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Die
Erfindung betrifft eine Wiedergabevorrichtung mit einer Rückprojektionswand
zur autostereoskopen Wiedergabe von dreidimensionalen Darstellungen
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gegenüber zweidimensionalen,
konventionellen Darstellungen kommt eine dreidimensionale Darstellung
den natürlichen
Sehgewohnheiten näher. Die
Entwicklung von Vorrichtungen zu einer möglichst natürlichen dreidimensionalen Darstellung
von Objekten, Szenen und Animationen ist Gegenstand zahlreicher
wissenschaftlicher Arbeiten und Patentanmeldungen (z.B.
DE 196 40 936 C2 ,
DE 196 46 046 C1 ,
DE 198 53 608 C2 ).
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Eine
Wiedergabevorrichtung der eingangs erwähnten Gattung ist aus einer
Veröffentlichung
von Neil A. Dodgson in "Autostereoscopic
3D Displays", Computer,
August 2005, pp. 31-36, ISSN: 0018-9162, IEEE Publication, bekannt.
Darin wird eine Wiedergabevorrichtung für dreidimensionale Darstellungen
mit einer Mehrzahl von Projektoren, einer Rückprojektionswand und einem
Betrachterbereich beschrieben. Jeder der Projektoren gibt genau eine
Perspektive der dreidimensionalen Darstellungen wieder. Die Rückprojektionswand
weist eine erste und eine zweite Linsenrasterscheibe sowie einen nicht
erwähnten
und gesondert dargestellten Diffusor auf.
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Aus
einer weiteren Veröffentlichung
von Reinhard Börner
in "Autostereoskopische
Rückprojektions-
und Flachbildschirme",
Fernseh- und Kino-Technik, 48. Jahrgang, Heft Nr. 11, 1994, Seiten 594-600,
ist eine ähnliche
Wiedergabevorrichtung bekannt, die einen Projektor und eine Rückprojektionswand
aufweist und einen Betrachterbereich festlegt. Die Wiedergabe von
unterschiedlichen Perspektiven erfolgt hier durch die Aufteilung
des Bildes in Bildstreifen, wobei ein Teil der Bildstreifen ein "linkes" Bild und ein anderer
Teil der Bildstreifen ein "rechtes" Bild einer dreidimensionalen
Darstellung bildet. Die Rückprojektionswand
besteht aus einem Diffusor (Streuscheibe), der dem Projektor zugewandt
ist, und einer Linsenrasterscheibe, die dem Betrachter zugewandt
ist. Die beschriebene Wiedergabeeinheit erfordert außerdem einen
Zuschauerdetektor (Eye-Tracker), mit dem die Position des Kopfes
eines Betrachters erfasst wird. Ausgehend von der erfassten Kopfposition
wird die Linsenrasterscheibe derart nachgeführt, dass der Betrachter in
seiner jeweiligen Position eine dreidimensionale Ansicht einer Darstellung wahrnehmen
kann. Dies funktioniert jedoch nur in einem sehr kleinen Bereich.
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Nachteilig
an den beschriebenen Wiedergabevorrichtungen ist ein hoher Helligkeitsverlust
auf der Betrachterseite, da ein Teil des vom Projektor abgestrahlten
Lichtes vom Diffusor absorbiert und gestreut wird und somit nicht
zur Abbildung der dreidimensionalen Darstellung auf der Betrachterseite
zur Verfügung
steht.
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Ausgehend
davon liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, die autostereoskopische
Wiedergabevorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung dahingehend
zu verbessern, dass der beschriebene Helligkeitsverlust reduziert
und eine verbesserte Bildqualität
erreicht wird.
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Zur
Lösung
der Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Linsenrasterscheiben
haben im Vergleich zu dem sonst verwendeten Diffusor (Streuscheibe)
ein geringeres Absorptions- und Streuverhalten. Sie absorbieren
und streuen durchtretende Lichtstrahlen in einem geringeren Maße, als
dies bei einem Diffusor der Fall ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter
Weise eine Steigerung des optische Wirkungsgrads der Wiedergabevorrichtung,
wobei unter dem optischen Wirkungsgrad das Verhältnis der Lichtleistung, die von
einer hinter der Rückprojektionswand
angeordneten Bildwiedergabeeinheit abstrahlt wird, zu der Lichtleistung
verstanden wird, die von der Vorderseite der Rückprojektionswand abgestrahlt
und vom Betrachter empfangen wird. Außerdem wirkt sich das geringere
Streuverhalten der Linsenrasterscheiben günstig auf die Trennung einzelner
Teilbildstreifen aus: Die Teilbildstreifen "verschmieren" nicht, wie dies für die Verwendung eines Diffusors
typisch ist. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Linsenrasterscheiben
werden die Übergänge von
einem Teilbildstreifen auf einen angrenzenden Teilbildstreifen schärfer abgegrenzt.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematisch
eine erfindungsgemäße Wiedergabevorrichtung;
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2 eine
schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Rückprojektionswand;
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3 schematische
Kameraanordnungen zur Aufnahme verschiedener Perspektiven eines
Objektes;
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4 eine
schematische Darstellung eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Rückprojektionswand
mit einzelnen, beispielhaften Strahlengängen;
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5 schematisch,
vergrößert und
beispielhaft den Strahlengang durch eine Zylinderlinse;
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6 schematisch
eine Anzahl von Überlappungen
(Teilbildüberlappungen);
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7 eine
erfindungsgemäße 3D-Bildwiedergabeeinheit
für eine
Vielzahl von Betrachtern; und
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8 schematisch
zwei Linsenrasterscheiben, die gespiegelt angeordnet sind.
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1 zeigt
eine autostereoskope Wiedergabevorrichtung zur Wiedergabe von dreidimensionalen
Darstellungen. Die Wiedergabevorrichtung weist eine Bildwiedergabeeinheit 1 auf,
die sich hinter einer Rückseite 2 einer
Rückprojektionswand 3 befindet. Vor
einer Vorderseite 4 der Rückprojektionswand 3 befindet
sich ein Betrachterbereich 5, in dem sich Betrachter 6a, 6b, 6c die
dreidimensionalen, auf der Rückprojektionswand 3 abgebildeten
Darstellungen ansehen. Die hinter der Rückseite 2 der Rückprojektionswand 3 angeordnete
Bildwiedergabeeinheit 1 weist eine Mehrzahl von Bildwiedergabegeräten 7a-7p auf,
wobei jedes Bildwiedergabegerät 7a-7p jeweils
genau eine Perspektive der dreidimensionalen Darstellungen wiedergibt.
Die Rückseite 2 der Rückprojektionswand 3 ist
durch eine erste Linsenrasterscheibe 8 und die Vorderseite 4 ist
durch eine zweite Linsenrasterscheibe 9 gebildet.
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Wiedergabevorrichtungen
dieser oder ähnlicher
Art sind aus den Veröffentlichungen
von Neil A. Dodgson in "Autostereoscopic
3D Displays", Computer,
August 2005, pp. 31-36, ISSN: 0018-9162, IEEE Publication, und Reinhard
Börner
in "Autostereoskopische
Rückprojektions-
und Flachbildschirme", Fernseh-
und Kino-Technik, 48. Jahrgang, Heft Nr. 11, 1994, Seiten 594-600
bekannt, die hiermit zur Vermeidung von Wiederholungen zum Gegenstand der
Offenbarung der vorliegenden Erfindung gemacht werden.
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Wie
einleitend ausgeführt
wurde, ist die Verwendung von Diffusoren nachteilig, da ein Teil
der Lichtstrahlen von diesen absorbiert und gestreut wird und hierdurch
die Abbildung auf der Betrachterseite in ihrer Helligkeit reduziert
ist.
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Erfindungsgemäß wird dieser
Nachteil durch die Verwendung einer dritten Linsenrasterscheibe 10 und
einer vierten Linsenrasterscheibe 11 vermieden, die den
Diffusor ersetzen und deren im wesentlichen halbzylindrisch ausgebildete
Linsen 10a und 11a (vgl. auch 2)
quer zueinander verlaufen.
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2 zeigt
den Aufbau der erfindungsgemäßen Rückprojektionswand 3 anhand
einer perspektivischen Darstellung eines Ausschnitts der Rückprojektionswand 3.
Auf der Rückseite 2,
die der Bildwiedergabeeinheit 1 zugewandt ist, ist die
erste Linsenrasterscheibe 8 angeordnet. Hierauf folgt in
Richtung zur Vorderseite 4 hin zunächst die dritte Linsenrasterscheibe 10 und
anliegend an die dritte Linsenrasterscheibe 10 dann die
vierte Linsenrasterscheibe 11, deren Linsen 11a quer
zu den Linsen 10a der dritten Linsenrasterscheibe 10 und
auch der übrigen
Linsenrasterscheiben 8 und 9 verlaufen, deren
Linsen 8a bzw. 9a gemäß 2 ebenfalls
im wesentlichen halbzylindrisch ausgebildet sind. Abschliessend
folgt die erste, die Vorderseite 4 der Rückprojektionswand 3 bildende
Linsenrasterscheibe 9. Alle vier Rasterscheiben 8, 9, 10 und 11 sind
z.B. durch Kleben od. dgl. zu einer festen, die Rückprojektionswand 3 bildenden
Baueinheit miteinander verbunden.
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3 zeigt
eine beispielhafte Anordnung einer Mehrzahl von Kameras 13a bis 13p zur
Aufnahme von Bildern für
die dreidimensionale Darstellung eines hier gezeigten Objektes 14,
einer Szene oder einer Animation. Jede der gezeigten Kameras 13a-13p zeichnet
genau eine Perspektive des aufzunehmenden Objekts 14 auf.
Zur Wiedergabe der dreidimensionalen Darstellung werden die verschiedenen
Perspektivbilder entweder sofort an die Bildwiedergabegeräte 7a-7p gemäß 1 übermittelt
oder für
eine spätere
Wiedergabe in einem Bildspeicher zwischengespeichert und zum Wiedergabezeitpunkt an
die Bildwiedergabegeräte 7a-7p übermittelt.
Bei der Darstellung von bewegten Bildern (Szenen, Animationen) wird
entsprechend vorgegangen.
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4 zeigt
einen Detailausschnitt aus der Rückprojektionswand 3 mit
dem bereits anhand der 1 und 2 erläuterten
Aufbau aus der ersten Linsenrasterscheibe 8, der dritten
Linsenrasterscheibe 10, der vierten Linsenrasterscheibe 11 und
der zweiten Linsenrasterscheibe 9. Im Folgenden werden
Einzelheiten des Aufbaus der Rückprojektionswand 3 und
der verschiedenen Linsenrasterscheiben erläutert.
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Die
Anzahl der Linsen 8a der Linsenrasterscheibe 8 entspricht
der Anzahl der horizontalen, beispielsweise 1280 Bildpunkte (Pixel)
der Bildwiedergabegeräte 7a-7p und
damit z.B. der Zahl der vertikalen, von diesen maximal erzeugbaren
Teilbildstreifen. Die Anzahl der Linsen 10a der Linsenrasterscheibe 10 ergibt
sich aus dem Produkt der Anzahl der verschiedenen Perspektiven und
der Anzahl der Linsen 8a der Linsenrasterscheibe 8.
Bei 16 Perspektiven und 1280 Linsen 8a beträgt die Anzahl
der Linsen 10a der Linsenrasterscheibe 10 daher
z.B. 20480. Alle Linsenrasterscheiben 8, 9, 10, 11 weisen die
gleichen Abmessungen bezüglich
ihrer Länge und
Breite auf. Somit entspricht die Gesamtbreite von 16 Linsen 10a der
dritten Linsenrasterscheibe 10 ungefähr der Breite einer Linse 8a der
ersten Linsenrasterscheibe 8. Weiterhin entspricht die
Gesamtbreite von 16 Linsen 10a der dritten Linsenrasterscheibe 10 ungefähr der Breite
einer Linse 9a der zweiten Linsenrasterscheibe 9.
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Ein
Betrachter, der von vorn auf die Rückprojektionswand 3 blickt,
würde bei
nicht vorhandenen Linsenrasterscheiben 9 und 11 sämtliche
16 Perspektiven in einem Bild sehen, wobei sich dieses Bild aus
den einzelnen Teilbildstreifen zusammensetzt. Damit der Betrachter
in einer vorgewählten
Betrachterzone bzw. in einem vorgewählten Winkelbereich die einzelnen
Perspektiven getrennt voneinander wahrnehmen und betrachten kann,
wird zusätzlich die
Linsenrasterscheibe 9 vor den Linsenrasterscheiben 10 und 11 angeordnet.
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Zum
besseren Verständnis
wird im Folgenden die Dimensionierung der Linsenrasterscheibe 9 anhand
von 5 erläutert.
Dabei werden eine einzelne Linse 9a der Linsenrasterscheibe 9 und
die ihr zugeordneten, hier 16 Linsen 10a der Linsenrasterscheibe 10 genauer
betrachtet. Dabei ist die Anordnung erfindungsgemäß so getroffen, daß sich die nachfolgend
beschriebene Wirkungsweise ergibt.
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Ausgehend
von einem mittleren Betrachterpunkt O innerhalb eines z.B. dem Betrachter 6a (1)
zugewiesenen Winkelbereichs 15a mit dem Winkel α müssen für die Funktion
der erfindungsgemäßen Wiedergabevorrichtung
zwei Bedingungen erfüllt
sein:
- a) Ein Betrachter, der sich in dem mittleren
Betrachterpunkt O befindet, darf durch die Linse 9a der
zweiten Linsenrasterscheibe 9 nur eine zugeordnete mittlere,
dahinterliegende Linse 10a der dritten Linsenrasterscheibe 10,
beispielsweise die Linse 10X sehen. Auf diese Weise nimmt
der Betrachter durch die Linse 9a nur einen einzigen Teilbildstreifen
(Pixel) einer zugeordneten Perspektive wahr. Die Linsen 9a der
zweiten Linsenrasterscheibe 9 werden derart dimensioniert,
dass der auf der Linse 10X abgebildete Teilbildsteifen für den Betrachter
vergrößert, vorzugsweise
auf die Breite P (Pitch) der Linse 9a der zweiten Linsenrasterscheibe 9 vergrößert erscheint.
- b) Bewegt sich der Betrachter auf einer zur Rückprojektionswand 3 parallelen
Linie 14 innerhalb des Winkels α zu einem Punkt 14a,
so muß er durch
dieselbe Linse 9a der zweiten Linsenrasterscheibe 9 eine
letzte Linse 10X1 der zugeordneten 16 Linsen 10a der
Linsenrasterscheibe 10 und damit eine zugehörige erste
(bzw. letzte) Perspektive sehen. Bewegt sich der Betrachter nun
in entgegengesetzter Richtung auf einen Punkt 14b auf der
Linie 14 zu, so muß er
nacheinander jeweils eine der den anderen Perspektiven zugeordneten Linsen 10X1 bis 10X16 wahrnehmen.
Angekommen im Punkt 14b sieht der Betrachter schließlich die
Linse 10X16 der dritten Linsenrasterscheibe 10 bzw.
die dieser zugeordnete Perspektive. Bewegt sich also der Betrachter
von Punkt 14a auf Linie 14 hin zu Punkt 14b,
so sieht er hierbei nacheinander die der Anzahl der Perspektiven,
hier beispielsweise 16, entsprechende Anzahl von Teilbildstreifen
durch die Linse 9a.
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Entsprechend
ist die Anordnung für
die anderen beteiligten Linsen 9a und 10a zu treffen,
damit aus allen verschiedenen (hier 16) Blickrichtungen entsprechend
den Punkten 0, 14a und 14b jeweils die kompletten
zugehörigen
Perspektiven gesehen werden.
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Um
Bedingung a) und b) sicherzustellen, wird die Dicke D und die Krümmung K
der Linse 9a der zweiten Linsenrasterscheibe 9 entsprechend
den optischen Brechungsgesetzen und den Gesetzen der geometrischen
Optik, ausgehend von einem gewählten,
mittleren Betrachtungspunkt O und einem gewählten Winkel α mittels
eines iterativen Berechnungsverfahrens bestimmt.
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In 1 sind
drei unterschiedliche Betrachterzonen 15a, 15b, 15c für die drei
Betrachter 6a, 6b und 6c dargestellt.
Sie ergeben sich für
unterschiedliche Blickrichtungen, bei denen die Betrachter z. B. durch
den linken oder rechten Seitenteil einer Linse 9a (vgl. 5)
auf die angrenzenden, die Perspektiven darstellenden Linsen 10a der
dritten Linsenrasterscheibe 10 blickt. Hinsichtlich der
Möglichkeit,
alle 16 Perspektiven zu betrachten, gilt für alle Betrachterzonen 15a, 15b und 15c dasselbe,
was oben anhand der 5 beschrieben wurde.
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Der
Erfindung hat u. a. den Vorteil, dass sie Akkornodationskonflikte
(Anpassungsstörungen
der Augen bei der Fokkusierung) dadurch verhindert, dass sie eine
Vielzahl von Perspektiven darstellt. Akkomodationskonflikte treten
häufig
bei aktuellen 3D-Kinoanlagen
auf, die lediglich mit zwei Perspektiven arbeiten und zur Trennung
der linken und rechten Perspektive Polarisationstechniken einsetzen.
Bei vielen Kinozuschauern führen
Akkomodationskonflikte überdies
zu Kopfschmerzen.
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Damit
ein Betrachter 6a, 6b, 6c die Teilbildstreifen
in der gesamten vertikalen Auflösung
sehen kann, werden diese durch die vierte Linsenrasterscheibe 11 (vgl.
auch 2) vertikal aufgefächert. Vereinfacht ausgedrückt kann
gesagt werden, dass ein Bild in der dritten Linsenrasterscheibe 10 "entsteht" und durch die vierte
Linsenrasterscheibe 11 vertikal für den Betrachter sichtbar gemacht
wird.
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Weiterhin
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Linsenbreite der quer
verlaufenden Linsen 11a der vierten Linsenrasterscheibe 11 so
zu dimensionieren, dass sie der Linsenbreite der Linsen 10a der dritten
Linsenrasterscheibe 10 entspricht (2).
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Aufgrund
der nicht parallel verlaufenden Lichtstrahlen von den Bildwiedergabegeräten 7a bis 7p zur
ersten Linsenrasterscheibe 8 und von der dritten Linsenrasterscheibe 10 zur
zweiten Linsenrasterscheibe 9 ist es vorteilhaft, die Linsenbreite
der Linsen 8a der ersten Linsenrasterscheibe 8 und
die Linsenbreite der Linsen 9a der zweiten Linsenrasterscheibe 9 kleiner
auszuführen
als die Gesamtbreite von 16 Linsen 10a der dritten Linsenrasterscheibe 10.
In vorteilhafter Weise wird die Breite der Linsen 8a und 9a um
einen Teil der Breite einer Linse 10a verringert.
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Wird
die Wiedergabevorrichtung wie ausgeführt dimensionert, so ergibt
sich die gewünschte
Abbildung der dreidimensionalen Darstellung derart, dass ein Bild
irgendeines der Bildwiedergabegeräte 7a bis 7p jeweils
nur einmal in jeder Betrachterzone aus der Mehrzahl der Betrachterzonen 15, 15a, 15b sichtbar
ist. Daher kann ein Betrachter 6a, 6b, 6c in jeder
einen Winkelbereich αa, αb, αc überstreichenden
Betrachtungszone 15a, 15b, 15c durch
Bewegung vom Punkt 14a zum Punkt 14b (5)
nacheinander jeweils alle 16 Perspektiven der jeweiligen Darstellung
betrachten.
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Bei
einer Anordnung von mehreren Bildwiedergabegeräten 7a bis 7p gemäß 1 ergeben
sich aufgrund dieser Anordnung Verzerrungen derart, dass die auf
die Rückprojektionswand 3 auftreffenden
Bilder nicht der Form und/oder Größe der Rückprojektionswand 3 entsprechen.
Beispielsweise können
auftreffende Bilder kleiner oder größer als die Rückprojektionswand 3 sein.
Diese Verzerrungen können
mittels Korrekturmitteln, beispielsweise mittels Korrekturprismen
für jedes
Bildwiedergabegerät korrigiert
werden. Die Korrektur der beschriebenen Verzerrungen kann auch softwaremässig erfolgen, beispielsweise
dergestalt, dass solche Pixelbereiche von Bildwiedergabegeräten 7a bis 7p,
die keine Lichtstrahlen erzeugen, welche auf die Rückprojektionswand 3 auftreffen,
dunkel gesteuert werden. Weiterhin können die Korrekturmittel auch
als Masken 17 mit schlitzförmigen Aussparungen (6 und 7) ausgeführt sein.
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6 zeigt
beispielhaft Überlappungen 18, die
sich aus Herstellungstoleranzen für Linsenrasterscheiben ergeben,
wobei sich die Überlappungen 18 jedoch
nicht nachteilig auswirken.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. So kann als Bildwiedergabegerät jedes
bildgebendes Gerät,
beispielsweise ein Projektor oder Beamer verwendet werden. Weiterhin
ist es möglich,
die beschriebene Erfindung wahlweise zur Betrachtung von statischen oder
bewegten Bildern zu verwenden. Weiterhin können alle oder einzelne Bildwiedergabegeräte 7a bis 7p so
angeordnet sein, dass ihre Lichtstrahlen nicht direkt auf eine Rückprojektionswand 3 treffen
sondern über
Umlenkmittel, beispielsweise Spiegel, auf eine Rückprojektionswand 3 gelenkt
werden.
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Die
dritte Linsenrasterscheibe 10 kann auch so ausgeführt sein,
dass die Anzahl der Linsen 10a größer oder viel größer ist,
als das Produkt aus der Anzahl der Perspektiven und der Anzahl der
horizontalen Bildpunkte eines Bildwiedergabegeräts 7a bis 7p.
Anders ausgedrückt
kann die Zahl der Linsen 10a der dritten Linsenrasterscheibe 10,
die einer Linse 8a der ersten Linsenrasterscheibe 8 zugeordnet
ist, größer oder
viel größer als
die Anzahl der Perspektiven sein. Hierbei entspricht vorzugsweise
die Linsenbreite der Linse 8a der ersten Linsenrasterscheibe 8 wiederum
der Gesamtbreite der ihr zugeordneten Linsen 10a der dritten
Linsenrasterscheibe, wobei wie ausgeführt die Anzahl der ihr zugeordneten
Linsen 10a der Anzahl der dargestellten Perspektiven entsprechen
oder größer oder
sehr viel größer sein
kann als die Anzahl der dargestellten Perspektiven. Dadurch ergibt
sich eine hohe Flexibilität
bei der Verwendung einer Rückprojektionswand 3 für verschiedene
Anzahlen von Perspektiven. Beispielsweise kann eine Rückprojektionswand 3,
die für
eine große
Anzahl von Perspektiven, beispielsweise 50 Perspektiven, ausgelegt
ist (großer
Kinosaal), auch dazu verwendet werden, nur eine kleinere Anzahl
von Perspektiven, beispielswiese 16 Perspektiven, darzustellen.
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Zur
Verkürzung
des Fokussierabstandes (der Abstand der Bildwiedergabeeinheit 1 zur
Rückprojektionswand 2)
bzw. zur Vergrößerung des
Streuwinkels (die Betrachterzonen 15a, 15b, 15c werden breiter)
kann die dritte Linsenrasterscheibe 10 und/oder die vierte
Linsenrasterscheibe 11 jeweils durch zwei gespiegelte Linsenrasterscheiben
ersetzt werden. Unter gespiegelt soll hier eine derartige Anordnung
von zwei Linsenrasterscheiben verstanden werden, bei der die Zylinderlinsen
der Linsenrasterscheiben einander zugewandt sind, wie in 8 für zwei Linserasterscheiben 19a, 19b gezeigt
ist.
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Denkbar
ist weiterhin, dass eine Rückprojektionswand 3 aus
mehreren Teilen besteht, die beispielsweise getrennt transportiert
und dann vor Ort zu einer Rückprojektionswand
zusammengesetzt werden.
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Schließlich versteht
sich, daß die
verschiedenen Merkmale auch in anderen als den dargestellten und
beschriebenen Kombinationen angewendet werden können.