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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Darstellung
eines mehrdimensionalen Bilds oder Objekts, insbesondere zum stereoskopischen
Sehen oder zur dreidimensionalen Darstellung von Bildern auf Bildschirmen,
z. B. Flachbildschirmen, Monitoren, Displays.
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Üblicherweise
werden visuelle Informationen gegenwärtig mittels Elektronenstrahlröhre, Liquid Chrystal
Diplays (kurz LCD genannt) oder LCD Projektoren ausgegeben. Solche
2D-Displays können beim
Betrachter keinen räumlichen
Eindruck der dargestellten Objekte oder Bilder erzeugen. 3D Displays hingegen – wofür es bereits
verschiedene technische Ansätze
gibt – vermitteln
einen zusätzlichen
Tiefeneindruck und lassen die dargestellten Objekte plastisch und
somit sehr realitätsnah
erscheinen. 3D Displays spielen daher gegenwärtig dort eine Rolle, wo es
auf möglichst
realistische Wiedergabe ankommt.
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Die
technischen Lösungsansätze für 3D Displays
reichen vom stereoskopischen Ansatz, bei dem zwei Halbbilder erzeugt
werden, die über
verschiedene Bildtrennverfahren dem jeweiligen Auge zugeführt werden, über autostereoskopische
Verfahren, volumetrische Bildwiedergabe bis hin zur Holographie.
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Beispielsweise
wird beim stereoskopischen Ansatz die sogenannte Shutter-Technik
verwendet, ein Zeitmultiplex-Verfahren, bei welchem synchron mit
einer Halbbildfrequenz abwechselnd das rechte und das linke Brillenglas
eines Betrachters lichtundurchlässig
wird und synchron dazu rechte und linke Bilder sequentiell auf dem
Display oder Bildschirm erzeugt werden. Bei einem derartigen aktiven
System ist eine Leistungsversorgung erforderlich, die entweder einen
Kabelanschluß oder
den Einbau einer Batterie bedingt. Ein derartiges System ist beispielsweise
aus der
US 4,641,178 bekannt.
In der
US 4,623,219 ist
beispielsweise ein Display beschrieben, welches zur Trennung des
linken und des rechten Bildes zum stereoskopischen Sehen polarisiertes Licht
(horizontal, vertikal, zirkular) verwendet.
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Nachteilig
bei all den zum Stand der Technik bereits bekannten Systemen ist,
daß diese
für einen einzelnen
Arbeitsplatz ungeeignet sind. Insbesondere bei einfallendem Tageslicht
ist nur ein begrenzter Bildkontrast gegeben. Bei hellem, auf den
Bildschirm fallendem Sonnenlicht kann üblicherweise überhaupt kein
Bild mehr erkannt werden. Darüber
hinaus sind die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme hinsichtlich
der Filteranordnungen und der aktiven Brillen und deren Ansteuerung
sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Der
vorangemeldeten und nachveröffentlichten
Offenlegungsschrift
DE
100 05 335 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
mehrdimensionalen Darstellung eines Objektes zu entnehmen, sie sind ausschließlich auf
ein Projektionssystem bzw. ein Projektionsverfahren unter Verwendung
von unterschiedlichen Farbspektren gerichtet.
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Der
ebenso vorangemeldeten und nachveröffentlichten Offenlegungsschrift
DE 199 24 167 A1 ist
ausschließlich
ein Verfahren zur Aufzeichnung und Wiedergabe von Farbbildern zu
entnehmen, bei dem die Bilddaten mit Hilfe eines Projektionssystems auf
einen Schirm projiziert werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung zur
Darstellung eines mehrdimensionalen Bilds anzugeben, welche für den Einsatz
an einem einzelnen Display oder Bildschirm für mehrere Betrachter geeignet
ist.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur
Darstellung eines mehrdimensionalen Bilds mittels einer Anordnung,
bei dem das Bild mit einer Punktauflösung dargestellt wird, wobei
für jeden
Punkt des Bilds mindestens drei Farbpixel gebildet werden, deren
Licht mindestens einen Spektralbereich im sichtbaren Licht umfasst,
wobei mittels einer Filteranordnung für jedes Farbpixel aus dem Spektralbereich
mindestens zwei benachbarte, schmalbandige Bereiche ausgekoppelt
werden, die jeweils unterschiedliche Bildinformationen zum stereoskopischen
Sehen umfassen. Hierdurch wird für
jedes Halbbild – ein
linkes Halbbild und ein rechtes Halbbild für das linke bzw. das rechte
Auge eines Betrachters eine Darstellung aus Bildpunkten derart erzeugt,
daß je
Bildpunkt drei Farbpixel mit je zwei schmalbandigen Bereichen im sichtbaren
Bereich des Lichts generiert werden. Mit anderen Worten: Je Bildpunkt
werden 6 Farbpixel mit einem jeweils zugehörigen Spektralbereich erzeugt, die
alle im sichtbaren Bereich liegen. Dabei unterscheiden sich die
Spektralbereiche der sechs Farbpixel derart, daß jeweils zwei eng benachbart
sind und in den Wellenlängenbereichen
der drei Farbrezeptoren im menschlichen Auge und somit der drei
Primärfarben
rot, grün
und blau liegen.
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Mit
anderen Worten: Zur stereoskopischen Darstellung des Bilds werden
aus dem Spektralbereich des sichtbaren Lichts für eine einzelne Primärfarbe mittels
der Filteranordnung zwei besonders schmalbandige, benachbarte Bereiche
oder Teillichtbündel
ausgekoppelt, die jeweils eine Halbbildinformation und somit zusammen
die gesamte Bildinformation für
den betreffenden Bildpunkt und die betreffende Primärfarbe umfassen.
Die beiden schmalbandigen Bereiche je Primärfarbe repräsentieren dabei zwei Farbpixel.
Durch das Herausfiltern von zwei schmalbandigen Teillichtbündeln je
Primärfarbe
und je Bildpunkt wird das Umgebungslicht, beispielsweise Sonnenlicht,
besonders wirkungsvoll gedämpft. Durch
ein derartiges Verfahren, bei dem je Bildpunkt drei Primärfarben
mit je zwei benachbarten Spektralbereichen und somit sechs Spektralbereiche
je Bildpunkt auskoppelt werden, ist gegenüber der herkömmlichen
Projektionstechnik ein besonders einfaches durch die Filterstruktur
bedingtes passives Verfahren ermöglicht.
Eine aufwendige aktive Anordnung ist somit sicher vermieden. Darüber hinaus
ist durch eine höhere
Bildwechselfrequenz eine besonders flimmerfreie Darstellung des
Bildes ermöglicht. Die
Anordnung ist ferner für
jegliche Art von Monitoren, z. B. Flachbildschirme, LCD-Monitore,
TFT-Bildschirme, geeignet, da die Filteranordnung besonders einfach
integriert werden kann.
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Zweckmäßigerweise
wird als Filteranordnung ein Interferenzfilter verwendet. Hierdurch
ist die Kompatibilität
der Anordnung mit anderen, zukünftigen
Bildschirmtechnologien, z. B. in TV-Anwendungen (Fernsehsystemen),
gegeben. Ferner kann das Interferenzfilter in bereits heute bestehenden
Displays von Personalcomputern oder Laptops oder Workstations eingebaut
werden, so daß diese
für eine
mehrdimensionale Darstellung umgerüstet werden können. Darüber hinaus
ergibt sich bei einer Verwendung des 3D-Displays mit der bevorzugten
Filteranordnung für
herkömmliche
zweidimensionale Darstellungen die Möglichkeit, einen vergrößerten Farbraum
darzustellen.
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Vorteilhafterweise
werden mittels einer Brille mit unterschiedlichen, wellenlängenabhängigen Transmissionsfunktionen
ein Halbild für
das linke Auge und ein Halbild für
das rechte Auge zur steroskopischen Bilddarstellung ausgefiltert.
Hierdurch ist anstelle einer herkömmlichen, sehr aufwendigen
und kostenintensiven aktiven Brille eine passive Brille für den Betrachter
einsetzbar. Dabei umfaßt
die Transmissionsfunktion eines Glases die drei Spektralbereiche
von drei Farbrezeptoren für
ein Halbbild. Das andere Glas umfaßt die benachbarten schmalbandigen Bereiche
der drei Farbrezeptoren für
das andere Halbbild.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung zur
Darstellung eines mehrdimensionalen Bilds umfassend eine Bildschirmeinheit
zur Erzeugung des Bilds aus Bildpunkten mit einer Punktauflösung, wobei
jeder Bildpunkt mindestens drei Farbpixel umfaßt, und eine Lichtquelle mit
einem Spektralbereich im sichtbaren Wellenlängenbereich, wobei eine Filteranordnung
zur Auskopplung mindestens zweier benachbarter, schmalbandiger Bereiche
aus dem Spektralbereich je Farbpixel vorgesehen ist. Eine derartige
Anordnung weist einen besonders einfachen Aufbau auf. Aufwendige
aktive Systeme können
entfallen. Die beiden schmalbandigen Bereiche eines jeden Farbpixels
weisen zweckmäßigerweise
unterschiedliche Bildinformationen zum stereoskopischen Sehen auf. Somit
sind zum stereoskopischen Sehen zwei Halbbilder vorgesehen, wobei
jedes Halbbild eine der Kombinationen der drei benachbarten Spektralbereiche
mit drei Farbpixeln umfaßt.
Die jeweiligen drei Spektralbereiche je Halbbild haben unterschiedliche Wellenlängen, die
im Bereich der dominanten Erregung der drei Farbrezeptoren im menschlichen
Auge – rot,
grün, blau – liegen.
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Vorteilhafterweise
weist jeder schmalbandige Bereich eine Halbwertsbreite von kleiner
18 nm auf. Durch eine derartige Auskopplung von besonders schmalbandigen
Bereichen im Spektralbereich der drei Primärfarben ist eine besonders
hohe Farbsättigung
auf dem Bildschirm ermöglicht.
Einfallendes Umgebungslicht wird stark unterdrückt.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführung
ist durch eine in Interferenzfilter-Technik ausgeführte Filteranordnung
gegeben. Dabei ist das Interferenzfilter waben- oder maskenartig
ausgeführt.
Die Anzahl der Waben entspricht dabei der Anzahl der Punkte des
Bilds. Mit anderen Worten: Die Filteranordnung kann je nach Art
und Ausführung
aus einer Vielzahl von einzelnen Interferenzfiltern entsprechend
der Punktauflösung
ausgeführt
sein. Die hohe Trennschärfe
von Interferenzfiltern ermöglicht
eine besonders nahe benachbarte Wahl von Wellenlängenbereichen für die jeweiligen
Halbbilder ohne ein sogenanntes nachteiliges Überlappen der Wellenlängenbereiche.
Somit ist durch eine möglichst
hinreichende Annäherung
der Wellenlängenbereiche
eine nahezu identische Farbrezeptorerregung im linken und rechten
Auge des Betrachters ermöglicht,
wodurch wiederum eine weitgehend farbidentische Wiedergabe der beiden
Halbbilder ermöglicht
ist. Darüber
hinaus ermöglicht
die Transmissionsfunktion von Interferenzfiltern eine Unterdrückung von
Spektralbereichen des Tageslichts, die außerhalb der engen Transmissionsbereiche
des Interferenzfilters liegen. Somit wird eine störende Abschwächung des
Bildkontrasts sicher vermieden.
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Alternativ
können
anstelle eines Interferenzfilters Phosphore mit entsprechenden schmalbandigen
Emissionsbereichen verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise
ist eine Brille für
einen Betrachter vorgesehen, deren Gläser als dielektrische Interferenzfilter
ausgebildet sind, wobei die Gläser
unterschiedliche, wellenlängenabhängige Transmissionsfunktionen
in Abhängigkeit
von den schmalbandigen Bereichen zur stereoskopischen Bilddarstellung
mit einem Halbbild für
das linke Auge und einem Halbbild für das rechte Auge aufweisen.
D. h. die Transmissionsmaxima liegen bevorzugt bei den schmalbandigen
Bereichen der entsprechenden Halbbilder. Als Bildschirmeinheit ist
bevorzugtermaßen
ein Flachbildschirm, z. B. ein Flüssigkristall-Display oder ein
anderes Farb-Display, vorgesehen.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch
die Verwendung einer einfachen Filteranordnung zur Auskopplung von
schmalbandigen Wellenlängenbereichen
im Bereich der Primärfarben
die im Stand der Technik verwendeten Absorptionsfilter sowie besonders
aufwendige aktive Brillen entfallen können. Durch die Erfindung ist
ein besonders einfaches passives System mit Interferenzfiltern sowohl
auf Bildschirm- als auch auf Betrachterseite ermöglicht. Hierdurch können bereits
bestehende Systeme einfach ergänzt
oder umgerüstet
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläuter. Darin zeigen:
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1 schematisch
im Längsschnitt
eine Anordnung mit einer Bildschirmeinheit und einer Filteranordnung,
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2 schematisch
im Querschnitt die Anordnung gemäß 1,
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3 schematisch
die Bildschirmeinheit mit einer Punktauflösung in Draufsicht,
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4 schematisch
eine Brille, und
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5a, 5b ein
Diagramm mit den Transmissionskurven der Filteranordnung gemäß 1.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine Anordnung 1 zur Darstellung eines mehrdimensinalen
Bilds. Die Anordnung 1 umfaßt eine Bildschirmeinheit 2,
z. B. einen Flachbildschirm. Als Flachbildschirm dient beispielsweise ein
Flüssigkristall-Display (kurz LCD-Display
genannt), ein Plasma-Display oder ein anderes Farb-Display. Beispielhaft
ist in 1 schematisch im Längsschnitt als Bildschirmeinheit 2 ein
LCD-Display dargestellt. Im Gegensatz zu Plasma-Displays, deren
Zellen Licht aussenden, ist bei der als LCD-Display ausgeführten Bildschirmeinheit 2 eine Lichtquelle 4 als
Hintergrundbeleuchtung (kurz Backlight genannt) vorgesehen. Die
Bildschirmeinheit 2 umfaßt einen vertikalen und einen
horizontalen Polarisationsfilter 6 und eine zwischen den
beiden Polarisationsfiltern 6 angeordnete elektrooptische
Zelle 8. Die elektrooptische Zelle 8 umfaßt eine
Schicht Flüssigkristall-Moleküle und eine
Mehrzahl von Dünnfilm-Transistoren
(kurz TFTs genannt; TFT = Thin Film Transistors), welche zur Ansteuerung
einzelner Bildpunkte der Bildschirmeinheit 2 (auch Panel
genannt) dienen.
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Durch
die Anzahl der TFTs wird die Bildschirmauflösung oder Punktauflösung des
Bilds bewirkt, welches üblicherweise
je Bildpunkt drei Farbpixel im sichtbaren Bereich der Primärfarben
aufweist. Dazu wird das von der Lichtquelle 4 ausgesandte
Licht L mittels des ersten Polarisationsfilters 6 linear
polarisiert.
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Liegt
eine Spannung an den TFTs der elektrooptischen Zelle 8 an,
richten sich die Flüssigkristall-Moleküle aus.
Das Licht L der Lichtquelle 4 durchdringt die Bildschirmeinheit 2 in
Abhängigkeit
vom Grad der Drehung, welche durch die Flüssigkristall-Moleküle bewirkt
wird. Bei einer Drehung von 90° leuchtet
die Bildschirmeinheit 2 mit voller Intensität, bei 0° (= keine
Spannung) bleibt die Bildschirmeinheit 2 dunkel. Anstelle
eines LCD-Displays kann für
die Bildschirmeinheit 2 auch ein anderes Farb-Display mit
einer anderen Art der Bilderzeugung verwendet werden. Beispielsweise
kann auch eine Farbbildröhre
verwendet werden. Für
einen Einsatz derartiger Bildschirmeinheiten 2 als stereoskopischer
3D-Monitor weist die Bildschirmeinheit 2 eine Filteranordnung 10 auf.
Zum stereoskopischen Sehen ist eine Brille B für einen Betrachter 12 vorgesehen.
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In 2 ist
die Anordnung 1 mit der Bildschirmeinheit 2 und
der zugehörigen
Filteranordnung 10 schematisch im Querschnitt dargestellt.
Sechs Zellen Z1 bis Z6 der Bildschirmeinheit 2 sind zwei Bildpunkten
P und P', welche
unterschiedliche Bildinformationen zum stereoskopischen Sehen umfassen,
zugeordnet. Mittels der Filteranordnung 10 werden für jeden
Farbpixel R, G, B der Punkte P und P aus dem Spektralbereich des
Lichts L benachbarte, schmalbandige Bereiche R1, G1, G2 für den Punkt
P und R2, G2, B2 für
den Punkt P' ausgekoppelt.
Somit werden für
den Bildpunkt P als schmalbandige Bereiche R1, G1, B1 mit Bildinformationen
für das
Halbbild H1 und den korrespondierenden Bildpunkt P' die korrespondierenden,
eng benachbarten, schmalbandigen Bereiche R2, G2, B2 mit Bildinformationen
für das
Halbbild H2 erzeugt. Die beiden Bildpunkte P bzw. P' weisen somit für die einzelnen
Farbpixel R, G bzw. B unterschiedliche Bildinformationen in Form von
Halbbildern H1 (R1, G1, B1) und H2 (R2, G2, 82) zum stereoskopischen
Sehen auf. Somit umfaßt
jedes Halbbild H1 oder H2 eine Kombination der drei benachbarten
Wellenlängenbereiche
R1, G1, B1 bzw. R2, G2, B2 im Bereich der dominanten Erregung der
drei Farbrezeptoren im menschlichen Auge. D. h. die drei Farbpixel
R, G, B stellen die Farbrezeptoren oder Primärfarben T dar. Die beiden Halbbilder H1
und H2 ergeben dabei zusammen die gesamte Bildinformation für den betreffenden
Bildpunkt P. Je nach Art und Ausführung der Anordnung 1 kann
die Filteranordnung 10 in Form einer Maske auf die Bildschirmeinheit 2 aufgebracht
oder in diese integriert sein.
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Anstelle
einer Drei-Farbpixel-Auflösung
eines einzelnen Punktes P einer herkömmlichen Bildschirmeinheit
im Stand der Technik weist die Bildschirmeinheit 2 gemäß der vorliegenden
Erfindung durch die Filterfunktion der Filteranordnung 10 eine Sechs-Farbpixel-Auflösung 2 × R, G,
B je Bildpunkt (P(R1, G1, B1) und P'(R2, G2, B2)) auf, wie in 3 dargestellt.
Für eine
besonders hohe Trennschärfe der
schmalbandigen Bereiche R1, G1, B1, R2, G2, B2 ist als Filteranordnung 10 ein
Interferenzfilter vorgesehen. Durch die hohe Trennschärfe des
Interferenzfilters können
die schmalbandigen Bereiche R1 und R2, G1 und G2 bzw. B1 und B2
nahe beieinander gewählt
werden. Hierdurch ist wiederum eine besonders gute farbidentische
Wiedergabe ermöglicht. Durch
das Interferenzfilter werden darüber
hinaus die Spektralanteile des Tageslichts, welche außerhalb der
engen Transmissionsbereiche des Interferenzfilters liegen, ausgefiltert
und unterdrückt.
Dadurch wird eine störende
Abschwächung
des Bildkontrasts sicher vermieden. Das Interferenzfilter ist dabei
masken- oder wabenähnlich
ausgeführt.
D. h. durch Einfügen
oder Anbringen der Filteranordnung 10 in Form eines maskenartigen
Interferenzfilters werden je Bildpunkt P und P' drei schmalbandige Spektralbereiche R1,
G1, B1 bzw. R2, G2, B2 aus dem Spektralbereich des Lichts L herausgefiltert,
wobei eine Wabe oder eine Maske des Interferenzfilters einem Bildpunkt
P oder einem Farbpixel R, G, B zugeordnet ist.
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In 4 ist
die Brille B des Betrachters 12 dargestellt. Zum stereoskopischen
Sehen, d. h. zur Bildtrennung seitens des Betrachters 12,
umfaßt
die Brille B je Glas ein dielektrisches Interferenzfilter IF1 bzw.
IF2. Mittels der Interferenzfilter IF1 oder IF2, welche unterschiedliche,
wellenlängenabhängige Transmissionsfunktionen
T1 bzw. T2 in Abhängigkeit von
den schmalbandigen Bereichen R1, G1, B1 bzw. R2, G2, B2 aufweisen,
werden je Glas ein Halbbild H1 für
das linke Auge und ein Halbbild H2 für das rechte Auge des Betrachters 12 transmittiert. 5a, 5b zeigen
Transmissionskurven T1, T2 von Metall-Dielektrik-Interferenzfiltern.
Bei einer hinreichenden Annäherung
der Wellenlängenbereiche
R1 und R2, B1 und B2 bzw. G1 und G2 findet eine identische Farbrezeptorerregung
im linken und rechten Auge eines Betrachters 12 statt.
Die beiden Halbbilder H1 und H2 ergeben zusammen die gesamte Bildinformation
und ermöglichen
dem Betrachter 12 unabhängig
von seinem Standort, ein 3D-Objekt auf der Bildschirmeinheit 2 wahrzunehmen.
Somit können mehrere
Betrachter 12 mit zugehörigen
Brillen B gleichzeitig an der Bildschirmeinheit 2 ohne
komplexe Steuereinheiten arbeiten.
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Durch
eine derartige Anordnung 1 mit einer Bildschirmeinheit 2,
die die Filteranordnung 10 umfaßt, ist eine im Vergleich zum
Stand der Technik besonders einfache Ausführung eines 3D-Monitors mit einer
besonders hohen Farbtreue und einem hohen Farbkontrast auch bei
Tageslicht ermöglicht.
Dabei kann die Filteranordnung 10 nachträglich bei
bestehenden 2D-Monitoren nachgerüstet
werden, so daß diese
zu 3D-Monitoren aufgerüstet
werden. Ferner ist durch die passive Brille B mit den Interferenzfiltern IF1,
IF2 die Anordnung 1 für
eine Vielzahl von Betrachtern 12 geeignet. Ein aufwendige
Steuerung von aktiven Brillen, wie sie im Stand der Technik üblich ist,
wird sicher vermieden.