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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Sweet-Spot-Einheit für ein Display zur Informationsdarstellung,
um Licht mit der Information in Sweet-Spots auf Betrachteraugen
für mindestens
einen Betrachter abzubilden.
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Anwendungsgebiet
der Erfindung sind monoskopische Displays für einzelne oder mehrere Betrachter
und autostereoskopische Displays für einzelne oder mehrere Betrachter
(Multi-User), wobei bei den Multi-User-Displays für jeden
Betrachter ein anderer Bildinhalt dargestellt werden kann. Bei autostereoskopischen
Multi-User-Displays
können
sich die Betrachter die verschiedenen Bildinhalte wahlweise entweder
im 2D- oder 3D-Modus ansehen.
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Als
autostereoskopische Displays werden im Dokument Displays bezeichnet,
bei denen mindestens ein Betrachter von wahlfreien Orten aus auf
dem Informationspanel 3D-Inhalte ohne zusätzliche Hilfsmittel sehen kann.
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Die
Sweet-Spot-Einheit umfasst in Ausbreitungsrichtung des Lichts eine
Beleuchtungsmatrix mit einer Vielzahl regelmäßig angeordneter selbstleuchtender
oder lichtdurchstrahlter Beleuchtungselemente sowie nachfolgende
Abbildungsmittel mit optischen Abbildungselementen.
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Bei
autostereoskopischen Displays durchdringt das Licht der Sweet-Spot-Einheit
großflächig die
in der Ausbreitungsrichtung des Lichts nachfolgende Bildmatrix.
Dabei wird das Licht für
die linken Sweet-Spots mit den linken Bildern und für die rechten
Sweet-Spots mit den rechten Bildern moduliert und auf die linken
beziehungsweise rechten Augen der Betrachter fokussiert. Dabei darf
weder Übersprechen
auf das jeweils andere Auge noch eine Störung der Homogenität der Bilder
auf der Bildmatrix auftreten, wenn das Display aus den Sweet-Spots, den
Bereichen übersprechungsfreien
stereoskopischen Sehens, heraus betrachtet wird.
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Die
Bilder oder Videosequenzen können
dabei in transmissiver Form beispielsweise als durchstrahltes Panel
oder auch in reflektiver Form vorliegen. Ein wichtiges Anwendungsgebiet
der Erfindung sind Displays, bei denen für Betrachter unterschiedliche
Informationen dargestellt werden, wie etwa dem Fahrer eines Fahrzeugs,
dem Informationen über
die Strecke eingeblendet werden, während sein Beifahrer einen
Film sieht.
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Die
Abbildungselemente der Abbildungsmittel können insbesondere sphärische oder
asphärische
Linsenelemente, holographisch-optische Elemente (HOE) oder in Lichtrichtung
mit- oder untereinander kombinierte, gestapelt angeordnete optische Abbildungselemente
beliebiger Art sein. Die Abbildungsmittel sind oft durch Lentikulare
realisiert und weisen in der Regel einen sehr kleinen Pitch auf.
Für Sweet-Spot-Einheiten
sind in der Regel Pitch und Position der Abbildungselemente in Bezug
auf die Beleuchtungsmatrix genau definiert und ein Vielfaches des
Pixel-Pitchs der
Bildmatrix.
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In
einer einfachen Lösung
ist die Beleuchtungsmatrix durch ein Backlight sowie einen Shutter realisiert.
Der Shutter weist eine Vielzahl regelmäßig angeordneter steuerbarer Öffnungen
auf und ist beispielgebend ein monochromes LCD-Display. Eine weitere
Ausführungsform
ist eine Matrix aus selbstleuchtenden Pixeln, beispielsweise LEDS,
OLEDs, DMDs, Micro-Mirror-Devices oder dergleichen.
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Derartige
Beleuchtungseinrichtungen in autostereoskopischen Displays sind
seit langem bekannt.
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Nachfolgend
werden nahe liegende Ausführungsformen
zusammenfassend erläutert.
EP 079 1 847 B1 beschreibt
ein autostereoskopisches Display mit geneigt angeordneten Elementen.
Es beinhaltet eine Bildmatrix mit Bildpixeln, die in Zeilen und
Spalten angeordnet sind. Ferner beinhaltet es ein Lentikular mit
parallelen Lentikeln, die in Bezug auf die Pixelspalten der Bildmatrix
geneigt angeordnet sind.
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Als
Vorteil soll erreicht werden, dass die optischen Auswirkungen der
Abschattungen zwischen den Pixelspalten der Bildmatrix reduziert
werden. Diese Abschattungen werden beispielsweise durch die Verdrahtung
der Pixel hervorgerufen. Die Richtung der Abschattung ist durch
die Neigung des Lentikulars nicht mehr parallel zur Richtung der
Lentikel, so dass für
den Betrachter die ansonsten sichtbaren, vertikal verlaufenden dunkleren
Linien eliminiert werden können.
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Durch
diese Neigung besteht bei dieser Anordnung jedoch die Gefahr, dass
die gewünschte Ausdehnung
und Qualität
der erzeugten Sweet-Spots nicht erzielt werden.
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Im
Weiteren sind autostereoskopische Displays bekannt, welche zwischen
dem Lentikular und der Bildmatrix ein Streuelement aufweisen, wodurch verschiedenartige
Aufgabenstellungen gelöst
werden.
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RU 2 231 097 C1 beschreibt
ein autostereoskopisches Display mit einem Streuelement, welches in
Blickrichtung unmittelbar hinter dem Display (orig. transparency)
angeordnet ist und das Licht ausschließlich in vertikaler Richtung
streut. Mit dem Streuelement soll die vertikale Ausdehnung des Bereichs
autostereoskopischen Sehens erweitert werden.
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EP 141 3 149 A1 beschreibt
ebenfalls ein autostereoskopisches Display mit einem an der gleichen
Stelle angeordneten Streuelement, welches hier jedoch zur Umschaltung
zwischen einer zweidimensionalen und dreidimensionalen Darstellung dient.
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Die
Qualität
der optischen Abbildung ist unter anderem davon abhängig, ob
es geling, die Bildmatrix und die Sweet-Spots homogen auszuleuchten.
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Eine
wichtige Forderung an die Sweet-Spot-Einheit insbesondere an die
Abbildungsmittel ist die möglichst
homogene Ausleuchtung der Bildmatrix und des Sweet-Spots. An den
vertikal verlaufenden Nahtstellen der Abbildungselemente kommt es
insbesondere aufgrund von sphärischen Aberrationen
zu Bereichen inhomogener Ausleuchtung der Bildmatrix, welche vom
Betrachter als vertikal verlaufende helle und dunkle Linien gesehen
werden können.
Diese inhomogenen Strukturen werden im Allgemeinen als störend empfunden.
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Diese
negative Beeinflussung der Bildqualität betrifft insbesondere die
in den genannten Schriften aufgeführten Anordnungen, also Lentikulare
mit vertikal angeordneten Lentikel in Form von Zylinderlinsen.
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Aufgabe der
Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, dass die Sweet-Spot-Einheit die Bildmatrix
homogen ausleuchtet und die genannten inhomogenen Strukturen beseitigt.
Gleichzeitig muss sichergestellt sein, dass die Sweet-Spots in ihrer
Geometrie und hohen Qualität
nicht beeinträchtigen
sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß enthält die Sweet-Spot-Einheit
ein vertikal streuend wirkendes optisches Element, nachfolgend kurz
als Streuelement bezeichnet. Das Streuelement ist zwischen den Abbildungsmitteln
und der Bildmatrix angeordnet.
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Ferner
ist erfindungsgemäß die Beleuchtungsmatrix
und / oder die Abbildungsmittel gegenüber dem Streuelement und der
Bildmatrix geringfügig um
die optische Achse geneigt angeordnet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die Beleuchtungsmatrix gemeinsam mit den Abbildungsmitteln im
gleichen Winkel gegenüber dem
Streuelement und der Bildmatrix um die optische Achse geneigt angeordnet.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Bereiche inhomogener
Ausleuchtung des Bildes beziehungsweise der Bildmatrix, die vom
Betrachter als vertikal verlaufende, abwechselnd helle und dunkle
Linien erkennbar sind, nunmehr geringfügig geneigt auf das Streuelement
auftreffen. Im Weiteren erfolgt durch das Streuelement eine vertikale Homogenisierung,
so dass eine nahezu homogene Ausleuchtung der Bildmatrix erzielt
wird.
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Die
von der erfindungsgemäßen Anordnung erzielte
kontrollierte Homogenisierung ist durch den Streuwinkel des Streuelements,
seinen Abstand zur Bildmatrix und den Neigungswinkel der oben genannten
Elemente präzise
steuerbar.
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Dies
betrifft insbesondere das Übersprechen.
Durch die ausschließlich
vertikale Homogenisierung sind die Sweet-Spots nicht beeinträchtigt.
Sie bleiben ohne zusätzlichem Übersprechen
in ihrer Geometrie erhalten.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
ist das streuende optische Element eine vertikal wirkende Streufolie.
Weiterführende
Ausführungsformen
sind analog zu den Abbildungsmitteln aufgebaut.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Die
folgenden Figuren erläutern
ein weiterführendes
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Sweet-Spot-Einheit
als Beistandteil eines autostereoskopischen Displays und zeigen
in
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1 eine
erfindungsgemäße Sweet-Spot- Einheit
und
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2 eine
Diagrammdarstellung einer von der erfindungsgemäßen Sweet-Spot-Einheit auf der Bildmatrix
erzielten Leuchtdichteverteilung.
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1 zeigt
eine Sweet-Spot- Einheit als Bestandteil eines autostereoskopischen
Displays.
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Das
Display umfasst in einem ersten Teil in Lichtrichtung eine Beleuchtungsmatrix
BM mit einer Vielzahl regelmäßig angeordneter
Beleuchtungselemente. Die Beleuchtungsmatrix ist hier nicht selbstleuchtend
realisiert, sondern besteht aus einem Backlight als Lichtquelle
und einem eine Vielzahl matrixförmig
angeordneter Öffnungen
aufweisenden Shutter für
die gesteuerte Lichtdurchstrahlung.
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Es
folgt ein Abbildungsmittel AM mit optischen Abbildungselementen,
welches hier als Lentikular mit einer Vielzahl vertikal angeordneter
aneinandergrenzender Lentikel L1,L2,.. in der Form von Zylinderlinsen
realisiert ist.
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Das
Licht der Sweet-Spot-Einheit wird in der nachfolgenden Bildmatrix
M mit Bildinformation moduliert und in Sweet-Spots auf Betrachteraugen
mindestens eines Betrachters abgebildet.
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Zwischen
dem Abbildungsmittel AM und der Bildmatrix M ist ein vertikal streuendes
optisches Element S angeordnet. Dieses Element ist hier als Streufolie
realisiert.
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Ferner
ist die Beleuchtungsmatrix BM sowie das Abbildungsmittel AM gegenüber dem
vertikal streuenden optischen Element S und der Bildmatrix M geringfügig mit
wenigen Winkelgraden um die optische Achse geneigt angeordnet. Die
Neigung dieser Elemente ist in der Figur durch den Neigungswinkel α veranschaulicht
und zur besseren Sichtbarkeit verstärkt dargestellt.
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Die
Figur zeigt die Bereiche inhomogener Leuchtdichte der Sweet-Spot-Einheit,
die vom Benutzer als Folge von vertikal verlaufenden hellen und dunkle
Linien a(I) erkennbar sind. Diese Linienfolge verläuft in der
Regel entsprechend der periodischen Strukturen der Abbildungselemente
und ist über
die ganze Fläche
der Bildmatrix M erkennbar. Diese Linien a(I), die insbesondere
aufgrund der sphärischen Aberrationen
am Randbereich der Abbildungselemente beziehungsweise Lentikel entstehen,
treffen, wie aus der Darstellung ersichtlich, leicht geneigt auf die
Streufolie S.
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Die
vertikal wirkende Streufolie S und die geringfügige Neigung der Elemente AM
und BM erzielen gemeinsam eine vertikale Homogenisierung dieser
Linienstrukturen. Wie in der Figur dargestellt, werden die dunklen
Strukturen a(I) durch die vertikale Homogenisierung in die Linienstrukturen
a(s) übergeführt. Die
erzielten Linienstrukturen a(s) sind für den Betrachter kaum erkennbar.
Die Bildmatrix M ist homogen ausgeleuchtet und die Qualität der optischen
Abbildung ist sichtbar verbessert. Durch die ausschließlich vertikale
Homogenisierung sind die Sweet-Spots nicht beeinträchtigt und
bleiben in ihrer Geometrie erhalten. Ein zusätzliches Übersprechen tritt nicht auf.
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2 zeigt
in einer Diagrammdarstellung einen Ausschnitt des Verlaufs der Leuchtdichteverteilung
in der Bildmatrix entlang eines horizontalen Schnittes.
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Im
Speziellen zeigt das Diagramm die Leuchtdichteverteilung einer Anordnung
nach dem Stand der Technik im Vergleich zur erfindungsgemäßen Anordnung
nach 1.
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Bei
dieser Anordnung nach dem Stand der Technik sind alle optischen
Elemente, also die Beleuchtungsmatrix, die Abbildungsmittel und
die Bildmatrix, ohne Neigung vertikal ausgerichtet.
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Die
hier erzielte Leuchtdichteverteilung ist in der Figur durch eine
hellere Linie dargestellt. Sie zeigt als erste charakteristische
Inhomogenität
den Abfall der Leuchtdichteverteilung, der durch Lichtstrahlen hervorgerufen
wird, die durch die Nahtstelle zweier Lentikulare L1 und L2 verlaufen
und auf die Bildmatrix treffen. Im Weiteren ist die inhomogene Leuchtdichte
durch die stark ändernden
Funktionswerte ersichtlich.
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Die
in 1 erläuterte
Sweet-Spot-Einheit erzielt auf der Bildmatrix die in der Darstellung
verstärkt
dargestellte homogene Leuchtdichteverteilung. Neben dem geglätteten Kurvenverlauf
ist insbesondere ersichtlich, dass der Abfall der Leuchtdichteverteilung
an der Nahtstelle hinreichend eliminiert ist. Wunschgemäß sind für den Benutzer
die dunklen Linien nicht mehr erkennbar.