JP2018084633A - 画像変換素子、画像変換表示装置、画像変換撮像装置、画像表示装置および画像撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像のひずみや輝度むらをなくして画像のサイズを変換することが可能な画像変換素子を提供する。【解決手段】画像変換素子１０Ｂは、光ファイバーの素線方向に垂直な矩形形状の面と、当該面に対向して第１所定角度だけ傾斜した面ＳＢとを有するＦＯＰ１１Ａと、光ファイバーの素線方向に垂直で、面ＳＢと同じ形状で面ＳＢに接合した面と、当該面に対向して第１所定角度だけ傾斜した面ＳＤとを有するＦＯＰ１２Ａと、光ファイバーの素線方向に垂直で、面ＳＤと同じ形状で面ＳＤに接合した面と、当該面に対向して第２所定角度だけ傾斜した面ＳＦとを有するＦＯＰ１１Ｂと、光ファイバーの素線方向に垂直で、面ＳＦと同じ形状で面ＳＦに接合した面と、当該面に対向して第２所定角度だけ傾斜した面ＳＨとを有するＦＯＰ１２Ｂと、を備える。【選択図】図１２

Description

本発明は、画像のサイズを変換する画像変換素子、ならびに、画像変換素子を用いた画像変換表示装置、画像変換撮像装置、画像表示装置および画像撮像装置に関する。

一般的に、画像を拡大または縮小するサイズ変換には、レンズを用いた結像光学系（レンズ光学系）が使用される。
しかし、レンズ光学系を使用した場合、入力画像から出力画像を得るまでに、焦点距離に応じた長い光路長が必要であり、装置の大型化が問題であった。
この問題を解決するために、微小レンズアレーを用いる手法が開示されている（非特許文献１参照）。この手法は、微小レンズアレーを複数枚重ねて正立等倍光学系を構成し、その光学系に凹レンズを組み合わせることで、従来よりも短い光路長で画像を拡大することを可能としている。

また、他の手法としては、屈折率分布（ＧＲＩＮ：Gradient Index）レンズを用いる手法が開示されている（特許文献１等参照）。この手法は、ＧＲＩＮレンズの単一層のレンズアレーによって短い光路で画像を等倍結像させ、凹レンズまたは凸レンズと組み合わせることで、画像を拡大または縮小することができる。

また、レンズを用いた結像光学系以外で画像を拡大または縮小する光学系としては、テーパを形成したファイバープレート（テーパファイバープレート）がある。
このテーパファイバープレートは、ファイバー素線を多数束にして固めたファイバープレートに熱を加え、片方の端面を引き延ばし細くすることで、入力端面と出力端面の面積を異なるように形成したものである。これによって、テーパファイバープレートは、入力端面の面積と出力端面の面積の比に応じて、入力画像の倍率を変換することができる。

特開２００６−１１９５５１号公報

岡市，三浦，洗井，河北，三科,"複数の８Ｋ液晶パネルを用いたインテグラル立体映像表示"，映像情報メディア学会技術報告，Vol.39，No.36，3DIT2015-32，IDY2015-40，IST2015-57，pp.1-4，2015年10月

従来の微小レンズアレーを用いる手法は、微小レンズアレーを複数枚用いるため、解像度の低下、レンズ間の漏れ光によるコントラスト低下、ゴースト発生等、結像した画像が劣化してしまうという問題がある。

また、従来のＧＲＩＮレンズを用いる手法は、ＧＲＩＮレンズ単体がレンズ内部の屈折率を変化させた特殊なレンズであり高価であるとともに、２次元配列したレンズアレーを制作するためには、円柱状のＧＲＩＮレンズを位置精度よく２次元配列する作業が必要であるため製造が困難である。さらに、ＧＲＩＮレンズは、円柱形状となっているため、デルタ配列で２次元アレーを構成した場合、レンズアレーの断面に非レンズ部分が生じることになり、出力画像の輝度むら等が発生してしまうという問題がある。

また、従来のテーパファイバープレートを用いる手法は、テーパファイバープレートの制作工程の複雑さから、端面の大きさは数ｃｍ程度が限界であり、大きな面積の端面の素子を作ることは技術的に困難である。
また、テーパファイバープレートは、製造段階でファイバー束を引き延ばすため、ファイバー素線間にひずみが生じ、出力画像に幾何学的なひずみが発生してしまうという問題がある。このひずみは、変換倍率を大きくするほど大きくなる。
さらに、テーパファイバープレートは、ファイバー束の引き延ばしに伴い、画面周辺部においてファイバー素線が斜めの曲率を有するため、光の伝搬効率が下がり、出力画像の中心部と周辺部とで輝度むらが生じるという問題もある。

そこで、本発明は、出力画像のひずみや輝度むらをなくして画像のサイズを変換することが可能な画像変換素子、画像変換表示装置、画像変換撮像装置、画像表示装置および画像撮像装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る画像変換素子は、複数の光ファイバーを束ねたＦＯＰ（ファイバーオプティックプレート）を光の入出射面同士を接合して、一方の面に入射する画像を他方の面においてサイズ変換して出射する画像変換素子であって、複数のＦＯＰを接合した構成とした。

かかる構成において、画像変換素子は、第１ＦＯＰにおいて、光ファイバーの素線方向に垂直な矩形形状の第１端面と、第１端面に対向して第１所定角度だけ傾斜した第２端面とを有する。また、画像変換素子は、第２ＦＯＰにおいて、光ファイバーの素線方向に垂直で、かつ、第２端面と同じ形状で第２端面に接合した第３端面と、第３端面に対向して第１所定角度だけ傾斜して第１端面に平行な第４端面とを有する。

また、画像変換素子は、第３ＦＯＰにおいて、光ファイバーの素線方向に垂直で、かつ、第４端面と同じ形状で第４端面に接合した第５端面と、第５端面に対向して第２所定角度だけ傾斜した第６端面とを有する。また、画像変換素子は、第４ＦＯＰにおいて、光ファイバーの素線方向に垂直で、かつ、第６端面と同じ形状で第６端面に接合した第７端面と、第７端面に対向して第２所定角度だけ傾斜して第５端面に平行な第８端面とを有する。

これによって、画像変換素子は、第１端面から画像を入力した場合、矩形形状の第１端面から第８端面に光が伝搬して、第８端面から画像を出射することができる。このとき、画像変換素子は、第１端面の矩形形状と第８端面の矩形形状の比に応じて画像を拡大する。
この拡大比率はＦＯＰの傾斜角度に依存し、第１所定角度をα、第２所定角度をβとした場合、画像変換素子は、一方向に１／ｃｏｓ^２α倍、他方向に１／ｃｏｓ^２β倍画像を拡大することができる。

また、画像変換素子は、第８端面から画像を入力した場合、矩形形状の第８端面から第１端面に光が伝搬して、第１端面から画像を出射することができる。このとき、画像変換素子は、第８端面の矩形形状と第１端面の矩形形状の比に応じて画像を縮小する。
この縮小比率はＦＯＰの傾斜角度に依存し、第１所定角度をα、第２所定角度をβとした場合、画像変換素子は、一方向にｃｏｓ^２α倍、他方向にｃｏｓ^２β倍画像を縮小することができる。
このように、画像変換素子は、数μｍ程度の微小な径の光ファイバーを束にしたＦＯＰの素線方向に光を伝搬する構成であるため、端面ごとに均一の光を伝搬させることができ、出力画像のひずみや輝度むらを発生させることなく、画像のサイズを変換することができる。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る画像変換表示装置は、画像変換素子の第１端面に画像を出射する表示手段を対面して備える構成とした。
かかる構成によれば、画像変換表示装置は、表示手段によって、画像を光として画像変換素子に入射し、画像変換素子によって、拡大された画像として出射することができる。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る画像表示装置は、画像変換表示装置を複数備え、画像変換表示装置の画像変換素子における第８端面を隙間なく２次元配列する構成とした。
かかる構成によれば、画像表示装置は、表示手段よりも大きい出射面を有することになるため第８端面を密接して２次元配列することができ、画像につなぎ目がなく大画面の画像を表示することができる。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る画像変換撮像装置は、画像変換素子の第１端面に画像を撮像する撮像手段を対面して備える構成とした。
かかる構成によれば、画像変換撮像装置は、画像変換素子によって、被写体の光（被写体像）を入力し縮小された画像を、撮像手段によって撮像することができる。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る画像撮像装置は、画像変換撮像装置を複数備え、画像変換撮像装置の画像変換素子における第８端面を隙間なく２次元配列する構成とした。
かかる構成によれば、画像撮像装置は、撮像手段よりも大きい入射面を有することになるため第８端面を密接して２次元配列することができ、画像につなぎ目がない大画面の画像を分割して撮像することができる。

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
本発明によれば、複数のＦＯＰを組み合わせ、光ファイバーの素線方向に光を伝搬し、ＦＯＰの端面ごとに均一に光を伝搬させることができるため、出力画像のひずみや輝度むらを発生させることなく、画像のサイズを変換することができる。
また、本発明によれば、画像変換素子の第１端面と第８端面とで大きさが異なるため、第１端面に表示手段や撮像手段を備えても、第８端面を隙間なく２次元配列することができる。これによって、本発明は、画像のひずみや輝度むらを発生させることなく、大画面の画像を表示したり、分割して撮像したりすることができる。

本発明の第１実施形態に係る画像変換素子の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る画像変換素子の分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る画像変換素子の構成図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）は側面図である。 本発明の第１実施形態に係る画像変換素子の画像拡大を説明するための斜視図である。 ＦＯＰを構成する光ファーバーの内部構造を示す模式図である。 画像拡大時におけるＦＯＰの入出射角度を説明するための説明図である。 ＦＯＰの入出射角度を説明するための説明図であって、（ａ）は第１端面への入射角度範囲、（ｂ）は第４端面への制限のない入射角度範囲、（ｃ）は臨界角度制限に伴う第４端面への入射角度範囲ある。 本発明の第１実施形態に係る画像変換素子の出射範囲を示す図であって、（ａ）は第４端面にＦＯＰを付加していない場合、（ｂ）は第４端面にＦＯＰを付加した場合を示す。 画像縮小時におけるＦＯＰの入出射角度を説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態に係る画像変換素子の斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る画像変換素子の画像拡大を説明するための斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る画像変換素子の分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る画像変換素子の構成図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は背面図、（ｄ）は側面図である。 ＦＯＰの形状の変形例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る画像変換表示装置の構成図である。 本発明の第３実施形態に係る画像変換表示装置の変形例の構成図である。 本発明の第４実施形態に係る画像表示装置の構成図である。 本発明の第４実施形態に係る画像表示装置の正面図である。 本発明の第５実施形態に係る画像変換表示装置の構成図である。 本発明の第６実施形態に係る画像表示装置の構成図である。 本発明の第７実施形態に係る画像変換撮像装置の構成図である。 本発明の第８実施形態に係る画像撮像装置の構成図である。 本発明の第９実施形態に係る画像変換撮像装置の構成図である。 本発明の第１０実施形態に係る画像撮像装置の構成図である。 本発明の第１０実施形態に係る画像撮像装置の変形例の構成図である。 本発明の第１１実施形態に係る画像撮像・表示システムの構成図である。 本発明の第１２実施形態に係る画像撮像・表示システムの構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［画像変換素子］
（第１実施形態）
最初に、図１〜図４を参照して、第１実施形態に係る画像変換素子１０の構成について説明する。

画像変換素子１０は、入射面に光として入力される画像を一方向にサイズ変換して出射面から出力するものである。
この画像変換素子１０は、複数のファイバーオプティックプレート（以下、ＦＯＰ）を複数組み合わせ、光の入射面と出射面とのサイズを変えて構成することで、入射面に入力される画像のサイズを変換して、出射面から出力する。

ＦＯＰは、数μｍ程度の微小な径の光ファイバーを束にした光学デバイスである。図５に示すように、ＦＯＰを構成する個々の光ファイバー（素線）ＦＢは、中心部のコアガラスＣＯと、周辺部のクラッドガラスＣＬと、最外周の吸収体ＬＡとで形成されている。
このＦＯＰは、固有の開口数で定められる最大受光角度θ_ｍ以内の光でコアガラスＣＯとクラッドガラスＣＬとの境界面で全反射した光のみが伝搬され、全反射しない光は吸収体ＬＡで吸収される。
ここでは、画像変換素子１０は、図２に示すように、ＦＯＰ１１とＦＯＰ１２とで構成される。

ＦＯＰ１１は、ＦＯＰの素線方向に垂直な矩形形状の面Ｓ_Ａと、面Ｓ_Ａに対してサイズ変換を行う一方向（Ｘ）に所定角度（傾斜角度α）傾斜した、面Ｓ_Ａと非平行な矩形形状の面Ｓ_Ｂとを有している。ここで、傾斜しているとは、矩形形状の一対の辺が、対向する面の辺と非平行で辺の線間距離が異なる状態をいう。

ＦＯＰ１２は、ＦＯＰの素線方向に垂直な矩形形状の面Ｓ_Ｃと、面Ｓ_Ｃに対してサイズ変換を行う一方向（Ｘ）に所定角度（傾斜角度α）傾斜した、面Ｓ_Ｃと非平行な矩形形状の面Ｓ_Ｄとを有している。ここで、ＦＯＰ１１の面Ｓ_ＢとＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｃとは、同じ形状である。

図２，図３に示すように、画像変換素子１０は、ＦＯＰ１１の面Ｓ_ＡとＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｄとが平行で、ＦＯＰ１１の面Ｓ_ＢとＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｃとが面同士で接合して構成されている。なお、この接合には、既存の透明な光学用接着剤を用いればよい。
このように画像変換素子１０を構成することで、画像変換素子１０は、ＦＯＰ１１の面Ｓ_Ａに入力される光を素線方向に面Ｓ_Ｂまで伝搬させる。そして、画像変換素子１０は、伝搬した光を、さらに、ＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｃから素線方向に面Ｓ_Ｄまで伝搬させる。これによって、画像変換素子１０は、ＦＯＰ１１の面Ｓ_Ａに入力される画像の光をＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｄまで伝搬させることができる。このとき、画像変換素子１０は、面Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂ（Ｓ_Ｃ），Ｓ_Ｄの一方向（Ｘ）の長さが異なることから、光の伝搬に伴って一方向に画像サイズを変換することができる。

具体的には、図２，図３に示すように、ＦＯＰ１１の面Ｓ_ＡのＸ方向の長さをａ、傾斜角度をαとしたとき、長さａに対応するＦＯＰ１１の面Ｓ_Ｂの辺の長さｂは、以下の式（１）を計算した値となる。

また、長さａに対応するＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｃの辺の長さをｂ（式（１）のｂと同じ）、傾斜角度をαとしたとき、長さａに対応するＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｄの辺の長さｃは、以下の式（２）を計算した値となる。

すなわち、画像変換素子１０は、面Ｓ_Ａから画像を入力した場合、図４に示すように、Ｘ方向に１／ｃｏｓ^２α倍拡大した画像を、面Ｓ_Ｄから出力することができる。
また、逆に、画像変換素子１０は、面Ｓ_Ｄから画像を入力した場合、Ｘ方向にｃｏｓ^２α倍縮小した画像を、面Ｓ_Ａから出力することができる。

＜ＦＯＰの入出射角度について＞
画像変換素子１０で使用するＦＯＰは、傾斜角度を有しているため、透過光量および出力面における光の出射角度が制限される。そのため、所望の角度範囲に画像を出力するためには、適切な開口数のＦＯＰを選定する必要がある。

ここで、図６を参照して、画像変換素子１０における光の入出射角度について説明する。ここでは、説明の都合上、ＦＯＰを構成する光ファイバー（素線）ＦＢの太さを誇張して、図示している。
図６に示すように、外部からＦＯＰ１１の面Ｓ_Ａへの光の入射角度をθ_１、ＦＯＰ１１内に入射したときの入射角度θ_２、入力媒体（外部）の屈折率をｎ_ＩＮ、ＦＯＰ（光ファイバー）の屈折率をｎ_ＦＯＰとしたとき、以下の式（３）の関係が成り立つ。

すなわち、ＦＯＰ１１（光ファイバーＦＢ）内への入射角度θ_２は、以下の式（４）となる。

ここで、光ファイバーＦＢの開口数をＮＡとすると、光ファイバーＦＢへの入射角度θ_１の最大角度θ_ｍａｘは、以下の式（５）となる。

一方、光ファイバーＦＢ内を反射して伝搬できる最大角度（臨界角度）θ_Ｃは、以下の式（６）となる。

すなわち、ＦＯＰ１１内では、図７（ａ）に示すように、以下の式（７）の範囲内の角度の光のみが伝搬する。

次に、ＦＯＰ１１からＦＯＰ１２の光ファイバーＦＢへの光の入射角度θ_２と、ＦＯＰ１２内に入射したときの入射角度θ_３とは、傾斜角度αにより、以下の式（８）の関係となる。

よって、ＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｄへの入射角度θ_４の範囲は、図７（ｂ）に示すように、以下の式（９）となる。

このとき、ＦＯＰ内を反射する臨界角度を超える光、すなわち、｜θ_３｜＞θ_Ｃの光は、吸収体ＬＡ（図５）で吸収される。
よって、入射角度θ_４の範囲は、θ_Ｃの制限から、図７（ｃ）に示すように、以下の式（１０）となる。

また、ＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｄからの出射角度θ_５は、以下の式（１１）となる。

例えば、ＦＯＰの屈折率ｎ_ＩＮ、＝１、ｎ_ＦＯＰ、＝１．８３、ｎ_ＯＵＴ、＝１、傾斜角度α＝３０（度）、開口数ＮＡ＝１としたとき、前記式（６）より、θ_Ｃ＝３３．１２（度）となる。また、面Ｓ_Ｄへの入射角度θ_４の範囲は、前記式（１０）より、以下の式（１２）となる。

また、面Ｓ_Ｄからの出射角度θ_５の範囲は、前記式（１１），式（１２）より、以下の式（１３）となる。

図７に示したように、画像変換素子１０は、ＦＯＰ１１において、前記式（７）の角度範囲で光を伝搬することができるが、光がＦＯＰ１２を伝搬することで、前記式（９）の角度範囲にシフトされ、臨界角度を超える光が減衰することで、前記式（１０）の角度範囲の光のみを伝搬する。
このように、画像変換素子１０には、倍率に応じた傾斜角度αを有し、前記式（１０）の角度範囲の光が伝搬するような開口数ＮＡのＦＯＰを用いればよい。

なお、画像変換素子１０は、図８（ａ）に示すように、面Ｓ_Ａから入射した光が、面Ｓ_Ｄから片側に寄った光として出射される。
よって、面Ｓ_Ｄの垂直方向に光を出射させたい場合、図８（ｂ）に示すように、ＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｄに、面Ｓ_Ｄの垂直方向が素線方向となるＦＯＰ（ＦＯＰ１３）を備える構成とすればよい。なお、ＦＯＰ１３の代わりに、光拡散板を備えることとしてもよい。

以上、画像変換素子１０を用いて画像を拡大する場合を例として、ＦＯＰの入出射角度について説明したが、画像変換素子１０を用いて画像を縮小する場合も、光が出射面から出射する開口数ＮＡを持ったＦＯＰを用いればよい。
例えば、図９に示すように、外部からＦＯＰ１２の面Ｓ_Ｄへの光の入射角度をθ_１、ＦＯＰ１２内に入射したときの入射角度θ_２、入力媒体（外部）の屈折率をｎ_ＩＮ、ＦＯＰ（光ファイバー）の屈折率をｎ_ＦＯＰとしたとき、前記式（３）〜式（７）の関係が成り立つ。

また、ＦＯＰ１２からＦＯＰ１１の光ファイバーＦＢへの光の入射角度θ_２と、ＦＯＰ１１内に入射したときの入射角度θ_３とは、傾斜角度αにより、以下の式（１４）の関係となる。

このとき、ＦＯＰ内を反射する臨界角度を超える光、すなわち、｜θ_３｜＞θ_Ｃの光は、吸収体ＬＡ（図５）で吸収される。
よって、ＦＯＰ１１の面Ｓ_Ａへの入射角度θ_４の範囲は、以下の式（１５）となる。

ただし、入射角度θ_４の範囲は、θ_Ｃの制限から、以下の式（１６）となる。

すなわち、臨界角度を超えるθ_Ｃ以上の入射角度θ_４の光は、吸収体ＬＡ（図５）で吸収される。
また、ＦＯＰ１１の面Ｓ_Ａからの出射角度θ_５は、以下の式（１７）となる。

例えば、ＦＯＰの屈折率ｎ_ＩＮ、＝１、ｎ_ＦＯＰ、＝１．８３、ｎ_ＯＵＴ、＝１、傾斜角度α＝３０（度）、開口数ＮＡ＝１としたとき、前記式（６）より、θ_Ｃ＝３３．１２（度）となる。また、面Ｓ_Ａへの入射角度θ_４の範囲は、前記式（９）より、以下の式（１８）となる。

また、面Ｓ_Ａからの出射角度θ_５の範囲は、前記式（１７），式（１８）より、以下の式（１９）となる。

このように、画像変換素子１０には、画像を縮小する場合、前記式（１６）の角度範囲の光が伝搬するような開口数ＮＡのＦＯＰを用いればよい。また、画像変換素子１０は、図８と同様に、光が出射する面Ｓ_Ａに、面Ｓ_Ａの垂直方向が素線方向となるＦＯＰや光拡散板を備える構成としてもよい。

（第２実施形態）
次に、図１０〜図１３を参照して、第２実施形態に係る画像変換素子１０Ｂの構成について説明する。

画像変換素子１０Ｂは、入射面に光として入力される画像を二方向（水平方向および垂直方向）にサイズ変換して出射面から出力するものである。
この画像変換素子１０Ｂは、複数のＦＯＰを組み合わせ、光の入射面と出射面とのサイズを変えて構成することで、入射面に入力される画像のサイズを変換して、出射面から出力する。

ここでは、画像変換素子１０Ｂは、図１２に示すように、ＦＯＰ１１Ａと、ＦＯＰ１２Ａと、ＦＯＰ１１Ｂと、ＦＯＰ１２Ｂとで構成される。
すなわち、画像変換素子１０Ｂは、図１で説明した画像変換素子１０を２個組み合わせて構成される。

ＦＯＰ１１Ａ（第１ＦＯＰ）は、ＦＯＰの素線方向に垂直な矩形形状の面Ｓ_Ａ（第１端面）と、素線方向に対してサイズ変換を行う一方向（Ｘ）に所定角度（第１所定角度：傾斜角度α）傾斜した、面Ｓ_Ａと非平行な矩形形状の面Ｓ_Ｂ（第２端面）とを有している。

ＦＯＰ１２Ａ（第２ＦＯＰ）は、ＦＯＰの素線方向に垂直な矩形形状の面Ｓ_Ｃ（第３端面）と、素線方向に対してサイズ変換を行う一方向（Ｘ）に所定角度（傾斜角度α）傾斜した、面Ｓ_Ｃと非平行な矩形形状の面Ｓ_Ｄ（第４端面）とを有している。ここで、ＦＯＰ１１Ａの面Ｓ_ＢとＦＯＰ１２Ａの面Ｓ_Ｃとは、同じ形状である。

ＦＯＰ１１Ｂ（第３ＦＯＰ）は、ＦＯＰの素線方向に垂直な矩形形状の面Ｓ_Ｅ（第５端面）と、素線方向に対してサイズ変換を行う一方向に垂直な他方向（Ｙ）に所定角度（傾斜角度β）傾斜した、面Ｓ_Ｅと非平行な矩形形状の面Ｓ_Ｆ（第６端面）とを有している。ここで、ＦＯＰ１２Ａの面Ｓ_ＤとＦＯＰ１１Ｂの面Ｓ_Ｅとは、同じ形状である。

ＦＯＰ１２Ｂ（第４ＦＯＰ）は、ＦＯＰの素線方向に垂直な矩形形状の面Ｓ_Ｇ（第７端面）と、素線方向に対してサイズ変換を行う他方向（Ｙ）に所定角度（第２所定角度：傾斜角度β）傾斜した、面Ｓ_Ｇと非平行な矩形形状の面Ｓ_Ｈ（第８端面）とを有している。ここで、ＦＯＰ１１Ｂの面Ｓ_ＦとＦＯＰ１２Ｂの面Ｓ_Ｇとは、同じ形状である。
図１２，図１３に示すように、画像変換素子１０Ｂは、ＦＯＰ１１Ａの面Ｓ_ＢおよびＦＯＰ１２Ａの面Ｓ_Ｃ、ＦＯＰ１２Ａの面Ｓ_ＤおよびＦＯＰ１１Ｂの面Ｓ_Ｅ、ＦＯＰ１１Ｂの面Ｓ_ＦおよびＦＯＰ１２Ｂの面Ｓ_Ｇがそれぞれ面同士で接合して構成されている。

このように画像変換素子１０Ｂを構成することで、画像変換素子１０Ｂは、ＦＯＰ１１Ａの面Ｓ_Ａに入力される光を素線方向に面Ｓ_Ｂまで伝搬させる。そして、画像変換素子１０Ｂは、伝搬した光を、ＦＯＰ１２Ａの面Ｓ_Ｃから素線方向に面Ｓ_Ｄまで伝搬させる。このとき、画像変換素子１０Ｂは、面Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂ（Ｓ_Ｃ），Ｓ_Ｄの一方向（Ｘ）の長さが異なることから、光の伝搬に伴って一方向（Ｘ）に画像サイズを変換することができる。さらに、画像変換素子１０Ｂは、ＦＯＰ１２Ａの面Ｓ_ＤからＦＯＰ１１Ｂの面Ｓ_Ｅに入力される光を素線方向に面Ｓ_Ｆまで伝搬させる。そして、画像変換素子１０Ｂは、伝搬した光を、ＦＯＰ１２Ｂの面Ｓ_Ｇから素線方向に面Ｓ_Ｈまで伝搬させる。このとき、画像変換素子１０Ｂは、面Ｓ_Ｅ，Ｓ_Ｆ（Ｓ_Ｇ），Ｓ_Ｈの他方向（Ｙ）の長さが異なることから、光の伝搬に伴って他方向（Ｙ）に画像サイズを変換することができる。

具体的には、図１２，図１３に示すように、ＦＯＰ１１Ａの面Ｓ_ＡのＸ方向の長さをａ、Ｙ方向の長さをｄ、ＦＯＰ１１ＡおよびＦＯＰ１２Ａの傾斜角度をα、ＦＯＰ１１ＢおよびＦＯＰ１２Ｂの傾斜角度をβとしたとき、ＦＯＰ１２Ａの面Ｓ_ＤのＸ方向の辺の長さｃは、以下の式（２０）を計算した値となる。また、ＦＯＰ１２Ｂの面Ｓ_ＨのＹ方向の辺の長さｆは、以下の式（２１）を計算した値となる。

すなわち、画像変換素子１０Ｂは、面Ｓ_Ａから画像を入力した場合、図１１に示すように、Ｘ方向に１／ｃｏｓ^２α倍、Ｙ方向に１／ｃｏｓ^２β倍拡大した画像を、面Ｓ_Ｈから出力することができる。
また、逆に、画像変換素子１０Ｂは、面Ｓ_Ｈから画像を入力した場合、Ｘ方向にｃｏｓ^２α倍、Ｙ方向にｃｏｓ^２β倍縮小した画像を、面Ｓ_Ａから出力することができる。
もちろん、αおよびβの値は同じであってもよく、同じ値であれば、画像変換素子１０Ｂは、画像をＸ方向およびＹ方向に等倍率で拡大または縮小することができる。

なお、ここでは、画像変換素子１０，１０Ｂを構成するＦＯＰ１１（１１Ａ，１１Ｂ），１２（１２Ａ，１２Ｂ）を、直角三角柱の形状としたが、必ずしもこの形状である必要はない。例えば、図１４（ａ）に示すように、２つの角が直角の台形を底面とする四角柱（直角台形柱）であっても構わない。この場合、画像変換素子１０Ｂは、図１４（ｂ），（ｃ）に示すように、素線方向に垂直な面に四角柱が付加された形状となる。

［画像変換表示装置］
（第３実施形態）
次に、図１５を参照して、第３実施形態に係る画像変換表示装置２０の構成について説明する。
画像変換表示装置２０は、入力画像（入力映像）を、サイズ変換（拡大）して表示するものである。図１５に示すように、画像変換表示装置２０は、表示手段２１と、ＦＯＰ２２と、画像変換素子１０Ｂと、を備える。

表示手段２１は、液晶ディスプレイ、ＥＬディスプレイ等の一般的な直視型ディスプレイである。この表示手段２１は、画像変換素子１０Ｂの面積の小さい端面Ｓ_Ａ（図１３参照）に対面して備えられる。なお、ここでは、一般的な直視型ディスプレイの表面のガラス基板をＦＯＰ２２に置き換えて構成している。
ＦＯＰ２２は、数μｍ程度の微小な径の光ファイバーを束にした光学デバイス（ファイバーオプティックプレート）である。

画像変換素子１０Ｂは、入射面に光として入力される画像を二方向（水平方向および垂直方向）にサイズ変換して出射面から出力するもので、図１０〜図１３で説明したものである。この画像変換素子１０Ｂは、光の入射面をＦＯＰ２２と接合している。
このように画像変換表示装置２０を構成することで、画像変換表示装置２０は、表示手段２１に表示される画像（映像）の光を、ＦＯＰ２２を介して、画像変換素子１０Ｂに入射して、画像のサイズを変換して出射することができる。

なお、図１５では、画像変換表示装置２０は、直視型ディスプレイの表面のガラス基板をＦＯＰ２２に置き換えて構成しているが、直視型ディスプレイの表面のガラス基板をそのまま用いても構わない。ただし、ガラス基板の厚みによって、画像のぼけが発生する場合は、ＦＯＰ２２を用いる方が好ましい。

また、ここでは、画像変換表示装置２０は、直視型の表示手段２１を備える構成としたが、図１６に示すように、プロジェクタ等の投射型の表示手段２３を備える画像変換表示装置２０Ｂとして構成としてもよい。この場合、表示手段２３は、画像表示素子２４が表示する画像光を投射レンズ２５で、画像変換素子１０Ｂの入射面に結像入力させればよい。
このように、画像変換表示装置２０，２０Ｂは、画像を拡大する際に、レンズを用いたレンズ光学系を用いないため、装置全体の厚みを抑えることができる。

［画像表示装置］
（第４実施形態）
次に、図１７，図１８を参照して、第４実施形態に係る画像表示装置１００の構成について説明する。
画像表示装置１００は、図１５で説明した画像変換表示装置２０を２次元配列し、大画面の画像を表示するものである。

図１７，図１８に示すように、画像表示装置１００は、画像変換表示装置２０を、２次元方向（水平方向および垂直方向）に複数連結して構成する。このとき、画像変換表示装置２０は、画像光を出射する表示手段２１の表示面積よりも、画像変換素子１０Ｂの出射面の面積の方が大きいため、画像変換表示装置２０の画像変換素子１０Ｂを隙間なく連結させることができる。

このように画像表示装置１００を構成することで、画像表示装置１００は、それぞれの表示手段２１に分割画像を入力されることで、画像変換素子１０Ｂがそれぞれの画像を拡大して、タイリングした大画面の画像を表示することができる。このとき、画像変換素子１０Ｂには、周辺部に画像を表示できない縁の部分（ベゼル）が生じない。そのため、画像表示装置１００は、画像をつなぎ目なく合成することができ、高精細かつ大画面の画像を表示することができる。

［画像変換表示装置］
（第５実施形態）
次に、図１９を参照して、第５実施形態に係る画像変換表示装置２０Ｃの構成について説明する。
画像変換表示装置２０Ｃは、入力画像（入力映像）として、インテグラル立体方式の要素画像群を入力し、サイズ変換（拡大）して立体像を表示するものである。図１９に示すように、画像変換表示装置２０Ｃは、表示手段２１と、ＦＯＰ２２と、画像変換素子１０Ｂと、レンズアレー２６と、を備える。レンズアレー２６以外の構成は、図１５で説明した画像変換表示装置２０と同じであるため、説明を省略する。

レンズアレー２６は、２次元配列された複数の要素レンズ２７で構成され、画像変換素子１０Ｂに表示される要素画像群を立体像をとして結像させるものである。このレンズアレー２６と画像変換素子１０Ｂの出射面との距離は、要素レンズ２７の焦点距離とする。

このように画像変換表示装置２０Ｃを構成することで、画像変換表示装置２０Ｃは、表示手段２１に表示される要素画像群の画像（映像）の光を、ＦＯＰ２２を介して、画像変換素子１０Ｂに入射して、画像のサイズを拡大して出射する。そして、画像変換表示装置２０Ｃは、それぞれの要素画像の光を、レンズアレー２６を介して表示することで、観察者に立体像を視認させることができる。

［画像表示装置］
（第６実施形態）
次に、図２０を参照して、第６実施形態に係る画像表示装置１００Ｂの構成について説明する。
画像表示装置１００Ｂは、図１９で説明した画像変換表示装置２０Ｃを２次元配列し、大画面の立体像を表示するものである。

図２０に示すように、画像表示装置１００Ｂは、画像変換表示装置２０Ｃを、２次元方向（水平方向および垂直方向）に複数連結して構成する。なお、図２０では、一方向のみの連結を示している。このとき、画像表示装置１００Ｂは、画像表示装置１００（図１７参照）と同様に、画像変換表示装置２０Ｃの画像変換素子１０Ｂを隙間なく連結させることができる。

このように画像表示装置１００Ｂを構成することで、画像表示装置１００Ｂは、それぞれの表示手段２１に分割された要素画像群を入力されることで、画像変換素子１０Ｂがそれぞれの画像を拡大して、タイリングすることで、大画面の立体像を表示することができる。このとき、画像表示装置１００Ｂは、画像表示装置１００（図１７参照）と同様に、画像をつなぎ目なく合成することができ、高精細かつ大画面の立体像を表示することができる。

［画像変換撮像装置］
（第７実施形態）
次に、図２１を参照して、第７実施形態に係る画像変換撮像装置３０の構成について説明する。
画像変換撮像装置３０は、被写体Ｏをサイズ変換（縮小）して撮像するものである。図２１に示すように、画像変換撮像装置３０は、撮像レンズ３１と、画像変換素子１０Ｂと、ＦＯＰ３２と、撮像手段３３と、を備える。

撮像レンズ３１は、被写体Ｏの光を画像変換素子１０Ｂの光の入射面に結像させるレンズである。この撮像レンズ３１は、当該撮像レンズ３１の焦点距離だけ画像変換素子１０Ｂの光の入射面から離間して配置する。

画像変換素子１０Ｂは、入射面に光として入力される画像（Ｏ′）を二方向（水平方向および垂直方向）にサイズ変換（縮小）して出射面から出力するもので、図１０〜図１３で説明したものである。この画像変換素子１０Ｂは、光の出射面をＦＯＰ３２と接合している。
ＦＯＰ３２は、数μｍ程度の微小な径の光ファイバーを束にした光学デバイス（ファイバーオプティックプレート）である。
撮像手段３３は、ＣＭＯＳ等の一般的な撮像素子である。この撮像手段３３は、画像変換素子１０Ｂの面積の小さい端面Ｓ_Ａ（図１３参照）に対面して備えられる。この撮像手段３３は、画像変換素子１０Ｂで画像Ｏ′を縮小した画像を、ＦＯＰ３２を介して撮像する。

このように画像変換撮像装置３０を構成することで、画像変換撮像装置３０は、被写体像Ｏ′をより小さい画像に変換して撮像することができる。また、画像変換撮像装置３０は、画像を縮小する際に、レンズを用いたレンズ光学系を用いないため、装置全体の厚みを抑えることができる。

［画像撮像装置］
（第８実施形態）
次に、図２２を参照して、第８実施形態に係る画像撮像装置２００の構成について説明する。
画像撮像装置２００は、図２１で説明した画像変換撮像装置３０を２次元配列し、被写体Ｏを分割して撮像するものである。

図２２に示すように、画像撮像装置２００は、画像変換撮像装置３０を、２次元方向（水平方向および垂直方向）に複数連結して構成する。なお、図２２では、一方向のみの連結を示している。また、ここでは、撮像レンズ３１は、すべての画像変換撮像装置３０で共通の単一のレンズとして構成した例を示している。このとき、画像変換撮像装置３０は、画像光を撮像する撮像手段３３の撮像面積よりも、画像変換素子１０Ｂの入射面の面積の方が大きいため、画像変換撮像装置３０の画像変換素子１０Ｂを隙間なく連結させることができる。

このように画像撮像装置２００を構成することで、画像撮像装置２００は、画像変換素子１０Ｂの光の入射面に結像される被写体の像Ｏ′のそれぞれの分割画像を縮小して、撮像手段３３で撮像することができる。このとき、画像変換素子１０Ｂは、周辺部に画像を撮影できない縁の部分が生じない。そのため、画像撮像装置２００は、画像を、非撮影領域がなく、きれいに分割して撮像することができる。

［画像変換撮像装置］
（第９実施形態）
次に、図２３を参照して、第９実施形態に係る画像変換撮像装置３０Ｂの構成について説明する。
画像変換撮像装置３０Ｂは、被写体Ｏを、インテグラル立体方式の要素画像群に変換し、縮小して撮像するものである。図２３に示すように、画像変換撮像装置３０Ｂは、撮像レンズ３１と、レンズアレー３４と、画像変換素子１０Ｂと、ＦＯＰ３２と、撮像手段３３と、を備える。レンズアレー３４以外の構成は、図２１で説明した画像変換撮像装置３０と同じであるため、説明を省略する。

レンズアレー３４は、２次元配列された複数の要素レンズ３５で構成され、撮像レンズ３１を介して入射される被写体Ｏの光を、それぞれ要素画像Ｅ_Ｏとして、画像変換素子１０Ｂの入射面に結像させるものである。このレンズアレー３４と画像変換素子１０Ｂの入射面との距離は、要素レンズ３５の焦点距離とする。また、撮像レンズ３１とレンズアレー３４との距離は、撮像レンズ３１の焦点距離とする。

このように画像変換撮像装置３０Ｂを構成することで、画像変換撮像装置３０Ｂは、被写体Ｏの光を、撮像レンズ３１およびレンズアレー３４を介して、画像変換素子１０Ｂの入射面に複数の要素画像Ｅ_Ｏ（要素画像群）として結像させる。そして、画像変換撮像装置３０Ｂは、画像変換素子１０Ｂに入射した要素画像群を縮小し、ＦＯＰ３２を介して、撮像手段３３で撮像する。

［画像撮像装置］
（第１０実施形態）
次に、図２４を参照して、第１０実施形態に係る画像撮像装置２００Ｂの構成について説明する。
画像撮像装置２００Ｂは、図２３で説明した画像変換撮像装置３０Ｂを２次元配列し、大画面の要素画像群を撮像するものである。

図２４に示すように、画像撮像装置２００Ｂは、画像変換撮像装置３０Ｂを、２次元方向（水平方向および垂直方向）に複数連結して構成する。なお、図２４では、一方向のみの連結を示している。このとき、画像撮像装置２００Ｂは、画像撮像装置２００（図２２参照）と同様に、画像変換撮像装置３０Ｂの画像変換素子１０Ｂを隙間なく連結させることができる。

このように画像撮像装置２００Ｂを構成することで、画像撮像装置２００Ｂは、画像変換素子１０Ｂの光の入射面に結像される被写体Ｏの要素画像Ｅ_Ｏを縮小して、撮像手段３３で撮像することができる。このとき、画像変換素子１０Ｂは、周辺部に画像を撮影できない縁の部分が生じない。そのため、画像撮像装置２００Ｂは、要素画像群を、非撮影領域がなく、きれいに分割して撮像することができる。

ここでは、画像撮像装置２００Ｂは、撮像レンズ３１やレンズアレー３４を画像変換撮像装置３０Ｃごとに備える構成としたが、図２５の画像撮像装置２００Ｃのように、撮像レンズ３１およびレンズアレー３４を、すべての画像変換撮像装置３０Ｂで共通の単一のレンズおよび単一のレンズアレーとして構成してもよい。

［画像撮像・表示システム］
（第１１実施形態）
次に、図２６を参照して、第１１実施形態に係る画像撮像・表示システムＳの構成について説明する。
図２６に示すように、画像撮像・表示システムＳは、図２３で説明した画像変換撮像装置３０Ｂと、図１９で説明した画像変換表示装置２０Ｃとを、信号変換装置４０を介して接続して構成する。

信号変換装置４０は、画像変換撮像装置３０Ｂで撮像された要素画像群を、画像変換表示装置２０Ｃの表示形式に合わせて変換するものである。
この信号変換装置４０は、画像変換撮像装置３０Ｂと画像変換表示装置２０Ｃとで、立体パラメータ（例えば、表示手段２１および撮像手段３３の画素間隔、レンズアレー２６，３４のレンズ間隔や焦点距離、レンズの配列等）が異なる場合、要素画像の位置や大きさを画像変換表示装置２０Ｃに合わせるように変換する。
これによって、画像撮像・表示システムＳは、画像変換撮像装置３０Ｂで被写体Ｏを撮像することで、画像変換表示装置２０Ｃにおいて、観察者に立体像Ｔを視認させることができる。

なお、画像変換撮像装置３０Ｂと画像変換表示装置２０Ｃとで、立体パラメータが同じであれば、信号変換装置４０は、単なる伝送手段として機能すればよい。
また、ここでは、信号変換装置４０に、画像変換撮像装置３０Ｂと画像変換表示装置２０Ｃとを連結しているが、それぞれ離れた地点に配置し、伝送路（通信、放送）や、記憶媒体を介して、画像（映像）信号の送受等を行うこととしてもよい。

（第１２実施形態）
次に、図２７を参照して、第１２実施形態に係る画像撮像・表示システムＳＢの構成について説明する。
図２７に示すように、画像撮像・表示システムＳＢは、図２４で説明した画像撮像装置２００Ｂと、図２０で説明した画像表示装置１００Ｂとを、信号変換装置４０Ｂを介して接続して構成する。

信号変換装置４０Ｂは、画像撮像装置２００Ｂで撮像された要素画像群を、画像表示装置１００Ｂの表示形式に合わせて変換するものである。
この信号変換装置４０Ｂは、画像撮像装置２００Ｂの個々の画像変換素子１０Ｂで縮小されて撮像された画像を合成（連結）して、１つの要素画像群として構成する。また、信号変換装置４０Ｂは、合成した要素画像群を、画像表示装置１００Ｂを構成する画像変換素子１０Ｂに対応して分割し、画像表示装置１００Ｂに出力する。
このとき、信号変換装置４０Ｂは、画像撮像装置２００Ｂと画像表示装置１００Ｂとで、立体パラメータが異なる場合、要素画像の位置や大きさを画像表示装置１００Ｂに合わせるように変換する点は、信号変換装置４０（図２６参照）と同じである。

このように画像撮像・表示システムＳＢを構成することで、画像撮像・表示システムＳＢは、被写体Ｏを複数の撮像手段３３で撮像の隙間をなくして、被写体Ｏの高精細な要素画像群を取得し、観察者に立体像Ｔとして視認させることができる。

１０ 画像変換素子
１１，１２ ファイバーオプティックプレート（ＦＯＰ）
１１Ａ 第１ＦＯＰ
１２Ａ 第２ＦＯＰ
１１Ｂ 第３ＦＯＰ
１２Ｂ 第４ＦＯＰ
２０ 画像変換表示装置
２１ 表示手段
２２ ＦＯＰ
２６ レンズアレー
２７ 要素レンズ
３０ 画像変換撮像装置
３１ 撮像レンズ
３２ ＦＯＰ
３３ 撮像手段
３４ レンズアレー
３５ 要素レンズ
１００ 画像表示装置
２００ 画像撮像装置

Claims (8)

1. 複数の光ファイバーを束ねたＦＯＰを光の入出射面同士を接合して、一方の面に入射する画像を他方の面においてサイズ変換して出射する画像変換素子であって、
   光ファイバーの素線方向に垂直な矩形形状の第１端面と、前記第１端面に対向して第１所定角度だけ傾斜した第２端面とを有する第１ＦＯＰと、
   光ファイバーの素線方向に垂直で、かつ、前記第２端面と同じ形状で前記第２端面に接合した第３端面と、前記第３端面に対向して前記第１所定角度だけ傾斜して前記第１端面に平行な第４端面とを有する第２ＦＯＰと、
   光ファイバーの素線方向に垂直で、かつ、前記第４端面と同じ形状で前記第４端面に接合した第５端面と、前記第５端面に対向して第２所定角度だけ傾斜した第６端面とを有する第３ＦＯＰと、
   光ファイバーの素線方向に垂直で、かつ、前記第６端面と同じ形状で前記第６端面に接合した第７端面と、前記第７端面に対向して前記第２所定角度だけ傾斜して前記第５端面に平行な第８端面とを有する第４ＦＯＰと、
   を備えることを特徴とする画像変換素子。
2. 前記第１所定角度と前記第２所定角度とが等しく、前記画像の水平方向および垂直方向において同一の倍率でサイズ変換を行うことを特徴とする請求項１に記載の画像変換素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の画像変換素子の前記第１端面に画像を出射する表示手段を対面して備えることを特徴とする画像変換表示装置。
4. 前記画像はインテグラル方式の要素画像群であって、前記画像変換素子の前記第８端面から要素レンズの焦点距離だけ離れた位置に、前記要素レンズを２次元配列したレンズアレーをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の画像変換表示装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の画像変換表示装置を複数備え、前記画像変換表示装置の画像変換素子における前記第８端面を隙間なく２次元配列して構成したことを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１または請求項２に記載の画像変換素子の前記第１端面に画像を撮像する撮像手段を対面して備えることを特徴とする画像変換撮像装置。
7. 前記画像はインテグラル方式の要素画像群であって、前記画像変換素子の前記第８端面から要素レンズの焦点距離だけ離れた位置に、前記要素レンズを２次元配列したレンズアレーをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の画像変換撮像装置。
8. 請求項６または請求項７に記載の画像変換撮像装置を複数備え、前記画像変換撮像装置の画像変換素子における前記第８端面を隙間なく２次元配列して構成したことを特徴とする画像撮像装置。

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