JP4111832B2 - ３ｄまたは４ｄ画像を見るための電子式仮想レンズ - Google Patents

Description

本発明は、概して（複数の）立体視像（stereoscopic images）に関し、特に、観察者に奥行きがあるように錯覚させながら、アナログ式またはデジタル式の、テレビジョン、コンピュータ・ディスプレイ、Ｘ線透視装置、およびその他の電子式記録および映出装置（electronic recording and imaging device）で使用するための、（複数の）立体視像を見る新規の技術および装置に関する。

複数の立体視像を生成するために、現代技術の多くはレンチキュレイトされたイメージ（lenticulated image；複数の縞状に形成されたイメージ）を用いている。立体視像を視覚化するために、これらの技術はレンチキュラ観察用レンズ（lenticular viewing lens）を使用しなければならないという点で、これらの技術は制限される。一般に、物体の立体視写真は、カメラ・レンズ、その物体、および／またはフィルム間を、付随して相対的に移動するレンチキュラ・スクリーンを通して写真フィルム記録部分を露光することによって、撮影された物体に対する異なる視角を表す画像で、レンチキュレイトされたあるいは帯状を基本とした画像を、提供するように作製されることができる。こうして得られた露光された基本フィルム画像が、適切な光学特性を有するレンチキュラ・スクリーンを介して見られると、その見られる映像（picture）は、見る角度にかかわらず、奥行きを持つであろうし、通常、立体視の特性をもつであろう。

奥行きだけでなく、複数の立体視像は、像（image）のシーケンス（いわゆる「４次元」（４Ｄ）の像）として第４の次元である時間を伝えるために使われることができる。例えば、１秒の何分の１かで区切られた１０回の露出のシーケンスを組み合わせて、短い映画をつくることができる。露出時に、フィルムをその垂直軸あるいは水平軸で移動させて、その物体、人またはシーン（光景）の個々のビューを１０回の露出が捉えると、起こった出来事の時間的シーケンスを、構成が統一された複合の像を見ることができる。このようなことは、例えば、従来のＸ線源を放射エネルギー源として使用する立体視Ｘ線写真の分野で発表されている（例えば、特許文献１（発行日 １９７４年１月１日、発明者 Ｒｅｕｂｅｎ Ｈｏｐｐｅｎｓｔｅｉｎ、名称 "Stereoscopic Radiography Techniques and Apparatus"）参照）。また、ＣＲＴまたはＬＣＤスクリーンの前に配置されたレンチキュラ・レンズを用いて、組み合わされた像または複合された像を見ることについてもすでに発表されている（例えば、特許文献２（発行日１９９１年９月１７日、発明者Ｒｅｕｂｅｎ Ｈｏｐｐｅｎｓｔｅｉｎ、名称 "Method and Apparatus for Creating Three-Dimensional Television or Other Multi-Dimensional Images"）および特許文献３（発明者Ｒｅｕｂｅｎ Ｈｏｐｐｅｎｓｔｅｉｎ、名称 "Method and Apparatus for Creating Three-Dimensional Television or Other Multi-Dimensional Images"）参照）。

３次元テレビジョンあるいはその他の多次元イメージを生成する方法と装置を開示する特許文献２では、立体視Ｘ線写真術のための方法および装置を開示する特許文献１の教示内容が、Ｘ線透視診断法、コンピュータ化体軸断層写真、磁気共鳴映像法、テレビジョン、映画、および他の視覚映像に対する３次元表示の分野にも適合するように拡張されている。これらの特許文献１および特許文献２の内容全体は、参照として本明細書内に組み込まれている。

これまで開示された従来技術には、レンチキュラ観察スクリーンを使用しなければならないという制約があり（例えば、特許文献１および２参照）、そのスクリーンは、立体視できるように対象画像に対して正しく位置合わせされていなければならない。そのうえ、このスクリーンを使用するには、時間がかかる上、調節にマイクロ・メーターが必要であり、概して費用が高くつく。

米国特許第３，７８３，２８２号明細書 米国特許第５，０４９，９８７号明細書 英国特許第９７２２１４６．９号号明細書 米国特許第６，０６１，４２４号明細書 英国特許第９７２２１４６．９号明細書

以上の従来技術の欠点に対処するため、本発明は、スリット・ホール／ピン・ホール・カメラの原理に基づいたレンズ・レス・イメージングを実現して、３Ｄ／４Ｄの像を見るための新規手段を提供することを目的とするものである。

さらに、これまでの従来技術（例えば、特許文献４（発行日 ２０００年５月９日、発明者 Ｈｏｐｐｅｎｓｔｅｉｎら）および特許文献５（発行日 ２０００年３月８日、発明者 Ｈｏｐｐｅｎｓｔｅｉｎら）参照）の教示する方向に発展させることも本発明の目的である。その教示内容全体は、参照として本明細書内に組み込まれている。

以上を鑑みて、本発明は、複数の立体視像を見るための新規手段および技法を提供するものである。具体的に言えば、従来技術では必要であったレンチキュラ・レンズによる観察スクリーン（lenticular lens viewing screen）を、電子的に制御される細い光透過スリットから成る仮想（virtual）レンズを形成する光学式グリッドに置き換えられる。

スリット・ホール・カメラの背後の光学原理を用いることにより、本発明は、複数の隙間配列（array of apertures）としてふるまい、これは、片方の目で１つの像を、もう一方の目で別の視覚の像を見ることができるようにする。これらの像は、複数の立体視像の対を提供し、脳の中で組み合わされて解釈されると１つの３Ｄの像として知覚される。このように組み合わされる像が、４つまたは５つの視角のビューから構成されている場合、一つの目のみの視力を使用しても、それらの組み合わされた像を３Ｄ状態で知覚することができる。これは、目が完全に静止することなく、水平に瞬間的に高速な動きで揺れるからであり、脳がその立体視像の対を組み合わせて解釈することにより、奥行きを認識するためである。こうした理由から、人が物体を凝視してから片方の目を閉じても、その像が平坦化されて、２Ｄの像となることはないのである。複数の隙間配列、アレイ、複数のスリット、ラスター、ラインを配列した不透明スクリーン、空間光変調器、拡散器、視差バリヤ・スクリーン、格子スクリーン、回折格子、干渉板はすべて、両目それぞれに対して異なる視角のビューを生成できる光学レンズを指していることを理解されたい。

有利な一実施形態において、本発明による観察用仮想レンズは、陰極線管（ＣＲＴ）、ＬＣＤディスプレイまたはこれに類似のディスプレイ（以下「映像ディスプレイ」（image display）とする）の正面に配置される電子制御式液晶ＬＣＤ（Liquid Crystal Diode；ＬＣＤ）観察用レンズ（viewing lens）（以下「観察用レンズ」とする）である。この「観察用レンズ」は、「オフ」モードでは透明のＬＣＤスクリーンであるが、「オン」モードにおいて選択した液晶部分を不透明状態に電気的に整列させることによって、交互に配列している垂直方向の光透過スリットと光吸収ラインが、スクリーンをカバーして、形成される。この交互に配列される光透過スリットと光吸収ラインが形成できるのであれば、本発明の「観察用レンズ」を、ＬＣＤスクリーン以外のデバイスでも実行できることを理解されたい。「観察用レンズ」のＬＣＤと「映像ディスプレイ」とは、ガラスまたはプラスチックを原料として所定の厚さを有する光透過性媒体で製造されたプレート（以下「スペーサ・プレート」とする）で分離されている。この「観察用レンズ」が、「映像ディスプレイ」に投影される映像用の仮想レンチキュラ・スクリーンとしてふるまう。この「観察用レンズ」を通して見ると、その像は、他の観察装置を用いずとも３Ｄまたは４Ｄの像として見えるようになる。

別の実施形態において、「映像ディスプレイ」、「スペーサ・プレート」および「観察用レンズ」は一体化され、サンドイッチ状構造として組み合わされている。これはフラットなビデオ表示スクリーンや広告ディスプレイでの使用に適している。

第３の実施形態において、「観察用レンズ」は、スリット・ホール式カメラのスリットとして機能し、点光源またはスリット光源からの像は、この「観察用レンズ」を介して回折されて、スクリーン上に３Ｄまたは４Ｄの像を形成する。

第４の実施形態において、「観察用レンズ」は、主に金属で構成された電気機械式レンズ（Electro-Mechanical Lens）（「ＥＭレンズ」）である。このレンズには、薄い金属板で製造された小型金属製シャッタがライン状に配列されている。これらのシャッタは、電気機械手段で開閉され、通常の２Ｄの映像を見るための「オフ」位置にある間は、水平に対して９０°（すなわち、「映像ディスプレイ」に対して９０°）の角度をなした状態である。このシャッタがこの位置において見られたとしても、このシャッタはごく薄い金属板で構成されているため、このシャッタは、その観察（ビュー）を妨害することはない。３Ｄまたは４Ｄの像を見るためにこのシャッタを「オン」にすると、シャッタは９０°回転して映像ディスプレイと平行になり、黒い複数本のラインを形成する。これらのラインは、互いにわずかに間隔をおいて、異なるステレオの対の像を見ることのできる隙間を形成している。このＥＭレンズを、サンドイッチ構造の後部または前部に配置することができる。

別の実施形態において、カメラを使用して（例えば、特許文献２参照）、または２つ以上の角度の異なるビューを組み合わせる他の手段により信号が生成されるのであれば、本発明の「観察用レンズ」を、Ｘ線透視診断法、テレビ、コンピュータ、または電子式広告スクリーンに送信された３次元の像を見るために用いることができる。この実施形態では、「観察用レンズ」を、選択したＬＣＤ画素を不透明状態にすることにより、ＣＲＴ、ＬＣＤディスプレイまたは他の電子スクリーン上に形成することができる。ＬＣＤ「観察用レンズ」を装備したテレビジョン受像器の場合、ＬＣＤ「観察用レンズ」をオフ・パワーにしてこれを透明にすれば、従来の２次元プログラムを見るのに使用することができる。テレビジョンでは、３Ｄの映像が生成され、別個の電子レンズ・スクリーンの使用を通して、多重映像スクリーンの正面または背後にあり適切な透明スペーサで分離されたスクリーンに投射された映像を、見ることができる。

立体視写真を得るための従来技術による通常のカメラが周知であり、これを図１に概略的に示す。この種のカメラは一般に、１つまたは複数の対象像１２、１４および１６の周囲のある経路に沿って動くようにする不図示の適切な構造体に取り付けられる市販の標準型カメラ１０と、フィルム１１と、フィルムの上に重ねられたレンチキュラ・スクリーン１３とを含む。図１に示すように、カメラ１０は、撮られることになる任意の特定ピクチャの中心ポイント、ポイント１８で交差する半径を有する円弧に沿った点線位置の間を移動できるようになっている。物体を撮る間のカメラの個々の相対的位置、あるいは観察点の違い、たとえば、その円弧を移動するのに伴うカメラの視差（パララックス）は、各カメラから延びる光線で図示している。この光線を、カメラが左側にある場合については点線で、カメラが中央にある場合については実線で、カメラが右側にある場合については破線で相対的に示している。したがって、この配置ではカメラ１０がその弓状通路を通過するにつれて異なる視点から、カメラ１０は物体１２、１４および１６を見るようになるということに留意されたい。レンチキュラ・スクリーン１３は、カメラ・レンズとフィルム１１との間に位置付けられており、弓状通路の２つの端点間のカメラ１０の移動につれて、逐次移動しなければならない。レンチキュラ・スクリーン１３のレンチクル要素の屈折性および集束特性によって、カメラ・レンズに入射してスクリーン１３に渡される光は、各レンチクルの背後にあるフィルム１１の所与の垂直ライン上に集束され、スクリーンが移動するにつれて、この垂直ラインも移動し、フィルム１１上にレンチキュレイトされた像が生成される。現像されたフィルムを図２の２０に例示する。カメラ・フィルム上に格納されるものは、物体１２、１４および１６のレンチキュレイトされた複数の像またはストリップであり、各像は異なる角度から見られ、それにより視差と呼ばれることができるものを含んでいる。

従来技術では、この像を立体視するためには、スクリーン１１に似ていて観察スクリーン２２を形成する重ね合わされた複数個のレンチクルを通して見られることができただけである。特許文献４に記載された発明（図３を参照）は、レンチキュラ観察スクリーンは望ましくないものとして省かれ、代わりに、光吸収ラインと光透過ラインとを交互に構成した「観察用レンズ」を用いている。

特許文献４に記載された一実施形態において、写真フィルム４０は、一方の側面に透明層４１を備えて製造されている。「観察用レンズ」４２は、透明層４１のもう一方の側に直接に（仲介物なしで）印刷されている。フィルムを現像した直後に、他の追加装置を必要とせずに、記録された像は立体視の特色を有する状態で観察されることができる。

表示スクリーンのサイズは、数インチから数フィート（数センチから数メートル）までさまざまであるため、サイズの異なる電子画像（electronic picture）、コンピュータまたはテレビジョン・スクリーンそれぞれに異なるレンズが必要となり、特許文献４が教示していることを用いることは困難である上、費用がかかり、面倒である。また、それは、その画像（picture）に対してレンズのアライメントを再設定して維持しなくてはならない。

本発明は、従来技術で必要とされた観察スクリーンのレンチキュラ・レンズの代わりに、電子的に制御される光透過スリットによるレンズ・レス仮想レンズを形成する光学グリッドを用いる、立体視像を見るための新規手段および技法を提供するものである。

これらの複数本のスリットは、スリット・ホール・カメラのスリットと同様の機能を果たす。図４は、単純なスリット・ホール・カメラ構造を示す図である。直線１００からなる像は、カメラ１０２の正面にあるスリット・ホール１０１を通過する。光はスリット穴を通過して進み、拡大された像１０３が形成される。カメラ内に感光フィルムを置けば、この像を記録することができる。この図から、スリット穴がレンズ・レス・レンチキュラ・レンズとして機能していることもわかる。図５を参照すると、ガラスやプラスチックで製造した光透過型レンチキュラ・レンズ１０４を用いることにより、同じ直線１０５が同様に拡大像１０６を形成することがわかる。

この原理に基づいて、本発明は一連のスリット、それぞれが、レンズ・レス（仮想）レンチキュラ・レンズとして機能する一連のスリットを用いるものである。図６に示した電子式観察スクリーン上で使用するための本発明の一実施形態において、「仮想観察用レンズ」は、ＬＣＤ有機クリスタル・スクリーン、ダイオード表示スクリーンなど４６を偏倚（バイアス）させて複数本の垂直な不透明ライン４７を光透過スリット４８と交互になるようにスクリーン上に形成し、これをＣＲＴまたはＬＣＤ映像ディスプレイ４９における蛍光体プレートなどのディスプレイの正面に配置することにより、形成される。このレンズと表示スクリーンとは、ガラスやプラスチックで製造された透明なスペーサ５０で適当な距離をあけて配置されている。多重像は、映像ディスプレイ４９上に投影され、透明スペーサ５０および「観察用レンズ」４６を通過して、投影される虚像５１の正面または背後に配置された別個の装着型スクリーン（図示せず）に到達する。このように、立体視像の複数の対を、スクリーン上に同じ拡大率で拡大し、位置合わせすることになるため、受像機の映像スクリーンの誤ったアライメントを避けるためにアライメントを再設定することを不要にする。２Ｄの像を見るには、信号でレンズを「オフ」にして、「観察用レンズ」を透明なままにしておく。

図７〜図９に示す別の実施形態における「仮想観察用レンズ」は、透明スペーサ６０により映像ディスプレイまたは光源から距離をおいて、これらの正面に配置されている主に金属で構成された電気機械式の仮想レンズ５８である。ごく薄い金属板が、ピボット５３に枢着された電気機械的手段５４により開閉する「シャッタ」５２を形成している。この電気機械的手段の例として、枢軸されたシャッタを開閉する電気モータ駆動型ロッドまたはリンク・アセンブリが挙げられる。あるいは、シャッタを、ヒンジ部分に取り付けた小型磁石アセンブリで電磁的に開閉することも可能である。シャッタが極めて薄い材料で形成されていることから、このシャッタが水平面５６に対して９０°に開くと、通常の２Ｄ用ビューを遮る（妨害する）ことはない（図８参照）。シャッタの向きが水平面５６と平行に回転すると、「映像ディスプレイ」５９に投影される多重像６１を見るためのレンチキュラ・レンズとして機能するスリット５７が形成され、観察者には、複合した仮想３Ｄの像６２が見える。

「映像ディスプレイ」、「スペーサ・プレート」および「観察用レンズ」は、フラットなビデオ表示画面での使用、またはライト・ボックス内にて３Ｄの複数の像を表示するのに用いられる電子式広告ディスプレイに適したサンドイッチ状構造に、一体化して組み合わせることができる。コンピュータ駆動式３Ｄディスプレイにおいて、１つのスクリーン上に多重像を用い、別のスクリーン上にグリッドを用いれば、個々の３Ｄの複数の像を定期的に変更することができる。どちらの像も観察用に一緒に送信されるが、３Ｄの像の倍率がフレーム間で同じになるように、どちらも同じフレーム内に含まれるようにしなければならない。この「レンズ／スペーサ／多重像」サンドイッチ構造（「Ｌ／Ｓ／Ｍ構造」）を用いて、３Ｄまたは４Ｄの蛍光透視法の像、コンピュータ化された断層Ｘ線写真（ＣＴスキャン）、磁気共鳴スキャン、ＰＥＴスキャン、超音波映像または上記以外のあらゆる電子表示を見ることができる。

さらに、ＣＴおよびＭＲＩスキャンなどの別々の検査による別々の像ストリップを組み合わせれば、外科医に正確な骨標識を付けた３Ｄの像を提供することができる。この場合も、これらの像を個々に、またはＬ／Ｓ／Ｍ構造上で組み合わせて、見ることが可能である。

この同じシステムを、ＣＡＤ／ＣＡＭソフトウェアと組み合わせて使用して、観察者がその３Ｄの像を回転できるようにすることができる。これを用いれば、空港での安全性を高めることができる。スーツケースは、隠された物体が姿を顕すように、３Ｄ状態で回転されることが可能である。

蛍光透視診断（医療上および安全保証上）において、３本のＸ線ビームから順次または同時に放射されるＸ線ビームを用いてリアルタイムな観察結果をＧＳＭスクリーンに表示することができる（例えば、特許文献２参照）。これは、あらゆるカテーテル処置、定位固定手術または人口関節、ネジなどの正確な位置付けに特に有用である。このことは、処置に必要な時間を最小限に短縮でき、手術の危険性を低くし、時間短縮による経費節減も実現できるからである。

同様に、陰極線管（「ＣＲＴ」）の正面に「観察用レンズ」を配置したり、ＬＣＤスクリーンの正面または背後に「観察用レンズ」を配置したりすれば、送信された立体視の像を３次元または４次元で見ることができる。上述したように、像に奥行きを持たせて見るためには、「観察用レンズ」をスクリーンから離して配置しなければならない。ガラスやプラスチックなどの任意の透明な材料が、「観察用レンズ」をスクリーンから離間させることができる。

本発明による「観察用レンズ」の適用例としてさらに、コンピュータ化体軸断層写真（computerized axial tomography；ＣＡＴ）、磁気共鳴映像法（magnetic resonance imaging；ＭＲＩ）または陽電子放出断層撮影（ positron emitting technology；ＰＥＴ）などの異なる検査から得られた複数の像を見ることが挙げられる。こうした像またはカットは、生成して、電子式的に、デジタル式またはアナログで組み合わせる際に、０．２５度から０．５度間隔をおいて、配置される必要がある（例えば、特許文献２参照）。

実際に、異なる検査から得た複数の像を組み合わせて、複合像を形成することができる。例えば、ＣＡＴスキャンでは骨標識が得られ、ＭＲＩスキャンでは優れた軟組織像（soft tissue images）が得られるため、これらの像を１つの３次元または４次元の像に組み合わせることができ、これらの像は、医師に、定位固定処置または手術用のための正確な座標を与える。これに加えて、ＰＥＴスキャンで得られた生理学的検査も組み入れることができる。例えば、ＣＡＴスキャンから得た骨標識に関する２枚の画像と、ＭＲＩから得られた軟組織を示す４枚のカットと、必要であれば、ＰＥＴスキャンから得られた代謝活動を示す２枚のカットすべてを１枚の画像に組み合わせることができる。ただし、この場合もそれらの像はすべて同じサイズとし、正確な角度を記録したものとする。また、従来技術のように（例えば、特許文献２参照）または他の同様の手段で記録した、血管造影撮影図、関節の動き、心臓の鼓動などの診断結果を示す立体視像も、本発明による「観察用レンズ」で見ることができる。

以上の説明は、本発明の原理を例示したにすぎない。当業者であれば、本明細書内に明確に記載または図示していなくとも、本発明の範囲および趣旨の範囲内で本発明の原理を具現化したさまざまな修正を加えられるであろう。

視差を含み、視界深度を提供するフィルム・レコードを得るための従来技術による光学技法を示す概略図である。 上述したように、フィルム・レコードを事実上どの角度からも見えるようにするために、奥行き情報を提供する複数個の別個の像とその上に重ねられたレンチキュラ・スクリーンとを含むフィルムについての従来技術を示す概略図である。 交互に配置された光吸収ラインと光透過型ラインを有する観察用レンズによる従来技術（例えば、特許文献４参照）を示す概略図である。 直線の像を拡大する単純なスリット穴カメラ構造を示す図である。 同じ直線を拡大するレンチキュラ・レンズを示す図であり、細いスリットでしかも広い不透明ライン間のわずかな透明空間が、レンズ・レス・レンチキュラ・レンズとして機能することを示す図である。 「映像ディスプレイ」、「透明スペーサ」、および「電子制御式観察用レンズ」を組み入れた、本発明による「サンドイッチ構造」レンズを示す図である。 シャッタの開閉を示す、電気機械式のレンズの拡大概略図である。 通常の２Ｄの像を見るための「オフ」位置にある電気機械式のレンズを示す図である。 ３Ｄ／４Ｄの像を見るための「オン」位置にある電気機械式のレンズを示す図である。

Claims (5)

1. コンピュータ・スクリーン、テレビ、ＣＲＴ、ＬＣＤ、広告用ディスプレイまたは他のディスプレイで３Ｄまたは４Ｄの像を見るための光学システムであって、
   仮想観察レンズ装置と
   多重像を表示する映像ディスプレイと
   前記仮想レンズ装置と前記映像ディスプレイとを離間させる透明なスペーサと
   を備え、
   前記観察用レンズ装置は、電気信号によってターン・オンされると、複数の薄い金属板シャッタをライン状に配置することによって３Ｄ観察用レンズの役目をする複数の隙間を形成し、ターン・オフされると、前記映像ディスプレイに対して実質的に９０°の角度になることによって、目立たずに前記３Ｄまたは４Ｄの像を遮ることのなくなる薄い金属製シャッタを備えた電気機械式スクリーンであり、前記観察用レンズ装置は、ビデオ・バンド上で送信された信号によってターン・オン／オフされることを特徴とする光学システム。
2. 前記仮想観察用レンズ装置は、前記多重像を表示する前記映像ディスプレイのスクリーンの正面に配置され、透明なスペーサでそこから離間されていることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
3. 前記仮想観察用レンズ装置は、前記多重画像を表示する前記映像ディスプレイのスクリーンの背後に配置され、透明なスペーサでそこから離間されていることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
4. 前記システムは、コンピュータを使用して、複数または１つの３Ｄまたは４Ｄ表示を、
   順次、前記スクリーン上に生成することを特徴とする請求項２に記載の光学システム。
5. 前記仮想観察用レンズ装置、前記透明なスペーサ、および多重像を表示するための前記映像ディスプレイは、一体化されて、サンドイッチ状の層構造に組み合わされていることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。

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