DE69712902T2 - Flacher bildschirm - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Bildschirme, insbesondere die Videoanzeige von dreidimensionalen Bildern.
• Videobildschirme präsentieren normalerweise sich bewegende zweidimensionale Bilder zur Verwendung bei Fernsehgeräten und Computermonitoren. Es wird möglich, dreidimensionale Bilder auf solchen Bildschirmen anzuzeigen, und es ist eine Vielzahl von Konfigurationen vorgeschlagen worden. Es ist bekannt, dass Hologramme dreidimensionale Bilder zeigen können. Ein grobes Hologramm kann von einem hochauflösendem Flüssigkristallbildschirm geschrieben werden, so dass Bildschirme in der Lage sind, dreidimensionale Videobilder zu zeigen. Es ist jedoch schwierig, Flüssigkristallbildschirme mit Pixeln mit einer Breite von weniger als fünf Mikrometer herzustellen, und Hologramme, die auf solchen Bildschirmen erzeugt werden, bieten ein enges Sichtfeld.
• Wie zweidimensionale Videobilder durch Rasterabtasten eines zweidimensional anzeigenden Schirms angezeigt werden, kann ein dreidimensionales Bild durch Rasterabtasten eines dreidimensionalen Volumens angezeigt werden. Eine Möglichkeit dafür ist das Abtasten eines Volumens eines geeigneten Materials mittels zweier Laserstrahlen. Wenn das Material für beide Laserstrahlen durchlässig ist und wenn das Material Licht an einem beliebigen Punkt emittiert, an dem sich die Laserstrahlen schneiden, kann bewirkt werden, dass der Schnittpunkt der Laserstrahlen das gesamte Volumen überstreicht, um das dreidimensionale Bild zu schreiben. Das Problem mit solchen Bildschirmen besteht darin, dass die von ihnen erzeugten Bilder notwendigerweise transparent sind, d. h. es ist nicht vorgesehen, dass Bilder im vorderen Bereich des Volumens Licht von Bildern im hinteren Bereich blockieren.
• Häufiger wird die Technik angewandt, bei der ein herkömmlicher Videobildschirm abwechselnd linke und rechte Bilder eines dreidimensionalen Objekts anzeigt und der Betrachter eine Brille trägt, die jeweils eines der beiden Bilder für jedes Auge sichtbar macht. Wenn dies so schnell geschieht, dass ein Flackern nicht wahrnehmbar ist, sieht der Betrachter ein Stereobild, das die Wahrnehmung von Tiefe ermöglicht.
• Brillen können jedoch verloren gehen. Eine alternative Möglichkeit ist das Platzieren eines Arrays kleiner Linsen über einem zweidimensional anzeigenden Bildschirm und das Vorsehen zweier Pixel hinter jeder kleinen Linse. Unter der Voraussetzung, dass der Betrachter die korrekte Position eingenommen hat, kann dafür gesorgt werden, dass ein Pixel hinter jeder kleinen Linse für das rechte Auge des Betrachters und das andere für das linke Auge des Betrachters abgebildet wird. Der Betrachter sieht dann ein Stereobild, ohne dass er eine Brille tragen muss.
• Das Problem mit einem derartigen Projizieren von nur zwei Ansichten besteht darin, dass der Betrachter seinen Kopf in der korrekten Position halten muss. Wenn mehr als zwei Pixel hinter jeder kleinen Linse vorgesehen sind, wird es möglich, mehrere Ansichten des dreidimensionalen Bildes zu projizieren. Dies bietet den doppelten Vorteil, dass der Betrachter ein Stereobild über einen größeren Positionsbereich sieht, und dass der Betrachter das dreidimensionale Bild aus einer Vielzahl von Winkeln betrachten kann.
• Damit das System mit den kleinen Linsen funktioniert, muss die zweidimensionale Darstellung eine hohe Auflösung haben, und dies macht die Erzeugung der Darstellung schwierig. Eine weitere Vorgehensweise ist das Anpassen eines rückprojizierenden zweidimensional anzeigenden Bildschirms, der normalerweise einen Videoprojektor und einen lichtdurchlässigen Schirm aufweist. Wenn der lichtdurchlässige Schirm in einem solchen Bildschirm gegen eine Linse ausgetauscht wird, bildet das Licht von dem Videoprojektor wie zuvor ein Videobild, das in der Ebene der Linse liegt, nach dem Durchlaufen der Linse konvergiert das Licht jedoch in eine Zone an einem Punkt im Raum, der tatsächlich ein Bild des Videoprojektors ist. Wenn der Betrachter ein Auge in diese Zone richtet, kann er ein zweidimensionales Bild sehen, jedoch nur mit diesem Auge. Wenn ein weiterer Videoprojektor neben den ersten angeordnet wird, wird eine Ansicht für das andere Auge des Betrachters dargestellt, und es können in der Tat weitere Projektoren hinzugefügt werden, um mehr Ansichten in angrenzenden Positionen darzustellen, in die sich der Kopf des Betrachters möglicherweise bewegt. Ein solches System ist in Fig. 1 gezeigt. Dieses System kann aus Projektoren mit bekannter Auflösung zusammengesetzt sein, die Projektoren müssen jedoch sehr genau positioniert werden, und die Projektorlinsen müssen derart ausgebildet sein, dass die Aperturblende jeder Linse unmittelbar an die benachbarter Linsen angrenzt.
• Eine alternative Vorgehensweise ist die Verwendung eines einzelnen Videoprojektors und einer Linse, wobei jedoch eine viellinsige Blende vor der Videoprojektorlinse platziert wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Wie zuvor erzeugt das Licht von dem Videoprojektor eine Videobild auf der Linse und wird dann von der Linse in eine Zone fokussiert, diese Zone enthält jetzt jedoch ein Bild des Videoprojektors mit vorn angeordneter Blende. Durch Auswahl einer Linse mit einer anderen Brennweite kann die Zone erweitert werden, bis jedes Element der Blende in einer Größe abgebildet wird, die für das Auge geeignet ist, so dass, wenn nur eine Blende offen ist und alle anderen geschlossen sind, das Bild der Linse für ein einzelnes Auge sichtbar ist. Ansichten eines dreidimensionalen Bildes können eine nach der anderen auf dem Videoprojektor projiziert werden, und ein anderes Element der Blende kann für jede Ansicht derart geöffnet und geschlossen werden, dass, wenn die Sequenz schnell wiederholt wird, der Betrachter ein dreidimensionales Bild sieht. Das Problem mit diesem System besteht darin, dass Licht verschwendet wird und das System sperrig ausgeführt ist.
• Eine weitere Vorgehensweise (Fig. 3) ist die Verwendung eines Flüssigkristallbildschirms, der derart beleuchtet wird, dass er immer nur von einer Position aus einsehbar ist. Ansichten des dreidimensionalen Bildes können eine nach der anderen auf den Flüssigkeitskristallbildschirm projiziert werden, und die Richtung der Beleuchtung kann umgeschaltet werden, da jede Ansicht derart projiziert wird, dass jede Ansicht aus einem anderen Bereich sichtbar ist. Wenn dies schnell genug wiederholt wird, ist das Flackern jeder Ansicht nicht unbedingt wahrnehmbar und sieht der Betrachter ein dreidimensionales Bild genauso wie mit dem System kleiner Linsen. Ein Bildschirm dieses Typs ist in einem früheren Patent GB-B-2206763 des Anmelders dargestellt. Ein solches Umschalten der Beleuchtung eines Flüssigkristallbildschirms bedeutet, dass die Optik nicht genau registriert werden muss und der Flüssigkristallbildschirm keine hohe Auflösung haben muss. Für ein umschaltbares Beleuchtungskonzept benötigt man einen Flüssigkristallbildschirm mit einer hohen Bildwechselfrequenz, und solche Bildschirme sind vorgeführt worden. Wie jedoch bei den meisten modernen Flüssigkristallbildschirmen wird zur Herstellung eines Bildschirms mit hoher Bildwechselfrequenz eine Transistormatrix benötigt, und selbst kleine Varianten solcher Bildschirme sind teuer in der Herstellung.
• Flüssigkristallbildschirme sind nicht die einzigen flachbildschirme, die teuer in der Herstellung sind. Die meisten Flachbildschirme weisen eine Matrix aus individuell gesteuerten Pixeln auf, und da es ungefähr eine Million davon gibt, ist große Sorgfalt nötig, um sicherzustellen, dass keines ausfällt. Im Gegensatz dazu ist der Schirm einer Kathodenstrahlröhre eine gleichmäßige Materialschicht, die, da sie keine Einzelheit oder Struktur aufweist, nur selten ausfällt, so dass die Kathodenstrahlröhre ziemlich leicht herstellbar ist. Da das Bild durch Rasterabtasten aufgebaut wird, kann der Schirm einer Kathodenstrahlröhre so unstrukturiert sein, und es wird anscheinend davon ausgegangen, dass es nicht möglich ist, einen Flachbildschirm abzutasten, da der Bildschirm eine bestimmte Tiefe für den Abtaststrahl aufweisen muss.
• Wenn jedoch die Kathodenstrahlröhre so ausgebildet ist, dass sie ein Videobild bestehend aus einer einzelnen Zeile von Pixeln erzeugt, kann sie im wesentlichen flach ausgeführt sein. Es kann in der Tat jedes beliebige Videosystem, das zum Erzeugen einer einzelnen Zeile von Pixeln konzipiert ist, flach ausgeführt sein. Bei solchen flachen Systemen können sämtliche optische Komponenten normalerweise innerhalb des Kerns eines plattenförmigen Wellenleiters angeordnet sein, und das System kann, selbst wenn es lang oder breit ist, durch einfaches Verwenden von Spiegeln zum Knicken der optischen Anordnung hinter einen flachen Schirm gepackt werden. Das einzige, was benötigt wird, ist irgendeine Vorrichtung am Ende des optischen Systems, mit dem die Höhe des Bildschirms zum Wiederherstellen der verlorenen Dimension erweitert.
• Von besonderem Interesse sind hier Videoprojektoren und dreidimensional anzeigende Bildschirme. Ein Videoprojektor ist eine Vorrichtung, die Licht projiziert, das derart fokussiert ist, dass es ein Videobild an irgendeinem Punkt im Raum erzeugt, und ein einzeiliger Videoprojektor ist im Sinne der vorliegenden Beschreibung als Videoprojektor definiert, der ein Videobild mit einer einzelnen Zeile von Pixeln schreibt. Ähnlich ist ein dreidimensional anzeigender Bildschirm eine Vorrichtung, die ein dreidimensionales Videobild anzeigen kann, und ein einzeiliger dreidimensional anzeigender Bildschirm ist im Sinne der vorliegenden Beschreibung als ein dreidimensional anzeigender Bildschirm definiert, der ein Bild erzeugt, welches eine einzelne Zeile hoch ist.
• In WO 93 09450 ist z. B. in Fig. 14 eine vollständige Modulation über die Ebene der Platte in pixellierter Form mittels x-y-Elektroden, wie z. B. Modulations- und Abgriffelektroden 64 und 66, gezeigt. Der Lichteingang erfolgt gleichmäßig (Lichtquelle 50, Linsen 52), und die in Fig. 14 gezeigte Modulation findet innerhalb des Wellenleiters statt.
• Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 8 bzw. 11 definiert. Erfindungsgemäß wird ein Flachbildschirm bereitgestellt, der folgendes aufweist: eine Einrichtung zum Modulieren der Stärke und Richtung eines · Strahls, eine ebene Schicht oder Platte, die für den Strahl nicht undurchlässig ist, wobei die Moduliereinrichtung derart angeordnet ist, dass sie den Strahl in eine Seite der Platte leitet, und die Platte zum Ermöglichen der Emission von Licht an demjenigen Punkt, an dem der Strahl eine ausgewählte Zone der Platte schneidet, vorgesehen ist, und eine Einrichtung zum Auswählen der Zone.
• Die Erfindung kann zur Herstellung einer 2D-Anzeige verwendet werden, die einfach auf ähnliche Weise wie z. B. ein Kathodenstrahlröhren-Schirm Zeile für Zeile abgetastet wird, wobei jede Zeile die jeweilige Zone darstellt und durch eine entsprechende Modulation der bevorzugten einzeiligen Modulationseinrichtung erzeugt wird. Hier braucht die ausgewählte Zone nur das Licht zu streuen.
• Vorzugsweise wird die Erfindung jedoch zur Herstellung einer 3D-Anzeige verwendet, bei der nicht nur die Position in der Ebene, aus der Licht emittiert wird, sondern auch die Richtung von Bedeutung ist. Zu diesem Zweck kann die Modulationseinrichtung mehrere einzelne Modulatoren aufweisen, die jeweils ein zweidimensionales Bild erzeugen können, z. B. durch Multiplexen einzeiliger Komponenten, wie oben beschrieben, und jeweils dieses Bild in einem leicht unterschiedlichen Winkel in die Platte eingeben können. Wenn die Emission von der Platte in einem Winkel erfolgt, der auf geeignete Weise dem Eintrittswinkel entspricht, können die unterschiedlichen projizierten Ansichten an Ansichten aus den in Frage stehenden Winkeln angepasst werden, und dadurch wird ein 3D-Effekt erzielt.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung werden Ausführungsbeispiel der Erfindung jetzt anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 die dem Stand der Technik entsprechende Erzeugung einer dreidimensionalen Anzeige mittels einer Linse und mehrerer Videoprojektoren;
• Fig. 2 die dem Stand der Technik entsprechende Erzeugung einer dreidimensionalen Anzeige mittels einer Linse, einem Videoprojektor mit hoher Bildwechselfrequenz und einer Flüssigkristallblende;
• Fig. 3 die dem Stand der Technik entsprechende Erzeugung einer dreidimensionalen Anzeige mittels einer Linse, eines Flüssigkristallbildschirms mit hoher Bildwechselfrequenz und einer Lichtquelle als Abtastfleck;
• Fig. 4 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Flachbildschirms, der ein zweidimensionales Bild projiziert;
• Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung der in dem in Fig. 4 gezeigten Flachbildschirm verwendeten Flüssigkristallplatte;
• Fig. 6 einen ein dreidimensionales Bild projizierenden Flachbildschirm als zweite Ausführungsform;
• Fig. 7 die Konstruktion der in dem in Fig. 6 gezeigten Flachbildschirm verwendeten mehreren einzeiligen Videoprojektoren;
• Fig. 8 eine Art und Weise der Erzeugung eines optischen Weges mit variabler Länge;
• Fig. 9 eine dritte Ausführungsform, die einen Flachbildschirm mit einem optischen Weg mit variabler Länge darstellt, welcher ein dreidimensionales Bild projiziert;
• Fig. 10 eine weitere Art und Weise der Erzeugung eines optischen Weges mit variabler Länge;
• Fig. 11 eine vierte Ausführungsform in Form eines Flachbildschirms, bei dem ein zweidimensionales Bild durch Abtasten der Überschneidung zweier Strahlen erzeugt wird; und
• Fig. 12 und 13 fünfte und sechste Ausführungsformen, nämlich Flachbildschirme, bei denen ein zweidimensionales Bild durch Abtasten einer Wanderwelle mittels eines einzeiligen Videoprojektors erzeugt wird.
• Gemäß Fig. 4 umfasst der Bildschirm einen einzeiligen Videoprojektor 1 mit einer Bildschirmplatte 18 und einer Projektionslinse 20, eine Platte 2, die eine Vielzahl von Zeilen anzeigen kann, die von dem Videoprojektor eine nach der anderen über ihren Bereich eingegeben werden, und eine Einrichtung 3 zum Auswählen einer der Vielzahl von parallelen Zeilen auf der Platte. Die Platte 2 kann eine Flüssigkristallplatte sein, die mittels orthogonal zu dem auftreffenden Strahl verlaufenden Zeilen 3 adressierbar ist.
• Ein Bild wird durch Auswählen jeweils einer Zeile der Flüssigkristallplatte 2 und Illuminieren der Zeile mit einem geeigneten Lichtmuster von dem eindimensionalen Videoprojektor 1 zeilenweise auf die Platte geschrieben.
• Die in Fig. 5 gezeigte Flüssigkristallplatte 2 weist eine Flüssigkristallschicht 4 zwischen oberen und unteren Glasscheiben 5 auf. Sie dient nicht als Anzeige, sondern als plattenförmiger Wellenleiter mit Flüssigkristall 4 auf einer Seite der unteren Glasplatte 5b und Luft auf der anderen Seite. Licht von dem eindimensionalen Videoprojektor 1 scheint auf einen Rand der Flüssigkristallplatte 2, nämlich auf die untere Scheibe 5b, und wird von ihrer oberen Fläche emittiert, wenn das Licht diejenige Zeile auf der Platte schneidet, die von der Einrichtung 3 zum Auswählen einer Zeile ausgewählt worden ist.
• Der hier dargestellte Flüssigkristall ist z. B. ferroelektrisch und auf herkömmliche Weise in Sandwich-Form zwischen den beiden. Glasplatten 5 angeordnet.
• Der Winkel, in dem Licht L in die hintere Platte 5b eingestrahlt wird, und die Brechungskoeffizienten der Platte und des Flüssigkristalls 4 sind derart ausgewählt, dass in einem Zustand der Flüssigkristall 4 Licht durch innere Totalreflexion reflektiert und in dem anderen Zustand ein wesentlicher Teil des Lichts durch die obere Platte 5a austritt und zum Betrachter geleitet wird.
• An den Grenzflächen zwischen dem Flüssigkristall 4 und der Platte 5 befindet sich die normalerweise vorgesehene Ausgleichsschicht 6 und eine Schicht aus transparentem Leitermaterial 7. Letztere ist in diesem Beispiel gemustert und elektronisch gesteuert, so dass die seitlichen Linien des Flüssigkristalls 4, die orthogonal zu dem ankommenden Strahl verlaufen, umschaltbar sind. Diese Linien würden normalerweise horizontal verlaufen, so wie sie einem Betrachter präsentiert werden. Ferner muss eine Reflektoreinrichtung 8 vorgesehen sein, so dass Licht permanent von Zwischenräumen zwischen aneinandergrenzenden Linien des unteren transparenten Leiters 7 reflektiert wird. Der obere Leiter 7a ist hier durchgehend ausgeführt, obwohl es möglich wäre, die Anzahl von Adressenzeilen, die für ein Multiplexerkonzept benötigt werden, zu reduzieren, bei dem der obere Leiter auch in Bereiche unterteilt war, die jeweils eine Gruppe unterer Elektrodenreihen adressierten.
• Im Betrieb wird die Flüssigkristallplatte 2 zeilenweise adressiert, während für jede Zeile eine eindimensionale Folge von Punkten entsprechend dem gewünschten Bild von dem Projektor 1 erzeugt wird. Das so modulierte Licht von dem Projektor durchläuft die Platte, bis es die aktuell adressierte Reihe erreicht, woraufhin es austritt, wie von dem breiten Pfeil in Fig. 4 gezeigt. Dies erscheint dem Betrachter als eine modulierte Zeile. Durch Abtasten der Oberfläche der Ebene der Flüssigkristallplatte wird ein 2-dimensionales Bild aufgebaut, an dessen Ende das nächste Einzelbild beginnt.
• Ein unerwünschter Aspekt bei diesem Bildschirm ist, dass der einzeilige Videoprojektor 1 weit von dem Schirm entfernt sein muss, wenn es keine beträchtliche trapezförmige Verzerrung des Bildes geben soll. Dies kann durch Platzieren einer Linse 9 angrenzend an die Flüssig kristallplatte und Positionieren des Videoprojektors 1 ungefähr in der Fokusebene der Linse 9 realisiert werden (siehe Fig. 6). Ein weiteres Merkmal des in Fig. 4 gezeigten Bildschirms besteht darin, dass das Bild ein enges Sichtfeld aufweist, da Licht nur in einem Winkel austritt. Das Sichtfeld kann jedoch einfach durch Platzieren eines lichtdurchlässigen Schirms zwischen dem Betrachter und der Platte 2 und angrenzend an die Platte 2 vergrößert werden.
• Das enge Sichtfeld kann jedoch hinsichtlich der Erzeugung einer dreidimensionalen Anzeige auf einfache Weise in einen Vorteil umgewandelt werden. Es werden daher weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei denen ein Flachbildschirm vorgesehen ist, der ein dreidimensionales Bild projizieren kann. Gemäß Fig. 6 und 7 weist der Bildschirm eine einzeilige dreidimensionale Anzeige 11, eine Flüssigkristallplatte 2 und eine Einrichtung 3 zum Auswählen einer Zeile auf der Flüssigkristallplatte auf. Generell sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die einzeilige dreidimensionale Anzeige oder Quelle 11, die teilweise in Fig. 6 gezeigt ist, weist eine Linse 9 und mehrere einzeilige Videoprojektoren 1 auf, die hier vergrößert dargestellt sind und ungefähr in der Fokusebene der Linse 9 liegen. Die Anzahl von Projektoren hängt von der Anwendung ab; z. B. wären für eine Winkelauflösung von 1º und ein · angemessen breites Sichtfeld achtzig Projektoren, die alle in einer Reihe angeordnet sind, ideal. Gemäß Fig. 7 wird das Array von einzeiligen Videoprojektoren 1 durch eine Anordnung aus roten, grünen und blauen Lasern 12, einer Farbkombiniereinrichtung 13, einer zylindrischen Expansionslinse 14, einem Array kleiner zylindrischer Linsen 15, einem Farbteiler 16, einer zylindrischen Kondensatorlinse 17, einem Flüssigkristallbildschirm 18 für jeden Projektor 1, einer Farbkombiniereinrichtung 19 und einer im wesentlichen rechteckigen zylindrischen Projektionslinse 20 für jeden Projektor 1 gebildet. Die einzeiligen Videoprojektoren 1 sind derart angeordnet, dass jeder Rand der Apertur jeder zylindrischen Projektionslinse 20 mit einem Rand der Apertur der benachbarten Linse 20a zusammenfällt. Fig. 6 zeigt ferner ein eindimensionales Prisma 31, das zum Leiten des Lichts in die Platte im korrekten nahezu maximalen Winkel der inneren Totalreflexion verwendet wird.
• Im Betrieb wird Licht von den Lasern 12 von der Farbkombiniereinrichtung 13 zu einem einzelnen Strahl zusammengefasst und dann von der zylindrischen Expansionslinse 14 in der Anzeigeebene expandiert. Das Array von kleinen zylindrischen Linsen 15 verhält sich wie ein Schirm, der in der Anzeigeebene lichtdurchlässig, jedoch orthogonal zu der Ebene transparent ist, so dass das Licht innerhalb der Ebene gestreut wird. Das Licht wird dann vom Farbteiler 16 in drei separate Farben geteilt und durchläuft die zylindrische Kondensatorlinse 17 auf jeden Flüssigkristallbildschirm 18, wo es moduliert wird. Der Bildschirm 18 weist Spiegeloberflächen auf, die das Licht durch die zylindrische Kondensatorlinse 17 zurück reflektieren, welche die drei Farben in der Farbkombiniereinrichtung 19 konzentriert, in der sie in den zylindrischen Projektionslinsen 20 zusammengefasst werden.
• Jedes Flüssigkristallbildschirmelement 18 weist eine Anzahl von Pixeln in Form von Spalten auf, wobei die Anzahl von Spalten der Anzahl von quer über die Ebene des Bildschirms verlaufenden Pixeln entspricht. Die Anzeige auf jedem Bildschirmelement 18 entspricht einer Ansicht aus einem bestimmten Winkel oder einem einzeiligen Muster dieser Ansicht. Die entsprechende Linse 20 verbreitet das reflektierte Licht von den Bildschirmelementen 18 zu der Kollimatorlinse 9, die den Strahl in einem Winkel zu der Systemachse in die Ebene leitet. Die relevante Linie des 2D-Wellenleiters 2, die zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt aktiviert ist, extrahiert dann das Eingangssignal von jedem Flüssigkristallelement 18 in einem ihrem Einfallwinkel entsprechenden Winkel. Somit wird, da die Platte 2 betrachtet wird, je nach dem Winkel eine andere Ansicht auf der Platte sichtbar, d. h. in der orthogonal zu der Systemachse
• verlaufenden Ebene der Platte (unten links bis oben rechts in Fig. 6).
• Normalerweise ist bei 3D-Bildschirmen der 3D-Effekt nur quer über die Ansicht und nicht nach oben und nach unten erforderlich. Daher wird ein Diffusorschirm 10 angebracht, der dem in Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Schirm dahingehend ähnlich ist, dass er Licht nach oben und nach unten (in der Höhe) streut oder verbreitet, so dass die Bilder in jeder Höhe, in der sich der Betrachter befindet, gesehen werden können, jedoch im Gegensatz zu diesem Schirm den Winkel als Azimutalwinkel beibehält (quer über die Platte verlaufend), um den 3D-Effekt zu erzielen. In der Zeichnung des Schirms 10 sind entsprechende kleine zylindrische Linsen, die zur Erzielung dieses Effektes vorgesehen sind, schematisch dargestellt, obwohl in der Praxis die Linsenseite die an die Platte 2 angrenzende Unterseite-wäre.
• Die Anzahl von Drahtverbindern in diesem System ist groß, wenn eine Drahtverbindung mit jedem Pixel der einzeiligen Videoprojektoren 1 hergestellt wird. Stattdessen weist der Flüssigkristallbildschirm 18 jedes einzeiligen Videoprojektors 1 ein zweidimensionales Flüssigkristall-Array mit einer rückwärtigen Ebene aus digitalen Siliziumtransistoren auf, die digitale Signale von einigen Drahtverbindungen zu den zahlreichen Flüssigkristallpixeln demultiplexen können. Jede Spalte des Flüssigkristallbildschirms 18 ist konzeptuell in drei Spalten aufgeteilt - eine Spalte für jede Farbe und eine Grauskala wird durch Verändern der Größe des transparenten Bereichs innerhalb jeder Spalte realisiert.
• Bei einem herkömmlichen dreidimensional anzeigenden Bildschirm mit einer Linse und Videoprojektoren ist es schwierig, dafür zu sorgen, dass beide Ränder der Apertur jeder Projektionslinse mit der Apertur der angrenzenden Linse zusammenfallen. Der Grund dafür ist, dass, wenn eine vernünftige Qualität des dreidimensionalen Bildes erreicht werden soll, die Linsen auch eine niedrige Blendennummer und ein breites Betrachtungsfeld aufweiseh müssen. Zur Herstellung der Linsen 20 für diese Ausführungsform wird eine Schicht Fotoresist auf eine niedrigbrechende Glasplatte aufgebracht. Das Fotoresist wird gemustert, entwickelt und geätzt, und die belichteten Bereiche werden mit einem Material mit einem anderen Brechungsindex gefüllt. Eine zweite Platte niedrigbrechenden Glases wird daraufgelegt, und das Ergebnis ist ein Platten- Wellenleiter, dessen Kern optische Elemente enthält. Die optischen Elemente können eine Folge von asphärischen Profilen oder ein zweidimensionales Hologramm sein, die beide gute Abbildungseigenschaften zu niedrigen Kosten bieten können.
• Ein Problem mit der oben beschriebenen dreidimensionalen Anzeige besteht darin, dass das Bild von jedem Videoprojektor 1 eine einzelne Brennlinie aufweist, die exakt mit nur einer Zeile auf der Flüssigkristallplatte 2 zusammenfallen kann. Dies führt zu Bildanomalien, und es ist besser, wenn die Videoprojektoren 1 auf jeder Zeile der Platte 2 nachfokussieren, wenn diese transparent wird.
• Angesichts dessen ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Fig. 8 und 9 gezeigt. Hier ist ein Flachbildschirm vorgesehen, der ein dreidimensionales Bild ohne die beschriebenen Anomalien projizieren kann. Der Bildschirm weist eine einzeilige dreidimensionale Anzeige 11, ein Medium 21 mit einem optischen Weg mit variabler Länge, einen ersten eindimensionalen Rückstrahler 22, eine Flüssigkristallplatte 2 und eine Einrichtung 3 zum Auswählen einer Zeile auf der Flüssigkristallplatte 2 auf.
• Das Medium mit einem optischen Weg mit variabler Länge 21 weist einen Polarisierungs-Strahlenteiler 23, ein Viertelwellenlängenplättchen 24, eine zweite Flüssigkristallplatte 25 unterhalb der ersten Flüssigkristallplatte, eine Einrichtung 26 zum Auswählen einer Zeile auf der zweiten Flüssigkristallplatte und einen zweiten eindimensionalen Rückstrahler 27 auf.
• Im Betrieb durchläuft das Licht von den Lasern 12 die Elemente 13, 14, 15, 16 und 17 und wird von den Flüssigkristallbildschirmen 18 über das Element 19 reflektiert. Das Licht durchläuft dann die Elemente 20 und 9 und in den Strahlenteiler 23. Das Licht wird von dem Polarisierungs-Strahlenteiler 23 und durch das Viertelwellenlängenplättchen 24 in einen Rand der Flüssigkristallplatte 25 übertragen. Eine Glasplatte der Flüssigkristallplatte 25 ist derart ausgebildet, dass sie als Wellenleiter dient, und das Licht wird an der jeweiligen ausgewählten Zeile aus dem Wellenleiter freigesetzt. Der eindimensionale Rückstrahler 27 wird derart positioniert, dass das Licht entlang seinem Weg in die Wellenleiterplatte der Flüssigkristallplatte 25 zurückgestrahlt wird, soweit seine Vorwärts- oder Axialrichtung betroffen ist, während die Komponente des Lichts in derjenigen Richtung, die orthogonal zu der Ebene der Rückstrahlung verläuft, einfach reflektiert wird. Das Licht läuft dann durch das Viertelwellenlängenplättchen 24 zurück und wird, da seine Polarisierung in dieser Phase umgekehrt wird, von dem Polarisierungs-Strahlenteiler 23 auf den eindimensionalen Rückstrahler 22 und über ein weiteres Prisma in die Platte reflektiert.
• Der eindimensionale Rückstrahler 22 ist ähnlich ausgebildet und reflektiert das Licht in die Flüssigkristallplatte 2, strahlt jedoch die Komponente des Lichts orthogonal zu der Reflexionsrichtung zurück. Der Rückstrahler dient als Linse, die ungeachtet der Länge des optischen Weges eine Abbildung mit einfacher Vergrößerung erzeugt. Wenn die Länge des variablen optischen Weges 21 durch geeignetes Adressieren der zweiten Platte 25 hergestellt ist, und zwar immer gleich der Länge von dem ersten Rückstrahler 22 zu der ausgewählten Zeile, kann dafür gesorgt werden, dass die Videoprojektoren 1 immer auf der ausgewählten Linie fokussiert sind.
• Der optische Weg 21 mit variabler Länge kann alternativ mehrere Wellenleiter mit unterschiedlicher Länge und eine Einrichtung zum Zurückführen des Lichts durch verschiedene dieser Wellenleiter aufweisen. Fig. 10 zeigt zwei solcher Wellenleiter 28, wobei das Licht durch den kürzeren der beiden geführt wird, und zwar in Form einer optischen Trompete. Das Licht wird dann von dem eindimensionalen Rückstrahler 22 reflektiert und läuft in den Hauptkörper der Flüssig kristallplatte 2, von der es an der ausgewählten Zeile emittiert wird. Der Vorteil dieser Alternative ist, dass die gleiche Flüssigkristallplatte 2 zum Anzeigen des Bildes und zum Erzeugen eines optischen Weges mit variabler Länge 21 verwendet werden kann.
• Eine weitere Ausführungsform des Bildschirms, wie in Fig. 11 gezeigt, weist einen Laser und eine eindimensionale Abtasteinrichtung 1, einen zweiten Laser und eine eindimensionale Abtasteinrichtung 3 und eine ebene Schicht eines Materials 2, wie mit Er³&spplus; dotiertes CaF&sub2;, auf, die das Licht an der Stelle emittiert, an der sich die beiden Laserstrahlen schneiden, und zwar proportional zu der Stärke der Laserstrahlen. Das zweidimensionale Bild wird durch Rasterabtastung der Stelle, an der sich die Laserstrahlen schneiden, und Modulieren der Laser Pixel für Pixel auf die ebene Materialschicht geschrieben.
• Eine weitere Ausführungsform des Bildschirms gemäß Fig. 12 weist eine Kathodenstrahlröhre und eine Projektionslinse 1, einen Bogen reflektierender Folie 2 und einen Wandler auf, der einzelne horizontale Oberflächenwellen in der Folie 3 erzeugen kann. Der Wandler erzeugt eine einzelne Welle, und die Projektionslinse bildet die Kathoderistrahlröhre auf der Welle ab, Der vordere Teil der Welle reflektiert das Licht von der Kathodenstahlröhre in die Augen des Betrachters, so dass der Betrachter ein Bild der Kathodenstrahlröhrenlinie an der Position der Welle sieht. Wenn die Welle den Schirm hinabläuft, schreibt die Kathodenstrahlröhre weitere Zeilen des Bildes, bis das Ganze vollständig ist, dann wird von dem Wandler eine neue Welle erzeugt, die bereit ist, das nächste Einzelbild zu schreiben.
• Figur. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Platten-Wellenleiter 2 die Form einer transparenten, umgeschlagenen Folie aufweist, die ein großes umgekehrtes U-Profil bildet. Das Licht wird nicht von der Oberfläche der Platte reflektiert, sondern in ein Ende des "U"s eingeleitet, wobei es aufgrund von innerer Totalreflexion in der Platte verbleibt, und wird durch das Vorhandensein einer lokalisierten Oberflächenwelle von der Platte extrahiert. Somit wird Licht von einer Bogenlampe (oder einer anderen punktförmigen Quelle) 31 von einer zylindrischen Linse 35 in einen Platten-Wellenleiter 2 fokussiert. Inzwischen wird es, wenn es sich ausbreitet, von einem räumlichen Lichtmodulator 33 azimutal moduliert. Dadurch wird eine Gruppe divergierender Strahlen in der Ebene des Wellenleiters erzeugt, wobei jeder Strahl die Stärke eines Pixels in der aktuellen Zeile aufweist. Die Strahlen werden von der optischen Linse 37 kollimiert, nehmen die Kurve 2a und werden dann von der Oberflächenwelle in die Augen des Betrachters gestreut.
• Die Oberflächenwelle 41 wird von dem Oberflächenwellenwandler 43 erzeugt und breitet sich bis zu dem Platten-Wellenleiter aus, bis sie von dem Oberflächenwellendämpfer 45 absorbiert wird. Inzwischen werden Pixel von dem optischen System an die Oberfläche adressiert, so dass ein Bild Zeile für Zeile aufgebaut wird. Die Welle könnte im Querschnitt eine S-Form anstelle einer einfachen Ausbuchtung aufweisen.
• Weitere Ausführungsformen und Varianten sind möglich, wie nachfolgend beschrieben.
• Ein Beispiel für einen eindimensionalen Videoprojektor 1 ist eine Linse, die folgendes ungefähr in der Brennebene aufweist: eine einzeilige Kathodenstrahlröhre und einen einreihigen räumlichen Lichtmodulator, wie z. B. eine Reihe verformbarer Spiegel und einen Schirm, der von einem Laser abgetastet wird. Der Strahl kann ein Lichtstrahl, eine Schallwelle oder eine Oberflächenwelle sein.
• Folgendes sind Beispiele für eine Einrichtung zum Modulieren der Stärke und Richtung eines Strahls: ein Modulator und eine Nahfeld-Abtasteinrichtung, ein Modulator und ein räumlicher Lichtmodulator zum Einsatz im Fernfeld, eine Strahlenaufweiteinrichtung sowie ein räumlicher Lichtmodulator und eine Projektionslinse.
• Folgendes sind Beispiele für eine ebene Materialschicht, die für Strahlen nicht undurchlässig ist und die Emission von Licht an der Stelle, an der die Strahlen eine ausgewählte Zone des Materials schneiden, ermöglicht: ein flexibler Spiegel mit einer Oberflächenwelle, die das Licht reflektiert, ein flexibler Platten-Wellenleiter mit einer Oberflächenwelle, deren Krümmungsradius bewirkt, das Licht emittiert wird, ein Platten-Wellenleiter mit einem fotoelastischen Kern, wie z. B. Plexiglas oder Urethankautschuk, in dem eine akustische Welle die Emission von Licht bewirkt, ein Zweiphotonenabsorptionsmaterial, das Licht an dem Schnittpunkt zweier Laserstrahlen absorbiert und daraufhin Licht emittiert, ein Platten-Wellenleiter mit einer Flüssigkristall-Ummantelungsschicht die Licht in einem Zustand entlang dem Wellenleiter reflektiert und im anderen Zustand überträgt, eine Scheibe mit kleinen zylindrischen Linsen, die sich um eine parallel zu der Achse der Linsen verlaufende Achse in der Ebene der Scheibe drehen.
• Beispiele für eine einzeilige dreidimensionale Anzeige 11 sind ein einzeiliges Flüssigkristall-Hologramm, ein einzeiliges akustooptisches Hologramm, eine einzeilige hochvolumige Anzeige, eine einzeilige Anzeige und ein Array kleiner Linsen sowie eine einzeilige Flüssigkristallanzeige mit einer Linse und einer Abtast Lichtpunktquelle in der Brennebene der Linse. Wenn Hologramme verwendet werden, werden einige der Linsen in den dargestellten Ausführungsformen redundant.
• Beispiele für einen optischen Weg mit variabler Länge umfassen einenbeweglichen Spiegel (d. h. das optische Äquivalent einer Posaune) und eine Vorrichtung, die Licht zwischen unterschiedlichen Längen des Wellenleiters umschaltet (d. h. das optische Äquivalent einer Trompete).

Claims (12)

1. Bildschirm mit flacher Platte, mit einer Strahlenquelle (1) für einen oder mehrere Strahlen, einer Einrichtung zum Modulieren der Stärke der Strahlen, einer Platte (2), die für Strahlen nicht undurchlässig ist und die Emission von Licht an irgendeiner Position entlang eines jeden Strahls ermöglicht, wenn der Strahl in eine Seite der Platte geleitet wird, und einer Einrichtung (3) zum Auswählen solcher Positionen; wobei der Bildschirm einen Projektor (1) aufweist, der die Einrichtung zum Modulieren der Stärke der Strahlen enthält, wobei der Projektor zum Modulieren der Eingangsstrahlen Zeile für Zeile vorgesehen ist, so dass eine Sequenz eindimensionaler Bilder zur Eingabe in die Platte erzeugt wird, und die Auswahleinrichtung entsprechend immer nur eine Zeile auf der Platte auswählt, so dass diese Zeile aus dem Projektor angezeigt wird.

2. Flachbildschirm nach Anspruch 1, bei dem die Strahlen aus sichtbarem Licht bestehen und die Lichtemission von der Platte (2) durch Ablenken der Strahlen an der ausgewählten Position erzeugt wird.

3. Flachbildschirm nach Anspruch 2, bei dem die Platte eine Reflexionsscheibe und einen Wandler (43) zum Erzeugen einer lokalisierten linearen akustischen oder Oberflächenwelle in der Platte (2) aufweist, wobei das Vorhandensein der Welle an einer vorgegebenen Position eine Reflexion des Strahls und somit die Ablenkung an dieser Position hervorruft.

4. Flachbildschirm nach Anspruch 3, bei dem die Einrichtung zum Auswählen der Ablenkungsposition dazu führt, dass der Wandler (43) die akustische oder Oberflächenwelle anregt und wartet, bis diese die erforderliche Position erreicht, bevor der Strahl emittiert wird.

5. Flachbildschirm nach Anspruch 2, bei dem auf einer Seite der Platte (2) eine Schicht (4), die zwischen reflektierend und transparent schaltbar ist, angeordnet ist und die Einrichtung zum Auswählen der Position, an der die abgelenkten Strahlen von der Platte emittiert werden, zum jeweiligen Verändern des Zustands der schaltbaren Schicht dient.

6. Flachbildschirm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Projektoreinrichtung zum Erzeugen einer einzeiligen dreidimensionalen Anzeige dient und zu diesem Zweck eine Gruppe einzelner einzeiliger Projektoren (1) aufweist, von denen jeder zum Anzeigen einer Zeile des in einem anderen (azimutalen) Winkel gesehenen Bildes dient, wobei die Strahlen von diesen einzeiligen Projektoren von der Platte in dem entsprechenden azimutalen Winkel emittiert werden.

7. Flachbildschirm nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der oder jeder Projektor als eine Reihe adressierbarer Pixel, die parallel zum Rand der Platte verlaufen, ausgebildet ist.

8. Bildschirm mit flacher Platte, mit einer Strahlenquelle (1) für einen oder mehrere Strahlen, einer Einrichtung zum Modulieren der Stärke der Strahlen, einer Platte (2), die für Strahlen nicht undurchlässig ist und die Emission von Licht an irgendeiner Position entlang jedes Strahls ermöglicht, wenn der Strahl in eine Seite der Platte geleitet wird, und einer Einrichtung (3) zum Auswählen solcher Positionen, wobei der Bildschirm zum Erzeugen eines dreidimensionalen Bildes dient und zu diesem Zweck eine Strahlen projizierende Vorrichtung (1) aufweist, und zwar zum Leiten der modulierten Strahlen in die Platte unter verschiedenen azimutalen Winkeln, wobei die Strahlen von der Platte emittiert werden, wenn diese von der Auswähleinrichtung (3) bei jeweiligen azimutalen Winkeln, die ihren Eintrittswinkeln in die Platte entsprechen, ausgewählt werden.

9. Flachbildschirm nach Anspruch 6 oder 8, ferner mit einer Einrichtung zum Vorsehen einer variablen optischen Weglänge, wobei der optische Weg einen Rückstrahler aufweist, derart, dass die gesamte optische Weglänge zwischen dem Rückstrahler und der jeweiligen Zeile auf der Platte minus der optischen Weglänge zwischen dem Rückstrahler und der Strahlenquelle ungefähr konstant bleibt.

10. Flachbildschirm nach Anspruch 9, bei dem der optische Weg mit variabler Länge eine transparente Schicht (25) für die gesamte innere Reflexion aufweist, auf deren einer Seite sich eine Schicht befindet, die zwischen reflektierend oder transparent schaltbar ist.

11. Bildschirm mit flacher Platte, mit einer Strahlenquelle (1) für einen oder mehrere Strahlen, einer Einrichtung zum Modulieren der Stärke der Strahlen, einer Platte (2), die für Strahlen nicht undurchlässig ist und die Emission von Licht an irgendeiner Position entlang jedes Strahls ermöglicht, wenn der Strahl in eine Seite der Platte geleitet wird, und einer Einrichtung (3) zum Auswählen solcher Positionen, wobei die Platte eine reflektierende Scheibe und einen Wandler (43) zum Erzeugen einer lokalisierten akustischen oder Oberflächenwelle in der Scheibe (2) aufweist, wobei das Vorhandensein der Welle an einer vorgegebenen Position zur Reflexion des Strahls und somit zur Auswahl dieser Position führt.

12. Verfahren zum Anzeigen eines Bildes, bei dem Licht, das die aufeinanderfolgenden Zeilen des Bildes erzeugt, in eine Seite einer Platte mit einer ebenen Schicht (2) aus modulierbarem Material geleitet wird und das Material jeweils eine Zeile erhält, um sie zu modulieren und somit eine Emission über die Ebene der Schicht hervorzurufen, um das Bild aufzubauen.