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Die
Erfindung betrifft ein transmissives autostereoskopisches Display
mit einer steuerbaren Beleuchtungseinrichtung, die einen als Beleuchtungsmatrix
wirkenden Lichtmodulator enthält.
Das von diesem ausgestrahlte Licht wird in Parallelstrahlenbündeln von
einem Abbildungsmittel durch eine Wiedergabematrix gerichtet auf
jeweils ein Auge eines Betrachters als Sichtbarkeitsbereich abgebildet,
von dem aus eine 3D-Bilddarstellung zu sehen ist.
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Anwendungsgebiet
der Erfindung sind autostereoskopische Displays, mit denen die Bildinformationen,
wie Bilder oder Bildfolgen, für
mehrere Betrachter wahlweise entweder im 2D- oder 3D-Modus oder
im gemischten Modus dargestellt werden können.
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Als
autostereoskopische Displays werden im Dokument Displays bezeichnet,
bei denen mindestens ein Betrachter eine 3D-Bilddarstellung ohne
zusätzliche
Hilfsmittel sehen kann.
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Grundsätzlich enthält das Display
ein Abbildungsmittel, das aus einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten
Abbildungselementen besteht. Synchron zur jeweils auf ein Betrachterauge
gerichteten Beleuchtung werden auf der Wiedergabematrix die entsprechenden
Stereobilder zum Realisieren eines 3D-Bildes dargestellt. Die Position
des jeweiligen Betrachterauges wird von einem Positionsfinder ermittelt.
Bei einer Positionsänderung
eines Betrachters werden die Sichtbarkeitsbereiche durch Änderung der
entsprechenden Steuersignale einer Steuereinheit den Betrachteraugen
nachgeführt.
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Der
bzw. die Betrachter befinden sich mit ihren Augen im Betrachterraum
in Bereichen, von denen aus eine Bildinformation auf dem Display
dreidimensional betrachtet werden kann und die als Sichtbarkeitsbereiche
bezeichnet werden. Aus diesen Sichtbarkeitsbereichen heraus soll
stets die Homogenität
der Darstellung der Bildinformation auf dem Display gewährleistet
werden und ein Übersprechen auf
das jeweils andere Auge bei der 3D-Darstellung vermieden werden.
Auch wenn der Betrachter eine neue Position im Betrachterraum vor
dem Display einnimmt, müssen
die genannten Bedingungen weiter gelten, so dass ihm Informationen
mit monoskopischen oder stereoskopischen Bildinhalten ständig in guter
Qualität
zur Verfügung
stehen.
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Der
Aufbau und die Funktionsweise eines derartigen autostereoskopischen
Displays mit zeitsequentieller Darstellung sind beispielsweise in
der
WO 2005/060270
A1 der Anmelderin genau beschrieben und werden hier teilweise
wiedergegeben:
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In 1 ist
das Funktionsprinzip des Displays schematisch in Draufsicht dargestellt,
jedoch weder maßstabsgerecht
noch mit der vollständigen Anzahl
an optischen Elementen.
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Eine
Vielzahl von Linsenelementen 111 ... 114 in einer Abbildungsmatrix
110 bildet schaltbare punktförmige
Beleuchtungselemente 11 ... 46 einer Beleuchtungsmatrix 120 auf
die Augen ER, EL eines Betrachters
ab. Die durch eine großflächige Lichtquelle
130 beleuchtete Beleuchtungsmatrix 120 generiert pro Linsenelement
und Betrachter mindestens ein Strahlenbündel B1 ... B4, welche sich
durch gezieltes Aktivieren von Beleuchtungselementen 11 ... 46 durch
eine Tracking- und Bildsteuerung 160 am Ort der Betrachteraugen
zu einem zweidimensionalen Sweet-Spot
(Sichtbarkeitsbereich) SR überlagern. Die
Abbildungsmatrix 110, die Beleuchtungsmatrix 120 und die Lichtquelle
130 bilden gemeinsam eine steuerbare Sweet-Spot-Einheit in Form
eines gerichteten Backlights zum Sichtbarmachen eines Bildes einer
transmissiven LCD-Bildmatrix 140 aus Positionen im Betrachterraum,
welche die Tracking- und Bildsteuerung 160 ansteuert. In der Praxis
sind weitaus mehr Linsenelemente 111 ... 114 und Beleuchtungselemente
vorhanden. Als Beleuchtungselemente dienen vorteilhaft Pixel bzw.
Subpixel einer LCD-Matrix. Auf dem Wege zum Betrachter durchfluten
die Strahlenbündel
B1 ... B4 großflächig die
Bildmatrix 140, welche alternierend jeweils nur ein Bild einer stereoskopischen
Bildfolge eines Bildsignals PSS enthält. Ein Positionsfinder 150
ermittelt die Anzahl von Betrachtern und die Augenpositionen ER, EL vor dem Display.
Entsprechend aktiviert die Tracking- und Bildsteuerung 160 im dargestellten
Beispiel die Beleuchtungselemente 13, 24, 35 und 46, um das aktuelle
Bild sichtbar zu machen. Wie 1 zeigt,
liegen die Beleuchtungselemente 13, 24, 35 und 46 an verschiedenen
Positionen in Bezug auf die optische Achse der ihnen folgenden Linsenelemente.
Bei einer Bewegung eines Betrachters aktiviert die Tracking- und
Bildsteuerung 160 andere Beleuchtungselemente, um das jeweilige
Sweet-Spot-Bündel der Bewegung
der Augen nach zuführen.
Zur alternierenden Darstellung der Stereobilder macht die Tracking- und
Bildsteuerung 160 durch Umschalten von Beleuchtungselementen synchron
mit jedem Bildwechsel das folgende Bild jeweils für das entsprechende Auge
eines bzw. aller Betrachter sichtbar. Für das andere Auge ist das Bild
während
dieser Dauer unbeleuchtet und damit unsichtbar. Erfolgt die Darbietung der
Bildfolge der Bildmatrix für
rechte und linke Augen mit der synchronisierten Beleuchtung des
entsprechenden Auges hinreichend schnell, können die Betracheraugen die
ihnen dargebotenen Bilder zeitlich nicht mehr auflösen. Beide
Augen sehen die Bildfolge als Stereodarstellung. Die Strahlenbündel B1
... B4 breiten sich praktisch so aus, dass jedes aktive Beleuchtungselement
13, 24, 35 und 46 in der Ebene der Augenpositionen ER bzw. EL auf einem Durchmesser von mindestens einigen
Millimetern vergrößert abgebildet wird. Zur einfachen Darstellung
der Funktion bilden in allen Figuren dieses Dokumentes Parallelstrahlenbündel den
Sweet-Spot (Sichtbarkeitsbereich). In der Praxis weicht der Strahlengang gering
von der Kollimation ab. In jedem Fall deckt jedes Strahlenbündel B1
... B4 mindestens die Ausdehnung der Sweet-Spot-Fläche ab,
die mindestens so groß wie
ein Betrachterauge ist. Dadurch kann ein Betrachter den gesamten
Bildschirmbereich der Bildmatrix mit homogener Ausleuchtung betrachten.
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Um
die oben genannten Anforderungen an dieses Display optimal erfüllen zu
können,
wird ein Trackingsystem benötigt,
das ständig
die Betrachterbewegungen im Raum vor dem Display in einem möglichst
großen
Raumbereich verfolgt und jedem Betrachter mittels der Steuersignale
der Steuereinheit stets die ihm zugehörige Bildinformation unabhängig von
seiner momentanen Position darstellt. Das stellt hohe Anforderungen
an die Genauigkeit des Positionsfinders, an die Qualität der einzelnen Komponenten
des Displays sowie an die Abbildungsqualität des Displays insgesamt.
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Für die vorliegende
Erfindung ist es unerheblich, ob die Beleuchtungseinrichtung aus
einer Vielzahl selbstleuchtender oder lichtdurchstrahlter Beleuchtungselemente
besteht. Jedem Abbildungselement ist eine Vielzahl von Beleuchtungselementen zugeordnet.
Unter Anwendung des Verfahrens der inversen Strahlberechnung werden
die Beleuchtungselemente ermittelt, die zum Erzeugen von Parallelstrahlenbündeln für die aktuelle
Betrachterposition benötigt
werden. Schon bei geringen Abweichungen in der Anzahl der zu aktivierenden Beleuchtungselemente,
d.h. bei geringfügig
zu viel aktivierten, treten Störungen
in der Abbildung auf.
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Nachteilig
hat sich in der Praxis bei Verwendung eines Lentikulars als Abbildungsmittel
erwiesen, dass beim Abbilden des Lichts der aktivierten Beleuchtungselemente
als Parallelstrahlenbündel durch
das ermittelte Lentikel zusätzlich
störendes Streu-
oder Falschlicht auftritt. Das Licht der aktivierten Beleuchtungselemente
beleuchtet nicht nur das zugehörige
Lentikel, sondern auch noch die beiden angrenzenden Lentikel rechts
und links vom zugehörigen
Lentikel. Dieses Licht generiert zusätzliche sekundäre Parallelstrahlenbündel, die
zwar in ihrer Intensität
schwächer
sind, aber auch zu Betrachteraugen gelangen können. Die sekundären Parallelstrahlenbündel haben
insbesondere nachteilige Auswirkungen auf die Darstellung der Stereobilder,
wenn mehrere Betrachter vor dem Display eine 3D-Darstellung sehen
wollen. Dabei passiert es, dass ein sekundäres Parallelstrahlenbündel des
für ein
rechtes Auge bestimmten Parallelstrahlenbündels auf ein linkes Auge eines
benachbarten Betrachters fällt
und das linke Auge dadurch ein rechtes Stereobild erhält.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, in einem autostereoskopischen Display bei
der Abbildung von Licht auf Betrachteraugen die Streuwirkung des Lichts
möglichst
klein zu halten, um zusätzliche Sichtbarkeitsbereiche
zu verhindern und eine gegenseitige Beeinflussung der Stereobilder
für benachbarte
Augen, also das Übersprechen,
zu vermeiden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
zwei streifenförmige
Polarisationsfolien im Strahlengang mit einem Abstand zueinander
angeordnet sind. Die verwendeten Polarisationsfolien weisen sich
abwechselnde Streifen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung
auf. Zweckmäßigerweise liegen
sich die Streifen gleicher Polarisation der ersten und zweiten streifenförmigen Polarisationsfolie
in Lichtrichtung deckungsgleich gegenüber, um das Licht in die vorgesehene
Richtung, d.h. auf die aktuelle Position des jeweils ermittelten
Betrachterauges, zu lenken. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel ist
die erste streifenförmige
Polarisationsfolie an der Lichtaustrittsseite eines als Beleuchtungsmatrix
wirkenden Lichtmodulators und die zweite streifenförmige Polarisationsfolie
vor einem Abbildungsmittel, vorzugsweise einem Lentikular, angeordnet.
Auf diese Weise werden die zusätzlich
erzeugten, schwächer leuchtenden
sekundären
Parallelstrahlenbündel
unterdrückt.
Dazu ist es weiterhin notwendig, dass die Breite eines Streifens
in beiden Polarisationsfolien mit der Breite eines Lentikels des
Lentikulars übereinstimmt.
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Das
Abbildungsmittel besteht im Ausführungsbeispiel
aus einem eine Vielzahl parallel angeordneter sphärischer
Lentikel enthaltenden Lentikular und bildet das Licht der Beleuchtungselemente
als Parallelstrahlenbündel
durch jeweils ein Lentikel des Lentikulars ab. Es liegt im Rahmen
der Erfindung, dass das Abbildungsmittel auch eine matrixartige
Anordnung von Mikrolinsen in Streifenform sein kann. Analog wären die
streifenförmigen
Polarisationsfolien anzuordnen.
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Die
Position der zu aktivierenden Beleuchtungselemente wird vorteilhaft
durch eine inverse Strahlberechnung vom jeweiligen Betrachterauge aus
ermittelt, wodurch auch gleichzeitig die Lage des zu durchstrahlenden
Abbildungselements des Abbildungsmittels bestimmt wird.
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Die
erfindungsgemäße Lösung der
Unterdrückung
von sekundären
Strahlenbündeln
ist einfach und effektiv und hat sich in autostereoskopischen Displays
für mehrere
Betrachter gut bewährt.
Damit wird auch das Tracking bei mehreren Betrachtern für jeden
Betrachter genauer und die Qualität der 3D-Darstellung wird für jeden
einzelnen Betrachter verbessert.
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Die
erfindungsgemäße steuerbare
Beleuchtungseinrichtung eines autostereoskopischen Displays mit
zeitsequentieller Darstellung wird nachfolgend näher beschrieben. In den Darstellungen
zeigen in Draufsicht
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1 das
Funktionsprinzip des autostereoskopischen Displays schematisch in
Draufsicht als Stand der Technik,
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2 eine
schematische Darstellung eines Displayausschnittes mit einem auf
ein Betrachterauge gerichteten Parallelstrahlenbündel und zwei zusätzlich hervorgerufenen
sekundären
Parallelstrahlenbündeln
und
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3 eine
schematische Darstellung entsprechend 2 mit im
Strahlengang angeordneten Mitteln zur Unterdrückung der sekundären Parallelstrahlenbündel entsprechend
der Erfindung.
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Die
Erfindung basiert auf einem autostereoskopischen Display, dessen
Funktionsprinzip entsprechend 1 im Stand
der Technik bereits so weit beschrieben wurde, wie es zum Verständnis der
vorliegenden Erfindung nötig
ist.
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In 2 ist
der Beleuchtungsstrahlengang im Display ausschnittsweise schematisch
dargestellt.
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Mit 1 ist
die Beleuchtungsmatrix bezeichnet, die durch einen Lichtmodulator
mit einer Vielzahl von matrixförmig
angeordneten Zellen realisiert wird, die die Beleuchtungselemente
repräsentieren.
Die schwarzen Bereiche in der Beleuchtungsmatrix 1 stellen
die nicht aktivierten Beleuchtungselemente dar. Danach folgt in
Lichtrichtung ein als Lentikular 2 ausgebildetes Abbildungsmittel
mit parallel nebeneinander liegenden sphärischen Lentikeln 3.
Das von den spaltenweise aktivierten Beleuchtungselementen ausgehende
Licht trifft auf das Lentikular 2. Mit der inversen Strahlberechnung
wurden diese zu aktivierenden Beleuchtungselemente entsprechend
der aktuellen Betrachterposition ermittelt. Vom mittleren der drei
dargestellten sphärischen
Lentikel 3 wird das Licht als Parallelstrahlenbündel 4 auf
ein hier nicht eingezeichnetes rechtes bzw. linkes Betrachterauge abgebildet
und generiert dort jeweils einen Sichtbarkeitsbereich für die 3D-Darstellung.
Das Licht der aktivierten Beleuchtungselemente ruft aber noch zusätzliche
sekundäre
Parallelstrahlenbündel 5 hervor, die
jedoch in ihrer Intensität
schwächer
sind. Das Licht der sekundären
Parallelstrahlenbündel 5 hat den
gleichen Ausgangspunkt wie das Parallelstrahlenbündel 4. Jedoch strahlen
die sekundären
Parallelstrahlenbündel 5 entsprechend 2 in
einen Winkel nach rechts und links davon ab. Sie können zu
der eingangs erwähnten
Beeinträchtigung
der Abbildungsqualität
führen,
wenn mehrere Betrachter eine 3D-Darstellung sehen wollen. Auf diese
Weise kann z.B. ein linkes Auge eines zweiten Betrachters das rechte
Stereobild eines ersten Betrachters erhalten, wenn mit dem Parallelstrahlenbündel 4 synchron ein
rechtes Stereobild zeitsequentiell gesteuert dargestellt wird. Es
tritt ein Übersprechen
der Stereodarstellung auf.
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Entsprechend
der 3 werden zur Lösung des
Problems zwei streifenförmige
Polarisationsfolien 6 im Strahlengang des autostereoskopischen
Displays angeordnet. Die erste Polarisationsfolie 6 folgt im
Strahlengang der Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungsmatrix 1 und
die zweite Polarisationsfolie 6 ist vor dem Lentikular 2 angeordnet.
Um die sekundären Parallelstrahlenbündel 5 zu
unterdrücken,
liegen sich die Streifen gleicher Polarisationsrichtung der ersten und
zweiten Polarisationsfolie deckungsgleich gegenüber. Die Breite der Streifen
beider Polarisationsfolien 6 stimmt mit der Breite der
Lentikel 3 des Lentikulars 2 überein. Die von den aktivierten
Beleuchtungselementen ausgehenden Pfeile bezeichnen mögliche Lichtausbreitungsrichtungen.
Die erste Polarisationsfolie 6 wirkt als Polarisator und
die zweite Polarisationsfolie als Analysator. Das Licht wird beim Durchgang
durch die erste Polarisationsfolie 6 polarisiert und passiert
die zweite Polarisationsfolie 6 als Parallelstrahlenbündel 4.
Trifft Streulicht auf die schraffiert gezeichneten Bereiche der
zweiten Polarisationsfolie 6, so wird an diesen Stellen
das polarisierte Licht nicht durchgelassen, da es eine andere Polarisation
besitzt. Damit können
keine weiteren sekundären
Parallelstrahlenbündel 5 entstehen,
denn die nächsten
Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung sind so weit entfernt,
dass auf diese faktisch kein Streulicht fällt.