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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Sweet-Spot-Einheit für ein Multi-User-Display mit
erweitertem Betrachterbereich, vorzugsweise für ein elektronisches Display
zur Wiedergabe von stereoskopischen und/oder monoskopischen Darstellungen,
welche mit Hilfe eines Positionsfinders und einer Tracking- und Bildsteuerung
automatisch zu den Augen verschiedener Betrachter geführt werden.
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Technischer
Hintergrund und bekannte Lösungen
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Im
vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff Multi-User-Display
ein Gerät,
mit dem mehrere Betrachter gleichzeitig verschiedene auf entsprechende
Augen gerichtete Bildfolgen sehen können. Mit einem solchen Display
können
die Betrachter nur dann ein übersprechfreies
Bild sehen, wenn sich die Augen an vorbestimmten Positionen befinden.
Diese werden in der Literatur auch als Sweet-Spots bezeichnet. Mit
der vorliegenden Lösung
wird eine homogene Lichtverteilung, die eine Bildmatrix mit Information
moduliert, über
einen großen
Betrachterbereich in lokal begrenzte Sweet-Spots fokussiert. Diese werden mit einer
Tracking- und Bildsteuerung abhängig
vom dargestellten Bild den Bewegungen der entsprechenden Augen von
Betrachtern nachgeführt, so
dass sich ein gegenseitiges Beeinflussen verschiedener Sweet-Spots
ausschließt.
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Die
hier beschriebene Sweet-Spot-Einheit ist im Prinzip ein richtungsgesteuertes
Backlight zum gerichteten großflächigen Ausleuchten
einer transmissiven Bildmatrix, wie beispielsweise einem LCD, und
erlaubt für
verschiedene Augenpositionen die Bildmatrix durch die Sweet-Spots
hindurch zu betrachten. Der Positionsfinder ermittelt die Positionen oder
Augenpositionen der Betrachter, um Daten für eine entsprechende Sweet-Spot-Ansteuerung
bereitzustellen. Die Sweet-Spots können in ihrer Ausdehnung ein
oder beide Augen eines oder mehrerer Betrachter aufnehmen.
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Die
Bildmatrix moduliert das Licht für
die Sweet-Spots mit dem Inhalt von einem oder mehreren verschiedenen
Bildsignalen, welche entweder die Richtungsinformationen einer stereoskopischen
Darbietung jeweils für
das entsprechende Auge der Betrachter oder verschiedene stereoskopische und/oder
monoskopische Darstellungen wiedergeben können. Zur Wiedergabe stereoskopischer
Darstellungen werden die Bildfolgen eines ersten Videosignals jeweils
auf die rechten Augen von Betrachtern und die Bildfolgen eines zweiten
Videosignals jeweils auf deren linke Augen gerichtet.
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Bei
der vorliegenden Lösung
sind auch Kombinationen von verschiedenen Betriebsarten denkbar.
So kann beispielsweise ein Multi-User-Display in einem Fahrzeug
dem Fahrer monoskopische Graphikinformationen zum Unterstützen der
Fahrt und zur Navigation zeigen, während der Beifahrer eine Unterhaltungsdarbietung
in stereoskopischer Darstellung sieht. Dabei richtet die Sweet-Spot-Einheit
einen ersten größeren Sweet-Spot
auf beide Augen des Fahrers, den die Bildmatrix mit monoskopischer
Information moduliert. Zu den Augen des Beifahrers werden zwei weitere
kleinere Sweet-Spots gerichtet, jeder mit Richtungsinformationen
einer stereoskopischen Darstellung für das entsprechende Auge.
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Grundsätzlich kann
ein Multi-User-Display stereoskopische Darstellungen räumlich oder
zeitlich verschachtelt wiedergeben. Für das Prinzip gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dieses jedoch unerheblich, obwohl sich der Aufbau
beider Arten von Multi-User-Displays
grundlegend unterscheidet. Zeitlich verschachtelte Bilder werden
für beide
Augen alternierend wiedergegeben. Deshalb stellt die Sweet-Spot-Einheit
entsprechende Sweet-Spots jeweils für ein Betrachterauge synchron
mit dem entsprechenden stereoskopischen Bild alternierend bereit.
Das heißt,
einer ersten Gruppe von Sweet-Spots für die linken Augen folgt stets
eine zweite Gruppe von Sweet-Spots für die rechten Augen. Das Licht
für jeden
Sweet-Spot durchstrahlt jedoch die Bildmatrix stets in ihrer Gesamtheit
und die Bildmatrix moduliert in jedem Moment stets nur mit dem Videosignal
eines einzigen Bildes.
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Für eine räumlich verschachtelte
Wiedergabe stellt die Sweet-Spot-Einheit alle Sweet-Spots gleichzeitig
bereit. Zum Modulieren durchflutet das Licht für jeden Sweet-Spot einen separaten
Bereich der Bildmatrix und die Bildmatrix moduliert parallel mit
den Videosignalen der Bilder, welche im gleichen Moment den Betrachtergruppen
angeboten werden sollen. So kann beispielsweise die rechte Hälfte der Bildmatrix
einem ersten und der restliche Teil einem anderen Betrachter zugewiesen
werden.
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Beide
Teile können
wiederum monoskopische oder stereoskopische Inhalte darstellen.
Ebenso kann jede Unterteilung beliebig viele Teile enthalten.
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Zur
besseren Übersicht
wird die vorliegende Erfindung bevorzugt für eine zeitliche Verschachtelung
der Einzelbilder für
jedes Betrachterauge beschrieben.
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Die
Patentschrift WO 03/019952 A1 beschreibt ein Display mit einem Trackingsystem
zur stereoskopischen und/oder monoskopischen Darstellung für mehrere
Betrachter. Eine gesteuerte Richtungsoptik auf der Bildmatrix mit
zwei Linsenanordnungen, die einen Shutter einschließen, fokussiert
jeden Pixel des Bildes separat auf die Betrachteraugen. Eine Linsenanordnung
enthält
für jeden
Pixel der Bildmatrix ein separates Linsenelement, welches sein moduliertes
Licht auf den Shutter fokussiert. Der Shutter weist pro Pixel eine
Vielzahl kleinster Segmentöffnungen
auf, um für
jeden Betrachter entsprechend seiner Augenposition ein Segment je Linsenelement
zu öffnen.
Die Segmente werden durch ein entsprechendes zweites Linsenelement
in der dem Shutter folgenden Linsenanordnung auf die Betrachteraugen
abgebildet. Bei Bewegung eines Betrachters übermittelt ein Positionsfinder
die neue Position, um im Shutter jeweils die der Position entsprechenden
Segmente zu öffnen,
um ein Fokussieren der Pixel auf die Augen zu sichern. Die verschiedenen
Bilder werden im Zeitmultiplex den entsprechenden Augen angeboten.
Bei mehreren Betrachtern von stereoskopischen Darstellungen sind
entsprechend der Anzahl der Betrachter mehrere Segmente aufgeschaltet.
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Ein
solches Multi-User-Display ist schwierig zu realisieren, da ein
extrem hochauflösender
Shutter benötigt
wird. Insbesondere erfordert eine sehr große Anzahl von Segmenten pro
Zeile, sowie die Zuordnung der Linsenelemente und der Öffnungen des
Shutters zu den Pixeln der Bildmatrix eine sehr hohe Präzision beim
Fertigen der Komponenten und dem Ausrichten bei der Montage. Außerdem ist
eine hohe Stabilität
des Displays gegenüber
Umwelteinflüssen
wie Temperaturänderungen
und mechanischen Erschütterungen
erforderlich. Besonders nachteilig ist noch, dass die Linsenanordnungen
und der Shutter bezüglich
geometrischer Anordnung, Auflösung
und Fertigungstoleranzen immer exakt auf die Bildmatrix abgestimmt
und daher spezifisch sein müssen.
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Das
Dokument
EP 0773462 beschreibt
eine stereoskopische Wiedergabeeinheit mit einem Lentikular zur
stereoskopischen Wiedergabe für
einen einzigen Betrachter, das unter anderem auch pseudoskopische
Bilder verhindern soll. Die Einheit ist beispielsweise für Geldautomaten
oder Videotelefone anwendbar. Dazu enthält die bekannte Lösung auf einem
flachen Wiedergabeschirm neben einem Lentikular optisch brechende
Mittel, um Hauptstrahl-Keulen für
das linke Bild auf einen linken Bildbetrachtungspunkt und Hauptstrahl-Keulen
für das
rechte Bild auf einen rechten Bildbetrachtungspunkt zu richten.
Dazu dient eine Schicht von Prismenreihen. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
sind die optisch brechenden Mittel durch eine mit Prismen kombinierte
Schicht aus Lentikularen gebildet.
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Aus
dem Patent
US 5 457 574 ist
eine Sweet-Spot-Einheit für
ein Multi-User-Display bekannt, bei dem in Abhängigkeit von der Betrachterposition
Lichtstrahlenbündel
von Beleuchtungselementen einer Beleuchtungsmatrix einzeln aktiviert
werden. Die Beleuchtungselemente sind in einer vertikalen Rasterung
angeordnet und richten die Lichtstrahlenbündel über Abbildungsmittel mit Zylinderlinsenelementen
auf eine transmissive Bildmatrix, die die Lichtstrahlen bildweise
moduliert. Auf diese Weise sind im Betrachterraum an verschiedenen
Positionen stereoskopische Bilder wahrnehmbar.
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Die
Druckschrift
GB 2 405
519 A beschreibt ein weiteres Multi-User-Display, bei dem
der Betrachterbereich durch zusätzliche
Ablenkmittel im Strahlengang erweitert wird. Matrixförmig angeordnete
Ablenkelemente der Ablenkmittel sind vertikal in Übereinstimmung
mit dem Raster der Bildelemente einer transmissiven Bildmatrix angeordnet
und lenken die Strahlenbündel
so ab, dass zwei nebeneinander sitzende Betrachter Bilder mit unterschiedlichen
Informationen sehen. Hierzu werden die Bildelemente so angesteuert,
dass das von der Rückseite
auf die Bildmatrix fallende und von dieser modulierte Licht die Bilder
mit den unterschiedlichen Informationen über die Abbildungs- und Ablenkmittel
auf die entsprechenden Betrachteraugen richtet.
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Bei
den in diesen zwei Dokumenten beschriebenen Displays ist die Darstellung
der stereoskopischen Informationen auf der Bildmatrix abhängig von
den zur Bildtrennung für
verschiedene Betrachteraugen verwendeten optischen Mitteln.
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In
der älteren
Patentanmeldung
DE 103 39 076 des
Anmelders, die zum Anmeldetag dieser Anmeldung noch nicht veröffentlicht
war, wird ebenfalls ein Multi-User-Display beschrieben. Dieses weist eine
von den Betrachtern aus hinter einer transmissiven LCD-Bildmatrix
angeordnete steuerbare Sweet-Spot-Einheit in Form eines gerichteten Backlights
zum Betrachten der Bilder auf der Bildmatrix aus entsprechenden
Augenpositionen innerhalb von Sweet-Spots auf. Eine Tracking- und
Bildsteuerung mit einem Positionsfinder führt die Sweet-Spots den Augenpositionen
nach.
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Eine
Abbildungsmatrix mit einer Vielzahl von vertikal angeordneten Lentikeln
in einem Lentikular bildet schaltbare punktförmige Beleuchtungselemente
einer Beleuchtungsmatrix auf die Augen von Betrachtern ab.
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1 zeigt ein einzelnes Abbildungssystem der
Sweet-Spot-Einheit mit einem Ausschnitt der Beleuchtungsmatrix 1,
deren Beleuchtungselemente spaltenweise in den Spalten 12 und 14 aktiv
sind, und ein einziges Zylinderlinsen-Lentikel 31 des Lentikulars,
das die aktiven Beleuchtungselemente durch zwei kollimierte Strahlenbündel mit
den kollimierten Strahlen 911 ... 91n bzw. 921 ... 92n abbildet.
Jedes weitere Lentikel der Abbildungsmatrix bildet mit anderen aktiven
Beleuchtungselementen der Beleuchtungsmatrix 1 ein ähnliches
Abbildungssystem.
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Der
Positionsfinder ermittelt die Augenpositionen von Betrachtern vor
dem Display, für
welche die Tracking- und Bildsteuerung entsprechende Beleuchtungselemente
in der Beleuchtungsmatrix aktiviert, um damit das aktuelle Bild
der Folge aus den entsprechenden Augenpositionen sichtbar zu machen.
Dafür werden
entsprechend den Augenpositionen in Bezug zum abbildenden Lentikel
Beleuchtungselemente an verschiedenen Positionen, hier in den Spalten 12 und 14 aktiviert,
so dass sich die Strahlenbündel 911
... 91n bzw. 921 ... 92n in nicht gezeigten
Augenpositionen vor dem Display jeweils zu einem Sweet-Spot überlagern,
der mit dem Abstand vom Display eine rautenförmige Form annimmt. Die aktivierten
Beleuchtungselemente unterscheiden sich in der Regel von Lentikel
zu Lentikel derart, dass sich die entsprechend gerichteten Strahlenbündel in
den Sweet-Spots schneiden. Die Beleuchtungsmatrix und die Bildmatrix
sind miteinander synchronisiert, so dass alle zum gleichen Zeitpunkt aktiven
Sweet-Spots jeweils nur ein Bild einer stereoskopischen Bildfolge
darstellen. Die Bilder für
andere Betrachteraugen moduliert die Bildmatrix synchron nach dem
Umschalten auf einen anderen Sweet-Spot bzw. eine andere Sweet-Spot-Gruppe. Während dieser
Zeit muss das Bild für
die anderen Augen unbeleuchtet als so genannter Dark-Spot unsichtbar
sein. Die Strahlenbündel
breiten sich praktisch so aus, dass jedes aktive Beleuchtungselement in
der Ebene der Augenpositionen auf einen Durchmesser von mindestens
einigen Millimetern vergrößert wird,
um mindestens die Augenpupille abzudecken. Die Synchronisation zwischen
Bildfolgen und Sweet-Spots beschränkt sich nicht nur auf ein
gesamtes Bild und einen gesamten Frame der Beleuchtungsmatrix, sondern
kann verfeinert werden auf zugehörige
Zeilenbereiche oder Zeilen bis zur Synchronisation der Pixelgruppen
in der Bild- und Beleuchtungsmatrix pro Lentikel.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Sweet-Spot-Einheit nach der Patentanmeldung
DE 103 39 076 besteht darin,
dass beim Herstellen der Einheit die Breite W
L der
Lentikel frei wählbar
ist. Unabhängig
von der Größe der Pixel
in der LCD-Bildmatrix kann das Lentikular so dimensioniert sein,
dass jedes Lentikel horizontal eine Vielzahl von Beleuchtungselementen überdeckt.
Dadurch können
selbst mit einem relativ großen
Raster für
die Beleuchtungselemente Sweet-Spots für viele Betrachterpositionen
realisiert werden. Bei einem durch die verwendete Beleuchtungsmatrix
vorgegebenem Raster für
die Beleuchtungselemente kann vorteilhaft die Anzahl der möglichen
Augenpositionen über
die Breite der Lentikel definiert werden. Um eine hohe Anzahl von
möglichen
Augenpositionen zu erhalten, muss eine große Lentikelbreite W
L gewählt
werden.
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Da
jedes Lentikel grundsätzlich
vertikal über die
gesamte Höhe
der Bildmatrix verläuft, überdeckt jedes
Linsenelement vertikal mehrere Hundert Beleuchtungselemente in der
Beleuchtungsmatrix.
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Vorrangig
unterscheiden sich die Augenpositionen der Betrachter in horizontaler
Richtung. Deshalb wird oft zum Verringern des Rechenaufwands für die Steuerdaten
und des Nachführens
der Sweet-Spots nur in horizontaler Richtung zwischen Beleuchtungselementen
umgeschaltet, also innerhalb derselben Spalten der Beleuchtungsmatrix.
Wie 1 zeigt, sind für verschiedene
Sweet-Spots in der Beleuchtungsmatrix 1 verschiedene Spalten
von Beleuchtungselementen aktiviert. Während in vertikaler Richtung
spaltenweise jedes Beleuchtungselement zum Generieren eines streifenförmigen Sweet-Spots
benutzt werden muss, sind in horizontaler Richtung in der Regel
nur ein oder wenige Beleuchtungselemente pro Lentikel und Sweet-Spot
erforderlich.
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Darstellung des technischen
Problems
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Eine
Sweet-Spot-Einrichtung für
ein Multi-User-Display, das beispielsweise eine stereoskopische
Darstellung für
zwei Nutzer realisiert, muss vier Sweet-Spots für verschiedene Augenpositionen
bereitstellen. Im Interesse eines akzeptablen Nutzerkomforts kann
nicht erwartet werden, dass sich die Nutzer beim Betrachten innerhalb
eines eng begrenzten Blickfeldes mit einem geringen Blickwinkel nahe
zur Mittelachse des Displays befinden. Bekannte Lösungen sind
mit einfachen Abbildungselementen aufgebaut, die meist aus hochgenauen
Lentikularen bestehen. Derartige einfache optische Systeme enthalten
die aus der Linsentheorie bekannten Bildfehler, die zu eingeschränkten Betrachterwinkeln
führen.
Der Betrachterwinkel wird im wesendlichen durch die optischen Aberrationen
des Lentikulars begrenzt, die immer auftreten, besonders aber, wenn die
Strahlenbündel
unter einem großen
Winkel aus den Lentikeln austreten. Dies betrifft vor allem Sweet-Spots
für Betrachter,
die unter einem großen Winkel
auf das Display blicken, also weit von der Mittelachse entfernt
sind. Werte für
Betrachterwinkel von über
25 Grad sind nur schwer zu erreichen. Darüber hinaus müssen bei
dem oben beschriebenen Prinzip einer Sweet-Spot-Einheit besonders
breite Lentikel benutzt werden, um eine große Anzahl von möglichen
Augenpositionen zu erreichen.
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Mit
einfachen Lentikularen sind wegen der geschilderten Abbildungsfehler
für große Betrachterwinkel
keine Sweet-Spots mit der geforderten Qualität zu erzielen. Die Bildfehler
erzeugen mit zunehmendem Winkel zur Mittelachse nachteilige Effekte wie Übersprechen
der Sweet-Spots sowie Homogenitätsverluste
im Lentikular und damit auch in der Wahrnehmung der Bildinformation.
Eine Nutzung der bekannten Lösungen
für mehrere
Betrachter gleichzeitig, insbesondere bei einem stereoskopischen
Betrieb, ist für
befriedigende Qualitätsansprüche daher kaum
möglich.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, eine Sweet-Spot-Einheit für ein Multi-User-Display,
vorzugsweise ein elektronisches Display zur wählbaren Wiedergabe von stereoskopischen
und/oder monoskopischen Darstellungen, zu schaffen, welche einen mit
einer Tracking- und Bildsteuerung einstellbaren Betrachterbereich
aufweist, der gegenüber
bekannten Lösungen
wesentlich erweitert ist. Das Display soll mit einfachen Abbildungsmitteln
eine freie und unabhängige
Beweglichkeit der Betrachter in einem weiten Betrachterbereich ermöglichen.
Im gesamten Betrachterbereich sollen Sweet-Spots mit hoher Helligkeit und hohem
Kontrast, geringem gegenseitigen Übersprechen und hoher Homogenität bezüglich der Leuchtdichte
generierbar sein.
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Außerdem sollen
handelsübliche
Beleuchtungsmittel, wie Backlight mit Shutter, oder aktive Beleuchtungsmatrizen
mit einer Rasterung, die unabhängig
von der Rasterung der Abbildungsmittel und der Rasterung der Bildmatrix
ist, verwendbar sein.
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Die
vorliegende Erfindung geht von einer Sweet-Spot-Einheit für ein Multi-User-Display
aus, welche von einer Tracking- und Bildsteuerung gesteuert wird
und durch eine transmissive Bildmatrix hindurch Strahlenbündel auf
Sweet-Spots mit definierter Ausdehnung an verschiedenen Augenpositionen
von Betrachtern richtet und fokussiert.
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Die
Sweet-Spot-Einheit stellt ein steuerbares gerichtetes Backlight
für die
Bildmatrix dar, welche die Strahlenbündel, die entsprechenden Betrachteraugen
zugeordnet sind und sich zu einem Sweet-Spot überlagern, im Zeit- und/oder
Raummultiplex mit separaten Bildfolgen moduliert. Jeder Sweet-Spot
macht dabei ein separates Bild für
das entsprechende Auge betrachtbar. Die Sweet-Spot-Einheit beinhaltet
eine von der Tracking- und Bildsteuerung gesteuerte Beleuchtungsmatrix mit
einer Vielzahl von diskret aktivierbaren Beleuchtungselementen,
die eine vertikale Rasterung mit der Höhe HV aufweisen,
und Abbildungsmittel mit Linsenelementen der Breite WL zum
Abbilden der Beleuchtungselemente in Strahlenbündeln auf die Sweet-Spots.
Die Tracking- und Bildsteuerung aktiviert für jedes Linsenelement örtlich entsprechend gelegene
Beleuchtungselemente, um jedem Strahlenbündel seine Richtung vorzugeben,
wobei die Ausdehnung des Betrachterbereiches gegenüber den
bekannten Lösungen
erweitert ist.
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Betrachterbereich aus mehreren
horizontal nebeneinander liegenden Sweet-Spot-Gebieten zusammenzusetzen.
Dafür enthalten
die Abbildungsmittel zusätzlich
matrixförmig
strukturierte Ablenkmittel mit vertikal periodisch in Gruppen angeordneten
optischen Ablenkelementen. Ferner wird nahe zur Bildmatrix ein vertikal
streuendes Medium angeordnet.
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Jede
Gruppe von Ablenkelementen weist den Sweet-Spots horizontal ein
eigenes Sweet-Spot-Gebiet zu. Über
eine vertikale Auswahl von aktiven Beleuchtungselementen in den
Spalten der Beleuchtungsmatrix wird festgelegt, in welches Sweet-Spot-Gebiet
ein horizontales Muster von aktiven Beleuchtungselementen abgebildet
wird. Da auf diese Weise in vertikaler Richtung nicht mehr alle
Beleuchtungselemente einer Spalte der Beleuchtungsmatrix zu einem
bestimmten Sweet-Spot beitragen, werden in vertikaler Richtung wirksame
optische Mittel zur vertikalen Aufweitung benutzt, welche die Strahlenbündel entsprechend
der Anzahl der verfügbaren
Gruppen vertikal aufweiten.
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Gemäß der Erfindung
enthält
die Sweet-Spot-Einheit:
zwischen den Abbildungsmitteln und
der Bildmatrix Ablenkmittel mit matrixförmig angeordneten Ablenkelementen,
die vertikal in Übereinstimmung
mit der vertikalen Rasterung der Beleuchtungsmatrix periodisch in
Gruppen angeordnet sind, wobei jede Gruppe der Ablenkelemente die
Strahlenbündel
jeweils unter einem anderen vorbestimmten Winkel ablenkt, um diese
in eines von mehreren horizontal angrenzenden Sweet-Spot-Gebieten
abzubilden;
eine Beleuchtungsmatrix, bei der die Beleuchtungselemente
in jeder Spalte entsprechend den Gruppen aktivierbar sind, um die
Strahlenbündel
in ein gewünschtes
Sweet-Spot-Gebiet abzubilden;
optische Mittel zur vertikalen
Aufweitung, welche die vertikale Ausdehnung der Strahlenbündel bei
der Abbildung der Beleuchtungselemente vergrößern und
ein optisch streuendes
Medium als letztes Element in Lichtrichtung vor der Bildmatrix.
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Durch
eine Aufteilung in mehrere Sweet-Spot-Gebiete und ein entsprechendes
Abstufen der Ablenkwinkel der Gruppen von Ablenkelementen kann mit
einer vorgegebenen Anzahl an horizontalen Bildpunkten pro Linsenelement
eine mehrfache Aufweitung des Betrachterbereichs erreicht werden.
Zu jedem Muster an horizontalen Beleuchtungselement-Einstellungen
kann somit durch eine vertikale Auswahl der in einer Spalte aktiven
Beleuchtungselemente auf Basis der zugeordneten Ablenkelemente der
Gruppen das entsprechende Sweet-Spot-Gebiet genutzt werden. Dabei
ist es nicht erforderlich, für
Sweet-Spots ausschließlich
Beleuchtungselemente zu aktivieren, die nur einer Gruppe von Ablenkelementen
zugeordnet sind. Ein großer Vorteil
der Erfindung besteht darin, dass Beleuchtungselemente, welche Ablenkelementen
verschiedener Gruppen zugeordnet sind, gleichzeitig aktiviert werden
können.
Damit können
beispielsweise Beleuchtungselemente für eine erste Gruppe von Ablenkelementen
aktiviert werden, um in einem ersten Sweet-Spot-Gebiet zwei verschiedene Sweet-Spots
mit stereoskopischer Bildinformation jeweils auf ein Auge eines
ersten Betrachters zu richten. Gleichzeitig können andere Beleuchtungselemente
für eine
zweite Gruppe von Ablenkelementen aktiviert werden, um in einem
anderen Sweet-Spot-Gebiet zwei verschiedene Sweet-Spots mit stereoskopischer
Bildinformation jeweils auf ein Auge eines anderen Betrachters oder
auch einen einzigen großen
Sweet-Spot mit monoskopischem Bildinhalt auf beide Augen des Betrachters
zu richten. Dabei kann auch der Fall eintreten, dass die gleichen horizontalen
Positionen für
die Beleuchtungselemente, jedoch entsprechend den unterschiedlichen Sweet-Spot-Gebieten
in zwei unterschiedlichen Zeilen aktiviert werden.
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Das
optisch streuende Medium hat die Aufgabe, die durch die vertikale
Gruppenbildung der Pixel auf der Bildmatrix entstehenden Lücken für die Betrachtung
zu schließen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind die Ablenkmittel prismenförmige Ablenkelemente mit einer
Prismenbreite entsprechend der Breite der Linsenelemente und einer
Höhe entsprechend
der vertikalen Rasterung der Beleuchtungsmatrix, wobei die Ablenkelemente
sowohl horizontal am Raster der Linsenelemente als auch vertikal
am Raster der Beleuchtungsmatrix ausgerichtet sind.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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Die
Erfindung soll an Hand von Zeichnungen erläutert werden. Diese zeigen
im Einzelnen:
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1 einen
Ausschnitt aus einer Sweet-Spot-Einheit, wie sie der AnmeldeR in
der älteren
Patentanmeldung
DE 103 39 076 vorgeschlagen
hat;
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2 einen
Ausschnitt aus einer ersten Ausführungsform
der Sweet-Spot-Einheit
gemäß der Erfindung
mit einer ersten möglichen
Reihenfolge der Abbildungsmittel, der Ablenkmittel und der optischen Mittel
zur vertikalen Aufweitung und Streuung;
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3 die
Funktion des Grundprinzips der Erfindung, jedoch ohne die Funktion
des optischen Mittels zur vertikalen Aufweitung und Streuung;
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4a einen
Ausschnitt aus den Ablenkmitteln in Form einer Ablenkmatrix in einer
ersten Ausführungsform,
bei der in jeder Zeile die prismenförmigen Ablenkelemente gleiche
Ablenkwinkel aufweisen und sich die Ablenkwinkel zeilenweise ändern;
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4b einen
Ausschnitt aus der Ablenkmatrix in einer zweiten Ausführungsform
mit prismenförmigen
Ablenkelementen aller Ablenkwinkel in jeder Zeile;
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5 einen
Ausschnitt aus der ersten Ausführungsform
mit eingezeichnetem Strahlenverlauf bei aktiven Beleuchtungselementen;
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6 einen
Ausschnitt aus einer zweiten Ausführungsform mit eingezeichnetem
Strahlenverlauf und mit getauschter Reihenfolge von Ablenkmittel
und optischen Mitteln zur vertikalen Aufweitung;
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7 einen
Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform mit eingezeichnetem
Strahlenverlauf, bei dem die optischen Mittel zur vertikalen Aufweitung
vor der Abbildungsmatrix angeordnet sind; und
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8 eine
Kombination der Abbildungsmatrix und der Ablenkmatrix zu einer einzigen
optischen Matrix.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
Erfindung soll nachstehend an Hand von bevorzugten Ausführungsformen
und den Figuren erläutert
werden.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
der Sweet-Spot-Einheit gemäß der Erfindung
mit einer Beleuchtungsmatrix 1 und einer ersten möglichen Reihenfolge
der Abbildungsmittel mit einem Lentikular, von dem nur ein einziges
Lentikel 31 gezeigt ist, und den Ablenkmitteln 5 gemäß der Erfindung
in Form einer Ablenkmatrix mit Ablenkelementen 511, ..., 51n,
den optischen Mitteln zur vertikalen Aufweitung 7 und dem
Streumedium 8. Alle Elemente bilden eine Sweet-Spot-Einheit,
die vom Betrachter aus hinter einer Bildmatrix angeordnet ist. Sie
wird als Ausschnitt dargestellt.
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Für eine Bildmatrix
mit 1600 × 1200
Pixeln kann beispielsweise eine Beleuchtungsmatrix 1 mit 4800 × 3600 Beleuchtungselementen
verwendet werden. Andere Rasterungen für die Beleuchtungsmatrix 1 sind
ebenso möglich.
Die Beleuchtungselemente können
aktiv oder passiv, beispielsweise ein Shutter mit einem Backlight,
eine LED-Matrix oder eine OLED-Matrix sein. Um Abberationen zu vermeiden,
sollte vorteilhaft sowohl das vertikale Raster der Ablenkelemente 511,
..., 51n mit der vertikalen Rasterung mit der Höhe HV der Beleuchtungsmatrix 1 als auch
das horizontale Raster der Ablenkelemente 511, ..., 51n mit
der Breite WL der Linsenelemente, in 2 das
vertikale Lentikel 31, übereinstimmen.
Die Breite der Ablenkelemente, hier der Prismen, kann jedoch auch
ein ganzzahliges Vielfaches der entsprechenden Breite WL der
Linsenelemente sein.
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3 zeigt
die Funktion der Sweet-Spot-Einheit gemäß der Erfindung. Das Lentikel 31 kollimiert
das Licht des aktiven Beleuchtungselements 131 zu einem
Strahlenbündel 91.
Das prismenförmige
Ablenkelement 511 der Ablenkmittel 5 in Form einer
Ablenkmatrix 5 gehört
zu einer Gruppe, welche das Strahlenbündel 91 infolge der
Neigung der Lichtaustrittsfläche
in Lichtrichtung nach links ablenkt. Diese Gruppe der Ablenkelement 511 ist
deshalb mit dem Buchstaben „L" gekennzeichnet.
Von allen Beleuchtungselementen, die hinter einem solchen Ablenkelement
liegen, die Strahlenbündel
in das entsprechende Sweet-Spot-Gebiet gelenkt, welches vom Betrachter
aus gesehen rechts liegt.
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Das
in der Spalte tiefer liegende Element 512 weist keine Neigung
der Lichtaustrittsfläche
auf. Dieses Element 512 richtet ein Strahlenbündel 92 ohne Ablenkung
geradeaus in ein mittleres Sweet-Spot-Gebiet. Diese Elemente der
Ablenkmatrix 5 sind mit dem Buchstaben „N" gekennzeichnet.
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Ein
Strahlenbündel
von einer in derselben Spalte der Beleuchtungsmatrix 1 darunter
liegenden aktiven Beleuchtungselement 133 trifft dagegen
auf ein Ablenkelement 513, welches zu einer Gruppe gehört, die
ein Strahlenbündel 93 nach
rechts ablenkt, so dass die Strahlenbündel in einem vom Betrachter aus
gesehen links liegenden Sweet-Spot-Gebiet
erscheinen. Derartige Ablenkelemente sind mit dem Buchstaben „R" gekennzeichnet.
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3 zeigt
somit, wie Beleuchtungselemente, die in der selben Spalte liegen,
mit gleicher vertikaler Lage allein durch Auswahl einer entsprechenden
Zeile der Beleuchtungsmatrix 1 in verschiedene Sweet-Spot-Gebiete
gerichtet werden. Die beschriebene Sweet-Spot-Einheit weist als
Beispiel eine Ablenkmatrix mit analog zu 2 drei Gruppen
(L, N, R) von Ablenkelementen auf, welche die Strahlenbündel in
drei verschiedene Sweet-Spot-Gebiete richtet. Das Prinzip kann jedoch
ebenso variiert werden. Insbesondere für Displays, bei denen vorrangig
auf Sweet-Spots im mittleren Betrachterbereich verzichtet werden
kann, wie Multi-User Displays in Fahrzeugen, kann es vorteilhaft
sein, die Anzahl der Gruppen von Ablenkwinkel noch zu erhöhen. Dadurch
können beispielsweise
Fahrzeugführer
und Beifahrer in einem besonders großen Blickwinkel weit von einander positioniert
verschiedene Bildsignale auf einem Display betrachten.
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In 3 ist
die Sweet-Spot-Einheit ohne das optische Mittel zur vertikalen Aufweitung 7 dargestellt.
Dadurch ist erkennbar, dass dieses Mittel ein wesentliches Element
bezüglich
der homogenen Ausleuchtung der Bildmatrix ist. Auf die Darstellung der
Bildmatrix wurde verzichtet. Das Mittel zur vertikalen Aufweitung
kompensiert zusammen mit dem Streumedium 8 analog zu 2 nicht
ausgeleuchtete Bereiche, die prinzipbedingt als Folge der inaktiven Beleuchtungselemente
in jeder Spalte der Beleuchtungsmatrix entstehen würden. Die
optischen Mittel zur vertikalen Aufweitung 7 vergrößern die
vertikale Ausdehnung der Strahlenbündel 91, 92, 93,
die zusammen mit dem Streumedium 8 die Bildmatrix homogen
ausleuchten. Der wesentliche Gedanke für die Erweiterung des Betrachtungsbereichs
ist die Adressierung von Winkelpositionen in einem begrenzten Betrachterbereich,
dem weitere Betrachterbereiche durch Nachschalten von Ablenkelementen 5 angeschlossen
werden können.
Es ist daher zwingend notwendig, dass die Ablenkelemente 5 den
lateralen Abbildungsmitteln 3 in Lichtrichtung folgen. Ansonsten
entstehen aufgrund der großen
Licht-Austrittswinkel aus den Abbildungsmitteln 3 erhebliche Aberrationen,
die eine lateral begrenzte Sweet-Spot-Bildung kaum zulassen.
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4a zeigt
eine erste Ausführungsform
der Ablenkmatrix 5, bei der in jeder Zeile die prismenförmigen Ablenkelemente 511, 521 (oberste
Zeile) beziehungsweise 51n, 52n (unterste Zeile)
gleiche Ablenkwinkel aufweisen und sich die Ablenkwinkel zeilenweise
jeweils in gleicher Folge ändern.
Die gezeigte Ablenkmatrix 5 bietet Vorteile bei der Ansteuerung
der Beleuchtungsmatrix, da in diesem Fall nur in horizontaler Richtung
die Beleuchtungselemente einzeln ansteuerbar sein müssen. Komplette
Zeilen der Beleuchtungsmatrix können
dabei jeweils auch gruppenweise in Zeilen angesteuert werden.
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4b zeigt
eine zweite Ausführungsform der
Ablenkmatrix 5, bei der die prismenförmigen Ablenkelemente 511, 521, 531 (oberste
Zeile) beziehungsweise 51n, 52n, 53n (unterste
Zeile) in den Zeilen der Ablenkmatrix 5 so angeordnet sind,
dass die Kanten an den Enden der Ablenkelemente stetig, das heißt sprungfrei
zwischen horizontal benachbarten Ablenkelementen aneinander anschließen. Dieses
bietet wesentliche Vorteile bei der Herstellung der Ablenkmatrix,
insbesondere bei der Masterherstellung, dem Abformen oder beim Auftragen
durch Roll-Prägung
auf ein Substrat oder eine Trägerfolie.
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5 zeigt
die erste Ausführungsform
der Ablenkmatrix 5 mit eingezeichnetem Strahlenverlauf bei
aktiven Beleuchtungselementen. In horizontaler Richtung wird das
Licht, wie dargestellt, in Sweet-Spot-Gebiete fokussiert. Allerdings
entstehen gemäß 3 vertikale
Lücken,
die durch vertikale Mittel zur Aufweitung 7, hier horizontale
Lentikel 71, ... 7n, in der Ebene der Bildmatrix
geschlossen werden.
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Um
die Bildmatrix homogen ausleuchten zu können, ist die Verwendung eines
vertikal streuenden Mediums zwischen dem Aufweitungsmittel und der
Bildmatrix erforderlich. Dies ist in der 2, allerdings
ohne Bildmatrix, dargestellt. 2 zeigt
die Höhe
HV der vertikalen Rasterung der Beleuchtungsmatrix 1 und
die Breite WL der Linsenelemente, hier des
Lentikels 31.
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Im
Weiteren wird auf die explizite Darstellung des vertikal streuenden
Mediums verzichtet. Es ist jedoch in jeder nachfolgenden Anordnung
erforderlich.
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Wie
bereits dargestellt, muss die Ablenkmatrix 5 den Abbildungsmitteln 3 in
Lichtrichtung folgen. Ansonsten können Ablenkmatrix 5 und
die optischen Mittel zur vertikalen Aufweitung 7 miteinander
vertauscht werden.
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6 zeigt
eine Anordnung, wobei die Ablenkmatrix 5 den optischen
Mitteln zur vertikalen Aufweitung 7 folgt.
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7 stellt
eine weitere vorteilhafte Anordnung dar, wobei der Winkel in vertikaler
Richtung, unter dem das Licht das letzte Element verlässt, große Werte
zulässt.
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8 zeigt
eine besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Ablenkelemente 511, 512, ... der Ablenkmatrix 5.
Diese sind so ausgeformt, dass sie zusätzlich die Funktion der horizontalen
Lentikel in den Abbildungsmitteln realisieren. Auf diese Weise entsteht
an Stelle der in 6 gezeigten zwei separaten optischen
Elemente ein einziges Kombinationselement, was bei der Montage den
Aufwand zum Ausrichten beider Elemente stark verringert.