DE19510671A1 - Vorrichtung zur 3-D Bilddarstellung - Google Patents
Vorrichtung zur 3-D BilddarstellungInfo
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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.
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:
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):
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.
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:
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:
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:
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:
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):
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.
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.
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:
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:
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:
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:
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.
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 (3)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19510671A DE19510671A1 (de) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | Vorrichtung zur 3-D Bilddarstellung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19510671A DE19510671A1 (de) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | Vorrichtung zur 3-D Bilddarstellung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19510671A1 true DE19510671A1 (de) | 1996-10-02 |
Family
ID=7757527
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19510671A Withdrawn DE19510671A1 (de) | 1995-03-27 | 1995-03-27 | Vorrichtung zur 3-D Bilddarstellung |
Country Status (1)
Country | Link |
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