JP3403048B2 - ３次元像再生装置及び３次元被写体情報入力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は３次元像再生装置及
び３次元被写体情報入力装置に関し、特に観察者の目が
疲れず自然な状態で静止及び動く３次元像を再生し、該
３次元像の観察ができる３次元像再生装置と、３次元被
写体を容易に撮像記録することができる３次元被写体情
報入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、立体物（３次元物体）を立体
的に再生する方法として様々な方式が試みられている。
これらのうち、両眼視差を用いて観察者に立体視を行わ
せる方法（偏光メガネ方式、レンチキュラ方式など）は
広く利用されているが、眼の調節機能による立体認識
と、両眼視差による立体認識との間に矛盾が生じるた
め、観察者は疲労や違和感を覚えることが少なくない。
そこで、こうした両眼視差のみに頼らず、眼のその他の
立体認識機能を満足する三次元的な像再生の方法が、数
多く試みられている。

【０００３】図３８は特開平６−１３３３４０号公報で
提案されているピンホールを利用したIP(Integral Phot
o)方式の「立体画像再生装置」の要部概略図である。こ
の装置はピンホールパネル１１４とマルチ画像面１１２
で構成されている。ピンホールパネル１１４には縦横に
小間隔で並列的にピンホール１１３が配置されており、
その他の部分は遮光性を有する。ピンホールパネル１１
４の前面に被写体１１６が存在するとき、マルチ画像面
１１２上には各々のピンホールを通過した光線による小
画像１１１が形成される。

【０００４】これらの小画像をすべてマルチ写真１１５
として記録し再びマルチ画像面に配置すると、記録時に
被写体１１６より発せられた光線を逆追跡するような光
線が各ピンホール１１３を通って出射し、被写体１１６
同様の立体像を再構成することができる。ただし、記録
・再生共に光線はピンホールの位置のみでサンプリング
されるため、実際の被写体より発する光線のすべてを再
構成することはできない。

【０００５】そこで、特開平６−１６０７７０号公報で
はピンホールパネル１１４とマルチ画像面１１２ともに
動画像表示可能な電子的表示パネルを用い、時分割でピ
ンホール位置を高速に移動し、各時刻でのピンホール位
置に応じた小画像群をマルチ画像面１１２に高速表示し
て再生時の光線本数減少を防いでいる。観察者は眼の残
像効果によって、輝度が向上し、かつピンホールパネル
１１４全面から光線が放出されるような立体像を認識す
ることができる。また、電子的表示パネルの使用によ
り、動画立体像の再生も可能となる。

【０００６】一方、同様の構成にてマルチ画像面１１２
上に表示パネルの代わりに画像撮像素子を配置して、こ
の３次元像再生装置専用の３次元被写体情報入力装置を
構成することができるようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図３８に示す立体画像
再生装置は、多数の人がメガネなどの特殊な装置を付け
ずに同時に立体画像を観察することができると共に、視
点位置を変えて立体画像を観察することもできる。

【０００８】しかしながら、図３８に示す立体画像再生
装置には次のような問題点が存在する。

【０００９】第１に、再生像の輝度を考慮するとピンホ
ール径はある程度以下にすることはできないので、ピン
ホール通過後の光線の広がりがある程度大きくなること
は避けられない。これにより再生像の解像度の低下を招
く。

【００１０】第２に、上記と同様の理由により、観察者
の眼の焦点は画像面に合うことを余儀なくされ、両眼視
差による認識との矛盾が生じ、観察者の眼に負担をかけ
てしまう。

【００１１】第３に、マルチ画像面に記録される小画像
の解像度がそのまま再生される立体像の解像度に反映さ
れるので、十分な解像度の立体像を得るためには非常に
高解像度の表示パネルを使用しなくてはならない。

【００１２】本発明は、自然で疲労感がなく、３次元像
の観察ができる３次元像再生装置及び簡単な構成により
３次元被写体情報を実在の物体から入力し記録すること
ができる３次元被写体情報入力装置の提供を目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の３次元
画像再生装置は、画像情報を表示する画像表示手段と、
微小開口を形成する空間光変調手段と、該空間光変調手
段に近接して配置した光学系と、該画像表示手段と該空
間光変調手段を制御する制御手段とを有し、 所定の観察
位置に対して３次元像を再生する３次元画像再生装置に
おいて、 該空間光変調手段の微小開口と該光学系を介し
て出射する該画像表示手段からの光線の内の複数の光線
が３次元空間内の所定の点を一定時間内に通過し、且つ
該所定の点を通過した複数の光線のうち最も近接する２
つの光線の該観察位置における間隔が観察者の瞳孔径以
下となるように制御手段により制御し、且つ該空間光変
調手段の微小開口と該光学系を介して出射する該画像表
示手段からの光線の最大径が観察者の瞳孔径以下である
ことを特徴としている。

【００１４】請求項２の発明は請求項１の発明において
前記観察位置に入射する最も近接する２つの光線の間隔
を２ｍｍ以下となるように決定していることを特徴とし
ている。

【００１５】請求項３の発明は請求項１の発明におい
て、前記空間光変調器の微小開口と前記光学系を通して
出射する光線の最大径が２ｍｍ以下となるように該空間
光変調手段の構成を決定していることを特徴としてい
る。

【００１６】請求項４の発明は請求項１の発明におい
て、前記制御手段は前記空間光変調器の微小開口の垂直
方向の長さのみ該空間光変調手段の全領域の垂直方向の
長さに等しくなるよう該空間光変調手段を制御している
ことを特徴としている。

【００１７】請求項５の発明は請求項１の発明におい
て、前記制御手段は前記空間光変調器の微小開口を前記
一定時間内に該空間光変調手段の全領域を重複すること
なく移動するよう制御していることを特徴としている。

【００１８】請求項６の発明は請求項１の発明におい
て、前記一定時間は観察者の残像許容時間よりも短いこ
とを特徴としている。

【００１９】請求項７の発明は請求項１又は５の発明に
おいて、前記一定時間は１／３０〜１／６０秒の範囲内
であることを特徴としている。

【００２０】請求項８の発明は請求項１の発明におい
て、前記画像情報は再生すべき３次元像を前記空間光変
調手段及び前記光学系を通して前記画像表示手段の画像
表示面上へ逆投影したときの画像情報に等しいことを特
徴としている。

【００２１】請求項９の発明は請求項１の発明におい
て、前記空間光変調手段と前記光学系と前記画像表示手
段がいずれも複数の領域に分割されており、該光学系は
分割された各領域ごとに光軸が異なっており、該空間光
変調手段は各領域ごとに単一の微小開口を形成し、該画
像表示手段は各領域ごとに画像情報を表示することを特
徴としている。

【００２２】請求項１０の発明は請求項９の発明におい
て、前記画像表示手段の複数の領域に分割された領域に
表示された画像情報を形成する光が、前記光学系の対応
する領域のみに入射するよう前記画像表示手段と前記光
学系とで挟まれた空間に遮光性の仕切板を設けているこ
とを特徴としている。

【００２３】請求項１１の発明は請求項１の発明におい
て、前記制御手段は、前記画像情報および前記空間光変
調器の微小開口の存在範囲を制御して、前記観察位置か
ら見た前記３次元空間内の所定の点に指向性を与えてい
ることを特徴としている。

【００２４】請求項１２の発明は請求項１の発明におい
て、前記制御手段は、前記空間光変調器の微小開口と前
記光学系を通して出射する１本の光線が前記３次元空間
内の再生像上の複数の点を通過するとき、前記３次元空
間内の所定の点が該微小開口から最も遠い点となるよう
に制御して該再生像の隠面処理を行っていることを特徴
としている。

【００２５】請求項１３の発明は請求項１の発明におい
て、前記空間光変調手段の光入射側または光出射側に屈
折部材を設けていることを特徴としている。

【００２６】請求項１４の発明は請求項１の発明におい
て、前記制御手段に画像情報の反転手段が設けられてい
ることを特徴としている。

【００２７】請求項１５の発明は請求項１の発明におい
て、前記空間光変調手段は透過型の液晶表示素子で構成
されていることを特徴としている。

【００２８】請求項１６の発明は請求項１の発明におい
て、前記空間光変調手段は前記画像表示手段よりも観察
者側に配置されていることを特徴とている。

【００２９】請求項１７の発明の３次元被写体情報入力
装置は、請求項１から１６のいずれか１項記載の３次元
像再生装置の画像表示手段と画像撮像手段を入れ替え、
前記空間光変調器の微小開口の位置を該３次元像再生装
置と同様に制御しながら、該画像撮像手段上に投影され
た画像情報およびその時刻の該微小開口位置情報を時系
列的に入力するようにしたことを特徴としている。

【００３０】請求項１８の発明は請求項１７の発明にお
いて、前記画像撮像手段に画像反転手段が設けられてい
ることを特徴としている。

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の３次元像再生装置
の実施形態１の要部概略図である。図中１は画像表示器
（画像表示手段）で、たとえばＣＲＴ、液晶ディスプレ
イ、ＬＥＤマトリクスアレイパネル等の電子ディスプレ
イより成っている。画像表示器１の表示面上には画像
（画像情報）７が表示されている。この画像７は適当な
視野角を有しており上下左右の広い範囲から観察するこ
とができる。

【００３４】画像表示器１は画像情報を表示可能なデバ
イスであればその他の画像形成手段を用いてもかまわな
い。プロジェクターのスクリーン部やレーザービーム等
のスキャンによる画像形成面をこれにあててもよい。

【００３５】２は光学系、３は微小開口を形成するピン
ホールパネルである。図１の構成では光学系２には凸レ
ンズ（正レンズ）を用いている。ピンホールパネル３は
透過型の空間光変調器（空間光変調手段）で構成してお
り、任意の位置の透過率を電子的に切り替え、光学的な
ピンホール４を形成することができるような、例えば液
晶ディスプレイより成っている。

【００３６】光学系２とピンホールパネル３は近接して
配置されている。画像表示器１とピンホールパネル３は
それぞれ画像制御装置５とピンホール制御装置６によっ
て駆動・制御している。二つの制御装置５，６は信号線
で接続されていて相互に同期をとることができるように
なっている。ピンホール４は一定周期Ｔでピンホールパ
ネル３の全域を高速に移動している。ピンホール４の移
動の順序としては例えば図２のように水平走査を上から
下に行っていく方法や、図３のように垂直走査を右から
左あるいは左から右に順に行っていく方法等が適用でき
る。

【００３７】本実施形態では、全域を一定周期Ｔ内に重
複なく走査すればどのような順序であってもかまわな
い。

【００３８】図４〜図６は本実施形態の一部分の平面図
である。次に図４〜図６の平面図を用いて、３次元空間
内の点像ａ〜ｃを再生する方法を説明する。図４はある
時刻ｔ１における３次元像再生装置の状態を示してい
る。ピンホール４は図中の位置に存在している。画像表
示器１上の画像形成光は様々な方向に発散するが、この
うち観察者の眼に到達するのはピンホール４を通過した
光線のみとなる。画像表示器１と光学系２は光学系の焦
点距離ｆまたはそれ以上の微小距離だけ離れており、ピ
ンホール４を通過する光は平行光もしくはそれに準ずる
収束光のビームとしている。

【００３９】時刻ｔ１において再生したい点像ａ〜ｃの
位置とピンホール４、光学系２の位置は一意的に決定し
ているので、ピンホール４を通過後の光がどの方向に向
かうかは画像表示器１上の画像情報によって制御するこ
とができる。たとえば、点像ａを再生する光線を発生さ
せるためには、点像ａから光の進行方向に逆方向に放射
され、ピンホール４を通り光学系２で屈折するような光
線を逆トレースし、その光線と画像表示器１の表示面と
の交点１ａ’に点像ａに対応する輝度を与えれば、しか
るべき光線を生成することができる。同様に、空間内の
他の点ｂ、ｃの再生についても表示すべき情報１ｂ’、
１ｃ’の位置が一意的に決定する。

【００４０】前述したとおり、ピンホール４はピンホー
ルパネル３の全面にわたって高速に移動している。図５
は別の時刻ｔ２における光束の進行状態を示している。
ピンホール４は図中の位置に移動しているので、画像表
示器１に表示すべき画像情報１ａ’、１ｂ’、１ｃ’も
それにあわせて変化する。ただし、画像情報１ａ’、１
ｂ’、１ｃ’の位置の決定方法は時刻ｔ１の場合に準じ
て行えばよく、ピンホール４がどの位置に存在していて
も画像表示器１に表示すべき情報を一意的に決定するこ
とができる。

【００４１】本実施形態ではピンホール４がピンホール
パネル３の全域を移動する周期Ｔは人間の眼の残像許容
時間（1/30〜1/50秒）以下に設定されており、観察者は
ピンホール４の移動を認識することはできない。よっ
て、周期Ｔ以上の時間が経過した場合、観察者は図６の
ようにピンホールパネル３の全面から３次元的な点像
ａ、ｂ、ｃを再生する光が放射されているかのように認
識する。点像ａ〜ｃをより多数の点像の集合に拡張すれ
ば（画像表示器上でより多数の点像を表示すれば）、３
次元的な面の表現が可能となり、本実施形態ではこれに
よって一般的な３次元像８の再生を行っている。

【００４２】尚、本平面図での説明は３次元像の水平方
向の結像位置についての説明であるが、垂直方向の結像
位置についても全く同様に制御している。

【００４３】ただし、上記の方法で実際の３次元物体の
観察に近い自然な状態を再現するためには再生する光線
が一定の条件を満たしていなくてはならない。本発明の
原理によれば、再生される点像はすべて複数の光線（ビ
ーム）の交点として表現されている。よってこれを認識
するには少なくとも二本以上のビームが観察者の瞳の中
に入射する必要がある。人間の眼の瞳孔径は2mm 〜7mm
程度であるので、まず第一に上記のビーム径を直径2mm
以下としている。また、観察者の瞳孔に少なくとも二本
のビームが入射するためには、隣り合うビーム間距離が
ある程度小さくなくてはならない。

【００４４】これを幾何学的に考察すると、図７のよう
な位置関係を考慮する必要がある。つまり、ピンホール
パネル３上での隣り合うビーム３ａ，３ｂ間の距離を
Δ、ピンホールパネル３から再生される点像Ｐまでの距
離をＬａ、点像Ｐから観察者の瞳１０１位置までの距離
をＬとすると、観察者の瞳１０１位置でのビーム３ａ，
３ｂ間の距離ｐは

【００４５】

【数１】 と表され、距離ｐが2mm 以内であれば、観察者の瞳孔に
二本以上のビームが入射する状態となる。

【００４６】よって、ピンホール４の大きさ、ピンホー
ルパネル３の分解能、再生される点像位置、想定される
観察者の観察位置等のパラメータが上記条件に基づいて
設定されていれば、観察者は再生像を自然な３次元像と
して認識することができる。例えばピンホールパネル３
から再生像Ｐまでの距離Ｌａが300mm 、再生像Ｐから観
察者の瞳１０１位置までの距離Ｌが600mm の時、距離Ｐ
≦2(mm)とするには、

【００４７】

【数２】 よりピンホールパネル３の分解能は1mm 以下にすればよ
い。

【００４８】また、画像表示器１に表示する画像情報を
制御することによって再生像を形成する光に指向性を与
えることができる。

【００４９】図８はこの方法の説明図である。例として
点像Ｐの再生を考える。ピンホール４がピンホールパネ
ル３上のどの位置にあるときも、点Ｐを再生する光線を
すべてを再生すると点像Ｐは観察者ＡとＢの双方に観察
されることになる。しかしピンホールが図中のＡ領域に
存在するときのみ光線が再生され、Ｂ領域に存在すると
きは点像Ｐを再生する光線を発生させないように、画像
情報を制御してやると、点像Ｐを再生する光束は観察者
Ａにしか観察されないような指向性を持った光束とな
る。こうした性質をうまく利用することにより再生すべ
き点像数を最小限に抑え、かつ再生像において隠面処理
をも実行することができる。

【００５０】図９〜図１７はこの方法の説明図である。
図９は点像再生の基本概念を示している。ピンホールパ
ネル３上にａ〜ｄの４つのピンホールの存在位置を想定
する。これらから出射する光線の集合によって三次元像
Ａ上の点Ｘｏを再生するためには、各光線をそれぞれ点
Ｘｏで交わるような方向に出射させればよい。このと
き、各光線は点Ｘｏの他にこの三次元像Ａと点Ｘａ、Ｘ
ｂ、Ｘｃ、Ｘｄで交わるが、それらの点は光線の集束点
とはなっていないので、３次元的な点像とは認識されな
い。

【００５１】このように、本発明においては光線の集束
点のみが再生される点像となり、光線の集束する，しな
いは、ピンホールの位置と画像表示器１に表示される画
像情報によって制御される。

【００５２】上記のような概念に基づけば、３次元像の
再生時に再生像点数を最小限に抑制し再生の効率を向上
させることができる。図１０〜図１３においてはいずれ
もピンホールの存在位置としてａ〜ｄの４点を、再生す
る点像として像Ａ上の点Ｘ１〜Ｘ４を想定している。

【００５３】図１０においてピンホールａから出射する
光線は点Ｘ２を通るものを除いていずれも像Ａとの交点
を２点以上有する（点Ｘ２では光線は像Ａに接してい
る）。しかし、観察者は１つの光線上に２点の再生点を
認識する必要はない。観察者が認識すべき点像はこれら
の点のうち出射点から最も遠い点（最も観察者よりの
点）の像のみであるべきである。

【００５４】図１０でいうと点Ｘ１よりも点Ｘ１’、点
Ｘ３’よりも点Ｘ３、点Ｘ４’よりも点Ｘ４の方が遠く
にあるのでピンホールａからの光線の再生対象点は点Ｘ
１’、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４となる。このようにピンホール
ａからの出射光線と像Ａとの交点のうち、より点Ａから
遠くにある点の集合は再生の対象点とされ、図中の太実
線で示された範囲に存在する。

【００５５】逆に、ピンホールａからの出射光線と像Ａ
との交点のうちよりピンホールａの近くにある点の集合
は再生対象外の点とされ、図中の細点線で示された範囲
に存在する。再生の対象となった点については前述した
ように、ピンホールパネル３上のピンホール位置および
画像表示器１上の画像情報によって制御される。ピンホ
ールａに限らず他のピンホール位置からの光線について
も、同様に再生対象点と再生対象外の点を決定すること
ができ、それぞれの範囲が図１１〜図１３中に太実線と
細点線とで示されている。各出射点ごとの主要再生対象
点をまとめると次の表のようになる。

【００５６】

【表１】 このように各ピンホール位置ａ〜ｄから最も遠い像点の
みを再生対象点とすることで像Ａを形成する点のすべて
を再生する必要が無くなり、かつ１つのピンホールから
の光線の出射方向制御を画像表示器１によって一周期の
間行うだけで１つの像の再生がすべて済んでしまう。

【００５７】さらに、上記の方法を応用して立体像同士
の隠面処理も可能となる。この方法について図１４〜図
１７）を用いて説明する。図示されたように、像Ａと像
Ｂの２つの３次元像を再生する場合、観察される方向に
よっては一方が他方に隠れてしまうことがあるが、こう
した場合も再生対象点の選択・制御によって十分表現可
能となる。

【００５８】たとえば、図１４においてピンホールａか
ら出射する光線と再生像Ａ、Ｂの交点のうち、像Ａ、像
Ｂを通じてピンホールａから最も遠い点は図中の太実線
の範囲に存在しており、これらを再生対象点とし、それ
以外の図中細点線で示された範囲の点を再生対象外とす
れば、隠面は再生されない。ピンホールａに限らず他の
位置のピンホールｂ〜ｄからの光線についても、同様に
再生対象点と再生対象外の点を決定することができ、そ
れぞれの範囲が図１５〜図１７中に太実線と細点線とで
示されている。このような方法の像再生をピンホールパ
ネル３上の全面において適用して、再生される３次元像
の隠面処理を行っている。

【００５９】ＣＧ（コンピューターグラフィックス）等
のように３次元像の情報が既知のものの場合、上記のよ
うな一連の画像データ生成をコンピューターで行うこと
ができる。コンピューターはピンホールの位置と画像情
報を一組にして時系列的に生成し、前記の制御装置５，
６に送信する。これらのデータは生成後一度、動画像情
報として格納し、その後、制御装置５，６に送信するこ
ともできる。

【００６０】本実施形態においては観察者の頭部位置情
報を検出する頭部位置検出手段を組み合わせる構成によ
り、再生像データの生成と像再生を高速化している。図
１８はこの方法の原理説明図である。

【００６１】図１８において９は観察者の頭部位置を検
出するステレオカメラより成る頭部位置検出手段１０か
らの信号を処理する画像処理部である。画像処理部９は
ステレオカメラ１０によって得られたステレオ画像を分
析して、観察者の頭部位置を検出している。頭部位置の
データは画像制御装置５に送られる。観察者の頭部位置
が特定して、その存在範囲にのみ像再生用の光線を放射
している。そして画像表示器１上の画像表示範囲とピン
ホールパネル３上のピンホール存在範囲を狭い範囲に限
定している。これにより再生像データを生成する計算量
を軽減し、画像表示器１およびピンホールパネル３の駆
動すべき範囲を狭くして、１つの画像を再生するために
要する時間を大幅に短縮している。

【００６２】本実施形態における光学系２は画像表示器
１からの発散光を平行光またはそれに準ずる収束光に変
換している。よって、この役割を果たすものであればそ
の他の光学系で代替してもよい。この光学系２はピンホ
ールパネル３のどちら側においてもよく、両方に分かれ
て存在していてもよい。

【００６３】図１９は光学系２として２つの正レンズ２
ａ，２ｂを用い、それらをピンホールパネル３の前後に
配置した例である。これにより光学系全体の焦点距離が
短くなり、ピンホールパネル３と画像表示器１との距離
を小さく抑えている。画像表示器１からの光を収束光に
変換する場合、ピンホール通過後のビーム径が最小とな
る位置は再生する３次元像の近傍であることが望まし
い。

【００６４】これは、（イ）ビームの広がりによる再生
像の解像度低下を防ぐ、（ロ）観察者の目の調節機構に
対する矛盾を最小限に抑える、の２つの目的を達成する
ためである。

【００６５】例えば光学系２全体の焦点距離が250mm 、
光学系２の主平面位置から３次元像までの距離がおおよ
そ500mm 前後であるとすると、光学系２の主平面位置か
ら画像表示面までの距離を500mm 程度にすれば、解像度
が高く観察者に不自然さを感じさせない３次元像を再生
することができる。

【００６６】本発明の３次元像再生装置ではピンホール
を用いて光線を生成し、それを時間的に前後して集積す
ることで３次元像形成光を再生している。しかし、微小
なピンホールをきわめて短い時間内に走査するために
は、高速な空間光変調器と高帯域の制御手段の両方が必
要となる。

【００６７】そこで、本実施形態では観察者の立体認識
においてあまり重要ではない３次元像の垂直方向視差を
破棄し、ピンホールの代わりに垂直方向に細長いスリッ
トを使用することでこの問題を解決している。例えば、
ピンホールまたはスリットが全面を走査する周期を1/30
秒として、縦150mm 、横200mm のピンホールパネル上で
分解能1mm のピンホールまたはスリットを形成する場合
にピンホールパネルに要求されるフレームレート（画像
書き換え周波数）をそれぞれ求めると、ピンホールの場
合は900KHz、スリットの場合は6KＨｚとなり、スリット
走査の方が圧倒的にフレームレートが低いことがわか
る。

【００６８】図２３は３次元像再生装置において微小開
口としてピンホールの代わりにスリット１９を形成する
構成を例示したものである。スリットパネル３ｃ上に形
成される開口は前述のピンホール同等の幅とピンホール
パネルと同等の高さを有する縦長のスリット１９であ
る。スリット１９はスリットパネル３ｃ上を右から左、
または左から右に高速移動するが、ピンホールの走査同
様パネル３ｃの全域を一定周期内に重複なく走査すれば
どのような順序であってもかまわない。

【００６９】画像表示器１に表示する画像情報はピンホ
ールの場合と同様のやり方でスリット位置に応じて生成
する。ただし、垂直方向の視差を持たないので観察者の
認識する３次元像の垂直方向のピントは、常に光学系
（レンズ）２と画像表示器１との位置関係で一意的に定
まる結像面上にある。

【００７０】例えば、図２４の側面図で示されたように
レンズ２と画像表示器１の距離がレンズの焦点距離ｆの
２倍＝２ｆである場合、画像情報はレンズ２から２ｆ離
れた位置に結像する。スリット１９は垂直方向に細長い
ので、観察者は水平方向にはピントの手がかりがない
が、垂直方向については上記の結像位置をピントの手が
かりとする。よって垂直方向の結像位置は図２４の例の
ように再生される３次元像８の近傍にあることが望まし
い。

【００７１】これは上記に述べた最適なビーム収束位置
に等しい。ただし、水平方向のビーム収束特性と垂直方
向のピント位置を独立に制御したい場合は、シリンドリ
カルレンズやアナモフィック光学系を光学系２として用
いて垂直方向の屈折力と水平方向の屈折力を異ならせて
も良い。

【００７２】次に、上記３次元像再生装置用の３次元像
データを入力する３次元被写体情報入力装置および方法
について説明する。図２０は本発明の３次元被写体情報
入力装置の要部概略図である。本実施形態では前述の通
り３次元像再生装置は光線の再構成によって３次元像を
再生する。よって３次元像データを入力するには物体か
ら発せられる光を多数の光線に分解し、個々の光線の情
報を記録している。撮像装置の構成方法として最も簡便
な方法は図２０に示すように図１の３次元像再生装置と
同様の構成で、画像表示器１の代わりに画像撮像器１１
を用いる方法である。

【００７３】図２０において撮像装置は上記再生装置と
同様にピンホール制御装置６によって駆動・制御される
ピンホールパネル３と光学系２を有するが、画像表示器
１の代わりに画像撮像器１１を配置している。画像撮像
器１１にはＣＣＤ（固体撮像素子）、撮像管などを使用
している。被写体１２から発せられた光はピンホール４
を通過した光線のみが画像撮像器１１に到達し、それら
の集合が画像情報となって撮像される。再生装置と同様
にピンホール４はピンホールパネル３上を高速に移動
し、画像情報はそれに応じて刻々と変化する。

【００７４】このように変化する画像情報は動画情報と
して画像撮像器制御手段１３に送信され、動画像記録手
段１４に記録される。このとき画像情報と共に撮像時の
ピンホール位置を示す信号も同時に記録される。再生時
には上記画像情報信号とピンホール位置情報信号が画像
制御装置５およびピンホール制御装置６に送信され、適
当な画像とピンホールが形成される。

【００７５】ただし、上記の方法で得られた画像情報を
そのまま画像表示器に表示すると再生される３次元像は
逆立体視像となる。次に図３４，図３５を用いてこの現
象を説明する。図３４は前述した３次元被写体情報入力
装置の要部平面図である。図に示すように３次元被写体
１２が配置されている場合、この入力装置からは三角形
型の被写体が手前に、円形の被写体が奥に見え、被写体
１２の点線で示された側の情報が入力される。

【００７６】もしもこの情報を、図３５のように入力時
と同様に配置した再生装置で再生すると、観察者は被写
体１２を入力装置の反対側から眺めたような像８を観察
することになる。つまり、三角形型の被写体が奥に、円
形の被写体が手前に見え、像８のうち観察者から遠い側
である点線で示された側の情報が見えてしまう。

【００７７】こうした逆立体視状態の像を正立体視状態
で観察できるように戻すためには、いったん逆立体視状
態になった像を再度３次元被写体情報入力装置で入力
し、それを再生装置で再生すればよい。ただし、３次元
被写体情報入力装置をもう一台用意する必要はなく、３
次元被写体情報入力装置を用いて再度被写体情報を入力
したのと等価な画像変換処理をコンピューター内で仮想
的に行ってやればよい。図３６はこの方法を示してい
る。

【００７８】図３４に示した要領で入力された３次元被
写体情報は２次元画像情報の集合となって動画像記録手
段１４に記録されている。コンピューター３２は、これ
らの情報に基づき仮想的な再生装置３０を用いて再生し
た３次元像８‘を構成するすべての光線の情報を求める
ことができる。（なぜなら、再生装置の構成が既知であ
る以上、再生装置の画像表示器１に何らかの情報が表示
されたとき、その画像情報とピンホール４の位置情報、
光学系２の特性情報から、ピンホール４より出射する光
線の情報は一意的に決定するからである。）３次元像８
‘を構成するすべての光線の情報がわかれば、それを仮
想的な被写体情報入力装置３１を用いて入力して得られ
る動画像情報もまた計算によって求めることができる。

【００７９】ただし、ある瞬間に仮想的な再生装置３０
のピンホール４と仮想的な被写体情報入力装置３１のピ
ンホール４とを同時に通過する光線は一本しかないの
で、それぞれのピンホール４を同期させて移動すると、
３次元像８‘の情報を正しく得ることができない。よっ
て図３７に示すような方法で計算を行い、正しい光線情
報を得るべきである。

【００８０】仮想的な再生装置３０のピンホール４の位
置座標はピンホールパネル３の面内で２次元的に(i,j)
と表され、これらは時刻t に依存するので (i(t),j(t))
と表される。仮想的な再生装置３０の画像表示器１面内
の座標(m,n) における輝度情報L もまたすべて時刻に依
存して変化するので 関数Ｌ(m(t) ,n(t))で表される。
時刻ｔにおいてピンホールを通って出射する光線の分布
は画像表示器１面内のＬ(m(t),n(t)) の分布とピンホー
ルパネル３上のピンホール位置(i(t),j(t)) によって一
意的に決定する。

【００８１】ピンホール４がピンホールパネル３の全領
域を移動する周期をT とすると、仮想的な３次元像８
‘を構成するすべての光線の情報は、一周期T 内におけ
る画像表示器１面内のＬ(m(t),n(t)) のすべての分布と
ピンホールパネル３上のすべてのピンホール位置(i(t),
j(t)) によってやはり一意的に決定する。仮想的な被写
体情報入力装置３１はこうして得られたすべての光線情
報より、ある瞬間ｓにおいて(i'(s),j'(s)) の位置にあ
るピンホールを通過して画像撮像器１１に到達した光線
の輝度情報L' (m'(s),n'(s))の集合を画像情報として得
て、一周期T 内のすべての L'(m'(s),n'(s)) の集合を
繰り返し求めてゆけば、所望の動画像情報を得ることが
できる。

【００８２】このようにして得られた動画像情報を用い
て実際の再生装置にて３次元像再生を行えば、その３次
元像は図３６に示したような正立体視像となっている。

【００８３】上記の構成例では画像撮像器１１として画
像表示器１と同じ大きさのものを使用しているが、大型
の画像 撮像器が利用できない場合には、図２１のよ
うに撮像面にスクリーン１５を配置し、スクリーン１５
上に一度画像を形成してからその画像を撮像光学系１６
を介して小型の画像撮像器１７に入力する方法をとるよ
うにしても良い。また図２２のようにスクリーン１５の
代わりに大口径のリレーレンズ１８を配置してもよい。

【００８４】図２５は本発明の３次元像再生装置の実施
形態３の要部概略図である。

【００８５】本実施形態はピンホールの走査領域、画像
情報の表示領域を分割することによりピンホールパネル
３や画像表示器１に要求されるフレームレートを低く抑
えている。図２５ではピンホールパネル３、画像表示器
１は複数の領域に分割され、それぞれ独立に駆動可能な
状態にある。ピンホールパネル３の隣り合う領域同士は
連続的であって、観察者から領域の分割は認識されな
い。ピンホール４は各領域内で各々実施形態１と同様に
走査している。２０はピンホールパネル３近傍の光学系
であり、図２６に示すようなレンズアレイ２０を用いて
いる。レンズアレイ２０の個々のレンズ２０ａの位置・
大きさは上記ピンホールパネル３の分割された領域に対
応している。

【００８６】実施形態１と同様、画像表示器１上には再
生する３次元像がピンホール４を通して光学系２０によ
り逆投影された像を表示している。これによって画像表
示器１上に表示すべき画像情報はレンズアレイ２０及び
ピンホール４と同数存在する。各画像情報は分離して存
在することから、画像表示器１の分割は不連続であって
もよく各領域ごとに画像表示器１が分離されていても良
い。画像制御装置５、ピンホール制御装置６は各領域の
画像情報とピンホールを並列かつ独立に制御するものを
用いている。これによってそれぞれの制御装置を領域の
分割数と同数用意し、すべて並列に接続して制御しても
よい。

【００８７】領域分割の第一のメリットはピンホールパ
ネル３に要求されるフレーム周波数を低く抑える点にあ
る。これはピンホールの走査面積が縮小し、一定周期内
に形成すべきピンホールの数が減少するからである。

【００８８】例えば、ピンホールの走査周期を1/30秒と
して、縦150mm 、横200mm のピンホールパネル上で分解
能1mm のピンホールを形成・走査する場合、パネル全面
を走査するためにパネルに要求されるフレームレートは
900KHzとなる。しかしこのピンホールパネルを縦３分割
横４分割して縦50mm、横50mmの１２の領域に分割した場
合、一つの領域内を走査するためにピンホールパネルに
要求されるフレームレートは75KHz に抑えることができ
る。

【００８９】従ってピンホールパネルの各領域を並列に
制御できるのであれば、ピンホールパネル全体に要求さ
れるフレームレートも75KHz とすることができる。もち
ろん、実施形態１に示したようにピンホールをスリット
に置き換えても良く、これによれば、一層のフレームレ
ート抑制の効果が得られる。

【００９０】領域分割の第二のメリットは装置本体の奥
行きを短くできることにある。アレイ化した個々の光学
系の焦点距離は実施形態１の光学系より短くできるた
め、領域を分割した場合は光学系から画像表示器までの
距離も短くすることができ、装置全体の奥行きが短くな
る。

【００９１】ただし、光学系のアレイ化によって必ずし
も画像情報が分離されるとは限らない。画像表示器１上
に表示すべき３次元像ａ〜ｃの逆投影画像は複数に分か
れるが、例えば図２７のように個々のレンズ２０ａの倍
率が小さい場合、画像表示器１上で隣り合う逆投影画像
同士が干渉しあってしまう。これでは３次元像を正しく
再生することはできない。

【００９２】そこで本実施形態では図２８に示すように
逆投影画像同士が干渉しあわないようレンズ２０ａの焦
点距離を設定している。また、図２９に示すようにレン
ズアレイ２０と凸レンズ（正レンズ）２１を組み合わせ
ることにより、３次元像の逆投影画像の周辺倍率が大き
くなったり、逆投影画像の存在範囲が画像表示器１から
はみ出すのを防いでいる。この場合、画像表示器１の分
割領域は等面積でしかも各領域に表示すべき画像情報の
倍率を均一にすることができる。もちろんレンズアレイ
２０と凸レンズ（正レンズ）２１、ピンホールパネル３
の順番はいかようにも変更できる。

【００９３】さらに、領域分割を行った場合、図３０に
示すように一つのピンホール４を複数の画像情報光が通
過してしまうことがある。これを防ぐために図３１に示
すようにピンホールパネル３と画像表示器１の間に分割
領域を仕切る遮光性の仕切り板２２を設けている。

【００９４】領域分割の構成においてピンホールをスリ
ットに置き換える場合、レンズアレイとしては図３２の
ような複数のシリンドリカルレンズを配列したレンチキ
ュラーレンズ２３を、ピンホールパネル３上の開口部は
図３３に示すような複数のスリット１９を生成すればよ
い。

【００９５】また、本実施形態の再生装置用の３次元像
情報の入力装置においては、画像表示器、光学系、ピン
ホールパネルともに同様の領域分割が行われ、それぞれ
同様に配置され制御している。

【００９６】

【発明の効果】本発明によれば以上のように各要素を設
定することにより、自然で疲労感がなく、３次元像の観
察ができる３次元像再生装置及び簡単な構成により３次
元被写体情報を実在の物体から入力し記録することがで
きる３次元被写体情報入力装置を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元像再生装置の実施形態１の要部
概略図

【図２】図１の空間光変調手段の説明図

【図３】図１の空間光変調手段の説明図

【図４】図１の一部分を通過する光線の説明図

【図５】図１の一部分を通過する光線の説明図

【図６】図１の一部分を通過する光線の説明図

【図７】図１の一部分を通過する光線の説明図

【図８】図１の３次元像の再生の説明図

【図９】図１の空間光変調手段から出射する光線の光路
説明図

【図１０】図１の空間光変調手段から出射する光線の光
路説明図

【図１１】図１の空間光変調手段から出射する光線の光
路説明図

【図１２】図１の空間光変調手段から出射する光線の光
路説明図

【図１３】図１の空間光変調手段から出射する光線の光
路説明図

【図１４】図１の空間光変調手段から出射する光線の光
路説明図

【図１５】図１の空間光変調手段から出射する光線の光
路説明図

【図１６】図１の空間光変調手段から出射する光線の光
路説明図

【図１７】図１の空間光変調手段から出射する光線の光
路説明図

【図１８】本発明の３次元像再生装置の実施形態１に頭
部位置検出手段を設けた概略図

【図１９】本発明の３次元像再生装置の実施形態１の一
部分を変更したときの概略図

【図２０】本発明の３次元被写体情報入力装置の実施形
態２の要部概略図

【図２１】本発明の３次元被写体情報入力装置の実施形
態２の一部分を変更したときの概略図

【図２２】本発明の３次元被写体情報入力装置の実施形
態２の一部分を変更したときの概略図

【図２３】本発明の３次元被写体情報入力装置の実施形
態２の一部分を変更したときの概略図

【図２４】本発明の３次元像再生装置の実施形態１の要
部側面図

【図２５】本発明の３次元像再生装置の実施形態３の要
部概略図

【図２６】図２５の一部分の説明図

【図２７】図２５の一部分の要部側面図

【図２８】図２５の一部分の要部側面図

【図２９】図２５の一部分の要部側面図

【図３０】図２５の一部分の要部側面図

【図３１】図２５の一部分の要部側面図

【図３２】図２５の一部分を変更したときの説明図

【図３３】図２５の一部分を変更したときの説明図

【図３４】本発明の３次元被写体情報入力装置の実施形
態２の要部側面図

【図３５】本発明の３次元被写体情報入力装置の実施形
態２の要部側面図

【図３６】本発明に係る３次元被写体情報入力装置と３
次元像再生装置との説明図

【図３７】本発明の３次元被写体情報入力装置の実施形
態２の要部側面図

【図３８】従来の３次元像再生装置の要部概略図

【符号の説明】

１ 画像表示手段 ２ 光学系 ３ 空間光変調手段（ピンホールパネル） ４ ピンホール ５ 画像制御手段 ６ ピンホール制御手段 ８ ３次元像 ９ 画像処理部 １０ 頭部位置検出手段 １１ 画像撮像器 １２ 被写体 １３ 画像撮像器制御手段 １４ 動画像記録手段 １５ スクリーン １６ 撮像光学系 １７ 画像撮像器 １８ 大口径リレーレンズ １９ スリット ２０ 光学系（レンズアレイ） ２１ 正レンズ ２２ 遮光板 ２３ レンチキュラーレンズ ３０ 再生装置 ３１ 被写体情報入力装置 ３２ コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−160770（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−36145（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−34037（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−15549（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−268639（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/22 H04N 13/00 - 13/04 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】画像情報を表示する画像表示手段と、 微小開口を形成する空間光変調手段と、 該空間光変調手段に近接して配置した光学系と、 該画像表示手段と該空間光変調手段を制御する制御手段
   とを有し、 所定の観察位置に対して３次元像を再生する３次元画像
   再生装置において、 該空間光変調手段の微小開口と該光学系を介して出射す
   る該画像表示手段からの光線の内の複数の光線が３次元
   空間内の所定の点を一定時間内に通過し、且つ該所定の
   点を通過した複数の光線のうち最も近接する２つの光線
   の該観察位置における間隔が観察者の瞳孔径以下となる
   ように制御手段により制御し、且つ該空間光変調手段の
   微小開口と該光学系を介して出射する該画像表示手段か
   らの光線の最大径が観察者の瞳孔径以下である ことを特
   徴とする３次元画像再生装置。
2. 【請求項２】 前記観察位置に入射する最も近接する２
   つの光線の間隔を２ｍｍ以下となるように決定している
   ことを特徴とする請求項１の３次元像再生装置。
3. 【請求項３】 前記空間光変調器の微小開口と前記光学
   系を通して出射する光線の最大径が２ｍｍ以下となるよ
   うに該空間光変調手段の構成を決定していることを特徴
   とする請求項１の３次元像再生装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は前記空間光変調器の微小
   開口の垂直方向の長さのみ該空間光変調手段の全領域の
   垂直方向の長さに等しくなるよう該空間光変調手段を制
   御していることを特徴とする請求項１の３次元像再生装
   置。
5. 【請求項５】 前記制御手段は前記空間光変調器の微小
   開口を前記一定時間内に該空間光変調手段の全領域を重
   複することなく移動するよう制御していることを特徴と
   する請求項１の３次元像再生装置。
6. 【請求項６】 前記一定時間は観察者の残像許容時間よ
   りも短いことを特徴とする請求項１の３次元像再生装
   置。
7. 【請求項７】 前記一定時間は１／３０〜１／６０秒の
   範囲内であることを特徴とする請求項１または５の３次
   元像再生装置。
8. 【請求項８】 前記画像情報は再生すべき３次元像を前
   記空間光変調手段及び前記光学系を通して前記画像表示
   手段の画像表示面上へ逆投影したときの画像情報に等し
   いことを特徴とする請求項１の３次元像再生装置。
9. 【請求項９】 前記空間光変調手段と前記光学系と前記
   画像表示手段がいずれも複数の領域に分割されており、
   該光学系は分割された各領域ごとに光軸が異なってお
   り、該空間光変調手段は各領域ごとに単一の微小開口を
   形成し、該画像表示手段は各領域ごとに画像情報を表示
   することを特徴とする請求項１の３次元像再生装置。
10. 【請求項１０】 前記画像表示手段の複数の領域に分割
    された領域に表示された画像情報を形成する光が、前記
    光学系の対応する領域のみに入射するよう前記画像表示
    手段と前記光学系とで挟まれた空間に遮光性の仕切板を
    設けていることを特徴とする請求項９の３次元像再生装
    置。
11. 【請求項１１】 前記制御手段は、前記画像情報および
    前記空間光変調器の微小開口の存在範囲を制御して、前
    記観察位置から見た前記３次元空間内の所定の点に指向
    性を与えていることを特徴とする請求項１の３次元像再
    生装置。
12. 【請求項１２】 前記制御手段は、前記空間光変調器の
    微小開口と前記光学系を通して出射する１本の光線が前
    記３次元空間内の再生像上の複数の点を通過するとき、
    前記３次元空間内の所定の点が該微小開口から最も遠い
    点となるように制御して該再生像の隠面処理を行ってい
    ることを特徴とする請求項１の３次元像再生装置。
13. 【請求項１３】 前記空間光変調手段の光入射側または
    光出射側に屈折部材を設けていることを特徴とする請求
    項１の３次元像再生装置。
14. 【請求項１４】 前記制御手段に画像情報の反転手段が
    設けられていることを特徴とする請求項１の３次元像再
    生装置。
15. 【請求項１５】 前記空間光変調手段は透過型の液晶表
    示素子で構成されていることを特徴とする請求項１の３
    次元像再生装置。
16. 【請求項１６】 前記空間光変調手段は前記画像表示手
    段よりも観察者側に配置されていることを特徴とする請
    求項１の３次元像再生装置。
17. 【請求項１７】 請求項１から１６のいずれか１項記載
    の３次元像再生装置の画像表示手段と画像撮像手段を入
    れ替え、前記空間光変調器の微小開口の位置を該３次元
    像再生装置と同様に制御しながら、該画像撮像手段上に
    投影された画像情報およびその時刻の該微小開口位置情
    報を時系列的に入力するようにしたことを特徴とする３
    次元被写体情報入力装置。
18. 【請求項１８】 前記画像撮像手段に画像反転手段が設
    けられていることを特徴とする請求項１７の３次元被写
    体情報入力装置。