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Die
Erfindung betrifft eine Bildanzeigeeinrichtung mit einer Abbildungsmatrix,
die aus lateral angeordneten Abbildungselementen, beispielsweise Lentikularen
oder Linsen-Arrays,
besteht. Die Abbildungselemente können insbesondere sphärische oder
asphärische
Linsenelemente, holographisch-optische Elemente (HOE) oder in Lichtrichtung
mit- oder untereinander kombinierte, gestapelt angeordnete optische
Abbildungselemente beliebiger Art sein.
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Die
Erfindung ist beispielsweise anwendbar in Bild- oder Videoanzeigevorrichtungen
wie autostereoskopischen Displays, Multi-User-Displays mit Sweet-Spot-Einheit
und Multi-View-Displays, zum Abbilden von Beleuchtungselementen.
Außerdem
ist die Erfindung vorteilhaft für
großflächige Anzeigeeinrichtungen,
wie z.B. für
Werbezwecke und allgemein zum Abbilden von Bildelementen geeignet.
Dadurch werden schwere und voluminöse Linsen vermieden.
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Sowohl
die Beleuchtungselemente als auch die Bildelemente werden im vorliegenden
Dokument als Punktelemente bezeichnet.
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Von
besonderer Bedeutung ist die Erfindung für Displays mit Sweet-Spot-Einheit,
die für
einen oder mehrere Benutzer sowohl in einen zweidimensionalen Modus
als auch in einen autostereoskopischen dreidimensionalen Modus umschaltbar
sind.
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Eine
Sweet-Spot-Einheit, insbesondere für ein autostereoskopisches
Multi-User-Display,
stellt eine gerichtete Beleuchtungseinrichtung beispielsweise für eine zur
Bildmodulation verwendete transmissive Bildmatrix dar. Diese muss
vom unmodulierten Licht der Sweet-Spot-Einheit möglichst homogen großflächig durchsetzt
werden.
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Die
Sweet-Spot-Einheit enthält
eine großflächige Abbildungsmatrix
mit Abbildungselementen, um das Licht aktivierter Beleuchtungselemente
einer Beleuchtungsmatrix in Form eines oder mehrerer gleichzeitig
generierter Sweet-Spots auf Betrachteraugen mindestens eines Betrachters
innerhalb eines Raumes annähernd
durch Parallelstrahlenbündel
abzubilden. Jedem Abbildungselement der Sweet-Spot-Einheit ist eine
Vielzahl von Beleuchtungselementen zugeordnet. Eine Positionserkennung
aktiviert abhängig
von der Anzahl und den Positionen des bzw. der Betrachteraugen für jeden Sweet-Spot
immer nur ein einziges oder wenige Beleuchtungselemente. Dabei hat
sich gezeigt, dass sowohl die Ausdehnung eines Sweet-Spots als auch dessen
Lichthomogenität
stark von der Lage des bzw. der aktivierten Beleuchtungselemente
zum Abbildungselement abhängen.
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Beleuchtungselemente,
welche in Nähe
des Randbereiches eines Abbildungselementes aktiviert sind, generieren
Sweet-Spots mit anderem Querschnitt und anderer Lichtverteilung
als solche, welche näher
zur Mitte liegen. Das liegt darin begründet, dass die Beleuchtungselemente
verschieden vom rückwärtigen Fokuspunkt
des Abbildungselementes entfernt sind, was ein Abweichen der Ausbreitung
der Strahlenbündel
von der Parallelität
bewirkt.
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Dies
führt zu
Inhomogenitäten
innerhalb eines Sweet-Spots und Übersprechen
zwischen Sweet-Spots. Die mit bekannten Sweet-Spot-Einheiten realisierbaren
steuerbaren Betrachterwinkel sind deshalb insbesondere für einen
Multi-User-Betrieb eingeschränkt.
Bei autostereoskopischen Displays, die auf dem Tracking- oder auf
dem Multi-View-Verfahren basieren, ist das Übersprechen stark von der Position
eines Betrachters vor dem Display abhängig.
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Die
Bilddarstellungsqualität
der genannten Bildanzeigeeinrichtungen kann wesentlich durch optische
Abbildungsfehler einzelner Abbildungselemente der Abbildungsmatrizen
vermindert werden. Neben sphärischer
Aberration, Koma, Verzeichnung und dem durch die Kombination der
periodischen Strukturen, beispielsweise von Beleuchtungs- und Abbildungsmatrix,
charakteristischen Moire-Effekt tritt insbesondere die Bildfeldkrümmung bei
großen Lichteinfallswinkeln
nachteilig in Erscheinung.
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Die
vorliegende Erfindung bezweckt das Reduzieren von Auswirkungen der
Bildfeldkrümmung beim
Abbilden von matrixförmig
in einer Objektebene angeordneten Punktelementen mit einer Abbildungsmatrix.
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Der
Einfluss der Bildfeldkrümmung
wird im Folgenden am Beispiel autostereoskopischer Displays dargestellt.
Die Bildqualität
wird in diesen Displays maßgeblich
durch das Übersprechen
zwischen beiden Augen bestimmt.
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Im
Gegensatz zu einfachen 2D-Abbildungen entstehen hier pseudoskopische
Bilder, die beim Betrachter eine Tiefenumkehr verursachen. Dies
tritt bei Multi-View- wie auch bei Sweet-Spot-basierten Displays
auf und ist durch schräg
auf die Abbildungsellemente einfallende Lichtbündel bedingt, deren Winkel
in Bezug auf die optische Achse im Sinne großer Betrachterbereiche möglichst
groß sein
sollten. Displays mit einer Sweet-Spot-Einheit verwenden eine steuerbare Beleuchtungsmatrix,
beispielsweise eine OLED-Matrix.
Die Beleuchtungsmatrix liegt etwa in der hinteren Brennebene einer
Abbildungsmatrix, die beispielsweise als Lentikular ausgebildet
ist. Jedes Lentikel des Lentikulars emittiert Paraxialstrahlen kollimiert.
Mit zunehmenden Einfallswinkeln der Strahlen entfernt sich der hintere
Fokus von der ebenen Beleuchtungsmatrix in Richtung der Lentikel (siehe
dazu 1 und 2). Das Licht verlässt das Lentikular
bildseitig nicht länger
kollimiert, sondern wird entsprechend den zunehmenden Einfallswinkeln
fokussiert. Für
diese Strahlenbündel
reduziert sich die Sweet-Spot-Ausdehnung
in der Höhe
des Betrachters zunächst,
wobei die Strahlen bereits vor dem Betrachter fokussieren und dann
wieder divergieren. Dies führt
bei hinreichend großen
Winkeln zu Übersprechen.
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Als
seit langem bekannter optischer Abbildungsfehler tritt die Bildfeldkrümmung auch
bei Paralleloptiken, also Abbildungsmatrizen, im Bereich der einzelnen
Abbildungselemente auf und beeinflusst nachteilig das Abbildungsverhalten
der entsprechenden optischen Einrichtung. Wie den angeführten Dokumenten
des Standes der Technik zu entnehmen ist, gibt es unterschiedliche
Maßnahmen
und Lösungen,
um die durch Bildfeldkrümmung
hervorgerufenen Nachteile zu reduzieren bzw. zu unterdrücken, beispielsweise
durch Hinzufügen
zusätzlicher
optischer Elemente im Abbildungsstrahlengang oder dadurch, dass
die abzubildenden Elemente auf einer gekrümmten Fläche angeordnet werden, die
dem Verlauf der Bildfeldkrümmung
folgt.
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Das
Dokument WO 03/090479 A1 beschreibt eine Korrektur der Bildfeldkrümmung für ein stereoskopisches
Display mit einem Lentikular, bei dem pro Lentikel mehrere LEDs
als Elemente einer Beleuchtungsmatrix auf gekrümmten Flächen angeordnet sind. Eine
derartig kompliziert geformte dreidimensionale Beleuchtungsmatrix
kann allerdings nur mit großem
Aufwand realisiert werden. Nachteilig an dieser Lösung ist
auch, dass die Form der Beleuchtungsmatrix jeweils an die verwendete
Abbildungsmatrix angepasst werden muss. Das bedeutet, dass bei Verwendung
einer anderen Abbildungsmatrix immer auch die Beleuchtungsmatrix
verändert
werden muß.
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Ein
zwei- bzw. dreiteiliges Linsenarray für stereoskopische Systeme wird
in
US 6 721 101 B2 beschrieben.
Die Arrays können
als reguläre
Mikrolinsenarrays oder als Lentikulare ausgebildet sein und sind
konstruktiv so aufeinander abgestimmt, dass unter anderem die Bildfeldkrümmung und
das dadurch bedingte Übersprechen
korrigiert werden. Ihr Einsatz ist allerdings in eingangs genannten
optischen Einrichtungen, in denen große Betrachterwinkel auftreten,
problematisch. Durch die räumliche
Anordnung der einzelnen Linsenelemente entstehen Abstände, die
zu Vignettierungen führen.
Sie bewirken bei dezentralem Lichteinfall unter großen Winkeln
eine ungleichmäßige Ausleuchtung
der Bildmatrix. Insbesondere Multi-User-Displays benötigen aber
große
Betrachterwinkel. Prinzipiell ist damit die Anwendbarkeit dieser
Linsenarrays in autostereoskopischen Displays begrenzt. Außerdem ist
aufgrund der mehrgliedrigen Anordnung der Lentikel oder Linsen die
Herstellungstechnologie aufwendig.
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Das
Dokument
US 6 339 506
B1 beschreibt eine Korrektion von Bildfeldkrümmung und
Astigmatismus für
Anwendungen, die optische Minilinsen enthalten. Die Erfindung benutzt
zur Korrektion der Minilinsen jeweils ein Mikrolinsenarray, das
in Subarrays unterteilt ist, deren Linsen in ihren optischen Eigenschaften,
wie der Brennweite, variieren. Die Brennweiten der Mikrolinsen ändern sich
entsprechend ihrem Abstand vom Zentrum nach außen hin. So sind die Brennweiten
in Zentrumsnähe
am kleinsten und vergrößern sich
zum Rand hin. Die Korrektur der Bildfeldkrümmung erfolgt in einer Objektebene
mit matrixförmig
angeordneten punktförmigen
Lichtquellen. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass trotz einer aufwändigen Herstellung
der Mikrolinsenarrays nur kleine Winkelvariationen möglich sind
und die Helligkeit verringert ist.
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Außerdem muss
eine sehr präzise
Anordnung und Zuordnung sowohl der einzelnen Linsen als auch der
Arrays zueinander erfolgen, um die gewünschte Korrektur zu erreichen.
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In
EP 1 005 666 A1 wird
beschrieben, wie ein Bild, das auf einer gewölbten CRT-Oberfläche entsteht, auf der ebenen
Schirmfläche
eines autostereoskopischen Displays als 3D-Darstellung betrachtet oder
in irgendeiner Weise bearbeitet werden soll. Praktisch erfolgt mit
der Übertragung
des Bildes vom CRT zum Display die Abbildung einer gekrümmten Oberfläche in eine
Ebene zur weiteren Verwendung. Dazu werden regulär ausgebildete Mikrolinsenarrays zwischen
CRT und Display positioniert, die auf drei zweidimensional gekrümmten Flächen angeordnet sind.
Die Mikrolinsen haben alle die gleiche Größe. Nur die Abstände der
Mikrolinsen der einzelnen Arrays zueinander variieren durch die
jeweilige Arraykrümmung.
Bei dieser Anordnung wird die Krümmung
des gesamten Bildfeldes, nicht aber die Krümmung des Bildfeldes der einzelnen
Mikrolinsen, über drei
unterschiedlich gekrümmte
Linsenarrays geebnet. Nachteilig bei dieser Anordnung ist ein hoher Herstellungsaufwand
zum präzisen
Fertigen der vielen Mikrolinsen und ihre genaue Zuordnung zueinander
auf den drei zweidimensional gekrümmten Flächen sowie der insgesamt voluminöse Aufbau
der Anordnung.
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Eine
Wiedergabeeinrichtung für
dreidimensionale Wahrnehmung von Bildern mit einem Lentikular vor
einem flachen Bildschirm ist in
EP 0 404 289 A2 offenbart. Dieses ist ein
autostereoskopisches Multi-View-Display mit räumlicher Verschachtelung der
Bilder und Bildtrennmitteln. Das Lentikular weist in Horizontalrichtung
symmetrisch von der Mitte zu beiden Seitenrändern hin eine zunehmende Dicke des
Lentikulars sowie eine abnehmende Pitchbreite der Zylinderlinsen
auf. Mit dieser Maßnahme
wird ebenfalls das Bildfeld als Ganzes korrigiert, nicht aber die
durch Abbildungsfehler bestimmte optische Wirkung der einzelnen
Zylinderlinsen des Lentikulars. Für die vorliegende Anwendung
ist die bekannte Lösung
deshalb ungeeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, bei Bildanzeigeeinrichtungen mit einer Abbildungsmatrix
aus optischen Abbildungselementen die infolge großer Betrachtungswinkel
aus der Bildfeldkrümmung
der einzelnen Abbildungselemente resultierenden Auswirkungen beim
Abbilden von matrixförmig
in einer Objektebene angeordneten Punktelementen in optischen Einrichtungen
der eingangs genannten Art zu reduzieren.
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Die
Korrektur soll mit minimalem Einsatz an optischen Mitteln unter
Beibehaltung einer möglichst flachen
Bauweise der Bildanzeigevorrichtung erfolgen und optimal an die
Technologie der Herstellung der Abbildungsmatrix angepasst sein.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine Bildanzeigeeinrichtung
mit einer Sweet-Spot-Einheit die an sich bekannte Bildfeldkrümmung zu
erheblichem Übersprechen
zwischen den Teilbildern bzw. zu Inhomogenitäten der Bilddarstellung führt.
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Die
Erfindung geht von einer Bildanzeigeeinrichtung aus, die eine Abbildungsmatrix
mit optischen Abbildungselementen und eine Vielzahl von Punktelementen
in einer Objektebene enthält,
die von den Abbildungselementen in einen Betrachterraum abgebildet
werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
eine Kompensation der durch die Bildfeldkrümmung von der Abbildungsmatrix
bedingten Nachteile durch eine Korrekturmatrix erfolgt, die eine Vielzahl
optischer Korrekturelemente enthält.
Dabei ist jedem einzelnen optischen Abbildungselement ein optisches
Korrekturelement zugeordnet.
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Die
Korrekturmatrix weist eine Struktur auf, die sowohl aus ihrer Zuordnung
zu den Abbildungselementen bzw. ihrem Pitch, als auch aus der durch die
Bildfeldkrümmung
der einzelnen Abbildungselemente vorgegebenen Form der Korrekturelemente resultiert.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass unabhängig von der Struktur der Beleuchtungs-
bzw. Bildmatrix nur die Form und der Pitch der Abbildungs- und Korrekturelemente
aufeinander abgestimmt sind. Dadurch können bei der Fertigung der
Anzeigeeinrichtung für
eine vorhandene Struktur der Abbildungsmatrix verschiedene Strukturen
sowohl der Bildmatrix als auch die Beleuchtungsmatrix ohne Anpassung
verwendet werden.
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Zur
Korrektur der Bildfeldkrümmung
liegt vorteilhaft eine einzige Korrekturmatrix im Abbildungsstrahlengang.
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Damit
keine störenden
Reflexionen auf Grund von Brechzahlsprüngen bei der Abbildung der Punktelemente
entstehen, ist die Brechzahl der Korrekturmatrix entsprechend ihrer
Anordnung im Strahlengang jeweils an die Brechzahl des angrenzenden Mediums
angepasst.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung als autostereoskopisches Multi-User-Display mit einem
gerichteten Backlight sind die matrixförmig angeordneten Punktelemente
ansteuerbare Beleuchtungselemente einer Beleuchtungsmatrix, die von
einer Abbildungsmatrix auf Betrachteraugen mindestens eines Betrachters
abgebildet werden.
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Die
Beleuchtungsmatrix kann sowohl aktive Beleuchtungselemente, wie
LEDs oder OLEDs, als auch passive, wie Pixel oder Subpixel eines
beleuchteten LC-Displays, enthalten. Die ansteuerbaren Beleuchtungselemente
können
z.B. eine beliebig festgelegte Anzahl von Öffnungen eines Shutters sein, die
jeweils einem Element einer Abbildungs- und Korrekturmatrix zugeordnet
sind. Das bedeutet, dass jedes Abbildungs- bzw. Korrekturelement
eine zugeordnete Anzahl von Pixeln der Beleuchtungsmatrix in den
Betrachterraum abbildet.
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Ist
beispielsweise die Abbildungsmatrix ein Lentikular aus parallel
liegenden konvexen Lentikeln, dann ist die Korrekturmatrix ein Lentikular
aus parallelen konkaven Lentikeln. Die Korrekturmatrix ist vorzugsweise
nahe der Beleuchtungsmatrix angeordnet oder an der Planseite mit
ihr verbunden.
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Eine
andere Ausführungsform
der Korrekturmatrix im Display ergibt sich dadurch, dass sie in
unmittelbarer Nähe
der Abbildungsmatrix angeordnet ist. Sie ist dann ein Lentikular
aus parallel zueinander angeordneten konvexen Korrekturelementen,
das an seiner Planseite mit dem als Abbildungsmatrix wirkenden Lentikular
verbunden ist. Mit diesen beiden Ausführungen der Korrekturmatrix
ist es möglich,
das autostereoskopische Display vorteilhaft weiterhin sehr flach
zu halten. Die Herstellung der Korrekturmatrix ist technologisch
optimal an die Herstellung der Abbildungsmatrix anzupassen, um den
Aufwand für
beide Matrizen so gering wie möglich
zu halten. Dadurch können
für beide
gleiche optimale Herstellungsbedingungen geschaffen und mögliche Fehlerquoten
verringert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Korrekturmatrix an ihrer Planseite fest mit einer dünnen Trägerplatte
verbunden und als separates Bauelement zwischen der Beleuchtungsmatrix
und der Abbildungsmatrix angeordnet.
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Eine
erfindungsgemäß vorteilhafte
Variante einer Bildanzeigeeinrichtung mit einer Beleuchtungsmatrix
sieht vor, dass die Korrekturmatrix variable optische Parameter
aufweist. Das ermöglicht,
kombinierte Abbildungs- und Korrekturmatrizen mit mehrteiligen Flüssigkeitslinsen
zu realisieren.
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Die
Punktelemente in einer Objektebene können in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
die Bildelemente eines Multi-View-Displays sein, und die Bildmatrix
kann mindestens zwei Ansichten einer Bild- oder Videodarstellung
enthalten. Vorteilhafterweise ist hier die Korrekturmatrix zwischen
Abbildungs- und Bildmatrix angeordnet.
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Eine
technologisch günstige
Herstellung der Korrekturmatrix lässt sich durch eine Strukturierung der
Oberfläche
der verwendeten Beleuchtungs- oder Bildmatrix realisieren. Die Form
der Strukturierung ist dabei durch die Form der zu korrigierenden
Bildfeldkrümmung
der Abbildungsmatrix vorgegeben.
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Für autostereoskopische
Displays ergeben sich durch die Anwendung der Erfindung größere Betrachterbereiche,
eine homogenere Ausleuchtung der stereoskopischen Bilder bzw. Bildfolgen
und insgesamt eine bessere Abbildungsqualität.
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Anhand
von Ausführungsbeispielen
wird die Erfindung nachstehend näher
erläutert.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigen in Draufsicht
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1 die
Strahlenbündel
zweier Beleuchtungselemente bei der Abbildung durch ein Lentikel eines
Lentikulars und den Verlauf der Bildfeldkrümmung, sowie eine Detaildarstellung
des Strahlenverlaufs mit Wirkung der Bildfeldkrümmung für eines der Strahlenbündel,
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2 die
Fokussierung eines Pixels durch ein Lentikel eines Lentikulars mittels
Paraxialstrahlen
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3 eine
Ausführungsform
eines Korrektionselementes, aufgebracht direkt auf das Oberflächenglas
einer nur ausschnittsweise dargestellten Beleuchtungsmatrix und
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4 eine perspektivische Darstellung zweier
als Verbundbauteile ausgebildeter weiterer Ausführungsformen der Erfindung.
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Nachfolgend
wird die Wirkung der erfindungsgemäßen Korrekturmatrix bei der
Abbildung von Punktelementen mit einer Abbildungsmatrix näher beschrieben.
Die Abbildungsmatrix besteht beispielsweise aus streifen- oder linsenförmigen Abbildungselementen.
Die Beleuchtungsmatrix wird aus einer Vielzahl von Beleuchtungselementen
gebildet.
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1 zeigt
vereinfacht die Wirkung der Bildfeldkrümmung in einem autostereoskopischen
Multi-User-Display. Die Bildfeldkrümmung gibt den tatsächlichen
Verlauf der rückwärtigen Fokuspunkte
geneigter Strahlen wieder, der sich bei der Abbildung von Beleuchtungselementen
durch ein Abbildungselement einer Abbildungsmatrix ergibt.
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Eine
nur teilweise gezeichnete Beleuchtungsmatrix, beispielsweise ein
Shutter 2, enthält eine
Anzahl von Pixeln 1 als Beleuchtungselemente. Nachfolgend
in Lichtrichtung ist eine Abbildungsmatrix in Form eines Lentikulars
mit parallel zueinander verlaufenden streifenförmigen Lentikeln 31 als
Abbildungselemente zur Fokussierung von Licht auf Betrachteraugen
angeordnet, von denen nur ein Lentikel dargestellt ist. Die Bildfeldkrümmung 6 ist
gepunktet eingezeichnet, und für
zwei von der optischen Achse des Lentikels entgegengesetzt gleich entfernt
liegende Pixel ist jeweils ein schmales Abbildungsstrahlenbündel zu
sehen. Anhand der Detaildarstellung von 1 ist ersichtlich,
dass durch Wirkung der Bildfeldkrümmung 6 der Fokuspunkt
eines Parallelstrahlenbündels 8 auf
einer Kurve vor der Shutterebene liegt. Das gilt für alle abzubildenden Strahlenbündel. Mit
zunehmenden Einfallswinkeln der Strahlen entfernt sich der hintere
Fokus von der Beleuchtungsmatrix in Richtung der Lentikel 31.
Das bedeutet, dass die in der Shutterebene befindlichen Pixel 1 infolge
der Fokuspunktverlagerungen nicht wie vorgesehen durch Parallelstrahlenbündel 8 abgebildet
werden. Da sich die abzubildenden Pixel 1 jetzt innerhalb
der doppelten Brennweite befinden, verlässt das Licht das Lentikular
bildseitig nicht länger
kollimiert, sondern wird entsprechend den zunehmenden Einfallswinkeln
in Richtung Lentikular fokussiert. Die Paraxialstrahlen verlassen
dagegen das Lentikel kollimiert. Die Sweet-Spot-Ausdehnung ist durch die Ausdehnung
des Pixels und den Betrachterabstand gegeben. Für die Strahlenbündel 8 in 1 reduziert
sich die Sweet-Spot-Ausdehnung in der Höhe des Betrachters zunächst, bis
die Strahlen bereits vor dem Betrachter fokussieren und dann wieder
divergieren, um bei hinreichend großen Winkeln auf das andere
Auge des Betrachters zu treffen. Das führt zu Übersprechen. Je weiter entfernt
sich ein Betrachter von der zentralen Position befindet, um so stärker ist
er von der Auswirkung dieses Abbildungsfehlers betroffen. Infolge
der fehlerhaften Abbildung der Beleuchtungselemente entstehen in
den Randbereichen auch Unschärfe
und andere negative Effekte.
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Diese
Nachteile ergeben sich nicht nur bei Multi-User-Displays, sondern
auch bei Multi-View-Displays
und bei den großflächigen Abbildungseinrichtungen,
wenn hier ebenfalls große
Betrachterwinkel bzw. mehrere Ansichten realisiert werden sollen.
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Die
Detaildarstellung von 1 zeigt für das Pixel 1 den
Versatz gegenüber
der gekrümmten
Fokusebene, wodurch der Strahlenverlauf nach dem Lentikel konvergiert
und letztendlich dann in der Bildebene wieder eine Divergenz erhält. Wegen
der vorgegebenen Betrachterposition nehmen alle Strahlen der Lentikel 31 diesen
Winkel ein, der zu den beschriebenen Divergenzen führt. Dies
bewirkt für
alle Lentikel und damit für
die gesamte Sweet-Spot-Einheit Inhomogenitäten bei der Ausleuchtung der
transmissiven Bildmatrix und Übersprechen.
Der Betrachter nimmt das Bild oder Video mit den genannten Störungen wahr.
Diese wirkt sich insbesondere nachteilig bei einem Display für mehrere
Betrachter aus, da sich die Betrachter an unterschiedlichen Positionen vor
der Bildmatrix befinden. Ihre Positionen werden durch einen Positionsfinder
erfasst, der eine Sweet-Spot-Einheit veranlasst, jedem Auge eines Betrachters
ein Lichtbündel
in Form eines ausgedehnten Sweet-Spots zu liefern. Die Sweet-Spot-Einheit
besteht aus der Beleuchtungsmatrix und der nachgeordneten Abbildungsmatrix.
Der Sweet-Spot ist definiert als ein Bereich übersprechungsfreien stereoskopischen
Sehens, und das ihn erzeugende Strahlenbündel durchsetzt eine der Sweet-Spot-Einheit
nachgeordnete Bildmatrix homogen mit Licht, wird dort abwechselnd
mit einer rechten und linken Bildinformation moduliert und erlaubt
so eine wahlweise Darstellung im 2D- oder 3D-Modus. Betrachtern
wird von ihrer Position aus durch den ausgedehnten Sweet-Spot ein
gewisser Bewegungsspielraum gestattet, ohne dass sie den Stereoeindruck verlieren.
Positionsbedingt werden für
jeden Betrachter dem Strahlenbündelverlauf
entsprechend Beleuchtungselemente der Beleuchtungsmatrix, also Pixel 1,
aufgeschaltet. Diese können
in einer beliebig vorgebbaren Anzahl für ein Abbildungselement zusammengefasst
werden. Bewegt sich ein Betrachter, werden ihm die Sweet-Spots nachgeführt, indem
andere Pixel aufgeschaltet werden. Je weiter von der Achse entfernt
ein Pixel liegt, umso größer wird
die durch die Bildfeldkrümmung
verursachte Strahlendivergenz, und die Ausleuchtung der Sweet-Spots
wird infolge der Bildfeldkrümmung
reduziert. Neben der beeinträchtigten
Abbildungsqualität
wird auch eine Inhomogenität
der Beleuchtung der Bildmatrix infolge der gegenseitigen Beeinflussung
der divergenten Lichtanteile wahrgenommen.
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2 zeigt
die Abbildung eines Pixels 1 auf der optischen Achse von
Lentikel 31, das mittels Paraxialstrahlen in den Sweet-Spot
abgebildet wird. Die Abbildungsmatrix besteht aus einem Lentikular
mit einer Vielzahl parallel zueinander in vertikaler Richtung angeordneter
Lentikel, von denen nur ein Lentikel 31 dargestellt ist.
Die Pixel 1 des Shutters 2 sind in einer frei
wählbaren
Anzahl jeweils einem Lentikel 31 zugeordnet und vor den
betreffenden Lentikeln angeordnet. Das abzubildende Pixel 1 liegt
annähernd
im Brennpunkt des Lentikels 31 und wird als Parallelstrahlenbündel 8 gerichtet
in einen hier nicht dargestellten Betrachterraum auf das rechte/linke Auge
eines Betrachters gelenkt.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung des
Problems wird in 3 vorgestellt. Nahe der Objektebene
und damit auf der Oberfläche
eines Shutters 2 ist eine Korrekturmatrix mit Elementen
zur Korrektur der Bildfeldkrümmung 6 (1)
angeordnet. Als Korrekturmatrix wird in dieser Darstellung ein Lentikular 4 mit
konkav sphärischen
Lentikeln 41 verwendet, von denen nur ein Lentikel aus
dem Lentikular dargestellt ist. Die Form der Oberfläche der
Lentikel 41 des Lentikulars 4 hat dabei eine Krümmung, die
durch die Form der Bildfeldkrümmung 6 vorgegeben
und als Kompensation der Bildfeldkrümmung der Abbildungsmatrix
ausgebildet ist.
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Die
Lentikulare sind weiterhin so angeordnet, dass jedem Lentikel 31 genau
ein korrigierendes Lentikel 41 gegenüberliegt, wobei beide Lentikel 31, 41 in
ihrem Pitch unter Berücksichtigung
einer perspektivischen Verkürzung
etwa gleich sind.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass man bei einem autostereoskopischen
Multi-User-Display mit gerichtetem Backlight für jeden steuerbaren Pixel 1 des
Shutters 2, unabhängig
von dessen Position in Bezug auf das Abbildungselement, nahezu gleiche
Parallelstrahlenbündel 8 erhält.
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Eine
erfindungsgemäße Korrekur
der Bildfeldkrümmung
kann man auch durch Strukturieren der Oberfläche der Beleuchtungsmatrix
erhalten, die so ausgebildet ist, dass sie wieder lateral den bekannten
Verlauf der Bildfeldkrümmungskurve
einebnet und diesbezüglich
das fehlerhafte Abbildungsverhalten der Abbildungsmatrix kompensiert.
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Die
Korrekturmatrix kann an beliebiger Stelle zwischen Beleuchtungs-
und Abbildungsmatrix angeordnet sein. Ihre Strukturierung richtet
sich nach der notwendigen Korrektur der Bildfeldkrümmung an
dieser Stelle.
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Zur
Unterdrückung
der Reflexionen, die ebenfalls zu Inhomogenitäten bei der Ausleuchtung der
Sweet-Spots bzw. der Bildmatrix führen, ist es sinnvoll, die
Brechzahl der Korrekturmatrix an die Brechzahl des umgebenden Mediums
anzupassen. Diese Forderungen erfüllen unter anderem zur Linsenherstellung
verwendete Kunststoffmaterialien. Damit werden unerwünschte Reflexionen
an aneinanderliegenden Oberflächen
im Strahlengang vermieden. Vorteilhafterweise werden die Oberfläche der
Beleuchtungsmatrix und die plane Fläche der Korrekturmatrix ohne Änderung
des Brechungsindex miteinander verbunden, beispielsweise durch Verkleben.
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Weitere
Ausführungsformen
des Korrekturarrays sind in 4a und 4b dargestellt.
Eine transparente Trägerplatte 7 wird
mit einem der Korrekturarrays 4 oder/und 5 beispielsweise
durch Abformen von Polymer versehen und als separates Verbundbauteil
zwischen Beleuchtungsmatrix und Abbildungsmatrix angeordnet. Der
Pfeil kennzeichnet die Lichteinfallsrichtung für beide Figuren. Das Verbundbauteil
aus den Komponenten 7 und 4 wird zur Korrektur
der Bildfeldkrümmung
mit der Trägerplattenseite
sehr nahe zur Beleuchtungsmatrix platziert. Es kann aber zur Korrektur
auch das Verbundbauteil aus den Komponenten 7 und 5 verwendet
werden. Dieses ist dann mit der Trägerplattenseite möglichst nahe
zur Abbildungsmatrix anzuordnen. Die Ausführung als Verbundbauteil weist
eine hohe Formstabilität
auf. Seine einfache Handhabbarkeit erlaubt eine rationelle und sichere
Fertigung und Montage.
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Ein
wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung stellen auch die häufig zu
Werbezwecken verwendeten Multi-View Stereo-Displays dar, die als Hardcopy
auf Film oder einem anderen Datenträger mehrere Ansichten aus unterschiedlichen
Winkeln enthalten und fächerförmig in
den Raum projiziert werden. Dabei kann die Beleuchtung transmissiv
wie reflektiv sein.
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Als
Korrekturelemente für
die einzelnen Lentikel 31 ist es prinzipiell auch möglich, gemäß einer weiteren
Ausführung
der Erfindung GRIN-Linsen zu verwenden. Sie zeichnen sich dadurch
aus, dass sie aus einem Material bestehen, in dem die Linsenwirkung
durch eine kontinuierliche ortsabhängige Brechzahländerung
hervorgerufen wird und ein Brechzahlprofil herstellungsbedingt einstellbar
ist. So können
von vorn herein störende
Abbildungsfehler vermieden werden. Von der Form her sind sie sowohl Sammel-
als auch Zerstreuungslinsen und können als Streifenlinsen hergestellt
werden.
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Das
Problem der Bildfeldkrümmung
kann auch mit einer Matrix aus so genannten Flüssiglinsen mit variabler Brennweitenänderung
als Korrekturmatrix gelöst
werden. Sie bestehen mindestens aus zwei Komponenten und ändern die
Brennweite kontinuierlich bei Anlegen einer Spannung. Durch Anpassung
ihrer Parameter an die Parameter der verwendeten Lentikulare ist
es wie bei der Anwendung der GRIN-Linse vorteilhaft möglich, die
Bildfeldkrümmung
und andere Aberrationen zu vermeiden bzw. zu minimieren.
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Die
erfindungsgemäße Korrektur
der Bildfeldkrümmung
erfolgt mit minimalem Einsatz an optischen Mitteln unter Beibehaltung
einer möglichst
flachen Bauweise bei geringem herstellungstechnischem Aufwand.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Korrekturmatrix in
einem ähnlichen
oder gleichen Prozess technologisch gemeinsam mit der Abbildungsmatrix
hergestellt werden kann. Die Verwendung von erfindungsgemäßen Korrekturmatrizen
in Verbindung mit Lentikularen als Abbildungsmatrix bei stereoskopischen
Displays mit gerichtetem Backlight oder bei Multi-View-Displays
oder allgemein bei Lentikularen mit Abbildungsfunktion in großflächigen Abbildungseinrichtungen
erlaubt es, eine bessere Abbildungsqualität und – im Falle der autostereoskopischen
Displays mit gerichtetem Backlight – eine bessere Homogenität der Ausleuchtung
des Informationspanels für
die 2D- und 3D-Darstellung bei gleich bleibender Helligkeit zu liefern.
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Infolge
der erfindungsgemäßen Korrektur bleibt
bei Multi-User-Displays das Auflösungsvermögen der
Beleuchtungsmatrix und damit die Anzahl der ansteuerbaren Betrachterpositionen
erhalten, da immer nur eine Mindestzahl von Beleuchtungselementen
entsprechend der ermittelten Betrachterposition geöffnet und
so dem Betrachter mit einem Sweet-Spot die ihm zugeordnete stereoskopische Bildinformation
geliefert wird. Die zur Auswahl stehenden Beleuchtungselemente können alle
pixelbezogen einzeln angesteuert werden. Eine Austauschbarkeit der
Bildmatrix wird von der Korrekturmatrix nicht beeinflusst.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung bei autostereoskopischen Multi-User-Displays
besteht auch darin, dass die für
die Abbildung durch ein Lentikel zusammengefassten Pixel in einer
verhältnismäßig großen und
beliebigen Anzahl vorhanden sein können. Dadurch kann die Breite
der Lentikel relativ groß sein
und das Einhalten von Herstellungstoleranzen ist weniger kritisch,
was zu einer beachtlichen Senkung der Herstellungskosten einer strukturierten
Lentikularfolie führt.