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Die
Erfindung betrifft eine steuerbare Lichtmodulationseinrichtung,
die eine Lichtmodulatormatrix mit regulär angeordneten Modulatorzellen
aufweist und mit Steuermitteln verbunden ist. Die Modulatorzellen
modulieren die von Lichtquellen ausgehenden kohärenten Lichtbündel, die
innerhalb eines definierten Sichtbarkeitsbereichs in einer Betrachterebene
in einem ermittelten Betrachterauge überlagert werden. Die Betrachterebene
enthält
in einem Raster angeordnete Lichtquellenbilder, wobei der Sichtbarkeitsbereich
zwischen zwei Lichtquellenbildern positioniert ist.
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Die
steuerbare Lichtmodulationseinrichtung ist in einem holographischen
Display anwendbar, das als Direktsicht- oder Projektionsdisplay
ausgebildet sein kann. Eine in der Lichtmodulatormatrix kodierte 3D-Szene
kann mit kohärentem
Licht für
mindestens einen Betrachter holographisch rekonstruiert werden. Der
Betrachter sieht die Rekonstruktion, wenn seine Augen mit dem für seine
Position erzeugten Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene übereinstimmen. Ändert der
Betrachter seinen Abstand vom Display oder bewegt er sich lateral
vor dem Display, wird ihm der Sichtbarkeitsbereich nachgeführt. Dazu
ermittelt ein Positionserfassungssystem die Betrachteraugen, und
damit auch die Ablenkwinkel der Lichtbündel von der optischen Achse
der Displayeinrichtung zum Betrachterauge, und aktualisiert die
Positionsdaten. Das Positionserfassungssystem ist über Steuermittel mit
dem Lichtmodulator verbunden.
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Der
Sichtbarkeitsbereich wird in einer Betrachterebene vor dem Display
durch Überlagerung von
Lichtbündeln
erzeugt und in anderen Dokumenten der Anmelderin auch als Betrachterfenster
bezeichnet. Ist er so groß wie
eine Augenpupille, werden die rechte und linke Ansicht der holographischen Rekonstruktion
der Szene zeitsequentiell für
das jeweilige Auge erzeugt und der Betrachter sieht die gesamte
Rekonstruktion mit der richtigen Ansicht bezüglich seiner Augenposition.
Der Sichtbarkeitsbereich könnte
aber auch so groß sein,
dass er gleichzeitig beide Augenpupillen enthält.
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Durch
Beugung von Licht an den Modulatorzellen entstehen verschiedene
Beugungsordnungen, die in der Betrachterebene als Intensitätsmaxima
sichtbar sind und die Bilder der Lichtquellen darstellen. Sie weisen
ein Raster auf, das durch das Raster der Modulatorzellen vorgegeben
ist. Der Sichtbarkeitsbereich eines erfassten Betrachterauges wird
für einen
Bereich zwischen zwei benachbarten Beugungsordnungen und damit zwei
benachbarten Lichtquellenbildern vorgegeben. Damit wird verhindert,
dass ein Intensitätsmaximum
in diesem Auge liegt und beim Betrachten der Rekonstruktion stört. Dagegen
bestimmt die Form der Öffnung
der Modulatorzelle die Aufteilung der gesamten Intensität einer
Lichtquelle auf ihre erzeugten einzelnen Lichtquellenbilder.
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In 1 ist
der Einfluss der Intensität
der Lichtquellenbilder auf zwei in unterschiedlicher Entfernung
von der Lichtmodulatormatrix positionierte Augenpaare dargestellt.
Generell fällt
in der Erfindung die 0. Beugungsordnung ungefähr mit der optischen Achse
der Displayeinrichtung zusammen. Die Sichtbarkeitsbereiche SB liegen
normalerweise zwischen der 0. und der +1. oder –1. Beugungsordnung. Da sich
das Nachbarauge lateral und/oder axial in weiter entfernten, höheren Beugungsordnungen
m befindet, treten dort entsprechend schwächere Intensitäten auf.
Es kommt zu einem Übersprechen
der Intensitäten
im Nachbarauge. Das Übersprechen
wird aber nur sichtbar und als störend empfunden, wenn die Intensitäten dieser
Beugungsordnungen m einen bestimmten Wert, z. B. 5% der im Sichtbarkeitsbereich
des aktuell ermittelten Auges vorliegenden Intensität, übersteigen.
Andererseits ändern
sich mit größerem Abstand
des Betrachters zum Display auch die Rasterabstände der Lichtquellenbilder
und das Betrachterfenster wird größer. Dadurch liegt für die Augenposition
AP 1 ein geringeres Übersprechen vor
als für
die Augenposition AP 2.
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Das
Beugungsbild des gesamten Lichtmodulators ergibt sich aus der Überlagerung
der Beugungsbilder der einzelnen Modulatorzellen im Sichtbarkeitsbereich
des aktuell ermittelten Auges. Die Position des benachbarten Auges
wird ebenfalls ermittelt, jedoch erhält dieses Auge aktuell keinen Sichtbarkeitsbereich.
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Das Übersprechen
der Intensitäten
bzw. das Wahrnehmen von Beugungsordnungen in einem dem aktuell erzeugten
Sichtbarkeitsbereich benachbarten Auge kann z. B. durch eine Pixelapodisation reduziert
oder ganz unterdrückt
werden. Unter dem Begriff Pixel ist hier eine Modulatorzelle zu
verstehen. Die Pixelapodisation kann durch verschiedene Verfahren
mittels eines Apodisationsprofils tSLM-Pixel (x, y) durchgeführt werden.
Ist der Füllfaktor
FF der einzelnen Modulatorzelle beispielsweise FF > 0,5 und die Fläche der
Modulatorzelle nicht zu klein, so lässt sich durch eine gezielte
Auswahl des Verlaufs der Transmission der einzelnen Modulatorzelle
erreichen, dass die Intensitäten
der Beugungsordnungen nicht das benachbarte Auge stören.
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Bei
Verwendung optischer Komponenten, die eine Nachführfunktion im Display realisieren
sollen und Lichtbündel
innerhalb eines großen
Winkelbereichs den Betrachteraugen nachführen, genügt diese Maßnahme allein aber nicht. Durch
Verwenden eines Lichtmodulators mit größeren Modulatorzellen wäre noch
eine Verbesserung zu erreichen. Diese Modulatorzellen erzeugen Beugungsbilder
mit enger zusammen liegenden Beugungsordnungen, wodurch die Intensitäten der
Nebenmaxima auf einen engeren Raum konzentriert werden. Das Verwenden
größerer Modulatorzellen
führt in
einem holographischen Display jedoch dazu, dass der Sichtbarkeitsbereich
für bestimmte
Wellenlängen,
z. B. für λ = 450 nm,
zu klein für
ein sicheres Nachführen
wird.
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Bei
Verwendung von Elektrobenetzungszellen mit einstellbaren Mikroprismen
zur Lichtbündelablenkung
werden die auftreffenden Lichtbündel
mit größer werdendem
Ablenkwinkel zunehmend gestaucht. Der Füllfaktor FF von Modulatorzellen,
die den Prismenzellen zugeordnet sind, erscheint verringert, obwohl
sich die effektiv wirksame Fläche
einer Modulatorzelle nicht verändert.
Dieser Nachteil führt dazu,
dass die Intensitäten
der Lichtquellenbilder mit größer werdender
Ablenkung auf jeweils eine größere Fläche verteilt
werden, so dass auch in den Nebenmaxima der benachbarten Beugungsordnungen bzw.
Lichtquellenbilder die Intensitätsanteile
ansteigen und im benachbarten Auge als störendes Übersprechen wahrgenommen werden.
Ein Realisieren größerer Ablenkwinkel
zum Nachführen
des Sichtbarkeitsbereichs beim Bewegen eines Betrachters wird verhindert.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, eine steuerbare Lichtmodulationseinrichtung
zu gestalten, mit der in einer Betrachterebene das Auftreten von
Lichtquellenbildern in Betrachteraugen, die benachbart zu Betrachteraugen
mit einem Sichtbarkeitsbereich liegen, weitgehend unterdrückt wird.
Dadurch soll vorzugsweise in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung
das Wahrnehmen einer Rekonstruktion, die mehrere Betrachter in ihnen
zugeordneten Sichtbarkeitsbereichen sehen können, verbessert werden.
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Generell
können
zum Beseitigen des Übersprechens
der Intensitäten
Maßnahmen
in der Objektebene oder in der Bildebene ergriffen werden. Auch
eine Kombination von Maßnahmen
in beiden Ebenen kann das Problem lösen. Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf Maßnahmen,
die nicht in der Objektebene initiiert werden, um die Lage der Lichtquellenbilder
in der Bildebene so zu beeinflussen, dass sie benachbarte Betrachteraugen
nicht stören. Unter
Objektebene ist hier die Ebene des Lichtmodulators zu verstehen.
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Grundlage
der Erfindung ist eine steuerbare Lichtmodulationseinrichtung mit
einer Lichtmodulatormatrix aus regulär angeordneten Modulatorzellen, die
von Lichtquellen ausgehende kohärente
Lichtbündel
modulieren, die in einer ermittelten Augenposition in einem sequentiell
erzeugten, definierten Sichtbarkeitsbereich einer Betrachterebene überlagert
werden. In die Betrachterebene sind weiterhin die Bilder der Lichtquellen
in einem bestimmten Raster abgebildet, dessen Lage und dessen Rastermaße vom Raster
der Modulatorzellen der Lichtmodulatormatrix abhängen. Der definierte Sichtbarkeitsbereich ist
zwischen zwei Lichtquellenbildern positioniert. Weiterhin umfasst
die Lichtmodulationseinrichtung ein Positionserfassungssystem für die zu
ermittelnden Betrachteraugen, und Steuermittel, welche die Lichtmodulation
steuern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
im Lichtweg der Lichtmodulationseinrichtung angeordnete, mit den
Steuermitteln indirekt verbundene Einstellmittel, welche bei Ansteuerung
durch die Steuermittel die Lage des Rasters der Lichtquellenbilder
in der Betrachterebene und/oder die Abstände der Lichtquellenbilder
innerhalb des Rasters selbst in diskreten Schritten in Abhängigkeit
von der ermittelten Augenposition ändern.
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In
Ausbildung der Erfindung sind die Steuermittel mit Aktuatoren zum
Betätigen
der Einstellmittel verbunden, die ein Drehen und/oder Verschieben und/oder
Skalieren der Lichtquellenbilder realisieren. Durch Ausführen mindestens
einer dieser Maßnahmen
wird erreicht, dass der vorgegebene optische Lichtweg der Lichtbündel verändert wird
und die Lichtquellenbilder ein benachbartes Auge nicht treffen.
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Die
Einstellmittel weisen in einer ersten Ausbildung eine mehrteilige
Spiegelanordnung zum Verschieben oder Drehen des Rasters der Lichtquellenbilder
auf.
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Das
Verschieben des Rasters der Lichtquellenbilder erfolgt durch Erzeugen
eines lateralen Versatzes von Δx
oder eines dazu senkrechten Versatzes Δy der einfaltenden Lichtbündel mit
der Spiegelanordnung. Der laterale Versatz von Δx oder Δy wird entweder durch Verschieben
mindestens eines Spiegels parallel zur Lichteinfallsrichtung oder
durch Drehen von mindestens zwei Spiegeln um eine Drehachse erzeugt,
wobei die Position der mindestens zwei Spiegel symmetrisch zueinander
verändert
wird.
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Die
Spiegel sind so zueinander angeordnet, dass die Spiegelanordnung
zwei senkrecht zueinander verlaufende Symmetrieachsen aufweist,
wobei eine mit der optischen Achse der einfallenden Lichtbündel zusammenfällt. Das
Drehen des Rasters der Lichtquellenbilder erfolgt durch Drehen der
Spiegelanordnung um die optische Achse, wobei alle Spiegel der Spiegelanordnung
fest miteinander verbunden sind.
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Das
Drehen des Rasters der Lichtquellenbilder kann weiterhin durch Drehen
eines Einstellmittels erfolgen, dessen Drehung um einen Winkel α eine Ablenkung
der Lichtquellenbilder von 2α erzeugt. Vorzugsweise
ist dazu ein Dove-Prisma vorgesehen.
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Eine
weitere Ausbildung sieht vor, das als Einstellmittel im Lichtweg
ein abbildendes optisches System mit variabler Vergrößerung angeordnet
ist, um Abstände
der Lichtquellenbilder innerhalb des Rasters proportional zueinander
in einem vorgegebenen Bereich vor der Lichtmodulatormatrix zu skalieren.
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Die
Einstellmittel selbst können
zweckmäßigerweise
ein- oder mehrteilig ausgebildet sein und beeinflussen den Strahlenverlauf
der Lichtbündel
in wenigstens einer Koordinate. Die Steuermittel können kontinuierlich
oder periodisch Steuersignale zur Ansteuerung der Einstellmittel
bereitstellen.
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Die
Lichtmodulationseinrichtung kann vorteilhaft zusätzlich optische Ablenkmittel
aufweisen, die in Verbindung mit den jeweiligen Aktuatoren das geänderte Raster der
Lichtquellenbilder virtuell über einen
im Vergleich zur Änderung
der Lage der Lichtquellenbilder vergleichsweise relativ großen Bereich zusätzlich lateral
verschieben können.
Auf diese Weise kann der Nachführbereich
eines Displays vergrößert werden.
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Eine
weitere Ausbildung der steuerbaren Lichtmodulationseinrichtung umfasst
ein Ablenkarray, das die Lichtbündel
auf jeweils ein ermitteltes Betrachterauge im Sichtbarkeitsbereich
ablenkt und überlagert,
wobei die Steuermittel das Einstellen der Ablenkung der Lichtbündel in
einem vorgegebenen Winkelbereich steuern. Vorzugsweise umfasst das Ablenkarray
nach dem Elektrobenetzungs-Prinzip funktionierende matrixförmig angeordnete
Ablenkzellen mit mindestens einer Grenzfläche.
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Weiterhin
sind in dieser Ausführung
der Lichtmodulationseinrichtung Mittel zum Steuern von Elektroden
vorgesehen, die die Neigungswinkel der Grenzflächen des Ablenkarrays abhängig von
der erfassten Augenposition einstellen. Bei dieser Ausführung kann
der Sichtbarkeitsbereich z. B. auch zwischen der 20. und 21. Beugungsordnung
liegen.
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Die
steuerbare Lichtmodulationseinrichtung kann transmissiv oder reflektiv
ausgebildet sein.
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Die
Erfindung betrifft auch hier nicht genannte Einstellmittel, die
in einer vergleichbar gestalteten Lichtmodulationseinrichtung die
genannte Aufgabe lösen.
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Die
verschiedenen Ausführungen
der Erfindung sind in einer holographischen Displayeinrichtung anwendbar,
vorzugsweise in einem Projektionsaufbau. Derartige holographische
Displayeinrichtungen sind vielseitig einsetzbar, z. B. in Fahrzeugen, Heimvideogeräten, großformatigen
Werbeanzeigen, Flugzeugen usw.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. in
den dazugehörigen
Zeichnungen zeigen
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1 die
Ausbreitung eines Lichtbündels mit
höheren
Beugungsordnungen, die auf zwei in unterschiedlicher Entfernung
von der Lichtmodulatormatrix positionierte Augenpaare treffen,
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2a,
b die schematische Darstellung einer Lichtmodulatormatrix und die
Lage zweier benachbarter Augen in der periodischen Fortsetzung von
Lichtquellenbildern in einem Raster,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
eines Einstellmittels zum Drehen des Rasters der Lichtquellenbilder
in einer Betrachterebene in perspektivischer Darstellung,
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4 ein
Ausführungsbeispiel
eines mehrteiligen Einstellmittels, das zum Verschieben des Rasters
der Lichtquellenbilder vorgesehen ist, in Draufsicht,
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5 ein
Ausführungsbeispiel
eines mehrteiligen Einstellmittels, das zum Drehen und Verschieben
der Lichtquellenbilder vorgesehen ist, in Draufsicht, und
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6 Beispiele
für das
Verschieben eines Sichtbarkeitsbereichs.
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Die
steuerbare Lichtmodulationseinrichtung enthält mindestens einen steuerbaren
Lichtmodulator, kohärentes
Licht aussendende Lichtquellen, optische Abbildungs- und/oder Ablenkmittel,
ein Positionserfassungssystem sowie Rechen- und Steuermittel zum
Ausführen
und Steuern der einzelnen Prozesse und Komponenten. Dargestellt
sind in den 1 bis 5 aber jeweils
nur die zum Verständnis der
Erfindung notwendigen Komponenten.
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Lichtquellen
beleuchten in bekannter Weise eine Lichtmodulatormatrix, die im
Dokument eine reguläre
Anordnung von Modulatorzellen in einem vorzugsweise schachbrettartigen
Raster aufweist, vollständig
mit kohärentem
Licht. Beim Passieren der Lichtmodulatormatrix wird das Licht mit
kodierten Hologrammwerten beispielsweise einer 3D-Szene moduliert.
Die von allen Modulatorzellen ausgehenden Lichtbündel erzeugen in einer Betrachterebene
Bilder der Lichtquellen, die ebenfalls in einem Raster liegen. Dieses
Raster ist nicht mit dem Raster der Modulatorzellen identisch, aber
von der Anordnung der Modulatorzellen und vom Abbildungsverhalten der
optischen Abbildungs- und Ablenkmittel im Gesamtsystem abhängig.
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Zum
Verständnis
der Erfindung wird die 1, die bereits kurz im Stand
der Technik erklärt wurde,
hier weiter näher
erläutert.
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Ein
parallel auf eine Modulatorzelle der Lichtmodulatormatrix SLM einfallendes
kohärentes
Lichtbündel
breitet sich weiter in Richtung Betrachteraugen aus. Die Richtung
ist durch einen Pfeil angegeben. Nach dem Passieren ist das Lichtbündel gebeugt
und setzt sich im Raum mit verschiedenen Beugungsordnungen m fort.
Beispielhaft ist ein Bereich von m = ± 4 Beugungsordnungen dargestellt.
Im Lichtweg sind zwei Paare von Betrachteraugen mit den Augenpositionen
AP 1 und AP 2 in unterschiedlichem Abstand vor der Lichtmodulatormatrix
SLM positioniert. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Augen eines
Betrachters in einer horizontalen Ebene liegen, der Kopf also nicht
schräg
gehalten wird. Die Beugungsordnungen m erscheinen in den entsprechenden
Betrachterebenen BE 1 und BE 2 als Lichtquellenbilder, die sich
dort in einem Raster mit unterschiedlichen Intensitäten periodisch
fortsetzen.
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Das
Lichtquellenbild selbst hat in der nullten Beugungsordnung als Hauptmaximum
die höchste Intensität. Die Fortsetzungen
der Lichtquellenbilder, d. h. die Nebenmaxima, weisen sich periodisch
verringernde Intensitäten
auf. Die Nebenmaxima sind als die höheren Beugungsordnungen bekannt.
Bei einem holographischen Display, in dem das Licht sequentiell
einen definierten Sichtbarkeitsbereich SB für jedes Betrachterauge erzeugt,
wirken sich die Nebenmaxima des definierten Sichtbarkeitsbereichs
SB des ermittelten Auges meist störend in wenigstens einem benachbarten
Auge aus.
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Die
Beugungsordnungen weisen untereinander den Beugungswinkel θm,n auf, der sich aus der Gittergleichung
ergibt. Er charakterisiert die Abhängigkeit der Lage der Lichtquellenbilder
vom Einfallswinkel der Lichtbündel.
Beispielgebend ist in 1 der Beugungswinkel θ1 eingezeichnet.
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Die
Gittergleichung lautet sin(θm) = mλ/(nΛ) + sin(θ0), wobei m die Anzahl der Beugungsordnungen, λ die Wellenlänge des
einfallenden Lichts, n die Brechzahl des umgebenden Mediums, Λ die Gitterperiode
und θ0 der Einfallswinkel der Lichtbündel sind.
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Die
benötigten
Positionsdaten für
jede Augenposition AP 1 und AP 2 ermittelt ein Positionserfassungssystem
PE nacheinander und leitet sie an die Steuermittel CM weiter. Mit
den Positionsdaten wird ein Sichtbarkeitsbereich SB für diese
Position definiert.
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Es
ist weiter zu erkennen, dass für
unterschiedliche Abstände
der Betrachteraugen von der Lichtmodulatormatrix SLM sich die Abstände der Lichtquellenbilder
in den entsprechenden Betrachterebenen zueinander proportional ändern. An
der Augenposition AP 1 werden die Positionsdaten beider Augen ermittelt
und der entsprechende Sichtbarkeitsbereich SB für das rechte Auge zwischen
der 0. und der –1.
Beugungsordnung in der Betrachterebene BE 1 aktuell erzeugt. Das
benachbarte linke Betrachterauge wird von der Intensität der –4. Beugungsordnung
getroffen. An der Augenposition AP 2 werden wieder die Positionsdaten
beider Augen ermittelt und für
das linke Auge ein Sichtbarkeitsbereich SB erzeugt. Das rechte Auge
wird hier von der größeren Intensität der 3.
Beugungsordnung getroffen. In beiden Augenpositionen kommt es zu
einem Übersprechen
der Intensitäten
im Sichtbarkeitsbereich des benachbarten Betrachterauges. Dabei
wird der weiter entfernte Betrachter in der Betrachterebene BE 2
mehr gestört
als der näher
an der Lichtmodulatormatrix SLM befindliche Betrachter. Die Sichtbarkeitsbereiche
SB für
die benachbarten Augen werden sequentiell erzeugt.
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Die 2b zeigt
in einem schematisch dargestellten Ausschnitt die periodischen Fortsetzungen der
Lichtquellenbilder LB nach Beugung an den Modulatorzellen, die in
der Lichtmodulatormatrix SLM in einem schachbrettartigen Raster
(2a) angeordnet sind. Die Lichtquellenbilder LB
setzen sich so fort, dass sie quasi ein Kreuz bilden. Wenn für die aktuell ermittelte
Augenposition AP 1 ein Sichtbarkeitsbereich SB erzeugt wird, wird
in 2b das benachbarte Auge an der Augenposition AP
1' z. B. von der
Intensität
der 4. Beugungsordnung beeinträchtigt.
Die Intensitäten
der Lichtquellenbilder LB nehmen zwar mit größer werdendem Abstand zur 0.
Beugungsordnung ab. Sie werden aber noch vom benachbarten Auge als
Störung
wahrgenommen.
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Die
störenden
Lichtquellenbilder im benachbarten Auge sollen erfindungsgemäß beseitigt
werden. Das kann einerseits durch eine Drehung und/oder Verschiebung
des Rasters insgesamt erreicht werden. Dabei liegt z. B. eine Drehachse
gemäß 2b in
der Augenposition AP 1. Die Anordnung der Lichtquellenbilder LB
wird dann durch Einstellmittel bei deren Ansteuerung so weit gedreht, dass
Lichtquellenbilder LB die Augenposition AP 1' nicht mehr treffen. Die Drehung erfolgt
in Abhängigkeit
vom Signal des nicht dargestellten Positionserfassungssystems.
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Andererseits
können
andere Einstellmittel die Abstände
der Lichtquellenbilder LB innerhalb des Rasters selbst ändern. Dabei
soll ausgehend von der Augenposition AP 1 der Abstand zwischen den
benachbarten Lichtquellenbildern LB proportional zueinander so skaliert
werden, dass kein Lichtquellenbild LB an der Augenposition AP 1
oder in dessen unmittelbarer Nähe
liegt. Es können
auch verschiedene Einstellmittel kombiniert werden.
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Die
im Lichtweg anzuordnenden Einstellmittel können ein- oder mehrteilig ausgebildet
sein und werden durch nicht dargestellte Aktuatoren betätigt.
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In
Abhängigkeit
von der ermittelten Augenposition, deren Daten an Steuermittel übermittelt werden,
steuern die Steuermittel die Aktuatoren an. Diese sind unterschiedlich
ausgebildet, da sie unterschiedliche Einstellmittel betätigen, um
eine Änderung
des Strahlenverlaufs der Lichtbündel
hervorzurufen. Durch die Änderung
des Strahlenverlaufs werden die Lichtquellenbilder vom Ort des benachbarten Auges
wegbewegt.
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Für verschiedene
Displayausführungen
ist es zweckmäßig, den
Bereich zwischen der Lichtmodulatormatrix und den Betrachteraugen
vorzugeben, in dem man Korrekturmaßnahmen noch sinnvoll und nicht
zu aufwendig durchführen
kann.
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Anhand
der Ausführungsbeispiele
in 3 bis 5 werden erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
zum Ändern
des Strahlenverlaufs beschrieben.
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3 zeigt
als Einstellmittel ein bekanntes Dove-Prisma. Es hat die Eigenschaft,
bei einer Drehung um einen Winkel α um die dargestellte Symmetrieachse
ein parallel auftreffendes Lichtbündel um den Winkel 2α abzulenken.
Die Drehrichtung ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Vollführt dieses Dove-Prisma
im Lichtweg nach der Lichtmodulatormatrix mit Hilfe von angesteuerten
Aktuatoren A eine Drehung von z. B. α = 2,5°, dann drehen die Lichtbündel das
Raster der Lichtquellenbilder insgesamt um 5° um die dargestellte Symmetrieachse.
Durch die Drehung werden die Lichtquellenbilder und damit die höheren Beugungsordnungen
vom benachbarten Auge wegbewegt und stören nicht mehr. Nicht dargestellte
Steuermittel steuern die Aktuatoren A abhängig von den Daten der ermittelten
Augenpositionen beider Betrachteraugen.
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In 4 Ist
eine Spiegelanordnung mit Spiegeln 1; 2 und 3 als
Einstellmittel im Lichtweg angeordnet, die einzeln oder gemeinsam
bewegt werden können,
um eine Verschiebung oder Drehung des Rasters der Lichtquellenbilder
zu erzeugen. Die Anordnung weist zwei senkrecht zueinander liegende Symmetrieachsen
auf, von denen eine mit der Lichteinfallsrichtung, die gleichzeitig
auch die optische Achse der Spiegelanordnung ist, zusammenfällt. Die Lichteinfalls-
und Lichtausfallsrichtungen sind durch Pfeile gekennzeichnet. Die
Spiegel 1 und 3 sind jeweils drehbar um eine Drehachse 4 angeordnet. Doppelpfeile
an den Spiegeln 1, 3 und 2 kennzeichnen
die durch Aktuatoren A ermöglichten
Drehungen bzw. Verschiebungen der Spiegel.
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Die
Spiegel 1 und 3 sind in einer ersten Ausbildung
untereinander mit einem vorgegebenen Winkel fest miteinander verbunden
und der Spiegel 2 ist verschiebbar angeordnet. Die angegebenen
Gradzahlen in 4 sind nur beispielhaft und
können auch
andere Werte annehmen. Die Lichtbündel erhalten mit der vorzugsweise
parallel zur Lichteinfallsrichtung durchzuführenden Verschiebung des Spiegels 2 von
einer ersten in eine zweite Position, die durch gestrichelte Linien
markiert ist, einen lateralen Versatz Δx, Die Verschiebung kann generell
in zwei senkrecht zueinander verlaufende Richtungen erfolgen, wodurch
anstelle des lateralen Versatzes von Δx senkrecht dazu ein Versatz,
der Δy entsprechen würde, erzeugt
wird.
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In
einer zweiten Ausbildung ist der Spiegel 2 feststehend
angeordnet und die Spiegel 1 und 3 werden um Drehachsen 4 gedreht.
Die Drehachsen 4 liegen senkrecht zur Zeichenebene. Durch
eine Drehbewegung um diese Achsen kann ebenfalls ein lateraler Versatz
von Δx oder
ein Versatz von Δy
der Lichtbündel
realisiert werden. Die Größe des Versatzes Δx oder Δy hängt von
den ermittelten Augenpositionen und dem vorliegenden Raster der
Lichtquellenbilder ab. Entsprechend dieser Augenposition werden
die Spiegel 1 und 3 von Aktuatoren A aus einer
Ausgangsstellung symmetrisch zueinander in eine gestrichelt gezeichnete
Position bewegt und erzeugen einen lateralen Versatz von Δx. Mit diesem Versatz
wird das Raster der Lichtquellenbilder in der Betrachterebene verschoben
und verhindert störende
Intensitäten
im benachbarten Auge.
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Nicht
dargestellte Steuermittel steuern die Aktuatoren A zum Bewegen der
Spiegel 1 und 3.
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In
einer dritten Ausbildung der Spiegelanordnung nach 4 sind
alle Spiegel 1 bis 3 der Spiegelanordnung fest
miteinander verbunden. Die gesamte Spiegelanordnung wird um die
optische Achse gedreht, wobei das Raster der Lichtquellenbilder ebenfalls
gedreht wird und die Lage der Lichtquellenbilder ändert.
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Die
Verschiebung des Spiegels 2 kann in einer vierten Ausbildung
auch mit einer Drehung der fest verbundenen Spiegel 1 und 3 der
ersten Ausbildung kombiniert werden. Die Drehung lässt sich
besonders für
Winkeländerungen > 1° nutzen. Zunächst wird gemäß 5 der
Spiegel 2 parallel zur Symmetrieachse der Lichtbündel verschoben
und anschließend
wird die gesamte Spiegelanordnung 1 bis 3 als feste
Kombination um die Drehachse 4 gedreht. Damit kann wieder
eine Verschiebung der Lage des Rasters in der Betrachterebene insgesamt
durchgeführt
werden. Steuermittel steuern die mit den Spiegeln 1 bis 3 verbundenen
Aktuatoren A in Abhängigkeit
von der ermittelten Betrachterposition.
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Die
Spiegelanordnung nach 4 und 5 kann in
einem weiteren Ausführungsbeispiel neben
der Änderung
der Lage der Lichtquellenbilder eine zusätzliche laterale Verschiebung
des erzeugten Rasters der Lichtquellenbilder in der Betrachterebene
ausführen.
Die Verschiebung erfolgt virtuell über einen im Vergleich zur Änderung
der Lage der Lichtquellenbilder vergleichsweise relativ großen Bereich,
um auch werter voneinander entfernten Betrachtern eine Information
bereitzustellen.
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Mit
der Verschiebung der Lichtquellenbilder wird gleichzeitig der Sichtbarkeitsbereich
SB horizontal und/oder vertikal in die Positionen SB' oder SB'' gemäß 6 nachgeführt. Das
ist z. B. in Fahrzeugen oder Flugzeugen nützlich, um für den Fahrer
und mindestens eine mitfahrende Person Informationen mit einem holographischen
Display zur Verfügung
zu stellen. Die Informationen werden über entsprechend installierte
optische Ablenkmittel, z. B. Spiegel, auf die jeweiligen Betrachteraugen
abgelenkt.
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Die
Spiegelanordnung nach 4 und 5 bringt
neben der erfindungsgemäßen Verwendung
aber noch weitere Vorteile für
ein holografisches Display.
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Um
bei geringfügigen
Bewegungen des Betrachterauges nicht sofort eine Nachführung des Sichtbarkeitsbereichs
durch die Steuermittel auszulösen,
wird an der Position des ermittelten Betrachterauges der Sichtbarkeitsbereich
begrenzt vergrößert. Das
kann man durch eine zusätzliche
schnelle periodische, laterale Auslenkung des generierten Sichtbarkeitsbereichs
an dieser Augenposition realisieren. Dazu erzeugen die Steuermittel
zusätzlich Steuersignale
für den
Spiegel 2, die als Phasensignale und/oder als Amplitudensignale
den im Lichtmodulator kodierten Werten und/oder den Steuerwerten der
Prismenzellen hinzuaddiert werden. Die zusätzlichen Steuersignale werden
in Abhängigkeit
vom ermittelten Ablenkwinkel der Betrachteraugen und einem Winkel,
der der örtlich
begrenzten Auslenkung entspricht, ermittelt. Konkret bekommt z.
B. das Prismensignal ein z. B. sinusförmiges Spannungssignal aufmoduliert.
Für diesen
Anwendungsfall ist es sinnvoll, die Abstände der Lichtquellenbilder
innerhalb des Rasters proportional zueinander in einem vorgegebenen
Bereich zu skalieren. Das garantiert, dass bei den genannten Auslenkungen
des Sichtbarkeitsbereichs keine störenden Intensitäten bzw.
Lichtquellenbilder das benachbarte Betrachterauge erreichen. Bei
einem leichten Spiegel 2 sind über entsprechend gesteuerte
Aktuatoren so mehrere tausend Schwingungen in der Sekunde realisierbar.
Das ist vorteilhaft bei kleinen Lichtbündelquerschnitten anwendbar,
wie sie in einem Projektionsdisplay vor der Vergrößerung des
Lichtmodulators auftreten.
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Wenn
eine zweite derartige, um 90° gedrehte Spiegelanordnung
im Lichtweg positioniert wird, kann die schnelle periodische laterale
Auslenkung in zwei Richtungen senkrecht zur optischen Achse erreicht
werden. Dies kann als weiterer Vorteil je nach Intensitätsverlauf
im Sichtbarkeitsbereich und der Bewegungsfunktion des Auges zu einer
Homogenisierung des mittleren Bereichs im Sichtbarkeitsbereich führen.
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Um
den Sichtbarkeitsbereich zwischen benachbarten Lichtquellenbildern
zu positionieren, kann man auch die Abstände benachbarter Lichtquellenbilder
innerhalb des Rasters proportional zueinander in Abhängigkeit
von der ermittelten Augenposition in einem vorgegebenen Bereich
vor der Lichtmodulatormatrix skalieren. Dazu kann in einer weiteren,
nicht dargestellten Ausführung
der Erfindung ein abbildendes optisches System mit variabler Vergrößerung als
Einstellmittel genutzt werden, wie z. B. ein Zoomobjektiv. Aber
auch andere optische oder elektrooptische Mittel sind dafür einsetzbar.
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Die
optischen Einstellmittel der 3 bis 5 lassen
sich auch so kombinieren, dass sowohl die Lage des gesamten Rasters
der Lichtquellenbilder in der Betrachterebene als auch die Abstände der Lichtquellenbilder
innerhalb des Rasters selbst zu ändern
sind.
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Die
Steuermittel können
in der Lichtmodulationseinrichtung zur Ansteuerung der Einstellmittel die
Steuersignale kontinuierlich oder periodisch bereitstellen.
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In
einer weiteren Ausführung
ist die Lichtmodulationseinrichtung nach den Ansprüchen 2 bis
10 mit einem matrixförmigen
Ablenkarray zum Nachführen
von Sichtbarkeitsbereichen für
Betrachteraugen in zwei Richtungen kombinierbar. Das Ablenkarray weist
Zellen auf, die nach dem Elektrowetting-Prinzip funktionieren. Das
Ablenken von Lichtbündeln
in diesen Zellen verschiebt vermehrt Intensitäten in die höheren Beugungsordnungen.
Deshalb ist die Erfindung auch für
derartige Nachführeinrichtungen
wichtig, insbesondere, wenn eine direkte Zuordnung einer Ablenkzelle
zu einer Modulatorzelle vorliegt.
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Die
Lichtbündel
werden durch einstellbare Grenzflächen im Ablenkarray auf jeweils
ein ermitteltes Betrachterauge im Sichtbarkeitsbereich abgelenkt
und überlagert,
wobei die Steuermittel das Einstellen von Neigungswinkeln der Grenzflächen in
einem vorgegebenen Winkelbereich steuern. Die Lichtmodulationseinrichtung
weist daher auch Mittel zum Steuern von Elektroden auf, die die
Neigungswinkel der Grenzflächen
des Ablenkarrays abhängig
von der erfassten Augenposition einstellen.
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Ein
holographisches Display mit einer steuerbaren Lichtmodulationseinrichtung
nach einem der Ausführungsbeispiele
kann störende
Beugungsordnungen in einem benachbarten Auge erfolgreich unterdrücken und
die Darstellungsqualität
einer zu erzeugenden Rekonstruktion verbessern.