WO2006094490A1 - Sweet-spot-einheit für ein multi-user-display mit erweitertem betrachterbereich - Google Patents

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WO2006094490A1
WO2006094490A1 PCT/DE2006/000413 DE2006000413W WO2006094490A1 WO 2006094490 A1 WO2006094490 A1 WO 2006094490A1 DE 2006000413 W DE2006000413 W DE 2006000413W WO 2006094490 A1 WO2006094490 A1 WO 2006094490A1
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WO
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matrix
elements
sweet
deflection
image
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PCT/DE2006/000413
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English (en)
French (fr)
Inventor
Armin Schwerdtner
Original Assignee
Seereal Technologies Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/366—Image reproducers using viewer tracking
    • H04N13/368—Image reproducers using viewer tracking for two or more viewers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/302—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays

Definitions

  • Sweet spot unit for a multi-user display with extended viewing area
  • the invention relates to a sweet-spot unit for a multi-user display with extended viewer area, preferably for an electronic display for the reproduction of stereoscopic and / or monoscopic images, which with the help of a position finder and a tracking and image control automatically to the eyes various viewers are guided.
  • the term multi-user display refers to a device with which several viewers can simultaneously see different sequences of images directed at corresponding eyes. With such a display, the observers can only see a crosstalk-free image when the eyes are at predetermined positions. These are also referred to in the literature as sweet spots. With the present solution, a homogeneous light distribution, which modulates an image matrix with information, is focused over a large viewer area into locally limited sweet spots. These are tracked with a tracking and image control depending on the image displayed, the movements of the corresponding eyes of observers, so that excludes a mutual influence of different sweet spots.
  • the sweet spot unit described here is, in principle, a directional backlight for directionally illuminating a transmissive image matrix, such as an LCD, for a large area, and allows viewing of the image matrix through the sweet spots for various eye positions.
  • the position finder determined the viewers' positions or eye positions to provide data for a corresponding sweet spot drive.
  • the sweet spots can accommodate one or both eyes of one or more observers in their extent.
  • the image matrix modulates the light for the sweet spots with the content of one or more different image signals, which can reproduce either the directional information of a stereoscopic performance respectively for the corresponding eye of the viewer or different stereoscopic and / or monoscopic representations.
  • the image sequences of a first video signal are respectively directed to the right eyes of viewers and the image sequences of a second video signal are respectively directed to their left eyes.
  • a multi-user display in a vehicle may show the driver monoscopic graphic information for assisting driving and navigation while the passenger sees a entertainment performance in stereoscopic view.
  • the sweet-spot unit directs a first larger sweet spot on both eyes of the driver, which modulates the image matrix with monoscopic information.
  • To the passenger's eyes are directed two further smaller sweet spots, each with directional information of a stereoscopic view for the corresponding eye.
  • a multi-user display stereoscopic representation stereoscopic representations spatially or temporally nested play.
  • the sweet-spot unit alternately provides respective sweet spots each for a viewer's eye in synchronization with the corresponding stereoscopic image. That is, a first set of left-eye sweet spots always follows a second set of right-eye sweet spots.
  • the light for each sweet spot always radiates the image matrix in its entirety, and the image matrix always modulates at each moment only with the video signal of a single image.
  • the sweet-spot unit sets all sweet- Spots ready at the same time.
  • For modulating the light flooded for each sweet spot a separate area of the image matrix and the image matrix modulated in parallel with the video signals of the images, which are to be offered at the same moment to the viewer groups.
  • the right half of the image matrix can be assigned to a first viewer and the remainder to another viewer. Both parts can in turn represent monoscopic or stereoscopic content.
  • each subdivision can contain any number of parts.
  • the present invention is preferably described for temporally interleaving the individual images for each viewer eye.
  • the patent WO 03/019952 A1 describes a display with a tracking system for stereoscopic and / or monoscopic display for multiple viewers.
  • a controlled directional optic on the image array with two lens arrays enclosing a shutter focuses each pixel of the image separately on the viewer's eyes.
  • a lens array includes for each pixel of the image matrix a separate lens element that focuses its modulated light onto the shutter.
  • the shutter has a multiplicity of smallest segment openings per pixel in order to open a segment per lens element for each viewer in accordance with its eye position. The segments are imaged onto the viewer's eyes by a corresponding second lens element in the lens arrangement following the shutter.
  • a position finder When an observer moves, a position finder transmits the new position to open the respective segments in the shutter in order to focus the pixels on the eyes.
  • the different images are offered in time multiplex the corresponding eyes.
  • several viewers of stereoscopic representations several segments are switched according to the number of viewers.
  • Such a multi-user display is difficult to realize because an extremely high-resolution shutter is needed.
  • a very large number of segments per line, as well as the assignment of the lens elements and the openings of the shutter to the pixels of the image matrix requires a very high precision in the manufacture of the components and the alignment during assembly.
  • a high stability of the display against environmental influences such as temperature changes and mechanical shocks required.
  • a particular disadvantage is that the lens arrangements and the shutter with respect to geometric arrangement, resolution and manufacturing tolerances always matched exactly to the image matrix and therefore must be specific.
  • the document EP 0773462 describes a stereoscopic reproduction unit with a lenticular for stereoscopic reproduction for a single observer, which inter alia should also prevent pseudoscopic images.
  • the unit is for example applicable to ATMs or video phones.
  • the known solution on a flat display screen next to a lenticular contains optically refractive means to main beam lobes for the left image on a left
  • the optically refractive means are formed by a prism-combined layer of lenticulars.
  • a multi-user display is also described.
  • This has a controllable sweet-spot unit in the form of a directional backlight arranged by the observers behind a transmissive LCD image matrix for viewing the images on the image matrix from corresponding eye positions within sweet spots.
  • a tracking and image control with a position finder leads the sweet spots to the eye positions.
  • An imaging matrix having a plurality of vertically arranged lenticules in a lenticular form switchable point illumination elements of an illumination matrix onto observers' eyes.
  • Fig. 1 shows a single imaging system of the sweet spot unit with a
  • Section of the illumination matrix 1 the illumination elements of which are active column by column in the columns 12 and 14, and a single cylindrical lens lenticule 31 of the lenticular, which illuminates the active illumination elements by two collimated beams with the collimated beams 911 ... 91 n and 921 .. 92n images.
  • Each additional lenticle of the imaging matrix forms with other active ones
  • Illumination elements of the illumination matrix 1 a similar imaging system.
  • the position finder detects the eye positions of viewers in front of the display, for which the tracking and image control activates corresponding illumination elements in the illumination matrix in order to make the current image of the sequence visible from the corresponding eye positions.
  • illumination elements are activated at different positions, here in the columns 12 and 14, so that the radiation beams 911... 91 n or 921... 92n respectively are in front of the display in eye positions (not shown) superimpose to a sweet spot, which takes on a diamond shape with the distance from the display.
  • the activated illumination elements usually differ from lenticle to lenticle in such a way that the correspondingly directed radiation beams intersect in the sweet spots.
  • the illumination matrix and the image matrix are synchronized with each other so that all sweet spots active at the same time represent only one image of a stereoscopic image sequence.
  • the images for other observers modulates the image matrix synchronously after switching to another sweet spot or another sweet spot group. During this time, the image must be invisible to the other eyes unlit as a so-called dark spot.
  • the beams spread so that each active illumination element in the plane of the eye positions is enlarged to a diameter of at least several millimeters to cover at least the eye pupil.
  • the synchronization between image sequences and sweet spots is not limited to an entire image and an entire frame of the illumination matrix, but may be refined to associated row areas or rows until the synchronization of pixel groups in the image and illumination matrix per lenticle.
  • the width W L of the lenticule is freely selectable.
  • the lenticular may be sized so that each lenticule horizontally covers a plurality of illumination elements.
  • Viewer positions are realized.
  • the number of possible eye positions can be defined across the width of the lenticule. In order to obtain a high number of possible eye positions, a large lenticule width WL must be selected.
  • each lens element vertically covers several hundred illumination elements in the illumination matrix.
  • the eye positions of the observers differ in the horizontal direction. Therefore, to reduce the computational burden on the control data and the tracking of the sweet spots, it is often switched only in the horizontal direction between lighting elements, ie within the same columns of the lighting matrix. As shown in FIG. 1, different columns of illumination elements are activated for different sweet spots in the illumination matrix 1. While each lighting element in the vertical direction must be used in columns to generate a striped sweet spot, in the horizontal direction usually only one or a few lighting elements per lenticle and sweet spot are required.
  • a sweet-spot device for a multi-user display for example, realizes a stereoscopic view for two users, must provide four sweet spots for different eye positions.
  • users can not be expected to be within a narrow field of view with a narrow viewing angle near the center axis of the display when viewed.
  • Known solutions are simple
  • the object of the invention is to provide a sweet-spot unit for a multi-user display, preferably an electronic display for selectable reproduction of stereoscopic and / or monoscopic images, which has a viewer area which can be set with a tracking and image control, which is significantly expanded compared to known solutions.
  • the display should allow with simple imaging means a free and independent mobility of the viewer in a wide range of observers. Sweet spots with high brightness and high contrast, low mutual crosstalk and high homogeneity with regard to luminance should be able to be generated across the entire viewer.
  • the present invention is based on a sweet-spot unit for a multi-user display, which is controlled by a tracking and image control and directed through a transmissive image matrix rays on sweet spots with a defined extent at different eye positions of viewers and focused.
  • the sweet-spot unit is a controllable directional backlight for the image matrix, which modulates the beams, which are associated with corresponding observer's eyes and superimpose themselves to a sweet spot, in time and / or space multiplexing with separate image sequences.
  • the sweet spot unit includes a tracking and image control controlled lighting matrix having a plurality of discretely activatable lighting elements having a vertical grid of height H v and imaging means having lens elements of width W L for imaging the lighting elements in beams the sweet spots.
  • the tracking and image control activates for each lens element locally correspondingly located illumination elements in order to predefine each ray bundle, whereby the extent of the observer area is widened compared to the known solutions.
  • the invention is based on the idea to assemble the observer area from a plurality of sweet spot areas arranged horizontally next to one another.
  • the imaging means additionally comprise matrix-shaped structured deflection means with periodically arranged in groups optical deflection elements.
  • a vertically scattering medium is arranged close to the image matrix.
  • each group of baffles assigns the sweet spots horizontally its own sweet spot area.
  • a vertical selection of active lighting elements in the columns of the lighting matrix determines in which sweet spot area a horizontal pattern of active lighting elements is imaged. Since in this way no longer all lighting elements of a column of the illumination matrix in the vertical direction contribute to a particular sweet spot, in the vertical direction effective optical means for vertical expansion are used which vertically expand the radiation beams according to the number of available groups.
  • the sweet-spot unit contains:
  • deflection means having baffles arranged in a matrix, arranged periodically vertically in groups in accordance with the vertical screening of the illumination matrix, each group of the baffles deflecting the beams at a different predetermined angle, respectively, in one of several horizontally to image adjacent sweet-spot areas;
  • a lighting matrix in which the lighting elements in each column are activatable according to the groups to image the beams into a desired sweet-spot area
  • optical means for vertical expansion which increase the vertical extent of the beam in the imaging of the lighting elements
  • an optically scattering medium as the last element in the light direction in front of the image matrix.
  • the corresponding sweet-spot region can thus be used by a vertical selection of the illumination elements active in a column on the basis of the assigned deflection elements of the groups. It is not necessary to activate only lighting elements for sweet spots, which are assigned to only one group of deflection elements.
  • a great advantage of the invention is that lighting elements, which are assigned to only one group of deflection elements.
  • Baffle elements of different groups can be activated simultaneously.
  • lighting elements for a first group of deflection elements can be activated in order to produce two different sweet spots with stereoscopic image information in each case on one eye in a first sweet spot area to be directed to a first observer.
  • other illumination elements for a second group of deflection elements can be activated to have two different sweet spots with stereoscopic image information in each case on an eye of another observer in another sweet spot area or even a single large sweet spot with monoscopic image content on both To direct the eyes of the beholder.
  • the optically scattering medium has the task of the vertical
  • the deflection means prism-shaped deflecting elements with a prism width corresponding to the width of the lens elements and a height corresponding to the vertical grid of the
  • Illumination matrix wherein the deflection elements are aligned both horizontally to the grid of the lens elements and vertically to the grid of the illumination matrix.
  • FIG. 3 shows the function of the basic principle of the invention, but without the function of the optical means for vertical expansion and scattering;
  • FIG. 4a shows a detail of the deflection means in the form of a deflection matrix in a first embodiment, in which the prism-shaped deflection elements have the same deflection angles in each row and the deflection angles change line by line;
  • FIG. 4b shows a detail of the deflection matrix in a second embodiment with prismatic deflection elements of all deflection angles in each row;
  • FIG. 5 shows a detail of the first embodiment with the beam path drawn in with active illumination elements
  • Fig. 6 shows a detail of a second embodiment with marked
  • FIG. 7 shows a section of a further embodiment with a beam path drawn in, in which the optical means for vertical expansion are arranged in front of the imaging matrix
  • Fig. 8 shows a combination of the imaging matrix and the deflection matrix into a single optical matrix.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the sweet-spot unit according to the invention with a lighting matrix 1 and a first possible sequence of FIG
  • Lenticular imaging means of which only a single lenticule 31 is shown, and the deflection means 5 according to the invention in the form of a deflection matrix Deflection elements 511, .., 51 n, the optical means for vertical expansion 7 and the scattering medium 8. All elements form a sweet-spot unit, which is arranged by the viewer behind an image matrix. It is shown as a section. For an image matrix with 1600 x 1200 pixels, for example, a lighting matrix 1 with 4800 x 3600 lighting elements can be used. Other rasters for the illumination matrix 1 are also possible.
  • the lighting elements can be active or passive, for example a shutter with a backlight, an LED matrix or an OLED matrix.
  • both the vertical grid of the deflecting elements 511,..., 51 n with the vertical grid with the height Hv of the illumination matrix 1 and the horizontal grid of the deflecting elements 511,... 51 n with the width W L should be used the lens elements, in Fig. 2, the vertical lenticule 31, match.
  • the width of the deflecting elements, here the prisms can also be a integer multiple of the corresponding width W L of the lens elements.
  • Fig. 3 shows the function of the sweet-spot unit according to the invention.
  • the lenticule 31 collimates the light of the active illumination element 131 into a beam 91.
  • the prism-shaped deflection element 511 of the deflection means 5 in the form of a deflection matrix 5 belongs to a group which deflects the radiation beam 91 to the left due to the inclination of the light exit surface in the light direction. Therefore, this group of deflection elements 511 is marked with the letter "L.” Of all the illumination elements that lie behind such a deflection element, the radiation beams are directed into the corresponding sweet-spot area, which is located on the right-hand side as seen by the viewer.
  • the lower element 512 in the column has no inclination of the light exit surface. This element 512 directs a ray beam 92 without deflection straight into a middle sweet-spot area. These elements of the deflection matrix 5 are marked with the letter "N".
  • a beam from an active illumination element 133 underlying it in the same column of the illumination matrix 1 strikes a deflection element 513, which belongs to a group which deflects a radiation beam 93 to the right, then the ray bundles appear in a sweet-spot area on the left as viewed by the observer.
  • deflecting elements are marked with the letter "R".
  • Fig. 3 shows how lighting elements located in the same column are directed with the same vertical position solely by selecting a corresponding row of the lighting matrix 1 in different sweet-spot areas.
  • the sweet-spot unit described has, as an example, a deflection matrix with analogous to FIG. 2 three groups (L, N, R) of deflection elements which direct the radiation beams into three different sweet-spot areas.
  • the principle can also be varied.
  • displays in which priority can be given to sweet spots in the central viewer area such as multi-user displays in vehicles, it may be advantageous to increase the number of groups of deflection angle yet.
  • drivers and front-seat passengers can look at different picture signals on a display in a particularly large viewing angle far from each other.
  • Fig. 3 the sweet-spot unit without the optical means for vertical expansion 7 is shown.
  • this agent is an essential element with regard to the homogeneous illumination of the image matrix.
  • the representation of the image matrix has been omitted.
  • the means for vertical expansion compensated together with the scattering medium 8 analogous to FIG. 2 unilluminated areas that would inherently arise as a result of the inactive lighting elements in each column of the illumination matrix.
  • the vertical widening optical means 7 increase the vertical extent of the beams 91, 92, 93 which, together with the scattering medium 8, homogeneously illuminate the image matrix.
  • the essential idea for the extension of the viewing area is the addressing of angular positions in a limited observer area, to which further observer areas can be connected by connecting downstream deflection elements 5. It is therefore imperative that the deflection elements 5 the follow lateral imaging means 3 in the direction of light. Otherwise, due to the large light exit angles from the imaging means 3, significant aberrations hardly occur, which laterally limit sweet-spot formation.
  • the deflection matrix 5 shows a first embodiment of the deflection matrix 5, in which the prism-shaped deflection elements 511, 521 (uppermost row) and 51 n, 52n (lowest row) have the same deflection angles in each row and the deflection angles change line by line in the same sequence.
  • the deflection matrix 5 shown offers advantages in the control of the illumination matrix, since in this case the illumination elements need to be individually controllable only in the horizontal direction. Complete lines of
  • Lighting matrix can also be controlled in groups in rows.
  • FIG. 4b shows a second embodiment of the deflection matrix 5, in which the prism-shaped deflection elements 511, 521, 531 (uppermost row) and 51 n, 52n, 53n (lowest row) in the rows of the deflection matrix 5 are arranged such that the edges abut the ends of the baffles continuously, that is without jump between horizontally adjacent baffles connect to each other.
  • This offers substantial advantages in the production of the deflection matrix, in particular in the master production, the molding or by roll-embossing onto a substrate or a carrier film.
  • FIG. 5 shows the first embodiment of the deflection matrix 5 with the beam path drawn in with active illumination elements.
  • the light is focused in sweet-spot areas, as shown.
  • FIG. 3 vertical gaps are created, which are closed by vertical means for widening 7, in this case horizontal lenticles 71,... 7 n, in the plane of the image matrix.
  • FIG. 2 shows the height H v of the vertical grid of the illumination matrix 1 and the width W L of the lens elements, here of the lenticle 31.
  • the deflection matrix 5 must follow the imaging means 3 in the light direction. Otherwise, the deflection matrix 5 and the vertical expansion optical means 7 can be interchanged with each other.
  • FIG. 6 shows an arrangement wherein the deflection matrix 5 follows the vertical expansion means 7.
  • Fig. 7 shows a further advantageous arrangement, wherein the angle in the vertical direction, under which the light leaves the last element, allows large values.
  • FIG. 8 shows a particularly advantageous embodiment of the deflection elements 511, 512,... Of the deflection matrix 5. These are shaped in such a way that they additionally realize the function of the horizontal lenticles in the imaging means. In this way, instead of the two separate optical elements shown in FIG. 6, a single combination element is produced, which greatly reduces the effort for aligning both elements during assembly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sweet-Spot-Einheit für ein Multi-User-Display mit erweitertem Betrachterbereich, vorzugsweise für ein elektronisches Display zur Wiedergabe von stereoskopischen und/oder monoskopischen Darstellungen, welche mit Hilfe eines Positionsfinders und einer Tracking- und Bildsteuerung automatisch zu den Augen verschiedener Betrachter geführt werden. Die Sweet-Spot-Einheit enthält: zwischen den Abbildungsmitteln (3) und der Bildmatrix Ablenkmittel (5) mit matrixförmig angeordneten Ablenkelementen (511, 512,..51 n) der Breite (W<SUB>L</SUB>), die vertikal in Übereinstimmung mit der vertikalen Rasterung (H<SUB>v</SUB>) der Beleuchtungsmatrix (1) periodisch in Gruppen (L, N, R) angeordnet sind, wobei jede Gruppe die Strahlenbündel (91,92, 93,..) jeweils unter einem anderen vorbestimmten Winkel ablenkt, um diese in eines von mehreren horizontal angeordneten Sweet-Spot- Gebieten abzubilden; eine Beleuchtungsmatrix (1), deren Beleuchtungselemente vertikal entsprechend den Gruppen (L1N1R) aktivierbar sind; optische Mittel zur vertikalen Aufweitung (7), welche die Höhe der Strahlenbünde entsprechend der vertikalen Abbildung der Beleuchtungselemente vergrössern und ein optisch streuendes Medium (8) als letztes Element in Lichtrichtung vor der Bildmatrix.

Description

Sweet-Spot-Einheit für ein Multi-User-Display mit erweitertem Betrachterbereich
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sweet-Spot-Einheit für ein Multi-User-Display mit erweitertem Betrachterbereich, vorzugsweise für ein elektronisches Display zur Wiedergabe von stereoskopischen und/oder monoskopischen Darstellungen, welche mit Hilfe eines Positionsfinders und einer Tracking- und Bildsteuerung automatisch zu den Augen verschiedener Betrachter geführt werden.
Technischer Hintergrund und bekannte Lösungen
Im vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff Multi-User-Display ein Gerät, mit dem mehrere Betrachter gleichzeitig verschiedene auf entsprechende Augen gerichtete Bildfolgen sehen können. Mit einem solchen Display können die Betrachter nur dann ein übersprechfreies Bild sehen, wenn sich die Augen an vorbestimmten Positionen befinden. Diese werden in der Literatur auch als Sweet-Spots bezeichnet. Mit der vorliegenden Lösung wird eine homogene Lichtverteilung, die eine Bildmatrix mit Information moduliert, über einen großen Betrachterbereich in lokal begrenzte Sweet- Spots fokussiert. Diese werden mit einer Tracking- und Bildsteuerung abhängig vom dargestellten Bild den Bewegungen der entsprechenden Augen von Betrachtern nachgeführt, so dass sich ein gegenseitiges Beeinflussen verschiedener Sweet-Spots ausschließt.
Die hier beschriebene Sweet-Spot-Einheit ist im Prinzip ein richtungsgesteuertes Backlight zum gerichteten großflächigen Ausleuchten einer transmissiven Bildmatrix, wie beispielsweise einem LCD, und erlaubt für verschiedene Augenpositionen die Bildmatrix durch die Sweet-Spots hindurch zu betrachten. Der Positionsfinder ermittelt die Positionen oder Augenpositionen der Betrachter, um Daten für eine entsprechende Sweet-Spot-Ansteuerung bereitzustellen. Die Sweet-Spots können in ihrer Ausdehnung ein oder beide Augen eines oder mehrerer Betrachter aufnehmen.
Die Bildmatrix moduliert das Licht für die Sweet-Spots mit dem Inhalt von einem oder mehreren verschiedenen Bildsignalen, welche entweder die Richtungsinformationen einer stereoskopischen Darbietung jeweils für das entsprechende Auge der Betrachter oder verschiedene stereoskopische und/oder monoskopische Darstellungen wiedergeben können. Zur Wiedergabe stereoskopischer Darstellungen werden die Bildfolgen eines ersten Videosignals jeweils auf die rechten Augen von Betrachtern und die Bildfolgen eines zweiten Videosignals jeweils auf deren linke Augen gerichtet.
Bei der vorliegenden Lösung sind auch Kombinationen von verschiedenen Betriebsarten denkbar. So kann beispielsweise ein Multi-User-Display in einem Fahrzeug dem Fahrer monoskopische Graphikinformationen zum Unterstützen der Fahrt und zur Navigation zeigen, während der Beifahrer eine Unterhaltungsdarbietung in stereoskopischer Darstellung sieht. Dabei richtet die Sweet-Spot-Einheit einen ersten größeren Sweet-Spot auf beide Augen des Fahrers, den die Bildmatrix mit monoskopischer Information moduliert. Zu den Augen des Beifahrers werden zwei weitere kleinere Sweet-Spots gerichtet, jeder mit Richtungsinformationen einer stereoskopischen Darstellung für das entsprechende Auge.
Grundsätzlich kann ein Multi-User-Display stereoskopische Darstellungen räumlich oder zeitlich verschachtelt wiedergeben. Für das Prinzip gemäß der vorliegenden Erfindung ist dieses jedoch unerheblich, obwohl sich der Aufbau beider Arten von MultiUser-Displays grundlegend unterscheidet. Zeitlich verschachtelte Bilder werden für beide Augen alternierend wiedergegeben. Deshalb stellt die Sweet-Spot-Einheit entsprechende Sweet-Spots jeweils für ein Betrachterauge synchron mit dem entsprechenden stereoskopischen Bild alternierend bereit. Das heißt, einer ersten Gruppe von Sweet-Spots für die linken Augen folgt stets eine zweite Gruppe von Sweet-Spots für die rechten Augen. Das Licht für jeden Sweet-Spot durchstrahlt jedoch die Bildmatrix stets in ihrer Gesamtheit und die Bildmatrix moduliert in jedem Moment stets nur mit dem Videosignal eines einzigen Bildes.
Für eine räumlich verschachtelte Wiedergabe stellt die Sweet-Spot-Einheit alle Sweet- Spots gleichzeitig bereit. Zum Modulieren durchflutet das Licht für jeden Sweet-Spot einen separaten Bereich der Bildmatrix und die Bildmatrix moduliert parallel mit den Videosignalen der Bilder, welche im gleichen Moment den Betrachtergruppen angeboten werden sollen. So kann beispielsweise die rechte Hälfte der Bildmatrix einem ersten und der restliche Teil einem anderen Betrachter zugewiesen werden. Beide Teile können wiederum monoskopische oder stereoskopische Inhalte darstellen. Ebenso kann jede Unterteilung beliebig viele Teile enthalten.
Zur besseren Übersicht wird die vorliegende Erfindung bevorzugt für eine zeitliche Verschachtelung der Einzelbilder für jedes Betrachterauge beschrieben.
Die Patentschrift WO 03/019952 A1 beschreibt ein Display mit einem Trackingsystem zur stereoskopischen und/oder monoskopischen Darstellung für mehrere Betrachter. Eine gesteuerte Richtungsoptik auf der Bildmatrix mit zwei Linsenanordnungen, die einen Shutter einschließen, fokussiert jeden Pixel des Bildes separat auf die Betrachteraugen. Eine Linsenanordnung enthält für jeden Pixel der Bildmatrix ein separates Linsenelement, welches sein moduliertes Licht auf den Shutter fokussiert. Der Shutter weist pro Pixel eine Vielzahl kleinster Segmentöffnungen auf, um für jeden Betrachter entsprechend seiner Augenposition ein Segment je Linsenelement zu öffnen. Die Segmente werden durch ein entsprechendes zweites Linsenelement in der dem Shutter folgenden Linsenanordnung auf die Betrachteraugen abgebildet. Bei Bewegung eines Betrachters übermittelt ein Positionsfinder die neue Position, um im Shutter jeweils die der Position entsprechenden Segmente zu öffnen, um ein Fokussieren der Pixel auf die Augen zu sichern. Die verschiedenen Bilder werden im Zeitmultiplex den entsprechenden Augen angeboten. Bei mehreren Betrachtern von stereoskopischen Darstellungen sind entsprechend der Anzahl der Betrachter mehrere Segmente aufgeschaltet.
Ein solches Multi-User-Display ist schwierig zu realisieren, da ein extrem hochauflösender Shutter benötigt wird. Insbesondere erfordert eine sehr große Anzahl von Segmenten pro Zeile, sowie die Zuordnung der Linsenelemente und der Öffnungen des Shutters zu den Pixeln der Bildmatrix eine sehr hohe Präzision beim Fertigen der Komponenten und dem Ausrichten bei der Montage. Außerdem ist eine hohe Stabilität des Displays gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperaturänderungen und mechanischen Erschütterungen erforderlich. Besonders nachteilig ist noch, dass die Linsenanordnungen und der Shutter bezüglich geometrischer Anordnung, Auflösung und Fertigungstoleranzen immer exakt auf die Bildmatrix abgestimmt und daher spezifisch sein müssen.
Das Dokument EP 0773462 beschreibt eine stereoskopische Wiedergabeeinheit mit einem Lentikular zur stereoskopischen Wiedergabe für einen einzigen Betrachter, das unter anderem auch pseudoskopische Bilder verhindern soll. Die Einheit ist beispielsweise für Geldautomaten oder Videotelefone anwendbar. Dazu enthält die bekannte Lösung auf einem flachen Wiedergabeschirm neben einem Lentikular optisch brechende Mittel, um Hauptstrahl-Keulen für das linke Bild auf einen linken
Bildbetrachtungspunkt und Hauptstrahl-Keulen für das rechte Bild auf einen rechten Bildbetrachtungspunkt zu richten. Dazu dient eine Schicht von Prismenreihen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die optisch brechenden Mittel durch eine mit Prismen kombinierte Schicht aus Lentikularen gebildet.
In der älteren Patentanmeldung DE 103 39 076 des Anmelders, die zum Anmeldetag dieser Anmeldung noch nicht veröffentlicht war, wird ebenfalls ein Multi-User-Display beschrieben. Dieses weist eine von den Betrachtern aus hinter einer transmissiven LCD-Bildmatrix angeordnete steuerbare Sweet-Spot-Einheit in Form eines gerichteten Backlights zum Betrachten der Bilder auf der Bildmatrix aus entsprechenden Augenpositionen innerhalb von Sweet-Spots auf. Eine Tracking- und Bildsteuerung mit einem Positionsfinder führt die Sweet-Spots den Augenpositionen nach. Eine Abbildungsmatrix mit einer Vielzahl von vertikal angeordneten Lentikeln in einem Lentikular bildet schaltbare punktförmige Beleuchtungselemente einer Beleuchtungsmatrix auf die Augen von Betrachtern ab. Fig. 1 zeigt ein einzelnes Abbildungssystem der Sweet-Spot-Einheit mit einem
Ausschnitt der Beleuchtungsmatrix 1 , deren Beleuchtungselemente spaltenweise in den Spalten 12 und 14 aktiv sind, und ein einziges Zylinderlinsen-Lentikel 31 des Lentikulars, das die aktiven Beleuchtungselemente durch zwei kollimierte Strahlenbündel mit den kollimierten Strahlen 911 ... 91 n bzw. 921 ... 92n abbildet. Jedes weitere Lentikel der Abbildungsmatrix bildet mit anderen aktiven
Beleuchtungselementen der Beleuchtungsmatrix 1 ein ähnliches Abbildungssystem. Der Positionsfinder ermittelt die Augenpositionen von Betrachtern vor dem Display, für welche die Tracking- und Bildsteuerung entsprechende Beleuchtungselemente in der Beleuchtungsmatrix aktiviert, um damit das aktuelle Bild der Folge aus den entsprechenden Augenpositionen sichtbar zu machen. Dafür werden entsprechend den Augenpositionen in Bezug zum abbildenden Lentikel Beleuchtungselemente an verschiedenen Positionen, hier in den Spalten 12 und 14 aktiviert, so dass sich die Strahlenbündel 911 ... 91 n bzw. 921 ... 92n in nicht gezeigten Augenpositionen vor dem Display jeweils zu einem Sweet-Spot überlagern, der mit dem Abstand vom Display eine rautenförmige Form annimmt. Die aktivierten Beleuchtungselemente unterscheiden sich in der Regel von Lentikel zu Lentikel derart, dass sich die entsprechend gerichteten Strahlenbündel in den Sweet-Spots schneiden. Die Beleuchtungsmatrix und die Bildmatrix sind miteinander synchronisiert, so dass alle zum gleichen Zeitpunkt aktiven Sweet-Spots jeweils nur ein Bild einer stereoskopischen Bildfolge darstellen. Die Bilder für andere Betrachteraugen moduliert die Bildmatrix synchron nach dem Umschalten auf einen anderen Sweet-Spot bzw. eine andere Sweet-Spot-Gruppe. Während dieser Zeit muss das Bild für die anderen Augen unbeleuchtet als so genannter Dark-Spot unsichtbar sein. Die Strahlenbündel breiten sich praktisch so aus, dass jedes aktive Beleuchtungselement in der Ebene der Augenpositionen auf einen Durchmesser von mindestens einigen Millimetern vergrößert wird, um mindestens die Augenpupille abzudecken. Die Synchronisation zwischen Bildfolgen und Sweet-Spots beschränkt sich nicht nur auf ein gesamtes Bild und einen gesamten Frame der Beleuchtungsmatrix, sondern kann verfeinert werden auf zugehörige Zeilenbereiche oder Zeilen bis zur Synchronisation der Pixelgruppen in der Bild- und Beleuchtungsmatrix pro Lentikel.
Ein wesentlicher Vorteil der Sweet-Spot-Einheit nach der Patentanmeldung
DE 103 39 076 besteht darin, dass beim Herstellen der Einheit die Breite WL der Lentikel frei wählbar ist. Unabhängig von der Größe der Pixel in der LCD-Bildmatrix kann das Lentikular so dimensioniert sein, dass jedes Lentikel horizontal eine Vielzahl von Beleuchtungselementen überdeckt. Dadurch können selbst mit einem relativ großen Raster für die Beleuchtungselemente Sweet-Spots für viele
Betrachterpositionen realisiert werden. Bei einem durch die verwendete Beleuchtungsmatrix vorgegebenem Raster für die Beleuchtungselemente kann vorteilhaft die Anzahl der möglichen Augenpositionen über die Breite der Lentikel definiert werden. Um eine hohe Anzahl von möglichen Augenpositionen zu erhalten, muss eine große Lentikelbreite WL gewählt werden.
Da jedes Lentikel grundsätzlich vertikal über die gesamte Höhe der Bildmatrix verläuft, überdeckt jedes Linsenelement vertikal mehrere Hundert Beleuchtungselemente in der Beleuchtungsmatrix.
Vorrangig unterscheiden sich die Augenpositionen der Betrachter in horizontaler Richtung. Deshalb wird oft zum Verringern des Rechenaufwands für die Steuerdaten und des Nachführens der Sweet-Spots nur in horizontaler Richtung zwischen Beleuchtungselementen umgeschaltet, also innerhalb derselben Spalten der Beleuchtungsmatrix. Wie Fig. 1 zeigt, sind für verschiedene Sweet-Spots in der Beleuchtungsmatrix 1 verschiedene Spalten von Beleuchtungselementen aktiviert. Während in vertikaler Richtung spaltenweise jedes Beleuchtungselement zum Generieren eines streifenförmigen Sweet-Spots benutzt werden muss, sind in horizontaler Richtung in der Regel nur ein oder wenige Beleuchtungselemente pro Lentikel und Sweet-Spot erforderlich.
Darstellung des technischen Problems
Eine Sweet-Spot-Einrichtung für ein Multi-User-Display, das beispielsweise eine stereoskopische Darstellung für zwei Nutzer realisiert, muss vier Sweet-Spots für verschiedene Augenpositionen bereitstellen. Im Interesse eines akzeptablen Nutzerkomforts kann nicht erwartet werden, dass sich die Nutzer beim Betrachten innerhalb eines eng begrenzten Blickfeldes mit einem geringen Blickwinkel nahe zur Mittelachse des Displays befinden. Bekannte Lösungen sind mit einfachen
Abbildungselementen aufgebaut, die meist aus hochgenauen Lentikularen bestehen. Derartige einfache optische Systeme enthalten die aus der Linsentheorie bekannten Bildfehler, die zu eingeschränkten Betrachterwinkeln führen. Der Betrachterwinkel wird im wesendlichen durch die optischen Aberrationen des Lentikulars begrenzt, die immer auftreten, besonders aber, wenn die Strahlenbündel unter einem großen Winkel aus den Lentikeln austreten. Dies betrifft vor allem Sweet-Spots für Betrachter, die unter einem großen Winkel auf das Display blicken, also weit von der Mittelachse entfernt sind. Werte für Betrachterwinkel von über 25 Grad sind nur schwer zu erreichen. Darüber hinaus müssen bei dem oben beschriebenen Prinzip einer Sweet-Spot-Einheit besonders breite Lentikel benutzt werden, um eine große Anzahl von möglichen Augenpositionen zu erreichen.
Mit einfachen Lentikularen sind wegen der geschilderten Abbildungsfehler für große Betrachterwinkel keine Sweet-Spots mit der geforderten Qualität zu erzielen. Die Bildfehler erzeugen mit zunehmendem Winkel zur Mittelachse nachteilige Effekte wie Übersprechen der Sweet-Spots sowie Homogenitätsverluste im Lentikular und damit auch in der Wahrnehmung der Bildinformation. Eine Nutzung der bekannten Lösungen für mehrere Betrachter gleichzeitig, insbesondere bei einem stereoskopischen Betrieb, ist für befriedigende Qualitätsansprüche daher kaum möglich.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Sweet-Spot-Einheit für ein Multi-User-Display, vorzugsweise ein elektronisches Display zur wählbaren Wiedergabe von stereoskopischen und/oder monoskopischen Darstellungen, zu schaffen, welche einen mit einer Tracking- und Bildsteuerung einstellbaren Betrachterbereich aufweist, der gegenüber bekannten Lösungen wesentlich erweitert ist. Das Display soll mit einfachen Abbildungsmitteln eine freie und unabhängige Beweglichkeit der Betrachter in einem weiten Betrachterbereich ermöglichen. Im gesamten Betrachterbereich sollen Sweet- Spots mit hoher Helligkeit und hohem Kontrast, geringem gegenseitigen Übersprechen und hoher Homogenität bezüglich der Leuchtdichte generierbar sein.
Außerdem sollen handelsübliche Beleuchtungsmittel, wie Backlight mit Shutter, oder aktive Beleuchtungsmatrizen mit einer Rasterung, die unabhängig von der Rasterung der Abbildungsmittel und der Rasterung der Bildmatrix ist, verwendbar sein. Die vorliegende Erfindung geht von einer Sweet-Spot-Einheit für ein Multi-User-Display aus, welche von einer Tracking- und Bildsteuerung gesteuert wird und durch eine transmissive Bildmatrix hindurch Strahlenbündel auf Sweet-Spots mit definierter Ausdehnung an verschiedenen Augenpositionen von Betrachtern richtet und fokussiert. Die Sweet-Spot-Einheit stellt ein steuerbares gerichtetes Backlight für die Bildmatrix dar, welche die Strahlenbündel, die entsprechenden Betrachteraugen zugeordnet sind und sich zu einem Sweet-Spot überlagern, im Zeit- und/oder Raummultiplex mit separaten Bildfolgen moduliert. Jeder Sweet-Spot macht dabei ein separates Bild für das entsprechende Auge betrachtbar. Die Sweet-Spot-Einheit beinhaltet eine von der Tracking- und Bildsteuerung gesteuerte Beleuchtungsmatrix mit einer Vielzahl von diskret aktivierbaren Beleuchtungselementen, die eine vertikale Rasterung mit der Höhe Hv aufweisen, und Abbildungsmittel mit Linsenelementen der Breite WL zum Abbilden der Beleuchtungselemente in Strahlenbündeln auf die Sweet-Spots. Die Tracking- und Bildsteuerung aktiviert für jedes Linsenelement örtlich entsprechend gelegene Beleuchtungselemente, um jedem Strahlenbündel seine Richtung vorzugeben, wobei die Ausdehnung des Betrachterbereiches gegenüber den bekannten Lösungen erweitert ist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Betrachterbereich aus mehreren horizontal nebeneinander liegenden Sweet-Spot-Gebieten zusammenzusetzen. Dafür enthalten die Abbildungsmittel zusätzlich matrixförmig strukturierte Ablenkmittel mit vertikal periodisch in Gruppen angeordneten optischen Ablenkelementen. Ferner wird nahe zur Bildmatrix ein vertikal streuendes Medium angeordnet.
Jede Gruppe von Ablenkelementen weist den Sweet-Spots horizontal ein eigenes Sweet-Spot-Gebiet zu. Über eine vertikale Auswahl von aktiven Beleuchtungselementen in den Spalten der Beleuchtungsmatrix wird festgelegt, in welches Sweet-Spot-Gebiet ein horizontales Muster von aktiven Beleuchtungselementen abgebildet wird. Da auf diese Weise in vertikaler Richtung nicht mehr alle Beleuchtungselemente einer Spalte der Beleuchtungsmatrix zu einem bestimmten Sweet-Spot beitragen, werden in vertikaler Richtung wirksame optische Mittel zur vertikalen Aufweitung benutzt, welche die Strahlenbündel entsprechend der Anzahl der verfügbaren Gruppen vertikal aufweiten. Gemäß der Erfindung enthält die Sweet-Spot-Einheit:
zwischen den Abbildungsmitteln und der Bildmatrix Ablenkmittel mit matrixförmig angeordneten Ablenkelementen, die vertikal in Übereinstimmung mit der vertikalen Rasterung der Beleuchtungsmatrix periodisch in Gruppen angeordnet sind, wobei jede Gruppe der Ablenkelemente die Strahlenbündel jeweils unter einem anderen vorbestimmten Winkel ablenkt, um diese in eines von mehreren horizontal angrenzenden Sweet-Spot-Gebieten abzubilden;
eine Beleuchtungsmatrix, bei der die Beleuchtungselemente in jeder Spalte entsprechend den Gruppen aktivierbar sind, um die Strahlenbündel in ein gewünschtes Sweet-Spot-Gebiet abzubilden;
optische Mittel zur vertikalen Aufweitung, welche die vertikale Ausdehnung der Strahlenbündel bei der Abbildung der Beleuchtungselemente vergrößern und
ein optisch streuendes Medium als letztes Element in Lichtrichtung vor der Bildmatrix.
Durch eine Aufteilung in mehrere Sweet-Spot-Gebiete und ein entsprechendes Abstufen der Ablenkwinkel der Gruppen von Ablenkelementen kann mit einer vorgegebenen Anzahl an horizontalen Bildpunkten pro Linsenelement eine mehrfache Aufweitung des Betrachterbereichs erreicht werden. Zu jedem Muster an horizontalen Beleuchtungselement-Einstellungen kann somit durch eine vertikale Auswahl der in einer Spalte aktiven Beleuchtungselemente auf Basis der zugeordneten Ablenkelemente der Gruppen das entsprechende Sweet-Spot-Gebiet genutzt werden. Dabei ist es nicht erforderlich, für Sweet-Spots ausschließlich Beleuchtungselemente zu aktivieren, die nur einer Gruppe von Ablenkelementen zugeordnet sind. Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Beleuchtungselemente, welche
Ablenkelementen verschiedener Gruppen zugeordnet sind, gleichzeitig aktiviert werden können. Damit können beispielsweise Beleuchtungselemente für eine erste Gruppe von Ablenkelementen aktiviert werden, um in einem ersten Sweet-Spot-Gebiet zwei verschiedene Sweet-Spots mit stereoskopischer Bildinformation jeweils auf ein Auge eines ersten Betrachters zu richten. Gleichzeitig können andere Beleuchtungselemente für eine zweite Gruppe von Ablenkelementen aktiviert werden, um in einem anderen Sweet-Spot-Gebiet zwei verschiedene Sweet-Spots mit stereoskopischer Bildinformation jeweils auf ein Auge eines anderen Betrachters oder auch einen einzigen großen Sweet-Spot mit monoskopischem Bildinhalt auf beide Augen des Betrachters zu richten. Dabei kann auch der Fall eintreten, dass die gleichen horizontalen Positionen für die Beleuchtungselemente, jedoch entsprechend den unterschiedlichen Sweet-Spot-Gebieten in zwei unterschiedlichen Zeilen aktiviert werden.
Das optisch streuende Medium hat die Aufgabe, die durch die vertikale
Gruppenbildung der Pixel auf der Bildmatrix entstehenden Lücken für die Betrachtung zu schließen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Ablenkmittel prismenförmige Ablenkelemente mit einer Prismenbreite entsprechend der Breite der Linsenelemente und einer Höhe entsprechend der vertikalen Rasterung der
Beleuchtungsmatrix, wobei die Ablenkelemente sowohl horizontal am Raster der Linsenelemente als auch vertikal am Raster der Beleuchtungsmatrix ausgerichtet sind.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung soll an Hand von Zeichnungen erläutert werden. Diese zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Sweet-Spot-Einheit, wie sie der Anmelder in der älteren Patentanmeldung DE 103 39 076 vorgeschlagen hat;
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer ersten Ausführungsform der Sweet-Spot-
Einheit gemäß der Erfindung mit einer ersten möglichen Reihenfolge der Abbildungsmittel, der Ablenkmittel und der optischen Mittel zur vertikalen Aufweitung und Streuung; Fig. 3 die Funktion des Grundprinzips der Erfindung, jedoch ohne die Funktion des optischen Mittels zur vertikalen Aufweitung und Streuung;
Fig. 4a einen Ausschnitt aus den Ablenkmitteln in Form einer Ablenkmatrix in einer ersten Ausführungsform, bei der in jeder Zeile die prismenförmigen Ablenkelemente gleiche Ablenkwinkel aufweisen und sich die Ablenkwinkel zeilenweise ändern;
Fig. 4b einen Ausschnitt aus der Ablenkmatrix in einer zweiten Ausführungsform mit prismenförmigen Ablenkelementen aller Ablenkwinkel in jeder Zeile;
Fig. 5 einen Ausschnitt aus der ersten Ausführungsform mit eingezeichnetem Strahlenverlauf bei aktiven Beleuchtungselementen;
Fig. 6 einen Ausschnitt aus einer zweiten Ausführungsform mit eingezeichnetem
Strahlenverlauf und mit getauschter Reihenfolge von Ablenkmittel und optischen Mitteln zur vertikalen Aufweitung;
Fig. 7 einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsform mit eingezeichnetem Strahlenverlauf, bei dem die optischen Mittel zur vertikalen Aufweitung vor der Abbildungsmatrix angeordnet sind; und
Fig. 8 eine Kombination der Abbildungsmatrix und der Ablenkmatrix zu einer einzigen optischen Matrix.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung soll nachstehend an Hand von bevorzugten Ausführungsformen und den Figuren erläutert werden.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Sweet-Spot-Einheit gemäß der Erfindung mit einer Beleuchtungsmatrix 1 und einer ersten möglichen Reihenfolge der
Abbildungsmittel mit einem Lentikular, von dem nur ein einziges Lentikel 31 gezeigt ist, und den Ablenkmitteln 5 gemäß der Erfindung in Form einer Ablenkmatrix mit Ablenkelementen 511 ,.. ,51 n, den optischen Mitteln zur vertikalen Aufweitung 7 und dem Streumedium 8. Alle Elemente bilden eine Sweet-Spot-Einheit, die vom Betrachter aus hinter einer Bildmatrix angeordnet ist. Sie wird als Ausschnitt dargestellt. Für eine Bildmatrix mit 1600 x 1200 Pixeln kann beispielsweise eine Beleuchtungsmatrix 1 mit 4800 x 3600 Beleuchtungselementen verwendet werden. Andere Rasterungen für die Beleuchtungsmatrix 1 sind ebenso möglich. Die Beleuchtungselemente können aktiv oder passiv, beispielsweise ein Shutter mit einem Backlight, eine LED-Matrix oder eine OLED-Matrix sein. Um Abberationen zu vermeiden, sollte vorteilhaft sowohl das vertikale Raster der Ablenkelemente 511 ,..,51 n mit der vertikalen Rasterung mit der Höhe Hv der Beleuchtungsmatrix 1 als auch das horizontale Raster der Ablenkelemente 511 ,..,51 n mit der Breite WL der Linsenelemente, in Fig. 2 das vertikale Lentikel 31 , übereinstimmen. Die Breite der Ablenkelemente, hier der Prismen, kann jedoch auch ein .ganzzahliges Vielfaches der entsprechenden Breite WL der Linsenelemente sein.
Fig. 3 zeigt die Funktion der Sweet-Spot-Einheit gemäß der Erfindung. Das Lentikel 31 kollimiert das Licht des aktiven Beleuchtungselements 131 zu einem Strahlenbündel 91. Das prismenförmige Ablenkelement 511 der Ablenkmittel 5 in Form einer Ablenkmatrix 5 gehört zu einer Gruppe, welche das Strahlenbündel 91 infolge der Neigung der Lichtaustrittsfläche in Lichtrichtung nach links ablenkt. Diese Gruppe der Ablenkelement 511 ist deshalb mit dem Buchstaben „L" gekennzeichnet. Von allen Beleuchtungselementen, die hinter einem solchen Ablenkelement liegen, die Strahlenbündel in das entsprechende Sweet-Spot-Gebiet gelenkt, welches vom Betrachter aus gesehen rechts liegt.
Das in der Spalte tiefer liegende Element 512 weist keine Neigung der Lichtaustrittsfläche auf. Dieses Element 512 richtet ein Strahlenbündel 92 ohne Ablenkung geradeaus in ein mittleres Sweet-Spot-Gebiet. Diese Elemente der Ablenkmatrix 5 sind mit dem Buchstaben „N" gekennzeichnet.
Ein Strahlenbündel von einer in derselben Spalte der Beleuchtungsmatrix 1 darunter liegenden aktiven Beleuchtungselement 133 trifft dagegen auf ein Ablenkelement 513, welches zu einer Gruppe gehört, die ein Strahlenbündel 93 nach rechts ablenkt, so dass die Strahlenbündel in einem vom Betrachter aus gesehen links liegenden Sweet- Spot-Gebiet erscheinen. Derartige Ablenkelemente sind mit dem Buchstaben „R" gekennzeichnet.
Fig. 3 zeigt somit, wie Beleuchtungselemente, die in der selben Spalte liegen, mit gleicher vertikaler Lage allein durch Auswahl einer entsprechenden Zeile der Beleuchtungsmatrix 1 in verschiedene Sweet-Spot-Gebiete gerichtet werden. Die beschriebene Sweet-Spot-Einheit weist als Beispiel eine Ablenkmatrix mit analog zu Fig. 2 drei Gruppen (L, N, R) von Ablenkelementen auf, welche die Strahlenbündel in drei verschiedene Sweet-Spot-Gebiete richtet. Das Prinzip kann jedoch ebenso variiert werden. Insbesondere für Displays, bei denen vorrangig auf Sweet-Spots im mittleren Betrachterbereich verzichtet werden kann, wie Multi-User Displays in Fahrzeugen, kann es vorteilhaft sein, die Anzahl der Gruppen von Ablenkwinkel noch zu erhöhen. Dadurch können beispielsweise Fahrzeugführer und Beifahrer in einem besonders großen Blickwinkel weit von einander positioniert verschiedene Bildsignale auf einem Display betrachten.
In Fig. 3 ist die Sweet-Spot-Einheit ohne das optische Mittel zur vertikalen Aufweitung 7 dargestellt. Dadurch ist erkennbar, dass dieses Mittel ein wesentliches Element bezüglich der homogenen Ausleuchtung der Bildmatrix ist. Auf die Darstellung der Bildmatrix wurde verzichtet. Das Mittel zur vertikalen Aufweitung kompensiert zusammen mit dem Streumedium 8 analog zu Fig. 2 nicht ausgeleuchtete Bereiche, die prinzipbedingt als Folge der inaktiven Beleuchtungselemente in jeder Spalte der Beleuchtungsmatrix entstehen würden. Die optischen Mittel zur vertikalen Aufweitung 7 vergrößern die vertikale Ausdehnung der Strahlenbündel 91 , 92, 93, die zusammen mit dem Streumedium 8 die Bildmatrix homogen ausleuchten. Der wesentliche Gedanke für die Erweiterung des Betrachtungsbereichs ist die Adressierung von Winkelpositionen in einem begrenzten Betrachterbereich, dem weitere Betrachterbereiche durch Nachschalten von Ablenkelementen 5 angeschlossen werden können. Es ist daher zwingend notwendig, dass die Ablenkelemente 5 den lateralen Abbildungsmitteln 3 in Lichtrichtung folgen. Ansonsten entstehen aufgrund der großen Licht-Austrittswinkel aus den Abbildungsmitteln 3 erhebliche Aberrationen, die eine lateral begrenzte Sweet-Spot-Bildung kaum zulassen.
Fig. 4a zeigt eine erste Ausführungsform der Ablenkmatrix 5, bei der in jeder Zeile die prismenförmigen Ablenkelemente 511 , 521 (oberste Zeile) beziehungsweise 51 n, 52n (unterste Zeile) gleiche Ablenkwinkel aufweisen und sich die Ablenkwinkel zeilenweise jeweils in gleicher Folge ändern. Die gezeigte Ablenkmatrix 5 bietet Vorteile bei der Ansteuerung der Beleuchtungsmatrix, da in diesem Fall nur in horizontaler Richtung die Beleuchtungselemente einzeln ansteuerbar sein müssen. Komplette Zeilen der
Beleuchtungsmatrix können dabei jeweils auch gruppenweise in Zeilen angesteuert werden.
Fig. 4b zeigt eine zweite Ausführungsform der Ablenkmatrix 5, bei der die prismenförmigen Ablenkelemente 511 , 521 , 531 (oberste Zeile) beziehungsweise 51 n, 52n, 53n (unterste Zeile) in den Zeilen der Ablenkmatrix 5 so angeordnet sind, dass die Kanten an den Enden der Ablenkelemente stetig, das heißt sprungfrei zwischen horizontal benachbarten Ablenkelementen aneinander anschließen. Dieses bietet wesentliche Vorteile bei der Herstellung der Ablenkmatrix, insbesondere bei der Masterherstellung, dem Abformen oder beim Auftragen durch Roll-Prägung auf ein Substrat oder eine Trägerfolie.
Fig. 5 zeigt die erste Ausführungsform der Ablenkmatrix 5 mit eingezeichnetem Strahlenverlauf bei aktiven Beleuchtungselementen. In horizontaler Richtung wird das Licht, wie dargestellt, in Sweet-Spot-Gebiete fokussiert. Allerdings entstehen gemäß Fig. 3 vertikale Lücken, die durch vertikale Mittel zur Aufweitung 7, hier horizontale Lentikel 71 ,..7n, in der Ebene der Bildmatrix geschlossen werden. Um die Bildmatrix homogen ausleuchten zu können, ist die Verwendung eines vertikal streuenden Mediums zwischen dem Aufweitungsmittel und der Bildmatrix erforderlich. Dies ist in der Fig. 2, allerdings ohne Bildmatrix, dargestellt. Fig. 2 zeigt die Höhe Hv der vertikalen Rasterung der Beleuchtungsmatrix 1 und die Breite WL der Linsenelemente, hier des Lentikels 31.
Im Weiteren wird auf die explizite Darstellung des vertikal streuenden Mediums verzichtet. Es ist jedoch in jeder nachfolgenden Anordnung erforderlich.
Wie bereits dargestellt, muss die Ablenkmatrix 5 den Abbildungsmitteln 3 in Lichtrichtung folgen. Ansonsten können Ablenkmatrix 5 und die optischen Mittel zur vertikalen Aufweitung 7 miteinander vertauscht werden.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung, wobei die Ablenkmatrix 5 den optischen Mitteln zur vertikalen Aufweitung 7 folgt.
Fig. 7 stellt eine weitere vorteilhafte Anordnung dar, wobei der Winkel in vertikaler Richtung, unter dem das Licht das letzte Element verlässt, große Werte zulässt.
Fig. 8 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Ablenkelemente 511 ,512,.. der Ablenkmatrix 5. Diese sind so ausgeformt, dass sie zusätzlich die Funktion der horizontalen Lentikel in den Abbildungsmitteln realisieren. Auf diese Weise entsteht an Stelle der in Fig. 6 gezeigten zwei separaten optischen Elemente ein einziges Kombinationselement, was bei der Montage den Aufwand zum Ausrichten beider Elemente stark verringert.

Claims

Patentansprüche
1. Sweet-Spot-Einheit für ein Multi-User-Display mit erweitertem Betrachterbereich, umfassend eine Beleuchtungsmatrix mit einer Vielzahl von Beleuchtungselementen, die in einer vertikalen Rasterung (HV) liegen und von einer Tracking- und Bildsteuerung diskret aktivierbar sind, sowie Abbildungsmittel mit Linsenelementen mit einer Linsenbreite (WL), um Strahlenbündel durch eine transmissive Bildmatrix hindurch in einen Betrachterraum als Sweet-Spots auf verschiedene Positionen von Betrachteraugen abzubilden, wobei die Bildmatrix die Strahlenbündel für jeden Sweet-Spot mit einem separaten Bildsignal moduliert, dadurch gekennzeichnet,
• dass zwischen den Abbildungsmitteln (3) und der Bildmatrix Ablenkmittel (5) mit matrixförmig angeordneten Ablenkelementen (511 , ...53n) liegen, welche vertikal in Übereinstimmung mit der vertikalen Rasterung (HV) der
Beleuchtungsmatrix (1) periodisch in Gruppen (L, N und R) angeordnet sind, wobei jede Gruppe (L, N oder R) der Ablenkelemente (511 , ...53n ) die Strahlenbündel (91 , 92, 93) jeweils unter einem anderen vorbestimmten Winkel ablenkt, um diese in eines von mehreren horizontal angeordneten Sweet-Spot- Gebieten abzubilden;
• dass die Beleuchtungselemente (131 , 132, 133) vertikal entsprechend den Gruppen (L, N und R) aktivierbar sind, um über die vertikale Auswahl von aktiven Beleuchtungselementen (131, 132, 133) in jeder Spalte der Beleuchtungsmatrix (1) die Strahlenbündel (91 , 92 oder 93) in das ausgewählte Sweet-Spot-Gebiet abzubilden;
• dass optische Mittel zur vertikalen Aufweitung (7), welche die vertikale Ausdehnung der Strahlenbündel (91 , 92, 93) entsprechend vergrößern, enthalten sind; und
• dass ein vertikal streuendes Medium (8) in Lichtrichtung vor der Bildmatrix angeordnet ist.
2. Sweet-Spot-Einheit nach Anspruch 1 , bei der die Ablenkelemente (511 , ...53n) auf die Linsenbreite (WL) abgestimmt sind.
3. Sweet-Spot-Einheit nach Anspruch 1 , bei der die Ablenkmittel eine Ablenkmatrix mit prismenförmigen optischen Ablenkelementen sind, mit einer Prismenbreite entsprechend der Breite (WL) der Linsenelemente und einer Höhe entsprechend der vertikalen Rasterung (Hv) der Beleuchtungsmatrix, wobei die Ablenkelemente sowohl horizontal am Raster der Linsenelemente als auch vertikal am Raster der Beleuchtungsmatrix ausgerichtet sind.
4. Sweet-Spot-Einheit nach Anspruch 3, bei der die prismenförmigen Ablenkelemente (511 , 521 bzw. 51 n, 52n) in jeder Zeile der Ablenkmatrix die gleichen Ablenkwinkel aufweisen und sich die Ablenkwinkel zeilenweise jeweils in gleicher Folge ändern oder Permutationen innerhalb der Folgen möglich sind.
5. Sweet-Spot-Einheit nach Anspruch 3, bei der die prismenförmigen Ablenkelemente (511 , 521 , 531 bzw. 51 n, 52n, 53n) in den Zeilen der Ablenkmatrix so angeordnet sind, dass die Kanten an den Enden der Ablenkelemente sprungfrei zwischen horizontal benachbarten Ablenkelementen ineinander übergehen.
6. Sweet-Spot-Einheit nach Anspruch 1 , bei der die Ablenkmittel (5) in Lichtrichtung auf die Abbildungsmittel (3) folgen, während die optischen Mittel zur vertikalen Aufweitung (7) vor oder nach den Abbildungsmitteln (3) oder vor oder nach den Ablenkmitteln (5) liegen.
7. Sweet-Spot-Einheit nach Anspruch 1 , bei der die Linsenelemente in den Abbildungsmitteln Lentikel (31 , 32, 33) eines Lentikulars sind.
8. Sweet-Spot-Einheit nach Anspruch 1 , bei der die optischen Mittel zur vertikalen Aufweitung (7) ein Zylinderlinsen-Lentikular mit horizontal angeordneten Lentikeln (71...7n) sind und einer Brennebene, die nahe der Ebene der Beleuchtungsmatrix liegt.
9. Sweet-Spot-Einheit nach Anspruch 6, bei der die Ablenkelemente der Ablenkmatrix so ausgeformt sind, dass diese zusätzlich die Funktion der optische Mittel zur vertikalen Aufweitung (7) ausüben.
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