DE60212045T2

DE60212045T2 - Autostereoskopische optische vorrichtung unter verwendung einer abgetasteten linearen bildquelle

Info

Publication number: DE60212045T2
Application number: DE60212045T
Authority: DE
Inventors: John Alphonse Rochester Agostinelli; David Rochester Kessler
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-11-01
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2022-11-02
Also published as: JP4263461B2; EP1310819B1; DE60212045D1; EP1310819A3; US6511182B1; JP2003215499A; EP1310819A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein autostereoskopische Anzeigesysteme zur Betrachtung elektronisch erzeugter Bilder und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Bildern des linken und rechten Auges unter Verwendung einer abgetasteten linearen Bildquelle mit einer monozentrischen Anordnung optischer Komponenten zur Bereitstellung eines sehr weiten Sehfeldes und großer Austrittspupillen.
Der potenzielle Wert autostereoskopischer Anzeigesysteme ist allgemein anerkannt, insbesondere in den Bereichen Unterhaltung und Simulation. Autostereoskopische Anzeigesysteme umfassen „Immersionssysteme", die dazu vorgesehen sind, ein realistisches Betrachtungserlebnis für einen Betrachter zu erzeugen, indem der Betrachter mit einem 3D-Bild umgeben wird, das ein sehr großes Sehfeld besitzt. Im Unterschied zu der größeren Gruppe stereoskopischer Anzeigen, zu der die autostereoskopische Anzeige gehört, ist diese durch das Fehlen jeglicher Anforderungen nach irgendwelchen tragbaren Hilfsmitteln gekennzeichnet, beispielsweise Brillen, Headgears oder Spezialgläsern. Eine autostereoskopische Anzeige versucht also, "natürliche" Betrachtungsbedingungen für einen Betrachter bereitzustellen.
In einem Artikel in SID 99 Digest, "Autostereoscopic Properties of Spherical Panoramic Virtual Displays," beschreibt G.J. Kintz einen Ansatz zur Bereitstellung eines autostereoskopischen Displays mit einem breiten Sehfeld. Bei Verwendung des Ansatzes von Kintz werden keine Brillen oder Halter benötigt. Der Kopf des Betrachters muss jedoch innerhalb einer sich schnell drehenden kugelförmigen Maske angeordnet sein, die mit Arrays aus LED-Emittern versehen ist, die von einem monozentrischen Spiegel bebildert werden, um ein kollimiertes, virtuelles Bild zu erzeugen. Monozentrische optische Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche optischen Flächen eine gemeinsame Symmetrieachse teilen.
Dies ist eine Verallgemeinerung des konzentrischen Systems, in dem alle optischen Flächen einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt an einem einzelnen Punkt gemein haben. Zwar bietet die Konstruktion nach Kintz eine Lösung für ein wirklich autostereoskopisches System mit einem breiten Sehfeld, aber die Konstruktion hat dennoch erhebliche Nachteile. Hierzu zählt die Notwendigkeit, dass der Kopf des Betrachters in dichter Nähe zu einer sich schnell drehenden Fläche angeordnet sein muss. Ein derartiger Ansatz macht Maßnahmen erforderlich, um die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls oder einer Verletzung aufgrund des Kontakts mit Komponenten auf der sich drehenden Fläche zu vermeiden. Auch mit einer schützenden Abschirmung könnte die Nähe zu einer sich schnell drehenden Fläche bei dem Betrachter Unwohlsein auslösen. Außerdem schränkt die Verwendung eines solchen Systems die Kopfbewegung erheblich ein.
Eine Klasse autostereoskopischer Systeme, die durch Abbildung der Austrittspupillen eines Projektorpaars auf die Augen eines Betrachters arbeitet, wird in einem Artikel von S.A. Benton, T.E. Slowe, A.B. Kropp und S.L. Smith ("Micropolarizer-based multiple-viewer autostereoscopic display," in Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VI, SPIE, Januar, 1999) beschrieben. Die Pupillenabbildung, wie von Benton in dem zuvor genannten Artikel erwähnt, kann mithilfe großer Linsen oder Spiegel implementiert werden. Ein Betrachter, dessen Augen sich mit den abgebildeten Pupillen überlagern, kann eine stereoskopische Szene ohne Störungen und ohne Zuhilfenahme irgendwelcher Sehhilfen sehen.
Es lässt sich leicht nachvollziehen, dass der Wert und die realistische Qualität des Betrachtungserlebnisses, das von einem autostereoskopischen Anzeigesystem ausgeht, das mit Pupillenabbildung arbeitet, durch Darstellung des 3D-Bildes mit einem breiten Sehfeld und einer großen Austrittspupille gesteigert wird. Ein derartiges System eignet sich für ein Eintauchen in das Betrachtungserlebnis, wenn der Betrachter komfortabel sitzen kann, ohne dass die Kopfbewegung auf enge Toleranzen beschränkt ist, und ohne dass der Betrachter Brillen oder andere Vorrichtungen tragen muss. Für eine vollständig zufriedenstellende 3D-Betrachtung sollte ein derartiges System getrennte, hoch aufgelöste Bilder für das rechte und linke Auge liefern. Es ist zudem leicht nachzuvollziehen, dass ein derartiges System möglichst kompakt konstruiert sein sollte, um einen Tiefeneindruck und ein breites Sehfeld zu erzeugen, während es gleichzeitig möglichst wenig Stellfläche und Volumen einnimmt. Für ein möglichst realistisches Betrachtungserlebnis sollte dem Betrachter ein virtuelles Bild geliefert werden, das weit entfernt zu sein scheint.
Bekanntermaßen kann der mit Vergenz und Akkomodation verbundene Konflikt zwischen Tiefeninformationen das Betrachtungserlebnis beeinträchtigen. Vergenz bezeichnet den Grad, in dem sich die Augen des Betrachters zueinander neigen müssen, damit getrennte Bilder eines Objekts innerhalb des Sehfeldes verschmelzen. Die Vergenz nimmt ab und entfällt schließlich völlig, je weiter die betrachteten Objekte in der Ferne liegen. Die Akkomoation bezeichnet die Fähigkeit der Linse des Auges, sich durch Änderung ihrer Form auf das jeweils betrachtete Objekt scharfzustellen. Es ist bekannt, dass sich die Tiefenwahrnehmung des Betrachters zeitweise verschlechtern kann, wenn er eine gewisse Zeit nicht abgestimmten Tiefeninformationen bezüglich Vergenz und Akkomodation ausgesetzt wird. Auch ist bekannt, dass dieser negative Effekt auf die Tiefenwahrnehmung abgeschwächt werden kann, wenn Akkomodationsinformationen einer entfernten Bildposition entsprechen.
Ein Beispiel einer konventionellen autostereoskopischen Anzeigeeinheit wird in US-A-5,671,992 (Richards) beschrieben, bei der ein sitzender Betrachter visuelle 3D-Effekte wahrnimmt, die mit Bildern erzeugt werden, die von getrennten Projektoren stammen, und zwar einem für jedes Auge, und die auf den Betrachter mithilfe eines Bebilderungssystems gerichtet werden, das eine Anzahl von Spiegeln umfasst.
Konventionelle Lösungen für die stereoskopische Abbildung haben einige der vorstehend genannten Probleme lösen können, wobei allerdings noch Raum für weitere Verbesserungen verbleibt. Beispielsweise verwendeten einige frühe stereoskopische Systeme spezielle Aufsatzgeräte, Brillen oder Gläser, um ein 3D-Betrachtungserlebnis zu vermitteln. Als nur ein Beispiel für ein System beschreibt US-A-6,034,717 (Dentinger et al.) ein Projektionsanzeigesystem, das voraussetzt, dass ein Betrachter zwei passive Polarisationsgläser aufsetzt, um wahlweise das geeignete Bild auf jedes Auge zu richten, um einen 3D-Effekt zu erzeugen.
Es gibt sicherlich einige Situationen, für die Aufsatzgeräte geeignet sind, um eine stereoskopische Betrachtung zu ermöglichen, beispielsweise in Verbindung mit Simulationsanwendungen. Für derartige Anwendungen beschreibt US-A-5,572,229 (Fisher) ein Projek tionsanzeige-Aufsatzgerät, das eine stereoskopische Betrachtung mit einem Sehfeld bereitstellt. Soweit möglich, hat die autostereoskopische Betrachtung Vorteile, bei der der Betrachter keine Geräte zu tragen braucht, so wie dies in Verbindung mit der Vorrichtung aus US-A-5,671,992 beschrieben wurde. Auch wäre es vorteilhaft, ein gewisses Maß an Bewegungsfreiheit für den Kopf zuzulassen. Im Unterschied dazu beschreibt US-A-5,908,300 (Walker et al.) ein Hang-Gleit-Simulationssystem, bei dem der Kopf eines Betrachters in einer festen Position gehalten wird. Während eine derartige Lösung in der begrenzten Simulationsumgebung tolerierbar wäre, die in US-A-5,908,300 beschrieben wird, und die die gesamte optische Konstruktion eines Apparats vereinfachen könnte, wäre die Einschränkung der Kopfbewegung in einem Immersionssystem ein Nachteil. Das in US-A-5,908,300 beschriebene System verwendet eine schmale Betrachtungsapertur, die das Sehfeld wirksam begrenzt. Komplexe, konventionelle Projektionslinsen, die achsenversetzt angeordnet sind, werden in der Vorrichtung nach US-A-5,908,300 beschrieben, wobei eine Skalierung verwendet wird, um die gewünschte Austrittspupillengröße zu erreichen.
Es ist eine Reihe von Systemen entwickelt worden, um stereoskopische Effekte bereitzustellen, indem dem Betrachter über einen Strahlenteiler das kombinierte Bild von zwei Schirmen in unterschiedlichen Abständen zum Betrachter präsentiert wird, wodurch der Eindruck einer stereoskopischen Abbildung entsteht, wie in US-A-5,255,028 (Biles) beschrieben. Diese Art des Systems ist jedoch auf kleine Betrachtungswinkel begrenzt und daher nicht geeignet, um ein immersives Betrachtungserlebnis zu liefern. Bilder, die mit einem derartigen System angezeigt werden, sind zudem reale Bilder, die in dichter Nähe zu dem Betrachter präsentiert werden und somit die zuvor genannten Probleme in Bezug auf Vergenz und Akkomodation aufwerfen.
Es ist allgemein bekannt, dass ein 3D-Betrachtungssystem zur Minimierung von Vergenz- und Akkomodationseffekten stereoskopische Bildpaare, ob real oder virtuell, in einem relativ großen Abstand zum Betrachter anzeigen. Für reale Bilder bedeutet das, dass ein großer Anzeigeschirm verwendet werden muss, vorzugsweise einer, der in einem guten Abstand zum Betrachter angeordnet ist. Für virtuelle Bilder kann ein relativ kleiner, gekrümmter Spiegel verwendet werden, wie in US-A-5,908,300 (Walker) beschrieben. Der gekrümmte Spiegel dient als Kollimator , der ein virtuelles Bild in einem großen Abstand zum Betrachter bereitstellt. Ein weiteres System zur stereoskopischen Bebilderung wird in "Membrane Mirror Based Autostereoscopic Display for Tele-Operation and Telepresence Applications," in Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII, Proceedings of SPIE, Band 3957 (McKay, Mair, Mason, Revie) beschrieben, das einen dehnbaren Membranspiegel einsetzt. Obwohl die im Beitrag von McKay beschriebene Vorrichtung eine kleine Austrittspupille bereitstellt, ist es wahrscheinlich, dass diese Pupille etwas vergrößert werden kann, indem die Projektionsoptik einfach skaliert wird. Die im Beitrag von McKay beschriebene Vorrichtung hat jedoch ein eingeschränktes Sehfeld aufgrund der Verwendung konventioneller Projektionsoptiken und aufgrund von Maßeinschränkungen, die die Krümmung des Membranspiegels einschränken.
Gekrümmte Spiegel sind zudem für die Bereitstellung von realen Bildern in stereoskopischen Systemen verwendet worden, wobei die gekrümmten Spiegel nicht als Kollimatoren dienen. Derartige Systeme werden beispielsweise beschrieben in US-A-4,623,223 (Kempf) und in US-A-4,799,763 (Davis et al.). Allerdings sind derartige Systeme im Allgemeinen nur geeignet, wenn ein kleines Sehfeld benötigt wird.
Bestehende Lösungen für die stereoskopische Projektion projizieren Bilder jedoch auf einen Flachbildschirm, auch wenn das Bild dann von einer gekrümmten Oberfläche reflektiert wird. Dies kann zu einer unerwünschten Verzerrung und anderen Bildaberrationen führen, was das Sehfeld einschränkt und die Gesamtqualität des Bildes begrenzt.
Aus optischer Perspektive wäre eine autostereoskopische Konstruktion mit Pupillenabbildung vorteilhaft. Ein System, das auf die Pupillenabbildung ausgelegt ist, muss den linken und rechten Pupillen entsprechend getrennte Bilder liefern und die natürlichsten Betrachtungsbedingungen bereitstellen, wobei auf Brillen oder spezielle Aufsatzgeräte verzichtet wird. Außerdem wäre es für ein derartiges System vorteilhaft, die größtmöglichen Pupillen bereitzustellen, um eine Bewegungsfreiheit und ein ultraweites Sehfeld zu ermöglichen. In der optischen Technik ist bekannt, dass es schwierig sein kann, jede einzelne dieser Anforderungen zu erfüllen. Ein ideales autostereoskopisches Bebilderungssystem muss beide Anforderungen erfüllen und ein zufriedenstellendes und realistisches Betrachtungserlebnis vermitteln. Außerdem muss ein derartiges System eine ausreichende Auflösung für eine realistische Abbildung mit hoher Helligkeit und starkem Kontrast liefern. Die physischen Einschränkungen eines Systems mit kleiner Stellfläche sowie die maßlichen Einschränkun gen bezüglich der interokularen Trennung sind ebenfalls zu berücksichtigen, so dass getrennte Bilder, die auf jedes Auge gerichtet werden, vorteilhaft beabstandet und entsprechend zur Betrachtung getrennt werden. Die Einschränkungen bezüglich des interokularen Abstands schränken das Vermögen ein, einen größeren Pupillendurchmesser bei einem gegebenen ultraweiten Feld, durch einfaches Skalieren der Projektionslinse zu erzielen.
Monozentrische Abbildungssysteme weisen wesentliche Vorteile in Bezug auf die hoch aufgelöste Bebilderung flacher Objekte auf, wie in US-A-3,748,015 (Offner) beschrieben, worin eine Anordnung kugelförmiger Spiegel mit koinzidierenden Krümmungsmittelpunkten in einem Abbildungssystem beschrieben wird, das für eine 1:1-Vergrößerung vorgesehen ist. Die in US-A-3,748,015 beschriebene monozentrische Anordnung minimiert eine Reihe von Bildaberrationen und ist konzeptionell einfach, was eine vereinfachte optische Konstruktion für hochauflösende katoptrische Abbildungssysteme ermöglicht. Eine monozentrische Anordnung der Spiegel und Linsen ist ebenfalls bekannt, um teleskopischen Systemen mit großem Sehfeld Vorteile zu verleihen, wie in US-A-4,331,390 (Shafer) beschrieben. Während die Vorteile einer monozentrischen Konstruktion in Bezug auf den insgesamt einfachen Aufbau und eine Minimierung von Verzerrungen und optischen Aberrationen klar sind, kann ein derartiges Konstruktionskonzept in einem Immersionssystem schwierig zu implementieren sein, das ein großes Sehfeld und große Austrittspupillen bei relativ kleiner Standfläche erfordert. Außerdem würde eine vollständig monozentrische Konstruktion die Anforderungen nach einer voll stereoskopischen Abbildung nicht erfüllen, wofür getrennte Bilder für die linke und rechte Pupille erforderlich sind.
Wie in US-A-5,908,300 beschrieben, sind Weitwinkel-Projektionslinsen als Projektionslinsen in einer autostereoskopischen Anzeige mit Pupillenbebilderung einsetzbar. Allerdings gibt es eine Reihe von Nachteilen bei konventionellen Ansätzen. Weitwinkellinsensysteme, die Blickwinkel liefern, wie sie für eine effektive Immersionsbetrachtung erforderlich wären, wären sehr komplex und kostspielig. Typische Weitwinkellinsen für Großformatkameras, wie beispielsweise das Biogon^TM Objektiv von der Carl-Zeiss-Stiftung in Jena, Deutschland, kann beispielsweise Blickwinkel von 75 Grad anzeigen. Das Biogon-Objektiv besteht aus sieben Linsen, hat einen Durchmesser von mehr als 80 mm und besitzt eine Pupillengröße von 10 mm. Für größere Pupillen muss das Objektiv skaliert werden; allerdings macht der große Durchmesser eines solchen Objektivs die Konstruktion eines auto stereoskopischen Immersionssystems recht schwierig in Bezug auf die interokulare Distanz bei der Betrachtungsposition. Ein kostspieliges Anpassen der Objektive, so dass die Anordnung für das rechte und das linke Auge nebeneinander angeordnet werden kann, um ein Linsenpupillenpaar zu schaffen, das mit dem Interokularabstand des Menschen übereinstimmt, erzeugt erhebliche Fertigungsprobleme. Die Einschränkungen in Bezug auf den Interokularabstand schränken die räumliche Anordnung der Projektionsvorrichtung für jedes Auge ein und schließen die Skalierung der Pupillengröße durch einfaches Skalieren der Linse aus. Außerdem ermöglicht ein effektives Immersionssystem ein sehr großes Sehfeld, vorzugsweise von über 90°, und würde große Austrittspupillendurchmesser liefern, vorzugsweise größer als 20 mm.
Als eine Alternative zu Anwendungen mit großen Sehfeldern wurden Kugellinsen für spezielle optische Funktionen verwendet, insbesondere miniaturisierte Kugellinsen zur Verwendung in Kupplungs- und Übertragungsanwendungen für Faseroptiken, wie in US-A-5,940,564 (Jewell) beschrieben, worin die vorteilhafte Verwendung einer Miniaturkugellinse innerhalb einer Kupplungsvorrichtung beschrieben wird. Im größeren Maßstab sind Kugellinsen innerhalb einer astronomischen Nachführungsvorrichtung verwendbar, wie in US-A-5,206,499 (Mantravadi et al.) beschrieben. In US-A-5,206,499 wird die Kugellinse verwendet, weil sie ein großes Sehfeld von über 60° bei minimalen Aberrationen durch Aberrationen aufgrund von Achsenversatz oder Verzerrungen hat. Insbesondere wird die Abwesenheit einer eindeutigen optischen Achse vorteilhaft genutzt, so dass jeder Hauptstrahl, der durch die Kugellinse tritt, so betrachtet werden kann, dass er seine eigene optische Achse definiert. Aufgrund des geringen Lichtabfalls in Bezug auf Winkeländerungen des einfallenden Lichts wird eine einzelne Kugellinse vorteilhaft genutzt, um Licht aus dem Raum auf eine Vielzahl von Sensoren in dieser Anwendung zu lenken. Fotosensoren am Ausgang der Kugellinse sind entlang einer gekrümmten Brennebene angeordnet.
Die Vorteile einer Kugellinse für die Weitwinkelabbildung werden auch in einer Vorrichtung zur Ermittlung der Raumfahrzeuglage verwendet, wie in US-A-5,319,968 (Billing-Ross et al.) beschrieben. Hier lenkt ein Spiegelarray Lichtstrahlen durch eine Kugellinse. Die Form dieser Linse ist vorteilhaft, weil die Strahlen, die durch die Linse treten, senkrecht auf die Bildoberfläche einfallen. Die Lichtstrahlen werden somit zur Mitte der Linse gebrochen, wodurch ein Abbildungssystem ein breites Sehfeld erhält.
Eine weitere spezialisierte Verwendung von Kugellinseneigenschaften wird in US-A-4,854,688 (Hayford et al.) beschrieben. Bei der optischen Anordnung in Patent US-A-4,854,688, das die Übertragung eines an einem Röhrenbildschirm erzeugten zweidimensionalen Bildes entlang einer nicht linearen Bahn betrifft, wie beispielsweise zu einem Headgear für einen Piloten, stellt eine Kugellinse ein kollimiertes Eingabebild, das optisch im Unendlichen liegt, dem Piloten zur Betrachtung bereit.
Eine weitere Nutzung der Weitwinkeleigenschaften einer Kugellinse wird in US-A-4,124,978 (Thompson) beschrieben, welche die Verwendung einer Kugellinse als Teil einer Objektivlinse in binokularen Optiken für die Nachtsicht beschreibt.
Unter Bezug auf die vorstehend genannten Patente US-A-4,124,978 und 4,854,688, die die Verwendung einer Kugellinse in der Bildprojektion beschreiben, gibt es Überlegungen, die Fähigkeit von Kugellinsen für ein breites Sehfeld in Verbindung mit Unterstützungsoptiken zu nutzen. Allerdings bestehen erhebliche Probleme, die gelöst werden müssen, um derartige Vorrichtungen für immersive Abbildungsanwendungen wirksam zu nutzen, insbesondere wenn ein Bild elektronisch zur Projektion verarbeitet wird. Beispielsweise liefern konventionelle elektronische Bilddarstellungstechniken, die auf Geräte, wie beispielsweise Raumlichtmodulatoren zurückgreifen, ein Bild auf einer flachen Oberfläche. Die Leistung von Kugellinsen mit einer flachen Bebilderung ist jedoch extrem schlecht.
Es gibt zudem andere grundlegende optische Einschränkungen für Immersionssysteme, die mit jeder Art der optischen Projektion gelöst werden müssen, die ein breites Sehfeld erzeugt. Eine wichtige Beschränkung wird durch die Lagrange-Invariante auferlegt. Ein Abbildungssystem entspricht der Lagrange-Invariante, nach der das Produkt der Pupillengröße und des Halbfeldwinkels gleich dem Produkt der Bildgröße und der numerischen Apertur ist und für das optische System eine Invariante darstellt. Dies kann eine Einschränkung darstellen, wenn ein relativ kleiner Raumlichtmodulator oder ein ähnliches Pixelarray als Bildgenerator erzeugt wird, der über eine relativ kleine numerische Apertur arbeitet, da der dieser Vorrichtung zugeordnete Lagrange-Wert klein ist. Ein monozentrisches Abbildungssystem, das ein großes Sichtfeld mit einer großen Pupillengröße bereitstellt (d.h. einer großen numerischen Apertur), hat inhärent einen großen Lagrange-Wert. Wenn dieses monozentrische Abbildungssystem mit einem Raumlichtmodulator verwendet wird, der einen kleinen Lagrange-Wert hat, wird entweder das Feld oder die Apertur des Abbildungssystems oder beides aufgrund nicht übereinstimmender Lagrange-Werte unterfüllt. Eine detaillierte Beschreibung der Lagrange-Invariante ist zu finden in Modern Optical Engineering, The Design of Optical Systems von Warren J. Smith, herausgegeben bei McGraw-Hill, Inc., Seite 42–45.
Die US-Parallelanmeldungen 09/738,747 und 09/854,699 nutzen den Vorteil der Möglichkeiten für eine Projektion mit breitem Sehfeld durch Verwendung einer Kugellinse in einem autostereoskopischen Abbildungssystem. In beiden dieser Parallelanmeldungen wird das Ausgangsbild, das der projizierenden Kugellinse für jedes Auge bereitgestellt wird, als ein vollständiges, zweidimensionales Bild präsentiert. Die in jeder dieser Anmeldungen beschriebene Bildquelle ist ein zweidimensionaler Array, etwa ein LCD, ein DMD oder eine ähnliche Vorrichtung. Die Bildquelle könnte alternativ ein Röhrenbildschirm sein, welcher – obwohl mithilfe eines Elektronenstrahls erzeugt – ein vollständiges, zweidimensionales Bild für die Kugellinsen-Projektionsoptik bereitstellt.
Bei Bereitstellung eines vollständigen, zweidimensionalen Bildes sind einige inhärente Einschränkungen zu beachten. Idealerweise wird ein gekrümmtes Bildfeld bevorzugt, wobei der Krümmungsmittelpunkt dieses Feldes mit dem Mittelpunkt der Kugellinsen zusammenfällt, da diese Anordnung Feldaberrationen minimiert. Allerdings erfordert die Bereitstellung eines gekrümmten Bildfeldes entweder eine Krümmung der Bildquelle selbst oder die Bereitstellung einer zusätzlichen Blende oder spezieller Relaisoptiken in der Bebilderungsbahn. Einen zweidimensionalen Bildarray zu krümmen, um eine sphärische Krümmung der Bildquelle zu erzielen oder annähernd zu erzielen, wäre schwierig und kostspielig. Die Verwendung einer Blende oder spezieller Relaisoptiken mit einem planen Bildarray hat Nachteile, unter anderem aufgrund zusätzlicher Kosten und einem Helligkeitsverlust. Die Erhaltung einer für die Projektion ausreichenden Helligkeit ist von Bedeutung, wenn zwei kleindimensionierte Arrays verwendet werden, da dies ohne spezielle Konstruktionstechniken und kostspieligere Komponenten schwierig zu erreichen sein kann. Es liegt daher auf der Hand, dass Verbesserungen der Gesamtkosten der Systemoptik für die Erzeugung und Projektion von Bildern für die stereoskopische Betrachtung möglich sind.
Kugellinsen und Kugellinsensegmente kommen als Abtastkomponenten in Sensoranwendungen für die optische Abtastung eines breiten Sehfeldes zum Einsatz. US-A-6,233,100 (Chen et al.) beschreibt ein konzentrisches Sensorabtastsystem, das ein drehbares Abtast-Kugellinsensegment mit einer oder mehreren Reflexionsfacetten verwendet. In dem in US-A-6,233,100 beschriebenen System lenkt die Drehung einer Kugellinse oder eines Kugellinsensegments die eintreffende Strahlung auf eine konzentrische Reihe von Sensoren. Die Konstruktionen vorhandener Projektionssysteme verwenden allerdings konventionelle Komponenten für die Projektoroptik und haben dadurch eine mögliche Verwendung von Kugellinsen oder Kugellinsensegmenten als Abtastkomponenten für die Projektion von Licht im Abtastverfahren zur Erzeugung eines Bildes nicht berücksichtigt.
Aus dem Gesagten wird deutlich, dass es zwar einige konventionelle Ansätze gibt, die einige der Ansätze für eine stereoskopische Bebilderung erfüllen, aber dass Bedarf nach einer verbesserten autostereoskopischen Bebilderung für die Betrachtung elektronisch erzeugter Bilder besteht, wobei diese Lösung eine strukturell einfache Vorrichtung bereitstellt, die Aberrationen und Bildverzerrung minimiert und die hohen Anforderungen nach einem breiten Sehfeld, großer Pupillengröße, hoher Helligkeit und niedrigen Kosten erfüllen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monozentrische, autostereoskopische optische Vorrichtung zur Betrachtung eines stereoskopischen virtuellen Bildes bereitzustellen, das aus einer Anordnung von Bildpixeln besteht, wobei das stereoskopische virtuelle Bild aus einem von einem Betrachter mit einer linken Betrachtungspupille betrachtbaren linken Bild und aus einem von einem Betrachter mit einer rechten Betrachtungspupille betrachtbaren rechten Bild besteht, mit:

a) einem linken Bilderzeugungssystem zum Erzeugen eines linken Zwischenbildes als zweidimensionales Bild und einem rechten Bilderzeugungssystem zum Erzeugen eines rechten Zwischenbildes als zweidimensionales Bild, wobei das linke und das rechte Bilderzeugungssystem aus separaten Bauteilen ähnlich aufgebaut sind, und jedes Bilderzeugungssystem umfasst: a1) eine lineare Bildquelle zum Ausbilden einer Zeile von Quellenpixeln; a2) eine abtastenden Kugellinsenanordnung zum Projizieren der Zeile von Quellenpixeln zum Erzeugen eines Zwischenzeilenbildes, wobei die Kugellinsenanordnung umfasst: a2a) mindestens eine reflektierende Fläche zum Reflektieren von Licht von der Zeile aus Quellenbildpixeln zum Zwischenzeilenbild; a2b) ein Kugellinsensegment mit einer abtastenden Kugellinsenpupille, wobei das Kugellinsensegment einen Krümmungsmittelpunkt auf der mindestens einen reflektierenden Fläche hat; a3c) wobei die abtastende Kugellinsenanordnung um eine Achse drehbar ist und eine Reihe von Zwischenzeilenbildern erzeugt, um dadurch nacheinander die zweidimensionalen Zwischenbilder als abgetastete zweidimensionale Bilder zu erzeugen;
b) einem gekrümmten Spiegel mit einem Krümmungsmittelpunkt, der im Wesentlichen optisch auf halber Strecke zwischen der abtastenden Kugellinsenanordnung für das linke Bilderzeugungssystem und der abtastenden Kugellinsenanordnung für das rechte Bilderzeugungssystem liegt;
c) einem Strahlenteiler, der einen optischen Strahlengang vom linken Bilderzeugungssystem umlenkt, um das linke Zwischenbild in der Nähe einer vorderen Brennebene des gekrümmten Spiegels zu erzeugen, und der einen optischen Strahlengang vom rechten Bilderzeugungssystem umlenkt, um das rechte Zwischenbild in der Nähe der vorderen Brennebene des gekrümmten Spiegels zu erzeugen; und
d) wobei der gekrümmte Spiegel das virtuelle stereoskopische Bild der linken und rechten Zwischenbilder erzeugt und durch den Strahlenteiler ein reales Bild der linken abtastenden Kugellinsenpupille an der linken Betrachtungspupille und ein reales Bild der rechten abtastenden Kugellinsenpupille an der rechten Betrachtungspupille entsteht.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer monozentrischen Anordnung optischer Komponenten, wodurch die Konstruktion vereinfacht, Aberrationen minimiert und ein breites Sehfeld mit großen Austrittspupillen bereitgestellt wird.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer linearen Bildquelle, wie beispielsweise einer Kombination aus einer abgetasteten Punktquelle und einer diffusen Oberfläche oder einem linearen Array aus Lichtquellen, die von einem Kugellinsensegment mit einer reflektierenden Oberfläche abgetastet werden, um ein gescanntes Zwischenbild zu erzeugen.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass sie eine Zahl von Konfigurationen ermöglicht, einschließlich Konfigurationen, die die Zahl der erforderlichen optischen Komponenten minimiert, und sogar einschließlich Konfigurationen, die den Verzicht auf einen Strahlenteiler ermöglichen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Notwendigkeit einer kostspieligen zweidimensionalen Oberfläche als Bildquelle entfällt und diese durch eine preisgünstigere gescannte Punktquelle oder ein lineares Array ersetzt wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie die Verwendung preisgünstiger, heller Lichtquellen zur Erzeugung eines Zwischenbildes für die Projektion ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine kompakte Anordnung optischer Komponenten vorsieht, die in einem Anzeigesystem mit kleiner Stellfläche verpackt werden können.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine hoch aufgelöste stereoskopische, elektronische Bebilderung mit großer Helligkeit und hohem Kontrast und einem sehr breiten Sehfeld ermöglicht. Die vorliegende Erfindung stellt ein System bereit, das sehr lichteffizient ist und große Helligkeitspegel für die Projektion liefert.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine Lösung für die stereoskopische Projektion mit breitem Sehfeld liefert, die im Vergleich mit den Kosten konventioneller Projektionslinsensysteme preisgünstig ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine stereoskopische Betrachtung liefert, ohne dass ein Betrachter eine Brille oder sonstige Vorrichtung tragen muss.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie eine Austrittspupille von ausreichender Größe für eine unkritische Ausrichtung eines Betrachters in Bezug zur Anzeige ermöglicht.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und beschrieben wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der Hauptkomponenten der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in einem autostereoskopischen Bebilderungssystem;
2a und 2b eine schematische Seiten- bzw. Draufsicht zur Darstellung der im Wesentlichen konzentrischen Beziehung der Projektionsoptik in einer optisch ungefalteten Darstellung;
3 eine schematische Ansicht zur Darstellung der konzentrischen Beziehung der Projektionsoptik, wie von dem System benutzt, in einer optisch gefalteten Darstellung;
4 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Abtastvorgangs, der sich aus der Zusammenarbeit einer linearen Bildquelle und einer Kugellinsen-Abtastvorrichtung für ein linkes oder rechtes Bild ergibt;
5 eine Seitenansicht zur Darstellung der Beziehung der gekrümmten linearen Bildquelle und der Kugellinsen-Abtastvorrichtung;
6 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung bei stark vergrößerten Details des Vorgangs, wie aufeinanderfolgende Pixelzeilen zur Ausbildung eines Zwischenbildes abgetastet werden;
7a–7c Draufsichten zur Darstellung der Beziehung der gekrümmten linearen Bildquelle und der Kugellinsen-Abtastvorrichtungen und des Zusammenwirkens dieser Komponenten zur Erzeugung eines abgetasteten Zwischenbildes;
8 eine Schnittansicht zur Darstellung der Zusammensetzung der Kugellinsen-Abtastvorrichtung;
9 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der Hauptkomponenten der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung für ein alternatives Ausführungsbeispiel eines autostereoskopischen Bebilderungssystems unter Verwendung eines gekrümmten Spiegels und im Wesentlichen paraxialer Optiken;
10 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der Hauptkomponenten der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung für ein alternatives Ausführungsbeispiel eines autostereoskopischen Bebilderungssystems unter Verwendung eines Fresnel-Spiegels und im Wesentlichen paraxialer Optiken;
11 eine perspektivische schematische Ansicht von Lichtquellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
12 ein lineares Array aus Lichtquellen und Linsen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abtast-Elektronenstrahllichtquelle.
14 eine schematische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels unter Verwendung einer Resonanzfaseroptikabtastung für die Lichtquelle; und
15 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels der Kugellinsen-Abtastvorrichtung unter Verwendung einer Strahlenteilerfläche.
Die vorliegende Beschreibung betrifft insbesondere Elemente, die einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden oder direkt damit zusammenwirken. Es sei darauf hingewiesen, dass nicht ausdrücklich gezeigte oder beschriebene Elemente verschiedene Formen annehmen können, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines autostereoskopischen Abbildungssystems 10. Ein Betrachter 12 wird üblicherweise in Position gesetzt, um ein virtuelles stereoskopisches Bild aus linken und rechten Betrachtungspupillen 14l und 14r zu sehen. Optimale Betrachtungsbedingungen werden erzielt, wenn die linke und rechte Augenpupille 68l bzw. 68r mit der Position der entsprechenden linken und rechten Betrachtungspupille 14l bzw. 14l zusammenfällt.
Ein System 701 zur Erzeugung des linken Bildes, das eine linke Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l und eine linke lineare Bildquelle 361 umfasst, projiziert das für die linke Betrachtungspupille 14l vorgesehene Bild. Entsprechend projiziert ein System 70r zur Erzeugung des rechten Bildes, das eine rechte Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100r und eine rechte lineare Bildquelle 36r umfasst, das für die rechte Betrachtungspupille 14r vorgesehene Bild. Das System 701 zur Erzeugung des linken Bildes richtet ein Bild auf einen Strahlenteiler 16, der zwischen dem Betrachter 12 und einem gekrümmten Spiegel 24 angeordnet ist. Ein linkes Zwischenbild 761 wird in Nähe der Brennebene 22 des gekrümmten Spiegels 24 ausgebildet. Das linke Zwischenbild 76l wird an der linken Pupille 14l als virtuelles Bild 106 dargestellt, was dem Betrachter 12 so erscheint, als befinde sich das Bild hinter dem gekrümmten Spie gel 24. Auf ähnliche Weise richtet das rechte Bilderzeugungssystem 70r ein Bild auf den Strahlenteiler 16, der zwischen dem Betrachter 12 und einem gekrümmten Spiegel 24 angeordnet ist. Ein rechtes Zwischenbild 76r wird in Nähe der Brennebene 22 des gekrümmten Spiegels 24 ausgebildet. Das rechte Zwischenbild 76r wird an der rechten Pupille 14r als virtuelles Bild 106 dargestellt, was dem Betrachter 12 so erscheint, als befinde sich das Bild hinter dem gekrümmten Spiegel 24. Im Ergebnis wird dem Betrachter 12 damit ein virtuelles stereoskopisches Bild dargestellt, das ein getrenntes linkes und rechtes Bild umfasst. Das virtuelle stereoskopische Bild scheint hinter dem gekrümmten Spiegel 24 zu liegen, und zwar irgendwo zwischen der Rückseite des gekrümmten Spiegels 24 und unendlich.
Die folgende Beschreibung konzentriert sich hauptsächlich auf die optischen Komponenten, die Licht auf die Betrachtungspupille 14l oder 14r lenken. Es sei darauf hingewiesen, dass ähnliche optische Komponenten für das System zur Erzeugung des linken Auges und das System zur Erzeugung des rechten Auges verwendet werden, also für die linken und rechten optischen Strahlengänge. Es sei klargestellt, dass die folgende Beschreibung für die Komponenten des Systems zur Erzeugung des linken Auges und des Systems zur Erzeugung des rechten Auges gilt. Eine Unterscheidung zwischen dem rechten und linken Strahlengang wird nur vorgenommen, wenn dies zur Präzisierung notwendig ist. (Der Suffix "l" oder "r" an den Bezugsziffern für Teile wird aus diesem Grund in der Beschreibung ausgelassen, sofern er nicht benötigt wird.)
Es sei darauf hingewiesen, dass, wie in 1 gezeigt, das vom Betrachter betrachtete stereoskopische Bild aus zwei Komponenten besteht. Wie in 1 gezeigt, kreuzen sich der linke und rechte Strahlengang im System 10 aufgrund der Abbildung durch einen gekrümmten Spiegel 24.
1 zeigt eines der zu lösenden Hauptprobleme aus der Perspektive der optischen Konstruktion sowie eine Übersicht der von der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Lösung. Es ist zweckdienlich, die grundlegenden konstruktiven Überlegungen zu betrachten, die zur Erzielung einer möglichst lebensechten stereoskopischen Betrachtung notwendig sind. Um einem Betrachter 12 ein effektives Immersionserlebnis zu verschaffen, ist ein breites Sehfeld wichtig, das größer als 60° ist, wie es dem Stand der Technik entspricht. Um komfortabel vom Betrachter 12 verwendet werden zu können, müssen die Betrachtungspupillen 14l, 14r ausreichend groß sein. Als Konstruktionsziel ist das erfindungsgemäße System 10 vorgesehen, ein Sehfeld von mindestens 90° bereitzustellen, wobei der Durchmesser der Betrachtungspupille 14 größer als 20 mm ist. Um ein betrachtbares stereoskopisches, virtuelles Bild über einen Bereich von Interokularabständen des Menschen zu erhalten, werden die Kugellinsen-Abtastvorrichtungen 100l und 100r um einen entsprechenden, empirisch ermittelten Interaxialabstand voneinander getrennt.
Alternativ hierzu könnte der Interaxialabstand zwischen der linken Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l und der rechten Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100r manuell auf die Interokularmaße des Betrachters 12 eingestellt werden, oder diese Abstände könnten von dem System 10 automatisch gemessen und eingestellt werden. Die Komponenten des Systems 70l zur Erzeugung des linken Bildes und des Systems 70r zur Erzeugung des rechten Bildes könnten auf einem Ausleger montiert werden, der es ermöglicht, jedes Bilderzeugungssystem 70l/70r in Bezug zueinander zu bewegen, um Differenzen der Interokularabstände auszugleichen. Es wird Bezug genommen auf die US-Parallelanmeldung 09/854,699, die die automatische Erfassung und Einstellung von Projektionsvorrichtungen für das linke und rechte Auge mithilfe von Kugellinsen beschreibt. Die in der genannten Anmeldung genannte Regelkreisvorrichtung und die zugehörigen Verfahren könnten auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden.
Monozentrische Konstruktion des Strahlengangs
Die monozentrische Anordnung der optischen Komponenten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet eine Reihe deutlicher Vorteile zur Minimierung von Bildabberationen und zur Maximierung des Sehfeldes. 2a zeigt eine Seitenansicht der optisch konzentrischen Beziehung der Hauptkomponenten in dem Strahlengang in nicht gefalteter Form, die sowohl auf das System 701 zur Erzeugung des linken Bildes als auch auf das System 70r zur Erzeugung des rechten Bildes anwendbar ist. Wie in der Draufsicht von 2b gezeigt, ist der Krümmungsmittelpunkt des Spiegels 24 C_s auf halber Strecke zwischen der linken und rechten Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l bzw. 100r angeordnet. In der allgemeinen Darstellung von 2a erzeugt die lineare Bildquelle 36, die vorzugsweise gekrümmt ist und deren Krümmungsradienmittelpunkt in der mit C oder C_s bezeichneten Mitte liegt, als Quellenpixel jeweils eine schmale Linie des zu projizierenden Bildes. Die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 projiziert die Linie der Quellenpixel von der linearen Bildquelle 36 zur Ausbil dung eines Zwischenbildes 76. Wie in 2a dargestellt, ist das Zwischenbild 76 ebenfalls gekrümmt, und teilt sich in der Mitte C mit der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 denselben Krümrnungsmittelpunkt. Wie in 1 und 2a gezeigt, befindet sich das Zwischenbild 76 in Nähe der Brennebene 22 des gekrümmten Spiegels 24. Der Brennpunkt F_mirror des gekrümmten Spiegels 24 liegt im Schnittpunkt der Brennebene 22 mit der optischen Achse O. Der gekrümmte Spiegel 24 ist vorzugsweise kugelförmig und teilt sich ebenfalls den Krümmungsmittelpunkt in der Mitte C mit der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100.
Es sei darauf hingewiesen, dass 2a eine allgemeine, erste Näherung der Beziehungen der Komponenten im ungefalteten Strahlengang zeigt. Die Draufsicht von 2b stellt die tatsächliche Lage des Krümmungsmittelpunkts des gekrümmten Spiegels 24 dar, der mit C_s bezeichnet ist, und zwar in der Mitte zwischen den Krümmungsmittelpunkten für die linke und rechte Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l bzw. 100r, die mit C_l bzw. C_r bezeichnet sind. Interessant ist, dass die ideale Anordnung der linken und rechten Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l bzw. 100r für den Betrachter 12 so wäre, dass deren reale Bilder, die von dem gekrümmten Spiegel 24 erzeugt werden, der Position und dem Interokularabstand der linken und rechten Betrachtungspupille 14l bzw. 14r entsprechen.
Wie in 1 gezeigt, liegt die optimale Position des Zwischenbildes 76 innerhalb eines Bereichs, der als „nahe" Brennebene 22 betrachtet werden kann. Der bevorzugte Bereich erstreckt sich von der Brennebene 22 selbst als äußere Grenze bis zu ungefähr 20% des Abstands zwischen der Brennebene 22 und der Oberfläche des gekrümmten Spiegels 24 als innere Grenze. Wenn das Zwischenbild 76 zwischen der Brennebene 22 und dem Betrachter 12 ausgebildet würde, erschien das virtuelle Bild 106 unscharf.
Da die Abtastvorrichtung 100 kugelförmig ist und der Krümmungsmittelpunkt im Punkt C liegt, wie die ungefaltete Anordnung von 2a zeigt, kann ein breites Sehfeld mit minimaler Bildaberration bereitgestellt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Konstruktion der vorliegenden Erfindung für eine Pupillenvergrößerung von eins optimiert ist; allerdings ist eine gewisse Abweichung von dem Faktor eins innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung möglich.
3 zeigt eine Seitenansicht der gefalteten optischen Anordnung aus 2a, aus der hervorgeht, wie die Betrachtungspupille 14 durch Hinzufügen eines Strahlenteilers 16 ausgebildet wird. Der Strahlenteiler 16 lenkt das Licht, das von der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 projiziert wird, derart, dass ein Zwischenbild 76 entsteht. Das von dem gekrümmten Spiegel 24 gebildete virtuelle Bild 106 ist somit durch den Strahlenteiler 16 an der Betrachtungspupille 14 sichtbar.
Es ist zu berücksichtigen, dass die in 2a und 3 dargestellten Strahlengänge sowie die folgenden dupliziert sind, wobei voneinander unabhängige Systeme zur Erzeugung des linken und rechten Bildes 70l bzw. 70r verwendet werden.
Betrieb des Bilderzeugungssystems 70
Die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 dient als Auflichtscanner und als Projektionslinse. In 4 bis 7 werden sowohl Abtast- als auch Projektionsfunktionen gezeigt. Eine Reflexionsfläche 102 innerhalb der Kugellinsen-Abtastvorrichtung, wie in 5 gezeigt, führt die Abtastfunktionen durch, wie sie weitgehend dem Abtastspiegel oder Polygon in der Technik der optischen Abtastung entspricht. Bei dieser Abtastfunktion dreht sich die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 um eine Achse A, um nacheinander jede einzelne Linie des Zwischenbildes 76 zu projizieren, während die Linie von der linearen Bildquelle 36 erzeugt wird.
Die lineare Bildquelle 36 liefert dem Bilderzeugungssystem 70 eine Linie aus Quellenpixeln, die aus den Bilddaten erzeugt werden. Wie in der Technik der elektronischen Bebilderung bekannt ist, gibt es eine Reihe allgemeiner Verfahren, die zur Erzeugung einer Linie aus Quellenpixeln üblich sind. Beispielsweise kann eine Linie aus Quellenpixeln durch Abtasten eines einzelnen Strahls über eine darauf ansprechende Fläche in einem linearen Muster erzeugt werden, wie dies bei konventionellen Röhrenbildschirmen üblich ist. Alternativ hierzu kann eine Linie aus Quellenpixeln von einem Array einzelner Lichtquellen erzeugt werden, die in einem entsprechenden Muster beleuchtet werden. In einer konkreten Vorrichtung würde die Wahl eines Verfahrens gegenüber einem anderen auf Faktoren, wie Kosten, Helligkeitsbedarf, Geschwindigkeit, Komponentengröße usw. beruhen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Array aus einzelnen Lichtquellen verwendet, um eine Linie aus Quellenpixeln zu erzeugen, wie in 5 und 6 gezeigt. Alternative Verfahren und Variationen zur Erzeugung einer Linie aus Quellenpixeln sowie Überlegungen zu deren Verwendung werden nachstehend beschrieben.
Wie in 5 gezeigt, umfasst eine lineare Bildquelle 36 eine Vielzahl von Lichtquellen 110, die entsprechende Quellenpixel 104 in linearer Anordnung bereitstellen. Wie insbesondere in 5 gezeigt wird, ist die lineare Bildquelle 36 vorzugsweise so gekrümmt, dass jedes Quellenpixel 104 in einem äquivalenten radialen Abstand r zum Mittelpunkt C der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 liegt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jede Lichtquelle 110 eine helle LED, wie beispielsweise die LED-Lampen von der Nichia Corporation mit Sitz in Tokushima, Japan, aus der NSP-Serie (Gallium Indium Nitride). Die lineare Bildquelle 36 könnte alternativ aus einer LED-Lichtleiste gefertigt sein, wie die HLCP- und HLMP-Serie von Agilent Technologies, Inc. Ein weiterer Typ einer linearen Bildquelle könnte nach der GaAsP-Technik (Gallium Arsenide Phosphide) unter Verwendung von Vorrichtungen hergestellt werden, die von Optotek, Ltd., Ontario, Kanada, gefertigt werden. Die lineare Bildquelle 36 wird selbst von einer (nicht gezeigten) Bebilderungsschaltung gesteuert, die ein Bild jeweils als ein Array aus Quellenpixeln 104 bereitstellt, die in einer Folge koordiniert werden, die mit der Drehzahl der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 synchron ist.
Wenn die lineare Bildquelle 36 einzelne Lichtquellen 110 als Arrayelemente umfasst, kann die Modulation jeder einzelnen Lichtquelle 110 mithilfe bekannter Techniken zur Modulation der Lichtausgabe durchgeführt werden. Konventionelle Verfahren umfassen die Impulsbreitenmodulation und die Amplitudenmodulation. Die bitorientierte Impulsbreitenmodulation kann beispielsweise verwendet werden, wobei die an die Lichtquelle 110 zur Erzeugung einer Linie gelieferte gesamte Energie die Summe der Impulsbreiten ist, beispielsweise mit einer Bittiefe von 8 Bit. Die Amplitudenmodulation arbeitet durch einfache Variation des Ansteuerungsstroms, der an die Lichtquelle 110 zur Erzeugung einer Linie angelegt wird. Eine Kombination aus Impulsbreitenmodulation und Amplitudenmodulation wäre alternativ verwendbar, um einen erweiterten Dynamikbereich zu liefern.
Wie 5 zeigt, hat die lineare Bildquelle 36 getrennte Farbkomponenten, um ein Farbbild zu projizieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die lineare Bildquelle 36 einen roten linearen Array 136r, einen grünen linearen Array 136g und einen blauen linearen Array 136b. In einer in der Technik der Farbprojektion bekannten Weise bildet die relative Intensität der Lichtstrahlen rote, grüne und blaue Arrays 136r, 136g und 136b, wobei deren Überlagerung das Farbgemisch des Lichts bestimmt, das an jedem Quellenpixel 104 bereitgestellt wird.
Für die folgende Beschreibung sei angenommen, dass alle Farbkomponenten der linearen Bildquelle 36 in einer geeigneten zeitlichen Abfolge zur Farbprojektion beleuchtet werden können. Zur Vereinfachung behandelt die nachfolgende Beschreibung die lineare Bildquelle 36 als ein Array aus Quellenpixeln 104.
Abtastvorgang
6 zeigt den Abtastvorgang, mit dem die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 die Linie der Quellenpixel 104 von der Reflexionsfläche 102 projiziert, um ein Zwischenlinienbild 52 auszubilden, das eine Linie aus Bildpixeln 108 umfasst. Zu Darstellungszwecken wird nur eine kleine Zahl von Quellenpixeln 104 in 6 gezeigt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erzeugt eine lineare Bildquelle 36 eine Linie, die mindestens einige hundert einzelne Quellenpixel 104 umfasst, wobei jedes einzelne Quellenpixel 104 auf ein entsprechendes Bildpixel 108 innerhalb des Zwischenlinienbildes 52 abgebildet wird. Während sich die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 um die Achse A in Richtung R_axis dreht, werden aufeinanderfolgende Zwischenlinienbilder 52 erzeugt. Auf diese Weise wird das Zwischenlinienbild 52' an einer Stelle ausgebildet und dann, nach einem vorbestimmten Drehungsabstand der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100, wird das nächste Zwischenlinienbild 52 ausgebildet usw. Aufgrund der Eigenschaften der Projektion der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 werden die Quellenpixel 104 in der linearen Bildquelle 36 zur Ausbildung des Zwischenlinienbildes 52 invertiert. Wie in 6 gezeigt, bildet dieser fortlaufende Vorgang das Zwischenbild 76 durch Abtasten in Richtung S aus.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Abtastvorgangs des Bilderzeugungssystems 70 zur Ausbildung des Zwischenbildes 76 in Nähe der Brennebene 22 des gekrümmten Spiegels 24. Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfin dungsgemäße Verfahren ein innerhalb eines Bereichs variables Seitenverhältnis des Zwischenbildes 76 zulassen. Wie in 6 gezeigt, kann die Länge der Linie als Quellenpixeln 104, die von der linearen Bildquelle 36 erzeugt wird, ein Wert sein, der kleiner als die maximal verfügbare Linienlänge ist. In orthogonaler Richtung kann die Zahl der Linien der Quellenpixel 104 kleiner als die maximale Zahl der verfügbaren Linien sein. Durch Variieren der Zahl der Quellenpixel 104 und der Zahl der erzeugten Zwischenlinienbilder 52 kann das Bilderzeugungssystem 70 das Seitenverhältnis des Zwischenbildes 76 so optimieren, dass es zu den Leistungseigenschaften des autostereoskopischen Abbildungssystems 10 und zu den Präferenzen des Betrachters 12 passt.
7a zeigt eine Draufsicht der Drehung der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 zur Ausbildung des Zwischenbildes 76 aus jeweils einem Zwischenlinienbild 52. Wie gezeigt, wird das Zwischenbild 76 durch einen Abtastvorgang der linken und rechten Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l bzw. 100r erzeugt. 7b und 7c zeigen alternative Möglichkeiten der Drehung der linken und rechten Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l bzw. 100r in Bezug zueinander. In dem Beispiel aus 7b drehen sich die linke und rechte Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l, 100r in gleicher Richtung, während sie die Zwischenlinienbilder 52 aus einer Ausgangsposition I_l und I_r zu einer Folgeposition J_l bzw. J_r abtasten. 7c zeigt die linke und rechte Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l bzw. 100r bei Drehung in entgegengesetzter Richtung. In einem Bilderzeugungssystem 70 wären beiden Muster verwendbar.
Wie in 4 zu sehen, wird ein Motor 32 verwendet, um die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 anzutreiben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Drehzahl der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 1800 U/min. Durch Verwendung einer Reihe von Ritzeln, Riemen oder sonstigen Komponenten zur Antriebsumsetzung mit den in der Mechanik bekannten Techniken könnten die linke und rechte Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l bzw. 100r selbstverständlich auch mit einem einzelnen Motor 32 angetrieben werden.
Fertigung der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100
8 zeigt in Schnittansicht die Struktur der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Eine mittlere Kugellinse 46 ist zwischen zwei Meniskuslinsen 42 und 44 angeordnet. Die Meniskuslinsen 42 und 44 weisen Brechungsindizes sowie weitere Merkmale auf, die zur Minimierung der sphärischen und chromatischen Abberation in Achsenrichtung vorgesehen sind, wie in der optischen Technik bekannt ist. Die Anschläge 48 begrenzen die Eintrittspupille innerhalb der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100. Die Anschläge 48 brauchen nicht physisch ausgebildet zu sein, sondern können alternativ über eine interne Totalreflexion an den Grenzflächen zwischen Außenmeniskuslinse 42 und Kugellinse 46 implementiert sein.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Meniskuslinsen 42 und 44 derart gewählt, dass sie die Bildaberration reduzieren und die Bildqualität an dem Zwischenbild 76 optimieren. Es sei darauf hingewiesen, dass die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 eine beliebige Anzahl von Anordnungen der Trägerlinsen umfassen könnte, die die mittlere Kugellinse 46 umgeben. Die Oberflächen dieser Trägerlinsen würden, unabhängig davon, wie viele verwendet werden, einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt C mit der mittleren Kugellinse 46 teilen. Die für die Linsenkomponenten der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 verwendeten Brechungswerkstoffe können innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung variieren. Beispielsweise könnten die mittlere Kugellinse 46 außer aus den üblichen optischen Glaslinsen aus Kunststoff bestehen, wobei die Meniskuslinsen 42 und 44 aus Glas, Kunststoff, eingeschlossenen Flüssigkeiten oder anderen geeigneten Brechungsmaterialien bestehen könnten, die alle unter den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen. In ihrer einfachsten Ausführungsform könnte die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 einfach eine einzelne, mittlere Kugellinse 46 mit Reflexionsfläche 102 sein.
Eine plane Reflexionsfläche 102 lässt sich auf verschiedene Weise herstellen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Reflexionsfläche 102 zweiseitig auf einer Hälfte der Halbkugel für die Kugellinse 46 unter Verwendung einer Aluminiumbeschichtung ausgebildet. Die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 wird dann üblicherweise mithilfe von optischem Klebstoff zusammengesetzt, um eine Reflexionsfläche 102 auf der meridionalen Ebene der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 mit zwei gegenüberliegenden Reflexionsseiten auszubilden. Eine weitere Option, die mit höheren Kosten verbunden ist, ist eine Breitband-Interferenzbeschichtung auf einer oder beiden Halbkugeln der Kugellinse 46 zur Verbesserung des Reflexionsgrads.
Wie in 8 gezeigt, besteht die optimale Anordnung für die mechanische Drehung darin, eine Reflexionsfläche 102 als zweiseitigen Spiegel bereitzustellen, so dass ein Halbkugellinsensegment 112 auf der Oberfläche jeder Reflexionsfläche 102 angeordnet ist. Alternativ hierzu könnte die Linsenstruktur einer Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 auch einfach ein einzelnes Halbkugellinsensegment 112 sein, das nur eine einseitige Reflexionsfläche 102 aufweist. In diesem Fall müssten andere mechanische Techniken zur teilweisen Drehung der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 verwendet werden. Beispielsweise wäre es möglich, eine Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 zu verwenden, die nur ein Halbkugellinsensegment 112 aufweist, so dass die Reflexionsfläche 102 einseitig ist. Die volle Drehung würde bei einer derartigen Anordnung den Scanner-Arbeitszyklus allerdings um einen Faktor 2 reduzieren. In diesem Fall würden die zur Maximierung der Drehzahl eines Projektionssystems 10 verfügbaren Optionen mechanische Vorrichtungen umfassen, die eine Hin- und Herbewegung durch die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 ausführen. Ein derartiger Ansatz würde die Kosten und mechanische Komplexität erhöhen und zudem die Kompensation einer ungleichmäßigen Abtastgeschwindigkeit erfordern.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 nicht über ihre vollständige Drehung betreibbar ist, sondern gewisse Einschränkungen bezüglich des nutzbaren Bereichs oder Arbeitszyklus unterliegt. Wenn dies eine Einschränkung darstellt, könnte die Hin- und Herbewegung der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 einen verbesserten Arbeitszyklus liefern, der die zusätzlichen Kosten und die größere mechanische Komplexität rechtfertigt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die in 1 bis 8 gezeigte Anordnung der Komponenten einen neuartigen Ansatz auf die Herausforderungen zur Erzielung eines breiten Sehfeldes in einem Projektionssystem darstellt.
Optionen für die Anordnung des gekrümmten Spiegels 24
Zur Anpassung an den Interokularabstand des Betrachters 12 kann die tatsächliche Form des gekrüminten Spiegels 24 in gewissem Maße von einer exakten Kugelform abweichen. Eine Kugelform wäre für den gekrümmten Spiegel 24 verwendbar, um beispielsweise die achsenversetzte Pupillenaberration zu minimieren.
Bei Verwendung traditioneller Herstellungsverfahren, wie Formgebung, Schleifen und Polieren, kann der gekrümmte Spiegel 24 relativ kostspielig werden. Es kann praktischer sein, den Spiegel 24 aus zwei oder mehreren kleineren Spiegelsegmenten herzustellen, die gemeinsam zur Montage eines großen Spiegels 24 zusammengesetzt werden.
Als weiteres alternatives Ausführungsbeispiel kann der gekrümmte Spiegel 24 einen Membranenspiegel umfassen, wie beispielsweise einen SMM-Spiegel (Stretchable Membrane Mirror), dessen Krümmung durch ein kontrolliertes Vakuum bestimmt wird, das in einem luftdichten Hohlraum hinter einer gedehnten, reflektierenden Fläche erzeugt wird. Die Verwendung eines SMM-Spiegels wird in McKay im Beitrag „Membrane Mirror Based Autostereoscopic Display for Tele-Operation and Telepresence Applications", in Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII, Proceedings of SPIE, Band 3957, beschrieben.
Der gekrümmte Spiegel 24 kann alternativ mithilfe einzelner Fresnelspiegel oder mithilfe einer oder mehrerer retroreflektierender Flächen ausgeführt werden.
9 zeigt eine alternative, im Wesentlichen monozentrische Anordnung, in der die linke und rechte Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l bzw. 100r, die in Nähe der optischen Achse 25 angeordnet sind, direkt in den gekrümmten Spiegel 24 projizieren, und zwar ohne die Verwendung eines Strahlenteilers 16, wie in 1–4 gezeigt. Für eine derartige Anordnung muss der gekrümmte Spiegel 24 eine akzeptable Leistung in Bezug auf den Achsenversatz aufweisen, da die Bildbahn für jede Betrachtungspupille 14l und 14r etwas zum Krümmungsmittelpunkt C des gekrümmten Spiegels 24 versetzt sein muss. Für eine derartige Anordnung könnten asphärische Spiegel verwendet werden. Damit die Anordnung aus 9 praktikabel ist, muss das Verhältnis des Achsenversatzes (C_s zu Cm in 9) zur Brennlänge des kugelförmig gekrümmten Spiegels 24 klein sein. Als Faustregel wurde ermittelt, dass der gekrümmte Spiegel 24 mit einer Kugelfläche eine zufriedenstellende Leistung erbringen kann, vorausgesetzt, dass der Achsenversatzwinkel der linken und rechten Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l bzw. 100r innerhalb von ca. 6 Grad liegt.
Für Achsenversatzwerte von mehr als sechs Grad ist eine asphärische Oberfläche für den gekrümmten Spiegel 24 besser geeignet. Für eine derartige asphärische Oberfläche befindet sich ein erster Krümmungsmittelpunkt C_m' auf mittlerem Weg zwischen den Betrachtungs pupillen 141 und 14r. Ein zweiter Krümmungsmittelpunkt C_m befindet sich auf mittlerem Weg zwischen den entsprechenden Mittelpunkten C_l und C_r der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l und 100r. Eine derartige asphärische Konstruktion könnte toroid sein und würde in Bezug zu einer Achse E, die durch die Punkte C_m und C_m' tritt, monozentrisch sein. Im Schnitt würde ein auf diese Weise gefertigter gekrümmter Spiegel 24 elliptisch sein, wobei die Punkte C_m und C_m' als Brennpunkte der Ellipse dienen.
10 zeigt eine weitere alternative Anordnung, und zwar ebenfalls ohne Strahlenteiler 16, ähnlich der in 9 gezeigten. In 10 ist der gekrümmte Spiegel 24 ein zylindrisch gekrümmter, reflektierender Fresnelspiegel 66. Die in 10 gezeigte Anordnung der Komponenten ist in Bezug zur Achse E monozentrisch, wie in 9 gezeigt. Der reflektierende Fresnelspiegel 66 wirkt nur in eine Richtung. Der reflektierende Fresnelspiegel 66 kann beispielsweise ein aus einem flexiblen Träger hergestelltes planes Element sein, ähnlich den von Fresnel Optics, Rochester, NY, USA, hergestellten Fresnel-Optikkomponenten. Der Fresnelspiegel 66 könnte allgemein zylinderförmig um die Achse E gekrümmt sein, wie in 9 gezeigt. Wahlweise könnte der Fresnelspiegel 66 im Wesentlichen flach sein. Der Fresnelspiegel 66 würde die Austrittspupillen der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100l/100r auf die Betrachtungspupillen 14l/14r in ähnlicher Weise wie zuvor für den gekrümmten Spiegel 24 beschrieben abbilden.
Als weitere Option könnte der gekrümmte Spiegel 24 durch eine retroreflektierende Oberfläche ersetzt werden, beispielsweise eine Oberfläche mit einer im wesentlichen kugelförmigen Form, deren Krümmungsmittelpunkt mit dem der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 zusammenfällt. Eine retroreflektierende Oberfläche würde nicht den Bildkreuzungseffekt bewirken, wie er bei der Reflexion eines gekrümmten Spiegels auftritt. Es sei darauf hingewiesen, dass diese alternative Anordnung ein echtes Bild, kein virtuelles Bild erzeugen würde, wie das von dem autostereoskopischen Abbildungssystem 10 in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Optionale Ausführunsgsbeispiele für die lineare Bildquelle 36
Die lineare Bildquelle 36 ermöglicht eine Reihe von Abwandlungen des einfachen Modells des vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels. Wie unter Bezug auf 5 und 6 gesagt, liefert die lineare Bildquelle 36 ein lineares Array aus Lichtquellen 110, wobei jede Lichtquelle 110 als Quellenpixel 104 dient. Idealerweise kann ein Array aus Lichtquellen 110 derart konfiguriert werden, dass es die nötige Beabstandung und Krümmung aufweist, um als lineare Bildquelle 36 zu dienen. In der Praxis können jedoch gerätetechnische Einschränkungen auftreten, die einer gewissen Modifikation des Idealmodells bedürfen. Beispielsweise können die nötigen Abstände für die Lichtquellen 110 das Maß überschreiten, das erforderlich ist, um die Lichtquellen 110 in einer einzelnen Linie anordnen zu können. 11 zeigt ein Beispiel einer linearen Bildquelle 36, in der die Lichtquellen 110 in mehreren Reihen 130a und 130b angeordnet werden müssen. Die Quellenpixel 104 würden dann miteinander verzahnt sein, um ein einzelnes Linienbild 52 (6) zu erzeugen. Die Abtastung würde die Reihen 130a und 130b nacheinander in einer zeitlich koordinierten Folge mittels der in der Abtastung üblichen Techniken durchlaufen, mit der ein einzelnes Linienbild 52 erzeugt würde. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Reihe dieser Abtastfolgen verwendbar wäre, wobei die Lichtquellen 110 in einer, zwei oder mehreren Reihen 130a, 130b angeordnet wären.
Wie in 12 gezeigt, kann die lineare Bildquelle 36 zudem eine oder mehrere Linsen 128 umfassen, die beispielsweise in einem Linsenelement-Array 126, angeordnet sind. Die Linsen 128 können dazu beitragen, die Helligkeit für jedes Quellenpixel 104 zu maximieren. In dem Ausführungsbeispiel von 12 ist jeder Lichtquelle 110 eine entsprechende Linse 128 in dem Linsenelement-Array 126 zugeordnet. Mit Bezug auf die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 bildet die Kombination aus der Lichtquelle 110 und der Linse 128 ein effektives Quellenpixel 104' an oder in Nähe der Vorderfläche der Linse 128. In einem Ausführungsbeispiel sind die Linsen 128 im Wesentlichen kugelförmig.
Die Röhren- und Laserscanner bilden ein zweidimensionales Bild durch Rasterabtastung einer einzelnen Punktquelle über eine reagierende Oberfläche. Eine Punktquelle 120 ist als eine Komponente der linearen Bildquelle 36, wie in 13 gezeigt, verwendbar.
Hier wird die Punktquelle 120 durch eine Relaislinse 122 abgetastet und zu einer reagierenden Oberfläche 124 gerichtet, um eine Linie aus Quellenpixeln 104 zu bilden, die durch Abtasten der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 lenkbar ist. Für eine Elektronenstrahlabtastung würde die reagierende Oberfläche 124 einen Leuchtschirm umfassen. Für eine Laserstrahlabtastung würde die reagierende Oberfläche 124 eine diffuse Oberfläche eines Leuchtschirms umfassen. Wie in 13 dargestellt, ist die reagierende Oberfläche 124 derart ausgebildet, dass sie die gewünschte Krümmung des Arrays aus Quellenpixeln 104 vorsieht.
Die Punktquelle 120 könnte ein Elektronenstrahl, ein Abtastlaser oder eine andere Art einer einzelnen Punktstrahlung sein, die eine sichtbare Linie bei Abtastung über einer reagierenden Fläche 124 zu erzeugen vermag. 14 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, das eine Abtastung einer in Resonanz befindlichen Faseroptik für eine lineare Bildquelle 36 verwendet. Die Punktquelle 120 umfasst ein Stellglied 140 und eine Schwingfaser 138. Die um einen Ausleger geführte Schwingung der Faser 138 seitens des Stellglieds 140 erzeugt einen Lichtabtastpunkt, der durch die Relaislinse 122 gerichtet wird, um eine Linie aus Quellenpixeln 104 auf der reagierenden Oberfläche 124 zu erzeugen. Das eintretende Licht, vorzugsweise von einem Laser, kann aus einer geeigneten Lichtquelle mithilfe eines faseroptischen Kabels 124 gerichtet werden.
Das Stellglied 140 könnte eine beliebige Anzahl von Stellgliedtypen sein, die auf die notwendige Resonanzschwingung zur Faser 138 angepasst sind. Beispiele geeigneter Arten von Stellgliedern 140 sind u.a. piezoelektrische, bimorphe oder piezoelektrische Röhrenstellglieder, elektromagnetische Stellglieder, einschließlich elektrodynamischer Vorrichtungen, wie Sprechspulen, Resonanzabtaster, MEMS-Stellglieder (Micro-Electro-Mechanical Structures), Galvanometer, elektrostatische Stellglieder und mechanische Stellglieder, wie beispielsweise ein oder mehrere Motoren, die beispielsweise mit exzentrischen Nocken kombiniert sind.
Die Abtastung in Resonanz befindlicher Faseroptiken wird in dem Artikel: „Single Fiber Endoscope: General Design for Small Size, High Resolution, and Wide Field of View" von Eric J. Seibel, Quinn Y. J. Smithwick, Chris M. Brown und G. Reinhall, in Proceedings of SPIE, Band 4158 (2001) Seite 29–39 beschrieben.
Optisches Ausführungsbeispiel für die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100
15 zeigt ein optionales Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in der eine Strahlenteilerfläche 202, die teilweise reflektierend ist, anstelle einer reflektierenden Fläche 102 innerhalb der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 vorgesehen ist. Mit dieser Konstruktion dient die Kugellinsen-Abtastvorrichtung als brechender, rotierender Strahlenteiler. Licht von der linearen Bildquelle 36 wird von der Strahlenteileroberfläche 202 auf einen Kugelspiegel 150 reflektiert und durch die Strahlenteileroberfläche 202 übermittelt, um ein Zwischenbild 76 zu bilden. 15 zeigt eine mögliche Abtastbahn, wobei sich die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 im Uhrzeigersinn dreht und Linien des Zwischenbildes 76 von der Ausgangsposition I zur Folgeposition J verfolgt. Mit dieser Anordnung ist die gekrümmte lineare Bildquelle 36 zur Oberfläche des Kugelspiegels 150 konjugiert. Der Kugelspiegel 150 kann eine im Wesentlichen kugelförmige Fläche aufweisen, wobei deren Krümmungsmittelpunkt mit dem Mittelpunkt C der Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 zusammenfällt.
Die in 15 gezeigte alternative Anordnung der optischen Komponenten bietet einen zusätzlichen praktischen Konstruktionsvorteil. Die Vergrößerung zwischen den konjugierten Flächen der linearen Bildquelle 36 und des Kugelspiegels 150 ermöglicht eine größere lineare Bildquelle 36, als mit anderen Ausführungsbeispielen möglich wäre, wodurch Größenbeschränkungen gemildert und die Kosten der linearen Bildquelle 36 gesenkt werden.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bietet ein außergewöhnlich breites Sehfeld und die erforderliche Helligkeit für die stereoskopische Abbildung über den Bereich von 90 Grad hinaus bei einer Größe der Betrachtungspupille in Nähe von 20 mm. Zudem bietet die Kugellinsen-Abtastvorrichtung 100 eine exzellente Achsenversatzleistung und ermöglicht ein breiteres Sehfeld von ggf. bis zu 180 Grad. Dies ermöglicht dem Betrachter 12 ein verbessertes Betrachtungserlebnis, ohne dass Kopfgeschirr, Brille oder sonstige Einrichtungen getragen werden müssten.
Es wird somit eine monozentrische optische Vorrichtung für die autostereoskopische Anzeige unter Verwendung einer abgetasteten linearen Bildquelle bereitgestellt, die ein sehr breites Sehfeld und große Betrachtungspupillen liefert.

Claims

Autostereoskopische optische Vorrichtung zum Anzeigen eines stereoskopischen virtuellen Bildes, das aus einer Anordnung von Bildpixeln besteht, wobei das stereoskopische virtuelle Bild aus einem von einem Betrachter mit der linken Betrachtungspupille (14l) betrachtbaren linken Bild und aus einem von einem Betrachter mit der rechten Betrachtungspupille (14r) betrachtbaren rechten Bild besteht, mit: a) einem linken Bilderzeugungssystem zum Erzeugen eines linken Zwischenbildes als zweidimensionales Bild und einem rechten Bilderzeugungssystem zum Erzeugen eines rechten Zwischenbildes als zweidimensionales Bild, wobei das linke und das rechte Bilderzeugungssystem aus separaten Bauteilen ähnlich aufgebaut sind und jedes Bilderzeugungssystem umfasst: a1) eine lineare Bildquelle (36) zum Ausbilden einer Zeile von Quellenpixeln; a2) eine abtastende Kugellinsenanordnung (100) zum Projizieren der Zeile von Quellenpixeln zum Erzeugen eines Zwischenzeilenbildes (76), wobei die Kugellinsenanordnung umfasst: a2a) mindestens eine reflektierende Fläche (102) zum Reflektieren von Licht von der Zeile aus Quellenbildpixeln zum Zwischenzeilenbild (76); a2b) ein Kugellinsensegment mit einer abtastenden Kugellinsenpupille, wobei das Kugellinsensegment einen Krümmungsmittelpunkt auf der mindestens einen reflektierenden Fläche (102) hat; a3c) wobei die abtastende Kugellinsenanordnung (100) um eine Achse drehbar ist und eine Reihe von Zwischenzeilenbildern erzeugt, um dadurch nacheinander die zweidimensionalen Zwischenbilder als abgetastete zweidimensionale Bilder zu erzeugen; b) einem gekrümmten Spiegel (24) mit einem Krümmungsmittelpunkt (C), der im Wesentlichen optisch auf halber Strecke zwischen der abtastenden Kugellinsenanordnung (100) für das linke Bilderzeugungssystem und der abtastenden Kugellinsenanordnung für das rechte Bilderzeugungssystem liegt; c) einem Strahlenteiler (16), der einen optischen Strahlengang vom linken Bilderzeugungssystem umlenkt, um das linke Zwischenbild in der Nähe einer vorderen Brennebene des gekrümmten Spiegels zu erzeugen, und der einen optischen Strahlengang vom rechten Bilderzeugungssystem umlenkt, um das rechte Zwischenbild in der Nähe der vorderen Brennebene des gekrümmten Spiegels zu erzeugen; und d) wobei der gekrümmte Spiegel (24) das virtuelle stereoskopische Bild der linken und rechten Zwischenbilder erzeugt und durch den Strahlenteiler ein reales Bild der linken abtastenden Kugellinsenpupille an der linken Betrachtungspupille und ein reales Bild der rechten abtastenden Kugellinsenpupille an der rechten Betrachtungspupille entsteht.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Vorrichtung monozentrisch ist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die lineare Bildquelle (36) eine Vielzahl von LEDs aufweist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die lineare Bildquelle (36) einen abtastenden Laser umfasst.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die lineare Bildquelle eine Übertragungslinse (122) aufweist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die lineare Bildquelle eine fluoreszierende Oberfläche (124) aufweist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die lineare Bildquelle eine diffuse Oberfläche aufweist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die mindestens eine reflektierende Fläche (102) ein Strahlenteiler (202) ist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die lineare Bildquelle eine vibrierende optische Faser aufweist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die lineare Bildquelle eine Betätigungseinrichtung aufweist, die eine Punktquelle in eine schwingende Vibration versetzt.