Title:
Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung und autostereoskopische Beleuchtungseinheit
Kind Code:
A1


Abstract:

In einer Ausführungsform ist das Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung gestaltet und umfasst die Schritte:
– Bereitstellen einer autostereoskopischen Beleuchtungseinheit (1) mit mindestens einer Lichtquelle (2) und mit einem Linsenfeld (3) aus vielen Einzellinsen (33), wobei das Linsenfeld (3) von außen gesehen bevorzugt konvex gekrümmt und von der Lichtquelle (2) aus gesehen bevorzugt konkav gekrümmt ist, und
– Modulieren einer Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle (2), sodass die Einzellinsen (33) je nur zum Teil von der Lichtquelle (2) ausgeleuchtet werden,
wobei Licht von der Lichtquelle (2) so auf die Einzellinsen (33) trifft, sodass durch die Einzellinsen (3) eine Abstrahlcharakteristik eines darzustellenden dreidimensionalen Objekts nachgeahmt wird.




Inventors:
Stojetz, Bernhard, Dr. (93109, Wiesent, DE)
Lell, Alfred (93142, Maxhütte-Haidhof, DE)
Eichler, Christoph, Dr. (93105, Tegernheim, DE)
Löffler, Andreas, Dr. (93073, Neutraubling, DE)
König, Harald, Dr. (93170, Bernhardswald, DE)
Somers, André (93083, Obertraubling, DE)
Vierheilig, Clemens, Dr. (93105, Tegernheim, DE)
Application Number:
DE102016113669A
Publication Date:
01/25/2018
Filing Date:
07/25/2016
Assignee:
OSRAM Opto Semiconductors GmbH, 93055 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102011053037A1N/A2013-02-28
DE102009032886A1N/A2011-02-03
DE69825572T2N/A2005-08-04



Foreign References:
201100436112011-02-24
201201766652012-07-12
Attorney, Agent or Firm:
Epping Hermann Fischer Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80639, München, DE
Claims:
1. Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung mit den Schritten:
– Bereitstellen einer autostereoskopischen Beleuchtungseinheit (1) mit mindestens einer Lichtquelle (2) und mit einem Linsenfeld (3) aus vielen Einzellinsen (33), und
– Modulieren einer Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle (2), sodass die Einzellinsen (33) je nur zum Teil von der Lichtquelle (2) ausgeleuchtet werden,
wobei Licht von der Lichtquelle (2) so auf die Einzellinsen (33) trifft, sodass durch die Einzellinsen (3) eine Abstrahlcharakteristik eines darzustellenden dreidimensionalen Objekts nachgeahmt wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Lichtquelle (2) durch einen oder durch mehrere Laser gebildet ist und der oder jeder der Laser zu einem bestimmten Zeitpunkt nur eine der Einzellinsen (3) bestrahlt,
wobei das Linsenfeld (3) kontinuierlich durchgehend oder approximiert von außen gesehen konvex gekrümmt und von der Lichtquelle (2) aus gesehen konkav gekrümmt ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem durch das Linsenfeld (3) ein virtuelles Bild (4) des Objekts erzeugt wird,
wobei das virtuelle Bild (4) mindestens zum Teil auf derselben Seite des Linsenfeldes (3) liegt wie die Lichtquelle (2).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem durch das Linsenfeld (3) ein reelles Bild (5) des Objekts erzeugt wird,
wobei das reelle Bild (5) mindestens zum Teil auf einer der Lichtquelle (2) abgewandten Seite des Linsenfeldes (3) liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem das virtuelle oder reelle Bild (4, 5) mehrere Strahlbündelknoten (60) umfasst, in denen sich jeweils mehrere Strahlbündel (6) des von der Lichtquelle (2) erzeugten und von den Einzellinsen (33) umgelenkten Lichts virtuell oder reell schneiden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Raumwinkelbereiche, die von Objektpunkten des darzustellenden dreidimensionalen Objekts ausgehen und in denen sich das Objekt zwischen dem betreffenden Objektpunkt und einem Betrachter befindet, kein Licht abgestrahlt wird, sodass diese Objektpunkte durch das Objekt verdeckt erscheinen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Beleuchtungseinheit (1) eine Längsachse (L) aufweist, die parallel zu dem Linsenfeld (3) orientiert ist, wobei ein mittlerer Durchmesser der Einzellinsen (33) zwischen einschließlich 10 µm und 2 mm liegt und Lichteintrittsflächen (34) der Einzellinsen (33) je zu höchstens 10 % von der Lichtquelle (2) ausgeleuchtet werden, und
wobei die Lichtquelle (3) rotes, grünes und blaues Licht emittiert und das dreidimensionale Objekt farbig dargestellt wird.

8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem entlang der Längsachse (L) mehrere der Lichtquellen (2) übereinander gestapelt angeordnet sind,
wobei die Lichtquellen (2) baugleich sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
bei dem das Linsenfeld (3) die Form eines Hohlzylinders aufweist, innerhalb dessen sich die zumindest eine Lichtquelle (2) befindet,
wobei die Einzellinsen (33) gleichmäßig über einen Zylindermantel des Hohlzylinders hinweg verteilt sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem das Linsenfeld (3) über einen Raumwinkelbereich von mindestens 3 sr hinweg die Form einer Kugeloberfläche aufweist, innerhalb der sich die zumindest eine Lichtquelle (2) befindet,
wobei die Einzellinsen (33) gleichmäßig über eine Kugeloberfläche der Kugel hinweg verteilt sind.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die oder zumindest eine der Lichtquellen (2) innerhalb des Linsenfeldes (3) rotiert, so dass die Einzellinsen (33) sequenziell bestrahlt werden.

12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem mehrere Lichtquellen (2) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, die miteinander rotieren.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Beleuchtungseinheit (1) zusätzlich zumindest einen Detektor (7) umfasst,
wobei der Detektor (7) in dem Linsenfeld (33) integriert ist und die zumindest eine Lichtquelle (2) bei einem sequenziellen Beleuchten der Einzellinsen (33) den Detektor (7) periodisch beleuchtet, sodass die Lichtquelle (3) mit dem Detektor (7) kalibriert werden kann.

14. Autostereoskopische Beleuchtungseinheit (1) mit
– mindestens einer Lichtquelle (2),
– einem Linsenfeld (3), das kontinuierlich aus vielen Einzellinsen (33), die als Sammellinsen gestaltet sind, zusammengesetzt ist, und
– einer Ansteuerelektronik (8),
wobei die Lichtquelle (2) dazu eingerichtet ist, die Einzellinsen (33) je nur zum Teil auszuleuchten.

15. Beleuchtungseinheit (1) nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei der ein Bereich zwischen der Lichtquelle (2) und dem Linsenfeld (3) blendenfrei ist,
wobei das Linsenfeld (3) von außen gesehen konvex und von der Lichtquelle (2) aus gesehen konkav gekrümmt ist, und
wobei ein Quotient aus einer Anzahl der Einzellinsen (33) und einer Anzahl der Lichtquellen (2) zwischen einschließlich 10 und 107 liegt.

Description:

Es wird ein Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung angegeben. Darüber hinaus wird eine autostereoskopische Beleuchtungseinheit angegeben.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem dreidimensionale Bilder ohne externe Hilfsmittel wie 3D-Brillen darstellbar sind.

Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung eingerichtet. Das bedeutet, mit dem Verfahren werden Bilder mit realistischem dreidimensionalen Eindruck erzeugt, etwa in einem Kino, einer Ausstellung, einem Museum, bei Spielkonsolen, bei Fernsehgeräten oder tragbaren Bildgebungseinheiten wie Projektoren. Autostereoskopisch bedeutet, dass das dreidimensionale Bild dargestellt wird, ohne Zuhilfenahme von zusätzlichen Gerätschaften wie Brillen auf Seite des Betrachters. Daher wird Autostereoskopie auch als brillenlose Darstellung von 3D-Bildern bezeichnet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine autostereoskopische Beleuchtungseinheit bereitgestellt. Die Beleuchtungseinheit umfasst eine oder mehrere Lichtquellen zur Erzeugung von Licht, mit dem das dreidimensionale Bild dargestellt wird. Die zumindest eine Lichtquelle ist beispielsweise durch eine Leuchtdiode, kurz LED, durch einen Laser oder Laserprojektor mit einem sich bewegenden Lichtstrahl, auch als Flying Spot-Projektor bezeichnet, durch eine Weißlichtquelle, insbesondere mit einem blau emittierenden Laser in Verbindung mit einem Leuchtstoff, durch eine Weißlichtquelle aus rot, grün und blau emittierenden Lasern, durch eine Glühlampe, durch eine Gasentladungslampe, durch ein Plasmadisplay und/oder durch eine Flüssigkristallanzeige, kurz LCD, gebildet. Außer etwa im Falle eines Plasmadisplays ist es jeweils möglich, dass eine LCD in oder an der Lichtquelle verwendet wird.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinheit ein Linsenfeld. Das Linsenfeld ist aus vielen Einzellinsen zusammengesetzt. Dabei können die Einzellinsen dicht in dem Linsenfeld angeordnet sein, beispielsweise in einer regelmäßigen Matrix, insbesondere einer rechteckigen oder hexagonalen Matrix. Die Einzellinsen können baugleich zueinander sein oder auch in verschiedenen Bereichen des Linsenfeldes voneinander verschiedene Formen aufweisen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Linsenfeld von außen gesehen konvex gekrümmt. Von der Lichtquelle aus gesehen ist das Linsenfeld dagegen konkav gekrümmt. Mit anderen Worten ist es möglich, dass von einem externen Betrachter aus gesehen sich ein mittlerer Bereich des Linsenfelds näher am Betrachter befindet als Ränder des Linsenfelds. Entsprechend Umgekehrtes kann aus Sicht der Lichtquelle gelten, wobei alternativ das Linsenfeld durchgehend einen gleichbleibenden, konstanten Abstand zur Lichtquelle aufweisen kann, insbesondere gesehen in einer oder in mehreren Schnittebenen durch das Linsenfeld und durch die Lichtquelle hindurch.

Alternativ oder zusätzlich kann der Begriff konvex bedeuten, dass das Linsenfeld in einer oder in allen Schnittebenen, die bevorzugt horizontal verlaufen, als Kreisbogen, Kreis, Ellipse oder Parabel approximierbar ist und dass ein Krümmungsmittelpunkt und/oder ein Brennpunkt dieser approximativen Kurve auf einer dem Betrachter abgewandten Seite des Linsenfeldes liegt. Konkav kann dem entsprechend bedeuten, dass sich der Krümmungsmittelpunkt und/oder Brennpunkt sowie die Lichtquelle auf derselben Seite des Linsenfeldes befinden. Approximierbar kann bedeuten, dass die approximative Kurve lokal von dem Linsenfeld um höchstens 25 % oder 15 % oder 5 % einer Brennweite oder eines Radius der approximativen Kurve abweicht. Das Linsenfeld kann somit durch einen einzige, kontinuierliche Krümmung gebildet sein, im Querschnitt gesehen, oder mehrere unterschiedlich gekrümmte Teilgebiete aufweisen, auch mit verschiedenen Vorzeichen der Krümmung.

Alternativ oder zusätzlich kann der Begriff konvex bedeuten, dass zwischen dem Betrachter und dem Linsenfeld ein minimaler Abstand d vorliegt, wobei das Linsenfeld unter einem Winkel a0 = 0° gesehen wird. Für einen tatsächlichen Abstand D zwischen dem Betrachter und dem Linsenfeld unter einem Winkel a ≠ a0 gilt dann bevorzugt für alle Winkel oder im Mittel, dass D > 1/d cos (a). Konkav kann hinsichtlich der Lichtquelle und dem Linsenfeld entsprechend D < 1/d cos (a) bedeuten.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Modulierens einer Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle. Das Modulieren kann durch das Einschalten und/oder Ausschalten von bestimmten lichtemittierenden Komponenten der Lichtquelle geschehen. Ebenso ist es möglich, dass das Modulieren durch eine LCD-Einheit erfolgt oder durch ein Bewegen eines Strahlbündels von der Lichtquelle, insbesondere eines Laserstrahlbündels.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden von der Lichtquelle die Einzellinsen jeweils nur zum Teil ausgeleuchtet. Das heißt, bei der Darstellung des dreidimensionalen Bildes ist für einen bestimmten Bildpunkt des dreidimensionalen Bildes je nur ein Teilgebiet einer Lichteintrittsfläche der entsprechenden Einzellinsen von der Lichtquelle ausgeleuchtet. Dabei ist es im Prinzip möglich, dass zu einer bestimmten Zeit mehrere verschiedene Teilgebiete der Einzellinsen ausgeleuchtet werden, insbesondere um gleichzeitig mehrere verschiedene Bildpunkte des Bildes zu erzeugen. Bevorzugt erfolgt bestimmungsgemäß zu keinem Zeitpunkt eine vollständige Ausleuchtung der Einzellinsen mit der Lichtquelle.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform trifft das Licht von der Lichtquelle so auf die Einzellinsen, sodass durch die Einzellinsen eine Abstrahlcharakteristik eines darzustellenden dreidimensionalen Objekts nachgeahmt wird. Beispielsweise wird ein Lichtfeld erzeugt, das dem von einer gekrümmten oder geknickten Oberfläche emittierten Lichtfeld entspricht. Über diese Abstrahlcharakteristik wird der dreidimensionale Eindruck des Bildes erzeugt.

In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur autostereoskopischen Bildgebung gestaltet und umfasst die folgenden Schritte:

  • – Bereitstellen einer autostereoskopischen Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquelle und mit einem Linsenfeld aus vielen Einzellinsen, wobei das Linsenfeld von außen gesehen bevorzugt konvex gekrümmt und von der Lichtquelle aus gesehen bevorzugt konkav gekrümmt ist, und
  • – Modulieren einer Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle, sodass die Einzellinsen je nur zum Teil von der Lichtquelle ausgeleuchtet werden, insbesondere für jeden Bildpunkt eines darzustellenden Objekts, wobei Licht von der Lichtquelle so auf die Einzellinsen trifft, sodass durch die Einzellinsen eine Abstrahlcharakteristik eines darzustellenden dreidimensionalen Objekts nachgeahmt wird.

Andere Möglichkeiten, dreidimensionale Bilder darzustellen, liegen in der Verwendung von 3D-Brillen. Hierbei erhalten das rechte und das linke Auge des Betrachters unterschiedliche Bilder, welche zusammen den 3D-Eindruck erzeugen. Die Abkürzung 3D steht für dreidimensional. Ein Nachteil einer solchen Lösung ist, dass zwingend eine Brille erforderlich ist, was in vielen Anwendungen unerwünscht ist. Eine weitere Möglichkeit zur Darstellung von 3D-Bildern besteht darin, mittels Linsen und/oder Blenden verschiedene Bilder auf die beiden Augen des Betrachters zu geben. Dabei funktioniert die 3D-Darstellung jedoch nur für eng eingegrenzte Positionen des Betrachters, andernfalls ist eine aufwendige Technologie zur Feststellung der Position des Betrachters und eine Anpassung der 3D-Bilder hieran nötig. Weiterhin ist es möglich, 3D-Bilder mittels Laserdioden darzustellen, wobei jeder Bildpunkt durch eine eigene Laserdiode gebildet ist. Dies erfordert jedoch eine sehr große Anzahl von Laserdioden, was eine entsprechende Beleuchtungseinheit kostenintensiv macht und außerdem mit einem großen Platzbedarf und Stromverbrauch verbunden ist.

Bei den hier beschriebenen Verfahren hingegen wird eine Lichtquelle verwendet, vor welcher sich das Linsenfeld befindet. Über die Einzellinsen wird das Licht für jeden einzelnen Bildpunkt in verschiedene Richtungen gelenkt. Die Richtungen der einzelnen Strahlbündel hängen nur von einer relativen Position zwischen dem Bildpunkt und der entsprechenden Einzellinse ab.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Lichtquelle einen oder mehrere Laser oder besteht aus einem oder mehreren Lasern. Der oder jeder der Laser ist bevorzugt zu einem bestimmten Zeitpunkt dazu eingerichtet, nur eine der Einzellinsen zu bestrahlen. Mit anderen Worten ist in der Zeitdomäne bevorzugt für jeden Laser eine 1:1 Zuordnung bezüglich der Einzellinsen gegeben. Es können auch mehrere Laser zeitgleich oder sequentiell dieselbe Linse bestrahlen, etwa um eine Wiederholfrequenz des Bildes zu steigern. Ebenso kann ein Laserstrahl insbesondere mittels eines Strahlteilers auf mehrere Linsen verteilt werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird durch das Linsenfeld ein virtuelles Bild des darzustellenden dreidimensionalen Objekts erzeugt. Virtuelle Bilder sind Bilder, die auf einem realen Schirm nicht darstellbar sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt das virtuelle Bild teilweise oder vollständig auf derselben Seite des Linsenfelds wie die Lichtquelle. Insbesondere ist das virtuelle Bild innerhalb des Linsenfelds, also in einem von dem Linsenfeld eingeschlossenen Volumen, erzeugt. Damit kann das virtuelle Bild auf einen Innenbereich der Beleuchtungseinheit beschränkt sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird durch das Linsenfeld ein reelles Bild des darzustellenden dreidimensionalen Objekts erzeugt. Ein reelles Bild ist ein Bild, das auf einem Schirm darstellbar ist oder dessen Schnittdarstellungen auf einem Schirm darstellbar sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt das reelle Bild teilweise oder vollständig auf einer der Lichtquelle abgewandten Seite des Linsenfelds. Das reelle Bild kann sich teilweise oder vollständig außerhalb der Beleuchtungseinheit befinden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das virtuelle oder reelle Bild mehrere Strahlbündelknoten. In den Strahlbündelknoten schneiden sich jeweils mehrere Strahlbündel des von der Lichtquelle erzeugten und von den Einzellinsen umgelenkten Lichts virtuell oder reell. Es ist möglich, dass jeder Bildpunkt des darzustellenden dreidimensionalen Objekts durch einen Strahlbündelknoten gebildet ist. Jedes Strahlbündel stammt dabei von jeweils einer der Einzellinsen, bezogen auf jeden Bildpunkt. Das heißt, jeder Strahlbündelknoten ist durch die Strahlbündel von einer Vielzahl der Einzellinsen zusammengesetzt. Jede der Einzellinsen dient bevorzugt dazu, zeitlich nacheinander oder auch zeitlich parallel mehrere Strahlbündel für je verschiedene Strahlbündelknoten zu erzeugen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in Raumwinkelbereiche, die von Objektpunkten des darzustellenden dreidimensionalen Objekts ausgehen und in denen sich das Objekt zwischen dem betreffenden Objektpunkt und einem Betrachter befindet, kein Licht ausgestrahlt. Hierdurch wird simuliert, dass die entsprechenden Objektpunkte aus Sicht des Betrachters durch das Objekt verdeckt erscheinen. Befindet sich ein entsprechender Objektpunkt beispielsweise an einer Rückseite des als lichtundurchlässig angenommenen Objekts, vom Betrachter aus gesehen, so werden die Strahlbündel derart geführt, dass zu dem Betrachter keine Strahlbündel von dem diesen Objektpunkt zugeordneten Strahlbündelknoten gelangen. Anders ausgedrückt wird eine Abschattung und/oder Verdeckung von Bereichen des Objekts durch das Objekt selbst nachgeahmt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beleuchtungseinheit eine Längsachse auf. Bei der Längsachse kann es sich um eine Symmetrieachse handeln. Beispielsweise erstreckt sich das Linsenfeld längs der Längsachse und/oder weist entlang der Längsachse die größte geometrische Ausdehnung auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Linsenfeld stellenweise oder insgesamt parallel zur Längsachse orientiert. Bei dem Linsenfeld handelt es sich beispielsweise um einen langgestreckten Körper mit einer Hauptausdehnungsrichtung parallel zur Längsachse.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein mittlerer Durchmesser der Einzellinsen je bei mindestens 10 µm oder 0,1 mm oder 0,2 mm oder 0,5 mm. Alternativ oder zusätzlich weisen die Einzellinsen einen mittleren Durchmesser von höchstens 5 mm oder 2 mm oder 1 mm auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Linsenfeld mindestens 10.000 oder 100.000 oder 1.000.000 der Einzellinsen. Alternativ oder zusätzlich weist das Linsenfeld höchstens 10.000.000 oder 3.000.000 oder 500.000 der Einzellinsen auf.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Linsenfeld einen mittleren Durchmesser, insbesondere in Richtung senkrecht zur Längsachse, von mindestens 0,2 m oder 0,3 m auf. Alternativ oder zusätzlich liegt der mittlere Durchmesser des Linsenfeldes bei höchstens 100 m oder 5 m oder 1 m oder 0,7 m oder 0,4 m. Entsprechendes kann für eine Höhe des Linsenfeldes etwa entlang der Längsachse gelten.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Lichteintrittsfläche der Einzellinsen für jeden Bildpunkt des darzustellenden dreidimensionalen Objekts zu höchstens 50 % oder 20 % oder 10 % oder 3 % ausgeleuchtet. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Ausleuchtungsanteil bei mindestens 0,1 % oder 0,5 % oder 2 % oder 4 %.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein mittlerer Durchmesser der Strahlbündel, die auf die Einzellinsen treffen, bei höchstens 20 % oder 10 % oder 5 % des mittleren Durchmessers der Einzellinsen. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Wert bei mindestens 2 % oder 5 % oder 10 %.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Einzellinsen an einer Lichtaustrittsfläche und/oder an der Lichteintrittsfläche eine kontinuierliche, stetige und zusammenhängende Krümmung auf. In diesem Fall liegen bevorzugt weder an der Lichteintrittsfläche noch an der Lichtaustrittsfläche Vorzeichenwechsel der Krümmung vor. Weiterhin sind die Lichteintrittsfläche und/oder die Lichtaustrittsfläche bevorzugt knickfrei. Bei den Einzellinsen kann es sich um sphärische oder näherungsweise sphärische Linsen handeln, ebenso können aber auch asphärische Linsen oder Fresnel-Linsen oder Linsen mit einem graduellen Brechungsindexverlauf, auch als GRIN-Linsen bezeichnet, herangezogen werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Einzellinsen an einer Lichtaustrittsfläche und/oder an der Lichteintrittsfläche eine Freiformfläche oder Bereiche mit mehreren verschiedenen Krümmungen, auch Krümmungen mit voneinander verschiedenen Vorzeichen, auf. Auch bei einer Freiformfläche kann sich eine Richtung der Krümmung ändern.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Lichteintrittsfläche und/oder die Lichteintrittsfläche in Draufsicht gesehen quadratisch, rechteckig, hexagonal oder auch kreisrund gestaltet, in Draufsicht gesehen. Alternativ können diese Flächen in Draufsicht gesehen auch oval oder elliptisch geformt sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Lichtquelle dazu eingerichtet, unabhängig voneinander rotes, grünes und blaues Licht zu emittieren. Alternativ oder zusätzlich können Lichtquellen zur einzelnen oder kombinierten Emission von gelbem, orangem, cyanfarbigem, magentafarbigem oder weißem Licht und/oder zur Emission von ultravioletter und/oder infraroter Strahlung vorhanden sein. Aus diesen drei Grundfarben ist das darzustellende dreidimensionale Objekt farbig für einen Betrachter darstellbar.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beleuchtungseinheit mehrere der Lichtquellen auf. Die Lichtquellen können übereinander gestapelt angeordnet sein, insbesondere entlang der Längsachse.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Lichtquellen der Beleuchtungseinheit baugleich zueinander. Alternativ ist es möglich, dass verschiedenartige Lichtquellen, beispielsweise zur Emission von verschiedenen Farben, herangezogen werden.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Linsenfeld die Form eines Hohlzylinders auf. In diesem Fall befinden sich die eine oder die mehreren Lichtquellen bevorzugt teilweise oder vollständig innerhalb dieses Hohlzylinders.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Linsenfeld teilweise oder vollständig in Form einer Kugeloberfläche gestaltet. Die Kugeloberfläche erstreckt sich bevorzugt über einen Raumwinkelbereich von mindestens 2 sr oder 3 sr oder 6 sr. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Raumwinkelbereich bei 4 π oder höchstens 10 sr oder 8 sr. Der Raumwinkelbereich bezieht sich insbesondere auf eine Lage der zumindest einen Lichtquelle. Es ist möglich, dass sich die zumindest eine Lichtquelle teilweise oder vollständig innerhalb der Kugeloberfläche befindet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Einzellinsen gleichmäßig über das Linsenfeld hinweg verteilt. Es können die Einzellinsen näherungsweise gleich große Lichteintrittsflächen aufweisen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine der Lichtquellen oder werden alle Lichtquellen oder wird die Lichtquelle innerhalb des Linsenfeldes rotiert. Hierdurch ist es möglich, dass die Einzellinsen sequenziell bestrahlt und/oder abgerastert werden. Eine Ausleuchtung der Einzellinsen erfolgt dann ähnlich einem sogenannten Flying Spot Projektor.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mehrere der Lichtquellen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, insbesondere in einer Ebene senkrecht zur Längsachse. Die Lichtquellen rotieren bevorzugt korreliert zueinander, insbesondere innerhalb dieser Ebene senkrecht zur Längsachse oder näherungsweise senkrecht zur Längsachse. Es können hierbei mehrere der Lichtquellen nebeneinander angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich zur zumindest einen Lichtquelle kann auch ein Reflektor rotieren, ähnlich wie in einem Leuchtturm.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinheit zusätzlich einen oder mehrere Detektoren. Der zumindest eine Detektor ist dazu eingerichtet, Licht der zumindest einen Lichtquelle zu detektieren.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Detektor in das Linsenfeld integriert. Beispielsweise kann der Detektor eine Position von einer oder mehrerer der Einzellinsen einnehmen. Eine Fläche des Detektors ist, bezogen auf eine Gesamtfläche des Linsenfeldes, bevorzugt vernachlässigbar und beträgt insbesondere höchstens 1 % oder 0,2 % der Gesamtfläche des Linsenfeldes.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der zumindest eine Detektor periodisch beim sequenziellen Beleuchten der Einzellinsen bestrahlt. Dies gilt insbesondere, falls eine rotierende Lichtquelle vorhanden ist. Durch die periodische oder näherungsweise periodische Beleuchtung des Detektors durch die Lichtquelle kann die Lichtquelle kalibriert werden, insbesondere hinsichtlich einer Position eines von der Lichtquelle erzeugten Strahlbündels und/oder hinsichtlich einer Rotationsgeschwindigkeit der Lichtquelle. Ebenso kann durch den Detektor eine genauere Positionierung der Lichtquelle relativ zu den Einzellinsen erfolgen.

Darüber hinaus wird eine autostereoskopische Beleuchtungseinheit angegeben. Die Beleuchtungseinheit ist dazu eingerichtet, mit einem Verfahren gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausführungsformen betrieben zu werden. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für die Beleuchtungseinheit offenbart und umgekehrt.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Einzellinsen des Linsenfeldes als Sammellinsen gestaltet. Es ist möglich, dass die Einzellinsen als Plankonvexlinsen oder als Bikonvexlinsen geformt sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinheit eine Ansteuerelektronik. Über die Ansteuerelektronik ist die Lichtquelle hinsichtlich ihrer Abstrahlcharakteristik modulierbar. Durch die Ansteuerelektronik ist es möglich, elektronische Signale an die Lichtquelle und/oder das Linsenfeld auszugeben, sodass das dreidimensionale Objekt darstellbar ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Beleuchtungseinheit einen oder mehrere Motoren auf. Über den zumindest einen Motor ist insbesondere die Lichtquelle beweglich, sodass die Einzellinsen sequenziell ausleuchtbar sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Beleuchtungseinheit ist ein Bereich zwischen der Lichtquelle und dem Linsenfeld blendenfrei. Insbesondere befinden sich keine Parallaxenbarrieren zwischen der Lichtquelle und dem Linsenfeld. Bevorzugt sind auch die Lichtquelle und das Linsenfeld selbst blendenfrei gestaltet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Lichtquelle eine vergleichsweise kleine Anzahl an Lichtquellen auf, bezogen auf eine Anzahl der Einzellinsen. Insbesondere liegt ein Quotient aus der Anzahl der Einzellinsen und der Anzahl der Lichtquellen bei mindestens 1 oder 10 oder 103 oder 104 oder 105. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Quotient bei höchstens 107 oder 106 oder 105.

Es ist möglich, dass die Beleuchtungseinheit mindestens fünf oder 20 oder 50 der Lichtquellen aufweist. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Lichtquellen bei höchstens 500 oder 100 oder 25. In diesem Sinne können Teillichtquellen für rotes, grünes und blaues Licht zu einer einzigen Lichtquelle für durchstimmbares farbiges und/oder weißes Licht zusammengefasst sein.

Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und eine hier beschriebene Beleuchtungseinheit unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, viel mehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.

Es zeigen:

1, 2 und 6 bis 12 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen autostereoskopischen Beleuchtungseinheiten, und

3 bis 5 schematische Schnittdarstellungen zu Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Verfahren zum Betreiben von hier beschriebenen autostereoskopischen Beleuchtungseinheiten.

In 1A ist eine Schnittdarstellung senkrecht und in 1B eine Schnittdarstellung parallel zu einer Längsachse L einer Beleuchtungseinheit 1 dargestellt. Die Beleuchtungseinheit 1 ist zur autostereoskopischen Darstellung von dreidimensionalen Bildern eingerichtet.

Die Beleuchtungseinheit 1 umfasst eine Lichtquelle 2, bevorzugt einen Halbleiterlaser. Die Lichtquelle 2 ist innerhalb eines Linsenfeldes 3 drehbar um die Längsachse L herum gelagert. Durch die Lichtquelle 2 werden Strahlbündel 6 erzeugt, die einen vergleichsweise geringen Durchmesser aufweisen und auf Einzellinsen 33 des Linsenfeldes 3 gelenkt werden. Die Einzellinsen 33 weisen dabei einen größeren Durchmesser auf als die Strahlbündel 6. Durch die Rotation der Lichtquelle 2 um die Längsachse L herum werden die Einzellinsen 33 der Reihe nach abgerastert und sequenziell je zum Teil ausgeleuchtet. Zur Ansteuerung der Lichtquelle 2 ist eine Ansteuerelektronik 8 vorhanden, die sich ebenso innerhalb des Linsenfeldes 3 befinden kann. In der Ansteuerelektronik 8 kann ein Motor zur Drehung der Lichtquelle 2 integriert sein. Eine Rotationsrichtung R ist durch einen bogenförmigen Pfeil symbolisiert.

Das Linsenfeld 3 ist als Hohlzylinder gestaltet. Die Einzellinsen 33 sind gleichmäßig über das Linsenfeld 3 hinweg verteilt dicht angeordnet. Die Lichtquelle 2 befindet sich innerhalb des Hohlzylinders, sodass Lichteintrittsflächen 34 der Einzellinsen 33 der Lichtquelle 2 zugewandt sind und Lichtaustrittsflächen 35 nach außen weisen. Für einen externen Betrachter, nicht gezeichnet, erscheint das Linsenfeld 3 konvex gekrümmt.

In 2 ist in der 1 entsprechenden Schnittdarstellungen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Beleuchtungseinheit 1 illustriert. Das Linsenfeld 3 ist als Viertel einer Kugeloberfläche gestaltet und deckt hinsichtlich der Lichtquelle 2 einen Raumwinkelbereich von π ab.

In 3 ist die Erzeugung von dreidimensionalen Bildern mit einer solchen Beleuchtungseinheit 1 für einen Betrachter 9 schematisch illustriert. Von der Lichtquelle 2 wird Licht erzeugt, das von dem Linsenfeld 3 umgelenkt wird. Durch die einzelnen Strahlbündel 6 ist ein virtuelles Bild 4 eines darzustellenden dreidimensionalen Objekts erzeugt. Die einzelnen Strahlbündel 6 schneiden sich in virtuellen Strahlbündelknoten 60 des virtuellen Bildes 4. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Strahlbündelknoten 60 nur an Eckpunkten des virtuellen Bildes 4 eingezeichnet. Bevorzugt befinden sich an der gesamten Oberfläche des Bildes 4 und damit dem entsprechend des dreidimensionalen Objekts Strahlbündelknoten.

Da die Strahlbündelknoten 60 und somit die virtuellen Schnittpunkte der Strahlbündel 6 an derselben Seite des Linsenfelds 3 liegen wie die Lichtquelle 2, handelt es sich um ein virtuelles Bild. Dabei ist es möglich, dass sich die Lichtquelle 2 zwischen dem virtuellen Bild und dem Linsenfeld 3 befindet. Alternativ von der Darstellung in 3 kann auch das virtuelle Bild 4 zwischen der Lichtquelle 2 und dem Linsenfeld 3 liegen. Weiterhin ist es, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, möglich, dass sich der dargestellte Gegenstand kann auch auf dem Linsenfeld 3 befinden, in dem Sinne, dass das Linsenfeld 3 den Gegenstand sozusagen durchschneidet.

In 3 ist das virtuelle Bild 4 entsprechend der Schnittdarstellung in 1B gezeigt. Gleiches gilt in einer in 3 nicht illustrierten Schnittansicht analog zur 1A. Gleichermaßen sind auch die nachfolgenden virtuellen oder reellen Bilder 5 jeweils zur Vereinfachung der Darstellung nur für die Ansicht der 1B gezeichnet. Außerdem sind die nachfolgenden verschiedenen Lichtquellen 2 jeweils für reelle Bilder 5 illustriert. Solche Lichtquellen können gleichermaßen aber auch in Kombination mit dem zugehörigen Linsenfeld 3 zu Erzeugung virtueller Bilder eingerichtet sein.

Gemäß 4 ist die Lichtquelle 2 durch ein Feld von einzelnen Emittern, beispielsweise Leuchtdioden oder Laserdioden, gebildet. Abweichend von der Darstellung in 4 ist es möglich, dass einzelne Emitter je mehreren der Einzellinsen 33 zugeordnet sind.

Gemäß 4 befinden sich die Strahlbündelknoten 60 an einer der Lichtquelle 2 abgewandten Seite des Linsenfeldes 3 und somit auf der Seite des Betrachters 9. Es ist ein reelles Bild 5 erzeugt.

Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen werden von dem Linsenfeld 3 bevorzugt nur solche Strahlbündel 6 emittiert, bei denen keine Abschattung durch das darzustellende Objekt selbst erfolgt. Somit treten keine verbotenen Strahlbündel 6' auf, wie in 4 beispielhaft illustriert, die durch das darzustellende Objekt verlaufen, zumindest wenn das darzustellende Objekt lichtundurchlässig ist.

Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist die Strahlformung durch die Einzellinsen 33 nur grob schematisch und ohne Berücksichtigung der tatsächlich lichtbrechenden Fläche veranschaulicht.

Die Lichtquelle 2 befindet sich bevorzugt in einer Brennebene des Linsenfeldes 3, wie dies auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, insbesondere für reelle Bilder 5, der Fall sein kann.

Beim Ausführungsbeispiel der 5 ist die Lichtquelle 2 zusammengesetzt aus einem Emitter 2a und einem Flüssigkristallfeld 2b, auch als LCD bezeichnet.

Ferner ist in 5 illustriert, wie eine Kalibrierung der Beleuchtungseinheit 1 erreichbar ist, insbesondere im Falle reeller Bilder. So können mehrere teildurchlässige Schirme 56 in verschiedenen Abständen zu dem Linsenfeld 3 verwendet werden. Über Detektoren wie Kameras 55 kann festgestellt werden, wo sich die Strahlbündelknoten 60 befinden. So können für jeden Bildpunkt des darzustellenden dreidimensionalen Objekts sowohl ein Ausgangspunkt als auch eine Richtung des zugehörigen Strahlbündels 6 von dem Linsenfeld 3 ermittelt werden.

Ein analoges Verfahren ist auch mit nur einem Schirm gewährleistbar, der relativ zum Linsenfeld 3 beweglich gelagert ist, sodass Kamerabilder etwa von nur einer Kamera 55 in verschiedenen Abständen zum Linsenfeld 3 aufgenommen werden. In diesem Fall muss der Schirm nicht teildurchlässig sein.

Entsprechende Kalibrierverfahren können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen herangezogen werden.

In der Schnittdarstellung senkrecht zur Längsachse L der 6 ist dargestellt, dass sich mehrere der Lichtquellen 2 in einer Ebene befinden. Die Lichtquellen 2 rotieren in Draufsicht gesehen bevorzugt starr zueinander um die Längsachse L. Dadurch ist eine erhöhte Bildwiederholrate und/oder eine größere Anzahl an Bildpunkten erreichbar. Alternativ lässt sich eine Rotationsgeschwindigkeit der Lichtquellen 2 reduzieren. Ein Motor zum Rotieren der Lichtquellen 2 ist zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet.

Es können sich auch mehrere Lichtquellen dicht nebeneinander befinden, sodass diese eng beieinanderliegende Pixel beleuchten. Damit reduziert sich die Wiederholfrequenz pro Lichtquelle. Dies ist auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich.

Beim Ausführungsbeispiel der 7 sind mehrere der Lichtquellen 2 entlang der Längsachse L übereinander gestapelt angeordnet. Auch hierdurch lässt sich eine höhere Auflösung erzielen. Bevorzugt ist jede der Lichtquellen 2 zur Ausleuchtung von mehreren Reihen der Einzellinsen 33 entlang der Längsachse L vorgesehen.

Die Anordnung der 7 lässt sich bevorzugt mit der Anordnung der 6 kombinieren, sodass in mehreren Ebenen senkrecht zur Längsachse L mehrere der Lichtquellen 2 angeordnet sein können.

Im Ausführungsbeispiel der 8 ist dargestellt, dass ein Detektor 7 in das Linsenfeld 3 integriert ist. Der Detektor 7 kann anstelle einer oder anstelle mehrerer der Einzellinsen 33 eingebracht sein. Mit einem solchen Detektor 7 ist eine Kalibrierung der Modulation der rotierenden Lichtquelle 2, insbesondere einer Laserdiode, bezüglich des Linsenfeldes 3 erreichbar. Abweichend von der Darstellung der 8 können auch mehrere der Detektoren 7 innerhalb einer Ebene senkrecht zur Längsachse und/oder entlang der Längsachse vorhanden sein.

In 9 ist illustriert, dass als Lichtquelle 2 eine rot, grün und blau emittierende Strahlungsquelle, auch als RGB-Einheit bezeichnet, vorhanden ist. Beispielsweise handelt es sich bei der Lichtquelle 2 um einen LCD-Beamer, um einen Laserbeamer oder um einen Kinoprojektor. Bevorzugt wird ein Laserbeamer verwendet.

Gemäß 10 wird als Lichtquelle ein RGB-Laser 2 verwendet, dessen Licht über einen schnell kippbaren mikromechanischen Spiegel 22, auch als MEMS-Spiegel bezeichnet, auf das Linsenfeld 3 umgelenkt wird. Je nach Auftreffposition der Strahlbündel 6 lenkt jede der Einzellinsen 33 den Laserstrahl in eine andere, vordefinierte Richtung ab. Durch diese Flying Spot-Abrasterung der Einzellinsen wird die Abstrahlcharakteristik des darzustellenden 3D-Objekts nachgebildet. Dabei ist bevorzugt jede Farbe der Lichtquelle 2 getrennt ansteuerbar, sodass ein farbiges Bild 4, 5 entsteht.

Beim Ausführungsbeispiel der 11 ist der Spiegel 22 über eine Faserkopplung 24 an die Lichtquelle 2 angebunden, und nicht durch eine Freistrahlstrecke wie in 10.

Beim Ausführungsbeispiel der 12 ist illustriert, dass jeder der beweglichen Spiegel 22 an mehrere der Lichtquellen 2, beispielsweise an zwei oder drei der Lichtquellen 2, angebunden ist. Hierdurch ist ein Abstrahlwinkel des beweglichen Spiegels 22 vergrößerbar. Somit kann eine Größe eines angezeigten Bereichs und/oder die Auflösung erhöht werden. Mehrere solcher Einheiten aus Lichtquellen 2 und beweglichen Spiegeln 22 können miteinander kombiniert werden, um die Beleuchtungseinheit 1 aufzubauen.

Wie bereits in Verbindung mit 4 erläutert, können die Anordnungen der 4, 5 und 9 bis 12 auch zur Erzeugung von virtuellen Bildern innerhalb des beispielsweise zylindrischen oder kugelförmigen Linsenfeldes 3 verwendet werden. Zudem ist zur Vereinfachung der Darstellung in den 4, 5 und 9 bis 12 jeweils nur eine Schnittdarstellung entlang der Längsachse, wie in 1B gezeichnet, dargestellt. Die Bildgebung in Ebenen senkrecht zur Längsachse L erfolgt in gleicher Weise. Die Lichtquellen 2 und optionale weitere Komponenten wie die LCD-Einheit 2b oder die beweglichen Spiegel 22 sind bevorzugt je vollständig von dem Linsenfeld 3 umschlossen. Damit kann das Linsenfeld 3 gleichzeitig als Gehäuse und/oder Abdeckung für die Lichtquelle 2 und die zugehörigen Komponenten dienen.

In den Darstellungen sind die Einzellinsen 33 je als Plankonvexlinsen gezeichnet. Ebenso können Bikonvexlinsen verwendet werden. Außerdem ist es möglich, dass hauptsächlich die Lichteintrittsflächen 34 als Sammellinsen funktionalisiert sind, wohingegen die Lichtaustrittsflächen 35 als angepasste äußere Umrisslinie des Linsenfeldes 3 gestaltet sind. Mit anderen Worten kann eine Außenfläche des Linsenfeldes dann als glatte Kugeloberfläche, Kegeloberfläche oder Zylindermantel gestaltet sein.

Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere hier die Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugszeichenliste

1
autostereoskopische Beleuchtungseinheit
2
Lichtquelle
22
Spiegel
24
Faserkopplung
3
Linsenfeld
33
Einzellinse
34
Lichteintrittsfläche
35
Lichtaustrittsfläche
4
virtuelles Bild eines darzustellenden dreidimensionalen Objekts
5
reelles Bild eines darzustellenden dreidimensionalen Objekts
55
Kamera
56
Schirm
6
Strahlbündel
6'
verbotenes Strahlbündel
60
Strahlbündelknoten
7
Detektor
8
Ansteuerelektronik
9
Betrachter
L
Längsachse
R
Rotationsrichtung