DE19732496A1

DE19732496A1 - Kompaktes flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder

Info

Publication number: DE19732496A1
Application number: DE19732496A
Authority: DE
Inventors: La Barre Rene De; Reiner Sombrowsky
Original assignee: VISUREAL DISPLAYSYSTEME GmbH
Current assignee: VISUREAL DISPLAYSYSTEME GmbH
Priority date: 1997-07-29
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 1997-12-18
Also published as: WO1999007161A1

Description

Die Erfindung betrifft ein kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe be wegter und unbewegter dreidimensionaler Bilder.

Die Wiedergabe dreidimensionaler Bilder erfolgt, indem eine Bildwiedergabeeinrichtung einem Betrachter die Wahrnehmung von zwei Bildern einer Kulisse ermöglicht, die zwei in horizontaler Richtung gespreizten Aufnahmen dieser Kulisse entsprechen.

Autostereoskope Bildwiedergabeeinrichtungen gestatten diese räumliche Bildwahrnehmung ohne die Verwendung zusätzlicher, den Menschen an die Bildwiedergabeeinrichtung adaptierender, Mittel.

Diesen bekannten Lösungen haftet der Nachteil an, daß die Betrachter einer autostereoskopen Darstellung in der Regel an einen festen Betrachterstandort gebunden sind.

Dieser Beschränkung des Betrachterstandortes wird entweder durch die Wiedergabe einer Vielzahl von Perspektiven oder bei Zweibildverfahren durch die Nachführung der Bilder oder der Beleuch tung oder der Strahlteilerebene entsprechend der Position eines einzelnen Betrachters begegnet.

Bekannte Vorrichtungen, die eine multiperspektive, autostereoskope Betrachtung ermöglichen, haftet der Nachteil einer voluminösen Bauweise an. Das betrifft sowohl

- optische Projektionsverfahren, durch die im Raum vorzunehmende Anordnung der Bildquellen,
- Monitorgeräte, bei denen durch die Verwendung einer Elektronenstrahlröhre ein modifiziertes Projektionsverfahren zum Einsatz kommt, als auch
- räumlich modulierte Displays, deren Bildpunkterzeugung ebenfalls auf der Projektion beruht.

Auf Grund der hohen technischen Anforderungen an autostereoskope Displaysysteme hinsichtlich Auflösung, Farbtiefe und Bildwiederholfrequenz konnten flache Bauweisen solcher Displays bis her nur in Geräten, die ein Head-Tracking-Verfahren anwenden und alternierend zwei Perspekti ven wiedergeben, realisiert werden. Solche Displays sind insbesondere in EP 0722256, EP 0721132, US 4717949 und US 4829365 beschrieben. Sie verwenden zur Selektion der Bilder für das linke und rechte Auge Strahlteiler in Barrieren- oder Linsenrasterkonstruktion.

Ein anderer Lösungsansatz wird mit elektro-holographischen Verfahren beschritten. Bei diesen Visualisierungssystemen ist es möglich, flache Elemente zur Bilderzeugung zum Einsatz zu brin gen und mittels kohärenter Beleuchtung räumliche Interferenzbilder zu erzeugen.

Diesen bekannten Lösungen haftet der Nachteil an, daß die zur Erzeugung der Bilder benötigte Datenmenge extreme Rechenleistungen und Videofrequenzen erfordert.

Den Stand der Entwicklung autostereoskoper Displays und der dazu verwendeten Bauelemente ist ferner in nachstehender Literatur sehr gründlich und systematisch abgehandelt.

McAllister; David: Stereo computer graphics and other true 3D technologies. Princeton University Press, Priceton (1993);
Pastor, Sigmund: 3D-Display-Technologie, HHI Berlin, Vortrag auf der "Display 1996", Nürtingen (1996).

Aus dieser Literatur ist bekannt, daß sich bei autostereoskopen Wiedergabesystemen durch den Einsatz von Einzellinsen oder Linsensystemen, die zwischen Bildebene und Bildselektionsebene angeordnet werden, die Bautiefe verringern läßt, ohne, daß eine Flachbauweise entsteht. Deswei teren sind auch Gestaltungsvorschläge bekannt, bei denen eine Verringerung der Bautiefe durch einzelne oder mehrere zwischen der Bildselektionsebene und dem Betrachter angeordnete Linsen erreicht wird, wobei ebenfalls keine flache, kompakte Bauweise erreichbar ist.

Aus der Patentschrift DE 42 28 111 ist bekannt, daß sich der zur Selektion der Bildperspektiven benötigte Abstand extrem reduzieren läßt, wenn statt ganzer Bilder Details der Bilder in der Art selektiert werden, daß der Betrachter entsprechend seiner Position um den Augenabstand ge spreizte Perspektiven wahrnimmt.

Ausgehend vom angegebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes, flaches, zur autostereoskopen Wiedergabe bewegter und unbewegter Szenen oder Bilder bestimmtes optisches Bauelement mit geringen Abmessungen zu realisieren, das sich unter weitgehender Reduzierung des Materialeinsatzes technologisch günstig herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anwendung einer durchgängigen Schichtbauweise gelöst, bei der eine Bildebene einer schnellen, mindestens 100 Bilder pro Sekunde darstellenden Bildwiedergabeeinrichtung mit einem strukturierten optischen Flächenschalter, dessen Strukturen einzeln oder in Gruppen schaltbar sind, zu einem dünnen und kompakten Bauelement kombiniert wird. Teile des Flächenschalters, insbesondere Glasträger und Polarisatoren, werden in ein Flachdisplay integriert und gemeinsam von beiden Bauteilen genutzt, wodurch sich die Teilezahl verringert und der Materialeinsatz minimiert wird. Zusätzliche Elemente wie beispielsweise Streu schichten und ein durchgängiger Aufbau ohne störende Luftschichten führen zu günstigeren opti schen Eigenschaften wie Blickwinkelerweiterung, Moireunterdrückung und Kontraststeigerung. Der erfindungsgemäße Fortschritt wird dadurch erzielt, daß der zur Selektion der Bildinformationen notwendige Abstand zwischen Bildebene und Schaltebene minimiert ist, da nicht mehr die kom pletten Bilder, sondern entsprechend kleine Bildabschnitte im Sehweg zum Betrachter selektiert und als Stereobilder bereitgestellt werden.

Das Bauelement wird entweder im Strahlengang einer Projektionseinrichtung angeordnet oder besitzt ein integriertes Flachdisplay.

Das erfindungsgemäße Bauelement ist äußerst günstig herstellbar, da bereits vorhandene Mate rialien und Technologien aus der Massenfertigung zum Einsatz gelangen. Durch die funktionelle Einheit der opto-elektronischen Bauteile und die Integration der Ansteuerelektronik entstehen de finierte Schnittstellen, die den breiten Einsatz dieses Bauelementes in beliebigen Applikationen ermöglichen.

Die Erfindung soll nachstehend an drei Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den dazugehö rigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Anordnung zur autostereoskopen Bilddarstellung bestehend aus flacher Bildwiedergabeeinrichtung und optischem Flächenschalter

Fig. 2 Flaches, kompaktes, einen durchgängigen Schichtaufbau besitzendes, autostereoskopes Bauelement

Fig. 3 Flaches, kompaktes Bauelement zur autostereoskopen Bilddarstellung

Fig. 4 Flaches, kompaktes Bauelement zur autostereoskopen Bilddarstellung

Fig. 1 zeigt eine Bildwiedergabeeinrichtung 1 in einem definierten Abstand d, der insbesondere von einem Spaltenabstand b bestimmt wird, vor einem flächenhaften, optischen Schalter 2 ange ordnet. Dieser optische Flächenschalter 2 ist schichtweise aufgebaut. Ein von der Bildwiederga beeinrichtung 1 ausgehender Lichtstrahl 5, der einen Polarisator 3 passiert, wird polarisiert, an einer optisch aktiven Schicht 4 in seiner Polarisationsrichtung verändert und an einem Polarisator 6 selektiert. Als mechanischer Träger dienen ein transparentes unteres Deckglas 7 und ein eben falls transparentes oberes Deckglas 8. Die Deckgläser 7 und 8 tragen die Polarisatoren 3 und 6 sowie eine Anordnung von Adresselektroden 9 und eine Gegenelektrode 10. Die Adresselektroden 9 werden durch eine Isolierschicht 11 und die Gegenelektrode 10 durch eine Isolierschicht 12 ab gedeckt. Üblicherweise werden auf den Isolierschichten 11 und 12 eine Orientierungsschicht 13 und eine Orientierungsschicht 14 aufgebracht. Die im Abstand d angeordnete Bildwiedergabeein richtung 1 besitzt ein Deckglas 15, das eine Anordnung von Adresselektroden 16 trägt, auf denen eine Phosphorschicht 17 abgeschieden ist. In eine Gatestruktur 18 ragen Mikrotips 19 hinein. Die se Mikrotips 19 ragen aus einer, auf einer Kathodenmetallisierung 20 aufgebrachten, Isolierschicht 21 heraus. Die Stabilität dieser Anordnung wird durch einen Träger 22 gewährleistet.

Die Fig. 2 zeigt die Integration zwischen Bildwiedergabeeinrichtung 1 und dem optischen Flächen schalter 2 zu einem gemeinsamen, autostereoskopen Bauelement 23 bei dem Deckgläser (7; 15) gemeinsam genutzt, und durch den Wegfall des, als Luftspalt wirkenden, Abstandes d die Streuef fekte innerhalb der Anordnung verringert werden. Ein deutlich gegenüber den Deckgläsern 7 und 15 verstärkter Glasträger 24 ermöglicht es, das Deckglas 8 und den Träger 22 dünner zu gestal ten. Der Polarisator 3 wird direkt auf das Glas aufgetragen und mit einer dünnen, transparenten Schutzschicht 25 abgedeckt. Eine zusätzlich auf dem Polarisator 6 angebrachte blickwinkelerwei ternde Struktur 26 erhöht den seitlichen Betrachtungswinkel. Eine Ansteuerelektronik 31 ist in Hy bridtechnik auf der Rückseite des Flachdisplays 30 integriert.

Fig. 3 zeigt ein für ein Projektionsverfahren modifiziertes autostereoskopes Bauelement 27, bei dem gegenüber Fig. 2 die Bildwiedergabeeinrichtung 1 entfällt und auf dem Polarisator 3 eine halbtransparente Bildebene 28 angeordnet ist. Der von dieser halbtransparenten Bildebene 28 ausgehende Lichtstrahl 5 tritt an einer blickwinkelerweiternden Struktur 26 unter einem maximalen Blickwinkel β aus.

Fig. 4 zeigt ein in einheitlicher Technologie hergestelltes, autostereoskopes Bauelement 29, bei dem gegenüber Fig. 2 die als Feldemissionsdisplay ausgebildete Bildwiedergabeeinrichtung (1) durch ein als emissives LCD ausgebildetes Flachdisplay 30 ersetzt wurde. Durch Zusammenle gung des Flächenschalters 2 mit dem Flachdisplay 30 wird ein gemeinsamer Polarisator 33 be nutzt. An der Bildaustrittsseite des so entstandenen kompakten autostereoskopen Bauelementes 29 befindet sich eine lichtstreuende Schicht 34. Die Ansteuerelektronik 31 ist auf einem Träger 32 an der Rückseite des Flachdisplays 30 angeordnet.

Bezugszeichenliste

1 Bildwiedergabeeinrichtung
2 optischer Flächenschalter
3, 6 Polarisator
4 optisch aktive Schicht
5 Lichtstrahl
7, 8, 15 Deckglas
9, 14 Adreßelektrode
11, 12, 21 Isolierschicht
13, 16 Orientierungsschicht
17 Phosphorschicht
18 Gatestruktur
19 Mikrotips
20 Kathodenmetallisierung
22, 32 Träger
23, 27, 29 Bauelement
24 Glasträger
25 Schutzschicht
26 blickwinkelerweiternde Struktur
28 Bildebene
30 Flachdisplay
31 Ansteuerelektronik
33 gemeinsamer Polarisator
34 lichtstreuende Schicht
b Spaltenabstand
d Abstand
β max. Betrachtungswinkel

Claims

1. Kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder, daß innerhalb eines maximalen Betrachtungswinkels bei variabler Parallaxe und Distanz stereoskopi sche Bilder wiedergibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildebene (23) einer zur Wiedergabe einiger hundert Bilder pro Sekunde geeigneten Bildwiedergabeeinrichtung (1) und die Schaltebene eines strukturierten optischen Flächen schalters (2), dessen optisch aktive Struktur (4) aus in ihrer Ausrichtung parallelen, einzeln oder in Gruppen schaltbaren, sich wiederholenden Spalten in Form von Streifen, Streifenab schnitten, Punktreihen oder polygonen Geometrien besteht, welche, vorzugsweise im Ab stand der Spalten der darzustellenden Bilder, strukturiert sind und parallel zu den Spalten der Bilder verlaufen, in einem von dem angestrebten maximalen Betrachtungswinkel (β) und dem gewählten Spaltenabstand (b) abhängigen Abstand (d) zueinander angeordnet und zu einem kompakten, flachen Bauelement (23) ausgebildet sind.

2. Kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (23) zur Vermeidung von Streueffekten einen durchgängigen Schichtaufbau ohne Luftschichten besitzt.

3. Kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Bildebene (28) Bestandteil eines, einen durchgängigen Schichtaufbau besitzenden, Flachdisplays (30) ist und ein oder mehrere Ele mente des optischen Flächenschalters (2) in das Flachdisplay (30) integriert sind.

4. Kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Bildebene (28) Bestandteil eines, einen durchgängigen Schichtaufbau besitzenden, Flachdisplays (30) ist und ein oder mehrere Ele mente des optischen Flächenschalters (2) in das Flachdisplay (30) integriert sind.

5. Kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß an der Bildein- und/oder -austrittsseite des optischen Flächenschalters (2) eine lichtstreuende Schicht (34) angeordnet ist.

6. Kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß an der Bildaustrittsseite des optischen Flächenschalters (2) eine, der Blickwinkelvergrößerung dienende Beschichtung oder Struktur (26) angeordnet ist.

7. Kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik (31) für das Schalten der optisch aktiven Struktur (4) des optischen Flächenschalters (2) in vorzugsweise Hybridtechnik auf einem oder mehreren Glasträger (24) und/oder einem Deckglas (8) inte griert ist.

8. Kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik (31) für das Schalten der optisch aktiven Struktur (4) des optischen Flächenschalters (2) auf dem Träger (22) und/oder dem Träger (32) hinter dem Flachdisplay (30) angeordnet ist.

9. Kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik (31) für das Schalten der optisch aktiven Struktur (4) des optischen Flächenschalters (2) und des Flach displays (30) in vorzugsweise Hybridtechnik auf einem Glasträger (24) und/oder einem Deckglas (8) integriert ist.

10. Kompaktes, flaches Bauelement zur autostereoskopen Wiedergabe dreidimensionaler Bilder nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerelektronik (31) für das Schalten des Flachdisplays (30) und der optisch aktiven Struktur (4) des optischen Flächen schalters (2) auf dem Träger (22) und/oder dem Träger (32) hinter dem Flachdisplay (30) angeordnet ist.