專利名稱：立體圖像拍攝裝置和內(nèi)窺鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及立體圖像拍攝裝置和內(nèi)窺鏡，其能夠生成超出由攝像元件取得的二維亮度圖像中所得的信息之外的表面凹凸信息和高清晰度圖像。
背景技術(shù)：
在對(duì)于由粘膜覆蓋的生物體的臟器的壁表面照射照明光而進(jìn)行攝像的內(nèi)窺鏡的領(lǐng)域，為了觀察臟器的壁表面的微細(xì)的凹凸，重要的是提取有關(guān)被攝物體的縱深的信息。另外，在手術(shù)用的內(nèi)窺鏡的領(lǐng)域，想要立體地把握手術(shù)情景這樣的課題存在。因此，歷來(lái)都在開(kāi)發(fā)立體內(nèi)窺鏡的技術(shù)。就立體內(nèi)窺鏡而言，通常為了取得從不同的位置觀看被攝物體的多個(gè)視點(diǎn)圖像，而采用透鏡和攝像元件各自需要兩組的“雙透鏡系統(tǒng)”。根據(jù)雙透鏡系統(tǒng)，能夠從相同的被攝物體，同時(shí)取得有視差的多個(gè)視點(diǎn)圖像(例如左眼圖像和右眼圖像)，因此可以從多個(gè)視點(diǎn)圖像得到關(guān)于被攝物體的立體形狀的信息。但是，在雙透鏡系統(tǒng)中，難以使兩個(gè)攝像元件的特性完全一致這樣的缺點(diǎn)存在。因此，例如專利文獻(xiàn)I所公開(kāi)的，為了取得多個(gè)視點(diǎn)圖像，而透鏡和攝像元件分別只使用一個(gè)的“單眼系統(tǒng)”的技術(shù)受到注目。
圖22(a)、(b)表示現(xiàn)有的立體內(nèi)窺鏡的構(gòu)成。圖22(a)是模式化地表示該立體內(nèi)窺鏡的整體構(gòu)成的圖，圖22(b)是從上方觀看其一部分的模式化的剖面圖。
如圖22(a)所示，該現(xiàn)有技術(shù)的內(nèi)窺鏡，除了具有使用透鏡1307和(XD1308的通常彩色圖像攝像系統(tǒng)以外，還具有用于取得多個(gè)視點(diǎn)圖像的攝像系統(tǒng)(視差攝像系統(tǒng))。在視差攝像系統(tǒng)中，在光學(xué)成像部1301和攝像部1303之間配置有光通過(guò)部1302。就光通過(guò)部1302而言，如圖22 (b)所示，具有左右配置的兩個(gè)孔徑1304a、1304b，透過(guò)各個(gè)孔徑的光生成多個(gè)視點(diǎn)圖像。通常，通過(guò)交替開(kāi)閉孔徑1304a、1304b來(lái)得到左右的多視點(diǎn)圖像，但在本技術(shù)中，將來(lái)自兩個(gè)孔徑1304a、1304b的光以圖像處理的方式分離，而使兩種圖像的時(shí)間差消除。為此，在孔徑1304a上附加具有垂直方向的偏振光透射軸的偏振濾光鏡，在孔徑 1304b上附加具有水平方向的偏振光透射軸的偏振濾光鏡。
就攝像部1303而言，組合使用偏振馬賽克濾鏡1305和攝像元件1306。偏振馬賽克濾鏡1305具有的構(gòu)成是，在垂直方向上具有偏振光透射軸的偏振濾光鏡1305a和在水平方向上具有偏振光透射軸的偏振濾光鏡1305b,被在空間上交替分布。來(lái)自左右兩處孔徑 1304a、1304b的光，經(jīng)由偏振薄膜而成為偏振方向正交的光。因此，透過(guò)孔徑1304a、1304b 的光(偏振光)，分別入射偏振馬賽克濾鏡1305之中的具有對(duì)應(yīng)的偏振光透射軸的部分。 如此，基于由偏振濾光鏡1305a覆蓋的像素的信號(hào)和由偏振濾光鏡1305b覆蓋的像素的信號(hào)，能夠檢測(cè)出透過(guò)孔徑1304a、1304b的光的亮度，能夠得到兩種多視點(diǎn)圖像。
先行技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1:特開(kāi)2001-16611號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2 :特開(kāi)平11-313242號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)3 :美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)第2009/0079982號(hào)說(shuō)明書(shū)
非專利文獻(xiàn)
非專利文獻(xiàn)1:Nicolas Lefaudeux et al. :“Compact and robust linear Stokes polarization camera”， Proc.SPIE, Vol.6972,69720B, Polarization !Measurement, Analysis, and Remote Sensing VIII(2008)；
非專利文獻(xiàn)2 Paul Green et al. :“Mult1-Aperture Photography，，，ACM Transactions on Graphics, Vol. 26, No. 3,Article68, July2008 ；
但是，在現(xiàn)有的技術(shù)中，存在以下的課題。即，在光通過(guò)部，因?yàn)樽笥业目讖揭酝獾牟糠钟姓诠獠?，所以無(wú)法有效地使用光量，而使所得到的圖像的感光度差這樣的課題存在。 在對(duì)于沒(méi)有照明光的黑暗的體腔內(nèi)以彩色且深度達(dá)到很深的方式進(jìn)行攝像的內(nèi)窺鏡的領(lǐng)域，光量少是致命的。因此，對(duì)孔徑部以外進(jìn)行遮光的現(xiàn)有的單眼立體內(nèi)窺鏡，難以變成實(shí)用的技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，提供一種能夠取得關(guān)于被攝物體的表面凹凸的三維信息的實(shí)用性的立體圖像拍攝裝置和內(nèi)窺鏡。
本發(fā)明的立體圖像拍攝裝置，具備如下將偏振面的角度不同的三種以上的直線偏振光，依次照射到被攝物體上的偏振光照明部；所述直線偏振光分別照射所述被攝物體時(shí)，依次拍攝所述被攝物體的攝像部；和圖像處理部。所述攝像部具有如下對(duì)于來(lái)自由所述偏振光照明部所照明的所述被攝物體的回光進(jìn)行成像的透鏡；從由所述透鏡所成像的像通過(guò)光電轉(zhuǎn)換而生成像素信號(hào)的攝像元件；使來(lái)自所述被攝物體的回光透過(guò)的入射光透過(guò)部，且該入射光透過(guò)部具有透明區(qū)域和多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域。所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域，位于所述透明區(qū)域的外側(cè)，且整體上具有輪帶形狀，并包含相對(duì)于所述透鏡的光軸而左右配置的左側(cè)濾光鏡區(qū)域和右側(cè)濾光鏡區(qū)域。并且，所述左側(cè)和右側(cè)濾光鏡區(qū)域按照使偏振光透射軸的方向形成比0°大、比90°小的角度α的方式配置，基于在所述被攝物體由所述直線偏振光分別照射時(shí)所述攝像元件生成的所述像素信號(hào)，所述圖像處理部生成由分別透過(guò)所述透明區(qū)域和所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域的光所形成的多個(gè)圖像。
在有的實(shí)施方式中，所 述偏振光照明部通過(guò)使非偏振的光透過(guò)偏振面轉(zhuǎn)換元件， 從而照射偏振面依次變化兩種以上的直線偏振光。
在有的實(shí)施方式中，所述圖像處理部，基于在偏振面的角度不同的三種以上的直線偏振光照射被攝物體時(shí)所得到的所述像素信號(hào)，形成由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述左側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的左側(cè)圖像、和由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述右側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的右側(cè)圖像。
在有的實(shí)施方式中，所述偏振光照明部將偏振面的角度相對(duì)于基準(zhǔn)方向?yàn)棣?^ 的第一直線偏振光照射到所述被攝物體時(shí)所述攝像元件生成的像素信號(hào)設(shè)為IΘ i，所述偏振光照明部將偏振面的角度相對(duì)于所述基準(zhǔn)方向?yàn)棣?°的第二直線偏振光照射到所述被攝物體時(shí)所述攝像元件生成的像素信號(hào)設(shè)為I θ2，所述偏振光照明部將偏振面的角度相對(duì)于所述基準(zhǔn)方向?yàn)棣?°的第三直線偏振光照射到所述被攝物體時(shí)所述攝像元件生成的像素信號(hào)設(shè)為IΘ 3時(shí)，所述圖像處理部通過(guò)進(jìn)行使用像素信號(hào)Iepieyie3的運(yùn)算，分別生成所述多個(gè)圖像。
在有的實(shí)施方式中，所述攝像部中，作為所述攝像元件，具有黑白攝像元件或彩色攝像元件。
本發(fā)明內(nèi)窺鏡具備如下將偏振面的角度不同的三種以上的直線偏振光，依次照射到被攝物體的偏振光照明部；所述直線偏振光分別照射所述被攝物體時(shí)，依次拍攝所述被攝物體的攝像部。所述攝像部具有如下對(duì)于來(lái)自由所述偏振光照明部所照明的所述被攝物體的回光進(jìn)行成像的透鏡；從由所述透鏡所成像的像通過(guò)光電轉(zhuǎn)換而生成像素信號(hào)的攝像元件；使來(lái)自所述被攝物體的回光透過(guò)的入射光透過(guò)部，該入射光透過(guò)部具有透明區(qū)域和多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域。所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域，位于所述透明區(qū)域的外側(cè)，且整體上具有輪帶形狀，并包含相對(duì)于所述透鏡的光軸而左右配置的左側(cè)濾光鏡區(qū)域和右側(cè)濾光鏡區(qū)域，并且所述左側(cè)和右側(cè)濾光鏡區(qū)域按照使偏振光透射軸的方向形成比0°大、比90° 小的角度α的方式配置。
本發(fā)明的立體圖像拍攝裝置，具備拍攝被攝物體的攝像部和圖像處理部。所述攝像部具有如下對(duì)于來(lái)自由光源所照明的所述被攝物體的回光進(jìn)行成像的透鏡；從由所述透鏡所成像的像通過(guò)光電轉(zhuǎn)換而生成像素信號(hào)的攝像元件；在所述攝像元件的前面所配置的馬賽克偏振濾光鏡陣列，該馬賽克偏振濾光鏡陣列中各個(gè)偏振濾光鏡的偏振光透射軸朝向兩種以上的方向；使來(lái)自所述被攝物體的回光透過(guò)的入射光透過(guò)部，該入射光透過(guò)部具有透明區(qū)域和多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域。所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域，位于所述透明區(qū)域的外側(cè)， 且整體上具有輪帶形狀，并包含相對(duì)于所述透鏡的光軸而左右配置的左側(cè)濾光鏡區(qū)域和右側(cè)濾光鏡區(qū)域，并且所述左側(cè)和右側(cè)濾光鏡區(qū)域按照使偏振光透射軸的方向形成比0°大、 比90°小的角度α的方式配置，基于所述攝像元件生成的所述像素信號(hào)，所述圖像處理部生成由分別透過(guò)所述透明區(qū)域和所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域的光所形成的多個(gè)圖像。
在有的實(shí)施方式中，所述圖像處理部基于所述像素信號(hào)，生成由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述左側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的左側(cè)圖像、和由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述右側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的右側(cè)圖像。
在有的實(shí)施方式中，所述入射光透過(guò)部的所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域，包含相對(duì)于所述透鏡的光軸以同心圓狀所配置的內(nèi)側(cè)濾光鏡區(qū)域和外側(cè)濾光鏡區(qū)域。
在有的實(shí)施方式中，所述圖像處理部基于所述像素信號(hào)生成由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述透明區(qū)域和所述內(nèi)側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的圖像；和由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述透明區(qū)域、所述內(nèi)側(cè)濾光鏡區(qū)域和所述外側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的圖像。
在有的實(shí)施方式中， 所述攝像部中作為所述攝像元件具有黑白攝像元件。
本發(fā)明的內(nèi)窺鏡具備如下將非偏振光照射到被攝物體上的照明部；所述被攝物體由所述非偏振光照射時(shí)，拍攝所述被攝物體的攝像部。所述攝像部具有如下對(duì)于來(lái)自由所述照明部照明的所述被攝物體的回光進(jìn)行成像的透鏡；從由所述透鏡所成像的像通過(guò)光電轉(zhuǎn)換而生成像素信號(hào)的攝像元件；在所述攝像元件的前面所配置的馬賽克偏振濾光鏡陣列，該馬賽克偏振濾光鏡陣列中各個(gè)偏振濾光鏡的偏振光透射軸朝向兩種以上的方向； 使來(lái)自所述被攝物體的回光透過(guò)的入射光透過(guò)部，該入射光透過(guò)部具有透明區(qū)域和多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域。所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域，位于所述透明區(qū)域的外側(cè)，且整體上具有輪帶形狀，并包含相對(duì)于所述透鏡的光軸而左右配置的左側(cè)濾光鏡區(qū)域和右側(cè)濾光鏡區(qū)域，并且所述左側(cè)和右側(cè)濾光鏡區(qū)域按照使偏振光透射軸的方向形成比0°大、比90°小的角度α的方式配置。
根據(jù)本發(fā)明的立體圖像拍攝裝置的有的實(shí)施方式，通過(guò)使偏振面旋轉(zhuǎn)而拍攝的多個(gè)圖像的運(yùn)算處理，能夠得到多視點(diǎn)圖像。因此，不需要遮光部，不會(huì)浪費(fèi)光量。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，僅通過(guò)圖像間的運(yùn)算，就能夠無(wú)時(shí)間差地得到雖然感光度低但有視差的圖像、和雖然沒(méi)有視差但感光度上沒(méi)有問(wèn)題的彩色圖像。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I的立體圖像拍攝裝置的構(gòu)成的圖
圖2是表示偏振面控制元件的操作的圖
圖3(a)是表示入射光透過(guò)部的構(gòu)造的俯視圖，(b)是其剖面圖
圖4(a)和(b)是表示攝像元件的光敏器件配置例的圖
圖5是偏振面角度的定義圖
圖6 (a)和(b)是表不向光滑平坦的表面大體垂直入射的偏振光的反射情況的圖
圖7表示基于菲涅耳理論的入射角與反射率的關(guān)系的圖
圖8是表示從入射光透過(guò)部拆除偏振濾光鏡的假想的狀態(tài)的圖
圖9是表示在無(wú)偏振濾光鏡的狀態(tài)下透過(guò)入射光透過(guò)部的各區(qū)域的光的圖
圖10(a)是表示裝配有在透射軸的角度差中α =45°的關(guān)系成立的兩個(gè)偏振濾光鏡的入射光透過(guò)部的俯視圖，(b)是表不偏振光照明的偏振面的角度ΨΙ的圖
圖11是表示透過(guò)入射光透過(guò)部的各區(qū)域的光的圖
圖12是表示圖像處理器的處理的流程的流程圖
圖13顯示部所顯示的圖像LL、RR、CC和觀察眼鏡的操作的圖
圖14(a)和(b)是表示關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施方式的立體視覺(jué)與普通視覺(jué)的期間的圖
圖15是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的立體圖像拍攝裝置的構(gòu)成的圖
圖16(a)和(b)是表示攝像元件的其他的光敏器件配置例的圖
圖17 (a)是從攝像元件110 —側(cè)觀看入射光透過(guò)部120時(shí)的入射光透過(guò)部120的俯視圖，(b)是其剖面圖
圖18是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的立體圖像拍攝裝置的構(gòu)成的圖
圖19(a)是表示裝配有在透射軸的角度差中α =45°的關(guān)系成立的兩個(gè)偏振濾光鏡的實(shí)施方式3的入射光透過(guò)部的俯視圖，(b)是表示偏振光照明的偏振面的角度ΨΙ的圖
圖20是表示本發(fā)明的實(shí)施方式4的立體圖像拍攝裝置的構(gòu)成的圖
圖21(a)是表示本發(fā)明的實(shí)施方式5的入射光透過(guò)部的構(gòu)成的俯視圖，(b)是表示偏振光照明的偏振面的角度ΨΙ的圖
圖22(a)是關(guān)于現(xiàn)有的技術(shù)的立體內(nèi)窺鏡的構(gòu)成圖，(b)表示其一部分的剖面圖具體實(shí)施方式
(實(shí)施方式I)
圖1是模式化地表示本發(fā)明的實(shí)施方式I的立體圖像拍攝裝置的整體構(gòu)成的圖。 本立體圖像拍攝裝置具備內(nèi)窺鏡101和控制裝置102。內(nèi)窺鏡101具備如下具有攝像元件110的前端部113、和具有光導(dǎo)向設(shè)備105及視頻信號(hào)線111的插入部103?，F(xiàn)實(shí)的插入部 103，相比附圖所示，能夠具有在左右長(zhǎng)、且可撓性彎曲的構(gòu)造。光導(dǎo)向設(shè)備105在彎曲的狀態(tài)下也能夠傳輸光。
在控制裝置102中，包含光源104、圖像處理器108和同步裝置112。從控制裝置 102輸出的圖像信號(hào)，經(jīng)由顯示圖像處理部121被輸出到立體顯示部122。輸出到立體顯示部122的圖像，通過(guò)利用觀察眼鏡123由醫(yī)師等進(jìn)行觀察。
從光源104發(fā)出的白色非偏振的光，經(jīng)由光導(dǎo)向設(shè)備105被引導(dǎo)至前端部113的偏振面控制元件106。圖2表示偏振面控制元件106的構(gòu)成。
就偏振面控制元件106而言，是使用了液晶的且可使偏振面旋轉(zhuǎn)的設(shè)備。其構(gòu)成例在專利文獻(xiàn)2、3和非專利文獻(xiàn)I等中已經(jīng)公開(kāi)。偏振面控制元件106，例如能夠由鐵電液晶、偏振薄膜、1/4波片等加以組合的外加電壓型液晶器件構(gòu)成。偏振面控制元件106，將由光源104發(fā)生并通過(guò)光導(dǎo)向設(shè)備105的非偏振光，轉(zhuǎn)換成在任意的偏振角度具有偏振面的直線偏振光。在圖1中，模式化地表示照射到被攝物體上的光的偏振方向115，和來(lái)自被攝物體的回光的偏振方向116。如后述，因?yàn)橛杀粩z物體反射時(shí)偏振方向被保持，所以偏振方向 115,116 一致。
就同步裝置112而言，向偏振面控制元件106發(fā)送偏振面旋轉(zhuǎn)的指示而使照明的偏振面旋轉(zhuǎn)。該偏振光照明通過(guò)照明透鏡107被照射到被攝物體上。同步裝置112同時(shí)向攝像元件110發(fā)送拍攝開(kāi)始信號(hào)而取得映像，且將以上的處理實(shí)施多次。
本實(shí)施方式的攝像系統(tǒng)其操作方式為，在偏振面為0°狀態(tài)203下拍攝第一圖像，在偏振面為45°狀態(tài)204下拍攝第二圖像，在偏振面為90°狀態(tài)205下拍攝第三圖像。 偏振面的角度能夠任意設(shè)定，不限于這三種。攝像元件為高靈敏度時(shí)，如果照明的照度高， 則能夠縮短曝光時(shí)間，因此能夠更精密地設(shè)定旋轉(zhuǎn)角。
就偏振面的旋轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間而言，根據(jù)上述文獻(xiàn)，操作速度存在20(ms)左右的遲緩型至40 100 (μ sec)左右的高速型。如果使用高速型的液晶且將攝像元件的感光度提高至可以在該時(shí)間下進(jìn)行攝像的程度，則即使實(shí)施三個(gè)方向的偏振旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行拍攝，也可以使視頻映像·的拍攝擁有充分的性能。另外，圖像處理對(duì)于最低3幀單位的圖像拍攝加以實(shí)施，但通過(guò)使處理為流水線處理，可以使實(shí)際花費(fèi)的處理時(shí)間控制在I幀的時(shí)間內(nèi)。
來(lái)自被攝物體的回光，在透過(guò)攝影透鏡109后，通過(guò)入射光透過(guò)部120而在攝像元件110上成像。關(guān)于入射光透過(guò)部120的構(gòu)成和功能后述。攝像元件110可以是黑白攝像元件、或者是具有彩色馬賽克的單板彩色攝像元件。拍攝映像的信號(hào)，經(jīng)由視頻信號(hào)線111 到達(dá)圖像處理器108。
圖像處理器108從所拍攝的多個(gè)的圖像、通過(guò)圖像處理而生成圖像CC和左視點(diǎn)圖像LL和右視點(diǎn)圖像RR。這些圖像經(jīng)過(guò)顯示圖像處理部121處理，被顯示在立體圖像顯示部 122。在立體圖像顯示部122上所顯示的圖像，通過(guò)使用觀察眼鏡123等而被觀察為立體圖像。在該立體圖像顯示部122中，能夠使用顯示左右的多視點(diǎn)圖像的現(xiàn)有的立體顯示器。
圖3是表示入射光透過(guò)部120的圖。圖3 (a)是從攝像元件110的側(cè)觀看入射光透過(guò)部120時(shí)的入射光透過(guò)部120的俯視圖。圖3(b)是表示入射光透過(guò)部120的截面的圖。 如圖3(a)所示，入射光透過(guò)部120由光學(xué)上透明的透明區(qū)域C與附加有偏振濾光鏡的左右偏振濾光鏡區(qū)域L和R構(gòu)成。偏振濾光鏡區(qū)域L和R，整體上具有輪帶狀的形狀(ConcentricRing:同心環(huán))，且包圍透明區(qū)域C的周圍。輪帶狀的偏振濾光鏡區(qū)域(L+R)的中心與透明區(qū)域C的中心一致。偏振濾光鏡區(qū)域L和R，分別是相對(duì)于透鏡光軸而左右配置的左側(cè)濾光鏡和右側(cè)濾光鏡。這里的所謂左右，意思是處在相對(duì)于包含透鏡光軸的假想的基準(zhǔn)面而對(duì)稱的位置。內(nèi)窺鏡101的前端部113的朝向和姿勢(shì)，因?yàn)樵跀z像時(shí)變化，所以“上下“或” 左右“的方向是相對(duì)的。
從攝像元件110看，對(duì)于附加在左側(cè)的濾光鏡區(qū)域L的偏振濾光鏡的透射軸和附加在右側(cè)的濾光鏡區(qū)域R的偏振濾光鏡的透射軸之間，賦予一定的角度差α (0° < α <90° )。
在圖1所示的例子中，入射光透過(guò)部120配置在攝影透鏡109與攝像元件110之間，但入射光透過(guò)部120的位置并不受該例限定。入射光透過(guò)部120也可以配置在被攝物體與攝影透鏡109之間。另外，入射光透過(guò)部120也可以與攝影透鏡120 —體化。
就入射光透過(guò)部120的代表例而言，具備例如由玻璃板等形成的透明基板、和貼在該透明基板的規(guī)定區(qū)域的一對(duì)偏振濾光鏡。這種情況下，透明基板之中的、未貼偏振濾光鏡的區(qū)域，作為透明區(qū)域C發(fā)揮作用。入射光透過(guò)部120的另一例，能夠由一對(duì)偏振濾光鏡和保持偏振濾光鏡的構(gòu)件構(gòu)成。這種情況下，透明區(qū)域C也可以由空氣構(gòu)成。就透明區(qū)域C 的面積而言，相對(duì)于偏振濾光鏡區(qū)域L、R和透明區(qū)域C的合計(jì)面積，例如能夠設(shè)定在10 50%的范圍。
本實(shí)施方式中，因?yàn)楸粩z物體由偏振光照明照射，所以來(lái)自被攝物體的回光也發(fā)生偏振。回光的一部分，透過(guò)入射光透過(guò)部120的透明區(qū)域C，其余的一部分透過(guò)偏振濾光鏡區(qū)域L或偏振濾光鏡區(qū)域R。
圖4(a)和(b)分別是表示攝像元件110的攝像面的構(gòu)成例的圖。如圖4(a)所示，在攝像面，多個(gè)光敏器件(光電二極管)以行及列狀(X-Y方向)被規(guī)則地排列。在彩色攝像時(shí)，如圖4(b)所示，設(shè)置透過(guò)RGB三種波長(zhǎng)的光的彩色馬賽克濾光鏡。各個(gè)光敏器件通過(guò)光電轉(zhuǎn)換按照入射的光的量而生成電信號(hào)。這部分能夠使用一般的單板彩色攝像元件。如此作為攝像元件110，能夠利用現(xiàn)有的彩色亮度圖像用的攝像元件。在本實(shí)施方式中，可以通過(guò)以照明光為直線偏振光、且一邊使其偏振面旋轉(zhuǎn)一邊進(jìn)行拍攝，從而取得被攝物體的表面信息。
圖5是表示偏振光照明的偏振面的角度ΨI的定義的圖。從攝像側(cè)朝向被攝物體設(shè)定作為假想的焦平面的X-Y坐標(biāo)系。偏振面的角度ΨΙ按照使X軸的方向?yàn)?°的方式如圖5所示這樣定義。角度ΨΙ在反射中被保存時(shí)，反射光的偏振面的角度與入射光的偏振面的角度相同。若使偏振面的角度ΨΙ增加或減少，則以180°的周期重復(fù)相同的偏振狀態(tài)。即，以偏振面的角度ΨΙ為變量的函數(shù)，是具有180°的周期的周期函數(shù)。還有，在本說(shuō)明書(shū)中，偏振光照明中的偏振面的角度ΨI，有稱為“入射偏振面角度”的情況。
在本實(shí)施方式中，照明透鏡107的光軸與攝影透鏡109的光軸大體相等。這是為了在由內(nèi)窺鏡觀察時(shí)盡可能不使影子在被攝物體上發(fā)生。
還有，在內(nèi)窺鏡的通常的用法中，大多是對(duì)被攝物體照射非偏振光的情況。在本發(fā)明中，例如通過(guò)對(duì)于上述第一圖像至第三圖像的各個(gè)偏振圖像進(jìn)行加法運(yùn)算，能夠生成非偏振光的平均亮度圖像。根據(jù)本發(fā)明者們的實(shí)驗(yàn)，若使偏振面的角度ΨΙ為等間隔的多個(gè)偏振`光照射到被攝物體上時(shí)的回光的圖像相加，則偏振的效果抵消，因此結(jié)果上判明，能夠得到與使用非偏振光照明同樣的效果。
接著，對(duì)于使偏振光照明的偏振面旋轉(zhuǎn)時(shí)的、透過(guò)入射光透過(guò)部120的偏振濾光鏡區(qū)域和透明區(qū)域的光的亮度進(jìn)行說(shuō)明。
圖6表不以照相機(jī)觀測(cè)入射角接近O的偏振光L入射光滑平坦的表面時(shí)的回光V 的情況。在圖6(a)、(b)中，入射的偏振光的偏振面雖然有90°不同，但回光的直線偏振狀態(tài)大致與入射光的狀態(tài)相同。這基于以下的理由。
圖7是表示基于菲涅耳理論的鏡面反射率的入射角依存性的曲線圖，橫軸表示入射角，縱軸表示菲涅耳反射率。折射率假設(shè)為η =1. 8ο
視為垂直入射的0° 15°附近的入射角度，相當(dāng)于范圍701。如從曲線圖所讀取的，在該范圍701內(nèi)，無(wú)論P(yáng)波還是S波，其反射率大體相同。因此，偏振光大體垂直入射表面時(shí)，P波和S波這樣的偏振光對(duì)于表面的區(qū)別不存在，而是以相同舉動(dòng)反射。還有，這一事實(shí)在折射率η =1. 4 2. O的自然物體中也普遍成立。
如上，對(duì)于光滑表面，偏振光以大致O度的入射角度入射，其進(jìn)行I次反射而被觀測(cè)時(shí)，偏振光照明的偏振面的角度ΨΙ成為原樣被觀測(cè)到的回光的偏振光的角度。因此，在觀測(cè)一側(cè)能夠已知所入射的偏振光的ΨΙ的值。
圖8是模式化地表示從圖3的入射光透過(guò)部120拆除偏振濾光鏡的狀態(tài)的圖。 在構(gòu)成來(lái)自被攝物體某一點(diǎn)的回光的光線之中，透過(guò)了區(qū)域L、區(qū)域R和區(qū)域C的光線，在攝影透鏡的作用下，聚集到攝像面上的一點(diǎn)。換言之，就以攝像面上的特定像素所觀測(cè)到的亮度I而言，分別通過(guò)區(qū)域L、區(qū)域R主和區(qū)域C在攝像面上產(chǎn)生的像的在特定像素下的亮度。若分別通過(guò)區(qū)域L、區(qū)域R和區(qū)域C的光線的亮度分別設(shè)為Ip ΙΕ, I。，則以攝像面上的特定像素所觀測(cè)到的亮度I為亮度l·、IE> Ic的和。
算式I
I = IL+IE+IC (式 I)
圖9是模式化地表示就某一像素而言來(lái)自被攝物體的回光透過(guò)沒(méi)有偏振濾光鏡的狀態(tài)下的入射光透過(guò)部120的區(qū)域L、區(qū)域C和區(qū)域R的情況的圖。沒(méi)有偏振濾光鏡時(shí)， 透過(guò)了區(qū)域L、區(qū)域C和區(qū)域R的光的亮度，如式I所示，成為透過(guò)3個(gè)區(qū)域的光的亮度的單純的合計(jì)值。在實(shí)際的入射光透過(guò)部120的區(qū)域L和區(qū)域R中，分別附加有透射軸的方向不同的偏振濾光鏡。因此，透過(guò)偏振濾光鏡的光的量，會(huì)依存于入射光(來(lái)自被攝物體的回光)的偏振方向和與偏振濾光鏡的透射軸的角度而變化。還有，如參照?qǐng)D6和圖7進(jìn)行說(shuō)明的，由被攝物體的平坦面所反射的光的偏振方向，與照射被攝物體的光的偏振方向一致。因此，如果控制偏振光照明的偏振面的角度，則能夠調(diào)整在入射光透過(guò)部120所入射的光(來(lái)自被攝物體的回光)的偏振面。
圖10 (a)表示將濾光鏡區(qū)域L的偏振濾光鏡的透射軸的角度設(shè)定為0°、濾光鏡區(qū)域R的偏振濾光鏡的透射軸的角度設(shè)定為45°的入射光透過(guò)部。關(guān)于透射軸的角度，也同樣定義為圖5所示的角度ΨΙ。在該例中，左右的偏振濾光鏡的透射軸的角度差α為45°。 圖10(b) 表示照射被攝物體的照明光的偏振面的角度，其相當(dāng)于來(lái)自被攝物體的回光的偏振面的角度。圖10(a)所示的偏振濾光鏡的配置不過(guò)是一例。濾光鏡區(qū)域L的偏振濾光鏡的透射軸的角度即使設(shè)定為0°以外的角度，以下說(shuō)明的內(nèi)容也成立。
在此,在偏振濾光鏡的透射軸、和入射到該偏振濾光鏡的直線偏振光的軸一致時(shí)的透射率設(shè)為Tp。Tp滿足O < Tp < I。另外，理想化地將透明區(qū)域C的透射率設(shè)為I。以具有角度ΨΙ的直線偏振光照射被攝物體時(shí)，透過(guò)入射光透過(guò)部120的區(qū)域L、R、C而觀測(cè)到的光的假想的亮度分別設(shè)為IFLW^ IFRW^ Ι0ΨΙΟ IFLW1' IFRW1' ICW1分別由以下的式2表示。
算式2
權(quán)利要求
1.一種立體圖像拍攝裝置，其中， 具備 將偏振面的角度不同的三種以上的直線偏振光，依次照射到被攝物體的偏振光照明部; 所述直線偏振光分別照射所述被攝物體時(shí)，依次拍攝所述被攝物體的攝像部；和 圖像處理部， 并且，所述攝像部具有 對(duì)于來(lái)自由所述偏振光照明部所照明的所述被攝物體的回光進(jìn)行成像的透鏡； 從由所述透鏡所成像的像通過(guò)光電轉(zhuǎn)換而生成像素信號(hào)的攝像元件； 使來(lái)自所述被攝物體的回光透過(guò)的入射光透過(guò)部，且該入射光透過(guò)部具有透明區(qū)域和多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域， 所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域，位于所述透明區(qū)域的外側(cè)，且整體上具有輪帶形狀，并包含相對(duì)于所述透鏡的光軸而左右配置的左側(cè)濾光鏡區(qū)域和右側(cè)濾光鏡區(qū)域，并且所述左側(cè)和右側(cè)濾光鏡區(qū)域按照使偏振光透射軸的方向形成比0°大、比90°小的角度α的方式配置， 基于在所述被攝物體由所述直線偏振光分別照射時(shí)所述攝像元件生成的所述像素信號(hào)，所述圖像處理部生成由分別透過(guò)所述透明區(qū)域和所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域的光所形成的多個(gè)圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體圖像拍攝裝置，其中， 所述偏振光照明部，通過(guò)使非偏振光的光透過(guò)偏振面轉(zhuǎn)換元件，由此照射偏振面按兩種以上依次變化的直線偏振光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體圖像拍攝裝置，其中， 所述圖像處理部，基于在偏振面的角度不同的三種以上的直線偏振光照射被攝物體時(shí)所得到的所述像素信號(hào)，生成由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述左側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的左側(cè)圖像、和由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述右側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的右側(cè)圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的立體圖像拍攝裝置，其中， 所述偏振光照明部將偏振面的角度相對(duì)于基準(zhǔn)方向?yàn)榈牡谝恢本€偏振光照射到所述被攝物體時(shí)所述攝像元件生成的像素信號(hào)設(shè)為I Θ i，所述偏振光照明部將偏振面的角度相對(duì)于所述基準(zhǔn)方向?yàn)棣?°的第二直線偏振光照射到所述被攝物體時(shí)所述攝像元件生成的像素信號(hào)設(shè)為I Θ 2，所述偏振光照明部將偏振面的角度相對(duì)于所述基準(zhǔn)方向?yàn)棣?3°的第三直線偏振光照射到所述被攝物體時(shí)所述攝像元件生成的像素信號(hào)設(shè)為I Θ 3時(shí)， 所述圖像處理部通過(guò)進(jìn)行使用像素信號(hào)IQpieyie3的運(yùn)算，分別生成所述多個(gè)圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體圖像拍攝裝置，其中， 所述攝像部中作為所述攝像元件具有黑白攝像元件或彩色攝像元件。
6.—種內(nèi)窺鏡，其中， 具備 將偏振面的角度不同的三種以上的直線偏振光，依次照射到被攝物體的偏振光照明部;所述直線偏振光分別照射所述被攝物體時(shí)，依次拍攝所述被攝物體的攝像部， 并且，所述攝像部具有 對(duì)于來(lái)自由所述偏振光照明部所照明的所述被攝物體的回光進(jìn)行成像的透鏡； 從由所述透鏡所成像的像通過(guò)光電轉(zhuǎn)換而生成像素信號(hào)的攝像元件； 使來(lái)自所述被攝物體的回光透過(guò)的入射光透過(guò)部，且該入射光透過(guò)部具有透明區(qū)域和多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域， 所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域，位于所述透明區(qū)域的外側(cè)，且整體上具有輪帶形狀，并包含相對(duì)于所述透鏡的光軸而左右配置的左側(cè)濾光鏡區(qū)域和右側(cè)濾光鏡區(qū)域，并且所述左側(cè)和右側(cè)濾光鏡區(qū)域按照使偏振光透射軸的方向形成比0°大、比90°小的角度α的方式配置。
7.一種立體圖像拍攝裝置，其中， 具備拍攝被攝物體的攝像部；和圖像處理部， 所述攝像部具有 對(duì)于來(lái)自由光源所照明的所述被攝物體的回光進(jìn)行成像的透鏡； 從由所述透鏡所成像的像通過(guò)光電轉(zhuǎn)換而生成像素信號(hào)的攝像元件； 在所述攝像元件的前面所配置的馬賽克偏振濾光鏡陣列，該馬賽克偏振濾光鏡陣列中各個(gè)偏振濾光鏡的偏振光透射軸朝向兩種以上的方向； 使來(lái)自所述被攝物體的回光透過(guò)的入射光透過(guò)部，該入射光透過(guò)部具有透明區(qū)域和多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域， 所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域，位于所述透明區(qū)域的外側(cè)，且整體上具有輪帶形狀，并包含相對(duì)于所述透鏡的光軸而左右配置的左側(cè)濾光鏡區(qū)域和右側(cè)濾光鏡區(qū)域，并且所述左側(cè)和右側(cè)濾光鏡區(qū)域按照使偏振光透射軸的方向形成比0°大、比90°小的角度α的方式配置， 基于所述攝像元件生成的所述像素信號(hào)，所述圖像處理部生成由分別透過(guò)所述透明區(qū)域和所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域的光所形成的多個(gè)圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的立體圖像拍攝裝置，其中， 所述圖像處理部基于所述像素信號(hào)，生成由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述左側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的左側(cè)圖像、和由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述右側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的右側(cè)圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的立體圖像拍攝裝置，其中， 所述入射光透過(guò)部的所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域，包含相對(duì)于所述透鏡的光軸以同心圓狀所配置的內(nèi)側(cè)濾光鏡區(qū)域和外側(cè)濾光鏡區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的立體圖像拍攝裝置，其中， 所述圖像處理部基于所述像素信號(hào)生成由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述透明區(qū)域和所述內(nèi)側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的圖像；和由透過(guò)所述入射光透過(guò)部的所述透明區(qū)域、所述內(nèi)側(cè)濾光鏡區(qū)域和所述外側(cè)濾光鏡區(qū)域的光所形成的圖像。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的立體圖像拍攝裝置，其中， 所述攝像部中作為所述攝像元件具有黑白攝像元件。
12.—種內(nèi)窺鏡，其中，具備 將非偏振光照射到被攝物體上的照明部； 所述被攝物體由所述非偏振光照射時(shí)，拍攝所述被攝物體的攝像部， 并且，所述攝像部具有 對(duì)于來(lái)自由所述照明部所照明的所述被攝物體的回光進(jìn)行成像的透鏡； 從由所述透鏡所成像的像通過(guò)光電轉(zhuǎn)換而生成像素信號(hào)的攝像元件； 在所述攝像元件的前面所配置的馬賽克偏振濾光鏡陣列，該馬賽克偏振濾光鏡陣列中各個(gè)偏振濾光鏡的偏振光透射軸朝向兩種以上的方向； 使來(lái)自所述被攝物體的回光透過(guò)的入射光透過(guò)部，該入射光透過(guò)部具有透明區(qū)域和多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域， 所述多個(gè)偏振濾光鏡區(qū)域，位于所述透明區(qū)域的外側(cè)，且整體上具有輪帶形狀，并包含相對(duì)于所述透鏡的光軸而 左右配置的左側(cè)濾光鏡區(qū)域和右側(cè)濾光鏡區(qū)域，并且所述左側(cè)和右側(cè)濾光鏡區(qū)域按照使偏振光透射軸的方向形成比0°大、比90°小的角度α的方式配置。
全文摘要
偏振面控制元件(106)由偏光板和液晶元件構(gòu)成，且能夠通過(guò)電壓將非偏振光轉(zhuǎn)換成任意的偏振面的直線偏振光。同步裝置(112)向偏振面控制元件(106)發(fā)送偏振面旋轉(zhuǎn)的指示且使照明的偏振面旋轉(zhuǎn)并照射到被攝物體上，同時(shí)向攝像元件(110)發(fā)送拍攝開(kāi)始信號(hào)而取得映像，并且將其多次實(shí)施。拍攝映像的信號(hào)經(jīng)由視頻信號(hào)線(111)被送至圖像處理器(108)。由此，分離生成作為通過(guò)左右偏振光孔徑和位于中心的非偏振光部的圖像的各LL、RR、CC圖像，且生成左右視差圖像而送至立體顯示部(122)。
文檔編號(hào)A61B1/04GK103053168SQ20128000228
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月1日
發(fā)明者布拉姆·帕爾·辛赫, 金森克洋, 平本政夫 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社