DE102006033548B4 - Steuerbare Beleuchtungseinrichtung für ein autostereoskopisches Display - Google Patents

Abstract

Steuerbare Beleuchtungseinrichtung für ein autostereoskopisches Display, bei dem von aktivierten Beleuchtungselementen eines Lichtmodulators ausgehendes Licht in einem Parallelstrahlenbündel von einem Abbildungsmittel durch eine Wiedergabematrix gerichtet auf jeweils ein Auge eines Betrachters abgebildet wird,
wobei
– ein Positionsfinder die Position des jeweiligen Betrachterauges ermittelt
– das Abbildungsmittel eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Abbildungselementen enthält und das Parallelstrahlenbündel von mindestens einem Abbildungselement abgebildet wird und
– synchron zur jeweiligen Beleuchtung entsprechende Stereobilder auf dem Display zum Realisieren eines 3D-Bildes dargestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwei streifenförmige Polarisationsfolien (6) mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Streifen beider Polarisationsfolien (6) abwechselnd eine unterschiedliche Polarisationsrichtung aufweisen und sich die Streifen gleicher Polarisationsrichtung deckungsgleich gegenüber liegen, so dass zusätzlich erzeugte, schwächer leuchtende sekundäre Parallelstrahlenbündel (5) unterdrückt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein transmissives autostereoskopisches Display mit einer steuerbaren Beleuchtungseinrichtung, die einen als Beleuchtungsmatrix wirkenden Lichtmodulator enthält. Das von diesem ausgestrahlte Licht wird in Parallelstrahlenbündeln von einem Abbildungsmittel durch eine Wiedergabematrix gerichtet auf jeweils ein Auge eines Betrachters als Sichtbarkeitsbereich abgebildet, von dem aus eine 3D-Bilddarstellung zu sehen ist.
• Anwendungsgebiet der Erfindung sind autostereoskopische Displays, mit denen die Bildinformationen, wie Bilder oder Bildfolgen, für mehrere Betrachter wahlweise entweder im 2D- oder 3D-Modus oder im gemischten Modus dargestellt werden können.
• Als autostereoskopische Displays werden im Dokument Displays bezeichnet, bei denen mindestens ein Betrachter eine 3D-Bilddarstellung ohne zusätzliche Hilfsmittel sehen kann.
• Grundsätzlich enthält das Display ein Abbildungsmittel, das aus einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Abbildungselementen besteht. Synchron zur jeweils auf ein Betrachterauge gerichteten Beleuchtung werden auf der Wiedergabematrix die entsprechenden Stereobilder zum Realisieren eines 3D-Bildes dargestellt. Die Position des jeweiligen Betrachterauges wird von einem Positionsfinder ermittelt. Bei einer Positionsänderung eines Betrachters werden die Sichtbarkeitsbereiche durch Änderung der entsprechenden Steuersignale einer Steuereinheit den Betrachteraugen nachgeführt.
• Der bzw. die Betrachter befinden sich mit ihren Augen im Betrachterraum in Bereichen, von denen aus eine Bildinformation auf dem Display dreidimensional betrachtet werden kann und die als Sichtbarkeitsbereiche bezeichnet werden. Aus diesen Sichtbarkeitsbereichen heraus soll stets die Homogenität der Darstellung der Bildinformation auf dem Display gewährleistet werden und ein Übersprechen auf das jeweils andere Auge bei der 3D-Darstellung vermieden werden. Auch wenn der Betrachter eine neue Position im Betrachterraum vor dem Display einnimmt, müssen die genannten Bedingungen weiter gelten, so dass ihm Informationen mit monoskopischen oder stereoskopischen Bildinhalten ständig in guter Qualität zur Verfügung stehen.
• Der Aufbau und die Funktionsweise eines derartigen autostereoskopischen Displays mit zeitsequentieller Darstellung sind beispielsweise in der WO 2005/060270 A1 der Anmelderin genau beschrieben und werden hier teilweise wiedergegeben:
• In 1 ist das Funktionsprinzip des Displays schematisch in Draufsicht dargestellt, jedoch weder maßstabsgerecht noch mit der vollständigen Anzahl an optischen Elementen.
• Eine Vielzahl von Linsenelementen 111... 114 in einer Abbildungsmatrix 110 bildet schaltbare punktförmige Beleuchtungselemente 11... 46 einer Beleuchtungsmatrix 120 auf die Augen E_R, E_L eines Betrachters ab. Die durch eine großflächige Lichtquelle 130 beleuchtete Beleuchtungsmatrix 120 generiert pro Linsenelement und Betrachter mindestens ein Strahlenbündel B1... B4, welche sich durch gezieltes Aktivieren von Beleuchtungselementen 11... 46 durch eine Tracking- und Bildsteuerung 160 am Ort der Betrachteraugen zu einem zweidimensionalen Sweet-Spot (Sichtbarkeitsbereich) S_R überlagern. Die Abbildungsmatrix 110, die Beleuchtungsmatrix 120 und die Lichtquelle 130 bilden gemeinsam eine steuerbare Sweet-Spot-Einheit in Form eines gerichteten Backlights zum Sichtbarmachen eines Bildes einer transmissiven LCD-Bildmatrix 140 aus Positionen im Betrachterraum, welche die Tracking- und Bildsteuerung 160 ansteuert. In der Praxis sind weitaus mehr Linsenelemente 111... 114 und Beleuchtungselemente vorhanden. Als Beleuchtungselemente dienen vorteilhaft Pixel bzw. Subpixel einer LCD-Matrix. Auf dem Wege zum Betrachter durchfluten die Strahlenbündel B1... B4 großflächig die Bildmatrix 140, welche alternierend jeweils nur ein Bild einer stereoskopischen Bildfolge eines Bildsignals PSS enthält. Ein Positionsfinder 150 ermittelt die Anzahl von Betrachtern und die Augenpositionen E_R, E_L vor dem Display. Entsprechend aktiviert die Tracking- und Bildsteuerung 160 im dargestellten Beispiel die Beleuchtungselemente 13, 24, 35 und 46, um das aktuelle Bild sichtbar zu machen. Wie 1 zeigt, liegen die Beleuchtungselemente 13, 24, 35 und 46 an verschiedenen Positionen in Bezug auf die optische Achse der ihnen folgenden Linsenelemente. Bei einer Bewegung eines Betrachters aktiviert die Tracking- und Bildsteuerung 160 andere Beleuchtungselemente, um das jeweilige Sweet-Spot-Bündel der Bewegung der Augen nach zuführen. Zur alternierenden Darstellung der Stereobilder macht die Tracking- und Bildsteuerung 160 durch Umschalten von Beleuchtungselementen synchron mit jedem Bildwechsel das folgende Bild jeweils für das entsprechende Auge eines bzw. aller Betrachter sichtbar. Für das andere Auge ist das Bild während dieser Dauer unbeleuchtet und damit unsichtbar. Erfolgt die Darbietung der Bildfolge der Bildmatrix für rechte und linke Augen mit der synchronisierten Beleuchtung des entsprechenden Auges hinreichend schnell, können die Betracheraugen die ihnen dargebotenen Bilder zeitlich nicht mehr auflösen. Beide Augen sehen die Bildfolge als Stereodarstellung. Die Strahlenbündel B1... B4 breiten sich praktisch so aus, dass jedes aktive Beleuchtungselement 13, 24, 35 und 46 in der Ebene der Augenpositionen ER bzw. E_L auf einem Durchmesser von mindestens einigen Millimetern vergrößert abgebildet wird. Zur einfachen Darstellung der Funktion bilden in allen Figuren dieses Dokumentes Parallelstrahlenbündel den Sweet-Spot (Sichtbarkeitsbereich). In der Praxis weicht der Strahlengang gering von der Kollimation ab. In jedem Fall deckt jedes Strahlenbündel B1... B4 mindestens die Ausdehnung der Sweet-Spot-Fläche ab, die mindestens so groß wie ein Betrachterauge ist. Dadurch kann ein Betrachter den gesamten Bildschirmbereich der Bildmatrix mit homogener Ausleuchtung betrachten.
• Um die oben genannten Anforderungen an dieses Display optimal erfüllen zu können, wird ein Trackingsystem benötigt, das ständig die Betrachterbewegungen im Raum vor dem Display in einem möglichst großen Raumbereich verfolgt und jedem Betrachter mittels der Steuersignale der Steuereinheit stets die ihm zugehörige Bildinformation unabhängig von seiner momentanen Position darstellt. Das stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit des Positionsfinders, an die Qualität der einzelnen Komponenten des Displays sowie an die Abbildungsqualität des Displays insgesamt.
• Für die vorliegende Erfindung ist es unerheblich, ob die Beleuchtungseinrichtung aus einer Vielzahl selbstleuchtender oder lichtdurchstrahlter Beleuchtungselemente besteht. Jedem Abbildungselement ist eine Vielzahl von Beleuchtungselementen zugeordnet. Unter Anwendung des Verfahrens der inversen Strahlberechnung werden die Beleuchtungselemente ermittelt, die zum Erzeugen von Parallelstrahlenbündeln für die aktuelle Betrachterposition benötigt werden. Schon bei geringen Abweichungen in der Anzahl der zu aktivierenden Beleuchtungselemente, d. h. bei geringfügig zu viel aktivierten, treten Störungen in der Abbildung auf.
• Nachteilig hat sich in der Praxis bei Verwendung eines Lentikulars als Abbildungsmittel erwiesen, dass beim Abbilden des Lichts der aktivierten Beleuchtungselemente als Parallelstrahlenbündel durch das ermittelte Lentikel zusätzlich störendes Streu- oder Falschlicht auftritt. Das Licht der aktivierten Beleuchtungselemente beleuchtet nicht nur das zugehörige Lentikel, sondern auch noch die beiden angrenzenden Lentikel rechts und links vom zugehörigen Lentikel. Dieses Licht generiert zusätzliche sekundäre Parallelstrahlenbündel, die zwar in ihrer Intensität schwächer sind, aber auch zu Betrachteraugen gelangen können. Die sekundären Parallelstrahlenbündel haben insbesondere nachteilige Auswirkungen auf die Darstellung der Stereobilder, wenn mehrere Betrachter vor dem Display eine 3D-Darstellung sehen wollen. Dabei passiert es, dass ein sekundäres Parallelstrahlenbündel des für ein rechtes Auge bestimmten Parallelstrahlenbündels auf ein linkes Auge eines benachbarten Betrachters fällt und das linke Auge dadurch ein rechtes Stereobild erhält.
• Aufgabe der Erfindung ist es, in einem autostereoskopischen Display bei der Abbildung von Licht auf Betrachteraugen die Streuwirkung des Lichts möglichst klein zu halten, um zusätzliche Sichtbarkeitsbereiche zu verhindern und eine gegenseitige Beeinflussung der Stereobilder für benachbarte Augen, also das Übersprechen, zu vermeiden.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwei streifenförmige Polarisationsfolien im Strahlengang mit einem Abstand zueinander angeordnet sind. Die verwendeten Polarisationsfolien weisen sich abwechselnde Streifen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung auf. Zweckmäßigerweise liegen sich die Streifen gleicher Polarisation der ersten und zweiten streifenförmigen Polarisationsfolie in Lichtrichtung deckungsgleich gegenüber, um das Licht in die vorgesehene Richtung, d. h. auf die aktuelle Position des jeweils ermittelten Betrachterauges, zu lenken. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel ist die erste streifenförmige Polarisationsfolie an der Lichtaustrittsseite eines als Beleuchtungsmatrix wirkenden Lichtmodulators und die zweite streifenförmige Polarisationsfolie vor einem Abbildungsmittel, vorzugsweise einem Lentikular, angeordnet. Auf diese Weise werden die zusätzlich erzeugten, schwächer leuchtenden sekundären Parallelstrahlenbündel unterdrückt. Dazu ist es weiterhin notwendig, dass die Breite eines Streifens in beiden Polarisationsfolien mit der Breite eines Lentikels des Lentikulars übereinstimmt.
• Das Abbildungsmittel besteht im Ausführungsbeispiel aus einem eine Vielzahl parallel angeordneter sphärischer Lentikel enthaltenden Lentikular und bildet das Licht der Beleuchtungselemente als Parallelstrahlenbündel durch jeweils ein Lentikel des Lentikulars ab. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass das Abbildungsmittel auch eine matrixartige Anordnung von Mikrolinsen in Streifenform sein kann. Analog wären die streifenförmigen Polarisationsfolien anzuordnen.
• Die Position der zu aktivierenden Beleuchtungselemente wird vorteilhaft durch eine inverse Strahlberechnung vom jeweiligen Betrachterauge aus ermittelt, wodurch auch gleichzeitig die Lage des zu durchstrahlenden Abbildungselements des Abbildungsmittels bestimmt wird.
• Die erfindungsgemäße Lösung der Unterdrückung von sekundären Strahlenbündeln ist einfach und effektiv und hat sich in autostereoskopischen Displays für mehrere Betrachter gut bewährt. Damit wird auch das Tracking bei mehreren Betrachtern für jeden Betrachter genauer und die Qualität der 3D-Darstellung wird für jeden einzelnen Betrachter verbessert.
• Die erfindungsgemäße steuerbare Beleuchtungseinrichtung eines autostereoskopischen Displays mit zeitsequentieller Darstellung wird nachfolgend näher beschrieben. In den Darstellungen zeigen in Draufsicht
• 1 das Funktionsprinzip des autostereoskopischen Displays schematisch in Draufsicht als Stand der Technik,
• 2 eine schematische Darstellung eines Displayausschnittes mit einem auf ein Betrachterauge gerichteten Parallelstrahlenbündel und zwei zusätzlich hervorgerufenen sekundären Parallelstrahlenbündeln und
• 3 eine schematische Darstellung entsprechend 2 mit im Strahlengang angeordneten Mitteln zur Unterdrückung der sekundären Parallelstrahlenbündel entsprechend der Erfindung.
• Die Erfindung basiert auf einem autostereoskopischen Display, dessen Funktionsprinzip entsprechend 1 im Stand der Technik bereits so weit beschrieben wurde, wie es zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nötig ist.
• In 2 ist der Beleuchtungsstrahlengang im Display ausschnittsweise schematisch dargestellt.
• Mit 1 ist die Beleuchtungsmatrix bezeichnet, die durch einen Lichtmodulator mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Zellen realisiert wird, die die Beleuchtungselemente repräsentieren. Die schwarzen Bereiche in der Beleuchtungsmatrix 1 stellen die nicht aktivierten Beleuchtungselemente dar. Danach folgt in Lichtrichtung ein als Lentikular 2 ausgebildetes Abbildungsmittel mit parallel nebeneinander liegenden sphärischen Lentikeln 3. Das von den spaltenweise aktivierten Beleuchtungselementen ausgehende Licht trifft auf das Lentikular 2. Mit der inversen Strahlberechnung wurden diese zu aktivierenden Beleuchtungselemente entsprechend der aktuellen Betrachterposition ermittelt. Vom mittleren der drei dargestellten sphärischen Lentikel 3 wird das Licht als Parallelstrahlenbündel 4 auf ein hier nicht eingezeichnetes rechtes bzw. linkes Betrachterauge abgebildet und generiert dort jeweils einen Sichtbarkeitsbereich für die 3D-Darstellung. Das Licht der aktivierten Beleuchtungselemente ruft aber noch zusätzliche sekundäre Parallelstrahlenbündel 5 hervor, die jedoch in ihrer Intensität schwächer sind. Das Licht der sekundären Parallelstrahlenbündel 5 hat den gleichen Ausgangspunkt wie das Parallelstrahlenbündel 4. Jedoch strahlen die sekundären Parallelstrahlenbündel 5 entsprechend 2 in einen Winkel nach rechts und links davon ab. Sie können zu der eingangs erwähnten Beeinträchtigung der Abbildungsqualität führen, wenn mehrere Betrachter eine 3D-Darstellung sehen wollen. Auf diese Weise kann z. B. ein linkes Auge eines zweiten Betrachters das rechte Stereobild eines ersten Betrachters erhalten, wenn mit dem Parallelstrahlenbündel 4 synchron ein rechtes Stereobild zeitsequentiell gesteuert dargestellt wird. Es tritt ein Übersprechen der Stereodarstellung auf.
• Entsprechend der 3 werden zur Lösung des Problems zwei streifenförmige Polarisationsfolien 6 im Strahlengang des autostereoskopischen Displays angeordnet. Die erste Polarisationsfolie 6 folgt im Strahlengang der Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungsmatrix 1 und die zweite Polarisationsfolie 6 ist vor dem Lentikular 2 angeordnet. Um die sekundären Parallelstrahlenbündel 5 zu unterdrücken, liegen sich die Streifen gleicher Polarisationsrichtung der ersten und zweiten Polarisationsfolie deckungsgleich gegenüber. Die Breite der Streifen beider Polarisationsfolien 6 stimmt mit der Breite der Lentikel 3 des Lentikulars 2 überein. Die von den aktivierten Beleuchtungselementen ausgehenden Pfeile bezeichnen mögliche Lichtausbreitungsrichtungen. Die erste Polarisationsfolie 6 wirkt als Polarisator und die zweite Polarisationsfolie als Analysator. Das Licht wird beim Durchgang durch die erste Polarisationsfolie 6 polarisiert und passiert die zweite Polarisationsfolie 6 als Parallelstrahlenbündel 4. Trifft Streulicht auf die schraffiert gezeichneten Bereiche der zweiten Polarisationsfolie 6, so wird an diesen Stellen das polarisierte Licht nicht durchgelassen, da es eine andere Polarisation besitzt. Damit können keine weiteren sekundären Parallelstrahlenbündel 5 entstehen, denn die nächsten Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung sind so weit entfernt, dass auf diese faktisch kein Streulicht fällt.

Claims (5)

1. Steuerbare Beleuchtungseinrichtung für ein autostereoskopisches Display, bei dem von aktivierten Beleuchtungselementen eines Lichtmodulators ausgehendes Licht in einem Parallelstrahlenbündel von einem Abbildungsmittel durch eine Wiedergabematrix gerichtet auf jeweils ein Auge eines Betrachters abgebildet wird, wobei – ein Positionsfinder die Position des jeweiligen Betrachterauges ermittelt – das Abbildungsmittel eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Abbildungselementen enthält und das Parallelstrahlenbündel von mindestens einem Abbildungselement abgebildet wird und – synchron zur jeweiligen Beleuchtung entsprechende Stereobilder auf dem Display zum Realisieren eines 3D-Bildes dargestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwei streifenförmige Polarisationsfolien (6) mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Streifen beider Polarisationsfolien (6) abwechselnd eine unterschiedliche Polarisationsrichtung aufweisen und sich die Streifen gleicher Polarisationsrichtung deckungsgleich gegenüber liegen, so dass zusätzlich erzeugte, schwächer leuchtende sekundäre Parallelstrahlenbündel (5) unterdrückt werden.
2. Steuerbare Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste streifenförmige Polarisationsfolie (6) an der Lichtaustrittsseite des Lichtmodulators und die zweite streifenförmige Polarisationsfolie (6) vor dem Abbildungsmittel angeordnet ist.
3. Steuerbare Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungsmittel ein eine Vielzahl parallel angeordneter Lentikel (3) enthaltendes Lentikular (2) ist und das Parallelstrahlenbündel (4) jeweils ein durch eine inverse Strahlberechnung ermitteltes Lentikel (3) des Lentikulars (2) durchstrahlt.
4. Steuerbare Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Streifen in beiden Polarisationsfolien (6) mit der Breite eines Lentikels (3) des Lentikulars (2) übereinstimmt.
5. Steuerbare Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der vom Betrachterauge ausgehenden inversen Strahlberechnung gleichzeitig die Position der zu aktivierenden Beleuchtungselemente und die Lage des zu durchstrahlenden Abbildungselements des Abbildungsmittels bestimmt werden.