(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インテグラルフォトグラフィ方式により被写体の立体映像を撮像するために、要素画像を形成する要素光学素子を２次元平面上に配置した要素光学素子群と、前記要素光学素子群で形成された要素画像を撮像する撮像手段と、を備える立体映像撮像装置において、
前記要素光学素子は、長方形に形成され、中心間距離がそれぞれ最短となる３つの要素光学素子の中心を結んだ三角形が正三角形となるように前記２次元平面上に配置され、
前記要素光学素子の中心から最短距離となる一方の中心を通る線と、前記要素光学素子の中心から当該要素光学素子の長手方向に隣接する要素光学素子の中心を通る線とのなす角度をφｎ（ただし、３０度の倍数を除く）、前記最短距離をｐとしたとき、
前記要素光学素子の長方形の長辺の長さｗｎ、短辺の長さｈｎは、ｗｎ＝ｈ０／ｓｉｎφｎ、ｈｎ＝（ｗ０ｈ０）／ｗｎ＝ｗ０ｓｉｎφｎ（ただし、ｗ０＝ｐ、ｈ０＝｛（√３）／２｝ｐ）であることを特徴とする立体映像撮像装置。
【請求項２】
インテグラルフォトグラフィ方式により被写体の立体映像を撮像するために、要素画像を形成する要素光学素子を２次元平面上に配置した要素光学素子群と、前記要素光学素子群で形成された要素画像を撮像する撮像手段と、を備える立体映像撮像装置において、
前記要素光学素子は、長方形に形成され、中心間距離がそれぞれ最短となる３つの要素光学素子の中心を結んだ三角形が直角二等辺三角形となるように前記２次元平面上に配置され、
前記要素光学素子の中心から最短距離となる一方の中心を通る線と、前記要素光学素子の中心から当該要素光学素子の長手方向に隣接する要素光学素子の中心を通る線とのなす角度をφｎ（ただし、４５度の倍数を除く）、前記最短距離をｐとしたとき、
前記要素光学素子の長方形の長辺の長さｗｎ、短辺の長さｈｎは、ｗｎ＝ｈ０／ｓｉｎφｎ、ｈｎ＝（ｗ０ｈ０）／ｗｎ＝ｗ０ｓｉｎφｎ（ただし、ｗ０＝ｐ、ｈ０＝ｐ）であることを特徴とする立体映像撮像装置。
【請求項３】
前記要素光学素子の長方形の長辺の大きさが、他の要素光学素子との最短となる中心間距離よりも大きい幅をもつ長方形であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の立体映像撮像装置。
【請求項４】
前記要素光学素子群により要素画像群が形成される面位置に、拡散スクリーン、又は、フィールドレンズを、配置したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の立体映像撮像装置。
【請求項５】
前記要素光学素子群と被写体との間に奥行制御レンズを配置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の立体映像撮像装置。
【請求項６】
前記要素光学素子は、凸レンズ、平凸レンズ、凹レンズ、平凹レンズ、非球面レンズ、屈折率分布レンズ、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレート、キノフォーム、回折光学素子、ホログラフィック光学素子、液晶レンズ、可変焦点レンズ、組み合わせレンズ、又は、ピンホールのいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の立体映像撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特殊なメガネを必要としないで３次元映像（立体映像）を撮像する立体映像撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、任意の視点から自由に見られる立体映像方式として、インテグラルフォトグラフィ（Integral Photography、以下ＩＰと記載する場合がある）方式が知られている。このＩＰ方式は、例えば、図１４（ａ）に示すような撮影装置１００により被写体１１０の３次元映像を撮影している。図１４（ａ）に示すように、撮影時には、撮影装置１００は、撮影用の要素レンズ１２０１，１２０２…，１２０ｉ，…，１２０ｎが平面内に配列された撮影用の要素レンズ群１２０を介して被写体１１０を撮影する。撮影装置１００では、撮像素子１３０上に各撮影用の要素レンズ１２０ｉによって被写体１１０の像（要素画像１４０１，１４０２，…，１４０ｉ，…，１４０ｎ）が形成され、被写体１１０の要素画像群１４０が撮影される。
【０００３】
図１４（ｂ）に示すように、表示時には、表示装置２００が用いられ、被写体１１０を撮影した要素画像群１４０が表示された表示素子１５０を、表示用の要素レンズ１６０１，１６０２，…，１６０ｉ，…，１６０ｎからなる要素レンズ群１６０を通して見ることで、被写体１１０の３次元映像（立体再生映像）１７０が観測される。ただしこの場合、観測者Ｗｍには、被写体１１０の凹凸が逆転した３次元映像１７０が観測されていることになる。この被写体Ｗの凹凸が逆転する問題を回避する手法として、撮影用の要素レンズ１２０１〜１２０ｎを凸レンズではなく、長さを光の蛇行周期の３／４とした屈折率分布レンズ（GRadient INdexレンズ：GRINレンズ）を用いる方法（例えば、特許文献１参照）や、各要素画像を電子的に１８０度回転させる方法（例えば、非特許文献１）などが提案されている。
【０００４】
なお、ＩＰ方式では、撮像装置あるいは表示装置の画素数が、３次元映像の解像度、視域および奥行き範囲に振り分けられることが知られている。また、解像度、視域、奥行範囲の３つの情報は、トレードオフの関係となっている。また、このような解像度、視域、奥行き範囲の関係が分かった上で、視域角を広げる方法として、シミュレーションによって仮想的に要素光学素子の焦点距離を短くして撮像した画像を用いる技術が開示されている（非特許文献２）。また、従来の撮像装置では、要素光学素子のピッチを広げるという手法が知られている。
また、要素画像の形状を長方形にすることにより、立体映像の水平・垂直視域間の比率を換えることにより特定方向の視域を広げる手法が報告されている（非特許文献３）。この手法により、他の手法と比較して立体映像の解像度と奥行き再現範囲を維持したまま、特定方向の視域を広げることができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１５０６７５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】F. Okano et al., “Real-time pickup method for a three-dimensional image based on integral photography,” Applied Optics, Vol. 36, No. 7, pp. 1598-1603 (1997)
【非特許文献２】R. Lopez-Gulliver et al., “Towards an interactive box-shaped 3D display: study of the requirements for wide field of view,” Proc. IEEE Symposium on 3D User Interfaces 2008, pp. 157-158 (2008)
【非特許文献３】三浦他、“インテグラルイメージング方式における水平・垂直視域角の振り分け手法“、映像情報メディア学会技術報告、ｖｏｌ.35，ｎｏ.42，３ＤＩＴ2011−84、ＩＤＹ2011−54，ＩＳＴ2011-63，2011，Ｐ.19-22）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記した従来の撮像装置では、以下に示すような問題点が存在した。
従来の焦点距離を短くする構成の撮像装置では、前記したようにトレードオフの関係にある情報の一つを調整するため、撮像した三次元映像の奥行再現範囲が焦点距離を短くしたことにより低下してしまう問題点があった。
また、従来の要素光学素子のピッチを広げる構成の撮像装置では、同様に前記したトレードオフの関係により同じ撮像範囲であると、要素光学素子のピッチが広がった分の三次元映像の解像度が低下するという問題点があった。
【０００８】
また、非特許文献３の技術では、長方形の要素画像を形成するために、大口径レンズと矩形開口からなる不要光除去光学系が必須であり、大口径レンズの歪みにより視域の形状が劣化するという問題があった。また、視域の広い立体映像を撮影する場合、要素画像群が形成される面にフィールドレンズを挿入したとしても、撮影装置に装着したカメラレンズの口径に起因する口径食が発生する問題があった。なお、フィールドレンズの代わりに拡散スクリーンを挿入することで、前記した問題は回避可能であるが、拡散スクリーンの解像度が撮像装置よりも低い場合には要素画像の解像度が下がるという問題があった。さらに、要素光学素子間の開口径よりも長い辺を有する要素画像を撮影するため、要素画像の端の部分においては要素光学素子に対する光線の入射角が大きくなり、いわゆるコサイン４乗則により光量が低下する問題があった。
【０００９】
本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたもので、簡易な構成で奥行再現範囲及び解像度を低下させることなく特定の方向の視域角を広げることができる立体映像撮像装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る立体映像撮像装置は、前記課題を解決するため、以下に示すような構成とした。すなわち、立体映像撮像装置は、インテグラルフォトグラフィ方式により被写体の立体映像を撮像するために、要素画像を形成する要素光学素子を２次元平面上に配置した要素光学素子群と、前記要素光学素子群で形成された要素画像を撮像する撮像手段と、を備える立体映像撮像装置において、前記要素光学素子は、長方形に形成され、中心間距離がそれぞれ最短となる３つの要素光学素子の中心を結んだ三角形が正三角形となるように前記２次元平面上に配置され、前記要素光学素子の中心から最短距離となる一方の中心を通る線と、前記要素光学素子の中心から当該要素光学素子の長手方向に隣接する要素光学素子の中心を通る線とのなす角度をφ（ただし、３０度の倍数を除く）ｎ、前記最短距離をｐとしたとき、前記要素光学素子の長方形の長辺の長さｗｎ、短辺の長さｈｎは、ｗｎ＝ｈ０／ｓｉｎφｎ、ｈｎ＝（ｗ０ｈ０）／ｗｎ＝ｗ０ｓｉｎφｎ（ただし、ｗ０＝ｐ、ｈ０＝｛（√３）／２｝ｐ）である構成とした。
【００１１】
かかる構成により、立体映像撮像装置は、被写体からの物体光を受けると、要素光学素子により要素画像が形成される。さらに、立体映像撮像装置は、要素光学素子群において要素光学素子の形状と同一の要素画像が多数形成されて、撮像手段でその要素画像群を撮像している。そして、撮像される要素画像は、要素光学素子が長方形でかつ中心間距離がそれぞれ最短となる３つの要素光学素子中の中心を結んだ三角形が正三角形となるようになっているので、要素光学素子の配列が，要素光学素子の形状が円形である場合の俵積み配列と同等となっている．このことにより，立体映像の解像度は従来手法と同等となる．また、要素画像の形状が長方形であることにより、長方形の長手方向となる長辺方向に視域角を広げ、短辺方向に視域角が狭くなった状態で撮影されることになる。
【００１２】
さらに、本発明に係る立体映像撮像装置は、インテグラルフォトグラフィ方式により被写体の立体映像を撮像するために、要素画像を形成する要素光学素子を２次元平面上に配置した要素光学素子群と、前記要素光学素子群で形成された要素画像を撮像する撮像手段と、を備える立体映像撮像装置において、前記要素光学素子は、長方形に形成され、中心間距離がそれぞれ最短となる３つの要素光学素子の中心を結んだ三角形が直角二等辺三角形となるように前記２次元平面上に配置され、前記要素光学素子の中心から最短距離となる一方の中心を通る線と、前記要素光学素子の中心から当該要素光学素子の長手方向に隣接する要素光学素子の中心を通る線とのなす角度をφｎ（ただし、４５度の倍数を除く）、前記最短距離をｐとしたとき、前記要素光学素子の長方形の長辺の長さｗｎ、短辺の長さｈｎは、ｗｎ＝ｈ０／ｓｉｎφｎ、ｈｎ＝（ｗ０ｈ０）／ｗｎ＝ｗ０ｓｉｎφｎ（ただし、ｗ０＝ｐ、ｈ０＝ｐ）である構成とした。
【００１３】
かかる構成により、立体映像撮像装置は、被写体からの物体光を受けると、要素光学素子により要素画像が形成される。さらに、立体映像撮像装置は、要素光学素子群において要素光学素子の形状と同一の要素画像が多数形成されて、撮像手段でその要素画像群を撮像している。そして、撮像される要素画像は、要素光学素子が長方形でかつ中心間距離がそれぞれ最短となる３つの要素光学素子中の中心を結んだ三角形が直角二等辺三角形となるようになっているので、要素光学素子の配列が、要素光学素子の形状が円形である場合の正方配列と同等になっている。このことにより、立体映像の解像度は従来方法と同等となる。また、要素画像の形状が長方形であることにより、長方形の長手方向となる長辺方向に視域角を広げ、短辺方向に視域角が狭くなった状態で撮影されることになる。
【００１４】
また、前記した立体映像撮像装置において、前記要素光学素子の長方形の長辺の大きさが、他の要素光学素子との最短となる中心間距離よりも大きい幅をもつ長方形である構成とすることが好ましい。
かかる構成により、立体映像撮像装置は、要素光学素子の長方形の長手方向となる長辺方向に視野角を広げ、要素光学素子の長方形の短手方向となる短辺方向に視野角を狭くした要素画像を形成する。
【００１５】
さらに、前記した立体映像撮像装置において、前記要素光学素子群により要素画像群が形成される面位置に、拡散スクリーン、又は、フィールドレンズを、配置した構成としても構わない。
かかる構成により、立体映像撮像装置は、要素光学系素子から出力される要素画像がフィールドレンズにより撮像手段の方向に屈折され、又は拡散スクリーン上に形成され、その形成された要素画像を撮像手段により撮像する。
【００１６】
そして、前記した立体映像撮像装置において、前記要素光学素子群と被写体との間に奥行制御レンズを配置した構成としてもよい。
かかる構成により。立体映像撮像装置は、奥行制御レンズを介して要素光学素子群から離れている遠くの被写体あるいは近くの被写体からの物体光を、要素光学素子群の要素光学素子の位置に調整することができる。
【００１７】
また、前記立体映像撮像装置において、前記要素光学素子は、凸レンズ、平凸レンズ、凹レンズ、平凹レンズ、非球面レンズ、屈折率分布レンズ、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレート、キノフォーム、回折光学素子、ホログラフィック光学素子、液晶レンズ、可変焦点レンズ、組み合わせレンズ、又は、ピンホールのいずれかであってもよい。
かかる構成により、立体映像撮像装置は、装置の構成により適宜要素光学素子を選択して適切なものを使用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る立体映撮像装置は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
立体映像撮像装置は、ＩＰ方式において、要素光学素子の画素数を一定として、３次元映像の解像度と奥行き距離を維持したまま、要素光学素子の特定方向の視域角を広げることができる。
【００１９】
立体映像撮像装置は、長方形となる要素光学素子の配置を、当該長方形の中心を結んだ形状が直角二等辺三角形であることで正方配列となるようにすることや、あるいは、当該長方形の中心を結んだ形状が正三角形であることで俵積み配列とすることが円形のものと同様にできる。したがって、立体映像撮像装置は、被写体に併せて長方形の要素光学素子の配列を選択して特定方向に視野角を広げて撮像することができる。
立体映像撮像装置は、フィールドレンズあるいは拡散スクリーンを挿入配置することで要素画像群を撮影手段で撮影することができる。かかる立体映像撮像装置では、大口径レンズと矩形開口による不要光除去光学系が不必要であるため、視域の形状が大口径レンズの歪みにより劣化しないという利点を有する。また，この立体映像撮像装置では、要素光学素子と要素画像が同形であるため、フィールドレンズを挿入することで、カメラレンズの口径に起因する口径食が生じない。そのため、立体映像撮像装置は、拡散スクリーンを挿入する場合よりも、高解像度の要素画像を撮影することができるという利点を有する。また、立体映像撮像装置は、要素画像の端の部分においても要素光学素子に対する光線の入射角は小さく、いわゆるコサイン４乗則による光量の低下による影響を小さくすることができるという利点を有する。 
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る第１実施形態の立体映像撮像装置を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態の立体映像撮像装置における各構成の位置を模式的に示す模式図であり、（ａ）は一部断面とした平断面模式図、（ｂ）は一部断面とした縦断面模式図である。
【図３】本発明に係る第１実施形態の立体映像撮像装置に使用される要素レンズの構成を示す図であり、（ａ）は、本発明に係る第１実施形態の立体映像撮像置の要素レンズの状態を円形要素レンズとの比較で示す正面図、（ｂ）は、円形要素レンズ中心線位置における断面図、（ｃ）は、長方形の要素レンズを並べた状態を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は、本発明に係る第１実施形態の立体映像撮像置の要素光学素子群における基準線に対する素子中心線の傾斜角度と要素光学素子の形状との関係を模式的に示す模式図、（ｂ）は、本発明に係る第１実施形態の立体映像撮像置の要素光学素子群の基準線に対する素子中心線の傾斜角度と正規化された要素光学素子（要素画像）の大きさとの関係を示すグラフ図である。
【図５】本発明に係る第１実施形態の立体映像撮像装置における要素光学素子の素子中心線と基準線との傾斜角度の関係から要素光学素子の形状を設定する状態を示す模式図であり、（ａ）は俵積み配列における要素光学素子群の基準線と素子中心線の傾斜角度と要素光学素子の形状との関係を示す模式図、（ｂ）は（ａ）で示す素子中心線を水平として配列したときの要素光学素子の状態を示す模式図である。
【図６】本発明に係る第２実施形態の立体映像撮像装置を示す模式図であり、（ａ）は一部断面とした平断面模式図、（ｂ）は一部断面とした縦断面模式図である。
【図７】本発明に係る第３実施形態の立体映像撮像装置を示す模式図であり、（ａ）は一部断面とした平断面模式図、（ｂ）は一部断面とした縦断面模式図である。
【図８】本発明に係る第４実施形態の立体映像撮像装置を示す模式図であり、（ａ）は一部断面とした平断面模式図、（ｂ）は一部断面とした縦断面模式図である。
【図９】本発明に係る第５実施形態の立体映像撮像装置を示す模式図であり、（ａ）は一部断面とした平断面模式図、（ｂ）は一部断面とした縦断面模式図である。
【図１０】（ａ）は、本発明に係る立体映像撮像置の応用例を示し正方配列における要素光学素子群の基準線に対する要素画像の傾斜角度と要素画像の形状との関係を模式的に示す模式図、（ｂ）は、本発明に係る立体映像撮像置の正方配列における要素光学素子群の基準線に対する傾斜角度と正規化された要素光学素子（要素画像）の大きさの関係を示すグラフ図である。
【図１１】本発明に係る立体映像撮像装置における要素光学素子の素子中心線と基準線との傾斜角度の関係から要素画像の状態を示す模式図であり、（ａ）は正方配列における要素光学素子群の基準線と素子中心線の傾斜角度と要素画像との関係を示す模式図、（ｂ）は（ａ）で示す素子中心線の傾斜角度を水平として配列したときの要素光学素子と要素画像との関係を示す模式図である。
【図１２】本発明に係る実施形態の立体映像撮像装置で撮像した被写体の状態をシミュレーションにより従来の構成の立体映像撮像装置で撮像した要素画像と比較するための模式図であり、（ａ）は、第２実施形態で示す立体映像撮像装置で撮像した長方形の要素画像の水平軸方向における視域角での要素画像を示す模式図、（ｂ）は、従来の立体撮像装置で撮像した要素画像の水平軸方向における視域角での要素画像を示す模式図である。
【図１３】本発明に係る実施形態の立体映像撮像装置で撮像した被写体の状態をシミュレーションにより従来の構成の立体映像撮像装置で撮像した要素画像と比較するための模式図であり、（ａ）は、第２実施形態で示す立体映像撮像装置で撮像した長方形の要素画像の垂直軸方向における視域角での要素画像を示す模式図、（ｂ）は、従来の立体撮像装置で撮像した要素画像の垂直軸方向における視域角での要素画像を示す模式図である。
【図１４】（ａ）は、従来のＩＰ方式の撮影装置を示す模式図、（ｂ）は、従来のＩＰ方式の表示装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る立体映像撮像装置の第１実施形態から第５実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において、要素画像や要素光学素子等の構成についてデフォルメして示すものもある。また、各実施形態において既に説明した構成は同じ符号を付して説明を省略する。
【００２２】
図１に示すように、立体映像撮像装置１は、被写体Ｗを水平視域角の広い３次元立体映像として撮像するためのものである。この立体映像撮像装置１は、被写体Ｗの物体光を入射する要素光学素子群としての要素レンズ群５と、この要素レンズ群５で形成された要素画像ｗ（図２参照）を撮像する撮像手段としての撮影カメラ９とを備えている。また、図２に示すように、立体映像撮像装置１は、要素レンズ群５の要素レンズ６の焦点距離ｆよりも後方に撮影カメラ９を設定した位置関係としている。
【００２３】
要素レンズ群５は、被写体Ｗの物体光を要素画像群に形成するものである。この要素レンズ群５は、凸レンズである要素レンズ６を二次元平面に並列させてフレーム７により支持した状態で形成している。この要素レンズ群５では、長方形の要素レンズ６を俵積み配列とした場合について説明する。
【００２４】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、要素レンズ６は、円形レンズの中心を基準に長方形に切り出して形成したものと略同等の構成に形成されている。図３（ｃ）に示すように、この要素レンズ６は、凸レンズであり、隣接して並べたときに、最小中心距離ｐとしてレンズ中心を結んだときに正三角形となるように、長方形の長辺Ｗｎおよび短辺ｈｎの長さが形成されている。要素レンズ６は、図４（ａ）に示すように、四角形の辺ｈ０、ｗ０を俵積み配列として配列したときの状態を基準とし、その隣接する最小中心距離ｐを水平方向に結んだ中心線を基準線ＳＬとし、この基準線ＳＬと傾斜角度をもつ素子中心線ｈＬとの傾斜角度φｎとの関係で長方形の形状が設定される。なお、要素画像ｗは、要素レンズ６と同じ範囲形状で形成されることになる。
【００２５】
図４（ａ）に示すように、要素レンズ群５では、基本となる四角形のレンズ（要素レンズ６）の中心をＰ（Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、…Ｐｎ）として隣と隣接する位置に基本となる四角形のレンズが配置され、最小中心間距離をｐとし、Ｏで示す中心の四角形のレンズを０行０列目の位置とし、Ｐｎで示す中心の四角形のレンズを１行ｎ列目（ｎは整数）の位置とする。そして、要素レンズ群５では、四角形のレンズの中心間距離ｐが最小として結んだ中心線を基準線ＳＬとし、Ｏから傾斜させる位置のレンズ中心Ｐｎとを結ぶ（通る）直線である素子中心線をｈＬとしたときに、線分ＯＰｎが要素レンズ６（要素画像ｗ）の長手方向とし、その線分ＯＰｎ上に配置されるレンズ中心間の距離を要素レンズ６の長辺ｗｎとしている。また、要素レンズ群５では、素子中心線ｈＬと基準線ＳＬとの傾斜をなす傾斜角度φｎとしたときに、基準となる四角形の辺ｈ０との関係において要素レンズ６の短辺ｈｎが設定される。要素レンズ群５では、基準線ＳＬと線分ＯＰｎのなす傾斜角度をφｎとすると、要素レンズ６（画像ｗ）の長方形の長辺および短辺の長さを以下の式（１）、（２）で表すことができる。
【００２６】
ｗｎ＝ｈ０／ｓｉｎφｎ                    …式（１）
ｈｎ＝（ｗ０ｈ０）／ｗｎ＝ｗ０ｓｉｎφｎ    …式（２）
ここで、式（１）、（２）中、ｗ０、ｈ０は、それぞれ長手方向の大きさを要素レンズ６間の最小中心距離とした場合に隙間無く配置可能な要素画像の長手方向と短手方向の大きさであり、俵積み配列の場合、
ｗ０＝ｐ                                …式（３）
ｈ０＝｛（√３）／２｝ｐ                …式（４）
で示すことができる。
【００２７】
なお、図４（ａ）に示すように、要素レンズ群５では、基準線ＳＬと素子中心線ｈＬ１とのなす傾斜角度φｎが大きくなると、要素レンズ６（要素画像ｗ，ｗ１）の形状も変化することが分かる。例えば、要素レンズ群５では、傾斜角度φｎが変化することで素子中心線ｈＬ１線上に隣り合う中心Ｐ１と中心Ｏとの間で要素レンズ６（要素画像ｗ１）を形成するようになる。つまり、要素レンズ群５では、基準となる四角形の面積を変えることなく、基準線ＳＬと素子中心線ｈＬ、ｈＬ１等の線上で中心が隣り合う要素レンズ６，６間で形成された長方形となり、要素画像ｗ、ｗ１も要素レンズ６と同等の形状に形成されることになる。
【００２８】
図４（ｂ）に示すように、基準となる四角形（図４（ａ）参照）に対して要素光学素子（要素レンズ６の大きさ＝要素画像ｗの大きさ）の傾斜角度φｎのときに、正規化された要素光学素子である要素レンズ６の大きさから分かるように、φｎが０度より大きくかつ６０度より小さいときに、要素レンズ６の長手方向の大きさが、要素レンズ６のピッチｐ（ｗｐ：図１参照）よりも大きくなることが分かる。特に、φｎが８度から３０度のときに、要素レンズ６の長辺の大きさと、短辺の大きさの比が２対１以上の長方形等の長尺な形状になることが分かる。なお、要素レンズ（要素画像ｗ）は、傾斜角度φｎにより縦横比の関係が決まり、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度の位置以外では、円形要素レンズと比較して視域角を広くすることが可能となる。
【００２９】
ここでは、傾斜角度φｎの値を０度から６０度に向かって大きくすることで、長方形の要素レンズ６（画像ｗ）の長辺の大きさ（画像長手長）ｗｎと短辺の大きさ（画像短手長）ｈｎとの比率が近づく形状となる。たとえば、図４（ａ）に示すように、要素レンズ６ａ（要素画像ｗ１）は、要素レンズ６（要素画像ｗ）より傾斜角度φｎが６０度に近いため、その縦横比が小さくなった長方形状となっていることが分かる。つまり、要素レンズ６ａ（要素画像ｗ１）は、要素レンズ６（要素画像ｗ）よりも垂直方向の視域角は広いが、水平方向の視域角の範囲は狭くなっている形状となる。
【００３０】
図５（ａ）に示すように、要素レンズ群５は、基準となる四角形のレンズの状態において俵積み配列にしたときの基準線ＳＬに対して、要素レンズ６の素子中心線ｈＬが傾斜するように設定された状態であり、かつ、最短となるレンズ中心を結んだ（最短中心間距離）ときに正三角形となるような長方形に形成した要素レンズ６が配列されている。したがって、図５（ｂ）及び図１に示すように、要素レンズ群５では、要素レンズ６と同等の大きさで要素画像ｗが形成され素子中心線ｈＬ上に中心が来るピッチｗｐとなるように要素画像ｗが形成される。
撮影カメラ９は、要素画像ｗを撮像（撮影）するものである。この撮影カメラ９は、一般的なＴＶカメラ等である。
【００３１】
以上のように構成された立体映像撮像装置１では、図１及び図２に示すように、被写体Ｗからの物体光が要素レンズ６に送られる。そして、要素レンズ６を並列させた要素レンズ群５に入射した物体光は、各要素レンズ６により要素画像ｗが形成される。例えば、被写体Ｗを撮影した場合には、ここでは従来の俵積み配列の要素レンズ群と比較して、長方形となる水平視域角が広い要素画像ｗを撮影することが可能となる。ただし、要素画像ｗは、水平視域角が拡がる分、垂直視域角が狭くなる。立体映像撮像装置１では、要素レンズ群５で形成された要素画像群を撮影カメラ９により撮影することで３次元立体映像を撮影する。なお、立体映像撮像装置１では、被写体Ｗは、静止している物体であっても、動きがともなうものであっても同様に撮影（撮像）することができる。
【００３２】
次に、本発明に係る第２実施形態の立体映像撮像装置１１について図６を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態では、すでに説明した各構成において、同じ符号を付して説明を省略する。また、各図面上においてｗｐは、水平方向のレンズ間ピッチ、ｈｐは垂直方向のレンズ間ピッチを示す。
すなわち、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、立体映像撮像装置１１は、要素レンズ群５の要素レンズ６の焦点距離ｆの位置にフィールドレンズ８Ａを配置し、そのフィールドレンズ８Ａに形成された要素画像ｗを撮影カメラ９で撮影する構成としても構わない。
フィールドレンズ８Ａは、例えば、要素画像ｗの画像群よりも大きい口径であり，かつ凸レンズとして機能するレンズが使用される。
このフィールドレンズ８Ａを備えることで立体映像撮像装置１１は、各要素画像からの光をフィールドレンズ８Ａにより撮影カメラ９の方向に屈折させ、要素画像ｗを効率よく撮像（撮影）することができる。
【００３３】
次に、本発明に係る第３実施形態の立体映像撮像装置２１について説明する。
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、立体映像撮像装置２１は、要素レンズ群５の要素レンズ６の焦点距離ｆの位置に拡散スクリーン８Ｂを配置して、その拡散スクリーン８Ｂに表示される要素画像ｗを撮影カメラ９で撮影する構成としても構わない。
拡散スクリーン８Ｂは、例えば、すりガラス等の光を透過して拡散することができるものである。なお、拡散スクリーン８Ｂは、透過型プロジェクタで使用されるものであってもよく、入射した光を拡散して表示できるものであれば構わない。
【００３４】
次に、本発明に係る第４、第５実施形態の立体映像撮像装置３１、４１について説明する。
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、立体映像撮像装置３１は、立体映像撮像装置１１の構成にさらに被写体Ｗと要素レンズ群５との間に奥行制御レンズ３を備える構成としても構わない。
奥行制御レンズ３は、ここでは、要素レンズ群５の全ての要素レンズ６に被写体Ｗからの物体光を入射させることができる大きさの凸レンズを用いている。この奥行制御レンズ３は、被写体Ｗから奥行制御レンズ３までの距離をＡとし、奥行制御レンズ３から要素レンズ群５までの距離をＢとしたときに、（１／Ａ）＋（１／Ｂ）＝（１／焦点距離Ｆ）となる関係で被写体Ｗの物体光を要素レンズ群５に入射させる。なお、奥行制御レンズ３は、図示しない移動機構により光軸方向に移動自在とすることで、撮像したい被写体Ｗに合わせて位置を調整する構成にすると都合がよい。また、前記の例では奥行き制御レンズが１枚である場合について説明したが、複数枚のレンズからなる奥行き制御レンズ系であってもよい。
【００３５】
図９（ａ）、（ｂ）に示すように、立体映像撮像装置４１は、立体映像撮像装置２１の構成にさらに被写体Ｗと要素レンズ群５との間に奥行制御レンズ３を備える構成としても構わない。このように構成した立体映像撮像装置４１により被写体Ｗを撮像することで、撮りたい被写体Ｗに焦点を当てた状態の要素画像ｗを撮像することができる。
【００３６】
さらに、要素レンズ群５は、俵積み配列の例として説明したが、図１０（ａ）で示すように正方配列として構成されたもので、基準線ＳＬと素子中心線ｈＬとの傾斜角度φｎを所定の角度にして要素画像ｗを形成するようにしても構わない。
要素レンズ群５では、直近のレンズ中心を結んだときに直角二等辺三角形が形成される関係となる長方形の要素レンズ６に形成されている。図１０（ｂ）に示すように、俵積み配列との構成の差は、要素レンズ群５では、レンズピッチが｛（√３）／２｝ｐではなくｐとなることが異なる。また、図１０（ｂ）に示すように、要素画像ｗは、傾斜角度φｎにより縦横比の関係が決まり、９０度、１８０度、２７０度の位置以外では、従来の円形要素レンズと比較して視域角を広くできることが可能となる。
【００３７】
図１１（ａ）に示すように、要素レンズ群５は、要素レンズ６を正方配列にしたときの基準線ＳＬに対して基準となる四角形（図１０（ａ）参照）の素子中心線ｈＬが傾斜するように設定され、かつ、直近のレンズ中心を結んだときに直角二等辺三角形となる長方形の要素レンズ６の形状としたものを並列させている。そして、図１１（ｂ）に示すように、要素レンズ群５は、素子中心線ｈＬが水平になるように要素レンズ６が配列される。したがって、要素レンズ群５では、素子中心線ｈＬ上に中心がくる要素画像ｗが、要素レンズ６のピッチｗｐと同じ間隔、要素レンズ６と同じ形状で形成される。
【００３８】
さらに、ＩＰ方式により３次元映像を表示することについて説明したが、多眼方式（１次元ＩＰ方式を含む）による立体映像撮像装置であっても構わない。多眼方式では特定方向の視差のみを有する。そのため、要素レンズ群５を構成する要素レンズ６として、シリンドリカルレンズを適用する。前記シリンドリカルレンズは、視差を有する方向に集光作用があるように設置する。要素画像群を構成する要素画像ｗは、視域を拡大する方向に長いものとし、その方向に直交する方向の視差が拡大する方向よりも小さいか、あるいは視差を有さないものとなる。
【００３９】
また、要素画像ｗは、長方形の外径線を描く範囲の情報として示したが、長方形の概念を含む長尺な形状（長尺形状）であれば、要素画像ｗの中心と要素レンズ（要素光学素子）６の光軸中心点とが一致するように形成した、例えば、ひし形、長い楕円形や小判型あるいは多角形など任意の形とすることも可能となる。
【００４０】
さらに、要素光学素子は、凸レンズである要素レンズとして説明したが、長方形に形成されてその直近の素子中心を結んだ形状が正三角形、あるいは、直角二等辺三角形となる形状であれば、平凸レンズ、凹レンズ、平凹レンズ、非球面レンズ、屈折率分布レンズ、フレネルゾーンプレート、キノフォーム、回折光学素子、ホログラフィック光学素子、液晶レンズ、又は、組み合わせレンズ、ピンホール、可変焦点レンズのいずれかであっても構わない。
【００４１】
なお、要素レンズ６では、フィールドレンズ８Ａを挿入することにより、形状を長方形として同じ大きさの要素画像ｗが形成されることから、要素レンズ６の形状自体が入射する物体光における不要光を除去するように形成されていることになる。
また、要素レンズ６は、正方配列となる場合には、直近となる３つのレンズ中心を結んだ三角形が直角二等辺三角形となるようにした長方形として説明したが、要素光学素子である要素レンズ６は、その直近の４つのレンズ中心を結んだ形状が正方形となるような長方形の形状に形成されていることと同等である。
【００４２】
次に、立体映像撮像装置で実際に３次元立体映像を撮像して、特定方向の視域角の広がりをシミュレーションにより検証した結果を、図１２、図１３を参照して説明する。図１２、図１３に示すように、本願に係る立体映像撮像装置の構成と、要素レンズが円形の立体映像撮像装置の構成とにより実際に視域角の広がりについて、比較してその違いを確認したので、以下に説明する。なお、本願に係る立体映像撮像装置は、図６で既に説明した立体映像撮像装置２１の構成として説明する。
【００４３】
まず、立体映像撮像装置２１は、要素レンズ群５と、フィールドレンズ８Ａと、撮影カメラ９とを備える。そして、立体映像撮像装置２１の構成として、要素レンズ群５の基準線ＳＬに対する傾き角φｎを３０度とした長方形の要素レンズ６を用いて、三次元映像の水平視域角をΩｈとし、垂直視域角をΩｖとし、要素レンズの焦点距離をｆとしたときに、
Ωｈ＝２ｔａｎ−１（ｗｎ／（２ｆ））        …式（１３）
Ωｖ＝２ｔａｎ−１（ｈｎ／（２ｆ））        …式（１４）
となるように構成している。
【００４４】
シミュレーションでは、要素レンズ６のレンズピッチｐ＝１ｍｍ、要素レンズ６の焦点距離ｆ＝３ｍｍ、基準線ＳＬと要素画像ｗの素子中心線ｈＬとの傾斜角φｎ＝３０度とした。このとき、要素レンズ６の長辺ｗｎと短辺ｈｎは、式（１）と（２）より、それぞれ（√３）ｍｍと１／２ｍｍとなる。以上より，三次元映像の視域角は、式（１３）と（１４）より、それぞれ３２．２度と９．５度となる。
【００４５】
また、比較する立体映像撮像装置として、立体映像装置２１と比べて、要素レンズ群の基準線ＳＬに対する傾き角φｎを０度とした円形の要素レンズ６を適用する場合を想定した。このとき、円形の要素画像が形成されるため、要素画像の幅（水平方向の長さ）と高さ（垂直方向の長さ）は等しくなる。以上より、三次元映像の水平視域角Ωｈと垂直視域角Ωｖは、ともに
Ωｈ＝Ωｖ＝２ｔａｎ―１（ｐ／（２ｆ））        …式（１５）
となる。
【００４６】
シミュレーションでは、要素レンズ６のレンズピッチｐ＝１ｍｍ、要素レンズ６の焦点距離ｆ＝３ｍｍ、基準線ＳＬと要素画像ｗの素子中心線ｈＬとの傾斜角φｎ＝０度とした。このとき、三次元映像の水平視域角と垂直視域角は、式（１５）より、ともに１８．９度となる。
【００４７】
シミュレーションにおいて、被写体は２ｃｍ角のチェスパターン１（緑と白）（Ｗｐ１）と４ｃｍ角のチェスパターン２（赤と黄）（Ｗｐ２）とした。これらの被写体を、奥行き制御レンズを用いて、チェスパターン１（Ｗｐ１）は要素レンズ群の２ｃｍ奥（撮影カメラ側）に、またチェスパターン２（Ｗｐ２）は要素レンズ群の２ｃｍ手前（被写体側）に等倍で結像させた状況を想定した。
【００４８】
立体映像撮像装置２１及び従来の比較する立体映像撮像装置で撮像した要素画像群を、計算機により再生計算を行った。ここで、表示系において、要素レンズの形状を円形とし、要素レンズ群を撮像時と同じ傾斜角で配置することで、再生計算を行った。ここで、撮像系と表示系で，ともに凸レンズとして作用する要素レンズを適用する場合、いわゆる奥行反転現象が生じる。そこで、各要素画像を１８０度回転させることで、奥行を元にもどして計算した。
【００４９】
観察者の水平観察方向と垂直観察方向に対する三次元映像の変化を、それぞれ図１２と図１３に示す。ここで、θｘ、θｙは、それぞれ観察者の水平観察方向と垂直観察方向とを表し、０度は真正面から観察した状態を表す。従来手法では、図１２（ｂ）に示すように、水平視域角が１８．９度であるため、水平観察方向が９度のときに視域の端から観察している状態になり、１２度より大きいときにはサイドローブから観察している状態になっていることが分かる。一方、本発明の立体映像撮像装置２１で撮像した場合、図１２（ａ）に示すように、水平視域角が３２．２度であるため、水平観察方向が１５度でもメインローブ内で観察している状態であることが分かる。
【００５０】
また、図１３（ａ），（ｂ）に示すように、垂直観察方向に対する三次元映像の変化に関しては、本発明の立体映像撮像装置２１の視域角が狭く（小さく）なっていることが分かる（図１３（ａ）が本発明、図１３（ｂ）が従来装置）。図１３（ａ）に示すように、本発明の立体映像撮像装置２１では、θｙ＝６度以降において、要素画像がばらばらになってしまい、要素画像として認識できない状態になってしまっていることが分かる。ここで、本発明の立体映像撮像装置１１と比較する立体映像撮像装置との垂直視域角は、それぞれ、９．５度と、１８．９度である。これらの結果より、水平視域角及び垂直視域角の比率を変えることを確認できた。
【符号の説明】
【００５１】
１，１１，２１，３１、４１    立体映像撮像装置
３      奥行制御レンズ
５      要素レンズ群
６      要素レンズ
８Ａ    フィールドレンズ
８Ｂ    拡散スクリーン
９      撮影カメラ
ＧＰ    光軸中心
Ｗ      被写体
ｈＬ    素子中心線
ｈｎ    画像短手長
ｗ      要素画像
ｗｎ    画像長手長
【図１】
0005840050.tif 000002
【図２】
0005840050.tif 000003
【図３】
0005840050.tif 000004
【図４】
0005840050.tif 000005
【図５】
0005840050.tif 000006
【図６】
0005840050.tif 000007
【図７】
0005840050.tif 000008
【図８】
0005840050.tif 000009
【図９】
0005840050.tif 000010
【図１０】
0005840050.tif 000011
【図１１】
0005840050.tif 000012
【図１４】
0005840050.tif 000013
【図１２】
0005840050.tif 000014
【図１３】
0005840050.tif 000015