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Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein holographisches Rekonstruktionssystem, bei
dem eine räumlich modulierte Lichtwellenfront, die auf
mindestens ein Auge eines Betrachters ausgerichtet ist, eine Szene dreidimensional
rekonstruiert. Das System weist räumliche Lichtmodulationsmittel,
einen Augenfinder und eine Positionssteuerung auf, um die modulierte Lichtwellenfront
mit der holographischen Rekonstruktion auf die Augenposition mindestens
eines Betrachters auszurichten und beim Positionswechsel der Augenposition
nachzuführen. Insbesondere betrifft die Erfindung Mittel
zum Anpassen der axialen Entfernung der Augenposition vom Rekonstruktionssystem.
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Die
Erfindung ist unabhängig von der Art der Bereitstellung
der holographischen Information anwendbar und kann auch für
Systeme eingesetzt werden, welche gleichzeitig mehreren Betrachtern
eine holographisch rekonstruierte Videoszene zum Betrachten bereitstellt.
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Stand der Technik
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Der
Anmelder hat bereits verschiedene holographische Rekonstruktionssysteme
offenbart, welche mit einer modulierten Lichtwellenfront, die eine Wellennachführung
auf mindestens ein Auge eines Betrachters ausgerichtet, eine Szene
dreidimensional rekonstruieren.
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Das
vorliegende Dokument erläutert das Funktionsprinzip von
Rekonstruktionssystemen am Beispiel einer Lichtwellenfront, welche
eine Szene für ein Auge eines Betrachters rekonstruiert.
Für das andere Auge kann das System eine zweite Wellenfront mit
parallaktisch abweichender holographischer Information im zeitlichen
oder räumlichen Multiplex generieren. Grundsätzlich
kann das System aber auch eine Wellenfront mit einem hinreichend
großen Sichtbarkeitsbereich bereitstellen. Die Systeme
können auch für mehrere Betrachter im zeitlichen
oder räumlichen Multiplex separate Wellenfronten generieren und
ausrichten.
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Für
die vorliegende Erfindung wird ein Grundprinzip für ein
Rekonstruktionssystem angewendet, bei dem räumliche Lichtmodulationsmittel ein
Videohologramm bilden. 1 zeigt ein grundsätzliches
technisches Problem eines Rekonstruktionssystems, das Lichtmodulationsmittel
mit diskreten Modulatorzellen benutzt. Die Lichtmodulationsmittel
sind im Beispiel ein einzelner Lichtmodulator SLM, den eine interferenzfähige
Lichtwellenfront LW entweder beim Durchfluten mit Licht, d. h.,
im transmissiven Gittermodus, oder als steuerbare, räumlich angeordnete
Mikroreflektoren mit holographischer Information moduliert. Der
Lichtmodulator SLM ist dynamisch mit holographischer Information
der Szene kodiert. In beiden Fällen entsteht eine modulierte Wellenfront,
welche nach einer Fourier-Transformation mit einer Sammellinse L
die Objektlichtpunkte der Szene im Raum vor der Fokalebene FL rekonstruiert. Die
Sammellinse L sichert, dass das von allen Teilen des Videohologramms
ausgehende Licht den Sichtbarkeitsbereich passiert.
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Wie
bei der konventionellen Holographie mit Fotoplatten oder Fotofilm,
enthält auch der in 1 gezeigte
Lichtmodulator SLM für ein konventionelles Videohologramm
in jeder Modulatorzelle die gesamte holographische Information zur
Szene. Nach dem Teilen eines Videohologramms, könnte jeder
Hologrammteil für sich abhängig vom Betrachterwinkel die
gesamte Szene holographisch rekonstruieren, lediglich der Winkelbereich,
unter dem das Objekt betrachtet werden kann, nimmt ab.
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Ein
Problem entsteht jedoch, wenn das bekannte System die holographische
Information für jeden Objektlichtpunkt auf der gesamten
Modulatorfläche eines zweidimensionalen räumlichen
Lichtmodulators mit einer gerasterten Modulatorzellenstruktur, beispielsweise
ein Flüssigkristalldisplay, kodiert. Neben jedem gewünschten
Objektlichtpunkt entstehen unvermeidlich zusätzlich parasitäre
Lichtpunkte in weiteren Beugungsordnungen, die in einem Raumfrequenzspektrum
liegen. 1 zeigt in einer stark vereinfachten
Darstellung zum ausgewählten Objektlichtpunkt OP0 in der
vom System genutzten Beugungsordnung zusätzlich noch parasitäre
Lichtpunkte OP + 1 und OP – 1 in den Beugungsordnungen
+1 und –1. In weiter entfernten Beugungsordnungen entstehen
noch weitere parasitäre Lichtpunkte, die für die
vorliegende Erfindung wenig interessant sind. Am Rekonstruktionsort
eines Objektlichtpunktes liegt dieser in einem Beugungsintervall
in Linie mit allen parasitären Lichtpunkten. Nach dem Rekonstruieren breiten
sich von jedem Lichtpunkt zur Fokalebene mit periodischen Abständen
Lichtwellenkegel aus, deren Öffnungswinkel die Wellenlänge
des Lichts, das die Modulatorzellen beleuchtet, und der Modulatorzellenabstand
in der Zellenstruktur definieren.
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Die
Lichtwellenkegel aller rekonstruierter Lichtpunkte OP + 1, OP0 und
OP – 1 breiten sich so weitwinklig aus, dass in einem Sichtbarkeitsbereich VR,
der in der Fokalebene FL durch die zum Rekonstruieren genutzte Beugungsordnung
definiert ist, auch Licht aus benachbarten Lichtwellenkegeln der parasitären
Lichtpunkte OP + 1 und OP – 1 erscheint, so dass diese
Lichtpunkte sichtbar sind. Diese Störung lässt
sich durch Filtern nicht mehr entfernen.
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Der
Anmelder hat erstmalig ein solches Rekonstruktionssystem in seiner
internationalen Veröffentlichung
WO 2004/044659 mit der Bezeichnung "Videohologramm
und Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen" beschrieben.
2 zeigt eine
aus dieser Veröffentlichung bekannte Möglichkeit
zum Beseitigen dieses Mangels.
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Um
im Sichtbarkeitsbereich ein Eindringen von parasitären
Lichtpunkten in die Rekonstruktion zu verhindern, werden zum Kodieren
der Lichtmodulatormittel kleine Objektelemente der Szene genutzt, vorzugsweise
diskrete Objektlichtpunkte, welche das Rekonstruktionssystem separat
rekonstruiert. Im Beispiel reduziert für jeden Objektlichtpunkt
ein nicht gezeichnetes computergestütztes Hologrammaufbereitungsmittel
die kodierte Fläche des Lichtmodulators SLM entsprechend
seiner räumlichen Position vor dem Sichtbarkeitsbereich
VR und der Größe des Sichtbarkeitsbereichs VR
auf ein Hologrammgebiet H0. Damit gelangt nur Licht vom Objektlichtpunkt
aus der benutzten Beugungsordnung in den Sichtbarkeitsbereich VR.
Der Sichtbarkeitsbereich liegt also nur in einer Beugungsordnung.
Ein Betrachter, der mindestens mit einem Auge in Richtung zum Videohologramm
blickt und die Szene betrachtet, kann nicht die Lichtwelle sehen,
die im Beispiel vom parasitären Lichtpunkt OP + 1 ausgeht.
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Ein
nicht gezeichneter Prozessor der Systemsteuerung berechnet in Abhängigkeit
von der axialen Position des Objektlichtpunktes OP0 im Raum die
Flächengröße jedes Hologrammgebietes.
Das heißt, sowohl der axiale Abstand d1 des Objektlichtpunktes
OP0 als auch vom Abstand d2 der Fokalebene zum Lichtmodulator SLM definieren
die Fläche des Hologrammgebietes H0. Die laterale Abweichung
des rekonstruierten Objektlichtpunktes OP0 von der optischen Achse
des Lichtmodulators SLM ergibt die Position des Hologrammgebiets
H0 auf der Oberfläche des Lichtmodulators SLM.
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Diese
Kodierung hat der Anmelder unter anderem auch in der internationalen
Veröffentlichung
WO
2006/119920 mit der Bezeichnung: "Device for holographic
reconstruction of three-dimensional scenes" offenbart.
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3 zeigt
für eine dreidimensionale Szene 3DS nur noch Lichtwellen,
die von rekonstruierten Objektlichtpunkten in der genutzten Beugungsordnung
ausgehen. Das Beispiel zeigt nur wenige ausgewählte Objektlichtpunkte
OP1 ... OP4 eines Szenenabschnitts. Der Prozessor HP kodiert für
jeden einzelnen Objektlichtpunkt OP1 ... OP4 in einer Anzahl von
benachbarten Modulatorzellen des Lichtmodulators SLM ein eigenes
Hologrammgebiet H1 ... H4. Jedes Hologrammgebiet bildet im Zusammenwirken
mit der Sammellinse L eine einstellbare Linse, welche im Raum zwischen
dem SLM und der der Fokalebene FL ihren Objektlichtpunkt OP so rekonstruiert,
dass seine Lichtwelle in den Sichtbarkeitsbereich VR läuft,
ohne in der Fokalebene FL die benutzte Beugungsordnung zu verlassen.
Das verhindert ein Wahrnehmen von parasitären Lichtpunkten
aus anderen Beugungsordnungen im Sichtbarkeitsbereich VR. Der Prozessor
HP ordnet also die holographische Information eines einzelnen Objektlichtpunktes
immer nur einem begrenzten Hologrammgebiet H der Modulatorfläche
zu. Unter Berücksichtigung der Daten für die aktuelle
Augenposition, welche die Systemsteuerung mit Hilfe eines Augenfinders
liefert, kalkuliert er die Lage und die Größe
für jedes Hologrammgebiet.
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Beide
bekannte Rekonstruktionssysteme haben den Nachteil, dass die Rekonstruktion
nur vom Sichtbarkeitsbereich VR, der an der Fokalebene FL liegt,
fehlerfrei sichtbar ist. Nur dort koinzidieren alle Lichtwellen
der rekonstruierten Objektlichtpunkte zu einer Lichtwellenfront,
welche die Rekonstruktion der Szene vollständig wiedergibt.
Der Sichtbarkeitsbereich ist von virtueller Natur und daher vom
Benutzer ohne Hilfe schwer zu entdecken. Da das Rekonstruktionssystem
keinen Raumfrequenzfilter zum Unterdrücken von benachbarten
Beugungsordnungen aufweist, gelangt jenseits der Fokalebene FL Licht
von parasitären Lichtpunkten auf die Augenpupille. 5a zeigt
das am Beispiel eines rekonstruierten Objektlichtpunktes OP0. Wenn
am angedeuteten Sichtbarkeitsbereich VR2 ein Betrachterauge liegen würde,
käme auch Licht vom parasitären Lichtpunkten OP
+ 1 in die Augenpupille und der Lichtpunkt OP + 1 und wäre
als Störung sichtbar.
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Außerdem
haben Abstände der Augenposition von der Fokalebene FL
ab einer bestimmten Größe in beiden Richtungen
zur Folge, dass die Lichtwellen von bestimmten Hologrammgebieten,
insbesondere von denen, die in einem Randbereich des Lichtmodulators
SLM liegen, nicht zur Augenpupille des Betrachterauges gelangen,
so dass diese Objektlichtpunkte dann an dieser Augenposition nicht
sichtbar sind. Dieser Mangel ist in 6a dargestellt.
Ein Betrachterauge, das am angedeuteten Sichtbarkeitsbereich VR2
liegt, kann den Objektlichtpunkt OP3 der rekonstruierten Szene nicht
wahrnehmen, da seine Lichtwelle nicht auf die Augenpupille trifft.
Diese Tatsache erfordert ein Ausrichten der Wellenfront mit der Rekonstruktion
und dem Sichtbarkeitsbereich VR auf die aktuelle Augenposition und
ein Nachführen bei Kopfbewegungen eines Betrachters.
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Bekannte
holographische Rekonstruktionssysteme weisen daher einen Augenfinder
und entsprechende Nachführmittel auf. Bewegt sich ein Betrachter,
führt das Nachführsystem, beispielsweise durch Ändern
der aktiven Lichtquellenposition, die entsprechende modulierte Wellenfront
der sich ändernden aktuellen Augenposition nach. Im Folgenden
ist unter „aktuelle Augenposition" die Augenposition am
Ende einer modulierten Wellenfront zu verstehen, die auf mindestens
ein solches Betrachterauge gerichtet ist, für welches das
aktuell kodierte Videohologramm die Wellenfront moduliert hat. Beispiel: Ein
holographisches Rekonstruktionssystem, stellt für jedes
Auge eines Betrachters im Zeitmultiplex eine separat modulierte
Wellenfront bereit. Wenn die Systemsteuerung über die Information
verfügt, dass zwei Betrachter die Rekonstruktion betrachten,
muss diese modulierte Lichtwellen nacheinander für vier verschiedene
Augenpositionen bereitstellen, wobei sich die Hologramme für
das rechte und das linke Auge unterscheiden. Zum Zeitpunkt an dem
die Videohologrammfolge ein Einzelhologramm für ein rechtes
Auge bereitstellt richtet das Nachführsystem die modulierte
Wellenfront mit dem Einzelhologramm nur auf das rechte Auge des
ersten Betrachters und anschließend auf das rechte Auge
des anderen Betrachters. Erst danach, wenn ein Einzelhologramm für
ein linkes Auge kodiert ist, werden die zwei restlichen Augenpositionen
bedient.
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Derartige
Nachführmittel sind relativ aufwendig und weisen optischen
Elemente auf, welche die Lichtwellenfront vor dem Rekonstruieren
der Szene empfindlich deformieren. Die optischen Nachführmittel
führen die modulierte Wellenfront in einem, von der aktuellen
Augenposition abhängigen, schrägen Einfallwinkel,
der erheblich von der optischen Achse der Komponenten abweichen
kann. Daher treten Aberrationen und Laufzeitfehler mit veränderlichen
Anteilen auf.
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Diese
deformieren die Wellenfront positionsabhängig und muss
vor dem Rekonstruieren kompensiert werden. Positionswechsel der
Augenposition bewirken dann Aberrationen, wie sphärische
Aberration, Koma, Bildfeldwölbung, Astigmatismus, Distorsion,
welche in Folge ihrer wechselnden Anteile nur schwer kompensiert
werden können. Diese Deformationen bewirken, dass die Koinzidenz
der Lichtwellen im Sichtbarkeitsbereich gestört ist und
einzelne rekonstruierte Objektlichtpunkte der Szene an einer falschen
Position oder unscharf rekonstruiert werden, so dass die Szene im
Sichtbarkeitsbereich verzerrt dargestellt wird oder im Extremfall
sogar einzelne Objekte der Szene im Sichtbarkeitsbereich fehlen.
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Aus
der internationalen Veröffentlichung
WO 01/95016 mit dem Titel: „Computation
time reduction for three-dimensional displays" ist ein weiteres
holographisches Rekonstruktionssystem bekannt, welches die Aufgabe
hat, die Rechenkapazität zum Kodieren des Lichtmodulators
SLM drastisch zu senken.
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Im
Vergleich zum zuvor dargestellten System nutzt dieses System einen
sehr hoch auflösenden Lichtmodulator SLM und kodiert das
aktuelle Hologramm immer nur in einen von der Augenposition abhängigen
variablen Lichtmodulatorbereich mit einer eingeschränkten
Anzahl von Modulatorzellen. Ein Augenfinder ermittelt für
die Steuermittel des Systems sowohl die Augenposition als auch die
Details der Szene, welche der Betrachter aktuell betrachtet. Damit
definieren die Steuermittel in den Daten des aktuellen Videohologramms
die Modulatorzellen, welche zum Rekonstruieren dieser betrachteten
Details beitragen, und kalkulieren die Kodierwerte für
den Lichtmodulatorbereich in Abhängigkeit von der Blickrichtung
der Betrachteraugen zum Displayschirm. Um die Rechenkapazität
zu reduzieren, berechnet die Systemsteuerung mit höchster Priorität
die Kalkulationswerte für die definierten Modulatorzellen.
Daraus formt das System eine entsprechende Systemausgangspupille,
die diese Details rekonstruiert. Den Rest des rekonstruierten Objekts, den der
Betrachter aktuell nicht betrachtet oder von der Augenposition sehen
kann, berechnet und aktualisiert die Systemsteuerung mit niedriger
Priorität und/oder mit geringerer Häufigkeit auf
Vorrat. In Übereinstimmung mit der Pupillenposition des
Betrachterauges verändert die Systemsteuerung dabei simultan
die Form, die Größe und die Position der entsprechenden
Ausgangspupille. Das simulierte Objekt erscheint in einem relativ
kleinen, dreidimensionalen Polyeder, der um die Fokalebene FL der Wiedergabeoptik
liegt.
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Dieses
bekannte Rekonstruktionssystem hat neben einem relativ kleinen Rekonstruktionsraum
für eine Rekonstruktion nahe der Fokalebene FL gegenüber
dem erstgenannten den Nachteil, dass es jeweils nur eine stark eingeschränkte
Anzahl aller verfügbaren Modulatorzellen des Lichtmodulators
nutzt. Diese Redundanz schränkt die Sichtweite auf die
Rekonstruktion stark ein und erfordert gegenüber dem erstgenannten
System einen Lichtmodulator mit einer wesentlich höheren
Auflösung und wie das Dokument zeigt, eine Wiedergabeoptik
mit einem im Vergleich zum Lichtmodulator größeren
Querschnitt. Da ein feststehender Hintergrund fehlt, ist das System wenig
zum Darstellen von Videoszenen mit Objekten in verschiedenen Raumtiefen
geeignet. Auch bei diesem System muss die modulierte Wellenfront
schräg durch die Wiedergabeoptik laufen. Dieses stellt ebenfalls
eine Fehlerquelle für Aberrationen bereit, die von wechselnden
Augenpositionen abhängen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, mit einem geringen mechanischen
und optischen Aufwand eine freie Beweglichkeit des Kopfes eines Betrachters
zu einer beliebigen Augenposition innerhalb eines Nachführbereiches
sowohl lateral als auch axial zur optischen Lichtaustrittsachse
des Rekonstruktionssystems zu ermöglichen. Das System soll den
Gebrauch zusätzlicher, insbesondere großflächiger
optischer Komponenten vermeiden, die eine zusätzliche Fehlerquelle
für optische Aberrationen beim Positionswechsel von Betrachteraugen
darstellen.
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Die
Erfindung geht von einem holographischen Rekonstruktionssystem aus,
das mit wenigstens einer interferenzfähigen Lichtwellenfront,
die mit einer Folge von Video hologrammen moduliert ist, die optische
Erscheinung einer Szene dreidimensional holographisch rekonstruiert.
Das Rekonstruktionssystem enthält räumliche Lichtmodulationsmittel
mit einer diskret kodierbaren Modulatorzellenstruktur und Mittel
für eine Hologrammaufbereitung. Die Hologrammaufbereitung
kalkuliert eine Folge von Videohologrammen aus holographischer Information
der Szene, die holographisch rekonstruiert werden soll. Als holographische
Information dient die Beschreibung von strukturiert angeordneten
Objektelementen der Szene, wie beispielsweise Elementfarbe und Elementhelligkeit.
Vorzugsweise sind die Objektelemente diskrete Objektlichtpunkte
der Szene, können aber auch von der Bildverarbeitungstechnik
bekannte Bildsegmente sein. Die Hologrammaufbereitung kodiert die
Modulatorzellenstruktur mit den kalkulierten Videohologrammen.
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Die
Hologrammaufbereitung weist jedem Objektelement ein diskretes Hologrammgebiet
in der Modulatorzellenstruktur zu und definiert die Größe und
die Lage für das Hologrammgebiet abhängig von Daten
zur Objektposition vom Objektelement in der Szene.
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Anschließend
kalkuliert die Hologrammaufbereitung für jedes Hologrammgebiet
Kodierdaten aus der holographischen Information und aus den Daten
zur Objektposition vom zugeordneten Objektelement und kodiert damit
die Modulatorzellenstruktur.
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Entsprechend
den zugewiesenen Hologrammgebieten zur Modulatorzellenstruktur moduliert
jedes Hologrammgebiet eine Teillichtwelle der interferenzfähigen
Lichtwellenfront, so dass alle modulierten Teillichtwellen separat
die ihnen zugeordneten Objektelemente rekonstruieren und sich anschließend
als Lichtwellenkegel zu einem Sichtbarkeitsbereich ausbreiten.
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Das
holographischen Rekonstruktionssystem gemäß der
Erfindung enthält außerdem Steuermittel, die mit
Augenpositionsdaten, die Augenfindermittel von den Augenpositionen
mindestens eines Betrachters liefern, alle modulierten Teillichtwellen auf
eine aktuelle Augenposition auszurichten. Damit wird erreicht, dass
alle Lichtwellenkegel im Sichtbarkeitsbereich die vollständig
rekonstruierte Szene sichtbar machen und bei einem Bewegen des Kopfes der
Augenposition nachführen,
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Das
holographische Rekonstruktionssystem löst die oben beschriebene
Aufgabe mit Mitteln gemäß der Erfindung dadurch,
dass die Hologrammaufbereitung neben der holographischen Information und
den Daten zur Objektposition vom zugeordneten Objektelement zusätzlich
auch die Augenpositionsdaten der aktuellen Augenpositionen berücksichtigt um:
- – zum Einem die Größe
und Lage der Hologrammgebiete an die aktuelle Augenposition anzupassen
und
- – zum Anderen die Kodierdaten für die Hologrammgebiete
dynamisch so zu beeinflussen, dass das Rekonstruktionssystem unabhängig
von der aktuellen Augenposition innerhalb eines Nachführbereiches
alle modulierten Teillichtwellen mit ihren geöffneten Lichtwellenkegeln
zur aktuellen Augenposition richtet, so dass die Lichtwellenkegel
durch Koinzidenz an der aktuellen Augenposition einem Sichtbarkeitsbereich
bilden, in dem alle rekonstruierten Objektelemente die holographische
Rekonstruktion der Szene sichtbar machen, ohne dass Licht aus parasitären Beugungsordnungen
in die genutzte Beugungsordnung eindringt.
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Da
die Hologrammaufbereitung zum Kodieren der Zellenstruktur der Lichtmodulationsmittel
zusätzlich auch die Augenpositionsdaten der aktuellen Augenpositionen
berücksichtigt, kann bei einem holographischen Rekonstruktionssystem
gemäß der Erfindung die Augenposition des Betrachters
mit dem Sichtbarkeitsbereich für die Wellenfront mit der
rekonstruierten Szene innerhalb eines Nachführbereiches
in einer beliebigen Betrachtungsebene liegen, dass heißt,
die Augenposition des Betrachterauges muss nicht in der Fokalebene
des Rekonstruktionssystems liegen, da ein dynamisches Anpassen über die
Kodierung des aktuellen Videohologramms erfolgt.
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Um
einerseits störende Lichteinflüsse aus parasitären
Beugungsordnungen zu vermeiden und andererseits die volle Sichtbarkeit
aller rekonstruierter Objektelement zu gewährleisten, passt
die Hologrammaufbereitung die Größe, die Lage
und den holographischen Inhalt aller Hologrammgebiete dynamisch
an die aktuelle Augenposition entsprechend der Lage der Objektelemente
zwischen den Lichtmodulationsmitteln und der Augenposition an. Nach dem
Anpassen bildet jedes Hologrammgebiet eine modulierte Teillichtwelle,
welche nach der Rekonstruktion ihres Objektelementes am Ort des
Sichtbarkeitsbereiches einen Lichtwellenkegel mit einer Öffnung
hat, die innerhalb der genutzten Beugungsordnung liegt und weitestgehend
mit der Geometrie des Sichtbarkeitsbereiches übereinstimmt.
Damit bleibt auch das Licht von Lichtpunkten, die parasitär
in andere Beugungsordnungen des Beugungsintervalls entstehen, in
der entsprechenden Beugungsordnung und diese Lichtpunkte erscheinen
nicht im Sichtbarkeitsbereich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
erfindungsgemäße Lösung wird nachstehend
anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Zeichnungen dafür zeigen im Einzelnen:
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1:
zeigt ein Grundprinzip für ein holographisches Rekonstruktionssystem,
bei dem ein Videohologramm auf einem beleuchteten räumlichen
Lichtmodulator kodiert ist.
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2:
zeigt ein Rekonstruktionssystem gemäß der internationalen
Veröffentlichung
WO 2004/044659 ,
welches dem System gemäß der Erfindung zu Grunde
liegt, und die Wirkung von parasitären Lichtpunkten am
Beispiel einer benachbarten Beugungsordnung für einen einzigen
rekonstruierten Objektlichtpunkt der Szene erläutert.
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3:
zeigt ebenso das holographische Rekonstruktionssystem gemäß 2 mit
ausgewählten Objektlichtpunkten der dreidimensionalen Szene
und entsprechenden, kodierten Hologrammgebieten auf dem räumlichen
Lichtmodulator.
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4:
zeigt eine andere Darstellung des Rekonstruktionssystems gemäß 2 mit
der Zuweisung von kodierten Hologrammgebieten auf der Fläche
des Lichtmodulators für verschiedene Beispiele von ausgewählten
Objektlichtpunkten.
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5a und 5b zeigen
die Wege einer modulierten Teillichtwelle mit einem ausgewählten, rekonstruierten
Objektlichtpunkt und einer Teillichtwelle mit einem entsprechenden
parasitären Lichtpunkt in einer benachbarten Beugungsordnung
zu verschiedenen Augenpositionen. Dabei hat ein Signalprozessor
zur Hologrammaufbereitung die Größe und die Kodierung
des Hologrammgebietes für die modulierte Teillichtwelle
gemäß der Erfindung an eine gewünschte
Augenposition angepasst.
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6a bis 6c zeigen
die Wege von modulierten Teillichtwellen mit verschiedenen ausgewählten
rekonstruierten Objektlichtpunkten einer Szene in einer Beugungsordnung
zu verschiedenen Augenpositionen. Dabei hat der Signalprozessor
die Größe, Lage und die Kodierung der Hologrammgebiete
für die modulierten Teillichtwellen gemäß der Erfindung
an eine gewünschte Augenposition angepasst.
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7a und 7b zeigen
ebenfalls die Wege von modulierten Teillichtwellen mit verschiedenen,
ausgewählten rekonstruierten Objektlichtpunkten einer Szene
in einer Beugungsordnung zu verschiedenen Augenpositionen. Im Gegensatz
zur Ausführung nach 6a bis 6c berücksichtigt der
Signalprozessor jedoch beim Kalkulieren des Videohologramms auch
Veränderungen in der Struktur der sichtbaren Objektlichtpunkte,
die sich aus den verschiedenen Perspektiven von verschiedenen Augenpositionen
ergeben.
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Ausführungsbeispiele
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Die
Funktion des Rekonstruktionssystems gemäß der
Erfindung kann anhand von Linsen und Prismen erklärt werden,
die ein Signalprozessor für die Hologrammaufbereitung als
eine Struktur von Sammellinsenfunktionen und optischen Prismenfunktionen
in die Zellenstruktur der räumlichen Lichtmodulationsmittel
kodiert.
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4 zeigt
eine anschauliche perspektivische Darstellung der Kodierung der
Zellenstruktur des räumlichen Lichtmodulators SLM am Beispiel von
Objektlichtpunkten OP1 bis OP3, die als typische Beispiele aus einer
dreidimensionalen Szene ausgewählt sind.
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Entsprechend
dem bekannten Grundprinzip der vorliegenden Erfindung definiert
ein Signalprozessor SP für jeden Objektlichtpunkt OP1 bis
OP3 ein Hologrammgebiet H1 bis H3 für die Zellenstruktur und
kalkuliert anhand von holographischer Information zum Objektlichtpunkt
für jedes Hologrammgebiet einen Linsenterm sowie je nach
Erfordernis einen Prismenterm. Das heißt, jedes Hologrammgebiet
in der Zellenstruktur erhält eine Kodierung, welche für das
Hologrammgebiet eine erste optische Komponente mit der optischen
Funktion einer separaten Sammellinse und gegebenenfalls zusätzlich
eine zweite optische Komponente mit der optischen Funktion eines
separaten Ablenkprismas realisiert.
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Da
alle Hologrammgebiete in der interferenzfähigen Lichtwellenfont
LW liegen, realisieren ihre Kodierungen räumlich separate
Teillichtwellen, die entsprechend ihrer Sammellinsenfunktionen jeweils einen
Objektlichtpunkt OP1, OP2, oder OP3 separat rekonstruieren. Für
eine korrekte Rekonstruktion muss der Wellenweg des modulierten
Lichts so laufen, dass in einem Betrachterraum vor der aktuellen Augenposition
alle rekonstruierten Objektlichtpunkte an einer Objektposition entsprechend
der Szene liegen und anschließend zur Augenposition in
einen Sichtbarkeitsbereich laufen. Um dieses zu realisieren, überlagert
der Signalprozessor beim Kalkulieren dem Linsenterm einen der Objektposition
des Objektlichtpunktes entsprechend Prismenterm. Das heißt, jedes
kodierte Hologrammgebiet stellt zumindest eine Linsenfunktion bereit,
die in einer axialen Entfernung vom Lichtmodulator SLM einen Objektlichtpunkt
rekonstruiert. Der überwiegenden Anzahl von kodierten Hologrammgebieten überlagert
der Signalprozessor aber bereits beim Kalkulieren zusätzlich eine
Prismenfunktion, welche die laterale Position des rekonstruierten
Objektlichtpunktes verändert.
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Den
Lichtweg der modulierten Lichtwellen kann der Signalprozessor SP
vorteilhaft nach einer aus der geometrischen Optik und der Computergraphik
bekannten Strahlenverfolgungsmethode berechnen, die auch als „ray
tracing" bekannt ist. Die Berechnung nutzt die Eigenschaft des Lichts,
dass Lichtwege umkehrbar sind und damit alle Lichtwellen vom Auge
aus bis zu ihrem Ursprung zurückverfolgt werden können.
Im vorliegenden Fall kodiert der Prozessor die gesamte Modulatorfläche
so, dass alle Lichtpunkte, die beim Betrachten einer Szene aus dem
Sichtbarkeitsbereich an einer aktuellen Augenposition zum fehlerfreien
Rekonstruktion theoretisch sichtbar sein müssen, auch tatsächlich
als Rekonstruktion in den Sichtbarkeitsbereich VR gelangen. Jedes
Hologrammgebiet entsteht als Projektion des Sichtbarkeitsbereiches
VR durch einen Objektlichtpunkt der Szene hindurch auf die Oberfläche
des Lichtmodulators SLM, der dadurch für jeden Objektlichtpunkt
ein Hologrammgebiet erhält. Eine Szene besteht grundsätzlich
aus einer Vielzahl dicht angeordneter Objektlichtpunkte. Wie 4 zeigt, überlagern
sich deshalb ihre Hologrammgebiete. Der Signalprozessor kalkuliert
und kodiert keine Objektlichtpunkte, welche davor liegende Objekte
der Szene beim Betrachten von der aktuellen Augenposition aus verdecken.
Das reduziert den Rechenaufwand zum Kalkulieren des aktuellen Videohologramms stark.
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Die 5a und 5b zeigen
jeweils den Weg einer modulierten Teillichtwelle mit einem ausgewählten,
rekonstruierten Objektlichtpunkt in der genutzten Beugungsordnung
und den Weg einer Teillichtwelle mit einem entsprechenden parasitären Lichtpunkt
in einer benachbarten Beugungsordnung zu je einer Augenposition.
Dabei ist die Wirkung einer Lichtausbreitung der Teillichtwelle
mit einer Kegelform nach dem Rekonstruieren am Beispiel eines ausgewählten
Objektlichtpunktes OP0 sichtbar. Die strukturierte Zellenstruktur
des Lichtmodulators SLM bewirkt zwangsläufig, dass in anderen
Beugungsordnungen parasitäre Lichtpunkte entstehen. Das
Ausführungsbeispiel zeigt nur einen dieser parasitären Lichtpunkte,
den Lichtpunkt OP + 1 in der nächst höheren Beugungsordnung.
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Das
Hologrammgebiet H01 ist in 5a so mit
einem Linsenterm kodiert, dass eine Teillichtwelle einen Objektlichtpunkt
OP0 rekonstruiert und diesen an jedem Punkt eines Sichtbarkeitsbereichs
VR1 an der Augenposition EP1 sichtbar macht. Ein Lichtwellenkegel
läuft vom rekonstruierten Objektlichtpunkt OP0 zur Augenposition
EP1 und füllt dabei vollständig den Sichtbarkeitsbereich
VR1 aus, welcher die maximal mögliche Fläche in
der genutzten Beugungsordnung voll nutzt. Eine parasitäre
Lichtwelle, die den unerwünschten Lichtpunkt OP + 1 in
der nächst höheren Beugungsordnung generiert,
läuft am Sichtbarkeitsbereich VR1 vorbei, so dass der Lichtpunkt
OP + 1 nicht im Sichtbarkeitsbereich VR1 erscheint. Das gleiche
trifft für jeden anderen Lichtpunkt zu, den weitere parasitäre
Lichtwellen in einer anderen Beugungsordnung erzeugen, beispielsweise
in der nächst niedrigen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
sind in den Figuren jedoch keine weiteren Beugungsordnungen gezeichnet.
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Anders
sind die Verhältnisse, wenn sich das Betrachterauge axial
von der Augenposition EP1 zur Augenposition EP2 bewegt. Da das Rekonstruktionssystem
ohne Raumfrequenzfilterung, welche benachbarte Beugungsordnungen
unterdrückt, arbeitet, würde jenseits der Augenposition
EP1, beispielsweise an der Augenposition EP2, Licht von parasitären Lichtpunkten
auf das Auge gelangen.
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Die
Lösung dieses Problems gemäß der Erfindung
zeigt 5b. Um den Sichtbarkeitsbereich axial
zur Augenposition EP2 zu verschieben, kodiert der Signalprozessor
für den Objektlichtpunkt OP0 ein kleineres Hologrammgebiet
H02 mit einer Linsenfunktion.
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Auch
bei der in 5b gezeigten Kodierung für
das Hologrammgebiet H02 läuft die modulierte parasitäre
Teillichtwelle für den Lichtpunkt OP + 1 an beiden Sichtbarkeitsbereich
VR1 und VR2 vorbei, so dass diese Kodierung grundsätzlich
vorteilhaft erscheint.
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Das
Rekonstruktionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
hat einerseits einen Sichtbarkeitsbereich, der den Schnittflächen
aller Lichtwellenkegel mit der Augenpositionsebene entspricht. Andererseits
ist mit günstig realisierbaren Lichtmodulatoren abhängig
von den verwendeten Lichtfarben immer nur ein relativ schmales Beugungsintervall
realisierbar. Deshalb sollte im Interesse einer komfortablen Betrachtung
der Rekonstruktion der Sichtbarkeitsbereich weitestgehend die maximal
mögliche Schnittfläche im Beugungsintervall ausnutzen.
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Die 6a bis 6c zeigen
nur Lichtwege von Teillichtwellen für ausgewählte
Objektlichtpunkte OP1 bis OP3 in der zum Rekonstruieren genutzten Beugungsordnung.
Parasitäre Lichtpunkte in anderen Beugungsordnungen fehlen
aus Gründen der Übersichtlichkeit.
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Die
Zellenstruktur des räumlichen Lichtmodulators SLM trägt
für jedes Hologrammgebiet H1, H2 und H3 eine Kodierung,
die einen Linsenterm und einen Prismenterm enthält. Damit
moduliert jedes Hologrammgebiet H1, H2 und H3 räumlich
separat eine Teillichtwelle der Lichtwellenfront LW. In Folge von
konstruktiver Interferenz rekonstruiert jede Teillichtwelle ihren
zugeordneten Objektlichtpunkt OP1, OP2 oder OP3 separat. Nach dem
Rekonstruieren breiten sich die Teillichtwellen als Lichtwellenkegel
zur aktuellen Augenposition EP1 aus, um dort durch Koinzidenz mit
ihren Öffnungen der Lichtwellenkegel einen Sichtbarkeitsbereich
VR zu bilden. In den 6a bis 6c sind
alle Hologrammgebiete H1, H2 und H3 für das gleiche Muster
von Objektlichtpunkten OP1 bis OP3 kalkuliert, welche zur Rekonstruktion
einer Szene gehören, die sich gegenüber dem Lichtmodulator
SLM an einer festen Position befindet.
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6a zeigt
Hologrammgebiete H11, H21 und H31 mit einer Größe
und Lage, die so definiert und mit einem von der Augenposition EP1
abhängigen Prismenterm kodiert sind, dass alle Teillichtwellen
zur Augenposition EP1 laufen, um den Sichtbarkeitsbereich VR1 zu
bilden. Wie aus 6a erkennbar ist, koinzidieren
die Lichtwellenkegel der rekonstruierten Objektlichtpunkte OP1 bis
OP3 in der Nähe der Augenposition EP1 zu einem Sichtbarkeitsbereich
VR1, in dem alle Objektlichtpunkte als eine dreidimensionale Rekonstruktion
der Szene sichtbar sind. Hinter der Augenposition EP1 divergieren
die modulierten Teillichtwellen, so dass nach einer axialen Augenbewegung
zu einer Augenposition EP2 die Objektlichtpunkte OP1 und OP3 abhängig
von der lateralen Lage des Auges nicht mehr oder nur durch eine
optische Störung, die ein parasitärer Lichtpunkt aus
einer anderen Beugungsordnung verursacht, sichtbar sind.
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6b zeigt,
dass der Signalprozessor SP nach der axialen Augenbewegung einen
neuen funktionsfähigen Sichtbarkeitsbereich VR2 generiert
hat, indem er die Größe und Lage der Hologrammgebiete H12,
H22 und H32 in der Zellenstruktur neu definiert und den Wert des
kodierten Prismenterms an die Augenposition EP2 angepasst hat. Darüber
hinaus zeigt 6b, dass am Ort des alten Sichtbarkeitsbereichs VR1
die rekonstruierten Objektlichtpunkte OP1 und OP3 nicht mehr sichtbar
sind. Es ist jedoch zu erwarten, dass stattdessen an diesem Ort
nichtgezeichnete Lichtpunkte zu den Objektlichtpunkten OP1 und OP3
aus anderen Beugungsordnungen sichtbar sind.
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6c zeigt,
eine Augenbewegung von der Augenposition EP1 in mehreren Dimensionen
zu einer Augenposition EP3, die jenseits der optischen Achse OA
des Rekonstruktionssystems liegt. Da die Augenposition EP3 von der
Augenposition EP2 lateral entfernt liegt, muss der Signalprozessor
SP im Wesentlichen die Lage der Hologrammgebiete H13, H23 und H33
in der Zellenstruktur ändern und für jedes Hologrammgebiet
einen geänderten Prismenterm kalkulieren. Um bei jeder
lateralen Kopfbewegung eine feste Verankerung der rekonstruierten Szene
im Raum vor der aktuellen Augenposition zu sichern, verschieben
sich alle Hologrammgebiete H13, H23 und H33 in der Zellenstruktur
einseitig. Das hat zur Folge, dass Hologrammgebiete, die in Richtung
der Verschiebung am Rand liegen, nicht mehr kodierbar sind. Ihre
rekonstruierten Objektlichtpunkte würden in der Rekonstruktion
fehlen und das Blickfeld auf die Szene wird entsprechend beschnitten. Um
dieses zu vermeiden, kann der Signalprozessor SP prinzipiell bei
einem lateralen Wechsel zwischen Augenpositionen eine solche Information
zur Lage der Hologrammgebiete in der Zellenstruktur kalkulieren
und kodieren, dass sich der Rekonstruktionsort der Szene im Verhältnis
zum Lichtmodulator SLM so ändert, dass im Sichtbarkeitsbereich
jeder Augenposition die Szene ein gleichgroßes Blickfeld
aufweist. Eine solche Kalkulation der Videohologramme mit sich änderndem
Rekonstruktionsort der Szene ist jedoch nur wünschenswert,
wenn der Signalprozessor SP für verschiedene Betrachter
im Zeitmultiplex das gleiche Videohologramm bereitstellt.
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Für
eine reale holographische Rekonstruktion einer Szene ist es jedoch
wünschenswert, dass die Rekonstruktion der Szene bei jeder
Kopfbewegung eines Betrachter fest an einem Platz bleibt und der
Signalprozessor die kodierte Detailstruktur der Szene an die veränderte
Perspektive anpasst.
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Die 7a und 7b zeigen
eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung, welche es
ermöglicht, die sichtbare holographische Rekonstruktion
für beliebige Augenpositionen in einem Nachführbereich
komfortabel an die Augenperspektive anzupassen. Gemäß der
Erfindung nutzt dazu der Signalprozessor SP die Augenpositionsdaten
der aktuellen Augenpositionen, um bei einem Wechsel der Augenposition
durch Strahlenverfolgung die Sichtbarkeit der Objektlichtpunkte
zu überprüfen und abhängig von der aktuellen
Augenposition die Struktur der rekonstruierten Objektlichtpunkte
zu verändern.
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Wie
in den voran stehenden Figuren sind auch in den 7a und 7b sind
alle Hologrammgebiete für das gleiche Muster von Objektlichtpunkten
OP1 bis OP4 kalkuliert, die sich gegenüber dem Lichtmodulator
SLM an einer festen Raumposition befinden.
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7a zeigt
jedoch nur die Hologrammgebiete H11 bis H31 der Objektlichtpunkte
OP1 bis OP3 und ihre modulierten Teillichtwellen in der benutzten Beugungsordnung
auf ihren Lichtwegen zur Augenposition EP1. Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung stellt der Signalprozessor SP vor
dem Kalkulieren des aktuellen Videohologramms in einer Sichtbarkeitsprüfung
durch Strahlenverfolgung fest, dass aus der Perspektive von der
Augenposition EP1 der Objektlichtpunkt OP3 den in der Tiefe liegenden Objektlichtpunkt
OP4 verdeckt. Deshalb definiert er für den Objekt lichtpunkt
OP4 kein Hologrammgebiet und kalkuliert dafür auch keine
Kodierdaten. Damit spart der Signalprozessor SP Rechenkapazität.
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Anders
liegen die Verhältnisse, wenn sich wie 7a zeigt,
das Betrachterauge zum Betrachten des aktuellen Videohologramms
an der Augenposition EP2 befindet. Der Signalprozessor SP stellt dann
vor dem Kalkulieren des aktuellen Videohologramms in seiner Sichtbarkeitsprüfung
fest, dass sowohl der Objektlichtpunkt OP3 als auch der Objektlichtpunkt
OP4 sichtbar sind. Ebenfalls durch Strahlenverfolgung stellt der
Prozessor fest, dass das holographische Rekonstruktionssystem durch
ein Überschreiten der verfügbaren Fläche
der Zellenstruktur für den am Rand des Videohologramms
liegenden Objektlichtpunkt OP1 kein Hologrammgebiet bereitstellen
kann. Deshalb wird der Objektlichtpunkt OP1 beim Kalkulieren des
aktuellen Videohologramms nicht berücksichtigt. Auch dieses
spart Rechenkapazität.
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Als
Lichtmodulationsmittel können beispielsweise räumliche
Lichtmodulatoren mit einer Zellenstruktur benutzt werden, die eine
komplexwertige räumliche Modulation oder reine räumliche
Phasen-Modulation ermöglicht.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Rekonstruktionssystem
weitestgehend ohne optische Komponenten, die Aperration verursachen,
realisierbar ist. Stattdessen müssen schnelle räumliche
Phasenlichtmodulationsmittel benutzt werden, welche für
jedes Videohologramm einer sich bewegenden Videofolge mit großem
Phasenhub eine Vielzahl modulierter Teillichtwellen für verschiedene
Augenpositionen bereitstellen.
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Unabhängig
vom beschriebenen Grundprinzip des Nachführens der Teillichtwellen
und Anpassen der Kodierungen der Zellenstruktur mit einem Signalprozessor
zur Hologrammaufbereitung, können Details in der Anordnung
des Rekonstruktionssystems geändert werden.
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Da
die Kodierung von Prismentermen erhebliche Anforderungen an den
einstellbaren Phasenbereich in der Zellenstruktur stellen, kann
das Rekonstruktionssystem räumliche Lichtmodulationsmittel
mit mehreren Lichtmodulatoren und/oder zusätzliche optische
Mitteln benutzen, die einen Teil der Prismenfunktion realisieren.
Um die Prismenterme zu kodieren, werden kleine Aperturen der Modulatorzellen
benötigt.
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Dieses
erfordert eine hohe Auflösung der Lichtmodulationsmittel
und eine große Rechenleistung zur Berechnung der Kodierwerte
für die Videohologramme.
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Wenn
in Folge eines hohen Phasenmodulationshubes der räumlichen
Lichtmodulationsmittel für die Teillichtwellen der Hologrammgebiete
hinreichend große Prismenterme einstellbar sind, benötigt das
Rekonstruktionssystem gemäß der Erfindung grundsätzliche
keine optischen Fokusmittel.
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Sind
keine hinreichend großen Winkel realisierbar, ergeben sich
verschiedene Möglichkeiten, um die Kodierung von Prismentermen
so zu unterstützen, dass die von allen Hologrammgebieten
der Modulatorzellenstruktur ausgehenden modulierten Teillichtwellen
zur Koinzidenz in den Sichtbarkeitsbereich gelangen. Zum einen können
die räumlichen Lichtmodulationsmittel mit einer konvergierenden Welle
beleuchtet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Rekonstruktionssystems
gemäß der Erfindung können im Lichtweg
der Beleuchtungswelle fokussierende Mittel angeordnet sein, welche
die Anforderung an den Kodier- und Einstellebereich der Prismenterme
in den Hologrammgebieten der Modulatorzellenstruktur drastisch verringern
würden. Die fokussierenden Mittel können beispielsweise
als Feldlinse, Linsenarray oder als Array mit diffraktiven optischen
Elementen ausgeführt sein.
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Der
Gegenstand dieser Erfindung ist auch vorteilhaft anwendbar bei einem
der oben beschriebenen, bekannten Rekonstruktionssysteme, die optische
Fokusmittel aufweisen, um Beleuchtungsmittel zum Beleuchten der
Lichtmodulationsmittel in eine Fokusebene abzubilden, in der sich
die Augenposition befindet. Ein solches System definiert den Abstand
zwischen den Beleuchtungsmitteln und den Fokusmitteln sowie die
Brennweite der Fokusmittel die Entfernung der Fokusebene von den
Lichtmodulationsmitteln. Um für ein solches System auch
Augenpositionen zu nutzen, die in einer axialen Entfernung von der
Fokusebene liegen, ist es vorteilhaft, mit dem Gegenstand der Erfindung
die effektive Brennweite der fokussierenden Mittel anzupassen. Das
geschieht, indem der Signalprozessor für jedes Hologrammgebiet
oder für die gesamte Zellenstruktur eine korrigierende
Linsenfunktion kalkuliert und diese beim Kodieren der Zellenstruktur
der räumlichen Lichtmodulationsmittel den Kodierdaten für
das aktuelle Videohologramm eine korrigierte Brennweite f2 = f1 ± fcor überlagert,
so dass durch Kodierung eine resultierende Gesamtbrenn weite f3 des
Systems ergibt, welche die Beleuchtungsmittel in der geänderten
Fokusebene abbildet. Wenn die optischen Fokusmittel eine Brennweite
f1 aufweisen, muss die Brennweite f2 so sein, dass bei vernachlässigbarem Abstand
zwischen den Beleuchtungsmitteln und Lentikular gilt: 1/f3 = 1/f1
+ 1/f2.
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Zum
Korrigieren der Systembrennweite können die Lichtmodulationsmittel
auch einen separaten Lichtmodulator enthalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/044659 [0009, 0033]
- - WO 2006/119920 [0012]
- - WO 01/95016 [0019]