DE69216391T2

DE69216391T2 - Sichtvorrichtung

Info

Publication number: DE69216391T2
Application number: DE69216391T
Authority: DE
Inventors: William Nevil Heaton Johnson
Original assignee: Durand Ltd
Current assignee: Nashua Corp
Priority date: 1991-03-08
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2012-03-07
Also published as: WO1992016075A3; HK1000302A1; AU2510992A; WO1992016075A2; EP0574551A1; DE69216391D1; ATE147221T1; EP0574551B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Sichtvorrichtung zum Darstellen von visuellen Bildern, wie Fernsehbildern oder aufgezeichneten Videobildern, für einen Benutzer.
Herkömmlicherweise werden Fernsehbilder auf Bildschirmen gesehen, die, aus praktischen und technischen Gründen, einen relativ kleinen Bereich des Sichtfelds des Beobachters einnehmen, so daß der visuelle Effekt im allgemeinen selbst gegenuber einem, der von einer Person genossen wird, die einen Film in einem Kino sieht, unterlegen ist, obwohl selbst in diesem Fall das gesehene Bild nur einen kleinen Teil des Sichtfeldes des Beobachters einnimmt. Der oben beschriebene Nachteil ist, wenn irgendwie, größer in dem Fall von sogennanten "Taschen"-Fernsehempfängern, die nun erhältlich sind, und bei denen, aufgrund der extremen Miniaturisierung des Sichtfeldes, das Ausmaß des Sichtfeldes des Benutzers, das von einem Bildbereich eingenommen werden kann, durch den minimalen Sichtabstand beschränkt ist, auf den sich die Augen des Benutzers komfortabel einstellen können.
WO-A-84/01680 offenbart eine Sichtvorrichtung, die ein brillenartiges Gestell umfaßt, das auf dem Kopf des Benutzers getragen werden kann und, um vor jedem der Augen des Benutzers zu sein, eine jeweilige LCD-Anzeige, einen Treiberschaltkreis, der besagte Anzeigen treibt, und jeweils eine Vergrößerungslinse, die zwischen einem Auge und der jeweiligen LCD-Anzeige angeordnet ist, trägt. Jeweilige Videosignale, die jeweils zu Bildern eines stereoskopischen Paars passen, können den zwei LCD-Anzeigen zugeführt werden.
Unter den Aufgaben der gegenwärtigen Erfindung ist, eine verbesserte Sichtvorrichtung bereitzustellen, das tragbar ist und dennoch ein Bild oder eine Anzeige liefert, die einen Hauptteil des Sichtfelds des Benutzers einnimmt.
Gemäß der Erfindung wird eine Sichtvorrichtung bereitgestellt, die ein Gestell oder eine Halterung umfaßt, das bzw. die auf den Kopf des Benutzers getragen werden kann und, um vor den Augen des Benutzers zu sein, Bildanzeigevorrichtungen zum Darstellen oder Reproduzieren eines visuellen Bildes und ein damit in Verbindung stehendes optisches System trägt, wodurch ein Bild, das durch besagte Anzeigemittel dargestellt oder reproduziert wird, der Sicht des Benutzers dargeboten werden kann in einem komfortablen subjektiven Sichtabstand.
Vorzugsweise umfaßt besagtes Bildanzeigemittel einen Fernseh- oder Videoschirm, der durch eine geeignete Schaltung getrieben wird, die von besagtem Gestell getragen wird oder in einer Einheit inkorporiert ist, die von besagtem Gestell separiert aber mit demselben über Signalleitungsmittel verbunden ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Anschluß beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht ist, die eine die Erfindung verkörpernde Vorrichtung illustriert, die von einem Benutzer getragen wird, und
Fig. 2 eine schematische Draufsicht ist, entsprechend Fig. 1.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen umfaßt eine Sichtvorrichtung, die die Erfindung verkörpert, ein Gestell 10, das, wie dargestellt, die allgemeine Form einer Brille oder einer Schutzbrille einnimmt. Wie in Fig. 2 gezeigt, trägt das Gestell 10, vor jedem Auge des Trägers, einen jeweiligen Anzeigeschim 12 (gesehen von der oberen Kante in Fig. 2) und eine jeweilige Konvergenzlinse oder ein jeweiliges Konvergenzlinsensystem (schematisch dargestellt als eine einzige Linse mit 14), durch die das jeweilige Auge des Benutzers, im Unendlichen, ein virtuelles Bild des Bildbereichs oder Anzeigebereichs des jeweiligen Schirms 12 sehen kann. Damit die Vorrichtung von einer Person verwendet werden kann, die kurzsichtig ist und keine Korrekturoptik unabhängig von der Sichtvorrichtung verwendet, kann die Stärke der Linsen 14 so einstellbar sein, daß solch ein virtuelles Bild an dem geeigneten fernsten Grenzpunkt der klaren Sicht des jeweiligen Auges des Benutzers vorliegt. Es wird zu verstehen sein, daß, im Interesse der Kompaktheit, der Schirm 12, die Linse 14 und das Auge des Benutzers alle so nahe wie möglich zueinander sein sollten, was ebenfalls ermöglicht, daß die Größe, und somit das Gewicht, jedes Schirms 12 und jeder Linse oder jedes Linsensystems 14 minimiert wird.
Jeder Anzeigeschirm ist vorzugsweise ein LCD-Schirm des allgemeinen Typs, der in bekannten Hand- oder "Taschen"-Fernsehempfängern verwendet wird, und ist somit in ein Feld oder ein Gitter aus Pixeln aufgeteilt, die wahlweise durch damit in Verbindung stehende Leiter, die mit einer Steuereinheit, nicht gezeigt, verbunden sind, aktivierbar sind, wobei die Steuereinheit, in der bevorzugten Ausführungsform, wie in solch bekannten Hand- oder "Taschen"-Fernsehempfängern, ihrerseits von einer Fernsehsignalempfangs- und -verarbeitungsschaltung oder von einer anderen Videosignalverarbeitungsschaltung gesteuert wird, wodurch jeder in Pixel aufgeteilte Schirm 12, im Betrieb der Vorrichtung, ein Fernsehbild anzeigen wird, das auf einem Fernsehkanal übertragen wird, auf den besagte Empfangsschaltung eingestellt ist, oder ein Bild anzeigen wird, das mit solch anderem Videosignal korrespondiert.
Jeder Schirm 12 ist von hinten beleuchtet, beispielsweise durch Umgebungslicht, das durch den Schirm 12 von der Außenseite desselben her (d.h. der von dem Auge des Benutzers am weitesten entfernten Seite her), entweder direkt oder über einen Streuschirm (nicht gezeigt), der auf der Außenseite des Schirms 12 angeordnet ist, hindurchtritt, oder durch eine Streulichtquelle, wie eine Leuchtplatte, die benachbart zu dem Schirm 12 auf der Außenseite desselben angeordnet ist. Die beiden Schirme 12 können parallel durch eine damit in Verbindung stehende Schaltung mit Energie versorgt werden, so daß die beiden Schirme genau das gleiche Bild anzeigen. Jedoch wird es zu verstehen sein, daß die beiden Schirme 12 jeweils durch eine Schaltung mit Energie versorgt werden können, um, während jeder "Datenübertragungsblock"-Periode einer T.V.- Übertragung oder Videoaufzeichnung, jeweilige Bilder eines stereoskopischen Paars anzuzeigen, so daß der Trager ein dreidimensionales oder stereoskopisches Bild sehen wird. Solch ein stereoskopischer oder dreidimensionaler Effekt wird, natürlich, nur bereitgestellt, wenn eine geeignete stereoskopische Bildinformation erhältlich ist, d.h., wenn ein übertragenes stereoskopisches Fernsehsignal, oder eine jeweiliges stereoskopische Bildinformation, beispielsweise von einen Recorder abgeleitet, der mit der Vorrichtung verbunden ist, vorliegt.
Um störende Effekte, in der Sicht des Benutzers, bei Bestrahlen der Augen für längere Zeitdauern mit komplett in Pixel zerlegten Sichtfeldern, zu vermeiden und um einen akzeptierbaren Sichteindruck für den Benutzer zu gewährleisten, kann ein lichttransmittierender Diffusions- oder Streuschirm 16 vor jeden LCD-Schirm 12, d.h. zwischen den Schirm 12 und das jeweilige optische System 14, angeordnet werden. Jeder solcher Schirm 12 nimmt vorzugsweise die Form eines Mikrolinsenschirms, wie im Anschluß definiert, ein.
Der Ausdruck "Mikrolinsenschirm" wird hier verwendet, um einen Rückprojektionsschirm zu kennzeichnen, der eine Lage eines lichttransmittierenden Materials umfaßt, in oder auf dem, durch geeignete Konfigurierung einer oder beider Oberflächen der Lage oder durch Hervorrufen von vorherbestimmten lokalisierten Variationen in dem Brechungsindex des Lagenmaterials, ein Feld von kleinen Linsen, hier "Mikrolinsen" genannt, ausgebildet ist. Wo die Linsen durch Konfigurieren einer oder beider Seiten der Lage ausgebildet sind, sind die Mikrolinsen effektiv herkömmliche Linsen, beispielsweise, plankonvexe oder bikonvexe Linsen. Wo die Linsen durch lokalisierte Variationen des Brechungsindex des Lagenmaterials ausgebildet sind, sind die Linsen von dem Gradientenbrechungsindex- (GRIN-) Typs. Der Mikrolinsenschirm kann, natürlich, sowohl Oberflächenkonfiguration als auch Gradientenbrechungsindexvariationen inkorporieren, was zu der Effektivität der Mikrolinsen beiträgt.
Mikrolinsenschirme, die unter die oben angegebene Definition fallen, sind in der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung EP-A-0 294 122 offenbart, auf welche Bezug genommen werden sollte.
In Hinblick auf die bevorzugte kleine Größe der Bildschirme 12 und die Verwendung des optischen effektiven Vergrößerungssystems 14 sollten die individuellen Mikrolinsen jedes Schirms 16 so klein wie möglich sein und sollten so dicht wie möglich gepackt sein. Beispielsweise kann der Durchmesser jeder Mikrolinse zwischen 5 und 2 Mikron liegen, wobei der Abstand zwischen angrenzenden Mikrolinsen in jedem Schirm von vergleichbarer Größe ist. Selbst kleinere Mikrolinsengrößen und -abstände können verwendet werden, beispielsweise bis runter zu 1 Mikron.
Unter Einsatz von ebenso gut bekannten Techniken, in dem Gebiet von Hand- oder "Taschen"-Fernsehempfängern, können die Schirme 12 vorzugsweise Farbbilder anzeigen, wenn die Vorrichtung mit einem Farb-T.V.- oder Videosignal beliefert wird.
Das Zwischenordnen des Mikrolinsenschirms 16 zwischen die LCD- Anzeige und die Sichtoptiken 14 hat den Effekt des Entfernens des ansonsten visuell aufdringlichen Details der Pixeleinteilung der LCD-Anzeige, deren Detail kein Teil des gewollten Bildinhalts des gesehenen Bilds bildet. Es wird zu verstehen sein, daß in dem Fall, in dem eine Farb-LCD-Anzeige verwendet wird, die Farbe irgendeines bestimmten Elements des Bildes durch die kombinierte Bestrahlung eines jeweiligen Satzes aus drei Farbpixeln, jedes eine jeweilige der drei Primärfarbkomponenten bereitstellend, darstellt, so daß eine vergrößerte, detaillierte Sicht des Schirms 12, im Betrieb, ein erhebliches und verwirrendes Pixeleinteilungsdetail liefert, das nicht einfach als im Zusammenhang mit einem Bild stehend wahrnehmbar ist.
Der Mikrolinsenschirm 16 fungiert, in gewissem Sinne, als ein räumliches Fourierfilter, das das (räumliche) Hochfrequenzbilddetail entfernt, das von der Pixeleinteilung herrührt, wodurch nur die niedrigeren (räumlichen) Frequenzen zurückbleiben, die dem tatsächlichen Bildinhalt entsprechen. Insbesondere sind die individuellen Farbpixel nicht länger wahrnehmbar als solche, sondern jeweilige Bereiche des betrachteten Mikrolinsenschirms werden als Bereiche der gewollten Farbmischung, die sich mit benachbarten Bereichen vermischen, empfunden, ohne abrupte Veränderungen von Pixel zu Pixel.
Das resultierende Bild ist subjektiv akzeptierbarer für das Auge als die "nackte" in Pixel unterteilte Anzeige.
Die Verwendung eines Mikrolinsenschirms, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Streuschirm für diesen Zweck, macht es möglich, den gewünschten Fourierfiltereffekt zu erreichen, ohne nicht akzeptierbaren Verlust an Helligkeit oder Bilddetail, "Vignettierung", "Hot Spots" oder andere Defekte, die mit herkömmlichen Streuern einhergehen.
Das Gestell 10 trägt auch, wie schematisch mit 18 gekennzeichnet, Ohrhörer, die, wenn die Vorrichtung getragen wird, sich über die Ohren des Benutzers erstrecken, um den Benutzer mit der Tonkomponente des übertragenen Fernseh- oder Videoprogramms zu beliefern. Solch eine Anordnung ermöglicht, natürlich, daß der dem Benutzer zugeführte Ton eine relativ hohe Wiedergabetreue bei maßvollen Kosten aufweist, und ermöglicht ferner dem Benutzer, den kompletten Effekt von stereophonen Schallübertragungen zu erhalten, wo diese vorliegen.
Die Fernsehsignalempfangs- und -verarbeitungsschaltung oder die Video- und Schallsignalverarbeitungsschaltung kann in ihrer Gesamtheit von dem Gestell 10 getragen werden, oder es kann, wenn bevorzugt, nur die letzte Stufe der Schaltung, die die Anzeigen 12 treibt, von dem Gestell 10 getragen werden, und der Rest der Schaltung kann in einem separaten Gehäuse getragen werden, das in einer Tasche oder einem Gurt getragen werden kann, wobei solch ein Rest der Schaltung mit dem von dem Gestell 10 getragenen Teil über eine flexible Leitung verbunden ist, wie mit 20 in Fig. 1 angezeigt. Daher kann, beispielsweise, die Leitung 20 einen elektrischen Stecker an ihrem von dem Gestell 10 entfernten Ende zum Einfügen in eine Steckdose in solch einem Gehäuse aufweisen. Die zuletzt angesprochene Konfiguration ermöglicht eine erhebliche Anpaßbar keit, während sie ermöglicht, das Gewicht des Gestells 10 und von demselben getragenen Komponenten zu minimieren.
Das separate Gehäuse, auf das Bezug genommen worden ist, kann, beispielsweise, einen kompakten Videobandspieler oder einen Videokompaktdiskspieler und/oder eine Fernsehsignalempfangs- und Verarbeitungsschaltung enthalten.
Ein Hausfernsehempfäger kann, zusätzlich oder anstelle des herkömmlichen Bildschirms, mit einer Steckdose bereitgestellt sein, um einen Stecker zu empfangen, oder mit einer Vielzahl von solchen Steckdosen, um jeweils besagte Stecker von Gestellen zu empfangen, die von einer Anzahl von Individuen getragen werden, so daß jedes Individuum eine ideale Sicht des übertragenen oder aufgezeichneten Programmaterials hat.
Die Verwendung der Vorrichtung der Erfindung löst im wesentlichen die Probleme, die beim Präsentieren von stereoskopischer Fernsehbildinformation für den Beobachter entstehen, dadurch daß, während eine individuelle Sichtvorrichtung oder "Brillengläser" benötigt werden (genau wie bei den meisten zuvor vorgeschlagenen Systemen für stereoskopisches Fernsehen), die Verwendung solch einer individuellen Sichtvorrichtung gemacht ist, um, in Übereinstimmung mit der Erfindung, andere Vorteile zu bieten, die anders nicht einfach erhältlich sind, beispielsweise durch Erlauben des Farbsehens und durch Vermeiden der Notwendigkeit von komplexen Schirmstrukturen und Signalverarbeitungstechniken und durch Erhalten einer monoskopischen/stereoskopischen Kompatibilität. Während die Vorrichtung hinsichtlich des Anzeigens von Fernseh- oder zuvor aufgezeichnetem Videomaterial beschrieben worden ist, wird es zu verstehen sein, daß die Vorrichtung, beispielsweise, von einer Spielvorrichtung auf Mikroprozessorbasis oder einem Computer oder von irgendeiner anderen Quelle von Videosignalen gesteuert werden kann.
Im Hinblick darauf, die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung der Schirme 12 von hinten zu verbessern, können weitere Streuschirme des Mikrolinsenfeldtyps hinter den Schirmen 12 angeordnet werden, d.h. auf den den Augen des Benutzers gegenüberliegenden Seiten von Schirmen 12.
Selbst wenn die zugeführte Bildinformation nicht stereoskopisch ist, liefert die Tatsache, daß das gesehene Bild einen Hauptteil, zumindest, des Sichtfelds des Benutzers einnimmt, dem Benutzer den Eindruck, ein Teil der gesehenen Szene zu sein, anstatt nur ein Beobachter eines relativ kleinen Bildes solch einer Szene zu sein. Dieser Effekt ist, natürlich, noch mehr hervorgehoben, wenn die beobachtete Szene stereoskopisch dargestellt ist.
Während die bevorzugte Form der Sichtvorrichtung, wie oben beschrieben, von hinten beleuchtete, lichttransmittierende Anzeigeschirme 12 verwendet, wird es zu verstehen sein, daß, statt dessen vorwärtsprojizierende Reflexionsanzeigeschirme verwendet werden können, auf welche reelle Bilder der jeweiligen Videobilder durch entsprechende optische Systeme projiziert werden können, die auf einer Seite des jeweiligen Auges des Benutzers angeordnet sind, beispielsweise an dem jeweiligen Steg des Gestells 10. Ein jeweiliger Mikrolinsenschirm oder ein anderer Streuschirm kann, wenn gewünscht, ebenso in Zusammenarbeit mit solchen nach vorne projizierenden Schirmen verwendet werden.
Es wird zu verstehen sein, daß die Anzeigeschirme 12 von dem hochauflösenden, aktiven Matrixtyp sein können, beispielsweise von dem Dünnfilmtransistor- (TFT-) Typ, und daß irgendwelche anderen gegenwärtigen oder zukünftigen Verbesserungen für Leichtgewichtsbildschirme ebenso in eine Sichtvorrichtung, die die Erfindung verkörpert, inkorporiert werden können.

Claims

1. Sichtvorrichtung, umfassend ein Gestell oder einen Träger (10), das bzw. der auf dem Kopf des Benutzers getragen werden kann und, um vor jedem der Augen des Benutzers zu sein, einen jeweiligen Videoanzeigeschirm (12) trägt, eine Treiberschaltung, die besagte Anzeigeschirme treibt, ein jeweiliges optisches System (14), das von besagtem Gestell oder Träger getragen wird und zwischen jedem Auge und dem jeweiligen Schirm (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeweiliger Lichtstreu- oder Diffusionsschirm (16) zwischen jedem Anzeigeschirm (12) und seinem jeweiligen optischen System (14) angeordnet ist.

2. Sichtvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder besagte Videoanzeigeschirm (12) einen in Pixel aufgeteilten LCD-Schirm enthält.

3. Sichtvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Streu- oder Diffusionsschirm (16) eine Lage aus lichttransmittierendem Material umfaßt, in oder auf dem ein Feld aus dichtgepackten Mikrolinsen ausgebildet ist.

4. Sichtvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jeder der Makrolinsen zwischen 5 und 1 Mikron beträgt.

5. Sichtvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser jeder der Mikrolinsen zwischen 5 und 2 Mikron beträgt.

6. Sichtvorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da jeder besagte Videoanzeigeschirm einen LCD-Schirm umfaßt, der angeordnet ist, um von hinten von Umgebungslicht oder von einer Streulichtquelle beleuchtet zu werden, und daß ein weiterer Streuschirm hinter jedem LCD-Schirm (12) angeordnet ist, um die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung von hinten zu verbessern.

7. Sichtvorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen jeweiligen Versorgungsschaltkreis für jeden besagten Videoanzeigeschirm (12), wodurch besagte Schirme angeordnet werden können, um ein jeweiliges Bild eines stereoskopischen Bildpaars anzuzeigen, in jeder Anzeigeperiode einer Folge.

8. Sichtvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Streu- oder Diffusionsschirm (16) eine Lage eines lichttransmittierenden Materials umfaßt, in das besagte Linsen durch lokalisierte Variationen des Brechungsindex des Lagenmaterials ausgebildet sind, wodurch die Linsen von dem Gradientenbrechungsindextyp sind.

9. Sichtvorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder besagte Videoanzeigeschirm eine Vielzahl von individuellen Pixeln umfaßt, und daß jeder besagte Lichtstreu- oder Diffusionsschirm, der zwischen dem Anzeigeschirm und dem Beobachter angeordnet ist, so ausgestaltet ist, daß er als ein räumliches Fourierfilter fungiert, das das räumliche Hochfrequenzbilddetail entfernt, das von der Pixeleinteilung herrührt, und nur die niedrigeren räumlichen Frequenzen zurückläßt, entsprechend dem tatsächlichen Bildinhalt.

10. Sichtvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder besagte Videoanzeigeschirm ein Farbanzeigeschirm ist, in dem die Farbe irgendeines bestimmten Bildelements durch die kombinierte Beleuchtung eines jeweiligen Satzes aus drei Farbpixeln dargestellt wird, und daß jeder besagte Lichtstreu- oder Diffusionsschirm, der zwischen dem entsprechenden Anzeigeschirm und dem Beobachter angeordnet ist, die individuellen Farbpixel nicht länger wahrnehmbar als solche wiedergibt, sondern sicherstellt, daß entsprechende Bereiche des gesehenen Streu- oder Diffusionsschirms als Bereiche der gewünschten Farbmischung, die sich mit angrenzenden Bereichen vermischen, wahrnehmbar sind, ohne abrupte Veränderungen von Pixel zu Pixel.

11. Sichtvorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Treiberschaltung Mittel zum Versorgen der beiden Videoanzeigeschirme mit Energie enthält, um während jeder Datenübertragungsblockperiodenfolge jeweilige Bilder eines jeweiligen stereoskopischen Bildpaars anzuzeigen, wodurch der Benutzer Videoprogrammaterial stereoskopisch wahrnehmen kann.