JPH08186845A

JPH08186845A - 焦点距離制御式立体テレビ

Info

Publication number: JPH08186845A
Application number: JP6336983A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Yanagisawa; 柳沢信秋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】立体テレビをより一般的な水準にするために
は、眼鏡を使わずに広い角度に渡って見える立体画像が
要求される。また、一般普及を考慮すると、ＮＴＳＣ規
格やＶＴＲ規格の上で実現しなければならない。だが、
従来の技術では眼鏡をかけるか、または回線を複数使わ
なければ規格の共通化はできない。また、その場合コス
トが倍以上となってしまう。眼鏡を使わないＮＴＳＣ規
格、１回線で立体テレビを作ることが現在要求されてい
る。【構成】焦点距離を電子によって可変できる焦点距離可
変レンズをテレビの全画素に用いて、画素の虚像を全画
素に関して制御する。それは、ＮＴＳＣ信号に距離情報
を足せば良い。小さな画素のすべてがこの情報により凹
凸を制御され、結像して一つの虚像となる。大型凹凸レ
ンズの組み合わせにより広角視野は可能である。また１
回線で良いので、現行信号をそのまま継承する眼鏡なし
ＮＴＳＣ立体テレビとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】レンズ産業に於けるフォーカス制
御の方式に関する。テレビを代表とするブラウン管映像
機器類の立体映像化。また、３次元情報を撮影する時の
物体までの距離情報を計測する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】立体視の効果を動映像に於いて得るため
の方式で今までに実用化した報告があったのは大きく分
けて３種類程上げられる。そのうちの２つは左右の目の
視差を利用したもの、もう一つは光の干渉を利用したも
のである。前者の２つは、眼鏡を使うタイプの偏向テレ
ビとレンティキュラーレンズを用いたレンティキュラー
テレビ、後者のタイプは一般にホログラフィーと呼ばれ
る立体映像の技術である。これら３種の技術については
それぞれに立体映像を得る装置として実用化されている
が、それぞれに異なる短所を持っているのが実情で、そ
の短所故に一般化が遅れている。偏向テレビの短所と
は、偏向レンズを左右に垂直交差配置した偏向メガネを
かけなければ立体視できないというのがある。偏向レン
ズはサングラスにも応用されている通り光をあまり透過
しないので、いつも装着していることは違和感であるゆ
えに基本的にテレビを見るときにだけ偏向メガネをかけ
るかたちとなる。メガネが無いときには、左右の目への
分光がない状態なので、画面は２重画像のゴースト状態
として見える。よって、第３者はテレビが見にくいなど
の不便性があるという短所が上げられている。そして、
両目の視差により浮き出して見えても、実際の発光点は
違う焦点距離なので焦点が合わないことによる目への健
康的な害があるかもしれないとの報告もある。目下、劇
場や博物館の資料ビデオや、コンピュータゲームなどに
普及している。レンティキュラーテレビに関しては、メ
ガネは使わないものの、左右の目への分光を非常に小型
なレンズで直接行っているため広角視野を確保できない
という短所がある。また、小型レンズによる分光の際に
は、その個々のレンズの大部分が人間のいるところを狙
っていなければならない。つまり、テレビの右端のレン
ズと左端のレンズが発する光の交点に人間が居るように
しなければ、光の左右分光は成立しない。左右分光する
ためには機械が人間をおいかけてレンズの向きを変える
か、人間が動かずに毎回固定した位置で見なければなら
ない。現在実用化が目指されている技術では、多数の画
像チャンネルを駆使し、広角視野を実現したが、テレビ
から離れ過ぎたり近すぎたりすると画像は惚けるという
欠点がある。目下、テレビ電話やゲーム装置などへの応
用が検討されている。ホログラフィー技術については、
その情報量の莫大による電波輸送の不能性、同様にビデ
オテープに収録できないなどがある。また規格相違によ
る現放送方式後継不能も欠点である。方式に関して、撮
影においては暗い所でレーザーを照射しなければならな
いなどによる屋外撮影不能、そして動画撮影困難、同じ
く再生の時にもレーザーを使用しなければならない高コ
ストの短所もある。また、レーザーは現在赤緑青なる３
原色を表現できないので完全なカラーは記録、再生、共
にできないなどがある。目下のところ動画では実用化さ
れておらず、立体的な静止写真として壁掛けなどへの応
用が成されている。

【０００３】立体放送化について考えてみると、規格共
通性が重要な事が分かる。白黒からカラーテレビになっ
た前後では双方の方式について同じ電波が採用され、規
格は共通していた。消費者を考慮すると、新製品とは従
来品と継続して使える事が必要条件である。同様に現行
のテレビ方式であるＮＴＳＣやビデオに関するＶＴＲに
従った立体テレビでなければ立体放送化は困難である。
その時上記３方式をあてがえてみると、偏向テレビ、レ
ンティキュラーテレビはＮＴＳＣ規格を継続しているが
２チャンネル分以上の情報量が必要である。ことにレン
ティキュラー型では、多くのチャンネルを使うほど、広
角視野を確保できる長所があるが、多くのチャンネルを
使用すると言う事は、ビデオで言うと２台以上無ければ
録画、再生できないことを意味する。ホログラフィーに
付いて言うと先に述べるとおり情報記録方式が現行方式
とあまりに違い過ぎるため、後継は困難である。

【０００４】立体情報を取り出すために、従来は２つの
カメラ並列して撮影することで行ってきた。それは左右
のカメラの画像からコンピュータを駆使して立体情報を
取り出す方法である。そのコンピュータ解析の方法は現
在様々な分野の研究発表がなされているが、相等量の画
像量となればその計算合成にもかなりの時間がかかるの
が現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のテレビと同様の
２次元画像が再生可能であり、必要な時に立体化する事
が要求される。また、偏向テレビにあるようなメガネは
使用せずに広角視野を可能とする方式が望ましい。そし
て、従来規格に共通するように情報の規格はＮＴＳＣで
あり、ビデオの規格もＶＴＲのまま立体化し、回線も１
つのチャンネルで済む方式が実用に向けての課題であ
る。

【０００６】

【課題を解決する手段】本発明による立体画像の基本的
な方法は、凸レンズ、または凹面鏡によって出来る上下
左右反対の浮き出してくる虚像（図１、図２）を制御す
ることによる。凸レンズの場合を用いて説明すると、レ
ンズの焦点距離が浮き出してくる虚像の位置を決定す
る。いま、凸レンズを通して一つの絵を見る（図１）と
する。その絵が虚像として焦点距離位置に映っていると
すると、人間はレンズによる上下左右反対の虚像が本物
であると錯覚するかも知れない。これは、絵が焦点まで
移動したのと同じ錯覚効果がある。つまり立体的に浮き
出して見えるのである。今、レンズを違う焦点距離のも
のと瞬間的に交換したならば、焦点距離が瞬間的に変化
したので同時に絵が瞬間的に移動したのと同じ錯覚を得
ることになる（図１と図２の違い）。もしも、高速で徐
々に違う焦点距離のレンズと交換したならば、絵の虚像
はレンズの違いによって、瞬間的に前後へ躍動している
立体映像のように振る舞う錯覚を作り出す。つまり、レ
ンズを取り替えるだけで虚像位置が変化する。仮に、焦
点距離を自在に制御できるレンズがあったならば自由に
立体的な浮き沈みを制御できるはずである。では、今度
は絵全体ではなくて絵の細分化した一つ一つの点がレン
ズを持っていたらどうなるだろうか。そして一つ一つの
レンズが自在に焦点距離を制御できるものだったら、絵
は立体化した平面だけではなく、凹凸のある実在に近い
立体虚像になる。その考えを絵ではなくてテレビに置き
換えるとテレビの画素の一つ一つが小さなレンズを持っ
ていて、それらが違う焦点距離のレンズに自在に制御、
交換できるなら、平面的な画像に立体的な虚像の制御に
よって、凹凸のある立体画像を再現するメガネのない立
体テレビとなる。だが、テレビの画素の数は約２５万
個、実際にレンズを機械的な手法で各々交換する事は不
可能である。何か電気的な方法で瞬間的にレンズの焦点
距離を制御できる小形化の可能なレンズが必要である。

【０００７】ここに焦点距離を自由に変える事のできる
焦点距離可変レンズを考案する（図５、図６）。このレ
ンズは凸レンズから凹レンズへと変化するように湾曲し
た非球面レンズであり、覗く位置に応じて凸レンズから
凹レンズへと無段階に変化する事が可能である。凸レン
ズとして使用する時には湾曲したレンズの凸レンズの部
分を使って覗けば良い。その光学系特性は図７及び、図
８に従う。図８によると、入力する光束の幅ｄａに比例
する出力の収差ｄｆが生じる。つまり、入力が例え点光
源からのものであっても、出力光は一点で収束せずに収
差が確認される。それは、入力の光束の幅ｄａの間にレ
ンズの焦点距離がｄｆ分変化するようにレンズの湾曲率
がｄｆ分変化しているためである。その収差の大きさを
プラスｄｆとするならば、別のレンズを使用して収差マ
イナスｄｆの湾曲を人工的に始めから作っておき、合成
すれば（−ｄｆ）＋ｄｆ＝０となり、補正は完了する。
つまり、補正レンズさえあれば、完全に凹レンズから凸
レンズへと無段階に変化する収差のない焦点距離可変レ
ンズとなる（図９、図１０、図１１）。結果、点光源か
らの焦点も一点に集まる。

【０００８】焦点距離可変レンズを小形化し、裏側に赤
緑青の画素と組み合わせると、画素を点光源とする、焦
点距離可変画素となる。この画素は、電子を当てるとそ
こが蛍光塗料に反応して発光しそれを点光源として座標
に応じて色彩と焦点距離を変化させ、従来のＲＧＢ（赤
青緑）の機能に立体機能を加えた素子となる。また、前
項において述べるような収差補正を行い、収差補正レン
ズを組み合わせると図９、図１０となり、特性は図１１
のようになる。この焦点距離可変画素群をＮＴＳＣテレ
ビと同じ２５万個以上並列し、テレビと同じように使用
する（図１３、図１４、図１５）。レンズを並列する方
法は、アクリルなどの板に製版する方法が考えられる。
また、焦点距離可変レンズと収差補正レンズとの組み合
わせにより、図１５に示すようなタイプ又は、合成型の
図１６、図１７に示すタイプに分かれる。次に、レンズ
をテレビ応用したブラウン管として考えていくと、すべ
ての２５万個以上の画素から出た光の束は、それぞれ次
の収差補正レンズを通り、焦点距離可変レンズを通過し
てから出て行く形を取る。制御方法としては、信号から
考えると立体度を決める距離情報ｄを加えた信号を与え
なくてはならない。それは、従来のＮＴＳＣ規格信号の
赤緑青（ＲＧＢ）なる情報と同じ数の平行した信号であ
る。つまり、赤緑青距離ｄ（ＲＧＢＤ）のように合成し
て表記される。その立体情報を含んだ信号は、カラー情
報だけは従来規格と同様に赤緑青の電子銃から制御され
るが、距離ｄ信号のみ別方法の制御方法を取る。それ
は、垂直同期に乗せる方法である。今、信号の一つがブ
ラウン管制御部に赤緑青と距離ｄの合成波として加わる
とする。次に定められた座標に走査線が来て電子銃から
その赤緑青の情報の大きさ分電子を放出したとする。そ
の電子放出のタイミングに合わせて垂直同期偏向板に距
離ｄの電圧を乗せる。電子が画素に衝突する垂直座標は
距離ｄ電圧の上下に比例する。つまり、焦点距離可変レ
ンズに入射する光束が距離ｄ電圧に比例する。よって距
離ｄ電圧に比例して出力光束の焦点が制御される。その
方法で、画素はカラー表現と立体度の表現を可能とす
る。以上の立体的な変換工程を全画素においてＮＴＳＣ
規格として行う。

【０００９】焦点距離可変画素は単体では小さく、それ
により制御される焦点距離の変化もまた非常に小さなも
のである。つまり、立体と呼ぶには光束はあまりに細く
広角視野は不能で、立体的とも言いにくい程度にすぎな
い。よって、視野的にも距離的にも拡大する必要があ
る。つまり、立体的であるが微小な光束を、トランジス
ターのように増幅する事で、立体的に拡大された広角視
野の光束にしたい。そこで、テレビ全体を覆うように凹
レンズと凸レンズを組み合わせた、または凸レンズのみ
を被せる構造を取ることにより、小さなレンズからの情
報を拡大（図１２）して出力する工夫をする（図１３、
図１４）。つまり、焦点距離可変画素によって作られる
立体は、ミクロな入力光学系であり、実際に人間に見え
るようにするために、拡大するマクロな出力光学系との
２つの関係に分けて考える工夫をする。また、今まで
と同じ２次元のテレビとして楽しみたいときには今まで
と同じになるように切り替える事が要求される。また、
構造的に立体的となるほど広角視野は不能となるが、逆
に平面的になるほど広角視野を確保可能となる。そこ
で、焦点距離可変画素の制御を行う垂直同期に含まれた
距離情報ｄの振幅をボリュームで調節して電圧変化を抑
制すればよい。つまり、大立体度で見ようとすると距離
情報ｄの電圧振幅を最大にする。その時可視範囲は狭い
が、逆にボリュームを最低にして距離情報ｄの振幅を零
に近くすれば平面画像となり、見る人の希望によって調
節を可能とする。

【００１０】次に立体画像を得るための立体カメラにつ
いての提案は２種類上げられる。それらはすべてＶＴＲ
規格上で記録される種類のカメラであり、必要な情報量
距離ｄデータを撮影する方法である。一つは赤外線を用
いて行うもので、フラッシュのようなパルス状態を繰り
返して距離データを得る。つまり、ＣＣＤ基盤の上にＲ
ＧＢと隣接して赤外線に反応するセルｄを乗せて（図１
８）、赤外線を発光してから反射してＣＣＤに帰ってく
るまでの時間を計測してその値に比例して距離データと
する。そのときの乱反射はもちろん予想されるので、平
均化回路が必要である。それらは現在すでに応用されて
いる一種のオートフォーカス技術の延長線上で実現が可
能と思われる。２つ目は、焦点距離可変レンズを応用す
るものである。焦点距離可変レンズの入出力関係を逆転
させて使用する。つまり、今までの使用方法では、電子
の衝突する座標が出力の焦点距離を決定していたが、可
逆的に考え図１９に示すとおりの使用方法を取る。図で
言うと、ある点光源からの光が焦点距離可変レンズに照
射されると、出力光は点光源の距離に比例して偏りが発
生する。照度で言うと、一番光が集中する位置が、点光
源の位置と比例する。照度測定器にＣＣＤを用いて最も
光の頻度の高い座標が事象までの距離を決定する。これ
には、先ほど画像の拡大をした図１２に示す構造の逆の
使用方法をとり、大型レンズを縮小用として使用する。
つまり、撮影の時の数メートル以上の距離感を焦点距離
可変レンズの有効な数センチ距離感になるまで縮小化す
る。実際の光学系回路で考えると、被写体にフォーカス
を合わせると、凸レンズや凹レンズの機能により被写体
の虚像がＣＣＤに照射される。このＣＣＤの上に焦点距
離可変レンズ群の板を被せる。２５万か所以上の全ての
ＣＣＤの一つ一つがこの焦点距離可変レンズを一つ一つ
被せられる。そして、被写体の虚像の微細な焦点距離差
に比例して、ＣＣＤに照射される光の頻度の高い位置が
変化する。この頻度の高い位置を計測するセルをＣＣＤ
に加えればよい。この計測が可能ならば、全ＣＣＤでカ
ラー情報赤緑青（ＲＧＢ）と距離情報ｄを追加した、Ｒ
ＧＢＤ情報として計測できる。そして、その距離ｄ情報
を、従来規格上のＶＴＲ記録媒体の従来使用していない
エリアか、音声エリアに合成して記録すればよい。

【００１１】

【作用】いま、立体テレビの放送電波があると仮定
する。それは、現行のＮＴＳＣ規格の上に距離情報ｄを
乗せた放送電波である。その電波を従来のテレビが受信
するとする。従来テレビには距離情報ｄを受信して再生
する能力はない。しかし、基本的に従来ＮＴＳＣとおな
じ情報を持っているので、カラーテレビとして再生す
る。距離情報ｄは無視される。では立体テレビが受信す
ると、現行同様にＲＧＢの同期と音声によりカラーテレ
ビとなるが、それと平行して距離ｄデータも同期を取
り、ＲＧＢのデータが電子銃を通して発射されるときに
垂直同期軸に距離データは電圧加算され、画素に衝突す
る座標の微小な変化によって入力する位置が変わり焦点
距離が制御される。そして、その画素がどんな色でどん
な立体なのか浮き出し方を決定して出力される。凹んだ
画像、飛び出した画像の原理は基本的に図１や図２、図
３のそれと何等変わらず、単にこの虚像位置決定を２５
万か所について同様に行っている。その一つ一つの画素
からの情報を入力光学系として、次に大型な凹凸レンズ
による出力光学系が情報拡大を行う。結果、小さな画素
虚像が全部結晶し、一つの凹凸のある画像を再現する。
その凹凸の度合いはボリュームにより調整され、立体度
と呼ぶ。立体度が高いと飛びだし度合いが急激だが、狭
い視野でしか見れない。広い視野で見たいときには立体
度を最低にして見ればよい。しかし、このときは平面に
近い画像になることが予想される。

【００１２】

【発明の効果】現行のカラーテレビ放送から立体放送に
なっても規格そのものはＮＴＳＣのまま変化しないの
で、立体テレビが実用されても従来テレビと同じ扱いで
見ることができる。つまり、立体テレビでもカラーテレ
ビでも白黒でも同じ電波の規格共通性により、ハイビジ
ョンにあるような一般化に決意が伴うような性質がな
い。また、ビデオについてもＶＴＲ型となるので、市場
を同水準で扱う事ができる。観賞については、メガネ
を使わないことによる便利さが期待できる。また、メガ
ネの焦点差による視力障害の低い立体効果がある。

【００１３】

【図面の簡単な説明】

【図１】焦点距離ｆ１の凸レンズによる立体虚像Ａと
その位置関係を示す。

【図２】焦点距離が図１よりも短いｆ２の凸レンズに
よる立体虚像とその位置関係を示す。

【図３】凹レンズ凸レンズの組み合わせによる立体虚
像Ａとその位置関係を示す。この図では凹んだ位置に虚
像が見える。また、虚像Ａは図１及び図２と違い反転し
ていない。

【図４】凸レンズに対する入力光の光源位置ａと出力
焦点距離ｂの関係。

【図５】焦点距離可変レンズが取り得る３構成の側面
図。

【図６】凹凸合成型の断面図

【図７】焦点距離可変レンズの入力光束に対する出力
光束の側面図。

【図８】図７の特性を座標系としてグラフに示す。入
力光束の幅ｄａに対する出力光束の収差ｄｆがここから
計算できる。

【図９】収差を補正するためのマイナス収束差を持つ
凸レンズを使用した場合の入力と出力の関係を示す。

【図１０】図９の補正レンズに対する電子の入力位置に
応じて出力の焦点距離が変化する関係を示す。

【図１１】収差補正レンズを使用して一つの焦点距離可
変画素として使用するときの入力電子衝突位置と出力焦
点距離を座標系にしたときの関係を示す。

【図１２】入力する微小な光束に対して拡大して出力の
光束を得るための拡大レンズ構成を示す。これにより、
狭角視野を広角視野へと、また微小立体変化を拡大す
る。

【図１３】焦点距離可変画素を使って立体テレビを実用
するときの構成図を示す。ここでは、ブラウン管内に、
画素並びに焦点距離可変レンズ、収差補正レンズがそれ
ぞれ２５万個以上並列されている。そして、図１２の凹
凸レンズ配列を使用し、画像の広角視野化並びに拡大作
用を行う。ここでの虚像Ａはそれぞれ、小さな画素が大
量に結晶して一つの虚像となっているものである。

【図１４】図１３のブラウン管におけるレンズ配列を座
標系を用いて概念説明する。最初に電子銃から電子が発
射されて、距離情報分のｄが加算されて画素の上で光に
なる。それが入力光束を成し、収差補正レンズを通り焦
点距離可変レンズを通って、立体再現された入力光学系
が完成する。次に、これらの微小情報を拡大するため
に、図では、凹レンズを先にとおして、拡大後に凸レン
ズに通している。

【図１５】図１３、図１４に示す立体テレビの断面図の
拡大図を示す。画素と補正レンズが一枚のアクリル板上
に乗っている。次に、右側に同じくアクリルなどででき
た焦点距離可変レンズがある。これらは横にも同じよう
に並列され、２５万個以上の場所でこのレンズ関係を持
つ。

【図１６】収差補正レンズと、焦点距離可変レンズの合
成されたタイプの構成図を示す。ここでは画素とは独立
しており、結果としての光束は収差を持たない。

【図１７】図１６の合成型を使用するときのブラウン管
におけるレンズ配置を断面で示す。同様にアクリル一枚
板に２５万以上配列した構造を持つ。

【図１８】立体カメラを作るときの距離情報を取るため
のＣＣＤ配列概念図。

【図１９】焦点距離可変レンズと収差補正レンズを応用
した場合における効果を示す。ここでは、点光源が入力
光となり、出力頻度をグラフに示す。頻度が高いｄの位
置が点光源までの距離を決定する。そして、これを実際
の３Ｄカメラの距離情報ｄを計測するために応用する。
実際の応用の場所では、このＣＣＤ群を２５万個以上配
列する。

【図２０】焦点距離可変テレビにおける処理フローチャ
ートを示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面から曲面まで緩やかに湾曲した非球面
レンズである焦点距離可変レンズは、その覗く位置に応
じて凸レンズ、平、または凹レンズへと無段階に変化す
る事ができる（図５、図６、図７）。その焦点距離可変
レンズをテレビに応用する場合、裏側に電子に反応する
蛍光塗料を塗れば、電子の衝突する位置に比例して出力
する光束の焦点が無段階に変化する焦点距離可変な画素
となる。また、この焦点距離可変画素をテレビの画素と
同数の２５万個以上並列し（図１４、図１５、図１
７）、アクリル製版のような一枚板状レンズ群となる。
制御方法は、電子銃から飛び出した電子の垂直同期電圧
に僅かな距離情報電圧ｄを付加することで行う。結果、
電子はレンズに対して衝突する位置を制御され、垂直同
期電圧変動がそのまま焦点距離を制御する。この距離情
報ｄをＮＴＳＣ規格情報に上乗せすることで、規格共通
化を行う。ＶＴＲに関しても同様に距離情報ｄを記録す
ることにより立体テレビ用ＶＴＲとする。焦点距離可変
画素のミクロ立体情報をマクロ化するために、テレビ画
面前面に大型凹レンズと大型凸レンズを配置し、光束群
を制御、拡大する構造を取る。（図１３、図１４）
【請求項２】請求項１の焦点距離可変画素は、図８に示
すような入力光の幅とレンズの湾曲率変化による焦点距
離誤差が生じる。つまり、入力が点光源に対して出力が
一点に収束しない収差が起こる。これを補正し焦点を一
点にするために、焦点距離可変レンズで生じるプラスｄ
ｆ（焦点距離差）に対して図９に示すようなマイナスｄ
ｆ（焦点距離差）の収差をもう一枚のレンズ全体の湾曲
率で始めから作っておくことで収差補正を行い、双方の
レンズの収差和により一点に収束する焦点距離可変レン
ズとなりこれを収差補正レンズとする。この収差補正レ
ンズには図１５の様に分割して使用する場合と、図１
６、図１７に示すような合成型がある。
【請求項３】請求項１の焦点距離可変レンズは焦点距離
を制御するのと反対に、入力と出力の関係を逆にすると
逆の効果が生じる。つまりある点光源からの光を焦点距
離可変レンズに反対方向から入射させると出力は、焦点
距離に比例する座標位置に光の頻度が収束する（図１
５）。つまり焦点距離可変レンズは可逆的であり、光源
までの距離をこの座標によって計測できる。この原理を
応用して、物体までの距離測定を行い、ＮＴＳＣ規格の
２５万箇所以上における、カラー情報と距離情報を録画
する技術に応用する。