EP1779151A1 - Lenticule and prism unit - Google Patents

Lenticule and prism unit

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Publication number
EP1779151A1
EP1779151A1 EP05742262A EP05742262A EP1779151A1 EP 1779151 A1 EP1779151 A1 EP 1779151A1 EP 05742262 A EP05742262 A EP 05742262A EP 05742262 A EP05742262 A EP 05742262A EP 1779151 A1 EP1779151 A1 EP 1779151A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
prism
elements
lenticular
mask
lenticule
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05742262A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Armin Schwerdtner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SeeReal Technologies GmbH
Original Assignee
SeeReal Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SeeReal Technologies GmbH filed Critical SeeReal Technologies GmbH
Publication of EP1779151A1 publication Critical patent/EP1779151A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • 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
    • H04N13/32—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays using arrays of controllable light sources; using moving apertures or moving light sources

Definitions

  • the invention relates to a lenticular prism unit, in particular for autostereoscopic displays.
  • a lenticular prism unit contains in its
  • the invention also relates to a lighting device for autostereoscopic
  • autostereoscopic displays are referred to in the document displays, in which at least one observer from random locations on the information panel 3D-content can see without additional tools.
  • the illumination device comprises an illumination matrix with a plurality of regularly arranged illumination elements and a subsequent imaging matrix with optical imaging elements.
  • the light of the illumination device penetrates the following image matrix.
  • the light is modulated for left sweet spots with the left images and for right sweet spots with the right images and focused on the corresponding eyes of the viewer. No crosstalk to the other eye or disturbance of the homogeneity of the images should occur when viewing the display from the sweet spots, the areas of non-stereoscopic vision.
  • An important field of application of the invention are displays in which different information is displayed to viewers, such as the driver of a vehicle who is shown information about the route while his passenger sees a movie.
  • viewers such as the driver of a vehicle who is shown information about the route while his passenger sees a movie.
  • the imaging matrix of the autostereoscopic displays is usually realized as a lenticular with simple spherical lenticles and is often mentioned in the literature and in a variety of inventions.
  • a variety of structural design forms of lenticles in lenticular or a combination with prism elements is known.
  • DE 297 10 551 U1 describes an autostereoscopic arrangement for the three-dimensional representation of information with a color display.
  • a laterally displaceable prism mask is arranged in front of the color display, wherein the prism mask has a prism wedge corresponding to the width of the image columns and whose angle is selected so that the left columns of the display are seen from the left and the right columns from the right eye.
  • a lenticular films are arranged in a projection apparatus with the aim of multiplying the images and the targeted focusing, in which the known spherical or cylindrical lens shape of the lenticule is modeled with symmetrical to the center line polygonal trains.
  • the adjoining prism surfaces produce a plurality of projections displaced by a distance, equidistant images being produced by equidistant prism angles.
  • the imaging matrix lenticular with spherical lenticles are usually used. Extensive requirements are placed on the imaging matrix, since this matrix substantially influences the properties of the image in the observer plane.
  • the matrix is largely responsible for the perceived quality of the image and, for example, the brightness distribution.
  • the brightness distribution in the image depends, among other factors, on whether and how it is possible to convert the discrete light sources represented by the illumination elements of the illumination matrix into a uniform brightness distribution in the observer plane.
  • a basic embodiment of an autostereoscopic display is described in EP 0 691 000 B1 of the applicant.
  • the display includes an optical system for two- and three-dimensional display of information using a transmission matrix representing images associated with each viewer, at least one point or line light source, and collimating and focusing optics.
  • Each pixel of the transmission display is associated with a respective prism of a prism mask and a respective phase element of a phase mask, wherein the light corresponding to the images is deflected and focused on the respective eyes of
  • the display consists of aarteries ⁇ and an imaging matrix with a field lens.
  • the imaging matrix maps the turned-on elements of the illumination matrix in appropriate directions into the space in front of the display and the subsequent field lens focuses them as sweet spots on the eyes of viewers.
  • the imaging matrix comprises two mutually parallel, rectified single lenticulars. In a further embodiment of the imaging matrix, a dual cell is used.
  • EP 0827350 A3 discloses an autostereoscopic display. It consists of a light source for illumination, a planar luminous body, and a carrier mask with a checkerboard-like arrangement of openings, and a lens array of vertical cylindrical lenses (half-cylinders) and a transmissive image matrix.
  • the lens array serves to direct the light of the apertures through the transmissive image matrix.
  • EP0881844 B4 describes another arrangement of an autostereoscopic display; the imaging matrix here comprises a first lenticular with horizontal semicylindrical lenticles, a diffuser and another lenticular mask with horizontal semicylindrical lenticles.
  • EP1045596 A2 discloses another optical system as an imaging matrix;
  • the matrix consists of an array of vertically extending cylindrical lenses and an array of horizontally extending cylindrical lenses in the light direction.
  • the lenses of the lens arrays are each aligned in a matching the pattern of the openings of the shutter spacing.
  • An important requirement for the illumination device and in particular for the imaging matrix is the most homogeneous possible illumination of the image matrix and of the preferred visibility region in the observer plane; this is not realized in the cited documents in a desirable manner.
  • the alignment of the beams of individual lenticles to fully illuminated areas in the observer or projection plane is not shown or described in detail in the writings, although this significantly determines the quality of the visible image in the image.
  • the beams are not sufficiently aligned with areas of lesser radiance for discrete separate light sources.
  • the images of these areas in the preferred visibility range produce transitions with low luminance, which are thus perceived by the viewer as unwanted narrow darker lines, as zones of low luminance. This leads to a significantly poorer image quality.
  • an aspheric lenticle or even an asymmetric aspheric lenticle would be required.
  • aspherical and / or asymmetric lenticules have the disadvantage that they are difficult to produce, and in general only with great effort, in particular in terms of miniaturization.
  • the limits of cost-effective and process-reliable production of the lenticulars will be reached.
  • the lenticule-prism unit in particular for autostereoscopic displays, contains in its basic form a lenticular with several adjacent parallel lenticles in the form of cylindrical lenses.
  • the lenticular is combined with a prismatic mask.
  • This mask contains a plurality of prism mask elements that are constructed of wedge elements. There are several prism mask elements assigned to each lenticle. In a preferred embodiment, wedge elements and one or more plane-parallel elements are associated with a lenticle.
  • the invention is based on the idea that an aspherical and / or an asymmetric lenticle is discreetly approximated by a combination of a spherical lenticle and the associated prism mask elements.
  • a lenticle is combined with a plane-parallel element which lies in the center of the optical axis of the lenticle and two mirror-symmetric wedge elements adjoining it.
  • the discretization is further refined and the approximation of asymmetric or aspherical lenticles is achieved in a simple manner.
  • the prism mask lies in the propagation direction of the light in front of the lenticular, whereby spherical aberrations are reduced and a higher quality of the optical imaging is achieved.
  • the lenticular and the prism mask can be applied to a common substrate plate.
  • the prism mask is behind the lenticular and is flat on the side surface of the light exit.
  • the lenticular and the prism mask are here face-to-face, that is, the wedge elements and the lenticules point to each other.
  • the lenticular and the prismatic mask may contact each other at one or more points of curvature of the lenticules to form a composite body.
  • the illumination device contains in the propagation direction of the light in detail an illumination matrix and an imaging matrix.
  • the illumination matrix contains a multiplicity of regularly arranged illumination elements.
  • the illumination matrix is realized from a backlight as the light source and a shutter with controllable openings for the controlled transmission of light. Between the lighting elements, or the openings of the shutter are areas of lower light transmission, which are structurally conditioned, for example, due to wiring.
  • the following imaging matrix contains a lenticular with a plurality of lenticles in the form of cylindrical lenses. The lenticules are preferably aligned parallel to the columns or rows of the illumination elements. The imaging matrix focuses the light of the illumination elements such that the image matrix and a selectable preferred visibility region are directionally illuminated in the observer plane.
  • the imaging matrix contains the lenticule-prism unit.
  • the prism mask elements are selected and arranged in such a way as to multiply the images of the illumination elements according to the number of prism mask elements in the visibility region. Furthermore, the prism mask elements are arranged so as to superimpose these multiplied images so that a nearly homogeneous distribution of the luminance on the image matrix and in the visibility region arises.
  • a number of associated images multiplied by a number of prism mask elements corresponding to the number of prism mask elements is produced by a lighting element in the preferred visibility range.
  • These images are each identified by the corresponding associated trapezoidal luminance distributions. These luminance distributions are offset in each case overlapping one another in order to effect a broadened homogenized luminance in the superposition of these laterally offset trapezoids.
  • the resulting luminance of a lighting element is thus significantly widened, so that consequently the images of a plurality of lighting elements associated with a lenticle are overlapped.
  • Lateral adjacent lighting elements In the field of visibility, they generate the mentioned widened trapezoidal distributions of the luminance. With the arrangement according to the invention, their edge regions are each overlapped.
  • the said trapezoidal distributions are each characterized by a rectangle of the ideal distribution of the beam and of sloping edge regions, which are due to the real optical properties of the lenticule and the prism mask elements.
  • the inventively embodied lenticule prism unit is also advantageously used in known double arrays of lenticular with equally or oppositely directed vertices and also in crossed lenticulars.
  • the lenticule-prism unit can be combined with other optical elements, for example a field lens.
  • FIG. 1 shows a detail of the illumination device with a lenticular prism unit according to the invention and a schematic representation of the distribution of the radiation beams for a lighting element;
  • FIG. 2 shows a device analogous to FIG. 1 and its beam path, however, for three adjacent illumination elements
  • 3a shows a section of a composite component as preferred embodiments of the combination of the lenticular and the prism mask; such as
  • FIGS. 3b and 4 show further embodiments of the combination of the lenticular and the prism mask.
  • FIGS. 3 a, 3b and 4 The detailed representations of the lenticule-prism unit in FIGS. 3 a, 3b and 4 and the assignment of the prism mask elements relate to a lenticle.
  • the propagation direction of the light is illustrated by an arrow in these figures.
  • the display contains in a first part a lighting matrix 7 with a plurality of controllable light-transmitting illumination elements.
  • the illumination matrix 7 is exemplary here not self-luminous realized, but consists of backlight 1 as a light source and a plurality of matrix-shaped arranged openings 21 having shutter 2 for the controlled light transmission. It follows one Imaging matrix 8 of a lenticular LM with a plurality of lenticules L.
  • the lenticules are each aligned parallel to the columns or rows of the openings 21 of the shutter 2.
  • the matrix 8 the light of these apertures 21 is focused so that a subsequent transmissive image matrix 5 and a selectable preferred visibility region 6 in the observer plane 9 are suitably illuminated.
  • the imaging matrix 8 here comprises a combination of a lenticular LM and a prism mask PM.
  • the prism mask PM is here arranged in the propagation direction of the light following the lenticular LM.
  • the prism mask PM contains a multiplicity of wedge elements and plane-parallel elements, wherein a plurality of prism mask elements K1, K2,..., P1, P2,... Are each assigned to a lenticle L.
  • the lenticule prism unit realizes in this schematic embodiment a simple form of discrete approximation of an aspherical lenticle.
  • a further detailed representation of the lenticule prism unit is shown in FIG. 3.
  • a lenticle L in this embodiment a lying in the center of the optical axis of the lenticle L plane-parallel element P1 and two mirror-symmetrically arranged angle-like wedge elements K1 and K2 assigned.
  • the wedge elements K1 and K2 are located at the edge of the lenticule.
  • the prism mask elements K1, K2, P1 here divide the aperture of the lenticle L into three equally long intervals.
  • the wedge elements K1.K2 face the lenticules L face-to-face.
  • the lenticular LM is planar at its light entry side and the prism mask PM at its light exit side.
  • the surface which is hatched vertically in the figure shows, by way of example, the distribution of the beam B2 from the central opening 21 of the shutter 2 through the lenticle L and the plane-parallel element P1 of the prism mask PM up to the observer plane 9.
  • the basis points of the trapezoid BB ' are the associated one Distribution of the luminance V12 in the visibility region 6 in the observer plane 9 shown.
  • This trapezoidal distribution is characterized by a rectangle of the ideal distribution of the beam and by faded edge areas, which are due to the real optical properties of the lenticule and the prism mask elements.
  • the superimposed beams B1 and B3 of the wedge elements K1 and K2 are shown obliquely hatched in the figure.
  • the beam B1 passes through the wedge element K1 (in the figure above) and supplies in the observer plane 9 the associated profile of the luminance distribution V11.
  • the obtained trapezoid of the luminance distribution V11 is indicated in the figure by the base points A-A '.
  • the base points C-C mark the trapezium of the luminance V13, which follows from the beam B3 for the wedge element K2 lying below.
  • the superimposition of the luminance V11 to V13 results in the luminance V shown by dashed lines.
  • the lateral overlapped shift of the images produces a broadened homogeneous region of the resulting luminance distribution V.
  • the resulting region of the luminance V widened correspondingly with its sloping edge regions between the base points A and C.
  • FIG. 2 shows in a device analogous to FIG. 1 a schematic representation of the distribution of the beam bundles starting from three adjacent openings 21 of the shutter 2 through the lenticular LM and the prism mask PM up to the images of the openings 21 in the preferred visibility area 6 of the observer plane 9 These three openings 21 are assigned to the same lenticle L.
  • the images of the three openings 21 yield the profiles V1 to V3 associated with the openings of the broadened luminances previously explained in FIG. 1 as resultant from V11 to V13, respectively.
  • the combination of the lenticular LM and the prism mask PM and the arrangement and orientation of the prism mask elements K1, K2, P1 causes the overlapped ones sloping edge regions of the luminance V1 to V3.
  • the course of the ray bundles through the lenticle L and the associated prism mask elements K1, K2, P1 is directed so that the sloping edge regions of the images V1 to V3 of the three openings 21 overlap.
  • the dashed line in the figure shows the resulting from the superposition of V1 to V3 homogenized curve V of the luminance.
  • the resulting distribution of the luminance V is thus characterized only by a very small decrease in the luminance in the region of the superimposed edge regions.
  • an almost homogeneous resulting distribution V of the luminance in the entire preferred visibility range 6 is achieved.
  • an almost homogeneous illumination is achieved.
  • the darker areas between the images of the openings are almost eliminated and the quality of the image display is visibly increased for the viewer.
  • FIG 3a shows a section of a preferred embodiment of the combination of the lenticular LM and the prism mask PM as a composite component.
  • the figure shows a single lenticle L and the associated combined prism mask elements of the lenticule-prism unit L, K1, K2, P1.
  • the propagation direction of the light is illustrated in this and the following figures by an arrow.
  • the number of prism mask elements K1, K2, P1 and their arrangement is adopted analogously to FIGS. 1 and 2.
  • Two wedge elements K1, K2 are also facing the lenticules L face-to-face, with the lenticular LM at its light entrance side and the prism mask PM at its light exit side being flat.
  • the lenticule and the prism mask PM are bonded at the points of contact of the lenticules L and the wedge elements K1, K2 and thus form a composite component.
  • This composite component has a high dimensional stability. Its easy handling allows a rational and process-safe production and assembly in high quantities.
  • FIG. 3 b shows a further configuration of the lenticule-prism unit in an arrangement derived from FIG. 3 a.
  • the prism mask PM is arranged in the propagation direction of the light in front of the lenticular LM. This most preferred Embodiment reduces spherical aberrations and achieves a higher quality of optical imaging.
  • a lenticle L is here associated with three wedge elements K1, K2, K3 and a plane-parallel element P1.
  • the wedge elements K1 to K3, as shown have a different size and angular orientation. It is conceivable to dispense with the plane-parallel element P1, so that the prism mask is realized exclusively by wedge elements.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a lenticule and prism unit and an illumination device for an autostereoscopic display. Said display comprises, in the direction of the light, an illumination matrix (7), an imaging matrix (8), and a transmissive image matrix (5). The illumination matrix comprises a plurality of controllable illumination elements (21). The imaging matrix (8) focuses the light of said illumination elements (21) in such a way that the image matrix (5) and a preferred visibility region (6) are illuminated in an oriented manner and consist of a lenticular (LM) and a prism mask (PM) with wedge elements (K1,K2,..) and elements (P1,P2,..) parallel to the plane. Said elements (KI,K2,.., PI,P2,..) are arranged in such a way that, from the light of an illumination element (21) in the visibility region (6), a multiple number of images with an associated widened resulting light density distribution (V) from (A to C') is created. The resulting images of laterally adjacent illumination elements are respectively superimposed on the edge regions thereof, such that an approximately homogeneous light density distribution (V) is achieved. The quality of the image is visibly increased with the obtained homogeneous luminosity.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Lentikel-Prismen-Einheit, insbesondere für autostereoskopische Displays. Eine Lentikel-Prismen-Einheit enthält in ihrerThe invention relates to a lenticular prism unit, in particular for autostereoscopic displays. A lenticular prism unit contains in its
Grundform ein Lentikular mit einer Vielzahl von parallelen Lentikeln.Basic form of a lenticular with a large number of parallel lenticles.
Die Erfindung betrifft ebenso eine Beleuchtungseinrichtung für autostereoskopischeThe invention also relates to a lighting device for autostereoscopic
Displays mit einer transmissiven Bildmatrix zur Darstellung von zwei- und dreidimensionalen Informationen mit hoher Bildqualität.Displays with a transmissive image matrix for displaying two- and three-dimensional information with high image quality.
Als autostereoskopische Displays werden im Dokument Displays bezeichnet, bei denen mindestens ein Betrachter von wahlfreien Orten aus auf dem Informationspanel 3D-lnhalte ohne zusätzliche Hilfsmittel sehen kann.As autostereoscopic displays are referred to in the document displays, in which at least one observer from random locations on the information panel 3D-content can see without additional tools.
Die Beleuchtungseinrichtung umfasst in Ausbreitungsrichtung des Lichts eine Beleuchtungsmatrix mit einer Vielzahl regelmäßig angeordneter Beleuchtungselemente sowie eine nachfolgende Abbildungsmatrix mit optischen Abbildungselementen.In the propagation direction of the light, the illumination device comprises an illumination matrix with a plurality of regularly arranged illumination elements and a subsequent imaging matrix with optical imaging elements.
Bei autostereoskopischen Displays durchdringt das Licht der Beleuchtungseinrichtung die nachfolgende Bildmatrix. Dabei wird das Licht für linke Sweet-Spots mit den linken Bildern und für rechte Sweet-Spots mit den rechten Bildern moduliert und auf die entsprechenden Augen der Betrachter fokussiert. Dabei darf weder Übersprechen auf das jeweils andere Auge noch eine Störung der Homogenität der Bilder auftreten, wenn das Display aus den Sweet-Spots, den Bereichen übersprechungsfreien stereoskopischen Sehens, heraus betrachtet wird.In autostereoscopic displays, the light of the illumination device penetrates the following image matrix. The light is modulated for left sweet spots with the left images and for right sweet spots with the right images and focused on the corresponding eyes of the viewer. No crosstalk to the other eye or disturbance of the homogeneity of the images should occur when viewing the display from the sweet spots, the areas of non-stereoscopic vision.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung sind Displays, bei denen für Betrachter unterschiedliche Informationen dargestellt werden, wie etwa dem Fahrer eines Fahrzeugs, dem Informationen über die Strecke eingeblendet werden, während sein Beifahrer einen Film sieht. Stand der TechnikAn important field of application of the invention are displays in which different information is displayed to viewers, such as the driver of a vehicle who is shown information about the route while his passenger sees a movie. State of the art
Die Abbildungsmatrix der autostereoskopischen Displays wird in der Regel als Lentikular mit einfachen sphärischen Lentikeln realisiert und dabei häufig in der Literatur sowie in einer Vielzahl von Erfindungen genannt. Im Weiteren ist eine Vielzahl konstruktiver Gestaltungsformen von Lentikeln in Lentikularen beziehungsweise eine Kombination mit Prismenelementen bekannt. DE 297 10 551 U1 beschreibt eine autostereoskopische Anordnung zur dreidimensionalen Darstellungen von Informationen mit einem Farbdisplay. Vor dem Farbdisplay ist eine seitlich verschiebbare Prismenmaske angeordnet, wobei die Prismenmaske je Bildspalte einen Prismenkeil aufweist, der der Breite der Bildspalten entspricht und dessen Winkel so gewählt ist, dass die linken Spalten des Displays vom linken und die rechten Spalten vom rechten Auge gesehen werden.The imaging matrix of the autostereoscopic displays is usually realized as a lenticular with simple spherical lenticles and is often mentioned in the literature and in a variety of inventions. In addition, a variety of structural design forms of lenticles in lenticular or a combination with prism elements is known. DE 297 10 551 U1 describes an autostereoscopic arrangement for the three-dimensional representation of information with a color display. A laterally displaceable prism mask is arranged in front of the color display, wherein the prism mask has a prism wedge corresponding to the width of the image columns and whose angle is selected so that the left columns of the display are seen from the left and the right columns from the right eye.
In US 3740119 A sind in einem Projektionsapparat mit dem Ziel der Vervielfachung der Bilder und der gezielten Fokussierung Lentikular-Folien angeordnet, bei denen die bekannte sphärische oder zylindrische Linsenform der Lentikel mit zur Mittellinie symmetrischen Polygonzügen nachgebildet ist. Die aneinander angrenzenden Prismenflächen erzeugen je nach Prismenwinkel mehrere um einen Abstand verschobene Projektionen, wobei durch äquidistante Prismenwinkel äquidistante Bilder erzeugt werden.In US 3740119 A lenticular films are arranged in a projection apparatus with the aim of multiplying the images and the targeted focusing, in which the known spherical or cylindrical lens shape of the lenticule is modeled with symmetrical to the center line polygonal trains. Depending on the prism angle, the adjoining prism surfaces produce a plurality of projections displaced by a distance, equidistant images being produced by equidistant prism angles.
Im nachfolgenden wird der Stand der Technik für eine Beleuchtungseinrichtung für ein autostereoskopisches Display mit einer transmissiven Bildmatrix betrachtet.In the following, the prior art is considered for a lighting device for an autostereoscopic display with a transmissive image matrix.
Für die Abbildungsmatrix werden in der Regel Lentikulare mit sphärischen Lentikeln eingesetzt. An die Abbildungsmatrix werden umfangreiche Anforderungen gestellt, da diese Matrix wesentlich die Eigenschaften des Bildes in der Betrachterebene beeinflusst. Die Matrix ist maßgeblich für die vom Betrachter empfundene Qualität des Bildes und zum Beispiel die Helligkeitsverteilung verantwortlich. Die Helligkeitsverteilung im Bild hängt neben weiteren Faktoren davon ab, ob und wie es gelingt, die durch die Beleuchtungselemente der Beleuchtungsmatrix repräsentierten diskreten Lichtquellen in eine gleichmäßige Helligkeitsverteilung in der Betrachterebene überzuführen. Eine grundlegende Ausführung eines autostereoskopischen Displays ist in EP 0 691 000 B1 des Anmelders beschrieben. Das Display enthält ein optisches System zur zwei- und dreidimensionalen Darstellung von Informationen unter Verwendung einer Transmissions-Matrix, das für jeden Betrachter zugeordnete Bilder darstellt, sowie mindestens eine punkt- oder linienförmige Lichtquelle sowie eine Kollimations- und eine Fokussieroptik. Jedem Pixel des Transmissions-Displays ist je ein Prisma einer Prismenmaske und je ein Phasenelement einer Phasenmaske zugeordnet, wobei das den Bildern entsprechende Licht auf die jeweiligen Augen des oder der Betrachter abgelenkt und fokussiert ist.For the imaging matrix lenticular with spherical lenticles are usually used. Extensive requirements are placed on the imaging matrix, since this matrix substantially influences the properties of the image in the observer plane. The matrix is largely responsible for the perceived quality of the image and, for example, the brightness distribution. The brightness distribution in the image depends, among other factors, on whether and how it is possible to convert the discrete light sources represented by the illumination elements of the illumination matrix into a uniform brightness distribution in the observer plane. A basic embodiment of an autostereoscopic display is described in EP 0 691 000 B1 of the applicant. The display includes an optical system for two- and three-dimensional display of information using a transmission matrix representing images associated with each viewer, at least one point or line light source, and collimating and focusing optics. Each pixel of the transmission display is associated with a respective prism of a prism mask and a respective phase element of a phase mask, wherein the light corresponding to the images is deflected and focused on the respective eyes of the viewer.
DE 103 59 403 A1 des Anmelders beschreibt ein autostereoskopisches Multi-User- Display mit einer Sweet-Spot-Einheit. Das Display besteht aus einer Beleuchtungs¬ und einer Abbildungsmatrix mit einer Feldlinse. Die Abbildungsmatrix bildet die eingeschalteten Elemente der Beleuchtungsmatrix in geeignete Richtungen in den Raum vor dem Display ab und die nachfolgende Feldlinse fokussiert sie als Sweet- Spots auf die Augen von Betrachtern. Die Abbildungsmatrix umfasst zwei zueinander parallele, gleichgerichtete Einzel-Lentikulare. In einer weiteren Ausführungsform der Abbildungsmatrix wird ein Doppellentikular verwendet.DE 103 59 403 A1 of the applicant describes an autostereoscopic multi-user display with a sweet-spot unit. The display consists of a Beleuchtungs¬ and an imaging matrix with a field lens. The imaging matrix maps the turned-on elements of the illumination matrix in appropriate directions into the space in front of the display and the subsequent field lens focuses them as sweet spots on the eyes of viewers. The imaging matrix comprises two mutually parallel, rectified single lenticulars. In a further embodiment of the imaging matrix, a dual cell is used.
EP 0827350 A3 legt ein autostereoskopisches Display offen. Es besteht aus einer Lichtquelle zur Beleuchtung, einem flächenförmigen Leuchtkörper, und einer Trägermaske mit einer schachbrettartigen Anordnung von Öffnungen, sowie einem Linsenarray aus vertikalen zylindrischen Linsen (Halbzylindern) und einer transmissiven Bildmatrix. Hier dient das Linsenarray zur Lenkung des Lichtes der Öffnungen durch die transmissive Bildmatrix.EP 0827350 A3 discloses an autostereoscopic display. It consists of a light source for illumination, a planar luminous body, and a carrier mask with a checkerboard-like arrangement of openings, and a lens array of vertical cylindrical lenses (half-cylinders) and a transmissive image matrix. Here, the lens array serves to direct the light of the apertures through the transmissive image matrix.
EP0881844 B4 beschreibt eine weitere Anordnung eines autostereoskopischen Displays; die Abbildungsmatrix umfasst hier ein erstes Lentikular mit horizontalen halbzylinderförmigen Lentikeln, einen Diffusor und eine weitere Lentikularmaske mit horizontalen halbzylinderförmigen Lentikeln.EP0881844 B4 describes another arrangement of an autostereoscopic display; the imaging matrix here comprises a first lenticular with horizontal semicylindrical lenticles, a diffuser and another lenticular mask with horizontal semicylindrical lenticles.
EP1045596 A2 legt ein weiteres optisches System als Abbildungsmatrix offen; hier besteht die Matrix aus einem Array vertikal verlaufender zylindrischer Linsen und einem in Lichtrichtung nachfolgenden Array horizontal verlaufender zylindrischer Linsen. Die Linsen der Linsenarrays sind jeweils in einem zum Muster der Öffnungen des Shutters passenden Abstand ausgerichtet. Eine wichtige Anforderung an die Beleuchtungseinrichtung und insbesondere an die Abbildungsmatrix ist die möglichst homogene Ausleuchtung der Bildmatrix und des bevorzugten Sichtbarkeitsbereiches in der Betrachterebene; diese ist in den genannten Schriften nicht in einer wünschenswerten Weise verwirklicht. Die Ausrichtung der Strahlenbündel einzelner Lentikel zu lückenlos ausgeleuchteten Flächen in der Betrachter- oder Projektionsebene ist in den Schriften nicht näher dargestellt oder beschrieben, obwohl dies wesentlich die Qualität des sichtbaren Bildes in der Abbildung bestimmt.EP1045596 A2 discloses another optical system as an imaging matrix; Here, the matrix consists of an array of vertically extending cylindrical lenses and an array of horizontally extending cylindrical lenses in the light direction. The lenses of the lens arrays are each aligned in a matching the pattern of the openings of the shutter spacing. An important requirement for the illumination device and in particular for the imaging matrix is the most homogeneous possible illumination of the image matrix and of the preferred visibility region in the observer plane; this is not realized in the cited documents in a desirable manner. The alignment of the beams of individual lenticles to fully illuminated areas in the observer or projection plane is not shown or described in detail in the writings, although this significantly determines the quality of the visible image in the image.
Die Strahlenbündel sind nicht hinreichend mit Rücksicht auf getrennte diskrete Lichtquellen mit Bereichen geringerer Lichtdurchstrahlung ausgerichtet. Insbesondere erzeugen die Bilder dieser Bereiche im bevorzugten Sichtbarkeitsbereich Übergänge mit geringer Leuchtdichte, die somit vom Betrachter als unerwünschte schmale dunklere Linien, - als Zonen geringer Leuchtdichte - wahrnehmbar sind. Dies führt zu einer deutlich schlechteren Bildqualität. Um zu sichern, dass alle Punkte der Bildmatrix im bevorzugten Sichtbarkeitsbereich in der erforderlichen homogenen Helligkeit zu sehen sind, ist es notwendig, die von den Beleuchtungselementen erzeugten Strahlenbündel im Sichtbarkeitsbereich zu überlagern. Diese Überlagerung wird beziehungsweise kann in den oben genannten Lösungen mit zylindrischen, halbzylindrischen beziehungsweise sphärischen Lentikeln nicht hinreichend erreicht werden.The beams are not sufficiently aligned with areas of lesser radiance for discrete separate light sources. In particular, the images of these areas in the preferred visibility range produce transitions with low luminance, which are thus perceived by the viewer as unwanted narrow darker lines, as zones of low luminance. This leads to a significantly poorer image quality. In order to ensure that all points of the image matrix in the preferred visibility range can be seen in the required homogeneous brightness, it is necessary to superimpose the radiation beams generated by the illumination elements in the visibility region. This superposition is or can not be sufficiently achieved in the abovementioned solutions with cylindrical, semi-cylindrical or spherical lenticles.
Für eine Überlagerung des Strahlenganges wäre ein asphärisches Lentikel oder sogar ein asymmetrisches asphärisches Lentikel erforderlich. Asphärische und/oder asymmetrische Lentikel weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie insbesondere unter dem Aspekt der Miniaturisierung schwierig und in der Regel nur mit einem sehr hohen Aufwand zu produzieren sind. Im Zuge der fortschreitenden Verkleinerung der Lentikel ergibt sich die Gefahr, dass die Grenzen der kostengünstigen und prozesssicheren Fertigung der Lentikulare erreicht werden. Unter Beibehaltung der vorangestellten Aufgabenstellungen gilt es, ein Abbildungselement zu schaffen, welches die vorteilhaften optischen Eigenschaften eines asphärischen und/oder asymmetrischen Lentikels aufweist, einfach im Sinne von Fertigen und Justieren gestaltetet und überdies auch bei Miniaturisierung kostengünstig sowie prozesssicher herstellbar ist. Zusammenfassung der ErfindungFor an overlay of the beam path, an aspheric lenticle or even an asymmetric aspheric lenticle would be required. However, aspherical and / or asymmetric lenticules have the disadvantage that they are difficult to produce, and in general only with great effort, in particular in terms of miniaturization. In the course of the progressive reduction of the lenticules, there is the danger that the limits of cost-effective and process-reliable production of the lenticulars will be reached. While maintaining the preceding tasks, it is necessary to provide an imaging element which has the advantageous optical properties of an aspheric and / or asymmetric lenticule, designed simply in terms of manufacturing and adjustment and, moreover, cost-effective and reliable even in miniaturization. Summary of the invention
Die Lentikel-Prismen-Einheit insbesondere für autostereoskopische Displays enthält in seiner Grundform ein Lentikular mit mehreren aneinander angrenzenden parallelen Lentikeln in Form von Zylinderlinsen. Das Lentikular ist mit einer Prismenmaske kombiniert. Diese Maske enthält eine Vielzahl von Prismenmasken- Elementen, die aus Keilelementen aufgebaut sind. Je einem Lentikel sind mehrere Prismenmasken-Elemente zugeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind einem Lentikel Keilelemente sowie ein oder mehrere planparallele Elemente zugeordnet.The lenticule-prism unit, in particular for autostereoscopic displays, contains in its basic form a lenticular with several adjacent parallel lenticles in the form of cylindrical lenses. The lenticular is combined with a prismatic mask. This mask contains a plurality of prism mask elements that are constructed of wedge elements. There are several prism mask elements assigned to each lenticle. In a preferred embodiment, wedge elements and one or more plane-parallel elements are associated with a lenticle.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass ein asphärisches und/oder ein asymmetrisches Lentikel durch eine Kombination eines sphärischen Lentikels und der zugehörigen Prismenmasken-Elemente diskret approximiert ist. In einer ersten einfachen diskreten Approximation eines asphärischen Lentikels ist ein Lentikel mit einem planparallelen Element, welches im Zentrum der optischen Achse des Lentikels liegt und zwei daran anschließenden spiegelsymmetrischen Keilelementen kombiniert. Mit einer entsprechend hohen Anzahl der Prismenmasken-Elemente wird die Diskretisierung weiter verfeinert und die Approximation asymmetrischer beziehungsweise asphärischer Lentikel in einfacher Weise erzielt.The invention is based on the idea that an aspherical and / or an asymmetric lenticle is discreetly approximated by a combination of a spherical lenticle and the associated prism mask elements. In a first simple discrete approximation of an aspheric lenticle, a lenticle is combined with a plane-parallel element which lies in the center of the optical axis of the lenticle and two mirror-symmetric wedge elements adjoining it. With a correspondingly high number of prism mask elements, the discretization is further refined and the approximation of asymmetric or aspherical lenticles is achieved in a simple manner.
In einer ersten bevorzugen Ausführungsform liegt die Prismenmaske in der Ausbreitungsrichtung des Lichts vor dem Lentikular, wodurch sphärische Aberrationen vermindert werden und eine höhere Qualität der optischen Abbildung erzielt wird. Hier können das Lentikular und die Prismenmaske auf einer gemeinsamen Substratplatte aufgebracht sein. In einer weiteren Ausführung liegt die Prismenmaske hinter dem Lentikular und ist an der Seitenfläche des Lichtaustritts plan. Das Lentikular und die Prismenmaske liegen hier face-to-face, das heißt die Keilelemente und die Lentikel zeigen zueinander. Das Lentikular und die Prismenmaske können einander in einem oder mehreren Krümmungspunkten der Lentikel berühren und bilden so einen Verbundkörper.In a first preferred embodiment, the prism mask lies in the propagation direction of the light in front of the lenticular, whereby spherical aberrations are reduced and a higher quality of the optical imaging is achieved. Here, the lenticular and the prism mask can be applied to a common substrate plate. In a further embodiment, the prism mask is behind the lenticular and is flat on the side surface of the light exit. The lenticular and the prism mask are here face-to-face, that is, the wedge elements and the lenticules point to each other. The lenticular and the prismatic mask may contact each other at one or more points of curvature of the lenticules to form a composite body.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung insbesondere für ein autostereoskopisches Display mit einer transmissiven Bildmatrix. Die Beleuchtungseinrichtung enthält in der Ausbreitungsrichtung des Lichts im Detail eine Beleuchtungsmatrix und eine Abbildungsmatrix. Die Beleuchtungsmatrix enthält eine Vielzahl regelmäßig angeordneter Beleuchtungselemente. In einer einfachen Ausführungsform ist die Beleuchtungsmatrix aus einem Backlight als Lichtquelle und einem Shutter mit steuerbaren Öffnungen für die gesteuerte Lichtdurchstrahlung realisiert. Zwischen den Beleuchtungselementen, beziehungsweise den Öffnungen des Shutters liegen Bereiche geringerer Lichtdurchstrahlung, die beispielsweise aufgrund einer Verdrahtung konstruktiv bedingt sind. Die nachfolgende Abbildungsmatrix enthält ein Lentikular mit einer Vielzahl von Lentikeln in Form von Zylinderlinsen. Die Lentikel sind vorzugsweise parallel zu den Spalten oder Zeilen der Beleuchtungselemente ausgerichtet sind. Die Abbildungsmatrix fokussiert das Licht der Beleuchtungselemente so, dass die Bildmatrix und ein wählbarer bevorzugter Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene gerichtet ausgeleuchtet sind.Another aspect of the invention relates to a lighting device, in particular for an autostereoscopic display with a transmissive image matrix. The illumination device contains in the propagation direction of the light in detail an illumination matrix and an imaging matrix. The illumination matrix contains a multiplicity of regularly arranged illumination elements. In a simple embodiment, the illumination matrix is realized from a backlight as the light source and a shutter with controllable openings for the controlled transmission of light. Between the lighting elements, or the openings of the shutter are areas of lower light transmission, which are structurally conditioned, for example, due to wiring. The following imaging matrix contains a lenticular with a plurality of lenticles in the form of cylindrical lenses. The lenticules are preferably aligned parallel to the columns or rows of the illumination elements. The imaging matrix focuses the light of the illumination elements such that the image matrix and a selectable preferred visibility region are directionally illuminated in the observer plane.
Die Abbildungsmatrix enthält die Lentikel-Prismen-Einheit. Die Prismenmasken- Elemente sind erfindungsgemäß derart ausgewählt und angeordnet, um im Sichtbarkeitsbereich die Bilder der Beleuchtungselemente gemäß der Anzahl der Prismenmasken-Elemente zu vervielfachen. Ferner sind die Prismenmasken- Elemente derart angeordnet, um diese vervielfachten Bilder so zu überlagern, dass eine nahezu homogene Verteilung der Leuchtdichte auf der Bildmatrix und im Sichtbarkeitsbereich entsteht.The imaging matrix contains the lenticule-prism unit. According to the invention, the prism mask elements are selected and arranged in such a way as to multiply the images of the illumination elements according to the number of prism mask elements in the visibility region. Furthermore, the prism mask elements are arranged so as to superimpose these multiplied images so that a nearly homogeneous distribution of the luminance on the image matrix and in the visibility region arises.
Bei erfindungsgemäßer Anordnung entsteht von einem Beleuchtungselement im bevorzugten Sichtbarkeitsbereich eine entsprechend der Anzahl der Prismenmasken-Elemente vervielfachte Anzahl zugehöriger Bilder. Diese Bilder sind jeweils durch die entsprechenden zugehörigen trapezförmigen Leuchtdichteverteilungen gekennzeichnet. Diese Leuchtdichteverteilungen sind jeweils zueinander überlappend versetzt, um in der Überlagerung dieser seitlich versetzten Trapeze eine verbreiterte homogenisierte Leuchtdichte bewirken.In the arrangement according to the invention, a number of associated images multiplied by a number of prism mask elements corresponding to the number of prism mask elements is produced by a lighting element in the preferred visibility range. These images are each identified by the corresponding associated trapezoidal luminance distributions. These luminance distributions are offset in each case overlapping one another in order to effect a broadened homogenized luminance in the superposition of these laterally offset trapezoids.
Die resultierende Leuchtdichte eines Beleuchtungselements ist somit deutlich verbreitert, so dass folglich die Bilder mehrerer, einem Lentikel zugeordneter Beleuchtungselemente überlappt sind. Lateral benachbarte Beleuchtungselemente erzeugen im Sichtbarkeitsbereich die genannten verbreiterten trapezförmigen Verteilungen der Leuchtdichte. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung sind deren Randbereiche jeweils überlappt.The resulting luminance of a lighting element is thus significantly widened, so that consequently the images of a plurality of lighting elements associated with a lenticle are overlapped. Lateral adjacent lighting elements In the field of visibility, they generate the mentioned widened trapezoidal distributions of the luminance. With the arrangement according to the invention, their edge regions are each overlapped.
Die genannten trapezförmigen Verteilungen sind jeweils aus einem Rechteck der idealen Verteilung des Strahlenbündels sowie aus abfallenden Randbereichen gekennzeichnet, die durch die realen optischen Eigenschaften des Lentikels und der Prismenmasken-Elemente bedingt sind. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung und Ausrichtung sind die genannten Randbereiche der einzelnen Leuchtdichteverteilungen im Sichtbarkeitsbereich überlagert, wobei dem Gedanken der Erfindung folgend in einer inversen Betrachtung aus diesen erforderlichen Überlagerungen der Leuchtdichteverteilung - pro Beleuchtungselement und lateral benachbarten Elementen - sowie aus einer festgelegten Geometrie dieser Beleuchtungselemente die Anordnung der Lentikel und Prismenmasken-Elemente und insbesondere die Ausrichtung der Keilelemente festgelegt ist. Mit der erzielten Überlagerung dieser Randbereiche der Bilder der Beleuchtungselemente entsteht an diesen Übergängen eine nahezu homogene resultierende Verteilung der Leuchtdichte. Somit ergibt sich im Sichtbarkeitsbereich sowie auf der Bildmatrix eine nahezu homogene Ausleuchtung. Die dunkleren Bereiche zwischen den Bildern der Beleuchtungselemente sind nahezu beseitigt und die Qualität der Bilddarstellung ist für den Betrachter sichtbar erhöht. Die resultierende Leuchtdichteverteilung ist bei einer weiteren Unterteilung der Prismenmaske im Sinne einer Approximation eines asphärischen Lentikels nachhaltig verbessert. Die Approximation gilt ebenso für ein asymmetrisches Lentikel. Gegebenenfalls kann es notwendig sein, auf planparallele Elemente zu verzichten.The said trapezoidal distributions are each characterized by a rectangle of the ideal distribution of the beam and of sloping edge regions, which are due to the real optical properties of the lenticule and the prism mask elements. With the arrangement and alignment according to the invention, the above edge regions of the individual luminance distributions are superimposed in the visibility region, the concept of the invention following an inverse consideration of these required overlays of the luminance distribution per illumination element and laterally adjacent elements as well as of a fixed geometry of these illumination elements the lenticule and prism mask elements and in particular the orientation of the wedge elements is fixed. With the achieved superimposition of these edge regions of the images of the illumination elements, a nearly homogeneous resulting distribution of the luminance arises at these transitions. Thus, in the visibility range as well as on the image matrix results in a nearly homogeneous illumination. The darker areas between the images of the lighting elements are almost eliminated and the quality of the image display is visibly increased for the viewer. The resulting luminance distribution is sustainably improved in a further subdivision of the prism mask in the sense of an approximation of an aspherical lenticle. The approximation also applies to an asymmetric lenticle. If necessary, it may be necessary to dispense with plane-parallel elements.
Die erfindungsgemäß ausgeführte Lentikel-Prismen-Einheit ist ebenso vorteilhaft in bekannten doppelten Anordnungen von Lentikularen mit gleich- oder gegensinnig gerichteten Scheitelpunkten und ebenso in gekreuzt angeordneten Lentikularen einsetzbar. Die Lentikel-Prismen-Einheit kann mit weiteren optischen Elementen, beispielsweise einer Feldlinse, kombiniert sein. Kurze Beschreibung der FigurenThe inventively embodied lenticule prism unit is also advantageously used in known double arrays of lenticular with equally or oppositely directed vertices and also in crossed lenticulars. The lenticule-prism unit can be combined with other optical elements, for example a field lens. Brief description of the figures
Die folgenden Figuren erläutern Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lentikel-Prismen-Einheit sowie der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung als Bestandteil eines autostereoskopischen Displays und zeigen inThe following figures illustrate embodiments of the inventive lenticule prism unit and the illumination device according to the invention as part of an autostereoscopic display and show in
Fig. 1 einen Ausschnitt der Beleuchtungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Lentikel-Prismen-Einheit und eine schematische Darstellung der Verteilung der Strahlenbündel für ein Beleuchtungselement;1 shows a detail of the illumination device with a lenticular prism unit according to the invention and a schematic representation of the distribution of the radiation beams for a lighting element;
Fig. 2 eine zur Fig. 1 analoge Einrichtung und deren Strahlenverlauf jedoch für drei benachbarte Beleuchtungselemente;FIG. 2 shows a device analogous to FIG. 1 and its beam path, however, for three adjacent illumination elements; FIG.
Fig. 3a einen Ausschnitt eines Verbundbauteils als vorzugsweise Gestaltungen der Kombination des Lentikulars und der Prismenmaske; sowie3a shows a section of a composite component as preferred embodiments of the combination of the lenticular and the prism mask; such as
Fig. 3b und Fig. 4 weitere Ausführungsformen der Kombination des Lentikulars und der Prismenmaske.FIGS. 3b and 4 show further embodiments of the combination of the lenticular and the prism mask.
Die Detaildarstellungen der Lentikel-Prismen-Einheit in Fig. 3a, Fig. 3b und Fig. 4 und die Zuordnung der Prismenmasken-Elemente beziehen sich auf ein Lentikel. Die Ausbreitungsrichtung des Lichts ist in diesen Figuren durch einen Pfeil veranschaulicht.The detailed representations of the lenticule-prism unit in FIGS. 3 a, 3b and 4 and the assignment of the prism mask elements relate to a lenticle. The propagation direction of the light is illustrated by an arrow in these figures.
Die erfindungsgemäße Lentikel-Prismen-Einheit wird nachfolgend insbesondere für ein autostereoskopisches Display erläutert. In Lichtrichtung enthält das Display in einem ersten Teil eine Beleuchtungsmatrix 7 mit einer Vielzahl steuerbarer lichtdurchstrahlter Beleuchtungselemente. Die Beleuchtungsmatrix 7 ist hier beispielgebend nicht selbstleuchtend realisiert, sondern besteht aus Backlight 1 als Lichtquelle und einem eine Vielzahl matrixförmig angeordneter Öffnungen 21 aufweisenden Shutter 2 für die gesteuerte Lichtdurchstrahlung. Es folgt eine Abbildungsmatrix 8 aus einem Lentikular LM mit einer Vielzahl von Lentikeln L. In dieser Ausführungsform sind die Lentikel jeweils parallel zu den Spalten oder Reihen der Öffnungen 21 des Shutters 2 ausgerichtet. Durch die Matrix 8 ist das Licht dieser Öffnungen 21 so fokussiert, dass eine nachfolgende transmissive Bildmatrix 5 und ein wählbarer bevorzugter Sichtbarkeitsbereich 6 in der Betrachterebene 9 gerichtet ausgeleuchtet sind.The lenticule-prism unit according to the invention is explained below, in particular for an autostereoscopic display. In the light direction, the display contains in a first part a lighting matrix 7 with a plurality of controllable light-transmitting illumination elements. The illumination matrix 7 is exemplary here not self-luminous realized, but consists of backlight 1 as a light source and a plurality of matrix-shaped arranged openings 21 having shutter 2 for the controlled light transmission. It follows one Imaging matrix 8 of a lenticular LM with a plurality of lenticules L. In this embodiment, the lenticules are each aligned parallel to the columns or rows of the openings 21 of the shutter 2. Through the matrix 8, the light of these apertures 21 is focused so that a subsequent transmissive image matrix 5 and a selectable preferred visibility region 6 in the observer plane 9 are suitably illuminated.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt der Beleuchtungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Lentikel-Prismen-Einheit und eine schematische Darstellung der Verteilung der Strahlenbündel für eine Öffnung 21 des Shutters 2. Die Abbildungsmatrix 8 umfasst hier eine Kombination eines Lentikulars LM und einer Prismenmaske PM. Die Prismenmaske PM ist hier in der Ausbreitungsrichtung des Lichtes dem Lentikular LM nachfolgend angeordnet. Die Prismenmaske PM enthält eine Vielzahl von Keilementen und planparallelen Elementen, wobei mehrere Prismenmasken-Elemente K1 ,K2,..,P1 ,P2,.. jeweils einem Lentikel L zugeordnet sind.1 shows a detail of the illumination device with a lenticular prism unit according to the invention and a schematic illustration of the distribution of the radiation beams for an opening 21 of the shutter 2. The imaging matrix 8 here comprises a combination of a lenticular LM and a prism mask PM. The prism mask PM is here arranged in the propagation direction of the light following the lenticular LM. The prism mask PM contains a multiplicity of wedge elements and plane-parallel elements, wherein a plurality of prism mask elements K1, K2,..., P1, P2,... Are each assigned to a lenticle L.
Die Lentikel-Prismen-Einheit realisiert in dieser schematisierten Ausführung eine einfache Form der diskreten Approximation eines asphärischen Lentikels. Eine weiterführende Detaildarstellung der Lentikel-Prismen-Einheit zeigt Fig. 3.The lenticule prism unit realizes in this schematic embodiment a simple form of discrete approximation of an aspherical lenticle. A further detailed representation of the lenticule prism unit is shown in FIG. 3.
Einem Lentikel L ist in diesem Ausführungsbeispiel ein im Zentrum der optischen Achse des Lentikels L liegendes planparalleles Element P1 sowie zwei spiegelsymmetrisch angeordnete winkelgleiche Keilelemente K1 und K2 zugeordnet. Die Keilelemente K1 und K2 liegen am Rand der Lentikel. Die Prismenmasken- Elemente K1 ,K2,P1 teilen hier die Apertur des Lentikels L in drei gleich lange Intervalle. Die Keilelemente K1.K2 sind den Lentikeln L face-to-face zugewandt. Das Lentikular LM ist an seiner Lichteintrittseite und die Prismenmaske PM an ihrer Lichtaustrittseite plan.A lenticle L in this embodiment, a lying in the center of the optical axis of the lenticle L plane-parallel element P1 and two mirror-symmetrically arranged angle-like wedge elements K1 and K2 assigned. The wedge elements K1 and K2 are located at the edge of the lenticule. The prism mask elements K1, K2, P1 here divide the aperture of the lenticle L into three equally long intervals. The wedge elements K1.K2 face the lenticules L face-to-face. The lenticular LM is planar at its light entry side and the prism mask PM at its light exit side.
Die in der Figur senkrecht schraffierte Fläche zeigt beispielgebend die Verteilung des Strahlenbündels B2 von der mittleren Öffnung 21 des Shutters 2 durch das Lentikel L und das planparallele Element P1 der Prismenmaske PM bis in die Betrachterebene 9. Mit den Basispunkten des Trapezes B-B' ist die zugehörige Verteilung der Leuchtdichte V12 im Sichtbarkeitsbereich 6 in der Betrachterebene 9 dargestellt. Diese trapezförmige Verteilung ist durch ein Rechteck der idealen Verteilung des Strahlenbündels und durch verwaschene Randbereiche gekennzeichnet, die durch die realen optischen Eigenschaften des Lentikels und der Prismenmasken-Elemente bedingt sind.The surface which is hatched vertically in the figure shows, by way of example, the distribution of the beam B2 from the central opening 21 of the shutter 2 through the lenticle L and the plane-parallel element P1 of the prism mask PM up to the observer plane 9. The basis points of the trapezoid BB 'are the associated one Distribution of the luminance V12 in the visibility region 6 in the observer plane 9 shown. This trapezoidal distribution is characterized by a rectangle of the ideal distribution of the beam and by faded edge areas, which are due to the real optical properties of the lenticule and the prism mask elements.
Die überlagerten Strahlenbündel B1 und B3 der Keilelemente K1 und K2 sind in der Figur schräg schraffiert dargestellt. Das Strahlenbündel B1 verläuft hier durch das (in der Figur oben liegende) Keilelement K1 und liefert in der Betrachterebene 9 den zugehörigen Verlauf der Leuchtdichteverteilung V11. Das erzielte Trapez der Leuchtdichteverteilung V11 ist in der Figur durch die Basispunkte A-A' gekennzeichnet. Analog kennzeichnen die Basispunkte C-C das Trapez der Leuchtdichte V13, die aus dem Strahlenbündel B3 für das unten liegende Keilelement K2 folgt.The superimposed beams B1 and B3 of the wedge elements K1 and K2 are shown obliquely hatched in the figure. Here, the beam B1 passes through the wedge element K1 (in the figure above) and supplies in the observer plane 9 the associated profile of the luminance distribution V11. The obtained trapezoid of the luminance distribution V11 is indicated in the figure by the base points A-A '. Analogously, the base points C-C mark the trapezium of the luminance V13, which follows from the beam B3 for the wedge element K2 lying below.
In der Betrachterebene 9 resultiert die Überlagerung der Leuchtdichten V11 bis V13 in der gestrichelt dargestellten Leuchtdichte V. Durch die entstehende Vervielfachung der Anzahl der Bilder, welche erfindungsgemäß der Anzahl der Prismenmasken- Elemente (hier K1 +K2+P1=3) gleicht, sowie durch die seitliche überlappte Verschiebung der Bilder wird ein verbreiterter homogener Bereich der resultierenden Verteilung der Leuchtdichte V erzeugt. Wie aus der Figur ersichtlich verläuft der resultierende Bereich der Leuchtdichte V mit seinen abfallenden Randbereichen zwischen den Basispunkten A und C entsprechend verbreitert.In the observer plane 9, the superimposition of the luminance V11 to V13 results in the luminance V shown by dashed lines. Due to the resulting multiplication of the number of images, which according to the invention the number of prism mask elements (here K1 + K2 + P1 = 3) is equal, and by the lateral overlapped shift of the images produces a broadened homogeneous region of the resulting luminance distribution V. As can be seen from the figure, the resulting region of the luminance V widened correspondingly with its sloping edge regions between the base points A and C.
Fig. 2 zeigt bei einer zu Fig. 1 analogen Einrichtung eine schematische Darstellung der Verteilung der Strahlenbündel ausgehend von drei benachbarten Öffnungen 21 des Shutters 2 durch das Lentikular LM und die Prismenmaske PM bis zu den Bildern der Öffnungen 21 im bevorzugten Sichtbarkeitsbereich 6 der Betrachterebene 9. Diese drei Öffnungen 21 sind dem gleichen Lentikel L zugeordnet.FIG. 2 shows in a device analogous to FIG. 1 a schematic representation of the distribution of the beam bundles starting from three adjacent openings 21 of the shutter 2 through the lenticular LM and the prism mask PM up to the images of the openings 21 in the preferred visibility area 6 of the observer plane 9 These three openings 21 are assigned to the same lenticle L.
Im Sichtbarkeitsbereich 6 ergeben die Bilder der drei Öffnungen 21 die zu den Öffnungen zugehörigen Verläufe V1 bis V3 der zuvor in Fig. 1 erläuterten verbreiterten Leuchtdichten als Resultierende jeweils von V11 bis V13. Die Kombination des Lentikulars LM und der Prismenmaske PM und die Anordnung sowie Ausrichtung der Prismenmasken-Elemente K1 ,K2,P1 bewirkt die überlappten abfallenden Randbereiche der Leuchtdichte V1 bis V3. Der Verlauf der Strahlbündel durch das Lentikel L und die zugehörigen Prismenmasken-Elemente K1 ,K2,P1 ist so gelenkt, dass sich die abfallenden Randbereiche der Bilder V1 bis V3 der drei Öffnungen 21 überlagern. Die in der Figur gestrichelt dargestellte Linie zeigt den aus der Überlagerung von V1 bis V3 resultierenden homogenisierten Verlauf V der Leuchtdichte. Die resultierende Verteilung der Leuchtdichte V ist so nur noch durch einen sehr geringen Abfall der Leuchtdichte im Bereich der überlagerten Randbereiche gekennzeichnet. So entsteht aufgabengemäß eine nahezu homogene resultierende Verteilung V der Leuchtdichte im gesamten bevorzugten Sichtbarkeitsbereich 6. Auf dem Display und im Sichtbarkeitsbereich wird eine nahezu homogene Ausleuchtung erzielt. Die dunkleren Bereiche zwischen den Bildern der Öffnungen sind annähernd beseitigt und die Qualität der Bilddarstellung ist für den Betrachter sichtbar erhöht.In the visibility region 6, the images of the three openings 21 yield the profiles V1 to V3 associated with the openings of the broadened luminances previously explained in FIG. 1 as resultant from V11 to V13, respectively. The combination of the lenticular LM and the prism mask PM and the arrangement and orientation of the prism mask elements K1, K2, P1 causes the overlapped ones sloping edge regions of the luminance V1 to V3. The course of the ray bundles through the lenticle L and the associated prism mask elements K1, K2, P1 is directed so that the sloping edge regions of the images V1 to V3 of the three openings 21 overlap. The dashed line in the figure shows the resulting from the superposition of V1 to V3 homogenized curve V of the luminance. The resulting distribution of the luminance V is thus characterized only by a very small decrease in the luminance in the region of the superimposed edge regions. Thus, according to the object, an almost homogeneous resulting distribution V of the luminance in the entire preferred visibility range 6 is achieved. On the display and in the visibility range, an almost homogeneous illumination is achieved. The darker areas between the images of the openings are almost eliminated and the quality of the image display is visibly increased for the viewer.
Fig. 3a zeigt einen Ausschnitt einer vorzugsweisen Gestaltung der Kombination des Lentikulars LM und der Prismenmaske PM als Verbundbauteil. Die Figur zeigt ein einzelnes Lentikel L und die zugehörigen kombinierten Prismenmasken-Elemente der Lentikel-Prismen-Einheit L,K1 ,K2,P1. Die Ausbreitungsrichtung des Lichts ist in dieser und den nachfolgenden Figuren durch einen Pfeil veranschaulicht. Hier ist die Anzahl der Prismenmasken-Elemente K1 ,K2,P1 sowie deren Anordnung analog zu Fig. 1 und Fig. 2 übernommen. Zwei Keilelemente K1 ,K2 sind ebenfalls den Lentikeln L face-to-face zugewandt, wobei das Lentikular LM an seiner Lichteintrittseite und die Prismenmaske PM an ihrer Lichtaustrittseite plan sind. Das Lentikel und die Prismenmaske PM sind an den Berührungspunkten der Lentikel L und der Keilelemente K1 ,K2 verklebt und formen so einen Verbundbauteil aus. Dieser Verbundbauteil weist eine hohe Formstabilität auf. Seine einfache Handhabbarkeit erlaubt eine rationelle sowie prozesssichere Fertigung und Montage in hohen Stückzahlen.3a shows a section of a preferred embodiment of the combination of the lenticular LM and the prism mask PM as a composite component. The figure shows a single lenticle L and the associated combined prism mask elements of the lenticule-prism unit L, K1, K2, P1. The propagation direction of the light is illustrated in this and the following figures by an arrow. Here, the number of prism mask elements K1, K2, P1 and their arrangement is adopted analogously to FIGS. 1 and 2. Two wedge elements K1, K2 are also facing the lenticules L face-to-face, with the lenticular LM at its light entrance side and the prism mask PM at its light exit side being flat. The lenticule and the prism mask PM are bonded at the points of contact of the lenticules L and the wedge elements K1, K2 and thus form a composite component. This composite component has a high dimensional stability. Its easy handling allows a rational and process-safe production and assembly in high quantities.
Fig. 3b zeigt in einer aus Fig. 3a abgeleiteten Anordnung eine weitere Gestaltung der Lentikel-Prismen-Einheit. Hier ist die Prismenmaske PM in der Ausbreitungsrichtung des Lichts vor dem Lentikular LM angeordnet. Diese besonders bevorzugte Ausführungsform vermindert sphärische Aberrationen und erzielt eine höhere Qualität der optischen Abbildung.FIG. 3 b shows a further configuration of the lenticule-prism unit in an arrangement derived from FIG. 3 a. Here, the prism mask PM is arranged in the propagation direction of the light in front of the lenticular LM. This most preferred Embodiment reduces spherical aberrations and achieves a higher quality of optical imaging.
Fig. 4 veranschaulicht mit der Kombination des Lentikels L und der Prismenmasken- Elemente die Approximation eines asymmetrischen Lentikels. Einem Lentikel L sind hier drei Keilelemente K1 ,K2,K3 sowie ein planparalleles Element P1 zugeordnet. Zur gewünschten Approximation weisen die Keilelemente K1 bis K3, wie gezeigt, eine unterschiedliche Größe und Winkelausrichtung auf. Hierbei ist es denkbar, auf das planparallele Element P1 zu verzichten, so dass die Prismenmaske ausschließlich durch Keilelemente realisiert ist. 4 illustrates the approximation of an asymmetric lenticle with the combination of the lenticule L and the prism mask elements. A lenticle L is here associated with three wedge elements K1, K2, K3 and a plane-parallel element P1. For the desired approximation, the wedge elements K1 to K3, as shown, have a different size and angular orientation. It is conceivable to dispense with the plane-parallel element P1, so that the prism mask is realized exclusively by wedge elements.

Claims

Patentansprüche claims
1. Lentikel-Prismen-Einheit, insbesondere für ein autostereoskopisches Display, die ein Lentikular mit einer Vielzahl von Lentikeln in Form von Zylinderlinsen sowie eine Prismenmaske (PM) aus parallel zu den Lentikeln (L) des Lentikulars angeordneten Prismenmasken-Elemente enthält, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einem Lentikel (L) mehrere Prismenmasken-Elemente zugeordnet sind, wobei die Kombination des Lentikels (L) und der zugehörigen Prismenmasken- Elemente ein asphärisches und/oder asymmetrisches Lentikel diskret approximiert.1. Lenticular prism unit, in particular for an autostereoscopic display, which contains a lenticular with a plurality of lenticles in the form of cylindrical lenses and a prism mask (PM) arranged parallel to the lenticules (L) of the lenticular prismatic mask elements, characterized in that in each case a plurality of prism mask elements are assigned to one lenticle (L), wherein the combination of the lenticle (L) and the associated prism mask elements discretely approximates an aspheric and / or asymmetric lenticle.
2. Lentikel-Prismen-Einheit bei der die Prismenmasken-Elemente sowohl Keilelemente(K1 , K2,..) als auch planparallele Elemente (P1 , P2,..) sind.2. lenticule prism unit in which the prism mask elements both wedge elements (K1, K2, ..) and plane-parallel elements (P1, P2, ..) are.
3. Lentikel-Prismen-Einheit nach Anspruch 1 bei der die Prismenmaske (PM) je ein im Bereich der optischen Achse des zugehörigen Lentikels (L) verlaufendes zentrales planparalleles Element (P 1) aufweist.3. Lenticular prism unit according to claim 1, wherein the prism mask (PM) has a central plane-parallel element (P 1) extending in the region of the optical axis of the associated lenticle (L).
4. Lentikel-Prismen-Einheit nach Anspruch 1 bei der die Prismenmasken- Elemente (K1 , K2,..,P1 ,P2,..) symmetrisch um die optische Achse des zugehörigen Lentikels (L) angeordnet sind.4. lenticule prism unit according to claim 1, wherein the prismatic mask elements (K1, K2, .., P1, P2, ..) are arranged symmetrically about the optical axis of the associated lenticle (L).
5. Lentikel-Prismen-Einheit nach Anspruch 1 bei sich das Lentikular (LM) und die Prismenmaske (PM) in einem oder mehreren Krümmungspunkten der Lentikel (L) berühren.5. The lenticule prism unit according to claim 1 in which the lenticular (LM) and the prism mask (PM) in one or more points of curvature of the lenticule (L) touch.
6. Lentikel-Prismen-Einheit nach Anspruch 1 bei der das Lentikular (LM) und die Prismenmaske (PM) ein gemeinsames Element sind.The lenticule-prism unit of claim 1 wherein the lenticular (LM) and prismatic mask (PM) are a common element.
7. Beleuchtungseinrichtung für ein autostereoskopisches Display mit einer Lentikel-Prismen-Einheit nach Anspruch 1x die in Ausbreitungsrichtung des Lichtes eine Beleuchtungsmatrix (7) mit einer Vielzahl regelmäßig angeordneter Beleuchtungselemente (21) sowie eine Lentikel-Prismen-Einheit (8) enthält, wobei durch die Lentikel-Prismen-Einheit (8) das Licht dieser Beleuchtungselemente (21) so fokussiert ist, dass eine nachfolgende transmissive Bildmatrix (5) und ein wählbarer bevorzugter Sichtbarkeitsbereich (6) in der Betrachterebene (9) gerichtet ausgeleuchtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenmasken- Elemente (K1 ,K2,..,P1 ,P2,..) derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass im Sichtbarkeitsbereich (6) eine nahezu homogene Leuchtdichteverteilung entsteht.7. lighting device for an autostereoscopic display with a lenticular prism unit according to claim 1 x in the propagation direction of the light, a lighting matrix (7) with a plurality of regularly arranged lighting elements (21) and a lenticular prism unit (8), wherein by the lenticule prism unit (8) the light of these lighting elements (21) is focused such that a subsequent transmissive image matrix (5) and a selectable preferred visibility region (6) are suitably illuminated in the observer plane (9), characterized in that the prism mask elements (K1, K2, .., P1, P2, ..) are arranged and aligned such that in the visibility region (6) a nearly homogeneous luminance distribution is formed.
8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 7, bei der die Prismenmasken- Elemente je Lentikel im Sichtbarkeitsbereich eine der Anzahl dieser Prismenmasken- Elemente (K1 ,K2,.., P1 ,P2,..) entsprechende vervielfachte Anzahl der Bilder mit deren Leuchtdichteverteilung (V11 mit A1A' bis V13 mit C1C) erzeugen und die Prismenmasken-Elemente derart angeordnet sind, dass sich diese seitlich verschobenen Bilder überlappen und eine resultierende, zum Bereich (A bis C) verbreiterte Leuchtdichteverteilung (V) entsteht.8. Lighting device according to claim 7, wherein the prism mask elements per lenticle in the visibility range corresponding to the number of these prism mask elements (K1, K2, .., P1, P2, ..) multiplied number of images with their luminance distribution (V11 with A 1 A 'to V13 with C 1 C) and the prism mask elements are arranged such that these laterally shifted images overlap and a resulting, to the range (A to C) widened luminance distribution (V) is formed.
9. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 8, bei der die Prismenmasken- Elemente (K1 ,K2,..,P1 ,P2,..) derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass sich die Bilder von lateral benachbarten, dem gleichen Lentikel (L) zugeordneten Beleuchtungselemente (21) jeweils an den abfallenden Randbereichen dieser verbreiterten Leuchtdichteverteilungen (V) überlagern und so im Sichtbarkeitsbereich (6) eine nahezu homogene Leuchtdichteverteilung entsteht.9. Lighting device according to claim 8, wherein the prism mask elements (K1, K2, .., P1, P2, ..) are arranged and aligned such that the images of laterally adjacent, the same lenticle (L) associated lighting elements (21) superimposed on the sloping edge regions of these widened luminance distributions (V) and thus in the visibility region (6) produces a nearly homogeneous luminance distribution.
10. Beleuchtungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, bei der aus den vorgegebenen Überlagerungen der Leuchtdichteverteilung (V) sowie aus einer festgelegten Geometrie der Beleuchtungselemente (21) die Anordnung und die Ausrichtung der Lentikel (L) und der Prismenmasken- Elemente (K1 ,K2,..,P1 ,P2,..) festgelegt ist.10. Lighting device according to one or more of claims 7 to 9, wherein from the predetermined overlays of the luminance distribution (V) and from a fixed geometry of the lighting elements (21), the arrangement and orientation of the lenticule (L) and the prism mask elements ( K1, K2, .., P1, P2, ..) is fixed.
11. Beleuchtungseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, die eine Kombination mehrerer Lentikulare (LM) und mehrerer Prismenmasken (PM) enthält. 11. Lighting device according to one or more of claims 7 to 10, which contains a combination of a plurality of lenticular (LM) and a plurality of prism masks (PM).
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