3D映画では、同じスクリーンを見ているのに、右目と左目には少し違う映像が届きます。
なぜ、1枚のスクリーンに重ねて映した映像を、偏光メガネだけで左右の目へ分けられるのでしょうか。
結論からいうと、左右用の映像に異なる偏光状態を与えて重ねて投影し、メガネの左右レンズがそれぞれ対応する偏光だけを通すようにすることで、同じスクリーンから左右の目へ別々の映像を届けられるからです。
さらに人の脳は、左右の目に入る少し異なる像のずれ、つまり両眼視差を奥行きの手がかりとして使います。そのため、平面スクリーンの映像でも立体感を感じられます。
3D映画では左右で少し違う映像を用意する
私たちの左右の目は数cm離れているため、同じ物体を見ても視点が少し違います。
そのため、右目と左目にはわずかに異なる像が入ります。
OpenStaxは、この左右の見え方の差を両眼視差と呼び、奥行き知覚の重要な手がかりの一つとして説明しています。
3D映画ではこの仕組みを人工的に再現し、左目用カメラと右目用カメラに相当する少し異なる映像を用意します。
同じスクリーンに2つの映像を重ねたら混ざらないのか
普通に重ねるだけなら、右目用と左目用の映像が両方の目に入ってしまい、二重像として見えてしまいます。
そこで偏光を使って、二つの映像に異なる「光の向きの情報」を持たせます。
一方の映像をある偏光状態、もう一方をそれと区別できる別の偏光状態にしてスクリーンへ重ねて投影します。
すると見た目には同じ場所に重なっていても、光学的には別のチャンネルとして扱えます。
偏光とは何か
光は電磁波で、進行方向に垂直な方向へ電場が振動します。
その振動方向に規則性がある光を偏光と呼びます。
直線偏光では電場の振動方向が一定方向にそろっています。
円偏光では、電場の向きが時間とともに回転しながら進みます。
3D映画では、この偏光状態の違いを左右映像の識別に利用します。
偏光メガネはどうやって左右の映像を分けるのか
偏光メガネの左右レンズは、同じものではありません。
左レンズは左目用映像の偏光を通し、右目用映像の偏光をできるだけ遮ります。
右レンズはその逆です。
Idaho State Universityは、3D映画では二つの少し異なる映像を異なる偏光で同時に投影し、対応する偏光フィルターを持つメガネによって各目が自分向けの映像だけを見ると説明しています。
この仕組みによって、1枚のスクリーンから左右の目へ別々の情報を送れます。
直線偏光方式ではどう分けるのか
直線偏光方式では、左右用映像を互いに異なる方向の直線偏光にします。
たとえば一方を縦方向、もう一方を横方向の偏光にします。
メガネにも対応した偏光板を入れておけば、左目には左映像、右目には右映像だけが通ります。
偏光板は透過軸方向の成分を通し、それと直交する成分を強く抑えるため、映像分離が可能です。
なぜ映画館では円偏光方式がよく使われるのか
直線偏光方式では、頭を傾けるとメガネの偏光軸も回転してしまいます。
すると左右映像の分離が悪くなり、反対側の映像が漏れて見えやすくなります。
円偏光方式では、右回り円偏光と左回り円偏光を使って左右映像を区別します。
円偏光は頭を多少傾けても直線偏光ほど分離性能が崩れにくいため、映画館のように観客が自由な姿勢で見る用途に向いています。
J-STAGEの物理教育資料でも、3D映画で円偏光を利用する方式が紹介されています。
円偏光メガネの中には何が入っているのか
円偏光をそのまま単純な偏光板だけで完全に選別することはできません。
円偏光メガネでは、一般に位相差板と直線偏光板を組み合わせて、右回り・左回りの円偏光を選別できるようにします。
位相差板は二つの直交偏光成分の位相関係を変えます。
その結果、一方の円偏光だけが最終的な偏光板を通過しやすくなり、もう一方は抑えられます。
スクリーンは普通の白い壁ではだめなのか
偏光式3Dでは、スクリーンで反射したあとも左右映像の偏光状態ができるだけ保たれる必要があります。
普通の白い壁や一般的な拡散スクリーンでは、反射によって偏光が乱れることがあります。
そのため映画館では、偏光状態を保ちやすい専用スクリーンが使われます。
偏光が崩れると、メガネで左右像を十分に分離できなくなります。
なぜ左右の像を分けると立体的に見えるのか
左右の目へ異なる画像を送るだけでは、単に別々の画像を見せているだけです。
立体感が生まれるのは、左右画像の中に適切な位置ずれが含まれているからです。
人の脳は、同じ物体が左目像と右目像でどれだけ横方向にずれているかを利用して奥行きを推定します。
OpenStaxも、3D映画は左右の目へ少し異なる画像を別々に見せ、脳がそれを統合することで奥行き感を作ると説明しています。
物体がスクリーンより手前に飛び出して見えるのはなぜか
左右像の位置関係を変えると、脳が推定する奥行き位置も変わります。
左右像がある向きにずれると、目はスクリーン面より手前の一点を見ているような輻輳状態になります。
すると脳は、その物体がスクリーンより手前にあるように知覚します。
逆向きの視差を与えると、スクリーンより奥にあるように見せることもできます。
3D映画は本当に立体物がそこにあるわけではない
スクリーン自体は平面です。
左右の目が受け取る像の違いを人工的に作り、脳の両眼立体視を利用して奥行きを感じさせています。
したがって、観客の位置を変えても、実物の立体物を見るときのように自由な角度から裏側が見えるわけではありません。
偏光式3D映画は、左右視差を再現するステレオ方式の立体表示です。
なぜメガネを外すと二重に見えるのか
メガネを外すと、左右用の二つの映像が両方の目に入ります。
左右像には視差をつけてあるため、同じ物体が少しずれた位置へ二重に見えます。
偏光メガネは、この二重に重なった光から必要な片方だけを各目へ選び分ける光学フィルターとして働いています。
クロストークとは何か
本来右目にだけ届くべき映像が左目にも少し見えたり、その逆が起きたりする現象をクロストークと呼びます。
クロストークが大きいと、輪郭の周囲にゴースト像が見え、立体感が低下します。
J-STAGEの偏光方式3Dディスプレイ解説でも、左右像の分離性能は立体表示品質を左右する重要な要素として扱われています。
なぜクロストークが起こるのか
原因には、
- 偏光フィルターが理想的でない
- スクリーン反射で偏光が乱れる
- メガネの角度が適切でない
- 投影光学系で偏光状態が崩れる
- 左右画像の位置や明るさがずれる
などがあります。
円偏光方式でも完全に漏れがゼロになるわけではありません。
頭を傾けても円偏光方式なら完全に問題ないのか
完全ではありません。
円偏光方式は直線偏光方式より頭の傾きに強いですが、メガネの位相差板やスクリーン、投影光学系の特性は波長や角度によって完全ではありません。
そのため、大きく傾けた場合や視野角が外れた場合にはクロストークが増えることがあります。
実際の3Dシステムでは、見やすい観察範囲を考えて設計されています。
なぜ偏光方式ならフルカラー表示できるのか
赤青メガネを使うアナグリフ方式では、左右像を色で分けるため色再現が制限されます。
一方、偏光方式では左右像を「色」ではなく「偏光状態」で分けます。
そのため、左右どちらの映像にも赤・緑・青のすべてを含めることができ、フルカラー映像を表示しやすくなります。
J-STAGEの3Dディスプレイ解説でも、偏光方式の利点としてフルカラー表示や多数観客への同時表示が挙げられています。
多数の観客が同時に見られるのはなぜか
偏光方式では、スクリーンに左右用映像が常に同時に重ねて投影されています。
各観客は同じ種類の偏光メガネをかければよく、一人ずつ電子的に同期する必要がありません。
そのため映画館のように大勢で同時視聴する用途に向いています。
シャッター式3Dメガネとは何が違うのか
シャッター式では、左右映像を時間的に交互表示し、メガネの左右レンズを高速で交互に暗くして分離します。
偏光方式は左右映像を偏光状態の違いで同時に分離します。
つまり、シャッター式は時間分離、偏光式は偏光分離です。
どちらも最終的には左右の目へ別々の画像を送ることが目的です。
3D映像を見ると疲れることがあるのはなぜか
実物を見るときは、目の寄り具合を調整する輻輳と、水晶体のピント調節が同じ距離に対応します。
しかし3D映画では、目のピントは実際のスクリーン面に合わせたまま、左右視差によって別の奥行きを感じることがあります。
この輻輳と調節の不一致は、3D映像で視覚疲労が生じる要因の一つです。
J-STAGEの3D映像ガイドライン解説でも、両眼視差を用いた立体映像特有の視覚疲労が検討されています。
左右像のずれを大きくすれば立体感も強くなるのか
ある範囲では奥行き感が強くなりますが、大きくしすぎると左右像を一つに融合できなくなります。
すると二重像、違和感、目の疲れにつながります。
3D映画では、見せたい奥行きと視聴しやすさのバランスを考えて視差量を設計します。
偏光サングラスと3Dメガネは同じなのか
どちらも偏光を利用しますが、目的が違います。
偏光サングラスは、水面や道路面からの特定方向の偏光反射を減らして眩しさを抑えるのが主目的です。
3Dメガネは、左右映像に付けた異なる偏光状態を選別し、それぞれの目へ異なる映像を届けるために使います。
同じ「偏光フィルター」でも、使い方が異なります。
既存の偏光の記事とは何が違うのか
既存記事では、偏光板、反射面、複屈折結晶がそれぞれどのように偏光状態を変えるかを比較しています。
本記事ではその基礎を前提に、左右用映像へ異なる偏光を割り当て、メガネで光学的に分離して両眼視差を作る3D映画の仕組みに焦点を限定しています。
つまり、一方は「偏光が物質や素子でどう変わるか」、もう一方は「偏光を情報の振り分けにどう使うか」です。
まとめ
3D映画が偏光メガネで左右の目へ別々の映像を届けられるのは、左右用映像に異なる偏光状態を与え、メガネの左右レンズで選別しているからです。
- 左右の目には自然界でも少し異なる像が入り、脳はその両眼視差から奥行きを感じる
- 3D映画では左右用に少し異なる映像を用意する
- 左右映像へ異なる偏光状態を与えて同じスクリーンへ重ねて投影する
- 偏光メガネは左目用・右目用の光をそれぞれ選び分ける
- 円偏光方式は頭の傾きに比較的強く、映画館で使いやすい
- スクリーンは反射後も偏光を保ちやすい必要がある
- 左右像の漏れはクロストークとなり、ゴースト像や立体感低下につながる
- 最終的な立体感は偏光そのものではなく、左右像の視差を脳が統合することで生まれる
つまり、偏光式3D映画は、偏光を左右映像の識別ラベルとして使い、1枚のスクリーンから二つの画像を光学的に振り分け、人の両眼立体視を利用して奥行きを感じさせる技術なのです。
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参考資料
- 大田原一成「応用2:偏光方式3Dディスプレイ」映像情報メディア学会誌
- 春石和子ほか「3D Visual Function Trainerを用いた健常人における遠見立体視の検討」
- OpenStax Psychology 2e: Vision
- Idaho State University: Polarized 3D Glasses
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