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Die
Erfindung bezieht sich auf ein autostereoskopisches Display mit
einer richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit. Die erfindungsgemäße
Ausgestaltung der richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit liefert
Betrachtern eine verbesserte Darstellung zwei- und dreidimensionaler
Bilder oder anderer Informationen.
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Anwendungsgebiete
der Erfindung sind autostereoskopische Displays für die
verschiedensten kommerziellen und privaten Bereiche wie beispielsweise
dem Kommunikations-, TV- und Spielekonsolen-Sektor, der Forschung,
der Medizintechnik und anderen Bereichen.
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Derartige
autostereoskopische Displays zeichnen sich dadurch aus, dass sie
in einem Betrachterraum Sichtbarkeitsbereiche schaffen, die mit Hilfe
einer Tracking- und Bildsteuereinrichtung automatisch den Augen
verschiedener Betrachter bei ihren Bewegungen zu anderen Positionen
in diesem relativ großen Betrachterraum nachgeführt
werden. Betrachteraugen können aus den Sichtbarkeitsbereichen
heraus die im Bildwiedergabemittel zeitsequentiell dargestellten
Bilder bzw. anderen Informationen wahlweise entweder im 2D- oder
3D-Modus oder im gemischten Modus sehen. Die Sichtbarkeitsbereiche werden
in anderen Anmeldungen bzw. Patenten der Anmelderin auch als Sweet-Spots
bezeichnet.
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Autostereoskopische
Displays sind im Dokument Displays, bei denen mindestens ein Betrachter 3D-Bilder
ohne zusätzliche Hilfsmittel sehen kann.
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Hauptbestandteil
eines autostereoskopischen Displays, das die vorliegende Erfindung
enthält, ist eine richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit,
die in Ausbreitungsrichtung des Lichts im Wesentlichen ein Beleuchtungsmittel
mit einer Vielzahl von Licht durchstrahlten oder selbst leuchtenden
Beleuchtungselementen sowie ein optisches Abbildungsmittel mit einer
Vielzahl parallel zueinander angeordneter halbzylindrischer Abbildungselemente umfasst.
Die Abbildungselemente erzeugen aus dem Licht elektronisch aktivierter
Beleuchtungselemente annähernd parallele Strahlenbündel,
die über ein transmissives oder reflektives Bildwiedergabemittel in
den Betrachterraum als ein Sichtbarkeitsbereich gelenkt werden und
sich dort überlagern. Dabei gelangt stets das Licht einer
Vielzahl aktivierter Beleuchtungselemente durch jeweils ein Abbildungselement.
Die Lichtbündel werden im Bildwiedergabemittel synchron
mit stereoskopischen Bild- oder anderen Darstellungen moduliert.
Befindet sich im Sichtbarkeitsbereich jeweils mindestens ein linkes/rechtes Betrachterauge,
so können die Betrachteraugen eine 2D- und/oder 3D-Darstellung
wahrnehmen. 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 2D- und/oder 3D-Darstellungen
ständig in guter Qualität zur Verfügung
stehen.
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Die
richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit kann zusätzliche
optische Elemente zur Verbesserung der Abbildungsverhältnisse
enthalten, wie beispielsweise Streifenpolarisatoren und Diffusormittel.
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Die
Beleuchtungselemente des Beleuchtungsmittels sind beispielsweise
die steuerbaren Zellen eines Lichtmodulators, die auch als Pixel
oder Subpixel bezeichnet werden und vorwiegend in regulärer
Weise spalten- und zeilenförmig angeordnet sind. Wegen
der Abbildungsfehler optischer Systeme, hier vorzugsweise eines
Lentikulars, können nachteilige Effekte auftreten, wie
beispielsweise eine inhomogene Ausleuchtung oder/und ein Übersprechen
der Sichtbarkeitsbereiche für das rechte und linke Auge.
Sie werden durch geeignete Maßnahmen weitgehend kompensiert.
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Im
Patent
DE 10 2005 012 348 der
Anmelderin wird beispielsweise eine richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit
verwendet, die zur Verringerung auftretender optischer Probleme
bei der dreidimensionalen Darstellung eines Objektes für
mehrere Betrachter im autostereoskopischen Display eine spezielle
Ausbildung eines Abbildungsmittels umfasst.
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Die
darin enthaltene Abbildungsmatrix weist neben einem Lentikular auch
Ablenkelemente auf, die in Übereinstimmung mit der vertikalen
Rasterung einer Beleuchtungsmatrix periodisch in Gruppen angeordnet
sind, wobei jedes Element der Gruppe die Strahlenbündel
jeweils unter einem anderen vorbestimmten Winkel ablenkt. Jede Gruppe
von Ablenkelementen wiederholt sich periodisch versetzt in den Zeilen
und Spalten. Diese periodischen Wiederholungen der Gruppen von Ablenkelementen
vergrößern den Ablenkbereich des Displays. Sie
lenken 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. Vorgesehene optische Mittel zur
vertikalen Strahlaufweitung sollen zusammen mit einem Streumedium
nicht ausgeleuchtete Bereiche in der Bildmatrix kompensieren.
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Das
optische Streumedium soll hier weiterhin die ungleichmäßig
ausgeleuchteten Bereiche für das Betrachten der 2D-/3D-Darstellungen
im Bildwiedergabemittel homogenisieren. Die Inhomogenitäten entstehen
hier erstens durch die vertikale Gruppenbildung der Beleuchtungselemente,
zweitens prinzipbedingt als Folge der inaktiven Beleuchtungselemente
in jeder Spalte der Beleuchtungsmatrix.
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Einen
weiteren, dritten Beitrag für die Inhomogenitäten
der Beleuchtung liefern die zur Aufnahme der elektrischen Signalleitungen
benötigten Stege zwischen benachbarten aktivierten Beleuchtungselementen,
ersichtlich aus 1. Um alle spaltenweise aktivierten
Beleuchtungselemente unter einem Abbildungselement, hier einem Lentikel,
mit möglichst wenigen Aberrationen abzubilden, wird die sphärische
Aberration des Lentikels minimiert. Das erreicht man durch leichtes
Defokussieren des optischen Abstands zwischen den Beleuchtungselementen
und dem Lentikular, was aber zu virtuellen, geringfügig
sichtbaren Bildern der Stege benachbarter Beleuchtungselemente führt.
Da auch von den Stegen kein Licht ausgestrahlt wird, erhalten die
Ränder der Lentikel insgesamt weniger Licht und erscheinen auf
der Bildmatrix als dünne dunklere Längsstreifen, die
den Gesamteindruck der 3D-Darstellung stören.
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Die
Verwendung eines optischen Streumediums beseitigt die unter erstens
und zweitens angeführten Inhomogenitäten, jedoch
nicht die durch die Stege verursachten sehr dünnen dunkleren
Streifen bei der 3D-Darstellung. Es hat sich in der Praxis erwiesen,
dass die erforderlichen kleinen Streuwinkel des Streumediums herstellungsbedingt
nicht über die gesamte Fläche der Bildmatrix exakt
eingehalten werden. Die notwendigen Toleranzen für den
hier benötigten Streuwinkel liegen am Rande der bisher
bekannten technischen Machbarkeit.
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Die
beschriebenen Störungen treten allgemein bei Verwendung
eines Lentikulars im Abbildungsmittel auf und wirken sich 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.
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Daraus
ergibt sich die Aufgabe, im Strahlengang ein einfaches optisches
Mittel zusätzlich einzusetzen, das zur Homogenisierung
der Ausleuchtung des autostereoskopischen Displays geeignet ist
und die erreichte Abbildungsqualität der Abbildungselemente
nicht nachteilig beeinflusst. Dieses Mittel soll wenig Platz beanspruchen
und insgesamt die Lichtführung in der oben beschriebenen
richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit verbessern, um mehreren Personen
gleichzeitig das Betrachten einer homogen ausgeleuchteten 3D-Darstellung
zu ermöglichen.
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Zur
Lösung des Problems ist erfindungsgemäß ein
großflächiges strukturiertes optisches Ablenkelement
vorgesehen, dessen Struktur zeilenweise in Übereinstimmung
mit einem vorgegebenen horizontalen Raster der Beleuchtungselemente
verläuft, bei dem benachbarte Zeilen unterschiedliche Strukturen
aufweisen und bei dem die strukturierten Zeilen sich periodisch
wiederholen. Das Ablenkelement ist in Lichtrichtung unmittelbar
hinter einem Beleuchtungsmittel angeordnet und lenkt die Lichtbündel
aktivierter benachbarter Beleuchtungselemente durch Brechung so
ab, dass ein horizontaler Versatz zwischen benachbarten Lichtbündeln
kompensiert wird. Die Lichtbündel werden auf ein jeweils
ermitteltes Abbildungselement, z. B. ein Lentikel, eines Abbildungsmittels
gerichtet und kanalisieren gleichzeitig das Licht.
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In
einer ersten Ausführungsform enthält eine Zeile
des optischen Ablenkelements eine Vielzahl von Planelementen und
die benachbarte Zeile eine Vielzahl von Prismenelementen, die ohne
Abstand zueinander angeordnet sind und mit dem Prismenkeil in die
gleiche Richtung weisen. Im gesamten optischen Ablenkelement wechseln
sich eine Zeile mit Planelementen und eine Zeile mit Prismenelementen ab.
Die Planelemente einer Zeile bilden aneinandergereiht vorzugsweise
eine einzige plane Fläche. Mit dieser Ausführung
wird eine genügend große Ablenkung der Lichtbündel
erreicht, um den Versatz benachbarter Lichtbündel zu kompensieren
und die Wirkung der Stegabbildung zu verhindern.
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In
einer zweiten Ausführungsform enthält das optische
Ablenkelement in jeder Zeile eine Vielzahl von Prismenelementen,
die ohne Abstand zueinander angeordnet sind und mit dem Prismenkeil
in die gleiche Richtung weisen. Die Prismenzeilen sind im optischen
Ablenkelement so angeordnet, dass die Prismenelemente einer Prismenzeile
entgegengesetzt zu den Prismenelementen der benachbarten Prismenzeile
ausgerichtet sind. Dadurch kann gegenüber der ersten Ausführung
der optisch wirksame Prismenwinkel b eines Prismenelements verringert werden.
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Auf
einfache Weise wird ebenfalls der horizontale Versatz benachbarter
Lichtbündel kompensiert und die Wirkung der Stegabbildung
verhindert.
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Von
Vorteil ist hier weiterhin, dass die Prismenwinkel b herstellungstechnisch
sehr exakt eingestellt werden können und andere optische
Effekte wie Doppelbrechung nicht auftreten. Die Anordnung und die
Größe dieser Prismen können so berechnet
werden, dass die Prismen für das menschliche Auge nicht
sichtbar sind.
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In
weiterer Ausbildung der Erfindung ist jeweils eine strukturierte
Zeile des optischen Ablenkelements einer Zeile von Beleuchtungselementen
des Beleuchtungsmittels zugeordnet, wobei sich die Struktur der
Zeile in jeder zweiten Zeile des Ablenkelements wiederholt.
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Um
beispielsweise eine Abmessung eines vertikalen Stegs von 15 μm
zwischen benachbarten Beleuchtungselementen zu kompensieren, müssen die
Prismenelemente einer Zeile
- – einen
Prismenwinkel b unter 2° aufweisen,
- – eine vertikale Höhe h aufweisen, die kleiner
oder gleich der Zeilenhöhe der Beleuchtungselemente ist,
und
- – einen axialen Abstand a von höchstens 1
mm zu den Beleuchtungselementen aufweisen.
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Zum
Erzeugen der notwendigen Ablenkung der Lichtbündel ist
es außerdem zweckmäßig, dass ein in einer
Zeile angeordnetes Prismenelement in seiner horizontalen Abmessung
wenigstens 10fach größer ist als die horizontale
Abmessung eines Steges. Unter dieser Bedingung ist es möglich,
die Prismenelemente noch exakt herzustellen und gleichzeitig die
erforderliche Wirkung zu realisieren. Um das optische Ablenkelement
kostengünstig zu produzieren, ist es vorzugsweise einteilig
ausgebildet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben. Die dazugehörigen Zeichnungen
zeigen schematisch in
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1 zwei
durch einen Steg ST getrennte, aktivierte Beleuchtungselemente BE,
die nach der Abbildung durch ein Abbildungselement einen Versatz
V aufweisen, in perspektivischer Darstellung als Stand der Technik,
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2 eine
Draufsicht auf den Abbildungsstrahlengang zweier Beleuchtungselemente
BE und auf den Verlauf der Intensität bei a) unkorrigiertem und
b) annähernd korrigiertem Versatz V,
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3 eine
Draufsicht auf eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform
der Erfindung mit Beleuchtungselementen BE, dem Ablenkelement AE
sowie einem Abbildungselement und verschiedenen Strahlenverläufen,
und
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4 eine
ausschnittsweise perspektivische Darstellung zweier benachbarter
Zeilen von Prismenelementen PE aus einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Auf
die richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit eines autostereoskopischen
Displays, deren Bestandteil die Erfindung ist, wurde bereits im
vorderen Teil der Beschreibung näher eingegangen. Die 1 bis 4 enthalten
weitere Erläuterungen dieser Einheit, wobei in den 2 und 3 zum
besseren Verständnis der Erfindung stets nur die auf ein Abbildungselement
bezogenen Lichtbündel bzw. Lichtstrahlen dargestellt sind.
Alle weiteren optischen Elemente, die im autostereoskopischen Display
zur bestimmungsgemäßen Verwendung üblicherweise noch
vorhanden sind, aber nicht unmittelbar die Erfindung betreffen,
wie z. B. Polarisationsstreifen, sind in den Figuren weggelassen
worden.
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Die
Beleuchtungselemente BE können Pixel oder im Falle der
Farbdarstellung Subpixel sein.
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Die 1 enthält
in schematischer Anordnung die wesentlichen Mittel zur Darstellung
des der Erfindung zugrunde liegenden Problems entsprechend dem Stand
der Technik. Vier Beleuchtungselemente repräsentieren hier
eine Zeile von Beleuchtungselementen eines matrixförmigen
Beleuchtungsmittels, das eine Vielzahl derartiger Zeilen enthält. Benachbarte
Beleuchtungselemente einer Zeile sind durch Stege ST voneinander
getrennt. Dadurch erzeugt die Abbildung benachbarter aktivierter
Beleuchtungselemente, die schraffiert dargestellt sind, zwischen
den von ihnen ausgehenden Lichtbündeln einen Versatz V.
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In
einer Draufsicht sind in 2 aktivierte Beleuchtungselemente
BE mit Stegen ST vor einem Abbildungselement symmetrisch zur Mittellinie
dargestellt. Als Abbildungsmittel dient ein Lentikular, von dem
nur ein Lentikel LE als Abbildungselement gezeichnet ist. Das Lentikular
weist bekanntermaßen eine Vielzahl von eindimensional wirkenden,
parallel zueinander angeordneten Lentikeln LE auf. Weiterhin ist
der Abbildungsstrahlengang zweier benachbarter, aktivierter Beleuchtungselemente
BE, die sich annähernd in der vorderen Brennebene des Lentikels LE
befinden, dargestellt, sowie der Versatz V der Lichtbündel
zueinander. Mit a) wird der Verlauf der Lichtintensität
für die Abbildung in 2 gezeigt,
in welcher der Abfall der Intensität durch den Versatz
V zu erkennen ist. Der korrigierte Intensitätsverlauf ist durch
b) dargestellt und kann durch eine erfindungsgemäße
Ausführung entsprechend 3 erreicht werden.
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In 3 wird
ein Teil der richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit in einer ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform eines
teilweise dargestellten, zeilenweise strukturierten optischen Ablenkelements
AE gezeigt. Der Draufsicht ist zu entnehmen, dass einer Zeile mit
einem streifenförmigen Planelement PL eine Zeile mit Prismenelementen
PE folgt. Diese Struktur der Zeilen wiederholt sich periodisch über
das gesamte Ablenkelement AE.
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In 4 ist
eine ausschnittsweise perspektivische Darstellung einiger Prismenelemente
PE zweier benachbarter Zeilen des Ablenkelements entsprechend einem
zweiten Ausführungsbeispiel zu sehen. Diese Struktur setzt
sich im Ablenkelement periodisch nach oben und unten fort. Weiterhin
ist die vertikale Höhe h eines Prismenelements PE eingezeichnet,
die kleiner oder gleich der Höhe einer Zeile der Beleuchtungselemente
sein kann.
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Anhand
der steuerbaren Beleuchtungseinrichtung eines autostereoskopischen
Displays mit einem Lentikular als Abbildungsmittel wird die Erfindung
näher beschrieben. Synchron mit dem Licht wird bekanntermaßen
die Bildinformation als Stereobilder in einem vorzugsweise transmissiven
Wiedergabemittel sequentiell mindestens einem Betrachter dargestellt.
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Durch
ein Positionserfassungssystem (nicht dargestellt) werden die Positionen
von Betrachteraugen ermittelt und eine Steuereinheit (nicht dargestellt)
aktiviert eine bestimmte Anzahl von Beleuchtungselementen BE, d.
h. sie werden lichtdurchlässig geschaltet. Die Beleuchtungselemente
BE eines Beleuchtungsmittels sind in einem vorgegebenen Raster horizontal
und vertikal angeordnet. Das von den Beleuchtungselementen BE kommende
Licht wird entsprechend 2 nach Durchgang durch ein Lentikel
LE in annähernd parallele Lichtbündel geformt, die
vor dem nicht dargestellten Wiedergabemittel einen Sichtbarkeitsbereich
bilden. Von hier aus können Betrachteraugen bekanntermaßen
eine 3D-Darstellung sehen, wobei für jeden Betrachter stets
eine großflächig homogene Ausleuchtung des Bildwiedergabemittels
zu gewährleisten ist. Das wird durch ein großflächiges,
strukturiertes optisches Ablenkelement AE zwischen dem Beleuchtungsmittel
und dem Abbildungsmittel in 3 erreicht.
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Entsprechend
der Darstellung in 3 trifft das von sowohl horizontal
als auch vertikal ausgewählten aktivierten Beleuchtungselementen
BE ausgehende Licht auf das optische Ablenkelement AE und breitet
sich in verschiedene Richtungen vor dem Lentikel LE aus, was durch
Pfeile gekennzeichnet ist.
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Die
Struktur einer Zeile des Ablenkelements AE wird durch eine Vielzahl
von Prismenelementen PE oder eine Vielzahl von Planelementen PL,
die sich insgesamt zu einer Planfläche in der Zeile addieren,
gebildet. Die Prismenelemente PE einer Zeile zeigen ohne Abstand
zueinander mit dem Prismenkeil in die gleiche Richtung. Jeweils
einer strukturierten Zeile des Ablenkelements AE ist eine Zeile
von Beleuchtungselementen BE zugeordnet.
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Das
Licht wird beim Auftreffen auf die Prismenelemente PE des Ablenkelements
AE so abgelenkt, dass das durch die Stege ST fehlende Licht, aus
der gestrichelten Weiterführung der Pfeillinien erkennbar,
kompensiert wird. Gleichzeitig wird mit den Prismenelementen PE
auch verhindert, dass durch die leichte Defokussierung des Lentikulars
entstehende Linien der Lentikel LE sichtbar werden. Dies wird durch
eine vorgegebene geometrische Ausbildung und eine vorgegebene Anordnung
der Prismenelemente PE im Ablenkelement AE erreicht.
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Die
Prismenelemente PE sind entsprechend einem Ausführungsbeispiel
so berechnet, dass sie bei beispielsweise einer Größe
der vertikalen Stege ST von 15 μm
- – einen
Keilwinkel b unter 2° aufweisen,
- – eine vertikale Höhe h aufweisen, die kleiner
oder gleich der Höhe einer Zeile der Beleuchtungselemente
ist, und
- – einen axialen Abstand a von höchstens 1
mm zu den Beleuchtungselementen aufweisen.
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Mit
diesen Parametern wird der durch die vertikalen Stege ST hervorgerufene
Versatz V der Lichtbündel kompensiert. Praktisch überstreut
das Licht der Beleuchtungselemente BE die Größe
der vertikalen Stege ST, so dass sie nicht mehr sichtbar sind. Außerdem
wird durch die Prismenelemente PE erreicht, dass das Licht zum Lentikel
LE hin kanalisiert wird. Das Ablenkelement AE enthält in
diesem Beispiel eine Zeile mit Prismenelementen PE und eine Zeile
mit Planelementen PL, die sich einander abwechseln.
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Nach
Passieren des Lentikels LE und der Bildwiedergabematrix gelangt
moduliertes Licht zum Sichtbarkeitsbereich und kann hier z. B. als
3D-Darstellung von Betrachteraugen gesehen werden.
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Diese
erste Ausführungsform lässt sich technologisch
einfach herstellen.
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Eine
zweite Ausführungsform weicht von 3 darin
ab, dass das Ablenkelement AE nur Zeilen mit Prismenelementen PE
enthält. Die Prismenelemente PE einer Zeile sind ebenfalls
ohne Abstand zueinander angeordnet und zeigen mit dem Prismenkeil
in die gleiche Richtung. Jedoch sind die Prismenzeilen so angeordnet,
dass die Prismenelemente PE benachbarter Prismenzeilen in entgegen
gesetzte Richtungen zeigen, was aus der schematischen perspektivischen
Darstellung in 4 ersichtlich ist. Dadurch erreicht
man im Ablenkelement AE, dass in einer Spalte von Prismenelementen
PE die benachbarten Prismenelemente PE immer in entgegen gesetzte
Richtung weisen. Da hier zum Ablenken der Lichtbündel nur
Keilflächen beitragen, kann der optisch wirksame Keilwinkel
b und damit auch die Flanke eines Prismenelements PE im Gegensatz
zur ersten Ausführungsform verringert werden.
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Für
eine Realisierung der zweiten Ausführung ergibt sich der
Vorteil, dass das Ablenkelement AE damit flacher ausgeführt
werden kann und trotzdem die notwendige horizontale Ablenkung der
Lichtbündel benachbarter Beleuchtungselemente BE eingehalten
wird. Dazu trägt weiterhin bei, dass ein in einer Zeile
angeordnetes Prismenelement PE in seiner horizontalen Abmessung
wenigstens 10fach größer ist als die horizontale
Abmessung eines Steges ST.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung und Ausbildung
des optischen Ablenkelements AE in einer richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit
eines autostereoskopischen Displays wird gegenüber dem
Stand der Technik die Homogenität der Ausleuchtung verbessert
und die Abbildungsqualität erhöht.
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- AE
- Ablenkelement
- BE
- Beleuchtungselement
- LE
- Lentikel
- PE
- Prismenelement
- ST
- Steg
- V
- Versatz
- a
- Abstand
zwischen BE und AE
- b
- Prismenwinkel
- h
- vertikale
Höhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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