WO1997039376A1 - Dispositivo de reproduccion de imagenes en tres dimensiones basado en la diferenciacion angular de imagenes - Google Patents

Dispositivo de reproduccion de imagenes en tres dimensiones basado en la diferenciacion angular de imagenes Download PDF

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WO1997039376A1
WO1997039376A1 PCT/ES1996/000092 ES9600092W WO9739376A1 WO 1997039376 A1 WO1997039376 A1 WO 1997039376A1 ES 9600092 W ES9600092 W ES 9600092W WO 9739376 A1 WO9739376 A1 WO 9739376A1
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image
optical
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PCT/ES1996/000092
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Juan Dominguez-Montes
Original Assignee
Dominguez Montes Juan
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Publication date
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    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/302—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays
    • H04N13/305—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays using lenticular lenses, e.g. arrangements of cylindrical lenses
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/26—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the autostereoscopic type
    • G02B30/27—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the autostereoscopic type involving lenticular arrays
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    • H04N13/20—Image signal generators
    • H04N13/286—Image signal generators having separate monoscopic and stereoscopic modes

Definitions

  • the reproduction device described here is capable of generating three-dimensional images, with horizontal parallax only, or integral images, that is to say with horizontal and vertical parallax simultaneously, static or in motion that can be observed without the need to use glasses or any other device before the eyes.
  • the new device presented here simplifies, improves and reduces the manufacturing costs of the devices made previously.
  • the systems for capturing and reproducing images in three dimensions can be classified into two large groups. Those developed from 1947 based on the formation of images through interference of coherent beams of light called holographic systems and those that do not record by wave interference. Within the latter we will distinguish stereoscopic, three-dimensional and integral systems.
  • stereoscopic is used to designate systems in which two different images are used in reproduction, one for each eye.
  • the three-dimensional term is used to designate those systems that employ the greatest number of images captured and reproduced, allowing observation within a wide horizontal viewing angle without disturbing the observers by putting before their eyes optical filters or any other device.
  • the integral term is used to designate those systems that employ a large number of images captured and reproduced allowing the observation in three dimensions within a wide viewing angle both vertical and horizontal
  • Three-dimensional systems mostly use optical frames of lenticular type for reproduction. The oldest ones are based on the differentiation of the different images by their position on a diffusing screen. These systems will be called as belonging or based on "positional differentiation or scale images "
  • the distinction of the different images reproduced on the diffuser surface is achieved by reserving a different place for each of them.
  • Each image occupies a sene of vertical strips of very small width
  • the frontal projection system described by Ivés consists in locating a lenticular frame of converging cylindrical lenses in front of and parallel to a diffusing surface located at a distance equal to the focal length of the convergent microlenses that make up the frame
  • the n images captured from n different spatial positions are also projected from different positions with the same number of projection objectives
  • the projected image from each of the projection lenses will be formed on the diffusing surface.
  • the light coming from each objective after refracting as it passes through the lenticular weave will form, behind each cylindrical lens, a thin strip on the diffusing surface.
  • the geometric image of this thin strip of image will be in the line that joins the optical center of the projector lens with the optical center of the converging cylindrical lens component of the frame
  • Each cylindrical lens will form on the diffusing surface as many strips of images as projection lenses there are, in our case, a number n of strips equal to that of images
  • the observation angle is formed by the lines that pass through the geometric center of the reproduction screen and each eye of the observer.
  • the angle of reproduction is formed by the lines that pass through the geometric center of the reproduction screen and each of the optical centers of two adjacent projection objectives.
  • Reproductions suitable for distant observers that is to say for observers with a very small viewing angle, require reproductions with a very small reproduction angle, that is to say that the distance between adjacent projection lenses must be very small compared to the projection distance.
  • This condition requires a large number of images reproduced for a given value of orthoscopic viewing angle.
  • transverse cylinder size For a large number of images reproduced, a transverse cylinder size must also be used, and as a consequence they become more easily observable and the quality of the scene reproduced decreases.
  • These disadvantages not only appear in horizontal parallax reproduction systems but also in so-called integral reproduction systems, that is, those that in addition to reproducing horizontal parallax also reproduce vertical.
  • These systems are also designed with a diffusing surface and a selector element.
  • the optical selector element is a plane of converging spherical lenses instead of cylindrical lenses.
  • the new design does not employ any diffusing surface where the different images are focused as in the classic systems described above. Nor in this new system is it attempted to bring to each eye a different image captured all of it by a single camera and projected by a single projector lens.
  • This system is designed so that a different image can be seen from each observation point, but this image is not the one projected from a single projection objective. From each observation point, only a rectangle-shaped sector of each of the projected images The group of rectangles corresponding to an observation point forms a single image This unique image is different for each observation point
  • This luminous point will be located at the intersection of the line that joins the optical center of the projection target and the observation point with the transparent surface. From each observation point a different point will be seen for each projector. If several images are projected at the same time on the transparent surface, as many images as projected images will be seen from each observation point. If the optical centers of the projection lenses are located on a line. straight visible points will also appear aligned on a straight line.
  • a lenticular weft formed by vertical cylindrical lenses is placed next to the transparent surface.
  • the distance between the transparent surface and the lenticular weft is made equal to the focal length of the weft component cylinders.
  • a rectilinear segment of each projected image will be seen.
  • the geometric center of said segment will be located on the line that joins the optical center of the projection target with the observation point with the lenticular plot. of said segment will depend on the horizontal opening of the vertical cylindrical components of the frame If the opening angle is zero, infinite focal length, the segment will be reduced to one point and will increase in length as the value of said opening increases , that is, the length of the segment will depend on the aperture of the optical components and will be much larger the longer it is. If the objectives they project simultaneously are futile, as many segments as projected images will be seen
  • the angle that measures the opening of these vertical cylinders or expressed in another way, the relationship between the transverse size of the component cylindrical optical element of the frame and its focal length is equal to the low angle which the inner edges of the pupils of two contiguous projection lenses are seen from the optical center of the lenticular frame or equal to the relationship between the distance between the inner edges of the pupils of two contiguous projection lenses and the distance of projection
  • optical frames This is the most important condition that governs the construction of optical frames for three-dimensional reproduction systems based on angular differentiation of images.
  • this condition can be satisfied by both optical frames composed of convergent cylinders and those composed of divergent cylinders.
  • the opening of the lenticular frame Since the opening of the lenticular frame has to be a function of the relationship between the distance between two contiguous projection targets at its projection distance and this value is usually very small, the opening of the lenticular frames based on this new principle has a value very small contrary to what is pursued and occurs in classical systems
  • the projection objectives will be placed on a horizontal curve and a second optical frame of horizontal cylinders whose focal lines are in the same focal plane as the vertical cylinders and therefore coincide with the transparent screen designed For pedagogical purposes, it will be responsible for converting the previous segment into a rectangle whose base will be the size of this same segment and whose height will be that of the transparent surface.
  • Each observation position will correspond to a different image rectangle of each projector lens and the set of these rectangles will form a unique and distinct image for each observation point
  • the focal length of these horizontal cylinders must be as small as possible in front of their width (semicircular cylinders) to achieve a large aperture that allows viewing from any point of a rectangle as high as the optical system itself
  • the previous device can be modified in order to achieve a valid optical system for any distance between contiguous projection targets and any projection distance.
  • two optical frames are available, one of them mclinable with respect to the other.
  • the first one consists of horizontal cylindrical elements. of great opening, the second, mclinable, will form an angle between 0 or 90 ° with respect to the first horizontal
  • the necessary horizontal opening is achieved by adjusting the value of the inclination angle
  • n is the number of images or projection lenses Kr is the distance between optical centers of two contiguous projection lenses
  • the angle of orthoscopic vision can be made as large as desired because it is not limited by the opening of the optical components of the frame
  • the cross-sectional size of the component cylindrical optical elements of the frame does not limit the number of projected images so they can be made as small as desired.
  • Integral reproduction systems are easy to manufacture. These advantages have made possible, for the first time, the realization of three-dimensional or integral reproduction systems with high-quality orthoscopic viewing angle and easy adjustment. To achieve this it has been necessary to use a large number of projected images
  • the proposed procedure consists in introducing in each image before its projection an inverse deformation to that suffered in the projection Although the correction is perfect and the reproductions achieved of very high quality, the procedure requires a specific and different calibration to each reproduction device
  • the previous three-dimensional players are characterized by having a reduced volume, simple operation and an acceptable viewing angle.
  • the projection is made by displacement and therefore these three-dimensional players with an angle of vision greater than 100 ° or 120 ° need projection objectives with an angle of opening of this same value
  • These projection objectives have a high price and are not easy to find in the market
  • the previous difficulty derived from the optical projection elements and outside the optical reproduction system establishes the same as we saw in the projection systems by inclination, a practical limit at the maximum angle of orthoscopic vision at a value around 120 °
  • This difficulty is linked to the aforementioned complexity of these devices due to the fact that the images need to be calibrated with the inverse deformation that the equipment itself introduces in the reproduction
  • various devices are described, all based on the angular differentiation of images, which can reach reproductions with angles of orthoscopic vision of up to 180 °, without introducing aberrations, deformations of perspective or visual distortions, being able to build inside of a reduced volume and without the images need
  • the elements that serve to describe a three-dimensional reproduction system based on the angular differentiation of images are a) A series of projection objectives each of which projects a different image from a spatial position also different through b) an optical system, composed of several lenticular frames, whose component optical elements are designed with a ho ⁇ zontal aperture value that is a function of the distance relationship between two contiguous projection targets and the projection distance on c) a transparent flat surface where focus all projected images
  • the procedure of reproduction of a single image in a device based on angular differentiation of images will consist of: a1) of all the projection objectives described in section a) the one corresponding to the chosen image will be selected and will act only as a light source, that is, it will work without Film. The rest of the projectors will remain inactive
  • the previous system is easily generalized by making each image appear on the liquid crystal only the nth part of a time interval chosen as a cycle and in that nth part of the time allocated for the reproduction of an image will illuminate only the objective corresponding to this image For the rest of the images, it will be operated in the same way and at the end of the reproduction of all the images it will start again for the first of the cycle.
  • the advantages achieved in the reproduction of the n images are the same than those mentioned above for the reproduction of a single
  • the optical reproduction system will have been reduced to a single optical frame composed of horizontal cylindrical elements with a vertical opening large enough so that, from any observation point, the illuminated image is seen at its full height
  • a lighting system composed of its optical system without vertical aperture and light sources in the form of vertical luminous segments of indefinite length can also be designed.
  • the optical system will have finite horizontal aperture depending on the ratio between the distance between luminous segments. vertical and lighting distance and with zero vertical opening so the optical frame composed of horizontal cylinders will be suppressed
  • optical system could be completely eliminated in a new lighting system composed of rectangle-shaped light sources of indefinite height and width equal to the distance between the optical centers of two contiguous projection targets.
  • frontal and / or lateral reflection methods are used in the light path from the projection objectives to the optical reproduction system
  • a fifth three-dimensional reproduction device that is also the object of this invention in which a single source of illumination is used, which through a mirror, whose angle of rotation responds to the signal sent by the computer , projects its light on a diffusing surface
  • the image projected on this surface is a rectangle luminous that jumps in each jump occupying the position occupied by each of the previous rectangular light sources and remaining in this place the same time as before they remained activated.
  • the computer governs the angle of the mirror by sending a signal to a device, stepper motor, direct current or similar that responds to said signal moving forward or backward.
  • the computer also sends the coded signal of the image corresponding to each angular position of the mirror to the liquid crystal.
  • the light image in the form of a rectangle that travels through the diffuser surface can be generated on a screen of cathode ray tubes or in a liquid crystal.
  • the screen of the cathode ray tube itself acts as a diffuser surface.
  • it is projected on a diffusing surface as in conventional T V projectors.
  • the angle of orthoscopic vision is a function of the relationship between the distance between the first and last source of illumination and the distance of illumination, if This ratio remains constant The angle of orthoscopic vision is also kept constant.
  • the angle of reproduction as a function of the ratio between the distance between two adjacent sources and the illumination distance is also kept constant.
  • This property allows the design of a low-volume lighting system in which the distance between the first and the last source of lighting is reduced by the same proportion as the lighting distance.
  • All the three-dimensional image reproduction devices that have just been described as being objects of this invention, consist of a surface where sequentially generated two-dimensional images and different lighting systems are generated by transparency. However, all these lighting systems produce the same effect. optical than that produced by a luminous rectangle moving in jumps, each jump will correspond to the reproduction of a different image on the first surface The width of said rectangle is equal to the corresponding distance between two optical centers of two contiguous and height lighting targets enough to allow all observers to see the full picture
  • the relationship between the width of the light rectangle and the lighting distance determines the reproduction angle and inversely. In the same way the relationship between the distance from the first to the last rectangle and the lighting distance determines the viewing angle and vice versa.
  • the distance of the light sources to the image player element is determined according to the volume of the device
  • the three parameters that define the quality of the reproductive device, the field of vision and the angles of reproduction and vision are what condition the design
  • the second, the angle of reproduction determines the width of the luminous rectangle
  • the third, the angle of vision determines the width occupied by the set of luminous rectangles, or what is the same the number of rectangles or images necessary
  • the three-dimensional reproduction device object of this invention is characterized by a first surface, liquid crystal or the like, where a sequence of two-dimensional images are reproduced sequentially, that is, one behind the other responding to the encoded information sent from a computer and of a lighting system whose optical effect is equal to that produced by a second luminous surface located in front of the previous one and at an optical distance of this determined by the field of vision and of an optical width determined by the viewing angle, being this surface constituted of luminous rectangles adjacent to each other, of a width determined by the angle of reproduction and aligned in a horizontal curve and of a sufficient height to allow any observer to see the image at full height, and in which each of them lights up and off sequentially and according to the sync signal onismo that joins the computer in such a way that at each moment a single rectangle is illuminated in correspondence with the image generated by transparency on the first surface Everything that has been said for three-dimensional reproduction systems, that is reproductions with only horizontal parallax it can be extended for integral reproduction systems,
  • An integral reproduction system based on angular differentiation of images consists of
  • the images are not formed by projection, but directly in the plane described in section (c ') above, where a liquid crystal or similar device capable of generate images for transparency and the projectors become the function of simple light sources
  • the previous system can be used for the reproduction of n images if, by choosing a time interval for the complete repetition cycle, each image is generated in the liquid crystal for a time equal to the nth part of said cycle time interval and during that time is activated only the light source corresponding to that image
  • a second lighting system can be designed consisting of an optical system with zero horizontal aperture and the same vertical vertical opening and light sources in the form of adjacent horizontal rectilinear segments with a length equal to the separation between two contiguous horizontal objectives
  • the optical frame formed by vertical cylindrical elements will be eliminated in this system
  • a third lighting system composed of a null vertical opening optical system and the same horizontal opening as in the first case and light sources in the form of adjacent vertical rectilinear segments of equal length to the same could be constructed separation between two contiguous vertical objectives
  • the optical frame formed by horizontal cylindrical elements will be eliminated in this system Consequently, in a fourth lighting system the optical system could be eliminated by replacing the light sources with luminous rectangles whose base is equal to the distance between contiguous horizontal objectives and its height equal the distance between adjacent vertical targets
  • an integral reproduction device Taking into account the energy consumption factor, an integral reproduction device has been designed that is analogous to the fifth previously described three-dimensional reproduction device. The only difference is that in the integral reproduction device the light rectangle travels the places corresponding to a rectangular grid. what is necessary to employ two mirror rotating devices There are also a sixth and seventh integral reproduction devices that generate the light rectangle in a cathode ray tube or in a liquid crystal as described above for the three-dimensional player
  • a converging lens or mirror between the reproductive element and the light sources may also be used, all these vain objects being also the object of this invention.
  • All the integral image reproduction devices that have just been described and which are the object of this invention consist of a surface where the two-dimensional images are generated sequentially and of different lighting systems. However, all these lighting systems produce the same optical effect as that produced by a luminous rectangle moving in jumps, each jump corresponding to the reproduction of a different image on the first surface. The width and height of said rectangle are the same as the distances corresponding to the optical centers of two contiguous projection targets along a vertical or horizontal line.
  • the horizontal or vertical reproduction angle be less than or equal to the horizontal or vertical observation angle, this function being the distance between the two eyes of the same observer and the distance observational.
  • the relationship between the width or height of these rectangles and the lighting distance determines the value of the horizontal or vertical reproduction angle and vice versa.
  • the relationship between the horizontal distance from the first to the last rectangle or the vertical distance from the first to the last rectangle determines the horizontal or vertical viewing angle and vice versa.
  • the relationships between the horizontal or vertical viewing angles and the horizontal or vertical reproduction angles determine the number of columns or rows where the luminous rectangles or number of images required should be placed.
  • the optical situation of these rectangles with respect to the image reproductive element determines the field of vision and vice versa.
  • the distances of the light sources to the image reproductive element is determined according to the volume to be occupied by the device.
  • the optical power of the converging element is determined based on the distance from the light source to the reproductive element and the optical situation of these required by the field of view.
  • the parameters that define the quality of the reproductive device, the fields of vision and the angles of reproduction and vision both horizontal and vertical, are what condition the design
  • the integral image reproduction device object of this invention is characterized by a first surface, liquid crystal or the like, where a sequence of two-dimensional images is reproduced sequentially, that is, one after the other, responding to the coded information sent from a computer and a lighting system whose optical effect is equal to that produced by a second luminous surface located in front of the previous one, at an optical distance of this determined by the field of vision and of a wide and high optical determined by the angles of horizontal and vertical vision, this surface being constituted of luminous rectangles adjacent to each other, whose width and height is determined by the angles of reproduction ho ⁇ zontal and vertical and located in the vertices of a rectangular grid and in which each of them is illuminated and turn off sequentially and according to the synchronism signal or that joins the computer in such a way that at each moment a single rectangle is illuminated in correspondence with the image generated by transparency on the first surface
  • Figures 15, 16, 17, and 18 show two devices analogous to those shown in Figures 9, 10, 11, and 12 to which a converging optical system has been incorporated to reduce volume and / or increase the field of vision that they are also object of this invention
  • Figures 19, 20 and 21 show the basis of the operation of an integral reproduction device based on the angular differentiation of images whose detailed description is found in previous patents already mentioned Although this system is suitable for photographic reproductions, these three figures have been generalized. also for images reproduced on electronic media of the liquid crystal type
  • Figures 1, 2 and 3 are not the subject of this invention and serve as an introduction to show the operation of a three-dimensional reproduction device based on the angular differentiation of images
  • Figure 1 contains the three essential elements necessary to explain the operation of the system First of all a series of n projectors P1, P2 ,,,,,,, P ⁇ l ,,, Pn-1, Pn with its projection objectives 01, O2 ,,, O ⁇ ,,,, On-1, On whose optical centers are equidistant from each other
  • These projection objectives although drawn in this figure, aligned along a straight horizontal line, in general, can be aligned according to any other ho ⁇ zontal curve.
  • Figure 1 has been characterized by providing each projector with a liquid crystal F1, F2 ,,,,, F ⁇ ,,,,, Fn-1, Fn fed from a previous information of a single computer , COMP
  • the signals with this information are d named in Figure 1 by S1, S2, constructive, S ⁇ , donation, Sn-1, Sn
  • the optical system composed of two parallel lenticular frames is shown although this figure shows both convergent, these frames can also be divergent or one convergent and another divergent
  • the first 1 2 1 lenticular frame composed of inclined cylindrical elements has a ho ⁇ zontal opening component measured by an angle of the same value as that formed by two lines that both pass through the geometric center of the lenticular frame, each one of
  • Figure 2 shows the projection from the Pi projector of the Fi image.
  • Figure 3 shows the simultaneous projection from the projectors P1, P2 ,,,,, Pi ,,,, Pn-1, Pn of the n images. For this, all switches E1, E2 ,,,, Ei ,,,, En-1, En are activated simultaneously. All images formed in
  • Figure 4 shows a first arrangement of constituent elements of the new three-dimensional reproduction system.
  • the arrangement of elements is analogous to that described in Figure 1.
  • the projectors P1, P2 ,,,, Pi ,,,, Pn-1, Pn continue to have their projection objectives 01, O2 ,,, Oi ,,,, On -1, On equidistant from each other.
  • the image carriers F1, F2 ,,,,, Fi ,,,, Fn-1, Fn have been deleted in these projectors.
  • the images are all formed sequentially in a single liquid crystal 1.3.2 located in the same position that previously occupied the transparent surface 1.3.1 of Figure 1.
  • Figure 5 shows the behavior of this first three-dimensional reproduction device when the image is being generated in the liquid c ⁇ stal 1 3 2
  • the computer sends the Si signal with the information corresponding to said image and at the same time activates the switch Ei From any point of observation, for example, point 1 4 1, only the rectangle I ⁇ 1 will be seen from said image because it is the only part of the image that is illuminated from that point
  • the same figure also shows the rectangle I ⁇ 2 observable from another point, for example, 1 4 2
  • Figure 6 shows the behavior of this first three-dimensional reproduction device when all images 11, I2 ,,, l ⁇ ,,, ln-1, ln to be reproduced are generated one after the other in the liquid crystal.
  • the computer sends a after another the signals Si, S2 ,,, St ,,,,,,,, Sn-1 Sn, whose set we have called ⁇ S, activating at every moment the switch corresponding to the signal of the same subscript From any point of observation, by example 1 1 1, a rectangle will be seen from each image Although the vision of these rectangles is sequential, if the sequence is fast enough, due to the persistence of the images in the retina, it will be observed as if it were simultaneous The set of rectangles l ⁇ + 6 1, l ⁇ + 5 1, l ⁇ + 4 1, l ⁇ + 3 1 Ii 1 l ⁇ -3 1,
  • the projection objectives can be replaced by simple luminous elements of any form, for example, luminous points as we have just seen in the figures anterior 4,5 and 6, horizontal luminous segments, vertical luminous segments, or luminous rectangles.
  • Figure 7 shows a second arrangement of elements for the new three-dimensional reproduction device that uses n light sources H1, H2, ,,,, Hi ,,,,, Hn-1, Hn in the form of horizontal segments whose center is located in the place occupied by the optical center of the projection objective and of a length equal to the distance between optical centers of two contiguous projection objectives.
  • the optical reproduction system must therefore have a null horizontal opening with which the inclined lenticular weave 1.2.1 will be suppressed. shown in previous figures. As the same vertical opening value is needed, the lenticular weave 1.2.2 will continue to be maintained.
  • composed of horizontal cylindrical elements that, as already explained, can be both convergent and divergent and with a sufficiently large aperture to allow the illuminated image to be seen at any height from any point of observation.
  • Figure 8 shows a third arrangement of elements for the new three-dimensional reproduction device employing n light sources V1,
  • V2 V ⁇ ,,,,, Vn-1, Vn in the form of vertical segments whose geometric center is located in the place occupied by the optical center of the projection lens and of a height of sufficient length to allow from any observation point to see the illuminated image at its full height
  • the lenticular weft 1 2 2 shown in previous figures composed of horizontal cylindrical elements should be suppressed
  • the lenticular frame composed of inclined convergent or divergent cylindrical elements of horizontal aperture component measured by an angle of the same value as the angle under which the inner edges of two light sources are seen is maintained.
  • Figure 9 shows a fourth arrangement of elements for the new three-dimensional reproduction device employing n light sources R1, R2, R ⁇ ,,,, Rn-1 ,,,,,, Rn in rectangular shape whose geometric center is located in the place occupied by the optical center of the projection lens, of a height large enough to allow the illuminated image to be seen from any point of view, so that the plot can be suppressed horizontal lenticular and of a transverse size equal to the distance between two contiguous projection targets, with l or that the inclined lenticular frame with non-zero horizontal opening component may also be suppressed
  • each image must be illuminated with the same energy as in the old one and since each of them remains illuminated for a n times smaller time interval, it will be necessary, to generate the same light energy, to use light sources of a power n times higher Although in short, the total energy consumed will be the same in the new system as in the old
  • the electrical switches E1, E2 E ⁇ ,,, En-1 may be replaced, with light shutters of an electronic or electromechanical nature but in this case the total energy consumption would be ⁇ times higher
  • Figure 10 shows the fifth three-dimensional reproduction system with an uninterrupted lighting system provided with a single light source PP of a power n times greater than any of the n used in the system shown in Figures 1, 2,3 .
  • the beam of light generated by said single source after collimate is concentrated on a projection target that forms on a? diffuser surface SS the image of the rectangular VR window that acts as the object of said objective.
  • a mirror E is interposed whose angular position is controlled by the computer through the step-by-step or direct current motor M1.
  • the reflection in this mirror will cause the rectangular IRi image to move over the diffuser surface in leaps.
  • position i in which the projection of the light rectangle remains at rest on the diffuser surface, corresponds to one of the positions occupied by the previous rectangular light sources shown in Figure 9.
  • the computer In synchronism with the angular position of this specular element, the computer sends the different encoded information of the images to said liquid crystal.
  • Figure 11 shows the sixth arrangement of elements in the new three-dimensional reproduction system without lenticular weave and using as a light source a luminous rectangle generated on the diffusing surface of a TRC cathode ray tube
  • This tube without inertia and of great luminosity will obey the SR signals sent by the computer, and consequently will generate an IRi light rectangle that will jump over its diffusing surface, each jump will occupy the place corresponding to jna of the old rectangular light sources shown in Figure 9 and the same will remain bright time those were activated.
  • the diffuser surface may also be composed of several cathode ray tubes adjacent to each other.
  • Figure 12 shows the seventh arrangement of elements in the new three-dimensional reproduction system without lenticular weft and using as a light source a luminous rectangle projected on the diffusing surface from a PE electronic image projector. The rest of the operation is analogous to that mentioned in Figure 11.
  • Figure 13 shows the different fields of view d, c2, corresponding to the observation point 1.4.1. for two lighting distances B1.B2 and the same viewing angle V. It can be seen in this figure that as the lighting distance decreases, the same viewing angle V can be preserved, with rectangular light sources also smaller or nearest punctual. The lighting distance and the size of the light sources or distance between them must vary in the same proportion to keep the value of the viewing angle constant.
  • the maximum field of view for an observation point located at a certain distance, dO, from the image reproductive element is achieved by making the converging optical element 5 form the image of the luminous rectangles on the observation point itself.
  • volume reduction system of the reproductive device can be used in all the systems object of this invention, it will only be explained here for the devices shown in Figures 15, 16, 17 and 18 representing rectangular lighting sources.
  • Figure 15 shows an arrangement of elements for the new three-dimensional reproduction device having rectangular rectangular light sources FR and such that the geometric center of the set of rectangles is located at the distance d of the converging optical element, and of a rectangle height large enough to see the image at its full height.
  • the distance d is chosen so that the volume of the reproductive system is reduced and the power of the convergent element according to the field of vision most suitable for reproduction.
  • Figure 16 represents a behavioral device analogous to that of Figure 10 to which a converging optical element has been incorporated to achieve a suitable field of vision and / or reduce the volume of the reproductive equipment, that is to reduce the projection distance B at the new smallest distance d, and in the same proportion the size of the luminous rectangles.
  • Figure 17 represents a device, of behavior analogous to that of Figure 11, to which a converging optical element has been incorporated to reduce the volume and / or achieve a suitable field of vision of the reproductive equipment as in Figure 16.
  • Figure 18 represents a device, of behavior analogous to that of Figure 12, to which a converging optical element has been incorporated to reduce the volume of the reproductive equipment and / or achieve a suitable field of vision as in Figures 16 and 17
  • the remaining figures 19, 20,21, 22,23,24,25,26,27,28,29 and 30 serve to show the operation of an integral reproduction device, that is to say a device capable of reproducing the horizontal and vertical simultaneously.
  • Figures 19,20 and 21 are not the subject of this invention and serve as an introduction to show the operation of an integral reproduction device based on angular differentiation of images.
  • Figure 19 shows the three sets of essential and necessary elements to show the operation of the system.
  • a series of n x m Pij projectors grouped in m rows and n columns with their corresponding Oij objectives.
  • the optical centers of the horizontal objectives are equidistant from each other, similarly the optical centers of the vertical objectives. These objectives are found at the vertices of a rectangular grid.
  • Each projector is powered by an F.A. via a manually operated Eij switch.
  • a different image is placed on each projector that can be supported on a photographic film (slide) or on an electronic medium (liquid crystal).
  • each projector has been equipped with a liquid crystal Fij fed each of them from a single computer, COMP.
  • the signal with the information content of each image is called Sij.
  • the optical system composed of two parallel lenticular frames is shown. Although in this figure these frames have been drawn convergent they can be both divergent or one convergent and another divergent.
  • the first lenticular plot 2.2.1. of vertical cylindrical elements has a horizontal aperture determined by an angle of the same value as the angle under which the inner edges of the pupils of two adjacent horizontal objectives are seen, being determined by two lines that pass through the geometric center of the weft and each of them by the inner edge of the pupils of two contiguous projection targets located in a horizontal line; the second lenticular plot 2.2.2.
  • the transparent focusing surface 1.3.1. located at a distance B of the projectors and the focal distance f1 and f2 respectively from the frames 2.2.1. and 2.2.2.
  • This transparent surface is the place where all the projected images are focused through each of the Pij projectors. In this figure two different points of observation are also represented 1.4.1. and 1.4.2.
  • Figure 20 shows the projection through the Pij projector of the Fij image. For this, only the Eij switch must be activated. The image formed in Fij by the Sikh signal from the computer is projected and focused on the transparent surface 1.3.1. From the observation point 1.4.1. only the rectangle named in Figure Iij1 will be seen from that image. Similarly from point 1.4.2. the rectangle Iij2 will be seen.
  • Figure 21 shows the simultaneous projection from each of the Pij projectors of the Fij images. To do this, all Eij switches are activated. Information on images from the COMP Sij computer they generate the images on the Fij support and their projections are focused on the transparent surface 1.3.1. From any point of observation for example 1.4.1. a rectangle will be seen from each image. The set of rectangles Iij1 will form a unique and distinct image for each observation point.
  • Figure 22 shows a first arrangement of constituent elements of the new integral reproduction system.
  • the arrangement of elements is analogous to that shown in Figure 19, the projectors and projection objectives continue in the same situation as in said figure. The difference is that the projectors now have the function of simple lighting sources and therefore Fij image carriers are suppressed. All images are formed sequentially in a single liquid crystal 1.3.2 located in the position previously occupied by the transparent focusing surface 1.3.1.
  • Figure 23 shows the behavior of this first integral reproduction device when the lij image is generated in the liquid crystal 1.3.2.
  • the computer sends the corresponding Sij signal and at the same time activates the Eij switch. From any point of observation for example 1.4.1. the rectangle Iij1 will be seen from said image because it is the only one that from that point is illuminated. The same figure also shows the rectangle Iij2 observable from point 1.4.2.
  • Figure 24 shows the behavior of this first integral reproduction device when each of the nxm images is generated one after the other in the liquid crystal.
  • the computer sends the signals corresponding to these images in sequence, activating only the Eij switch at the moment corresponding to the sending of the image. From any point of observation for example 1.4.1. a rectangle will be seen from each image. Although the vision of these rectangles is not simultaneous but sequential, if the sequence is fast enough, due to the persistence of the images in the retina, they will appear as if they were. The set of rectangles Iij1 will form a unique and different image for each observation point.
  • the fact that the projectors have become simple sources of lighting derives an important consequence:
  • the projection objectives can be replaced by simple luminous points as we have just seen, or by luminous elements in the form of vertical or horizontal segments, or in Rectangle shape
  • Figure 25 shows a second arrangement of elements for the new integral reproduction device that uses nxm Hij light sources in the form of horizontal segments whose geometric center is located in the place occupied by the optical center of the projection target and of a length equal to the distance between optical centers of two adjacent horizontal projection targets.
  • the optical reproduction system can have a null horizontal opening and consequently the lenticular weft can be eliminated composed of vertical cylinders; as necessary, the same vertical opening value will continue to maintain the lenticular frame composed of horizontal cylinders.
  • Figure 26 shows a third arrangement of elements for the new integral reproduction device that uses nxm Vij light sources in the form of vertical segments, whose geometric center is located in the place occupied by the optical center of the projection target and a height of length equal to the distance between optical centers of two adjacent vertical projection lenses, the lenticular frame of horizontal cylinders is suppressed although the frame of vertical cylinders is maintained.
  • Figure 27 shows a fourth arrangement of elements for the new integral reproduction device using nxm Rij light sources in the form of rectangles whose geometric center is located in the place occupied by the optical center of the projection lens, of equal height at the distance between two optical centers of adjacent vertical projection lenses and of a width of length equal to the distance between two optical centers of adjacent horizontal projection objectives. Consequently, the optical reproduction system is completely suppressed since neither the optical frame of horizontal elements nor the composite of vertical cylindrical elements is needed.
  • FIG 28 shows a fifth integral reproduction system with an uninterrupted lighting system equipped with a single light source.
  • the light source PP is of a power nxm times higher than that used in the system shown in Figures 19, 20 and 21.
  • the beam generated by said source after colliding is concentrated on a projection target that forms on a diffusing surface the VCij image of the rectangular VC window that acts as the object of said objective.
  • two flat EH and EV mirror elements are interposed whose position is controlled by the computer through two motors, M1 and M2, step by step or direct current. The reflection on these elements Speculars will cause the rectangular image to jump over the diffuser surface.
  • Each of these jumps, ij corresponds to one of the positions occupied by the previous rectangular lighting sources shown in Figure 27.
  • the specular element with vertical axis of rotation shifts the luminous rectangle from left to right and the specular element with axis horizontal rotation moves it from top to bottom.
  • both the projection distance and the size of the lighting rectangles must be reduced, keeping the same values for the viewing and horizontal and vertical reproduction angles.
  • Figure 29 shows a sixth arrangement of elements for the new integral reproduction device that has rectangular light sources whose center The geometric set of rectangles is located at distance d from the converging optical element 5.
  • Figure 30 shows a seventh arrangement of the elements for the new integral reproduction device that has a single light source PP as shown in Figure 28 projecting a light rectangle through two mirror elements moved by the M1 and M2 engines on a diffuser surface whose geometric center is at the distance d of a converging element that is adjacent to the image reproductive element.

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Abstract

El diseño de la presente invención está basado en la diferenciación angular de imágenes y consta de un dispositivo capaz de generar imágenes visibles por transparencia, como puede ser un cristal liquido y un sistema de iluminación especial que presenta características ópticas diferentes a cada imagen generada en el primer dispositivo obteniéndose como resultado una imagen tridimensional o integral, estática o en movimiento observable dentro de un ángulo de visión de hasta 180° sin necesidad de utilizar gafas o cualquier otro artificio ante los ojos y de una calidad y definición igual a la del propio elemento generador de imágenes.

Description

Dispositivo de reproducción de imágenes en tres dimensiones basado en la diferenciación angular de imágenes
CAMPO DE LA INVENCIÓN
El dispositivo de reproducción aquí descrito es capaz de generar imágenes tridimensionales, con paralaje horizontal solamente, o imágenes integrales es decir con paralaje horizontal y vertical simultáneamente, estáticas o en movimiento que pueden observarse sin necesidad de utilizar gafas ni ningún otro artificio ante los ojos.
Su diseño está basado en la diferenciación angular de imágenes cuyos principios han servido de base al mismo autor para la creación con anterioridad a este de otros dispositivos de reproducción tridimensional e integral.
El nuevo dispositivo que aquí se expone, simplifica, mejora y reduce los costes de fabricación de los dispositivos elaborados con anterioridad.
ANTECEDENTE DE LA INVENCIÓN
Los sistemas de captación y de reproducción de imágenes en tres dimensiones se pueden clasificar en dos grandes grupos. Los desarrollados a partir de 1947 basados en la formación de imágenes a través de interferencia de haces de luz coherente denominados sistemas holográficos y los que no graban por interferencia de ondas. Dentro de estos últimos distinguiremos los sistemas estereoscópicos, tridimensionales e integrales. El término estereoscópico se utiliza para designar los sistemas en los que en la reproducción se emplean dos imágenes distintas, una para cada ojo. El término tridimensional se utiliza para designar aquellos sistemas que emplean mayor número de imágenes captadas y reproducidas, permitiéndose la observación dentro de un amplio ángulo de visión horizontal sin molestar a los observadores anteponiendo ante sus ojos filtros ópticos o cualquier otro artificio. El término integral se utiliza para designar aquellos sistemas que emplean un gran número de imágenes captadas y reproducidas permitiéndose la observación en tres dimensiones dentro de un amplio ángulo de visión tanto vertical como horizontal
Los sistemas tridimensionales en su mayoría, emplean para la reproducción tramas ópticas de tipo lenticular Los mas antiguos se basan en la diferenciación de las distintas imágenes por su posición sobre una pantalla difusora A estos sistemas los denominaremos como pertenecientes o basados en "la diferenciación posicional o escalar de imágenes"
La distinción de las distintas imágenes reproducidas sobre la superficie difusora se consigue reservando un lugar distinto para cada una de ellas Cada imagen ocupa una sene de franjas verticales de muy poca anchura Entre los sistemas que utilizan esta técnica se encuentra el desarrollado por Ivés y descrito en la patente EEUU 1 918705 que sin perdida de generalidad puede servirnos de base para mostrar las características y estudiar las restricciones de los sistemas basados en "la diferenciación posicional o escalar de imágenes" El sistema de proyección frontal descrito por Ivés consiste en la localización de una trama lenticular de lentes cilindricas convergentes delante de y paralela a una superficie difusora situada a una distancia igual a la distancia focal de las microlentes convergentes que componen la trama Las n imágenes captadas desde n posiciones espaciales diferentes se proyectan también desde distintas posiciones con el mismo número de objetivos proyectores
La imagen proyectada desde cada uno de los objetivos proyectores se formará sobre la superficie difusora La luz procedente de cada objetivo después de refractarse al pasar a través de la trama lenticular, formará, detrás de cada lente cilindrica una tira fina sobre la superficie difusora El centro geométrico de esta fina tira de imagen estará en la línea que une el centro óptico del objetivo proyector con el centro óptico de la lente cilindrica convergente componente de la trama
Cada lente cilindrica formará sobre la superficie difusora tantas tiras de imágenes como objetivos proyectores haya, en nuestro caso, un número n de tiras igual al de imágenes
Si un observador sitúa un ojo, por ejemplo el derecho, en cualquier punto de la línea vertical que pase por el centro óptico de un objetivo cualquiera verá con este ojo únicamente la imagen proyectada por este objetivo proyector.
Análogamente si el ojo izquierdo estuviera situado en un punto cualquiera de la línea vertical que pase por el centro óptico de otro proyector distinto, verá con este otro ojo solo la imagen proyectada por este otro objetivo proyector. De esta manera se consigue hacer llegar a cada ojo una imagen diferente y captada toda ella desde una posición espacial distinta, que como es sabido, constituye la base de la visión estereoscópica.
Cuando los cilindros que componen la trama están en contacto entre si el máximo ángulo de visión ortoscópica se consigue cuando el conjunto de tiras de imagen formadas por cada cilindro ocupan el ancho de éste y este ángulo máximo viene dado por la expresión:
ancho cilindro Vm= 2 arctang
2 longitud focal del cilindro
Conseguir un gran ángulo de visión ortoscópica es uno de los objetivos mas ambicionados por los diseñadores de sistemas de reproducción tridimensional. Para esto es necesario, entre otras cosas, que este valor de ángulo se conserve a lo largo de toda la trama lenticular y esto exige una correspondencia muy precisa entre la posición de los centros ópticos de los cilindros convergentes y el grupo de tiras de imagen correspondiente a cada elemento cilindrico. Esta correspondencia es difícil de conseguir cuando la trama lenticular que genera las finas tiras de imagen no es la misma o esta ligeramente desplazada respecto a la empleada para la observación. Esta dificultad aparece claramente en los sistemas de proyección trasera y en algunas reproducciones fotográficas. En estos sistemas el ángulo de visión ortoscópica no puede ser mayor que el ángulo de abertura de los elementos cilindricos convergentes componentes de la trama. Por esta razón conseguir grandes ángulos de visión ortoscópica en los sistemas que como el descrito por Ivés están basados en la diferenciación posicional o escalar de imágenes ha conducido a la fabricación de tramas ópticas muy complejas, o en general, al fracaso.
Para que a cada ojo del observador llegue una imagen toda ella distinta es necesario que el ángulo de observación sea mayor que el ángulo de reproducción. El ángulo de observación es el formado por las líneas que pasan por el centro geométrico de la pantalla de reproducción y cada uno de los ojos del observador. El ángulo de reproducción es el formado por las líneas que pasan por el centro geométrico de la pantalla de reproducción y cada uno de los centros ópticos de dos objetivos de proyección contiguos.
Las reproducciones aptas para observadores distantes es decir para observadores con ángulo de observación muy pequeño exigen reproducciones con ángulo de reproducción también muy pequeño, es decir que la distancia entre objetivos proyectores contiguos ha de ser muy pequeña comparada con la distancia de proyección.
Esta condición exige un gran número de imágenes reproducidas para un valor determinado de ángulo de visión ortoscópica.
Para un gran número de imágenes reproducidas se debe utilizar un tamaño transversal de cilindro también grande y como consecuencia estos se hacen mas fácilmente observables y la calidad de la escena reproducida disminuye. Estos inconvenientes no solo aparecen en los sistemas de reproducción de paralaje horizontal sino también en los sistemas denominados de reproducción integral, es decir aquellos que además de reproducir la paralaje horizontal también reproducen la vertical. Estos sistemas también se diseñan con una superficie difusora y un elemento selector. En este caso el elemento óptico selector es un plano de lentes esféricas convergentes en lugar de lentes cilindricas.
El limitado ángulo de visión ortoscópica, la dificultad de ajuste y el alto coste de fabricación se evitaría si fuera posible diseñar un sistema en el cual el ángulo de visión ortoscópica no estuviera limitado por el ángulo de abertura de los elementos ópticos cilindricos componentes de la trama, en el que el tamaño transversal de los cilindros no impusiera una limitación al número de imágenes reproducidas y no se necesitaran ajustes especiales. El sistema diseñado por el mismo autor J D Montes y descrito en las patentes EEUU 5 ,004 ,335 y EEUU 5, 013 , 147 satisface estos requerimientos Como se verá a continuación su diseño está basado en conceptos diferentes y aparece una propiedad inédita en los anteriores sistemas que denominaremos clásicos "las tramas lenticulares pueden ser ópticamente convergentes, divergentes o combinación de ambas"
El nuevo diseño no emplea ninguna superficie difusora donde las distintas imágenes son focalizadas como ocurre en los sistemas clásicos descritos anteriormente Tampoco en este nuevo sistema se intenta llevar a cada ojo una imagen distinta captada toda ella por una única cámara y proyectada por un único objetivo proyector
Este sistema se diseña de manera que se vea una imagen distinta desde cada punto de observación, pero esta imagen no es la proyectada desde un único objetivo de proyección Desde cada punto de observación sólo se observa un sector en forma de rectángulo de cada una de las imágenes proyectadas El grupo de rectángulos correspondientes a un punto de observación forma una imagen única Esta imagen única es distinta para cada punto de observación
Aunque en el sistema diseñado por J D Montes no hay pantalla difusora donde se focalizan las imágenes, para explicar su diseño, es conveniente imaginar en su lugar una superficie transparente Esta superficie transparente, que en realidad no existe, no producirá ninguna modificación en el paso de los rayos luminosos
Supondremos para esta explicación, proyección trasera, desde objetivos de proyección que se suponen puntuales y focalizando las imágenes sobre esta superficie transparente
Es muy importante hacer notar que en este nuevo sistema no existe ningún elemento interpuesto entre los proyectores y la superficie transparente anterior encargado de dividir la imagen en finas tiras como ocurre en los sistemas clásicos En este nuevo sistema las imágenes no se diferencian entre sí por su posición sobre la superficie difusora "Diferenciación posicional o escalar de imágenes" como en los sistemas clásicos sino por su distinto ángulo de incidencia sobre la pantalla transparente "Diferenciación angular de imágenes
En estas condiciones, cualquier observador, cualquiera que sea su posición verá un único punto luminoso de cada imagen proyectada
Este punto luminoso estará situado en la intersección de la línea que une el centro óptico del objetivo de proyección y el punto de observación con la superficie transparente. Desde cada punto de observación se verá un punto distinto para cada proyector Si se proyectan vanas imágenes al mismo tiempo sobre la superficie transparente se verán tantos puntos como imágenes proyectadas desde cada punto de observación Si los centros ópticos de los objetivos proyectores están situados sobre una línea recta los puntos visibles también aparecerán alineados sobre una línea recta.
Supongamos que una trama lenticular, formada por lentes cilindricas verticales se sitúa junto a la superficie transparente. La distancia entre la superficie transparente y la trama lenticular se hace igual a la distancia focal de los cilindros componentes de la trama.
Después de realizada esta operación desde cada punto de observación se verá un segmento rectilíneo de cada imagen proyectada El centro geométrico de dicho segmento estará localizado en la línea que une el centro óptico del objetivo de proyección con el punto de observación con la trama lenticular El ancho de dicho segmento dependerá de la abertura horizontal de los elementos cilindricos verticales componentes de la trama Si el ángulo de abertura es cero, distancia focal infinita, el segmento se reducirá a un punto e irá aumentando de longitud a medida que el valor de dicha abertura aumente, es decir la longitud del segmento dependerá de la abertura de los componentes ópticos y será tanto mayor cuanto mayor sea ésta. Si son vanos los objetivos que proyectan simultáneamente se verán tantos segmentos como imágenes proyectadas
Cuando estos objetivos se sitúan sobre una línea recta como es lo habitual en las reproducciones tridimensionales de paralaje horizontal estos segmentos también formaran una línea recta Esta línea de segmentos de imágenes diferirá para cada punto de observación y estará contenida en la línea que resulta de la intersección del plano que contiene los objetivos de proyección y el punto de observación con la trama lenticular
Es importante que no haya huecos ni solapes entre segmentos de imágenes Si existieran huecos habría partes de la línea de imagen que no se vería, si hubiera solapes se verían dos o mas líneas de imágenes simultáneamente en los segmentos solapados
Para que la condición anterior se cumpla es necesario que el ángulo que mide la abertura de estos cilindros verticales, o expresado de otra manera, la relación entre el tamaño transversal del elemento óptico cilindrico componente de la trama y su distancia focal sea igual al ángulo bajo el cual se ven los bordes interiores de las pupilas de dos objetivos contiguos de proyección desde el centro óptico de la trama lenticular o bien igual a la relación entre la distancia entre los bordes interiores de las pupilas de dos objetivos de proyección contiguos y la distancia de proyección
Esta es la más importante condición que gobierna la construcción de las tramas ópticas para sistemas de reproducción tridimensional basado en la diferenciación angular de imágenes Sin embargo esta condición puede ser satisfecha tanto por tramas ópticas compuestas de cilindros convergentes como las compuestas de cilindros divergentes
Dado que la abertura de la trama lenticular ha de ser función de la relación entre la distancia entre dos objetivos contiguos de proyección a su distancia de proyección y este valor suele ser muy pequeño la abertura de las tramas lenticulares basadas en este nuevo principio tiene un valor muy pequeño contrariamente a lo que se persigue y ocurre en los sistemas clásicos
Si el sistema solo pretende reproducir la paralaje horizontal los objetivos de proyección se situarán en una curva horizontal y una segunda trama óptica de cilindros horizontales cuyas líneas focales se encuentran en el mismo plano focal que los cilindros verticales y por tanto coincidentes con la pantalla transparente ideada con fines pedagógicos se encargará de convertir el segmento anterior en un rectángulo cuya base tendrá el tamaño de este mismo segmento y cuya altura será la de la superficie transparente A cada posición de observación corresponderá un rectángulo de imagen distinto de cada objetivo proyector y el conjunto de estos rectángulos formará una imagen única y distinta para cada punto de observación
La distancia focal de estos cilindros horizontales ha de ser lo más pequeña posible frente a su anchura (cilindros semicirculares) para conseguir una gran abertura que permita la visión desde cualquier punto de un rectángulo tan alto como el propio sistema óptico
El dispositivo anterior se puede modificar con objeto de conseguir un sistema óptico válido para cualquier distancia entre objetivos contiguos de proyección y cualquier distancia de proyección Para ello se dispone de dos tramas ópticas una de ellas mclinable respecto a la otra La primera compuesta de elementos cilindricos horizontales de gran abertura, la segunda, mclinable, formará un ángulo comprendido entre 0o y 90° respecto a la primera horizontal La abertura horizontal necesaria se consigue ajusfando el valor del ángulo de inclinación Los detalles de este nuevo dispositivo pueden verse en la patente EEUU 5, 357, 368 de J D Montes Si el sistema que se quiere diseñar es integral, es decir, apto para la reproducción tanto de la paralaje vertical como de la horizontal el diseño de los cilindros horizontales deberá hacerse de forma análoga a la explicada para el diseño de los cilindros verticales En este caso los centros ópticos de los objetivos de proyección que antes formaban una línea o curva horizontal pasan a cubrir la superficie de un rectángulo El ángulo de abertura de los elementos cilindricos horizontales ha de ser igual al ángulo bajo el cual se ven los bordes interiores de las pupilas de dos objetivos contiguos de proyección según una línea vertical desde el centro geométrico de la trama óptica
El ángulo de visión ortoscópica V en el nuevo sistema de reproducción tridimensional viene dado por la expresión
(n+1)Kr
V = 2arctg
2B donde n es el número de imágenes u objetivos de proyección Kr es la distancia entre centros ópticos de dos objetivos de proyección contiguos
B es la distancia de proyección
Como puede verse el valor de este ángulo es independiente del ángulo de abertura de los elementos ópticos cilindricos componentes de la trama
Los sistemas basados en la diferenciación angular de imágenes tienen la siguientes ventajas frente a los sistemas clásicos
A) El ángulo de visión ortoscópica puede hacerse tan grande como se quiera porque no viene limitado por la abertura de los elementos ópticos componentes de la trama
B) El tamaño transversal de los elementos ópticos cilindricos componentes de la trama no limita el número de imágenes proyectadas por lo que pueden hacerse tan pequeños como se quiera
C) No se produce efecto pseudoscópico en ningún punto de observación
D) No se necesita crear ningún complejo artificio de división de imágenes en finas tiras verticales y por tanto la proyección trasera no requiere ajustes especiales
E) Las imágenes percibidas por cada ojo del observador son distintas independientemente de su ubicación
F) Los sistemas de reproducción integral son de fácil fabricación Estas ventajas han hecho posible la realización, por primera vez, de sistemas de reproducción tridimensional o integral con gran ángulo de visión ortoscópica de alta calidad y fácil ajuste Para conseguirlo ha sido necesario emplear un gran número de imágenes proyectadas
En los sistemas de reproducción por proyección trasera, cuando se utiliza un gran número de imágenes, se pone claramente de manifiesto la necesidad de corregir la deformación de perspectiva de cada imagen, que es función, entres otros, de su ángulo de proyección Un estudio sobre la forma de realizar esta corrección se presento en el IS&T/SPIE'S Symposium on Electronic Imaging que tuvo lugar en San José (California) el 5 de Febrero de 1995 con el titulo "Photogrametπc Determination of the location and oπentation of a group of cameras for a perspective transfomation on a new autostereoscopic display" autor F Peñafiel y otros
La experiencia ha puesto de manifiesto que la corrección de las deformaciones de las imágenes extremas en reproducciones con ángulos de visión superiores a 120° y su perfecta focalización sobre el sistema óptico de reproducción son difíciles de conseguir en la práctica.
Dado que los sistemas a comercializar solicitan ángulos de visión superiores al valor mencionado, se hace necesario encontrar nuevas bases de diseño que permitan alcanzar estos valores.
Por otra parte para resolver los inconvenientes derivados del enorme volumen ocupado por estos sistemas de reproducción y su compleja manipulación se han ideado diferentes procedimientos. En las patentes EEUU 5,237,353, y EEUU 5.459.537 se describen y reivindican varios aspectos de dispositivos de reproducción tridimensional que resuelven dicho problema.
En la patente EEUU 5,237,353 de J.D. Montes se describe un proyector para la reproducción tridimensional de imágenes en el cual el número de objetivos es igual a un tercio del número de imágenes utilizadas. Cada objetivo proyecta tres imágenes, las laterales acceden al sistema óptico después de sufrir una reflexión lateral. Los tríos de imágenes se localizan sobre un único film con una distancia entre tríos diferente al ancho del propio trío. Los tríos correspondientes a diferentes objetivos de proyección se sitúan sobre el film a diferentes alturas. La obtención de un gran camino óptico en un volumen reducido se consigue a base de reflexiones frontales.
En la solicitud de patente EEUU 08/204.259 de J.D. Montes se consigue un sistema de reproducción tridimensional de volumen modesto y muy pocos objetivos respecto al número de imágenes empleada. En primer lugar se consigue un gran camino óptico dentro de un espacio reducido a base de reflexiones frontales (en particular dos o tres) en el camino que recorre la luz desde los objetivos de proyección al sistema de reproducción. En segundo lugar a través de un número pequeño de objetivos, por ejemplo 8, se proyectan un gran número de imágenes, por ejemplo 40. Estas imágenes están localizadas unas junto a otras, sin espacio intermedio, sobre un único film produciéndose a través de reflexiones laterales el mismo efecto que si se tratara de la proyección de 40 imágenes desde lugares equidistantemente separados
Cuando se introducen dispositivos de reflexión para conseguir un gran camino óptico en un volumen reducido aparecen aberraciones observables en la reproducción porque los elementos ópticos al materializarse no reproducen la perfección geométrica con la que se diseñan
Cuando desde un mismo objetivo se proyectan varias imágenes, con objeto de conseguir proyectores compactos, las laterales sufren deformaciones diferentes a las sufridas por las centrales Estas diferencias son fácilmente observables y se hace necesaria su corrección Ligeras diferencias entre las longitudes focales de los objetivos de proyección o ligeros desenfoques entre imágenes hace que éstas se reproduzcan con distintos tamaños y estas diferencias son observables y también es necesaria su corrección para conseguir una reproducción de alta calidad
En el Symposium on Electronic Imagm que tuvo lugar en San José (California USA) del 5-10 de febrero de 1995 M A Lozano y otros presentaron un trabajo titulado "A Calibration System for a new 3D autostereoscopic device based on agular differentiation" que explica la forma práctica de corregir dichas deformaciones
El procedimimento propuesto consiste en introducir en cada imagen antes de su proyección una deformación inversa a la que sufre en la proyección Aunque la corrección es perfecta y las reproducciones conseguidas de muy alta calidad, el procedimiento exige una calibración específica y distinta a cada dispositivo de reproducción
Los anteriores reproductores tridimensionales se caracterizan por tener un volumen reducido, un manejo sencillo y un ángulo de visión aceptable La proyección se hace por desplazamiento y por tanto estos reproductores tridimensionales con ángulo de visión superior a 100° o 120° necesitan objetivos de proyección con ángulo de abertura de este mismo valor Estos objetivos de proyección tienen un precio alto y no son fáciles de encontrar en el mercado La anterior dificultad derivada de los elementos ópticos de proyección y ajena al sistema óptico de reproducción, establece igual que vimos en los sistemas que proyectan por inclinación, un limite práctico en el máximo ángulo de visión ortoscópica en un valor alrededor de los 120° Esta dificultad se une a la complejidad ya mencionadas de estos dispositivos por el hecho de necesitar que las imágenes vengan calibradas con la deformación inversa a la que el propio equipo introduce en la reproducción En este trabajo, como se verá a continuación, se describen diversos dispositivos, todos basados en la diferenciación angular de imágenes, que pueden llegar a reproducciones con ángulos de visión ortoscópica de hasta 180°, sin introducir aberraciones, deformaciones de perspectiva ni distorsiones visuales, pudiéndose construir dentro de un volumen reducido y sin que las imágenes necesiten calibraciones específicas
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
Los diseños de los dispositivos de reproducción tridimensional, con paralaje horizontal únicamente ó de reproducción integral, con paralaje horizontal y vertical simultáneamente, que se describen a continuación están basados en "la diferenciación angular de imágenes"
Es conveniente recordar que los elementos que sirven para describir un sistema de reproducción tridimensional basado en la diferenciación angular de imágenes son a) Una serie de objetivos proyectores cada uno de los cuales proyecta una imagen distinta desde una posición espacial también distinta a través de b) un sistema óptico, compuesto de varias tramas lenticulares, cuyos elementos ópticos componentes se diseñan con un valor de abertura hoπzontal que es función de la relación de distancia entre dos objetivos de proyección contiguos y la distancia de proyección sobre c) una superficie plana transparente donde se focalizan todas las imágenes proyectadas
El hecho de que la focalización de las imágenes se realice por inclinación de los diferentes objetivos y films, o por desplazamiento de los objetivos sobre un único o diferentes films, el que los objetivos de proyección pertenezcan a un mismo dispositivo de proyección o a proyectores independientes y que se introduzcan reflexiones frontales y laterales en el camino óptico recorrido por la luz desde los objetivos de proyección al sistema óptico de reproducción, no resta generalidad a la descripción anterior porque en cualquiera de estos casos el efecto óptico resultante es el mismo, es decir, desde el centro geométrico del sistema óptico de reproducción se verán siempre los objetivos de proyección en la forma descrita en primer lugar. Se ha visto anteriormente que en estos sistemas la corrección de deformación de perspectiva, cuando la proyección se hace por inclinación, impone unas limitaciones prácticas que hacen muy difíciles las reproducciones con ángulos de visión superiores a los 120°. Cuando la proyección se hace por desplazamiento este límite viene impuesto por el máximo ángulo de abertura del propio objetivo de proyección.
Si se emplean dispositivos intermedios para reducir volumen y compactar el equipo, se hace necesario utilizar procedimientos para corregir las aberraciones ópticas introducidas por estos dispositivos auxiliares. Estos procedimientos aumentan el coste de fabricación y dificultan la comercialización porque cada equipo necesita una calibración específica.
Dado que estos inconvenientes proceden de las aberraciones y deformaciones que se introducen en el recorrido desde la imagen objeto a la superficie transparente donde se focalizan las imágenes proyectadas éstos se evitarían en su totalidad si la imagen no recorriera ese camino óptico, es decir, si las imágenes se formaran directamente en el plano transparente descrito en el apartado (c) anterior y los elementos proyectores pasaran a desempeñar la función de meras fuentes luminosas.
Esto es posible porque superficies planas capaces de generar imágenes por transparencia existen en el mercado y se las conoce comercialmente con el nombre de cristal liquido.
Con estos cambios el procedimiento de reproducción "de una única" imagen en un dispositivo basado en la diferenciación angular de imágenes consistirá en: a1) de todos los objetivos proyectores descritos en el apartado a) se seleccionará el correspondiente a la imagen elegida y se le hará actuar únicamente como fuente de luz, es decir, funcionará sin Film. El resto de los proyectores permanecerán inactivos
(b1 ) se situará un sistema óptico de reproducción con las mismas características ópticas que el descrito en el apartado b) y por último
(d) se situará en el lugar correspondiente a la superficie plana transparente donde se focalizaban las imágenes c) el elemento capaz de generar por transparencia la imagen que desde un ordenador se le envía de forma codtficada
A pesar de estos cambios el efecto óptico resultante es el mismo que se producía antes, es decir, desde cada punto de observación se verá de cada imagen el mismo rectángulo que si se tratara de un sistema de proyección convencional, pero ahora, la imagen no sufre las aberraciones y deformaciones introducidas en la proyección
Cuando se trata de n imágenes el sistema anterior se generaliza fácilmente haciendo que cada imagen aparezca en el cristal líquido solo la enésima parte de un intervalo de tiempo elegido como ciclo y en esa enésima parte de tiempo asignado para la reproducción de una imagen se iluminará únicamente el objetivo correspondiente a dicha imagen Para el resto de las imágenes se operará de la misma forma y al acabar con la reproducción de todas las imágenes se volverá a empezar por la primera del ciclo Las ventajas conseguidas en la reproducción de las n imágenes son las mismas que las que antes se mencionaron para la reproducción de una única
Del hecho de que los proyectores de imágenes se han convertido en simples dispositivos de iluminación se derivan diversos diseños del sistema de iluminación que consiguen el mismo efecto óptico y también son objeto de esta invención
Dado que el sistema óptico convencional de un dispositivo basado en la diferenciación angular de imágenes se construye con una abertura horizontal función del cociente entre la distancia entre dos objetivos de proyección contiguos y la distancia de proyección, y en este nuevo sistema los objetivos de proyección se han convertido en simples fuentes luminosas, se puede diseñar un nuevo sistema de iluminación compuesto de un sistema óptico sin abertura horizontal y fuentes de iluminación en forma de segmentos luminosos horizontales adyacentes y de un ancho igual a la separación entre dos objetivos de proyección contiguos
En este caso el sistema óptico de reproducción se habrá reducido a una única trama óptica compuesta de elementos cilindricos horizontales con una abertura vertical suficientemente grande para que desde, cualquier punto de observación se vea la imagen iluminada en toda su altura
Análogamente y por la misma razón se puede también diseñar un sistema de iluminación compuesto de su sistema óptico sin abertura vertical y fuentes luminosas en forma de segmentos luminosos verticales de longitud indefinida El sistema óptico tendrá abertura horizontal finita función del cociente entre la distancia entre segmentos luminosos verticales y distancia de iluminación y con nula abertura vertical por lo que se suprimirá la trama óptica compuesta de cilindros horizontales
Consecuentemente el sistema óptico se podría eliminar totalmente en un nuevo sistema de iluminación compuesto de fuentes luminosas en forma de rectángulo de altura indefinida y de anchura igual a la distancia entre los centros ópticos de dos objetivos de proyección contiguos
Para reducir volumen y compactar equipos se utilizan métodos de reflexión frontal y/o lateral en el recorrido de la luz desde los objetivos de proyección al sistema óptico de reproducción
Estos métodos se pueden seguir empleando en estos nuevos dispositivos gozando aquí la ventaja adicional de no necesitar procedimientos para la corrección de las aberraciones y deformaciones que estos puedan introducir ya que no afectan a la imagen reproducida El consumo energético de las fuentes de iluminación es un factor importante a tener en cuenta especialmente cuando el número de imágenes es elevado
Teniendo en cuenta este factor se ha diseñado un quinto dispositivo de reproducción tridimensional que también es objeto de esta invención en el cual se utiliza una única fuente de iluminación que a través de un espejo, cuyo ángulo de giro responde a la señal enviada por el ordenador, proyecta su luz sobre una superficie difusora La imagen proyectada sobre esta superficie es un rectángulo luminoso que se desplaza a saltos ocupando en cada salto la posición ocupada por cada una de las fuentes luminosas rectangulares anteriores y permaneciendo en éste lugar el mismo tiempo que antes éstas permanecían activadas. El ordenador gobierna el ángulo del espejo enviando una señal a un dispositivo, motor de paso a paso, de corriente continua o similar que responde a dicha señal avanzando o retrocediendo. El ordenador envía también al cristal líquido la señal codificada de la imagen correspondiente a cada posición angular del espejo.
En un sexto y séptimo dispositivo de reproducción tridimensional la imagen luminosa en forma de rectángulo que se desplaza por la superficie difusora puede generarse en una pantalla de tubos de rayos catódicos ó en un cristal liquido. En el primer caso la pantalla del propio tubo de rayos catódicos hace de superficie difusora. En el segundo caso se proyecta sobre una superficie difusora como se hace en los proyectores convencionales de T V. Como el ángulo de visión ortoscópica es función de la relación entre la distancia entre la primera y última fuente de iluminación y la distancia de iluminación, si este cociente se conserva constante el ángulo de visión ortoscópica también se conserva constante. Análogamente el ángulo de reproducción función del cociente entre la distancia entre dos fuentes contiguas y la distancia de iluminación también se conserva constante.
Esta propiedad permite el diseño de un sistema de iluminación de poco volumen en que la distancia entre la primera y la última fuente de iluminación se reduce en la misma proporción que la distancia de iluminación.
Con este sistema de iluminación se obtendrían los mismos ángulos de visión y reproducción, no obstante, el campo de visión o ancho de imagen observada desde cualquier punto de observación sería tanto mas pequeño cuanto menor fuera la distancia de iluminación.
Sin embargo es posible conseguir un sistema de iluminación a muy poca distancia del elemento reproductor y al mismo tiempo con el campo de visión requerido interponiendo un sistema óptico entre las fuentes y dicho elemento de reproducción que cambie ópticamente la situación de las fuentes luminosas. Tal sistema óptico puede ser una simple lente o espejo convergente. Los dispositivos anteriores pueden trabajar con este sistema óptico convergente o sin el Ambas modalidades de trabajo se reivindican en esta invención
Todos los dispositivos de reproducción de imágenes tridimensionales que acaban de describirse que son objetos de esta invención, constan de una superficie donde se generan por transparencia las imágenes bidimensionales secuencialmente y de diferentes sistemas de iluminación No obstante, todos estos sistemas de iluminación producen el mismo efecto óptico que el producido por un rectángulo luminoso desplazándose a saltos, a cada salto corresponderá la reproducción de una imagen distinta en la primera superficie El ancho de dicho rectángulo es igual a la correspondiente distancia entre dos centro ópticos de dos objetivos de iluminación contiguos y de altura suficiente para permitir a todos los observadores ver la imagen completa
Para que cada ojo de un observador vea una imagen distinta es necesario que el ángulo de reproducción sea menor o igual que el de observación siendo este función de la distancia entre los dos ojos del observador y la distancia de observación
La relación entre el ancho del rectángulo luminoso y la distancia de iluminación determina el ángulo de reproducción e inversamente De la misma manera la relación entre la distancia del primer al último rectángulo y la distancia de iluminación determina el ángulo de visión y a la inversa
La relación entre los ángulos de visión y reproducción determina el número de imágenes necesario La situación óptica de los rectángulos luminosos respecto del elemento reproductor de imágenes determina el campo de visión y al revés
La distancia de las fuentes luminosas al elemento reproductor de imágenes se determina de acuerdo con el volumen del dispositivo
La potencia óptica del elemento convergente se determina en función de la distancia de las fuentes luminosas al elemento reproductor y la situación óptica de éstas requerida por el campo de visión
Como resumen se puede decir que los tres parámetros que definen la calidad del dispositivo reproductor, el campo de visión y los ángulos de reproducción y visión son los que condicionan el diseño El primero, el campo de visión, determina la posición óptica de los rectángulos luminosos respecto del elemento reproductor de imágenes Esta posición puede alcanzarse más fácilmente con la ayuda de un elemento óptico convergente como ya se ha explicado, el segundo, el ángulo de reproducción, condiciona el ancho del rectángulo luminoso, el tercero, el ángulo de visión, condiciona el ancho ocupado por el conjunto de rectángulos luminosos, o lo que es lo mismo el número de rectángulos o imágenes necesarias
En definitiva el dispositivo de reproducción tridimensional objeto de esta invención queda caracterizado por una primera superficie, cristal líquido o similar, donde se reproducen por transparencia una sene de imágenes bidimensionales secuencialmente, es decir, una detrás de otra respondiendo a la información codificada enviada desde un ordenador y de un sistema de iluminación cuyo efecto óptico es igual al producido por una segunda superficie luminosa situada frente a la anterior y a una distancia óptica de esta determinada por el campo de visión y de un ancho óptico determinado por el ángulo de visión, estando esta superficie constituida de rectángulos luminosos adyacentes entre sí, de un ancho determinado por el ángulo de reproducción y alineados en una curva horizontal y de una altura suficiente como para permitir a cualquier observador ver la imagen en toda altura, y en la que cada uno de ellos se ilumina y apaga secuencialmente y de acuerdo con la señal de sincronismo que le une al ordenador de tal manera que en cada momento se ilumina un único rectángulo en correspondencia con la imagen generada por transparencia en la primera superficie Todo lo que se ha dicho para los sistemas de reproducción tridimensional, es decir reproducciones con solo paralaje horizontal se puede hacer extensivo para los sistemas de reproducción integral, es decir, para las reproducciones con paralaje horizontal y vertical simultáneamente
Un sistema de reproducción integral basado en la diferenciación angular de imágenes se compone de
(a') objetivos proyectores dispuestos en los vértices de un retículo rectangular que proyectan sus imágenes a través de (b") un sistema óptico cuyas aberturas horizontales y verticales dependen de la relación de distancias entre dos objetivos de proyección contiguos según una línea horizontal o vertical y la distancia de proyección, sobre
(c') una superficie plana transparente donde se focalizan todas las imágenes proyectadas
Análogamente al sistema tridimensional antes descrito, en el nuevo sistema de reproducción integral, las imágenes no se forman por proyección, sino directamente en el plano descrito en apartado (c') anterior, en donde se sitúa un dispositivo de cristal líquido o similar capaz de generar las imágenes por transparencia y los proyectores pasan a desempeñar la función de simples fuentes luminosas
La reproducción de "una única imagen" se consigue de la siguiente manera
(a'1 ) de todos los objetivos de proyección descritos en el apartado anterior (a') se seleccionará el correspondiente a la imagen elegida y se le hará actuar como fuente de luz es decir sin film El resto de los proyectores permanecerán inactivos
(b'1 ) se situará un sistema óptico de reproducción con las mismas características ópticas que el descrito en (b') y por último (c'1 ) se situará en el lugar correspondiente a la superficie plana transparente donde se focalizan las imágenes (c') un elemento capaz de generar por transparencia la imagen que desde un único ordenador se le envía en forma codificada
De esta manera se eliminan las deformaciones de perspectivas introducidas al proyectar por inclinación y las distorsiones y aberraciones introducidas por los elementos auxiliares intermedios, pudiéndose en consecuencia llegar a reproducciones con ángulos de visión horizontal y vertical de hasta 180°
El sistema anterior puede valer para la reproducción de n imágenes si, eligiendo un intervalo de tiempo para el ciclo completo de repetición, se genera en el cristal liquido cada imagen durante un tiempo igual a la enésima parte de dicho intervalo de tiempo de ciclo y durante ese tiempo se activa únicamente la fuente luminosa correspondiente a esa imagen
Como los objetivos de proyección han pasado a ser simples fuentes luminosas se puede diseñar un segundo sistema de iluminación compuesto de un sistema óptico de abertura horizontal nula y la misma abertura vertical anterior y fuentes luminosas en forma de segmentos rectilíneos horizontales adyacentes con una longitud igual a la separación entre dos objetivos horizontales contiguos Se eliminará en este sistema la trama óptica formada por elementos cilindricos verticales
Análogamente para la abertura vertical En este caso se podría construir un tercer sistema de iluminación compuesto de un sistema óptico de abertura vertical nula y la misma abertura horizontal que en el primer caso y fuentes luminosas en forma de segmentos rectilíneos verticales adyacentes de longitud igual a la separación entre dos objetivos verticales contiguos Se eliminará en este sistema la trama óptica formada por elementos cilindricos horizontales Consecuentemente en un cuarto sistema de iluminación se podría eliminar el sistema óptico sustituyendo las fuentes luminosas por rectángulos luminosos cuya base sea igual a la distancia entre objetivos horizontales contiguos y su altura igual la distancia entre objetivos verticales contiguos
Teniendo en cuenta el factor de consumo energético se ha diseñado un dispositivo de reproducción integral de funcionamiento análogo al quinto dispositivo antes descrito de reproducción tridimensional La única diferencia es que en el dispositivo de reproducción integral el rectángulo luminoso recorre los lugares correspondientes a un retículo rectangular para lo que es necesario emplear dos dispositivos giratorios especulares También existen un sexto y séptimo dispositivos de reproducción integral que generan el rectángulo luminoso en un tubo de rayos catódicos ó en un cristal líquido como antes se ha descrito para el reproductor tridimensional
De manera análoga al procedimiento empleado para la reducción del volumen del equipo de reproducción tridimensional aquí también se podrá emplear una lente o espejo convergente entre el elemento reproductor y las fuentes luminosas, siendo también todas estas vanantes objeto de esta invención Todos los dispositivos de reproducción de imágenes integrales que acaban de describirse y que son objeto de esta invención constan de una superficie donde se generan por transparencia las imágenes bidimensionales secuencialmente y de diferentes sistemas de iluminación. No obstante, todos estos sistemas de iluminación producen el mismo efecto óptico que el producido por un rectángulo luminoso desplazándose a saltos, correspondiendo cada salto con la reproducción de una imagen distinta en la primera superficie. El ancho y el alto de dicho rectángulo son los mismos que las distancias correspondientes a los centros ópticos de dos objetivos de proyección contiguos según una línea vertical u horizontal.
Para que cada ojo de un observador vea una imagen distinta es necesario que el ángulo de reproducción horizontal o vertical sea menor o igual que el ángulo de observación horizontal o vertical siendo este función de la distancia entre los dos ojos de un mismo observador y la distancia de observación. La relación entre el ancho o el alto de estos rectángulos y la distancia de iluminación determina el valor del ángulo de reproducción horizontal o vertical y viceversa.
Análogamente la relación entre la distancia horizontal desde el primer al último rectángulo o la distancia vertical desde el primer al último rectángulo determina el ángulo de visión horizontal o vertical e inversamente.
Las relaciones entre los ángulos de visión horizontal o vertical y los ángulos de reproducción horizontal o vertical determinan el número de columnas o filas donde deberán situarse los rectángulos luminosos o número de imágenes necesarias. La situación óptica de estos rectángulos respecto del elemento reproductor de imágenes determina el campo de visión y al revés.
Las distancias de las fuentes luminosas al elemento reproductor de imágenes se determina de acuerdo al volumen a ocupar por el dispositivo.
La potencia óptica del elemento convergente se determina en función de la distancia de la fuente luminosa al elemento reproductor y la situación óptica de estas requerida por el campo de visión.
Como resumen se puede decir que los parámetros que definen la calidad del dispositivo reproductor, los campos de visión y los ángulos de reproducción y visión tanto horizontal como vertical, son los que condicionan el diseño Los primeros, los campos de visión horizontal y vertical, determinan la posición óptica de los rectángulos luminosos respecto del elemento reproductor de imágenes Esta posición puede alcanzarse más fácilmente con la ayuda de un elemento óptico convergente como ya se ha explicado, los segundos, los ángulos de reproducción horizontal y vertical, condicionan el ancho y el alto del rectángulo luminoso, los terceros, los ángulos de visión horizontal y vertical, determinan el ancho y el alto que deberán ocupar el conjunto de rectángulos, o lo que es lo mismo, el número de columnas y filas del conjunto de rectángulos luminosos o número de imágenes necesarias
En definitiva el dispositivo de reproducción de imágenes integrales objeto de esta invención queda caracterizado por una primera superficie, cristal líquido o similar, donde se reproducen por transparencia una sene de imágenes bidimensionales secuencialmente, es decir una detrás de otra, respondiendo a la información codificada enviada desde un ordenador y de un sistema de iluminación cuyo efecto óptico es igual al producido por una segunda superficie luminosa situada frente a la anterior, a una distancia óptica de esta determinada por el campo de visión y de un ancho y alto óptico determinado por los ángulos de visión horizontal y vertical, estando esta superficie constituida de rectángulos luminosos adyacentes entre si, cuyo ancho y alto está determinado por los ángulos de reproducción hoπzontal y vertical y situados en los vértices de un retículo rectangular y en la que cada uno de ellos se ilumina y apaga secuencialmente y de acuerdo con la señal de sincronismo que le une al ordenador de tal manera que en cada momento se ilumina un único rectángulo en correspondencia con la imagen generada por transparencia en la primera superficie
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Con objeto de explicar la invención de manera sencilla se han preparado 30 figuras La elección de la escala para cada uno de los elementos que componen las figuras se ha hecho en función de la claridad de la exposición y no siempre es un reflejo de la realidad La misma figura puede mostrar situaciones reales diferentes si cambian las escalas relativas de unos elementos respecto de otros Las tres primeras figuras, 1 ,2,3, muestran las bases del funcionamiento de un dispositivo de reproducción tridimensional basado en la diferenciación angular de imágenes cuya descripción detallada se encuentra en patentes anteriores, ya mencionadas Aunque este sistema es apto para reproducciones fotográficas estas tres figuras se han generalizado también para su uso con imágenes reproducidas en soporte electrónico del tipo de cristal líquido
Las nueve figuras siguientes, figuras n° 4,5,6,7,8,9, 10,11 y 12 muestran el funcionamiento de nuevos dispositivos de reproducción tridimensional, únicamente apropiados para imágenes almacenadas en soporte electrónico, que son objeto de esta invención Las figuras 13 y 14 muestran ios fundamentos teóricos en que se basa la reducción de volumen del equipo reproductor y/o el aumento del campo de visión
Las figuras 15, 16, 17, y 18 muestran dos dispositivos análogos a los mostrados en las figuras 9, 10, 11 , y 12 a los que se ha incorporado un sistema óptico convergente para reducir volumen y/o aumentar el campo de visión que también son objeto de esta invención
Las figuras 19, 20 y 21 muestran las bases del funcionamiento de un dispositivo de reproducción integral basado en la diferenciación angular de imágenes cuya descripción detallada se encuentra en patentes anteriores ya mencionadas Aunque este sistema es apto para reproducciones fotográficas, estas tres figuras se han generalizado también para imágenes reproducidas en soporte electrónico del tipo de cristal líquido
Las ocho figuras siguientes, 22,23,24,25,26,27,28,29 y 30 muestran el funcionamiento de nuevos dispositivos de reproducción integral únicamente apropiados para imágenes registradas en soporte electrónico que son objeto de esta invención DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS FIGURAS
Las figuras 1 ,2 y 3 no son objeto de esta invención y sirven de introducción para mostrar el funcionamiento de un dispositivo de reproducción tridimensional basado en la diferenciación angular de imágenes
La figura 1 contiene los tres elementos esenciales necesarios para explicar el funcionamiento del sistema En primer lugar una sene de n proyectores P1 , P2,,,,,,Pιl,,,Pn-1 , Pn con sus objetivos de proyección 01 , O2,,,Oι,,,On-1 , On cuyos centros ópticos son equidistantes entre sí Estos objetivos de proyección aunque se dibujan en esta figura alineados según una línea recta horizontal, en general, podrán alinearse según cualquier otra curva también hoπzontal Los proyectores se alimentan de una fuente de energía F A a través de una sene de interruptores manuales E1 , E2,,,,,Eι,,,,En-1 , En En cada proyector se sitúa una imagen distinta que en general puede estar soportada en un film fotográfico (dιaposιtιva)o electrónicamente (cristal líquido) La figura 1 se ha particularizado dotando a cada proyector de un cristal líquido F1 , F2,,,,Fι,,,,Fn-1 , Fn alimentados de una información precedente de un ordenador único, COMP Las señales con dicha información son denominadas en la figura 1 por S1 , S2,„,Sι,„,Sn-1 , Sn En segundo lugar se muestra el sistema óptico compuesto de dos tramas lenticulares paralelas Aunque es este figura se muestran ambas convergentes, estas tramas pueden ser también divergentes o una convergente y otra divergente La primera trama lenticular 1 2 1 compuesta de elementos cilindricos inclinados tiene una componente de abertura hoπzontal medida por un ángulo del mismo valor que el formado por dos rectas que pasando ambas por el centro geométrico de la trama lenticular, cada una de ellas pasa también por el borde interior de las pupilas de dos objetivos de proyección contiguos La segunda trama lenticular 1 2 2 compuesta de elementos cilindricos horizontales tiene una abertura vertical suficientemente grande como para permitir ver la imagen reproducida en toda su altura desde cualquier punto de observación
En tercer lugar se encuentra la superficie transparente de focalización 1 3 1 situada a una distancia B de los proyectores y a las distancias focales respectivas f1 y f2 de las tramas 1.2.1 y 1.2.2. Esta superficie transparente es el lugar donde se focalizan todas las imágenes procedentes de los proyectores.
Se representan también en dicha figura dos puntos de observación diferentes 1.4.1. y 1.4.2. La figura 2 muestra la proyección desde el proyector Pi de la imagen Fi.
Para ello se activa únicamente el interruptor Ei. La imagen formada en Fi por la señal Si proveniente del ordenador es proyectada y focalizada en la superficie transparente 1.3.1. Desde el punto de observación 1.4.1. se verá de esa imagen solamente el rectángulo denominado en la figura por Ii1. Análogamente desde el punto 1.4.2. se verá el rectángulo Ii2.
La figura 3 muestra la proyección simultánea desde los proyectores P1 , P2,,,,Pi,,,,Pn-1 , Pn de las n imágenes. Para ello se activan simultáneamente todos los interruptores E1 , E2,,,,Ei,,,,En-1 , En. Todas las imágenes formadas en
F1 , F2 Fi,,,,,Fn-1, Fn por las señales S1, S2,,,Si,,,,Sn-1, Sn provenientes del ordenador se focalizan en la superficie transparente 1.3.1.
Desde un punto de observación cualquiera por ejemplo el 1.4.1 se verá de cada imagen un rectángulo. El conjunto de rectángulos li+6.1 , li+5.1 , li+4.1 , li+3.1 , li+2.1 ,,,,,li.1 ,,,,li-3.1 formará una imagen única que corresponderá al punto de observación 1.4.1. y que será distinta que la correspondiente a cualquier otro punto de observación que no se encuentre en su misma vertical.
La figura 4 muestra una primera disposición de elementos constituyentes del nuevo sistema de reproducción tridimensional. La disposición de elementos es análoga a la descrita en la figura 1. Los proyectores P1, P2,,,,Pi,,,,Pn-1 , Pn continúan teniendo sus objetivos de proyección 01 , O2,,,Oi,,,On-1 , On equidistantes entre sí. En cambio se han suprimido en estos proyectores los soportes de imágenes F1 ,F2,,,,Fi,,,,Fn-1 ,Fn. Las imágenes se forman todas ellas secuencialmente en un único cristal líquido 1.3.2 situado en la misma posición que antes ocupaba la superficie transparente 1.3.1 de la figura 1.
Los interruptores E1 , E2,,,,Eill,,En-1 , En que en la figura 1 eran manejados manualmente son ahora gobernados por el ordenador secuencialmente a través de las señales Sc1 ,Sc2,,,Sci,,,Scn-1,Scn, que activará en cada momento un único proyector en sincronismo con la señal de información de la imagen correspondiente El conjunto de señales de información se representa en la figura por el símbolo ΣS, estas son enviadas al mencionado cristal líquido 1 3 2 por el mismo ordenador, COMP
La figura 5 muestra el comportamiento de este primer dispositivo de reproducción tridimensional cuando se está generando en el cπstal líquido 1 3 2 la imagen i En este momento el ordenador envía la señal Si con la información correspondiente a dicha imagen y al mismo tiempo activa el interruptor Ei Desde un punto de observación cualquiera por ejemplo el punto 1 4 1 se verá de dicha imagen únicamente el rectángulo Iι1 porque es la única parte de la imagen que desde ese punto se ve iluminada En la misma figura se muestra también el rectángulo Iι2 observable desde otro punto, por ejemplo, el 1 4 2
La figura 6 muestra el comportamiento de este primer dispositivo de reproducción tridimensional cuando en el cristal líquido se generan una tras otra todas las imágenes 11 , I2,,,lι,,,ln-1 ,ln a reproducir En este caso el ordenador envía una tras otra las señales Si, S2,,,St,,,,,,Sn-1 Sn, a cuyo conjunto hemos denominado ΣS, activando en cada instante el interruptor correspondiente a la señal de su mismo subíndice Desde cualquier punto de observación, por ejemplo el 1 4 1 , se verá de cada imagen un rectángulo Aunque la visión de dichos rectángulos es secuencial, si la secuencia es suficientemente rápida, debido a la persistencia de las imágenes en la retina, se observará como si fuera simultanea El conjunto de rectángulos lι+6 1 , lι+5 1 , lι+4 1 , lι+3 1 Ii 1 lι-3 1 ,
11-4 1 , formarán una imagen única y distinta de la observable desde cualquier otro punto de observación que no se encuentre en la misma vertical que el punto 1 4 1 El efecto óptico conseguido con este nuevo dispositivo, mostrado en las figuras 5 y 6 anteriores, es el mismo que el mostrado en las figuras 2 y 3 para el sistema clásico de funcionamiento de un sistema de reproducción tridimensional basado en la diferenciación angular de imágenes Goza de todas las ventajas ya mencionadas para estos sistemas a las que habrá que añadir las derivadas de haber sustituido el camino óptico de proyección por un simple camino óptico de iluminación
Con esta importante modificación no serán observables las deformaciones de perspectiva derivadas de la proyección por inclinación o desplazamiento, ni las aberraciones ópticas introducidas por los elementos que se pudieran interponer en este camino óptico de proyección con objeto de disminuir el volumen ocupado por el dispositivo de reproducción y/o simplificar su funcionamiento y manejo, ni tampoco las aberraciones de los objetivos de proyección, que pueden desaparecer y convertirse en simples puntos luminosos. Por tanto, la calidad y definición de la imagen reproducida no se verá perturbada y será tan alta como la del propio elemento generador de imágenes por transparencia. Es conveniente señalar que este tipo de dispositivo no es adecuado para reproducciones de imágenes soportadas fotográficamente para lo que es más conveniente utilizar un sistema como el explicado en las figuras 1 ,2 y 3 que ha sido el objeto de otras patentes anteriores.
Del hecho de que los proyectores han pasado a tener la función de simples fuentes de iluminación se deriva una importante consecuencia: los objetivos de proyección pueden ser sustituidos por simples elementos luminosos de cualquier forma, por ejemplo, puntos luminosos como acabamos de ver en las figuras anteriores 4,5 y 6, segmentos luminosos horizontales, segmentos luminosos verticales, o rectángulos luminosos. La figura 7 muestra una segunda disposición de elementos para el nuevo dispositivo de reproducción tridimensional que emplea n fuentes luminosas H1 , H2, ,,,,Hi ,,,, Hn-1 , Hn en forma de segmentos horizontales cuyo centro se sitúa en el lugar que ocupaba el centro óptico del objetivo de proyección y de una longitud igual a la distancia entre centros ópticos de dos objetivos de proyección contiguos. El sistema óptico de reproducción deberá por ello pasar a tener abertura horizontal nula con la cual se suprimirá la trama lenticular inclinada 1.2.1. mostrada en figuras anteriores. Como se necesita el mismo valor de abertura vertical se continuará manteniendo la trama lenticular 1.2.2. compuesta de elementos cilindricos horizontales que como ya se ha explicado pueden ser tanto convergentes como divergentes y de abertura suficientemente grande como para permitir que desde cualquier punto de observación se vea la imagen iluminada en toda su altura. La figura 8 muestra una tercera disposición de elementos para el nuevo dispositivo de reproducción tridimensional que emplea n fuentes luminosas V1 ,
V2 Vι,,,,,Vn-1 , Vn en forma de segmentos verticales cuyo centro geométrico se sitúa en el lugar que ocupaba el centro óptico del objetivo de proyección y de una altura de longitud suficiente para permitir que desde cualquier punto de observación se vea la imagen iluminada en toda su altura Al no necesitarse abertura vertical deberá suprimirse la trama lenticular 1 2 2 mostrada en figuras anteriores compuesta de elementos cilindricos horizontales
Como se continúa necesitando el mismo valor de abertura horizontal se mantiene la trama lenticular compuesta de elementos cilindricos convergentes o divergentes inclinados de componente de abertura horizontal medida por un ángulo del mismo valor que el ángulo bajo el cual se ven los bordes interiores de dos fuentes luminosas verticales contiguas desde el centro óptico de la trama lenticular La figura 9 muestra una cuarta disposición de elementos para el nuevo dispositivo de reproducción tridimensional que emplea n fuentes luminosas R1 , R2, Rι,,,, Rn-1,,,,, Rn en forma rectangular cuyo centro geométrico se sitúa en el lugar que ocupaba el centro óptico del objetivo de proyección, de una altura suficientemente grande para permitir que desde cualquier punto de observación se vea la imagen iluminada en toda su altura, con lo cual podrá suprimirse la trama lenticular horizontal y de un tamaño transversal igual a la distancia entre dos objetivos de proyección contiguos, con lo que también podrá supπmirse la trama lenticular inclinada con componente no nula de abertura horizontal
Las fuentes luminosas empleadas en los dispositivos descritos por las imágenes 4,5,6,7,8 y 9 se encontrarán del elemento generador de imágenes a una distancia B considerable Esta distancia B es la misma a la que se situaban los objetivos de proyección de la superficie transparente 1 3 1 en el sistema objeto de otras patentes anteriores descrito en las figuras 1 , 2, y 3
Para este sistema se desarrollaron procedimientos para reducir el tamaño del dispositivo reproductor que mediante reflexiones conseguían la misma longitud de camino óptico B en un pequeño volumen Estos mismos procedimientos pueden emplearse aquí aunque han sido objeto de patentes anteriores No obstante, más adelante se descnbirán otros procedimientos más sencillos para reducir el tamaño del dispositivo reproductor que son objeto de esta invención
Otras consideraciones respecto al consumo energético darán lugar a nuevos dispositivos como a continuación se detallan
La activación de las fuentes de iluminación se ha hecho en los sistemas anteriores actuando sobre los interruptores E1 ,E2,l,Eι,,,En-1 ,En situados en la línea de suministro de energía eléctrica Para que este sistema sea eficaz es necesario que las fuentes luminosas tengan muy poca inercia en el encendido y apagado De este modo cada fuente solo consumirá energía durante el tiempo que se esté generando su imagen correspondiente.
El consumo de energía es un factor importante a tener en cuenta cuando el número de imágenes en la reproducción es elevado como es habitual en estos sistemas tridimensionales En el sistema mostrado en las figuras 1,2 y 3 si la potencia entregada a cada proyector es Wo la potencia total consumida será n
Wo
Si en el nuevo sistema cada imagen debe quedar iluminada con la misma energía que en el antiguo y dado que cada una de ellas permanece iluminada durante un intervalo de tiempo n veces menor, será necesario, para generar la misma energía luminosa, emplear fuentes luminosas de una potencia n veces superior Aunque en definitiva, la energía total consumida será la misma en el nuevo sistema que en el antiguo
No obstante seguirá siendo necesario el empleo de un número n muy elevado de fuentes luminosas con muy poca inercia en el encendido y apagado y con una potencia de cada fuente de valor n veces superior a los casos mostrados en las figuras 1 ,2 y 3
Si no se dispusiera de fuentes luminosas de poca inercia en su encendido y apagado se podrán sustituir los interruptores eléctricos E1 , E2 Eι,,,En-1 , En por obturadores luminosos de naturaleza electrónica o electromecánica pero en este caso el consumo energético total sería π veces superior
A la vista de estos inconvenientes se ha concebido en esta invención un nuevo sistema de iluminación sin interrupciones en su encendido ni empleo de obturadores y en el que las numerosas fuentes de iluminación se han reducido a una única de potencia nWo, es decir, igual a la total consumida en el caso de las figuras 1 ,2, y 3.
La figura 10 muestra el quinto sistema de reproducción tridime.isional con un sistema de iluminación sin interrupción dotado de una única fuente luminosa PP de una potencia n veces superior a cualquiera de las n utilizadas en el sistema mostrado en las figuras 1 ,2,3.
El haz de luz generado por dicha fuente única después de colimado es concentrado sobre un objetivo de proyección que forma sobre un? superficie difusora SS la imagen de la ventanilla rectangular VR que actúa como objeto de dicho objetivo. Entre el objetivo de proyección y la superficie difusora se interpone un espejo E cuya posición angular es controlada por el ordenador a través del motor M1 de paso a paso o de corriente continua. La reflexión en este espejo hará que la imagen rectangular IRi se desplace sobre la superficie difusora a saltos. Cada uno de estos saltos, posición i, en que la proyección del rectángulo luminoso permanece en reposo sobre la superficie difusora, corresponde con una de las posiciones ocupadas por las anteriores fuentes luminosas rectangulares mostradas en la figura 9.
En sincronismo con la posición angular de este elemento especular el ordenador envía la diferente información codificada de las imágenes al mencionado cristal líquido.
Es fácil diseñar otros sistemas sustituyendo los elementos especulares planos por prismas ópticos que por refracción consigan el mismo efecto óptico.
La figura 11 muestra la sexta disposición de elementos en el nuevo sistema de reproducción tridimensional sin trama lenticular y utilizando como fuente de iluminación un rectángulo luminoso generado en la superficie difusora de un tubo de rayos catódicos T.R.C. Este tubo sin inercia y de gran luminosidad obedecerá las señales SR enviadas por el ordenador, y en consecuencia generará un rectángulo luminoso IRi que se desplazará a saltos sobre su superficie difusora, cada salto i ocupará el lugar correspondiente a jna de las antiguas fuentes luminosas rectangulares mostradas en la figura 9 y permanecerá brillante el mismo tiempo que aquellas estaban activadas. La superficie difusora puede también estar compuesta de varios tubos de rayos catódicos adyacentes entre si.
La figura 12 muestra la séptima disposición de elementos en el nuevo sistema de reproducción tridimensional sin trama lenticular y utilizando como fuente luminosa un rectángulo luminoso proyectado sobre la superficie difusora desde un proyector de imágenes electrónicas PE. El resto del funcionamiento es análogo al mencionado en la figura 11.
Las figuras siguientes muestran los fundamentos teóricos en que se basan los nuevos dispositivos de reproducción de pequeño tamaño. Para conseguir disminuir el volumen del equipo reproductor es necesario disminuir tanto la distancia B de iluminación como el tamaño de las fuentes luminosas.
En la figura 13 se muestra los diferentes campos de visión d , c2, correspondientes al punto de observación 1.4.1. para dos distancias de iluminación B1.B2 y un mismo ángulo de visión V. Puede apreciarse en esta figura que a medida que se disminuye la distancia de iluminación, se puede conservar el mismo ángulo de visión V, con fuentes luminosas rectangulares también mas pequeñas o puntuales más próximas. La distancia de iluminación y el tamaño de las fuentes luminosas o distancia entre estas han de variar en la misma proporción para mantener constante el valor del ángulo de visión.
Para disminuir el volumen del dispositivo reproductor considerando constante el ángulo de visión V se ha de disminuir la distancia de iluminación B y en consecuencia el tamaño transversal de los rectángulos de iluminación o distancia entre fuentes de iluminación ha de ser más pequeña . No obstante aunque se conserva el ángulo de visión, el campo de visión o ancho de imagen observada desde cada punto, disminuye a medida que lo hace la distancia de iluminación B. Ya que lo deseable es obtener el máximo campo de visión esto se consigue, cuando tanto la distancia de iluminación B, como en consecuencia, el tamaño de los rectángulos o distancia entre fuentes tienden a infinito. Esta solución nos llevará a un dispositivo reproductor de volumen también infinito. Existe, no obstante, como veremos a continuación procedimientos para conseguir grandes distancias ópticas de iluminación B en pequeños volúmenes. En la figura 14 se muestra el aumento del camino óptico de iluminación desde la distancia d a la nueva distancia óptica B conservando el mismo ángulo de visión V mediante el empleo del elementos óptico convergente 5.
Este procedimiento teórico puede plasmarse en un dispositivo práctico utilizando un elemento convergente al menos del mismo tamaño que el elemento generador de imágenes y con una distancia focal igual a d, F=d, distancia de este elemento a la cual se sitúan las fuentes luminosas para conseguir un pequeño volumen del equipo reproductor.
El máximo campo de visión para un punto de observación situado a una distancia determinada, dO, del elemento reproductor de imágenes se consigue haciendo que el elemento óptico convergente 5 forme la imagen de los rectángulos luminosos sobre el propio punto de observación. Paia ello es necesario que la distancia focal F de este elemento convergente 5 valga F=dd0/(d+d0). Tanto esta expresión, como la anterior F=d, como cualquier otra elegida de acuerdo con un determinado tipo de reproducción puede emplearse para el diseño del elemento óptico convergente 5 en el dispositivo objeto de esta invención.
Aunque el sistema de reducción de volumen del dispositivo reproductor se puede emplear en todos los sistemas objeto de esta invención, aquí solo se explicará para los dispositivos mostrados en las figuras 15, 16, 17 y 18 que representan fuentes de iluminación rectangulares.
La figura 15 muestra una disposición de elementos para el nuevo dispositivo de reproducción tridimensional que tiene fuentes luminosas de forma rectangular FR y tal que el centro geométrico del conjunto de rectángulos se sitúa a la distancia d del elemento óptico convergente, y de una altura de rectángulo lo suficientemente grande que permita ver la imagen en toda su altura. La distancia d se elige de manera que el volumen del sistema reproductor sea reducido y la potencia del elemento convergente de acuerdo con el campo de visión más adecuado para la reproducción. Con esta disposición se puede conseguir un buen campo de visión manteniendo los mismos ángulos de visión y reproducción y un volumen mucho más reducido que el dispositivo correspondiente mostrado en la figura 9. La figura 16 representa un dispositivo de comportamiento en todo análogo al de la figura 10 al que se ha incorporado un elemento óptico convergente para conseguir un campo de visión adecuado y/o reducir el volumen del equipo reproductor, es decir disminuir la distancia B de proyección a la nueva distancia más pequeña d, y en la misma proporción el tamaño de los rectángulos luminosos.
La figura 17 representa un dispositivo, de comportamiento en todo análogo al de la figura 11 , al que se ha incorporado un elemento óptico convergente para reducir el volumen y/o conseguir un campo de visión adecuado del equipo reproductor como en la figura 16.
La figura 18 representa un dispositivo, de comportamiento en todo análogo al de la figura 12, al que se ha incorporado un elemento óptico convergente para reducir el volumen del equipo reproductor y/o conseguir un campo de visión adecuado como en las figuras 16 y 17. Las restantes figuras 19, 20,21 ,22,23,24,25,26,27,28,29 y 30 sirven para mostrar el funcionamiento de un dispositivo de reproducción integral, es decir un dispositivo capaz de reproducir las paralajes horizontal y vertical simultáneamente.
Las figuras 19,20 y 21 no son objeto de esta invención y sirven de introducción para mostrar el funcionamiento de un dispositivo de reproducción integral basado en la diferenciación angular de imágenes.
La figura 19 muestra los tres conjuntos de elementos esenciales y necesarios para mostrar el funcionamiento del sistema. En primer lugar una serie de n x m proyectores Pij agrupados en m filas y n columnas con sus correspondientes objetivos Oij. Los centros ópticos de los objetivos horizontales equidistan entre sí, análogamente los centros ópticos de los objetivos verticales. Estos objetivos se encuentran en los vértices de un retículo rectangular. Cada proyector se alimenta de una fuente de energía F.A. a través de un interruptor accionable de forma manual Eij. En cada proyector se sitúa una imagen distinta que puede estar soportada en un film fotográfico (diapositiva) o en un soporte electrónico (cristal líquido).
En esta figura se ha dotado a cada proyector de un cristal líquido Fij alimentado cada uno de ellos desde un ordenador único, COMP. La señal con el contenido de información de cada imagen se denomina Sij.
En segundo lugar se muestra el sistema óptico compuesto de dos tramas lenticulares paralelas. Aunque en esta figura estas tramas se han dibujado convergentes pueden ser ambas divergentes o una convergente y otra divergente. La primera trama lenticular 2.2.1. de elementos cilindricos verticales tiene una abertura horizontal determinada por un ángulo del mismo valor que el ángulo bajo el cual se ven los bordes interiores de las pupilas de dos objetivos horizontales contiguos, estando este determinado por dos líneas que pasan por el centro geométrico de la trama y cada una de ellas por el borde interior de las pupilas de dos objetivos proyectores contiguos situados en una línea horizontal; la segunda trama lenticular 2.2.2. de elementos cilindricos horizontales tiene una abertura vertical determinada por el ángulo bajo el cual se ven los bordes interiores de las pupilas de dos objetivos verticales contiguos, estando éste determinado por dos líneas que pasan por el centro geométrico de la trama y cada una de ellas por el borde interior de las pupilas de dos objetivos proyectores contiguos situados en una línea vertical.
En tercer lugar se encuentra la superficie transparente de focalización 1.3.1. situada a una distancia B de los proyectores y a la distancia focal f1 y f2 respectiva de las tramas 2.2.1. y 2.2.2. Esta superficie transparente es el lugar donde se focalizan todas las imágenes proyectadas a través de cada uno de los proyectores Pij. En dicha figura aparecen también representados dos puntos diferentes de observación 1.4.1. y 1.4.2.
La figura 20 muestra la proyección a través del proyector Pij de la imagen Fij. Para esto se deberá activar únicamente el interruptor Eij. La imagen formada en Fij por la señal Sij proveniente del ordenador es proyectada y focalizada en la superficie transparente 1.3.1. Desde el punto de observación 1.4.1. se verá de esa imagen solamente el rectángulo denominado en la figura Iij1. Análogamente desde el punto 1.4.2. se verá el rectángulo Iij2. La figura 21 muestra la proyección simultánea desde cada uno de los proyectores Pij de las imágenes Fij. Para ello se activan todos los interruptores Eij. La información de las imágenes provenientes del ordenador COMP Sij generan las imágenes sobre el soporte Fij y sus proyecciones son focalizadas en la superficie transparente 1.3.1. Desde cualquier punto de observación por ejemplo el 1.4.1. se verá de cada imagen un rectángulo. El conjunto de rectángulos Iij1 formará una imagen única y distinta para cada punto de observación.
La figura 22 muestra una primera disposición de elementos constituyentes del nuevo sistema de reproducción integral. La disposición de elementos es análoga a la mostrada en la figura 19, los proyectores y objetivos de proyección continúan en la misma situación que en dicha figura. La diferencia es que ahora los proyectores pasan a tener la función de simples fuentes de iluminación y por ello se suprimen los soportes de imágenes Fij. Todas las imágenes se forman secuencialmente en un único cristal líquido 1.3.2 situado en la posición antes ocupada por la superficie transparente de focalización 1.3.1.
Los interruptores Eij que en la figura 19 estaban preparados para funcionamiento manual son ahora gobernados por el ordenador que activará solo uno de ellos en cada momento y en perfecto sincronismo con las señales de las imágenes que envía el mismo ordenador secuencialmente al mencionado cristal líquido.
La figura 23 muestra el comportamiento de este primer dispositivo de reproducción integral cuando se genera en el cristal líquido 1.3.2 la imagen lij. El ordenador envía la correspondiente señal Sij y al mismo tiempo activa el interruptor Eij. Desde un punto cualquiera de observación por ejemplo 1.4.1. se verá de dicha imagen el rectángulo Iij1 porque es el único que desde ese punto se ve iluminado. En la misma figura se muestra también el rectángulo Iij2 observable desde el punto 1.4.2.
La figura 24 muestra el comportamiento de este primer dispositivo de reproducción integral cuando en el cristal líquido se genera, una tras otra cada una de las n x m imágenes. En este caso el ordenador envía en secuencia las señales correspondientes a estas imágenes activando en el instante correspondiente al envío de la imagen lij solo el interruptor Eij. Desde cualquier punto de observación por ejemplo el 1.4.1. se verá de cada imagen un rectángulo. Aunque la visión de dichos rectángulos no es simultánea sino secuencial, si la secuencia es suficientemente rápida, debido a la persistencia de las imágenes en la retina, aparecerán como si lo fueran. El conjunto de rectángulos Iij1 formarán una imagen única y distinta para cada punto de observación. El efecto óptico conseguido con este nuevo dispositivo mostrado en la figura 22,23 y 24 es el mismo que el mostrado en las figuras 19,20, y 21 para el sistema clásico de funcionamiento de un sistema de reproducción integral basado en la diferenciación angular de imágenes. Goza de todas las ventajas ya mencionadas para estos sistemas a las que habrá que añadir las derivadas del hecho de haber sustituido el camino óptico de proyección por un simple camino óptico de iluminación.
Con esta importante modificación no se producirán las deformaciones de perspectivas introducidas en la proyección por inclinación o por desplazamiento ni las aberraciones ópticas introducidas por los elementos interpuestos en este camino óptico de proyección. Por tanto, la calidad y definición de la imagen reproducida serán las del propio elemento generador de imágenes por transparencia. No obstante este nuevo dispositivo no es adecuado para la reproducción de imágenes soportadas en film fotográfico para lo que es más interesante utilizar el sistema como se ha explicado en la figuras 19,20 y 21 y que es objeto de patentes anteriores ya mencionadas.
Del hecho de que los proyectores han pasado a ser simples fuentes de iluminación se deriva una importante consecuencia: Los objetivos de proyección pueden ser sustituidos por simples puntos luminosos como acabamos de ver, o por elementos luminosos en forma de segmentos verticales u horizontales, o en forma de rectágulos.
La figura 25 muestra una segunda disposición de elementos para el nuevo dispositivo de reproducción integral que emplea n x m fuentes luminosas Hij en forma de segmentos horizontales cuyo centro geométrico se sitúa en el lugar que ocupaba el centro óptico del objetivo de proyección y de una longitud igual a la distancia entre centros ópticos de dos objetivos horizontales de proyección contiguos. El sistema óptico de reproducción puede pasar a tener abertura horizontal nula y en consecuencia se podrá eliminar la trama lenticular compuesta de cilindros verticales; como es necesario el mismo valor de abertura vertical se seguirá manteniendo la trama lenticular compuesta de cilindros horizontales.
La figura 26 muestra una tercera disposición de elementos para el nuevo dispositivo de reproducción integral que emplea n x m fuentes luminosas Vij en forma de segmentos verticales, cuyo centro geométrico se sitúa en el lugar que ocupaba el centro óptico del objetivo de proyección y de una altura de longitud igual a la distancia entre centros ópticos de dos objetivos verticales de proyección contiguos, se suprime la trama lenticular de cilindros horizontales aunque se mantiene la trama de cilindros verticales.
La figura 27 muestra una cuarta disposición de elementos para el nuevo dispositivo de reproducción integral que emplea n x m fuentes luminosas Rij en forma de rectángulos cuyo centro geométrico se sitúa en el lugar que ocupaba el centro óptico del objetivo de proyección, de una altura de longitud igual a la distancia entre dos centros ópticos de objetivos verticales de proyección contiguos y de un ancho de longitud igual a la distancia entre dos centros ópticos de objetivos horizontales de proyección contiguos. En consecuencia se suprime en su totalidad el sistema óptico de reproducción ya que no se necesita ni la trama óptica de elementos horizontales ni la compuesta de elementos cilindricos verticales.
Estas fuentes luminosas pueden generarse de manera análoga a la mostrada en las figuras 11 y 12 para el sistema de reproducción tridimensional. La figura 28 muestra un quinto sistema de reproducción integral con un sistema de iluminación sin interrupción dotado de una única fuente luminosa. La fuente luminosa PP es de una potencia n x m veces superior a la utilizada en el sistema mostrado en las figuras 19, 20 y 21. El haz generado por dicha fuente después de colimado es concentrado sobre un objetivo de proyección que forma sobre una superficie difusora la imagen VCij de la ventanilla rectangular VC que actúa como objeto de dicho objetivo. Entre el objetivo de proyección y la superficie difusora se interponen dos elementos especulares planos EH y EV cuya posición es controlada por el ordenador a través de dos motores, M1 y M2, de paso a paso o de corriente continua. La reflexión en estos elementos especulares hará que la imagen rectangular se desplace a saltos sobre la superficie difusora. Cada uno de estos saltos, ij, corresponde con una de las posiciones ocupadas por las anteriores fuentes de iluminación rectangulares mostradas en la figura 27. El elemento especular con eje de giro vertical desplazan el rectángulo luminoso de izquierda a derecha y el elemento especular con eje de giro horizontal lo desplaza de arriba a abajo.
Para disminuir el volumen del dispositivo reproductor ha de disminuirse tanto la distancia de proyección como el tamaño de los rectángulos de iluminación conservándose los mismos valores para los ángulos de visión y de reproducción horizontal y vertical.
Para conseguir disminuir estas longitudes en función del campo de visión se emplea el mismo procedimiento ya explicado al describir las figuras 13 y 14. La figura 29 muestra una sexta disposición de elementos para el nuevo dispositivo de reproducción integral que dispone de fuentes luminosas rectangulares cuyo centro geométrico del conjunto de rectángulos se sitúa a la distancia d del elemento óptico convergente 5.
Como puede fácilmente deducirse el sistema de iluminación también puede diseñarse de manera análoga a la mostrada en las figuras 17 y 18 para el sistema de reproducción tridimensional. La figura 30 muestra una séptima disposición de los elementos para el nuevo dispositivo de reproducción integral que dispone de una única fuente luminosa PP como la mostrada en la figura 28 que proyecta un rectángulo luminoso a través de dos elementos especulares movidos por los motores M1 y M2 sobre una superficie difusora cuyo centro geométrico se encuentra a la distancia d de un elemento convergente que se sitúa adyacente al elemento reproductor de imágenes.

Claims

REIVINDICACIONES
1o Un dispositivo para la reproducción de imágenes en tres dimensiones, tridimensionales o integrales, caracterizado por una primera superficie donde se reproducen por transparencia una sene de imágenes bidimensionales secuencialmente, es decir, una detrás de otra, respondiendo a la información codificada enviada desde un ordenador y de un sistema de iluminación cuyo efecto óptico es igual al generado por una segunda superficie luminosa frente a la anterior y a una distancia óptica de ésta determinada por el campo de visión y de un ancho y alto óptico determinado por los ángulos de visión, estando ésta superficie constituida de rectángulos luminosos adyacentes entre sí cuyo ancho y alto viene determinado por los ángulos de reproducción y en la que cada uno de ellos se ilumina y apaga secuencialmente y de acuerdo con la señal de sincronismo que le une al ordenador de tal manera que en cada momento se ilumina un único rectángulo en correspondencia con la imagen generada por transparencia en la primera superficie
2o Un dispositivo como el reivindicado en 1o para la reproducción de imágenes integrales es decir con paralajes horizontal y vertical simultáneamente caracterizado porque los rectángulos luminosos se consiguen mediante un sistema de iluminación compuesto de fuentes luminosas en forma rectangular cuya base está determinada por el ángulo de reproducción horizontal y la altura por el ángulo de reproducción vertical
3o Un dispositivo como el reivindicado en 1o para la reproducción de imágenes tridimensionales es decir con solo paralaje horizontal caracterizado porque los rectángulos luminosos se consiguen mediante un sistema de iluminación compuesto de fuentes luminosas en forma rectangular cuya base está determinada por el ángulo de reproducción horizontal y su altura es la suficiente como para permitir que desde cualquier punto de observación se vea la imagen iluminada en toda su altura 4o Un dispositivo de reproducción integral es decir con paralaje hoπzontal y vertical simultáneamente como el reivindicado en 1o caracterizado porque los rectángulos luminosos se consiguen mediante un sistema de iluminación compuesto de fuentes luminosas en forma de segmentos rectilíneos verticales separados hoπzontalmente entre sí por una distancia determinada por el ángulo de reproducción horizontal y de una altura determinada por el ángulo de reproducción vertical y una trama óptica compuesta de cilindros verticales paralela a la superficie reproductora de imágenes y separada de ella una distancia igual a su distancia focal con una abertura horizontal medida por un ángulo igual al ángulo bajo el cual se ven los dos bordes interiores de dos segmentos luminosos contiguos desde el centro geométrico de la trama lenticular 5o Un dispositivo de reproducción tridimensional es decir únicamente con paralaje horizontal como el reivindicado en 1o caracterizado porque los rectángulos luminosos se consiguen mediante un sistema de iluminación compuesto de fuentes luminosas en forma de segmentos rectilíneos verticales separados hoπzontalmente entre sí por una distancia determinada por el ángulo de reproducción horizontal y altura suficiente como para que desde cualquier punto de observación se vea la imagen reproducida iluminada en toda su altura y de una trama óptica compuesta de cilindros inclinados paralelos a la superficie reproductora de imágenes y separada de ella una distancia igual a su distancia focal con una componente de abertura horizontal medida por un ángulo igual al ángulo bajo el cual se ven los dos bordes interiores de dos segmentos luminosos contiguos desde el centro geométrico de la trama lenticular
6o Un dispositivo de reproducción integral es decir con paralaje horizontal y vertical simultáneamente como el reivindicado en 1o caracterizado porque los rectángulos luminosos se consiguen mediante un sistema de iluminación compuesto de fuentes luminosas en forma de segmentos rectilíneos horizontales separados entre sí por una distancia determinada por el ángulo de reproducción vertical y de un ancho determinado por el ángulo de reproducción hoπzontal junto con una trama óptica compuesta de cilindros horizontales paralela a la superficie reproductora de imágenes y separada de ella una distancia igual a su distancia focal con una abertura vertical medida por un ángulo igual al ángulo bajo el cual se ven los dos bordes interiores de dos segmentos luminosos contiguos desde el centro geométrico de la trama lenticular 7o Un dispositivo de reproducción tridimensional es decir con paralaje horizontal como el reivindicado en 1o caracterizado porque los rectángulos luminosos se consiguen mediante un sistema de iluminación compuesto de fuentes luminosas en forma de segmentos rectilíneos horizontales de un ancho determinado por el ángulo de reproducción horizontal y de una trama óptica compuesta de cilindros horizontales paralela a la superficie reproductora y a una distancia de esta igual a su distancia focal con abertura vertical suficientemente grande para que desde cualquier punto de observación se vea la imagen reproducida iluminada a toda su altura 8o Un dispositivo de reproducción integral es decir con paralaje horizontal y vertical simultáneamente como el reivindicado en 1o que consigue los rectángulos luminosos mediante un sistema de iluminación compuesto de tramas ópticas cilindricas reivindicadas en patentes anteriores, es decir, con unas aberturas horizontales y verticales medidas por ángulos iguales a los ángulos bajo los que se ven los bordes interiores de las pupilas de dos objetivos de iluminación horizontales y verticales contiguos desde el centro geométrico de la trama lenticular caracterizado porque el sistema anterior se sitúa a una distancia de la superficie reproductora igual a su distancia focal y con fuentes luminosas puntuales situadas a una distancia de las tramas ópticas y cuyos centros ópticos están separados entre sí de acuerdo con los valores de los ángulos de reproducción horizontal y vertical
9o Un dispositivo de reproducción tridimensional es decir, con paralaje horizontal únicamente como el reivindicado en 1o que consigue los rectángulos luminosos mediante un sistema de iluminación compuesto de tramas ópticas cilindricas reivindicadas en patentes anteriores es decir, con una abertura horizontal medida por un ángulo igual al ángulo bajo el cual se ven los dos bordes interiores de las pupilas de dos objetivos de iluminación contiguos desde el centro geométrico de la trama y de una abertura vertical suficientemente grande como para que desde cualquier punto de observación se vea la imagen iluminada en toda su altura caracterizado porque el sistema anterior se sitúa paralelo y a una distancia de la superficie reproductora igual a su distancia focal y unas fuentes luminosas puntuales situadas a una distancia de las tramas ópticas y cuyos centros ópticos están separados entre sí de acuerdo con el valor del ángulo de reproducción horizontal.
10° Un sistema de iluminación como el reivindicado en
20,30,4o,5o,60,7o,8o,9o caracterizado porque cada fuente luminosa esta constituida por una fuente de luz de reducida inercia en el encendido y apagado y de un interruptor electrónico o electromecánico que interrumpe o activa el suministro de energía eléctrica de acuerdo con la señal proveniente del ordenador.
11o Un sistema de iluminación como el reivindicado en 20 r30,4o,50,60,7o,8° y 9o caracterizado porque cada fuente luminosa esta constituida por una fuente de luz y un obturador electrónico o electromecánico que interrumpe o permite el paso del haz luminoso de acuerdo con la señal proveniente del ordenador.
12° Un sistema de iluminación como el reivindicado en 20,30,40,50,60,70,80 y 9o caracterizado porque cada fuente luminosa esta constituida por la imagen luminosa rectangular formada sobre la superficie difusora de uno o varios tubos de rayos catódicos adyacentes entre sí que se activa de acuerdo con la señal proveniente del ordenador.
13° Un sistema de iluminación como el reivindicado en 20,30,40,50,60,7°,80 y 9o caracterizado porque cada fuente luminosa esta constituida por la imagen luminosa rectangular formada sobre una superficie difusora por un proyector de video que se activa de acuerdo con la señal proveniente del ordenador.
14° Un sistema de iluminación como el reivindicado en 1o para la reproducción de imágenes integrales, es decir con paralaje horizontal y vertical simultáneamente caracterizado porque los rectángulos luminosos se consiguen mediante la proyección convencional de una ventanilla de forma rectangular iluminada con una única fuente de luz interponiéndose en el camino óptico desde el objetivo de proyección a dicha superficie dos elementos especulares uno de ellos con eje de giro vertical que sirven para desplazar la imagen en la dirección izquierda derecha y a saltos y el otro elemento especular con eje de giro horizontal que desplazará la imagen en la dirección vertical, correspondiendo cada salto con posiciones angulares distintas que a su vez son controladas por el ordenador a través de un motor de paso a paso o de corriente continua.
15° Un sistema de iluminación como el reivindicado en 1o para la reproducción de imágenes tridimensionales, es decir, con paralaje horizontal únicamente caracterizado porque los rectángulos luminosos se consiguen mediante la proyección convencional de una ventanilla de forma rectangular iluminada por una única fuente de luz interponiéndose en el camino óptico que va desde el objetivo de proyección a la superficie difusora un elemento especular con eje de giro vertical tal que la reflexión sobre él desplaza la imagen en la dirección izquierda derecha y a saltos, correspondiendo cada uno con una posición angular distinta que a su vez es controlada por el ordenador a través de un motor de paso a paso o de corriente continua 16° Un sistema de iluminación como el reivindicado en 14° y 15° caracterizado porque el mismo desplazamiento de los rectángulos luminosos sobre la superficie difusora se consigue sustituyendo los elementos especulares giratorios por elementos refractivos
17° Un sistema de iluminación como el reivindicado anteriormente caracterizado porque delante de las fuentes luminosas y paralela a ella se sitúa una lente convergente adyacente a y de un tamaño al menos igual al de la superficie transparente de reproducción consiguiendo los mismos ángulos de visión y reproducción y la distancia de iluminación requerida por el campo de visión dentro de un volumen reducido 18° Un sistema de iluminación como el reivindicado en 18° caracterizado porque la lente convergente se sustituye por un espejo convergente de al menos el mismo tamaño y la misma distancia focal que la lente situándose las fuentes luminosas entre este espejo y el elemento reproductor de imágenes, y emitiendo su luz hacia el citado espejo para después de reflejada en éste dirigirse hacia el elemento reproductor de imágenes consiguiendo los mismos ángulos de visión y reproducción y la distancia de iluminación requerida por el campo de visión dentro de un volumen reducido
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