JP4676861B2 - 撮像装置及び表示装置 - Google Patents

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ための画像から立体像を表示する技術に係り、特に、複数の集光手段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）によって結像された被写体の像を撮像し、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２０〜図２３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ＩＰ方式について説明する。図２０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説明図である。図２１は、撮像装置の各凸レンズによって結像される像の横倍率を模式的に示すグラフである。図２２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２３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である。

まず、図２０（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によって結像された被写体（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の像を結像する。そして、この点光源１１５ａ、１１５ｂの倒立像は、カメラ１１３によって撮像される。

そして、各凸レンズによって結像される像の横倍率ｍは、図２１に示すようになる。ここで、Ｌ１１は被写体から凸レンズ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、Ｌ１１＜−ｆの場合には、ｍは負となり倒立像が結像され、Ｌ１１＞−ｆの場合には、ｍは正となり正立像が結像される。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によって結像される像は、点光源１１５ａ、１１５ｂの倒立像になる。

ここで、図２０（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によって結像された倒立像（点光源１１５ａ、１１５ｂの像）となる。そして、各凸レンズ１１１の内部の点光源１１５ａ、１１５ｂの像の位置も反転する。

この撮像装置１１０によって撮像された倒立像を正立像に変換するために、画像１２１に電気的な計算処理を施す必要がある。ここで、図２２を参照して、図２０（ａ）の撮像装置１１０によって撮像された画像１２１の変換方法について説明する。なお、図２２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２２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、回転させた画像１２３（１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄ）を合成して１つの画像１２４とし、被写体の正立像の画像（ＩＰ画像）を得ることができる。

次に、図２３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。表示装置１３０は、画像１２４（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から出射された光は、凸レンズ１３２を通過して出射する。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は、被写体である点光源１１５ａ、１１５ｂの配置と同じもの（正視像）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、被写体の正立像のＩＰ画像を撮像できる撮像装置として、正逆視変換光学系を用いる方法（非特許文献１参照）が提案されている。この方法では、凸レンズアレイにより倒立像を結像させ、更にこの倒立像を通常のＩＰ方式を用いて撮像することによって、被写体の正立像（倒立像の倒立像）のＩＰ画像を撮像することができる。この正逆視変換光学系は、複数のプリズムと大口径レンズにより構成される。また、図２０（ａ）に示した撮像装置１１０の凸レンズ１１１の代わりに光ファイバのような屈折率分布レンズを用いる方法（特許文献２参照）が提案されている。これらの方法によれば、被写体の正立像を結像できるため、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） 大越孝敬、「三次元画像工学」、朝倉書店、１９９１年初版

しかしながら、特許文献１に記載の方式では、撮像された被写体の倒立像を正立像に変換するための電気的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。また、非特許文献１に記載の正逆視変換光学系を用いる方法では、プリズム等の光学素子が多数必要となり、更に、特許文献２に記載の方法では、半径方向に屈折率が変化する屈折率分布レンズが必要となる。これらの光学素子は、一般的な凸レンズや凹レンズに比べて２次元状に多数配列することが困難である。

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、撮像した映像の変換を必要とせず、かつ、簡易な構成で廉価に製造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。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の撮像装置は、被写体からの光が入射し、当該被写体の正立像を結像する複数の要素光学レンズ系を、当該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要素光学レンズ系によって結像された像を撮像する画像撮像手段とを備え、前記要素光学レンズ系が、アフォーカル機能を持つアフォーカル光学系と、このアフォーカル光学系から入射された光を集光する結像光学系とを有し、前記アフォーカル光学系が、外部から入射された光を前記光軸を中心に反転させて出射し、前記アフォーカル光学系と前記結像光学系とが、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されることとした。

かかる構成によれば、撮像装置は、各々の要素光学レンズ系において、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されているアフォーカル光学系によって、被写体からの光を光軸を中心に反転させる。そして、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されている結像光学系によって、反転された光を集光して被写体の正立像を結像する。また、画像撮像手段によって、結像した被写体の像を撮像する。これによって、撮像装置は、ＩＰ方式の立体像を表示するための、複数の要素光学レンズ系によって結像された被写体の正立像からなる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、被写体の画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し、当該被写体の正立像を結像する複数の要素光学レンズ系を、当該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要素光学レンズ系によって結像された像を撮像する画像撮像手段とを備え、前記要素光学レンズ系が、外部から入射された光線を結像する結像光学系と、この結像光学系から入射された光を、光軸を中心にして反転させて出射させるアフォーカル光学系とを有し、前記アフォーカル光学系が、外部から入射された光を前記光軸を中心に反転させて出射し、前記アフォーカル光学系と前記結像光学系とが、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されることとした。

かかる構成によれば、撮像装置は、各々の要素光学レンズ系において、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されている結像光学系によって、被写体の倒立像を結像する。そして、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されているアフォーカル光学系によって、倒立像からの光を光軸を中心に反転させて、被写体の正立像を結像する。また、画像撮像手段によって、結像した被写体の像を撮像する。これによって、撮像装置は、ＩＰ方式の立体像を表示するための、複数の要素光学レンズ系によって結像された被写体の正立像からなる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、請求項１又は請求項２に記載の撮像装置において、前記結像光学系が、アレイ状に一体化されていることとした。

これによって、撮像装置は、光軸に対して直交する同一平面上に配置された複数の結像光学系を一体化して、１枚のレンズ群とすることができる。

また、請求項４に記載の撮像装置は、請求項１又は請求項２に記載の撮像装置において、前記アフォーカル光学系が、アレイ状に一体化されていることとした。

これによって、撮像装置は、光軸に対して直交する同一平面上に配置された複数のアフォーカル光学系を一体化して、１枚のレンズ群とすることができる。

また、請求項５に記載の表示装置は、同一平面上にアレイ状に配列された複数の集光手段によって結像された被写体の倒立像を撮像した画像である倒立画像を入力して、前記被写体の立体像を表示する表示装置であって、前記倒立画像を表示する画像表示手段と、前記複数の集光手段によって結像された各々の像の画像からの光が入射される複数の要素光学レンズ系を、当該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を備え、前記要素光学レンズ系が、アフォーカル機能を持つアフォーカル光学系と、このアフォーカル光学系から入射された光を集光する結像光学系とを有し、前記アフォーカル光学系が、外部から入射された光を前記光軸を中心に反転させて出射し、前記アフォーカル光学系と前記結像光学系とが、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されることとした。

かかる構成によれば、表示装置は、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されている各々のアフォーカル光学系によって、倒立画像からの光を各々光軸を中心に反転させる。そして、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されている各々の結像光学系によって、アフォーカル光学系から入射された光を集光する。これによって、表示装置は、上下左右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、同一平面上にアレイ状に配列された複数の集光手段によって結像された被写体の倒立像を撮像した画像である倒立画像を入力して、前記被写体の立体像を表示する表示装置であって、前記倒立画像を表示する画像表示手段と、前記複数の集光手段によって結像された各々の像の画像からの光が入射される複数の要素光学レンズ系を、当該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を備え、前記要素光学レンズ系が、外部から入射された光線を結像する結像光学系と、この結像光学系から入射された光を、光軸を中心にして反転させて出射させるアフォーカル光学系とを有し、前記アフォーカル光学系が、外部から入射された光を前記光軸を中心に反転させて出射し、前記アフォーカル光学系と前記結像光学系とが、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されることとした。

かかる構成によれば、表示装置は、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されている各々の結像光学系によって、倒立画像からの光を集光する。そして、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されている各々のアフォーカル光学系によって、結像光学系から入射された光を各々光軸を中心に反転させる。これによって、表示装置は、上下左右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、請求項５又は請求項６に記載の表示装置において、前記結像光学系が、アレイ状に一体化されていることとした。

これによって、表示装置は、光軸に対して直交する同一平面上に配置された複数の結像光学系を一体化して、１枚のレンズ群とすることができる。

また、請求項８に記載の表示装置は、請求項５又は請求項６に記載の表示装置において、前記アフォーカル光学系が、アレイ状に一体化されていることとした。

これによって、表示装置は、光軸に対して直交する同一平面上に配置された複数のアフォーカル光学系を一体化して、１枚のレンズ群とすることができる。

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又は請求項２に記載の発明によれば、倒立像を正立像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で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１、請求項２、請求項５又は請求項６に記載の発明によれば、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する光学素子は、光ファイバのような半径方向のみに屈折率分布を有する光学素子に比べて配列が容易である。更に、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する光学素子は、半径方向に一体化して構成することも可能であり、この光学素子を光軸方向に配列してアフォーカル光学系及び結像光学系を構成することもできる。そのため、簡易な構成とすることができる。

請求項３又は請求項７に記載の発明によれば、複数の結像光学系をアレイ状に配列して構成されるレンズ群を容易に製造することができる。

請求項４又は請求項８に記載の発明によれば、複数のアフォーカル光学系をアレイ状に配列して構成されるレンズ群を容易に製造することができる。

請求項５又は請求項６に記載の発明によれば、ＩＰ方式における一般的な撮像装置で撮像した倒立画像に対して、倒立像を正立像に変換する電気的な計算処理を行わなくても、被写体の立体像を表示することができる。そのため、表示装置は、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。

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（参照形態）］
図１を参照して、本発明の参照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１６のＩＰ画像を撮像するものである。撮像装置１は、要素画像レンズ群１４と、写真フィルム１５とを備える。

要素画像レンズ群１４は、複数の要素光学レンズ系１３を、当該要素光学レンズ系１３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。この要素光学レンズ系１３（…１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、…）は、被写体１６の正立像を結像するものである。ここで、各々の要素光学レンズ系１３は、アフォーカル光学系１１と、結像光学系１２とを備える。

アフォーカル光学系１１（…１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、…）は、平行光が入射すると平行光を出射するアフォーカル機能を有するとともに、被写体１６からの光を光軸を中心に反転するものである。このアフォーカル光学系１１は、各々の光軸に垂直な同一平面上にアレイ状に配列されている。アフォーカル光学系１１は、均一な屈折率分布を有する少なくとも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、図２を参照して、厚肉両凸レンズからなるアフォーカル光学系１１について説明する。図２は、アフォーカル光学系の構成を模式的に示した模式図である。なお、図２では、アフォーカル光学系１１に入射し、出射する平行光の光路を模式的に点線で示している。更に、図２では、アフォーカル光学系１１の凸レンズ面（入射面）Ｐ１及び凸レンズ面（出射面）Ｐ２を太線で示している。

アフォーカル光学系１１は、厚肉両凸レンズからなり、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の曲率半径を各々ｒ１、ｒ２、凸レンズ面Ｐ１、Ｐ２の面頂Ｖ１、Ｖ２間の距離（アフォーカル光学系１１の光軸方向の長さ）をｄ１とし、アフォーカル光学系１１内部の屈折率をｎ２、外部の屈折率をｎ１とすると、焦点距離ｆ１は、以下の式（１）によって表される。
ｆ１＝ｒ１・ｒ２／［（ｎ２−ｎ１）・｛ｒ２−ｒ１＋ｄ１（ｎ２−ｎ１）／ｎ２｝］ …（１）

そして、アフォーカル機能を有するレンズでは、焦点距離ｆ１が無限大となる。従って、アフォーカル機能を有するアフォーカル光学系１１とするためには、凸レンズ面Ｐ１、Ｐ２の曲率半径ｒ１、ｒ２、凸レンズ面Ｐ１、Ｐ２の面頂Ｖ１、Ｖ２間の距離ｄ１、アフォーカル光学系１１内部の屈折率ｎ２及び外部の屈折率ｎ１が、以下の式（２）を満足すればよい。
ｄ１＝（ｒ１−ｒ２）・ｎ２／（ｎ２−ｎ１） …（２）

特に、アフォーカル光学系１１を空気中に配置し（ｎ１≒１）、かつ、凸レンズ面Ｐ１、Ｐ２の曲率半径ｒ１、ｒ２の大きさが等しい（ｒ１＝−ｒ２）場合には、以下の式（３）を満足するアフォーカル光学系１１とすればよい。
ｄ１＝２・ｒ１・ｎ２／（ｎ２−１） …（３）
このように、前記の式（２）を満足するアフォーカル光学系１１とすることで、当該アフォーカル光学系１１に入射した平行光は、光軸を中心に反転した平行光となって出射される。

図１に戻って説明を続ける。結像光学系１２（…１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、…）は、アフォーカル光学系１１から入射された光を集光するものである。この結像光学系１２は、各々の光軸に垂直な同一平面上にアレイ状に配列されている。更に、結像光学系１２は、光軸方向に隣接するアフォーカル光学系１１と同一の光軸を有している。結像光学系１２は、均一な屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成され、ここでは、入射された平行光が出射面において集光される厚肉平凸レンズからなることとした。

ここで、図３を参照して、厚肉平凸レンズからなる結像光学系１２について説明する。図３は、結像光学系の構成を模式的に示した模式図である。なお、図３では、結像光学系１２に入射する平行光の光路を模式的に点線で示している。更に、図３では、結像光学系１２の凸レンズ面（入射面）Ｐ３及び平面（出射面）Ｐ４を太線で示している。

結像光学系１２は、厚肉平凸レンズからなり、所定距離だけ離隔して対面する凸レンズ面Ｐ３と平面Ｐ４とを有する。ここで、この凸レンズ面Ｐ３の曲率半径をｒ３、平面Ｐ４の曲率半径（図示せず）をｒ４（ｒ４は無限大）、凸レンズ面Ｐ３の面頂Ｖ３と平面Ｐ４の中点Ｖ４との間の距離（結像光学系１２の光軸方向の長さ）をｄ２とし、結像光学系１２内部の屈折率をｎ２、外部の屈折率をｎ１とすると、焦点距離ｆ２は、以下の式（４）によって表される。
ｆ２＝ｒ３／（ｎ２−ｎ１） …（４）

また、結像光学系１２の像側主点から平面Ｐ４の中点Ｖ４までの距離ｈ４は、以下の式（５）によって表される。ここで、光の進行方向を正とした。
ｈ４＝−ｄ２・ｎ２ …（５）

そして、結像光学系１２が、入射した平行光を平面Ｐ４上に集光するためには、以下の式（６）を満足すればよい。
ｄ２＝ｎ２・ｒ３／（ｎ２−ｎ１） …（６）

そして、前記の式（２）を満足するアフォーカル光学系１１と、前記の式（６）を満足する結像光学系１２からなる要素光学レンズ系１３に平行光が入射すると、図４に示すように、結像光学系１２の平面（出射面）Ｐ４から、この平面Ｐ４の中点Ｖ４で焦点を結ぶ光が出射する。なお、図４は、要素光学レンズ系に入射した平行光の光路を模式的に示す模式図である。

そして、凸レンズ面Ｐ１の面頂Ｖ１からＬ１の距離にある被写体１６（図１参照）からの光が、平面Ｐ４の中点Ｖ４からＬ２の距離に結像することとすると、距離Ｌ１と距離Ｌ２との関係は以下の式（７）によって表される。なお、ここでは、凸レンズ面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の曲率半径の大きさがすべて等しく（ｒ１＝−ｒ２＝ｒ３）、また、アフォーカル光学系１１の光軸方向の長さｄ１が結像光学系１２の光軸方向の長さｄ２の２倍（ｄ１＝２・ｄ２）であることとした。
Ｌ２＝−（ｒ１）^２／［（ｎ２−ｎ１）・｛Ｌ１・（ｎ２−ｎ１）＋３・ｒ１｝］ …（７）

ここで、図５（適宜図４参照）を参照して、要素光学レンズ系１３によって結像される被写体１６（図１参照）の像の倍率について説明する。図５は、結像される像の横倍率と、アフォーカル光学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５におけるｂは、アフォーカル光学系１１の凸レンズ面Ｐ１の面頂Ｖ１から要素光学レンズ系１３の物側焦点（図示せず）までの距離を示している。

図５に示すように、アフォーカル光学系１１の凸レンズ面（入射面）Ｐ１の面頂Ｖ１から被写体１６までの距離Ｌ１が距離ｂより小さい場合、つまり、被写体１６が要素光学レンズ系１３の物側焦点よりアフォーカル光学系１１に対して近い位置にある場合には、横倍率βは負になり、倒立像が結像される。また、距離Ｌ１が距離ｂより大きい場合、つまり、被写体１６が要素光学レンズ系１３の物側焦点よりアフォーカル光学系１１に対して遠い位置にある場合には、横倍率βは正になり、正立像が結像される。

図１に戻って説明を続ける。写真フィルム（画像撮像手段）１５は、要素画像レンズ群１４の要素光学レンズ系１３によって結像された被写体１６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１６が、要素光学レンズ系１３の物側焦点よりアフォーカル光学系１１に対して遠い位置にあるときには、各々の要素光学レンズ系１３によって被写体１６の正立像が結像されるため、写真フィルム１５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１５によって撮像される画像は、例えば、図２３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１６の立体像を見ることができる。

この写真フィルム１５は、結像光学系１２から出射する光の光路上に設置され、この写真フィルム１５の結像光学系１２からの光軸方向の距離Ｌ２は、被写体１６の位置に応じて、前記の式（７）に基づいて設定することができる。そして、例えば、無限遠方にある被写体１６を撮像する場合には、式（７）に基づいて、写真フィルム１５を結像光学系１２の出射面に接する位置に設置することで、複数の要素光学レンズ系１３によって結像された被写体１６の正立像からなるＩＰ画像を撮像することができる。

これによって、撮像装置１は、被写体１６のＩＰ画像を直接撮像することができる。そのため、撮像装置１によって撮像された画像は、倒立像を正立像に変換する電気的な計算処理を行う必要がなく、撮像装置１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、要素光学レンズ系１３は、厚肉両凸レンズと厚肉平凸レンズとの組み合わせのように、廉価な凸レンズの組み合わせによって実現できるため、正逆視変換光学系におけるプリズム等の光学部品や、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、撮像装置１は、簡易な構成となり、かつ、廉価な光学素子から製造することができる。

なお、要素光学レンズ系１３は、隣接する要素光学レンズ系１３との間で光が漏れないように、各々の要素光学レンズ系１３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。更に、要素光学レンズ系１３と写真フィルム１５とを、所定の距離だけ離して配置する場合には、各々の要素光学レンズ系１３から出射された光が干渉しないように、各々の要素光学レンズ系１３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］
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１６のＩＰ画像を撮像する動作について説明する。

被写体１６からの光は、要素画像レンズ群１４を構成する各々の要素光学レンズ系１３のアフォーカル光学系１１に入射する。そうすると、入射した光は、各々のアフォーカル光学系１１の内部において光軸を中心に反転されて出射される。

そして、アフォーカル光学系１１から出射した光は、各々のアフォーカル光学系１１の光軸方向に隣接して設置された結像光学系１２に入射する。そうすると、入射した光は、各々の結像光学系１２によって集光され、被写体１６の正立像が結像される。そして、この正立像が結像される光軸方向の位置は、前記の式（７）に基づいて算出することができ、正立像が結像される位置に設置された写真フィルム１５は、当該正立像を撮像する。以上の動作によって、撮像装置１は、被写体１６のＩＰ画像を撮像することができる。

なお、ここでは、被写体１６の位置に応じて、写真フィルム１５を光軸方向の位置を変えて設置することとしたが、被写体１６の位置に応じて結像光学系１２の光軸方向の長さｄ２（図３参照）を調整することで、写真フィルム１５を常に結像光学系１２の平面（出射面）Ｐ４（図３参照）に隣接させて、被写体１６のＩＰ画像を撮像することとしてもよい。

ここで、図６を参照（適宜図２及び図３参照）して、被写体１６の位置に応じて結像光学系１２の光軸方向の長さｄ２を調整することで、結像光学系１２の平面Ｐ４に被写体１６の像が結像する要素光学レンズ系１３について説明する。図６は、被写体の像が結像光学系の出射面に結像する要素光学レンズ系の構成を模式的に示した模式図である。

ここで、被写体１６から凸レンズ面Ｐ１の面頂Ｖ１までの距離Ｌ１と、平面Ｐ４の中点Ｖ４から像までの距離Ｌ２との関係は以下の式（８）に示すようになる。なお、ここでは、凸レンズ面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の曲率半径の大きさがすべて等しい（ｒ１＝−ｒ２＝ｒ３）こととした。
Ｌ２＝ｗ１＋ｗ２
ｗ１＝−ｒ１・｛Ｌ１・（ｎ２−ｎ１）＋４・ｒ１｝／［（ｎ２−ｎ１）・｛Ｌ１・（ｎ２−ｎ１）＋３・ｒ１｝］
ｗ２＝｛２・ｒ１−（ｎ２−ｎ１）・（ｄ２／ｎ２）｝／（ｎ２−ｎ１） …（８）

従って、以下の式（９）を満足するように、被写体１６の位置に応じて結像光学系１２の光軸方向の長さｄ２を設定することで、図６に示すように、結像光学系１２の平面Ｐ４上に被写体１６の像を結像することができる。
ｄ２＝ｗ３／（ｎ２−ｎ１）
ｗ３＝２・ｒ１−ｒ１・｛Ｌ１（ｎ２−ｎ１）＋４・ｒ１｝／｛Ｌ１（ｎ２−ｎ１）＋３・ｒ１｝ …（９）

このようにして、被写体１６の位置に応じて各々の結像光学系１２の光軸方向の長さｄ２を設定することで、撮像装置１は、写真フィルム１５を常に結像光学系１２の平面（出射面）Ｐ４に隣接させて設置して、被写体１６のＩＰ画像を撮像することができる。

また、被写体１６の位置に応じて、アフォーカル光学系１１と結像光学系１２の曲率半径ｒ１、ｒ２、ｒ３を変えることで、結像光学系１２の平面Ｐ４に被写体１６の像が結像するようにしてもよい。ここで、図６を参照（適宜図２及び図３参照）して、被写体１６の位置に応じて結像光学系１２の曲率半径ｒ３を変化させて、結像光学系１２の平面Ｐ４に被写体１６の像を結像させる場合について説明する。

ここで、被写体１６から凸レンズ面Ｐ１の面頂Ｖ１までの距離Ｌ１と、平面Ｐ４の中点Ｖ４から像までの距離Ｌ２との関係は以下の式（１０）に示すようになる。なお、ここでは、凸レンズ面Ｐ１、Ｐ２の曲率半径の大きさが等しい（ｒ１＝−ｒ２）こととした。
Ｌ２＝ｗ４＋ｗ５
ｗ４＝−（ｎ２−ｎ１）（Ｌ１＋２・ｒ３＋２・ｒ１）／｛ｒ３・（Ｌ１＋２・ｒ３＋２・ｒ１）−（ｎ２−ｎ１）^２｝
ｗ５＝｛２・ｒ１−（ｎ２−ｎ１）・（ｄ２／ｎ２）｝／（ｎ２−ｎ１） …（１０）

従って、被写体１６の位置に応じて、式（１０）において平面Ｐ４の中点Ｖ４から像までの距離Ｌ２がゼロになるように、要素光学レンズ系１３の曲率半径ｒ１（ｒ１＝−ｒ２）、ｒ３と、結像光学系１２の光軸方向の長さｄ２とを設定することで、撮像装置１は、写真フィルム１５を常に結像光学系１２の平面（出射面）Ｐ４に隣接させて、被写体１６のＩＰ画像を撮像することができる。

以上で説明した撮像装置１の構成では、図１に示すように、被写体１６からの光が、まずアフォーカル光学系１１に入射し、次いで結像光学系１２に入射する構成としたが、光の可逆性から、図７に示すように、被写体１６からの光が、まず結像光学系１２’に入射し、次いでアフォーカル光学系１１’に入射する構成としてもよい。なお、図７は、本発明の参照形態である撮像装置の他の構成を示した模式図である。

ここで、図７の要素光学レンズ系１３’を構成するアフォーカル光学系１１’及び結像光学系１２’は、図１のアフォーカル光学系１１及び結像光学系１２と同じ特性を有する。そして、図７（ａ）の撮像装置１’では、要素光学レンズ系１３’の像側主点は、当該要素光学レンズ系１３’の出射端面から以下の式（１１）で表される距離Δ１’だけ離れた位置、像側焦点は、当該要素光学レンズ系１３’の出射端面から以下の式（１２）で表される距離Ｓ１’だけ離れた位置となる。ここで、ｒ１は、アフォーカル光学系１１'及び結像光学系１２’を構成する厚肉両凸レンズ及び厚肉平凸レンズの凸レンズ面の曲率半径、ｎ１は外部の屈折率、ｎ２はアフォーカル光学系１１’及び結像光学系１２’内部の屈折率を示す。なお、ここでは例として、アフォーカル光学系１１’及び結像光学系１２’のすべての凸レンズ面の曲率半径が等しく、また、アフォーカル光学系１１’及び結像光学系１２’の内部の屈折率が等しい場合について説明しているが、この限りではない。
Δ１’＝４・ｒ１／（ｎ２−ｎ１） …（１１）
Ｓ１’＝３・ｒ１／（ｎ２−ｎ１） …（１２）

そして、図７（ａ）において、写真フィルム１５は、合焦させたい被写体の位置に応じた位置に配置することができるが、特に無限遠方に合焦させたい場合には、写真フィルム１５を要素光学レンズ系１３'の出射端面から式（１２）で表される距離Ｓ１’だけ離れた位置に配置すればよい。

また、図７（ｂ）の撮像装置１’では、要素光学レンズ系１３’の像側主点は、当該要素光学レンズ系１３’の出射端面から以下の式（１３）で表される距離Δ２’だけ離れた位置、像側焦点は、当該要素光学レンズ系１３’の出射端面から以下の式（１４）で表される距離Ｓ２’だけ離れた位置となる。
Δ２’＝３・ｒ１／（ｎ２−ｎ１） …（１３）
Ｓ２’＝２・ｒ１／（ｎ２−ｎ１） …（１４）

そして、図７（ｂ）において、写真フィルム１５は、合焦させたい被写体の位置に応じた位置に配置することができるが、特に無限遠方に合焦させたい場合には、写真フィルム１５を要素光学レンズ系１３'の出射端面から式（１４）で表される距離Ｓ２’だけ離れた位置に配置すればよい。

更に、図１及び図７の撮像装置１、１’では、アフォーカル光学系１１、１１’は厚肉両凸レンズ、結像光学系１２、１２’は厚肉平凸レンズから構成されることとしたが、例えば、図８に示すように、アフォーカル光学系を構成する厚肉両凸レンズをアレイ状に配置して一体化してもよい。また、図９に示すように、結像光学系を構成する厚肉平凸レンズをアレイ状に配置して一体化してもよい。これによって、複数の厚肉両凸レンズ及び厚肉平凸レンズの各々をアレイ状に配列して構成されるアフォーカル光学系及び結像光学系のレンズ群を容易に製造することができる。ここで、図８は、本発明の参照形態である撮像装置のアフォーカル光学系の他の構成を模式的に示した模式図、図９は、本発明の参照形態である撮像装置の結像光学系の他の構成を模式的に示した模式図である。

また、複数の厚肉平凸レンズが一体化されたもの（図示せず）２枚を、平面同士密着させて配置して、アフォーカル光学系のレンズ群を構成することとしてもよい。更に、図７及び図８では、各々の厚肉両凸レンズ及び厚肉平凸レンズの形状が矩形である場合について図示したが、例えば、円形、六角形、あるいは、八角形のように、他の形状としてもよい。

［撮像装置の構成（第二の実施の形態）］
次に、図１０から図１３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１Ａの構成について説明する。まず、図１０を参照して、撮像装置１Ａの構成について説明する。図１０は、本発明における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１０に示すように、撮像装置１Ａは、被写体１６のＩＰ画像を撮像するものである。撮像装置１Ａは、要素画像レンズ群１４Ａと、写真フィルム１５とを備える。撮像装置１Ａは、撮像装置１（図１参照）の要素画像レンズ群１４に代えて要素画像レンズ群１４Ａを備え、撮像装置１Ａ内の要素画像レンズ群１４Ａ以外は、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。

要素画像レンズ群１４Ａは、複数の要素光学レンズ系１３Ａを、当該要素光学レンズ系１３Ａ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。この要素光学レンズ系１３Ａは、被写体１６の正立像を結像するものである。

ここで、図１１を参照して、要素光学レンズ系１３Ａの構成について説明する。図１１は、撮像装置の要素光学レンズ系の構成を模式的に示した模式図である。図１１に示すように、要素光学レンズ系１３Ａは、アフォーカル光学系１１Ａと、結像光学系１２Ａとを備える。

アフォーカル光学系１１Ａ（…１１Ａｂ、１１Ａｃ、…）は、アフォーカル機能を有するとともに、被写体１６からの光を、光軸を中心に反転させるものである。このアフォーカル光学系１１Ａは、各々の光軸に垂直な同一平面上にアレイ状に配列されている。ここでは、アフォーカル光学系１１Ａは、シリンドリカルレンズ２１、２２、２３、２４からなる。

シリンドリカル（円柱）レンズ２１、２２、２３、２４は、均一な屈折率分布を有するとともに、１つの方向に曲率を有し、入射した光を１つの方向のみに集光又は拡散するものである。シリンドリカルレンズ２１、２２、２３、２４は、１つの面が円柱の一部分の形状をしたレンズであり、光軸方向に順に配列されている。

ここで、図１２を参照して、シリンドリカルレンズ２１、２２の構成について説明する。図１２は、２つのシリンドリカルレンズ２１、２２の構成を模式的に示した模式図、（ａ）は、２つのシリンドリカルレンズ２１、２２の斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示したシリンドリカルレンズ２１、２２のｘｚ平面図、（ｃ）は、（ａ）に示したシリンドリカルレンズ２１、２２のｙｚ平面図である。なお、図１２では、光軸をｚ軸とし、このｚ軸に直交し、２つのシリンドリカルレンズ２１、２２の接点を通る水平方向の軸をｘ軸、鉛直方向の軸をｙ軸として示した。更に、図１２では、シリンドリカルレンズ２１の平面（入射面）Ｐ２１１と、シリンドリカルレンズ２２のシリンドリカル面（出射面）Ｐ２１２及びシリンドリカル面（入射面）Ｐ２２１と平面（出射面）Ｐ２２２を太線で示している。

シリンドリカルレンズ２１は、被写体１６からの光が入射する入射面である平面Ｐ２１１と、当該光が出射する出射面であるシリンドリカル面Ｐ２１２とを有する。平面Ｐ２１１は、ｘ軸方向及びｙ軸方向の曲率半径がともに無限大であり、シリンドリカル面Ｐ２１２は、ｘ軸方向の曲率半径が無限大であるとともに、ｙ軸方向に曲率（曲率半径ｒ２１ｙ）を有する。

一方、シリンドリカルレンズ２２は、シリンドリカルレンズ２１とシリンドリカル面Ｐ２１２の面頂Ｖ２２において接し、当該シリンドリカルレンズ２１から出射した光が入射する入射面であるシリンドリカル面Ｐ２２１と、当該光が出射する出射面である平面Ｐ２２２とを有する。シリンドリカル面Ｐ２２１は、ｘ軸方向に曲率（曲率半径ｒ２２ｘ）を有するとともに、ｙ軸方向の曲率半径が無限大であり、平面Ｐ２２２は、ｘ軸方向及びｙ軸方向の曲率半径がともに無限大である。

ここで、シリンドリカルレンズ２１は、入射した光をｙ軸方向（鉛直方向）にのみ集光して出射する。そして、シリンドリカルレンズ２２は、入射した光をｘ軸方向（水平方向）のみに集光して出射する。このように、シリンドリカルレンズ２１とシリンドリカルレンズ２２は、各々１つの軸方向（ｙ軸方向とｘ軸方向）に集光し、この軸方向（ｙ軸方向とｘ軸方向）は直交する。そのため、１組のシリンドリカルレンズ２１及びシリンドリカルレンズ２２は、平凸レンズの機能を持つ。

そして、平面Ｐ２１１の中点Ｖ２１と、シリンドリカル面Ｐ２１２及びシリンドリカル面Ｐ２２１の接点（面頂Ｖ２２）との間の距離（シリンドリカルレンズ２１の光軸方向の厚さ）をｄ２１、接点（面頂Ｖ２２）と平面Ｐ２２２の中点Ｖ２３の間の距離（シリンドリカルレンズ２２の光軸方向の厚さ）をｄ２２とし、シリンドリカルレンズ２１及びシリンドリカルレンズ２２が同一の曲率半径（ｒ２２ｘ＝ｒ２１ｙ）と、光軸方向に同一の厚さ（ｄ２１＝ｄ２２）とを持つとすると、シリンドリカルレンズ２１とシリンドリカルレンズ２２の焦点距離ｆ７は等しくなり、以下の式（１５）によって表される。なお、ここで、シリンドリカルレンズ２１、２２の内部の屈折率をｎ１２、外部の屈折率をｎ１１とする。
ｆ７＝ｒ２２ｘ／（ｎ１２−ｎ１１） …（１５）

そして、以下の式（１６）を満足するようにｄ２１とｄ２２を設定することで、シリンドリカルレンズ２１に平行光が入射した場合には、この光は、シリンドリカルレンズ２２の平面Ｐ２２２の中点Ｖ２３で焦点を結ぶ。
ｄ２１＝ｄ２２＝ｎ１２・ｒ２２ｘ／（ｎ１２−ｎ１１） …（１６）

そして、図１１に示すように、曲率を有する方向が直交するシリンドリカルレンズの組（２１と２２、２３と２４）を２組有するアフォーカル光学系１１Ａとすることで、図２に示した厚肉両凸レンズからなるアフォーカル光学系１１と同様の機能をアフォーカル光学系１１Ａに持たせることができる。なお、このシリンドリカルレンズ２１、２２、２３、２４の光軸方向の配列は、この順序に限定されることなく、例えば、被写体１６からの光を鉛直方向に集光あるいは拡散するシリンドリカルレンズ２１、２４が隣接し、更に、このシリンドリカルレンズ（２１又は２４）から出射した光を水平方向に集光するシリンドリカルレンズ２２、２３が隣接して設置されることとしてもよい。

結像光学系１２Ａ（…１２Ａｂ、１２Ａｃ、…）は、アフォーカル光学系１１Ａから出射した光を集光するものである。結像光学系１２Ａは、光軸方向に隣接するアフォーカル光学系１１Ａと同一の光軸を有し、各々の光軸に垂直な同一平面上にアレイ状に配列されている。ここでは、結像光学系１２Ａは、シリンドリカルレンズ２５、２６からなる。

シリンドリカルレンズ２５、２６は曲率を有する方向が直交し、かつ、同一の曲率半径及び光軸方向に同一の厚さを有する。これによって、１組のシリンドリカルレンズ２５及びシリンドリカルレンズ２６は、平凸レンズの機能を持つ。

このように、要素光学レンズ系１３Ａのアフォーカル光学系１１Ａ及び結像光学系１２Ａをシリンドリカルレンズ２１〜２６によって構成することで、撮像装置１Ａは、廉価な光学素子の組み合わせによって製造することができる。

なお、要素光学レンズ系１３Ａを構成するシリンドリカルレンズ２１〜２６の各々は、光軸に直交する面上において、個々のシリンドリカルレンズ（例えば、シリンドリカルレンズ２１の場合には個々のシリンドリカルレンズ（…２１ｂ、２１ｃ、…））を配列することとしてもよいし、また、図１３に示すように、個々のシリンドリカルレンズ（図１３では、シリンドリカルレンズ（…２１ｂ、２１ｃ、…））を一体化したシリンドリカルレンズ群（図１３では、シリンドリカルレンズ群３１）として配置してもよい。これによって、撮像装置１Ａは、所定の寸法の複数のシリンドリカルレンズ２１〜２６を一体化したシリンドリカルレンズ群を、光軸方向に複数配列することで、複数の要素光学レンズ系１３Ａを備える要素画像レンズ群１４Ａを構成することができる。そのため、撮像装置１Ａを容易に製造することができる。なお、図１３は、シリンドリカルレンズを一体化したシリンドリカルレンズ群の構成を模式的に示した模式図である。

更に、本実施の形態では、アフォーカル光学系１１Ａ及び結像光学系１２Ａのいずれもシリンドリカルレンズ（２１、２２、２３及び２４、あるいは、２５及び２６）からなることとしたが、アフォーカル光学系１１Ａ及び結像光学系１２Ａのいずれか一方のみがシリンドリカルレンズからなり、もう一方は厚肉凸レンズのような光学素子からなることとしてもよい。

以上で説明した撮像装置１、１’、１Ａの構成では、アフォーカル光学系１１、１１’、１１Ａあるいは結像光学系１２、１２’、１２Ａが均一の屈折率を有する光学素子から構成されることとしたが、これらの半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子から構成することとしてもよい。

ここで、図１４から図１６を参照して、半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子によって構成されたアフォーカル光学系１１Ｂと、結像光学系１２Ｂとについて説明する。図１４は、半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子によって構成されたアフォーカル光学系と、結像光学系とを有する撮像装置の構成を模式的に示す模式図である。図１５は、半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子の構成を模式的に示す模式図、（ａ）は、半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子の斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示すＸ−Ｘ線の断面図、（ｃ）は、半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する屈折率分布領域を複数備える光学素子の斜視図である。図１６は、半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子によって構成されたアフォーカル光学系と、結像光学系とを有する撮像装置の他の構成を模式的に示す模式図である。なお、図１５では、光学素子４１、４２、４３に入射する平行光の光路を模式的に点線で示している。

図１４に示すように、アフォーカル光学系１１Ｂ（…１１Ｂｂ、１１Ｂｃ、…）は、半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子４１（…４１ｂ、４１ｃ、…）、４２（…４２ｂ、４２ｃ、…）とからなる。また、結像光学系１２Ｂは、光学素子４３（…４３ｂ、４３ｃ、…）からなる。

そして、図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光学素子４１、４２、４３は、半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有し、例えば、Ｋ．Ｏｉｋａｗａ ａｎｄ Ｋ．Ｉｇａ，”Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｉｎｄｅｘ ｐｌａｎａｒ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ” Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ．，ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．６，ｐ．１０５２−１０５６，１９８２に記載されるように、プラスティック基板に対して単量体交換を行ったり、ガラス基板に対してイオン交換やエレクトロマイグレーションを行ったりすることによって、基板Ｓに、当該基板Ｓより屈折率の高い領域である屈折率分布領域Ｒを形成することができる。そして、この屈折率分布領域Ｒは、光軸方向及び半径方向（光軸に直交する方向）に屈折率分布を有する。

ここで、従来の光ファイバ等から形成されるレンズアレイ（図示せず）の場合には、ファイバ状の基材に対して外部からイオン交換等を行うことで、半径方向に屈折率分布を持たせる。そして、光ファイバを束ねてレンズアレイを形成するが、光ファイバを２次元状に多数配列することが困難であった。それに比べて、半径方向と光軸方向に屈折率分布を有する光学素子４１、４２、４３の場合には、平板状の基板Ｓの、光軸に直交する面Ｐ４１に対してイオン交換等を行い屈折率分布領域Ｒを形成するため、光学素子４１、４２、４３の形状が平板状になるとともに、光軸方向から見た形状は、例えば、正方形のような任意の形に設計することが可能になる。そのため、２次元方向の配列が容易になる。更に、図１５（ｃ）に示すように、平板上の基板Ｓの、光軸に直交する面Ｐ４３に対して複数の箇所にイオン交換等を行い、複数の屈折率分布領域Ｒ、Ｒ、…を面方向に配列して形成することもでき、光学素子４１、４２、４３を、光軸に直交する面方向に複数の屈折率分布領域Ｒ、Ｒ、…が一体化されて形成されたレンズ群として形成することも可能である。

これによって、光学素子４１、４２、４３は、例えば、図１５（ｂ）に示すように、平行光が入射した場合には、この平行光を集光する。そして、ここでは、基板Ｓの厚さを屈折率分布領域Ｒの焦点距離に一致させて（平行光が出射端面Ｐ４２上に集光するように）形成することとした。そのため、図１４に示すようにこれらの光学素子４１、４２、４３を隣接させて形成されたアフォーカル光学系１１Ｂは、入射した光を、光軸を中心に反転させ、結像光学系１２Ｂは、このアフォーカル光学系１１Ｂからの光を集光して、写真フィルム１５上に被写体１６の正立像を結像する。なお、図１６に示すように、被写体１６から見て光軸方向に、結像光学系１２Ｂ’、アフォーカル光学系１１Ｂ’の順に配列することとしてもよい。このとき、まず、結像光学系１２Ｂ’が被写体１６の倒立像を結像し、次いで、アフォーカル光学系１１Ｂ’が光軸を中心に反転させて写真フィルム１５上に被写体１６の正立像を結像する。

また、本発明の撮像装置（１又は１Ａ）の結像光学系（１２又は１２Ａ）は、すべて同じ焦点距離を有することとしたが、結像光学系（１２又は１２Ａ）が複数の異なる焦点距離を有することとし、当該結像光学系（１２又は１２Ａ）からの距離が異なる複数の被写体（図示せず）の各々に合焦するようにしてもよい（特願２００３−３７６９５６号参照）。

更に、本発明の撮像装置（１、１’又は１Ａ）によって撮影される被写体１６は、凸レンズ（図示せず）などによって、要素画像レンズ群（１４、１４’又は１４Ａ）の位置、あるいは、要素画像レンズ群（１４、１４’又は１４Ａ）より写真フィルム１５側に形成される実像であってもよい。また、ここでは、要素画像レンズ群（１４、１４’又は１４Ａ）によって形成された要素画像群を写真フィルム１５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、各々の結像光学系１２によって結像された像を撮像できればよく、例えば、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ；ＣＣＤ）や、相補型金属酸化膜半導体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；ＣＭＯＳ）や、あるいは、これらをイメージインテンシファイヤと組み合わせて構成された撮像素子であってもよい。その際、写真フィルム１５の位置にこれらの撮像素子が直接配置されることとしてもよいし、写真フィルム１５の位置に形成される要素画像群を対物レンズと撮像素子とで取得することとしてもよい。この場合、写真フィルム１５の位置にフィールドレンズを配置してもよい。

［表示装置の構成］
次に、図１７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１７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する倒立画像の例を示す説明図、（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１７に示すように、表示装置５は、例えば、図２０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、被写体（図示せず）の倒立像５７（…５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ、…）が複数撮像された画像である倒立画像５８を表示して、被写体の立体像５６を表示するものである。表示装置５は、ディスプレイ５０と、要素画像レンズ群５４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倒立画像５８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。

要素画像レンズ群５４は、複数の要素光学レンズ系５３を、当該要素光学レンズ系５３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。この要素光学レンズ系５３は、ディスプレイ５０に表示される倒立画像５８の光が入射され、被写体の立体像５６を表示するものである。この倒立画像５８は、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１７（ａ）に示すように、複数の集光手段によって結像された像の画像（要素画像５９（…５９ｂ、５９ｃ、５９ｄ、…））が複数配列している。要素光学レンズ系５３は、この要素画像の各々に対応して配置され、各々の要素画像５９の光が要素光学レンズ系５３に入射する。ここで、各々の要素光学レンズ系５３は、アフォーカル光学系５１と、結像光学系５２とを備える。

アフォーカル光学系５１（…５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、…）は、平行光が入射すると平行光を出射するアフォーカル機能を有するとともに、ディスプレイ５０からの光を光軸を中心に反転させるものである。このアフォーカル光学系５１は、各々の光軸に垂直な同一平面上にアレイ状に配列されている。このアフォーカル光学系５１は、均一な屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成され、例えば、厚肉両凸レンズからなる撮像装置１のアフォーカル光学系１１（図１）や、シリンドリカルレンズ２１、２２、２３、２４からなる撮像装置１Ａのアフォーカル光学系１１Ａ（図１０参照）と同じものを用いることができる。更に、このアフォーカル光学系５１をアレイ状に配置して一体化した構成としてもよい。なお、図１７では、アフォーカル光学系５１を、厚肉両凸レンズとして示した。

結像光学系５２（…５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、…）は、アフォーカル光学系５１から入射された光を集光するものである。この結像光学系５２は、各々の光軸に垂直な同一平面上にアレイ状に配列されている。更に、結像光学系５２は、光軸方向に隣接するアフォーカル光学系５１と同一の光軸を有している。この結像光学系５２は、均一な屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成され、例えば、厚肉平凸レンズからなる撮像装置１の結像光学系１２（図１）や、シリンドリカルレンズ２５、２６からなる撮像装置１Ａの結像光学系１２Ａ（図１０参照）と同じものを用いることができる。更に、このアフォーカル光学系５１をアレイ状に配置して一体化した構成としてもよい。なお、図１７では、結像光学系５２を、厚肉平凸レンズとして示した。

ここで、アフォーカル光学系５１は、入射された光を光軸を中心に反転させて出射するため、各々のアフォーカル光学系５１によって、倒立画像５８の被写体の各々の倒立像５７からの光は反転されて出射される。そのため、結像光学系５２には反転された光が入射し、実物の被写体と上下左右の位置関係が一致する被写体の立体像５６を表示することができる。なお、表示装置５において、ディスプレイ５０は、合焦させる立体像の位置に応じた位置に配置することができるが、特に無限遠方に合焦させる場合には、ディスプレイ５０を要素光学レンズ系５３の入射端面から、以下の式（１７）で表される距離Ｓ３だけ離れた位置に配置すればよい。ここで、ｒ１は、アフォーカル光学系５１及び結像光学系５２を構成する厚肉両凸レンズ及び厚肉平凸レンズの凸レンズ面の曲率半径、ｎ１は外部の屈折率、ｎ２はアフォーカル光学系５１及び結像光学系５２内部の屈折率を示す。なお、ここでは例として、アフォーカル光学系５１及び結像光学系５２のすべての凸レンズ面の曲率半径が等しく、また、アフォーカル光学系５１及び結像光学系５２内部の屈折率が等しい場合について説明しているが、この限りではない。
Ｓ３＝−３・ｒ１／（ｎ２−ｎ１） …（１７）

これによって、表示装置５は、被写体の倒立像５７が撮像された倒立画像５８をディスプレイ５０に表示することで、上下左右の位置関係が正しく表現された被写体の立体像５６を表示することができる。そのため、倒立画像５８の各々の倒立像５７を正立像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、要素光学レンズ系５３は、厚肉両凸レンズと厚肉平凸レンズやシリンドリカルレンズのような、廉価な凸レンズの組み合わせによって実現できるため、正逆視変換光学系におけるプリズム等の光学部品や、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は、簡易な構成となり、かつ、廉価に製造することができる。

［表示装置の動作］
次に、図１７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５６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に倒立画像５８を表示する。そうすると、倒立画像５８からの光は、要素画像レンズ群５４を構成する各々の要素光学レンズ系５３のアフォーカル光学系５１に入射する。この入射した光は、各々のアフォーカル光学系５１によって、光軸を中心に反転されて出射される。

そして、アフォーカル光学系５１から出射した光は、各々のアフォーカル光学系５１に光軸方向に隣接して設置された結像光学系５２に入射する。そうすると、観察者（視聴者）が結像光学系５２を介してディスプレイ５０を見ると、被写体の立体像５６が表示される。以上の動作によって、表示装置５は、上下左右の位置関係が正しく表現された被写体の立体像５６を表示することができ、観察者（視聴者）が、表示装置５の要素画像レンズ群５４を介して倒立画像５８が表示されたディスプレイ５０を見ると、被写体の立体像５６を見ることができる。

以上で説明した表示装置５の構成では、図１７に示すように、要素画像５９からの光が、まずアフォーカル光学系５１に入射し、次いで結像光学系５２に入射する構成としたが、光の可逆性から、図１８に示すように、要素画像５９からの光が、まず結像光学系５２’に入射し、次いでアフォーカル光学系５１’に入射する構成としてもよい。なお、図１８は、本発明の表示装置の他の構成を示した模式図である。

ここで、図１８の表示装置５’において、ディスプレイ５０は、合焦させる立体像の位置に応じた位置に配置することができるが、特に無限遠方に合焦させる場合には、要素光学レンズ系５３’の入射端面とディスプレイ５０とを密着させて配置すればよい。

更に、図１９に示すように、表示装置５’の結像光学系５２’を構成する厚肉平凸レンズの平面が、アフォーカル光学系５１’の出射端面に接するように配置して構成することとしてもよい。なお、図１９は、本発明の表示装置の他の構成を示した模式図である。ここで、図１９の表示装置５’において、ディスプレイ５０は、合焦させる立体像の位置に応じた位置に配置することができるが、特に無限遠方に合焦させる場合には、ディスプレイ５０を要素光学レンズ系５３’の入射端面から、以下の式（１８）で表される距離Ｓ４’だけ離れた位置に配置すればよい。ここで、ｒ１は、アフォーカル光学系５１’及び結像光学系５２’を構成する厚肉両凸レンズ及び厚肉平凸レンズの凸レンズ面の曲率半径、ｎ１は外部の屈折率、ｎ２はアフォーカル光学系５１’及び結像光学系５２’内部の屈折率を示す。
Ｓ４’＝−２・ｒ１／（ｎ２−ｎ１） …（１８）

また、ここでは、表示装置５、５’の要素光学レンズ系５３、５３’が、均一な屈折率を有する光学素子から構成されることとしたが、これらを半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する光学素子（図示せず）から構成されることとしてもよい。なお、この半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する光学素子の働きは、図１４及び図１６に示した光学素子４１、４２、４３と同様である。

また、本発明の実施形態では、表示装置５、５’のディスプレイ５０に表示する画像が、図２０に示すような従来の撮像装置で撮像された、個々の要素画像が倒立像からなる要素画像群である場合について説明した。しかし、例えば、図２０の撮像装置１１０において、凸レンズ（図示せず）などによって被写体の実像（図示せず）を、凸レンズ１１１の焦点距離より当該凸レンズ１１１に近い位置に形成し、この実像を被写体として撮像装置１１０によって撮像した要素画像群（図示せず）をディスプレイ５０に表示することとしてもよい。このとき、カメラ１１３によって撮像される要素画像は正立像となるが、このようにして取得された要素画像群を本発明の表示装置５，５’に入力しても、被写体と比較して上下左右の位置関係や奥行きが正しい立体像を生成することができる。

本発明の参照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。 本発明の参照形態である撮像装置のアフォーカル光学系の構成を模式的に示した模式図である。 本発明の参照形態である撮像装置の結像光学系の構成を模式的に示した模式図である。 本発明の参照形態である撮像装置の要素光学レンズ系に入射した平行光の光路を模式的に示す模式図である。 本発明の参照形態である撮像装置の要素光学レンズ系によって結像される像の横倍率と、アフォーカル光学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。 本発明の参照形態である撮像装置の結像光学系の出射面に被写体の像が結像する要素光学レンズ系の構成を模式的に示した模式図である。 本発明の参照形態である撮像装置の他の構成を示した模式図である。 本発明の参照形態である撮像装置のアフォーカル光学系の他の構成を模式的に示した模式図である。 本発明の参照形態である撮像装置の結像光学系の他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要素光学レンズ系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要素光学レンズ系を構成する２つのシリンドリカルレンズの構成を模式的に示した模式図、（ａ）は、２つのシリンドリカルレンズの斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示したシリンドリカルレンズのｘｚ平面図、（ｃ）は、（ａ）に示したシリンドリカルレンズのｙｚ平面図である。 本発明の第二の実施の形態である撮像装置のシリンドリカルレンズを一体化したシリンドリカルレンズ群の構成を模式的に示した模式図である。 半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子によって構成されたアフォーカル光学系と、結像光学系とを有する、本発明の撮像装置の構成を模式的に示す模式図である。 本発明の撮像装置の半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子の構成を模式的に示す模式図、（ａ）は、半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子の斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示すＸ−Ｘ線の断面図、（ｃ）は、半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する屈折率分布領域を複数備える光学素子の斜視図である。 半径方向及び光軸方向の双方に屈折率分布を有する光学素子によって構成されたアフォーカル光学系と、結像光学系とを有する、本発明の撮像装置の他の構成を模式的に示す模式図である。 本発明におけ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する倒立画像の例を示す説明図、（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。 本発明の表示装置の他の構成を示した模式図である。 本発明の表示装置の他の構成を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説明図である。 従来のＩＰ方式における撮像装置の各凸レンズによって結像される像の横倍率を模式的に示すグラフである。 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である。

符号の説明

１、１’、１Ａ、１Ｂ、１Ｂ’ 撮像装置
１１、１１’、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｂ’ アフォーカル光学系
１２、１２’、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｂ’ 結像光学系
１３、１３’、１３Ａ 要素光学レンズ系
１４、１４’、１４Ａ 要素画像レンズ群
１５ 写真フィルム（画像撮像手段）
２１、２２、２３、２４、２５、２６ シリンドリカルレンズ
４１、４２、４３ 光学素子
５、５’ 表示装置
５０ ディスプレイ（画像表示手段）
５１、５１’ アフォーカル光学系
５２、５２’ 結像光学系
５３、５３’ 要素光学レンズ系
５４、５４’ 要素画像レンズ群

Claims (8)

1. 被写体の画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し、当該被写体の正立像を結像する複数の要素光学レンズ系を、当該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要素光学レンズ系によって結像された像を撮像する画像撮像手段とを備え、
   前記要素光学レンズ系が、アフォーカル機能を持つアフォーカル光学系と、このアフォーカル光学系から入射された光を集光する結像光学系とを有し、
   前記アフォーカル光学系が、外部から入射された光を前記光軸を中心に反転させて出射し、
   前記アフォーカル光学系と前記結像光学系とが、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されることを特徴とする撮像装置。
2. 被写体の画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し、当該被写体の正立像を結像する複数の要素光学レンズ系を、当該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要素光学レンズ系によって結像された像を撮像する画像撮像手段とを備え、
   前記要素光学レンズ系が、外部から入射された光線を結像する結像光学系と、この結像光学系から入射された光を、光軸を中心にして反転させて出射させるアフォーカル光学系とを有し、
   前記アフォーカル光学系が、外部から入射された光を前記光軸を中心に反転させて出射し、
   前記アフォーカル光学系と前記結像光学系とが、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されることを特徴とする撮像装置。
3. 前記結像光学系が、アレイ状に一体化されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記アフォーカル光学系が、アレイ状に一体化されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像装置。
5. 同一平面上にアレイ状に配列された複数の集光手段によって結像された被写体の倒立像を撮像した画像である倒立画像を入力して、前記被写体の立体像を表示する表示装置であって、
   前記倒立画像を表示する画像表示手段と、
   前記複数の集光手段によって結像された各々の像の画像からの光が入射される複数の要素光学レンズ系を、当該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を備え、
   前記要素光学レンズ系が、アフォーカル機能を持つアフォーカル光学系と、このアフォーカル光学系から入射された光を集光する結像光学系とを有し、
   前記アフォーカル光学系が、外部から入射された光を前記光軸を中心に反転させて出射し、
   前記アフォーカル光学系と前記結像光学系とが、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されることを特徴とする表示装置。
6. 同一平面上にアレイ状に配列された複数の集光手段によって結像された被写体の倒立像を撮像した画像である倒立画像を入力して、前記被写体の立体像を表示する表示装置であって、
   前記倒立画像を表示する画像表示手段と、
   前記複数の集光手段によって結像された各々の像の画像からの光が入射される複数の要素光学レンズ系を、当該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を備え、
   前記要素光学レンズ系が、外部から入射された光線を結像する結像光学系と、この結像光学系から入射された光を、光軸を中心にして反転させて出射させるアフォーカル光学系とを有し、
   前記アフォーカル光学系が、外部から入射された光を前記光軸を中心に反転させて出射し、
   前記アフォーカル光学系と前記結像光学系とが、半径方向及び光軸方向に屈折率分布を有する少なくとも１つの光学素子から構成されることを特徴とする表示装置。
7. 前記結像光学系が、アレイ状に一体化されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の表示装置。
8. 前記アフォーカル光学系が、アレイ状に一体化されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の表示装置。

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