DE69929622T2

DE69929622T2 - Projektionssystem

Info

Publication number: DE69929622T2
Application number: DE69929622T
Authority: DE
Inventors: Svyatoslav Ivanovich Reutov Moskovskaya obl. ARSENICH
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: EP1202079A2; DE69929622D1; CN1367883A; ATE316659T1; EP1202079B1; WO2000003271A2; ES2258856T3; EP1202079A4; WO2000003271A3; KR20020066319A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Projektionssysteme zur Projektion monoskopischer und stereoskopischer Bilder auf einen großen Betrachtungsschirm mit Hilfe optischer Projektionstechnik.
Die erfindungsgemäßen Projektionssysteme sind zur verbraucherorientierten wie auch zur professionellen Verwendung vorgesehen, wie Kino-, Tele-, Video- und Computerprojektion, Projektion von Bühnenbildern im Theater, Projektion in der Werbung u.a. Zur Erzeugung der projizierten Bilder können derzeit verwendete sowie auch die erfindungsgemäßen modernisierten Episkope, Diaskope, Kinoprojektoren sowie Video-, Tele- und Computerprojektoren verwendet werden. Mit den erfindungsgemäßen reflektierenden oder lichtdurchlässigen Betrachtungsschirmen können hohe optische Parameter der dargestellten Bilder erreicht werden und sind umfangreiche Anwendungsmöglichkeiten bei der Projektion gegeben, die beim Stand der Technik nicht bekannt sind.
Stand der Technik
Weithin bekannt sind Projektionssysteme, umfassend einen Projektor und einen Schirm zum Betrachten des projizierten Bildes. Im Projektor wird ein projiziertes Bild erzeugt, das mit Hilfe einer Projektionslinse (des Projektors) auf einen großen externen lichtdurchlässigen oder reflektierenden Betrachtungsschirm vergrößert wird. Ein Durchlichtprojektor (transparency projector) projiziert lichtdurchlässig die transparenten Bilder von Objekten, beispielsweise Bilder transparenter Dias, Kinofilme oder Flüssigknstall-Displays. Ein Episkop projiziert im reflektierten Licht die Bilder von hintergrundbeleuchteten undurchsichtigen Objekten wie z.B. Zeichnungen, Illustrationen, Fotografien. Tele-, Video- und Computerprojektoren mit Kinescope-Rährendisplays (kinescopic) oder anderen Lichtstrahlen abgebenden Displays projizieren auf dem Display-Bildschirm erzeugte selbstleuchtende Bilder. Projektoren mit einem eine Vielzahl elektronisch gesteuerter Mikrospiegel enthaltenden Bildmodulator projizieren die Bilder in dem von den Mikrospiegeln reflektierten Licht. Ein Frontprojektionssystem (front projection system) dient zur Projektion von Bildern auf einen reflektierenden Betrachtungsschirm oder eine weiße Wand, und ein Rückprojektionssysteme (rear projection system) dienen zur Projektion von Bildern auf einen lichtdurchlässigen Schirm zum Erzeugen von diffusem Licht (translucent diffuse-diffusing screen).
Die bekannten Projektoren sind beschrieben in V. V. Makartsev, A. Ya. Khesin, A. L. Steierberg, "Large-screen video systems", Moskau, Vlg. Panas, 1993, S. 15-22, 57-83, 96-99, 147-155, 1, 2 und 22, 23.
Die EP 240 045 A1 offenbart ein Rückprojektionssystem, umfassend eine Lichtquelle und einen Schirm, der eine Prismaplatte und eine Projektionsplatte umfasst. Die Prismaplatte ist auf der Rückseite des Schirms angeordnet, während die Projektionsplatte dessen dem Betrachter zugewandte Vorderseite bildet. Das Licht der Lichtquelle ist auf der Rückseite der Prismaplatte schräg einfallend. Die Prismaplatte enthält lichtbrechende Elemente, durch die das schräg einfallende Licht an die Vorderseite der Prismaplatte gelenkt wird. Die lichtbrechenden Elemente lenken das auftreffende Licht so ab, dass es auf der Rückseite der Prismaplatte senkrecht einfällt. Das auf der Rückseite der Projektionsplatte einfallende Licht gelangt durch die Projektionsplatte zu deren Vorderseite, die der Vorderseite des Schirms entspricht. Die Projektionsplatte enthält Licht diffundierende Elemente (light-dispersing elements), die das durch die Projektionsplatte gehende Licht in einen Betrachtungsbereich streuen.
Die JP-A-05-072 634 offenbart eine Rückprojektions-Displayvorrichtung, in der Licht von außen, beispielsweise von der Beleuchtung in Räumen, absorbiert wird, um den Kontrast zu verbessern. Die Vorrichtung umfasst einen Schirm, auf dessen Vorderseite eine Gruppe Lenticularlinsen angeordnet ist. Das von einer Lichtquelle stammende Licht wird auf der Rückseite des Schirms schräg einfallend gemacht. Auf der Rückseite des Schirms auftreffendes Licht wird mit Hilfe von Prismen auf die Vorderseite des Schirms gelenkt. Die Prismen nehmen das schräg einfallende Licht auf, das durch die Prismen geht, und lenken es so ab, dass es aus den Prismen senkrecht in Richtung der Vorderseite des Schirms austritt. Das aus den Prismen austretende Licht wandert durch die Gruppe Lenticularlinsen und wird von diesen in einen Betrachtungsbereich gestreut. Die Prismen sind so geformt und ausgestaltet, dass nicht von der Lichtquelle abgegebenes Licht, wie beispielsweise von der Beleuchtung in Räumen stammendes Licht, aber auch auf die Rückseite des Schirms (d.h. auf die Rückseite der Prismen) auftreffendes Licht nicht durch die Prismen gelangen kann. Hierfür enthaften die Vorderseiten der Prismen Licht absorbierende Bereiche, die nicht von der Lichtquelle stammendes Licht absorbieren.
Das US-Patent 4,003,080 betrifft ein Rückprojektionssystem, umfassend einen Laserprojektor, der gebündelte Projektionsstrahlen erzeugt, die durch eine Fresnel-Linse auf einen Schirm gebrochen werden. Das Rückprojektionssystem gemäß US 4,003,080 besitzt ein komplexes optisches System mit zwei oder mehr Spiegeln. Insbesondere umfasst das optische System einen großen Spiegel, dessen Abmessungen mit den Abmessungen des Betrachtungsschirms vergleichbar sind, weshalb eine Frontprojektions-Anordnung nicht möglich ist.
Der Hauptnachteil der oben beschriebenen Projektionssysteme liegt in ihren großen Abmessungen und ihrem beträchtlichen Gewicht. Dieser Nachteil ist mit der Notwendigkeit verbunden, die Projektion in einem großen Projektionsraum zwischen einem Projektor und einem Betrachtungsschirm durchzuführen mit einem Projektionsabstand, der nicht weniger als die Länge der Diagonalen des auf dem Schirm abgebildeten Bildes betragen darf. Weiter können die Projektion und auf dem Schirm abgebildete Bilder durch Schatten der Betrachter und Gegenstände, die sich im Projektionsraum befinden, gestört werden. Das technische Paradoxon besteht darin, dass ein reflektierender oder lichtdurchlässiger Betrachtungsschirm zur Projektion eines hellen und scharfen Bildes den projizierten Lichtstrom maximal reflektieren bzw. durchlassen muss. Dabei verschlechtert sich bei Betrachtung der auf dem Schirm abgebildeten Bilder im Falle zusätzlicher Beleuchtung des Betrachtungsschirms von außen der Bildkontrast beträchtlich, an den Rändern des Bildfeldes des Schirms nimmt die Helligkeit ab, und die Genauigkeit der Farbwiedergabe geht verloren. Diese Parameter sind nur mit einem schwarzen Schirm (ähnlich den schwarzen Schirmen von Direktsichtröhren (direct vision kinescopes)) optimal zu erreichen. In diesem Falle schränkt jedoch eine geringere Qualität der auf dem Schirm abgebildeten Bilder die Anwendungsmöglichkeiten der Projektionssysteme in beleuchteter Umgebung oder im Freien ein. Diese Schwierigkeit hängt mit Konstruktionsproblemen der modernen Projektionssysteme zusammen, die die Projektion innerhalb von Projektionswinkeln (Winkel der Neigung der Achse bezüglich der Senkrechten zum Betrachtungsschirm) von maximal 30° zulassen.
Der Erfindung am nächsten bezüglich der Gesamtheit der kennzeichnenden Merkmale und des erzielten technischen Ergebnisses kommt ein Rückprojektionssystem, umfassend einen (lichtdurchlässigen) Linsenraster (lenticular raster)-Rückprojektions-Betrachtungsschirm. Der Schirm besteht aus zwei Teilen, und zwar ist auf der Projektionsseite eine Fresnel-Linse angeordnet, an die zur Betrachterseite zwei vertikal positionierte lenticulare Elemente angrenzen, die durch schwarze vertikale Streifen voneinander getrennt sind. Das Vorhandensein dieser schwarzen Streifen gewährleistet ein kontrastreiches Bild selbst in hell beleuchteter Umgebung. Der axiale Verstärkungsfaktor (der Helligkeit) des Schirms beträgt 5,7 Einheiten. Die Fresnel-Linse, die einen sehr hohen axialen Richtungsfaktor (bis zu 100) aufweist, konzentriert den Projektorlichtstrom in einem sehr engen Streuungswinkel. Lenticulare Linsen richten den gebündelten Lichtstrom in Schlitze zwischen den schwarzen vertikalen Streifen und streuen diesen in Richtung des Betrachters in einem relativ weiten Betrachtungswinkel. Dabei wird ein optimaler Kompromiss zwischen Lichtbündelung (Lichtausbeute (luminous efficiency)), Breite der Betrachtungszone und Reflektionskraft des Schirms erzielt. Ein dunkler Schirm ist nicht empfindlich bezüglich Beleuchtung von außen, und die starke Lichtbündelung in den engen Schlitzen wird als hohe Bildhelligkeit empfunden.
Ein Nachteil der Rück- und Frontprojektionssysteme besteht in der Notwendigkeit eines Projektionsraums von großem Volumen ohne Schatteneinfall von externen Objekten. Außerdem vermindern Linsenraster-Schirme bekanntlich in beträchttichem Maße Helligkeit und Genauigkeit der Farbwiedergabe des Bildes von der Mitte zu den Rändern des auf dem Schirm abgebildeten Bildes hin, insbesondere vom Blickwinkel des nahe am Rande des Bereichs befindlichen Betrachters aus. Darüber hinaus sind die übergroßen Abmessungen und das beträchtliche Gewicht der bekannten Rückprojektionssysteme durch die Notwendigkeit, das Projektionssystem in einem lichtgeschützten Raum oder einem Gehäuse mit Projektionsspiegeln unterzubringen und eine Vorrichtung zur unbeweglichen Aufhängung des Projektors vorzusehen, bedingt. Diese Schwierigkeiten wie auch das Erfordernis eines größeren Projektionsabstands zwischen Projektor und Schirm (vergleichbar mit der Länge der Bilddiagonalen) machen die Konstruktion der bekannten Rück- und Frontprojektionssysteme kompliziert und teuer.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung von preiswerten Projektionssystemen mit geringen Abmessungen und einem geringeren Gewicht, die reflektierende oder lichtdurchlässige Betrachtungsschirme umfassen und die Projektion von monoskopischen und stereoskopischen Bildern guter Qualität in beliebiger Vergrößerung bei heller äußerer Beleuchtung des auf dem Schirm abgebildeten Bildes erlauben.
Das durch die Ausführungsformen der Erfindung erzielte gemeinsame technische Ergebnis besteht in einer flachen Konstruktion eines Projektionssystems, mit dem eine Verkleinerung des Projektionsraums und eine Verbesserung der Basisparameter erreicht werden und das außerdem für Projektionssysteme neue Parameter mit maximaler Lichtausbeute bietet dank der Durchführung der Projektion von der Stirnseite des Schirms her.
Das technische Ergebnis gemäß Anspruch 1 besteht in der Möglichkeit separater oder gleichzeitiger Front- und/oder Rückprojektion und Betrachtung von Bildern auf beiden Seiten des Schirms.
Ein weiteres technisches Ergebnis besteht in der Verwendung der Stirnseiten-Projektion zum Projizieren der Strahlen in das Innere des Schirms, der in Form eines Lichtleiters ausgebildet ist, zur Erzeugung eines Bildes auf dem Schirm durch mehrfache Reflektion der Strahlen im Lichtleiter. Diese Vorgehensweise schließt eine Störung der Projektion und des Projektionsraums vor und hinter dem Schirm durch Schatten aus.
Ein weiteres technisches Ergebnis besteht in der Erzeugung eines Bildes auf dem Schirm unter Projektion von Strahlen, die bestimmten Bildelementen (Pixels) entsprechen und durch verschiedene Eintrittswinkel oder Einfallwinkel auf die reflek tierenden Flächen innerhalb des Schirms charakterisiert sind, so dass die Strahlen durch die Licht diffundierenden Elemente des Schirms (screen light-diffusors) in den zur Erzeugung des Bildes auf dem Schirm erforderlichen Koordinaten ausgegeben werden.
Ein weiteres technisches Ergebnis besteht in einer größeren Schirmfläche mit Anti-Flimmer-Schutz oder einer kontrollierten Transparenz und in einer Verkleinerung der Fläche der sichtbaren Elemente des auf dem Schirm abgebildeten Bildes.
Ein weiteres technisches Ergebnis besteht in der Verkleinerung des Projektionsraums oder Verringerung der Dicke des lichtleitenden Schirms durch optische Verkleinerung des Längsschnittes der Projektionsstrahlen mit Hilfe der Projektionslinsen des Projektors.
Ein weiteres technisches Ergebnis besteht in der Verkleinerung des Projektionsraums oder Verringerung der Dicke des lichtleitenden Schirms durch optische Verengung des Längsschnittes der durch den Schirm hindurchtretenden Projektionsstrahlen im Beleuchtungssystem eines Durchlichtprojektors ohne Verwendung von Projektionslinsen.
Und ein weiteres technisches Ergebnis der Anwendung der Erfindung schließlich besteht in der Möglichkeit der einfachen Betrachtung räumlicher Bilder durch sich bewegende Betrachter ohne Verwendung einer stereoskopischen Brille, sowie die Möglichkeit des gleichzeitigen Betrachtens verschiedener Bilder durch verschiedene Betrachter auf demselben Bildschirm aus verschiedenen Blickwinkeln.
Das durch die Erfindung erzielbare technische Ergebnis wird dadurch erreicht, dass das bekannte Projektionssystem nur einen oder mehrere Projektoren und einen Betrachtungsschirm enthält und dass auf dem Schirm Licht diffundierende Elemente zur Streuung der Projektionsstrahlen ausgebildet sind.
Das Unterscheidungsmerkmal der Erfindung besteht darin, dass die Licht diffundierenden Elemente in Form optischer Elemente ausgebildet sind, die so geformt sind, dass die von der Stirnseite des Schirms her längs der Schirmebene gelenkten Projektionsstrahlen eingefangen und anschließend optisch reflektiert oder abgelenkt werden unter gleichzeitiger Streuung der Strahlen in den Bildbetrachtungsbereich des Schirms. Zur optischen Vergrößerung und zur Gewährleistung der Tiefenschärfe der Projektion über die ganze Fläche des Schirms sind die Projektoren und Betrachtungsschirme mit einem optischen System zur Umwandlung des zu projizierenden Bildes und zur Verringerung der Querschnitte der Projektionsstrahlen auf die Weite der Eingangsfenster der Licht diffundierenden Elemente versehen.
Mit anderen Worten ist das erfindungsgemäße Projektionssystem, umfassend einen oder mehrere Projektoren und einen Betrachtungsschirm, auf dem Licht diffundierende Elemente zur Streuung der Projektionsstrahlen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht diffundierenden Elemente so ausgebildet sind, dass sie die von der Stirnseite des Schirms her längs der Schirmebene gelenkten Projektionsstrahlen einfangen und anschließend optisch ablenken unter gleichzeitiger Streuung der Strahlen in den Bildbetrachtungsbereich eines auf dem Schirm erzeugten Bildes, und dass es weiterhin ein optisches System umfasst, das das zu projizierende Bild umwandelt und die Querschnitte der Projektionsstrahlen an die Eingangsfenster der auf dem Schirm angeordneten Licht diffundierenden Elemente anpasst, um Tiefenschärfe des projizierten Bildes über die gesamte Schirmoberfläche zu erreichen.
Gemäß Anspruch 1 ist der Betrachtungsschirm zur Durchführung der Projektion von der Stirnseite des Schirms her auf die Vorderseite und die Rückseite (vom Betrachter aus gesehen) des Schirms ausgebildet, und zu diesem Zweck sind die Licht diffundierenden Elemente in Form aus der Schirmoberfläche vorstehender oder bezüglich der Schirmoberfläche tiefer liegender Spiegel, Linsen oder Prismen zum Einfangen, Ablenken oder Streuen der von der Stirnfläche des Schirms projizierten Strahlen ausgebildet. Das heißt, dass das Projektionssystem dadurch gekennzeichnet ist, dass der Betrachtungsschirm mit stirnseitigen Projektionsreflektoren ausgebildet ist und/oder die Projektoren an den Stirnseiten des Schirms angeordnet sind zur Durchführung der Projektion auf die Vorderseite (vom Betrachter aus gesehen) und/oder Rückseite des Schirms. Die Licht diffundierenden Elemente sind in Form aus der Schirmoberfläche vorstehender oder bezüglich der Schirmoberfläche tiefer liegender optischer Elemente ausgebildet. Diese Elemente stellen Linsen oder Prismen dar, die alle Projektionsstrahlen, die auf die zur Bilderzeugung vorgesehene Fläche des Schirms auftreffen, vollständig einfangen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Projektionssystems ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass der Betrachtungsschirm mit einem Lichtleiter in Form einer planparallelen Platte oder mit einem laminaren oder aus einer Mehrzahl von Streifen (multi-strip) ausgebildeten Lichtleiter ausgestattet ist. Der Kern des Lichtleiters besitzt einen konstanten Brechungsindex sowie stirnseitige transparente Eingangsfenster zum Eintritt der parallelen Projektionsstrahlen in den Lichtleiter. Auf der Oberfläche des Lichtleiters sind bereichsweise auf der Schirmfläche punktförmige oder lineare Licht diffundierende Elemente zum Auslenken der Projektionsstrahlen aus dem Lichtleiter in vorbestimmten Koordinaten zur Bilderzeugung auf dem Schirm vorgesehen. Danach streuen die Lichtleiter die Projektionsstrahlen in den Bildbetrachtungsbereich des Schirms. Der Projektor oder die Projektoren sind mit einem optischen System zur Erzeugung enger paralleler Projektionsstrahlen und zur Abgabe dieser Strahlen durch die Stirnseiten des Lichtleiters ausgestattet, wobei die Strahlen in bestimmten Koordinaten auf die Flächen des Lichtleiters auftreffen. Diese Anordnung gewährleistet, dass die Strahlen durch vielfache innere Reflektion von den Flächen des Lichtleiters, die keine Licht diffundierenden Elemente aufweisen, innerhalb des Lichtleiters bis zu bestimmten Licht diffundierenden Elementen gelangen. Bestimmte Projektionsstrahlen, die von den entsprechenden Licht diffundierenden Elementen eingefangen werden, treten aus dem Lichtleiter aus und werden in den Bildbetrachtungsbereich des Schirms gestreut.
Im Betrachtungsschirm ist der als Lichtleiter dienende Kern mit einer sich von der Eintritts-Stirnseite des Lichtleiters in Bewegungsrichtung der Strahlen im Lichtleiter keilförmig verjüngenden Dicke ausgebildet. Der Kern weist einen konstanten Brechungsindex auf und ist mit einer Beschichtung oder einem optischen Eingangsfenster eines Licht diffundierenden Elements mit konstantem oder abgestuftem Brechungsindex, dessen Wert unter dem Wert des Brechungsindex' des Kerns liegt, versehen. Bei jeder dieser Ausführungsformen des lichtleitenden Schirms ist ein Projektor mit einem optischen System zur Erzeugung der Projektion von Strahlen der einzelnen Elemente des projizierten Bildes vorgesehen, wobei die Strahlen durch verschiedene Eintnttswinkel zur Stirnseite des Lichtleiters charakterisiert sind. Diese Ausbildung gewährleistet eine selektive Ausleitung der Strahlen aus dem Lichtleiter durch die Licht diffundierenden Elemente des Schirms in den zur Erzeugung des Bildes auf dem Schirm erforderlichen Koordinaten. Dann werden die Strahlen in den Bildbetrachtungsbereich gestreut (diffused).
Das Projektionssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsfenster und die Ausgangsfenster der Licht streuenden Elemente des Schirms eine minimale Fläche aufweisen, die um ein Vielfaches geringer ist als die Schirmfläche um die Fenster. Gemäß einer Ausbildungsform ist die Schirmfläche um die Ausgangsfenster auf dem Schirm mit einer undurchsichtigen (opaque) schwarzen Anti-Flimmer-Beschichtung beschichtet. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist auf der Schirmfläche zwischen den Licht diffundierenden Elementen ein undurchsichtiges schwarzes Anti-Flimmer-Netz angeordnet. Gemäß einer dritten Ausführungsform ist die Schirmfläche um die Licht diffundierenden Elemente optisch transparent oder mit einem photochromen Film zur Regulierung der Transparenz des Schirms durch ultraviolette Hintergrundbeleuchtung ausgebildet.
Das Projektionssystem ist dadurch charakterisiert, dass der Projektor mit einem Projektions-Teleobjektiv und einer anamorphotischen Zylinderlinse oder mit einem zylindrischen Spiegel ausgestattet ist zur minimalen Vergrößerung der Projektionsgröße, beispielsweise Vergrößerung in der Höhe, und zur gleichzeitigen Vergrößerung der Projektion auf Schirmbreite. Der Projektor ist in einem bestimmten Abstand zum Schirm angeordnet, und an der Stirnseite der Schirmbreite ist ein Spiegelwinkelreflektor (mirror retrodirective refector) zur Umlenkung der Projektion von der genannten Stirnfläche über die Oberfläche des Schirms angeordnet. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Projektor bzw. sind die Projektoren nahe an den Stirnflächen des Schirms angeordnet, und auf den Stirnflächen des Schirms sind die Spiegelreflektoren für die mehrfache Reflektion der Projektion angebracht. Diese Ausführungsformen ermöglichen eine optimale Verringerung des Querschnitts der Projektionsstrahlen auf die Fläche der Eingangsfenster der Licht diffundierenden Elemente.
Das Projektionssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchlichtprojektor und ein Schirm mit einem optischen System zur Umwandlung der Projektionsbilder und zur Verringerung des Querschnitts der Projektionsstrahlen ohne Verwendung von Projektionslinsen und transformierenden anamorphotischen Linsen versehen sind. Dazu ist im Durchlichtprojektor eine Vorrichtung zur Beleuchtung der transparenten projizierten Bilder mit einem optischen System zur Erzeugung der Hintergrundbeleuchtung von Dias mit dünnen, fächerförmig auseinanderlaufenden Strahlen vorgesehen, wobei der Querschnitt der Strahlen auf die Größe der Fläche der Eingangsfenster der Licht diffundierenden Elemente vergrößert wird.
Das Projektionssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin einen oder mehrere Stereoprojektoren und einen Stereoschirm mit Licht diffundierenden Elementen und einem lenticularen Stereoraster umfasst. Das Stereoraster dient zur räumlichen Selektion des linken und des rechten Bildes eines Stereobildpaars in die Betrachtungszonen des linken und des rechten Bildes eines Stereobildpaars mit dem linken bzw. rechten Auge des Betrachters. Zur einfachen Betrachtung von räumlichen Bildern ohne Brille aus beliebigem Blickwinkel oder bei lateraler Bewegung des Betrachters ist im System eine halbautomatische, manuell gesteuerte Korrekturvorrichtung vorgesehen. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das System mit einer automatischen Korrekturvorrichtung versehen, die mit einem Sensor zur Verfolgung der Koordinaten der Augen des Betrachters verbunden ist. Die halbautomatische oder automatische Korrekturvorrichtung enthält einen Antrieb zur Durchführung verschiedener Korrekturen des Stereoskopiesystems, beispielsweise durch Verschwenken des Stereoschirms um seine vertikale Achse oder durch Verschieben des lenticularen Rasters oder Verschieben der Stereoprojektoren entlang des Schirms. Diese Anordnung sorgt für die automatische optische Verbindung von Betrachtungszonen der Stereobildpaare der Bilder mit dem linken und dem rechten Auge des Betrachters bei Bewegung des Betrachters sowie für die Möglichkeit einer gleichzeitigen Betrachtung verschiedener Bilder durch verschiedene Betrachter aus verschiedenen Blickwinkeln.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Seitenansicht eines Projektionssystems zur Projektion und Betrachtung von Bildern auf beiden Seiten eines Schirms, das am unteren Ende des Schirms zwei stirnseitige Projektoren aufweist;
2 zeigt eine Ansicht der Vorderseite des genannten Schirms von links;
3 zeigt eine Seitenansicht eines Rückprojektionssystems mit lichtleitendem Betrachtungsschirm;
4 zeigt eine Ansicht der Vorderseite des genannten Schirms von links;
5(a) und (b) zeigt das optische Diagramm von Ausführungsformen eines Schirms und Licht diffundierender Elemente (in Querschnittansicht des Schirms);
6 zeigt eine Draufsicht auf ein optisches System in Querschnittansicht des Betrachtungsschirms, mit lenticularem Stereoraster und System zur automatischen Korrektur der optischen Registrierung der steroskopischen Betrachtungszonen mit den Augen des Betrachters.
Ausführungsformen der Erfindung
Gemäß der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektionssystems ist nach den 1 und 2 der Betrachtungsschirm 1 als flache dünne Platte ausgebildet. An der unteren Stirnseite des Schirms sind Projektoren 2a und 2b angeordnet. Beiderseits des Schirms sind auf der Fläche zum Betrachten der auf dem Schirm abgebildeten Bilder Licht diffundierende Elemente 3a (auf der Vorderseite a des Schirms) und Licht diffundierende Elemente 3b (auf der Vorderseite b des Schirms) ausgebildet. Die Licht diffundierenden Elemente dienen zum Einfangen der Projektionsstrahlen α₁ und α₂ (von der Stirnseite des Schirms her kommend) und zum anschließenden Ablenken bzw. Streuen der Strahlen im Winkel β₁ des Bildbetrachtungsbereichs des Schirms auf Seite a des Schirms und im Winkel β₂ des Betrachtungsbereichs eines anderen Bildes auf dem Schirm auf Seite c des Schirms. Die die Licht diffundierenden Elemente umgebenden Schirmoberflächen 1a und 1b sind mit einer undurchsichtigen schwarzen Anti-Flimmer-Schicht beschichtet, oder sie sind transparent oder mit einem photochromen Film beschichtet (zur Einstellung der Transparenz durch externe ultraviolette Beleuchtung). Der Projektor 2a ist unter einem kleinen Winkel zur Schirmoberfläche 1a an der Seite a des Schirms angeordnet zur Projektion von Bildern (der Strahlen α₁) auf die Schirmoberfläche 1a. Der Projektor 2b ist unter einem kleinen Winkel zur Schirmoberfläche 1b an der Seite b des Schirms angeordnet zur Projektion von Bildern (der Strahlen α₂) auf die Schirmoberfläche 1b.
Gemäß einer anderen Ausbildungsform des Projektionssystems, dargestellt in den 3 und 4, ist der Betrachtungsschirm in Form zweier paralleler flacher, transparenter Lichtleiter 1c und 1d ausgebildet, die transparente Eingangs-Stirnseiten für den Eintritt von Projektionsstrahlen α₃ und α₄ aufweisen. Unten, vor der Eingangs-Stirnseite des Lichtleiters 1c, ist ein Projektor 2c angeordnet, und vor der Eingangs-Stirnseite des Lichtleiters 1d ist ein Projektor 2d angeordnet. Auf der Seite c der Oberfläche des Lichtleiters 1c (Vorderseite c des Schirms) sind auf der Fläche zum Betrachten der auf dem Schirm abgebildeten Bilder Licht diffundierende Elemente 3c angeordnet, und auf der Seite d der Oberfläche des Lichtleiters 1d (Vorderseite d des Schirms) sind Licht diffundierende Elemente 3d angeordnet. Die Licht diffundierenden Elemente 3c dienen zum Einfangen der Projektionsstrahlen α₃ (vom Projektor 2c projiziert), zum Auslenken der Strahlen aus den Lichtleitern, zum Ablenken und Streuen der Strahlen im Winkel β₃ des Bildbetrachtungsbereichs des Schirms auf Seite c. Die Licht diffundierenden Elemente 3d dienen zum Auslenken der Strahlen α₄ (vom Projektor 2d projiziert), zum Ablenken und Streuen der Strahlen im Winkel β₄ des Bildbetrachtungsbereichs des Schirms auf Seite d. Die Lichtleiter dienen dazu, die projizierten Strahlen nach mehrfacher vollständiger innerer Reflektion (complete internal refection) dieser Strahlen von den Flächen der Lichtleiter zu bestimmten Licht diffundierenden Elementen zu lenken.
5(a) zeigt einen Projektions-Betrachtungsschirm 1 mit Licht diffundierenden Elementen 4, die eine Sammellinse 5 und einen geneigten flachen Spiegel 6 umfassen. Auf der Bildbetrachtungsseite des Schirms sind die Licht diffundierenden Elemente mit einer undurchsichtigen schwarzen Anti-Flimmer-Beschichtung oder einer photochromen Beschichtung 7 versehen. Die Linse 5 dient zum Einfangen und Streuen von Strahlen (durch Fokussieren in einem Winkel β₆ des Bildbetrachtungsbereichs des Schirms). Der Spiegel dient zum Ablenken des fokussierten Strahls und zum Auslenken des Strahls durch ein kleines transparentes Ausgangsfenster des Licht diffundierenden Elements.
Gemäß einer anderen Ausbildungsform ist das Licht diffundierende Element mit einem Mikroprisma zur Ablenkung der Strahlen in ein Spiegel-focon (mirror-focon), das die Strahlen in den Bildbetrachtungsbereich streut, ausgebildet. In weiteren Ausbildungsformen sind zum Ablenken und gleichzeitigen Streuen der Strahlen im Winkel β₆ des Bildbetrachtungsbereichs nur sphärische Spiegel oder Parabolspiegel 6a angeordnet.
6 zeigt ein stereoskopisches Projektionssystem, umfassend einen Betrachtungsschirm 1 mit Licht diffundierenden Elementen 4l zur Erzeugung von Bildelementen des linken Einzelbildes des Stereobildpaars und Licht diffundierenden Elementen 4r zur Erzeugung von Bildelementen des rechten Einzelbildes des Stereobildpaars. Auf der dem Betrachter zugewandten Seite ist ein stereoskopisches lenticulares Raster 8 zur optischen Selektion der Einzelbilder der Stereobildpaare in Richtung des Pfeils δ beweglich angeordnet. Das lenticulare Raster 8 ist mit dem Antrieb 9 einer automatischen Korrekturvorrichtung 10 verbunden. Letztere ist mit einem Sensor 11 zum Verfolgen der räumlichen Position der Augen des Betrachters relativ zu den Betrachtungsbereichen des räumlichen Bildes (unter Verwendung von Strahlen γ, die vom Gesicht des Betrachters reflektiert werden) verbunden. Die automatische Korrekturvorrichtung dient zur optischen Verbindung der Zone der Betrachtung der Strahlen β_l des linken Bildes mit dem linken Auge 12l des Betrachters mit der Zone der Betrachtung der Strahlen β_r des rechten Bildes mit dem rechten Auge 12r des Betrachters. Diese Anordnung gewährleistet ein kontinuierliches und einfaches Sehen eines räumlichen Bildes ohne Benutzung einer Brille, wenn sich der Betrachter vor dem Schirm befindet und sich lateral zu diesem bewegt.
Das erfindungsgemäße Projektionssystem funktioniert wie folgt.
Gemäß der ersten Ausbildungsform nach den 1 und 2 erzeugen und transformieren die beiden Projektoren 2a und 2b zwei projizierte Bilder. Durch optische Transformation wird das projizierte Bild in der Horizontalen auf die Schirmbreite vergrößert, während es in der Vertikalen auf die optimale Bildweite, die um ein Vielfaches geringer als die Schirmhöhe ist, verkleinert wird. Die Projektionsstrahlen α₁ und α₂ werden unter einem bestimmten kleinen Winkel relativ zur Oberfläche des Schirmes gelenkt und im Querschnitt auf die Fläche des Eingangsfensters des Licht diffundierenden Elements verkleinert, so dass jeder einzelne Strahl von einem bestimmten Licht diffundierenden Element präzise und vollständig eingefangen wird. Die Projektoren und Licht diffundierenden Elemente bilden die verschiedenen den gesamten Schirm ausfüllenden Bilder, die ohne optische Interferenz gleichzeitig von verschiedenen Betrachtern auf den beiden Seiten des Schirms gesehen werden.
Das erfindungsgemäße Projektionssystem gemäß der zweiten Ausführungsform nach den 3 und 4, das einen aus zwei planparallelen Lichtleitern ausgebildeten Betrachtungsschirm aufweist, funktioniert wie folgt.
Unten, an der Stirnseite des Schirms 1c und 1d, formen Projektoren 2c und 2d die projizierten Lichtströme der Bilder in Form eng divergierender Strahlen α₃ bzw. α₄.
Der Projektor 2c projiziert von unten durch die Stirnseite des Lichtleiters 1c die Strahlen α₃. Diese Strahlen werden innerhalb des Lichtleiters in Form von Strahlen α₃, die zu bestimmten Licht diffundierenden Elementen 3c divergieren, reflektiert und dann ausgelenkt, abgelenkt und durch die Licht diffundierenden Elemente in einem weiten Winkel β₁ des Bildbetrachtungsbereichs des Schirms von Seite c gestreut. In ähnlicher Weise erzeugt der Projektor 2d die Bilder, die auf der gegenüberliegenden Seite d des Schirms zu betrachten sind.
5 zeigt einen Projektionsschirm 1 mit Licht diffundierenden Elementen 4 in Form von Linsen 5, die mit flachen geneigten Spiegeln 6 und einer undurchsichtigen schwarzen Beschichtung 7 versehen sind. Die Licht diffundierenden Elemente dienen zum vollständigen Einfangen der direkten Projektionsstrahlen α, die durch eine Linse fokussiert und dann durch einen Spiegel abgelenkt werden zur Streuung in einem Winkel β₆ des Bildbetrachtungsbereiches des Schirms.
Gemäß einer anderen Ausbildungsform ist der Projektionsschirm 1 mit verschiedenen Arten Licht diffundierender Elemente und Beschichtungen ausgebildet. Das obere Licht diffundierende Element ist als optisches Prisma 6c ausgebildet, das die Projektionsstrahlen ablenkt und mit der Öffnung 6d eines sphärischen Spiegels oder eines Parabolspiegels verbunden ist (in Form eines Fokons (focon)). Darunter sind über die Höhe des Schirms Licht diffundierende Elemente mit spärischen Spiegeln oder Parabolspiegeln 6a angeordnet, die aus der Schirmoberfläche vorstehen und zum Ablenken und Sammeln der Projektionsstrahlen auf der minimalen Fläche der Ausgangsfenster der Licht diffundierenden Elemente dienen. In mittlerer Höhe des Schirms sind in den Licht diffundierenden Elementen Spiegel mit Öffnungen e (in Form eines hohlen Fokons) verbunden zur induzierten Ventilation der Ausgangsfenster bei der Selbstreinigung des Schirms mit Hilfe inneren Luftdrucks. In einem Licht diffundierenden Element im unteren Teil des Schirms sind Mikrospiegel 6a mit transparenten Fenstern des transparenten Schirms verbunden. Die Schirme können durchsichtig oder mit einer undurchsichtigen schwarzen Anti-Flimmer-Farbe oder einem geeigneten Netz 7a bedeckt sein (auf der Schirmfläche außerhalb der Ausgangsfenster).
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist auf den Schirm (auf dessen Fläche außerhalb der Fenster) eine photochrome Beschichtung 7a zum Einstellen der Transparenz des Schirms mit Hilfe ultravioletter Hintergrundbeleuchtung aufgebracht. Der Winkel β₆ ist der Winkel des Streuungsbereichs der Projektionsstrahlen durch die Mikrospiegel zur Betrachtung der Bilder auf dem Schirm.
Im Stereoprojektionssystem nach 6 erzeugen Stereoprojektoren ein automatisches Stereogramm in Form horizontal alternierender vertikaler Streifen des linken und des rechten Bildes eines Stereobildpaars. Das Stereoraster 8 projiziert das linke Bild in den Betrachtungsbereich des linken Auges und das rechte Bild in den Betrachtungsbereich des rechten Auges. Der photoempfindliche Sensor 11 nimmt die von dem Gesicht des Betrachters reflektierten Strahlen γ auf, um auf Grund des Kontrasts der Abbildung von Gesicht und Augen die räumliche Position der Augen zu bestimmen. Der Sensor bildet ein Kontrollsignal, das an die automatische Korrekturvorrichtung 10 geleitet wird. Mit Hilfe des Antriebs 9 verschiebt die automatische Korrekturvorrichtung automatisch das Stereoraster bis zur optimalen Übereinstimmung des Betrachtungsbereichs des linken Bildes mit dem linken Auge 12l des Betrachters und des Betrachtungsbereichs des rechten Bildes mit dem rechten Auge 12r des Betrachters.
Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektionssystems zur Verwendung in staubreicher Umgebung oder bei Niederschlägen kann eine Konstruktion sein, bei welcher der Projektionsraum hinter dem Schirm zum Schutz gegen Licht, Staub und Feuchtigkeit geschlossen ausgebildet ist und in dem ein Projektor angeordnet werden kann. Der Projektor kann in beliebigem Abstand zum Schirm angeordnet sein, und die umgewandelte Projektion kann auf ein horizontales oder vertikales Eingangsfenster des Schirms oder einen Spiegel an der Stirnseite gelenkt werden, die vor Staub und Niederschlägen geschützt sind. Zur kontinuierlichen automatischen Selbstreinigung der optischen Eingangs- und Ausgangsfenster des Schirms und der Licht diffundierenden Elemente kann im Projektionsraum (von der Umgebung abgeschirmt) ein Ventilator oder ein Kompressor zum Abblasen der Fenster und auch der Mikrospiegel des Systems, die den Öffnungen e der Licht diffundierenden Elemente des Schirms ähnlich sind, wie in 5(b) gezeigt, angeordnet sein.
Eine weitere bevorzugte Ausbildungsform des Projektionssystems kann in einer Konstruktion geeignet zur Projektion innerhalb der Gläser einer Brille oder in Licht diffundierenden Elementen auf der Innenseite der Gläser einer Brille bestehen. In diesem Fall können auf den Gläsern der Brille für das Auge nicht sichtbare Licht diffundierende Mikroelemente angeordnet sein, die die Sicht auf äußere Objekte durch die die Licht diffundierenden Elemente umgebende Fläche der Gläser der Brille nicht beeinträchtigen. Durch ultraviolette Hintergrundbeleuchtung einer photochromen Schicht innerhalb der Gläser der Brille kann die Transparenz der Brille zur besseren Betrachtung von projizierten Bildern reguliert werden. Zur Gewährleistung einer hohen Lichtausbeute der Projektion sind die Licht diffundierenden Elemente in der Brille mit einem minimalen Streuwinkel der Projektionsstrahlen nur in den Bereich der Pupille des Auges ausgebildet, was den Energiebedarf für die Projektion um Hunderte Male reduziert. Dabei wird in einem besonders breiten Blickwinkel bis etwa 140° eine ausgezeichnete Stereoskopie gewährleistet, und dies bei beliebiger Abstufung von Halbtönen und gesteigerter Helligkeit und besserem Kontrast, hoher Genauigkeit der Farbwiedergabe und hoher Auflösung, was mit den Stereoschirmen der bekannten Stereoprojektionssysteme nicht möglich ist.
Die erfindungsgemäßen mono- und stereoskopischen Projektionssysteme bieten optimale optische Parameter und Konstruktionsparameter, die mit den besten der auf der Welt bisher bekannten Systeme nicht zu erreichen sind. Die Möglichkeit der bequemen Betrachtung von räumlichen Bildern ohne Brille unter beliebigem Blickwinkel und bei lateraler Bewegung des Betrachters und die hoch effiziente Stereoprojektion in den Gläsern einer Brille entspricht hoch erfinderischer Tätigkeit.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Alle erfindungsgemäßen Projektionssysteme können in Serie unter Anwendung bekannter Produktionsverfahren zur Herstellung von Projektoren, Stereoprojektoren, optischen Projektionsvorrichtungen und Betrachtungsschirmen mit Lichtreflektoren oder lenticularen Rastern hergestellt werden. Für die automatische Korrektur im Stereoprojektionssystem können bekannte Systeme zur automatischen Korrektur der Verschiebung von Objekten verwendet werden, die mit Sensoren zum Verfolgen von Kontrastelementen der Objekte zur Feststellung von deren räumlicher Orientierung und zur automatischen Anpassung eines Systems ausgestattet sind. Somit ist die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung offensichtlich gegeben.

Claims

Projektionssystem, umfassend: – wenigstens einen Projektor (2a, 2b), der Projektionsstrahlen zur Projektion eines Bildes erzeugt; – einen Betrachtungsschirm (1a, 1b); und – Licht streuende Elemente (3a-3c), die auf dem Betrachtungsschirm (1a, 1b) angeordnet sind und sowohl Eingangsfenster als auch Ausgangsfenster für die Projektionsstrahlen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass – ein optisches System vorgesehen ist, das das zu projizierende Bild transformiert, um die Querschnitte der Projektionsstrahlen an die Eingangsfenster der Licht diffundierenden Elemente anzupassen; – der Betrachtungsschirm (1a, 1b) zum gleichzeitigen Betrachten verschiedener Bilder aus unterschiedlichen Betrachtungsbereichen ausgelegt ist; – auf beiden Seiten (a, b) des Betrachtungsschirms (1a, 1b) Licht diffundierende Elemente (3a-3d) vorgesehen sind; – wenigstens zwei Projektoren (2a, 2b) angeordnet sind, um gleichzeitig verschiedene Bilder auf den Betrachtungsschirm (1a, 1b) zu projizieren; – die optischen Elemente (3a-3d) angeordnet sind, um die verschiedenen Projektionsstrahlen der wenigstens zwei Projektoren aufzufangen und die Projektionsstrahlen in die verschiedenen Betrachtungsbereiche selektiv abzulenken und zu streuen; und – dass die Projektionsstrahlen von einem Ende des Betrachtungsschirmes (1a, 1b) auf die Licht streuenden Elemente (3a-3d) gerichtet werden, die auf beiden Seiten (a, b) des Betrachtungsschirmes (1a, 1b) vorgesehen sind.
Projektionssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend planare Spiegel (2a und 2b), die am unteren Ende des Projektionsschirmes (1) angeordnet sind, wobei wenigstens ein Projektor am oberen Ende des Projektionsschirmes (1) angeordnet ist.
Projektionssystem nach Anspruch 1, wobei der Betrachtungsschirm (1) mit einer Anti-Flimmer-Beschichtung beschichtet ist.
Projektionssystem nach Anspruch 1, wobei der Betrachtungsschirm mit einer schwarzen undurchsichtigen Beschichtung beschichtet ist.
Projektionssystem nach Anspruch 1, wobei der Betrachtungsschirm transparent ist.
Projektionssystem nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche des Betrachtungsschirmes 1 mit einem photochromen Film beschichtet ist.
Projektionssystem nach Anspruch 1, wobei der Betrachtungsschirm (1) zwei Lichtleiter umfasst.
Projektionssystem nach Anspruch 8, wobei die Lichtleiter transparent sind.
Projektionssystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Lichtleiter planar sind.
Projektionssystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Lichtleiter parallel verlaufen.