DE69213530T2

DE69213530T2 - Vorrichtung zur dreidimensionalen Bildwiedergabe

Info

Publication number: DE69213530T2
Application number: DE69213530T
Authority: DE
Inventors: Toshio Ishikawa; Yukio Kurata; Takahiro Miyake; Keiji Sakai; Yoshio Yoshida
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1991-04-12
Filing date: 1992-04-10
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2012-04-11
Also published as: DE69213530D1; JPH04313745A; EP0508824A1; JP2807573B2; CA2065762C; CA2065762A1; US5408264A; EP0508824B1; KR960002317B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Bildwiedergabe, genauer gesagt eine Vorrichtung zum optischen Synthetisieren von auf verschiedenen Oberflächen von Bildschirmen erzeugten Bildern, so daß das synthetisierte Bild dreidimensional erscheint.
Ein dreidimensionaler Fernseher, im folgenden als "3D-TV" bezeichnet, ist ein typisches Beispiel für eine bekannte Anzeigevorrichtung für bewegte dreidimensionale Bilder. Bei dem bekannten 3D-TV sind zwei TV-Kameras an der Parallaxe der Augen eines Betrachters (rechtes und linkes Auge) entsprechenden Stellen angeordnet. Die beiden Kameras werden gleichzeitig entsprechend einem einzigen Synchronisiersignal bedient, um ein Bild auf der linken und auf der rechten Seite zu erzeugen. Dann werden die Bilder abwechselnd auf dem gleichen Bildschirm mit doppelter Geschwindigkeit durch in Time-Sharing-Verfahren entsprechend dem gleichen Synchronisiersignal und einem um eine halbe senkrechte Zeit verzögerten Synchronisiersignal wiedergegeben. Der Betrachter sieht die Bilder durch Brillengläser, die abwechselnd das linke und das rechte Auge verdecken, um in seinem Gehirn ein dreidimensionales Bild zu erzeugen. Diese Art eines 3D-TV ist in den japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 62-210797 und Nr. 1-165293 beschrieben.
Die bekannten 3D-Fernseher müssen einen komplizierten Bildaufnahme- und Bilderzeugungsmechanismus aufweisen, während der Betrachter spezielle Brillengläser tragen muß, um sich an den dreidimensionalen Bildern erfreuen zu können.
Ein anderes Verfahren und eine andere Vorrichtung sind zum Erzeugen von dreidimensionalen Bildern vorgeschlagen worden. Ein Beispiel dafür ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 61-279833 beschrieben. Bei dieser bekannten Synthetisiervorrichtung werden zwei Bilder zu einem einzigen zweidimensionalen Bild zusammengefaßt. Das projizierte Bild erscheint aufgrund von Größenunterschieden und Unschärfen dreidimensional, ist aber eindimensional. Ein anderes Beispiel ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 64-82884 beschrieben, wo bei einer Synthetisiervorrichtung und einem Verfahren Bilder individuell in bestimmten Positionen fixiert werden. Dieses Hilfsmittel kann nicht eine Serie von Bildbewegungen in Tiefenrichtung erzeugen. Ein drittes Beispiel ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 1-244734 beschrieben. Bei diesem bekannten Augenspiegel beruht der sich ergebende dreidimensionale Eindruck nur auf Unterschieden der Fokussierfähigkeit des Auges und der Größe eines Bildes, kann aber nicht den Parallaxeneffekt erreichen, der zum Erzeugen eines dreidimensionalen Bildes essentiell ist. Das durch die Linse erzeugte Bild ist ein reales Bild, so daß es schwierig ist, die Bilderzeugungsposition hinter die Größe der Vorrichtung zu bewegen.
Außer den oben beschriebenen 3D-Fernsehern wird auch ein Holographieverfahren verwendet, um ein dreidimensionales Videobild zu erzeugen, wobei es kein Verfahren gibt, das ein befriedigendes bewegtes dreidimensionales Bild erzeugt.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Bildwiedergabe angegeben mit einer Mehrzahl von Anzeigen zum Projizieren einer ersten Mehrzahl von Bildern, einer ersten optischen Einrichtung zum Erzeugen einer zweiten Mehrzahl von Bildern aus der ersten Mehrzahl von Bildern, und mit einer zweiten optischen Einrichtung zum Wechseln der scheinbaren Position von wenigstens einem der zweiten Mehrzahl von Bildern; dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Mehrzahl von Bildern durch die erste und die zweite optische Einrichtung überlagerbar ist: und daß die scheinbare Position des dem wenigstens einen zweiten Bild entsprechenden projizierten ersten Bilds durch die zweite optische Einrichtung relativ zum Rest des ersten Bilds änderbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste optische Einrichtung Polarisierungseigenschaften auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist ein von der Anzeige abstrahlendes Licht oder ein von ihr reflektiertes Licht Polarisierungseigenschaften auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verhältnis aus Durchlässigkeit und Reflexionsvermögen der ersten optischen Einrichtung die Möglichkeit auf, Wellenlängen zu selektieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ändert die zweite optische Einrichtung die Größe eines projizierten Bilds in Abhängigkeit von der Stelle, auf die das Bild projiziert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite optische Einrichtung eine Linse, deren Brennweite variierbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Anzeige teilweise löschbar, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zum Anzeigen des Gesamtinhalts von zwei oder mehr ersten Bildern auf nur einer der Anzeigen aufweist.
Somit ermöglicht es die hier beschriebene Erfindung, eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Bildwiedergabe anzugeben, mit einfachem Aufbau und einer vollständigen Wiedergabe eines dreidimensionalen Bilds ohne komplizierten Mechanismus, der mit Synchronisiersignalen und unter Verwendung spezieller Brillengläser arbeitet.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1A, 1B(i) und 1B(ii) zeigen schematisch das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip des optischen Synthetisierens von Bildern in ein dreidimensionales Bild;
Fig. 2 zeigt schematisch den Effekt beim Ändern einer Position, auf die ein zweites Bild bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung projiziert wird;
Fig. 3 ist ein Graph zum Erläutern der Verhältnisse zwischen der Brennweite und einer zum Ändern einer Position, auf die ein Bild projiziert wird, verwendeten Linse, dem Abstand zwischen dem projizierten Bild und der Linse und dem Abstand zwischen einem virtuellen Bild und dem projizierten Bild;
Fig. 4A und 4B zeigen schematisch eine modifizierte Version einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur dreidimensionalen Bildwiedergabe unter Verwendung von Polarisationseigenschaften;
Fig. 5 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Linse für jedes projizierte Bild vorgesehen ist; und
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht mit einer weiteren modifizierten Version, bei der drei projizierte Bilder synthetisiert werden.

Beispiel 1

Wie Fig. 1A zeigt, sind zwei Anzeigen 1a und 1b vorgesehen, die jeweils unabhängig voneinander ein Bild zeigen. Die Bildflächen sind so angeordnet, daß sich ihre Achsen in rechtem Winkel schneiden. Bezugszeichen 2 kennzeichnet einen im Winkel von 45º zu jeder Bildfläche angeordneten Halbspiegel, während Bezugszeichen 3 eine zu der Anzeige 1b angeordnete Konvexlinse kennzeichnet. Die Konvexlinse 3 ist auf einem beweglichen Träger gehalten (nicht dargestellt). Durch den Halbspiegel 2 wird ein Synthetisierungseffekt erzeugt. Wenn ein Betrachter in Fig. 1A die Anordnung aus der Richtung eines Pfeils a betrachtet, würden er oder sie durch den Halbspiegel 2 ein projiziertes Bild 11a auf der Anzeige 1a und ein von dem Halbspiegel 2 reflektiertes projiziertes Bild 11b auf der Anzeige 1b sehen, wie in den Fig. 1B(i) und 1B(ii) dargestellt.
Bei dieser Anordnung kann die tatsächliche Position, an der das projizierte Bild 11b der Anzeige 1b durch die Linse 3 erzeugt wird, durch Bewegen der Linse 3 von dem projizierten Bild 11a entfernt oder zu diesem näher gebracht werden.
Durch das Ändern der Stellung der Linse 3 werden die Positionen des projizierten Bilds 11b von der Anzeige 1b bezüglich des projizierten Bilds 11a von der Anzeige 1a verändert. Als Ergebnis ist in Fig. 1B(i) das projizierte Bild 11a im Vordergrund zu sehen, während in Fig. 1B(ii) das projizierte Bild 11b im Vordergrund steht.
Wenn durch die Anordnung der Abstand D zwischen der Anzeige 1a und dem Halbspiegel 2 länger ist als der Abstand (X + Y) zwischen dem projizierten Bild 11b und dem Halbspiegel 2 und wenn der Abstand Y zwischen dem projizierten Bild 11b und der Linse 3 kürzer ist als die Fokuslänge f der Linse 3, kann die sichtbare Stellung des projizierten Bilds 11b auf der Anzeige leichter auf eine weiter entfernte oder eine nähere Position eingestellt werden als das projizierte Bild 11a.
Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, können Relativstellungen der projizierten Bilder in folgender Weise durch die Linse 3 verändert werden:
In Fig. 2 wird das projizierte Bild 11a entlang der Sichtlinie durch den mit einem Abstand D angeordneten Halbspiegel 2 durchgelassen. Das projizierte Bild 11b wird durch den mit einem Abstand X von der Linse 3 entfernt angeordneten Halbspiegel 2 in die Sichtlinie reflektiert. Das sichtbare virtuelle Bild 11b' (in Fig. 1B als projiziertes Bild 11b gesehen) wird um einen Abstand Z hinter dem projizierten Bild 11b beschrieben. Wenn bei dieser Anordnung die Linse 3 in Fig. 2 nach rechts bewegt wird, ändert sich die Stelle des zu sehenden virtuellen Bilds 11b' in Abhängigkeit von der Fokuslänge f der Linse 3 und dem Abstand Y zwischen der Linse 3 und dem projizierten Bild 11b.
Fig. 3 zeigt den Abstand Z vom projizierten Bild 11b in Abhängigkeit von der Fokuslänge der Linse 3 und dem Abstand Y zwischen dem projizierten Bild 11b und der Linse 3. In Fig. 3 kennzeichnet die X-Achse die Abstände Y zwischen dem projizierten Bild 11b und der Linse 3, wobei die Y-Achse die Abstände Z zwischen dem projizierten Bild und dem virtuellen Bild angibt. Die Kurven zeigen Fälle, in denen der Abstand Y mit Intervallen von 20 cm zwischen 40 cm und 120 cm variiert wird.
Die in Fig. 3 gezeigten Verhältnisse werden anhand eines Beispiels verdeutlicht, wobei D - (X + Y) = 50 cm ist und die Linse eine Fokuslänge f (Brennweite) von 60 cm aufweist:
Wenn die Linse 3 entlang ihrer optischen Achse in Richtung des Halbspiegels bewegt wird, folgt der Abstand Z zwischen dem projizierten Bild 11b und dem virtuellen Bild 11b' der Kurve 4. Wenn die Linse 3 und das projizierte Bild 11b in dergleichen Stellung stehen (d.h. Y = 0),wird der Abstand Z null (0), wodurch das virtuelle Bild 11b' 50 cm näher zu sein scheint als das projizierte Bild 11a.
Wenn der Abstand Y zwischen der Linse 3 und dem projizierten Bild 11b 30 cm beträgt, ergibt sich aus Fig. 3, daß der Abstand Z 30 cm wird und das virtuelle Bild 11b' 20 cm kürzer als das projizierte Bild 11b erscheint.
Wenn der Abstand Y zwischen der Linse 3 und dem projizierten Bild 11b 35 cm beträgt, ergibt sich aus Fig. 3, daß der Abstand Z in Fig. 2 50 cm wird, wobei das virtuelle Bild 11b' in dergleichen Position zu sehen ist wie das projizierte Bild 11a.
Nun sei der Abstand Y zwischen der Linse 3 und dem projizierten Bild 11b 42,2 cm. Dann erreicht Z 100 cm und das virtuelle Bild 11b' wird 50 cm hinter dem projizierten Bild 11a gesehen.
Wie sich aus der vorstehenen Beschreibung ergibt, kann das gleiche Bild durch Bewegen der Linse 3 in verschiedenen Stellungen sichtbar sein.
Fig. 3 zeigt einen weiteren Aspekt, bei dem die Linse 3 in einer bestimmten Stellung fixiert und ihre Fokuslänge variiert wird. Dadurch wird das gleiche Ergebnis erzielt, d.h., daß das virtuelle Bild 11b' in verschiedenen Stellungen sichtbar wird. In dieser Situation ist der Abstand Y zwischen der Linse 3 und dem projizierten Bild 11b konstant 30 cm, während die Fokuslänge von 40 cm über 60 cm, 80 cm, 100 cm bis 120 cm verändert wird und der Abstand Z zwischen dem projizierten Bild 11b und dem virtuellen Bild 11b' 90 cm, 30 cm, 18 cm, 11 cm und 9 cm erreicht, wie durch die Kurven in Fig. 3 dargestellt. Als Ergebnis ist das Bild 11b' 40 cm hinter, 20 cm vor, 32 cm vor, 39 cm vor und 41 cm vor dem projizierten Bild 11a sichtbar.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung sei angenommen, daß die Linse 3 mit einem bestimmten Abstand fixiert ist. Dann ist das projizierte Bild 11b als das durch die Linse 3 um (X + Z)/Y vergrößerte virtuelle Bild 11b' sichtbar. Aufgrund der Vergrößerung kann der Effekt, daß ein virtuelles Bild ferner oder näher erscheint, nicht erreicht weden. Um die Größe des vergrößerten virtuellen Bilds 11b' auf die gleiche oder eine geringere Größe als die des projizierten Bilds 11a zu reduzieren, ist eine Einrichtung zum Reduzieren der Größe um Y/(X + Z), nämlich dem reziproken Wert von (X + Z)/Y vorgesehen, wodurch der Effekt sicher erreicht wird.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Linse 3 eine Konvexlinse, wobei sie auch eine Konkavlinse sein kann, ohne daß sich die resultierenden optischen Effekte ändern. Außer einem virtuellen Bild kann auch ein reales Bild erzeugt werden, um in verschiedenen Stellungen zu erscheinen, indem der Abstand zwischen der Linse 3 und dem projizierten Bild 11b größer gemacht wird als die Fokuslänge f der Linse 3.
Da die Linse 3 sich synchron mit einem elektrischen Signal bewegen muß, weist die Linse vorzugsweise ein geringes Gewicht auf, um die auf die Antriebseinrichtung wirkende Last zu reduzieren. Zu diesem Zweck kann die Linse aus einem synthetischen Harz oder einem anderen Material mit geringem spezifischen Gewicht hergestellt werden. Wenn die Anforderungen hinsichtlich Präzision und Größe eines Bildes nicht zu groß sind, kann eine Fresnel-Linse aus synthetischem Harz verwendet werden. Wenn eine Bewegung einer Bilderzeugungsposition mit hoher Geschwindigkeit erforderlich ist, kann auch entweder eine Flüssigkristallinse, die eine Fokuslänge elektrisch ändert, oder eine akusto-optische Linse, bei der die Fokuslänge einer Linse akusto-optisch gesteuert wird, verwendet werden.
Wenn der Halbspiegel 2 verwendet wird, werden die Lichtanteile E und F genutzt, während die Lichtanteile E' und F' von den projizierten Bildern 11a und 11b verloren gehen, wie in Fig. 4A gezeigt (die Linse wurde aus Vereinfachungsgründen weggelassen). Als Ergebnis neigt das synthetislerte Bild dazu, aufgrund des Verlusts an effektivem Licht dunkel zu erscheinen. Das Problem kann durch ein in Fig. 4B gezeigtes Verfahren gelöst werden (die Linse wurde aus Vereinfachungsgründen weggelassen). Dort wird eine Bildsynthetisierplatte 2' gezeigt, deren Durchlässigkeit und Reflexionsverhältnis von der Richtung abhängt, in der eine auf die Synthetisierungsplatte 2' einfallende Lichtwelle schwingt. Genauer gesagt wird das Reflexionsverhältnis groß und die Durchlässigkeit niedrig bei einem senkrecht zu dem Papier polarisierten Licht von dem projizierten Bild 11b, während die Durchlässigkeit hoch und das Reflexionsverhältnis niedrig werden bei einem parallel zur Zeichenebene polarisierten Licht von dem projizierten Bild 11a.
Vorzugsweise werden die Synthetisierungsplatte 2' und das sich ergebende polarisierte Bild verwendet, wodurch die Helligkeit des synthetisierten Bilds vergrößert wird. Eine Flüssigkristallvorrichtung kann ein polarisiertes Bild erzeugen. Wenn es für die Erfindung verwendet wird, kann ein synthetisiertes Bild ohne Lichtverlust erzeugt werden.
Allgemein gesagt, wenn die projizierten Bilder 11a und 11b ungefähr gleich sind, weist das synthetisierte Bild manchmal den gleichen Inhalt an einem Platz und an einem anderen auf. Die Erfindung ermöglicht es einer elektronischen Vorrichtung, wie einer Flüssigkristallanzeige und einer sogenannten EL-Anzeige, einen der gleichen Inhalte oder einen entfernteren Teil des Bildes zu löschen.

Beispiel 2

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform sind zwei Linsen 3a und 3b für die projizierten Bilder 11a und 11b vorgesehen, um jeweils virtuelle Bilder 11a' und 11b' zu erzeugen, anders als im Beispiel 1, wo eine einzige Linse 3 verwendet wird. Die virtuellen Bilder 11a' und 11b' werden jeweils vergrößert und zum Erzeugen eines bewegten synthetischen Bilds synthetisiert. Es ist möglich, die beiden Linsen 3a und 3b unabhängig voneinander zu betätigen, um die virtuellen Bilder 11a' und 11b' anzusteuern oder um Bildsignale von den projizierten Bildern 11a und 11b zu verarbeiten. Dadurch wird die Dreidimensionalität und die Dynamik eines Bilds vergrößert. Das Beispiel kann durch die gleichen Verfahren wie beim Beispiel 1 beschrieben in verschiedener Weise modifiziert werden.

Beispiel 3

Wie Fig. 6 zeigt, sind drei projizierte Bilder 11a, 11b und 11c vorhanden, die jeweils durch eine Linse 3a, 3b und 3c übertragen werden, sowie Bildsynthetisierer 2a und 2b, wie z.B. ein Halbspiegel oder ein Polarisierungsspiegel. Bei dieser Anordnung werden drei Bilder durch die Linsen 3a bis 3c vergrößert und unabhängig voneinander angesteuert, um jedes Bild wie gewünscht näher oder ferner erscheinen zu lassen. Die Dreidimensionalität und die Dynamik werden vergrößert.
Die Erfindung ist nicht auf die drei oben beschriebenen Beispiele beschränkt; beispielsweise kann die Anzahl von zu synthetisierenden Bildern mehr als drei betragen, falls notwendig. Die Arten und die Anzahl der Synthetisierer und der Linsen kann optional in Abhängigkeit von den Anwendungszwecken ausgewählt werden. In Fig. 6 betragen die Winkel θ&sub1; und θ&sub2;, mit denen sich die optischen Pfade schneiden, 90º, wobei auch Winkel anders als 90º ausgewählt werden können, wenn die Bildsynthetisierer 2a und 2b parallel zueinander angeordnet sind, um die Bilder zu erzeugen.
Durch Einstellen der Durchlässigkeit und des Reflexionsverhältnisses eines Bildsynthetisierers, wie beispielsweise eines Halbspiegels oder eines Polarisierungsspiegels können die Brillianz von jedem Bild vergrößert werden. Wenn Wellenlängen-Auswahleigenschaften bei Durchlassen oder Reflektieren von Licht eingesetzt werden oder die Bewegung der Linsen mit dem anzuzeigenden Bild synchronisiert wird, wird ein dynamisches, dreidimensionales und variantenreiches Bild erhalten.
Es sei darauf hingewiesen, daß verschiedene Modifikationen für den Fachmann offensichtlich und leicht ausführbar sind, ohne vom Schutzumfang abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung zur dreidimensionalen Bildwiedergabe mit einer Mehrzahl von Anzeigen (1a, 1b) zum Projizieren einer ersten Mehrzahl von Bildern (11a, 11b), einer ersten optischen Einrichtung (2) zum Erzeugen einer zweiten Mehrzahl von Bildern aus der ersten Mehrzahl von Bildern, und mit einer zweiten optischen Einrichtung (3) zum Wechseln der scheinbaren Position von wenigstens einem der zweiten Mehrzahl von Bildern; dadurch gekennzeichnet, daß

die zweite Mehrzahl von Bildern durch die erste und die zweite optische Einrichtung überlagerbar ist; und daß

die scheinbare Position des dem wenigstens einen zweiten Bild entsprechenden projizierten ersten Bilds durch die zweite optische Einrichtung (3) relativ zum Rest des ersten Bilds änderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Einrichtung Polarisierungseigenschaften aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Anzeigen abstrahlendes Licht oder von diesen reflektiertes Licht Polarisierungseigenschaften aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Durchlässigkeit und Reflexion der ersten optischen Einrichtung Wellenlängen-Selektionseigenschaften aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite optische Einrichtung die Größe eines projizierten Bilds in Abhängigkeit von der Stelle, auf die das Bild projiziert ist, ändert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite optische Einrichtung eine Linse mit veränderbarer Brennweite ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anzeige teilweise löschbar ist, und daß eine Einrichtung zum Anzeigen des gemeinsamen Inhalts von zwei oder mehr ersten Bildern auf nur einer der Anzeigen vorgesehen ist.