JPH08511876A - 自己立体鏡的な像を形成する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 自己立体鏡的な像を形成する装置は、入射対物レンズ（Ｌ１，Ｌ２）と、その入射対物レンズの結像面に配置された円柱状基本分散レンズを有するとともにそれを構成するレンズのピッチ（ｐ）に等しい像表面を得るために入射対物レンズ（Ｌ１，Ｌ２）の入射レンズの像がそのピッチに等しいみかけ上の幅を持つような焦点距離を有するするレンズ系（２０）と、整像立体鏡的な実像を形成する収束転写光学系（Ｌ３，Ｌ４）とをこの順で備えたことを特徴とする円柱状レンズ系を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】 自己立体鏡的な像を形成する装置 本発明は、円柱状レンズアレイを用いることによって自己立体鏡的(autostere oscopic)な像を形成する装置に関する。 自己立体鏡的かつ整像立体鏡的(orthostereoscopic)な像を形成する装置は、 欧州特許出願ＥＰ−８４５９８号において知られ、自己立体鏡的かつ疑似立体鏡 的(pseudostereoscopic)な（すなわち「逆レリーフ」状の）像を形成する凸レン ズを持つ第一のレンズアレイと、整像立体鏡的な像を形成する凸レンズを持つ第 二のレンズアレイとを備える。 その装置は２つのレンズアレイを必要とするという欠点を有し、そのことによ って、許容誤差(tolerances)および直線上の整列(allgnment)に関して非常に厳 しい制限を課することとなる。 本出願人による欧州特許ＥＰ−３０５２７４号には、基本的画像を電子的プロ セスによりそれ自身の対称軸または対称中心のまわりに個々に反転し、再結合し て整像立体鏡的な像を得る方法が記載されている。 整像立体鏡的な像を得るための従来技術の方法は、このように２段階の系を備 えることが必要である。 この発明により提示された問題は、自己立体鏡的かつ整像立体鏡的な像を直接 得ることにある。 この目的のため、本発明は、円柱状レンズアレイを備えることによって自己立 体鏡的な像を形成する装置であって、 ・入射対物レンズと、 ・その入射対物レンズの結像面に実質的に配置された円柱状基本分散レンズを 有し、かつそれを構成するレンズのピッチ（ｐ）に等しい像領域（面積）を得る ために入射対物レンズの入射瞳の像がそのピッチに等しいみかけ上の幅を持つよ うな焦点距離を有するレンズアレイと、 ・整像立体鏡的な実像を形成する収束転写光学系と、 をこの順で備えたことを特徴とする自己立体鏡的な像を形成する装置を提供する 。 本装置は、入射対物レンズの瞳Ｐ１の下流に、そして特に対物レンズとレンズ アレイとの間に、レンズアレイに対し交差し、かつ少なくとも部分的に非点収差 を補償する円柱状要素を含んでいても良い。この円柱状要素は、少なくとも部分 的に非点収差を補償するのに適した焦点距離を有する円柱状収束レンズとするこ とかてきる。また変形例として、円柱状要素は、第１の分散レンズアレイの焦点 面と実質的に一致する焦点面を有する第２の分散レンズアレイとすることができ る。 本発明は、また、イメージセンサーをさらに備え、転写光学系がレンズアレイ から発せられた光線をそのイメージセンサー上に投影し、転写光学系におけるレ ンズアレイの像は、それにおいてレンズアレイのレンズのピッチがイメージセン サーの像点（画素）の整数値に対応し、かつ入射対物レンズの瞳の像が 実質的に転写光学系の瞳に位置するような像であることを特徴とする画像形成装 置を提供する。 イメージセンサーは、ＣＣＤセンサー、特に、像点どうしが互いにみかけ上整 列された３つのセンサー上に画像を形成するプリズム状の３色ビームスプリッタ ーに付随する３つの個別センサーの集合によって好ましくは構成することができ る。 レンズアレイは、イメージセンサーのライン方向に向いていても良い。好適に はテレセントリックである入射対物レンズは、実質的に１００ｍｍに等しい瞳を 有する入射レンズを含んでいても良い。レンズアレイは、０．４ｍｍのピッチを 持つものとすることができる。転写光学系は、実質的に０．１に等しい縮小率を 有していても良く、それはまた、円状の絞り、特に虹彩タイプの絞りを有してい ても良い。 本発明は、また、上記に述べたような画像形成装置を含む自己立体鏡的ビデオ システムを提供する。 他の特徴や利点は、制限されない実施例を用い、付随する図面を参照する次の 記述を読むことによってより明らかになる。 図１は本発明の画像形成の装置と系を示す図であり、 図２ａ及び図２ｂは本発明の装置の好適な実施例を示す図である。 図１は本発明のカメラ装置を示す図である。装置は次の要素を含む。 １）入射レンズＬ１と、焦点Ｆ２がテレセントリック（telecentric）な光学 系において入射レンズＬ１の光学中心Ｏ １と一致する出射レンズＬ２とを、好ましくはテレセントリックに備えた入射対 物レンズ。このような入射対物レンズは、それ自体が、欧州特許出願ＥＰ−Ａ− Ｏ ８４９９８号（ＣＮＲＳ）によって知られている。光学系がテレセントリッ クである時、レンズＬ１の入射瞳の中心点の像は、レンズＬ２によって無限遠に 投射されレンズアレイが好適に接近されることを確保する平行性を達成する。特 にこの２つのレンズＬ１とＬ２は共役であり、すなわちレンズＬ１の焦点Ｆ１は またレンズＬ２の光学中心と一致する。対物レンズＬ１は２００ｍｍの焦点距離 を持ち、ｆ／２の開口部を持ち、例えば１００ｍｍの瞳に対する実効直径に相当 し、その距離は写真をとる時の実効立体鏡ベースラインを構成する。観測者の眼 球の間の間隔（すなわち瞳間距離約６５ｍｍ）より少し大きいこの値は、スクリ ーンに投影した後の現実感のある立体鏡透視像を得るために特に好適である。 ２）約７０ｍｍ×９０ｍｍの面積を持ち、分散性すなわち凹状で、０．４ｍｍ のピッチで垂直に配置された基本レンズ１０からなるレンズアレイ。このレンズ アレイは、実質的に入射対物レンズの焦点Ｆの所でそこよりやや上流の位置に（ 光線伝播方向に）配置される。基本レンズの各々は、マイクロレンズのピッチす なわち幅０．４ｍｍに等しい像面積に対して各基本凹レンズを通って形成される 対物レンズＦ１の瞳の像がちょうど０．４ｍｍであるような焦点距離を持つ。こ のことにより、各基本レンズ（すなわちマイクロレンズ）によって形成される瞳 の虚像が、互いにちょうど接触することを確保する。レンズアレイ２０が円柱状 レンズにより構成されているので、瞳の像の寸法が当然水平面のみにおいて考慮 される。分散アレイ２０は、収斂アレイを作るのに用いられる技術と同様の技術 を用いて、すなわち熱可塑性材料の板をつや出しロール機械にかけることにより 製造される。 ３）望ましくは整像鏡的すなわち垂直線上で変形を引き起こさず、レンズアレ イ２０よりも下流に置かれ、レンズアレイ２０から像転写対物レンズＬ４に向か ってすべての光線を投射するフィールドレンズＬ３で構成することが可能な転写 光学系。この転写対物レンズＬ４は、例えば２５ｍｍの焦点距離を持ち、ＣＣＤ センサーを備えたカメラ２２に搭載される。この転写光学系Ｌ３及びＬ４は、レ ンズアレイ２０により形成された整像立体鏡的な虚像を転写し、カメラ２２のイ メージセンサーのすぐ上流に実像２１を形成する。転写光学系Ｌ３及びＬ４の縮 小率は、画像２１がイメージセンサー２２の像点（画素）の整数値に対応するピ ッチｐ’を持つような状態で、レンズアレイ２０から射出される光線がカメラ２ ２に当たるように選択される。さらに像２１とイメージセンサー２２の距離は、 カメラ２２のセンサー上で結像が生ずる長さである。 レンズアレイ２０は一方向（水平）のみに作用する。水平軸を持ち無限遠に置 かれた直線状物体はそこから上流に置かれたレンズアレイ２０の焦点面Ｐに虚像 を結ぶ。垂直軸を持ち無限遠に置かれた直線状物体は実質的に入射対物レンズ（ Ｌ１，Ｌ ２）の焦点Ｆに実像を結ぶ。その焦点Ｆは必然的に分散レンズアレイ２０から下 流に置かれていなければならない。これは非点収差を引き起こし、この場合には 焦点合わせの障害となる。 非点収差を補償するため、長焦点距離の収束円柱状レンズ４０を例えば入射対 物レンズの瞳Ｐ２の下流に、望ましくはＬ１とＬ２の間に置き、収束レンズの母 線（generator lines）が水平になるように（すなわち垂直に配置されたレンズ アレイ２０に対してそれが交差するように）することができる。焦点距離は、そ れが互いに相手に向かって動き、望ましくは垂直物体に対する収束点と分散アレ イの焦点面Ｆを重ね合わせるように設計される。無限遠にある水平物体に対して は、光線は焦点Ｆに収束し虚像が平面Ｐに形成される。 無限遠にある垂直物体に対しては、レンズアレイ２０に交差した円柱状レンズ ４１は、その実像が平面Ｐ内に形成されるという効果を有する。 所定の有限の距離に置かれた物体に対して、完全に補償するため、収束点は結 像面Ｆの上流に置かれる。 別の解決法は、第一の分散レンズと実質的に同じ平面内に、第一のものと同じ かまたは２つの焦点面が一致するように計算された焦点距離を持ち、１つ分の画 像（正方形の画素と４つの視点のための４分の一のピッチの第一のアレイと比べ て）に相当するピッチを持つ第二の分散レンズを置くことである。そして瞳パラ メータが固定される。 一般に、転写光学系の縮小率は、得たいと思う実像の大きさ の関数として選択される。この実像は、基本分散レンズ１０により形成された虚 像が従来技術の収束レンズによって形成される反転を有しないため、整像立体鏡 的である。 入射対物レンズと転写光学系の要素は、入射対物レンズの瞳の像が、実質的に 転写光学系の瞳と一致するような仕方で配置される。入射対物レンズがテレセン トリックでない場合、この条件は特に以下に説明するように転写光学系が平行性 を回復するように働く。 特に、イメージセンサー２２は、プリズム状の３色ビームスプリッター２３上 に搭載され、第１ラインの第１画素が３つのセンサー全てについて一致し、そし て全体においては、したがって画素毎の位置が合うように正確に位置合わせされ た３つのＣＣＤセンサー２４，２５，２６から構成することができる。 カメラ３０中に組み込まれたイメージセンサー２２によって受け取られた信号 は、立体鏡的な像を表示するように装備されたテレビモニタ３１に与えられても よく、また送信器３２を介して送信され受信器３３によって受信されてもよい。 実施例 ０．４ｍｍのピッチと１．６６ｍｍの焦点距離をもつレンズアレイ２０をＬ２ の光学中心から２０ｍｍでＬ３の光学中心から９０ｍｍの所に配置した。レンズ Ｌ１は二重レンズＬ'１とＬ'２によって構成した。その瞳はＰ１と表されている 。 Ｌ１ 焦点距離 ｆ１＝ ２００ ｍｍ Ｌ２ 焦点距離 ｆ２＝ ３００ ｍｍ Ｌ３ 焦点距離 ｆ３＝ ２３０ ｍｍ Ｌ４ 焦点距離 ｆ４＝ ２５ ｍｍ ・レンズＬ１及びＬ２の光学中心間の距離Ｏ１Ｏ２は、Ｏ１Ｏ２＝１８０ ｍ ｍ ・レンズＬ２及びＬ３の光学中心間の距離Ｏ２Ｏ３は、Ｏ２Ｏ３＝１１０ ｍ ｍ ・レンズＬ３及びＬ４の光学中心間の距離Ｏ３Ｏ４は、Ｏ３Ｏ４＝２４５ ｍ ｍ また、この装置は以下の理由によって有用である。 ３次元での１組の写真をとるためには、光学系が違った視点から光景を観測す ることができ、視点の個数が２以上であって、観測像の間に有意な差異（すなわ ち同じ像でない）ができるように各視点が、先の視点から十分遠く離れているこ とが必要である。単一の対物レンズを用いて、像平面に平行な平面内でその構成 要素の動きなしに、写真をとった場合、撮像軸の相対オフセット全体が、利用可 能な立体鏡ベースラインの全部を構成する対物レンズの瞳の水平直径内に含まれ ていなければならない。上述した実施例において、全立体鏡的なベースラインす なわち瞳の実効水平直径は１００ｍｍに等しく、それは大人の瞳間距離（約６５ ｍｍ）より大きい。有意な欠陥を有しない対物レンズで１０ｃｍのベースライン を得るため、そして撮影された光景の眺めが、観測者によって知覚されるものと 異ならないように、焦点距離と瞳の実効水平直径の比が約２であれば、所望の結 果が得られることが実験的にわかった。このことが、上 記に特定した実施例において焦点距離が２００ｍｍで、開口部がｆ／２の対物レ ンズを用いる理由である。 用いる感受領域の寸法に注意を払うべきであるから、焦点距離はそのように考 えるべきではない。約８．８ｍｍ×６．６ｍｍの目的像を形成するイメージセン サーを備えた標準の３−ＣＣＤカメラにおいては、焦点距離は非常に狭く、実際 「標準」の焦点距離によりそのような領域に提供される視野（約１６０ｍｍ）の １０分の１（すなわち約１６ｍｍ）より小さい。この問題すなわち適当な立体鏡 像的なベースラインを標準の焦点距離に調和させることに対する解決法は、より 広い面積、例えば１０倍大きい広さの第一の中間像平面を用いてこれら２つの両 立しがたい要求を分離することである。この領域は８０ｍｍ×６０ｍｍの実効面 積を持つレンズアレイによって実際に具現化できる。この像はカメラに搭載され た短焦点距離の、例えば２５ｍｍの第２の対物レンズにより転写され、レンズア レイにより形成された像を電荷結合センサーＣＣＤと一致させる。一旦立体鏡的 なベースラインが垂直円柱状レンズのアレイ上に像を形成するという役目を果た した後は、対物視野のアングルを保持しつつ空中で転写することにより像を縮小 することができる。 より具体的には、上記実施例において、もし第一像平面の実効面積が６０ｍｍ ×８０ｍｍであるとすると、（望ましくはテレセントリックである）対物レンズ Ｌ１，Ｌ２と転写装置Ｌ３，Ｌ４を用意することにより、約１０の割合で寸法を 縮小することができる。レンズアレイ２０が実質的に光学系Ｌ１，Ｌ２の 第一像平面に載置されているので、像フォーマットがイメージセンサー２２上で 縮小されているにも関わらず、このことによって１０ｃｍの立体鏡像ベースライ ンの利点を保持することができる。６０ｍｍ×８０ｍｍの初期面積の使用は、こ のフォーマットに対して標準の焦点距離よりやや大きい視野（１６０ｍｍ）と１ ０ｃｍに等しい長い立体鏡像ベースラインとを同時に結び付けることが可能にな る。イメージセンサー上に形成された像は整像立体鏡的であるのでイメージセン サー２２からの信号出力は直接利用可能である。 本発明の撮影装置は、まず、３色全部について唯一のレンズアレイ２０を用い ることを可能にし、次にこのレンズアレイを大寸法にすることを可能にするので 、所望の精度で製造し載置することが容易になる。これにより図１（イメージセ ンサーの中に載置することが困難な小さい寸法のレンズアレイ。これはいずれに してもその構造に固有の構造的変形を避けられないか）と、図２（非常に厳しい 実験的条件の下でなければ整列状態に保つことが実際上不可能な多数のレンズア レイ）の欠点を回避することができる。 円柱状レンズ４０を備えた、補正に対応する望ましい実施例においては、像を 転写するための第２の対物レンズＬ３，Ｌ４は虹彩絞りを備える。そのような虹 彩絞りは、第一対物レンズＬ１，Ｌ２に水平なスロットをおいた形態の虹彩絞り と同等であるが、パラメータはその中心だし（centering）だけであるので載置 するのが容易である。第２の対物レンズの中心だしし た虹彩絞りは第一対物レンズに水平なスロットをおいた形態の虹彩絞りと同等で ある。第一の瞳から来る光線はマイクロレンズの軸に平行な方向において妨害さ れないが、水平方向においてはこれらの光線は各マイクロレンズにより得られる 瞳の像に明確に関連する。瞳の像は第２の対物レンズの瞳の大きさの縮小により 影響を受けることはない。第一のレンズアレイと交差する第２のレンズアレイ４ １によって補正がなされるとき、第２の虹彩絞りは受け取る光の量に関連しての み効果的であり、入射瞳は２つのアレイによって完全に決定される。 カメラのイメージセンサー２４，２５，２６の離散的性質のため、瞳を選択し た視野と同じ数だけの部分瞳に部分分割することを避けることができる。像転写 の際、レンズアレイ２０の像は、各レンズの各像（すなわち瞳の微小像）が視点 の数に等しい整数個の像点（すなわち画素）上に形成されるように置かれる。光 路の可逆性からＣＣＤセンサーの感知面の離散的性質により、系の第一瞳が性質 上離散的になる。（連続像として）レンズアレイにおいて形成された瞳 Ｎｏ． １の微小像が、空間的観点とエネルギー的観点の両方から離散的である構造上に 投影されるという事実は、レンズアレイのレンズに正確に対応させた画素と、数 および相対的配置において等しい別個の区域的ゾーンに、瞳を部分分割すること を可能にする。上記の実施例では、微小レンズの各像は４つの画素上に水平に形 成され、それによって、主たる瞳を、ＣＣＤセンサーの画素間間隙に相当するた め見えなくなる（made blind）部分で分離される４つ の等しいゾーンに分割することができる。感光面のため選択された水平構造は、 浮き彫りにして写真を撮影するために用いられる実効瞳の構造を決定し、結果と して得られる像を処理する手段を決定する。微小レンズ毎に４つの画素を用いる ことは、同時に４つの視点が撮像されることにつながる（部分瞳毎に１つの視点 ）。得られる複合像の最小限のまとまりである画素によって処理がなされるため 、像の電子的処理が可能になり、視点の間の分離をうまく達成することができる 。 レンズアレイ２０のレンズの軸に平行な方向にイメージセンサー２２のライン を置くことにより、さらによい立体鏡的分離を達成することができる。異なった ラインに属する隣接像点間の分離は、同じラインに属する隣接像点間の分離より も大きい。これは通常の条件（垂直ライン走査）に関して９０°に位置決めする ことに対応するが、もし必要であれば適当な電子的処理により通常の条件に戻す ことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．円柱状レンズアレイを備えることによって自己立体鏡的な像を形成する装置 であって、 入射対物レンズ（Ｌ１，Ｌ２）と、 その入射対物レンズの結像面に実質的に配置された円柱状基本分散レンズを有 し、かつそれを構成するレンズのピッチ（ｐ）に等しい像領域を得るために入射 対物レンズ（Ｌ1，Ｌ２）の入射瞳の像が前記ピッチに等しいみかけ上の幅を持 つような焦点距離を有するレンズアレイ（２０）と、 整像立体鏡的な実像を形成する収束転写光学系（Ｌ３，Ｌ４）と、 をこの順で備えたことを特徴とする自己立体鏡的な像を形成する装置。 ２．入射対物レンズ（Ｌ１，Ｌ２）から下流に、レンズアレイに対し交差し少な くとも部分的にその非点収差を補償する円柱状素子をさらに備えたことを特徴と する請求項１記載の装置。 ３．円柱状素子が、少なくとも部分的に前記非点収差を補償するのに適した焦点 距離を有する円柱状収束レンズであることを特徴とする請求項２記載の装置。 ４．円柱状素子が、第１の分散レンズアレイの焦点面と実質的に一致する焦点面 を有する第２の分散レンズアレイであることを特徴とする請求項２記載の装置。 ５．イメージセンサー（２２）をさらに備え、転写光学系（Ｌ３，Ｌ４）がレン ズアレイ （２０）から発せられた光線をそのイメージセンサー（２２）上に投影し、転写 光学系（Ｌ３，Ｌ４）におけるレンズアレイ（２０）の像（２１）は、それにお いてレンズアレイ（２０）のレンズのピッチ（ｐ）がイメージセンサー（２２） の像点（画素）の整数値に対応し、かつ入射対物レンズの瞳の像が実質的に転写 光学系の瞳に位置するような像であることを特徴とする請求項１から４のいずれ か１つに記載の画像形成装置。 ６．イメージセンサーが、像点毎に相互にみかけ上整列された３つのセンサー（ ２４，２５，２６）上に画像を形成するプリズム状の３色ビームスプリッター（ ２３）に付随する３つの個別センサー（２４，２５，２６）の集合によって構成 されたＣＣＤセンサーであることを特徴とする請求項５記載の装置。 ７．レンズアレイ（２０）が、イメージセンサー（２２）のライン方向に向いて いることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の装置。 ８．入射対物レンズ（Ｌ１，Ｌ２）が、実質的に１００ｍｍの瞳を有する入射レ ンズ（Ｌ１）を備えていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記 載の装置。 ９．転写光学系（Ｌ３，Ｌ４）が実質的に０．１の縮小率を有することを特徴と する請求項１から８のいずれか１つに記載の装置。 １０．転写光学系（Ｌ３，Ｌ４）が、虹彩タイプの円状の絞りを有すること特徴 とする請求項１から９のいずれか１つに記載の装置。 １１．入射対物レンズ（Ｌ１，Ｌ２）がテレセントリックであること特徴とする 請求項１から１０のいずれか１つに記載の装置。 １２．請求項１から１１のいずれか１つに記載の画像形成装置を含むことを特徴 とする自己立体鏡的ビデオシステム。