DE102007026071A1 - Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit für ein autostereoskopisches Display - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit für ein autosteroskopisches Display, die von einer Tracking- und Bildsteuerung gesteuert wird und alternierend modulierte Strahlenbündel für mehrere Betrachter, deren Augenpositionen sich an verschiedenen Orten vor dem Display befinden, als Sichtbarkeitsbereiche mit einer Ausdehnung nahe der Augengröße abbildet. Die eine Bildpixelstruktur aufweisenden Bildwiedergabemittel modulieren die Strahlenbündel mit Sequenzen von stereoskopischen Bildern. Das Problem, eine homogene gerichtete Flächenbeleuchtung zu realisieren, wird gelöst durch seriell im Lichtweg vor dem Bildwiedergabemittel angeordnete - flächenhafte Beleuchtungsmittel, die für die Bildpixelstruktur der Bildwiedergabemittel homogenes Licht bereitstellen, und - Ablenkmittel, die mindestens ein Feld mit einer Anordnung von Elektro-Benetzungszellen enthalten, wobei die Ablenkmittel mindestens eine steuerbare Prismenfunktion realisieren und von der Tracking- und Bildsteuerung zumindest in Gruppen diskret adressierbar und im optischen Brechungsverhalten einstellbar sind, um die Austrittsrichtung der Strahlenbündel sequentiell und synchron zu den alternierend modulierten Strahlenbündel auf die dem aktuell modulierten stereoskopischen Bild zugeordnete Augenposition zu lenken.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit für ein autostereoskopisches Display nach Hauptpatentanmeldung DE 10 2006 042 325 , die Licht von aktivierten Beleuchtungselementen durch ein transmissives Bildwiedergabemittel hindurch in den Raum vor dem Bilddisplay in Sichtbarkeitsbereiche ablenkt. Betrachteraugen können von diesen Sichtbarkeitsbereichen aus, nach Modulation des Lichts mit Bild- oder anderen Informationen im Bildwiedergabemittel, eine stereoskopische und/oder monoskopische Darstellung in guter Abbildungsqualität sehen.
• Anwendungsgebiet der Erfindung sind autostereoskopische Displays, bei denen die Sichtbarkeitsbereiche mit Hilfe einer Tracking- und Bildsteuerung automatisch den Augen verschiedener Betrachter bei einer Bewegung zu anderen Positionen in einem relativ großen Betrachterraum vor dem Display nachgeführt werden können. Gemäß der Erfindung sind die Bilder und andere Informationen den Betrachtern wahlweise entweder im 2D- oder 3D-Modus oder im gemischten Modus darstellbar.
• Die richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit des autostereoskopischen Displays in diesem Dokument umfasst in Ausbreitungsrichtung des Lichts ein Beleuchtungsmittel mit selbstleuchtenden oder lichtdurchstrahlten Beleuchtungselemente sowie ein Abbildungsmittel mit Abbildungselementen. Die Abbildungselemente bilden das Licht aktivierter Beleuchtungselemente des Beleuchtungsmittels als Sichtbarkeitsbereich jeweils auf ein Betrachterauge durch annähernde Parallelstrahlenbündel ab. Dabei wird von jedem Abbildungselement eine Vielzahl von aktivierten Beleuchtungselementen abgebildet. Die Abbildungsmittel können zusätzliche optische Elemente zur Verbesserung der Abbildungsverhältnisse enthalten. Aus dem homogen ausgeleuchteten Sichtbarkeitsbereich heraus sollen für jeden Betrachter stets auch eine Homogenität der Ausleuchtung des Bildwiedergabemittels großflächig gewährleistet sein sowie das Übersprechen auf das jeweils andere Auge bei einer 3D-Darstellung vermieden werden. Der Sichtbarkeitsbereich kann in verschiedenen Formen vorgegeben werden und in seiner Ausdehnung ein oder beide Augen eines Betrachters aufnehmen. Auch wenn der Betrachter eine neue Position im Raum vor dem Display einnimmt, müssen ihm die monoskopischen und/oder stereoskopischen Darstellungen ständig in guter Qualität zur Verfügung stehen.
• Wird bei einem autostereoskopischen Display der beschriebenen Art eine stereoskopische Darstellung für beispielsweise zwei Betrachter realisiert, müssen für vier verschiedene Augenpositionen vier Sichtbarkeitsbereiche bereitgestellt werden. Dabei sind verschiedene Probleme zu beachten, um eine gute Abbildungsqualität für eine größere Anzahl von Betrachtern zu erreichen.
• Vordringlich müssen beispielsweise im Interesse eines akzeptablen Nutzerkomforts die Sichtbarkeitsbereiche für beide Augen des einen Betrachters genügend weit von denen für die Augen des anderen Betrachters entfernt sein, um eine gegenseitige Behinderung beim Betrachten der aktuellen Darstellung auf dem autostereoskopischen Display auszuschließen. Bekanntlich werden aber die optischen Abbildungsbedingungen für einen Betrachter, dessen Augen sich zentral vor dem Display in der Nähe der optischen Achse befinden, am genauesten eingehalten. Mit größer werdendem seitlichem Abstand der Betrachteraugen von der Mitte des Displays verschlechtern sich einerseits durch die größer werdenden Abstrahlwinkel der Strahlenbündel die Abbildungsbedingungen. Es treten durch die Verwendung beispielsweise eines Lentikulars als Abbildungsmittel optische Aberrationen auf, die keine großen Betrachterwinkel zulassen, weil durch sie die Erzeugung von definierten Sichtbarkeitsbereichen verhindert wird. Andererseits kann es passieren, dass die Lichtstrahlen einen zu weit von der Mitte des Displays entfernten Betrachter überhaupt nicht mehr erreichen. Der Betrachterwinkel oder Betrachterbereich wird hier vom Betrachter ausgehend definiert als ein Raum oder Bereich vor dem Display, in dem sich Betrachter aufhalten und eine Darstellung im gewünschten Modus sehen können.
• Mit der in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen Lösung der genannten Probleme unter Anwendung der richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit werden die dort im Stand der Technik genannten Nachteile weitestgehend beseitigt. Mit dieser Zusatzanmeldung soll in einer weiteren Ausführung der Erfindung die Homogenisierung dadurch noch verbessert werden, dass die richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit über eine Leuchtfläche eine weitestgehend homogene gerichtete Flächenbeleuchtung emittiert und die Tracking- und Bildsteuerung die Sichtbarkeitsbereiche mit Hilfe von an sich bekannten elektronisch steuerbaren Elektro-Benetzungszellen einstellt.
• Aus der internationalen Veröffentlichung WO 2004/099847 ist eine steuerbare elektrooptische Zelle, eine sogenannte Elektro-Benetzungszelle bekannt. Diese Zellen nutzen den Kapillareffekt und eine Elektrobenetzung, um mit elektrostatischem Potential die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten zu verändern und damit das optische Brechungsverhalten zu steuern. Eine Elektrobenetzungszelle enthält im Prinzip eine Kapazität, die zwischen den Elektroden mit einer hydrophoben Flüssigkeit, wie Öl und Wasser gefüllt ist, wobei eine der Elektroden hydrophob beschichtet ist. Ohne elektrisches Feld legt sich das Öl als Film über die beschichtete Elektrode, mit elektrischem Feld verdrängt das Wasser den Ölfilm, da das anliegende Feld die Polarisation der Dipole in der Wasseroberfläche aufhebt. Die Zelle kann elektronisch einstellbare optische Linsen und Prismenelemente von Größenordnungen unterhalb eines Quadratmillimeters realisieren.
• Ein autostereoskopisches Wiedergabesystem gemäß der internationalen Veröffentlichung WO 2004/075526 A2 nutzt eine solche Elektro-Benetzungszelle. Auch bei diesem Display durchleuchtet kollimiertes Licht ein flaches Panel mit diskreten Pixeln, welches für jedes Betrachterauge in der Parallaxe verschiedene Videobilder generiert. Das Flachdisplay enthält einen Strahlenteilers und eine dynamisch einstellbare Strahlsteuerung mit Elektro-Benetzungszellen, um damit die Videobilder auf das betreffende Auge von Betrachtern zu richten. Bei der einstellbaren Strahlsteuerung ist jedem Modulatorpixel des Flachdisplays physisch eine Elektro-Benetzungszelle fest zugeordnet, um den Lichtaustrittswinkel des in seiner Intensität beeinflussten Lichtstrahls auf die entsprechende Augenposition einzustellen. Die feste Zuordnung der Benetzungszellen zu den Pixeln des Flachdisplays erfordert einen hohen technologischen Aufwand insbesondere an Präzision bei der Fertigung. Das System ist für eine punktweise Beeinflussung von inkohärentem Licht konzipiert und stellt keinerlei Anforderungen an Interferenzbedingungen. Insbesondere unlineares Transmissionsverhalten in den Randzonen der Benetzungszellen würde bei ungenauer Zuordnung der Elektro-Benetzungszellen zu den Modulatorpixeln die Ausbreitung des modulierten Lichts beeinflussen und damit die Qualität der 3D-Darstellung stören.
• Aufgabe der Erfindung ist es, für die Lichtführung in einem oben beschriebenen autostereoskopischen Display eine richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit mit einfachen optischen Mitteln zu schaffen, die mehreren Betrachtern gleichzeitig aus ihnen zugeordneten Sichtbarkeitsbereichen in einem Raum vor dem Display das Betrachten einer 2D- und/oder 3D-Darstellung ohne Störungen gestattet. Der mit einer Tracking- und Bildsteuerung erreichbare Raum vor dem Display soll deshalb relativ groß sein. Weiterhin soll durch die Anordnung der optischen Mittel gleichzeitig eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Abbildungsqualität des autostereoskopischen Displays erreicht werden.
• Außerdem soll die richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit gemäß dieser Anmeldung das Licht, das die Beleuchtungsmittel emittieren, im wesentlichen verlustfrei und homogen in den Sichtbarkeitsbereich übertragen. Eine Zuordnung zur feinen Pixelstruktur der Bildwiedergabemittel soll vermieden werden. Ebenso soll vermieden werden, dass die richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit das durch die Bildwiedergabemittel modulierte Licht nachträglich beeinflusst.
• Die vorliegende Erfindung geht von einer richtungsgesteuerten Beleuchtungseinheit gemäß der Beschreibung der Hauptpatentanmeldung aus, welche von einer Tracking- und Bildsteuerung gesteuert wird und über Bildwiedergabemittel, welche eine Bildpixelstruktur aufweisen, mit Sequenzen von stereoskopischen Bildern alternierend modulierte Strahlenbündel für mehrere Betrachter, deren Augenpositionen sich an verschiedenen Orten in einem Betrachterraum befinden, als Sichtbarkeitsbereiche mit einer Ausdehnung nahe der Augengröße abbildet.
• Gemäß der Erfindung enthält die richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit vor dem Bildwiedergabemittel im Lichtweg seriell
  flächenhafte Beleuchtungsmittel, die für die Bildpixelstruktur der Bildwiedergabemittel homogenes Licht bereitstellen und
  Ablenkmittel, die mindestens ein Feld mit einer Anordnung von Elektro-Benetzungszellen enthalten.
• Die Ablenkmittel realisieren mindestens eine steuerbare Prismenfunktion und sind von der Tracking- und Bildsteuerung zumindest in Gruppen diskret adressierbar und im optischen Brechungsverhalten einstellbar, um die Austrittsrichtung der Strahlenbündel sequentiell und synchron zu den alternierend Strahlenbündeln auf die dem aktuell modulierten stereoskopischen Bild zugeordnete Augenpositionen zu lenken.
• Ein derartiger optischer Aufbau hat den Vorteil, dass die Geometrie der Ablenkmittel, insbesondere die Anzahl der Benetzungszellen bzw. das Rastermaß (Pitch) der Elektro-Benetzungszellen unabhängig von der Bildpixelstruktur der Bildwiedergabemittel frei wählbar ist. Da der Querschnitt der Benetzungszellen erheblich größer sein kann als der Querschnitt der Bildpixel, ist vorteilhaft keine exakte Deckung der Zellenränder mit den Pixelrändern erforderlich.
• In zweckmäßiger Ausführungsform realisieren die Ablenkmittel zusätzlich zur steuerbaren Prismenfunktion auch eine steuerbare Linsenfunktion, um die Sichtbarkeitsbereiche abhängig von der Entfernung der Betrachteraugen von den Bildwiedergabemitteln anzupassen.
• Die Bildwiedergabemittel ist im Fall eines Projektionssystems der Wiedergabeschirm des Systems.
• Die flächenhaften Beleuchtungsmittel können preisgünstig als homogene Flächenstrahler ausgeführt sein. Derartige Flächenstrahler sind in der Display-Technologie in vielfältiger Form als so genanntes Backlight bekannt.
• In einer anderen Form sind die Beleuchtungsmittel auch als ein Feld von punkt- oder linienförmigen Beleuchtungselementen ausgeführt und die Abbildungsmittel bilden die Beleuchtungselemente im Sichtbarkeitsbereich ab. Die Abbildungsmittel enthalten wenigstens ein Feld mit Abbildungselementen. Die Abbildungselemente können beispielsweise Zylinderstablinsen, sphärische Mikrolinsen oder Holographische optische Elemente (HOE) enthalten.
• Da die Beleuchtungseinheit im Lichtweg vor den Bildwiedergabemitteln liegt, muss weder das Raster der Abbildungsmittel noch das Raster eines Feldes der Ablenkmittel mit der Bildpixelstruktur übereinstimmen.
• Vorteilhaft liegen zum Einstellen der Ausdehnung der Sichtbarkeitsbereiche im Lichtweg vor den Ablenkmitteln Abbildungsmittel mit einer gerasterten Struktur von Abbildungselementen. Jedem Abbildungselement ist eine frei wählbare Anzahl von Ablenkelementen in Form von Elektro-Benetzungszellen zugeordnet. Um den Computermitteln in der Tracking- und Bildsteuerung die Kalkulation und Adressierung der Benetzungszellen zu erleichtern, können alle Zellen, die einem Abbildungselement zugeordnet sind, wie eine einzelnes Ablenkelement behandelt, adressiert und gesteuert werden.
• In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden mehrere Elektro-Benetzungszellen in Lichtrichtung gestapelt. Diese können einerseits zur Farbkompensation als Achromat ausgeführt sein, indem die optischen Medien von in Reihe geschalteten Elementen verschiedenes Dispersionsverhalten zeigen.
• Andererseits können Zellen, die nur eindimensional Prismenbewegungen ausführen können, im rechten Winkel gedreht über einander gesetzt werden.
• Jeweils einem Abbildungselement, beispielsweise einer stabförmigen Zylinderlinse, ist eine bestimmte Anzahl von Beleuchtungselementen zugeordnet, um das Licht aktivierter Beleuchtungselemente als Strahlenbündel durch das Bildwiedergabemittel hindurch zeitsequentiell auf jeweils ein Betrachterauge abzubilden. Die Strahlenbündel, die jeweils einem Betrachterauge zugeordnet sind und sich in einem Sichtbarkeitsbereich überlagern, werden mit separaten Bildfolgen moduliert, so dass ein Betrachter vom Sichtbarkeitsbereich aus eine Darstellung im gewählten Modus sehen kann.
• Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass mit den beschriebenen Ausführungen der optischen Mittel und ihren Kombinationen im Vergleich zum eingangs genannten Stand der Technik in einem größeren Betrachterraum vor dem autostereoskopischen Display Sichtbarkeitsbereiche mit hoher Helligkeit und hohem Kontrast sowie geringem gegenseitigen Übersprechen erzeugt werden und eine homogene Ausleuchtung des Bildwiedergabemittels erreicht wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Betrachten von monoskopischen oder/und stereoskopischen Darstellungen aus mehreren Betrachtern zugeordneten Sichtbarkeitsbereichen heraus möglich ist, ohne dass es zu gegenseitigen Behinderungen der Betrachter kommt. Damit wird eine freie und unabhängige Beweglichkeit der Betrachter in einem erweiterten Betrachterraum realisiert, was auch gleichzeitig mit einer Erweiterung des Trackingbereichs verbunden ist.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - DE 102006042325 [0001]
• - WO 2004/099847 [0007]
• - WO 2004/075526 A2 [0008]

Claims (10)

1. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit für ein autostereoskopisches Display, die von einer Tracking- und Bildsteuerung gesteuert wird und alternierend modulierte Strahlenbündel für mehrere Betrachter, deren Augenpositionen sich an verschiedenen Orten befinden, als Sichtbarkeitsbereiche mit einer Ausdehnung nahe der Augengröße abbildet, wobei eine Bildpixelstruktur aufweisende Bildwiedergabemittel die Strahlenbündel mit Sequenzen von stereoskopischen Bildern modulieren, gekennzeichnet durch seriell im Lichtweg vor dem Bildwiedergabemittel (6) angeordnete – flächenhafte Beleuchtungsmittel (1), die für die Bildpixelstruktur der Bildwiedergabemittel (6) homogenes Licht bereitstellen und – Ablenkmittel, die mindestens ein Feld mit einer Anordnung von Elektro-Benetzungszellen enthalten, wobei die Ablenkmittel mindestens eine steuerbare Prismenfunktion realisieren und von der Tracking- und Bildsteuerung zumindest in Gruppen diskret adressierbar und im optischen Brechungsverhalten einstellbar sind, um die Austrittsrichtung der Strahlenbündel sequentiell und synchron zu den alternierend modulierten Strahlenbündeln jeweils auf die dem aktuell modulierten stereoskopischen Bild zugeordnete Augenposition zu lenken.
2. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, bei der die Ablenkmittel zusätzlich zur steuerbaren Prismenfunktion auch eine steuerbare Linsenfunktion realisieren, um die Sichtbarkeitsbereiche abhängig von der Entfernung der Betrachteraugen von den Bildwiedergabemitteln (6) anzupassen.
3. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, bei der die Ablenkmittel gestapelte Elektro-Benetzungszellen enthalten.
4. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 3, bei der auf Elektro-Benetzungszellen, die Prismenwinkel nur für Steuerung in einer Dimension (X) realisieren, jeweils eine zweite im rechten Winkel gedrehte gleichartige Elektro-Benetzungszelle für eine Steuerung in einer zweiten Dimension (Y) montiert ist.
5. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 3, bei der die gestapelten Elektro-Benetzungszellen verschiedene wellenlängen-abhängige Brechungszahlen aufweisen, um anlog zu einem Achromaten eine chromatische Korrektur für die Farbwiedergabe zu realisieren.
6. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, bei dem die Beleuchtungsmittel (1) homogene Flächenstrahler sind.
7. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, bei dem die Beleuchtungsmittel (1) auch ein Feld von punkt- oder linienförmigen Beleuchtungselementen sind und Abbildungsmittel (2) mit wenigstens einem Feld von Abbildungselementen die Beleuchtungselemente im Sichtbarkeitsbereich abbilden.
8. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, bei dem jedem Abbildungselement der Abbildungsmittel (2) mehrere Benetzungszellen der Ablenkmittel zugeordnet sind und die Tracking- und Bildsteuerung alle Benetzungszellen, die einem Abbildungselement zugeordnet sind, wie ein Abbildungselement behandelt, adressiert und einstellt.
9. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach Anspruch 6, bei dem jeweils ein Abbildungselement und die zugeordneten Benetzungszellen eine funktionelle optische Einheit bilden.
10. Richtungsgesteuerte Beleuchtungseinheit nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abbildungsmittel (2) zusätzlich eine Feldlinse (4) zugeordnet ist.