(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの入射光を２分割する手段と、
該分割された２個の入射光のそれぞれを結像させるための、それぞれ一平面上に一定間隔で配列された複数の要素凸レンズからなる２個の撮像レンズ群と、
該撮像レンズ群のそれぞれに対応し該撮像レンズ群のそれぞれが作る実像群の全体を撮像する２個の撮像手段とを具備し、
前記２個の撮像レンズ群の前記要素凸レンズに関する入射光に対する相対位置関係が、レンズ面内方向で前記一定間隔の１／２の距離だけずれていることを特徴とする立体撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載された立体撮像装置の２個の撮像手段によって撮像されたそれぞれの画像を表示する２個の表示面と、
該表示面上のそれぞれの画像を立体像として再生するための、それぞれ一平面上に一定間隔で配置された複数の要素凸レンズからなる２個の表示レンズ群と、
該表示レンズ群によって再生されたそれぞれの立体像を合成する光学手段とを有し、
前記２個の表示レンズ群の前記要素凸レンズに関する相対的位置関係が、請求項１の撮像レンズ群の相対的位置関係と等しくレンズ面内方向で前記一定間隔の１／２の距離だけずれていることを特徴とする立体表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズ群を利用した立体テレビジョン、いわゆるインテグラルフォトグラフィ（integral photography（ＩＰ））の撮像装置および表示装置に関し、特にそのレンズ群の構成法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
任意の視点から自由に見られる立体テレビジョン方式の一つとして、平面状に配列された凸レンズ群あるいはピンホール群を用いた、いわゆるインテグラルフォトグラフィが知られている。この方式をレンズ群を用いた場合について以下に説明する。
【０００３】
まず、図１０に示すように、同一平面上に配置された複数の凸レンズ２1 ，２2 ，…，２n からなるレンズ群２の後ろに写真フィルム３を置き、レンズ群２の前に置いた被写体１を撮影する。写真フィルム３には各凸レンズ２1 ，２2 ，…，２n により被写体１の像３1 ，３2 ，…，３n が結像し、撮像される。ここに、これら３1 ，３2 ，…，３n の画像を要素画像と呼ぶことにする。次に、撮像、現像した写真をレンズ群２に対して撮影したときのフィルムと同じ位置に配置し、この状態でレンズ群２の前方から写真上の像を見ると、立体再生像が見える。
【０００４】
このフィルムを用いる手法では動画の撮像、表示は困難であるため、フィルムの代わりにテレビカメラ用の撮像素子を置き、表示時には現像した写真の代わりにテレビ画面を置くことで動画の立体画像を得ることができる。一般には、良好な立体像を得るためにはレンズ群の大きさは人間の両眼の間隔約６．５ｃｍ以上必要とされているが、この場合、レンズ群の大きさに対応できる撮像素子も６．５ｃｍ以上のものが必要とされる。現実には、ほとんどの撮像素子の大きさは、この両眼間隔よりも小さいため、このように実像群の位置に撮像素子を配置することを一つの撮像素子で実現することは困難である。
【０００５】
このため、レンズ群による実像群をカメラにより直接撮像する手法が本発明者らによって開発され、特開平８−２８９３２９号公報に提案された。これにより、ＩＰ手法による動画の撮像が可能となった。図１１は特開平８−２８９３２９号公報に開示された装置を示し、複数の凸レンズ２1 ，２2 ，…，２n が一平面上に配列されたレンズ群２と、レンズ８および撮像素子９を備えレンズ群２の全体を撮像するテレビジョンカメラ７から構成される。被写体１を、凸レンズ群２から、各凸レンズ２1 ，２2 ，…，２n の焦点距離ｆ１より十分離れた距離（図において最も近い距離をｄ１、最も遠い距離をｄ２で示す）に置くと、被写体の実像１１1 ，１１2 ，…，１１n が各レンズによってそれらの焦点の近傍、すなわち各レンズの焦点が形成する焦点面１１の近傍に作られる。実像はそこに物体があると考えてよいから、その実像をさらに後ろに設置したテレビジョンカメラで改めてレンズ群全体を撮像すれば、実像の位置にフィルムを設置して個々のレンズによる像を撮像したと同様に、レンズ群２による個々の実像を撮像素子９上に、像９1 ，９2 ，…，９n として結像させ、要素画像群としての画像信号（テレビジョン信号）を得ることができる。このテレビジョン信号を表示装置に表示し、その表示装置の前面に設置されたレンズ群を通して、その表示装置を見ることで、立体像が再現される。
【０００６】
なお、立体像の歪みをなくすためには、図１２のように、レンズ群２の直後に大口径レンズ１３を挿入し、その大口径レンズ１３の焦点面ｆ２の位置にカメラ７を設置することが好ましい。その理由の詳細は電子情報通信学会技術研究報告Ｖｏｌ．９５  Ｎｏ．５８１  ＩＥ９５−１４６に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
インテグラルフォトグラフィにおいて、再生される立体画像の解像度はレンズ群を構成するレンズの数つまり要素画像の数に依存する。また、要素画像を構成する画素数は立体像を観察する時の視域などに関連するため、ある程度の数が必要である。この解像度や視域に関する詳細な説明は電子情報通信学会技術研究報告Ｖｏｌ．９５  Ｎｏ．５８１  ＩＥ９５−１４７に記載されている。一方、撮影するカメラの撮像素子や表示素子の画素数は、要素画像の数と要素画像を構成する画素数の積で与えられるため、極めて多くの数を必要とする。立体像の高解像度化を図るためには、要素レンズの数を増やすことで実現することも考えられるが、この方法では撮像素子および表示素子の画素数をさらに多くする必要がある。
【０００８】
本発明の目的は、一つのレンズ群を構成するレンズの数を増やすことなく、高解像度を実現することにある。また、その結果において、高解像度化に伴う視域角の低下を防ぐことも目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明による立体撮像装置は、被写体からの入射光を２分割する手段と、該分割された２個の入射光のそれぞれを結像させるための、それぞれ一平面上に一定間隔で配列された複数の要素凸レンズからなる２個の撮像レンズ群と、該撮像レンズ群のそれぞれに対応し該撮像レンズ群のそれぞれが作る実像群の全体を撮像する２個の撮像手段とを具備し、前記２個の撮像レンズ群の前記要素凸レンズに関する入射光に対する相対位置関係が、レンズ面内方向で前記一定間隔の１／２の距離だけずれていることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明による立体表示装置は、上述した立体撮像装置の２個の撮像手段によって撮像されたそれぞれの画像を表示する２個の表示面と、該表示面上のそれぞれの画像を立体像として再生するための、それぞれ一平面上に一定間隔で配置された複数の要素凸レンズからなる２個の表示レンズ群と、該表示レンズ群によって再生されたそれぞれの立体像を合成する光学手段とを有し、前記２個の表示レンズ群の前記要素凸レンズに関する相対的位置関係が、上述した立体撮像装置の撮像レンズ群の相対的位置関係と等しくレンズ面内方向で前記一定間隔の１／２の距離だけずれていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の立体撮像装置は、被写体からの入射光を複数の入射光に分割し、分割された複数の入射光から複数の立体像を作成する。複数の立体像を作成するには、従来技術と同様に、レンズ群と、このレンズ群が結像する実像群の全体を撮像する撮像手段を用いる。その際、レンズ群と撮像手段は分割された入射光の数だけ用い、複数のレンズ群の入射光に対する相対的位置関係をレンズ面内方向で予め定められた距離だけずらしておく。
【００１２】
本発明による立体表示装置は、このようにして撮像された立体像を立体表示するためのもので、立体撮像装置の複数の撮像手段によって撮像された複数の画像をそれぞれ立体像として再生し、かつ再生された複数の立体像を合成して再生表示する。その際、従来技術と同様に、表示面と再生用の表示レンズ群を組み合わせるが、表示面、表示レンズ群の数は撮像装置のレンズ群の数と等しく、複数の表示レンズ群の相対的位置関係を撮像装置の撮像レンズ群の相対的位置関係と等しくレンズ面内方向で予め定められた距離だけずらしておく。
【００１３】
このようにして、１枚のレンズ群を構成するレンズの数を増やすことなく、解像度を高めることができる。また、視域角の低下も防ぐことができる。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
まず、図１を参照して、本発明による立体撮像装置の一実施例の構成を説明する。
【００１５】
被写体２０から発せられた光は、まず、ビームスプリッタ２１で２つに分割される。分割された光はそれぞれ特開平８−２８９３２９号公報に記載されているのと同様に、それぞれ複数の凸レンズが一平面上に配列されたレンズ群２３および２６によって実像群２４および２７を形成する。この実像群２４および２７をカメラ２９および３０で、それぞれ撮像する。ここで、２つのレンズ群２３および２６の要素レンズに関する入射光に対する相対的な位置関係は、図２に示すように、要素レンズのレンズ面内の配列方向をｘ，ｙ方向とした時に、一方のレンズ群をｘ方向またはｙ方向に要素レンズの間隔（ａ）の半分（ｂ）ずらしておく。
【００１６】
ここで、レンズ群とカメラの位置関係、つまりレンズ群２３，２６が作った実像による撮像素子上の要素画像の領域と撮像デバイス（カメラ）２９，３０の画素との位置関係を、レンズ群２３を例にして説明する。図３に示すように、レンズ群２３の要素レンズＬm,n による実像は、それぞれ撮像素子３１上の要素画像の領域３２（Ｌm,n ）に撮像される。この領域３２（Ｌm,n ）内には撮像素子の複数の画素３３（Ｐi,j ）が存在する。ｍ，ｎは要素レンズのｘ方向およびｙ方向の位置、ｉ，ｊは撮像素子の画素のｘ方向およびｙ方向の位置を示す。この位置関係は、二つのカメラ２９，３０について同一とする。このように、被写体からの光を複数に分割して撮像することにより、一つのレンズ群を構成する要素レンズの数を増やすことなく、等価的に倍の要素レンズ数とすることができる。
【００１７】
２つのレンズ群の位置関係は、図４に示すように、ｘ，ｙ両方向に要素レンズの間隔（ａ）の半分（ｂ）ずつずらして、斜め方向に要素レンズの間隔の半分ずらすようにしてもよい。なお、２つのレンズ群の要素間隔をずらす理由については後に説明する。
【００１８】
なお、図１において、実像群の直後に凸レンズ２５，２８が配置されているが、再生立体像の歪みをなくすために挿入したもので、この理由の詳細は前述した電子情報通信学会技術研究報告Ｖｏｌ．９５  Ｎｏ．５８１  ＩＥ９５−１４６に記載されている。
【００１９】
また、図１のようにカメラ２９，３０を配置するのでなく、実像群が結像する位置２４，２７に撮像素子を直接配置してもよいことは自明である。ただし、この場合には、レンズ群と同等の大きな撮像素子が必要となる。
【００２０】
次に、図５を参照して本発明による立体表示装置の一実施例の構成を説明する。表示装置の表示面５２には上述した立体撮像装置によるカメラ２９で撮像した要素画像群を表示し、表示面５４にはカメラ３０で撮像した要素画像群を表示する。再生用のレンズ群５３および５５は、それぞれ複数の凸レンズを一平面上に配列したもので、撮像装置のレンズ群２３，２６と同様に要素レンズ間隔の半分ずらしておく。また、レンズ群と表示装置の位置関係、つまりレンズ群５３，５５に対応する表示素子上の要素画像の領域と表示装置の要素画像の領域との位置関係は、２つの表示装置５２，５４について同一とする。
【００２１】
表示装置から出力された画像はレンズ群により、立体像として再生される。具体的には、表示装置５２により再生立体像５０が、表示装置５４により再生立体像５１が得られる。ここで、観察者５７はハーフミラー５６を通して再生立体像５０，５１を観察するので、再生像５１は再生像５０の場所にあるように観察される。その結果、２つの再生立体像は１つの立体像として合成され、再生像５０の位置に再生立体像を観察できる。このとき、レンズ群５３と５５との相対位置関係は、前述したように、立体撮像装置の２つのレンズ群と同様に、要素レンズ間隔の半分ずれているため、再生像の解像度は２倍に向上する。立体撮像装置の２つのレンズ群の相対位置関係が図４に示すような場合を例に、再生像の解像度が２倍に向上する理由を図６および図７を用いて説明する。図６は表示装置５２およびレンズ群５３による再生像を示す。黒点で示されるのが再生像である。一方、図７は表示装置５２およびレンズ群５３による再生像と表示装置５４およびレンズ群５５による再生像を合成した再生像を示す。この場合、レンズ群５３とレンズ群５５は、ｘ、ｙ両方向に各要素レンズの間隔の半分ずれた位置となっている。従って、表示装置５４およびレンズ群５５による再生像は、丁度、図６の黒点の中間位置にあり、合成された再生像は図７に示すように、解像度が向上している。
【００２２】
これらの結果、高解像化に伴う視域角の減少も防ぐことができる。視域角は図８に示すように観察者がディスプレイ面を見た場合に立体像を見ることのできる角度であり、できるだけ大きな値であることが望まれる。視域角θは図９に示すように要素レンズ間のピッチｗと要素レンズの焦点距離ｆｅで以下のように与えられる。
【００２３】
【数１】
θ＝２ｔａｎ-1（ｗ／２ｆｅ）                    （１）
従って、要素レンズの焦点距離を一定にし、かつ要素レンズ間ピッチを小さくし、レンズ板全体の大きさを変えずに要素レンズの数を増やして高解像度化を図ろうとすると視域角θが小さくなる。本発明は１つのレンズ板の要素レンズ間のピッチは小さくする必要がないため、視域角の減少を防ぐことができる。
【００２４】
以上の立体撮像装置およびそれに対応する立体表示装置の実施例では、入射光を２つに分割する例について説明した。しかし、撮像装置において入射光を３つ以上に分割し、再生装置においても分割された入射光の数に対応する光学的な合成装置を用いることも可能である。例えば、入射光を３つに分割した場合には、３つのレンズ群を使用し、それらの要素レンズを互いに要素レンズ間隔の３分の１ずれるようにすれば、解像度を一層改善することができる。
【００２５】
レンズ群を構成する要素レンズには、特開平８−２８９３２９号公報に記載されているような１枚レンズ構成のもの、あるいは特願平８−３０７７６３号に記載された屈折率分布レンズを用いることができる。この場合に被写体の正立像を得るための手法もこれらの先行技術文献に記載されている。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、立体撮像装置および立体表示装置の各レンズ群を構成する要素レンズの数を増やすことなく、立体像を撮像し、かつ表示することができる。その結果、撮像するカメラに用いる撮像素子の画素数を増やす必要なく、高解像度を実現できるという効果も生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による立体撮像装置の一実施例の構成を説明する図である。
【図２】２つのレンズ群を要素レンズの配列の１方向にずらした場合を示す図である。
【図３】要素レンズの作る要素画像に対応する要素画像領域と画素との関係を示す図である。
【図４】２つのレンズ群を要素レンズの配列の斜め方向にずらした場合を示す図である。
【図５】本発明による立体表示装置の一実施例の構成を説明する図である。
【図６】１枚のレンズ群による表示画像の例を示す図である。
【図７】２枚のレンズ群による表示画像の例を示す図である。
【図８】視域角を説明する図である。
【図９】視域角と要素レンズ間のピッチおよび要素レンズの焦点距離の関係を説明する図である。
【図１０】従来のインテグラルフォトグラフィの構成を説明する図である。
【図１１】インテグラルフォトグラフィ方式の直接撮像法を説明する図である。
【図１２】立体像の歪みをなくすための構成を説明する図である。
【符号の説明】
１  被写体
２  凸レンズ群
２1 ，２2 ，…，２n   凸レンズ
３  写真フィルム
３1 ，３2 ，…，３n   撮像された像
７  テレビジョンカメラ
８  レンズ
９  撮像素子
９1 ，９2 ，…，９n   撮像された像
１１  焦点面
１１1 ，１１2 ，…，１１n   実像
２０  被写体
２１  ビームスプリッタ
２３，２６  レンズ群
２４，２７  実像群
２５，２８  凸レンズ
２９，３０  カメラ
３１  撮像素子
３２  撮像素子上に結像された要素画像
３３  撮像素子の画素
５０，５１  再生立体像
５２，５４  表示装置の表示面
５３，５５  再生レンズ群
５６  ハーフミラー
５７  観察者
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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