DE102009022020A1

DE102009022020A1 - Vorrichtung zum Projizieren von Bildern

Info

Publication number: DE102009022020A1
Application number: DE102009022020A
Authority: DE
Inventors: Hans RÖDER; René de la Dr. Barré
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-11-18
Also published as: US20120057132A1; WO2010130313A2; WO2010130313A3; EP2430830A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Projizieren von Bildern, umfassend ein als Projektionsfläche dienendes optisches Element und mindestens einen um einen Projektionsabstand (s) von der Projektionsfläche beabstandeten Projektor (1, 1') zum Projizieren jeweils eines Bildes auf die Projektionsfläche, wobei das optische Element so gestaltet ist, dass von dem Projektor (1, 1') ausgehendes Licht in eine räumlich begrenzte Betrachtungszone (6, 6') gelenkt wird, die dadurch eindeutig diesem Projektor (1, 1') zugeordnet ist, wobei eine Betrachtungszone (6, 6') definiert ist als Bereich, aus dem das von dem Projektor (1, 1'), dem diese Betrachtungszone (6, 6') zugeordnet ist, projizierte Bild vollständig sichtbar ist, und wobei eine Betrachtungsebene definierbar ist als eine um einen Betrachtungsabstand (s) von der Projektionsfläche beabstandete Ebene, in der eine Breite der Betrachtungszone (6, 6') maximal ist. Dabei ist das optische Element so strukturiert, dass von dem Projektor (1, 1') ausgehendes Licht in der Betrachtungsebene mindestens eine zusammenhängende Fläche ausleuchtet, die in jeder Richtung einen Durchmesser hat, der größer ist als ein Durchmesser einer Austrittspupille des Projektors (1, 1') multipliziert mit dem Betrachtungsabstand (s) dividiert durch den Projektionsabstand (s).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Projizieren von Bildern, mit einem als Projektionsfläche dienenden optischen Element und mindestens einem in einem Projektionsabstand von der Projektionsfläche beabstandet angeordneten Projektor zum Projizieren jeweils eines Bildes auf die Projektionsfläche nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Bei gattungsgemäßen Vorrichtungen ist das optische Element so gestaltet, dass von dem mindestens einen Projektor ausgehendes Licht in eine räumlich begrenzte Betrachtungszone gelenkt wird, die dadurch eindeutig diesem Projektor zugeordnet ist, wobei die Betrachtungszone definiert ist als Bereich, aus dem das von dem Projektor, dem diese Betrachtungszone zugeordnet ist, projizierte Bild vollständig sichtbar ist, und wobei eine Betrachtungsebene definierbar ist als eine um einen Betrachtungsabstand von der Projektionsfläche beabstandete Ebene, in der eine Breite der Beobachtungszone maximal ist. Hier und nachfolgend bezeichne der Betrachtungsabstand dabei einen Abstand zu einem typischerweise mittig auf der Projektionsfläche liegenden Bezugspunkt oder zu einer durch die Projektionsfläche an dem Bezugspunkt definierten Bezugsebene, während die Betrachtungsebene orthogonal zu diesem Abstand orientiert sei.
Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen unterscheiden sich von herkömmlichen Projektionsvorrichtungen, die einen beispielsweise durch eine Leinwand gegebenen Streuschirm und einen Projektor mit einem bildgebenden Element und einem Objektiv zur Abbildung dieses bildgebenden Elementes auf den Streuschirm aufweisen. Bei diesen herkömmlichen Projektionsvorrichtungen ist eine ausschließliche Wahrnehmbarkeit des projizierten Bildes in einem räumlich begrenzten Bereich nicht realisierbar.
Gattungsgemäße Vorrichtungen aus dem Stand der Technik weisen demgegenüber ein z. B. durch einen Kugelspiegel oder eine Fresnel-Linse gegebenes optisches Element als Projektionsfläche auf. Dieses optische Element bildet dann eine Austrittspupille des Projektors ab, wobei sich die Austrittspupille in einem vorliegend als Projektionsabstand bezeichneten Abstand vom diesem Kugelspiegel entfernt befindet. In einem gewissen Bereich um das Bild dieser Austrittspupille herum, der als Betrachtungszone bezeichnet wird, kann das vom Projektor dargestellte Bild vollständig wahrgenommen werden, während es außerhalb dieses – seitlich durch einen Rand des Bildes der Austrittspupille begrenzten – Bereiches gar nicht oder nur teilweise sichtbar ist. Dadurch eignen sich gattungsgemäße Vorrichtungen z. B. für eine Darstellung unterschiedlicher Bilder für verschiedene Betrachter (als „private view”-Anwendung bekannt) oder zur Darstellung stereoskopischer Halbbilder mit zwei oder mehr Projektoren, so dass die Halbbilder in jeweils einer von entsprechend vielen seitlich versetzten Betrachtungszonen sichtbar sind und von einem Betrachter autostereoskopisch wahrgenommen werden können. Ferner werden so Streuverluste vermieden und eine ausgesprochen gute Lichtausbeute erreicht, was eine Verwendung vergleichsweise leistungsschwacher Projektoren möglich macht.
Bei derartigen Vorrichtungen ergibt sich eine Größe der Betrachtungszone eindeutig aus Abbildungseigenschaften des als Projektionsfläche dienenden optischen Elements und einer Größe der Austrittspupille des Projektors, so dass die Betrachtungszonen einen Durchmesser gleicher Größenordnung wie die Austrittspupillen haben.
Ein Nachteil derartiger Vorrichtungen ist in der dadurch sehr beschränkten Größe der Betrachtungszonen zu sehen, was eine Verwendung nachteilig großer und teurer Projektoren mit großen Austrittspupillen nötig macht. Die Betrachtungszonen dürfen nämlich nicht beliebig klein sein, wenn die projizierten Bilder einigermaßen bequem sichtbar sein sollen und sich ein Betrachter auch zumindest in gewissen Grenzen bewegen können soll, ohne die Bilder zu „verlieren”.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen, die auch bei Verwendung von handelsüblichen oder besonders kompakten Projektoren mit kleinen Austrittspupillen ein bequemes Sehen der projizierten Bilder ermöglicht, wobei sich die Vorrichtung gleichzeitig für eine Verwendung leistungsschwacher Projektoren eignen soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das optische Element so strukturiert, dass von dem Projektor ausgehendes Licht in der Betrachtungsebene mindestens eine zusammenhängende Fläche ausleuchtet, die in jede Richtung einen Durchmesser hat, der größer ist als ein in gleicher Richtung gemessener Durchmesser einer Austrittspupille des Projektors multipliziert mit dem Betrachtungsabstand dividiert durch den Projektionsabstand. Dabei seien die Betrachtungsebene, Betrachtungsabstand und Projektionsabstand wieder wie oben definiert, wobei sich die genannte zusammenhängende Fläche als Schnittfläche aus Betrachtungszone und Betrachtungsebene ergibt. In der Betrachtungsebene ist dabei nicht nur die Breite der Betrachtungszone maximal, sondern gleichzeitig eine insgesamt von dem Projektor beleuchtete Fläche minimal.
Dadurch, dass das als Projektionsfläche dienende optische Element wie vorgeschlagen strukturiert ist, ist die Betrachtungszone gegenüber einer vergleichbaren Anordnung mit einem gewöhnlichen abbildenden Element, wie z. B. einem Kugelspiegel, als Projektionsfläche vergrößert, wodurch ein Benutzer beim Betrachten des Bildes eine erhöhte Bewegungsfreiheit genießt. Vorteilhafterweise ist die Betrachtungszone trotzdem noch räumlich beschränkt, nämlich zumindest in seitlicher Richtung. Dadurch eignet sich die Vorrichtung trotz der Aufweitung der Betrachtungszonen für die oben als „private view” bezeichnete Anwendung oder zum Darstellen mehrerer stereoskopischer Halb bilder, die aus verschiedenen benachbarten Betrachtungszonen für jeweils eines von zwei Augen eines Betrachters sichtbar sind. Weiterhin hat eine räumliche Beschränkung der Betrachtungszonen – auch bei einer Ausführung mit nur einem Projektor – den Vorteil, dass auch wenig lichtstarke Projektoren verwendet werden können. Von dem jeweiligen Projektor ausgehendes Licht verteilt sich nämlich nicht wie bei der Verwendung eines Streuschirms auf einen gesamten Halbraum, sondern wird in die räumlich beschränkte Betrachtungszone gelenkt. So werden die verschiedenen Vorteile bekannter Vorrichtungen mit durch Kugelspiegel oder Fresnel-Linsen realisierten Projektionsflächen einerseits und mit durch Streuschirme realisierten Projektionsflächen andererseits vereinigt, wobei die jeweiligen Nachteile weitestgehend vermieden werden.
Mit der räumlich begrenzten Betrachtungszone sei vorliegend selbstverständlich eine Betrachtungszone gemeint, die auf Grund der Eigenschaften des als Projektionsfläche dienenden optischen Elements und eines dadurch erzwungenen Strahlengangs zumindest in Breite und Tiefe begrenzt ist. Nicht gemeint ist eine durch äußere Hindernisse gegebene räumliche Begrenzung, wie sie sich beispielsweise durch Wände eines die Vorrichtung umgebenden Gebäudes ergäbe.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Vorrichtung kommen dann besonders zur Geltung, wenn sie mindestens zwei nebeneinander angeordnete Projektoren zum Projizieren jeweils eines von mehreren Bildern auf das optische Element aufweist, wobei die diesen Projektoren zugeordneten Betrachtungszonen seitlich gegeneinander versetzt sind. Die oben über die Größe der Betrachtungszone in Bezug auf die Austrittspupille des Pro jektors, dem diese Betrachtungszone zugeordnet ist, gemachten Angaben gelten dann jeweils für jeden der Projektoren. So können, abhängig von einer Positionierung der Projektoren und einer sich daraus ergebenden Lage der diesen Projektoren zugeordneten Betrachtungszonen, entweder verschiedene monoskopische Bilder für eine Mehrzahl von Betrachtern oder zu Stereobildern zusammensetzbare stereoskopische Halbbilder für einen oder mehrere Betrachter dargestellt werden. Hierbei ist zu erwähnen, dass jeder Projektor mindestens eine Betrachtungszone erzeugt. Es ist allerdings möglich, dass sich Betrachtungszonen, die von verschiedenen Projektoren erzeugt werden, überlappen. Dies kann bei Anordnungen zur Darstellung stereoskopischer Bilder vorteilhaft sein. Ein solches Überlappen, welches zum Übersprechen verschiedener Bilder führt, ist beispielsweise in Anordnungen gewünscht, mit denen mehr als zwei stereoskopische Halbbilder für einen oder mehrere Benutzer bereitgestellt werden sollen. Hierdurch ist ein sogenannter „multi view”-Betrieb möglich, bei dem der Benutzer abhängig von seiner genauen Position unterschiedliche Ansichten autostereoskopisch sehen kann. Hierdurch kann ein Eindruck eines räumlichen Sehens intensiviert werden.
Die Projektoren sind dementsprechend bei besonders vorteilhaften Ausführungen der vorgeschlagenen Vorrichtung eingerichtet zum Projizieren der Bilder in Form stereoskopischer Halbbilder, wobei die Betrachtungszonen aller oder zumindest zweier der Projektoren ihre maximale Breite im gleichen Betrachtungsabstand vom optischen Element einnehmen, so dass aus diesen Betrachtungszonen ein aus den Halbbildern oder jeweils zweien der Halbbilder zusammengesetztes Bild autostereoskopisch dreidimensional wahrnehmbar ist.
Ein autostereoskopisches Sehen ist dann besonders gut möglich, wenn die jeweils benachbarten und sich vorzugsweise in Randgebieten überlappenden Betrachtungszonen – in der vorzugsweise gemeinsamen Betrachtungsebene – um zwischen 45 mm und 70 mm seitlich zueinander versetzt sind. Das ermöglicht einem Betrachter, sich so zu Positionieren, dass sich seine zwei Augen in zwei verschiedenen Betrachtungszonen befinden. Werden mehr als zwei stereoskopische Halbbilder bereitgestellt, um eine Verstärkung des räumlichen Eindrucks durch eine positionsabhängige Sichtbarkeit verschiedener Ansichten zu bewirken, so ist es sinnvoll, den Abstand zwischen benachbarten Beobachtungszonen kleiner als 65 mm zu wählen, um zu vermeiden, dass sich die beiden Augen des Betrachters in einer einzigen Betrachtungszone befinden können.
Insbesondere bei Ausführungen, bei denen nur zwei stereoskopische Halbbilder projiziert werden, kann es vorteilhaft sein, wenn der mindestens eine Projektor bewegbar ist zum Nachführen der diesem Projektor zugeordneten Betrachtungszone. Dadurch kann eine Bewegung des Betrachters ausgeglichen werden. Eine automatische Nachführung lässt sich dabei erreichen, wenn die Vorrichtung ein System zum Detektieren der Bewegung des Betrachters aufweist, das eingerichtet ist zum Steuern einer Bewegung des mindestens einen Projektors in Abhängigkeit von der detektierten Bewegung des Betrachters. Für die Darstellung von aus zwei Halbbildern bestehenden stereoskopischen Bildern ist auch denkbar, ein solches System so auszulegen, dass es zugleich den Abstand von benachbarten Betrachtungszonen an den Augenabstand von Benutzern anpassen kann.
Je nach Ausführung kann das als Projektionsfläche dienende optische Element, worauf das mit dem mindestens einen Projektor projizierte Bild fokussiert sein sollte, ein strukturierter Hohlspiegel oder eine strukturierte Linse sein, wobei sich der mindestens eine Projektor im letztgenannten Fall auf einer dem Betrachter abgewandten Seite der (transmittierenden) Projektionsfläche und im ersten Fall auf einer gleichen Seite der (reflektierenden) Projektionsfläche wie der Betrachter befindet. Die geforderten Eigenschaften des optischen Elements lassen sich dabei dann besonders gut realisieren, wenn das optische Element als strukturierte Fresnel-Linse oder als strukturierter Kugelspiegel ausgebildet ist. Alternativ kann auch z. B. ein entsprechend strukturierter ebener Fresnel-Spiegel, ein Fresnel-Zylinderspiegel oder ein Ellipsen-Spiegel als optisches Element verwendet werden, auf das die Bilder projiziert werden. Fresnel-Spiegel können dabei aus differentiellen Spiegel-Elementen bestehen, deren Flächennormalen alle zu einem fiktiven Mittelpunkt ausgerichtet sind.
Das optische Element sollte zumindest in seitlicher Richtung nicht diffus streuend sein, damit eine seitliche Begrenzung der mindestens einen Betrachtungszone und damit einer Trennung der Betrachtungszonen mehrerer Projektoren möglich ist.
Eine vorteilhafte Realisierung einer Strukturierung des optischen Elements sieht vor, dass das optische Element in eine Vielzahl disjunkter Teilflächen eingeteilt ist, wobei jede der Teilflächen so geformt ist, dass von der Austrittspupille des Projektors oder jedes der Projektoren ausgehendes und auf die Teilfläche fallendes Licht im Fall einer Ausleuchtung dieser Teilfläche in der Betrachtungsebene jeweils eine Fläche ausleuchtet, die einen größeren Durchmesser hat als die Austrittspupille des Projektors multipliziert mit dem Betrachtungsabstand dividiert durch den Projektionsabstand. Hiermit ist gemeint, dass das vom Projektor erzeugte Licht, welches eine beliebige der disjunkten Teilflächen vollständig ausleuchtet, so gelenkt wird, dass es die gesamte Betrachtungszone ausfüllt.
Es ist beispielsweise möglich, dass das von einem Projektor projizierte Bild in eine Vielzahl von Pixeln unterteilt ist, wobei jedes Pixel mindestens eine oder mehrere der disjunkten Teilflächen ausleuchtet. Mit dem jedes dieser Teilflächen ausleuchtenden Licht kann dann insbesondere das von jedem der Pixel ausgehende Licht in der vollständigen Betrachtungszone wahrgenommen werden.
Bei einem lediglich kleinen Unterschied zwischen einer Größe der disjunkten Teilflächen und einer Größe der Pixel des auf das optische Element projizierten Bildes können in ungünstigen Fällen störende Moiré-Muster auftreten. Daher kann es vorteilhaft sein, die Teilflächen so klein zu wählen, dass ein Pixel mehrere Teilflächen abdeckt. Die Verwendung von hinreichend kleinen Teilflächen ist auch deshalb wünschenswert, da es für einen Benutzer der Vorrichtung störend wäre, wenn er beim Betrachten des Bildes die Struktur des optischen Elements auflösen könnte.
In der Regel wird es genügen, wenn sichergestellt ist, dass aus den Betrachtungszonen der von einer der disjunkten Teilflächen abgedeckte Sehwinkel kleiner als 4' ist, da dies einem typischen Auflösungsvermögen des menschlichen Auges beim entspannten Betrachten von Bildern entspricht. Besser noch ist es, wenn dieser Sehwinkel nicht größer als 2' oder 1' ist, um eine Erkennbarkeit der Strukturierung auch bei konzentriertem Sehen auszuschließen. Die angemessene Wahl des genannten Sehwinkels ist von Vorteil, da eine zu grobe Strukturierung den Nutzer stört, während eine zu feine Strukturierung die Produktionskosten unnötig erhöht. Die Teilflächen können dabei z. B. zumindest in seitlicher Richtung jeweils einen Durchmesser von höchstens 1,5 × 10^–3 mal dem Betrachtungsabstand aufweisen. Typischerweise wird das auch für eine vertikale Ausdehnung der Teilflächen gelten, was aber dann nicht unbedingt erforderlich ist, wenn das optische Element – und mit ihm jede der einzelnen Teilflächen – eine in vertikaler Richtung streuende Struktur aufweist. Letzteres ist unschädlich, weil eine Trennung von Betrachtungszonen in seitlicher Richtung hinreichend ist, um die genannten Vorteile zu erzielen.
Die disjunkten Teilflächen können quadratisch oder rechteckig berandet sein, was eine besonders einfache Struktur des optischen Elements mit sich bringt, oder z. B. sechseckig, womit sich Moiré-Muster besonders gut vermeiden lassen, weil bildgebende Elemente der Projektoren typischerweise matrixförmig verteilte Pixel aufweisen.
Die disjunkten Teilflächen können auf sehr verschiedene Weise realisiert und beispielsweise durch Mikrolinsen oder Mikrospiegel gebildet sein. Die genannten Teilflächen können insbesondere durch Auswölbungen oder Vertiefungen an einer Oberfläche des optischen Elements gebildet sein. Dabei lassen sich die gewünschten Eigenschaften des optischen Elements besonders einfach dadurch realisieren, dass die Teilflächen jeweils eine kugelausschnittförmige (also als Teil einer Kugeoberfläche geformte) oder toroidförmige Oberfläche bildend ausgeführt werden. Durch eine Verwendung toroidförmiger Teilflächen ist es möglich, Beobachtungszonen zu erzeugen, die zur getrennten Wahrnehmung von zwei stereoskopischen Halbbildern durch zwei Benutzeraugen geeignet sind, indem sie hinreichend schmal für eine seitliche Trennung sind, während sie zugleich die Bewegung eines Benutzers in Höhenrichtung nicht unnötig beschränken.
Sofern es genügt, wenn die Betrachtungszonen seitlich scharf begrenzt sind, können die Teilflächen auch durch vertikale über das ganze optische Element verlaufende zylindermantel- (gemeint ist natürlich ein Ausschnitt eines Zylindermantels) oder toroidförmige Streifen gebildet und mit einer in vertikaler Richtung streuenden Oberflächenstruktur versehen sein. Die vertikal streuende Oberflächenstruktur kann beispielsweise durch eine Riffelung in horizontaler Richtung gegeben sein.
Auch eine gemischte Verwendung von zylinder- oder toroidförmigen Mikrospiegeln und Mikrolinsen in einem katadioptrischen System ist denkbar. Zum Beispiel in diesem Fall kann das optische Element eine Schar vertikal über das optische Element verlaufender zylindermantel- oder toroidförmiger Streifen und eine Schar vertikal über das optische Element verlaufender zylindermantel- oder toroidförmiger Streifen aufweist, wobei die Teilflächen dann durch jeweils einen Überlappungsbereich eines der vertikal verlaufenden Streifen mit einem der horizontal verlaufenden Streifen gegeben sind.
Typischerweise wird der mindestens eine Projektor mindestens ein bildgebendes Element – z. B. ein LCD oder einen Mikrospiegelarray – und ein das bildgebende Element auf das optische Element abbildendes Objektiv aufweisen. Denkbar sind aber auch Projektoren, bei denen die Projektionsfläche mit einem einzelnen dünnen Lichtbündel – beispielsweise durch rasches Schwenken eines Mikrospiegels – gescannt wird. In diesem Fall sei die Austrittspupille durch den Durchmesser des Lichtbündels an einer Lichtaustrittsfläche des Projektors definiert. In jedem Fall entfaltet die vorgeschlagene Vorrichtung dann ihre Vorteile in besonderer Weise, wenn der mindestens eine Projektor durch einen als Mikro-Projektor zu bezeichnenden kompakten Projektor gegeben ist, der mindestens eine LED – eventuell auch mindestens eine Laserdiode – zur Erzeugung von zum Projizieren des jeweiligen Bildes benötigtem Licht aufweist. Dann hat der Projektor typischerweise eine so kleine Austrittspupille, dass die Vorrichtung erst durch die vorgeschlagene Aufweitung der Betrachtungszonen sinnvoll anwendbar wird, während gleichzeitig eine sehr begrenzte Leistung des Projektors wegen der nach wie vor erreichten Bündelung von der Projektionsfläche ausgehenden Lichts unschädlich ist.
Nachfolgen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der 1 bis 5 erläutert. Es zeigen
1 eine zum Verständnis der Erfindung hilfreiche Darstellung des Standes der Technik,
2 als schematisch dargestellte Aufsicht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
3 einen Ausschnitt eines als Projektionsfläche der Vorrichtung aus 2 dienenden optischen Elements,
4 in entsprechender Darstellung einen Ausschnitt eines optischen Elementes, das in einer Abwandlung der Vorrichtung aus 2 als Projektionsfläche dient, und
5 eine schematische Aufsicht auf ein in einer anderen Ausführung der Erfindung als Projektionsfläche dienendes optisches Element.
In 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zum Projizieren von Bildern gezeigt. Ein Projektor 1 weist ein bildgebendes Element 2 sowie ein Objektiv 3 auf. Ein von dem bildgebenden Element 2 dargestelltes Bild wird durch das Objektiv 3 auf einen als Projektionsfläche dienenden Kugelspiegel 4 abgebildet. Dieser Kugelspiegel 4 bildet eine Austrittspupille des Objektivs 3 auf ein Pupillen-Bild 5 ab. Das vom bildgebenden Element 2 dargestellte Bild kann in einer Betrachtungszone 6 vollständig gesehen werden. Die Betrachtungszone 6 ist genau das Raumgebiet, das innerhalb der beiden Kegel liegt, welche als Grundfläche das Pupillen-Bild 5 haben und deren Spitzen durch die in 1 erkennbaren Strahl-Schnittpunkte 7 und 8 definiert sind. Diese Betrachtungszone 6 ist unvorteilhaft klein und lässt einem an der Stelle des Pupillen-Bildes 5 befindlichen Betrachter fast keine Bewegungsfreiheit, sofern nicht ein Projektor mit einer außerordentlich großen Austrittspupille verwendet wird. In der gewählten Geometrie, in der ein Betrachtungsabstand s₁ – definiert als Abstand zwischen Austrittspupille des Projektors 1 und Projektionsfläche – und ein Beobachtungsabstand s₂ – definiert als Abstand zwischen Projektionsfläche und einer hier durch das Pupillen-Bild 5 definierten Betrachtungsebene – gleich groß ist, ist nämlich auch ein durch das Pupillen-Bild 5 definierter Durchmesser der Betrachtungszone 6 genauso groß wie die Austrittspupille. Allgemein gilt bei einem Aufbau der in 1 gezeigten Art, dass der Durchmesser der Betrachtungszone 6 dem Durchmesser der Austrittspupille multipliziert mit s₂ dividiert durch s₁ entspricht.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, wobei wiederkehrende Merkmale und Größen wieder mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied zu der in 1 gezeigten Vorrichtung besteht darin, dass statt des Kugelspiegels 4 ein strukturierter Kugelspiegel 9 als die Projektionsfläche bildendes optisches Element verwendet wird. Eine zur Kugelflächengestalt hinzukommende Struktur einer Oberfläche dieses Kugelspiegels 9 sorgt dafür, dass vom Kugelspiegel 9 reflektiertes Licht einen deutlich größeren Raumwinkel beleuchtet, als dies bei der Verwendung des normalen Kugelspiegels 4, wie in 1 gezeigt, der Fall ist. Die beiden die Betrachtungszone 6 (in dieser Figur schraffiert dargestellt) bildenden Kegel oder deformierten Kegel weisen hier eine die Betrachtungsebene definierende Grundfläche 10 auf, die deutlich größer ist als die Fläche des Pupillen-Bildes 5, welche bei Verwendung des normalen Kugelspiegels 4 die Grundfläche der beiden Kegel bildet. Des Weiteren liegen, aufgrund der Abstrahlung in einen größeren Raumwinkel, die beiden die Kegelspitzen bildenden Strahl-Schnittpunkte 7 und 8 hier deutlich weiter von der Grundfläche 10 entfernt als dies bei einer entsprechenden herkömmlichen Vorrichtung der in 1 gezeigten Art der Fall ist. Insbesondere gilt, dass ein in einer beliebigen Richtung gemessener Durchmes ser der Grundfläche 10 größer ist als ein in gleicher Richtung gemessener Durchmesser der Austrittspupille multipliziert mit s₂ dividiert durch s₁.
Nur gestrichelt ist in 2 zusätzlich ein zweiter Projektor 1' dargestellt, der seitlich gegenüber dem ersten Projektor 1 versetzt angeordnet ist und dem eine sich ganz analog ergebende zweite Betrachtungszone 6' zugeordnet ist. Die beiden Betrachtungszonen 6 und 6' sind dementsprechend seitlich um etwa 65 mm gegeneinander versetzt und überlappen sich nur in einem kleinen Randbereich. Die Projektoren 1 und 1', bei denen es sich um sehr kompakte Mikro-Projektoren mit LEDs oder Laserdioden als Lichtquellen handelt, sind zum Wiedergeben einander zu 3D-Bildern ergänzender stereoskopischer Halbbilder geeignet. Die 3D-Bilder können dadurch von einem Betrachter, der so positioniert ist, dass sich jeweils eines seiner Augen in jeder der beiden Betrachtungszonen 6 und 6' befindet, autostereoskopisch wahrgenommen werden. Die Projektoren 1 und 1' können dabei durch eine nicht dargestellte Nachführungsvorrichtung beweglich ausgeführt sein, so dass die Betrachtungszonen 6 und 6' in Abhängigkeit von einer dazu detektierten Bewegung des Betrachters nachgeführt werden können. Anstelle der beiden Projektoren 1 und 1' kann auch eine größere Anzahl von Projektoren nebeneinander angeordnet werden, um eine entsprechend größere Anzahl von Betrachtungszonen zu erzeugen, aus denen jeweils eine von mehreren Ansichten gesehen werden können.
3 zeigt ein Beispiel dafür wie die Struktur des strukturierten Kugelspiegels 9 ausgebildet sein kann. Dort ist neben einer Frontalansicht eines Teils einer spiegelnden Fläche des Kugelspiegels 9 auch ein horizontaler Querschnitt 11 und ein vertikaler Quer schnitt 12 durch diesen Teil des strukturierten Kugelspiegels 9 gezeigt. In beiden Querschnitten 11 und 12 ist dabei eine Noppenstruktur zu erkennen mit einer Vielzahl von Noppen 13, die jeweils einen in der Frontalansicht erkennbaren quadratischen Umriss haben und gemeinsam die spiegelnde Fläche bilden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem der Betrachtungsabstand s₂ 100 cm beträgt, hat jede dieser Noppen 13 eine Seitenlänge von etwa 0,29 mm. Der strukturierte Kugelspiegel 9, der in diesem Fall – abgesehen von der Noppenstruktur – einen s₁ und s₂ entsprechenden Radius von 1 m hat, weist also eine wesentlich größere Zahl dieser Noppen 13 auf, als in 3 erkennbar ist. Der Kugelspiegel 9 kann z. B. so viele Noppen 13 haben, wie das bildgebende Element 2 Bildpunkte oder Pixel aufweist, oder auch deutlich mehr.
Die Noppen 13 bilden im vorliegenden Fall konvexe Mikrospiegel, an stelle derer aber auch konkave Vertiefungen in der spiegelnden Fläche vorgesehen sein können. Auch ist es möglich, andere Umrissformen der Noppen 13 zu wählen, die die spiegelnde Fläche des Kugelspiegels 9 möglichst vollflächig ausfüllen sollten, beispielsweise in Form bienenwabenförmig angeordneter Hexagone.
Jede der Noppen 13 bildet eine Teilfläche der spiegelnden Fläche des Kugelspiegels 9, die ihrerseits die Eigenschaft hat, dass von der Austrittspupille des Projektors 1 oder 1' ausgehendes und diese Teilfläche ausleuchtendes Licht nach einer Reflexion an dieser Teilfläche die Betrachtungszone 6 bzw. 6' vollständig ausfüllt. Dazu haben die Noppen 13 eine toroidförmige Oberfläche, wobei eine Krümmung dieser Oberfläche in vertikaler Richtung durch einen Krüm mungsradius r₁ und eine Krümmung in horizontaler Richtung durch einen Krümmungsradius r₂ definiert ist. Die beiden Radien r₁ und r₂ können dabei in guter Näherung wie folgt berechnet werden: r1 = h[2(R2 + 4H2 + R[R2 + 4H2]1/2)]1/2/(H – 2h), r2 = b[2(R2 + 4B2 + R[R2 + 4B2]1/2)]1/2/(B – 2b).
Dabei bezeichne R den mit dem Betrachtungsabstand s2 identischen Krümmungsradius des Kugelspiegels 9 (bei Vernachlässigung der Noppenstruktur), h eine Höhe und b eine Breite der einzelnen Teilflächen oder Noppen 13 (wobei hier h = b gilt) sowie H eine Höhe und B die Breite der Betrachtungszone 6 bzw. 6'. B kann dabei als etwa B = 65 mm gewählt werden, während H deutlich größer sein kann.
4 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Realisierung eines erfindungsgemäß strukturierten optischen Elementes 14, das als Projektionsfläche in einer Vorrichtung der in 2 gezeigten Art verwendet werden kann. Wieder ist neben einer Frontalansicht auch ein horizontaler Querschnitt 11 und ein vertikaler Querschnitt 12 gezeigt. Eine vorderseitige Grenzfläche 15 des den Kugelspiegel 9 ersetzenden optischen Elements 14 ist derart ausgebildet, dass sie möglichst nicht reflektiert. Eine rückseitige Fläche 16 hingegen ist verspiegelt. Die Fläche 16 weist horizontal verlaufende Toroid-Ringflächen auf, während die vorderseitige Fläche 15 vertikal verlaufende Toroid-Ringflächen 18 aufweist. Die Toroid-Ringflächen 17 und 18 überspannen das optische Element als dünne Streifen, die jeweils dort, wo sie sich schneiden, eine Teilfläche bilden, die weitgehend jeweils einer der Noppen 13 aus dem vorherigen Ausführungsbeispiel entsprechen. Hierdurch wird insgesamt der gleiche Effekt hervorgerufen wie durch die in 3 gezeigte Struktur. Vorteilhaft im Vergleich zu dieser dürfte die leichtere Herstellung sein. Hierdurch können leichte Abbildungsfehler entstehen. Das optische Element aus 4, das ein katadioptrisches System bildet, kann z. B. dadurch hergestellt werden, dass eine Raster-Platte mit vertikalen Zylinderlinsen auf einer Vorderseite und horizontalen Zylinderlinsen auf einer Rückseite zu einer Kugelschale umgeformt wird, so dass die Vorderseite konkav wird. Die Rückseite kann anschließend verspiegelt werden. Möglich wäre es auch, anstelle der horizontalen Zylinderlinsen bzw. Toroid-Ringflächen eine horizontale Riffelung vorzusehen, die dem optischen Element in vertikaler Richtung – und nur in vertikaler Richtung – diffus streuende Eigenschaften verleiht.
5 zeigt eine Anordnung, welche ein in Transmission zu betreibendes optisches Element 19 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das als Projektionsfläche dienende optische Element 19 aus einer Mikrostrukturplatte 20 und einer Fresnel-Linse 21. In diesem Beispiel wird ein Mikro-Projektor zum Projizieren von Bildern auf das optische Element 19 verwendet, von dem hier nur eine Austrittspupille 22 eingezeichnet ist. Diese ist so klein, dass ohne die Mikrostrukturplatte 20 eine nahezu punktförmige Betrachtungszone entstünde. Durch die Verwendung der Mikrostrukturplatte 20, die ähnlich gebildet sein kann wie die zuvor erwähnte Raster-Platte, wird eine hinreichend große Betrachtungszone 6 mit der Grundfläche 10 und den Strahl-Schnittpunkten 7 und 8 bereitgestellt. Auch hier können selbstverständlich mehrere Projektoren nebeneinander angeordnet werden, um verschiedene Bilder oder stereoskopische Halbbil der in benachbarte Betrachtungszonen zu lenken.

Claims

Vorrichtung zum Projizieren von Bildern, umfassend ein als Projektionsfläche dienendes optisches Element (14; 19) und mindestens einen um einen Projektionsabstand (s₁) von der Projektionsfläche beabstandeten Projektor (1, 1') zum Projizieren jeweils eines Bildes auf die Projektionsfläche, wobei das optische Element (14; 19) so gestaltet ist, dass von dem Projektor (1, 1') ausgehendes Licht in eine räumlich begrenzte Betrachtungszone (6, 6') gelenkt wird, die dadurch eindeutig diesem Projektor (1, 1') zugeordnet ist, wobei die Betrachtungszone (6, 6') definiert ist als Bereich, aus dem das von dem Projektor (1, 1'), dem diese Betrachtungszone (6, 6') zugeordnet ist, projizierte Bild vollständig sichtbar ist, und wobei eine Betrachtungsebene definierbar ist als eine um einen Betrachtungsabstand (s₂) von der Projektionsfläche beabstandete Ebene, in der eine Breite der Betrachtungszone (6, 6') maximal ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (14; 19) so strukturiert ist, dass von dem Projektor (1, 1') ausgehendes Licht in der Betrachtungsebene mindestens eine zusammenhängende Fläche ausleuchtet, die in jede Richtung einen Durchmesser hat, der größer ist als ein in gleicher Richtung gemessener Durchmesser einer Austrittspupille (22) des Projektors (1, 1') multipliziert mit dem Betrach tungsabstand (s₂) dividiert durch den Projektionsabstand (s₁).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei nebeneinander angeordnete Projektoren (1, 1') zum Projizieren jeweils eines von mehreren Bildern auf das optische Element (14; 19) aufweist, wobei die diesen Projektoren (1, 1') zugeordneten Betrachtungszonen (6, 6') seitlich gegeneinander versetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektoren (1, 1') eingerichtet sind zum Projizieren der Bilder in Form stereoskopischer Halbbilder, wobei die Betrachtungszonen (6, 6') aller oder zumindest zweier der Projektoren (1, 1') ihre maximale Breite im gleichen Betrachtungsabstand (s₂) vom optischen Element (14; 19) einnehmen, so dass aus diesen Betrachtungszonen (6, 6') ein aus den Halbbildern oder jeweils zweien der Halbbilder zusammengesetztes Bild autostereoskopisch dreidimensional wahrnehmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils benachbarten und sich vorzugsweise in Randgebieten überlappenden Betrachtungszonen (6, 6') um zwischen 45 mm und 70 mm seitlich zueinander versetzt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (14; 19) ein strukturierter Hohlspiegel oder eine strukturierte Linse ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Ele ment (14; 19) als eine strukturierte Fresnel-Linse oder als ein strukturierter Kugelspiegel (9) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (14; 19) zumindest in seitlicher Richtung nicht diffus streuend ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (14; 19) in eine Vielzahl disjunkter Teilflächen eingeteilt ist, wobei jede der Teilflächen so geformt ist, dass von der Austrittspupille (22) des Projektors (1, 1') oder jedes der Projektoren (1, 1') ausgehendes und auf die Teilfläche fallendes Licht im Fall einer Ausleuchtung dieser Teilfläche in der Betrachtungsebene jeweils eine Fläche ausleuchtet, die einen größeren Durchmesser hat als die Austrittspupille (22) des Projektors (1, 1') multipliziert mit dem Betrachtungsabstand (s₂) dividiert durch den Projektionsabstand (s₁).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflächen zumindest in seitlicher Richtung jeweils einen Durchmesser von höchstens 1,5 × 10^–3 mal dem Betrachtungsabstand (s₂) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die disjunkten Teilflächen quadratisch, rechteckig oder sechseckig berandet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die disjunkten Teilflächen durch Mikrolinsen oder Mikrospiegel gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Teilflächen durch Auswölbungen oder Vertiefungen an einer Oberfläche des optischen Elements (14; 19) gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflächen jeweils eine kugelausschnittförmige oder toroidförmige Oberfläche bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflächen durch vertikale über das ganze optische Element verlaufende zylindermantel- oder toroidförmige Streifen gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Streifen mit einer in vertikaler Richtung streuenden Oberflächenstruktur versehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (14; 19) eine Schar vertikal über das optische Element verlaufender zylindermantel- oder toroidförmiger Streifen und eine Schar vertikal über das optische Element (14; 19) verlaufender zylindermantel- oder toroidförmiger Streifen aufweist, wobei die Teilflächen durch jeweils einen Überlappungsbereich eines der vertikal verlaufenden Streifen mit einem der horizontal verlaufenden Streifen gegeben sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Projektor (1, 1') bewegbar ist zum Nachführen der diesem Projektor (1, 1') zugeordneten Betrachtungszone (6, 6') zum Ausgleichen einer Bewegung eines Betrachters.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein System zum Detektieren der Bewegung des Betrachters und zum Steuern einer Bewegung des mindestens einen Projektors (1, 1') in Abhängigkeit von der detektierten Bewegung des Betrachters aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Projektor (1, 1') mindestens ein bildgebendes Element (2) und ein das bildgebende Element auf das optische Element (14; 19) abbildendes Objektiv (3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Projektor (1, 1') durch einen Mikro-Projektor gegeben ist, der mindestens eine LED oder Laserdiode zur Erzeugung von zum Projizieren des jeweiligen Bildes benötigtem Licht aufweist.