3Dとは

英語の Three Dimentional で、3つの次元があることです。縦、横、高さの広がりがあること、我々が生活しているこの空間です。

風景を絵、写真、テレビで見る場合、3次元の実体が2次元に置き換えられています。この為、2次元でしか、世の中を見られないと、どんなに不便か普段は感じませんが、 奥行きを感じられないと、手で物をつかむこともままなりません。 この為、絵では奥行きを錯覚させて手品の種にしたり、映画ではこのことを逆手にとって、 特撮に使います。


凹か?凸か?

なぜ立体に見えるか

簡単にいってしまうと、脳の働きで立体を感じることがでます。
2次元の画像でも脳は経験から奥行きを判断します。

左下のような線だけの画像は、飛び出しているか、へこんでいるかわかりません。
しかし、影を付けたり、手前ほど線を太くすると、見え方が固定されます。 人間は遠いものは小さく見える、光は上からが来る、などの経験から、この画像が実際にあった場合を想定して、奥行きを錯覚しています。

その脳に情報を送っているのが目で、視覚は奥行きを感じるのに重要な働きをもち、 両眼視差、ふくそう角、焦点調節等が影響するとされています。

両眼視差で3次元表示

サンユー電子の立体画像観察装置は立体視の生理的要因のうち両眼視差を利用しています。

両眼視差は、左右それぞれの目が少し違う像を見ている現象です。
2つの目の間は7センチほど離れていますので、顔の前にある 物体は、顔を動かさなくても、脳には2つ違った方向から見た2種類の 画像が送られています。
立方体の一辺を顔に向けて置くと、右目にはその辺の右側の面が、 左目には左の面がみえることになります。片目を隠してみると、 違った像を見ているのがよく分かります。

逆に2次元の画像でも、各目に、それぞれの目で立体を見たときの画像をみせることで、 奥行きを感じることができます。 3次元表示にはこの両眼視差を利用したものが多く、 大きく分けると眼鏡を使うものと、そうでないものがあります。

眼鏡を使うもの

  • ステレオスコープ
    双眼鏡に左右それぞれの画像を置いて見せる
  • アナグリフ
    左が赤、右が青の眼鏡を使う。右目用の画像を赤、左目用の画像を青で印刷した1枚の画像を、この眼鏡で覗くと、右目に青の画像が見えず、結果的に右目の画像だけがみえる。左目も同様。
  • 偏光眼鏡
    偏光の性質を利用して、左右の画像を切り分ける。
  • シャッタ眼鏡
    投影機と眼鏡を同期させる。右目の画像を投影しているときは、左のシャッタを閉じる。左はこの逆。1秒間に数十回以上で切り替えると、残像で、両目で見ているように感じる。
  • プリズム
    プリズムの分光作用を利用して、色によって奥行きを持たせる。
  • プルフリッヒ(半分暗い画像)
    暗い画像は、脳の反応が遅れることを利用した物で、動いている画像を片目サングラスでみると、奥行きが感じられる。

眼鏡を使わない方法

  • ステレオグラム
    少し慣れてくると、ステレオスコープなしに、立体視ができます。少し前に流行った、ランダムドットステレオグラムや通商3Dアートがそれです。
  • パララックスバリア=レンチキュラレンズ
    すだれを縦にしたものを目の前に置くことによって、左右の画像を分ける方式です。画像は細い縦の短冊にして、左右交互にならべます。携帯で3次元表示できる装置もこの原理を使っています。すだれの代わりにレンチキュラレンズという、非常に細いかまぼこ型レンズの集合体で行うこともあります。
  • ホログラフィック・ステレオグラム
    実物をホログラムで撮影するのではなく、方向をずらして撮影した、記録材の前にスリットをおいて、ホログラフムとして記録することで、パララックスと同じような左右視差を作り出して立体感を見せる方式。

(番外)本当の立体表示

立体そのものを表示する技術として、実物を見せる以外に、体積走査とホログラムがあります。

簡単に説明すると、ぱらぱらマンガの立体版です。 立体を輪切りにした画像を用意します。 表示は輪切りにした位置で、下から、あるいは上から順番に行います。(走査)
目には、残像といいって、前に見たものが残りますので、 走査を素早く行えば、全部の画像が頭の中で合成され、立体に見えます。 輪切りですので、中まで見えてしまいます。 綺麗に見せるためには輪切りを多くする必要がありますが、 スキャンは1秒間に9回は行わなくてはなりません。

両眼視差画像

風景の両眼視の画像を作る原理は以外と簡単です。

単純に考えれば、目の位置にレンズを合わせて、2台のカメラで撮影すれば、 できあがりです。これでは2台のカメラが要りますので、初めから、レンズが2つあるカメラや、 普通のカメラにプリズムレンズをつけるもなどいろいろ考案されています。 静物なら、1台のカメラを動かして、2枚写真を撮ることもできます。 最近のデジカメの中には、両眼視差画像撮影に対応したものもあります。

見る側で、最も簡単な方法は、写真を2枚並べて裸眼立体視するればよいわけです。 100円ショップのルーペを2つ並べて双眼鏡の様にしても見ることができます。

電子顕微鏡による両眼視差画像

電子顕微鏡で、両眼視差画像を作るとなると、まさか、カメラに当たる電子顕微鏡を 2台用意するのは、実現不可にもおもえます。(サンユー電子では特注機を制作したことがあります。)

そこで、一般には、ステージを微妙に動かし、2枚の画像を作成しています。
景色ならともかく、電子顕微鏡の世界では、数千倍に画像を拡大していますので、慎重に試料を動かさなければ、見失ってしまいます。また、実際に撮影を行い、画像を見るまでは、どの程度の凹凸があるのかわかりません。 撮影した画像を立体視するまでに、時間がかかりました。

ざっと手順は次のようでした。

  • 試料を観察しながら、撮影場所を探す。
  • 右目画像用に試料を右に傾ける。このとき、試料台の軸が観察場所の真上でないので、左右、上下の位置がずれる。位置を補正し、焦点位置も合わせながら、数度傾ける。
  • 撮影後、今度は、同様の手順で左に傾ける。
  • 2つの画像を観察して、立体感の具合などを確認する。
    だめなら、再度、始めからやり直し。

立体画像観察装置 3D-SEM

サンユー電子の立体画像観察装置は、通常の電子顕微鏡にさらに偏光器を追加して、 電子ビームを2つの方向に振り、左右の目からみた2つの画像をつくりだしています。

この操作は高速に行われており、液晶シャッター眼鏡と連動させることにより、 実時間で立体視を行えるようになりました。 サンプルのある場所を決めて、3次元写真を撮るのではなく、 立体視をしながら、サンプルを見ることができます。

実世界では、撮った写真の上下を間違えたりすることは考えられないと思いますが、 見たこともない画像を見る電子顕微鏡の世界では、凹凸が実際にはどちらなのか、わからないことが 多々あります。 また、ナノテクノの組み立て作業で、マニュピレータを操作する場合、 立体視できないと、ものをつかむことが非常に難しくなります。