JP2006304230A - 撮像装置及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像された映像の変換を必要とせず、更に、簡単な構成でかつレンズ群を位置精度よく構成することができる撮像装置及び表示装置を提供する。
【解決手段】 撮像装置１は、被写体１４からの光が入射する複数の負屈折要素光学レンズ系１１を、当該負屈折要素光学レンズ系１１の光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した負屈折要素画像レンズ群１２と、この負屈折要素画像レンズ群１２の負屈折要素光学レンズ系１１によって結像された被写体１４の像を撮像する写真フィルム（画像撮像手段）１３とを備え、負屈折要素光学レンズ系１１が、負の屈折率を有する媒質からなり、被写体が当該負屈折要素光学レンズ系の物側焦点より遠い位置にある場合には、被写体の正立像を形成し、被写体が物側焦点より近い位置にある場合には、被写体の倒立像を形成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被写体の立体像を表示するための画像を撮像する、あるいは、被写体の立体像を表示する技術に係り、特に、複数の光学系を同一平面上にアレイ状に配列したレンズアレイを用いた撮像装置及び表示装置に関する。

従来、任意の視点から被写体の立体像を見ることができる立体画像方式として、ＩＰ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ）方式が知られている（特許文献１参照）。このＩＰ方式では、同一平面上にアレイ状に配列された複数のレンズやピンホール等（以下、レンズアレイという）によって形成された被写体の像を撮像し、観察者（視聴者）は、この撮像された画像（以下、ＩＰ画像という）を、レンズアレイを介して見ることによって、任意の視点から被写体の立体像を見ることができる。

ここで、図６及び図１１から図１３を参照して、複数の凸レンズからなる凸レンズアレイを用いた従来のＩＰ方式について説明する。図６は、撮像装置の各集光光学系（ここでは、凸レンズ）によって形成される像の横倍率を模式的に示すグラフである。図１１は、従来のＩＰ方式における、被写体の撮像方法を模式的に示す説明図、（ａ）は、従来のＩＰ方式の撮像装置の構成を模式的に示す模式図、（ｂ）は、（ａ）の撮像装置によって撮像された画像の例を模式的に示す模式図である。図１２は、従来のＩＰ方式を用いて撮像された画像の変換方法を模式的に示す模式図である。図１３は、従来のＩＰ方式における、被写体の立体像の表示方法を模式的に示す説明図、（ａ）は、従来のＩＰ方式における表示装置の構成と、当該表示装置によって表示される被写体の立体像を模式的に示す模式図、（ｂ）は、（ａ）の表示装置においてディスプレイに表示される画像の例を模式的に示す説明図である。

まず、図１１（ａ）を参照して、従来のＩＰ方式の撮像装置１１０について説明する。なお、ここでは、被写体を２つの点光源１１５ａ、１１５ｂとし、凸レンズアレイ１１２の複数の凸レンズ１１１のうち、隣接する３つの凸レンズ１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄのみを図示した。

撮像装置１１０は、複数の凸レンズ１１１（…、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、…）が同一平面上にアレイ状に配列された凸レンズアレイ１１２と、この凸レンズアレイ１１２によって形成された被写体（点光源１１５ａ、点光源１１５ｂ）の像を撮像するカメラ１１３とを備える。ここで、点光源１１５ａ、１１５ｂからは色々な方向に光が放射され、凸レンズ１１１に入射した光のうち、カメラ１１３の対物レンズ１１４に入射した光が、各々の凸レンズ１１１によって、当該カメラ１１３の撮像素子（図示せず）上に点光源１１５ａ、１１５ｂの像を形成する。そして、この点光源１１５ａ、１１５ｂの像は、カメラ１１３によって撮像される。

そして、各凸レンズ１１１によって形成される像の横倍率ｍは、図６に示すようになる。ここで、Ｌは被写体（１１５ａ又は１１５ｂ）から凸レンズ１１１までの距離を示し、ｆは凸レンズ１１１の焦点距離を示す。そして、Ｌ＜−ｆの場合には、ｍは負となり倒立像が形成され、Ｌ＞−ｆの場合には、ｍは正となり正立像が形成される。そのため、各凸レンズ１１１の焦点距離より遠い位置にある点光源１１５ａ、１１５ｂを撮像する場合には、各凸レンズ１１１によって形成される像は、点光源１１５ａ、１１５ｂの倒立像になる。

ここで、図１１（ｂ）に示すように、カメラ１１３によって撮像される画像１２１は、凸レンズ１１１と、この各凸レンズ１１１の画像の内部において、当該凸レンズ１１１によって形成された倒立像（点光源１１５ａ、１１５ｂの像）の画像となる。そして、この画像は、各凸レンズ１１１の内部の点光源１１５ａ、１１５ｂの像の配置が、実際の配置に対して反転したものとなる。

そして、この撮像装置１１０によって撮像された画像１２１を、図１３に示すような従来のＩＰ方式の表示装置１３０のディスプレイ１３１に表示すると、配置や凹凸が奥行き方向に反転された点光源１１５ａ、１１５ｂの立体像（図示せず）が表示される。そのため、撮像装置１１０によって撮像された画像１２１に電気的な計算処理を施し、画像１２１の倒立像の画像を正立像の画像に変換する必要がある。ここで、図１２を参照して、図１１（ａ）の撮像装置１１０によって撮像された画像１２１の電気的な計算処理による変換方法について説明する。なお、図１２では、凸レンズ１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄの画像のみを示し、ここでは、この３つの画像についてのみ説明する。

図１２に示すように、まず、撮像装置１１０によって撮像された画像１２１を、凸レンズ１１１ごとの画像１２２（１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ）に分解する。次に、各々の画像１２２を１８０度回転させる（画像１２２の中点を中心に点対称に変換する）。そして、この回転させた画像１２３（１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄ）を合成して１つの画像１２４とし、これによって、被写体の正立像の画像からなるＩＰ画像（画像１２４）を得ることができる。

次に、図１３を参照して、従来のＩＰ方式の表示装置１３０について説明する。図１３（ａ）に示すように、表示装置１３０は、ＩＰ画像を表示するディスプレイ１３１と、このディスプレイ１３１の前に凸レンズ１３２（…、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ、…）が同一平面上にアレイ状に配列された凸レンズアレイ１３３とを備える。ここで、ディスプレイ１３１に、図１３（ｂ）に示す画像（ＩＰ画像）１２４を表示すると、ディスプレイ１３１から出射された光は、凸レンズ１３２を介して出射する。そして、凸レンズ１３２を介して、ディスプレイ１３１を見ると、点光源の立体像１３４ａ、１３４ｂが表示される。この立体像１３４ａ、１３４ｂの配置は、被写体である点光源１１５ａ、１１５ｂ（図１１参照）が撮像された際の配置と同じものとなる。これによって、特殊な眼鏡等を用いることなく、被写体の立体像１３４ａ、１３４ｂを表示することができる。

また、図１１（ａ）に示した撮像装置１１０の凸レンズ１１１の代わりに屈折率分布レンズを用いる方法（特許文献２参照）や、アフォーカル光学系を用いる方法が提案されている。これらの方法によれば、被写体からの光を屈折率分布レンズあるいはアフォーカル光学系の内部で光軸を中心に反転させた像を形成できるため、前記の電気的計算処理を施すことなくＩＰ画像を得ることができる。
特開平８−２８９３２９号公報（段落番号０００３、図４、図５） 特開平１０−１５０６７５号公報（段落番号００１０〜００７６、図５〜図９）

しかしながら、特許文献１に記載のＩＰ方式では、撮像された被写体の各々の画像（要素画像）を点対称に変換するための電気的な計算処理を行う必要があるため、計算を行うための高速計算機又は大規模な電子回路が必要となるという問題があった。また、屈折率分布レンズを用いる方法では、大面積のレンズ群（レンズアレイ）を位置精度よく構成することが困難であるという問題があった。更に、アフォーカル光学系を用いる方法では、光学素子が多数必要となり、構成が複雑になるという問題があった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決するために成されたもので、撮像された映像の変換を必要とせず、更に、簡単な構成でかつレンズ群を位置精度よく構成することができる撮像装置及び表示装置を提供することを目的とする。

前記問題を解決するため、請求項１に記載の撮像装置は、被写体の像を撮像する撮像装置であって、前記被写体からの光が入射する複数の負屈折要素光学レンズ系を、当該負屈折要素光学レンズ系の光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した負屈折要素画像レンズ群と、この負屈折要素画像レンズ群の負屈折要素光学レンズ系によって形成された前記被写体の像を撮像する画像撮像手段とを備え、前記負屈折要素光学レンズ系が、負の屈折率を有する媒質からなり、前記被写体が当該負屈折要素光学レンズ系の物側焦点より遠い位置にある場合には、前記被写体の正立像を形成し、前記被写体が前記物側焦点より近い位置にある場合には、前記被写体の倒立像を形成する構成とした。

かかる構成によれば、撮像装置は、各々の負屈折要素光学レンズ系によって、被写体の像を形成する。ここで、負屈折要素光学レンズ系は、負の屈折率を有するため、入射端面から入射する光及び出射端面から出射する光を、正の屈折率を有する場合に比べて、端面の法線に対して逆の方向（法線を軸に反転された方向）に屈折する。そのため、撮像装置は、負屈折要素光学レンズ系によって、正の屈折率を有する凸レンズによって形成される被写体の像を点対称に反転させた被写体の像を形成することができる。

このとき、負屈折要素光学レンズ系の物側主点から被写体までの距離が焦点距離より小さい場合には、当該負屈折要素光学レンズ系によって形成される像の横倍率は正になり、正立像となる。また、この距離が焦点距離より大きい場合には、横倍率は負になり、倒立像が形成される。なお、ここで、光の進行方向を正とする。

また、撮像装置は、画像撮像手段によって、形成された被写体の像（要素画像）を撮像する。これによって、撮像装置は、被写体の複数の要素画像からなる、ＩＰ方式の立体像を表示するためのＩＰ画像を撮像することができる。

また、請求項２に記載の撮像装置は、請求項１に記載の撮像装置において、前記被写体からの光が入射する平面の入射端面と、前記入射端面に対して平行であり、かつ、前記光が出射する平面の出射端面とを有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折結像光学素子を備え、前記負屈折結像光学素子から出射した光が入射する位置に、前記負屈折要素画像レンズ群を配置した構成とした。

かかる構成によれば、被写体からの光は、負屈折結像光学素子の平面の入射端面に入射して屈折し、この入射端面に直交する方向に反転された被写体の像が形成される。更に、この像からの光は、当該負屈折結像光学素子の平面の出射端面において屈折し、この像を出射端面に直交する方向に反転した像を外部に形成する。そのため、撮像装置は、負屈折結像光学素子によって、被写体より当該撮像装置に近い位置に、被写体と同じ大きさで、かつ、上下左右及び奥行き方向の位置関係が正しく表現された立体像を形成する。

そして、この立体像からの光は、負屈折要素画像レンズ群に入射する。これによって、撮像装置は、この立体像のＩＰ画像を撮像することができる。

更に、請求項３に記載の撮像装置は、被写体の像を撮像する撮像装置であって、前記被写体からの光が入射する平面の入射端面を有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折光学系と、正の屈折率を有する媒質からなり、前記負屈折光学系から出射した光を屈折する複数の正屈折要素光学レンズ系を、当該正屈折要素光学レンズ系の光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した要素画像レンズ群と、この要素画像レンズ群の正屈折要素光学レンズ系によって形成された像を撮像する画像撮像手段とを備え、前記負屈折光学系の入射端面が、前記正屈折要素光学レンズ系の光軸と直交し、前記負屈折光学系の出射端面が、前記要素画像レンズ群の正屈折要素光学レンズ系の入射端面の形状に沿って隣接し、前記正屈折要素光学レンズ系が、前記負屈折光学系によって形成される前記被写体の像が当該正屈折要素光学レンズ系の物側焦点より遠い位置にある場合には、前記被写体の倒立像を形成し、前記負屈折光学系によって形成される前記被写体の像が前記物側焦点より近い位置にある場合には、前記被写体の正立像を形成する構成とした。

かかる構成によれば、負屈折光学系の内部に、奥行き方向（正屈折要素光学レンズ系の光軸方向）に反転された被写体の像が形成される。更に、撮像装置は、正屈折要素光学レンズ系によって、この奥行きが被写体と比較して反転した像である要素画像を形成する。更に、撮像装置は、画像撮像手段によって、この要素画像を撮像する。これによって、撮像装置は、被写体を比較して奥行きが反転した像の要素画像からなるＩＰ画像を撮像することができる。

このとき、正屈折要素光学レンズ系の物側主点から負屈折光学系によって形成される被写体の像までの距離が焦点距離より小さい場合には、当該正屈折要素光学レンズ系によって形成される像の横倍率は負になり、倒立像となる。また、この距離が焦点距離より大きい場合には、横倍率は正になり、正立像が形成される。なお、ここで、光の進行方向を正とする。

なお、負屈折光学系の光軸方向の長さが短く、負屈折光学系の内部に被写体の像が形成されない場合でも、撮像装置は、被写体と比較して奥行きが反転した像の要素画像からなるＩＰ画像を撮像することができる。このとき、負屈折光学系によって形成される被写体の像は虚像となる。

また、請求項４に記載の撮像装置は、請求項３に記載の撮像装置において、前記被写体からの光が入射する平面の入射端面と、前記入射端面に対して平行であり、かつ、前記光が出射する平面の出射端面とを有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折結像光学素子を備え、前記負屈折結像光学素子から出射した光が入射する位置に、前記負屈折光学系を配置した構成とした。これによって、撮像装置は、負屈折結像光学素子によって形成された被写体の立体像の奥行きが反転した像の要素画像からなるＩＰ画像を撮像することができる。

更に、請求項５に記載の表示装置は、正の屈折率を有する媒質からなる複数の凸レンズを、当該凸レンズの光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した凸レンズ群の各々の前記凸レンズによって形成される被写体の像の画像である要素画像を複数有する要素画像群を入力して、前記被写体の立体像を表示する表示装置であって、前記要素画像群を表示する画像表示手段と、前記画像表示手段に表示された、各々の前記要素画像からの光が入射する複数の負屈折要素光学レンズ系を、当該負屈折要素光学レンズ系の光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した負屈折要素画像レンズ群とを備え、前記負屈折要素光学レンズ系が、負の屈折率を有する媒質からなり、前記被写体が当該負屈折要素光学レンズ系の物側焦点より遠い位置にある場合には、前記被写体の正立像を形成し、前記被写体が前記物側焦点より近い位置にある場合には、前記被写体の倒立像を形成することとした。

かかる構成によれば、表示装置は、画像表示手段によって、被写体の複数の要素画像からなる要素画像群を表示する。そして、各々の要素画像からの光は、対応する負屈折要素光学レンズ系に入射し、入射端面において屈折する。そして、当該負屈折要素光学レンズ系は負の屈折率を有するため、入射端面から入射する光及び出射端面から出射する光を、正の屈折率を有する場合に比べて、光軸に対して反転された方向に屈折する。これによって、表示装置は、上下左右及び奥行き方向の位置関係が正しく表現された被写体の立体像を表示することができる。

また、請求項６に記載の表示装置は、請求項５に記載の表示装置において、前記負屈折要素画像レンズ群から出射した光が入射する平面の入射端面と、前記入射端面に対して平行であり、かつ、前記光が出射する平面の出射端面とを有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折結像光学素子を備える構成とした。

かかる構成によれば、負屈折要素画像レンズ群を介して画像表示手段に表示された要素画像からの光が、負屈折結像光学素子の平面の入射端面に入射し、この入射端面において屈折する。更に、この光は、平面の出射端面において屈折し、外部に集光される。これによって、表示装置は、この集光された位置に、上下左右及び奥行き方向の位置関係が正しく表現された被写体の立体像を表示することができる。

更に、請求項７に記載の表示装置は、正の屈折率を有する媒質からなる複数の凸レンズを、当該凸レンズの光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した凸レンズ群の各々の前記凸レンズによって形成される被写体の像の画像である要素画像を複数有する要素画像群を入力して、前記被写体の立体像を表示する表示装置であって、前記要素画像群を表示する画像表示手段と、正の屈折率を有する媒質からなり、前記画像表示手段に表示された、各々の前記要素画像からの光が入射する複数の正屈折要素光学レンズ系を、当該正屈折要素光学レンズ系の光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した要素画像レンズ群と、前記要素画像レンズ群からの光が入射し、当該光が出射する平面の出射端面を有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折光学系とを備え、前記要素画像レンズ群の出射端面が、前記負屈折光学系の入射端面の形状に沿って隣接し、前記正屈折要素光学レンズ系が、前記負屈折光学系によって形成される前記被写体の像が当該正屈折要素光学レンズ系の物側焦点より遠い位置にある場合には、前記被写体の倒立像を形成し、前記負屈折光学系によって形成される前記被写体の像が前記物側焦点より近い位置にある場合には、前記被写体の正立像を形成する構成とした。

かかる構成によれば、表示装置は、画像表示手段によって、被写体の複数の要素画像からなる要素画像群を表示する。そして、各々の要素画像からの光は、対応する正屈折要素光学レンズ系に入射して、奥行き方向に反転した被写体の立体像が負屈折光学系に対して形成される。そして、この像からの光は、負屈折光学系の出射端面において屈折し、入射端面に直交する方向、つまり、奥行き方向に、この像を反転させた被写体の立体像を形成する。これによって、表示装置は、上下左右及び奥行き方向の位置関係が正しく表現された被写体の立体像を表示することができる。

なお、負屈折光学系の光軸方向の長さが短く、負屈折光学系の内部に被写体の像が形成されない場合でも、表示装置は、上下左右及び奥行き方向の位置関係が正しく表現された被写体の立体像を表示することができる。このとき、負屈折光学系によって形成される被写体の像は、虚像となる。

また、請求項８に記載の表示装置は、請求項７に記載の表示装置において、負屈折光学系から出射した光が入射する平面の入射端面と、前記入射端面に対して平行であり、かつ、前記光が出射する平面の出射端面とを有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折結像光学素子を備える構成とした。

かかる構成によれば、負屈折光学系によって形成された被写体の立体像からの光が、負屈折結像光学素子の平面の入射端面に入射し、この入射端面において屈折する。更に、この光は、平面の出射端面において屈折し、外部に集光される。これによって、表示装置は、負屈折結像光学素子の出射端面側に、上下左右及び奥行き方向の位置関係が正しく表現された立体像を表示することができる。

本発明に係る撮像装置及び表示装置では、以下のような優れた効果を奏する。請求項１に記載の発明によれば、要素画像を点対称に変換する電気的な計算処理を行わなくても、ＩＰ方式における一般的な表示装置によって被写体の立体像を表示するためのＩＰ画像を撮像することができる。そのため、撮像装置は、変換する計算を行うための高速計算機や大規模な電子回路を必要としない。

また、負屈折要素光学レンズ系は、１つの光学素子から構成することもできるので、アフォーカル光学系を用いる従来の方法に比べて装置を簡略化することができる。更に、屈折率分布レンズを用いる従来の方法では、大面積のレンズ群を位置精度よく構成することが困難であったが、負屈折要素光学レンズ系を用いることで、大面積の負屈折要素光学レンズ群を位置精度よく構成することができる。

請求項２又は請求項４に記載の発明によれば、被写体より当該撮像装置に近い位置に形成された、被写体と同じ大きさで、かつ、上下左右及び奥行き方向の位置関係が正しい立体像のＩＰ画像を撮像することができるため、撮像装置から被写体までの距離を、実際の距離より近づけた場合におけるＩＰ画像と同じ画像を撮像することができる。

請求項３に記載の発明によれば、要素画像を点対称に変換する電気的な計算処理を行わなくても、ＩＰ方式における一般的な表示装置によって被写体の立体像を表示するためのＩＰ画像を撮像することができる。そのため、撮像装置は、変換する計算を行うための高速計算機や大規模な電子回路を必要としない。

請求項５又は請求項７に記載の発明によれば、要素画像を点対称に変換する電気的な計算処理を行わなくても、被写体の複数の要素画像からなるＩＰ画像を入力して、上下左右及び奥行き方向の位置関係が正しく表現された被写体の立体像を表示することができる。

請求項６又は請求項８に記載の発明によれば、負屈折結像光学素子を設置することで、被写体の立体像を、当該負屈折結像光学素子の出射端面から観察者（視聴者）の位置に近づけて表示することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［撮像装置の構成（第一の実施の形態）］
まず、図１を参照して、本発明の第一の実施の形態である撮像装置１の構成について説明する。図１は、撮像装置の構成を模式的に示した模式図である。撮像装置１は、被写体１４のＩＰ画像を撮像するものである。撮像装置１は、負屈折要素画像レンズ群１２と、写真フィルム１３とを備える。

負屈折要素画像レンズ群１２は、複数の負屈折要素光学レンズ系１１を、当該負屈折要素光学レンズ系１１の光軸に垂直な同一平面上にアレイ状に配置して構成されている。この負屈折要素光学レンズ系１１は、被写体１４の要素画像を形成するものである。

負屈折要素光学レンズ系１１（…、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、…）は、被写体１４からの光が入射し、後記する写真フィルム１３上に被写体１４の像（要素画像）を形成するものである。この負屈折要素光学レンズ系１１は、従来のＩＰ方式の撮像装置１１０の凸レンズ１１１（図１１参照）のような正の屈折率を持つ凸レンズによって形成される要素画像と比べて、横倍率が逆転した要素画像を形成する。負屈折要素光学レンズ系１１は、負の屈折率を有する媒質からなる少なくとも１つの光学素子から構成され、ここでは、厚肉両凸レンズからなることとした。

なお、負の屈折率を有する媒質には、例えば、負の屈折率を持つフォトニック結晶や、負の屈折率を持つメタ材料（左手系材料）等の材料を用いることができる。この負の屈折率を持つフォトニック結晶としては、例えば、Ｃｈｉｙａｎ Ｌｕｏ，ｅｔ ａｌ．，"Ａｌｌ−ａｎｇｌｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｙ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ"，Ａｐｐｌｉｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．１３，Ｐ．２３５２−２３５４に記載されるような、所定範囲の波長の光について、全方向の入射に対して負の屈折率を持つ三次元結晶が挙げられる。

また、負の屈折率を持つメタ材料としては、例えば、Ｒ．Ａ．Ｓｈｅｌｂｙ，ｅｔ ａｌ．，"Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ ｏｆ Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ"，Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２９２，ｐ．７７−７９に記載されているガラス繊維基板上に銅のリングとワイアを有する材料のような、特定の周波数において誘電率及び透磁率が負の値を示す複合材料が挙げられる。

ここで、図２及び図３を参照して、厚肉両凸レンズからなる負屈折要素光学レンズ系１１について説明する。図２は、負屈折要素光学レンズ系の構成と、当該負屈折要素光学レンズ系に入射した被写体からの光の光路とを模式的に示した模式図である。図３は、負屈折要素光学レンズ系によって形成される像の横倍率と、負屈折要素光学レンズ系の凸レンズ面の面頂から被写体までの距離との関係を示すグラフである。なお、図２では、負屈折要素光学レンズ系１１の凸レンズ面（入射端面）Ｐ１及び凸レンズ面（出射端面）Ｐ２を太線で示している。

負屈折要素光学レンズ系１１は、所定距離だけ離隔して対面する凸レンズ面Ｐ１、Ｐ２を有する。ここで、この凸レンズ面Ｐ１、Ｐ２の曲率半径をそれぞれｒ１、ｒ２（図示せず）、凸レンズ面Ｐ１、Ｐ２の面頂Ｖ１、Ｖ２間の距離（負屈折要素光学レンズ系１１の光軸方向の長さ）をｄ１とし、負屈折要素光学レンズ系１１内部の屈折率をｎ２（＜０）、外部の屈折率をｎ１（＞０）とすると、焦点距離ｆ１は、以下の式（１）によって表される。
ｆ１＝１／［φ１＋φ２・｛１−（ｄ１／ｎ２）・φ１｝］
φ１＝（ｎ２−ｎ１）／ｒ１
φ２＝（ｎ１−ｎ２）／ｒ２ …（１）

また、凸レンズ面Ｐ２の面頂Ｖ２から負屈折要素光学レンズ系１１の像側主点までの距離ｈ２は、以下の式（２）によって表される。ここで、光の進行方向を正とした。
ｈ２＝−（ｄ１／ｎ２）・φ１／［φ１＋φ２・｛１−（ｄ１／ｎ２）・φ１｝］ …（２）

そして、以下の式（３）を満足するように、負屈折要素光学レンズ系１１を設計することで、当該負屈折要素光学レンズ系１１によって形成される像の横倍率ｍは、図３に示すようになる。
φ１＋φ２・｛１−（ｄ１／ｎ２）・φ１｝＜０ …（３）

なお、図３におけるｂは、負屈折要素光学レンズ系１１の物側主点（図示せず）から物側焦点（図示せず）までの距離を示している。そして、凸レンズ面Ｐ１の面頂Ｖ１から物側主点までの距離ｈ１は、以下の式（４）で表される。
ｈ１＝（ｄ１／ｎ２）・φ２／［φ１＋φ２・｛１−（ｄ１／ｎ２）・φ１｝］ …（４）

そして、図３に示すように、負屈折要素光学レンズ系１１の凸レンズ面（入射端面）Ｐ１からの被写体１４（図１参照）までの距離Ｌが距離ｂより小さい場合には、横倍率ｍは正になり、正立像が形成される。また、距離Ｌが距離ｂより大きい場合には、横倍率ｍは負になり、倒立像が形成される。なお、ここでは、光の進行方向を正としている。そして、負屈折要素光学レンズ系１１の物側焦点より遠い位置にある被写体１４を撮像する場合には、各負屈折要素光学レンズ系１１によって形成される像は正立像となる。

図１に戻って説明を続ける。写真フィルム（画像撮像手段）１３は、負屈折要素画像レンズ群１２の負屈折要素光学レンズ系１１によって形成された被写体１４の像を撮像するものである。そして、前記したように、被写体１４が、負屈折要素光学レンズ系１１の物側焦点より遠い位置にあるときには、各々の負屈折要素光学レンズ系１１によって被写体１４の正立像が形成されるため、写真フィルム１３によって撮像される像は正立像となる。この写真フィルム１３によって撮像される画像は、例えば、図１３に示す従来の表示装置１３０のような、ＩＰ方式における一般的な表示装置に表示することによって、観察者（視聴者）は被写体１４の立体像を見ることができる。

なお、式（１）と式（４）とにおいて、下記の式（５）を満たす場合には、像側焦平面と、負屈折要素光学レンズ系１１の凸レンズ面Ｐ２とが一致する。
ｄ１／ｒ１＝ｎ２／（ｎ２−ｎ１） …（５）
そのため、式（５）を満たすように、屈折率ｎ１、ｎ２と、凸レンズ面Ｐ１の曲率半径ｒ１と、負屈折要素光学レンズ系１１の光軸方向の長さｄ１を設定し、凸レンズ面Ｐ２を光軸に垂直な平面（図示せず）として、この平面に写真フィルム１３を当接させることとしてもよい。

また、ここでは、写真フィルム１３によって撮像することとしたが、本発明の撮像装置１の画像撮像手段は、各々の負屈折要素光学レンズ系１１によって形成された像を撮像できればよく、例えば、光電変換素子や電荷転送素子等であってもよい。そして、被写体１４の位置に応じて、この写真フィルム１３の負屈折要素光学レンズ系１１からの光軸方向の距離を設定することで、被写体１４のＩＰ画像を撮像することができる。例えば、無限遠方にある被写体１４を撮像する場合には、式（１）に基づいて、写真フィルム１３を負屈折要素光学レンズ系１１の像側焦平面の位置に設置することで、被写体１４の正立像からなるＩＰ画像を撮像することができる。

更に、負屈折要素光学レンズ系１１は、隣接する負屈折要素光学レンズ系１１との間で光が漏れないように、各々の負屈折要素光学レンズ系１１の側面（光軸に平行な面）に光学的な遮光処理を施すこととしてもよい。また、負屈折要素光学レンズ系１１と写真フィルム１３とを、所定の距離だけ離して配置する場合には、各々の負屈折要素光学レンズ系１１から出射された光が干渉しないように、各々の負屈折要素光学レンズ系１１の側面の延長上において光学的な遮蔽板を設けることとしてもよい。

［撮像装置の動作（第一の実施の形態）］
次に、図１を参照して、本発明における撮像装置１が、被写体１４のＩＰ画像を撮像する動作について説明する。

被写体１４からの光は、負屈折要素画像レンズ群１２を構成する各々の負屈折要素光学レンズ系１１に入射する。すると、入射した光は、各々の負屈折要素光学レンズ系１１の内部において集光され、その後拡散した光は、更に写真フィルム１３上に集光される。そして、被写体１４の像（要素画像）が写真フィルム１３上に形成される。この要素画像は、被写体１４が負屈折要素光学レンズ系１１の物側焦点より遠い位置にある場合には正立像、近い位置にある場合には倒立像となる。更に、写真フィルム１３によって、当該要素画像を撮像する。以上の動作によって、撮像装置１は、被写体１４のＩＰ画像を撮像することができる。

［撮像装置の構成（第二の実施の形態）］
次に、図４から図６を参照して、本発明における第二の実施の形態である撮像装置４の構成について説明する。まず、図４を参照して、撮像装置４の構成について説明する。図４は、本発明の第二の実施の形態である撮像装置の構成を模式的に示した模式図である。図４に示すように、撮像装置４は、被写体４５のＩＰ画像を撮像するものである。撮像装置４は、負屈折光学系４１と、要素画像レンズ群４３と、写真フィルム４４とを備える。なお、ここでは、撮像装置４からの奥行き方向（光軸方向）の距離が異なる２つの被写体４５ａ、４５ｂを撮像する場合について説明する。

負屈折光学系４１は、負の屈折率を持つ媒質からなる光学系であり、被写体４５からの光が入射される平面の入射端面４１ａを有し、また、後記する要素画像レンズ群４３の入射端面と形状に沿って隣接する出射端面４１ｂとを有する。この入射端面４１ａは、要素画像レンズ群４３の各々の正屈折要素光学レンズ系４２の光軸に直交する。そして、負屈折光学系４１は、光軸方向に所定の厚さを有し、内部において被写体４５（４５ａ、４５ｂ）の像４５'（４５ａ'、４５ｂ'）を形成する。

ここで、負屈折光学系４１は、負の屈折率を有するため、平面の入射端面４１ａ側の外部の空間の像が、この入射端面４１ａに直交する方向（ここでは、正屈折要素光学レンズ系４２の光軸方向と一致する）に反転されて内部において形成する。そのため、形成された被写体４５の像４５'は、光軸方向（奥行き方向）に配置や凹凸が反転したものとなる。例えば、図４に示すように、被写体４５ａが被写体４５ｂより写真フィルム４４から離れて配置されている場合には、負屈折光学系４１の内部において、被写体４５ａの像４５ａ'が、被写体４５ｂの像４５ｂ'より写真フィルム４４に近い位置に形成する。

要素画像レンズ群４３は、複数の正屈折要素光学レンズ系４２を、当該正屈折要素光学レンズ系４２の光軸に垂直な同一平面上にアレイ状に配置して構成されている。この正屈折要素光学レンズ系４２は、正の屈折率を持つ媒質からなり、被写体４５の像を形成するものである。ここでは、正屈折要素光学レンズ系４２は、厚肉両凸レンズからなることとした。

ここで、図５を参照して、厚肉両凸レンズからなる正屈折要素光学レンズ系４２について説明する。図５は、正屈折要素光学レンズ系の構成と、当該正屈折要素光学レンズ系に入射した被写体からの光の光路とを模式的に示した模式図である。なお、図５では、正屈折要素光学レンズ系４２の凸レンズ面（入射端面）Ｐ４１及び凸レンズ面（出射端面）Ｐ４２を太線で示している。

正屈折要素光学レンズ系４２は、所定距離だけ離隔して対面する凸レンズ面Ｐ４１、Ｐ４２を有する。ここで、この凸レンズ面Ｐ４１、Ｐ４２の曲率半径をそれぞれｒ４１、ｒ４２（図示せず）、凸レンズ面Ｐ４１、Ｐ４２の面頂Ｖ４１、Ｖ４２間の距離（正屈折要素光学レンズ系４２の光軸方向の長さ）をｄ４１とし、正屈折要素光学レンズ系４２内部の屈折率をｎ４２（＞０）、凸レンズ面（入射端面）側と接する負屈折光学系４１の屈折率をｎ４１（＜０）、外部の屈折率をｎ４３（＞０）とすると、焦点距離ｆ４１は、以下の式（６）によって表される。
ｆ４１＝１／［φ４１＋φ４２・｛１−（ｄ４１／ｎ４２）・φ４１｝］
φ４１＝（ｎ４２−ｎ４１）／ｒ４１
φ４２＝（ｎ４３−ｎ４２）／ｒ４２ …（６）

また、凸レンズ面Ｐ４２の面頂Ｖ４２から正屈折要素光学レンズ系４２の像側主点までの距離ｈ４２は、以下の式（７）によって表される。ここで、光の進行方向を正とした。
ｈ４２＝−（ｄ４１／ｎ４２）・φ４１／［φ４１＋φ４２・｛１−（ｄ４１／ｎ４２）・φ４１｝］ …（７）
そして、以下の式（８）を満足するように、正屈折要素光学レンズ系４２を設計することで、当該正屈折要素光学レンズ系４２によって形成される像の横倍率ｍは、図６に示すようになる。
φ４１＋φ４２・｛１−（ｄ４１／ｎ４２）・φ４１｝＞０ …（８）

ここで、図６（適宜図５参照）を参照して、正屈折要素光学レンズ系４２によって形成される被写体４５の像４５'（図４参照）の像の倍率について説明する。図６は、形成される像の横倍率と、正屈折要素光学レンズ系の凸レンズ面の面頂から被写体までの距離との関係を示すグラフである。なお、図６におけるｆは、正屈折要素光学レンズ系４２の凸レンズ面Ｐ４１の物側主点（図示せず）から物側焦点（図示せず）までの距離を示している。

図６に示すように、正屈折要素光学レンズ系４２の凸レンズ面（入射端面）Ｐ４１から被写体４５の像４５'までの距離Ｌが距離−ｆより小さい場合には、横倍率ｍは負になり、被写体４５の像４５'の倒立像が形成される。また、距離Ｌが距離−ｆより大きい場合には、横倍率ｍは正になり、被写体４５の像４５'の正立像が形成される。なお、ここでは、光の進行方向を正としているため、正屈折要素光学レンズ系４２の物側焦点より遠い位置にある被写体の像４５'を撮像する場合には、各正屈折要素光学レンズ系４２によって形成される像は、被写体４５の像４５'の倒立像になる。

図４に戻って説明を続ける。写真フィルム（画像撮像手段）４４は、要素画像レンズ群４３の正屈折要素光学レンズ系４２によって形成された被写体４５の像を撮像するものである。そして、前記したように、被写体４５の像４５'が、正屈折要素光学レンズ系４２の物側焦点より遠い位置にあるときには、各々の正屈折要素光学レンズ系４２によって、被写体４５の倒立像が形成され、写真フィルム４４によって撮像される。そして、例えば、図１１に示す撮像装置１１０のようなＩＰ方式の従来の撮像装置によって撮像された、被写体の倒立像の画像からなるＩＰ画像を用いて、図１３に示す表示装置１３０のようなＩＰ方式の従来の表示装置によって被写体の立体像を表示すると、奥行き方向に反転した立体像が表示されるが、本発明の撮像装置４の写真フィルム４４によって撮像される画像は、被写体４５を光軸方向（奥行き方向）に反転した像４５'の要素画像であるため、この画像を用いれば、ＩＰ方式の従来の表示装置によって、被写体４５を光軸方向（奥行き方向）に反転した像４５'を更に光軸方向（奥行き方向）に反転させた立体像、つまり、光軸方向（奥行き方向）の配置や凹凸が正しく表示された被写体４５の立体像を表示することができる。これによって、撮像装置４は、要素画像を点対称に変換する電気的な計算処理を行わなくても、ＩＰ方式の従来の表示装置によって、光軸方向（奥行き方向）の配置や凹凸が正しく表示された被写体４５の立体像を表示することができるＩＰ画像を撮像することができる。

なお、式（６）において、下記の式（９）を満たす場合には、像側焦平面と、負屈折要素光学レンズ系１１の凸レンズ面Ｐ４２（図５参照）とが一致する。
ｄ４１／ｒ４１＝ｎ４２／（ｎ４２−ｎ４１） …（９）
そのため、式（９）を満たすように、屈折率ｎ４１、ｎ４２と、凸レンズ面Ｐ４１の曲率半径ｒ４１と、正屈折要素光学レンズ系４２の光軸方向の長さｄ４１を設定し、凸レンズ面Ｐ４２を光軸に垂直な平面（図示せず）として、この平面に写真フィルム４４を当接させることとしてもよい。

更に、負屈折光学系４１の光軸方向の長さが短く、負屈折光学系４１の内部に被写体４５の像４５'が形成されない場合でも、撮像装置４は、被写体４５と比較して奥行きが反転した像の要素画像からなるＩＰ画像を撮像することができる。このとき、被写体４５からの発散光は負屈折光学系４１の入射端面４１ａで屈折して収束光となって要素画像レンズ群４３に入射する。そのため、撮像された被写体４５の画像をＩＰ方式の従来の表示装置に表示すると、被写体４５の画像からの光は従来の表示装置の凸レンズアレイ（図示せず）から発散光となって出射するため、凸レンズアレイの奥に光軸方向（奥行き方向）に反転された立体像（虚像）を形成することができる。

また、ここでは、写真フィルム４４によって被写体４５の要素画像を撮像することとしたが、本発明の撮像装置４の画像撮像手段は、各々の正屈折要素光学レンズ系４２によって形成された像を撮像できればよく、例えば、光電変換素子や電荷転送素子等であってもよい。そして、被写体４５の位置に応じて、この写真フィルム４４の正屈折要素光学レンズ系４２からの光軸方向の距離を設定して配置することで、被写体４５のＩＰ画像を撮像することができる。例えば、無限遠方にある被写体４５を撮像する場合には、式（６）に基づいて、写真フィルム４４を正屈折要素光学レンズ系４２の像側焦平面の位置に設置することで、光軸方向（奥行き方向）に反転された被写体４５の倒立像からなるＩＰ画像を撮像することができる。

更に、正屈折要素光学レンズ系４２は、隣接する正屈折要素光学レンズ系４２との間で光が漏れないように、各々の正屈折要素光学レンズ系４２の側面（光軸に平行な面）に光学的な遮光処理を施すこととしてもよい。また、正屈折要素光学レンズ系４２と写真フィルム４４とを、所定の距離だけ離して配置する場合には、各々の正屈折要素光学レンズ系４２から出射された光が干渉しないように、各々の正屈折要素光学レンズ系４２の側面の延長上において光学的な遮蔽板を設けることとしてもよい。

［撮像装置の動作（第二の実施の形態）］
次に、図４を参照して、本発明における撮像装置４が、被写体４５のＩＰ画像を撮像する動作について説明する。

被写体４５からの光は、負屈折光学系４１に入射する。そうすると、この負屈折光学系４１の内部において、被写体４５の像４５'が形成される。この像４５'は、被写体４５を光軸方向（奥行き方向）に反転した立体像となる。

そして、この像４５'からの光は、要素画像レンズ群４３を構成する各々の正屈折要素光学レンズ系４２に入射する。そうすると、入射した光は、各々の正屈折要素光学レンズ系４２によって集光されて出射される。そして、被写体４５の像４５'の像（要素画像）が形成される。この要素画像は、被写体４５の像４５'が正屈折要素光学レンズ系４２の物側焦点より遠い位置にある場合には倒立像、近い位置にある場合には正立像となる。

更に、この要素画像が形成される光軸方向の位置に設置された写真フィルム４４によって、当該要素画像を撮像する。以上の動作によって、撮像装置４は、被写体４５のＩＰ画像を撮像することができる。

［表示装置の構成（第三の実施の形態）］
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態である表示装置５の構成について説明する。図７は、表示装置の構成を模式的に示した模式図、（ａ）は、表示装置のディスプレイに表示される要素画像群の例を示す説明図、（ｂ）は、表示装置の構成と、当該表示装置によって表示される被写体の立体像を模式的に示す模式図である。

図７に示すように、表示装置５は、例えば、図１１に示す従来の撮像装置１１０のような、従来のＩＰ方式における一般的な撮像装置によって撮像された、被写体（図示せず）の要素画像５６（…、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、…）が複数撮像された画像である要素画像群５５を表示して、被写体の立体像５３を表示するものである。なお、図７では例として、要素画像群５５が倒立像の場合について示している。表示装置５は、ディスプレイ５０と、負屈折要素画像レンズ群５２とを備える。

ディスプレイ（画像表示手段）５０は、ＩＰ方式における一般的な撮像装置によって撮像された要素画像群５５を表示するものである。このディスプレイ５０は、例えば、液晶ディスプレイ等の、画像を表示する一般的な表示手段によって実現することができる。

負屈折要素画像レンズ群５２は、複数の負屈折要素光学レンズ系５１（…、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、…）を、当該負屈折要素光学レンズ系５１の光軸に垂直な同一平面上にアレイ状に配置して構成されている。この負屈折要素光学レンズ系５１は、ディスプレイ５０に表示される要素画像群５５からの光により被写体の立体像５３を表示するものである。この負屈折要素光学レンズ系５１は、負の屈折率を有する媒質からなる少なくとも１つの光学素子から構成され、ここでは、厚肉両凸レンズからなることとした。

ここで、要素画像群５５は、正の屈折率を有する複数の凸レンズ等の集光手段（図示せず）が同一平面上にアレイ状に配列された要素画像レンズ群（凸レンズ群）を有する従来のＩＰ方式の撮像装置（図示せず）によって撮像され、図７（ａ）に示すように、複数の集光手段によって形成された像の画像（要素画像５６）が複数配列されている。そして、負屈折要素光学レンズ系５１は、この要素画像５６の各々に対応して配置され、各々の要素画像５６の光が、対応する負屈折要素光学レンズ系５１に入射する。

ここで、負屈折要素光学レンズ系５１は、負の屈折率を有する媒質からなるため、例えば、図１３（ａ）に示す従来の表示装置の凸レンズ１３２のような、正の屈折率を有する凸レンズと比べて、光軸に対して反対方向（反転された方向）に屈折する。これによって、表示装置５は、被写体の要素画像５６が撮像された要素画像群５５をディスプレイ５０に表示することで、実物の被写体と上下左右及び奥行き方向の位置関係が一致する被写体の立体像５３を表示することができる。なお、この負屈折要素光学レンズ系５１は、図１に示した負屈折要素光学レンズ系１１と同様に、外部の屈折率ｎ１、入射端面の曲率半径ｒ１、出射端面の曲率半径ｒ２、入射端面の面頂から出射端面の面頂までの距離ｄ１、内部の屈折率ｎ２が前記の式（３）を満たすように設定され、図１の写真フィルム１３と同じ距離だけ、ディスプレイ５０と負屈折要素光学レンズ系１１との光軸方向の距離を設定して配置することで、被写体の立体像を表示することができる。

そのため、要素画像群５５の各々の要素画像５６を点対称に変換する電気的な計算処理を行う必要がなく、表示装置５は、変換する計算を行うための高速計算機や大規模な電子回路を必要としない。更に、負屈折要素画像レンズ群５２は、負の屈折率を有する凸レンズをアレイ状に配列することで実現できるため、アフォーカル光学系や、光ファイバのような屈折率分布レンズが必要となる従来の方法に比べて、表示装置５を簡易な構成とすることができる。

［表示装置の動作（第三の実施の形態）］
次に、図７を参照して、本発明における表示装置５が、被写体の立体像５３を表示する動作について説明する。

まず、表示装置５は、ディスプレイ５０に要素画像群５５を表示する。すると、要素画像群５５の各々の要素画像５６からの光は、負屈折要素画像レンズ群５２を構成する各々の負屈折要素光学レンズ系５１に入射し、光軸方向の軸を中心に反転されて出射される。

そして、観察者（視聴者）が負屈折要素画像レンズ群５２を介してディスプレイ５０を見ると、被写体の立体像５３が表示される。以上の動作によって、表示装置５は、上下左右及び奥行き方向の位置関係が正しく表現された被写体の立体像５３を表示することができ、観察者（視聴者）が、負屈折要素画像レンズ群５２を介して要素画像群５５が表示されたディスプレイ５０を見ると、被写体の立体像５３を見ることができる。

［表示装置の構成（第四の実施の形態）］
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態である表示装置７の構成について説明する。図８は、表示装置の構成を模式的に示した模式図、（ａ）は、表示装置のディスプレイに表示される要素画像群の例を示す説明図、（ｂ）は、表示装置の構成と、当該表示装置によって表示される被写体の立体像を模式的に示す模式図である。

図８に示すように、表示装置７は、例えば、図１１に示す従来の撮像装置１１０のような、従来のＩＰ方式における一般的な撮像装置によって撮像された、被写体（図示せず）の要素画像７７（…、７７ｂ、７７ｃ、７７ｄ、…）が複数撮像された画像である要素画像群７６を表示して、被写体の立体像７４を表示するものである。なお、図８では例として、要素画像７７が倒立像の場合について示した。表示装置７は、ディスプレイ７０と、要素画像レンズ群７２と、負屈折光学系７３とを備える。

ディスプレイ（画像表示手段）７０は、ＩＰ方式における一般的な撮像装置によって撮像された要素画像群７６を表示するものである。このディスプレイ７０は、例えば、液晶ディスプレイ等の、画像を表示する一般的な表示手段によって実現することができる。

要素画像レンズ群７２は、複数の正屈折要素光学レンズ系７１（…、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、…）を、当該正屈折要素光学レンズ系７１の光軸に垂直な同一平面上にアレイ状に配置して構成されている。そして、要素画像レンズ群７２の出射端面は、後記する負屈折光学系７３の入射端面７３ａの形状に沿って隣接する。この正屈折要素光学レンズ系７１は、ディスプレイ７０に表示される要素画像群７６の要素画像７７からの光により、光軸方向（奥行き方向）に反転した被写体の像（立体像）７４'を形成するものである。正屈折要素光学レンズ系７１は、正の屈折率を有する媒質からなる少なくとも１つの光学素子から構成され、ここでは、厚肉両凸レンズからなることとした。

ここで、要素画像群７６は、図８（ａ）に示すように、複数の集光手段によって形成された像の画像（要素画像７７）が複数配列された画像である。そして、正屈折要素光学レンズ系７１は、この要素画像７７の各々に対応して配置され、各々の要素画像７７の光が、対応する正屈折要素光学レンズ系７１に入射する。

そして、正屈折要素光学レンズ系７１は、ディスプレイ７０から入射した光により、負屈折光学系７３に対して像７４'（７４ａ'、７４ｂ'）を形成する。なお、この正屈折要素光学レンズ系７１は、図４に示した正屈折要素光学レンズ系４２と同様に、外部の屈折率ｎ４３、入射端面の曲率半径ｒ４１、出射端面の曲率半径ｒ４２、入射端面の面頂から出射端面の面頂までの距離ｄ４１、内部の屈折率ｎ４２及び負屈折光学系７３の屈折率ｎ４１が前記の式（８）を満たすように設定され、図４の写真フィルム４４と同じ距離だけ、ディスプレイ７０と正屈折要素光学レンズ系７１との光軸方向の距離を設定して配置することで、被写体の像７４'を表示することができる。そして、ディスプレイ７０に表示されている要素画像７７（…、７７ｂ、７７ｃ、７７ｄ、…）からの光は要素画像レンズ群７２に入射し、当該要素画像レンズ群７２によって、光軸方向（奥行き方向）の配置や凹凸が反転した被写体の像（立体像）７４'が形成される。

負屈折光学系７３は、負の屈折率を持つ媒質からなる光学系であり、要素画像レンズ群７２と接する入射端面７３ａと、平面の出射端面７３ｂとを有する。この負屈折光学系７３の内部には、前記したように、光軸方向に凹凸が反転した被写体の像７４'（７４ａ'、７４ｂ'）が形成し、この像７４'からの光が出射端面７３ｂから出射する。そして、この出射端面７３ｂから出射した光は、当該出射端面７３ｂにおいて屈折し、外部に被写体の立体像７４（７４ａ、７４ｂ）を形成する。この立体像７４は、像７４'が光軸方向（奥行き方向）に反転したものであるので、撮像された被写体と、光軸方向の配置や凹凸が一致する。

これによって、表示装置７は、被写体の要素画像７７が撮像された要素画像群７６をディスプレイ７０に表示することで、実物の被写体と上下左右及び奥行き方向の配置及び形状が一致する被写体の立体像７４を表示することができる。

そのため、要素画像群７６の各々の要素画像７７を点対称に変換する電気的な計算処理を行う必要がなく、表示装置７は、変換する計算を行うための高速計算機や大規模な電子回路を必要としない。

［表示装置の動作（第四の実施の形態）］
次に、図８を参照して、本発明における表示装置７が、被写体の立体像７４を表示する動作について説明する。

まず、表示装置７は、ディスプレイ７０に要素画像群７６を表示する。すると、要素画像群７６からの光は、要素画像レンズ群７２を構成する各々の正屈折要素光学レンズ系７１によって光軸を中心に反転されて出射し、実物の被写体と上下左右方向の配置や凹凸は一致し、かつ、光軸方向（奥行き方向）の配置や凹凸が反転した被写体の像７４'が、負屈折光学系７３の内部に形成される。

そして、負屈折光学系７３に入射した光は、出射端面７３ｂにおいて屈折し、被写体の像７４'を奥行き方向に反転した立体像７４が形成される。以上の動作によって、表示装置７は、上下左右及び奥行き方向の配置や形状が正しく表現された被写体の立体像７４を表示することができる。

［撮像装置・表示装置の他の実施の形態］
更に、本発明の撮像装置１、４（図１、図４参照）あるいは表示装置５、７（図７、図８参照）は、被写体あるいは立体像からの光を入射して、当該被写体あるいは立体像の像を形成する負屈折結像光学素子を備えることとしてもよい。ここで、図９及び図１０を参照（適宜図１、図４、図７及び図８参照）して、負屈折結像光学素子８について説明する。図９は、負屈折結像光学素子の構成を説明するための説明図、（ａ）は、ひとつの負屈折結像光学素子に、被写体あるいは立体像からの光が入射した際の光路を模式的に示す模式図、（ｂ）は、複数の負屈折結像光学素子を配列した場合における、被写体あるいは立体像からの光の光路を模式的に示す模式図、（ｃ）は、ひとつの負屈折結像光学素子に、被写体あるいは立体像からの光が入射した際の他の例における光路を模式的に示す模式図である。図１０は、本発明の他の実施の形態である撮像装置の構成を模式的に示した模式図である。

負屈折結像光学素子８は、負の屈折率を有する媒質からなり、図９（ａ）に示すように、被写体（立体像）９１、９２からの光が入射する平面の入射端面８１と、この光が出射する、入射端面８１に平行な平面の出射端面８２とを有する。この負屈折結像光学素子８は、負の屈折率を有するため、被写体（立体像）９１、９２からの光が入射端面８１から入射すると、光は屈折し、この入射端面８１に直交する方向に反転させた当該被写体（立体像）９１、９２の像９３、９４を、当該負屈折結像光学素子８の内部に形成する。ここで、被写体（立体像）９１、９２と像９３、９４の大きさは一致する。そして、この光は、出射端面８２において屈折し、負屈折結像光学素子８は、この像９３、９４を出射端面８２に直交する方向に反転させた、当該被写体（立体像）９１、９２の像（立体像）９５、９６を形成する。なお、被写体（立体像）９１が虚像である場合には、負屈折結像光学素子８は、像９５、９６の位置に実像を形成せず、観察者（視聴者）が光の進行方向に対向する方向から当該負屈折結像光学素子８を見た場合に、この位置に被写体の像（虚像）を見ることができる。

また、ここでは、負屈折結像光学素子８によって２つの被写体（立体像）９１、９２の像９５、９６が形成されることとして説明したが、本発明の負屈折結像光学素子８では、ひとつ以上の被写体あるいは立体像を含む外部の空間からの光が入射端面８１に入射して屈折し、更に出射端面８２において屈折することで、この空間の立体像を形成することができる。

ここで、図１０を参照して、図１に示す第一の実施の形態の撮像装置１に負屈折結像光学素子８を備えて構成された撮像装置１Ａについて説明する。撮像装置１Ａは、被写体１４と負屈折要素画像レンズ群１２との間に、負屈折結像光学素子８を備える。また、負屈折結像光学素子８以外の構成は図１に示したものと同一であるので、同一の符号を付し、説明を省略する。

負屈折結像光学素子８は、被写体１４からの光が入射し、内部において、当該負屈折結像光学素子８の入射端面８１に直交する方向に反転した被写体１４の像（立体像）１４ａを形成し、更に、この像１４ａを出射端面８２に直交する方向に反転した被写体１４の像（立体像）１４ｂを、負屈折要素画像レンズ群１２との間において形成する。そして、この被写体１４の像１４ｂからの光が、負屈折要素画像レンズ群１２に入射することで、撮像装置１は、被写体１４の像１４ｂのＩＰ画像を撮像することができる。そして、このＩＰ画像は、被写体１４が像１４ｂの位置にある場合に撮像装置１（図１参照）によって撮像されるＩＰ画像と同じものとなる。

同様に、第二の実施の形態の撮像装置４（図４参照）が当該負屈折結像光学素子８を備える場合には、負屈折結像光学素子８は、被写体４５と負屈折光学系４１との間に設置され、この負屈折結像光学素子８によって負屈折光学系４１との間に形成された被写体４５の像（図示せず）の光が、負屈折光学系４１に入射することで、撮像装置４は、被写体４５のＩＰ画像を撮像することができる。

このように、本発明の撮像装置１Ａ、４は、被写体（１４又は４５）と写真フィルム（１３又は４４）との距離が大きい場合に、負屈折結像光学素子８を介在させることで、写真フィルム（１３又は４４）から所望の距離の位置に被写体（１４又は４５）の立体像を形成させて、被写体（１４又は４５）が写真フィルム（１３又は４４）からこの距離だけ離れている場合のＩＰ画像を撮像することができる。

また、第三の実施の形態の表示装置５（図７参照）が当該負屈折結像光学素子８を備える場合には、負屈折結像光学素子８は、負屈折要素画像レンズ群５２の出射端面に対面して設置され、当該負屈折要素画像レンズ群５２から出射された光が、負屈折結像光学素子８の入射端面８１に入射する。そして、この光は、出射端面８２から出射する。これによって、観察者（視聴者）が、負屈折結像光学素子８及び負屈折要素画像レンズ群５２を介して要素画像群５５が表示されたディスプレイ５０を見ると、出射端面８２から出射した光により、虚像あるいは実像として、被写体の立体像を見ることができる。

同様にして、第四の実施の形態の表示装置７（図８参照）が当該負屈折結像光学素子８を備える場合には、負屈折結像光学素子８は、負屈折光学系７３の出射端面７３ｂに対面して設置される。そして、当該負屈折光学系７３から出射された光が、負屈折結像光学素子８の入射端面８１に入射し、負屈折結像光学素子８は、被写体の立体像７４の立体像（図示せず）を形成する。

このように、本発明の表示装置５、７は、負屈折要素画像レンズ群５２あるいは負屈折光学系７３と観察者（視聴者）との間に、負屈折結像光学素子８を介在させることで、観察者（視聴者）から所望の距離だけ隔てた位置に、被写体の立体像を表示することができる。

なお、本発明の撮像装置１、４及び表示装置５、７は、図９（ｂ）に示すような、複数の負屈折結像光学素子８（８ａ、…、８ｂ）を備えることとしてもよい。この負屈折結像光学素子８は、当該負屈折結像光学素子８の出射端面８２と、隣接する負屈折結像光学素子８の入射端面８１とを、当該負屈折結像光学素子８によって形成された像９５、９６を挟んで対面させて配列されている。そして、被写体（立体像）９１、９２からの光は負屈折結像光学素子８ａに入射し、負屈折結像光学素子８ａの内部において、入射端面８１に直交する方向に反転された当該被写体（立体像）９１、９２の像９３ａ、９４ａを形成する。更に、負屈折結像光学素子８ａは、出射端面８２と隣接する負屈折結像光学素子の出射端面（図示せず）の間において、この像９３ａ、９４ａを出射端面８２に直交する方向に反転させた像９５ａ、９６ａを形成する。そして、この像９５ａ、９６ａからの光は、隣接する負屈折結像光学素子（図示せず）に入射し、同様にして、順に隣接する負屈折結像光学素子（図示せず）に入射させることができる。

そして、被写体（立体像）９１、９２から一番遠い位置にある負屈折結像光学素子８ｂに、隣接する負屈折結像光学素子（図示せず）によって形成された像（図示せず）からの光が入射すると、負屈折結像光学素子８ｂは、被写体（立体像）９１、９２の像９５ｂ、９６ｂを形成することができる。

また、本発明の撮像装置１、４及び表示装置５、７は、図９（ｃ）に示すような、被写体（立体像）９１、９２の像を内部において形成しない負屈折結像光学素子８Ａを備えることとしてもよい。入射端面８１から入射した被写体（立体像）９１、９２からの光は、当該入射端面８１において屈折し、進むにつれて徐々に収束するが、この負屈折結像光学素子８は、入射端面８１に直交する方向の長さが短いため、被写体（立体像）９１、９２の像を内部に形成せずに出射端面８２から出射して拡散する。

そして、撮像装置１、４（図１、図４参照）が、この負屈折結像光学素子８Ａを備える場合には、出射端面８２から出射した拡散光の進行方向とは逆の方向にこの光の光路を延長した収束点９７、９８の位置に、被写体９１、９２がある場合のＩＰ画像を撮像することができる。また、表示装置５、７（図７、図８参照）が、この負屈折結像光学素子８Ａを備える場合には、収束点９７、９８の位置に立体像９１、９２の虚像を形成することができる。

本発明の第一の実施の形態である撮像装置の構成を模式的に示した模式図である。 本発明の第一の実施の形態である撮像装置の負屈折要素光学レンズ系の構成と、当該負屈折要素光学レンズ系に入射した被写体からの光の光路とを模式的に示した模式図である。 本発明の第一の実施の形態である撮像装置の負屈折要素光学レンズ系によって形成される像の横倍率と、負屈折要素光学レンズ系の凸レンズ面の面頂から被写体までの距離との関係を示すグラフである。 本発明の第二の実施の形態である撮像装置の構成を模式的に示した模式図である。 本発明の第二の実施の形態である撮像装置の正屈折要素光学レンズ系の構成と、当該正屈折要素光学レンズ系に入射した被写体からの光の光路とを模式的に示した模式図である。 撮像装置の正屈折要素光学レンズ系によって形成される像の横倍率と、正屈折要素光学レンズ系の凸レンズ面の面頂から被写体までの距離との関係を示すグラフである。 本発明の第三の実施の形態である表示装置の構成を模式的に示した模式図、（ａ）は、表示装置のディスプレイに表示される要素画像群の例を示す説明図、（ｂ）は、表示装置の構成と、当該表示装置によって表示される被写体の立体像を模式的に示す模式図である。 本発明の第四の実施の形態である表示装置の構成を模式的に示した模式図、（ａ）は、表示装置のディスプレイに表示される要素画像群の例を示す説明図、（ｂ）は、表示装置の構成と、当該表示装置によって表示される被写体の立体像を模式的に示す模式図である。 本発明の第二の実施の形態である表示装置の負屈折結像光学素子の構成を説明するための説明図、（ａ）は、ひとつの負屈折結像光学素子に、被写体あるいは立体像からの光が入射した際の光路を模式的に示す模式図、（ｂ）は、複数の負屈折結像光学素子を配列した場合における、被写体あるいは立体像からの光の光路を模式的に示す模式図、（ｃ）は、ひとつの負屈折結像光学素子に、被写体あるいは立体像からの光が入射した際の他の例における光路を模式的に示す模式図である。 本発明の他の実施の形態である撮像装置の構成を模式的に示した模式図である。 従来のＩＰ方式における、被写体の撮像方法を模式的に示す説明図、（ａ）は、従来のＩＰ方式の撮像装置の構成を模式的に示す模式図、（ｂ）は、（ａ）の撮像装置によって撮像された画像の例を模式的に示す模式図である。 従来のＩＰ方式を用いて撮像された画像の変換方法を模式的に示す模式図である。 従来のＩＰ方式における、被写体の立体像の表示方法を模式的に示す説明図、（ａ）は、従来のＩＰ方式における表示装置の構成と、当該表示装置によって表示される被写体の立体像を模式的に示す模式図、（ｂ）は、（ａ）の表示装置においてディスプレイに表示される画像の例を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１、１Ａ 撮像装置
１１ 負屈折要素光学レンズ系
１２ 負屈折要素画像レンズ群
１３ 写真フィルム（画像撮像手段）
１４ 被写体
４ 撮像装置
４１ 負屈折光学系
４１ａ 入射端面
４１ｂ 出射端面
４２ 正屈折要素光学レンズ系
４３ 要素画像レンズ群
４４ 写真フィルム（画像撮像手段）
４５ 被写体
５ 表示装置
５０ ディスプレイ（画像表示手段）
５１ 負屈折要素光学レンズ系
５２ 負屈折要素画像レンズ群
５５ 要素画像群
５６ 要素画像
７ 表示装置
７０ ディスプレイ（画像表示手段）
７１ 正屈折要素光学レンズ系
７２ 要素画像レンズ群
７３ 負屈折光学系
７３ａ 入射端面
７３ｂ 出射端面
８、８Ａ 負屈折結像光学素子

Claims (8)

1. 被写体の像を撮像する撮像装置であって、
   前記被写体からの光が入射する複数の負屈折要素光学レンズ系を、当該負屈折要素光学レンズ系の光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した負屈折要素画像レンズ群と、
   この負屈折要素画像レンズ群の負屈折要素光学レンズ系によって形成された前記被写体の像を撮像する画像撮像手段とを備え、
   前記負屈折要素光学レンズ系が、負の屈折率を有する媒質からなり、前記被写体が当該負屈折要素光学レンズ系の物側焦点より遠い位置にある場合には、前記被写体の正立像を形成し、前記被写体が前記物側焦点より近い位置にある場合には、前記被写体の倒立像を形成することを特徴とする撮像装置。
2. 前記被写体からの光が入射する平面の入射端面と、前記入射端面に対して平行であり、かつ、前記光が出射する平面の出射端面とを有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折結像光学素子を備え、
   前記負屈折結像光学素子から出射した光が入射する位置に、前記負屈折要素画像レンズ群を配置したことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 被写体の像を撮像する撮像装置であって、
   前記被写体からの光が入射する平面の入射端面を有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折光学系と、
   正の屈折率を有する媒質からなり、前記負屈折光学系から出射した光を屈折する複数の正屈折要素光学レンズ系を、当該正屈折要素光学レンズ系の光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した要素画像レンズ群と、
   この要素画像レンズ群の正屈折要素光学レンズ系によって形成された像を撮像する画像撮像手段とを備え、
   前記負屈折光学系の入射端面が、前記正屈折要素光学レンズ系の光軸と直交し、
   前記負屈折光学系の出射端面が、前記要素画像レンズ群の正屈折要素光学レンズ系の入射端面の形状に沿って隣接し、
   前記正屈折要素光学レンズ系が、前記負屈折光学系によって形成される前記被写体の像が当該正屈折要素光学レンズ系の物側焦点より遠い位置にある場合には、前記被写体の倒立像を形成し、前記負屈折光学系によって形成される前記被写体の像が前記物側焦点より近い位置にある場合には、前記被写体の正立像を形成することを特徴とする撮像装置。
4. 前記被写体からの光が入射する平面の入射端面と、前記入射端面に対して平行であり、かつ、前記光が出射する平面の出射端面とを有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折結像光学素子を備え、
   前記負屈折結像光学素子から出射した光が入射する位置に、前記負屈折光学系を配置したことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 正の屈折率を有する媒質からなる複数の凸レンズを、当該凸レンズの光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した凸レンズ群の各々の前記凸レンズによって形成される被写体の像の画像である要素画像を複数有する要素画像群を入力して、前記被写体の立体像を表示する表示装置であって、
   前記要素画像群を表示する画像表示手段と、
   前記画像表示手段に表示された、各々の前記要素画像からの光が入射する複数の負屈折要素光学レンズ系を、当該負屈折要素光学レンズ系の光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した負屈折要素画像レンズ群とを備え、
   前記負屈折要素光学レンズ系が、負の屈折率を有する媒質からなり、前記被写体が当該負屈折要素光学レンズ系の物側焦点より遠い位置にある場合には、前記被写体の正立像を形成し、前記被写体が前記物側焦点より近い位置にある場合には、前記被写体の倒立像を形成することを特徴とする表示装置。
6. 前記負屈折要素画像レンズ群から出射した光が入射する平面の入射端面と、前記入射端面に対して平行であり、かつ、前記光が出射する平面の出射端面とを有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折結像光学素子を備えることを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
7. 正の屈折率を有する媒質からなる複数の凸レンズを、当該凸レンズの光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した凸レンズ群の各々の前記凸レンズによって形成される被写体の像の画像である要素画像を複数有する要素画像群を入力して、前記被写体の立体像を表示する表示装置であって、
   前記要素画像群を表示する画像表示手段と、
   正の屈折率を有する媒質からなり、前記画像表示手段に表示された、各々の前記要素画像からの光が入射する複数の正屈折要素光学レンズ系を、当該正屈折要素光学レンズ系の光軸に対して直交する同一平面上にアレイ状に配列した要素画像レンズ群と、
   前記要素画像レンズ群からの光が入射し、当該光が出射する平面の出射端面を有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折光学系とを備え、
   前記要素画像レンズ群の出射端面が、前記負屈折光学系の入射端面の形状に沿って隣接し、
   前記正屈折要素光学レンズ系が、前記負屈折光学系によって形成される前記被写体の像が当該正屈折要素光学レンズ系の物側焦点より遠い位置にある場合には、前記被写体の倒立像を形成し、前記負屈折光学系によって形成される前記被写体の像が前記物側焦点より近い位置にある場合には、前記被写体の正立像を形成する表示装置。
8. 負屈折光学系から出射した光が入射する平面の入射端面と、前記入射端面に対して平行であり、かつ、前記光が出射する平面の出射端面とを有し、負の屈折率を持つ媒質からなる負屈折結像光学素子を備えることを特徴とする請求項７に記載の表示装置。

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