JP3865306B2 - 立体像の撮像表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被写体の立体像を生成する立体像の撮像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、被写体の立体像を生成する立体像の撮像表示装置として、インテグラルフォトグラフィやホログラフィを利用したものがある。
【0003】
図12乃至図14を参照して、インテグラルフォトグラフィを利用した立体像の撮像表示装置を簡単に説明する。図12は従来のインテグラルフォトグラフィを利用した立体像の撮像表示装置を示す模式図、図13は従来のインテグラルフォトグラフィにおける被写体の撮像方法を説明する模式図、図14は、従来のインテグラルフォトグラフィにおける立体像の生成方法を説明する模式図である。
【0004】
インテグラルフォトグラフィを利用した立体像の撮像表示装置は、図12に示すように、同一平面上に配列された複数の微小な凸レンズからなる撮像用複眼レンズ101と、この撮像用複眼レンズ101の後方に設置され、撮像用複眼レンズ101の全体を撮影するテレビジョンカメラ102と、このテレビジョンカメラ102から出力された画像信号(電気信号)を表示する表示装置104と、この表示装置104の前面に設置される表示用複眼レンズ105とから構成されている。
【0005】
撮像用複眼レンズ101を通して被写体106を撮像すると、図13に示すように、凸レンズ1011,1012・・・101nに対応して複数の微小な光学像1021,1022・・・102n(以下、要素画像という)が、テレビジョンカメラ102内のCCD(電荷結合素子)などの受像素子102A上に結像する。この要素画像1021,1022・・・102nは、画像信号(電気信号)に変換されたうえで、伝送ケーブル103を介して表示装置104へ伝送される(図12参照)。
【0006】
そして、表示装置104で画像信号を光(要素画像)に変換し、図14に示すように、要素画像1041,1042・・・104nを表示装置104に表示すると、表示用複眼レンズ105を構成する凸レンズ1051,1052・・・105nにより、図13に示す光線と同じ光線が再現され、結果として立体像107が生成される。
【0007】
また、特開平10−150675号公報には、撮像用複眼レンズを複数の光ファイバで構成したものが開示されている。この場合の光ファイバは、コア部の屈折率が中心に向かうにしたがって大きくなるように形成された、いわゆる分布屈折率導波路を有している。分布屈折率導波路を有する光ファイバに平行光が入射すると、光線の軌跡は正弦波状に蛇行して特定の点で結像する(図5(b)参照)。すなわち、分布屈折率導波路を有する光ファイバは、レンズとして機能することになる。また、光ファイバの長さが、この光ファイバを通過する光線の蛇行ピッチの1/4の奇数倍に形成されていると、この光線は出射端面で結像する(図6(a)参照)。なお、光ファイバの長さが蛇行ピッチの1/4の場合には、被写体に対して上下左右が反転した倒立像が結像し、蛇行ピッチの3/4の場合には、正立像が結像する。この原理は、1964年、D.MACUSEなどによって創案されており、The Bell System Technical Journal.(July,1964)などに記載されているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【0008】
次に、図15を参照して、ホログラフィを利用した立体像の撮像表示装置を簡単に説明する。図15(a)は従来のホログラフィにおける被写体の撮像方法を説明する模式図、図15(b)は生成方法を説明する模式図である。
【0009】
ホログラフィを利用した立体像の撮像表示装置は、図15(a)(b)に示すように、レーザ装置51と、このレーザ装置51から照射されたレーザ光を参照光と照明光とに分割するハーフミラー52と、被写体54で散乱された照明光(物体光L1)と参照光L2とにより発生する干渉稿55aを撮影するテレビジョンカメラ(図示せず)と、テレビジョンカメラから出力された画像信号を表示する表示装置(図示せず)と、この表示装置へレーザ光を照射するレーザ装置53とから構成される。
【0010】
テレビジョンカメラで干渉稿55aを撮像すると、干渉稿55aは、テレビジョンカメラ内の受像素子(CCDなど)によって画像信号に変換されたうえで表示装置へ伝送される。
【0011】
そして、図15(b)に示すように、表示装置に表示された干渉稿55bにレーザ光(参照光L3)を照射すると、立体像56が生成される。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した立体像の撮像表示装置では、撮像した光学像(要素画像)や干渉稿を画像信号に変換したうえで、表示装置に伝送し、この画像信号を表示装置で再び光学像(要素画像)や干渉稿に変換している。すなわち、従来の立体像の撮像表示装置は、光(光学像)を電気信号(画像信号)に変換するテレビジョンカメラ、電気信号を光に変換する表示装置といった各種装置を必要とするので、装置の規模が大きくなり、また、装置が複雑化するといった問題があった。
【0013】
そこで、本発明は、被写体を撮像して得られた光学像を光のまま伝送することができ、さらに、その光学像から立体像を生成することができる立体像の撮像表示装置を提供することを課題とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、請求項1の発明は、被写体を撮像する撮像部と、当該撮像部で撮像された光学像を伝送する伝送部と、当該伝送部で伝送された光学像から立体像を生成する表示部とを備え、前記撮像部は、それぞれの入射端面が同一平面上に並べられた複数の撮像用光ファイバから構成され、前記伝送部は、前記各撮像用光ファイバの出射端面に接続された複数の伝送用光ファイバから構成され、前記表示部は、前記各伝送用光ファイバの出射端面から所定の間隔をあけて配置された複数の表示用レンズから構成される立体像の撮像表示装置であって、前記撮像用光ファイバは、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成され、前記伝送用光ファイバは、階段屈折率導波路を有し、それぞれ同一の長さに形成され、前記各撮像用光ファイバの配列と前記各伝送用光ファイバの配列と前記各表示用レンズの配列とが等しいことを特徴とする。
【0015】
かかる立体像の撮像表示装置によると、被写体の光学像を光のままで伝送し、さらに、伝送された光学像から立体像を生成することができる。
【0016】
ここで、分布屈折率導波路(グレーデッド・インデクス導波路)とは、光ファイバのコア部の屈折率がその周辺部から中心に向かうにしたがって大きくなるように分布しているものをいい、この光ファイバに入射した光は、正弦波状に蛇行してある特定の点で結像する。すなわち、分布屈折率導波路を有する光ファイバは、レンズとして機能する。また、光ファイバの長さが、正弦波状に蛇行する光線の蛇行ピッチの1/4に形成されている場合には、被写体の光学像は当該撮像用光ファイバの出射端面に結像する。
【0017】
したがって、撮像用光ファイバは、レンズとして機能することになり、当該撮像用光ファイバに入射した光線は、その出射端面で結像する。また、撮像用光ファイバの出射端面に結像した光学像(要素画像)は、伝送用光ファイバで光のまま出射端面へ伝送される。そして、表示部(複数のレンズ)によって撮像部側での光線が再現され、表示部の前方に被写体の立体像が生成(表示)される。
【0018】
また、伝送用光ファイバの長さは、特に制限がなく、任意の長さに設定することができるので、光学像の長距離伝送も容易である。なお、光ファイバが階段屈折率導波路(ステップ・インデックス導波路)を有する場合には、光ファイバに入射した光線は、コア部とクラッド部の境界面で全反射を繰り返しながら伝送されるので、レンズとしては機能しない。
【0019】
なお、撮像用光ファイバの長さが、光線の蛇行ピッチの1/4なので、その出射端面に結像する要素画像は倒立像となる。したがって、伝送用光ファイバの出射端面に表示される要素画像も倒立像となるので、表示部(複数の表示用レンズ)によって生成される立体像は、被写体に対してその凹凸が反転した立体像(偽立体像)となる。
【0020】
請求項2の発明は、請求項1に記載の立体像の撮像表示装置であって、前記表示部は、前記表示用レンズから所定の間隔をあけて配置される複数の奥行き制御用光ファイバと、当該奥行き制御用光ファイバの出射端面から所定の間隔をあけて配置される複数の奥行き制御用レンズとをさらに備え、前記奥行き制御用光ファイバは、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成され、前記各撮像用光ファイバの配列と前記各奥行き制御用レンズの配列とがそれぞれ等しいことを特徴とする。
【0021】
かかる立体像の撮像表示装置によると、表示用レンズの前方に被写体の偽立体像が空中像として生成され、さらに、当該偽立体像は奥行き制御用光ファイバ(以下、表示用光ファイバ群)で再度撮像される。奥行き制御用光ファイバは、光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成され、一枚の凸レンズとして機能するので、その出射端面に結像する要素画像は、前記の偽立体像に対して倒立したものとなる。したがって、奥行き制御用レンズによって生成(表示)される立体像は、前記の偽立体像に対して凹凸が反転し、結果として被写体に対して凹凸が正しく表現された立体像となる。なお、当該立体像は、奥行き制御用レンズの前方に生成(表示)される。
【0022】
請求項3の発明は、請求項1に記載の立体像の撮像表示装置であって、前記撮像用光ファイバの長さを、前記蛇行ピッチの3/4に形成することを特徴とする。
【0023】
かかる立体像の撮像表示装置によると、被写体に対して凹凸が正しく表現された立体像が得られる。すなわち、光線の蛇行ピッチの3/4の長さを有する撮像用光ファイバは、二枚の凸レンズとして機能するので、その出射端面に結像する要素画像は正立像となる。したがって、伝送用光ファイバの出射端面に表示される要素画像が正立像となるので、表示部(複数の表示用レンズ)によって生成される立体像は、被写体に対してその凹凸が正しく表現された立体像となる。なお、当該立体像は、表示用レンズの後方に生成(表示)される。
【0024】
請求項4の発明は、被写体を撮像する撮像部と、当該撮像部で撮像された光学像を伝送する伝送部と、当該伝送部で伝送された光学像を表示する表示部とを備え、前記撮像部は、それぞれの入射端面が同一平面上に並べられた複数の撮像用光ファイバから構成され、前記伝送部は、前記各撮像用光ファイバの出射端面に接続された複数の伝送用光ファイバから構成され、前記表示部は、前記各伝送用光ファイバの出射端面に接続された複数の表示用光ファイバから構成される立体像の撮像表示装置であって、前記撮像用光ファイバは、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成され、前記伝送用光ファイバは、階段屈折率導波路を有し、それぞれ同一の長さに形成され、前記表示用光ファイバは、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成され、前記各撮像用光ファイバの配列と前記各伝送用光ファイバの配列と前記各表示用光ファイバの配列とが等しいことを特徴とする。
【0025】
かかる立体像の撮像表示装置は、分布屈折率導波路を有する複数の表示用光ファイバで表示部を構成したものであり、すなわち、撮像部、伝送部および表示部の全てが光ファイバで構成されている。したがって、被写体の光学像を光のまま伝送し、さらに、伝送された光学像から立体像を生成することができる。また、撮像用光ファイバは、光線の蛇行ピッチの1/4の長さを有し、その出射端面に結像する要素画像が倒立像となるので、表示部(複数の表示用光ファイバ)によって生成される立体像は、被写体に対して凹凸が反転した偽立体像となる。なお、当該偽立体像は、表示用光ファイバの出射端面の前方に生成(表示)される。
【0026】
請求項5の発明は、請求項4に記載の立体像の撮像表示装置であって、前記撮像用光ファイバの長さを、前記蛇行ピッチの3/4の長さに形成することを特徴とする。
【0027】
かかる立体像の撮像表示装置によると、撮像用光ファイバの長さを光線の蛇行ピッチの3/4としたので、撮像用光ファイバの出射端面に結像する要素画像は正立像となる。したがって、表示部(複数の表示用光ファイバ)によって生成される立体像は、被写体に対して凹凸が正しく表現された立体像となる。なお、当該立体像は、表示用光ファイバの出射端面の後方に生成(表示)される。
【0028】
請求項6の発明は、請求項4に記載の立体像の撮像表示装置であって、前記表示用光ファイバの長さを、前記蛇行ピッチの3/4に形成することを特徴とする。
【0029】
かかる立体像の撮像表示装置によると、撮像用光ファイバの出射端面に結像する要素画像は倒立像となるが、表示用光ファイバの長さを光線の蛇行ピッチの3/4としたので、前記の倒立像が反転される。したがって、表示部によって生成される立体像は、被写体に対して凹凸が正しく表現された立体像となる。なお、当該立体像は、表示用光ファイバの出射端面の後方に生成(表示)される。
【0030】
請求項7の発明は、請求項4に記載の立体像の撮像表示装置であって、前記表示部は、前記表示用光ファイバの出射端面から所定の間隔をあけて配置される複数の奥行き制御用光ファイバをさらに備え、前記奥行き制御用光ファイバは、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/2の長さに形成され、前記各撮像用光ファイバの配列と前記奥行き制御用光ファイバの配列とが等しいことを特徴とする。
【0031】
かかる立体像の撮像表示装置によると、表示用光ファイバの前方に、被写体に対して凹凸が反転した偽立体像が空中像として生成されるが、奥行き制御用光ファイバによって、偽立体像の凹凸を反転した立体像、すなわち、被写体の凹凸を正しく表現した立体像が生成される。なお、当該立体像は、奥行き制御用光ファイバの出射端面の前方に生成(表示)される。
【0032】
請求項8の発明は、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の立体像の撮像表示装置であって、前記伝送部に、縮小光学系、拡大光学系および回転光学系の少なくとも一つが介設されていることを特徴とする。
【0033】
かかる立体像の撮像表示装置によると、生成される立体像の大きさを被写体に対して拡大、縮小あるいは回転させることができる。
【0034】
請求項9の発明は、請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の立体像の撮像表示装置であって、前記伝送部に、光の明るさを増幅させる光増幅装置が介設されていることを特徴とする。
【0035】
かかる立体像の撮像表示装置によると、伝送損失により低下した明るさを補うことができる。したがって、伝送用光ファイバが長くなっても、明るい立体像を生成することができる。
【0042】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付した図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【0043】
(第一の実施形態)
まず、第一の実施形態に係る立体像の撮像表示装置を、図1乃至図9を参照して説明する。図1(a)は本発明の第一の実施形態に係る立体像の撮像表示装置の一例を示す模式図、図1(b)および図2乃至図4は他の例を示す模式図、図5および図6は屈折率導波路を有する光ファイバの作用を説明する概念図、図7は奥行き制御用光ファイバの長さを光線の蛇行ピッチの1/2としたときの光の進み方を説明する説明図、図8は奥行き制御用光ファイバの長さを光線の蛇行ピッチの1/2としたときに生成される光学像を説明する説明図、図9は光ファイバの配列の例を示す模式図である。なお、図1乃至図4に示す立体像の撮像表示装置の模式図はそれぞれ側面図であるが、被写体および立体像は、説明の都合上、斜視図として表示する。また、図示の都合上、要素画像を各光ファイバの出射端面の前面側(図中右側)に描いたが、実際には出射端面に結像する。
【0044】
第一の実施形態に係る立体像の撮像表示装置は、インテグラルフォトグラフィを利用するものであり、図1(a)に示すように、撮像部1と伝送部2と表示部3とから構成される。
【0045】
撮像部1は、複数の光ファイバ(以下、撮像用光ファイバ11という)から構成されている。
撮像用光ファイバ11は、分布屈折率導波路を有し、その入射端面11aが同一平面上に並べられている。撮像用光ファイバ11の配列は、特に限定されるものではないが、例えば、正方格子状(図9(a)参照)、俵積状(図9(b)参照)、中心から徐々に円形に配置したもの(図9(c)参照)などがある。なお、図示の立体像の撮像表示装置では、6本の撮像用光ファイバ11で撮像部1が構成されているが、実際には二次元状に配置された数万乃至数百万本の撮像用光ファイバ11を束ねたいわゆるファイバオプティクスプレートで撮像部1が構成される。
【0046】
ここで、分布屈折率導波路とは、光ファイバのコア部の屈折率が、その周辺部から中心に向かうにしたがって大きくなるように形成されたものをいい、例えば、半径rにおける屈折率nが、
n=n0sech(A1/2r)≒n0[1−(A/2)r2]
のように分布しているものがある。ここで、n0は光ファイバ中心における屈折率、Aは屈折率分布定数(単位:mm-2)であり、光ファイバの材料によって定まる定数である。
【0047】
このように屈折率特性を有するコア部(分布屈折率導波路)に光線が入射すると、図5(a)に示すように、光線の軌跡が正弦波状に蛇行する。したがって、図5(b)に示すように、分布屈折率導波路を有する光ファイバを適宜な長さに形成すると、ある特定の点PTで結像するので、分布屈折率導波路を有する光ファイバは、レンズとして機能することになる。
【0048】
また、分布屈折率導波路を有する光ファイバを通過する光線の結像位置が、この光ファイバの出射端面となる条件は、
θ=A1/2Z0=π/2,3π/2,・・・,π(2m+1)/2
である。ここで、Z0は、光ファイバの長さ、mはゼロ以上の整数である。
また、Z0=π/(2A1/2)となるとき、すなわち、光ファイバの長さが光線の蛇行ピッチの1/4に形成されているときは、この光ファイバは一枚の凸レンズとして機能し(図6(a)参照)、Z0=3π/(2A1/2)となるとき、すなわち、光ファイバの長さが光線の蛇行ピッチの3/4に形成されているときは、この光ファイバは二枚の凸レンズとして機能する(図6(b)参照)。
【0049】
撮像用光ファイバ11の長さは、図6(a)に示すように、分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチ(図5(a)参照)の1/4に形成されているので、撮像用光ファイバ11の入射端面11aに平行に入射した光線は、出射端面11bで結像することになる。この場合、撮像用光ファイバ11は一枚の凸レンズとして機能するので、図6(c)に示すように、出射端面11bに結像する要素画像は正立像に対して上下左右が反転した倒立像となる。
【0050】
伝送部2は、図1(a)に示すように、複数の光ファイバ(以下、伝送用光ファイバ21という)から構成され、それぞれ撮像用光ファイバ11の出射端面11bに接続されている。撮像用光ファイバ11と伝送用光ファイバ21との接続は、これらの端面を物理的に密着させればよい。また、伝送用光ファイバ21の配列は、撮像用光ファイバ11の配列と同一である。
【0051】
ここで、階段屈折率導波路とは、中心部(コア部)の屈折率が、その周囲(クラッド部)の屈折率よりも大きく、かつ、コア部の屈折率が一様に分布しているものをいう。階段屈折率導波路を有する光ファイバに光線が入射すると、クラッド部で反射しつつ伝送され、特定の点で結像することはない。
【0052】
すなわち、伝送用光ファイバ21は、レンズとして機能することはなく、入射端面21aに入射した光線をそのまま出射端面21bに伝送する。また、伝送用光ファイバ21の長さは、伝送距離に応じて任意に設定することができるが、各伝送用光ファイバ21は、同一の長さに形成される。なお、伝送用光ファイバ21のコア部の屈折率を撮像用光ファイバ11の光軸上の屈折率と等値にし、伝送用光ファイバ21のクラッド部の屈折率を撮像用光ファイバの外周部の屈折率と等値にしておけば、これらの接続面で光が全て反射してしまうことはない。
【0053】
表示部3は、図1(a)に示すように、複数の凸レンズ(以下、表示用レンズ31という)から構成され、伝送用光ファイバ21の出射端面21bから表示用レンズ31の焦点距離fだけ間隔をあけて配置されている。また、撮像用光ファイバ11の配列と表示用レンズ31の配列とは等しい。
【0054】
次に、このような立体像の撮像表示装置の作用について図1(a)を参照して説明する。
【0055】
図1(a)に示すように、立体像の撮像表示装置の撮像部1を被写体4に対面させると、被写体4からの光線が撮像部1を構成する複数の撮像用光ファイバ11のそれぞれに入射する。撮像用光ファイバ11は、前記したように、一枚の凸レンズとして機能するので、入射端面11aに入射した光線は、出射端面11bで結像する。すなわち、複数の撮像用光ファイバ11のそれぞれの出射端面11bに、被写体4の微小な光学像(要素画像5a)が倒立像として結像する。
【0056】
撮像用光ファイバ11の出射端面11bに結像した要素画像5aは、伝送用光ファイバ21によって光のまま出射端面21bまで伝送される。すなわち、伝送用光ファイバ21の出射端面21bには、撮像用光ファイバ11の出射端面11bに結像した要素画像5aと同一の要素画像5bが結像していることになる。
【0057】
そして、表示部3(表示用レンズ31)の配列が撮像部1(撮像用光ファイバ11)の配列と同じであることから、表示部3(表示用レンズ31)によって撮像部1側での光線が再現され、すなわち、要素画像5bから立体像5が生成される。なお、立体像5は、表示部3(表示用レンズ31)の前方(観察者側)に空中像として生成(表示)される。
【0058】
このように、第一の実施形態に係る立体像の撮像表示装置によると、撮像部1で撮像された被写体4の要素画像5a(光学像)を光のまま伝送し、さらに、伝送された要素画像5bから被写体4の立体像5を生成することができる。すなわち、撮像された光学像を電気信号(画像信号)に変換する必要がなく、したがって、テレビジョンカメラやディスプレイなどは不要である。このような立体像の撮像表示装置は、被写体を「生中継」する場合に好適である。例えば、撮像部1を屋外に設置し、表示部3を地下室内に設置して「窓」とすれば、この「窓」に屋外の様子が立体的に「生中継」されることになる。この他、ボアスコープや内視鏡などに応用することが可能である。
【0059】
なお、第一の実施形態に係る立体像の撮像表示装置では、表示部3を複数の凸レンズ(表示用凸レンズ31)で構成したが、凸レンズに限定されることはなく、凸レンズの機能を備えるものであればよい。
【0060】
例えば、図1(b)に示すように、分布屈折率導波路を有し、かつ、蛇行ピッチの1/4の長さに形成された複数の光ファイバ(以下、表示用光ファイバ32という)で表示部3を構成してもよい。すなわち、表示用光ファイバ32は、凸レンズとして機能するので、図1(a)に示す表示用凸レンズ31に替えて表示用光ファイバ32を用いても、被写体4の立体像5を生成することができる。また、立体像5は、表示部3(表示用光ファイバ32)の前方(観察者側)に空中像として生成(表示)される。なお、表示用光ファイバ32は、伝送用光ファイバ21の出射端面21bに接続される。
【0061】
このように、撮像部1、伝送部2および表示部3の全てを光ファイバで構成すると、各光ファイバに入射した光線が外部へ漏れることがないので、光ファイバ相互の干渉を回避することができる。
【0062】
また、図1(a)(b)に示す立体像の撮像表示装置では、被写体4の要素画像5a,5bが倒立像になるため、観察者側から観ると、立体像5は被写体4に対して凹凸が反転した立体像(以下、「偽立体像」という)となる。したがって、被写体4の凹凸を正しく表現した立体像を得るためには、被写体4に対して正立した要素画像を結像させるか、あるいは、別途手段により倒立像を正立像に変換する必要がある。
【0063】
例えば、図2(a)に示すように、分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの3/4の長さを有する撮像用光ファイバ12で撮像部1を構成すれば、出射端面12bに被写体4に対して正立した要素画像6aを結像させることができるので、被写体4の凹凸を正しく表現した立体像6を得ることができる。
【0064】
すなわち、撮像用光ファイバ12は、二枚の凸レンズとして機能するので、その出射端面12bに結像する要素画像6aは正立像となる。したがって、伝送用光ファイバ21の出射端面21bに表示される要素画像6bも正立像となるので、表示部3(複数の表示用レンズ31)によって生成される立体像6は、被写体4の凹凸を正しく表現した立体像となる。なお、この場合には、立体像6は表示部3の後方(つまり、伝送用光ファイバ21の中)に空中像として生成(表示)される。
【0065】
また、図1(b)の場合と同様に、複数の光ファイバ(以下、表示用光ファイバ32という)で表示部3を構成してもよい(図2(b)参照)。さらに、図示は省略するが、撮像用光ファイバの長さを蛇行ピッチの1/4とし、表示用光ファイバの長さを蛇行ピッチの3/4としても、被写体の凹凸が正しく表現された立体像を得ることができる。なお、この場合には、立体像6は表示用光ファイバ32の出射端面32bの後方(つまり、伝送用光ファイバ21の中)に空中像として生成(表示)される。
【0066】
さらに、図3(a)に示すように、複数の表示用レンズ31と、複数の奥行き制御用光ファイバ33と、複数の奥行き制御用レンズ34とで表示部3を構成しても、被写体4の凹凸が正しく表現された立体像6を得ることができる。
【0067】
ここで、奥行き制御用光ファイバ33は、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成されている。また、奥行き制御用光ファイバ33の配列は、撮像用光ファイバ11の配列と等しい。
【0068】
複数の奥行き制御用レンズ34は、奥行き制御用光ファイバ33の出射端面33bからその焦点距離fをあけて配置され、かつ、その配列が撮像用光ファイバ11の配列と等しい。
【0069】
そして、図3(a)に示す立体像の撮像表示装置によると、表示用光レンズ31の前方(観察者側)に被写体4の偽立体像5が生成され、さらに、この偽立体像5は、複数の奥行き制御用光ファイバ33で再度撮像される。奥行き制御用光ファイバ33は、光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成され、一枚の凸レンズとして機能するので、その出射端面33bに結像する要素画像6aは、偽立体像5の倒立像となる。したがって、奥行き制御用レンズ34によって生成される立体像6は、偽立体像5に対して凹凸が反転し、結果として被写体4に対して凹凸が正しく表現された像となる。また、立体像6は、奥行き制御用レンズ34の前方(観察者側)に空中像として生成(表示)される。
【0070】
さらに、図3(b)に示すように、光線の蛇行ピッチの1/2の長さに形成された分布屈折率導波路を有する光ファイバ(奥行き制御用光ファイバ35)の複数を、表示用光ファイバ32の出射端面32bから所定の間隔をあけて配置しても、被写体4の凹凸が正しく表現された立体像6を得ることができる。
【0071】
ここで、奥行き制御用光ファイバ35を通過する光の進み方を図7および図8を参照して説明する。
【0072】
奥行き制御用光ファイバ35の入射端面35aと出射端面35bでは、図7に示すように、ri=−ri’のときに、ro=−ro’となり、出射光線の角度は、入射光線の角度と符号が逆で絶対値が等しくなる。ここで、ri,ri’は、それぞれ入射端面35aに入射する光線の光軸からの距離および出射端面35bから出射する光線の光軸からの距離であり、ro,−ro’は、それぞれ入射端面35aに入射する光線が光軸となす角度および出射端面35bから出射する光線が光軸となす角度である。
【0073】
すなわち、図8に示すように、各奥行き制御用光ファイバ35から出射する光線の交点に、被写体(偽立体像5)に対して凹凸が反転した立体像6が生成される。また、奥行き制御用光ファイバ35を折り返して入射端面35aと出射端面35bとを重ね合わせたとすると、奥行き制御用光ファイバ35の中心に入射する光線と、奥行き制御用光ファイバ35の中心から出射する光線とが一致するので、出射端面35bと立体像6との距離は、入射端面35aから被写体(立体像5)までの距離d1と等しい。
【0074】
これらは、図7に示すように、三角形OO1O3と、三角形QQ1Q3とが鏡面対称となっていることからも分かる。なお、出射端面35bから出射する光線の光束は広がるが、端面が小さい場合には問題とならない。
【0075】
したがって、図3(b)に示す立体像の撮像表示装置によると、表示用光ファイバ32の前方(観察者側)に、被写体4に対して凹凸が反転した偽立体像5が生成(表示)され、さらに、奥行き制御用光ファイバ35によって出射端面35bの前方に偽立体像5に対して凹凸が反転した立体像6が生成(表示)される。すなわち、被写体4に対して凹凸が正しく表現された立体像6が奥行き制御用光ファイバ35の出射端面35bの前方に生成(表示)される。
【0076】
また、図4に示すように、伝送部2(伝送用光ファイバ21)に拡大光学系7を介設すると、被写体4を拡大した立体像6を得ることができる。
【0077】
さらに、図示は省略するが、拡大光学系7のほか、立体像を縮小させる縮小光学系、立体像を回転させる回転光学系を介設してもよい。また、光の明るさを増幅させる光増幅装置(イメージインテンシファイア)を介設すると、伝送損失により低下した明るさを補うことができる。光増幅装置を適宜介設することで、光学像を長距離伝送しても、明るい立体像を生成することができる。
【0078】
(第二の実施形態)
第二の実施形態に係る立体像の撮像表示装置は、ホログラフィを利用するものであり、図10に示すように、物体光L1と参照光L2とが干渉して生じる干渉稿46aを伝送する複数の光ファイバ42と、この光ファイバ42によって伝送された干渉稿46cに参照光(再生光)を照射するレーザ装置48とから構成される。
【0079】
光ファイバ42は、階段屈折率導波路を有し、入射端面41に入射した干渉稿46aをそのまま出射端面43に伝送する。また、光ファイバ42の長さは、伝送距離に応じて任意に設定することができる。また、複数の光ファイバ42は、それぞれ入射端面41が同一平面上になるように配列され、かつ、出射端面43がそれぞれ同一平面上になるように配列されている。
【0080】
また、図示の実施形態では、出射端面43側にハーフミラー44が挿入されており、出射端面43に伝送された干渉稿46bはハーフミラー44によって投影される(干渉稿46c)。すなわち、立体像を生成するには、出射端面43に伝送された干渉稿46bの背面側(光ファイバ42の出射端面43側)から参照光(再生光)を照射する必要があるところ、その位置には光ファイバ42が設置されており、干渉稿46bの背面側に参照光を照射するレーザ装置を設置することができないので、ハーフミラー44によって干渉稿46bを投影し、その背面(図10では干渉稿46cの上側)にレーザ装置48を設置することとした。
【0081】
このような構成の立体像の撮像表示装置によると、物体光L1と参照光L2とにより生じる干渉稿46aが光のまま伝送される。すなわち、光(干渉稿46a)を電気信号に変換する装置が不要になる。そして、光ファイバで伝送された干渉稿46cの背面(図10では干渉稿46cの上側)にレーザ装置48で参照光を照射すると、被写体54の立体像46が生成される。なお、干渉稿は、計算機で計算したものであってもよい。
【0082】
また、図11に示すように、光ファイバ42に拡大光学系47を介設すると、被写体4を拡大した立体像を得ることができる。
【0083】
さらに、図示は省略するが、拡大光学系47のほか、立体像を縮小させる縮小光学系、回転させる回転光学系を介設してもよい。また、光の明るさを増幅させる光増幅装置を介設すると、伝送損失により低下した明るさを補うことができる。この場合、伝送用光ファイバの長さが大きくなっても、明るい立体像を生成することができる。
【0084】
【発明の効果】
請求項1乃至請求項9に係る立体像の撮像表示装置によれば、被写体の光学像を電気信号に変換することなく、光のままで伝送し、さらに、伝送された光学像から立体像を生成することができる。すなわち、被写体の立体像を生成するに際し、テレビジョンカメラやディスプレイは不要である。また、伝送部を構成する伝送用光ファイバは、その長さに制約がないため、長距離伝送も可能であり、さらに、拡大光学系、縮小光学系、回転光学系および光増幅装置を任意の位置に設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)は本発明の第一の実施形態に係る立体像の撮像表示装置の一例を示す模式図、(b)は、他の例を示す模式図である。
【図2】 (a)は本発明の第一の実施形態に係る立体像の撮像表示装置の他の例を示す模式図、(b)は、さらに他の例を示す模式図である。
【図3】 (a)は本発明の第一の実施形態に係る立体像の撮像表示装置の他の例を示す模式図、(b)は、さらに他の例を示す模式図である。
【図4】 伝送部に拡大光学系を設置した例を示す模式図である。
【図5】 (a)(b)は屈折率導波路を有する光ファイバの作用を説明する概念図である。
【図6】 (a)(b)(c)は屈折率導波路を有する光ファイバの作用を説明する概念図である。
【図7】 奥行き制御用光ファイバの長さを光線の蛇行ピッチの1/2としたときの光の進み方を説明する説明図である。
【図8】 奥行き制御用光ファイバの長さを光線の蛇行ピッチの1/2としたときにより生成される光学像を説明する説明図である。
【図9】 (a)(b)(c)は光ファイバの配列の例を示す模式図である。
【図10】 本発明の第二実施形態に係る立体像の撮像表示装置を示す模式図である。
【図11】 光ファイバに拡大光学系を設置した例を示す模式図である。
【図12】 従来のインテグラルフォトグラフィを利用した立体像の撮像表示装置を示す模式図である。
【図13】 従来のインテグラルフォトグラフィにおける被写体の撮像方法を説明する模式図である。
【図14】 従来のインテグラルフォトグラフィにおける立体像の生成方法を説明する模式図である。
【図15】 (a)は従来のホログラフィにおける被写体の撮像方法を説明する模式図、(b)は立体像の生成方法を説明する模式図である。
【符号の説明】
1 撮像部
11 撮像用光ファイバ
11a 入射端面
11b 出射端面
2 伝送部
21 伝送用光ファイバ
21a 入射端面
21b 出射端面
3 表示部
31 表示用レンズ
32 表示用光ファイバ
33,35 奥行き制御用光ファイバ
34 奥行き制御用レンズ
4 被写体
5 (虚)立体像
5a,5b 要素画像(倒立像)
6 立体像
6a 要素画像(正立像)
7 拡大光学系
42 光ファイバ
Claims (9)
- 被写体を撮像する撮像部と、当該撮像部で撮像された光学像を伝送する伝送部と、当該伝送部で伝送された光学像から立体像を生成する表示部とを備え、
前記撮像部は、それぞれの入射端面が同一平面上に並べられた複数の撮像用光ファイバから構成され、
前記伝送部は、前記各撮像用光ファイバの出射端面に接続された複数の伝送用光ファイバから構成され、
前記表示部は、前記各伝送用光ファイバの出射端面から所定の間隔をあけて配置された複数の表示用レンズから構成される立体像の撮像表示装置であって、
前記撮像用光ファイバは、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成され、
前記伝送用光ファイバは、階段屈折率導波路を有し、それぞれ同一の長さに形成され、
前記各撮像用光ファイバの配列と前記各伝送用光ファイバの配列と前記各表示用レンズの配列とが等しいことを特徴とする立体像の撮像表示装置。 - 前記表示部は、前記表示用レンズから所定の間隔をあけて配置される複数の奥行き制御用光ファイバと、当該奥行き制御用光ファイバの出射端面から所定の間隔をあけて配置される複数の奥行き制御用レンズとをさらに備え、
前記奥行き制御用光ファイバは、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成され、
前記各撮像用光ファイバの配列と前記各奥行き制御用レンズの配列とがそれぞれ等しいことを特徴とする請求項1に記載の立体像の撮像表示装置。 - 前記撮像用光ファイバの長さを、前記蛇行ピッチの3/4に形成することを特徴とする請求項1に記載の立体像の撮像表示装置。
- 被写体を撮像する撮像部と、当該撮像部で撮像された光学像を伝送する伝送部と、当該伝送部で伝送された光学像から立体像を生成する表示部とを備え、
前記撮像部は、それぞれの入射端面が同一平面上に並べられた複数の撮像用光ファイバから構成され、
前記伝送部は、前記各撮像用光ファイバの出射端面に接続された複数の伝送用光ファイバから構成され、
前記表示部は、前記各伝送用光ファイバの出射端面に接続された複数の表示用光ファイバから構成される立体像の撮像表示装置であって、
前記撮像用光ファイバは、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成され、
前記伝送用光ファイバは、階段屈折率導波路を有し、それぞれ同一の長さに形成され、
前記表示用光ファイバは、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/4の長さに形成され、
前記各撮像用光ファイバの配列と前記各伝送用光ファイバの配列と前記各表示用光ファイバの配列とが等しいことを特徴とする立体像の撮像表示装置。 - 前記撮像用光ファイバの長さを、前記蛇行ピッチの3/4の長さに形成することを特徴とする請求項4に記載の立体像の撮像表示装置。
- 前記表示用光ファイバの長さを、前記蛇行ピッチの3/4に形成することを特徴とする請求項4に記載の立体像の撮像表示装置。
- 前記表示部は、前記表示用光ファイバの出射端面から所定の間隔をあけて配置される複数の奥行き制御用光ファイバをさらに備え、
前記奥行き制御用光ファイバは、分布屈折率導波路を有し、当該分布屈折率導波路を通過する光線の蛇行ピッチの1/2の長さに形成され、
前記各撮像用光ファイバの配列と前記奥行き制御用光ファイバの配列とが等しいことを特徴とする請求項4に記載の立体像の撮像表示装置。 - 前記伝送部に、縮小光学系、拡大光学系および回転光学系の少なくとも一つが介設されていることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の立体像の撮像表示装置。
- 前記伝送部に、光の明るさを増幅させる光増幅装置が介設されていることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の立体像の撮像表示装置。
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