JP2008046522A

JP2008046522A - 立体像表示装置

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Publication number: JP2008046522A
Application number: JP2006223924A
Authority: JP
Inventors: Noriji Ooishi; 則司大石
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】インテグラルフォトグラフィに伴う偽立体像の問題を、表示装置の工夫で解決する。
【解決手段】インテグラルフォトグラフィにおいて偽立体像とされる元画像を、プロジェクターによって面上にピンホールが並んだピンホール板に投影する。この時ピンホール板の位置を結像位置より所定の距離だけプロジェクターに近づけると、ピンホール板を通した像を観察する者には正しい立体像が見える。さらにピンホール板をスリットの並んだスリット板に置き換えれば、水平方向にのみ視差を再現する立体像の表示が可能になる。
【選択図】図３

Description

本発明は、インテグラルフォトグラフィにおいて偽立体像と言われる遠近が逆転する問題を解決し、正しい立体像を表示する方法に関する。

インテグラルフォトグラフィやその原理を応用したレンチキュラーレンズを使った立体像の撮影と表示は、立体映像を扱う最も有望な手法として期待されているものの、そのままでは遠近感が逆転する偽立体像になってしまうという問題がある。これを解決する様々な方法が提案されてはいるものの、技術的な困難や煩雑さのためか現在に至るまで一般に普及していない。

インテグラルフォトグラフィでは図１に示すように、面上に凸レンズが並んだレンズシート１によって被写体３の像を撮像面（例えば感光フィルム面）２に投影して撮影する。このようにして撮影される画像は被写体３の倒立像４が並んだものになる。さらに図２のようにこの画像をプリントしたもの５に撮影時のレンズシート１と同様のレンズシート６を重ね、各倒立像７を各レンズで投影すると立体像８が９の方向から観察する者に見えるのであるが、この立体像８は被写体３を裏側から見たような遠近の逆転したものとなる。

これを避けるためには撮影された各倒立像７のそれぞれを正立像に変換すればよいが、実際の倒立像７は小さく数が多いためこの作業は煩雑で難しいものとなり、これがインテグラルフォトグラフィを普及させる上での障害になっている。本発明の課題は、インテグラルフォトグラフィで撮影された画像を、変換せずにそのまま使って正しい立体像を再生する表示法を考案することであり、同じ原理を応用するレンチキュラーレンズを使った立体像についても、同様に正しい立体像を表示出来るようにすることである。

本発明の請求項１は、元画像を投影レンズで投影するプロジェクターと、該プロジェクターの投影面に面して置かれた面上にピンホールが並んでなるピンホール板とからなり、該ピンホール板は投影像が結ばれる位置より所定の距離だけ投影レンズに近い位置にあって、投影像を該ピンホール板を通して観察することを特徴とする立体像表示装置である。なお投影面の付近には必要に応じてフィールドレンズを置いても良い。

本発明の請求項２は、請求項１に使われるプロジェクターのバックライトに、面上に凸レンズが並んでなるレンズ板によって光源の光を収束し、面上に並ぶ多数の光源像群を生成したものを使い、投影レンズによって投影される該光源像群のそれぞれの像が、ピンホール板のそれぞれのピンホールに重なることを特徴とする請求項１に記載の立体像表示装置である。

本発明の請求項３は、請求項１に使われるプロジェクターのバックライトに、光源の光を面上に凹レンズが並んでなるレンズ板を通すことで面上に並ぶ多数の光源像群を生成したものを使い、投影レンズによって投影される該光源像群のそれぞれの像が、ピンホール板のそれぞれのピンホールに重なることを特徴とする請求項１に記載の立体像表示装置である。

本発明の請求項４は、請求項１のピンホール板のプロジェクター側に、該ピンホール板の各ピンホールと一対一に対応する凸レンズが並んだレンズシートを置くことを特徴とする請求項１〜請求項３の立体像表示装置である。

本発明の請求項５は、請求項１のピンホール板の観察者側に、該ピンホール板の各ピンホールと一対一に対応する凹レンズが並んだレンズシートを置くことを特徴とする請求項１〜請求項３の立体像表示装置である。

本発明の請求項６は、元画像を投影レンズで投影するプロジェクターと、該プロジェクターの投影面に面して置かれた面上に平行なスリットが並んでなるスリット板とからなり、該スリット板は投影像が結ばれる位置より所定の距離だけ投影レンズに近い位置にあって、投影像を該スリット板を通して観察することを特徴とする立体像表示装置である。なお投影面の付近には必要に応じてフィールドレンズを置いても良い。

本発明の請求項７は、請求項６に使われるプロジェクターのバックライトに、面上にシリンドリカル凸レンズが並んでなるレンチキュラーレンズによって光源の光を収束し、面上に平行に並ぶ線状の光源像群を生成したものを使い、投影レンズによって投影される該光源像群のそれぞれの像が、スリット板のそれぞれのスリットに重なることを特徴とする請求項６に記載の立体像表示装置である。

本発明の請求項８は、請求項６に使われるプロジェクターのバックライトに、光源の光を面上にシリンドリカル凹レンズが並んでなるレンチキュラーレンズを通すことで面上に平行に並ぶ線状の光源像群を生成したものを使い、投影レンズによって投影される該光源像群のそれぞれの像が、スリット板のそれぞれのスリットに重なることを特徴とする請求項６に記載の立体像表示装置である。

本発明の請求項９は、請求項６のスリット板のプロジェクター側に、該スリット板の各スリットと一対一に対応するシリンドリカル凸レンズが並んだレンチキュラーレンズを置くことを特徴とする請求項６〜請求項８の立体像表示装置である。

本発明の請求項１０は、請求項６のスリット板の観察者側に、該スリット板の各スリットと一対一に対応するシリンドリカル凹レンズが並んだレンチキュラーレンズを置くことを特徴とする請求項６〜請求項８の立体像表示装置である。

本発明の請求項１〜請求項５の立体像表示装置によれば、面上に凸レンズが並んだレンズシートないしピンホールが並んだピンホール板によって撮影され、そのままレンズシートを重ねて表示すると遠近が逆転した偽の立体像になってしまうインテグラルフォトグラフィの画像を、遠近が逆転しない正しい立体像として表示することが出来る。

また本発明の請求項６〜請求項１０の立体像表示装置によれば、例えばレンチキュラーレンズを重ねた撮像面に像を投影して撮影された画像のように、そのままレンチキュラーレンズを重ねて表示すると遠近が逆転した偽の立体像になってしまう画像を、遠近が逆転しない正しい立体像として表示することが出来る。

図３に本発明請求項１の立体像表示装置の光学系を平面図をもって示す。以下の各実施例はその光学系のみを表し、光学系を収納する暗箱や構造材は省略する。本表示装置はインテグラルフォトグラフィによって撮影された元画像５と投影レンズ１０によるプロジェクターと、面上にピンホールが並んだピンホール板１１による単純な光学系で構成される。なおプロジェクターには光源（バックライト）が必要であるが、これについては後に説明する。元画像５は図２中に示されるものと同じものであるが、投影されて正立像となるように１８０°回転して置かれている。投影レンズ１０によって投影される光は、ピンホール板１１を通過して所定の距離ｄだけ観察者の方向９に進んだ位置に像１２を結ぶが、この時単位像７の投影像１３は倒立像になり、これを図１と比較すれば方向９から見える像１４は被写体３の正しい立体像になっていることがわかる。

本表示装置の好ましい設計についてさらに詳しく説明する。投影レンズ１０の焦点距離をｆとすると投影像１２は１／ｆ＝１／Ａ＋１／Ｂを満たす位置に結ばれるため、ピンホール板１１は距離Ｂよりｄだけ投影レンズ１０に近い位置に置かれ、各ピンホールは単位像１３と一対一に対応しなければならない。このためにはピンホールのピッチｐは単位像１３の並ぶピッチの（Ｂ−ｄ）／Ｂ倍とすることが好ましく、さらに投影レンズ１０の瞳径をｒとするとｐ／ｄ＝ｒ／Ｂ、すなわちｄ＝Ｂｐ／ｒとすれば記録された視域を十分に再生し、かつ角度の大きい方向から見た時の繰り返し像（サイドローブ）を生じず好ましい。

図３からわかるように本光学系は極めて単純であり、プロジェクターの投影倍率と結像位置が、ピンホール板１１と上記した関係を満たすように調整するだけで立体像を表示することが出来る。本装置によって表示される立体像の視域は投影レンズ１０の瞳によって制限されるため、視域を大きくとるためには投影レンズ１０には瞳の大きな大口径レンズを使うことが好ましい。更に観察しやすいように視域の形状を整えるためには、図４に示すようにフィールドレンズ１５を加えるのが有効である。図４には光源１６とミラー１７、拡散板１８によるバックライトも加えたが、本表示装置ではバックライトの照明光に特定の指向性があると立体像の明るさ斑の原因となりうるので、基本的には無指向性の拡散光を発するバックライトを使うことが望ましい。ただこのように指向性のない拡散光を使う場合には、ピンホール板１１で大部分の光線が遮られて効率の悪い表示装置になってしまう。そこで光線利用率を高めるべく更に検討した結果、考案されたのが本発明の請求項２および請求項３である。

請求項２による立体像表示装置の平面図を図５に示し、斜視図は元画像５からフィールドレンズ１５までを図７に、バックライトと元画像５を図８にと分けて表した。光源１９の光はレンズ２０で収束され凸レンズが並んだレンズ板２１で多数の縮小光源像２２を作り、これが照明光となって元画像５が投影される。元画像５からフィールドレンズ１５までは図４と同じで、すでに説明した原理によって立体像が表示されるが、この際光源像２２の投影レンズ１０による像２３がピンホール板１１の各ピンホールに重なるようにすることで、ピンホール板１１を通過する光の割合が、拡散性の光源をバックライトに使うものに較べて飛躍的に向上する。もちろんレンズ板２１の凸レンズの並び方は、元画像５の単位像の並び方やピンホール板１１のピンホールの並び方と一致し、それぞれと一対一に対応しなければならない。ここで光源１９にはハロゲンライトやメタルハライドランプなどの高輝度で発光面積の小さいものを用いるのが好ましい。発光面積が小さいほど像２２及び２３も小さくなるので効率はより高くなるが、光源像２３がピンホールから外れないように位置合わせすることもより難しくなる。一方発光面積が大きければ位置合わせが容易になる反面、照明光の利用効率はやや低くなる。

さらに請求項３による立体像表示装置の部分平面図を図６に示す。投影レンズ１０から右は図５と同じなのでここでは省略した。図５の装置が凸レンズが並んだレンズ板２１で多数の縮小光源像２２を作ったのに対し、図６では凹レンズが並んだレンズ板２４で縮小光源像２５を生成し、それ以外は請求項２と全く同じ原理で効率が改善される。凹レンズのレンズ板２４を使う請求項３の場合には、レンズ板２４を元画像５に密着するほど接近して置かなければならないため装置サイズは若干コンパクトになるが、元画像５に液晶パネルなどの厚みがあるものを用いる場合には、元画像に十分近づけてレンズ板２４を置くこと難しくなる恐れがある。凸レンズのレンズ板２１を使う請求項２ならばレンズ板２１と元画像の距離がやや長くとれるため、このような場合には都合が良い。

すでに説明したとおり、図３の構造を持つ本発明の立体像表示装置の視域角は投影レンズ１０の瞳径によって制限されるが、大口径で焦点距離が短く収差の少ないレンズを作るのは技術的に難しいため、この構成のままで広い視域を実現することは困難である。そこで請求項４及び請求項５では、ピンホール板１１にレンズシートを加えることで視域を拡大することを可能にした。この様子を図９の平面図（断面図）によって説明する。

図９（ａ）は凸レンズを面上に並べたレンズシート２６をピンホール板１１の投影レンズ１０側に置く請求項４の例を部分図で示したもので、図の左側が撮影レンズのある側であり、右側が観察者のいる側９である。レンズシート２６の各凸レンズはピンホール板１１の各ピンホールと一対一に対応し、凸レンズの作用によって投影レンズから角度αでピンホールに入る光をαより大きい角度βの光に変換する。ここで角度αが投影レンズの瞳で決まる視域角とすれば、角度βは実際に観察される視域角となり、視域角が拡大されていることがわかる。なおレンズシート２６はピンホール板１１から各凸レンズの焦点距離より近い位置で、投影像の結像位置がピンホール板１１より観察者側になるように置かなければならない。この距離が大きく結像位置がピンホール板１１より投影レンズ１０側になると、像の倒立が起こって遠近の逆転した立体像となってしまい好ましくない。さらに図９（ｂ）は凹レンズを面上に並べたレンズシート２７を観察者側に置く請求項５の例を部分図で示したもので、同様に左側が投影レンズのある側、右側が観察者の側である。レンズシート２７の各凹レンズはピンホール板１１の各ピンホールと一対一に対応し、凹レンズの作用によって被写体側から角度αでピンホールに入る光をαより大きい角度βの光に変換する。あとは請求項４と同様の理屈で視域角が拡大されていることがわかる。凹レンズには凸レンズのような距離条件はないが、ピンホールと一対一の対応関係が崩れるほど、すなわち対応するピンホールからの光が各凹レンズからはみ出るほどピンホール板１１から離しすぎては好ましくないため、この点に留意して適当な位置を決めればよい。

以上説明した請求項１〜請求項５の手法を、立体視の効果を水平軸（一次元）に限った立体像に応用したものが請求項６〜請求項１０の立体像表示装置である。図１０に請求項６による立体像撮影装置の光学系を斜視図によって示す。本装置は元画像２８を投影レンズ２９によって投影するプロジェクターと、面上に平行なスリットが一列に並んでなるスリット板３０からなり、必要に応じてフィールドレンズ３１を置いて視域を整えるものである。スリット板３０は水平方向にはピンホール板と同じ機能を持つため、その位置を投影像の結像位置より所定の距離だけ投影レンズ２９に近い位置に置けば、水平断面内では図３に示した原理によって立体像を映し出し、上下（縦の断面内）には通常の平面像を映すことになる。

この方法によって表示される立体像には上下の視点移動に対応する立体感は無いものの、スリット板の開口率はピンホール板よりかなり大きいため、請求項６の装置における光線の利用率は請求項１に較べて大幅に改善される。また更に効率を高めるためには請求項２及び請求項３と同じく特別に設計されたバックライトを使うことが出来る。

図１１に請求項７のバックライト部分を斜視図によって示す。光源３２の光はレンズ３３とシリンドリカル凸レンズが並んだレンチキュラーレンズ３４を通って多数の平行な線状の像に収束される。これを照明光として元画像２８を投影し、投影レンズ２９による線状の光源像がスリット板３０の各スリットに重なるようにすれば光の利用効率は飛躍的に向上する。請求項７による立体像表示装置の水平断面の平面図は、図５に示した請求項２の平面図と一致し、その原理は同じである。同様にシリンドリカル凹レンズが並んだレンチキュラーレンズを使用すれば、図６に示した請求項３と全く同様の原理で効率の向上が可能になる（請求項８）。なお請求項７や請求項８のバックライトに使われる光源は、図１１の３２のごとく縦に細長い発光部を持つものを用いるのが、縦の視域を広くとるために好ましい。またさらに視域を拡大したい場合には、図１２に示すようにスリット板３０の前（観察者側）に、レンチキュラーレンズ３５のように光線を上下に拡散する機能を持つものを置けば良い。

さらに水平方向の視域を拡大するためには、請求項４と同様にシリンドリカル凸レンズの並んだレンチキュラーレンズをスリット板３０の投影レンズ２９の側に置く（請求項９）か、あるいは請求項５のようにシリンドリカル凹レンズの並んだレンチキュラーレンズをスリット板３０の観察者側に置けば良い（請求項１０）。

本発明はプロジェクターを使って立体像を表示するものであるから、元画像は液晶パネルのような透過性の画像かＣＲＴのような発光性の画像であることが望ましい。特に透過性の画像では請求項２，３，７，８のバックライトが使える点で有利になる。このようなことから静止画像を対象とする立体スライドプロジェクターや、液晶プロジェクターを使って立体動画を表示する、立体映画や立体テレビなどに利用されることが期待できる。

インテグラルフォトグラフィによる立体像の撮影を説明する図である。インテグラルフォトグラフィで偽の立体像が表示されることを説明する図である。請求項１による立体像表示装置の平面図である。図３にバックライトとフィールドレンズを加えた請求項１による立体像表示装置の平面図である。請求項２による立体像表示装置の平面図である。請求項３による立体像表示装置の部分図である。図５の装置の部分斜視図であって、同時に図３の装置の斜視図でもある。請求項２によるバックライト部を示す斜視図である。請求項４および請求項５による立体像表示装置の部分平面（断面）図である。請求項６による立体像表示装置の斜視図である。請求項７によるバックライト部を示す斜視図である。請求項６による立体像表示装置の部分斜視図である。

符号の説明

１，６，２１・・・凸レンズが並んだレンズシート
２・・・撮像面
３・・・被写体
４・・・撮影される単位像
５・・・元画像
７・・・元画像中の単位像
８・・・偽立体像
９・・・観察者の方向
１０，２９・・・プロジェクターの投影レンズ
１１・・・ピンホール板
１２・・・プロジェクターの結像面
１３・・・投影された単位像
１４・・・正しい立体像
１５，３１・・・フィールドレンズ
１６，１９・・・光源
１７・・・ミラー
１８・・・拡散板
２０・・・凸レンズ
２２，２３，２５・・・光源１９の像
２４・・・凹レンズが並んだレンズシート
２６・・・凸レンズが並んだレンズシート
２７・・・凹レンズが並んだレンズシート
２８・・・元画像
３０・・・スリット板
３２・・・光源
３３・・・凸レンズ
３４，３５・・・レンチキュラーレンズ

Claims

元画像を投影レンズで投影するプロジェクターと、該プロジェクターの投影面に面して置かれた面上にピンホールが並んでなるピンホール板とからなり、該ピンホール板は投影像が結ばれる位置より所定の距離だけ投影レンズに近い位置にあって、投影像を該ピンホール板を通して観察することを特徴とする立体像表示装置。なお投影面の付近には必要に応じてフィールドレンズを置いても良い。
請求項１に使われるプロジェクターのバックライトに、面上に凸レンズが並んでなるレンズ板によって光源の光を収束し、面上に並ぶ多数の光源像群を生成したものを使い、投影レンズによって投影される該光源像群のそれぞれの像が、ピンホール板のそれぞれのピンホールに重なることを特徴とする請求項１に記載の立体像表示装置。
請求項１に使われるプロジェクターのバックライトに、光源の光を面上に凹レンズが並んでなるレンズ板を通すことで面上に並ぶ多数の光源像群を生成したものを使い、投影レンズによって投影される該光源像群のそれぞれの像が、ピンホール板のそれぞれのピンホールに重なることを特徴とする請求項１に記載の立体像表示装置。
請求項１のピンホール板のプロジェクター側に、該ピンホール板の各ピンホールと一対一に対応する凸レンズが並んだレンズシートを置くことを特徴とする請求項１〜請求項３の立体像表示装置。
請求項１のピンホール板の観察者側に、該ピンホール板の各ピンホールと一対一に対応する凹レンズが並んだレンズシートを置くことを特徴とする請求項１〜請求項３の立体像表示装置。
元画像を投影レンズで投影するプロジェクターと、該プロジェクターの投影面に面して置かれた面上に平行なスリットが並んでなるスリット板とからなり、該スリット板は投影像が結ばれる位置より所定の距離だけ投影レンズに近い位置にあって、投影像を該スリット板を通して観察することを特徴とする立体像表示装置。なお投影面の付近には必要に応じてフィールドレンズを置いても良い。
請求項６に使われるプロジェクターのバックライトに、面上にシリンドリカル凸レンズが並んでなるレンチキュラーレンズによって光源の光を収束し、面上に平行に並ぶ線状の光源像群を生成したものを使い、投影レンズによって投影される該光源像群のそれぞれの像が、スリット板のそれぞれのスリットに重なることを特徴とする請求項６に記載の立体像表示装置。
請求項６に使われるプロジェクターのバックライトに、光源の光を面上にシリンドリカル凹レンズが並んでなるレンチキュラーレンズを通すことで面上に平行に並ぶ線状の光源像群を生成したものを使い、投影レンズによって投影される該光源像群のそれぞれの像が、スリット板のそれぞれのスリットに重なることを特徴とする請求項６に記載の立体像表示装置。
請求項６のスリット板のプロジェクター側に、該スリット板の各スリットと一対一に対応するシリンドリカル凸レンズが並んだレンチキュラーレンズを置くことを特徴とする請求項６〜請求項８の立体像表示装置。
請求項６のスリット板の観察者側に、該スリット板の各スリットと一対一に対応するシリンドリカル凹レンズが並んだレンチキュラーレンズを置くことを特徴とする請求項６〜請求項８の立体像表示装置。