DE102011005154B4 - Light modulation device for a holographic or an autostereoscopic display - Google Patents
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- H04N13/322—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays using varifocal lenses or mirrors
Abstract
Lichtmodulationsvorrichtung für ein holographisches oder ein autostereoskopisches Display zur Anzeige von dreidimensionalen Bildinformationen mit mindestens einer realen oder virtuellen Lichtquelle (100), mindestens einem Lichtmodulator (400) zum Einkodieren der anzuzeigenden Bildinformationen für mindestens ein Betrachterauge (1100) mindestens eines Betrachters, einem ersten Lichtbeeinflussungsmittel (500) und einem vom ersten Lichtbeeinflussungsmittel (500) verschiedenen zweiten Lichtbeeinflussungsmittel (600) zum Ändern des Lichtweges des von der Lichtquelle (100) ausgesandten Lichtes, einem Augenpositionserkennungssystem (800) zum Erfassen und Verfolgen mindestens einer Augenposition des mindestens einen Betrachters der Bildinformation und einer Systemsteuerung (900) zum Nachführen mindestens eines Sichtbarkeitsbereiches (1000) der Bildinformationen anhand der von dem Augenpositionserkennungssystem gelieferten Augenpositionsdaten (901) mit Hilfe des ersten und des zweiten Lichtbeeinflussungsmittels (500, 600), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lichtbeeinflussungsmittel (500) ein schaltbares polarisationsbeeinflussendes Element (591) und ein Polarisationsgitter (593) aufweist, dass in Lichtausbreitungsrichtung das schaltbare polarisationsbeeinflussende Element (591) dem Polarisationsgitter (593) vorgeordnet ist, dass das Polarisationsgitter (593) entsprechend der Polarisierungsrichtung des einfallenden Lichtes und in Abhängigkeit der Stellung des schaltbaren polarisationsbeeinflussenden Elements (591) das Licht entweder in eine +1. oder in eine -1. Beugungsordnung beugt, dass mit dem ersten Lichtbeeinflussungsmittel (500) der Sichtbarkeitsbereich (1000) innerhalb eines Betrachterbereiches den Augen des Betrachters in groben Stufen nachführbar ist, und dass das zweite Lichtbeeinflussungsmittel (600) den Sichtbarkeitsbereich (1000) mindestens im Bereich einer groben Stufe des ersten Lichtbeeinflussungsmittels (500) den Augen des Betrachters (1100) mit Hilfe mindestens eines elektrisch ansteuerbaren Beugungsgitters fein abgestuft oder kontinuierlich nachführt.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 (100), at least one light modulator (400) for encoding the image information to be displayed for at least one viewer eye (1100) of at least one viewer, a first light influencing means ( 500) and a second light influencing means (600), different from the first light influencing means (500), for changing the light path of the light emitted by the light source (100), an eye position detection system (800) for detecting and tracking at least one eye position of the at least one viewer of the image information and one System controller (900) for tracking at least one visibility region (1000) of the image information using the eye position data (901) supplied by the eye position detection system with the aid of the first and the second light element Influencing means (500, 600), characterized in that the first light influencing means (500) has a switchable polarization-influencing element (591) and a polarization grating (593), that in the direction of light propagation the switchable polarization-influencing element (591) is arranged in front of the polarization grating (593), that the polarization grating (593) according to the polarization direction of the incident light and depending on the position of the switchable polarization-influencing element (591) the light either in a +1. or into a -1. Diffraction order diffracts that with the first light influencing means (500) the visibility range (1000) within an observer range can be tracked to the eyes of the observer in rough steps, and that the second light influencing means (600) the visibility range (1000) at least in the range of a rough step of the first Light influencing means (500) finely graded or continuously tracks the eyes of the viewer (1100) with the aid of at least one electrically controllable diffraction grating.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Lichtmodulationsvorrichtung für ein holographisches oder ein autostereoskopisches Display mit Benutzernachführung.The invention relates to a combined light modulation device for a holographic or an autostereoscopic display with user tracking.
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.A combined light modulation device within the meaning of this invention is understood to be a device that changes the properties and/or the direction of light emanating from one or more real or virtual light sources in a multi-stage process.
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.A virtual light source is a light source that appears to be in one place, which appears as a result of the light from a real light source being influenced by generally static imaging means, for example a mirror, and/or beam-limiting means, for example screens.
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 within the meaning 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 a diffraction pattern of the scene to be reconstructed. Both a large computational effort and a high-resolution light modulator are required for the reconstruction of a three-dimensional scene in a large visibility range with high quality.
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, at least one light modulator is illuminated with sufficiently coherent light from at least one light source and this light is imaged onto at least one viewer eye by means of a field lens. 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 in the light modulator by switching on at least one further light source in alternation and synchronized with 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 viewer's eyes by switching on additional light sources separately. For this purpose, the eye coordinates of one or more viewers 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 nesting them in time, reconstructions can also be displayed for several viewers.
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 user tracking along the light path, it is also advantageous to adapt the focal plane of the focusing unit and thus the size of the visibility region to the eye position 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 take place, for example, by direct or indirect displacement of the light sources. A well-known example of indirect shifting are 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 stereo imaging. In addition to mechanical methods, methods are known for changing reflecting, diffractive or refractive properties using adaptive optics.
Es sind auch kombinierte Trackingvarianten bekannt, die über eine feste, aber über die Fläche des Lichtablenkmittels variierende Lichtablenkfunktion verfügen.Combined tracking variants are also known, which have a fixed light deflection function that varies over the surface of the light deflection means.
In der Patentanmeldung des Anmelders
Die
Die
Die
Die
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 relative to one another by a fixed angle. By varying the inscribed grating period over the surface of the deflection unit, the diffractive gratings can realize a locally different deflection 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 can be changed in order to set a desired diffraction angle, there is a minimum adjustable period due to the spatial resolution with which the deflection grating can be controlled. If, for example, the period is set by means of a grid-shaped electrode structure, the width and distance of the electrodes are limited due to production. In addition, crosstalk between set adjacent phase values occurs, for example due to electrical stray fields or scattering or diffracting components of the deflection grid. These can also lead to a reduction in the diffraction efficiency and thus to interfering 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 is inversely proportional to the periodicity of the diffraction structure for a diffraction structure designed in the form of a grid, the controllable angular range and thus the tracking range for a single diffraction device is limited by the electrode spacing that can be produced.
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 comfortable viewing of a 3D scene from different perspectives, however, a display with a large tracking range and a variable viewing distance is required. A solution is sought which, despite the limitation of the deflection angle of a deflection element, allows a tracking range which is larger than the deflection angle that can be achieved with this element.
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 modulator 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 viewer eye of at least one viewer, a first and a second light influencing means for changing the light path of the 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 region of the image information using the eye position data supplied by the eye position detection system with the aid of the first and second light influencing means , which defines the visibility range within a viewer range eyes of the viewer in rough steps and by a second light influencing means, which finely graded or continuously tracks the visibility range at least in the area of a rough step of the first light influencing means of the eyes of the viewer with the help of 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.The system controller selects that deflection direction of the first light influencing means that comes closest to the currently selected eye position of the selected viewer and sets this in the first light influencing means. The difference angle between this deflection angle and the actually 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 viewer can be served by the system controller in time-division multiplex mode, with the eye position detection system supplying 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 display, the image content to be displayed, i. H. the respective stereo view or the encoded hologram, adapted to the respective right or left eye. The eye recognition system can also be configured as a system for recognizing the viewing direction, e.g. in a system with a large possible viewing angle, to reconstruct only 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.Several 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 viewer, this value relates to the view of a color channel for one eye of a viewer.
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.Especially in the case of a projection system, it is possible to use a separate deflection system for each observer eye, which allows simultaneous display of the image content for both observer eyes via a beam combination 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 viewer position, it is possible for the viewer to move around the image content to be displayed when moving his head within the visibility area of the display, whereby this effect can also be artificially exaggerated 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 steel deflection systems can only be produced with a great deal of effort, in a preferred embodiment variant, color representation also takes place in time-division multiplex operation of the individual color components.
Je nach Ausgestaltung der Lichtmodulationsvorrichtung kann sich das zweite Lichtbeeinflussungsmittel mit den steuerbaren Lichtablenkgittem 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 design of the light modulation device, the second light influencing means with the controllable light deflection grids can be located in front of or behind the first light influencing means for coarse light deflection. A light influencing means for coarse light deflection, which requires fixed entry angles for its function, as z. B. represent volume grating 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 can be arranged in front of or behind the 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 connection with an illumination device, which usually generates collimated light with which the light modulator is illuminated.
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 with a multiplicity of controllable liquid crystal cells arranged in rows and columns, or modulators based on electrowetting cells.
Als reflektive Modulatoren sind beispielsweise Flüssigkristallmodulatoren auf einem reflektiven Substart (z.B. LCOS - Liquid Crystal on Silicon) oder Mikrospiegelanordnungen (DMD - Digital Micromirror Device) als schnelle Lichtmodulatoren geeignet.Examples of suitable reflective modulators are liquid crystal modulators on a reflective substrate (e.g. LCOS—Liquid Crystal on Silicon) or micromirror arrangements (DMD—Digital Micromirror Device) 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 the case of 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 hologram values in two (two-phase coding) or more phase pixels of the modulator, in which the phase values that belong together are then combined in beam combination optics to form an intensity value with a defined amplitude and phase value, that’s it advantageous to arrange both light influencing means behind the light modulator when the beam combining 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.However, it can be advantageous in the case of an autostereoscopic display with an amplitude modulator that is largely direction-independent or a holographic display with a complex-valued modulator that is largely direction-independent be able to partially or fully integrate one or both light influencing means into the lighting 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 encoding the image information, so that these dependencies can be compensated for.
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 electroluminescence displays or plasma displays, do not require a lighting device since they themselves serve as a light source. Since their individual pixels are incoherent with one another, they are preferably used as light modulators in autostereoscopic displays.
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 can be used in combination with collimation optics of the lighting device of a transmissive display if 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.The beam directions of the light sources are selected by the two light influencing means with the aid of the system control in such a way that the information to be displayed for the moment is in the visibility range of an observer's 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 the type of coding, the light path can only be changed in the horizontal direction or in the horizontal and vertical direction.
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.Tracking the visibility range only in the horizontal direction greatly simplifies the structure, since only light influencing means are required that 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 the case of a holographic display, the computing effort for the hologram calculation is considerably reduced in the case of a one-dimensional coding compared to a two-dimensional coding.
Bei eindimensionaler Betrachtemachführung 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 Betrachtemachführung realisiert.In the case of one-dimensional observation, real or virtual light sources can be used. These could be, for example, display columns of an emissive display with upstream collimation optics in the form of cylindrical lens arrays. In the case of autostereoscopic displays, only a horizontal viewing direction is often implemented.
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. Steuem 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 horizontal or vertical direction, the direction of the collimated illumination beam can be changed in horizontal or vertical direction. This can be realized, for example, by switching on or controlling the brightness of individual light points or light point areas of a high-resolution light source matrix in connection with an upstream field of collimation optics, for example a lens array.
Für eine eindimensionale Ablenkung können Beleuchtungsstreifen in Verbindung mit einem Zylinderlinsenarray eingesetzt werden.Illumination strips can be used in conjunction with a cylindrical lens array for one-dimensional deflection.
Eine Ablenkung der Lichtpunkte oder Lichtstreifen kann auch mechanische oder durch abtastende (scannende) Verfahren realisiert werden.A deflection of the points of light or strips of light can also be realized mechanically 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 collimation optics, the size of the light spot in the viewing plane can be adjusted. This can also be achieved by collimation 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 associated collimation optics, can also serve as part of the lighting device when using a transmissive modulator.
Durch Steuem der Helligkeit einzelner Lichtquellenpunkte können Fehler des optischen Systems kompensiert werden.By controlling the brightness of individual light source points, errors in the optical system can be compensated for.
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 I 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 10mm vor der objektseitigen Hauptebenen der Kollimationsoptik befindet und einen Seitenversatz von 2mm gegenüber deren optischen Achse hat, eine Strahlneigung von 11,3 Grad gegenüber der optischen Achse auf.For example, the center beam of a light source that is 10mm in front of the object-side main plane of the collimating optics and has a lateral offset of 2mm compared to its optical axis has a beam inclination of 11.3 degrees compared 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 made up of several individual components. The first and / or the second light influencing means of the light modulation device can be composed of several light influencing elements, with which independently of each other the beam direction and / or Position of the real or virtual light sources can be changed.
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.Several electrically controllable deflection gratings with the same deflection direction can be partially or completely connected in a row in order to increase the achievable deflection angle or to realize a separate deflection area. For a two-dimensional deflection, one-dimensional 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 means 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 control takes into account the deflection properties of each individual element, and it is possible to compensate for errors that arise in one element in one or more other 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 size of the change in position of the light from the light source and/or the size of the change in beam direction in the first and/or in the second light influencing means depending on the point at which the light hits the surface of the light influencing means, a field lens function can be implemented to define the size of the visibility area in the viewer plane or affect the effect of a separate field lens.
Durch Steuem 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 change in position or beam direction over the surface of one or more light influencing means by the system controller, the size of the visibility area can be variably changed and thus, for example, this size can be adapted to a changed observer distance from the display, so that the visibility area remains larger than the pupil diameter is smaller than the interpupillary distance.
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.To do this, 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 that define 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 rough tracking of the visibility range can contain 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. Volume gratings into which at least two holograms are inscribed can advantageously be used in the first light influencing means for a roughly graded beam deflection.
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.The required volume grid or a template for further copies can be produced by exposing the holograms with the desired entry and exit distributions with the respective working wavelength. The holograms can also be exposed in an optical system which essentially corresponds to the application system or is contained in it (in-situ exposure) in order to compensate as completely as possible for image errors of the optical components involved.
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 annähemd 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 gratings can be optimized for very narrow entrance angles that differ only slightly from one another and/or for narrow wavelength ranges. In this way, high diffraction efficiencies of approximately 100% can be achieved for phase holograms. The volume gratings act as an angle filter, i.e. only light from a narrow angle range is diffracted in the desired direction, and/or as a wavelength filter, with only light from a selected wavelength range being diffracted in the desired direction. Light of other angles or wavelengths passes through the volume grating without being diffracted.
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.So that only one diffraction order occurs when light passes through the volume grating, i.e. for example the first, second or a higher diffraction order, the Bragg condition must be observed and the refractive index modulation selected accordingly. If the refractive index modulation deviates from the optimum, an undiffracted portion of the light, i.e. a zero diffraction order, is present - even if the Bragg condition is observed.
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 difference in refractive index, it may be necessary to illuminate the grating in such a way that multi-beam interference occurs, ie the individual light rays pass through a sufficient number of grating planes. This means that the minimum diffraction angle generated is not too small, for example 30 degrees. This can be achieved by obliquely illuminating the volume grid. A necessary pre-deflection can be generated by an additional upstream volume grid if the geometric conditions require it.
Je dicker das Volumengitter ausgeführt ist, umso größer ist seine selektive Wirkung.The thicker the volume grating is, the greater its selective effect.
Die Beugungsprozesse an Volumengittem wurden von Kogelnik mit Hilfe der Theorie gekoppelter Wellen beschrieben (H. Kogelnik, „Coupled Wave Theory for Thick Hologram Grätings“, Bell Syst Techn. J. 48 (1969) 2909-2947). Dick ist ein Volumengitter, wenn sein Q-Faktor
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 that is optimized for several entry angles and/or several wavelengths, several volume gratings with a smaller range of functions can be connected in series, i.e. each volume grating deflects the light in a different direction or focuses it at a different location.
Neben verschiedenen Austnttswinkeln 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 exposed into the volume grating during production, which delimit the diameter of the visibility region 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, any number of different wave fields can be reconstructed using angle multiplex. This corresponds to the principle of holographic reconstruction. In this way, field lenses with different focal lengths can also be reconstructed. It can also be advantageous to reconstruct plane waves propagating in different directions, e.g. 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 foci of the field lenses, which are generated by light distributions with different entrance angles, do not have to lie in the same plane as these. For example, a series of field lenses could also be generated from light distributions with different vertical entrance angles, the foci of which differ e.g. in the horizontal direction, in the horizontal and vertical direction or in the horizontal direction, in the vertical direction and in the focal plane.
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.To select the individual directions written into the volume hologram, at least one horizontal and/or vertical displacement unit can be present, which influences the light from the light sources in a controllable manner such that the angle of incidence and/or the point of incidence on the volume hologram can be changed. In this case, this unit can, for example, be part of a background lighting device in the case of a transparent light modulator or a front lighting device in the case of a reflective light modulator. The necessary shifting and/or tilting is set by the system control based on the determined selected eye position. It can be done in a known manner using 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 uses several narrow-band light sources for each wavelength range, e.g. for the red, the green or the blue spectral range, which differ only slightly in their focal point wavelength and which are selectively selected and activated by the system control in order to convert the individual diffraction angles into to select or address the at least one volume grid. Lasers, for example semiconductor lasers, or narrow-band light-emitting diodes can preferably be used for such light sources.
Die Systemsteuerung kann dabei, je nach den ausgewählten schmalbandigen Spektralbereichen, eine Farbkorrektur der anzuzeigenden Information vornehmen.Depending on the selected narrow-band spectral ranges, the system controller can carry out 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 the substrate. At least one boundary surface is partially curved in order to achieve a lens effect and/or partially inclined in relation 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 directions of polarization using the switchable polarizer, one of two possible lens and/or deflection effects can be selected with the aid of the system control. The strength of the lens power and/or the wedge angle can vary over the surface of the deflection and/or focussing unit. It is also possible to design the switchable polarizer in a segmented manner in order to select the two directions of polarization in a locally variable manner.
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 delay plate using an electrically controllable birefringent material, which can also consist of a liquid crystal mixture, for example. The birefringent material is embedded between two substrates that are provided with suitable electrode structures. Here, too, it is possible to connect several such light influencing elements in series 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.Suitable electrode structures can also be used to produce planar light influencing elements in which, by applying suitable electric field distributions, a controllable gradient index profile of the refractive index can be generated, with which the light direction 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 configuration variants, at least one polarization grating is used to influence the light. In such a lattice only the -1 exist. the 0th and the +1. diffraction order. By using incident circularly polarized light, it is possible to direct almost 100% of the light, depending on the direction of rotation of the circular polarization, only into the +1. or only in the -1. deflect diffraction order.
Bekannt sind sowohl aktiv schaltbare Polarisationsgitter als auch passive Polarisationsgitter. Die Herstellung von Polarisationsgittem 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 zirkulär polarisiertem ultraviolettem Licht, z. B. von einem UV Laser, entsprechend ausgebildet.Both actively switchable polarization gratings and passive polarization gratings are known. Polarization gratings can be produced by aligning liquid crystals on appropriately prepared surfaces. Such surfaces, which act as structured alignment layers (alignment layer) for the liquid crystals, can be produced, for example, by polymerizing linearly photopolymerizable polymers (LPP—linearly photopolymerizable polymer). For this purpose, the layers are, for example, provided with interference patterns of circularly polarized ultraviolet light, e.g. B. from a UV laser, formed 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 little or no voltage on an electrode structure, the active polarization gratings form a periodic grating structure and, depending on the direction of rotation of the incident circularly polarized light, can be converted into the +1. or in the -1. Deflect diffraction order with high diffraction efficiency. With a sufficiently high voltage, the liquid crystals can be aligned in such a way that the lattice structure is destroyed, so that the incident light in the 0th diffraction order passes undeflected through 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, beispielsweise 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 Polarisationsgittem 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 liquid-crystal polymers (LCP). 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 polarizing grating, the system controller controls both the switchable polarizer and the controllable grating to select the desired diffraction direction. In the case of a passive grating, only the switchable polarizer is controlled for this purpose. It is possible to connect several combinations of switchable polarizers and polarization gratings in series as light influencing elements. The grating constant of the polarization grating can be varied over the light entry surface in order to achieve a locally different deflection effect. This variation can be continuous or segmented. This can e.g. B. a field lens function can be implemented 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 appropriate diffraction angle by the system control, the areal switchable polarizer can also 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 Lichteinfell 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 an attached field lens and/or other light influencing elements, the grating must be optimized locally for a correspondingly slanted incidence of light. In the case of an active polarization grating, this can be done by locally adapting the control voltage and thus the effective birefringence.
Bei passiven Polarisationsgittem muss das zur Herstellung verwendete Hologramm eine örtliche Variation der Gitterperiode aufweisen.In the case of passive polarization gratings, the hologram used for production must have a local variation in 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.With 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 controller 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 Ablenkgittem 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.Advantageously, diffractive phase gratings can also be used for coarse light deflection, such as are provided for continuous deflection in the second light influencing means. With these gratings, the grating periods and thus the size of the deflection angle are set by applying a sawtooth-shaped voltage gradient to a fine electrode structure. The smallest possible grid period and thus the largest possible deflection angle is determined by the electrode grid. Since very fine grids with a grid period of a few micrometers to a few hundred nanometers are difficult to control, especially with large-area deflection grids, electrodes for the deflection grid can be combined for coarse deflection and a common signal can be applied if their distance is greater than the grid period for the largest possible deflection angle for the deflection grating for the finely graded deflection. For example, the deflection grid for fine-scale deflection can have an electrode period of a few micrometers, with which each electrode can be controlled individually, and the deflection grid for coarse-scale deflection can consist of a grid with an electrode spacing of less than one micrometer, in which electrodes can be are combined over a greater distance than corresponds to the electrode grid of the fine-stepped grid.
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 area of the deflection grid. It is also possible to vary the electrode grid over the grid area, e.g. B. at the edge of the grid 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 boundary surfaces of the light influencing means or light influencing elements should advantageously be provided with antireflection layers to avoid scattered light. These can be used in a known manner depending on the application tion can be carried out spectrally and/or angularly in a narrow or broadband manner.
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.Suitable diaphragms for filtering out unnecessary orders of diffraction and/or scattered light can be contained in the optical beam path. The use of additional means for wavefront shaping, such as apodization masks, is also 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.Other possible measures for optimizing and special design of the method, such as the use of lookup tables for quick calculation of the setting parameters for the deflection angle, the use of common substrates in the multilayer structure of light deflection elements, measures for calibration, for error compensation, for compensation of a temperature influence, for Compensation for aging phenomena or for designing the control 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 art with knowledge of the teaching according to the invention described here. All controllable components can also be designed as controllable components with the help of suitable additional measuring devices.
Anstelle elektrisch ansteuerbarer Beugungsgitter können für die kontinuierliche Betrachtemachführung auch andere bekannte Lichtablenkelemente verwendet werden.Instead of electrically controllable diffraction gratings, other known light deflection elements can also be used for continuous observation.
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)
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1 eine erste Ausgestaltungsvariante der Erfindung, -
2 einen Ausschnitt aus einem Lichtbeeinflussungsmittel zur grob abgestuften Nachführung mittels schaltbarer Lichtquellen, -
3 ein Lichtbeeinflussungsmittel zur grob abgestuften Nachführung mittels schaltbarer Lichtquellen mit zusätzlicher Feldlinsenfunktion, -
4 einen Ausschnitt aus einem Lichtbeeinflussungsmittel zur grob abgestuften Nachführung mit einem Lichtquellentracking mittels diffraktiver Ablenkgitter in der Beleuchtungsvorrichtung, -
5 einen Ausschnitt einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem Volumengitter und Winkelmultiplex -
6 eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einem reflektiven Modulator, -
7 die Erzeugung zweier Feldlinsen mit Hilfe eines aktiven Flüssigkristallgitters, -
8 eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einem transmissiven Modulator und einem Flüssigkristallphasengitter mit steuerbarer Gitterperiode in Verbindung mit einer Multiplexfeldlinse, -
9 eine flache Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung, welche eine vertikale und eine horizontale Verschiebung des durch eine Kollimationseinheit erzeugten Wettenfetdes vor dem Eintritt in ein erstes Volumengitter ermöglicht, -
10a bis10c die beispielhafte Wirkungen zweier steuerbarer Volumengitter als vertikale Lichtbeeinflussungselemente aus der9 und -
11 eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einem transmissiven Modulator und einem Polarisationsgitter in Verbindung mit einem schaltbaren Polarisator.
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1 a first embodiment of the invention, -
2 a section of a light influencing means for roughly graduated tracking using switchable light sources, -
3 a light influencing device for roughly graded tracking using switchable light sources with additional field lens function, -
4 a section of a light influencing means for roughly graded tracking with light source tracking using diffractive deflection gratings in the lighting device, -
5 a section of a lighting device with a volume grating and angle multiplex -
6 a light modulation device with a reflective modulator, -
7 the creation of two field lenses using an active liquid crystal lattice, -
8th a light modulation device with a transmissive modulator and a liquid crystal phase grating with controllable grating period in connection with a multiplex field lens, -
9 a flat backlight device which allows vertical and horizontal displacement of the bet fat generated by a collimation unit before entering a first volume grating, -
10a until10c the exemplary effects of two controllable volume grids as vertical light influencing elements from9 and -
11 a light modulation device with a transmissive modulator and a polarization grating in connection with a switchable polarizer.
In
Der Lichtmodulator 400 erhält seine Modulationswerte für die Anzeige von dreidimensionalen Bildinformationen von der Systemsteuerung 900, der diese Werte anhand der Eingangsdaten der 3D Szene 902 und den von einem Augenpositionserkennungssystem 800 gelieferten Positionsdaten von mindestens einer Augenposition 1100 mindestens eines Betrachters der Bildinformation ermittelt. Dabei berücksichtigt die Systemsteuerung 900 die Kennlinie des Lichtmodulators 400 und weitere Korrekturwerte, die sich aus der Ausgestaltung des optischen Systems und der Positionsdaten ergeben. Die anzuzeigende Bildinformation, insbesondere der darzustellende Szenenausschnitt, kann auch außerhalb der Systemsteuerung 900 anhand der von der Systemsteuerung 900 an eine externe Recheneinheit gelieferten Augenpositionsdaten 901 aufbereitet werden. Das an sich bekannte Augenpositionserkennungssystem 800 kann z. B. aus mindestens einer Kamera und einer zugehörigen Auswerteeinheit bestehen, wobei die Auswerteeinheit auch Bestandteil der Systemsteuerung 900 sein kann. Die Auswerteeinheit ermittelt dabei aus den Kamerabildem die Lage der Augenpupillen im jeweiligen Kamerabild und berechnet daraus die zugehörigen Ortskoordinaten aller Betrachteraugen 1100. Auch andere Augenpositionserkennungssysteme 800, die beispielsweise mit Ultraschall arbeiten oder passive oder aktive Marken bzw. Signalquellen verwenden, welche mit dem Betrachter verbunden sind, lassen sich einsetzen.The
Im Lichtweg zwischen den Lichtquellen 101 bis 123 und den Betrachteraugen 1100 können sich weitere Lichtbeeinflussungselemente 501 befinden, die von der Systemsteuerung 900 angesteuert werden. Die dynamische Beleuchtungsvorrichtung 300 bildet in dem gezeigten Ausführungsbeispiel allein oder in Kombination mit den weiteren Lichtbeeinflussungselementen 501 das Lichtbeeinflussungsmittel 500 für die grobe Strahlablenkung. Um den jeweiligen Sichtbarkeitsbereich 1000 anhand der Augenpositionsdaten 901 durch die Systemsteuerung 900 kontinuierlich oder fein abgestuft auf das jeweilige Betrachterauge zu lenken, ist ein zweites Lichtbeeinflussungsmittel 600 in Form von diffraktiven steuerbaren Ablenkgittem vorhanden, welches ebenfalls aus mehreren Lichtbeeinflussungselementen zusammengesetzt sein kann. Zur Fokussierung des Sichtbarkeitsbereiches 1000 auf die Betrachterebene ist im Beispiel nach
Eine Vielzahl von schalt- oder steuerbaren Lichtquellen 101, 102, 103 befinden sich vor einer Kollimationsoptik 200, die refraktive und/oder diffraktive Elementen enthalten kann. Durch Einschalten einer der beispielhaft dargestellten Lichtquellen 101, 102 oder 103 wird die gewünschte Ablenkrichtung ausgewählt. Der Ablenkwinkel hängt dabei vom Abstand der Lichtquelle zur optischen Achse OA des Segmentes der Kollimationsoptik 200 und ihrem Abstand zur objektseitigen Hauptebene dieser Abbildungssegmente ab. Im dargestellten Beispiel befinden sich die Lichtquellen 101 bis 103 in der objektseitigen Brennebene, so dass die Kollimationsoptik 200 paralleles Licht verlässt. Dieses beleuchtet den Lichtmodulator 400.A large number of switchable or controllable
Die einzelnen Lichtquellen 101 - 123 können aus individuell schalt- oder steuerbaren Sublichtquellen mit unterschiedlichen spektralen Verteilungen der Abstrahlcharakteristik zusammengesetzt sein. Die einzelnen Sublichtquellen können dabei leicht in der Tiefe gestaffelt sein, d. h. an unterschiedlichen Positionen in Richtung der optischen Achse, um Farbfehler der Kollimationsoptik auszugleichen, damit alle Farbanteile weitestgehend in derselben mittleren Betrachterebene abgebildet werden.The individual light sources 101 - 123 can be composed of individually switchable or controllable sub-light sources with different spectral distributions of the emission characteristics. The individual sub-light sources can be slightly staggered in depth, i. H. at different positions in the direction of the optical axis in order to compensate for chromatic aberrations of the collimation optics so that all color components are imaged as far as possible in the same central viewing plane.
Zu diesem Zweck kann z. B. auch die Brechkraft der Kollimationslinsen 201 bis 203 durch die Systemsteuerung variabel änderbar sein, um solche Farbfehler auszugleichen und die Betrachterebene an den Abstand des Betrachters zum Anzeigedisplay anzupassen.For this purpose z. B. the refractive power of the
Es bestehen eine Reihe weiterer Möglichkeiten, eine Feldlinsenfunktion zu realisieren. So könnte die optische Achse der einzelnen Kollimationslinsen 201 bis 203 immer stärker zum Rand des Linsenfeldes 200 geneigt werden, so dass sich beispielsweise alle optischen Achsen in der Mitte des Betrachterbereiches in der mittleren Betrachterebene kreuzen. Dabei können auch die einer Linse 201 bis 203 zugeordneten Lichtquellen 101 bis 123 geneigt angeordnet werden.There are a number of other options for realizing a field lens function. The optical axis of the
Als Ablenkgitter im Lichtbeeinflussungselement 501 können bevorzugt steuerbare diffraktive Gitter eingesetzt werden, bei denen sich die Gitterperiode variabel einstellen lässt.Controllable diffractive gratings, in which the grating period can be set variably, can preferably be used as deflection gratings in the
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 for this, in which variable grating periods and thus deflection angles can be inscribed via a grid-like electrode structure.
Ebenso lassen sich akustooptische Modulatoren einsetzen.Likewise, acousto-optical 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 also possible, such as the use of active and passive polarization gratings in conjunction with controllable delay plates.
Da der Abstand zwischen den Lichtbeeinfiussungselement 501 und den Mattscheiben 110 groß gewählt werden kann, ist es möglich, im Lichtbeeinflussungselement 501 Ablenkgitter zu verwenden, die nur kleine Ablenkwinkel erzeugen können. Dadurch werden nur geringe Anforderungen an die benötigte minimale Gitterperiode gestellt, was die Herstellung solcher Ablenkelemente erheblich vereinfacht.Since the distance between the light influencing
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.The controllable grating can be illuminated obliquely in order to suppress unwanted intensities in the zeroth diffraction order. In order to obtain an optimal deflection range for each working wavelength, which largely overlaps, the grating can be illuminated with a different adjusted angle for each working wavelength range.
An Stelle des Ablenkgitters im Uchtbeeinflussungselement 501 können auch andere Ablenkelemente verwendet werden. So lassen sich beispielsweise steuerbare Elektrobenetzungszellen einsetzen, bei denen die Lage eines Meniskus oder die Lage und Form eines Meniskus als Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Brechungsindex in einer oder in zwei Richtungen variiert werden kann.Instead of the deflection grid in the
In
Über das dem ebenen Lichtwellenleitern 513, 523 zugeordnete Volumengitter 512, 522 wird das Licht aus diesem ausgekoppelt und auf den reflektiven Lichtmodulator 400 kollimiert gelenkt. Das von dem reflektiven Modulator 400 modulierte Licht wird je nach ausgewählter Lichtquelle 111-113, 121-123 durch das zugeordnete Volumengitter 512, 522 in die gewünschte Richtung abgelenkt bzw. wie hier im Beispiel dargestellt an der gewünschten Stelle in der Betrachterebene fokussiert. Im Beispiel sind dabei auch in die Volumengitter 512, 522 Hologramme für jede Betriebswellenlänge der Lichtquellen 110, 120 eingeschrieben. Die Hologramme sind dabei so ausgebildet, dass über die gesamte Fläche des Lichtmodulators 400 eine einheitliche Beleuchtungsintensität erzeugt wird. Dazu muss die Beugungseffektivität im Volumengitter 512, 522 ansteigen, je weiter die Auskoppelstelle vom jeweiligen Einkoppelgitter 511, 521 entfernt ist.The light is coupled out of the volume grating 512, 522 assigned to the planar
Mindestens ein zusätzliches kontinuierlich oder in feinen Stufen arbeitendes Lichtablenkelement 600 sorgt dafür, dass das Licht je nach Position des Betrachters auch auf Augenpositionen gerichtet werden kann, die nicht mit den festen Fokussierpunkten der in die Volumengitter 512, 522 eingeschriebenen Hologrammen übereinstimmen. Dabei kann das Ablenkelement 600 die Feldlinsenfunktion unterstützen oder diese Funktion vollständig übernehmen. Ebenso kann eine separate Feldlinse beispielsweise zwischen dem Lichtablenkelement 600 und dem Betrachter angeordnet werden.At least one additional
Die den Lichtquellen 110, 120 zugeordneten Kollimationseinheiten 210, 220 können passive und/oder aktive optische Elemente 211, 212, 221, 222 zur Strahlformung und Strahlrichtungsänderung enthalten, welche das Licht reflektiv, diffraktiv und refraktiv beeinflussen können. Sie können auch abtastende Komponenten enthalten, um beispielsweise die Einkoppelvolumengitter 511, 521 streifenförmig zu beleuchten.The
Ein statisches Volumengitter 533, das ebenfalls als Multiplexvolumengitter ausgebildet sein kann, fokussiert die jeweils ausgewählte Richtung in den Fokusbereich 1001 bzw. 1002. Dabei können auch die unterschiedlichen Eintrittswinkel für die einzelnen Wellenlängenbereiche berücksichtigt werden, so dass die Fokusbereiche der einzelnen Farben jeweils einen gemeinsamen Fokusbereich bilden.A static volume grating 533, which can also be designed as a multiplex volume grating, focuses the respectively selected direction in the
Es ist auch möglich, die Beugungswinkel in den Gittern 531 und/oder 532 örtlich zu variieren, um für das Volumengitter 533 örtlich einen geeigneten Eintrittswinkel zu erhalten, um in diesem Gitter den erforderlichen Beugungswinkel mit hohem Beugungswirkungsgrad einzustellen. Dabei kann auch eine segmentierte Anordnung zum Einsatz kommen. Die Anordnung ist auch für Amplitudenmodulatoren oder komplexwertige Modulatoren geeignet. Ebenso lassen sich transmissive Modulatoren mit einer Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung einsetzen. Für ein autostereoskopisches Display lassen sich beispielsweise so die Fokuspunkte für das rechte und das linke Betrachterauge umschalten. In der Regel wird der Anordnung ein hier nicht dargestelltes Lichtbeeinflussungsmittel für die kontinuierliche Nachführung der Foki auf die Betrachterposition nachgestellt.It is also possible to locally vary the diffraction angles in the
Allgemein kann das Flüssigkristallphasengitter 541 diskrete oder auch kontinuierlich variable Winkel für beispielsweise drei Wellenlängen erzeugen.In general, the liquid crystal phase grating 541 can generate discrete or also continuously variable angles for, for example, three wavelengths.
In der nachfolgenden Feldlinse, die ein dünnes Volumengitter 542 enthalten kann und ein dickes Volumengitter 543 aufweist, wird einer der in das dicke Volumengitter 543 eingeschriebenen Fokusbereiche 1001 - 1005 durch den mit dem Flüssigkristallphasengitter 541 ausgewählten Ablenkwinkel selektiert. Das dünnes Volumengitter 542, falls vorhanden, beugt dabei das Licht, welches vom Flüssigkristallphasengitter 541 kommt, sodass für das mindestens eine dicke Volumengitter 543 ein optimaler bzw. geeigneter Eintrittswinkel entsteht, damit das Licht im Flüssigkristallphasengitter 541 mit hohem Beugungswirkungsgrad gebeugt werden kann.In the subsequent field lens, which can contain a thin volume grating 542 and has a thick volume grating 543, one of the focus areas 1001 - 1005 written in the thick volume grating 543 is selected by the deflection angle selected with the liquid crystal phase grating 541 . The thin volume grating 542, if present, diffracts the light coming from the liquid crystal phase grating 541, so that an optimal or suitable entrance angle is created for the at least one thick volume grating 543, so that the light can be diffracted in the liquid crystal phase grating 541 with high diffraction efficiency.
Ein Lichtbeeinflussungsmittel 600, welches mindestens ein fein strukturiertes steuerbares diffraktives Flüssigkristallphasengitter enthält, dient als Lichtbeeinflussungsmittel zur kontinuierlichen bzw. fein abgestuften Nachführung des ausgewählten Fokusbereiches 1001-1005 auf die Position des selektierten Auges des Betrachters durch die in
In
Die Lichtleiter 260 und 270 sollten vorteilhaft aus einem Material bestehen, dessen Brechkraft sich möglichst wenig von der der zugehörigen Volumengitter 570 und 580 unterscheidet, um Reflexionen an den Grenzflächen zu vermeiden. Eine oder beide Lichtleiter 260 , 270 können auch keilförmig ausgestaltet sein. Sie können jedoch auch aus anderen Materialien bestehen, beispielsweise Luft. In diesem Fall müssen die Grenzflächen gegebenenfalls entspiegelt werden.The light guides 260 and 270 should advantageously consist of a material whose refractive power differs as little as possible from that of the associated
Durch die Volumengitter 570 und 580 erfolgt zugleich eine anamorphotische Vergrößerung des durch die sekundären Lichtquellen 120 erzeugten und dem Linsenfeld 240 kollimierten Beleuchtungswellenfeldes. Dadurch ist es möglich, zur Selektion der in die Volumengitter 570 und 580 eingeschriebenen Hologrammfunktionen Lichtbeeinflussungselemente 550, 560 mit kleiner räumlicher Ausdehnung zu verwenden. Diese lassen sich einfacher und kostengünstiger herstellen als großflächige Anordnungen. Kleinflächige steuerbare Ablenkgitter lassen sich zudem mit kleinerer Gitterkonstante herstellen, wodurch höhere Beugungswinkel generierbar sind.At the same time, the
Im Lichtweg zwischen der Lichtquelle 100 und dem Lichtleiter 260 können sich weitere optische Komponenten wie Lichtleitfasern oder Umlenkspiegel befinden, um eine kompakte Bauform des Gesamtsystems zu ermöglichen.Further optical components such as optical fibers or deflection mirrors can be located in the light path between the
Die
Zwei aufeinander folgende steuerbare Flüssigkristallphasengitter 551 und 552 beeinflussen als vertikale Verschiebeeinheit eine Eingangswellenfront 150 und transformieren sie in eine Ausgangswellenfront 160.Two successive controllable liquid
Im Beispiel der
Beispiel gemäß
Im Beispiel gemäß der
In
Ein von einer Hintergrundbeleuchtungseinheit 300 hinreichend kohärent beleuchteter Phasenmodulator 400, in dem die zu rekonstruierende Szene kodiert ist, erzeugt mit Hilfe einer Strahlvereinigungsoptik 410 eine in Amplitude und Phase räumlich modulierte Wellenfront 450. Durch einen schalt- oder steuerbaren Polarisator 591, der beispielsweise als schaltbare bzw. steuerbare Verzögerungsplatte ausgebildet sein kann, wird das Licht der Wellenfront 450 wahlweise rechts- oder linkszirkular polarisiert auf das nachfolgende Polarisationsgitter 593 gelenkt. Das Polarisationsgitter 593 beugt das Licht entsprechend der Polarisierungsrichtung des einfallenden Lichtes mit hoher Beugungseffektivität entweder in die +1 oder in die -1 Beugungsordnung. Zwischen dem schaltbaren Polarisator 591 und dem Polarisationsgitter 593 kann dabei ein Volumenhologramm 592 angeordnet werden, welches das durch das schaltbare bzw. steuerbare polarisationsverändemde Element durchtretende Licht lokal in eine solche Richtung beugt, dass sie einen geeigneten Eintrittswinkel für das Polarisationsgitter 593 darstellt.A
Ein polarisationsverändemdes Element 594, was ebenfalls schaltbar bzw. steuerbar ausgebildet sein kann, kann hinter dem Polarisationsgitter 593 angeordnet sein, um Licht, welches nicht in die gewünschte Beugungsordnung abgelenkt wird, zu unterdrücken.A polarization-changing
Ein nachfolgendes Lichtbeeinflussungsmittel 600 zur kontinuierlichen bzw. feinstufigen Lichtablenkung lenkt das Licht der modulierten Wellenfront 450 auf die Augen des Betrachters, so dass dieser die rekonstruierte 3D Szene wahrnehmen kann.A subsequent light influencing means 600 for continuous or finely graduated light deflection directs the light of the modulated
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 can 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 593 dargestellt, dessen Gitterperiode lokal kontinuierlich oder in Stufen variiert. Dadurch kann z.B. eine Feldlinsenfunktion realisiert werden. Bei neutraler Stellung des Lichtbeeinflussungsmittels 600 werden so je nach Stellung der schaltbaren bzw. steuerbaren polarisationsbeeinflussenden Elemente 591 bzw. 594 das Licht der Wellenfront 450 auf eine der beiden Sichtbarkeitsbereiche 1001 oder 1002 gelenkt. Eine oder beide schalt- bzw. steuerbare polaristionsbeeinflussende Elemente 591 bzw. 594 können ebenfalls lokal strukturiert und in ein oder zwei Richtungen separat schalt- bzw. steuerbar ausgeführt werden, um Einflüsse des Durchtrittwinkels und/oder des momentanen Wellenlängenbereiches des durchtretenden Lichtes zu kompensieren.In the exemplary embodiment, a passive polarization grating 593 is shown, the grating period of which varies locally continuously or in steps. This allows, for example, a field lens function to be implemented. When the
Es können auch Polarisationsgitter 593 mit einheitlicher Gitterkonstante eingesetzt werden. Diese lenken dass Licht der modulierten Wellenfront 450 je nach Stellung des polarisationsverändemden Elements 591 in eine von zwei Richtungen, die durch die +1 und -1 Beugungsordnung festgelegt ist Die Feldlinsenfunktion kann dann durch zusätzliche passive und/oder aktive optische Elemente, beispielsweise Volumengitter, erreicht werden.It is also possible to use
Durch lokal steuerbare polarisationsverändemde Elemente 591, 594 lassen sich in Stapeln, welche aus solchen Elementen 591, 594 und passiven Polarisationsgittem 593 bestehen, der Einfluss des Ablenkwinkels von Elementen 591, 593, 594 der im Strahlengang davor angeordneten Stapelebenen wellenlängenabhängig auf die Polarisationsänderung im jeweiligen polarisationsbeeinflussenden Element 591, 594 kompensieren. Polarisationsbeeinflussende Elemente 594 und 591, die aufeinander folgen und zu unterschiedlichen benachbarten Stapelebenen angehören, können auch in einem gemeinsamen steuerbaren polarisationsbeeinflussenden Element zusammengefasst werden.With locally controllable polarization-changing
Solche Stapel können eingesetzt werden, um mehr als zwei Fokusbereiche bzw. Ablenkrichtungen zu erzeugen. Vorzugsweise besitzen die Polarisationsgitter 593 in den Stapelebenen an derselben horizontalen und vertikalen Position unterschiedliche Gitterkonstanten und damit unterschiedliche Beugungswinkel, um insgesamt eine möglichst gleichmäßige und möglichst feine Abstufungen zu erreichen, so dass doppelte Fokusbereiche vermieden werden.Such stacks can be used to generate more than two focus areas or deflection directions. The
Durch den Einsatz von Polarisationsgittem 593 mit steuerbarer Gitterperiode kann die Zahl der Schichten in einem solchen Stapel klein gehalten werden.By using
Mit schaltbaren Polarisationsgittem 593 kann zusätzlich die nullte Beugungsordnung genutzt werden.With
Durch eine geeignete Kombination der Schichtdicke und damit der optischen Verzögerung und des Verdrehungswinkels der Flüssigkristallmolekühle können Polarisationsgitter 593 hergestellt werden, die für einen breiten Wellenlängenbereich nahezu einen Beugungswirkungsgrad von 100 % besitzen. Es können auch Stapel von schaltbaren Polarisationsgittem 593 eingesetzt werden, bei denen jedes Element für einen anderen Wellenlängenbereich optimiert ist.By a suitable combination of the layer thickness and thus the optical retardation and the twist angle of the liquid crystal molecules,
So kann bei einem Farbmultiplexbetrieb jeweils nur das für den aktuellen Spektralbereich optimierte Gitter aktiviert werden.In color multiplex operation, only the grating optimized for the current spectral range can be activated.
An Stelle eines Phasenmodulators 400 und einer Strahlvereinigungsoptik 410 kann auch ein komplexwertiger Lichtmodulator verwendet werden. Ebenso ist der Einsatz eines reflektiven Modulators in Verbindung mit einer Vorderseitenbeleuchtung möglich.Instead of a
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, light modulators can also be used which generate the encoded hologram via a scanning device or which contain a number of light modulators. Likewise, a holographic or an autostereoscopic display can also contain several separate light modulator devices that jointly reconstruct a 3D scene or generate 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 300 und Modulationsfehler im Lichtmodulator 400 weitestgehend berücksichtigt und kompensiert werden können. Falls erforderlich können solche Fehler durch Kalibrationsmessungen ermittelt oder aktiv in Echtzeit gemessen werden.In all examples, all active components can be controlled by a system controller based on the positions of the observer's eyes determined by an eye position detection system. B. image errors of optical components, temperature influences and local deviations in the wavefront shape due to brightness deviations in the
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 pointed out that the exemplary embodiments discussed above only serve to describe the teaching claimed, but do not restrict it to the exemplary embodiments.
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