JPH0627923B2 - 四次元画像をうる装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、見る人の前に光学的或は機械的な装置を置い
て見る人に不便をかけるとか、立体画像を得たり再生し
たりする為にレーザーのような時間的或は空間的なコー
ヒレント光を要求することなく白黒もしくはカラーで、
静的もしくは動的な立体画面を得たり再生するための方
法及び装置に関するものである。

〔従来の技術〕 ミンコウスキー(H,Minkowski(1907))が従来の３種の空
間と時間に関する直線的関数からなる四次元的空間の概
要についてその関連性の理論を系統的に説明して以来、
時間空間の連続性に関するこれ等の分野の検討がより頻
繁になって来ている。

時間の関数が第４のディメンジョンとして一部を構成す
るために入ってくる場合には、長さの恒久性は隔りの恒
久性と置き換えられる。かかる問題点に続き、本発明者
等は、二次元的であるべき写真画像を検討している。映
画撮影方法の発明は時間という第３のディメンジョンを
付加することを意味する。それ故発明者等にとって、映
画は三次元的な画像を取り扱うことを可能にするシステ
ムの１つであると云える。

本発明の明細書において「四次元的画像」と云う表現
は、立体的な動画を意味するものである。対象物と観察
者の間に一定の距離を設けることは、２つの異る場所か
ら得た２つの画像つまり１つは右の目より又他の１つは
左の目より得たものを脳において合成することとなる。
今日迄に使用された深さを有する画像即ち立体画像を得
て又それを再生するシステムは、２つの大きなグループ
に分類することが出来る。それ等は、波の干渉によって
は記録しない“非ホログラフィーシステム”であり又19
47年以降における、より近代的システムであって、コー
ヒレント光のビームによる干渉による画像形成にもとづ
く“ホログラフィーシステム”である。三次元（パノラ
マグラム）という言葉はこのシステムが広い観察角(vie
wing angle)で多数の撮影され再生される画像を観察す
ることが出来しかも観察者の前に置かれたオプティカル
フィルター或はその他の装置が観察者に不便を感じさせ
ないような形で使用される時に使われるものである。

ホログラフィーの技術は波面を再構成することによる写
真に基礎をおいている。これ等のシステムは画像の録画
と画像の再生の双方における光源のコーヒレンスを要求
する。

時間的コーヒレンス(temporal coherence)は単一光(mon
o chromatie)であることを必要としている。空間的コー
ヒレンス(spatial coherence)は光が点光源(point sour
ce)から来ることを要求している。

写真化されようとする対象物と再生されるべき画像とは
コーヒレントな光により（暗い部屋で）のみ照明される
必要がありそれ故レーザー光が強力で高度にコーヒレン
スのためこれ等のシステムの発展はレーザーの発展と深
く関連している。レーザー技術は複雑で高価であり又こ
の方法で形成されるホログラムは解決されるべき多くの
技術的困難さを要求している。

このことはコーヒレントな光束によって照明されえない
月のように遠くにある対象物の写真撮影を可能とするか
かる手段を使用するシステムの商業化を妨害している。

夕日、太陽や月の海面での反射、風景等を撮影すること
が困難であることが判る。

最後に透明体を通しての観察が必要であるので再生され
る画像の大きさも制限されている。

非ホログラフィーシステムについて述べるならば、これ
等全てのシステムは各々の目に異なる画像をもたらすこ
とを基本としている。画像は、水平方向と平行なライン
上に設けられたレンズをもつ２台のカメラにより得ら
れ、そして互いに人間の目の平均間隔とほぼ等しい間隔
に分離される。又再生するシステムは、左側のカメラに
より得た画像を左の目に届け又、右側のカメラにより得
た画像を右に目に届ける為に使用される手順にもとづき
大きく変化する。これ等全てのものは観察者がその目の
前に光学的電子的或は電子機械的装置が設けられること
を必要としている。特別なテストをすることなく、カラ
ーフィルターや偏光フィルター或は機械的なシャッター
によるフィルター及び一般的である他のものを用いて立
体的動画写真において使用される最もよく知られている
方法の幾つかは動きを把握するのに技術的困難性がある
ことを指摘できる。

即ち、カラーフィルター方法においては、観察者の各々
の目の前に、赤（又は黄）フィルターを一方の目に、緑
（又は青）フィルターを他の目にというようにフィルタ
ーを置き、それぞれの画像が一方の目或は他方の目に対
応するよう赤（又は黄）又は緑（又は青）のいづれかに
再生されることにより異なる画像をそれぞれの目に届け
ることに成功している。

又偏光フィルター方式において、偏光フィルターは観察
者の前に置かれる。目に対するフィルターの偏光面はお
互に直角である。画像を再生する光に対する偏光面は観
察者のフィルターと同じものである。

更にシャッター方式においては、シャッターを閉ること
により各々の目の視覚を妨げることの出来る機構が観察
者の直前に置かれる。各目は他のシャッターの閉鎖に符
合して視覚時間を持っている。画像は又交互にそして同
じ周期で再生される。

又他のシステムにおいては、異る画像を各々の目に到達
させるために、幾つかの他の処理方法が開発されて来て
おり、その中で次のものが目立っている。即ち、観察者
の頭を動かさず、観察者と再生された画像との間に不透
明な格子状物を置くという方法或は各画像と各目との間
に光学的システムを置くというものである。その他の立
体画像システムは又投影のためには適切ではない実行手
段によって各目に異なる画像を到達させることを達成し
ようとする点に存在している。これ等の中には、観察者
と再生画像との間にブリュースタープリズム方式(Brews
ter prism)、ホイストーン平面鏡方式(Wheatstone flat
mirror method)或はケンプの凹状鏡方式(Kewp's conca
ve mirror method)或は米国特許第4623233のような光学
的システムを配置するものである。

然しながらこれ等のシステムは三次元の像再生の分野に
は属していない。

一般の光を用いた三次元の再生システムに関するこれま
での進展の中に観察者が左右に移動することを許容しつ
つ三次元でかつ移動する状態で画像を再生することを可
能とするものがある。再生された画像は各々その右手側
或は左手側を示している。

第１は水平視差の再生のためのシステムがある。

多数のシステムとの比較における考慮要図は以下のよう
である。即ち、正像観察角(orthoscopic viewing angl
e)、再生画像の品質及び製造の複雑さのためからくるコ
ストである。

今日迄に発展して来た三次元再生のための全ての装置は
多数の画像が発生され、投影され、透過され、増幅され
或は単純にプリントされる拡散表面(diffusion surfae
e)を使用している。代表的な画像の発生は商業的な映画
或はテレビ投影及び透過によって使用される不透明或は
半透明な表面に対する投影のため光導体或は増幅器を用
いるブラウン管スクリーンがある。

すべての拡散表面に共通な１つの基本的な特徴、それは
この種の表面を使用する三次元的再生のための全ての装
置のデザインに大きな影響を与えるものであることを強
調することは重要である。

この基本的特徴は全ての拡散表面の点は全ての方向にお
いて中心を通過する光フォトンに変化されるということ
である。

従って、全ての観察者はどこに居ても拡散表面に再生さ
れた全画像をみることが出来る。

もし２或はそれ以上の画像が拡散表面の同じ点で同時に
再生されるとすれば、異る画像から来るフォトンはその
方向にかかわらず互に混合されるようにみえる。

この理由から拡散表面上の異なる再生画像の区別それぞ
れについて異なる場所を用意することによって達成され
る、即ち多数画像識別(scalar image differertiation)
の手段によるものである。

今日迄に設計された全てのシステムは異なる方式を用い
るそれぞれの画像に対し拡散表面上に異る場所を用意す
るようにしている。

その位置は一般的に非常に細い垂直の帯状体である。

この方式は米国特許第4737840号或は第4571616号に示さ
れているがいづれも複雑で高価なものであり又シリンダ
ー状レンズの焦点線(focal line)が拡散表面を含む平面
に含まれている。

重要なことは、各垂直方向画像のストライプの幅はシリ
ンダーのサイズよりｎ倍小さくなければならない。つま
りｎは再生されるべき画像の数である。この理由のた
め、シリンダーの大きさは画像の大きさにより制限さ
れ、従ってシリンダーの大きさよりｎ倍小さい。

画像の品質はシリンダーレンズの横幅により制限されこ
のことは従って画像の垂直なストライプの幅の大きさに
より制限される。最大視角はシリンダーの開口度つまり
該レンズの横幅とその焦点距離との関係により制限され
る。

もしこの視角が大きすぎると観察は隣接するシリンダー
に対応する画像ストライプに関してなされることになり
好ましくない逆像効果(pseudoscopic effect)つまり逆
の深さ(inverted depth)を発生する。

これ等のシステムにおいて、垂直シリンダーの光学的シ
ートは拡散表面からその焦点距離つまり約１ミリメータ
ー近辺の処にあり、又それは拡散スクリーンそのもので
あって前方投影システムに対する単純な発展を不可能と
している。

この点に関し更に検討すれば、これ等三次元画像の水平
視差を再生するための全てのシステムにおいて、以下の
ものが使用されている。

Ａ−その焦点面(focal plane)に拡散表面が位置してい
る垂直シリンダーの光学シート Ｂ−画像がその表面上に細幅状ストライプに分割されて
みえる拡散表面 使用されているものと同一数の画像ストライプが各シリ
ンダーに対応して作られる。又品質良好な再生画像をう
るために次の点が必要とされる。

1.各隣接する２つのシリンダーの間に空間が存在しない
こと、つまりシリンダーは互に接触していなければなら
ない。

2.シリンダーのサイズは認知しないほど小さくなければ
ならない。

3.水平方向視差の変化は、いかなる観察者に対しても逆
像が発生しないように十分に幅広い視角内において連続
的にみえること 第１の条件は各シリンダーに対応している画像の横方向
（幅方向）の大きさつまりｎストライプの群が最大シリ
ンダーの横幅であることを要求している。

この条件によると、逆像を生じない最大視角(maximum v
iewing augle)は次のように表わされる。

一般的な材料において、屈折率は約1.5近辺であること
から最大視界は５４°となり拡散表面に垂直な線に関し
て±２７°を含んでることから明らかに大部分のケース
については不十分なものである。

全スクリーンを通じてこの角度を用意することは各シリ
ンダーとその画像（ｎストライプの群）との間の正確な
対応を要求する。この対応は達成することが困難であり
従って製作はコスト高となる。

第２の条件はシリンダーの寸法は認識しえない程十分に
小さいものであることを要求している。健康な目にとっ
て幅寸法ｄのストライプを認識しえないとする条件は であり例えば目視距離１ｍでは0.3mm又0.25mmでは0.08m
mである。もし１０の画像が使用されるとすれば、各画
像ストライプの横方向寸法は各々0.03と0.008mmでなけ
ればならない。

これ等の値は可視光線の波長より単に１５倍大きいオー
ダーにすぎない。

もし１０以上の画像が使用されると、この状況は理論的
により悪くなろう。製造上の困難性は明らかであり従っ
て商業的製品の値段も高くなるであろう。

第３の条件は正像を目視しうる角度が５４°以上である
こと及び観察者が右から左へ又その逆に動いた時に一つ
の画像から隣りの画像への連続的な遷移とを要求してい
る。

第３の条件から生ずる両制限は第１と第２の条件とは両
立しない。第１の条件はこれよりも大きな寸法のシリン
ダーを通した画像を要求することになるがこれは画像の
値を落すことにつながる。第２の条件は製造が出来ない
ほど細い画像ストライプの使用を要求する。この理由
は、何故このシステムが、小さな突出スクリーンを用い
る映画においてでなくてさえ成功的に商業化されえなか
ったかを説明している。

この一般的な技術の中でのこの第２の条件において、複
合再生システム(integral reproduction system)が存在
している。

これは、水平方向と垂直方向の視差を同時に再生するこ
とが可能なシステムと云われている。

古くはリップマン(Lippmann)によるものであるが、現在
では複合化写真の基礎は極めて多数の球形平凸レンズ
（例えば１万個）からなるガラス或はプラスチックのフ
ライアイ(fly's eys)レンズシートを用いるものであ
る。その例は米国特許第3852524に見られる。然しなが
ら、このシステムでは多数のレンズの使用と画像記録と
再生が高頻度で行われなければならず、技術的に複雑な
ものである。又この方法では拡散表面が使用されるもの
であるため前記したような欠点が発生する。

一方米国特許第4571616号には多数の球状レンズのそれ
ぞれの背後に異なる画像を位置させるシステムが示され
ているが構造上複雑で又拡散表面を使用するため上記と
同じ問題が存在する。

水平視差の再生についての上述したこれらシステムの欠
点は水平視差のみならず垂直視差の再生についても明ら
かでありこれがこのシステムの商業化を妨げていた。格
子状物（以下単にグリッドと云う）の手段により水平的
な視差を再生する原理的な方法において、このことは不
透明な垂直で平行したバーによって形成され、各バーの
間には、バーと同じ巾の間隔が残されている（不透明な
グリッドの垂直方向図を示す第４図参照） 第４図において、画像は目の間隔と同じ距離離れた２台
のカメラで撮られる。写真の再生は一方のカメラによっ
て撮られた画像はグリッドの介在という手段により再生
の詳細を示す第５図を参照して判るように他のカメラに
よる画像を露光せしめられる或る間隔（不透明バーの間
隔）を残して画像を再生するように行われる。

第５図においては、もし再生は同じグリッドを通してみ
られ、又視覚の角度は画像が撮られる前の角度と一致す
るようになされるならば、各目はそれぞれが十分に狭く
て目に知覚しえない線の基礎部において形成される異っ
た画像を見ることになろう。

第１の重要な改良はグリッドを円筒状の光学的スクリー
ンと置換することにより達成されうる。各集光円筒状レ
ンズを通してただ１つの画像が上記した不透明なグリッ
ドを用いる場合と同じように見られるが然しこれは拡大
ガラスとして作用するためシリンダーの全幅を占有する
ことになる。これによって、各々の目に対する画像のそ
れぞれを作り上げるライン間の不明瞭な分離が避けられ
る。このシステムは視野における傾きの僅かな変化がそ
れを受け入れ難いものとすることから前述のシステムと
同じようにまだ欠点があると云える。

第２の改良はグリッド間の間隔をバーの幅よりもずっと
小さくすることから構成されている。このことはバーと
その間隔との合計の長さの間隔に対する比率が表示する
数と同じ数だけの画像がプリントされることを可能とす
る。この方法により、再生される光景の角度における変
化の限界をより広くすることが出来る。もし、グリッド
の代りに集光円筒光学スクリーンが使用される場合、そ
の間隔が不透明バーより小さいという間隔を避けること
が出来る。

紙の上に、４個の連続する画像を再生のために得るシス
テムは非常に一般的である。然しながらこのシステムの
欠点は次の通りである。

1.光景に対する角度変化の限界に制限があること。

2.動画の再生には不向きであること。

3.射影(Projection)には適していないこと。

一方非ホログラフィーシステムの限界について述べるな
らば、このシステムはカラーフィルター或は偏光フィル
ター或は機械的シャッターを観察者の前に置くとか観察
者の頭を固定化するという不便を観察者を与えるもので
あり又動画の再生には不適である。

〔発明が解決すべき課題〕

本発明は上述したような従来の技術における欠点を解決
し、簡易な装置により水平視差を確保して三次元画動画
即ち四次元の立体化像を再生するための安価な光学形シ
ステムを提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するため以下のような構成を採
用するものである。即ち 複数の異なる空間位置から撮影された複数の画像を透明
な光学システムに投影すること、該透明な光学システム
は前方側の部分は目に見えないように十分に小さな横幅
寸法をもつ垂直シリンダーからなる光学シートで構成さ
れており又その横幅寸法とその焦点距離との間の関係は
少くとも２個の隣接する投影機の間隔を投影距離で割っ
た値より大きくその値の２倍以下であり、一方該光学シ
ステムの後側の部分は目に見えないように十分小さな横
幅寸法をもち，且つ全ての観察者が画像の全高さを見る
ことが出来る様に十分に小さな半径を持つ半円形断面若
しくは円弧からなる水平シリンダーからなる光学シート
で構成されており、かつ該光学システムの厚さは水平シ
リンダーの焦点線が垂直シリンダーの焦点線を含む面と
同一平面上に存在しているように構成されていることを
特徴とする水平方向の視差を形成する三次元動画像即ち
四次元画像を再生するための装置である。

本発明の対象である装置は今日までに知られているシス
テムの全てに関し又本明細書において上述した全てのシ
ステムに関し改良することをクレームするものである。
そのため、本装置は立体画像を１つのカメラに取りつけ
られた幾つかの光学的対物レンズもしくは光学的中心が
水平面に存在している複数のカメラに取りつけられた対
物レンズにより撮るという手段を使用することにより特
徴付けられるものである。同様に本システムは１個のプ
ロジェクター或は異るプロジェクターに取りつけられた
画像を撮るために使用された対物レンズと同じ数の投影
対物レンズから成り、該対物レンズは水平的な視差を再
生する垂直状円筒状体からなる光学的スクリーンを構成
する透明光学材料で作られたスクリーン上にその画像を
投影し又、画像についての垂直的な要素を背部投影を通
して観察しうる水平円筒状体からなる他の光学的スクリ
ーン上にそれ等の画像を投影しうるよう配列せしめられ
ている再生手段を構成している。

他の点に関し、本発明の対象である装置の垂直円筒状体
からなる光学的スクリーンは、同じような光学特性を有
する球状レンズと置きかえてもよい。

本発明によれば、垂直状円筒状体からなる光学的スクリ
ーンは垂直的及び水平的光学的パワーに関し同等の絶対
的値をもつ他の反射レンズと置換されてもよい。この場
合の観察は反射によりなされるものである。同様にし
て、カラー及び白黒で三次元的動画即ち四次元的画像を
得るための工程が本発明の対象となっている。

それは、画像は幾つかの光学的対物レンズにより撮ら
れ、次で投影方式により複数の画像が１つの観察しうる
立体的画像に合体されて光学的スクリーン上に再生され
る方法である。

本発明は上記したとおり、異る画像がその表面に焦点が
合せられる拡散表面を使用しない処に特徴がある。つま
り本発明ではその上に画像が焦点を合せられ、集中化さ
れるが物質化されない仮想平面が存在する点に特徴があ
る。かかる説明のためにこの平面は透明な表面(transpa
rent suface)として認識することが出来る。

ここでかかる透明な表面について述べるならば“全ての
透明な表面の点は入力フォトンと同じ方向を維持するフ
ォトンを発生する中心に変換される”という特徴を有し
ている。

従って全ての観察者はどこに居ようとも投影画像の一点
(singll point)を見るであろうこの点は投影機の光学的
中心が観察者の光学的中心とが結合している線と該透明
な表面との交点である。

もし２又はそれ以上の画像が同時に異った空間的位置か
ら該透明な表面上に投影されたとすると異なる投影から
来るそれぞれのフォトンはその表面を通過した後もその
方向を維持する。

異なる画像は、各画像のフォトンは異なる角度をもって
該透明な表面から出現することから、識別されうる。

つまり角度的画像差(angular image differenciation)
が使用できる。

本発明においては、垂直シリンダーからなる光学的シー
トが該透明な表面（仮想平面）の前方に該シリンダーレ
ンズの焦点距離と等しい間隔で置かれている。

該シリンダー状レンズの焦点距離の選択は上述したよう
にシリンダーの幅方向寸法とその焦点距離との関係は少
くとも投影機間の間隔と投影距離との関係に等しいもの
であり又その値の２倍は越えることは決してありえな
い。

この特性を持った垂直シリンダー群を配置した後は、全
ての観察者はどこにいても投影機の同じ数の画像の要素
を見ることが出来る。

これ等の要素は一つの直線状要素の形に配列されるであ
ろう。この直線状画像要素は各観察点のそれぞれで異っ
ており又それ等は投影機と観察者とを含む平面と該透明
な表面との交叉により形成される線に含まれるであろ
う。水平シリンダーからなる第２の光学的シートは、そ
の焦点線(focal line)が垂直シリンダーと同じ焦点面(f
ocal plane)上にあり、従ってそれは本発明の目的のた
めに作られた透明な表面と一致するものであって、該第
２の光学的シートは上述の要素を矩形に変換する作用を
有している。かかる要素の底辺(base)は上記要素と同一
であり又その高さは該透明は表面の高さに等しい。

該水平方向シリンダーの焦点線はどこからみた場合でも
その口径が当該光学システムの高さと同じ高さをもつ矩
形の観察が可能となるようにその幅に比較して出来るだ
け小さくなければならない。

（例えば半球状のシリンダー等） 本発明のシステムが前述した他のシステムに対して有し
ている利点としては、 Ａ）視角が望ましいだけ大きくとりうることであり、こ
れは投影機の数、それ等の間隔及び投影距離に依存する
ものである。

Ｂ）シリンダーの大きさ或は幅方向寸法は画像の数によ
っては制限されず又望ましい程度の小さな値にまで設計
可能であり、従って画像の質は該シリンダーの製造条件
によってのみ制約される。

Ｃ）観察者が観察区域を離れても逆像は生じない。

Ｄ）投影された画像を順序よく重ね合された垂直なスト
ライプに分割するために複雑な装置を製造する必要はな
く、従ってシステムは安値であり又使用も極めて簡単で
ある。

本システムは投影についてのみ有効なものであり紙等に
写真的に再生することには使用しえないのが１つの欠点
ではある。

一方本発明にかかるシステムによって、三次元的なスラ
イド観察器を設計することが出来る。

Ｅ）投影機と光学システムの間に拡散表面が存在しない
ため上述の２つの透明な光学シートが同一の鏡面(specu
lar surface)上にカットされることが出来それによって
垂直シリンダーの数に水平シリンダーの数を掛け合せた
積と同じ数の矩形の鏡からなる光学的シートを形成す
る。この場合は投影は前方から行われる。

本発明をより良く理解するために、写真（二次元的画
像）から映画撮影（三次元的画像或は二次元的動画）ま
でを示す次のステップを繰返し説明する。

第１番目に、“新規なアイディア”が存在していた。

動画は一連の二次元的な静的画像を次々に撮ることによ
り達成され又再生に当ってては同じ順序でかつ同じ速度
で繰返されることになる。もし撮られた画像又は再生さ
れる画像の周波数が高ければ動作の連続性に対する印象
は完全なものとなろう。

第２番目に、その周波数を越えると人間はあたかもその
時間１つの画像の連続体であるかの如く１つの画像を次
の画像に合体させている一連の用意された画像群を区別
出来なくなる再生状態における周波数のしきい値が何で
あるか調査することが必要であった。経験から云うとそ
の周波数は１秒当り４８画像である。

第３番目には、そのしきい周波数を越えると人間が動作
の連続性を知覚することが出来る画像を撮る際のしきい
周波数が何であるか調査する必要があった。これは１秒
間に１６画像であることが判った。

最後に動画を形成するため Ｉ：１秒間に１６画像の比率で“画像を撮る”こと及び II：上記と同じ比率（１秒間に１６画像）で各画像をシ
ャッターを用いて２回づつ遮蔽して１秒間に４８画像の
比率が達成するように“再生する”こと（１回目のシャ
ッター動作で１つの画像から次の画像に替え、次の２回
のシャッター動作は画像は替えずに行われる。） の合体から構成される工程が見出された。

現在において、映画投影における標準化された方法は１
画像について１回の付加的シャッタリングを用いる１秒
間２４画像である。

要約すれば、本発明の出発点は「第３のディメンジョン
である時間は用意周到な一連の二次元的画像の手段によ
り達成される”と云う基本的アイディアにある。

人間の目が光の断続性を知覚しえないような必要最小限
のしきい値が調査された。（それは１秒間４８画像であ
った。）又動きに対する印象を与えるために必要な１秒
間の画像の数が確認された。（それは１秒間１５画像で
あった。）そして最終的に、実用的な方法として１秒間
に１６画像の比率で“画像を撮り”、又１秒間に４８回
の光の断続周波数が得られるまでの付加的シャッタリン
グを用いた“画像の再生”とで構成される方法が開発さ
れた。

この概要は以下に述べるように本発明の開発の基礎とし
て使用される。

映画撮影に関する場合がそうであったように、経験は撮
られる画像の数は再生に要求される数より非常に少いと
いうことを示している。その大きさの範囲は５０対１以
上である。

一般的な現象として、人間の両眼による視覚の故に人間
は自分が見ている対象物の離れている距離を評価するこ
とが出来る。この機能は人間の目がそれぞれ向けられて
いる角度により満される。ライン１−Ａ_１とＤ−Ａ_２
をそれぞれ人間の左目Ｉと右目Ｄの無限の視覚ライン
としよう。第６図は両眼が対象物Ｐの観察する場合の光
学的図式を示している。第６図において、もし目が直線
ライン１−Ａ_１上で距離ｌにある対象物Ｐを見るため動
いたとすると右の目は次式で与えられる角度で物を見る
ことになる。

この角度Ｅは水平的視差角度と呼ばれる。

目が通常水平線と平行なライン上にある場合には、水平
的視差を再生する立体的システムは十分であり成功す
る。この理由から、水平的視差における画像の記録と再
生についてのみ関心をもっている。

ここで観察者Ｏ_１が無限の視覚ラインと直角な壁に作ら
れた幅Ａ−Ｂの窓を通して光景Ｐをみているとしよう。
第７図はその状態を図式的に示している。

第７図は観察者Ｏ_１の右目Ｄ_１と左目Ｉ_１の平面図を
示している。光景から来てＩ_１を通過する光線のビーム
（Ｉ_１上で同心である）は左目の画像を形成するために
作用するビームである。同様にＤ_１を通過する光線の
ビーム（Ｄ_１と同心である）は右目の画像を形成する
ために作用する。起伏に対する知覚は脳が、異なる点Ｉ
_１及びＤ_１を通過した２つの光線によるビームにより
形成された右目と左目とからの画像を合成した時に達成
される。

一方窓を含む平面のラインに含まれる直線ＡＢを無限に
接近した一連の点Ｆ_１Ｆ_２…Ｆ_ｉ…Ｆ_n-1，Ｆ_ｎに分割
することを考える。

同心的ビームＤ_１に属している全ての光線はもとよ
り、同心的ビームＩ_１に属している全ての光線は全ての
ｉについてＦ_ｉ−Ｆ_i-1の距離が十分小さい限り同心的
ビームＦ_１，Ｆ_２…Ｆ_ｉ…Ｆ_n-1，Ｆ_ｎのグループの中
に含まれているということに注目することは重要であ
る。

次に何人かの観察者Ｏ_１，Ｏ，…Ｏ_ｉ…Ｏ_ｍが前の窓Ａ
Ｂを通して異なる場所から同一の光景を見ていることを
考えてみよう。垂直的な視差を考慮する必要はないので
全ての組の目を同一の水平面上に突出部によって示すこ
とができる。第８図はｍ人の観察者が窓ＡＢから対象物
をみている光学的図式を示している。

位相幾何学的理由から、全ての同心ビームＩ_ｉは或はＤ
_ｉは距離Ｆ_ｉ−Ｆ_i-1が十分小さい限り一連の同心ビ
ームＦ_１，Ｆ_２…Ｆ_ｉ…Ｆ_n-1，Ｆ_ｎの中に含まれてい
るということは明らかである（図では外側のビームのみ
が示されている。）第８図により他の方法で表わされて
いる“基本的アイディア”が次のように要約される。

観察者ｉの左と右の目に対応する同心状ビームＩ_ｉ又は
Ｄ_ｉを基礎として用いて又何れかの観察者ｉの為に形
成される画像はＦ_ｉ−Ｆ_i-1の間隔が十分小さいもので
ある限り，同心状ビームＦ_１，Ｆ_２…Ｆ_ｉ…Ｆ_n-1，Ｆ
_ｎを基礎として用いて形成された画像のを選択し適切な
一部として構成することにより合成されうる。

この説明はどのような曲線であってもそれが連続してい
てＡ点およびＢ点を通過するものである限り同心的ビー
ムＦ_１，Ｆ_２…Ｆ_ｉ…Ｆ_n-1，Ｆ_ｎを含む場合はひきつ
づき有効なものである。

この基礎的アイディアは発散レンズからなる光学的シー
トが収束レンズからなる他の光学的シートにもとづく再
生システムと一体化されて作られた画像記録において有
効となる。

最も簡単な画像収録形成は各点Ｆ_ｉに異なる画を撮るカ
メラを配置することであろう。それにもかかわらずこの
発明では１個のカメラで発散型光学的スクリーンを通し
て画像を撮ることが考えられている。

そこで本発明では、同心状ビームＦ_１，Ｆ_２…Ｆ_ｉ…Ｆ
_n-1，Ｆ_ｎをラインＬ，Ｌ′平面に含まれる発散レンズ
Ｓ_１，Ｓ_２…Ｓ_ｉ…Ｓ_n-1，Ｓ_ｎの中に実現せしめるよ
うにしている。幾何学上の簡単な理由から焦点距離ｆを
もったレンズＳ_ｉから対象物までの距離Ｄと同レンズの
像までの距離ｄ_ｏとの間の関係は次式で与えられる。

これをｄについて変形すると となる。

第９図において発散レンズによる画像形成の光学的ダイ
アグラムが理解される。

即ち、第９図で各同心的ビームＦ_ｉのための発散レンズ
が存在しており又それ等の間の距離Ｆ_ｉ−Ｆ_i-1がｉが
何であっても同一でありかるレンズＳの幅Ｋと等しいと
仮定する。

もし焦点距離ｆが全てのレンズについて同一であるとす
れば、レンズＳ_ｉの光学的中心上における像Ｐ_ｉの高は
次式で与えられる。

これ等のＨＨ′平面に含まれる全ての像がレンズの背部
に位置する単一のカメラによって収録される。第１０図
には本システムの対称軸上に位置する対象物Ｏ−Ｐにつ
いての各レンズにおける高さＰ_ｉにより特徴づけられて
いる像の形成に関する光学的ダイアグラムが示されてい
る。

画像の再生に関して述べるならば、収束レンズＣ_ｉにお
ける像の形成に関与する距離差は第１１図に示されてお
り、収束レンズＣ_ｉにおける画像の形成に関する光学的
ダイアグラムを示すものである。

もしレンズから対象物までの距離をＤとし、レンズから
像までの距離をｄ_ｏとしかつ焦点距離をｆとすれば次の
式が成り立つことは容易に証明できる もし第１０図の発散レンズにより形成された異る画像が
写真版上又は投影平面上に実現されるものと、すればこ
の写真或は投影用の平面ＨＨ′は平面ＬＬ′に含まれる
一連の収束レンズＣ_ｉに対する対象物として作用するで
あろう。

これ等のレンズにより形成された平面的な画像の群は平
面ＨＨ′上に位置する対象物Ｐ_ｉからの画像Ｐの形成に
関する光学的ダイヤグラムを表わしている第１２図に示
されているように距離Ｄにおいて空間に（立体画像）画
像を作り上げるであろう。

この画像は観察者Ｏ_１Ｏ_２…Ｏ_ｍ等のいづれかの一組の
目１，２…ｍによってその距離で観察されることができ
る。

画像を収録するに当り発散レンズにおける対象物と像と
の間の距離の比は再生時における収束レンズの対象物と
像との間の比と同じである。

発散レンズにおける画像の高さＰ_ｉと収束レンズにおけ
る対象物の高さとは同一でなければならない。

レンズから対象物までの距離をｄ_ｏとすると再生画像か
ら再生の窓まで距離は次式により与えられる。

ここで前述したＰ_ｉ値を置き換えると が残る。

再生における実行を簡単にするため、対象物の平面はレ
ンズＣ_ｉから一定で焦点距離ｆ離れた位置に置かれる。
この方法により画像は収録時における距離Ｄと等しい距
離Ｄ′において形成される。

もし再生のための窓の横方向の幅Ａ′Ｂ′が画像収録の
ための窓の幅のＰ倍に作られるとすると（Ａ′Ｂ′＝Ｐ
・ＡＢ）再生する収束要素の幅Ｋと高さＰ_ｉは同じ比率
で変化するということは検討する価値がある。

もし焦点距離ｆが同じ変化を受けるとすれば深さの距離
或は第３のディメンジョンＤ″は次のように変換される
であろう。

Ｄ′の値はいかなるものでもよい。

つまり、三次元或は画像の深さは再生時の窓の幅と同じ
比率で変化するであろう。又は別の云い方をすれば再生
はサイズから変った時に三次元において変形を破ること
はない。

１つに画像が次々と極く短時間に分割されている映画撮
影の開発が基礎をおいているアイディアと一つの画像Ｆ
_ｉが他の画像Ｆ_i+1と極めて短い距離で分割されている
ような上述してきた四次元システムの基礎的アイディア
との間の類似性は明白である。

又人間の目が光の中断を知覚することのない１秒間４８
画像と云う再生の周波数と動作の連続性を達成するのに
必要な最小である１秒間１６画像と云う収録周波数及び
四次元システムにおける再生に要求される画像の数と収
録に要求される数との間の差において類似性がある。

画像がバンドにより構成されているという事実が知覚さ
れないように要求される最小の分離（或は再生のための
収束レンズＣ_ｉの寸法と明らかに連続した方法により立
体映像を再生しうるように要求される分離（写真撮影用
の発散レンズＳ_ｉの寸法）は非常に異っている。

経験から云うと正しい再生のために要求される画像の数
はそれを収録するに必要とされる立体画像の数よりかな
り多いということである。

以下に映画撮影におけるシャッタリングと同じように収
録された少い数の画像を用いてより多くの数のユニット
により再生することを可能とする方法を説明する。

映画撮影においては、同一の画像が数回のシャッタリン
グ操作の間繰返される。四次元の再生においては、同一
の画像は数回の再生ユニットの内で繰返されるであろ
う。

各再生ユニットは収束円筒状レンズに実現される。

上述した来たように、深度を明確に現わすのに必要な画
像の数はそれを再生するのに必要とされる数よりかなり
少い。又三次元の写真にとる場合の簡単な方式は多数の
焦点Ｆ_ｉが使用されると同じ数のカメラを利用するよう
にすることである。

さて、経験はこの数は小さくなりうるということを教え
ている。そこで写真撮影の方法は、次のように構成され
る。即ち、カメラＣ_１，Ｃ_２，Ｃ_３…Ｃ_ｎにより撮影さ
れた一連の画像は、光学的軸が等間隔で互いに平行であ
り、光学的中心が水平線と平行な線ＺＺ′に沿って置か
れている複数のカメラにより収録されるのである。

画像を撮るカメラ間の間隔はＫ_ｃと表示される。（第３
図は画像が収録される場合のカメラ群の配列をダイヤグ
ラム的に示すものである。） カメラ間の分離又は距離Ｋ_ｃはもとより画像を収録する
ために使用されるカメラや画像の数に関する実際的な値
について後述する。

再生のためには、収束レンズからなる光学的スクリーン
が使用され、これを通して第３図に示されるカメラによ
り収録された画像の投影を観察することが出来るであろ
う。このために、撮影時に使用したカメラと同じ数の互
に等間隔をおかれたプロジェクターを使用することにな
ろう。プロジェクターの各々は上述した透明な円筒状光
学スクリーン上に１つの画像を投影する。

該投影機の光学軸により形成される角度はカメラの光学
軸により形成される角度と同一でなければならない。そ
うでないと画像記録の際の均等な視差による平面は再生
において弯曲されてしまうであろう。

１つ以上の水平的視差を再生することは必要がないので
円筒状体の軸は地表の平面に対し垂直であってよい。
（第２図は円筒状光学スクリーン上に投影を行っている
互に距離Ｋ_ｒだけ離れているプロジェクターＰ_１Ｐ_２…
Ｐ_ｎの配列をダイアグラム形式で表示している）。

第２図を参照すれば、プロジェクターからスクリーンま
での距離Ｂはプロジェクターの焦点距離と円筒状光学ス
クリーンの寸法により定められる。

該円筒状光学スクリーンは判別出来ないほど十分に小さ
い幅ｄ′をもった円筒状体により形成されており次式に
より与えられる焦点ｆは３個のプロジェクターがみえる
角度２Ｋ_ｒ／Ｂ以下の角度をもつ各円筒状体の口径ｄ′
／ｆと等しくなるまで減少される。

経験によればシリンダーの寸法ｄ′はメートル（ｍ）で
表わされる観察距離を3500で割った値より小さくなけれ
ばならない。

又シリンダーの口径ｄ′／ｆは３つの投影機を見ること
が出来る値 と２つの投影機が見れるその半分の値即ち との間に含まれうる。

これに関連して１つのプロジェクターｉの一部の画像が
滑らかに隣接するｉ−１及びｉ＋１によるプロジェクタ
ーの一部の画像と混り合うので１つの画像バンドから次
の画像バンドへの知覚しえない変化が達成されるのであ
る。

収録された画像の数と再生される画像の数との間の比は
ここではプロジェクターの数（画像を収録するカメラの
数に等しい）と光学的スクリーンを作っている収束円筒
状体の数との間の比で代表される。

もしプロジェクターが互に分離されているとすれば、ス
クリーンの三次元の視角の範囲が増加するが再生される
視差は減少するし又その逆も存在する。

投影機間の間隔についてのそれぞれの変化に対して決め
られた投影機の数については、もし同じ投影距離が維持
されるならば、異なシリンダーシートに対応する。何故
ならば、幅方向の寸法と焦点距離との関係は投影機の間
の間隔と投影距離との関係に等しくなければならないか
らである。

これまで水平方向の視差を再生することに関する多くの
問題について検討して来た。この問題は知覚しえないほ
ど非常に小さい幅をもつ垂直な円筒状体からなる光学的
スクリーンにより解決されてきた。

もし上述したような垂直シリンダー(100)のみが利用さ
れたとすると、画像の観察は画像或は投影機の数と同じ
数の副次的な画像(sub segment)を構成する直線的な要
素に限定されるであろう。この直線状の画像要素は投影
機と観察者を通過して通る平面と垂直シリンダーからな
る上記した透明な光学的シートを含む平面との交叉点に
よって与えられる。

従って、垂直平面が適正に形成されるので、全ての観察
者が観察者の高さに関係なく画像の垂直な要素全体を見
ることが出来るように十分な口径をもった他の水平シリ
ンダーからなる光学シートが使用される。

一般的には、垂直な方向のケースにおけるように目に見
えないよう十分に小さくなければならない横方向の寸法
をもつ最大の口径を持つという理由から半球形シリンダ
ーが選ばれる。

従って、本発明の再生のための光学システムは第１図の
ようになりそしてその画像の観察は透明体を通して行わ
れる。

第１図において視角Ｖは第１の投影機から最後の投影機
までの間の距離、投影距離及び垂直シリンダーの口径に
よる関数で考慮される。同様に垂直シリンダーの口径に
ついての角度Ｓが隣接する投影機Ｋ_Ｒの間隔と投影距離
Ｂの間の比として理解されうる。この比率は垂直シリン
ダーの幅寸法ｄ′とその焦点距離ｆとの間で得られる比
率と同一である。

第１図において、水平方向シリンダーによる光学的シー
トを通して垂直な要素を観察することが考慮されてい
る。

垂直及び水平シリンダーの各焦点線(focal line)は同一
の平面にて一致するようにするため、投影スクリーンの
厚さは次の値をもたなければならない。

ｒ_２とｒ_１はそれぞれ垂直方向及び水平方向の円筒状体
の半径を表わし、ｎはスクリーンを構成している材料の
屈折率を表わしている。

上記のシステムは第１図に示すように水平方向シリンダ
ー102とこれに直角な垂直方向シリンダー100とから構成
されかつ両シリンダーは厚さｅをもつ透明シートの両側
面に形成されたものである。

両シートは共に同一の面に形成されることも明らかに可
能である。この場合水平方向と垂直方向のシリンダー間
の距離はなくなるので、もしそれ等が異る焦点距離を有
しているとすると、再生された画像における垂直な線と
水平な線との重なり合いは、投影対象物における垂直及
び水平な線について異なる焦点距離をもって達成されう
る。

本発明のシステムは又両光学的シートについて同一の焦
点距離をもつよう設計することが出来、その異った口径
は異ったシリンダーの横方向寸法を通して達成されう
る。

第２の態様は透明スクリーンを同じ光学的特性をもつ反
射型スクリーンに、用いて置換することにより達成され
うる。

この場合には画像は反射により観察出来又投影は前面上
に行われる。

第３の態様は垂直円筒状体を同じような光学的力をもつ
球形レンズによる光学的スクリーンで置換えかつ水平方
向の円筒状体からなる光学スクリーンは以前と同様その
ままとしておくことにより達成されうる。

第４の態様は単一な水平的システムを複合型システムに
置き換えることを基礎をおくことが出来るであろう。

これ等の変形方式の組合せは多数の可能性ある態様を与
えるであろう。

ここにおいて説明されたシステムは立体的動画として理
解される四次元画像の再生に適したものであり、それは
映画撮影及び立体的テレビジョン等のために使用される
可能性がある。

本発明における画像の収録のシステムにおいては、それ
ぞれの光学的軸が平行で互に等間隔に配置され又光学的
中心が水平な直線上にあるような幾つかのカメラを使用
することにより、一方画像の再生システムにおいては画
像の収録のために使用されたカメラの数と同数のプロジ
ェクターが使用され、かつそれ等の画像は二重の透明円
筒状光学スクリーンを通して又二重の鏡による反射によ
り観察されうるのである。

又投影スクリーンは垂直的及び水平的円筒状体からなる
２種の光学スクリーンから作られている。

更に、垂直的円筒状体からなる光学スクリーンとして
は、該円筒状体の幅ｄ′は通常の可視距離からは観察し
えない程に小さくなければならず、開口部の角度は３個
の投影用対物レンズを含ませるに適切な角度でなければ
ならず、そのためその焦点距離は次式で与えられる。

ここでｄ′：円筒状体の幅 Ｂ：投影距離 Ｋｒ：プロジェクターの光学軸間距離 同様なシステムにおける他の態様として、これ等の円筒
状体を該円筒状体の幅に等しい直径ｄを有しかつ上記と
同じ焦点距離を有する球状レンズで置換えることができ
る。

一方水平的円筒状体からなる光学的スクリーンについて
は、それ等の幅は観察者に判らないほど十分に小さくな
ければならず、開口部の角度は出来るだけ最大となるよ
うにしなければならない。この場合には、円筒状体は半
円球を基礎とする形を有しなければならない。

更に、スクリーンの厚みについて言及するならば、その
厚みは再生された画像の水平方向ラインと垂直方向ライ
ンの双方とも同一平面上に存在するという条件により決
定される。

そこでその厚さの値は次式により決定される。

ここでｎ：スクリーンの屈折率 ｒ_２：垂直方向円筒状体の半径 ｒ_１：水平方向円筒状体の半径 このシステムにおける他の態様として、任意の厚さが与
えられそして画像の垂直的及び水平的ラインは水平方向
及び垂直方向ラインに対する異った焦点距離をもつ投影
用対物レンズの手段によって同一平面上に一致せしめら
れる。

画像は又反射方式によっても観察されうる。この場合に
は、スクリーンは上述した場合と同じような光学的特性
を有する鏡により構成されるであろう。

この場合には厚さが存在しないので、水平方向ラインと
垂直方向ラインを投影対物レンズの異った水平方向及び
垂直方向焦点距離の手段により同一平面状に一致させる
いことが必要であろう。

事実、実用上最後の点を考慮に入れる必要はない。

実用上の観点から、円筒状スクリーンはプラスチック材
料をプレス加工することにより製造されうる。

最も接近した観察距離においてさえも確認しえない程十
分に小さな値である、円筒状体に形成された最小幅は0.
05mmである。

経験では0.6mmの幅をもつ光学的スクリーンが基礎とな
っている。

カメラから１ｍはなれた対象物により作られる視差およ
び遠距離の光景に対する視差のために１cm離れた７個の
画像収録を用いた。

又それ等の再生は同一数（７個）の１２cm離れたプロジ
ェクターを用いて５５cmのスクリーン上に行った。

異る投影カメラは幾つかの対物レンズをもった１つのカ
メラに変更することが出来又異なるプロジェクターは幾
つかの対物レンズをもった１つのプロジェクターに簡素
化することもできる。

此処で，本発明に係る光学スクリーンの一具体例に関す
るディメンジョンを以下に説明する。

屈折率ｎ＝１．５， 水平シリンダーの半径ｒ_１＝0,1mm（半球形） 垂直シリンダーの半径ｒ_２＝2.0mm 垂直シリンダーの焦点距離ｆ ｆ＝ｒ₂/n-1＝4mm 水平シリンダーの焦点距離ｆ_Ｈ ｆ＝ｒ₁/n-1＝0.2mm 垂直シリンダーの幅ｄ＝0.2mm 光学スクリーンの厚さｅ ｅ＝n/n-1・(r₂-r₁)＝5.7mm 主平面(principal plane)ΔＨ ΔＨ＝n-1/n・ｅ＝1.9mm

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に使用される投影スクリーンとその背部
投影による形状の例を示す図である。 第２図は円筒状光学再生スクリーン上に投影を行う一連
のプロジェクターの配列を示すダイアグラムである。 第３図は画像を撮る時のカメラの配列を示すダイヤグラ
ムである。 第４図は不透明グリッドの垂直配列図である。 第５図はグリッドを重複させる手段による再生の詳細を
示す図である。 第６図は対象物Ｐを両眼で観察する場合の光学的ダイア
グラムを示す図である。 第７図は観察者が窓を通して対象物をみる場合の光学的
ダイアグラムを示す図である。 第８図はｍ人の観察者が窓を通して対象物を見る場合の
光学的ダイアグラムを示す図である。 第９図は発散レンズにおける画像形成に関する光学的ダ
イアグラムを示す。 第１０図は対象物Ｐに関する各レンズの像の形成を示す
光学的ダイアグラムである。 第１１図は収束レンズにおける画像作成に関する光学的
ダイアグラムを示す。 第１２図は一つの平面に置かれた一連の対象物からの画
像の形成を示す光学的ダイヤグラムである。 Ｉ……左目、ＡＢ……窓、 Ｄ……右目、Ｆ_ｉ……窓上の点、 Ｐ……対象物、 Ｄ，Ｄ′Ｄ″……レンズと対象物間の距離、 ｂ……人間の目の間隔、Ｏ_ｉ……観察者、 ｄ_ｏ……レンズと像間の距離、 ｆ……焦点距離、Ｓ_ｉ……発散レンズ、 Ｃ_ｉ……収束レンズ、Ｋ……レンズの幅、 Ｋ_ｃ……カメラの間隔、 Ｋ_ｒ……カメラの光学的中心間距離、 ｅ……スクリーンの厚さ、 Ｂ……プロジェクターとスクリーンとの距離、 ｒ_１，ｒ_２……円筒体の半径、 ｎ……屈折率、ｄ′……円筒体の幅。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の異なる空間位置から撮影された複数
   の画像を透明な光学システムに投影すること、該透明な
   光学システムは前方側の部分は目に見えないように十分
   に小さな横幅寸法をもつ垂直シリンダーからなる光学シ
   ートで構成されており又その横幅寸法とその焦点距離と
   の間の関係は少くとも２個の隣接する投影機の間隔を投
   影距離で割った値より大きくその値の２倍以下であり、
   一方該光学システムの後側の部分は目に見えないように
   十分小さな横幅寸法をもち，且つ全ての観察者が画像の
   全高さを見ることが出来る様に十分に小さな半径を持つ
   半円形断面若しくは円弧からなる水平シリンダーからな
   る光学シートで構成されており、かつ該光学システムの
   厚さは水平シリンダーの焦点線が垂直シリンダーの焦点
   線を含む面と同一平面上に存在しているように構成され
   ていることを特徴とする水平方向の視差を形成する三次
   元動画像即ち四次元画像を再生するための装置。
2. 【請求項２】水平シリンダーからなる光学シート若しく
   垂直シリンダーからなる光学シートの少なくとも一方が
   鏡面体シートであり，かつ投影は前方から行われるもの
   であることを特徴とする請求項１記載の装置。