系统之后入射在图像形成光学系统上的光线的光路的示例的光路图；图3A和3B是示出根据本公开的第一实施例的、在传播通过接收从对象发射的光线并且输出大体平行的光线的物镜光学系统后入射在图像形成光学系统上的光线的光路的示例的光路图，图3A是从对象上的单个点发射并到达图像形成光学系统的光线的光路图，并且图3B是通过所述图像形成光学系统中的透镜的中心的光线的光路图；图4A和4B描述了根据本公开的第一实施例的立体成像设备中执行的变焦(zooming)的示例，图4A示出在广角低放大率下的透镜的位置的示例，并且图4B示出在窄角高放大率下的透镜的位置的示例；图5A和5B描述了根据本公开的第一实施例的立体成像设备中执行的聚焦(focusing)的示例，图5A示出其中将聚焦位置向对象移动的情况，并且图5B示出其中将聚焦位置向图像移动的情况；图6是示出根据本发明的第一实施例布置图像形成光学系统之一和半反射镜的角度的示例的侧视图；图7是示出根据本公开的第一实施例的变型I的立体成像设备的配置的示例的侧视图；图8A和SB是根据本公开的第一实施例的变型2的立体成像设备的配置的示例的不意图，图8A是侧视图，并且图8B是顶视图；图9是示出根据本公开的第一实施例的变型3的立体成像设备的配置的示例的侧视图IOA和IOB是示出根据本公开的第二实施例的立体成像设备的配置的示例的示意图，图IOA是顶视图，并且图IOB是侧视图；图11是示出根据本公开的第二实施例的立体成像设备的配置的示例的透视图；图12A和12B是示出根据本公开的第二实施例的变型I的立体成像设备的配置的不例的不意图，图12A是顶视图，并且图12B是侧视图；图13是示出根据本公开的第二实施例的变型I的立体成像设备的配置的示例的透视图；图14A和14B是示出根据本公开的第二实施例的变型2的立体成像设备的配置的不例的不意图，图14A是顶视图，并且图14B是侧视图；图15是示出根据本公开的第二实施例的变型2的立体成像设备的配置的示例的 透视图；并且图16是示出根据本公开的第三实施例的立体成像设备的配置的示例的顶视图。
具体实施例方式下面将描述根据本公开的实施例的立体成像设备。以下面的顺序来进行该描述。I.第一实施例(两个图像形成光学系统和与其对应的成像装置被布置为使得其光轴彼此平行的情况)2.第二实施例(两个图像形成光学系统和与其对应的成像装置被布置为使得其光轴彼此相交的情况)3.第三实施例(设置多个图像形成光学系统和与其对应的成像装置的情况)〈I.根据第一实施例的立体成像设备的配置的示例〉[1-1.立体成像设备的配置的示例]将首先参考图IA和IB至5A和5B来描述根据本公开的第一实施例的立体成像设备的配置的示例。图IA是根据本实施例的立体成像设备I的侧视图，并且图IB是立体成像设备I的顶视图。立体成像设备I包括物镜光学系统10、作为分离光学系统的半反射镜20、以及成像单元3R和3L，如图IA和IB中所示。物镜光学系统10具有大量的透镜组，每一个透镜组包括在由矩形线指示的透镜镜筒中布置的多个透镜、滤光器、光圈和透镜驱动机构(未不出)。物镜光学系统10获取从对象(未示出)发射并且在图IA和IB中从左向右传播的光，并且将光引导到下游部件。物镜光学系统10中的透镜的每一个可以形成实像或虚像，并且物镜光学系统10可以被配置为无焦点系统，该无焦点系统接收来自对象的光线(以下也称为“对象光”)，并且基本上彼此平行地输出光线。物镜光学系统10也被配置为包括变焦光学系统和聚焦光学系统，并且通过使用透镜驱动机构(未示出)驱动形成变焦和聚焦光学系统的透镜来执行变焦和聚焦。下面将参考图2、3A和3B描述物镜光学系统10的透镜配置，并且，下面参考图4A、4B、5A和5B来描述变焦和聚焦。半反射镜20具有在透明玻璃基板的一个表面上形成的部分反射表面21，并且部分反射表面21反射通过物镜光学系统10引导的光线的一部分，并且透射其一部分。反射光的量与透射光的量的比率被设置在1:1或任何其他任意值。部分反射表面21例如由半透明薄膜形成，该半透明薄膜由铬、银或任何其他适当的金属构成。可以替代地通过沉积电介质多层膜而不是金属薄膜来形成部分反射表面21。部分反射表面21当它由偏振依赖(polarization-dependent)的电介质多层膜形成时如下处理入射在半反射镜20上的光部分反射表面21反射在特定方向上偏振的光，并且透射在垂直于该特定方向的方向上偏振的光。部分反射表面21当它由非偏振依赖的电介质多层膜形成时反射入射光的一部分，并且透射入射光的一部分。在图IA和IB中所示的示例中，将布置半反射镜20的角度设置为沿着物镜光学系统10的光轴Axl传播并且入射在半反射镜20上的光线的入射角Θ i是45度。入射角Θ I是针对沿着物镜光学系统10的光轴Axl传播的光线入射在半反射镜20上的入射点的法线N与沿着光轴Axl传播并且入射在半反射镜20上的光线之间的角度。成像单元3R包括作为第一图像形成光学系统的图像形成光学系统30R和作为第一成像装置的成像装置302R。图像形成光学系统30R包括多个透镜(未示出)，并且将从半反射镜20反射的对象光聚焦在成像装置302R的成像表面(未示出)上，以形成视差图像。成像装置302R将由图像形成光学系统30R形成的视差图像转换为图像信号。 成像单元3L包括作为第二图像形成光学系统的图像形成光学系统30L和作为第二成像装置的成像装置302L。图像形成光学系统30L包括多个透镜(未示出)，并且将已经通过半反射镜20的对象光聚焦在成像装置302L的成像表面(未示出)上以形成视差图像。成像装置302L将由图像形成光学系统30L聚焦的对象光转换为图像信号。图像形成光学系统30R和30R在角度上(angularly)被布置为其光轴(光轴Ax3R和Ax3L)彼此垂直，如图IA中所示。图像形成光学系统30L被布置为其光轴Ax3L与物镜光学系统10的光轴Axl平行，并且，图像形成光学系统30R在角度上被布置为其光轴Ax3R垂直于物镜光学系统10的光轴Axl。更详细而言，图像形成光学系统30R被布置为使得已经通过物镜光学系统10并且已经从半反射镜20反射的对象光通过从图像形成光学系统30R的光轴Ax3R偏移的位置。具体地说，图像形成光学系统30R被布置为使得当沿着图像形成光学系统30R的光轴Ax3R的虚拟光线入射在半反射镜20上并且从半反射镜20反射时，该虚拟光线沿着与物镜光学系统10的光轴Axl平行但从光轴Axl向上偏移距离Λ I的线传播。图像形成光学系统30L被布置为使得其光轴Ax3L在光轴Axl的与距离Λ I相反的侧上(在图IA中的向下垂直方向)相对于物镜光学系统10的光轴Axl偏移距离Δ 2。图像形成光学系统30R也被布置为使得沿着光轴Ax3R传播且从半反射镜20反射的虚拟光线通过从物镜光学系统10的光轴Axl水平向右(在图IB中的向上)偏移距离Δ3的位置，如图IB中所示。图像形成光学系统30L也被布置为使得其光轴Ax3L在光轴Axl的与距离Λ 3相反的侧上(在图IB中的向下)从物镜光学系统10的光轴Axl偏移距离Δ4。现在假定如此配置的立体成像设备I被布置为使得图IB中所示的当从上方观看立体成像设备I时在水平方向上延伸的平面与包括连接立体成像设备的用户的眼睛的线并且在水平方向上延伸的平面基本上平行。当如上所述布置立体成像设备I时，由成像装置302R和302L获取的图像包括由距离Al和Λ 2产生的垂直视差分量和由距离Λ3和Λ 4产生的水平视差分量。相反地，假设立体成像设备I被布置为使得图IB中所示的、作为当从上方观看时立体成像设备I中的平面的平面与包括连接立体成像设备的用户的眼睛的线并且在水平方向上延伸的平面正交。在该情况下，由成像装置302R和302L获取的图像包括由距离Al和Λ 2产生的水平视差分量和由距离Λ3和Λ4产生的垂直视差分量。[1-2.物镜光学系统的配置的示例]接下来将参考图2来描述物镜光学系统10的配置的示例，该物镜光学系统10被配置为使得物镜光学系统10中的透镜聚焦对象光以形成实像。为了说明方便，假定物镜光学系统10形成实像，但是物镜光学系统10可以形成虚像。图2示出从对象S发射并通过图像形成光学系统30R中的图像形成透镜301R的中心和图像形成光学系统30L中的图像形成透镜301L的中心的光线的光路。在图2中，为了说明容易，物镜光学系统10、图像形成光学系统30R和图像形成光学系统30L中的每一个由薄透镜形成。在从在对象S上的三个不同点发射的光线中，要入射在图像形成透镜301R的中心的光线通过物镜光学系统10，然后再次被聚焦在它们从半反射镜20反射的点处，如图2中所示。在图2中，设空间图像S’R是对象S在聚焦点处形成的图像。另一方面，在从对象S上的三个不同点发射的光线中，要入射在图像形成透镜301L的中心上的光线通过物镜光 学系统10，然后再次被聚焦在它们通过半反射镜20的点处。在图2中，设空间图像S’L是对象S在聚焦点处形成的图像。当对象S位于无限远时，由物镜光学系统10形成的空间图像S’形成在物镜光学系统10的后焦点Fl处。当对象S位于有限长度处时，空间图像S’根据从物镜光学系统10至对象S的距离形成在后焦点下游的位置处(向成像装置302R和302L偏移)。因此，在物镜光学系统10的后焦点Fl的附近的范围内形成空间图像S’，该范围被指示为图2中所示的空间图像形成区域Ar。空间图像S’被识别为似乎对象位于空间图像S’的位置中，并且可以通过图像形成光学系统30R中的图像形成透镜301R和图像形成光学系统30L中的图像形成透镜301L观看对象。已经通过形成图2中所示的空间图像S’ L和S’ R的位置的光线被引导通过图像形成光学系统30R和30L，并且被聚焦在成像装置302R和302L的成像表面(未示出)上。如此聚焦的光线形成视差图像。从对象S发射的光线追溯(trackback)从图像形成透镜301R和301L的中心发射的虚拟光线所沿着的路径。因此，也考虑从图像形成透镜301R和301L的中心发射的光线是有帮助的。从图像形成透镜301R和301L的中心发射的光线通过空间图像S’ R (S’ L)中的特定点，到达物镜光学系统10中的透镜，并且向对象S上与“空间图像S’ R (S’ L)中的特定点”对应的特定点传播。在这个过程中，已经通过物镜光学系统10中的透镜的光线在到达对象S前再次在特定点彼此相交。S卩，可以说该特定点是通过图像形成透镜301R和301L的中心的所有光线通过的点。成像装置302R和302L的成像表面上形成的视频图像等价于当“特定点”作为光瞳工作时捕获的图像。即，将该“特定点”被看作立体成像设备I中的实际(practical)光瞳(以下将实际光瞳称为“有效光瞳”并且在图2中将其描述为“有效光瞳EpL”或“有效光瞳EpR”)。当物镜光学系统10中的透镜接收到从对象S发射的光线并且输出无焦点光线时也形成“有效光瞳”。图3A和3B示出传播通过物镜光学系统10中的如此配置的透镜并且入射在图像形成光学系统30R和30L上的对象光的光路的示例。在图3A和3B中所示的示例中，物镜光学系统10包括凹透镜11和凸透镜12。图3A示出已经从在对象S上的特定点激发并且入射在图像形成光学系统30R和30L上的光线的光路。在从作为对象S上的特定点的点A发射的光线中，与物镜光学系统10的光轴Axl平行地传播的光线Ryl到达物镜光学系统10中的凹透镜11，然后沿着光从凹透镜11的后焦点F2径直(straightforward)传播(在向外的方向上)所沿着的路径。在从对象S上的点A发射的光线中，向凹透镜11的中心传播的光线Ry2保持径直传播。考虑通过凹透镜11出射的光线Ryl的延伸在与光线Ryl传播的方向相反的方向上延伸。该延伸与光线Ry2相交。该延伸与光线Ry2相交的交点A’是与对象S上的点A对应的并且位于由凹透镜11形成的虚像S’中点。从对象S上的点A发射并且通过凹透镜11的所有光线因此传播得好像它们从点A’径直传播那样。已经通过凹透镜11的光线被凸透镜12从自对象发射的光线(对象光)转换为基本 上无焦点的光线。在从对象光转换的基本上无焦点的光线中，从半反射镜20反射的光线入射在图像形成光学系统30R上，并且被图像形成透镜301R聚焦在成像装置302R的成像表面上。在自对象光转换的基本上无焦点的光线中，已经通过半反射镜20的光线入射在图像形成光学系统30L上，并且被图像形成透镜301L聚焦在成像装置302L的成像表面上。在图3A中，物镜光学系统10被配置为接收来自对象S的光线，并且输出基本上无焦点的光线，但是物镜光学系统10可以替代地被配置为形成对象S的虚像。虽然未示出，但是当物镜光学系统10被配置为形成虚像时，已经通过凹透镜11的光线被凸透镜12转换为基本上发散的光通量。即，该光线被转换为从由凹透镜11和凸透镜12的组合的物镜光学系统10形成的对象S的虚像发散的光通量。形成已经从物镜光学系统出射并且从半反射镜20反射的基本上发散的光通量的光线入射在图像形成光学系统30R上，并且被图像形成透镜301R聚焦在成像装置302R的成像表面上。形成已经从物镜光学系统出射并且通过半反射镜20的基本上发散的光通量的光线入射在图像形成光学系统30L上，并且被图像形成透镜301L聚焦在成像装置302L的成像表面上。返回到参考图3A和3B的说明，图3B示出从对象S发射并且通过图像形成透镜30IR和30IL的中心的光线的光路。在从对象S上的三个不同点发射的光线中，要入射在图像形成透镜301R和301L的中心上的光线入射在物镜光学系统10中的凹透镜11上并且被其折射，并且向外传播。在沿着进入凹透镜11并且到达其主平面的光线的延伸的某处的位置中形成有效光瞳EpR和EpL。成像装置302R和302L的成像表面上形成的视频图像等价于当有效光瞳EpR和EpL作为光瞳工作时捕获的图像。在图2、3A和3B中所示的两个示例都示出在从半反射镜20向对象S偏移的位置中形成有效光瞳EpR和EpL。另一方面，在将半反射镜布置在相机前而没有物镜光学系统的现有技术的立体成像设备中，不形成“有效光瞳”。相机的光瞳处形成的图像直接形成在成像装置的成像表面上。半反射镜被布置在相机的光瞳前(在对象侧)，并且将罩(hood)附接到半反射镜。位于与半反射镜在深度方向上的长度与罩的长度的和相等的范围内的对象不被自然地成像。当半反射镜在深度方向上的长度与罩的长度的和例如是Im时，仅可以成像与光瞳分开至少Im的对象。相反，根据在图2、3A和3B中所示的本公开的本实施例的立体成像设备1，空间图像S’形成在半反射镜20附近的位置中，或者从半反射镜20向对象S偏移。在该情况下，可以捕获甚至位于从立体成像设备I偏离大约几个厘米的近处对象的立体图像。当物镜光学系统10中的透镜被配置为形成如图2中所示的示例的实像时，图像形成透镜301R和301L中的每一个需要是特写(closeup)透镜。其原因是在与图像形成光学系统30R和30L很接近的位置中形成的空间图像S’ R (S’L)需要被聚焦。因为位于不涉及极端特写成像的通常距离处的对象的空间图像S’R (S’L)形成在很窄的范围内，所以图像形成透镜301R和301L可以仅需要使得与形成空间图像S’ R (S’ L)的范围相当的窄范
围聚焦。当如在图3A和3B中所示的示例中那样，物镜光学系统10中的透镜接收从对象S发射的光线并且输出无焦点的光线时，图像形成透镜301R和301L中的每一个可以是典型透镜。在此使用的典型透镜是指能够将位于从典型最短成像距离至无限远的范围内的对象聚焦的透镜。接下来，将参考图4A、4B、5A和5B来描述物镜光学系统10执行的变焦和聚焦。假定图4A和4B中所示的物镜光学系统10是典型变焦透镜。图4A和4B示出被配置为具有变焦比率“2”的双组变焦透镜的物镜光学系统10的示例。在图4A和4B所示的示例中，变 焦透镜(物镜光学系统10)由具有-87. 5mm的焦距的凹透镜11和具有44. 9mm的焦距的凸透镜12形成。如图4A中所示，当从成像表面Ia至凸透镜12的主平面的距离被设置为62. 820mm，并且从凸透镜12的主平面至凹透镜11的主平面的距离被设置为69. 550mm时，整个系统的焦距变为35mm。而且，如图4B中所示，当从成像表面Ia至凸透镜12的主平面的距离被设置为80. 769mm，并且从凸透镜12的主平面至凹透镜11的主平面的距离被设置为13. 460mm时，整个系统的焦距变为70mm。与如上所述的放大系数无关，由表示对象光的光路的箭头和光轴Axl的交点指示的物镜光学系统10的聚焦位置位于成像表面Ia上，并且在变焦范围内保持在那里。S卩，通过控制物镜光学系统10中的透镜的位置可以将整个系统的焦距从35mm(广角低放大率)改变为70mm (窄角高放大率)，而聚焦位置没有任何改变，如图4A和4B中所示。图5A和5B示出通过使用在图4A和4B中所示的双组变焦透镜而执行的聚焦调整的示例。图5A和5B示出通过仅改变凹透镜11的位置而执行聚焦调整的情况。图5A示出下述情况其中，仅将凹透镜11从对象光被聚焦在成像表面Ia上的状态向对象移动-1mm。如上所述移动凹透镜11将聚焦位置从成像表面Ia向对象移动-O. 12mm。替代地，将凹透镜11向成像装置移动+Imm将聚焦位置从成像表面Ia向成像装置移动+0. 18mm,如图5B中所示。执行聚焦调整因此移动空间图像。使用变焦透镜作为物镜光学系统10并且通过使用变焦透镜来执行聚焦调整因此基本上等价于改变会聚位置。即，使用物镜光学系统10的“聚焦调整”可以换句话说是“会聚调整”。如上所述，当物镜光学系统10被配置为由凹透镜11和凸透镜12形成的变焦透镜时，可以通过沿着光轴Axl向前或向后移动凹透镜11来容易地改变焦点位置。当通过仅移动凹透镜11来执行聚焦调整时，整个系统的焦距也改变为图5A中所示的示例中的34. 99mm或图5B中所示的示例中的35. 3mm,尽管改变量很小。视角也因此改变，但是改变量小至1%，认为实际上可忽略。可以通过沿着光轴Axl向前或向后移动整个物镜光学系统10来替代地进行聚焦调整。如此执行的聚焦调整不改变视角。然而，为此，通常需要用于驱动物镜光学系统10的大型机构。已经参考物镜光学系统10具有变焦调整功能和聚焦调整功能两者的情况描述了图4A、4B、5A和5B中所示的示例，但是物镜光学系统10可以替代地被配置为仅具有变焦调整功能或聚焦调整功能。而且，根据在图IA和IB至图5A和5B中所示的立体成像设备I,也可以在任意位置设置会聚点并且然后通过仅控制物镜光学系统10来改变会聚点的位置(以下也称为“会聚位置”)。例如，通过下述方式来设置会聚位置将从成像装置302R和302L提供的图像相对于彼此偏移以形成右和左视差图像，并且将会聚点设置于右和左视差图像彼此重叠的区域中的任意位置中。替代地，可以通过下述方式来将会聚位置设置在任意位置将成像装置302R (302L)本身的位置相对于图像形成光学系统30R (30L)偏移以形成右和左视差图像彼此重叠的重叠部分，并且改变偏移量。当后一种方法用于设置会聚位置时，成像装置302R和302L中的每一个的像素数量需要大于显示器(未示出)的像素数量。可以通过将物镜光学系统10沿着光轴Axl向前或向后移动来将如此设置的会聚位置改变为新的位置。例如，考虑下述情况将会聚位置改变为图2中所示的立体成像设备I中的新位置。当整个物镜光学系统10沿着其光轴Axl移向对象S时，形成空间图像S’的·位置也因此沿着光轴Axl向对象S移动。注意，如果下游成像单元3L和3R的布置不改变，则会聚点所位于的位置不改变。向对象S移动物镜光学系统10因此将形成空间图像S’的位置相对于会聚点所位于的位置向后(朝着光出射侧)移动。即，因为形成空间图像S’的位置响应于物镜光学系统10的平移而移动，所以可以通过控制物镜光学系统10的平移量来将会聚位置改变和移动到在空间图像S’中的任意位置。当物镜光学系统10中的任何透镜是可变焦点光学元件时，可以通过使用可变焦距功能来改变会聚位置。在该情况下，通过减小物镜光学系统10的焦距，将形成空间图像s’的位置沿着物镜光学系统10的光轴Axl向对象S移动，而通过增大物镜光学系统10的焦距，将形成空间图像S’的位置沿着物镜光学系统10的光轴Axl向图像移动。如上所述，根据本公开的第一实施例的立体成像设备1，可以仅通过使用物镜光学系统10来进行变焦调整、聚焦调整和会聚位置调整，由此，图像形成光学系统30R或30L不必具有如上所述的功能。因此不必执行双透镜相机的统调(ganged)控制，在现有技术的立体成像设备中，在聚焦和变焦调整时执行该统调控制。结果，没有在双透镜相机的调整时出现的、双透镜轴之间的相对偏移。而且，因为通常不需要用于双透镜相机的统调控制的复杂控制机构和机械配置，所以图像形成光学系统30R和30L中的透镜的每一个可以是单功能透镜。图像形成光学系统30R和30L可以因此在尺寸和成本上减小。而且，因为可以减小朝向图像形成光学系统30R和30L反射或透射光的半反射镜20的大小,所以可以大大减小整个立体成像设备I的尺寸和制造成本。而且，根据本公开的第一实施例的立体成像设备1，因为可以在壳中容纳半反射镜20，所以将没有灰尘粘附到半反射镜20。而且，在根据本公开的第一实施例的立体成像设备I中，因为从半反射镜20反射的光和通过其的光分别入射在图像形成光学系统30R和30L上，所以图像形成光学系统30R和30L不彼此物理地干扰。因此可以将IAD减小为很小的值。当同轴地布置图像形成光学系统30R和30L时，可以将IAD甚至减小为O。而且，根据本公开的第一实施例的立体成像设备I，在半反射镜20附近或者从半反射镜20向对象S偏移的位置中形成有效光瞳，如上所述。在成像装置302R和302L的成像表面上形成的视频图像等价于当有效光瞳作为光瞳工作时捕获的图像。结果，在“光瞳”和对象S之间的距离小于现有技术的成像设备。即，可以从更接近对象S的位置将对象S成像。在如上所述的实施例中，图像形成光学系统30R和30L被布置为使得它们在物镜光学系统10的光轴Axl的相对侧上，在垂直和水平方向两者上彼此分开预定距离，但是不必须以这种方式布置图像形成光学系统30R或30L。替代地，图像形成光学系统30R和30L可以被布置为使得它们仅在垂直或水平方向上从物镜光学系统10的光轴Axl偏移。例如，在作为侧视图的图IA中所示的配置中，图像形成光学系统30R和30L可以替代地被布置为使得距离Al和Λ2是O。即，图像形成光学系统30R和30L被布置为使得沿着图像形成光学系统30R的光轴Ax3R和图像形成光学系统30L的光轴Ax3L的虚拟光线与物镜光学系统10的光轴Axl重合，而在作为顶视图的图IB中所示的配置中，原样使用所图示的配置。即，布置了图像形成光学系统30R的水平位置从物镜光学系统10的光轴Axl 向右(在图IB中向上)偏移距离Λ 3，并且，布置图像形成光学系统30L的水平位置从光轴Axl向左(在图IB中向下)偏移距离Λ 4。如此配置的立体成像设备I因此被布置为使得在作为顶视图的图IB中的水平平面与包括连接立体成像设备的用户的眼睛的线并且在水平方向上延伸的平面平行。在该情况下，从成像装置302R和302L提供的视差图像不包含垂直视差分量，而是仅包含水平视差分量。相反，可以原样使用在作为侧视图的图IA中所示的配置，并且，在作为顶视图的图IB中所示的配置中，可以将图像形成光学系统30R和30L布置为使得距离Λ3和Λ4是
O。在该情况下，从成像装置302R和302L提供的视差图像不包含水平视差分量，而是仅包
含垂直视差分量。而且，已经参考下述情况描述了上面的实施例物镜光学系统10的光轴Axl和图像形成光学系统30R的光轴Ax3R被布置在图IA中所示的同一垂直平面中，但是不必须以这种方式布置如上所述的光轴。半反射镜20和图像形成光学系统30R可以被布置在围绕物镜光学系统10的光轴Axl旋转任意角度的位置中。在该情况下，由成像装置302R和302L获取的视频图像包含与在非旋转配置中所获取的相同的被观众识别的水平和垂直视差分量。半反射镜20和图像形成光学系统30R旋转所围绕的轴不必须是物镜光学系统10的光轴Axl，而是可以是任何其他适当的轴。例如，沿着图像形成光学系统30R的虚拟光线在从半反射镜20反射后传播所沿着的路径可以被用作半反射镜20和图像形成光学系统30R旋转所围绕的轴。还可替代地，不仅半反射镜20和图像形成光学系统30R而且图像形成光学系统30L可以被布置在围绕物镜光学系统10的光轴Axl旋转任意角度的位置中。在该配置中，由成像装置302R和302L获取的视频图像包含由用户识别的水平和垂直视差分量两者，即使当在图IA和IB中所示的距离Λ I至Λ 4全是O时也是如此。在如上所述的实施例中，半反射镜20在角度上被布置为使得沿着物镜光学系统10的光轴Axl传播的光线以45度的入射角Θ i入射在半反射镜上，但是布置半反射镜20的角度不限于45度。在角度上可以以任何方式布置半反射镜20，只要图像形成光学系统30R被布置为使得入射在半反射镜20上的对象光的入射角Θ i等于入射在图像形成光学系统30R上的对象光的反射角ΘΓ，如图6中所示。即，半反射镜20的角度可以被设置为任何值，只要沿着物镜光学系统10的光轴Axl传播且入射在半反射镜上的光线的入射角Θ大于0°但是小于180°。然而，注意，当沿着物镜光学系统10的光轴Axl传播并且入射在半反射镜上的光线的入射角Θ增大时，相应地需要增大半反射镜20的面积(部分反射表面21的大小)。[1-3.变型 I]在如上所述的实施例中，半反射镜20被用作分离光学系统，但是分离光学系统不限于此。例如，在由例如玻璃或透明塑料制成的透明构件50之间夹着的部分反射膜51可以被用作分离光学系统。图7示出使用如上所述的分离光学系统的立体成像设备Ia的配 置的示例。在图7中，与图IA和IB对应的部分具有相同的附图标号，并且不进行冗余的说明。利用透明构件50覆盖部分反射膜51的配置防止灰尘粘附到部分反射膜51，并且防止部分反射膜51退化。而且，将透明构件50组合为立方体形状提高其硬度，由此可以保持部分反射膜51的反射表面的形状。将分离光学系统整形为立方体形状还允许通过物镜光学系统10引导的光线以直角入射在透明部件50的光入射表面上，从而不容易出现由于折射导致的色散。[1-3.变型 2]已经参考将半反射镜20用作分离光学系统的情况描述了如上所述的实施例，但不必须以这种方式来配置分离光学系统。例如，可以还提供反射已经通过半反射镜20的光线的反射镜40。图8Α和SB示出使用如此配置的分离光学系统的立体成像设备Ib的配置的示例。在图8Α和8Β中，与图1Α、1Β和7对应的部分具有相同的附图标记，并且不进行冗余的说明。图8Α是立体成像设备Ib的侧视图，并且图SB是立体成像设备Ib的顶视图。完全反射入射在其上的光的反射镜40被布置为使得已经通过半反射镜20的光线入射在反射镜40上，如图8Α中所示。反射镜40在角度上被布置为使得从反射镜40反射的光在从半反射镜20反射的光传播的方向反转180°的方向上传播。如上所述布置半反射镜20和反射镜40允许通过物镜光学系统10引导的对象光在向右和向左的不同方向上被反射。结果，布置图像形成光学系统30R和30L的位置可以彼此反转180°，由此，在图像形成光学系统30R和30L周围产生比第一实施例更大的空间。布置图像形成光学系统30R和30L的自由度比图IA和IB以及其他附图中所示的配置更大。[1-4.变型 3]分离光学系统不限于半反射镜20和反射镜40，而是可以是在透明构件50之间夹着的部分反射膜51和反射膜52，如在图9中所示的立体成像设备Ic中所示。该配置防止灰尘粘附到部分反射膜51和反射膜52，并且防止部分反射膜51和反射膜52退化，如在图7中所示的配置的情况下那样。而且，将透明构件50组合为大体立方体形状改善了其硬度，从而，可能保持部分反射膜51和反射膜52的反射表面的形状。将分离光学系统整形为大体立方体形状还允许通过物镜光学系统10引导的光线以直角入射在透明构件50的光入射表面上，从而不容易出现由于折射导致的色散。
〈2.根据第二实施例的立体成像设备的配置的示例〉[2-1.立体成像设备的配置的示例]接下来，将参考图10AU0B和11来描述根据本公开的第二实施例的立体成像设备IA的配置的示例。图IOA是立体成像设备IA的顶视图，并且图IOB是立体成像设备IA的侧视图。图11是立体成像设备IA的透视图。在图10AU0B和11中，与在图IA和IB对应的部分具有相同的附图标记，并且不进行冗余的描述。在立体成像设备IA中，图像形成光学系统30R和30L被布置为使得它们向内倾斜，如图IOA中所示。图像形成光学系统30R和30L的倾斜角被设置为使得图像形成光学系统30R的光轴Ax3R和图像形成光学系统30L的光轴Ax3L在半反射镜20上和物镜光学系统10的光轴Axl上的点处彼此相交。图像形成光学系统30R的光轴Ax3R和图像形成光学系统30L的光轴Ax3L彼此相交的点是会聚点C，如图11中所示。
如上所述以特定的会聚度来布置图像形成光学系统30R和30L允许减小入射在图像形成光学系统上的离轴光的入射角，并且容易调整在由成像装置302R和302L形成的右和左视差图像之间的公共(重叠)区域。具体地说，当将立体成像设备IA附近的对象成像时，可以通过增大图像形成光学系统30R和30L的倾斜角(会聚角)来加宽在右和左视差图像之间的重叠区域。在右和左视差图像之间的重叠区域中，对象被立体地识别。即，根据立体成像设备1A，可以使用具有小视场角的透镜，从而可以更容易地调整对象的区域中期望立体地显示的区域。可以将图像形成光学系统30R和30L的倾斜角设置为由在右和左视差图像之间的期望重叠区域确定的任意角度。注意，图像形成光学系统30R和30L相对于物镜光学系统10的光轴Axl的倾斜角不必须是相同的。例如，图像形成光学系统30R的光轴Ax3R和图像形成光学系统30L的光轴Ax3L可以倾斜为使得在成像装置302R和302L的中心处将用户最期望成像的主对象成像。如上所述的第二实施例可以提供与第一实施例提供的有利效果相同的有利效果。在图10A、10B和11中所示的立体成像设备IA中，图像形成光学系统30R的光轴Ax3R和图像形成光学系统30L的光轴Ax3L在半反射镜20上和物镜光学系统10的光轴Axl上的点处彼此相交，但是不必须以这种方式来配置图像形成光学系统30R和30L。例如，图像形成光学系统30R和30L可以替代地被布置为使得图像形成光学系统30R的光轴Ax3R和图像形成光学系统30L的光轴Ax3L在不位于半反射镜20上的位置处彼此相交。[2-2.变型 I]图12A、12B和13示出如上所述配置的立体成像设备IAa的配置的示例。图12A是立体成像设备IAa的顶视图，并且图12B是立体成像设备IAa的侧视图。图13是立体成像设备IAa的透视图。在图12A、12B和13中，与图1A、IB、10A、IOB和11对应的部分具有相同的附图标记，并且不进行冗余的说明。沿着图像形成光学系统30R的光轴Ax3R的虚拟光线从图像形成光学系统30R出射，然后从半反射镜20反射，并且沿着物镜光学系统10的光轴Axl传播，如图13中所示。另一方面，沿着图像形成光学系统30L的光轴Ax3L的虚拟光线通过半反射镜20，然后在虚拟光线入射在物镜光学系统10上之前与物镜光学系统10的光轴Axl相交。即，沿着图像形成光学系统30R的光轴Ax3R和图像形成光学系统30L的光轴Ax3L的光线在沿着光轴Ax3L的光线与光轴Axl相交的点处彼此相交。位于物镜光学系统10的光轴Axl上、物镜光学系统10和半反射镜20之间的空间中的交点是右和左视差图像中的会聚点C。[2_3·变型 2]图14A、14B和15示出立体成像设备IAb的配置的示例，该立体成像设备IAb被配置为使得立体成像设备中的会聚点c位于位于物镜光学系统10和半反射镜20之间的空间中而不位于物镜光学系统10的光轴Axl上的点处。图14A是立体成像设备IAb的顶视图，并且图14B是立体成像设备 IAb的侧视图。图15是立体成像设备IAb的透视图。在图14AU4B和15中，与在图1A、1B和10AU0B至13对应的部分具有相同的附图标记，并且不进行冗余的描述。在立体成像设备IAb中，图像形成光学系统30R被布置为使得它从在图12A和12B中所示的配置中的位置抬起(lift)预定距离，如图14B中所示。结果，沿着图像形成光学系统30R的光轴Ax3R的虚拟光线从半反射镜20反射，然后不沿着物镜光学系统10的光轴Axl而是沿着与其平行但是略向上定位的线传播。图像形成光学系统30L也被布置为使得其光轴Ax3L与物镜光学系统10的光轴Axl平行，但是略微向上定位。结果，沿着图像形成光学系统30R的光轴Ax3R和图像形成光学系统30L的光轴Ax3L的虚拟光线在物镜光学系统10和半反射镜20之间的空间中、在物镜光学系统10的光轴Axl上方的位置中彼此相交，如图15中所示。交点是在右和左视差图像中的会聚点C。在图14A、14B和15中所示的、图像形成光学系统30L被布置为使得其光轴Ax3L与物镜光学系统10的光轴Axl平行的立体成像设备IAb中，图像形成光学系统30L可以替代地被布置为使得其光轴Ax3L不与光轴Axl平行。在第二实施例和其变型中所述的配置的每一个中，可以使用在参考图7至9的第一实施例的变型中所述的配置的任何一种。即，分离光学系统不必须是半反射镜20，而是可以是夹在透明构件50之间的部分反射膜51、半反射镜20和反射镜40的组合、或覆盖有透明构件50的部分反射膜51和反射膜52。〈3.根据第三实施例的立体成像设备的配置的示例〉接下来将参考图16来描述根据本公开的第三实施例的立体成像设备的配置的示例。图16是从上方看的立体成像设备IB的顶视图。在图16中，与图1A、1B、10A、10B、12A、12B、14A、14B和其他附图对应的部分具有相同的附图标记，并且不进行冗余的描述。图16中所示的立体成像设备IB是包括5个图像形成光学系统30和与其对应的成像装置302的立体成像设备的示例。在图16中，图像形成光学系统30和与其对应的成像装置302的数量例如是5，但该数量不限于5。在立体成像设备IB中，图像形成光学系统30-1至30-5在角度上被布置为使得其光轴Ax3-1至Ax3-5在半反射镜20和物镜光学系统10的光轴Axl上的点处彼此相交。如上所述的配置允许立体成像设备IB获取在5个不同的角方向上观看的多视差视频图像。因此可以捕获要在能够多视差的显示器上显示的立体图像和其他类型的图像。也可以获取用于插入视差图像的图像。获取用于插入的图像解决了 “阻塞(occlusion)”，该阻塞导致错误的解析，因为用于双眼立体视觉所需的右和左图像彼此不相关。根据第三实施例的立体成像设备IB也可以提供与由第一实施例提供的有益效果相同的有益效果。
本公开也可以被配置如下。(I) 一种立体成像设备，包括物镜光学系统，获取从对象发射的光线，并且将所述光线引导到下游的部件；分离光学系统，具有部分反射表面，所述部分反射表面反射通过所述物镜光学系统引导的光线的一部分，并且透射其一部分；第一图像形成光学系统，布置在从所述分离光学系统反射的光线沿其传播的路径上，并且将所反射的光线聚焦以形成视差图像；第二图像形成光学系统，布置在通过所述分离光学系统的光线沿其传播的 路径上，并且将所透射的光线聚焦以形成视差图像；第一成像装置，将由所述第一图像形成光学系统形成的视差图像转换为图像信号；以及第二成像装置，将由所述第二图像形成光学系统形成的视差图像转换为图像信号。(2)根据(I)所述的立体成像设备，其中，所述物镜光学系统具有聚焦调整功能和/或变焦调整功能。( 3 )根据(I)或(2 )所述的立体成像设备，其中，所述第一图像形成光学系统在角度上被布置为使得入射在所述分离光学系统的部分反射表面上的光线的入射角等于从所述分离光学系统的部分反射表面反射且沿着所述第一图像形成光学系统的光轴入射的光线的反射角。(4)根据(I)至(3)中的任一项所述的立体成像设备，其中，所述第一图像形成光学系统被布置为使得沿着所述第一图像形成光学系统的光轴的虚拟光线在从所述分离光学系统反射后传播所沿着的路径与所述物镜光学系统的光轴基本平行，并且所述路径通过从所述物镜光学系统的光轴偏移预定距离的位置；并且，所述第二图像形成光学系统被布置为使得所述第二图像形成光学系统的光轴与所述物镜光学系统的光轴基本上平行，并且所述第二图像形成光学系统的光轴通过从所述物镜光学系统的光轴向所述第一图像形成光学系统的相反侧偏移预定距离的位置。(5)根据(I)至(3)中的任一项所述的立体成像设备，其中，所述第一和第二图像形成光学系统在角度上被布置为使得沿着所述第一图像形成光学系统的光轴的虚拟光线在从所述分离光学系统反射后传播所沿着的路径在所述分离光学系统的部分反射表面上的或在所述物镜光学系统和所述分离光学系统之间的空间中的点处与所述第二图像形成光学系统的光轴相交。(6)根据(I)至(5)中的任一项所述的立体成像设备，其中，所述分离光学系统由半反射镜形成。(7)根据(I)至(5)中的任一项所述的立体成像设备，其中，所述分离光学系统由半反射镜和完全反射入射在其上的光线的反射镜的组合形成。(8)根据(I)至(5)中的任一项所述的立体成像设备，其中，所述分离光学系统由部分反射膜形成，所述部分反射膜反射入射在其上的光线的一部分，并且透过其一部分，并且所述部分反射膜被覆盖有立方体形状的透明构件。
(9)根据(I)至(5)中的任一项所述的立体成像设备，其中，所述分离光学系统由部分反射膜和反射膜形成，所述部分反射膜反射入射在其上的光线的一部分，并且透射其一部分，所述反射膜完全反射入射在其上的光线，所述部分反射膜和所述反射膜被覆盖有透明构件。(10)根据(I)至(9)中的任一项所述的立体成像设备，其中，所述物镜光学系统聚焦从所述对象发射的光以形成实像或虚像。(11)根据(I)至(9)中的任一项所述的立体成像设备，其中，所述物镜光学系统接收从所述对象发射的光线，并且输出无焦点的光线。本公开包含与在2011年7月26日在日本专利局提交的日本在先专利申请JP
2011-163245中公开的主题相关的主题，通过引用将其全部内容并入在此。本领域的技术人员应当明白，可以根据设计要求和其他因素来进行各种修改、组合、子组合和改变，只要它们在所附的权利要求或其等同内容的范围内。
权利要求
1.一种立体成像设备，包括 物镜光学系统，获取从对象发射的光线，并且将所述光线引导到下游的部件； 分离光学系统，具有部分反射表面，所述部分反射表面反射通过所述物镜光学系统引导的光线的一部分，并且透射一部分； 第一图像形成光学系统，布置在从所述分离光学系统反射的光线传播的路径上，并且将所反射的光线聚焦以形成视差图像； 第二图像形成光学系统，布置在通过所述分离光学系统的光线传播的路径上，并且将所透射的光线聚焦以形成视差图像； 第一成像装置，将由所述第一图像形成光学系统形成的视差图像转换为图像信号；以及 第二成像装置，将由所述第二图像形成光学系统形成的视差图像转换为图像信号。
2.根据权利要求I所述的立体成像设备， 其中，所述物镜光学系统具有聚焦调整功能和/或变焦调整功能。
3.根据权利要求2所述的立体成像设备， 其中，所述第一图像形成光学系统在角度上被布置为使得入射在所述分离光学系统的部分反射表面上的光线的入射角等于从所述分离光学系统的部分反射表面反射且沿着所述第一图像形成光学系统的光轴入射的光线的反射角。
4.根据权利要求3所述的立体成像设备， 其中，所述第一图像形成光学系统被布置为使得沿着所述第一图像形成光学系统的光轴的虚拟光线在从所述分离光学系统反射后传播所沿着的路径与所述物镜光学系统的光轴基本平行，并且所述路径通过从所述物镜光学系统的光轴偏移预定距离的位置；并且，所述第二图像形成光学系统被布置为使得所述第二图像形成光学系统的光轴与所述物镜光学系统的光轴基本上平行，并且所述第二图像形成光学系统的光轴通过从所述物镜光学系统的光轴向所述第一图像形成光学系统的相反侧偏移预定距离的位置。
5.根据权利要求3所述的立体成像设备， 其中，所述第一和第二图像形成光学系统在角度上被布置为使得沿着所述第一图像形成光学系统的光轴的虚拟光线在从所述分离光学系统反射后传播所沿着的路径在所述分离光学系统的部分反射表面上或在所述物镜光学系统和所述分离光学系统之间的空间中的点处与所述第二图像形成光学系统的光轴相交。
6.根据权利要求3所述的立体成像设备， 其中，所述分离光学系统由半反射镜形成。
7.根据权利要求3所述的立体成像设备， 其中，所述分离光学系统由半反射镜和完全反射入射在其上的光线的反射镜的组合形成。
8.根据权利要求3所述的立体成像设备， 其中，所述分离光学系统由部分反射膜形成，所述部分反射膜反射入射在其上的光线的一部分，并且透过一部分，并且所述部分反射膜被覆盖有立方体形状的透明构件。
9.根据权利要求3所述的立体成像设备， 其中，所述分离光学系统由部分反射膜和反射膜形成，所述部分反射膜反射入射在其上的光线的一部分，并且透射一部分，所述反射膜完全反射入射在其上的光线，所述部分反射膜和所述反射膜被覆盖有透明构件。
10.根据权利要求3所述的立体成像设备， 其中，所述物镜光学系统聚焦从所述对象发射的光以形成实像或虚像。
11.根据权利要求3所述的立体成像设备， 其中，所述物镜光学系统接收从所述对象发射的光线，并且输出无焦点的光线。
全文摘要
本发明公开了一种立体成像设备，包括物镜光学系统，获取从对象发射的光线，并且将所述光线引导到下游的部件；分离光学系统，具有部分反射表面，所述部分反射表面反射通过所述物镜光学系统引导的光线的一部分，并且透射一部分；第一图像形成光学系统，布置在从所述分离光学系统反射的光线传播的路径上，并且将所反射的光线聚焦以形成视差图像；第二图像形成光学系统，布置在通过所述分离光学系统的光线传播的路径上，并且将所透射的光线聚焦以形成视差图像；第一成像装置，将由所述第一图像形成光学系统形成的视差图像转换为图像信号；以及第二成像装置，将由所述第二图像形成光学系统形成的视差图像转换为图像信号。
文档编号H04N13/02GK102902150SQ20121025052
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月19日 优先权日2011年7月26日
发明者山田正裕, 青木直 申请人:索尼公司