DE3854711T2

DE3854711T2 - Dreidimensionale Echtzeitdarstellung.

Info

Publication number: DE3854711T2
Application number: DE3854711T
Authority: DE
Inventors: Felix Garcia; Rodney D Williams
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1987-10-07
Filing date: 1988-09-28
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2008-09-29
Also published as: KR0137404B1; EP0310928A2; DE3854711D1; JPH01193836A; KR890007092A; EP0310928B1; JP2731544B2; CA1317692C; EP0310928A3; ES2079352T3

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein dreidimensionales Anzeigesystem des in Anspruch 1 definierten Typs und insbesondere auf ein System, das Bilder auf einem Schirm in drei Dimensionen anzeigen kann und in dem eines oder mehrere solcher Bilder entweder von derselben Seite des Schirms oder von dessen gegenüberliegenden Seiten in zwei Dimensionen projiziert werden können.

Kurze Beschreibung des Stands der Technik

Vom Stand der Technik her war es bekannt, einen Lichtstrahl, z.B. einen Laserstrahl, zu modulieren oder abzutasten und den abgetasteten Strahl dann auf einen Bildschirm zu projizieren. Beispiele solcher Systeme sind in den Patenten von Baker US-A-3, 471, 641 und US-A-3, 549, 800 aufgezeigt.
Es war außerdem seit langem gewünscht, eine dreidimensionale Anzeige zu schaffen. Zum Stand der Technik gehörende Systeme zur Erzeugung einer solchen Anzeige haben das Bewegen einer flachen Spiegelplatte oder das Biegen eines Kunststoffspiegels erfordert, um ein Kathodenstrahlröhrenbild zu reflektieren, damit eine dreidimensionale Anzeige erzeugt wird. Ähnliche Verfahren haben eine Mylar- Membran eingesetzt, die über einen Metallring gespannt und auf der Vorderseite versilbert ist, wobei solch ein Spiegel in Schwingung versetzt wurde, um die auf der Kathodenstrahlröhre angezeigten Informationen synchron zur Spiegelbewegung zu reflektieren. Solche Verfahren und Verfahren zur Umwandlung der zweidimensionalen Anzeige einer Kathodenstrahlröhre in ein dreidimensionales Bild werden in dem Artikel "Terminal Puts 3-Dimensional Graphics on Solid Ground" (Electronics, July 28, 1961) von Harry S. Stover erörtert.
Bekannte dreidimensionale Anzeigeverfahren waren beschränkt, weil sie zusammen mit Kathodenstrahlröhren-Bildschirmen benutzt wurden, in denen das erzeugte Bild nur von bestimmten Winkeln aus betrachtet werden kann. Darüberhinaus konnten solche bekannte Systeme im allgemeinen keine Echtzeitbilder herstellen und waren in bezug auf die möglichen Schwingungsfrequenzen der Bildschirme beschränkt. Außerdem schaffte der Gebrauch von schwingenden Spiegeln Probleme wegen der relativ großen Masse der Spiegel, die starke Ablenkungen verhindert. Z.B. waren solche zum Stand der Technik gehörenden Systeme im allgemeinen in der Lage, eine Spiegelverschiebung von ungefähr 0.4 Millimetern zu erzeugen.
So entstand ein Bedürfnis nach einem einfachen und wirtschaftlichen dreidimensionalen Anzeigesystem, das für eine Vielzahl von Frequenzen starke Ablenkungen erzielen kann, um dreidimensionale Bilder zu schaffen, die von allen Winkeln aus betrachtet werden können. Ein System, das dieses Problem löste, ist in dem Patent US-A-4, 130, 832 von Garcia offenbart, worin die dreidimensionale Anzeige einen Laser umfaßt, der einen Lichtstrahl auf einen Spiegel richtet, wobei der Spiegel in einer x-y-Ebene von piezoelektrischen Wandlern bewegt wird. Der reflektierte Lichtstrahl ist auf einen schwingenden Schirm gerichtet, der von piezoelektrischen Wandlern bewegt wird, um ein dreidimensionales Bild zu erzeugen. Obwohl dieses Systems das gewünschte Ergebnis liefert, ist es bezüglich der Größe des angezeigten Bildes beschränkt, da die Größe des Schirms und des Bildes durch die Größe des piezoelektrischen Wandlers bestimmt ist. Außerdem ist dieses System durch G-Kräfte beeinflußt, wodurch sich Schwierigkeiten bieten, wo solche Kräfte existieren, z.B. in Flugzeugen. Der oben erwähnte Stand der Technik wird hier durch Verweisung einbezogen. Außerdem sind in den Patenten US-A-1, 794, 103, US-A-3, 682, 553 und US-A-3, 970, 361 typische zum Stand der Technik gehörende Anzeigen des oben erwähnten Typs aufgezeigt.
Ein dreidimensionales Anzeigesystem wird ebenfalls in Patent Abstracts of Japan, vol.5, no. 138 (P-078), 2 September 1981; & JP-A-56 074 219 (VICTOR CO. OF JAPAN LTD.) 19-06-1981 beschrieben. In diesem System bewegt sich der Schirm zum Lichtstrahl und von diesem weg und dreht sich nicht. Wird ein Schirm dieser Art benutzt, so ist es unmöglich, einen Teil des dreidimensionalen Bildes hinter dem Schirm zu sehen oder sogar zu haben. Daher ist das dreidimensionale Bild ständig in seiner Größe wechselnd, wenn der Schirm sich zur Lichtquelle und von dieser weg bewegt, da es nicht zwischen dieser Quelle existieren kann. Außerdem ist die äußerste Größe des möglichen dreidimensionalen Bildes durch eine konvexe oder konkave Linse stark vermindert, die notwendig ist, um parallele Lichtstrahlen zu erzeugen, die auf den Schirm projiziert werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die oben festgestellten Probleme des Stands der Technik minimiert, und es wird ein dreidimensionales Anzeigesystem geschaffen, das im wesentlichen nicht von G- Kräften beeinflußt ist und in dem die Größe des angezeigten Bildes und des Schirms durch die Größe einer Scheibe und eines Motors bestimmt ist. Das System gemäß der vorliegenden Erfindung kann z.B. für geschäftlichen und industriellen Gebrauch wie räumliche Animation, Radaranzeige, Molekularforschung, Resonanzfrequenz- und Oberwellenanzeige, Militärwesen, Computergraphik und ähnliches verwendet werden.
Das System gemäß einer ersten Ausführungsform desselben umfaßt einen scheibenartigen Schirm, der mit dem Ende einer Motorwelle verbunden ist. Die Scheibe ist an eine Motorwelle in einem Winkel von 45 Grad angeschlossen, doch kann dieser Winkel variiert werden, um eine größere oder kleinere Höhe oder z-Achsen-Dimension zu liefern, so daß, wenn sich die Scheibe dreht, eine Verschiebung von irgendeinem darauf gegebenen Punkt entlang der z-Achse stattfindet. Das Bild wird auf dem Schirm erzeugt, indem ein Lichtstrahl, z.B. von einem Laser, durch einen Modulator und zu einem Scanner projiziert wird, der ein x-y-Rasterbild von dem Strahl auf einem Schirm erzeugt, wobei der Schirm hier aus der oben besprochenen Scheibe besteht und die Ebene des Rasterbildes so angebracht ist, daß sie den Lichtstrahl auf den Schirm reflektieren kann. Die Scheibe kann lichtdurchlässig sein, wie Lucite, so daß Bilder auf die vordere und/oder hintere Oberfläche derselben projiziert werden können. Das Modulieren oder das Stroben des Rasterbildes wird dann durch Steuerung der Motorgeschwindigkeit mit der rotierenden Scheibe synchronisiert, so daß ein dreidimensionales Muster auf dem Schirm erscheint. Es ist zu erkennen, daß jeder Punkt auf dem x-y-Rasterbild des Scanners, der auf den Schirm auftrifft, sich entlang einer z-Achsen-Richtung bewegen wird, weil der Schirm oder die Scheibe an diesem Punkt solch eine z-Achsen-Bewegung erzeugt. Diese Bewegung des angezeigten Bildes liefert den dreidimensionalen Effekt. Die Einstellung des Winkels zwischen der Scheibenoberfläche und der x-y- Ebene des abgetasteten x-y-Bildes wird die z-Dimension oder Höhe des dreidimensionalen Bildes bestimmen, wobei der Scheibenwinkel während des Prozesses verstellbar ist, wenn das gewünscht ist.
Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform die Scheibe aus einem ebenen opaken Schirm besteht, der zum Empfang des abgetasteten Bildes auf einer Oberfläche desselben dient, kann der Schirm viele andere Formen annehmen. Z.B. kann die Scheibe lichtdurchlässig wie Lucite sein und auf diese Weise in der Lage, ein abgetastetes Bild auf beiden Hauptoberflächen zu empfangen. Die Lucitescheibe kann die Form eines Paars von winkelförmig abgestumpften Zylindern aufweisen, wobei die gleichen an den winkelförmig geschnittenen Oberflächen zusammenpassen, um einen neuen Zylinder zu bilden, in dem die Oberflächen, an denen die Abstumpfung stattfindet, lichtdurchlässig sind. Außerdem kann der Schirm andere Formen annehmen als die ebene, wobei es nur notwendig ist, daß sich wenigstens ein Teil davon während seiner Rotation in der z-Richtung bewegt, um ein dreidimensionales Bild zu liefern, wenn die Projektion des x-y-Bildes darauf stattfindet. Für eine weitere Ausführungsform kann die Scheibe in eine mit Gas gefüllte oder evakuierte Kathodenstrahlröhre gesetzt werden, wobei das Bild, das darauf auftrifft, aus dem abgetasteten Strahl der Röhre besteht. Leuchtstoffe können auf der Scheibe aufgebracht werden, die, sobald sie angeregt werden, das dreidimensionale Bild erzeugen. Außerdem kann der Schirm eben und senkrecht zum projizierten x-y-Bild eingerichtet sein. Der dreidimensionale Effekt wird dann durch Bewegung des gesamten Schirms entlang der z-Achse geliefert, wobei diese synchron mit dem abgetasteten x-y-Bild verläuft, um den dreidimensionalen Effekt zu liefern. Eine nockengetriebene Welle, die am Schirm angeschlossen ist, kann eine solche Schirmbewegung entlang der z-Achse liefern.

Kurze Beschreibung der Zeichungen

FIG. 1 ist eine schematische Darstellung eines dreidimensionalen Anzeigesystems, das einen Schirm gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt; und
FIG. 2 ist ein Schaltbild, das die Synchronisation des Scanners mit der Rotation des Anzeigeschirms zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In FIG 1, auf die nun verwiesen wird, ist eine schematische Darstellung des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das System umfaßt einen Laser 7, der einen Lichtstrahl durch einen Modulator 4 auf einen x-y-Scanner 5 projiziert. Der Modulator 4 ist von außen in vorbestimmter Weise gesteuert (nicht gezeigt), um die Intensität des Laserstrahls 3, der durch ihn hindurchläuft, zu steuern. Es ist zu erkennen, daß die Lichtintensität so gesteuert werden kann, daß kein Licht durch den Modulator hindurchgeht, wenn dieses gewünscht ist. Der x-y-Scanner, dessen Abtastrate in üblicher Weise (nicht gezeigt) von außen steuerbar ist, lenkt den Lichtstrahl 3 vom Modulator entlang einer x-y- Ebene ab und projiziert dieses x-y-Bild 6 auf einen Schirm 1, der die Form einer Scheibe hat, wie weiter unten erklärt werden wird. Alle bis zu diesem Punkt beschriebenen Teile des Aufbaus sind außer dem speziellen Schirm und seiner Wirkung wohl bekannt und in dem oben erwähnten Stand der Technik und anderswo beschrieben.
Der Schirm 1 wird von einem Motor 8 über eine Motorwelle 2 gedreht, wobei die Motordrehzahl mittels eines Reglers (nicht gezeigt) steuerbar ist. Die Motordrehzahl ist vorzugsweise mit der Abtastrate des Scanners synchronisiert. Eine typische Schaltung zur Schaffung einer solchen Synchronisation ist in FIG. 2 gezeigt, so daß derselbe Punkt auf der Scheibe immer vorhanden ist, um einen speziellen Teil des x-y-Rasterbildes zu empfangen, das auf ihm projiziert wird. Die Schaltung von FIG. 2 wird im folgenden erklärt werden.
Der Schirm 1 kann eine Standard-Filmleinwand sein, wenn er, wie für das System, das bis hierher beschrieben wurde, nur von einer Seite betrachtet werden soll. Der Bildschirmwinkel bezüglich des Bildes, das vom Scanner empfangen wird, ist vorzugsweise 45 Grad. Dieser Winkel kann jedoch in beiden Richtungen um 45 Grad verändert werden, wobei die Wirkung einer solchen Winkelveränderung in der Variation der Höhe oder z-Dimension des angezeigten Bildes bei stetiger Veränderung dieses Winkels besteht. Der Bildschirmwinkel ist im On-Line-Betrieb durch einen Aufbau (nicht gezeigt) von bekannter Art veränderbar, der den Spiegel auf der Welle 2 dreht, wenn das gewünscht ist.
In FIG. 2, auf die nun verwiesen wird und in der sich die gleichen Bezugsziffern auf den entsprechenden Aufbau in FIG. 1 beziehen, wird der Scanner 5 durch Signale auf dem GSI-Scanner-Bus, die vom Steuerbus stammen, gesteuert. Die Signale auf dem Steuerbus werden von einer synchronisierenden Anwenderschaltung geliefert, die manuell, z.B. durch den Steuerungseingang dazu, gesteuert werden kann. Die Schaltung 36 steuert auch die Motor-Steuerungseinheit 32, um die Drehzahl des Motors 8 zu regeln. Die Schaltung 36 kann auch den Modulator 4 über die Modulator-Steuerungsschaltung 34 steuern. Solch eine Schaltung ist wohl bekannt. Der Scanner 5 umfaßt einen Digital-Analog-Wandler 24, der ein y- Achsen-Signal über den Verstärker 26 abgibt, und einen Digital-Analog-Wandler 28, der ein x-Achsen-Signal über den Verstärker 30 abgibt. Die Signale von den Verstärkern 26 und 30 steuern die x- und y-Achsen-Abtastbauelemente 20 bzw. 22, die einen Spiegel 42 positionieren, der die modulierten Lichtstrahlen vom Laser 7 reflektiert.
Während des Betriebs wird ein Lichtstrahl vom Laser 7 durch den von außen steuerbaren Modulator 4 moduliert, um einen modulierten Strahl 3 zu erzeugen, der auf den x-y- Scanner 5 fällt, wobei letzterer eine von außen steuerbare Abtastrate aufweist; die von den Signalen auf dem GSI- Scanner-Bus und dem Steuerungsbus von FIG. 2 bestimmt wird.
Der Scanner 5 lenkt den Lichtstrahl in einer x-y-Ebene über den Spiegel 42 auf den rotierenden Schirm 1 ab, wobei die Drehzahl des Schirms 1 wie oben erklärt mit der Abtastrate des Scanners 5 synchronisiert ist. Wie oben erklärt worden ist, wird jeder Lichtpunkt, der auf die x-y-Ebene auftrifft, auf dem Schirm 1 eine harmonische Bewegung in der z-Ebene zeigen, da die Punkte auf dem Schirm die gleiche Bewegung aufweisen. Falls also die Abtastrate des Scanners und die Drehgeschwindigkeit des Schirms ausreichend hoch sind, wird folglich das Licht, das auf den Schirm fällt, sich an jedem Punkt auf dem Schirm ausreichend schnell entlang der z-Achse bewegen, um als eine vollständige Linie zu erscheinen, was wohl bekannt ist. Das Ergebnis ist eine dreidimensinale Anzeige, deren Höhe durch den Winkel des Schirms bestimmt wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird das oben beschriebene System bis auf die Ausnahme kopiert, daß der Schirm 1 lichtdurchlässig ist, um ein Hindurchsehen durch ihn zu erlauben. Auf diese Art und Weise können Bilder in drei Dimensionen auf beiden Seiten des Schirms geschaffen werden. Dieses wird, unter Bezugnahme auf FIG. 1, durch Bereitstellung eines zweiten Bilderzeugungssystems erreicht, das identisch zu dem bereits geschriebenen ist und einen zweiten Laser 9, einen Modulator 10 und einen Scanner 12 zum Empfangen und Abtasten des modulierten Strahles 11 umfaßt. Das zweite System arbeitet in der gleichen Weise wie das bereits beschriebene System und projiziert das abgetastete Bild gegen die hintere Oberfläche des lichtdurchlässigen Schirms 1 in eine zweite x-y-Ebene. Das Bild wird sich, außer, daß es hinter dem Schirm liegt, in der gleichen Weise entlang der z-Richtung bewegen wie das oben beschrieben wurde. Aber wegen der Eigenschaft der Lichtdurchlässigkeit des Schirms 1 werden beide Bilder in drei Dimensionen von beiden Seiten des Schirms sichtbar sein.
Obwohl die Erfindung bezüglich eines rotierenden Schirms in der Form einer Scheibe beschrieben wurde, die in einem Winkel relativ zur x-y-Ebene angeordet ist, ist zu erkennen, daß die offenbarte Form des Schirms durch andere Formen ersetzt werden kann.
Obwohl die Erfindung mit Hinweis auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, werden viele Variationen und Abwandlungen sofort für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich werden. Es besteht daher die Absicht, die beigefügten Ansprüche so weit wie möglich im Hinblick auf den Stand der Technik zu interpretieren, um alle solchen Variationen und Abwandlungen einzuschließen.

Claims

1. Dreidimensionales Anzeigesystem enthaltend:

(a) eine Lichtquelle (7,4) zum Erzeugen eines modulierten Lichtstrahls;

gekennzeichnet durch

(b) ein rotierendes lichtempfangendes Mittel (1), das eine Drehgeschwindigkeit aufweist, die mit der Modulation des Lichtstrahls synchronisiert ist, und das eine rotierende lichtempfangende Fläche zum Empfangen und Anzeigen eines auf sie einfallenden Bildes aufweist und

(c) eine Licht-Empfangs-/Sendevorrichtung (5) zum Empfangen des modulierten Lichtstrahls (3) und zum Übertragen des Lichtstrahls zu einer vorbestimmten Stelle auf dem rotierenden lichtempfangenden Mittel (1);

(d) wobei die lichtempfangende Fläche stetige zusammenhängende Bereiche bei zunehmend unterschiedlichen Abständen von der Licht-Empfangs-/Sendevorrichtung (5) aufweist.

2. Dreidimensionale Anzeige nach Anspruch 1, worin das rotierende lichtempfangende Mittel (1) eine ebene Scheibe ist.

3. Dreidimensionale Anzeige nach Anspruch 1 oder 2, worin das rotierende lichtempfangende Mittel einen spitzen Winkel mit der Richtung des von der Empfangs/Sendevorrichtung (5) zum rotierenden lichtempfangenden Mittel (1) übertragenen Lichtes einschließt.

4. Dreidimensionale Anzeige nach den Ansprüchen 1 bis 3, worin das rotierende lichtempfangende Mittel (1) lichtdurchlässig ist.

5. Dreidimensionale Anzeige nach den Ansprüchen 1 bis 4, weiter enthaltend eine zweite modulierte Lichtquelle (9,10), die eine Modulationsgeschwindigkeit aufweist, die mit der Rotationsgeschwindigkeit zum Erzeugen eines zweiten modulierten Lichtstrahls (11) synchronisiert ist, wobei das rotierende lichtempfangende Mittel eine zweite lichtempfangende Fläche zum Empfangen und Anzeigen eines Bildes auf dieser und eine zweite Licht-Empfang-/Sendevorrichtung (12) zum Empfangen des zweiten modulierten Lichtstrahls (11) und zum Senden des zweiten Lichtstrahls zu einer vorbestimmten Stelle auf der zweiten lichtempfangenden Fläche aufweist.