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Die vorliegende Erfindung betrifft
den Bereich von 3D-Anzeigen, von am Kopf anzubringenden Anzeigen
und von sich bewegenden Anzeigen und ist eine Art und Weise zum
Vergrößern des
Bildfelds dieser Anzeigen.
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Projektionsanzeigen weisen herkömmlicherweise
ein zweidimensionales (2D-) Array von Lichtstrahlern und eine Projektionslinse
auf. Die Linse bildet eine Abbildung des Arrays auf einer Ebene
im Raum ab, und wenn diese Abbildungsebene weit von der Projektionslinse
entfernt ist, besteht der Effekt der Projektionslinse in der Kollimierung
von von einem Pixel kommendem Licht auf das zweidimensionale Array.
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Es ist auch möglich, dass eine Projektionsanzeige
mit einem großen
Durchmesser hinter einer Flüssigkristallanzeige
oder einem anderen räumlichen
Lichtmodulator platziert wird, um eine dreidimensionale Abbildung
künstlich
zu erzeugen, wie bei Travis, A. R. L., "Autostereoscopic 3-D Display", Applied Optics,
Vol. 29, Nr. 29, S. 4341 bis 4343, 10. Oktober 1990, beschrieben.
Es wird immer ein Pixel des zweidimensionalen Arrays von Lichtstrahlern
beleuchtet, und es wird somit eine geeignete Ansicht eines dreidimensionalen
Objekts gleichzeitig auf der Flüssigkristallanzeige
derart angezeigt, dass die Ansicht des dreidimensionalen Objekts
nur dann zu sehen ist, wenn sie aus derjenigen Richtung betrachtet wird,
in der die Strahlen des von dem Pixel kommenden und von der Projektionslinse
kollimierten Lichts verlaufen. Eine Sequenz von Ansichten wird mit
einer Rate wiederholt, die diejenige übersteigt, mit der das Auge
ein Flackern detektieren kann, wodurch eine dreidimensionale Abbildung
zeitlich gemultiplext wird. Es ist ferner im Prinzip möglich, eine
holografische dreidimensionale Abbildung durch Platzieren eines
zweidimensionalen Arrays von Punktquellen-Lichtstrahlern in der
Fokalebene der Projektionslinse zu erzeugen, wobei jede Punktquelle
nacheinander be leuchtet wird und entsprechende Hologramme auf einer
Flüssigkristallanzeige,
die oben auf der Projektionslinse angeordnet ist, angezeigt werden, so
dass jedes Hologramm nacheinander von einem anderen Betrachtungspunkt
aus zu sehen ist.
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Projektionsanzeigen sind in den meisten
Fällen
derart ausgerichtet, dass die Abbildung des Arrays auf einen großen lichtdurchlässigen Bildschirm fällt und
ein auf den Bildschirm schauender Betrachter eine stark vergrößerte Abbildung
des Bilds sieht, das auf dem zweidimensionalen Array abgebildet
ist. Es ist jedoch mehr und mehr gängige Praxis geworden, kleine
Projektionsanzeigen am Kopf des Betrachters anzubringen, so dass
die Projektionsanzeige in Richtung des Auges des Betrachters gerichtet ist
und Licht, das von der Projektionslinse von einem einzelnen Pixel
auf das zweidimensionale Array von Lichtstrahlern kollimiert wird,
anschließend
von der Hornhaut des Betrachters auf die Netzhaut des Betrachters
fokussiert wird, so dass der Betrachter eine augenscheinlich entfernte
Abbildung sieht, das auch als virtuelle Abbildung bekannt ist.
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Am Kopf anzubringende Anzeigen sind
sperrig, und Benutzer würden
eine ebene Ausführung vorziehen.
Eine am Kopf anzubringende Anzeige kann beispielsweise durch Verwendung
eines Plattenleiters, der ein schwaches Hologramm enthält, ebener
ausgeführt
werden, wie bei Amitai, Y., Reinhorn, S. und Friesem, A. A., "Visor-display design based
on planar holographic optics",
Applied Optics, Vol. 34, Nr. 8, 5. 1352 bis 1356, 10. März 1999,
offenbart. Licht von einer Kathodenstrahlröhre und ein weiteres Hologramm
können
in den Wellenleiter eingekoppelt werden, und dieses Licht wird durch
das schwache Hologramm aus dem Wellenleiter heraus in Richtungen
gebeugt, die von dem Pixel in der Kathodenstrahlröhre bestimmt
werden, von der das Licht ausgesendet worden ist.
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Bei dreidimensionalen Abbildungen,
die wie oben beschrieben durch Zeitmultiplexen der Beleuchtung einer
Flüssigkristallanzeige
künstlich
erzeugt worden sind, ist es erforderlich, dass die Flüssigkristallanzeige
ein schnellschaltendes Array von Dünnfilmtransistoren aufweist,
und diese sind teuer. Trayner and Orr (
US 5600454 ) haben eine Vorrichtung
präsentiert,
bei der dieses durch Platzieren eines Hologramms hinter einer herkömmlichen
Flüssigkristallanzeige
vermieden wird, die die Beleuchtung alternierender Reihen auf eine
linksäugige
Ansicht oder auf eine rechtsäugige
Ansicht leitet. Aber sowohl dieses als auch das oben beschriebene
Konzept mit umschaltbarer Beleuchtung sind sperrig, und Benutzer
würden
ebene dreidimensionale Anzeigen vorziehen.
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Stattdessen kann eine als ebene Platte
ausgeführte
dreidimensionale Anzeige durch Kombinieren einer Projektionsanzeige
mit einem Bildschirm realisiert werden, auf dem parallel zu der
Oberfläche des
Bildschirms verlaufendes Licht an einer Zeile einer Gruppe von entlang
dem Bildschirm verlaufenden Zeilen emittiert wird, wie in WO 98/15128
offenbart. Es wird immer eine Zeile auf dem Bildschirm ausgewählt, und
gleichzeitig projiziert die Projektionsanzeige eine parallel zu
dem Bildschirm verlaufende Zeile von Pixeln, so dass diese an der
ausgewählten
Zeile emittiert werden. Die gleiche Zeile von Pixeln auf der Projektionsanzeige
wird wiederholt verändert,
wenn jede der Serien von Zeilen auf dem Bildschirm nacheinander
derart ausgewählt
wird, dass eine vollständige
Abbildung auf dem Bildschirm zeitlich gemultiplext wird. Es wird
nur eine Zeile der Projektionsanzeige verwendet, so dass das Array von
Lichtstrahlern nur eine Zeile hoch zu sein braucht, und wenn das
ausgegebene Licht in der Ebene des Bildschirms kollimiert wird,
braucht die Projektionslinse nur ein oder zwei Millimeter hoch zu sein,
so dass die Kombination aus Projektor und Bildschirm eben ausgeführt ist.
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Wenn es sich um Licht von einer dreidimensionalen
Anzeige handelt – wenn
auch von einer Anzeige, deren Array von Lichtstrahlern nur ein Pixel hoch
ist – welches
parallel zu der Oberfläche
des Bildschirms mit auswählbaren
Zeilen verläuft,
ist bei dieser Konfiguration die auf dem Bildschirm gebildete Abbildung
dreidimensional. Die dreidimensionale Anzeige kann ein Array von
Lichtstrahlern hinter einer Projektionslinse mit einer Flüssigkristallanzeige
vor der Projektionslinse aufweisen, wie oben beschrieben, um jedoch
mehrere Ansichten innerhalb einer Zeilenperiode der Anzeige anzuordnen,
müsste
die Umschaltrate der Flüssigkristalle
gleich der Anzahl von Ansichten multipliziert mit der Zeilenrate
der Anzeige sein, und nur wenige Flüssigkristallmischungen schalten
derart schnell um.
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Es gibt zahlreiche andere Arten von
autostereoskopischen und holografischen dreidimensionalen Anzeigekonzepten,
und jede von ihnen kann möglicherweise
zur Verwendung in einem System mit ebener Platte vorgesehen sein.
Besonders interessant ist ein altes Konzept mit einer Gruppe von kleinen
Videoprojektoren in der Fokalebene einer Feldlinse – siehe
A. R. L. Travis, Proc. IEEE Vol. 85, Nr. 11, Nov. 1997, 5. 1817-1832.
Jeder Projektor ist derart positioniert, dass er eine Ansicht in
der Ebene der Feldlinse erzeugt, gerade so, als wäre die Linse ein
lichtdurchlässiger
Bildschirm, jedoch anders als bei einem lichtdurchlässigen Bildschirm
kollimiert die Feldlinse das Licht derart, dass das Bild nur aus
einer einzigen Richtung zu sehen ist. Die anderen Projektoren erzeugen
Ansichten, die von der Feldlinse aus anderen Richtungen sichtbar
gemacht werden, so dass der Betrachter eine autostereoskopische
dreidimensionale Abbildung sieht.
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Das Problem, das bei diesem Konzept
auftritt, besteht darin, dass es schwierig ist, eine Projektionslinse
zu konfigurieren, deren Pupille dem Durchmesser der Linse gleich
ist; folglich bestehen Zwischenräume
zwischen den Videoprojektoren, die dunkle Zonen zwischen benachbarten
Ansichten der dreidimensionalen Abbildung bilden. Ein leicht streuendes
Element kann zum Reduzieren dieser Zwischenräume verwendet werden, der Streuwinkel
variiert jedoch normalerweise mit dem Winkel des einfallenden Lichts.
Aberrationen in der Feldlinse bedeuten, dass Strahlen, die von der
Linse von einem einzelnen Punkt kollimiert werden, die Scheibe über deren
Durchmesser in leicht unterschiedlichen Winkeln treffen. Das bedeutet,
dass die Streuwinkel variieren, und obwohl die Abweichung gering
ist, ist sie groß genug,
um bemerkbare Zwischenräume
zwischen den annähernd
senkrechten Ansichten (wenn die Projektorbeabstandung derart eingestellt
ist, dass die gesamte Überlappung
eliminiert wird) oder Überlappungen
zwischen Ansichten (wenn die Projektorbeabstandung derart eingestellt
ist, dass Zwischenräume
eliminiert werden) zu bewirken.
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Ein weiteres größeres Problem mit dreidimensionalen
Anzeigen und insbesondere am Kopf anzubringenden Anzeigen besteht
darin, dass ihr Bildfeld durch die Aberration der Projektionslinse
eingeschränkt
ist. Bei Bildfeldern, die über
20° hinausgehen,
kollimiert die Linse Licht in derart unzureichendem Maße, dass
die Abbildung für
die meisten Anwendungen zu verzerrt ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, einige der Probleme mit auf dem Sachgebiet
bekannten Projektionsanzeigen zu lösen oder zumindest zu verringern.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Weitwinkel-Projektionsanzeige, bei der eine kreissymmetrische
Linse, die manchmal als monozentrische Linse bezeichnet wird, und
ein entsprechendes bogenförmig
angeordnetes Array von Lichtstrahlern verwendet wird; die Mitte
der bogenförmigen
Anordnung des Arrays befindet sich in der Mitte der kreissymmetrischen
Linse, und das Array ist in oder nahe der Fokalebene der kreissymmetrischen
Linse platziert. Kreissymmetrische Linsen sind bereits vorher verwendet
worden – siehe
US 5132839 (Travis), sie
sind jedoch in einer massiven Optik schwer herstellbar.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen: eine Weitwinkel-Projektionsanzeige
mit einer scheibenförmigen
kreissymmetrischen Linse, die Licht von unterschiedlichen um die
Linsenachse angeordneten Punkten, die sich am Umfang der Scheibe
befinden, kollimiert, und einem Array von Lichtstrahlern, die um die
Linse positioniert sind, so dass von jedem Lichtstrahler kommende
Lichtstrahlen von der Linse im wesentlichen in eine andere Richtung
als die Lichtstrahlen seines benachbarten Lichtstrahlers kollimiert
werden, und einem Lichtmodulator, wobei die zylindrische Linse eine
scheibenförmige
kreissymmetrische Linse ist und die Lichtstrahler auf ihrem Fokalumfang
um die Scheibe positioniert sind und die Anzeige ferner eine Strahlenablenkeinrichtung
zum Emittieren des kollimierten Lichts aus der Ebene der Linse und
in Richtung eines Betrachters aufweist.
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Die Strahlenablenkeinrichtung hat
im wesentlichen die Form einer Platte, die mit der Ebene der Linse
koplanar ist oder parallel zu dieser verläuft, und weist vorzugsweise
eine Zeilenselektionseinrichtung auf, mit der immer eine Zeile einer
sich verändernden
Abbildung aus einem Array von Lichtstrahlern selektiert wird, um
diese Zeile anzuzeigen. In diesem Fall kann die Emittierung durch
Auslenken der Strahlen an der selektierten Zeile aus der Platte erfolgen.
Beispielsweise kann die Platte eine Reflexionsfolie und einen Wandler
zum Erzeugen einer lokalen, linearen, akustischen oder Oberflächenwelle in
der Folie aufweisen, wobei das Vorhandensein der Welle an einer
vorgegebenen Position eine Reflexion des Strahls und somit die Auslenkung
an dieser Position bewirkt. Bei dieser Konfiguration läuft die
von dem Wandler erzeugte Welle entlang der Platte und emittiert
sukzessive die in ihrem Weg befindlichen Zeilen. Alternativ kann
eine Drehspiegelanordnung zum Abtasten jeder Zeile über die
Höhe eines
Bildschirms verwendet werden.
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Alternativ kann die Ablenkeinrichtung
eine ebene Materialplatte sein, die nicht strahlenundurchlässig ist
und die vorzugsweise parallel zu der Linse angeordnet und mit dem
Linsenrand ausgerichtet ist, durch den die Strahlen austreten, so
dass sie als Plattenleiter fungiert.
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Die Zeilenselektionseinrichtung kann
eine Schicht oder ein Streifen auf der Platte oder an einer anderen
Position in dem kollimierten Lichtstrahl sein, die/der zwischen
reflektierend oder transparent umschaltbar ist, wobei die Einrichtung
zum Selektieren der Position, in der die Strahlen emittiert werden,
zum Verändern
des Zustands der umschaltbaren Schicht vorgesehen ist. Eine solche
Schicht kann eine Flüssigkristallanzeige
sein.
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Die umschaltbare Schicht kann im
Durchlässigkeitsmodus
(so dass die Strahlen in der selektierten Zeile die Schicht durchlaufen
und andere reflektiert werden) oder im Reflexionsmodus (bei dem
nur die selektierte Zeile reflektiert wird) arbeiten. Im letzteren
Modus kann das Gitter derart angeordnet sein, dass es Licht nur
von einer Fläche
der Platte in Richtung der umschaltbaren Schicht emittiert. Ein
solches Gitter kann in der Platte positioniert sein. Die selektierte
Zeile wird dann von der umschaltbaren Schicht durch die Platte zurück reflektiert.
In diesem Modus ist die Selektionseinrichtung daher aus der Perspektive
des Betrachters gesehen hinter der Platte angeordnet. Weitere Informationen
können
der oben genannten WO 95/15128 entnommen werden.
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Jeder bei der vorliegenden Erfindung
verwendete Lichtstrahler kann eine Mikroanzeige aufweisen, bei der
es sich generell um eine kleine Flüssigkristallanzeige handelt,
wobei eine Quelle für
kollimiertes Licht hinter dieser angeordnet ist, wenn die Flüssigkristallanzeige
durchlässig
ist, und vor dieser angeordnet ist, wenn die Flüssigkristallanzeige reflektierend
ist. Der Lichtstrahler kann einfach eine Mikroanzeige sein, die
an dem Fokalumfang angeordnet ist. Alternativ kann jeder Lichtstrahler
eine Mikroanzeige und eine Einzellinse aufweisen, die derart angeordnet
sind, dass die Mikroanzeige Licht aussendet, das dann in Richtung
der Einzellinse konvergiert. Jede Einzellinse sollte auf dem Fokalumfang der
kreissymmetrischen Linse positioniert sein und dient im wesentlichen
als Punktquelle, von der kollimiertes Licht erzeugt werden kann.
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Die Mikroanzeige ist generell eindimensional und
weist eine Reihe von in Spalten angeordneten Pixeln auf, und die
entsprechende Linse ist zylindrisch und um ihre Brennweite von der
Mikroanzeige getrennt. Wenn die Linse zylindrisch ist, ist die Mikroanzeige
somit auf dem Fokalumfang angeordnet. Benachbarte Mikroanzeigen
projizieren jeweils eine aus einer einzelnen Zeile bestehende Abbildung
eines Objekts, wobei sich die Abbildungen nur durch den Betrachtungswinkels
voneinander unterscheiden.
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Alternativ kann jeder Lichtstrahler
einfach eine auf dem Fokalumfang der kreissymmetrischen Linse positionierte
Lichtquelle aufweisen. Bei dieser Konfiguration ist ein eindimensionaler
umschaltbarer Streifen in dem Weg der kollimierten Strahlen vorgesehen.
Der Streifen befindet sich vorzugsweise zwischen der kreissymmetrischen
Linse und der Strahlenablenkplatte. Wenn die Lichtquellen Punktquellen sind,
kann der Streifen durch geeignetes Ansprechen des Streifens zum
Anzeigen eines Hologramms verwendet werden. Alternativ können angrenzende Quellen
zum Anzeigen einer autostereoskopischen Ansicht verwendet werden.
Die Strahler werden nacheinander aktiviert, und das auf dem Streifen
angezeigte Muster wird mit der Betätigung der Strahler synchronisiert.
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Die erfindungsgemäße Anzeige kann einen Diffusor
aufweisen, der in dem kollimierten Licht positioniert ist, um Zwischenräume in dem
Strahlenbündel
zwischen dem Licht von jedem Lichtstrahler zu verengen. Der Diffusor
kann als Beugungsgitter oder Linsenschirm ausgebildet sein und ist
vorzugsweise der flachen Platte benachbart positioniert. Der Diffusor
wird generell für
autostereoskopische Anzeigen benötigt,
um sicherzustellen, dass keine Zwischenräume zwischen Ansichten vorhanden
sind; holografische Anzeigen benötigen
generell keinen Diffusor.
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Ein Bildspeicher zum Speichern aufeinanderfolgender
Abbildungen einer sich bewegenden Anzeige kann für jede Mikroanzeige vorgesehen sein,
bevor diese auf die Projektoren aufgebracht werden; dies ermöglicht ein
Kompensieren optischer Fehler oder einer geometrischen Verzerrung,
wie z. B. Scherung aufgrund des Projektionswinkels der Seitenprojektoren.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ein Reflektor, wie z. B ein Spiegel, auf mindestens
einer Seite der Platte zum Reflektieren eines äußeren Teils der Abbildung von
den außeraxialeren
Projektoren, die die Platte nicht treffen, zurück zu der Platte vorgesehen.
Ein solcher Reflektor reduziert den Zwischenraum, der an der Seite
der Abbildung durch Strahlen von äußeren Mikroanzeigen in dem
Array erzeugt werden kann. Ein einfacher Reflektor würde den äußeren Teil
der Abbildung aus der korrekten Position quer zu dem gegenüberliegenden Teil
der Abbildung reflektieren. Daher ist vorzugsweise eine Abbildungsverarbeitungseinrichtung
vorgesehen, mit der sichergestellt wird, dass die reflektierten
Pixel auf die korrekte Seite der Abbildung reflektiert werden. Diese
kann in Zusammenhang mit dem Bildspeicher vorgesehen sein und zum
Austauschen von Pixeln an den Außenrändern des Bildspeichers dienen.
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Die erfindungsgemäße Anzeige kann im wesentlichen
in der gleichen Ebene wie die kreissymmetrischen Linse, die Platte
und die Mikroanzeige (wenn vorhanden) angeordnet sein. Alternativ
können
die Ebenen, in denen die Platte und die Linse ausgebildet sind,
einander benachbart sein und parallel zueinander verlaufen. In diesem
Fall ist eine Umklappeinrichtung zum Umklappen des optischen Systems
erforderlich, so dass die von dem Rand der Linse abgestrahlten Strahlen
in die Platte geleitet werden. Die Umklappeinrichtung kann auch
die Funktion des Wiederfindens von Strahlen, die andernfalls die Platte
nicht treffen, erfüllen.
Die Umklappeinrichtung kann einen Rückstrahler, der vorzugsweise
neben demjenigen Teil der Linse angeordnet ist, an dem die Strahlen
austreten, und schräg
angebrachte Spiegel auf beiden Seiten des Rückstrahlers aufweisen. Der Rückstrahler
ist vorzugsweise in einer Ebene positioniert, die im wesentlichen
orthogonal zu den Seitenspiegeln verläuft, und die Prismen des Rückstrahlers verlaufen
orthogonal zu seiner Längsachse.
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Bei einer weiteren Ausführungsform
werden für
eine virtuelle Anzeige die an einer beliebigen Position auf der
Platte befindlichen Strahlen emittiert. Zu diesem Zweck kann die
Platte ein schwaches Beugungsgitter aufweisen, das bewirkt, dass
kollimiertes Licht in einer bestimmten Richtung läuft. Das
Gitter sollte auf derjenigen Seite der Platte vorgesehen sein, auf
der die Strahlen emittiert werden.
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Spezifische Ausführungsformen der Erfindung
werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 das
Verwenden einer monozentrischen Linse gemäß dem dieser zugrundeliegenden erfindungsgemäßen Prinzip;
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2 das
Verwenden einer monozentrischen Linse entsprechend einer autostereoskopischen
dreidimensionalen Weitwinkel-Mehrfach-Projektionsanzeige gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung, wobei der Bildschirm nur eine Pixelbreite hoch ist;
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3 eine
autostereoskopische dreidimensionale Flachplatten-Weitwinkelanzeige,
bei der die Ausführungsform
aus 2 zum Einsatz kommt,
mit Darstellung eines Bildschirms, auf dem parallel zu der Oberfläche des
Bildschirms verlaufendes Licht an einer Zeile aus einer Gruppe von
entlang dem Bildschirm verlaufenden auswählbaren Zeilen emittiert wird;
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4 das
Verwenden eines Diffusors zum Eliminieren von Zwischenräumen zwischen
benachbarten Ansichten auf einer dreidimensionalen Weitwinkelanzeige
gemäß der ersten
Ausführungsform;
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5 das
Erzeugen einer durch Scherung verzerrten Ansicht durch Strahlen
von einer außenaxialen
Mikroanzeige auf einer dreidimensionalen Weitwinkelanzeige gemäß der ersten
Ausführungsform
ohne vorgreifende Korrektur;
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6a und 6b das Umklappen von Strahlen von
einander gegenüberliegenden
Mikroanzeigen durch zwei Spiegel, so dass umgefaltete Strahlen von
einer Mikroanzeige die Zwischenräume
einer Ansicht ausfüllen,
wel che von Strahlen von der gegenüberliegenden Mikroanzeige gebildet
sind;
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7 eine
Weitwinkel-Flachplatten-Projektionsanzeige gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung eines Beugungsgitters;
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8 eine
holografische Weitwinkel-Flachplattenanzeige gemäß dieser Ausführungsform
unter Verwendung einer Flüssigkristallplatte;
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9 die
Anzeige gemäß einer
Weiterentwicklung der zweiten Ausführungsform, wobei dargestellt
ist, wie zwei Spiegel und ein eindimensionaler Rückstrahler die Beleuchtung
selbst bei großen
außenaxialen
Winkeln gleichmäßig halten
können;
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10 eine
dreidimensionale Weitwinkel-Flachplattenanzeige unter Verwendung
eines Lichtventils gemäß einer
dritten Ausführungsform;
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11 eine
holografische Weitwinkel-Flachplattenanzeige, die keine Dünnfilmtransistoren
benötigt;
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12 eine
am Kopf anzubringende Weitwinkel-Flachplattenanzeige; und
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13 eine
vierte Ausführungsform
der Erfindung.
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Gemäß den Zeichnungen weist die
in 1 gezeigte Projektionsanzeige
eine kreissymmetrische Linse 1 und ein Array von Lichtstrahlern 2 auf,
das bogenförmig
ausgebildet ist, so dass jeder Lichtstrahler 2 in der Fokalebene
oder Fokalfläche
der kreissymmetrischen Linse 1 liegt.
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Die kreissymmetrische Linse 1 weist
eine Serie von konzentrischen koplanaren transparenten Ringen auf,
deren Brechungsindices derart gewählt sind, dass die Linse 1 Licht
von einem beliebigen Punkt auf der Fokalebene kollimiert. Zwischen
den Rändern
benachbarter Ringe kann eine herkömmliche Antireflexionsbeschichtung
aufgebracht sein. Beispielsweise kollimiert eine Scheibe aus Polymethylmethacrylat
mit einem Radius von 50 mm innerhalb eines Rings aus Polycarbonat
mit einem Innenradius von 50 mm und einem Außenradius von 100 mm Licht
von einem beliebigen Punkt auf der Fokalebene oder einem Ring mit
einem Radius von 172 mm. Alternativ kann die kreissymmetrische Linse 1 eine
Scheibe mit abgestuftem Index aufweisen, deren Brechungsindex mit
dem Radius variiert und in der Mitte größer ist. Eine zweite Alternative
besteht darin, dass die kreissymmetrische Linse 1 eine
Materialscheibe aufweisen kann, deren Dicke mit dem Radius variiert.
In diesem Fall wird Licht von dem Array von Lichtstrahlern 2 in
einem einzigen Winkel in den Rand der Scheibe injiziert, der leicht
von der Senkrechten zu der Scheibenachse abweicht; die ebenen Flächen der
Scheibe bewirken, dass diese sich wie ein Plattenleiter verhält, und
führen
Licht durch Totalinnenreflexion von einem Rand zu dem anderen. Die Scheibe
wird zur Mitte hin dicker, und wenn die Strahlen in die dickeren
Teile der Scheibe geführt
werden, wird der Winkel zwischen der Strahlenrichtung und der Achse
der Scheibe kleiner. Der aufgelöste
Teil der Strahlenrichtung in der Ebene der Scheibe wird daher kleiner,
so dass die Strahlen zum Durchlaufen der Mitte der Scheibe längere Zeit
benötigen
als zum Durchlaufen der Ränder.
Die Scheibe kollimiert daher Licht auf ungefähr die gleiche Weise wie eine
Linse mit abgestuftem Index.
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Bei der in 2 gezeigten autostereoskopischen Anzeige
weist jeder Lichtstrahler des bogenförmig angeordneten Arrays aus
Lichtstrahlern 2 eine kleine zylindrische Linse 3 auf,
die durch kollimiertes Licht von einer (nicht gezeigten) Laserquelle
beleuchtet wird, das von einer Mikroanzeige 4 reflektiert und
durch eine (ebenfalls nicht gezeigte) weitere Linse oder weitere
Linsen auf die kleine Linse 3 konvergiert wird, die somit
als kleine Lichtquelle fungiert. Die Mikroanzeige 4 kann
stattdessen auch durchlässig sein.
Jede Mikroanzeige weist eine Reihe von vertikalen Pixeln auf.
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In 3 wird
von der kleinen Linse 3 ausgestrahltes Licht nach Modulation
durch die Mikroanzeige 4 von der kreissymmetrischen Linse 1 zu
einem parallelen Strahlenbündel
konvergiert und verläuft parallel
zu und leicht oberhalb der Fläche
einer Reflexionsfolie 5. Ein an einem Ende der der Folie 5 angeordneter
Wandler 6 erzeugt eine einzelne Oberflächenwelle 7, die die
Länge der
Folie 5 in der Ausbreitungsrichtung des Lichts durchläuft und
die beim Laufen der Oberflächenwelle 7 das
injizierte Licht entlang der Folie 5 an unterschiedlichen
Zeilen reflektiert, da ihre Höhe
ausreicht, um das Licht von der Linse 1 abzufangen. Anordnungen
dieser Art sind in der früheren
Anmeldung WO 98/15128 des Erfinders beschrieben.
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Wenn davon ausgegangen wird, dass
Licht zu einem einzelnen Zeitpunkt von einer einzelnen Mikroanzeige 4 kommt,
wird das Licht von der Mikroanzeige 4 moduliert, auf die
kleine Linse 3 konvergiert und dann von dieser aufgeweitet
und von der kreissymmetrischen Linse 1 kollimiert, um eine
Serie von parallelen Strahlen zu erzeugen, die parallel zu der Ebene
der Folie 5 verlaufen. Wenn dieses Licht auf die Oberflächenwelle 7 trifft,
wird das Licht von dem Bildschirm in einer bestimmten Richtung innerhalb der
horizontalen Ebene, die die Welle enthält (unter der Voraussetzung,
dass die Folie vertikal angeordnet ist), emittiert, und wenn ein
Betrachter die Folie 5 aus dieser Richtung betrachtet,
sieht er eine Zeile aus Pixeln an der Oberflächenwelle 7. Zu sukzessiven
Zeitpunkten können,
während
sich die Oberflächenwelle 7 auf
der Folie 5 nach unten bewegt, Zeilen aus Pixeln an anderen
Positionen der Folie 5 sichtbar gemacht werden, und wenn
dieser Vorgang ausreichend schnell wiederholt wird, sieht der Betrachter
ein zeitlich gemultiplextes zweidimensionales Bild.
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Dieser Gedanke kann weitergeführt werden, indem
weitere Mikroanzeigen in unterschiedlichen Winkeln um die Achse
der Linse angeordnet werden, um den Bereich möglicher Betrachtungswinkel
zu vergrößern. Die
weiteren Mikroanzeigen 4 können auf ähnliche Weise moduliert werden,
um weitere zweidimensionale Abbildungen auf der Folie 5 zu
erzeugen, jede zweidimensionale Abbildung ist jedoch aus einer anderen
Richtung in der horizontalen Ebene, d. h. Azimuth, sichtbar. Wenn
jede zweidimensionale Abbildung eine Ansicht dessen wäre, was
der Betrachter sähe,
wenn ein dreidimensionales Objekt an Stelle der Folie 5 vorhanden
wäre, dann
würde die von
dem Betrachter gesehene Abbildung dreidimensional erscheinen. Es
gibt einen wichtigen Vorbehalt, nämlich den, dass, wenn der Betrachter
den Kopf von einer Seite zur anderen bewegt, der Betrachter unterschiedliche
Ansichten der dreidimensionalen Abbildung sieht, jedoch Zwischenräume zwischen
den Ansichten vorhanden sind, in denen der Betrachter nichts sieht,
da das Bildfeld jeder zweidimensionalen Abbildung in dem bislang
beschriebenen System eng ist, da jede Abbildung an einer effektiven
Punktquelle in Form der kleinen Linse 3 beginnt. Eine Lösung dafür besteht
darin, einen Diffusor 8, wie in 4 gezeigt, hinzuzufügen, der ein Gitter oder einen
Schirm aus Linsen aufweist, das/der das Bildfeld jeder zweidimensionalen
Abbildung erweitert, so dass keine Zwischenräume zwischen benachbarten Ansichten vorhanden
sind.
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Diffusoren, wie z. B. Linsen, weisen
Aberrationen in dem Sinne auf, dass Strahlen, die aus unterschiedlichen
Winkeln zu der Ebene des Diffusors laufen, in geringfügig unterschiedlichem
Maße diffundiert
werden. Das bedeutet, dass Licht, dass von einer mittleren Linse
in unterschiedlichen Winkeln kollimiert wird, und zwar abhängig von
der Entfernung des einzelnen Projektors von der Ausbreitungsachse,
in unterschiedlichem Maße
divergiert. Da jedoch die kreissymmetrische Linse keine Aberrationen
aufweist, wird das Licht für
jede Ansicht korrekt kollimiert, so dass sämtliche Strahlen, die die Ansicht
bilden, in gleichem Maße
diffundiert werden. Es ist daher möglich, selbst bei extremen
Betrachtungswinkeln den Zwischenraum zwischen jeweils zwei benachbarten
Ansichten durch Bewegen der entsprechenden Mikroprojektoren 4 zu
schließen,
ohne dass es zu einer Überlappung
kommt.
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Es tritt jedoch dahingehend ein Problem
auf, dass bei extremen Betrachtungswinkeln die Strahlen auf einer
Seite, z. B. von den Enden der gebogenen Mikroanzeigenzeile, über den
Rand der Folie 5 hinaus verlaufen, bevor sie auf die Oberflächenwelle 7 treffen,
während
die Strahlen auf der anderen Seite einen immer größeren Teil
der Oberflächenwelle 7 unbeleuchtet
lassen, wie in 5 gezeigt.
Das Bild wird durch Scherung verzerrt, und es erscheint ein dunkler
dreieckiger Zwischenraum am oberen Teil jeder außenaxialen Ansicht. Die Verzerrung
kann vorhergesehen werden und durch digitale Vorverarbeitung der
Abbildung in einem Bildspeicher vor der Anzeige auf den Projektoren
korrigiert werden, und die digitale Vorverarbeitung kann ferner
angewandt werden, um die dreieckigen Zwischenräume zu eliminieren, vorausgesetzt,
dass zwei Spiegel 9 dem System hinzugefügt werden, wie in 6a und 6b gezeigt.
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Die zwei Spiegel 9 werden
auf jede Seite der Folie platziert, wie in 6a und 6b gezeigt,
so dass die Strahlen, die über
den Rand der Folie 5 hinauslaufen und daher die Folie nicht "treffen", so dass diese sie
nicht reflektieren kann, zurückreflektiert
werden. Diese reflektierten Strahlen werden jetzt Teil derjenigen
Ansicht, die der von den unreflektierten Strahlen gebildeten gegenüberliegt,
dabei füllen
die reflektierten Strahlen jedoch den Zwischenraum in der gegenüberliegenden
Ansicht dadurch aus, dass die Strahlen in dieser gegenüberliegenden
Ansicht einen Teil der Oberflächenwelle 7 unbeleuchtet
lassen. Es bedarf dann nur eines Austauschs von Pixeln in dem Bildspeicher
um sicherzustellen, dass die richtigen Pixel in der richtigen Position
auf dem Bildschirm landen.
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Es werden nun weitere Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben, bei denen Beugungsgitter verwendet werden.
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Wenn kollimiertes Licht in einen
Plattenleiter injiziert wird und ein schwaches Beugungsgitter auf eine
Fläche
des Plattenleiters geprägt
wird, dann beugt das Gitter einen Teil des Lichts aus dem Wellenleiter.
Die Richtung, in der das gebeugte Licht den Wellenleiter verlässt, wird
durch die anfängliche Richtung
des injizierten Lichts bestimmt, so dass durch Modulieren der Stärke des
kollimierten Lichts in jede der verschiedenen Richtungen am Eingang
in den Wel lenleiter die Stärke
des von dem Gitter gebeugten Lichts gesteuert werden kann, und dieser Vorgang
kann zum Projizieren einer Abbildung angewandt werden.
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7 zeigt,
wie Licht von einer Weitwinkel-Projektionsanzeige mit einer kreissymmetrischen Linse 1 und
einem Array von Lichtstrahlern 2 in einen Plattenleiter 10 injiziert
wird. Licht von jedem Pixel des Arrays von Lichtstrahlern 2 wird
von der kreissymmetrischen Linse 1 in eine bestimmte Richtung kollimiert,
und dieses Strahlenbündel
wird in den Plattenleiter 10 eingekoppelt und von dem schwachen
Beugungsgitter 11 aus einer Fläche des Plattenleiters 10 heraus
gebeugt, um zu bewirken, dass kollimiertes Licht in eine bestimmte
Richtung läuft. Weitere
Pixel des Arrays von Lichtstrahlern 2 bewirken, dass Licht
von dem schwachen Beugungsgitter 11 in andere Richtungen
gebeugt wird, und das Ergebnis ist die Projektion einer 2D-Abbildung
von einer ebenen Platte.
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Generell kann eine dreidimensionale
Anzeige durch Platzieren einer schnell umschaltenden Flüssigkristallanzeige 12 über einer
großen
Projektionsanzeige erzeugt werden, und 8 zeigt die Anwendung dieses Prinzips
auf eine dreidimensionale Weitwinkel-Flachplattenanzeige, und zwar
durch Platzieren einer schnell umschaltenden Flüssigkristallanzeige 12 über der
Platte 10. Die Abbildung kann entweder autostereoskopisch
sein, wobei Pixel in dem Array von Lichtstrahlern 2 aneinander
angrenzen sollten, oder holografisch sein, wobei Pixel in dem Array
von Lichtstrahlern 2 Punktquellen sein sollten. Der einzige
Unterschied besteht in der Praxis darin, dass es bei holografischen
Systemen erforderlich ist, dass die Pixel klein genug sind, um Beugungseffekte
zu bewirken.
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Bei extremen Winkeln ist es in 7 möglich, dass Licht von der Weitwinkel-Projektionsanzeige
den Plattenleiter 10 nicht trifft, wie in 5 gezeigt. 9 zeigt,
wie zwei Spiegel 9 und ein eindimensionaler Rückstrahler 13 sowohl
zum Umklappen des optischen Systems verwendet werden können, so
dass sich der Plattenleiter 10 oben auf der Linse 1 befindet,
als auch zum Sicherstellen, dass Licht selbst bei Weitwinkeln in
den gesamten Plattenleiter 10 injiziert wird. Licht, das
andernfalls aus dem System austreten würde, wird von einem der Spiegel 9 reflektiert,
um auf einem eindimensionalen Rückstrahler 13 und
dann auf einem schräg
angebrachten Spiegel 14 zu landen. Die Ebenen des eindimensionalen
Rückstrahlers 13 und
des schräg
angebrachten Spiegels 14 sind in rechtem Winkel zueinander und
in einem Winkel von 45° zu
der Ebene der Linse positioniert, so dass Licht in die Ebene des
Plattenleiters 10 zurückgeführt wird,
und die Prismen des Rückstrahlers
verlaufen orthogonal zu der Längsachse
des Rückstrahlers,
so dass Licht entlang dem gleichen Weg in der Ebene des Plattenleiters 10 zurückgeführt wird,
den das Licht in der Ebene des Weitwinkel-Projektors beim Herauslaufen
nimmt. Das zurückgestrahlte
Licht trifft den gleichen der beiden Spiegel 9, auf den
es auch beim Herauslaufen trifft und wird daher in einer Position
und Richtung in den Plattenleiter 10 geleitet, die mit
denjenigen, in denen es aus der kreissymmetrischen Linse 1 des
Weitwinkel-Projektors ausgetreten ist, kongruent ist.
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Schnell umschaltende Flüssigkristallanzeigen
sind einfacher herstellbar, wenn sie im Reflexionsmodus anstelle
des Durchlässigkeitsmodus
(wie im oben beschriebenen Beispiel) arbeiten. Dies ermöglicht beispielsweise
die Verwendung dicker Metalldrähte
auf der Rückseite
der Anzeige, die schnell umschalten, da sie hochleitend, jedoch
lichtundurchlässig
sind. Dies ermöglicht
ferner die Verwendung von Lichtventilen, die manchmal als optisch
adressierbare räumliche
Lichtmodulatoren bekannt sind. 10 zeigt
das künstliche
Erzeugen einer dreidimensionalen Weitwinkel-Abbildung auf einem
Lichtventil. Licht von einer Weitwinkel-Projektionsanzeige wird
in die Seite eines Plattenleiters 10 injiziert, und der
Plattenleiter 10 weist ein schwaches Beugungsgitter 11 auf,
das Gitter 11 hat jedoch einen bestimmten Bereich maximaler
Intensität
und ist volumetrisch, um Licht nur in Richtung der Stirnfläche der schnell
umschaltenden Flüssigkristallanzeige 12 zu emittieren.
Ein solches Gitter kann beispielsweise durch Verkleben zweier Blätter von
Image Directing Film IDF II von 3M Fläche an Fläche unter Verwendung eines
transparenten Klebers mit einem Brechungsindex, der sich geringfügig von
dem des Films unterscheidet, hergestellt werden. Licht, das von
der schnell umschaltenden Flüssigkristallanzeige 12 reflektiert
wird, läuft
durch den Plattenleiter 10 zurück und weiter zu dem Betrachter,
wobei es nur minimal von dem Gitter 11 gespalten wird,
da das Gitter 11 schwach ist. Die Anzeige 12 wird
von einem Projektor 20 optisch umgeschaltet.
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Gemäß der grafischen Darstellung
aus 3 können die
Folie 5 und die Oberflächenwelle 7 oder
eine andere Emittiereinrichtung zum Konvertieren einer eine Zeile
hohen dreidimensionalen Abbildung in eine volle dreidimensionale
Flachplatten-Anzeige verwendet werden, und die kreissymmetrische Linse 1 kann
zum Vergrößern des
Bildfelds der meisten dreidimensionalen Anzeigekonzepte verwendet werden. 11 zeigt beispielsweise,
wie eine holografische dreidimensionale Weitwinkel-Anzeige dadurch
hergestellt werden kann, dass das Array von Lichtstrahlern 2 in
der Fokalebene der kreissymmetrischen Linse 1 von einer
Serie von unmodulierten Punktquellen gebildet wird, und dass diese
Kombination zum Beleuchten einer eindimensionalen Flüssigkristallanzeige 15 verwendet
wird. Das Bildfeld eines auf einer solchen Flüssigkristallanzeige 15 abgebildeten
Hologramms wird von der Größe seiner
Pixel bestimmt, ein Weitwinkel-Hologramm kann jedoch durch Beleuchten
jeder Punktquelle in dem Array von Lichtstrahlern 2 und
gleichzeitiges Verändern
des Hologramms auf der eindimensionalen Flüssigkristallanzeige 15 innerhalb
der Zeit, die die Oberflächenwelle 7 benötigt, um
sich über
die Breite einer einzelnen Zeile zu bewegen, zeitlich gemultiplext werden.
Weitwinkel sind bei einer solchen Anzeige möglich, da es die minimalen
Aberrationen der kreissymmetrischen Linse 1 ermöglichen,
dass die Hologrammkomponenten ohne die Bildung von Zwischenräumen oder Überlappungen
zeitlich gemultiplext werden. Die einzelne lange Flüssigkristallanzeige 15 ist
schwieriger herzustellen als die kleinen Mikroanzeigen 4 der
vorherigen Ausführungsform,
es ist jedoch leichter, die für
ein Hologramm erforderlichen Pixel zu erzeugen.
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Wenn der gleiche Aufbau zum Anzeigen
von dreidimensionalen Abbildungen unter Anwendung der autostereoskopischen
anstelle der holografischen Pixelbildung in Betracht gezogen wird,
wird immer eine Zeile einer Ansicht auf der Flüssigkristallanzeige 15 angezeigt.
Die äquivalente
Zeile der anderen Ansichten kann ohne Bildung von Zwischenräumen oder Überlappungen
zeitlich gemultiplext werden; zu diesem Zweck muss das Array von
Lichtstrahlern 2 nun Lichtquellen aufweisen, die ohne Zwischenräume aneinander
angrenzen. Ferner sollte wie bei den vorherigen Ausführungsformen
ein Diffusor verwendet werden.
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Ein bedeutender Vorteil bei Verwendung
der kreissymmetrischen Linse 1 in den beschriebenen Flachplattenkonzepten
besteht darin, dass diese bei korrekter Konfiguration in einer einzigen
schnellen Aktion aus einem Kunststoff ausgestanzt werden kann.
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Es besteht auch Bedarf an der Vergrößerung des
Bildfelds von am Kopf anzubringenden Anzeigen, und diese Vergrößerung kann
durch Vorsehen einer gebogenen Anordnung des Arrays von Lichtstrahlern
in der Fokalebene einer massiv-optischen kreissymmetrischen Linse
realisiert werden, wie in 12 gezeigt.
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Eine Variante des "mechanischen" Verfahrens der zeilenweisen
Extraktion der Abbildung ist in 13 gezeigt.
Hier ist der Ausgang der Linse 1 auf ein sich drehendes
rechts-hexagonales Prisma. gerichtet, dessen Achse senkrecht zu
der Hauptausbreitungsachse verläuft.
Die Drehgeschwindigkeit des Prismas wird mit der Zeilenanzeige auf
den Projektoren 4 synchronisiert, so dass, wenn der Projektor
sämtliche
horizontalen Zeilen der Abbildung durchlaufen hat, sich das Prisma
um ein Sechstel einer Umdrehung gedreht hat und bereit ist, wiederum die
nächste
Zeile in Richtung des oberen Teils des Bildschirms zu reflektieren.
Eine lentikulare Diffusorplatte 18 verbreitert die Abbildung
in vertikaler Richtung, und ein (nicht gezeigter) Präzisions-Azimuthdiffusor
ist zum Bewegen der Abbildung von den unterschiedlichen Projektoren
vorgesehen.
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Generell können sämtliche Merkmale der beschriebenen
Ausführungsformen
in jeder beliebigen gewünschten
Kombination verwendet werden, falls dies sinnvoll ist.