なぜ小さな格子カードで豊かな三次元の世界を体験できるのでしょうか?

小さなカードでも、角度を変えて振るとさまざまな絵が表示され、カードから絵が「飛び出す」ように見えることもあります。あなたもこの魔法のような視覚体験をご存知でしょう。ショッピングモールのショーウインドーや看板、アニメ関連商品などでも見かけます。 「グレーティングカード」と呼ばれるこの光学装置は、その驚くべき視覚効果により主要プラットフォームで大ヒットとなり、さまざまな分野で広く使用されています。その魔法のような視覚効果と比べると、その背後にある光学原理はさらに探求する価値があります。

3D の世界を体験する前に、まず、この世界の目に見える物体はすべて 3 次元であることを理解する必要があります。人間の目は約 6 cm 離れているため、それぞれの目はわずかに異なる角度で物体を観察し、わずかに異なる画像を見ます。このわずかな視点の違いは両眼視差と呼ばれ、3D 視覚を生み出す重要な要素の 1 つです。図に示すように、観察者の前に立方体と円錐が表示されます。両目の位置が異なるため、左目と右目が見る立方体と円錐の画像も異なります。

図1 両眼画像知覚

左目または右目だけを使用すると、平面的な画像しか見えません。両目の距離によって生じる視差のため、左目で見る画像は右目で見る画像とは角度が若干異なります。両目で同時に物を見ると、脳は視差処理によって 2 つの画像を結合し、奥行きのある 3 次元画像を作成します。

3D 視覚をさらに強化するには、脳は調節、輻輳、運動視差などの他の物理的な奥行きの手がかりも利用する必要があります。調節とは、目の筋肉がレンズの形状を調整して焦点距離を変更し、異なる距離にある物体をはっきりと見ることができるようにすることです。輻輳とは、同じ物体を観察するときに両眼が内側に回転する角度の差のことです。近い物体には、より大きな収束角が必要です。運動視差とは、頭を動かしたときに近くの物体が遠くの物体よりも速く動いているように見える現象で、これによって奥行き感も得られます。

格子カードの実現には、主にスリット格子と円筒格子の 2 つの方法を通じてこれらの原理が利用されます。まず、グレーティングとは何か、円筒形グレーティングとスリットグレーティングの違いは何かを理解しましょう。グレーティングは広く使用されている非常に重要な回折光学素子であり、通常はフラウンホーファー回折効果に基づいて動作します。格子は、等幅、等間隔の多数のスリットで構成されています。入射光の振幅または位相を周期的に変調できる光学素子です。格子の起源は、フラウンホーファーによってワイヤーグリッドが作られた 1819 年にまで遡ります。現在、格子は一般的に、平らなガラスまたは金属板に等幅かつ等間隔の溝を彫刻することによって作られています。理論と技術の発展に伴い、格子回折ユニットはスリットに限定されず、結晶格子、超音波格子、結晶屈折率格子などの新しい格子も含まれます。

スリット格子は、画像の前にスリットの配列を追加します。これらのスリットを通して画像を見ると、左目と右目にそれぞれ異なる画像バンドが入ります。これらの画像ストリップはスリットによって分離されているため、左目と右目で見る画像はわずかに異なります。脳はこれらの違いを処理して3次元画像を作成します。スリット格子の原理は単純で、製造コストも低いですが、スリットが不透明であるため、光の一部が遮られ、画像の明るさが低下します。立体的な効果を見るには、視聴者は特定の位置から見る必要があります。そうしないと、観察結果が重なったり歪んだりします。

円筒形格子は、画像の前に多数の小さな円筒形レンズの配列を追加します。画像はこれらの円筒レンズを通して屈折し、それぞれ左目と右目に入ります。円筒格子は、その機能によって立体格子と可変画像格子に分けられます。立体格子は厚みがあり、より強い立体感があります。可変画像格子の厚さは薄く、主に異なる角度で異なる画像を表示するために使用されます。

図2 円筒格子ステレオ画像の原理

格子カードを作成する際には、異なる角度から撮影された複数の画像が撮影または生成されます。画像は細い帯状に切り取られ、特定の順序で並べられます。これらの画像にはレンチキュラー レンズが重ねられており、それぞれの小さな円筒形レンズが異なる方向に光を散乱させるため、各遠近画像の細い帯が視聴者の目に正しい角度で届けられます。したがって、レンチキュラーステレオグラムを異なる角度から見ると、左目と右目には異なる遠近法の画像が見え、脳はこれらの画像を3次元画像に組み合わせて、立体的な視覚効果を生み出します。

グレーティング カード イメージングの光学原理を理解した後、グレーティング カードの製造プロセスをさらに詳しく調べることができます。これは、次の主な手順に要約できます。

まず、最終的なプレゼンテーション効果をより立体的にするために、レイヤーが豊富で垂直方向の被写界深度が強い画像を選択する必要があり、画像のサイズと精度には一定の要件があります。画像を選択したら、Photoshop でレイヤー化し、画像の距離と色の明るさに応じてパターンを別々のレイヤーに分割し、各部分を修復して完全なパターンを確保します。

画像処理が完了したら、円筒格子の線数に基づいて格子ピッチを計算し、画像解像度を決定します。被写界深度の値を設定し、近景、中景、遠景に異なる被写界深度の値を設定します。選択されたレイヤーは、設定された被写界深度の値に従ってコピーおよび移動され、円筒格子のさまざまな位置に適した複数の画像が形成されます。これらの画像はラスタライズされ、結合されて、最終的に円筒格子に垂直な画像の組み合わせが形成されます。

3D ディスプレイ技術の継続的な進歩により、3D 画像を表示できる光学デバイスとしてのグレーティング カードの応用分野はさらに広がります。将来の 3D ディスプレイ技術は、ホログラフィック投影と立体ディスプレイへと発展していきます。これらのテクノロジーは、よりリアルで臨場感あふれる視覚体験を提供するだけでなく、視野角や解像度の制限など、現在の多くの 3D ディスプレイ テクノロジーが直面している制限も克服します。

格子カードは円筒形の格子素材のユニークな特性を生かし、精密な画像処理と高精度の印刷技術により平面画像の立体感を実現しています。この技術は、印刷技術の表現力を豊かにするだけでなく、広告、エンターテインメント、教育などの分野に新たな視覚体験をもたらします。将来、コンピューター生成ホログラム（CGH）技術が成熟するにつれて、グレーティングカードの開発展望はますます多くの可能性に満ちてくるでしょう。

参考文献

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著者: 蔡文冲、中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所大学院生

査読者: 中国科学院高エネルギー物理研究所研究員 李明

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