DE102011053037A1

DE102011053037A1 - Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011053037A1
Application number: DE201110053037
Authority: DE
Inventors: Dr. Leister Norbert
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2013-02-28
Also published as: TW201314318A; WO2013030013A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Array von Lichtquellen für ein holografisches Display mit Abbildungselementen und einem Lichtmodulator, in dem die Helligkeit von Rekonstruktionen einer 3D Szene an beliebigen Positionen von Sichtbarkeitsbereichen verbessert werden kann. In der Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtquellenarray sind für jeweils ein Abbildungselement (AE) mindestens zwei Lichtquellen (LQ) angesteuert einschaltbar, mit denen ein Sichtbarkeitsbereich erzeugbar ist, der eine Gesamtintensität (I) aus einer Überlagerung des Intensitätsmaximums einer Beugungsordnung mit einem Teil eines Intensitätsmaximums mindestens einer weiteren Beugungsordnung aufweist, wobei mit diesen Intensitäten am gleichen Ort erzeugte Rekonstruktionen überlagerbar sind, die als eine Rekonstruktion der 3D Szene mit einer der Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich entsprechenden Helligkeit an Positionen von Augenpupillen (AP) zu sehen ist, mit denen die Position der ansteuerbar einzuschaltenden Lichtquellen (LQ) vorgebbar ist. Anwendungsgebiet der Erfindung sind holografische Displays und Anordnungen zur Strahlformung oder Strahlablenkung von Licht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Array von Lichtquellen für ein holografisches Display, das wenigstens Abbildungselemente und einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator aufweist, in den eine zu rekonstruierende 3D Szene kodiert ist, die in einem Sichtbarkeitsbereich heller wahrgenommen werden kann als mit einer vergleichbaren herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtung. Die Erfindung umfasst ebenfalls ein holografisches Display, das die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung aufweist.
Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung sind neben holografischen Displays auch Anordnungen zur Strahlformung oder Strahlablenkung von Licht.
In der Druckschrift WO 2004/044659 (A2) der Anmelderin wird ein holografisches Display zum Rekonstruieren einer 3D Szene mit einem Betrachterfenster, das auch als Sichtbarkeitsbereich bezeichnet werden kann, offenbart. Das holografische Display weist eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle, ein Abbildungsmittel und wenigstens einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator (Spatial Light Modulator, SLM) auf, der mit hinreichend kohärentem Licht beleuchtet werden soll. Eine 3D Szene kann in den steuerbaren räumlichen Lichtmodulator beispielsweise als ein Hologramm eingeschrieben werden. Zum Berechnen von steuerbaren Daten bzw. der Hologrammwerte wird beispielsweise die 3D Szene rechnerisch in viele Objektpunkte zerlegt und für die einzelnen Objektpunkte sogenannte Sub-Hologramme berechnet, deren Amplituden- und/oder Phasenwerte aufaddiert und in den steuerbaren räumlichen Lichtmodulator als Hologrammwerte eingeschrieben bzw. kodiert werden. Die kodierten Amplituden- oder Phasenwerte modulieren das Licht, das als Wellenfront der 3D Szene auf Betrachteraugen geführt wird, mit welchen die erzeugte Rekonstruktion der 3D Szene in einem Sichtbarkeitsbereich wahrgenommen werden kann. Mit diesem Prinzip kann der Sichtbarkeitsbereich für unterschiedliche mögliche Positionen von Betrachteraugen in der Betrachterebene erzeugt werden. Die Helligkeit mit der die Rekonstruktion einer 3D Szene für einen Betrachter wahrnehmbar ist, ist unter anderem davon abhängig, wie viel Lichtintensität in den Sichtbarkeitsbereich gelangt. Hierauf hat beispielsweise die Transmission des räumlichen Lichtmodulators einen Einfluss sowie auch die Eigenschaften der Abbildungselemente der Beleuchtungsvorrichtung bzw. in dem holografischen Display. Für eine vorgegebene Anordnung aus Beleuchtungsvorrichtung, Lichtmodulator und Abbildungselementen kann zum Beispiel diese Helligkeit verändert werden, indem die Intensität der Lichtquellen in der Beleuchtungsvorrichtung verändert wird.
Die Helligkeit der Rekonstruktion kann aber auch für verschobene Augenpositionen innerhalb des Sichtbarkeitsbereiches unterschiedlich wahrnehmbar sein, wenn z.B. die Intensität der rekonstruierten Objektpunkte nicht mit einer vorgegeben Zielintensität der rekonstruierten Objektpunkte an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Sichtbarkeitsbereichs für Betrachteraugen übereinstimmt.
Sogenannte Nachführeinrichtungen (Tracking-Einrichtungen), mit denen ein Sichtbarkeitsbereich für Augenpupillen mindestens eines Betrachters bei dessen Positionswechsel vor einem Display bereit gestellt bzw. erzeugt werden kann, sind z.B. aus der WO 2008/142108 A1 (Electrowetting-Tracking) oder beispielsweise der WO 2006/119920 A1 (Lichtquellentracking) bekannt. Das Bereitstellen des Sichtbarkeitsbereichs an unterschiedlichen Positionen von Augenpupillen wird oft auch als ein „Verschieben“ des Sichtbarkeitsbereichs bezeichnet.
Beim Lichtquellentracking können für eine neu ermittelte Position von Betrachteraugen andere Lichtquellen eingeschaltet werden, die für diese neu ermittelte Position einen neuen Sichtbarkeitsbereich bereitstellen. Dies kann auch als „Verschieben“ von Lichtquellen zu einer neuen Position bezeichnet werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Beleuchtungsvorrichtung, die mindestens eine Lichtquelle und einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator mit einer Pixelmatrix aufweist. Die Pixel des als Shutterdisplay bezeichneten steuerbaren Lichtmodulators können zeilen- und/oder spaltenweise angesteuert eingeschaltet werden, so dass sie für ankommendes Licht transparent sind und sekundäre zeilen- und/oder spaltenförmige Lichtquellen bilden. Mit der Intensität der Lichtquellenbilder der sekundären Lichtquellen kann eine Rekonstruktion erzeugt werden, die mit einer bestimmten Helligkeit zu sehen ist. Wenn die Rekonstruktion heller zu sehen sein soll, muss die Intensität der primären Lichtquellen erhöht werden.
Damit eine möglichst hohe Energieeffizienz einer Beleuchtungsvorrichtung erreicht werden kann, sollten der Abstrahlwinkel und die Form der Lichtquellen und die Form und Ausdehnung von Abbildungselementen zum Abbilden der Lichtquellen so weit wie möglich aufeinander abgestimmt sein. Unter einer Form einer Lichtquelle wird hier beispielsweise näherungsweise eine punktförmige oder eine linienförmige Lichtquelle verstanden. In einem holografischen Display mit einem Lichtquellenarray, das z.B. näherungsweise linienförmige Lichtquellen aufweist, kann ein SLM am effizientesten mit einem Lentikular von Zylinderlinsen beleuchtet werden. In einem holografischen Display mit einem Lichtquellenarray das z.B. näherungsweise punktförmige Lichtquellen aufweist, kann ein SLM am effizientesten mit einem Linsenarray von sphärischen Linsen beleuchtet werden. Linienförmige Lichtquellen werden bevorzugt eingesetzt in Kombination mit einer single-parallax Codierung, im Folgenden 1D-Codierung genannt. Punktförmige Lichtquellen werden bevorzugt mit einer full-parallax Codierung eingesetzt, im Folgenden 2D-Codierung genannt.
Das Erzeugen der Rekonstruktion einer 3D Szene mit einem holografischen Display ist z.B. aus der WO 2004/044659 (A2) bekannt, und ist in 1 anhand eines Objektpunktes vereinfacht dargestellt, der ein Teil einer 3D Szene repräsentieren soll. Um gemäß dem Rekonstruktionsprinzip der WO 2004/044659 (A2) einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator großflächig zu beleuchten, in den eine 3D Szene kodiert ist, kann das holografische Display z.B. eine einzelne Lichtquelle und eine großformatige Linse, oder ein Lichtquellenarray und ein Array von Abbildungselementen aufweisen. Mit dem im steuerbaren Lichtmodulator modulierten Licht werden Rekonstruktionen der 3D Szene und Sichtbarkeitsbereiche in einer Betrachterebene in periodischer Fortsetzung erzeugt.
Die Rekonstruktion der 3D Szene ist mit Augenpupillen in einem Sichtbarkeitsbereich wahrnehmbar, der innerhalb einer einzelnen Beugungsordnung in der Betrachterebene festgelegt wird. Normalerweise wird die Beugungsordnung mit der größten Intensität gewählt, also die 0. Beugungsordnung, so dass die Rekonstruktion mit einer dieser Intensität entsprechenden Helligkeit sichtbar ist.
Entsprechend der in 1 schematisch dargestellten Rekonstruktion beleuchtet ein nahezu kohärentes Lichtbündel einer je Abbildungselement AE eingeschalteten Lichtquelle LQ einen räumlichen Lichtmodulator ME, wobei das Licht von der Pixelmatrix gebeugt wird. In mindestens einem Bereich der Pixelmatrix ist ein Hologramm SH eines Objektpunkts 0 OP kodiert, den das modulierte Licht im Betrachterraum rekonstruiert. In einem Sichtbarkeitsbereich VW ist die Rekonstruktion an der Position einer Augenpupille AP mit einer Helligkeit zu sehen, die von der Intensität des modulierten Lichts der Lichtquelle abhängt. Der Sichtbarkeitsbereich liegt im Intensitätsmaximum der 0. Beugungsordnung, mit der die Rekonstruktion des Objektpunktes 0 OP erzeugt wird. Dessen Rekonstruktion setzt sich periodisch im Betrachterraum mit geringeren Intensitäten fort, entsprechendes gilt für die Fortsetzung der Beugungsordnungen der Lichtquelle in der Betrachterebene. Die mit geringeren Intensitäten der +–1. Beugungsordnungen erzeugten Objektpunkte +1 OP und –1 OP, die mit geringerer Strichstärke dargestellt sind, sind im Sichtbarkeitsbereich mit der Augenpupille AP nicht wahrnehmbar. Im Vergleich zur Rekonstruktion mit der Intensität der 0. Beugungsordnung wären die Objektpunkte +1 OP und –1 PO mit einer geringeren Helligkeit zu sehen, wenn die Augenpupille in der Betrachterebene in der +1. oder –1. Beugungsordnung positioniert wäre. Die Beugungsordnungen sind in der Betrachterebene in 1 mit Doppelpfeilen dargestellt.
Ausgehend vom Intensitätsmaximum der 0. Beugungsordnung einer eingeschalteten Lichtquelle haben die relativen Intensitäten (Nebenmaxima) in den ersten und höheren Beugungsordnungen meist einen zu beiden Seiten abnehmenden Verlauf. Das Intensitätsmaximum von Beugungsordnungen wird im allgemeinen vom Transmissionsverlauf in den Pixeln bestimmt, das heißt also von der Pixelapertur und einer möglichen Änderung der Transmission in der Apertur Auch wenn man den Transmissionsverlauf der Pixel des SLM z.B. mit einer Apodisationsfunktion optimiert, können in der Regel noch Intensitäten mindestens einer weiteren Beugungsordnung größer als Null vorhanden sein. Mit einer Kosinusfunktion apodisierte Pixel können z.B. Intensitäten ab der zweiten Beugungsordnung unterdrücken, verstärken aber die Intensitäten der ersten Beugungsordnungen in der Betrachterebene. Weiterhin führt eine Apodisation häufig dazu, dass die Transmission sinkt und die Intensität der 0. Beugungsordnung und der 1. Beugungsordnungen verringert werden, wodurch die Helligkeit, mit der die Rekonstruktion sichtbar ist, ebenfalls verringert ist. Dadurch kann auch der Kontrast verringert sein, wodurch Details wie beispielsweise Helligkeitsabstufungen in der Rekonstruktion nicht gut zu erkennen sind. Die Intensität im Sichtbarkeitsbereich sollte für die zu rekonstruierenden Objektpunkte einer 3D Szene möglichst groß sein.
Da in der Regel die Intensität bereits zum Rand der zentralen Beugungsordnung hin abnimmt, kann z.B. die Helligkeit der Rekonstruktion unterschiedlich wahrgenommen werden, also z.B. auch abweichend von einer vorgegebenen Zielintensität der Objektpunkte wenn die Position des Betrachterauges innerhalb des Sichtbarkeitsbereiches verschoben wird.
Üblicherweise erfolgt eine Betrachternachführung derart, dass das Zentrum des Sichtbarkeitsbereiches mit der Position einer Augenpupille in Übereinstimmung gebracht wird. Durch Ungenauigkeiten der Nachführung oder durch sehr schnelle Augenbewegungen kann aber der Fall auftreten, dass ein Betrachterauge sich kurzzeitig außerhalb des Zentrums des Sichtbarkeitsbereiches befindet. Daher ist es wünschenswert, wenn für eine solche verschobene Augenposition die Intensität mit der die Rekonstruktion wahrgenommen wird sich nicht ändert.
Beleuchtungsvorrichtungen für holografische Displays zum Erzeugen von Rekonstruktionen dreidimensionaler Szenen können ansteuerbare Lichtquellen aufweisen, die Licht variierbar bis zu einer maximal möglichen Intensität emittieren können. Will man die Helligkeit von Rekonstruktionen z.B. mit Lichtquellen größerer Intensität erhöhen, können Komponenten im holografischen Display durch hohe Wärmeentwicklung in ihrem funktionsgemäßen Gebrauch beeinträchtigt werden.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung anzugeben, mit der die Helligkeit von Rekonstruktionen einer 3D Szene an beliebigen Positionen von Sichtbarkeitsbereichen verbessert werden kann.
Die Erfindung geht aus von einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtquellenarray für ein holografisches Display, das einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator, in den eine 3D Szene einschreibbar ist, sowie Abbildungselemente mit jeweils einer Anzahl von einschaltbaren Lichtquellen aufweist, deren Beugungsordnungen sich in einer Betrachterebene periodisch wiederholen, wobei eine Beugungsordnung mit einem Intensitätsmaximum als Sichtbarkeitsbereich festgelegt ist, in dem eine mit dem Intensitätsmaximum erzeugte Rekonstruktion der 3D Szene sichtbar ist, wobei die Lichtquellen mit Steuerelementen von Steuersystemen abhängig von Positionen von Augenpupillen einschaltbar sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Beleuchtungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und/oder dadurch gelöst, dass für jeweils ein Abbildungselement mindestens zwei Lichtquellen angesteuert eingeschaltet sind, die mit Intensitäten überlagerter Beugungsordnungen einen Sichtbarkeitsbereich erzeugen, der eine Gesamtintensität aus einer Überlagerung eines Intensitätsmaximums einer Beugungsordnung mit einem Teil eines Intensitätsmaximums mindestens einer weiteren Beugungsordnung aufweist, wobei mit diesen Intensitäten am gleichen Ort überlagerbare Rekonstruktionen erzeugbar sind, die als eine Rekonstruktion der 3D Szene mit einer der Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich entsprechenden Helligkeit an Positionen von Augenpupillen zu sehen ist, mit denen die Position der ansteuerbar einzuschaltenden Lichtquellen vorgebbar ist.
Da sich jedes Lichtquellenbild in der Betrachterebene mit Beugungsordnungen periodisch ausbreitet bzw. wiederholt, können Intensitäten von Beugungsordnungen und/oder mindestens Intensitäten von Teilen der Beugungsordnungen von Lichtquellenbildern eingeschalteter Lichtquellen überlagert werden, wenn die Lichtquellen mit vorgegebenen Abständen zueinander steuerbar eingeschaltet werden. Gleichfalls sind mit diesen Intensitäten Rekonstruktionen am gleichen Ort erzeugbar und überlagerbar, wodurch mit überlagerten Intensitäten eine überlagerte Rekonstruktion entsteht, die mit einer erhöhten Helligkeit im Sichtbarkeitsbereich wahrgenommen werden kann. Der Sichtbarkeitsbereich weist die Gesamtintensität der überlagerten Intensitäten auf.
Erfindungsgemäß kann der Sichtbarkeitsbereich an wechselnden Positionen vor dem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator mit variierbaren Abständen oder Abstrahlwinkeln von einzuschaltenden Lichtquellen erzeugt werden. Steuersysteme der Erfindung enthalten beispielsweise Steuerelemente, die erfindungsgemäß derart eingerichtet sind, dass Lichtquellen mit einer vorgebbaren Anzahl, oder/und vorgebbaren Abständen oder einstellbaren Abstrahlwinkeln aktivierbar bzw. deaktivierbar, das heißt einschaltbar oder ausschaltbar sind, die von der Position des zu erzeugenden Sichtbarkeitsbereichs abhängig sind, dessen Position mit Positionsdaten detektierter Augenpupillen vorgebbar ist.
Mit dieser erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung kann für mindestens einen Betrachter im Raum vor z.B. einem holografischen Display mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung an wechselnden Positionen ein Sichtbarkeitsbereich erzeugt werden, in dem eine erzeugte Rekonstruktion wahrnehmbar ist.
Die zu einem Abbildungselement eingeschalteten Lichtquellen können einen Abstand zueinander aufweisen, mit dem die Intensitätsmaxima der Beugungsordnungen der Lichtquellenbilder zum Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs um ein ganzzahliges Vielfaches des Intervalls einer Beugungsordnung versetzt sind, wobei das Intervall eine ganze Zahl größer gleich 1 ist. Somit korrespondiert der Abstand mindestens zweier zu einem Abbildungselement aktivierbaren Lichtquellen beleuchtungsseitig zu dem ganzzahligen Vielfachen des Abstands von Intensitätsmaxima der Beleuchtungsordnungen der Lichtquellenbilder zum Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs abbildungsseitig.
Weiterhin kann die Beleuchtungsvorrichtung Lichtquellen aufweisen, deren Abstände zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs abhängig von einer 1D- oder 2D-Kodierung der 3D Szene in vertikaler oder/und horizontaler Richtung variierbar angesteuert einschaltbar sind. Durch die Wiederholung der Beugungsordnungen der eingeschalteten Lichtquellen sind abhängig von der Methode der Kodierung, z.B. Burckhardt- oder Zweiphasen-Kodierung, im Sichtbarkeitsbereich periodische Wiederholungen von Intensitäten zu überlagern, mit denen eine Rekonstruktion erzeugbar ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Beleuchtungsvorrichtung können vorzugsweise mindestens drei Lichtquellen je Abbildungselement ansteuerbar eingeschaltet sein, wobei das Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs mit einem zusätzlichen Intensitätsanteil von mindestens zwei zusätzlich eingeschalteten Lichtquellen überlagerbar ist, wobei der zusätzliche Intensitätsanteil überlagerte Intensitäten eines Teils einer Beugungsordnung oder der gesamten Beugungsordnung und desselben Teils mindestens einer weiteren Beugungsordnung oder der gesamten Beugungsordnung aufweist. Das Intensitätsmaximum jeweils einer Lichtquelle, vorzugsweise die 0. Beugungsordnung, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Sichtbarkeitsbereich festgelegt.
Einer weiteren Ausbildung der Beleuchtungsvorrichtung kann eine Gesamtintensität eines Sichtbarkeitsbereichs für eine Betrachterebene mit einem programmierten Fernfeldbeugungsmuster vorgebbar sein, für das Lichtquellen je Abbildungselement mit einem programmierten Einschaltmuster von Steuerelementen ansteuerbar einschaltbar sind.
Zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs kann eine Beleuchtungsvorrichtung reelle oder virtuelle ansteuerbar aktivierbare bzw. deaktivierbare Lichtquellen aufweisen, die in einer Matrix angeordnet sein können. Die Lichtausbreitung der eingeschalteten Lichtquellen kann in horizontaler oder vertikaler Richtung mindestens eindimensional steuerbar sein, wobei die 3D Szene mindestens eindimensional horizontal oder vertikal kodiert ist.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein holografisches Display, das eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist. Insbesondere weist das holografische Display eine Matrix von Lichtquellen, sowie Abbildungselemente und einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator auf, in den eine 3D Szene einschreibbar ist, deren erzeugte Rekonstruktion in einem Sichtbarkeitsbereich sichtbar ist, der Intensitäten mindestens zweier unterschiedlicher Beugungsordnungen aufweist, die durch Überlagerung eine Gesamtintensität bilden, mit der eine Rekonstruktion der 3D Szene aus mindestens zweifach überlagerten Rekonstruktionen erzeugbar ist, wobei bei Positionsänderung von Augenpupillen mit Steuersystemen die Position des Sichtbarkeitsbereichs mit einer Anzahl von variierbar vorgebbaren aktivierbaren Lichtquellen je Abbildungselement änderbar ist.
Das holografische Display kann weiterhin derart ausgestaltet sein, dass die Lichtquellen mit Abständen und/oder Abstrahlwinkeln zueinander variierbar ansteuerbar einschaltbar sind, wobei die Ansteuerung von Lichtquellen bezogen auf jeweils eine Position von Augenpupillen in einer beliebigen Betrachterebene vor dem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator zum Erzeugen eines jeweiligen Sichtbarkeitsbereichs erfolgt. Die Sichtbarkeitsbereiche sind üblicherweise in verschiedenen Betrachterebenen innerhalb eines vorgegebenen Tiefenbereichs bzw. eines Abstandsbereichs vom steuerbaren räumlichen Lichtmodulator bzw. vom holographischen Display erzeugbar, der beispielsweise zwischen 70 und 120 cm liegen kann.
Bei regelmäßiger Anordnung der Pixel, d.h. des Mitte-Mitte-Abstands zweier unmittelbar benachbarter Pixel (im folgenden Pixelpitch genannt), ist der Abstand der Beugungsordnungen in der Betrachterebene normalerweise proportional zum Reziproken des Pixelpitchs der Pixelmatrix. Weiterhin ist der Abstand der Beugungsordnungen zueinander proportional zum Abstand zwischen Betrachterebene und Lichtmodulator. Um Rekonstruktionsfehler beim Rekonstruieren der 3D Szene bzw. eines Objektpunktes möglichst klein zu halten wird die Größe des Sichtbarkeitsbereichs innerhalb einer Beugungsordnung etwas größer als der Durchmesser einer Augenpupille vorgegeben. Der Pixelpitch des Lichtmodulators wird üblicherweise diesen Anforderungen, also der Größe des Sichtbarkeitsbereiches gemäß, gewählt. Für Abstände von Betrachterebenen zum Lichtmodulator von ca. 70–120 cm sollte der Pixelpitch der Pixelmatrix beispielsweise einen Wert zwischen 30 µm und 50 µm betragen.
Das holografische Display kann ein Lentikulararray mit Abbildungselementen aufweisen, denen jeweils Lichtquellen zugeordnet sein können, die zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs variierbar ansteuerbar einschaltbar sind, wobei eine 3D Szene im steuerbaren räumlichen Lichtmodulator vorzugsweise eindimensional kodiert eingeschrieben ist.
Wahlweise kann das holografische Display auch eine zweidimensionale Anordnung von sphärischen Abbildungselementen aufweisen denen jeweils Lichtquellen zugeordnet sein können, die zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs variierbar ansteuerbar einschaltbar sind, wobei eine 3D Szene im steuerbaren räumlichen Lichtmodulator vorzugsweise zweidimensional kodiert eingeschrieben ist.
Eine weitere Ausgestaltung eines holografischen Displays kann eine Beleuchtungsvorrichtung enthalten, deren Lichtquellen für unterschiedliche Wellenlängen des zur Rekonstruktion der 3D Szene verwendeten Lichts an unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Abstrahlwinkeln angesteuert einschaltbar sind.
Eine Lichtquelle kann im Sinne dieses Dokumentes als hinreichend kohärent angesehen werden, wenn ihr Licht soweit räumlich kohärent ist, dass es interferenzfähig ist, so dass zumindest eine eindimensionale oder eine zweidimensionale holografische Rekonstruktion eine hinreichend hohe Auflösung aufweisen kann. Diese Anforderungen erfüllen auch konventionelle Lichtquellen, deren Licht durch einen hinreichend engen Spalt strahlt. Eine linienförmige Lichtquelle kann senkrecht zu ihrer Länge als punktförmig angesehen werden. Das Licht ist dann in dieser Richtung kohärent und senkrecht dazu inkohärent. Um eine zeitliche Kohärenz zu gewährleisten, muss das Spektrum der Lichtquelle genügend schmalbandig sein.
Die Farbinformation kann monochromatisch, zeitsequentiell oder durch Filtermittel räumlich in spektrale Anteile zerlegt werden. Matrixförmig angeordnete, elektronisch steuerbare Pixel, in denen z.B. ein Hologramm der 3D Szene bzw. eines Objektpunktes kodiert sein kann, modulieren bei Ansteuerung die Amplitude und/oder Phase des interferenzfähigen Lichts.
Ein holografisches Display für die Rekonstruktion einer farbigen 3d Szene kann zum Beispiel rote, grüne und blaue Lichtquellen verwenden um zeitsequentiell rote, grüne und blaue Hologramme anzuzeigen. Die Erfindung kann auf ein solches Display angewendet werden, indem sinngemäß für jede einzelne Farbe die Intensitäten von Beugungsordnungen mehrer Lichtquellen dieser Farbe überlagert werden.
Die Erfindung kann z.B. in einem holografischen Display eingesetzt werden, in dem die Lichtquellen, bezogen auf jeweils ein Abbildungselement, für wechselnde Positionen von Augenpupillen in unterschiedlichen Kombinationen von Positionen und/oder Anzahl zueinander ansteuerbar einschaltbar sind.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten abhängigen Patentansprüche und auf die Erläuterungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen verwiesen.
In den Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung
1 in Draufsicht eine vereinfacht dargestellte Rekonstruktion eines Teils einer 3D Szene mit einer Lichtquelle, nach dem Stand der Technik,
2 in Draufsicht eine vereinfacht dargestellte Rekonstruktion eines Teils einer 3D Szene gemäß der Erfindung,
2a ein Ausführungsbeispiel zum Erzeugen von Beugungsordnungen zweier Lichtquellenbilder in einer Abbildungsebene,
2b ein Ausführungsbeispiel der Rekonstruktion eines Objektpunktes, mit einem Sichtbarkeitsbereich mit überlagerten Fernfeldbeugungsmustern, gemäß der Erfindung,
3 ein Diagramm von überlagerten Intensitätsverläufen in einem Sichtbarkeitsbereich, der überlagerte Beugungsordnungen dreier Lichtquellen aufweist, gemäß der Erfindung,
4 ein Ausführungsbeispiel einer Rekonstruktion eines Teils einer 3D Szene, die mit einem Burckhardt Hologramm kodiert ist, und
5 ein Beispiel zum Ermitteln der Positionen von einzuschaltenden Lichtquellen der Beleuchtungsvorrichtung von 4.
In den 1 bis 5 sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet worden.
Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf Beleuchtungsvorrichtungen, die z.B. reelle oder virtuelle Lichtquellen aufweisen können, die auch sekundäre Lichtquellen sein können. Sekundäre Lichtquellen sind beispielsweise ansteuerbare Öffnungen eines Shutterdisplays, welche z.B. mit einem Array von konventionellen Lichtquellen flächig beleuchtet werden. Eine reale näherungsweise punktförmige Lichtquelle kann beispielsweise ein Laser sein.
Die Erfindung nutzt die Beugung von Licht an einer Matrix von Öffnungen, die ein steuerbarer Lichtmodulator in einer Beleuchtungsvorrichtung sein kann, wobei Intensitäten von Beugungsordnungen sich in einer Betrachterebene periodisch wiederholen. An der Position einer Augenpupille wird ein Intensitätsmaximum einer Beugungsordnung einer ersten Lichtquelle als Sichtbarkeitsbereich festgelegt. Die Größe eines Sichtbarkeitsbereichs ist durch den Pixelpitch p des verwendeten steuerbaren räumlichen Lichtmodulators, durch die Wellenlänge λ des verwendeten Lichts und durch den Abstand D der Augenposition eines Betrachters zu den Pixeln der Pixelmatrix des Lichtmodulators mit SB = λ/pD definiert.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mit einer Beleuchtungsvorrichtung einen Sichtbarkeitsbereich mit einer Überlagerung von Intensitäten unterschiedlicher Beugungsordnungen oder mindestens Teilen von Intensitäten dieser Beugungsordnungen mehrerer eingeschalteter Lichtquellen zu erzeugen. Die Positionen der Lichtquellen zueinander können von Steuerelementen variierbar eingeschaltet werden, um an vorgegebenen Positionen von Augenpupillen in unterschiedlichen Betrachterebenen einen Sichtbarkeitsbereich zu erzeugen. Für jeweils ein Abbildungselement können mindestens zwei Lichtquellen steuerbar eingeschaltet werden, deren Beugungsordnungen im Sichtbarkeitsbereich eine Gesamtintensität aufweisen, die aus einer Überlagerung von mindestens zwei unterschiedlichen Intensitäten besteht. Diese Intensitäten können das Intensitätsmaximum einer Beugungsordnung einer ersten Lichtquelle und das Intensitätsmaximum/ die Intensitätsmaxima mindestens einer weiteren Beugungsordnung mindestens einer zweiten eingeschalteten Lichtquelle sein. Vorzugsweise sind die Intensitäten weiterer Beugungsordnungen eingeschalteter Lichtquellen jeweils mit dem Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs zu überlagern. Da Intensitäten von mindestens zwei Beugungsordnungen zu einer Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich überlagerbar sind, können mindestens zwei erzeugte Rekonstruktionen der 3D Szene am gleichen Ort mit unterschiedlichen Intensitäten zu einer Rekonstruktion überlagert werden. Diese Rekonstruktion kann mit einer Helligkeit wahrgenommen werden, die der Gesamtintensität bzw. den überlagerten Intensitäten im Sichtbarkeitsbereich entspricht.
Der Begriff Helligkeit versteht sich allgemein als Intensität der auf einen Beobachter wirkenden Strahlung. Helligkeit ist die Wahrnehmung der Intensität von Licht.
Mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung kann ein sogenanntes Lichtquellentracking dreidimensional ausgeführt werden. Eine Rekonstruktion einer 3D Szene können mehrere Betrachter sehen, wenn Rekonstruktionen z.B. sequentiell für Betrachteraugen unterschiedlicher Betrachter erzeugt werden können. Die Betrachter sollten sich in einem Bereich oder in unterschiedlichen Ebenen eines Betrachterraums aufhalten, dessen Größe von technischen Parametern eines holografischen Displays vorgebbar ist. Die Erfindung ist aber auch für andere Trackingverfahren anwendbar, z.B. für Abbildungselemente, die mit Elektrowettingzellen Licht zu Augenpupillen führen sollen.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung werden entsprechend den Darstellungen der 2 bis 5 näher beschrieben. Das Intensitätsmaximum der 0. Beugungsordnung einer ersten Lichtquelle soll stets als Sichtbarkeitsbereich nutzbar sein. Eine Beleuchtungsvorrichtung soll beispielsweise mit reellen oder virtuellen Lichtquellen ausführbar sein, wobei pro Abbildungselement die Anzahl der Lichtquellen LQ, LQ1 bis LQn betragen kann. Anstelle einer rekonstruierten 3D Szene ist schematisch ein einzelner rekonstruierter Objektpunkt in den Figuren dargestellt. Unter der Rekonstruktion eines Objektpunkts ist in der Beschreibung gleichfalls eine Rekonstruktion einer 3D Szene zu verstehen.
In 2 ist in Draufsicht eine Beleuchtungsvorrichtung mit eingeschalteten Lichtquellen LQ1, LQ2 und LQ3, sowie einem Abbildungselement AE und einem Sichtbarkeitsbereich VW dargestellt. Ein Objektpunkt OP2, der beispielhaft einen Teil einer 3D Szene repräsentieren soll, ist in mindestens einem Bereich eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators ME mit einem Hologramm SH kodiert. Der Lichtmodulator und die Lichtquellen LQ1, LQ2, LQ3 sind mit Steuerelementen CE verbunden, die von Steuersystemen steuerbar sind. Beispielsweise sind drei Lichtquellen LQ1, LQ2, LQ3 eingeschaltet, die bei Ansteuerung mit einem Abbildungselement AE in eine Betrachterebene abgebildet werden sollen, in der sich moduliertes Licht mit Beugungsordnungen der drei Lichtquellen mit periodischen Wiederholungen fortsetzt. Die Lichtquellen LQ1, LQ2 und LQ3 weisen Positionen zueinander auf, mit denen die Intensitäten der Beugungsordnungen dieser Lichtquellen Überlagerungen bilden können. Mit der 0. Beugungsordnung der mittleren Lichtquelle LQ2 wird der Sichtbarkeitsbereich normalerweise vorgegeben, da diese Beugungsordnung die größte Intensität (das Intensitätsmaximum) aufweist. Die Intensitäten –1 LQ1 der minus ersten Beugungsordnung der Lichtquelle LQ1 und +1 LQ3, der plus ersten Beugungsordnung der Lichtquelle LQ3 sind im Sichtbarkeitsbereich mit der Intensität 0 LQ2 der nullten Beugungsordnung der Lichtquelle LQ2 zu einer Gesamtintensität überlagerbar. Die Überlagerung der Intensitäten der drei Lichtquellen setzt sich in weiteren Beugungsordnungen außerhalb des Sichtbarkeitsbereiches in der Betrachterebene fort.
Im Sichtbarkeitsbereich wird das Intensitätsmaximum der 0. Beugungsordnung der Lichtquelle LQ2 mit einer Intensität der +1. Beugungsordnung der Lichtquelle LQ3 und einer Intensität der –1. Beugungsordnung der Lichtquelle LQ1 überlagert. Die periodischen Wiederholungen der Intensitäten von Beugungsordnungen treten sowohl bezüglich der Betrachterebene als auch der Rekonstruktion des Objektpunktes auf, z.B. in Form der Objektpunkte OP1, OP3. Werden je Abbildungselement die Positionen oder Abstrahlwinkel einer Anzahl einzuschaltender Lichtquellen so angesteuert, dass Intensitäten von Beugungsordnungen überlagerbar sind, dann sind sowohl im Sichtbarkeitsbereich Intensitäten überlagerbar als auch mit den Intensitäten erzeugte Rekonstruktionen. Eine Rekonstruktion des Objektpunktes OP2 weist daher drei am gleichen Ort überlagerte Rekonstruktionen auf, jeweils eine Rekonstruktion von jeder Lichtquelle LQ1, LQ2 und LQ3, die mit unterschiedlichen Intensitäten am gleichen Ort erzeugbar sind. Das gleiche gilt für andere Objektpunkte einer 3D Szene OP1 und OP3.
Die Augenpupille AP kann eine Rekonstruktion einer 3D Szene mit einer entsprechenden Helligkeit im Sichtbarkeitsbereich wahrnehmen, die der Gesamtintensität der überlagerten Rekonstruktionen entspricht.
Bevorzugt werden Lichtquellen verwendet, die zwar jede für sich hinreichend kohärentes Licht ausstrahlen, wobei aber die verschiedenen Lichtquellen zueinander nicht kohärent sind. Dann addieren sich die Intensitäten der jeweiligen Beugungsordnungen der einzelnen Lichtquellen im Sichtbarkeitsbereich auf. Ein Betrachter mit seinem Auge im Sichtbarkeitsbereich sieht dann eine entsprechend hellere Rekonstruktion als das bei einer einzelnen Lichtquelle der Fall wäre. Dieses Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsvorrichtung kann in einem holografischen Display angewandt werden, bei welchem in den räumlichen Lichtmodulator ein entsprechend berechnetes Hologramm einer 3D Szene mit komplexen Werten kodiert wird und bei welchem die Rekonstruktion der 3D Szene Überlagerungen von drei Rekonstruktionen aufweist. Die so rekonstruierte 3D Szene ist mit einer Helligkeit im Sichtbarkeitsbereich wahrnehmbar, die der überlagerten Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich entspricht. Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird später anhand einer Burckhardt-Kodierung mit 4 und 5 beschrieben.
Die 2a zeigt zwei eingeschaltete Lichtquellen LQ1, LQ2 und ein Abbildungselement AE, mit dem die Lichtquellen LQ1, LQ2 in eine Abbildungsebene abgebildet werden, wobei das Licht an einer Matrix GI von regelmäßig ausgerichteten Öffnungen gebeugt wird, so dass Lichtquellenbilder in periodischer Fortsetzung in der Abbildungsebene entstehen. Die Matrix GI wirkt wie ein Beugungsgitter mit einer Vielzahl von Öffnungen, die in ihrer Anordnung einer Pixelstruktur eines SLM entsprechen, in den keine komplexen Werte einer 3D Szene eingeschrieben sind.
Die Lichtquellen sind mit einem vorgebbaren Abstand zueinander und/oder mit einem vorgebbaren Abstrahlwinkel eingeschaltet, so dass die Intensitäten der Lichtquellenbilder in der Abbildungsebene zueinander versetzt und überlagerbar sind. Im Beispiel sind die Intensitäten um eine Beugungsordnung zueinander versetzt. Es können weitere Lichtquellen je Abbildungselement mit vorgebbaren Kombinationen von Abständen und/oder Abstrahlwinkeln eingeschaltet werden, so dass in verschiedenen Betrachterebenen Überlagerungen mit weiteren Intensitäten der weiteren eingeschalteten Lichtquellen entstehen können.
2b zeigt in vereinfachter Darstellung eine Beleuchtungsvorrichtung mit zwei Lichtquellen LQ1, LQ2 für z.B. ein holografisches Display. Lichtquellen LQ1, LQ2 eines Lichtquellenarrays, die mit Steuerelementen CE einschaltbar sind, sind einem Abbildungselement AE zum Abbilden der Lichtquellen LQ1, LQ2 zugeordnet. Die Lichtquellen LQ1, LQ2 im Array weisen zweidimensionale Daten auf, mit denen ihre Positionen im Array bestimmt werden können. Mit den Positionsdaten können die Lichtquellen für eine ermittelte Position von Augenpupillen angesteuert eingeschaltet werden.
Die Lichtquelle LQ1 soll mittig zur optischen Achse des Abbildungselements AE angeordnet sein, die Lichtquelle LQ2 ist dazu um einen Abstand d versetzt angeordnet. Bei Ansteuerung der Lichtquellen LQ1, LQ2 beleuchtet das Licht einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator ME, in den ein Hologramm SH für einen Objektpunkt als Teil einer 3D Szene eingeschrieben ist. Das Steuerelement CE steuert auch den Lichtmodulator ME an bzw. schreibt das Hologramm SH in den steuerbaren räumlichen Lichtmodulator ME ein. Anstelle der Lichtquellenbilder von 2a entstehen in einer Betrachterebene, die in 2a die Abbildungsebene ist, Intensitätsverteilungen IV1, IV2 von Beugungsordnungen des eingeschriebenen Hologramms SH, mit denen ein Sichtbarkeitsbereich an der Position einer Augenpupille AP erzeugbar ist. Die Betrachterebene ist das Fernfeld der Lichtquellen, so dass die Intensitätsverteilungen IV1, IV2 auch als Fernfeldbeugungsmuster bezeichnet werden.
Sind beide Lichtquellen LQ1, LQ2 angesteuert eingeschaltet, so wird der Sichtbarkeitsbereich an der Augenpupille AP mit einer Gesamtintensität erzeugt, welche das Intensitätsmaximum der 0. Beugungsordnung der ersten Lichtquelle LQ1 aufweist, das mit einem Teil der Intensität der +1. Beugungsordnung der zweiten Lichtquelle LQ2 überlagert ist.
Im Sichtbarkeitsbereich ist mit der Augenpupille AP eine Rekonstruktion des Objektpunktes OP1 sichtbar, die eine Überlagerung der mit der Intensität der 0. Beugungsordnung und der +1. Beugungsordnung erzeugten Rekonstruktionen ist. Mit einer Überlagerung der Intensitäten im Sichtbarkeitsbereich ist der Objektpunkt OP1 mit einer Helligkeit zu sehen, die der Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich äquivalent ist. Durch diese Überlagerung kann die Gesamthelligkeit einer Rekonstruktion im Vergleich zur Verwendung nur einer Lichtquelle je Abbildungselement AE gesteigert werden.
Es können ohne weiteres, je nach Breite des Abbildungselements AE, mehr als zwei Lichtquellen je Abbildungselement zum Erzeugen einer Rekonstruktion angesteuert eingeschaltet sein. Die einzuschaltenden Lichtquellen können auch einen derartigen Abstand zueinander aufweisen, dass Lichtquellenbilder in der Betrachterebene um beispielsweise 2 oder 3 oder eine andere Zahl von Beugungsordnungen zueinander versetzt sind. Die Positionen anzusteuernder Lichtquellen können entsprechend einer aktuellen Position von Augenpupillen zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs softwaremäßig programmiert in Speichermitteln vorliegen. Weiterhin können im Ausführungsbeispiel die Lichtquellen zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs an Positionen variierbar angesteuert geschaltet werden, die abhängig von einer 1D- oder 2D-Kodierung der 3D Szene in vertikaler oder/und horizontaler Richtung sind.
Das Ermitteln eines Abstandes d der einzuschaltenden Lichtquellen zueinander bzw. der Position der einzuschaltenden Lichtquellen wird nachfolgend beschrieben. Die Größe des Sichtbarkeitsbereichs, in dem die 3D Szene rekonstruiert wird, war oben mit SB = λ/pD definiert worden. Eine Beugungsordnung des Lichtmodulators ME hat dann im Abstand D die Ausdehnung D·λ/p.
Nach dem Stand der Technik wird bei einem holografischen Display mit mindestens Lichtquellenarray, Abbildungselementen und SLM die Lichtquelle in die Betrachterebene abgebildet. Weitere einzuschaltende Lichtquellen sind gemäß der Erfindung so anzuordnen, dass ihr Lichtquellenbild in der Betrachterebene um ein ganzzahliges Vielfaches eines Intervalls der Ausdehnung der Beugungsordnung der Pixelmatrix verschoben ist, also um N·D·λ/p, wobei N eine ganze Zahl ist.
Gemäß der geometrischen Optik gilt für die Lichtquelle und das Abbildungselement eine Abbildungsgleichung. Die Vergrößerung einer Linse ist allgemein definiert als der Faktor Bildweite BW durch Gegenstandsweite GW. Damit die Lichtquellenbilder in der Betrachterebene für zwei Lichtquellen also um N·D·λ/p gegeneinander versetzt werden können, müssen die Lichtquellen zueinander einen lateralen Abstand GW/BW·N·D·λ/p aufweisen. In der Regel befindet sich das Abbildungselement nah am Lichtmodulator ME, dann ist die Bildweite BW ungefähr gleich dem Betrachterabstand D, und die Gleichung vereinfacht sich zu N·GW·λ/p für den Abstand zweier einzuschaltender Lichtquellen je Abbildungselement. Der Abstand der Lichtquellen zueinander hängt weiterhin von der Lichtwellenlänge ab. Für ein holografisches Farbdisplay müssten zum Rekonstruieren einer hellen 3D Szene unterschiedliche Abstände für rote, grüne und blaue Lichtquellen gewählt werden.
Im Allgemeinen kann ein steuerbarer räumlicher Lichtmodulator auch rechteckige Pixel mit einem unterschiedlichen Pixelpitch in horizontaler und vertikaler Richtung aufweisen. Dann ist in obigen Gleichungen wahlweise für p ein horizontaler oder ein vertikaler Pitch einzusetzen, um horizontale oder vertikale Abstände der Lichtquellen zu ermitteln.
Die Lichtquellen des Arrays können vertikal übereinander angeordnet werden, um das Übersprechen anderer Beugungsordnungen in ein Nachbarauge des Betrachters nicht zu erhöhen. Bei einer 2D Kodierung ist eine Ansteuerung der Lichtquellen in zwei Dimensionen, z.B. in der Form eines Kreuzes, vorteilhaft.
Wird das Array von Lichtquellen in Kombination mit einem Lentikular von übereinander angeordneten Linsen benutzt, können für jedes Abbildungselement, also für jede Linse des Lentikulars, mehrere Lichtquellen wenigstens vertikal angesteuert eingeschaltet werden. Für jedes Abbildungselement sind mindestens zwei Lichtquellen vertikal übereinander oder horizontal nebeneinander angesteuert einschaltbar, wobei Pixelspalten oder Pixelzeilen eines Shuttersdisplays als streifenförmige sekundäre Lichtquellen ansteuerbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltung sind Lichtquellen für jede Linse des Lentikulars ansteuerbar, die horizontal und vertikal in Form eines Kreuzes angeordnet sind.
Beispielsweise kann die Beleuchtungsvorrichtung Lichtquellen mit einer regelmäßigen Anordnung aufweisen. Sie kann zum Beispiel ein Lichtquellenarray mit vorteilhafterweise streifenförmigen oder punktförmigen Lichtquellen aufweisen. Streifenförmige Lichtquellen können durch spalten- oder zeilenweise Ansteuerung der Lichtquellen je Abbildungselement für eine streifenförmige Beleuchtung formiert werden, wenn ein optisches Abbildungsmittel mit streifenförmigen Abbildungselementen, wie z.B. ein Lentikular, im Strahlengang verwendet werden soll. Die Abbildungselemente sollen mit einer vorgegebenen Anzahl einzelner Lichtquellen z.B. einen Sichtbarkeitsbereich an unterschiedlichen Positionen bilden können. Das Hologramm eines zu rekonstruierenden Objektpunktes kann bei Betrachternachführung wahlweise ortsfest kodiert bleiben oder neu kodiert werden. Da die Position des zu rekonstruierenden Objektpunktes abhängig von der Position der Augenpupille wechseln kann, sollen Intensitäten mindestens zweier Beugungsordnungen der eingeschalteten Lichtquellen, die einem Abbildungselement zugeordnet sind, an dieser Augenposition überlagert werden können. Die zum Rekonstruieren des Objektpunktes festgelegte Beugungsordnung für eine der Lichtquellen weist bevorzugt die größte Intensität für die erzeugte Rekonstruktion auf im Vergleich zu anderen Beugungsordnungen. Der Überlagerung der Rekonstruktion mehrer Lichtquellen entspricht eine Addition der Intensitäten am gleichen Ort.
Da Intensitäten von mindestens zwei Beugungsordnungen zu einer Gesamtintensität am Ort des Sichtbarkeitsbereichs überlagerbar sind, können mit diesen Intensitäten am gleichen Ort mindestens zwei Rekonstruktionen der 3D Szene erzeugt und überlagert werden, die mit der Gesamtintensität des Sichtbarkeitsbereichs als eine erzeugte Rekonstruktion der 3D Szene mit entsprechender Helligkeit in der Augenpupille wahrnehmbar ist. Diese Rekonstruktion der 3D Szene kann im Sichtbarkeitsbereich mit einer Helligkeit wahrgenommen werden, die der Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich entspricht.
3 zeigt in einem Diagramm die Intensitätsverteilungen der Beugungsordnungen der Lichtquellenbilder von drei eingeschalteten Lichtquellen einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung, sowie die Einhüllende bzw. deren Überlagerung der Intensitäten im Fernfeld, das dem Ort des Sichtbarkeitsbereichs VW entspricht.
Die Einhüllende ist für ein einzelnes Pixel mit einem Füllfaktor bzw. einer Apertur von 70 % des Pixelpitches in einer Richtung und mit einem Transmissionsverlauf eines rechteckigen Pixels angegeben. Die Grafik bezieht sich auf die in 2 gezeigten drei Lichtquellen LQ1, LQ2, LQ3. Die Grenzen des Sichtbarkeitsbereichs VW, der auf eine Beugungsordnung festgelegt ist, sind in 3 mittig zur 0. Beugungsordnung mit vertikalen Linien angegeben. Die Intensitätsmaxima der drei Intensitätserteilungen I1, I2, I3 der Lichtquellen LQ1, LQ2, LQ3 sind annähernd gleich groß und im Abstand einer Beugungsordnung zueinander versetzt dargestellt. Das Intensitätsmaximum zweier Lichtquellen LQ1, LQ3 liegt jeweils außerhalb des Sichtbarkeitsbereichs.
Die kombinierte Kurve der Einhüllenden zeigt eine vorteilhafte Erhöhung der Intensitäten zu einer Gesamtintensität (eine im Mittel über den Sichtbarkeitsbereich um 50% erhöhte Gesamtintensität), sowie einen über den Sichtbarkeitsbereich gleichmäßigeren Verlauf der Gesamtintensität im Vergleich zu der Einzelintensität I2 von der Lichtquelle LQ2.
Die Einhüllenden gibt die Gesamtintensität aus drei inkohärent addierten Intensitäten I1, I2, I3 von eingeschalteten Lichtquellen LQ1, LQ2, LQ3 an. Gemäß der Grafik weist der Sichtbarkeitsbereich bei drei eingeschalteten Lichtquellen LQ1, LQ2, LQ3 (also 300 % Intensität der Lichtquellen) eine Gesamtintensität von insgesamt 150 % im Vergleich zur Intensität einer einzelnen Lichtquelle auf. Die Effizienz der Leistung der eingeschalteten Lichtquellen nimmt zwar ab, jedoch erhöht sich die Helligkeit einer Rekonstruktion einer 3D Szene, die im Sichtbarkeitsbereich mit einer Augenpupille wahrnehmbar ist.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein holografisches Display, das eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtquellenarray gemäß Anspruch 1, sowie Abbildungselemente und einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator ME aufweist, in den ein Hologramm einer 3D Szene eingeschrieben werden kann, die in einem Sichtbarkeitsbereich mit mindestens zwei überlagerten Rekonstruktionen mit einer Gesamtintensität erzeugbar ist, die aus addierten Intensitäten mindestens zweier überlagerter Beugungsordnungen von Lichtquellenbildern eingeschalteter Lichtquellen resultiert, wobei zur Positionsänderung des Sichtbarkeitsbereichs eine Anzahl von Lichtquellen je Abbildungselement mit Steuersystemen variierbar vorgebbar aktivierbar bzw. deaktivierbar ist. Der steuerbare räumliche Lichtmodulator weist vorzugsweise eine Pixelmatrix auf.
Die Abbildungselemente können eine regelmäßige Linsenanordnung eines Linsenarrays sein. Die Steuersysteme enthalten Steuerelemente, mit denen z.B. die Lichtquellen der Beleuchtungsvorrichtung zum Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereichs ansteuerbar sind, oder Steuerelemente, mit denen die Lichtmodulation eines Lichtmodulators steuerbar ist. Die Positionsverfolgung von Betrachteraugen kann kontinuierlich durchgeführt werden, um einen Sichtbarkeitsbereich für aktuell erfasste Positionen von Augenpupillen ständig erzeugen zu können.
Ein Positionsfinder erfasst die Positionsdaten der Augenpupillen eines Betrachters. Die Steuersysteme senden und empfangen Daten zu und von den Steuerelementen der einzelnen Displaykomponenten unter Nutzung von Erfassungs- und Regelungssystemen des holografischen Displays.
Reelle oder virtuelle Lichtquellen, die nebeneinander in horizontaler oder/und vertikaler Richtung einzeln steuerbar einschaltbar sind, und die einem Abbildungselement zugeordnet sind, können z.B. eindimensional bezüglich ihres lateralen Abstands zueinander bzw. des Abstrahlwinkels, in dem sie den steuerbaren Lichtmodulator beleuchten, so kombiniert werden, dass die den einzelnen Lichtquellen zugeordneten Beugungsordnungen in einer Betrachterebene um ein ganzzahliges Vielfaches – eine ganze Zahl mit Betrag größer gleich 1 – des Intervalls einer einzelnen Beugungsordnung zueinander versetzt sind.
Soll mit dem holografischen Display eine 3D Szene, die aus mindestens einem Objektpunkt besteht, rekonstruiert werden, sind zunächst die Positionen der Augenpupillen zu ermitteln, um für diese Positionen einen Sichtbarkeitsbereich zu erzeugen. Von einem Positionserfassungssystem, das ständig die Position von Augenpupillen erfasst, übermittelt an Steuersysteme die Positionsdaten, mit denen Steuerelemente in der Beleuchtungsvorrichtung in einem Lichtquellenarray eine vorgegebene Anzahl von Lichtquellen einschalten. Mit den Steuerelementen werden mit einem Softwareprogramm die Lichtquellen je Abbildungselement eingeschaltet, mit denen für die Position der Augenpupille der Sichtbarkeitsbereich mit jeweils einem Intensitätsmaximum erzeugt werden kann, wobei die Intensitäten zum Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene überlagert werden. Die Intensität des Sichtbarkeitsbereichs wird mit Intensitäten eingeschalteter Lichtquellen je Abbildungselement im Sichtbarkeitsbereich zu einer Gesamtintensität überlagert. Das Licht der Lichtquellen wird mit dem steuerbaren Lichtmodulator mit dem Hologramm der kodierten 3D Szene beeinflusst, wodurch eine Rekonstruktion der 3D Szene erzeugbar ist, zu der mit den einzelnen Intensitäten erzeugte Rekonstruktionen überlagerbar sind.
Bei Positionswechsel des Betrachters werden mit den Steuersystemen, abhängig von den übermittelten Positionsdaten des Betrachters, Lichtquellen derart angesteuert, dass mit neuen Steuerwerten eine Rekonstruktion der 3D Szene an der Position eines neu erzeugten Sichtbarkeitsbereichs zu sehen ist. Die Positionen der einzuschaltenden Lichtquellen sind so auszuwählen, dass Intensitäten mindestens eines Teils einer Beugungsordnung einer ersten Lichtquelle mit mindestes eines Teils einer weiteren Beugungsordnung mindestens einer zweiten Lichtquelle, sowohl für die Rekonstruktion des Objektpunktes als auch im Sichtbarkeitsbereich der Betrachterebene überlagerbar sind.
Die Erfindung ist wahlweise in holografischen Displays mit unterschiedlichen Arten von Lichtmodulatoren (zum Beispiel Amplituden- oder Phasenmodulator) und unterschiedlichen Kodierverfahren anwendbar, wie z.B. mit einer Kodierung von komplexen Werten, einer Phasenkodierung, einer Burckhardt Kodierung etc.. Bei den Kodierverfahren ist zu beachten, dass die versetzt zueinander liegenden Beugungsordnungen in der Betrachterebene im Sichtbarkeitsbereich miteinander überlagerte periodische Wiederholungen mit einer modulierten 3D Szene aufweisen, und nicht solche Bereiche, mit denen z.B. bei der Burckhardt Kodierung räumlich invertierte Rekonstruktionen erzeugt werden.
Die Burckhardt Kodierung wird anhand von 4 und 5 erläutert. In 4 ist schematisch ein steuerbarer Lichtmodulator ME dargestellt, in den ein mit einer einzelnen Lichtquelle LQ beleuchtetes Hologramm SH einer 3D Szene kodiert ist. Bei der Burckhardt Kodierung wird ein komplexer Wert in jeweils drei Pixel des Lichtmodulators in Form von Amplitudenwerten kodiert.
Das mit dem Hologramm SH modulierte Licht wird auf eine Position fokussiert, an der in 4 ein Objektpunkt OP rekonstruiert werden kann, wobei das Licht von dieser Position aus einen Sichtbarkeitsbereich für eine Augenpupille AP erzeugt. In einem Sichtbarkeitsbereich X ist für eine Augenpupille eine Rekonstruktion einer 3D Szene sichtbar. Neben dem Sichtbarkeitsbereich X liegen in der Betrachterebene die Bereiche Y und Z. Eine Augenpupille im Bereich Y würde gar keine holografische Rekonstruktion wahrnehmen, eine Augenpupille im Bereich Z würde eine 3D Szene sehen bei der bezüglich der Tiefe vorne und hinten liegende Objektpunkte (nicht gezeigt) vertauscht sind. Eine Augenpupille AP im Teilbereich Z in 4 würde den rekonstruierten Objektpunkt hinter dem Display wahrnehmen, während er im Sichtbarkeitsbereich X vor dem Display liegend wahrnehmbar wäre.
Die gesamte Anordnung X, Y, Z wiederholt sich in der Betrachterebene periodisch. Ein Teil des Lichtes der Lichtquelle LQ wird in die Betrachterebene zum Punkt PY in den Teilbereich Y fokussiert. Dies entspricht einem Lichtquellenbild, das im Fall der Burckhardt-Codierung auch bei in dem Lichtmodulator eingeschriebenem Hologramm sichtbar ist. Dieses Lichtquellenbild wiederholt sich periodisch in weiteren Beugungsordnungen.
Nur im Sichtbarkeitsbereich X ist mit einer Augenpupille eine Rekonstruktion des Objektpunktes OP wahrnehmbar. Diese Rekonstruktion kann z.B. mit einer Rekonstruktion überlagert sein, die mit einer Intensität einer anderen eingeschalteten Lichtquelle erzeugbar ist. Die Intensität von Teilbereich X sollte z.B. gemäß 5 mit der Wiederholung des Teilbereichs X’ oder Y’ einer anderen Lichtquelle überlagerbar sein, die z.B. Intensitäten in den Teilbereichen X’, Y’ und Z’ in periodischer Fortsetzung in der Betrachterebene aufweist.
Der Abstand der einem Abbildungselement zugeordneten Lichtquellen in einer Beleuchtungsvorrichtung der Erfindung ist bei dieser Kodierung so zu wählen, dass sich für eine Lichtquelle der Teilbereich X in der Betrachterebene vorzugsweise mit einer Wiederholung des Teilbereichs X einer anderen Lichtquelle überlagert. Damit können sich Intensitäten zweier Beugungsordnungen von zwei unterschiedlichen Lichtquellenbildern überlagern, und zwei mit diesen Intensitäten erzeugte Objektrekonstruktionen werden zu einer einzigen Rekonstruktion überlagert, die dadurch mit einer Helligkeit entsprechend der Gesamtintensität wahrnehmbar ist.
Um die Position einzuschaltender Lichtquellen zu finden, kann zunächst wie in 5 schematisch gezeigt ist, der Lichtweg von dem Lichtquellenbild PY in dem Teilbereich Y durch die Mitte des Hologramms SH und weiter durch das Abbildungselement AE zur Lichtquelle LQ2 des Lichtquellenarrays zurückverfolgt werden. Entsprechend wird der Lichtweg von den Lichtquellenbildern PY‘ und PY‘‘, den periodischen Wiederholungen von PY zurückverfolgt durch die gleiche Position im Hologramm wie für PY und durch das Abbildungselement AE. Damit gelangt man zur Position der Lichtquellen LQ1 und LQ3. Die eingeschalteten Lichtquellen LQ1 bis LQ3 können beispielsweise Spalten eingeschalteter Lichtquellen eines Lichtquellenarrays sein, wenn Lentikularlinsen als Abbildungselemente AE verwendet werden sollen. Die Ermittlung der Lichtquellen LQ1 und LQ3 in Abhängigkeit von der Augenposition kann softwaremäßig programmierbar sein oder zum Beispiel in Formeiner Look-Up Tabelle abgelegt sein.
Hier bilden gemäß der Erfindung ein Teil einer Beugungsordnung (nämlich der Teil X derjenigen Beugungsordnung in der Betrachterebene, die sich insgesamt über die Bereiche X, Y und Z erstreckt) einer eingeschalteten Lichtquelle, z.B. LQ1, und derselbe Teil mindestens einer anderen, unterschiedlichen Beugungsordnung einer anderen Lichtquelle, z.B. LQ3, eine Überlagerung im Sichtbarkeitsbereich.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel mit einer Beleuchtungsvorrichtung realisierbar, die ein Shutterdisplay verwendet, bei dem die erfindungsgemäßen Lichtquellen Sekundärlichtquellen sind. In dieser Beleuchtungsvorrichtung sind Lichtquellen mit sehr geringem Aufwand erzeugbar, indem Zeilen oder Spalten von Pixeln im Shutterdisplay je Abbildungselement transparent steuerbar sind. Beispielsweise kann der Abstand der einzuschaltenden einzelnen Zeilen etwas mehr als 2 mm betragen, um mit einem Shutterdisplay einen Sichtbarkeitsbereich mit überlagerten Intensitäten zu erzeugen, sowie eine Rekonstruktion einer 3D Szene mit überlagerten Rekonstruktionen in diesem Sichtbarkeitsbereich sichtbar zu machen. Die Leistung der einzelnen Lichtquellen der primären Beleuchtungseinheit müsste nicht verändert werden. Die Rekonstruktion einer 3D Szene kann mit der gleichen Primärbeleuchtung mit einer größeren Helligkeit gesehen werden.
Lichtquellen der Beleuchtungsvorrichtung können in vorgebbarer Anzahl, oder/und vorgebbaren Positionen zueinander oder/und vorgebbaren Abstrahlwinkeln variierbar ansteuerbar einschaltbar sein. Dies trifft zu, wenn gemäß der Erfindung an wechselnden Positionen von Augenpupillen von mindestens zwei Betrachtern in unterschiedlichen Betrachterebenen ein Sichtbarkeitsbereich zum Betrachten einer Rekonstruktion einer 3D Szene erzeugt werden soll. Durch Ansteuerung unterschiedlicher Kombinationen von einzuschaltenden Lichtquellen je Abbildungselement kann der Sichtbarkeitsbereich mit der gleichen Gesamtintensität an unterschiedlichen Positionen erzeugt werden, wodurch eine Überlagerung von Rekonstruktionen, die mit addierbaren Intensitäten erzeugbar sind, zu einer einzigen Rekonstruktion erfolgt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung kann mit einem holografischen Display verwendet werden, das eine Elektrowetting-Einheit zum Ablenken von Licht zu wechselnden Positionen von Augenpupillen aufweist. Ein solches Display umfasst also eine Beleuchtungseinheit, mindestens ein Abbildungselement, einen Lichtmodulator, und ein ansteuerbares Ablenkelement, beispielsweise eine Anordnung von Elektrowetting Prismen zur Betrachternachführung.
Für eine solche Anordnung wird an dem ansteuerbaren Ablenkelement ein Ablenkwinkel so eingestellt, dass der Sichtbarkeitsbereich einer Pupillenposition eines Betrachters nachgeführt wird. Auch hier können mehrere Lichtquellen so eingeschaltet werden, dass sich im Sichtbarkeitsbereich einer Überlagerung der Intensitäten von einer Beugungsordnung einer ersten Lichtquelle mit mindestens einer weiteren Beugungsordnung mindestens einer zweiten Lichtquelle ergibt. Die Position der Lichtquellen kann auch hierbei ermittelt werden, indem der Lichtweg von Lichtquellenbildern in der Betrachterebene durch das optische System zurückverfolgt wird. Insbesondere würde sich der Abstand der Lichtquellen zueinander aufgrund der Nichtlinearitäten der einstellbaren Prismenwinkel relativ zu den Ablenkwinkeln mit der Position des Sichtbarkeitsbereiches verändern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2004/044659 A2 [0003, 0008]
WO 2008/142108 A1 [0005]
WO 2006/119920 A1 [0005]

Claims

Beleuchtungsvorrichtung mit einem ansteuerbare Lichtquellen (LQ) aufweisenden Lichtquellenarray für ein holografisches Display, das einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator sowie Abbildungselemente aufweist, denen jeweils eine Anzahl der ansteuerbaren Lichtquellen des Lichtquellenarrays zugeordnet ist, deren Lichtquellenbilder sich mit Beugungsordnungen in einer Betrachterebene periodisch wiederholen, in der ein Sichtbarkeitsbereich mit einem Intensitätsmaximum festgelegt ist, mit dem eine Rekonstruktion einer in den steuerbaren räumlichen Lichtmodulator eingeschriebenen 3D Szene erzeugbar ist, wobei die Lichtquellen mit Steuerelementen für eine ermittelte Position von Augenpupillen eines Betrachters aktivierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass für jeweils ein Abbildungselement (AE) mindestens zwei Lichtquellen (LQ) angesteuert aktivierbar sind, mit denen bei Ansteuerung ein Sichtbarkeitsbereich erzeugbar ist, der eine Gesamtintensität (I) aus einer Überlagerung des Intensitätsmaximums einer Beugungsordnung mit einem Teil eines Intensitätsmaximums mindestens einer weiteren Beugungsordnung aufweist, wobei mit diesen Intensitäten am gleichen Ort erzeugte Rekonstruktionen überlagerbar sind, die als eine Rekonstruktion der 3D Szene mit einer der Gesamtintensität im Sichtbarkeitsbereich entsprechenden Helligkeit an einer Position einer Augenpupille (AP) zu sehen ist, mit der die Position der ansteuerbar aktivierbaren Lichtquellen (LQ) vorgebbar ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der mit variierbaren Positionen von einzuschaltenden Lichtquellen (LQ, ..., LQn) in verschiedenen Betrachterebenen mit Intensitäten überlagerte Sichtbarkeitsbereiche erzeugbar sind, deren Position in der jeweiligen Betrachterebene variierbar ist, wobei eine Rekonstruktion in der jeweiligen Position mit einer Helligkeit sichtbar ist, die einer Gesamtintensität (I) von am gleichen Ort überlagerten Rekonstruktionen der 3D Szene entspricht.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der Steuerelemente (CE) eingerichtet sind, Lichtquellen (LQ) mit einer Anzahl, oder/und Positionen zueinander oder/und Abstrahlwinkeln einzuschalten, die mit der Position des zu erzeugenden Sichtbarkeitsbereichs vorgebbar sind, dessen Position mit Positionsdaten detektierter Augenpupillen (AP) vorgegeben ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der zu einem Abbildungselement (AE) eingeschaltete Lichtquellen (LQ) einen Abstand zueinander aufweisen, mit dem die Intensitätsmaxima der Beugungsordnungen der Lichtquellenbilder zum Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs um ein Intervall gleich oder um ein mehrfaches größer einer Beugungsordnung in einer Betrachterebene zueinander versetzt sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Positionen der Lichtquellen (LQ) zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs abhängig von einer 1D- oder 2D-Kodierung der 3D Szene in vertikaler oder/und horizontaler Richtung variierbar angesteuert einschaltbar sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Intensitätsmaximum des Sichtbarkeitsbereichs mit Intensitäten von mindestens zwei weiteren eingeschalteten Lichtquellen (LQ) überlagerbar ist, wobei die Intensitäten überlagerte Intensitäten eines Teils einer Beugungsordnung oder der gesamten Beugungsordnung und desselben Teils mindestens einer weiteren Beugungsordnung oder der gesamten Beugungsordnung aufweisen.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der eine Gesamtintensität (I) eines Sichtbarkeitsbereichs für eine Betrachterebene mit einem programmierten Fernfeldbeugungsmuster vorgebbar ist, für das Lichtquellen (LQ) je Abbildungselement (AE) mit einem programmierten Einschaltmuster von Steuerelementen ansteuerbar einschaltbar sind.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Array von Lichtquellen reelle oder virtuelle Lichtquellen aufweist.
Holografisches Display, das eine Beleuchtungsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Holografisches Display mit einer Beleuchtungsvorrichtung mit ansteuerbar einschaltbaren Lichtquellen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, das mindestens Abbildungselemente (AE) und einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator (ME) mit einem Hologramm einer 3D Szene aufweist, wobei die Positionen und/oder Abstrahlwinkel der Lichtquellen (LQ) zueinander variierbar ansteuerbar einschaltbar sind, und wobei die Ansteuerung von Lichtquellen (LQ) abhängig von einer jeweiligen Position von Augenpupillen (AP) vor dem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator (ME) zum Erzeugen jeweils eines Sichtbarkeitsbereichs erfolgt, mit dem die 3D Szene mindestens zweifach überlagerbar konstruierbar ist.
Holografisches Display nach Anspruch 9 oder 10, das Abbildungselemente (AE) Linsenelemente eines Lentikulararrays aufweisen, denen jeweils Lichtquellen (LQ) zugeordnet sind, die zum Erzeugen des Sichtbarkeitsbereichs variierbar angesteuert einschaltbar sind, wobei eine 3D Szene im steuerbaren räumlichen Lichtmodulator (ME) vorzugsweise eindimensional eingeschrieben ist.
Holografisches Display nach Anspruch 10, bei der die Positionen der einzuschaltenden Lichtquellen (LQ) zueinander, oder ihre Abstrahlwinkel, von der Wellenlänge des zur Rekonstruktion der 3D Szene zu verwendenden Lichts abhängig sind.