DE68907086T2

DE68907086T2 - Wiedergabe- und Aufnahmeanordnung für stereoskopische Bildwiedergabe.

Info

Publication number: DE68907086T2
Application number: DE89200542T
Authority: DE
Inventors: Antonius Gerardus Hen Verhulst
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-03-10
Filing date: 1989-03-06
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2009-03-07
Also published as: DE68907086D1; KR890015621A; EP0332268A1; EP0332268B1; KR0166952B1; JP3038686B2; NL8800595A; US5007715A; HK141894A; JPH01268298A

Description

Die Erfindung betrifft eine Wiedergabeanordnung für stereoskopische Bildwiedergabe, in der der Wiedergabeanordnung zum Wiedergeben eines in einem festen Muster aus den Teilbildern zusammengesetzten Bildes Information über Teilbilder zugeführt wird.
Auch bezieht sich die Erfindung auf eine Aufnahmeanordnung zum Aufnehmen von Bildern für stereoskopische Wiedergabe.
Das Prinzip der steroskopischen Wiedergabe beispielsweise von Fernsehbildern ist an sich bekannt. Das Bild wird dabei in zwei Teilbilder aufgeteilt, die dem linken Auge bzw. dem rechten Auge zugeleitet werden. Der Zuschauer trägt eine Brille, von der jedes der Gläser eines der beiden Teilbilder durchläßt oder nicht; durchweg erfolgt dies mit der Halbbildfrequenz des Fernsehbildes, wobei beispielsweise das Bild des ungeradzahligen Halbbildes vom linken Auge und das Bild des geradzahligen Halbbildes vom rechten Auge wahrgenommen wird.
Eine derartige Wiedergabeanordnung ist in DE 31 46 578A beschrieben. Dabei wird der Bildschirm mit streifenförmigen Polarisationsstreifen versehen, deren gegenseitige Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander verlaufen, so daß das Bild je Halbbild untereinander verschieden polarisiert weitergeleitet wird. Durch eine Brille mit polarisierten Gläsern sieht der Zuschauer dabei abwechselnd die Teilbilder, was ein dreidimensionales Bild ergibt.
In der betreffenden Patentschrift wird außerdem die Möglichkeit des Richtungswechsels der Polarisation je Bildelement erwähnt; dieser Wechsel soll dabei von einem gleichartigen Wechsel vom einen Teilbild nach dem anderen an der Seite der Aufnahmeeinheit oder des Senders begleitet werden.
Ein Nachteil einer derartigen Anordnung besteht u.a. darin, daß die (streifenförmigen) Polarisatoren auf dem Glas der Wiedergaberöhre derart befestigt werden, daß sie den geradzahligen und ungeradzahligen Zeilen des Fernsehbildes entsprechen. Die Position dieser Zeilen (oder ggf. Bildelemente) in bezug auf die Polarisatoren ist jedoch nicht ganz fest, sondern wird auch durch die Steuerung der Bildhöhe (und der Bildbreite) bestimmt; sie kann im Laufe der Zeit durch den Verlauf des Ablenk- und/oder des Hochspannungssystems Änderungen erfahren.
Stereoskopische Fernsehbildwiedergabe kann auch durch Abwechseln der Bildwiedergabe für das linke und das rechte Auge über die im Zeilensprungverfahren wiedergegebenen (geradzahligen und ungeradzahligen) Halbbilder verwirklicht werden, während für jedes Auge ein aktiver, mit einem Bildraster synchron schaltender Lichtverschluß angeordnet ist. Dabei tritt jedoch Flächenflimmern mit einer Frequenz gleich der Bildfrequenz auf (halbe Rasterfrequenz) oder auch etwa 25 Hz (PAL, SECAM) bzw. 30 Hz (NTSC). Dieses Flächenflimmern wird als besonders störend erfahren, umsomehr da es auch außerhalb des eigenflichen Bildes sichtbar ist.
In anderen Systemen werden zwei getrennte bilderzeugende Anordnungen verwendet, deren Bilder über Spiegel oder durch Projektion zu einem Bild zusammengefügt werden. Ein Nachteil davon ist die Verwendung von zwei bilderzeugenden Anordnungen und den zugeordneten Einrichtungen zum Zusammenfügen der Teilbilder.
Eine Anordnung der eingangs erwähnten Art ist in JP-KoKai 58-184929 beschrieben. Die dort angegebene Lösung erfordert jedoch die Verwendung eines Bildspeichers; außerdem werden die Teilbilder im Zeilensprungverfahren wiedergegeben, so daß auch hier Flächenflimmern auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die keinen zusätzlichen Bildspeicher erfordert und mit einer passiven Brille betrachtet werden kann, während außerdem eine Anzahl von Nachteilen der Einrichtungen nach obiger Beschreibung nicht auftreten.
Eine derartige Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen einer bilderzeugenden Anordnung und einer durchsichtigen Trägerplatte eine Flüssigkristallschicht enthält, in die aus der bilderzeugenden Anordnung heraus in nur einer Richtung polarisiertes Licht eintritt und die Polarisationsrichtung an vom festen Muster oder von einem dazu komplementären Muster bestimmten Stellen geändert wird.
Vorzugsweise wird die Polarisationsrichtung über 90º gedreht. Drehung der Polarisationsrichtung tritt beispielsweise in verdrillten nematischen Zellen auf, wie zum Beispiel im 90º-Twistor, aber auch ist eine Drehung über 270º bei dickeren Flüssigkristallschichten möglich (Wellenleiterprinzip). Drehung der Polarisationsrichtung erfolgt auch in nematischen Zellen, die auf Doppelbrechung basieren, beispielsweise beim ECB-Effekt oder bei mehreren STN-Effekten, wobei der Wellenrichter in einem geringen Abstand über Winkel zwischen 90º und 300º (SBE-Effekt, HBE- Effekt), verdreht wird aber auch in ferroelektrischen Zellen. Mit einer geeignet gewählten Dicke d wird bei den letztgenannten Zellen bei einer festen Wellenlänge λ erreicht, daß für den Unterschied Δn zwischen dem normalen und dem abnormalen Brechungsindex d.Δn = λ/2 gilt. Dies ermöglicht eine Phasendrehung über 90º und damit die Verwendung von Ferroelektrik in der zusätzlichen Flüssigkristallschicht.
Der Vorteil einer ferroelektrischen Flüssigkristallschicht ist, daß sie eine Speicherwirkung besitzt, so daß die Erregung nur einmalig zu erfolgen braucht.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß das feste Muster aus Spalten von Bildelementen besteht, die durch Komplementärspalten von Bildelementen getrennt sind. In diesem Fall (wie auch beispielsweise bei einem schachbrettartigen Muster von Bildelementen) tritt nahezu kein Flächenflimmern auf, während die Wiedergabeanordnung im Prinzip für die Wiedergabereihenfolge der Zeilen unempfindlich ist, so daß ein Ansteuern der bilderzeugenden Anordnung nach der Beschreibung in EP-A-0 217 466 verwendbar ist.
Für eine gute Wiedergabe müssen die Teilbilder gemäß dem vorbeschriebenen Muster (getrennte Spalten, schachbrettartiges Muster) zugeführt werden. Dies kann auf elektronischem Wege erfolgen, beispielsweise wenn es sich um dreidimensionale Wiedergabe von Bildern aus einem Elektronenmikroskop, um dreidimensionale Computerbilder oder um Fernsehbilder handelt, die mit Signalen aus verschiedenen Kameras erhalten werden.
Die eigentliche bilderzeugende Anordnung kann auf verschiedene Weisen verwirklicht werden; sie kann sowohl lichterzeugend sein, wie im Fall elektrolumineszierender Anordnungen oder Gasenfladungsanordnungen als auch lichtmodulierend, wie beispielsweise bei Flüssigkristallschichten. Bei der Verwendung einer Flüssigkristallanordnung ist die Verwendung dynamischer Streuung verwendbar. Vorzugsweise wählt man jedoch eine Anordnung, deren Wirkung auf Drehung der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts oder auf Doppelbrechung beruht (Wellenleitung, Doppelbrechung). Dabei läßt sich nämlich der Kontrast durch Anwendung einer zweiten Anordnung wesentlich vergrößern, mit der unerwünschte Effekte durch Doppelbrechung ausgeglichen werden können (die sog. Doppelzelle).
Eine erfindungsgemäße Aufnahmeanordnung, die die richtige Information liefert, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine lichtempfindliche Aufnahmeeinheit mit Bildelementen entsprechenden Bildaufnahmeelementen enthält, wobei sich zwischen dem optischen System und der Speicheranordnung eine Flüssigkristallschicht zwischen zwei Trägerplatten befindet, in der die Polarisationsrichtung wenigstens eines der Teilbilder an Stellen geändert werden kann, die von einem festen Muster oder von einem damit komplementären Muster bestimmt werden, und wobei sich zwischen der Flüssigkristallschicht und der Speicheranordnung ein Polarisator befindet.
Vorzugsweise wird als Aufnahmeeinheit ein ladungsgekoppelter Anordnung (CCD) verwendet. Die Flüssigkristallanordnung (LCD) kann dabei nahezu direkt auf der CCD angeordnet werden, was zu geringen Abmessungen und zu einem 1:1 Verhältnis zwischen Bildelementen und Aufnahmeelementen führt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Aufnahme- und Wiedergabeanordnung,
Fig. 2 ein mögliches Muster, nach dem die Polarisationsrichtung stellenweise verdreht wird, und
Fig. 3 schematisch die Elektrodenkonfiguration zur Steuerung der Flüssigkristallschichten.
Die Anordnung nach Fig. 1 enthält u.a. eine Aufnahmeanordnung 10, die mit Linsen 11, 12 versehen ist, deren Zentralachsen sich in etwa 6,5 cm Abstand voneinander befinden. Durch die Linsen 11, 12 einfallendes Licht (beispielsweise von einer wiederzugebenden Szene), das schematisch mit gestrichelten Linien 13, 14 angegeben ist, wird in den Polarisatoren 15 und 16 polarisiert. Im vorliegenden Beispiel wird Licht aus der Linse 11 in einer Richtung parallel zur Zeichenebene polarisiert, während Licht aus der Linse 12 in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene polarisiert wird (mit der Pfeilspitze 17 bzw. dem Symbol 18 wiedergegeben). Das vom Polarisator 16 polarisierte Lichtbündel 14' fällt in den Spiegel 20 unter einem Winkel von 45º ein und trifft darauf den halbdurchlässigen Spiegel 19, der unter einem Winkel von 45º in der Bahn des vom Polarisator 15 polarisierten Lichtbündels 13' aufgestellt ist. Die beiden Lichtbündel 13' und 14' werden an der Stelle des Spiegels 19 zu einem Lichtbündel 25 zusammengefügt, das aus gegenseitig senkrecht polarisierten Teilbündeln besteht und danach eine Flüssigkristallanordnung 21 trifft.
Die Flüssigkristallanordnung 21 enthält in diesem Beispiel auf allgemein bekannte Weise einen verdrillt nematischen Flüssigkristall zwischen zwei Trägerplatten mit einer kammförmigen, Zähne 27 enthältenden, durchsichtigen Elektrode 26 auf wenigstens einem Substrat (siehe Fig. 3a). Das andere Substrat enthält eine Gegenelektrode, die homogen oder ebenfalls kammförmig sein kann. Die von den Zähnen 27 bedeckten bzw. freigelassenen Teile der Flüssigkristallanordnung 21 definieren dabei, in Richtung des Lichtbündels 25 gesehen, Spalten von Bildelementen (die mit Aufnahmeelementen in der lichtempfindlichen Aufnahmeeinheit 23 zusammenfallen). Im vorliegenden Beispiel enthält die Aufnahmeeinheit eine ladungsgekoppelte Anordnung (CCD), deren Ladungsspeicherelemente an der Stelle von Bildelementen der über der CCD gelegenen Flüssigkristallanordnung definiert sind. Das aufgenommene Bild kann hier (siehe Fig. 2) als in Bildelemente 28 aufgeteilt gedacht werden, die in Zeilen 1, 2, 3... und Spalten A, B, C ... geordnet sind.
Zwischen der Flüssigkristallanordnung 21 und der Aufnahmeeinheit 23 befindet sich ein Polarisator 22, der in Richtung der Pfeilspitze 17 polarisiertes Licht durchläßt. Die Elektrode 26 und ihre Gegenelektrode werden über eine Spannungsquelle 29 erregt, beispielsweise mit einer Recheckspannung ausreichend hoher Frequenz, um Degradation des Flüssigkristallmaterials und/oder periodische Schwankung der Übertragung gegenzuwirken. Die Wirkung der Flüssigkristallanordnung, die in diesem Beispiel Flüssigkristallmaterial vom verdrillt nematischen Typ enthält, ist derart, daß die Polarisationsrichtung des zwischen den Zähnen 27 der kammförmigen Elektrode 26 einfallenden Lichts über 90º gedreht wird (Wellenleitermodus), während an der Stelle dieser Elektrode das Licht seine Polarisationsrichtung beibehält. Das Licht aus dem Bündel 13 wird also an der Stelle der Elektrodenteile 27 ungehemmt durchgelassen und trifft die zu den Bildelementen 28 gehörenden Aufnahmeelemente (Ladungsspeicherelemente) in der Aufnahmeeinheit (CCD) an der Stelle der Spalten A, C ... Zwischen den Elektrodenteilen 27 wird die Polarisationsrichtung des Lichts des Bündels 13 über 90º gedreht, so daß es den Polarisator 22 nicht passieren kann und also die Aufnahmeeinheit nicht erreicht. Das Licht des Bündels 14, das die Flüssigkristallanordnung 21 zwischen den Zähnen 27 trifft, erfährt eine Drehung seiner Polarisationsrichtung über 90º, so daß es den Polarisator 22 passieren kann und die zu Bildelementen 28 gehörenden Aufnahmeelemente an der Stelle der Spalten B, D ... trifft, während an der Stelle der Elektrodenteile 27 keine Drehung der Polarisationsrichtung erfolgt und das Licht den Polarisator 22 nicht passieren kann. Abhängig von der Lichtmenge tritt in der Aufnahmeeinheit (CCD) 23 Ladungsspeicherung auf. Die damit verknüpfte Ladung wird ggf. über eines oder mehrere Hilfsregister gelesen und bewirkt ein Ausgangssignal 24. Dieses Signal enthält zeilenweise Information von Bildpunkten abwechselnd aus dem linken Bild (Bündel 13) und dem rechten Bild (Bündel 14). Statt einer verdrillt nematischen Flüssigkristallschicht kann auch eine ferroelektrische Flüssigkristallschicht gewählt werden. Durch die Speicherwirkung braucht sie nur einmal erregt zu werden, wonach die Einstellung beibehalten bleibt.
Das auf diese Weise erhaltene Signal läßt sich für stereoskopische Wiedergabe mit einer Wiedergabeanordnung 30 verwenden (Fig. 1). Sie enthält eine diffuse Lichtquelle 31, die über einen nicht dargestellten Polarisator polarisiertes Licht 32 erzeugt, das auf eine Flüssigkristallwiedergabeanordnung 36 einfällt, die einen Flüssigkristall zwischen zwei Trägerplatten enthält.
Ein Eingangssignal 33, von dem für jede Zeile die Information abwechselnd in Information für das linke und für das rechte Auge aufgeteilt ist, wird erforderlichenfalls zwischengespeichert und/oder in einer Steuereinheit 34 verstärkt. Über Steuerleitungen 35 gelangt die Information an die Elektroden auf den Trägerplatten der Wiedergabeanordnung 36, die eine Matrix von Bildelementen definieren. Das Flüssigkristall ist beispielsweise wieder vom verdrill nematischen Typ, wobei an nicht erregten Bildelementen die Polarisationsrichtung sich über 90º dreht, während an der Stelle erregter Bildelemente die Polarisationsrichtung ungeändert bleibt. Weiter enthält die Anordnung 36 einen Analysator 38, der beispielsweise nur Licht durchläßt, das in derselben Richtung wie das einfallende Licht 32 polarisiert ist, so daß nur das Licht erregter Bildelemente, die Teile der beiden Teilbilder bilden, durchgelassen wird. Die Polarisationsrichtung des Bündels 32 und des Analysators 38 verläuft beispielsweise senkrecht zur Zeichenebene.
Statt einer Flüssigkristallschicht aus verdrillt nematischem Material können auch andere Flüssigkristallschichten verwendet werden, wie z.B. ferroelektrische Flüssigkristallschichten oder Schichten, die den sog. Superdrilleffekt (SBE, HBE) ausnützen, oder andere elektrooptische Materialien die Doppelbrechung aufweisen. Dabei kann der Kontrast erhöht werden, durch Ergänzung der eigentlichen (Flüssigkristall-) Zelle mit einer zweiten Zelle die unerwünschte Doppelbrechungseffekte ausgleicht (sog. Doppelzelle).
Auch kann die Flüssigkristallanordnung im Reflexionsmodus verwendet werden. In diesem Fall wird vorzugsweise ein Halbleitersubstrat als erste Trägerplatte verwendet. Hierin kann dann die erforderliche Steuerlogik integriert werden.
Neben den erwähnten lichtmodulierenden Anordnungen ist es weiter möglich, für die bilderzeugende Anordnung lichterzeugende Systeme wie Elektrochromanordnungen, Elektrolumineszenzschirme oder Gasentladungsanordnungen zu verwenden, wobei das austretende Licht erforderlichenfalls polarisiert wird.
Darauf landet das Licht 32 auf eine zweite Flüssigkristallschicht 37, die auf analoge Weise wie die Anordnung 21 in der Aufnahmeanordnung 10 aufgebaut und mit (wenigstens) einer kammförmigen Elektrode 26' (Fig. 3a) versehen ist, deren Zähne 27' und die Zwischenräume mit Spalten von Bildelementen 28' des wiederzugebenden Bildes zusammenfallen. Senkrecht auf die Richtung des Lichts 32 gesehen fallen die Bildelemente 28' mit den Bildelementen der Flüssigkristallwiedergabeanordnung 36 zusammen. Wenn nunmehr die Elektroden 26' und ihre Gegenelektroden erregt sind, beispielsweise mit der Spannungsquelle 28, wird ein Teilbild, das beispielsweise zu den Bildelementen 28' in den Spalten A, C ... gehört und dem Teilbild für das linke Auge entspricht, ohne Änderung der Polarisationsrichtung durchgelassen, während für das Teilbild, das zu den Bildelementen 28' in den Spalten B, D ... gehört und dem Teilbild für das rechte Auge entspricht, die Polarisationsrichtung des Lichts über 90º verdreht wird.
Ein Zuschauer 40 (Fig. 1) mit einer Brille 41 mit gegenseitig senkrecht polarisierten Gläsern 42, 43 (Fig. 3b), deren Polarisationsrichtung an die betreffenden Teilbilder angepaßt ist, nimmt jetzt ein stereoskopisches Bild wahr.
Der große Vorteil der beschriebenen Anordnung ist aufnahmeseitig die genaue gegenseitige Ausrichtung der Elektroden 26 in der Flüssigktistallanordnung in bezug auf die Spalten A, B, C ..., die durch die Speicherelemente 28 in der Aufnahmeeinheit (CCD) 23 bestimmt wurden und wiedergabeseitig eine gleichartige gegenseitige Ausrichtung der Elektroden 26' in bezug auf die Spalten von Bildelementen 28' in der Wiedergabeanordnung 36. Diese genaue gegenseitige Ausrichtung wird u.a. durch die geringe Dicke der Flüssigkristallanordnungen ermöglicht (< 6 um). Dies ist insbesondere vorteilhaft bei kleinen Bildelementen (wie beispielsweise aufnahmeseitig).
Außerdem werden die Teilbilder jetzt nicht zeilenweise, sondern spaltenweise gemischt, so daß Flächenflimmern im dargestellten Bild im wesentlichen nicht auftritt. Auch ist das System für die Reihenfolge der Ansteuerung der Zeilen unempfindlich, so daß nach der Beschreibung in EP-A-0 217 466 eine Steuerung mit Vermischung von Zeilen möglich ist.
Die Aufnahme- und Wiedergabeanordnung können integriert benutzt werden, beispielsweise in einer Videokamera. Die Information kann jedoch zwischengespeichert werden, bevor die Wiedergabe erfolgt, oder sie kann übertragen werden.
Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf die hier dargestellten Beispiele, sondern sind im Rahmen der Erfindung und nach der Definition in den Ansprüchen mehrere Abwandlungen möglich. So ist eine andere lichtempfindliche Aufnahmeeinheit als die ladungsgekoppelte Anordnung möglich, wie z.B. eine Bipolarspeicheranordnung. Daneben sind andere Flüssigkristallwerkstoffe möglich; so können beispielsweise Flüssigkristalle verwendet werden, in denen die Polarisationsrichtung über 270º gedreht wird. Schließlich kann in bestimmten Fällen eine einzige gemeinsame Trägerplatte für die Flüssigkristallanordnungen 36 und 37 ausreichen. Auch sind bereits andere Prinzipien der Wiedergabe erwähnt, wie ELD, ECD und Gasentladung, aber auch läßt sich an eine Matrix von LEDs denken.

Claims

1. Wiedergabeanordnung für stereoskopische Wiedergabe, in dem Information für komplementäre Teilbilder bezüglich des linken und des rechten Auges einer Bilderzeugungsanordnung zugeführt werden, um Teilbilder zum Erhalten eines stereoskopischen Bildes zu erzeugen, welche Wiedergabeanordnung eine Flüssigkristallschicht zwischen der Bilderzeugungsanordnung und einer transparenten Trägerplatte enthält, wobei in dieser Schicht die Polarisationsrichtung eines Teilbildes gedreht werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung über einen Winkel von 90º oder 270º entsprechend einem ersten festen Muster gedreht oder entsprechend einem zweiten festen Muster aufrechterhalten wird, wobei die ersten und zweiten Muster gegenseitig getrennt einander komplementär sind und zur Bildung komplementärer vertikaler Spalten von Bildelementen oder eines schachbrettartigen Musters angeordnet werden.

2. Bildwiedergabeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht einen ferroelektrischen Flüssigkristall enthält.

3. Aufnahmeanordnung für stereoskopische Wiedergabe, in der in gegenseitig senkrechten Richtungen polarisierte Teilbilder über ein optisches System projiziert werden, daß ein Doppellinsensystem (11, 12) mit gegenseitig senkrecht orientierten Polarisatoren (17, 18) in den zugeordneten Lichtwegen und eine lichtempfindliche Aufnahmeeinheit (23) enthält, auf die die Teilbilder projiziert werden, wobei die Aufnahmeeinheit mit Bildaufnahmeelementen die Bildelementen entsprechen versehen ist und eine Flüssigkristallschicht (21) zwischen dem optischen System und der Aufnahmeeinheit angeordnet ist, wobei in der Schicht die Polarisationsrichtung eines Teilbildes rotierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung über einen Winkel von 90º oder von 270º entsprechend einem ersten festen Muster gedreht oder entsprechend einem zweiten festen Muster aufrechterhalten wird, wobei die ersten und zweiten Muster gegenseitig getrennt, einander komplementär sind und zur Bildung komplementärer vertikaler Zeilen von Bildelementen oder eines schachbrettartigen Musters angeordnet werden, während ein Polarisator (22) mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zu einem der gegenseitig senkrecht orientierten Polarisatoren zwischen der Flüssigkristallschicht und der Aufnahmeeinheit angeordnet ist.

4. Aufnahmeanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht einen ferroelektrischen Flüssigkristall enthält.

5. Aufhahmeanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinheit eine ladungsgekoppelte Anordnung enthält.