Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen

Diplomarbeit „Untersuchungen zur ergonomischen Gestaltung von VR-Systemen“ von Andreas Pusch, FHF 2003/2004
gemeinsamen Darstellung der polarisierten Einzelbilder auf einem einzelnen,
polarisationserhaltenden Schirm eine gezielte Auftrennung der Inhalte und kann jedes Auge
mit dem vorgesehenem Bild beliefern. Im realen Einsatz befinden sich die Filter für das linke
und das rechte Auge im Verhältnis zur Senkrechten in jeweiliger Stellungen von +/-45°.
Das zentrale Problem für diese Art der Polarisation ist die zwingende Abhängigkeit der
Analysatorenausrichtung (Brillen-/Kopfneigung) relativ zu den projektorseitigen Filtern. D.h.
wenn der Benutzer seinen Kopf im Verhältnis zu o.g. Senkrechten neigt, nehmen
Durchlässigkeits-, aber auch Verschlusswirkung der Analysatoren ab – optisches
Übersprechen bzw. Ghostings entstehen und die 3D-Wahrnehmung wird gestört. Obwohl die
generelle Separationsleistung bei annähernd orthogonaler Orientierung recht groß ist, muss
das Einsatzfeld auf jene Arbeitsplätze beschränkt werden, wo stärkere Kopfneigungen eher
untypisch sind, also v.a. auf den Desktopbereich. Für den Einsatz bei großwandigen
Projektionssystemen oder gar CAVEs, wo mitunter sehr differenzierte Blickwinkel entstehen
können, muss man sich deshalb eines anderen Ansatzes bedienen, der zirkularen Polarisation.
Zirkulare Polarisation
Die Anforderung an die Entwickler bestand darin, ein optisches System zu schaffen, bei dem
es unabhängig ist, wohin und in welchem Winkel ein Benutzer innerhalb der VR-
Repräsentation schaut. Es darf keine signifikanten Intensitätsunterschiede geben, sowohl auf
Seiten des Durchlasses, als auch auf jener des Verschlusses. Die Lösung bestand in der
Anwendung weitestgehend winkelunabhängiger Polarisationsmechanismen.
Hier werden ordentlicher und außerordentlicher Strahl zunächst ebenfalls getrennt (über
Linearpolarisation), bleiben jedoch um eine gemeinsame Achse in Ausbreitungsrichtung
zentriert. Nun kann über ein Lambda-Viertel-Plättchen oder auch Viertelwellenplättchen [42],
das über unterschiedliche schnelle, orthogonale optische Achsen verfügt, eine
Gangverschiebung zwischen den beiden Einzelkomponenten erreicht werden. Diese
Phasenverschiebung um eine viertel Wellenlänge bewirkt, blickt man von vorn gegen die
Ausbreitungsrichtung des Lichts, eine rotierende Vektorresultierende. Je nach Kenngrößen
der Phasenverschiebung ist auch elliptisch polarisiertes Licht möglich, das jedoch für die hier
beschriebene Anwendung keine Bedeutung besitzt.
Um nun die erwünschte Einzelbildseparation zu erzeugen, wird hinter die Zirkularanordnung
eines Projektors zusätzlich noch ein Lambda-Halbe-Plättchen eingebracht, das hier eine
Umkehrung der Drehrichtung des zirkular polarisierten E-Vektors der Lichtwelle bewirkt
[41]. Auf diesem Wege erhält man schließlich das erforderliche links- bzw. rechtszirkulare
Licht.
Für Bildtrennung bedient man sich nun der Tatsache, dass ein linkszirkularer Analysator kein
rechtszirkulares Licht passieren lässt – und umgekehrt. Für diese Anwendungsart müssen
sowohl vor den betreffenden Projektoren, als auch in den zu tragenden passiven Stereobrillen
jeweils zusammengehörige Filterpaare installiert werden. Der große Vorteil besteht nun darin,
dass aufgrund des zirkulierenden Komponentenvektors es im Idealfall keine Rolle mehr
spielt, in welcher Stellung sich die Analysatoren in Bezug zu den Polarisatoren befinden. Es
hat sich allerdings gezeigt, dass abhängig von der relativen Verdrehung von Analysator zu
Polarisator Farbverschiebungen (zu Gelb oder zu Blau) auftreten. Diese werden durch die o.g.
Rotationsdispersion erzeugt und sind das Ergebnis der an den Viertel- und/oder
Halbwellenplättchen auftretenden Phasenverschiebungen.
89