JP2003075946A

JP2003075946A - 立体撮像装置

Info

Publication number: JP2003075946A
Application number: JP2001266420A
Authority: JP
Inventors: Fumio Okano; 文男岡野; Atsushi Arai; 淳洗井; Tomoyuki Mishina; 智之三科; Mitsuo Yamada; 光穗山田; Maki Kobayashi; 真樹小林
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【課題】再生像のぼけや、また、奥行き歪みを生じる
ことのない立体撮像装置を提供することを課題とする。【解決手段】立体撮像装置１０は、被写体１から離間
して配置され正の縦倍率を有し、かつその縦倍率と横倍
率の比を１または−１とする奥行き制御光学レンズ系２
と、この奥行き制御光学レンズ系から離間して配置さ
れ、一平面上にレンズを複数配列してなる要素画像生成
レンズ群３と、この要素画像生成レンズ群が生成する前
記被写体の要素画像全体を撮像する位置に配置される撮
像手段４と、を備える構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズ群を利用し
た立体テレビジョン、いわゆるintegral photography
（ＩＰ）立体方式の立体撮像装置に係り、特に、光学系
の構成に特徴を備える立体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、任意の視点から自由に立体画像
を見ることが可能な立体テレビジョン方式の一つとし
て、平面上に配列された凸レンズ群あるいはピンホール
群を利用したＩＰ（integral photography）立体方式の
立体撮像装置が知られている。このＩＰ立体方式の立体
撮像装置について、凸レンズ群を用いた構成を示す図１
０〜図１５を参照して説明する。

【０００３】図１０は従来のＩＰにおける被写体の要素
画像の撮影を模式的に説明した模式図、図１１は従来の
ＩＰにおける被写体の要素画像に基づいた立体画像の再
生を模式的に説明した模式図、図１２は撮像した被写体
の状態を示す模式図、図１３（ａ）は被写体を撮像する
状態を示す模式図、（ｂ）は撮像した被写体を再生する
状態を示す模式図、図１４は従来の立体撮像装置の構成
を示す模式図、図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はレンズ
の縦倍率を説明するための模式図である。

【０００４】図１０および図１１に示すように、従来の
ＩＰ立体方式では、一例として、被写体１０１の再生像
を生成する場合は、はじめに、撮像装置を用い被写体１
０１を写真フィルム１０３に撮像し、つぎに、この写真
フィルム１０３を現像した写真フィルム１０４を用いて
立体再生像１０５を生成している。

【０００５】図１０に示すように、前記撮像装置は、同
一平面上に配列された複数の凸レンズ（以下、各凸レン
ズを要素レンズという）１０２₁，１０２₂…１０２_nか
らなるレンズ群１０２と、このレンズ群１０２の後方に
配置された写真フィルム１０３とから構成されている。

【０００６】そして、この撮像装置は、レンズ群１０２
の前方に配置した被写体１０１を、各凸レンズ１０
２₁，１０２₂…１０２_nを介して結像する被写体１０１
の光学結像１０３₁，１０３₂…１０３_nを写真フィルム
１０３に撮像している。さらに、図１１に示すように、
撮像、現像した写真フィルム１０４をレンズ群１０２に
対して撮像したときと同じ配置に設定し、その状態でレ
ンズ群１０２の前方から観察者１０６が観察すると、写
真フィルム１０４上の各要素画像１０４ ₁，１０４₂…１
０４_nをレンズ群１０２を介して立体再生像１０５とし
て見えるように構成されている。

【０００７】なお、実際には図１１の状態で観察者１０
６が立体再生像１０５を見たときには、奥行きが反転す
る偽立体像となるため、各要素画像１０４₁，１０４₂…
１０４_nは、図１２に示すように、その中心を線対称の
中心（×で示す）０ａとして、別途手段により点対称の
位置に変換することで、奥行きの正しい立体像を得てい
る（例えば、特開平１０−１５０６７５号公報）。

【０００８】従来のＩＰ方式による立体撮像装置は、レ
ンズ群（レンズ板）（図１０の１０２）より被写体が離
れるほど、レンズの回折の影響や、また、解像度の影響
を受けることが原因となり、要素レンズが生成する要素
画像による再生像がぼける性質を持っている。そのた
め、従来のＩＰ方式による立体撮像装置は、この再生像
のぼけを矯正することができなかった。なお、再生像が
ぼける性質をもつことについては、「Optical Engineer
ing Vol.38 No.6 June 1999 pp1072-1077」などに記載
されている

【０００９】また、図１３（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、被写体１１１を、ファイバレンズ群１１２を介して
フィルム１１３に撮像し、そのフィルム１１３を現像し
たフィルム１１４により再生する場合、再生像１１５の
位置は、原理的に、被写体１１１の位置と同じである。
そのため、再生像１１５は、観察者１１６から見てレン
ズ板（レンズ群）１１０の背後に位置することとなる。

【００１０】前記立体撮像装置は、視覚的な要求とし
て、再生像１１５をレンズ板１１０の前（観察者側）に
位置させることが望まれる場合もあるが、原理的には前
記の構成では、その要求に応えることはできなかった。
そこで、再生像１１５の位置に対する改善と、さらに、
前記した再生像のぼけを解消するため、従来、奥行き制
御レンズを備える装置の構成が提案されている。

【００１１】この奥行き制御レンズを備える立体撮像装
置は、図１４に示すように、奥行き制御レンズ１２２
と、光ファイバ群（レンズ群）１２３と、集光レンズ１
２４とを介して被写体１２１の倒立像１２１ａを作り出
し、その倒立像１２１ａをテレビジョンカメラなどの撮
像手段１２５により撮像する構成としている。

【００１２】そして、撮像した倒立像１２１ａは、ＬＣ
Ｄ１２６からレンズ群１２７を介して再生することで、
観察者１２９が、正立像として、そのレンズ群１２７の
前（レンズ群１２７と観察者１２９側の間）に、かつ、
ぼけのない状態で生成されて、観察できるものとして構
成されていた（詳細は「Optical Engineering Vol.38N
o.6 June 1999 pp1072-1077」参照）。なお、前記構成
の立体撮像装置は、奥行き制御レンズ１２２と、光ファ
イバ群１２３との位置関係によって、奥行き制御レンズ
による光学像（再生像）の生成位置を制御している。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
立体撮像装置では、以下に示すような問題点が存在して
いた。すなわち、立体撮像装置は、奥行き制御レンズを
用いることで、レンズ群の前（レンズ群と観察者側の
間）に、かつ、ぼけのない状態で、被写体の再生像を再
生するようにしているが、奥行き制御レンズを使用する
構成上、被写体と、その奥行き制御レンズと、生成され
る光学像（再生像）との位置関係において、奥行き歪み
に対する改善については考慮されておらず解消すること
ができなかった。

【００１４】なお、前記奥行き歪みに対する説明を、図
１５を参照して説明する。図１５に示すように、光学像
の縦倍率は、光学像の位置（被写体の位置）に応じて変
化することを意味しており、被写体ｙ_aから奥行き制御
レンズまでの距離ａと、奥行き制御レンズから光学像ｙ
_bまでの距離ｂとの関係を示す（１／ａ）＋（１／ｂ）
＝１／ｆの式から導かれる縦倍率Ｍ_Z＝Δｂ／Δａ＝ｆ²
／（ａ＋ｆ）²および横倍率Ｍ_L＝−（ｙ_b／ｙ_a）＝ｆ／
（ａ＋ｆ）からつぎのようなことが分かる。すなわち、
奥行き歪みは、（│Ｍ_Z／Ｍ_L│）＞１の場合あるいは
（│Ｍ_Z／Ｍ_L│）＜１の場合に、被写体が奥行き方向に
歪むことを示している。

【００１５】したがって、被写体に対する従来の立体撮
像装置は、前記構成の奥行き制御レンズを使用している
以上、この奥行き歪みを制御することは困難であった。
なお、縦倍率とは、被写体に対する光学像の奥行き方向
の倍率であり、縦倍率が負であることは、被写体に対し
て光学像の奥行きが反転していることを意味する。

【００１６】本発明は前記した従来の技術が有する問題
点を解決するために創案されたものであり、再生像のぼ
けや、また、奥行き歪みを生じることのない立体撮像装
置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる立体撮像
装置は、前記課題を解決するため、つぎのように構成し
た。すなわち、被写体から離間して配置され、正の縦倍
率を有し、かつその縦倍率と横倍率の比を１または−１
とする奥行き制御光学レンズ系と、この奥行き制御光学
レンズ系から離間して配置され、前記被写体の要素画像
を写すための要素レンズを平面上に複数配列してなる要
素画像生成レンズ群と、この要素画像生成レンズ群が生
成する前記被写体の要素画像を撮像する撮像手段と、を
備える構成とした。

【００１８】このように構成されることにより、立体撮
像装置は、被写体を再生するための入射光がはじめに正
の縦倍率を有する奥行き制御光学レンズ系により受光さ
れ、奥行き歪みを生じることなく要素画像生成レンズ群
を介して要素画像が生成される。そして、要素画像生成
レンズ群を介して生成された要素画像は、撮像手段によ
り撮像される。

【００１９】また、前記立体撮像装置において、前記奥
行き制御光学レンズ系は、焦点距離が等しい二枚の凸レ
ンズを、その凸レンズにおける焦点距離の二倍の距離を
隔てた位置に配置する構成とした。

【００２０】このように構成されることにより、立体撮
像装置は、奥行き制御光学レンズ系となる二枚の凸レン
ズにより被写体からの反射光を、その二枚の凸レンズの
一方で受光して、一旦被写体の光学像を倒立させる。そ
して、二枚の凸レンズの他方により倒立させた光学像を
再び上下位置を反転させて被写体と同じ状態の光学像と
する。さらに、前記凸レンズの他方から出射される光学
像は要素画像生成レンズ群にて要素画像が生成される。
なお、被写体が凸レンズの一方の焦点距離より近い位置
に配置される場合は、その被写体を虚像としてその一方
の凸レンズが出力し、さらに他方の凸レンズにより被写
体と同じ状態で出力する。

【００２１】さらに、前記立体撮像装置において、前記
奥行き制御光学レンズ系は、光路の半周期における奇数
倍の長さを有し、かつ、周辺部から中心部に向かって屈
折率が大きくなる屈折率特性を有する光ファイバを、平
面上に複数配置して第１および第２光ファイバレンズ群
とし、前記両光フィバレンズ群を、前記被写体と要素画
像生成レンズ群との間に配置する構成とした。

【００２２】このように構成されることにより、立体撮
像装置は、奥行き制御光学レンズ系となる両光ファイバ
レンズ群の一方である第１光ファイバレンズ群にはじめ
に入射され奥行きが反転した状態で出射される。そし
て、奥行きが反転した光学像が第２光ファイバレンズ群
に入射され、再び、奥行き方向が反転されて被写体と同
じ縦倍率を１とした状態として出射することができる。

【００２３】また、前記立体撮像装置において、前記要
素画像生成レンズ群は、その要素レンズとして光ファイ
バを平面上に複数配列し、前記光ファイバが、周辺部か
ら中心部に向かって屈折率が大きくなる屈折率特性を有
し、かつ、当該光ファイバの光路における１周期の３／
４に、その１周期の整数倍を付加した長さ寸法を備える
構成とした。

【００２４】このように構成されることにより、立体撮
像装置は、奥行き制御光学レンズ系で、被写体と同様の
状態で光学像を生成し、光路の１周期の３／４となる寸
法を有する光ファイバによる要素画像生成レンズ群によ
り、縦倍率が１のままで光学像を撮影することができ
る。

【００２５】さらに、前記立体撮像装置において、前記
要素画像生成レンズ群は、その要素レンズを凹レンズと
した。このように構成されることにより、立体撮像装置
は、奥行き制御光学レンズ系で、被写体と同様の状態で
光学像を生成し、凹レンズにより縦倍率が１のままで光
学像を撮影することができる。

【００２６】また、前記立体撮像装置において、前記撮
像手段は、前記要素画像生成レンズ群と同等の面積を備
える撮像素子を、各要素レンズの焦点距離に対応させて
設置する構成とした。このように構成されることによ
り、被写体を撮像した光学像の使用についての自由度が
広がる。

【００２７】さらに、前記立体撮像装置において、前記
要素画像生成レンズ群による要素画像を、集光レンズに
より集光して光学像を生成し、その光学像を前記撮像手
段により撮像する構成とした。このように構成されるこ
とにより、被写体と同じ状態の光学像を撮像手段により
撮像することができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して詳細に説明する。図１は立体撮像装置の全
体を示す模式図、図２は立体撮像装置に用いる奥行き制
御光学レンズ系の原理を説明する模式図、図３（ａ）、
（ｂ）は立体撮像装置に用いる屈折率分布レンズである
光ファイバの光路における光の進み方を説明する模式図
である。

【００２９】図１に示すように、立体撮像装置１０は、
被写体１から所定間隔をあけた位置に配置される奥行き
制御光学レンズ系２と、この奥行き制御光学レンズ系２
から任意の位置で、被写体１とは反対側に配置される要
素画像生成レンズ群３と、この要素画像生成レンズ群３
から任意の位置で、奥行き制御光学レンズ系２とは反対
側に配置される集光レンズ４と、この集光レンズにより
集光される光学像５を撮像するための撮像手段６とを備
えている。

【００３０】図２に示すように、奥行き制御光学レンズ
系２は、焦点距離ｆが等しい第１および第２凸レンズ２
ａ，２ｂを備えている。そして、この奥行き制御光学レ
ンズ系２は、第１凸レンズ２ａを被写体１から任意の位
置ａ１に配置したとき、その第１凸レンズ２ａから焦点
距離ｆの２倍離れた位置に第２凸レンズ２ｂを配置する
ように構成されている。

【００３１】図２に示すように、奥行き制御光学レンズ
系２において、ａ１＞ｆの関係を有する場合は、被写体
１からの反射光を受光する第１凸レンズ２ａは、倒立光
学像１Ａを焦点距離ｆの外側に生成する。そして、第２
凸レンズ２ｂは、第１凸レンズ２ａにより生成した倒立
光学像１Ａが、出射して生成する光学像を２ｆ−ａ１の
位置に生成することになる。

【００３２】また、奥行き制御光学レンズ系２におい
て、０＜ａ１＜ｆの位置関係である場合は、第１凸レン
ズ２ａは、被写体１に対して虚像を生成する。そして、
第１凸レンズ２ａにより生成した虚像となる光学像を、
第２凸レンズ２ｂによって、２ｆ−ａ１の位置に生成す
ることになる。

【００３３】したがって、奥行き制御光学レンズ系２
は、正の縦倍率を有し、縦倍率と横倍率の比を１または
−１とする構成となり、被写体１について奥行きを歪ま
せることなく立体像を再生することができるようにな
る。

【００３４】つぎに、要素レンズ３₁，３₂…３_nを平面
上に配置して構成される要素画像生成レンズ群３につい
て説明する。図１および図３に示すように、要素画像生
成レンズ群３は、奥行き制御光学レンズ系２により再生
された立体像を受光して要素レンズ３₁，３₂…３_nによ
り被写体１の要素画像を生成している。

【００３５】この要素画像生成レンズ群３は、光ファイ
バを用いて要素レンズ３₁，３₂…３ _nとし、その入射端
面Ａａが被写体１に向くように、平面上に複数配列し、
前記光ファイバが、周辺部から中心部に向かって屈折率
が大きくなる屈折率特性（半径方向に対して２乗特性で
あってもよい）を有し、かつ、当該光ファイバの光路に
おける１周期の３／４に、その１周期の整数倍を付加し
た長さ寸法を備えるように構成されている。

【００３６】前記屈折率特性は、周辺より中心部ほど屈
折率が高くなるように、つぎの式（１）の条件を備えて
いる（特願平１０−１５０６７５号参照）。ｎ＝ｎ₀・｛１−（Ａ／２）・ｒ²｝…式（１）なお、ｎは半径ｒにおける屈折率、Ａは光ファイバの材
質によって定まる定数、ｎ₀は光ファイバ中心部におけ
る屈折率、ｒは光ファイバの半径である。

【００３７】この要素レンズ３₁は、図３に示すよう
に、光が入射すると、中心部は屈折率が高いため、光は
周期的に蛇行し、ある特定の点で結像し、屈折率分布レ
ンズとしてのレンズ作用を持つようになる。なお、この
原理は、１９６４年、Ｄ．ＭＡＲＣＵＳＥ等によって創
案されており、その詳細はThe Bell System TechnicalJ
ournal.(July, 1964)等に記載されているため、ここで
は省略する。

【００３８】つぎに、集光レンズ４は、要素画像生成レ
ンズ群３により生成された各要素画像を集光して被写体
１の再生された光学像５を生成するものである。この集
光レンズ４は、要素画像生成レンズ群３から出射する要
素画像を集光して光学像５を生成することができるもの
であれば、特にその構成を限定されるものではない。

【００３９】また、図１に示すように、撮像手段６は、
集光レンズ４により生成された光学像５を撮像すること
ができる構成のものであれば特に限定されるものではな
く、ここではテレビジョンカメラを一例として示す。

【００４０】なお、要素画像は集光レンズ４により集光
する前に、写真フィルム（撮像手段６）またはＣＣＤ、
ＣＭＯＳなどの撮像素子（撮像手段６）により撮像する
構成としてもよい。要素画像を直接撮像手段６により撮
像する場合は、被写体１の要素画像群全体を直接撮像す
る等倍の面積を備えていればよく、映し出される要素画
像が適切に撮像できるものであれば、特に限定されるも
のではない。そして、要素画像を直接撮像手段６に撮像
する場合は、集光レンズ４を必要としない構成となる。

【００４１】つぎに、立体撮像装置１０により被写体１
を撮像する作用について説明する。図１および図２に示
すように、被写体１の反射光を受光する奥行き制御光学
レンズ系２は、はじめに第１凸レンズ２ａおよび第２凸
レンズ２ｂにより、その被写体１に対して奥行きを歪ま
せることなく再生像を生成し、要素画像生成レンズ群３
に入射することで要素画像を生成する。そして、要素画
像生成レンズ群３により生成された被写体１の要素画像
は、集光レンズ４により集光されて、被写体１の高さｈ
とおなじ高さｈおよび奥行きを歪ませない状態、つま
り、縦倍率１の光学像５を集光レンズ４の焦点位置に生
成する。さらに、生成した光学像５を撮像手段６により
撮像することで被写体１の立体映像を撮影することがで
きる。なお、集光レンズ４を用いずに写真フィルムある
いは撮像素子などの撮像手段６により直接要素画像を撮
像する場合は、光学像５を生成するための要素画像を撮
像することになる。

【００４２】なお、被写体１は、要素画像生成レンズ群
３を介して撮像手段６に撮像されるとき、被写体１から
奥行き制御光学レンズ系１２までの距離と、奥行き制御
光学レンズ系１２と要素画像生成レンズ群３までの距離
を適切に制御することで、奥行き制御光学レンズ系１２
による光学像を、撮像するための要素画像生成レンズ群
３の周辺（前後）に生成することができる。つまり、要
素画像生成レンズ３と、奥行き制御光学レンズ系の第２
凸レンズ２ｂとの距離をｄ_Dとすると、２ｆ−ａ₁＞ｄ_D
ならば再生立体像は表示面の前に空中像として生成する
ことができる。そして、生成される光学像には、奥行き
歪みが生じることはない。

【００４３】したがって、観察者は、立体撮像装置１の
撮像手段６により撮像した光学像５に対して、現像した
写真フィルム、あるいはＬＣＤ、ＬＥなどの表示手段を
備える再生装置により、被写体１の光学像５を、全く奥
行き歪みが生じていない状態で観察することが可能とな
る。

【００４４】つぎに、図４ないし図８を参照して立体撮
像装置における他の実施の形態について説明する。図４
は立体撮像装置の他の構成を示す模式図、図５は立体撮
像装置に用いる奥行き制御光学レンズ系の原理を説明す
る模式図、図６は立体撮像装置に用いる屈折率分布レン
ズである光ファイバの長さを光路の半周期とした奥行き
制御光学レンズ系により生成した光学像を示す模式図、
図７（ａ）、（ｂ）は、立体撮像装置に用いる屈折率分
布レンズである光ファイバの光路における光の進み方を
説明する模式図、および、光学像の生成状態を説明する
模式図、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、立体撮像装置
に用いる要素画像生成レンズ群の構成を模式的に示す斜
視図である。なお、図１と同じ構成については同じ符号
を付して説明を省略する。

【００４５】立体撮像装置２０は、被写体１からの反射
光を受光する位置に配置される奥行き制御光学レンズ系
１２と、この奥行き制御光学レンズ系１２から出射され
る光線を受光する位置に配置される要素画像生成レンズ
群３と、この要素画像生成レンズ群３から出射される光
線を集光する位置に配置される集光レンズ４と、この集
光レンズ４により生成される被写体１の光学像５を撮像
できる位置に配置される撮像手段６とを備えている。

【００４６】図４および図７に示すように、奥行き制御
光学レンズ系１２は、光ファイバを平面上に複数配置し
て第１光ファイバレンズ群１２ａおよび第２光ファイバ
レンズ群１２ｂとして構成されている。この両光ファイ
バレンズ群１２ａ，１２ｂは、光ファイバに入射される
光線の光路の半周期における奇数倍の長さを有し、か
つ、周辺部から中心部に向かって屈折率が大きくなる屈
折率特性を有する屈折率分布レンズとして構成されてい
る。この屈折率分布レンズとしての説明は、図３におい
てすでに説明したように、屈折率特性として、式（１）
で示す条件を備えている。

【００４７】前記原理に基づき、各光ファイバレンズ群
１２ａ，１２ｂでは、光ファイバ１２₁の長さを、その
光ファイバ１２₁中を蛇行する光路の半周期、あるいは,
半周期の奇数倍（２ｎ＋１、ｎ＝自然数）の長さとする
ことで、負の縦倍率を有する奥行き制御光学レンズ系を
構成している。

【００４８】図６に示すように、光ファイバ１２₁は、
その長さが光路の半周期の奇数倍である場合には、ｒi₃
＝−ｒo₃、ｒi₂＝−ｒo₂となり、入射光線の角度と、出
射光線の角度において符号が逆で絶対値が等しくなる。
ここに、ｒi₃，−ｒo₃は、それぞれ入射側および出射側
における光線の光軸からの距離、そして、ｒi₂，−ｒｏ
i₂は、それぞれ入射側、出射側における光線の光軸との
角度である。

【００４９】なお、光ファイバ１２₁は、入射端面Ａａ
と出射端面Ａｂにおいて光軸と同じ位置をＯ₂とＱ₂と
し、また、入射光の上下端となる入射端面Ａａでの位置
をＯ₁，Ｏ₃とし、さらに、出射端面Ａｂにおける出射光
の上下端となると位置をＱ₁，Ｑ₃としている。さらに、
図７（ｂ）に示すように、この光ファイバ１２₁，１２ ₂
…１２_nを多数配列して光ファイバレンズ群１２ａとす
ると、出射光は、奥行き制御光学レンズ系１２ａの外側
に、入射端面Ａａから被写体１までの距離ｄ₁と同じ距
離ｄ₁の位置で交わる。

【００５０】図６に示すように、光ファイバ１２₁は、
その出射端面Ａｂの中心から出射した光線を考えると、
この光ファイバ１２₁の中心から対称に折り返して入射
端面Ａａと出射端面Ａｂとを重ね合わせた状態のとき、
その点Ｏが点Ｑに重なるようになる。

【００５１】つまり、距離ｄ₁である交点には、被写体
１の光学像５が生成される。これらのことは、図６に示
すように、点Ｏからの三角形Ｏ，Ｏ₁，Ｏ₃と、点Ｑ′か
らの三角形Ｑ′，Ｑ₁，Ｑ₃は、鏡面対称の合同になって
いることからも分かる。なお、各光ファイバ１２₁，１
２₂…１２_nの出射端面Ａｂから出る出射光の光束は広が
るが、端面が小さい場合にはその光束の広がりは問題と
ならない。

【００５２】したがって、この光ファイバ１２₁を複数
配列して、図４および図５に示すように、第１および第
２光ファイバレンズ群１２ａ、１２ｂとして奥行き制御
光学レンズ系１２を形成することで、奥行き制御光学レ
ンズ系１２からの距離ｄ₁にある被写体１を、奥行き制
御光学レンズ系１２から距離ｄ₂となる位置に、奥行き
を一度反転しさらに反転した結果、奥行き歪を生じるこ
となく光学像５として生成することができる。なお、図
４および図６に示すように、奥行き制御光学レンズ系１
２の各光ファイバ１２₁，１２₂…１２_nは、それ自身で
結像させる能力はないが、光学像５を点Ｑの集まりとし
て生成することができる。

【００５３】このように、奥行き制御光学レンズ系１２
は、光ファイバ１２₁，１２₂…１２ _nが、屈折率分布レ
ンズとして作用することで、負の縦倍率を有する光学レ
ンズ系を、２つ所定の位置に配置することで正の縦倍率
を有するように構成できる。そのため、図５に示すよう
に、被写体１は、その被写体１と第１光ファイバレンズ
群１２ａとの距離ｄ₁と同じ距離ｄ₁に一度その光学像が
つくられる。さらに、第２光ファイバレンズ群１２ｂに
より、この光学像と第２光ファイバレンズ群１２ｂとの
距離ｄ₂と同じ距離ｄ₂離れた位置に、被写体１と同じ状
態の光学像５として生成される。つまり、この奥行き制
御光学レンズ系１２は、「１」の縦倍率を持つ光学レン
ズ系となる。

【００５４】なお、ここでは光ファイバ１２₁，１２₂…
１２_nは、光路の半周期の長さを備える構成として説明
したが、光路の半周期の奇数倍（１，３，５…、）であ
れば光学像５が、前記同様に被写体１の凹凸が反転した
状態として生成することができる。

【００５５】また、光ファイバ１２₁，１２₂…１２
_nは、屈折率分布レンズとして作用するときに、ｎ_r＝ｎ
₀ｓｅｃｈ（√Ａｒ）の屈折率分布をもつ構成のものを
使用しても構わない。ここで式中において、ｎ_r＝は半
径ｒ位置の屈折率、Ａは光ファイバの材質によって定ま
る定数、ｎ₀は光ファイバ中心部における屈折率であ
る。

【００５６】図５に示すように、前記の条件を備える光
ファイバ１２₁，１２₂…１２_nは、奥行き制御光学レン
ズ系１２として、図８（ａ）に示すように、平面上（２
次元状）に配置して正方格子状に構成することや、ま
た、図８（ｂ）に示すように、俵積状の奥行き制御光学
レンズ系１２Ａにすることや、あるいは、図８（ｃ）に
示すように、中心から徐々に円形になるような奥行き制
御光学レンズ系１２Ｂに配置する構成としてもよい。す
なわち、奥行き制御光学レンズ系１２（１２Ａ，１２
B）は、被写体１（図５参照）の光学像（再生時の再生
像）を生成できるように、その被写体１の全体を、適切
に要素画像生成レンズ群３（図１、４参照）に伝達でき
る構成であれば、全体としての形状は特に限定されるも
のではない。

【００５７】前記説明した構成による立体撮像装置２０
により被写体１を撮像手段６に撮像（撮影）する場合
は、次のようになる。すなわち、図５および図４に示す
ように、奥行き制御光学レンズ系１２は、第１光ファイ
バレンズ群１２ａにより被写体１を、凹凸が逆転した状
態、つまり奥行きが逆転した状態にすると共に、第２光
ファイバレンズ群１２ｂにより、さらに凹凸が逆転した
状態つまり、被写体１と同じ状態として光学像を生成す
る。そのため、要素画像は、要素画像生成レンズ群３の
各要素レンズ３₁，３₂…３_nのそれぞれにより結像され
る。そして、この要素画像生成レンズ群３、集光レンズ
４を介して生成される光学像５が、撮像手段６に撮像
（撮影）される。

【００５８】なお、被写体１は、要素画像生成レンズ群
３を介して撮像手段６に撮像されるとき、被写体１から
奥行き制御光学レンズ系１２までの距離と、奥行き制御
光学レンズ系１２と要素画像生成レンズ群３までの距離
を適切に制御することで、奥行き制御光学レンズ系１２
による光学像を、撮像するための要素画像生成レンズ群
３の周辺（前後）に生成することができる。つまり、要
素画像生成レンズ３と、奥行き制御光学レンズ系の第２
光ファイバレンズ群１２ｂとの距離をｄ_Dとすると、ｄ₂
＞ｄ_Dならば再生立体像は表示面の前に空中像として生
成することができる。そして、生成される光学像には、
奥行き歪みが生じることはない。

【００５９】したがって、観察者は、立体撮像装置２０
により撮像した被写体１の光学像５について、現像した
写真フィルム、あるいは、ＬＣＤ、ＬＥなどの表示手段
を備える再生装置により、被写体１の光学像５を、全く
奥行き歪みが生じていない状態で観察することが可能と
なる。

【００６０】なお、前記した実施の形態において図１お
よび図４では、要素画像生成レンズ群３の要素レンズ３
₁，３₂…３_nについてすでに説明した所定の光ファイバ
３₁，３₂，３_nにより構成したが、図９（ａ）、（ｂ）
に示すように、要素画像生成レンズ群１３の要素レンズ
１３₁，１３₂，１３_nとして凹レンズの構成にしても構
わない。

【００６１】また、図１および図４、図９に示すよう
に、要素画像生成レンズ群３，１３は、構成する要素レ
ンズ３₁（１３₁），３₂（１３₂）…３_n（１３_n）個々が
お互いの入射光および出射光が漏れないように光学遮蔽
を行なうことが望ましい。

【００６２】なお、奥行き制御光学レンズ系は、正の縦
倍率で、その縦倍率と横倍率との比を１として説明した
が、横倍率の絶対値が１でない場合には、光学像が被写
体より大きくなったり、あるいは、小さくなったりする
が、結果として縦倍率と横倍率との比が１または−１と
なる関係であれば構わない。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる立
体撮像装置は、以下に示すような優れた効果を奏するも
のである。立体撮像装置は、ＩＰ立体方式による被写体
の撮像時に奥行き制御光学レンズ系および要素画像生成
レンズ群を介して撮像しているため、奥行き歪みを生じ
ることなく、要素画像生成レンズ群の周辺に光学像を生
成することができる。したがって、被写体を撮像して再
生して観察する場合であっても、奥行き歪みを生じるこ
となく、解像度の低下を回避すると共に、要素画像生成
レンズ群から観察者側に飛び出した位置に再生像を得る
ことができる。

【００６４】また、立体撮像装置は、奥行き制御光学レ
ンズ系が、正の縦倍率を有する構成であることにより、
被写体と同じ状態の光学像を、奥行き歪みを生じること
なく、要素画像生成レンズ群の周辺に生成ることができ
る。

【００６５】さらに、立体撮像装置は、焦点距離が等し
い２枚の凸レンズにより奥行き制御光学レンズ系を構成
することができるため、構成が簡易で、奥行き歪みを生
じることなく、要素画像生成レンズ群の周辺に光学像を
生成することができる。

【００６６】また、立体撮像装置は、所定の光ファイバ
を用いることで、一平面上に構成した第１および第２光
ファイバレンズ群を奥行き制御光学レンズ系として使用
することができ、これら両光ファイバレンズ群の焦点距
離に左右されずに、奥行き歪みを生じることなく、要素
画像生成レンズ群の周辺に光学像を生成することができ
る。

【００６７】そして、立体撮像装置は、奥行き制御光学
レンズ系が、正の縦倍率である場合に、要素画像生成レ
ンズ群が、凹レンズや、また、所定の光ファイバとする
ことにより、奥行き制御光学レンズ系で、奥行き歪みを
生じることなく生成した光学像を、要素画像生成レンズ
群に送ることができるため、写真フィルム、ＣＣＤ、Ｃ
ＭＯＳなどの撮像手段に被写体の奥行きが正しい立体像
として撮像することができる。

【００６８】さらに、立体撮像装置は、撮像手段として
例えば、ＣＣＤなどの撮像素子を用いる構成とすること
で、目的に合ったものに対応することが容易となる。ま
た、立体撮像装置は、要素画像生成レンズ群からの要素
画像を集光レンズにより集光して光学像とすることがで
きるため、被写体と同じ状態の光学像を撮像手段により
撮像することができ都合がよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による立体撮像装置の全体を示す模式図
である。

【図２】本発明にかかる立体撮像装置に用いる奥行き制
御光学レンズ系の原理を説明する模式図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）は、本発明にかかる立体撮像装
置に用いる屈折率分布レンズである光ファイバの光路に
おける光の進み方を説明する模式図である。

【図４】本発明にかかる立体撮像装置の他の構成を示す
模式図である。

【図５】本発明にかかる立体撮像装置に用いる奥行き制
御光学レンズ系の原理を説明する模式図である。

【図６】本発明にかかる立体撮像装置に用いる屈折率分
布レンズである光ファイバの長さを光路の半周期とした
奥行き制御光学レンズ系により生成した光学像を示す模
式図である。

【図７】（ａ）、（ｂ）は、本発明にかかる立体撮像装
置に用いる屈折率分布レンズである光ファイバの光路に
おける光の進み方を説明する模式図、および、光学像の
生成状態を説明する模式図である。

【図８】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明にかかる立
体撮像装置に用いる要素画像生成レンズ群の構成を模式
的に示す斜視図である。

【図９】（ａ）、（ｂ）は、本発明の立体撮像装置にお
ける要素画像生成レンズ群を凹レンズとした場合の模式
図である。

【図１０】従来のＩＰにおける被写体の要素画像の撮影
を模式的に説明した説明図である。

【図１１】従来のＩＰにおける、被写体の要素画像に基
づいた立体画像の再生を模式的に説明した説明図であ
る。

【図１２】従来の撮像した被写体の状態を示す説明図で
ある。

【図１３】（ａ）は従来の被写体を撮像する状態を示す
模式図、（ｂ）は従来の撮像した被写体を再生する状態
を示す模式図である。

【図１４】従来の立体撮像装置の構成を示す模式図であ
る。

【図１５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はレンズの縦倍率を
説明するための模式図である。

【符号の説明】

１０，２０立体撮像装置１被写体２奥行き制御光学レンズ系２ａ第１凸レンズ２ｂ第２凸レンズＡａ入射端面Ａｂ出射端面３要素画像生成レンズ群３₁，３₂…３_n 要素レンズ（光ファイバ）４集光レンズ５光学像６撮像手段１２奥行き制御光学レンズ系１２ａ第１光ファイバレンズ１２ｂ第２光ファイバレンズ１２₁，１２₂，…１２_n 光ファイバ１３要素画像生成レンズ群１３₁，１３₂…１３_n 凹レンズ（要素レンズ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三科智之東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内 (72)発明者山田光穗東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内 (72)発明者小林真樹東京都世田谷区砧一丁目10番11号日本放送協会放送技術研究所内Ｆターム(参考） 2H059 AA08 AA09 5C061 AA06 AB01 AB06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体から離間して配置され、正の縦倍
率を有し、かつその縦倍率と横倍率の比を１または−１
とする奥行き制御光学レンズ系と、この奥行き制御光学
レンズ系から離間して配置され、前記被写体の要素画像
を写すための要素レンズを平面上に複数配列してなる要
素画像生成レンズ群と、この要素画像生成レンズ群が生
成する前記被写体の要素画像を撮像する撮像手段と、を
備えることを特徴とする立体撮像装置。
【請求項２】前記奥行き制御光学レンズ系は、焦点距
離が等しい二枚の凸レンズを、その凸レンズにおける焦
点距離の二倍の距離を隔てた位置に配置することを特徴
とする請求項１に記載の立体撮像装置。
【請求項３】前記奥行き制御光学レンズ系は、光路の
半周期における奇数倍の長さを有し、かつ、周辺部から
中心部に向かって屈折率が大きくなる屈折率特性を有す
る光ファイバを、平面上に複数配置して第１および第２
光ファイバレンズ群とし、前記両光フィバレンズ群を、
前記被写体と要素画像生成レンズ群との間に配置するこ
とを特徴とする請求項１に記載の立体撮像装置。
【請求項４】前記要素画像生成レンズ群は、その要素
レンズとして光ファイバを平面上に複数配列し、前記光
ファイバが、周辺部から中心部に向かって屈折率が大き
くなる屈折率特性を有し、かつ、当該光ファイバの光路
における１周期の３／４に、その１周期の整数倍を付加
した長さ寸法を備えることを特徴とする請求項１ないし
請求項３のいずれか一項に記載の立体撮像装置。
【請求項５】前記要素画像生成レンズ群は、その要素
レンズを凹レンズとしたことを特徴とする請求項１ない
し請求項３のいずれか一項に記載の立体撮像装置。
【請求項６】前記撮像手段は、前記要素画像生成レン
ズ群と同等の面積を備える撮像素子を、各要素レンズの
焦点距離に対応させて設置することを特徴とする請求項
１ないし請求項５のいずれか一項に記載の立体撮像装
置。
【請求項７】前記要素画像生成レンズ群による要素画
像を、集光レンズにより集光して光学像を生成し、その
光学像を前記撮像手段により撮像することを特徴とする
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の立体撮
像装置。