JP4405525B2 - 三次元光線取得装置 - Google Patents
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Description
まず、三次元画像を表示する三次元画像再生装置100について図1〜図4に基づいて説明する。
図1は、三次元画像再生装置100の概略構成を示す図である。液晶ディスプレイ101は、RGB3原色のサブピクセルが後述のようにマトリクス平面状に配置されたカラー液晶表示画面を有する。この液晶ディスプレイ101は駆動装置105により電気的に駆動され、表示画面の各列に視差情報が表示される。液晶ディスプレイ101の背面側にはバックライト103が配置されており、バックライト用電源104から供給される駆動電力により、このバックライト103から発せられた光は液晶ディスプレイ101の表示画面を照らす。
三次元画像再生装置100は、RGBの混色において色割れのない、自然で高精細な三次元画像を再生することができるように以下の構成を有している。図2は、図1に示した三次元画像再生装置100と三次元実像106との位置関係を上から見た図である。観察者108から見てピンホールアレイ板102の後ろ側に配置される液晶ディスプレイ101は、角度に応じて微妙に見え方の違う視差画像群、すなわち多視点画像を表示する。この多視点画像から発せられた光は、いずれかのピンホール109を通って多数の視差画像光線群となり、これらが集光されて三次元実像106が再生される。
図3は、図1のピンホールアレイ板102に代えてスリットアレイ板110を配置した場合を示す図である。ここで、スリットアレイ板110は、垂直方向(又は水平方向)にかけて形成された複数の孔部(スリット111)により構成されている。なお、図4は、スリットアレイ板110を正面から見た概略図を示している。
上述した三次元画像再生装置100では、光線情報に準じた配置の画素を、光線情報をピンホールアレイ板102の背面に表示することで、光線情報の再生を行う。このような表示を行うためには、三次元画像再生装置100の構成、具体的には光線制御素子等の光学特性に応じた光線情報を取得する必要がある。
次に、三次元光線取得装置200の実施形態について図面に基づいて説明する。
(1)三次元光線取得装置200の構成
三次元光線取得装置200では撮像及び照明に係る光学系と、その光学系を可動させ走査する駆動系と、駆動毎に画像データを取得(撮像)する撮像部で構成される。図5は、三次元光線取得装置200の平面図を示しており、図6は、三次元光線取得装置200の側面図を示している。なお、図5、6では、筐体201内の撮像に係る光学系(以下、撮像光学系という)と撮像部Rのみを示している。
光線情報を表す直交座標系として、平面図(図5)の水平方向(図6において紙面に平行な面)を水平方向(x軸とy軸からなる面)とし、平面図の垂直方向(図6において紙面に垂直な方向)を垂直方向(z軸方向)と呼ぶ。このx、y、z座標系によれば、レンズL1、レンズL2、CCDやCMOSといった二次元画像を撮像できる撮像部Rはy軸方向に延設されている。そして、撮像部Rの走査方向は、x軸方向となる。
レンズL1、レンズL2、ミラーM1は一体的にx軸方向に可動する。ミラーM2とミラーM3は一体的に設置され、レンズL1、レンズL2、ミラーM1の移動速度の半分の移動速度でx軸方向に可動する。このようにすることによって、走査による移動があってもレンズL1からの光路長は変化しない。このミラーM1、ミラーM2、ミラーM3のミラーの形状はレンズ越しの画像取得範囲となる。
図7、図8は、三次元光線取得装置200のミラーM1〜M3等による光線の折り返しを省略し、光学系の光線を直線的に示した図である。なお、図7は三次元光線取得装置200の側面図を示しており、図7は三次元光線取得装置200の平面図を示している。
垂直方向: 1/b−1/c=−1/f3v (2)
(1)照明光学系の構成
上述したように、三次元光線取得装置200では、被写体からの光線取得のために、レンズL2を通るさまざまな方向の光を、結像レンズL3で集光することで撮像部Rに映しこみ、当該撮像部Rでその画像を撮像することで光線情報を取得している。ここで、被写体への照明を考えた場合、被写体から取得した光線を逆にたどるように照明を行うことで、被写体に対し様々な方向から照明できることができる。
1/lb=1/la−1/f12 (4)
(1)想定照明での撮像
図16に、想定照明での撮像を説明する図を示す。ここで、想定照明とは、外光等により被写体に対し所定の角度で照明された場合等、所定の条件下での照明の状態を意味する。例えば、図16に示したように、想定光源LS1からの光が図示しない被写体に対し、θl1の角度で照明される状態を再現するには、撮像の基準となる基準位置Pから想定光源LS1方向への垂線と、基準位置Pと想定光源LS1とを結ぶ直線と、のなす角がθl1となる位置から、光源S1により照明すればよい。また、撮像位置を変更することで、撮像の基準位置Pから想定光源LS1方向への垂線と、基準位置Pと想定光源LS1とを結ぶ直線と、のなす角を変えることができ、これにより想定した照明の状態を再現することができる。
上記の態様では、予め想定した角度や方向等の所定の照明条件下で被写体に照明を行うものとしたが、最初に全ての照明条件で照明を行っておくことで、任意の照明条件下での光線を、後のポスト処理で再現することができる。具体的には、一つの位置において、照明可能な全ての照明条件で撮像した後、任意の照明条件の画像だけを用いて画像を合成することで、任意の照明条件下での光線情報を取得することができる。
三次元光線取得装置200は、水平方向及び垂直方向の視差を取得可能な二次元方向タイプと、水平方向(もしくは垂直方向)のみの視差を取得可能な一次元方向タイプの二つのタイプが存在する。二次元タイプの三次元光線取得装置200では、凸又は凹レンズをアレイ状に配置したマイクロレンズアレイをレンズL2として用いる。また、一次元タイプの三次元光線取得装置200では、シリンドリカルレンズをレンズL2として用いる。なお、二次元タイプの三次元光線取得装置200では、凸又は凹レンズをx方向とy方向とに順次移動して画像を取得する方法も考えられる。
(1)プロジェクター方式
図13で用いた光源S1を、照明光として照明画像を投影可能なプロジェクターS10に置き換えたのがプロジェクター方式である。以下、プロジェクター方式の三次元光線取得装置200について説明する。
図22−1、図22−2、図22−3は、光源S1として平行光に近い指向性を持つLED光源S15を用いた場合の、三次元光線取得装置200の構成を示した図である。なお、図22−1は、三次元光線取得装置200における照明光学系の側面図を示しており、図22−2は、上面図を、図22−3は、正面図を示している。
また、光源S1として、レーザービームのような絞った光を出力可能なレーザ光源S2を用いる態様としてもよい。この場合、高輝度な照明を行うことが可能となるため、撮像時間を短縮することができ、より早い画像の取り込みが可能となる。また、レーザ光源S2を用いた場合、照明光の照射位置を別途設けたミラーM5により制御することで、より高速に光線方向を制御することが可能となる。
(1)多色照明によるフィルターレスカラー化
三次元光線取得装置200の撮像部Rにおいて、取得する光線情報をカラー画像化するには、RGBの各色の照明光を所定時間毎に順次照射する時分割照明を行うことで実現することができる。この場合、光源S1として、RGB夫々の色彩の光を個別的に照射可能な光源を備え、この光源S1の照明タイミングと、撮像部Rによる撮像タイミングとを同期させることでカラー画像の光線情報を取得することができる。この時、撮像速度が十分速ければ、高解像度の光線情報を取得することができる。
物体(被写体)は光の波長の夫々に対し固有の反射率を持っており(分光反射率)、照明光が異なれば、色彩や質感が異なる光線情報として取得されることになる。そのため、あらゆる照明光下で実物と同じ色を再現するためには、画素ごとの物体固有の分光反射率データが必要になる。
光線情報を入力する場合、立体的な形状を取得するだけでなく、1平面の光学異方性などの照明次元を変化させながら取得することもできる。1平面の模様(テクスチャー)をスキャンさせながら、それぞれの方向からの照明光を当て、当てられた面の光線情報を取得する。また、テクスチャーマッピング等の公知の画像合成技術を用いて、取得した光線情報を様々な光線状態に対応させた状態で立体物に合成させることもできる。
以下、レンズL2として、二次元レンズアレイL21を用いた態様を説明する。ここで、二次元レンズアレイL21とは、図27−1、図27−2に示したような、複数のレンズL22をアレイ状に配置した光学素子を意味する。なお、上述した三次元画像再生装置100にてマイクロレンズアレイ112を用いる場合には、二次元レンズアレイL21の光学特性に応じたものを用いることが好ましい。
図28を参照して、二次元レンズアレイL21を用いた三次元光線取得装置200を説明する。レンズL2として二次元レンズアレイL21を用いて撮像を行うと、二次元レンズアレイL21の各レンズL22を通じて得られる光線情報は、互いに異なる視点から撮像して得られた光線情報に相当するため、被写体の走査を行うことなく光線情報を取得することができる。
図30を参照して、二次元レンズアレイL21を用いた三次元光線取得装置200の他の態様を説明する。本実施態様では、実施例1で説明した三次元光線取得装置200の透視投影に対するオフセットを無くすため、二次元レンズアレイL21と同等のレンズサイズで、且つ、二次元レンズアレイL21と照明系の投影レンズL4(撮像系の結像レンズL3)の距離と等しい焦点距離を持つレンズを配置する。このようにすることによって、二次元レンズアレイL21に対し正面から光が照射され、レンズ位置の違いによる光線角度のオフセットを抑制することができる。
図31を参照して、二次元レンズアレイL21を用いた三次元光線取得装置200の他の形態を説明する。本実施態様では、図30で説明した三次元光線取得装置200の構成から、ハーフミラーM4を取り除き、照明光学系の投影レンズL4として二次元レンズアレイL42及びレンズL43を配置したものとなっている。
101 液晶ディスプレイ
102 ピンホールアレイ板
103 バックライト
104 バックライト用電源
105 駆動装置
106 三次元実像
107 三次元虚像
108 観察者
109 ピンホール
110 スリットアレイ板
111 スリット
112 マイクロレンズアレイ
113 レンチキュラーシート
200 三次元光線取得装置
201 筐体
L1 レンズ
L2 レンズ
L21 二次元レンズアレイ
L22 レンズ
L23 レンズ
L3 結像レンズ
L4 投影レンズ
L41 二次元レンズアレイ
L42 二次元レンズアレイ
L43 レンズ
L5 コリメートレンズ
L6 シリンドリカルレンズ
M1 ミラー
M2 ミラー
M3 ミラー
M4 ハーフミラー
M5 ミラー
R 撮像部
S1 光源
S10 プロジェクター
S11 反射板
S12 プロジェクター光源
S13 コンデンサレンズ
S14 画像表示素子
S15 LED光源
S2 レーザ光源
Claims (7)
- 直交座標系におけるx−y軸方向の平面上に存在し、且つ、z軸方向に奥行きがある三次元の被写体からの光を入力するとともに、前記被写体に前記z軸方向から光を照射するための第1レンズと、
前記第1レンズを通過した前記被写体からの光を集光する第2レンズと、
前記被写体を照射するための光源と、
前記光源からの光を集光し、前記第2レンズ及び前記第1レンズを通じて前記被写体に照射する第3レンズと、
前記第2レンズを通過した前記被写体の光をx軸方向に反射する第1ミラーと、
前記第1ミラーが反射した前記被写体の光の進行方向を反転する第2ミラーと、
前記第2ミラーを介して入射された前記被写体の光を、二次元の光線情報として撮像する撮像部と、
前記第1レンズ、前記第2レンズ及び前記第1ミラーを一体的に前記x軸方向へ第1の速度で可動するとともに、前記第2ミラーを前記x軸方向と同一方向へ前記第1の速度の半分の第2の速度で可動するための可動部と、
を備え、
前記撮像部は、前記可動部によって前記第1レンズ及び前記第2レンズの位置を変えて撮像した前記光線情報から、三次元画像を取得することを特徴とする三次元光線取得装置。 - 前記第3レンズからの光を、前記第1レンズへ反射するとともに、当該第1レンズから前記第2レンズへの光を透過するハーフミラーを更に備え、
前記ハーフミラーは、前記第3レンズを介した前記光源の光路と、前記第1レンズ及び前記第2レンズ間の光路とが交差する位置に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の三次元光線取得装置。 - 前記第3レンズの集光点が、前記第2レンズ上に位置することを特徴とする請求項1又は2に記載の三次元光線取得装置。
- 前記第3レンズの集光点が、前記第2レンズの集光面と一致することを特徴とする請求項1又は2に記載の三次元光線取得装置。
- 前記光源は、照明画像を照明光として投影可能なプロジェクターであることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の三次元光線取得装置。
- 前記第2レンズは、x−y軸方向又はz軸方向に曲率を有したシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の三次元光線取得装置。
- 前記可動部による前記第1レンズ及び前記第2レンズの移動に伴い、所定の条件下での照明の状態を再現するよう、前記光源の照明条件が変化することを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の三次元光線取得装置。
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