(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ作用を有する同一長かつ複数の光ファイバーを、当該光ファイバーの両端で２次元状の同一配列となるように構成する光ファイバー群とすることで、立体像を撮像かつ伝送かつ表示する立体画像装置において、
前記光ファイバーのそれぞれの長さを、該光ファイバー内の光路の半周期の奇数倍としたことを特徴とする立体画像装置。
【請求項２】
前記光ファイバーとして、半径方向に２乗特性のような不均一な屈折率分布をもつ光ファイバーを用いることを特徴とする請求項１に記載の立体画像装置。
【請求項３】
前記光ファイバー群を偶数用いて、各光ファイバー群を所定間隔離して直列配置して立体像を撮像、伝送および表示することを特徴とする請求項１または２に記載の立体画像装置。
【請求項４】
前記光ファイバー群の光ファイバーに平行光が入射した場合に、当該光ファイバー内で結像する面に、縮小光学系あるいは拡大光学系あるいは回転光学系が挿入されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の立体画像装置。
【請求項５】
前記光ファイバー群の光ファイバーに平行光が入射した場合に、当該光ファイバー内で結像する面に、光増倍装置が挿入されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の立体画像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立体画像を光学伝送する立体画像装置に関し、いわゆるインテグラル・フォトグラフィー[integral photography （ＩＰ）］技術を応用した光学式の立体画像装置に関する。
【０００２】
なお、インテグラル・フォトグラフィーは立体画像方式の一つであって、昆虫の複眼のような微小レンズを用いるものである。
【０００３】
【従来の技術】
インテグラル・フォトグラフィー技術を応用した光学式立体画像装置としては、例えば図１に示すように、半径方向に２乗特性のような不均一な屈折率分布を持つことなどにより、レンズ作用を有する同一長かつ複数の光ファイバー（グレイテッドインデックス光ファイバー）１０を、その長さが光路の１周期の整数倍とし、その光ファイバーの両端で同一の２次元配列（以下、「光ファイバー群」という）となるように構成することで、立体像（被写体）１１を撮像、伝送及び表示する立体画像装置が特願平１０−１１７３５５号に開示されている。
【０００４】
この先願発明によれば、立体画像を光学伝送路の規模を大きくすることなく、かつ、光を電気信号にすること無く、長い距離にわたって伝送することができ、光ファイバーを屈曲できるように製作すれば、伝送路を屈曲することも可能となる。また、光ファイバー途中の特定の場所に、拡大、縮小、光増倍素子を挿入することで、立体像を拡大、縮小、光増倍することもできる。従って、この先願装置は立体画像を提供する内視鏡やボアスコープなどとして応用することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記特願平１０−１１７３５５号の先願発明においては、図１に示すように、再生立体像１２は光ファイバー１０の端面の背後（つまり、光ファイバー群の中）にしか生成できず、この立体像を光ファイバーの前面に空中像として表示することができないという解決すべき課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上述の課題を解決し、立体像を光ファイバーの前面に空中像として表示することができるようにした立体画像装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、レンズ作用を有する同一長かつ複数の光ファイバーを、当該光ファイバーの両端で２次元状の同一配列となるように構成する光ファイバー群とすることで、立体像を撮像かつ伝送かつ表示する立体画像装置において、前記光ファイバーのそれぞれの長さを、該光ファイバー内の光路の半周期の奇数倍としたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、好ましくは、前記光ファイバーとして、半径方向に２乗特性のような不均一な屈折率分布をもつ光ファイバーを用いる。
【０００９】
また、好ましくは、前記光ファイバー群を偶数用いて、各光ファイバー群を所定間隔離して直列配置して立体像を撮像、伝送および表示する。
【００１０】
また、好ましくは、前記光ファイバー群の光ファイバーに平行光が入射した場合に、当該光ファイバー内で結像する面に、縮小光学系あるいは拡大光学系あるいは回転光学系を挿入する。
【００１１】
また、好ましくは、前記光ファイバー群の光ファイバーに平行光が入射した場合に、当該光ファイバー内で結像する面に、光増倍装置を挿入する。
【００１２】
本発明では、半径方向に２乗特性のような不均一な屈折率分布を持つようにしてレンズ作用を有する同一長かつ複数の光ファイバーを、その長さが光路の半周期の奇数倍となるようにし、また光ファイバーの両端が互いに同一の２次元配列となるように構成する光ファイバー群を複数用いるので、立体再生像を光ファイバーの前面に空中像として表示することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
光ファイバーの屈折率が半径方向の中心部で高く、周辺部へ行くに従い小さくなる例として、
【００１５】
【数１】
0003790371.tif 000002
【００１６】
で示される特性を持つ光ファイバー１０に光が入射すると、半径方向の中心部（軸中心部）ほど屈折率が高いために、図２に示すように、光線は蛇行し、ある特定の点で結像し、レンズ作用を持つ。この原理は１９６４年、D.MARCUSE らによって見出され、その詳細は、The Bell System Technical Journal.(July,1964) 等に記載されている。ここで、当該光ファイバーの光線マトリックス，つまり入射光の位置、角度と出射光の位置、角度との関係は以下の式（２）のように表わせる。
【００１７】
【数２】
0003790371.tif 000003
【００１８】
【数３】
0003790371.tif 000004
【００１９】
であり、図３に示すような関係にある。
【００２０】
本願発明者らの発明である特願平１０−１ｌ７３５５号の立体画像装置では、撮像部、表示部を接続、一体化し、当該光ファイバー１０の長さＺ0 を、
【００２１】
【数４】
0003790371.tif 000005
【００２２】
とし、それを図４に示すように、２次元に配列・構成し、この光ファイバー群（光ファイバー束）の出射端面において、立体画像を直接観察できるようにしている。
【００２３】
ここで上記（３）式において、θ＝２πに相当する長さが光ファイバー内の光路の１周期に相当する。
【００２４】
上記（３）式を満たす光ファイバー長の場合、上記（２）式から、ｒ1 ＝ｒ2 、ｒ′1 ＝ｒ′2 となり、図５で示すように、入射光線の角度φi と出射光線の角度φ0 が等しい性質がある。この光ファイバーを図４に示すように、２次元に配列すれば、入射端面での被写体からの光線の方向が、出射端面で再現されることになる。
【００２５】
従って、図１に示すように、出射端面側において、入射端から被写体までの距離と同じ距離に、かつ被写体と同じ大きさで、再生像が得られる。この状態は前述したように、再生立体像は光ファイバー１０の端面の背後にしか生成できず、立体像を光ファイバーの前面に空中像として表示することができない。
【００２６】
一方、立体像を光ファイバーの前面に表示するために光ファイバーの長さＺ0 を、
【００２７】
【数５】
0003790371.tif 000006
【００２８】
に対応する長さとすると、図６に示すように、ｒ1 ＝−ｒ2 、ｒ′1 ＝−ｒ′2 となり、入射光線の角度φi と出射光線の角度φ0 が符号が逆で絶対値が等しくなる。
【００２９】
そこで、図７に示すように、各光ファイバー１０の端面の中心から出射した光線を考えると、入射側の光線を入射端面に対称に折り返した形になり、光の進行方向、つまり光ファイバー１０の外側に入射端から被写体１１までと同じ距離ｄ1 の位置で交わる。つまり、この交点Ｐに再生像１２ができる。
【００３０】
この場合には、上記（３）式の条件と異なり、各光ファイバー１０の端面の全面から出た光は、図６に示すように、出射端側で仮想集光点Ｐ′から光が出力されたように、ある広がりをもって進行する。これらのことから、入射光側の三角形ＯＯ1 Ｏ3 と出射光側の三角形Ｐ′Ｐ3 Ｐ1 が逆合同すなわち入射光側の三角形ＯＯ1 Ｏ3 と線対称な三角形Ｏ′Ｏ1 Ｏ3 と出射光側の三角形Ｐ′Ｐ1 Ｐ3 が合同となっていることが分かる。従って、仮想集光点Ｐ′から見た再生像の位置Ｐが、仮想集光点Ｐ′から光ファイバー１０の出射端までの距離の２倍の距離２ｄ1 にあることから、この広がりは、再生面において、一つの光ファイバーの出射側端面から出る光束の広がりＤ0 の２倍の２Ｄ0 となり、この広がりの分、ぼけた像となる。しかし、このぼけは端面が小さい場合には問題とならない。
【００３１】
結局、この状態は被写体１１と同じ大きさで再生像１２が得られることになるが、被写体とは反対の方向から見ることなるため、凹凸が逆転した状態となる。つまり、光ファイバー１０の出射端面の外側に凹凸の逆転した像（再生像）を、被写体と入射端面までの距離と同じ距離に、同じ大きさで得ることができる。
【００３２】
この状態では、凹凸が逆転するため、図８に示すように、この光ファイバー群をある程度の間隔をおいて直列に２組または偶数組用いることで、この凹凸を解消することが本発明の特徴である。この場合のある程度の間隔とは、第１の光ファイバー群１０−１の作る像（第１像）が第２の光ファイバー群１０−２の入力端面の前方にあるようにすれば（即ち、図８中、ｄ2 を負としない）、第２の光ファイバーの作る像（第２像）は光ファイバー端の外側に空中像として凹凸が正しいものとなる。つまり、図８の配置構成では、凹凸の逆転が２度起こるため、結果として凹凸が正しい像となり、第１、２のファイバー群１０−１、１０−２は空中像を作るから、再生像（第２像）は空中像となる。
【００３３】
また、図９で示すように、当該光ファイバーの、
【００３４】
【数６】
0003790371.tif 000007
【００３５】
を満たす面、つまり入射側の光ファイバー１０Ａに平行光が入力した場合に、当該光ファイバー１０Ａ内で結像する面に、拡大光学系２１を挿入することにより、再生立体像の大きさを被写体に比べて拡大できる。同様に、この拡大光学系を縮小光学系とすれば、再生立体像を小さくできる。
【００３６】
これら拡大、縮小光学系として、ファイバーオプティックプレート（浜松ホトニクス株式会社製品）などがある。この場合でも、当該光学系の光ファイバーの全部の長さは、上記（４）式を満たすことが必要である。
【００３７】
また、ファイバーオプティックプレートと同様のファイバー光学系（米国：ＩＮＣＯＭ社製品）で回転できるものを拡大光学系２１に代えて同位置に挿入することで、立体像を回転させることもできる。
【００３８】
さらに、同じ位置にイメージインテンシファイヤーなどの光増倍装置を挿入することで表示画像の明るさを増倍したり、伝送損失による明るさの低下を補うことができる。
【００３９】
（他の実施形態）
また、当然ながら、本願発明者らが発明した特願平１０−１１７３５５号に記載の発明と同様に、光ファイバー群を屈曲できるように製作すれば、本発明の伝送路を屈曲することも可能となる。例えば、各光ファイバー自体は柔軟性があるので、光ファイバー群の両端位置だけを締め付ける固定器具、または接着剤を付けたり、あるいは光ファイバー群の外側を自在に屈曲した状態を保持できる、例えば形状記憶合金、形状記憶樹脂、鉛や銅のワイヤ、またはゴムや軟性のプラスチックのチューブなどで光ファイバ群を覆うようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レンズ作用を有する同一長かつ複数の光ファイバーを、当該光ファイバーの両端で２次元状の同一配列となるように構成する光ファイバー群とすることで、立体像を撮像かつ伝送かつ表示する立体画像装置において、光ファイバーの長さを、光ファイバー内の光路の半周期の奇数倍としたので、立体像を光を電気信号にすること無く、長い距離にわたって伝送することができ、得られる立体像は光ファイバー端面の外側に位置する空中像となる。
【００４１】
また、本発明によれば、この光ファイバー群をある程度の間隔をおいて直列に２組用いることで、凹凸の逆転を解消することが出来る。
【００４２】
また、本発明によれば、光ファイバー途中の特定の場所に、拡大、縮小、回転の光学素子を挿入することで、立体像を拡大、縮小、回転することもできる。さらに光増倍素子を挿入することで表示画像の明るさを増倍したり、伝送損失による明るさの低下を補うことができる。
【００４３】
また、本発明の伝送路を屈曲することも可能である。
【００４４】
従って、本発明による立体画像装置は立体画像を提供する内視鏡やボアスコープなどとして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】先願の特願平１０−１１７３５５号で記載の立体像再生の様子を示す光路図である。
【図２】光ファイバーの動作原理図を示す光路図である。
【図３】光ファイバーの入射光線と出射光線を示す光路図である。
【図４】基本単位の光ファイバーを２次元配列した光ファイバー群を示す概念図である。
【図５】先願の特願平１０−１１７３５５号で記載されている光ファイバー長の例（θ＝４π）を示す光路図である。
【図６】本発明の一実施形態の立体画像装置における入射光線と出射光線の関係を示す光路図である。
【図７】本発明の一実施形態の立体画像装置における１つの光ファイバー群による被写体と再生像の関係を示す光路図である。
【図８】本発明の一実施形態の立体画像装置における２つの光ファイバー群による被写体と再生像の関係を示す光路図である。
【図９】本発明の一実施形態の立体画像装置における再生立体像の拡大を示す構成図である。
【符号の説明】
１０  光ファイバー
１０−１、１０−２  光ファイバー群
１１  被写体
１２  再生像
２１  拡大光学系
【図１】
0003790371.tif 000008
【図２】
0003790371.tif 000009
【図３】
0003790371.tif 000010
【図４】
0003790371.tif 000011
【図５】
0003790371.tif 000012
【図６】
0003790371.tif 000013
【図７】
0003790371.tif 000014
【図８】
0003790371.tif 000015
【図９】
0003790371.tif 000016