DE69900470T2 - Vorrichtung zum darstellen eines im raum schwebenden bildes - Google Patents

Vorrichtung zum darstellen eines im raum schwebenden bildes

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    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/56—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels by projecting aerial or floating images

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Darstellen eines im Raum schwebenden Bildes, enthaltend: ein darzustellendes Objekt, ein Rückstrahlmittel, welches zum Empfang von Licht von dem Objekt ausgestaltet ist; ein Strahlteilungsmittel (Strahl-Splitter) in einem Lichtstrahlweg von dem Objekt zum Rückstrahlmittel, wobei der Strahl-Splitter in einem schrägen Winkel zur Richtung des Lichtstroms angeordnet ist, derart, dass er einen Teil des Lichts hindurchlässt und einen Teil des Lichts reflektiert, das vom Strahl-Splitter durchgelassene oder reflektierte Licht auf das Rückstrahlmittel fällt und von diesem zurück zum Strahl-Splitter reflektiert wird, welcher einen Teil dieses zurückgestrahlten Lichts entweder reflektiert oder durchlässt, um ein reales, im Raum schwebendes Bild zu erzeugen.
  • Eine bekannte Darstellungs-Vorrichtung dieses Typs ist in der EP-A-0 460 873 beschrieben.
  • Eine weitere Vorrichtung zur Darstellung ist in der WO-A- 9603670 offenbart, worin ein Objekt dicht an einem konkaven Spiegel angeordnet sein muss, so dass von diesem Objekt kommendes Licht zuerst den konkaven Spiegel trifft und dann einen Strahl-Splitter.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung gemäß der Definition nach dem ersten Absatz vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie weiterhin einen konkaven Spiegel enthält, der derart zwischen dem Strahl- Splitter und dem Rückstrahlmittel angeordnet ist, dass Licht von dem Strahl-Splitter durch den konkaven Spiegel zu dem Rückstrahlmittel reflektiert wird, welcher es im Betrieb über den konkaven Spiegel zu dem Strahl-Splitter zurück reflektiert. Das Vorhandensein eines konkaven Spiegels zwischen dem Strahl- Splitter und dem Rückstrahlmittel kann durch Vermeidung von Reflexionen von den Oberflächen einer oder mehrerer konvergierender Linsen die sichtbare Qualität des Bildes verbessern.
  • Vorzugsweise ist der konkave Spiegel so angeordnet, dass er ein Bild des gegebenen Objektes oder Bildes in der Ebene des Rückstrahlmittels erzeugt. Dies kann die Auflösung des realen, im Raum schwebenden Bildes bedeutend verbessern und erlaubt beispielsweise die Benutzung von preisgünstigen Perl- Rückstrahlmitteln bei hoch auflösenden Displays. Zudem kann es den Bereich an Winkeln vergrößern, von welchen aus das Bild betrachtet werden kann.
  • Ist das Objekt dreidimensional, so erscheint auch das reale Bild als ein dreidimensionales, in den Raum projiziertes oder im Raum schwebendes Bild.
  • Ausführungen der Erfindung werden nun - nur beispielhaft - unter Bezugnahme auf die beigefügten Diagramm-Zeichnungen beschrieben, in denen Fig. 1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
  • Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Darstellung eines im Raum schwebenden realen Bildes. Die Vorrichtung enthält ein darzustellendes Objekt (1), ein Rückstrahlmittel (2), welches zum Empfang von Licht von dem Objekt ausgestaltet ist; ein Strahlteilungsmittel (Strahl- Splitter) (3) in einem Lichtstrahlweg von dem Objekt zum Rückstrahlmittel, wobei der Strahl-Splitter in einem schrägen Winkel zur Richtung (6) des Lichtstroms angeordnet ist, derart, dass er einen Teil des Lichts (9) durchlässt, wobei das von dem Strahl-Splitter durchgelassene Licht auf das Rückstrahlmittel fällt und von diesem zurück zum Strahl-Splitter reflektiert wird, welcher einen Teil dieses zurückgestrahlten Lichts reflektiert, um ein reales, im Raum schwebendes Bild (5) zu erzeugen. Die Vorrichtung enthält weiterhin einen konkaven Spiegel (4), der derart zwischen dem Strahl-Splitter (3) und dem Rückstrahlmittel (2) angeordnet ist, dass Licht von dem Strahl- Splitter von dem konkaven Spiegel auf das Rückstrahlmittel reflektiert wird, welches es zu dem konkaven Spiegel zurück reflektiert und dann zurück zum Strahl-Splitter.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei dem Objekt (1) um ein beleuchtetes Objekt, obgleich das Objekt auch ein von einer visuellen Display-Einheit dargestelltes Bild umfassen kann. Das Rückstrahlmittel enthält eine Schicht zurückstrahleflden Materials vom Perlen-Typ. Als Alternative kann das zurückstrahlende Material eine Schicht eines zurückstrahlenden Zentralspiegel("corner-cube)-Rückstrahler- Materials oder ein Dreifach-Spiegel-Rückstrahlmittel oder ein anderer richtungs-selektiver Schirm sein.
  • Es wird einem Fachmann geläufig sein, dass die Erfindung auch in dem Fall funktioniert, dass anfangs von dem Strahl- Splitter zurückgestrahltes Licht von einem konkaven Spiegel reflektiert wird, der angeordnet ist zwischen dem Strahl- Splitter und einem Rückstrahlmittel, das so positioniert ist, dass es von dem konkaven Spiegel einfallendes Licht zurückstrahlt.
  • Gleichfalls können zwei konkave Spiegel und zwei Rückstrahlmittel derart benutzt werden, dass eine Konkav- Spiegel- und Rückstrahlmittel-Kombination Licht von dem Objekt empfängt, das zuerst von dem Strahl-Splitter durchgelassen wurde, und die andere Konkav-Spiegel- und Rückstrahlmittel- Kombination Licht von dem Objekt empfängt, das zuerst von dem Strahl-Splitter reflektiert wurde. Es wird keine Ausrichtung der aufeinanderfolgend von jedem der Rückstrahlmittel erzeugten schwebenden Bilder notwendig, da die Rückstrahlmittel - per definitionem - das Licht an die gleichen Orten zurücksenden. In diesem Fall wird die Helligkeit des aufeinanderfolgend erzeugten schwebenden Bildes um den Faktor zwei erhöht.
  • Es wird angenommen, dass der Grund dafür, dass das Vorhandensein eines konvergierenden optischen Elements - wie beispielsweise eines konkaven Spiegels - sich so vorteilhaft auswirkt, dass entgegen der einfachen Theorie der Einfall eines Lichtstrahls auf ein Rückstrahlmittel aufgrund von Diffraktionswirkungen, Herstellungstoleranzen, Translationsverschiebungen oder wegen anderer Ursachen unvollkommener Retroreflexion nicht präzise entlang der Richtung, aus der er kam, zurückgesandt wird. Aufgrund dieser Tatsache wird der einfallende Strahl nach der Rückstrahlung zu einem schmalen Lichtkegel. Platziert man in dem Weg dieses Lichtkegels ein konvergierendes optisches Element, so wird es sich so verhalten, als wäre es von einer Punktquelle erzeugt worden, und die Linse wird den Lichtkegel fokussieren. Ist der konkave Spiegel so positioniert, dass er ein Bild des Objektes an der Oberfläche des Rückstrahlmittels erzeugt, so fällt der Punkt, an dem derselbe Spiegel ein Bild der Punktquelle aus dem Kegel des zurückgestrahlten Lichts bildet, mit der Position des Urspungs- Objekts zusammen, oder wo ein Strahl-Splitter das Licht bei der Position des schwebenden Bildes ableitet. Das Ergebnis des Vorhandenseins des konkaven Spiegels ist eine dramatische Schärfung des schwebenden Bildes. Die Verbesserung ist derart, dass Perl-Rückstrahlmittel (welche nicht perfekt zurückstrahlen und daher üblicherweise schwebende Bilder geringer Qualität zur Folge haben), dazu benutzt werden können, schwebende Bilder zu erzeugen, die Auflösungen von Fernsehqualität aufweisen.
  • Da außerdem Licht von dem Objekt auf das zurückstrahlende Material fokussiert wird, wird ein geringerer Bereich der Retro- Reflektor-Schicht benötigt. Daher können kleinere (billigere) Systeme für einen gegebenen Sichtwinkel hergestellt werden, oder ein größerer Sichtwinkel kann bei einem gegebenen Retro- Reflektor-Bereich erreicht werden. Größere "nahtlose" Bilder können erzeugt werden · von einer einzigen zurückstrahlenden Platte ("Fliese") einer gegebenen Größe.
  • Die Vorrichtung ist vorzugsweise so angeordnet, dass der Abstand zwischen dem Rückstrahlmittel und dem konkaven Spiegel wählbar oder variabel im Betrieb ist.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Darstellen eines im Raum schwebenden Bildes, enthaltend: ein darzustellendes Objekt (1); ein Rückstrahlmittel (2), welches zum Empfang von Licht von dem Objekt ausgestaltet ist; ein Strahlteilungsmittel (Strahl- Splitter) (3) in einem Lichtstrahlweg von dem Objekt zum Rückstrahlmittel, wobei der Strahl-Splitter in einem schrägen Winkel zur Richtung (6) des Lichtstroms angeordnet ist, derart, dass er einen Teil des Lichts hindurchlässt und einen Teil des Lichts reflektiert, das vom Strahl-Splitter durchgelassene oder reflektierte Licht auf das Rückstrahlmittel fällt und von diesem zurück zum Strahl- Splitter reflektiert wird, welcher einen Teil dieses zurückgestrahlten Lichts entweder reflektiert oder durchlässt, um ein reales, im Raum schwebendes Bild (5) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin enthält: einen konkaven Spiegel, der derart zwischen dem Strahl-Splitter und dem Rückstrahlmittel angeordnet ist, dass zu dem realen Bild beitragendes, vom Strahl-Splitter durchgelassenes oder reflektiertes Licht von dem konkaven Spiegel zum Rückstrahlmittel reflektiert wird, welcher es im Betrieb über den konkaven Spiegel zurück zum Strahl-Splitter reflektiert.
2. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der konkave Spiegel so angeordnet ist, dass er ein Bild des gegebenen Objektes oder Bildes auf dem Rückstrahlmittel abbildet.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein erstes Rückstrahlmittel vorgesehen ist, Licht zu empfangen, das von dem Objekt vom Strahl-Splitter durchgelassen wird, und ein weiteres Rückstrahlmittel vorgesehen ist, Licht zu empfangen, das von dem Objekt vom Strahl-Splitter reflektiert wird, derart, dass ein Teil des Lichts, das von beiden Rückstrahlmitteln reflektiert wird, das reale, im Raum schwebende Bild erzeugt, wobei in den jeweiligen Lichtstrahlwegen vom Strahl-Splitter zu den Rückstrahlmitteln ein erster und ein weiterer konkaver Spiegel vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Rückstrahlmittel ein Glasperlen-Rückstrahler ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Rückstrahlmittel ein Tripelspiegel-Rückstrahler ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Rückstrahlmittel ein Zentralspiegel("corner-cube)-Rückstrahler ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Strahl-Splitter einen Winkel von zwischen 35 und 55 Grad zur Richtung des Lichtstroms vom Objekt zum Rückstrahlmittel bildet.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen dem konkaven Spiegel und dem Rückstrahlmittel wählbar ist.
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