WO2008025765A1 - Richtungsgesteuerte beleuchtungseinheit für ein autostereoskopisches display - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit für ein autostereoskopisches Display, die Licht von aktivierten Beleuchtungselementen durch ein transmissives Bildwiedergabemittel hindurch in den Raum vor dem Display in Sichtbarkeitsbereiche ablenkt, von denen aus, nach Modulation des Lichts mit Informationen im Bildwiedergabemittel, eine stereoskopische und/oder monoskopische Darstellung sichtbar ist. Die richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit enthält ein Beleuchtungsmittel mit Beleuchtungselementen, ein Abbildungsmittel mit Abbildungselementen, eine Prismenanordnung, ein lichtstreuendes Mittel und ein Bildwiedergabemittel. Jeweils einem Abbildungselement ist eine Anzahl von Beleuchtungselementen zugeordnet, um Licht als Strahlenbündel zeitsequentiell auf Betrachteraugen abzulenken. Abbildungsmittel und Prismenanordnung sind zusammen unter einem gleichen Neigungswinkel α > 0 zur vertikalen Achse des Bildwiedergabemittels positioniert, der in seiner Größe geometrisch-optisch so dimensioniert ist, dass er in Kombination mit dem die Lichtverteilung ausgleichenden Mittel die Helligkeit im Bildwiedergabemittel homogenisiert. Die Prismenanordnung weist eine in horizontaler Richtung sich wiederholende dreiteilige Prismenstruktur auf zum Vergrößern des horizontalen Ablenkbereichs der Strahlenbündel.

Description

Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit für ein autostereoskopisches Display

Die Erfindung bezieht sich auf eine richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit für ein autostereoskopisches Display, die Licht von aktivierten Beleuchtungselementen durch ein transmissives Bildwiedergabemittel hindurch in den Raum vor dem Display in Sichtbarkeitsbereiche ablenkt. Betrachteraugen können von diesen Sichtbarkeitsereichen aus, nach Modulation des Lichts mit Bild- oder anderen Informationen im Bildwiedergabemittel, eine stereoskopische und/oder monoskopische Darstellung in guter Abbildungsqualität sehen.

Anwendungsgebiet der Erfindung sind autostereoskopische Displays, bei denen die Sichtbarkeitsbereiche mit Hilfe einer Tracking- und Bildsteuerung automatisch den Augen verschiedener Betrachter bei einer Bewegung zu anderen Positionen in einem relativ großen Betrachterraum vor dem Display nachgeführt werden können. Gemäß der Erfindung sind die Bilder und andere Informationen den Betrachtern wahlweise entweder im 2D- oder 3D-Modus oder im gemischten Modus darstellbar.

Als autostereoskopische Displays werden im Dokument Displays bezeichnet, bei denen mindestens ein Betrachter 3D-Bilder ohne zusätzliche Hilfsmittel sehen kann.

Die richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit des autostereoskopischen Displays in diesem Dokument umfasst in Ausbreitungsrichtung des Lichts ein Beleuchtungsmittel mit einer Vielzahl selbstleuchtender oder üchtdurchstrahlter Beleuchtungselemente sowie ein Abbildungsmittel mit Abbildungselementen. Die Abbildungselemente bilden das Licht aktivierter Beleuchtungseiemente des Beleuchtungsmittels als Sichtbarkeitsbereich jeweils auf ein Betrachterauge durch annähernde Parallelstrahlenbündel ab. Dabei wird von jedem Abbildungselement eine Vielzahl von aktivierten Beleuchtungselementen abgebildet. Die Abbildungsmittel können zusätzliche optische Elemente zur Verbesserung der Abbildungsverhältnisse enthalten.

Aus dem homogen ausgeleuchteten Sichtbarkeitsbereich heraus sollen für jeden Betrachter stets auch eine Homogenität der Ausleuchtung des Bildwiedergabemittels großflächig gewährleistet sein sowie das Übersprechen auf das jeweils andere Auge bei einer 3D-Darstel!ung vermieden werden. Der Sichtbarkeitsbereich kann in verschiedenen Formen vorgegeben werden und in seiner Ausdehnung ein oder beide Augen eines Betrachters aufnehmen. Auch wenn der Betrachter eine neue Position im Raum vor dem Display einnimmt, müssen ihm die monoskopischen und/oder stereoskopischen Darstellungen ständig in guter Qualität zur Verfügung stehen.

Wird bei einem autostereoskopischen Display der beschriebenen Art eine stereoskopische Darstellung für beispielsweise zwei Betrachter realisiert, müssen für vier verschiedene Augenpositionen vier Sichtbarkeitsbereiche bereitgestellt werden. Dabei sind verschiedene Probleme zu beachten, um eine gute Abbildungsqualität für eine größere Anzahl von Betrachtern zu erreichen.

Vordringlich müssen beispielsweise im Interesse eines akzeptablen Nutzerkomforts die Sichtbarkeitsbereiche für beide Augen des einen Betrachters genügend weit von den Sichtbarkeitsbereichen für die Augen des anderen Betrachters entfernt sein, um eine gegenseitige Behinderung beim Betrachten der aktuellen Darstellung auf dem autostereoskopischen Display auszuschließen. Bekanntlich werden aber die optischen Abbildungsbedingungen für einen Betrachter, dessen Augen sich zentral vor dem Display in der Nähe der optischen Achse befinden, am genauesten eingehalten. Mit größer werdendem seitlichem Abstand der Betrachteraugen von der Mitte des Displays verschlechtern sich einerseits durch die größer werdenden Abstrahlwinkei der Strahlenbündel die Abbildungsbedingungen. Es treten durch die Verwendung beispielsweise eines Lentikulars als Abbildungsmittel optische Aberrationen auf, die keine großen Betrachterwinkel zulassen. Es kann passieren, dass die Lichtstrahlen einen zu weit von der Mitte des Displays entfernten Betrachter überhaupt nicht mehr erreichen. Andererseits können diese Aberrationen auch verhindern, dass definierte Sichtbarkeitsbereiche in ihrer vorgegebenen Ausdehnung erzeugt werden. Der Betrachterwinkel oder Betrachterbereich wird hier vom Betrachter ausgehend definiert als ein Raum oder Bereich vor dem Display, in dem sich Betrachter aufhalten und eine Darstellung im gewünschten Modus sehen können.

Weiterhin können wegen der Abbildungsfehler nachteilige Effekte in den Sichtbarkeitsbereichen auftreten, wie beispielsweise eine inhomogene Ausleuchtung oder/und ein Übersprechen der Sichtbarkeitsbereiche für das rechte und linke Auge. Die genannten Probleme wirken sich zusammenfassend umso nachteiliger aus, je mehr Betrachter die dargestellten Informationen sehen wollen und/oder je ungünstiger die Position eines Betrachters zur optischen Achse des Displays ist.

Im noch nicht veröffentlichten Dokument DE 10 2005 012 348 der Anmelderin wird deshalb zur Lösung dieser Probleme vorgeschlagen, im Abbildungsstrahlengang des Displays zur Erweiterung des Betrachterbereichs eine Kombination aus Ablenkmitteln mit matrixförmig angeordneten prismatischen Ablenkelementen und optischen Abbildungsmitteln anzuordnen. Die Ablenkelemente sind dabei in Übereinstimmung mit der vertikalen Rasterung der Beleuchtungsmatrix periodisch in Gruppen angeordnet, wobei jedes Element der Gruppe die Strahlenbündel jeweils unter einem anderen vorbestimmten Winkel ablenkt. Jede Gruppe von Ablenkelementen wiederholt sich periodisch versetzt in jeder Zeile und jeder Spalte. Diese Kombination vergrößert den Ablenkbereich des Displays und lenkt die Strahlenbündel jeweils in unterschiedliche Richtungen im Raum vor dem Display so ab, dass mehrere horizontal versetzt liegende Sichtbarkeitsbereiche entsprechend der ermittelten Anzahl von Betrachteraugen gebildet werden.

In der Praxis hat es sich jedoch erwiesen, dass durch die brechenden Flächen der vielen je Zeile und Spalte angeordneten Prismen Totalreflexionen auftreten und die Abbildungsqualität des Systems beeinträchtigt wird, wodurch die homogene Ausleuchtung nicht mehr gegeben ist. Außerdem erfordern der Fertigungsprozess dieser Ablenkmittel als optische Einheit und ihre Montage bzw. Justierung in autostereoskopischen Displays eine sehr hohe Genauigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Lichtführung in einem oben beschriebenen autostereoskopischen Display mit richtungsgesteuerter Beleuchtungseinheit durch einfache optische Mittel so zu gestalten, dass mehrere Betrachter gleichzeitig aus ihnen zugeordneten definierten Sichtbarkeitsbereichen in einem Raum vor dem Display eine 2D- und/oder 3D-Darstellung ohne Störungen sehen können. Der mit einer Tracking- und Bildsteuerung erreichbare Raum vor dem Display soll dabei relativ groß sein. Weiterhin soll durch die Anordnung der optischen Mittel gleichzeitig eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Abbildungsqualität des autostereoskopischen Displays erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung geht von einer richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit 5 aus, welche von einer Tracking- und Bildsteuerung gesteuert wird und durch ein transmissives Bildwiedergabemittel hindurch Strahlenbündel für mehrere Betrachter, deren Augenpositionen sich an verschiedenen Orten in einem Betrachterraum befinden, als Sichtbarkeitsbereiche mit definierter Ausdehnung abbildet. Die richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit umfasst ein Beleuchtungsmittel mit einer

10 Vielzahl einzeln akttvierbarer, matrixförmig angeordneter Beleuchtungselemente, ein Abbildungsmittel mit eindimensional wirkenden, parallel zueinander angeordneten Abbildungselementen, eine Prismenanordnung mit sich in horizontaler Richtung wiederholender dreiteiliger Prismenelementestruktur, ein in vertikaler Richtung die Lichtverteilung ausgleichendes Mittel und ein Biidelemente enthaltendes

15 Bildwiedergabemittel. Jeweils einem Abbildungselement, beispielsweise einer stabförmigen Zylinderlinse, ist eine bestimmte Anzahl von Beleuchtungselementen zugeordnet, um das Licht aktivierter Beleuchtungselemente als Strahlenbündel durch das Bildwiedergabemittel hindurch zeitsequentiell auf jeweils ein Betrachterauge abzubilden. Die Strahlenbündel, die jeweils einem Betrachterauge zugeordnet sind

ZO und sich in einem definierten Sichtbarkeitsbereich überlagern, werden mit separaten Bildfolgen moduliert, so dass ein Betrachter vom Sichtbarkeitsbereich aus eine Darstellung im gewählten Modus sehen kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Strahlengang der .5 richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit des autostereoskopischen Displays das Abbildungsmittel zusammen mit der Prismenanordnung unter einem gleichen eingestellten Neigungswinkel α > 0° zur vertikalen Achse des Bildwiedergabemittels positioniert ist,

- wobei jeweils ein Prismenelement und ein Abbildungselement das gleiche iθ Rastermaß haben und eine funktionelle optische Einheit bilden, um einen horizontalen Ablenkbereich für die erzeugten Strahlenbündel zu vergrößern, und - wobei der Neigungswinkel α in seiner Größe geometrisch-optisch so dimensioniert ist, dass er in Kombination mit dem in vertikaler Richtung die Lichtverteilung ausgleichenden Mittel die Helligkeit im auszuleuchtenden Bereich des Bildwiedergabemittels homogenisiert.

Die dreiteilige Prismenstruktur besteht vorzugsweise aus stabförmig ausgebildeten, parallel zueinander angeordneten Prismenelementen, wobei zwei Prismenelemente jeweils entgegengesetzt geneigte optisch wirksame Flächen aufweisen, zwischen denen ein Prismenelement mit einer ebenen Fläche liegt. Das Rastermaß der einzelnen Prismenelemente der dreiteiligen Prismenstruktur ist beispielsweise auf das Rastermaß einer Zylinderlinse des verwendeten Lentikulars abgestimmt und ermöglicht es, dass jeweils eine Zylinderlinse des Lentikulars und ein Prismenelement der Prismenanordnung eine funktionelle optische Einheit bilden. Durch die Verwendung derartigen Einheiten werden in vorteilhafter Ausführung der Erfindung Aberrationen und Totalreflexionen im Gegensatz zum Stand der Technik verringert bzw. vermieden.

Für die inverse Strahlberechnung werden erfindungsgemäß sowohl die Bildelemente als auch die Beleuchtungselemente zweidimensional ermittelt. Dadurch wird erreicht, dass die Anzahl der in der jeweiligen Zeile und Spalte zu aktivierenden Beleuchtungs- lemente genauer berechnet werden kann.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Abbildungsmittel ein Lentikular aus stabförmigen Zylinderlinsen, denen die dreiteilige Prismenstruktur so nahe wie möglich gegenüber liegt. Zur Verbesserung der Abbildungsqualität kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dem Abbildungsmittel zusätzlich eine Feldlinse zugeordnet sein.

Für eine exakte Ausbildung des definierten Sichtbarkeitsbereichs ist es außerdem zweckmäßig, am Beleuchtungsmittel, am Abbildungsmittel und an der Prismenanordnung jeweils einen Streifenpolarisator zur Unterdrückung sekundärer Strahlenbündel vorzusehen. Das in vertikaler Richtung die Lichtverteilung ausgleichende Mittel kann wahlweise als ein nur vertikal streuendes Element oder als eine Anordnung von horizontal angeordneten Zylinderlinsen mit sehr feinem Linsenrastermaß ausgeführt sein. Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass mit den beschriebenen Ausführungen der optischen Mitte! und ihren Kombinationen im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik in einem größeren Betrachterraum vor dem autostereoskopischen Display definierte Sichtbarkeitsbereiche mit hoher Helligkeit und hohem Kontrast sowie geringem gegenseitigen Übersprechen erzeugt werden und eine homogene Ausleuchtung des Bildwiedergabemittels erreicht wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Betrachten von monoskopischen oder/und stereoskopischen Darstellungen aus individuell zugeordneten Sichtbarkeitsbereichen heraus möglich ist, ohne dass es zu gegenseitigen Behinderungen der Betrachter kommt. Damit wird eine freie und unabhängige Beweglichkeit der Betrachter in einem erweiterten Betrachterraum realisiert, was auch gleichzeitig mit einer Erweiterung des Trackingbereichs verbunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf die Anordnung der

Hauptkomponenten eines autostereoskopischen Displays gemäß der

Erfindung, Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht der unter einem

Neigungswinkel α zur vertikalen Achse des Displays gedrehten

Komponenten Lentikular und Prismenanordnung, Fig. 3a - 3c schematische Darstellungen funktioneller optischer Einheiten, bestehend aus einem Abbildungselement und einem Prismenelement, die jeweils aktivierte Beleuchtungselemente als Strahlenbündel in unterschiedliche Richtungen abbilden, und Fig. 4 eine schematische teilweise Vorderansicht von erfindungsgemäß angeordneten Prismenelementen, die von Beleuchtungselementen beleuchtet werden.

Die Erfindung basiert auf einem autostereoskopischen Display, dessen Funktionsprinzip im Stand der Technik bereits so weit beschrieben wurde, wie es zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nötig ist. In Fig. 1 sind nacheinander in Lichtrichtung die Hauptkomponenten Beleuchtungsmittel 1 , Abbildungsmittel 2, Prismenanordnung 3, Feldlinse 4, ein in vertikaler Richtung eine Lichtverteilung ausgleichendes Mittel 5 und ein transmissives Bildwiedergabemittel 6 des autostereoskopischen Displays schematisch dargestellt. Das Bildwiedergabemittel 6 weist regulär angeordnete Bildelemente auf. Nahe dem Beleuchtungsmittel 1 und dem Abbildungsmittel 2 sowie hinter der Prismenanordnung 3 befindet sich jeweils ein Streifenpolarisator 7. Die Streifenpolarisatoren 7 sind zueinander so platziert, dass sich Streifen gleicher Polarisation deckungsgleich gegenüber liegen. Die Breite der Streifen der Polarisatoren 7 stimmt mit der Breite der Abbildungselemente des Abbildungsmittels 2 überein. Dadurch wird erreicht, dass nach dem Aktivieren von Beleuchtungselementen SP das von ihnen abgestrahlte Licht als Strahlenbündel in Bereichen gleicher Polarisationsrichtung streng kanalisiert wird, dargestellt in der Zeichnung durch gestrichelte Linien zwischen den Streifen- polarisatoren 7. Gleichzeitig werden auch die sekundären Strahlenbündel, die durch den normalen Abstrahlwinkel jedes Beleuchtungselements SP erzeugt werden, in den Bereichen mit abweichender Polarisationsrichtung unterdrückt. Mit 8 ist die optische Achse des autostereoskopischen Displays bezeichnet. In einem Betrachterraum vor dem Display ist durch die Darstellung eines Auges die Position eines Betrachters angedeutet.

Entsprechend Fig. 2 sind schematisch in einer Perspektivansicht als wichtige Teile der richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit das Abbildungsmittel 2 mit einer darüber angeordneten Prismenanordnung 3, enthaltend eine Prismenstruktur aus drei sich wiederholenden Prismenelementen 3a, 3b und 3c, ausschnittsweise dargestellt. Die Pfeile in Fig. 2 zeigen, dass sich die Komponenten 2 und 3 nach beiden Seiten fortsetzen, um großflächige optisch wirksame Komponenten zu bilden. Sowohl das Abbildungsmittel 2 als auch die Prismenanordnung 3 sind unter einem gleichen vorgegebenen Neigungswinkel α > 0° zu der mit 9 bezeichneten vertikalen Achse des Bildwiedergabemittels 6 positioniert.

In den Figuren 3a bis 3c sind schematisch als Einzelheiten jeweils nur die Prismenelemente 3a bis 3c in Kombination mit einem Abbildungselement, beispielsweise einer Zylinderlinse eines Lentikulars, als funktionelle Einheiten zur Abbildung von aktivierten Beleuchtungselementen SP dargestellt. Sie erzeugen nahezu parallele Strahlenbündel, die sich im Sichtbarkeitsbereich überlagern. Entsprechend ihrer Anordnung im Strahlengang gestatten die Prismenelemente 3a und 3c eine horizontale Ablenkung des Strahlenbündels im Raum vor dem Display unter einem vorgegebenen, erwünschten Winkel nach rechts oder links, während das Licht das Prismenelement 3c ohne Ablenkung passiert.

Die Fig. 4 zeigt ausschnittsweise unter dem Neigungswinkel a angeordnete Prismenelemente 3a, 3b und 3c vor einem Teil eines Beleuchtungsmittels 1. Dabei sind teilweise dargestellte Prismenelemente 3a durch ein Muster besonders hervorgehoben. Die Pfeile weisen darauf hin, dass sich das Muster über den gesamten Bereich der Prismenelemente 3a fortsetzt. Das Muster verdeutlicht, dass in diesem Moment eine Anzahl von mit der inversen Strahlberechnung ermittelter Beleuchtungselemente SP, die nur diesen Prismenelementen 3a zugeordnet werden, Licht aussenden. Damit lenken die Prismenelemente 3a die Strahlenbündel nach dem Passieren der Prismenanordnung 3 nach rechts ab. Analog lenken die Prismenelemente 3c die Strahlenbündel anderer Beleuchtungselemente SP nach links ab. Mit dieser Ausgestaltung der Prismenelemente 3a, 3b und 3c in Kombination mit dem Abbildungsmittel 2 können die Strahlenbündel einen Betrachterbereich vor dem Display und damit einen Trackingbereich von beispielsweise dargestellten ± 40° realisieren. Jedes Prismenelement deckt aber nicht nur einen einzigen Winkel ab, sondern einen Winkelbereich. Die Angabe der Ablenkung von + 40° bedeutet, dass sich ein Betrachterauge in einem Bereich von + 40 ° bis ca. +10 ° befinden kann, um von Strahlenbündeln erreicht zu werden. Die Angabe 0° bedeutet, dass ein Winkelbereich von + 10 ° bis ca. -10 ° von Strahlenbündeln erreicht wird, und bei der Angabe -40° kann ein Betrachterauge in einem Bereich von - 10 ° bis ca. -40 ° von Strahlenbündeln erreicht werden. Das resultiert daraus, dass immer eine größere Anzahl von Beleuchtungselementen SP für jeweils ein Abbildungs- und ein Prismenelement 3a, 3b oder 3c aktiviert wird und einen begrenzten Winkelbereich beleuchtet. Die Wirkungsweise der Erfindung wird anhand der richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit für ein autostereoskopisches Display nachfolgend in Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Als Beleuchtungsmittel 1 dient in Fig. 1 ein Lichtmodulator, der beispielsweise durch einen Shutter mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Subpixeln realisiert wird, die die Beleuchtungselemente SP repräsentieren. Der Shutter kann hier in bekannter weise von einem Backlight beleuchtet werden.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Beleuchtungsmittel 1 auch aus selbstleuchtenden Beleuchtungselementen, z.B. LED oder OLED, bestehen.

Das Abbildungsmittel 2 besteht im Ausführungsbeispiel in Fig. 1 aus einem Lentikular mit parallel zueinander angeordneten Zylinderlinsen und bildet zusammen mit der nachfolgenden Feldlinse 4 das Licht auf ein Betrachterauge ab. Die Feldlinse 4 ist vorzugsweise als Fresnellinse ausgebildet. Sie wirkt anteilig mit bei der gezielten Ablenkung aller Strahlenbündel auf jeweils eine ermittelte Position eines Betrachterauges, um dort einen definierten Sichtbarkeitsbereich zu erzeugen. Das erzeugte Strahlenbündel wird auf die aktuelle Position des Betrachterauges entsprechend den Figuren 3a und 3c durch jeweils ein der abbildenden Zylinderlinse gegenüberliegendes Prismenelement der Prismenanordnung 3 abgelenkt bzw. passiert das Prismenelement 3b ohne Ablenkung. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die optischen Komponenten 2 und 3 zur optischen Achse des Bildwiedergabemittels 6 unter einem Neigungswinkel α positioniert, ebenso die ihnen zugeordneten Streifenpolarisatoren 7. Der Neigungwinkel α wird abhängig von der Auflösung und damit dem Rastermaß des verwendeten Beleuchtungsmittels 1 , beispielsweise des Shutters, und von der angenommenen Größe der Augenpupille der Betrachter eingestellt. Mit dieser geometrisch-optischen Dimensionierung ermöglicht er in Kombination mit dem in vertikaler Richtung die Lichtverteilung ausgleichenden Mittel, dass die Helligkeit im auszuleuchtenden Bereich des Bildwiedergabemittels 6 homogenisiert werden kann. Am Ort des jeweiligen Betrachterauges erzeugt das Licht der ermittelten und aktivierten Beleuchtungselemente SP einen vorher definierten Sichtbarkeitsbereich. Von diesem Sichtbarkeitsbereich aus sieht der jeweilige Betrachter, nach synchroner Modulation des Strahlenbündels mit einem rechten und/oder linken Stereobild für das entsprechende Auge, eine gewünschte Darstellung auf dem Bildwiedergabemittel 6. Die erforderliche entsprechende Tracking- und Bildsteuerung wird im Display in einer nicht dargestellten Steuereinheit vorgenommen.

Die für die Abbildung des Lichts zu aktivierenden Beleuchtungselemente SP werden mit der Methode der inversen Strahlberechnung ermittelt, in der Patentanmeldung PCT/DE 2006 /000375 der Anmeiderin wird ein entsprechendes Verfahren ausführlich beschrieben, auf das hier nur soweit eingegangen wird, wie es zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nötig ist: Nach einer dreidimensionalen Positionsbestimmung von Augen mindestens eines Betrachters werden die ermittelten Positionsdaten einer Steuereinheit zum Ausführen der inversen Strahlberechnung zur Verfügung gestellt. In Abhängigkeit von der Genauigkeit des Positionsfinders und/oder anderen Parametern, vorzugsweise der Entfernung der Betrachteraugen vom Display, wird in der Steuereinheit für die Umgebung jeden Betrachterauges eine Geometrie des benötigten Sichtbarkeitsbereichs durch Festlegen von Referenzpunkten definiert. Die Referenzpunkte sind, auf ein Betrachterauge bezogen, in Anzahl und Anordnung frei wählbar. Die Anzahl der Referenzpunkte muss so groß gewählt werden, dass ständig eine homogene Ausleuchtung des Sichtbarkeitsbereichs erfolgt, der Berechnungs- und Speicheraufwand aber so gering wie möglich ist.

Von jedem Referenzpunkt aus wird eine inverse Strahlberechnung zu Bildpunkten des Bildwiedergabemittels 6 durchgeführt, die dort in einem Raster liegen und durch mindestens einen Parameter wie beispielsweise definiert sind. Es werden nicht alle Bildpunkte als Grundlage der Berechnungen verwendet, sondern nur die vorzugsweise der mittleren Zeile. Diese Bildpunkte sind durch einen einzigen Parameter, den Blickwinkel des Betrachters, definiert.

Die inverse Strahlberechnung wird weiter von den Bildpunkten über das Abbildungsmittel 2 bis zu den Beleuchtungselementen SP durchgeführt. Mit der Berechnung werden Datensätze mit Adressdaten für jeweils das Beleuchtungs- element SP ermittelt, das von den Abbildungsmitteln 2 in den entsprechenden Referenzpunkt abgebildet wird. Aus den Adressdaten erhält man ein Muster von zu aktivierenden Beleuchtungselementen SP, welches in den eingangs definierten Sichtbarkeitsbereich für jedes Betrachterauge abgebildet wird. Während die Strahlberechnung für die mittlere Zeile des Bildwiedergabemittels 6 in Echtzeit durchgeführt wird, entnimmt die Steuereinheit für den weiteren Strahlenverlauf vorberechnete und gespeicherte Datensätze zum Ermitteln der Adressdaten von Beleuchtungselementen SP aus einer Look-up-table. In dieser ist der Strahlenverlauf für Strahlen von jedem auf einem Raster des Bildwiedergabemittels 6 liegenden Bildpunkt und zu jedem Beleuchtungselement SP des Beleuchtungsmittels 1 vorberechnet. Mit dieser Methode wird erreicht, dass die Anzahl von zu aktivierenden Beleuchtungselementen SP für die aktuelle Betrachterposition optimiert wird.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind das Abbildungsmittel 2 und die Prismenanordnung 3 unter einem gleichen vorgegebenen Neigungswinkel α zur vertikalen Achse des Bildwiedergabemittels 6 positioniert. Dadurch ergibt sich der Vorteil einer großen Kombinationsmöglichkeit von Ablenk- und Abbildungselementen und Beleuchtungselementen. Beleuchtungselemente SP können gezielter aktiviert werden. Infolge der dreiteiligen Prismenstruktur ist immer nur jedes dritte Prismenelement 3a, 3b oder 3c an der Ablenkung von Strahlenbündeln beteiligt. Je nachdem, ob sich Betrachteraugen zentral vor dem Display oder im rechten oder linken Bereich des Betrachterraums befinden, lenkt das entsprechende Prismenelement 3b, 3a oder 3c das Strahlenbündel gerichtet dorthin ab. Dabei sind erfindungsgemäß die Beleuchtungselemente SP nicht mehr spaltenweise zu aktivieren, sondern der Verlauf der geneigten Prismenelemente 3a, 3b oder 3c ist bei der inversen Strahlberechnung zu berücksichtigen. Deshalb kann die inverse Strahlberechnung unter Berücksichtigung des Blickwinkels nicht mehr nur für die regulär angeordneten Bildelemente der mittleren Zeile des Bildwiedergabemittels 6 durchgeführt werden. Es muss jede Zeile und jede Spalte in die Ermittlung der zu aktivierenden Beleuchtungselemente SP einbezogen werden. Die Beleuchtungselemente SP sind ebenfalls mit zwei Koordinaten in der inversen Strahlberechnung zu berücksichtigen, da sie durch die geneigte Lage der Abbildungselemente und der Prismenelemente in verschiedenen Spalten und verschiedenen Zeilen aktiviert werden müssen.

Die aus der geneigten Prismenanordnung austretenden Strahlenbündei erzeugen noch keine homogene Lichtverteilung im Bildwiedergabemittel 6. Deshalb ist ein in vertikaler Richtung die Lichtverteilung ausgleichendes Mittel 5 vorgesehen. In Kombination mit diesem Mitte! 5 wird das von den Abbildungsmitteln 2 und 4 und von der Prismenanordnung 3 gerichtet abgelenkte Licht im Bildwiedergabemittel 6 homogenisiert. Das die Lichtverteilung ausgleichende Mittel 5 kann beispielsweise ein nur vertikal streuendes Element mit festem Streuwinkel sein oder eine Anordnung von horizontal angeordneten parallelen Zylinderlinsen mit sehr feinem Linsenrastermaß.

Durch einfache optische Mittel wird eine richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit geschaffen, die gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile aufweist. Durch die Vereinigung von gemeinsam geneigt angeordnetem Abbildungsmittel und Prismenanordnung in Kombination mit dem in vertikaler Richtung die Lichtverteilung ausgleichenden Mittel wird erreicht, dass die Helligkeit im B ildwied ergäbe mitte I homogenisiert wird und gleichzeitig der Ablenkbereich der Strahlenbündel bzw. der Betrachterbereich vor einem Display vergrößert wird. Im Betrachterbereich sind mehrere Betrachter von der Tracking- und Bildsteuerung gleichzeitig erreichbar. Ihnen kann ein Sichtbarkeitsbereich zugeordnet werden, ohne dass störende Einflüsse beim Betrachten von 2D- und/oder 3D-Darstellungen auftreten. Durch die geneigte Prismenstruktur kann auf zusätzliche Mittel zur vertikalen Aufweitung des Strahlenbündels verzichtet werden.

Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass handelsübliche Beleuchtungsmittel, wie Backlight mit Shutter oder aktive Beleuchtungsmatrizen, mit einer Rasterung einsetzbar sind, die unabhängig von der Rasterung der Abbildungsmittel und der Rasterung der Bildmatrix sind.

Die vorliegende Erfindung ist bevorzugt für eine zeitsequentielle Darstellung von Stereobildern für jeweils ein Betrachterauge beschrieben, obwohl sie auch für Displays mit räumlich verschachtelter Darstellung anwendbar ist.

Claims

Patentansprüche

1. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit für ein autostereoskopisches

Display, die ein Beleuchtungsmittel mit einer Vielzahl einzeln aktivierbarer, matrixförmig angeordneter Beieuchtungselemente, ein Abbildungsmittel mit eindimensional wirkenden, parallel zueinander angeordneten Abbildungselementen, eine Prismenanordnung mit Prismenelementen, die eine sich in horizontaler Richtung wiederholende dreiteilige Prismenstruktur enthalten, sowie ein in vertikaler Richtung eine Lichtverteilung ausgleichendes Mittel und ein Bildelemente enthaltendes Bildwiedergabemittel aufweist, und bei der für jeweils ein Abbildungselement eine bestimmte Anzahl von zu aktivierenden Beleuchtungselementen mit der inversen

Strahlberechnung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungsmittel (2) zusammen mit der Prismenanordnung (3) unter einem gleichen eingestellten Neigungswinkel α > 0° zur vertikalen Achse (9) des Bildwiedergabemittels (6) positioniert ist,

- wobei jeweils ein Prismenelement (3a, 3b, 3c) und ein Abbildungselement das gleiche Rastermaß haben und eine funktionelle optische Einheit bilden, um einen horizontalen Ablenkbereich für die erzeugten Strahlenbündel zu vergrößern, und - wobei der Neigungswinkel α in seiner Größe geometrisch-optisch so dimensioniert ist, dass er in Kombination mit dem in vertikaler Richtung die Lichtverteilung ausgleichenden Mittel (5) die Helligkeit im auszuleuchtenden Bereich des Bildwiedergabemittels (6) homogenisiert.

2. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der inversen Strahlberechnung sowohl die Beleuchtungselemente SP als auch die Bildelemente zweidimensional zu ermitteln sind.

3. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenelemente (3a, 3b, 3c) stabförmig ausgebildet sind, wobei zwei Prismenelemente (3a, 3c) jeweils entgegengesetzt geneigte optisch wirksame Flächen aufweisen, zwischen denen ein Prismenelement (3b) mit einer ebenen Fläche liegt.

4. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungsmittel (2) ein Lentikular aus stabförmigen Zylinderlinsen ist und jeder Zylinderlinse eines der Prismenelemente (3a, 3b 3c) zugeordnet ist, wobei die Zylinderlinse und das Prismenelement sich so nahe wie möglich gegenüber liegen.

5. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abbildungsmittel (2) zusätzlich eine Feldlinse (4) zugeordnet ist.

6. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass am Beleuchtungsmittel (1), am Abbildungsmittel (2) und an der

Prismenanordnung (3) jeweils ein Streifenpolarisator (7) zur Unterdrückung sekundärer Parallelstrahlenbünde! vorgesehen ist.

7. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das in vertikaler Richtung die Lichtverteilung ausgleichende

Mittel (5) ein nur vertikal streuendes Element ist.

8. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das in vertikaler Richtung die Lichtverteilung ausgleichende Mittel (5) eine Anordnung von horizontal angeordneten parallelen Zylinderlinsen mit sehr feinem Linsenrastermaß ist.