DE60303874T2

DE60303874T2 - Monozentrische autostereoskopische optische Vorrichtung mit abgetastetem linearem elektromechanischem Modulator

Info

Publication number: DE60303874T2
Application number: DE60303874T
Authority: DE
Inventors: John A. c/o Eastman Kodak Company Rochester Agostinelli; Marek W. c/o Eastman Kodak Company Rochester Kowarz
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2023-04-23
Also published as: US20040179264A1; JP4245965B2; EP1359456B1; DE60303874D1; US6768585B2; EP1359456A2; US6829089B2; US20030206344A1; EP1359456A3; JP2003344800A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf autostereoskopische Darstellungssysteme zum Betrachten elektronisch erzeugter Bilder und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Bildern für das linke Auge und das rechte Auge mittels eines abgetasteten linearen mikro-elektromechanischen Modulators als Bildquelle mit monozentrischer Anordnung optischer Komponenten, die ein sehr weites Sichtfeld und große Austrittspupillen ermöglicht.
Der potentielle Wert autostereoskopischer Darstellungssysteme ist allgemein anerkannt, insbesondere auf den Gebieten der Unterhaltung und Simulation. Zu den autostereoskopischen Darstellungssystemen gehören "Immersions"-Systeme, die dem Betrachter eine realistische Sicht dadurch vermitteln, dass sie ihn mit einem dreidimensionalen (3-D) Bild mit sehr weitem Sichtfeld umgeben. Gegenüber der größeren Gruppe stereoskopischer Darstellungssysteme, zu der dieses System gehört, zeichnet sich das autostereoskopisch Darstellungssystem dadurch aus, dass der Betrachter keinerlei Vorrichtungen irgendeiner Art, wie Sichtgeräte, Brillen oder besondere Linsen, tragen muss. Das heißt, durch das autostereoskopische Darstellungssystem sollen für den Betrachter "natürliche" Betrachtungsbedingungen geschaffen werden.
Ein in SID 99 Digest erschienener Artikel mit dem Titel "Autostereoscopic Properties of Spherical Panoramic Virtual Displays" (Autostereoskopische Eigenschaften virtueller sphärischer Panoramadarstellungen) von G.J. Kintz beschreibt eine Möglichkeit der Erzeugung einer autostereoskopischen Darstellung mit weitem Sichtfeld. Bei der von Kintz vorgeschlagenen Lösung sind keine Brillen oder Sichtgeräte nötig. Allerdings muss sich der Kopf des Betrachters in einem schnell rotierenden sphärischen Gehäuse befinden, das mit LED-Emitteranordnungen ausgestattet ist, die von einem monozentrischen Spiegel belichtet werden, um ein kollimiertes virtuelles Bild zu erzeugen. Die von Kintz vorgeschlagene Konstruktion bietet zwar eine Lösung für ein echt autostereoskopisches System mit weitem Sichtfeld, ist aber mit erheblichen Nachteilen verbunden. Einer dieser Nachteile der von Kintz vorgeschlagenen Konstruktion besteht darin, dass der Kopf des Betrachters sich nahe einer schnell rotierenden Oberfläche befinden muss. Eine solche Lösung erfordert Maßnahmen, die die Wahrscheinlichkeit von Unfällen und Verletzungen durch den Kontakt mit Komponenten der rotierenden Oberflächen minimieren. Selbst bei einer entsprechenden Abschirmung könnte die Nähe zu einer sich schnell bewegenden Oberfläche beim Betrachter zumindest eine gewisse Besorgnis auslösen. Darüber hinaus wird durch ein solches System die Bewegungsfreiheit des Kopfes stark eingeschränkt.
Eine Klasse autostereoskopischer Systeme, bei der das Bild der Ausgangspupillen eines Paars von Projektoren auf die Augen eines Betrachters gerichtet wird, ist in einem Artikel von S.A. Benton, T.E. Slowe, A.B. Kropp und S.L. Smith beschrieben ("Autostereoskopisches Darstellungssystem für mehrere Betrachter auf Mikropolarisator-Basis" in Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VI, SPIE, Januar 1999). Wie von Benton im vorstehend genannten Artikel beschrieben, kann die Pupillenabbildung mittels großer Linsen oder Spiegel bewerkstelligt werden. Wenn die Augen des Betrachters mit den abgebildeten Pupillen zusammenfallen, kann der Betrachter ohne irgendwelche Hilfsmittel jeglicher Art eine stereoskopische Szene ohne Einstreuungen sehen.
Dabei ist ohne weiteres ersichtlich, dass der Wert und die realistische Qualität der Betrachtung mittels eines mit Pupillenabbildung arbeitenden autostereoskopischen Darstellungssystems durch eine Darstellung des 3D-Bildes mit weitem Sichtfeld und großer Ausgangspupille noch gesteigert werden kann. Ein derartiges System ist für Immersions-Betrachtungsfunktionen besonders effektiv, wenn es erlaubt, dass der Betrachter komfortabel sitzt, ohne dass die Bewegung seines Kopfs innerhalb enger Toleranzen eingeschränkt ist und ohne dass er Brillen oder andere Sichtgeräte tragen muss. Um eine wirklich zufrieden stellende 3D-Betrachtung zu ermöglichen, muss ein System dieser Art dem rechten und dem linken Auge separate Bilder hoher Auflösung liefern. Auch ist ohne weiteres ersichtlich, dass ein solches System zweckmäßigerweise kompakt aufgebaut sein muss, um die Illusion von Tiefe und weitem Sichtfeld zu erzeugen, dabei gleichzeitig aber so wenig Stellfläche und Platz wie möglich beanspruchen soll. Am realistischsten wird die Betrachtung, wenn dem Betrachter ein virtuelles Bild in scheinbar großem Abstand präsentiert wird.
Bekannt ist auch, dass Konflikte zwischen der Vergenz und der Akkommodation zugeordneten Tiefen-Cues nachteilige Auswirkungen auf das Betrachtungserlebnis haben können. Unter Vergenz ist der Grad zu verstehen, in dem sich die Augen des Betrachters kreuzen müssen, um die separaten Bilder eines Objekts im Sichtfeld zu verschmelzen. Mit zunehmender Distanz der betrachteten Objekte nimmt die Vergenz ab und verschwindet dann ganz. Unter Akkommodation ist der Umstand zu verstehen, dass die Augenlinse des Betrachters sich in der Form verändern muss, damit die Netzhaut auf das interessierende Objekt fokussiert bleibt. Es ist bekannt, dass die Tiefenwahrnehmung des Betrachters sich temporär verschlechtern kann, wenn der Betrachter eine Zeit lang falsch angepassten Tiefen-Cues für Vergenz und Akkommodation ausgesetzt wird. Bekannt ist auch, dass diese negative Wirkung auf die Tiefenwahrnehmung abgemildert werden kann, wenn die Akkommodations-Cues einer entfernten Bildposition entsprechen.
Am Beispiel eines herkömmlichen autostereoskopischen Darstellungssystems ist in US-A-5 671 992 (Richards) beschrieben, wo ein sitzender Betrachter scheinbar visuelle 3D-Effekte sieht, die mit Hilfe von Bildern erzeugt werden, die von getrennten Projektoren, einem für jedes Auge, erzeugt und mittels eines Abbildungssystems mit einer Anzahl von Spiegeln auf den Betrachter gerichtet werden.
Auf einige der vorstehend beschriebenen Herausforderungen haben bekannte Lösungen für stereoskopische Abbildungssysteme bereits reagiert. Es gibt aber noch Raum für Verbesserungen. Zum Beispiel verwenden einige frühe stereoskopische Systeme besondere am Kopf zu tragende Sichtgeräte, Brillen oder Gläser, die das 3D-Betrachtungserlebnis erzeugen. Ein Beispiel eines solchen Systems, US-A-6 034 717 (Dentinger et al.), beschreibt dabei ein Projektions-Darstellungssystem, bei dem der Betrachter eine passive polarisierende Brille tragen muss, die zur Erzeugung eines 3D-Effekts das entsprechende Bild jeweils selektiv auf das eine oder das andere Auge richtet.
Gewiss gibt es Situationen, bei denen am Kopf zu tragende Geräte irgendeiner Art für die stereoskopischee Betrachtung als angebracht angesehen werden können, etwa bei Simulations- Anwendungen. Für eine solche Anwendung beschreibt US-A-5 572 229 (Fisher) ein Kopfgerät für die Projektions-Darstellung, das die stereoskopische Betrachtung mit weitem Sichtfeld ermöglicht. Wann immer möglich, ist jedoch eine autostereoskopische Betrachtung vorzuziehen, bei der der Betrachter keinerlei Geräte tragen muss, wie dies etwa bei dem in US-A-5 671 992 beschriebenen Gerät der Fall ist. Ferner wäre es von Vorteil, einen gewissen Grad an Freiheit der Kopfbewegung zu ermöglichen. Dagegen beschreibt US-A-5 907 300 (Walker et al.) ein Simulationssystem für das Gleitschirmfliegen, bei dem der Kopf des Betrachters in einer feststehenden Position gehalten wird. Eine derartige Lösung kann zwar unter den in US-A-5 908 300 beschriebenen begrenzten Simulationsbedingungen tolerierbar sein und mag auch die optische Gesamtkonstruktion eines Geräts erleichtern, bei einem Immersionssystem ist die Bewegungseinschränkung des Kopfs aber ein Nachteil. Insbesondere weist das im Patent von Walker et al beschriebene System nur eine schmale Sichtöffnung auf, die das Sichtfeld effektiv begrenzt. Das in US-A-5 908 300 beschriebene Gerät verwendet komplexe herkömmliche Projektionslinsen in achsferner Ausrichtung, wobei man für die gewünschte Ausgangspupillengröße auf das Mittel der Skalierung zurückgreift.
Es wurden auch eine Reihe von Systemen entwickelt, die stereoskopische Effekte dadurch erzielen, dass sie – wie in US-A-5 255 028 (Biles) beschrieben – dem Benutzer mittels eines Strahlenteilers das kombinierte Bild zweier Szenen in zwei verschiedenen Abständen zum Betrachter präsentieren und dadurch die Illusion einer stereoskopischen Abbildung erzeugen. Allerdings ist diese Art von System auf kleine Betrachtungswinkel beschränkt und daher nicht geeignet, das Gefühle der Immersion zu erzeugen. Außerdem handelt es sich bei den mittels eines solchen Systems dargestellten Bildern um reale, in großer Nähe vom Betrachter präsentierte Bilder, so dass auch die Wahrscheinlichkeit der vorstehend beschriebenen Vergenz-/Akkommodationsprobleme besteht.
Allgemein anerkannt ist, dass zur Minimierung der Vergenz-/Akkommodationseffekte ein 3D-Betrachtungssystem ein Paar stereoskopischer Bilder – ob real oder virtuell – in einem relativ großen Abstand vom Betrachter abbilden sollte. Bei realen Bildern bedeutet dies, dass ein großer Bildschirm erforderlich ist, der vorzugsweise in einem großen Abstand vom Betrachter positioniert sein muss. Bei virtuellen Bildern ist jedoch die Verwendung eines relativ kleinen gekrümmten Spiegels möglich, wie er in US-A-5 908 300 (Walker) beschrieben ist. Der gekrümmte Spiegel wirkt als Kollimator und erzeugt in großem Abstand vom Betrachter ein virtuelles Bild. Ein weiteres System der stereoskopischen Abbildung ist im Artikel "Membrane Mirror Based Autostereoscopic Display for Tele-Operation and Telepresence Application" (Autostereoskopisches Display auf Membranspiegelbasis für Teleaktions- und Telepräsenz-Anwendungen) in Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII, SPIE-Protokolle, Band 3957 (McKay, Mair, Mason, Revie) beschrieben, das einen elastischen Membranspiegel verwendet. Zwar weist das im McKay-Artikel beschriebene Gerät nur eine kleine Ausgangspupille auf, wahrscheinlich könnte diese Pupille aber dadurch etwas vergrößert werden, dass man einfach die Projektionsoptik skaliert. Allerdings hat das im McKay-Artikel beschriebene Gerät wegen der Verwendung einer herkömmlichen Projektionsoptik und wegen räumlicher Einschränkungen, durch die die Krümmung des Membranspiegels eingeschränkt ist, nur ein begrenztes Sichtfeld.
Gekrümmte Spiegel werden auch zur Erzeugung realer Bilder in stereoskopischen Systemen verwendet, bei denen keine gekrümmten Spiegel als Kollimatoren verwendet werden. Systeme dieser Art sind zum Beispiel in US-A-4 623 223 (Kempf) und 4 799 763 (Davis et al.) beschrieben. Allerdings sind diese Systeme im Allgemeinen nur dann geeignet, wenn nur ein kleines Sichtfeld benötigt wird.
Insbesondere werden bei den bekannten Lösungen für die stereoskopische Projektion Bilder auf einen flachen Bildschirm projiziert, auch wenn das betreffende Bild anschließend von einer gekrümmten Oberfläche reflektiert wird. Dies kann zu unerwünschten Verzerrungen und anderen Bildabweichungen, Sichtfeldeinschränkungen und zu einer insgesamt eingeschränkten Bildqualität führen.
Unter optischen Gesichtspunkten betrachtet ist klar, dass eine mit Pupillenabbildung arbeitende autostereoskopische Konstruktion vorteilhaft wäre. Systeme für die Pupillenabbildung sollten für die rechte und die linke Pupille jeweils separate Bilder bereitstellen und möglichst natürliche Betrachtungsbedingungen schaffen, die keine Brillen oder besondere Sichtgeräte nötig machen. Außerdem wäre es bei derartigen System von Vorteil, dem Betrachter möglichst große Pupillen bereitzustellen, so dass eine gewisse Bewegungsfreiheit besteht, und ein ultraweites Sichtfeld zu ermöglichen. Unter Fachleuten auf dem Gebiet der Optik ist bekannt, dass diese Anforderungen jede für sich nur schwer zu erreichen sind. Ein ideales autostereoskopisches Abbildungssystem muss jedoch beide Bedingungen erfüllen, um ein befriedigenderes und realistischeres Betrachtungsgefühl zu schaffen. Außerdem muss ein solches System für die realistische Darstellung eine ausreichende Auflösung mit hoher Helligkeit und hohem Kontrast garantieren. Ferner sind die physikalischen Einschränkungen, d.h. die Forderung, dass das System geringen Platzbedarf haben und dimensionale Einschränkungen hinsichtlich des Augenabstandes erfüllen muss, zu berücksichtigen, so dass die auf die beiden Augen gerichteten separaten Bilder in einer günstigen Entfernung und im richtigen Abstand vorliegen können. Dabei ist es wichtig anzumerken, dass Einschränkungen hinsichtlich des Augenabstandes die Fähigkeit einschränken, bei einem gegebenen ultraweiten Feld einen größeren Pupillendurchmesser dadurch zu erreichen, dass man einfach die Projektionslinse skaliert.
Es wurde bereits gezeigt, dass monozentrische Abbildungssysteme beträchtliche Vorteile für die hochaufgelöste Abbildung ebener Objekte bieten- siehe US-A-3 748 015 (Offner), die eine Anordnung sphärischer Spiegel in einer Anordnung mit zusammenfallenden Krümmungsmittelpunkten bei einem Abbildungssystem mit Einheitsvergrößerung beschreibt. Die in US-A-3 748 015 beschriebene monozentrische Anordnung minimiert eine Reihe typischer Bildabweichungen und ist von der Anlage her einfach und ermöglicht so eine vereinfachte optische Konstruktion für hochauflösende katoptische Abbildungssysteme. Bekannt ist auch, dass eine monozentrische Anordnung von Spiegeln und Linsen Vorteile bei Teleskopsystemen mit weitem Sichtfeld bietet, wie diese in US-A-4 331 390 (Shafer) beschrieben sind. Während die Vorteile der monozentrischen Konstruktion im Hinblick auf die Einfachheit insgesamt und auf die Minimierung von Verzerrungen und optischen Abweichungen zwar anzuerkennen sind, ist die Realisierung eines Konstruktionskonzepts dieser Art in einem Immersionssystem, das ein weites Sichtfeld und eine große Ausgangspupille bei angemessen kleinem Platzbedarf erfordert, unter Umständen jedoch schwierig. Außerdem würde eine vollständig monozentrische Konstruktion das Erfordernis der vollständig stereoskopischen Abbildung, bei der getrennte Bilder für die linke und die rechte Pupille erforderlich sind, nicht erfüllen.
Wie in US-A-5 908 300 beschrieben, können herkömmliche Weitfeld-Projektionslinsen in einer autostereoskopischen Darstellung mit Pupillenabbildung als Projektionslinsen eingesetzt werden. Herkömmliche Lösungen sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden. Weitwin kel-Linsensysteme, die die für eine effektive Immersionsbetrachtung nötigen Winkelfelder ermöglichen, wären sehr komplex und teuer. Typische Weitwinkellinsen für Großformat-Kameras, etwa die von der Carl-Zeiss-Stiftung in Jena, Deutschland, hergestellt Linse Biognon^TM, können Winkelfelder von 75° erzeugen. Die Biognon-Linse besteht aus sieben Teillinsen und hat einen Durchmesser von über 80 mm bei einer Pupillengröße von nur 10 mm. Für größere Pupillengrößen muss die Linse in der Größe skaliert werden, wobei der große Durchmesser einer solchen Linseneinheit bei einem autostereoskopischen Immersionssystem beträchtliche Konstruktionsschwierigkeiten bezüglich des Augenabstandes in der Betrachtungsposition mit sich bringt. Auch das kostspielige Beschneiden der Linsen, damit die Baugruppen für das rechte und für das linke Auge so nebeneinander angeordnet werden können, dass das entstehende Paar von Linsenpupillen den dem Augenabstand des menschlichen Auges entsprechenden Abstand aufweist, ist mit schwierigen Herstellungsproblemen verbunden. Einschränkungen hinsichtlich des Augenabstandes begrenzen die räumlichen Anordnungsmöglichkeiten der Projektionsvorrichtung für jedes Auge und schließen eine Skalierung der Pupillengröße durch einfaches Skalieren der Linse aus. Außerdem sollte ein effektives Immersionssystem vorteilhafterweise ein sehr weites Sichtfeld, vorzugsweise weit über 90° ermöglichen, woraus sich große Ausgangspupillen-Durchmesser von vorzugsweise über 20 mm ergeben.
Als Alternative für Anwendungen mit weitem Sichtfeld wurden für spezielle optische Funktionen Kugellinsen eingesetzt, insbesondere miniaturisierte Kugellinsen für den Einsatz in faseroptischen Kopplungs- und Transmissionsanwendungen – siehe US-A-5 940 564 (Jewell), wo die vorteilhafte Anwendung von Miniatur-Kugellinsen in einer Kopplungsanordnung beschrieben ist. Im größeren Maßstab können Kugellinsen zum Beispiel in astronomischen Beobachtungssystemen verwendet werden, wie dies in US-A-5 206 499 (Mantravadi et al.) beschrieben ist. In US-A-5 206 499 wird die Kugellinse eingesetzt, weil sie ein weites Sichtfeld von über 60° ermöglicht bei minimalen Achsabweichungen oder Verzerrungen. Insbesondere macht man mit Vorteil davon Gebrauch, dass nicht nur eine einzige optische Achse gegeben ist, wobei davon ausgegangen werden kann, dass jeder Hauptstrahl, der die Kugellinse passiert, seine eigene optische Achse definiert. Wegen ihres nur geringen Beleuchtungsabfalls bei Winkelveränderungen des einfallenden Lichts verwendet man mit Vorteil nur eine Linse, um bei dieser Anwendung Licht aus dem All an eine Vielzahl von Sensoren zu senden. Dabei sind am Ausgang der Kugellinse Fotosensoren entlang einer gekrümmten Brennebene angeordnet.
Die Vorteile eine sphärischen Linse oder Kugellinse für die Weitwinkelabbildung werden auch in Geräten zum Bestimmen der Flughöhe von Raumfahrzeugen genutzt – siehe US-A-5 319 968 ((Billing-Ross et al.). Hier lenkt eine Spiegelanordnung Lichtstrahlen durch eine Kugellinse. Die Form dieser Linse ist vorteilhaft, weil Strahlen, die die Linse passieren, senkrecht zur Bildoberfläche einfallen. Die Lichtstrahlen werden daher zum Mittelpunkt der Linse hin gebeugt, so dass sich ein Abbildungssystem mit weitem Sichtfeld ergibt.
Eine weitere spezielle Nutzung der Kugellinsen-Eigenschaften ist in US-A-4 854 688 (Hayford et al.) beschrieben. Bei der optischen Anordnung des Patents von Hayford et al., die sich auf die Übermittlung eines CRT-erzeugten zweidimensionalen Bildes entlang einer nicht linearen Bahn richtet, wie dies etwa bei dem Sichtgerät eines Piloten der Fall ist, richtet eine Kugellinse ein kollimiertes Eingangsbild für die Betrachtung durch den Piloten optisch auf Unendlich aus.
Eine weitere Nutzung der Weitwinkel-Betrachtungsmöglichkeiten einer Kugellinse ist in US-A-4 124 978 (Thompson) beschrieben, wo die Verwendung einer Kugellinse als Teil einer Objektivlinse in einer Nachtsicht-Binokularoptik beschrieben ist.
Bei den vorstehend beschriebenen Patenten US-A-4 124 978 und 4 854 688, die die Verwendung einer Kugellinse in der Bildprojektion beschreiben, gibt es auch Hinweise auf eine allgemeine Möglichkeit der Kugellinse, in Verbindung mit einer unterstützenden Optik eine Weitfeld-Darstellung zu erreichen. Um jedoch Geräte dieser Art für Immersions-Anwendungen effektiv nutzen zu können, müssen allerdings erhebliche Probleme überwunden werden, insbesondere wenn ein Bild für die Projektion elektronisch verarbeitet wird. Zum Beispiel wird bei herkömmlichen Techniken der elektronischen Bilddarstellung, etwa mittels räumlicher Lichtmodulatoren, ein Bild auf einer ebenen Oberfläche dargestellt. Für die Abbildung auf einer ebenen Oberfläche wäre die Leistung von Kugellinsen jedoch außerordentlich schlecht.
Außerdem müssen bei jeder Art optischer Projektion mit weitem Sichtfeld bei Immersionssystemen noch weitere grundsätzliche optische Einschränkungen berücksichtigt werden. Eine wichtige Einschränkung stellt zum Beispiel die Lagrange-Invariante dar. Für jedes Abbildungssystem gilt die Lagrange-Invariante, nach der das Produkt aus Pupillengröße und Halbfeldwinkel gleich dem Produkt aus Bildgröße und numerischer Apertur eine Invariante für das optische System ist. Dies kann dann eine Einschränkung bedeuten, wenn als Bildgenerator ein relativ kleiner räumlicher Lichtmodulator oder eine entsprechende Pixelanordnung verwendet wird, die nur innerhalb einer relativ kleinen numerischen Apertur arbeiten können, da der mit einem solchen Gerät verbundene Lagrange-Wert nur klein ist. Andererseits hat ein monozentrisches Abbildungssystem, das ein weites Sichtfeld mit großer Pupillengröße (d.h. eine große numerische Apertur) aufweist, von Haus aus einen großen Lagrange-Wert. Wenn dieses monozentrische Abbildungssystem daher mit einem räumlichen Lichtmodulator mit kleinem Lagrange-Wert eingesetzt wird, werden wegen dieser fehlenden Übereinstimmung der Lagrange-Werte entweder das Feld oder die Apertur des Abbildungssystems oder beide unterfüllt sein. Eine detaillierte Beschreibung der Lagrange-Invariante findet sich in Modern Optical Engineering, The design of optical Systems von Warren J. Smith, herausgegeben von McGraw-Hill, Inc., S. 42–45.
Die US-Parallelanmeldungen 09/738 747 und 09/854 699 nutzen die Möglichkeiten der Weitfeldprojektion mittels einer Kugellinse in einem autostereoskopischen Abbildungssystem. Bei diesen Parallelanmeldungen wird das Quellenbild, das der Projektions-Kugellinse für jedes Auge präsentiert wird, als vollständiges zweidimensionales Bild präsentiert. Bei der in diesen Anrmeldungen jeweils beschriebenen Bildquelle handelt es sich um eine zweidimensionale Anordnung, etwa eine Flüssigkeitskristallanzeige (LCD), ein digitales Mikrospiegel-Bauelement (DMD) oder ein ähnliches Bauelement. Alternativ könnte die Bildquelle eine Kathodenröhre (CRT) sein, die der Kugellinsen-Projektionsoptik ein vollständiges zweidimensionales Bild bereitstellt, auch wenn dieses durch einen Abtast-Elektronenstrahl erzeugt wird.
Bei der Bereitstellung eines vollständigen zweidimensionalen Bildes gibt es einige natürliche Einschränkungen. Idealerweise ist ein gekrümmtes Bildfeld bevorzugt, dessen Krümmungsmittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Kugellinse zusammenfällt, da eine solche Anordnung Feldabweichungen minimiert. Allerdings muss für die Bereitstellung eines gekrümmten Bildfeldes entweder die Bildquelle selbst gekrümmt sein oder eine zusätzliche Frontplatte oder eine spezielle Relaisoptik in der Abbildungsbahn vorgesehen werden. Das Krümmen einer zweidimensionalen Bildanordnung, um eine etwa sphärische Krümmung der Bildquelle zu erhalten, wäre schwierig und kostspielig. Die Verwendung einer Frontplatte oder einer speziellen Relaisoptik mit planarer Bildanordnung weist ebenfalls Nachteile insofern auf, als sie zusätzliche Kosten und einen Helligkeitsverlust mit sich bringt. Bei der Verwendung kleiner zweidimensionaler Anordnungen ist die ausreichende Helligkeit für die Projektion ein wichtiger Gesichtspunkt, da diese unter Umständen ohne besondere Konstruktionstechniken und teurere Komponenten nur schwer zu erreichen ist. Es ist somit ersichtlich, dass für Verbesserungen bezüglich der Gesamtkosten der Systemoptik zum Erzeugen und Projizieren von Bildern für die stereoskopische Betrachtung durchaus noch Raum besteht.
Es wurden bereits Kugellinsen und Kugellinsen-Segmente als Abtastkomponenten in Sensoranwendungen für die optische Weitfeldabtastung eingesetzt. US-A-6 233 100 (Chen et al.) beschreibt ein Abtastsystem mit konzentrischem Sensor, das ein rotierendes Abtast-Kugellinsensegment mit einer oder mehreren Reflexionsfacetten aufweist. Bei dem in US-A-6 233 100 beschriebenen System wird durch Rotation einer Kugellinse oder eines Kugellinsensystems eine ankommende Strahlung auf eine konzentrische Reihe von Sensoren gerichtet. Die bisherigen Projektionssystem-Konstruktionen verwenden jedoch eher herkömmliche Projektionsoptik-Komponenten, wobei sie die mögliche Verwendung von Kugellinsen oder Kugellinsensegmenten als Abtastkomponenten für die Scanprojektion von Licht zur Erzeugung eines Bildes übersehen.
Für die Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes durch Scannen entweder mittels einer Punktquelle, etwa eines herkömmlichen CRT-Elektronenstrahls, oder einer linearen Quelle, gibt es eine Reihe von Techniken. Die US-Parallelanmeldung 10/010 500 beschreibt die Verwendung einer Reihe unterschiedlicher Arten linearer Quellen in einem Abtastsystem. Zu den in der US-Patentanmeldung 10/010 500 vorgeschlagenen Lösungen gehören unter anderem LED-Anordnungen und resonante faseroptische Scanner.
Es wurden auch mikroelektromechanische Bauelemente als räumliche Lichtmodulatoren für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt, darunter die optische Verarbeitung, das Drucken, die optische Datenspeicherung, die Spektroskopie und Anzeige. Zu den mikroelektromechanischen Modulatoren gehören unter anderem die von Silicon Light Machines, Sunnyvale, CA, entwickelten und in US-A-5 311 316 (Bloom et al.) beschriebenen Rasterlichtventile (GLVs) sowie die in US-A-6 307 663 (Kowarz) beschriebenen elektromechanischen konformen Gitter-Bauelemente. Diese Modulatoren erzeugen mittels Anordnungen einzeln adressierbarer Bauelemente, die als periodische Folge reflektierender Elemente angeordnet sind, welche elektromechanische Phasengitter ausbilden, räumliche Phasen- und Amplituden-Änderungen in einem einfallenden Lichtstrahl. Diese mikroelektromechanischen Gitter-Bauelemente sind als lineare Modularen von besonderem Interesse, weil sie für zweidimensionale Displays ausreichend schnell sind und sehr guten Kontrast und einen sehr guten optischen Wirkungsgrad aufweisen. Gleichzeitig sind diese Bauelemente mechanisch kompakt und robust und relativ kostengünstig herzustellen. Allerdings wurden mikromechanische Modulatoren als geeignete Komponenten für optische Immersions-Anwendungen mit weitem Sichtfeld weitgehend übersehen. Mit der Einführung kostengünstiger Laser-Lichtquellen besteht jetzt jedoch eine Chance für die Nutzung von Alternativen mit hoher Lichtleistung, wie elektromechanischen Modulatoren in Immersions-Darstellungssystemen mittlerer und großer Größe. Allerdings muss eine solche Lichtmodulations-Lösung mit einem Bildprojektionssystem gekoppelt sein, das das für eine effektive Immersions-Optik erforderliche weite Sichtfeld bieten kann.
Obigem ist zu entnehmen, dass es zwar einige herkömmliche Lösungen gibt, die manche der Anforderungen an die stereoskopische Abbildung erfüllen, dennoch aber ein Bedarf an einer verbesserten autostereoskopischen Darstellungsmöglichkeit zum Betrachten elektronisch erzeugter Bilder besteht, die mit einer konstruktiv einfachen Vorrichtung arbeitet, die Abweichungen und Bildverzerrungen minimiert und den hohen Anforderungen bezüglich eines breiten Lichtfeldes, einer großen Pupillengröße, starker Helligkeit und niedrigerer Kosten erfüllt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung besteht eine autostereoskopische optische Vorrichtung zum Betrachten eines stereoskopischen virtuellen Bildes aus einer Anordnung von Bildpixeln, wobei das stereoskopische virtuelle Bild aus einem von einem Beobachter mit der linken Pupille betrachtbaren linken Bild und aus einem von einem Beobachter mit der rechten Pupille betrachtbaren rechten Bild besteht, mit: a) einem linken Bilderzeugungssystem zum Erzeugen eines linken, zweidimensionalen Zwischenbildes und einem rechten Bilderzeugungssystem zum Erzeugen eines rechten, zweidimensionalen Zwischenbildes, wobei das linke und das rechte Bilderzeugungssystem aus separaten Bauteilen ähnlich aufgebaut sind und jedes Bilderzeugungssystem folgende Elemente umfasst:

a1) Eine elektromechanische Rastereinrichtung zum Modulieren eines von einer Lichtquelle einfallenden Lichtstrahls zum Erzeugen einer Linie von Quellenpixeln auf einer diffusen Oberfläche;
a2) eine abtastende Kugellinsenanordnung zum Projizieren der Linie von Quellenpixeln zum Erzeugen eines Zwischenlinienbildes, wobei die Kugellinsenanordnung folgende Elemente umfasst: a2a) Mindestens eine reflektierende Fläche zum Reflektieren von Licht von der Linie aus Quellenlinienpixeln zum Zwischenlinienbild; a2b) ein Kugellinsensegment mit einer abtastenden Kugellinsenpupille, wobei das Kugellinsensegment einen Krümmungsmittelpunkt auf der mindestens einen reflektierenden Oberfläche aufweist, wobei die abtastende Kugellinsenanordnung um eine Achse drehbar ist und eine Reihe benachbarter Zwischenlinienbilder erzeugt, um dadurch nacheinander das zweidimensionale Zwischenbild zu erzeugen;
b) einen gekrümmten Spiegel mit einem Krümmungsmittelpunkt, der im Wesentlichen optisch auf halber Strecke zwischen der abtastenden Kugellinsenanordnung für das linke Bilderzeugungssystem und der abtastenden Kugellinsenanordnung für das rechte Bilderzeugungssystem liegt;
c) einen Strahlenteiler, der den optischen Strahlengang vom linken Bilderzeugungssystem umlenkt, um das linke zweidimensionale Zwischenbild in der Nähe einer vorderen Brennebene des gekrümmten Spiegels zu erzeugen, und der den optischen Strahlengang vom rechten Bilderzeugungssystem umlenkt, um das rechte zweidimensionale Zwischenbild in der Nähe einer vorderen Brennebene des gekrümmten Spiegels zu erzeugen, wobei der gekrümmte Spiegel das virtuelle stereoskopische Bild der linken und rechten zweidimensionalen Zwischenbilder erzeugt und durch den Strahlenteiler ein reales Bild der linken abtastenden Kugellinsenpupille an der linken Betrachtungspupille und ein reales Bild der rechten abtastenden Kugellinsenpupille an der rechten Betrachtungspupille entsteht.

Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung einer monozentrischen Anordnung optischer Komponenten, wodurch die Konstruktion vereinfacht, Abweichungen minimiert und eine weites Sichtfeld mit großen Ausgangspupillen geschaffen werden.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung einer elektromechanischen Rastereinrichtung zum Erzeugen eines linearen Bildes, das von einem Kugellinsensegment mit reflektierender Oberfläche abgetastet wird, um ein abgetastetes zweidimensionales Zwischenbild zu erzeugen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass sie eine Reihe von Ausführungsformen ermöglicht, unter anderem Ausbildungen, die die Anzahl der erforderlichen optischen Komponenten minimieren, und sogar Ausbildungen, bei denen kein Strahlenteiler benötigt wird.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass sie ohne teurere zweidimensionale Oberfläche als Bildquelle auskommt und stattdessen eine kostengünstigere elektromechanische Rastereinrichtung verwendet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie die Verwendung preiswerter, heller Lichtquellen zum Erzeugen eines Zwischenbildes für die Projektion ermöglicht. Die hohe spektrale Reinheit von Laserquellen trägt dazu bei, den erreichbaren Farbbereich für ein Anzeigegerät zu maximieren.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sie eine kompakte Anordnung der optischen Komponenten ermöglicht, die in einem Darstellungssystem mit geringer Stellfläche untergebracht werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sie eine stereoskopische elektronische Abbildung hoher Auflösung mit großer Helligkeit und hohem Kontrast und weitem Sichtfeld ermöglicht. Die Erfindung stellt ein System bereit, das einen sehr hohen Licht-Wirkungsgrad aufweist und sehr hole Helligkeitspegel für die Projektion ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie eine Lösung für die stereoskopische Weitfeld-Projektion bereitstellt, die im Vergleich zu den Kosten herkömmlicher Projektionslinsensysteme preiswert ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sie die stereoskopische Betrachtung ermöglicht, ohne dass der Benutzer Brillen oder andere Geräte tragen muss.
Schließlich besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, dass sie eine so große Ausgangspupille ermöglicht, dass die Ausrichtung des Betrachters bezüglich der Anzeige unkritisch ist.
Diese und andere Aufgagen, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich, in denen eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht der wichtigsten Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem autostereoskopischen Darstellungssystem;
2a und 2b schematische Seiten- bzw. Draufsichten, aus denen die im Wesentlichen konzentrische Beziehung der Projektionsoptik in einer optisch ungebeugten Ansicht dargestellt ist;
3 eine schematische Darstellung der konzentrischen Beziehung der im System verwendeten Optik in einer optisch ungebeugten Ansicht;
4 eine perspektivische Darstellung des aus dem Zusammenwirken des linearen Bilderzeugungssystems mit dem Abtast-Kugellinsensystem erzielten Abtastvorgangs für ein linkes oder ein rechtes Bild;
5 eine perspektivische Ansicht, in der in übertriebener Detaildarstellung zu erkennen ist, wie aufeinander folgende Linien von Quellenpixeln von einer gekrümmten linearen Bildquelle durch die Abtast-Kugellinse projiziert werden, um ein zweidimensionales Zwischenbild zu erzeugen;
6a–6c Draufsichten, aus denen die Beziehung der gekrümmten linearen Bildquelle und der Abtast-Kugellinsen sowie das Zusammenwirken dieser Komponenten zum Erzeugen eines abgetasteten Zwischenbildes zu erkennen sind;
7 eine Querschnittsansicht der Zusammensetzung einer abtasten Kugellinseanordnung;
8a eine schematische Darstellung des Zeilenabtastmechanismus für eine einzelne Farbe im erfindungsgemäßen Bilderzeugungssystem;
8b eine schematische Darstellung einer zusammengesetzten Dreifarben-Komponentenanordnung für das Bilderzeugungssystem;
9 eine perspektivische Darstellung der wichtigsten Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine alternative Ausführungsform eines autostereoskopischen Abbildungssystems, die einen gekrümmten Spiegel und im Wesentlichen eine achsparallele Optik verwendet;
10 eine perspektivische Ansicht der wichtigsten Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer alternativen Ausführungsform eines stereoskopischen Abbildungssystems, das einen Fresnel-Spiegel und eine im Wesentlichen achsparallele Optik verwendet;
11 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform, bei der die Abtast-Kugellinsenanordnung eine Strahlenteiler-Oberfläche aufweist;
12 eine schematische Ansicht einer Anordnung von Komponenten, die erzeugte Bilder sequenziell für separate Ansichten für das linke und für das rechte Auge abtastet;
13 eine schematische Darstellung der sequenziellen Erzeugung von Bildern für das rechte Auge mittels der Anordnung gemäß 12;
14 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform zur sequenziellen Erzeugung von Bildern für das linke und für das rechte Auge; und
15a–15c Übersichtsdarstellungen der Wirkung eines gemäß einer optionalen Ausführungsform verwendeten Musterspiegels.
Die nachfolgende Beschreibung richtet sich insbesondere auf Elemente, die Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind oder enger mit ihr zusammenwirken. Es versteht sich, dass hier nicht besonders beschriebene oder dargestellte Elemente in unterschiedlicher, dem Fachmann bekannter Weise ausgeführt sein können.
In 1 ist eine perspektivische Ansicht eines autostereoskopischen Abbildungssystems 10 dargestellt. Der Betrachter 12 nimmt typischerweise eine sitzende Position ein, in der er ein von den linken und rechten Betrachtungspupillen 14l und 14r kommendes virtuelles stereoskopisches Bild sieht. Optimale Betrachtungsbedingungen werden erreicht, wenn die Pupillen 68l und 68r des linken und des rechten Auges des Betrachters 12 mit der Position der entsprechenden linken und rechten Betrachtungspupillen 14l und 14r zusammenfallen.
Ein linkes Bilderzeugungssystem 70l, das eine linke abtastende Kugellinsenanordnung 100l und eine linke Linie von Quellenpixeln 361 als lineare Bildquelle aufweist, projiziert das für die linke Betrachtungspupille 14l bestimmte Bild. Entsprechend projiziert ein rechtes Bilderzeugungssystem 70r, das eine rechte abtastende Kugellinsenanordnung 100r und eine rechte Linie von Quellenpixeln 36r als lineare Bildquelle aufweist, das für die rechte Betrachtungspupille 14r bestimmte Bild. Das linke Bilderzeugungssystem 70l richtet ein Bild auf einen zwischen dem Betrachter 12 und einem gekrümmten Spiegel 24 positionierten Strahlenteiler 16. In der Nähe einer Brennebene 22 des gekrümmten Spiegels 24 wird ein linkes Zwischenbild 76l ausgebildet. Das linke Zwischenbild 76l wird der linken Betrachtungspupille 14l als virtuelles Bild 106 angeboten, das dem Betrachter 12 so erscheint, als ob das Bild hinter dem gekrümmten Spiegel 24 läge. Entsprechend richtet das rechte Bilderzeugungssystem 70r ein Bild auf den zwischen dem Betrachter 12 und dem gekrümmten Spiegel 24 positionierten Strahlenteiler 16. Dadurch wird in der Nähe der Brennebene 22 des gekrümmten Spiegels 24 ein rechtes Zwischenbild 76r erzeugt. Das rechte Zwischenbild 76r wird der rechten Betrachtungspupille 14r als virtuelles Bild 106 angeboten, das dem Betrachter 12 so erscheint, als ob das Bild hinter dem gekrümmten Spiegel 24 läge. Im Ergebnis wird dem Betrachter 12 ein aus separaten linken und rechten Bildern bestehendes virtuelles stereoskopisches Bild angeboten. Das virtuelle stereoskopische Bild scheint hinter dem gekrümmten Spiegel 24, irgendwo zwischen der Rückseite des gekrümmten Spiegels 24 und Unendlich zu liegen.
Die nun folgende Beschreibung konzentriert sich insbesondere auf die optischen Komponenten, die Licht auf die Betrachtungspupillen 14l bzw. 14r richten. Dabei ist zu beachten, dass für das linke Abbildungssystem und das rechte Abbildungssystem, d.h. für den linken und den rechten Strahlengang, gleiche optische Komponenten verwendet werden. Der Klarheit halber bezieht sich die nun folgende Beschreibung auf die Komponenten sowohl des rechten als auch des linken Bilderzeugungssystem 70. Eine Unterscheidung zwischen dem rechten und dem linken Strahlengang wird nur dann getroffen, wenn dies der Genauigkeit halber nötig ist (die Teilenummern-Ergänzungen "l" für links oder "r" für rechts werden deshalb, wenn sie nicht nötig sind, in dieser Beschreibung weggelassen).
Zu beachten ist, dass das stereoskopische Bild, das der Betrachter 12 sieht, wie in 1 dargestellt aus zwei Komponenten besteht. Wie in 1 zu sehen ist, kreuzen sich im System 10 der linke und der rechte Strahlengang wegen der Abbildung durch den gekrümmten Spiegel 24.
1 zeigt einige der bei der optischen Konstruktion zu lösenden wichtigsten Probleme auf und gibt eine Übersicht über die erfindungsgemäße Lösung. Dabei ist es aufschlussreich, nochmals die wichtigsten konstruktiven Punkte zu betrachten, die erwogen werden müssen, um eine mög lichst lebensechte stereoskopische Betrachtung zu ermöglichen. Um dem Betrachter 12 ein effektives Immersions-Gefühl zu vermitteln, ist ein weites Sichtfeld wichtig, das über die mittels bekannter Techniken erzielbaren 60° hinausgeht. Für die bequeme Benutzung durch den Betrachter 12 müssen die Betrachtungspupillen 14l, 14r ausreichend groß sein. Zielvorgabe für ein erfindungsgemäßes autostereoskopisches Abbildungssystem 10 ist ein Sichtfeld von mindestens 90° mit einem Durchmesser der Betrachtungspupille 14 von über 20 mm. Um die Möglichkeit der Betrachtung eines virtuellen stereoskopischen Bildes für einen Bereich von menschlichen Augenabständen zu schaffen, werden die abtasten Kugellinsenanordnungen 100l und 100r vorteilhafterweise in einem entsprechenden, empirisch ermittelten Achsabstand vorgesehen.
Alternativ könnte der Achsabstand zwischen den abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l und 100r auch manuell entsprechend dem Augenabstand des Betrachters 12 angepasst oder automatisch erfasst und durch das autostereoskopische Abbildungssystem 10 angepasst werden. Die Komponenten der linken und rechten Bilderzeugungssysteme 70l und 70r könnten zum Beispiel auf einem Schwenkarm montiert werden, der eine Bewegung des Bilderzeugungssystems 70l bzw. 70r relativ zum jeweils anderen System erlaubt, so dass unterschiedliche Augenabstände ausgeglichen werden können. Hierzu wird auf die gemeinsam abgetretene US-Patentanmeldung 09/854 699 verwiesen, die hierin aufgenommen wird und die die automatische Erfassung und Einstellung von Projektionseinrichtungen mit Kugellinsen für das linke und das rechte Auge beschreibt. Die in dieser älteren Anmeldung beschriebenen Rückkopplungs-Vorrichtungen und- Verfahren könnten gleichermaßen auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung Anwendung finden.
Monozentrische Gestaltung des Strahlengangs
Die monozentrische Anordnung der optischen Komponenten des erfindungsgemäßen Geräts bietet eine Reihe klarer Vorteile bezüglich der Minimierung von Bildabweichungen und der Maximierung des Sichtfeldes. 2a zeigt in einer Seitenansicht die optisch konzentrische Beziehung der wichtigsten Komponenten im Strahlengang in ungebeugter Form, die sowohl für das linke als auch das rechte Bilderzeugungssystem 70l bzw. 70r gilt. In der ebenfalls ungebeugten Draufsicht der 2b liegt der Krümmungsmittelpunkt C_S des Spiegels 24 auf halber Strecke zwischen der linken und der rechten abtastenden Kugellinsenanordnung 100l bzw. 100r.
In dem in 2a dargestellten allgemeinen Schema ist die Linie von Quellenpixeln 36 vorzugsweise gekrümmt, wobei der Mittelpunkt ihres Krümmungsradius im Mittelpunkt C liegt, der dem Mittelpunkt C_l bzw. C_r der linken und rechten abtastenden Kugellinsenanordnung 100l bzw. 100r in 2b entspricht. Die Linie von Quellenpixeln 36 erzeugt jeweils nur eine schmale Zeile des zu projizierenden Bildes. Die abtastende Kugellinsenanordnung 100 projiziert die Linie von Quellenpixeln 36, um ein Zwischenbild 76 zu erzeugen. Wie in 2a zu erkennen ist, ist auch das Zwischenbild 76 gekrümmt und weist denselben Krümmungsmittelpunkt, nämlich den Mittelpunkt C, auf wie die abtastende Kugellinseanordnung 100. In 1 und 2a liegt das Zwischenbild 76 in der Nähe der Brennebene 22 des gekrümmten Spiegels 24. Die Brennebene F_Spiegel des gekrümmten Spiegels 24 liegt im Schnittpunkt der Brennebene 22 mit der optischen Achse 0. Der gekrümmte Spiegel 24 ist vorzugsweise kugelförmig, wobei sein Krümmungsmittelpunkt wiederum mit dem Mittelpunkt C der abtastenden Kugellinseanordnung 100 zusammenfällt.
Für den Betrachter ist aufschlussreich, dass 2a eine generalisierte erste Annäherung der Beziehung der Komponenten im ungebeugten Strahlengang darstellt. Bei näherer Betrachtung der Draufsicht der 2b ist dort die tatsächliche Position des Krümmungsmittelpunktes des gekrümmten Spiegels 24 – in 2b mit C_S bezeichnet – auf halber Strecke zwischen den mit C_l und C_r bezeichneten Krümmungsmittelpunkten der linken und rechten abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l und 100r dargestellt. Außerdem ist aufschlussreich, dass die ideale Positionierung der linken und rechten abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l bzw. 100r für den Betrachter 12 jene ist, bei der ihre durch den gekrümmten Spiegel 24 ausgebildeten realen Bilder der Position und dem Augenabstand der linken bzw. rechten Betrachtungspupillen 14l bzw. 14r entsprechen.
Betrachtet man nochmals 1, so befindet sich die optimale Position des Zwischenbildes 76 in einem Bereich, den man als "in der Nähe" der Brennebene 22 befindlich betrachten kann. Der bevorzugte Bereich erstreckt sich von der Brennebene 22 selbst als äußerer Grenze bis zu etwa 20% des Abstandes zwischen der Brennebene 22 und der Oberfläche des gekrümmten Spiegels 24 als innerer Grenze. Würde das Zwischenbild 76 zwischen der Brennebene 22 und dem Betrachter 12 ausgebildet, würde das virtuelle Bild 106 unscharf erscheinen.
Da – wie in der ungebeugten Darstellung der 2a zu erkennen ist – die abtastende Linsenanordnung 100 kugelförmig ist und ihr Krümmungsmittelpunkt im Mittelpunkt C liegt, ist ein weites Sichtfeld mit minimaler Bildabweichung möglich. Dabei ist zu beachten, dass die erfindungsgemäße Konstruktion für die Einheitspupillenvergrößerung optimiert ist; allerdings ist eine gewisse Abweichung von der Einheitspupillenvergrößerung im Rahmen der Erfindung möglich.
3 zeigt eine Seitenansicht der gebeugten optischen Anordnung gemäß 2a, aus der hervorgeht, wie die Betrachtungspupille 14 durch Hinzufügen eines Strahlenteilers 16 ausgebildet wird. Der Strahlenteiler 16 richtet das von der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 projizierte Bild in der Weise, dass ein Zwischenbild 76 ausgebildet wird. Das vom gekrümmten Spiegel 24 erzeugte virtuelle Bild 106 wird so durch den Strahlenteiler 16 an der Betrachtungspupille 14 sichtbar.
Dabei muss man berücksichtigen, dass die in 2a und 3 dargestellten und die folgenden Strahlengänge in den unabhängigen linken und rechten Bilderzeugungssystemen 701 und 70r doppelt vorliegen.
Arbeitsweise des Bilderzeugungssystems 70
Die abtastende Kugellinsenanordnung 100 wirkt sowohl als reflektierender Scanner als auch als Projektionslinse. In 4–7 sind sowohl die Abtast- als auch die Projektionsfunktionen dargestellt. Dabei übernimmt gemäß 5 eine reflektierende Oberfläche 102 innerhalb der abtastenden Kugellinsenanordnung die Abtastfunktion, ähnlich wie der in der optischen Abtastung bekannte Abtastspiegel. Bei dieser Abtastfunktion rotiert die abtastende Kugellinsenanordnung 100 um eine Achse A und projiziert so der Reihe nach die einzelnen Linien des Zwischenbildes 76 von der entsprechenden Linie von Quellenpixeln 36.
In 5 stellt die Linie von Quellenpixeln 36 eine Folge einzelner Quellenpixel 104 in linearer Anordnung zur Projektion bereit.
Wie am besten in 5 zu sehen ist, ist die allgemeine Form der Linie von Quellenpixeln 36 vorzugsweise so gekrümmt, dass jedes Quellenpixel 104 den gleichen radialen Abstand zum Mittelpunkt C der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 aufweist. Das Bilderzeugungssystem 70 seinerseits wird durch eine (nicht dargestellte) logische Bildschaltung mittels dem Fachmann auf dem Gebiet der Abbildungstechniken bekannter Abtastsynchronisationstechniken gesteuert. Dies ermöglicht die Modulation jedes einzelnen Quellenpixels 104 mittels einer der bekannten Techniken zum Modulieren der Lichtausstrahlung. Zu den herkömmlichen Verfahren gehören zum Beispiel die Impulsbreitenmodulation und Amplitudenmodulation. Möglich ist zum Beispiel eine bitorientierte Impulsweitenmodulation, bei der zum Beispiel die auf die Linie von Quellenpixeln 36 aufgebrachte Gesamtenergie die Summe der Impulsbreiten mit zum Beispiel einer Bittiefe von 8 Bit ist. Die Amplitudenmodulation erfolgt in der Weise, dass einfach die Lichtstärke jedes einzelnen Quellenpixels 104 der Linie von Quellenpixeln 36 variiert wird. Um einen erweiterten Dynamikbereich zu erreichen, könnte alternativ auch eine Kombination von Impulsbreitenmodulation und Amplitudenmodulation eingesetzt werden.
Abtastvorgang
5 und 6a zeigen gemeinsam den Abtastvorgang, mit dem die abtastende Kugellinsenanordnung 100 die Linie von Quellenpixeln 36 von ihrer reflektierenden Oberfläche 102 reflektiert, um ein Zwischenlinienbild 52 zu erzeugen, das eine Linie von Quellenpixeln 108 umfasst. In 5 sind zur Illustration nur wenige Quellenpixel 104 dargestellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ergibt eine Linie von Quellenpixeln 36 eine Linie mit mindestens einigen Hundert einzelnen Quellenpixeln 104, wobei jedes einzelne Quellenpixel 104 in einem entsprechenden Bildpixel 108 im Zwischenlinienbild 52 abgebildet wird. Während die abtastende Kugellinsenanordnung 100 in der Richtung R_Achse um die Achse A rotiert, werden aufeinander folgende Zwischenlinienbilder 52 erzeugt. Auf diese Weise wird jeweils ein Zwischenlinienbild 52' erzeugt und dann nach einem vorgegebenen Drehwinkel der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 das nächste Zwischenlinienbild 52, usw. Wegen der Projektionseigenschaften der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 werden die Quellenpixel 104 gegenüber der Linie von Quellenpixeln 36 für die Erzeugung des Zwischenlinienbildes 52 umgekehrt. Wie in 5 zu erkennen ist, wird bei diesem fortlaufenden Vorgang das Zwischenbild 76 durch Abtasten in der Richtung S erzeugt.
In 4 ist der Abtastvorgang des Bilderzeugungssystems 70 zur Ausbildung des Zwischenbildes 76 in der Nähe der Brennebene 22 des gekrümmten Spiegels 24 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Dabei ist aufschlussreich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ein innerhalb eines gewissen Bereichs veränderliches Seitenverhältnis des Zwischenbildes 76 ermöglichen. Unter Bezugnahme auf 5 kann die Länge der Linie von Quellenpixeln 36 kleiner sein als die maximal mögliche Linienlänge. In dazu senkrechter Richtung kann auch die Anzahl ausgebildeter Zwischenlinienbilder 52 geringer sein als die maximal mögliche Linienzahl. Durch Veränderung der Anzahl aktivierter Pixel 104 und der Anzahl der erzeugten Zwischenlinienbilder 52 kann das Bilderzeugungssystem 70 somit das Seitenverhältnis des Zwischenbildes 76 sowohl entsprechend den Leistungsmerkmalen des autostereoskopischen Abbildungssystems 10 als auch entsprechend den Präferenzen des Betrachters 12 anpassen.
In 6a ist eine Draufsicht der Rotation der abtasten Kugellinsenanordnung 100 dargestellt, durch die das Zwischenbild 76 in Form einzelner Zwischenlinienbilder 52 erzeugt wird. Wie bereits erwähnt wurde, wird das Zwischenbild 76 durch den Abtastvorgang sowohl der linken als auch der rechten abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l und 100r erzeugt. 6b und 6c zeigen alternative Möglichkeiten der Rotation der linken und rechten abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l und 100r relativ zueinander. Bei dem in 6 dargestellten Beispiel rotieren sowohl die rechte als auch die linke abtastende Kugellinsenanordnung 100l bzw. 100r in derselben Richtung, während sie die Zwischenlinienbilder 52 von einer Ausgangsposition I_l bzw. I_r bis zu einer Folgeposition J_l bzw. J_r überstreichen. Dagegen rotieren die linke und die rechte abtastende Kugellinsenanordnung 100l bzw. 100r in 6 in entgegengesetzten Richtungen. Für ein Bilderzeugungssystem 70 kann jede der beiden relativen Bewegungsarten Verwendung finden.
In 4 wird die abtastende Kugellinsenanordnung 100 durch einen Motor 32 in Rotation versetzt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Rotationsgeschwindigkeit der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 1800 Umdrehungen pro Minute. Selbstverständlich könnten bei Verwendung von Getrieben, Riemen oder anderen Antriebsübertragungskomponenten, deren Technik dem Fachmann auf dem Gebiet der Mechanik bekannt ist, die linke und die rechte abtastende Kugellinsenanordnung 100l und 100r auch mittels nur eines Motors 32 angetrieben werden.
Herstellung der abtastenden Kugellinsenanordnung 100
7 zeigt eine Querschnittsansicht des Aufbaus der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Dabei befindet sich eine mittlere sphärische Linse 46 zwischen zwei Meniskuslinsen 42 und 44. Die Brechungsindizes und sonstigen Merkmale der Meniskuslinsen 42 und 44 sind, wie dem Fachmann bekannt, auf Minimierung der axialen sphärischen und chromatischen Abweichung ausgelegt. Blenden 48 begrenzen die Eintrittspupille in der abtastenden Kugellinsenanordnung 100. Dabei müssen die Blenden 48 nicht physisch ausgebildet sein, sondern können auch durch die interne Gesamtreflexion an den Schnittstellen zwischen der äußeren Meniskuslinse 22 und der sphärischen Linse 46 realisiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Meniskuslinsen 42 und 44 im Hinblick auf Reduzierung der Bildabweichung und Optimierung der Bildqualität am Zwischenbild 76 ausgewählt. Dabei ist zu beachten, dass die abtastende Kugellinsenanordnung 100 eine beliebige Anzahl von Hilfslinsenanordnungen um die zentrale sphärische Linse 46 herum aufweisen kann. Unabhängig von der Anzahl der verwendeten Hilfslinsen würden die Oberflächen dieser Hilfslinsen einen gemeinsamen Krümmungsmittelspunkt C mit der zentralen sphärische Linse 46 aufweisen. Außerdem könnten auch die für die Linsenkomponenten der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 verwendeten Brechungsmaterialien im Rahmen der Erfindung verändert werden. Zum Beispiel könnten neben den üblichen optischen Glaslisten die zentrale sphärische Linse 46 aus Kunststoff, die Meniskuslinsen 42 und 44 aus Glas, Kunststoff, eingeschlossenen Flüssigkeiten oder anderen geeigneten Brechungsmaterialien bestehen, ohne von der Erfindung abzuweichen. In der einfachsten Ausbildung könnte die abtastende Kugellinsenanordnung 100 einfach aus nur einer zentralen sphärische Linse 46 mit ihrer reflektierenden Oberfläche 102 bestehen.
Ebene reflektierende Oberflächen 102 lassen sich in der unterschiedlichsten Weise herstellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die reflektierende Oberfläche 102 zweiseitig jeweils auf einer Hälfte der für die sphärische Linse 46 verwendeten Halbkugel mittels einer Aluminiumbeschichtung ausgebildet. Dann wird die abtastende Kugellinsenanordnung 100 normalerweise unter Verwendung eines optischen Kitts zusammengesetzt, so dass sich auf der meridio nalen Ebene der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 eine reflektierende Oberfläche 102 mit zwei gegenüberliegenden reflektierenden Seiten ergibt. Als weitere, jedoch teurere Option könnte eine Breitband-Interferenzbeschichtung auf eine oder beide Halbkugeln der sphärischen Linse 46 aufgebracht werden, um eine verbesserte Reflexionswirkung zu erhalten. Die reflektierende Oberfläche 102 kann dabei, wie in 5 dargestellt, über den gesamten Oberflächenbereich der meridionalen Ebene hinweg ausgebildet werden. Alternativ kann die reflektierende Oberfläche 102 je nach Geometrie der Darstellungsoptik auch nur einen mittleren Bereich der meridionalen Ebene der abtastenden Kugellinse 100 einnehmen, wie dies in 7 dargestellt ist.
Betrachtet man nochmals 7, so ist zu erkennen, dass die für die mechanische Rotation optimale Anordnung darin besteht, die reflektierende Oberfläche 102 als zweiseitigen Spiegel auszubilden, so dass auf jeder reflektierenden Oberfläche 102 sich jeweils ein halbkugelförmiges Linsensegment 112 befindet. Alternativ könnte die Linse der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 auch einfach aus nur einem halbkugelförmigen Linsensegment 112 mit nur einer einseitigen reflektierenden Oberfläche 102 bestehen. In diesem Fall müssten jedoch andere mechanische Techniken für die Teilrotation der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 eingesetzt werden. Denkbar wäre zum Beispiel die Verwendung einer abtastenden Kugellinsenanordnung 100 mit nur einem halbkugelförmigen Linsensegment 112, so dass die reflektierende Oberfläche 102 auch nur einseitig wäre. Bei dieser Anordnung würde die volle Rotation das Arbeitsspiel des Scanners um den Faktor 2 verringern. Mögliche Optionen für die Maximierung der Geschwindigkeit des autostereoskopischen Projektions-Abbildungssystems 10 wären dann zum Beispiel mechanische Einrichtungen, die für das Abtasten mittels der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 eine Hin- und Herbewegung erzeugen. Eine solche Lösung würde jedoch zusätzliche Kosten und mechanische Komplexität mit sich bringen und könnte auch eine Ausgleichsmöglichkeit für eine ungleichmäßige Abtastgeschwindigkeit erforderlich machen.
Dabei ist aufschlussreich, dass die abtastende Kugellinsenanordnung 100 nicht über die volle Umdrehung hinweg wirksam sein kann, sondern ihr nutzbarer Bereich bzw. ihr Arbeitsspiel gewissen Einschränkungen unterliegt. Wenn dies von Nachteil ist, kann eine Hin- und Herbewegung der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 gegebenenfalls ein verbessertes Arbeitsspiel erreichen, das die zusätzlichen Kosten und die höhere mechanische Komplexität rechtfertigen könnte.
Es ist ersichtlich, dass die in 1–7 dargestellte Anordnung der Komponenten eine neue Lösung für das Problem bietet, in einem Projektionssystem ein weites Sichtfeld zu erreichen.
Zusammensetzung und Arbeitsweise des Bilderzeugungssystems 70
8a zeigt eine schematische Darstellung des Bilderzeugungssystems 70 für nur einen Farbkanal. Dabei wird das Licht einer Lichtquelle 20 mittels einer sphärischen Linse 72 und einer zylindrischen Linse 74 auf einen rotierenden Spiegel 82 gelenkt. Das von dem rotierenden Spiegel 82 reflektierte Licht wird an einem elektromechanischen Rasterlichtmodulator 85 moduliert. Das vom elektromechanischen Rasterlichtmodulator 85 kommende gebeugte Licht wird am rotierenden Spiegel 82 vorbei gelenkt, am Spiegel 83 umgelenkt und mittels der Linse 75 auf eine diffuse Oberfläche 30 gelenkt, um dort eine Linie von Quellenpixeln 36 auszubilden. Im Prinzip ist der optische Wirkungsgrad eine Funktion der Anzahl der Beugungsordnungen, die vom elektromechanischen Rasterlichtmodulator 85 erfasst werden. Um einen hohen optischen Wirkungsgrad und hohen Kontrast zu erreichen, besteht bei einer bevorzugten Ausführungsform die Linie von Quellenpixeln 36 vorzugsweise aus zwei oder mehr Beugungsordnungen des vom elektromechanischen Rasterlichtmodulator 85 kommenden modulierten Lichts. Wie in 4, 5, 6a, 6b und 6c dargestellt, wird die Linie von Quellenpixeln 36 dann zur Ausbildung des Zwischenbildes 76 von der reflektierenden Oberfläche 102 in der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 projiziert.
Um die für eine hochwertige Immersions-Darstellung mit breitem Farbbereich erforderliche Helligkeit und den spektralen Umfang zu erreichen, wird als Lichtquelle 20 bei der bevorzugten Ausführungsform Laserlicht verwendet. Zum Beispiel könnte die rote Lichtquelle 20r aus einer Einfach-Laserdiode der Sharp Corporation bestehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektromechanische Rasterlichtmodulator 85 eine konforme elektromechanische Rastereinrichtung der in US-A-6 307 663 beschriebenen Art. Einrichtungen dieser Art weisen Leistungsvorteile gegenüber anderen Arten von Rasterlichtmodulatoren auf, zum Beispiel bezüglich der optimalen Positionierung der Beugungsebene und einer verbesserten räumlichen Trennung. Alternativ könnten jedoch auch andere Arten von Rasterlichtmodulatoren, etwa GLV-Geräte, Anwendung finden.
Die diffuse Oberfläche 30 liefert eine gekrümmte Oberfläche für die Ausbildung der Linie von Quellenpixeln 36. Betrachtet man nochmals 8a, so ist zu erkennen, dass die abtastende Kugellinsenanordnung 100 eine Kugellinsenpupille 101 aufweist. Eine diffuse Oberfläche 30 ist erforderlich, weil die Kugellinsenpupille 10l im Wesentlichen gleichmäßig gefüllt werden muss, um eine gleichmäßige Betrachtungspupille 14 zu erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die diffuse Oberfläche 30 eine faseroptische Frontplatte, wie sie etwa von der Incom, Inc., Charlton, MA, hergestellt wird. Alternativ könnte die diffuse Oberfläche 30 auch aus einem geätzten oder geschliffenen transparenten Substrat, etwa Glas, oder einem geeigneten Polymermaterial hergestellt sein, dessen Oberfläche die entsprechende Krümmung für die Ausbildung der Linie von Quellenpixeln 36 aufweist. Ferner könnte die diffuse Oberfläche 30 auch durch Aufbringen einer diffusen Beschichtung auf ein entsprechend gekrümmtes geeignetes transparentes Substrat oder auf eine Glasfaserabdeckung hergestellt sein. Die Linse 75 ist für eine negative Feldkrümmung ausgelegt, die geeignet ist, die Linie von Quellenpixeln 36 auf der gekrümmten diffusen Oberfläche 30 auszubilden.
In 8b ist das Verfahren zum Kombinieren von Primärfarben für die Ausbildung der Linie von Quellenpixeln 36 als Vollfarbenbild dargestellt. Dabei werden eine rote Lichtquelle 20r, eine grüne Lichtquelle 20g und eine blaue Lichtquelle 20b jeweils an ihrem elektromechanischen Rasterlichtmodulator 85 getrennt moduliert. Anschließend wird mittels eines Farbkombinationswürfels 73 das modulierte rote, grüne und blaue (RGB) Licht zur Ausbildung der Linie von Quellenpixeln 36 auf der diffusen Oberfläche 30 kombiniert. Während bei der bevorzugten Ausführungsform RGB-Farben verwendet werden, sind alternative Farbsysteme durchaus ebenfalls möglich. Außerdem könnten zum Beispiel auch vier oder mehr Farben für einen erweiterten Farbbereich kombiniert werden.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Farbkombinationswürfel 73 ein X-Würfel oder X-Prisma. Alternativ sind jedoch auch andere Farbkombinations-Komponenten einsetzbar, etwa ein Philips-Prisma. Oder es könnte eine Anordnung von Zweifarben-Oberflächen für die Farbsynthese vorgesehen werden, die dann das modulierte Licht aller Farbbahnen kombiniert, wie dies auf dem Gebiet der digitalen Bildprojektion bekannt ist.
Optionen für die gekrümmte Spiegelanordnung 24
In Anpassung an den Augenabstand des Betrachters 12 kann die tatsächliche Form des gekrümmten Spiegels 24 gegenüber der präzisen sphärischen Form in einem gewissen Maße abweichend gestaltet werden. Zum Beispiel könnte der gekrümmte Spiegel 24 eine asphärische Form erhalten, um etwa Pupillen-Achsabweichungen zu minimieren.
Die herkömmliche Herstellung des gekrümmten Spiegels 24 durch Formen, Schleifen und Polieren kann den Spiegel zu einer recht teuren Komponente machen. Sinnvoller ist es unter Umständen, den Spiegel 24 aus zwei oder mehr kleineren Spiegelsegmenten herzustellen, die dann zu einem großen Spiegel 24 zusammengefügt werden.
Als weitere alternative Ausführungsform kann der Spiegel 24 aus einem Membranspiegel, etwa einem elastischen Membranspiegel (SMM), bestehen, dessen Krümmung durch ein kontrolliertes Vakuum bestimmt wird, das in einem luftdichten Raum hinter einer gespannten, reflektierenden Oberfläche erzeugt wird. Die Verwendung eines solchen dehnbaren Membranspiegels ist in dem vorstehend erwähnten Artikel von McKay beschrieben.
Alternativ kann der gekrümmte Spiegel 24 als replizierter Spiegel ausgebildet sein, zum Beispiel in Form des von Composite Mirror Applications, Inc., Tuscon, AZ, hergestellten replizierten Spiegels. Mittels der Komposittechnik für replizierte Spiegel hergestellte einzelne gekrümmte Spiegel bieten häufig besondere Vorteile hinsichtlich Kosten, Gewicht und Dauerhaftigkeit. Andere mögliche Alternativen für den gekrümmten Spiegel 24 sind zum Beispiel Fresnel-Spiegel oder Retroreflex-Spiegel oder -Oberflächen.
9 zeigt eine alternative, im Wesentlichen monozentrische Anordnung, bei der – wie in 1 –4 dargestellt – in der Nähe einer optischen Achse 25 angeordnete linke und rechte abtastende Kugellinsenanordnungen 100l und 100r direkt ohne Verwendung eines Strahlenteilers 16 in den gekrümmten Spiegel 24 reflektieren. Bei dieser Anordnung muss der Spiegel 24 eine ausreichende achsferne Leistung aufweisen, da die Bildbahn für die Betrachtungspupillen 14l und 14r jeweils nicht nur geringfügig außermittig relativ zum Krümmungsmittelpunkt C_S des gekrümmten Spiegels 24 verlaufen muss. Für eine solche Anordnung wären asphärische Spiegel ver wendbar. Um die Anordnung gemäß 9 möglich zu machen, muss das Verhältnis zwischen Achsabweichung (C_S bis C_m in 9) und Brennweite des sphärischen gekrümmten Spiegels 24 klein sein. Als Daumenregel gilt, dass der gekrümmte Spiegel 24 mit sphärischer Oberfläche dann zufriedenstellend arbeiten kann, wenn der Abweichungswinkel der linken und rechten abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l und 100r jeweils innerhalb von etwa 6° liegt.
Bei Achsabweichungswinkeln über 6° ist eine asphärische Oberfläche für den gekrümmten Spiegel 24 besser geeignet. Bei einer solchen asphärischen Oberfläche liegt ein erster Krümmungsmittelpunkt C_m' auf halber Strecke zwischen den Betrachtungspupillen 14l und 14r. Ein zweiter Krümmungsmittelpunkt liegt auf halber Strecke zwischen den jeweiligen Mittelpunkten C_l und C_r der abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l und 100r. Eine solche asphärische Konstruktion könnte ringförmig sein und wäre bezüglich einer durch die Punkte C_m und C_m' führenden Achse E monozentrisch. Im Querschnitt wäre der in dieser Weise hergestellte gekrümmte Spiegel 24 elliptisch, wobei die Punkte C_m und C_m' als Brennpunkte der Ellipse dienen würden.
10 zeigt noch eine alternative Anordnung, ähnlich der in 9 dargestellten Art und auch ohne Strahlenteiler 16. In 10 ist der Spiegel 24 ein zylindrisch gekrümmter reflektierender Fresnel-Spiegel 66. Die in 10 dargestellte Anordnung der Komponenten ist, wie auch in 9, monozentrisch bezüglich der Achse E. Der reflektierende Fresnel-Spiegel 66 wirkt nur in einer Richtung. Der reflektierende Fresnel-Spiegel 66 kann zum Beispiel aus einem auf einem flexiblen Substrat hergestellten planaren Element ähnlich den optischen Fresnel-Komponenten bestehen, wie sie von Fresnel Optics, Rochester, NY, hergestellt werden. Der Fesnel-Spiegel 66 könnte – wie in 9 zu sehen ist – in allgemein zylindrischer Form um die Achse E gekrümmt sein. Wahlweise könnte der Fresnel-Spiegel 66 auch im Wesentlichen plan ausgebildet sein. Der Fresnel-Spiegel 66 würde die Ausgangspupillen der abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l, 100r in ähnlicher Weise, wie dies vorstehend für den gekrümmten Spiegel 24 beschrieben wurde, auf die Betrachtungspupillen 14l, 14r abbilden.
Als weitere Option könnte statt des gekrümmten Spiegels 24 eine Retroreflexions-Oberfläche verwendet werden, wobei diese Oberfläche eine im Wesentlichen sphärische Form aufweisen würde, deren Krümmungsmittelpunkt mit jenem der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 zusammenfallen würde. Eine Retroreflexions-Oberfläche würde die bei Reflexion durch gekrümmte Spiegel entstehende Bildkreuzung vermeiden. Allerdings muss betont werden, dass diese alternative Anordnung ein reales Bild liefern würde, nicht das durch das autostereoskopische Abbildungssystem 10 in der bevorzugten Ausführungsform erzeugte virtuelle Bild.
Optionale Ausführungsform der abtastenden Kugellinsenanordnung 100
11 zeigt eine optionale Ausführungsform der Erfindung, bei der statt der reflektierenden Oberfläche 102 eine teilweise reflektierende Strahlenteiler-Oberfläche 202 in der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 vorgesehen ist. Bei dieser Konstruktion wirkt die abtastende Kugellinsenanordnung 100 effektiv als rotierender, beugender Strahlenteiler. Das von der Linie von Quellenpixeln 36 kommende Licht wird an der Strahlenteileroberfläche 202 auf einen sphärischen Spiegel 150 reflektiert und durch die Strahlenteileroberfläche 202 weitergeleitet, um ein Zwischenbild 76 auszubilden. Dabei zeigt 11 eine mögliche Abtastbahn, bei der die abtastende Kugellinsenanordnung 100 im Uhrzeigersinn rotiert und Linien des Zwischenbildes 76 von der Ausgangsposition I bis zur späteren Position J aufzeichnet. Bei dieser Anordnung ist die gekrümmte Linie von Quellenpixeln 36 an die Oberfläche des sphärischen Spiegels 150 gekoppelt. Der sphärische Spiegel 150 kann eine im Wesentlichen sphärische Oberfläche aufweisen, deren Krümmungsmittelpunkt mit dem Mittelpunkt C der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 zusammenfällt.
Die in 11 dargestellte alternative Anordnung optischer Komponenten bietet eine zusätzlichen, praktischen Konstruktionsvorteil. Wegen der Vergrößerung zwischen den konjugierten Oberflächen der Linie von Quellenpixeln 36 und des sphärischen Spiegels 150 kann die Linie von Quellenpixeln 36 größer sein als bei anderen Ausführungsformen, wodurch die Größenprobleme gemindert und die Kosten der Erzeugung der Linie von Quellenpixeln 36 gesenkt werden.
Ausführungsform mit sequentieller Bilderzeugung für die beiden Augen
Eine alternative Ausführungsform eines autostereoskopischen Abbildungssystems 10 nutzt den Vorteil der hohen Geschwindigkeit elektromechanischer Rasterlichtmodulatoren 85, indem sie mit einem modifizierten Bilderzeugungssystem 70' für die Erzeugung der Bilder für das linke und auch das rechte Auge arbeitet. Mit der in 12 dargestellten Komponentenanordnung bildet das modifizierte Bilderzeugungssystem 70' in schnellen Zyklen linke Zwischenbilder 76l und rechte Zwischenbilder 76r in so rascher Folge aus, dass der Eindruck einer kontinuierlichen Bildprojektion entsteht. In 12 weist das Bilderzeugungssystem 70' sowohl linke als auch rechte abtastende Kugellinsenanordnungen 100l und 100r mit einem Strahlenteiler 140 und Spiegeln 142 auf. Die das Bild für die Linse 75 liefernden Ausgangs-Bilderzeugungskomponenten entsprechen jenen der 8b. Nicht dargestellt sind die verschiedenen logischen Komponenten für Zeitsteuerung und Synchronisation sowie die Bilddatenbahnsteuerung, die für das koordinierte Laden der richtigen Bilddaten synchron mit der Rotation der linken und rechten abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l und 100r erforderlich sind.
Wie bereits erwähnt wurde, gibt es während der Rotation der abtastenden Kugellinsenanordnung 100 eine gewisse "tote Zeit", in der die Reflexionsoberfläche 102 sich nicht in einem geeigneten Winkel zur Erzeugung des Zwischenbildes 76 befindet. Wenn man vorausschauend 13 betrachtet, so ist zu erkennen, dass die Anordnung der 12 die tote Zeit beider abtastender Kugellinsenanordnungen 100 so synchronisiert, dass das linke Zwischenbild 76l mittels der linken abtastenden Kugellinsenanordnung 100l während der toten Zeit für die rechte abtastenden Kugellinsenanordnung 100r erzeugt wird. Entsprechend wird das rechte Zwischenbild 76r mittels der rechten abtastenden Kugellinsenanordnung 100r während der toten Zeit für die linke abtastende Kugellinsenanordnung 100l erzeugt. Bei dieser Anordnung ist gegebenenfalls keine Blendenbetätigung zwischen der Projektion der linken und rechten Zwischenbilder 76l und 76r erforderlich.
In 12 verläuft die Bildbahn wie folgt: Die Linse 75 richtet moduliertes Licht auf einen Strahlenteiler 140, der das Licht gleichmäßig auf linke und rechte Abbildungsbahnen verteilt. In jeder Bahn richtet dann ein Spiegel 142 moduliertes Licht auf eine diffuse Oberfläche 30 zur Ausbildung einer linken und einer rechten Linie von Quellenpixeln 36l bzw. 36r. Dabei wird das linke Zwischenbild 76l in der dargestellten Bogenform ausgebildet, während die linke abtastende Kugellinsenanordnung 100l mit den entsprechenden Winkeln abtastet. Nur Augenblicke später wird, wie in 13 dargestellt, das rechte Zwischenbild 76r von der rechten abtastenden Kugellinsenanordnung 100r ausgebildet. Bei dieser Ausbildung wird dasselbe Bild auf beide abtastende Kugellinsenanordnungen 100l und 100r gerichtet. Die abtastenden Kugellinsenanordnungen 100 erzeugen abwechselnd ihr jeweiliges Zwischenbild 76 bzw. lenken das unerwünschte modulierte Licht während ihres alternierenden Totzeit-Intervalls effektiv ab. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rotationswinkel der abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l und 100r so ausgerichtet, dass ihre jeweiligen Reflexionsoberflächen 102l und 102r während der Rotation sich in im Wesentlichen parallelen Ebenen befinden. Andere Anordnungen sind jedoch ebenfalls möglich.
Obwohl der Strahlenteiler 140 ein einfaches und preiswertes Mittel ist, um das Licht der Linsen 75 in separate Strahlengänge für das linke und das rechte Auge zu teilen, bleibt bei der Anordnung gemäß 12 und 13 die Hälfte des verfügbaren Lichts ungenutzt. Es wäre durchaus vorteilhaft, das Licht so zu nutzen, dass jeweils der volle Lichtstrahl der Linse 75 genutzt wird, um mittels der linken oder rechten Linie von Quellenpixeln 36l bzw. 36r ein Bild für das linke bzw. rechte Auge zu erzeugen. Zu den in der Optik häufig angewandten Methoden der Lichtlenkung gehört zum Beispiel die mechanische Manipulation verspiegelter Oberflächen. 14 zeigt eine weitere alternative Anordnung eines modifizierten Bilderzeugungssystems 70', bei der das gesamte Licht der Linse 75 sukzessiv zwischen dem Strahlengang für das linke und das rechte Auge umgelenkt wird. Dabei wird die Polarisierung des von der Linse 75 einfallenden Lichts mittels einer Flüssigkristallblende 182 rotiert. Ein polarisierender Strahlenteiler 180 lässt Licht mir der einen Polarisation durch und reflektiert Licht mit der entgegengesetzten Polarisation. Durch die Veränderung der Polarisationszustände des von der Linse 75 einfallenden Lichts wird daher das Licht mittels der Flüssigkristallblende 182 synchron mit der Rotation der linken und rechten abtastenden Kugellinsenanordnungen 100l und 100r effektiv in Richtung der linken bzw. rechten Linie von Quellenpixeln 36l oder 36r gelenkt. Anstelle der Flüssigkristallblende 182 könnte entsprechend auch eine rotierende Wellenplatte zum sukzessiven Verändern des Polarisationszustandes verwendet werden. Dabei ist zu beachten, dass es bei den unter Bezugnahme auf 14 beschriebenen Verfahren zum Verändern des Polarisationszustandes erforderlich wäre, dass das von der Linse 75 kommende Licht für jede Farbe jeweils denselben Polarisationszustand aufweist. Dies ist unter Umständen bei manchen herkömmlichen Farbkombinationskomponenten nicht einfach zu erreichen. Mit in der Optik bekannten Methoden kann jedoch eine Wellenplatte vielfacher Ordnung zum selektiven Rotieren von Polarisationszuständen unterschiedlicher Farben verwendet werden. In 14 macht ein Verfahren zum selektiven Ändern des Polarisationszustandes Gebrauch von einer entsprechend konstruierten Wellenplatte vielfacher Ordnung, die zwischen der Linse 75 und der Flüssigkristallblende 182 vorgesehen ist.
In 15b und 15c wird bei einem weiteren alternativen Verfahren ein Musterspiegel 156 verwendet. Dieses Verfahren nutzt das räumliche Muster von durch einen elektromechanischen Rasterlichtmodulator 85 moduliertem Licht. Wie in 15a beschrieben und im einzelnen in der US-Patentanmeldung 09/671 040 dargestellt ist, weist dieses Muster im Wesentlichen eine erste Beugungsordnung 171 und eine zweite Beugungsordnung 173 auf. Wie in 15b zu erkennen ist, weist der Musterspiegel 156 entsprechend den räumlichen Positionen der ersten Beugungsordnung 171 und der zweiten Beugungsordnung 173 dimensionierte reflektierende Bereiche 152 und lichtdurchlässige Bereiche 154 auf. In einer in 15b dargestellten Position des Musterspiegels sind die lichtdurchlässigen Bereiche 154 so ausgerichtet, dass Durchlässigkeit für die ersten und zweiten Beugungsordnungen 171 und 173 gegeben ist. Bei einer seitlichen Verschiebung des Musterspiegels 156 gemäß 15c sind dann die reflektierenden Bereiche 152 so ausgerichtet, dass die in 15c umrissenen ersten und zweiten Beugungsordnungen 171 und 173 reflektiert werden. Durch Umschalten zwischen den in 15b und 15c dargestellten Positionen wird aus dem Musterspiegel 156 ein optischer Schalter, der anstelle des in 12 verwendeten Strahlenteilers 140 verwendet werden könnte, um das gesamte Licht der Linse 75 abwechselnd auf die linke und die rechte Linie von Quellenpixeln 36l bzw. 36r zu richten.
Offensichtlich bieten die Anordnungen gemäß 12, 13 und 14 Kostenvorteile, da dieselben bildmodulierenden und bildkonditionierenden Komponenten sowohl den rechten als auch den linken Strahlenteiler bedienen. Dabei muss betont werden, dass die in 12, 13 und 14 dargestellte Anordnung optischer Komponenten neben elektromechanischen Rastereinrichtungen auch mit linearen Bildmodulatoren anderer Art nutzbar sind. Zum Beispiel könnte die in 12, 13 und 14 dargestellte Lösung auch mit einer Resonanzfaser, einem Abtastlaser oder einer anderen Punktquelle oder einer linearen LED-Anordnung verwendet werden, wie dies in der US-Parallelanmeldung 10/010 500 und der US-Anmeldung 10/095 341 beschrieben ist.
Auf diese Weise kann bei dieser Anordnung eine einzige lineare Bildmodulationskomponente sowohl das linke als auch das rechte Zwischenbild 76 liefern.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ermöglicht ein außergewöhnlich weites Sichtfeld sowie die erforderliche Helligkeit für die stereoskopische Bilderzeugung in einem Bereich über 90° bei einer Größe der Betrachtungspupille von annähernd 20 mm. Außerdem erlaubt die abtastende Kugellinsenanordnung 100 eine ausgezeichnete achsferne Leistung sowie ein weiteres Sichtfeld von möglicherweise bis zu 180°. Dies vermittelt dem Betrachter 12 ein verbessertes Betrachtungserlebnis, ohne dass er dazu ein Kopf-Sichtgerät, eine Brille oder dergleichen tragen muss.

Claims

Autostereoskopische optische Vorrichtung zum Betrachten eines stereoskopischen virtuellen Bildes, das aus einer Anordnung von Bildpixeln besteht, wobei das stereoskopische virtuelle Bild aus einem von einem Beobachter mit der linken Pupille betrachtbaren linken Bild und aus einem von einem Beobachter mit der rechten Pupille betrachtbaren rechten Bild besteht, mit: a) einem linken Bilderzeugungssystem zum Erzeugen eines linken, zweidimensionalen Zwischenbildes, und einem rechten Bilderzeugungssystem zum Erzeugen eines rechten, zweidimensionalen Zwischenbildes, wobei das linke und das rechte Bilderzeugungssystem aus separaten Bauteilen ähnlich aufgebaut sind und jedes Bilderzeugungssystem umfasst: a1) eine elektromechanische Rastereinrichtung zum Modulieren eines von einer Lichtquelle einfallenden Lichtstrahls zum Erzeugen einer Linie von Quellenpixeln auf einer diffusen Oberfläche; a2) eine abtastende Kugellinsenanordnung zum Projizieren der Linie von Quellenpixeln zum Erzeugen eines Zwischenlinienbildes, wobei die Kugellinsenanordnung umfasst: a2a) mindestens eine reflektierende Fläche zum Reflektieren von Licht von der Linie aus Quellenlinienpixeln zum Zwischenlinienbild; a2b) ein Kugellinsensegment mit einer abtastenden Kugellinsenpupille, wobei das Kugellinsensegment einen Krümmungsmittelpunkt auf der mindestens einen reflektierenden Oberfläche aufweist; wobei die abtastende Kugellinsenanordnung um eine Achse drehbar ist und eine Reihe benachbarter Zwischenlinienbilder erzeugt, um dadurch nacheinander das zweidimensionale Zwischenbild zu erzeugen; b) einem gekrümmten Spiegel mit einem Krümmungsmittelpunkt, der im Wesentlichen optisch auf halber Strecke zwischen der abtastenden Kugellinsenanordnung für das linke Bilderzeugungssystem und der abtastenden Kugellinsenanordnung für das rechte Bilderzeugungssystem liegt; c) einem Strahlenteiler, der den optischen Strahlengang vom linken Bilderzeugungssystem umlenkt, um das linke zweidimensionale Zwischenbild in der Nähe einer vorderen Brennebene des gekrümmten Spiegels zu erzeugen, und der den optischen Strahlengang vom rechten Bilderzeugungssystem umlenkt, um das rechte zweidimensionale Zwischenbild in der Nähe einer vorderen Brennebene des gekrümmten Spiegels zu erzeugen, wobei der gekrümmte Spiegel das virtuelle stereoskopische Bild der linken und rechten zweidimensionalen Zwischenbilder erzeugt und durch den Strahlenteiler ein reales Bild der linken abtastenden Kugellinsenpupille an der linken Betrachtungspupille und ein reales Bild der rechten abtastenden Kugellinsenpupille an der rechten Betrachtungspupille entsteht.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die elektromechanische Rastereinrichtung eine konforme Rastervorrichtung ist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die elektromechanische Rastereinrichtung ein Rasterlichtventil ist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die diffuse Oberfläche eine Glasfaserabdeckung ist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die diffuse Oberfläche ein geätztes transparentes Substrat aufweist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die diffuse Oberfläche ein geschliffenes transparentes Substrat aufweist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die diffuse Oberfläche eine auf ein transparentes Substrat aufgebrachte Beschichtung aufweist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Linie aus Quellenpixeln eine gekrümmte Linie ist.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die gekrümmte Linie den Krümmungsmittelpunkt mit dem Kugellinsensegment gemeinsam hat.
Autostereoskopische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer roten Lichtquelle zum Bereitstellen des einfallenden Lichtstrahls.