JP5452800B2 - 立体像撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、被写体の立体像を撮影する立体像撮影装置に関する。

従来から、被写体の立体像を撮影する発明が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。この特許文献１に記載の発明は、平面状に配列された凸レンズ群あるいはピンホール群を用いたインテグラルフォトグラフィ方式により、撮影を行うものである。また、特許文献２に記載の発明は、被写体からの光を光分離手段により２つに分離して、２つの撮影カメラで撮影を行うものである。

特許３８３６５５０号公報（特開平１０−１５０６７５号公報） 特許３６７６９１６号公報（特開平１１−９８５３２号公報）

しかし、特許文献１に記載の発明は、多視点画像を撮影する場合、視点数と同じ数の撮影カメラが必要になり、その構成が複雑になるという問題がある。特に、特許文献１に記載の発明では、輻輳させて多視点画像を撮影（同一被写体を複数台の撮影カメラで撮影）する場合、それぞれの撮影カメラが被写体の方向を向くように、精度良く調整するのが困難であるという問題もある。
また、特許文献２に記載の発明は、光を分離する光分離手段と、２つの撮影カメラとが必要になり、その構成が複雑になるという問題がある。

そこで、本発明は、簡易な構成で調整が容易な立体像撮影装置を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、本願第１発明に係る立体像撮影装置は、被写体の側に配置された１つの平凸レンズと、前記平凸レンズに対面して屈折率分布レンズを２次元状に配置したレンズアレイと、前記レンズアレイに対面して前記被写体の要素画像を撮影する撮像素子とを備える立体像撮影装置であって、前記平凸レンズは、前記被写体の側に形成された凸面と、前記凸面に対向する平坦面とを備え、前記レンズアレイは、水平方向および垂直方向の長さが、前記平凸レンズと同じであり、前記屈折率分布レンズは、一方の端面が前記平凸レンズの平坦面に当接すると共に、前記平凸レンズを介して入射した前記被写体からの入射光を、前記一方の端面に対向する他方の端面に前記被写体の要素画像として結像させ、前記撮像素子は、前記被写体の要素画像を撮影する撮影面が前記屈折率分布レンズの他方の端面に当接すると共に、前記屈折率分布レンズの他方の端面に結像した前記被写体の要素画像を撮影することを特徴とする。

かかる構成によれば、立体像撮影装置は、平凸レンズによって、被写体からの入射光を並行光として屈折率分布レンズのそれぞれに出射する。そして、立体像撮影装置は、屈折率分布レンズによって、一方の端面に入射した並行光（入射光）を周期的に蛇行させながら、他方の端面に結像させる。さらに、立体像撮影装置は、撮像素子によって、屈折率分布レンズに結像した被写体の要素画像を撮影する。
これによって、立体像撮影装置は、複数台の撮影カメラ、および、光分離手段（例えば、プリズム、ハーフミラー）を用いることなく、被写体の要素画像を撮影することができる。また、立体像撮影装置は、それ一台で撮影を行えるため、複数台の撮影カメラを被写体に向けるような複雑な調整を必要としない。

また、本願第２発明に係る立体像撮影装置は、前記屈折率分布レンズが、光軸方向の長さが、当該屈折率分布レンズに入射した入射光の蛇行周期の（２ｎ−１）／４であることを特徴とする（但し、ｎは１以上の整数）。
かかる構成によれば、立体像撮影装置は、屈折率分布レンズの他方の端面に、被写体の要素画像を正立像又は倒立像として結像させることができる。

なお、本願第３，４発明に係る立体像撮影装置は、前記屈折率分布レンズにおいて、光軸方向の長さが、当該屈折率分布レンズに入射した入射光の蛇行周期の１／４又は３／４である。
かかる構成によれば、立体像撮影装置は、屈折率分布レンズを最短として、被写体の要素画像を正立像又は倒立像として撮影することができる。

また、本願第５発明に係る立体像撮影装置は、前記撮像素子が撮影した被写体の要素画像から、予め設定された２つの被写体の要素画像を選択する要素画像選択手段をさらに備えることを特徴とする。
かかる構成によれば、立体像撮影装置は、撮像素子で撮影された全ての要素画像から、２つの要素画像をステレオ画像（右眼用画像および左眼用画像）として選択することができる。

本発明に係る立体像撮影装置は、以下のような優れた効果を奏する。
本願第１発明は、複数台の撮影カメラおよび光分離手段を用いることなく被写体の要素画像を撮影でき、簡易な構成にすることができる。また、本願第１発明は、複数台の撮影カメラを被写体に向けるような複雑な調整を必要とせず、その調整が容易である。

本願第２発明は、被写体の倒立像又は正立像を撮影することができる。
本願第３，４発明は、屈折率分布レンズを最短とした簡易な構成で、被写体の倒立像又は正立像を撮影することができる。
本願第５発明は、撮像素子で撮影された全ての要素画像からステレオ画像を選択できるので、２眼式の立体視に適用することができる。

本発明の第１実施形態に係る立体像撮影装置の構成を示す図である。 （ａ）は図１の立体像撮影装置を被写体方向から見たときの正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ’断面図である。 本発明の第２実施形態に係る立体像撮影装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する手段及び同一の部材には同一の符号を付し、説明を省略した。

（第１実施形態）
図１および図２を参照し、本発明の第１実施形態に係る立体像撮影装置の構成を説明する。この第１実施形態では、本発明に係る立体像撮影装置の一例として、立体顕微鏡装置１を説明する。

なお、図１では、被写体Ａからの入射光は破線矢印で図示した。また、図１の符号αは屈折率分布レンズ１４の他方の端面１４ｂに結像した被写体Ａの要素画像である。
また、図２では、説明を簡易にするために、撮像素子駆動回路１１および多視点・立体像信号処理手段１７等の一部構成の図示を省略した。

［立体顕微鏡装置の構成］
立体顕微鏡装置１は、被写体Ａの立体像を撮影するものであり、撮像素子駆動回路１１と、凸レンズ１２と、レンズアレイ１３と、撮像素子１５と、多視点・立体像信号処理手段１７と、要素画像選択手段１８と、多視点・立体像モニタ１９と、２眼式立体像モニタ２０とを備える。

撮像素子駆動回路１１は、後記する撮像素子１５を駆動するＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の電子回路である。この撮像素子駆動回路１１は、従来と同様のものであるため、詳細な説明を省略する。

凸レンズ１２は、被写体Ａの側に配置されており、被写体Ａの側に形成された凸面１２ａと、この凸面１２ａに対向する平坦面１２ｂとを備える。ここで、凸レンズ１２は、例えば、図２（ａ）に示すように、被写体Ａの側から見ると四角形状となり、図２（ｂ）に示すように、Ｘ−Ｘ’断面（水平方向）で凸状となり、図２（ｃ）に示すように、Ｙ−Ｙ’断面（垂直方向）で凸状となる平凸レンズである。

レンズアレイ１３は、凸レンズ１２に対面するように、ラジアル型の屈折率分布レンズ（ＧＲＩＮレンズ）１４を２次元状に配置したものである。また、レンズアレイ１３は、例えば、その水平方向および垂直方向の長さが、凸レンズ１２と同じになるように形成される。ここでは、説明を簡易にするために、レンズアレイ１３は、水平方向および垂直方向にそれぞれ６個の屈折率分布レンズ１４を備えることとする。

屈折率分布レンズ１４は、それぞれ、一方の端面１４ａが凸レンズ１２の平坦面１２ｂに当接し、他方の端面１４ｂが後記する撮像素子１５の撮影面１５ａに当接するように配置される。ここで、屈折率分布レンズ１４は、例えば、ＵＶ接着剤を用いて、一方の端面１４ａが凸レンズ１２の平坦面１２ｂに接着され、他方の端面１４ｂが撮像素子１５の撮影面１５ａに接着される。さらに、屈折率分布レンズ１４は、光軸方向の長さＬが、屈折率分布レンズ１４に入射した入射光の蛇行周期の１／４となるように形成される。
なお、光軸方向の長さＬは、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、屈折率分布レンズ１４において、一方の端面１４ａから他方の端面１４ｂまでの長さとなる。

また、屈折率分布レンズ１４は、光軸中心に近づく程、屈折率が高くなるため、入射光が蛇行し、他方の端面で結像するようなレンズ効果を持つ。この原理は、１９６４年、Ｄ．ＭＡＲＣＵＳＥらによって見出され、その詳細は、「The Bell System Technical Journal.(July,1964)」等に記載されている。

ここで、凸レンズ１２と屈折率分布レンズ１４とによる結合倍率Ｍ_ｔは、下記の式（１）で表されるように、屈折率分布レンズ１４の焦点距離ｆ_ｒと、被写体距離ａ_１との比となる。

Ｍ_ｔ＝−ｆ_ｒ／ａ_１・・・式（１）
つまり、式（１）において、焦点距離ｆ_ｒは、屈折率分布レンズ１４の光軸方向の長さＬとなる。また、被写体距離ａ_１は、凸レンズ１２の主点から被写体Ａまでの距離である。

従って、立体顕微鏡装置１は、結合倍率Ｍ_ｔが凸レンズ１２の焦点距離ｆ_０に影響されないため、その設計を柔軟にすることができる。また、立体顕微鏡装置１は、凸レンズ１２の傷やごみの影響を受けずに撮影を行うことができる。

撮像素子１５は、屈折率分布レンズ１４の他方の端面１４ｂに結像した被写体Ａの要素画像を撮影するＣＣＤ（Charge Coupled Device）又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の受光素子である。また、撮像素子１５は、レンズアレイ１３に対面するように、被写体Ａの要素画像を撮影する撮影面（受光面）１５ａが屈折率分布レンズ１４の他方の端面１４ｂに当接するように配置される。そして、撮像素子１５は、撮影した被写体Ａの要素画像のそれぞれを後記する多視点・立体像信号処理手段１７に出力する。

また、撮像素子１５は、例えば、その水平方向および垂直方向の長さを、凸レンズ１２およびレンズアレイ１３と同一にする。
また、撮像素子１５は、例えば、屈折率分布レンズ１４と１対１で対応するように要素画像ブロック１６を備える。この要素画像ブロック１６は、多数の画素（例えば、数百個以上）で構成されている。ここでは、説明を簡易にするために、撮像素子１５は、水平方向および垂直方向にそれぞれ６個の要素画像ブロック１６を備えることとする。

多視点・立体像信号処理手段１７は、撮像素子１５から入力された要素画像に対して、多視点立体表示を行うための信号処理を施すものである。例えば、多視点・立体像信号処理手段１７は、入力された要素画像を縦横に配列した多視点画像（被写体Ａの立体画像）を生成して、この多視点画像を多視点・立体像モニタ１９に出力する。
また、多視点・立体像信号処理手段１７は、入力された全ての要素画像を要素画像選択手段１８に出力する。

要素画像選択手段１８は、多視点・立体像信号処理手段１７から被写体Ａの要素画像がそれぞれ入力されると共に、この被写体Ａの要素画像から予め設定された２つの要素画像を選択するものである。そして、要素画像選択手段１８は、選択した２つの要素画像をステレオ画像として２眼式立体像モニタ２０に出力する。

ここで、立体顕微鏡装置１の利用者が、例えば、被写体Ａの大きさ、被写体Ａから立体顕微鏡装置１までの距離、および、２眼式立体像モニタ２０の大きさに応じて、目視により被写体Ａを観察しやすい要素画像を２つ選択するように、予め設定することができる。２つの要素画像をどのように選択するか特に制限されず、例えば、垂直方向で中央に位置し、かつ、水平方向に最も離れた２つの要素画像を選択するように、予め設定してもよい。また、例えば、互いに斜めに位置する要素画像を２つ選択するように、予め設定してもよい。

多視点・立体像モニタ１９は、多視点・立体像信号処理手段１７から入力された多視点画像を立体表示するモニタである。
２眼式立体像モニタ２０は、要素画像選択手段１８から入力された２つの要素画像を立体表示するモニタである。これら多視点・立体像モニタ１９および２眼式立体像モニタ２０は、従来と同様のものであるため、詳細な説明を省略する。

＜立体顕微鏡装置における撮影＞
以下、立体顕微鏡装置１における撮影を詳細に説明する。このとき、被写体Ａは、凸レンズ１２の焦点距離ｆ_０に位置することとして説明する。

凸レンズ１２は、被写体Ａからの入射光をそれぞれ並行光として屈折率分布レンズ１４に出射する。そして、屈折率分布レンズ１４は、それぞれ、凸レンズ１２から入射した被写体Ａの入射光を周期的に蛇行させながら伝搬させる。ここで、屈折率分布レンズ１４は、光軸方向の長さＬが被写体Ａからの入射光の蛇行周期の１／４なので、凸レンズとして機能する。つまり、屈折率分布レンズ１４は、被写体Ａの要素画像を倒立像として他方の端面１４ｂに結像させる（図１の符号α参照）。

その後、撮像素子１５は、屈折率分布レンズ１４の他方の端面１４ｂに結像した被写体Ａの要素画像を撮影する。つまり、立体顕微鏡装置１では、被写体Ａの要素画像を、それぞれ、被写体Ａを異なる方向から輻輳して撮影したことと同等になる。言い換えるなら、立体顕微鏡装置１は、被写体Ａの要素画像が、その撮影方向に応じたものであって、それぞれ視差を有することから、被写体Ａの要素画像から多視点の立体情報を得ることができ、多視点画像（被写体Ａの立体画像）を生成することができる。

＜被写体が凸レンズの光軸上から外れて位置する場合＞
ここで、２つ以上の被写体が凸レンズ１２の光軸上から外れて位置する場合について考える（不図示）。この場合、これら被写体からの入射光は、凸レンズ１２の光軸に対して被写体斜め方向で凸レンズ１２に入射する。この場合、屈折率分布レンズ１４と光軸上に位置する要素画像ブロック１６ではなく、それに隣接する他の要素画像ブロック１６に入射するとも思われる。しかし、立体顕微鏡装置１は、レンズアレイ１３の要素レンズとして屈折率分布レンズ１４を備えるため、被写体からの入射光が、隣接する他の要素画像ブロック１６に入射することを防止する。つまり、屈折率分布レンズ１４は、一種の光遮蔽手段として機能する。これによって、立体顕微鏡装置１は、撮像素子１５において、これら被写体の要素画像が重なってしまい、これら被写体の像を分離できなくなるといった事態が発生しない。

以上のように、本発明の第１実施形態に係る立体顕微鏡装置１は、複数台の撮影カメラおよび光分離手段を用いることなく、レンズアレイ１３を凸レンズ１２と撮像素子１５とで挟むだけの簡易な構成で、被写体Ａの要素画像を撮影することができる。また、立体顕微鏡装置１は、それ１台で被写体Ａの要素画像を撮影できるため、複数台の撮影カメラを被写体Ａに向けるような複雑な調整を必要とせず、その調整が容易である。さらに、立体顕微鏡装置１は、２つ以上の被写体が凸レンズ１２の光軸上から外れて位置する場合でも、これら被写体の像を分離できないという問題が発生しないので、これら被写体の要素画像を撮影することができる。

なお、本発明の第１実施形態では、立体顕微鏡装置１を本発明の一例として説明したが、これに限定されないことは言うまでもない。例えば、本発明は、インテグラルフォトグラフィ方式や２眼式の立体視に適用することができる。

なお、本発明の第１実施形態では、被写体Ａが焦点距離ｆ_０に位置するとして説明したがこれに限定されない。つまり、立体顕微鏡装置１は、被写体Ａが焦点距離ｆ_０以外に位置する場合、被写体Ａのボヤケを利用して被写体Ａの要素画像を撮影することができる。

なお、本発明の第１実施形態では、屈折率分布レンズ１４および要素画像ブロック１６を水平方向および垂直方向にそれぞれ６個を備えることとして説明したが、これに限定されない。例えば、立体顕微鏡装置１は、水平方向および垂直方向に異なる数、屈折率分布レンズ１４および要素画像ブロック１６を備えてもよい（不図示）。また、例えば、本発明をインテグラルフォトグラフィ方式に適用した場合、屈折率分布レンズ１４および要素画像ブロック１６の個数は、より多数（数千から数万）になる。

なお、本発明の第１実施形態では、凸レンズ１２を平凸レンズとして説明したが、これ以外の凸レンズとしてもよい。

なお、本発明の第１実施形態では、立体顕微鏡装置１が、多視点・立体像信号処理手段１７と、要素画像選択手段１８と、多視点・立体像モニタ１９と、２眼式立体像モニタ２０とを備えることとして説明したが、これら全てを備えなくともよい。例えば、２眼式立体表示を行わない場合、立体顕微鏡装置１は、要素画像選択手段１８と、２眼式立体像モニタ２０とを備えなくともよい。また、例えば、多視点立体表示を行わない場合、立体顕微鏡装置１は、撮像素子１５が撮影した被写体Ａの要素画像を要素画像選択手段１８に出力することとし、多視点・立体像信号処理手段１７と、多視点・立体像モニタ１９とを備えなくともよい。

（第２実施形態）
図３を参照し、本発明の第２実施形態に係る立体顕微鏡装置１Ｂの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。この立体顕微鏡装置１Ｂは、屈折率分布レンズ１４Ｂの光軸方向の長さが、図１の屈折率分布レンズ１４と異なる。

図３に示すように、立体顕微鏡装置１Ｂは、撮像素子駆動回路１１と、凸レンズ１２と、レンズアレイ１３Ｂと、撮像素子１５と、多視点・立体像信号処理手段１７と、要素画像選択手段１８と、多視点・立体像モニタ１９と、２眼式立体像モニタ２０とを備える。

なお、図３では、被写体Ａからの入射光は破線矢印で図示した。また、図３の符号βは屈折率分布レンズ１４Ｂの他方の端面１４ｂに結像した被写体Ａの要素画像である。さらに、図３では、説明を簡易にするために、撮像素子駆動回路１１および多視点・立体像信号処理手段１７等の一部構成の図示を省略した。

レンズアレイ１３Ｂは、第１実施形態と同様、屈折率分布レンズ１４Ｂを２次元状に配置したものである。ここで、屈折率分布レンズ１４Ｂは、それぞれ、光軸方向の長さＬが、屈折率分布レンズ１４Ｂに入射した入射光の蛇行周期の３／４となるように形成される。この場合、屈折率分布レンズ１４Ｂは、それぞれ、被写体Ａの要素画像を正立像として他方の端面１４ｂに結像させる（図３の符号β参照）。

ここで、凸レンズ１２と屈折率分布レンズ１４Ｂとによる結合倍率Ｍ_ｔは、下記の式（２）で表されるように、式（１）と符号が逆になる。
Ｍ_ｔ＝ｆ_ｒ／ａ_１・・・式（２）

なお、レンズアレイ１３Ｂおよび屈折率分布レンズ１４Ｂ以外の各構成は、図１と同様のものであるため、説明を省略する。

以上のように、本発明の第２実施形態に係る立体顕微鏡装置１Ｂは、被写体Ａの正立像を得ることができる以外、第１実施形態に係る立体顕微鏡装置１と同様の効果を奏する。

なお、第１，２実施形態では、屈折率分布レンズ１４，１４Ｂの光軸方向の長さを入射光の蛇行周期の１／４又は３／４として説明したが、これに限定されない。例えば、本発明は、屈折率分布レンズの光軸方向の長さが、当該屈折率分布レンズに入射した入射光の蛇行周期の（２ｎ−１）／４であれば良い（但し、ｎは１以上の整数）。

１，１Ｂ 立体顕微鏡装置（立体像撮影装置）
１１ 撮像素子駆動回路
１２ 凸レンズ
１２ａ 凸面
１２ｂ 平坦面
１３，１３Ｂ レンズアレイ
１４，１４Ｂ 屈折率分布レンズ
１４ａ 一方の端面
１４ｂ 他方の端面
１５ 撮像素子
１５ａ 撮影面
１６ 要素画像ブロック
１７ 多視点・立体像信号処理手段
１８ 要素画像選択手段
１９ 多視点・立体像モニタ
２０ ２眼式立体像モニタ

Claims (5)

1. 被写体の側に配置された１つの平凸レンズと、前記平凸レンズに対面して屈折率分布レンズを２次元状に配置したレンズアレイと、前記レンズアレイに対面して前記被写体の要素画像を撮影する撮像素子とを備える立体像撮影装置であって、
   前記平凸レンズは、前記被写体の側に形成された凸面と、前記凸面に対向する平坦面とを備え、
   前記レンズアレイは、水平方向および垂直方向の長さが、前記平凸レンズと同じであり、
   前記屈折率分布レンズは、一方の端面が前記平凸レンズの平坦面に当接すると共に、前記平凸レンズを介して入射した前記被写体からの入射光を、前記一方の端面に対向する他方の端面に前記被写体の要素画像として結像させ、
   前記撮像素子は、前記被写体の要素画像を撮影する撮影面が前記屈折率分布レンズの他方の端面に当接すると共に、前記屈折率分布レンズの他方の端面に結像した前記被写体の要素画像を撮影することを特徴とする立体像撮影装置。
2. 前記屈折率分布レンズは、光軸方向の長さが、当該屈折率分布レンズに入射した入射光の蛇行周期の（２ｎ−１）／４であることを特徴とする請求項１に記載の立体像撮影装置（但し、ｎは１以上の整数）。
3. 前記屈折率分布レンズは、前記光軸方向の長さが、当該屈折率分布レンズに入射した入射光の蛇行周期の１／４であることを特徴とする請求項２に記載の立体像撮影装置。
4. 前記屈折率分布レンズは、前記光軸方向の長さが、当該屈折率分布レンズに入射した入射光の蛇行周期の３／４であることを特徴とする請求項２に記載の立体像撮影装置。
5. 前記撮像素子が撮影した被写体の要素画像から、予め設定された２つの要素画像を選択する要素画像選択手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の立体像撮影装置。

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