DE102011005154A1 - Combined light modulation device for user tracking - Google Patents
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Abstract
Für ein komfortables Betrachten einer 3D Szene unter verschiedenen Blickwinkeln wird ein Display mit einem großen Nachführbereich bei einem variablen Betrachterabstand benötigt. Ein steuerbares Lichtbeeinflussungsmittel (500) lenkt Licht in groben Stufen in einem Betrachterbereich ab. Innerhalb dieser Stufen wird das Licht durch ein weiteres steuerbares Lichtbeeinflussungsmittel (600) kontinuierlich oder fein abgestuft abgelenkt. Die Lichtmodulationsvorrichtung eignet sich in holographischen oder autostereoskopischen Displays zur Nachführung der Sichtbarkeitsbereiche (1000) der anzuzeigenden Bildinformationen auf die Augen (1100) der Betrachter.A display with a large tracking area and a variable viewing distance is required for comfortable viewing of a 3D scene from different angles. A controllable light influencing means (500) deflects light in rough steps in a viewing area. Within these stages, the light is deflected continuously or finely graduated by a further controllable light influencing means (600). The light modulation device is suitable in holographic or autostereoscopic displays for tracking the visibility areas (1000) of the image information to be displayed on the eyes (1100) of the viewer.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Lichtmodulationsvorrichtung für ein holographisches oder ein autostereoskopisches Display mit Benutzernachführung. Unter einer kombinierten Lichtmodulationsvorrichtung im Sinne dieser Erfindung wird eine Vorrichtung verstanden, die in einem mehrstufigen Prozess die Eigenschaften und/oder die Richtung von Licht, welches von einer oder mehreren realen oder virtuellen Lichtquellen ausgeht, ändert.The invention relates to a combined light modulation device for a holographic or autostereoscopic display with user tracking. In the context of this invention, a combined light modulation device is understood to mean a device which, in a multi-stage process, alters the properties and / or the direction of light emanating from one or more real or virtual light sources.
Eine virtuelle Lichtquelle ist dabei eine scheinbar an einem Ort befindliche Lichtquelle, die durch die Beeinflussung des Lichtes einer realen Lichtquelle durch in der Regel statische Abbildungsmittel, beispielsweise eines Spiegels, und/oder Strahlbegrenzungsmittel, beispielsweise Blenden, erscheint.In this case, a virtual light source is a light source which appears to be located in one place and appears by influencing the light of a real light source by means of usually static imaging means, for example a mirror, and / or beam limiting means, for example diaphragms.
Ein holographisches Display im Sinne dieser Anmeldung ist ein Anzeigegerät für dreidimensionale Bilddaten, bei denen die dreidimensionalen Objektdaten der darzustellenden Szene als Beugungsmuster der zu rekonstruierenden Szene eingeschrieben werden. Für die Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene in einem großen Sichtbarkeitsbereich mit hoher Qualität ist sowohl ein großer rechentechnischer Aufwand als auch ein hochauflösender Lichtmodulator erforderlich.A holographic display in the sense of this application is a display device for three-dimensional image data in which the three-dimensional object data of the scene to be displayed are written as diffraction patterns of the scene to be reconstructed. Reconstructing a three-dimensional scene in a high quality, high visibility area requires both a large computational effort and a high resolution light modulator.
Der Anmelder hat deshalb in der Patentschrift
Dazu wird mit hinreichend kohärentem Licht mindestens einer Lichtquelle mindestens ein Lichtmodulator beleuchtet und mittels einer Feldlinse dieses Licht auf mindestens ein Betrachterauge abgebildet. Durch mit dem Lichtmodulator synchronisiertes wechselseitiges Zuschalten mindestens einer weiteren Lichtquelle kann durch Einkodieren eines zugehörigen Hologramms bzw. der zugehörigen Subhologramme in den Lichtmodulator die Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene für das zweite Betrachterauge erzeugt werden. Eine farbige Darstellung ist dabei durch räumliches oder zeitliches Verschachteln (Multiplexing) der Hologramminformationen für die einzelnen Farbkomponenten möglich. Damit sich der Betrachter frei vor dem Display bewegen kann, werden durch separates Einschalten weiterer Lichtquellen die Fokusbereiche den Betrachteraugen nachgeführt. Dazu werden mit Hilfe eines Positionserfassungssystems ständig die Augenkoordinaten eines oder mehrerer Betrachter ermittelt.For this purpose, with sufficiently coherent light of at least one light source at least one light modulator is illuminated and imaged by means of a field lens this light on at least one observer eye. By mutually connecting at least one further light source synchronized with the light modulator, the reconstruction of the three-dimensional scene for the second observer eye can be generated by encoding an associated hologram or the associated sub-holograms into the light modulator. A colored representation is possible by spatially or temporally interleaving (multiplexing) the hologram information for the individual color components. So that the viewer can move freely in front of the display, the focus areas are tracked to the observer's eyes by separately switching on further light sources. For this purpose, the eye coordinates of one or more observers are constantly determined with the aid of a position detection system.
Durch Neuberechnung des Beugungsmusters kann dabei die Rekonstruktion der Szene an den neuen Betrachterstandort angepasst werden. Durch zeitliches Verschachteln lassen sich so auch Rekonstruktionen für mehrere Betrachter darstellen.By recalculating the diffraction pattern, the reconstruction of the scene can be adapted to the new viewer location. By temporal nesting so reconstructions for several observers can be represented.
Für eine Benutzernachführung entlang des Lichtweges ist es zusätzlich vorteilhaft, die Fokusebene der Fokussiereinheit und damit die Größe des Sichtbarkeitsbereiches an die Augenpositionen der Betrachter anzupassen.For a user tracking along the light path, it is additionally advantageous to adapt the focal plane of the focusing unit and thus the size of the visibility range to the eye positions of the viewer.
Bei einem autostereoskopischen Display (ASD) mit Benutzernachführung werden in den Lichtmodulator keine Beugungsmuster kodiert, sondern die Szenenansichten für das jeweilige Auge direkt eingeschrieben.In an autostereoscopic display (ASD) with user tracking, no diffraction patterns are encoded in the light modulator, but the scene views for the respective eye are written directly.
Die Benutzernachführung kann beispielsweise durch direktes oder indirektes Verschieben der Lichtquellen erfolgen. Ein bekanntes Beispiel für ein indirektes Verschieben sind Ablenkspiegel.The user tracking can be done for example by direct or indirect moving the light sources. A well-known example of indirect shifting is deflection mirrors.
Zahlreiche weitere Methoden der Benutzernachführung sind bekannt. Diese kann durch Änderung des Lichtweges vor oder hinter dem zur Hologrammkodierung bzw. zur Stereodarstellung genutzten Lichtmodulator erfolgen. Neben mechanischen Methoden sind Verfahren durch Ändern von reflektierenden, beugenden oder brechenden Eigenschaften mittels adaptiver Optiken bekannt.Numerous other methods of user tracking are known. This can be done by changing the light path in front of or behind the light modulator used for hologram coding or for stereo presentation. Besides mechanical methods, methods are known for changing reflective, diffractive or refractive properties by means of adaptive optics.
Es sind auch kombinierte Trackingvarianten bekannt, die über eine feste, aber über die Fläche des Lichtablenkmittels variierende Lichtablenkfunktion verfügen.There are also known combined tracking variants, which have a fixed, but over the surface of the Lichtablenkmittels varying Lichtablenkfunktion.
In der Patentanmeldung des Anmelders
In der Patentanmeldung des Anmelders
Um einen größeren Ablenkwinkel zu erreichen, können dabei diese Gitter auch hintereinander mit gleicher Ablenkrichtung angeordnet werden. Zur zweidimensionalen Ablenkung ist dabei auch ein Hintereinanderschalten mindestens zweier um einen festen Winkel zueinander gedrehter steuerbarer Ablenkgitter möglich. Die diffraktiven Gitter können durch Variation der eingeschriebenen Gitterperiode über der Fläche der Ablenkeinheit eine örtlich verschiedene Ablenkung realisieren, um eine Feldlinsenfunktion zu erreichen oder zu unterstützen. In order to achieve a larger deflection angle, these gratings can also be arranged one behind the other with the same deflection direction. For two-dimensional deflection, it is also possible to connect at least two controllable deflection gratings rotated at a fixed angle to one another. The diffractive gratings can realize a locally different deflection by varying the inscribed grating period over the surface of the deflection unit in order to achieve or support a field lens function.
Für ein ansteuerbares Ablenkgitter, dessen Gitterperiode veränderbar ist, um einen gewünschten Beugungswinkel einzustellen, ergibt sich eine minimal einstellbare Periode aufgrund der räumlichen Auflösung, mit der das Ablenkgitter angesteuert werden kann. Erfolgt beispielsweise das Einstellen der Periode mittels einer rasterförmigen Elektrodenstruktur, so treten herstellungsbedingt Limitierungen für Breite und Abstand der Elektroden auf. Zusätzlich tritt beispielsweise durch elektrische Streufelder oder streuende bzw. beugende Komponenten des Ablenkgitters ein Übersprechen zwischen eingestellten benachbarten Phasenwerten auf. Diese können außerdem zu einer Verringerung der Beugungseffektivität und damit zu störendem Streulicht oder zu Licht in höheren Beugungsordnungen führen.For a controllable deflection grating whose grating period is variable to set a desired diffraction angle, there is a minimum settable period due to the spatial resolution with which the deflection grating can be driven. If, for example, the setting of the period takes place by means of a grid-shaped electrode structure, then production-related limitations on the width and spacing of the electrodes occur. In addition, crosstalk between set adjacent phase values occurs, for example, due to stray electrical fields or scattering or diffractive components of the deflection grid. These can also lead to a reduction of the diffraction efficiency and thus to disturbing scattered light or to light in higher diffraction orders.
Da für eine gitterförmig ausgebildete Beugungsstruktur der Beugungswinkel umgekehrt proportional zur Periodizität der Beugungsstruktur ist, wird durch den herstellbaren Elektrodenabstand der ansteuerbare Winkelbereich und damit der Nachführbereich für eine einzelne Beugungseinrichtung begrenzt.Since the diffraction angle for a lattice-shaped diffraction structure is inversely proportional to the periodicity of the diffraction structure, the producible electrode spacing limits the controllable angle range and thus the tracking range for a single diffraction device.
Für ein komfortables Betrachten einer 3D Szene unter verschiedenen Blickwinkeln wird jedoch ein Display mit einem großen Nachführbereich bei einem variablen Betrachterabstand benötigt. Gesucht wird eine Lösung, die trotz der Beschränkung des Beugungswinkels eines Ablenkelementes einen Nachführbereich erlaubt, der größer als der mit diesem Element erreichbare Beugungswinkel ist.For a comfortable viewing of a 3D scene from different angles, however, a display with a large tracking range at a variable observer distance is needed. What is sought is a solution that, despite the restriction of the diffraction angle of a deflection element allows a tracking range that is greater than the achievable with this element diffraction angle.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention the object is achieved with the features of claim 1.
Eine Lichtmodulationsvorrichtung für ein holographisches oder ein autostereoskopisches Display zur Anzeige von dreidimensionalen Bildinformationen mit mindestens einer realen oder virtuellen Lichtquelle, mindestens einem Lichtmodulator zum Einkodieren der anzuzeigenden Bildinformationen für mindestens ein Betrachterauge mindestens eines Betrachters, einem ersten und einem zweiten Lichtbeeinflussungsmittel zum Ändern des Lichtweges des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes, einem Augenpositionserkennungssystem zum Erfassen und Verfolgen mindestens einer Augenposition des mindestens einen Betrachters der Bildinformation und einer Systemsteuerung zum Nachführen mindestens eines Sichtbarkeitsbereiches der Bildinformationen anhand der von dem Augenpositionserkennungssystem gelieferten Augenpositionsdaten mit Hilfe des ersten und des zweiten Lichtbeeinflussungsmittels wird durch ein erstes Lichtbeeinflussungsmittel, welches den Sichtbarkeitsbereich innerhalb eines Betrachterbereiches den Augen des Betrachters in groben Stufen nachführt und durch ein zweites Lichtbeeinflussungsmittel, welches den Sichtbarkeitsbereich mindestens im Bereich einer groben Stufe des ersten Lichtbeeinflussungsmittels den Augen des Betrachters mit Hilfe mindestens eines elektrisch ansteuerbarer Beugungsgitter fein abgestuft oder kontinuierlich nachführt, gekennzeichnet.A light modulation device for a holographic or an autostereoscopic display for displaying three-dimensional image information with at least one real or virtual light source, at least one light modulator for encoding the image information to be displayed for at least one observer eye at least one observer, a first and a second light influencing means for changing the light path of light emitted by the light source, an eye position detection system for detecting and tracking at least one eye position of the at least one viewer of the image information, and a system controller for tracking at least one visibility range of the image information based on the eye position data supplied from the eye position detection system by the first and second light influencing means which defines the visibility area within a viewer area tracking the eyes of the observer in coarse steps and by a second light influencing means, which finely graduated or continuously tracks the visibility range at least in the range of a coarse stage of the first light influencing means the eyes of the beholder using at least one electrically controllable diffraction grating.
Die Systemsteuerung wählt dabei diejenige Ablenkrichtung des ersten Lichtbeeinflussungsmittels aus, die der momentan ausgewählten Augenposition des ausgewählten Betrachters am nächsten kommt und stellt diese im ersten Lichtbeeinflussungsmittel ein. Der Differenzwinkel zwischen diesem Ablenkwinkel und der tatsächlichen ausgewählten Augenposition wird zeitgleich oder zeitnah von der Systemsteuerung berechnet und im zweiten Lichtbeeinflussungsmittel eingestellt.In this case, the system controller selects the deflection direction of the first light influencing means which comes closest to the currently selected eye position of the selected observer and adjusts these in the first light influencing means. The difference angle between this deflection angle and the actual selected eye position is calculated simultaneously or promptly by the system controller and set in the second light influencing means.
Beide Augen eines ausgewählten Betrachters können im Zeitmultiplexbetrieb von der Systemsteuerung bedient werden, wobei das Augenpositionserkennungssystem die dafür notwendigen Augenpositionsdaten liefert.Both eyes of a selected observer can be operated in time division multiplexing by the system controller, the eye position detection system providing the necessary eye position data.
Für eine 3D-Darstellung wird dafür von der Systemsteuerung der darzustellende Bildinhalt, d. h. die jeweilige Stereoansicht bzw. das einkodierte Hologramm, an das jeweilige rechte bzw. linke Auge angepasst. Das Augenerkennungssystem kann auch zusätzlich als System zur Erkennung der Blickrichtung ausgestaltet werden, um z. B. in einem System mit großem möglichem Blickwinkel nur die Teile einer Szene zu rekonstruieren, auf die der Betrachter schaut.For a 3D representation, the system control will display the image content to be displayed, ie. H. the respective stereo view or the encoded hologram, adapted to the respective right or left eye. The eye detection system can also be configured as a system for detecting the line of sight to z. For example, in a system with a large possible viewing angle, only reconstruct the parts of a scene that the viewer is looking at.
Mehrere Betrachter können ebenfalls im Zeitmultiplexbetrieb bedient werden, was allerdings schnelle Lichtmodulatoren und schnelle Lichtbeeinflussungsmittel erfordert.Multiple viewers can also be operated in time division multiplex mode, which however requires fast light modulators and fast light influencing means.
Für eine flimmerfreie Darstellung ist dabei für jede Ansicht des Zeitmultiplexbetriebes eine Bildwiederholrate von mindestens 60 Bildern pro Sekunde erforderlich. Bei einem gleichzeitigen Zeitmultiplexbetrieb der drei Farbkomponenten und der beiden Augen jedes Betrachters bezieht sich dieser Wert auf die Ansicht eines Farbkanals für ein Auge eines Betrachters.For a flicker-free display, a refresh rate of at least 60 frames per second is required for each view of the time division multiplex operation. With simultaneous time division multiplexing of the three color components and the two eyes of each observer, this value refers to the view of a color channel for an observer's eye.
Besonders bei einem Projektionssystem ist es möglich, für jedes Betrachterauge ein eigenes Ablenksystem zu verwenden, das über ein Strahlvereinigungssystem eine gleichzeitige Darstellung der Bildinhalte für beide Betrachteraugen ermöglicht. Particularly in the case of a projection system, it is possible to use a separate deflection system for each viewer eye, which enables a simultaneous representation of the image contents for both viewer eyes via a beam combining system.
Durch Anpassen des darzustellenden Bildinhaltes durch die Systemsteuerung an die jeweilige Betrachterposition ist es möglich, dass sich der Betrachter beim Bewegen des Kopfes innerhalb des Sichtbarkeitsbereiches des Displays scheinbar um die darzustellenden Bildinhalte herumbewegt, wobei dieser Effekt auch künstlich überhöht oder verringert werden kann.By adapting the image content to be displayed by the system control to the respective observer position, it is possible for the observer to move around the displayed image content within the visibility range of the display when moving the head, whereby this effect can also be artificially inflated or reduced.
Da sich achromatische diffraktive Stahlablenksysteme nur mit hohem Aufwand herstellen lassen, erfolgt eine Farbdarstellung in einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ebenfalls im Zeitmultiplexbetrieb der einzelnen Farbanteile.Since achromatic diffractive Stahlablenksysteme can be produced only with great effort, a color representation in a preferred embodiment variant also takes place in the time division multiplex operation of the individual color components.
Je nach Ausgestaltung der Lichtmodulationsvorrichtung kann sich das zweite Lichtbeeinflussungsmittel mit den steuerbaren Lichtablenkgittern vor oder hinter dem ersten Lichtbeeinflussungsmittel zur grobstufigen Lichtablenkung befinden. Ein Lichtbeeinflussungsmittel zur grobstufigen Lichtablenkung, welches feste Eintrittswinkel für seine Funktion benötigt, wie es z. B. Volumengitter zur diffraktiven Strahlablenkung darstellen, wird in vorteilhafter Weise vor dem zweiten Lichtbeeinflussungsmittel angeordnet.Depending on the configuration of the light modulation device, the second light influencing means with the controllable light deflection gratings may be located in front of or behind the first light influencing means for the coarse-light light deflection. A light influencing means for coarse light deflection, which requires fixed entrance angle for its function, as z. B. volume grating represent for diffractive beam deflection is arranged in an advantageous manner in front of the second light influencing means.
Ein oder beide Lichtbeeinflussungsmittel können vor oder hinter dem. Lichtmodulator angeordnet sein.One or both light influencing means may be in front of or behind the. Be arranged light modulator.
Sie können für einen transmissiven, einen emissiven oder einen reflektiven Lichtmodulator ausgelegt sein.They can be designed for a transmissive, an emissive or a reflective light modulator.
Ein transmissiver oder reflektiver Lichtmodulator wird in Verbindung mit einer Beleuchtungsvorrichtung eingesetzt, wobei diese in der Regel kollimiertes Licht erzeugt, mit welchem der Lichtmodulator beleuchtet wird.A transmissive or reflective light modulator is used in conjunction with a lighting device, which typically generates collimated light that illuminates the light modulator.
Beispiele für transmissive Modulatoren sind Flüssigkristallmodulatoren auf einem transparenten Substrat mit einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten steuerbaren Flüssigkristallzellen oder Modulatoren auf der Basis von Elektrobenetzungszellen.Examples of transmissive modulators are liquid crystal modulators on a transparent substrate having a multiplicity of controllable liquid crystal cells or modulators based on electrowetting cells arranged in rows and columns.
Als reflektive Modulatoren sind beispielsweise Flüssigkristallmodulatoren auf einem reflektiven Substart (z. B. LCOS – Liquid Crystal an Silicon) oder Mikrospiegelanordnungen (DMD – Digital Micromirror Device) als schnelle Lichtmodulatoren geeignet.As reflective modulators, for example, liquid crystal modulators on a reflective substrate (eg LCOS - Liquid Crystal on Silicon) or micromirror devices (DMD - Digital Micromirror Device) are suitable as fast light modulators.
Bei einem transmissiven oder reflektiven Lichtmodulator können das erste und/oder das zweite Lichtbeeinflussungsmittel bzw. Teile davon in die Beleuchtungsvorrichtung integriert werden.In a transmissive or reflective light modulator, the first and / or the second light influencing means or parts thereof can be integrated into the lighting device.
Handelt es sich beispielsweise beim Lichtmodulator um einen Phasenmodulator zum Einkodieren komplexwertiger Hologrammwerte in jeweils zwei (Zweiphasenkodierung) oder mehrere Phasenpixel des Modulators, bei denen anschließend die zusammen gehörenden Phasenwerte in einer Strahlvereinigungsoptik zu einem Intensitätswert mit definierten Amplituden- und Phasenwert kombiniert werden, so ist es vorteilhaft, beide Lichtbeeinflussungsmittel hinter dem Lichtmodulator anzuordnen, wenn die Strahlvereinigungsoptik eine definierte Durchstrahlrichtung erfordert.If, for example, the light modulator is a phase modulator for encoding complex-valued hologram values into two (two-phase coding) or multiple phase pixels of the modulator, then the associated phase values in a beam combination optics are combined to form an intensity value with defined amplitude and phase value advantageous to arrange both light influencing means behind the light modulator when the beam combination optics requires a defined transmission direction.
Eine solche Strahlvereinigungsoptik wird beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung
Bei einem autostereoskopischen Display mit einem weitestgehend richtungsunabhängigen Amplitudenmodulator oder einem holographischen Display mit einem weitestgehend richtungsunabhängigen komplexwertigen Modulator kann es jedoch vorteilhaft sein, eine oder beide Lichtbeeinflussungsmittel teilweise oder ganz in die Beleuchtungsvorrichtung des Lichtmodulators zu integrieren.In an autostereoscopic display with a largely direction-independent amplitude modulator or a holographic display with a largely direction-independent complex-valued modulator, however, it may be advantageous to integrate one or both light influencing partially or completely into the illumination device of the light modulator.
Verbleibende richtungsabhängige Intensitätsabhängigkeiten können vorteilhaft von der Systemsteuerung beim Kodieren der Bildinformationen berücksichtigt werden, so dass diese Abhängigkeiten kompensierbar sind.Remaining direction-dependent intensity dependencies can advantageously be taken into account by the system controller when coding the image information, so that these dependencies can be compensated.
Emissive Lichtmodulatoren, wie beispielsweise Elektrolumineszensdisplays oder Plasmadisplays, benötigen keine Beleuchtungsvorrichtung, da sie selbst als Lichtquelle dienen. Da ihre einzelnen Pixel zueinander inkohärent sind, werden sie bevorzugt in autostereoskopischen Displays als Lichtmodulator eingesetzt.Emissive light modulators, such as electroluminescent displays or plasma displays, do not require a lighting device because they themselves serve as the light source. Since their individual pixels are incoherent to each other, they are preferably used in autostereoscopic displays as a light modulator.
In holographischen Displays ist ihre Verwendung als schaltbare Lichtquelle in der Kombination mit einer Kollimationsoptik der Beleuchtungsvorrichtung eines transmissiven Displays einsetzbar, wenn die Ausdehnung eines Pixels klein genug ist, um eine hinreichende Kohärenzlänge zu besitzen.In holographic displays, their use as a switchable light source in combination with collimating optics of the illumination device of a transmissive display is useful when the extent of a pixel is small enough to have a sufficient coherence length.
Durch die beiden Lichtbeeinflussungsmittel werden mit Hilfe der Systemsteuerung die Strahlrichtungen der Lichtquellen so gewählt, dass die für die momentan anzuzeigende Information eines Betrachterauges im Sichtbarkeitsbereich dieses Auges liegt.By means of the two light influencing means, the beam directions of the light sources are selected with the aid of the system control such that the information of a viewer eye to be displayed at the moment is within the visibility range of this eye.
Je nach Ausgestaltung und Kodierungsart kann dabei der Lichtweg nur in horizontaler oder in horizontaler und vertikaler Richtung geändert werden. Depending on the design and coding the light path can only be changed in the horizontal or in the horizontal and vertical directions.
Ein Nachführen des Sichtbarkeitsbereiches nur in horizontaler Richtung vereinfacht stark den Aufbau, da nur Lichtbeeinflussungsmittel benötigt werden, die den Lichtweg in eine Richtung ändern können.A tracking of the visibility range only in the horizontal direction greatly simplifies the structure, since only light influencing means are needed, which can change the light path in one direction.
Bei einem holographischen Display ist der Rechenaufwand für die Hologrammberechnung bei einer eindimensionalen Kodierung erheblich gegenüber einer zweidimensionalen Kodierung reduziert.In a holographic display, the computational outlay for the hologram calculation in the case of a one-dimensional coding is considerably reduced compared to a two-dimensional coding.
Bei eindimensionaler Betrachternachführung kann mit linienförmigen reellen oder virtuellen Lichtquellen gearbeitet werden. Diese könne beispielsweise Displayspalten eines emissiven Displays mit vorgeschalteter Kollimationsoptik in Form von Zylinderlinsenarrays sein. Bei autostereoskopischen Displays wird häufig nur eine horizontale Betrachternachführung realisiert.One-dimensional viewer tracking can be done with linear real or virtual light sources. These can be, for example, display columns of an emissive display with an upstream collimation optics in the form of cylindrical lens arrays. In autostereoscopic displays often only a horizontal observer tracking is realized.
Durch Ändern der Position einer reellen oder virtuellen Lichtquelle vor einer Kollimationsoptik in horizontaler oder vertikaler Richtung kann die Richtung des kollimierten Beleuchtungsstrahlenbündels in horizontaler oder vertikaler Richtung geändert werden. Dies kann beispielsweise durch Einschalten bzw. Steuern der Helligkeit einzelner Lichtpunkte oder Lichtpunktbereiche einer hoch aufgelösten Lichtquellenmatrix in Verbindung mit einem vorgeschalteten Feld aus Kollimationsoptiken, beilspielsweise einem Linsenarray, realisiert werden.By changing the position of a real or virtual light source in front of a collimating optics in the horizontal or vertical direction, the direction of the collimated illumination beam in the horizontal or vertical direction can be changed. This can be achieved, for example, by switching on or controlling the brightness of individual light spots or light spot areas of a high-resolution light source matrix in conjunction with an upstream field of collimating optics, for example a lens array.
Für eine eindimensionale Ablenkung können Beleuchtungsstreifen in Verbindung mit einem Zylinderlinsenarray eingesetzt werden.For a one-dimensional deflection, illumination strips can be used in conjunction with a cylindrical lens array.
Eine Ablenkung der Lichtpunkte oder Lichtstreifen kann auch mechanische oder durch abtastende (scannende) Verfahren realisiert werden.A deflection of the light spots or light stripes can also be realized by mechanical or by scanning (scanning) methods.
Durch Verschieben der Lichtquellen in Richtung der optischen Achse der zugehörigen Kollimationsoptik lässt sich die Größe des Lichtfleckes in der Betrachterebene einstellen. Dies kann auch durch eine Kollimationsoptik erreicht werden, deren Brechkraft variabel ist und entsprechend gesteuert werden kann.By shifting the light sources in the direction of the optical axis of the associated collimating optics, the size of the light spot in the observer plane can be adjusted. This can also be achieved by a collimating optics whose refractive power is variable and can be controlled accordingly.
Ein Lichtbeeinflussungsmittel, welches ein Lichtquellenarray mit verschiebbaren Lichtquellen und eine zugehörige Kollimationsoptik aufweist, kann zugleich als Teil der Beleuchtungsvorrichtung bei Verwendung eines transmissiven Modulators dienen.A light influencing means, which has a light source array with displaceable light sources and an associated collimating optics, can also serve as part of the illumination device when using a transmissive modulator.
Durch Steuern der Helligkeit einzelner Lichtquellenpunkte können Fehler des optischen Systems kompensiert werden.By controlling the brightness of individual light source points, errors of the optical system can be compensated.
Besitzen einzelne Lichtpunkte der steuerbaren Lichtquellenmatrix einen deutlichen Abstand zueinander, lässt sich damit der Sichtbarkeitsbereich in groben Stufen nachführen. Der mittlere Ablenkwinkel α für eine Lichtquelle, welche sich im Abstand l von der objektseitigen Hauptebene und im Abstand a von der optischen Achse der Kollimationsoptik befindet, beträgt dabei:
So weist beispielsweise der Mittelpunktstrahl einer Lichtquelle, welche sich 10 mm vor der objektseitigen Hauptebenen der Kollimationsoptik befindet und einen Seitenversatz von 2 mm gegenüber deren optischen Achse hat, eine Strahlneigung von 11,3 Grad gegenüber der optischen Achse auf.Thus, for example, the center beam of a light source, which is located 10 mm in front of the object-side main planes of the collimating optics and has a lateral offset of 2 mm with respect to the optical axis, a beam inclination of 11.3 degrees relative to the optical axis.
Wie bereits gezeigt, kann ein Lichtbeeinflussungsmittel aus mehreren einzelnen Komponenten aufgebaut sein. Das erste und/oder das zweite Lichtbeeinflussungsmittel der Lichtmodulationsvorrichtung kann aus mehreren Lichtbeeinflussungselementen zusammengesetzt sein, mit welchen unabhängig voneinander die Strahlrichtung und/oder die Position der reellen oder virtuellen Lichtquellen änderbar sind.As already shown, a light influencing means can be constructed from a plurality of individual components. The first and / or the second light-influencing means of the light modulation device may be composed of a plurality of light-influencing elements with which the beam direction and / or the position of the real or virtual light sources can be changed independently of one another.
So lassen sich mehrere elektrisch steuerbare Ablenkgitter mit gleicher Ablenkrichtung teilweise oder vollständig in eine Reihe schalten, um den erreichbaren Ablenkwinkel zu vergrößern oder einen separaten Ablenkbereich zu realisieren. Für eine zweidimensionale Ablenkung lassen sich eindimensional ablenkende Lichtbeeinflussungselemente zu einem Lichtbeeinflussungsmittel zusammenschalten. Dies kann beispielsweise in einer gekreuzten Anordnung erfolgen.Thus, a plurality of electrically controllable deflection gratings with the same deflection direction can be partially or completely switched into a row in order to increase the achievable deflection angle or to realize a separate deflection region. For a two-dimensional deflection, one-dimensionally deflecting light-influencing elements can be combined to form a light influencing means. This can be done, for example, in a crossed arrangement.
Die einzelnen Lichtbeeinflussungselemente eines Lichtbeeinflussungsmittels können dabei auch auf unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien beruhen.The individual light-influencing elements of a light influencing agent can also be based on different physical principles of action.
Die Systemsteuerung berücksichtigt die Ablenkeigenschaften jedes einzelnen Elementes, wobei es möglich ist, Fehler, die in einem Element entstehen, in einem oder mehreren weiteren Elementen zu kompensieren.The system controller takes into account the deflection characteristics of each individual element, whereby it is possible to compensate for errors arising in one element in one or more further elements.
Durch Ändern der Größe der Positionsänderung des Lichts der Lichtquelle und/oder der Größe der Strahlrichtungsänderung im ersten und/oder im zweiten Lichtbeeinflussungsmittel in Abhängigkeit des Auftreffortes des Lichtes auf die Fläche des Lichtbeeinflussungsmittels lässt sich eine Feldlinsenfunktion zum Festlegen der Größe des Sichtbarkeitsbereiches in der Betrachterebene realisieren oder die Wirkung einer separaten Feldlinse beeinflussen.By changing the magnitude of the change in position of the light of the light source and / or the size of the beam direction change in the first and / or second light influencing means depending on the impact of the light on the surface of the light influencing means can be a Field lens function to set the size of the visibility area in the observer level or affect the effect of a separate field lens.
Durch Steuern dieser Positions- bzw. Strahlrichtungsänderung über der Fläche eines oder mehrerer Lichtbeeinflussungsmittel durch die Systemsteuerung kann die Größe des Sichtbarkeitsbereiches variabel geändert werden und damit z. B. diese Größe an einen geänderten Betrachterabstand zum Display angepasst werden, so dass der Sichtbarkeitsbereich größer als der Pupillendurchmesser bleibt aber kleiner als der Augenabstand ist.By controlling this position or beam direction change over the area of one or more light influencing means by the system controller, the size of the visibility region can be changed variably and thus, for. B. this size can be adapted to a changed viewer distance to the display, so that the visibility range is greater than the pupil diameter but smaller than the eye relief.
Dazu wertet die Systemsteuerung die von dem Augenerfassungssystem gelieferten Positions- bzw. Abstandsdaten aus und stellt die berechneten Winkeländerungen in den zugehörigen Lichtbeeinflussungsmitteln zusätzlich zu den lateralen Winkeln, welche die Position des Sichtbarkeitsbereiches in der Betrachterebene festlegen, ein.For this purpose, the system controller evaluates the position or distance data supplied by the eye detection system and adjusts the calculated angle changes in the associated light influencing means in addition to the lateral angles which determine the position of the visibility area in the observer plane.
Die Strahlrichtungsänderung im Lichtbeeinflussungsmittel für die grobe Nachführung des Sichtbarkeitsbereiches kann sowohl diffraktive als auch refraktive Lichtbeeinflussungselemente enthalten.The beam direction change in the light influencing means for the coarse tracking of the visibility range may include both diffractive and refractive light influencing elements.
In einer Ausgestaltungsvariante mit fester Lichtquellenmatrix weisen die einzelnen Linsen der Kollimationsoptik eine steuerbare Linsenwirkung auf, so dass sich die Brennweite und/oder der laterale Ort des Linsenscheitels ändern lässt. Eine solche steuerbare Linse auf der Basis einer Elektrobenetzungszelle ist beispielsweise im europäischen Patent
Für eine grob abgestufte Strahlablenkung lassen sich im ersten Lichtbeeinflussungsmittel vorteilhaft Volumengitter einsetzen, in die mindestens zwei Hologramme eingeschrieben sind.For a coarse graduated beam deflection, volume gratings can advantageously be used in the first light influencing means, into which at least two holograms are inscribed.
Durch Einbelichten der Hologramme mit den gewünschten Ein- und Austrittsverteilungen mit der jeweiligen Arbeitswellenlänge lässt sich das erforderliche Volumengitter oder eine Vorlage für weitere Kopien herstellen. Das Einbelichten der Hologramme kann auch in einem optischen System erfolgen, welches dem Einsatzsystem im Wesentlichen entspricht oder in diesem enthalten ist (In-Situ Belichtung), um Bildfehler beteiligter optischer Komponenten möglichst vollständig zu kompensieren.By imprinting the holograms with the desired input and output distributions with the respective operating wavelength, the required volume grid or a template for further copies can be produced. The imprinting of the holograms can also be carried out in an optical system, which essentially corresponds to the insert system or is contained therein (in-situ exposure), in order to compensate as completely as possible for aberrations of participating optical components.
Volumengitter können für sehr enge Eintrittswinkel, die sich nur wenig voneinander unterscheiden, und/oder für schmale Wellenlängenbereiche optimiert werden. Dabei lassen sich hohe Beugungseffektivitäten von annähernd 100% für Phasenhologramme erreichen. Die Volumengitter wirken dabei als Winkelfilter, d. h. nur Licht eines schmalen Winkelbereiches wird in die gewünschte Richtung gebeugt, und/oder als Wellenlängenfilter, wobei nur Licht eines ausgewählten Wellenlängenbereiches in die gewünschte Richtung gebeugt wird. Licht anderer Winkel bzw. Wellenlängen tritt ungebeugt durch das Volumengitter.Volume grids can be optimized for very narrow angles of incidence, which differ only slightly from one another, and / or for narrow wavelength ranges. In this case, high diffraction efficiencies of approximately 100% for phase holograms can be achieved. The volume grids act as an angle filter, d. H. only light of a narrow angular range is diffracted in the desired direction, and / or as a wavelength filter, with only light of a selected wavelength range being diffracted in the desired direction. Light from other angles or wavelengths passes unbowed through the volume grid.
Damit beim Lichtdurchtritt durch das Volumengitter nur eine Beugungsordnung, d. h. beispielsweise die erste, zweite oder eine höhere Beugungsordnung auftritt, muss die Bragg-Bedingung eingehalten und die Brechungsindexmodulation entsprechend gewählt werden. Weicht die Brechungsindexmodulation vom Optimum ab, so ist – auch unter Einhaltung der Bragg-Bedingung – ein ungebeugter Anteil des Lichtes, d. h. eine nullte Beugungsordnung, vorhanden.Thus, when passing through the volume grating only a diffraction order, d. H. For example, the first, second or higher diffraction order occurs, the Bragg condition must be complied with and the refractive index modulation selected accordingly. If the refractive index modulation deviates from the optimum, then - even in compliance with the Bragg condition - an undiffracted portion of the light, i. H. a zeroth order of diffraction, present.
Je nach Dicke des Volumengitters und dem maximal möglichen Brechzahlunterschied kann es dabei notwendig sein, das Gitter so zu beleuchten, dass Vielstrahlinterferenz auftritt, d. h. dass von den einzelnen Lichtstrahlen genügend viele Gitterebenen durchlaufen werden. Das bedeutet, dass der minimale erzeugte Beugungswinkel nicht zu klein ist, beispielsweise 30 Grad. Dies kann durch schräges Beleuchten des Volumengitters erreicht werden. Durch ein weiteres vorgeschaltetes Volumengitter kann eine notwendige Vorablenkung erzeugt werden, wenn dies die geometrischen Verhältnisse erfordern.Depending on the thickness of the volume grating and the maximum possible refractive index difference, it may be necessary to illuminate the grating in such a way that multiple beam interference occurs, ie. H. that a sufficient number of lattice planes are passed through by the individual light beams. This means that the minimum generated diffraction angle is not too small, for example 30 degrees. This can be achieved by obliquely illuminating the volume grating. By means of a further upstream volume grid, a necessary pre-deflection can be generated, if required by the geometric conditions.
Je dicker das Volumengitter ausgeführt ist, umso größer ist seine selektive Wirkung.The thicker the volume grille is, the greater its selective effect.
Die Beugungsprozesse an Volumengittern wurden von Kogelnik mit Hilfe der Theorie gekoppelter Wellen beschrieben (
An Stelle eines Volumengitters, das für mehrere Eintrittswinkel und/oder mehrere Wellenlängen optimiert ist, können mehrere Volumengitter mit geringerem Funktionsumfang hintereinander geschaltet werden, d. h. jedes Volumengitter lenkt das Licht in eine andere Richtung ab bzw. fokussiert es an einen anderen Ort.Instead of a volume grating which is optimized for several entrance angles and / or several wavelengths, a plurality of volume grids with a smaller functional range can be connected in series, i. H. each volume grid deflects the light in another direction or focuses it on another location.
Neben verschiedenen Austrittswinkeln können vorteilhaft bei der Herstellung zusätzliche Feldlinsenfunktionen in das Volumengitter einbelichtet werden, die den Durchmesser des Sichtbarkeitsbereiches in der Betrachterebene eingrenzen.In addition to different exit angles, additional field lens functions can advantageously be imprinted into the volume grid during production, which limit the diameter of the visibility area in the observer plane.
Allgemein können durch Winkelmultiplex beliebige unterschiedliche Wellenfelder rekonstruiert werden. Dies entspricht dem Prinzip der holographischen Rekonstruktion. So können auch Feldlinsen mit unterschiedlichen Brennweiten rekonstruiert werden. So kann es auch vorteilhaft sein, sich in unterschiedliche Richtungen ausbreitende Planwellen zu rekonstruieren, wenn z. B. eine separate Feldlinse vorhanden ist. In general, arbitrary different wave fields can be reconstructed by angle multiplexing. This corresponds to the principle of holographic reconstruction. So field lenses with different focal lengths can be reconstructed. So it may also be advantageous to reconstruct in different directions propagating plane waves when z. B. a separate field lens is present.
Die Foki der Feldlinsen, die von Lichtverteilungen mit unterschiedlichen Eingangswinkeln erzeugt werden, müssen dabei nicht in derselben Ebene wie diese liegen. So könnte beispielsweise auch aus Lichtverteilungen mit unterschiedlichen vertikalen Eingangswinkeln eine Serie von Feldlinsen erzeugt werden, deren Foki sich z. B. in horizontaler Richtung, in horizontaler und vertikaler Richtung oder in horizontaler Richtung, in vertikaler Richtung sowie in der Brennebene unterscheiden.The Foki the field lenses, which are generated by light distributions with different input angles, do not have to be in the same plane as this. Thus, for example, a series of field lenses could be generated from light distributions with different vertical input angles, the foci z. B. in the horizontal direction, in the horizontal and vertical direction or in the horizontal direction, in the vertical direction and in the focal plane differ.
Um eine Feldlinsenfunktion zu erzeugen oder zu unterstützen ist es möglich, das Volumenhologramm in mindestens zwei nebeneinander angeordnete Teilhologramme zu zerlegen, die jedes für sich der Bragg-Bedingung mit leicht unterschiedlichem Austrittswinkel genügt, d. h. das Volumengitter wird segmentiert. Die Herstellung und Wirkungsweise solcher Volumenhologramme ist – für sich gesehen – beispielsweise aus den deutschen Patenten
Zum Selektieren der einzelnen in das Volumenhologramm eingeschriebenen Richtungen kann mindestens eine horizontale und/oder vertikale Verschiebeeinheit vorhanden sein, die das Licht der Lichtquellen steuerbar so beeinflusst, dass der Auftreffwinkel und/oder der Auftreffort auf das Volumenhologramm änderbar sind. Diese Einheit kann dabei beispielsweise Bestandteil einer Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung bei einem transparenten Lichtmodulator oder einer Vorderseitenbeleuchtungsvorrichtung bei einem reflektiven Lichtmodulator sein. Die notwendige Verschiebung und/oder Verkippung wird dabei von der Systemsteuerung anhand der ermittelten ausgewählten Augenposition eingestellt. Sie kann auf bekannte Weise mit mechanischen, reflektiven, refraktiven oder diffraktiven Methoden erfolgen. Bei Verwendung einer flachen Beleuchtungsvorrichtung kann beispielsweise der Einkoppelwinkel in einen flächenhaften Wellenleiter variiert werden.For selecting the individual directions inscribed in the volume hologram, at least one horizontal and / or vertical displacement unit may be present which controllably influences the light of the light sources so that the angle of incidence and / or the impact location on the volume hologram can be changed. This unit may for example be part of a backlighting device in a transparent light modulator or a front side lighting device in a reflective light modulator. The necessary shift and / or tilt is set by the system control based on the determined selected eye position. It can be done in a known manner with mechanical, reflective, refractive or diffractive methods. When using a flat lighting device, for example, the coupling angle can be varied in a planar waveguide.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvariante verwendet für jeden Wellenlängenbereich, also z. B. für den roten, den grünen oder den blauen Spektralbereich, mehrere schmalbandige Lichtquellen, die sich nur wenig in ihrer Schwerpunktwellenlänge unterscheiden und die selektiv von der Systemsteuerung ausgewählt und aktiviert werden, um die einzelnen Beugungswinkel in dem mindestens einen Volumengitter auszuwählen bzw. zu adressieren. Für solche Lichtquellen können bevorzugt Laser, beispielsweise Halbleiterlaser, oder schmalbandige Leuchtdioden eingesetzt werden.A further advantageous embodiment variant used for each wavelength range, ie z. For example, for the red, green or blue spectral range, multiple narrowband light sources differing only slightly in their centroid wavelength and which are selectively selected and activated by the system controller to select or address the individual diffraction angles in the at least one volume grating , For such light sources, preferably lasers, for example semiconductor lasers, or narrow-band light-emitting diodes can be used.
Die Systemsteuerung kann dabei, je nach den ausgewählten schmalbandigen Spektralbereichen, eine Farbkorrektur der anzuzeigenden Information vornehmen.The system controller can, depending on the selected narrow-band spectral ranges, perform a color correction of the information to be displayed.
Beide Verfahren können miteinander kombiniert werden, so dass in das mindestens eine Volumenhologramm Beugungsgitter für unterschiedliche Einfallswinkel und für unterschiedliche, eng benachbarte Wellenlängen eingeschrieben werden.Both methods can be combined with one another so that diffraction gratings for different angles of incidence and for different closely adjacent wavelengths are written into the at least one volume hologram.
In einer weiteren Ausgestaltung wird zur grob abgestuften Änderung der Strahlrichtung in dem ersten Lichtbeeinflussungsmittel mindestens ein durch die Systemsteuerung schaltbarer Polarisator in Verbindung mit mindestens einer doppelbrechenden Linsen eingesetzt. Ein solches System ist beispielsweise aus der
Ein doppelbrechendes Material, beispielsweise eine Flüssigkristallmischung, wird dabei zwischen zwei Grenzflächen zweier transparenter Medien, die als Substrat dienen, angeordnet. Dabei ist mindestens eine Grenzfläche partiell gekrümmt, um eine Linsenwirkung zu erzielen, und/oder partiell gegenüber der anderen geneigt, um eine Keilwirkung zu erreichen.A birefringent material, for example a liquid-crystal mixture, is arranged between two interfaces of two transparent media which serve as a substrate. In this case, at least one interface is partially curved to achieve a lens effect, and / or partially inclined relative to the other in order to achieve a wedge effect.
Durch Auswahl einer von zwei möglichen Polarisationsrichtungen durch den schaltbaren Polarisator, lässt sich mit Hilfe der Systemsteuerung eine von zwei möglichen Linsen- und/oder Ablenkwirkungen auswählen. Die Stärke der Linsenwirkung und/oder des Keilwinkels kann über der Fläche der Ablenk- und/oder Fokussiereinheit variieren. Ebenso ist es möglich, den schaltbaren Polarisator segmentiert auszuführen, um die beiden Polarisationsrichtungen örtlich variabel auszuwählen.By selecting one of two possible polarization directions through the switchable polarizer, one of two possible lens and / or deflection effects can be selected using system control. The strength of the lens effect and / or the wedge angle may vary over the area of the deflection and / or focusing unit. It is also possible to perform the switchable polarizer segmented to select the two polarization directions locally variable.
Der schaltbare Polarisator kann beispielsweise als variable Verzögerungsplatte mit Hilfe eines elektrisch steuerbaren doppelbrechenden Materials, welches beispielsweise ebenfalls aus einer Flüssigkristallmischung bestehen kann, gebildet werden. Dabei wird das doppelbrechende Material zwischen zwei Substraten eingebettet, die mit geeigneten Elektrodenstrukturen versehen sind. Auch hier ist es möglich, mehrere solche Lichtbeeinflussungselemente hintereinander zu schalten, um die Gesamtwirkung im Lichtbeeinflussungsmittel zu erhöhen.The switchable polarizer can be formed, for example, as a variable retardation plate with the aid of an electrically controllable birefringent material, which may for example likewise consist of a liquid-crystal mixture. In this case, the birefringent material is embedded between two substrates, which are provided with suitable electrode structures. Here, too, it is possible to connect several such light-influencing elements in succession in order to increase the overall effect in the light-influencing means.
An Stelle eines schaltbaren Polarisators und eines festen doppelbrechenden Lichtbeeinflussungselementes können auch schaltbare doppelbrechende Lichtbeeinflussungselemente verwendet werden. Bei einer solchen Einrichtung, wie sie z. B. für die 2D/3D-Umschaltung in autostereoskopischen Displays in der
Durch geeignete Elektrodenstrukturen lassen sich so auch planare Lichtbeeinflussungselemente herstellen, bei denen durch Anlegung geeigneter elektrischer Feldverteilungen ein steuerbarer Gradientenindexverlauf der Brechzahl erzeugt werden kann, mit dem sich die Lichtrichtung beeinflussen lässt.By means of suitable electrode structures, it is also possible to produce planar light-influencing elements in which a controllable gradient index curve of the refractive index can be generated by applying suitable electric field distributions, with which the direction of light can be influenced.
In weiteren Ausgestaltungsvarianten wird zur Lichtbeeinflussung mindestens ein Polarisationsgitter verwendet. Bei einem solchen Gitter existieren nur die –1. die 0. und die +1. Beugungsordnung. Durch Verwendung von einfallendem zirkular polarisierten Licht ist es dabei möglich, annährend 100% des Lichtes je nach Drehsinn der zirkularen Polarisation nur in die +1. oder nur in die –1. Beugungsordnung abzulenken.In further embodiments, at least one polarization grating is used to influence the light. In such a grid, only the -1 exist. the 0th and the +1. Diffraction order. By using incident circularly polarized light, it is possible, approximately 100% of the light depending on the direction of rotation of the circular polarization only in the +1. or only in the -1. Distract diffraction order.
Bekannt sind sowohl aktiv schaltbare Polarisationsgitter als auch passive Polarisationsgitter. Die Herstellung von Polarisationsgittern kann durch Ausrichtung von Flüssigkristallen an entsprechend präparierten Oberflächen erfolgen. Solche Oberflächen, die als strukturierte Ausrichtungsschichten (alignment layer) für die Flüssigkristalle wirken, können beispielsweise durch Auspolymerisieren von linear photopolymerisierbaren Polymeren (LPP – linear photopolymerizable polymer) erzeugt werden. Dazu werden die Schichten beispielsweise mit Interferenzmustern von zirkular polarisiertem ultraviolettem Licht, z. B. von einem UV Laser, entsprechend ausgebildet.Both actively switchable polarization gratings and passive polarization gratings are known. The preparation of polarization gratings can be done by aligning liquid crystals on appropriately prepared surfaces. Such surfaces, which act as alignment layers for the liquid crystals, can be produced by, for example, polymerizing out linear photopolymerizable polymers (LPP). For this purpose, the layers are, for example, with interference patterns of circularly polarized ultraviolet light, z. B. of a UV laser, designed accordingly.
Ohne oder bei geringer Spannung an einer Elektrodenstruktur bilden die aktiven Polarisationsgitter eine periodische Gitterstruktur und können je nach Drehrichtung des einfallenden zirkular polarisierten Lichtes in die +1. bzw. in die –1. Beugungsordnung mit hohem Beugungswirkungsgrad ablenken. Mit genügend hoher Spannung können die Flüssigkristalle so ausgerichtet werden, dass die Gitterstruktur zerstört wird, so dass das einfallende Licht in der 0. Beugungsordnung unabgelenkt durch ein solches Lichtbeeinflussungselement hindurch tritt.With no or low voltage on an electrode structure, the active polarizing gratings form a periodic lattice structure and can be in the +1. Depending on the direction of rotation of the incident circularly polarized light. or in the -1. Distract diffraction order with high diffraction efficiency. With sufficiently high voltage, the liquid crystals can be aligned so that the lattice structure is destroyed, so that the incident light in the 0th order of diffraction passes undeflected by such a light influencing element.
Passive Gitter können zum Beispiel durch Auspolymerisieren von Flüssigkristallpolymeren (LCP – liquid-crystal polymer) gebildet werden. Sowohl aktive als auch passive Polarisationsgitter lassen sich in Kombination mit einem schaltbaren Polarisator, beilspielsweise einer schaltbaren Verzögerungsplatte, verwenden, um die gewünschte Beugungsordnung auszuwählen. Bei einem aktiven Polarisationsgitter steuert die Systemsteuerung sowohl den schaltbaren Polarisator als auch das steuerbare Gitter, um die gewünschte Beugungsrichtung auszuwählen. Bei einem passiven Gitter wird dazu nur der schaltbare Polarisator angesteuert. Es ist möglich, mehrere Kombinationen aus schaltbaren Polarisatoren und Polarisationsgittern als Lichtbeeinflussungselemente hintereinander zu schalten. Die Gitterkonstante des Polarisationsgitters kann über der Lichteintrittsfläche variiert werden, um eine örtlich verschiedene Ablenkwirkung zu erzielen. Diese Variation kann kontinuierlich oder segmentiert erfolgen. Dadurch kann z. B. eine Feldlinsenfunktion realisiert oder unterstützt werden. Es können beispielsweise auch Zylinderlinsen oder gekreuzte Zylinderlinsen implementiert werden.Passive gratings can be formed, for example, by polymerizing out liquid crystal polymers (LCPs). Both active and passive polarization gratings can be used in combination with a switchable polarizer, such as a switchable retarder plate, to select the desired diffraction order. With an active polarization grating, the system controller controls both the switchable polarizer and the controllable grating to select the desired diffraction direction. With a passive grid, only the switchable polarizer is activated. It is possible to connect several combinations of switchable polarizers and polarization gratings as light-influencing elements in succession. The lattice constant of the polarization grating can be varied over the light entry surface to achieve a locally different deflection effect. This variation can be continuous or segmented. As a result, z. B. a field lens function can be realized or supported. For example, cylindrical lenses or crossed cylindrical lenses can also be implemented.
Um den jeweils geeigneten Beugungswinkel durch die Systemsteuerung auszuwählen, kann der flächenhafte schaltbare Polarisator ebenfalls strukturiert ausgeführt werden.In order to select the respectively suitable diffraction angle by the system control, the areal switchable polarizer can likewise be structured.
Wird das Gitter in Kombination mit anderen Lichtablenkelementen eingesetzt, beispielsweise einer vorgesetzten Feldlinse und/oder anderen Lichtbeeinflussungselementen, muss das Gitter lokal für einen entsprechend schrägen Lichteinfall optimiert werden. Dies kann bei einem aktiven Polarisationsgitter durch eine örtliche Anpassung der Ansteuerspannung und damit der effektiven Doppelbrechung erfolgen.If the grating is used in combination with other light deflection elements, for example a superior field lens and / or other light influencing elements, the grating must be locally optimized for a corresponding oblique light incidence. This can be done with an active polarization grid by a local adjustment of the driving voltage and thus the effective birefringence.
Bei passiven Polarisationsgittern muss das zur Herstellung verwendete Hologramm eine örtliche Variation der Gitterperiode aufweisen.For passive polarization gratings, the hologram used for fabrication must have a local variation of the grating period.
Bei einem einfachen Polarisationsgitter ist der Ablenkwinkel von der Wellenlänge abhängig. In einem Farbdisplay, bei dem die einzelnen Farbkomponenten in einem Zeitmultiplexbetrieb erzeugt werden, muss diese Winkeldifferenz durch die Systemsteuerung in weiteren steuerbaren Ablenkelementen ausgeglichen werden.For a simple polarization grating, the deflection angle depends on the wavelength. In a color display in which the individual color components are generated in a time division multiplex operation, this angular difference must be compensated by the system control in further controllable deflection elements.
Aus der
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante werden zur groben Lichtablenkung diffraktive Gitter eingesetzt, deren Gitterperiode sich durch Ändern der an einer Flüssigkristallzelle angelegten Spannung ändern lässt. Ein solches System ist beispielsweise in der
Für die grobe Lichtablenkung lassen sich auch vorteilhaft diffraktive Phasengitter einsetzen, wie sie für die kontinuierliche Ablenkung im zweiten Lichtbeeinflussungsmittel vorgesehen sind. Bei diesen Gittern werden die Gitterperioden und damit die Größe des Ablenkwinkels durch Anlegen eines sägezahnförmigen Spannungsgradienten an einer feinen Elektrodenstruktur eingestellt. Die kleinste mögliche Gitterperiode und damit der größte mögliche Ablenkwinkel wird dabei durch das Elektrodenraster bestimmt. Da sich sehr feine Raster mit wenigen. Mikrometern bis einigen hundert Nanometern Rasterperiode besonders bei großflächigen Ablenkgittern nur schwer ansteuern lassen, können für das Ablenkgitter zur groben Ablenkung Elektroden zusammengefasst werden und mit einem gemeinsamen Signal beaufschlagt werden, wenn deren Abstand größer ist, als es der Gitterperiode für den größten möglichen Ablenkwinkel bei dem Ablenkgitter für die feinstufige Ablenkung entspricht. So kann beispielsweise das Ablenkgitter für die feinstufige Ablenkung eine Periode der Elektroden von einigen Mikrometern aufweisen, bei denen sich jede Elektrode individuell ansteuern lässt, und das Ablenkgitter für die grobstufige Ablenkung aus einem Gitter mit einem Elektrodenabstand unter einem Mikrometer bestehen, bei dem jeweils Elektroden nach einer größeren Strecke zusammengefasst sind, als es dem Elektrodenraster des feinstufigen Gitters entspricht.For the coarse light deflection, it is also advantageous to use diffractive phase gratings, as provided for the continuous deflection in the second light influencing means. In these gratings, the grating periods and thus the size of the deflection angle are adjusted by applying a sawtooth voltage gradient to a fine electrode structure. The smallest possible grating period and thus the largest possible deflection angle is determined by the electrode grid. Because very fine grid with few. Microns to a few hundred nanometers raster period are difficult to control, especially in large-scale deflection, can be summarized for the deflection grid for coarse deflection electrodes and acted upon by a common signal, if the distance is greater than the grating period for the largest possible deflection angle in the Deflector for the fine-step deflection corresponds. For example, the finely deflected deflection grating may have a period of electrodes of a few microns, in which each electrode can be driven individually, and the grating for the coarse-wave deflection consist of a grating with an electrode spacing of less than one micrometer, with each electrode after a larger distance are summarized, as it corresponds to the electrode grid of the fine-scale grating.
Das Zusammenfassen der Elektroden kann dabei über die Fläche des Ablenkgitters segmentiert werden. Es ist auch möglich, das Elektrodenraster über die Gitterfläche zu variieren, um z. B. am Gitterrand durch ein feineres Elektrodenraster einen größeren dort benötigten Ablenkwinkel zu ermöglichen.The combination of the electrodes can be segmented over the surface of the deflection grating. It is also possible to vary the electrode grid over the grid surface to z. B. at the grid edge by a finer electrode grid to allow a larger deflection angle required there.
Zur Strahlablenkung von Lichtbündeln mit geringem Querschnitt, wie sie in der Beleuchtungsvorrichtung von Lichtquellen mit kleiner Ausdehnung direkt oder nach einer entsprechenden Strahlformung ausgesendet werden, lassen sich vorteilhaft weitere Lichtablenkelemente in einer transmissiven oder reflektiven Betriebsweise einsetzen. So erlauben akustooptische Modulatoren (AOM) eine Strahlablenkung mit hoher Geschwindigkeit. Dabei kann der Ablenkwinkel durch Variation der Ansteuerfrequenz geändert werden. Die Beugungseffektivität lässt sich durch die Höhe der Ansteuerspannung beeinflussen. Es sind auch AOM's bekannt, die über mehrere Schallwandler verfügen, die mit phasenverschobenen Signalen angesteuert werden können. Dadurch kann das effektive Phasengitter im AOM in Abhängigkeit von der Phasenlage geneigt und so an sich ändernde Austrittswinkel angepasst werden, damit beim gleichen Eintrittswinkel die Bragg-Bedingung weitestgehend erfüllt wird, um eine hohe Beugungseffektivität für einen breiten Ausgangswinkelbereich und einen breiten Arbeitswellenlängenbereich zu erhalten. Ein solcher Modulator ist beispielsweise aus der
Alle optischen Grenzflächen der Lichtbeeinflussungsmittel bzw. Lichtbeeinflussungselemente sollten vorteilhafter Weise mit Antireflexionsschichten zur Vermeidung von Streulicht versehen werden. Diese können auf bekannte Weise je nach Anwendung spektral und/oder im Winkel schmal- oder breitbandig ausgeführt werden.All optical interfaces of the light influencing means or light influencing elements should advantageously be provided with antireflection layers to avoid stray light. These can be carried out spectrally and / or at an angle narrow or broadband in a known manner depending on the application.
Im optischen Strahlengang können geeignete Blenden zum Ausfiltern von nicht benötigten Beugungsordnungen und/oder Streulicht enthalten sein. Auch ist der Einsatz zusätzlicher Mittel zur Wellenfrontformung, wie beispielsweise Apodisationsmasken, möglich.In the optical beam path suitable diaphragms for filtering out unnecessary diffraction orders and / or scattered light may be included. Also, the use of additional means for wave front shaping, such as Apodisationsmasken possible.
Weitere mögliche Maßnahmen zur Optimierung und speziellen Ausgestaltung des Verfahrens, wie beispielsweise der Einsatz von Lookup-Tabellen zur schnellen Berechnung der Einstellparameter für die Ablenkwinkel, das Verwenden gemeinsamer Substrate beim Mehrschichtaufbau von Lichtablenkelementen, Maßnahmen zur Kalibrierung, zur Fehlerkompensation, zur Kompensation eines Temperatureinflusses, zur Kompensation von Alterungserscheinungen oder zur Ausgestaltung der Ansteuerschaltungen und Elektrodenstrukturen sind Bestandteil dieser Erfindung und werden nicht näher erläutert, da diese Maßnahmen einem Fachmann in Kenntnis der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Lehre bekannt sind. Sämtliche steuerbaren Komponenten können mit Hilfe geeigneter zusätzlicher Messeinrichtungen auch als regelbare Komponenten ausgestaltet werden.Further possible measures for the optimization and special design of the method, such as the use of lookup tables for rapid calculation of the setting parameters for the deflection angle, the use of common substrates in the multi-layer structure of Lichtablenkelementen, measures for calibration, for error compensation, for compensation of a temperature influence, for Compensation of aging phenomena or for the design of the drive circuits and electrode structures are part of this invention and are not explained in more detail, since these measures are known to a person skilled in the knowledge of the teaching described herein. All controllable components can be designed with the help of suitable additional measuring devices as controllable components.
Anstelle elektrisch ansteuerbarer Beugungsgitter können für die kontinuierliche Betrachternachführung auch andere bekannte Lichtablenkelemente verwendet werden.Instead of electrically controllable diffraction gratings, other known light deflection elements can be used for the continuous observer tracking.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen. In den Zeichnungen zeigen (jeweils in einer schematischen Darstellung)There are now various possibilities for designing and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. On the one hand on the claims subordinate to claim 1 and on the other hand on the to refer to the following explanation of the preferred embodiments of the invention with reference to the drawings. In the drawings show (each in a schematic representation)
In
Der Lichtmodulator
Im Lichtweg zwischen den Lichtquellen
Eine Vielzahl von schalt- oder steuerbaren Lichtquellen
Die einzelnen Lichtquellen
Zu diesem Zweck kann z. B. auch die Brechkraft der Kollimationslinsen
Es bestehen eine Reihe weiterer Möglichkeiten, eine Feldlinsenfunktion zu realisieren. So könnte die optische Achse der einzelnen Kollimationslinsen
Als Ablenkgitter im Lichtbeeinflussungselement
Dafür sind beispielsweise Phasengitter auf der Basis von Flüssigkristallzellen einsetzbar, bei denen über eine rasterförmige Elektrodenstruktur variable Gitterperioden und damit Ablenkwinkel einschreibbar sind.For example, phase gratings based on liquid crystal cells can be used, in which variable grid periods and thus deflection angles can be written in via a grid-shaped electrode structure.
Ebenso lassen sich akustooptische Modulatoren einsetzen.Likewise acousto-optic modulators can be used.
Es sind jedoch auch weitere Ausgestaltungsvarianten möglich, wie der Einsatz von aktiven und passiven Polarisationsgittem in Verbindung mit steuerbaren Verzögerungsplatten.However, other design variants are possible, such as the use of active and passive polarization grids in conjunction with controllable retarder plates.
Da der Abstand zwischen den Lichtbeeinflussungselement
Um unerwünschte Intensitäten in der nullten Beugungsordnung auszublenden, kann man das steuerbare Gitter schräg beleuchteten. Um für jede Arbeitswellenlänge einen optimalen Ablenkbereich zu erhalten, welche sich weitestgehend überlappen, lässt sich das Gitter für jeden Arbeitswellenlängenbereich mit einem anderen angepassten Winkel beleuchteten.In order to hide unwanted intensities in the zeroth diffraction order, you can obliquely illuminated the controllable grid. In order to obtain an optimal deflection range for each operating wavelength, which overlap as far as possible, the grating can be illuminated for each working wavelength range with a different adapted angle.
An Stelle des Ablenkgitters im Lichtbeeinflussungselement
In
Über das dem ebenen Lichtwellenleitern
Mindestens ein zusätzliches kontinuierlich oder in feinen Stufen arbeitendes Lichtablenkelement
Die den Lichtquellen
Ein statisches Volumengitter
Es ist auch möglich, die Beugungswinkel in den Gittern
Allgemein kann das Flüssigkristallphasengitter
In der nachfolgenden Feldlinse, die ein dünnes Volumengitter
Ein Lichtbeeinflussungsmittel
In
Die Lichtleiter
Durch die Volumengitter
Im Lichtweg zwischen der Lichtquelle
Die
Zwei aufeinander folgende steuerbare Flüssigkristallphasengitter
Im Beispiel der
Beispiel gemäß
Im Beispiel gemäß der
In
Ein von einer Hintergrundbeleuchtungseinheit
Ein polarisationsveränderndes Element
Ein nachfolgendes Lichtbeeinflussungsmittel
Die Anordnung kann weitere passive oder aktive polarisationsbeeinflussende Elemente enthalten, um für nachfolgende polarisationsabhängige Elemente die benötigte Polarisationsrichtung einzustellen oder linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht umzuwandeln bzw. umgekehrt.The arrangement may contain further passive or active polarization-influencing elements in order to set the required polarization direction for subsequent polarization-dependent elements or to convert linearly polarized light into circularly polarized light or vice versa.
Im Ausführungsbeispiel ist ein passives Polarisationsgitter
Es können auch Polarisationsgitter
Durch lokal steuerbare polarisationsverändernde Elemente
Solche Stapel können eingesetzt werden, um mehr als zwei Fokusbereiche bzw. Ablenkrichtungen zu erzeugen. Vorzugsweise besitzen die Polarisationsgitter
Durch den Einsatz von Polarisationsgittern
Mit schaltbaren Polarisationsgittern
Durch eine geeignete Kombination der Schichtdicke und damit der optischen Verzögerung und des Verdrehungswinkels der Flüssigkristallmolekühle können Polarisationsgitter
So kann bei einem Farbmultiplexbetrieb jeweils nur das für den aktuellen Spektralbereich optimierte Gitter aktiviert werden.Thus, in a color multiplex operation only the optimized for the current spectral range grating can be activated.
An Stelle eines Phasenmodulators
In den aufgeführten Ausführungsbeispielen können auch Lichtmodulatoren eingesetzt werden, die das kodierte Hologramm über eine scannende Vorrichtung erzeugen oder die mehrere Lichtmodulatoren enthalten. Ebenso kann ein holographisches oder ein autostereoskopisches Display auch mehrere separate Lichtmodulationsvorrichtungen enthalten, die gemeinsam eine 3D Szene rekonstruieren bzw. ein stereoskopisches Bild erzeugen.In the exemplary embodiments listed, it is also possible to use light modulators which generate the coded hologram via a scanning device or which contain a plurality of light modulators. Likewise, a holographic or autostereoscopic display may also include a plurality of separate light modulating devices that collectively reconstruct a 3D scene or create a stereoscopic image.
Die Steuerung aller aktiver Komponenten kann in allen Beispielen durch eine Systemsteuerung anhand der von einem Augenpositionserkennungssystem ermittelten Positionen der Betrachteraugen erfolgen, wobei z. B. Bildfehler von optischen Komponenten, Temperatureinflüsse und lokale Abweichungen der Wellenfrontform auf Grund von Helligkeitsabweichungen in der Beleuchtungsvorrichtung
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.Finally, it should be particularly noted that the embodiments discussed above are merely for the purpose of describing the claimed teaching, but do not limit it to the exemplary embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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