DE3712170A1 - Stereoskopisches display-system - Google Patents
Stereoskopisches display-systemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein stereoskopisches Display-System. Der
artige Systeme dienen dazu, dreidimenionale Darstellungen zu er
zeugen, also Darstellungen, die der Betrachter als dreidimen
sional wahrnimmt. Stereoskopische Display-Systeme können viel
fach angewendet werden, beispielsweise in Simulatoren (Flug
simulatoren, Schiffsimulatoren, Fahrzeugsimulatoren oder ähn
liches), in Videospielen, in CAD/CAM (Computer Aided Design/
Computer Aided Manufacturing)-Systemen, in Graphiksystemen, in
Videoanimations-Systemen, in Werbe-Displays und in weiteren
Anwendungsfällen. Insbesondere kann ein stereoskopisches Dis
play-System vorteilhaft in einem Kraftfahrzeug angewendet wer
den, um beispielsweise Symbole oder ähnliche Darstellungen in
variabler Entfernung für den Fahrer darzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein stereoskopisches Display-
System zu schaffen, welches einfach aufgebaut ist, kosten
günstig hergestellt werden kann und sich besonders für den Ein
bau in Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, eignet.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merk
malen des Anspruchs 1. Wenn mehr als zwei Display-Elemente und
damit auch mehr als zwei Abbildungselemente vorgesehen sind,
wird darüberhinaus ein autostereoskopisches Display-System
erreicht.
Die Erfindung beruht dabei auf dem Prinzip, daß die optische
Bildlokalisation immer fest bleibt, während der Entfernungs
eindruck für den Betrachter durch einfache Mittel variabel
gestaltet werden kann. Diese einfachen Mittel bestehen darin,
die Querdisparation für den Betrachter zu verändern. Diese
Veränderung kann durch Verschiebung der Darstellung auf den
Display-Elementen erfolgen, also auf elektronischem und nicht
auf mechanischem Weg. Die gleichbleibende Lokalisation der
abgebildeten Symbole und Darstellungen ist deshalb besonders
vorteilhaft, weil dadurch auf mechanische bewegte Teile in dem
System verzichtet werden kann, die ansonsten erforderlich wären.
Gleichwohl kann ein stereoskopischer Eindruck durch die oben
genannte Querverschiebung erzeugt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen be
schrieben. Insbesondere eignet sich das System zur Verwendung
in Kraftfahrzeugen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand
der Zeichnungen im einzelnen erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 den Strahlengang eines stereoskopischen Display-
Systems in einer schematischen Darstellung,
Fig. 2 ein stereoskopisches Display-System mit mehreren
nebeneinander angeordneten Kanälen in einer per
spektivischen Darstellung,
Fig. 2a ein stereoskopisches Display-System mit auf einem
Kreisbogen angeordneten Display-Elementen,
Fig. 2b das in Fig. 2a gezeigte System in einer vergrößer
ten Darstellung,
Fig. 2c das in der Fig. 2b gezeigte System in einer Stellung
mit abgewinkelten Display-Elementen,
Fig. 3 den Strahlengang des in Fig. 1 dargestellten Systems
bei dem das Zwischenbild in der Ebene der zweiten
Abbildungsoptik liegt,
Fig. 4 das in Fig. 3 dargestellte System in einer perspek
tivischen Darstellung mit mehreren nebeneinander
angeordneten Kanälen,
Fig. 5 ein in einem Kraftfahrzeug angeordnetes stereoskopi
sches Display-System,
Fig. 6 ein weiteres in einem Kraftfahrzeug angeordnetes
stereoskopisches Display-System,
Fig. 7 ein in einem Kraftfahrzeug angeordnetes stereoskopi
sches Display-System mit Linsenoptik und
Fig. 8 ein in einem Kraftfahrzeug angeordnetes stereoskopi
sches Display-System mit gefaltetem Strahlengang und
Spiegeloptik.
Die Fig. 1 zeigt den Strahlengang des stereoskopischen Display-
Systems in einer schematischen Darstellung. Die Fig. 1 zeigt da
bei einen Querschnitt durch einen einzigen Kanal des Systems.
Die Display-Ebene ist mit 1 bezeichnet. Das Display kann ein
CRT-Display (Cathode Ray Tube) sein. Diese Kathodenstrahlröhre
muß mindestens zwei unabhängige Display-Bereiche aufweisen, um
einen stereoskopischen Effekt zu ermöglichen. In der Fig. 1 ist
lediglich ein Kanal, also ein Display-Bereich gezeigt. An der
mit 2 bezeichneten Ebene befindet sich die Abbildungsoptik für
die erste Stufe, die in der Ebene 4 ein reelles Zwischenbild
erzeugt. Die erste Stufe der Abbildungsoptik besteht also aus
dem Display-Element 1, der Abbildungsoptik 2 und dem reellen
Zwischenbild 4. Unmittelbar hinter der Abbildungsoptik 2 be
findet sich die Aperturblende 3; dies kann auch der Linsenrand
der Abbildungsoptik 2 selbst sein.
Die zweite Stufe des Display-Systems besteht aus der Lupe 5 und
der Austrittspupille 6. Diese Austrittspupille 6 ist nicht
körperlich vorhanden, sondern ist nichts anderes als das reelle
Bild der Aperturblende 3. Der Brennpunkt der Lupe 5 befindet
sich an der Stelle 11, also im Strahlengang vor dem reellen
Zwischenbild 4. Damit wird das reelle Zwischenbild 4 durch die
Lupe 5 virtuell abgebildet. Für das Auge 7 des Betrachters ist
bei der in Fig. 1 gewählten Ausführungsform das virtuelle Bild
des reellen Zwischenbildes 4 links vom Display-Element 1 loka
lisiert. Das reelle Zwischenbild 4 befindet sich zwischen der
Lupe 5 und dem Brennpunkt 11 dieser Lupe 5.
In der Fig. 2 ist das stereoskopische Display-System in einer
perspektivischen Darstellung gezeigt. Dabei sind sechs Kanäle
nebeneinander angeordnet. Die Verhältnisse bei einem Kanal
ergeben sich aus der Fig. 1. Mit 1 ist wiederum das Display-
Element bezeichnet, welches sechs voneinander unabhängige Dar
stellungsbereiche besitzt. Es ist möglich, daß diese unabhän
gigen Bereiche von einer einzigen Kathodenstrahlröhre gebildet
werden, die voneinander unabhängige Bereiche aufweist. Es ist
aber auch möglich, sechs Kathodenstrahlröhren nebeneinander
anzuordnen. Das Display-Element kann auch aus LCD-Anzeigen
(Liquid Crystal Display) bestehen. Die LCD-Anzeigen können so
wohl transmissiv als auch reflektiv ausgeführt sein, wobei bei
beiden Ausführungsformen eine zusätzliche Beleuchtungseinrich
tung zur Beleuchtung der LCD-Anzeigeelemente erforderlich ist.
Es können auch beliebige andere Display-Elemente verwendet
werden, beispielsweise Elektrolumineszenz-Elemente oder Plasma
Display-Elemente.
In der Fig. 2 befindet sich die Abbildungsoptik 2 im Abstand von
den Display-Elementen. Diese Abbildungsoptik 2 besteht aus meh
reren nebeneinander angeordneten Linsen. Da sechs Display-
Elemente verwendet werden, müssen auch sechs Linsen für die Ab
bildungsoptik 2 verwendet werden. Jede Linse ist dabei einem
Display-Element in der Weise zugeordnet, daß sie nur dieses eine
Display-Element abbildet; ein "Übersprechen" muß durch entspre
chende Blenden vermieden werden. Die Linsen 12 der Abbildungs
optik 2 können einfache Linsen sein. Es ist aber auch möglich,
korrigierte Linsen zu verwenden, die bei der Verwendung in einem
Kraftfahrzeug einen Teil der Korrektur der Windschutzscheiben
krümmung übernehmen können. Ebenso ist es möglich, die aus meh
reren Linsen 12 bestehende Abbildungsoptik 2 durch ein hologra
phisches optisches Element zu ersetzen, welches die gleiche
Funktion erfüllt.
Durch die Abbildungsoptik 2, die aus sechs Linsen 12 besteht,
werden die sechs Display-Elemente 1 in sechs nebeneinander be
findliche reelle Zwischenbilder 4 abgebildet. Die erste Stufe
des stereoskopischen Display-Systems besteht wie bei Fig. 1
wieder aus dem Display-Element 1, der Abbildungsoptik 2, der
Aperturblende 3 und dem reellen Zwischenbild 4. Die zweite Stufe
besteht aus der Lupe 5 und der Austrittspupille 6, wobei die
Austrittspupille wieder nicht tatsächlich vorhanden ist, sondern
lediglich aus dem Bild der Aperturblende 3 besteht. In der Fig.
2 ist die Lupe 5 als eine einzige große Lupe gezeigt. Wie bei
der Fig. 1 befindet sich das reelle Zwischenbild 4 zwischen dem
Brennpunkt der Lupe 5 und dieser Lupe 5. Es ist auch möglich,
den Brennpunkt der Lupe 5 in die Ebene des reellen Zwischen
bildes 4 zu legen; in diesem Fall wird das reelle Zwischenbild
4 durch die Lupe 5 ins Unendliche abgebildet. Anstelle einer
einzigen Lupe 5 können mehrere Lupen verwendet werden. Dabei muß
die Anzahl der zu verwendenden Lupen nicht mit der Anzahl der
Display-Elemente bzw. der Linsen der Abbildungsoptik 2 überein
stimmen. Wenn nur eine einzige Lupe 5 verwendet wird, wird das
größtmögliche Gesichtsfeld erreicht sowie die größtmögliche
Lichtstärke. Wenn mehrere Lupen 5 verwendet werden, kann auf
einfachere Art und Weise ein breiteres Bildfeld 6 erzeugt werden
und die Korrekturansprüche an die einzelnen Lupen sind ge
ringer, da bei der Verwendung mehrerer Lupen die einzelnen Lupen
kleiner sind. Insbesondere bei der Verwendung in einem Kraft
fahrzeug ist die Verwendung mehrerer Lupen vorteilhaft, weil die
Windschutzscheibe, die in den Strahlengang miteinbezogen wird,
asymmetrisch gekrümmt ist. Bei der Verwendung mehrerer Lupen
kann jede Lupe auf den Bereich der Windschutzscheibe abgestimmt
werden, über den das zugehörige Strahlenbündel läuft.
In der Fig. 2 sind die einzelnen Display-Elemente 1 miteinander
in einer einzigen Ebene fluchtend angeordnet. Es ist jedoch auch
möglich, diese Display-Elemente im Winkel zueinander anzuordnen.
Die Display-Elemente können auch auf einem Kreisbogen angeordnet
werden. In diesem Fall liegen die Zwischenbilder 4 nicht mehr
unbedingt nebeneinander, sondern möglicherweise übereinander.
In der Fig. 2a sind die Display-Elemente 1 auf einem Kreisbogen
angeordnet. Dementsprechend sind die Abbildungselemente der Ab
bildungsoptik 2 ebenfalls auf einem Kreisbogen angeordnet. Die
reellen Zwischenbilder 4 sind jetzt nicht mehr nebeneinander im
Abstand voneinander angeordnet, sondern übereinander. Die
reellen Zwischenbilder überlappen sich also. Hinter den reellen
Zwischenbildern 4 befindet sich die Lupe, deren Brennpunkt mit
11 bezeichnet ist. Hinter der Austrittspupille 6 sind die Augen
7 des Betrachters. Durch die Verwendung eines kreisbogenförmigen
Display-Elements wird die Zentrierung der Augen des Betrachters
auf ein dreidimensionales Objekt besser nachgebildet. Der räum
liche Eindruck wird bei beidäugigem Sehen hauptsächlich durch
die Querdisparation zwischen beiden Augen erzeugt. Weiterhin
spielt für den optischen Eindruck beim räumlichen Sehen aber
auch die Winkelstellung der Augen zum betrachteten Objekt eine
Rolle. Für die Ermittlung der Entfernung aufgrund der verschie
denen Winkelstellungen der beiden Augen ist es vorteilhaft, das
in Fig. 2a gezeigte System mit kreisbogenförmig angeordneten
Display-Elementen zu verwenden. Der räumliche Eindruck kann da
durch verbessert werden. Die in Fig. 2a gezeigte Ausführungs
form hat den weiteren Vorteil, daß der Aspektwinkelbereich,
unter dem das Objekt gesehen werden kann, in größerem Maße und
einfacher vergrößert werden kann als bei dem in Fig. 2 gezeig
ten Beispiel.
In den Fig. 3 und 4 ist ein den Fig. 1 und 2 entsprechen
des System gezeigt, bei dem gleiche Teile mit gleichen Bezugs
ziffern versehen sind. Der Unterschied zwischen beiden Systemen
besteht darin, daß bei dem in den Fig. 3 und 4 gezeigten
System das reelle Zwischenbild 4 in die Ebene der Lupe 5 fällt,
die dadurch zu einer Bildfeldlinse wird. Auch bei dem System der
Fig. 3 und 4 kann anstelle der in Fig. 4 gezeigten, in einer
Ebene fluchtenden Anordnung der Display-Elemente 1 die in der
Fig. 2a gezeigte Anordnung der Displayelemente auf einem Kreis
bogen gewählt werden. Es können natürlich auch bei der Fig. 4
anstelle der gezeigten einzigen Lupe mehrere Lupen verwendet
werden.
In der Fig. 2 ist die Höhe der Austrittspupille 6 mit h bezeich
net. Diese Höhe h ist gleichzeitig die Höhe des Einblickberei
ches in das Darstellungssystem. Um Bewegungen des Betrachters
in vertikaler Richtung ausgleichen zu können, ist es erforder
lich, daß die Höhe h eine bestimmte Mindestgröße erreicht. Die
Höhe h kann dadurch vergrößert werden, daß in der Ebene des
reellen Zwischenbildes 4 eine Bildfeldlinse mit zylindrischer
Komponente angeordnet wird. Die zylindrische Komponente sorgt
dabei dafür, daß die Höhe h vergrößert wird. Die Achse der
zylindrischen Komponente zeigt dabei in horizontale Richtung,
also in die Richtung senkrecht zur Höhe h.
Eine in der Ebene des reellen Zwischenbildes 4 angeordnete Linse
mit zylindrischer Komponente kann auch in der Ausführungsform
gemäß Fig. 2a verwendet werden. Dabei ist jedoch zu beachten,
daß die reellen Zwischenbilder 4 nicht mehr in einer einzigen
Ebene liegen. Die dadurch hervorgerufenen Abweichungen sind je
doch im allgemeinen nicht so groß, daß dadurch die Funktions
fähigkeit des Systems in Frage gestellt wäre. Bei größer wer
denden Abweichungen kann auch eine Vorkorrektur bereits auf den
Display-Elementen 1 vorgesehen werden.
Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
kann ebenfalls eine Linse mit zylindrischer Komponente in der
Ebene des reellen Zwischenbildes 4 dadurch realisiert werden,
daß die Lupe 5 mit einer zylindrischen Komponente versehen wird.
Durch die Addierung einer zylindrischen Komponente in der Ebene
des reellen Zwischenbildes 4 wird bewirkt, daß in der horizon
talen Richtung (senkrecht zur Höhe h) die Abbildung gleichbleibt
und daß in der vertikalen Richtung (parallel zur Höhe h) die Ab
bildung gestreckt wird. Weiterhin wird auch die Ebene der Aus
trittspupille 6 nach hinten in Richtung des Pfeiles 13 verscho
ben. Selbstverständlich muß die zylindrische Komponente in der
Weise gewählt werden, daß tatsächlich eine Vergrößerung ein
tritt.
In den Fig. 3 und 4 ist ein Grenzfall gezeigt: Das reelle
Zwischenbild 4 befindet sich nicht hinter der Lupe 5, sondern
genau in der Ebene der Lupe 5. Diese Ausführungsform eignet sich
insbesondere für die Verwendung in CAD/CAM-Systemen oder bei
Werbe-Displays und bei Videospielen und bei Simulatoren, während
sich die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsform insbe
sondere für die Verwendung in Head-Up-Displays anbietet. Bei dem
System nach den Fig. 3 und 4 (Grenzfall) sieht der Betrachter
den abgebildeten Gegenstand im wesentlichen in der Ebene der
Lupe 5. Der abzubildende Körper kann in diesem Fall auch ganz
oder teilweise auf der dem Betrachter zugewandten Seite der Lupe
5 lokalisiert sein; der Körper kann also dem Betrachter "ent
gegenragen". Wenn bei einem System nach den Fig. 3 und 4 die
in Fig. 2a gezeigte Anordnung der Display-Elemente 1 auf einem
Kreisbogen gewählt wird, treten dieselben Probleme auf, die be
reits oben anhand der Fig. 2a und der Fig. 1 und 2 beschrie
ben worden sind.
Das in Fig. 2a gezeigte Beispiel wurde bereits oben beschrieben.
Hierbei sind die Display-Elemente 1 an einem Kreisbogen angeord
net. Jedes einzelne Display-Element verläuft dabei tangential
zum Kreisbogen, auf dem alle Display-Elemente angeordnet sind.
Dies führt dazu, daß die reellen Zwischenbilder 4 der Display-
Elemente im Winkel zueinander stehen. Diese Verhältnisse sind
in der Fig. 2b gezeigt. Die Display-Elemente 21 bis 27 sind
längs des Kreisbogens 28 angeordnet, wobei jedes einzelne Dis
playelement tangential zum Kreisbogen 28 verläuft. Längs des
Kreisbogens 29 sind die Linsen 31 bis 37 angeordnet, wobei die
Mittelebenen der Linsen tangential zum Kreisbogen 29 verlaufen.
Der Mittelpunkt der Kreisbögen 28 und 29 ist mit 41 bezeichnet.
Rund um den Mittelpunkt 41 sind die reellen Zwischenbilder 4
angeordnet. Das Display-Element 21 wird dabei durch die Linse
31 in das reelle Zwischenbild 51 abgebildet usw. Das Display-
Element 27 wird durch die Linse 37 in das reelle Zwischenbild
57 abgebildet. Sämtliche reellen Zwischenbilder stehen also im
Winkel zueinander. Hierdurch entstehen Verzerrungen, die jedoch
im allgemeinen sehr klein sind und zu keiner wesentlichen Beein
trächtigung führen. Wenn aber eine Bildfeldlinse mit oder ohne
zylindrischer Komponente in der Ebene des reellen Zwischenbil
des 4 gesetzt wird, tritt folgender Fehler auf: Die Mittelebene
der Bildfeldlinse liegt in der Ebene des reellen Zwischenbil
des 54 in der Fig. 2b. Das reelle Zwischenbild 54 wird also von
der Bildfeldlinse korrekt weitergegeben. Hinsichtlich der
anderen Zwischenbilder 51 bis 53 und 55 bis 57 treten jedoch
Fehler auf. Derjenige Bereich, der auf der den Display-Elementen
21 bis 27 zugewandten Seite der Ebene 61, also der Ebene des
Zwischenbildes 54 liegt, wird dann durch die Bildfeldlinse ver
größert, während der auf der anderen Seite der Ebene 61 liegende
Bereich des jeweiligen reellen Zwischenbildes verkleinert wird.
In der zweiten Abbildungsstufe wird derjenige Teil des jewei
ligen Zwischenbildes, der näher an der Lupe 5 liegt, weniger
stark vergrößert als derjenige Teil des jeweiligen Zwischen
bildes, der von der Lupe 5 weiterentfernt liegt. Hierdurch
können Abbildungsfehler entstehen, die nicht mehr tolerierbar
sind und ausgeglichen werden müssen.
Der Ausgleich der soeben beschriebenen Fehler kann dadurch ge
schehen, daß bereits auf den Display-Elementen eine Darstellung
gewählt wird, die dem soeben beschriebenen Fehler Rechnung
trägt. Sie kann weiterhin dadurch geschehen, daß die Display-
Elemente wie in Fig. 2c dargestellt, angeordnet werden. Die
Linsen 34′ bis 37′ sind nach wie vor auf denselben Kreisbogen
29 angeordnet; ebenso wie in der Fig. 2b verlaufen die Mittel
ebenen dieser Linsen nach wie vor tangential zum Kreisbogen 29.
Die Display-Elemente werden jedoch teilweise verändert. Das
parallel zur Mittelebene 61 der Bildfeldlinse verlaufende Dis
playelement 24′ bleibt unverändert; es befindet sich also nach
wie vor in einer Stellung tangential zum Kreisbogen 28, auf dem
die Display-Elemente angeordnet sind. Das nächste Display-
Element 25′ wird jedoch um einen Winkel geneigt angeordnet. Da
durch erreicht man, daß auch das Bild des Display-Elements 25′
parallel zu demjenigen des Elements 24′ liegt, also beide Bilder
liegen parallel zur Mittelebene 61 der Bildfeldlinse. Die durch
die in Fig. 2c dargestellte Abbildungsgeometrie hervorgerufenen
Verzerrungen müssen auf den Display-Elementen vorkorrigiert bzw.
vorkompensiert werden. Das an das Display-Element 25′ an
schließende Display-Element 26′ ist ebenfalls geneigt, und zwar
um einen Winkel, der größer ist als die Neigung des Elements
25′. In gleicher Weise ist das Display-Element 27′ stärker ge
neigt als die beiden vorhergehenden Elemente. Je weiter ein
Display-Element von dem mittleren Display-Element 24′ entfernt
ist, desto stärker muß es auch gegenüber der Tangente des Kreis
bogens 28 geneigt sein. Die Art der Neigung ist dabei aus der
Fig. 2c ersichtlich. Sie ist so gewählt, daß sämtliche reellen
Zwischenbilder 51′ bis 57′ parallel zur Mittelebene 61 der Bild
feldlinse verlaufen; alle reellen Zwischenbilder liegen also
praktisch an derselben Stelle.
Wie bereits oben beschrieben, kann an der Stelle des reellen
Zwischenbildes 4 eine Linse mit zylindrischer Komponente vor
gesehen werden. In dem in den Fig. 3 und 4 gezeigten Beispiel
muß dabei die Lupe 5 mit einer zylindrischen Komponente ver
sehen werden. Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Aus
führungsform kann der durch die zylindrische Komponente der Lupe
5 hervorgerufene Effekt der Aufweitung des Einblickbereiches h
auch dadurch erzeugt werden, daß die Oberfläche der Lupe 5 mit
einem Zylinderlinsenraster versehen wird, wobei die Zylinder
achsen in horizontaler Richtung verlaufen. Das Raster muß ein
feines Raster sein, also ein Raster mit einem Rasterabstand von
etwa 0,1 bis 1 mm. Der Rasterabstand ist abhängig von der ge
wünschten Gesamtauflösung. Alternativ dazu kann ein einachsiger
Diffusor verwendet werden. Dabei handelt es sich um ein opti
sches Element, welches in horizontaler Richtung statistische
Linienstrukturen aufweist, wie sie beispielsweise dadurch
erzeugt werden können, daß ein optisches Substrat (Plexiglas,
Kunststoffolie, Glas) in horizontaler Richtung gebürstet wird.
Die hindurchtretenden Lichtstrahlen werden dadurch in vertikaler
Richtung diffus aufgeweitet, in horizontaler Richtung jedoch
nicht verändert. Die Tiefenlokalisation der dargestellten Ob
jekte bleibt also erhalten. Wenn die in den Fig. 1 und 2 dar
gestellte Ausführungsform gewählt wird, ist es grundsätzlich
auch möglich, ein Zylinderlinsenraster oder einen einachsigen
Diffusor der oben angegebenen Art vorzusehen. Hierbei ergeben
sich jedoch Nachteile hinsichtlich Lichtstärke und Auflösung.
Anstelle der oben beschriebenen transmissiven optischen Elemente
können stets auch analoge reflektive optische Elemente (z.B.
Hohlspiegel) eingesetzt werden. Wenn als Lupe 5 ein Hohlspiegel
verwendet wird, kann die optische Aufweitung durch einen ein
achsigen Diffusor dadurch verwirklicht werden, daß der Hohl
spiegel in einer horizontalen Richtung gebürstet wird. Bei
früheren optischen Systemen wurden teilweise sehr aufwendige
Projektionsschirme benötigt. Wenn, wie in Fig. 4 gezeigt, die
Ebene des reellen Zwischenbildes 4 mit der Ebene der Lupe 5
übereinstimmt, und wenn weiterhin diese Lupe 5 mit einem ein
achsigen Diffusor versehen wird, kommt man ohne aufwendige Pro
jektionsschirme aus.
Bei der Verwendung von einachsigen Diffusoren, wie sie oben be
schrieben worden sind, oder einfachen Zylinderlinsenrastern
treten Verzerrungen auf analog zu den oben beschriebenen (Fig.
2b und 2c) Verzerrungen, die durch analoge Maßnahmen korrigiert
werden können. Werden diese Korrekturmaßnahmen getroffen, ist
es prinzipiell möglich, mit diesen einfachen Projektionsschir
men (einachsiger Diffusor, einfaches Zylinderlinsenraster) aus
zukommen.
In der Fig. 5 ist das oben beschriebene optische Display-System
in einem Kraftfahrzeug 70 gezeigt. Die von der Lichtquelle 71
ausgehenden Lichtstrahlen werden von der Kondensorlinse 72 ge
bündelt und zum Display-Array 1 geleitet. Hinter dem Display-
Array ist die Abbildungsoptik 2 angeordnet, die aus mehreren
nebeneinanderliegenden Einzellinsen besteht. Die einzelnen
Linsen der Abbildung 2 sind im allgemeinen Fall korrigiert. Über
den Spiegel 73 werden die Strahlen auf den Lupen-Array 5 weiter
geleitet. Hinter der Lupe 5 befindet sich das Schutzfenster 74,
durch welches hindurch die Lichtstrahlen auf die Windschutz
scheibe 75 des Kraftfahrzeugs 70 fallen. Von der Windschutz
scheibe werden sie in Richtung des Fahrers 76 geleitet. Vor den
Augen des Fahrers befindet sich die Austrittspupille 6. Bei
dieser Austrittspupille 6 handelt es sich um das reelle Bild der
Apperturblenden 3, also der äußeren Begrenzungen der Linsen 2.
In der Fig. 5 sind zehn nebeneinanderliegende optische Kanäle
gezeigt. Dadurch, daß die Bilder der insgesamt zehn Apertur
blenden reelle Bilder sind, ist sichergestellt, daß der Fahrer
stets mit seinen beiden Augen in jeweils unterschiedliche Kanäle
blickt. Die insgesamt zehn reellen Bilder 6 der Aperturblende
sollen unmittelbar aneinander anschließen, damit möglichst ge
ringe Übergangsbereiche vorhanden sind. Wenn also der Fahrer
eine leichte Bewegung nach links oder rechts macht, gibt es an
den Übergangszonen zwischen den Bildern der Aperturblende nur
eine geringe Störung.
Um eine insgesamt korrekte Abbildung zu erreichen, muß das ge
samte Abbildungssystem in sich korrigiert sein. Dazu gehört die
Korrektur der asymmetrisch gekrümmten, in das System einbezo
genen Windschutzscheibe. Diese Korrektur kann auf verschiedene
Weise erfolgen. Es ist zum einen möglich, bereits bei den ein
zelnen Display-Elementen 1 anzusetzen und diese softwareseitig
zu korrigieren. Insgesamt betrachtet sind die Korrekturan
sprüche um so geringer, je feiner die Rasterung ist, je schma
ler also die einzelnen Kanäle sind. Eine weitere Korrektur
möglichkeit besteht darin, die einzelnen Linsen der Abbildungs
optik 2 auf den jeweiligen Bereich der Windschutzscheibe 75 ab
zustimmen. Gleiches kann mit den einzelnen Linsen der Lupe 5
geschehen. In jedem Fall sind die Korrekturbedürfnisse umso ge
ringer, je feiner die Rasterung der Kanäle ist. Durch eine zu
nehmende Verfeinerung wird jedoch die Lichtstärke herabgesetzt
und das Gesichtsfeld verkleinert, so daß ein Kompromiß zwischen
ausreichender Lichtstärke und ausreichend großem Gesichtsfeld
einerseits sowie genügend feiner Rasterung andererseits ge
funden werden muß.
Durch das erfindungsgemäße stereoskopische Display-System kann
das dargestellte Symbol oder Objekt dem Betrachter in verschie
denen Entfernungen erscheinen, obwohl es stets in derselben Ent
fernung optisch lokalisiert ist. Durch diese feste optische
Lokalisierung reduzieren sich insgesamt die Korrekturansprüche.
Der Entfernungseindruck des Betrachters, der durch die stereo
skopischen Gesetze erzeugt wird, wird in erster Linie durch die
Querdisparation hervorgerufen. Der Entfernungseindruck hängt
also davon ab, welche Querdisparation vorhanden ist und nicht
davon, in welcher Entfernung die beiden Darstellungen für die
beiden Augen optisch lokalisiert sind. Bei dem erfindungsge
mäßen System wird die optische Lokalisierung der Darstellung
nicht verändert. Individuell verschiedene Windschutzscheiben
krümmungen, die auch bei Fahrzeugen desselben Typs aufgrund von
Fertigungsungenauigkeiten auftreten, führen zu unterschiedli
chen Lokalisierungen. Da jedoch der Entfernungseindruck des Be
trachters unter den hier gegebenen Verhältnissen nur unwesent
lich von der optischen Lokalisierung abhängt, erhält man eine
große Toleranz gegenüber diesen individuellen Windschutzschei
ben-Abweichungen.
Wie bereits erwähnt, hat jede Windschutzscheibe auch desselben
Fahrzeugtyps eine leicht abweichende Form. Um das gesamte System
auf eine bestimmte einzelne Windschutzscheibe einjustieren zu
können, kann folgende Möglichkeit vorgesehen werden: In einer
eigens dafür vorgesehenen Betriebsart des Systems wird ein Test
muster auf die Display-Elemente gegeben. Dieses Testmuster wird
dann an der Austrittspupille durch eine geeignete Zusatzein
richtung, bestehend aus Abbildungsoptik und optischem Detektor
system, aufgefangen. Für jeden einzelnen Bildpunkt jedes Dis
playelements kann derart festgestellt werden, an welchem ent
sprechenden Bildpunkt der Austrittspupille dieser Punkt
abgebildet wird. Dadurch läßt sich bei Abtastung sämtlicher
Punkte der Display-Elemente eine Verzerrungsmatrix ermitteln,
die zur Korrektur der jeweiligen individuellen Abweichungen
herangezogen werden kann.
Die Fig. 6 zeigt in einer der Fig. 5 entsprechenden Darstellung
ein abgewandeltes stereoskopisches Display-System, bei dem
gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind, so daß
sie nicht mehr im einzelnen beschrieben werden müssen. Anstelle
mehrerer Lupen 5 ist in der Fig. 6 eine einzige Lupe 5′ vorge
sehen. Dadurch wird ein größeres Gesichtsfeld und auch eine
größere Lichtstärke erreicht. Andererseits steigen jedoch auch
die Korrekturansprüche.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Von der Licht
quelle 71 ausgehende Lichtstrahlen werden durch die Kondensor
linse 72 gebündelt und auf das Display-Element 1 geleitet. Die
Abbildungsoptik 2 erzeugt das reelle Zwischenbild 4. Die Lupe
5, deren Brennpunkt mit 11 bezeichnet ist, erzeugt ein vir
tuelles Bild der dazustellenden Symbole in einiger Entfernung
vor dem Fahrer 76, beispielsweise 6 bis 20 Meter vor dem Fahrer.
Gleichzeitig bildet die Lupe 5 die Aperturblende 3 reell vor dem
Fahrer in dessen Augenbereich 6 ab. Der Umlenkspiegel 90 kann
flexibel und mechanisch justierbar ausgeführt werden. Der
Spiegel 90 kann damit zusätzlich zur Korrektur der Windschutz
scheibe 75 beitragen. Dabei kann von dem Spiegel 90 bereits die
normale, reguläre Form der Windschutzscheibe 75 korrigiert
werden. Es ist auch möglich, den Spiegel 90 dazu einzusetzen,
die individuellen Abweichungen der verschiedenen Windschutz
scheiben auszugleichen.
Fig. 8 zeigt eine der Fig. 7 entsprechende Darstellung einer
weiteren Ausführungsform, bei der gleiche Teile mit gleichen
Bezugsziffern versehen sind. Der Umlenkspiegel 80 kann am Ort
des reellen Zwischenbildes lokalisiert sein und durch ent
sprechende zylindrische und/oder sphärische Krümmungskompo
nenten die Funktion einer oben beschriebenen Bildfeldlinse
übernehmen. Der konkav gekrümmte Spiegel 81 erfüllt die Funktion
der Lupe. Die Verwendung eines konkaven Hohlspiegels 81 hat
einen weiteren Vorteil: Durch die konkav gekrümmte Windschutz
scheibe 75 entstehen astigmatische Aberrationen beim hier vor
handenen schrägen Einfall der Lichtbündel. Diese Aberrationen
werden teilweise ausgeglichen, wenn ein entsprechender schräger
Einfall des Lichts am konkaven Spiegel 81 stattfindet.
Claims (11)
1. Stereoskopisches Display-System,
gekennzeichnet durch
mindestens zwei Display-Elemente,
eine Abbildungsoptik mit einer der Anzahl der Display- Elemente entsprechenden Anzahl von Abbildungselementen zur Erzeugung einer gleichen Anzahl reeller Zwischenbilder und
mindestens einer Lupe zur Erzeugung eines reellen Bildes der Aperturblenden der Abbildungselemente im Augenbereich des Betrachters.
mindestens zwei Display-Elemente,
eine Abbildungsoptik mit einer der Anzahl der Display- Elemente entsprechenden Anzahl von Abbildungselementen zur Erzeugung einer gleichen Anzahl reeller Zwischenbilder und
mindestens einer Lupe zur Erzeugung eines reellen Bildes der Aperturblenden der Abbildungselemente im Augenbereich des Betrachters.
2. Stereoskopisches Display-System nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das reelle Zwischenbild in der Mittel
ebene der Lupe erzeugt wird.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Display-Elemente längs einer Geraden angeordnet sind.
4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Display-Elemente längs eines Kreisbogens angeordnet
sind.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Display-Elemente zur Tangente des Kreisbogens geneigt sind.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Ebene des reellen Zwischenbildes
eine Bildfeldlinse angeordnet ist.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bildfeldlinse eine zylindrische Komponente aufweist.
8. System nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Lupe ein Zylinderlinsenraster aufweist.
9. System nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Lupe einen einachsigen Diffusor auf
weist.
10. Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es ein stereo
skopisches Display-System nach einem der Ansprüche 1 bis 9
aufweist.
11. Kraftfahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Überlagerung mit der Außensicht durch Spiegelung an der
Windschutzscheibe erfolgt.
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