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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung von dreidimensionalen
Bildern in einem Rekonstruktionsraum durch Raumpunkte, die Schnittpunkte
von wenigstens zwei sich kreuzenden Lichtstrahlenbündeln sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Darstellen
von dreidimensionalen Bildern in einem Rekonstruktionsraum.
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Zur
Darstellung von dreidimensionalen Bildern von Objekten sind bereits
verschiedene Möglichkeiten
bekannt.
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Die
bekanntesten Systeme bilden gegenwärtig stereoskopische bzw. autostereoskopische
Wiedergabeeinrichtungen (Displays), bei denen zwei Bilder projiziert
werden, die durch z. B. Farbfilter, Polarisationsfilter oder Shutterbrillen
getrennt werden bzw. ohne derartige Hilfsmittel zu beobachten sind. Oder
mit anderen Worten ausgedrückt,
sind dies Wiedergabeeinrichtungen, bei denen den Augen eines Betrachters
unterschiedliche perspektivische zweidimensionale Ansichten des
darzustellenden Objekts zugeführt
werden. Der wesentliche Nachteil derartiger Wiedergabeeinrichtungen
besteht darin, dass es wegen des Widerspruchs zwischen der Fokussierung
und dem Konvergenzwinkel der Augen des Betrachters bei der Beobachtung
der beiden zweidimensionalen Bilder auf einem flachen Bildschirm
zu einer unnatürlichen
Belastung der Augen kommt, wodurch sehr häufig Ermüdungserscheinungen auftreten
können.
Dieser Nachteil kann jedoch verringert werden, indem den Betrachteraugen
mehr als zwei perspektivische Ansichten zur Verfügung gestellt werden. Dadurch
erhöht
sich aber der Aufwand, und eine zufriedenstellende Lösung kann
erst in sogenannten Super-Multiview-Displays mit einer sehr hohen
Anzahl an perspektivischen Ansichten erreicht werden. Eine echte
räumliche
Rekonstruktion des Objekts ist aber mit derartigen Wiedergabeeinrichtungen
nicht realisierbar. Aus der
US 2006/0158729 A1 ist ein autostereoskopisches
Display bekannt, in dem mittels eines dynamischen Strahldeflektors
der Austrittswinkel der von den Pixeln des Displays emittierten
Lichtstrahlenbündel
gesteuert wird. Als Mittel zur Strahlablenkung werden dabei unter
anderem Arrays aus Linsen mit steuerbarer Brennweite bzw. Prismen
mit steuerbarem Prismenwinkel auf der Basis von Elektrowetting-Zellen
benutzt. Bei dem Display handelt es sich um ein typisches autostereoskopisches
Multi-View-Display,
bei welchem dem Betrachter für
das rechte und linke Auge eine Vielzahl von Ansichten des darzustellenden
Objekts mit unterschiedlicher Perspektive dargeboten wird, die einen
räumlichen
Eindruck hervorrufen. Durch den Einsatz des Strahldeflektors wird
die Anzahl der darstellbaren Ansichten erhöht, ohne – wie sonst üblich – das Auflösungsvermögen des
Displays durch die Kodierung mehrerer Ansichten im räumlichen
Multiplex zu verringern.
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Echte
räumliche
Rekonstruktionen lassen sich mit sogenannten volumetrischen Displays
bzw. Wiedergabeeinrichtungen realisieren, bei denen die Bildpunkte
auf einem Licht streuenden Medium im dreidimensionalen Raum dargestellt
werden. Auf diese Weise kann daher der Widerspruch zwischen Fokussierung
und Konvergenz nicht auftreten. Mittels einer derartigen Vorgehensweise
lassen sich aber nur transluzente Objekte darstellen, wobei diese Wiedergabeeinrichtungen
wegen ihrer Kompliziertheit für
den täglichen
Gebrauch nicht einsetzbar sind, sondern vielmehr nur für Werbezwecke
oder ähnlich spezielle
Vorhaben.
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Auch
mit Hilfe der Holographie lässt
sich eine echte Rekonstruktion eines dreidimensionalen Objektes
im Raum erzeugen. Die Rekonstruktion von Raumpunkten erfolgt hier
durch Beugung von hinreichend kohärentem Licht an berechneten
oder auf andere Weise erzeugten Gitterstrukturen, den Hologrammen.
Die Raumpunkte entstehen dabei durch Interferenz der durch das Hologramm
modulierten Wellenfronten im Rekonstruktionsraum. Es handelt sich
daher um ein wellenoptisches Rekonstruktionsverfahren, bei dem in
der Regel die Rekonstruktion nur in einer bestimmten Beugungsordnung
erfolgt. Ein solches wellenoptisches Rekonstruktionsverfahren ist
beispielsweise aus der
EP
1 287 400 B1 bekannt. Derartige holographische Methoden
stellen aber hohe Anforderungen sowohl an das Auflösungsvermögen der
Wiedergabeeinrichtung bzw. des Displays, als auch an die Leistungsfähigkeit
der zur Berechnung der Hologramme eingesetzten Rechner. Daher geht
es bei den in der
EP
1 287 400 B1 angestellten Betrachtungen hauptsächlich um
die Senkung des Aufwandes zur Berechnung und Darstellung von dreidimensionalen
Bildern durch das Prinzip der vorrangigen Berechnung und Darstellung
des Teilbereiches des Hologramms, der durch die Rückprojektion
der momentanen Position der Augenpupillen des Betrachters definiert
wird („contributing
region”).
Grundsätzlich
hängt sowohl
die Größe des Rekonstruktionsvolumens
bzw. des Rekonstruktionsraums als auch der Sichtbarkeitsbereich
von dem durch den Pixelpitch des Displays gegebenen Beugungswinkel
ab. Daher können
mit gegenwärtigen Mitteln
auf Basis von herkömmlichen
holographischen Verfahren bisher nur kleine Szenen bzw. Objekte
in einem noch relativ kleinen Sichtbarkeitsbereich rekonstruiert
werden. Da zur Rekonstruktion außerdem hinreichend kohärentes Licht
erforderlich ist, ist die dreidimensionale Darstellung auch immer mit
kohärentem
Rauschen, dem sogenannten Speckling, überlagert, wodurch Maßnahmen
zu seiner Unterdrückung
erforderlich sind, wobei unter Umständen aber wiederum die Auflösung des
Displays herabgesetzt wird.
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Eine
weitere Möglichkeit,
reale Bildpunkte in einem dreidimensionalen Raum zu rekonstruieren, bietet
eine als Multi-Beam-Display bezeichnete Wiedergabeeinrichtung. Bei
dieser Art von Wiedergabeeinrichtungen werden die Bildpunkte durch
sich im Rekonstruktionsraum kreuzende Lichtstrahlenbündel erzeugt.
Dabei ist es erforderlich, dass wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel, die
unter einem Winkel von einem Bildpunkt bzw. Raumpunkt ausgehen,
auf die Pupille eines Betrachterauges treffen, um das Auge zur Fokussierung
auf den Bildpunkt zu veranlassen (monokulare Akkommodation). Für eine binokulare dreidimensionale
Wahrnehmung des Bildpunktes sind dann jeweils wenigstens vier von
dem gleichen Bildpunkt ausgehende Lichtstrahlenbündel erforderlich, so dass
zwei Lichtstrahlenbündel
auf die Pupille des rechten Betrachterauges und zwei Lichtstrahlenbündel auf
die Pupille des linken Betrachterauges treffen.
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Eine
auf diesem Wirkungsprinzip beruhende Wiedergabeeinrichtung beschreibt
die
US 6,798,390 B1 .
Die Wiedergabeeinrichtung weist dabei ein bildgebendes LC-Display und ein weiteres
zweites LC-Display auf, die in einem Abstand parallel zueinander
angeordnet sind. Das zweite LC-Display dient dabei in Verbindung
mit einer Feldlinse als richtungsgebendes Display und wird als Shutter
betrieben. Um beispielsweise drei Bildpunkte bzw. Raumpunkte durch
sich kreuzende Lichtstrahlenbündel
zu erzeugen, werden nacheinander jeweils drei Bildpixel an unterschiedlichen
Stellen im bildgebenden LC-Display aufgeschaltet. Eine sich über das
zweite als Shutter ausgebildete LC-Display zeitsequentiell bewegende
kleine Öffnung
bzw. Apertur wählt
jeweils drei Lichtstrahlenbündel
aus, die in unterschiedliche Richtungen in den Rekonstruktionsraum
in Lichtrichtung hinter dem zweiten LC-Display abgestrahlt werden.
Bei geeigneter Wahl der im bildgebenden LC-Display aufgeschalteten
Bildpixel und der dazu aufgeschalteten Öffnung schneiden sich die jeweiligen
auf diese Weise nacheinander erzeugten Lichtstrahlenbündel, so
dass drei Raumpunkte erzeugt werden. Ein Betrachter kann dann diese
drei Raumpunkte aus verschiedenen Blickwinkeln mit unterschiedlicher
Tiefe als dreidimensionales Bild wahrnehmen.
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Nachteilig
bei einer derartigen Wiedergabeeinrichtung ist jedoch, dass die
die Raumpunkte erzeugenden Lichtstrahlenbündel durch eine einzige Apertur
zeitsequentiell erzeugt werden. Dadurch ist das rekonstruierte dreidimensionale
Bild sehr lichtschwach, wobei außerdem an die Schaltgeschwindigkeit
des als Shutter betriebenen zweiten LC-Displays hohe Anforderungen
gestellt werden. Die
US 6,798,390
B1 beschreibt zudem, dass das bildgebende LC-Display durch
eine LED- Anordnung
ersetzt werden kann. Auf diese Weise verbessern sich zwar die Lichtverhältnisse,
der grundsätzliche
Nachteil der sequentiellen Erzeugung der Lichtstrahlenbündel in einem
größeren Sichtbarkeitsbereich
bleibt aber bestehen.
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Die
US 6,798,390 B1 beschreibt
in einer weiteren Ausgestaltung der Wiedergabeeinrichtung die Beschränkung des
Sichtbarkeitsbereichs der dreidimensionalen Darstellung auf einen
definierten kleineren Bereich, in dem sich im gegebenen Moment der Kopf
des Betrachters befindet. Der Ort des Kopfes des Betrachters wird
durch ein Positionserfassungssystem ermittelt. Dabei werden die
verschiedenen Sichtbarkeitsbereiche (Raumwinkel, der mindestens den
Kopf des Betrachters erfasst, meist aber größer ist), die den Kopfpositionen
des Betrachters entsprechen, durch unterschiedliche Bereiche des
bildgebenden LC-Displays dargestellt. Dadurch werden zwar die Anforderungen
an die Schaltgeschwindigkeit des zweiten LC-Displays verringert,
aber die Auflösung
der dreidimensionalen Darstellung verringert sich in gleichem Maße.
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Die
Beseitigung derartiger Nachteile kann dadurch erreicht werden, dass
die Anzahl der bildgebenden und richtungsgebenden Systeme in einer Wiedergabeeinrichtung
erhöht
wird. Eine derartige Wiedergabeeinrichtung ist beispielsweise aus
der
US 2003/0156077
A1 bekannt. Die sich im Rekonstruktionsraum kreuzenden
Lichtstrahlenbündel
werden dabei von mehreren in horizontaler und vertikaler Richtung
nebeneinander bzw. untereinander angeordneten Mikrodisplays in Kombination
mit speziellen optischen Abbildungssystemen erzeugt. Der Anordnung
von Mikrodisplays ist ein passiver Bildschirm mit einer Streucharakteristik
vorgelagert, der die von den Mikrodisplays ausgehenden Lichtstrahlenbündel derart
aufweitet, dass sie winkelmäßig ohne
Unterbrechung ineinander übergehen
und so Raumpunkte erzeugt werden, die eng beieinanderliegen. Die
derart erzeugten Raumpunkte sind dann im Bereich vor, hinter oder
auf dem Bildschirm sichtbar. Auf diese Weise kann in einem bestimmten
Raumwinkel eine Vielzahl von perspektivischen Ansichten eines dreidimensionalen
Bildes erzeugt werden, die ein Betrachter mit beiden Augen bei einer
Bewegung nacheinander wahrnimmt oder die mehrere Betrachter gleichzeitig
sehen können.
Dadurch wird die Multi-User-Fähigkeit
(mehrere Betrachter) der Wiedergabeeinrichtung gewährleistet.
Durch die Bewegungsparallaxe wird der dreidimensionale Eindruck
des dargestellten Bildes noch verstärkt. Der Sichtbarkeitsbereichs
und die Anzahl der Ansichten hängen
dabei von der Geometrie der Anordnung ab und können durch Hinzufügen weiterer
Module (Mikrodisplays und richtungsgebende Optiken) vergrößert werden.
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Von
großem
Nachteil bei einer derartigen Wiedergabeeinrichtung ist aber der
hohe Aufwand der Anordnung der Mikrodisplays bzw. der Module und
der damit verbundene rechentechnische Aufwand zur Programmierung
und Steuerung der Module. Diese Wiedergabeeinrichtungen sind deshalb eher
als Einzelgeräte
für spezielle
Anwendungen als für
den Durchschnittsverbraucher geeignet.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung auf
Basis eines Multi-Beam-Displays und ein Verfahren zur Darstellung von
dreidimensionalen Bildern in einem Rekonstruktionsraum zu schaffen,
mit denen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden
und die eine geringe Anzahl von Elementen erfordern. Zudem soll der
rechentechnische Aufwand zur Realisierung von dreidimensionalen
Bildern vermindert werden und die Vorrichtung auch für den Durchschnittsverbraucher
geeignet anwendbar sein.
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Erfindungsgemäß wird die
vorliegende Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des
Anspruchs 13 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Darstellung von dreidimensionalen
Bildern in einem Rekonstruktionsraum durch Raumpunkte, die Schnittpunkte
von wenigstens zwei sich kreuzenden Lichtstrahlenbündeln sind,
gelöst, die
eine Bildanzeigeeinrichtung mit Bildpixeln zur Darstellung von Bildinformationen
und eine Strahlrichtungseinrichtung aufweist. Die Bildanzeigeeinrichtung
kann beispielsweise als herkömmliches LC-Display
mit einer bestimmten Diagonale ausgeführt sein, z. B. ein 20'' Display. Die Strahlrichtungseinrichtung
sendet die von den Bildpixeln der Bildanzeigeeinrichtung ausgehenden
Lichtstrahlenbündel in
vordefinierte Richtungen, beispielsweise zu wenigstens einem Betrachter,
aus, so dass wenigstens ein Raumpunkt im Rekonstruktionsraum erzeugbar ist.
Die von dem wenigstens einen Raumpunkt ausgehenden Lichtstrahlenbündel sind
dabei ausschließlich
auf wenigstens ein in einer Betrachterebene vorgesehenes virtuelles
Betrachterfenster gerichtet, das in seiner Ausdehnung höchstens
dem Durchmesser der Augenpupille eines Betrachters entspricht.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind die Lichtstrahlenbündel,
die einen Raumpunkt bzw. Raumpunkte rekonstruieren, ausschließlich auf
wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster gerichtet, das in seiner
Ausdehnung höchstens
der Augenpupille eines Betrachters entspricht. Zur Beobachtung des
oder der Raumpunkte im Rekonstruktionsraum ist es deshalb erforderlich,
dass die Augenpupille des Betrachters sich am Ort des virtuellen
Betrachterfensters befindet. Das Auge des Betrachters fokussiert
dann auf die dargestellten Raumpunkte und nimmt diese in der richtigen
Tiefe wahr, wenn von jedem Raumpunkt wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel in
die Pupille dieses Auges einfallen.
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Der
Vorteil dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegt in der Konzentration der gesamten von den Bildpixeln ausgehenden
Information auf virtuelle Betrachterfenster. Dadurch kann die zu
verarbeitende Informationsmenge erheblich gesenkt werden, z. B.
gegenüber
den Wiedergabeeinrichtungen der
US 6,798,390 B1 und der
US 2003/0156077 A1 ,
da zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur die perspektivischen
Ansichten des dreidimensionalen Bildes für die Betrachterfenster zu
berechnen und darzustellen sind, in denen sich auch Augen wenigstens
eines Betrachters befinden. Außerdem
wird dadurch eine Echtzeitdarstellung von bewegten Szenen (Folge von
rekonstruierten dreidimensionalen Bildern bzw. Objekten) wesentlich
vereinfacht bzw. überhaupt
erst möglich.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Rekonstruktion der Raumpunkte bzw. Bildpunkte bzw. Objektpunkte
nur eine geringe Anzahl von optischen Elementen aufweist bzw. benötigt und
vor allem kein kohärentes
Licht erfordert, liegt ein besonderer Vorteil gegenüber holographischen
Wiedergabeeinrichtungen darin, dass Interferenzerscheinungen nicht
auftreten bzw. keine Rolle spielen und somit die Darstellungsqualität nicht
durch Speckling (kohärentes
Rauschen) beeinträchtigt
wird.
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Durch
die erhebliche Minderung des gerätetechnischen
und rechentechnischen Aufwandes ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch für
den verbraucherorientierten Videobereich einzusetzen bzw. ist die
Vorrichtung auf Basis eines derartigen Multi-Beam-Displays in der
Anwendung für
den Durchschnittsverbraucher geeignet.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass
die Strahlrichtungseinrichtung Strahlablenkmittel aufweist, wobei
jedem Bildpixel oder einer Gruppe von nebeneinanderliegenden Bildpixeln
der Bildanzeigeeinrichtung ein Strahlablenkmittel der Strahlrichtungseinrichtung
zugeordnet ist. Besonders von Vorteil kann sein, wenn die Strahlablenkmittel
als steuerbare Prismenelemente ausgebildet sind. Die steuerbaren
Prismenelemente können
dabei beispielsweise auf Basis des Electrowetting-Effects (Elektrokapillarität; variable Brennweite
bzw. variabler Ablenkwinkel durch flüssige Mikroelemente, z. B.
Wasser-Öl-Gemische)
aufgebaut und betrieben werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass eine Gruppe von nebeneinander angeordneten Strahlablenkmitteln
oder Prismenelementen der Strahlrichtungseinrichtung als Fresnel-Linse
ausgeführt
ist, wobei die Strahlablenkmittel der Fresnel-Linse jeweils einem
Bildpixel oder einer Gruppe von Bildpixeln der Bildanzeigeeinrichtung
in Lichtstrahlrichtung nachgeordnet sind. Die Fresnel-Linse kann
dabei direkt durch eine Gruppe von Strahlablenkmitteln bzw. Prismenelementen
der steuerbaren Strahlrichtungseinrichtung dargestellt werden, wobei
diese Gruppe von Strahlablenkmitteln bzw. Prismenelementen einer
in annähernd
gleicher Größe ausgebildeten
Gruppe von Bildpixeln der Bildanzeigeeinrichtung zugeordnet ist.
Die Fresnel-Linsen rekonstruieren in ihren Brennpunkten jeweils
einen Raumpunkt. Der inkohärente Charakter
der Rekonstruktion bleibt auch bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erhalten.
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Besonders
von Vorteil kann sein, wenn die Ablenkwinkel der Strahlablenkmittel
bzw. der Prismenelemente in zwei senkrecht aufeinanderstehenden
Richtungen steuerbar sind. So ist es möglich, die Lichtstrahlenbündel in
horizontaler und vertikaler Richtung entsprechend des zu rekonstruierenden Raumpunktes
zu steuern und auszusenden.
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Um
insbesondere eine Kollimation der von den Bildpixeln der Bildanzeigeeinrichtung
ausgehenden Lichtstrahlenbündel
vornehmen zu können,
damit auf die Strahlablenkmittel der Strahlrichtungseinrichtung
kollimierte Lichtstrahlenbündel
auftreffen, kann vorteilhaft ein optisches System vorgesehen sein,
das zwischen der Bildanzeigeeinrichtung und der Strahlrichtungseinrichtung
angeordnet ist.
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In
vorteilhafter Weise kann dabei das optische System als Linsenanordnung,
insbesondere als Mikrolinsenanordnung, ausgebildet sein, wobei jedem
Bildpixel oder einer Gruppe von nebeneinanderliegenden Bildpixeln
der Bildanzeigeeinrichtung eine Linse der Linsenanordnung zugeordnet
ist.
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Um
die gegenseitige Beeinflussung des von benachbarten Bildpixeln ausgehenden
Lichts als Streulicht zu vermeiden, kann vorteilhaft zwischen der
Bildanzeigeeinrichtung und dem optischen System eine Blendenanordnung,
beispielsweise durch Realisierung von Lochblenden, vorgesehen sein.
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Da
nur die perspektivische Ansicht für das jeweilige virtuelle Betrachterfenster
und daher für
das jeweilige Auge eines Betrachters berechnet und dargestellt werden
soll, kann es vorteilhaft sein, wenn ein Positionserfassungssystem
zur Ermittlung von Augenpositionen wenigstens eines Betrachters
in der Betrachterebene vorgesehen ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zum Darstellen
von dreidimensionalen Bildern in einem Rekonstruktionsraum gelöst, wobei
Lichtstrahlenbündel
von Bildpixeln einer Bildanzeigeeinrichtung auf eine Strahlrichtungseinrichtung
gesandt werden, die durch die Strahlrichtungseinrichtung derart
in unterschiedliche Richtungen gelenkt werden, dass wenigstens ein
Raumpunkt durch wenigstens zwei sich kreuzende Lichtstrahlenbündel in
einem Rekonstruktionsraum erzeugt wird, wobei die von dem wenigstens
einen Raumpunkt ausgehenden Lichtstrahlenbündel durch wenigstens ein virtuelles
Betrachterfenster in einer Betrachterebene verlaufen und auf die
Pupille von wenigstens einem Auge wenigstens eines Betrachters auftreffen,
so dass der wenigstens eine Betrachter durch das wenigstens eine
virtuelle Betrachterfenster ein dreidimensionales Bild beobachtet.
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Die
von dem darzustellenden Raumpunkt ausgehenden Lichtstrahlenbündel werden
erfindungsgemäß ausschließlich auf
wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster gerichtet, das in einer
Betrachterebene vorliegt. Um den Raumpunkt bzw. Bildpunkt im Rekonstruktionsraum
beobachten zu können,
muss die Augenpupille eines Betrachters räumlich mit dem virtuellen Betrachterfenster
zusammenfallen bzw. am Ort des virtuellen Betrachterfensters vorliegen,
so dass wenigstens zwei von dem Raumpunkt ausgehende Lichtstrahlenbündel auf
die Augenpupille auftreffen. Für
eine binokulare Tiefenwahrnehmung ist es erforderlich, dass von
jedem Raumpunkt wenigstens vier Lichtstrahlenbündel ausgehen, von denen jeweils
wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel
auf das rechte Betrachterauge und auf das linke Betrachterauge auftreffen.
Soll das dreidimensionale Bild bzw. Objekt durch mehrere Betrachter
beobachtbar sein, so lässt
sich dies durch Erzeugung von mehreren Betrachterfenstern realisieren
(Multi-User-Eigenschaft). Die Betrachterfenster können auch
nebeneinander angrenzend angeordnet werden (Multi-View-Eigenschaft).
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Mittels
dieses erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine wesentliche Einsparung von Darstellungs- und Berechnungskapazität erreicht,
da nur die Flächen
der Augenpupillen des bzw. der Betrachter(s) mit Informationen versorgt
werden müssen. Eine
weitere Verminderung des Berechnungs- und Darstellungsaufwandes
kann dadurch erzielt werden, dass beispielsweise aufgrund der horizontal
nebeneinanderliegenden Anordnung der Augen nur die horizontale Perspektive
dargestellt und auf die Darstellung der vertikalen Perspektive verzichtet
wird. Im Gegensatz zur wellenoptischen Rekonstruktion von Raumpunkten
gemäß der Holographie
handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein strahlenoptisches
Rekonstruktionsverfahren.
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Von
besonderem Vorteil kann dabei sein, dass die Position wenigstens
eines Auges wenigstens eines Betrachters in der Betrachterebene
mittels eines Positionserfassungssystems ermittelt wird und bei
Bewegung des wenigstens einen Betrachters in lateraler und/oder
axialer Richtung das wenigstens eine virtuelle Betrachterfenster
nachgeführt
wird. Auf diese Weise kann ein Betrachter des dreidimensionalen
Bildes dieses auch nach Bewegung an einen anderen Ort beobachten,
wobei dem Betrachter entweder die gleiche perspektivische Ansicht
des dreidimensionalen Bildes wie vorher dargeboten wird oder auch
eine andere perspektivische Ansicht des dreidimensionalen Bildes,
je nachdem welche Anforderungen der Betrachter an die Vorrichtung
bzw. an das Verfahren stellt.
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Bei
den Positionen der für
die Rekonstruktion der Raumpunkte aufzuschaltenden Bildpixel der
Bildanzeigeeinrichtung handelt es sich um eine Projektion des darzustellenden
Objekts auf die Bildanzeigeeinrichtung. Die Positionen der für die einzelnen Raumpunkte
bzw. Bildpunkte aufzuschaltenden Bildpixel der Bildanzeigeeinrichtung
werden deshalb vorteilhafterweise durch inverse Strahldurchrechnung (inverses
ray-tracing) von den Betrachteraugen über die Raumpunkte zu der Bildanzeigeeinrichtung
ermittelt.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Im nachfolgenden
wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung näher beschriebenen Ausführungsbeispiele
prinzipmäßig erläutert.
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Die
Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Darstellung
von dreidimensionalen Bildern durch Raumpunkte, in der Draufsicht;
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2 eine
schematische Darstellung der in 1 dargestellten
Vorrichtung in Verbindung mit einem virtuellen Betrachterfenster,
in der Seitenansicht;
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3 eine
schematische Darstellung der in 1 dargestellten
Vorrichtung in Verbindung mit zwei virtuellen Betrachterfenstern,
in der Draufsicht; und
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4 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Verbindung mit einem virtuellen Betrachterfenster, in der Draufsicht.
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Die
nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen
sich hauptsächlich
auf Direktsichtdisplays bzw. Wiedergabeeinrichtungen, die zur Beobachtung eines
dreidimensionalen Bildes direkt betrachtet werden. Eine Realisierung
einer Projektionsvorrichtung, beispielsweise unter Verwendung von
Mikrodisplays, ist aber ebenso möglich.
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Nachfolgend
wird der Aufbau und die Funktionsweise einer Vorrichtung 1 zur
Darstellung von dreidimensionalen Bildern in einem Rekonstruktionsraum
beschrieben. Während
in den 1 und 4 die äußeren Begrenzungen (Randstrahlen)
der Lichtstrahlenbündel
dargestellt sind, zeigen die 2 und 3 nur
die Hauptstrahlen (Mittelstrahlen) der Lichtstrahlenbündel.
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In 1 ist
der prinzipielle Aufbau der Vorrichtung 1 dargestellt,
wobei die Vorrichtung 1 sehr vereinfacht in der Draufsicht
gezeigt ist. Die Vorrichtung 1 weist zur dreidimensionalen
Darstellung eine Bildanzeigeeinrichtung 2 mit mehreren
Bildpixeln 3 zur Darstellung von Bildinformationen auf.
Wie aus 1 ersichtlich, besteht gemäß der Erfindung
ein Bildpixel 3 aus drei Subpixeln entsprechend der drei Grundfarben
Rot, Grün
und Blau (RGB), so dass ein dreidimensionales Bild farblich dargestellt
werden kann, wobei eine farbliche Darstellung des dreidimensionalen
Bildes nicht zwingend ist. Als Bildanzeigeeinrichtung 2 kann
ein herkömmliches
LC-Display mit einer gewünschten
Diagonale, beispielsweise ein 20''-Display, verwendet
werden. Selbstverständlich können auch
andere Größenordnungen
von Displays oder andere Displayarten als Bildanzeigeeinrichtung 2 eingesetzt
werden.
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Die
Bildanzeigeeinrichtung 2 weist dabei eine nicht dargestellte
Beleuchtungseinrichtung auf, die als Hintergrundbeleuchtung (backlight)
ausgebildet ist und eine herkömmliche
Hintergrundbeleuchtung darstellt, wobei aber auch hinter jedem Bildpixel eine
Lichtquelle angeordnet sein kann. Die Hintergrundbeleuchtung beleuchtet
dabei die Bildpixel 3 inkohärent. Selbstverständlich können auch
anderweitig aufgebaute Beleuchtungseinrichtungen in der Bildanzeigeeinrichtung
vorgesehen werden. Dabei ist es z. B. möglich, eine Bildanzeigeeinrichtung
auf Basis von selbstleuchtenden Bildpixeln einzusetzen.
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In
Lichtrichtung nach der Bildanzeigeeinrichtung 2 ist eine
Strahlrichtungseinrichtung 4 angeordnet, die zur Richtungssteuerung
bzw. Ablenkung der von den Bildpixeln mit der entsprechenden Information
modulierten Lichtstrahlenbündel
vorgesehen ist. Die vorteilhaft zweidimensional ausgeführte Strahlrichtungseinrichtung 4 weist
dazu Strahlablenkmittel 5 auf, die als richtungsgebende
Elemente ausgebildet sind. Die Strahlablenkmittel 5 können dabei
steuerbare Prismenelemente bzw. Linsenelemente sein, die jeweils
nebeneinander angeordnet sind und so eine Anordnung von mehreren
Strahlablenkmitteln 5 ergeben. Die Strahlablenkmittel 5 sind
zur Richtungssteuerung der auftreffenden Lichtstrahlenbündel vorteilhafterweise
nach dem Prinzip des Electrowettings aufgebaut und arbeiten bzw.
operieren entsprechend des Electrowetting-Effekts. Der Ablenkwinkel
der einzelnen Strahlablenkmittel 5 ist zur horizontalen
und vertikalen Richtungssteuerung der einzelnen Lichtstrahlenbündel daher
in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen steuerbar. Auf
diese Weise kann ein echtes bzw. realistisches dreidimensionales Bild
im Rekonstruktionsraum erzeugt und dargestellt werden, das einen
dreidimensionalen Effekt sowohl in horizontaler als auch in vertikaler
Richtung zeigt. Eine derartige Vorrichtung würde jedoch große Informationsmengen
erfordern und verarbeiten müssen, so
dass diese Vorrichtung vorzugsweise aus wirtschaftlichen Gründen keine
hohe Effektivität
aufweist. Da beide Augen eines Betrachters horizontal nebeneinander
angeordnet sind, ist eine Darstellung der Perspektive des dreidimensionalen
Bildes in horizontaler Richtung ausreichend.
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Die
Bildanzeigeeinrichtung 2 und die Strahlrichtungseinrichtung 4 werden
zur Darstellung eines Raumpunktes bzw. eines dreidimensionalen Bildes über Steuerungsmittel 7 und 8 angesteuert,
wobei die Ansteuerung synchron erfolgt. Damit eine derartige synchrone
Ansteuerung der Bildanzeigeeinrichtung 2 und der Strahlrichtungseinrichtung 4 erfolgen
kann, ist eine Steuereinheit 9 vorgesehen, die entsprechende
Steuersignale an die beiden Steuerungsmittel 7 und 8 abgibt.
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Zudem
ist ein optisches System 6 zwischen der Bildanzeigeeinrichtung 2 und
der Strahlrichtungseinrichtung 4 angeordnet, das als Linsenanordnung, vorzugsweise
als Mikrolinsenanordnung, ausgeführt ist.
Dabei ist jedem Bildpixel 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 eine
Linse der Linsenanordnung 6 zugeordnet. Die Bildanzeigeeinrichtung 2 ist
dabei in der objektseitigen Brennebene der Linsenanordnung 6 angeordnet.
Dadurch werden die von den einzelnen Bildpixeln 3 ausgehenden
Lichtstrahlenbündel
durch die einzelnen Linsen der Linsenanordnung 6 kollimiert, so
dass parallele Lichtstrahlenbündel
auf die jeweiligen Strahlablenkmittel 5 der Strahlrichtungseinrichtung 4 auftreffen,
wodurch das gesamte Strahlablenkmittel 5 vollflächig und
homogen beleuchtet wird. Es kann jedoch bevorzugt sein, dass die
jeweiligen Bildpixel 3 nicht im objektseitigen Brennpunkt
der Linsen der Linsenanordnung 6 angeordnet sind, sondern
leicht außerhalb,
so dass von den einzelnen Bildpixeln 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 leicht
divergente Lichtstrahlenbündel
ausgehen. Auf diese Weise kommt ein leichtes Überlappen von wenigstens zwei
Lichtstrahlenbündeln
im Auge bzw. am Ort des Betrachtens zustande, wodurch der kontinuierliche Eindruck
der Darstellung von angrenzenden Raumpunkten im Rekonstruktionsraum
verstärkt
wird.
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Um
insbesondere bei von den Bildpixeln 3 ausgehenden leicht
divergenten Lichtstrahlenbündeln
eine gegenseitige Beeinflussung der Lichtstrahlenbündel im
Bereich des optischen Systems 6 bzw. der einzelnen Linsen
durch Streulicht in horizontaler und/oder vertikaler Richtung zu
verringern bzw. zu vermeiden, ist zwischen der Bildanzeigeeinrichtung 2 und
dem optischen System 6 eine Blendenanordnung 10 vorgesehen.
Dadurch wird eine genaue Zuordnung des von einem Bildpixel 3 ausgehenden Lichtstrahlenbündels auf
das dafür
vorgesehene Strahlablenkmittel 5 der Strahlrichtungseinrichtung 4 gewährleistet.
Eine Verwaschung des durch die Lichtstrahlenbündel rekonstruierten bzw. erzeugten Raumpunkts
wird somit weitgehend vermieden. Die Blendenanordnung 10 kann
dabei beispielsweise als Anordnung von einzelnen Lochblenden auf
Basis einer Folie bestimmter Dicke gesehen werden.
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Zur
Erzeugung eines Raumpunktes P gemäß der 1 sind wenigstens
zwei Lichtstrahlenbündel 11 und 12 notwendig.
Die Positionen der für den
einzelnen Raumpunkt P aufzuschaltenden Bildpixel 3 der
Bildanzeigeeinrichtung 2 ergeben sich dabei durch eine
inverse Strahldurchrechnung (ray-tracing) von dem Betrachterauge
bzw. den Betrachteraugen über
den am richtigen Ort zu erzeugenden Raumpunkt P zu der Bildanzeigeeinrichtung 2.
Gemäß der 1 werden
zur Rekonstruktion des Raumpunktes P zwei Bildpixel 3 aufgeschaltet,
wodurch die von den zwei Bildpixeln 3 mit der entsprechenden
Information für
den Raumpunkt P modulierten zwei Lichtstrahlenbündel mittels der entsprechenden
Linsen des optischen Systems 6 kollimiert werden und auf
die dafür
vorgesehenen Strahlablenkmittel 5 der Strahlrichtungseinrichtung 4 auftreffen.
Die beiden Strahlablenkmittel 5 werden dabei über das
Steuerungsmittel 8 derart angesteuert, dass die beiden
kollimierten, untereinander inkohärenten Lichtstrahlenbündel 11 und 12 in
vorbestimmte Richtungen gelenkt werden und sich am dafür vorgesehenen
Ort im Rekonstruktionsraum schneiden. Die variable Ablenkung der
Lichtstrahlenbündel 11 und 12 mittels
der Strahlablenkmittel 5 wird dabei durch den oben erwähnten Electrowetting-Effekt
erzielt. Die Lichtstrahlenbündel 11 und 12 rekonstruieren
somit den Raumpunkt P in ihrem Schnittpunkt.
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Die 2 stellt
die Rekonstruktion von mehreren, hier drei Raumpunkten P1, P2 und
P3 im Rekonstruktionsraum dar. Die Bildanzeigeeinrichtung 2, die
Blendenanordnung 10, das optische System 6 und
die Strahlrichtungseinrichtung 4 entsprechen dabei den
Einrichtungen gemäß 1,
wodurch gleiche Teile auch gleiche Bezugszeichen wie in 1 aufweisen.
Zudem sind die Einrichtungen 2, 10, 6 und 4 der
Vorrichtung 1 nur sehr vereinfacht dargestellt. Wie bereits
zu 1 beschrieben, werden zur Erzeugung eines Raumpunktes
wenigstens zwei sich kreuzende Lichtstrahlenbündel benötigt. Jeder der drei dargestellten
Raumpunkte P1, P2 oder P3 wird somit durch wenigstens zwei sich
kreuzende Lichtstrahlenbündel
erzeugt bzw. rekonstruiert, wobei aber hier jeweils nur die Hauptstrahlen
der einzelnen Lichtstrahlenbündel
dargestellt sind. Wie ersichtlich müssen zur Erzeugung von mehreren
Raumpunkten unterschiedliche Bildpixel 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 aufgeschaltet
werden. Zudem kann sich ein Raumpunkt auch in Lichtrichtung vor
der Bildanzeigeeinrichtung 2 befinden, wodurch gezeigt
werden soll, dass sich der Rekonstruktionsraum auch entgegengesetzt
der Lichtrichtung hinter die Bildanzeigeeinrichtung 2 erstrecken
kann. Durch die Rekonstruktion von mehreren Raumpunkten kann ein
dreidimensionales Bild erzeugt werden, das durch wenigstens einen
Betrachter beobachtbar ist.
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Ein
wesentliches Merkmal der Vorrichtung 1 besteht darin, dass
die von den darzustellenden Raumpunkten P1, P2 und P3 ausgehenden
Lichtstrahlenbündel
ausschließlich
auf ein virtuelles Betrachterfenster 13 gerichtet sind,
das in einer Betrachterebene 14 liegt, die sich in Lichtrichtung
in einem Abstand von der Strahlrichtungseinrichtung 4 befindet,
der dem Betrachterabstand entspricht. Durch dieses virtuelle Betrachterfenster 13,
das in seiner Ausdehnung höchstens
dem Durchmesser der Augenpupille des Betrachters entspricht, also
in etwa so groß ist
wie die Augenpupille des Betrachters, und mit dieser nahezu räumlich zusammenfällt, nimmt
das Auge des Betrachters die dargestellten Raumpunkte P1, P2 und
P3 in der richtigen Tiefe wahr, wenn, wie dargestellt, von jedem
Raumpunkt P1, P2 und P3 wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel in
die Augenpupille einfallen. Mit anderen Worten ausgedrückt: Will
der Betrachter die Raumpunkte P1, P2 und P3 bzw. das dadurch dargestellte
Bild beobachten, so muss er seine Augenpupille an den Ort des virtuellen
Betrachterfensters 13 bringen, so dass die von den Raumpunkten
P1, P2 und P3 ausgehenden Lichtstrahlenbündel durch das virtuelle Betrachterfenster 13 in
der Betrachterebene 14 verlaufen und auf die Pupille des
Auges auftreffen, so dass das Auge veranlasst wird auf die Raumpunkte
P1, P2 und P3 zu fokussieren. Da nur die perspektivische Ansicht
für das
Betrachterfenster 13 berechnet und dargestellt wird, reduziert
sich erheblich die zu verarbeitende Informationsmenge, wodurch eine
derartige erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch
für den
Normalverbraucher, beispielsweise im Medienbereich, realisierbar
ist.
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Damit
ein Betrachter binokular die erzeugten Raumpunkte bzw. das dargestellte
Bild beobachten kann, müssen
gemäß 3 zwei
virtuelle Betrachterfenster 13a und 13b, nämlich das
virtuelle Betrachterfenster 13a für das rechte Auge und das virtuelle
Betrachterfenster 13b für
das linke Auge des Betrachters, in der Betrachterebene 14 vorgesehen werden.
Auch hier sind, wie in 2, die Bildanzeigeeinrichtung 2,
die Blendenanordnung 10, das optische System 6 und
die Strahlrichtungseinrichtung 4, die auch als Gesamteinheit
betrachtet werden können,
nur sehr vereinfacht dargestellt, wobei auch hier wieder gleiche
Teile gemäß 1 auch
die gleichen Bezugszeichen aufweisen. 3 zeigt
dabei die Darstellung von zwei Raumpunkten P1 und P2 in unterschiedlicher
Tiefe für
zwei Augen eines Betrachters. Für
eine binokulare Tiefenwahrnehmung und somit eines dreidimensionalen
Bildes, das durch die Raumpunkte P1 und P2 bzw. weitere Raumpunkte dargestellt
wird, ist es erforderlich, dass von jedem Raumpunkt P1 und P2 wenigstens
vier Lichtstrahlenbündel
(auch hier wieder nur durch die Hauptstrahlen dargestellt) ausgehen.
Davon müssen
wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel
auf das virtuelle Betrachterfenster 13a und wenigstens
zwei Lichtstrahlenbündel auf
das virtuelle Betrachterfenster 13b gerichtet sein bzw.
auftreffen, so dass, wenn an den Orten der virtuellen Betrachterfenster 13a und 13b jeweils
die Pupillen der Augen des Betrachters vorliegen, die Lichtstrahlenbündel auf
die Augenpupillen auftreffen und der Betrachter dann das dreidimensionale
Bild beobachten kann. Um wenigstens vier Lichtstrahlenbündel zu
erzeugen, müssen
daher wenigstens vier Bildpixel 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 aufgeschaltet werden.
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Damit
der Betrachter auch nach Bewegung an eine andere Position das dreidimensionale
Bild bzw. die Raumpunkte P1 und P2 mit Tiefenwahrnehmung beobachten
kann, ist es notwendig, die virtuellen Betrachterfenster 13a und 13b nachzuführen, wie durch
die Doppelpfeile dargestellt. Um jedoch die neue Augenposition des
Betrachters ermitteln zu können,
ist ein Positionserfassungssystem 15 in der Vorrichtung 1 vorgesehen.
Die virtuellen Betrachterfenster 13a und 13b können dabei
in lateraler und/oder axialer Richtung durch entsprechende Ansteuerung
der Bildanzeigeeinrichtung 2 und der Strahlrichtungseinrichtung 4 mittels
der Steuereinheit 9 entsprechend der mit dem Positionserfassungssystem 15 ermittelten
neuen Augenposition nachgeführt werden.
Gleiches gilt selbstverständlich
für das
virtuelle Betrachterfenster 13 gemäß 2.
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Nach
der Nachführung
der beiden Betrachterfenster 13a und 13b sieht
der Betrachter beispielsweise die gleiche Ansicht der Raumpunkte
P1 und P2, wobei die Bildanzeigeeinrichtung 2 so programmiert
bzw. kodiert wurde, dass sich die Raumpunkte bzw. das dreidimensionale
Bild mitdrehen. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, die
Bildanzeigeeinrichtung 2 dabei derart umzukodieren, dass
der Betrachter nach einem Positionswechsel und somit der Nachführung der
Betrachterfenster 13a und 13b eine andere perspektivische
Ansicht der Raumpunkte P1 und P2 bzw. des dreidimensionalen Bildes
beobachten kann, wobei die Raumpunkte bzw. das dreidimensionale
Bild dabei feststeht (Rundumsicht). Das bedeutet, dass dem einzelnen
Betrachter oder mehreren Betrachtern bei einer Bewegung in lateraler
und/oder axialer Richtung vor der Vorrichtung 1 entweder
immer die gleiche perspektivische Ansicht oder unterschiedliche
Ansichten des dreidimensionalen Bildes dargeboten werden können. Bei
der Darstellung von unterschiedlichen Ansichten des dreidimensionalen
Bildes erhöht
sich jedoch der Aufwand, insbesondere der Aufwand hinsichtlich der
Umkodierung der Bildanzeigeeinrichtung 2. Um aber insbesondere
diesen Berechnungsaufwand gering zu halten, kann vorgesehen sein,
dass auf die Darstellung der vertikalen Perspektive des dreidimensionalen
Bildes verzichtet wird, wie bereits zu 1 beschrieben.
Die Raumpunkte P1 und P2 können
entweder gleichzeitig oder schnell nacheinander dargestellt werden,
je nachdem, ob von einem räumlichen
oder zeitlichen Multiplexing Gebrauch gemacht wird.
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Da
zur binokularen Darstellung eines Raumpunktes, z. B. des Raumpunktes
P1, wenigstens vier Bildpixel 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 aufzuschalten
sind, beträgt
das räumliche
Auflösungsvermögen der
Vorrichtung 1 bei einem räumlichen Multiplexing der für die beiden
virtuellen Betrachterfenster 13a und 13b bzw.
für die
beiden Betrachteraugen aufzuschaltenden Bildpixel 3 maximal
ein Viertel des Auflösungsvermögens der
Bildanzeigeeinrichtung 2. Es besteht aber auch die Möglichkeit,
die beiden virtuellen Betrachterfenster 13a und 13b bzw.
die beiden Augen des Betrachters nicht im räumlichen Multiplexing, sondern
im zeitlichen Multiplexing zu bedienen. In diesem Falle verringert
sich das räumliche
Auflösungsvermögen der
Vorrichtung 1 nur auf die Hälfte oder es ist gleich dem
Auflösungsvermögen der
Bildanzeigeeinrichtung 2, wenn die Darstellungsfrequenz auf
das Doppelte bzw. auf das Vierfache der ursprünglichen Frequenz der Bildanzeigeeinrichtung 2 erhöht wird.
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Selbstverständlich kann
die Vorrichtung 1 auch derart ausgeführt werden, dass mehrere Betrachter
die Raumpunkte P1 und P2 bzw. das dreidimensionale Bild von ihnen
zugeordneten Betrachterfenstern beobachten können. Ist dies der Fall, dann kann
es vorteilhaft sein, wenn dafür
ein gemischtes zeitlich-räumliches
Multiplexing vorgenommen wird. Beispielsweise können jeweils die beiden Augen
eines Betrachters mittels räumlichen
Multiplexings angesprochen werden, wobei die Betrachter untereinander über das
zeitliche Multiplexing bedient werden. Auch ist es möglich, beispielsweise
zwei Betrachter mittels räumlichen
Multiplexings zu bedienen, wobei die Bildinformationen in der Bildanzeigeeinrichtung 2 z.
B. spaltenweise verschachtelt sind. Dies ist jedoch bei Vorhandensein
von vielen Betrachtern nicht besonders vorteilhaft, da dann das
räumliche
Auflösungsvermögen der
Bildanzeigeeinrichtung 2 pro Betrachter gering ist. Es
kann auch nur ein zeitliches Multiplexing für mehrere Betrachter erfolgen.
Selbstverständlich
kann das Bedienen von mehreren Betrachtern auch durch noch andere
nicht beschriebene Vorgehensweisen des Multiplexing vorgenommen werden.
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Neben
der in den 1 bis 3 dargestellten
Vorgehensweise stellt die 4 eine weitere Möglichkeit
zur Rekonstruktion von Raumpunkten durch die Vorrichtung 100 dar.
Die Bildanzeigeeinrichtung 2, die Blendenanordnung 10 und
das optische System 6 sind jedoch hier nur in einem Teil
der Vorrichtung 100 dargestellt und können dabei in gleicher Weise
ausgeführt
sein, wie zu den 1 bis 3 beschrieben,
wobei deshalb auch die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden.
Andere Ausführungen
sind aber möglich.
Die Subpixel RGB eines Bildpixels 3 sind hier hintereinander
dargestellt, wobei dies jedoch nur zur Vereinfachung der Darstellung
eines Bildpixels 3 dienen soll. Die Subpixel eines Bildpixels 3 sind
allgemein, wie in 1 dargestellt, in der Bildanzeigeeinrichtung 2 nebeneinander
angeordnet. Die Rekonstruktion der Raumpunkte P1 und P2 gemäß 4 erfolgt
dabei in Anlehnung an die bei holographischen Rekonstruktionsverfahren
mittels computergenerierter Hologramme verwendete Kodierung der
Raumpunkte als Brennpunkte von Fresnel-Linsen. Dabei wird eine Fresnel-Linse 16 durch
eine Gruppe von mehreren nebeneinander angeordneten Strahlablenkmitteln 50,
hier vier Strahlablenkmittel, einer Strahlrichtungseinrichtung 40 gebildet.
Die Gruppe der Strahlablenkmittel 50 ist hierbei einer
Gruppe von Bildpixeln 3, hier entsprechend vier Bildpixel 3a bis 3d,
der Bildanzeigeeinrichtung 2 zugeordnet, wobei auch hier
jedem Bildpixel 3 ein Strahlablenkmittel 50 zugeordnet
ist. Die Strahlablenkmittel 50 können wiederum als Prismenelemente oder
Linsenelemente auf Basis des Electrowetting-Effekts ausgebildet
sein, wobei die Strahlablenkmittel 50 beim Auftreffen von
mehreren Lichtstrahlenbündeln
diese in unterschiedliche Richtungen lenken, so dass die Lichtstrahlenbündel sich
in einem Punkt schneiden bzw. kreuzen, wodurch ein Raumpunkt P1
im Rekonstruktionsraum erzeugt wird. Das bedeutet, zur Rekonstruktion
des Raumpunktes P1 werden die Bildpixel 3a bis 3d mittels
des Steuerungsmittels 7 der Steuereinheit 9 aufgeschaltet,
wobei die von den Bildpixeln 3a bis 3d ausgehenden Lichtstrahlenbündel mittels
des optischen Systems 6 kollimiert werden und auf die Fresnel-Linse 16 auftreffen.
Die vier Strahlablenkmittel 50 der Fresnel-Linse 16 weisen
hierbei jeweils unterschiedliche Strahlablenkeigenschaften bzw.
Ablenkverhalten (Ablenkwinkel) entsprechend dem Raumpunkt P1 auf,
die über
das Steuerungsmittel 8 eingestellt werden. Die so zur Rekonstruktion
des Punktes P1 ausgebildete Fresnel-Linse 16 fokussiert
nun das durch die Bildpixel 3a bis 3d modulierte
und durch vier Lichtstrahlenbündel
gekennzeichnete Licht auf einen Punkt im Rekonstruktionsraum, um
auf diese Weise den Raumpunkt P1 zu rekonstruieren. Die dabei von dem
Raumpunkt P1 ausgehenden vier Lichtstrahlenbündel müssen wiederum durch das Betrachterfenster 13 auf
die am Ort des Betrachterfensters 13 angeordnete Augenpupille
des Betrachters auftreffen, so dass dieser den Raumpunkt P1 beobachten
kann. Das Betrachterfenster 13 kann dabei, wie vorhergehend
zu 3 beschrieben, bei einem Positionswechsel des
Betrachters in lateraler und/oder axialer Richtung entsprechend
den dargestellten Pfeilen nachgeführt werden. Hierzu ermittelt
das Positionserfassungssystem 15 die Augenposition des
Betrachters am neuen Ort.
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Um
den Raumpunkt P2 zu rekonstruieren, wird eine Fresnel-Linse 17 mittels
der Strahlablenkmittel 50 gebildet. Das oben erwähnte zur
Rekonstruktion des Raumpunktes P1 und zur Ausbildung der Fresnel-Linse 16 kann
auch auf die Rekonstruktion des Raumpunktes P2 angewandt werden,
wobei die Fresnel-Linse 17 jedoch aus acht Strahlablenkmitteln 50 gebildet
wird. Zur Belichtung der Strahlablenkmittel 50 werden dazu
die Bildpixel 3h bis 3o der Bildanzeigeeinrichtung 2 aufgeschaltet.
Somit wird der Raumpunkt P2 durch acht sich kreuzende Lichtstrahlenbündel rekonstruiert.
Demnach werden in Abhängigkeit
vom Rekonstruktionsort der Raumpunkte P1 und P2 die Fresnel-Linsen 16 und 17 der
Strahlrichtungseinrichtung 40 in ihrer Größe unterschiedlich ausgebildet.
Da die einzelnen Lichtstrahlen der Lichtstrahlenbündel untereinander
inkohärent
sind, bleibt der inkohärente
Charakter der Rekonstruktion auch bei einer Rekonstruktion von Raumpunkten über Fresnel-Linsen
bestehen. Im Gegensatz zu holographischen Rekonstruktionsverfahren,
bei denen kohärentes
Licht zur Rekonstruktion verwendet wird, können die Lichtstrahlenbündel hier,
wie auch gemäß den 1 bis 3,
nicht interferieren, so dass die Rekonstruktion nicht durch kohärentes Rauschen (Speckling)
gestört
wird.
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Zur
weiteren Reduzierung der Berechnungs- und Darstellungskapazität ist es
auch im Falle der Erzeugung der Raumpunkte P1 und P2 durch die Fresnel-Linsen 16 und 17 möglich, diese
nur eindimensional zu kodieren bzw. zu programmieren, d. h. horizontal
oder vertikal. Das bedeutet, wird die Fresnel-Linse 16 oder 17 nur
horizontal in der Strahlrichtungseinrichtung 40 programmiert,
so nimmt sie nur einen Teil einer Zeile ein. Wird jedoch die Fresnel-Linse 16 oder 17 nur
vertikal programmiert, so nimmt sie nur einen Teil einer Spalte
ein, je nachdem welche eindimensionale Programmierung vorgenommen
wird. Die Größe der Fresnel-Linsen 16 und 17 hängt, wie
bereits oben erwähnt,
vom Abstand des zu rekonstruierenden Raumpunktes von der Strahlrichtungseinrichtung 40 ab.
Da durch die unterschiedlichen Größen der Fresnel-Linsen 16 und 17 auch
die Anzahl der aufzuschaltenden Bildpixel 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 unterschiedlich
ist, die zur Rekonstruktion der Raumpunkte P1 und P2 beitragen,
werden die Raumpunkte P1 und P2 in unterschiedlicher Tiefe im Rekonstruktionsraum
mit unterschiedlicher Helligkeit rekonstruiert. Um jedoch eine einheitliche Helligkeit
der Raumpunkte P1 und P2 zu gewährleisten,
kann die Helligkeit der Raumpunkte einzeln gesteuert und angepasst
werden, beispielsweise durch Regelung der Helligkeit der zu dem
jeweiligen Raumpunkt beitragenden Bildpixel 3 bzw. durch
Kodierung der Luminanz der entsprechenden Bildpixel 3.
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Selbstverständlich können auch
bei der Vorrichtung 100 mehrere Betrachter die Raumpunkte
P1 und P2 bzw. das dreidimensionale Bild durch eigene Betrachterfenster
beobachten, wobei auch hier immer die gleiche perspektivische Ansicht
oder unterschiedliche Ansichten der Raumpunkte P1 und P2 bzw. des
dreidimensionalen Bildes dargestellt werden können, wie zu der 3 beschrieben.
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Die
dargestellten Ausführungen
gemäß den 1 bis 4 beziehen
sich auf ein als Vorrichtung 1 bzw. 100 ausgebildetes
Direktsichtdisplay. Eine Realisierung von Projektionslösungen,
beispielsweise unter Verwendung von Mikrodisplays, ist aber bei
einer Verfügbarkeit
von steuerbaren Prismenelementen als Strahlablenkmittel 5 bzw. 50 mit
entsprechend feiner Rasterung ebenso möglich, wobei an entsprechende
Beleuchtungseinrichtungen mit hoher Intensität keine Forderungen hinsichtlich
der Kohärenz gestellt
werden müssen.
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Es
ist jedoch selbstverständlich,
dass weitere Ausführungsformen
der Vorrichtung 1, 100, wobei die 1 bis 4 nur
bevorzugte Ausführungsformen
darstellen, möglich
sind, wobei auch Kombinationen der Ausführungsformen untereinander
denkbar sind. Abwandlungen der gezeigten Ausführungsformen sind daher möglich, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Allen möglichen Ausführungsformen
ist jedoch gemeinsam, dass sie eine wesentlich geringere Darstellungs-
und Verarbeitungskapazität
gegenüber
dem Stand der Technik benötigen.
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Mögliche Einsatzgebiete
der Vorrichtung 1, 100 zur Darstellung von dreidimensionalen
Bildern liegen insbesondere im Privat- und Arbeitsbereich, wie beispielsweise
Fernsehen, elektronische Spiele, Automobilindustrie zur Anzeige
von Informationen oder der Unterhaltung, Medizintechnik. Selbstverständlich kann
die vorliegende Vorrichtung 1, 100 auch in anderen,
hier nicht genannten Bereichen eingesetzt werden.