DE69432283T2

DE69432283T2 - Display für dreidimensionale Bilder

Info

Publication number: DE69432283T2
Application number: DE69432283T
Authority: DE
Inventors: Graham John Henley-on-Thames Woodgate; David Wallingford Ezra; Basil Arthur Faringdon Oxon Omar
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-12-01
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2014-12-01
Also published as: DE69432283D1; JPH07218865A; DE69434108T2; EP0656555A1; JP3199345B2; DE69434108D1; EP1209508A2; EP1209508B1; US6014164A; EP0656555B1; EP1209508A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Display für dreidimensionale Bilder. Bekannte Anzeigevorrichtungen zum Erzeugen dreidimensionaler (3D) Bilder erzeugen die Illusion eines undurchsichtigen 3D-Objekts durch Anzeigen einer Anzahl zweidimensionaler (2D) Bilder für den Betrachter. Jedes der 2D-Bilder ist eine Ansicht des Objekts aus einer speziellen Richtung, und während der Wiedergabe eines 3D-Bilds wird jede 2D-Bildkomponente in ihrer jeweiligen Richtung wiedergegeben.
Die Bewegungsfreiheit hinsichtlich des Betrachterorts ist durch den Gesamtwinkelbereich beschränkt, über den die Ansichten abgebildet werden. Bekannte Displays, die nur eine kleine Anzahl von 2D-Ansichten abbilden können, erzeugen ein 3D-Bild innerhalb eines stark eingeschränkten Bereichs von Betrachtungswinkeln. Demgemäß ist der Betrachter darauf eingeschränkt, sich innerhalb eines begrenzten Bereichs von Positionen zu befinden, damit das Aussehen eines 3D-Bilds erhalten bleibt. In ähnlicher Weise kann auch die Anzahl von Betrachtern eines 3D-Bilds aufgrund der beschränkten Anzahl von 2D-Ansichten beschränkt sein.
"Subjective Assessments of the Resolution of Viewing Directions in a Multi Viewpoint 3D TV System", von S. Pastoor, K. Schenke, S. 217, Proc. SID, Vol. 30/3, 1989 beschreibt das Erfordernis einer Anzahl von Ansichten bei einem 3D-Display. Es wird abgeschätzt, dass für eine typische Szene 60 oder mehr Ansichten mit dem Interokularabstand erforderlich sein können. Für ein großes Betrachtungsfeld müssen einige hundert Ansichten gleichzeitig angezeigt werden. Derzeit ist es nicht möglich, dies durch ein Display vom Typ für gleichzeitige Wiedergabe von Ansichten zu erzielen.
Ein von Akiyama, K. und Tetsutani, N. in der Veröffentlichung mit dem Titel "Three dimensional visual communication", 1991 ITE Annual Convention, S. 607 beschriebenes Display verfügt über ein Display mit zwei Ansichten, die dadurch erzeugt werden, dass auf einem Flussigkristaldisplay (LCD) hinter inem Rasterlinsenschirm ein verschachteltes Bild erzeugt wird. Die Positi on eines Betrachters wird überwacht, und wenn sich der Betrachter von einer orthoskopen Betrachtungszone in eine pseudoskope Betrachtungszone begibt, wird die Verschachtelungsabfolge der Bilder umgekehrt, um für den Betrachter das Aussehen eines orthoskopen Bilds aufrecht zu erhalten. Ein derartiges System erfordert ein genaues Verfolgen des Kopfs des Betrachters, um den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem die Bildabfolge umgekehrt werden sollte. Ferner ist ein derartiges Display auf den Gebrauch durch einen einzelnen Betrachter beschränkt, und die Schwarzmaske des LCD wird durch den Rasterlinsenschirm erkennbar.
Das Dokument EP-A-0 404 289 "Television set or the like for creating a three dimensional perception of images and apparatus for creation of saure" beschreibt ein 3D-Display, bei dem ein Rasterlinsenschirm abhängig von einer Bewegung eines Betrachters in Bezug auf eine Anzeigevorrichtung mit hoher Auflösung bewegt wird. Eine derartige Vorrichtung benötigt eine sehr genaue Steuerung der Bewegung des Rasterlinsenschirms, und sie ist auf die Verwendung durch einen einzelnen Betrachter beschränkt.
GB 2 206 763 offenbart eine 3D-Anzeigevorrichtung vom Typ mit zeitweiligem Multiplexbetrieb, bei dem aus verschiedenen Richtungen aufgenommene Ansichten repräsentierende 2D-Bilder an ein LCD geliefert werden. Eine raummodulierte Lichtquelle, wie eine Kathodenstrahlröhre (CRT), ist in der Brennebene einer benachbart zum LCD angeordneten Linse angeordnet. Verschiedene Bereiche des CRT-Schirms werden synchron mit den durch das LCD angezeigten verschiedenen 2D-Bildern angezeigt, so dass die Ansichten in den Richtungen erkennbar sind, aus denen sie aufgenommen wurden.
Das US-Patent Nr. 4 649 425 offenbart, in den 7 und 8, eine Anzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Als erstes und zweites Display sind Kathodenstrahlröhren verwendet.
Das US-Patent Nr. 2 883 906 offenbart eine Anzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Die Anzeigevorrichtung gemäß dem US-Patent Nr. 2 883 906 verfügt über kein den Betrachter verfolgendes System.
Gemäß der Erfindung ist ein autostereoskopisches Display zum Anzeigen eines 3D-Bilds geschaffen, wie es im beigefügten Anspruch 1 definiert ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den anderen beigefüqten Ansprüchen definiert.
So ist es möglich, ein autostereoskopisches Display zum Anzeigen eines 3D-Bilds zu schaffen, mit dem die Bewegung eines oder mehrerer Betrachter verfolgt werden kann. Der oder jeder Betrachter verfügt über einen erheblich vergrößerten Bewegungsfreiheitsgrad, innerhalb dessen das 3D-Bild erkennbar ist.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beispielhaft beschrieben.
1 ist ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der allgemeinen Prinzipien einer Anzeigevorrichtung unter Verwendung eines Strahlkombinierers;
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Vorrichtung der 1 im Gebrauch durch zwei Betrachter zeigt;
3 ist ein schematisches Diagramm einer Anzeigevorrichtung unter Verwendung eines Strahlkombinierers und einer einzelnen Beleuchtungsquelle, die eine erste Ausführungsform der Erfindung bildet;
4 ist ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der allgemeinen Prinzipien einer Projektions-Anzeigevorrichtung;
5 ist ein schematisches Diagramm einer Vergleichs-Anzeigevorrichtung;
6 ist ein schematisches Diagramm einer anderen Vergleichs-Anzeigevorrichtung;
7A–7F sind schematische Darstellungen des Beleuchtungsmusters, wie es durch die Beleuchtungsquelle auf verschiedene Bewegungen mindestens eines Betrachters hin erzeugt wird;
8 ist ein schematisches Diagramm einer Anzeigevorrichtung mit einem Betrachter-Nachfahrsystem;
9 ist ein schematisches Diagramm einer anderen Vergleichs-Anzeigevorrichtung;
10 zeigt eine Lichtquelle;
11 zeigt detaillierter einen Teil der Lichtquelle der 10;
12 zeigt eine andere Lichtquelle;
13 zeigt detaillierter einen Teil der Lichtquelle der 12;
14 zeigt einen Teil der Lichtquelle der 10 unter Hinzufügung einer optischen Streueinrichtung;
15 zeigt eine andere Lichtquelle;
16 zeigt einen Teil einer Lichtquelle, z. B. vom in der 15 dargestellten Typ;
17 zeigt eine weitere Lichtquelle;
18 zeigt noch eine weitere Lichtquelle;
19 ist ein schematisches Diagramm einer 3D-Anzeigevorrichtung, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung bildet und eine Lichtquelle enthält, wie sie in der 12 dargestellt ist;
20 ist ein schematisches Diagramm einer Vergleichs-Anzeigevorrichtung mit einer Lichtquelle, wie sie in der 12 dargestellt ist;
21 ist ein schematisches Diagramm einer Anzeigevorrichtung, die eine dritte Ausführungsform der Erfindung bildet und zwei Lichtquellen enthält, wie sie in der 10 dargestellt sind;
22 ist ein schematisches Diagramm einer Anzeigevorrichtung, die eine vierte Ausführungsform der Erfindung bildet und eine Lichtquelle enthält, wie sie in der 10 dargestellt ist;
23 ist ein schematisches Diagramm eines anderen Vergleichsdisplays mit zwei Lichtquellen, wie sie in der 10 dargestellt sind;
24a und 24b sind schematische Diagramme einer anderen Vergleichs-Anzeigevorrichtung;
25a und 25b sind schematische Diagramme einer anderen Vergleichs-Anzeigevorrichtung;
26a und 26b sind schematische Diagramme einer anderen Vergleichs-Anzeigevorrichtung;
27a und 27b sind schematische Diagramme einer anderen Vergleichs-Anzeigevorrichtung;
28a und 28b sind schematische Diagramme einer anderen Vergleichs-Anzeigevorrichtung;
29a und 29b sind schematische Diagramme einer Anzeigevorrichtung, die eine fünfte Ausführungsform der Erfindung bildet;
30 ist ein schematisches Diagramm einer anderen Vergleichs-Anzeigevorrichtung;
31 zeigt detaillierter einen Teil des Displays der 30; und
32 zeigt eine Modifizierung des Displays der 30.
Die 1 zeigt eine Draufsicht eines Vergleichsbeispiels eines 3D-Displays mit einem Strahlkombinierer für Direktbetrachtung. Erste und zweite Bilddaten werden an einen ersten bzw, zweiten Raumlichtmodulator 1a und 1b gegeben, um ein erstes bzw. zweites 2D-Bild zu erzeugen. Der erste und der zweite Raumlichtmodulator 1a und 1b werden jeweils durch eine jeweilige bewegliche Beleuchtungseinrichtung 2a bzw. 2b beleuchtet, die bewegliche Beleuchtungsquellen bilden. Licht von den Beleuchtungseinrichtungen 2a und 2b wird durch jeweilige Linsen 3a bzw. 3b auf die Raumlichtmodulatoren 1a bzw. 1b gelenkt. Das Lieht wird durch die Raumlichtmodulatoren 1a und 1b intensitätsmoduliert, um zwei 2D-Bilder zu erzeugen. Um ein 3D-Bild zu erzeugen, gehören die 2D-Bilder zum selben Objekt oder denselben Objekten, jedoch aus verschiedenen Richtungen. Dann werden die Bilder durch einen Strahlkombinierer 4 kombiniert, um das 3B-Bild zu erzeugen.
Die Beleuchtungsquellen 2a und 2b sind so angeordnet, dass sie Licht erzeugen, das von den mit "A" gekennzeichneten Positionen herrührt, während sich der Betrachter an einer Position 1 befindet, wie es in der 1 dargestellt ist. Wenn sich der Betrachter jedoch zu einer Position 2 bewegt, rührt das Licht von den Positionen "B" her, um das Aussehen eines 3D-Bilds zu bewahren. So werden die Relativpositionen der Beleuchtungsquellen 2a und 2b in Bezug auf die benachbart zu den SLMs 1a und 1b angeordneten Linsen 3a und 3b abhängig von der Bewegung des Betrachtes gesteuert. Das Display kann so gesteuert werden, dass auf eine Bewegung des Betrachters hin das Aussehen eines 3D-Bilds erhalten bleibt, wobei jedoch der Betrachtungspunkt erhalten bleibt. Alternativ können die durch die SLMs wiedergegebenen Daten abhängig von einer Bewegung des Betrachtes so modifiziert werden, dass zweckdienliche neue Ansichten erzeugt werden, um z. B. eine Bewegung um ein Objekt herum zu simulieren.
Das Display der 1 ist auch zur Verwendung durch mehrere Betrachter geeignet, wie es in der 2 dargestellt ist. Die Beleuchtungseinrichtungen 2a und 2b verfügen über eine Anzahl von Lichtquellen, die so angeordnet sind, dass zwei oder mehr Lichtquellen gleichzeitig in Gebrauch sein können. Dann können beide Betrachter gleichzeitig dasselbe 3D-Bild vom selben Betrachtungspunkt her betrachten.
Gemäß einem Bespiel kann jeder der Raumlichtmodulatoren ein Flüssigkristalldisplay (LCD) mit einer Abmessung der Diagonalen 250 mm sein. Die Beleuchtungseinrichtungen können 500 mm von den jeweiligen LCDs beabstandet sein, und die optischen Pfadlängen von den LCDs zur Betrachterposition können nominal einen Meter betragen. Dann können die Beleuchtungseinrichtungen aus Beleuchtungselementen mit einer Breite von 32,5 mm bestehen (so dass die Fenstergröße beim Betrachter nominal 65 mm breit ist), die eine Querbewegung ausführen oder die ein- und ausgeschaltet werden, um auf schrittweise Art eine Bewegung zu simulieren, was auf eine Querbewegung des Betrachters hin mit der halben Geschwindigkeit desselben erfolgt.
Das optische System, d. h. die Linsen 3, die SLMs 1 und der Strahlkombinierer 4, nutzt das von den Beleuchtungseinrichtungen 2a und 2b verfügbare Licht auf effiziente Weise, was zu einem hellen Bild führt. Bei einer alternativen Anordnung, die eine erste Ausführungsform der Erfindung bildet, wird eine einzelne Beleuchtungseinrichtung 5 von beiden Raumlichtmodulatoren gemeinsam genutzt, wie es in der 3 dargestellt ist. Die Beleuchtungseinrichtung ist so ausgebildet, dass sie eine Bewegung entlang zumindest der Richtung Y' erfährt oder simuliert, um eine Bewegung des Betrachters quer zum Display zu verfolgen, d. h. in der Richtung Y. Licht von der Beleuchtungseinrichtung wird durch einen Strahlteiler 7 zu Spiegeln 8a und 8b gelenkt. Die Spiegel 8a und 8b refktieren das Licht von der Quelle 5 zu den Linsen, wie Fresnel-Linsen, 3a und 3b, die den SLMs 1a und 1b zugeordnet sind. Die Beleuchtungseinrichtung kann ebenfalls in der Richtung Z' verstellbar sein, um einer Vertikalbewegung des Betrachters in der Richtung Z zu folgen. Die Beleuchtungseinrichtung kann ferner so ausgebildet sein, dass sie eine Bewegung in einer Richtung X' ausführt, um einer Bewegung des Betrachters zum Display und von diesem weg in einer Richtung X zu folgen, um dadurch zu gewährleisten, dass die Bildebene des durch die Linsen 3a und 3b fokussierten Lichts der Position des Betrachters folgt. Das gemeinsame Verwenden einer einzelnen Beleuchtungseinrichtung 5 vereinfacht die Komplexität des Positionssteuersystems für die Beleuchtungseinrichtung.
Die 4 zeigt die allgemeinen Prinzipien einer Projektions-Anzeigevorrichtung. Vorrichtungen dieses Typs sind in der früheren britischen Patentanmeldung Nr. 9323402.9 offenbart. Wie oben beschrieben, werden Bilddaten für zwei Ansichten an zwei SLMs 1a und 1b geliefert. Die SLMs führen eine räumliche Modulation des Lichts von den jeweiligen Beleuchtungseinrichtungen aus, um zwei 2D-Bilder zu erzeugen, die dann durch einen Strahlkombinierer 4 kombiniert werden. Jedoch können, anstatt dass die Beleuchtungseinrichtungen vom Betrachter direkt gesehen werden, dieselben in die Apertur einer Projektionslinse abgebildet werden. Die gesamte numerische Ausgangsapertur definiert die maximale Winkelerstreckung der Betrachtungs-Ausgangsrichtungen, wenn der endgültige Bildschirm eine Linse ist.
Wenn jedoch eine Kombination aus einem ersten und einem zweiten Rasterlinsenschirm 12 und 14, die als Winkelverstärkungselement dient, als Ausgangselement verwendet wird, wie dargestellt, werden durch den zweiten Rasterlinsenschirm 14 Ausgangskeulen erzeugt, wodurch der Gesamtbetrachtungskegel des Displays vergrößert wird. Der erste Rasterlinsenschirm 12 ist so angeordnet, dass er auf einer Streueinrichtung 16 ein Bild erzeugt. Die Streueinrichtung 16 liegt in der Objektebene des zweiten Rasterlinsenschirms 14. Wie bei den bisher beschriebenen anderen Ausführungsformen werden die Positionen der Beleuchtungseinrichtungen so gesteuert, dass sie der Bewegung des mindestens einen Betrachters folgen. Bei einem beispielhaften Displaysystem werden LCD-Schirme von 50 mm durch eine 30 mm-f#1,9-Projektionslinse auf ein Bild mit einer Größe von 250 mm auf eisern 3 : 1-Winkelvergrößerungsschirm abgebildet. Der Betrachterabstand vom Schirm beträgt 1000 mm mit näherungsweise 200 mm an Freiheit für eine Bewegung in der Querrichtung.
Eine Vertikalbewegung kann auf eine Anzahl von Arten aufgefangen werden. Das Bild der Beleuchtungseinrichtung in der Betrachtebene kann vertikal verlängert werden, um dadurch einen größeren Bereich möglicher Betrachtungshöhen, aus denen das Bild erkennbar ist, zu ergeben. Die mindestens eine Beleuchtungseinrichtung kann für sich vertikal erstreckende Beleuchtungsquellen sorgen, oder in der Ausgangsschirmebene kann ein vertikales Streuelement vorhanden sein. Alternativ kann die Position der mindestens einen Beleuchtungsquelle entsprechend der Bewegung des mindestens einen Betrachters vertikal verstellt werden.
Ein Verkippen des Kopfs des Betrachters kann, bei Displays, die keine Anordnungen (zylindrischer) Rasterlinsen verwenden, dadurch aufgefangen werden, dass die mindestens eine Beleuchtungsquelle verkippt wird. Jedoch muss das Bild modifiziert werden, um den autostereoskopischen 3D-Effekt aufrecht zu erhalten. Auf diese Weise kann die Größe der beleuchteten Fläche betreffend die mindestens eine Beleuchtungseinrichtung geändert werden, wenn die mindestens eine Beleuchtungseinrichtung entsprechend einer Längsbewegung des Betrachters in der Längsrichtung verstellt wird, um eine Änderung des Winkels zu kompensieren, unter dem sich die Augen des Betrachters befinden.
Die verstellbaren Beleuchtungseinrichtungen können auch unter Verwendung eines Zeitmultiplexbetriebs in eine Anzeigevorrichtung eingebaut werden, wie es in der 5 dargestellt ist. Die Beleuchtungseinrichtung 20 wird entsprechend den dem SLM 22 dargebotenen Bilddaten gesteuert, um sequenziell Bilder für das linke und das rechte Auge des Betrachters zu zeigen. Jedoch wird auch die allgemeine Position der Beleuchtungsquelle abhängig von der Bewegung des Kopfs des Betrachters gesteuert. So befindet sich die Beleuchtungseinrichtungnd an der Position A, so dass das Licht abwechselnd von den Positionen A' u A" herrührt, wenn sich der Betrachter an der Position 1 in der 5 befindet, jedoch wird die Beleuchtungseinrichtung an die Position B bewegt, wenn sich der Betrachter an der Position 2 befindet, damit das Licht von den Positionen B' und B'' herrührt.
Die 6 zeigt eine Anordnung, bei der ein im Zeitmultiplex betriebener SLM 24 zwischen die Rasterlinsenschirme 26 und 23 eingefügt ist, um die 2D-Bilder zu erzeugen. Die Anordnung des SLM und der Rasterlinsenschirme ist in der am 10. Mai 1993 unter dem Titel "Optical Device" eingereichten europäischen Patentanmeldung 93303590.9 offenbart. Die Position der Beleuchtungseinrichtung 20 wird entsprechend den an den SLM gelieferten Bilddaten gesteuert.
Die in den 5 und 6 dargestellten Vorrichtungen dienen nur zu veran schaulichenden Zwecken, und sie bilden keine Ausführungsformen der Erfindung.
Einer der Rasterlinsenschirme, oder beide, können durch eine Anordnung von Blendenöffnungen ersetzt werden. Die Vorrichtung verfügt über ein erstes zweidimensionales Array von Linsen oder Öffnungen mit einer Anzahl N von Gruppen von Linsen oder Öffnungen, von denen jede Z Linsen oder Öffnungen enthält, wobei Z eine ganze Zahl größer als Eins ist und wobei die Linsen oder Öffnungen des ersten Arrays mit einer Schrittweite P in einer ersten Dimension angeordnet sind; sowie ein zweites zweidimensionales Array von Linsen oder Öffnungen, das dem ersten Array zugewandt ist und eine Anzahl N von Linsen oder Öffnungen aufweist, die mit einer Schrittweite P in der ersten Richtung angeordnet sind, wobei P > p gilt und wobei jede Linse oder Öffnung des zweiten Arrays einer jeweiligen Gruppe von Linsen oder Öffnungen des ersten Arrays zugeordnet ist. Der Raumlichtmodulator verfügt über eine Anzahl von Modulationszellen, von denen jede im Wesentlichen einer jeweiligen der Linsen oder der Öffnungen des ersten Arrays entspricht und mit dieser ausgerichtet ist.
Es kann auf eine Anzahl von Arten bewerkstelligt werden, dass die Beleuchtungseinrichtung dem Betrachter folgt. Es kann die Position der Beleuchtungsquelle körperlich verstellt werden, z. B. durch eine Verschiebebewegung der Quelle und/oder unter Verwendung beweglicher Spiegel. Alternativ kann die Quelle eine CRT oder ein SLM sein, die bzw. der dazu verwendet wird, eine helle, ausgedehnte Lichtquelle so zu modifizieren, dass die Position, von der Licht aus der Quelle austritt, gesteuert werden kann, ohne dass die Position der Quelle körperlich verstellt wird. Bei einer weiteren Alternative, die nachfolgend detaillierter beschrieben wird, kann die Beleuchtungsquelle ein Array zusammenhängender Lichtquellen aufweisen, die individuell ansteuerbar sind, um eine oder mehrere sich bewegende Lichtquellen zu simulieren.
Es können verschiedene Arten von Nachführsystemen dazu verwendet werden, das Verfolgen eines oder mehrerer Betrachter durch das Display zu steuern. Zum Beispiel kann der oder jeder Betrachter seine Position über eine Eingabevorrichtung, wie einen Joystick, mitteilen. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Position des Betrachters durch ein Ulltraschall-Nachfahrsystem abgetastet werden, und der oder jeder Betrachter kann einen Magnet tragen, um seine Position einem magnetischen Nachfahrsystem anzuzeigen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können eine oder mehrere Kameras den Betrachtungsbereich durchscannen, um die Position des oder jedes Betrachters zu bestimmen, um z. B. Bilddaten an ein System zu liefern, das durch das Auge des oder jedes Betrachters erkannt wird. Bei noch einer weiteren Ausführungsform trägt der oder jeder Betrachter einen Reflektor, der elektromagnetische Energie, wie Infrarotenergie, reflektiert. Eine scannende Infrarotquelle und ein Infrarotdetektor oder eine Weitwinkel-Infrarotquelle und ein scannender Infrarotdetektor bestimmen die Position des oder jedes Reflektors, der vorzugsweise zwischen den Augen des Betrachters getragen wird. Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann der oder jeder Betrachter Sprachbefehle ausgeben, wie AUF, LINKS, HIER usw., um dem Display Anweisung zu erteilen oder um es einem audiogesteuerten Nachfahrsystem zu ermöglichen, die Position der Quelle der Stimme des Betrachters zu identifizieren.
Die 7a bis 7f repräsentieren Beispiele für die Form und die Position der Beleuchtungsquelle abhängig von einer Bewegung eines Betrachters. Die schraffierten Bereiche der Quelle repräsentieren das Gebiet, aus dem Licht emittiert wird. Die Darstellung gilt für ein Display im Zeitmultiplex, wobei die leichte Schraffierung das Gebiet repräsentiert, aus dem Licht zur Anzeige eines Bilds für das linke Auge emittiert wird, und die dunkle Schraffierung das Gebiet repräsentiert, aus dem Licht zum Anzeigen eines Bilds für das rechte Auge emittiert wird.
Die 7a zeigt die Quellenposition für einen Betrachter direkt vor dem Display. Die 7b und 7c zeigen die Quellenposition, wenn sich der Betrachter nach links bzw. unten bewegt. Die 7d zeigt die Quellenausrichtung, wenn der Betrachter seinen Kopf nach links um eine horizontale Achse neigt, während die 7e die Quellenform zeigt, wenn sich der Betrachter in der Längsrichtung bewegt hat. Die 7f zeigt die Quelle, wenn zwei Betrachter vorhanden sind. Wenn der Betrachter seinen Kopf um eine vertikale Achse dreht, während er auf das Display blickt, ergibt sich eine Änderung des effektiven Zwischenaugenabstands. Dies kann durch Verririgern der lateralen Größe der Elemente der Beleuchtungseinrichtung kompensiert werden.
Änderungen der Größe und der Ausrichtung der Beleuchtungsquelle können leicht erzeugt werden, wenn die Beleuchtungseinrichtunq über einen SLM verfügt, der dazu verwendet wird, eine ausgedehnte Lichtquelle oder ein Array von Lichtquellen zu modulieren.
Die 8 zeigt die Betriebsprinzipien eines Displaysystems mit einem Betrachter-Nachfahrsystem. Bilddaten, die mehrere, durch mehrere Kameras 28 aufgenommene oder durch einen Computer 30 erzeugte Ansichten eines Objekts 26 repräsentieren, werden über eine Bildsteuerung an eine Systemsteuerung 32 geliefert. Die Systemsteuerung 32 reagiert auf die Position eines Betrachters, wie sie durch einen Betrachter-Nachfahrdetektor 34 bestimmt wird. Die Systemsteuerung 32 gibt Befehle an eine Beleuchtungseinrichtungs-Positionssteuerung 36 aus, um die Beleuchtungseinrichtungen zu steuern. Die Systemsteuerung 32 bestimmt auch, welche der Ansichten durch die Raumlichtmodulatoren des autostereoskopischen 3D-Displays 38 wiederzugeben sind.
Die 9 zeigt ein weiteres Beispiel einer Projektions-Anzeigevorrichtung zum Vergleich. Bilddaten für zwei Ansichten werden an Raumlichtmodulatoren 40a und 40b gegeben. Jeder der Raumlichtmodulatoren wird durch eine jeweilige verstellbare Beleuchtungseinrichtung 42a bzw. 42b beleuchtet. Licht von der Beleuchtungseinrichtung 42a wird über eine Linse 44a auf den Raumlichtmodulator 40a gelenkt. In ähnlicher Weise wird Licht von der Beleuchtungseinrichtung 42b über eine Linse 44b auf den Raumlichtmodulator 40b gelenkt. Die in den Raumlichtmodulatoren 40a und 40b erzeugten Bilder werden auf ein Winkelvergrößerungselement 46 (z. B. vom Typ mit einem ersten und einem zweiten Rasterlinsenschirm 12 und 14 und einer Streueinrichtung, wie oben unter Bezugnahme auf die 4 beschrieben) abgebildet. Die Bilder werden durch jeweilige Linsen 48a und 48b abgebildet, deren Aperturen in einem Strahlkombinierer 50 überlagert werden. Ein derartige Überlagerung der Bilder beseitigt im Wesentlichen eine Trapezverzeichnung der zwei Bilder in Bezug aufeinander. Diese Anordnung ermöglicht es, zwei Raumlichtmodulatoren mit einer Strahlkombiniererkonfiguration abzubilden, ohne dass eine Projektionslinse mit einem großen hinteren Arbeitsabstand erforderlich wäre.
Die 10 zeigt ein Array von Lichtquellen, das für jede der in den 1 bis 9 dargestellten Beleuchtungseinrichtungen verwendet werden kann. Das Lichtquellenarray 101 verfügt über eine Anzahl optischer Wellenleiter 102, von denen einer in der 11 detailliert dargestellt ist. Jeder optische Wellenleiter 102 verfügt über einen kubischen Block aus optisch durchlässigem Material. Das Material kann aus Glas oder transparentem Kunststoff, wie Perspex (registriertes Warenzeichen), bestehen. In jedem Block 102 ist durch Bohren oder Formen ein zylindrischer Hohlraum 103 ausgebildet, der eine längliche Lichtquelle 104, wie eine Kaltkathoden-Fluoreszenzröhre, enthält. Zu anderen möglichen Lichtquellen gehören Licht emittierende Dio den, Laser, wie Laserdioden, Glühlampenquellen, Licht emittierende Polymere, Lumineszenz- und Plasmaquellen.
Jeder Block 102 verfügt über eine Lichtemissionsfläche 105, die als optische Streufläche dargestellt ist, die durch Aufrauen der Blockfläche, z. B. durch Sandstrahlen, hergestellt wurde, wobei sie jedoch auch eine glatte Fläche sein kann, die mit einer dünnen optischen Streuschicht überzogen ist. Die restlichen Flächen 106 des Blocks 102 sind optisch reflektierend, z. B. als Ergebnis einer Beschichtung mit einem Dünnfilm aus einem reflektierenden Material. Der Film weist vorzugsweise eine Dicke unter 100 μm auf, so dass, wie es in der 10 dargestellt ist, Blöcke 102 als lineares Array angeordnet sein können, wobei benachbarte Paare von Blöcken mit minimalem Abstand zwischen den Flächen 105 aneinander stoßen. So verfügt die Lichtquelle 101 über ein lineares Array zusammenhängender Licht emittierender Flächen.
Die Pfeile 107 in der 10 veranschaulichen verschiedene Lichtpfade für durch die Fluoreszenzröhren 104 in zweien der Blöcke 102 erzeugtes Licht. Die reflektierenden Oberflächen 106 enthalten das Licht innerhalb jedes Blocks 102, so dass sie als Wellenleiter wirken, wobei das Licht nur von der Fläche 105 emittiert wird. Daher sorgen die reflektierenden Flächen 106 dafür, dass das von jedem Block ausgegebene Licht maximal ist, und sie verhindern, dass Licht von jedem Block 102 zum benachbarten Block läuft, um "optisches Übersprechen" zu verhindern.
Es ist wünschenswert, dass Variationen des Lichtausgangssignals der Blöcke 102 minimiert sind. Kaltkathoden-Fluoreszenzröhren sorgen für hohe Helligkeit und hohe Effizienz bei hohen Schaltgeschwindigkeiten, jedoch zeigen sie wegen ihrer langen Aufwärmzeit, die bis zu mehreren Minuten betragen kann, Helligkeitsänderungen. Im Ergebnis existieren zwischen Röhren, die vor kurzem eingeschaltet wurden, und Röhren, die vor kurzem ausgeschaltet wurden, Helligkeitsdifferenzen. Daher ist benachbart zu den Fluoreszenzröhren 104 ein Heizkissen 108 mit einer geeigneten Temperaturregelung (nicht dargestellt) vorhanden, um die Temperaturen aller Röhren 104 auf ihrer normalen Betriebstemperatur zu halten, die typischerweise ungefähr 55°C beträgt. So emittieren Röhren, die eine erhebliche Zeit ausgeschaltet waren, unmittelbar nach dem Einschalten mit im Wesentlichen ihrer vollen Intensität.
Die 12 und 13 zeigen eine modifizierte Form eines Lichtquellenarrays 101, bei dem die kubischen Blöcke 102 durch keilförmige Blöcke 112 ersetzt sind. Die Flächen 115 entsprechen den Streuflächen 105 der Blöcke 102, und sie sorgen für das Lichtausgangssignal der Blöcke 112. Die restlichen Flächen sind wie im Fall der Blöcke 102 mit reflektierendem Material beschichtet. So ist es möglich, eine gekrümmte, eindimensionale Lichtquelle herzustellen, bei der die Flächen 115 der Keilblöcke 112 einen Teil einer zylindrischen oder kugeligen Fläche bilden oder annähern. Die Flächen 115 könne_n schmaler als die Breite der Röhren 104 sein, um die räumliche Auflösung der Lichtquelle zu erhöhen. Eine derartige gekrümmte Lichtquelle kann dazu von Nutzen sein, Feldkrümmungsaberration zu überwinden, wie sie z. B. in Zusammenhang mit der Achsenversatzfunktion von in 3D-Displaysystemen verwendeten Fresnel-Linsen auftritt, wodurch das Gesichtsfeld eines derartigen Displays vergrößert wird.
Es ist wichtig, dass jeglicher Restabstand zwischen benachbarten Flächen 105 oder 115 der Blöcke für den Betrachter im Wesentlichen unsichtbar ist. Dies kann zumindest teilweise dadurch bewerkstelligt werden, dass die Blöcke sorgfältig so bearbeitet werden, dass sie an den Flächen 105 und 115 scharfe Ränder aufweisen, wobei diese Flächen so zusammengedrückt werden, dass nur ein dünner Reflexionsfilm benachbarte Blöcke trennt. Um jedoch die Erkennbarkeit der Zwischenräume noch weiter zu verringern, kann eine zusätzliche dünne Streueinrichtung 120 über die Flächen 105 der Blöcke hinweg angebracht werden, um eine kleine Menge gesteuerter Querstreuung von Licht zwischen benachbarten Blöcken zuzulassen, wie es in der 14 dargestellt ist. Außerdem kann eine Schicht eines Helligkeitsanhebefilms (BEF = Brightness Enhancing Film) von 3M auf der Fläche der Streueinrichtung 120 dazu verwendet werden, die Helligkeit der Quelle in der Normalrichtung zu verbessern.
Die 15 zeigt ein zweidimensionales Lichtquellenarray 101 mit einer Anzahl von Blöcken 102, die als zweidimensionales, zusammenhängendes Array angeordnet sind. Die Lichtquellen der einzelnen Blöcke sind unabhängig voneinander steuerbar, um es zu ermöglichen, jedes beliebige Beleuchtungsmuster zu erzeugen. Z. B. kann eine zugehörige Steuerschaltung so ausgebildet sein, dass sie die in den 7a bis 7b veranschaulichten Formen und Positionen simuliert.
Die 16 zeigt eine modifizierte Art eines Blocks 102, bei dem die Fluoeeszenzröhre 104 innerhalb eines Schlitzes 103' liegt, der sich nach innen ausgehend von der Rückseite des Blocks 102 erstreckt, anstatt dass sie im in der 11 dargestellten zylindrischen Hohlraum 103 vorhanden wäre. Die den Schlitz 103' bildende Fläche ist optisch durchlässig, so dass Licht von der Fluoreszenzröhre 104 in den durch den Block 102 gebildeten Wellenleiter eingekoppelt wird.
Die 17 zeigt eine Lichtquelle aus Blöcken 102, die sich von der in der 11 dargestellten Art dadurch unterscheiden, dass die Rückseite jedes Blocks gekrümmt ist. Eine derartige Anordnung kann dazu verwendet werden, die Gleichmäßigkeit der Ausgangshelligkeit des Wellenleiterelements zu verbessern.
Das in der 18 dargestellte Lichtquellenarray ist von ähnlicher Konfiguration wie das in der 17 dargestellte, jedoch unterscheidet es sich dadurch, dass die im Wesentlichen massiven Blöcke 102 aus Perspex (registriertes Warenzeichen) durch "luftgefüllte Wellenleiter" ersetzt sind, die Kohlräume 116 umschließen. Die Hohlräume sind durch undurchsichtige Trennwände 117 mit Messerkanten an der Streueinrichtung 120 und durch undurchsichtige Endtrennwände (nicht dargestellt) gebildet. Die Trennwände verfügen über reflektierende Flächen, und die Rückseite jedes Hohlraums 116 ist durch einen zylindrischen oder parabelförmig gekrümmten Reflektor 118 gebildet.
Die in den 10 bis 14 dargestellten Perspexblöcke 102 und 112 können in ähnlicher Weise durch luftgefüllte Wellenleiter ersetzt werden.
Die 19 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und sie zeigt den Gebrauch der Lichtquelle 101 der 12 und 13 im Display der 3 anstelle der Beleuchtungsquelle 5. Die Lichtquelle 101 liefert Licht zu einem Strahlteiler 122, der im Wesentlichen die Hälfte des Lichts zu einem Spiegel 123 durchlässt und im Wesentlichen die Hälfte des Lichts zu einem Spiegel 124 reflektiert. Die Spiegel 123 und 124 reflektieren das Licht durch Fresnel-Linsen 125 bzw. 126 und SLMs 127 bzw. 128. Die durch die SLMs 127 und 128 modulierten Lichtstrahlen werden dann durch einen Strahlkombinierer 129 so kombiniert, dass ein auf dem SLM 127 erzeugtes Bild für das rechte Auge eines Betrachters erkennbar ist und das auf dein SLM 128 erzeugte Bild für das linke Auge des Betrachters erkennbar ist. Die Fresnel-Linsen 125 und 126 erzeugen an den Positionen des rechten bzw. linken Auges des Betrachters Bilder der Lichtquelle 101.
Die einzelnen Fluoreszenzröhren des Lichtquellenarrays werden durch eine Beleuchtungssteuerung 130 gesteuert, die ihrerseits durch ein Betrachter-Nachfahrsystem 131 gesteuert wird. Das Betrachter-Nachfahrsystem 131 ist so ausgebildet, dass es die Position des Betrachters verfolgt und dafür sorgt, dass die Beleuchtungssteuerung 130 diejenigen Fluoreszenzröhren einschaltet, für die es dazu kommt, dass Bilder auf den Flächen 115 der entsprechenden Blöcke 112 an den Positionen der Augen des Betrachters erzeugt werden. Wenn sich z. B. der Betrachter an der Position 132 befindet, werden die Fluoreszenzröhren 104a zum Leuchten gebracht, und durch die durchgehenden Linien sind typische Strahlpfade für das Licht von den entsprechenden Blöcken dargestellt. Wenn sich der Betrachter an eine Position 133 bewegt, erfasst das Betrachter-Nachfahrsystem 131 die Positionsänderung, und sie sorgt dafür, dass die Beleuchtungssteuerung 130 die Röhren 104a löscht und die Röhren 104b einschaltet. Typische Strahlpfade sind durch die strichpunktierten Linien in der 19 dargestellt.
Alternativ können beide Gruppen von Röhren 104a und 104b gleichzeitig zum Leuchten gebracht werden, um es zu ermöglichen, dass zwei Betrachter gleichzeitig autostereoskopische Bilder sehen, z. B. an den Positionen 132 und 133. Das Betrachter-Nachfahrsystem 131 kann ferner so ausgebildet sein, dass es die Positionen beider Betrachter verfolgt und dafür sorgt, dass die Beleuchtungssteuerung 130 diejenigen Röhren 104 zum Leuchten bringt, die dafür sorgen, dass von beiden Betrachtern innerhalb des durch das Display zugelassenen Bewegungsbereichs autostereoskopische Bilder gesehen werden können.
Die 20 ist ein weiteres Vergleichsbeispiel, und sie veranschaulicht die Verwendung des Lichtquellenarrays 101 bei einem im Zeitmultiplex betriebenen Display der in der 5 dargestellten Art. Wenn sich der Betrachter an der Position 132 befindet, wird Licht von den Röhren 104c durch eine Fresnel-Linse 135 durch einen SLM in Form einer schnellen Flüssigkristalldisplay(LCD)-Tafel 136 auf das linke Auge des Betrachters (durch durchgezogene Linien dargestellt) abgebildet, wohingegen Licht von den Röhren 104d auf das rechte Auge (wie durch die strichpunktierten Linien dargestellt) abgebildet wird. Wenn sich der Betrachter an der Position 133 befindet, werden die Röhren 104e und 104 zum Leuchten gebracht. Wenn sich der Betrachter an der Position 132 befindet, werden als Erstes die Röhren 104c eingeschaltet, und die anderen Röhren werden ausgeschaltet. An die LCD-Tafel 136 und ein Bild für das linke Auge gegeben, das vom linken Auge des Betrachters erkennbar ist. Dann werden die Röhren 104c gelöscht, und die Röhren 104d werden zum Leuchten gebracht, während die Bilddaten so geändert werden, dass an der Position 132 ein Bild für das rechte Auge dargestellt wird, das vom rechten Auge des Betrachters gesehen wird. Diese Abfolge wird mit einer Wiederholrate wiederholt, die ausreichend hoch dafür ist, ein Erkennen von Flackern zu verhindern, so dass der Betrachter ein autostereoskopisches 3D-Bild sieht.
Wenn sich der Betrachter bewegt, z. B. von der Position 132 zur Position 133, wechseln die aktiven Röhren 104 dauernd von 104c und 104d auf 104e und 104f, so dass der Betrachter, innerhalb des Bereichs zulässiger Betrachtungspositionen, dasselbe autostereoskopische 3D-Bild sieht.
Alternativ können, wie im Fall der 19, zwei Gruppen von Röhren 104c, 104d sowie 104e, 104f gleichzeitig aktiv sein, um es zu ermöglichen, dass zwei Betrachter an verschiedenen Betrachterorten dasselbe autostereoskopische 3D-Bild sehen. Wenn sich die Betrachter z. B. an den Positionen 132 und 133 befinden, werden die Röhren 104c und 104e synchron geschaltet, und die Röhren 104d und 104e werden synchron geschaltet. Beide Betrachter können unabhängig verfolgt werden, und die geeigneten Röhren 104 werden synchron mit den an die LCD-Tafel 136 gelieferten Bilddaten aktiviert.
Die 21 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und sie zeigt ein autostereoskopisches 3D-Display einer Art ähnlich der in der 19 dargestellten, wobei jedoch zwei Lichtquellenarrays 101a und 101b vorhanden sind. Das Licht von den Lichtquellenarrays 101a und 101b wird durch den Strahlteiler 112 aufgeteilt, wobei der Lichtpfad vom Quellenarray 101a durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist und derjenige vom Quellenarray 101b durch gestrichelte Linien dargestellt ist. Die Lichtquellenarrays 101a und 101b sind an solchen Positionen angeordnet, dass die Bilder, die bei 138 dargestellt sind, einander mit der halben Schrittweite der Blöcke 102 oder 112 der Lichtquellen überlappen. So sorgt eine derartige Anordnung für höhere Lichtintensität des Displays, und die effektive Auflösung der individuell beleuchtbaren Elemente der Lichtquelle wird verdoppelt. Ferner wird jeglicher Zwischenraum zwischen benachbarten Flächen 102 oder 112 eines Lichtquellenarrays durch das Licht von einer der Flächen 102 oder 112 des anderen Lichtquellenarrays überdeckt, so dass derartige zwischenräume weniger erkennbar sind.
Die Röhren 104 der Lichtquellen sind einzeln steuerbar, und sie können einund ausgeschaltet werden, um jede gewünschte Art von Lichtquelle zu repräsentieren. Im Fall eines einzelnen verfolgten Betrachters existieren immer einige Röhren 104 in benachbarten Blöcken, die gleichzeitig leuchten. Wenn sich ein Betrachter bewegt, z. B. nach links, wie durch einen Pfeil 139 in der 19 dargestellt, ist es erforderlich, dass sich die Lichtquelle tatsächlich in der Richtung des Pfeils 139' bewegt. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass die Röhre an einem Ende der Gruppe beleuchteter Röhren ausgeschaltet wird und die Röhre benachbart zum anderen Ende eingeschaltet wird. So ist kontinuierlich ein autostereoskopisches 3D-Bild erkennbar, wenn sich ein Betrachter bewegt. Daher simuliert das Lichtquellenarray 101 effektiv eine bewegliche Lichtquelle, ohne dass sie bewegliche Teile benötigt. Wie oben beschrieben, können, damit zwei oder mehr Betrachter gleichzeitig das 3D-Bild sehen, zwei oder mehr Gruppen von Röhren 104 gleichzeitig zum Leuchten gebracht oder gesteuert werden, wobei die leuchtenden Gruppen unabhängig voneinander den Betrachtern folgen.
Bei einem typischen Beispiel eines Lichtquellenarrays vom in der 10 dargestellten Typ haben die Fluoreszenzröhren 104 einen Durchmesser von 4 mm, und die Blöcke 102 sind 8 mm breit. Daher bildet ein Array von 24 Blöcken eine Lichtquelle mit einer Gesamtbreite von 192 mm. Wenn es in einem Display mit Strahlkombinierer von in der 19 dargestelltem Typ verwendet wird, ist es erforderlich, beim Betrachter zwei Bilder der Lichtquelle zu erzeugen, die 64 mm breit und 64 mm voneinander getrennt sind. Für Fresnel-Linsen 125 und 126, die so ausgebildet sind, dass sie für eine Vergrößerung 2 : 1 sorgen, können vier Röhren zum Leuchten gebracht werden, so dass die Beleuchtungsbreite bei der Lichtquelle 32 mm beträgt. Der maximale Bewegungsbereich des Betrachters beträgt dann 384 mm, und die Röhren müssen fortschreitend für jeweils ungefähr 16 mm der Bewegung des Betrachters geschaltet werden, um entsprechend der Bewegung des Betrachters gleichmäßige Betrachtungsfreiheit zu erzielen.
Die 22 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und sie zeigt ein autostereoskopisches 3D-Display von ähnlicher Art, wie sie in der 19 dargestellt ist. Jedoch sind die Spiegel 123 und 124 und die Linsen 125 und 126 durch Spiegel 140 und 141 ersetzt. Jeder der Spiegel 140 und 141 ist ein kugelförmiger oder asphärischer Spiegel, der Licht vom Lichtquellenarray 101 durch den entsprechenden SLM 127 oder 128 ablenkt und am Ort 142 eines Betrachters ein Bild des Lichtquellenarrays 101 erzeugt. Die Reflexionsflächen der Spiegel 140 und 142 können zusätzlich ein Beugungsmuster enthalten, um ein hybrides Reflexions-/Beugungselement zu erzeugen, bei dem das Fokussiervermögen gleichzeitig hinsichtlich Reflexion und Beugung genutzt wird. Dies erlaubt es, einhergehend mit einer größeren effektiven Apertur verbesserte optische Funktion zu erzielen. Außerdem kann der hintere Arbeitsabstand des Displays verringert werden, um es kompakter zu machen.
Die 23 zeigt als Vergleichsbeispiel ein autostereoskopisches 3D-Display, das dem in der 22 dargestellten ähnlich ist, bei dem jedoch das Lichtquellenarray 101 und der Strahlteiler 122 durch zwei Lichtquellenarrays 101a und 101b ersetzt sind.
Die 24a und 24b zeigen ein anderes im Zeitmultiplex betriebenes Display ähnlich dem in der 5 als weiteres Vergleichsbeispiel. Das Display verfügt über einen SLM in Form eines Flüssigkristalldisplays 260, dem eine Linse 261, wie eine Fresnel-Konvergenzlinse, zugeordnet ist. Eine Beleuchtungsquelle 262 verfügt über eine ausgedehnte Lichtquelle (nicht dargestellt) in Form einer Hintergrundbeleuchtung, vor der ein Blendenarray 263 in Form eines Flüssigkristall-Raumlichtmodulators geringer Auflösung angeordnet ist. Das Blendenarray 263 wird durch eine Einrichtung zum Verfolgen der Position eines Betrachters (nicht dargestellt) gesteuert. Alternativ kann die Beleuchtungsquelle 262 über ein Array zusammenhängender, unabhängig steuerbarer Lichtquellen verfügen, z. B. vom in den 10 bis 18 dargestellten Typ.
Im Gebrauch wird das Verschlussarray 263 so gesteuert, dass Elemente 264 und 265 transparent sind, während die anderen Elemente des Arrays 263 undurchsichtig sind. So bilden die transparenten Elemente 264 und 265 gemeinsam mit der Hintergrundbeleuchtung eine Lichtquelle, die durch die Linse 261 auf einen Bereich 266 abgebildet wird, in dem sich das linke Auge 267 eines Betrachters befindet. Das Licht von den Elementen 264 und 265 wird durch das Flüssigkristalldisplay 260 so moduliert, dass dem linken Auge 267 des Betrachters das linke Bild eines 3D-Bilds dargeboten wird.
Dann werden die Elemente 264 und 265 so gesteuert, dass sie undurchsichtig werden, und die Elemente 268 und 269 werden transparent gemacht, um als andere Lichtquelle zu wirken. Licht von den Elementen 268 und 269 wird durch die Linse 261 in einen Bereich 270 abgebildet, in dein sich das rechte Auge 271 des Betrachters befindet. Das durch das Flüssigkristalldisplay 260 entsprechend einem zweiten Bild des 3D-Bilds modulierte Lich ist durch das rechte Auge 271 zu betrachten. Dieser Ereigniszyklus wird dann mit ausreichend schneller Rate wiederholt, um für den Betrachter ein Flackern nicht wahrnehmbar zu machen, so dass das Display durch Zeitmiultiplexbetrieb für ein autostereoskopisches 3D-Bild sorgt.
Die 24b veranschaulicht den Betrieb des Displays, wenn sich der Betrachter in der Richtung eines Pfeils 272 bewegt hat. Um dem Betrachter gleichmäßig zu folgen und um zu gewährleisten, dass dieser dauernd ein autostereoskopisches 3D-Bild sieht, werden die Verschlussarrayelemente 273 und 264 auf das linke Auge 267 abgebildet, wohingegen die Verschlusselemente 265 und 268 auf das rechte Auge 271 abgebildet werden. So wird Licht von den Verschlusselementen 273 und 264 durch die Vorrichtung 260 mit dem linken Bild moduliert, wohingegen Licht von den Verschlusselementen 265 und 268 durch die Vorrichtung 260 mit dem rechten Bild moduliert wird. Das Verschlussarray 264 und die Hintergrundbeleuchtung simulieren so eine Bewegung der Beleuchtungsquelle in der Richtung des Pfeils 274, um der Bewegung des Betrachters zu folgen.
Das in den 25a und 25b als weiteres Vergleichsbeispiel dargestellte Display ist dem in den 24a und 24b dargestellten ähnlich, wobei jedoch ein Verschlussarray 263 geringerer Auflösung verwendet ist. In diesem Fall wird in der 25a mit den Augen 267 und 271 des Betrachters an der dargestellten Position nur das Verschlusselement 275 durch die Linse 261 auf das linke Auge 267 abgebildet, wohingegen die Verschlusselemente 276 und 277 auf das rechte Auge 271 abgebildet werden. Wenn sich der Betrachter in der Richtung des Pfeils 272 bewegt, wie in der 25b dargestellt, werden die Verschlusselemente 276 und 278 so gesteuert, dass sie auf das linke Auge 267 abgebildetes Licht liefern, wohingegen nur das Element 276 gesteuert wird, um auf das rechte Auge 271 abgebildetes Licht zu liefern.
Die 26a und 26b zeigen als weiteres Vergleichsbeispiel ein Display vom in den 24a und 24b dargestellten Typ, wobei jedoch das Verschlussarray 263 auf andere Weise so betrieben wird, dass alle Verschlusselemente kontinuierlich getaktet werden. Insbesondere werden, wenn sich der Betrachter an der in der 26a dargestellten Position befindet, die Verschlusselemente 273 und 280 synchron mit den Verschlusselementen 268 und 269 betrieben, wohingegen die Verschlusselement 281 und 282 synchron mit den Verschlusselementen 264 und 265 betrieben werden. Eine derartige Anordnung trägt dazu bei, Speichereffekte zu verringern, wie sie bei bestimmten Arten von Flüssigkristalldisplays vorhanden sein können, wenn diese Für lange Zeit in einen Zustand geschaltet werden, wie es Für Verschlusselemente wahrscheinlich ist, die weiter entfernt von der Displayachse angeordnet sind. Bei Displays, bei denen die Lichtquellen selbst geschaltet werden, wie die in den 10 bis 18 dargestellten Quellen, trägt der kontinuierliche Schaltbetrieb aller Lichtquellen dazu bei, Effekte einer Beeinträchtigung der Helligkeit der Quellen im Verlauf der Lebensdauer zu verringern. Wenn mehr als ein Betrachter vorhanden ist, können verschiedene Teile des Verschlussarrays 263 für jeden Betrachter auf dieselbe Weise gesteuert werden.
Die 26b veranschaulicht den Betrieb, wenn sich der Betrachter in der Richtung des Pfeils 272 bewegt hat. In diesem Fall werden die Verschlusselemente 280, 265, 268 und 282 synchron gesteuert, und die restlichen Verschlusselemente 273, 264, 269 und 281 werden synchron betrieben.
Die 27a und 27b veranschaulichen als weiteres Vergleichsbeispiel den in den 26a und 26b veranschaulichten Betriebsmodus für den Fall eines Verschlussarrays 263 mit niedrigerer Auflösung vom in den 25a und 25b veranschaulichten Typ. Insbesondere zeigen die 27a und 27b ein im Zeitmultiplex betriebenes Display von kompaktem Typ unter Verwendung eines Linsenarrays und unter Verwendung von Verschlusselementen höherer Auflösung als denen, die in den 24a bis 26b dargestellt sind, mit einer jeweiligen Gruppe von "Beleuchtungseinrichtungen" für jede Linse. Wie beim in den 25a und 25b dargestellten Display sind die tatsächlichen Beleuchtungselemente für das linke und das rechte Auge 267 und 261 von verschiedener Größe.
Die 28a und 28b zeigen ein weiteres Vergleichsbeispiel eines autostereoskopischen 3D-Displays von einem ähnlichen Typ, wie er in der 1 dargestellt ist, jedoch mit Beleuchtungsquellen vom in den 27a und 27b dargestellten Typ mit ausgedehnten Lichtquellen (nicht dargestellt) und Verschlüssen 263a und 263b. Alternativ können die Lichtquellen vom in den 10 bis 18 dargestellten Typ sein. Licht durchläuft den Verschluss 263a für das rechte Bild, wohingegen Licht den Verschluss 263b für das linke Bild durchläuft. Licht wird kontinuierlich durch die Verschlüsse 263a und 263b geliefert, so dass die Lichtpfade von dort durch die rechten und linken Bilder moduliert werden, wie sie an die Flüssigkristall-Raumlichtmodulatoren 260a bzw. 260b geliefert werden. Es sind zwei Konvergenzlinsenarrays 261a und 261 vorhanden, um die effektiven Lichtquellen für das rechte bzw. linke Auge 271 bzw. 267 abzubilden. Das linke und das rechte Bild werden durch einen Strahlkombinierer 285 kombiniert.
Die 28b veranschaulicht die Änderung des Betriebs der Verschlüsse 263a und 263b auf eine Bewegung des Betrachters in der Richtuncg des Pfeils 272 hin, so dass das Display der Bewegung des Betrachters folgt.
Die 29a und 29b zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, und sie zeigen ein autostereoskopisches 3D-Display vom in der 3 dargestellten Typ, das sich von dem in den 28a und 28b dargestellten dadurch unterscheidet, dass die zwei Lichtquellen durch eine einzelne Lichtquelle 262 vom in den 24a und 24b dargestellten Typ gemeinsam mit einer Lichtaufteilanordnung mit einem Strahlteiler 286 und Reflektoren 287 und 288 ersetzt sind. Licht von der Beleuchtungsquelle 262 wird aufgeteilt, um zwei Lichtquellen zu simulieren, die an den Positionen des linken bzw. rechten Auges 267 bzw. 271 abgebildet werden. Erneut veranschaulicht die 29b den Betrieb als Ergebnis einer Bewegung des Betrachters in der Richtung des Pfeils 272.
Bei Displays vom in den 28a und 28b dargestellten Typ wird Licht von der Lichtquelle und vom Verschluss 263a durch den Strahlkombinierer 285 durchgelassen, wohingegen Licht von der Lichtquelle und dem Verschluss 263b durch den Strahlkombinierer 285 reflektiert wird. Dies kann zu einer Störung von Farbdifferenzen führen, da die Reflexions- und die Transmissioncharakteristik des Strahlkombinierers 285 auf verschiedene Arten abhängig von der Farbe variieren können. Jedoch zeigen Displays vom in den 29a und 29b dargestellten Typ diesen Effekt nicht. Insbesondere erfährt, wenn der Strahlteiler 286 und der Strahlkombinierer 285 im Wesentlichen identisch gemacht wird, das Licht durch den Strahlteiler 286 über den Spiegel 287, das durch den Strahlkombinierer 285 reflektiert wird, eine Transmission und zwei Reflexionen, wohingegen das durch den Strahlteiler 286 reflektierte Licht durch den Spiegel 288 reflektiert wird und durch den Strahlkombinierer 285 durchgelassen wird und daher ebenfalls zwei Reflexionen und eine Transmission erfährt. So erfährt Licht, das entlang den zwei optischen Pfaden läuft, dieselbe Farbabbildung, und daher werden Farbdifferenzen verringert oder beseitigt.
Die Beleuchtungsquellen der in den 24a bis 29b dargestellten Displays können ausgedehnte Lichtquellen aufweisen, denen Verschlüsse zugeordnet sind, wie beschrieben, oder sie können zusammenhängende Arrays diskreter Lichtquellen aufweisen. In jedem Fall erlauben es diese Ausführungsformen, Verschlüsse oder Lichtquellenarrays mit relativ niedriger räumlicher Auflösung bei Anordnungen zu verwenden, die Für ein Verfolgen des Betrachters sorgen. Z. B. können Lichtquellen vom in den 16 bis 18 dargestellten Typ mit einer durch die Größe der Fluoreszenzröhren begrenzten Auflösung dennoch bei dem Betrachter nachfahrenden Displays verwendet werden.
Die 30 zeigt ein weiteres Vergleichsbeispiel eines autostereoskopischen 3D-Displays von einem Typ ähnlich dem in der 1 dargestellten, mit SLMs 1a und 1b und einem Strahlkombinierer 4. Jedoch sind die Beleuchtungseinrichtungen 2a und 2b und die Linsen 3a und 3b durch kompakte Lichtquellen 300a und 300b ersetzt, die jeweils über ein Linsenarray 301, wie einen Rasterlinsenschirm, verfügen, hinter dem ein einen Verschluss 302 bildendes Array von Schlitzen und eine ausgedehnte Beleuchtungsquelle 303 angeordnet sind (31). Der Rasterlinsenschirm 301 kann alternativ durch eine Parallaxesperre ersetzt werden. Jede Einzellinse des Rasterlinsenschirms ist mit einem jeweiligen Schlitz ausgerichtet, um die Beleuchtungsrichtung des Raumlichtmodulators 1a oder 1b so zu kontrollieren, dass die linken und rechten Bilder für das linke bzw. rechte Auge eines Betrachters 305 erkennbar sind, der sich im Betrachtungsbereich des Displays befindet.
Der Verschluss 302 ist mit einem mechanischen Stellglied 304 verbunden. Ein Nachfahrsystem zum Verfolgen der Position des Betrachters 305 liefert Steuersignale an das Stellglied 304, um den Verschluss 302 so in Bezug auf das Linsenarray 301 zu positionieren, dass der Betrachter 305 das 3D-Bild sehen kann. Die Beleuchtungsquelle 303 und der Verschluss 302 bilden so eine verstellbare Beleuchtungsquelle, und das Linsenarray 301 bildet ein Abbildungssystem zum Abbilden der Beleuchtungsquelle beim Betrachter 305.
Die 32 veranschaulicht eine alternative Anordnung zum Verfolgen eines Betrachters, bei dem der mechanisch verstellbare Verschluss 302 und das Stellglied 304 durch einen programmierbaren Verschluss 306 ersetzt sind. Der programmierbare Verschluss 306 kann z. B. einen LCD-SLM aufweisen, der so gesteuert wird, dass er für transparente Schlitze sorgt, deren Positionen auf eine Bewegung des Betrachters 305 verstellbar sind, damit das 3D-Bi1d dem Betrachter folgt.
Kompakte Lichtquellen vom in den 30 bis 32 dargestellten Typ können anstelle von Spiegeln und Beleuchtungsquellen bei den anderen in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen verwendet werden, um für relativ kompakte Displays zu sorgen, die einem oder mehreren Betrachtern nachfahren können.

Claims

Autostereoskopisches Display zum Anzeigen eines dreidimensionalen Bilds mit einem ersten und einem zweiten Display zum Anzeigen linker bzw. rechter zweidimensionaler Bilder sowie einem Strahlkombinierer (4, 129) zum Kombinieren von Licht vom ersten und zweiten Display, wobei das erste und das zweite Display eine einzelne Beleuchtungsquelle (5, 101), ein erstes und ein zweites Abbildungssystem (3a, 3b, 125, 140, 141) zum Abbilden der Beleuchtungsquelle (5, 101) auf einen ersten Betrachtungsbereich (132, 133, 142), einen ersten und einen zweiten Raumlichtmodulator (1a, 1b, 127, 128) zum Modulieren von Licht von der Beleuchtungsquelle (5, 101) durch linke bzw. rechte zweidimensionale Bilder und einen Strahlteiler (7, 122) zum Lenken von Licht von der Beleuchtungsquelle (5, 101) zum ersten und zweiten Raumlichtmodulator (1a, 16, 127, 128) aufweisen, gekennzeichnet durch ein Betrachter-Nachfahrsystem (34, 131) zum Verfolgen der Position eines ersten Betrachters und ein Steuersystem (36, 130) zum Steuern der Position der Lichtemission der Beleuchtungsquelle (5, 101) in solcher Weise, dass der erste Betrachtungsbereich (132, 133, 142) der Position des ersten Betrachters folgt.
Display nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (123, 140) Licht zu einem ersten Reflektor (123, 140) durchlässt und Licht zu einem zweiten Reflektor (124, 141) reflektiert, und dass der Strahlkombinierer (129) Licht vom ersten Reflektor (123, 140) reflektiert und Licht vom zweiten Reflektor (124, 141) durchlässt.
Display nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsquelle (5) verstellbar ist.
Display nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsquelle (5) optisch zum ersten und zweiten Abbildungssystem (3a, 3b), und von diesem weg, verstellbar ist, um der Bewegung des ersten Betrachters zum Display und von diesem weg zu folgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsquelle (101) ein Array zusammenhängender, einzeln ansteuerbarer Lichtquellen (104a, 104b) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Array ein eindimensionales Array ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede der steuerbaren Lichtquellen einen mit einem Lichtemitter (104) gekoppelten Lichtleiter (102) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Lichtemitter (104) einen Kaltkathode-Fluoreszenzemitter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Heizer (108), um die Arbeitstemperatur der Fluoreszenzemitter im Wesentlichen aufrecht zu erhalten.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Abbildungssystem (3a, 3b, 125, 126, 140, 141) so ausgebildet sind, dass sie die Beleuchtungsquelle (101) in einen zweiten Betrachtungsbereich abbilden, dass das Betrachter-Nachfahrsystem (34, 131) so ausgebildet ist, dass es der Position eines zweiten Betrachters folgt, und dass das Steuersystem so ausgebildet ist, dass sie die Position einer weiteren Lichtemission der Beleuchtungsquelle (101) so steuert, dass der zweite Betrachtungsbereich der Position des zweiten Betrachters folgt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Abbildungssystem erste und zweite Konvergenzlinsen (3a, 3b, 125, 126) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Abbildungssystem einen ersten bzw. einen zweiten Konvergenzspiegel (140, 141) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste als auch der zweite Konvergenzspiegel (140, 141) ein Beugungsfokussiermuster aufweist, das auf einer Reflexionsfläche derselben ausgebildet ist.