(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）白色点光源アレイ（１、１１、２１、３１、４１）と、
（ｂ）光の強度、カラーの空間的重み付けを行う機能を持ったカラー透過空間分布フィルター（２、１３、２２、３２、４２）を具備し、
（ｃ）前記カラー透過空間分布フィルター（２、１３、２２、３２、４２）がエレメントのアレイを含み、個々のエレメントがそれぞれ白色点光源に対応し、前記対応する白色点光源から放射される光の強度と色を変調させるためのフィルター機能をそれぞれ有している、立体像再生装置において、前記カラー透過空間分布フィルター（２、１３、２２、３２、４２）に物体の多視点透過像が記録されて、前記エレメントの一部は前記対応する白色光源の光の前記強度と重みを変調するフィルター機能を与えられて前記物体の３次元像（５、４４）を生成し、前記カラー透過空間分布フィルター（２、１３、２２、３２、４２）の残りのエレメントは背景像（４３）を生成するフィルター機能を有することを特徴とする背景付き立体像再生装置。
【請求項２】
請求項１記載の背景付き立体像再生装置において、前記カラー透過空間分布フィルター（３２）から観測者（３４）までの間に、一枚から複数枚のレンズ（３３）を配置したことを特徴とする背景付き立体像再生装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の背景付き立体像再生装置において、前記白色点光源アレイ（１１）が白色光源（１１Ａ）と白色散乱板（１１Ｂ）、及びピンホールアレイ（１１Ｃ）を有することを特徴とする背景付き立体像再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像技術、放送技術、芸術産業、マルチメディア産業、カメラ、写真等の分野に属する光フィルターを用いた背景付き立体像再生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の立体像記録再生技術は基本的には立体像を何らかの方法で記録し、それを再現して、それを観測者がそのまま観測する方式と、立体像ではなく右眼用、左眼用の平面像を記録し、再生時に右眼用は右眼に、左眼用は左眼で見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。
【０００３】
前者の代表例はホログラムとインテグラルホトグラフィであり、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。
【０００４】
後者の場合は立体的に見えるが立体像を再現していないので、見る位置を変えても映像は変わらず、裏側が見えてくるという訳にはいかないので疑似的立体像再生と言える。
【０００５】
理想的ともいえる３次元立体像記録再生法（以下、３次元立体像を３Ｄ像と略す）であるホログラフィでは、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。波面情報は別においた参照光と物体からの散乱光とを干渉させ、その干渉縞を記録することで記録している。このため、光学系、及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他、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る。干渉縞は波長に依存するので、そのままではカラーの画像は取り扱えず、カラー記録には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。
【０００６】
以上から、フルカラーの大画面ホログラフィは非常に高価となり、現在ではホログラフィは規模が小さくてよいクレジットカードや装飾品用の他はデジタル情報の記録媒体には利用されているが、実時間３Ｄ像表示や立体映画などに利用されるまでには至っていない。
【０００７】
次に、インテグラルホトグラフィは視差により立体を得ている点ではステレオスコープと同じであるが、ステレオスコープが２つの視角からの像を両眼で観測し、両眼視差から立体感を得るのに対し、インテグラルホトグラフィは、多視角からの像を記録し、これを元に見る位置によって見え方の違う多数の画像を多重再生している。
【０００８】
従って、眼を動かせば見え方が変わり、眼鏡は不要であるなどの長所を持つ。
さらに、通常光で記録再生が可能で、しかも無限遠の風景の再生もできるなどホログラフィにない多くの長所を持つ。しかしながら、インテグラルホトグラフィは、一定の位置に全視角の像が多重結像しており（もちろん特定の方向からはそれぞれの一部しか見えないが）、ここに目をフォーカスして視差により異なった位置にあるように見せるので、フォーカス位置と見える位置が一致せず、不自然さは免れない（例えば、像が目の前に見えても、目のピントは遠くに合わせている）。
【０００９】
また、多視角からの像記録はマイクロレンズアレイで簡単に行えるが、これを逆過程で再生すると、前方からの眺めを裏面から見る（顔面を再生すれば顔が見えるが鼻がへこんで見える）ようになり、このため、面倒な裏返し操作が必要になるなど手間も多い等の欠点を持つ。
【００１０】
一方、ステレオスコープ形は博覧会等で、よく見られるもので、それなりに楽しめるが、眼鏡なし方式としてはまだ不完全な部分が多く、また所詮疑似的であるため、リアリティに欠けている。さらに、インテグラルホトグラフィ同様、フォーカス位置と見える位置が違うという欠点も持っている。
【００１１】
いずれにしても、現状ではまだ十分に実用となる３Ｄ像記録再生装置、システムは存在せず、その提案が待望されている。
【００１２】
３Ｄ画像の記録再生、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、エンターテイン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、公共研究機関でその研究が試みられてはいるが、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。
【００１３】
さて、このような現状を打破するため、本願発明者は先に、点光源アレイで多視点像群を投影することにより、物体からの散乱光に相当する光線群を人為的に生成し、３Ｄ像を生成する「光線再生法」を提案している（特開平１０−２３９７８５号公報）。さらに、解像度を改良した「フィルター利用立体像再生装置」も提案している（特願平１１−２３２１７８号）。これらは、多視点像群を用いる点でインテグラルホトグラフィ（以下、ＩＰと略する）に類似するが、奥行きのある３Ｄ像そのものを再生し、視差を用いない点で異なり、むしろホログラフィに近い（カメラ撮影すれば合焦部以外はぼける）。既に簡単な物体ではほぼ満足できる３Ｄ像の生成に成功している。
【００１４】
以下、本発明の前提となる技術について詳細に説明する。
【００１５】
図９は立体視の原理を示した模式図である。
【００１６】
図９においては、方位、距離の異なる２点Ｐ，Ｑを観測物体としている。観測者１０１へ向かってくる光線の方向で物体の方位が分かり、点物体を見通す両眼の視差角で距離が察知される。ここでは光線を有限の線で表しているが、実際には光線は無数にある。このような光線が生成できれば実際の２点Ｐ，Ｑがなくても観測者１０１には２点が立体的に見えるはずである。
【００１７】
さて、このような光線を人為的に生成し、立体像を観測できるようにしたのが光線再生法である。図１０に光線再生法の基本構成を示す。
【００１８】
図１０において、１０１は観測者、１０２は白色点光源アレイ、１０３は多視点からの像を記した像フィルター（光線生成用）、１０４はレンズである。
【００１９】
無数の光線を再現することは不可能であるので、この図に示すように、面状に分布した白色点光源アレイ１０２を通る光線だけを再現する方法をとっている。
白色点光源アレイ１０２とこれに対向して置かれた像フィルター１０３上で点光源一つ一つに対応して空間の１点のみ透過可能な点型カラーフィルターを配置すれば、この２点（点光源と透過点）を結ぶ直線方向に進むカラーのついた光線が再生できる。これらの光線が１点Ｐ′にレンズ１０４で集光されるなら、あたかもＰ′からの光線が来ているように観測者１０１には観測され、Ｐ′が３次元的に見えるのである。
【００２０】
３次元物体は点の集合であり、像フィルター１０３に点ではなく適当な多視点透過像が記録されていれば、この構成で３次元物体が再現される。
【００２１】
また、図１０の破線のように、レンズ１０４′と別の点物体Ｐを想定すると、Ｐ′を通る光線はＰより出た光線を再生しているとも考えることができ、観測者はＰ′を見たとも、又はＰのレンズ１０４′，１０４による実像を観測したとも考えることができる。
【００２２】
図１１は点再生ではなく３Ｄ物体再生の例を示している。
【００２３】
図１１において、１１１は白色光源、１１２はピンホールアレイ、１１３はカラーフィルター、１１４はレンズ、１１５は観測物体、１１６は観測者である。
【００２４】
この図では、点光源アレイを白色光源１１１、散乱板（曇りガラスのようなもの）とピンホールアレイ１１２の組み合わせで代用している。
【００２５】
さて、光線再生のカラーフィルター１１３の実体は観測物体１１５があるものとしてその観測物体１１５からの光線のうち図１０の点光源アレイ１０２の点光源部、あるいは図１１ではピンホールアレイ１１２のピンホール部を通る光線のフィルター面状での通過軌跡である。また、図１０のようにレンズ１０４による像を観測したと考える場合は像でなく、観測物体１１５を特定の点光源部から眺めた２次元画像が特定の点光源に対向したフィルター部に記録されているとも考えられ、インテグラルホトグラフィの記録像と基本的には同一である（但し、再生に際し、インテグラルホトグラフィのように像が裏返しになるようなことは起こらない）。
【００２６】
この場合は、点光源部、あるいはピンホール部にマイクロレンズを配置して実物体をフィルター面状でポジ撮像すればそれがカラーフィルターになる。解像度を気にしないのならピンホールのままでピンホール写真を記録すれば光線軌跡がそのまま記録される。ＣＧやアニメーション等では実写せず、コンピューターで計算して描けばよい。
【００２７】
本願発明者はこの方式でまずまずのカラー立体像生成に既に成功している。
【００２８】
しかしながら、この光線再生法の持つ大きな問題点の一つに、白色点光源部やフィルター部のような舞台裏が見えてしまい、リアリティに欠けるという点がある。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の装置の最大の問題点は、人間の目の被写界深度が深いこと及びフィルター部に散乱が存在すること等のために光線再生による立体像の他、フィルターや白色点光源アレイ（ピンホールアレイ）等の装置の舞台裏まで見えてしまうことである。
【００３０】
これは再生立体像の現実感をそいでしまう可能性があり、加えて、白色点光源アレイあるいはピンホールアレイからの光線群では、その近傍にあるフィルター部周辺に像を再現できないこともこれらの装置の問題点であった。
【００３１】
上記したように従来の技術では、観察者から見ると、再生立体像以外に白色点光源アレイやフィルターまでが見えてしまう。つまり舞台裏が見えることになり、画像の品位を著しく損ねることになる。
【００３２】
本発明は、上記問題点を解決するために、フィルターの立体像再生光線生成部を除く多くの部分、つまり舞台裏を背景として使い、不必要な散乱光をこの背景に埋もれさせようと試みたものであり、その結果、非常に明るく視野角の広い高画素の背景画と、それより飛び出した立体像、あるいはそれより奥の立体像が高Ｓ／Ｎで再現され、いわゆる飛び出しディスプレイ、飛び出し看板や壁掛けショーウィンドウを実現することができる背景付き立体像再生装置を提供することを目的とする。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕背景付き立体像再生装置において、白色点光源アレイ（１、１１、２１、３１、４１）と、光の強度、カラーの空間的重み付けを行う機能を持ったカラー透過空間分布フィルター（２、１３、２２、３２、４２）を具備し、前記カラー透過空間分布フィルター（２、１３、２２、３２、４２）がエレメントのアレイを含み、個々のエレメントがそれぞれ白色点光源に対応し、前記対応する白色点光源から放射される光の強度と色を変調させるためのフィルター機能をそれぞれ有している、立体像再生装置において、前記カラー透過空間分布フィルター（２、１３、２２、３２、４２）に物体の多視点透過像が記録されて、前記エレメントの一部は前記対応する白色光源の光の前記強度と重みを変調するフィルター機能を与えられて前記物体の３次元像（５、４４）を生成し、前記カラー透過空間分布フィルター（２、１３、２２、３２、４２）の残りのエレメントは背景像（４３）を生成するフィルター機能を有することを特徴とする。
【００３４】
〔２〕上記〔１〕記載の背景付き立体像再生装置において、前記カラー透過空間分布フィルター（３２）から観測者（３４）までの間に、一枚から複数枚のレンズ（３３）を配置したことを特徴とする。
【００３５】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の背景付き立体像再生装置において、前記白色点光源アレイ（１１）が白色光源（１１Ａ）と白色散乱板（１１Ｂ）、及びピンホールアレイ（１１Ｃ）を有することを特徴とする。
【００３６】
上記したように、本発明の特徴は、フィルターに背景像を書き込むことにあり、空間フィルターは光の透過する部分と透過しない部分、即ち立体像再生に使用される部分と使用されない部分とがある。この使用されない部分を着色し、背景として用いる。全体構成としては、白色点光源アレイ（ピンホールアレイ等で代用したものも含む）と光の強度・カラーの空間的重み付け機能を持つカラー透過空間分布フィルターを有する立体画像再生装置となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３８】
まず、本発明の基本構成について説明する。
【００３９】
図１は本発明の背景付き立体像再生装置の基本構成を示す図である。
【００４０】
ここでは、レンズを用いない本発明の基本構成を示したものである。
【００４１】
図１において、白色点光源アレイ１より出た光線は背景パネルを兼ねた光線再生空間フィルター２によりその一部は適当な強度と色づけをされ３Ｄ像をつくる光線群３に変換される。一方、光線再生以外の部分の背景パネル部では白色点光源アレイ１より出た光線は背景をつくるように色づけてそのまま透過されたり、散乱を受けて透過されたりするようになっている。３Ｄ像を再生することに関しては構成はやや異なるものの、光線再生法を使っていることと変わりはない。異なることはこのフィルター２が背景をも表示していることである。
【００４２】
図２は図１の構成をより分かりやすい具体的な見取り図で示したものである。
【００４３】
図２において、５は再生立体像（３Ｄ像）（ここでは、鳥）であり、その他は図１と同様であり、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００４４】
一つの方眼の中には、図３に示すように、それぞれ３Ｄ像を形作る光線生成のための色づけした透過画像が描かれており（ここでは鳥）、この他の部分は背景の一部になっている。背景中の鳥の部分は３Ｄ像の鳥の陰になるので、背景としては観測されない。
【００４５】
一つの点光源に対向してフィルター２の一つの方眼（エレメント）があり、そこには立体物体像を再生するための光線を生成するような透過フィルターパターンが描かれており、その透過部以外の部分に背景の一画素（場合によっては数画素）が着色されている。この背景部は透過、あるいは透過散乱、いずれも可能である。透過散乱の場合は一つの方眼を多数の背景画素にすることができ、非常に高品位の背景を描くことができる。図２は一つの方眼を背景一画素とした例である。
【００４６】
ここで、具体的な数値例を挙げると、背景パネルを兼ねた光線再生空間フィルター２の外形サイズを１．６ｍ×１．２ｍとし、点光源アレイを５．０ｍｍ間隔で３２０×２４０個配置し、１方眼は５．０ｍｍ×５．０ｍｍの正方形とする。６００ｄｐｉ程度のカラープリンタで描画すれば、１方眼当たり１００×１００程度の光線の再生が可能になる。これが全て飛び出し物体に使われるなら、飛び出し物体が大き過ぎて背景が全てその背後に隠れることに対応し、実際はかなり少数の光線再生で十分になろう。
【００４７】
図４は白色点光源アレイを白色光源と散乱板、及びピンホールアレイを用いて代用した本発明の構成例である。
【００４８】
図４において、１１は白色光源１１Ａと散乱板１１Ｂおよびピンホールアレイ１１Ｃからなる白色点光源アレイ、１３は背景パネルを兼ねた光線再生空間フィルター、１４は観測者、Ｑ，Ｐは再生立体像である。
【００４９】
また、図５は前景の奥の方に立体像が見える場合の説明図である。
【００５０】
図５において、２１は白色点光源アレイ、２２は後部の立体像形成用光線の生成と前景の表示パネルを兼ねた空間フィルター、２３は観測者、Ｐ′，Ｑ′は再生立体像である。これは壁掛けショーウィンドウ等に利用できる。
【００５１】
図６はレンズを用いた構成例である。
【００５２】
この図において、３１は白色点光源アレイ、３２は背景パネルを兼ねた光線再生空間フィルター、３３はレンズ、３４は観測者、Ｐ′，Ｑ′は再生立体像である。これにより背景が虚像となって遠くに引くことになり、立体像の生成に多様性を与えることができる。
【００５３】
図７は本発明の実施例の立体像再生装置を広告用飛び出し看板に使用した例を示す図である。
【００５４】
図７において、４１は白色点光源アレイ、４２は光線再生フィルター兼背景用パネル、４３は背景、４４は再生３Ｄ像（再生立体像）、４５は観測者である。
【００５５】
（実施例の具体的作用と実施例に基づく特有の効果）
３Ｄ像の再生できる原理は光線再生法と同様であり、点光源と光線再生フィルター上の透過点の組み合わせでこの２点を通る光線が再生され、透過点のカラーによりその光線は色づけされる。白色点光源アレイ全体ではこれは光線群となる。これらの光線群が特定の空間上の１点に集まり、更に、そこより広がるように個々の透過点の位置が決められると、結局この空間上の１点に物体が再生されることになる。３Ｄ物体像は点物体の集合であるので、この透過点を多数個分布することにより、生成光線群で３Ｄ像が形成され、観測者に観測される。これが光線再生法による３Ｄ像生成の原理である。さて、人間の眼のレンズ（水晶体）は短焦点のため、観測者が形成された３Ｄ像にピントを合わせても、その後にあるフィルターもよく見えてしまう。つまり、この３Ｄ像生成システムの仕掛けが見えてしまう。しかし、本発明では、この部分にべったりと背景画が描かれており、その１画素は面的に広がっているため、ここよりの透過光は広い視角で広がる（背景部が透過型の場合）。
【００５６】
また、透過散乱型では散乱のため、背景１画素が小さくても透過光が広い範囲に散乱する。いずれの場合も観測者には背景画が広い範囲で観測できる（普通のスクリーンのように）。この結果、見られたくない舞台裏が、見る価値のあるものとして利用されることになる。
【００５７】
ところで、光線再生法や本発明の背景付き立体像再生装置と、従来のインテグラルホトグラフィは類似している点が多々あるのでその違いを明白にしておく。
【００５８】
図８は従来のインテグラルホトグラフィの原理図である。
【００５９】
この図において、５１は白色バックライト、５２は多視点からの画像が描かれた平板、５３はマイクロレンズアレイ、５４は結像面、５５は観測者である。
【００６０】
例えば、本発明の基本構成（図１）に示すように、３Ｄ像再生のための光線は白色点光源によるフィルターの影絵（シルエット）を用いているので、原理的にはフィルターと観測者の間にレンズやピンホールは必須ではない。実際、図１及び図２にはレンズやピンホールはないし、また、従来の光線再生法（図１０）でも、レンズ１０４は取り外し可能であり不可欠なものではない。また、影絵であるから絵は反転しない。そしてレンズなどの光学系による結像を用いていないので、３Ｄ像はフィルターの前方にも後方にも形成することができる。
【００６１】
一方、図８に示すように、インテグラルホトグラフィでは、フィルターに相当する多視点像が描かれた部分と観測者５５の間にマイクロレンズアレイ５３などの結像光学系が不可欠であり、これらにより描かれた多視点像が全てマイクロレンズアレイ５３と観測者５５の間のある特定の同一面内に重なって反転結像され、それを観測者５５が見ることになる。見る角度により見え方が違うが眼のピント面はその特定面である。
【００６２】
言うなれば、スクリーンがないものの光線再生法や本発明は影絵の応用であるのに対して、インテグラルホトグラフィは幻灯機（スライドプロジェクタ）の応用になっていると言える。従って、これら両者は基本構成も動作も全く似て非なるものであることを理解することができる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００６４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、フィルターの立体像再生光線生成部を除く多くの部分、つまり舞台裏を背景として使い、不必要な散乱光をこの背景に埋もれさせることにより、非常に明るく視野角の広い高画素の背景画とそれより飛び出した立体像、あるいはそれより奥の立体像が高Ｓ／Ｎで再現され、いわゆる飛び出しディスプレイ、飛び出し看板や壁掛けショーウィンドウを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の背景付き立体像再生装置の基本構成を示す図である。
【図２】  本発明の実施例を示す立体像再生装置の概要図である。
【図３】  図２の立体像再生装置のフィルターの１エレメントの例を示す図である。
【図４】  本発明の実施例を示す立体像再生装置の構成図である。
【図５】  本発明の実施例を示す立体像再生装置の構成図（前景型）である。
【図６】  本発明の実施例を示す立体像再生装置の構成図（レンズ使用型）である。
【図７】  本発明の実施例の立体像再生装置を広告用飛び出し看板に使用した例を示す図である。
【図８】  従来のインテグラルホトグラフィの原理図である。
【図９】  立体視の原理（模式）図である。
【図１０】  光線再生法の原理を示す図である。
【図１１】  レンズを介した光線再生法による立体像観測例を示す図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１，４１    白色点光源アレイ
２，１３，３２    背景パネルを兼ねた光線再生空間フィルター
３    再生された光線群
４，１４，２３，３４，４５    観測者
Ｑ，Ｑ′，Ｐ，Ｐ′，５，４４    再生立体像
１１Ａ    白色光源
１１Ｂ    散乱板
１１Ｃ    ピンホールアレイ
２２    後部の立体像形成用光線の生成と前景の表示パネルを兼ねた空間フィルター
３３    レンズ
４２    光線再生フィルター兼背景用パネル
４３    背景
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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