(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を受光できる３個以上の複数個の受光器を有する受光器列部と走査機構とを備え、前記受光器列部は、空間上のある視点を通過する光の中の限られた立体角の光を受光できると共に、それぞれ同一の前記視点を通過する光の中の異なる方向へ進む光を受光できるように配置されており、前記走査機構は前記視点または前記視点の像を縦横に走査する構成を有しており、更に、前記走査機構の走査によって前記受光器列部へ入射した光量の時間変化を電子的に測定し、記録または伝送する機構を具備していることを特徴とする立体カメラ。
【請求項２】
請求項１において、前記走査機構は、ポリゴン鏡、ガルバノ鏡、及び、ＡＯ結晶のうちの少なくとも一つからなる光走査機器によって構成されていることを特徴とする立体カメラ。
【請求項３】
３個以上の複数個の光源と走査機構とを備え、前記複数個の光源は、空間上のある集光点に限られた立体角で集光すると共に、それぞれ同一の前記集光点に異なる方向から集光するように配置されており、前記走査機構は、前記集光点または前記集光点の像を縦横に走査する機構を有し、更に、電子的な立体映像情報に基づいて前記光源の光量を変調する変調機構を具備していることを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項４】
請求項３において、前記走査機構は、ポリゴン鏡、ガルバノ鏡、及びＡＯ結晶のうちの少なくとも一つからなる光走査機器によって構成されていることを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項５】
光を受光できる３個以上の複数個の受光器を有する受光器列部と走査機構とを備え、前記受光器列部は、空間上のある視点を通過する光の中の限られた立体角の光を受光できると共に、それぞれ同一の前記視点を通過する光の中の異なる方向へ進む光を受光できるように配置されており、前記走査機構は前記視点または前記視点の像を縦横に走査する構成を有しており、更に、前記走査機構の走査によって前記受光器列部へ入射した光量の時間変化を電子的に測定し、記録または伝送する機構を具備している立体カメラと、
３個以上の複数個の光源と走査機構とを備え、前記複数個の光源は、空間上のある集光点に限られた立体角で集光すると共に、それぞれ同一の前記集光点に異なる方向から集光するように配置されており、前記走査機構は、前記集光点または前記集光点の像を縦横に走査する機構を有し、更に、電子的な立体映像情報に基づいて前記光源の光量を変調する変調機構を具備している立体ディスプレイとを備え、
更に、可動ミラーもしくはハーフミラー等の光路分岐機構を具備し、前記光路分岐機構により、前記立体カメラの視点の位置と前記立体ディスプレイの焦点の位置が同一の位置になるよう分岐し、単一の走査する機構を共用するように構成することを特徴とする立体映像システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、医療分野、工業分野、一般家庭等において三次元の立体動画映像を電子的に入力する立体カメラ、電子的な信号を元に立体動画映像を表示する立体ディスプレイ、及び、これら立体カメラ、立体ディスプレイとを含む立体映像システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の立体カメラおよび立体ディスプレイとして、「三次元画像工学」（大越孝敬  著、産業図書）、「三次元画像」（稲田修一  編著、昭晃堂）、「３次元ディスプレイ」（増田千尋  著、産業図書）等の文献において、様々な方式が提案されている。
【０００３】
これら従来の立体カメラのうち、ステレオカメラと知られる代表的な一例を図１１に示す。図１１に示す例では、人が左右の二眼で物体を観察する場合と同様に、被写体１の像が左右の結像レンズ２により２枚の写真乾板３２に写し撮られている。このとき、２枚の写真乾板に記録される映像は、結像レンズの間隔分の視差を持つため、三角測量の場合と同様の原理で立体情報として記録されることになる。図１１に示された写真乾板を撮像管や固体撮像素子に置き換えた電子式のステレオカメラもある。更に、結像レンズや写真乾板の数を増やして、多数の方向からの視差を記録する、所謂、多眼式の立体カメラも提案されている。
【０００４】
他方、従来の立体ディスプレイのうち、ステレオスコープと知られた代表的な一例を図１２に示す。この立体ディスプレイでは、図１１のステレオカメラで撮影した左右の画像にあたる２枚の写真３３を鏡３４を通して、左右の眼３５で観察することにより、立体映像を表示できる。即ち、２枚の写真には視差を持つ映像が記録されているため、これら２枚の写真３３を鏡３４を通して見れば、人は両眼視差により撮影した物体を立体的に認識できるのである。
【０００５】
写真３３をブラウン管や液晶に置き換えた電子式の立体ディスプレイも提案されており、且つ、写真の数を増やして、多数の方向からの視差像を表示する、所謂、多眼式の立体ディスプレイも提案されている。
【０００６】
更に、図１３に示された立体カメラは、従来の立体カメラのもう一つの代表的な方式である小さな円筒レンズ（レンティキュラーレンズ）を用いた立体カメラである。図１３に示されているように、この立体カメラでは、小さな円筒レンズを多数並べたレンティキュラー・シート（以下、ＬＳと略称する）３６を写真乾板３２に密着させ、物体１の像を写真乾板に記録する。ここで、ＬＳ３６の各々の円筒レンズに対して、写真乾板上には物体を様々な方向から見た像が記録されるため、立体情報を記録する事ができる。
【０００７】
ここで、人の両眼は通常の姿勢では水平方向に配置されているので両眼視差は水平方向の視差であり、人は歩行や首の回転等で水平方向に視点を移動する機会は多いが、垂直方向にはあまり視点を動かさない。したがって、実際には垂直視差はあまり重要ではなく、水平方向の視差像しか記録・表示しないＬＳ方式を採用しても、充分な立体感が得られるのである。
【０００８】
尚、ＬＳでは、上記したように、水平方向の視差像しか表示できないため、理論上は球面レンズを多数並べたインテグラル・フォトグラフィ（以下、ＩＰ）の方が自然な立体像を表示できるが、多数の球面レンズを並べたフライズ・アイ・レンズの製作や写真乾板との位置合わせが非常に困難であることから実用化されていないのが実情である。
【０００９】
一方、図１４には、従来のレンティキュラー・シート（ＬＳ）３６を用いた立体ディスプレイの一例が示されている。図示されているように、ＬＳ３６の焦点面に写真３３が置かれ、このＬＳ３６の背後から照明されている。観察者２１がこのディスプレイをＬＳ３６の前方から観察すると、ＬＳ３６の各々の円筒レンズを通して写真上の縦線が円筒レンズの幅に拡大されて見える。この時、円筒レンズを見る方向によって写真上の線の位置が異なるので、写真上に観察方向に応じた視差をもった縦線を記録しておく事により、写真全体で空間に立体像１５を観察できるのである。
【００１０】
他に、ホログラフィと呼ばれるコヒーレント光の干渉を用いた立体像の記録再生方法もあるが、ホログラフィを用いた立体像の記録再生については、「ホログラフィックディスプレイ」（辻内順平  編著、産業図書）、「１９９０年１月、エス・ピー・アイ・イー・プロシーディングス、第１２１２号、１７４頁（SPIE Proceedings, Vol.1212, p.174., January, 1990 ）」等の文献に詳細に記述されているので、ここでは説明を省略する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の二眼式のステレオカメラおよびステレオスコープや、２つの視差像によるＬＳを用いたディスプレイの場合、２枚の画像の両眼視差により観察者は立体感を得るが、撮影の際のレンズ間隔とカメラから被写体までの距離等によって輻輳角が固定されてしまうために、観察の際に両眼の輻輳角が立体像までの距離に対応した輻輳角と合わないという問題がある。さらに、撮影の際の画像の焦点位置が固定されてしまうために、焦点面から離れた物体の像がぼやけてしまうという問題がある。これらの問題のために長時間観察を続けると多くの人が頭痛や吐き気を感じたり、場合によっては視覚障害や神経障害を起こすという医学的に重大な課題がある。
【００１２】
多眼式のステレオカメラおよびステレオスコープの場合、視差の数を増す事により上記の不自然な立体視の問題を緩和することができる。しかし、多くのカメラやプロジェクタを並べる為には装置が巨大化してしまうという課題がある。
【００１３】
多視差のＬＳやＩＰを用いた立体カメラおよび立体ディスプレイの場合、画素の寸法を一定と仮定すると視差の数を増やすためにはレンズの間隔を広げなければならない。ハロゲン化銀フィルムによる写真や映画の場合には画素の寸法が小さいので視差数をある程度増やす事も可能である。
【００１４】
しかしながら、電子式の立体カメラおよび立体ディスプレイの場合、画素の寸法がハロゲン化銀フィルムよりも大きいので視差数が多くなるとレンズ間隔が増大して立体画像の分解能が低下するという課題がある。例えば、画素の寸法が０．１ｍｍの液晶パネルにＬＳを密着させて３０視差の画像を表示する場合、ＬＳのピッチは３ｍｍになり、画像としても３ｍｍの分解能しか表示できない。また、ＬＳ面の近傍にある立体の深度解像限界は、前記文献「三次元画像工学」によると、
［深度解像限界］＝２×［レンズ間隔］×［視距離］÷［両眼間隔］
である。観察者からＬＳまでの距離（視距離）を５００ｍｍ、人間の両眼間隔を６２．５ｍｍとすると、上記の設計条件の場合の深度解像限界は４８ｍｍ程度となり、かなり悪い値になる。
【００１５】
多視差のＬＳやＩＰを用いた立体ディスプレイの場合、表示画像を作成する方法が難しい。一見、同一の構成のＬＳやＩＰを用いた立体カメラで撮影した画像を用いる事で容易に作成できるようにも、考えられる。しかしながら、実際には、前記文献「三次元画像工学」等にも記されているように、撮影した画像を前後反対から観察する事になってしまうため、そのままでは立体の前後が元の物体と逆になった像（以下、逆視像）しか表示できない。例えば、人間の顔を撮影した場合には、能面を内側から見た場合のような奇妙な像になる。
【００１６】
このような逆視像を元の像に復元することは容易ではなく、通常は画像の計算機処理や特殊な回路による処理が必要である。光学的に逆視像を復元する方法として、同一ピッチの２枚のＬＳを用いることも提案されているが、位置合わせに高い精度が要求されるという問題がある。
【００１７】
更に、立体の動画像を記録、又は、再生することは、上記した従来の方式のいずれも、不向きであると言う欠点もある。
【００１８】
本発明の目的は、小型で、且つ、立体の動画像を記録するのに適した立体カメラを提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、立体の動画像を再生するのに適した小型の立体ディスプレイ装置を提供することである。
【００２０】
本発明の更に目的は、逆視像の問題なく、簡単に立体像を再生できる立体映像システムを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光を受光できる３個以上の複数個の受光器を有する受光器列部と走査機構とを備え、前記受光器列部は、空間上のある視点を通過する光の中の限られた立体角の光を受光できると共に、それぞれ同一の前記視点を通過する光の中の異なる方向へ進む光を受光できるように配置されており、前記走査機構は前記視点または前記視点の像を縦横に走査する構成を有しており、更に、前記走査機構の走査によって前記受光器列部へ入射した光量の時間変化を電子的に測定し、記録または伝送する機構を具備した立体カメラが得られる。
【００２２】
更に、本発明によれば、複数個の光源と走査機構とを備え、前記複数個の光源は、空間上のある集光点に限られた立体角で集光すると共に、それぞれ同一の前記集光点に異なる方向から集光するように配置されており、前記走査機構は、前記集光点または前記集光点の像を縦横に走査する機構を有し、更に、電子的な立体映像情報に基づいて前記光源の光量を変調する変調機構を具備する立体ディスプレイが得られる。
【００２３】
また、本発明によれば、光を受光できる複数個の受光器を有する受光器列部と走査機構とを備え、前記受光器列部は、空間上のある視点を通過する光の中の限られた立体角の光を受光できると共に、それぞれ同一の前記視点を通過する光の中の異なる方向へ進む光を受光できるように配置されており、前記走査機構は前記視点または前記視点の像を縦横に走査する構成を有しており、更に、前記走査機構の走査によって前記受光器列部へ入射した光量の時間変化を電子的に測定し、記録または伝送する機構を具備している立体カメラと；複数個の光源と走査機構とを備え、前記複数個の光源は、空間上のある集光点に限られた立体角で集光すると共に、それぞれ同一の前記集光点に異なる方向から集光するように配置されており、前記走査機構は、前記集光点または前記集光点の像を縦横に走査する機構を有し、更に、電子的な立体映像情報に基づいて前記光源の光量を変調する変調機構を具備している立体ディスプレイとを備え；更に、可動ミラーもしくはハーフミラー等の光路分岐機構を具備し、前記光路分岐機構により、前記立体カメラの視点の位置と前記立体ディスプレイの焦点の位置が同一の位置になるよう分岐し、単一の走査する機構を共用するように構成した立体映像システムが得られる。
【００２４】
【実施例】
次に、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施例に係る立体カメラの全体構成を示す図であり、ここでは、水平光路を主に示している。水平光路に関わる立体カメラの全体的な構成は、結像レンズ２と、ポリゴン鏡３と、垂直走査部４と、受光器列部５と、ビデオレコーダ１２と、伝送線路１３とからなる。
【００２６】
図２は、図１に示した立体カメラの垂直光路を示す構成図であり、図に示すように、水平光路に関わる構成に加え、垂直走査部４に、ガルバノ鏡８、及び、鏡９が設けられている。実際には、図１に示すように、ポリゴン鏡３の手前に結像レンズ２があり、受光器列部５の横にビデオレコーダ１２と、伝送線路１３とが設けられているが、図２では重複を避けるために省略されている。
【００２７】
図３は、図１に示された第１の実施例の受光器列部の構成図である。受光器列部５は、複数の集光レンズ１０と、複数の開口を持つアパーチャ１１と、複数の受光器６とによって構成されている。
【００２８】
次に、図１、図２、及び、図３を用いて、この実施例に係る立体カメラの動作を説明する。視点７を通過する光を、結像レンズ２とポリゴン鏡３と垂直走査部４を通して、受光器列部５に導く。視点７は結像レンズ２の焦点面上にあり、視点７を通った光は結像レンズ２で平行な光束に変換される。このとき、光束の中心からの距離は視点７への入射角に対応し、その対応はポリゴン鏡３や垂直走査部４を通って、受光器列部５に入射するまで維持される。
【００２９】
受光器列部５には、複数の集光レンズ１０がアレイ状に配置されており、受光器列部５に入射する光束は各々の集光レンズ１０に入射する光に分割される。集光レンズ１０の焦点面上にアパーチャ１１を配置し、アパーチャ１１の複数の開口により、視点７以外を通った光を遮光する。アパーチャ１１の後方に各々の集光レンズ１０を通った光を受光する受光器６を配置し、光量を電気信号に変換する。このとき、各々の受光器６に入射する光量は、視点７を特定の入射角で通過した光の光量になる。このように、各受光器６は、同一の視点７を通過する光の内、異なる方向へ進む光を受光するように、配置されている。
【００３０】
また、結像レンズ２の焦点の位置にポリゴン鏡３の反射面が置かれており、このポリゴン鏡３を回転させると、視点７を透過する光の視点７に対する入射角と受光器列部５への入射角との関係は、一定に保たれたまま、視点７を水平走査される。また、ガルバノ鏡８を振動させると、視点７を垂直走査できる。
【００３１】
図３には、図を簡略化するために集光レンズ１０や受光器６を５組だけ記したが、実際には、マイクロレンズやフォトダイオードアレイが多数並べられている。具体的には、結像レンズ２の焦点距離を１００ｍｍとし、１ｍｍ間隔で３０個の集光レンズ１０や受光器６を並べた。この時、各々の受光器６に入る光は視点７を通る光を０．５７度刻みで受光したものであり、３０個の受光器６全体で約１７度の範囲を受光できる。
【００３２】
実際に、図示された立体カメラにおけるポリゴン鏡３の反射面の数を１６面とし、毎分６０００回転で回転させると共に、ガルバノ鏡８を３２Ｈｚ程度の鋸歯状波で駆動した場合、ガルバノ鏡が１往復する間にポリゴン鏡は５０面が回転するので、家庭用のテレビと同様なラスタースキャンにより走査線数５０本、毎秒３１フレームの更新速度で、視点７を２次元に移動させることができる。
【００３３】
したがって、視点７の前方に被写体１を置くと、各々の受光器６からの信号の時間変化は被写体１を一定の方向から見た視差像に相当するため、各々の受光器６からの信号の時間変化をビデオレコーダ１２にて記録したり、伝送線路１３により他の機器へ伝送したりすることにより被写体１の視差像の動き、即ち、立体動画像を記録・伝送できる。
【００３４】
上記した例の場合、視差像は、約１７度の範囲を０．５７度刻みで３０方向から見たものであり、視差の刻みが非常に小さいことが特徴である。
【００３５】
本発明では、複数個の受光器６を並べているため、立体カメラ全体の構成が巨大化することはない。
【００３６】
また、個々の視差像の分解能はＬＳ方式の立体カメラのように視差数に依存する事はない。ここで、フォトダイオードの周波数帯域を１ＭＨｚとしても、水平方向の１回の走査で６２５画素分の情報を分解でき、従来の家庭用テレビと同等の画素数を撮影できる。１ＭＨｚの周波数帯域は、通信用のフォトダイオード等で容易に得られる値である。
【００３７】
このようにして撮影した立体動画像の表示については、後述する。
【００３８】
図４は、図１に示された立体カメラに使用できる受光器列部５の他の例を示す図であり、他の部分は、図１および図２に示された実施例と同様である。図示された受光器列部５は、第１の凸レンズ１４ａと、第２の凸レンズ１４ｂと、アパーチャ１１と、複数の受光器６とによって構成されている。
【００３９】
以下、図１、図２、及び、図４を用いて、この実施例に係る動作を説明する。図１及び図２に示されたのと同様な過程で受光器列部５に入射した光束は、第１の凸レンズ１４ａで集光される。第１の凸レンズ１４ａの焦点には、アパーチャ１１が置かれ、視点７以外を通った光は遮光される。
【００４０】
一方、アパーチャ１１の後方に第２の凸レンズ１４ｂが配置されており、アパーチャ１１の開口が第２の凸レンズ１４ｂの焦点位置になるように配置されている。第２の凸レンズ１４ｂを透過した光束の中に多数の受光器６を並べると、各々の受光器６に入射する光量は、視点７を特定の入射角で通過した光の光量になる。その他の動作は図３の受光器列部５の動作と同様であるので、説明を省略する。
【００４１】
図４には、図を見やすくするために受光器６を５個だけ記したが、実際には、フォトダイオードが多数を並べられている。具体的には、第１の凸レンズ１４ａの焦点距離を３０ｍｍ、第２の凸レンズ１４ｂの焦点距離を１５０ｍｍにし、５ｍｍ間隔で３０個の受光器６が配列された。結像レンズ２は第１の実施例と同じものを用い、視差像の刻みも０．５７度と同じ仕様となっている。
【００４２】
２枚の凸レンズとアパーチャによる空間フィルタを構成することにより、受光器の間隔を広げる事ができ、マイクロレンズやフォトダイオードアレイでなく通常のレンズやダイオードで構成できる。この場合にも、図３の特徴が損なわれることはない。
【００４３】
図１乃至図４に示した実施例では、視点７を結像レンズ２の焦点面上に配置した。この条件は結像レンズ２を通った光束を平行光とすることで、ポリゴン鏡３の大きさを最小にするためであり、視点７を通る光が各々の受光器５に導けるような配置であれば、視点７を結像レンズ２の焦点面以外に置いても良い。結像レンズ２の焦点の位置にポリゴン鏡３の反射面を置いたのは、個々の受光器６の信号が被写体１を一定の方向から見た視差像にして再生・表示を容易にするためであり、必ずしも焦点に置かなくてもよい。垂直走査に関しては、ガルバノ鏡８と結像レンズ２の間に円筒レンズを挿入して結像レンズ２の焦点にガルバノ鏡を位置付け、ガルバノ鏡に結像させると、水平走査面の光路を水平に保ったまま視点７を垂直走査できるので再生・表示が容易になる。
【００４４】
また、視点７の走査方法として、ポリゴン鏡３を高速で回転させ、ガルバノ鏡８を３２Ｈｚの鋸歯状波で駆動するラスタースキャンを用いたが、ガルバノ鏡８の代わりに共振型スキャナを用いて垂直方向に８ｋＨｚ程度の高速で往復走査し、水平走査のポリゴン鏡３の回転数を遅くしたり、ポリゴン鏡３の代わりにガルバノ鏡を用いてもよい。
【００４５】
図４では、受光器列部５に入射した光束を、第１の凸レンズ１４ａで集光したが、光学的には結像レンズ２と第１の凸レンズ１４ａからなる複合レンズにて、視点７の像をアパーチャ１１に結像させていると考える事ができ、第１の凸レンズ１４ａを省略したり、間に他のレンズを加えてもかまわない。また、アパーチャ１１の後方に第２の凸レンズ１４ｂを配置して光束を平行に戻したが、受光器６を放射状に配置するなどで第２の凸レンズ１４ｂを省略しても良い。
【００４６】
図５は、本発明の他の実施例に係る立体ディスプレイを説明するための図であり、ここでは、立体ディスプレイの水平光路を示している。水平光路に関わる全体的な構成は、垂直拡散板２０と、結像レンズ２と、ポリゴン鏡３と、垂直走査部４と、光源列部１７と、変調器１９と、伝送線路１３とによって構成されている。
【００４７】
図６は、図５に示された立体ディスプレイの垂直光路を示す構成図であり、ここでは、垂直拡散板２０が設けられている。垂直拡散板２０とは、垂直方向に曲率を持つ円筒レンズのアレイなど、垂直方向にのみ光を拡散する板で、ここではレンティキュラーシートを横に向けたものを用いた。実際には、ポリゴン鏡３の手前に垂直走査部４と、光源列部１７と、変調器１９と、伝送線路１３があるが、図６では重複を避けるために省略されている。垂直走査部４は図２の垂直走査部４と同様であり、ガルバノ鏡８と、鏡９とによって構成されている。
【００４８】
図７は、図５及び図６に示された立体ディスプレイの光源列部を示す構成図である。光源列部１７は、複数のコリメートレンズ２２と、複数の光源１８とによって構成されている。
【００４９】
次に、図５、図６、図７を用いて、本実施例に係る立体ディスプレイの動作を説明する。複数の光源１８を出た光は、コリメートレンズ２２、垂直走査部４、結像レンズ２を通して、集光点１６に導かれ、垂直拡散板２０を通して観察者２１によって観察される。
【００５０】
この例の場合、光源１８は、コリメートレンズ２２の焦点に置かれ、コリメートレンズ２２を通った光は平行光になる。光源１８とコリメートレンズ２２を平行に配置し、光源列部１７を出る光は平行光が並んだ光束にされる。この光束は、ガルバノ鏡８やポリゴン鏡３を通っても維持され、結像レンズ２の焦点面上に集光される。このような配置にすると、１つの光源１８の光は集光点１６を特定の角度で通過する光になり、個々の光源１８の強度を変調する事により集光点１６を通過する光の角度に対する強度を任意に変調する事が出来る。
【００５１】
図１乃至図４を参照して説明した立体カメラの場合と同様に、結像レンズ２の焦点の位置にポリゴン鏡３の反射面を置き、ポリゴン鏡３を回転させると、光源１８と集光点１６を透過する光の角度の関係を一定に保ったまま集光点１６を水平走査できる。また、ガルバノ鏡８を振動させると、集光点１６を垂直走査できる。
【００５２】
このように、ポリゴン鏡３とガルバノ鏡８を駆動する事で、集光点１６を高速に２次元的に走査することができる。１つの光源１８を走査に併せて変調するときの画像は、特定の方向からの視差像になるため、多数の光源１８からの視差像を集光点１６を走査する面上に重ね合わせる事になり、集光点１６の前後に光源１８の数の視差像を投影できる。光源１８を図７のように水平方向にのみ並べる場合には、集光点１６を通る光は水平面内にのみ分布するため、図６に示すように、視差像を投影する空間の先に垂直拡散板２０を置いて垂直方向に散乱させると、観察者２１は垂直拡散板２０を通して視差像を投影した空間に立体像１５を観察できる。伝送線路１３からの立体映像情報により変調器１９にて多数の光源１８の光量を変調し、変調に同期して走査を行う事により、立体動画像を表示できる。
【００５３】
図７には、図を簡略化するために、光源７やコリメートレンズ２２を５組だけ図示したが、実際には、マイクロレンズやアレイレ−ザを多数配列することによって構成される。具体的には、結像レンズ２の焦点距離を１００ｍｍとし、１ｍｍ間隔で３０個の光源１８やコリメートレンズ２２を並べた。この時、各々の光源１８から投影する視差像は０．５７度刻みの視差で、３０個の光源１８全体で約１７度の範囲に画像を投影できる。
【００５４】
観察者２１が集光点１６から５００ｍｍ離れた位置で観察すると、人間の両眼間隔は６２．５ｍｍ程度なので、画像の投影範囲が約１７度あれば９０ｍｍ程の余裕をもって両眼で立体像を観察できる。さらに、人間の瞳孔は室内では５ｍｍ程度の大きさで開いているので、視差像の刻みが０．５７度以下であれば単眼の瞳孔内にも２つ以上の視差像が入射することになる。単眼の瞳孔内に２つ以上の視差像が入射すると、眼球が空間上の立体像１５の位置に焦点調節を行えば網膜上で２つの視差像が重なり、両眼視差や輻輳だけでなく焦点調節までも機能する自然な立体像を表示する事ができる。見え方が自然なため、長時間観察しても疲労感はなく、医学的な問題はない。この立体画像の仕様は、図１乃至図４の立体カメラによって撮影された画像と同一である。このことは、図１乃至図４の立体カメラでは両眼視差や輻輳だけでなく焦点調節までも機能する自然な立体像を撮影できることも示している。
【００５５】
ポリゴン鏡やガルバノ鏡による２次元走査の動作も、前述した立体カメラの場合と同一なので説明を省略する。
【００５６】
上記した構成を採用した場合、立体ディスプレイ自体が巨大化することはない。また、個々の視差像の分解能はＬＳ方式の立体プロジェクタのように視差数に依存する事もない。水平方向の１回の走査で６２５画素を表示するとしても光源の周波数帯域は１ＭＨｚであり、従来の家庭用テレビと同等の画素数を撮影できる。１ＭＨｚの周波数帯域は、半導体レーザや通信用ＬＥＤの直接変調等で容易に得られる値である。
【００５７】
図８は、図５及び図６に示した立体ディスプレイに使用できる光源列部の他の構成を示す図である。図８に示された光源列部１７は、複数の光源１８と、マスク２３と、複数の投影レンズ２４とによって構成されている。
【００５８】
以下、図５、図６、及び、図８を用いて、本実施例の動作を説明する。光源１８を出た光でマスク２３を照明し、マスク２３の先に投影レンズ２４をマスク２３が焦点になるように配置して、マスク２３の開口を無限遠方に投影する。このような光源１８、マスク２３の開口、投影レンズ２４の組を多数平行に並べ、光源列部１７を出る光を多数の平行光が並んだ光束にする。その他の動作は前述した実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００５９】
マスクを集光点に投影することにより、ＬＥＤ等のコリメートが困難な光源を使っても集光点に小さなスポットを形成できる。この場合にも、図５及び図６に示した実施例の特徴が損なわれることはない。
【００６０】
図９は、図５及び図６に示した立体ディスプレイに使用できる光源列部１７の他の例である。図示された光源列部１７は、第１の凸レンズ１４ａと、第２の凸レンズ１４ｂと、複数の光源１８とによって構成されている。
【００６１】
図５、図６、図９を用いて、本実施例の動作を説明する。光源１８として、平行光を放出する多数の光源が平行に並べられている。多数の光源１８からの平行光は、第２の凸レンズ１４ｂにて１点に集光され、第１の凸レンズ１４ａにて再び平行光に戻される。その他の動作は前述した実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００６２】
第１の凸レンズ１４ａと第２の凸レンズ１４ｂの焦点距離の比率に応じて光束の幅を任意に変換できるため、ガスレーザ等の寸法の大きな光源を用いても視差の刻みを小さくする事ができる。この場合にも、図５及び図６を参照して説明した実施例の特徴が損なわれることはない。
【００６３】
図５乃至図９に示された立体ディスプレイでは、集光点１６を結像レンズ２の焦点面上に置いたが、この条件は結像レンズ２を通った光束を平行光とすることでポリゴン鏡３の大きさを最小にできるためであり、各々の光源１８を出た光が集光点１６を通るような配置であれば、集光点１６を結像レンズ２の焦点面以外に置かれても良い。結像レンズ２の焦点の位置にポリゴン鏡３の反射面を置いたのは、個々の光源１８の投影像が立体像１５を一定の方向から見た視差像となるようにして元画像の記録および画像信号の処理を容易にするためであり、必ずしも焦点に置かなくてもよい。垂直走査に関しては、ガルバノ鏡８と結像レンズ２の間に円筒レンズを挿入して結像レンズ２の焦点にガルバノ鏡を結像させると、水平走査面の光路を水平に保ったまま集光点１６を垂直走査できるので再生・表示が容易になる。また、２次元走査の方法もポリゴン鏡とガルバノ鏡でなくてもよい。
【００６４】
図９の例では、第２の凸レンズ１４ｂで集光した光を、再び第１の凸レンズ１４ａで平行光に戻したが、光学的には第２の凸レンズ１４ｂの集光点の像を第１の凸レンズ１４ａと結像レンズ２からなる複合レンズにて集光点１６に結像させていると考える事ができ、第１の凸レンズ１４ａを省略したり、間に他のレンズを加えたりしてもかまわない。また、光源１８を平行に配置して第２の凸レンズ１４ｂで集光したが、光源１８を放射状に配置するなどで第２の凸レンズ１４ｂを省略しても良い。
【００６５】
図１乃至４を参照して説明した立体カメラで撮影した画像を、図５乃至図９を参照して説明した立体ディスプレイで表示する場合、光学系の構成が相似であれば個々の受光器および光源による視差像の構成も相似となるため、計算機等による画像処理を行わなくても元の被写体が立体像となって観察できる。従って、従来は立体画像は情報量が膨大なために計算処理に多大な時間を要して、動画像を取り扱う事が困難であったが、本発明により実時間での立体動画像の記録・再生が可能になる。
【００６６】
図１０は、本発明の更にもう一つの実施例に係る立体映像システムを説明するための図であり、ここでは、水平光路が示されている。水平光路に関わる全体的な構成は、垂直拡散板２０と、結像レンズ２と、ポリゴン鏡３と、垂直走査部４と、ハーフミラー２５と、受光器列部５と、ビデオレコーダ１２と、伝送線路１３と、光源列部１７と、変調器１９とによって構成されている。
【００６７】
垂直走査部４の構成は図２と同一であり、垂直拡散板２０の配置は図６と同一であるので省略する。
【００６８】
撮影の際には、撮影・表示位置２６に被写体を置き、結像レンズ２の焦点２７を視点にして、ハーフミラー２５を介して、前述した立体カメラの場合と同様にして、立体動画像を撮影する。表示の際には、立体ディスプレイの場合と同様に、光源列部１７を出た光束をハーフミラー２５を通して焦点２７に集光し、視差像を表示すると、観察者２１は垂直拡散板２０を通して撮影・表示位置２６に立体像を観察する。その他の動作は、先に説明した立体カメラ及び立体ディスプレイと同様であるので、説明を省略する。
【００６９】
図１０のように、走査系および結像系を共有し、ハーフミラー２５により光路を分岐することにより、１台の装置で立体動画像の撮影および表示が可能な立体カメラおよび立体ディスプレイを構成する事ができる。また、走査系および結像系を共有しているので、撮影時と表示時の光学系の構成を同一にする事が容易で、計算機等による画像処理を行わなくてもよい。
【００７０】
図１０を参照してより具体的に説明すると、図１０において、立体２６を左からみた視差像が伝わる第１の信号線２８の画像を第３の信号線３０を伝わる信号にて表示すると、観察者２１から見ると左から投影される視差像になり、立体２６を右からみた視差像が伝わる第２の信号線２９の画像を第４の信号線３１を伝わる信号にて表示すると、観察者２１から見ると右から投影される視差像になる。つまり、受光器６と光源１８の左右の結線を反転させることにより、計算機や特殊な回路による補正を行わなくても逆視像の問題を極めて容易に回避できる。これは、前述した立体カメラ及び立体ディスプレイの場合でも同様である。
【００７１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の一実施例に係る立体カメラは、空間上のある視点を通過する光の中の限られた立体角の光のみを受光するよう光学的に構成された受光器を複数個具備している。この場合、各々の受光器は同一の前記視点を通過する光の中の異なる方向へ進む光を受光するように配置されているから、前記視点または前記視点の像をポリゴン鏡やガルバノ鏡やＡＯ結晶等の光走査機器を用いて高速に縦横に走査する機構から前記受光器へ入射した光量の時間変化を電子的に測定し、記録または伝送することにより、観察者が自然に観察できる立体動画像を小型の装置で撮影できるという効果がある。
【００７２】
更に、本発明の他の実施例に係る立体ディスプレイは、空間上のある集光点に限られた立体角で集光するよう光学的に構成された光源を複数個具備している。この場合、各々の光源が同一の前記集光点に異なる方向から集光するように、光源が配置されているから、前記集光点または前記集光点の像をポリゴン鏡やガルバノ鏡やＡＯ結晶等の光走査機器を用いて高速に縦横に走査する機構と電子的な立体映像情報に基づいて前記光源の光量を変調することにより、観察者が自然に観察できる立体動画像を小型の装置で表示できるという効果がある。
【００７３】
また、上記した立体カメラ及び立体ディスプレイを、可動ミラーもしくはハーフミラー等の光路分岐機構と組み合わせることにより、１台の装置で撮影と表示ができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る立体カメラの全体構成を説明するための構成図である。
【図２】図１に示された立体カメラに使用できる垂直光路を示す構成図である。
【図３】図１に示された立体カメラに使用できる受光器列部の一例を示す構成図である。
【図４】図１に示された立体カメラに使用できる受光器列部の他の例を説明するための構成図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る立体ディスプレイの全体構成を説明するための構成図である。
【図６】図５に示された立体ディスプレイに使用できる垂直光路を説明するための構成図である。
【図７】図５に示された立体ディスプレイに使用できる光源列部の一例を示す構成図である。
【図８】図５に示された立体ディスプレイに使用できる光源列部の他の例を示す構成図である。
【図９】図５に示された立体ディスプレイに使用できる光源列部のもう一つの例を示す構成図である。
【図１０】本発明の第３の実施例に係る立体映像システムを説明するための構成図である。
【図１１】従来のステレオカメラの構成を示す図である。
【図１２】従来のステレオスコープの構成を示す図である。
【図１３】従来のレンティキュラーシートを用いた立体カメラの構成を説明するための図である。
【図１４】従来のレンティキュラーシートを用いた立体ディスプレイの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
１．被写体、２．結像レンズ、３．ポリゴン鏡、４．垂直走査部、５．受光器列部、６．受光器、７．視点、８．ガルバノ鏡、９．鏡、１０．集光レンズ、１１．アパーチャ、１２．ビデオレコーダ、１３．伝送線路、１４ａ．第１の凸レンズ、１４ｂ．第２の凸レンズ、１５．立体像、１６．集光点、１７．光源列部、１８．光源、１９．変調器、２０．垂直拡散板、２１．観察者、２２．コリメートレンズ、２３．マスク、２４．投影レンズ、２５．ハーフミラー、２６．撮影・表示位置、２７．焦点、２８．第１の信号線、２９．第２の信号線、３０．第３の信号線、３１．第４の信号線、３２．写真乾板、３３．写真、３４．鏡、３５．眼、３６．レンティキュラー・シート（ＬＳ）
【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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【図１３】
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【図１４】
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