DE112007000095T5

DE112007000095T5 - Bildfeld-Sequentielles Autostereografisches Display

Info

Publication number: DE112007000095T5
Application number: DE112007000095T
Authority: DE
Inventors: Sergey Suwon Shestak
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-01-03
Filing date: 2007-01-03
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-01-04
Also published as: KR100782831B1; KR20070073036A; JP5801523B2; JP2007183646A; CN101361375B; NL1033160A1; CN101361375A; NL1033160C2; WO2007078141A1; US7646537B2; US20070153380A1; DE112007000095B4

Abstract

Hochauflösendes, Bildfeld-sequentielles autostereoskopisches Display, bei welchem vorgesehen sind:
ein Anzeigebildschirm, der Anzeigelemente aufweist, welche Anzeigebilder darstellen;
ein Rasterlinsenarray, das ein Signal von dem Anzeigebildschirm empfängt, und ein Richtungssignal für beide Augen eines Betrachters ausgibt,
ein anisotropes Element, welches das Richtungssignal empfangt, und ein Phasenwechselsignal ausgibt;
ein Polarisationsschalter, welcher die Phase des Phasenwechselsignals entsprechend einer Bildwiederholungsrate des Anzeigebildschirms umschaltet; und
ein Polarisator, der ein Ausgangssignal des Polarisationsschalters empfängt, und ein Signal mit einer eingestellten Phase ausgibt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft autostereografische Displays, die hauptsächlich in Form von Flachbildschirmen zum Einsatz beim Fernsehen ausgebildet sind.
Technischer Hintergrund
Die Bildauflösung stellt eine der wesentlichsten Eigenschaften bei der elektronischen Bilderzeugung dar. Wenn herkömmliche Methoden der autostereoskopischen Bilderzeugung bei Flachbildschirmen eingesetzt werden, leidet jedoch die horizontale Auflösung.
Herkömmliche Verfahren setzen Parallaxensperren, oder Rasterlinsen, oder ein Array aus Lichtstreifen ein, die bei der Rückbeleuchtung eines Flüssigkristallanzeigebildschirms (LCD) eingesetzt werden, um Betrachtungszonen der linken und rechten Bilder eines Stereopaares zu trennen, wodurch eine selektive Betrachtung der linken und rechten Bilder durch das rechte bzw. linke äuge eines Betrachters zur Verfügung gestellt wird.
Herkömmlich werden zwei Bilder eines Stereopaares auf dem gleichen Bildschirm dargestellt, jedoch in unterschiedlichen Gruppen von Spalten, beispielsweise mit einem linken Bild in den ungeradzahligen Spalten und einem rechten Bild in den geradzahligen Spalten. Da sowohl die linken als auch rechten Bilder auf demselben Bildschirm dargestellt werden, beträgt die Auflösung jedes Bildes weniger als die Hälfte der gesamten Bildschirmauflösung.
Es gibt zwei unterschiedliche Arten und Weisen, um dieselbe Auflösung stereoskopischer Bilder wie bei der ursprünglichen Auflösung des Bildschirms zu erzielen. Eines der Verfahren umfasst, aufeinanderfolgend linke und rechte Bilder mit voller Auflösung darzustellen. In die Praxis umgesetzte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den US-Patenten Nr. 5,465,175 und 6,014,164 dargestellt, in 33 des US-Patents Nr. 6,069,650 , und im japanischen Patent Nr. 2001-66547 . Da jedes Auge des Betrachters periodisch nur einen schwarzen Bildschirm sieht, erfordert dieses Verfahren eine sehr hohe Bildschirmgeschwindigkeit. Eine niedrige Einzelbildrate des Bildschirms führt daher zu einem Bildschirmflimmern. Um ein Bildschirmflimmern zu vermeiden, sollte daher die Bildwiederholungsrate etwa 100–120 Hz oder mehr betragen. Die Tatsache, dass die gleiche Gruppe an Pixeln des Bildschirms in einem Einzelbild das linke Bild und im nächsten Einzelbild das rechte Bild darstellt, führt dazu, dass eine sehr schnelle Bildschirmreaktionszeit erforderlich ist. Eine hohe Reaktionszeit führt zum Übersprechen, so dass das rechte äuge das linke Bild und das linke äuge das rechte Bild sieht. Um ein Übersprechen zwischen linken und rechten Bildern zu verringern, sollte die Bildkonservierung signifikant kleiner sein als der Einzelbildzeitraum. Das verbleibende Übersprechen kann deutlich die Wahrnehmung stereoskopischer Bilder beeinträchtigen. Da die heutige LCD-Technologie, die aus verdrillten nematischen Flüssigkristallen (TN) beruht, keine kurze Bildkonservierung zur Verfügung stellt, wurde im US-Patent Nr. 6,069,650 vorgeschlagen, einen Bildschirm auf Grundlage ferroelektrischer Flüssigkristalle (FLC) einzusetzen. Allerdings werden FLC-Bildschirme mit großen Abmessungen momentan nicht hergestellt, infolge ihrer hohen Herstellungskosten.
Ein anderes Verfahren zur Anzeige hoch aufgelöster stereoskopischer Bilder, das in 8 des US-Patents Nr. 5,606,455 beschrieben wird, im US-Patent Nr. 4,457,574 , und im japanischen Patent Nr. 2004-325494 , umfasst die aufeinanderfolgende Anzeige komplementärer Paare von Zeilensprungbildern mit niedrigerer Auflösung. Zwei verschachtelte Bilder bei der Hälfte der vollständigen Auflösung, die in einer Abfolge angezeigt werden, werden als ein Bild mit hoher Auflösung wahrgenommen, infolge der Bildkonservierung bei der Betrachtung durch den Menschen. Es können beispielsweise ungeradzahlige Spalten des linken oder rechten Bildes aufeinanderfolgend mit den entsprechenden geradzahligen Spalten angezeigt werden, so dass sie als ein Bild mit hoher Auflösung wahrgenommen werden. Dieses Verfahren zum Anzeigen stereoskopischer Bilder ist weniger empfindlich auf die Einzelbildrate des Bildschirms, da sowohl das linke als auch rechte Auge ein Bild auf dem Bildschirm zu jedem Zeitpunkt wahrnimmt. Verschachtelte Bilder sind ausreichend wahrnehmbar, selbst bei einer Frequenz von 60 Hz oder 50 Hz, wie bei den Fernsehsystemen des nationalen Fernsehsystemkomitees (NTSC) bzw. des Phasensprungverfahrens (PAL).
Um geradzahlige und ungeradzahlige Spalten aufeinanderfolgend bei den herkömmlichen autostereoskopischen Anzeigen darzustellen, sollten linke und rechte Bilder dieselbe Gruppe des LCD-Bildschirms adressieren. Beispielsweise wird zur Anzeige ungeradzahliger Spalten des linken Bildes das linke Bild zu den ungeradzahligen Spalten des Anzeigebildes adressiert, jedoch werden in dem nächsten Zeitraum zur Anzeige geradzahliger Spalten des linken Bildes auf dem Bildschirm Spalten umgeschaltet, so dass die gleichen ungeradzahligen Spalten des Bildschirms das rechte Bild anzeigen. Infolge der begrenzten Reaktionszeit des Bildschirms können jedoch linke und rechte Bilder in den ungeradzahligen Spalten nicht unmittelbar ausgetauscht werden, was dazu führt, dass die rechten Bilder vom linken Auge und die linken Bilder vom rechten Auge wahrgenommen werden. Dieser unerwünschte Effekt, der normalerweise als "Übersprechen" bezeichnet wird, beeinträchtigt wesentlich die Qualität stereoskopischer Bilder.
Ein weiterer Nachteil, der bei der momentanen Bildfeldsequenziellen-Autostereoskoptechnik auftritt, besteht darin, dass Grafikdaten, die von einem LCD-Bildschirm verwendet werden, nicht sofort auf dem gesamten Bildschirm wiederholt werden. Es erfolgt eine zeilenweise Wiederholung, was eine zusätzliche Quelle für Übersprechen darstellt, wenn die Rückbeleuchtung in einer Dauerstrichbetriebsart (CW-Betriebsart) stattfindet, wie dies herkömmlich der Fall ist.
Die unzureichende Geschwindigkeit des Bildschirms beeinträchtigt die Bildqualität nicht so stark wie im erstgenannten Fall. Die unzureichende Geschwindigkeit des Bildschirms verringert den Kontrast in Bezug auf feine Einzelheiten, aber ruft kein Übersprechen zwischen linken und rechten Bildern hervor.
Die Entwicklung von LCD-Bildschirmen mit schneller Reaktionszeit in jüngster Vergangenheit hat zu neuen Möglichkeiten dazu geführt, stereoskopische Bilder mit einer vollständigen Bildschirmauflösung darzustellen, durch Zeitmultiplexen von zwei Bildfeldern mit niedrigerer Auflösung. Zur Bereitstellung einer aufeinanderfolgenden Anzeige von Einzelbildern sollte die Vorrichtung zur Erzeugung einer selektiven Betrachtung zwischen zumindest zwei Zuständen umschaltbar sein. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 5,457,574 eine Bildfeld-sequentielle autostereoskopische Anzeige mit einer schaltbaren Rückbeleuchtung. Bei der dargestellten Vorgehensweise weist eine 3D-Anzeige eine gerichtete Rückbeleuchtung auf, eine rückwärtige Rasterlinsenplatte, und ein Flüssigkristallfeld, welches Grafikinformation mit einer Bildwiederholungsrate von zumindest dem Zweifachen jener Rate erzeugen kann, die für eine Betrachtung ohne Flimmern erforderlich ist, beispielsweise 60–120 Hz. Die Rückbeleuchtung weist zumindest zwei getrennte Lichtquellen oder eine einzelne Lichtquelle auf, mit einer umschaltbaren Blende, mit einer solchen Ausbildung, dass die effektive Horizontalposition der Lichtquelle synchron durch Grafikdaten-Bildwiederholung umgeschaltet werden kann. Da die Position der Betrachtungszone durch die Position der Lichtquelle festgelegt wird, kann jedes Auge des Betrachters aufeinanderfolgend die Bilder wahrnehmen, die durch unterschiedliche Gruppen von Pixeln dargestellt werden, so dass der Betrachter Bilder mit voller Auflösung sieht. Die voranstehend geschilderte Vorgehensweise stellt eine Lösung für das Problem der Bildschirme auf Grundlage des gerichteten Rückbeleuchtungslichts zur Verfügung, wobei normalerweise größere Abmessungen und eine kompliziertere Ausbildung bei der Herstellung als auch bei der herkömmlichen diffusen Rückbeleuchtung vorhanden sind. Ein Beispiel für die Lösung unter Verwendung diffusen Rückbeleuchtungslichtes wird im japanischen Patent Nr. 2004-325494 beschrieben. Die vorgeschlagene Lösung setzt einen Flachbildschirm ein, eine vordere Parallaxensperre (PB) und eine Lichtablenkvorrichtung, die zwischen einem Betrachter und der PB angeordnet ist. Die Ablenkvorrichtung verschiebt periodisch die Betrachtungsposition des Anzeigebildschirms mit der PB, wodurch die verfügbare Auflösung des Bildschirms in der 3D-Betriebsart verdoppelt wird. Der Nachteil dieser Lösung besteht in den hohen Kosten des sich weit öffnenden Ablenkers und in signifikanten Verlusten bei der PB.
Ein anderes Beispiel für jene Lösung, welche eine diffuse Rückbeleuchtung einsetzt, ist in 33 des US-Patents Nr. 6,069,650 offenbart. Die geschilderte Lösung verwendet eine schaltbare, bidirektionale Lichtquelle, die als Rückbeleuchtung für einen schnellen LCD-Bildschirm eingesetzt wird. Die bidirektionale Lichtquelle weist eine diffuse Rückbeleuchtung auf, einen elektrisch adressierbaren Raumlichtmodulator (SLM), und ein Rasterlinsenfeld.
Da linke und rechte Bilder bei der geschilderten Anzeige mit aufeinanderfolgend dargestellten Einzelbildern dargestellt werden, empfängt jedes Auge die Abfolge, die zwischen einem schwarzen Bildschirm und einem entsprechenden rechten oder linken Bild abwechseln. Um Flimmern zu verhindern, sollte die Einzelbildrate des Anzeigebildschirms zumindest 100–120 Hz betragen. Ein anderes Problem bei der voranstehend geschilderten Lösung besteht darin, dass herkömmliche LCD-Bildschirme des Dünnfilmtransistortyps (TFT) nicht direkt bei der Anzeige mit der geschilderten Ausbildung eingesetzt werden können, aus folgenden Gründen. Ein TFT-LCD-Bildschirm wird so gesteuert, dass die linken und rechten Bilder, die aufeinanderfolgend in die Anzeige eingegeben werden, tatsächlich nicht aufeinanderfolgend dargestellt werden. Bilder auf dem LCD-Bildschirm werden zeilenweise während annähernd eines gesamten Einzelbildzeitraums wiederholt, so dass zwei unterschiedliche Teile aufeinanderfolgender Bilder höchstens auf dem Bildschirm zum gleichen Zeitpunkt angezeigt werden, wobei sie sich den Bildschirm teilen, wie in 33 des US-Patents Nr. 6,069,656 gezeigt ist. Beispielsweise zeigt ein oberer Teil des Bildschirms das linke Bild an, wogegen ein unterer Teil des Bildschirms das rechte Bild darstellt. 33 zeigt den Zustand des LCD-Bildschirms, der zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Wiederholungszeitraums T abgetastet wird. Das geschilderte Datenwiederholungsverfahren kann zu erheblichem Übersprechen führen, wenn der SLM-Schalter momentan die Polarisierung der gesamten gerichteten Rückbeleuchtung umschaltet. Ein anderes Problem stellt die begrenzte Geschwindigkeit der SLM-Umschaltung dar, was ebenfalls zum Übersprechen führt. Eine weitere Quelle für Übersprechen ist die begrenzte Schaltgeschwindigkeit der Abbildungszellen des LCD-Bildschirms. Da die letztgenannten beiden Arten von Übersprechen infolge einer unzureichenden Geschwindigkeit von Schaltprozessen auftreten, werden sie als dynamisches Übersprechen bezeichnet. Zur Lösung der voranstehend geschilderten Probleme beruht die voranstehend geschilderte Anzeige aus einem Abbildungsbildschirm des FLC-Typs und einem SLM des FLC-Typs als schnellste LCD-Vorrichtungen. Allerdings werden FLC-Flachbildschirme momentan nicht hergestellt, infolge ihrer hohen Herstellungskosten. Weiterhin sind die Kosten für einen Polarisationsschalter mit großen Abmessungen auf Grundlage der FLC-Technologie zu groß. Andererseits haben Verbesserungen bei schnellen LCD-Bildschirmen in jüngster Zeit auf Grundlage von TN-Flüssigkristallen zu neuen Möglichkeiten in Bezug auf zeitlich aufeinanderfolgende autostereoskopische Anzeigen geführt. Es ist wünschenswert, eine Vorgehensweise aufzufinden, die eine kostengünstige Bilderzeugung und das Schalten von Flüssigkristallbildschirmen bei einer autostereoskopischen Anzeige mit hoher Auflösung einsetzt. Diese Bildschirme beruhten auf dem Einsatz herkömmlicher Flüssigkristallmaterialien, die eine Schaltzeit aufweisen, die mit dem Einzelbildzeitraum eines LCD-Bildschirms verträglich ist.
1 ist eine vereinfachte Darstellung der Vorgehensweise, die in 8 des US-Patents Nr. 5,606,455 dargestellt ist. Es wird angenommen, dass die Rückbeleuchtungseinheit, die nicht in der Zeichnung dargestellt ist, abwechselnd zwei Gruppen sekundärer Lichtquellen erzeugt, die als helle vertikale ungeradzahlige Zeilen und geradzahlige Zeilen ausgebildet sind, die in der Ebene 12 angeordnet sind, und von ungeradzahligen Zeilen auf geradzahlige Zeilen und umgekehrt umgeschaltet werden können, synchronisiert mit der Bildwiederholung des LCD-Bildschirms. Jede Zeile arbeitet als Lambert-Lichtquelle. Ein LCD-Bildschirm 11 ist in einer vorbestimmten Entfernung gegenüber den Lichtquellen angeordnet, um stereoskopische Betrachtungszonen von der Betrachtungsebene 13 zur Verfügung zu stellen.
In einem bestimmten Zeitraum zeigt der LCD-Bildschirm 11 ungeradzahlige Spalten der linken und rechten Bilder an, die abwechselnd gespeichert sind, bezeichnet durch die Bezugszeichen R und L in 1A. Die LCD-Zellen modulieren das Licht, das von ungeradzahligen Lichtquellen stammt (geradzahlige Zeilen sind ausgeschaltet), so dass das rechte Auge eines Betrachters nur das Licht empfängt, das durch die rechten Bildzeilen hindurchgegangen ist, und das linke Auge nur das Licht empfängt, das durch die linken Bildspalten hindurchgegangen ist, wodurch ein Stereoeffekt hervorgerufen wird. In einem nächsten Zeitraum (siehe 1B) werden jene Spalten, die bisher das rechte Bild anzeigten, aktiviert, um das linke Bild darzustellen, und umgekehrt. Diese neuen Grafikdaten repräsentieren geradzahlige Spalten der linken und rechten Bilder mit halber Auflösung. Weiterhin wird die Lichtquelle so umgeschaltet, dass die geradzahligen Zeilen eingeschaltet sind, und die ungeradzahligen Zeilen ausgeschaltet sind. Ein Betrachter sieht das Licht von den geradzahligen Zeilen, moduliert durch die linken und rechten Spalten, und die Position der Zeilen ist in Bezug auf ihre Position gegenüber dem vorherigen Einzelbild verschachtelt. Infolge der Konservierung des menschlichen Sichtvermögens werden ungeradzahlige und geradzahlige Halbauflösungsfelder, die aufeinanderfolgend dargestellt werden, als ein stereoskopisches Bild mit vollständiger Auflösung wahrgenommen.
Beschreibung der Erfindung
Technisches Problem
Infolge der begrenzten Reaktionszeit des TN-LCD-Bildschirms können linke und rechte Bilder in den Spalten nicht sofort ausgetauscht werden, was dazu führt, dass die rechten Bilder von dem linken Auge und die linken Bilder von dem rechten Auge wahrgenommen werden. Dieser unerwünschte Effekt, der als Übersprechen bezeichnet wird, beeinträchtigt signifikant die Qualität von stereoskopischen Bildern.
Ein weiterer Nachteil, der bei der voranstehend geschilderten Vorgehensweise auftritt, besteht in der Tatsache, dass Grafikdaten auf einem LCD-Bildschirm nicht sofort auf dem gesamten Bildschirm wiederholt werden. Die Wiederholung erfolgt zeilenweise, was eine zusätzliche Quelle für Übersprechen darstellt, wenn die Rückbeleuchtung im Dauerstrichbetrieb arbeitet, wie dies herkömmlich der Fall ist.
Technische Lösung
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwinden die voranstehend geschilderten Nachteile sowie andere Nachteile, die nicht voranstehend geschildert wurden. Weiterhin muss die vorliegende Erfindung nicht die voranstehend geschilderten Nachteile überwinden, und kann eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht irgendeines der voranstehend geschilderten Probleme überwinden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine kostengünstige Lösung für eine autostereoskopische Anzeige mit hoher Auflösung zur Verfügung, welche Flimmern verringern kann, Übersprechen zwischen den linken und rechten Bildern, die durch eine unzureichende Reaktionszeit eines Bildschirms hervorgerufen werden, und Übersprechen, das durch zeilenweise Wiederholung von Grafikdaten auf einem LCD-Bildschirm hervorgerufen wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bildfeld-sequentielles autostereografisches Display zur Verfügung gestellt, bei welchem vorgesehen sind: ein Anzeigebildschirm, der Anzeigeelemente aufweist, welche Bilder anzeigen; ein Rasterlinsenarray, das ein Signal von dem Anzeigebildschirm empfängt, und ein Richtungssignal für beide Augen eines Betrachters ausgibt; ein anisotropes Element, das parallel zu dem Rasterlinsenarray angeordnet ist, und von dem Rasterlinsenarray ein Phasenwechselsignal ausgibt; ein Polarisationsschalter, der die Ausgangsphase des anisotropen Elements in Abhängigkeit von einer Bildwiederholungsrate des Anzeigebildschirms schaltet; und ein Polarisator, der ein Signal mit einer vorbestimmten Phase unter Phasen eines Ausgangssignals des Polarisationsschalters ausgibt.
Der Anzeigebildschirm mit schneller Reaktion kann ein LCD-Anzeigebildschirm sein, der mit einer Rückbeleuchtungseinheit und einem ersten Polarisator versehen ist, der einen Strahl mit einer vorbestimmten Phase unter Strahlen durchlässt, die von dem LCD-Anzeigebildschirm ausgegeben werden, wobei der Polarisator einem zweiten Polarisator entspricht.
Der erste und der zweite Polarisator können parallel oder senkrecht zueinander vorgesehen sein.
Das anisotrope Element kann eine Mikroverzögerungsplatte aufweisen.
Die Mikroverzögerungsplatte kann Streifenbereiche mit gleicher Breite und abwechselnder Halbwellendämpfung und Nulldämpfung aufweisen, und der Polarisationsschalter kann die Ausgangsphase der Mikroverzögerungsplatte invertieren.
Das Rasterlinsenarray kann parallel zu Linien der Anzeigeelemente des Anzeigebildschirms angeordnet sein, und Rasterlinsen aufweisen, welche zwei Anzeigenelemente in einer Zeile für jedes Rasterlinsenarray abdecken.
Die Breite der Streifenbereiche der Mikroverzögerungsplatte kann der Hälfte der Rasterlinsen entsprechen.
Die Anzeige kann weiterhin eine Anzeigesteuerung aufweisen, die ein Bildsignal für den Anzeigebildschirm zur Verfügung stellt.
Die Anzeige kann weiterhin eine Polarisationsschaltsteuerung aufweisen, welche das Schalten des Polarisationsschalters steuert.
Die Polarisationsschaltsteuerung kann den Polarisationsschalter mit der halben Bildwiederholrate schalten, welche der Anzeigesteuerung zur Verfügung gestellt wird.
Vorteilhafte Auswirkungen
Beschreibung der Zeichnungen
Die voranstehenden und/oder andere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch detaillierte Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher werden, wobei
1A und 1B vereinfachte Darstellungen eines herkömmlichen Anzeigeverfahrens sind, wobei 1A einen Anfangszeitraum der Anzeige und 1B einen Zeitraum nach dem in 1A dargestellten Anfangszeitraum zeigt;
2 eine vergrößerte Ansicht einer autostereoskopischen Anzeige gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Aufsicht auf die autostereoskopische Anzeige von 2 ist;
4A und 4B eine Anzeigeoperation der autostereoskopischen Anzeige von 2 gemäß jedem Schaltzustand des Polarisationsschalters darstellen;
5A die Anordnung von Grafikdaten zum Anzeigen von 3D-Bildern erläutert;
5B das Grafiklayout eines 3D-Bildes auf dem Bildschirm erläutert;
6A die Anordnung von Grafikdaten eines 2D-Bildes erläutert; und
6B das Layout von Grafikdaten eines 2D-Bildes auf einem Bildschirm erläutert.
Beste Art und Weise
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr genauer unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Die Erfindung kann allerdings in zahlreichen, unterschiedlichen Arten und Weisen verwirklicht werden, und sollte nicht so verstanden werden, dass sie auf die beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, die hier geschildert werden; stattdessen werden diese beispielhaften Ausführungsformen zu dem Zweck zur Verfügung gestellt, dass ihre Beschreibung gründlich und vollständig ist, und sie vollständig das Konzept der Erfindung für Fachleute auf diesem Gebiet erläutern. Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen gleiche Elemente, so dass deren Beschreibung nicht wiederholt wird.
2 ist eine vergrößerte Ansicht einer stereoskopischen Anzeige gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das hochauflösende, autostereoskopische Display weist einen Anzeigebildschirm 21 auf, der beispielsweise ein LCD-Bildschirm sein kann, einen ersten Polarisator 23, der wie eine Konvexlinse geformt ist, und ein Ausgangspolarisator des LCD-Bildschirms sein kann, ein Rasterlinsearray 24, ein lineares Array aus anisotropen Elementen, beispielsweise Mikroverzögerungsvorrichtungen 25, einen Polarisationsschalter 26, und einen zweiten Polarisator 27.
3 ist eine Aufsicht auf das Autostereoskopikdisplay von 2.
Der Anzeigebildschirm 21 zeigt Bilder an, und weist Zeilen und Spalten aus Bildelementen auf. Wenn der Anzeigebildschirm 21 ein LCD-Bildschirm ist, ist eine Rückbeleuchtung (nicht dargestellt) normalerweise hinter dem Anzeigebildschirm 21 angebracht, und beleuchtet die Bildelemente des Anzeigebildschirms 21. Bilder, die auf dem Anzeigebildschirm 21 angezeigt werden, können zusammen mit einem Rückbeleuchtungslichtstrahl dargestellt werden. Die Bilder werden durch eine Anzeigesteuerung 28 erzeugt, und auf dem Anzeigebildschirm 21 dargestellt.
Der erste Polarisator 23 ist an dem Anzeigebildschirm 21 angebracht, und lässt einen Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Phase unter Lichtstrahlen durch (polarisiert durch diesen), die von dem Anzeigebildschirm 21 abgegeben werden. Wenn der Anzeigebildschirm 21 ein LCD-Bildschirm ist, ist der erste Polarisator 23 normalerweise an einer Ausgangsoberfläche oder einem Teil von dieser des LCD-Bildschirms angebracht.
Das Rasterlinsenarray 24 ist hinter dem ersten Polarisator 23 angeordnet, und legt die Richtung eines Lichtstrahls fest, der von dem ersten Polarisator 23 abgegeben wird, also jene Richtung, in welche das linke oder rechte Auge eines Betrachters sieht. Jede Rasterlinsenplatte weist mehrere Rasterlinsen auf. In diesem Fall muss die Anzahl an Rasterlinsen die Hälfte der Anzahl an Pixeln betragen, die in einer Zeile des Anzeigebildschirms 21 vorhanden sind, so dass eine Rasterlinse zwei Pixel abdecken kann, die parallel zueinander auf dem Anzeigebildschirm 21 angeordnet sind. Ein Teilungsradius jeder Linse und die Entfernung zwischen jeder Linse und Anzeigepixeln, also die Brennweite, kann von Fachleuten auf diesem Gebiet bestimmt werden.
Das lineare Array aus anisotropen Elementen, beispielsweise den Mikroverzögerungsvorrichtungen 25, ist parallel zum Rasterlinsenarray 24 angeordnet, und die Mikroverzögerungselemente 25 führen eine Phasenwechslung eines Lichtstrahls durch, der von dem Rasterlinsenarray 24 ausgegeben wird, und geben den in der Phase umgewandelten Lichtstrahl aus.
Der zweite Polarisationsschalter 26 kehrt den Polarisationszustand eines Lichtstrahls um, der von den Mikroverzögerungselementen 25 ausgegeben wird. Der zweite Polarisationsschalter 26 wird durch eine Polarisationsschaltsteuerung 29 geschaltet. Die Polarisationsschaltsteuerung 29 empfängt Synchronisierungsimpulse entsprechend einer Bildwiederholungsrate von Bilddaten von der Anzeigesteuerung 28, und ändert die Polarität von Polarisatoren, die an sie angeschlossen sind, mit der halben Bildwiederholungsfrequenz, wodurch eine Polarisationsumschaltung bewirkt wird.
Der zweite Polarisator 27 gibt einen Lichtstrahl parallel zu dem Lichtstrahl aus, der von dem ersten Polarisator 23 abgegeben wird, oder senkrecht hierzu.
Die Anzeigesteuerung 28, die ein Grafiksignal (ein Bildsignal) an den Anzeigebildschirm 21 schickt, kann die Grafikdaten mit hoher Bildwiederholungsrate wiederholen, die zumindest doppelt so hoch ist, wie dies erforderlich ist, um ein Bildflimmern zu vermeiden, beispielsweise 120 Hz, und schickt Synchronisierungsimpulse an die Polarisationsschaltsteuerung 29, welche synchron den Polarisationsschalter 26 ein- und ausschalten können, mit der Hälfte der Bildwiederholfrequenzrate. Sämtliche ebenen Bauelemente sind zusammen in Form eines Flachbildschirms vereinigt, wie dies in der Aufsicht von 3 dargestellt ist, und die Spalten von Anzeigeelemente, des Rasterlinsenarrays und des linearen Arrays aus anisotropen Elementen sind parallel zueinander angeordnet.
Es lässt sich annehmen, dass der erste und der zweite Polarisator 23 bzw. 27 parallel zueinander angeordnet sind, und dass eine ausgewählte Polarisierungsrichtung vertikal verläuft. Die Mikroverzögerungselemente 25 bestehen aus doppelbrechenden Streifen, und die Breite jedes doppelbrechenden Streifens ist gleich der Hälfte des Teilungsabstandes des Linsenarray 24.
Die Anzahl N an Streifen, die bei hochauflösenden Bildern eingesetzt wird, kann sich in Abhängigkeit von den Anforderungen ändern. Im einfachsten Fall ist die Dämpfung der Streifen gleich plus oder minus der Hälfte der zentralen Wellenlänge (schraffiert in den Zeichnungen dargestellt), und ist die Dämpfung anderer Streifen (mit durchgezogenen Linien in der Zeichnung dargestellt) gleich Null, so dass die entsprechenden Bereiche isotrop sind.
Wenn beispielsweise die Mikroverzögerungselemente 25 eingesetzt werden, die aus fünf Abschnitten bestehen, und der zweite Polarisationsschalter 26 verwendet wird, kann das Übersprechen auf 11% verringert werden. Die Streifenabschnitte sind parallel zu den Zeilen des Bildschirms ausgerichtet, so dass jeder Abschnitt des Polarisationsschalters einen entsprechenden Abschnitt des Bildschirms steuert. Die Anzahl an Abschnitten kann sich zwischen 5 bis 10 entsprechend der Anzahl an Abschnitten ändern, die ebenso viele betragen wie die Anzahl an Zeilen in dem Bildschirm, beispielsweise 1024. Es wird vorgeschlagen, dass Zeilen in Horizontalrichtung und ebenso in Vertikalrichtung ausgerichtet sein können. Um einen besseren Kontrast bei einem größeren Betrachtungswinkel zur Verfügung zu stellen, sollte der zweite Polarisationsschalter 27, der normalerweise elektrisch steuerbare Mikroverzögerungselemente 25 aufweist, von einer Dämpfung von Null in einem ersten Zustand in eine Dämpfung entgegengesetzt der Dämpfung des doppelbrechenden Streifens umgeschaltet werden.
Die 4A und 4B zeigen einen Anzeigevorgang der autostereoskopischen Anzeige gemäß jedem Schaltzustand des Polarisationsschalters.
Wie aus 4A hervorgeht, ist bei einem bestimmten Zeitpunkt ein Abschnitt des Polarisationsschalters (PS) ausgeschaltet, und wird das Bild auf dem Anzeigebildschirm in Form abwechselnder Spalten von Pixeln dargestellt, die zu den rechten und linken Bildern eines Stereopaares gehören, wie dies durch das Bezugszeichen 53 in 5A dargestellt ist. Jeder Pixel des LCD-Anzeigebildschirms 21 sendet polarisiertes Licht mit vertikaler Polarisierung aus. Da sämtliche Teile (obere Teile in 4A) der Rasterlinsen 24 durch die Halbwellen-Mikroverzögerungselemente 25 abgedeckt sind, ändert ein vertikal polarisierter Lichtstrahl, der durch das rechte Teil der Linse hindurchgeht, seine Polarisierung auf horizontal, und wird durch den zweiten Polarisator 27 abgesperrt. Dies bedeutet, dass der rechte Teil jeder Linse für den Betrachter nur als dunkle, vertikale Linie wahrnehmbar ist, wie bei 55 in 5B dargestellt ist. Gleichzeitig behält das Licht, das durch den linken Teil der Rasterlinse (unterer Teil in 4A) hindurchgeht, und durch den isotropen Streifen der Mikroverzögerungsplatte des linken Teils der Rasterlinse hindurchgeht, seine vertikale Polarisation bei, und wird nicht durch den zweiten Polarisator 27 abgesperrt. Da die Lichtstrahlen von den ungeradzahligen Spalten, welche das linke Bild darstellen, und den geradzahligen Spalten, welche das rechte Bild darstellen, zu unterschiedlichen Punkten in der Betrachtungszone gerichtet sind, nimmt der Betrachter das linke Bild mit seinem linken Auge und das rechte Bild mit seinem rechten Auge wahr, wodurch ein stereoskopischer Effekt wahrgenommen wird. In der ersten Hälfte des Anzeigezeitraums werden rechte und linke Bilder mit der Hälfte der Bildschirmauflösung durch die linke Hälfte jeder Linse dargestellt. Tatsächlich werden in der ersten Hälfte des Zeitraums nur geradzahlige Spalten der linken und der rechten Bilder dargestellt.
Die geschilderte Situation dauert über einen Wiederholungszeitraum des Anzeigebildschirms an, also während 1/50 bis 1/120 einer Sekunde, abhängig von der Einzelbildrate. Der Betriebsablauf der Anzeige in dem nächsten Zeitraum ist schematisch in 4B dargestellt.
Die Anzeigesteuerung 28 schickt an den Anzeigebildschirm 21 das nächste Einzelbild des stereoskopischen Bildes, entsprechend den geradzahligen Spalten der hoch aufgelösten Bilder. Zum gleichen Zeitpunkt legt die Polarisationsschaltsteuerung 29 die Steuerspannung an den zweiten Polarisationsschalter 26 an, und ändert der zweite Polarisationsschalter 26 die Polarisation des Eingangslichtes so, dass sie orthogonal ist. Da der erste und der zweite Polarisator 23 bzw. 27 parallel zueinander angeordnet sind, sperrt der zweite Polarisator 27 nunmehr das Licht ab, das durch die isotropen Bereiche der Mikroverzögerungsplatte hindurchgegangen ist. Dies führt dazu, dass das linke und rechte Auge eines Betrachters das Licht wahrnimmt, das durch die rechten Seiten jeder Rasterlinse hindurchgegangen ist, wogegen das Licht, das durch die linken Seiten hindurchgegangen ist, gesperrt wird. Wie geschildert empfangen das rechte bzw. linke Auge des Betrachters das Licht nur von den Spalten des Anzeigebildschirms 21, wobei linke und rechte Bilder entsprechend dargestellt werden, wobei jedoch nunmehr das Licht nur durch die rechten Hälften jeder Linse hindurchgeht. In dem zweiten Teil des Zeitraums sieht daher der Betrachter auch halb aufgelöste stereoskopische Bilder, da diese Bilder in rechten Hälften von Rasterlinsen dargestellt werden, die auf die Hälfte des Linsenteilungsabstands in Bezug auf die linken Hälften verschoben sind, die in dem ersten Teil des Zeitraums eingesetzt wurden. Da der Bildwiederholungszeitraum kürzer ist als die Bildkonservierung des menschlichen Auges, werden zwei verschachtelte Felder, die bei halber Auflösung aufeinanderfolgend dargestellt werden, als ein Bild mit vollständiger Auflösung wahrgenommen. Eine langsame Reaktionszeit der TN-TFT-Bildschirme führt zum selben Problem in Bezug auf die stereoskopische Anzeige, wie dies in Bezug auf die Anzeige sich bewegender Bilder erläutert wurde, also zu einem Verlust an Auflösung. Die Reaktionszeit von 4 ms und sogar 3 ms, die bei durch Massenproduktion hergestellten LCD-Bildschirmen erzielt wird, kann zu einem geringen Verlust in Bezug auf die Auflösung führen. Die vor kurzem erfolgte Entwicklung von LCD-Bildschirmen in Bezug darauf, dass sich bewegende Bilder unter Verwendung einer Schwarzbildeinführung, einer blinkenden Rückbeleuchtungssteuerung, und einer Betriebsart mit optisch kompensierter Biegung (OCB) in LCD-Bildschirmen zur Verfügung gestellt werden, verbessert ebenfalls die Leistung des Bildschirms gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Anordnung von Grafikdaten zur Darstellung von 3D-Bildern ist in 5A gezeigt. Ein stereoskopisches Bild, das durch zwei Bilder 51 und 52 mit voller Auflösung repräsentiert wird, deren Auflösungselemente in 2N Spalten angeordnet sind, könnte beispielsweise mit zwei Photo- oder Videokameras aufgenommen werden, von unterschiedlichen Beobachtungspunkten aus (links und rechts). Diese beiden Bilder können auch unter Verwendung eines Computers ausgebildet werden, mit einem geeigneten Grafiksoftwarepaket. Das angezeigte Bild mit vollständiger Auflösung sollte durch ungeradzahlige und geradzahlige Felder repräsentiert werden. Ungeradzahlige Felder sind eine Kombination ungeradzahliger Spalten des linken Bildes, die sich mit den entsprechenden ungeradzahligen Spalten des rechten Bildes des Stereopaars 53 abwechseln, und geradzahlige Felder sind eine Kombination geradzahliger Spalten des linken Bildes, die sich mit entsprechenden geradzahligen Spalten des rechten Bildes des Stereopaars 54 abwechseln.
5B zeigt das grafische Layout eines 3D-Bildes auf einem Bildschirm.
Bei der geschilderten Hälfte des Anzeigezeitraums wird das ungeradzahlige Feld 53 dargestellt, und empfängt infolge der Wirkung der Rasterlinsen das linke Auge das Licht nur von den Spalten, welche das linke Bild repräsentieren, und empfängt das rechte Auge das Licht nur von den Spalten, welche das rechte Bild des Stereopaars repräsentieren. Da die Hälfte sämtlicher Linsen wie voranstehend geschildert gesperrt ist, sieht ein Betrachter den Anzeigebildschirm 55, der ungeradzahlige, schwarze Spalten aufweist, die also nicht irgendeine Grafikinformation enthalten. Bei der nächsten Hälfte des Anzeigezeitraums sieht ein Betrachter geradzahlige Spalten von linken und rechten Bildern. Da die Feldwiederholungsrate höher ist als das Wahrnehmungsvermögen des menschlichen Auges, werden die verschachtelten Felder, die mit der Hälfte der vollständigen Auflösung dargestellt werden, in einer Abfolge, als ein Bild mit vollständiger Auflösung wahrgenommen.
Die Anzeige kann auf eine 2D-Betriebsart umgeschaltet werden, nur durch Änderung der Anordnung der Inhalte. 6A zeigt die Anordnung von Grafikdaten eines 2D-Bildes.
Um die Anzeige auf die 2D-Betriebsart umzuschalten, sollten Grafikdaten auf die in 6A gezeigte Art und Weise angeordnet sein, so dass ungeradzahlige Einzelbilder 62 mit halber Auflösung unter Verwendung verdoppelter ungeradzahliger Spalten des 2D-Bildes 61 angeordnet sein sollten, und geradzahlige Einzelbilder 63 unter Verwendung verdoppelter geradzahliger Spalten des 2D-Bildes angeordnet werden sollten.
6B zeigt ein Layout von Grafikdaten eines 2D-Bildes auf einem Bildschirm.
In der 2D-Betriebsart empfangen sowohl das linke als auch das rechte Auge eines Betrachters die gleichen Grafikdaten von verdoppelten Spalten. Da die Hälfte jeder Linse wie voranstehend geschildert gesperrt ist, sieht ein Betrachter den Anzeigebildschirm 64 von 6B, der ungeradzahlige schwarze Spalten aufweist, die daher keine Grafikinformation übertragen.
Anstelle einer Mikropolarisatorplatte kann auch ein mit einem Muster versehener Polarisationsrotator mit derselben Form und denselben Positionen vertikal entlang länglicher Bereiche eingesetzt werden, welcher die Polarisierung des Einfallslichts um 90 Grad ändern kann, abwechselnd mit isotropen Bereichen. Das Grundprinzip des Betriebs der Anzeige mit einem mit einem Muster versehenen Polarisationsrotator entspricht dem Betriebsablauf, bei welchem die Mikropolarisatorplatte wie voranstehend geschildert eingesetzt wird.
Da der 2D- oder 3D-Anzeigevorgang nur von den Grafikdateninhalten abhängt, kann das dargestellte Bild aus 2D- und 3D-Teilen bestehen, wodurch eine natürlichere Darstellung von CAD-3D-Bildern medizinischer oder wissenschaftlicher 3D-Grafikdaten zur Verfügung gestellt wird, während normaler Text beibehalten wird. Weiterhin kann die Kombination von 2D- und 3D-Grafikbildern bei der Bilderzeugung in der Medizin, bei Computerspielen, in der Werbung oder anderen Arten von Computeranwendungen nützlich sein. Ein sich bewegendes 3D-Grafikobjekt kann auch aus einem 2D-Einzelbild- oder einem bewegend dargestellten Bild bestehen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die autostereoskopische Anzeige gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt vollständig aufgelöste stereoskopische Bilder zur Verfügung, die ohne Brillen betrachtet werden können. Herkömmliche, kostengünstige TN-LCD-Bildschirme können bei der autostereoskopischen Anzeige eingesetzt werden, ohne signifikante Erhöhung von Flimmern oder Übersprechen zwischen den linken und rechten Bildern.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Bildfeld-sequentielles autostereoskopisches Display mit hoher Auflösung zur Verfügung gestellt. Das Display weist einen Displaybildschirm auf, der Displayelemente enthält, welche Bilder darstellen, ein Rasterlinsenarray, das ein Signal von dem Displaybildschirm empfängt, und ein gerichtetes Signal ausgibt, das durch beide Augen eines Betrachters betrachtet wird, ein anisotropes Element, das parallel zu dem Rasterlinsenarray angeordnet ist, und von dem Rasterlinsenarray ein Phasenwechselsignal ausgibt, einen Polarisationsschalter, der die Ausgangsphase des anisotropen Elements entsprechend einer Bildwiederholungsrate des Displaybildschirms schaltet, und einen Polarisator, der ein Signal mit einer vorbestimmten Phase ausgibt, unter Phasen eines Ausgangssignals des Polarisationsschalters. Das autostereoskopische Display stellt stereoskopische Bilder mit voller Auflösung zur Verfügung, die ohne Brille betrachtet werden können. Herkömmliche, kostengünstige, TN-LCD-Bildschirme können bei der autostereoskopischen Anzeige eingesetzt werden, ohne Flimmern von Signalen oder Übersprechen zwischen den linken und rechten Bildern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5465175 [0005]
- US 6014164 [0005]
- US 6069650 [0005, 0005, 0011]
- JP 2001-66547 [0005]
- US 5606455 [0006, 0013]
- US 4457574 [0006]
- JP 2004-325494 [0006, 0010]
- US 5457574 [0010]
- US 60696556 [0012]

Claims

Hochauflösendes, Bildfeld-sequentielles autostereoskopisches Display, bei welchem vorgesehen sind: ein Anzeigebildschirm, der Anzeigelemente aufweist, welche Anzeigebilder darstellen; ein Rasterlinsenarray, das ein Signal von dem Anzeigebildschirm empfängt, und ein Richtungssignal für beide Augen eines Betrachters ausgibt, ein anisotropes Element, welches das Richtungssignal empfangt, und ein Phasenwechselsignal ausgibt; ein Polarisationsschalter, welcher die Phase des Phasenwechselsignals entsprechend einer Bildwiederholungsrate des Anzeigebildschirms umschaltet; und ein Polarisator, der ein Ausgangssignal des Polarisationsschalters empfängt, und ein Signal mit einer eingestellten Phase ausgibt.
Display nach Anspruch 1, bei welchem das anisotrope Element parallel zum Rasterlinsenarray angeordnet ist.
Display nach Anspruch 1, bei welchem das Display ein Flüssigkristall-Displaybildschirm (LCD-Bildschirm) ist, der eine schnelle Reaktionszeit aufweist, und der Absperrschieber weiterhin aufweist: eine Rückbeleuchtungseinheit; und einen ersten Polarisator, der einen Lichtstrahl mit einer bestimmten Phase unter mehreren Lichtstrahlen durchlässt, die von den Anzeigeelementen des LCD-Bildschirms ausgegeben werden, wobei der Polarisator einem zweiten Polarisator entspricht.
Display nach Anspruch 3, bei welchem der erste und der zweite Polarisator parallel oder senkrecht zueinander angeordnet sind.
Display nach Anspruch 1, bei welchem das anisotrope Element eine Mikroverzögerungsplatte aufweist.
Display nach Anspruch 5, bei welchem die Mikroverzögerungsplatte Streifenbereiche mit gleicher Breite aufweist, und die Mikroverzögerungsplatte abwechselnde Halbwellendämpfung und Nulldämpfung aufweist.
Display nach Anspruch 6, bei welchem der Polarisationsschalter eine Ausgangsphase der Mikroverzögerungsplatte invertiert.
Display nach Anspruch 1, bei welchem das Rasterlinsenarray parallel zu Linien der Anzeigeelemente des Displayfeldes angeordnet ist, und das Rasterlinsenarray Rasterlinsen aufweist, welche zwei Anzeigeelemente in einer Zeile abdecken.
Display nach Anspruch 6, bei welchem die Breite der Streifenbereiche der Mikroverzögerungsplatte der halben Breite der Rasterlinsen entspricht.
Display nach Anspruch 1, welches weiterhin eine Displaysteuerung aufweist, die ein Bildsignal für den Anzeigebildschirm zur Verfügung stellt.
Display nach Anspruch 10, bei welchem eine Bildwiederholungsrate der Displaysteuerung zumindest doppelt so hoch ist, wie dies erforderlich ist, ein Bildflimmern in dem Anzeigebildschirm zu verhindern.
Display nach Anspruch 11, welches weiterhin eine Polarisationsschaltsteuerung aufweist, welche das Schalten des Polarisationsschalters steuert.
Display nach Anspruch 12, bei welchem die Polarisationsschaltsteuerung den Polarisationsschalter mit der halben Bildwiederholungsrate schaltet, die von der Anzeigesteuerung zur Verfügung gestellt wird.