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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eliminieren einer inhomogenen Helligkeitswahrnehmung bei einer holographischen Rekonstruktion von Szenen mit einer elektro-holographischen Einrichtung, welche räumliche Lichtmodulatonsmittel benutzt, um dreidimensionale Szenen holographisch zu rekonstruieren. Die räumlichen Lichtmodulatonsmittel enthalten eine Vielzahl holographischer Modulatorzellen, in denen ein Videohologramm in Form eines Hologramm-Punkt-Musters kodiert ist und die mit Hilfe von Beleuchtungsmitteln und Fokussierelementen beleuchtet werden. Bei der vorliegenden Erfindung beleuchtet eine Vielzahl von Beleuchtungseinheiten die Lichtmodulatonsmittel der holographischen Einrichtung. Im einfachsten Fall ist das Fokussierelement ein Linsenarray mit einer Mehrzahl von Linsenelementen oder ein Lentikular mit einer Mehrzahl von Lentikeln mit zylindrischer Oberfläche.
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Die vorliegende Erfindung betrifft vorrangig eine Echtzeit- oder echtzeitnahe Darstellung von bewegten dreidimensionalen Szenen mittels holographischer Videomittel.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung mit Mitteln zum Eliminieren von Helligkeitsfehlern bei einer holographischen Rekonstruktion der Szene.
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Technischer Hintergrund
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Holographische Einrichtungen im Sinne dieser Erfindung modulieren mit den räumlichen Lichtmodulatonsmitteln hinreichend kohärentes Licht. Infolge des Kodierens der Modulatorzellen mit einem Hologrammpunkt-Datenmuster und einer Beleuchtung der Modulatorfläche mit einer interferenzfähigen Lichtwellenfront entsteht in einem Raum vor, auf und hinter der Oberfläche des Lichtmodulators durch Lichtinterferenz ein räumliches Muster von Objektlichtpunkten, welches die optische Erscheinung einer Szene rekonstruiert. Die Gesamtheit des Lichts aller Objektlichtpunkte breitet sich als Lichtwellenfront aus, so dass ein oder mehrere Betrachter das Lichtpunktmuster in Form einer dreidimensionalen Szene wahrnehmen. Das heißt, im Gegensatz zu einer stereoskopischen Darstellung realisiert eine holographische Rekonstruktion eine Objektsubstitution und die von der Stereoskopie bekannten Probleme wie Ermüdung oder Augen- und Kopfschmerzen entfallen, da prinzipiell kein Unterschied beim Betrachten von holographischen rekonstruierten Szenen und natürlichen Szenen besteht.
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Die holographische Einrichtung kann sowohl als holographisches Display, welches die Rekonstruktion vor den Augen eines oder mehrerer Betrachter sichtbar macht, als auch als Projektionsvorrichtung ausgeführt sein, welche die Rekonstruktion optisch vergrößert. Zur Lichtmodulation eignen sich beispielsweise in Flachbildschirmen eingesetzte Grafikpanele sowie in konventionellen Video- und TV-Projektoren benutzte räumliche Lichtmodulatoren mit wenigen Zentimetern Flächendiagonale. Bekannte holographische Vorrichtungen nutzen transmissive oder reflektive Lichtmodulatoren.
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Stand der Technik
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Bekannte Vorrichtungen zum holographischen Rekonstruieren dreidimensionaler Szenen enthalten optische Fokussierelemente, beispielsweise eine Linse, die hinreichend kohärentes, das heißt interferenzfähiges Licht, zu einer Welle formt, welche auf einen transmissiven räumlichen Lichtmodulator trifft. Der so beleuchtete Lichtmodulator ist mit einem Hologramm kodiert und moduliert die Welle zu einer Wellenfront mit holographischer Information zum Rekonstruieren einer Szene durch Interferenz. Dabei erzeugt der Lichtmodulator in seiner bildseitigen Brennebene ein Raumfrequenzspektrum als Fourier-Transformierte des Hologramms. Eine solche holographische Vorrichtung ist beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2004/044 659 A2 bekannt.
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Bei der optischen Fourier-Transformation des fokussierten Lichts wird die auf dem Lichtmodulator kodierte Szene rekonstruiert, und es entsteht vor den Augen eines Betrachters ein oder mehrere virtuelle(s) Betrachterfenster. Die Ausdehnung jedes Betrachterfensters entspricht einer Periode des Raumfrequenzspektrums der Fourier-Transformation. Das virtuelle Betrachterfenster liegt in der verwendeten Beugungsordnung des Hologramms. Die Szene ist nur durch ein Betrachterfenster in einem Rekonstruktionsraum sichtbar. Die Fokussierelemente überdecken die Modulationsfläche des Lichtmodulators. Der Lichtmodulator kann derart kodiert werden, dass sich der Rekonstruktionsraum rückwärtig hinter dem Lichtmodulator fortsetzt. Ein Betrachter kann somit die rekonstruierte Szene in einem Rekonstruktionsraum sehen, der deutlich größer als das Betrachterfenster sein kann.
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Da für eine große holographische Rekonstruktion auch ein Lichtmodulator mit einer großen Modulationsfläche benötigt wird, muss auch die Linse entsprechend groß bemessen sein. Eine Linse mit einer derartig großen Oberfläche und nur einer einzigen optischen Achse ist nur aufwendig und schwer realisierbar.
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In der älteren internationalen Patentanmeldung
WO 2006/119 920 A1 , die zum Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlicht war, schlägt der Anmelder deshalb vor, den räumlichen Lichtmodulator statt mit einer einzelnen Lichtquelle und einer großen Fokussierlinse mit einem Lichtarray mit Punkt- oder Linienlichtquellen und einem Linsenarray mit vielen Linsenelementen, beispielsweise einem Lentikular, zu beleuchten. Dadurch sind die Dicke und das Gewicht der Linse wesentlich geringer als bei der zuvor beschriebenen holographischen Einrichtung, was insbesondere bei großen Lichtmodulatorflächen den materiellen Aufwand beträchtlich reduziert und somit ein holographisches Rekonstruieren von großflächigen dreidimensionalen Szenen durch Video-Holographie überhaupt erst praktikabel macht. Jedes Linsenelement des Linsenarrays kann um ein Vielfaches kleiner sein als die Lichtmodulatorflächen, beispielsweise mit einer Apertur in der Größenordnung von 10 mm. Solch ein Linsenarray ist bedeutend einfacher herzustellen als eine einzelne große Linse.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung und ihre Wirkung. Eine Anordnung von Beleuchtungseinheiten beleuchtet mit drei kohärenten Linienlichtquellen LS1–LS3 und nachfolgenden Linsenelementen 21–23 eines Linsenarrays 2 einen transmissiven Lichtmodulator SLM mit einer Vielzahl Modulatorzellen. Jede Lichtquelle LS1–LS3 bildet mit dem nächstliegenden Linsenelement 21, 22 oder 23 des Linsenarrays 2 eine Beleuchtungseinheit. Das Licht der Beleuchtungseinheiten ist in sich jedoch nicht untereinander interferenzfähig. Alle Linsenelemente 21–23 bilden ihre Lichtquelle in einer Fourier-Transformations-Ebene FP, also mit einer definierten Distanz vom Lichtmodulator SLM, ab. Jedes Linsenelement realisiert dabei eine Fourier-Transformation. Die Fourier-Transformationen fallen dabei übereinander und bilden je ein virtuelles Betrachterfenster OWL/OWR vor den Augen eines Betrachters ab.
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Jede Beleuchtungseinheit der Anordnung beleuchtet mit einem Strahlenbündel dabei eine separate Region R1, R2, R3 der Oberfläche des Lichtmodulators SLM, so dass alle Beleuchtungseinheiten in Form einer geschlossenen Lichtwellenfront gemeinsam die gesamte Lichtmodulator-Oberfläche beleuchten. Auf dem Lichtmodulator SLM ist für die gemeinsame Wellenfront von allen Beleuchtungseinheiten eine gemeinsame Hologrammsequenz kodiert, welche nach dem Modulieren der Lichtwellenfront mit Hilfe von Lichtpunkten P1, P2 und P3 die sich bewegende dreidimensionale Szene holographisch rekonstruiert. Eine holographische Rekonstruktion 4 der dreidimensionalen Szene liegt wie bei der bereits oben beschriebenen Einrichtung zwischen dem Lichtmodulator SLM und dem virtuellen Betrachterfenster OWL/OWR. Für eine störungsfreie Funktion müssen die Strahlenbündel der Beleuchtungseinheiten auf dem Lichtmodulator SLM lückenlos und ohne Überlappung aneinander anschließen. Andernfalls entstehen Raumbereiche, die nicht ausgeleuchtet werden und als dunkle Stellen in der Rekonstruktion erscheinen.
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Eine Besonderheit dieser Lösung besteht in der Kodierung der Modulatorzellen. Im Gegensatz zur herkömmlichen Kodierung von Hologrammen wird die Hologramminformation jedes Objektlichtpunktes der zu rekonstruierenden Szene nicht auf alle Modulatorzellen des Lichtmodulators SLM verteilt. Gemäß der genannten Patentanmeldung schlägt der Erfinder vor, abhängig von der Größe und der Lage der virtuellen Betrachterfenster OWL/OWR, die Daten jedes Objektlichtpunktes nur in einem entsprechenden Gebiet A1, A2, A3 auf der Oberfläche des Lichtmodulators SLM zu kodieren; wobei die beleuchteten Regionen R1, R2, R3 nicht mit den kodierten Gebieten A1, A2, A3 übereinstimmen.
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Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass beim holographischen Rekonstruieren eine Lichtwellenfront, welche von einer Modulatorbeleuchtung mit mehreren Beleuchtungseinheiten ausgeht, eine Störung der optischen Wahrnehmung bewirkt. Insbesondere nehmen die Betrachter Helligkeitsunterschiede in der rekonstruierten Lichtwellenfront war, obwohl die Anordnung von Beleuchtungseinheiten den Lichtmodulator SLM homogen beleuchtet. Umfassende Analysen erfolgten, bis die Ursache für diese wahrgenommenen Störungen erkannt wurde. Letztlich wurde als Fehlerursache ein Zusammenspiel der Ränder zwischen den angrenzenden Linsenelementen des Linsenarrays mit den Augenpupillen eines Betrachters identifiziert. Jeder Linsenrand zwischen den Linsenelementen ist eine Kante, an der Beugung auftritt und ein geradliniges Ausbreiten der Lichtwellenfront in die Fourier-Transformations-Ebene stört. Infolge einer Filterung der Raumfrequenzverteilung an den Augenpupillen des Betrachters, die in der Fourier-Transformations-Ebene liegen, gelangen nicht alle Frequenzen des Raumfrequenzspektrums zu den Netzhäuten der Betrachteraugen. Dieses bewirkt, dass jeder Betrachter die rekonstruierte Szene mit einer inhomogenen Helligkeitsverteilung wahrnimmt, die dem Muster der Anordnung der Linsenelemente im Linsenarray entspricht und die Qualität der Rekonstruktionen deutlich mindert.
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Die Beugung an den Rändern der Linsenelemente ist bei einem Linsenarray besonders störend, da die Ränder innerhalb der rekonstruierten Szene liegen. Wenn aufgrund der Raumfrequenzfilterung innerhalb der rekonstruierten Szene Inhomogenitäten in der Helligkeit an den Linsenrändern zu sehen sind, wird dies als besonders störend empfunden.
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Die
EP 0 880 110 A2 beschreibt ein Verfahren, bei welchem digitalisierte Teilbildanordnungen addiert derart werden, dass die Anzahl von Teilbildern dem Bitpegel der Attributenbits entspricht aber Anzeigebilder mittels eines Binarisierungsprozesses zwischen den Teilbildern derselben Bitpegel verarbeitet werden. Dadurch werden Lokalisierungen eines Fleckenrauschens derart zwischen den Teilbildern geändert, dass Inhomogenitäten hinsichtlich der Hintergrundschattierung eliminiert werden. Auf diese Weise werden klarere Bilder geschaffen.
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In der
DE 103 59 403 A1 ist ein autostereoskopisches Multi-User-Display offenbart, das eine Sweet-Spot-Einheit zum Fokussieren einer Lichtverteilung auf Augen eines Betrachters und eine Bild-Matrix zur zeitsequentiellen Darstellung von Bildern aufweist. Die Sweet-Spot-Einheit besteht aus einer Beleuchtungs- und Abbildungsmatrix, wobei die Beleuchtungseinheit ein Backlight und einen ansteuerbaren Shutter aufweist. Für eine homogene Ausleuchtung der Bildmatrix ist je Abbildungselement der Abbildungsmatrix wenigstens eine Öffnung im Shutter vorgesehen.
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Auch Aberrationen an den Linsenelementen tragen zur inhomogenen Helligkeit bei.
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Aus der Druckschrift
WO 00/075 733 A1 mit dem Titel: „ABBERATION CONTROL OF IMAGES FROM COMPUTER GENERATED HOLOGRAMS“ ist ein Verfahren zum Erzeugen von computer-generierten Hologrammdaten für die Kodierung des räumlichen Lichtmodulators eines holographischen Displays bekannt, welches Aberrationseffekte von optischen Komponenten des Displays kompensiert. Das Verfahren ermittelt die Aberrationen von optischen Komponenten des holographischen Displays und definiert entsprechende computer-generierte Hologrammdaten für den Lichtmodulator, so dass die ermittelte Aberrationswirkung kompensiert wird. Für den Lichtmodulator wird ein solches Hologrammpunkt-Datenmuster generiert, dass das holographische Display eine perfekte oder nahezu perfekte holographische Rekonstruktion formt. Die Aberrationswirkung der optischen Komponenten des Displays zum Definieren des computer-generierten Hologramms wird anhand der optischen Weglänge der Strahlen in den optischen Komponenten bestimmt und in einer so genannten Look-up-Tabelle gespeichert. Unter Aberrationen werden im genannten Dokument solche Abbildungsfehler wie z.B. Verzeichnung usw. verstanden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung geht von einer holographischen Rekonstruktion mit Modulatorzellen in räumlichen Lichtmodulatonsmitteln aus, wobei mehrere, in sich interferenzfähige Lichtbündel die Lichtmodulatonsmittel beleuchten. Ein Array mit Fokussierelementen, die eine optische Fourier-Transformation ausführen, richtet die Lichtbündel auf die Augen mindestens eines Betrachters. Dabei entstehen einerseits auf der Oberfläche der Lichtmodulatonsmittel diskret beleuchtete Regionen mit einer Flächenstruktur entsprechend der Geometrie der Fokussierelemente und Grenzbereiche, die den Rändern der Fokussierelemente entsprechen. Andererseits fallen die Fourier-Transformierten der Lichtbündel vor den Augen, also in der Fourier-Transformations-Ebene, aufeinander.
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Das Array von Fokussierelementen ist geometrisch so ausgeführt, dass alle Lichtbündel eine gemeinsame Lichtwellenfront formen, welche die Modulatorzellen der Lichtmodulatonsmittel mit einer homogenen Helligkeit beleuchtet. Diese Lichtwellenfront rekonstruiert mit Objektlichtpunkten eine gemeinsame dreidimensionale Szene als Ergebnis der räumlichen Modulation, welche das auf den Lichtmodulatonsmitteln kodierte Hologrammpunkt-Datenmuster bewirkt. Die kodierten und beleuchteten Lichtmodulatonsmittel realisieren damit die Funktion eines Videohologramms.
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Obwohl die Helligkeit der Lichtwellenfront homogen ist, enthält die Lichtwellenfront Störungen in der Ausbreitung des Lichts, welche in Folge von Lichtbeugung an den angrenzenden Rändern der Fokussierelemente entstehen und dem Betrachter rekonstruierte Objektlichtpunkte mit falscher Helligkeit wahrnehmen lassen. Die Helligkeitsverfälschung entsteht als Zusammenspiel aus den Lichtbeugungen an den Rändern der Fokussierelemente, den von den Rändern auf die Lichtmodulatonsmittel projizierten Grenzbereichen und der Raumfrequenzfilterung der in der Fourier-Transformations-Ebene liegenden begrenzten Öffnung der Augenpupille. Es hat sich gezeigt, dass die Art der wahrgenommenen Helligkeitsverfälschung stark von der Modulationsform des räumlichen Lichtmodulatonsmittel abhängt. Letzteres wird später detaillierter ausgeführt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein einfaches und hoch effektives Verfahren zum Eliminieren dieser inhomogenen Helligkeitswahrnehmung von bestimmten Objektlichtpunkten beim holographischen Rekonstruieren mit Lichtmodulatonsmitteln, welche gleichzeitig durch mehrere Beleuchtungseinheiten beleuchtet werden, zu schaffen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass einerseits sowohl die geometrische Ausführung der fokussierenden Mittel zum Beleuchten der räumlichen Lichtmodulatonsmittel als auch die Modulationsform der räumlichen Lichtmodulatonsmittel und andererseits die Position der Betrachteraugen sowie die Helligkeit beim Rekonstruieren und damit der Zustand der Augenpupille beim Betrachten der Rekonstruktion als Parameter definiert werden können.
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Damit können, nachdem im Hologrammpunkt-Datenmuster der Lichtmodulatonsmittel die Modulatorzellen definiert wurden, welche in Folge der Geometrie des Arrays mit Fokussierelementen von einer Lichtbeugung an den Rändern der Fokussierelemente beeinflusst werden, für jede dieser beeinflussten Modulatorzellen Parameter zur Stärke dieser Beeinflussung im Zusammenspiel mit den zu erwartenden Filtereigenschaften der Augenpupille des Betrachters angelegt werden.
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Aus diesen Parametern lässt sich abschätzen, mit welchen lokalen Fehlern die Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene beim Betrachten der Rekonstruktion wahrgenommen werden wird. Damit können entsprechende Werte im Hologrammpunkt-Datenmuster für die beeinflussten Modulatorzellen mit Berechnungsmitteln so korrigiert werden, dass diese Modulatorzellen zu einem Interferenzpunkt beitragen, der den entsprechenden Objektlichtpunkt der Rekonstruktion mit einer korrekten Helligkeit erscheinen lässt.
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Detaillierte Darstellung der Erfindung
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Für den Gegenstand der Erfindung ist es unerheblich, ob die Beleuchtung der Lichtmodulatormittel mit Hilfe einer gemeinsamen Lichtquelle, wie ein leistungsstarker im Strahl aufgeweiteter Laser, oder mit Hilfe verschiedener untereinander nicht interferenzfähiger Lichtquellen in separaten Beleuchtungseinheiten, beispielsweise durch LEDs, erfolgt. Die Fokussierelemente jeder Beleuchtungseinheit enthalten mindestens ein separates Fokussierelement, im einfachsten Fall beispielsweise in Form einer Linse. Es können jedoch auch Linsensysteme wie Tandem-Linsen-Anordnungen verwendet werden. Die Fokussierelemente sind gemeinsam auf einem Array angeordnet, das nahe an den Lichtmodulatonsmitteln liegt. Die Reihenfolge von Array und Lichtmodulatonsmittel spielt dabei keine Rolle.
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Jedes einzelne interferenzfähige Lichtbündel kann, wie in der älteren internationalen Patentanmeldung
WO 2006/119 920 A1 dargestellt ist, von einer separaten Beleuchtungseinheit generiert werden. In diesem Fall hat jede Beleuchtungseinheit eine separate Lichtquelle, und die Fokussierelemente aller Beleuchtungseinheiten liegen gemeinsam in einem Array.
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Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass bei der eingangs beschriebenen Rekonstruktion zweimal eine optische Fourier-Transformation auftritt. Die Fokussierelemente in den Beleuchtungseinheiten realisieren eine Fourier-Transformation von der Ebene der Fokussierelemente zur Linse der Augen jedes Betrachters. Nachdem die ersten Fourier-Transformationen an den Linsen der Augen aufeinander getroffen sind, realisiert die Linse jedes Auges des Betrachters eine weitere Fourier-Transformation zur Netzhaut der Betrachteraugen.
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Die erste Fourier-Transformation transformiert die Lichtverteilung von der Ebene, in der sich das Array mit Fokussierelementen befindet. Dadurch liegt in der Ebene der Augenpupille die Fourier-Transformierte der Lichtverteilung. Eine endliche Ausdehnung der Augenpupillen filtert die Fourier-Transformierte der Lichtwellenfront, welche bereits die Interferenzpunkte der Rekonstruktion enthält. Dabei liegt der Nullpunkt der Raumfrequenzen an der Linse jedes Auges immer im Zentrum der Abbildung der Lichtquelle.
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Die Abbildung der Lichtquellen kann innerhalb oder außerhalb der Augenpupillen des Betrachters sein. Die Lage der Abbildung der Lichtquelle zur Augenpupille wird von der Modulationsart festgelegt, mit der die räumlichen Lichtmodulatonsmittel betrieben werden. Die benutzte Modulationsart hängt davon ab, wie die komplexen Zahlenwerte des Hologramms auf dem Lichtmodulatonsmittel kodiert werden. Diese bestimmt letztendlich die zur Rekonstruktion nutzbare Beugungsordnung und die Position, in der die virtuellen Betrachterfenster liegen dürfen.
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Wenn die virtuellen Betrachterfenster so liegen, dass die Lichtquellen innerhalb der Augenpupillen abgebildet werden, bewirkt die Linse des Auges eine Tiefpassfilterung der Raumfrequenzen und unterdrückt die hohen Raumfrequenzen. Diese Modulationsart der räumlichen Lichtmodulatonsmittel kann beispielsweise mit einem phasen-modulierenden Lichtmodulator realisiert werden.
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Dagegen können nur die hohen Raumfrequenzen die Linse des Auges passieren, wenn die virtuellen Betrachterfenster so angeordnet sind, dass die Augenpupillen neben der Abbildung der Lichtquelle liegen. Dann wirken die Augenpupillen als Hochpass.
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Die zweite Fourier-Transformation transformiert die gefilterten komplexen Amplituden von der Ebene der Augenpupille zur Netzhaut. Dadurch entsteht auf der Netzhaut ein Bild einer rekonstruierten Szene, bei der aufgrund der Filterwirkung der Augenpupille Raumfrequenzen fehlen.
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Neben Lichtmodulatonsmitteln, die überwiegend in Amplituden- oder Phasenmodulation arbeiten, ist die Erfindung auch anwendbar für Lichtmodulatonsmittel, die aus mehreren räumlichen Lichtmodulatoren mit gleichen oder verschiedenen Modulationsarten kombiniert sind.
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Da bei der beschriebenen holographischen Rekonstruktionseinrichtung sowohl die Arbeitsweise der räumlichen Lichtmodulatonsmittel als auch die geometrische Ausführung der Fokussierelemente zum Beleuchten der räumlichen Lichtmodulatonsmittel als feste Parameter vorgegeben sind, kann gemäß der Erfindung auch der durch die Beleuchtung beim Rekonstruieren verursachte optische Fehler durch Korrekturkomponenten mit Berechnungsmitteln beim Kodieren der räumlichen Lichtmodulatonsmittel kompensiert werden.
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Beim Berechnen ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Betrachteraugen nicht die in den beleuchteten Modulatorzellen der Lichtmodulatonsmittel kodierten Hologrammpunkt-Datenmuster wahrnehmen, sondern rekonstruierte räumliche Objektlichtpunkte, welche als Ergebnis von Interferenz von vielen Lichtwellen entstanden sind. Diese Lichtwellen sind durch die momentanen Modulationswerte einer Vielzahl von beleuchteten Modulatorzellen definiert. Die Aufgabe der Berechnungsmittel ist es daher, die momentanen Modulationswerte für die Gesamtheit der am Interferenzergebnis beteiligten Modulatorzellen so zu korrigieren, dass beim Entstehen des räumlichen Objektlichtpunkts der Einfluss von Lichtbeugung an den Rändern der Fokussierelemente korrigiert ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei wird die Erfindung anhand eines holographischen Displays mit einem Flachpanel beschrieben, welches die dreidimensionale Szene direkt vor den Augen eines Betrachters holographisch mit monochromatischem Licht rekonstruiert. Der Gegenstand der Erfindung ist jedoch auch für beliebige und farbige holographische Rekonstruktionen anwendbar.
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Die Figuren zeigen in
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1 ein Ausführungsbeispiel einer aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2006/119 920 A1 bekannten holographischen Einrichtung;
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2 einen Ausschnitt vom Aufbau des gesamten optischen Systems inklusive dem Auge eines Betrachters;
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3 die Auswirkung einer Tiefpassfilterung durch Betrachteraugen auf die Helligkeitswahrnehmung bei einer holographischen Rekonstruktion;
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4 den Verlauf der Helligkeitswahrnehmung zwischen den benachbarten Linsenelementen und
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5 die Auswirkung einer Hochpassfilterung durch Betrachteraugen auf die Helligkeitswahrnehmung bei einer holographischen Rekonstruktion.
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2 zeigt einen Ausschnitt vom Aufbau des gesamten optischen Systems inklusive den relevanten optischen Komponenten des Auges eines Betrachters. Das System enthält Lichtquellen LSn, die interferenzfähiges Licht emittieren, und ein Linsenarray mit Linsenelementen 2n, welche gemeinsam eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten einer Region der Oberfläche eines räumlichen Lichtmodulators SLM bilden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur eine Lichtquelle LSn und ein Linsenelement 2n eines Linsenarrays gezeichnet. Das Linsenelement 2n bildet in Form eines Lichtbündels die Lichtquelle LSn durch eine lokal begrenzte Region des transmissiven Lichtmodulators SLM hindurch ab. Die übrigen Regionen des Lichtmodulators werden auf die gleiche Weise von weiteren Beleuchtungseinheiten beleuchtet. Dabei liegen die Linsenelemente in einer Array-Ebene, und jedes Linsenelement einer Beleuchtungseinheit realisiert eine optische Fourier-Transformation FT1 von der Array-Ebene in eine Fourier-Transformations-Ebene FP. Alle Lichtbündel sind so eingestellt, dass diese einerseits den Lichtmodulator SLM nahe der Array-Ebene in diskreten Regionen R1–R3 (siehe 1) durchdringen und andererseits in einem virtuellen Betrachterfenster, das in der Ebene der Augenlinse AL und damit in der Fourier-Transformations-Ebene FP liegt, zu einer Lichtwellenfront aufeinander fallen. Der Lichtmodulator SLM weist Modulatorzellen auf, die mit einem Hologrammpunkt-Datenmuster so kodiert sind, dass ein Betrachter mit der Augenlinse AL die rekonstruierte Szene in Form einer Lichtwellenfront mit räumlich angeordneten Interferenzpunkten, die den Objektlichtpunkten entsprechen, nur im Betrachterfenster in der Fourier-Transformations-Ebene FP wahrnimmt.
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Der Gedanke der Erfindung kann sinngemäß auch realisiert werden, wenn die Reihenfolge von Linsenarray und Lichtmodulator SLM vertauscht wird. Dann wird nicht das Licht berücksichtigt, das die Modulatorzellen beleuchtet, sondern das Licht, das von den Modulatorzellen durch die Linsenelemente zu den Betrachteraugen gelangt.
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Wenn die Augenlinse AL beim Betrachten der Rekonstruierten auf die Array-Ebene gerichtet ist, bildet diese die Lichtwellenfront mit den Interferenzpunkten auf die Netzhaut NH ab. Dabei tritt eine weitere optische Fourier-Transformation FT2 auf, und die Augenpupille ist die Apertur der Augenlinse.
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Da die Augenpupille eine endlich große Öffnung aufweist, werden an ihr die Fourier-Komponenten aus der Array-Ebene gefiltert. Dabei befindet sich die tiefste Raumfrequenz stets im Zentrum der Abbildung der Lichtquelle.
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Abhängig von der Modulationsart des verwendeten Lichtmodulators, beispielsweise abhängig davon, ob der SLM amplituden- oder phasen-modulierend ist, gibt es holographische Systeme, welche die Lichtquellen direkt auf die Augenpupille abbilden und solche bei denen die Augenpupille in einer Beugungsordnung liegt, so dass die Augenpupille neben der Abbildung der Lichtquellen liegt. Wenn die Abbildung der Lichtquelle innerhalb der Augenpupille ist, zeigt die Pupille ein Tiefpassverhalten und transmittiert vorrangig niedrige Raumfrequenzen. Dagegen werden vorrangig die hohen Raumfrequenzen transmittiert, wenn sich die Augenpupille neben der Abbildung der Lichtquelle befindet.
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Dem zu Folge muss bei der Berechnung der Fehlerkompensation in der Kodierung eine Tief- oder eine Hochpassfilterung berücksichtigt werden. Die Kompensation wird nun am Beispiel der Tiefpassfilterung näher erläutert.
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3 zeigt die Auswirkung der Tiefpassfilterung auf die Helligkeit, mit der das Auge ein homogen ausgeleuchtetes Linsenelement sieht. Das System arbeitet mit einer solchen Modulationsart, dass sich das Bild der Lichtquellen innerhalb der Augenpupille befindet, d.h. die Augenlinse wirkt als Tiefpass und die hohen Raumfrequenzen werden gedämpft. Ohne Tiefpassfilterung, d.h. bei unbeschränkter Augenpupille, würde das Auge das Linsenelement mit einer rechteckigen Helligkeitsverteilung sehen, wie die strichpunktierte Linie zeigt. Durch die beschränkte Augenpupille wird der Rand des Helligkeitsprofils verrundet, wie die durchgezogene Linie zeigt. Die Helligkeit am Rand des Linsenelements ist hier 25% der ursprünglichen Helligkeit. Die Breite der Verrundung des Helligkeitsprofils hängt vom Durchmesser der Augenpupille ab. Je kleiner die Augenpupille ist, umso breiter ist der Helligkeitsfehler am Rand des Linsenelements.
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Da benachbarte Linsenelemente von zueinander inkohärenten Lichtquellen beleuchtet werden, überlagern sich die Helligkeiten inkohärent. Die Verrundung der Helligkeitsprofile aufgrund der Tiefpassfilterung wird daher im vorliegenden Fall als dunkle Linie am Übergang zwischen benachbarten Linsenelementen wahrgenommen.
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Da sich die wahrgenommenen Helligkeiten von benachbarten Linsenelementrändern überlagern, nehmen die Betrachteraugen, wie 4 zeigt, die Mitte der Übergänge zwischen benachbarten Linsenelementen mit einer reduzierten Helligkeit wahr.
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Dabei treten dunkle Linie auf, deren Breite sowohl vom Durchmesser der Augenpupille als auch von Entfernung der Augen vom Lichtmodulator SLM abhängt.
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Die Helligkeitsabnahme an den Übergängen der Linsenelemente hängt auch von der Interferenzfähigkeit der Lichtquelle ab. Werden Lichtquellen mit partieller Kohärenz genutzt, ist der Einfluss der Linsenelementränder auf die Wahrnehmung geringer. Daher muss beim Berechnen der Kompensation auch der Grad der Kohärenz berücksichtigt werden.
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Wenn ein holographisches System eine Modulationsart verwendet, bei der die Betrachterfenster mit den Augenpupillen in einer Beugungsordnung liegen, so dass die Augenpupille neben der Abbildung der Lichtquellen liegt, zeigt die Pupille ein Hochpassverhalten und transmittiert vorrangig hohe Raumfrequenzen. Wie 5 zeigt, tritt in einem solchen Fall ein Helligkeitsprofil auf, das eine starke Überhöhung der wahrgenommenen Helligkeit am Rand des Linsenelements aufweist. In einem solchen Fall wird die Rekonstruktion in den an durch die Linsenränder verursachten Bereichen heller wahrgenommen.
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Ebenso wie das Zusammenspiel der Ränder der Linsenelemente mit den Augenpupillen bewirken auch die Randbereiche der Linsen Ablenkfehler in den Strahlenbündeln und damit verbunden Fehler in der Ausleuchtung des Raumbereichs für die Rekonstruktion. Aufgrund eines Öffnungsfehlers, der eine Art von Aberrationen ist, verlaufen die Strahlen in der Nähe der Ränder der Linsenelemente mit einem Fehler behaftet. Die Strahlen werden umso stärker zur optischen Achse hin abgelenkt, je weiter sie vom Lichtmodulator entfernt sind. Die Strahlen des benachbarten Linsenelements sind in ähnlicher Weise durch Aberrationen zu deren optischer Achse hin abgelenkt, so dass Raumbereiche entstehen, in denen kein Licht zum Bilden von Interferenzpunkten vorhanden ist.
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Sowohl die Beugung an den Linsenrändern mit anschließender Raumfrequenzfilterung an der Augenpupille als auch die Aberrationen lassen sich berechnen. Dabei fließen alle Parameter des optischen Systems einschließlich des menschlichen Auges ein. Dafür eignen sich Methoden der kohärenten Optik, wie beispielsweise Fourier-Optik und kohärentes Ray-Tracing. Auf diese Weise lässt sich berechnen, wie das Auge das rekonstruierte Objekt sieht. Das Verhältnis zwischen gewünschter und resultierender Helligkeit an Objektlichtpunkten muss dann bei der Hologrammberechnung korrigiert werden.
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Die Parameter, welche beim Kompensieren von Raumfrequenzfilterung und Aberrationen einfließen, hängen von dem Betrachterabstand, dem Betrachterwinkel, der Apertur der Augenpupille, der Wellenlänge und der Kohärenz der Lichtquelle ab.
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Da diese Parameter bekannt sind, kann eine inhomogene Helligkeitswahrnehmung bei der Hologrammberechnung kompensiert werden.
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Da holografische Rekonstruktionssysteme, für welche die Erfindung anwendbar ist, die Rekonstruktion in kleinen virtuellen Betrachterfenstern darstellen, besitzen diese auch einen Augenfinder, der mit einer Vorrichtung zum Nachführen der virtuellen Betrachterfenster auf die Augen verbunden ist. Dieser Augenfinder kann gemäß einer vorteilhaften Ausführung genutzt werden, um eine individuelle Apertur der Betrachteraugen zu ermitteln. Anstatt der individuellen Apertur der Augenpupille kann ein Durchschnittswert verwendet werden, der bei mäßiger Helligkeit typischerweise 5 mm ist.
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Eine erste Möglichkeit zur Kompensation ist eine iterative Hologrammberechnung. In einem ersten Schritt wird mit einer bekannten Methode aus den gewünschten, zu rekonstruierenden Objektdaten ein Hologramm berechnet. Ausgehend von diesem Hologramm wird nun berechnet, wie das Auge die rekonstruierte Szene sehen würde, unter Berücksichtigung der Beugung an den Rändern der Linsenelemente mit anschließender Raumfrequenzfilterung an der Augenpupille sowie der Aberrationen. Für jeden Objektlichtpunkt wird nun das Verhältnis zwischen gewünschter und resultierender Helligkeit berechnet. Dieses Verhältnis wird beim zweiten Schritt zur Hologrammberechnung berücksichtigt, indem die Helligkeiten der Objektlichtpunkte der Szene entsprechend angepasst und das Hologramm aus dem angepassten Objekt erneut berechnet wird. Hat ein Objektlichtpunkt nach dem ersten Schritt beispielsweise nur 80% der gewünschten Helligkeit, wird vor dem zweiten Schritt die Helligkeit auf 125% erhöht. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Rekonstruktionsqualität erreicht ist.
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Es können auch Kompensationswerte im Voraus für beliebige Objekte erstellt werden. Dazu wird berechnet, wie die Helligkeitswahrnehmung eines Objektlichtpunkts durch Tiefpassfilterung und Aberrationen verändert wird. Bei gegebenem Betrachterabstand und Apertur der Augenpupille hängt diese Änderung von der Entfernung des Objektlichtpunkts von der Arrayebene, der Position relativ zum Linsenelementrand und der Wellenlänge ab. Die Position relativ zum Linsenelementrand ergibt sich, indem man vom Zentrum der Augenpupille durch den Objektlichtpunkt eine Verbindungslinie zum Linsenarray zieht. Für diesen Objektlichtpunkt wird nun das Verhältnis zwischen der gewünschten und der wahrgenommenen Helligkeit berechnet. Hat der Objektlichtpunkt beispielsweise nur 80% der gewünschten Helligkeit, muss ein Objektlichtpunkt eines beliebigen Objekts, der an dieser Position rekonstruiert werden soll, bei der Berechnung des Hologramms mit 125% der gewünschten Helligkeit eingerechnet werden.
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Dieser Korrekturfaktor hängt von der Entfernung des Objektlichtpunkts vom Linsenarray, der Position relativ zum Rand des Linsenelementes und der Wellenlänge ab. Die Position relativ zum Rand des Linsenelementes hängt wiederum von der Lage des Objektlichtpunkts in der Szene und von der Betrachterposition ab.
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Aufgrund der vielfachen Abhängigkeiten muss man daher ein Set von Korrekturfaktoren im Voraus berechnen. Bei der Hologrammberechnung wird der Wert des Korrekturfaktors jedes Objektlichtpunkts durch Interpolation der vorausberechneten Werte bestimmt. Da sich die Position relativ zum Linsenelementrand bei Bewegung des Betrachters ändert, ist eine entsprechende Neuberechnung des Hologramms nötig.
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Mögliche Einsatzgebiete der holographischen Einrichtung können Displays für dreidimensionale Darstellungen sein, wie beispielsweise für Computer und Fernsehen, im kommerziellen oder Heimbereich zur Anzeige von Informationen oder der Unterhaltung.
