DE69610206T2

DE69610206T2 - Stereoskopische anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69610206T2
Application number: DE69610206T
Authority: DE
Inventors: Edwina Margaret Orr; David John Trayner
Original assignee: RICHMOND HOLOGRAPHIC RES
Current assignee: RICHMOND HOLOGRAPHIC RES
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 2001-01-04
Anticipated expiration: 2016-06-08
Also published as: CN1162732C; GB9511519D0; AU701192B2; RU2181902C2; AU6010296A; WO1996041228A1; JP4045347B2; KR19990022539A; ES2151663T3; US6078423A; CA2220466A1; DE69610206D1; CA2220466C; JPH11504729A; CN1187250A; KR100391388B1; EP0830630B1; EP0830630A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine stereoskopische Anzeigevorrichtung.
Viele stereoskopische Anzeigen sind bekannt, wobei es eine wachsende Menge von Anzeigen gibt, die für die Betrachtung von stereoskopischen Bilder ohne die Verwendung von speziellen Betrachtungshilfen geeignet sind, diese sind als autostereoskopische Anzeigen bekannt. Sie sind sämtlich durch die Verwendung von einigen den Blick bestimmenden Einrichtungen gekennzeichnet, wobei jedes Auge des Betrachters ein unterschiedliches Bild auf dem Bildschirm sieht.
In einem stereoskopischen Bild werden zwei 2D-Bilder verwendet (diese werden nachfolgend als Halbbilder bezeichnen), wenn diese zusammengenommen werden, werden sie als ein Stereopaar erkannt. Der stereoskopische Effekt wird durch die unterschiedliche Perspektive der zwei Halbbilder erzeugt. Jedes Halbbild ist mit einem bestimmten Abstand von dem Betrachter hergestellt, wobei die Augen des Betrachters das Bild fokussieren. Die Akkommodation der Augen ist einer von vielen visuellen Hinweisen, die durch das Gehirn als Tiefeninformation interpretiert werden. Wenn die Augen ein 2D-Halbbild fokussieren, wird jeder Unterschied in der Tiefenempfindung, der durch den stereoskopischen Effekt hervorgerufen wird, der durch das Scharfstellen bereitgestellt Tiefeninformation widersprechen. In der Praxis ist es notwendig, diesen Konflikt zu beschränken, sonst fühlt der Betrachter sich unwohl und eine Überanstrengung der Augen tritt ein. Autostereoskopische Anzeigen formen im allgemeinen ihre Halbbilder auf der Ebene des Anzeigenschirms. Die Größe des Schirms ist üblicherweise durch eine Anzahl von Faktoren stark beschränkt und das 3D-Bild muß in der Nähe des Anzeigenschirms geformt werden, um den Konflikt zwischen Akkommodation und Stereoskopie zu minimieren.
Es ist eine naheliegende Eigenschaft von vielen 3D-Bildsystemen, daß die Bilder in einer bestimmten Entfernung von dem Benutzer erscheinen.
Eine Folge hiervon ist, daß die Größe der 3D-Bilder ebenfalls bestimmbar und klar beobachtbar ist. (Dies steht in Gegensatz zu einem 2D-Bild, bei dem keine Tiefeninformation vorliegt, so daß ein großes Objekt als ein großes Objekt erscheint, selbst wenn die Größe des Bildes klein ist.)
Vorhandene autostereoskopische Anzeigen können als Folge von dem Obigen keine Bilder in voller Größe von irgendetwas anzeigen, das größer als der Anzeigenschirm selbst ist. Jegliche größeren Objekte müssen in einem verkleinerten Maßstab angezeigt werden und (anders als bei 2D-Bildern) werden sie als objektiv klein erscheinen.
Diese Tatsache begrenzt die Verwendbarkeit von vorhandenen autostereoskopischen Anzeigen, da die verbesserte Natürlichkeit des 3D-Bildes durch die unrealistische Darstellung des Maßstabs eingeschränkt ist.
US-A-4 535 354 beschreibt ein System zur Projektion eines Paars von stereoskopischen Bildern, die in drei Dimensionen betrachtet werden können, ohne daß der Betrachter spezielle Brillen oder andere optische Hilfsmittel benutzt.
US-A-5 379 133 offenbart ein Anzeigengerät mit einem holographischen intergrierten Kombinationsbildschirm und einer Projektionslinse, um mehrzonige Ausgaben zu erzeugen, wobei jede Zone für ein stereoskopisches Sehen an einer diskreten Betrachtungsstation präsentiert wird.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein stereoskopisches Anzeigengerät geschaffen, das folgendes aufweist:
(a) Einrichtung zum Erzeugen von mehreren betrachtbaren Bildern, wobei jedes betrachtbare Bild eine unterschiedliche perspektivische Ansicht einer gemeinsamen Szene aufweist,
(b) Einrichtung zum Erzeugen von mehreren Betrachtungszonen jeweils zum Betrachten eines der betrachtbaren Bilder, wobei die Betrachtungszonen derart angeordnet sind, daß bei der Verwendung jedes Auge des Betrachters ein anderes betrachtbares Bild sieht, wodurch es dem Betrachter ermöglicht wird, ein stereoskopisches 3D-Bild einer gemeinsamen Szene zu genießen, und
(c) ein optisches Element mit einer positiven optischen Stärke, wobei die Einrichtungen und das optische Element derart angeordnet und konstruiert sind, daß das optische Element ein reales Bild der Betrachtungszone und ein virtuelles Bild des betrachtbaren Bildes erzeugt, wodurch jedes der virtuellen Bilder für einen Betrachter nur dort sichtbar ist, wo ein Lichtstrahl von dem Auge des Betrachters durch das reale Bild der zugehörigen Betrachtungszone, das optische Element und das entsprechende betrachtbare Bild gelegt werden kann, und wobei die Einrichtung zur Erzeugung mehrerer betrachtbarer Bilder eine Bildträgereinrichtung aufweist, die zwischen dem optischen Element und dem hinteren Brennpunkt des optischen Elements liegt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bildung von betrachtbaren Bildern bzw. des Bildes in einer beliebigen Entfernung von dem Betrachter und in einer beliebigen Größe, die nicht durch die Größe der Anzeige selbst begrenzt ist.
Eine gebräuchliche Analogie ist ein Fenster: Eine sehr große Szene kann durch ein kleines Fenster betrachtet werden. In der vorliegenden Erfindung kann eine sehr große Szene gesehen werden, so als würde sie durch das Anzeigenfenster betrachtet werden.
Diese Erfindung ermöglicht eine Einrichtung, wodurch dreidimensionale Bilder ohne die Verwendung von Brillen, am Kopf befestigt an Anzeigen oder ähnlich unbequemen Sehhilfen möglich ist, sie ermöglicht ebenfalls das Betrachten von Bildern, die wesentlich größer als die Anzeige selber sind.
Die Bildträgereinrichtung kann ein LCD oder ein Schirm (der aus einem holographischen optischen Element besteht), auf den das betrachtbare Bild projiziert wird, bestehen.
Eine Anzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine allgemeine Anordnung einer Anzeige nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 1A ein Paar von Beispielstrahlen in der Anordnung aus Fig. 1,
Fig. 1B verdeutlicht die Konstruktionslinien, die bei der Konstruktion des realen und des virtuellen Bildes in Fig. 1 verwendet werden,
Fig. 2 eine schematische Teilansicht eines praktischen Anzeigengeräts,
Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines alternativ zusammengesetzten holographischen optischen Elements,
Fig. 4 einen Teil eines alternativen Anzeigengeräts, das eine Flüssigkristallanzeige beinhaltet,
Fig. 5 einen Teil einer weiteren alternativen Ausführungsform,
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform, in der das HOE mit mehreren Brennpunkten hergestellt ist,
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform, in der das HOE einen Brennpunkt besitzt und drei Paare von Betrachtungszonen erzeugt und
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform, in der drei Lichter verwendet werden.
Fig. 1 zeigt eine allgemeine Anordnung einer erfindungsgemäßen Anzeige.
Die Anzeige weist ein Bildträgergerät 2 auf, das ein Paar von übereinander gelagerten realen zweidimensionalen Halbbildern (hierin nachfolgend als 2l, 2r gekennzeichnet - nicht gezeigt) erzeugt. Das Bildträgergerät 2 liegt zwischen dem hinteren Brennpunkt der fokussierenden Optik 1 (mit positiver optischer Stärke) und der Optik selber. Die zwei Halbbilder 2l, 2r werden mit blickbestimmenden Öffnungen 3, 4 bzw. durch nicht dargestellte Einrichtungen bereitgestellt.
Die Wirkung dieser Anordnung besteht darin, daß die überlagerten Halbbilder 2l, 2r ein vergrößertes virtuelles Bild 5 erzeugen, während die blickbestimmenden Öffnungen 3, 4 diese als reale Bilder 6, 7 entsprechend formen.
Der Betrachter ist derart positioniert, daß das linke und rechte Auge 8l, 8r sich ungefähr in der eingezeichneten Position befinden.
Beide Augen fokussieren das Bild 5 des Stereopaars 2. Es wird erinnert werden, daß beide Halbbilder 2l, 2r überlagert sind, so daß ihre entsprechenden Bilder 5l, 5r ebenfalls überlagert sind.
Die Bilder 6, 7 der blickbestimmenden Öffnungen 3, 4 formen reale Bilder wie eingezeichnet, wobei diese Bilder 6, 7 entsprechend die Zonen bestimmen, sobald die Bilder 5l, 5r von jedem Halbbild 2l, 2r gesehen werden können.
Einfachheitshalber werden nun die Bilder 6, 7 als Betrachtungsöffnungen bezeichnet.
In Fig. 1 ist der einfache Fall gezeigt, in dem die Betrachtungsöffnungen 6, 7 herkömmlich angeordnet sind derart, daß das linke Auge 81 das vergrößerte linke Halbbild 5l durch die Öffnung 6 betrachtet und das rechte Auge das vergrößerte rechte Halbbild 5r durch die Öffnung 7 betrachtet.
Natürlich kann die Größe des Bildes 5 des Stereopaars 2 im wesentlichen größer als der Durchmesser der Optik 1 sein, wobei das stereoskopische Bild an dem Ort des virtuellen Bildes 5 lokalisiert werden kann, wodurch das Ziel einer vergleichsweise kleinen autostereoskopischen Anzeige, die große 3D-Bilder ohne das Einführen von unakzeptablen Tiefenkonflikten zwischen der Akkommodation und der Stereosicht einführt, erreicht wird.
Fig. 1A zeigt die Anordnung aus Fig. 1 mit einer Anzahl von hinzugefügten Beispielstrahlen.
Betrachte die Strahlen 48-50. In Abwesenheit der Fokussieroptik 1 würde der Betrachter einen Lichtstrahl von dem virtuellen Bild 3 aus der linken Betrachtungszone wahrnehmen. Der Strahl 48 passiert durch das 2D-Bild 2 zu der Optik 1, wo er zu dem Strahl 49 gebeugt wird, der dem Auge erscheint als stamme er von dem Bild 5, so wie durch den Strahl 50 angedeutet. Es sei angemerkt, daß die Optik 1 reale Bilder 6, 7 der diffusen Zonen 3, 4 ebenso wie ein virtuelles Bild 5 der 2D-Anzeigeneinrichtung 2 erzeugt. Infolge der Beleuchtung ist das linke Halbbild dasselbe wie das lichtbildende reale Bild 6 der diffusen Zone 3, so daß das linke Halbbild nur sichtbar wird, wenn Lichtstrahlen wie beispielsweise 48-50 durch das Auge 81, das Betrachtungszonenrealbild 6 und die Optik 1 verlaufen können. Dasselbe gilt für das rechte Auge und seine zugehörigen Bilder. Es sei angemerkt, daß so wie eingezeichnet, das rechte Auge kein Licht sehen kann, das auf die linke Betrachtungszone 6 gerichtet ist (dasselbe gilt selbstverständlich für das, was das linke Auge sehen kann). Folglich sieht jedes Auge ein unterschiedliches zweidimensionales Bild in 5.
Fig. 1B zeigt eine Anzahl von Konstruktionslinien, die bei der Konstruktion der realen und virtuellen Bilder aus Fig. 1 verwendet werden. Die Linien 40 bis 43, die fein gestrichelt sind, sind Strahlen, die zur Konstruktion des virtuellen Bildes 5 dienen. Die Linien 44 bis 47 mit mittlerem Strichabstand werden zur Konstruktion der Realbildbetrachtungszonen 6, 7 verwendet.
Wir werden nachfolgend einige praktische Anordnungen beschreiben.
Optik 1 kann eine Linse oder eine Linsenkombination sein; sie kann ein Spiegel oder eine Spiegelkombination sein, sie kann ein holographisches/diffraktives optisches Element oder eine Kombination solcher Elemente sein. Es kann ebenfalls eine Kombination von verschiedenen Arten von Elementen, beispielsweise Linsen und Spiegel, sein.
Es ist wahrscheinlich, daß die Optik 1 außerhalb der Achse benutzt wird, es kann ebenfalls vorteilhaft sein, wenn einige kleinere Aberrationen durch die Optik eingeführt werden, um die Bilder der Pixel zu verwischen und dadurch ein homogeneres Bild zu erzielen.
Nun zu der Stereopaaranzeige 2 und den Zonen 3, 4. Es gibt eine Anzahl von Wegen, diese optisch zu erzielen.
Zuerst kann das Stereopaar 2l, 2r durch Projektion auf einen holographischen Schirm erzielt werden.
Fig. 2 ist eine Draufsicht und nicht maßstabsgerecht. Wir haben ein Stereopaar 2, das durch ein Paar von Projektoren 10l und 10r bereitgestellt wird, die entsprechend linke und rechte Halbbilder auf das holographische Element 9 projizieren. Das holographische Element 9 rekonstruiert eine ebene diffuse Zone, wenn es durch korrekt positionierte Lichtquelle beleuchtet wird, wobei der Projektor 10l als eine Lichtquelle angesehen werden kann, der die diffuse Zone 3 rekonstruiert, während Projektor 10r in ähnlicher Weise wirkt und eine diffuse Zone 4 rekonstruiert, wobei der Abstand zwischen den Zonen 3 und 4 durch den Abstand zwischen den Projektoren 10l und 10r erzeugt wird. Die Zonen 3 und 4 können im Unendlichen oder als virtuelle Bilder oder als reale Bilder rekonstruiert werden.
Das holographische Element 9 kann ein einfaches Transmissionshologramm oder ein Reflexionhologramm sein, es kann ebenfalls in vorteilhafter Weise so wie in Fig. 3 gezeigt, aufgebaut sein, wo es aus einem Beugungsgitter 11, einem Schlitzbildschirm 12 und der holographischen Aufzeichnung 13 der diffusen Zone besteht, wobei diese Anordnung eine Dispersionskompensation bereitstellt. Die gesamte optische Stärke des Gitters 11 und des Hologramms 13 sollte nahe Null sein und so gemacht sein, daß das Gitter 11 und das Hologramm 13 gleiche und entgegengesetzte Dispersion aufweisen, mit dieser besonderen Anordnung kann die Optik 1 in Berührung mit dem Hologramm oder der Hologrammkombination 9 entweder zwischen ihr und den Projektoren 10 oder auf der anderen Seite zwischen ihr und der Betrachtungsposition stehen. Dies stellt einen eingeschränkten Fall dar, in dem keine Bildvergrößerung auftritt, in dem jedoch die Zonen 3, 4 als reale Bilder 6 und 7 wie in Fig. 1 auftreten. Wenn eine Trennung zwischen dem Hologrammschirm 9 und der Linse 1 vorliegt (und die Linse zwischen dem Schirm 9 und dem Betrachter liegt), dann wird eine Bildvergrößerung wie vorstehend beschrieben auftreten.
Wenn eine Dispersionskompensation nicht verwendet wird, dann sind die Zonen 3, 4 vorteilhafterweise geneigt, in dem achromatischen Winkel, um eine gute Farbwiedergabe zu erleichtern.
(Es ist ebenfalls möglich, drei Projektoren in 101 bereitzustellen, wobei jeder der drei eine Farbtrennung projiziert und die Projektoren positioniert werden, um die unterschiedlich gefärbten Zonen 3 zu überlappen, wobei dieselbe Anordnung für den Projektor 10r benutzt würde.)
Zweitens kann das Stereopaar 2l, 2r durch ein einziges durchlässiges Bildelement und ein einziges Hologramm bereitgestellt werden.
In dieser Ausführungsform sind das stereoskopische Paar 2 und die Zonen 3, 4 durch eine Kombination einer Lichtquelle, ein Hologramm und eine durchlässige Bildträgerplatte, die ein LCD sein kann, erzeugt und wird als solche nachfolgend beschrieben.
Fig. 4 ist ein schematischer vertikaler Schnitt und nicht maßstabsgerecht.
LCD 14 wird angesehen als aus zwei Mengen von Pixeln 15 und 16 zusammengesetzt (jeweils zwei von diesen sind in der Figur gezeigt). Die Pixel 15 zeigen gemeinsam das linke Stereohalbbild und die Pixel 16 das rechte Stereohalbbild. Ein Hologramm 17 ist nahe an das LCD gesetzt (in dem gezeigten Fall liegt es hinter diesem, es kann vor diesem liegen). Das Hologramm 17 ist aus zwei Mengen von Elementen 18, 19 zusammengesetzt, die sich überlappen können oder auch nicht und es wird durch einen Lichtstrahl 20 beleuchtet. Zum Zweck der Erklärung sind einige Lichtstrahlen eingezeichnet, selbstverständlich gibt es viele weitere Strahlen, die eingezeichnet werden können und die nicht notwendigerweise parallel zu den eingezeichneten verlaufen.
Ein Teil des Lichts 20 trifft auf das Hologrammelement 18, dort wo es das Bild 3 eines diffusen Lichtbereichs rekonstruiert, in dem dargestellten Fall ist dies ein virtuelles Bild bei dem die gebeugten Strahlen 21 erscheinen als gingen sie von dem Bild 3 aus. Es wird angemerkt, daß der gebeugte Strahl 21 durch ein Element der Pixelmenge 15 läuft. Das Hologramm und die LCD sind derart angeordnet, daß das durch alle Elemente der Menge der Hologrammelemente gebeugte Licht durch die Elemente der Pixelmenge 15 und nicht durch die Elemente der Menge 16 läuft. Das Licht 21 ist durch das durch die Pixelmenge 15 gezeigte Bild moduliert. Dasselbe tritt in analoger Weise für die Hologrammelementenmenge 19, das Bild 4, die Strahlen 22 und die Pixelmenge 16 auf.
Die zwei virtuellen Bilder 3, 4 bestehen aus gleichmäßig beleuchteten diffusen Lichtzonen, die vorteilhafterweise koplanar sind und an ihrer Seite aneinander stoßen ohne einen Überlapp oder einen Abstand zwischen ihnen. (Die Figur ist ein vertikaler Schnitt und zur Klarheit leicht verzerrt, so daß dies nicht präzise wiedergegeben wird.)
Die Zonen 3 und 4, wenn mit dem optischen Element 1 kombiniert, werden erneut als reale Bilder 6, 7 dargestellt, die die linke bzw. rechte Betrachtungszone formen.
Drittens, das Stereopaar 2l, 2r kann durch zwei separate LCDs und einen Strahlteiler geformt werden. Das Stereopaar 2 kann das optische Bild von einem oder beiden Stereohalbbildern sein. Es gibt eine Reihe von optischen Verfahren, um ein Bild mit einem anderen zu überlappen, wir werden ein einfaches beschreiben, das einen Strahlteiler verwendet.
In Fig. 5 ist das linke Halbbild auf einer durchlässigen Anzeige 25 angezeigt, wobei es in der Art beleuchtet wird, daß das durchtretende Licht von der diffusen Zone 3 stammt oder zu stammen scheint. Eine Art um dies zu erreichen, ist es, ein holographisches Element für die Beleuchtung des Halbbildes 25 zu verwenden, wobei dies insbesondere vorteilhaft ist, wenn die optische Ausgestaltung der gesamten Anzeige bedeutet, daß die Diffusionszone 3 in einem großen Abstand sein sollte oder wenn es ein reales anstatt eines virtuellen Bildes sein soll. Licht 28 tritt durch das Halbbild und läuft anschließend durch den Strahl 27 zu der Optik 1. Die rechte Bildhälfte wird angezeigt und in derselben Weise beleuchtet mit dem einzigen Unterschied, daß das Licht 29 von dem Strahlteiler 27 derart reflektiert wurde, daß das Bild des Halbbildes 26 mit dem Halbbild 25 überlagert ist und die Zone 4 angrenzend an die Zone 3 erscheint. Einmal reflektiert läuft das Licht 29 parallel zu dem Licht 28 weiter zu der Optik 1.
Das Vorstehende sind einige Wege, mit denen das Stereopaar 2 und die Zonen 3, 4 für ein ordnungsgemäßes Funktionieren der Anzeige angeordnet werden können. Es gibt einige andere Ansätze, die durch die Verwendung von Mikrolinsenfeldern, Prismenfeldern, zeitsequentiellen Anzeigen betrieben werden können.
Wir werden nun näher die Wirkungsweise und den Aufbau der Optik 1 betrachten.
Die Verwendung eines holographischen optischen Elements in dieser Situation ist reizvoll, weil solche Elemente ein klares flaches Bild auf Glas erscheinen lassen, das es dem Betrachter erlaubt, durch diese zu sehen, wobei das stereoskopische Bild dabei sich selber auf der realen Szene betrachtet durch die Optik 1 überlagern kann.
Fig. 6 zeigt eine Ansicht einer solchen Anordnung.
Das Stereopaar 2 wird derart beleuchtet, daß das durch das Stereopaar 2 tretende Licht 30 durch das Reflexions-Holographische Optische Element (HOE) 1 fokussiert wird, wobei das fokussierte Licht 31 zu dem Betrachter wandert und die diffusen realen Bilder 7 und 6 der diffusen Zonen 3, 4 (nicht dargestellt) formt, die die zwei Stereohalbbilder beleuchten. Das Licht 31 erscheint als Fortsetzung des nicht vorhandenen Lichts 32, das scheinbar von einem vergrößerten virtuellen Bild 5 des Stereopaars 2 stammt.
Für ein farbiges HOE 1 sollte ein vollfarbiges Reflexionshologramm derart hergestellt sein, daß es die in dem Stereopaar 2 verwendeten primären Farben reflektiert.
Eine ähnliche Anordnung kann unter Verwendung eines Transmissions HOE hergestellt werden, obwohl in diesem Fall eine zusätzliche Filterung des Lichts (oder die Verwendung von monochromatischen Lichtquellen) erforderlich wird, um ein scharfes Bild zu erhalten.
Ein Spiegel kann anstelle des HOE 1 in Fig. 6 benutzt werden. Idealerweise sollte dies ein neben der Achse liegender Parabolspiegel sein, obwohl andere Formen ebenfalls gut genug funktionieren.
Eine Linse (oder eine Kombination von Linsen) kann verwendet werden, wenn das Stereopaar 2 sich auf der gegenüberliegenden Seite der Optik 1 in Fig. 6 befindet. Wenn eine Linse verwendet wird, kann die Anordnung selbstverständlich entlang der Achse funktionieren.
Es kann vorteilhaft sein, eine zusammengesetzte Optik zu verwenden, die eine Kombination von mehreren Optiken gleicher Art (beispielsweise alles Linsen) oder von verschiedenen Arten (z. B. Linsen, Spiegel und/oder Beugungselemente) sein kann.
Mit einer ausgeführten Anzeige der beschriebenen Art kann es wünschenswert sein, für den Betrachter eine Bewegung zuzulassen, ohne Verlust des Blicks auf die Bilder oder des stereoskopischen Effekts. Es kann ebenfalls wünschenswert sein, mehr als einem Betrachter den Genuß des stereoskopischen Bildes gleichzeitig zu ermöglichen. Die genauen Verfahren um diese Aufgabe zu erzielen, hängen davon ab, wie die Betrachtungszonen 3, 4 hergestellt sind. Allgemeine Verfahren sind die folgenden:
Mehrere Blicklösung: Wenn anstelle des Bereitstellens von nur zwei Bildern für den Stereoeffekt, mehrere Betrachtungspunkte derart angeordnet sind, daß die Betrachtungszonen, die jedem Bild entsprechen, sich angrenzend an seinen Nachbarn formt, dann werden sich bewegende Augen des Betrachters durch aufeinanderfolgende Betrachtungszonen bewegen. In jeder Position (innerhalb von Grenzen) wird jedes Auge ein anderes Bild sehen. Es ist einfach einzusehen, daß das den Eindruck einer Paralaxe erzeugt. Innerhalb der Grenzen, die durch die Konstruktion des Displays gegeben sind, wird der Betrachter in der Lage sein, sich in einem erscheinenden 3D-Bild umzusehen. Ebenfalls können zwei (oder mehr) Betrachter aus verschiedenen Betrachtungszonen schauen und werden das erscheinende 3D-Bild aus unterschiedlichen Perspektiven sehen.
Jedoch kann eine solche Lösung daher unattraktiv sein, daß die Auflösung und Bandbreitenerfordernisse sehr hoch sind. Die Humanforschung hat ergeben, daß dutzende, wenn nicht gar hunderte von 2D-Perspektiven erforderlich sind, um einen glatten Effekt zu erzielen.
Bewegliche Betrachtungszonenlösung: Um die Anforderung der hohen Auflösung, die durch eine mehrere Blicklösung erhoben wird zu vermeiden, kann die Anzeige lediglich mit linken und rechten Betrachtungszonen hergestellt werden und eine Einrichtung kann bereitgestellt werden, um die Position der Zonen 3 und 4 abhängig von der eigenen Änderung der Betrachterposition bereitzustellen. Dies wird üblicherweise bedeuten, daß sich die beleuchtenden Lichtquellen (beispielsweise die Position der Lichtquelle 20 in Fig. 4 oder der Projektoren 10l, 10r in Fig. 2) bewegt. Dies gestattet es dem Betrachter, sich ohne Verlust des 3D-Effekts zu bewegen, wenn die Perspektiven der Stereohalbbilder ebenfalls entsprechend geändert werden, dann wird der Effekt einer kontinuierlichen Parallaxe erzielt. Wenn die Anzeige durch mehr als einen Benutzer gleichzeitig benutzt werden muß, dann müssen wir für jeden Betrachter Betrachtungszonen 6, 7 bereitstellen, was bedeutet, daß eine entsprechende Vielzahl von diffusen Zonenpaaren 3, 4 ebenfalls bereitgestellt werden muß. Erneut hängt das Verfahren zum Bereitstellen davon ab, in welcher Art sie erzeugt wurden. Das folgende sind zuverlässige Verfahren:
· Das optische Element kann als ein HOE mit mehreren Brennpunkten hergestellt sein, wodurch mehrere Betrachtungspositionen erzeugt werden. Dies ist in Fig. 7 dargestellt, in der das holographische optische Element mit drei Brennpunkten hergestellt ist. (Beispielsweise durch Bereitstellen von drei Objektstrahlen und einem Referenzstrahl). Die geeignete Anordnung der anfänglichen Betrachtungszonen 3, 4 ist dargestellt (dies sind virtuelle Bilder). Die Optik 2 erzeugt drei Sätze von Bildern. Drei virtuelle Bilder 5, 5', 5" werden durch zwei erzeugt, diese sind durch die zugehörigen realen abgebildeten Betrachtungszonen 6, 7; 6', 7'; 6", 7" betrachtbar, entsprechend zu den drei unterschiedlichen Betrachtungspositionen.
· Das holographische Elemente, das bzw. die zur Erzeugung der diffusen Zonen 3, 4 verwendet wird bzw. werden, kann aus mehrere Betrachtungszonenpaare 3, 4; 3', 4'; 3", 4" etc. entsprechend den Betrachtungszonenpaaren 6, 7; 6', 7'; 6", 7" etc. hergestellt sein. Wie in Fig. 8 dargestellt, besitzt das optische Element in diesem Fall nur einen Brennpunkt. Drei Betrachtungszonenpaare 3, 4; 3', 4'; 3", 4" wurden dargestellt, wobei ihre Anzahl und ihre relative Position durch das optische Element mit der zugehörigen Bildträgereinrichtung 2 bestimmt werden. Sie werden durch die Optik 1 abgebildet, so daß sie die realen Bilder 6, 7; 6', 7'; 6", 7" formen, wodurch sie drei Betrachtungspositionen schaffen.
· Mehrere Diffusionszonen 3, 4 können durch die Verwendung von mehreren Lichtquellen in verschiedenen Positionen erzeugt werden, wobei jede von diesen ihr eigenes diffuses Zonenpaar 3, 4 erzeugt, die nachfolgend als Betrachtungszonenpaare 6, 7; 6', 7'; 6", 7" etc. wie in Fig. 9 dargestellt, in der drei Lichter 51, 51', 51" gezeigt sind, abgebildet werden. Das optische Element besitzt in diesem Fall nur einen Brennpunkt und die Anzahl und Position der Betrachtungszonen entspricht der Anzahl und Position der Lichter 51 etc. Solch eine Anordnung erlaubt die Bewegung der Betrachtungszonen 3, 4 durch bewegen der Position des Lichtes 51, alternativ wird die Verwendung von mehreren Lichtern gleichzeitig die entsprechenden Betrachtungszonen 3, 4 etc. gleichzeitig für die entsprechende Anzahl von Betrachtern schaffen. Diese Lösung kann mit dem oben beschriebenen mobilen Betrachtungszonenverfahren kombiniert werden, um das unabhängige Verfolgen für mehrere Betrachtern zu ermöglichen.
Fig. 7, 8 und 9 zeigen Wege, um mehrere und/oder mobile Betrachtungszonen in einer Ausführungsform der Erfindung zu erreichen. Ähnliche Methoden können auf andere Ausführungsformen angewendet werden.

Claims

1. Stereoskopisches Anzeigegerät folgendes aufweisend:

a) Einrichtung (2) zum Erzeugen von mehreren betrachtbaren Bildern, wobei jedes betrachtbare Bild eine unterschiedliche perspektivische Ansicht einer gemeinsamen Szene aufweist,

b) Einrichtung zum Erzeugen von mehreren Betrachtungszonen (3, 4) jeweils zum Betrachten eines der betrachtbaren Bilder, wobei die Betrachtungszonen derart angeordnet sind, daß bei der Verwendung jedes Auge des Betrachters (8R, 8L) ein anderes betrachtbares Bild sieht, wodurch es dem Betrachter ermöglicht wird, ein stereoskopisches 3D-Bild einer gemeinsamen Szene zu genießen, und

c) ein optisches Element (1) mit einer positiven optischen Stärke,

wobei die Einrichtungen und das optische Element derart angeordnet und konstruiert sind, daß das optische Element (1) ein reales Bild (6, 7) der Betrachtungszonen und ein virtuelles Bild (5) des betrachtbaren Bildes erzeugt, wodurch jedes der virtuellen Bilder für einen Betrachter nur dort sichtbar ist, wo ein Lichtstrahl (50) von dem Auge des Betrachters durch das reale Bild der zugehörigen Betrachtungszone (6, 7), das optische Element (1) und das entsprechende betrachtbare Bild gelegt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung mehrerer betrachtbarer Bilder eine Bildträgereinrichtung (2) aufweist, die zwischen dem optischen Element (1) und dem hinteren Brennpunkt (f) des optischen Elements liegt.

2. Anzeigegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die betrachtbaren Bilder auf einer Bildträgereinrichtung (14) derart gezeigt werden, daß Teile (15) der Bildträgereinrichtung ein Bild anzeigen und andere Teile (16) andere Bilder, und die Bildträgereinrichtung (14) mit einem die Betrachtungszone festlegenden optischen Gerät (12) kombiniert ist, wobei das Licht durch die Teile (15), die ein Bild zeigen, eine Betrachtungszone entfernt von der Bildträgereinrichtung formen und das Licht das durch die Teile (16), die andere Bilder zeigen, passiert ebenfalls entfernte Betrachtungszonen derart formt, daß jede entsprechende Betrachtungszone eine andere Position in bezug auf die anderen Betrachtungszonen bildet.

3. Anzeigegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die betrachtbaren Bilder durch getrennte Bildträgereinrichtungen (25, 26) geformt werden und daß die Bilder auf einen blickbestimmenden Schirm derart projiziert werden, daß die zu jedem Bild gehörende Betrachtungszone sich in einer anderen Position zu den mit jedem anderen Bild verbundenen Betrachtungszonen formt.

4. Anzeigegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines oder mehrerer Zonen ein Feld von Linsen aufweist.

5. Anzeigegerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines oder mehrerer Betrachtungszonen ein holographisches optisches Element (17) aufweist, das diffuse Betrachtungszonen in einem ersten Eindruck entweder als reales Bild oder als virtuelles Bild erzeugt.

6. Anzeigegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der blickbestimmende Schirm ein holographisches optisches Element (17) aufweist, das eine diffuse Betrachtungszone in Kombination mit mindestens einem optischen Gitter erzeugt, um einen Dispersionsausgleich zu erzielen.

7. Anzeigegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die betrachtbaren Bilder durch separate Bildträgereinrichtungen (25, 26) und eine weitere optische Einrichtung (27) wie beispielsweise einen Strahlteiler geformt werden, der angeordnet ist, um die Bildträgereinrichtung derart zu überlagern, daß sie beide in derselben Position angeordnet erscheinen.

8. Anzeigegerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bildträgereinrichtung mit einem zusätzlichen optischen Gerät zur Bestimmung der Betrachtungszone verbunden ist, so daß die Betrachtungszone in einem ersten Eindruck als ein reales Bild oder ein virtuelles Bild erscheint.

9. Anzeigegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Geräte zur Bestimmung der Betrachtungszonen holographische optische Elemente aufweisen, die diffuse Bilder derart erzeugen, daß bei der Verwendung die mit jedem betrachtbaren Bild verbundenen Betrachtungszonen sich in unterschiedlichen Positionen formen.

10. Anzeigegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betrachtungszonenerzeugungseinrichtung ein holographisches optisches Element (17) aufweist, das die entsprechenden Betrachtungszonen als diffuse virtuelle Bilder formt.

11. Anzeigegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betrachtungszonenerzeugungseinrichtung ein holographisches optisches Element (17) aufweist, das die entsprechenden Betrachtungszonen als diffuse reale Bilder erzeugt.

12. Anzeigegerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der betrachtbaren Bilder die betrachtbaren Bilder sequentiell erzeugt.

13. Anzeigegerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die betrachtbaren Bilder auf Bildträgereinrichtungen angezeigt werden und die Bildträgereinrichtung mit einem optischen Element kombiniert ist, das eine Betrachtungszone entfernt von der Bildträgereinrichtung formt, die Position der Betrachtungszone abhängt von der Position einer Lichtquelle, die das optische Element beleuchtet, wobei mindestens eine Lichtquelle für jedes separat betrachtbare Bild und Betrachtungszone erforderlich ist, und die Gesamtheit derart angeordnet ist, daß, wenn ein betrachtbares Bild angezeigt wird, das beleuchtende Licht dafür sorgt, daß die Betrachtungszone in einer Position geformt wird, und, wenn ein zweites betrachtbares Bild angezeigt wird, ein anderes Licht das optische Element beleuchtet, wodurch eine zweite Betrachtungszone sich in einer anderen Position die sequentielle Anzeige von nachfolgenden Bildern zu formen und die zugehörige Bildung von Betrachtungszonen schnell genug für die Nachwirkung des empfangenen Lichteindrucks erreicht wird, um zu verhindern, daß der Betrachter ein Flackern von einem der Bilder empfängt.

14. Anzeigegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines oder mehrerer betrachtbarer Bilder aus Flüssigkristallanzeigeneinrichtungen (14) besteht.

15. Anzeigengerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen der für die Beleuchtung der Bildträgereinrichtung verwendeten Lichtquellen derart geändert werden können, daß die Position der verwendeten Betrachtungszonen bewegt werden kann.

16. Anzeigengerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen sich derart bewegen, daß die Betrachtungszonen sich bewegen, um den Bewegungen des Kopfes des Betrachters derart zu folgen, daß der Betrachter sich ohne Verlust des stereoskopischen Effekts bewegen kann.

17. Anzeigegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes betrachtbare Bild mit mehr als einer Betrachtungszone verbunden ist, wodurch mehr als ein Benutzer die Anzeige gleichzeitig benutzen kann.

18. Anzeigegerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein reflexions- oder transmissionsholographisches optisches Element HOE, eine Linse oder ein Spiegel oder eine Kombination dieser ist.