WO2018019776A1 - Verfahren zur autostereoskopischen bildgebung und autostereoskopische beleuchtungseinheit - Google Patents

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WO2018019776A1
WO2018019776A1 PCT/EP2017/068659 EP2017068659W WO2018019776A1 WO 2018019776 A1 WO2018019776 A1 WO 2018019776A1 EP 2017068659 W EP2017068659 W EP 2017068659W WO 2018019776 A1 WO2018019776 A1 WO 2018019776A1
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light source
individual lenses
lens array
light
lenses
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Bernhard Stojetz
Alfred Lell
Christoph Eichler
Andreas LÖFFLER
Harald KÖNIG
André Somers
Clemens VIERHEILIG
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H04N13/32—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays using arrays of controllable light sources; using moving apertures or moving light sources

Definitions

  • lens field is used below for the sake of simplicity. If the lens array is composed of individual lenses, then the observer and the light source are preferably located on different sides of the lens field. On the other hand, if the lens array is composed of concave mirrors, then they are the viewer and the light source preferably on the same side of the lens array.
  • Actual environment and the three-dimensional image can be controlled via optional additional sensors of the lighting unit.
  • Lens field closer to the viewer than the edges of the lens field can apply from the perspective of the light source, wherein alternatively the lens array
  • the lens array can consistently have a constant, constant distance from the light source, in particular seen in one or more cutting planes through the lens array and through the light source.
  • Approximative curve on a side facing away from the viewer of the lens array is located. Concave can do that accordingly mean that the center of curvature and / or
  • Focus and the light source are on the same side of the lens array. It can be approximated that the approximate curve deviates locally from the lens field by at most 25% or 15% or 5% of a focal length or a radius of the approximate curve.
  • the lens array may thus be formed by a single continuous curvature, seen in cross-section, or several different
  • aO 0 °.
  • D 1 / d cos (a).
  • Concave may be in terms of
  • the method comprises the step of modulating a radiation characteristic of the light source.
  • the modulating can be done by turning on and / or turning off certain light emitting
  • the light from the light source impinges on the individual lenses, so that a radiation characteristic of a
  • Lighting unit with at least one light source and with a lens array of many individual lenses or concave mirrors, the lens array is preferably convexly curved seen from the outside and seen from the light source from preferably concave curved, and
  • Three-dimensional object is imitated.
  • 3D stands for three-dimensional.
  • a disadvantage of such a solution is that mandatory glasses are required, which is undesirable in many applications.
  • Another way of displaying 3D images is to use different lenses and / or apertures to give different images to the two eyes of the viewer.
  • the 3D representation works only for narrowly limited positions of the viewer, otherwise a complex technology for determining the position of the viewer and an adaptation of the 3D images is necessary.
  • Pixel is formed by a separate laser diode.
  • this requires a very large number of laser diodes, which makes a corresponding lighting unit costly and is also associated with a large footprint and power consumption.
  • Light source used in front of which the lens array is located.
  • the individual lenses direct the light in different directions for each individual pixel.
  • the directions of the individual beams depend only on a relative position between the pixel and the
  • the individual lenses become partially or completely or permanently sequential
  • the light source comprises one or more lasers or consists of one or more lasers.
  • the or each of the lasers is preferably set up at a particular time to be just one of
  • each laser is assigned 1: 1 with respect to the individual lenses.
  • a laser beam can be distributed to a plurality of lenses, in particular by means of a beam splitter.
  • Virtual images are images that can not be displayed on a real screen.
  • the virtual image lies partially or completely on the same side of the
  • Lens field as the light source.
  • that is virtual image within the lens field that is, in a volume enclosed by the lens field. This allows the virtual image to an interior of the
  • a real image is an image that can be displayed on a screen or its
  • Sectional views are displayed on a screen.
  • the real image lies partially or completely on one of the light sources
  • the real image may be partially or completely outside the illumination unit.
  • the virtual or real image comprises a plurality of beam bundle nodes.
  • Beam bundle nodes each intersect several
  • Each beam comes from each one of the individual lenses, based on each pixel. That is, each beam node is composed of the plurality of individual lenses by the beams. Each of the individual lenses is preferably used to temporally successively or temporally parallel multiple beams for each
  • the longitudinal axis may be an axis of symmetry.
  • the lens array extends along the longitudinal axis and / or has the largest geometric along the longitudinal axis
  • the lens array has a maximum of 10,000,000 or 3,000,000 or 500,000
  • the middle is
  • Diameter of the lens field at most 100 m or 5 m or 1 m or 0.7 m or 0.4 m. The same can apply to a height of the lens field approximately along the longitudinal axis.
  • the individual lenses at a light exit surface and / or on the
  • the individual lenses at a light exit surface and / or on the
  • Light entrance surface a free-form surface or areas with several different curvatures, including curvatures with mutually different signs on. Even with a freeform surface, a direction of curvature may change.
  • Basic colors is the three-dimensional object to be displayed in color for a viewer. According to at least one embodiment, the
  • Lighting unit on several of the light sources.
  • all light sources of the illumination unit are identical to one another.
  • the lens field has the shape of a hollow cylinder.
  • the one or more light sources are preferably partially or completely within this hollow cylinder.
  • the lens field is designed partially or completely in the form of a spherical surface.
  • the spherical surface preferably extends over a solid angle range of at least 2 sr or 3 sr or 6 sr. Alternatively or additionally, this is
  • the solid angle region relates in particular to a position of the at least one light source. It is possible that the at least one light source partially or completely
  • the individual lenses are distributed over the lens field, for example
  • the individual lenses have the same size or approximately the same size solid angle ranges, based on the at least one light source. This means that the individual lenses can appear the same size or approximately the same size when viewed from the light source.
  • the lens field is at least 60% or 80% or 95% or completely of the single lenses
  • a radiation entrance surface of the lens array can be formed completely or almost completely by the light entry surfaces of the individual lenses.
  • Light sources or all light sources or the light source is rotated within the lens field. This makes it possible that the individual lenses are sequentially irradiated and / or scanned. An illumination of the
  • the light sources preferably rotate correlated to one another, in particular within this plane perpendicular to the longitudinal axis or approximately perpendicular to the longitudinal axis. In this case, several of the light sources can be arranged next to each other. Alternatively or in addition to at least one
  • Light source can also rotate a reflector, similar to a lighthouse.
  • the illumination unit additionally comprises one or more detectors.
  • the at least one detector is configured to detect light of the at least one light source.
  • the detector is integrated in the lens field.
  • the detector may assume a position of one or more of the individual lenses.
  • An area of the detector is preferably negligible relative to a total area of the lens field and in particular is at most 1% or 0.2% of the total area of the lens field.
  • the at least one detector is periodically illuminated sequentially
  • the light source can be calibrated, in particular with respect to a position of the
  • Lighting unit specified The lighting unit is adapted to be operated by a method according to one or more of the embodiments described above. Features of the method are therefore also disclosed for the lighting unit and vice versa.
  • the individual lenses of the lens field are designed as converging lenses. It is possible that the individual lenses as Plankonvexlinsen or as
  • Biconvex lenses are shaped.
  • Lighting unit a control electronics. About the
  • Control electronics the light source is modulated in terms of their radiation characteristics.
  • Control electronics it is possible to output electronic signals to the light source and / or the lens array, so that the three-dimensional object can be displayed.
  • Figures 1, 2 and 6 to 15 are schematic sectional views of embodiments of autostereoscopic lighting units described herein, and Figures 3 to 5 are schematic sectional views of
  • Lens array 3 are like the light source 2, it is around a virtual picture. It is possible that the light source 2 is located between the virtual image and the lens array 3. As an alternative to the illustration in FIG. 3, the virtual image 4 may also be located between the light source 2 and the lens field 3. Furthermore, it is possible, as in all other embodiments, that the
  • the object represented can also be located on the lens field 3, in the sense that the lens field 3, so to speak, cuts through the object.
  • the virtual image 4 is corresponding to
  • the light source 2 by a field of individual emitters, such as LEDs or
  • the beam bundle nodes 60 are located on a side of the lens field 3 facing away from the light source 2 and thus on the side of the observer 9. A real image 5 is generated. As in all other exemplary embodiments, only such beam bundles 6 are preferred by the lens field 3
  • the light source 2 is preferably located in a focal plane of the lens array 3, as in all other
  • each of the light sources 2 to Illumination of a plurality of rows of the individual lenses 33 along the longitudinal axis L provided.
  • the light source is an RGB laser 2
  • micromechanical mirror 22 also as a MEMS mirror
  • each color of the light source 2 is preferably separately controllable, so that a colored image 4, 5 is formed.
  • movable mirror 22 enlargeable.
  • a size of a displayed area and / or the resolution can be increased.
  • Several such units of light sources 2 and movable mirrors 22 may be combined with each other to construct the lighting unit 1. According to FIG. 13, all or at least the individual lenses 33 of the light source which are further away from the light source 2 have
  • Lens array 3 with respect to a lateral surface of the lens array 3 tilted light entry surfaces 34. As a result, a more favorable entry angle for the beam 6 can be achieved.
  • the relative inclination of the light entry surfaces 34 preferably increases.
  • all individual lenses 33 can be the same size. In the embodiment of Figure 14, however, the further away from the light source 2 individual lenses 33 are seen in projection on the lateral surface of the lens array 3 designed to be increasingly larger. This allows all individual lenses 33 from the light source 2 from the same size
  • the light entry surfaces 34 may be inclined, as explained in connection with FIG.
  • the light entry surfaces 34 run parallel to the lateral surface and / or are convexly curved.
  • the concave mirror Function of the concave mirror is identical to the optical function of the individual lenses, with the difference that a viewer not drawn and the one or more light sources 2 are on the same side of the lens array 3.
  • the virtual or real SD images generated by the lens array 3 during operation are also on the same side as the light source 2.
  • the light source 2 and the observer, not shown, are located at different distances from the lens field 3
  • the lateral surface of the lens array 3 of Figure 15 is, for example, according to the other
  • FIGS. 4, 5 and 9 to 14 can also be used to generate virtual images within the example of FIG.
  • cylindrical or spherical lens array 3 are used.
  • cylindrical or spherical lens array 3 are used.
  • Light source 2 and the associated components are used.
  • the individual lenses 33 are each as

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Abstract

In einer Ausführungsform ist das Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung gestaltet und umfasst die Schritte : - Bereitstellen einer autostereoskopischen Beleuchtungseinheit (1) mit mindestens einer Lichtquelle (2) und mit einem Linsenfeld (3) aus vielen Einzellinsen (33), wobei das Linsenfeld (3) von außen gesehen bevorzugt konvex gekrümmt und von der Lichtquelle (2) aus gesehen bevorzugt konkav gekrümmt ist, und - Modulieren einer Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle (2), sodass die Einzellinsen (33) je nur zum Teil von der Lichtquelle (2) ausgeleuchtet werden, wobei Licht von der Lichtquelle (2) so auf die Einzellinsen (33) trifft, sodass durch die Einzellinsen (3) eine Abstrahlcharakteristik eines darzustellenden dreidimensionalen Objekts nachgeahmt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung und
autostereoskopische Beleuchtungseinheit
Es wird ein Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung angegeben. Darüber hinaus wird eine autostereoskopische
Beleuchtungseinheit angegeben. Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren
anzugeben, mit dem dreidimensionale Bilder ohne externe
Hilfsmittel wie 3D-Brillen darstellbar sind.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung eingerichtet. Das bedeutet, mit dem Verfahren werden Bilder mit realistischem
dreidimensionalen Eindruck erzeugt, etwa in einem Kino, einer Ausstellung, einem Museum, bei Spielkonsolen, bei
Fernsehgeräten oder tragbaren Bildgebungseinheiten wie
Projektoren. Autostereoskopisch bedeutet, dass das
dreidimensionale Bild dargestellt wird, ohne Zuhilfenahme von zusätzlichen Gerätschaften wie Brillen auf Seite des
Betrachters. Daher wird Autostereoskopie auch als brillenlose Darstellung von 3D-Bildern bezeichnet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine autostereoskopische Beleuchtungseinheit bereitgestellt. Die Beleuchtungseinheit umfasst eine oder mehrere
Lichtquellen zur Erzeugung von Licht, mit dem das dreidimensionale Bild dargestellt wird. Die zumindest eine Lichtquelle ist beispielsweise durch eine Leuchtdiode, kurz LED, durch einen Laser oder Laserprojektor mit einem sich bewegenden Lichtstrahl, auch als Flying Spot-Projektor bezeichnet, durch eine Weißlichtquelle, insbesondere mit einem blau emittierenden Laser in Verbindung mit einem
Leuchtstoff, durch eine Weißlichtquelle aus rot, grün und blau emittierenden Lasern, durch eine Glühlampe, durch eine Gasentladungslampe, durch ein Plasmadisplay und/oder durch eine Flüssigkristallanzeige, kurz LCD, gebildet. Außer etwa im Falle eines Plasmadisplays ist es jeweils möglich, dass eine LCD in oder an der Lichtquelle verwendet wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Beleuchtungseinheit ein Linsenfeld. Das Linsenfeld ist aus vielen Einzellinsen zusammengesetzt. Dabei können die
Einzellinsen dicht in dem Linsenfeld angeordnet sein, beispielsweise in einer regelmäßigen Matrix, insbesondere einer rechteckigen oder hexagonalen Matrix. Die Einzellinsen können baugleich zueinander sein oder auch in verschiedenen Bereichen des Linsenfeldes voneinander verschiedene Formen aufweisen. Anstelle von Einzellinsen können auch
Einzelreflektoren verwendet werden, insbesondere
reflektierende Hohlspiegel. Die im Folgenden für Einzellinsen getroffenen Aussagen gelten jeweils in gleicher Weise für Hohlspiegel. Auch wenn Hohlspiegel und keine Einzellinsen vorliegen, wird nachfolgend zur Vereinfachung dennoch jeweils der Begriff Linsenfeld verwendet. Ist das Linsenfeld aus Einzellinsen zusammengesetzt, so befinden sich der Betrachter und die Lichtquelle bevorzugt an unterschiedlichen Seiten des Linsenfelds. Ist das Linsenfeld dagegen aus Hohlspiegeln zusammengesetzt, so befinden sich der Betrachter und die Lichtquelle bevorzugt an der gleichen Seite des Linsenfelds.
Außerdem ist es möglich, dass die Hohlspiegel halbtransparent sind. Damit wird ein Virtual Reality Effekt und/oder Enhanced Reality Effekt ermöglicht, sodass der Betrachter einerseits die tatsächliche Umgebung und andererseits das
dreidimensionale Bild der Beleuchtungseinheit wahrnehmen kann. Eine Abstimmung oder Überlagerung zwischen der
tatsächlichen Umgebung und dem dreidimensionalen Bild kann über optionale zusätzliche Sensoren der Beleuchtungseinheit geregelt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Linsenfeld von außen gesehen konvex gekrümmt. Von der Lichtquelle aus gesehen ist das Linsenfeld dagegen konkav gekrümmt. Mit anderen Worten ist es möglich, dass von einem externen
Betrachter aus gesehen sich ein mittlerer Bereich des
Linsenfelds näher am Betrachter befindet als Ränder des Linsenfelds. Entsprechend Umgekehrtes kann aus Sicht der Lichtquelle gelten, wobei alternativ das Linsenfeld
durchgehend einen gleichbleibenden, konstanten Abstand zur Lichtquelle aufweisen kann, insbesondere gesehen in einer oder in mehreren Schnittebenen durch das Linsenfeld und durch die Lichtquelle hindurch.
Alternativ oder zusätzlich kann der Begriff konvex bedeuten, dass das Linsenfeld in einer oder in allen Schnittebenen, die bevorzugt horizontal verlaufen, als Kreisbogen, Kreis,
Ellipse oder Parabel approximierbar ist und dass ein
Krümmungsmittelpunkt und/oder ein Brennpunkt dieser
approximativen Kurve auf einer dem Betrachter abgewandten Seite des Linsenfeldes liegt. Konkav kann dem entsprechend bedeuten, dass sich der Krümmungsmittelpunkt und/oder
Brennpunkt sowie die Lichtquelle auf derselben Seite des Linsenfeldes befinden. Approximierbar kann bedeuten, dass die approximative Kurve lokal von dem Linsenfeld um höchstens 25 % oder 15 % oder 5 % einer Brennweite oder eines Radius der approximativen Kurve abweicht. Das Linsenfeld kann somit durch einen einzige, kontinuierliche Krümmung gebildet sein, im Querschnitt gesehen, oder mehrere unterschiedlich
gekrümmte Teilgebiete aufweisen, auch mit verschiedenen
Vorzeichen der Krümmung.
Alternativ oder zusätzlich kann der Begriff konvex bedeuten, dass zwischen dem Betrachter und dem Linsenfeld ein minimaler Abstand d vorliegt, wobei das Linsenfeld unter einem Winkel aO = 0° gesehen wird. Für einen tatsächlichen Abstand D zwischen dem Betrachter und dem Linsenfeld unter einem Winkel a + aO gilt dann bevorzugt für alle Winkel oder im Mittel, dass D > 1/d cos (a) . Konkav kann hinsichtlich der
Lichtquelle und dem Linsenfeld entsprechend D < 1/d cos (a) bedeuten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Modulierens einer Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle. Das Modulieren kann durch das Einschalten und/oder Ausschalten von bestimmten lichtemittierenden
Komponenten der Lichtquelle geschehen. Ebenso ist es möglich, dass das Modulieren durch eine LCD-Einheit erfolgt oder durch ein Bewegen eines Strahlbündels von der Lichtquelle,
insbesondere eines Laserstrahlbündels.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden von der
Lichtquelle die Einzellinsen jeweils nur zum Teil
ausgeleuchtet. Das heißt, bei der Darstellung des dreidimensionalen Bildes ist für einen bestimmten Bildpunkt des dreidimensionalen Bildes je nur ein Teilgebiet einer Lichteintrittsfläche der entsprechenden Einzellinsen von der Lichtquelle ausgeleuchtet. Dabei ist es im Prinzip möglich, dass zu einer bestimmten Zeit mehrere verschiedene
Teilgebiete der Einzellinsen ausgeleuchtet werden,
insbesondere um gleichzeitig mehrere verschiedene Bildpunkte des Bildes zu erzeugen. Bevorzugt erfolgt bestimmungsgemäß zu keinem Zeitpunkt eine vollständige Ausleuchtung der
Einzellinsen mit der Lichtquelle.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform trifft das Licht von der Lichtquelle so auf die Einzellinsen, sodass durch die Einzellinsen eine Abstrahlcharakteristik eines
darzustellenden dreidimensionalen Objekts nachgeahmt wird.
Beispielsweise wird ein Lichtfeld erzeugt, das dem von einer gekrümmten oder geknickten Oberfläche emittierten Lichtfeld entspricht. Über diese Abstrahlcharakteristik wird der dreidimensionale Eindruck des Bildes erzeugt.
In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung gestaltet und umfasst die folgenden Schritte:
- Bereitstellen einer autostereoskopischen
Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquelle und mit einem Linsenfeld aus vielen Einzellinsen oder Hohlspiegeln, wobei das Linsenfeld von außen gesehen bevorzugt konvex gekrümmt und von der Lichtquelle aus gesehen bevorzugt konkav gekrümmt ist, und
- Modulieren einer Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle, sodass die Einzellinsen oder die Hohlspiegel je nur zum Teil von der Lichtquelle ausgeleuchtet werden, insbesondere für jeden Bildpunkt eines darzustellenden Objekts, wobei Licht von der Lichtquelle so auf die Einzellinsen oder Hohlspiegel trifft, sodass durch die Einzellinsen oder Hohlspiegel eine Abstrahlcharakteristik eines darzustellenden
dreidimensionalen Objekts nachgeahmt wird.
Andere Möglichkeiten, dreidimensionale Bilder darzustellen, liegen in der Verwendung von 3D-Brillen. Hierbei erhalten das rechte und das linke Auge des Betrachters unterschiedliche Bilder, welche zusammen den 3D-Eindruck erzeugen. Die
Abkürzung 3D steht für dreidimensional. Ein Nachteil einer solchen Lösung ist, dass zwingend eine Brille erforderlich ist, was in vielen Anwendungen unerwünscht ist. Eine weitere Möglichkeit zur Darstellung von 3D-Bildern besteht darin, mittels Linsen und/oder Blenden verschiedene Bilder auf die beiden Augen des Betrachters zu geben. Dabei funktioniert die 3D-Darstellung jedoch nur für eng eingegrenzte Positionen des Betrachters, andernfalls ist eine aufwendige Technologie zur Feststellung der Position des Betrachters und eine Anpassung der 3D-Bilder hieran nötig. Weiterhin ist es möglich, 3D- Bilder mittels Laserdioden darzustellen, wobei jeder
Bildpunkt durch eine eigene Laserdiode gebildet ist. Dies erfordert jedoch eine sehr große Anzahl von Laserdioden, was eine entsprechende Beleuchtungseinheit kostenintensiv macht und außerdem mit einem großen Platzbedarf und Stromverbrauch verbunden ist.
Bei den hier beschriebenen Verfahren hingegen wird eine
Lichtquelle verwendet, vor welcher sich das Linsenfeld befindet. Über die Einzellinsen wird das Licht für jeden einzelnen Bildpunkt in verschiedene Richtungen gelenkt. Die Richtungen der einzelnen Strahlbündel hängen nur von einer relativen Position zwischen dem Bildpunkt und der
entsprechenden Einzellinse ab. Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Einzellinsen teilweise oder vollständig oder dauerhaft sequenziell
bestrahlt. Dies schließt nicht notwendig aus, dass nicht mehrere der Einzellinsen insbesondere durch unterschiedliche Lichtquellen parallel oder zeitglich bestrahlt werden. Es ist möglich, dass nur der überwiegende Teil der Einzellinsen sequenziell bestrahlt wird, sodass ein kleinerer Teil der Einzellinsen dauerhaft bestrahlt werden kann. Durch die dauerhaft bestrahlten Einzellinsen können besonders wichtige oder hervorgehobene Bildpunkte wie Eckpunkte oder
Kantenpunkte erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Lichtquelle einen oder mehrere Laser oder besteht aus einem oder mehreren Lasern. Der oder jeder der Laser ist bevorzugt zu einem bestimmten Zeitpunkt dazu eingerichtet, nur eine der
Einzellinsen zu bestrahlen. Mit anderen Worten ist in der Zeitdomäne bevorzugt für jeden Laser eine 1:1 Zuordnung bezüglich der Einzellinsen gegeben. Es können auch mehrere
Laser zeitgleich oder sequentiell dieselbe Linse bestrahlen, etwa um eine Wiederholfrequenz des Bildes zu steigern. Ebenso kann ein Laserstrahl insbesondere mittels eines Strahlteilers auf mehrere Linsen verteilt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird durch das
Linsenfeld ein virtuelles Bild des darzustellenden
dreidimensionalen Objekts erzeugt. Virtuelle Bilder sind Bilder, die auf einem realen Schirm nicht darstellbar sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt das virtuelle Bild teilweise oder vollständig auf derselben Seite des
Linsenfelds wie die Lichtquelle. Insbesondere ist das virtuelle Bild innerhalb des Linsenfelds, also in einem von dem Linsenfeld eingeschlossenen Volumen, erzeugt. Damit kann das virtuelle Bild auf einen Innenbereich der
Beleuchtungseinheit beschränkt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird durch das
Linsenfeld ein reelles Bild des darzustellenden
dreidimensionalen Objekts erzeugt. Ein reelles Bild ist ein Bild, das auf einem Schirm darstellbar ist oder dessen
Schnittdarstellungen auf einem Schirm darstellbar sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt das reelle Bild teilweise oder vollständig auf einer der Lichtquelle
abgewandten Seite des Linsenfelds. Das reelle Bild kann sich teilweise oder vollständig außerhalb der Beleuchtungseinheit befinden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das virtuelle oder reelle Bild mehrere Strahlbündelknoten. In den
Strahlbündelknoten schneiden sich jeweils mehrere
Strahlbündel des von der Lichtquelle erzeugten und von den Einzellinsen umgelenkten Lichts virtuell oder reell. Es ist möglich, dass jeder Bildpunkt des darzustellenden
dreidimensionalen Objekts durch einen Strahlbündelknoten gebildet ist. Jedes Strahlbündel stammt dabei von jeweils einer der Einzellinsen, bezogen auf jeden Bildpunkt. Das heißt, jeder Strahlbündelknoten ist durch die Strahlbündel von einer Vielzahl der Einzellinsen zusammengesetzt. Jede der Einzellinsen dient bevorzugt dazu, zeitlich nacheinander oder auch zeitlich parallel mehrere Strahlbündel für je
verschiedene Strahlbündelknoten zu erzeugen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in
Raumwinkelbereiche, die von Objektpunkten des darzustellenden dreidimensionalen Objekts ausgehen und in denen sich das Objekt zwischen dem betreffenden Objektpunkt und einem
Betrachter befindet, kein Licht ausgestrahlt. Hierdurch wird simuliert, dass die entsprechenden Objektpunkte aus Sicht des Betrachters durch das Objekt verdeckt erscheinen. Befindet sich ein entsprechender Objektpunkt beispielsweise an einer Rückseite des als lichtundurchlässig angenommenen Objekts, vom Betrachter aus gesehen, so werden die Strahlbündel derart geführt, dass zu dem Betrachter keine Strahlbündel von dem diesen Objektpunkt zugeordneten Strahlbündelknoten gelangen. Anders ausgedrückt wird eine Abschattung und/oder Verdeckung von Bereichen des Objekts durch das Objekt selbst nachgeahmt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Beleuchtungseinheit eine Längsachse auf. Bei der Längsachse kann es sich um eine Symmetrieachse handeln. Beispielsweise erstreckt sich das Linsenfeld längs der Längsachse und/oder weist entlang der Längsachse die größte geometrische
Ausdehnung auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Linsenfeld stellenweise oder insgesamt parallel zur Längsachse
orientiert. Bei dem Linsenfeld handelt es sich beispielswe um einen langgestreckten Körper mit einer
Hauptausdehnungsrichtung parallel zur Längsachse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein mittlerer Durchmesser der Einzellinsen je bei mindestens 10 ym oder 0,1 mm oder 0,2 mm oder 0,5 mm. Alternativ oder zusätzlich weisen die Einzellinsen einen mittleren Durchmesser von höchstens 5 mm oder 2 mm oder 1 mm auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Linsenfeld mindestens 10.000 oder 100.000 oder 1.000.000 der
Einzellinsen. Alternativ oder zusätzlich weist das Linsenfeld höchstens 10.000.000 oder 3.000.000 oder 500.000 der
Einzellinsen auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Linsenfeld einen mittleren Durchmesser, insbesondere in Richtung
senkrecht zur Längsachse, von mindestens 0,2 m oder 0,3 m auf. Alternativ oder zusätzlich liegt der mittlere
Durchmesser des Linsenfeldes bei höchstens 100 m oder 5 m oder 1 m oder 0,7 m oder 0,4 m. Entsprechendes kann für eine Höhe des Linsenfeldes etwa entlang der Längsachse gelten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die
Lichteintrittsfläche der Einzellinsen für jeden Bildpunkt des darzustellenden dreidimensionalen Objekts zu höchstens 50 % oder 20 % oder 10 % oder 3 % ausgeleuchtet. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Ausleuchtungsanteil bei mindestens 0,1 % oder 0,5 % oder 2 % oder 4 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein mittlerer Durchmesser der Strahlbündel, die auf die Einzellinsen treffen, bei höchstens 20 % oder 10 % oder 5 % des mittleren Durchmessers der Einzellinsen. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Wert bei mindestens 2 % oder 5 % oder 10 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Einzellinsen an einer Lichtaustrittsfläche und/oder an der
Lichteintrittsfläche eine kontinuierliche, stetige und zusammenhängende Krümmung auf. In diesem Fall liegen
bevorzugt weder an der Lichteintrittsfläche noch an der Lichtaustrittsfläche Vorzeichenwechsel der Krümmung vor.
Weiterhin sind die Lichteintrittsfläche und/oder die
Lichtaustrittsfläche bevorzugt knickfrei. Bei den
Einzellinsen kann es sich um sphärische oder näherungsweise sphärische Linsen handeln, ebenso können aber auch
asphärische Linsen oder Fresnel-Linsen oder Linsen mit einem graduellen Brechungsindexverlauf, auch als GRIN-Linsen bezeichnet, herangezogen werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Einzellinsen an einer Lichtaustrittsfläche und/oder an der
Lichteintrittsfläche eine Freiformfläche oder Bereiche mit mehreren verschiedenen Krümmungen, auch Krümmungen mit voneinander verschiedenen Vorzeichen, auf. Auch bei einer Freiformfläche kann sich eine Richtung der Krümmung ändern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Lichteintrittsfläche und/oder die Lichteintrittsfläche in Draufsicht gesehen quadratisch, rechteckig, hexagonal oder auch kreisrund gestaltet, in Draufsicht gesehen. Alternativ können diese Flächen in Draufsicht gesehen auch oval oder elliptisch geformt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Lichtquelle dazu eingerichtet, unabhängig voneinander rotes, grünes und blaues Licht zu emittieren. Alternativ oder zusätzlich können Lichtquellen zur einzelnen oder kombinierten Emission von gelbem, orangem, cyanfarbigem, magentafarbigem oder weißem Licht und/oder zur Emission von ultravioletter und/oder infraroter Strahlung vorhanden sein. Aus diesen drei
Grundfarben ist das darzustellende dreidimensionale Objekt farbig für einen Betrachter darstellbar. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Beleuchtungseinheit mehrere der Lichtquellen auf. Die
Lichtquellen können übereinander gestapelt angeordnet sein, insbesondere entlang der Längsachse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Lichtquellen der Beleuchtungseinheit baugleich zueinander. Alternativ ist es möglich, dass verschiedenartige Lichtquellen,
beispielsweise zur Emission von verschiedenen Farben, herangezogen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Linsenfeld die Form eines Hohlzylinders auf. In diesem Fall befinden sich die eine oder die mehreren Lichtquellen bevorzugt teilweise oder vollständig innerhalb dieses Hohlzylinders.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Linsenfeld teilweise oder vollständig in Form einer Kugeloberfläche gestaltet. Die Kugeloberfläche erstreckt sich bevorzugt über einen Raumwinkelbereich von mindestens 2 sr oder 3 sr oder 6 sr. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser
Raumwinkelbereich bei 4 n oder höchstens 10 sr oder 8 sr. Der Raumwinkelbereich bezieht sich insbesondere auf eine Lage der zumindest einen Lichtquelle. Es ist möglich, dass sich die zumindest eine Lichtquelle teilweise oder vollständig
innerhalb der Kugeloberfläche befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Einzellinsen über das Linsenfeld hinweg verteilt, beispielsweise
gleichmäßig verteilt. Es können die Einzellinsen
näherungsweise gleich große Lichteintrittsflächen aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass die Einzellinsen ungleichmäßig verteilt sind und/oder verschieden große
Lichteintrittsflächen aufweisen. Dabei kann es im
letztgenannten Fall sein, dass die Einzellinsen gleich große oder näherungsweise gleich große Raumwinkelbereiche, bezogen auf die mindestens eine Lichtquelle, aufweisen. Das heißt, die Einzellinsen können von der Lichtquelle aus gesehen gleich groß oder näherungsweise gleich groß erscheinen.
Es ist möglich, dass das Linsenfeld zu mindestens 60 % oder 80 % oder 95 % oder vollständig von den Einzellinsen
ausgefüllt ist. Das heißt, eine Strahlungseintrittsfläche des Linsenfelds kann vollständig oder nahezu vollständig durch die Lichteintrittsflächen der Einzellinsen gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine der
Lichtquellen oder werden alle Lichtquellen oder wird die Lichtquelle innerhalb des Linsenfeldes rotiert. Hierdurch ist es möglich, dass die Einzellinsen sequenziell bestrahlt und/oder abgerastert werden. Eine Ausleuchtung der
Einzellinsen erfolgt dann ähnlich einem sogenannten Flying Spot Projektor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mehrere der
Lichtquellen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet,
insbesondere in einer Ebene senkrecht zur Längsachse. Die Lichtquellen rotieren bevorzugt korreliert zueinander, insbesondere innerhalb dieser Ebene senkrecht zur Längsachse oder näherungsweise senkrecht zur Längsachse. Es können hierbei mehrere der Lichtquellen nebeneinander angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich zur zumindest einen
Lichtquelle kann auch ein Reflektor rotieren, ähnlich wie in einem Leuchtturm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinheit zusätzlich einen oder mehrere Detektoren. Der zumindest eine Detektor ist dazu eingerichtet, Licht der zumindest einen Lichtquelle zu detektieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Detektor in das Linsenfeld integriert. Beispielsweise kann der Detektor eine Position von einer oder mehrerer der Einzellinsen einnehmen. Eine Fläche des Detektors ist, bezogen auf eine Gesamtfläche des Linsenfeldes, bevorzugt vernachlässigbar und beträgt insbesondere höchstens 1 % oder 0,2 % der Gesamtfläche des Linsenfeldes .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der zumindest eine Detektor periodisch beim sequenziellen Beleuchten der
Einzellinsen bestrahlt. Dies gilt insbesondere, falls eine rotierende Lichtquelle vorhanden ist. Durch die periodische oder näherungsweise periodische Beleuchtung des Detektors durch die Lichtquelle kann die Lichtquelle kalibriert werden, insbesondere hinsichtlich einer Position eines von der
Lichtquelle erzeugten Strahlbündels und/oder hinsichtlich einer Rotationsgeschwindigkeit der Lichtquelle. Ebenso kann durch den Detektor eine genauere Positionierung der
Lichtquelle relativ zu den Einzellinsen erfolgen.
Darüber hinaus wird eine autostereoskopische
Beleuchtungseinheit angegeben. Die Beleuchtungseinheit ist dazu eingerichtet, mit einem Verfahren gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausführungsformen betrieben zu werden. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für die Beleuchtungseinheit offenbart und umgekehrt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Einzellinsen des Linsenfeldes als Sammellinsen gestaltet. Es ist möglich, dass die Einzellinsen als Plankonvexlinsen oder als
Bikonvexlinsen geformt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Beleuchtungseinheit eine Ansteuerelektronik. Über die
Ansteuerelektronik ist die Lichtquelle hinsichtlich ihrer Abstrahlcharakteristik modulierbar. Durch die
Ansteuerelektronik ist es möglich, elektronische Signale an die Lichtquelle und/oder das Linsenfeld auszugeben, sodass das dreidimensionale Objekt darstellbar ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Beleuchtungseinheit einen oder mehrere Motoren auf. Über den zumindest einen Motor ist insbesondere die Lichtquelle beweglich, sodass die Einzellinsen sequenziell ausleuchtbar sind . Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinheit ist ein Bereich zwischen der Lichtquelle und dem Linsenfeld blendenfrei. Insbesondere befinden sich keine
Parallaxenbarrieren zwischen der Lichtquelle und dem
Linsenfeld. Bevorzugt sind auch die Lichtquelle und das Linsenfeld selbst blendenfrei gestaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Lichtquelle eine vergleichsweise kleine Anzahl an Lichtquellen auf, bezogen auf eine Anzahl der Einzellinsen. Insbesondere liegt ein Quotient aus der Anzahl der Einzellinsen und der Anzahl der Lichtquellen bei mindestens 1 oder 10 oder 103 oder 10q oder 105. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Quotient bei höchstens 10^ oder 10^ oder 105. Es ist möglich, dass die Beleuchtungseinheit mindestens fünf oder 20 oder 50 der Lichtquellen aufweist. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Lichtquellen bei höchstens 500 oder 100 oder 25. In diesem Sinne können Teillichtquellen für rotes, grünes und blaues Licht zu einer einzigen
Lichtquelle für durchstimmbares farbiges und/oder weißes Licht zusammengefasst sein. Die hier beschriebene Beleuchtungseinheit ist zum Beispiel als Head Up-Display gestaltet oder in ein solches integriert, etwa in einem Verkehrsmittel wie einem Auto. Weiter kann die Beleuchtungseinheit in einer 3D-Brille oder Virtual-Reality- Brille integriert sein, in der sich die Beleuchtungseinheit verhältnismäßig nahe am Auge des Betrachters befindet
und/oder um den Betrachter herum wölbt. Im Vergleich zu konventionellen 3D-Brillen kann dann alleine durch das
Bewegen der Augen das 3D-Bild zu erkunden sein, also auch ohne Kopfdrehung.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und eine hier beschriebene Beleuchtungseinheit unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, viel mehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß
dargestellt sein. Es zeigen: Figuren 1, 2 und 6 bis 15 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen autostereoskopischen Beleuchtungseinheiten, und Figuren 3 bis 5 schematische Schnittdarstellungen zu
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Verfahren zum Betreiben von hier beschriebenen autostereoskopischen Beieuchtungseinheiten . In Figur 1A ist eine Schnittdarstellung senkrecht und in
Figur 1B eine Schnittdarstellung parallel zu einer Längsachse L einer Beleuchtungseinheit 1 dargestellt. Die
Beleuchtungseinheit 1 ist zur autostereoskopischen
Darstellung von dreidimensionalen Bildern eingerichtet.
Die Beleuchtungseinheit 1 umfasst eine Lichtquelle 2,
bevorzugt einen Halbleiterlaser. Die Lichtquelle 2 ist innerhalb eines Linsenfeldes 3 drehbar um die Längsachse L herum gelagert. Durch die Lichtquelle 2 werden Strahlbündel 6 erzeugt, die einen vergleichsweise geringen Durchmesser aufweisen und auf Einzellinsen 33 des Linsenfeldes 3 gelenkt werden. Die Einzellinsen 33 weisen dabei einen größeren
Durchmesser auf als die Strahlbündel 6. Durch die Rotation der Lichtquelle 2 um die Längsachse L herum werden die
Einzellinsen 33 der Reihe nach abgerastert und sequenziell je zum Teil ausgeleuchtet. Zur Ansteuerung der Lichtquelle 2 ist eine Ansteuerelektronik 8 vorhanden, die sich ebenso
innerhalb des Linsenfeldes 3 befinden kann. In der
Ansteuerelektronik 8 kann ein Motor zur Drehung der
Lichtquelle 2 integriert sein. Eine Rotationsrichtung R ist durch einen bogenförmigen Pfeil symbolisiert. Das Linsenfeld 3 ist als Hohlzylinder gestaltet. Die
Einzellinsen 33 sind gleichmäßig über das Linsenfeld 3 hinweg verteilt dicht angeordnet. Die Lichtquelle 2 befindet sich innerhalb des Hohlzylinders, sodass Lichteintrittsflächen 34 der Einzellinsen 33 der Lichtquelle 2 zugewandt sind und Lichtaustrittsflächen 35 nach außen weisen. Für einen
externen Betrachter, nicht gezeichnet, erscheint das
Linsenfeld 3 konvex gekrümmt. In Figur 2 ist in der Figur 1 entsprechenden
Schnittdarstellungen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Beleuchtungseinheit 1 illustriert. Das Linsenfeld 3 ist als Viertel einer Kugeloberfläche gestaltet und deckt
hinsichtlich der Lichtquelle 2 einen Raumwinkelbereich von n ab .
In Figur 3 ist die Erzeugung von dreidimensionalen Bildern mit einer solchen Beleuchtungseinheit 1 für einen Betrachter 9 schematisch illustriert. Von der Lichtquelle 2 wird Licht erzeugt, das von dem Linsenfeld 3 umgelenkt wird. Durch die einzelnen Strahlbündel 6 ist ein virtuelles Bild 4 eines darzustellenden dreidimensionalen Objekts erzeugt. Die einzelnen Strahlbündel 6 schneiden sich in virtuellen
Strahlbündelknoten 60 des virtuellen Bildes 4. Zur
Vereinfachung der Darstellung sind die Strahlbündelknoten 60 nur an Eckpunkten des virtuellen Bildes 4 eingezeichnet.
Bevorzugt befinden sich an der gesamten Oberfläche des Bildes 4 und damit dem entsprechend des dreidimensionalen Objekts Strahlbündelknoten .
Da die Strahlbündelknoten 60 und somit die virtuellen
Schnittpunkte der Strahlbündel 6 an derselben Seite des
Linsenfelds 3 liegen wie die Lichtquelle 2, handelt es sich um ein virtuelles Bild. Dabei ist es möglich, dass sich die Lichtquelle 2 zwischen dem virtuellen Bild und dem Linsenfeld 3 befindet. Alternativ von der Darstellung in Figur 3 kann auch das virtuelle Bild 4 zwischen der Lichtquelle 2 und dem Linsenfeld 3 liegen. Weiterhin ist es, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, möglich, dass sich der
dargestellte Gegenstand kann auch auf dem Linsenfeld 3 befinden, in dem Sinne, dass das Linsenfeld 3 den Gegenstand sozusagen durchschneidet.
In Figur 3 ist das virtuelle Bild 4 entsprechend der
Schnittdarstellung in Figur 1B gezeigt. Gleiches gilt in einer in Figur 3 nicht illustrierten Schnittansicht analog zur Figur 1A. Gleichermaßen sind auch die nachfolgenden virtuellen oder reellen Bilder 5 jeweils zur Vereinfachung der Darstellung nur für die Ansicht der Figur 1B gezeichnet. Außerdem sind die nachfolgenden verschiedenen Lichtquellen 2 jeweils für reelle Bilder 5 illustriert. Solche Lichtquellen können gleichermaßen aber auch in Kombination mit dem
zugehörigen Linsenfeld 3 zu Erzeugung virtueller Bilder eingerichtet sein.
Gemäß Figur 4 ist die Lichtquelle 2 durch ein Feld von einzelnen Emittern, beispielsweise Leuchtdioden oder
Laserdioden, gebildet. Abweichend von der Darstellung in
Figur 4 ist es möglich, dass einzelne Emitter je mehreren der Einzellinsen 33 zugeordnet sind.
Gemäß Figur 4 befinden sich die Strahlbündelknoten 60 an einer der Lichtquelle 2 abgewandten Seite des Linsenfeldes 3 und somit auf der Seite des Betrachters 9. Es ist ein reelles Bild 5 erzeugt. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen werden von dem Linsenfeld 3 bevorzugt nur solche Strahlbündel 6
emittiert, bei denen keine Abschattung durch das
darzustellende Objekt selbst erfolgt. Somit treten keine verbotenen Strahlbündel 6' auf, wie in Figur 4 beispielhaft illustriert, die durch das darzustellende Objekt verlaufen, zumindest wenn das darzustellende Objekt lichtundurchlässig ist . Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist die
Strahlformung durch die Einzellinsen 33 nur grob schematisch und ohne Berücksichtigung der tatsächlich lichtbrechenden Fläche veranschaulicht. Die Lichtquelle 2 befindet sich bevorzugt in einer Brennebene des Linsenfeldes 3, wie dies auch in allen anderen
Ausführungsbeispielen, insbesondere für reelle Bilder 5, der Fall sein kann. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist die Lichtquelle 2 zusammengesetzt aus einem Emitter 2a und einem
Flüssigkristallfeld 2b, auch als LCD bezeichnet.
Ferner ist in Figur 5 illustriert, wie eine Kalibrierung der Beleuchtungseinheit 1 erreichbar ist, insbesondere im Falle reeller Bilder. So können mehrere teildurchlässige Schirme 56 in verschiedenen Abständen zu dem Linsenfeld 3 verwendet werden. Über Detektoren wie Kameras 55 kann festgestellt werden, wo sich die Strahlbündelknoten 60 befinden. So können für jeden Bildpunkt des darzustellenden dreidimensionalen
Objekts sowohl ein Ausgangspunkt als auch eine Richtung des zugehörigen Strahlbündels 6 von dem Linsenfeld 3 ermittelt werden . Ein analoges Verfahren ist auch mit nur einem Schirm
gewährleistbar, der relativ zum Linsenfeld 3 beweglich gelagert ist, sodass Kamerabilder etwa von nur einer Kamera 55 in verschiedenen Abständen zum Linsenfeld 3 aufgenommen werden. In diesem Fall muss der Schirm nicht teildurchlässig sein .
Entsprechende Kalibrierverfahren können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen herangezogen werden.
In der Schnittdarstellung senkrecht zur Längsachse L der Figur 6 ist dargestellt, dass sich mehrere der Lichtquellen 2 in einer Ebene befinden. Die Lichtquellen 2 rotieren in
Draufsicht gesehen bevorzugt starr zueinander um die
Längsachse L. Dadurch ist eine erhöhte Bildwiederholrate und/oder eine größere Anzahl an Bildpunkten erreichbar.
Alternativ lässt sich eine Rotationsgeschwindigkeit der
Lichtquellen 2 reduzieren. Ein Motor zum Rotieren der
Lichtquellen 2 ist zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet .
Es können sich auch mehrere Lichtquellen dicht nebeneinander befinden, sodass diese eng beieinanderliegende Pixel
beleuchten. Damit reduziert sich die Wiederholfrequenz pro Lichtquelle. Dies ist auch in allen anderen
Ausführungsbeispielen möglich.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 7 sind mehrere der
Lichtquellen 2 entlang der Längsachse L übereinander
gestapelt angeordnet. Auch hierdurch lässt sich eine höhere Auflösung erzielen. Bevorzugt ist jede der Lichtquellen 2 zur Ausleuchtung von mehreren Reihen der Einzellinsen 33 entlang der Längsachse L vorgesehen.
Die Anordnung der Figur 7 lässt sich bevorzugt mit der
Anordnung der Figur 6 kombinieren, sodass in mehreren Ebenen senkrecht zur Längsachse L mehrere der Lichtquellen 2
angeordnet sein können.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 8 ist dargestellt, dass ein Detektor 7 in das Linsenfeld 3 integriert ist. Der Detektor 7 kann anstelle einer oder anstelle mehrerer der Einzellinsen 33 eingebracht sein. Mit einem solchen Detektor 7 ist eine Kalibrierung der Modulation der rotierenden Lichtquelle 2, insbesondere einer Laserdiode, bezüglich des Linsenfeldes 3 erreichbar. Abweichend von der Darstellung der Figur 8 können auch mehrere der Detektoren 7 innerhalb einer Ebene senkrecht zur Längsachse und/oder entlang der Längsachse vorhanden sein . In Figur 9 ist illustriert, dass als Lichtquelle 2 eine rot, grün und blau emittierende Strahlungsquelle, auch als RGB- Einheit bezeichnet, vorhanden ist. Beispielsweise handelt es sich bei der Lichtquelle 2 um einen LCD-Beamer, um einen Laserbeamer oder um einen Kinoprojektor. Bevorzugt wird ein Laserbeamer verwendet.
Gemäß Figur 10 wird als Lichtquelle ein RGB-Laser 2
verwendet, dessen Licht über einen schnell kippbaren
mikromechanischen Spiegel 22, auch als MEMS-Spiegel
bezeichnet, auf das Linsenfeld 3 umgelenkt wird. Je nach Auftreffposition der Strahlbündel 6 lenkt jede der
Einzellinsen 33 den Laserstrahl in eine andere, vordefinierte Richtung ab. Durch diese Flying Spot-Abrasterung der Einzellinsen wird die Abstrahlcharakteristik des darzustellenden 3D-Objekts nachgebildet. Dabei ist bevorzugt jede Farbe der Lichtquelle 2 getrennt ansteuerbar, sodass ein farbiges Bild 4, 5 entsteht.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 11 ist der Spiegel 22 über eine Faserkopplung 24 an die Lichtquelle 2 angebunden, und nicht durch eine Freistrahlstrecke wie in Figur 10. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 12 ist illustriert, dass jeder der beweglichen Spiegel 22 an mehrere der Lichtquellen 2, beispielsweise an zwei oder drei der Lichtquellen 2, angebunden ist. Hierdurch ist ein Abstrahlwinkel des
beweglichen Spiegels 22 vergrößerbar. Somit kann eine Größe eines angezeigten Bereichs und/oder die Auflösung erhöht werden. Mehrere solcher Einheiten aus Lichtquellen 2 und beweglichen Spiegeln 22 können miteinander kombiniert werden, um die Beleuchtungseinheit 1 aufzubauen. Gemäß Figur 13 weisen alle oder zumindest die weiter von der Lichtquelle 2 entfernt liegenden Einzellinsen 33 des
Linsenfelds 3 gegenüber einer Mantelfläche des Linsenfelds 3 verkippte Lichteintrittsflächen 34 auf. Dadurch kann ein günstigerer Eintrittswinkel für die Strahlbündel 6 erreicht werden. In Richtung weg von der Lichtquelle 2 nimmt die relative Neigung der Lichteintrittsflächen 34 bevorzugt zu. In Projektion auf die Mantelfläche des Linsenfelds 3 können dabei alle Einzellinsen 33 gleich groß sein. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 14 dagegen sind die weiter von der Lichtquelle 2 entfernt liegenden Einzellinsen 33 in Projektion auf die Mantelfläche des Linsenfelds 3 gesehen zunehmend größer gestaltet. Damit können alle Einzellinsen 33 von der Lichtquelle 2 aus gesehen gleich große
Raumwinkelbereiche einnehmen und damit gleich groß
erscheinen. Optional können die Lichteintrittsflächen 34 geneigt sein, wie in Verbindung mit Figur 13 erläutert.
Abweichend von der Darstellung in Figur 14 ist es möglich, dass die Lichteintrittsflächen 34 parallel zur Mantelfläche verlaufen und/oder konvex gekrümmt sind.
Schließlicht ist beim Ausführungsbeispiel der Figur 15 illustriert, dass das Linsenfeld 3 anstatt durch Einzellinsen auch durch Hohlspiegel gebildet sein kann. Die optische
Funktion der Hohlspiegel ist identisch zur optischen Funktion der Einzellinsen, mit dem Unterschied, dass sich ein nicht gezeichneter Betrachter sowie die eine oder die mehreren Lichtquellen 2 auf derselben Seite des Linsenfeldes 3 befinden. Damit liegen auch die virtuellen oder reellen SD- Bilder, die im Betrieb von dem Linsenfeld 3 erzeugt werden, auf derselben Seite wie die Lichtquelle 2. Üblicherweise befinden sich die Lichtquelle 2 und der nicht dargestellte Betrachter unterschiedlich weit von dem Linsenfeld 3
entfernt. Die Mantelfläche des Linsenfeldes 3 der Figur 15 ist zum Beispiel entsprechend der anderen
Ausführungsbeispiele durch den Teil eines Zylindermantels oder einer Kugeloberfläche gebildet.
Wie bereits in Verbindung mit Figur 4 erläutert, können die Anordnungen der Figuren 4, 5 und 9 bis 14 auch zur Erzeugung von virtuellen Bildern innerhalb des beispielsweise
zylindrischen oder kugelförmigen Linsenfeldes 3 verwendet werden. Zudem ist zur Vereinfachung der Darstellung in den
Figuren 4, 5 und 9 bis 15 jeweils nur eine Schnittdarstellung entlang der Längsachse, wie in Figur 1B gezeichnet,
dargestellt. Die Bildgebung in Ebenen senkrecht zur Längsachse L erfolgt in gleicher Weise. Die Lichtquellen 2 und optionale weitere Komponenten wie die LCD-Einheit 2b oder die beweglichen Spiegel 22 sind bevorzugt je vollständig von dem Linsenfeld 3 umschlossen. Damit kann das Linsenfeld 3 gleichzeitig als Gehäuse und/oder Abdeckung für die
Lichtquelle 2 und die zugehörigen Komponenten dienen.
In den Darstellungen sind die Einzellinsen 33 je als
Plankonvexlinsen gezeichnet. Ebenso können Bikonvexlinsen verwendet werden. Außerdem ist es möglich, dass hauptsächlich die Lichteintrittsflächen 34 als Sammellinsen
funktionalisiert sind, wohingegen die Lichtaustrittsflächen 35 als angepasste äußere Umrisslinie des Linsenfeldes 3 gestaltet sind. Mit anderen Worten kann eine Außenfläche des Linsenfeldes dann als glatte Kugeloberfläche, Kegeloberfläche oder Zylindermantel gestaltet sein.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere hier die
Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 113 669.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bezugs zeichenliste autostereoskopische Beleuchtungseinheit
Lichtquelle
Spiegel
Faserkopplung
Linsenfeld
Einzellinse
Lichteintrittsfläche
Lichtaustrittsfläche
virtuelles Bild eines darzustellenden dreidimensionalen Obj ekts
reelles Bild eines darzustellenden dreidimensionalen
Obj ekts
Kamera
Schirm
Strahlbündel
verbotenes Strahlbündel
Strahlbündelknoten
Detektor
Ansteuerelektronik
Betrachter
L Längsachse
R Rotationsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung mit den Schritten :
- Bereitstellen einer autostereoskopischen
Beleuchtungseinheit (1) mit mindestens einer Lichtquelle (2) und mit einem Linsenfeld (3) aus vielen Einzellinsen (33) oder aus vielen Hohlspiegeln, und
- Modulieren einer Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle (2), sodass die Einzellinsen (33) oder die Hohlspiegel je nur zum Teil von der Lichtquelle (2) ausgeleuchtet werden, wobei
- Licht von der Lichtquelle (2) so auf die Einzellinsen (33) oder Hohlspiegel trifft, sodass durch die Einzellinsen (3) oder Hohlspiegel eine Abstrahlcharakteristik eines
darzustellenden dreidimensionalen Objekts nachgeahmt wird,
- sich das Linsenfeld (3) über einen Raumwinkelbereich von mindestens 2 sr hinweg erstreckt, bezogen auf die Lichtquelle
(2) oder auf einen externen Betrachter,
- die Einzellinsen (33) oder Hohlspiegel über das Linsenfeld
(3) hinweg verteilt sind, und
- die Einzellinsen (33) oder Hohlspiegel zumindest teilweise sequenziell bestrahlt werden.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem das Linsenfeld (3) durch die Einzellinsen (33) und die Lichtquelle (2) durch einen oder durch mehrere Laser gebildet ist und der oder jeder der Laser zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine der Einzellinsen (3) bestrahlt,
wobei das Linsenfeld (3) kontinuierlich durchgehend oder approximiert von außen gesehen konvex gekrümmt und von der Lichtquelle (2) aus gesehen konkav gekrümmt ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch das Linsenfeld (3) ein virtuelles Bild (4) des Objekts erzeugt wird,
wobei das virtuelle Bild (4) mindestens zum Teil auf
derselben Seite des Linsenfeldes (3) liegt wie die
Lichtquelle (2) .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem durch das Linsenfeld (3) ein reelles Bild (5) des Objekts erzeugt wird,
wobei das reelle Bild (5) mindestens zum Teil auf einer der
Lichtquelle (2) abgewandten Seite des Linsenfeldes (3) liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
bei dem das virtuelle oder reelle Bild (4, 5) mehrere
Strahlbündelknoten (60) umfasst, in denen sich jeweils mehrere Strahlbündel (6) des von der Lichtquelle (2)
erzeugten und von den Einzellinsen (33) umgelenkten Lichts virtuell oder reell schneiden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Raumwinkelbereiche, die von Objektpunkten des darzustellenden dreidimensionalen Objekts ausgehen und in denen sich das Objekt zwischen dem betreffenden Objektpunkt und einem Betrachter befindet, kein Licht abgestrahlt wird, sodass diese Objektpunkte durch das Objekt verdeckt
erscheinen .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Linsenfeld (3) die Form eines Hohlkörpers
aufweist und die Einzellinsen (33) gleichmäßig über einen Mantel des Hohlkörpers hinweg verteilt sind,
wobei sich das Linsenfeld (3) über einen Raumwinkelbereich von mindestens 4 sr hinweg erstreckt, bezogen auf die
Lichtquelle (2) oder den externen Betrachter.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtungseinheit (1) eine Längsachse (L) aufweist, die parallel zu dem Linsenfeld (3) orientiert ist, wobei ein mittlerer Durchmesser der Einzellinsen (33) zwischen einschließlich 10 ym und 2 mm liegt und
Lichteintrittsflächen (34) der Einzellinsen (33) je zu höchstens 10 % von der Lichtquelle (2) ausgeleuchtet werden, und
wobei die Lichtquelle (3) rotes, grünes und blaues Licht emittiert und das dreidimensionale Objekt farbig dargestellt wird .
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem entlang der Längsachse (L) mehrere der Lichtquellen (2) übereinander gestapelt angeordnet sind,
wobei die Lichtquellen (2) baugleich sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
bei dem das Linsenfeld (3) die Form eines Hohlzylinders aufweist, innerhalb dessen sich die zumindest eine
Lichtquelle (2) befindet,
wobei die Einzellinsen (33) gleichmäßig über einen
Zylindermantel des Hohlzylinders hinweg verteilt sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem das Linsenfeld (3) über einen Raumwinkelbereich von mindestens 6 sr hinweg die Form einer Kugeloberfläche aufweist, innerhalb der sich die zumindest eine Lichtquelle (2) befindet,
wobei die Einzellinsen (33) gleichmäßig über eine
Kugeloberfläche der Kugel hinweg verteilt sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die oder zumindest eine der Lichtquellen (2)
innerhalb des Linsenfeldes (3) bewegt wird und/oder rotiert, so dass die Einzellinsen (33) sequenziell bestrahlt werden.
13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem mehrere Lichtquellen (2) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die miteinander rotieren.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtungseinheit (1) zusätzlich zumindest einen Detektor (7) umfasst,
wobei der Detektor (7) in dem Linsenfeld (33) integriert ist und die zumindest eine Lichtquelle (2) bei einem
sequenziellen Beleuchten der Einzellinsen (33) den Detektor (7) periodisch beleuchtet, sodass die Lichtquelle (3) mit dem Detektor (7) kalibriert werden kann.
15. Autostereoskopische Beleuchtungseinheit (1) mit
- mindestens einer Lichtquelle (2),
- einem Linsenfeld (3) , das kontinuierlich aus vielen
Einzellinsen (33) , die als Sammellinsen gestaltet sind, zusammengesetzt ist , und
- einer Ansteuerelektronik (8),
wobei die Lichtquelle (2) dazu eingerichtet ist, die
Einzellinsen (33) je nur zum Teil auszuleuchten.
16. Beleuchtungseinheit (1) nach dem vorhergehenden
Anspruch,
bei der ein Bereich zwischen der Lichtquelle (2) und dem Linsenfeld (3) blendenfrei ist,
wobei das Linsenfeld (3) von außen gesehen konvex und von der Lichtquelle (2) aus gesehen konkav gekrümmt ist, und
wobei ein Quotient aus einer Anzahl der Einzellinsen (33) und einer Anzahl der Lichtquellen (2) zwischen einschließlich 10 und 10^ liegt.
PCT/EP2017/068659 2016-07-25 2017-07-24 Verfahren zur autostereoskopischen bildgebung und autostereoskopische beleuchtungseinheit WO2018019776A1 (de)

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DE112017003730.1T DE112017003730B4 (de) 2016-07-25 2017-07-24 Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung und autostereoskopische Beleuchtungseinheit
US16/320,550 US11086138B2 (en) 2016-07-25 2017-07-24 Method of autostereoscopic imaging and autostereoscopic illumination unit

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