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CN111868474B - 测距摄像机 - Google Patents

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CN111868474B
CN111868474B CN201980020450.8A CN201980020450A CN111868474B CN 111868474 B CN111868474 B CN 111868474B CN 201980020450 A CN201980020450 A CN 201980020450A CN 111868474 B CN111868474 B CN 111868474B
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Abstract

测距摄像机(1)具备：第一光学系统(OS1)，其用于将来自被摄体(100)的光进行聚光来形成第一被摄体像；第二光学系统(OS2)，其用于将来自被摄体(100)的光进行聚光来形成第二被摄体像；摄像部(S)，其用于拍摄由第一光学系统(OS1)形成的第一被摄体像和由第二光学系统(OS2)形成的第二被摄体像；以及距离计算部(4)，其基于由摄像部(S)拍摄到的第一被摄体像和第二被摄体像来计算到被摄体(100)的距离。距离计算部(4)基于第一被摄体像的倍率与第二被摄体像的倍率的图像倍率比来计算到被摄体(100)的距离。

Description

测距摄像机
技术领域
本发明一般来说涉及一种用于测定到被摄体的距离的测距摄像机，更具体地说，涉及一种基于由被摄体像的倍率根据到被摄体的距离发生的变化互不相同的至少两个光学系统形成的至少两个被摄体像的图像倍率比来测定到被摄体的距离的测距摄像机。
背景技术
近年来，提出一种通过拍摄被摄体来测定到被摄体的距离的测距摄像机。作为这样的测距摄像机，已知立体摄像机方式的测距摄像机、图案照射式的测距摄像机，所述立体摄像机方式的测距摄像机具备2对以上的光学系统与摄像元件，所述光学系统用于将来自被摄体的光进行聚光来形成被摄体像，所述摄像元件用于将由该光学系统形成的被摄体像转换为图像信号，所述图案照射式的测距摄像机具备：投影仪，其用于对被摄体照射固定图案(例如网格图案)的光；以及摄像系统，其用于拍摄被照射了固定图案的光的被摄体(例如参照专利文献1)。
在立体摄像机方式的测距摄像机中，通过使用2对以上的光学系统与摄像元件的组合来获取具有不同的平行视差的多个图像，基于获取到的多个图像间的平行视差来计算到被摄体的距离。为了基于多个图像间的平行视差准确地计算到被摄体的距离，需要获取大的平行视差。因此，在一个测距摄像机内，需要将两个以上的光学系统在与光轴方向正交的平行方向上间隔较远地配置，导致测距摄像机的尺寸增大。另外，在立体摄像机方式的测距摄像机中，在被摄体处于离测距摄像机非常近的位置的情况下，由于得到的图像的视场的关系而导致发生用于计算的被摄体像的特征点被拍进一方的图像内但没有被拍进另一方的图像内的状况。为了避免该状况，需要将两个光学系统相接近地配置。然而，当将两个光学系统相接近地配置时，被摄体像间的平行视差变小，测距的精度下降。因此，具有难以使用基于被摄体像间的平行视差的测距来计算到位于近距离的被摄体的距离的问题。
在图案照射方式的测距摄像机中，对被摄体照射固定图案的光，分析被投影至被摄体的固定图案的变形，由此测定到被摄体的距离。因此，在图案照射方式的测距摄像机中，需要用于对被摄体照射固定图案的光的投影仪，导致测距摄像机的结构的规模变大。另外，一般来说，对被摄体照射的固定图案的光为可见光以外的波长的光，因此在图案照射方式的测距摄像机中需要特殊的光源，难以用于进行通常的摄影。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-190394号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明是鉴于上述以往的问题点而完成的，其目的在于提供一种不使用多个图像间的平行视差并且不对被摄体进行固定图案的照射就能够计算到被摄体的距离的测距摄像机。
用于解决问题的方案
这样的目的通过以下的(1)～(9)的本发明来实现。
(1)一种测距摄像机，其特征在于，具备：
第一光学系统，其用于将来自被摄体的光进行聚光来形成第一被摄体像；
第二光学系统，其用于将来自所述被摄体的所述光进行聚光来形成第二被摄体像；
摄像部，其用于拍摄由所述第一光学系统形成的所述第一被摄体像和由所述第二光学系统形成的所述第二被摄体像；以及
距离计算部，其用于基于由所述摄像部拍摄到的所述第一被摄体像和所述第二被摄体像来计算到所述被摄体的距离，
其中，所述距离计算部基于所述第一被摄体像的倍率与所述第二被摄体像的倍率的图像倍率比来计算到所述被摄体的所述距离。
(2)根据上述(1)所记载的测距摄像机，
所述第一光学系统为固定焦点光学系统，
所述第二光学系统为以构成所述第二光学系统的镜头中的至少一个能够驱动的方式构成的自动焦点光学系统。
(3)根据上述(1)或(2)所记载的测距摄像机，
所述第一光学系统和所述第二光学系统构成为，所述第一被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的变化与所述第二被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的变化不同。
(4)根据上述(3)所记载的测距摄像机，
所述第一光学系统和所述第二光学系统构成为所述第一光学系统的焦距与所述第二光学系统的焦距互不相同，由此，所述第一被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的所述变化与所述第二被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的所述变化不同。
(5)根据上述(3)或(4)所记载的测距摄像机，
在所述第一光学系统的前侧主点与所述第二光学系统的前侧主点之间存在光轴方向上的深度视差，由此，所述第一被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的所述变化与所述第二被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的所述变化不同。
(6)根据上述(1)至(5)中的任一项所记载的测距摄像机，
还具备关联信息存储部，所述关联信息存储部存储有将所述第一被摄体像的所述倍率与所述第二被摄体像的所述倍率的所述图像倍率比同到所述被摄体的所述距离建立关联的关联信息，
所述距离计算部基于所述第一被摄体像的所述倍率与所述第二被摄体像的所述倍率的所述图像倍率比、以及所述关联信息存储部内的所述关联信息来计算到所述被摄体的所述距离。
(7)根据上述(1)至(6)中的任一项所记载的测距摄像机，
所述距离计算部计算所述第一被摄体像的尺寸与所述第二被摄体像的尺寸之比来作为所述第一被摄体像的所述倍率与所述第二被摄体像的所述倍率的所述图像倍率比。
(8)根据上述(1)至(7)中的任一项所记载的测距摄像机，
所述摄像部为拍摄所述第一被摄体像和所述第二被摄体像这两方的单一的摄像元件。
(9)根据上述(8)所记载的测距摄像机，
还具备：第一波长选择元件，其设置于形成所述第一被摄体像的所述光的光路上，限制形成所述第一被摄体像的所述光的波长；以及第二波长选择元件，其设置于形成所述第二被摄体像的所述光的光路上，限制形成所述第二被摄体像的所述光的波长，
其中，由所述第一波长选择元件进行了限制的形成所述第一被摄体像的所述光的波长范围与由所述第二波长选择元件进行了限制的形成所述第二被摄体像的所述光的波长范围不同。
发明的效果
在本发明的测距摄像机中，能够使用以被摄体像的倍率根据到被摄体的距离发生的变化互不相同的方式构成为的两个光学系统，基于由这两个光学系统分别形成的两个被摄体像的图像倍率比(倍率之比)来测定到被摄体的距离。因此，本发明的测距摄像机与以往的利用多个图像间的平行视差的立体摄像机方式的测距摄像机不同，无需确保大的平行视差，因此即使将两个光学系统在与光轴方向正交的平行方向上相接近地配置，也能够准确地计算到被摄体的距离。由此，相比于以往的立体摄像机方式的测距摄像机而言，能够实现测距摄像机的小型化。另外，根据本发明，无需考虑平行视差来设计测距摄像机，因此能够增大测距摄像机的设计的自由度。另外，在本发明的测距摄像机中，不使用平行视差来计算到被摄体的距离，因此即使在被摄体处于离测距摄像机非常近的位置的情况下，也能够准确地测定到被摄体的距离。
另外，本发明的测距摄像机与以往的图案照射方式的测距摄像机不同，无需使用向被摄体照射固定图案的光的投影仪等特殊的光源。因此，能够使测距摄像机的系统结构简单。由此，相比于以往的图案照射方式的测距摄像机而言，能够实现测距摄像机的小型化、轻量化、低电力消耗化以及低成本化。另外，本发明的测距摄像机与以往的图案照射方式的测距摄像机不同，无需使用用于照射可见光以外的波长的光的特殊的光源，因此还能够执行通常的摄影。
附图说明
图1是用于说明本发明的测距摄像机的测距原理的图。
图2是用于说明本发明的测距摄像机的测距原理的图。
图3是用于说明本发明的测距摄像机的测距原理的图。
图4是用于说明在非对焦状态下拍摄到的第一被摄体像的倍率与在对焦状态下拍摄到的第一被摄体像的倍率的关系的图。
图5是用于说明由图3所示的第一光学系统形成的第一被摄体像的倍率与由图2所示的第二光学系统形成的第二被摄体像的倍率的图像倍率比根据到被摄体的距离发生变化的曲线图。
图6是概要性地表示本发明的第一实施方式所涉及的测距摄像机的框图。
图7是概要性地表示本发明的第二实施方式所涉及的测距摄像机的框图。
图8是概要性地表示本发明的第三实施方式所涉及的测距摄像机的框图。
图9是用于说明通过本发明的测距摄像机执行的测距方法的流程图。
具体实施方式
首先，对本发明的测距摄像机中使用的、用于计算到被摄体的距离的测距原理进行说明。
首先，如图1所示，考虑使用第一摄像系统IS1和第二摄像系统IS2来拍摄位于无限远处的被摄体100的情况。第一摄像系统IS1具备：第一光学系统OS1，其用于将来自被摄体100的光进行聚光来形成第一被摄体像；以及第一摄像元件S1，其用于拍摄由第一光学系统OS1形成的第一被摄体像。第一光学系统OS1为固定焦点光学系统，构成为无法执行第一光学系统OS1的调焦操作。因此，第一摄像系统IS1为固定焦点摄像系统，第一摄像系统IS1的对焦位置根据在构成第一摄像系统IS1时设定的第一光学系统OS1与第一摄像元件S1的间隔距离来决定。在图1所示的例子中，第一光学系统OS1和第一摄像元件S1构成且配置为焦点对准无限远处。
第二摄像系统IS2具备：第二光学系统OS2，其用于将来自被摄体100的光进行聚光来形成第二被摄体像；镜头驱动部AF，其用于通过对构成第二光学系统OS2的镜头中的至少一个(例如调焦镜头)进行驱动来执行第二光学系统OS2的调焦操作(或自动调焦操作)；以及第二摄像元件S2，其用于拍摄由第二光学系统OS2形成的第二被摄体像。第二光学系统OS2为以构成自身的镜头中的至少一个(例如调焦镜头)能够驱动的方式构成的自动焦点光学系统，能够通过镜头驱动部AF执行调焦操作。
第二光学系统OS2和第二摄像元件S2配置为在未通过利用镜头驱动部AF对构成第二光学系统OS2的镜头中的至少一个进行驱动(伸出)来执行调焦操作的初始状态下，焦点对准无限远处。在图1所示的例子中，第二摄像系统IS2的焦点对准位于无限远处的被摄体100。另外，根据图1所明确可知的是，第一摄像元件S1的第一光学系统OS1的光轴与第二摄像元件S2的第二光学系统OS2的光轴平行但不一致。此外，在图示的方式中，为了使说明简化，将第一光学系统OS1概要性地表示为第一光学系统OS1的后侧主点处于第一光学系统OS1的中心位置，同样地，将第二光学系统OS2概要性地表示为第二光学系统OS2的后侧主点处于第二光学系统OS2的中心位置。
如图1那样，当通过第一摄像系统IS1和第二摄像系统IS2拍摄处于同一被摄体距离的被摄体100时，不论第一光学系统OS1和第二光学系统OS2的焦距等如何，从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离与从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离均彼此相等。
如图1所示，在被摄体100位于无限远处，并且第一摄像系统IS1和第二摄像系统IS2的焦点对准无限远处的情况下，从第一光学系统OS1的后侧主点起至第一摄像元件S1的摄像面为止的距离与第一光学系统OS1的焦距f1相等，并且，从第二光学系统OS2的后侧主点起至第二摄像元件S2的摄像面为止的距离与第二光学系统OS2的焦距f2相等。
另一方面，如第一摄像系统IS1这样的固定焦点摄像系统在为了有效地使用景深、拍摄位于期望的距离的被摄体100的情况下，有时构成为焦点对准预先设定的任意距离处。像这样，考虑使用构成为焦点对准任意距离处的固定焦点摄像系统即第一摄像系统IS1、以及能够执行调焦操作(自动调焦操作)的自动焦点摄像系统即第二摄像系统IS2来拍摄位于无限远处的被摄体100的情况。在图2中表示使用构成为焦点对准任意距离处的第一摄像系统IS1、第二摄像系统IS2来拍摄位于无限远处的被摄体100的情况的例子。
在图2所示的状态下，第一摄像系统IS1构成为焦点对准任意距离处，因此第一摄像系统IS1的前侧主点的位置相比于第一摄像系统IS1构成为焦点对准无限远处的情况下的前侧主点的位置而言向被摄体100侧偏移了与dFC相应的量。另外，从第一光学系统OS1的后侧主点起至第一摄像元件S1的摄像面为止的距离比第一光学系统OS1的焦距f1长。因此，在图2所示的状态下，第一摄像系统IS1在非对焦状态下执行被摄体100的摄像。另一方面，第二摄像系统IS2的焦点对准在无限远处。因此，在图2所示的状态下，第二摄像系统IS2在对焦状态下执行被摄体100的摄像。此外，在图2中，EP1为从第一光学系统OS1的出射光瞳起至位于无限远处的被摄体100的第一被摄体像的成像位置为止的距离。
在该情况下，尽管拍摄同一被摄体100，但从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离(被摄体距离)A与从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离(被摄体距离)a不一致。这两个距离A、a的关系能够用下述式(1)表示。
[数1]
A＝a-dFC (1)
接着，考虑使用构成为焦点对准任意距离处的第一摄像系统IS1以及第二摄像系统IS2来拍摄位于与第一光学系统OS1的前侧主点分离距离A的位置(与第二光学系统OS2的前侧主点分离距离a的位置)的被摄体100的情况。在图3中表示使用构成为焦点对准任意距离处的第一摄像系统IS1以及第二摄像系统IS2来拍摄位于与第一光学系统OS1的前侧主点分离距离A的位置(与第二光学系统OS2的前侧主点分离距离a的位置)的被摄体100的情况的例子。
在该情况下，如果被摄体100没有位于第一摄像系统IS1的对焦距离，则第一摄像系统IS1在非对焦状态下执行被摄体100的摄像。另一方面，在第二摄像系统IS2中，通过镜头驱动部AF使构成第二光学系统OS2的镜头中的至少一个向被摄体100侧伸出与偏移量Δb相应的量，来执行第二光学系统OS2的调焦操作(自动调焦操作)。因此，第二摄像系统IS2在对焦状态下执行被摄体100的摄像。此外，在通过镜头驱动部AF使构成第二光学系统OS2的镜头中的至少一个向被摄体100侧伸出来执行第二光学系统OS2的调焦操作时，第二光学系统OS2的前侧主点的位置向被摄体100侧偏移与s相应的量。因此，从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离相比于执行第二光学系统OS2的调焦操作前减少与偏移量s相应的量。像这样，从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离由于执行第二光学系统OS2的调焦操作而变动与偏移量s相应的量，但一旦执行第二光学系统OS2的调焦操作而使焦点对准被摄体100，就使从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离固定。
该第二光学系统OS2的前侧主点的位置的偏移量s和构成第二光学系统OS2的镜头中的至少一个的偏移量Δb根据被摄体100的位置与第二光学系统OS2的焦距f2的关系来决定。此外，在图3中，D为第一光学系统OS1的前侧主点与第二光学系统OS2的前侧主点之间的在光轴方向上的深度视差。
在该情况下也与图2所示的情况同样地，尽管拍摄相同的被摄体100，从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离A与从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a不一致。这两个距离A、a的关系能够用下述式(2)表示。
[数2]
A＝a+s-dFC (2)
另外，第一摄像系统IS1的前侧主点的位置的偏移量还会因为由于第一光学系统OS1与第一摄像元件S1间的距离的变更进行的对第一摄像系统IS1的对焦距离的调整之外的其它原因、例如第一摄像系统IS1的位置的变更而发生变化。在考虑由于第一光学系统OS1与第一摄像元件S1间的距离的变更进行的对第一摄像系统IS1的对焦距离的调整之外的其它原因的情况下，上述式(2)能够表示为下述式(3)。
[数3]
A＝a+s-dall (3)
其中，dall＝dFC+dp
在此，dFC为因为由于第一光学系统OS1与第一摄像元件S1间的距离的变更进行的对第一摄像系统IS1的对焦距离的调整而产生的第一光学系统OS1的前侧主点的位置的偏移量，dp为由于对第一摄像系统IS1的对焦距离的调整之外的其它原因而产生的第一光学系统OS1的前侧主点的位置的偏移量，dall为第一光学系统OS1的前侧主点的位置的偏移量的总量，用dall＝dFC+dp表示。
另一方面，第二摄像系统IS2的第二光学系统OS2的前侧主点的偏移量s能够根据镜头的公式用下述式(4)表示。
[数4]
Figure BDA0002689690820000091
第一光学系统OS1为固定焦点光学系统，因此第一摄像系统IS1的对焦距离在构成第一摄像系统IS1时被固定。因此，在被摄体100位于第一摄像系统IS1的对焦距离之外的情况下，第一摄像系统IS1在非对焦状态下执行被摄体100的摄像。
在这样的非对焦状态下拍摄到的被摄体100的第一被摄体像的倍率M1与在对焦状态下拍摄到的被摄体100的第一被摄体像的倍率m1不同。在图4中表示用于说明在非对焦状态下拍摄到的被摄体100的第一被摄体像的倍率M1与在对焦状态下拍摄到的被摄体100的第一被摄体像的倍率m1的关系的图。
在图4中表示第一光学系统OS1的焦距f1、从第一光学系统OS1的出射光瞳起至被摄体100存在于无限远的情况下的第一被摄体像的成像位置为止的距离EP1、从第一光学系统OS1的出射光瞳起至被摄体100存在于距离A的情况下的第一被摄体像的成像位置为止的距离EPOD1、以及从第一光学系统OS1的出射光瞳起至第一摄像元件S1的摄像面为止的距离EPFD1。
位于与第一光学系统OS1的前侧主点分离距离A的位置(与第二光学系统OS2的前侧主点分离距离a的位置)的被摄体100的第一被摄体像在图4中的成像位置(Focal Plane)成为对焦状态，在其以外的部位、例如第一摄像元件S1的摄像面上成为非对焦状态。能够根据以图4中的出射光瞳为顶点的两个直角三角形的相似关系，通过EPFD1/EPOD1得到对焦状态的第一被摄体像的尺寸与非对焦状态的第一被摄体像的尺寸之比。在非对焦状态下拍摄到的被摄体100的第一被摄体像的倍率M1与在对焦状态下拍摄到的被摄体100的第一被摄体像的倍率m1之比也为EPFD1/EPOD1，因此在非对焦状态下拍摄到的被摄体100的第一被摄体像的倍率M1能够用下述式(5)表示。
[数5]
Figure BDA0002689690820000101
另外，在对焦状态下拍摄到的被摄体100的第一被摄体像的倍率m1能够根据镜头的公式用为下述式(6)表示。
[数6]
Figure BDA0002689690820000111
另外，从第一光学系统OS1的后侧主点起至第一摄像元件S1的摄像面为止的距离能够根据镜头的公式用(1/f1-1/FC1)-1表示。在此，FC1为在调整第一摄像系统IS1的对焦距离时使用的任意的被摄体距离(焦点调整距离)。即，在被摄体100位于与第一光学系统OS1的前侧主点分离距离FC1的位置的情况下，对焦状态的第一被摄体像形成于第一摄像元件S1的摄像面上。于是，能够根据图4所示的位置关系用下述式(7)表示从第一光学系统OS1的出射光瞳起至第一摄像元件S1的摄像面为止的距离EPFD1。
[数7]
Figure BDA0002689690820000112
并且，从第一光学系统OS1的后侧主点起至被摄体100的第一被摄体像的成像位置为止的距离能够根据镜头的公式用(1/f1-1/A)-1表示。于是，能够根据图4所示的位置关系用下述式(8)表示从第一光学系统OS1的出射光瞳起至被摄体100存在于距离A的情况下的第一被摄体像的成像位置为止的距离EPOD1。
[数8]
Figure BDA0002689690820000113
并且，当使用上述式(6)～(8)将关于在非对焦状态下拍摄到的第一被摄体像的倍率M1的上述式(5)变形时，能够得到下述式(9)。
[数9]
Figure BDA0002689690820000114
返回图3，考虑由第二光学系统OS2形成的第二被摄体像的倍率M2。如上述的那样，第二摄像系统IS2的第二光学系统OS2为自动焦点光学系统，镜头驱动部AF能够执行第二光学系统OS2的调焦操作。因而，在第二摄像系统IS2拍摄位于与第二光学系统OS2的前侧主点分离距离a的位置的被摄体100时，通过镜头驱动部AF执行第二光学系统OS2的调焦操作来使第二摄像系统IS2焦点对准位于距离a的被摄体100。像这样，第二摄像系统IS2为自动焦点摄像系统，因此第二摄像系统IS2在对焦状态下拍摄位于与第二光学系统OS2的前侧主点分离距离a的位置的被摄体100。
在对焦状态下拍摄到的被摄体100的第二被摄体像的倍率M2能够根据镜头的公式用下述式(10)表示。
[数10]
Figure BDA0002689690820000121
因而，通过第一光学系统OS1形成于第一摄像元件S1的摄像面上的第一被摄体像的倍率M1与通过第二光学系统OS2形成于第二摄像元件S2的摄像面上的第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR能够用下述式(11)表示。
[数11]
Figure BDA0002689690820000122
并且，当将用下述式(12)～(14)表示的关系式代入上述式(11)时，能够得到关于图像倍率比MR的下述式(15)。
[数12]
K＝f1·{EP1·(FC1-f1)+f1 2} (12)
[数13]
Z＝EP1·(FC1-f1) (13)
[数14]
W＝-f1·EP1·(FC1-f1)+f1 2}·(FC1-f1) (14)
[数15]
Figure BDA0002689690820000131
并且，当将用上述式(3)表示的关于从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离A的关系式A＝a+s-dall代入上述式(15)时，能够得到关于图像倍率比MR的下述式(16)。
[数16]
Figure BDA0002689690820000132
在此，能够根据上述式(16)得到关于从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a的下述式(17)。
[数17]
Figure BDA0002689690820000133
并且，当将用下述式(18)和(19)表示的关系式代入上述(17)时，能够得到关于从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a的下述式(20)。
[数18]
X＝MR·Z·f2 (18)
[数19]
Y＝MR·W·f2 (19)
[数20]
Figure BDA0002689690820000134
并且，当在上述式(20)中代入用上述式(4)表示的关于第二光学系统OS2的前侧主点的偏移量s的关系式s＝-f2 2/(f2-a)时，能够得到关于从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a的下述式(21)。
[数21]
Figure BDA0002689690820000141
并且，当关于距离a整理上述式(21)时，能够得到用下述式(22)表示的关于距离a的二次方程式。
[数22]
Figure BDA0002689690820000144
当求解上述式(22)的二次方程式时，得到用下述通用公式(23)和(24)表示的关于距离a的两个解。
[数23]
Figure BDA0002689690820000142
[数24]
Figure BDA0002689690820000143
通过以下的方法来判别由上述通用公式(23)和(24)表示的关于距离a的两个解中的哪个解适合作为距离a。
首先，在由上述通用公式(23)表示的解和由上述通用公式(24)表示的解均为正的值且彼此相等的情况下，两方的解作为距离a都合适。另一方面，在由上述通用公式(23)表示的解与由上述通用公式(24)表示的解不一致的情况下，通过以下的过程来判别通过上述通用公式(23)和(24)得到的两个解中的哪个解作为距离a合适。
首先，使用通过上述通用公式(23)得到的解来计算第一被摄体像的倍率M1和第二被摄体像的倍率M2。接着，根据使用通过上述通用公式(23)得到的解而计算出的第一被摄体像的倍率M1和第二被摄体像的倍率M2来计算第一被摄体像的尺寸和第二被摄体像的尺寸。并且，得到在此所得的第一被摄体像的尺寸与第二被摄体像的尺寸的差ΔSz1(以下称为第一尺寸差ΔSz1)。
接着，使用通过上述通用公式(24)得到的解来计算第一被摄体像的倍率M1和第二被摄体像的倍率M2。接着，根据使用通过上述通用公式(24)得到的解而计算出的第一被摄体像的倍率M1和第二被摄体像的倍率M2来计算第一被摄体像的尺寸和第二被摄体像的尺寸。并且，得到在此所得的第一被摄体像的尺寸与第二被摄体像的尺寸的差ΔSz2(以下称为第二尺寸差ΔSz2)。
另一方面，如后述的那样，能够根据通过第一摄像元件S1和第二摄像元件S2拍摄第一被摄体像和第二被摄体像而获取的第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号来计算第一被摄体像的实际尺寸Sz1和第二被摄体像的实际尺寸Sz2。因此，根据第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号来获取计算出的第一被摄体像的实际尺寸Sz1和第二被摄体像的实际尺寸Sz2，并得到它们的差ΔSz3(以下为实际尺寸差ΔSz3)。
使用由上述通用公式(23)和(24)表示的关于距离a的两个解中的适合作为距离a的一方计算出的第一被摄体像的尺寸与第二被摄体像的尺寸的差(第一尺寸差ΔSz1和第二尺寸差ΔSz2中的任一方)同根据第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号计算出的第一被摄体像的实际尺寸Sz1与第二被摄体像的实际尺寸Sz2的差(实际尺寸差ΔSz3)相等。
另一方面，使用由上述通用公式(23)和(24)表示的关于距离a的两个解中的不适合作为距离a的一方计算出的第一被摄体像的尺寸与第二被摄体像的尺寸的差(第一尺寸差ΔSz1和第二尺寸差ΔSz2中的任一方)同根据第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号计算出的第一被摄体像的实际尺寸Sz1与第二被摄体像的实际尺寸Sz2的差(实际尺寸差ΔSz3)不一致。
因而，在将第一尺寸差ΔSz1和第二尺寸差ΔSz2与实际尺寸差ΔSz3进行比较的结果是第一尺寸差ΔSz1与实际尺寸差ΔSz3一致的情况(ΔSz1＝ΔSz3的情况)下，用上述通用公式(23)表示的解适合作为距离a。另一方面，在将第一尺寸差ΔSz1和第二尺寸差ΔSz2与实际尺寸差ΔSz3进行比较的结果是第二尺寸差ΔSz2与实际尺寸差ΔSz3一致的情况(ΔSz2＝ΔSz3的情况合)下，用上述通用公式(24)表示的解适合作为距离a。在本发明中，通过这样的方法来判别由上述通用公式(23)和(24)表示的关于距离a的两个解中的哪个解适合作为距离a。
另外，上述通用公式(23)和(24)中的系数f2、K、dall、X、Y中的第二光学系统OS2的焦距f2为固定值。第一光学系统OS1的前侧主点的偏移量的总量dall为在构成且配置第一光学系统OS1时决定的固定值。
根据上述式(12)K＝f1·{EP1·(FC1-f1)+f1 2}明确可知的是，根据在构成且配置第一光学系统OS1时决定的固定值即第一光学系统OS1的焦距f1、从第一光学系统OS1的出射光瞳起至位于无限远的被摄体100的第一被摄体像的成像位置为止的距离EP1、以及第一被摄体像在第一摄像元件S1的摄像面上为最佳聚焦的情况下的从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离FC1得到系数K。因而，系数K为固定值。
另一方面，根据上述式(18)X＝MR·Z·f2明确可知的是，根据图像倍率比MR、用上述式(13)Z＝EP1·(FC1-f1)表示的系数Z、第二光学系统OS2的焦距f2得到系数X。第二光学系统OS2的焦距f2为在构成第二光学系统OS2时决定的固定值。并且，用于得到系数Z的EP1、FC1以及f1为在构成且配置第一光学系统OS1时决定的固定值，因此系数Z为固定值。于是，只要能够得到图像倍率比MR，就能够得到系数X。
同样地，根据上述式(19)Y＝MR·W·f2明确可知的是，根据图像倍率比MR、用上述式(14)W＝-f1·EP1·(FC1-f1)+f1 2·(FC1-f1)表示的系数W、以及第二光学系统OS2的焦距f2得到系数Y。第二光学系统OS2的焦距f2为在构成第二光学系统OS2时决定的固定值。并且，用于得到系数W的EP1、FC1以及f1为在构成且配置第一光学系统OS1时决定的固定值，因此系数W为固定值。于是，只要能够得到图像倍率比MR，就能够得到系数Y。
因而，如果能够得到由第一光学系统OS1形成于第一摄像元件S1的摄像面上的第一被摄体像的倍率M1与由第二光学系统OS2形成于第二摄像元件S2的摄像面上的第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR(＝M1/M2)，则能够使用上述通用公式(23)或(24)来计算从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a。
在图5中表示基于上述通用公式(23)和(24)计算出的、由第一光学系统OS1形成于第一摄像元件S1的摄像面上的第一被摄体像的倍率M1、由第二光学系统OS2形成于第二摄像元件S2的摄像面上的第二被摄体像的倍率M2、第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR、以及到被摄体100的距离a的关系的一例。根据图5明确可知的是，图像倍率比MR的值根据到被摄体100的距离a发生变化，因此能够基于图像倍率比MR来确定到被摄体100的距离a。
另一方面，能够通过下述式(25)来计算图像倍率比MR。在下述式(25)中，sz为被摄体100的尺寸(高度或宽度)、Sz1为由第一光学系统OS1形成于第一摄像元件S1的摄像面上的第一被摄体像的实际尺寸(像高或像宽)、Sz2为由第二光学系统OS2形成于第二摄像元件S2的摄像面上的第二被摄体像的实际尺寸(像高或像宽)。
[数25]
Figure BDA0002689690820000171
能够根据通过第一摄像元件S1和第二摄像元件S2拍摄第一被摄体像和第二被摄体像而获取的第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号来计算第一被摄体像的实际尺寸Sz1和第二被摄体像的实际尺寸Sz2。因此，能够根据实际使用第一摄像系统IS1和第二摄像系统IS2拍摄被摄体100而得到的第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号来实际测量第一被摄体像的实际尺寸Sz1和第二被摄体像的实际尺寸Sz2，基于此，得到第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR。
本发明的测距摄像机根据上述原理，基于实际测量出的第一被摄体像的实际尺寸Sz1和第二被摄体像的实际尺寸Sz2来计算第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR，并且使用计算出的图像倍率比MR来计算到被摄体100的距离a。
此外，根据与图像倍率比MR有关的上述式(11)、上述式(16)明确可知的是，在第一光学系统OS1的焦距f1与第二光学系统OS2的焦距f2相等(f1＝f2)且第一光学系统OS1的前侧主点与第二光学系统OS2的前侧主点之间不存在深度方向(光轴方向)上的差D(D＝0，即第一光学系统OS1的前侧主点的偏移量的总量dall与第二光学系统OS2的前侧主点的偏移量s相等(dall＝s)，并且从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离A与从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a相等(A＝a))的情况下，图像倍率比MR作为距离a的函数不成立，图像倍率比MR为常数。在该情况下，第一被摄体像的倍率M1根据到被摄体100的距离a发生的变化与第二被摄体像的倍率M2根据到被摄体100的距离a发生的变化相同，无法基于图像倍率比MR来计算到被摄体100的距离a。
因而，在本发明的测距摄像机中，将第一光学系统OS1和第二光学系统OS2构成且配置为满足用于使图像倍率比MR作为距离a的函数成立的以下的第一条件和第二条件中至少一个条件，由此，第一被摄体像的倍率M1根据到被摄体100的距离发生的变化与第二被摄体像的倍率M2根据到被摄体100的距离发生的变化不同。
(第一条件)第一光学系统OS1的焦距f1与第二光学系统OS2的焦距f2互不相同(f1≠f2)
(第二条件)在第一光学系统OS1的前侧主点与第二光学系统OS2的前侧主点之间存在光轴方向上的深度视差D(D≠0)
因此，根据基于使用本发明的测距摄像机获取到的第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号实际测量出的第一被摄体像的实际尺寸Sz1和第二被摄体像的实际尺寸Sz2来计算图像倍率比MR，由此能够计算从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a。另外，能够使用上述式(3)根据从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a来计算从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离A。
下面，基于附图所示的优选的实施方式来详细叙述本发明的利用上述的原理计算从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a(以及从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离A)的测距摄像机。
<第一实施方式>
首先，参照图6来说明本发明的测距摄像机的第一实施方式。图6是概要性地表示本发明的第一实施方式所涉及的测距摄像机的框图。
图6所示的测距摄像机1具备：控制部2，其进行测距摄像机1的控制；第一光学系统OS1，其用于将来自被摄体100的光进行聚光来形成第一被摄体像；第二光学系统OS2，其用于将来自被摄体100的光进行聚光来形成第二被摄体像；镜头驱动部AF，其用于执行第二光学系统OS2的调焦操作(或自动调焦操作)；摄像部S，其用于拍摄由第一光学系统OS1形成的第一被摄体像和由第二光学系统OS2形成的第二被摄体像；关联信息存储部3，其存储有将第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR同到被摄体100的距离a建立关联的关联信息；距离计算部4，其基于由摄像部S拍摄到的第一被摄体像和第二被摄体像来计算到被摄体100的距离a；三维图像生成部5，其用于基于摄像部S获取到的第一被摄体像或第二被摄体像、以及由距离计算部4计算出的到被摄体100的距离a来生成被摄体100的三维图像；液晶面板等显示部6，其用于显示任意信息；操作部7，其用于输入使用者进行的操作；通信部8，其用于与外部设备之间执行通信；以及数据总线9，其用于与测距摄像机1的各组件间执行数据的收发。
此外，本实施方式中的第一光学系统OS1的结构和第二光学系统OS2的结构只是用于说明的一例，本发明并不限于此。第一光学系统OS1和第二光学系统OS2的各光学系统只要满足上述的第一条件和第二条件中的至少一个条件且第一被摄体像的倍率M1相对于到被摄体100的距离发生的变化与第二被摄体像的倍率M2相对于到被摄体100的距离发生的变化不同即可，可以为任何方式。然而，本实施方式的测距摄像机1的特征在于，第一光学系统OS1和第二光学系统OS2构成为满足为了基于图像倍率比MR计算到被摄体100的距离a而所要求的上述的第一条件和第二条件中的第一条件、即第一光学系统OS1的焦距f1与第二光学系统OS2的焦距f2互不相同(f1≠f2)。另一方面，在本实施方式中，第一光学系统OS1和第二光学系统OS2并未构成且配置为满足上述的第二条件(D≠0)。
本实施方式的测距摄像机1通过利用摄像部S拍摄被摄体100来计算第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR，并且使用上述通用公式(23)或(24)来计算从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a。另外，本实施方式的测距摄像机1在必要的情况下，使用上述式(3)根据从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a来计算从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离A。
以下详细叙述测距摄像机1的各组件。控制部2经由数据总线9而与各组件之间进行各种数据、各种指示的收发，来执行测距摄像机1的控制。控制部2具备用于执行运算处理的处理器以及保存有进行测距摄像机1的控制所需的数据、程序、模块等的存储器，控制部2的处理器使用存储器内保存的数据、程序、模块等来执行测距摄像机1的控制。另外，控制部2的处理器通过使用测距摄像机1的各组件能够提供期望的功能。例如，控制部2的处理器通过使用距离计算部4能够执行基于由摄像部S拍摄到的第一被摄体像和第二被摄体像来计算到被摄体100的距离a的处理。
控制部2的处理器例如为一个以上的基于计算机可读命令来执行信号操作等运算处理的运算单元，如微处理器、微计算机、微控制器、数字信号处理器(DSP)、中央运算处理装置(CPU)、存储器控制单元(MCU)、图像处理用运算处理装置(GPU)、状态设备、逻辑电路、专用集成回路(ASIC)或它们的组合等。特别地，控制部2的处理器构成为调取控制部2的存储器内保存的计算机可读命令(例如数据、程序、模块等)来执行信号操作和控制。
控制部2的存储器为包括易失性存储介质(例如RAM、SRAM、DRAM)、非易失性存储介质(例如ROM、EPROM、EEPROM、闪存、硬盘、光盘、CD-ROM、数字多功能光盘(DVD)、磁盒、磁带、磁盘)或它们组合的拆卸式或非拆卸式的计算机可读介质。
第一光学系统OS1具有将来自被摄体100的光进行聚光来在摄像部S的第一摄像元件S1的摄像面上形成第一被摄体像的功能。第二光学系统OS2具有用于将来自被摄体100的光进行聚光来在摄像部S的第二摄像元件S2的摄像面上形成第二被摄体像的功能。第一光学系统OS1和第二光学系统OS2由一个以上的镜头和光圈等光学元件构成。另外，如图示的那样，第一光学系统OS1的光轴与第二光学系统OS2的光轴平行但不一致。
另外，第一光学系统OS1为固定焦点光学系统。因此，构成第一光学系统OS1的镜头不构成为能够驱动以进行调焦操作。另一方面，第二光学系统OS2为自动焦点光学系统，并且以构成第二光学系统OS2的镜头的至少一个(例如调焦镜头)能够通过镜头驱动部AF沿光轴方向驱动(伸出)的方式构成。
如上述的那样，第一光学系统OS1和第二光学系统OS2构成为第一光学系统OS1的焦距f1与第二光学系统OS2的焦距f2互不相同(f1≠f2)。由此，构成为由第一光学系统OS1形成的第一被摄体像的倍率M1根据到被摄体100的距离发生的变化与由第二光学系统OS2形成的第二被摄体像的倍率M2根据到被摄体100的距离发生的变化不同。
镜头驱动部AF具有根据来自控制部2的处理器的控制使构成第二光学系统OS2的镜头的至少一个(例如调焦镜头)沿光轴方向驱动(伸出)来执行第二光学系统OS2的调焦操作(或自动调焦操作)的功能。镜头驱动部AF只要能够根据来自控制部2的处理器的控制来执行第二光学系统OS2的调焦操作即可，不特别进行限定，例如能够由DC马达、步进马达、音圈马达等致动器构成。
此外，控制部2的处理器使用对比度自动调焦技术、相位差自动调焦技术等任意的自动调焦技术来驱动镜头驱动部AF，来实现第二光学系统OS2的调焦操作。
摄像部S具有拍摄由第一光学系统OS1形成的第一被摄体像和由第二光学系统OS2形成的第二被摄体像并获取第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号的功能。在本实施方式中，摄像部S具备用于拍摄第一被摄体像并获取第一被摄体像的图像信号的第一摄像元件S1以及用于拍摄第二被摄体像并获取第二被摄体像的图像信号的第二摄像元件S2。
从第一光学系统OS1的后侧主点到第一摄像元件S1的摄像面的间隔距离被设定为，位于在构成测距摄像机1时设定的任意距离的被摄体100的第一被摄体像在对焦状态下形成于第一摄像元件S1的摄像面上。换言之，第一光学系统OS1和第一摄像元件S1被配置为，焦点对准在构成测距摄像机1时设定的任意距离处。
另一方面，从第二光学系统OS2的后侧主点到第二摄像元件S2的摄像面的间隔距离被设定为：在未利用镜头驱动部AF执行第二光学系统OS2的调焦操作的初始状态(在图6中为用虚线表示第二光学系统OS2的状态)下，位于无限远处的被摄体100的第二被摄体像在对焦状态下形成于第二摄像元件S2的摄像面上。换言之，第二光学系统OS2和第二摄像元件S2被配置为，在未利用镜头驱动部AF执行第二光学系统OS2的调焦操作的初始状态下焦点对准无限远处。因而，在初始状态下，从第二光学系统OS2的后侧主点到第二摄像元件S2的摄像面的间隔距离与第二光学系统OS2的焦距f2相等。因此，在被摄体100位于任意距离a的情况下，根据来自控制部2的处理器的控制，通过镜头驱动部AF使构成第二光学系统OS2的镜头的至少一个(例如调焦镜头)伸出，第二光学系统OS2的前侧主点和后侧主点向被摄体100侧偏移与偏移量s相应的量，焦点对准位于任意距离a的被摄体100。
此外，在图示的方式中，第一摄像元件S1和第一光学系统OS1设置于同一壳体内，第二摄像元件S2、镜头驱动部AF以及第二光学系统OS2设置于另外的同一壳体内，但本发明不限于此。第一光学系统OS1、第二光学系统OS2、镜头驱动部AF、第一摄像元件S1以及第二摄像元件S2均设置于同一壳体内的方式也在本发明的范围内。
第一摄像元件S1和第二摄像元件S2可以为具有按拜尔阵列等任意的图案排列的RGB原色系滤色器、CMY补色系滤色器这样的滤色器的彩色摄像元件，也可以为不具有这样的滤色器的黑白摄像元件。
通过第一光学系统OS1在第一摄像元件S1的摄像面上形成第一被摄体像，通过第一摄像元件S1获取第一被摄体像的彩色或黑白的图像信号。经由数据总线9将获取到的第一被摄体像的图像信号传送至控制部2、距离计算部4。同样地，通过第二光学系统OS2在第二摄像元件S2的摄像面上形成第二被摄体像，通过第二摄像元件S2获取第二被摄体像的彩色或黑白的图像信号。经由数据总线9将获取到的第二被摄体像的图像信号传送至控制部2、距离计算部4。传送至距离计算部4的第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号用于计算到被摄体100的距离a。另一方面，传送至控制部2的第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号使用于利用显示部6进行的图像显示、利用通信部8进行的图像信号的通信中。
关联信息存储部3为用于存储使第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR(M1/M2)同从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离a相关联的关联信息的任意的非易失性记录介质(例如硬盘、闪存)。
关联信息存储部3中保存的关联信息为用于根据第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR(M1/M2)来计算从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离a的信息。代表性地，关联信息存储部3中保存的关联信息为用于基于图像倍率比MR计算到被摄体100的距离a的上述通用公式(23)和(24)以及根据该式中的第一光学系统OS1和第二光学系统OS2的构成和配置决定的上述的固定值。
距离计算部4具有基于由摄像部S拍摄到的第一被摄体像和第二被摄体像来计算到被摄体100的距离a的功能。距离计算部4从摄像部S的第一摄像元件S1接收第一被摄体像的图像信号，并且从摄像部S的第二摄像元件S2接收第二被摄体像的图像信号。
之后，距离计算部4对第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号实施本领域中已知的边缘提取处理、例如Canny法这样的滤波处理，提取第一被摄体像的图像信号内的第一被摄体像的边缘部和第二被摄体像的图像信号内的第二被摄体像的边缘部。距离计算部4基于提取出的第一被摄体像的边缘部来计算第一被摄体像的实际尺寸(像宽或像高)Sz1，并且基于提取出的第二被摄体像的边缘部来计算第二被摄体像的实际尺寸(像宽或像高)Sz2。
关于距离计算部4基于提取出的第一被摄体像的边缘部和第二被摄体像的边缘部来计算第一被摄体像的尺寸Sz1和第二被摄体像的尺寸Sz2的方法不特别地进行限定，但例如在各图像信号中可以将被摄体像的处于边缘部的最上侧的部分与处于最下侧的部分的间隔距离设为被摄体像的像高，也可以将被摄体像的处于边缘部的最左侧的部分与处于最右侧的部分的间隔距离设为被摄体像的像宽。
之后，距离计算部4将计算出的第一被摄体像的实际尺寸Sz1与第二被摄体像的实际尺寸Sz2之比Sz1/Sz2计算为第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR。当计算图像倍率比MR时，距离计算部4参照关联信息存储部3中保存的关联信息中包括的上述通用公式(23)和(24)以及该式中的固定值来得到关于距离a的两个解。之后，距离计算部4使用用于判别上述的关于距离a的两个解中的哪个适合作为距离a的方法，计算(确定)关于距离a的两个解中的任一方或双方(仅在关于距离a的两个解彼此相等的情况下)来作为到被摄体100的距离a。并且，距离计算部4能够使用上述式(3)根据计算出的从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a来计算从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离A。
三维图像生成部5具有基于由距离计算部4计算出的到被摄体100的距离a和摄像部S获取到的被摄体100的二维图像(第一被摄体像的图像信号或第二被摄体像的图像信号)来生成被摄体100的三维图像的功能。此处所说的“被摄体100的三维图像”是指将通常的被摄体100的彩色或黑白的二维图像的像素与计算出的被摄体100的距离a建立了关联的数据。
显示部6为液晶显示部等面板型显示部，根据来自控制部2的处理器的信号，通过文字或图像的方式在显示部6中显示由摄像部S获取到的被摄体100的二维图像(第一被摄体像的图像信号或第二被摄体像的图像信号)、由距离计算部4生成的到被摄体100的距离a、由三维图像生成部5生成的被摄体100的三维图像这样的图像、用于操作测距摄像机1的信息等。
操作部7供测距摄像机1的使用者执行操作所用。操作部7只要能够使测距摄像机1的使用者执行操作即可，不特别进行限定，例如能够将鼠标、键盘、0-9数字键、按钮、拨盘、操作杆、触摸面板等用作操作部7。操作部7将与测距摄像机1的使用者进行的操作相应的信号发送至控制部2的处理器。
通信部8具有进行对测距摄像机1输入数据或从测距摄像机1向外部设备输出数据的功能。通信部8可以与因特网这样的网络连接。在该情况下，测距摄像机1通过使用通信部8，能够与设置于外部的万维网服务器、数据服务器这样的外部设备进行通信。
像这样，在本实施方式的测距摄像机1中，第一光学系统OS1和第二光学系统OS2构成为第一光学系统OS1的焦距f1与第二光学系统OS2的焦距f2互不相同(f1≠f2)，由此，第一被摄体像的倍率M1相对于到被摄体100的距离发生的变化与第二被摄体像的倍率M2相对于到被摄体100的距离发生的变化互不相同。因此，本发明的测距摄像机1能够不使用多个图像间的平行视差并且不对被摄体100进行固定图案的照射，基于第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR(M1/M2)计算(确定)从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a(以及从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离A)。
<第二实施方式>
接着，参照图7来详细叙述本发明的第二实施方式所涉及的测距摄像机1。图7是概要性地表示本发明的第二实施方式所涉及的测距摄像机的框图。
下面，以与第一实施方式的测距摄像机1的不同点为中心来说明第二实施方式的测距摄像机1，关于同样的事项省略其说明。本实施方式的测距摄像机1除了如图7所示那样变更了第一光学系统OS1和第二光学系统OS2的结构和配置这一点以外与第一实施方式的测距摄像机1相同。
本实施方式的测距摄像机1的特征在于，第一光学系统OS1和第二光学系统OS2被构成且配置为满足为了基于图像倍率比MR计算到被摄体100的距离a而所要求的上述的第一条件和第二条件中的个第二条件、即在第一光学系统OS1的前侧主点与第二光学系统OS2的前侧主点之间存在光轴方向上的深度视差D的(D≠0)。另一方面，在本实施方式中，第一光学系统OS1和第二光学系统OS2不构成为满足上述的第一条件和第二条件中的第一条件(f1≠f2)。
像这样，在本实施方式的测距摄像机1中，构成且配置为在第一光学系统OS1的前侧主点与第二光学系统OS2的前侧主点之间存在光轴方向上的深度视差D(D≠0)，由此，第一被摄体像的倍率M1相对于到被摄体100的距离发生的变化与第二被摄体像的倍率M2相对于到被摄体100的距离发生的变化互不相同。因此，本实施方式的测距摄像机1能够基于第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR(M1/M2)唯一地计算从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a。另外，本实施方式的测距摄像机1能够使用上述式(3)根据从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a来计算从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离A。
通过本实施方式也能够发挥与上述的第一实施方式相同的效果。此外，本实施方式中的第一光学系统OS1的结构以及第二光学系统OS2的结构和配置满足上述的第二条件(D≠0)，由此，只要第一被摄体像的倍率M1相对于到被摄体100的距离发生的变化与第二被摄体像的倍率M2相对于到被摄体100的距离发生的变化互不相同即可，可以为任何的方式。
<第三实施方式>
接着，参照图8来详细叙述本发明的第三实施方式所涉及的测距摄像机1。图8是概要性地表示本发明的第三实施方式所涉及的测距摄像机的框图。
下面，以与第一实施方式和第二实施方式的测距摄像机1的不同点为中心来说明第三实施方式的测距摄像机1，关于同样的事项省略其说明。第三实施方式的测距摄像机1除了如图8所示那样摄像部S仅由第二摄像元件S2构成这一点、第一光学系统OS1和第二光学系统OS2设置于同一壳体内这一点、限制形成第一被摄体像的光的波长的第一波长选择元件WS1设置于形成第一被摄体像的光的光路上这一点、以及限制形成第二被摄体像的光的波长的第二波长选择元件WS2设置于形成第二被摄体像的光的光路上这一点、以及第二摄像元件S2限定为彩色摄像元件这一点以外，与第一实施方式的测距摄像机1相同。
在本实施方式中，第一光学系统OS1和第二光学系统OS2构成为满足为了基于图像倍率比MR计算到被摄体100的距离a而所要求的上述第一条件和第二条件中的至少一个条件。即，本实施方式的第一光学系统OS1和第二光学系统OS2与上述的第一实施方式和第二实施方式的第一光学系统OS1和第二光学系统OS2中的任一个或它们的组合同样地构成。
另外，如图8所示，在本实施方式中，第一光学系统OS1和第二光学系统OS2配置于同一壳体内。另外，在由第一光学系统OS1进行聚光来形成第一被摄体像的光的光路上设置有第一波长选择元件WS1。并且，在由第二光学系统OS2进行聚光来形成第二被摄体像的光的光路上设置有第二波长选择元件WS2。
在本实施方式中，第一波长选择元件WS1为波长选择板型镜，具有仅选择性地反射特定的波长范围的光的功能。第二波长选择元件WS2为波长选择棱镜型镜，具有限制从棱镜的一方侧入射的光的波长范围且仅选择性地使进行了限制的波长范围的光通过的功能、以及将从棱镜的另一方侧入射的光反射的功能。第一波长选择元件WS1和第二波长选择元件WS2构成为由第一波长选择元件WS1进行了限制的光的波长范围与由第二波长选择元件WS2进行了限制的光的波长范围不同。
由第一光学系统OS1进行聚光后的来自被摄体100的光被第一波长选择元件WS1(波长选择板型镜)反射。此时，由第一光学系统OS1进行聚光后的光的波长范围被第一波长选择元件WS1限制。之后，被第一波长选择元件WS1反射后的光被第二波长选择元件WS2(波长选择棱镜型镜)反射后到达第二摄像元件S2的摄像面。由此，第一被摄体像形成于第二摄像元件S2的摄像面上。此外，第二波长选择元件WS2可以构成为在形成第一被摄体像的光被第二波长选择元件WS2反射时进一步限制形成第一被摄体像的光的波长范围，也可以构成为不限制该光的波长范围。
另一方面，由第二光学系统OS2进行聚光后的来自被摄体100的光通过第二波长选择元件WS2(波长选择棱镜型镜)。此时，由第二光学系统OS2进行聚光后的光的波长范围被第二波长选择元件WS2限制。之后，通过第二波长选择元件WS2后的光到达第二摄像元件S2的摄像面。由此，第二被摄体像形成于第二摄像元件S2的摄像面上。
因而，在本实施方式中，由第一光学系统OS1形成的第一被摄体像和由第二光学系统OS2形成的第二被摄体像这两方形成于第二摄像元件S2的摄像面上。并且，如上述的那样，由第一波长选择元件WS1进行了限制的光的波长范围与由第二波长选择元件WS2进行了限制的光的波长范围不同，因此形成第一被摄体像的光的波长范围与形成第二被摄体像的光的波长范围互不相同。
在本实施方式中，第二摄像元件S2为具有如按拜尔阵列这样的任意的图案排列的RGB原色系滤色器、CMY补色系滤色器这样的滤色器的彩色摄像元件。由第一波长选择元件WS1进行了限制的光的波长范围与第二摄像元件S2具有的多个滤色器中的任一个滤色器对应，由第二波长选择元件WS2进行了限制的光的波长范围与第二摄像元件S2具有的多个滤色器中的不同的一个滤色器对应。
由此，由第二摄像元件S2获取的与各滤色器对应的图像信号(例如红色图像信号、绿色图像信号以及蓝色图像信号)中的任一个同第一被摄体像的图像信号对应，不同的一个图像信号与第二被摄体像的图像信号对应。因此，第二摄像元件S2能够将第一被摄体像的图像信号和第二被摄体像的图像信号分离并同时地获取。
例如，在由第一波长选择元件WS1进行了限制的光的波长范围与第二摄像元件S2具有的多个滤色器的红滤色器的透过波长范围对应的情况下，由第二摄像元件S2获取的红色图像信号为第一被摄体像的图像信号。另一方面，在由第二波长选择元件WS2进行了限制的光的波长范围与第二摄像元件S2具有的多个滤色器的绿滤色器的透过波长范围对应的情况下，由第二摄像元件S2获取的绿色图像信号为第二被摄体像的图像信号。
通过这样的方式，能够通过拍摄由第一光学系统OS1形成的第一被摄体像和由第二光学系统OS2形成的第二被摄体像这两方的单一的彩色摄像元件(第二摄像元件S2)构成摄像部S。因此，能够实现测距摄像机1的小型化和低成本化。
此外，在本实施方式中，将波长选择板型镜用作第一波长选择元件WS1，并且将波长选择棱镜型镜用作第二波长选择元件WS2，但本发明不限于此。第一波长选择元件WS1和第二波长选择元件WS2只要能够分别限制形成第一被摄体像的光的波长范围和形成第二被摄体像的光的波长待机即可，可以为任何的方式。例如，将设置于第一光学系统OS1的前侧或后侧的波长选择滤波器或具有波长选择功能的任意的光学部件用作第一波长选择元件WS1，并且将设置于第二光学系统OS2的前侧或后侧的波长选择滤波器或具有波长选择功能的任意的光学部件用作第二波长选择元件WS2。在该情况下，在配置有本实施方式的第一波长选择元件WS1的部位配置通常的镜，在配置有第二波长选择元件WS2的部位配置通常的棱镜型镜。
另外，在本实施方式中，设为使用第一波长选择元件WS1和第二波长选择元件WS2，单一的摄像元件(第二摄像元件S2)拍摄由第一光学系统OS1形成的第一被摄体像和由第二光学系统OS2形成的第二被摄体像这两方，但本发明不限于此。例如，如下的方式也在本发明的范围内：在第一光学系统OS1和第二光学系统OS2的各光学系统的前侧设置快门，设置于第一光学系统OS1的前方的快门和设置于第二光学系统OS2的前方的快门交替地打开，由此单一的摄像元件(第二摄像元件S2)单独地拍摄第一被摄体像和第二被摄体像这两方。
如至此参照各实施方式详细叙述的那样，本发明的测距摄像机1不使用多个图像间的平行视差并且不对被摄体进行固定图案的照射，基于第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR(M1/M2)唯一地计算到被摄体100的距离a。
因此，在本发明的测距摄像机1中，与以往的利用多个图像间的平行视差的立体摄像机方式的测距摄像机不同，无需确保大的平行视差，因此即使将第一光学系统OS1和第二光学系统OS2在与光轴方向正交的平行方向上相接近地配置，也能够准确地计算到被摄体100的距离a。由此，相比于以往的立体摄像机方式的测距摄像机而言，能够实现测距摄像机1的小型化。另外，无需考虑平行视差来设计测距摄像机1，因此能够增大测距摄像机1的设计的自由度。另外，在本发明的测距摄像机1中，不使用平行视差来计算到被摄体100的距离a，因此即使在被摄体100位于离测距摄像机1非常近的位置的情况下，也能够准确地测定到被摄体100的距离a。
另外，在本发明的测距摄像机1中，与图案照射方式的测距摄像机不同，无需使用向被摄体照射固定图案的光的投影仪等特殊的光源。因此，能够使测距摄像机1的系统结构简单。由此，相比于以往的图案照射方式的测距摄像机而言，能够实现测距摄像机1的小型化、轻量化、低电力消耗化以及低成本化。另外，在本发明的测距摄像机1中，与以往的图案照射方式的测距摄像机不同，无需使用用于照射可见光外的波长的光的特殊的光源，因此还能够执行通常的摄影。
另外，在本发明的测距摄像机1中，基于由第一光学系统OS1形成的第一被摄体像的倍率M1与由第二光学系统OS2形成的第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR(M1/M2)来计算到被摄体100的距离a。因此，如果各个光学系统和摄像部的各种参数(例如焦距、从出射光瞳起至摄像元件的摄像面为止的距离)已知，则即使这些参数不一致也能够计算到被摄体100的距离a。换言之，即使在第一光学系统OS1和第二光学系统OS2具有彼此不同的特性(例如不同的焦距、前侧主点的位置、后侧主点的位置等)的情况下，根据本发明也能够使用由这样的不同特性的光学系统构成的被摄体像间的图像倍率比来计算到被摄体100的距离a。
近年来，在智能电话等移动设备中，广泛地使用一种摄像系统，该摄像系统使用了用于广角摄影的广视角且低倍率的固定焦点光学系统和用于变焦摄影用的窄视角且高倍率的自动焦点光学系统这样的特性互不相同的光学系统。本发明还能够应用于在这样的已知的移动设备中广泛地使用的摄像系统中。通过将本发明应用于使用了特性互不相同的光学系统的已知的摄像系统中，不大幅地改变已知的移动设备的结构就能够进行到被摄体100的距离a的测定、被摄体100的三维图像的生成(被摄体100的形状测量)。像这样，根据本发明，能够以不阻碍通过已知的摄像系统提供的广角摄影和变焦摄影的方式执行到被摄体100的距离a的测定和被摄体100的三维图像的生成(被摄体100的形状测量)。因此，本发明的测距摄像机1具有现有技术的测距摄像机所没有的通用性。
此外，在上述各实施方式中，使用第一光学系统OS1和第二光学系统OS2这两个光学系统，但使用的光学系统的数量不限于此。例如，除了第一光学系统OS1和第二光学系统OS2以外还具备追加的光学系统这样的方式也在本发明的范围内。在该情况下，追加的光学系统构成且配置为：通过追加的光学系统形成的被摄体像的倍率相对于到被摄体100的距离发生的变化与第一被摄体像的倍率M1相对于到被摄体的距离发生的变化以及第二被摄体像的倍率M2的相对于到被摄体的距离发生的变化不同。
另外，在上述的各实施方式中，第一光学系统OS1和第二光学系统OS2构成且配置为满足为了基于图像倍率比MR计算到被摄体100的距离a而所要求的上述第一条件和第二条件中的任一个条件，但第一光学系统OS1和第二光学系统OS2构成且配置为满足上述第一条件和第二条件这两方的方式(例如图3所示的第一光学系统OS1和第二光学系统OS2的构成和配置)也在本发明的范围内。
<测距方法>
接着，参照图9来说明通过本发明的测距摄像机1执行的测距方法。图9是用于说明通过本发明的测距摄像机执行的测距方法的流程图。此外，下面详细叙述的测距方法能够使用上述的本发明的第一实施方式～第三实施方式所涉及的测距摄像机1和具有与测距摄像机1同等功能的任意装置来执行，但为了便于说明，设为使用第一实施方式所涉及的测距摄像机1执行该测距方法来进行说明。
测距摄像机1的使用者使用操作部7来执行用于测定到被摄体100的距离a的操作，由此使图9所示的测距方法S100开始。在工序S110中，通过摄像部S的第一摄像元件S1来拍摄由第一光学系统OS1形成的第一被摄体像，获取第一被摄体像的图像信号。经由数据总线9将第一被摄体像的图像信号传送至控制部2、距离计算部4。在工序S120中，距离计算部4根据接收到的第一被摄体像的图像信号来计算第一被摄体像的实际尺寸(像高或像宽)Sz1。
另一方面，在工序S130中，根据来自控制部2的处理器的控制来驱动镜头驱动部AF，执行用于使焦点对准被摄体100的第二光学系统OS2的调焦操作。之后，通过摄像部S的第二摄像元件S2拍摄由第二光学系统OS2形成的第二被摄体像，获取第二被摄体像的图像信号。经由数据总线9将第二被摄体像的图像信号传送至控制部2、距离计算部4。在工序S140中，距离计算部4根据接收到的第二被摄体像的图像信号来计算第二被摄体像的实际尺寸(像高或像宽)Sz2。
此外，关于工序S110和工序S120中的第一被摄体像的图像信号的获取和第一被摄体像的实际尺寸Sz1的计算，可以与工序S130和工序S140中的第二被摄体像的图像信号的获取和第二被摄体像的实际尺寸Sz2的计算同时执行，也可以分开执行。
当计算第一被摄体像的实际尺寸Sz1和第二被摄体像的实际尺寸Sz2这两方时，处理转到工序S150。在工序S150中，距离计算部4根据第一被摄体像的实际尺寸Sz1和第二被摄体像的实际尺寸Sz2，基于上述式(25)MR＝Sz1/Sz2来计算第一被摄体像的倍率M1与第二被摄体像的倍率M2的图像倍率比MR。
接着，在工序S160中，距离计算部4参照关联信息存储部3中保存的关联信息，基于计算出的图像倍率比MR来计算(确定)到被摄体100的距离a。具体地说，当计算图像倍率比MR时，距离计算部4参照关联信息存储部3中保存的关联信息中包括的上述通用公式(23)和(24)以及该式中的固定值，得到关于距离a的两个解。之后，距离计算部4使用用于判别关于上述的距离a的两个解中的哪一个适合作为距离a的方法，计算(确定)关于距离a的两个解中的任一方或双方(仅在关于距离a的两个解彼此相等的情况下)来作为从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a。在工序S160中计算从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a后，处理转到工序S170。此外，在工序S160中，距离计算部4还可以使用上述式(3)根据计算出的从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a来计算从第一光学系统OS1的前侧主点到被摄体100的距离A。
在工序S170中，三维图像生成部5基于由距离计算部4计算出的从第二光学系统OS2的前侧主点到被摄体100的距离a以及摄像部S获取到的被摄体100的二维图像(第一被摄体像的图像信号或第二被摄体像的图像信号)来生成被摄体100的三维图像。之后，将在至此为止的工序中获取到的被摄体100的二维图像、到被摄体100的距离a以及/或者被摄体100的三维图像显示于显示部6，或者通过通信部8发送至外部设备，测距方法S100结束。
以上基于图示的实施方式说明了本发明的测距摄像机，但本发明并不限定于此。本发明的各组件的结构能够置换为能够发挥同样的功能的结构，或者能够对本发明的结构追加任意的结构。
只要是本发明所属的领域和技术中的本领域人员，就能够不脱离本发明的原理、构思以及范围地对所记述的本发明的测距摄像机的结构执行变更，具有变更后的结构的测距摄像机也在本发明的范围内。
例如，图6～图8所示的测距摄像机1的组件的数量、种类只是用于说明的例示，本发明不一定限于此。在不脱离本发明的原理和意图的范围内追加或组合任意的组件、或者删除任意的组件的方式也在本发明的范围内。另外，测距摄像机1的各组件可以通过硬件实现，也可以通过软件实现，还可以通过它们的组合实现。
另外，图9所示的测距方法S100的工序的数量、种类只是用于说明的例示，本发明不一定限于此。在不脱离本发明的原理和意图的范围内以任意目的追加或组合任意的工序、或者删除任意的工序的方式也在本发明的范围内。
<利用例>
本发明的测距摄像机1的利用例不特别地进行限定，但例如能够使用测距摄像机1来拍摄被摄体的肖像并且获取被摄体的面部的三维图像。在这样的利用方式中，优选将本发明的测距摄像机1组装到智能电话、移动电话等可移动设备内。
另外，本发明的测距摄像机1能够利用于用于精密设备的组装、检查的自动分拣机器人中。根据测距摄像机1，在组装精密设备时，能够测定从自动分拣机器人主体或自动分拣机器人的臂部到精密设备或精密设备的部件的距离，因此能够通过自动分拣机器人的把持部准确地把持部件。
另外，根据本发明的测距摄像机1，能够测定到被摄体的距离，因此能够获取被摄体的三维信息。这样的被摄体的三维信息能够用于3D打印机进行的三维构造体的制作中。
另外，通过在自动汽车内利用本发明的测距摄像机1，能够测定从自动汽车到行人、障碍物等任意物体的距离。与计算出的到任意物体的距离有关的信息能够使用于自动汽车的自动制动系统、自动驾驶。
产业上的可利用性
在本发明的测距摄像机中，能够使用构成为被摄体像的倍率根据到被摄体的距离发生的变化互不相同的两个光学系统，基于通过这两个光学系统分别形成的两个被摄体像的图像倍率比(倍率之比)来测定到被摄体的距离。因此，在本发明的测距摄像机中，与以往的利用多个图像间的平行视差的立体摄像机方式的测距摄像机不同，无需确保大的平行视差，因此即使将两个光学系统在与光轴方向正交的平行方向上相接近地配置，也能够准确地计算到被摄体的距离。由此，相比于以往的立体摄像机方式的测距摄像机而言，能够实现测距摄像机的小型化。另外，根据本发明，无需考虑平行视差来设计测距摄像机，因此能够增大测距摄像机的设计的自由度。另外，在本发明的测距摄像机中，不使用平行视差来计算到被摄体的距离，因此即使在被摄体处于离测距摄像机非常近的位置的情况下也能够准确地测定到被摄体的距离。
另外，在本发明的测距摄像机中，与以往的图案照射方式的测距摄像机不同，无需使用向被摄体照射固定图案的光的投影仪等特殊的光源。因此，能够使测距摄像机的系统结构简单。由此，相比于以往的图案照射方式的测距摄像机而言，能够实现测距摄像机的小型化、轻量化、低电力消耗化以及低成本化。另外，在本发明的测距摄像机中，与以往的图案照射方式的测距摄像机不同，无需使用用于照射可见光外的波长的光的特殊的光源，因此还能够执行通常的摄影。因而，本发明具有产业上的利用可能性。

Claims (9)

1.一种测距摄像机，其特征在于，具备：
第一光学系统，其用于将来自被摄体的光进行聚光来形成第一被摄体像；
第二光学系统，其用于将来自所述被摄体的所述光进行聚光来形成第二被摄体像；
摄像部，其用于拍摄由所述第一光学系统形成的所述第一被摄体像和由所述第二光学系统形成的所述第二被摄体像；以及
距离计算部，其用于基于由所述摄像部拍摄到的所述第一被摄体像和所述第二被摄体像来计算到所述被摄体的距离，
其中，所述距离计算部通过使用所述第一被摄体像的倍率与所述第二被摄体像的倍率的图像倍率比、所述第一光学系统的焦距、所述第二光学系统的焦距、从所述第一光学系统的出射光瞳起至所述被摄体位于无限远的情况下的所述第一被摄体像的成像位置为止的距离、所述第一被摄体像在所述摄像部的摄像面上为最佳聚焦的情况下的从所述第一光学系统的前侧主点到所述被摄体的距离、以及所述第一光学系统的前侧主点的位置相比于所述第一光学系统构成为焦点对准无限远处的情况下的所述第一光学系统的前侧主点的位置的偏移量的总量来计算到所述被摄体的所述距离。
2.根据权利要求1所述的测距摄像机，其特征在于，
所述第一光学系统为固定焦点光学系统，
所述第二光学系统为以构成所述第二光学系统的镜头中的至少一个能够驱动的方式构成的自动焦点光学系统。
3.根据权利要求1或2所述的测距摄像机，其特征在于，
所述第一光学系统和所述第二光学系统构成为，所述第一被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的变化与所述第二被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的变化不同。
4.根据权利要求3所述的测距摄像机，其特征在于，
所述第一光学系统和所述第二光学系统构成为所述第一光学系统的焦距与所述第二光学系统的焦距互不相同，由此，所述第一被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的所述变化与所述第二被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的所述变化不同。
5.根据权利要求3所述的测距摄像机，其特征在于，
在所述第一光学系统的前侧主点与所述第二光学系统的前侧主点之间存在光轴方向上的深度视差，由此，所述第一被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的所述变化与所述第二被摄体像的所述倍率根据到所述被摄体的所述距离发生的所述变化不同。
6.根据权利要求1所述的测距摄像机，其特征在于，
还具备关联信息存储部，所述关联信息存储部存储有将所述第一被摄体像的所述倍率与所述第二被摄体像的所述倍率的所述图像倍率比同到所述被摄体的所述距离建立关联的关联信息，
所述距离计算部基于所述第一被摄体像的所述倍率与所述第二被摄体像的所述倍率的所述图像倍率比、以及所述关联信息存储部内的所述关联信息来计算到所述被摄体的所述距离。
7.根据权利要求1所述的测距摄像机，其特征在于，
所述距离计算部计算所述第一被摄体像的尺寸与所述第二被摄体像的尺寸之比来作为所述第一被摄体像的所述倍率与所述第二被摄体像的所述倍率的所述图像倍率比。
8.根据权利要求1所述的测距摄像机，其特征在于，
所述摄像部为拍摄所述第一被摄体像和所述第二被摄体像这两方的单一的摄像元件。
9.根据权利要求8所述的测距摄像机，其特征在于，
还具备：第一波长选择元件，其设置于形成所述第一被摄体像的所述光的光路上，限制形成所述第一被摄体像的所述光的波长；以及第二波长选择元件，其设置于形成所述第二被摄体像的所述光的光路上，限制形成所述第二被摄体像的所述光的波长，
其中，由所述第一波长选择元件进行了限制的形成所述第一被摄体像的所述光的波长范围与由所述第二波长选择元件进行了限制的形成所述第二被摄体像的所述光的波长范围不同。
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