DE10145132B4

DE10145132B4 - Autostereoskopische Bildwiedergabeeinrichtung

Info

Publication number: DE10145132B4
Application number: DE10145132A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. Tzschoppe
Original assignee: NEWSIGHT GmbH
Current assignee: Newsight 07745 Jena De GmbH
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: DE10145132A1

Abstract

Autostereoskopische Bildwiedergabeeinrichtung, die die Umschaltung zwischen einem 2D- und einem 3D-Modus erlaubt, umfassend
– einen flächigen Lichtmodulator, der vorzugsweise als LC-Display ausgebildet ist,
– eine bifokale Fresnelzylinderlinse mit den Brennweiten f'₁ bzw. f'₂, zu denen jeweils eine Gruppe von Wirkflanken W₁ bzw. W₂ gehört, wobei f'₁≠f'₂ gilt,
– zwei Gruppen (L₁ und L₂) von jeweils mindestens zwei stabförmigen Lichtquellen, die parallel zu einer Vorzugsrichtung der Strukturen auf der Fresnelzylinderlinse ausgerichtet sind und die sich benachbart zu der Oberfläche der Fresnelzylinderlinse befinden, an der die Gruppen von Wirkflanken W₁ und W₂ ausgebildet sind,
– wobei im 3D-Modus mindestens zwei der stabförmigen Lichtquellen der Gruppe L₁ auf Grund der Gruppe von Wirkflanken W₁ reell durch den flächigen Lichtmodulator hindurch in die Augenpupillen eines Betrachters abgebildet werden und die Bildbereiche des flächigen Lichtmodulators, die den Wirkflanken W₂ zugeordnet sind, für den...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf autostereoskopische Bildwiedergabeeinrichtungen, die die Umschaltung zwischen einem 2D- und einem 3D-Modus erlauben.
Erfindungsgemäße Anordnungen verfügen funktionswesentlich über eine bifokale Fresnellinse, die für die Modusumschaltbarkeit und die räumlich wahrnehmbare Darstellung maßgeblich ist. Weiterhin vorgesehen sind zwei Gruppen von stabförmigen Lampen und ein flächiger Lichtmodulator.
Im Zuge der Forschung auf dem Gebiet der autostereoskopischen Darstellung wurden eine Vielzahl von Verfahren und Anordnungen entwickelt, die einem oder mehreren Betrachtern hilfsmittelfrei räumliche Eindrücke vermitteln. Diese Anordnungen erlauben jedoch oftmals nur eine eingeschränkte Wiedergabe gewöhnlichen Textes bzw. zweidimensionaler Graphiken.
Für den Anwender ist es jedoch von großem Vorteil, wenn er wahlweise zwischen einer brillenlosen 3D-Darstellung und einer hochauflösenden, möglichst unbeeinträchtigten 2D-Darstellung auf ein- und demselben Gerät umschalten kann.
Hierzu existieren einige technische Ansätze. So beschreibt die WO 01/56265 A2 der Anmelderin ein Verfahren zur räumlichen Darstellung, bei dem mindestens ein Wellenlängenfilterarray für eine räumlich wahrnehmbare Darstellung sorgt. In einer besonderen Ausgestaltung dieser Erfindung wirkt ein LC-Display als Wellenlängenfilterarray mit variablen Transparenzwellenlängenbereichen. Daher wird dort eine Umschaltung zwischen 2D- und 3D-Darstellung erzielt. Nachteilig ist hierbei allerdings, daß das Licht durch zwei LC-Displays, d.h. durch eine Vielzahl von Polarisationsfiltern, Farbfiltern, Flüssigkristallschichten und weiteren Bauelementen wie Trägersubstrate hindurchdringen muß, so daß die Helligkeit sowohl in der 2D- als auch in der 3D-Darstellung vermindert wird. Ein weitere Ausgestaltung besagter Schrift offenbart eine Anordnung, in der in Betrachtungsrichtung hinter einer ersten flachen Lichtquelle ein Wellenlängenfilterarray mit einer zweiten flachen Lichtquelle angeordnet ist. Als Nachteil stellt sich hierbei heraus, daß das Licht im 2D-Modus verhältnismäßig inhomogen verteilt ist.
Die US 5457574 A (Eichenlaub) nutzt eine monofokale Fresnellinse zur Abbildung mehrerer- vorzugsweise gleichzeitig zweier- Lichtquellen durch ein LC-Display hindurch, wobei auf Grund der Abbildung die beiden Augen eines Betrachters gleichzeitig verschiedene Bildabschnitte auf dem LC-Display und damit ein stereoskopisches Bild wahrnehmen. Diese Anordnungen sind für einen Betrachter, in besonderen Ausführungen für zwei Betrachter geeignet. Eine Umschaltung zwischen 2D- und 3D-Darstellung ist hier nicht möglich.
In der US 5606455 A (Eichenlaub) werden zwei abwechselnd leuchtende Lichtquellen über Lentikulare durch ein LC-Display an verschiedene Orte abgebildet. Je nach Position der gerade leuchtenden Lichtquelle wird dabei jeweils Bild für das linke oder das rechte Auge dargestellt, so daß ein Betrachter mit jedem Auge im Mittel ein entsprechendes Bild sieht. In einer besonderen Ausgestaltung werden die Lentikulare als Fresnellinsen ausgebildet. Auch hier ist nicht ohne weiteres eine Umschaltung zwischen zwei- und dreidimensionaler Darstellung möglich.
Die Offenlegungsschrift JP 2001-066547 A (Toshiba) beschreibt ein sequentielles Stereobildverfahren, bei dem die volle Auflösung des linken und rechten Teilbildes erzielt wird. Hierzu beleuchten zwei Lichtquellen über Lichttransmissionsbaugruppen (z.B. Prismenkeile) abwechselnd eine Prismenfolie, die je nach Einfallsrichtung des Lichtes- welche von der jeweiligen eingeschalteten Lichtquelle abhängt- dieses Licht durch ein LC-Display in die verschiedenen Betrachteraugen abbildet. Dabei beleuchtet die Prismenfolie in jedem Fall das LC-Display derart, daß für das jeweilige Betrachterauge das komplette dargestellte Bild sichtbar ist.
Nachteilig ist hierbei, daß auf Grund der in rascher Abfolge abwechselnd darzustellenden linken und rechten Bilder ein schneller Bildgeber notwendig ist. Daher kommen nur sehr teure LC-Displays in Frage, wenn ein flimmerfreies Bild erzeugt werden soll.
In der DE 694 25 610 A (IBM) wird eine sequentielle Beleuchtung beschrieben, die über eine monofokale Fresnellinse durch ein LC-Display hindurch abgebildet wird, so daß für den Betrachter eine stereoskopische Abbildung entsteht. Von großem Nachteil ist hierbei, daß eine Umschaltung in den 2D-Modus nicht möglich ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung zu schaffen, die mindestens einem Betrachter eine brillenfreie räumliche Wahrnehmung in einem 3D-Modus gestattet, während in einem 2D-Modus für den bzw. die Betrachter helle, vollauflösende Bilder dargestellt werden können. Die Anordnung soll fernerhin mit weitestgehend handelsüblichen Baugruppen realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine autostereoskopische Bildwiedergabeeinrichtung, die die Umschaltung zwischen einem 2D- und einem 3D-Modus erlaubt, umfassend

– einen flächigen Lichtmodulator, der vorzugsweise als LC-Display ausgebildet ist,
– eine bifokale Fresnelzylinderlinse mit den Brennweiten f'₁ bzw. f'₂, zu denen jeweils eine Gruppe von Wirkflanken W₁ bzw. W₂ gehört, wobei f'₁≠f'₂ gilt,
– zwei Gruppen (L₁ und L₂) von jeweils mindestens zwei stabförmigen Lichtquellen, die parallel zu einer Vorzugsrichtung der Strukturen auf der Fresnelzylinderlinse ausgerichtet sind und die sich benachbart zu der Oberfläche der Fresnelzylinderlinse befinden, an der die Gruppen von Wirkflanken W₁ und W₂ ausgebildet sind,
– wobei im 3D-Modus mindestens zwei der stabförmigen Lichtquellen der Gruppe L₁ auf Grund der Gruppe von Wirkflanken W₁ reell durch den flächigen Lichtmodulator hindurch in die Augenpupillen eines Betrachters abgebildet werden und die Bildbereiche des flächigen Lichtmodulators, die den Wirkflanken W₂ zugeordnet sind, für den Betrachter im wesentlichen dunkel bleiben, und
– wobei im 2D-Modus mindestens jeweils zwei der stabförmigen Lichtquellen jeder der Gruppen L₁ und L₂ auf Grund der Gruppen von Wirkflanken W₁ und W₂ reell durch den flächigen Lichtmodulator hindurch in die Augenpupillen in die Augenpupillen eines Betrachters abgebildet werden.

Eine solche Anordnung ist vorzugsweise mit einem Bildgenerator gekoppelt, der je nach Modus 2D- oder 3D-Bilder erzeugt. Als 3D-Bild wird in diesem Zusammenhang ein aus mindestens zwei verschiedenen Ansichten zusammengesetztes Bild angesehen. Beispielsweise können die Ansichten verschiedene Perspektiven ein- und derselben Szenerie darstellen.
Die Fresnelzylinderlinse wird in Transmission genutzt. Sie weist zwar auch sogenannte Störflanken auf, diese erzeugen aber auf Grund der Wirkungsweise der Anordnung keine zusätzliche wahrnehmbare Bildstörung. Die Fresnelstruktur befindet sich vorzugsweise auf der Seite der Linse, der die Lichtquellen der Gruppen L₁ bzw. L₂ zugewandt sind.
Auf Grund der Wirkungsweise der Anordnung, daß im 3D-Modus mindestens zwei der stabförmigen Lichtquellen der Gruppe L₁ auf Grund der Gruppe von Wirkflanken W₁ reell durch den flächigen Lichtmodulator hindurch in die Augenpupillen eines Betrachters abgebildet werden und die Bildbereiche des flächigen Lichtmodulators, die den Wirkflanken W₂ zugeordnet sind, für den Betrachter im wesentlichen dunkel bleiben, kann der Effekt erzielt werden, daß für das eine Auge des Betrachters auf dem flächigen Lichtmodulator andere Bildteile sichtbar sind, als für das andere Auge des Betrachters. Insofern es sich bei den verschiedenen Bildteilen um andere Ansichten handelt – was durch den Bildgenerator gewährleistet werden kann – wird für den Betrachter in der Betrachtungsposition eine autostereoskopische Darstellung erzielt.
Vorteilhaft umfaßt die Anordnung weiterhin Mittel zur Ansteuerung der Gruppen L₁ und L₂ von stabförmigen Lichtquellen, wobei besagte Mittel derart ausgelegt sind, daß für den 3D-Modus alle Lampen der Gruppe L₂ ausgeschaltet, während mindestens zwei Lampen der Gruppe L₁ eingeschaltet werden und für den 2D-Modus mindestens zwei Lampen jeder der Gruppen L₁ und L₂ eingeschaltet werden. Diese Mittel zur Ansteuerung können elektrische und/oder elektronische Bauteile umfassen, wie etwa einen entsprechenden PC mit Software.
Der 2D-Modus der erfindungsgemäßen Anordnungen bietet dem Betrachter ein hochauflösendes und vor allem helles Bild dar, so wie es von der Aufgabenstellung gefordert wird.
Weiterhin erweist es sich als günstig, wenn eine Vorzugsrichtung der Strukturen auf der Fresnelzylinderlinse in der Betrachtungsrichtung projiziert parallel oder unter einem festen Neigungswinkel zu den Spalten des flächigen Lichtmodulators ausgerichtet ist. Eine Vorzugsrichtung der Strukturen auf der Fresnelzylinderlinse ist beispielsweise die Längsrichtung der die Linse bildenden länglichen Linsenabschnitte.
Vorzugsweise ist die projizierte Breite der Wirkflanken W₂ größer gleich dem (n-1)-fachen der projizierten Breite der Wirkflanken W₁, wobei n die Anzahl der für das 3D-Bild verwendeten Ansichten ist. Damit wird erreicht, daß pro Betrachterauge Bildinformationen im wesentlichen einer einzigen Ansicht sichtbar sind, da Bildinformationen anderer als dieser Ansicht für das Betrachterauge im wesentlichen unbeleuchtet bleiben.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Fresnelzylinderlinse rasterartig strukturiert sein, indem sie in mehrere Spalten i und mehrere Zeilen j aufgeteilt ist und sich mindestens ein Rasterelement an einer Stelle (i, j) in seinen optischen Eigenschaften von den optischen Eigenschaften sowohl der Rasterstelle (i+1, j) als auch der Rasterstelle (i, j+1) unterscheidet. Mittels einer solchen Ausgestaltung der Linse unterscheiden sich die optischen Eigenschaften in Zeilen und Spalten, d.h. insbesondere Abschnitte ein- und derselben Spalte i der rasterartigen Fresnelzylinderlinse können unterschiedliche abbildende Wirkungen haben, auch wenn die Vorzugsrichtung der fresnelartigen Zylinderabschnitte der Linse in Richtung der Spalten verlaufen.
Unter Nutzung einer solchen rasterartigen Fresnellinse ist es möglich, für einen Betrachter ein nicht ausschließlich aus sichtbaren Streifen – sondern beispielsweise ein rasterartig – zusammengesetztes räumliches Bild darzustellen.
In einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die zu der Gruppe W₁ gehörenden Wirkflanken mit Wellenlängenfiltern beschichtet, die nur Licht einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines bestimmten Wellenlängenbereiches transmittieren. Mit einer solchen eingeschränkten optischen Wirkung der Wirkflanken läßt sich der räumliche Eindruck noch verbessern, indem bestimmte Wirkflanken nur bestimmte Teile des 3D-Bildes beleuchten (z.B. rote Streifen eines aus RGB-Streifen zusammengesetzten 3D-Bildes).
Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht eine Tracking-Einrichtung zum Erfassen der Augenposition eines Betrachters vor, wobei die Tracking-Einrichtung mit den Mitteln zur Ansteuerung der Gruppen L₁ und L₂ von stabförmigen Lichtquellen elektrisch oder elektronisch gekoppelt ist. Je nach Augeposition des durch die Tracking-Einrichtung erfaßten Betrachters wird dann im 3D-Modus jeweils ein Paar bestimmter Lampen der Gruppe L₁ eingeschaltet, welches stets in die Betrachteraugen abgebildet wird. Dieser Effekt erhöht die Bewegungsfreiheit für den Betrachter. Es auch denkbar, lediglich ein Paar von Lampen L₁ zu werden, die beweglich gelagert sind und durch die Tracking-Einrichtung entsprechend bewegt werden.
Um eine relativ flache Bauweise zu gewährleisten, kann das Licht mindestens einer der Lichtquellen der Gruppen L₁ oder L₂ objektseitig durch einen 100%-Spiegel um 90° abgelenkt werden. Vorzugsweise befindet sich dabei mindestens eine der Lichtquellen der Gruppen L₁ oder L₂ zwischen dem 100%-Spiegel und dem flächigen Lichtmodulator.
Es ist auch denkbar, die Erfindung mit einer Fresnelzylinderlinse auszustatten, die mehr als zwei Brennweiten aufweist. Damit kann – bei gleichzeitiger entsprechender Vergrößerung der Anzahl Gruppen L_n von stabförmigen Lampen und deren entsprechender Lokalisation bzw. Ansteuerung – mehr als eine stereoskopische Augenposition erzielt werden. Bei Bedarf kann die Anordnung daher auch für mehrere Betrachter ausgelegt werden.
Alternativ zu der Fresnelzylinderlinse können auch entsprechende holographische optische Elemente oder geeignete Prismenraster eingesetzt werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt
1 eine Prinzipskizze zur Generation eines räumlichen Eindruckes,
2 eine Prinzipskizze zur Erzeugung des 2D-Modus,
3 einen Querschnitt durch eine bifokale Fresnelzylinderlinse und
4 die Draufsicht auf eine bifokale Fresnelzylinderlinse.
Wie in 1 schematisch und nicht maßstäblich dargestellt, werden die stabförmigen Lampen (2), die zu Gruppe L₁ der Lampen gehören, durch die bifokale Fresnellinse (1) in die Augen eines Betrachters (3) abgebildet. Wie eingangs beschrieben bleiben dabei für jedes Betrachterauge bestimmte Teilbereiche des darzustellenden 3D-Bildes in einer Weise unbeleuchtet, daß die Betrachteraugen im wesentlichen paarweise verschiedene Teilinformationen von im 3D-Bild eingeflossenen Ansichten sehen. Dadurch kann im 3D-Modus der räumliche Eindruck erzeugt werden.
Die 2 erläutert schematisch die optischen Gegebenheiten für den 2D-Modus, in dem zweidimensionale Bilder in voller Auflösung dargestellt werden. Im 2D-Modus sind nicht allein Lampen (2) der Gruppe L₁, sondern auch Lampen (4) der Gruppe L₂ von stabförmigen Lampen eingeschaltet. Der Übersichtlichkeit geschuldet ist von jeder Gruppe lediglich eine Lampe (2, 4) gezeichnet. Während die zur Gruppe L₁ gehörenden Lampen sämtlich in der Objektebene der Gruppe W₁ von Wirkflanken angeordnet sind, befinden sich die zur Gruppe L₂ gehörenden Lampen sämtlich in der Objektebene der Gruppe W₂ von Wirkflanken. An Hand der Zeichnung ist zu erkennen, daß bei entsprechender Ausbildung der bifokalen Fresnellinse beide stabförmigen Lampen (2, 4) in ein Betrachterauge 3' – genauer gesagt in die Augenpupille- abgebildet werden. Dies entspricht einer quasi unendlichen visuellen Vergrößerung der Lichtquellen.
Weitere stabförmige Lampen, die dem nicht gezeichneten zweiten Betrachterauge korrespondieren, sind in der entsprechenden Anordnung selbstverständlich vorhanden.
Die 3 zeigt als Beispiel einen Querschnitt (Ausschnitt) durch eine bifokale Fresnelzylinderlinse mit Brennweiten f'₁ und f'₂ bzw. entsprechenden Wirkflanken.
In 4 wiederum ist die Draufsicht auf eine bifokale Fresnelzylinderlinse dargestellt. Die Zeichnung gibt schematisch die projizierten Wirkflankenbreiten der Wirkflankengruppen W₁ und W₂ wieder. Illustrativ sind die Wirkflanken der Gruppe W₂ schwarz gefärbt; dies spiegelt den Sachverhalt wider, daß diese Wirkflanken im 3D-Modus im wesentlichen kein Licht in die Betrachteraugen abbilden. Hier ist das Verhältnis der projizierten Breiten der Wirkflankengruppen W₁ und W₂ etwa 1:1, was einer räumlichen Darstellung auf Basis eines 3D-Bildes mit zwei verschiedenen Ansichten entspricht.
Die Erfindung findet Anwendung in vielen Gebieten, so z.B. in der Medizin oder in der computergestützten Konstruktion. Auf Grund der Umschaltbarkeit zwischen 2D- und 3D-Modus ist für den Benutzer lediglich ein Anzeigegerät von Nöten, welches in der gewünschten Betriebsart betrieben werden kann. Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß im 2D-Modus die Beleuchtung des flächigen Lichtmodulators im wesentlichen homogen und hell ist.

Claims

Autostereoskopische Bildwiedergabeeinrichtung, die die Umschaltung zwischen einem 2D- und einem 3D-Modus erlaubt, umfassend – einen flächigen Lichtmodulator, der vorzugsweise als LC-Display ausgebildet ist, – eine bifokale Fresnelzylinderlinse mit den Brennweiten f'₁ bzw. f'₂, zu denen jeweils eine Gruppe von Wirkflanken W₁ bzw. W₂ gehört, wobei f'₁≠f'₂ gilt, – zwei Gruppen (L₁ und L₂) von jeweils mindestens zwei stabförmigen Lichtquellen, die parallel zu einer Vorzugsrichtung der Strukturen auf der Fresnelzylinderlinse ausgerichtet sind und die sich benachbart zu der Oberfläche der Fresnelzylinderlinse befinden, an der die Gruppen von Wirkflanken W₁ und W₂ ausgebildet sind, – wobei im 3D-Modus mindestens zwei der stabförmigen Lichtquellen der Gruppe L₁ auf Grund der Gruppe von Wirkflanken W₁ reell durch den flächigen Lichtmodulator hindurch in die Augenpupillen eines Betrachters abgebildet werden und die Bildbereiche des flächigen Lichtmodulators, die den Wirkflanken W₂ zugeordnet sind, für den Betrachter im wesentlichen dunkel bleiben, und – wobei im 2D-Modus mindestens jeweils zwei der stabförmigen Lichtquellen jeder der Gruppen L₁ und L₂ auf Grund der Gruppen von Wirkflanken W₁ und W₂ reell durch den flächigen Lichtmodulator hindurch in die Augenpupillen in die Augenpupillen eines Betrachters abgebildet werden.
Anordnung nach Anspruch 1, umfassend weiterhin Mittel zur Ansteuerung der Gruppen L₁ und L₂ von stabförmigen Lichtquellen, wobei besagte Mittel derart ausgelegt sind, daß für den 3D-Modus alle Lampen der Gruppe L₂ ausgeschaltet, während mindestens zwei Lampen der Gruppe L₁ eingeschaltet werden und für den 2D-Modus mindestens zwei Lampen jeder der Gruppen L₁ und L₂ eingeschaltet werden.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Anordnung mit einem Bildgenerator gekoppelt ist, der je nach Modus 2D- oder 3D-Bilder erzeugt, wobei ein 3D-Bild ein aus mindestens zwei verschiedenen Ansichten zusammengesetztes Bild ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorzugsrichtung der Strukturen auf der Fresnelzylinderlinse in der Betrachtungsrichtung projiziert parallel oder unter einem festen Neigungswinkel zu den Spalten des flächigen Lichtmodulators ausgerichtet ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die projizierte Breite der Wirkflanken W₂ größer gleich dem (n-1)-fachen der projizierten Breite der Wirkflanken W₁ ist, wobei n die Anzahl der für das 3D-Bild zu verwendenden Ansichten ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresnelzylinderlinse rasterartig strukturiert ist, indem sie in mehrere Spalten i und mehrere Zeilen j aufgeteilt ist und sich mindestens ein Rasterelement an einer Stelle (i, j) in seinen optischen Eigenschaften von den optischen Eigenschaften sowohl der Rasterstelle (i+1, j) als auch der Rasterstelle (i, j+1) unterscheidet.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu der Gruppe W₁ gehörenden Wirkflanken mit Wellenlängenfiltern beschichtet sind, die nur Licht einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines bestimmten Wellenlängenbereiches transmittieren.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2–7, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin über eine Tracking-Einrichtung zum Erfassen der Augenposition eines Betrachters enthält, wobei die Tracking-Einrichtung mit den Mitteln zur Ansteuerung der Gruppen L₁ und L₂ von stabförmigen Lichtquellen elektrisch oder elektronisch gekoppelt ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht mindestens einer der Lichtquellen der Gruppen L₁ oder L₂ objektseitig durch einen 100%-Spiegel um 90° abgelenkt wird.
Anordnung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens eine der Lichtquellen der Gruppen L₁ oder L₂ zwischen dem 100%-Spiegel und dem flächigen Lichtmodulator befinden.