DE19510671A1

DE19510671A1 - Vorrichtung zur 3-D Bilddarstellung

Info

Publication number: DE19510671A1
Application number: DE19510671A
Authority: DE
Inventors: Charalampos Avgoustinos
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 1996-10-02

Description

Es sind Bildschirme bekannt, die auf der Flüssig kristalltechnik basieren. Diese Technik wird in den folgenden Absätzen beschrieben. Weiterhin sind Vorrichtungen zur 3-D Bilddarstellung bekannt, bei denen für jedes Auge unterschied liche Bildinformationen ausgestrahlt werden. Durch verschiede ne Verfahren wird die ausgesendete Information von den Augen des Betrachters getrennt wahrgenommen, wodurch die dreidimen sionale Auffassung ermöglicht wird.

Flüssigkristalltechnik

Die Basis von Flüssigkristallbildschirmen, von sog. LCDs (Liquid Crystal Displays), bilden Flüssigkristalle, die anisotrope Eigenschaften besitzen.

Flüssige Kristalle (Fig. 5) werden je nach Anordnung der Stäb chenmoleküle im Raum in drei Arten eingeteilt, in nematische, smektische und cholesterische Substanzen. Auch ferroelektri sche Flüssigkristalle finden als weitere Art zunehmend Anwen dung. In der nematischen Phase (1) sind im normalen Zustand alle Moleküle parallel zueinander in Richtung ihrer Längsach sen ausgerichtet, weisen darüber hinaus aber keine weitere Orientierung auf. Sind die Stäbchenmoleküle zusätzlich in Schichten angeordnet, die sich leicht gegeneinander verschieben lassen, spricht man von der smektischen Phase (2). In der cholesterischen Phase (3) schließlich sind die Moleküle in dünnen Schichten angeordnet, die eine räumliche Spirale ergeben. Für die LCD-Technik ist die nematische Phase von größtem Interesse, da sie interessante Wechselwirkungen mit Licht und elektrischen Feldern zeigt.

Trifft Licht eine solche Flüssigkeit, so tritt eine starke Doppelbrechung auf, wenn sich die optische Achse der Moleküle quer zur Lichteintrittsrichtung befindet. Das Ergebnis ist ein elliptisch (in verschiedenen Richtungen) polarisiertes Licht. Legt man an die Flüssigkeit eine Spannung an, so richten sich die Stäbchen an dem entstehenden elektrischen Feld aus. Nur an den Elektroden behalten sie ihre ursprüngliche Orientierung. Die Doppelbrechung bleibt nun aus, weil die optische Achse und die Lichtrichtung weitgehend übereinstimmen.
LCD-Aufbau:

Ein LCD (Fig. 6) besteht aus zwei zusammengeschweißten Gla splatten (4). Die inneren Flächen der Glasplatten sind dabei mit durchsichtigen Elektroden (5) beschichtet. Die verschiede nen Formen der vorderen Elektroden definieren die Charaktere, Symbole, Pixel oder andere geometrische Figuren. Das verwende te Elektrodenmaterial besteht in der Regel aus Indium/Tin Oxyd (ITO).

Weiterhin befindet sich auf den vorderen und hinteren Elektroden eine Schicht aus einem polymerischen Material (6). Zwischen diesen Schichten wird ein Spalt von 6 bis 10 µm eingehalten, in dem sich die Flüssigkristallsubstanz (7) befindet. In den Polymerschichten befinden sich Rillen, die die naheliegenden Moleküle der Flüssigkristalle zur Einhaltung einer bestimmten Raumrichtung zwingen. Auf beiden Glasplatten ist jeweils außen ein Polarisator (8) angebracht. Die transmissive Beleuchtung erfolgt durch eine Beleuchtungsplatte (9).

Um ein gutes Kontrastverhältnis zu erreichen (Fig. 7), wird zusätzlich in der Flüssigkristallschicht eine Helix (10) erzeugt. Dazu wird die obere der beiden Glasplatten (11) um 90° gedreht, so daß die durch die polymerische Schicht (12) beeinflußten Stäbchen (13) an der oberen Glasplatte dieser Drehung folgen. Die Moleküle an der unteren Glasplatte (14) behalten hingegen ihre ursprüngliche Orientierung. Es entsteht somit zwischen beiden Platten ein schraubenförmiger Übergang, eine 90° Helix, wenn kein elektrisches Feld anliegt. Polarisa tionsfilter (15) werden an jeder Seite mit den respektiven Orientierungswinkeln angebracht.

Das durch den unteren Polarisationsfilter polarisierte Licht (16), welches in die Flüssigkristallschicht eintritt, wird entlang der Stäbchenschraube geleitet und erfährt eine Drehung (17) seiner Polarisationsebene von 90°. Dieses Phänomen basiert auf den anisotropen Eigenschaften der Moleküle. Der polarisierte Hauptlichtstrahl gelangt jetzt ungehindert durch die obere Polarisationsfolie. Ist dagegen ein Feld vorhanden (Fig. 8), so zwingt dieses die anisotropen Moleküle (18), sich entlang der Feldlinien auszurichten. Die Helix wird zerstört. Es findet somit keine Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahles statt. Der Lichtstrahl (19) durchdringt ungehin dert die Schicht der Flüssigkristalle, seine Ausbreitung wird jedoch durch den oberen Polarisationsfilter (20) gehindert, der Punkt bleibt dunkel. Das erreichte Kontrastverhältnis bei diesem TN-LCD (Twisted Nematic Display) beträgt lediglich 3 : 1. Durch eine Steigerung des Drehwinkels von 90° auf Werte zwischen 180° und 270° läßt sich jedoch ein Kontrastverhältnis von 7 : 1 erreichen. Den größten Twistwinkel erreicht man durch die Anwendung eines mit cholesterischen Kristallen dotierten nematischen Flüssigkristallgemenges. Bei diesen sog. Supertwi sted Nematic Displays (STN-LCD) entsteht jedoch eine Farbverschiebung.

Die besten Ergebnisse erzielt man allerdings mit den Double Supertwisted Nematic Displays (DSTN-LCDs). Hier (Fig. 9) existieren zwei nematische Schichten übereinander. Die untere (21) weist eine Drehung ihrer optischen Kristallachsen von 240° gegen den Uhrzeigersinn auf und ist mittels eines elek trischen Feldes steuerbar. Die obere Schicht (22) ist nicht steuerbar und erfährt eine Drehung ihrer optischen Kri stallachsen von 240° im Uhrzeigersinn. Die sich gegenseitig aufhebenden Drehrichtungen kompensieren im feldfreien Zustand die Farbverschiebung, wodurch ein sauberes schwarzes Pixel entsteht. Durch den großen Drehwinkel verbessert sich darüber hinaus das Kontrastverhältnis auf 15 : 1. Als Ersatz für die passive nematische Schicht können Folien mit ähnlichen optischen Eigenschaften dienen. Es handelt sich dann um FSTN- LCDs (Film Supertwisted Nematic Displays).

Eine weitere Verbesserung des Kontrastverhältnisses erreicht man durch das Hinzufügen einer dritten nematischen Schicht.

Ferner kann der beschriebene Flüssigkristallbildschirm im reflektiven, transmissiven oder transreflektiven Mode beleuchtet werden.

Farbe kann auf drei verschiedenen Arten eingebracht werden: Zum einen durch farbselektive Polarisationsfilter, zum zweiten durch gefärbte Filter und zum dritten durch eine chromatische Hintergrundbeleuchtung.
Guest-Host Displays (GHD):

Einen alternativen Typ von Flüssigkristallbildschirmen stellen die Guest-Host Displays (GHD) dar, die mit nur einem oder mit gar keinem Polarisationsfilter arbeiten. Hier werden die Moleküle aus einem "dichroic dye" in die nematischen Flüssig kristalle dissoziiert. Diese Gastmoleküle richten sich parallel zu denen des Flüssigkristalls aus.

Wenn keine Spannung angelegt wird, sind diese Moleküle parallel zur Oberfläche des Bildschirmes ausgerichtet. Einige Wellenlängen des einströmenden Lichts werden von den Gastmole külen absorbiert, und somit erscheint das bestimmte Pixel farbig. Wird eine ausreichende Spannung angebracht, werden die Moleküle senkrecht zur Bildschirmoberfläche gerichtet. Die Gastmoleküle absorbieren nun keine Lichtanteile mehr, und das bestimmte Pixel erscheint in der Farbe der Hintergrundbeleuchtung. Die Vorteile bestehen hier in höheren Helligkeiten und in einem erweiterten Sichtwinkel.

3-D Darstellung

Im folgenden wird der Stand der Technik hinsichtlich der dreidimensionalen Bilddarstellung erläutert.

Die "Stereopsie", die dreidimensionale Wahrnehmung, basiert auf den durch den okularen Abstand bedingten unterschiedlichen Perzeptionen des Raumes durch das linke und das rechte Auge. Die Sehrinde vergleicht die simultan perzipierten unterschied lichen Bilder des rechten und linken Auges und ermittelt aus den Unterschieden die Tiefe des wahrgenommenen Raumes. Die Mehrzahl der herkömmlichen 3-D Bilddarstellungssysteme basieren auf diesem natürlichen Phänomen, daß das Gehirn aus unterschiedlichen Bildinformationen eine 3-D Raumauffassung gewinnt. Anders als bei den üblichen 2-D Bilddarstellungssystemen, bei denen nur eine Bildreihe notwen dig ist, werden hier zwei unterschiedliche Bildreihen, jeweils eine für jedes Auge, durch zwei horizontal versetzte Kameras aufgenommen oder durch Computersimulation produziert. Die verschiedenen dargestellten Objekte erscheinen somit auf jedem Bildpaar in horizontaler Richtung versetzt. Aus dieser Versetzung gewinnt unser Gehirn den Tiefeneindruck.
Bildwechselsysteme:

Diese Systeme nutzen einen CRT-Bildschirm, bei dem abwechselnd die Bilder aus der Bildreihe für das rechte Auge und die aus der für das linke Auge erscheinen. Der Bildwechsel muß dabei eine ausreichende Frequenz von ungefähr 120 Hz erreichen, um ein Flattern des Bildes zu verhindern.

Im ersten von Tektronix vorgestellten System (Fig. 10) wird vor einen CRT-Bildschirm (23) eine ansteuerbare Schicht aus flüssigen π-Zellen (24) mit den entsprechenden Elektroden und Glasplatten und einem zirkularen Polarisator angebracht. Die Bilder für das rechte und das linke Auge, die auf dem Bildschirm alternierend dargestellt werden, werden folglich in entgegengesetzten Drehrichtungen zirkular polarisiert. Der Anwender trägt eine Brille (25) mit passiven Polarisatoren, die vor dem jeweiligen Auge links bzw. rechts polarisiert sind. Dies ermöglicht die Bildtrennung, so daß jedes Auge das vorgesehene Bild sieht.

Im zweiten von Stereographics vorgestellten System (Fig. 11 und 12) trägt der Benutzer eine Brilleneinrichtung (26) mit zwei eingebauten speziellen Flüssigkristallzellen (27, 28). Diese werden so angesteuert, daß sie abwechselnd transparent und lichtundurchlässig erscheinen. Dieser Wechsel erfolgt simultan mit dem Bildwechsel eines CRT-Bildschirmes (29), was eine selektive Verteilung der Bilder auf das rechte und das linke Auge zur Folge hat.

Der Nachteil dieser Einrichtungen ist jedoch ein starkes Flattern des Bildes, das nur durch hohe Bildwechselfrequenzen von über 100 Hz zu beheben ist. Dies setzt jedoch die Verwen dung sehr teurer und leistungsfähiger Phosphorkristalle im CRT-Bildschirm voraus. Die Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit der π-Zellen im ersten Fall und an die Flüssigkristalle der Brillenvorrichtung im zweiten Fall sind ebenfalls erheblich hoch und mit großem Kostenaufwand verbunden. Es ist weiterhin kaum möglich, den CRT-Bildschirm durch einen LCD zu ersetzen, da bei den LCDs keine wirtschaftlich interessante Lösung vorhanden ist, bei der eine Bildwechselfrequenz von über 100 Hz erreicht werden kann. Diese Einrichtungen führen ferner zu beträchtlichen Kontrast verlusten. Darüber hinaus zeigt der Anwender solcher Vorrichtungen nach kurzer Zeit erhebliche Ermüdungserscheinungen. Dieser negative Nebeneffekt ist nach neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen darauf zurückzufüh ren, daß die Verschaltungen der Nervenbahnen der Sehrinde, die für die Ermittlung des Tiefeneindruckes zuständig sind, stän dig die im natürlichen Zustand simultan an beiden Augen ankom menden Informationen vergleichen, jedoch in den Bildwechselsystemen die Bilder für das rechte und das linke Auge nicht simultan ausgestrahlt werden und somit nacheinander erfaßt werden. Die "Fusionsfrequenz" der Bilder für jedes Auge wird zwar erreicht, der Informationsvergleich in der Sehrinde erfolgt jedoch nicht notwendigerweise zwischen den beiden Bildern eines Stereopaares, da die Bildinformationen für jedes Auge alternierend ausgesendet werden. Zur Verdeutlichung ist ein Beispiel zu nennen, in dem das linke Bild eines Stereopaares (33) vor dem rechten ausgestrahlt wird. Das linke Bild (30) wird durch die Sehrinde mit dem entsprechenden rechten Bild (31) desselben Stereopaares verglichen, das 20 Millisekunden später ausgestrahlt wird. Daraus entsteht ein realer Tiefeneindruck. Dasselbe linke Bild wird jedoch eben falls mit den rechten Bild (32) des vorherigen Stereopaares (34) verglichen, das 20 Millisekunden vor diesem linken Bild erschienen ist. Diese Bilder passen nicht zusammen, und es entsteht ein falscher Tiefeneindruck. Das gleiche gilt für das rechte Bild eines Stereopaares. Zusammenfassend gesagt, findet nicht nur ein Vergleich der Bilder eines Stereopaares statt, sondern gleichermaßen der Vergleich eines Bildes mit dem eines vorherigen bzw. nachfolgenden Stereopaares. Daraus entsteht eine Fülle von nicht konkordanten Bildern und Tiefenein drücken, bedingt durch die nicht vergleichbaren Bildinformationen. Je mehr Bewegung die Bilder enthalten, de sto größer wird die Diskordanz zwischen den realen und fal schen Tiefeneindrücken sowie zwischen den Stereopaaren. Aus der Bearbeitung dieser inkohärenten Informationen folgt eine übermäßige und widernatürliche Beanspruchung der Sehrinde. Dies gilt als eine Ursache für die Ermüdungserscheinungen und für die häufig zu beobachtenden Kopfschmerzen.
Systeme für Virtuelle Realität:

Diese Apparaturen bestehen aus einer Brilleneinrichtung, die für jedes Auge einen miniaturisierten CRT-Bildschirm oder LCD enthält. Der Anwender wird somit von den visuellen Einflüssen der Außenwelt völlig abgetrennt und in eine virtuelle, meist fantastische Umgebung versetzt.

Nachteilig an diesem System sind jedoch das Gewicht der gesam ten Brilleneinrichtung, die geringe Auflösung der Bildschirme und die oftmals nicht erwünschte Isolierung von der Außenwelt.
Autostereoskopische Systeme:

Hierbei werden die dreidimensionalen Bilder direkt, d. h. ohne spezielle Brillen, betrachtet. Zu erwähnen sind hierzu:

- Volumetrische Bildschirme:
Diese Einrichtungen produzieren hologrammähnliche Bilder auf den realen oder virtuellen Raum hinter einem Spiegel. Sie erzeugen 3-D Bilder durch die Bewegung oder die Scheinbewegung eines 2-D Bildschirmes durch ein Volumen, wobei Anteile des Bildes während der Bewegung sukzessiv dargestellt werden.

Beranck & Newman vermarkten einen volumetrischen Bildschirm (Fig. 13), bei dem ein konkaver, flexibler Spiegel (35) ver wendet wird. Der Spiegel vibriert mit 60 Hz und verändert so mit seine Krümmung. Diese sich verändernde Krümmung hat zur Folge, daß sich das Bild eines CRT-Bildschirmes (36), das durch diesen Spiegel gesehen wird, durch das virtuelle Bildvo lumen hinter diesem Spiegel hin und her zu bewegen scheint. Durch selektierte Segmentierung der Bilder und durch zeitge rechte, von der Position des Spiegels abhängige Ausstrahlung wird der 3-D Effekt erzielt.

Texas Instrument produzierte einige Prototypen eines autoste reoskopischen volumetrischen Bildschirms, der Laserstrahlen verwendete, um Bildsegmente auf einer sich drehenden ellipti schen Fläche darzustellen.

Diese Systeme haben jedoch die Nachteile einer hohen Komplexität, hoher Kosten, eines Farbverlustes und eines hohen Rechenaufwandes für die Herstellung und die zeitgerechte Ausstrahlung der Bildsegmente.

- Holographische Bildschirme:
Eine weitere bekannte Technik für die 3-D Darstellung ist die Holographie. Die Erfolge dieser Technik sind jedoch wegen des erhöhten Rechenaufwandes und wegen anderer technischer Schwierigkeiten zweifelhaft.
- Lentrikulare Linsen-Systeme (Fig. 14):
Eine lentrikulare Linse (37) ist eine transparente Platte, die auf ihrer Oberfläche eine große Anzahl von naheliegenden, sehr kleinen zylindrischen Linsen besitzt. Die auf dem Bildschirm hinter der lentrikularen Linse erscheinenden Bilder (38) be stehen aus einer Vielfalt von segmentierten Stereopaaren, die entsprechend dem Linsenaufbau angeordnet sind, so daß die jeweilige Linse die entsprechende Hälfte des Stereopaares zu dem entsprechenden Auge fokussiert. Aus dieser Trennung der Bildpaare resultiert der 3-D Effekt. Dieser Bildschirmtyp wird von verschiedenen Unternehmen hergestellt; von NTT wurde die Anwendung eines solchen Bildschirmes in öffentlichen Telephoneinrichtungen vorgestellt.

Nachteilig sind hier jedoch der entstehende Kontrastverlust und die geringe Auflösung, die durch die Trennung der Pixel, die die Information für das rechte bzw. linke Auge enthalten, und durch die Abbildungsfehler der Linsen bedingt sind. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Benutzer seinen Kopf in einer festgelegten Position gegenüber dem Bildschirm halten muß.
Systeme mit 2 Bildschirmen:

Metron Optics verkauft eine spezielle Mikroskopeinrichtung, die 3-D Bilder erzeugt. Diese basiert auf zwei Bildschirmen, die jeweils ein Bild eines Stereopaares darstellen. Ein opti sches System, bestehend aus Linsensystemen und aus einem brei ten, fixen und gekrümmten Spiegel, sorgt dafür, daß jedes Auge das entsprechende Bild des Stereopaares sieht.

Ein weiteres System (Fig. 15) besteht aus zwei CRT- Bildschirmen (39), vor denen jeweils ein Polarisator (40) angebracht ist. Der Anwender sieht mittels einer Brille (42), die ebenfalls zwei Polarisatoren enthält, auf einen halbdurchlässigen Spiegel (41). Das Bild des einen CRT- Bildschirmes erscheint ihm reflektiv, das andere transmissiv.

Hewlett-Packard und Perspective Displays Inc. gehören zu den Unternehmen, die solch einen Systemaufbau verwenden, um Ein richtungen zur 3-D Projektion für die Einzelanwendung herzu stellen.

Diese Systeme projizieren sehr klare und kontrastreiche 3-D Bilder, haben jedoch den Nachteil eines komplizierten und schlecht zu miniaturisierenden Aufbaus. Außerdem muß der Anwender seinen Kopf still- und genau gegenüber der Einrichtung halten, womit die Anwendung auf eine einzelne Person beschränkt bleibt.
Parallaxen-Illuminations-Systeme (Fig. 16):

DTI hat ein autostereoskopisches System patentiert, das farbige 3-D Bilder erzeugt und keine zusätzliche Brilleneinrichtung benötigt. Die Einrichtung besteht aus einem LCD (43), der aus einer Matrix von individuell ansteuerbaren Pixeln besteht, die zeilen- und spaltenweise angeordnet sind. Die Belichtung erfolgt auf transmissive Weise. Um einen 3-D Effekt zu erzielen, werden beide Bilder eines Stereopaares in dünne vertikale Streifen unterteilt, die abwechselnd durch aufeinanderfolgende Pixelspalten dargestellt werden. Auf diese Weise stellen alle geraden Spalten die Streifen des Bildes für das linke Auge dar, sowie die ungeraden Spalten die Bildinformationen für das rechte Auge enthalten. Die erreichte Bildwiederholungs-Frequenz sollte mindestens 60 Hz betragen. Die Trennung der Information wird durch den speziellen Aufbau der Beleuchtungsplatte (44) erlangt, die sich in einem bestimmten kurzen Abstand hinter dem LCD befindet. Diese Plat te strahlt dünne vertikale Lichtstreifen aus, die so angeordnet sind, daß sie wegen der Parallaxe von dem rechten bzw. linken Auge durch die ungeraden bzw. geraden Pixelspalten des Bildschirmes gesichtet werden. Auf diese Weise erscheinen dem rechten Auge nur die ungeraden Spalten transmissiv belich tet, während die geraden Spalten dunkel erscheinen. Dies gilt umgekehrt für das linke Auge.

Dieses System ermöglicht eine billige und kompakte Bauart, es hat jedoch den Nachteil einer schlechten Auflösung, die durch die streifige Erscheinung der Bilder bedingt ist.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß die existierenden 3-D Systeme jeweils mehrere der folgenden Nachteile aufweisen: Das Gesamtgewicht der Brilleneinrichtung ist meistens zu hoch. Eine kompakte und einfache Bauweise des Bildschirmes ist nicht immer möglich. Der Anwender kann in einigen Fällen die Einflüsse seiner realen Umgebung nicht wahrnehmen, er ist somit von ihr iso liert. Die freie Kopfbewegung ist oft nicht ohne die Verzer rung des 3-D Bildes möglich. Die erzeugten Bilder leiden bis auf wenige Ausnahmen unter starken Kontrastverlusten, Flimmern und niedriger Auflösung sowie in einigen Fällen unter streifiger Erscheinung. Bei einigen Systemen ist ein starker Farbverlust festzustellen. Nicht wenige Einrichtungen erfordern einen erheblichen Rechenaufwand und spezielle Hard warelösungen. Ferner ist in einigen Fällen die simultane Benutzung der Einrichtungen durch mehrere Anwender nicht möglich. Im Falle der Bildwechselsysteme wird überdies die Sehrinde durch die Bearbeitung inkohärenter Informationen stark beansprucht, was zu Ermüdungserscheinungen und Kopf schmerzen führt.

Diese Probleme werden durch die im Patentanspruch 1 angegebe nen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das 3-D Bild bereits bei geringen Bildwiederho lungs-Frequenzen von 40 bis 50 Hz sowie bei hoher Auflösung kontrastreich und flimmerfrei erzeugt wird. Darüber hinaus wird die simultane Darstellung von beiden Bildern eines Stere opaares ohne Segmentierung ermöglicht, d. h., daß jedes Pixel die Bildinformation für das rechte und das linke Auge nicht alternierend, sondern simultan aussendet. Die simultane Auffassung der Bilder durch den Anwender sichert geringe bzw. gar keine Ermüdungserscheinungen während der Anwendung dieser Vorrichtung. Ein Farbverlust liegt nur in äußerst geringem Ma ße vor. Der Rechenaufwand bleibt gering. Die benötigte Brilleneinrichtung ist sehr leicht und ermöglicht die freie Kopfbewegung des Anwenders. Die Einrichtung kann erheblich mi niaturisiert werden und setzt keine spezielle Hardware voraus. Die gleichzeitige Benutzung der Einrichtung durch mehrere An wender ist gewährleistet. Der Anwender wird während der Benut zung der Einrichtung nicht von der Außenwelt isoliert. Der Aufbau bleibt einfach, und die Lösung ist sehr kostengünstig.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht es, die 3-D Bilddarstellung anhand eines herkömmlichen CRT-Bildschirmes zu erreichen. Die Weiterbildung nach Anspruch 3 ermöglicht verbesserte Kontrastverhältnisse.

Beschreibung eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 den Gesamtaufbau einer flachen Vorrichtung zur 3-D Bilddarstellung,

Fig. 2 die schematische Darstellung der Beeinflussung des Lichtstrahles,

Fig. 3 die Durchlässigkeit von Teil 2 in Abhängigkeit von der angelegten Spannung,

Fig. 4 die Verteilung der Lichtintensität auf zwei zueinander senkrechte Polarisationsebenen in Abhängigkeit von der angelegten Spannung.

In den Beispielen 1 und 2 handelt es sich um den Aufbau eines Bildschirmes, der 3-D Effekte generiert. Die erzeugten Bilder bestehen hier aus Pixeln, deren Position durch das Elektrodendesign bedingt ist. Aus jedem Pixel des Bildschirmes werden nicht alternierend, sondern simultan die Bildinformationen für das rechte und das linke Auge ausgesendet. Die Trennung der Bildinformation erfolgt, indem die Information für das rechte Auge in einer Polarisationsebe ne und die Bildinformation für das linke Auge in einer um 90° verdrehter Polarisationsebene enthalten ist.

Die Vorrichtung besteht im ersten Beispiel aus einer Platte zur transmissiven Beleuchtung und aus verschiedenen aneinan dergereihten Flüssigkristall-Bildschirmteilen. Im zweiten Beispiel handelt es sich um einen CRT-Bildschirm, auf dem ver schiedene aneinandergereihte Flüssigkristall-Bildschirmteile aufgebaut werden.

Beispiel 1

Teil 1:

Teil 1 (Fig. 1 und 2) besteht aus einer Platte (46), die die transmissive Beleuchtung liefert. Diese Lichtausstrahlung erfolgt möglichst gleichmäßig über die ganze Fläche und dient der transmissiven Beleuchtung des Bildschirmes.
Teil 2:

Teil 2 besteht aus einem üblichen Flüssigkristallbildschirm zur Schwarz-Weiß-, Graustufen- oder farbigen Darstellung. Es werden hier in der einfachsten Ausführung zwei Glasplatten (48) miteinander verbunden. Die inneren Flächen der Glasplat ten werden mit durchsichtigen Elektroden (45, 52) beschichtet. Auf den Elektroden befindet sich jeweils eine Schicht aus ei nem polymerischen Material (50). In den Polymerschichten befinden sich Rillen, die die naheliegenden Moleküle der Flüs sigkristalle zur Einhaltung einer bestimmten Raumrichtung zwingen. Die Flüssigkristallmoleküle sind Bestandteil einer Schicht (49) aus nematischen oder anderen Flüssigkristallen, die zwischen die beiden oben genannten Polymerschichten eingebracht wird und eine Breite von 6 bis 10 µm besitzt. Die Änderung des Spannungspotentials der beiden Elektroden verän dert die Ausrichtung der optischen Achsen der einzelnen Flüssigkristalle der nematischen Schicht, was eine Veränderung der optischen Eigenschaften dieser Schicht bewirkt. Die nematische Schicht wird auf diese Weise angesteuert. Auf der vorderen Glasplatte können zur Kompensation der Farbverschiebung eine oder mehrere nicht ansteuerbare nematische Schichten angebracht werden, die selbst von Gla splatten begrenzt und durch behandelte Polymerschichten beeinflußt werden (Supertwisted Nematic Display). Es können jedoch als Ersatz für diese zusätzlichen nematischen Schichten Folien dienen, die dieselbe Wirkung erzielen. Mit dem Einsatz von Transistoren (TFT Displays) ist es jedoch möglich, die nematische Schicht dünner zu gestalten, so daß die aufwendige Kompensation der Farbverschiebung entfallen kann. Auf der hin teren Glasscheibe dieser entstandenen Einheit wird ein Polarisator (47) angebracht. Der gleiche (53) wird auf der vorderen angebracht, wobei sich unter dem Polarisator auch die Farbfilter befinden, die für die Kolorierung jedes Pixels verantwortlich sind und somit die chromatische Ausstrahlung ermöglichen.

Die aus Teil 1 ausgesendete inkohärente Lichtstrahlung (61) erreicht zunächst die hintere Polarisationsplatte (47) von Teil 2. Dadurch wird die durchgehende Lichtstrahlung in einer Ebene polarisiert. Während diese Lichtstrahlung weiter durch die ansteuerbare nematische Schicht (49) hindurchgeht, erfährt sie eine Drehung ihrer Polarisationsebene, die von der an den Elektroden jedes Pixels angelegten Spannung (U 2) abhängig ist. In seinem weiteren Weg durchdringt das polarisierte Lichtbündel die Farbfilter, die lediglich einige chromatische Anteile hindurchlassen. Nach diesen Filtern trifft das Licht auf den oberen Polarisator (53), der nur die Lichtanteile durchläßt, die parallel zur Polarisationsrichtung des Polarisators schwingen. Diese relative Schwingungsrichtung ist abhängig von der durch die nematische Schicht erreichten Ver drehung und von dem Winkel, den beide Polarisatoren miteinander bilden.

Es entsteht somit eine polarisierte, farbige, in der Intensität I 2 durch U 2 gesteuerte Lichtausstrahlung aus je dem einzelnen Pixel. Dieser Zusammenhang ist in der Graphik von Fig. 3 dargestellt. Die Intensitätsunterschiede von Pixel zu Pixel stellen die erwünschte Bildinformation dar.
Teil 3:

Teil 3 besteht aus einer elektrisch ansteuerbaren nematischen Schicht (59), die sich zwischen zwei Polymerschichten (57) befindet. Diese Polymerschichten werden so behandelt, daß sie an ihrer Oberfläche dünne parallele Rillen bilden. Die gegen seitige Orientierung dieser Polymerschichten wird so gewählt, daß sie die optischen Achsen der Flüssigkristalle zu einer Drehung von 90° oder 270° von der hinteren zur vorderen Seite zwingen. Auf beiden Seiten befinden sich außerdem hinter den Polymerschichten durchsichtige Steuerungselektroden (60, 56). Diese werden mit einer Steuerschaltung verbunden, die die Än derung des Spannungspotentials dieser Elektroden bestimmt. Diese gesamte Einheit wird schließlich durch zwei verbundene Glas- bzw. durch zwei durchsichtige Kunststoffplatten (54) begrenzt. Der Abstand zwischen beiden Glasplatten wird durch kleine Abstandhalter (58) wie beispielsweise durch kleine Kugeln gesichert. Die somit erreichte Dicke der nematischen Schicht sollte sich zwischen 6 und 15 µm bewegen. Der geometrische Aufbau der Elektroden ist weiterhin von den ange strebten Ergebnissen, wie Pixeldarstellung oder symbolische Darstellung, und von der Art der Steuerschaltung abhängig. Die Elektrode auf der hinteren Glasscheibe ist flächenförmig, während die Elektroden auf der vorderen Glasscheibe einzelne Segmente bilden. Für die symbolische Darstellung, wie man sie bei einfachen, kostengünstigen Bildschirmen vorfindet, erhal ten die jeweiligen Segmentelektroden die Form der darzustel lenden Symbole. Weiterhin werden sie einzeln mit der Steuer schaltung verdrahtet, die hier außerhalb des Bildschirmes liegt. Für die Pixeldarstellung sind verschiedene Lösungen durchführbar. Eine Möglichkeit basiert auf dem Effekt der Po tentialkopplung. Es werden auf der vorderen Glasscheibe Zei len- und Spaltenelektroden verwendet, deren Kreuzungsstellen sich an den dargestellten Pixeln befinden. Die jeweiligen Elektroden werden mit einer Steuerschaltung verbunden, die in Abhängigkeit von einem Informationssignal bestimmte Spannungen an ausgewählten Zeilen- und Spaltenelektroden anlegt, um an den gewünschten Kreuzungsstellen ein elektrisches Feld vorbe stimmter Stärke zu erzeugen. An den aus diesem Pixel ausgehen den Zeilen und Spalten entstehen jedoch erhebliche Steuerungs effekte. Um diese zu vermeiden, wird die in der TFT-Technolo gie realisierte Lösung bevorzugt. Hier bekommt jedes Pixel seine eigene pixelförmige Elektrode (56) auf der vorderen Glasplatte. Jede einzelne dieser Elektroden wird durch einen auf den Glasscheiben angebrachten Transistor (55) versorgt. Diese Transistoren, die die innere Steuerschaltung bilden, werden mit einer äußeren Steuerschaltung verbunden. Durch die se Kombination wird in Abhängigkeit von einem Informations signal zwischen den Elektroden der jeweiligen Pixel ein elek trisches Feld vorbestimmter Stärke erzeugt. Diese TFT- Technologie ermöglicht es, die nematische Schicht dünner zu gestalten, wodurch die Farbverschiebung auf ein unerhebliches Maß reduziert werden kann.

Die zwischen den jeweiligen Elektroden erzeugte elektrische Feldstärke beeinflußt die durch die Molekülstäbchen hervorgerufene Helix. Mit jeder Konfiguration dieser Helix (63) und damit verbundenen Feldstärke werden die verschiedenen gewünschten optischen Eigenschaften erreicht. Folglich wird - wie im folgenden Absatz näher beschrieben - die Steuerschaltung so ausgelegt, daß für die erwünschte Konfiguration der Flüssigkristallschicht an jedem Pixel die entsprechende Spannungsverteilung sowie ihr zeitlicher Verlauf an den jeweiligen Pixelelektroden erfolgt.

Die erzeugte chromatische und polarisierte Strahlung aus Teil 2 erreicht nun Teil 3. Das polarisierte Licht (62) dringt in die Flüssigkristallschicht (59) ein. Liegt an den Elektroden keine Spannung an, so ist die Helix (63) der Kristalle voll ständig, und das polarisierte Licht wird entlang der Stäbchenschraube geleitet und erfährt eine Drehung der Polarisationsebene um 90° bzw. 270°. Dieses Phänomen basiert auf den anisotropen Eigenschaften der Moleküle. Liegt jedoch eine elektrisches Feld an, so zwingt dieses die anisotropen Flüssigkristallmoleküle, sich entlang der Feldlinien auszu richten. Dies hat zur Folge, daß sich die optischen Achsen der Flüssigkristallmoleküle parallel zur Fortschreitungsrichtung der Lichtwelle orientieren. Dieser Effekt beginnt in der Schichtmitte. Die Helix der Kristalle wird somit in Abhängigkeit von der Stärke dieses Feldes von der Mitte der Schicht aus zu beiden Oberflächen hin gestört. Die Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahles findet demnach nicht vollständig statt. Sie ist in Anlehnung an Fig. 4 von der Höhe der angelegten Spannung (U 3) abhängig und wird durch diese gesteuert. Die Schwingungsamplituden der austretenden Lichtstrahlung erreichen somit in den jeweiligen Polarisationsrichtungen definierte Größen, die von der Konfiguration der Stäbchenhelix bzw. von der angelegten Spannungsverteilung und ihrem zeitlichen Verlauf abhängig ist. Über die angelegte Spannung wird somit die Verteilung der ankommenden Lichtintensität auf die jeweiligen Polarisations richtungen der ausgestrahlten Strahlung gesteuert. Fig. 4 stellt diesen Zusammenhang mit Hilfe von zwei Kurven dar, wobei die eine Kurve die Verteilung der Strahlungsintensität I3 in der Polarisationsebene senkrecht zur Polarisationsrichtung des Polarisators (53) und die andere Kurve parallel zu dieser Polarisationsrichtung in Abhängigkeit von der angelegten Spannung zeigt.
Teil 4:

Der oben genannte Aufbau kann in seiner Leistungsfähigkeit durch einen mehrschichtigen Aufbau verbessert werden. Über der o. a. ansteuerbaren nematischen Schicht wird eine zweite, Teil 4, oder mehrere angebracht. Diese Schichten werden zusammen mit den erforderlichen Glasplatten, Elektroden, Transistoren und Polymerschichten angebracht.

Die Polymerschichten, die zur Ausrichtung der Kristalle jeder Schicht dienen, werden hier so ausgerichtet, daß das polari sierte Licht, das diesen Aufbau durchdringt, die erwünschte Drehung seiner Polarisationsebene aufweist.

Zusammengefaßt wird durch die an den Elektroden von Teil 1 angelegten Spannungen die Intensität der aus jedem Pixel aus gesendeten Strahlung gesteuert, und durch die an den Elektro den von Teil 2 angebrachten Spannung wird die Verteilung die ser Intensität in die verschiedenen Polarisationsrichtungen dieser Strahlung gesteuert. Es entsteht somit eine farbige und polarisierte Lichtausstrahlung, die in ihrer Intensität und in der Verteilung dieser in die verschiedenen Polarisationsrich tungen die erwünschten Bildinformationen für beide Auge enthält. Die Lichtausstrahlung kann sich von Pixel zu Pixel beliebig unterscheiden. Die Ausstrahlung der Bildinformation für das jeweilige Auge erfolgt somit simultan aus jedem Pixel. Die gesamte Intensität dieser Strahlung ist die Summe der Intensitäten der beiden Bildpunkte, die das rechte und das linke Augen sehen sollen. Die Information über die Verteilung dieser gesamten Intensität auf beide Augen ist in der Vertei lung dieser Intensität in die verschiedenen Polarisationsrich tungen enthalten.

Die Verteilung der Bildinformation auf das jeweilige Auge erfolgt durch eine Brille. Diese Brille enthält jeweils einen linearen Polarisator vor jedem Auge. Diese Polarisatoren weisen einen entgegengesetzten Winkel von 90° in ihrer Polarisationsrichtung auf. Die an jedem Polarisator durchgehende Lichtintensität ist somit abhängig von dem jewei ligen Winkel zwischen der Polarisationsrichtung der ankommen den polarisierten Lichtstrahlung und der jeweiligen Polarisatoren. Sie ist außerdem von der Intensität der ankommenden Strahlung abhängig.

Durch die ermöglichte Steuerung der Intensität und der Polari sation der von der Bildschirmvorrichtung ausgesendeten Lichtstrahlung sowie durch die Benutzung der Polarisations brille kann somit jede unabhängige Intensitätsverteilung auf das rechte und das linke Auge erreicht werden. Diese Lichtin tensität, die das jeweilige Auge erreicht, ist somit die Bildinformation.
Steuerungshardware:

Die Steuerung der beiden Teile 2 und 3 erfolgt durch handelsübliche Hardware. Es kann zum Beispiel für jedes Teil eine übliche VGA-Graphikkarte eingesetzt werden. Die einzige Hardwareanforderung wird somit an den Rechnerbus gestellt, der beide Graphikkarten ansteuern muß. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, beide Teile durch eine gängige Graphikkarte zu steuern, die zwei Bildschirme unterstützt.

Beispiel 2

Im zweiten Anwendungsbeispiel besteht Teil 2 aus einem CRT- Bildschirm und einem auf seiner Vorderseite angebrachten Pola risator. Vor diesen wird das beschriebene Teil 3 angebracht. Aus Teil 2 tritt somit eine in ihrer Intensität gesteuerte polarisierte Strahlung aus. Die Funktionsweise von Teil 3 verläuft in diesem zweiten Anwendungsbeispiel so, wie in Beispiel 1 bereits beschrieben.

Claims

1. Vorrichtung zur 3-D Bilddarstellung, bestehend aus einer Lichtquelle (46), aus zwei planparallelen Glasplatten (48), deren innere Flächen mit durchsichtigen Elektroden beschichtet sind, aus zwei Schichten aus einem polymerischen Material, die zwecks der Einhaltung einer bestimmten Raumorientierung der naheliegenden Flüssigkristallmoleküle behandelt werden, aus einer den Zwischenraum der Platten ausfüllenden 4 bis 10 µm dünnen nematischen, cholesterischen, ferroelektrischen oder an deren Flüssigkristallschicht (49), die durch die Elektroden ansteuerbar ist, aus zwei Polarisatoren (47, 53) auf den beiden äußeren Glasplatten, aus einer Steuerschaltung, die im Falle der TFT-LCDs teilweise auf der einen Glasplatte angebracht ist und die in Abhängigkeit von einem Informationssignal bestimmte Spannungen an ausgewählte Elektroden anlegt, und möglicherweise aus einer bzw. zwei nicht ansteuerbaren nematischen Schichten mit den entsprechenden Glasplatten oder aus Folien mit ähnlichen Eigenschaften, die auf der vorderen Glasplatte angebracht werden, daß somit infolge dieses gesamten Aufbaus die Bildinformation in der erreichten Variation der Intensität der ausgehenden polarisierten Lichtstrahlung enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vorderseite des wie erwähnt aufgebauten LCD-Bild schirmes zusätzlich eine elektrisch ansteuerbare Schicht von Flüssigkristallen (59) angebracht wird, die durch zwei behandelte Polymerschichten begrenzt wird, die die angrenzenden Flüssigkristalle in die zu diesem Zweck erforderliche Raumorientierung zwingen, so daß im Falle der nematischen Flüssigkristalle und ähnlich bei anderen Flüssigkristallen die jeweiligen Stäbchenmoleküle durch diese Schicht elektrisch ansteuerbare Helices (63) bilden, die die gesteuerte Drehung der Polarisationsebene der durchgehenden polarisierten Licht strahlung ermöglichen, so daß in den erwünschten Polarisations richtungen der ausgestrahlten Lichtstrahlung (62) die erwünsch te Intensitätsverteilung stattfindet, daß die beschriebene Ein heit von zwei miteinander verbundenen Glasplatten (54) einge grenzt ist, daß das erforderliche Feld für die Steuerung der Helices aus auf den Glasplatten angebrachten durchsichtigen Elektroden gebildet wird, die mit einer Steuerschaltung verbunden sind, die im Falle der TFT-LCDs teilweise auf der einen Glasplatte angebracht ist und die in Abhängigkeit von einem Informationssignal bestimmte Spannungen an ausgewählten Elektroden anlegt, und daß die Bildinformation jedes Pixels somit in der erreichten Variation der Intensität der ausgehenden polarisierten Lichtstrahlung und in der Verteilung dieser Intensität in die jeweiligen Polarisationsrichtungen enthalten ist, so daß somit aus jedem Pixel die simultane Ausstrahlung der Pixelinformation beider Bilder desselben Stereopaares erfolgt, wobei die Informationstrennung dadurch entsteht, daß jedes der beiden Bilder in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen ausgestrahlt wird.

2. Vorrichtung zur 3-D Bilddarstellung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Patentanspruch 1 kennzeichnende zweite elektrisch ansteuerbare Flüssigkristallschicht, die für die Verteilung der Intensität der polarisierten Strahlung in die verschiedenen Polarisationsrichtungen zuständig ist, mit den entsprechenden Glasplatten, Polymerschichten, Polarisatoren, Elektroden und Transistoren vor einem CRT-Bildschirm angebracht wird.

3. Vorrichtung zur 3-D Bilddarstellung nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der vordersten Glasplatte zusätzlich weitere elek trisch ansteuerbare nematische Schichten angebracht werden, die durch die entsprechenden Polymerschichten, Elektroden und Glasplatten begrenzt werden.