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Entwurf und wellenoptische Optimierung autostereoskopischer Anzeigen mit dynamischen Parallaxebarrieren

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung einer autostereoskopischen Anzeige für den Einsatz im Automobil. Im Kern galt es das inverse optische Problem zu lösen, die abbildenden Eigenschaften einer dynamischen Barrieremaske zu bestimmen, um am Ort des Betrachters eine Leuchtdichteverteilung zu erzeugen, die auch bei dynamischen Bewegungen eine störungsfreie Wahrnehmung ermöglicht. Es wird gezeigt, dass eine geometrisch-optische Betrachtung auf Grund von Beugung nicht ausreichend ist, weshalb ein entsprechendes wellen-optisches Modell entwickelt wurde. Dies ermöglichte durch Einbringen von Amplituden-verändernden und Phasen-verschiebenden Elementen die Leuchtdichteverteilung wellen-optisch zu optimieren. Zudem werden neue Methoden präsentiert, wie der Bereich der stereoskopischen Wahrnehmung durch diskrete Anpassung der Barriere auf variable Betrachtungsabstände adaptiert werden kann. Das Modell und die Adaptionsmethode wurden erfolgreich in einer prototypischen Anzeige umgesetzt.

Titel: Entwurf und wellenoptische Optimierung autostereoskopischer Anzeigen mit dynamischen Parallaxebarrieren
Verfasser: Ewen, Christoph GND
Gutachter: Denz, Cornelia GND
Organisation: FB 11: Physik
Dokumenttyp: Dissertation/Habilitation
Medientyp: Text
Erscheinungsdatum: 2017
Publikation in MIAMI: 08.01.2019
Datum der letzten Änderung: 08.01.2019
Schlagwörter: Autostereoskopie; Automobil; Abstandsadaption; Wellenoptik; Parallaxebarriere; 3D-Display
Fachgebiete: Physik
Sprache: Deutsch
Format: PDF-Dokument
URN: urn:nbn:de:hbz:6-66129708754
Permalink: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:6-66129708754
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Inhalt:
1 Zielsetzung und Einordnung der Arbeit 13
2 Bestimmung der optischen Zielfunktion 25
2.1 Anzeigen im Automobil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Zielvorgabe: R¨aumliche Anzeige im Kombiinstrument . . . . . . . . . 26
2.3 Wahl des Technologie-Ansatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 R¨aumliche Wahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2 Erzeugung von Inhalten mit k¨unstlicher Tiefe . . . . . . . . . 34
2.3.3 R¨aumliche Anzeigetechnologien (3D-Displays) . . . . . . . . . 37
2.3.3.1 Holografische Anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.3.2 Volumetrische Anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.3.3 Integral Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.3.4 Stereoskopische Anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.3.5 Autostereoskopische Anzeigen (ASDs) . . . . . . . . 47
2.3.4 Konzept des Technologieansatzes . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4 Optische Zielfunktion f¨ur ein 3D-Kombiinstrument . . . . . . . . . . 57
2.4.1 Charakterisierung Autostereoskopischer Anzeigen . . . . . . . 58
2.4.1.1 Allgemeine Charakterisierung einer Anzeige . . . . . 58
2.4.1.2 Abstrahlcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.1.3 Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.2 Definition der Optischen Zielfunktion f¨ur ein 3D-Kombiinstrument
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5 Zusammenfassung Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3 Anzeigefunktion und Vorgehen zur Bestimmung der Abbildungsfunktion
71
3.1 Anzeigefunktion f¨ur ein 3D-Kombiinstrument . . . . . . . . . . . . . 71
3.2 Vorgehen zur Bestimmung der Abbildungsfunktion . . . . . . . . . . 77
3.3 Zusammenfassung Kapitel 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4 Geometrisch optische Bestimmung der Abbildungsfunktion 82
4.1 Allgemeiner Entwurf einer Parallaxebarriere . . . . . . . . . . . . . . 82
4.1.1 Definition der statischen Parameter einer Parallaxebarriere . . 83
4.2 Anzeigen- und statischen Barriereparameter f¨ur eine Anzeige im Automobil
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.1 Inverse geometrisch-optische Bestimmung der Anzeige- und
Abbildungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3 Dynamischen Parameter einer Parallaxebarriere . . . . . . . . . . . . 98
4.3.1 Festlegung der Barriereaufl¨osung f¨ur eine Anzeige im Automobil100
4.4 Untersuchung der stereoskopischen Qualit¨at der Prototypischen Anzeige
1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4.1 Aufbau der Anzeige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.4.2 Visuelle Untersuchung und Bewertung der Anzeige . . . . . . 106
4.4.3 Messung der statischen Anzeigeeigenschaften . . . . . . . . . . 108
4.4.4 Auswertung der statischen Anzeigeeigenschaften . . . . . . . . 114
4.4.5 Messung und Auswertung der dynamischen Anzeigeeigenschaften
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.4.6 Diskussion der Experimentellen Untersuchung . . . . . . . . . 153
4.5 Probandenstudie im Fahrsimulator zur Evaluierung der Zielerreichung 156
4.5.1 Ziel des Versuchs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.5.2 Versuchsplanung und Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.5.3 Versuchsdurchf¨uhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.5.4 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.5.5 Diskussion des Probandenversuchs . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.6 Zusammenfassung Kapitel 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5 Adaption von Parallaxebarrieren auf variable Betrachtungsabst¨ande
177
5.1 Grundlagen der Adaption auf den Betrachtungsabstand . . . . . . . . 178
5.1.1 Gr¨oße der statischen 3D-Stereozone . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.1.2 Adaption auf variable Betrachtungsabst¨ande . . . . . . . . . . 180
5.1.3 Parameter zur Beeinflussung des Betrachtungsabstandes von
Parallaxebarrieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.1.4 M¨oglichkeiten der Abstandsadaption . . . . . . . . . . . . . . 182
5.2 Experimentelle Untersuchung der Diskreten Abstandsadaptionsmethode
Voll-Pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.2.1 Diskrete Adaptionsmethode: Voll-Pitch . . . . . . . . . . . . . 189
5.2.2 Aufbau: Vorversuch Adaptionsmethode Voll-Pitch . . . . . . . 195
5.2.3 Messung: Adaptionsmethode Voll-Pitch . . . . . . . . . . . . . 199
5.2.4 Auswertung: Adaptionsmethode Voll-Pitch . . . . . . . . . . . 200
5.2.5 Visuelle Bewertung: Adaptionsmethode Voll-Pitch . . . . . . . 212
5.2.6 Diskussion: Vorversuch Adaptionsmethode Voll-Pitch . . . . . 213
5.3 Experimentelle Untersuchung der Diskreten Abstandsadaptionsmethode
Halb-Pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
5.3.1 Diskrete Adaptionsmethode: Halb-Pitch . . . . . . . . . . . . 216
5.3.2 Aufbau: Prototypische Anzeige 2 mit Halb-Pitch Methode . . 222
5.3.3 Messung und Auswertung: Adaptionsmethode Halb-Pitch . . . 229
5.3.4 Visuelle Bewertung: Adaptionsmethode Halb-Pitch . . . . . . 238
5.3.5 Diskussion: Adaptionsmethode Halb-Pitch . . . . . . . . . . . 239
5.4 Numerische Simulation der Adaptionsmethoden . . . . . . . . . . . . 242
5.4.1 Diskrete Adaptionsmethode: Fixer Voll-Pitch . . . . . . . . . 242
5.4.2 Simulationsgrundlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
5.4.3 Simulation der Abstandsadaption am Beispiel der Fixen Voll-
Pitch Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
5.4.4 Vergleich der Methoden zur Adaption auf den Betrachtungsabstand
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5.4.5 Diskussion: Vergleich der Methoden zur Adaption auf den Betrachtungsabstand
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
5.5 Zusammenfassung Kapitel 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
6 Wellenoptische Optimierung von Parallaxebarrieren 278
6.1 Wellenoptische Simulation einer Anzeige mit Parallaxebarriere . . . . 278
6.1.1 Der historische Weg zu Beugungsintegral . . . . . . . . . . . . 278
6.1.2 Geometrie des Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
6.1.3 Mathematische Beschreibung der Beugung einer Parallaxebarriere
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
6.1.4 Eindimensionale Numerische Simulation der Abstrahlcharakteristik
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
6.1.5 Vergleich und Diskussion der Simulation mit der Messung . . 297
6.2 Wellenoptische Optimierung von Parallaxebarrieren . . . . . . . . . . 300
6.2.1 Optimierungsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
6.2.2 M¨oglichkeiten der Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.2.3 Optimierung einer Anzeige mit Parallaxebarriere . . . . . . . . 306
6.2.4 Herstellung der Phasen- und Amplitudenmasken . . . . . . . . 311
6.2.5 Vorversuch zur wellenoptischen Optimierung . . . . . . . . . . 314
6.2.6 Optimierung der Abstrahlcharakteristik der Prototypischen
Anzeige 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
6.2.7 Messung der Abstrahlcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . 317
6.2.8 Ergebnis der wellenoptischen Optimierung . . . . . . . . . . . 318
6.2.9 Diskussion der wellenoptischen Optimierung . . . . . . . . . . 322
6.3 Zusammenfassung Kapitel 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
7 Zusammenfassung und Ausblick 327
8 Glossar 331
Literaturverzeichnis 333
A Anhang 359
A.1 Erstellte Inhalte f¨ur die Anzeige auf einem 3D-Kombiinstrument . . . 359
A.2 Fahrsimulatorversuch: Frageb¨ogen mit Anweisungen f¨ur Versuchsleiter 363
A.3 Matlab Simulationscode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
A.3.1 Code: Abstandsadaption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
A.3.2 Code: Wellen-Optische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 388