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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung von dreidimensionalen
Bildern in einem Rekonstruktionsraum durch Raumpunkte, die Schnittpunkte
von wenigstens zwei sich kreuzenden Lichtstrahlenbündeln
sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum
Darstellen von dreidimensionalen Bildern in einem Rekonstruktionsraum.
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Zur
Darstellung von dreidimensionalen Bildern von Objekten sind bereits
verschiedene Möglichkeiten bekannt.
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Die
bekanntesten Systeme bilden gegenwärtig stereoskopische
bzw. autostereoskopische Wiedergabeeinrichtungen (Displays), bei
denen zwei Bilder projiziert werden, die durch z. B. Farbfilter,
Polarisationsfilter oder Shutterbrillen getrennt werden bzw. ohne
derartige Hilfsmittel zu beobachten sind. Oder mit anderen Worten
ausgedrückt, sind dies Wiedergabeeinrichtungen, bei denen
den Augen eines Betrachters unterschiedliche perspektivische zweidimensionale
Ansichten des darzustellenden Objekts zugeführt werden.
Der wesentliche Nachteil derartiger Wiedergabeeinrichtungen besteht
darin, dass es wegen dem Widerspruch zwischen der Fokussierung und
dem Konvergenzwinkel der Augen des Betrachters bei der Beobachtung
der beiden zweidimensionalen Bilder auf einem flachen Bildschirm
zu einer unnatürlichen Belastung der Augen kommt, wodurch
sehr häufig Ermüdungserscheinungen auftreten können.
Dieser Nachteil kann jedoch verringert werden, indem den Betrachteraugen
mehr als zwei perspektivische Ansichten zur Verfügung gestellt
werden. Dadurch erhöht sich aber der Aufwand, und eine
zufriedenstellende Lösung kann erst in sogenannten Super-Multiview-Displays
mit einer sehr hohen Anzahl an perspektivischen Ansichten erreicht werden.
Eine echte räumliche Rekonstruktion des Objekts ist aber
mit derartigen Wiedergabeeinrichtungen nicht realisierbar.
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Echte
räumliche Rekonstruktionen lassen sich mit sogenannten
volumetrischen Displays bzw. Wiedergabeeinrichtungen realisieren,
bei denen die Bildpunkte auf einem Licht streuenden Medium im dreidimensionalen
Raum dargestellt werden. Auf diese Weise kann daher der Widerspruch
zwischen Fokussierung und Konvergenz nicht auftreten. Mittels einer
derartigen Vorgehensweise lassen sich aber nur transluzente Objekte
darstellen, wobei diese Wiedergabeeinrichtungen wegen ihrer Kompliziertheit
für den täglichen Gebrauch nicht einsetzbar sind, sondern
vielmehr nur für Werbezwecke oder ähnlich spezielle
Vorhaben.
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Auch
mit Hilfe der Holographie lässt sich eine echte Rekonstruktion
eines dreidimensionalen Objektes im Raum erzeugen. Die Rekonstruktion
von Raumpunkten erfolgt hier durch Beugung von hinreichend kohärentem
Licht an berechneten oder auf andere Weise erzeugten Gitterstrukturen,
den Hologrammen. Die Raumpunkte entstehen dabei durch Interferenz
der durch das Hologramm modulierten Wellenfronten im Rekonstruktionsraum.
Es handelt sich daher um ein wellenoptisches Rekonstruktionsverfahren,
bei dem in der Regel die Rekonstruktion nur in einer bestimmten
Beugungsordnung erfolgt. Derartige holographische Methoden stellen
aber hohe Anforderungen sowohl an das Auflösungsvermögen
der Wiedergabeeinrichtung bzw. des Displays, als auch an die Leistungsfähigkeit
der zur Berechnung der Hologramme eingesetzten Rechner. Dabei hängt
sowohl die Größe des Rekonstruktionsvolumens bzw.
des Rekonstruktionsraums als auch der Sichtbarkeitsbereich von dem
durch den Pixelpitch des Displays gegebenen Beugungswinkel ab. Daher
können mit gegenwärtigen Mitteln auf Basis von
herkömmlichen holographischen Verfahren bisher nur kleine
Szenen bzw. Objekte in einem noch relativ kleinen Sichtbarkeitsbereich
rekonstruiert werden. Da zur Rekonstruktion außerdem hinreichend kohärentes
Licht erforderlich ist, ist die dreidimensionale Darstellung auch
immer mit kohärentem Rauschen, dem sogenannten Speckling, überlagert,
wodurch Maßnahmen zu seiner Unterdrückung erforderlich
sind, wobei unter Umständen aber wiederum die Auflösung
des Displays herabgesetzt wird.
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Eine
weitere Möglichkeit, reale Bildpunkte in einem dreidimensionalen
Raum zu rekonstruieren, bietet eine als Multi-Beam-Display bezeichnete
Wiedergabeeinrichtung. Bei dieser Art von Wiedergabeeinrichtungen
werden die Bildpunkte durch sich im Rekonstruktionsraum kreuzende
Lichtstrahlenbündel erzeugt. Dabei ist es erforderlich,
dass wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel, die unter einem
Winkel von einem Bildpunkt bzw. Raumpunkt ausgehen, auf die Pupille
eines Betrachterauges treffen, um das Auge zur Fokussierung auf
den Bildpunkt zu veranlassen (monokulare Akkommodation). Für
eine binokulare dreidimensionale Wahrnehmung des Bildpunktes sind
dann jeweils wenigstens vier von dem gleichen Bildpunkt ausgehende
Lichtstrahlenbündel erforderlich, so dass zwei Lichtstrahlenbündel
auf die Pupille des rechten Betrachterauges und zwei Lichtstrahlenbündel
auf die Pupille des linken Betrachterauges treffen.
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Eine
auf diesem Wirkungsprinzip beruhende Wiedergabeeinrichtung beschreibt
die
US 6,798,390 B1 .
Die Wiedergabeeinrichtung weist dabei ein bildgebendes LC-Display
und ein weiteres zweites LC-Display auf, die in einem Abstand parallel
zueinander angeordnet sind. Das zweite LC-Display dient dabei in
Verbindung mit einer Feldlinse als richtungsgebendes Display und
wird als Shutter betrieben. Um beispielsweise drei Bildpunkte bzw.
Raumpunkte durch sich kreuzende Lichtstrahlenbündel zu
erzeugen, werden nacheinander jeweils drei Bildpixel an unterschiedlichen
Stellen im bildgebenden LC-Display aufgeschaltet. Eine sich über
das zweite als Shutter ausgebildete LC-Display zeitsequentiell bewegende
kleine Öffnung bzw. Apertur wählt jeweils drei
Lichtstrahlenbündel aus, die in unterschiedliche Richtungen
in den Rekonstruktionsraum in Lichtrichtung hinter dem zweiten LC-Display
abgestrahlt werden. Bei geeigneter Wahl der im bildgebenden LC-Display
aufgeschalteten Bildpixel und der dazu aufgeschalteten Öffnung
schneiden sich die jeweiligen auf diese Weise nacheinander erzeugten
Lichtstrahlenbündel, so dass drei Raumpunkte erzeugt werden.
Ein Betrachter kann dann diese drei Raumpunkte aus verschiedenen
Blickwinkeln mit unterschiedlicher Tiefe als dreidimensionales Bild
wahrnehmen.
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Nachteilig
bei einer derartigen Wiedergabeeinrichtung ist jedoch, dass die
die Raumpunkte erzeugenden Lichtstrahlenbündel durch eine
einzige Apertur zeitsequentiell erzeugt werden. Dadurch ist das
rekonstruierte dreidimensionale Bild sehr lichtschwach, wobei außerdem
an die Schaltgeschwindigkeit des als Shutter betriebenen zweiten
LC-Displays hohe Anforderungen gestellt werden. Die
US 6,798,390 B1 beschreibt
zudem, dass das bildgebende LC-Display durch eine LED- Anordnung
ersetzt werden kann. Auf diese Weise verbessern sich zwar die Lichtverhältnisse,
der grundsätzliche Nachteil der sequentiellen Erzeugung
der Lichtstrahlenbündel in einem größeren
Sichtbarkeitsbereich bleibt aber bestehen.
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Die
US 6,798,390 B1 beschreibt
in einer weiteren Ausgestaltung der Wiedergabeeinrichtung die Beschränkung
des Sichtbarkeitsbereichs der dreidimensionalen Darstellung auf
einen definierten kleineren Bereich, in dem sich im gegebenen Moment
der Kopf des Betrachters befindet. Der Ort des Kopfes des Betrachters
wird durch ein Positionserfassungssystem ermittelt. Dabei werden
die verschiedenen Sichtbarkeitsbereiche (Raumwinkel, der mindestens den
Kopf des Betrachters erfasst, meist aber größer ist),
die den Kopfpositionen des Betrachters entsprechen, durch unterschiedliche
Bereiche des bildgebenden LC-Displays dargestellt. Dadurch werden zwar
die Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit des zweiten LC-Displays
verringert, aber die Auflösung der dreidimensionalen Darstellung
verringert sich in gleichem Maße.
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Die
Beseitigung derartiger Nachteile kann dadurch erreicht werden, dass
die Anzahl der bildgebenden und richtungsgebenden Systeme in einer Wiedergabeeinrichtung
erhöht wird. Eine derartige Wiedergabeeinrichtung ist beispielsweise
aus der
US 2003/0156077
A1 bekannt. Die sich im Rekonstruktionsraum kreuzenden
Lichtstrahlenbündel werden dabei von mehreren in horizontaler
und vertikaler Richtung nebeneinander bzw. untereinander angeordneten
Mikrodisplays in Kombination mit speziellen optischen Abbildungssystemen
erzeugt. Der Anordnung von Mikrodisplays ist ein passiver Bildschirm mit
einer Streucharakteristik vorgelagert, der die von den Mikrodisplays
ausgehenden Lichtstrahlenbündel derart aufweitet, dass
sie winkelmäßig ohne Unterbrechung ineinander übergehen
und so Raumpunkte erzeugt werden, die eng beieinanderliegen. Die
derart erzeugten Raumpunkte sind dann im Bereich vor, hinter oder
auf dem Bildschirm sichtbar. Auf diese Weise kann in einem bestimmten
Raumwinkel eine Vielzahl von perspektivischen Ansichten eines dreidimensionalen
Bildes erzeugt werden, die ein Betrachter mit beiden Augen bei einer
Bewegung nacheinander wahrnimmt oder die mehrere Betrachter gleichzeitig
sehen können. Dadurch wird die Multi-User-Fähigkeit
(mehrere Betrachter) der Wiedergabeeinrichtung gewährleistet.
Durch die Bewegungsparallaxe wird der dreidimensionale Eindruck
des dargestellten Bildes noch verstärkt. Der Sichtbarkeitsbereichs
und die Anzahl der Ansichten hängen dabei von der Geometrie
der Anordnung ab und können durch Hinzufügen weiterer
Module (Mikrodisplays und richtungsgebende Optiken) vergrößert
werden.
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Von
großem Nachteil bei einer derartigen Wiedergabeeinrichtung
ist aber der hohe Aufwand der Anordnung der Mikrodisplays bzw. der
Module und der damit verbundene rechentechnische Aufwand zur Programmierung
und Steuerung der Module. Diese Wiedergabeeinrichtungen sind deshalb eher
als Einzelgeräte für spezielle Anwendungen als für
den Durchschnittsverbraucher geeignet.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung auf
Basis eines Multi-Beam-Displays und ein Verfahren zur Darstellung von
dreidimensionalen Bildern in einem Rekonstruktionsraum zu schaffen,
mit denen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden
und die eine geringe Anzahl von Elementen erfordern. Zudem soll der
rechentechnische Aufwand zur Realisierung von dreidimensionalen
Bildern vermindert werden und die Vorrichtung auch für
den Durchschnittsverbraucher geeignet anwendbar sein.
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Erfindungsgemäß wird
die vorliegende Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des
Anspruchs 13 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Darstellung von dreidimensionalen
Bildern in einem Rekonstruktionsraum durch Raumpunkte, die Schnittpunkte
von wenigstens zwei sich kreuzenden Lichtstrahlenbündeln
sind, gelöst, die eine Bildanzeigeeinrichtung mit Bildpixeln
zur Darstellung von Bildinformationen und eine Strahlrichtungseinrichtung
aufweist. Die Bildanzeigeeinrichtung kann beispielsweise als herkömmliches LC-Display
mit einer bestimmten Diagonale ausgeführt sein, z. B. ein
20'' Display. Die Strahlrichtungseinrichtung sendet die von den
Bildpixeln der Bildanzeigeeinrichtung ausgehenden Lichtstrahlenbündel in
vordefinierte Richtungen, beispielsweise zu wenigstens einem Betrachter,
aus, so dass wenigstens ein Raumpunkt im Rekonstruktionsraum erzeugbar ist.
Die von dem wenigstens einen Raumpunkt ausgehenden Lichtstrahlenbündel
sind dabei ausschließlich auf wenigstens ein in einer Betrachterebene
vorgesehenes virtuelles Betrachterfenster gerichtet, das in seiner
Ausdehnung höchstens dem Durchmesser der Augenpupille eines
Betrachters entspricht.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Lichtstrahlenbündel,
die einen Raumpunkt bzw. Raumpunkte rekonstruieren, ausschließlich
auf wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster gerichtet, das in
seiner Ausdehnung höchstens der Augenpupille eines Betrachters
entspricht. Zur Beobachtung des oder der Raumpunkte im Rekonstruktionsraum ist
es deshalb erforderlich, dass die Augenpupille des Betrachters sich
am Ort des virtuellen Betrachterfensters befindet. Das Auge des
Betrachters fokussiert dann auf die dargestellten Raumpunkte und nimmt
diese in der richtigen Tiefe wahr, wenn von jedem Raumpunkt wenigstens
zwei Lichtstrahlenbündel in die Pupille dieses Auges einfallen.
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Der
Vorteil dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt
in der Konzentration der gesamten von den Bildpixeln ausgehenden
Information auf virtuelle Betrachterfenster. Dadurch kann die zu
verarbeitende Informationsmenge erheblich gesenkt werden, z. B.
gegenüber den Wiedergabeeinrichtungen der
US 6,798,390 B1 und der
US 2003/0156077 A1 ,
da zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur die perspektivischen
Ansichten des dreidimensionalen Bildes für die Betrachterfenster
zu berechnen und darzustellen sind, in denen sich auch Augen wenigstens
eines Betrachters befinden. Außerdem wird dadurch eine Echtzeitdarstellung
von bewegten Szenen (Folge von rekonstruierten dreidimensionalen
Bildern bzw. Objekten) wesentlich vereinfacht bzw. überhaupt
erst möglich. Da die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Rekonstruktion der Raumpunkte bzw. Bildpunkte bzw.
Objektpunkte nur eine geringe Anzahl von optischen Elementen aufweist
bzw. benötigt und vor allem kein kohärentes Licht
erfordert, liegt ein besonderer Vorteil gegenüber holographischen
Wiedergabeeinrichtungen darin, dass Interferenzerscheinungen nicht
auftreten bzw. keine Rolle spielen und somit die Darstellungsqualität
nicht durch Speckling (kohärentes Rauschen) beeinträchtigt
wird.
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Durch
die erhebliche Minderung des gerätetechnischen und rechentechnischen
Aufwandes ist es möglich, die erfindungsgemäße
Vorrichtung auch für den verbraucherorientierten Videobereich
einzusetzen bzw. ist die Vorrichtung auf Basis eines derartigen
Multi-Beam-Displays in der Anwendung für den Durchschnittsverbraucher
geeignet.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung kann dabei vorgesehen sein, dass
die Strahlrichtungseinrichtung Strahlablenkmittel aufweist, wobei
jedem Bildpixel oder einer Gruppe von nebeneinanderliegenden Bildpixeln
der Bildanzeigeeinrichtung ein Strahlablenkmittel der Strahlrichtungseinrichtung
zugeordnet ist. Besonders von Vorteil kann sein, wenn die Strahlablenkmittel
als steuerbare Prismenelemente ausgebildet sind. Die steuerbaren
Prismenelemente können dabei beispielsweise auf Basis des Electrowetting-Effects
(Elektrokapillarität; variable Brennweite bzw. variabler
Ablenkwinkel durch flüssige Mikroelemente, z. B. Wasser-Öl-Gemische)
aufgebaut und betrieben werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass eine Gruppe von nebeneinander angeordneten Strahlablenkmitteln
oder Prismenelementen der Strahlrichtungseinrichtung als Fresnel-Linse
ausgeführt ist, wobei die Strahlablenkmittel der Fresnel-Linse
jeweils einem Bildpixel oder einer Gruppe von Bildpixeln der Bildanzeigeeinrichtung
in Lichtstrahlrichtung nachgeordnet sind. Die Fresnel-Linse kann
dabei direkt durch eine Gruppe von Strahlablenkmitteln bzw. Prismenelementen
der steuerbaren Strahlrichtungseinrichtung dargestellt werden, wobei
diese Gruppe von Strahlablenkmitteln bzw. Prismenelementen einer
in annähernd gleicher Größe ausgebildeten
Gruppe von Bildpixeln der Bildanzeigeeinrichtung zugeordnet ist.
Die Fresnel-Linsen rekonstruieren in ihren Brennpunkten jeweils
einen Raumpunkt. Der inkohärente Charakter der Rekonstruktion
bleibt auch bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung erhalten.
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Besonders
von Vorteil kann sein, wenn die Ablenkwinkel der Strahlablenkmittel
bzw. der Prismenelemente in zwei senkrecht aufeinanderstehenden
Richtungen steuerbar sind. So ist es möglich, die Lichtstrahlenbündel
in horizontaler und vertikaler Richtung entsprechend des zu rekonstruierenden Raumpunktes
zu steuern und auszusenden.
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Um
insbesondere eine Kollimation der von den Bildpixeln der Bildanzeigeeinrichtung
ausgehenden Lichtstrahlenbündel vornehmen zu können,
damit auf die Strahlablenkmittel der Strahlrichtungseinrichtung
kollimierte Lichtstrahlenbündel auftreffen, kann vorteilhaft
ein optisches System vorgesehen sein, das zwischen der Bildanzeigeeinrichtung
und der Strahlrichtungseinrichtung angeordnet ist.
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In
vorteilhafter Weise kann dabei das optische System als Linsenanordnung,
insbesondere als Mikrolinsenanordnung, ausgebildet sein, wobei jedem
Bildpixel oder einer Gruppe von nebeneinanderliegenden Bildpixeln
der Bildanzeigeeinrichtung eine Linse der Linsenanordnung zugeordnet
ist.
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Um
die gegenseitige Beeinflussung des von benachbarten Bildpixeln ausgehenden
Lichts als Streulicht zu vermeiden, kann vorteilhaft zwischen der
Bildanzeigeeinrichtung und dem optischen System eine Blendenanordnung,
beispielsweise durch Realisierung von Lochblenden, vorgesehen sein.
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Da
nur die perspektivische Ansicht für das jeweilige virtuelle
Betrachterfenster und daher für das jeweilige Auge eines
Betrachters berechnet und dargestellt werden soll, kann es vorteilhaft
sein, wenn ein Positionserfassungssystem zur Ermittlung von Augenpositionen
wenigstens eines Betrachters in der Betrachterebene vorgesehen ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zum Darstellen
von dreidimensionalen Bildern in einem Rekonstruktionsraum gelöst, wobei
Lichtstrahlenbündel von Bildpixeln einer Bildanzeigeeinrichtung
auf eine Strahlrichtungseinrichtung gesandt werden, die durch die
Strahlrichtungseinrichtung derart in unterschiedliche Richtungen
gelenkt werden, dass wenigstens ein Raumpunkt durch wenigstens zwei
sich kreuzende Lichtstrahlenbündel in einem Rekonstruktionsraum
erzeugt wird, wobei die von dem wenigstens einen Raumpunkt ausgehenden
Lichtstrahlenbündel durch wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster in
einer Betrachterebene verlaufen und auf die Pupille von wenigstens
einem Auge wenigstens eines Betrachters auftreffen, so dass der
wenigstens eine Betrachter durch das wenigstens eine virtuelle Betrachterfenster
ein dreidimensionales Bild beobachtet.
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Die
von dem darzustellenden Raumpunkt ausgehenden Lichtstrahlenbündel
werden erfindungsgemäß ausschließlich
auf wenigstens ein virtuelles Betrachterfenster gerichtet, das in
einer Betrachterebene vorliegt. Um den Raumpunkt bzw. Bildpunkt
im Rekonstruktionsraum beobachten zu können, muss die Augenpupille
eines Betrachters räumlich mit dem virtuellen Betrachterfenster
zusammenfallen bzw. am Ort des virtuellen Betrachterfensters vorliegen,
so dass wenigstens zwei von dem Raumpunkt ausgehende Lichtstrahlenbündel
auf die Augenpupille auftreffen. Für eine binokulare Tiefenwahrnehmung
ist es erforderlich, dass von jedem Raumpunkt wenigstens vier Lichtstrahlenbündel
ausgehen, von denen jeweils wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel
auf das rechte Betrachterauge und auf das linke Betrachterauge auftreffen.
Soll das dreidimensionale Bild bzw. Objekt durch mehrere Betrachter
beobachtbar sein, so lässt sich dies durch Erzeugung von
mehreren Betrachterfenstern realisieren (Multi-User-Eigenschaft).
Die Betrachterfenster können auch nebeneinander angrenzend
angeordnet werden (Multi-View-Eigenschaft).
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Mittels
dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine
wesentliche Einsparung von Darstellungs- und Berechnungskapazität
erreicht, da nur die Flächen der Augenpupillen des bzw.
der Betrachter(s) mit Informationen versorgt werden müssen. Eine
weitere Verminderung des Berechnungs- und Darstellungsaufwandes
kann dadurch erzielt werden, dass beispielsweise aufgrund der horizontal
nebeneinanderliegenden Anordnung der Augen nur die horizontale Perspektive
dargestellt und auf die Darstellung der vertikalen Perspektive verzichtet
wird. Im Gegensatz zur wellenoptischen Rekonstruktion von Raumpunkten
gemäß der Holographie handelt es sich bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren um ein strahlenoptisches
Rekonstruktionsverfahren.
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Von
besonderem Vorteil kann dabei sein, dass die Position wenigstens
eines Auges wenigstens eines Betrachters in der Betrachterebene
mittels eines Positionserfassungssystems ermittelt wird und bei
Bewegung des wenigstens einen Betrachters in lateraler und/oder
axialer Richtung das wenigstens eine virtuelle Betrachterfenster
nachgeführt wird. Auf diese Weise kann ein Betrachter des
dreidimensionalen Bildes dieses auch nach Bewegung an einen anderen
Ort beobachten, wobei dem Betrachter entweder die gleiche perspektivische
Ansicht des dreidimensionalen Bildes wie vorher dargeboten wird
oder auch eine andere perspektivische Ansicht des dreidimensionalen
Bildes, je nachdem welche Anforderungen der Betrachter an die Vorrichtung
bzw. an das Verfahren stellt.
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Bei
den Positionen der für die Rekonstruktion der Raumpunkte
aufzuschaltenden Bildpixel der Bildanzeigeeinrichtung handelt es
sich um eine Projektion des darzustellenden Objekts auf die Bildanzeigeeinrichtung.
Die Positionen der für die einzelnen Raumpunkte bzw. Bildpunkte
aufzuschaltenden Bildpixel der Bildanzeigeeinrichtung werden deshalb
vorteilhafterweise durch inverse Strahldurchrechnung (inverses ray-tracing)
von den Betrachteraugen über die Raumpunkte zu der Bildanzeigeeinrichtung
ermittelt.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen.
Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung
näher beschriebenen Ausführungsbeispiele prinzipmäßig
erläutert.
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Die
Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Darstellung von dreidimensionalen Bildern durch
Raumpunkte, in der Draufsicht;
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2 eine
schematische Darstellung der in 1 dargestellten
Vorrichtung in Verbindung mit einem virtuellen Betrachterfenster,
in der Seitenansicht;
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3 eine
schematische Darstellung der in 1 dargestellten
Vorrichtung in Verbindung mit zwei virtuellen Betrachterfenstern,
in der Draufsicht; und
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4 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung
mit einem virtuellen Betrachterfenster, in der Draufsicht.
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Die
nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich hauptsächlich
auf Direktsichtdisplays bzw. Wiedergabeeinrichtungen, die zur Beobachtung eines
dreidimensionalen Bildes direkt betrachtet werden. Eine Realisierung
einer Projektionsvorrichtung, beispielsweise unter Verwendung von
Mikrodisplays, ist aber ebenso möglich.
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Nachfolgend
wird der Aufbau und die Funktionsweise einer Vorrichtung 1 zur
Darstellung von dreidimensionalen Bildern in einem Rekonstruktionsraum
beschrieben. Während in den 1 und 4 die äußeren
Begrenzungen (Randstrahlen) der Lichtstrahlenbündel dargestellt
sind, zeigen die 2 und 3 nur die
Hauptstrahlen (Mittelstrahlen) der Lichtstrahlenbündel.
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In 1 ist
der prinzipielle Aufbau der Vorrichtung 1 dargestellt,
wobei die Vorrichtung 1 sehr vereinfacht in der Draufsicht
gezeigt ist. Die Vorrichtung 1 weist zur dreidimensionalen
Darstellung eine Bildanzeigeeinrichtung 2 mit mehreren
Bildpixeln 3 zur Darstellung von Bildinformationen auf.
Wie aus 1 ersichtlich, besteht gemäß der
Erfindung ein Bildpixel 3 aus drei Subpixeln entsprechend
der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB), so dass
ein dreidimensionales Bild farblich dargestellt werden kann, wobei
eine farbliche Darstellung des dreidimensionalen Bildes nicht zwingend
ist. Als Bildanzeigeeinrichtung 2 kann ein herkömmliches
LC-Display mit einer gewünschten Diagonale, beispielsweise
ein 20''-Display, verwendet werden. Selbstverständlich können
auch andere Größenordnungen von Displays oder
andere Displayarten als Bildanzeigeeinrichtung 2 eingesetzt
werden.
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Die
Bildanzeigeeinrichtung 2 weist dabei eine nicht dargestellte
Beleuchtungseinrichtung auf, die als Hintergrundbeleuchtung (backlight)
ausgebildet ist und eine herkömmliche Hintergrundbeleuchtung
darstellt, wobei aber auch hinter jedem Bildpixel eine Lichtquelle
angeordnet sein kann. Die Hintergrundbeleuchtung beleuchtet dabei
die Bildpixel 3 inkohärent. Selbstverständlich
können auch anderweitig aufgebaute Beleuchtungseinrichtungen
in der Bildanzeigeeinrichtung vorgesehen werden. Dabei ist es z.
B. möglich, eine Bildanzeigeeinrichtung auf Basis von selbstleuchtenden
Bildpixeln einzusetzen.
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In
Lichtrichtung nach der Bildanzeigeeinrichtung 2 ist eine
Strahlrichtungseinrichtung 4 angeordnet, die zur Richtungssteuerung
bzw. Ablenkung der von den Bildpixeln mit der entsprechenden Information
modulierten Lichtstrahlenbündel vorgesehen ist. Die vorteilhaft
zweidimensional ausgeführte Strahlrichtungseinrichtung 4 weist
dazu Strahlablenkmittel 5 auf, die als richtungsgebende
Elemente ausgebildet sind. Die Strahlablenkmittel 5 können
dabei steuerbare Prismenelemente bzw. Linsenelemente sein, die jeweils
nebeneinander angeordnet sind und so eine Anordnung von mehreren
Strahlablenkmitteln 5 ergeben. Die Strahlablenkmittel 5 sind
zur Richtungssteuerung der auftreffenden Lichtstrahlenbündel
vorteilhafterweise nach dem Prinzip des Electrowettings aufgebaut
und arbeiten bzw. operieren entsprechend des Electrowetting-Effekts.
Der Ablenkwinkel der einzelnen Strahlablenkmittel 5 ist
zur horizontalen und vertikalen Richtungssteuerung der einzelnen
Lichtstrahlenbündel daher in zwei senkrecht aufeinander stehenden
Richtungen steuerbar. Auf diese Weise kann ein echtes bzw. realistisches
dreidimensionales Bild im Rekonstruktionsraum erzeugt und dargestellt werden,
das einen dreidimensionalen Effekt sowohl in horizontaler als auch
in vertikaler Richtung zeigt. Eine derartige Vorrichtung würde
jedoch große Informationsmengen erfordern und verarbeiten
müssen, so dass diese Vorrichtung vorzugsweise aus wirtschaftlichen
Gründen keine hohe Effektivität aufweist. Da beide
Augen eines Betrachters horizontal nebeneinander angeordnet sind,
ist eine Darstellung der Perspektive des dreidimensionalen Bildes
in horizontaler Richtung ausreichend.
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Die
Bildanzeigeeinrichtung 2 und die Strahlrichtungseinrichtung 4 werden
zur Darstellung eines Raumpunktes bzw. eines dreidimensionalen Bildes über
Steuerungsmittel 7 und 8 angesteuert, wobei die Ansteuerung
synchron erfolgt. Damit eine derartige synchrone Ansteuerung der
Bildanzeigeeinrichtung 2 und der Strahlrichtungseinrichtung 4 erfolgen
kann, ist eine Steuereinheit 9 vorgesehen, die entsprechende
Steuersignale an die beiden Steuerungsmittel 7 und 8 abgibt.
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Zudem
ist ein optisches System 6 zwischen der Bildanzeigeeinrichtung 2 und
der Strahlrichtungseinrichtung 4 angeordnet, das als Linsenanordnung, vorzugsweise
als Mikrolinsenanordnung, ausgeführt ist. Dabei ist jedem
Bildpixel 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 eine
Linse der Linsenanordnung 6 zugeordnet. Die Bildanzeigeeinrichtung 2 ist
dabei in der objektseitigen Brennebene der Linsenanordnung 6 angeordnet.
Dadurch werden die von den einzelnen Bildpixeln 3 ausgehenden
Lichtstrahlenbündel durch die einzelnen Linsen der Linsenanordnung 6 koilimiert, so
dass parallele Lichtstrahlenbündel auf die jeweiligen Strahlablenkmittel 5 der
Strahlrichtungseinrichtung 4 auftreffen, wodurch das gesamte
Strahlablenkmittel 5 vollflächig und homogen beleuchtet
wird. Es kann jedoch bevorzugt sein, dass die jeweiligen Bildpixel 3 nicht
im objektseitigen Brennpunkt der Linsen der Linsenanordnung 6 angeordnet
sind, sondern leicht außerhalb, so dass von den einzelnen Bildpixeln 3 der
Bildanzeigeeinrichtung 2 leicht divergente Lichtstrahlenbündel
ausgehen. Auf diese Weise kommt ein leichtes Überlappen
von wenigstens zwei Lichtstrahlenbündeln im Auge bzw. am
Ort des Betrachtens zustande, wodurch der kontinuierliche Eindruck
der Darstellung von angrenzenden Raumpunkten im Rekonstruktionsraum
verstärkt wird.
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Um
insbesondere bei von den Bildpixeln 3 ausgehenden leicht
divergenten Lichtstrahlenbündeln eine gegenseitige Beeinflussung
der Lichtstrahlenbündel im Bereich des optischen Systems 6 bzw. der
einzelnen Linsen durch Streulicht in horizontaler und/oder vertikaler
Richtung zu verringern bzw. zu vermeiden, ist zwischen der Bildanzeigeeinrichtung 2 und
dem optischen System 6 eine Blendenanordnung 10 vorgesehen.
Dadurch wird eine genaue Zuordnung des von einem Bildpixel 3 ausgehenden Lichtstrahlenbündels
auf das dafür vorgesehene Strahlablenkmittel 5 der
Strahlrichtungseinrichtung 4 gewährleistet. Eine
Verwaschung des durch die Lichtstrahlenbündel rekonstruierten
bzw. erzeugten Raumpunkts wird somit weitgehend vermieden. Die Blendenanordnung 10 kann
dabei beispielsweise als Anordnung von einzelnen Lochblenden auf
Basis einer Folie bestimmter Dicke gesehen werden.
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Zur
Erzeugung eines Raumpunktes P gemäß der 1 sind
wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel 11 und 12 notwendig.
Die Positionen der für den einzelnen Raumpunkt P aufzuschaltenden
Bildpixel 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 ergeben
sich dabei durch eine inverse Strahldurchrechnung (ray-tracing)
von dem Betrachterauge bzw. den Betrachteraugen über den
am richtigen Ort zu erzeugenden Raumpunkt P zu der Bildanzeigeeinrichtung 2.
Gemäß der 1 werden
zur Rekonstruktion des Raumpunktes P zwei Bildpixel 3 aufgeschaltet,
wodurch die von den zwei Bildpixeln 3 mit der entsprechenden
Information für den Raumpunkt P modulierten zwei Lichtstrahlenbündel
mittels der entsprechenden Linsen des optischen Systems 6 kollimiert werden
und auf die dafür vorgesehenen Strahlablenkmittel 5 der
Strahlrichtungseinrichtung 4 auftreffen. Die beiden Strahlablenkmittel 5 werden
dabei über das Steuerungsmittel 8 derart angesteuert,
dass die beiden kollimierten, untereinander inkohärenten Lichtstrahlenbündel 11 und 12 in
vorbestimmte Richtungen gelenkt werden und sich am dafür
vorgesehenen Ort im Rekonstruktionsraum schneiden. Die variable
Ablenkung der Lichtstrahlenbündel 11 und 12 mittels
der Strahlablenkmittel 5 wird dabei durch den oben erwähnten
Electrowetting-Effekt erzielt. Die Lichtstrahlenbündel 11 und 12 rekonstruieren
somit den Raumpunkt P in ihrem Schnittpunkt.
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Die 2 stellt
die Rekonstruktion von mehreren, hier drei Raumpunkten P1, P2 und
P3 im Rekonstruktionsraum dar. Die Bildanzeigeeinrichtung 2, die
Blendenanordnung 10, das optische System 6 und
die Strahlrichtungseinrichtung 4 entsprechen dabei den
Einrichtungen gemäß 1, wodurch
gleiche Teile auch gleiche Bezugszeichen wie in 1 aufweisen.
Zudem sind die Einrichtungen 2, 10, 6 und 4 der
Vorrichtung 1 nur sehr vereinfacht dargestellt. Wie bereits
zu 1 beschrieben, werden zur Erzeugung eines Raumpunktes
wenigstens zwei sich kreuzende Lichtstrahlenbündel benötigt.
Jeder der drei dargestellten Raumpunkte P1, P2 oder P3 wird somit
durch wenigstens zwei sich kreuzende Lichtstrahlenbündel
erzeugt bzw. rekonstruiert, wobei aber hier jeweils nur die Hauptstrahlen
der einzelnen Lichtstrahlenbündel dargestellt sind. Wie
ersichtlich müssen zur Erzeugung von mehreren Raumpunkten unterschiedliche
Bildpixel 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 aufgeschaltet
werden. Zudem kann sich ein Raumpunkt auch in Lichtrichtung vor
der Bildanzeigeeinrichtung 2 befinden, wodurch gezeigt
werden soll, dass sich der Rekonstruktionsraum auch entgegengesetzt
der Lichtrichtung hinter die Bildanzeigeeinrichtung 2 erstrecken
kann. Durch die Rekonstruktion von mehreren Raumpunkten kann ein
dreidimensionales Bild erzeugt werden, das durch wenigstens einen
Betrachter beobachtbar ist.
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Ein
wesentliches Merkmal der Vorrichtung 1 besteht darin, dass
die von den darzustellenden Raumpunkten P1, P2 und P3 ausgehenden
Lichtstrahlenbündel ausschließlich auf ein virtuelles
Betrachterfenster 13 gerichtet sind, das in einer Betrachterebene 14 liegt,
die sich in Lichtrichtung in einem Abstand von der Strahlrichtungseinrichtung 4 befindet,
der dem Betrachterabstand entspricht. Durch dieses virtuelle Betrachterfenster 13,
das in seiner Ausdehnung höchstens dem Durchmesser der
Augenpupille des Betrachters entspricht, also in etwa so groß ist
wie die Augenpupille des Betrachters, und mit dieser nahezu räumlich
zusammenfällt, nimmt das Auge des Betrachters die dargestellten Raumpunkte
P1, P2 und P3 in der richtigen Tiefe wahr, wenn, wie dargestellt,
von jedem Raumpunkt P1, P2 und P3 wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel in
die Augenpupille einfallen. Mit anderen Worten ausgedrückt:
Will der Betrachter die Raumpunkte P1, P2 und P3 bzw. das dadurch
dargestellte Bild beobachten, so muss er seine Augenpupille an den
Ort des virtuellen Betrachterfensters 13 bringen, so dass die
von den Raumpunkten P1, P2 und P3 ausgehenden Lichtstrahlenbündel
durch das virtuelle Betrachterfenster 13 in der Betrachterebene 14 verlaufen und
auf die Pupille des Auges auftreffen, so dass das Auge veranlasst
wird auf die Raumpunkte P1, P2 und P3 zu fokussieren. Da nur die
perspektivische Ansicht für das Betrachterfenster 13 berechnet
und dargestellt wird, reduziert sich erheblich die zu verarbeitende
Informationsmenge, wodurch eine derartige erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 auch für den Normalverbraucher,
beispielsweise im Medienbereich, realisierbar ist.
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Damit
ein Betrachter binokular die erzeugten Raumpunkte bzw. das dargestellte
Bild beobachten kann, müssen gemäß 3 zwei
virtuelle Betrachterfenster 13a und 13b, nämlich
das virtuelle Betrachterfenster 13a für das rechte
Auge und das virtuelle Betrachterfenster 13b für
das linke Auge des Betrachters, in der Betrachterebene 14 vorgesehen werden.
Auch hier sind, wie in 2, die Bildanzeigeeinrichtung 2,
die Blendenanordnung 10, das optische System 6 und
die Strahlrichtungseinrichtung 4, die auch als Gesamteinheit
betrachtet werden können, nur sehr vereinfacht dargestellt,
wobei auch hier wieder gleiche Teile gemäß 1 auch
die gleichen Bezugszeichen aufweisen. 3 zeigt
dabei die Darstellung von zwei Raumpunkten P1 und P2 in unterschiedlicher
Tiefe für zwei Augen eines Betrachters. Für eine
binokulare Tiefenwahrnehmung und somit eines dreidimensionalen Bildes,
das durch die Raumpunkte P1 und P2 bzw. weitere Raumpunkte dargestellt
wird, ist es erforderlich, dass von jedem Raumpunkt P1 und P2 wenigstens
vier Lichtstrahlenbündel (auch hier wieder nur durch die
Hauptstrahlen dargestellt) ausgehen. Davon müssen wenigstens zwei
Lichtstrahlenbündel auf das virtuelle Betrachterfenster 13a und
wenigstens zwei Lichtstrahlenbündel auf das virtuelle Betrachterfenster 13b gerichtet
sein bzw. auftreffen, so dass, wenn an den Orten der virtuellen
Betrachterfenster 13a und 13b jeweils die Pupillen
der Augen des Betrachters vorliegen, die Lichtstrahlenbündel
auf die Augenpupillen auftreffen und der Betrachter dann das dreidimensionale
Bild beobachten kann. Um wenigstens vier Lichtstrahlenbündel
zu erzeugen, müssen daher wenigstens vier Bildpixel 3 der
Bildanzeigeeinrichtung 2 aufgeschaltet werden.
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Damit
der Betrachter auch nach Bewegung an eine andere Position das dreidimensionale
Bild bzw. die Raumpunkte P1 und P2 mit Tiefenwahrnehmung beobachten
kann, ist es notwendig, die virtuellen Betrachterfenster 13a und 13b nachzuführen,
wie durch die Doppelpfeile dargestellt. Um jedoch die neue Augenposition
des Betrachters ermitteln zu können, ist ein Positionserfassungssystem 15 in
der Vorrichtung 1 vorgesehen. Die virtuellen Betrachterfenster 13a und 13b können
dabei in lateraler und/oder axialer Richtung durch entsprechende
Ansteuerung der Bildanzeigeeinrichtung 2 und der Strahlrichtungseinrichtung 4 mittels
der Steuereinheit 9 entsprechend der mit dem Positionserfassungssystem 15 ermittelten
neuen Augenposition nachgeführt werden. Gleiches gilt selbstverständlich
für das virtuelle Betrachterfenster 13 gemäß 2.
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Nach
der Nachführung der beiden Betrachterfenster 13a und 13b sieht
der Betrachter beispielsweise die gleiche Ansicht der Raumpunkte
P1 und P2, wobei die Bildanzeigeeinrichtung 2 so programmiert
bzw. kodiert wurde, dass sich die Raumpunkte bzw. das dreidimensionale
Bild mitdrehen. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich,
die Bildanzeigeeinrichtung 2 dabei derart umzukodieren,
dass der Betrachter nach einem Positionswechsel und somit der Nachführung
der Betrachterfenster 13a und 13b eine andere
perspektivische Ansicht der Raumpunkte P1 und P2 bzw. des dreidimensionalen
Bildes beobachten kann, wobei die Raumpunkte bzw. das dreidimensionale
Bild dabei feststeht (Rundumsicht). Das bedeutet, dass dem einzelnen
Betrachter oder mehreren Betrachtern bei einer Bewegung in lateraler
und/oder axialer Richtung vor der Vorrichtung 1 entweder
immer die gleiche perspektivische Ansicht oder unterschiedliche
Ansichten des dreidimensionalen Bildes dargeboten werden können.
Bei der Darstellung von unterschiedlichen Ansichten des dreidimensionalen
Bildes erhöht sich jedoch der Aufwand, insbesondere der
Aufwand hinsichtlich der Umkodierung der Bildanzeigeeinrichtung 2.
Um aber insbesondere diesen Berechnungsaufwand gering zu halten,
kann vorgesehen sein, dass auf die Darstellung der vertikalen Perspektive
des dreidimensionalen Bildes verzichtet wird, wie bereits zu 1 beschrieben.
Die Raumpunkte P1 und P2 können entweder gleichzeitig oder
schnell nacheinander dargestellt werden, je nachdem, ob von einem
räumlichen oder zeitlichen Multiplexing Gebrauch gemacht
wird.
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Da
zur binokularen Darstellung eines Raumpunktes, z. B. des Raumpunktes
P1, wenigstens vier Bildpixel 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 aufzuschalten
sind, beträgt das räumliche Auflösungsvermögen der
Vorrichtung 1 bei einem räumlichen Multiplexing der
für die beiden virtuellen Betrachterfenster 13a und 13b bzw.
für die beiden Betrachteraugen aufzuschaltenden Bildpixel 3 maximal
ein Viertel des Auflösungsvermögens der Bildanzeigeeinrichtung 2.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die beiden virtuellen
Betrachterfenster 13a und 13b bzw. die beiden Augen
des Betrachters nicht im räumlichen Multiplexing, sondern
im zeitlichen Multiplexing zu bedienen. In diesem Falle verringert
sich das räumliche Auflösungsvermögen
der Vorrichtung 1 nur auf die Hälfte oder es ist
gleich dem Auflösungsvermögen der Bildanzeigeeinrichtung 2,
wenn die Darstellungsfrequenz auf das Doppelte bzw. auf das Vierfache
der ursprünglichen Frequenz der Bildanzeigeeinrichtung 2 erhöht
wird.
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Selbstverständlich
kann die Vorrichtung 1 auch derart ausgeführt
werden, dass mehrere Betrachter die Raumpunkte P1 und P2 bzw. das
dreidimensionale Bild von ihnen zugeordneten Betrachterfenstern
beobachten können. Ist dies der Fall, dann kann es vorteilhaft
sein, wenn dafür ein gemischtes zeitlich-räumliches
Multiplexing vorgenommen wird. Beispielsweise können jeweils
die beiden Augen eines Betrachters mittels räumlichen Multiplexings
angesprochen werden, wobei die Betrachter untereinander über
das zeitliche Multiplexing bedient werden. Auch ist es möglich,
beispielsweise zwei Betrachter mittels räumlichen Multiplexings
zu bedienen, wobei die Bildinformationen in der Bildanzeigeeinrichtung 2 z.
B. spaltenweise verschachtelt sind. Dies ist jedoch bei Vorhandensein
von vielen Betrachtern nicht besonders vorteilhaft, da dann das
räumliche Auflösungsvermögen der Bildanzeigeeinrichtung 2 pro
Betrachter gering ist. Es kann auch nur ein zeitliches Multiplexing
für mehrere Betrachter erfolgen. Selbstverständlich
kann das Bedienen von mehreren Betrachtern auch durch noch andere
nicht beschriebene Vorgehensweisen des Multiplexing vorgenommen werden.
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Neben
der in den 1 bis 3 dargestellten
Vorgehensweise stellt die 4 eine weitere Möglichkeit
zur Rekonstruktion von Raumpunkten durch die Vorrichtung 100 dar.
Die Bildanzeigeeinrichtung 2, die Blendenanordnung 10 und
das optische System 6 sind jedoch hier nur in einem Teil
der Vorrichtung 100 dargestellt und können dabei
in gleicher Weise ausgeführt sein, wie zu den 1 bis 3 beschrieben,
wobei deshalb auch die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden.
Andere Ausführungen sind aber möglich. Die Subpixel
RGB eines Bildpixels 3 sind hier hintereinander dargestellt,
wobei dies jedoch nur zur Vereinfachung der Darstellung eines Bildpixels 3 dienen
soll. Die Subpixel eines Bildpixels 3 sind allgemein, wie
in 1 dargestellt, in der Bildanzeigeeinrichtung 2 nebeneinander
angeordnet. Die Rekonstruktion der Raumpunkte P1 und P2 gemäß 4 erfolgt
dabei in Anlehnung an die bei holographischen Rekonstruktionsverfahren
mittels computergenerierter Hologramme verwendete Kodierung der
Raumpunkte als Brennpunkte von Fresnel-Linsen. Dabei wird eine Fresnel-Linse 16 durch
eine Gruppe von mehreren nebeneinander angeordneten Strahlablenkmitteln 50,
hier vier Strahlablenkmittel, einer Strahlrichtungseinrichtung 40 gebildet.
Die Gruppe der Strahlablenkmittel 50 ist hierbei einer
Gruppe von Bildpixeln 3, hier entsprechend vier Bildpixel 3a bis 3d,
der Bildanzeigeeinrichtung 2 zugeordnet, wobei auch hier
jedem Bildpixel 3 ein Strahlablenkmittel 50 zugeordnet
ist. Die Strahlablenkmittel 50 können wiederum
als Prismenelemente oder Linsenelemente auf Basis des Electrowetting-Effekts
ausgebildet sein, wobei die Strahlablenkmittel 50 beim
Auftreffen von mehreren Lichtstrahlenbündeln diese in unterschiedliche
Richtungen lenken, so dass die Lichtstrahlenbündel sich
in einem Punkt schneiden bzw. kreuzen, wodurch ein Raumpunkt P1
im Rekonstruktionsraum erzeugt wird. Das bedeutet, zur Rekonstruktion
des Raumpunktes P1 werden die Bildpixel 3a bis 3d mittels
des Steuerungsmittels 7 der Steuereinheit 9 aufgeschaltet,
wobei die von den Bildpixeln 3a bis 3d ausgehenden Lichtstrahlenbündel
mittels des optischen Systems 6 kollimiert werden und auf
die Fresnel-Linse 16 auftreffen. Die vier Strahlablenkmittel 50 der
Fresnel-Linse 16 weisen hierbei jeweils unterschiedliche Strahlablenkeigenschaften
bzw. Ablenkverhalten (Ablenkwinkel) entsprechend dem Raumpunkt P1 auf,
die über das Steuerungsmittel 8 eingestellt werden.
Die so zur Rekonstruktion des Punktes P1 ausgebildete Fresnel-Linse 16 fokussiert
nun das durch die Bildpixel 3a bis 3d modulierte
und durch vier Lichtstrahlenbündel gekennzeichnete Licht
auf einen Punkt im Rekonstruktionsraum, um auf diese Weise den Raumpunkt
P1 zu rekonstruieren. Die dabei von dem Raumpunkt P1 ausgehenden
vier Lichtstrahlenbündel müssen wiederum durch
das Betrachterfenster 13 auf die am Ort des Betrachterfensters 13 angeordnete
Augenpupille des Betrachters auftreffen, so dass dieser den Raumpunkt
P1 beobachten kann. Das Betrachterfenster 13 kann dabei,
wie vorhergehend zu 3 beschrieben, bei einem Positionswechsel
des Betrachters in lateraler und/oder axialer Richtung entsprechend
den dargestellten Pfeilen nachgeführt werden. Hierzu ermittelt
das Positionserfassungssystem 15 die Augenposition des
Betrachters am neuen Ort.
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Um
den Raumpunkt P2 zu rekonstruieren, wird eine Fresnel-Linse 17 mittels
der Strahlablenkmittel 50 gebildet. Das oben erwähnte
zur Rekonstruktion des Raumpunktes P1 und zur Ausbildung der Fresnel-Linse 16 kann
auch auf die Rekonstruktion des Raumpunktes P2 angewandt werden,
wobei die Fresnel-Linse 17 jedoch aus acht Strahlablenkmitteln 50 gebildet
wird. Zur Belichtung der Strahlablenkmittel 50 werden dazu
die Bildpixel 3h bis 3o der Bildanzeigeeinrichtung 2 aufgeschaltet.
Somit wird der Raumpunkt P2 durch acht sich kreuzende Lichtstrahlenbündel
rekonstruiert. Demnach werden in Abhängigkeit vom Rekonstruktionsort
der Raumpunkte P1 und P2 die Fresnel-Linsen 16 und 17 der
Strahlrichtungseinrichtung 40 in ihrer Größe
unterschiedlich ausgebildet. Da die einzelnen Lichtstrahlen der
Lichtstrahlenbündel untereinander inkohärent sind,
bleibt der inkohärente Charakter der Rekonstruktion auch bei
einer Rekonstruktion von Raumpunkten über Fresnel-Linsen
bestehen. Im Gegensatz zu holographischen Rekonstruktionsverfahren,
bei denen kohärentes Licht zur Rekonstruktion verwendet
wird, können die Lichtstrahlenbündel hier, wie
auch gemäß den 1 bis 3,
nicht interferieren, so dass die Rekonstruktion nicht durch kohärentes
Rauschen (Speckling) gestört wird.
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Zur
weiteren Reduzierung der Berechnungs- und Darstellungskapazität
ist es auch im Falle der Erzeugung der Raumpunkte P1 und P2 durch
die Fresnel-Linsen 16 und 17 möglich,
diese nur eindimensional zu kodieren bzw. zu programmieren, d. h.
horizontal oder vertikal. Das bedeutet, wird die Fresnel-Linse 16 oder 17 nur
horizontal in der Strahlrichtungseinrichtung 40 programmiert,
so nimmt sie nur einen Teil einer Zeile ein. Wird jedoch die Fresnel-Linse 16 oder 17 nur
vertikal programmiert, so nimmt sie nur einen Teil einer Spalte
ein, je nachdem welche eindimensionale Programmierung vorgenommen
wird. Die Größe der Fresnel-Linsen 16 und 17 hängt,
wie bereits oben erwähnt, vom Abstand des zu rekonstruierenden
Raumpunktes von der Strahlrichtungseinrichtung 40 ab. Da
durch die unterschiedlichen Größen der Fresnel-Linsen 16 und 17 auch
die Anzahl der aufzuschaltenden Bildpixel 3 der Bildanzeigeeinrichtung 2 unterschiedlich
ist, die zur Rekonstruktion der Raumpunkte P1 und P2 beitragen,
werden die Raumpunkte P1 und P2 in unterschiedlicher Tiefe im Rekonstruktionsraum
mit unterschiedlicher Helligkeit rekonstruiert. Um jedoch eine einheitliche Helligkeit
der Raumpunkte P1 und P2 zu gewährleisten, kann die Helligkeit
der Raumpunkte einzeln gesteuert und angepasst werden, beispielsweise
durch Regelung der Helligkeit der zu dem jeweiligen Raumpunkt beitragenden
Bildpixel 3 bzw. durch Kodierung der Luminanz der entsprechenden
Bildpixel 3.
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Selbstverständlich
können auch bei der Vorrichtung 100 mehrere Betrachter
die Raumpunkte P1 und P2 bzw. das dreidimensionale Bild durch eigene Betrachterfenster
beobachten, wobei auch hier immer die gleiche perspektivische Ansicht
oder unterschiedliche Ansichten der Raumpunkte P1 und P2 bzw. des
dreidimensionalen Bildes dargestellt werden können, wie
zu der 3 beschrieben.
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Die
dargestellten Ausführungen gemäß den 1 bis 4 beziehen
sich auf ein als Vorrichtung 1 bzw. 100 ausgebildetes
Direktsichtdisplay. Eine Realisierung von Projektionslösungen,
beispielsweise unter Verwendung von Mikrodisplays, ist aber bei
einer Verfügbarkeit von steuerbaren Prismenelementen als
Strahlablenkmittel 5 bzw. 50 mit entsprechend feiner
Rasterung ebenso möglich, wobei an entsprechende Beleuchtungseinrichtungen
mit hoher Intensität keine Forderungen hinsichtlich der
Kohärenz gestellt werden müssen.
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Es
ist jedoch selbstverständlich, dass weitere Ausführungsformen
der Vorrichtung 1, 100, wobei die 1 bis 4 nur
bevorzugte Ausführungsformen darstellen, möglich
sind, wobei auch Kombinationen der Ausführungsformen untereinander
denkbar sind. Abwandlungen der gezeigten Ausführungsformen
sind daher möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Allen möglichen Ausführungsformen ist jedoch gemeinsam,
dass sie eine wesentlich geringere Darstellungs- und Verarbeitungskapazität
gegenüber dem Stand der Technik benötigen.
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Mögliche
Einsatzgebiete der Vorrichtung 1, 100 zur Darstellung
von dreidimensionalen Bildern liegen insbesondere im Privat- und
Arbeitsbereich, wie beispielsweise Fernsehen, elektronische Spiele, Automobilindustrie
zur Anzeige von Informationen oder der Unterhaltung, Medizintechnik.
Selbstverständlich kann die vorliegende Vorrichtung 1, 100 auch
in anderen, hier nicht genannten Bereichen eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6798390
B1 [0007, 0008, 0009, 0016]
- - US 2003/0156077 A1 [0010, 0016]