(57)【要約】【課題】全体が鮮明でずれや歪みの無い三次元画像の作成方法及び表示装置を提供する。【解決手段】複数の凸レンズを縦横に所定の数配列したレンズアレイ１及び各凸レンズの後面に該凸レンズに対応する複数の二次元画像３を表示する画像表示手段を備えた三次元画像表示装置４であって、前記レンズアレイ１は前記複数の二次元画像３を作成したレンズアレイを用いることを特徴とする三次元画像表示装置。【選択図】        図１
2004294477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の凸レンズを縦横に所定の数配列したレンズアレイ及び各凸レンズの後面に該凸レンズに対応する複数の画像を表示する画像表示手段を備えた三次元画像表示装置に用いる前記複数の画像を計算する方法であって、再生三次元画像を観る基準視距離を想定し、該基準視距離における視域（基準視域）を二次元配列の微小区画に分割、該各微小区画の中心と前記各凸レンズの基準点を結んだ線に沿ってレイトラッキングすることによって三次元画像表示に用いる前記各凸レンズに対応する画像を計算することを特徴とする三次元画像計算方法。
【請求項２】
複数の凸レンズを縦方向及び横方向に所定の個数配列して構成するレンズアレイ、前記レンズアレイの後面で前記レンズアレイの各凸レンズのほぼ焦点面に配した画像記録手段、前記レンズアレイの前面に所定の距離に配した二次元画像表示手段、前記二次元画像表示手段からの光を前記レンズアレイの多数の凸レンズのうちの１個の凸レンズにみに到達させる光学窓と、前記レンズアレイの凸レンズのうち前記光学窓他の配置されている凸レンズ以外には前記二次元画像表示手段からの光線を到達させない遮光手段、前記光学窓を保持し二次元的に移動する光学窓移動手段、前記二次元画像表示手段への画像の伝送、および前記光学窓移動手段の移動を制御するシーケンス制御手段から構成する三次元画像作成装置において、前記シーケンス制御手段の制御と前記光学窓移動手段により前記光学窓を所定凸レンズ位置に移動、前記シーケンス制御手段は前記所定凸レンズに対応する請求項１による方法に基づいて作成した前記各凸レンズに対応する前記画像を前記二次元画像表示手段に伝送・所定時間表示し、前記二次元画像表示手段に表示された画像を前記光学窓および光学窓により選択されている１個の凸レンズを介して前記画像記録手段に画像を所定時間露光する一連の操作を行った後、前記光学窓移動手段が次ぎの凸レンズ位置に移動し、前記一連の動作を全ての凸レンズに対して繰返して三次元画像を完成すことを特徴とする三次元画像作成方法。
【請求項３】
前記光学窓に前記シーケンス制御手段により制御される光学シャッターを追加し、前記二次元画像表示手段の画像を前記画像記録手段に露光する時間を前記光学シャッターの開閉時間で制御したことを特徴とする請求項２記載の三次元画像作成方法。
【請求項４】
複数の凸レンズを縦横に所定の数配列したレンズアレイ及び各凸レンズの後面に該凸レンズに対応する請求項１記載の方法に基づいて作成した複数の画像表示する画像表示手段を備えた三次元画像表示装置であって、前記レンズアレイが請求項２記載の画像作成に用いたレンズアレイであることを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項５】
前記画像記録手段が写真フィルムであることを特徴とする請求項２記載の三次元画像作成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズアレイを用いた高精細三次元画像作成方法及び三次元画像表示装置に関するもので、レンズアレイ各レンズの位置ずれ、各レンズの歪曲などに影響されずに、解像度の高い正確な三次元画像を表示することを可能とするものである。
【０００２】
【従来の技術】
特殊な眼鏡を用いずに見ることが出来る仮想三次元物体を表示する方法としてＣＧＩＰ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ）と称する方法が知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００３】
このＣＧＩＰでは複数の小さな凸レンズを縦横に配列したレンズアレイを用い、そのレンズアレイの各凸レンズの後方に再生すべき画像情報を複数の画素（要求する解像度によるが例えば１０×１０画素／要素レンズ、１００×１００画素／要素レンズ  など）の形で配したものである。そのレンズアレイの後方に配する画像は各凸レンズ毎にコンピュータで計算し、フィルムに焼付けるか液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等に表示している。この画像をレンズアレイを通して見ると奥行き感のある三次元像が観察される。
【０００４】
【特許文献１】
国際公開第００／５９２３５号パンフレット
【非特許文献１】
Ｙ．Ｉｇａｒａｓｈｉ，  ｅｔ  ａｌ：  “３−Ｄ  ｄｉｓｐｌａｙ  ｓｙｓｔｅｍ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ，”  Ｊａｐａｎ  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．１７，  ｐｐ．１６８３−１６８４，  １９７８
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＣＧＩＰでは次のような問題点があった。
【０００６】
レンズアレイの各レンズに対応する画像を計算する条件として、レンズアレイの各レンズ配列は正確なものとして計算するのが一般的であるが、実際のレンズアレイのレンズ配列はある誤差を伴っている。レンズアレイの各レンズは焦点距離が数ミリ程度の短焦点なものであり、例えば、レンズアレイの中のあるレンズが０．１ミリ予定の位置からずれていた場合、レンズの裏（焦点面）の画像からの光線は予定より数度異なる方向へ射出する。この光線の方向ずれは観察する距離が１メートルとして、観察位置での光線のずれは数１０ミリから１００ミリ程度の大きな値になる。観察距離がもっと遠い場合はさらに大きなずれ量になる。
【０００７】
最終的に、観察者の目に意図した光線にどれだけ近いものが与えられるかが正確な三次元像を再生する為の要点でありながら、従来の方法では、レンズアレイのわずかなレンズ配置誤差に対して、実際の観察距離での光線のずれが大きく影響を受けていた（図３参照）。また、レンズアレイのレンズ配置に誤差があると、多くのレンズからの光線の集まりとして三次元像が表示されているのであるから、それらが本来は１点に収束して像Ｏ０を形成するが、この場合には大きくずれた像Ｏ１及びＯ２も形成し、ぼけた像になる欠点も持っていた（図４参照）。
【０００８】
さらに、レンズアレイの各レンズには、単純な平凸レンズが使用されるのが一般的で、歪曲（正方形の画像が糸巻き型や樽型に変形して見える画像の歪み）があっても、画像の計算にはこの条件を無視するのが一般的であり、画像表示に際してはレンズの歪曲による光線の方向の誤差も生じていて、三次元画像の位置精度やぼけに影響していた。
【０００９】
従って、従来の方法で忠実な画像再生をするためには、レンズアレイのレンズ配置および歪曲をほぼ完全無欠なものしなければならないが、その実現は非常に困難である。またそのようなレンズアレイを得ようとすると多大なコストが掛かり、実用的ではない。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、画像全体が完全な三次元像として表示でき、レンズアレイに配置ずれや歪曲があっても、三次元像の観察エリア（視域）での光線の誤差が小さく、ほとんどずれや歪みの無い三次元画像を表示できる三次元画像計算方法、三次元画像作成方法及び三次元画像表示装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による三次元画像計算方法、三次元画像作成方法及び三次元画像表示装置は次のように構成する。
【００１２】
（１）複数の凸レンズを縦横に所定の数配列したレンズアレイ及び各凸レンズの後面に該凸レンズに対応する複数の画像を表示する画像表示手段を備えた三次元画像表示装置に用いる前記複数の画像を計算する方法であって、再生三次元画像を観る基準視距離を想定し、該基準視距離における視域（基準視域）を二次元配列の微小区画に分割、該各微小区画の中心と前記各凸レンズの基準点を結んだ線に沿ってレイトラッキングすることによって三次元画像表示に用いる前記各凸レンズに対応する画像を計算することを特徴とする三次元画像計算方法。
【００１３】
（２）複数の凸レンズを縦方向及び横方向に所定の個数配列して構成するレンズアレイ、前記レンズアレイの後面で前記レンズアレイの各凸レンズのほぼ焦点面に配した画像記録手段、前記レンズアレイの前面に所定の距離に配した二次元画像表示手段、前記二次元画像表示手段からの光を前記レンズアレイの多数の凸レンズのうちの１個の凸レンズにみに到達させる光学窓と、前記レンズアレイの凸レンズのうち前記光学窓他の配置されている凸レンズ以外には前記二次元画像表示手段からの光線を到達させない遮光手段、前記光学窓を保持し二次元的に移動する光学窓移動手段、前記二次元画像表示手段への画像の伝送、および前記光学窓移動手段の移動を制御するシーケンス制御手段から構成する三次元画像作成装置において、前記シーケンス制御手段の制御と前記光学窓移動手段により前記光学窓を所定凸レンズ位置に移動、前記シーケンス制御手段は前記所定凸レンズに対応する前記（１）による方法に基づいて作成した前記各凸レンズに対応する前記画像を前記二次元画像表示手段に伝送・所定時間表示し、前記二次元画像表示手段に表示された画像を前記光学窓および光学窓により選択されている１個の凸レンズを介して前記画像記録手段に画像を所定時間露光する一連の操作を行った後、前記光学窓移動手段が次ぎの凸レンズ位置に移動し、前記一連の動作を全ての凸レンズに対して繰返して三次元画像を完成すことを特徴とする三次元画像作成方法。
【００１４】
（３）前記光学窓に前記シーケンス制御手段により制御される光学シャッターを追加し、前記二次元画像表示手段の画像を前記画像記録手段に露光する時間を前記光学シャッターの開閉時間で制御したことを特徴とする前記（２）記載の三次元画像作成方法。
【００１５】
（４）複数の凸レンズを縦横に所定の数配列したレンズアレイ及び各凸レンズの後面に該凸レンズに対応する前記（１）記載の方法に基づいて作成した複数の画像表示する画像表示手段を備えた三次元画像表示装置であって、前記レンズアレイが前記（２）記載の画像作成に用いたレンズアレイであることを特徴とする三次元画像表示装置。
【００１６】
（５）前記画像記録手段が写真フィルムであることを特徴とする前記（２）記載の三次元画像作成方法。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は本実施例における三次元画像表示装置４のレンズアレイ１の各凸レンズに対応する三次元画像を計算する方法を示したものである。
【００１９】
出来上がった各凸レンズ後面の二次元画像３を三次元画像として観察する基準視距離および、その視距離での三次元画像が観察出来る領域の平面（基準視域）を設定した上で、レンズアレイ１の各凸レンズに対応する画像を以下の手順で計算する。図１に示すように表示する三次元画像の解像度に応じて基準視域２を二次元的な配列のＭ×Ｎの微小領域に分割する。
説明を簡単にするために、まずは仮想物体が不透明な場合について説明する。
【００２０】
▲１▼分割した基準視域の微小領域の一つの中心Ｃから▲２▼所定の凸レンズＡに向かう直線Ｄに沿って表現すべき仮想物体Ｂを探索（レイトラッキング）し、▲３▼最初に仮想物体に到達した点Ｐが仮想物体の表面であるから、▲４▼仮想物体の点Ｐについて、表面色や仮定した照明光に基づき、基準視域の微小領域の中心Ｃから見た場合の輝度や色を計算で求め、▲５▼直線ＤとレンズＡの後面の画像記録手段１１（写真フィルムＥ）の交点の画像データとする。所定の凸レンズＡに対し分割したＭ×Ｎ個の全視域にこの計算を繰り返し、一つの凸レンズＡに対応する後方画像が完成する。同様の計算を全ての凸レンズについて行い、全体画像の計算が完成する。
【００２１】
仮想物体が透明や半透明だったり、屈折率が与えられている場合や、さらに表面反射まで考慮する必要がある場合は、点Ｐの画像データとして透過及び屈折等も計算する。影が必要な場合は影も計算する。
【００２２】
次に上記の計算結果に基づいて各凸レンズ後面の画像の作成方法について述べる。
【００２３】
図２Ａ，図２Ｂはその三次元画像作成装置の概念図である。三次元画像作成装置は凸レンズを縦横に所定の数配列したレンズアレイ１２、その後面（ほぼ焦点面）に配した画像記録手段１１（写真フィルム）を備え、前記レンズアレイ１２および画像記録手段１１は暗箱１０に入っている。また、シャッター１３を備えたシャッター移動手段１４（図の例ではＸ−Ｙステージ）を備え、蛇腹１８は一方がシャッターの周囲に、他方が暗箱１０に固着されており、シャッター移動手段１４によりシャッター１３が移動してもシャッター１３の位置の背後の１個のレンズ以外にはスクリーン１７からの光が常に到達しないように遮光している。
そのシャッター移動手段１４およびシャッター１３はコンピュータ１５に接続されている。そのコンピュータ１５には画像投影手段１６も接続されており、コンピュータ１５で生成した画像をスクリーン１７に投影するように構成されている。また、スクリーン１７とレンズアレイ１２の距離は基準視距離に配置している。
【００２４】
三次元画像表示装置用の各凸レンズ後面に配置する画像の作成は次のような手順で行う。画像作成前に画像記録手段１１（写真フィルム）をレンズアレイ１２の後面のほぼ焦点面に予め設置しておく。シャッター１３が所望の凸レンズの前面に位置するようにシャッター移動手段１４を操作する。上記手順で計算した所望の凸レンズに対応する画像をコンピュータ１５のメモリーより呼び出し画像投影手段１６によってスクリーン１７に投影する。シャッター移動手段１４の操作によるシャッター１３の位置決め終了以降、画像投影までの一連の動作はコンピュータ１５により自動的に制御されるようになっている。投影された画像はシャッター１３の開閉操作で所望の凸レンズ後面にある画像記録手段の部分のみが露光されるようになっている。以上述べた一連の操作中、所望の凸レンズ以外の凸レンズは暗箱１０および蛇腹１８で覆われおり、それらに対応する画像記録手段の部分は露光しないようになっている。
【００２５】
全ての凸レンズに対して同様の画像記録手段の部分露光を繰り返し全体の画像を作成する。シャッター１３を二次元的に制御して位置決めするシャッター移動手段として、Ｘ−Ｙステージ、２関節以上を備えたロボットアームなどが考えられるがこれに限るものではない。
【００２６】
基準視域に対応した二次元画像画像を表示する装置として、画像投影手段１６とスクリーン１７を組み合わせたもので説明したが、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ等、所定の基準視域より大きい画面が得られる二次元画像表示装置であればその方式にはこだわらない。
【００２７】
シャッターが移動してもレンズアレイの１個のレンズ以外に基準視域に対応した二次元画像表示手段等からの光が到達しない為に蛇腹を使用した例で説明したが、その方式にはこだわらない。
【００２８】
また、前記実施例では、シャッターを移動するもので説明したが、画像記録手段１１に適切な露光が与えられればよいので、シャッターの代わりに単なる光学窓とし、基準視域に対応した二次元画像画像表示装置の画像表示時間を制御してもよい。
【００２９】
さらに、シャッターが移動・停止してから露光する例で説明しているが、スクリーン１７の画像が明るいか画像記録手段１１としての写真フィルムが高感度であれば、露光は一瞬で済むので、その場合はシャッターの移動は間欠的である必要は無く、連続的に移動させていてちょうど目的のレンズの前にシャッターが来た瞬間にシャッターを開き露光させてもよい。勿論、シャッターを使用せず光学窓のみの場合も連続移動は可能である。
【００３０】
また、スクリーン１７へ伝送する画像はあらかじめ計算し、コンピュータ１５のメモリーに記憶してある場合で説明したが、メモリーを使わず直接画像計算の結果を表示しても良い。
【００３１】
上記のようにして作成した全体画像をレンズアレイを通して見ると画像全体が三次元像として表示される。本発明では、上記の画像作成に用いたレンズアレイ自体を表示用レンズアレイとして用いる。レンズがずれていると作成した画像が本来の位置からずれて形成されるが、同一のレンズで画像が再生されるので、ずれて生成された画像が補償され、レンズアレイのレンズ配置誤差や歪曲があったとしても、基準視域には正しい位置に光線が戻ってくる性質があり（図５参照）、視域（基準視域近傍、図６のハッチング部分）での光線のずれがほとんど生じないので、画像の位置や形状が正確な三次元像が得られるという大きな特徴を備えている。
【００３２】
従来例での説明同様、レンズアレイの中のあるレンズが０．１ミリ予定の位置からずれていた場合においての本発明の特徴を説明する。本発明で、たとえレンズが０．１ミリずれていたとしても、その同じずれた位置のレンズを介して画像を記録したのであるから、少なくとも基準視距離の二次元画像表示装置のあったところには元通り光線が戻ることは保証されている。従って再生される三次元像の光線は、基準視距離の基準視域近傍では位置誤差のほとんど無い光線となっている。実際にこの装置で得られる三次元画像は基準視距離近傍の視域（図６参照）から観察するように想定しているので、視域での光線の位置誤差が非常に小さく、実際の視域からの観察で画像の位置ずれは感じられない。同様に、基準視域とレンズアレイの中間に再生される三次元像の各点はその位置ずれがレンズの位置ずれ量よりさらに小さく、多くのレンズからの光線の集まりとして三次元像が表示されているのであるから、それらもほぼ１点に収束し、得られる三次元像にぼけが少ないという特徴も持っている（図５Ｏ０及びＯ１、Ｏ２参照）。
【００３３】
レンズアレイの各レンズに歪曲があっても、記録と再生に同じレンズを使用することから、レンズを介しての記録と再生の光線は可逆であるから、再生時に基準視域に戻ってくる光線はレンズの歪曲が補償されている。
【００３４】
つまり、作成した画像に凸レンズの位置ずれや歪曲に起因するずれや歪みが生じても、画像を表示する際には作成した画像のずれや歪みを該凸レンズのずれや歪みにより補償されて正常な三次元画像が表示されることになる。従って、ここに述べた三次元画像生成方式はレンズ精度、レンズ取付け誤差などが再生される三次元画像に影響を与えないことが大きな特徴となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、計算機による画像の生成に際しては基準視域の各点の光線を基準に計算するので、基準視域近傍の光線が高精度に計算され、最終的に重要な視域での光線の正確な三次元表示が可能となる。また、計算機に基づいて生成した各凸レンズに対応した画像を作成する際に用いたのと同じレンズアレイを画像の表示にも用いることにより、レンズアレイのレンズ配置ずれや各レンズの歪曲があったとしても、ずれや歪みの非常に少ない三次元画像が表示できるようになる。
【００３６】
上記のように構成した三次元画像表示装置及び画像作成方法は次のような分野でなどで幅広く利用が可能である。
（１）医療用三次元ディスプレイ
（２）屋外広告
（３）イベント用ディスプレイ
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による三次元画像生成のレイトラッキング方法の説明図
【図２Ａ】本発明による三次元画像作成装置の構成を示す概念立面図
【図２Ｂ】図２Ａ図示の斜視図
【図３】従来例での凸レンズのずれによる画像のずれを説明する図
【図４】従来例での凸レンズのずれによる再生画像のぼけを説明する図
【図５】本発明による、凸レンズのずれによりずれた画像を同一の凸レンズでの再生を説明する図
【図６】本発明による視域を説明する図
【符号の説明】
１    レンズアレイ
２    基準視域
３    凸レンズ後面の二次元画像
４    三次元画像表示装置
１０  暗箱
１１  画像記録手段
１２  レンズアレイ
１３  シャッター
１４  シャッター移動手段
１５  コンピュータ
１６  画像投影手段
１７  スクリーン
１８  蛇腹
【図１】
2004294477.tif 000003
【図２Ａ】
2004294477.tif 000004
【図２Ｂ】
2004294477.tif 000005
【図３】
2004294477.tif 000006
【図４】
2004294477.tif 000007
【図５】
2004294477.tif 000008
【図６】
2004294477.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成16年3月18日(2004.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004294477.tif 000010
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2004294477.tif 000011