DE69007250T2

DE69007250T2 - Verbesserter schirm zur reproduktion von statischen oder bewegenden dreidimensionalen bildern, und verfahren zur herstellung eines solchen schirmes.

Info

Publication number: DE69007250T2
Application number: DE69007250T
Authority: DE
Inventors: Juan Las Rozas Madrid Dominguez Montes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-21
Filing date: 1990-04-23
Publication date: 1994-08-25
Anticipated expiration: 2010-04-24
Also published as: ES2066202T3; ES2013569A6; EP0433403B1; CA2030358A1; DK0433403T3; US5357368A; DE433403T1; JPH04500415A; WO1990016009A1; AU5549690A; ATE102715T1; EP0433403A1; DE69007250D1; CA2030358C

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft einen verbesserten Schirm für dreidimensionale stehende oder sich bewegende Bilder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Wie noch erläutert wird, verbessert dieser Schirm die Funktion des optischen Systems zur Wiedergabe dreidimensionaler Bilder durch Projektionen, ein System, das vom selben Anmelder und Erfinder wie dem der vorliegenden Erfindung entwickelt und in früheren Patenten beansprucht worden ist.

Hintergrund der Erfindung

In der am 29. 12. 1986 eingereichten Spanischen Patentanmeldung 8603612, jetzt Spanisches Patent 20000293, und in der Europäischen Anmeldung EP-A-273.845, sowie in der am 28. 2. 1989 eingereichten Spanischen Patentanmeldung 8900722, jetzt Spanisches Patent 2015382 ist ein optisches System oder Gerät zur Wiedergabe dreidimensionaler stehender oder sich bewegender Bilder beschrieben und beansprucht. Dieses Gerät oder System beinhaltet einen Schirm, durch welchen die Bilder projiziert (oder auf welchem sie reflektiert) werden, wobei der optische Eindruck von Bildern in Reliefdarstellung erhalten wird.
Bei den Systemen, die Bilder mit Tiefenwirkung wiedergeben können, wird ein Unterschied zwischen stereoskopischen und dreidimensionalen Bildern gemacht. Der Ausdruck "stereoskopisch" wird zur Beschreibung eines Systems verwendet, bei welchem man die Wiedergabe von zwei Bildern einsetzt, die in einem Abstand aufgenommen wurden, der etwa gleich dem Abstand zwischen den Augen eines Menschen ist. Der Ausdruck "dreidimensional" wird verwendet, wenn eine größere Anzahl von aufgenommenen und wiedergegebenen Bildern als beim vorhergehenden System verwendet werden, was eine Betrachtung innerhalb eines weiten Blickwinkels ermöglicht, ohne die Betrachter durch das Anordnen von optischen Filtern oder irgendeiner anderen Vorrichtung vor ihnen zu stören.
Bei den meisten bisher konstruierten dreidimensionalen Wiedergabegeräten wird eine "streuende Oberfläche" verwendet, auf welcher die verschiedenen Bilder erzeugt projiziert, übertragen, vergrößert oder einfach aufgedruckt werden.
Die Differenzierung zwischen den verschiedenen, auf der streuenden Oberfläche wiedergegebenen Bildern wird dadurch erreicht, daß für jedes einzelne davon ein anderer Platz reserviert wird, mittels einer sogenannten "Skalardifferenzierung von Bildern".
Alle Systeme, die eine streuende Oberfläche enthalten, reservieren unter Verwendung verschiedener Methoden für jedes Bild eine andere Position auf dieser. Diese Position bildet einen sehr schmalen vertikalen Streifen. Die Sicht wird durch eine optische Platte aus vertikalen zylindrischen Linsen erzeugt, deren Brennlinien an einer Stelle enthalten sind, an welcher sich die streuende Oberfläche befindet.
Der Winkel der orthoskopischen Sicht fällt mit dem Öffnungswinkel der erwähnten zylindrischen Linsen zusammen.
Aus diesem Grund führen die Systeme, die auf dieser Skalardifferenzierung von Bildern mit einem großen Wert des orthoskopischen Blickwinkels basieren, zu Mustern von vertikalen zylindrischen Linsen, die zu einer sehr teuren Konstruktion führen.
Von diesen Systemen seien die folgenden erwähnt:
Das System, das im U.S. Patent 1,883.290 von Ives beschrieben ist, wobei ein System und seine betreffende Methode der vorderen Projektion, ein System und seine betreffende Methode der hinteren Projektion, sowie die verschiedenen Systeme und Methoden, die auf die Erzeugung eines großen Winkels der orthoskopischen Sicht abzielen, beschrieben sind. Beim Lesen dieses Patents ergibt sich, daß der große Winkel der orthoskopischen Sicht zu zylindrischen Linsen, die sehr schwer herzustellen sind, und zu einem Qualitätsverlust führt, wenn eine große Anzahl von Bildern vorhanden ist. Diese Schwierigkeiten, zusammen mit der Brillianz aufgrund einer spiegelnden Reflexion der Projektoren im Fall der vorderen Projektion, oder mit der Einstellung auf die erforderte Genauigkeit im Falle der hinteren Projektion führen dazu, daß die praktische Verwendung der resultierenden Produkte minimal ist.
Das U.S. Patent 4,078.584 von Yano beschreibt eine Vorrichtung, die im wesentlichen aus zwei Elementen besteht, einem konvergierenden optischen System und einem Schirm, der zwei Platten aus vertikalen zylindrischen Linsen umfaßt. Es sind in diesem Patent zwei Verfahren einer dreidimensionalen Wiedergabe mittels einer hinteren Projektion durch diesen Schirm beschrieben. Beim ersten davon, welches den Fig. 1 bis 4 jenes Patents entspricht, wird ein zwischen den Platten aus vertikalen zylindrischen Linsen befindlicher Schirm aus durchscheinendem Material verwendet, wobei die Bilder in feine vertikale Streifen unterteilt erscheinen. Beim zweiten Verfahren ist eine der Platten eine Platte aus horizontalen zylindrischen Linsen, doch wird dieses System als einfache Variante des für das erste Verfahren verwendeten Systems angesehen, wobei dies immer auf der Skalardifferenzierung von Bildern auf einer streuenden Oberfläche aus durchscheinendem Material basiert. Bei diesem Patent hat die Öffnung der zylindrischen Linsen einen bestimmten und festliegenden Wert, unabhängig vom Abstand zwischen den Projektionsobjektiven sowie vom Projektionsabstand, wobei klar gemacht wird, daß es auf der Skalardifferenzierung von Bildern für eine sehr kleine Anzahl von reproduzierten Bildern basiert. Tatsächlich ist dieses System im Patent als stereoskopisches Reproduktionssystem mit einer sehr kleinen Anzahl von Bildern bezeichnet (vgl. Seite 1, Zeilen 10-13), wobei festgehalten wird, daß ein Maximum von fünf Bildern (vgl. Seite 5, Zeilen 30-32) mit einem weiten Sichtbereich vorliegen kann, jedoch mit dem ernsten Nachteil, daß Beobachter vorhanden sein müssen, die dasselbe Bild mit beiden Augen sehen, und es wird nötig sein, eine Tiefenwirkung mit anderen Mitteln zu erreichen, die alle sicher kompliziert sind.
Insgesamt ist der Grundgedanke all dieser auf einer Skalardifferenzierung von Bildern basierenden Systeme der, daß man versucht, jedem Auge ein Bild zu bieten, daß in seiner Gesamtheit nur von einer einzigen Kamera aufgenommen ist. Es wird versucht, die dreidimensionale Sicht dadurch zu erreichen, daß jedes Auge veranlaßt wird, ein Bild zu sehen, das von einer anderen Kamera aufgenommen wurde und sich daher an einer anderen Stelle befindet.
Dieser Anmelder und Erfinder geht, im Gegesatz zu den in Verbindung mit dem Stand der Technik genannten Grundlagen, von einer Winkeldifferenzierung von Bildern aus.
Um diese Winkeldifferenzierung zu erreichen, ist es notwendig, zusätzlich zur Eliminierung der streuenden Oberfläche sich für die Wiedergabe der Bilder eine andere als die zuvor angeführte Art einfallen zu lassen. Im vorliegenden Fall wird von jedem projizierten Bild nur ein Rechteck gesehen, ein Rechteck, das für jeden Betrachtungspunkt anders ist. Die Zusammensetzung der Rechtecke, die einem Betrachtungspunkt entspricht, bildet ein einzigartiges Bild, das sich von jenem, das irgendeinem anderen Betrachtungspunkt entspricht, unterscheidet. Damit kann der Winkel der orthoskopischen Sicht beliebig groß gemacht werden, ohne daß es notwendig ist, die optischen Charakteristika des Wiedergabesystems zu ändern, einfach durch Erhöhung der Anzahl der projizierten Bilder. Tatsächlich bestimmen weder die Anzahl der projizierten Bilder, noch der Winkel der orthoskopischen Sicht das Muster der Platten aus zylindrischen Linsen. Es wird auf der Oberfläche, auf der die verschiedenen Bilder fokussiert werden müssen, keine streuende Oberfläche verwendet. Es gibt sicherlich eine ideale Ebene, auf der die Bilder fokussiert werden, doch muß diese Ebene nicht in irgendeinem körperlichen Ding realisiert sein. Zu Lehrzwecken kann diese Ebene als imaginäre transparente Oberfläche angesehen werden.
Die Beschreibung beginnt mit der Definition der grundlegenden Charakteristik dieser transparenten Oberfläche:
"Jeder Punkt auf der transparenten Oberfläche wird zu einem Photon-Emissionszentrum, wobei die emittierten Photonen dieselbe Richtung wie das einfallende Photon beibehalten".
Infolgedessen:
- sieht jeder Beobachter unabhängig von seiner Position einen einzigen Punkt des projizierten Bildes. Dieser Punkt ist der Schnittpunkt der transparenten Oberfläche mit der Linie, die das optische Zentrum des Projektionsobjektivs mit dem optischen Zentrum des Beobachters verbindet. Ein bestimmter Punkt eines Bildes entspricht jeder Betrachtungsstelle;
- behalten, wenn zwei oder mehrere Bilder gleichzeitig von verschiedenen räumlichen Positionen auf die transparente Oberfläche projiziert werden, die von verschiedenen Projektionen stammenden Photonen ihre Richtung nach Kreuzen derselben bei. Die verschiedenen Bilder werden unterschiedlich sein, da die Photonen eines jeden in einem anderen Winkel von dieser transparenten Oberfläche hervorgehen werden. Dies führt zum Konzept der "Winkeldifferenzierung von Bildern".
Die einzigen Systeme von jenen bekannten, die auf dieser Winkeldifferenzierung von Bildern basieren, sind jene, die im zuvor erwähnten Patent und der Patentnameldung des vorliegenden Anmelders und Erfinders in Erwägung gezogen wurden; darin ist ein System zur Projektion dreidimensionaler Bilder mit einer horizontalen Parallaxe und ein weiteres System zur Projektion dreidimensionaler Bilder mit horizontaler und vertikaler Parallaxe, d.h. ein integrales System, beschrieben.
Um diese Differenzierung zu schaffen, wird zuerst eine optische Platte aus vertikalen zylindrischen Linsen vor der zuvor erwähnten imaginären Fläche in einem Abstand, der gleich der Brennweite dieser Linsen ist, angeordnet. Diese Brennweite ist so gewählt, daß das Verhältnis der Querabmessung einer der zylindrischen Linsen zu ihrer Brennweite mindestens gleich dem Verhältnis der Entfernung zwischen zwei benachbarten Projektionsobjektiven zum Projektionsabstand und niemals mehr als das doppelte dieses Wertes ist.
Durch diese zylindrischen Linsen mit den erwähnten Charakteristika wird jeder Beobachter unabhängig von seiner Position so viele Bildsegmente sehen, als Projektionsobjektive vorhanden sind. Diese Segmente verschmelzen zu einem einzigen geradlinigen Segment. Dieses resultierende geradlinige Bildsegment ist für jeden Betrachtungspunkt ein anderes und ist auf der Linie enthalten, die sich aus dem Schnittpunkt der die Projektionsobjektive und den Beobachter enthaltenden Fläche mit der idealen transparenten Projektionsoberfläche ergibt.
Vor dieser Platte ist eine zweite optische Platte aus horizontalen zylindrischen Linsen angeordnet, deren Brennlinien sich in derselben Brennebene wie die vertikalen zylindrischen Linsen treffen und daher mit dem imaginären transparenten Schirm zusammenfallen. Die Aufgabe dieser zweiten Platte ist die Umwandlung des vorherigen Bildsegments in ein Rechteck, dessen Basis so groß wie das Segment ist und dessen Höhe gleich jener der transparenten Oberfläche ist. Jeder Betrachtungsposition entspricht ein anderes Bildrechteck, und die Zusammensetzung dieser Rechtecke bildet an jedem Betrachtungspunkt ein einziges, anderes Bild.
Die Brennweite dieser horizontalen zylindrischen Linsen muß so kurz wie möglich im Vergleich zu ihrer Breite sein (die eines halbkreisförmigen Zylinders), um zu gewährleisten, daß ihre Apertur von jedem Punkt aus die Sicht eines Rechtecks von gleicher Größe wie das tatsächliche optische System ermöglicht.
Damit ist der im früheren Patent und der Anmeldung des vorliegenden Anmelders verwendete Schirm geschaffen. Dieser Schirm ist daher an einer seiner Flächen von einer Oberfläche mit einer optischen Schicht gebildet, die aus horizontalen zylindrischen Linsen mit einem Querschnitt besteht, der in der Praxis halbkreisförmig ist (d.h. der Winkel des Kreissektors ist 180º), wobei die Linsen eine Querabmessung in der Größenordnung von 0,2 mm und einen Krümmungsradius in der Größenordnung von 0,1 mm haben. Die andere Seite besteht aus vertikalen zylindrischen Linsen mit einer Querabmessung, die in der Praxis von der gleichen Größenordnung von 0,2 mm ist, doch mit einem größeren Krümmungsradius, von 1 bis 2 m, was bedeutet, daß der Winkel des Kreissektors kleiner als 180º ist.
Die Verwendung dieses Schirms ergibt sicher die überraschenden Effekte, auf die der Anmelder und Erfinder zum ersten Mal stieß. Trotzdem hat der Schirm ein oder zwei Nachteile. Einerseits müssen die vertikalen zylindrischen Linsen eine sehr kleine Apertur aufweisen, d.h. einen im Verhältnis zur Querabmessung großen Krümmungsradius. Dies führt zu einer sehr geringen Höhe von der Basis-Kreissehne, was die Herstellung der entsprechenden Platte sehr teuer macht. Anderseits wäre es immer, wenn sich die Wiedergabebedingungen, d.h. die Größe des wiedergegebenen Bildes und folglich der Betrachtungsabstand oder der Blickwinkel usw., wesentlich ändern, notwendig, die Apertur der zylindrischen Linsen zu ändern, um eine perfekte Vorrichtung zu erhalten. Da jedoch die Platten des betreffenden Schirms eine fixe Linsenapertur aufweisen, würde eine Änderung des Wertes dieser Apertur ein Ersetzen des Schirmes durch einen anderen entsprechenden Schirm, der diesem neuen Wert angepaßt ist, erforderlich machen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Anmelder und Erfinder ging daher daran, die Vorteile der von ihm entwickelten Systeme voll auszunützen, um einen Schirm auf Basis der erwähnten Winkeldifferenzierung von Bildern zu entwickeln, einen Schirm, der die Nachteile des ursprünglichen Schirms, nachstehend einfacher Schirm genannt, nicht hat, und dessen Kosten so gering wie möglich sind.
Im Laufe der durchgeführten Untersuchungen stellte sich heraus, daß ein verbesserter Schirm durch Ersetzen der Platte aus vertikalen zylindrischen Linsen mit kleinen Aperturen durch eine andere Platte aus geneigten zylindrischen Linsen mit weiter Apertur und/oder Bedecken derselben mit einer transparenten Substanz mit einem anderen Brechungsindex erhalten wird. Die Neigung dieser Zylinder ist variabel, wodurch gewährleistet wird, daß die horizontale Apertur des Systems an alle Wiedergabebedingungen angepaßt werden kann.
Anderseits wurde eine vollständig neue Technik entwickelt, um den Schirm billig und in einer Weise, die eine Serienerzeugung möglich macht, herstellen zu können.
Eine auf dieser Basis entwickelte Ausführungsform des verbesserten Schirms hat die folgenden Merkmale:
- die Platten aus zylindrischen Linsen sind optisch konvergent und/oder divergent (d.h., sie können in jeder beliebigen Kombination der optisch konvergenten und/oder divergenten Typen präsentiert werden, die für geeignet gehalten wird);
- die Platte aus horizontalen zylindrischen Linsen wird durch Zylinder von halbkreisförmigem Querschnitt gebildet, während die Platte aus geneigt verlaufenden zylindrischen Linsen durch eine Gruppierung von halbkreisförmigen Zylindern gebildet ist, die mit einer transparenten (flüssigen oder festen) Substanz mit einem solchen Brechungsindex n' überzogen sind, daß in Kombination mit den halbkreisförmigen zylindrischen Linsen dieselbe optische Apertur wie jene der Platte aus vertikalen zylindrischen Linsen des einfachen Schirms erhalten wird, wobei die Seite der Platte aus geneigten zylindrischen Linsen mit einer Schicht aus transparentem Material (das aus Kunststoff oder sogar aus Glas bestehen kann) bedeckt ist, wenn die Substanz mit dem Index n' flüssig ist; und/oder von einer Platte aus zylindrischen Linsen von halbkreisförmigem Querschnitt gebildet ist, das mit den horizontalen Zylindern auf der anderen Seite einen Winkel Alpha von weniger als 90º bildet, wobei dieser Winkel Alpha so berechnet ist, daß bei dem Gefüge die gleiche optische Apertur wie beim einfachen Schirm erhalten wird und so, daß bei Anwendung der letzteren Maßnahme zusammen mit der Beschichtung aus Material mit dem Index n', der Winkel Alpha' größer als der Winkel Alpha ist; wobei Alpha' und n' so berechnet sind, daß die gleiche optische Apertur wie jene des einfachen Schirmes erhalten wird.
Alternativ kann eine der Platten aus zylindrischen Linsen eine polierte, reflektierende Oberfläche aufweisen, wobei die Bilder dann reflektiert anstatt durchgelassen werden.
Diese verbesserten Schirme mit ihren verschiedenen alternativen Ausführungsformen werden zur Wiedergabe dreidimensionaler Bilder mit einer horizontalen Parallaxe verwendet; wenn die Wiedergabe integral - mit vertikalen und horizontalen Parallaxen - sein muß, hat der Schirm die zusätzlichen Merkmale:
- die Platten aus zylindrischen Linsen sind optisch konvergent und/oder divergent;
- die Platten aus horizontalen und vertikalen Linsen (es muß darauf hingewiesen werden, daß in diesem Fall der Winkel Alplha immer 90º beträgt) an einer oder beiden Seiten des Schirmes sind durch Zylinder von halbkreisförmigem Querschnitt gebildet sind, die in ihrer axialen Richtung aneinanderliegen, wobei die Platte aus vertikalen zylindrischen Linsen mit einer Substanz bedeckt ist, die den Brechungsindex hat, der notwendig ist, um zu gewährleisten, daß die erwähnte horizontale optische Apertur erhalten wird, wobei als Alternative eine der Platten eine polierte reflektierende Oberfläche haben kann.
Der erfindungsgemäße Schirm ist dadurch gekennzeichnet, daß
(a) die horizontalen und die anderen zylindrischen Linsen (1, 2) von einer transparenten Substanz bedeckt sind, deren Brechungsindex (n') vom Linsen-Brechungsindex (n) der zylindrischen Linsen (1, 2) verschieden ist, um die horizontale Apertur (G) zu verringern, wobei der Brechungsindex (n') so festgelegt ist, daß die resultierende horizontale Apertur (G) erhalten wird, und/oder
(b) die anderen zylindrischen Linsen (1) in bezug auf die horizontalen zylindrischen Linsen (2) in einem Winkel Alpha angeordnet sind, welcher Winkel alpha im wesentlichen größer als 0º und im wesentlichen kleiner als 90º ist, wobei der Winkel Alpha so festgelegt ist, daß die resultierende horizontale Apertur (G) erhalten wird.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind die zylindrischen Linsen (1, 2) optisch konvergent und/oder divergent, und einige dieser zylindrischen Linsen (1, 2) sind optisch konvergent, während die anderen optisch divergent sind.
Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung ist der Winkel Alpha gleich 90º, so daß die anderen zylindrischen Linsen (1) vertikal sind.
Noch ein anderes bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist, daß eine der Platten weiters eine reflektierende Oberfläche aufweist.
Ein denkbares Verfahren zur Herstellung dieses verbesserten Schirmes wäre die Formung von thermoplastischen transparenten optischen Materialien mittels geschnittener Formen mit Platten aus perfekt polierten zylindrischen Linsen. Trotzdem ist es, wenn man die sehr kleinen Dimensionen der den Schirm bildenden Elemente bedenkt, leicht verständlich, daß jeder herkömmliche Poliervorgang schwierig sein wird und die geometrischen Charakteristika der Form mit dieser zylindrisch geformten Platte in nicht akzeptabler Weise ändern wird.
Folglich wurde eine völlig originale Technik zur Herstellung des verbesserten Schirmes entwickelt, wobei diese neue Technik a) in der Herstellung einer ersten Form aus eng aneinanderliegenden, vollkommen polierten Metalldrähten oder optischen Fasern; b) in der Erzeugung einer Gegenform aus Silikongummi oder einem ähnlichen elastomeren Material; c) in der Erzeugung einer Endform aus Kupfer, Nickel oder einem ähnlichen Material auf galvanotechnischem Wege; c') zum fakultativen Erhalt optisch konvergenter Platten, in der Erzeugung einer Gegen-Endform der Endform aus Schritt c), die ebenfalls aus Kupfer, Nickel oder einem ähnlichen Material besteht; d) im Formpressen mit der Endform oder der Gegen-Endform der entsprechenden Oberflächen mit den halbkreisförmigen zylindrischen Linsen auf das Gußmaterial zwecks Bildung des Schirmes aus transparentem Material und einer nachfolgenden Verfestigung desselben; oder im Formen des Schirms durch Aufbringen des Monomers des thermoplastischen Materials auf die Form und nachfolgendes Aufbringen von Druck unter den Polymerisationsbedingungen des Monomers besteht.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal des Verfahrens der Erfindung beinhaltet, wenn eine Substanz mit einem anderen Brechungsindex (n', n") als dem Brechungsindex der zylindrischen Linsen verwendet wird, das Aufbringen der in Frage stehenden Substanz auf eine oder beide Oberflächen mit den zylindrischen Linsen, und wenn sie flüssig ist, das Bedecken derselben mit einem Film des transparenten Materials, welches die Oberfläche darstellt, wodurch die Substanz eingeschlossen wird.
Auf diese Weise können konvergente oder divergente zylindrische optische Platten mit einer großen Apertur erhalten werden, die zur Erzeugung des verbesserten Schirms erforderlich sind.
Die Vorteile, die durch Annahme der oben erklärten Vorgangsweise in bezug auf die obigen Systeme erreicht werden, beinhalten:
A) Der ganze Blickwinkel kann so groß wie gewünscht gemacht werden, wobei dies nur von der Anzahl der Projektoren, dem Abstand zwischen diesen und vom Projektionsabstand abhängt.
B) Die Größe der zylindrischen Linsen ist nicht durch die Anzahl von Bildern beschränkt und kann so klein wie gewünscht gemacht werden, weshalb die Qualität des erhaltenen Bildes nur durch die Herstellungsbedingungen der zylindrischen Linsen bestimmt ist.
C) Es tritt keine Pseudoskopie ein, wenn der Betrachter das Blickfeld verläßt.
D) Es ist nicht nötig, ein kompliziertes Gerät zur Teilung der projizierten Bilder in ordentliche und ineinander verwobene vertikale Streifen zu schaffen, und auch nicht, auf die Wechselwirkung anderer konvergenter optischer Systeme zusätzlich zur linsenförmigen Fläche zurückzugreifen. Die Erzeugung ist daher sehr einfach. Die Rückseiten-Projektion bedarf keiner Präzisionseinstellung, und sie ist sehr einfach auszuführen, gleichgültig, wie groß das reproduzierte Bild ist.
E) Die von jedem Auge des Beobachters wahrgenommenen Bilder sind unabhängig von ihrem Platz verschieden.
F) Das System im Verbund vorgesehener zylindrischer Linsen mit variabler Neigung erleichtert seine Konstruktion und macht es für jegliche Wiedergabebedingung universell verwendbar.
Es sei darauf hingewiesen, daß dieses System nur für die Projektion gültig ist und für photographische Reproduktionen auf Papier nicht verwendbar ist. Anderseits ist es möglich, dreidimensionale Diaprojektoren unter Verwendung dieses Systems zu konzipieren.
Die sogenannte Frontalprojektion ist dadurch sehr leicht machbar, daß man eine der Linsenplatten,wie bereits erwähnt mit einer polierten Reflexionsoberfläche versieht.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Fig. 1 bis 5 sind zur Erläuterung der Ideen, auf welchen das neue System basiert, bestimmt, wogegen die Fig. 6 bis 8 bestimmte Ausführungsformen des verbesserten Systems gemäß dieser Erfindung beschreiben.
Insbesondere zeigt
Fig. 1 schematisch einen Beobachter O&sub1;, der durch ein Fenster AB auf ein Objekt P sieht;
Fig. 2 schematisch m Beobachter O&sub1;, O&sub2;...Om, die durch das Fenster AB auf ein Objekt P sehen;
Fig. 3 schematisch n Kameras CC&sub1;, CC&sub2;...CCn, die durch einen Abstand Kc voneinander getrennt sind, wobei ihre optischen Achsen parallel verlaufen;
Fig. 4 schematisch die Anordnung von Projektionsobjektiven PR&sub1;, P&sub2;...PRn und der optischen Platte aus vertikalen Zylindern (1) mit einer Brennweite f und einer Querabmessung d; wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Projektionsobjektiven KR ist und der Projektionsabstand B ist;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines einfachen Schirmes mit einer optischen Platte aus vertikalen zylindrischen Linsen (1) und einer optischen Platte aus horizontalen zylindrischen Linsen (2); wobei mit e die Dicke des Systems, mit V der Blickwinkel, mit S der horizontale Winkel, in welchem zwei Projektionsobjektive gesehen werden, mit f die Brennweite der vertikalen Zylinder, mit B der Projektionsabstand, mit KR der Abstand zwischen zwei benachbarten Projektionsobjektiven, und mit PR&sub1;, PR&sub2;...PRn die Stelle der optischen Zentren der Projektionsobjektive bezeichnet sind;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des verbesserten Schirms gemäß dieser Erfindung, der mit einer Platte aus horizontalen zylindrischen Linsen auf einer Seite und einer flachen Rückseite, und mit einer weiteren Platte aus zylindrischen Linsen, die in einem Winkel Alpha zur Horizontalen auf einer Seite geneigt verlaufen, und einer ebenfalls flachen Rückseite versehen ist; wobei beide Rückseiten einander zugewandt sind;
Fig. 7 in transversaler Schnittdarstellung eine mit den geneigt verlaufenden zylindrischen Linsen versehene Platte, welche Linsen aus einer Substanz mit einem Brechungsindex n bestehen, die mit einer anderen, festen oder flüssigen Substanz mit flacher Oberfläche und mit einem anderen Brechungsindex n' überzogen ist; und
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des verbesserten Schirmes, der Gegenstand dieser Erfindung ist, und welcher mit einer Platte aus horizontalen einzelnen zylindrischen Linsen und mit einer weiteren Platte aus in einem variablen Winkel Alpha zur Horizontalen geneigt verlaufenden zylindrischen Linsen, die mit einer Substanz mit einem Brechungsindex n' überzogen sind, versehen ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In Fig. 1 sieht ein Beobachter O&sub1; auf ein Objekt P durch ein Fenster mit der Breite AB, das in einer Wand erzeugt ist, die senkrecht zu den ins Unendliche verlaufenden Blicklinien steht; dieser Beobachter O&sub1; ist im Grundriß mit seinem rechten Auge D&sub1; und linken Auge I&sub1; gezeigt; das Bündel aus Lichtstrahlen, die, ausgehend von der umgebenden Landschaft, durch I&sub1; hindurchgehen, (d.h. das Bündel, das bei I&sub1; homozentrisch ist), ist jenes, das zur Bildung des Bildes des linken Auges verwendet wird; auf ähnliche Weise wird das Bündel von Lichtstrahlen, die durch D&sub1; hindurchgehen, (d.h. das Bündel, das bei D&sub1; homozentrisch ist), zur Bildung des Bildes des rechten Auges verwendet.
Die Reliefwahrnehmung wird erreicht, wenn das Gehirn die Bilder des linken Auges und des rechten Auges, die durch diese beiden Bündel von Lichtstrahlen, die durch die nicht zusammenfallenden Punkte I&sub1; und D&sub1; hindurchgehen, zusammenfügt.
Die Gerade AB, die innerhalb der Linie der das Fenster enthaltenden Ebene enthalten ist, wird als in eine unendliche Reihe von aneinandergrenzenden Punkten F&sub1;, F&sub2;...Fi...Fn-1, Fn unterteilt angesehen.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß jeder Strahl, der zum bei D&sub1; homozentrischen Bündel gehört, im Gefüge aus homozentrischen Bündeln F&sub1;, F&sub2;...Fi...Fn-1, Fn enthalten ist, vorausgesetzt, daß der Abstand zwischen Fi und Fi-1 für jeden Wert von i klein genug ist.
In Fig. 2 sehen verschiedene Beobachter O&sub1;, O&sub2;...Om auf denselben Gegenstand durch das zuvor erwähnte Fenster AB, und sie befinden sich an verschiedenen Punkten; da es nicht nötig ist, die vertikale Parallaxe in Betracht zu ziehen, können alle Augenpaare durch ihre Projektion in einer gemeinsamen horizontalen Ebene dargestellt werden.
Es ist aus offensichtlichen topologischen Gründen klar, daß jedes homozentrische Bündel Ii oder Di in der Serie homozentrischer Bündel F&sub1;, F&sub2;, Fi...Fn-1, Fn enthalten ist, vorausgesetzt, daß der Abstand zwischen Fi und Fi-1 kurz genug ist.
Mit anderen Worten:
"Das auf der Grundlage der homozentrischen Bündel Ii oder Di entsprechend dem linken und rechten Auge des Beobachters Oi, und für jeden Beobachter Oi entstandene Bild kann durch Auswahl und geeignetes Zusammensetzen der auf Grundlage der homozentrischen Bündel F&sub1;, F&sub2;...Fi...Fn-1, Fn gebildeten Bildfragmente zusammengefügt werden, vorausgesetzt, daß der Abstand zwischen jedem Fi und Fi-1 klein genug ist".
Die Demonstration gilt noch immer, wie auch immer die die homozentrischen Bündel F&sub1;, F&sub2;...Fi...Fn enthaltende Kurve aussieht, vorausgesetzt, daß sie kontinuierlich ist und durch die Punkte AB verläuft.
Die Mindesttrennung (auch Größe der Reproduktionselemente genannt), die nötig ist, um nicht wahrzunehmen, daß das Bild aus Streifen besteht, und die Trennung (oder der Abstand zwischen optischen Zentren der Linsen, wenn das Bild aufgenommen wird), die notwendig ist, um die Veränderung der Parallaxe in scheinbar kontinuierlicher Form zu reproduzieren, sind sehr verschieden.
Der maximale Abstand zwischen den optischen Zentren der Objektivlinsen der Kameras wird für jede Feldtiefe durch die Bedingung der Kontinuität des Bildes bei der Wiedergabe bestimmt. Diese Zusammenhänge haben alle Systeme dreidimensionaler Wiedergabe gemeinsam, einschließlich des von dieser Erfindung in Erwägung gezogenen Systems.
Der Abstand zwischen den aneinander angrenzenden optischen Zentren der Projektionsobjektive ist bei Verwendung der Winkeldifferenzierung von Bildern durch das Verhältnis der Projektionsapertur zur Betrachtungsapertur vorgegeben.
Die Projektionsapertur ist der Quotient aus dem Abstand zwischen den optischen Zentren zweier benachbarter Projektionsobjektive und dem Projektionsabstand.
Die Betrachtungsapertur ist der Quotient aus dem Abstand zwischen den Augen eines Beobachters und dem Betrachtungsabstand.
Die Entfernung zwischen Objektivlinsen beim Aufnehmen des Bildes kann viel größer sein als der oben erwähnte Abstand Fi- Fi-1.
Daher besteht der Aufnahmevorgang in der Verwendung einer Reihe von Linsen, deren optische Zentren sich in einer horizontalen Linie befinden und die durch einen Abstand Kc getrennt sind, der eine Funktion der Feldtiefe der Aufnahme ist.
Fig. 3 zeigt diesen Aufnahmevorgang schematisch. Der Einfachheit der Zeichnung halber ist jede Objektivlinse so gezeigt, daß sie zu einer einzigen Kamera gehört, und die optischen Achsen sind parallel dazwischen gezeigt. In Wirklichkeit können einige oder alle Objektivlinsen zu einer einzigen Kamera gehören und die optischen Achsen geneigt sein.
In dieser Figur stellen CC&sub1;, CC&sub2;, CC&sub3;...CCn die Kameras dar, wobei die optischen Zentren ihrer Objektivlinsen durch einen auf einer horizontalen Linie ZZ' liegenden Abstand Kc getrennt sind.
Für die Projektion wird dieselbe Anzahl an Projektionsobjektiven verwendet wie die Anzahl an Kameraobjektivlinsen, die beim Aufnahmevorgang verwendet wurde. Jede davon projiziert ein Bild auf die transparente optische Platte aus zylindrischen Linsen.
Fig. 4 zeigt schematisch die Anordnung der Projektionsobjektive PR&sub1;, PR&sub2;...PRn, die durch den Abstand KR voneinander getrennt sind und auf die optische Platte aus zylindrischen Reproduktionslinsen projizieren.
Der Einfachheit halber zeigt diese Figur, daß jede Objektivlinse zu einem einzigen Projektor gehört, und alle optischen Achsen sind zueinander parallel dargestellt.
In Wirklichkeit können einige oder alle der Objektivlinsen zu einem einzigen Projektor gehören und die optischen Achsen geneigt sein.
Es ist wichtig, nicht zu vergessen, daß der Winkel, der von den verschiedenen Bildfilmen bei der Projektion gebildet wird, derselbe sein muß wie der, der durch die Bildfilme bei der Aufnahme gebildet wurde. Ansonsten würden die flachen Oberflächen derselben Parallaxe während der Aufnahme als gekrümmte Oberflächen wiedergegeben, außer es wird eine Kompensationsneigung in den Filmkopierprozeß eingeführt.
Der Abstand B von den Projektionsobjektiven zum Schirm ist durch die Brennweite der Projektionsobjektive und die Größe des Schirms oder der optischen Platte aus zylindrischen Linsen vorgegeben.
Die optische Platte (1) aus zylindrischen Linsen ist aus Zylindern mit einer Breite d gebildet, die klein genug ist, um nicht wahrgenommen zu werden, wobei man aus Erfahrung weiß, daß für ein gesundes Auge die Breite der Zylinder kleiner als der Sichtabstand in Metern, geteilt durch 3.500, sein muß und eine Brennweite f haben muß, die gegeben ist durch
welche abgeleitet wird durch Gleichsetzen der Apertur jedes Zylinders G = d/f mit jener, mit der drei Projektoren gesehen werden,
In Wirklichkeit kann die Apertur jedes Zylinders im Bereich zwischen diesem Wert liegen und so die Sicht ausmachen, die drei Projektionsobjektive umfaßt, und der Hälfte davon, was die Sicht ausmacht, die zwei Projektoren umfaßt. Dies schafft einen nicht wahrnehmbaren Übergang von einem Bildstreifen zum nächsten, da der Bildteil des Projektionsobjektivs PRi allmählich mit dem projizierten Bild durch seine benachbarten Projektionsobjektive PRi+1 und PRi-1 gemischt wird.
Wenn die Projektionsobjektive voneinander getrennt sind, verringern sie die Reproduktionsparallaxe, wenn auch der Winkel der dreidimensionalen Sicht zunimmt, und umgekehrt.
Bei einer gegebenen Anzahl von Projektionsobjektiven entspricht eine andere Platte aus zylindrischen Linsen jeder Veränderung des Abstandes zwischen diesen, unter der Annahme, daß derselbe Projektionsabstand beibehalten wird, da es notwendig ist, festzusetzen, daß das Verhältnis der Querabmessung zur Brennweite einer zylindrischen Linse gleich dem Verhältnis des Abstandes zwischen den Projektionsobjektiven zum Projektionsabstand ist. Dieser Nachteil wird mit dem neuen, verbesserten Schirm der Erfindung behoben.
Zur Ergänzung der Sicht ist eine weitere optische Platte aus horizontalen zylindrischen Linsen vorgesehen, mit einer Apertur, die ausreicht, um es jedem Beobachter unabhängig von seiner Größe zu ermöglichen, die gesamte vertikale Komponente des Bildes zu sehen.
Allgemein gesagt können halbkreisförmige zylindrische Linsen mit maximaler Apertur und mit einer Querabmessung, die, wie bei der Platte aus vertikalen zylindrischen Linsen, klein genug sein muß, um nicht wahrgenommen zu werden, immer gewählt werden.
Das optische Reproduktionssystem ist in Fig. 5 dargestellt, in welcher der Blickwinkel V eine Funktion des Quotienten aus dem Abstand, der das erste Projektionsobjektiv und das letzte Projektionsobjektiv voneinander trennt, dem Projektionsabstand B, und der Apertur der vertikalen zylindrischen Linsen ist; der Winkel S der Apertur der vertikalen zylindrischen Linsen ist eine Funktion des Quotienten aus dem Abstand KR zwischen zwei benachbarten Projektionsobjektiven und dem Projektionsabstand B.
Diese Figur zeigt auch die Sicht der vertikalen Komponente durch die optische Platte aus horizontalen zylindrischen Linsen.
Wenn man die erhaltenen Bedingungen numerisch ausdrückt, kann für Größen reproduzierter Bilder in der Größenordnung von 50 cm ein geeigneter Betrachtungsabstand zwischen 150 cm und 200 cm in Betracht gezogen werden. Für diese Werte werden Krümmungsradien der vertikalen zylindrischen Linsen in der Größenordnung von mehreren Millimetern erhalten, gegen Querabmessungen in der Größenordnung von 0,2 mm, die für den einfachen Schirm dargelegt wurden. Die Höhe von der Basis-Kreissehne ist weniger als 0,005 mm. Eine Zunahme in der Größe des reproduzierten Bildes wird in eine Vergrößerung des Betrachtungsabstandes übersetzt, und folglich in einen noch niedrigeren Wert der Höhe von der Basis-Kreissehne.
Beim einfachen Schirm würden merkliche Veränderungen der Größe des reproduzierten Bildes oder des Blickwinkels offensichtlich wesentliche Änderungen der Reproduktionsbedingungen bedeuten, was ein Ersetzen des Schirmes durch einen anderen mit einer anderen Apertur erfordern würde. Alle diese Nachteile werden, wie bereits angeführt, durch Verwendung des verbesserten Schirmes eliminiert, welcher Schirm noch immer eine optische Platte aus horizontalen zylindrischen Linsen mit großer Apertur und halbkreisförmigem Querschnitt aufweist.
Die einzige Bedingung für diese Platte aus horizontalen zylindrischen Linsen ist die, daß sie eine Apertur hat, die ausreicht, um zu ermöglichen, daß das Bild von jeder beliebigen Betrachtungsposition aus in seiner gesamten Höhe zu sehen ist.
Die Platte aus geneigt verlaufenden zylindrischen Linsen hat eine vertikale Aperturkomponente, die den Wert der vertikalen Apertur der horizontalen zylindrischen Linsen variiert. Diese Variation der vertikalen Öffnung ändert den Betrieb des Systems nicht, da, wie bereits erwähnt, diese vertikale Apertur keinen kritischen Wert hat. Diese Platte aus geneigten zylindrischen Linsen hat eine große Apertur Gmax, wodurch ihre Herstellung sehr leicht gemacht wird. In Fig. 7 sind diese Zylinder als halbkreisförmig dargestellt. Der Winkel Alpha, den diese zylindrischen Linsen mit der Horizontalen bilden, wird als Funktion des Wertes G der horizontalen Aperturkomponente bestimmt, die jene Komponente ist, die zur Erzeugung der horizontalen Parallaxe vorgesehen ist. Das Verhältnis sin Alpha = G/Gmax wird eingehalten.
Die vertikale Aperturkomponente, deren Wert Gmax.cos Alpha ist, wird mit der Komponente, die durch die vertikale Apertur des horizontalen Zylinders gegeben ist, kombiniert, ohne die optische Wirkung des Systems in irgendeiner Weise zu beeinträchtigen.
Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß eine Variation dieser Neigung Alplha zwischen 0º und 90º eine entsprechende Variation in der resultierenden horizontalen Apertur zwischen 0 und Gmax bestimmt. Aus dieser Bedingung wird abgeleitet, daß das resultierende optische System, das in Fig. 6 dargestellt ist, für jegliche Reproduktionsbedingung geeignet ist, vorausgesetzt, daß eine horizontale Apertur zwischen diesen Werten von 0 und Gmax vorliegt.
Zurück zu Fig. 6; diese zeigt mittels Pfeilen die Richtung der Variation des Winkels Alpha und das Resultat der Variation des Winkels S zwischen zwei Projektionsobjektiven PRi-1 und PRi. In den meisten Fällen ist, wie bereits erwähnt, die horizontale Komponente G sehr klein, und folglich ist auch der Winkel Alpha klein. Trotzdem kann unter diesen Bedingungen der "Moire"-Effekt beobachtet werden, wird aber nicht wahrnehmbar, wenn die Werte des Winkels Alpha erhöht werden.
Zur Vergrößerung dieses Winkels Alpha ohne Verlust des Vorteiles der praktischen Herstellung der Zylinder mit einer ausreichenden Apertur Gmax muß ein Schirm vom Verbindungstyp verwendet werden, d.h. mit Materialien mit verschiedenen Brechungsindices. In diesem Schirm wird die Apertur G'max wesentlich kleiner als Gmax gemacht.
Fig. 7 zeigt einen transversal verlaufenden Querschnitt einer dieser Platten vom Zusammensetzungstyp mit geneigten zylindrischen Linsen. Die Zylinder bestehen aus einem Material mit einem Brechungsindex n, überzogen mit einer Beschichtung aus einem (festen oder flüssigen) Material mit einer flachen Außenfläche und einem Brechungsindex n'. Die Apertur dieses zusammengesetzten Systems ist G'max = Gmax(n-n')/n-1. Das resultierende optische System ist in Fig. 8 in perspektivischer Ansicht gezeigt. Wiederum zeigt diese Figur die Richtung der Variation des Winkels Alpha und die resultierende Richtung der Variation des Winkels S. Die Apertur dieses Systems ist gegeben durch:
In der obigen Beschreibung wurde immer auf konvergierende zylindrische Linsen Bezug genommen, die in den Figuren dargestellt sind, doch ist das System auch dort anwendbar, wo die Linsen divergierend sind oder wo eine Kombination aus divergierenden und konvergierenden Linsen vorhanden ist, wobei die einzige Einschränkung die ist, daß die Aperturwerte der Querabmessungen der Elemente der optischen Komponenten beibehalten werden müssen.

Claims

1. Projektionsschirm zur Wiedergabe dreidimensionaler Bilder mit einer horizontalen Parallaxe, wobei diese Bilder von einer Mehrzahl verschiedener, horizontal fluchtender Punkte aufgenommen und auf den Schirm mittels derselben Mehrzahl verschiedener, horizontal fluchtender Projektionslinsen projiziert werden, welcher Schirm eine transparente Platte aufweist, die auf einer ihrer Oberflächen eine Mehrzahl von parallelen horizontalen zylindrischen Linsen (2) und auf der anderen Oberfläche eine weitere Mehrzahl von parallelen anderen zylindrischen Linsen (1) ausgebildet hat, wobei die beiden Oberflächen im wesentlichen parallel zueinander sind und wobei die horizontalen und die anderen zylindrischen Linsen (1, 2) einen halbkreisförmigen Querschnitt und eine gemeinsame Brennebene haben, ihre Querabmessung so klein ist, daß sie nicht wahrgenommen werden können, die resultierende horizontale Apertur (G) der anderen zylindrischen Linsen (1) größer als ein Wert, den man erhält, wenn man den Abstand (KR) zwischen zwei benachbarten Projektionslinsen durch den Projektionsabstand (B) dividiert, und kleiner als das Zweifache dieses Wertes ist, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die horizontalen und die anderen zylindrischen Linsen (1, 2) von einer transparenten Substanz mit einem Brechungsindex (n'), der vom Linsen-Brechungsindex (n) der zylindrischen Linsen (1, 2) verschieden ist, bedeckt sind, um die horizontale Apertur (G) zu verkleinern, wobei der Brechungsindex (n') so festgelegt ist, daß die resultierende horizontale Apertur (G) erhalten wird, und/oder

(b) die anderen zylindrischen Linsen (1) in einem Winkel Alpha in bezug auf die horizontalen zylindrischen Linsen (2) angeordnet sind, welcher Winkel Alpha im wesentlichen größer als 0º und im wesentlichen kleiner als 90º ist, wobei der Winkel Alpha so festgelegt wird, daß die resultierende horizontale Apertur (G) erhalten wird.

2. Projektionsschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Linsen (1, 2) optisch konvergent sind.

3. Projektionsschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Linsen (1, 2) optisch divergent sind.

4. Projektionsschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einige der zylindrischen Linsen (1, 2) optisch konvergent sind, während die anderen optisch divergent sind.

5. Projektionsschirm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zylindrischen Linsen (1, 2) mit einer transparenten Substanz bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Winkel Alpha gleich 90º ist, so daß die anderen zylindrischen Linsen (1) vertikal sind.

6. Projektionsschirm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Oberflächen reflektierend ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Projektionsschirmes, wie in den vorhergehenden Ansprüchen definiert, mit den folgenden Schritten: a) die Herstellung einer ersten Form aus eng aneinanderliegenden, vollkommen polierten Metalldrähten oder optischen Fasern; b) die Erzeugung einer Gegenform aus Silikongummi oder einem ähnlichen elastomeren Material; c) die Erzeugung einer Endform aus Kupfer, Nickel oder einem ähnlichen Material auf galvanotechnischem Wege; c') zum fakultativen Erhalt optisch konvergenten Platten, die Erzeugung einer Gegen-Endform der Endform aus Schritt c), ebenfalls aus Kupfer, Nickel oder einem ähnlichen Material; d) das mit der Endform oder der Gegen-Endform erfolgende Formpressen der entsprechenden Oberflächen mit den halbkreisförmigen zylindrischen Linsen auf das Gußmaterial, welches zur Bildung des Schirmes aus transparentem Material vorgesehen ist, und nachfolgendes Verfestigen; oder das Formen des Schirmes durch Aufbringen des Monomers des thermoplastischen Materials auf die Form und nach folgendes Aufbringen von Druck unter den Polymerisationsbedingungen des Monomers.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Substanz mit einem anderen Brechungsindex (n', n") als dem Brechungsindex der zylindrischen Linsen verwendet wird, welches Verfahren weiters das Aufbringen der in Frage stehenden Substanz auf eine oder beide Oberflächen mit den zylindrischen Linsen und, wenn sie flüssig ist, das Bedecken derselben mit einem Film des transparenten Materials, das die Oberfläche bildet, wodurch die Substanz eingeschlossen wird, umfaßt.