DE4004739A1 - Optical system for stereoscopic information display - uses left and right hand light sources activated in alternation for illuminating display - Google Patents
Optical system for stereoscopic information display - uses left and right hand light sources activated in alternation for illuminating displayInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches System zur stereoskopischen Darstellung von Informationen mit einem optischen Element mit Linsenfunktion, einer Lichtquelle und mit einem zumindest teilweise transparenten flächenförmigen Informationsträger.The invention relates to an optical system for stereoscopic Representation of information with an optical element Lens function, a light source and with at least one partially transparent flat information carriers.
Optische Systeme zur Darstellung von Informationen und auch zur stereoskopischen Darstellung von Informationen, die ein akkommo dationsfreies Betrachten insbesondere für Piloten in der Luft- und Raumfahrt und Fahrzeugführer gestatten, sind in unterschied lichen Ausführungsformen bekannt. Ein Nachteil bekannter Systeme besteht jedoch darin, daß diese einen großen und insbesondere auch langen Bauraum benötigen, der in Fahrzeugen und Flugkörpern in den meisten Fällen nicht vorhanden ist.Optical systems for displaying information and also for stereoscopic representation of information that an acommo dation-free viewing especially for pilots in the air and allow space travel and vehicle drivers to differ Lichen embodiments known. A disadvantage of known systems however, is that this is a large and particular also require long installation space in vehicles and missiles is absent in most cases.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein optisches System der eingangs angegebenen Art zu schaffen, das sich insbesondere mit geringer Längsausdehnung auf kleinem Bauraum verwirklichen läßt.The object of the invention is therefore an optical system to create the type specified, in particular with low longitudinal expansion can be realized in a small space.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem optischen System der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, daß auf der dem Betrachter gegenüberliegenden Seite des optischen Elementes zwei Lichtquellen angeordnet sind und sich der Informationsträger im Bereich der Aperturblende des optischen Elements befindet, daß beide Lichtquellen so angeordnet sind, daß die eine ein ebenes Halbbild für das linke und die andere ein ebenes Halbbild für das rechte Auge erzeugt, wobei beide Halbbilder ein Stereobild ergeben, und daß die Lichtquellen mit einer Frequenz abwechselnd aus- und eingeschaltet werden, die für den Betrachter ein flackerfreies Bild erzeugen, und daß im Takt der Umschaltung der Lichtquellen wechselnd auf dem Informationsträger Halbbilder mit Informationen für das linke und das rechte Auge erzeugt werden.According to the invention, this object is achieved with an optical system of the generic type solved in that on the Viewer opposite side of the optical element two Light sources are arranged and the information carrier in the Area of the aperture of the optical element is that Both light sources are arranged so that one is flat Field for the left and the other a flat field for the right eye creates, with both fields a stereo image result, and that the light sources alternate with a frequency be turned on and off for the viewer generate flicker-free image, and that in time with the switching of the Light sources alternate with fields on the information carrier Information for the left and right eye is generated.
Durch das erfindungsgemäße optische System läßt sich in einfacher Weise auf sehr geringem Bauraum, der grundsätzlich nicht tiefer zu sein braucht als 3 cm, eine stereoskopische Darstellung von Informationen erreichen. Die stroboskopisch im Takt der Bildwechelfrequenz geschalteten Lichtquellen beaufschlagen einmal das linke und zum anderen das rechte Auge, wobei die Bildwechselfrequenz nicht unter 18 Hertz liegen sollte, um ein Flackern des Bildes zu vermeiden. Die zusammen ein Stereobild ergebenden Halbbilder werden im Takt der Bildwechselfrequenz auf dem Informationsträger erzeugt, so daß das linke und das rechte Auge jeweils das diesem zugeordnete Halbbild sieht.The optical system according to the invention can be used in simple way in a very small space, which is basically need not be deeper than 3 cm, a stereoscopic Achieve information presentation. The stroboscopic in Clock of the frame rate switched light sources affect the left eye and the right eye the frame rate is not less than 18 Hertz should to avoid flickering of the picture. The together fields resulting in a stereo image are in time with the Frame rate generated on the information carrier, so that the left and the right eye each assigned to it Field sees.
Befindet sich der Informationsträger in der Aperturblende des optischen Elements, erfährt dieser keine Vergrößerung. Ist jedoch eine Vergrößerung erwünscht, kann der Informationsträger mit der wechselnden Bildinformation für das linke und das rechte Auge im entsprechenden Abstand von der Aperturblende angeordnet sein.The information carrier is located in the aperture diaphragm of the optical element, this is not enlarged. Is however, the information carrier can be enlarged with the changing image information for the left and the right Eye arranged at the appropriate distance from the aperture diaphragm be.
Um dem Betrachter ein großes Bild zu bieten, ist nach einer erfinderischen Weiterbildung vorgesehen, daß mehrere optische Elemente mit jweils zwei Lichtquellen und Informationsträgern in Zeilen und Spalten ein Feld bilden, wobei jedes Bildelement dieser Bildmatrix in der beschriebenen Weise stoboskopisch beleuchtet wird und im Takt der Umschaltung der Lichtquellen Halbbilder für das linke und rechte Auge generiert werden. Jedes Bildelement des Feldes wird mit der Umschaltfrequenz der Lichtquellen abwechselnd von dem linken und rechten Auge betrachtet.In order to offer the viewer a large picture, is after one inventive development provided that several optical Elements with two light sources and information carriers in each Rows and columns form a field, with each picture element this image matrix in the manner described stoboscopically is illuminated and in time with the switching of the light sources Fields for the left and right eye are generated. Each Picture element of the field is with the switching frequency of Light sources alternate from the left and right eyes considered.
Die optischen Elemente können einfache Linsen oder aber auch Hologramme mit Linsenfunktion sein.The optical elements can be simple lenses or else Be holograms with lens function.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Informationsträger aus Flüssigkristallanzeigen (LCD). Die Informationen können auf den Flüssigkristallanzeigen in beliebiger Weise mit der erforderlichen Wechselfrequenz erzeugt werden. Zweckmäßigerweise wird zur Erzeugung der gewünschten Darstellungsmuster ein Computer verwendet.According to a particularly advantageous embodiment of the invention the information carriers consist of liquid crystal displays (LCD). The information can be found on the liquid crystal displays in any way with the required alternating frequency be generated. It is expedient to generate the a computer uses the desired display pattern.
Entsprechend dem Augenabstand des Betrachters (der mittlere Augenabstand beträgt 6,5 cm) ist das Gesichtsfeld zum stereoskopischen Sehen beschränkt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die Lichtquellen in horizontaler Richtung verbreitert oder aber mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, die jeweils dem linken und dem rechten Auge zugeordnet sind. Die Verbreiterung der Lichtquelle führt dazu, daß bei einem seitlichen Bewegen des Kopfes des Betrachters dieser das Bild nicht so schnell verliert. Natürlich kann es geschehen, daß er mit beiden Augen nur ein Halbbild sieht. Aufgrund der Trägheit der Augen und eines gewissen Memory-Effektes bleibt jedoch der Eindruck eines Stereobildes erhalten, der wieder aufgefrischt wird, wenn der Betrachter zwischendurch das andere Halbbild mit dem richtigen Auge erfaßt. According to the eye relief of the viewer (the middle one Eye relief is 6.5 cm) is the field of view limited stereoscopic vision. In a further embodiment of the Invention is therefore provided that the light sources in horizontal direction widened or multiple light sources are provided, the left and right eye, respectively assigned. The broadening of the light source leads to that when the viewer's head is moved sideways this does not lose the picture so quickly. Of course it can happen that he sees only one field with both eyes. Because of the sluggishness of the eyes and some However, the memory effect remains the impression of a stereo image get that is refreshed when the viewer in between the other field with the right eye.
Sind mehrere Lichtquellen vorgesehen, können die Halbbilder derart nebeneinander angeordnet werden, daß der Betrachter bei einem Bewegen des Kopfes zusammengehörende Paare von Halbbildern erfaßt.If several light sources are provided, the fields can can be arranged side by side so that the viewer at pairs of fields associated with moving the head detected.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß wahlweise auch nur ein Bild generiert und dieses von beiden Lichtquellen gleichzeitig oder von einer einzigen Zusatzlicht quelle ausgeleuchtet wird. Diese Art ermöglicht ein zweidimen sionales statt eines 3D-Sehens. Erfolgt eine 2D-Darstellung, kann auch auf die stroboskopische Ausleuchtung des Bildes verzichtet werden.According to a particularly advantageous embodiment, that optionally only one image is generated and this by both Light sources simultaneously or from a single additional light source is illuminated. This type enables a two-dim sionales instead of 3D vision. If there is a 2D representation, can also on the stroboscopic illumination of the image to be dispensed with.
Das erfindungsgemäße optische System ermöglicht es somit, drei dimensional Szenen zu generieren, die ohne weitere Hilfsmittel mit dem bloßen Auge betrachtet werden können. So ist es beispielsweise möglich, Röntgenbilder auf der Flüssigkristall anzeige darzustellen und räumlich zu betrachten. Dazu können die Röntgenbilder beispielsweise über einen Computer so umgesetzt werden, daß sich diese auf der Flüssigkristallanzeige als von jedem Auge erfaßbare Halbbilder darstellen lassen, die ein Stereobild ergeben.The optical system according to the invention thus enables three to generate dimensional scenes without additional tools can be seen with the naked eye. That's the way it is for example possible x-rays on the liquid crystal display and consider spatially. You can do that X-ray images implemented in this way, for example, using a computer be that these on the liquid crystal display as of each eye can be shown detectable fields, the one Stereo image result.
Das erfindungsgemäße optische System läßt sich nicht nur für Piloten und Kraftfahrer verwenden, sondern auch für Simulatoren.The optical system according to the invention can not only be used for Pilots and drivers use, but also for simulators.
Es ist möglich, die Bilder durch Infrarotkameras aufzunehmen und dann über Rechner so aufzubereiten, daß sie in dem optischen System ein stereoskopisches Bild in Echtzeit-Darstellung ergeben. Dies ermöglicht beispielsweise eine Orientierung bei dichtem Nebel. It is possible to take the pictures by infrared cameras and then prepare on computer so that they are in the optical System displays a stereoscopic image in real time surrender. This enables orientation, for example thick fog.
Als rechnergenerierte Bilder können auch durch Videokameras aufgenommene Bilder dienen.Computer generated images can also be generated by video cameras serve captured images.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur das erfindungsgemäße optische System schematisch dargestellt ist.An embodiment of the invention is described below the drawing explained in more detail in the only figure optical system according to the invention is shown schematically.
In einer feldförmigen Matrix 1 sind in Zeilen und Spalten etwa rechteckige Hologramme 2 mit Linsenfunktion angeordnet, die die optischen Elemente bilden. Jedem einzelnen optischen Element 2 ist eine Flüssigkristallanzeige 3 zugeordnet, wobei die einzelnen Flüssigkristallanzeigen 3 in einer parallelen Ebene zu den optischen Elementen 2 angeordnet sind. Jedem einzelnen optischem Element und der zugehörigen Flüssigkristallanzeige etwa gleicher Form sind zwei Lichtquellen 4, 5 zugeordnet, von denen die Lichtquelle 4 das Gesichtsfeld 6 für das rechte Auge und die Lichtquelle 5 das Gesichtsfeld 7 für das linke Auge beaufschlagt.Rectangular holograms 2 with a lens function, which form the optical elements, are arranged in rows and columns in a field-shaped matrix 1 . A liquid crystal display 3 is assigned to each individual optical element 2 , the individual liquid crystal displays 3 being arranged in a plane parallel to the optical elements 2 . Each individual optical element and the associated liquid crystal display of approximately the same shape are assigned two light sources 4 , 5 , of which the light source 4 acts on the visual field 6 for the right eye and the light source 5 affects the visual field 7 for the left eye.
Auf den Flüssigkristallanzeigen werden einzelne Bildteile in der Weise generiert, daß das gesamte Feld der optischen Elemente und Flüssigkristallanzeigen zusammengesetzte Halbbilder für das linke und rechte Auge ergeben. Auf den Flüssigkristallanzeigen 3 werden über einen Computer 9 die darzustellenden Halbbilder erzeugt.Individual image parts are generated on the liquid crystal displays in such a way that the entire field of optical elements and liquid crystal displays result in composite fields for the left and right eyes. The fields to be displayed are generated on the liquid crystal displays 3 by a computer 9 .
Werden die Lichtquellen 4, 5 in horizontaler Richtung verbreitert, lassen sich die Gesichtsfelder für die linken und rechten Augen in den gestrichelten Bereich 6′ und 7′ verbreitern.If the light sources 4 , 5 are broadened in the horizontal direction, the visual fields for the left and right eyes can be broadened into the dashed area 6 'and 7 '.
Die Lichtquellen 4, 5, von denen nur zwei für das linke obere Element des Matrixfeldes dargestellt sind, werden stroboskopisch in der Weise im Wechsel aus- und eingeschaltet, daß abwechselnd das linke und das rechte Auge beaufschlagt wird, wobei im gleichen Takt Halbbilder für das linke und rechte Auge erzeugt werden. Die Umschalt- und Bildwechselfrequenz beträgt dabei mindestens 18 Hertz, um ein wahrnehmbares Flackern zu vermeiden. Bei den Lichtquellen kann es sich um Leuchtdioden oder Blitzlampen handeln.The light sources 4 , 5 , of which only two are shown for the upper left element of the matrix field, are switched on and off stroboscopically in such a way that the left and right eyes are acted upon alternately, with fields for the left and right eye are generated. The switching and frame rate is at least 18 Hertz to avoid a noticeable flicker. The light sources can be light-emitting diodes or flash lamps.
Die Flüssigkristallanzeigen 4 vermögen ebenfalls mit der erforderlichen Bildwechselfrequenz die gewünschten Halbbilder zu erzeugen.The liquid crystal displays 4 are also capable of producing the desired fields at the required frame rate.
Die Ausleuchtung der Flüssigkristallanzeigen geschieht über konventionelle oder holographische optische Elemente (beispielsweise holographische Mattscheibe oder Linsenraster) in der Weise, daß die Informationen in den beiden Austrittsluken abgebildet werden. Dabei sind die Lichtquellen so angeordnet, daß jeweils ein Aspekt von einer Lichtquelle oder von einer Anordnung mehrerer Lichtquellen und der andere Aspekt von der anderen Lichtquelle ausgeleuchtet wird. Dadurch entsteht, wie beschrieben, für den Betrachter ein räumliches Bild.The liquid crystal displays are illuminated via conventional or holographic optical elements (e.g. holographic focusing screen or lenticular grid) in the way that the information in the two exit hatches be mapped. The light sources are arranged so that one aspect each from a light source or from one Arrangement of multiple light sources and the other aspect of the other light source is illuminated. This creates how described, a spatial image for the viewer.
Es ist auch möglich, die zu betrachtenden Bilder durch Spiegelung von einem Monitor zu generieren.It is also possible to look through the images Generate reflection from a monitor.
Durch geeignete Anordnung mehrerer Lichtquellen, die zu den einzelnen gitterartig oder matrixförmig angeordneten Abbildungs elementen passen, läßt sich eine extrem geringe Bautiefe erreichen.By suitably arranging several light sources to the individual images arranged in a grid or matrix elements, there is an extremely low overall depth to reach.
Die erreichbare Einbautiefe ist abhängig von dem Öffnungswinkel der optischen Elemente. Je größer dieser Winkel gemacht werden kann, desto geringer ist die Einbautiefe. Durch die beschriebene Zerlegung der Objektebene in viele kleinere Flächen, die in ihrer Zusammensetzung ein Feld ergeben, kann die Einbautiefe extrem gering gehalten werden.The installation depth that can be achieved depends on the opening angle of the optical elements. The larger this angle can be made the lower the installation depth. By the described Decomposition of the object level into many smaller areas, which in their composition can result in a field, the installation depth be kept extremely low.
Claims (7)
daß auf der dem Betrachter gegenüberliegenden Seite des optischen Elementes zwei Lichtquellen angeordnet sind und sich der Informationsträger im Bereich der Aperturblende des optischen Elementes befindet,
daß beide Lichtquellen so angeordnet sind, daß die eine ein ebenes Halbbild für das linke und die andere ein ebenes Halbbild für das rechte Auge erzeugt, wobei beide Halbbilder ein Stereobild ergeben,
daß die Lichtquellen mit einer Frequenz abwechselnd aus- und eingeschaltet werden, die für den Betrachter ein flacker freies Bild erzeugen, und daß im Takt der Umschaltung der Lichtquellen im Wechsel auf dem Informationsträger Halbbilder mit Informationen für das linke und das rechte Auge erzeugt werden.1. Optical system for the stereoscopic display of information with an optical element with lens function, a light source and with an at least partially transparent flat information carrier, characterized in that
that two light sources are arranged on the side of the optical element opposite the viewer and the information carrier is located in the area of the aperture diaphragm of the optical element,
that both light sources are arranged so that one produces a flat field for the left eye and the other produces a flat field for the right eye, both fields producing a stereo image,
that the light sources are switched on and off alternately at a frequency which produces a flicker-free image for the viewer, and that, in time with the switching of the light sources, fields with information for the left and right eyes are alternately generated on the information carrier.
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