DE69331114T2

DE69331114T2 - Autostereoskopische Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69331114T2
Application number: DE69331114T
Authority: DE
Inventors: David Ezra; Basil Arthur Omar; Graham John Woodgate
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1992-12-17
Filing date: 1993-12-14
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2013-12-15
Also published as: US5726800A; EP0602934B1; DE69323846T2; DE69331114D1; EP0764869A2; EP0602934A2; JP3151347B2; JPH06258597A; DE69323846D1; EP0764869A3; EP0764869B1; EP0602934A3

Description

Die Erfindung betrifft eine autostereoskopische Anzeigevorrichtung, die Richtungsinformation anzeigt. Derartige Vorrichtungen können dazu verwendet werden, räumliche und/oder zeitliche Information in Richtungsinformation umzusetzen, um z.B. eine autostereoskopische dreidimensionale Anzeige zu liefern.
Bekannte 3D(Dreidimensional)-Anzeigevorrichtungen, die Bilder sich bewegender undurchsichtiger Objekte erzeugen können, stützen sich auf die Erzeugung der Wahrnehmung eines 3D-Bilds bei einem menschlichen Beobachter durch Anzeigen einer Anzahl von 2D(Zweidimensional)-Bildern. Jedes der 2D-Bilder ist eine Ansicht des Objekts aus einer speziellen Richtung, die in dieser Richtung "wiedergegeben" wird. Die Genauigkeit und die Wirksamkeit dieser 3D-Bilder sowie die maximale Anzeigegröße und der Freiheitsgrad hinsichtlich des Betrachterorts nehmen zu, wenn die Anzahl angezeigter 2D-Ansichten erhöht wird.
Zwei bekannte Techniken zum Erzeugen von 3D-Anzeigen verwenden Rasterlinsenverfahren und Zeitmultiplex- oder zeitsequenzielle Verfahren. Für effektiven Betrieb müssen derartige Systeme eine große Anzahl von 2D-Ansichten eines Objekts anzeigen. Bei Rasterlinsensystemen zur Direktbetrachtung wird die Maximalanzahl von Ansichten durch die Auflösung eines im System verwendeten Raumlichtmodulators (SLM = spatial light modulator) bestimmt, wohingegen in Systemen mit mehreren Projektoren die Maximalanzahl von Ansichten durch die Anzahl verwendeter gesonderter SLMs bestimmt Wird. Bei Zeitmultiplexsystemen bestimmt die Vollbildrate des SLM die Maximalanzahl von Ansichten.
Bei bekannten Anordnungen sind die maximalen Vollbildraten praxisgerechter verfügbarer SLMs, zum Anzeigen einer großen Anzahl von Ansichten, für im Zeitmultiplex betriebene Anzeigen unzureichend, und die Maximalauflösung bei aktuell verfügbaren SLMs ist für Rasterlinsenverfahren zur Direktbetrachtung unzureichend. Rasterlinsenverfahren mit mehreren Projektoren mit einer großen Anzahl von SLMs sind teuer und voluminös. So sind bekannte 3D- Anzeigesyssteme ungeeignet oder unzweckdienlich zum genauen Erzeugen eines sich bewegenden elektronischen, undurchsichtigen, farbigen, autostereoskopischen 3D-Bilds aus einem Bereich von Perspektiven.
GB 2 267 579 und EP 0 570 179 offenbaren im Zeit- und Raummultiplex betriebene Systeme sowie ein System, das räumliche und zeitliche Multiplexvorgänge kombiniert, um eine 3D-Anzeige mit einer größeren Anzahl von Ansichten zu liefern. Jedoch begrenzen die maximale Auflösung und die maximale Vollbildrate aktuell verfügbarer SLMs die Anzahl anzeigbarer Ansichten.
Eine bekannte 3D-Anzeigetechnik verwendet einen Strahlkombinierer und Polarisationstechniken zum Erzeugen eines 3D-Bilds, das auf zwei Ansichten begrenzt ist. Jedoch ist diese Technik nicht autostereoskopisch sondern stereoskop, d.h. dass der Betrachter eine Polarisationsbrille tragen muss, um den 3D-Effekt zu erkennen.
GB 2 185 825A offenbart eine autostereoskopische Anzeigevorrichtung, bei der 2D-Ansichten durch einen konkaven Kugelspiegel in den Augen eines Betrachters abgebildet werden.
GB 2 066 503A offenbart ein Bildprojektionssystem, das dadurch als autostereoskopische Anzeigevorrichtung verwendet werden kann, dass 2D-Ansichten auf einem Rasterlinsenschirm projiziert werden. Bilder der 2D-Ansichten werden auf den Schirmen von Kathodenstrahlröhren erzeugt und durch Projektionslinsen projiziert. Die projizierten Bilder werden durch einen Strahlteiler und eine Spiegel kombiniert und auf dem Rasterlinsenschirm abgebildet, der für Parallaxe sorgt, so dass die verschiedenen Augen eines Betrachters verschiedene 2D-Bilder sehen.
GB 2 206 763A offenbart eine 3D-Anzeigevorrichtung, bei der 2D-Bilder aufeinanderfolgend einem SLM zugeführt werden. Eine gesteuerte Lichtquelle hinter dem SLM sorgt dafür, dass jedes der 2D-Bilder aus einer jeweiligen Richtung erkennbar ist, die der Richtung entspricht, aus der das 2D-Bild aufgenommen wurde.
GB 1 346 915 offenbart eine Anzeigevorrichtung mit Richtungsinformation, bei der Arrays von Kugellinsen dazu verwendet werden, die Betrachtung räumlich gemultiplexter Bilder in jeweiligen Richtungen zu ermöglichen. Unter Verwendung geeigneter fotografierter 2D-Bilder und durch Verschachteln von Elementen der Ansichten unter den Linsen ist es möglich, eine autostereoskopische Anzeigevorrichtung zu erzielen.
GB 1 121 097 offenbart ein 3D-Bild, das durch Techniken ähnlich denen, wie sie in GB 1 346 915 offenbart sind, erzeugt wird, wobei jedoch konkave Reflektoren anstelle der Kugellinsen verwendet werden. EP 0 262 955A offenbart eine autostereoskopische Anzeige, bei der Bilder durch steuerbare Lichtquellen erzeugt werden, die z.B. in Form eines Flüssigkristalldisplays (LCD) vorliegen. Auf dem LCD ist ein Rasterlinsenschirm angeordnet, um für Parallaxe zu sorgen, damit von den jeweiligen Augen eines Betrachters zwei 2D-Bilder erkannt werden.
WO 79/00308 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen eines 3D-Bilds, bei der mehrere Kathodenstrahlröhrenschnitte einer Szene mit verschiedenen Tiefen anzeigen. Ein Satz von Strahlteilern und Linsen ist so angeordnet, dass die 2D-Bilder dieser Schnitte an verschiedenen Positionen entlang einer gemeinsam optischen Achse angeordnet werden, um ein 3D-Bild zu repräsentieren.
US 4 623 223 offenbart eine autostereoskopische Anzeige, bei der zwei 2D- Ansichten durch Planspiegel auf einen konkaven Kugelspiegel reflektiert werden. Der konkave Spiegel erzeugt reelle Bilder der 2D-Ansichten, die vom jeweiligen Auge eines Betrachters erkennbar sind.
Gemäß der Erfindung ist eine autostereoskopische Anzeigevorrichtung geschaffen, wie sie im beigefügten Anspruch 1 definiert ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den anderen beigefügten Ansprüchen definiert.
Eine derartige Vorrichtung kann als 3D-Anzeigevorrichtung zum Erzeugen einer relativ großen Anzahl von 2D-Ansichten verwendet werden. Alternativ kann eine derartige Vorrichtung bei anderen. Anwendungen verwendet werden, z.B. dazu, ein Hinweisschild zu erzeugen, das bei Betrachtung aus verschiedenen Richtungen verschiedene Information anzeigt.
So ist es möglich, optische Vorrichtungen zu schaffen, die bei Anzeigesystemen für Direktbetrachtung verwendet werden können und eine große Anzahl von Anzeigen kombinieren. Es ist auch möglich, einen größeren Bereich von Betrachtungspositionen und eine größere Anzahl gesonderter Betrachter zu ermöglichen. Es sind keine Sehhilfen dazu erforderlich, den 3D-Effekt zu erkennen, d.h., die Anzeige ist autostereoskopisch. Ferner können bekannte Bildaufnahmetechniken verwendet werden, so dass farbige, bewegte und undurchsichtige Bilder angezeigt werden können.
Die Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die befügten. Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht einer 3D-Anzeigevorrichtung unter Verwendung von Zeitmultiplexbetrieb, die eine erste Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 2 und 3 sind schematische Draufsichten zum Veranschaulichen des Betriebs der Anzeigevorrichtung der Fig. 1;
Fig. 4 ist eine schematische Draufsicht einer 3D-Anzeigevorrichtung unter Verwendung von Raummultiplexbetrieb, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 5 und 6 sind schematische Draufsichten zum Veranschaulichen des Betriebs der Anzeigevorrichtung der Fig. 4;
Fig. 7 und 8 sind schematische Draufsichten von 3D-Anzeigevorrichtungen unter Verwendung von Zeit- und Raummultiplexbetrieb, die eine dritte bzw. vierte Ausführungsform der Erfindung bilden;
Fig. 9 und 10 sind schematische Draufsichten von 3D-Anzeigevorrichtungen, die eine fünfte bzw. sechste Ausführungsform der Erfindung bilden;
Fig. 11 ist eine schematische Draufsicht einer 3D-Anzeigevorrichtung unter Verwendung einer Einzelbeleuchtungsanordnung, die eine siebte Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 12 ist eine schematische Draufsicht einer Anzeigevorrichtung vom in der Fig. 11 dargestellten Typ, die so modifiziert ist, dass sie eine achte Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 13 ist eine schematische Draufsicht einer 3D-Anzeigevorrichtung unter Verwendung geknickter Lichtpfade, die eine neunte Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 14 ist eine schematische Draufsicht einer 3D-Anzeigevorrichtung mit einem kompakten Beleuchtungssystem, die eine zehnte Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 15a bis 15c veranschaulichen den Betrieb der Anzeigevorrichtung der Fig. 14;
Fig. 16 veranschaulicht das Aussehen verkippter Betrachtungsfenster, wie von der Anzeigevorrichtung der Fig. 11 erzeugt;
Fig. 17 ist eine schematische Draufsicht einer 3D-Anzeigevorrichtung unter Verwendung einer Einzelbeleuchtungsanordnung, die eine elfte Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 18 veranschaulicht das Aussehen von Betrachtungsfenstern, wie durch die Anzeigevorrichtung der Fig. 17 erzeugt;
Fig. 19 ist eine schematische Draufsicht einer 3D-Anzeigevorrichtung unter Verwendung von Autokollimationsschirmen, die eine zwölfte Ausführungsform der Erfindung bildet;
Fig. 20 ist eine schematische Draufsicht einer 3D-Anzeigevorrichtung unter Verwendung von Winkelverstärkungsschirmen, die eine dreizehnte Ausführungsform der Erfindung bildet; und
Figur. 21 ist eine schematische Seitenansicht einer 3D-Anzeigevorrichtung, die eine vierzehnte Ausführungsform der Erfindung bildet.
Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Zeichnungen dieselben Teile.
Die in der Fig. 1 dargestellte 3D-Anzeigevorrichtung verfügt über eine erste autostereoskopische Anzeigeanordnung mit mehreren Lichtquellen 1 und einer Steuerschaltung 2 zum sequenziellen Aktivieren der Lichtquellen 1. Es sind vier Lichtquellen 1 dargestellt, die in Querrichtung mit einer Schrittweite voneinander beabstandet sind, die im Wesentlichen der Querbreite jeder der Lichtquellen 1 entspricht. Ein in der Zeichnung dargestelltes optisches System in Form einer Linse 3 ist zwischen den Lichtquellen 1 und einem Raumlichtmodulator (SLM) 4 angeordnet. Alternativ kann der SLM 4 zwischen den Lichtquellen 1 und der Linse 3 und benachbart zur letzteren angeordnet sein.
Der SLM 4 kann über ein Flüssigkristall-Bauteil verfügen, und er ist so ausgebildet, dass er aufeinanderfolgend mehrere 2D-Ansichten anzeigt, wobei jede Ansicht durch eine jeweilige der Lichtquellen 1 beleuchtet wird. So sind 2D-Ansichten aus verschiedenen Winkeln, entsprechend denjenigen Winkeln erkennbar, unter denen die Ansichten während der Bildaufnahme aufgezeichnet würden.
Die Anzeigevorrichtung verfügt ferner über eine zweite autostereoskopische Anzeigeanordnung mit mehreren Lichtquellen 5, einer Steuerschaltung 6, einer Linse 7 und einem SLM 8, die im Wesentlichen mit den Lichtquellen 1, der Steuerschaltung 2, der Linse 3 bzw. dem SLM 4 identisch sind.
Dia Ansichten von den zwei im Zeitmultiplex betriebenen Anzeigeanordnungen werden durch ein optisches Kombiniersystem kombiniert, das in der Zeichnung als Strahlteiler 9 dargestellt ist. Die durch den SLM 4 wiedergegebenen Ansichten werden durch den Strahlteiler 9 zu einem Betrachter 10 hindurchgestrahlt, wohingegen die Ansichten vom SLM 8 durch den Strahlteiler 9 zum Betrachter 10 reflektiert werden. Die Fig. 2 veranschaulicht die Richtungen, in denen die Ansichten von den zwei im Zeitmultiplex betriebenen Anzeigeanordnungen zum Strahlteiler 9 projiziert werden. Die Fig. 3 zeigt die scheinbaren Lichtquellenpositionen und die Richtungswirkung, wie sie vom Betrachter 10 über den Strahlteiler 9 wahrgenommen wird. Jede 3D-Bildkomponente füllt, einen definierten Bereich von Bildausgabewinkeln mit den Komponenten von den zwei Anzeigeanordnungen, die so miteinander verschachtelt werden, dass sich von der Anzeigevorrichtung in Querrichtung kontinuierlich aufgeweitetes es Licht ausbreitet. So wird von einem geeignet positionierten Betrachter 10 eine Rekonstruktion des 3D-Bilds über einen kontinuierlichen Winkelbereich wahrgenommen.
Die durch den SLM 8 reproduzierten 3D-Bilder werden durch den Strahlteiler 9 in Querrichtung invertiert. Eine Kompensation hierfür kann dadurch geschaffen werden, dass die 3D-Ansichten im SLM 8 in Querrichtung invertiert werden.
Der Strahlteiler 9 kann ein beliebiges Bauteil oder System enthalten, das dazu in der Lage ist, die optische Kombinierfunktion auszuüben. Z.B. kann der Strahlteiler 9 einen teilversilberten Spiegel enthalten. Alternativ können, um die durch die Metallbeschichtungen hervorgerufene Absorption des einfallenden Lichts zu verringern, vollständig dielektrische, nicht polarisierende Beschichtungen verwendet werden. Jedoch sind derartige Beschichtungen im Allgemeinen für spezielle Wellenlängen konzipiert, so dass sie von begrenzter Anwendbarkeit sein können. Eine Metall-Dielektrikum-Hybridbeschichtung kombiniert die Vorzüge von Metallen und Dielektrika zum Erzeugen eines Strahlteilers mit mäßiger Absorption geringer Polarisationsempfindlichkeit und guter, breitbandiger, spektraler Flachheit.
Die Fig. 4 zeigt eine Anzeigevorrichtung, die zwei im Raummultiplex betriebene Anzeigeanordnungen anstelle der im Zeitmultiplex betriebenen Anzeigeanordnungen der Fig. 1 aufweist. Die SLMs 4 und 8, der Strahlteiler 9 und der Betrachter 10 entsprechen denen, wie sie in der Fig. 1 dargestellt sind. Jedoch wird der SLM 4 durch eine diffuse Lichtquelle 11 beleuchtet, und das den SLM 4 verlassende modulierte Licht durchläuft einen Rasterlinsenschirm 12 mit einer Vielzahl planzylindrischer Konvergenz-Rasterlinsen, die mit regelmäßiger Schrittweite in der Querrichtung angeordnet sind. In ähnlicher Weise sind eine diffuse Lichtquelle 13 und ein Rasterlinsenschirm 14 für den SLM 8 vorhanden.
Jeder der SLMs 4 und 8 erzeugt gleichzeitig mehrere verschachtelte 2D-Ansichten aus sehr dünnen vertikalen Bildelementen. Mehrere derartige Bildelemente aus verschiedenen Ansichten werden hinter jeder der Rasterlinsen der Schirme 12 und 14 angezeigt, wie es in der Fig. 5 veranschaulicht ist. Diese Absichten werden durch den Strahlteiler 9 kombiniert, um eine scheinbare Bildelementposition und -ausrichtung zu ergeben, wie es in der Fig. 6 veranschaulicht ist. So wird, wie bei der Ausführungsform der Fig. 1, das rekonstruierte 3D-Bild von einem geeignet positionierten Betrachter über einen kontinuierlichen Winkelbereich wahrgenommen.
Um die Anzahl verfügbarer Ansichten zu erhöhen, können die Techniken des räumlichen und des zeitlichen Multiplexbetriebs kombiniert werden, wie es bei der Anzeigevorrichtung der Fig. 7 veranschaulicht ist. Die Lichtquellen 1 und 5, die Steuerschaltungen 2 und 6, die Linsen 3 und 7 sowie der Strahlteiler 9 sind dieselben, wie sie in der Fig. 1 dargestellt sind. Jedoch sind die SLMs 4 und 8 der Fig. 1 durch Hybrid-Sandwichanordnungen 20 und 21 vom Typ ersetzt, wie er in GB 2 267 579 und EP 0 570 179 offenbart ist. Z.B. verfügt jede der Hybridsandwichanordnungen über einen Rasterlinsenschirm mit einer ersten Rasterlinsen-Schrittweite, einen SLM, eine Streueinrichtung und einen zweiten Rasterlinsenschirm mit einer zweiten Quer-Schrittweite, die größer als die erste Schrittweite ist. Die Schrittweite des zweiten Rasterlinsenschirms entspricht im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der Schrittweite des ersten Schirms.
Die Lichtquellen 1 und 5 werden durch die Steuerschaltungen 2 und 6 sequenziell aktiviert, und Bildinformation wird den SLMs der Hybrid-Sandwichanordnungen 20 und 21 synchron mit der Beleuchtungsaktivierung zugeführt. Jedes an die SLMs gelieferte "Vollbild" von Bildinformation enthält mehrere Bilder, die räumlich gemultiplext sind, wie es unter Bezugnahme auf die Ausführungsform der Fig. 4 beschrieben wurde. Die einzelnen 2D-Ansichten werden daher über Winkelbereiche in Richtungen reproduziert, die den Richtungen entsprechen, aus denen die Ansichten während der Bildaufnahme aufgezeichnet wurden, und der Strahlte in er 9 kombiniert die Ansichten in solcher Weise, dass der Betrachter 10 das 3D-Bild über einen kontinuierlichen Winkelbereich wahrnehmen kann.
Die in den Fig. 1 bis 7 dargestellten Anzeigevorrichtungen verfügen jeweils über einen einzelnen Strahlteiler 9, der mit zwei Anzeigeanordnungen zusammenwirkt, um die Anzahl von 2D-Ansichten zu erhöhen, die geliefert werden können, um ein zusammengesetztes 3D-Bild zu erzeugen. Jedoch können mehrere Strahlteiler vorhanden sein, und die in der Fig. 8 dargestellte Anzeigevorrichtung verfügt über zwei Strahlteiler 9 und 29 mit drei Anzeigeanordnungen vom in der Fig. 7 veranschaulichten Typ mit kombiniertem räumlichem und zeitlichem Multiplexbetrieb. Die dritte Anzeigeanordnung verfügt über Lichtquellen 31, eine Steuerschaltung 32, eine Linse 33 und eine Hybrid- Sandwichanordnung 34, die mit den Lichtquellen 1, der Steuerschaltung 2, der Linse 3 bzw. der Hybrid-Sandwichanordnung 20 im Wesentlichen identisch sind. Die Ansichten von der Hybrid-Sandwichanordnung 20 werden direkt, durch die Strahlteiler 9 und 29 zum Betrachter 10 durchgestrahlt. Die Ansichten von der Hybrid-Sandwichanordnung 21 werden vom Strahlteiler 9 reflektiert und durch den Strahlteiler 29 zum Betrachter 10 hindurchgestrahlt. Die Ansichten von der Hybrid-Sandwichanordnung 34 werden, vom Strahlteiler 29 zum Betrachter 10 reflektiert. Daher ist es möglich, eine größere Anzahl von 2D-Ansichten zu liefern, um ein zusammengesetztes 3D-Bild zu erzeugen.
Die Fig. 9 zeigt eine 3D-Anzeigevorrichtung von relativ einfachem Typ zum Erzeugen zweier Ansichten. Die Anzeigevorrichtung der Fig. 9 ähnelt der der Fig. 1, wobei sie jedoch dahingehend verschieden ist, dass die Lichtquellen 1 und 5 und die Steuerschaltungen 2 und 6 durch kontinuierlich aktivierte Lichtquellen 41 und 42 ersetzt sind.
Die Fig. 10 zeigt eine 3D-Anzeigevorrichtung, die derjenigen der Fig. 9 ähnlich ist, jedoch einen weiteren Strahlteiler 29, eine Linse 43 und einen SLM 44 enthält. Die Anzeigevorrichtung der Fig. 10 verfügt über drei kontinuierlich aktivierte Lichtquellen 51, 52 und 53, und sie erzeugt drei Ansichten. Die Lichtquellen 51, 52 und 53 sind so angeordnet, dass sich die Lichtquelle 52 auf der Achse der Linse 43 befindet, wohingegen die Lichtquellen 51 und 53 gegen die Achsen det Linsen 3 bzw. 7 versetzt sind, so dass die den Strahlteiler 9 verlassenden Lichtstrahlen in Querrichtung zusammenhängen.
Die in der Fig. 11 dargestellte Anzeigevorrichtung unterscheidet sich von der in der Fig. 1 dargestellten, dahingehend, dass die Lichtquellen 5 und die Steuerschaltung 6 weggelassen sind und eine Strahlteileranordnung vorhanden ist, um das Licht von den Lichtquellen 1 (in der Fig. 11 sind nur zwei dargestellt) so aufzuteilen, dass beide SLMs 4 und 8 beleuchtet werden. Licht von den Lichtquellen 1 wird durch einen Strahlteiler 56, z.B. vom selben Typ wie dem des Strahlteilers 9, in einen transmittierten und einen reflektierten Strahl aufgeteilt. Der transmittierte Strahl wird von einem Spiegel 57 zur Linse 3 (z.B. vom Fresnel-Typ) und zum SLM 4 reflektiert Der reflektierte Strahl wird durch einen Spiegel 58 zur Linse 7 und zum SLM 8 reflektiert. Der Strahlteiler 56 ist so ausgebildet, dass er das Licht in zwei Strahlen gleicher Intensität aufteilt. Die Spiegel 57 und 58 sind nicht genau parallel; der eine steht unter einem kleinen Winkel, von z.B. ungefähr 5º, zum anderen. So führt jede Lichtquelle 1 zu zwei scheinbaren Lichtquellen, die mit geeigneter Interokularabstand in den Augen des Betrachters 10 abgebildet werden, nachdem eine Rekombination durch den Strahlteiler 9 erfolgte.
Diese Anordnung schafft eine vereinfachte Anzeigevorrichtung durch Weglassen einer Steuerschaltung und einer Gruppe von Lichtquellen. Ferner, sind Probleme in Zusammenhang mit einer Anpassung der Lichtquellen 1 und 5 der der Fig. 1 hinsichtlich einer Farbanpassung vermieden. Die Gesamtgröße und die Kompliziertheit der Anzeigevorrichtung können auch dadurch verringert werden, dass das in der Fig. 11 dargestellte Einzelbeleuchtungssystem verwendet wird.
Der Nachteil der in der Fig. 11 dargestellten Anzeigevorrichtung im Vergleich mit der der Fig. 1 besteht darin, dass nur die halbe Lichtmenge erzeugt wird, da die halbe Anzahl von Quellen vorhanden ist. Dies kann durch die in der Fig. 12 dargestellte Ausführungsform kompensiert werden. Die Anzeigevorrichtung der Fig. 12 unterscheidet sich von der der Fig. 11 dahingehend, dass der Strahlteiler 36, vom Polarisationstyp ist und er das Licht in zwei orthogonale Polarisationskomponenten aufteilt, wie es durch Pfeile 59 und 60 gekennzeichnet ist. Die SLMs 4 und 8 sind vom LCD(Flüssigkristall)-Typ mit Polarisationsfolien, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Ferner ist der Strahlteiler 9 vom polarisationsempfindlichen Typ, so dass, im Wesentlichen das gesamte sich durch die Vorrichtung ausbreitende Licht zum Betrachter 10 gerichtet wird.
Die in der Fig. 12 dargestellte Anzeigevorrichtung kann nur aus der Richtung des Betrachters 10 angesehen werden, wohingegen die Anzeigevorrichtung der Fig. 11 auch aus einer mit 10' gekennzeichneten Betrachterposiaion angesehen werden kann. Für viele Anwendungen ist dies kein Nachteil, wohingegen die durch die Anzeigevorrichtung der Fig. 12 erzeugte erhöhte Helligkeit ein Vorteil ist.
Die Ausführungsformen der Fig. 11 und 12 können dadurch modifiziert werden, dass die Steuerschaltung 2 weggelassen wird und eine einzelne Lichtquelle 1 angebracht wird, um zwei 2D-Ansichten zu erzeugen.
Die in der Fig. 13 dargestellte Anzeigevorrichtung ist der in der Fig. 1 dargestellten Anzeigevorrichtung ähnlich, verwendet jedoch geknickte Lichtpfade zum Beleuchten der SLMs 4 und 8 unter Verwendung von Spiegeln 57 und 58, die so angeordnet sind, wie es in der Fig. 11 dargestellt ist. Die Anzeigevorrichtung der Fig. 13 unterscheidet sich von derjenigen, die in der Fig. 1 dargestellt ist, ferner dadurch, dass die Lichtquellen 1 und 5 durch Streulichtquellen 42 und 44 ersetzt sind, die hinter LCD-Verschlüssen 63 und 64 angeordnet sind. Die Verschlüsse werden durch eine Steuerschaltung vom unter 2 und 6 in der Fig. 1 dargestellten Typ angesteuert, und sie arbeiten auf dieselbe Weise, um tatsächlich mehrere Lichtquellen zu erzeugen, die der Reihe nach aktiviert werden.
Durch Knicken der Lichtpfade von den Lichtquellen zu den SLMs 4 und 8, wie es in der Fig. 13 dargestellt ist, ist es möglich, eine relativ kompakte Anzeigevorrichtung zu schaffen. Unter Verwendung zweier Lichtquellen kann die Helligkeit der Anzeigevorrichtung in Bezug auf diejenige beider in der Fig. 11 dargestellten Anzeigevorrichtung erhöht werden.
Die LCD-Verschlüsse 63 und 65 können vom Typ mit ferroelektrischem Flüssigkristall, verdrillt-nematisch oder superverdrillt-nematisch, sein, um Licht mit Polarisationen zu erzeugen, die zu Eingangspolarisatoren der SLMs 4 bzw. 8 passen. Z.B. können die Ausgangspolarisation des Verschlusses 63 und die Eingangspolarisation des SLM 4-45º betragen, wohingegen die Ausgangspolarisation des Verschlusses 65 und die Eingangspolarisation des SLM 8 +45º betragen können. Eine derartige Anordnung minimiert Lichtverluste, die wegen der Verwendung von LCD-Verschlüssen auftreten.
Die in der Fig. 14 dargestellte Anzeigevorrichtung ähnelt derjenigen, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist, dahingehend, dass sie SLMs 4 und 8, einen Strahlkombinierer 9, Streulichtquellen z.B. in Form von Lichtkästen 11 und 13 sowie Rasterlinsenschirme 12 und 14 aufweist. Jedoch unterscheidet sich die Anzeigevorrichtung der Fig. 14 dahingehend von derjenigen der Fig. 4, dass die Rasterlinsenschirme 12 und 14 zwischen den SLMs 4 und 8 und den Lichtquellen 11 und 13 angeordnet sind und in den Objektebenen der Rasterlinsenschirme 12 und 14 Parallaxesperren 68 bzw. 69 angeordnet sind. Bei der in der Fig. 14 dargestellten Anordnung unter Verwendung von 2 SLMs 4 und 8 verfügen die Parallaxesperren 68 und 69 über Markierung/Zwischenraum-Verhältnisse von 1 : 1, d.h., dass die Sperren über parallele Schlitze verfügen, deren Breiten den die Schlitze bildenden undurchsichtigen Streifen entsprechen.
Der Betrieb der in der Fig. 14 dargestellten Anzeigevorrichtung ist in den Fig. 15a bis 15c veranschaulicht. Die Fig. 15a veranschaulicht die Lichtstrahlen 70, wie sie durch eine typische Rasterlinse des Schirms 12 erzeugt werden. Aus vier der Schlitze der der Rasterlinse benachbarten Parallaxesperre 68 austretendes Licht wird durch die Rasterlinse an Betrachterorten abgebildet. Die Fig. 15b ist eine ähnliche Ansicht, die die durch den Rasterlinsenschirm 14 erzeugten Lichtstrahlen 71 zeigt. Erneut werden die Schlitze der Sperre 69 an Betrachterorten abgebildet.
Die Positionen der Schlitze der Parallaxesperren 68 und 69 in Bezug auf die Rasterlinsenschirme 12 und 14 sind dergestalt, dass der Strahlkombinierer 9 ein Lichtausgangsmuster erzeugt, wie es in der Fig. 15c veranschaulicht ist. So werden die Lichtstrahlen 70 und 71 miteinander verschachtelt, und die. Schlitze der Parallaxesperren 68 und 69 werden an den Betrachterorten mit einer effektiven Schrittweite 72 abgebildet die dem mittleren Interokularabstand entspricht.
Das Beleuchtungssystem der Anzeigevorrichtung der Fig. 14 ist kompakt und erlaubt daher die Herstellung einer relativ kompakten Anzeigevorrichtung. Ferner ist das Design der Rasterlinsenschirme 12 und 14 im Wesentlichen unabhängig von dem der SLMs 4 und 8. Insbesondere können die Schrittweiten der Rasterlinsen der Schirme 12 und 14 viel größer als die Schrittweiten der Pixel der SLMs 4 und 8 sein, um so mögliche Probleme mit Moiré-Streifenbildung, Ausrichtungsverlusten und Herstelltoleranzen der Rasterlinsenschirme zu lindern. Z.B. können die Rasterlinsenschirme eine Schrittweite von 3 mm aufweisen, und die Parallaxesperren können eine Schrittweite von nominell 3 mm aufweisen, wobei schwarze Streifen von 1,5 mm in der Objektebene der Schirme beabstandet sind, so dass ein Bild jeder Parallaxesperre am Ort des Betrachters 10 erzeugt wird. Die tatsächliche Schrittweite der Parallaxesperre wird so eingestellt, dass am Ort des Betrachters 10 "Fenster" vom gesamten Schirm erzeugt werden.
Wie im Fall der anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Rasterlinsenschirme durch Mikrolinsenschirme ersetzt werden, uni sowohl für vertikale als auch horizontale Parallaxe zu sorgen.
Dia in der Fig. 11 dargestellte Anzeigevorrichtung verfügt über eine Einzelbeleuchtungsanordnung, die eine Lichtquelle 1, wie in der Fig. 17 dargestellt oder mehrere Lichtquellen, wie in der Fig. 11 dargestellt, aufweisen kann und gemeinsam mit dem Strahlteiler 36 zwei scheinbare Beleuchtungsanordnungen erzeugt. Die Bilder der Beleuchtungsanordnungen müssen aufgeteilt werden, damit der Betrachter 10 zwei "Fenster" sieht, von denen jedes, durch einen zugehörigen SLM 4 oder 8 moduliert wird. Die in der Fig. 11 dargestellte Anordnung erzielt dies durch Anbringen von Relativverkippungen zwischen den Spiegeln 37 und 38. Jedoch sind durch eine derartige Anordnung Fenster für das linke und rechte Auge des Betrachters geschaffen, wie sie unter 75 und 76 in der Fig. 16 dargestellt sind. Die Fenster 75 und 76 stoßen auf einer Höhe aneinander, oberhalb derselben sie überlappen und unterhalb derselben ein dunkler Zwischenraum zwischen ihnen besteht. Dies kann zu unerwünschten Störungen im wahrgenommenen 3D-Bild führen.
Die Fig. 17 zeigt eine Anzeigevorrichtung, die der in der Fig. 11 dargestellten ähnlich ist. Jedoch verfügt die Anzeigevorrichtung der Fig. 17 über eine einzelne Lichtquelle 1, und jeder der SLMs 4 und 8 erzeugt eine einzelne Ansicht. Ferner sind die Spiegel 57 und 58 parallel zueinander. In der Fig. 11 fallen die Achsen jeder Linse 3 und 7 und die Achsen der jeweiligen Anzeigen zusammen. Jedoch ist die Achse 77 der Linse 3 beider Anzeigevorrichtung der Fig. 17 in Querrichtung gegenüber der Anzeigeachse 78 versetzt, und die Achse 79 der Linse 7 ist in Querrichtung gegen die Anzeige 80 versetzt, um die, Bilder der Beleuchtungseinrichtung 1 am. Ort des Betrachters 10 aufzuteilen. Dadurch werden Fenster 81 und 82 erzeugt, die, wie es in der Fig. 18 dargestellt ist, parallel zueinander sind, und die, durch geeignete Wahl der Geometrie, entlang ihrer benachbarten Ränder 83 zusammenhängend ausgebildet werden können.
Obwohl die Anzeigevorrichtung der Fig. 17 über eine einzelne Lichtquelle 1 verfügt und zwei Ansichten erzeugt, kann sie rüber mehrere Lichtquellen verfügen und mehr als zwei Ansichten erzeugen, wie im Fall der Anzeigevorrichtung der Fig. 11. In ähnlicher Weise kann die Anzeigevorrichtung der Fig. 11 so modifiziert werden, dass sie eine einzelne Lichtquelle aufweist und zwei Ansichten erzeugt.
Die Fig. 19 und 20 zeigen Anzeigevorrichtungen vom in der Fig. 9 dargestellten Typ, wobei jedoch die Linsen 3 und 7 durch alternative optische Elemente ersetzt sind. Bei der Anzeigevorrichtung der. Fig. 19 sind die Linsen durch Autokollimationsschirme 85 und 86 ersetzt. Jeder Autokollimationsschirm verfügt über ein Array von Rasterlinsen oder Mikrolinsen mit gleicher Brennweite. Insbesondere verfügen die, Schirme 85- und 86 jeweils über eine ersten und einen zweiten Rasterlinsenschirm oder Mikrolinsenarrays mit ebenen Flächen, die aneinander anstoßen, wobei die Brennweiten der Rasterlinsen oder der Linsen gleich sind. So entsprechen die Autokollimationsschirme 85 und 86 optisch den Linsen 3 und 7 der Anzeigevorrichtung der Fig. 9. Demgemäß haben die durch Abbilden der Lichtquellen 41 und 42 am Ort des Betrachters 10 erzeugten Fenster 87 im Wesentlichen dieselbe Größe wie die Lichtquellen 41 und 42.
Bei der in der Fig. 20 dargestellten Anzeigevorrichtung sind die Autokollimationsschirme durch Winkelverstärkungsschirme 88 und 89 ersetzt. Jeder der Schirme 88 und 89 verfügt über einen ersten und einen zweiten Schirm vom selben Typ wie dem der Schirme 85 und 86 in der Fig. 19, wobei jedoch der Schirm näher an der jeweiligen Lichtquelle eine größere Brennweite als der Schirm näher am SLM aufweist. Die Wirkung des Ersetzens der Autokollimationsschirme 85 und 86 durch die Winkelverstärkungsschirme 88 und 89 besteht darin, dass am Ort des Betrachters Fenster 90 erzeugt werden, die größer als die Lichtquellen 41 und 42 sind.
Bei jedem der Schirme 85, 86, 88 und 89 kann zwischen den Linsen- oder Rasterlinsenarrays eine Streueinrichtung positioniert sein. Auch können die Lichtquellen 81 und 82 durch mehrere Lichtquellen vom unter 1 und 5 in der Fig. 1 dargestellten Typ ersetzt sein, und die SLMs 4 und 8 können im Zeitmultiplex erzeugte Ansichten erzeugen. Ferner können die Autokollimationsschirme oder Winkelverstärkungsschirme bei allen anderen hier beschriebenen Ausführungsformen, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, die Linsen 3 und 7 ersetzen. Die Verwendung von Winkelverstärkungsschirmen erlaubt die Verwendung kleinerer Lichtquellen oder kleinerer Beleuchtungsverschluss-SLMs, wobei derartige Bauteile die Lichtquellen definieren, und es können Vorteile hinsichtlich der Kosten und der Kompaktheit entstehen.
Die in der Fig. 21 dargestellte Anzeigevorrichtung ist vom selben Typ wie die in der Fig. 9 dargestellte Anzeigevorrichtung. Jedoch unterscheidet sich die Anzeigevorrichtung der Fig. 21 hinsichtlich der Ausrichtung der verschiedenen Elemente. So ist der SLM 4 vertikal ausgerichtet, wohingegen der SLM 8 horizontal ausgerichtet ist, im Gegensatz zur Anzeigevorrichtung der Fig. 9 und zu allen anderen Ausführungsformen, bei denen die SLMs alle vertikal angeordnet sind. In ähnlicher Weise können ein SLM oder mehrere bei allen anderen Ausführungsformen horizontal angeordnet sein, falls eine derartige Konfiguration für eine jeweilige Anwendung vorteilhaft sein sollte.
Anzeigevorrichtungen vom in den Zeichnungen dargestellten Typ können bei 3D-Fernsehen, 3D-CaD (computer aided design), 3D-Grafikerstellung, medizinischer 3D-Bilderzeugung, Virtual Reality und Computerspielen verwendet werden. Durch Bereitstellen einer erhöhten Anzahl von 2D-Ansichten zum Erzeugen eines 3D-Bilds können die Genauigkeit und Wirksamkeit von 3D-Bildern erhöht werden und es können die maximalen Anzeigegrößen und der Freiheitsgrad für den Betrachterort erhöht werden. Ferner können sich bewegender undurchsichtige, farbige, autostereoskopische 3D-Bilder aus einem Bereich von Perspektiven reproduziert werden.

Claims

1. Autostereoskopische Anzeigevorrichtung mit mehreren Anzeigevorrichtungen und einem optischen Kombiniersystem (9, 29) zum Kombinieren der Ausgangsbilder der Anzeigevorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Anzeigevorrichtungen Folgendes aufweist: eine Lichtquelle (1, 5, 11, 13, 31, 41, 42, 51-53, 56-58, 62, 64), einen lichttransmissiven Raumlichtmodulator (4, 8, 20, 21, 34, 44), der so angeordnet ist, dass er Licht von der Lichtquelle (1, 5, 11, 12, 31, 41, 42, 51-53, 64) mit einem zu betrachtenden Bild moduliert, und eine Linsenanordnung (3, 7, 12, 14, 20, 21, 33, 34, 43, 85, 86, 88, 89), die benachbart zum Raumlichtmodulator (4, 8, 20, 21, 34, 44) angeordnet ist und so ausgebildet ist, dass sie die Lichtquelle (1, 5, 11, 13, 31, 41, 42, 51-53, 56-58, 62, 64) am Ort eines Betrachters (10) über das optische Kombiniersystem (9, 29) in einem Betrachtungsfenster (87, 90) abbildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen der Anzeigevorrichtungen eine gemeinsame Lichtquelle (1), einen Strahlteiler (56) zum Aufteilen des Lichts von der gemeinsamen Lichtquelle (1) in mehrere Strahlen und mindestens einen Reflektor (57, 58) zum Reflektieren eine jeweiligen der Strahlen zum Raumlichtmodulator (4, 8) einer jeweiligen der Anzeigevorrichtungen aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Anzeigevorrichtungen eine optische Achse (78, 80) aufweist und jede der Linsenanordnungen (3, 7) eine optische Achse (77, 79) aufweist, die in Querrichtung gegen die optische Achse (78, 80) der jeweiligen Anzeigevorrichtung versetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle, für jede der Anzeigevorrichtungen, eine Streulichtquelle (11, 13) aufweist, die Linsenanordnung ein Array (12, 14) von Linsen Linsen aufweist, und zwischen der Lichtquelle (11, 13) und dem Array (12, 14) von Linsen eine Parallaxesperre (68, 69) in einer Objektebene des Arrays (12, 14) von Linsen angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Linsenanordnungen einen Autokollimationsschirm (85, 86) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Linsenanordnungen einen Winkelverstärkungsschirm (88, 89) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Anzeigevorrichtungen eine solche für eine einzelne Ansicht ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1, 5, 11, 13, 31, 41, 42, 51-53, 62, 64), für jede der Anzeigevorrichtungen, eine Einzellichtquelle aufweist und der Raumlichtmodulator (4, 8, 44) so ausgebildet ist, dass er Licht mit einem Bild moduliert, das eine Ansicht aus einer einzelnen vorbestimmten Richtung repräsentiert.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumlichtmodulator (4, 8, 20, 21, 34, 44), für jede der Anzeigevorrichtung, zwischen der Linsenanordnung (3, 7, 12, 14, 20, 21, 33, 34, 43, 86, 86, 88, 89) und dem optischen Kombiniersystem (9, 29) angeordnet ist.