ヘビでもわかるライトフィールドカメラの原理 その2.4 Lytroのライトフィールドカメラの構造

今回はついにライトフィールドカメラの構造について説明する。

その2.2では、レンズの結像面にピンホールを置けば光線が分離され、光線の角度方向も記録できることを説明した。Lytroのライトフィールドカメラも基本的には同じ原理である。

しかし、その2.3で説明したようにピンホールでは光の利用効率が悪い。
ピンホールではなくレンズ（マイクロレンズアレイ）を置くことによってそれを回避できる。
Lytroのライトフィールドカメラはその構造をとっている。

具体的に図示しよう。

便宜上マイクロレンズが５つあるとして、それらに番号を振っておく。（ホントはもっと小さいくてたくさんある）
１点から出た光は結像面で再び１点へ集光するマイクロレンズにどのような角度で入射してきたかによって、到達するピクセルが変わるのである。

たとえば③番目のマイクロレンズに到達する光線に注目する。
③番目のマイクロレンズに到達する光線のうち、u座標が小さい（下側の）光線はマイクロレンズ下のピクセルの上側に到達する。反対にu座標が大きいもの（上側の光線）は
マイクロレンズ下のピクセルの下側に到達することになる。

まとめると、どのマイクロレンズを通ったかによってx座標が決定され、そのマイクロレンズ下のどのピクセルに到達するかによってu座標が決定される。
このようにしてライトフィールドを取得するのである。

ヘビでもわかるライトフィールドカメラの原理 その2.3 レンズのはたらき

今回はレンズのはたらきについて、直感的に分かるように話したい。
別に読み飛ばしてくれてもライトフィールドカメラの原理は理解できると思われる。


「その2.1」で話したように、ピンホールカメラを含め、
カメラは1点から出た光を再び1点に結像することで像を記録する。

言い換えれば、別の点から出た光は別のところに結像する。
バラバラに飛んでいた光がレンズを置くことで集約するのである。
つまり、レンズにもピンホールと同様光線を選択する作用がある。



例えばものすごく遠くにある物体からの光はほぼ平行な光としてレンズに入射する。
レンズに入射する角度によってどこから来た光かが分かる訳であるが、
レンズは光の入射角度に応じて結像位置を変えることができるのである。

つまり

入射角度→結像位置

という変換装置である。
（これは小学校、中学校でやった、「平行光はレンズの中心を通る光は直進して、その他の光は屈折して焦点にたどり着く」というやつ）

また、レンズとピンホールの１つに違いに光量がある。
ピンホールでは多くの光を遮ってしまうため、光を無駄にしてしまう。
カメラでは広がりをもった光も１つに集約することができる。
そのためピンホールカメラではレンズを使ったものに比べ露光時間が長くなってしまう。

レンズはピンホールを進化させた光を効率的に使うため道具なのである。

ヘビでもわかるライトフィールドカメラの原理 その2.2 ライトフィールド記録の原理

前回で絞りの働きによって光線の方向が記録されることが分かった。
今回はそれを応用してライトフィールドを記録する基本原理を説明する。


その1.2で説明した2Dライトフィールドを思い出そう。
レンズのところにu面、センサーのところをx面としていたが、
今回はx面に小さな絞りを、センサーはその後ろに配置することにする。
センサーはわかりやすくピクセルごとに分割して図示してある。

すると①のピクセルに到達する光線は、ｘ座標とu座標が一意に決まることが分かる。
つまり、絞りによってx座標が限定され、その後どのピクセルに到達するかによってu座標が決定するのである。前回の説明したように、絞りによって光線を選択している訳である。
これを応用して、複数の絞りを設けることによって様々なx座標を通る光線について調べることができる。そうすると各ピクセルに固有の(x,u)座標が紐付けされ、ライトフィールドを記録することができる。

この図は、レンズの結像面に複数のピンホールカメラをおいて光線を選択していると見ることができる。これが100年くらい前に考案されたライトフィールド取得のアイデアである。非常にシンプルなアイデアである。（本質がちゃんとわかっている人はこういうのがすぐに思いつくんやろなー…）
ライトフィールドの歴史についてはTedor Georgevさんのページに少し資料がある。
http://www.tgeorgiev.net/Lippmann/index.html

実際にはLytroのライトフィールドカメラではピンホールでなくレンズ（マイクロレンズアレイ）が置かれる。

ピンホールではなぜいけないのか？次回はレンズの働きについて少し考えてみたい。