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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-01-08
(45)【発行日】2025-01-17
(54)【発明の名称】光学系、撮像装置、及び投射装置
(51)【国際特許分類】
H04N 23/55 20230101AFI20250109BHJP
G02B 26/08 20060101ALI20250109BHJP
G03B 5/00 20210101ALI20250109BHJP
G03B 15/00 20210101ALI20250109BHJP
G03B 21/00 20060101ALI20250109BHJP
【ＦＩ】
H04N23/55
G02B26/08 D
G02B26/08 J
G03B5/00 A
G03B15/00 U
G03B21/00 D
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2023526730
(86)(22)【出願日】2021-06-09
(86)【国際出願番号】 JP2021021942
(87)【国際公開番号】W WO2022259428
(87)【国際公開日】2022-12-15
【審査請求日】2023-12-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000004237
【氏名又は名称】日本電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002044
【氏名又は名称】弁理士法人ブライタス
(72)【発明者】
【氏名】今井 浩
【審査官】吉川 康男
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－２２３８９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６０－１７６０１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０９４０９５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｎ ２３／５５
Ｇ０２Ｂ ２６／０８
Ｇ０３Ｂ ５／００
Ｇ０３Ｂ １５／００
Ｇ０３Ｂ ２１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光を電気信号に変換する、撮像素子と、光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記撮像素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記撮像素子の受光面の虚像が形成され、合焦面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
光学系。
【請求項2】
請求項１に記載の光学系であって、前記プリズムは、
前記撮像素子側に固定される、透明な第一の平板部と、
前記レンズ側に配置される、透明な第二の平板部と、
前記第一の平板部と第二の平板部との間に配置され、伸縮する袋状の透明な媒体に、液体が充填されている、伸縮部と、
前記第二の平板部を傾けて、前記伸縮部の形状を変更する、アクチュエータと
を有する光学系。
【請求項3】
請求項１に記載の光学系であって、円筒状の回転中空軸を回転させる、中空軸モータを有し、
前記中空軸モータは、前記回転中空軸の内部の前記プリズムを回転させる
光学系。
【請求項4】
光を電気信号に変換する、撮像素子と、光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記撮像素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記撮像素子の受光面の虚像が形成され、合焦面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
撮像装置。
【請求項5】
請求項４に記載の撮像装置であって、前記プリズムは、
前記撮像素子側に固定される、透明な第一の平板部と、
前記レンズ側に配置される、透明な第二の平板部と、
前記第一の平板部と第二の平板部との間に配置され、伸縮する袋状の透明な媒体に、液体が充填されている、伸縮部と、
前記第二の平板部を傾けて、前記伸縮部の形状を変更する、アクチュエータと
を有する撮像装置。
【請求項6】
請求項４に記載の撮像装置であって、円筒状の回転中空軸を回転させる、中空軸モータを有し、
前記中空軸モータは、前記回転中空軸の内部の前記プリズムを回転させる
撮像装置。
【請求項7】
画像を表示する、表示素子と、光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記表示素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記表示素子の表面の虚像が形成され、被投射面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
光学系。
【請求項8】
画像を表示する、表示素子と、光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記表示素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記表示素子の表面の虚像が形成され、被投射面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、合焦に用いる光学系と、その光学系を用いた撮像装置及び投射装置に関する。
【背景技術】
【0002】
顔認証、虹彩認証などの物体認識で用いられる、被写体に奥行差がある撮像面を撮像する撮像装置において、認証、認識の精度を高めるためには、被写体全面で合焦した画像が必要である。
【0003】
また、奥行差のあるスクリーンなどの被投射面に画像を投射して表示する投射装置においても、被投射面全体で合焦した画像を表示する必要がある。
【0004】
ところが、従来の撮像装置は撮像レンズの光軸と垂直な面で合焦する仕様で製作されている。また、従来の投射装置は投射レンズの光軸と垂直な面で合焦する仕様で製作されている。そのため、上述した撮像装置及び投射装置では、面の複数の箇所に合焦させることが困難である。
【0005】
特許文献１には、奥行差のある斜めの面に合焦させる方法が開示されている。特許文献１に開示された技術によれば、原稿面（撮像面）と撮像素子との間に特殊な局面を持つ反射鏡を配置している。
【0006】
特許文献２には、奥行差のある斜めの面に合焦させる方法が開示されている。特許文献２に開示された技術によれば、液晶やＤＭＤ（Digital Mirror Device）などの空間光変調器と被投射面の間に特殊な局面を持つ反射鏡を配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開２０１８－１７４３６２号公報
【文献】特開２００８－２２５４５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、図１のＡに示すような顔認証、虹彩認証などの物体認識に用いるシステムでは、被撮像者２に対し斜め方向に撮像装置１が存在することがある。そのため、撮像面４と平行な被撮像者２の顔面と異なる位置、すなわち光軸５（破線）と垂直に交わる合焦面３（破線）で合焦する。そうすると、被撮像者２の顔面の一部分のみで合焦した画像しか得られないので、精度のよい顔認証、虹彩認証が困難である。
【0009】
また、特許文献１に開示された技術では、特殊な局面を持つ反射鏡が、一般に自由曲面ミラーを用いるため、製作に大きなコストがかかる。そのため、光学系が高価になる。
【0010】
さらに、図１のＢのように方向の異なる被撮像者２ａ、２ｂの顔面において、それぞれに合焦する複数の合焦面３を生成する反射鏡の製作は困難であり、設計の自由度が少ない。また、上述した反射鏡は撮像の画角に相当する大きさとなるため光学系が大型化する。
【0011】
次に、図２のＡに示すような投射に用いるシステムでは、被投射面７に対し斜め方向に投射装置６が存在する。そのため、光軸８（破線）と垂直して交わる合焦面９（破線）で合焦する。すなわち、被投射面７と異なる位置で合焦する。
【0012】
また、特許文献２に開示された技術では、特殊な局面を持つ反射鏡は、一般に自由曲面ミラーを用いているため、その製作には大きなコストがかかる。そのため、光学系が高価になる。
【0013】
さらに、図２のＢのように奥行の変化が不連続な被投射面７に合焦させる場合、反射鏡の製作は困難であり、設計の自由度が少ない。また、反射鏡は投射の画角に相当する大きさとなるため光学系が大型化する。
【0014】
一つの側面として、複数の合焦ができ、小型で安価な光学系と、その光学系を用いた撮像装置及び投射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上記目的を達成するため、一つの側面における光学系は、
光を電気信号に変換する、撮像素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記撮像素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記撮像素子の受光面の虚像が形成され、合焦面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
ことを特徴とする。
光を電気信号に変換する、撮像素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記撮像素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記撮像素子の受光面の虚像が形成され、合焦面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
ことを特徴とする。
【0016】
また、上記目的を達成するため、一つの側面における撮像装置は、
光を電気信号に変換する、撮像素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記撮像素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記撮像素子の受光面の虚像が形成され、合焦面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
ことを特徴とする。
光を電気信号に変換する、撮像素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記撮像素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記撮像素子の受光面の虚像が形成され、合焦面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
ことを特徴とする。
【0017】
また、上記目的を達成するため、一つの側面における光学系は、
画像を表示する、表示素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記表示素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記表示素子の表面の虚像が形成され、被投射面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
ことを特徴とする。
画像を表示する、表示素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記表示素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記表示素子の表面の虚像が形成され、被投射面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
ことを特徴とする。
【0018】
また、上記目的を達成するため、一つの側面における投射装置は、
画像を表示する、表示素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記表示素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記表示素子の表面の虚像が形成され、被投射面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
ことを特徴とする。
画像を表示する、表示素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記表示素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記表示素子の表面の虚像が形成され、被投射面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0019】
一つの側面として、複数の合焦ができ、更に、小型で安価にできる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下で説明する図面において、同一の機能又は対応する機能を有する要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することもある。
【0022】
【0023】
【0024】
撮像素子１１は、レンズ１２から入射した光を電気信号に変換する機器である。撮像素子１１は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ、又はＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、ＩｎＧａＡｓ（Indium gallium arsenide）センサなどである。ただし、上述したイメージセンサに限定されるものではない。
【0025】
なお、撮像素子１１の解像度としては、水平１９２０画素×垂直１０８０画素、画素ピッチ５［μｍ］、フレームレート６０［ｆｐｓ］のＣＭＯＳセンサを用いることが考えられる。ただし、上述した解像度、画素ピッチ、フレームレートに限定されるものではない。
【0026】
レンズ１２は、光を屈折させて集束させる光学素子で、両側面を球面とした透明体である。レンズ１２は、例えば、凸レンズなどが考えられる。
【0027】
プリズム１３は、光を分散、屈折、全反射、複屈折させるための光学素子で、透明な媒質でできた多面体である。具体的には、プリズム１３は、図３に示すように撮像素子１１とレンズ１２の光路の間に配置される。
【0028】
プリズム１３の材質は、例えば、ガラス、プラスチックなどである。ただし、プリズム１３の材質は、ガラス、プラスチックに限定されず、ガラス、プラスチックと同様の作用を有する各種透明材料であればよい。
【0029】
図３の例では、プリズム１３の中には、撮像素子１１の受光面１４の虚像１５が形成される。また、図３の合焦面１６は、光学系１０において虚像１５及びレンズ１２と共役な位置にある。すなわち合焦面１６と虚像１５とは結像関係（共役関係）にある。
【0030】
プリズム１３の形状は、合焦面１６において被写体を合焦させる必要があるため、合焦面１６と結像関係（共役関係）にあるプリズム１３の中に、撮像素子１１の受光面１４の虚像１５が形成できるようにする。すなわち、合焦面１６（所定の物体距離分布）と結像関係な関係にある共役な像距離分布を求め、この像距離分布と受光面１４の虚像１５が一致するように透過光学部材であるプリズム１３の形状を設定する。
【0031】
図４は、実施形態１のプリズムの一例を説明するための図である。図４のＡでは、不図示の合焦面が、受光面１４に対して平行にある。したがって、受光面１４の虚像１５ａは、受光面１４に対して平行に生成させる。その結果、プリズム１３ａの形状を直方体となる。
【0032】
また、図４のＡのプリズム１３ａのような形状である場合、虚像１５ａを生成する位置は、プリズム１３ａの厚さｔ１と屈折率ｎとを用いて表すことができる。
【0033】
具体的には、虚像１５ａの位置は、数１に示すように距離ｄ１で表すことができる。すなわち、距離ｄ１は、プリズム１３ａの撮像素子１１の受光面１４側の面からＺ方向（光軸と同方向）の虚像１５ａまでの距離となる。
【0034】
【数1】
【0035】
次に、図４のＢでは、図３の合焦面１６のような、不図示の合焦面が受光面１４に対して斜めにある。したがって、受光面１４の虚像１５ｂは、受光面１４に対して斜めに生成させる。そのため、図４のＢのプリズム１３ｂの形状は楔型とする。楔型とは、一端が広く他端に至るにしたがい次第に狭くなる形状である。
【0036】
例えば、プリズム１３ｂが図４のＢに示すような形状である場合、虚像１５ｂを生成する位置は、プリズム１３ｂの厚さｔ２と屈折率ｎとを用いて表すことができる。厚さｔ２は、プリズム１３ｂの受光面１４側の面からＺ方向の上の距離となる。
【0037】
具体的には、虚像１５ｂの位置は、数１に示すように距離ｄ１（＝ｄ２）で表すことができる。ただし、図４のＢの場合、距離ｄ２は、プリズム１３ｂの受光面１４側の面からのＺ方向の距離であり、数式１により、虚像１５ｂの面は、プリズム１３ｂの厚さｔ２と距離ｄ２の比を保った位置に存在する。
【0038】
プリズムの設計方法について説明する。
図５は、プリズムの設計方法を説明するための図である。図５は、光学系１０と被写体３１との関係を表す側面図である。図５の例では、合焦面１６は被写体（被撮影者）３１の顔面に対して平行である。また、合焦面１６（点Ｐ１から点Ｐ２）の長さは２００［ｍｍ］としている。また、光学系１０の点Ｐ０から合焦面１６の点Ｐ１までの物体距離を１８００［ｍｍ］とし、光学系１０の点Ｐ０から合焦面１６の点Ｐ２までの物体距離を１５００［ｍｍ］としている。
図５は、プリズムの設計方法を説明するための図である。図５は、光学系１０と被写体３１との関係を表す側面図である。図５の例では、合焦面１６は被写体（被撮影者）３１の顔面に対して平行である。また、合焦面１６（点Ｐ１から点Ｐ２）の長さは２００［ｍｍ］としている。また、光学系１０の点Ｐ０から合焦面１６の点Ｐ１までの物体距離を１８００［ｍｍ］とし、光学系１０の点Ｐ０から合焦面１６の点Ｐ２までの物体距離を１５００［ｍｍ］としている。
【0039】
【0040】
図７は、合焦面と結像関係にある像面の位置と像距離の関係を表す図である。図７は、レンズの焦点距離を７５［ｍｍ］とした場合における、図５の合焦面１６と結像関係にある像面の位置と像距離の関係を表すグラフである。
【0041】
なお、結像関係とは、物体距離ｓ、像距離ｓ′、レンズの焦点距離ｆを用いて数２で表すことができる。
【0042】
【数2】
【0043】
図８は、実施形態１のプリズムの設計方法を説明するための図である。図８に示す光学系１０のプリズム１３の中に、撮像素子１１の虚像１５を、図７に示したグラフの像距離の位置に形成するためには、レンズ１２の焦点距離ｆを７５［ｍｍ］とし、プリズム１３の屈折率ｎを１．５とし、プリズム１３の頂角Ａｎｇを１０［°］とすればよい。このようにすることでプリズム１３を設計することができる。
【0044】
なお、本例では、数１からプリズムの厚さｔ２は距離ｄ２の３倍となるため、図７に示したグラフの像距離の傾き（正接）の３倍の逆関数から頂角Ａｎｇは１０［°］と求められる。このことを一般化すると像面のＹ方向の位置をｙiとして頂角Ａｎｇは数３で求められる。
【0045】
【数3】
【0046】
顔認証、虹彩認証について説明する。
図９は、実施形態１の撮像装置を有するシステムの一例を説明するための図である。図９に示すシステムは、顔認証、虹彩認証などの物体認識に用いる装置である。また、図９に示すシステムは、撮像装置１００と、情報処理装置２００と、ネットワーク３００とを有する。
図９は、実施形態１の撮像装置を有するシステムの一例を説明するための図である。図９に示すシステムは、顔認証、虹彩認証などの物体認識に用いる装置である。また、図９に示すシステムは、撮像装置１００と、情報処理装置２００と、ネットワーク３００とを有する。
【0047】
撮像装置１００は、上述した光学系１０と、制御部２０とを有する。撮像装置１００は、例えば、カメラなどである。
【0048】
制御部２０は、光学系１０に設けられている撮像素子１１から出力された撮像データ（又は撮像信号）を取得し、ネットワーク３００を介して、取得した撮像データを情報処理装置２００に送信する。制御部２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、又はＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのプログラマブルなデバイス、又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はそれらのうちのいずれか一つ以上を搭載した回路などである。
【0049】
情報処理装置２００は、受信した撮像データに基づいて、顔認証処理、又は、虹彩認証処理、又は、両方の処理を実行する。なお、情報処理装置２００は、顔認証処理、虹彩認証処理以外の物体認識処理を実行してもよい。情報処理装置２００は、例えば、ＣＰＵ、又はＦＰＧＡなどのプログラマブルなデバイス、又はＧＰＵ、又はそれらのうちのいずれか一つ以上を搭載した回路、サーバコンピュータ、パーソナルコンピュータ、モバイル端末などである。
【0050】
なお、図９の例では、情報処理装置２００に顔認証処理、又は、虹彩認証処理、又は、両方の処理を実行させる構成を示したが、制御部２０に上述した処理を実行させてもよい。
【0051】
ネットワーク３００は、例えば、インターネット、ＬＡＮ（Local Area Network）、専用回線、電話回線、企業内ネットワーク、移動体通信網、ブルートゥース（登録商標）、ＷｉＦｉ（Wireless Fidelity）などの通信回線を用いて構築された一般的なネットワークである。
【0052】
図１０、図１１は、顔認証と虹彩認証について説明するための図である。上述したように従来の撮像装置では、被撮影者の顔面が撮像面に対して斜めになると、例えば、図１０のＡに示すように顔面の右眼部分（実線）で合焦できるが、左眼部分（破線）では合焦できない。そのため精度のよい顔認証、虹彩認証を行うことができない。
【0053】
しかし、実施形態１の光学系１０を有する撮像装置を用いれば、図１０のＢに示すように右眼部分と左眼部分とで合焦できるので、精度よく顔認証、虹彩認証を行うことができる。
【0054】
また、上述した従来の撮像装置では、被撮影者が複数存在すると、例えば、図１１のＡに示す二つの顔面のうち、右側顔面（実線）のみに合焦するが、左側顔面（破線）では合焦できない。
【0055】
しかし、実施形態１の光学系１０を有する撮像装置では、図１１のＢに示すように二つの被撮影者の顔面で合焦できるので、それぞれの被撮影者の顔面に対して、精度よく顔認証、虹彩認証を行うことができる。
【0056】
【0057】
図１２のＡの光学系は二つの合焦面１６ａ、１６ｂを有する。すなわち、図１２のＡに示すようなプリズム１３ｃは、受光面１４に対して斜めの合焦面１６ａ、１６ｂ（くの字形状の合焦面）において被写体と合焦させる。そのため、図１２のＡのプリズム１３ｃの形状は、くの字形状の合焦面１６ａ、１６ｂと結像関係にあるプリズム１３ｃの中に、図１２のＡに示すような撮像素子１１の受光面１４の虚像１５ｃがくの字形状に形成できるように設計する。
【0058】
図１２のＢの光学系は複数の不連続な合焦面１６ｃ、１６ｄ、１６ｅを有する。すなわち、図１２のＢに示すプリズム１３ｄは、受光面１４に対して平行な合焦面１６ｃと、合焦面１６ｃと奥行が異なる合焦面１６ｄと、受光面１４に対して斜めの合焦面１６ｅとにおいて被写体と合焦させる。そのため、図１２のＢのプリズム１３ｄの形状は、合焦面１６ｃ、１６ｄ、１６ｅと結像関係にあるプリズム１３ｄの中に、図１２のＢに示すような撮像素子１１の受光面１４の虚像１５ｄが形成できるように設計する。
【0059】
図１２のＣの光学系は複数の合焦面１６ｆ、１６ｇを有する。すなわち、図１２のＣに示すプリズム１３ｅは、受光面１４に対して平行な合焦面１６ｆと、曲面の合焦面１６ｇとにおいて被写体と合焦させる。そのため、図１２のＣのプリズム１３ｅの形状は、合焦面１６ｆ、１６ｇと結像関係にあるプリズム１３ｅの中に、図１２のＣに示すような撮像素子１１の受光面１４の虚像１５ｅが形成できるように設計する。
【0060】
［実施形態１の効果］
以上のように実施形態１によれば、合焦面と結像関係にあるプリズム１３の中に、撮像素子１１の受光面１４の虚像１５が形成できるようなプリズムを用いるので、光学系を小型化できる。
以上のように実施形態１によれば、合焦面と結像関係にあるプリズム１３の中に、撮像素子１１の受光面１４の虚像１５が形成できるようなプリズムを用いるので、光学系を小型化できる。
【0061】
また、プリズム１３の形状は、合焦面１６と結像関係となる面を虚像とする形状とすればよいので、上述した数１、数２のみを用いて設計できる。そのため、設計が簡便で、更にコストを抑えることができる。
【0062】
また、光学系を小型化できるので、顔認証、虹彩認証などの物体認識に用いる撮像装置を小型化できる。なお、顔認証、虹彩認証などの物体認識以外の用途で使用する撮像装置に適用してもよい。さらに、用途ごとに形状の異なるプリズムを複数予め用意し、光学系と被写体の位置関係に応じて、プリズムを交換して用いてもよい。
【0063】
また、光学系を小型化できるので、投影面に画像を投射して表示する投射装置を小型化できる。さらに、用途ごとに形状の異なるプリズムを複数予め用意し、光学系と投影面の位置関係に応じて、プリズムを交換して用いてもよい。
【0064】
【0065】
［装置構成］
図１３に示すシステムは、撮像装置１００ａと、情報処理装置２００と、ネットワーク３００とを有する。なお、情報処理装置２００とネットワーク３００については、実施形態１で説明したので、説明を省略する。
図１３に示すシステムは、撮像装置１００ａと、情報処理装置２００と、ネットワーク３００とを有する。なお、情報処理装置２００とネットワーク３００については、実施形態１で説明したので、説明を省略する。
【0066】
撮像装置１００ａは、光学系１０１、制御部１０２を有する。撮像装置１００ａは、例えば、カメラなどである。
【0067】
光学系１０１は、実施形態１と同じ構成であるが、実施形態２の光学系１０１が有するプリズム部は形状を変更できる。光学系１０１の詳細については後述する。
【0068】
制御部１０２は、実施形態１と同じ構成である。ただし、実施形態２の制御部１０２は、更にプリズムの形状を変更するための制御をする。制御部１０２の詳細については後述する。
【0069】
実施形態２の光学系について説明する。
図１４は、実施形態２の光学系を説明するための図である。光学系１０１は、撮像素子１１と、レンズ１２と、プリズム部４０２とを有する。なお、撮像素子１１とレンズ１２については、実施形態１で説明したので、説明を省略する。
図１４は、実施形態２の光学系を説明するための図である。光学系１０１は、撮像素子１１と、レンズ１２と、プリズム部４０２とを有する。なお、撮像素子１１とレンズ１２については、実施形態１で説明したので、説明を省略する。
【0070】
プリズム部４０２は、平板部４０３ａと、平板部４０３ｂと、伸縮部４０４と、アクチュエータ４０５ａと、アクチュエータ４０５ｂとを有する。プリズム部４０２は、形状を変更することで合焦面の位置を変更できる。
【0071】
平板部４０３ａは、伸縮部４０４の撮像素子１１側（Ｚ方向と反対方向側）に、受光面１４に対して平行に設けられ、固定されている。また、平板部４０３ａのレンズ１２側（Ｚ方向側）の面は、伸縮部４０４の撮像素子１１側（Ｚ方向と反対方向側）に接着されている。
【0072】
平板部４０３ｂは、伸縮部４０４のレンズ１２側（Ｚ方向側）に設けられる。また、平板部４０３ｂの撮像素子１１側（Ｚ方向と反対方向側）の面は、伸縮部４０４のレンズ１２側（Ｚ方向側）に接着されている。
【0073】
なお、平板部４０３ａ、４０３ｂの材質は、例えば、ガラス、プラスチックなどである。だたし、平板部４０３ａ、４０３ｂの材質は、ガラス、プラスチックに限定されるものではなく、ガラス、プラスチックと同様の作用を有する各種透明材料でもよい。
【0074】
伸縮部４０４は、平板部４０３ａと平板部４０３ｂとの間に設けられ、平板部４０３ａと平板部４０３ｂと所定位置で接着されている。伸縮部４０４は、伸縮する袋状の透明な媒体（伸縮材料）に、液体が充填されている。
【0075】
伸縮材料は、例えば、シリコーンゴムなどである。ただし、伸縮材料は、シリコーンゴムに限定されるものではなく、シリコーンゴムなどと同様の作用を有する伸縮材料であればよい。
【0076】
液体は、例えば、水、オイルなどである。ただし、液体は、水、オイルに限定されるものではなく、水、オイルと同様の作用を有する液体であればよい。
【0077】
また、伸縮部４０４は屈折率を有する。なお、平板部４０３ａと平板部４０３ｂと伸縮部４０４の屈折率は、同一のものを使用してもよいし、それぞれの屈折率が異なっていてもよい。
【0078】
アクチュエータ４０５ａは、平板部４０３ｂのレンズ１２側（Ｚ方向側）の一方端（所定位置）に設けられる。また、アクチュエータ４０５ａは、制御部１０２の制御により駆動し、平板部４０３ｂのレンズ１２側（Ｚ方向側）の一方端を、Ｚ方向又はＺ方向と反対の方向に移動する。ただし、アクチュエータ４０５ａの位置は、図１４に示す位置に限定されるものではない。
【0079】
アクチュエータ４０５ｂは、平板部４０３ｂのレンズ１２側（Ｚ方向側）の他方端（所定位置）に設けられる。また、アクチュエータ４０５ｂは、制御部１０２からの制御により駆動し、平板部４０３ｂのレンズ１２側（Ｚ方向側）の他方端を、Ｚ方向又はＺ方向と反対の方向に移動する。ただし、アクチュエータ４０５ｂの位置は、図１４に示す位置に限定されるものではない。
【0080】
実施形態２では、アクチュエータ４０５ａ、４０５ｂを制御することで平板部４０３ｂを傾け、伸縮部４０４の形状を変形させる。例えば、伸縮部４０４を、図１５に示すように形状に変形させる。図１５は、実施形態２の光学系を説明するための図である。
【0081】
図１５の例では、アクチュエータ４０５ｂを用いて、平板部４０３ｂの他方端をＺ方向と反対方向に押して傾け、伸縮部４０４の形状を楔型に変形させている。
【0082】
具体的には、制御部１０２は、アクチュエータ４０５ａ、４０５ｂを制御して、平板部４０３ｂの面を、あらかじめ設定した条件に基づいて傾ける。条件とは、図１５の例であれば、平板部４０３ａと平板部４０３ｂのなす角が、あらかじめ設定した頂角Ａｎｇになるようにする条件である。
【0083】
また、撮像装置１００ａの設置条件に応じて伸縮部４０４を変形させてもよい。さらに、被写体の合焦状態を画像処理で検出して、検出した状態に応じて動的に伸縮部４０４を変形させてもよい。
【0084】
なお、実施形態２では、アクチュエータ４０５ａ、４０５ｂを制御して伸縮部４０４の形状を変形しているが、アクチュエータ４０５ａ、４０５ｂの代わりにネジなどを用いて手動で平板部４０３ａ、４０３ｂを動かしてもよい。
【0085】
［実施形態２の効果］
以上のように実施形態２によれば、実施形態１の効果を得るとともに、更に、自動で伸縮部４０４を変形できる。
以上のように実施形態２によれば、実施形態１の効果を得るとともに、更に、自動で伸縮部４０４を変形できる。
【0086】
【0087】
［装置構成］
図１６に示すシステムは、撮像装置１００ｂと、情報処理装置２００と、ネットワーク３００とを有する。なお、情報処理装置２００とネットワーク３００については、実施形態１で説明したので、説明を省略する。
図１６に示すシステムは、撮像装置１００ｂと、情報処理装置２００と、ネットワーク３００とを有する。なお、情報処理装置２００とネットワーク３００については、実施形態１で説明したので、説明を省略する。
【0088】
撮像装置１００ｂは、光学系１１１、制御部１１２を有する。撮像装置１００ｂは、例えば、カメラなどである。
【0089】
光学系１１１は、実施形態１と同じ構成であるが、実施形態３の光学系１１１が有するプリズムを回転することで合焦面の位置を変更できる。光学系１１１の詳細については後述する。
【0090】
制御部１１２は、実施形態１と同じ構成である。ただし、実施形態３の制御部１１２では、更にプリズムを回転するための制御をする。制御部１１２の詳細については後述する。
【0091】
実施形態３の光学系について説明する。
図１７は、実施形態３の光学系を説明するための図である。光学系１１１は、撮像素子１１と、レンズ１２と、プリズム部５０２とを有する。なお、撮像素子１１とレンズ１２については、実施形態１で説明したので、説明を省略する。
図１７は、実施形態３の光学系を説明するための図である。光学系１１１は、撮像素子１１と、レンズ１２と、プリズム部５０２とを有する。なお、撮像素子１１とレンズ１２については、実施形態１で説明したので、説明を省略する。
【0092】
プリズム部５０２は、中空軸モータ５０３と、プリズム１３ｆとを有する。プリズム部５０２は、中空軸モータ５０３を用いてプリズム１３ｆを回転させることで合焦面の位置を変更できる。
【0093】
中空軸モータ５０３は、制御部１１２の制御により、円筒状の回転中空軸５０４を、回転中空軸５０４の回転軸を中心に回転させて、プリズム１３ｆを回転させる。
【0094】
【0095】
例えば、回転中空軸５０４の回転数を秒速６０回転（３６００［ｒｐｍ］）とし、撮像素子１１のフレームレートを６００［ｆｐｓ］とすることで、１／６０［秒］ごとに異なる合焦面の画像を１０枚取得できる。
【0096】
【0097】
図１９は、実施形態３における合焦面について説明するための図である。図１９に示すように合焦面は、プリズム１３ｆの回転に応じて、時刻ごとに移動（変化）する。図１９のＡに示す合焦面１６ｈは、所定時間経過後に図１９のＢに示す合焦面１６iに移動する。
【0098】
［実施形態３の効果］
以上のように実施形態３によれば、実施形態１の効果を得るとともに、更に、自動で複数の合焦ができる。
以上のように実施形態３によれば、実施形態１の効果を得るとともに、更に、自動で複数の合焦ができる。
【0099】
実際に、実施形態３の光学系１１１を有する撮像装置を用いて顔認証、虹彩認証を実行したところ、各被撮影者顔面と、各被撮影者の左眼、右眼に合焦した画像のいずれかが１０枚の画像の中に含まれていた。すなわち、それぞれの被観測者の左眼、右眼に合焦した画像を取得できるので、制度のよい顔認証、虹彩認証を行うことができた。
【0100】
なお、実施形態３においてプリズム１３ｆは、撮像装置１００ｂの設置条件に応じて、回転又は平行移動をさせてもよい。また、被写体の合焦状態を画像処理で検出して、検出した状態に応じて動的に回転又は平行移動させてもよい。さらに、プリズム１３ｆは、回転以外に平行移動、平行往復運動をさせてもよい。
【0101】
【0102】
【0103】
表示素子６０１は、画像を表示する機器である。表示素子６０１は、例えば、液晶パネル、ＤＭＤなどの各種空間光変調器である。ただし、上述した液晶パネル、ＤＭＤに限定されるものではない。
【0104】
なお、表示素子６０１の解像度としては、水平１９２０画素×垂直１０８０画素、画素ピッチは１０［μｍ］、フレームレート６０［ｆｐｓ］の液晶パネルを用いることが考えられる。ただし、上述した解像度、画素ピッチ、フレームレートに限定されるものではない。
【0105】
なお、レンズ１２と、プリズム１３ｇについては、実施形態１で説明したので、詳細な説明は省略する。
【0106】
図２０の例では、プリズム１３ｇは、表示素子６０１とレンズ１２の光路の間に配置される。プリズム１３ｇの中には、表示素子６０１の表面の虚像６０２が形成される。被投射面６０３は、光学系６００においてレンズ１２を介して虚像６０２と共役な位置にある。すなわち被投射面６０３と虚像６０２とは結像関係にある。
【0107】
プリズム１３ｇの形状は、被投射面６０３において被投射物体を合焦させるため、被投射面６０３と結像関係にあるプリズム１３ｇの中に、表示素子６０１の表面の虚像６０２が形成されるようにする。
【0108】
他のプリズムについて説明する。
図２１、図２２は、実施形態４の他のプリズムの例を説明するための図である。図２１のＡに示すように、投射装置に設けられる光学系６００ａに対して斜めに被投射面６０３ａがある場合には、図２２のＡに示すような楔型のプリズム１３ｈを用いる。
図２１、図２２は、実施形態４の他のプリズムの例を説明するための図である。図２１のＡに示すように、投射装置に設けられる光学系６００ａに対して斜めに被投射面６０３ａがある場合には、図２２のＡに示すような楔型のプリズム１３ｈを用いる。
【0109】
すなわち、図２２のＡに示すようなプリズム１３ｈは、被投射面６０３ａにおいて被投射物体である表示素子６０１を合焦させる。そのため、図２２のＡのプリズム１３ｈの形状は、被投射面６０３ａと結像関係にあるプリズム１３ｈの中に、図２２のＡに示すような表示素子６０１の虚像６０２ａが形成できるように設計する。
【0110】
図２１のＢに示すように、投射装置に設けられる光学系６００ｂの投射する被投射面は、奥行が異なる不連続な被投射面６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｄであるので、図２２のＢに示すような不連続面を有するプリズム１３ｉを用いる。
【0111】
すなわち、図２２のＢに示すようなプリズム１３ｉは、被投射面６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｄにおいて被投射物体である表示素子６０１を合焦させる。そのため、図２２のＢのプリズム１３ｉの形状は、被投射面６０３ｂ、６０３ｃ、６０３ｄと結像関係にあるプリズム１３ｉの中に、図２２のＢに示すような表示素子６０１の虚像６０２ｂが形成できるように設計する。
【0112】
【0113】
すなわち、図２２のＣに示すようなプリズム１３ｊは、被投射面６０３ｅ、６０３ｆにおいてに被投射物体である表示素子６０１を合焦させる。そのため、図２２のＣのプリズム１３ｊの形状は、被投射面６０３ｅ、６０３ｆと結像関係にあるプリズム１３ｊの中に、図２２のＣに示すような表示素子６０１の虚像６０２ｃが形成できるように設計する。
【0114】
なお、実施形態４による投射装置で、斜めの被投射面、不連続な被投射面、曲面を含む被投射面に対して、対応するプリズム１３を表示素子の表示面に配置して、画像投射を行ったところ、どの被投射面においても合焦した鮮明な画像を観察することができた。
【0115】
また、赤色、緑色、青色の表示素子を三枚使用する場合、それぞれの液晶パネルに対応したプリズムを配置する。
【0116】
さらに、実施形態４の光学系６００には、実施形態２、３で説明したと光学系を採用してもよい。
【0117】
［実施形態４の効果］
以上のように実施形態４によれば、被投射面と結像関係にあるプリズム１３の中に、表示素子６０１の虚像６０２が形成できるようなプリズムを用いるので、光学系を小型化できる。
以上のように実施形態４によれば、被投射面と結像関係にあるプリズム１３の中に、表示素子６０１の虚像６０２が形成できるようなプリズムを用いるので、光学系を小型化できる。
【0118】
また、プリズム１３の形状は、被投射面６０３と結像関係となる面を虚像とする形状とすればよいので、上述した数１、数２のみを用いて設計できる。そのため、設計が簡便で、更にコストを抑えることができる。
【0119】
また、光学系を小型化できるので、投影面に画像を投射して表示する投射装置を小型化できる。さらに、用途ごとに形状の異なるプリズムを複数予め用意し、光学系と投影面の位置関係に応じて、プリズムを交換して用いてもよい。
【0120】
［付記］
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。上述した実施形態の一部又は全部は、以下に記載する（付記１）から（付記１２）により表現することができるが、以下の記載に限定されるものではない。
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。上述した実施形態の一部又は全部は、以下に記載する（付記１）から（付記１２）により表現することができるが、以下の記載に限定されるものではない。
【0121】
（付記１）
光を電気信号に変換する、撮像素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記撮像素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記撮像素子の受光面の虚像が形成され、合焦面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
光学系。
光を電気信号に変換する、撮像素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記撮像素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記撮像素子の受光面の虚像が形成され、合焦面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
光学系。
【0122】
（付記２）
付記１に記載の光学系であって、
前記プリズムは、
前記撮像素子側に固定される、透明な第一の平板部と、
前記レンズ側に配置される、透明な第二の平板部と、
前記第一の平板部と第二の平板部との間に配置され、伸縮する袋状の透明な媒体に、液体が充填されている、伸縮部と、
前記第二の平板部を傾けて、前記伸縮部の形状を変更する、アクチュエータと
を有する光学系。
付記１に記載の光学系であって、
前記プリズムは、
前記撮像素子側に固定される、透明な第一の平板部と、
前記レンズ側に配置される、透明な第二の平板部と、
前記第一の平板部と第二の平板部との間に配置され、伸縮する袋状の透明な媒体に、液体が充填されている、伸縮部と、
前記第二の平板部を傾けて、前記伸縮部の形状を変更する、アクチュエータと
を有する光学系。
【0123】
（付記３）
付記１に記載の光学系であって、
円筒状の回転中空軸を回転させる、中空軸モータを有し、
前記中空軸モータは、前記回転中空軸の内部の前記プリズムを回転させる
光学系。
付記１に記載の光学系であって、
円筒状の回転中空軸を回転させる、中空軸モータを有し、
前記中空軸モータは、前記回転中空軸の内部の前記プリズムを回転させる
光学系。
【0124】
（付記４）
光を電気信号に変換する、撮像素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記撮像素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記撮像素子の受光面の虚像が形成され、合焦面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
撮像装置。
光を電気信号に変換する、撮像素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記撮像素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記撮像素子の受光面の虚像が形成され、合焦面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
撮像装置。
【0125】
（付記５）
付記４に記載の撮像装置であって、
前記プリズムは、
前記撮像素子側に固定される、透明な第一の平板部と、
前記レンズ側に配置される、透明な第二の平板部と、
前記第一の平板部と第二の平板部との間に配置され、伸縮する袋状の透明な媒体に、液体が充填されている、伸縮部と、
前記第二の平板部を傾けて、前記伸縮部の形状を変更する、アクチュエータと
を有する撮像装置。
付記４に記載の撮像装置であって、
前記プリズムは、
前記撮像素子側に固定される、透明な第一の平板部と、
前記レンズ側に配置される、透明な第二の平板部と、
前記第一の平板部と第二の平板部との間に配置され、伸縮する袋状の透明な媒体に、液体が充填されている、伸縮部と、
前記第二の平板部を傾けて、前記伸縮部の形状を変更する、アクチュエータと
を有する撮像装置。
【0126】
（付記６）
付記４に記載の撮像装置であって、
円筒状の回転中空軸を回転させる、中空軸モータを有し、
前記中空軸モータは、前記回転中空軸の内部の前記プリズムを回転させる
撮像装置。
付記４に記載の撮像装置であって、
円筒状の回転中空軸を回転させる、中空軸モータを有し、
前記中空軸モータは、前記回転中空軸の内部の前記プリズムを回転させる
撮像装置。
【0127】
（付記７）
画像を表示する、表示素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記表示素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記表示素子の表面の虚像が形成され、被投射面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
光学系。
画像を表示する、表示素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記表示素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記表示素子の表面の虚像が形成され、被投射面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
光学系。
【0128】
（付記８）
付記７に記載の光学系であって、
前記プリズムは、
前記表示素子側に固定される、透明な第一の平板部と、
前記レンズ側に配置される、透明な第二の平板部と、
前記第一の平板部と第二の平板部との間に配置され、伸縮する袋状の透明な媒体に、液体が充填されている、伸縮部と、
前記第二の平板部を傾けて、前記伸縮部の形状を変更する、アクチュエータと
を有する光学系。
付記７に記載の光学系であって、
前記プリズムは、
前記表示素子側に固定される、透明な第一の平板部と、
前記レンズ側に配置される、透明な第二の平板部と、
前記第一の平板部と第二の平板部との間に配置され、伸縮する袋状の透明な媒体に、液体が充填されている、伸縮部と、
前記第二の平板部を傾けて、前記伸縮部の形状を変更する、アクチュエータと
を有する光学系。
【0129】
（付記９）
付記７に記載の光学系であって、
円筒状の回転中空軸を回転させる、中空軸モータを有し、
前記中空軸モータは、前記回転中空軸の内部の前記プリズムを回転させる
光学系。
付記７に記載の光学系であって、
円筒状の回転中空軸を回転させる、中空軸モータを有し、
前記中空軸モータは、前記回転中空軸の内部の前記プリズムを回転させる
光学系。
【0130】
（付記１０）
画像を表示する、表示素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記表示素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記表示素子の表面の虚像が形成され、被投射面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
投射装置。
画像を表示する、表示素子と、
光を屈折させて集束させる、レンズと、
前記表示素子と前記レンズとの光路の間に配置される、プリズムと、を有し、
前記プリズムの中に、前記表示素子の表面の虚像が形成され、被投射面が、前記レンズを介して前記虚像と共役な位置にある
投射装置。
【0131】
（付記１１）
付記１０に記載の投射装置であって、
前記プリズムは、
前記表示素子側に固定される、透明な第一の平板部と、
前記レンズ側に配置される、透明な第二の平板部と、
前記第一の平板部と第二の平板部との間に配置され、伸縮する袋状の透明な媒体に、液体が充填されている、伸縮部と、
前記第二の平板部を傾けて、前記伸縮部の形状を変更する、アクチュエータと
を有する投射装置。
付記１０に記載の投射装置であって、
前記プリズムは、
前記表示素子側に固定される、透明な第一の平板部と、
前記レンズ側に配置される、透明な第二の平板部と、
前記第一の平板部と第二の平板部との間に配置され、伸縮する袋状の透明な媒体に、液体が充填されている、伸縮部と、
前記第二の平板部を傾けて、前記伸縮部の形状を変更する、アクチュエータと
を有する投射装置。
【0132】
（付記１２）
付記１０に記載の投射装置であって、
円筒状の回転中空軸を回転させる、中空軸モータを有し、
前記中空軸モータは、前記回転中空軸の内部に前記プリズムを回転させる
投射装置。
付記１０に記載の投射装置であって、
円筒状の回転中空軸を回転させる、中空軸モータを有し、
前記中空軸モータは、前記回転中空軸の内部に前記プリズムを回転させる
投射装置。
【0133】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【0134】
以上のように本発明によれば、複数の合焦ができ、小型で安価な光学系と、その光学系を用いた撮像装置及び投射装置を提供できる。本発明は、顔認証、虹彩認証などの物体認識、画像投射が必要な分野において有用である。
【符号の説明】
【0135】
１０、１０１、１１１、６００ 光学系
１１ 撮像素子
１２ レンズ
１３ プリズム
１４ 受光面
１５、６０２ 虚像
１６ 合焦面
２０、１０２、１１２ 制御部
１００ 撮像装置
２００ 情報処理装置
３００ ネットワーク
４０２、５０２ プリズム部
４０３ 平板部
４０４ 伸縮部
４０５ アクチュエータ
５０３ 中空軸モータ
５０４ 回転中空軸
６０１ 表示素子
６０３ 被投射面
１１ 撮像素子
１２ レンズ
１３ プリズム
１４ 受光面
１５、６０２ 虚像
１６ 合焦面
２０、１０２、１１２ 制御部
１００ 撮像装置
２００ 情報処理装置
３００ ネットワーク
４０２、５０２ プリズム部
４０３ 平板部
４０４ 伸縮部
４０５ アクチュエータ
５０３ 中空軸モータ
５０４ 回転中空軸
６０１ 表示素子
６０３ 被投射面
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】