(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状の記録媒体と該記録媒体と対向してマトリクス状に配列された複数の光学素子からなる立体画像撮影装置において、
前記複数の光学素子はそれぞれ、
球体形状のレンズと、
前記レンズにより結像される像を前記記録媒体へ投影するために前記レンズと前記記録媒体との間に設けられた光学素子であって、前記レンズと対向する第１の端面が半球状の凹面形状を有し、かつ、前記記録媒体と対向する第２の端面が平坦な形状を有する複数の光ファイバからなるファイバ光学素子と、
前記ファイバ光学素子に対応して、該ファイバ光学素子と前記記録媒体間の所定位置に設けられた凸レンズと
を備え、前記複数の光学素子がそれぞれ、前記レンズを介して前記第１の端面に入射した画像を前記第２の端面より前記凸レンズへと出射し、前記凸レンズより出射された画像を前記記録媒体に記録することを特徴とする立体画像撮影装置。
【請求項２】
平面状の表示媒体と該表示媒体と対向してマトリクス状に配列された複数の光学素子からなる立体画像表示装置であって、
前記複数の光学素子はそれぞれ、
球体形状のレンズと、
前記レンズと前記表示媒体の間に設けられた光学素子であって、前記レンズと対向する第１の端面が半球状の凹面形状を有し、かつ、前記表示媒体と対向する第２の端面が平坦な形状を有する複数の光ファイバからなるファイバ光学素子と、
前記ファイバ光学素子に対応して、該ファイバ光学素子と前記表示媒体間の所定位置に設けられた凸レンズと
を備え、前記複数の光学素子がそれぞれ、前記表示媒体に表示された画像を前記凸レンズを介して前記第２の端面より前記ファイバ光学素子に入射し、前記第１の端面より出射された画像を、前記レンズを介して表示することを特徴とする立体画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立体画像撮影装置および立体画像表示装置に関し、特に、平面状の記録媒体または表示媒体を用いて立体画像を撮影または表示する立体画像撮影装置および立体画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、図６、図７を参照しながら、従来の視野角の広い立体画像を撮影する方法について説明する。
従来は図６に示すような、屈折率ｎ２の凸レンズ層１１Ｌと空気層１１Ａと、凸レンズ層１１Ｌと同様の屈折率ｎ２の媒質で充填された層１１Ｎおよび記録媒体１１Ｒにより構成される要素（光学素子）１１Ｅが平面状に（マトリクス状に）多数配列され、この状態で立体画像を撮影する。ここで空気層１１Ａの屈折率ｎ１を１とし、ｎ２は１よりも大きいとする。図６では例として被写体Ｏ１から発せられた光線が屈折される様子について示してある。
【０００３】
被写体Ｏ１から発せられた光線の内、凸レンズ層１１Ｌの主点１１Ｐに角度φ１で入射した光線は凸レンズ層１１Ｌに入射する際に屈折され、空気層１１Ａを通過し、さらに層１１Ｎに入射する際に屈折した後、角度φ２で記録媒体１１Ｒ上の点Ｏ２に到達する。
【０００４】
ここで、点Ｏ２に到達する光線が、隣接する要素（図示せず）の凸レンズ層からの光線と混ざらないようにする必要がある。凸レンズ層１１Ｌの主点１１Ｐから被写体Ｏ１を臨む角度、つまり視野角φ１が大きいと、隣接する要素の凸レンズ層からの光線と混ざってしまう。しかし、記録媒体１１Ｒに記録する前にレンズ層１１Ｌおよび層１１Ｎで屈折させているため、隣接する要素の凸レンズ層からの光線と混ざることなく、視野角φ１を大きく取ることを実現している。
【０００５】
このように、要素１１Ｅと同一構成の要素の数だけの画像を撮影することが出来るが、撮影した画像を表示して観察する前に、要素ごとに画像を１８０度反転する必要がある。図７は、この反転を実現する要素（以下、反転要素と称する）を示している。
【０００６】
図６で示した要素１１Ｅにより撮影した画像を表示媒体１２Ｒａに表示すると、表示された画像から発せられた光線は、屈折率ｎ２の媒質で充填された層１２Ｎと空気層１２Ａ、および層１２Ｎと同様の屈折率の凸レンズ層１２Ｌで構成される反転要素１２Ｅを通過する。通過した光線による画像が、球面状に加工された記録媒体１２Ｒｂ上の点Ｏ３に記録される。図７では例として点Ｏ２に記録された画像を反転する様子が示してある。
【０００７】
反転要素１２Ｅは、凸レンズ層１２Ｌの主点１２Ｐから出射する光線の角度φ３が、撮影時の凸レンズ層１１Ｌの主点１１Ｐから被写体Ｏを臨む角度φ１（図６参照）と等しくなるように構成される。記録媒体１２Ｒｂは図８に示すように平面状に（マトリクス状に）多数配列され、これに対応して反転要素（図示せず）も多数配列される。
【０００８】
次に図９を参照しながら、視野角の広い立体画像を表示する従来方法について説明する。
図７の通りに反転画像を記録した記録媒体１２Ｒｂを表示媒体として用い、記録媒体１２Ｒｂと同様に両面を球面状に加工され、屈折率ｎ２の媒質で充填された層１３Ｅに記録媒体１２Ｒｂを貼り付け、矢印１３Ｖで示す方向から観察する。図９では例として点Ｏ３から発せられた光線を観察する様子を示してある。
【０００９】
点Ｏ３は、被写体Ｏ１から発せられて要素１１Ｅに記録された後に、反転要素１２Ｅにより反転された画像である。各要素および反転要素は平面状に多数配置してあるため、これらの要素に点Ｏ３に対応する画像がある。これら画像からの光線は被写体Ｏ１があった位置（点Ｏ１とする）に収束する。つまり、図９では矢印１３Ｄで示す方向に点Ｏ３からの光線が出射するが、あたかも点Ｏ１の位置から光線が出射しているような状態となる。この結果、矢印１３Ｖの方向から点Ｏ１の位置に立体画像を観察することができる。
【００１０】
ここで、層１３Ｅは凸レンズと同様の作用を持ち、主点に対応する点を１３Ｐとする。点Ｏ３から点１３Ｐを臨むときの１３Ｖ方向に対する角度φ４は、立体画像撮影時の凸レンズ層１１Ｌの主点１１Ｐから被写体Ｏ１を望む角度φ１と等しい。
【００１１】
このようにして、立体画像を撮影する際、被写体からの光線を層１１Ｎで屈折させることで視野角φ１を大きくすることが可能となった。角度φ４は角度φ１と等しいので、結果として角度φ４を大きく取ることができる。図１０は、層１３Ｅを平面状に（マトリクス状に）多数配列した様子を示している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図６および図７に示したように、視野角の広い立体画像を撮影するためには、最終的には球面状に加工した記録媒体１２Ｒｂに記録する必要があった。このため、通常の平面画像を記録する際には平面記録媒体が用いられるが、立体画像を撮影するための球面状の記録媒体と平面記録媒体との互換性が無かった。また動画像として立体画像を撮影するためには、記録媒体として、現時点で頻繁に使用されている電荷結合素子（ＣＣＤ）などを用いることが考えられる。しかし現時点ではＣＣＤは平面状に画素が配列されており、立体画像を撮影する記録媒体との互換性が無かった。
【００１３】
また、視野角の広い立体画像を表示するためには、球面状に加工した表示媒体１２Ｒｂに表示する必要があった。このため、通常の静止画あるいは動画の平面画像を表示する表示媒体との互換性が無かった。
【００１４】
本発明はこれらに鑑みてなされたもので、その目的は、通常の静止画あるいは動画の平面画像を記録または表示する媒体を用いて、視野角の広い立体画像を撮影および表示可能とすることのできる立体画像撮影装置および表示装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために請求項１の発明は、平面状の記録媒体と該記録媒体と対向してマトリクス状に配列された複数の光学素子からなる立体画像撮影装置において、前記複数の光学素子はそれぞれ、球体形状のレンズと、前記レンズにより結像される像を前記記録媒体へ投影するために前記レンズと前記記録媒体との間に設けられた光学素子であって、前記レンズと対向する第１の端面が半球状の凹面形状を有し、かつ、前記記録媒体と対向する第２の端面が平坦な形状を有する複数の光ファイバからなるファイバ光学素子と、前記ファイバ光学素子に対応して、該ファイバ光学素子と前記記録媒体間の所定位置に設けられた凸レンズとを備え、前記複数の光学素子がそれぞれ、前記レンズを介して前記第１の端面に入射した画像を前記第２の端面より前記凸レンズへと出射し、前記凸レンズより出射された画像を前記記録媒体に記録することを特徴とする立体画像撮影装置を実施した。
【００１６】
請求項２の発明は、平面状の表示媒体と該表示媒体と対向してマトリクス状に配列された複数の光学素子からなる立体画像表示装置であって、前記複数の光学素子はそれぞれ、球体形状のレンズと、前記レンズと前記表示媒体の間に設けられた光学素子であって、前記レンズと対向する第１の端面が半球状の凹面形状を有し、かつ、前記表示媒体と対向する第２の端面が平坦な形状を有する複数の光ファイバからなるファイバ光学素子と、前記ファイバ光学素子に対応して、該ファイバ光学素子と前記表示媒体間の所定位置に設けられた凸レンズとを備え、前記複数の光学素子がそれぞれ、前記表示媒体に表示された画像を前記凸レンズを介して前記第２の端面より前記ファイバ光学素子に入射し、前記第１の端面より出射された画像を、前記レンズを介して表示することを特徴とする立体画像表示装置を実施した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
まず、本発明に係る第１実施形態について説明する。本発明実施形態の装置は、被写体の立体画像を撮影する立体画像撮影装置部を備える。
【００１８】
図１を参照しながら、立体画像撮影装置部について説明する。
立体画像撮影装置部は、被写体Ｏ１の像を結像させるボール状レンズ１ＢＬと、１ＢＬボール状レンズにより結像した像を平面状の記録媒体１Ｒへ伝達する細い光ファイバを多数束ねたファイバ光学素子１ＦＯを一つの要素（光学素子）１Ｅとし、要素１Ｅと同一構成の要素を多数平面状に（マトリクス状に）配置されてなる。記録媒体１Ｒは、静止画あるいは動画の平面画像を記録可能なフィルムやＣＣＤを、各要素と同一配列方向に多数配列したものである。図１は、この配列面を水平に示している。
【００１９】
ボール状レンズ１ＢＬとファイバ光学素子１ＦＯの間隔は、被写体の距離に応じて任意に設定することが出来る。ファイバ光学素子１ＦＯは、その図中下端面は平面形状に、他の図中上端面はボール状レンズ１ＢＬの結像面に沿うような凹面形状に加工してある。この凹面の曲率中心はボール状レンズ１ＢＬの主点１Ｐと等しく、その曲率半径はボール状レンズ１ＢＬの曲率半径に、ボール状レンズ１ＢＬとファイバ光学素子１ＦＯとの間隔を加えた値となっている。
【００２０】
また、ファイバ光学素子１ＦＯの幅をボール状レンズ１ＢＬの幅と等しくすることで、隣接要素間でボール状レンズ１ＢＬからの光が漏れ込まないようにしている。実際には、このような要素が平面状に（マトリクス状に）数千個以上配列されて立体画像撮影装置部が構成されるが、図１では、一例として、これらのうち一方向に（Ｍ−１）番目、Ｍ番目、（Ｍ＋１）番目の３つの要素１Ｅを図示した。
【００２１】
被写体Ｏ１から出射してボール状レンズ１ＢＬの主点１Ｐを通過した光線はボール状レンズ１ＢＬの作用により収斂し、ファイバ光学素子１ＦＯに入射する時の結像状態のまま記録媒体１Ｒへと伝達される。ここで、ファイバ光学素子１ＦＯは従来例の図６における層１１Ｎと同様の屈折作用をするため、広い視野角で立体画像を撮影することが可能となる。例えば、Ｍ番目の要素１Ｅから被写体Ｏ１を臨む視野角はθ１である。視野角θ１でボール状レンズ１ＢＬに入射した光線は、記録媒体１Ｒ上で画像Ｏ１Ｍとして記録される。
【００２２】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。本実施形態の装置は、立体画像を表示する立体画像表示装置部を備える。図２を参照しながら、本実施形態の立体画像表示装置部について説明する。
【００２３】
立体画像表示装置部は、表示媒体２Ｒ、凸レンズ２Ｌ、およびファイバ光学素子２ＦＯとボール状レンズ２ＢＬを一つの要素（光学素子）２Ｅとし、要素１Ｅと同一構成の要素を多数平面状に（マトリクス状に）配置されてなる。表示媒体２Ｒは、計算機などにより計算された視差画像、あるいは他の手段で得られた視差画像を表示するもので、静止画あるいは動画の平面画像を表示可能なフィルムやＣＣＤを多数配列されてなる。凸レンズ２Ｌは、表示媒体２Ｒに表示された画像を等倍倒立で投影する。ファイバ光学素子２ＦＯは細い光ファイバを多数束ねたもので、凸レンズ２Ｌにより結像した像をボール状レンズ２ＢＬへ伝達する。
【００２４】
ボール状レンズ２ＢＬとファイバ光学素子２ＦＯの間隔は、立体像の距離に応じて任意に設定することが出来る。ファイバ光学素子２ＦＯは、その図中下端面は平面形状に、他の図中上端面はボール状レンズ２ＢＬの結像面に沿うような凹面形状に加工してある。この凹面の曲率中心はボール状レンズ２ＢＬの主点２Ｐと等しく、その曲率半径はボール状レンズ２ＢＬの曲率半径に、ボール状レンズ２ＢＬとファイバ光学素子２ＦＯとの間隔を加えた値となっている。
【００２５】
凸レンズ２Ｌは、要素２Ｅごとの画像を、その画像領域の中心に対して点対称に等倍で変換（反転）する作用を持つ。この変換作用を実現するためには、表示媒体２Ｒと凸レンズ２Ｌの間隔２Ｌ１と、凸レンズ２Ｌとファイバ光学素子２ＦＯの平坦な上端面との間隔２Ｌ２を、凸レンズ２Ｌの焦点距離の２倍に設定しておく。これにより、被写体空間と同じ奥行き方向を持つ立体像を再現することができる。
【００２６】
なお、実際には、このような要素が平面状に（マトリクス状に）数千個以上配列されて立体画像撮影装置部が構成されるが、図１では、一例として、これらのうち一方向に（Ｍ−１）番目、Ｍ番目、（Ｍ＋１）番目の３つの要素１Ｅを図示した。隣接する要素２Ｅの光が漏れ込まないように、要素と要素の間には遮蔽板２Ｂが配置される。
【００２７】
ここで、Ｍ番目の要素２Ｅについて、視野角の広い立体画像が被写体空間と同じ奥行き方向で再現される様子を説明する。
【００２８】
本実施形態の立体画像撮影装置部のＭ番目の要素１Ｅにより表示媒体２Ｒ上に被写体Ｏ１を記録した画像Ｏ１Ｍは、凸レンズ２Ｌの作用により、ファイバ光学素子２ＦＯの平坦な上端面において画像Ｏ２Ｍに変換される。個々の要素２Ｅで同様な変換がなされるため、矢印２Ｖで示す観察方向から眺めると、被写体空間と同じ奥行き位置の像Ｏ２の位置に立体像を観察することができる。さらに、画像Ｏ２Ｍはファイバ光学素子２ＦＯを通過した後、ボール状レンズ２ＢＬで屈折されて観察者の方向に出射されるため、ボール状レンズ２ＢＬの主点２Ｐを通って観察者の方向に向かう光線の角度θ２、つまり視野角の広い立体画像を観察可能とすることができる。
【００２９】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る第３実施形態について説明する。
本発明に係る第３実施形態の装置は、立体画像を表示する立体画像表示装置部を備え、この立体画像表示装置部は、本発明に係る第２実施形態に記載の立体画像表示装置と構成自体は全く同一とすることができる。本実施形態の表示媒体２Ｒには、本発明に係る第１実施形態に記載の立体画像撮影装置の記録媒体に記録された画像を表示する。この構成により、記録媒体として動画を記録する媒体を用い、また表示媒体として動画を表示する媒体を用いれば、動画としての立体画像の記録および表示を実時間で実現することが可能となる。
【００３０】
（各種変形例）
＊第１変形例
本発明に係る第２および第３実施形態では、立体画像表示装置部において、凸レンズ２Ｌにより要素２Ｅごとの画像を点対称に等倍で変換したが、この変換は第１実施形態の立体画像撮影装置部において行ってもよい。要素１Ｅを第２および第３実施形態の立体画像表示装置部の要素とするように変形すること、および、要素２Ｅを第１実施形態の立体画像撮影装置部の要素とするように変形することにより、同様の効果を得ることができる。
【００３１】
＊第２変形例
本発明に係る第２および第３実施形態の立体画像表示装置部において要素２Ｅごとの画像を点対称に等倍で行った変換を、点対称に縮小して変換するように変形することができる。本変形例の構成例を図３に示す。本変形例の立体画像表示装置部は、表示媒体２Ｒ、凸レンズ３Ｌ、ファイバ光学素子３ＦＯ、ボール状レンズ３ＢＬを一つの要素（光学素子）３Ｅとし、要素３Ｅと同一構成の要素を多数平面状に（マトリクス状に）配置されてなる。
【００３２】
ボール状レンズ３ＢＬは、その曲率中心と主点３Ｐが同一点にあり、図示の通り異なる２種類の曲率半径を持つ構造を採っている。ボール状レンズ３ＢＬとファイバ光学素子３ＦＯの間隔は、立体像の距離に応じて任意に設定することが出来る。ファイバ光学素子３ＦＯは、その図中上端面は平面形状に、他の図中下端面はボール状レンズ１ＢＬの結像面に沿うような凹面形状に加工してある。この凹面の曲率中心はボール状レンズ３ＢＬの主点３Ｐに等しく、曲率半径はボール状レンズ３ＢＬの上部半球体の曲率半径に、ボール状レンズ３ＢＬとファイバ光学素子３ＦＯの間隔を加えたものである。
【００３３】
凸レンズ３Ｌは、要素３Ｅごとの画像を、その画像領域の中心に対して点対称に縮小して変換（反転）する作用を持つ。この変換作用を実現するためには、表示媒体２Ｒと凸レンズ３Ｌの間隔３Ｌ１を凸レンズ３Ｌの焦点距離より大きくし、表示媒体２Ｒからの画像が結像する場所にファイバ光学素子３ＦＯの平坦な上端面が位置するように、凸レンズ３Ｌとファイバ光学素子３ＦＯの平坦な上端面との間隔３Ｌ２を設定しておく。
【００３４】
本変形例の構成を採用することで、ボール状レンズ３ＢＬから出射される、より高精細な画像によって立体画像が構成されるため、より解像度の高い立体像が生成されるという効果が得られる。
【００３５】
＊第３変形例および第４変形例
上記各実施形態および各変形例においては、要素ごとの画像を点対称に等倍、あるいは縮小して変換する作用を持たせる光学素子として凸レンズを用いていたが、凸レンズに代えて屈折率分布レンズ、あるいはテーパー状屈折率分布レンズを用いても同様の作用を実現することができる。
【００３６】
図４は、立体画像表示装置部の凸レンズ２Ｌの代わりに屈折率分布レンズ４ＧＬを用いた第３変形例の構成を示す。図５は、第２変形例の立体画像表示装置における凸レンズ３Ｌの代わりにテーパー状屈折率分布レンズ５ＧＬを用いた第４変形例の構成を示す。
【００３７】
図５においてテーパー状屈折率分布レンズ５ＧＬは、面積の大きい方の平坦な端面（図中上端面）を表示媒体２Ｒと密着し、面積の小さい方の平坦な端面（図中下端面）をファイバ光学素子３ＦＯと密着している。図４におけるテーパー状屈折率分布レンズ４ＧＬは上端面と下端面の面積が等しく、上端面を表示媒体２Ｒと密着し、下端面をファイバ光学素子２ＦＯと密着している。
【００３８】
テーパー状屈折率分布レンズ４ＧＬと５ＧＬは、ある長さで入射端面における画像を出射端面に結像させる作用を持つ。この長さを１ピッチとすると、テーパー状屈折率分布レンズ４ＧＬあるいはテーパー状屈折率分布レンズ５ＧＬの図中垂直方向の長さは０．５ピッチとすればよい。
【００３９】
＊その他
なお、上記各実施形態および各変形例では、立体画像撮影装置部において、ファイバ光学素子の平坦な端面における画像を端面に記録媒体を密着させて記録したが、端面における画像を別の光学系で平面状の記録媒体に投影して記録することもできる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明に係る立体画像撮影装置によれば、通常の静止画あるいは動画の平面画像を記録する記録媒体が平面状であっても、球体形状のレンズにより結像される像をファイバ光学素子によって平面状記録媒体に投影することで、視野角の広い立体画像を記録することができる効果がある。
【００４１】
本発明に係る立体画像表示装置によれば、通常の静止画あるいは動画の平面画像を表示する表示媒体が平面状であっても、表示媒体に表示された画像を凸レンズ、ファイバ光学素子、および球体形状のレンズを介して表示することで、視野角の広い立体画像を表示することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る立体画像撮影装置部の第１実施形態により立体画像を撮影する様子を示す側面構成図である。
【図２】本発明に係る立体画像表示装置部の第２実施形態により立体画像を表示する様子を示す側面構成図である。
【図３】本発明装置の第２変形例を示す側面構成図である。
【図４】本発明装置の第３変形例を示す側面構成図である。
【図５】本発明装置の第４変形例を示す側面構成図である。
【図６】従来の立体画像を撮影する方法を示す側面構成図である。
【図７】従来の要素要素（光学素子）ごとの画像を変換する方法を示す側面構成図である。
【図８】従来の要素ごとの画像を変換した画像を記録する媒体を示す側面構成図である。
【図９】従来の立体画像を表示する方法を示す側面構成図である。
【図１０】従来の立体画像表示装置部の要素を多数配列した様子を示す側面構成図である。
【符号の説明】
１ＢＬ，２ＢＬ，３ＢＬ  ボール状レンズ
１Ｅ，２Ｅ，３Ｅ  要素（光学素子）
１ＦＯ，２ＦＯ，３ＦＯ  ファイバ光学素子
１Ｒ，２Ｒ，  記録媒体
２Ｌ，３Ｌ  凸レンズ
２Ｂ  遮蔽板
４ＧＬ，５ＧＬ  屈折率分布レンズ
【図１】
0003990532.tif 000002
【図２】
0003990532.tif 000003
【図３】
0003990532.tif 000004
【図４】
0003990532.tif 000005
【図５】
0003990532.tif 000006
【図６】
0003990532.tif 000007
【図７】
0003990532.tif 000008
【図８】
0003990532.tif 000009
【図９】
0003990532.tif 000010
【図１０】
0003990532.tif 000011