WO2013056703A2 - Anzeigevorrichtung und verfahren zur darstellung einer dreidimensionalen szene - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a display device for displaying a three-dimensional scene comprising a light source field, a lenticular and a data display in this
  • Display devices for displaying a three-dimensional scene that is to say SD displays, usually contain a light source field, such as e.g. a
  • Lighting device also called “backlight” and a shutter display, so a display with switchable aperture effect, and a lenticular and a data display, such as a Spatial Light Modulator (SLM), ie a display that includes cells or pixels whose The lenticular contains a lens array, ie a lens matrix, which is usually formed by cylinder lenses arranged vertically next to one another, which focus light in a horizontal direction Lens array.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • Visible areas include, where the visibility area of the area of the SD display is called, in which an eye of a viewer can perceive a view of the three-dimensional scene (3D scene).
  • the light emanating from the light source field is thereby deflected, polarized and modified in amplitude and / or phase by the abovementioned optical elements and, if appropriate, further optical elements, in order finally to be focused on the eyes of the user
  • Autostereoscopic 3D displays for displaying a 3D scene of the applicant are e.g. from WO 2005/027534 A2 or WO 2005/060270 A1.
  • Order of arrangement of the above-mentioned components in the 3D display may correspond to the above-mentioned enumeration order.
  • Autostereoscopic SD displays project the light sequentially onto the eyes in stereoscopic mode. In the first step, only the cells, also referred to as "pixels", are activated on the shutter display.
  • the lenticular also activates the left eye in one On the data display, the view for the left eye of the 3D scene is displayed: Activating the pixels of the shutter display means that the corresponding pixels for the light coming from the illumination device are switched to transparent In the second step, only the pixels that illuminate the right eye in a visibility area SPR via the lenticular are activated on the shutter display, and the data display shows the view for the right eye of the 3D scene are alternately repeated so quickly that human eyesight turns the two views into a 3D view
  • the visibility areas SPL and SPR are assigned to the positions of the
  • Viewer tracking is called light source tracking. Visibility areas for additional viewers are created by activating additional pixels on the shutter display.
  • pixels on the shutter display are activated, which are not on the optical axes of the lenses of the lenticular. These pixels are mapped into the visibility areas with aberrations.
  • the aberrations can be so large that they cause crosstalk from the left visibility SPL to the right
  • Crosstalk thus means the disturbance of a visibility area by light, which is actually associated with another area of visibility.
  • the usable angular range of the light source tracking is limited to about ⁇ 10 ° deg to ⁇ 15 ° deg with respect to the optical axis of these cylindrical lenses. This is an insufficient angle range that results in a viewer area that is too small for a 3D display to be used to simultaneously display a 3D scene for multiple viewers.
  • the viewer area is the area in which it is possible to place visibility areas.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying and developing an apparatus and a method by which the aforementioned problems are overcome.
  • the observer area of a 3D display should be enlarged in such a way that it simultaneously gives several viewers the opportunity to perceive the 3D scene on the 3D display.
  • Display device for displaying a three-dimensional scene also referred to as a 3D scene, which comprises a light source field, a lenticular and a data display in this order but not necessarily immediately following one another, characterized by a multiplex element following the data display the light incident from the data display can be distributed into a plurality of angle segments.
  • a display device for displaying a three-dimensional scene is also referred to below as a 3D display.
  • Added multiplexing element that can divide the light into multiple angle segments.
  • a 3D display according to the invention can serve as a light source field Lighting device and a shutter display included.
  • Lighting device can be configured very differently for this purpose: It can contain a single large-area homogeneous light source or a plurality of individual light sources, which lead to a homogeneous light wave field. The light emitted by these light sources then hits the shutter display.
  • the shutter display is a pixel-by-pixel switchable transmission display: the light emitted by the illumination device passes through the pixels that are activated, while non-activated pixels block the light.
  • a 3D display according to the invention can also contain a light source field with a self-luminous display.
  • a self-luminous display can be realized by an OLED display in which light sources or individual pixels are activated at the corresponding positions.
  • An OLED display is advantageous for the energy efficiency of the 3D display.
  • Such a 3D display according to the invention may include means for determining a visibility range. Then be within one
  • the entire observer area that can be achieved thereby is composed of the angle segments, also referred to below as individual viewer areas, and is enlarged in comparison to a single angle segment.
  • the size of the central angle segment corresponds to the observer area, which can be achieved with a 3D display according to the prior art; the angle segments additionally achieved by the use of the multiplex element thus increase the total observer area accordingly.
  • an autostereoscopic 3D display may include a holographic 3D display, wherein the magnification of the observer area is particularly suitable for a holographic 3D display with 1 D coding in the vertical direction, as described in WO2006 / 1 19920 A1 is described.
  • the multiplex element could subsequently or else be arranged between the lenticular and the data display
  • Field lens be arranged. This would improve the homogeneity over the display surface and additionally enlarge the viewer area.
  • the 3D display according to the invention may comprise a data display containing a plurality of pixels, and comprise a multiplexing element containing segments and thereby configured so that the segments of the multiplexing element to the pixels of the data display are adjusted.
  • Segments of the multiplexing element adapted to the size of the pixels of the data display for example, be a multiple of the pixel size of the data display.
  • the position of the segments of the multiplex element can be aligned with respect to the position of the pixels of the data display.
  • the data display can be arranged pixel-by-pixel color filters for the primary colors, such as e.g. contained for the colors red, green and blue, in which case the corresponding segments of the multiplex element should each be formed depending on the wavelength refractive.
  • the multiplex element of a 3D display according to the invention could further include a prism mask comprising a line-wise and / or column-wise periodic arrangement of prism segments.
  • the prism segments of the prism mask of the multiplex element can in turn have a plurality of refractive surfaces of differing refractive power (different angles of refraction) arranged at an angle greater than 0 ° deg and less than 90 ° deg to the optical axis
  • the surface should be the highest refractive power light exit side.
  • the data display pixel-wise arranged color filter for the primary colors and the corresponding prism segments of the prism mask their
  • a 3D display according to the invention may include an arrangement of the light polarizing elements.
  • Such an arrangement of light-polarizing elements could be associated with at least two of the three elements light source field, lenticular and data display. Specifically, the arrangement could be light
  • polarizing elements structured polarizing filters and / or structured
  • crosstalk receives an eye of the viewer portions of the image, which was intended for the other eye of the beholder or for other observers.
  • the structured delay elements may contain birefringent and / or polarization rotating regions.
  • a polarizing element can also be designed so that a plurality of polarizing sub-elements and / or partial delay elements are arranged one above the other.
  • Delay elements is symmetrized, because the chromatic errors increase with increasing refractive power or increasing birefringence.
  • the 3D display comprises at least one apodization means.
  • this apodization can contain a gray distribution or a red-green-blue separated color distribution or a spatial distribution of the polarization state.
  • it is implemented in the data display.
  • the data display which comprises a large number of pixels, did not light up between the pixels of the data display
  • Transition areas contains.
  • the viewer area can be further enlarged by an additional controllable deflection element introduced into the beam path.
  • This deflector can be a switchable grid be as described in WO2010 / 149587 A2, the example
  • Liquid crystals switchable bulk gratings or on electro-wetting, as described in WO2010 / 066700 A2, based.
  • it contains transparent electrodes.
  • Switchable liquid crystal surface relief gratings and transparent electrodes can also be used in a controllable deflection element.
  • Another possibility is a controllable deflection element containing switchable liquid crystal polarization gratings as switchable retardation plates.
  • optical elements light output side are arranged on the light source field. These are designed so that they direct the light of the light source field respectively to the center of a lens of the lenticular.
  • Such optical elements can contain lenses or be realized by lenses whose focal length corresponds approximately to the distance between the light source field and the lenticular.
  • Such optical elements may also contain prisms.
  • Prism segments of the prism mask used in one embodiment.
  • microlenses in front of the multiplexing element can advantageously increase the transmission through the multiplexing element.
  • the use of microlenses in front of the multiplex element may also prevent the illumination of the transitions of individual segments of the multiplex element.
  • Characteristics of claim 32 are solved. Accordingly, a method for Representation of a three-dimensional scene, wherein light from a light source field as a function of a defined by the position of a viewer
  • Visible area is emitted, is passed through a lenticular on a data display, the data display, the transmission of this light pixelwise in phase and / or amplitude controls and the thus modified light finally by a viewer in his eyes associated visibility areas
  • a multiplex element distributes the light coming from the data display into a plurality of angle segments.
  • the total achievable viewer range is composed of the individual angle segments and is compared to a method according to the prior art, in which the light would be distributed only in a single angular segment, increased.
  • the light source field a in the method according to the invention, the light source field a
  • Illuminating device containing, emerges from the homogeneous light wave field and then passed in response to a defined by the position of a viewer visibility area activated pixel of a shutter display.
  • the light source field may include a self-illuminating display, in particular an OLED display.
  • a self-illuminating display in particular an OLED display.
  • light is emitted from activated pixels of this display as a function of a visibility range defined by the position of a viewer. Passage through a controllable shutter display is not necessary here since the control is already effected by activating pixels of the self-illuminating display.
  • the light can advantageously be directed sequentially into the individual angle segments, wherein only one angular segment is illuminated at a time.
  • crosstalk in visibility areas of the other eye or other observers can be avoided.
  • the visibility range within an angular segment can be tracked by means of light source tracking. This tracking of the visibility range within an angular segment could be sequential in time.
  • the light can pass through a field lens on its way from the light source field to the viewer.
  • an apodization ie an optical filtering, takes place, which increases the contrast of the image visible in the viewer's eye. This can be for different eye positions
  • the light could be additionally deflected by a controllable deflection element which can be introduced into the beam path.
  • Such additional distraction can be done by the targeted reorientation of liquid crystals, for this purpose in a volume grid or in a
  • Liquid crystal surface relief grating or in a liquid crystal polarization grating are included, and which are part of a controllable deflection element.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a part of a 3D display according to the invention in plan view
  • Fig. 2 to 7 the generation of different visibility areas 8 shows the generation of a total observer area from individual observer areas
  • FIG 9 shows an embodiment of a 3D display according to the invention with an additional field lens in the light direction after the prism mask
  • Fig. 10 an embodiment in which the data display for simultaneous
  • Fig. 1 1 an embodiment for suppressing crosstalk according to the prior art
  • Fig. 12 a detail of the arrangement of Fig. 1 with an embodiment containing polarizing elements for suppression of crosstalk
  • FIG. 13 shows a detail of the arrangement of FIG. 1 with an embodiment which contains structured delay elements for suppressing crosstalk
  • FIG. 14 shows a section of the arrangement of FIG. 1 with an embodiment which uses structured delay elements for suppressing the crosstalk, but in which only two such delay elements are located behind each other in the light path in front of every other cylindrical lens.
  • FIG. 15 shows a section of the arrangement of FIG. 1 with an embodiment which contains structured delay elements for suppressing crosstalk before every other cylindrical lens, with polarization sequence
  • FIG. 16 Implementation examples of solid solid angle multiplex prism structures.
  • 17a-c a section of the arrangement of FIG. 1 with an embodiment in which amplitude diaphragm masks and microlenses are used directly in front of the transitions of the multiplex prisms.
  • FIG. 18 shows the emission angle of a shutter opening of the shutter display, which is laterally shifted to the optical axis of a lens of the lenticular.
  • Fig. 19 the use of additional lenses in front of the shutter openings of a shutter display
  • Fig. 20 the use of additional prism elements before
  • the invention is explained by way of example with reference to a multiplex element which contains prism stubs and generates three angle segments.
  • a multiplex element which contains prism stubs and generates three angle segments.
  • other multiplexing elements other "shapes", and a different number of angular segments also fall within the scope of this invention.
  • Fig. 1 shows in plan view schematically an embodiment of a part of a 3D display according to the invention.
  • An illumination device BL illuminates a shutter display S.
  • the illumination device BL can contain LEDs, lasers or other suitable light sources.
  • a shutter display S contains cells whose
  • Transmission is controllable, for example, a liquid crystal display with pixels, with which the amplitude and / or the phase of the light of the illumination device BL is controllable.
  • a lenticular L contains juxtaposed cylindrical lenses. The distance between the shutter display S and the lenticular L is determined in this embodiment by the focal length of the cylindrical lenses. The use of a lens array of spherical lenses is possible as an alternative to the cylindrical lenses.
  • a data display D contains cells whose transmission is controllable, such as a liquid crystal display with pixels, with which the amplitude and / or the phase of the light of the illumination device BL can be controlled.
  • the optical paths for different pixels can be set individually.
  • the cells or pixels are labeled P1, P2, ... Pn.
  • a prism mask PM contains prism stubs whose segments are designated Pr1, Pr2,... Prn.
  • the pixels P1, P2,... Pn of the data display D are optically and / or mechanically directly associated with the prism segments Pr1, Pr2,... Prn of the prism mask PM.
  • FIG. 2 shows how, by means of the 3D display described in FIG. 1, a visibility region (not shown here) positioned centrally in front of the display can be generated.
  • the shutter display S activates the pixels, which are essentially on the optical axes of the lenses of the lenticular L. The light emanating from these pixels collimates after the lenticular L and is substantially perpendicular to the data display D.
  • the pixels P2, P5, P8,... are activated and assigned to the position of this visibility region Content described.
  • the light transmitted by them passes through the plane-parallel prism segments Pr2, Pr5, Pr8,..., Here shown hatched, and is not deflected.
  • a visibility area is created centrally in front of the display.
  • Fig. 3 shows how the light source tracking is used for a small tracking angle, for example in the range up to ⁇ 10 ° deg.
  • the shutter display S pixels are activated, their positions next to the optical axes of the
  • Cylindrical lenses of the lenticular L are located.
  • the light passes through the data display D diagonally and forms a visibility area that is not centrally positioned in front of the 3D display. Furthermore, only the pixels P2, P5, P8,... Are activated in the data display D and are described with the content associated with the position of this visibility region.
  • the transmitted light passes through the plane-parallel
  • the prism mask PM is used according to the invention for enlarging the viewing area.
  • the pixels are activated, which are located substantially on the optical axes of the lenses of the lenticular L. The light emanating from these pixels hits in
  • Prism segments Pr3, Pr6, Pr9, here obliquely hatched, passes through. The light is deflected and creates a visibility area that is not centrally positioned in front of the 3D display.
  • Fig. 5 shows how by means of light source tracking the visibility region is deflected further from a non-central position.
  • the shutter display S pixels are now activated, which are located next to the optical axes of the lenses of the lenticular L.
  • the light passes through the data display D diagonally and is of the
  • the total deflection of the light is composed of the light deflection by the light source tracking and the light deflection in the prism segments Pr3, Pr6, Pr9,... And is enlarged compared to the pure light source tracking.
  • FIGS. 6 and 7 show, as with the descriptions for FIGS. 4 and 5, a greater deflection of light in the other direction using the
  • Light source tracking used. In the two lateral individual viewing areas VZ2 and VZ3, the oblique prism segments Pr1, Pr4, Pr7,... Or Pr3, Pr6, Pr9,... Are used. Within a single observer area VZ1, VZ2 or VZ3, the tracking of the visibility areas is carried out continuously by means of light source tracking. The tracking in the individual observer areas VZ1, VZ2 or VZ3 is performed sequentially, i. At any given time, only one of the pixel groups P1, P4, P7, P2, P5, P8,... or P3, P6, P9,... is activated. This is important to avoid crosstalk to other visibility areas.
  • the individual observer areas VZ1, VZ2 and VZ3 must adjoin one another without any gaps in order to ensure continuous tracking of the visibility areas.
  • a small overlap of the individual viewer areas VZ1, VZ2 and VZ3 is advantageous to compensate for tolerances and to allow an unnoticeable transition to an adjacent single viewer area.
  • the light source tracking using the shutter display S and the lenticular L is possible in the angle range of -10 ° deg to +10 ° deg, measured to the normal of the lenticular substrate.
  • the refractive index of the prism mask PM is 1 .5.
  • the middle prism segments Pr2, Pr5, Pr8, ... guided light the angle range from -10 ° deg to +10 ° deg.
  • the light guided through the outer prism segments Pr1, Pr4, Pr7,... Covers the angle range from -33 ° deg to -7 ° deg, the light guided through the outer prism segments Pr3, Pr6, Pr9, +7 ° deg to +33 deg.
  • the entire angular range of the 3D display is composed of these individual angular ranges and is -33 ° deg to +33 ° deg relative to the normal of the data display D. Compared to a 3D display without prism mask PM was thus the angular range and thus the total viewer area roughly tripled.
  • the overlap of the angular range is 3 ° deg and gives sufficient tolerance for the tracking of the visibility ranges.
  • a prism mask PM containing prisms of three different prism segments Pr1,... Prn is used in a periodic arrangement. This leads to a tripling of the total observer area.
  • Other embodiments are possible, for example with a prism mask PM, the prisms of two different prism segments Pr1, ... Prn contains in a periodic arrangement and leads to a doubling of the viewer area.
  • prism masks PM containing periodic arrays of prisms from more than three different prism segments Pr1, ... Prn are possible.
  • the invention is in the application examples shown here on the basis of the enlargement of the horizontal observer area using
  • Light source tracking such as in DE 10 201 1 005 154 A1
  • Two-dimensional light source tracking with enlargement of the observer area in horizontal and vertical direction possible For this purpose, one in two
  • FIG. 9 shows a further embodiment of a 3D display according to the invention with an additional field lens FL, which preferably lies in the light direction after the Prism mask PM is attached.
  • Their focal length preferably corresponds to the nominal viewer distance, for example 3 m for a 3D TV.
  • the field lens ensures that the light passes vertically through the data display D and the prism mask PM for a viewer O at the nominal viewing distance and centrally in front of the 3D display.
  • the field lens FL thus improves the homogeneity across the display surface and enlarges the observer area.
  • FIG. 9 described here are the components of a 3D display according to the invention with an additional field lens FL, which preferably lies in the light direction after the Prism mask PM is attached.
  • Their focal length preferably corresponds to the nominal viewer distance, for example 3 m for a 3D TV.
  • the field lens ensures that the light passes vertically through the data display D and the prism mask PM for a viewer O at the nominal viewing distance and centrally in front of the
  • Visibility range seen from a homogeneous brightness of the 3D display is possible.
  • other orders are possible, such as an arrangement of the field lens FL between the lenticular L and the data display D.
  • a data display D for simultaneously displaying the primary colors red R, green G and blue B has color filters.
  • the color filters are advantageous to arrange the color filters on the data display D or between the data display D and the prism mask PM in the scheme of the periodicity of the prism mask PM.
  • this corresponds to an arrangement in the sequence RRRGGGBBB, i.
  • Pixels P1-P3 are provided with red color filters R, pixels P4-P6 with green color filters G, pixels P7-P9 with blue color filters B, etc.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the prism stub Pr1 - Pr3 therefore has a different prism angle than the prism stubs Pr4 - Pr6 or Pr7 - Pr9, etc. (not shown in FIG. 10).
  • lenticular L are used in an autostereoscopic display, for example, from WO 2005/027534 A2 or WO 2005/060270 A1, for segmental collimation, there is, as already described, the possibility that light also reaches an adjacent lens, which not intended to collimate this light. This is called crosstalk.
  • the crosstalk can be suppressed by one or more fixed aperture fields.
  • These aperture fields can also be apodized, in particular in the sense of WO 2009/156191 A1. This is shown in Fig. 1 1.
  • strip-shaped polarizers described in DE 10 2006 033 548 A1 is suitable for suppressing crosstalk when using light source tracking. In this case, it can be problematic that light is blocked at the polarizers. A lack of efficiency or lack of light output increases the cost of the light source and the cost of operation.
  • polarizing filters which are also called polarizing films or analyzers, described using a light source tracking.
  • Fig. 12 shows another application example in which in a section of the
  • polarizing elements PE1, PE2 were inserted. These serve to prevent crosstalk in other areas of visibility even more effective: It is thus to be prevented that light which is to pass for collimating only through a lens of the lenticular L, passes through another lens of the lenticular L.
  • the light emanating from pixels of the shutter display S not only hits the lens of the lenticular L arranged directly behind it, but also adjacent lenses. This light can cause crosstalk in others
  • the lenticular L is provided with a structured polarizing filter.
  • the polarization direction of the light transmitted through adjacent lenses is alternately, for example, horizontal and vertical
  • the shutter display S has pixels with sections or pixel-by-pixel alternating horizontal and vertical polarization directions of the transmitted light.
  • the polarization direction can be in column or
  • the first example corresponds to the idea of the arrangement known from WO 2008/009586 A1.
  • Delay elements here structured retardation films, on the shutter display S and the lenticular L used to rotate the polarization direction of the light.
  • the delay films on the shutter display S need not be structured pixel by pixel. Instead, they can have the same pitch as the lenticular.
  • the light can pass substantially only through the lenses of the lenticular L, which are opposite to the pixels of the shutter display S, not by adjacent lenses. This design has a higher light efficiency than before
  • the light from the left side of the illumination device BL not shown in FIG. 12 is linearly polarized perpendicular to the plane of the drawing, which is indicated by the concentric circles.
  • On the shutter display S is a structured retardation film (structured half-wavelength plate) arranged, which has polarizing regions PE1.
  • the polarizing regions PE1 are formed so as to act on the pixels of the shutter display S associated with the respective lenses of the lenticular L such that they are exposed only to every other lens L2, L4, .... periodic continuation - are provided.
  • the polarizing areas PE1 are also formed to rotate the linearly polarized light of the illuminator BL by 90 ° deg so that the then linearly polarized light oscillates in the plane of the drawing.
  • a further structured retardation film (structured half-wavelength plate) is arranged which has polarizing regions PE2 which are designed such that they rotate the linearly polarized light by 90 °.
  • the lenticular L is followed by a linear polarizer LP, which allows only light to pass, which is linearly polarized perpendicular to the plane of the drawing. Since, in this embodiment, the dimensions of the other polarizing regions PE2 correspond to the dimensions of the individual lenses of the lenticular L, crosstalk can be prevented.
  • two pixels Pi1, Pi2 are switched transmissively. Accordingly, linearly polarized light can pass through the two pixels Pi1, Pi2 of the shutter display S, which is then collimated by the uppermost lens L1 shown in FIG. 11.
  • the light coming from these two pixels Pi1, Pi2 can also be the linear polarizer LP after collimation by the lens L1
  • the linearly polarized light which passes through the two transmissively connected pixels Pi3, Pi4 assigned to the lens L2 and shown below is rotated by 90 ° in its polarization direction. This is indicated by the double arrow, which is shown between the two areas PE1, PE2.
  • the polarizing region PE2 of the patterned retardation film rotates the
  • Polarization of the light which comes from the polarizing region PE1, by 90 ° deg, so that the light is linearly polarized and oriented perpendicular to the plane of the drawing and can pass through the lenticular L and the second lens L2. Accordingly, the light coming from the polarizing region PE1, which has also passed through the polarizing region PE2, can now - after twice the rotation of the linear polarization - pass the linear polarizer LP. Light which comes from the polarizing region PE1 and which has not passed through the polarizing region PE2 is still linearly polarized in the horizontal direction and can not pass the linear polarizer LP.
  • Retarders such as retarders, e.g. structured birefringent
  • Transmission polarization of the two strips adjacent to one another in the plane of the controllable light source centers of the light source field LS-A and strips of a polarization film adjacent to the plane of the cylindrical lenses CL is orthogonal to the transmission polarization of the respectively included strip Polarizing film.
  • containing birefringent or polarization rotating regions may be used to connect effective suppression of crosstalk with increased transmission through the display.
  • the principle is illustrated in Fig. 12, which shows the use of two birefringent half-wavelength strips and a strip-shaped analyzer in front of every other lens of the lenticular field L.
  • N cylindrical lenses (1 D-cylindrical lens grid, also lenticular or lenticular) while N / 2 polarizing film strips are used.
  • N / 2 polarizing film strips are used.
  • 2N i. 4x that much.
  • Embodiment from DE 10 2006 033 548 A1 compared on the basis of a calculation, wherein in the first case, a transmission of the polarizing film at the target polarization of 70% and in the second case, a transmission of the polarizing film is assumed at the desired polarization of 80%.
  • the arrangement of strip-shaped delay elements within a Assembly used for light source tracking can be used for both autostereoscopic and holographic displays.
  • the light source and thus also the
  • Retarder strip and polarizing foil strip patterns allow a series of 1 D or 2D permutations.
  • 1 D-Cylinder Lens Lens raster equidistant and light source centers outward increasingly to approximate the function of a 1D field lens 1 D-FL
  • 1 D-Cylinder Lens Lens grid outward to decreasing and light source centers constant to approximate the function of a 1D field lens
  • 1 D-Cylinder Lens lens lenticular outward decreasing and light source centers outward increasing to approximate the function of a 1 D field lens
  • FIG. 13 shows an embodiment in which the primary lightwave field pLF encounters a shutter display S.
  • the shutter display S fulfills the function of a locally controlled switched on and off light source field LS-A.
  • the shutter display S can
  • the shutter display S can also be a field of self-luminous centers, for example an OLED matrix.
  • a spatially structured first birefringent element sR1 is arranged as the first structured delay element. In the light source plane, the light wave field is thus spatially structured
  • Imprinted polarization matrix The embodiment depends on the light source field LS-A. In the case of a self-luminous light source field, the arrangement is dependent on the polarization of the light source field LS-A.
  • OLED Organic Light Emitting Diode
  • Light source field LS-A makes it possible, for example, to arrange a spatially structured analyzer matrix in the plane sR1, which repeats in the plane of the cylindrical lenses CL. However, it may also be a first unstructured
  • Analyzer level and a structured delay element level can be used behind an OLED display in the level sR1.
  • a second structured delay element e.g. a spatially structured second birefringent element, and an unstructured analyzer plane A may be used, here as an alternative to a structured analyzer.
  • the structured delay elements of the levels sR1 and sR2 may face each other. If, in the plane sR2, the second analyzer is orthogonal to the first analyzer of the plane sR1, then the structured delay elements of the planes sR1 and sR2 do not oppose each other.
  • the emerging behind the cylindrical lenses CL, emerging light wave field sLF is free from
  • Light source crosstalk but still structured orthogonal polarized.
  • a further, third level of a structured delay element can be used if it is advantageous for the following components to have a constant polarization in the outgoing lightwave field sLF.
  • unstructured analyzer are mounted in front of or behind this, which, however, is omitted if that from a lighting device BL in the direction
  • Transmission light source field emerging light is already polarized. This may be the case, for example, if a planar light guide and a decoupling volume grating are used in the illumination device BL. In the case of flat defined output polarization, it is sufficient to arrange in the plane sR1 a single structured birefringent layer through which a structured imprinting of mutually orthogonal polarizations is introduced.
  • a patterned birefringent layer may consist of oriented liquid crystals LC
  • the orientation of the corresponding molecules may be, for example, by surface alignment ("photo alignment") or by direct orientation of the molecules as a function of the polarization of an incident radiation.
  • a plurality of structured birefringent layers can also be superimposed in the plane of the first or second structured delay element sR1 or sR2.
  • Propagation direction of the light linearly polarized light (TE, TM, TE, TM, 7), as well as for a spatially structured imprinting of left and right circularly polarized light (LZ, RZ, LZ, RZ, ...) can be used.
  • the symmetrization of the structurally introduced birefringence is advantageous in the planes sR1, sR2 and optionally other levels.
  • the light that illuminates the shutter display D or in the case of a
  • Cylinder lenses CL is assigned, if not the assigned, i. right
  • Spatially structured orthogonal polarizations can be queried with spatially structured analyzers.
  • the analyzer A can be carried out flat, unstructured. But he does not have to do that before
  • Cylindrical lens field L lie.
  • an analyzer A located on the input side of the data display D or in subsequent levels may be used.
  • the arrangement of Fig. 13 is preferred because symmetrized
  • birefringent structures generally allow for better apochromaticity with respect to the phase delays introduced for three reconstruction wavelengths.
  • the polarization change introduced segment-wise in a first plane sR1 is either revised in a second plane sR2 or, for example, subjected to a further phase rotation.
  • One possible polarization sequence is, for example, TE12
  • Polarization states are those that exist between the planes of the first
  • Delay element sR2 give orthogonal polarizations. Thus, a number of possible combinations can be selected.
  • Polarization orthogonality is also in the range between the exit plane of the controllable light source field LS-A and the collimating cylindrical lenses CL with
  • the patterned delay element has been removed somewhat from the lenticular L (lens field).
  • An advantage is the smallest possible distance to this.
  • can each be realized by a plurality of arrangements, wherein generally symmetrical arrangements are preferred because of low chromatic phase errors.
  • Possible polarization sequences are, for example:
  • one possible input polarization may be a rotated linear polarization, i. for example TE-45 ° deg.
  • slight changes in the polarization state of the primary lightwave field pLF can be used to achieve intensity balance in differently polarized channels.
  • liquid crystal data display D is generally one defined
  • Input polarization is required and thus usually has an analyzer on its input side, it is advantageous to align possible polarization sequences on it, i. E. adjust accordingly and the analyzer A mounted in front of the lenticular L.
  • apodization can be advantageously used to compensate for intensity variations introduced by the lenticular.
  • the apodisation which is mostly located near the lenses, may for example be a gray value distribution or else one separated in red R, green G and blue B
  • Color filter distribution is useful if the gray level distributions optimized for individual wavelengths are sufficiently different. Grayscale distribution and color filter distributions separated in red R, green G and blue B can be produced cost-effectively, for example, by exposure of a photographic material. In this case, a distribution individualized with respect to individual devices can also be selected, e.g. It is also possible to use calibration data from illumination devices BL, possibly also in conjunction with calibration data of the lenticular L or also of all other relevant components used in the display device.
  • an apodization also by means of a spatially
  • the suppression of the visibility of the lens grid can also be done by means of the data display D.
  • static data i.
  • calibration data of the tracking unit or data from the optical simulation can be used.
  • apodization distributions to be introduced via the tracking region can be reduced, for example by means of, without reducing the bit depth of the data display D which is available for displayed images
  • Grayscale distributions, in red R, green G and blue B of separated color filter distributions and polarization state distributions, are firmly implemented.
  • a dynamic implementation can be achieved by means of the data display D. For this purpose, however, it is necessary for the angle of tracking data from the optical
  • the corresponding angles in the space i. E. the locally via the display device to be set, or
  • the intensity distributions of the lenticular L known from the optical simulation or from the factory, for example, calibration performed and thus to be set by the data display D.
  • the data display D can be acted upon in a time-sequential manner by the correction values which depend on the positions of the individual eyes of the observer or O.
  • correction values inscribed, for example, in the data display D in addition to the image content advantageously take into account the entire volume in which a user of an autostereoscopic or holographic display device can be present, ie the entire area of tracking of the image information. In the simple case, the division of the
  • Solid angle multiplex prism structures symmetric.
  • the display device can realize a fixed multiplex prism function, for example by the spatial multiplexing of surface relief prisms, but also by the spatial multiplexing of gradient index prisms. It can thus be implemented in 3D display devices multiplexing of fixed field lens functions.
  • a spatial light modulator SLM can be used in
  • Autostereoscopic and holographic display devices include apodization corrections for strip-shaped solid angle multiplex prism structures and for matrix-shaped solid angle multiplex prism structures, these multiplex prism structures, for example, used to extend the range of tracking or to realize a plurality of angularly tilted interlaced field lens functions can be.
  • FIG. It allows the nesting of several prisms and a planarization of the surfaces of solid solid angle multiplex prism structures, similar to those used in WO 2010/066700 A2.
  • spatial multiplexing can be used to generate the locally varying emission angles.
  • 1/60 ° deg angular resolution of the human eye - under optimal conditions - results in 1 m observer distance a pixel size of 290 ⁇ , the
  • Resolution corresponds. For a spatial 2x multiplexing in the horizontal direction of an autostereoscopic display thus results in a pixel size of 145 ⁇ , if a viewer distance of 1 m is assumed, and a pixel size of 109 ⁇ , if a viewer distance of 750 mm is assumed.
  • the period of the spatial structuring of the prism foil to be applied, for example, over a scattering foil is ⁇ ⁇ > 100 ⁇ .
  • This prism structure which corresponds to two interleaved off-axis 1 D Fresnel lenses, can be produced for example by casting a master.
  • the arrangement of the scattering layer behind the prismatic mask is the preferred embodiment.
  • intermediate field lens function and average off-axis field lens functions reduces the angles to be applied by the illumination - for example when using light source tracking - and thus the aberrations generated in the light source tracking, which generally increase with larger angles.
  • Fig. 17c it is shown that it is also possible to dispense with diaphragms, and nevertheless an illumination of the prism edges is avoided.
  • the apodization of the transition regions of the solid-angle multiplex prisms can be carried out, for example, in binary form or else in the form of a gray value curve.
  • Suppression of crosstalk between fixed prism segments can also be achieved by sidewalls, for example, made absorbent.
  • the pixels that is to say the pixels of the data SLM or data display D
  • the pixels which are assigned to the prism segments can be used in an alternating manner
  • TE-TM-TE- ... etc. or LZ-RZ-LZ- ... etc.
  • TM transversal magnetic
  • LZ left circular
  • RZ right circular
  • the preferred embodiment here is the minimized use of Polarizers.
  • the prism surfaces are alternately structured
  • Delay elements or structured delay element-analyzer combinations upstream or downstream.
  • Embodiments for suppressing LQ crosstalk Embodiments for suppressing LQ crosstalk.
  • Light source field LS-A to the lenticular L must be so large that a lens of the lenticular L in the full area of a light source of the light source field LS-A is illuminated.
  • this emission angle of the light source becomes, in this case, a shutter opening S1... Sn by the illumination of the shutter display S by the illumination device BL, possible scattering components of the shutter Shutter displays S or partly also by diffraction at the shutter openings S1 ... Sn generated.
  • the light source field is a self-luminous display, then the beam angle by the structure of the light sources themselves or by possibly scattering
  • Components generated in front of the light sources are Components generated in front of the light sources.
  • the condition of the complete illumination of the lens must be set behind a lens for all positions of the shutter openings S1,... Sn required for the light source tracking or for all light sources of one
  • Light sources of a self-luminous display a symmetrical beam angle.
  • Self-luminous displays that are laterally displaced to the lens center or to the optical axis of the lens, this means that the beam angle must be selected to be greater than the angle of the shutter display S or the self-luminous Display corresponds to the width of a lens.
  • FIG. 18 shows this schematically using the example of a shutter display S.
  • Shutter opening S1 (which can be realized by a transparent pixel of the shutter display S) is intended to direct light through a lens L1 in the direction of a detected observer position.
  • the beam angle (angle between the bold
  • Figure 20 shows the example of a shutter display S lenses CL before
  • Shutter openings S1, ... Sn In the preferred embodiment corresponds to
  • FIG. 20 shows the embodiment of the solution with prism elements PriEl using the example of a shutter display S.
  • a prism in front of each shutter S1 ... Sn directs the light to the center of the lens L1 of the lenticular L.
  • This smaller emission angle can be generated in a light source field LS-A, which contains an illumination device and a shutter display S, for example by adjusting the properties of the illumination device BL or a spreader in or on the shutter display S.
  • a light source field LS-A which contains an illumination device and a shutter display S
  • the properties of the illumination device BL or a spreader in or on the shutter display S For example, in the case of a light source array LS-A containing a self-luminous display, the characteristics of the light sources themselves or a spreader may be adjusted.
  • the prisms and lenses mentioned can generally be designed either as refractive or as diffractive elements.
  • the light source tracking also offers the use of a lot
  • the prerequisite is a focal length of the microlenses, which results from the angle that is maximally introduced by the light source tracking.
  • Microlenses can also be used in other planes to increase transmission.
  • birefringent solid angle multiplex prisms makes it possible to switch between implemented predeflections by switching between states of polarization.
  • a fast switching ⁇ / 2-liquid crystal surface can be used, as they
  • in stereo displays is used to between the
  • This approach can be used for large angles or for small angles, such as the angle between two eyes.
  • polymerized liquid crystals can be used to achieve high yields
  • birefringent prism structures To produce differences in the refractive index and thus in the deflection angle of the birefringent prism structures, which are present for the different polarizations, or between which can be switched back and forth.
  • An example of creating a birefringent prism structure is the generation of a
  • Prismatic structure in which a liquid crystal is embedded, and subsequently polymerized Prismatic structure in which a liquid crystal is embedded, and subsequently polymerized.
  • orientation of the liquid crystals for example, a generated by brushing or exposure surface alignment, or a
  • Orientation by exposure and alignment of the liquid crystals or other molecules are preferably used perpendicular or parallel to the input polarization.
  • very fine brushes are used for brushing liquid crystal alignment surfaces, which have the form of a roll.
  • a first birefringent prism structure may be created into which a second, birefringent, but differently oriented prism structure is imbedded in the major axis of the refractive index ellipsoid.
  • the birefringent prismatic structures can be placed next to and inside each other.
  • the involvement is more birefringent
  • Main axes of the refractive index ellipsoid of the sub-prisms are arranged, for example, analogous to the Rochon, the Senarmont or the Wollaston polarization beam splitter.
  • Involvement here means that, for example, a plurality of prismatic structures are arranged one above the other.
  • three birefringent or two birefringent prismatic structures and a non-birefringent prism may be superimposed.
  • an arrangement of three prism structures can be used to increase the effective fill factor of the exit plane in comparison to an arrangement of two superimposed prism structures and thus the
  • deflecting prisms i. also for solid angle multiplex prisms made of materials with spherically symmetric refractive index ellipsoid, i. consist of isotropic material.
  • solid angle multiplex gratings can be used to increase the overall angular range of the tracking. These arrangements can be used for autostereoscopic displays and for
  • thin, switchable volume gratings can be used, each of which generates an additional, freely selectable additional deflection angle, e.g. can be varied by means of a light source tracking unit by ⁇ 15 ° deg in sufficiently fine angle increments. Turning on and off, i. the slight reorientation of liquid crystals embedded in volume lattice matrices takes place via flat, sufficiently transparent electrodes.
  • switchable liquid crystal surface relief gratings may be employed, each of which generates an additional, optional, additional deflection angle, e.g. can be varied by means of a light source tracking unit by ⁇ 25 ° deg in sufficiently fine angle increments.
  • planar switchable polarization liquid crystal gratings can be used, each of which generates an additional, freely selectable additional deflection angle, which can be varied by means of a light source tracking unit by ⁇ 35 ° deg in sufficiently fine angular increments.
  • the switching on and off of the additional angle via the switching on and off of area switchable delay plates, ie with at least one area switchable Polarization switching.
  • Switching between the polarizations LZ, TE and RZ corresponds, for example, to switching between the angles 35 ° deg, 0 ° deg and -35 ° deg.
  • This arrangement can optionally be followed by one or more areal switchable polarizers to annoying zeroth
  • polymerized polarization gratings can be effected in conjunction with a planar polarization switching, whereby the full resolution of the data display D can be used for the thus three selectable switchable angles.
  • polymerized polarizing gratings have a significantly higher angular selectivity compared to bulk gratings, e.g. can be illuminated with an angular range generated by a light source tracking unit which is ⁇ 15 ° deg
  • a data display D for example, segmented birefringent regions and segmented polymerized polarization gratings can be applied.
  • segmented birefringent regions and segmented polymerized polarization gratings can be applied.
  • spatially segmented polarization states are generated, spatially segmented or spatially segmented polarization gratings are spatially segmented
  • Diffraction angle (multiplex angle) selected.
  • the necessary resolution of the data display D increases with the number of angles implemented in the solid-angle multiplexing element.
  • multiplexing can also be carried out with regard to colors.
  • the segmented or even unsegmented selection of multiplex functions can be performed, for example, using surface relief prism structures,
  • Refractive index gradient prism structures Refractive index gradient prism structures, polarization prism structures, composite, one behind the other prism structures, the
  • the number of implementable multiplex functions is available through that in the data display D. limited resolution.
  • the aspects described here can be used, for example, for autostereoscopic display devices and holographic display devices, wherein both the tracking can be one-dimensional (1 D) or two-dimensional (2D), as well as in the case of holographic display devices the coding can be one-dimensional (1 D) or two-dimensional (2D) ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene, die ein Lichtquellenfeld (LS-A), ein Lentikular (L) und ein Daten-Display (D) in dieser Reihenfolge aber nicht notwendigerweise unmittelbar nacheinander folgend umfasst, und ein entsprechendes Verfahren zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene. Ihre Aufgabe ist es insbesondere, den Betrachterbereich eines 3D-Displays derart zu vergrößern werden, dass er mehreren Betrachtern gleichzeitig die Möglichkeit gibt, die 3D-Szene auf dem 3D-Display wahrzunehmen. Dies wird durch eine oben genannte Anzeigevorrichtung mit einem auf das Daten-Display (D) folgendes Multiplex-Element, mit dem vom Daten-Display (D) einfallendes Licht in mehrere Winkelsegmente verteilbar ist, sowie ein oben genanntes Verfahren, bei dem in einem zusätzlichen Schritt ein Multiplex-Element das von Daten-Display (D) kommende Licht in mehrere Winkelsegmente verteilt, erreicht.

Description

Anzeigevorrichtung und Verfahren zur Darstellung einer dreidimensionalen
Szene
Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene, die ein Lichtquellenfeld, ein Lentikular und ein Daten-Display in dieser
Reihenfolge aber nicht notwendigerweise unmittelbar nacheinander folgend umfasst, und ein Verfahren zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene.
Anzeigevorrichtungen zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene, also SD- Displays, enthalten üblicherweise ein Lichtquellenfeld, wie z.B. eine
Beleuchtungseinrichtung, auch„Backlight" genannt und ein Shutter-Display, also ein Display mit schaltbarer Blendenwirkung, sowie ein Lentikular und ein Daten-Display, beispielsweise einen Spatial Light Modulator (SLM), also ein Display, das Zellen bzw. Pixel beinhaltet, deren Transmission für Licht der Beleuchtungseinrichtung steuerbar ist. Das Lentikular enthält ein Linsen-Array, also eine Linsenmatrix. Regelmäßig wird ein solches Linsen-Array durch vertikal nebeneinander angeordnete Zylinderlinsen ausgebildet, die Licht in horizontaler Richtung fokussieren. Denkbar ist aber beispielsweise auch ein sphärische Linsen enthaltendes Linsen-Array. Sie können zudem Mittel zur Bestimmung des Sichtbarkeitsbereichs bzw. der
Sichtbarkeitsbereiche enthalten, wobei als Sichtbarkeitsbereich der Bereich des SD- Displays bezeichnet wird, in dem ein Auge eines Betrachters eine Ansicht der dreidimensionalen Szene (3D-Szene) wahrnehmen kann.
Das vom Lichtquellenfeld ausgehende Licht wird dabei durch die oben genannten optischen Elemente sowie ggf. weitere optische Elemente abgelenkt, polarisiert und in Amplitude und/oder Phase modifiziert, um schließlich auf die Augen des
Betrachters so projiziert zu werden, dass dieser eine 3D-Szene wahrnehmen kann.
Autostereoskopische 3D-Displays zum Anzeigen einer 3D-Szene der Anmelderin sind z.B. aus WO 2005/027534 A2 bzw. WO 2005/060270 A1 bekannt. Die
Reihenfolge der Anordnung der oben genannten Komponenten im 3D-Display kann der oben genannten Aufzählungsreihenfolge entsprechen. Autostereoskopische SD- Displays projizieren im stereoskopischen Modus das Licht sequenziell auf die Augen. Dabei werden im ersten Schritt auf dem Shutter-Display nur die Zellen, auch als „Pixel" bezeichnet, aktiviert, die über das Lentikular das linke Auge in einem auch „Sweetspot" genannten Sichtbarkeitsbereich SPL beleuchten. Auf dem Daten- Display wird die Ansicht für das linke Auge der 3D-Szene angezeigt. Ein Aktivieren der Pixel des Shutter-Displays bedeutet dabei, dass die entsprechenden Pixel für das aus der Beleuchtungseinrichtung auftreffende Licht transparent geschaltet werden. Im zweiten Schritt werden auf dem Shutter-Display nur die Pixel aktiviert, die über das Lentikular das rechte Auge in einem Sichtbarkeitsbereich SPR beleuchten. Auf dem Daten-Display wird die Ansicht für das rechte Auge der 3D-Szene angezeigt. Diese beiden Schritte werden im Wechsel so schnell wiederholt, dass das menschliche Sehvermögen die beiden Ansichten zu einer 3D-Ansicht
zusammensetzt.
Die Sichtbarkeitsbereiche SPL und SPR werden dabei den Positionen der
Betrachteraugen eines Betrachters nachgeführt, indem die Positionen der
Betrachteraugen bestimmt werden, und in Abhängigkeit dieser Positionen auf dem Shutter-Display die entsprechenden Pixel aktiviert werden. Diese Art der
Betrachternachführung wird Lichtquellen-Tracking genannt. Sichtbarkeitsbereiche für weitere Betrachter werden erzeugt, indem zusätzliche Pixel auf dem Shutter-Display aktiviert werden.
Zur Betrachternachführung, also durch den Einsatz des Lichtquellen-Trackings, werden auch Pixel auf dem Shutter-Display aktiviert, die nicht auf den optischen Achsen der Linsen des Lentikulars liegen. Diese Pixel werden mit Aberrationen in die Sichtbarkeitsbereiche abgebildet. Die Aberrationen können so groß sein, dass sie zu Übersprechen vom linken Sichtbarkeitsbereich SPL in den rechten
Sichtbarkeitsbereich SPR führen oder umgekehrt. Ebenso kann ein Übersprechen in die Sichtbarkeitsbereiche der weiteren Betrachter auftreten. Übersprechen („cross talk") bedeutet also die Störung eines Sichtbarkeitsbereichs durch Licht, das eigentlich einem anderen Sichtbarkeitsbereich zugehörig ist.
Diese Aberrationen lassen sich nicht wesentlich durch Optimierung des Lentikulars reduzieren. Einerseits liegt keine feste Geometrie vor, d.h. für das Lichtquellen- Tracking werden Pixel des Shutter-Displays an unterschiedlichen Stellen aktiviert. Andererseits wäre ein mehrstufiges optisches System, wie es beispielsweise in Kameraobjektiven verwendet wird, zu teuer und zu groß bzw. zu voluminös. Typischerweise ist bei der üblichen Verwendung eines Zylinderlinsen enthaltenden Lentikulars der nutzbare Winkelbereich des Lichtquellen-Trackings auf ca. ±10 ° deg bis ±15 ° deg bezüglich der optischen Achse dieser Zylinderlinsen begrenzt. Dies ist ein ungenügender Winkelbereich, der einen Betrachterbereich ergibt, der zu klein für ein 3D-Display ist, das zur gleichzeitigen Anzeige einer 3D-Szene für mehrere Betrachter genutzt werden soll. Der Betrachterbereich ist dabei der Bereich, in dem es möglich ist, Sichtbarkeitsbereiche zu platzieren.
Solcherart für autostereoskopische 3D-Displays beschriebene Probleme können ebenso bei holographischen 3D-Displays auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben und weiterzubilden, durch welches die vorgenannten Probleme überwunden werden. Insbesondere soll der Betrachterbereich eines 3D-Displays derart vergrößert werden, dass er mehreren Betrachtern gleichzeitig die Möglichkeit gibt, die 3D-Szene auf dem 3D-Display wahrzunehmen.
Die Aufgabe kann erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, also eine
Anzeigevorrichtung zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene, auch als 3D- Szene bezeichnet, die ein Lichtquellenfeld, ein Lentikular und ein Daten-Display in dieser Reihenfolge aber nicht notwendigerweise unmittelbar nacheinander folgend umfasst, gekennzeichnet durch ein auf das Daten-Display folgendes Multiplex- Element, mit dem vom Daten-Display einfallendes Licht in mehrere Winkelsegmente verteilbar ist. Eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene wird im Folgenden auch als 3D-Display bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird also zu den Elementen eines üblichen 3D-Displays ein
Multiplex-Element hinzugefügt, dass das Licht in mehrere Winkelsegmente verteilen kann.
Ein erfindungsgemäßes 3D-Display kann dabei als Lichtquellenfeld eine Beleuchtungseinrichtung und ein Shutter-Display enthalten. Die
Beleuchtungseinrichtung kann hierfür sehr unterschiedlich ausgestaltet sein: Sie kann eine einzige großflächige homogene Lichtquelle enthalten oder aber eine Vielzahl einzelner Lichtquellen, die zu einem homogenen Lichtwellenfeld führen. Das von diesen Lichtquellen ausgesendete Licht trifft dann auf das Shutter-Display. Das Shutter-Display ist ein pixelweise schaltbares Transmissions-Display: Das von der Beleuchtungseinrichtung ausgesendete Lichte passiert die Pixel, die aktiviert sind, nicht aktivierte Pixel blockieren hingegen das Licht.
Ein erfindungsgemäßes 3D-Display kann jedoch auch ein Lichtquellenfeld mit einem selbstleuchtenden Display enthalten. Ein solches kann durch ein OLED-Display realisiert werden, bei dem Lichtquellen bzw. einzelne Pixel an den entsprechenden Positionen aktiviert werden. Ein OLED-Display ist vorteilhaft für die Energieeffizienz des 3D-Displays. Bei Einsatz eines OLED-Displays als Lichtquellenfeld kann somit die Beleuchtungseinrichtung und das Shutter-Display entfallen.
Dabei kann eine solches erfindungsgemäßes 3D-Display Mittel zur Bestimmung eines Sichtbarkeitsbereiches enthalten. Dann werden innerhalb eines
Winkelsegments die Sichtbarkeitsbereiche mittels Lichtquellen-Tracking den
Betrachtern nachgeführt. Der gesamte damit erzielbare Betrachterbereich setzt sich aus den Winkelsegmenten, im Folgenden auch Einzel-Betrachterbereiche genannt, zusammen und ist im Vergleich zu einem einzelnen Winkelsegment vergrößert. Die Größe des zentralen Winkelsegments entspricht dabei dem Betrachterbereich, der mit einem 3D-Display nach dem Stand der Technik erzielt werden kann; die zusätzlich durch die Nutzung des Multiplex-Elements erzielten Winkelsegmente vergrößern also den Gesamt-Betrachterbereich entsprechend.
Im Vergleich zu anderen Möglichkeiten, den Betrachterbereich zu vergrößern, ist diese Lösung einfacher und benötigt nur bereits erprobte Komponenten.
Erfindungsgemäß kann die Anzeigevorrichtung zur Darstellung einer
dreidimensionalen Szene ein autostereoskopisches 3D-Display enthalten. Alternativ kann sie ein holographisches 3D-Display beinhalten, wobei die Vergrößerung des Betrachterbereichs insbesondere für ein holographisches 3D-Display mit 1 D- Kodierung in vertikaler Richtung geeignet ist, wie es in der WO2006/1 19920 A1 beschrieben ist.
In einem erfindungsgemäßen 3D-Display könnte des Weiteren dem Multiplex- Element nachfolgend oder aber zwischen Lentikular und Daten-Display eine
Feldlinse angeordnet sein. Diese würde die Homogenität über die Displayfläche verbessern und den Betrachterbereich zusätzlich vergrößern.
Auch kann das erfindungsgemäße 3D-Display ein Daten-Display umfassen, das eine Vielzahl von Pixeln enthält, und ein Multiplex-Element umfassen, das Segmente enthält und dabei so ausgestaltet sein, dass die Segmente des Multiplex-Elements an die Pixel des Daten-Displays angepasst sind. Dabei kann die Größe der
Segmente des Multiplex-Elements an die Größe der Pixel des Daten-Displays angepasst sein, beispielsweise ein Vielfaches der Pixelgröße des Daten-Displays betragen. Zudem kann die Lage der Segmente des Multiplex-Elements bezüglich der Lage der Pixel des Daten-Displays ausgerichtet sein.
Des Weiteren kann in einem erfindungsgemäßen 3D-Display das Daten-Display pixelweise angeordnete Farbfilter für die Grundfarben, wie z.B. für die Farben Rot, Grün und Blau enthalten, wobei dann die dazu korrespondierenden Segmente des Multiplex-Elements jeweils wellenlängenabhängig brechend ausgebildet sein sollten.
Das Multiplex-Element eines erfindungsgemäßen 3D-Displays könnte des Weiteren eine Prismenmaske enthalten, die eine zeilen- und/oder spaltenweise periodische Anordnung von Prismensegmenten umfasst.
Die Prismensegmente der Prismenmaske des Multiplex-Elements können wiederum mehrere brechende, im Winkel größer 0 ° deg und kleiner 90 ° deg zur optischen Achse angeordnete Flächen unterschiedlicher Brechkraft (unterschiedlicher
Brechungsindizes) enthalten. Vorteilhafterweise sollte sich die Fläche mit der höchsten Brech kraft lichtsaustrittsseitig befinden.
Dabei können zur Erreichung einer Farbdarstellung in einem erfindungsgemäßen 3D-Display das Daten-Display pixelweise angeordnete Farbfilter für die Grundfarben und die korrespondierenden Prismensegmente der Prismenmaske ihrem
wellenlängenabhängigen Brechungsindex angepasste Prismenwinkel enthalten. Auch kann ein erfindungsgemäßes 3D-Display eine Anordnung von das Licht polarisierenden Elementen enthalten. Eine solche Anordnung Licht polarisierender Elemente könnte mit mindestens zwei der drei Elemente Lichtquellenfeld, Lentikular und Daten-Display verknüpft sein. Konkret könnte die Anordnung Licht
polarisierender Elemente strukturierte Polarisationsfilter und/oder strukturierte
Verzögerungselemente enthalten.
Dabei sind vorteilhafterweise die strukturierten Polarisationsfilter und/oder
strukturierten Verzögerungselemente derart angeordnet und ausgebildet, dass ein Übersprechen weitgehend vermeidbar ist. Beim Übersprechen erhält ein Auge des Betrachters Anteile des Bildes, das für das andere Auge des Betrachters oder aber für andere Betrachter bestimmt war.
Die strukturierten Verzögerungselemente können doppelbrechende und/oder polarisationsdrehende Bereiche enthalten. Gegebenenfalls kann ein solches polarisierendes Element auch so ausgestaltet sein, dass mehrere polarisierende Teilelemente und/oder Teilverzögerungselemente übereinander angeordnet sind.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Doppelbrechung strukturierter
Verzögerungselemente symmetrisiert ist, denn die chromatischen Fehler erhöhen sich mit steigender Brechkraft bzw. steigender Doppelbrechung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das 3D-Display mindestens ein Apodisationsmittel. Dabei kann dieses Apodisationsmittel eine Grauverteilung oder eine in Rot-Grün-Blau separierte Farbverteilung oder eine räumliche Verteilung des Polarisationszustandes enthalten. Vorteilhafterweise ist es im Daten-Display implementiert.
Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn das Daten-Display, das eine große Anzahl von Pixeln umfasst, zwischen den Pixeln des Daten-Displays nichtausgeleuchtete
Übergangsbereiche enthält.
Daneben kann in einem erfindungsgemäßes 3D-Display der Betrachterbereich weiterhin durch ein zusätzliches steuerbares, in den Strahlengang eingebrachtes Ablenkelement vergrößert werden. Dieses Ablenkelement kann ein schaltbares Gitter sein, wie in der WO2010/149587 A2 beschrieben, das beispielsweise auf
Flüssigkristallen, schaltbaren Volumengittern oder auf Electro-Wetting, wie in der WO2010/066700 A2 beschrieben, basieren kann. Für deren Steuerung enthält es transparente Elektroden. Auch können in einem steuerbaren Ablenkelement schaltbare Flüssigkristall-Oberflächenrelief-Gitter und transparente Elektroden genutzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist ein steuerbares Ablenkelement, dass schaltbare Flüssigkristall-Polarisations-Gitter als schaltbare Verzögerungsplatten enthält.
Um eine bessere Ausleuchtung des Lentikulars zu erreichen werden in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung (3D-Display) optische Elemente lichtausgangsseitig auf dem Lichtquellenfeld angeordnet. Diese sind so gestaltet, dass sie das Licht des Lichtquellenfeldes jeweils zur Mitte einer Linse des Lentikulars lenken.
Derartige optische Elemente können Linsen enthalten bzw. durch Linsen realisiert sein, deren Brennweite ungefähr dem Abstand zwischen dem Lichtquellenfeld und dem Lentikular entspricht.
Derartige optische Elemente können auch Prismen enthalten.
Auch bei der Transmission des Lichtes durch das Multiplex-Element kann es zu störendem Übersprechen kommen, beispielsweise an den Übergängen einzelner Segmente des Multiplex-Elements, wie z.B. an den Übergängen der
Prismensegmente der in einer Ausführungsform verwendeten Prismenmaske.
Vorteilhaft ist es deshalb, eine Blenden-Anordnung vor oder direkt hinter dem
Multiplex-Element anzuordnen.
Mikrolinsen vor dem Multiplex-Element können hingegen in vorteilhafter Weise die Transmission durch das Multiplex-Element erhöhen. Auch kann der Einsatz von Mikrolinsen vor dem Multiplex-Element ggf. die Ausleuchtung der Übergänge einzelner Segmente des Multiplex-Elements verhindern.
In verfahrensmäßiger Hinsicht kann die eingangs genannte Aufgabe durch die
Merkmale des Anspruchs 32 gelöst werden. Demgemäß ist ein Verfahren zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene, wobei Licht aus einem Lichtquellenfeld in Abhängigkeit eines von der Position eines Betrachters definierten
Sichtbarkeitsbereichs ausgesendet wird, durch ein Lentikular auf ein Daten-Display geleitet wird, das Daten-Display die Transmission dieses Lichtes pixelweise in Phase und/oder Amplitude steuert und das hierdurch modifizierte Licht schließlich durch einen Betrachter in seinem Augen zugeordneten Sichtbarkeitsbereichen
wahrgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Multiplex-Element das von Daten-Display kommende Licht in mehrere Winkelsegmente verteilt. Der insgesamt erzielbare Betrachterbereich setzt sich dabei aus den einzelnen Winkelsegmenten zusammen und ist im Vergleich zu einem Verfahren nach dem Stand der Technik, in dem das Licht sinngemäß nur in ein einzelnes Winkelsegment verteilt würde, vergrößert.
Dabei kann im erfindungsgemäßen Verfahren das Lichtquellenfeld eine
Beleuchtungseinrichtung enthalten, aus der ein homogenen Lichtwellenfeld austritt und anschließend in Abhängigkeit eines von der Position eines Betrachters definierten Sichtbarkeitsbereichs aktivierte Pixel eines Shutter-Displays passiert.
Andererseits kann im erfindungsgemäßen Verfahren das Lichtquellenfeld ein selbstleuchtendes Display, insbesondere ein OLED-Display beinhalten. Dabei wird Licht aus aktivierten Pixeln dieses Displays in Abhängigkeit eines von der Position eines Betrachters definierten Sichtbarkeitsbereichs ausgesendet. Eine Passage durch ein steuerbares Shutter-Display ist hier nicht nötig, da die Steuerung schon durch das Aktivieren von Pixeln des selbstleuchtenden Displays erfolgt.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren kann dabei vorteilhafterweise das Licht sequentiell in die einzelnen Winkelsegmente gelenkt werden, wobei zu einer Zeit immer nur ein Winkelsegment beleuchtet wird. Dadurch kann ein Übersprechen in Sichtbarkeitsbereiche des anderen Auges bzw. anderer Betrachter vermieden werden.
Auch kann in einem erfindungsgemäßen Verfahren der Sichtbarkeitsbereich innerhalb eines Winkelsegments mittels Lichtquellen-Trackings nachgeführt werden. Diese Nachführung des Sichtbarkeitsbereichs innerhalb eines Winkelsegments könnte zeitlich sequenziell erfolgen. Des Weiteren kann in einem erfindungsgemäßen Verfahren das Licht auf seinem Weg vom Lichtquellenfeld zum Betrachter eine Feldlinse durchlaufen.
Auch kann in einem erfindungsgemäßen Verfahren in vorgebbaren räumlichen Bereichen Licht auf dem Weg vom Lichtquellenfeld zum Betrachter eine Änderung seiner Polarität erfahren.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn im erfindungsgemäßen Verfahren eine Apodisation, also eine optische Filterung, erfolgt, die den Kontrast des im Betrachterauge sichtbaren Bildes erhöht. Diese kann für verschiedene Augenpositionen
zeitsequentiell erfolgen.
Zudem könnte in einem erfindungsgemäßen Verfahren das Licht durch ein in den Strahlgang einbringbares, steuerbares Ablenkelement zusätzlich abgelenkt werden.
Eine solche zusätzliche Ablenkung kann durch das gezielte Umorientieren von Flüssigkristallen erfolgen, die hierfür in einem Volumengitter oder in einem
Flüssigkristall-Oberflächenrelief-Gitter oder in einem Flüssigkristall-Polarisations- Gitter enthalten sind, und die Teil eines steuerbaren Ablenkelements sind.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden und/oder die oben
beschriebenen Ausführungsformen - soweit möglich - miteinander zu kombinieren. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 bzw. dem Patentanspruch 28 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende
Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im
Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 : eine Ausführungsform eines Teils eines erfindungsgemäßen 3D-Displays in Draufsicht
Fig. 2 bis 7: die Erzeugung verschiedener Sichtbarkeitsbereiche Fig. 8: die Erzeugung eines Gesamt-Betrachterbereichs aus Einzel- Betrachterbereichen
Fig. 9: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 3D-Displays mit einer zusätzlichen Feldlinse in Lichtrichtung nach der Prismenmaske
Fig. 10: eine Ausführungsform, in der das Daten-Display zum gleichzeitigen
Darstellen der Grundfarben Rot, Grün und Blau Farbfilter aufweist
Fig. 1 1 : eine Ausführung zur Unterdrückung von Übersprechen nach dem Stand der Technik
Fig. 12: einen Ausschnitt der Anordnung der Fig. 1 mit einer Ausführungsform, die polarisierende Elemente zur Unterdrückung des Übersprechens enthält
Fig. 13: einen Ausschnitt der Anordnung der Fig. 1 mit einer Ausführungsform, die strukturierte Verzögerungselemente zur Unterdrückung des Übersprechens enthält
Fig. 14: einen Ausschnitt der Anordnung der Fig. 1 mit einer Ausführungsform, die strukturierte Verzögerungselemente zur Unterdrückung des Übersprechens verwendet, bei der sich jedoch nur vor jeder zweiten Zylinderlinse jeweils zwei solcher Verzögerungselemente hintereinander im Lichtweg befinden.
Fig. 15: einen Ausschnitt der Anordnung der Fig. 1 mit einer Ausführungsform, die strukturierte Verzögerungselemente zur Unterdrückung des Übersprechens vor jeder zweiten Zylinderlinse enthält, mit Polarisationsabfolge
Fig. 16: Implementierungsbeispiele von festen Raumwinkel-Multiplex- Prismenstrukturen
Fig. 17a - c: einen Ausschnitt der Anordnung der Fig. 1 mit einer Ausführungsform, in der Amplituden-Blendenmasken und Mikrolinsen direkt vor den Übergängen der Multiplex-Prismen verwendet werden.
Fig. 18: den Abstrahlwinkel einer Shutteröffnung des Shutter-Displays, die zur optischen Achse einer Linse des Lentikulars lateral verschoben ist. Fig. 19: die Verwendung von zusätzlichen Linsen vor den Shutteröffnungen eines Shutter-Displays
Fig. 20: die Verwendung von zusätzlichen Prismenelennenten vor den
Shutteröffnungen eines Shutter-Displays
In mehreren der Anwendungsbeispiele wird die Erfindung beispielhaft anhand eines Multiplex-Elements erklärt, das Prismenstümpfe enthält und drei Winkelsegmente erzeugt. Andere Multiplex-Elemente, andere„Formen" und ein andere Anzahl von Winkelsegmenten fallen jedoch auch in den Rahmen dieser Erfindung.
Fig. 1 zeigt in Draufsicht schematisch eine Ausführungsform eines Teils eines erfindungsgemäßen 3D-Displays. Eine Beleuchtungseinrichtung BL beleuchtet ein Shutter-Display S. Die Beleuchtungseinrichtung BL kann LED, Laser oder andere geeignete Lichtquellen enthalten. Ein Shutter-Display S enthält Zellen, deren
Transmission steuerbar ist, beispielsweise ein Flüssigkristall-Display mit Pixeln, mit welchem die Amplitude und/oder die Phase des Lichts der Beleuchtungseinrichtung BL steuerbar ist. Ein Lentikular L enthält nebeneinander angeordnete Zylinderlinsen. Der Abstand zwischen dem Shutter-Display S und dem Lentikular L ist in dieser Ausführungsform bestimmt durch die Brennweite der Zylinderlinsen. Die Verwendung eines Linsen-Arrays aus sphärischen Linsen ist alternativ zu den Zylinderlinsen möglich. Ein Daten-Display D enthält Zellen, deren Transmission steuerbar ist, wie beispielsweise ein Flüssigkristall-Display mit Pixeln, mit welchen die Amplitude und/oder die Phase des Lichts der Beleuchtungseinrichtung BL steuerbar sind. Unter einer Steuerung der Phase durch einen Pixel ist insbesondere die Einstellung bzw. die Variation des optischen Wegs des Lichts durch dieses Pixel zu verstehen. Somit können die optischen Wege für unterschiedliche Pixel individuell eingestellt werden. Die Zellen oder Pixel sind mit P1 , P2, ... Pn bezeichnet. Eine Prismenmaske PM enthält Prismenstümpfe, deren Segmente mit Pr1 , Pr2, ... Prn bezeichnet sind. Die Pixel P1 , P2, ... Pn des Daten-Displays D sind optisch und/oder mechanisch direkt den Prismensegmenten Pr1 , Pr2, ... Prn der Prismenmaske PM zugeordnet.
Fig. 2 zeigt, wie mittels des in der Fig. 1 beschriebenen 3D-Displays ein zentral vor dem Display positionierter Sichtbarkeitsbereich (hier nicht dargestellt) erzeugt werden kann. Im Shutter-Display S sind die Pixel aktiviert, die sich im Wesentlichen auf den optischen Achsen der Linsen des Lentikulars L befinden. Das von diesen Pixeln ausgehende Licht trifft nach dem Lentikular L kollimiert und im Wesentlichen senkrecht auf das Daten-Display D. Im Daten-Display D sind nur die Pixel P2, P5, P8, ... aktiviert und mit dem der Position dieses Sichtbarkeitsbereichs zugeordneten Inhalt beschrieben. Das von ihnen transmittierte Licht durchläuft die planparallelen Prismensegmente Pr2, Pr5, Pr8, ... , hier gerade schraffiert dargestellt, und wird dabei nicht abgelenkt. Es wird ein Sichtbarkeitsbereich erzeugt, der zentral vor dem Display positioniert ist.
Fig. 3 zeigt, wie das Lichtquellen-Tracking für einen kleinen Tracking-Winkel eingesetzt wird, beispielsweise im Bereich bis zu ±10 ° deg. Im Shutter-Display S sind Pixel aktiviert, deren Positionen sich neben den optischen Achsen der
Zylinderlinsen des Lentikulars L befinden. Das Licht durchläuft das Daten-Display D schräg und bildet einen Sichtbarkeitsbereich, der nicht zentral vor dem 3D-Display positioniert ist. Im Daten-Display D sind weiterhin nur die Pixel P2, P5, P8, ... aktiviert und mit dem der Position dieses Sichtbarkeitsbereiches zugeordneten Inhalt beschrieben. Das von ihnen transmittierte Licht durchläuft die planparallelen
Prismensegmente Pr2, Pr5, Pr8, ... und wird dabei nicht abgelenkt.
Fig. 4 zeigt nun beispielhaft, wie die Prismenmaske PM erfindungsgemäß zur Vergrößerung des Betrachterbereichs eingesetzt wird. Im Shutter-Display S sind die Pixel aktiviert, die sich im Wesentlichen auf den optischen Achsen der Linsen des Lentikulars L befinden. Das von diesen Pixeln ausgehende Licht trifft im
Wesentlichen senkrecht auf das Daten-Display D. Im Daten-Display D sind nun die Pixel P3, P6, P9, ... aktiviert, nach denen das Licht die zugeordneten
Prismensegmente Pr3, Pr6, Pr9, hier schräg schraffiert dargestellt, durchläuft. Das Licht wird dabei abgelenkt und erzeugt einen Sichtbarkeitsbereich, der nicht zentral vor dem 3D-Display positioniert ist.
Fig. 5 zeigt, wie mittels Lichtquellen-Tracking der Sichtbarkeitsbereich noch weiter von einer nichtzentralen Position abgelenkt wird. Im Shutter-Display S sind nun Pixel aktiviert, die sich neben den optischen Achsen der Linsen des Lentikulars L befinden. Das Licht durchläuft das Daten-Display D schräg und wird von den
Prismensegmenten Pr3, Pr6, Pr9, ... , hier schräg schraffiert dargestellt, nochmals abgelenkt. Die gesamte Ablenkung des Lichts setzt sich aus der Lichtablenkung durch das Lichtquellen-Tracking und der Lichtablenkung in den Prismensegmenten Pr3, Pr6, Pr9, ... zusammen und ist gegenüber dem reinen Lichtquellen-Tracking vergrößert.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen, wie analog zu den Beschreibungen zu Fig. 4 und Fig. 5 eine größere Lichtablenkung in die andere Richtung unter Verwendung der
Prismensegmente Pr1 , Pr4, Pr7, ... erzielt wird.
Fig. 8 zeigt, wie erfindungsgemäß ein vergrößerter Gesamt-Betrachterbereich eines 3D-Displays 3D-D erzielt wird. Im zentralen Einzel-Betrachterbereich VZ1 werden die planparallelen Prismensegmente Pr2, Pr5, Pr8, ... in Verbindung mit dem
Lichtquellen-Tracking verwendet. In den beiden seitlichen Einzel- Betrachterbereichen VZ2 und VZ3 werden die schrägen Prismensegmente Pr1 , Pr4, Pr7, ... bzw. Pr3, Pr6, Pr9, ... verwendet. Innerhalb eines Einzel-Betrachterbereichs VZ1 , VZ2 oder VZ3 erfolgt die Nachführung der Sichtbarkeitsbereiche kontinuierlich mittels Lichtquellen-Tracking. Die Nachführung in den Einzel-Betrachterbereichen VZ1 , VZ2 oder VZ3 erfolgt sequentiell, d.h. zu einem Zeitpunkt ist immer nur eine der Pixelgruppen P1 , P4, P7, P2, P5, P8, ... oder P3, P6, P9, ... aktiviert. Dies ist wichtig, um ein Übersprechen in andere Sichtbarkeitsbereiche zu vermeiden.
Die Einzel-Betrachterbereiche VZ1 , VZ2 und VZ3 müssen lückenlos aneinander anschließen, um eine kontinuierliche Nachführung der Sichtbarkeitsbereiche zu gewährleisten. Ein kleiner Überlapp der Einzel-Betrachterbereiche VZ1 , VZ2 und VZ3 ist vorteilhaft, um Toleranzen zu kompensieren und einen unbemerkbaren Übergang in einen benachbarten Einzel-Betrachterbereich zu ermöglichen.
Beispielhaft werden nun Zahlen für ein 3D-Display aufgeführt, das eine
Prismenmaske PM mit einem Prismenwinkel α eines Prismensegments (dargestellt in Fig. 1 ) von 30 ° deg enthält. Das Lichtquellen-Tracking mithilfe des Shutter- Displays S und des Lentikulars L ist im Winkelbereich von -10 ° deg bis +10 ° deg, gemessen zur Normalen des Lentikularsubstrats, möglich. Der Brechungsindex der Prismenmaske PM ist 1 .5.
In diesem Beispiel deckt das durch die mittleren Prismensegmente Pr2, Pr5, Pr8, ... geführte Licht den Winkelbereich von -10 ° deg bis +10 ° deg ab. Das durch die äußeren Prismensegmente Pr1 , Pr4, Pr7, ... geführte Licht deckt den Winkelbereich von -33 ° deg bis -7 ° deg ab, das durch die äußeren Prismensegmente Pr3, Pr6, Pr9, ... geführte Licht den Winkelbereich von +7 ° deg bis +33 ° deg. Der gesamte Winkelbereich des 3D-Displays setzt sich aus diesen einzelnen Winkelbereichen zusammen und beträgt -33 ° deg bis +33 ° deg relativ zur Normalen des Daten- Displays D. Im Vergleich zu einem 3D-Display ohne Prismenmaske PM wurde folglich der Winkelbereich und somit der Gesamt-Betrachterbereich ungefähr verdreifacht. Der Überlapp der Winkelbereich beträgt 3 ° deg und gibt ausreichend Toleranz für die Nachführung der Sichtbarkeitsbereiche.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird mit einer, Prismen dreier verschiedener Prismensegmente Pr1 , ...Prn in periodischer Anordnung enthaltenden Prismenmaske PM gearbeitet. Dies führt zu einer Verdreifachung des Gesamt- Betrachterbereichs. Andere Ausführungen sind möglich, beispielsweise mit einer Prismenmaske PM, die Prismen zweier verschiedener Prismensegmente Pr1 , ...Prn in periodischer Anordnung enthält und zu einer Verdoppelung der Betrachterbereichs führt. Ebenso sind Prismenmasken PM die periodische Anordnungen von Prismen aus mehr als drei verschiedenen Prismensegmenten Pr1 , ...Prn enthalten, möglich.
Die Erfindung wird in den hier aufgezeigten Anwendungsbeispielen anhand der Vergrößerung des horizontalen Betrachterbereichs unter Verwendung von
Lichtquellen-Tracking, wie beispielsweise in der DE 10 201 1 005 154 A1
beschrieben, in horizontaler Richtung und Prismenmasken PM, die Licht in
horizontaler Richtung ablenken, erklärt. Die Anordnung kann jedoch auch um
90 ° deg gedreht werden, so dass der vertikale Betrachterbereich bei Lichtquellen- Tracking in vertikaler Richtung vergrößert werden kann. Ebenso ist ein
zweidimensionales Lichtquellen-Tracking mit Vergrößerung des Betrachterbereichs in horizontaler und vertikaler Richtung möglich. Hierzu werden ein in zwei
Dimensionen periodisches Linsen-Array und eine in zwei Dimensionen periodische Prismenmaske PM verwendet.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 3D-Displays mit einer zusätzlichen Feldlinse FL, die vorzugsweise in Lichtrichtung nach der Prismenmaske PM angebracht ist. Deren Brennweite entspricht vorzugsweise dem nominalen Betrachterabstand, beispielsweise 3 m für ein 3D-TV. Die Feldlinse sorgt dafür, dass für einen Betrachter O im nominalen Betrachterabstand und zentral vor dem 3D-Display das Licht senkrecht das Daten-Display D und die Prismenmaske PM durchläuft. Die Feldlinse FL verbessert somit die Homogenität über die Displayfläche und vergrößert den Betrachterbereich. In der hier beschriebenen Fig. 9 werden die Komponenten eines erfindungsgemäßen 3D-Displays mit einer zusätzlichen
Feldlinse in der Reihenfolge Lentikular L, Daten-Display D, Prismenmaske PM und Feldlinse FL dargestellt. Diese Reihenfolge ist aus mehreren Gründen vorteilhaft: Nach dem Lentikular L durchläuft das Licht alle Pixel P1 , P2 ... Pn des Daten- Displays D unter gleichem Winkel. Dies ist vorteilhaft für die Homogenität der Lichtmodulation über die Displayfläche. Zudem trifft das Licht nach den Pixeln P1 , P2 ... Pn des Daten-Displays D unter gleichem Winkel auf die Prismenmaske PM. Dies ist vorteilhaft für eine homogene Lichtablenkung in den Prismensegmenten Pr1 , Pr4, Pr7, Pr2, Pr5, Pr8, ... bzw. Pr3, Pr6, Pr9, ... und führt von einem
Sichtbarkeitsbereich aus gesehen zu einer homogenen Helligkeit des 3D-Displays. Andere Reihenfolgen sind jedoch möglich, wie zum Beispiel eine Anordnung der Feldlinse FL zwischen Lentikular L und Daten-Display D.
In einem in Fig. 10 gezeigten weiteren Anwendungsbeispiel weist ein Daten-Display D zum gleichzeitigen Darstellen der Grundfarben Rot R, Grün G und Blau B Farbfilter auf. Zur Vermeidung von Dispersionseffekten in den Sichtbarkeitsbereichen ist es vorteilhaft, die Farbfilter am Daten-Display D oder zwischen Daten-Display D und Prismenmaske PM im Schema der Periodizität der Prismenmaske PM anzuordnen. Für eine Prismenmaske PM des Beispiels der Fig .1 entspricht dies einer Anordnung in der Abfolge RRRGGGBBB, d.h. Pixel P1 - P3 sind mit roten Farbfiltern R versehen, Pixel P4 - P6 mit grünen Farbfiltern G, Pixel P7 - P9 mit blauen Farbfiltern B, usw. Die Dispersion des optischen Mediums der Prismenmaske PM,
beispielsweise aus Polymethylmethacrylat (PMMA), wird kompensiert, indem die Prismenwinkel dem wellenlängenabhängigen Brechungsindex des optischen
Mediums angepasst wird. Der Prismenstumpf Pr1 - Pr3 hat daher einen anderen Prismenwinkel als die Prismenstümpfe Pr4 - Pr6 bzw. Pr7 - Pr9, usw. (in der Fig. 10 nicht dargestellt). Werden Lentikulare L in einem autostereoskopischen Display, wie z.B. aus den WO 2005/027534 A2 bzw. WO 2005/060270 A1 bekannt, zur segmentweisen Kollimation eingesetzt, so besteht, wie schon beschrieben, die Möglichkeit, dass Licht auch eine benachbarte Linse erreicht, welche nicht zur Kollimation dieses Lichtes bestimmt ist. Dies wird als Übersprechen bezeichnet.
Bei statischen Ausführungsformen kann das Übersprechen durch ein oder mehrere feste Blendenfelder unterdrückt werden. Diese Blendenfelder können auch apodisiert sein, insbesondere im Sinn der WO 2009/156191 A1 . Dies ist in Fig. 1 1 dargestellt.
Feste Blendenfelder sind jedoch nicht für die Unterdrückung des Übersprechens bei Verwendung eines Lichtquellen-Trackings (Lichtquellen-Nachführung) geeignet.
Der in der DE 10 2006 033 548 A1 beschriebene Einsatz von streifenförmigen Polarisatoren ist hingegen bei Verwendung eines Lichtquellen-Trackings für die Unterdrückung des Übersprechens geeignet. Hierbei kann es problematisch sein, dass Licht an den Polarisatoren geblockt wird. Eine mangelnde Effizienz oder eine mangelnde Lichtausbeute erhöht die Kosten der Lichtquelle und die Kosten im Betrieb.
Feste Blendenfelder sind zur Unterdrückung des Übersprechens in
Kollimationseinheiten bekannt. In DE 10 2006 033 548 A1 wird eine effektive
Unterdrückung des Übersprechens unter Verwendung von streifenförmig
angeordneten Polarisationsfiltern, die auch Polarisationsfolien bzw. Analysatoren genannt werden, bei Verwendung eines Lichtquellen-Trackings beschrieben.
Fig. 12 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel, in dem in einen Ausschnitt der
Anordnung der Fig. 1 polarisierende Elemente PE1 , PE2 eingefügt wurden. Diese dienen dazu, ein Übersprechen in andere Sichtbarkeitsbereiche noch wirksamer zu verhindern: Es soll somit verhindert werden, dass Licht, welches zum Kollimieren nur durch eine Linse des Lentikulars L durchtreten soll, durch eine andere Linse des Lentikulars L durchtritt. Das von Pixeln des Shutter-Displays S ausgehende Licht trifft nicht nur die direkt dahinter angeordnete Linse des Lentikulars L, sondern auch benachbarte Linsen. Dieses Licht kann zu einem Übersprechen in andere
Sichtbarkeitsbereiche führen. Polarisierende Elemente, die am Shutter-Display S, am Lentikular L und/oder dem Daten-Display D angebracht sind, verhindern das
Übersprechen in die Nachbarlinse. Licht gelangt im Wesentlichen nur durch die zur Kollimation des Lichts vorgesehene Linse und eventuell zu einem geringen Teil durch die übernächste Linse, nicht jedoch durch die zur Kollimation des Lichts vorgesehene Linse benachbarte Linse. Es gibt mehrere mögliche Kombinationen der Anordnung solcher polarisierenden Elemente wie auch der Ausführung der polarisierenden
Elemente, von denen im Folgenden zwei Beispiele genannt werden:
Im ersten nicht dargestellten Beispiel ist das Lentikular L mit einem strukturierten Polarisationsfilter versehen. Die Polarisationsrichtung des durch benachbarte Linsen transmittierten Lichts ist abwechselnd beispielsweise horizontal und vertikal
ausgerichtet. Das Shutter-Display S weist in diesem Beispiel Pixel mit abschnittsweise oder pixelweise abwechselnder horizontaler und vertikaler Polarisationsrichtung des transmittierten Lichts auf. Die Polarisationsrichtung kann sich in Spalten- oder
Zeilenrichtung ändern. Durch Aktivieren der entsprechenden Pixel des Shutter-Displays S lässt sich steuern, welche Linsen des Lentikulars L das Licht durchläuft. Das erste Beispiel entspricht diesbezüglich dem Gedanken der aus der WO 2008/009586 A1 bekannten Anordnung .
Im zweiten, in Fig. 12 dargestellten Beispiel werden strukturierte
Verzögerungselemente, hier strukturierte Verzögerungsfolien, auf dem Shutter-Display S und dem Lentikular L verwendet, um die Polarisationsrichtung des Lichts zu drehen. Die Verzögerungsfolien auf dem Shutter-Display S müssen nicht pixelweise strukturiert sein. Stattdessen können sie das gleiche Rastermaß wie das Lentikular aufweisen. Somit kann das Licht im Wesentlichen nur durch die Linsen des Lentikulars L gelangen, die den Pixeln des Shutter-Displays S gegenüber liegen, nicht durch benachbarte Linsen. Diese Ausführung weist eine höhere Lichteffizienz auf als die zuvor
beschriebene.
Im Folgenden wird die Wirkungsweise der in Fig. 12 gezeigten Anordnungen beschrieben: Das von der linken Seite kommende Licht der in Fig. 12 nicht gezeigten Beleuchtungseinrichtung BL ist - senkrecht zur Zeichenebene - linear polarisiert, was durch die konzentrischen Kreise angedeutet ist. An dem Shutter-Display S ist eine strukturierte Verzögerungsfolie (strukturierte Halbwellenlängen-Platte) angeordnet, welche polarisierende Bereiche PE1 aufweist. Die polarisierenden Bereiche PE1 sind derart ausgebildet, dass sie auf die Pixel des Shutter-Displays S wirken, welche den jeweiligen Linsen des Lentikulars L zugeordnet sind und zwar derart, dass sie nur an jeder zweiten Linse L2, L4, .... - in periodischer Fortsetzung - vorgesehen sind. Die polarisierenden Bereiche PE1 sind auch derart ausgebildet, dass sie das linear polarisierte Licht der Beleuchtungseinrichtung BL um 90 ° deg drehen, so dass das dann vorliegende linear polarisierte Licht in der Zeichenebene schwingt. Auf der dem Shutter-Display S zugewandten Seite des Lentikuars L ist eine weitere strukturierte Verzögerungsfolie (strukturierte Halbwellenlängen-Platte) angeordnet, welche polarisierende Bereiche PE2 aufweist, die derart ausgebildet sind, dass sie das linear polarisierte Licht um 90 ° deg drehen. Dem Lentikular L ist ein Linearpolarisator LP nachgeordnet, welcher nur Licht passieren lässt, welches senkrecht zur Zeichenebene linear polarisiert ist. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Maße der weiteren polarisierenden Bereiche PE2 den Maßen der einzelnen Linsen des Lentikulars L entsprechen, kann einen Übersprechen verhindert werden.
Im oberen Bereich des Shutter-Displays S sind zwei Pixel Pi1 , Pi2 transmissiv geschaltet. Dementsprechend kann linear polarisiertes Licht die beiden Pixel Pi1 , Pi2 des Shutter-Displays S passieren, was dann von der obersten, in Figur 1 1 gezeigten Linse L1 kollimiert wird. Das von diesen zwei Pixeln Pi1 , Pi2 kommende Licht kann auch nach der Kollimation durch die Linse L1 den Linearpolarisator LP
passieren. Licht, welches auf den weiteren polarisierenden Bereich PE2 der der Linse L2 zugeordneten strukturierten Verzögerungsfolie auftrifft, wird um 90 ° deg gedreht, kann dann zwar die Linse L2 passieren, wird jedoch von dem Linearpolarisator LP abgeblockt.
Das linear polarisierte Licht, welches durch die der Linse L2 zugeordneten und darunter gezeigten zwei transmissiv geschalteten Pixel Pi3, Pi4 passiert, wird in seiner Polarisationsrichtung um 90 ° deg gedreht. Dies ist durch den Doppelpfeil angedeutet, welcher zwischen den zwei Bereichen PE1 , PE2 gezeigt ist. Der polarisierende Bereich PE2 der strukturierten Verzögerungsfolie dreht die
Polarisation des Lichtes, welches von den polarisierenden Bereich PE1 kommt, um 90 ° deg, so dass das Licht linear polarisiert und senkrecht zur Zeichenebene orientiert ist und durch das Lentikular L und die zweite Linse L2 verlaufen kann. Dementsprechend kann das vom polarisierenden Bereich PE1 kommende Licht, welches auch durch den polarisierenden Bereich PE2 gelaufenen ist, jetzt - nach zweimaliger Drehung der linearen Polarisation - den Linearpolarisator LP passieren. Licht, welches vom polarisierenden Bereich PE1 kommt und welches nicht durch den polarisierenden Bereich PE2 gelaufenen ist, ist immer noch linear in der horizontalen Richtung polarisiert und kann den Linearpolarisator LP nicht passieren.
Es lässt sich jedoch eine Reduktion der Anzahl eingesetzter Polarisationsfilter bei der Unterdrückung des Übersprechens in autostereoskopischen Displays durch die in vorteilhafter Art und Weise angepasste Verwendung strukturierter
Verzögerungselemente (Retarder), wie z.B. strukturierter doppelbrechender
Schichten erreichen. Die Funktion der Unterdrückung störenden Lichtes bleibt bei Steigerung der Gesamt-Transmission um einen Faktor zwischen > 2 und ca. 4 vollständig erhalten.
Die vorteilhafte Drehung der Polarisation des Lichtes erhöht die Gesamttransmission um einen Faktor > 2. Da Standard-Polarisationsfolien auch für die transmittierte Polarisation nur eine Transmission von beispielsweise 0,7 aufweisen, ergibt sich ein realistischer Faktor der eingesparten Lichtleistung, der zwischen 3 und 4 liegt.
Dies bedeutet eine um den Faktor 3 bis 4 geringere erforderliche Lichtleistung, die erforderlich ist, und damit eine um den Faktor 3 bis 4 geringere Leistungsaufnahme der Beleuchtungseinheit im Betrieb des autostereoskopischen oder auch
holographischen Anzeigegerätes.
In DE 10 2006 033 548 A1 wird die Verwendung von zwei Analysatorstreifen pro Linse eines Lentikular-Feldes L, d.h. beispielsweise pro Linse eines
Zylinderlinsenfeldes beschrieben. Dabei wird ein Streifen einer Transmissions- Polarisation in der Ebene der steuerbaren Lichtquellen-Zentren des
Lichtquellenfeldes LS-A und ein zweiter Streifen gleicher Transmissions-Polarisation vor der zugehörigen Linse des Zylinderlinsenfeldes CL angeordnet. Die
Transmissions-Polarisation der beiden in der Ebene der steuerbaren Lichtquellen- Zentren des Lichtquellenfeldes LS-A benachbarten Streifen und in der Ebene der Zylinderlinsen CL benachbarten Streifen einer Polarisationsfolie ist orthogonal zur Transmissions-Polarisation des jeweils eingeschlossenen Streifens einer Polarisationsfolie.
Strukturierte Verzögerungselemente, d.h. Verzögerungselemente, die
doppelbrechende bzw. polarisationsdrehende Bereiche enthalten, können verwendet werden, um eine effektive Unterdrückung des Übersprechens mit einer erhöhten Transmission durch das Display zu verbinden. Das Prinzip ist in Fig. 12 dargestellt, die die Verwendung zweier doppelbrechender Halbwellenlängenstreifen und eines streifenförmigen Analysators vor jeder zweiten Linse des Lentikular-Feldes L zeigt.
Für ein Feld von N Zylinderlinsen (1 D-Zylinderlinsenraster, auch Linsenraster oder Lentikular) werden dabei N/2 Polarisationsfolien-Streifen verwendet. In DE 10 2006 033 548 A1 sind es im Vergleich dazu 2N, d.h. 4x so viel.
Im Folgenden wird die hier vorgeschlagene Ausführungsform mit der
Ausführungsform aus DE 10 2006 033 548 A1 anhand einer Rechnung verglichen, wobei im ersten Fall eine Transmission der Polarisationsfolie bei der Soll-Polarisation von 70 % und im zweiten Fall eine Transmission der Polarisationsfolie bei der Soll- Polarisation von 80 % angenommen wird.
Fall 1 : 70 % Transmission der Polarisationsfolie bei der Soll-Polarisation
Aus (0,5 x 1 + 0,5 x 0,7) / (0,5 x (0,5 x 0,72 + 0,5 x 0,72)) = 0,85 / 0,245 ergibt sich bei der Verwendung von Standard-Polarisations-Folien-Streifen, die 70% Transmission für die Soll-Polarisation aufweisen, eine Erhöhung der Gesamttransmission um einen Faktor von ca. 3,5.
Fall 2: 80 % Transmission der Polarisationsfolie bei der Soll-Polarisation
Bei sehr guten und im Vergleich zu Standard-Polarisations-Folien-Streifen deutlich teureren Polarisations-Folien-Streifen, die 80% Transmission für die Soll-Polarisation aufweisen, ergibt sich mit (0,5 x 1 + 0,5 x 0,8) / (0,5 x (0,5 x 0,82 + 0,5 x 0,82)) = 0,9 / 0,32 eine Erhöhung der Gesamttransmission um einen Faktor von über 2,8.
Die Erhöhung der Gesamttransmission ist in beiden Fällen sehr deutlich. Im Mittel wird ein Faktor von zirka 3 erreicht.
Die Anordnung von streifenförmigen Verzögerungselementen innerhalb einer Baugruppe, die für das Lichtquellen-Tracking verwendet wird, kann sowohl für autostereoskopische als auch für holographische Anzeigegeräte verwendet werden.
Bezüglich des Linsen-, des Lichtquellen- und damit auch des
Verzögerungsfolienstreifen- und Polarisationsfolienstreifenrasters sind eine Reihe von 1 D- oder 2D-Permutationen möglich. Nachfolgend sind Beispiele für 1 D- Linsenfelder aufgeführt:
1 D-Zylinderlinse: Linsenraster sowie Lichtquellen-Zentren äquidistant
1 D-Zylinderlinse: Linsenraster äquidistant und Lichtquellen-Zentren nach außen zunehmend, um die Funktion einer 1 D-Feldlinse 1 D-FL anzunähern
1 D-Zylinderlinse: Linsenraster nach außen zu abnehmend sowie Lichtquellen- Zentren konstant, um die Funktion einer 1 D-Feldlinse anzunähern
1 D-Zylinderlinse: Linsenraster nach außen zu abnehmend sowie Lichtquellen- Zentren nach außen zunehmend, um die Funktion einer 1 D-Feldlinse anzunähern
Diese Permutationen können auch für den Fall der Verwendung eines 2D- Linsenrasters und damit 2D-Lichtquellen-Feldes, 2D-Verzögerungselemente- Segment-Rasters und 2D-Polarisator-Segment-Rasters umgesetzt werden, um beispielsweise die Funktion einer Feldlinse zu implementieren.
Für die Verwendung strukturierter Verzögerungselemente innerhalb einer Anordnung zur Unterdrückung des Lichtquellen-Übersprechens gibt es eine Reihe von
Ausführungsformen, von denen im Folgenden einige Ausführungsformen innerhalb einer Anordnung zur Unterdrückung des Lichtquellen-Übersprechens, die ein Teil der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung ist, beispielhaft dargestellt werden.
Die Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform, in der das primäre Lichtwellenfeld pLF auf ein Shutter-Display S trifft. Damit erfüllt es die Funktion eines lokal kontrolliert an- und ausschaltbaren Lichtquellen-Feldes LS-A. Das Shutter-Display S kann
beispielsweise ein Feld von Zentren sein, die in der Transmission schaltbar sind. Das Shutter-Display S kann andererseits jedoch auch ein Feld von selbstleuchtenden Zentren sein, beispielsweise eine OLED-Matrix. Hinter dem Lichtquellenfeld, oder auch - im Fall der Beleuchtungseinrichtung BL / Shutter-Display S Variante - davor, ist als erstes strukturiertes Verzögerungselement ein räumlich strukturiertes erstes doppelbrechendes Element sR1 angeordnet. In der Lichtquellen-Ebene wird dem Lichtwellenfeld also räumlich strukturiert eine
Polarisations-Matrix aufgeprägt. Die Ausführungsform hängt vom Lichtquellenfeld LS-A ab. Im Falle eines selbstleuchtenden Lichtquellenfeldes ist die Anordnung von der Polarisation des Lichtquellenfeldes LS-A abhängig.
Im Falle eines OLED-Displays (OLED = Organic Light Emitting Diode) als
Lichtquellenfeld LS-A bietet es sich an, beispielsweise in der Ebene sR1 eine räumlich strukturierte Analysator-Matrix anzuordnen, die sich in der Ebene der Zylinderlinsen CL wiederholt. Es kann jedoch auch eine erste unstrukturierte
Analysatorebene und eine strukturierte Verzögerungselemente-Ebene hinter einem OLED-Display in der Ebene sR1 verwendet werden. In einer zweiten Ebene sR2 kann ein zweites strukturiertes Verzögerungselement, z.B. ein räumlich strukturiertes zweites doppelbrechendes Element, und eine unstrukturierte Analysatorebene A verwendet werden, hier als Alternative für einen strukturierten Analysator.
Die strukturierten Verzögerungselemente der Ebenen sR1 und sR2 können sich gegenüber liegen. Wenn in der Ebene sR2 der zweite Analysator gegenüber dem ersten Analysator der Ebene sR1 orthogonal ist, so liegen sich die strukturierten Verzögerungselemente der Ebenen sR1 und sR2 nicht gegenüber. Das hinter den Zylinderlinsen CL vorliegende, austretende Lichtwellenfeld sLF ist frei vom
Lichtquellen-Übersprechen, jedoch noch strukturiert orthogonal polarisiert. Eine weitere, dritte Ebene eines strukturierten Verzögerungselements kann verwendet werden, wenn es für die folgenden Bauteile vorteilhaft ist, eine gleichbleibende Polarisation im austretenden Lichtwellenfeld sLF zu haben.
Im Falle eines Transmissions-Lichtquellenfeldes kann beispielsweise ein
unstrukturierter Analysator vor oder hinter diesem angebracht werden, welcher jedoch entfällt, wenn das aus einer Beleuchtungseinrichtung BL in Richtung
Transmissions-Lichtquellenfeld austretende Licht schon polarisiert ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein flächiger Lichtleiter und ein Auskoppel- Volumengitter in der Beleuchtungseinrichtung BL verwendet werden. Im Falle flächig definiert vorliegender Ausgangspolarisation ist es ausreichend, in der Ebene sR1 eine einzelne strukturierte doppelbrechende Schicht anzuordnen, durch welche eine strukturierte Aufprägung zueinander orthogonaler Polarisationen eingeführt wird.
Eine strukturierte doppelbrechende Schicht kann beispielsweise aus orientiert auspolymensiertenn Flüssigkristallen („liquid crystals") LC bestehen. Die Orientierung der entsprechenden Moleküle kann beispielsweise durch Oberflächenausrichtung („photo alignment") oder durch direkte Orientierung der Molekülen in Abhängigkeit von der Polarisation einer einfallenden Strahlung erfolgen.
Im Falle der Verwendung von polymerisierten Flüssigkristallen hat die Auswahl der Moleküle, bzw. die Auswahl der Mischung der Moleküle, derart zu erfolgen, dass die eingeführte Doppelbrechung, bzw. die eingeführte Polarisationsdrehung für die verwendeten Rekonstruktionswellenlängen möglichst gleich ausfällt, d.h. möglichst Apochromasie der räumlich strukturiert eingeführten Funktion gegeben ist.
Um ausreichende Apochromasie zu erreichen, können in der Ebene des ersten oder zweiten strukturierten Verzögerungselements sR1 oder sR2 auch jeweils mehrere strukturierte doppelbrechende Schichten übereinander gelegt werden.
Da im Allgemeinen chromatische Fehler mit steigender Brechkraft, bzw. mit steigender Doppelbrechung steigen, ist es vorteilhaft, die räumlich strukturiert eingeführte Doppelbrechung zu symmetrisieren. D.h. es ist beispielsweise vorteilhaft, bei der räumlich alternierenden Doppelbrechung, statt 0, λ/2, 0, λ/2, ... -λ/4, +λ/4, - λ/4, +λ/4, ... einzuführen. Dies kann allgemein sowohl für eine räumlich strukturierte Aufprägung von senkrecht zueinander in einer Ebene senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung des Lichts linear polarisierten Licht (TE, TM, TE, TM, ...), als auch für eine räumlich strukturierte Aufprägung von links und rechts zirkulär polarisiertem Licht (LZ, RZ, LZ, RZ, ...) verwendet werden. Die Symmetrisierung der räumlich strukturiert eingeführten Doppelbrechung ist in den Ebenen sR1 , sR2 und optional weiteren Ebenen vorteilhaft.
Das Licht, welches das Shutter-Display D beleuchtet, bzw. im Falle eines
selbstleuchtenden Lichtquellefeldes LS-A aus diesem Lichtquellenfeld LS-A austritt, kann beispielsweise zirkulär, oder auch linear polarisiert sein. Eine in der Ebene sR1 beispielsweise mit -λ/4, +λ/4, -λ/4, +λ/4, ... erste und in der Ebene sR2
beispielsweise mit -λ/4, +λ/4, -λ/4, +λ/4, ... eingeführte zweite Polarisationsdrehung führt in der Summe hinter der Ebene sR2 dann zu orthogonalen
Polarisationszuständen der Zonen benachbarter Lichtquellen-Zentren, d.h. zu orthogonalen Polarisationszuständen des Lichtes welches benachbarten
Zylinderlinsen CL zugeordnet ist, wenn nicht die zugeordneten, d.h. richtigen
Regionen durchlaufen worden sind. Wie anhand Fig. 15 zu sehen ist, ist das benachbarten Kollimationslinsen CL zugeordnete Licht, welches den zugeordneten Bereich in vorgesehener Weise durchläuft, vor dem Analysator A in gleicher Weise polarisiert. Beim Übertritt in einen direkt benachbarten Bereich liegt vor dem
Analysator A eine Polarisation vor, welche von diesem geblockt wird.
Räumlich strukturierte orthogonale Polarisationen können mit räumlich strukturierten Analysatoren abgefragt werden. Wie in Fig. 13 dargestellt, kann der Analysator A flächig, unstrukturiert ausgeführt werden. Er muss jedoch nicht vor dem
Zylinderlinsenfeld L liegen. Es kann beispielsweise ein Analysator A verwendet werden, der auf der Eingangsseite des Daten-Displays D liegt, oder in folgenden Ebenen. Die Anordnung aus Fig. 13 ist bevorzugt, da symmetrisierte
doppelbrechende Strukturen im Allgemeinen eine bessere Apochromasie bezüglich der für drei Rekonstruktionswellenlängen eingeführten Phasenverzögerungen ermöglichen. In dieser Anordnung wird eine polarisationsabhängige
Phasenverzögerung für jeweils alle benachbarten Bereiche, die der Breite einer Zylinderlinse CL oder Linse zugeordnet sind, eingeführt.
Die segmentweise in einer ersten Ebene sR1 eingeführte Polarisationsänderung wird in einer zweiten Ebene sR2 entweder revidiert oder beispielsweise mit einer weiteren Phasendrehung beaufschlagt. Eine mögliche Polarisationsabfolge ist beispielsweise TE12 | LZ1 , RZ2 | TE12 (auch TE1 , TE2 | LZ1 , RZ2 | TE1 , TE2, auch LQ-TE | TE1 , TE2 | LZ1 , RZ2 | TE1 , TE2 | A-TE). Es gibt eine Reihe weiterer möglicher
Polarisationsabfolgen .
In Fig. 14 ist die zweifache Einführung (einmal in der Ebene des ersten strukturierten Verzögerungselements sR1 und einmal in der Ebene des zweiten strukturierten Verzögerungselements sR2) einer Phasendrehung für jede zweite Zylinderlinse CL, bzw. Linse dargestellt. Mögliche, in den einzelnen Ebenen, d.h. vom primären
Lichtwellenfeld pLF bis zum austretenden Lichtwellenfeld sLF vorliegende
Polarisationszustände sind die, welche zwischen den Ebenen des ersten
strukturierten Verzögerungselements sR1 und des zweiten strukturierten
Verzögerungselements sR2 orthogonale Polarisationen ergeben. Es können somit eine Reihe möglicher Kombinationen gewählt werden.
Die Kombination LQ-TE | TE1 , TE2 | TE1 , TM2 | TE1 , TE2 | A-TE, oder auch LQ-TE | TE1 , TE2 | TE1 X TM2 | TE1 , TE2 | A-TE ist in Fig. 15 dargestellt.
Polarisationsorthogonalität liegt im Bereich zwischen der Austrittsebene des steuerbaren Lichtquellenfeldes LS-A und den kollinnierenden Zylinderlinsen CL auch mit | LZ1 X RZ2 | vor, woraus sich mögliche Anordnungen von segmentierten doppelbrechenden Strukturen ergeben. Dabei sind diese segmentierten
doppelbrechenden Bereiche bezüglich der eingeführten Phasenverschiebung in diesem Beispiel nicht symmetrisch ausgelegt.
Zur Veranschaulichung wurde das strukturierte Verzögerungselement etwas vom Lentikular L (Linsenfeld) entfernt. Vorteilhaft ist eine möglichst geringe Entfernung zu diesem.
| TE1 X TM2 | und | LZ1 X RZ2 | lassen sich jeweils durch mehrere Anordnungen realisieren, wobei im Allgemeinen symmetrische Anordnungen wegen geringer chromatischer Phasenfehler bevorzugt sind.
Mögliche Polarisationsabfolgen sind beispielsweise:
LQ-TE | TE1 , TE2 | TE1 X TM2 | TE1 , TE2 | A-TE, nicht symmetrisiert
LQ-TE | TE1 , TE2 | TE1 X TM 2 | TM1 , TM2 | A-TM, symmetrisiert mit sR1 und sR2
LQ-TE | TE1 , TE2 | LZ1 X RZ2 | TE1 , TE2 | A-TE, separat symmetrisiert in sR1 und sR2
LQ-LZ | LZ1 , LZ2 | TE1 X TM 2 | LZ1 , LZ2 | A-LZ, separat symmetrisiert in sR1 und sR2 LQ-LZ I LZ1 , LZ2 | TE1 X TM2 | RZ1 , RZ2 | A-RZ, separat symmetrisiert in sR1 und sR2.
Eine mögliche Eingangspolarisation kann beispielsweise auch eine gedrehte lineare Polarisation sein, d.h. beispielweise TE-45 ° deg. Im Allgemeinen können leichte Änderungen des Polarisationszustandes des primären Lichtwellenfeldes pLF dazu verwendet werden, um eine Intensitätsbalance in unterschiedlich polarisierten Kanälen zu erreichen.
Da ein Flüssigkristall-Daten-Display D im Allgemeinen eine definierte
Eingangspolarisation benötigt und somit in der Regel einen Analysator auf seiner Eingangsseite aufweist, ist es vorteilhaft, mögliche Polarisationsabfolgen darauf auszurichten, d.h. entsprechend anzupassen und den vor dem Lentikular L angebrachten Analysator A zu vermeiden.
Bei der Verwendung von Linsen kann eine Apodisation vorteilhaft eingesetzt werden, um durch das Linsenraster eingeführte Intensitätsvariationen zu kompensieren. Die zumeist in der Nähe der Linsen angebrachte Apodisation kann beispielsweise eine Grauwertverteilung, oder auch eine in Rot R, Grün G und Blau B separierte
Farbfilterverteilung sein. Eine in Rot R, Grün G und Blau B separierte
Farbfilterverteilung bietet sich an, wenn die für einzelne Wellenlängen optimierten Grauwertverteilungen hinreichend unterschiedlich ausfallen. Grauwertverteilung und in Rot R, Grün G und Blau B separierte Farbfilterverteilungen können beispielsweise mittels Belichtung eines photographischen Materials kostengünstig erzeugt werden. Dabei kann auch eine bezüglich einzelner Geräte individualisierte Verteilung gewählt werden, wobei z.B. auch Kalibrationsdaten von Beleuchtungseinrichtungen BL, ggf. auch in Verbindung mit Kalibrationsdaten des Lentikulars L oder auch aller anderen im Anzeigegerät verwendeten relevanten Komponenten verwendet werden können.
In Ergänzung zu Grauwertverteilungen und in Rot R, Grün G und Blau B separierter Farbfilterverteilungen kann eine Apodisation auch mittels einer räumlich
strukturierten Verteilung des Polarisationszustandes erreicht werden. Es bietet sich beispielsweise an, in der Ebene des zweiten strukturierten Verzögerungselements sR2 einer Anordnung, welche in jeder Ebene bzgl. der vorliegenden Doppelbrechung symmetrisiert ist, von einer segmentiert binären Doppelbrechung abzuweichen und eine, wenn auch segmentierte Verteilung der Doppelbrechung so zu wählen, dass beispielsweise dunkler erscheinende Linsenränder dadurch kompensiert werden, dass im zentralen Bereich der einzelnen Linsen die eingeführte Doppelbrechung entsprechend von der Doppelbrechung abweicht, welche die maximale Transmission durch einen beispielsweise in der Eintrittsebene des Daten-Displays D (auch Bild- SLM genannt) folgenden Analysator ermöglichen würde. Somit wird die in der Mitte der Linsen vom Betrachter O wahrnehmbare Intensität derart reduziert, dass die Linsenränder in der gleichen Helligkeit erscheinen wie die mittleren Bereiche der Linsen.
Die Unterdrückung der Sichtbarkeit des Linsenrasters kann auch mittels des Daten- Displays D erfolgen. Dabei können in einem ersten Schritt statische Daten, d.h. beispielsweise Kalibrationsdaten der Nachführungseinheit oder auch Daten aus der optischen Simulation verwendet werden.
Im Mittel über den Nachführungsbereich einzuführenden Apodisationsverteilungen können - ohne dabei die Bit-Tiefe des Daten-Displays D zu reduzieren, welche für dargestellte Bilder zur Verfügung steht - beispielsweise mittels
Grauwertverteilungen, in Rot R, Grün G und Blau B separierter Farbfilterverteilungen und Polarisationszustandsverteilungen fest implementiert werden. Eine dynamische Implementierung kann mittels des Daten-Displays D erreicht werden. Dazu ist es jedoch notwendig, für die Winkel der Nachführung Daten aus der optischen
Simulation und/oder Daten aus der Kalibration zu haben, d.h. diese beispielsweise mittels einer Tabelle hinterlegter Korrekturwerte zu berücksichtigen.
Durch Bestimmung der Augenposition der Nutzer ergeben sich die zugehörigen Winkel im Raum, d.h. die lokal über das Anzeigegerät einzustellenden, bzw.
vorliegenden Winkel, die aus der optischen Simulation oder aus der beispielsweise werkseitig vorgenommenen Kalibration bekannten Intensitätsverteilungen des Lentikular L und somit die durch den Daten-Display D einzustellenden
Korrekturwerte. Das Daten-Display D kann mit den von den Positionen der einzelnen Augen des oder der Betrachter O abhängigen Korrekturwerten zeitsequentiell beaufschlagt werden.
Bei Verwendung zusätzlich angebrachter fester Raumwinkel-Multiplex- Prismenstrukturen führen diese selbst zu räumlichen Variationen der Intensitätsverteilung. Die beispielsweise in das Daten-Display D zusätzlich zum Bildinhalt eingeschriebenen Korrekturwerte berücksichtigen in vorteilhafter Weise das gesamte Volumen, in dem sich ein Nutzer einer autostereoskopischen bzw. holographischen Anzeigevorrichtung aufhalten kann, d.h. den gesamten Bereich der Nachführung der Bildinformation. Im einfachen Fall ist die Aufteilung der
Raumwinkel-Multiplex-Prismenstrukturen symmetrisch.
Somit ergibt sich im einfachsten Fall einer streifenförmig alternierende Aufteilung der Ablenkwinkel der Prismensegmente Pr1 , ...Prn (Prismenzellen) und streifenförmigen Zylinderlinsen CL eine streifenförmige Zuordnung von Apodisations-Korrekturwerten, mit denen beispielweise das Daten-Display D beaufschlagt werden kann. Für eine Augenposition ergibt sich dabei ein eindimensionaler Korrektur-Vektor für die ganze (3D-)Anzeigevorrichtung. Ist die vom Betrachter O lokal auf der Anzeigevorrichtung wahrnehmbare Abschattung beispielsweise nur von der horizontalen und nicht, bzw. in hinreichend geringer Weise von der vertikalen Augenposition abhängig, so ergibt sich ein Satz eindimensionaler Korrektur-Vektoren, d.h. eine 2D-Korrekur-Matrix für das ganze (3D-)Anzeigevorrichtung.
Die Anzeigevorrichtung kann eine feste Multiplex-Prismenfunktion beispielsweise durch das räumliche Multiplexen von Oberflächenrelief-Prismen, aber auch durch das räumliche Multiplexen von Gradientenindex-Prismen realisieren. Es kann damit in 3D-Anzeigevorrichtungen ein Multiplexen von festen Feldlinsenfunktionen implementiert werden.
Ein räumlicher Lichtmodulator (spatial light modulator) SLM kann in
autostereoskopischen und holographischen Anzeigevorrichtungen Apodisations- Korrekturen für streifenförmige Raumwinkel-Multiplex-Prismenstrukturen und für matrixförmige Raumwinkel-Multiplex-Prismenstrukturen enthalten, wobei diese Multiplex-Prismenstrukturen beispielsweise zur Erweiterung des Bereiches der Nachführung oder zur Realisierung mehrerer, im Winkel zueinander gekippter, ineinander verschachtelter Feldlinsenfunktionen verwendet werden können.
Ineinander verschachtelte Feldlinsenfunktionen entsprechen einem
Ineinanderschachteln von Linsen- und Keilfunktionen. Bei der Verwendung mehrerer brechender, schräg zum einfallenden Strahl angeordneter Flächen liegt die Grenzfläche mit der größten Brechkraft möglichst an der Austrittsebene, um eine mögliche Abschneidung des Lichtbündels zu minimieren.
Beispiele einiger möglicher Implementierungen von festen Raumwinkel-Multiplex- Prismenstrukturen sind in Fig. 16 dargestellt. Es ermöglicht das Ineinandersetzen mehrerer Prismen und eine Planarisierung der Oberflächen von festen Raumwinkel- Multiplex-Prismenstrukturen, ähnlich wie in der WO 2010/066700 A2 eingesetzt.
In der Nähe von festen Raumwinkel-Multiplex-Prismenstrukturen können in
autostereoskopischen Anzeigegeräten auch feste und schaltbare Streufolien angebracht werden, um eine Optimierung des Sichtbarkeitsbereiches zu erreichen.
Alternativ zur zeitsequentiellen Darstellung kann ein räumliches Multiplexen verwendet werden, um die lokal variierenden Abstrahlwinkel zu erzeugen. Bei 1/60 ° deg Winkelauflösung des menschlichen Auges - unter optimalen Bedingungen - ergibt sich bei 1 m Betrachterabstand eine Pixelgröße von 290 μιτι, die der
Auflösung entspricht. Für eine räumliches 2x-Multiplexen in horizontaler Richtung eines autostereoskopischen Displays ergibt sich somit eine Pixelgröße von 145 μιτι, wenn ein Betrachterabstand von 1 m angenommen wird, und eine Pixelgröße von 109 μιτι, wenn ein Betrachterabstand von 750 mm angenommen wird.
Die Periode der räumlichen Strukturierung der beispielsweise über einer Streufolie aufzubringenden Prismenfolie ist ΛΡ > 100 μιτι. Diese Prismenstruktur, die zwei verschachtelten außeraxialen 1 D-Fresnel-Linsen entspricht, kann beispielsweise durch Abformung eines Masters erzeugt werden. Die Anordnung der Streuschicht hinter der Prismenmaske ist die favorisierte Ausführungsform.
Die Implementierung einer mittleren Feldlinsenfunktion und mittlerer außeraxialer Feldlinsenfunktionen reduziert die durch die Beleuchtung - beispielsweise bei der Verwendung eines Lichtquellen-Trackings - aufzubringenden Winkel und damit die im Lichtquellen-Tracking erzeugten Aberrationen, welche im Allgemeinen mit größeren Winkeln zunehmen.
Die Übergänge zwischen einzelnen Flächen der Multiplex-Prismen-Feldern stellen ebenfalls eine Quelle von störendem Licht dar. Dieses störende Licht, d.h. dieses störende Übersprechen kann durch die Verwendung von Amplituden- Blendenmasken verringert werden, die direkt vor den Übergängen der Multiplex- Prismen, direkt auf diesen oder auch direkt hinter diesen angebracht werden. Diese zusätzliche Blenden-Anordnung BA ist in Fig. 17a und 17b dargestellt. In Fig. 17b ist zudem dargestellt, dass Mikrolinsen ML eingesetzt werden können, um die
Transmission durch die Prismen-Ebene zu erhöhen. Dabei wird der Anteil des Lichtes reduziert, der an der Blenden-Anordnung BA absorbiert wird. In Fig. 17c ist dargestellt, dass auch auf Blenden verzichtet werden kann, und dennoch eine Ausleuchtung der Prismen-Kanten vermieden wird.
Die Apodisation der Übergangsbereiche der Raumwinkel-Multiplex-Prismen kann beispielsweise binär oder auch in Form eines Grauwertverlaufs ausgeführt werden.
Eine Unterdrückung des Übersprechens zwischen festen Prismensegmenten kann auch durch Seitenwände erreicht werden, die beispielsweise absorbierend ausgeführt werden.
Die hier vorgeschlagene Unterdrückung des Übersprechens benachbarter Bereiche unter Maximierung der Gesamttransmission kann ebenfalls für die Ebene der Raumwinkel-Multiplex-Prismen eingeführt werden.
Den Pixeln (also den Bildpunkten des Daten-SLM bzw. Daten-Displays D), welche den Prismensegmenten zugeordnet sind, können in alternierender Weise
strukturierte Verzögerungselemente nach- oder auch vorgeschaltet werden, um ihnen eine alternierende Sollpolarisation aufzuprägen, also beispielsweise TE-TM- TE- ... usw., oder LZ-RZ-LZ- ... usw. (TE: transversal elektrisch, TM: transversal magnetisch, LZ: links zirkulär, RZ: rechts zirkulär).
Es kann hierbei ausschließlich mit strukturierten Polarisatoren gearbeitet werden, was zwar das Übersprechen zwischen Raumwinkel-Multiplex-Prismen verhindert, jedoch bezüglich der Erhöhung der Gesamttransmission nicht die bevorzugte Ausführungsform darstellt.
Die bevorzugte Ausführungsform ist hier die minimierte Verwendung von Polarisatoren. Den Prismenflächen sind alternierend strukturierte
Verzögerungselemente, bzw. strukturierte Verzögerungselemente-Analysator- Kombinationen vor- bzw. nachgeschaltet.
Die Symmet sierung der räumlich strukturiert eingeführten Doppelbrechung ist auch hier vorteilhaft. Mögliche Polarisationszustände ergeben sich analog zu den
Ausführungsformen zur Unterdrückung des LQ-Übersprechens.
Der Abstrahlwinkel bzw. die Abstrahlcharakteristik von den Lichtquellen des
Lichtquellenfeldes LS-A zum Lentikular L muss so groß sein, dass eine Linse des Lentikulars L in der vollen Fläche von einer Lichtquelle des Lichtquellenfeldes LS-A ausgeleuchtet wird.
Enthält das Lichtquellenfeld LS-A eine Beleuchtungseinrichtung BL und ein Shutter- Display S, so wird dieser Abstrahlwinkel der Lichtquelle also in diesem Fall einer Shutteröffnung S1 ...Sn durch die Beleuchtung des Shutter-Displays S durch die Beleuchtungseinrichtung BL, eventuelle streuende Komponenten des Shutter- Displays S oder zum Teil auch durch Beugung an den Shutteröffnungen S1 ...Sn generiert.
Ist das Lichtquellenfeld ein selbstleuchtendes Display, so wird der Abstrahlwinkel durch den Aufbau der Lichtquellen selbst oder durch eventuell streuende
Komponenten vor den Lichtquellen generiert.
Die Bedingung der vollständigen Ausleuchtung der Linse muss für alle für das Lichtquellen-Tracking benötigten Positionen der Shutteröffnungen S1 , ...Sn hinter einer Linse eingestellt werden beziehungsweise für alle Lichtquellen eines
selbstleuchtenden Displays als Lichtquellenfeld LS-A.
Üblicherweise haben die Shutteröffnungen S1 , ...Sn beziehungsweise die
Lichtquellen eines selbstleuchtenden Displays einen symmetrischen Abstrahlwinkel.
Für Shutteröffnungen S1 , ...Sn beziehungsweise Lichtquellen eines
selbstleuchtenden Displays, die zur Linsenmitte bzw. zur optischen Achse der Linse lateral verschoben sind, bedeutet das, dass der Abstrahlwinkel größer gewählt werden muss, als es dem Winkel vom Shutter-Display S oder vom selbstleuchtenden Display zur Breite einer Linse entspricht.
Figur 18 zeigt dies schematisch am Beispiel eines Shutter-Displays S. Eine
Shutteröffnung S1 (welche durch ein transparentes Pixel des Shutter-Displays S realisiert werden kann) soll Licht durch eine Linse L1 in Richtung einer detektierten Betrachterposition lenken. Der Abstrahlwinkel (Winkel zwischen den fett
eingezeichneten Linien) muss so groß sein, dass zumindest der obere Rand der Linse L1 erreicht wird. Bei einer symmetrischen Abstrahlung heißt das aber, dass ein Teil des Lichtes die Linse L2 trifft. Dieser Teil wird für das Lichtquellen-Tracking jedoch nicht benötigt. Er kann zwar blockiert werden. Das entspricht aber einem Lichtverlust im System, also einer ungünstigen Lichteffizienz.
Vorteilhafter ist es deshalb, in unmittelbarer Nähe zu den Shutteröffnungen S1 , ...Sn beziehungsweise der Lichtquellen eines selbstleuchtenden Displays
Prismenelemente PriEl oder Linsen LiEl zu platzieren, die das Licht von den
Shutteröffnungen S1 , ...Sn beziehungsweise den Lichtquellen des selbstleuchtenden Displays in Richtung der Mitte der jeweiligen Linsen des Lentikulars L lenken. Dies ist schematisch in den Figuren 19 und 20 gezeigt.
Figur 20 zeigt am Beispiel eines Shutter-Displays S Linsen CL vor den
Shutteröffnungen S1 , ...Sn. In der bevorzugten Ausgestaltung entspricht die
Brennweite dieser Linsen CL ungefähr dem Abstand zwischen Shutter-Display S und Lentikular L. Figur 20 zeigt am Beispiel eines Shutter-Displays S die Ausgestaltung der Lösung mit Prismenelemente PriEl. Ein Prisma vor jeder Shutteröffnung S1 ...Sn lenkt das Licht zur Mitte der Linse L1 des Lentikulars L.
Es ist dann ein kleinerer Abstrahlwinkel der Shutteröffnungen S1 , ...Sn
beziehungsweise der Lichtquellen eines selbstleuchtenden Displays nötig, um die gewünschte Linse L1 des Lentikulars L auszuleuchten.
Dieser kleinere Abstrahlwinkel kann bei einem Lichtquellenfeld LS-A, das eine Beleuchtungseinrichtung und ein Shutter-Display S enthält, erzeugt werden, indem zum Beispiel die Eigenschaften der Beleuchtungseinrichtung BL oder eines Streuers im oder auf das Shutter-Display S angepasst werden. Im Fall eines Lichtquellenfeldes LS-A, das ein selbstleuchtendes Display enthält, kann können zum Beispiel die Eigenschaften der Lichtquellen selbst oder eines Streuers angepasst werden.
Mit dem kleineren bzw. angepassten Abstrahlwinkel wird somit eine verbesserte Effizienz von Lichtintensität in der Beleuchtungseinrichtung BL relativ zur
Lichtintensität erzielt, welche in die Richtung auf die detektierte Betrachterposition gelenkt wird. Die genannten Prismen und Linsen können allgemein entweder als refraktive oder als diffraktive Elemente ausgelegt sein.
Beim Lichtquellen-Tracking bietet sich auch die Verwendung von sehr
kurzbrennweitigen Mikrolinsen vor den Bildpunkten des Daten-Displays D an.
Voraussetzung ist eine Brennweite der Mikrolinsen, welche sich aus dem Winkel, der durch das Lichtquellen-Tracking maximal eingeführt wird, ergibt. Für eine
Vergrößerung des Winkelbereiches, der durch einzelne Pixel zu propagieren ist, ist eine Verkleinerung der Brennweite der Mikrolinsen notwendig, die sich direkt vor den einzelnen Pixeln des Daten-Displays D befinden. Somit ist es möglich, den zwischen den Pixeln P1 , ...Pn vorliegenden Bereich nicht auszuleuchten. Dies erhöht die Transmission durch das Daten-Display D. Durch die Nichtausleuchtung des zwischen den Pixeln P1 , ...Pn vorliegenden Übergangsbereiches ist es speziell im Falle einer holographischen Anzeigevorrichtung möglich, lokal fehlerhafte Phasenwerte, sogenannte Fringe Fields, zu vermeiden. Diese, die holographische Rekonstruktion von Objektpunkten störenden Übergangsbereiche können durch Verwendung von Mikrolinsen optisch ausgeblendet werden, wobei eine rein absorbierende
Amplitudenmaske vermieden und damit die Gesamttransmission erhöht wird.
Mikrolinsen können auch in anderen Ebenen eingesetzt werden um die Transmission zu erhöhen. Die Anordnung der Mikrolinsen ML vor Prismen, welche den Bildpunkten des Daten-Displays D nachgeordnet sind, ist in Fig. 17 dargestellt.
Die Verwendung doppelbrechender Raumwinkel-Multiplex-Prismen erlaubt es, die Umschaltung zwischen implementierten Vorablenkungen mittels der Umschaltung zwischen Polarisationszuständen vorzunehmen. Dazu kann beispielsweise eine schnell schaltende λ/2-Flüssigkristall-Fläche verwendet werden, wie sie beispielweise in Stereo-Anzeigegeräten verwendet wird um zwischen den
Polarisationen, die vom linken oder rechten Analysator der Brille transmittiert werden, umzuschalten, d.h. beispielsweise zwischen TE und TM oder LZ und RZ.
Diese Vorgehensweise kann für große Winkel oder auch für kleine Winkel, wie beispielsweise den Winkel zwischen zwei Augen verwendet werden.
Vorteilhaft lassen sich polymerisierte Flüssigkristalle verwenden, um hohe
Unterschiede im Brechungsindex und damit im Ablenkwinkel der doppelbrechenden Prismenstrukturen zu erzeugen, welche für die unterschiedlichen Polarisationen vorliegen, bzw. zwischen denen hin und her geschaltet werden kann. Ein Beispiel zur Erzeugung einer doppelbrechenden Prismenstruktur ist die Erzeugung einer
Prismenstruktur, in die ein Flüssigkristall eingebettet wird, und die im Anschluss polymerisiert. Zur Orientierung der Flüssigkristalle kann beispielsweise ein durch Bürstung oder Belichtung erzeugtes Oberflächen-Alignment, oder auch eine
Ausrichtung mittels Belichtung und Ausrichtung der Flüssigkristalle oder anderer Moleküle vorzugsweise senkrecht oder parallel zur Eingangspolarisation verwendet werden. In der Industrie werden zur Bürstung von Flüssigkristall-Ausrichtungsflächen sehr feine Bürsten eingesetzt, welche die Form einer Rolle haben.
Es kann auch eine erste doppelbrechende Prismenstruktur erzeugt werden, in die eine zweite, doppelbrechende, jedoch in der Hauptachse des Brechungsindex- Ellipsoids anders orientierte Prismenstruktur eingebettet wird.
Die doppelbrechenden Prismenstrukturen können neben- und ineinander gesetzt werden. Vorteilhaft im Sinne der Anzahl der zu verwendenden Pixel eines Daten- Displays (Daten-SLM) ist die Ineinandersetzung doppelbrechender
Prismenstrukturen. Bei der Ineinandersetzung kann die Orientierung der
Hauptachsen des Brechungsindex-Ellipsoids der Teil-Prismen beispielsweise analog dem Rochon-, dem Senarmont- oder dem Wollaston-Polarisations-Strahlteiler angeordnet werden. Ineinandersetzung bedeutet hier, dass beispielsweise mehrere Prismenstrukturen übereinander angeordnet sind. Beispielsweise können auch drei doppelbrechende, oder zwei doppelbrechende Prismenstrukturen und ein nicht doppelbrechendes Prisma übereinander gesetzt werden. Dabei kann eine Anordnung aus drei Prismenstrukturen dazu verwendet werden, den effektiven Füllfaktor der Austrittebene im Vergleich zu einer Anordnung aus zwei übereinander angeordneten Prismenstrukturen zu erhöhen und damit den
Beugungswinkel der einzelnen Pixel-Apertur zu verringern, d.h. mehr Licht in die Eintrittspupille des Benutzerauges zu bekommen.
Allgemein gilt dies für ablenkende Prismen, d.h. auch für Raumwinkel-Multiplex- Prismen, die aus Materialien mit kugelsymmetrischem Brechungsindex-Ellipsoid, d.h. isotropem Material bestehen.
Hinter einer Lichtquellen-Tracking-Einheit können Raumwinkel-Multiplex-Gitter eingesetzt werden, um den Gesamt-Winkelbereich der Nachführung zu erhöhen. Diese Anordnungen können für autostereoskopische Displays und für
holographische Displays eingesetzt werden.
Beispielsweise können dünne, schaltbare Volumengitter eingesetzt werden, die jeweils einen zusätzlichen, frei wählbaren Zusatz-Ablenk-Winkel erzeugen, welcher z.B. mittels einer Lichtquellen-Tracking-Einheit um ± 15 ° deg in hinreichend feinen Winkel-Abstufungen variiert werden kann. Das Ein- und Ausschalten, d.h. das leichte Umorientieren von in Volumengittermatrizen eingebetteten Flüssigkristallen erfolgt über flächige, hinreichend transparente Elektroden.
Beispielsweise können schaltbare Flüssigkristall-Oberflächenrelief-Gitter eingesetzt werden, die jeweils einen zusätzlichen, frei wählbaren Zusatz-Ablenk-Winkel erzeugen, welcher z.B. mittels einer Lichtquellen-Tracking-Einheit um ± 25 ° deg in hinreichend feinen Winkel-Abstufungen variiert werden kann. Das Ein- und
Ausschalten, d.h. das Umorientieren von in Oberflächenreliefstrukturen eingebetteten Flüssigkristalle erfolgt über flächige, hinreichend transparente Elektroden.
Beispielsweise können flächig schaltbare Polarisations-Flüssigkristall-Gitter eingesetzt werden, die jeweils einen zusätzlichen, frei wählbaren Zusatz-Ablenk- Winkel erzeugen, welcher z.B. mittels einer Lichtquellen-Tracking-Einheit um ± 35 ° deg in hinreichend feinen Winkel-Abstufungen variiert werden kann. Das Ein- und Ausschalten der Zusatzwinkel erfolgt über das Ein- und Ausschalten von flächig schaltbaren Verzögerungsplatten, d.h. mit zumindest mit einer flächig schaltbaren Polarisationsumschaltung. Eine Umschaltung zwischen den Polarisationen LZ, TE und RZ entspricht dabei beispielsweise Umschaltung zwischen den Winkeln 35 ° deg, 0 ° deg und - 35 ° deg. Dieser Anordnung können optional ein oder mehre flächig schaltbare Polarisatoren nachgeschaltet werden, um störende nullte
Beugungsordnungen zu blockieren.
Die Verwendung von polymerisierten Polarisationsgittern kann in Verbindung mit einer flächigen Polarisationsumschaltung erfolgen, wobei für die somit drei wählbar zuschaltbaren Winkel die volle Auflösung des Daten-Displays D genutzt werden kann. Polymerisierte Polarisationsgitter weisen beispielsweise im Vergleich zu Volumengittern eine deutlich höhere Winkelselektivität auf, so dass sie z.B. mit einem durch eine Lichtquellen-Tracking-Einheit erzeugten Winkelbereich beleuchtet werden können, der ± 15 ° deg beträgt, wobei gleichzeitig hohe
Beugungswirkungsgrade erreicht werden.
Hinter einem Daten-Display D können beispielsweise segmentierte doppelbrechende Bereiche und segmentierte polymerisierte Polarisationsgitter angebracht werden. Durch Anschalten einzelner Pixel P1 ...Pn des Daten-Displays D, bzw. durch Auswahl von Segmenten des Daten-Displays D werden räumlich segmentierte Polarisationszustände erzeugt, räumlich segmentierte oder auch räumlich nicht segmentierte Polarisationsgitter beleuchtet und somit räumlich segmentierte
Beugungswinkel (Multiplex-Winkel) ausgewählt. Die notwendige Auflösung des Daten-Displays D steigt jedoch dabei mit der Anzahl der im Raumwinkel-Multiplex- Element implementierten Winkel. Ein Multiplexen kann beispielsweise zusätzlich auch bezüglich der Farben erfolgen.
Die segmentierte oder auch unsegmentierte Auswahl von Multiplexfunktionen kann beispielsweise unter Verwendung von Oberflächenrelief-Prismenstrukturen,
Brechungsindexgradient-Prismenstrukturen, Polarisationsprismenstrukturen, zusammengesetzten, hintereinander liegenden Prismenstrukturen, die
beispielsweise aus 2 oder 3 nacheinander angeordneten Teil-Prismen bestehen und beispielsweise auch planarisiert sind, Polarisationsgittern, Volumengittern und Oberflächenreliefgittern erfolgen. Im Allgemeinen wird dabei die Anzahl der implementierbaren Multiplex-Funktionen durch die im Daten-Display D zur Verfügung stehende Auflösung begrenzt.
Die hier beschriebenen Aspekte können beispielsweise für autostereoskopischen Anzeigevorrichtungen und holographische Anzeigevorrichtungen verwendet werden, wobei sowohl die Nachführung eindimensional (1 D) oder zweidimensional (2D), als auch im Falle holographischer Anzeigegeräte die Kodierung eindimensional (1 D) oder zweidimensional (2D) erfolgen kann.
Es kann eine Erhöhung der Gesamttransmission und eine Reduzierung von störendem, d.h. die Bildqualität reduzierendem Licht erreicht werden.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken. Insbesondere könnten die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele - soweit möglich - miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Anzeigevorrichtung zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene, die ein Lichtquellenfeld (LS-A), ein Lentikular (L) und ein Daten-Display (D) in dieser
Reihenfolge, aber nicht notwendigerweise unmittelbar nacheinander folgend, umfasst, gekennzeichnet durch ein auf das Daten-Display (D) folgendes Multiplex- Element, mit dem vom Daten-Display (D) einfallendes Licht in mehrere
Winkelsegmente verteilbar ist.
2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtquellenfeld (LS-A) eine Beleuchtungseinrichtung (BL) und ein Shutter-Display (S) enthält.
3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtquellenfeld (LS-A) ein selbstleuchtendes Display, insbesondere ein OLED- Display, enthält.
4. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Bestimmung eines Sichtbarkeitsbereiches enthält.
5. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass sie ein autostereoskopisches 3D-Display beinhaltet.
6. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass sie ein holographisches 3D-Display beinhaltet.
7. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Feldlinse (FL), die dem Multiplex-Element nachfolgend oder die zwischen Lentikular (L) und Daten-Display (D) angeordnet ist.
8. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Daten-Display (D) Pixel (P1 , ... Pn) und das Multiplex- Element Segmente enthält, wobei die Segmente des Multiplex-Elements an die Pixel (P1 , ...Pn) des Daten-Displays (D) angepasst sind.
9. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Daten-Display (D) pixelweise angeordnete Farbfilter (F) für die Grundfarben enthält, und die dazu korrespondierenden Segmente des Multiplex- Elements jeweils wellenlängenabhängig brechend ausgebildet sind.
10. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass das Multiplex-Element eine Prismenmaske (PM) enthält, die eine zeilen- und/oder spaltenweise periodische Anordnung von Prismensegmenten (Pr1 , ...Prn) umfasst.
1 1 . Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismensegmente (Pr1 , ...Prn) der Prismenmaske (PM) des Multiplex-Elements mehrere brechende, im Winkel größer 0 ° deg und kleiner 90 ° deg zur optischen Achse angeordnete Flächen unterschiedlicher Brechkraft enthält.
12. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Daten-Display (D) pixelweise angeordnete Farbfilter (F) für die Grundfarben und die korrespondierenden Prismensegmente (Pr1 , ... Prn) der Prismenmaske (PM) ihrem wellenlängenabhängigen Brechungsindex angepasste Prismenwinkel enthalten.
13. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Anordnung von das Licht polarisierenden Elementen (PE).
14. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Licht polarisierender Elemente (PE) mit mindestens zwei der drei
Elemente Lichtquellenfeld (LS-A), Lentikular (L) und Daten-Display (D) verknüpft ist.
15. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Licht polarisierender Elemente (PE) strukturierte Polarisationsfilter und/oder strukturierte Verzögerungselemente enthält.
16. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierten Polarisationsfilter und/oder strukturierten Verzögerungselemente derart angeordnet und ausgebildet sind, dass ein Übersprechen weitgehend vermeidbar ist.
17. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierten Verzögerungselemente doppelbrechende und/oder
polarisationsdrehende Bereiche enthalten.
18. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, dass die Licht polarisierenden Elemente (PE) derart ausgestaltet sind, dass sie mehrere übereinander angeordnete, polarisierende Teilelemente enthalten.
19. Anzeigevorrichtung nach einem der Anspruch 17 oder 18, dadurch
gekennzeichnet, dass die Doppelbrechung strukturierter Verzögerungselemente symmetrisiert ist.
20. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Apodisationsmittel enthält.
21 . Anzeigevorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Apodisationsmittel eine Grauverteilung oder eine in Rot-Grün-Blau separierte
Farbverteilung oder eine räumliche Verteilung des Polarisationszustandes enthält.
22. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Apodisationsmittel im Daten-Display implementiert ist.
23. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, dass das Daten-Display (D) Pixel (P1 , ... Pn) umfasst und zwischen den Pixeln des Daten-Displays (D) nichtausgeleuchtete Übergangsbereiche enthält.
24. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch ein zusätzlich in den Strahlgang einbringbares, steuerbares Ablenkelement.
25. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche, steuerbare Ablenkelement in schaltbare Volumengittermatrizen eingebettete Flüssigkristalle (LC) und transparente Elektroden enthält.
26. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche, steuerbare Ablenkelement schaltbare Flüssigkristall-Oberflächenrelief- Gitter und transparente Elektroden enthält.
27. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche, steuerbare Ablenkelement schaltbare Flüssigkristall-Polarisations-Gitter als schaltbare Verzögerungsplatten enthält.
28. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch
gekennzeichnet, dass lichtausgangsseitig auf dem Lichtquellenfeld (LS-A) optische Elemente angeordnet sind, durch die das Licht des Lichtquellenfeldes (LS-A) jeweils zur Mitte einer Linse des Lentikulars (L) lenkbar ist.
29. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente Linsen enthalten, deren Brennweite dem Abstand zwischen Lichtquellenfeld (LS-A) und Lentikular (L) entspricht.
30. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente Prismen enthalten.
31 . Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch
gekennzeichnet, dass sie Mikrolinsen (ML) vor dem Multiplex-Element und/oder eine Blendenanordnung (BA) vor oder direkt hinter dem Multiplex-Element enthält.
32. Verfahren zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene, wobei Licht aus einem Lichtquellenfeld (LS-A) in Abhängigkeit eines von der Position eines
Betrachters definierten Sichtbarkeitsbereichs ausgesendet wird, durch ein Lentikular (L) auf ein Daten-Display (D) geleitet wird, das Daten-Display (D) die Transmission dieses Lichtes pixelweise in Phase und/oder Amplitude steuert und das modifizierte Licht schließlich durch einen Betrachter in seinem Augen zugeordneten
Sichtbarkeitsbereichen wahrgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Multiplex-Element das von Daten-Display (D) kommende Licht in mehrere
Winkelsegmente verteilt.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das
Lichtquellenfeld (LS-A) eine Beleuchtungseinrichtung (BL) enthält, aus der ein homogenen Lichtwellenfeld austritt und anschließend in Abhängigkeit eines von der Position eines Betrachters definierten Sichtbarkeitsbereichs aktivierte Pixel (P1 , ...Pn) eines Shutter-Displays (S) passiert.
34. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass ein
selbstleuchtendes Display, insbesondere ein OLED-Display, Licht aus aktivierten Pixeln dieses Displays in Abhängigkeit eines von der Position eines Betrachters definierten Sichtbarkeitsbereichs aussendet.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht sequentiell in die einzelnen Winkelsegmente gelenkt wird, wobei zu einer Zeit immer nur ein Winkelsegment beleuchtet wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Sichtbarkeitsbereich innerhalb eines Winkelsegments mittels Lichtquellen- Trackings nachgeführt wird.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführung des Sichtbarkeitsbereichs innerhalb eines Winkelsegments zeitlich sequenziell erfolgt.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht auf seinem Weg vom Lichtquellenfeld (LS-A) zum Betrachter eine Feldlinse (FL) durchläuft.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass in vorgebbaren räumlichen Bereichen Licht auf dem Weg vom Lichtquellenfeld (LS-A) zum Betrachter eine Änderung seiner Polarität erfährt.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass eine Apodisation erfolgt.
41 . Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Apodisation für verschiedene Augenpositionen zeitsequentiell erfolgt.
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 41 , dadurch gekennzeichnet, dass das Licht durch ein in den Strahlgang einbringbares, steuerbares
Ablenkelement zusätzlich abgelenkt wird.
43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Ablenkung durch das Umorientieren von in einem Volumengitter oder in einem Flüssigkristall-Oberflächenrelief-Gitter oder in einem Flüssigkristall-Polarisations- Gitter enthaltenen Flüssigkristallen, die Teil eines steuerbaren Ablenkelements sind, erzeugt wird.
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