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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Speckle-Mustern einer dreidimensionalen holographischen Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene und eine holographische Wiedergabeeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Anwendungsgebiet der Erfindung sind Verfahren, mit denen die Speicherung und Rekonstruktion komplexer Wellenfronten einer dreidimensionalen Szene (3D-Szene) durch Holographie unter Verwendung von vorzugsweisem Laserlicht in Echtzeit oder echtzeitnah in holographischen Wiedergabeeinrichtungen erfolgt und bei denen die Rekonstruktion von einem virtuellen Betrachterfenster aus zu sehen ist.
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Die Holographie ermöglicht die Aufzeichnung und die optische Wiedergabe eines dreidimensionalen Objektes oder einer bewegten 3D-Szene mit wellenoptischen Verfahren. Die 3D-Szene ist in einem Lichtmodulator, der als Trägermedium dient, kodiert. Infolge der Beleuchtung mit interferenzfähigen Lichtwellen bildet jeder Punkt der kodierten 3D-Szene einen Ausgangspunkt von Lichtwellen, die miteinander interferieren und als resultierende Lichtwellenfront die 3D-Szene räumlich so rekonstruieren, als ob sie durch eine Lichtausbreitung vom tatsächlichen Objekt im Raum zustande kommen würde. Die holographische Rekonstruktion des Objektes oder der 3D-Szene erfolgt vorzugsweise mit einer Projektionseinrichtung und/oder einer Rekonstruktionsoptik durch Beleuchten des Trägermediums mit normalerweise hinreichend kohärentem Licht.
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Im Dokument wird die 3D-Szene in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung mit einem Betrachterfenster, das hier ein Sichtbarkeitsbereich in einem Periodizitätsintervall der komplexwertigen Wellenfront in der hinteren Brennebene eines Rekonstruktionsmittels in einem Betrachterraum ist, rekonstruiert. Vom Betrachterfenster aus sieht ein rechtes bzw. linkes Auge eines Betrachters die Rekonstruktion der 3D-Szene. Dabei ist das Betrachterfenster vor einem Wiedergabemittel größenmäßig vorgegeben und entspricht im Allgemeinen mindestens der Größe einer Augenpupille.
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Wellenoptisch gesehen wird das Betrachterfenster entweder als die direkte oder inverse Fourier-Transformierte oder Fresnel-Transformierte eines in ein Trägermedium kodierten Hologramms oder als die Abbildung einer in ein Trägermedium kodierten Wellenfront in einem Betrachterraum gebildet, wobei das Betrachterfenster nur eine einzige Beugungsordnung einer periodischen Rekonstruktion umfasst. Das Hologramm oder die Wellenfront sind dabei so aus der 3D Szene berechnet, dass innerhalb der einen Beugungsordnung, die als Sichtbarkeitsbereich genutzt wird, jegliches Übersprechen anderer Beugungsordnungen in das Betrachterfenster verhindert wird, das üblicherweise bei Rekonstruktionen unter Verwendung von Lichtmodulatoren auftritt. Kombiniert mit einer Anordnung oder einem Verfahren zum Unterdrücken höherer Beugungsordnungen lassen sich damit im Multiplex-Verfahren nacheinander einem linken und rechten Auge eines Betrachters ohne Übersprechen 3D-Szenen darstellen. Ebenso ist ein Multiplex-Verfahren für mehrere Personen nur dadurch möglich.
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Als Träger- oder Aufzeichnungsmedien für Hologramme bzw. komplexwertige Wellenfronten einer 3D-Szene dienen räumliche Lichtmodulatoren, wie beispielsweise LCD, LCoS, usw., welche die Phase und/oder die Amplitude des einfallenden Lichts modulieren. Um bewegte 3D-Szenen darstellen zu können, muss die Bildwiederholfrequenz des Trägermediums aber ausreichend groß sein. Die im Trägermedium in regulär angeordnete Pixel kodierten Werte können dabei von einem realen Objekt stammen oder ein computergeneriertes Hologramm (CGH) sein.
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Das Betrachten der Rekonstruktion der 3D-Szene kann erfolgen, indem der Betrachter direkt auf das Trägermedium schaut. Dies wird in diesem Dokument als Direktsichtaufbau bezeichnet. Alternativ kann der Betrachter auf einen Schirm schauen, auf den entweder eine Abbildung oder eine Transformierte der im Trägermedium kodierten Werte projiziert wird. Dies wird in diesem Dokument als Projektionsaufbau bezeichnet. Im Folgenden wird sowohl für den Schirm im Projektionsaufbau als auch für das Trägermedium im Direktsichtaufbau die Bezeichnung Bildschirm verwendet.
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Die Rekonstruktion des Hologramms ist wegen der diskreten Aufzeichnung beugungsbedingt nur innerhalb eines durch die Auflösung des Trägermediums gegebenen Periodizitätsintervalls der Rekonstruktion einer Wellenfront möglich. In den aneinandergrenzenden Periodizitätsintervallen wird die Rekonstruktion, meist mit Störungen, wiederholt.
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Beim Einsatz von kohärentem Laserlicht zum Beleuchten eines Lichtmodulators entstehen störende Muster, die als Speckle-Muster oder auch Granulation bekannt sind. Man versteht darunter ein granulationsartiges Interferenzmuster, das durch Interferenz vieler Lichtwellen mit statistisch unregelmäßig verteilten Phasendifferenzen entsteht.
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Bei der Rekonstruktion eines Hologramms wirken sich die Speckle-Muster nachteilig aus. Normalerweise erfolgt zur Hologrammberechnung eine diskrete Abtastung der 3D-Szene, da auf dem Trägermedium nur eine diskrete Aufzeichnung möglich ist. Bestimmte Kodierungsverfahren, bei denen die Information über die 3D-Szene in geeigneter Weise in das Trägermedium eingespeichert ist, ermöglichen prinzipiell eine Rekonstruktion, bei der am Ort der Abtastpunkte selbst die Rekonstruktion mit dem abgetasteten Objekt vollständig übereinstimmt. Die physikalische Rekonstruktion ergibt aber wieder einen kontinuierlichen Verlauf auch zwischen den Abtastpunkten. Dort treten Abweichungen vom Intensitätsverlauf im Objekt auf, wodurch die Rekonstruktion Speckle-Muster enthält, die die Qualität der Rekonstruktion mindern. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Berechnung des Hologramms mit einer Zufallsphase der Objektpunkte durchgeführt wird, was aus bestimmten anderen Gründen aber vorteilhaft ist.
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Ein Reduzieren der Speckle-Muster bei der Rekonstruktion der 3D-Szene kann prinzipiell durch zeitliche oder/und räumliche Mittelung erreicht werden, wobei die Rekonstruktion aus in ein externes Trägermedium kodierten Werten einer 3D-Szene oder aus in geeigneter Weise berechneten Hologrammwerten erzeugt wird. Dabei mittelt immer das Auge des Betrachters über mehrere ihm dargestellte Rekonstruktionen mit unterschiedlichem Speckle-Muster, wodurch eine Verringerung dieser Störung wahrgenommen wird. So wird beispielsweise in der
DE 195 41 071 A1 zum zeitlichen Ausmitteln der Granulation bei einer Hologrammprüfung eine rotierende rechteckförmige Glasplatte in den Strahlengang gebracht. Sie rotiert dabei mit einer auf die Frequenz eines Detektors abgestimmten Frequenz, wodurch die Speckle nicht mehr störend erscheinen. Ein solches Verfahren kann jedoch nur zur Verringerung eines zweidimensionalen, ebenen Speckle-Musters angewendet werden, wobei sich die Streuscheibe in der Ebene des Speckle-Musters befinden muss. Für die zeitliche Mittelung zum Reduzieren von Speckle-Mustern einer 3D-Szene ist es bekannt, die 3D-Szene mit einer vorgegebenen Anzahl von unterschiedlichen Zufallsphasen zu berechnen und die entsprechenden Hologramme zeitlich schnell nacheinander auf einem Trägermedium darzustellen. Durch die mehrfachen Hologrammberechnungen erhöht sich jedoch die Rechenleistung erheblich und auch die Bildwiederholfrequenz des Trägermediums bei der Darstellung der Hologramme müsste in unerwünschter Weise stark ansteigen.
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Weiterhin ist aus der Literatur allgemein bekannt, zur räumlichen Mittelung ein Trägermedium in mehrere unabhängige Bereiche zu unterteilen, in die neben- und/oder untereinander eine Wiederholung von aus demselben Objekt mit unterschiedlichen Objektphasen berechneten Teil-Hologrammen eingeschrieben wird. Das Auge des Betrachters mittelt dann über die unterschiedlichen Speckle-Muster der einzelnen mit einer Fourier-Transformation oder Fresnel-Transformation erzeugten Rekonstruktionen der berechneten Teil-Hologramme, wodurch das resultierende Speckle-Muster dann abgeschwächt erscheint.
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Auf ein holographisches Display mit einem Betrachterfenster, dessen Prinzip in der
DE 103 53 439 A1 der Anmelderin beschrieben wird und das dieser Erfindung zugrunde liegt, ist dieses Verfahren aber nicht anwendbar. Hier wird eine komplexwertige Lichtverteilung des Beugungsbildes eines Objektes, z.B. einer 3D-Szene, im Betrachterfenster berechnet. Dazu werden von einzelnen Objektebenen, in die die 3D-Szene virtuell geschnitten wird, Transformationen vorgenommen und im Betrachterfenster aufsummiert. Die Transformationen entsprechen der optischen Lichtausbreitung zwischen den geschnittenen Objektebenen und der Ebene mit dem Betrachterfenster. Dieses Verfahren führt dazu, dass jedem Objektpunkt ein begrenzter lokalisierter Bereich auf einem Bildschirm zugeordnet ist, in den die Information für die Rekonstruktion dieses Punktes eingeschrieben ist. Dies ist für eine korrekte Rekonstruktion aus dem Betrachterfenster notwendig. Ein Kodieren von verschiedenen, aus der 3D-Szene berechneten Teil-Hologrammen neben- und/oder untereinander auf dem Bildschirm nach dem Stand der Technik würde dagegen nach sich ziehen, dass auch die einem Objektpunkt zugeordneten Hologrammwerte in unterschiedlichen Bereichen auf dem Bildschirm wiederholt werden. Dies ist nicht mit dem Sichtbarmachen der rekonstruierten 3D-Szene aus dem Betrachterfenster vereinbar. Ein genereller Nachteil einer räumlichen Wiederholung von Teil-Hologrammen ist außerdem, dass bei gegebenem Trägermedium dessen Auflösung für jedes einzelne Teil-Hologramm reduziert wird.
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Aus der
WO 2006/119 920 A1 ist eine Vorrichtung zur holographischen Rekonstruktion von dreidimensionalen Szenen bekannt, welche optische Fokussiermittel aufweist, die über einen räumlichen Lichtmodulator, der mit holographischer Information kodiert ist, ausreichend kohärentes Licht von Leuchtmitteln zu den Augen mindestens eines Betrachters richtet.
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Aus der
WO 95/208 11 A1 ist unter anderem beschrieben, dass mehrere zueinander inkohärente Laser dazu geeignet sind, Speckle Muster zu reduzieren.
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In der
DE 197 04 741 A1 ist ein holographischer Bildschirm für Großbilddarstellungen beschrieben, bei welchem schon bei seiner Herstellung durch Überlagerung mehrerer Beugungsstrukturen im Schirm selbst eine Speckle-Unterdrückung erreicht wird, wobei der holografische Schirm eine flache 2D Struktur aufweist.
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In dem wissenschaftlichen Artikel “Speckle-reduced three-dimensional volume holographic display by use of integral imaging”, Seung-Ho Shin und Bahram Javidi, APPLIED OPTICS, Vol. 41, 10.05.2002, No. 14, S. 2644–2649. ISSN 0003-6935, wird beschrieben, dass bei einem 3D Projektionssystem Speckle-Muster unter Verwendung eines rotierenden Diffusors reduziert werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung mit virtuellem Betrachterfenster die bei der Rekonstruktion einer 3D-Szene auftretenden Speckle-Muster wesentlich zu reduzieren und ein echtzeitnah arbeitendes Verfahren zu schaffen, bei dem ein Trägermedium mit herkömmlicher Bildwiederholfrequenz verwendbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Erfindung liegt allgemein ein Verfahren zugrunde, bei dem ein steuerbarer Lichtmodulator, in den ein Hologramm einer 3D-Szene kodiert ist, von hinreichend kohärentem Licht beleuchtet wird, bei dem eine Rekonstruktionsoptik moduliertes Licht in ein Betrachterfenster bzw. eine Augenposition eines Betrachterraums transformiert und in einem Rekonstruktionsraum die 3D-Szene rekonstruiert, und bei dem die Beleuchtung über ein Steuermittel gesteuert wird. Das der Erfindung zugrunde liegende Betrachterfenster zum Rekonstruieren der 3D-Szene kann hier auch mit der Augenposition gleich gesetzt werden als der Ort im Betrachterraum, an dem verschiedene Lichtverteilungen der komplexwertigen Wellenfronten des kodierten Hologramms erzeugt werden. Um die rekonstruierte 3D-Szene sehen zu können, müssen sich die Augen eines Betrachters in dieser Augenposition befinden.
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Auf der Grundlage dieses Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Steuermittel das kohärente Licht in mindestens einer Eigenschaft so beeinflusst, dass mehrere, unterschiedliche Wellenlängen aufweisende komplexwertige Wellenfronten den Lichtmodulator passieren, wobei sie mit den kodierten Hologrammwerten moduliert werden, und die modulierten komplexwertigen Wellenfronten durch die Rekonstruktionsoptik in die Augenposition transformiert werden und im Rekonstruktionsraum am gleichen Ort mehrere Rekonstruktionen der 3D-Szene mit zueinander geringfügig unterschiedlichen Speckle-Mustern erzeugt(en), die von der Augenposition aus als eine einzige Speckle-reduzierte Rekonstruktion der 3D-Szene gemittelt werden. Durch Beeinflussen der Wellenlänge des Lichts können vorteilhaft mehrere, zueinander geringfügig veränderte Rekonstruktionen der gleichen 3D-Szene mit zueinander geringfügig veränderten Speckle-Mustern erzeugt werden.
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Dazu werden in Ausbildung des Verfahrens nach Anspruch 2 folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
- – ein vom Steuermittel gesteuertes Beleuchtungsmittel generiert eine zeitlich schnelle Folge von Lichtpulsen zum Beleuchten der Rekonstruktionsoptik und des Lichtmodulators, wobei sich die Lichtpulse in ihren Wellenlängen geringfügig voneinander unterscheiden,
- – die zeitlich schnelle Folge von Lichtpulsen passiert den Lichtmodulator, wobei die komplexwertigen Wellenfronten der Lichtpulse mit den kodierten Hologrammwerten moduliert werden, und
- – die zeitlich schnelle Folge der modulierten komplexwertigen Wellenfronten wird in die Augenposition des Betrachterraums transformiert und erzeugt mehrere Rekonstruktionen der gleichen 3D-Szene in zeitlich schneller Folge am gleichen Ort im Rekonstruktionsraum.
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Das Verfahren kann in weiterer Ausbildung der Erfindung nach Anspruch 3 auch durch folgende andere Verfahrensschritte durchgeführt werden, um das gleiche Ergebnis zu erhalten:
- – mehrere Beleuchtungsmittel strahlen gleichzeitig kohärentes Licht aus, das vom Steuermittel so beeinflusst wird, dass mehrere kompplexwertige Wellenfronten mit zueinander geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig die Rekonstruktionsoptik und den Lichtmodulator beleuchten,
- – die zueinander geringfügig unterschiedliche Wellenlängen aufweisenden komplexwertigen Wellenfronten passieren den Lichtmodulator gleichzeitig, wobei sie mit den kodierten Hologrammwerten moduliert werden, und
- – mehrere modulierte Wellenfronten werden gleichzeitig in die Augenposition des Betrachterraums transformiert und erzeugen und überlagern gleichzeitig die verschiedenen Rekonstruktionen der gleichen 3D-Szene am gleichen Ort im Rekonstruktionsraum.
Dabei werden vorteilhaft Laser als Beleuchtungsmittel verwendet, die in einem räumlichen Verbund so angeordnet sind, dass das kohärente Licht jeweils eines Beleuchtungsmittels mit einer separaten Abbildungsoptik eines Abbildungsmittels in jeweils eine separate Lichtleitfaser abgebildet wird und anschließend in einer einzigen Lichtleitfaser zum gleichzeitigen Beleuchten der Rekonstruktionsoptik und des Lichtmodulators zusammengeführt wird. Damit wird in einfacher Weise ein Beleuchtungsmittel geschaffen, das kohärentes Licht mit zueinander geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen zum gleichzeitigen Beleuchten des Lichtmodulators realisiert.
Die erfindungsgemäßen Verfahren können für jeweils ein rechtes und ein linkes Auge eines Betrachters separat, zum Beispiel zeitlich nacheinander, durchgeführt werden.
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Die verschiedenen Wellenlängen in den genannten Verfahren werden durch das Steuermittel zueinander definiert verändert oder in vorgegebenen Grenzen einer Zufallsschwankung ausgesetzt.
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Eine holographische Wiedergabeeinrichtung gemäß Anspruch 6 dient zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 und enthält in Lichtrichtung folgende Mittel:
- – ein Beleuchtungsmittel, das in zeitlich schneller Folge kohärente Lichtpulse aussendet, deren Wellenlängen sich geringfügig voneinander unterscheiden, zum Beleuchten einer Rekonstruktionsoptik und eines Lichtmodulators,
- – eine Rekonstruktionsoptik zum Transformieren einer zeitlich schnellen Folge von modulierten komplexwertigen Wellenfronten in eine Augenposition in einem Betrachterraum und zum Erzeugen mehrerer Rekonstruktionen der gleichen 3D-Szene in zeitlich schneller Folge am gleichen Ort in einem Rekonstruktionsraum,
- – ein Kodiermittel in Form eines Lichtmodulators, in den ein Hologramm einer 3D-Szene kodiert ist, und
- – ein Steuermittel zum Steuern des Beleuchtungsmittels, des Kodiermittels und der Rekonstruktionsoptik.
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Eine andere Ausbildung der erfindungsgemäßen holographischen Wiedergabeeinrichtung enthält nach Anspruch 8 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 in Lichtrichtung folgende Mittel:
- – mehrere, gleichzeitig kohärentes Licht aussendende Beleuchtungsmittel, deren Wellenlängen sich geringfügig voneinander unterscheiden, zum gleichzeitigen Beleuchten einer Rekonstruktionsoptik und eines Lichtmodulators,
- – eine Rekonstruktionsoptik zum gleichzeitigen Transformieren mehrerer modulierter komplexwertiger Wellenfronten eines Hologramms in eine Augenposition eines Betrachterraums, und zum gleichzeitigen Erzeugen und Überlagern mehrerer Rekonstruktionen der gleichen 3D-Szene am gleichen Ort in einem Rekonstruktionsraum,
- – ein Kodiermittel in Form eines Lichtmodulators, in den das Hologramm der 3D-Szene kodiert ist,
- – ein mehrere, mindestens eindimensional aneinandergrenzend angeordnete Abbildungsoptiken aufweisendes Abbildungsmittel zum Abbilden des kohärenten Lichts der Beleuchtungsmittel in mehrere Lichtleitfasern und
- – ein Steuermittel zum Steuern der Beleuchtungsmittel, des Kodiermittels und der Rekonstruktionsoptik.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht auch darin, dass die geringfügige Änderung der Wellenlängen im Bereich weniger Nanometer liegt. Schon eine derartige Änderung der Wellenlängen zueinander genügt, um mehrere, geringfügig zueinander veränderte Rekonstruktionen der gleichen 3D-Szene mit zueinander veränderten Speckle-Mustern im Rekonstruktionsraum zu erzeugen. Das jeweilige Auge des Betrachters mittelt von der Augenposition bzw. vom Betrachterfenster aus über die Speckle-Muster und sieht nur eine einzige Speckle-reduzierte Rekonstruktion der ursprünglichen 3D-Szene.
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Eine holographische Wiedergabeeinrichtung zum Reduzieren der Speckle-Muster ist beispielsweise ein holographisches Display. Durch eine entsprechende Ausbildung der einzelnen Displaykomponenten, insbesondere der optischen, ist das Display wahlweise sowohl als Projektionsdisplay als auch als Direktsichtdisplay zu realisieren. Als Beleuchtungsmittel können in den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sowohl Laser als auch LEDs verwendet werden. Eine an sich bereits breitbandige Lichtquelle wie eine LED kann auch schon durch ihr Spektrum zur Verringerung von Speckle-Mustern beitragen. Jedoch hat der Laser die Vorteile, näherungsweise eine punktförmige Lichtquelle zu sein und eine höhere Leistung liefern zu können.
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Mit der Erfindung wird als weiterer Vorteil das Hologramm im Gegensatz zum Stand der Technik nur einmal kodiert und muss nicht mehrmals neu berechnet werden, wodurch sich eine Einsparung von Rechenzeit ergibt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen
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1 eine schematische Draufsicht auf ein holographisches Direktsichtdisplay in einem ersten Ausführungsbeispiel und
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2 eine schematische Draufsicht auf ein holographisches Direktsichtdisplay in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Bei der Beschreibung der einzelnen Figuren werden für gleiche Komponenten die gleichen Bezeichnungen verwendet.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Betrachterfenster zum Rekonstruieren der 3D-Szene entspricht hier dem Sichtbarkeitsbereich mit einer Augenposition als der Ort im Betrachterraum, an den mehrere, zueinander geringfügig unterschiedliche Wellenlängen aufweisende Intensitätsverteilungen der komplexwertigen Wellenfronten des kodierten Hologramms in zeitlich schneller Folge oder gleichzeitig transformiert werden. Um die rekonstruierte 3D-Szene sehen zu können, muss sich jeweils ein Auge eines Betrachters in dieser Augenposition befinden.
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In 1 ist eine erste mögliche Ausführungsform eines holographischen Direktsichtdisplays schematisch und vereinfacht in Draufsicht gezeigt. In Lichtrichtung sind nacheinander als Beleuchtungsmittel L ein Laser, als Rekonstruktionsoptik RO eine Transformationslinse, der ein pixelierter Lichtmodulator SLM folgt, angeordnet. In einem Rekonstruktionsraum mit kegelförmigem Querschnitt zwischen dem Lichtmodulator SLM und einer Augenposition PE ist eine Rekonstruktion einer 3D-Szene dargestellt. Von dieser Augenposition PE aus, die in der hinteren Brennebene der Transformationslinse liegt, ist die Rekonstruktion der 3D-Szene für ein Betrachterauge vollständig zu sehen. Die Beleuchtung und damit auch die vom Licht berührten Komponenten im Strahlengang werden durch ein Steuermittel CM gesteuert.
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Ein extern über das Steuermittel CM gesteuerter Laser beleuchtet den Lichtmodulator SLM und die davor angeordnete Transformationslinse mit hinreichend kohärentem Licht. Die Ausbreitungsrichtung des Lichts ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Das Steuermittel CM veranlasst durch sehr schnelles Ein- und Ausschalten des Lasers, dass dieser eine zeitlich schnelle Folge von kohärenten Lichtpulsen generiert, wobei jedem Puls eine komplexwertige Wellenfront entspricht und die Lichtpulse zueinander verschiedene Wellenlängen aufweisen. Schematisch sind die Lichtpulse durch mehrere Intensitätskurven auf der Pfeillinie in 1 dargestellt. Die Wellenlängen der einzelnen Lichtpulse unterscheiden sich nur geringfügig voneinander und können durch entsprechende programmtechnische Vorgaben im Steuermittel CM definiert verändert werden oder in vorgegebenen Grenzen einer Zufallsschwankung ausgesetzt werden. Sinnvoll ist dabei, dass die Änderung der Wellenlängen im Bereich weniger Nanometer erfolgt, damit die späteren Rekonstruktionen und die entsprechenden Speckle-Muster für das Mitteln keine zu großen Unterschiede aufweisen. Im Lichtmodulator SLM wird die zeitlich schnelle Folge von Lichtpulsen mit den kodierten Hologrammwerten einer 3D-Szene moduliert und in zeitlich schneller Folge in die hintere Brennebene BE der vor dem Lichtmodulator SLM angeordneten Transformationslinse transformiert, wobei die Transformationslinse auch gleichzeitig die Rekonstruktionsoptik RO ist. Die hintere Brennebene BE der Rekonstruktionsoptik RO befindet sich in einem Betrachterraum, in dem auch immer die Augenposition PE liegt. Die modulierten komplexwertigen Wellenfronten erzeugen in zeitlich schneller Folge mehrere Rekonstruktionen der gleichen 3D-Szene mit leicht unterschiedlichen Speckle-Mustern am gleichen Ort im Rekonstruktionsraum. Von der Augenposition PE aus sieht ein Betrachterauge die Rekonstruktionen als eine einzige Rekonstruktion der 3D-Szene mit gemitteltem Speckle-Muster.
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Auch wenn zeitlich schnelle Folgen von Lichtpulsen generiert werden, kann auf dem Lichtmodulator vorteilhafterweise stets dasselbe Hologramm mit herkömmlicher Bildwiederholfrequenz angezeigt werden und auch die Hologrammberechnung muss dann nur mit dieser Bildwiederholfrequenz erfolgen.
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Als wesentlicher weiterer Vorteil ergibt sich mit dem Ausführungsbeispiel nach 1, dass zum weiteren Reduzieren der auftretenden Speckle-Muster die Anzahl von Rekonstruktionen der 3D-Szene ohne Verwenden zusätzlicher Komponenten beliebig erhöht werden kann.
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In 2 ist eine zweite mögliche Ausführungsform eines holographischen Direktsichtdisplays schematisch und vereinfacht in Draufsicht gezeigt. In Lichtrichtung sind nacheinander als Beleuchtungsmittel L1, L2 und L3 drei nebeneinander angeordnete Laser, als Abbildungsmittel AM drei eindimensional aneinandergrenzend angeordnete Abbildungsoptiken AO, als Rekonstruktionsoptik RO eine Transformationslinse, der ein pixelierter Lichtmodulator SLM folgt, vorgesehen. Damit können beispielhaft drei sich geringfügig unterscheidende Rekonstruktionen mit zueinander leicht unterschiedlichen Speckle-Mustern zum Mitteln für ein Auge erzeugt werden. Es versteht sich von selbst, dass die Anzahl der Laser und entsprechender Abbildungsoptiken beliebig erhöht werden kann, um eine größere Anzahl von Rekonstruktionen gleichzeitig zu erzeugen und die Speckle-Reduzierung durch Mittelung zu verbessern. In einem Rekonstruktionsraum mit kegelförmigem Querschnitt zwischen dem Lichtmodulator SLM und der Augenposition PE ist die Rekonstruktion der 3D-Szene dargestellt. Von der Augenposition PE aus, die in der hinteren Brennebene der Transformationslinse liegt, ist die Rekonstruktion der 3D-Szene für ein Betrachterauge vollständig zu sehen. Die Beleuchtung und damit auch die vom Licht berührten Komponenten im Strahlengang werden durch ein Steuermittel CM gesteuert.
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Durch das Steuermittel CM programmtechnisch veranlasst strahlen gleichzeitig drei Laser mit zueinander geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen hinreichend kohärentes Licht aus, das über jeweils eine zugeordnete Abbildungsoptik AO in beispielsweise eine Lichtleitfaser abgebildet wird. Sowohl die Laser als auch die Abbildungsoptiken AO sind zueinander eindimensional aneinandergrenzend angeordnet. Bei einer größeren Anzahl von Lasern können diese aber auch zweidimensional als ein Verbund angeordnet werden. Ein geeignetes Abbildungsmittel zum zweidimensionalen Abbilden des zweidimensionalen Verbundes von Lasern ist dann vorteilhaft als matrixförmiges Linsenarray ausgebildet. Das Licht der Lichtleitfasern wird in einer einzigen Lichtleitfaser LLF konzentriert und beleuchtet durch das Steuermittel CM programmtechnisch gesteuert die Transformationslinse und den Lichtmodulator SLM mit kombiniertem Licht mit drei geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen. Die Transformationslinse transformiert das unterschiedliche Wellenlängen aufweisende Licht in ihre hintere Brennebene BE in die Augenposition PE. Befindet sich an dieser Stelle ein Betrachterauge, dann sind innerhalb der Augenpupille drei komplexwertige Wellenfronten mit zueinander unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig vorhanden, aus denen die Transformationslinse gleichzeitig drei Rekonstruktionen der 3D-Szene erzeugt. Da die drei Rekonstruktionen mit zueinander geringfügig unterschiedlichem Speckle-Muster gleichzeitig am gleichen Ort im Rekonstruktionsraum erzeugt und überlagert werden, mittelt das Auge über diese Rekonstruktionen und sieht nur eine einzige Rekonstruktion der 3D-Szene mit reduziertem Speckle-Muster.
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Es kann auch im Verfahren nach 2 ein Lichtmodulator mit herkömmlicher Bildwiederholfrequenz verwendet werden und vorteilhafterweise wird auch die Hologrammberechnung nur mit dieser Frequenz erfolgen.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt die Fourier-Transformation verwendet, da sie sich programmtechnisch einfach implementieren lässt und sehr genau durch optische Systeme realisiert werden kann.
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Die Hologramm-Kodierung kann in den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 variabel so vorgegeben werden, dass die Rekonstruktionen der 3D-Szene vor und/oder hinter dem Bildschirm zu sehen sind. Der Lichtmodulator SLM erfüllt hier gleichzeitig auch die Funktion des Bildschirms.
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Die Positionsdaten eines Betrachterauges werden in 1 und 2 üblicherweise von einem nicht dargestellten Positionserfassungssystem ermittelt und vom Steuermittel CM übernommen, worauf hier aber nicht näher eingegangen werden muss.
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Das anhand von Ausführungsbeispielen für ein holographisches Direktsichtdisplay beschriebene Verfahren zum Reduzieren von Speckle bei der Rekonstruktion einer 3D-Szene ist auch in einem holographischen Projektionsdisplay erfindungsgemäß anwendbar.
