Title:
Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes
Kind Code:
A1


Abstract:

Ein Verfahren und ein Lichtfelddisplay zum Erzeugen eines dynamischen Lichtfeldes aus einem zweidimensionalen Feld mit Matrixelementen aus nebeneinander angeordneten ansteuerbaren Mikro-Displays, wobei jedes Mikrodisplay eine aktive Pixelfläche und einen die aktive Pixelfläche umfassenden Kontaktierungsrand aufweist, bildet jedes Matrixelement des zweidimensionalen Felds mit einem Abbildungssystem in Matrixbildelemente einer Zielebene ab, wobei das Abbildungssystem einen Vergrößerungsfaktor aufweist, derart dass die Matrixbildelemente der Matrixelemente in der Zielebene als reelle Bilder der aktiven Pixelflächen der Matrixelement nahtlos aneinander liegend zu einem ununterbrochenen Bild der Pixelflächen des Felds der Matrixelemente angeordnet werden, so dass in der Zielebene ein Display-Bildfeld ausgebildet wird, welches zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes geeignet ist. embedded image




Inventors:
Christoffer, Menk, Dr. (38100, Braunschweig, DE)
Jundt, Eduard (30171, Hannover, DE)
Asfour, Jean-Michel (69469, Weinheim, DE)
Vogler, Andreas (69502, Hemsbach, DE)
Hagemann, Malte, Dr. (61440, Oberursel, DE)
Application Number:
DE102017200112A
Publication Date:
07/05/2018
Filing Date:
01/05/2017
Assignee:
VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT, 38440 (DE)



Foreign References:
200801702932008-07-17
EP17176312006-11-02
Other References:
KLUG, M.; BURNETT, T.; FANCELLO, A.; HEATH, A.; GARDNER, K.; O'CONNELL, S.; NEWSWANGER, C.: 32.4: A Scalable, Collaborative, Interactive Light-field Display System. In: SID Symposium Digest of Technical Papers, 44, 2013, S. 412–415. - ISSN 2168-015
Claims:
Verfahren zum Erzeugen eines dynamischen Lichtfeldes aus einem zweidimensionalen Feld (31) mit Matrixelementen(3111 bis 3133) aus nebeneinander angeordneten ansteuerbaren Mikro-Displays (10), wobei ein Mikrodisplay (10) eine aktive Pixelfläche (11) und einen die aktive Pixelfläche (11) umfassenden Kontaktierungsrand (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Matrixelement (3111 bis 3133) des zweidimensionalen Felds (31) mit einem Abbildungssystem (32, 33, 34) in Matrixbildelemente (3511 bis 3533) einer Zielebene abgebildet werden, wobei das Abbildungssystem (32, 33, 34) einen Vergrößerungsfaktor aufweist, derart dass die Matrixbildelemente (3511 bis 3533) der Matrixelemente (3111 bis 3133) in der Zielebene als reelle Bilder der aktiven Pixelflächen (11) der Matrixelement (3111 bis 3133) nahtlos aneinander angrenzend zu einem ununterbrochenen Bild der Pixelflächen des zweidimensionalen Felds der Matrixelemente (31 11 bis 3133) angeordnet sind, so dass in der Zielebene ein Display-Bildfeld (35) ausgebildet wird, welches zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes geeignet ist.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungssystem eine erste und eine zweite Abbildung aufweist, wobei
die Matrixelemente (3111 bis 3133) objektseitig im Brennpunkt der ersten Abbildung und die Matrixbildelemente (3511 bis 3533) bildseitig im Brennpunkt der zweiten Abbildung angeordnet sind,
der bildseitigen Brennpunkt der ersten Abbildung mit dem objektseitigen Brennpunkt der zweiten Abbildung übereinstimmt und einen gemeinsamen Brennpunkt bilden, und im gemeinsamen Brennpunkt ein Aperturfeld (34) mit Aperturelementen (3311 bis 3333) angeordnet ist, wobei jedem Aperturelement (3311 bis 3333) genau einem Matrixelement (3111 bis 3133) zugeordnet ist.

Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungen des Abbildungssystems (32, 33, 34) telezentrisch ausgelegt sind.

Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungen des Abbildungssystems (32, 33, 34) beugungsbegrenzt sind.

Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Abbildung jeweils durch eine Linsenfeld (32, 34) mit Linsenelementen (3211 bis 3233, 3411 bis 3433) erfolgt, wobei die Anzahl der Linsenelemente (3211 bis 3233, 3411 bis 3433) der Anzahl der Matrixelemente (3111 bis 3133) der ansteuerbaren Mikro-Displays (10) entspricht.

Lichtfeld-Display (30) zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes, wobei das Lichtfeld-Display zur Durchführung des Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche eingerichtet und ausgelegt ist, mit
einem Mikrodisplay-Feld (31) umfassend Matrixelemente (3111 bis 3133) aus nebeneinander angeordneten ansteuerbaren Mikro-Displays (10), wobei jedes Mikrodisplay (10) eine aktive Pixelfläche (11) und einen die aktive Pixelfläche (11) umfassenden Kontaktierungsrand (12) aufweist,
einem Abbildungssystem (32, 33, 34) mit einem vorgegebenen Vergrößerungsfaktor zum Abbilden des Mikrodisplay-Felds (31) in ein Mikrodisplay-Bildfeld (35) mit Matrixbildelementen (3511 bis 3533), wobei die Matrixbildelemente (3511 bis 3533) Bilder der aktiven Pixelflächen (11) der Matrixelemente (3111 bis 3133) sind und die Matrixbildelemente (3511 bis 3533) nahtlos aneinander angrenzend angeordnet sind.

Lichtfelddisplay (30) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungssystem (30) eine erstes Abbildungslinsenfeld (32) mit Linsenelementen (3211 bis 3233), ein Aperturfeld (33) mit Aperturelementen (3311 bis 3333) und ein zweites Abbildungslinsenfeld (34) mit Linsenelementen (3411 bis 3433), wobei das Mikrodisplay-Feld (31) objektseitig im Brennpunkt des ersten Abbildungsfeldes (32) und das Mikrodisplay-Bildfeld bildseitig im Brennpunkt des zweiten Abbildungslinsenfeldes (34) angeordnet ist.

Lichtfelddisplay (30) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aperturfeld im bildseitigen Brennpunkt des ersten Abbildungslinsenfelds (32) angeordnet ist, der gleichzeitig der objektseitige Brennpunkt des zweiten Abbildungslinsenfeldes (34) darstellt.

Lichtfeld-Display nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrodisplays (10) durch OLED-Mikrodisplays gebildet werden.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Lichtfelder ermöglichen eine 3D-Visualisierung eines Gegenstands ohne 3D-Brille für einen bewegten Beobachter. Sie können sozusagen als einfache Hologramme angesehen werden. Erzeugt werden derartige Lichtfelder durch Lichtfelddisplays, die ein Lichtfeld des abzubildenden Gegenstands erzeugen, so dass der Gegenstand in 3D wahrgenommen werden kann.

Ein Beispiel eines statischen Lichtfeldes stellt das 3D-Poster der Firma Real-Eyes (www.real-eyes.eu) dar, das ein Bild mit einem statischen Inhalt anzeigen kann. Das Poster besteht aus einer Frontplatte bestehend aus Mikrolinsenarrays, die die Bildinformation eines dahinter liegenden hochauflösenden Farbfilms abbilden. Die Größe des Posters entspricht etwa dem A0-Format und enthält insgesamt 250.000 Mikrooptiken, die zu Linsenplatten à 10 × 10 Mikrolinsen oder Mikrooptiken zusammengesetzt sind. Dabei hat in der Anwendung eine Mikrolinse eine Ausdehnung von ca. 2mm.

Jede der Mikrooptiken oder Mikrolinsen bildet mit dem dahinter liegenden Segment des Farbfilms eine Elementarzelle mit einer quadratischen Grundfläche von 2 mm Kantenlänge. Der Farbfilm hinter jeder Mikrolinse ist so belichtet, dass er ein Mikrobild von 256 × 256 RGB-Pixeln enthält, bei dem jedes Pixel durch die davor liegende Mikrooptik ein kollimiertes Strahlenbündel in ein anderes Raumwinkelelement emittiert. Die Überschneidung der Strahlenbündel mehrerer Mikrolinsen lässt ein Lichtfeld entstehen mit dem virtuelle Objekte dargestellt werden können, die eine Tiefenwirkung auf den Betrachter in die Bildebene hinein beziehungsweise heraus erzeugen. Insgesamt enthält das Poster 30.000 stereoskopische Bilder, sog. Views, die jeweils unter einem anderen Blickwinkel bis maximal ±20° in horizontaler und vertikaler Richtung, bezogen auf die Oberflächennormale des Posters, gesehen werden können. Diese werden anhand eines Computermodells berechnet, was als Rendering bezeichnet wird, und anschließend auf den Farbfilm belichtet. Das Resultat ist ein fotorealistischer Bildinhalt, dieser ist allerdings statisch und kann nicht dynamisch verändert werden.

Hinsichtlich der oben genannten Microoptiken zeigt die Druckschrift EP 1 717 631 A1 eine mikrooptische Anordnung, bei der insbesondere optische Eigenschaften eines optischen Elementes oder dessen Beeinflussung elektromagnetischer Strahlung verändert werden können, wobei optische Elemente mit einer reflektierenden Oberfläche bevorzugt sind. Die mikrooptische Anordnung weist ein plattenförmiges optisches Element auf, auf das auf eine optisch wirksame Oberfläche elektromagnetische Strahlung gerichtet wird. Das optische Element ist dabei mindestens an einem äußeren Randpunkt fixiert oder eingespannt. In Folge einer translatorischen Bewegung zumindest nahezu parallel zur optischen Achse zwischen zwei Umkehrpunkten wird das optische Element bedingt durch die Massenträgheit elastisch verformt.

Soll auf Basis der oben erläuterten Technik des statischen Lichtfeldes ein dynamischer Inhalt angezeigt werden, so muss der Farbfilm durch ein geeignetes Anzeigemedium ersetzt werden. Die Größe eines RGB-Pixels auf dem Farbfilm entspricht anhand der obigen Werte etwa 8 µm, die das Anzeigemedium näherungsweise erreichen muss, um einen ausreichenden 3D-Eindruck zu erwecken. Dafür kommen nach heutigem Stand der Technik nur Mikrodisplays in Frage, die in ihrer Größe jedoch begrenzt sind. Bedingt durch heutige Herstellungsverfahren ist die Größe solcher Mikrodisplays auf eine Fläche von etwa 1 cm2 begrenzt, sodass eine Vielzahl von Mikrodisplays gekachelt nebeneinander zu einem Display angeordnet werden müssen, um den Farbfilm zu ersetzen. Die Displayfläche kann technisch bedingt nicht vollständig mit Bildpunkten belegt werden. Etwa 10% der Fläche entfallen auf Ränder, die der Verkapselung und Ansteuerung der Microdisplays dienen. Damit ist im Gegensatz zum Farbfilm die Displayfläche des aus Microdisplays gekachelten Displays nicht mehr homogen, sodass damit das Bild für einen Betrachter horizontale und vertikale Unterbrechungen zeigt. Diese können abhängig von der Anordnung der Mikrolinsen die Ansicht durchlaufen oder einzelne Ansichten gänzlich unmöglich machen. Das resultierende Bild wäre für einen Betrachter derart gestört, dass es das Display unbrauchbar macht. Beim Poster tritt dieser Effekt in einer verminderter Form auf und hat seine Ursache in den Linsenplatten, die gekachelt aneinandergesetzt sind.

Beim sogenannten dynamischen Lichtfelddisplay soll daher ein Mikro-Linsen-Array mit einem Display in einer sehr hohen Auflösung gekoppelt werden, um eine 3D-Visualisierung ohne 3D-Brille für einen bewegten Betrachter zu ermöglichen. Da es derzeit kein Display in einer entsprechend hohen Auflösung und Größe auf dem Markt gibt, ist es notwendig eine Vielzahl von Microdisplays miteinander zu verbinden, d.h. zu kacheln. Durch den bestehenden Rand der Microdisplays entstehen folglich Bereiche in denen keine Informationen dargestellt werden können.

Wird ein OLED-Display als Mikrodisplay eingesetzt, so stellen Insbesondere Kontaktierungen, wie beispielsweise durch Flexkabel, nicht leuchtende Bereiche dar. Wenn dann mehrere OLED-Displays in Form einer Kachelung zum Erzielen eines dynamischen Lichtfelddisplays nebeneinander gesetzt werden, führt dies zu dunklen Betrachtungswinkeln, welche den 3D-Eindruck beim Betrachter stören und im Extremfall eliminieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein auf einer Vielzahl von Microdisplays basierendes dynamisches Lichtfelddisplay ohne störende nichtleuchtende Bereiche zu schaffen.

Dies Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfelds mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein dynamisches Lichtfelddisplay mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines dynamischen Lichtfeldes aus einem zweidimensionalen Feld mit nebeneinander angeordneten Matrixelementen aus ansteuerbaren Mikro-Displays, wobei jedes Mikrodisplay eine aktive Pixelfläche und einen die aktive Pixelfläche umfassenden Kontaktierungsrand aufweist, bildet jedes Matrixelement des zweidimensionalen Felds mit einem Abbildungssystem in Matrixbildelemente einer Zielebene ab, wobei das Abbildungssystem einen Vergrößerungsfaktor aufweist, derart dass die Matrixbildelemente der Matrixelemente in der Zielebene als reelle Bilder der aktiven Pixelflächen der Matrixelement nahtlos aneinander liegend zu einem ununterbrochenen Bild der Pixelflächen des Felds der Matrixelemente angeordnet werden, so dass in der Zielebene ein Display-Bildfeld ausgebildet wird, welches zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes geeignet ist.

Auf diese Weise ist es möglich ein dynamisches Lichtfeld mittels des so erzeugten Display-Bildfeld zu erzeugen, da nunmehr keine störenden Kontaktierungen der Mikrodisplays in dem Display-Bildfeld vorhanden sind und über die aktiven Pixelflächen der Mikrodisplays eine Ansteuerung der entsprechenden Bildpixel in dem Display-Bildfeld möglich ist. Folglich führt die Abbildung der Matrix der Mikrodisplays und dem entsprechenden Aneinanderlegen der Bilder der Pixelflächen quasi zu separat ansteuerbaren Bildpixelflächen, so dass jede Bildpixelfläche in der Zielebene wie in dem statischen Fall mit einem veränderbaren Mikrobild belegt werden kann, wodurch ein dynamisches Lichtfeld mit 3D-Wirkung erzeugt werden kann.

Vorzugsweise weist das Abbildungssystem eine erste und eine zweite Abbildung auf, wobei

  • - die Matrixelemente des zweidimensionalen Felds objektseitig im Brennpunkt der ersten Abbildung und die Matrixbildelemente bildseitig im Brennpunkt der zweiten Abbildung angeordnet sind,
  • - der bildseitige Brennpunkt der ersten Abbildung mit dem objektseitigen Brennpunkt der zweiten Abbildung übereinstimmt und einen gemeinsamen Brennpunkt bilden, und
  • - im gemeinsamen Brennpunkt ein Aperturfeld mit Aperturelementen angeordnet ist, wobei jedem Aperturelement genau einem Matrixelement des zweidimensionalen Felds zugeordnet ist.

Auf diese Weise wird vorteilhafterweise ein Übersprechen zwischen den Kanälen des Abbildungsvorgangs verhindert, wobei ein Kanal als die Abbildung eines Matrixelement des zweidimensionalen Felds auf das entsprechende Matrixbildelement definiert ist.

Weiter bevorzugt sind die Abbildungen bildseitig telezentrisch ausgelegt. Auf diese Weise wird das Übersprechen zwischen den Kanälen verhindert. Ferner sind die Abbildungen so ausgelegt, dass sie beugungsbegrenzt sind, damit Abbildungsfehler vernachlässigt werden können.

Weiter bevorzugt erfolgt die erste und die zweite Abbildung jeweils durch eine Linsenfeld mit Linsenelementen, wobei die Anzahl der Linsenelemente der Anzahl der Matrixelemente der ansteuerbaren Mikro-Displays entspricht.

Das erfindungsgemäße Lichtfeld-Display zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes, wobei das Lichtfeld-Display zur Durchführung des im Vorangegangenen erläuterten Verfahrens eingerichtet und ausgelegt ist, umfasst

  • - ein Mikrodisplay-Feld umfassend eine Matrix mit Elementen aus nebeneinander angeordneten ansteuerbaren Mikro-Displays, wobei ein Mikrodisplay eine aktive Pixelfläche und einen die aktive Pixelfläche umfassenden Kontaktierungsrand aufweist,
  • - ein Abbildungssystem mit einem vorgegebenen Vergrößerungsfaktor zu Abbilden des Mikrodisplay-Felds in ein Mikrodisplay-Bildfeld mit Matrixbildelementen, wobei die Matrixbildelemente Bilder der aktiven Pixelflächen der Matrixelemente sind und die Matrixbildelemente nahtlos aneinander angrenzend angeordnet sind.

Vorzugsweise umfasst das Abbildungssystem eine erstes Abbildungslinsenfeld mit Linsenelementen, ein Aperturfeld mit Aperturelementen und ein zweites Abbildungslinsenfeld mit Linsenelementen, wobei das Mikrodisplay-Feld objektseitig im Brennpunkt des ersten Abbildungsfeldes und das Mikrodisplay-Bildfeld bildseitig im Brennpunkt des zweiten Abbildungslinsenfeldes angeordnet ist.

Weiter bevorzugt ist das Aperturfeld im bildseitigen Brennpunkt des ersten Abbildungslinsenfelds angeordnet, der gleichzeitig der objektseitige Brennpunkt des zweiten Abbildungslinsenfeldes darstellt.

Vorzugsweise werden die Mikrodisplays durch OLED-Mikrodisplays gebildet.

Mittels des erfindungsgemäßen Lichtfelddisplays ist es möglich dynamische Lichtfelder mit veränderbarem Inhalt zu erzeugen, indem beispielsweise das zur Erzeugung von statischen Lichtfeldern verwendete Linsenfeld vor dem dynamischen Lichtfelddisplay angeordnet und zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes verwendet wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt

  • 1 eine vereinfachte Darstellung eines statischen Lichtfelds, eines dynamischen Lichtfelds und eines OLED-Mikrodisplays,
  • 2 eine schematische Darstellung des optischen Abbildungssystems eines OLED-Microdisplay,
  • 3 eine schematische Darstellung der Abbildung eines aus mehreren OLED-Microdisplays gekachelten Displays,
  • 4 die inhomogene Intensitätsverteilung in der Ebene der gekachelten OLED-Mikrodisplays, und
  • 5 die homogene Intensitätsverteilung des Bilddisplays in der Zielebene.

1 a zeigt in schematischer Darstellung die Erzeugung eines statischen Lichtfeldes, welches für einen Betrachter einen 3D-Effekt generiert. Ausgangspunkt zur Erzeugung eines statischen Lichtfeldes ist ein hochauflösender Farbfilm, der einer Vielzahl von Elementarzellen oder Frames aufweist, wobei in 1 a eine derartige Elementarzelle 1 dargestellt ist, die eine quadratische Grundfläche mit einer Kantenlänge 2 von ca. 2mm besitzt. Eine derartige Elementarzelle 1 des Farbfilms ist so belichtet, dass sie ein Mikrobild von 526 × 256 RGB-Pixel enthält. Jedes Pixel der Elementarzelle 1 emittiert durch eine vor der Elementarzelle 1 liegende Mikrooptik 3 ein kollimiertes Strahlenbündel in eine anderes Raumwinkelelement. Dabei besteht die Mikrooptik 3 aus einer ersten Abbildungslinse 4, eine am Ort des reellen Zwischenbildes angeordnete Aperturblende 5 oder Feldlinse, und einer zweiten Abbildungslinse 6. Beispielhaft in 1a sind 3 Strahlenbündel 7, 8 und 9 dargestellt, die ausgehend von der Elementarzelle 1 durch die Mikrooptik 3 in unterschiedliche Raumwinkel gelenkt werden. Die Überschneidung der aus einem Array von Elementarzellen 1 bestehenden Farbfilms (nicht dargestellt) durch eine aus einem Array von Mikrooptiken bestehenden Optik erzeugten Strahlenbündel lässt ein Lichtfeld entstehen, mit dem virtuelle Objekte dargestellt werden können, die eine Tiefenwirkung auf den Betrachter in die Bildebene hinein bzw. aus der Bildebene heraus erzeugen. Das Resultat ist ein statischer Bildinhalt, der nicht verändert werden kann.

1b zeigt die Problematik, die sich durch die Verwendung von Mikrodisplays ergibt, wobei in der 1b ein derartiges Mikrodisplay 10 schematisch im Querschnitt dargestellt ist. Mikrodisplays 10 in der Form eines OLED haben eine rechteckige oder quadratische aktive Displayfläche 11, die durch einen optisch inaktiven Rand 12 umrahmt wird, der zur Verkapselung und Kontaktierung der Pixel der aktiven Fläche dient, wie dies in 1c zur Erläuterung schematisch dargestellt ist. Ferner beträgt die Größe eines schematisch in der 1c dargestellten konventionellen OLED-Mikrodisplays 7,91 × 5,97 mm2 mit einer Pixelpitch von 8 µm und einem Randbereich 12 für die Kontaktierungen von jeweils 1 mm.

Wird nun die Elementarzelle 1 der 1a durch ein Microdisplay 10 ersetzt, um mittels der Mikrooptik 3 ein dynamisches Lichtfeld zu erzeugen, so bilden die Strahlenbündel 8 und 9 Pixel der aktiven Fläche 11 des Mikrodisplays 10 in unterschiedliche Raumwinkel ab, wie dies bei der Elementarzelle 1 des 1 a der Fall ist. Das Strahlenbündel 7 jedoch bildet einen Bereich des Randes 12 des Mikrodisplays in den durch die Mikrooptik 3 vorgegebenen Raumwinkel ab, der jedoch nicht zur Bildgebung beitragen kann. Anhand des Beispiels der 1b ist offensichtlich, dass das durch ein Array von Mikrodisplays erzeigte dynamische Lichtfeld aufgrund der Abbildung der Ränder 12 der Mikrodisplays 10 ein für den Betrachter gestörtes 3D-Bild erzeugen würde.

2 zeigt schematisch die Darstellung einer optimierten sequentiellen Abbildungsoptik 13 zur Erzeugung eines ungestörten Displays. Das Mikrodisplay 10, umfassend die aktive Pixelfläche 11 und den Rand 12, wird mittels einer Abbildungsoptik 13, bestehend aus einer ersten Abbildungslinse 14 und einer zweiten Abbildungslinse 16, vergrößert in einer Zielebene als Mikrodisplaybild 17 abgebildet. Dabei sind die erste und zweite Abbildungslinse 14, 16 der Abbildungsoptik 13 so angeordnet, dass der Abstand der beiden Abbildungslinsen 14, 16 der Summe der beiden Brennweiten f1, f2 entspricht, wobei f1 die Brennweite der ersten Abbildungslinse 14 und f2 die Brennweite der zweiten Abbildungslinse 16 ist. Im gemeinsamen Brennpunkt zwischen den beiden Abbildungslinsen 14, 16 des Abbildungssystems 13 ist eine Aperturebene 15 angeordnet. Der Vergrößerungsfaktor V der Abbildungsoptik 13 ergibt sich dann als der Quotient der Brennweite f2 der zweiten Abbildungslinse 16 zur Brennweite f1 der ersten Abbildungslinse 14.

Das Mikrodisplay 10 ist objektseitig im Brennpunkt der ersten Abbildungslinse 14 mit der Brennweite f1 angeordnet. Symbolisiert durch die von den Eckpunkten der aktiven Pixelfläche ausgehenden Strahlenbündel 18, 19, 20 und 21 verlaufen diese durch die Aperturebene 15 und werden von der zweiten Abbildungslinse 16 bildseitig in der Zielebene als Eckpunkte des Mikrodisplaybilds 17 abgebildet. Dabei entspricht das in 2 dargestellte Mikrodisplaybild 17 dem Abbild der aktiven Pixelfläche 11. Zwar wird formal auch der Rand 12 des Mikrodisplays 10 durch die Abbildungsoptik 13 in die Zielebene abgebildet, da allerdings der Rand 12 nicht ansteuerbar und daher immer dunkel ist, tritt der Rand 12 in der Zielebene nicht in Erscheinung.

Damit von den Abbildungslinsen 14 und 15 der Abbildungsoptik 13 nur Strahlenbündel des zugeordneten Mikrodisplays 10 abgebildet werden, ist in der Aperturebene 15 eine entsprechende Apertur im Sinne einer Feldblende angeordnet, so dass eine beidseitige telezentrische Abbildung gewährleistet ist.

Es ist das Ziel der Abbildungsoptik 13 ein vergrößertes Mikrodisplaybild 17 der aktiven Pixelfläche 12 des OLED-Mikrodisplays zu schaffen, so dass eine Kachelung eines Arrays von Mikrodisplays 10, d.h. ein gekacheltes OLED-Display, bildseitig zu einem einheitlichen Bild der gekachelten Mikrodisplays führt, das aus unmittelbar aneinander liegenden Bildern 17 der aktiven Pixelflächen 11 zusammengesetzt ist, wobei die Abbildungen der Ränder 12 des Mikrodisplays keine Rolle spielen, da diese nicht ansteuerbar und folglich dunkel sind.

3 zeigt in schematischer Darstellung ein dynamisches Lichtfelddisplay 30, welches zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes verwendet werden kann, ohne dass Störungen durch die Kontaktierungsränder 12 gekachelter OLED-Mikrodisplays 10 auftreten. Ausgangspunkt des dynamischen Lichtfelddisplays 30 ist eine Matrix oder ein Feld 31 gekachelter OLED-Mikrodisplays 10 mit aktiver Pixelfläche 11 und Kontaktierungsrand 12. Im dargestellten Beispiel ist das OLED-Mikrodisplay-Feld 31 eine 3x3-Matrix mit den Matrixelementen 3111 bis 3133, wobei jedes Matrixelement 31nj, mit n, j ∈ (1, ..3), ein OLED-Mikrodisplay 10 repräsentiert. Es ist selbstverständlich, dass das OLED-Mikrodisplay-Feld nicht auf eine 3x3-Matrix begrenzt ist, sondern die Anzahl n, j der Matrixelemente von der Größe des gewünschten Lichtfelddisplays 30 abhängt.

Ein erstes Abbildungslinsenfeld 32 mit Elementen 3211 bis 3233 bildet das im objektseitigen Brennpunkt des Abbildungslinsenfelds 32 angeordnete OLED-Mikrodisplay-Feld 31 in eine Ebene eines Aperturfeldes 33 ab. Dabei wird das Aperturfeld 33 durch eine 3x3-Matrix von Aperturen 3311 bis 3333 gebildet, die zum Filtern der Raumwinkel der von den OLED-Mikrodisplay-Matrixelemente 3111 bis 3133 ausgehenden Strahlenbündel dienen, um ein Übersprechen zwischen den einzelnen Kanäle zu verhindern, wobei ein Kanal durch die Abbildung eines Matrixelements 3111 bis 3133 definiert ist. Mit anderen Worten, durch das Aperturfeld 33 wird verhindert, dass Strahlenbündel eines Matrixelements in den Abbildungsweg eines anderen Matrixelements gelangen, wodurch ein Übersprechen verhindert wird.

Dem Aperturfeld 33 nachfolgend ist ein zweites Abbildungslinsenfeld 34 bestehend aus Linsenelementen 3411 bis 3433 angeordnet, wobei der Abstand des Aperturfelds 33 zum zweiten Abbildungslinsenfeld 34 der Brennweite f2 des Abbildungslinsenfelds 34 entspricht. Das zweite Abbildungslinsenfeld 34 erzeugt in der Zielebene ein Display-Bildfeld 35 des OLED-Mikrolinsenfelds 31, wobei durch eine entsprechende Wahl des Vergrößerungsfaktors V in der Zielebene ein nahtlos zusammengesetztes Abbild der aktiven Pixelflächen 11 der OLED-Mikrodisplay-Matrixelemente 3111 bis 3133 erzeugt wird , wie dies durch die Strichelung angedeutet wird. Da die Ränder 12 des Matrixelemente nicht ansteuerbar und daher dunkel sind, treten sie im Display-Bildfeld 35 nicht in Erscheinung, so dass das Display-Bildfeld 35 ein nahtlos zusammengesetztes Abbild der aktiven Pixelflächen 12 der Matrixelemente 3111 bis 3133 darstellt.

Das so erzeugte Display-Bildfeld 35 kann in Folge zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes verwendet werden, indem das Display-Bildfeld 35 die Aufgabe des aus Elementarzellen 1 zusammengesetzten hochauflösenden Farbfilmes der 1 übernimmt. Mit anderen Worten, das Nachschalten einer Mikrolinsenplatte hinter das dynamische Lichtfelddisplay 30 derart, dass das Display-Bildfeld 35 am Ort des hochauflösenden Farbfilms angeordnet ist, führt zur Erzeugung eines dynamischen Lichtfeldes.

Zur weiteren Verdeutlichung der Funktionsweise des dynamischen Lichtfelddisplays 30 sind in 3 die Abbildungen der Matrixelemente 3113 und 3123 des OLED-Mikrodisplayfelds 31 durch Strichelungen hervorgehoben dargestellt. Die von den Aperturelementen 3313 und 3323 vorgenommene Raumwinkelfilterung bewirkt eine Begrenzung der Abbildungen der aktiven Pixelflächen 11 der Matrixelemente 3113 und 3123 auf die Elemente 3213 und 3223 des ersten Abbildungsfelds und auf die Elemente 3413 und 3423 des zweiten Abbildungsfeldes 34, so dass in der Zielebene des Display-Bildfelds 35 die Bildfeldelemente 3513 und 3523 als Bilder der aktiven Pixelflächen 11 der Matrixelemente 3113 und 3123 nahtlos aneinandergrenzend angeordnet sind. Auf diese Weise wird ein Display-Bildfeld 35 ohne störende Kontaktierungsränder generiert, welches zur Erzeugung eines ungestörten dynamischen Lichtfeldes geeignet ist.

Wird zur Kachelung als OLED-Mikrodisplay 10 eine konventionelles OLED-Display mit einer Größe der aktiven Pixelfläche von 7,91 × 5.97 mm2 bei einer Pixelpitch von 8 µm verwendet, dessen Randbereiche für die Kontaktierung 1 mm beträgt, so hat die Fläche eines OLED-Mikrodisplays 10 eine Größe 9,91 × 7,97 mm2. Um ein nahtloses Aneinanderfügen der Bilder der aktiven Pixelflächen 11 In der Zielebene zu erzielen, muss in der Zielebene eine Bildgröße von 9,91 × 7,97 mm2 durch die Abbildungslinsenfelder 32 und 34 erreicht werden, was einen Vergrößerungsfaktor von 1,282 bedingt, wodurch sich in der Bildebene eine Pixelgröße von 10,26 µm ergibt. Zur Vermeidung des Übersprechens zwischen den Kanälen, wobei als Kanal die Abbildung eines Matrixelements 31nj des OLED-Mikrodisplayfeldes 31 auf das entsprechende Element 35nj des Display-Bildfeld 35 definiert ist, muss das Abbildungssystem des dynamischen Lichtfelddisplays bildseitig nahezu telezentrisch, insbesondere telezentrisch, sein. Ferner wird für eine beugungsbegrenzte Abbildung ein Verhältnis f/D von ca. 6 benötigt.

4 zeigt die Intensitätsverteilung des beispielhaften OLED-Displayfeldes 31 mit den Matrixelementen 3111 bis 3133 in schematischer Darstellung, wobei jedes Matrixelement 3nj mit n, j ∈ (1,..,3) durch ein OLED-Microdisplay 10 mit einer aktiven Pixelfläche 11 und einem Kontaktierungsrand 12 gebildet ist. Die beispielhafte 3x3-Matrix aus den Matrixelementen 3111 bis 3133 ist in einen äußeren Rahmen 31R eingebettet, der für das Displayfeld 31 keine Bedeutung hat. In einem Zustand, in dem alle Matrixelemente 3111 bis 3133 angesteuert sind, leuchten die aktiven Pixelflächen 11 der Matrixelemente 3111 bis 3133 mit voller Intensität, was durch die Farbe Weiß, d.h. unschraffiert, dargestellt ist. Die Kontaktierungsränder 12 der Matrixelemente 3111 bis 3133 sowie der äußere Rahmen 31R sind dagegen dunkel, da diese Anteile nicht leuchten können, und werden in 4 schraffiert dargestellt.

5 zeigt die Intensitätsverteilung des Display-Bildfeldes 35 in der Zielebene. Es ist deutlich zu erkennen, dass über das gesamte Bildfeld 35, welches durch die nahtlos zusammengesetzten Bilder der aktiven Pixelflächen der Matrixelemente 3111 bis 3133 der 4 gebildet wird, eine konstante Intensitätsverteilung mit voller Intensität erzeugt wird, was durch die Farbe „Weiß“, d.h. unschraffiert, dargestellt ist. Außerhalb des Display-Bildfeldes 35 ist es dunkel, was durch die Schraffierung der Umgebung 36 symbolisiert ist.

Bezugszeichenliste

1
Elementarzelle
2
Kantenlänge
3
Mikrooptik
4
erste Abbildungslinse
5
Apertur
6
zweite Abbildungslinse
7
Strahlenbündel
8
Strahlenbündel
9
Strahlenbündel
10
Mikrodisplay
11
aktive Fläche des Mikrodisplays
12
Rand des Mikrodisplays
13
Abbildungsoptik
14
erste Abbildungslinse
15
Aperturebene
16
zweite Abbildungslinse
17
Bild der aktiven Pixelfläche des Mikrodisplays / Mikrobilddisplay
18
Strahlenbündel
19
Strahlenbündel
20
Strahlenbündel
21
Strahlenbündel
30
dynamisches Lichtfelddisplay
31
OLED-Mikrodisplay-Feld
31nj
Matrixelement nj
31R
Rahmen
32
erstes Abbildungslinsenfeld
32nj
Linsenelement nj des ersten Abbildungslinsenfelds
33
Aperturfeld
33nj
Aperturelement nj des Aperturfelds
34
zweites Abbildungslinsenfeld
34nj
Linsenelement nj der zweiten Abbildungslinsenfelds
35
Display-Bildfeld in der Zielebene
35nj
Matrixbildelement nj des Display-Bildfelds in der Zielebene
36
Umgebung des Display-Bildfelds

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • EP 1717631 A1 [0005]