JP3394149B2

JP3394149B2 - 立体像再生装置

Info

Publication number: JP3394149B2
Application number: JP04354297A
Authority: JP
Inventors: 哲郎小林
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 2003-04-07
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: JPH10239785A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、立体像の再生装置
に関するもので、レーザーのようなコヒーレント光源を
使用せずにカラー立体像や動画を容易に再生できる立体
像再生装置を提供する。

【０００２】本発明は、映画や広告、装飾などの多くの
分野において幅広く適用されることができる。

【０００３】

【従来の技術】従来の立体像再生技術は、基本的には、
立体像を何らかの方法で記録し、これを再現して、それ
を観測者がそのまま観測するものと、立体像ではなく右
眼用と左眼用の平面像をそれぞれ記録し、再生時に、右
眼用の平面像は右眼で、左眼用の平面像は左眼でみえる
ように工夫したステレオスコープ方式の２つに大別でき
る。前者の代表例はホログラムであり、後者の代表例に
は偏光眼鏡を用いる立体映画やレンチキュラーを用いた
立体テレビなどがある。後者は視覚上では立体的に見え
るが実際には立体像を再現していないので、見る位置を
変えても殆ど映像は変わらず、像の裏側が見えてくると
言うわけには行かないので、擬似的な立体像再生と言え
る。一方、前者の例のホログラフィーでは、見る位置を
変えると見え方が変わり、旨くできたものでは、実際に
そこに物があるかのように見える理想的な３次元立体像
記録再生法である。現在、ある程度普及していて、本当
の意味で立体像が記録再生できるのはこのホログラフィ
ーだけである。

【０００４】さて、ホログラフィーでは、立体画像情報
を記録するために物体からの光の波面情報を用いてい
る。波面情報は、別に置いた参照光と物体からの散乱光
とを干渉させ、その干渉縞により記録している。このた
め、光学系および記録媒体には、光波長に近いピッチの
空間分解能が必要とされるほか、レーザーのようなコヒ
ーレント光源が、少なくとも記録には必要であり、我々
が必要とする画像情報自体の量に比べて、必要とされる
記録情報の量は非常に多くなる。記録、再生用の材料
も、フィルムでは解像度が１０００本／mm以上の特別の
ものが必要で、例えば液晶などを用いるなら非常に多く
の画素数が必要となり、技術的にも問題があるばかりで
なく、高価で経済性にも問題が生じる。動画ともなれば
さらに大きな問題となる。また、干渉縞は波長に依存す
るので、ホログラムはそのままではカラーの画像を取り
扱うことはできず、カラーで記録するには３原色の３つ
のレーザーが必要なだけでなく、複雑な工夫が必要であ
る。これらの理由のために、ホログラフィーは、クレジ
ットカードや装飾品用のほか、デジタル情報の記録媒体
には利用されているが、実時間立体画像表示や立体映画
などに利用されるには至っていない。

【０００５】一方、ステレオスコープ方式は、博覧会な
どでおなじみとなっており、それなりに楽しめるが、眼
鏡なし方式にはまだ不完全な部分が多く、また、所詮擬
似的であるため、リアリティに欠けている。いずれにし
ても、現状ではまだ実用となる立体像の再生装置やシス
テムは存在していない。

【０００６】立体画像、特に動画は、画像情報メディア
として最も重要なもので、情報、放送、映画、エンター
ティメントと多方面の分野で有用であり、将来大きな産
業となる可能性を持つので、今まで、国内外を問わず、
多くの企業、大学あるいは民間、公共研究機関で試みら
れているが、まだ、これと言ったものが得られていない
のが現状である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の立体像記録再生技術において、本当の意味で立体像を
記録再生しているのはホログラフィーだけである。ホロ
グラフィーでは、立体画像情報を記録するために物体か
らの光の波面情報を用いており、物体からの散乱光と、
別に置いた参照光とを干渉させ、その干渉縞を記録する
ことで波面情報を記録している。そのため、光学系には
高い波長精度やレーザーのようなコヒーレント光源が必
要となっている。しかし、我々人間は、光線情報のみで
立体像の再生を行っていることはあきらかであるので、
人工的にも波面情報に頼らずに立体像再生が可能なはず
である。本発明は、このような波面情報を用いることな
く立体像の再生を行う手段を提供しようとするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】我々は映像情報を視覚を
通して取り入れているが、これは基本的には空間のエネ
ルギ分布を光線を通して取り入れているのであって、光
の波面、位相は感じていない。従って、本来は光線記録
だけで十分であり、幾何光学的情報、光線的情報で３次
元情報が取り入れ可能なはずである。実際、あらゆる方
向からカメラで物体を撮影すれば、立体情報は完全に記
録できる。しかし、従来はこれを立体像として再現する
手段がなかったのである。本発明者らは、長年の光パル
ス生成、高速光偏向の研究で、フーリエ光学を用いて、
光のもつ種々の情報、例えば時間情報や周波数情報、を
空間に投影し、ここで、処理するという独特の方法を考
案、実証し、多くの成果を得ている。そして、これらの
技術の延長上で、向きを含めた光線の記録もいずれは可
能と考えていた。

【０００９】本発明は、波面を記録すると言うような高
等技術を使うことなく、ピンホールと撮影像の組み合わ
せで光線軌跡、光線の向きと強さ、色を記録するという
単純な方法で得た３次元記録画像に微小光源からのイン
コヒーレント光を照射して立体像として再現することを
可能にするものである。

【００１０】本発明は、このような観点に立ってなされ
たもので、異なる視角による多数のピンホール写真撮影
像の組合せで、光線軌跡、光線の向きと強さ、及び色を
立体像再生用画像としてフィルムなどの記録媒体に記録
し、その記録媒体にインコヒーレント光を照射して物体
からの光線を再現し、結像レンズで３次元立体像を再生
するものである。

【００１１】本発明の立体像再生装置の原理を図１によ
り説明する。図１（ａ）は、本発明の立体像再生装置に
使用される立体像再生用画像の記録装置の基本構成を示
し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の記録装置により記録さ
れた立体像再生用画像から立体像を再生する本発明によ
る立体像再生装置の基本構成を例示的方法で示す。

【００１２】図１（ａ）に示す立体像再生用画像の記録
装置において、１は撮影対象の物体、２は物体１を照射
する白色光源、３は物体１からほぼ焦点距離ｆ₁（〜ｆ
₁で示す）だけ離して設けられた遠視野生成レンズ、４
は遠視野生成レンズ３の光軸上で遠視野生成レンズ３か
ら焦点距離ｆ₁だけ離れた後方位置に光軸に対して直角
に配置され、二次元配列された複数のピンホールをもつ
ピンホールアレイ板、５はピンホールアレイ板４の後方
に、ピンホールアレイ板と平行に配置された映画用写真
フィルムなどの記録媒体である。しかし記録媒体５はＣ
ＣＤ等の撮像素子として、画像情報をビデオで記録する
こともできる。

【００１３】ピンホールアレイ板４のピンホールの大き
さは、光の波長に比べ十分に大きいが、ピンホール写真
が撮影できる程度に小さいものとする。ピンホールの位
置が撮影対象の物体１の遠視野域となるように、物体１
と遠視野生成レンズ３の距離はほぼｆ₁として撮影する
ので、ピンホール後面の記録媒体５には、ピンホールご
とに見る角度の異なった物体のピンホールカメラ像が、
ピンホールの数だけ撮影記録される。この場合、記録媒
体５の面に投影される各ピンホールからの像は、互いに
重ならないようにする必要があり、そのためピンホール
間での視野角のずれの大きさを調整したり、ピンホール
アレイ板４と記録媒体５の間に、各ピンホールからの像
を隔離する格子状のしきり板を挿入するなどの手段がと
られる。またピンホールアレイ板４の各ピンホールにそ
れぞれ凸レンズを設け、それらの凸レンズの焦点距離位
置に記録媒体を置くようにしてもよく、それにより記録
媒体上の像の分解能を良くすることができる。

【００１４】次に、図１（ｂ）の立体像再生装置につい
て説明する。図１（ｂ）において、６は二次元配列され
た複数の微小光源を生成するための微小光源アレイであ
り、図示の例では、図１（ａ）のピンホールアレイ板４
と同じピッチをもつピンホールアレイ板８と、その背後
から光を照射する白色光源７とにより構成されている。
また９は図１（ａ）の記録媒体５から得られるような立
体像再生用フィルム、１０は結像レンズ、１１は再生像
である。

【００１５】図示の微小光源アレイ６では、大面積の白
色光源７からの光をピンホールアレイ板８に照射し各ピ
ンホールから漏れる光を微小投影光源としている。結像
系の結像レンズ１０は、ピンホール面から焦点距離ｆ₂
だけ離して設けられ、立体像再生用フィルム９は、ピン
ホールアレイ板８と結像レンズ１０の間に置かれてい
る。このように立体像再生用フィルム９を、ピンホール
アレイ板８とそのピンホール面から焦点距離ｆ ₂ だけ離
して設けられた結像レンズ１０との間に置くことによ
り、観測者が立体再生像に眼をフォカスしたとき、微小
光源アレイやピンホールの像を目障りにならないように
ぼやけさせることができる。

【００１６】ピンホールアレイ板８上の各ピンホールで
つくられる複数の微小光源により、立体像再生用フィル
ム９に形成されている複数の記録像がそれぞれ照明さ
れ、各記録像の投影像は、結像系の結像レンズ１０によ
り、結像レンズ１０から焦点距離ｆ₂離れた位置に合成
結像される。これにより結像位置には、元の物体の再生
像１１が生成される。

【００１７】なお図１（ｂ）では、微小光源アレイ６は
大面積の白色光源７とピンホールアレイ板８とで構成さ
れているが、各ピンホール位置に微小光源を配置した構
成とし、また微小光源アレイ６から結像レンズ１０まで
の距離は変更することが可能である。

【００１８】

【作用】図２および図３により、本発明の作用を説明す
る。

【００１９】図２は、図１（ａ）における遠視野生成レ
ンズ３の遠視野面の特性を説明する図であり、図３はピ
ンホールアレイ板４の作用を説明する図である。図３で
は、焦点距離ｆ₁の遠視野生成レンズ３と、焦点距離ｆ
₂の結像レンズ１０がｆ₁＋ｆ₂の間隔で配置され、遠
視野生成レンズ３の前方ｆ₁の位置近くに、物体１が配
置されている。これにより、結像レンズ１０の後方ｆ₂
の位置に、観測者の眼１３で立体視できる像１４が結像
される。

【００２０】遠視野生成レンズ３の後方ｆ₁の面（遠視
野面１２）上の特定の場所には、物体１から特定の方向
に向いて散乱された光線のみが集まっており、どの一点
も物体１の一部からではなく全体からの情報が薄まって
きている（例えば、遠視野面中心部には物体面から正面
方向へ散乱された光が集まってきている）。このような
状態が遠視野である。これと対照的なのが近視野で、こ
れは物体のすぐそばやあるいは物体の像ができていると
ころの近傍であり、そこでは、特定の点は物体の特定の
ところの近傍の情報のみをもっている。従って、近視野
では領域の一部をマスク覆いすると物体の一部が欠けて
しまうのに対し、遠視野では領域の一部をマスク覆いし
ても全体的にやや像の情報が薄れてくるだけである。そ
こでもし、図３のように遠視野面上にピンホールアレイ
板４を置いても、ピンホールアレイ板４を透過した光に
よる像は、暗くなるだけであり、物体１の全体の情報は
そのまま残されている。

【００２１】さて、図３のピンホールアレイ板４のすぐ
後ろに衝立を置いたものとすれば、ピンホールアレイ板
４上の全ての穴がそれぞれピンホールカメラのピンホー
ルとなり、物体１に対して少しずつ見る角度の違う像が
写るはずである。そこで、この像をフィルムなどの記録
媒体に撮影、記録し、それを撮影場所に置き、ピンホー
ル位置から点状の光源で投影すれば、図３と同じ光線が
再現され、結果的に図３と同じ光線が結像レンズ１０に
入射することになり、図３と同じ再生像１１が得られる
ことになる。

【００２２】図３のピンホールアレイ板４の後方に記録
媒体を配したのが、図１（ａ）の立体像記録装置の部分
の構成である。

【００２３】また図３において、物体１を取り除いて
も、ピンホールの後方に物体があったときと同じ光線が
再現されるとすれば、同様の像が再生されるので、物体
１を取り除き、記録媒体を同一の場所において、ピンホ
ールを通して光を注入し投影すれば、記録媒体の後方に
は、物体１があって、記録媒体がなかった場合とほぼ同
じ光線が再現されることになる。この結果、結像レンズ
１０を介して、立体再生像が観測できる。図１（ｂ）の
立体像再生装置の部分の構成は、この再生部のみに対応
する。

【００２４】本発明によれば、光源としてホログラフィ
ーにおけるようなコヒーレント光は不要であり、自然光
や白熱電球を利用して容易に立体像の記録、再生を行う
ことができ、したがって無限遠の背景を含む野外撮影も
可能である。また記録媒体には超高分解能のものを用い
る必要はなく、通常のカラーフィルムで十分に対応する
ことができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１（ａ）に示されている構成
は、近接撮影に対して適しているが、遠方撮影には向い
ていない。図１（ａ）の構成では、例えば１０ｍ向こう
の物体の撮影には焦点距離１０ｍのレンズが必要とな
り、撮影系が望遠鏡のように大きくなってしまう。とこ
ろで、どのピンホールを通しても対象物体の全体像が観
測できればよいので、ピンホールの大きさ及び、間隔に
比べ物体が十分に離れた距離にあるならば遠視野生成レ
ンズ３はなくてもよい。図４は、図１（ａ）の構成から
遠視野生成レンズ３をはずした構成である。この構成で
撮影した像に対しても、再生については図１（ｂ）の構
成がそのまま使用することができる。

【００２６】図４の構成で立体感を得るには、全体の口
径が眼の間隔のピンホールアレイが必要である。また、
肉眼で見たのと同程度の立体感を得るには、眼の間隔程
度の口径をもつピンホールアレイが必要である。しかし
この記録面の面積や結像レンズの口径も同程度に大きく
なり、経済性などに問題が残る。これらの問題を解決し
たのが図５の構成である。

【００２７】図５の構成は、焦点距離ｆ₃の対物レンズ
１５を、図１（ａ）の構成における遠視野生成レンズ３
の前方、ｆ₃＋ｆ₁のところに置いたものである。対物
レンズ１５により、遠方像がほぼ図１（ａ）の構成の物
体１の位置に結像されるようになっている。これによ
り、遠方の物体が見かけ上遠視野生成レンズ３の前方ｆ
₁のところに引きつけられたようになり、小さい径の遠
視野生成レンズと記録面でも、広い視角の像記録が可能
になる。

【００２８】次に、カラー立体像の記録再生について述
べる。

【００２９】ピンホールを通過する光線の強さと色の角
度分布が、ピンホールを通る画像情報のすべてである
が、有効角度を限れば、それはピンホール写真で記録で
きる。この記録からもとの光線を再現するのは、ピンホ
ールから広がり光線を放射させ、ピンホール写真に照射
投影すれば可能である。カラーのピンホール写真なら、
白色光照射でカラー画像が再生できる。

【００３０】図３の構成では、物体の１点からそれぞれ
が微小な広がりを持ったＮ本の異なる方向にでた光線
は、Ｎ個のピンホールを経由して結像系に進み、さら
に、観測者へと進む。波長より十分に大きいピンホール
は光線を曲げないので、この光線に相当する光はピンホ
ールアレイを取り去ったときも同じ経路を進んでいるも
のである。このＮ本の光線のいずれかが、観測者の網膜
上に届けば、この点が観測者に見え、届かなければ見え
ない。ピンホールを取り去ると見える点からの光がピン
ホールの挿入により１本も届かなくなった場合は、観測
者にはそこが暗く写って、この部分の像情報が得られず
問題となる。Ｎを多くすれば問題は解決するが、ピンホ
ールの密度を上げすぎるとピンホール画像が小さくな
り、画像情報が少なくなってしまうので、ピンホールア
レイ全体の大きさを大きくする必要が生じ、システム全
体が大きくなってしまう。そこで、眼の解像度に対応し
た物体上での広がりやピンホールの有限口径などで微小
広がりを持ったＮ本の光線ビームのどれかが観測者の位
置にあまり影響せず眼の有効口径内に１つは入るよう
に、ピンホールの位置や本数、結像光学系、観測者の大
ざっぱな位置を工夫、設定する必要がある。本発明の再
生装置は図３と同等の光線を観測側に再生するので、こ
の状況は同じである。

【００３１】そこで例えば、眼の応答速度より速く、時
間的にピンホールの位置を動かし、撮影し、再生時もそ
れに対応して光源の位置を動かすことにより、眼の応答
時間内には必ず像が見えるようにすることができる。た
とえば図１の（ａ）において、ピンホールアレイ板４を
面に平行に垂直方向と水平方向に高速で振動させながら
記録媒体５に動画的に（複数フレームで）記録し、再生
時には、図１の（ｂ）の立体像再生用フィルム９のフレ
ームと同期させて、ピンホールアレイ板８を図１（ａ）
のピンホールアレイ板４と同様に面に平行に垂直方向と
水平方向に振動させながら立体像再生を行えばよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明では、コヒーレント光源は不要で
あり、自然光や白熱電球を記録および、再生に利用でき
るため、無限遠の背景を含む野外撮影、たとえばスペク
タクルものの記録再生が可能である。また超高分解能の
記録媒体は必要とせず通常のカラーフィルムの利用も可
能であるため、映画撮影も可能であり、広告や装飾など
の分野においても幅広く利用されることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】本発明における遠視野面の特性説明図である。

【図３】本発明におけるピンホールアレイ板の作用説明
図である。

【図４】本発明装置に用いられる立体像再生用画像を記
録する装置の１例の構成図である。

【図５】本発明装置に用いられる立体像再生用画像を記
録する装置の他の例の構成図である。

【符号の説明】１：撮影対象の物体２：白色光源３：遠視野生成レンズ４：ピンホールアレイ板５：記録媒体６：微小光源アレイ９：立体像再生用フィルム１０：結像レンズ１１：再生像１２：遠視野面１３：眼１４：像１５：対物レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03B 35/00 - 35/26 G02B 27/22 - 27/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】微小光源アレイと、該微小光源アレイか
ら焦点距離だけ離れて配置された結像レンズと、前記微
小光源アレイと結像レンズの間に配置された立体像再生
用画像記録媒体とを備えていることを特徴とする立体像
再生装置。
【請求項２】請求項１において、立体像再生用画像記
録媒体は、物体と記録媒体の間に、上記微小光源アレイ
のそれぞれの微小光源の位置に対応する位置に複数のピ
ンホールあるいは凸レンズを設けたピンホールアレイ板
を置き、それぞれのピンホールあるいは凸レンズの位置
に応じて異なる視角で上記物体を撮像して記録媒体に複
数の２次元画像を光学的に記録したものであることを特
徴とする立体像再生装置。
【請求項３】請求項１または請求項２のいずれかにお
いて、微小光源アレイは、大面積の白色光源とピンホー
ルアレイ板とにより構成されていることを特徴とする立
体像再生装置。
【請求項４】請求項３において、ピンホールアレイ板
は、面に平行に垂直方向と水平方向に振動し、複数のフ
レームを用いて立体像の再生を行うことを特徴とする立
体像再生装置。