(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体と撮像手段との間に設置され、平面上の屈折率の分布を動的に変化させる素子と、
前記素子により結像される前記被写体の要素画像を撮影する撮像手段と
を備え、
前記素子は、平面上にレンズと等価な働きを有する複数の領域を形成する一方、前記複数の領域の分布を時間的に変化し、
前記撮像手段は、前記複数の領域で結像される前記被写体の要素画像の全てを撮影することを特徴とする立体画像撮影装置。
【請求項２】
前記撮像手段で撮影された被写体の要素画像を点対称に変換する変換手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の立体画像撮影装置。
【請求項３】
前記素子は、液晶レンズであることを特徴とする請求項１又は２記載の立体画像撮影装置。
【請求項４】
平面上の屈折率の分布を動的に変化させる素子と、
立体画像撮影装置にて撮影された被写体の要素画像を前記屈折率の分布の変化と同期させて表示する表示素子とを備え、
前記素子は、平面上にレンズと等価な働きを有する複数の領域を形成する一方、前記複数の領域の分布を時間的に変化し、
前記表示素子は、前記立体画像撮影装置にて撮影された被写体の要素画像を、その要素画像が撮影されたときの前記屈折率の分布の変化と同期させて順次表示して、
前記素子を介して表示素子に表示された被写体の要素画像を観察させることを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項５】
前記素子は、液晶レンズであることを特徴とする請求項４記載の立体画像表示装置。
【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係り、特に、レンズ群を利用して立体画像を撮影または表示する、所謂ＩＰ（Integral Photography）方式の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】
任意の視点から立体画像の観察を行う立体画像撮影・表示方式の１つとして、平面上に配列されたレンズ群を用いるＩＰ方式が知られている。このようなＩＰ方式の立体画像撮影装置および立体画像表示装置としては、本出願人により出願された「立体画像撮像装置」（特願平７−８５４３７号）があった。
【０００３】
「立体画像撮像装置」（特願平７−８５４３７号）は、テレビジョンカメラの前に複数の凸レンズで構成したレンズ群を設置し、そのレンズ群全体をテレビジョンカメラで撮影し、各凸レンズで撮影した多くの画像を１つのテレビジョンカメラで撮影することにより立体画像を撮影するものである。
【０００４】
以下、図６，図７を参照しつつＩＰ方式の立体画像撮影装置および立体画像表示装置について説明する。図６は、ＩＰ方式の立体画像撮影装置について説明する一例の図を示す。図７は、ＩＰ方式の立体画像表示装置について説明する一例の図を示す。
【０００５】
図６の立体画像撮影装置は、複数（例えば、数百〜数万個）のマイクロレンズ１０１−１〜１０１−ｎが一平面上に配列されたレンズ板１０２と，レンズ板１０２の全体を撮影するテレビジョンカメラ１０４と，計算機１０５とを含むように構成される。
【０００６】
図６の立体画像撮影装置では、複数のマイクロレンズ１０１−１〜１０１−ｎによって結像される被写体１００の像１０３−１〜１０３−ｎをテレビジョンカメラ１０４で撮影する。以後、マクロレンズ１０１−１〜１０１−ｎが結像する夫々の像１０３−１〜１０３−ｎを要素画像と呼ぶ。なお、要素画像１０３−１〜１０３−ｎは、隣り合う他の要素画像と重ならないことが必要である。テレビジョンカメラ１０４で撮影された要素画像１０３−１〜１０３−ｎは、立体再生像の凹凸が反転することを避けるため、計算機１０５で点対称に変換される。立体再生像の凹凸が反転することを避ける為の他の方法は、例えば大越孝敬著「三次元画像工学」（朝倉書店、１９９１年）などに記載されている。
【０００７】
図７の立体画像表示装置では、複数のマイクロレンズ１１１−１〜１１１−ｎが一平面上に配列されたレンズ板１１２と，表示素子１１３とを含むように構成される。まず、図７の立体画像表示装置では、計算機１０５で点対称に変換された要素画像１１４−１〜１１４−ｎを表示素子１１３に表示する。この状態で観察方向１１０からレンズ板１１２を介して表示素子１１３上の要素画像１１４−１〜１１４−ｎを見ると、凹凸の正確な立体再生像１１４が観察される。
【０００８】
観察するとき、立体再生像１１４をレンズ板１１２のマイクロレンズ１１１−１〜１１１−ｎでサンプリングすることになるので、観察される立体再生像１１４の空間周波数は観察者とレンズ板１１２との距離と，マイクロレンズ１１１−１〜１１１−ｎのピッチとに応じて制限されることが「Journal of Optical Society of America A,vol.15,No.8,pp2059-2065,1998」に記載されている。したがって観察位置を固定とした場合、レンズ板１１２に配列されるマイクロレンズ１１１−１〜１１１−ｎのピッチが細かいほど、詳細な立体再生像１１４が観察される。
【０００９】
また、レンズ板１０２，１１２の代わりに多数のピンホールが配列されたピンホールパネルを利用するＩＰ方式も知られている。このようなピンホールパネルを利用するＩＰ方式として、例えばピンホールの位置を動的に変化させることが特開平６−８６３３３号に記載されている。しかし、ピンホールパネルを利用したＩＰ方式は、レンズ板を利用したＩＰ方式と比較して立体再生像が暗く、解像度の低いことが「Journal of Optical Society of America A,vol.15,No.8,pp2059-2065,1998」に記載されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の立体画像撮影装置は、レンズ板１０２に配列されたマイクロレンズ１０１−１〜１０１−ｎの個数だけ要素画像１０３−１〜１０３−ｎを撮影し、その要素画像１０３−１〜１０３−ｎを計算機１０５で処理する。そして、従来の立体画像表示装置は、表示素子１１３にレンズ板１１２に配列されたマイクロレンズ１１１−１〜１１１−ｎの個数だけ要素画像１１４−１〜１１４−ｎを表示していた。ここで、立体画像撮影装置のマイクロレンズ１０１−１〜１０１−ｎの個数と、立体画像表示装置のマイクロレンズ１１１−１〜１１１ｎの個数とは等しいこととする。
【００１１】
したがって、「Journal of Optical Society of America A,vol.15,No.8,pp2059-2065,1998」に記載されているように、観察される立体再生像１１４の最も高い空間周波数は、被写体１００，立体再生像１１４がマイクロレンズ１０１−１〜１０１−ｎ又は１１１−１〜１１１−ｎでサンプリングされる為、マイクロレンズ１０１−１〜１０１−ｎ又は１１１−１〜１１１−ｎのピッチに制限されるという問題があった。
【００１２】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、マイクロレンズのピッチに制限されることなく立体再生像の空間周波数を向上させることが可能な立体画像撮影装置および立体画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、上記課題を解決するため、本発明の立体画像撮影装置は、被写体と撮像手段との間に設置され、平面上の屈折率の分布を動的に変化させる素子と、前記素子により結像される前記被写体の要素画像を撮影する撮像手段とを備え、前記素子は、平面上にレンズと等価な働きを有する複数の領域を形成する一方、前記複数の領域の分布を時間的に変化し、前記撮像手段は、前記複数の領域で結像される前記被写体の要素画像の全てを撮影することを特徴とする。
【００１４】
このような立体画像撮影装置では、平面上の屈折率の分布を動的に変化させることのできる素子を用いて、素子の平面上に例えばマイクロレンズと等価な働きを有する領域を形成する。そして、その領域により結像される被写体の要素画像を例えばテレビジョンカメラ等の撮像手段で撮影する。
【００１５】
つまり、本発明の立体画像撮影装置は、マイクロレンズと等価な働きを有する領域を例えば時間によって異なる位置に形成することにより、その領域により結像される被写体の要素画像が時間によって異なる位置で撮影される。したがって、被写体のサンプル点が増加することになり、立体再生像の空間周波数を向上させることが可能である。
【００１６】
また、本発明の立体画像表示装置は、平面上の屈折率の分布を動的に変化させる素子と、
立体画像撮影装置にて撮影された被写体の要素画像を前記屈折率の分布の変化と同期させて表示する表示素子とを備え、前記素子は、平面上にレンズと等価な働きを有する複数の領域を形成する一方、前記複数の領域の分布を時間的に変化し、前記表示素子は、前記立体画像撮影装置にて撮影された被写体の要素画像を、その要素画像が撮影されたときの前記屈折率の分布の変化と同期させて順次表示して、前記素子を介して表示素子に表示された被写体の要素画像を観察させることを特徴とする。
【００１７】
このような立体画像表示装置では、立体画像撮影装置にて撮影された被写体の要素画像を表示素子に表示する。表示素子に表示される要素画像は時間によって表示位置が異なり、その表示位置に対応するように素子の平面上に形成される屈折率の分布を変化させる。つまり、観察者は素子を介して表示素子を見ることにより、時間によって表示素子の異なる位置に表示される要素画像を観察することができる。したがって、被写体のサンプル点が増加することになり、立体再生像の空間周波数を向上させることが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の立体画像撮影装置の一実施例の構成図を示す。図１の立体画像撮影装置は、二次元平面上での屈折率の分布を時間的に制御し得る例えば液晶レンズ等の素子３と，素子３の全体を撮影するテレビジョンカメラ５と，計算機６とを含むように構成される。
【００２０】
素子３は、二次元平面上にマイクロレンズと等価な働きを持つ複数の領域２−１〜２−ｎを例えば図２に示すように形成する。図２は、マイクロレンズと等価な働きを持つ領域の分布について説明する一例の図を示す。
【００２１】
図２中、実線で表されている複数の領域２ａは、時刻ｔにおける領域の分布を表すものである。また、破線で表されている複数の領域２ｂは、時刻ｔ＋ｎにおける領域の分布を表すものである。つまり、素子３はマイクロレンズと等価な働きを持つ複数の領域を、時刻によって異なる位置に順次形成する。
【００２２】
図１の立体画像撮影装置では、複数の領域２−１〜２−ｎによって結像されるある時刻の被写体１の要素画像４−１〜４−ｎをテレビジョンカメラ５で撮影する。複数の領域２−１〜２−ｎは時刻によって異なる位置に形成される為、被写体１の要素画像４−１〜４−ｎも時刻によって異なる位置で撮影される。
【００２３】
例えば時刻ｔの領域２−１〜２−ｎによって結像された被写体１の要素画像を４−１ａ〜４−ｎａとする。また、時刻ｔ＋ｎの領域２−１〜２−ｎによって結像された被写体１の要素画像を４−１ｂ〜４−ｎｂとする。そして、テレビジョンカメラ５で撮影された要素画像４−１ａ〜４−ｎａ，４−１ｂ〜４−ｎｂは、立体再生像の凹凸が反転することを避けるため、計算機６で点対称に順次変換される。
【００２４】
図３は、本発明の立体画像表示装置の一実施例の構成図を示す。図３の立体画像表示装置は、二次元平面上での屈折率の分布を時間的に制御し得る例えば液晶レンズ等の素子１２と，表示素子１３とを含むように構成される。素子１２は、二次元平面上にマイクロレンズと等価な働きを持つ複数の領域１１−１〜１１−ｎを例えば図４に示すように形成する。図４は、マイクロレンズと等価な働きを持つ領域の分布について説明する一例の図を示す。
【００２５】
図４中、実線で表されている複数の領域１１ａは、時刻ｔにおける領域の分布を表すものである。また、破線で表されている複数の領域１１ｂは、時刻ｔ＋ｎにおける領域の分布を表すものである。つまり、素子１２はマイクロレンズと等価な働きを持つ複数の領域を、時刻によって異なる位置に形成する。
【００２６】
図３の立体画像表示装置では、計算機６で点対称に変換された要素画像１４−１〜１４−ｎを表示素子１３に表示する。例えば時刻ｔの領域２−１〜２−ｎによって結像された被写体１の要素画像を１４−１ａ〜１４−ｎａ、時刻ｔ＋ｎの領域２−１〜２−ｎによって結像された被写体１の要素画像を１４−１ｂ〜１４−ｎｂとすると、要素画像１４−１ａ〜１４−ｎａ，１４−１ｂ〜１４−ｎｂが表示素子１３に順次表示される。
【００２７】
そして、素子１２上に形成される複数の領域１１−１〜１１−ｎの分布を、例えば要素画像１４−１〜１４−ｎが撮影された時刻における複数の領域２−１〜２−ｎの分布と同期させる。この状態で観察方向１０から素子１２を介して表示素子１３上を見ると、複数の領域１１−１〜１１−ｎは時刻によって異なる位置に形成される為、観察者は要素画像１４−１ａ〜１４−ｎａ，１４−１ｂ〜１４−ｎｂを順次観察することができる。
【００２８】
この結果、素子３，１２上に形成される複数の領域の分布を十分高速に変化させることで、観察者が立体再生像１５を観察する際のサンプル点が増加することになり、立体再生像１５の空間周波数を向上させることが可能である。
【００２９】
なお、本実施例では、素子３，１２上に形成されるマイクロレンズと等価な働きを持つ複数の領域２−１〜２−ｎ，１１−１〜１１−ｎを凸レンズと同じ作用と想定していたが、凹レンズと同じ作用であってもよい。複数の領域２−１〜２−ｎ，１１−１〜１１−ｎが凹レンズと同じ作用になるようにすれば、要素画像４−１〜４−ｎを点対称に変換する計算機６が不要となる。
【００３０】
また、本実施例では、立体画像撮影装置の素子３上に形成される領域２−１〜２−ｎの分布と、立体画像表示装置の素子１２上に形成される領域１１−１〜１１−ｎの分布とを時間的に同期させた状態で変化させている。つまり、立体画像撮影装置の素子３上に形成される領域２−１〜２−ｎの分布を時間間隔ｎ毎に変化させる場合、立体画像表示装置の素子１２上に形成される領域１１−１〜１１−ｎの分布もサンプル位置が立体画像撮影装置と同様になるように時間間隔ｎ毎に変化させる。この状態では、立体画像撮影装置と立体画像表示装置とのサンプル点が同じである為、立体画像撮影装置で取得されるサンプル点で決まるナイキスト周波数以上の周波数成分が折り返し成分として立体再生像を劣化させる。
【００３１】
そこで、時刻ｔと時刻ｔ＋ｎとの間の時刻ｔ＋ｎ’に時刻ｔと異なるサンプル点を取得するように、立体画像表示装置の素子１２上に領域１１−１〜１１−ｎを形成する一方、時刻ｔでの要素画像１４−１ａ〜１４−ｎａから時刻ｔ＋ｎ’でのサンプル位置に相当する要素画像を生成する。
【００３２】
したがって、立体画像表示装置のサンプル点が立体画像撮影装置のサンプル点より多い為、立体画像表示装置のナイキスト周波数が立体画像撮影装置のナイキスト周波数を上回り、立体再生像に与える折り返し成分の影響を軽減することが可能である。
【００３３】
図５は、本発明の立体画像撮影装置の他の実施例の構成図を示す。図５の実施例は、素子３上に形成されるマイクロレンズと等価な働きを持つ領域の個数に対してテレビジョンカメラ５Ａ〜５Ｄの画素数が少ない場合に有効である。
【００３４】
図５に示すように、複数のテレビジョンカメラ５Ａ〜５Ｄで素子３全体を範囲３Ａ〜３Ｄに分割して撮影することにより、素子３上に形成されるマイクロレンズと等価な働きを持つ領域の個数に対して画素数の少ないテレビジョンカメラ５Ａ〜５Ｄであっても立体画像撮影装置に利用することが可能である。
【００３５】
なお、被写体１の全体を覆うように素子３を球面状に配置し、図５に示すように複数のテレビジョンカメラで素子３全体を複数の範囲に分割して撮影することも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
上述の如く、本発明の立体画像撮影装置によれば、マイクロレンズと等価な働きを有する領域を例えば時間によって異なる位置に形成することにより、その領域により結像される被写体の要素画像が時間によって異なる位置で撮影される。したがって、被写体のサンプル点が増加することになり、立体再生像の空間周波数を向上させることが可能である。
【００３７】
また、本発明の立体画像表示装置によれば、観察者は素子を介して表示素子を見ることにより、時間によって表示素子の異なる位置に表示される要素画像を観察することができる。したがって、被写体のサンプル点が増加することになり、立体再生像の空間周波数を向上させることが可能である。
【００３８】
以上のように、立体画像撮影装置に含まれる撮像手段および立体画像表示装置に含まれる表示素子の性能に依存することなく、ＩＰ方式による立体再生像の空間周波数を向上させることが可能である。
【００３９】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の立体画像撮影装置の一実施例の構成図である。
【図２】マイクロレンズと等価な働きを持つ領域の分布について説明する一例の図である。
【図３】本発明の立体画像表示装置の一実施例の構成図である。
【図４】マイクロレンズと等価な働きを持つ領域の分布について説明する一例の図である。
【図５】本発明の立体画像撮影装置の他の実施例の構成図である。
【図６】ＩＰ方式の立体画像撮影装置について説明する一例の図である。
【図７】ＩＰ方式の立体画像表示装置について説明する一例の図である。
【符号の説明】
１    被写体
２−１〜２−ｎ，２ａ，２ｂ，１１−１〜１１−ｎ，１１ａ，１１ｂ    領域
３，１２    素子
４−１〜４−ｎ，１４−１〜１４−ｎ    要素画像
５，５Ａ〜５Ｄ    テレビジョンカメラ
６    計算機
１０    観察方向
１３    表示素子
１５    立体再生像
３Ａ〜３Ｄ    範囲
【図１】
0004095245.tif 000002
【図２】
0004095245.tif 000003
【図３】
0004095245.tif 000004
【図４】
0004095245.tif 000005
【図５】
0004095245.tif 000006
【図６】
0004095245.tif 000007
【図７】
0004095245.tif 000008