DE102011056224B4

DE102011056224B4 - Light modulation device for a display

Info

Publication number: DE102011056224B4
Application number: DE102011056224.9A
Authority: DE
Inventors: Ralf Häußler
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2031-12-10
Also published as: DE102011056224A1

Abstract

Lichtmodulationsvorrichtung für ein Display (D), das zum Darstellen einer 3D Szene in einem 3D Modus und einem 2D Modus ansteuerbar ist, mit einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator und mindestens einer ansteuerbaren Beugungseinrichtung, die mit einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind, wobei ein Betrachterfenster (SP1, SP2; SP1', SP2'; SP1", SP2") mit kohärenten Lichtbündeln an wechselnden Augenpositionen erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungseinrichtung Elektroden und ein steuerbares Material aufweist, in das eine Prismen- und/oder Linsenfunktion und eine Streufunktion als Beugungsgitter mit einem Phasenverlauf mindestens eindimensional steuerbar einschreibbar sind, wobei das Beugungsgitter der Streufunktion Phasenhübe aufweist, die mit wechselbaren Frequenzen abhängig zu einem Abstand (d1, d2) der erfassten Augenposition angesteuert sind, für welche die vorgegebene Größe des Betrachterfensters (SP1, SP2; SP1', SP2'; SP1", SP2") für einen vorgegebenen Darstellungsmodus ansteuerbar ist.Light modulation device for a display (D), which can be controlled to display a 3D scene in a 3D mode and a 2D mode, with a controllable spatial light modulator and at least one controllable diffraction device, which can be controlled with a control device, with an observer window (SP1, SP2 ; SP1', SP2'; SP1", SP2") can be generated with coherent light beams at changing eye positions, characterized in that the diffraction device has electrodes and a controllable material, in which a prism and/or lens function and a scattering function as a diffraction grating with can be inscribed in a phase curve in an at least one-dimensional, controllable manner, the diffraction grating of the scattering function having phase deviations which are controlled at variable frequencies depending on a distance (d1, d2) of the detected eye position, for which the specified size of the observer window (SP1, SP2; SP1', SP2'; SP1", SP2") for a given representation mode can be controlled.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtmodulationsvorrichtung für ein Display, das mindestens einen räumlichen Lichtmodulator und mindestens eine steuerbare Beugungseinrichtung aufweist, die mit einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind, wobei das Display zur dreidimensionalen Darstellung von Bildern einer 3D Szene ausgestaltet ist.The invention relates to a light modulation device for a display that has at least one spatial light modulator and at least one controllable diffraction device that can be controlled with a control device, the display being designed for the three-dimensional representation of images of a 3D scene.

Anwendungsgebiet der Erfindung sind Displays mit einem Betrachterfenster, die ein holographisches oder autostereoskopisches Display sein können, bei denen eine 3D Szene als z.B. ein Hologramm kodierbar ist, oder die stereoskopischen Bilder der 3D Szene zwei- und/oder dreidimensional darstellbar sind. Betrachter können die 3D Szene als holographische Rekonstruktion oder als Stereobild sehen, wenn mindestens ein Betrachterfenster mit den Positionen von Betrachteraugen übereinstimmt.Areas of application of the invention are displays with an observer window, which can be a holographic or autostereoscopic display, in which a 3D scene can be encoded as a hologram, for example, or the stereoscopic images of the 3D scene can be displayed in two and/or three dimensions. Viewers can see the 3D scene as a holographic reconstruction or as a stereo image if at least one viewer window matches the positions of viewer eyes.

Mit einem holographischen Display kann der Betrachter eine rekonstruierte Szene eines Objektes in einem Rekonstruktionsraum sehen, welcher von dem Betrachterfenster und dem Bildschirm aufgespannt wird, wenn ein Betrachterfenster mit der Augenpupille zusammenfällt. Die Augenpupille befindet sich an der Augenposition, für welche die Rekonstruktion zu erzeugen ist. Bewegt sich jedoch der Betrachter seitlich zur bzw. entlang der optischen Achse des Displays, fällt das Betrachterfenster nicht mehr mit der Augenpupille des Betrachters zusammen, und der Betrachter könnte die Rekonstruktion nicht mehr vollständig sehen. Damit der Betrachter die Rekonstruktion wieder vollständig sehen kann, müssen die Position des Betrachterfensters und die neue Position der Augenpupille (Augenposition) wieder übereinstimmen.With a holographic display, the viewer can see a reconstructed scene of an object in a reconstruction space spanned by the viewer window and the screen when a viewer window coincides with the eye pupil. The eye pupil is at the eye position for which the reconstruction is to be generated. However, if the viewer moves laterally to or along the optical axis of the display, the viewer window no longer coincides with the viewer's eye pupil and the viewer could no longer see the full reconstruction. In order for the viewer to be able to see the reconstruction completely again, the position of the viewer window and the new position of the eye pupil (eye position) must match again.

Hierzu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise durch die DE 10 2005 023 743 A1 oder die WO 2007/131817 A1 , das Betrachterfenster lateral und/oder axial mittels eines Ablenkelements an die neue Augenposition zu führen. Dabei muß die Größe des Betrachterfensters für die neue Augenposition entsprechend dem Abstand zu einer Bezugsebene, die z.B. die Ebene des steuerbaren Lichtmodulators sein kann, vorgebbar angepasst werden.For this purpose it is known from the prior art, for example by the DE 10 2005 023 743 A1 or the WO 2007/131817 A1 to guide the observer window laterally and/or axially to the new eye position by means of a deflection element. The size of the observer window for the new eye position must be adjusted in a predetermined manner according to the distance from a reference plane, which can be the plane of the controllable light modulator, for example.

In einer Anzahl von Druckschriften sind autostereoskopische Displays beschrieben, z. B. in der DE 10 2008 043 620 A1 oder der WO 03/019952 A1 , in denen 3D Szenen dreidimensional darstellbar und von mindestens einem Betrachter mit Betrachterfenstern zu sehen sind, die auch als Sweet-Spots bezeichnet werden. Auch hier können Betrachterfenster an wechselnden Positionen von Betrachteraugen erzeugt werden.Autostereoscopic displays are described in a number of publications, e.g. B. in the DE 10 2008 043 620 A1 or the WO 03/019952 A1 , in which 3D scenes can be displayed three-dimensionally and can be seen by at least one viewer with viewer windows, which are also referred to as sweet spots. Here, too, observer windows can be generated at changing positions of observer eyes.

Der Abstrahlwinkel der Lichtquellen bestimmt in einem autostereoskopischen Display die Größe des Betrachterfensters, das die Abbildung der Lichtquellen mittels eines Linsen-Arrays in die Betrachterebene ist. Bei Verändern des axialen Abstands zu einer Bezugsebene (z.B. Display- oder Modulatorfläche) ändert sich bekanntermaßen die Größe des Betrachterfensters, so dass das Problem des Überlappens der Betrachterfenster für zwei Augen auftreten kann, und dadurch die Wahrnehmung der dreidimensionalen Darstellung für die zugeordneten Betrachter gestört sein kann. Im Fall der Verkleinerung des Betrachterfensters tritt das Problem auf, dass die 3D Szene nicht komplett dreidimensional gesehen werden kann.In an autostereoscopic display, the beam angle of the light sources determines the size of the viewer window, which is the image of the light sources in the viewer plane by means of a lens array. As is well known, changing the axial distance to a reference plane (e.g. display or modulator surface) changes the size of the observer window, so that the problem of the observer window overlapping can occur for two eyes, and the perception of the three-dimensional representation for the associated observers can be disturbed as a result can. If the viewer window is reduced in size, the problem arises that the 3D scene cannot be viewed completely in three dimensions.

Gleiches trifft zu, wenn das holographische Display mit einer 1 D-Kodierung in einem Single-Parallax-Modus betrieben wird, und ein Betrachterfenster mit einer Ausdehnung entsprechend einer Pupillengröße in der inkohärenten Richtung erzeugt werden soll.The same applies if the holographic display is operated with 1D coding in a single parallax mode and an observer window with an extent corresponding to a pupil size in the incoherent direction is to be generated.

Ebenso besteht die Forderung, ein autostereoskopisches oder holographisches Display vom 3D-Darstellungsmodus in den 2D-Darstellungsmodus umschaltbar auszuführen, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2007 023 738 A1 oder der DE 602 12 398 T2 bekannt sind. Dazu kann beispielsweise ein schaltbarer Diffusor (Streuelement) zusätzlich im Lichtweg verwendet werden, siehe beispielsweise US 5 897 184 A . Der Diffusor kann für den 3D Modus z.B. einen transparenten, nicht streuenden Zustand aufweisen. Die Größe des zu erzeugenden Betrachterfensters, die wenigstens dem Augenpupillendurchmesser entsprechen sollte, wird im 3D Modus stets dem Abstand einer erfassten Augenposition zum Display angepasst.There is also a requirement for an autostereoscopic or holographic display to be switchable from the 3D display mode to the 2D display mode, as for example from the DE 10 2007 023 738 A1 or the DE 602 12 398 T2 are known. For this purpose, for example, a switchable diffuser (scattering element) can also be used in the light path, see for example U.S. 5,897,184 A . For the 3D mode, for example, the diffuser can have a transparent, non-scattering state. The size of the viewer window to be generated, which should at least correspond to the eye pupil diameter, is always adjusted in 3D mode to the distance between a detected eye position and the display.

Für den 2D Modus ist der Diffusor in den streuenden Zustand schaltbar. Dann sollte das Betrachterfenster wenigstens so groß sein, dass es sich über beide Augen eines Betrachters, oder sogar über alle Augen aller Betrachter erstrecken kann. Durch zusätzliche optische Elemente, wie einem schaltbaren Diffusor oder oben genannten Ablenkelementen, wird ein Display zur Darstellung von dreidimensionalen Bildinhalten aufwändiger, teurer und störanfälliger.For the 2D mode, the diffuser can be switched to the scattering state. Then the viewer window should be at least large enough to cover both eyes of one viewer, or even all eyes of all viewers. Additional optical elements, such as a switchable diffuser or the above-mentioned deflection elements, make a display for displaying three-dimensional image content more complex, expensive and prone to failure.

Ein schaltbares Streuelement ist - für sich gesehen - beispielsweise aus der WO 2010/149587 A2 bekannt.A switchable scattering element is - seen in itself - for example from the WO 2010/149587 A2 known.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Display zu schaffen, mit dem eine 3D Szene im 3D- und/oder 2D-Darstellungsmodus an wechselnden Augenpositionen dargestellt werden kann. Die Darstellung der autostereoskopischen oder holographischen Bilder der 3D Szene wie auch der Wechsel in den 2D-Darstellungsmodus soll mit geringem Aufwand von optischen Mitteln durchführbar sein. Ein derartiges Display soll von mehreren Betrachtern gleichzeitig nutzbar sein.The object of the invention is to create a display with which a 3D scene can be displayed in 3D and/or 2D display mode at changing eye positions. The display of the autostereoscopic or holographic images of the 3D scene as well as the change to the 2D Dar position mode should be feasible with little effort from optical means. Such a display should be usable by several viewers at the same time.

Es wird von einem Display ausgegangen, das zum Darstellen einer 3D Szene in einem 3D Modus und einem 2D Modus ansteuerbar ist, und das eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator und mindestens einer ansteuerbaren Beugungseinrichtung, die mit einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind, wobei ein Betrachterfenster mit kohärenten Lichtbündeln an wechselnden Augenpositionen erzeugbar ist, enthält.The starting point is a display that can be controlled to display a 3D scene in a 3D mode and a 2D mode, and that has a light modulation device with a controllable spatial light modulator and at least one controllable diffraction device that can be controlled with a control device, with an observer window having coherent light beams can be generated at changing eye positions.

Erfindungsgemäß kann die Aufgabe mit einer Lichtmodulationsvorrichtung gelöst werden, bei der die Beugungseinrichtung Elektroden und ein steuerbares Material aufweist, in das eine Prismen- und/oder Linsenfunktion und eine Streufunktion als Beugungsgitter mit einem Phasenverlauf mindestens eindimensional ansteuerbar einschreibbar sind, wobei das Beugungsgitter der Streufunktion Phasenhübe aufweist, die mit wechselbaren Frequenzen abhängig zu einem Abstand der erfassten Augenposition angesteuert sind, für welche die vorgegebene Größe des Betrachterfensters für einen vorgegebenen Darstellungsmodus ansteuerbar ist. Dabei ersetzt die in die Beugungseinrichtung eingeschriebene Streufunktion ein ansonsten üblicherweise in einer solchen Lichtmodulationsvorrichtung eingesetztes, als zusätzliches optisches Element ausgebildetes Streuelement zum Ausführen eines 2D-Modus, das hierfür mindestens eindimensional ansteuerbar sein muss. Für erfasste Augenpositionen, die einen unterschiedlichen Abstand zur Beugungseinrichtung aufweisen, kann zudem vorteilhaft der Streuwinkel für durchtretende Lichtbündel so gesteuert werden, dass die vorgegebene Größe eines Betrachterfensters im 3D Modus gleich bleibt.According to the invention, the object can be achieved with a light modulation device in which the diffraction device has electrodes and a controllable material in which a prism and/or lens function and a scattering function can be inscribed as a diffraction grating with a phase profile that can be controlled at least one-dimensionally, the diffraction grating of the scattering function having phase deviations has, which are controlled with changeable frequencies depending on a distance of the detected eye position, for which the specified size of the viewer window for a specified display mode can be controlled. The scattering function written into the diffraction device replaces a scattering element, which is otherwise usually used in such a light modulation device and is designed as an additional optical element, for executing a 2D mode, which must be controllable at least one-dimensionally for this purpose. For detected eye positions that have a different distance from the diffraction device, the scattering angle for light beams passing through can also advantageously be controlled in such a way that the specified size of an observer window remains the same in 3D mode.

Wenn zum z-Tracking (axiale Richtung) des Betrachters eine in einer steuerbaren Beugungseinrichtung eingeschriebene Linsenfunktion in ihrer Brennweite verändert wird, kann ein Betrachterfenster in einer neuen Betrachterebene erzeugt werden. Jedoch verändert sich die Größe bzw. mindestens horizontale Breite des Betrachterfensters in der inkohärenten Richtung proportional zum Abstand des Betrachterfensters zur Bezugsebene. Ein zu kleines Betrachterfenster kann nicht mehr die komplette Augenpupille ausleuchten, und ein zu großes Betrachterfenster kann zu einem Übersprechen auf das Nachbarauge führen. Dieses Problem kann mit der Erfindung überwunden werden. Eine vorgegebene Breite des Betrachterfensters mit z.B. 2 bis 3 cm kann bei einer Änderung der Augenposition in axialer Richtung eingehalten werden und diese Breite für erfasste andere Augenpositionen mit der Beugungseinrichtung gezielt angesteuert werden.If, for z-tracking (axial direction) of the observer, the focal length of a lens function written in a controllable diffraction device is changed, an observer window can be generated in a new observer plane. However, the size or at least horizontal width of the observer window changes in the incoherent direction in proportion to the distance of the observer window from the reference plane. An observer window that is too small can no longer illuminate the entire eye pupil, and an observer window that is too large can lead to crosstalk to the neighboring eye. This problem can be overcome with the invention. A specified width of the observer window of 2 to 3 cm, for example, can be maintained when the eye position changes in the axial direction, and this width can be selectively controlled with the diffraction device for other eye positions that are detected.

Mit den als Beugungsgitter eingeschriebenen Phasenhüben weisen dabei die Lichtbündel, die durch den Lichtmodulator geführt werden, Streuwinkel auf, die vorzugsweise mit einer Variation der Anzahl von gleichzeitig anzusteuernden Elektroden geändert werden können.With the phase deviations inscribed as a diffraction grating, the light bundles that are guided through the light modulator have scattering angles that can preferably be changed by varying the number of electrodes to be controlled simultaneously.

Zum Berechnen von Steuerwerten, die als Phasenwerte für die Streufunktion einschreibbar sind, sind zum Realisieren der Erfindung zwei unterschiedliche Verfahren vorteilhaft anwendbar. Die Phasenwerte können beispielsweise als Folgen von Zufallsphasenwerten oder z.B. mit einer Fouriertransformation in einem iterativen Verfahren berechnet werden, bei denen ein Intensitätsverlauf in der Betrachterebene für ein zu erzeugendes Betrachterfenster vorgebbar ist.To calculate control values, which can be written as phase values for the scatter function, two different methods can advantageously be used to implement the invention. The phase values can be calculated, for example, as sequences of random phase values or, for example, with a Fourier transformation in an iterative process, in which an intensity curve in the observer plane can be specified for an observer window to be generated.

Gemäß der Erfindung können Phasenhübe mit einer Folge von Zufallsphasenwerten gesteuert werden, die mit der Steuereinrichtung aus einem Raumfrequenz- und/oder Wertespektrum ausgewählt werden können. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, daß es mit einem geringen Rechenaufwand durchführbar ist. Das Betrachterfenster weist an einer erfassten Augenposition einen kontinuierlichen Intensitätsverlauf von Licht auf, wobei das Betrachterfenster nicht scharf begrenzt ist.According to the invention, phase deviations can be controlled with a sequence of random phase values, which can be selected from a spatial frequency and/or value spectrum with the control device. This method has the advantage that it can be carried out with little computing effort. At a detected eye position, the observer window has a continuous intensity profile of light, with the observer window not being sharply delimited.

Mit einem Verfahren, bei dem, bei gleichbleibender Frequenz, das Wertespektrum der Phasenwerte verringert ist, kann ebenfalls die Größe des Betrachterfensters verändert (in diesem Fall in seiner Breite verringert) werden. Die maximale Phase des Wertespektrums kann beispielsweise nur noch π statt 2π betragen.The size of the observer window can also be changed (in this case reduced in width) using a method in which the value spectrum of the phase values is reduced while the frequency remains the same. For example, the maximum phase of the value spectrum can only be π instead of 2π.

Dabei können Phasenwerte aus Tabellen, in denen für Koordinaten von möglichen Positionen von Betrachteraugen entsprechende Phasenwerte als Steuerwerte gespeichert sind, ausgelesen werden, um die Berechnungszeiten zu verringern.In this case, phase values can be read from tables in which corresponding phase values for coordinates of possible positions of observer eyes are stored as control values, in order to reduce the calculation times.

Die Streufunktion ist mit einem Phasenverlauf als Beugungsgitter steuerbar einschreibbar, mit dem die Lichtbündel ein Betrachterfenster für die Betrachteraugen eines Betrachters mit einer Größe bilden, mit der ein von der Steuereinrichtung vorgegebener 2D-Darstellungsmodus realisierbar ist. Erfindungsgemäß kann dadurch eine Umschaltung vom 3D Modus in den 2D Modus ausgeführt werden, ohne dass ein zusätzliches ein- und ausschaltbares Streuelement im Lichtweg angesteuert werden muss. Mit der Steuerung der Streufunktion als einzuschreibendes Beugungsgitter kann die vorgegebene Größe des Betrachterfensters unverändert bleiben, oder steuerbar so geändert werden, dass für einen Betrachter der 3D Modus in den 2D Modus ansteuerbar änderbar ist. Auch der umgekehrte Weg kann mit der erfindungsgemäßen Lichtmodulationseinrichtung durch entsprechende Ansteuerung der Beugungseinrichtung ausgeführt werden.The scattering function can be written in a controllable manner with a phase profile as a diffraction grating, with which the light bundles form an observer window for the observer's eyes of a size with which a 2D display mode specified by the control device can be implemented. According to the invention, a switchover from the 3D mode to the 2D mode can be carried out without having to control an additional scattering element in the light path that can be switched on and off. With the control of the scattering function as the diffraction grating to be written, the given size of the observer window can be left unchanged, or controllably changed so that for a Viewer the 3D mode can be changed to the 2D mode controllable. The reverse path can also be implemented with the light modulator device according to the invention by appropriately controlling the diffraction device.

Weiterhin ist die Streufunktion mit Phasenwerten als Beugungsgitter steuerbar einschreibbar, die mit dem Verfahren der iterativen Fouriertransformation berechenbar sind.Furthermore, the scattering function can be written in a controllable manner with phase values as a diffraction grating, which can be calculated using the method of iterative Fourier transformation.

Die Berechnung der iterativen Fouriertransformation erfolgt mit komplexen Matrixwerten, die mindestens eine eindimensionale Werteverteilung aufweisen, und mit denen mindestens ein Beugungsgitter in mindestens eine Richtung einschreibbar ist, wobei eine Intensitätsverteilung und die Größe bzw. mindestens horizontale Breite für das Betrachterfenster vorgegeben sind.The iterative Fourier transformation is calculated using complex matrix values which have at least one one-dimensional value distribution and with which at least one diffraction grating can be written in at least one direction, with an intensity distribution and the size or at least horizontal width for the observer window being specified.

Die Größe des Betrachterfensters ist mindestens eindimensional steuerbar durch das Einschreiben der Streufunktion in die Beugungseinrichtung, oder durch ein defokussiertes Abbilden von Lichtquellen, von welchen mindestens teilweise kohärente Lichtbündel ausgesandt werden. In die Beugungseinrichtung ist deshalb zum defokussierten Abbilden in eine Ebene nahe der Betrachterebene ein sphärischer Phasenverlauf als Beugungsgitter einschreibbar.The size of the observer window can be controlled at least one-dimensionally by writing the scattering function into the diffraction device, or by defocused imaging of light sources from which at least partially coherent light bundles are emitted. A spherical phase profile can therefore be written into the diffraction device as a diffraction grating for defocused imaging in a plane near the observer plane.

In weiterer Ausbildung der Beugungseinrichtung ist eine Linsenfunktion mit einem sphärischen Phasenverlauf als Beugungsgitter einschreibbar, wobei die Größe des Betrachterfensters in der Ebene nahe der Betrachterebene eindimensional in inkohärenter Richtung steuerbar ist.In a further development of the diffraction device, a lens function with a spherical phase progression can be written as a diffraction grating, the size of the observer window in the plane near the observer plane being able to be controlled one-dimensionally in an incoherent direction.

Ein für Prismen- oder Linsenfunktionen mit Phasenverläufen ansteuerbares Beugungsgitter kann einfallendes Licht nur ablenken bzw. fokussieren. Der vom Betrachterfenster heraus sichtbare Bildinhalt, der eine 3D-Szene holographisch oder autostereoskopisch im 3D Display sichtbar machen kann, wird in einem separaten SLM generiert. Die für einen definierten Betrachterabstand (erfasste Augenposition) vorgegebene Größe eines mit einem angesteuerten Beugungsgitter erzeugten Betrachterfensters ist auf die Pupillengröße eines entsprechend zuordenbaren Betrachters abgestimmt.A diffraction grating that can be controlled for prism or lens functions with phase profiles can only deflect or focus incident light. The image content visible from the viewer window, which can make a 3D scene holographically or autostereoscopically visible in the 3D display, is generated in a separate SLM. The predetermined size of a viewer window generated with a controlled diffraction grating for a defined viewer distance (detected eye position) is matched to the pupil size of a correspondingly assignable viewer.

Indem für die erfassten Augenpositionen in das das steuerbare Material der Beugungseinrichtung Ansteuerwerte so einschreibbar sind, dass eine berechnete Brechungsindex-Änderung erzeugbar wird, können ausgesandte Lichtbündel mit einer Prismenfunktion (laterale Ablenkung) und/oder einer Linsenfunktion (axiale Verschiebung des Betrachterfensters) und/oder einer Streufunktion moduliert werden.Since control values for the recorded eye positions can be written into the controllable material of the diffraction device in such a way that a calculated change in the refractive index can be generated, emitted light beams can have a prism function (lateral deflection) and/or a lens function (axial displacement of the observer window) and/or be modulated by a spread function.

In der Lichtmodulationsvorrichtung kann eine Lichtstreuung für den 2D Modus für lokal erfasste Augenpositionen eines Betrachters erfolgen, während der 3D Modus für andere Augenpositionen von anderen Betrachtern erhalten bleibt. Hierzu wird für den betreffenden Betrachter die entsprechende Streufunktion für die Darstellung einer 3D-Szene in einem 2D-Modus in das steuerbare Material der Beugungseinrichtung eingeschrieben.Light scattering for the 2D mode for locally detected eye positions of an observer can take place in the light modulator device, while the 3D mode for other eye positions of other observers is retained. For this purpose, the corresponding scattering function for the representation of a 3D scene in a 2D mode is written into the controllable material of the diffraction device for the relevant viewer.

Die Beugungseinrichtung kann beispielsweise mindestens eine steuerbare Flüssigkristall-Schicht (Liquid Crystal, LC) als steuerbares Material enthalten, oder eine Schicht eines festen Kristalls, in dem der Brechungsindex steuerbar ist.The diffraction device can contain, for example, at least one controllable liquid crystal (LC) layer as controllable material, or a layer of a solid crystal in which the refractive index is controllable.

Ein Betrachterfenster kann mit einem zweidimensional angesteuerten Beugungsgitter an lateral und/oder axial unterschiedlichen Augenpositionen erzeugt werden.An observer window can be generated with a two-dimensionally controlled diffraction grating at laterally and/or axially different eye positions.

Eine vorgegebene Größe bzw. Breite des Betrachterfensters mit z.B. 2 bis 3 cm für einen 3D Modus kann in mindestens axialer Richtung bei einer Abstandsänderung der Augenposition unveränderbar eingehalten werden. Ein Betrachterfenster ist erfindungsgemäß mit einer als Beugungsgitter eingeschriebenen Streufunktion für jeweils erfasste Augenpositionen ansteuerbar erzeugbar.A predetermined size or width of the viewer window of e.g. 2 to 3 cm for a 3D mode can be maintained in an unchangeable manner in at least the axial direction when the distance of the eye position changes. According to the invention, an observer window can be generated in a controllable manner with a scattering function inscribed as a diffraction grating for respectively detected eye positions.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Display mit einer Lichtmodulationsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stereoskopische und/oder holographische Bildinhalte in der Lichtmodulationsvorrichtung steuerbar darstellbar sind.The invention also includes a display with a light modulation device according to at least one of the preceding claims, wherein stereoscopic and/or holographic image content can be displayed in a controllable manner in the light modulation device.

Die Kombination einer steuerbaren Größenänderung eines Betrachterfensters und einer Änderung des Darstellungsmodus in einem erfindungsgemäßen Display mit einer das Licht refraktiv und diffraktiv beeinflussenden steuerbaren Einrichtung ermöglicht es, die Anzahl optischer Mittel im Display vorteilhaft verringern zu können.The combination of a controllable change in the size of an observer window and a change in the display mode in a display according to the invention with a controllable device that influences the light refractively and diffractively makes it possible to advantageously reduce the number of optical means in the display.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher dargestellt und erläutert. In den Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung:

1a in Draufsicht eine Lichtmodulationseinrichtung eines Displays mit Betrachterfenstern, deren Breite proportional zum Abstand verändert ist, nach dem Stand der Technik,
1b in Draufsicht eine Lichtmodulationseinrichtung mit erzeugten Betrachterfenstern, deren Breite dem Abstand angepasst ist, gemäß der Erfindung,
2a, 3a, 4a Beispiele von Phasenverläufen, mit denen unterschiedliche Größen von Betrachterfenstern steuerbar sind, gemäß der Erfindung,
2b, 3b, 4b Beispiele von vorgebbaren horizontalen Intensitätsverteilungen für vorgegebene Größen von Betrachterfenstern, gemäß der Erfindung, und
5 ein Schema eines iterativen Transformationsverfahrens zum Ermitteln von Steuerwerten für einen Phasenverlauf, mit dem eine Streufunktion steuerbar einschreibbar ist.

The invention is illustrated and explained in more detail with reference to drawings. The drawings show in a schematic representation:

1a in top view, a light modulator device of a display with viewer windows whose width is changed proportionally to the distance, according to the prior art,
1b in plan view a light modulator device with generated observer windows, the width of which is adapted to the distance, according to the invention,
2a , 3a , 4a Examples of phase curves with which different sizes of viewer windows can be controlled according to the invention,
2 B , 3b , 4b Examples of predetermined horizontal intensity distributions for predetermined sizes of viewer windows, according to the invention, and
5 a scheme of an iterative transformation method for determining control values for a phase curve with which a scattering function can be written in a controllable manner.

In den Figuren sind gleiche Komponenten eines 3D Displays mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Das 3D Display kann jeweils ein holographisches oder autostereoskopisches Display sein.In the figures, the same components of a 3D display are marked with the same reference symbols. The 3D display can be a holographic or autostereoscopic display, respectively.

Die Erfindung geht davon aus, dass durch eine Beugungseinrichtung geführte Lichtbündel mittels Brechungsindexmodulation in einer angesteuerten Schicht der Beugungseinrichtung mit einer Prismen- und/oder einer Linsen- und einer Streufunktion moduliert werden können. Mit diesen Funktionen kann Licht mindestens eindimensional in eine vorgegebene Richtung ausgebreitet bzw. abgelenkt werden. Die Ausbreitung bzw. Ablenkung von Lichtbündeln kann festgelegt werden, indem diese Funktionen in der angesteuerten Schicht, z.B. einem Flüssigkristall (LC) Material, mit Spannungsverläufen als Beugungsgitter mindestens eindimensional steuerbar einschreibbar sind.The invention is based on the fact that light bundles guided through a diffraction device can be modulated by means of refractive index modulation in a controlled layer of the diffraction device with a prism and/or a lens and a scattering function. With these functions, light can be spread out or deflected at least one-dimensionally in a given direction. The propagation or deflection of light beams can be determined in that these functions can be written in the controlled layer, e.g.

Die Beugungseinrichtung weist zum Steuern des steuerbaren Materials ein Elektrodenfeld mit einer Vielzahl von Elektroden auf, die parallel nebeneinander angeordnet und streifen- oder linienförmig ausgestaltet sind.In order to control the controllable material, the diffraction device has an electrode field with a large number of electrodes which are arranged parallel to one another and are designed in the form of strips or lines.

Das Display umfasst weiterhin eine Lichtmodulationsvorrichtung, mit der auftreffende, mindestens teilkohärente Lichtbündel mit kodierten stereoskopischen oder holographischen Bildern einer 3D Szene bei Ansteuerung mit einer Steuereinrichtung modulierbar sind. Die 3D Szene ist mit einem holographischen Display holographisch rekonstruierbar, oder in einem autostereoskopischen Display dreidimensional wahrnehmbar.The display also includes a light modulation device with which incident, at least partially coherent light beams can be modulated with encoded stereoscopic or holographic images of a 3D scene when controlled by a control device. The 3D scene can be holographically reconstructed with a holographic display, or three-dimensionally perceived in an autostereoscopic display.

1a und 1b zeigen in Draufsicht in schematischer Darstellung ein Display mit Betrachterfenstern unterschiedlicher Größe, das ein holographisches oder autostereoskopisches 3D Display sein kann. 1a and 1b show a schematic plan view of a display with viewer windows of different sizes, which can be a holographic or autostereoscopic 3D display.

In 1a ist ein Display D mit Betrachterfenstern SP1, SP2 dargestellt, die eine vorgegebene Größe oder vorgegebene horizontale Breite an einer Augenposition entsprechend einem Abstand d1 und eine proportional veränderte Größe oder horizontale Breite SP1', SP2' entsprechend einem anderen Abstand d2 aufweisen. Im Abstand d2 sind die Betrachterfenster so groß, dass sie überlappen können. Betrachteraugen an der Augenposition d2 würden dann ein störendes Übersprechen vom linken Bildinhalt in das rechte Betrachterfenster, und umgekehrt, wahrnehmen. Dieses Übersprechen würde die 3D-Qualität verringern. Dies ist aus dem Stand der Technik bekannt.In 1a 1 shows a display D with viewer windows SP1, SP2 having a predetermined size or horizontal width at an eye position corresponding to a distance d1 and a proportionally changed size or horizontal width SP1', SP2' corresponding to a different distance d2. At distance d2, the observer windows are so large that they can overlap. Observer eyes at eye position d2 would then perceive a disturbing crosstalk from the left image content into the right observer window and vice versa. This crosstalk would reduce the 3D quality. This is known from the prior art.

Die Zentren der Betrachterfenster SP1, SP2, und bevorzugt die Augen, weisen einen typischen Abstand von ca. 65 mm auf. Die Betrachterfenster sollten eine optimale Breite von jeweils 2 - 3 cm aufweisen, mit denen eine 3D Szene im 3D-Darstellungsmodus in einem holographischen oder autostereoskopischen Display optimal wahrnehmbar ist.The centers of the viewer windows SP1, SP2, and preferably the eyes, have a typical distance of about 65 mm. The viewing windows should each have an optimal width of 2-3 cm, with which a 3D scene in the 3D display mode can be optimally perceived in a holographic or autostereoscopic display.

Das in 1b dargestellte erfindungsgemäße Display D weist mindestens eine ansteuerbare Lichtmodulationsvorrichtung und eine Steuereinrichtung auf, mit der ein steuerbarer räumlicher Lichtmodulator und mindestens eine steuerbare Beugungseinrichtung ansteuerbar sind. Die angegebenen Komponenten sind in der Figur nicht im Einzelnen dargestellt.This in 1b The inventive display D shown has at least one controllable light modulator device and a control device with which a controllable spatial light modulator and at least one controllable diffraction device can be controlled. The specified components are not shown in detail in the figure.

Die Beugungseinrichtung kann ein steuerbares Material, z.B. ausgerichtete steuerbare Flüssigkristall (LC) Moleküle, aufweisen, das mit Elektroden steuerbar ist. Das Ansteuern des Beugungsgitters soll bevorzugt mittels linearer, parallel nebeneinander angeordneter Elektroden, die eine Matrix bilden können, erfolgen. An jede Elektrode kann eine Spannung angelegt und somit ein Spannungsprofil erzeugt werden. Die LC Moleküle orientieren sich in Abhängigkeit von der Spannung und erzeugen somit ein Brechungsindexprofil. Durch die eingestellte Orientierung können die durch die Beugungseinrichtung durchtretenden Lichtbündel entsprechende Phasenänderungen aufweisen.The diffraction means may comprise a controllable material, e.g., aligned controllable liquid crystal (LC) molecules, controllable with electrodes. The control of the diffraction grating should preferably take place by means of linear electrodes arranged parallel next to one another, which can form a matrix. A voltage can be applied to each electrode and thus a voltage profile can be generated. The LC molecules orient themselves depending on the voltage and thus create a refractive index profile. Due to the set orientation, the light bundles passing through the diffraction device can have corresponding phase changes.

Aus der ermittelten Augenposition werden das Brechungsindexprofil und daraus die Spannung für jede Elektrode berechnet, die nötig sind, um die Lichtbündel entweder so abzulenken, dass das Betrachterfenster an der erfassten Augenposition erzeugbar ist. Weiterhin kann zusätzlich ein Phasenverlauf für eine Streufunktion so gesteuert werden, dass mit den Lichtbündeln die Größe des Betrachterfensters für diese erfasste Augenposition steuerbar anpassbar ist.From the determined eye position, the refractive index profile and from this the voltage for each electrode are calculated, which are necessary to either deflect the light bundles in such a way that the observer window can be generated at the detected eye position. Furthermore, a phase curve for a scattering function can also be controlled in such a way that the size of the observer window for this detected eye position can be adjusted in a controllable manner with the light bundles.

Dabei kann das steuerbare Material mit einer variierbaren Anzahl von Elektroden so angesteuert werden, dass die Streufunktion mit einem Phasenverlauf mit örtlich wechselbarer Frequenz mindestens eindimensional als Beugungsgitter einschreibbar ist.The controllable material can be controlled with a variable number of electrodes in such a way that the scattering function with a phase profile with a locally variable frequency is at least tens can be written one-dimensionally as a diffraction grating.

Die Größe des Betrachterfensters kann auch mit einem zweidimensional angesteuerten Beugungsgitter an lateral und/oder axial unterschiedlichen Augenpositionen erzeugt werden.The size of the observer window can also be generated with a two-dimensionally controlled diffraction grating at laterally and/or axially different eye positions.

Mit den durchtretenden Lichtbündeln können entsprechend 1b zwei Betrachterfenster SP1" und SP2" im Abstand d2 vom Display D gemäß der Erfindung mit einer optimalen vorgegebenen Größe erzeugt werden, die nicht überlappen können. Das Wahrnehmen einer 3D-Szene im 3D Modus ist ohne störendes Übersprechen möglich, wobei unter dem 3D Modus der dreidimensionale Darstellungsmodus des Displays zu verstehen ist.With the passing light beams can accordingly 1b two viewer windows SP1" and SP2" are generated at a distance d2 from the display D according to the invention with an optimal predetermined size, which cannot overlap. Perceiving a 3D scene in 3D mode is possible without disturbing crosstalk, whereby 3D mode means the three-dimensional display mode of the display.

Liegen von der darzustellenden Szene keine rechten und linken Stereobilder vor, oder kann nicht schnell genug für alle Betrachter ein vorgegebener 3D Modus von der Steuereinrichtung angesteuert werden, kann ein 2D Modus im Betrachterfenster durch veränderte Ansteuerung der Beugungseinrichtung realisiert werden. Dafür ist ein Beugungsgitter einzuschreiben, mit dem für durchtretende Lichtbündel ein Streuwinkel vorgebbar ist, mit dem ein beide Augen eines Betrachters überdeckendes Betrachterfenster erzeugbar ist.If there are no right and left stereo images of the scene to be displayed, or if a predefined 3D mode cannot be controlled by the control device quickly enough for all viewers, a 2D mode can be implemented in the viewer window by changing the control of the diffraction device. For this purpose, a diffraction grating is to be inscribed, with which a scattering angle can be specified for light beams passing through, with which an observer window covering both eyes of an observer can be generated.

So ist erfindungsgemäß durch Ändern einer in ein steuerbares Material eindimensional einzuschreibenden Streufunktion eine 3D/2D Umschaltung für mindestens einen Betrachter mit dem Betrachterfenster ausführbar.Thus, according to the invention, by changing a scattering function to be written one-dimensionally into a controllable material, a 3D/2D switchover can be carried out for at least one viewer with the viewer window.

Ein Display kann in einer Ausbildung eine Lichtmodulationsvorrichtung aufweisen, bei der ein angesteuerter Streuwinkel für den 2D Modus für ein zweites ermitteltes Augenpaar ansteuerbar einschreibbar ist, während der 3D Modus für ein erstes ermitteltes Augenpaar erhalten bleiben soll. Stereoskopische oder holographische Bilder werden im Lichtmodulator sequentiell angezeigt und können gemeinsam für die Betrachterfenster, die für den ersten und den zweiten Betrachter durch Ansteuerung des Beugungsgitters unterschiedlich groß erzeugbar sind, genutzt werden.In one embodiment, a display can have a light modulation device in which a controlled scattering angle for the 2D mode for a second determined pair of eyes can be written in in a controllable manner, while the 3D mode is intended to be retained for a first determined pair of eyes. Stereoscopic or holographic images are displayed sequentially in the light modulator and can be used jointly for the viewer windows, which can be generated in different sizes for the first and second viewers by controlling the diffraction grating.

Eine Linsenfunktion wird mit einem sphärischen Phasenverlauf als Beugungsgitter geschrieben, während eine Prismenfunktion mit einem linearen Phasenprofil als Beugungsgitter geschrieben wird. Eine Streufunktion kann gemäß der Erfindung mit Phasenwerten geschrieben werden, die durch zwei verschiedene Verfahren berechenbar sind.A lens function is written as a grating with a spherical phase profile, while a prism function is written as a grating with a linear phase profile. According to the invention, a scatter function can be written with phase values that can be calculated by two different methods.

In einem ersten Verfahren werden Zufallsphasenwerte zum Ansteuern der horizontalen Breite bzw. Größe des Betrachterfensters ermittelt bzw. berechnet. Die Streufunktion kann zusätzlich z. B. in eine Beugungseinrichtung geschrieben werden, in die schon eine Linsen- und/oder eine Prismenfunktion eingeschrieben sein kann. Für die Streufunktion wird eine Folge von Zufallsphasen ausgewählt, die Werte von 0 bis 2 π annehmen können und die zufällig aufeinander folgen. Es kann sich auch um eine Folge von Pseudo-Zufallsphasen handeln, bei der die Werte mittels einer Pseudo-Zufallszahlen-Funktion berechnet werden.In a first method, random phase values for controlling the horizontal width or size of the viewer window are determined or calculated. The scatter function can also z. B. be written in a diffraction device, in which already a lens and / or a prism function can be written. A sequence of random phases is selected for the scatter function, which can assume values from 0 to 2π and which follow one another at random. It can also be a sequence of pseudo-random phases in which the values are calculated using a pseudo-random number function.

Die Größe, oder wenigstens die horizontale Breite, des Betrachterfensters kann durch die Frequenz der Zufallsphasenfolge bzw. mit der Zufallsphasenfolge steuerbare Phasenhübe eingestellt werden. Eine maximale horizontale Breite kann durch Ändern der Phase um einen zufälligen Wert von einer Elektrode zur nächsten benachbarten Elektrode gesteuert werden. Die Berechnung der horizontalen Breite kann auf einfache Weise folgendermaßen erfolgen:

Nach der Formel für die Lichtbeugung sin(θ) = λ/ρ für eine Wellenlänge λ = 532 nm und eine Periode p = 1 µm der Elektroden erhält man beispielsweise einen Streuwinkel von θ = 32°. Aus dem Streuwinkel θ ergibt sich die maximale Breite w des Betrachterfensters mittels w = tan(θ) * d, wobei d der Abstand zwischen der Beugungseinrichtung, bzw. dem 3D Display in 1b, und der Betrachterebene ist. In diesem Beispiel erhält man eine horizontale Breite w = 0.44 m für einen Abstand d = 0.7 m. Die Breite w wird vom Zentrum des Betrachterfensters bis zum Rand gemessen, an dem die Intensität auf Null abfällt. Dies gilt für einen Füllfaktor 1 der Beugungseinrichtung, d.h. die Beugungseinrichtung hat keine nicht-transparenten Bereiche.

The size, or at least the horizontal width, of the observer window can be set by the frequency of the random phase sequence or by phase shifts that can be controlled with the random phase sequence. A maximum horizontal width can be controlled by changing the phase by a random amount from one electrode to the next adjacent electrode. Calculating the horizontal width can be done easily like this:

According to the formula for light diffraction sin(θ)=λ/ρ for a wavelength λ=532 nm and a period p=1 μm of the electrodes, a scattering angle of θ=32° is obtained, for example. The maximum width w of the observer window results from the scattering angle θ using w = tan(θ) * d, where d is the distance between the diffraction device or the 3D display in 1b , and the viewer plane is . In this example, a horizontal width w = 0.44 m is obtained for a distance d = 0.7 m. The width w is measured from the center of the observer window to the edge where the intensity falls to zero. This applies to a filling factor of 1 for the diffraction device, ie the diffraction device has no non-transparent areas.

Eine geringere horizontale Breite w kann beispielsweise erreicht werden, indem eine kleinere Frequenz der Zufallsphasenfolge bzw. mit der Zufallsphasenfolge steuerbare kleinere Phasenhübe einstellbar sind. Hierbei wird beispielsweise die Phase nicht zur nächsten, sondern erst zur übernächsten Elektrode um einen zufälligen Wert geändert. In diesem Beispiel würde sich mit den oben genannten Zahlen und p = 2 µm die Breite w des Betrachterfensters auf w = 0.19 m ungefähr halbieren. Die Phasenänderung kann auch so steuerbar sein, dass eine vorgebbare Anzahl von Elektroden, z.B. zwei oder mehr benachbart zueinander angeordnete Elektroden, mit der gleichen Zufallsphasenfolge steuerbar ist.A smaller horizontal width w can be achieved, for example, by setting a smaller frequency of the random phase sequence or smaller phase deviations that can be controlled with the random phase sequence. In this case, for example, the phase is not changed by a random value for the next but only for the next but one electrode. In this example, with the above numbers and p = 2 µm, the width w of the observer window would be approximately halved to w = 0.19 m. The phase change can also be controllable in such a way that a predeterminable number of electrodes, for example two or more electrodes arranged adjacent to one another, can be controlled with the same random phase sequence.

Für jede anzusteuernde Elektrode der Beugungseinrichtung werden die Phasenwerte der Linsen-, Prismen- und Streufunktion zu einem Gesamtwert addiert, wenn diese Funktionen gleichzeitig als ein Beugungsgitter angesteuert werden sollen. Wenn der Gesamtwert nicht im Wertebereich zwischen 0 und 2 π liegt, wird so oft 2 π addiert oder subtrahiert, bis der Gesamtwert im Wertebereich zwischen 0 und 2 π liegt. An die Elektrode wird solch eine Spannung angelegt, dass das Beugungsgitter an der entsprechenden Position die Phase um diesen Gesamtwert moduliert.For each diffraction device electrode to be driven, the phase values of the lens, prism and scattering functions are added to give a total value when these functions are to be driven simultaneously as a diffraction grating. If the total value is not in the range between between 0 and 2 π, 2 π is added or subtracted until the total value lies in the range between 0 and 2 π. A voltage is applied to the electrode such that the diffraction grating at the corresponding position modulates the phase by this total value.

Ein für die Streufunktion angesteuerte Beugungsgitter weist Phasenhübe auf, die mit wechselbaren Frequenzen abhängig von einem Abstand der erfassten Augenposition ansteuerbar eingeschrieben sind. Mit den Phasenhüben sind für durchtretende Lichtbündel Streuwinkel einstellbar, mit denen die Größe des Betrachterfensters mindestens horizontal bei Ansteuerung abhängig von einem Abstand der erfassten Augenposition zum Lichtmodulator änderbar ist. Weiterhin muss außerdem der mit dem Betrachterfenster darzustellende Modus der 3D Szene vorgegeben sein.A diffraction grating controlled for the scattering function has phase deviations that are written with changeable frequencies that can be controlled depending on a distance of the detected eye position. With the phase shifts, scattering angles can be set for light bundles passing through, with which the size of the observer window can be changed at least horizontally when controlled depending on a distance between the detected eye position and the light modulator. Furthermore, the mode of the 3D scene to be displayed with the viewer window must also be specified.

Die Steuerung der horizontalen Breite des Betrachterfensters ist in 2 und 3 dargestellt. 2a zeigt beispielhaft die Phasenwerte φ als Funktion der x-Koordinate xLCG, die als Beugungsgitter eingeschrieben sind. 2b zeigt die Intensitätsverteilung I des Betrachterfensters als Funktion der x-Koordinate xOb in der Betrachterebene für eine Augenposition. Die Phasenwerte sind hochfrequent zwischen Null und 2 π berechnet, wobei ein breites Betrachterfenster steuerbar ist.Horizontal width control of the viewer window is in 2 and 3 shown. 2a shows, by way of example, the phase values φ as a function of the x-coordinate xLCG, which are inscribed as a diffraction grating. 2 B shows the intensity distribution I of the observer window as a function of the x-coordinate xOb in the observer plane for one eye position. The phase values are calculated at high frequencies between zero and 2π, with a wide viewing window being controllable.

3a und 3b zeigen im gleichen Maßstab wie in 2a den im Beugungsgitter eingeschriebenen Phasenwerteverlauf und die Intensitätsverteilung I des Betrachterfensters, wobei die Phasenwerte mit einem Frequenzspektrum mit kleineren Frequenzen zwischen Null und 2π berechenbar sind. Die Anzahl der Phasenhübe (3a) für das Betrachterfenster in 3b ist kleiner als in 2a. Mit diesen Phasenhüben ist ein Betrachterfenster ansteuerbar, dessen Größe für eine neue Augenposition nur geringfügig änderbar ist. Durch die Wahl des Frequenzspektrums ist die Größe des Betrachterfensters in der Betrachterebene, bei vorgegebener Wellenlänge des Lichts, änderbar. 3a and 3b show on the same scale as in 2a the course of phase values written in the diffraction grating and the intensity distribution I of the observer window, the phase values being able to be calculated with a frequency spectrum with lower frequencies between zero and 2π. The number of phase shifts ( 3a ) for the viewer window in 3b is smaller than in 2a . An observer window can be controlled with these phase shifts, the size of which can only be changed slightly for a new eye position. By selecting the frequency spectrum, the size of the viewing window in the viewing plane can be changed for a given wavelength of light.

Durch Wahl einer maximalen Frequenz und/oder eines Wertespektrums für die Zufallsphasen lassen sich die Phasenhübe, und damit die Streuwinkel für die Lichtbündel steuern. Mit Phasenhüben, die aus einem Phasenverlauf mit einem kleinen Wertespektrum und/oder einer niedrigen maximalen Frequenz resultieren, kann ein neu anzusteuerndes Betrachterfenster wertmäßig nur gering verändert, verbreitert oder verkleinert, werden. Damit sind die Zufallsphasen zum Ändern der Größe des Betrachterfensters an wechselnde Abstände zwischen dem Display und der Betrachterebene vorteilhaft anzuwenden.By choosing a maximum frequency and/or a range of values for the random phases, the phase deviations and thus the scattering angles for the light beams can be controlled. With phase shifts that result from a phase curve with a small range of values and/or a low maximum frequency, the value of a new viewer window to be controlled can only be slightly changed, widened or reduced. Thus, the random phases for changing the size of the viewer window can be advantageously applied to changing distances between the display and the viewer plane.

Unter hochfrequenten Phasenhüben ist eine Folge von eingeschriebenen Phasenwerten zu verstehen, die örtlich begrenzt eine große Anzahl von wechselnden Phasenwerten aufweist (2a). Bei niedrigfrequenten Phasenhüben ist die Anzahl wechselnder Phasenwerte für diesen örtlich begrenzten Bereich vergleichsweise geringer (3a).High-frequency phase deviations are a sequence of written phase values that have a large number of changing phase values locally ( 2a ). With low-frequency phase deviations, the number of changing phase values for this localized area is comparatively smaller ( 3a ).

4a und 4b zeigen eine alternative Darstellung für ein angesteuertes Beugungsgitter, mit dem die Breite des Betrachterfensters verringert werden kann. Anstatt die maximale Frequenz der Phasenwerte zu verringern, kann das Wertespektrum der Phasenwerte verringert werden. Der maximale Phasenwert ist in 4a z.B. π anstatt 2 π wie in 2a. 4a and 4b show an alternative representation for a driven diffraction grating that can be used to reduce the width of the observer window. Instead of reducing the maximum frequency of the phase values, the range of values of the phase values can be reduced. The maximum phase value is in 4a e.g. π instead of 2 π as in 2a .

Diese Beispiele sollen das Verfahren der mathematischen Berechnung von Zufallszahlen, die von der optischen Wirkung her mit Zufallsphasenwerten als Beugungsgitter zur Steuerung der Größe oder horizontalen Breite des Betrachterfensters einschreibbar sind, verdeutlichen. Dieses Verfahren hat den Vorteil eines geringen Rechenaufwands, führt jedoch zu einer nicht scharf begrenzten Intensitätsverteilung des Betrachterfensters, die einer Gauss-Funktion ähnelt.These examples are intended to illustrate the method of mathematically calculating random numbers that can be optically written with random phase values as diffraction gratings to control the size or horizontal width of the viewer window. This method has the advantage of a low computational effort, but it leads to an intensity distribution of the observer window that is not sharply delimited and is similar to a Gaussian function.

Die Berechnungszeit kann weiter verringert werden durch Auslesen der Phasenwerte aus z.B. Tabellen, in denen für Koordinaten von möglichen Positionen von Betrachteraugen entsprechende Phasenwerte als Steuerwerte gespeichert sind.The calculation time can be further reduced by reading out the phase values from, for example, tables in which corresponding phase values are stored as control values for coordinates of possible positions of observer eyes.

Die Phasenverläufe einer in die Beugungseinrichtung einzuschreibenden Streufunktion zum Steuern der Größe bzw. horizontalen Breite des Betrachterfensters können mit einem zweiten Verfahren unter Verwendung iterativer Fouriertransformationen ermittelt werden. Dieses Verfahren benötigt einen größeren Rechenaufwand als das erste Verfahren, jedoch ist ein Betrachterfenster erzeugbar, das eine vorgebbare Intensitätsverteilung mit genau definierten Grenzen für mindestens ein Betrachterauge aufweist.The phase curves of a scatter function to be written into the diffraction device for controlling the size or horizontal width of the observer window can be determined with a second method using iterative Fourier transformations. This method requires more computing effort than the first method, but an observer window can be generated which has a predeterminable intensity distribution with precisely defined limits for at least one observer eye.

Die Streufunktion kann mittels Fouriertransformation für eine vorgebbare Intensitätsverteilung an mindestens einer Augenposition in der Betrachterebene berechnet werden. Da mit dem eingeschriebenen Beugungsgitter nur die Phase des einfallenden Lichts verändert werden kann, sollten nur reine Phasenwerte mit konstanter Amplitude berechnet und geschrieben werden. Die Berechnung dieser Phasenwerte mit der iterativen Fouriertransformation (IFT) erfordert bekanntermaßen, Fouriertransformationen und inverse Fouriertransformation zwischen der Ebene der Beugungseinrichtung und der Betrachterebene bis zum Erreichen eines Abbruchkriteriums durchzuführen.The scatter function can be calculated using Fourier transformation for a predeterminable intensity distribution at at least one eye position in the observer plane. Since only the phase of the incident light can be changed with the inscribed diffraction grating, only pure phase values with constant amplitude should be calculated and written. As is known, the calculation of these phase values using the iterative Fourier transformation (IFT) requires carrying out Fourier transformations and inverse Fourier transformations between the plane of the diffraction device and the observation plane until a termination criterion is reached.

Der Ablauf des iterativen Fouriertransformationsverfahrens ist in 5 schematisch dargestellt und wird nachfolgend kurz erläutert. Transformationen und Rücktransformationen von Matrixwerten, die in zwei Matrizen M1 und M2 vorliegen, werden mit vier Berechnungsschritten eines iterativen Berechnungsvorgangs ausgeführt. Die iterativen Berechnungsvorgänge werden mehrmals wiederholt, wobei die Matrizen M1 und M2 die gleiche Anzahl von komplexen Matrixwerten enthalten. Die Beträge der Matrixwerte von M1 sind die Quadratwurzel der Intensitätsverteilung in der Betrachterebene. Die Phasen der Matrixwerte der Matrix M2 sind die Phasenverteilungen im Beugungsgitter der Beugungseinrichtung. Die Berechnung der Matrizen M1 und M2 kann mit einer ein- oder zweidimensionalen Werteverteilung durchgeführt werden. Die Intensitätsverteilung in der Betrachterebene ist mit einer eindimensionalen Werteverteilung in einer Richtung steuerbar. Wenn zwei Beugungsgitter eindimensional (oder auch ein zweidimensionales Beugungsgitter) in die Ebene der Beugungseinrichtung gekreuzt, das heisst, mit einem 90° Winkel zueinander, ansteuerbar eingeschrieben sind, ist die Intensitätsverteilung der gestreuten Lichtbündel in der Betrachterebene in zwei laterale Richtungen steuerbar.The process of the iterative Fourier transformation process is in 5 shown schematically and is briefly explained below. Transformations and inverse transformations of matrix values, which are present in two matrices M1 and M2, are carried out with four calculation steps of an iterative calculation process. The iterative calculation processes are repeated several times, with the matrices M1 and M2 containing the same number of complex matrix values. The magnitudes of the matrix values of M1 are the square root of the intensity distribution in the observer plane. The phases of the matrix values of the matrix M2 are the phase distributions in the diffraction grating of the diffraction device. The matrices M1 and M2 can be calculated with a one- or two-dimensional value distribution. The intensity distribution in the observer plane can be controlled in one direction with a one-dimensional value distribution. If two diffraction gratings are crossed one-dimensionally (or a two-dimensional diffraction grating) in the plane of the diffraction device, i.e. are inscribed in a controllable manner at a 90° angle to one another, the intensity distribution of the scattered light beams in the viewing plane can be controlled in two lateral directions.

In den Beträgen der komplexen Matrixwerte von M1 sind Amplitudenwerte am Beginn der Iteration enthalten, wobei die Quadratwurzel der Amplitudenwerte der in der Betrachterebene vorzugebenden Intensitätsverteilung entspricht und die Sollwerte von M1 darstellen. Die vorzugebende Intensitätsverteilung wird an den Abtastpunkten der Matrix M1 berechnet. Die Phasen der Matrixwerte von M1 werden auf beliebige Werte gesetzt. Die vier iterativ zu wiederholenden Berechnungsschritte enthalten im Einzelnen:

S1: eine Fouriertransformation FT von Matrix M1 zu Matrix M2
S2: Setzen der Beträge der Matrixwerte von M2 auf den Wert 1, die Phasen der Matrixwerte von M2 werden unverändert gelassen
S3: eine Inverse Fouriertransformation FT' von Matrix M2 zu Matrix M1
S4: Setzen der Beträge der Matrixwerte von M1 auf die Sollwerte, die Phasen der Matrixelemente von M1 werden unverändert gelassen

The magnitudes of the complex matrix values of M1 contain amplitude values at the beginning of the iteration, the square root of the amplitude values corresponding to the intensity distribution to be specified in the viewing plane and representing the target values of M1. The intensity distribution to be specified is calculated at the sampling points of the matrix M1. The phases of the matrix values of M1 are set to arbitrary values. The four iteratively repeated calculation steps contain in detail:

S1: a Fourier transform FT from matrix M1 to matrix M2
S2: Set the magnitudes of the matrix values of M2 to the value 1, leaving the phases of the matrix values of M2 unchanged
S3: an inverse Fourier transform FT' of matrix M2 to matrix M1
S4: Set the magnitudes of the matrix values of M1 to the target values, leaving the phases of the matrix elements of M1 unchanged

Die vier Berechnungsschritte werden iterativ wiederholt, wobei die Beträge der Matrixwerte von M1 immer mehr den Sollwerten angenähert werden. Die Iteration wird abgebrochen, wenn die aktuellen Amplitudenwerte nur geringfügig von den Sollwerten abweichen, beispielsweise weniger als 10% vom Abbruchkriterium abweichen. Die nach Abbruch der Iteration vorliegenden Matrixwerte von M2 werden dann zur Ansteuerung der Elektroden verwendet, um einen Streuwinkel und somit ein Betrachterfenster von vorgegebener Größe bzw. horizontaler Breite in einem vorgegebenem Abstand erzeugen zu können.The four calculation steps are repeated iteratively, with the amounts of the matrix values of M1 increasingly approaching the target values. The iteration is aborted when the current amplitude values deviate only slightly from the target values, for example deviate less than 10% from the abort criterion. The matrix values of M2 that are present after the iteration is terminated are then used to control the electrodes in order to be able to generate a scattering angle and thus an observer window of a predetermined size or horizontal width at a predetermined distance.

Wenn die Betrachterebene nicht die Fourierebene des Beugungsgitters ist, wird anstelle der Fouriertransformation FT bzw. der inversen Fouriertransformation FT' eine Fresneltransformation zur Berechnung verwendet. Die Transformationen unterscheiden sich in einem sphärischen Phasenverlauf bzw. in einem inversen sphärischen Phasenverlauf, der vom Abstand der Betrachterebene zur Fourierebene des Beugungsgitters abhängt.If the viewing plane is not the Fourier plane of the diffraction grating, a Fresnel transformation is used for the calculation instead of the Fourier transformation FT or the inverse Fourier transformation FT'. The transformations differ in a spherical phase curve or in an inverse spherical phase curve, which depends on the distance between the observer plane and the Fourier plane of the diffraction grating.

Mit dem IFT-Verfahren werden die Ansteuerwerte des Beugungsgitters berechnet, mit denen ein Betrachterfenster mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung erzeugbar ist. Insbesondere kann damit ein Betrachterfenster mit einer bevorzugten Breite von ca. 2 cm - 3 cm und einem vorteilhafterweise rechteckigen Intensitätsverlauf durch Ansteuerung von Gitterfunktionen erzeugt werden. Wird ein mit dem IFT-Verfahren berechnetes und den daraus resultierenden Phasenwerten erzeugtes Betrachterfenster an jedem Auge eines Betrachters positioniert, können die Augen mit verschiedenen Intensitätsverteilungen homogen beleuchtet und das Übersprechen von Licht bzw. Bildinhalten auf nicht erfasste Betrachteraugen verringert werden.The control values of the diffraction grating, with which an observer window with a predetermined intensity distribution can be generated, are calculated with the IFT method. In particular, an observer window with a preferred width of approx. 2 cm-3 cm and an advantageously rectangular intensity profile can be generated by controlling grating functions. If an observer window calculated with the IFT method and the resulting phase values generated is positioned on each eye of an observer, the eyes can be illuminated homogeneously with different intensity distributions and the crosstalk of light or image content to observer eyes that are not recorded can be reduced.

Das IFT-Verfahren kann im Display in Echtzeit verwendet werden. Die Matrixwerte der Matrix M2 sind für verschiedene Intensitätsverteilungen in der Betrachterebene des 3D Displays vorteilhafterweise im Voraus berechenbar und in einer Tabelle speicherbar, aus der sie dann bei Bedarf auslesbar sind.The IFT method can be used in the display in real time. The matrix values of the matrix M2 can advantageously be calculated in advance for different intensity distributions in the viewing plane of the 3D display and can be stored in a table from which they can then be read out if required.

Alternativ können zur Verbreiterung des Betrachterfensters Lichtquellen defokussiert „abgebildet“ werden. Hierzu wird eine Linsenfunktion mit solch einer Brennweite in die Beugungseinrichtung ansteuerbar eingeschrieben, dass die Lichtquellen in inkohärenter Richtung in eine Ebene nahe der Betrachterebene abgebildet werden. Somit sind sie in der Betrachterebene unscharf wahrnehmbar, und die Größe des Betrachterfensters ist in der inkohärenten Richtung vergrößerbar.Alternatively, to widen the viewer window, light sources can be “imaged” out of focus. For this purpose, a lens function with such a focal length is written into the diffraction device in a controllable manner that the light sources are imaged in an incoherent direction in a plane close to the observer plane. Thus, they are perceptible out of focus in the observer's plane, and the size of the observer's window can be increased in the incoherent direction.

Zusätzliche optische Streuelemente oder Umschaltelemente für eine 3D/2D Umschaltung können mit der Erfindung vorteilhaft vermieden werden.Additional optical scattering elements or switchover elements for a 3D/2D switchover can advantageously be avoided with the invention.

Claims

Light modulation device for a display (D), which can be controlled to display a 3D scene in a 3D mode and a 2D mode, with a controllable spatial light modulator and at least one controllable diffraction device, which can be controlled with a control device, wherein an observer window (SP1, SP2; SP1', SP2';SP1",SP2") can be generated with coherent light beams at changing eye positions, characterized in that the diffraction device has electrodes and has a controllable material in which a prism and/or lens function and a scattering function can be inscribed as a diffraction grating with a phase profile that can be controlled at least one-dimensionally, the diffraction grating of the scattering function having phase deviations that vary in frequency depending on a distance (d1, d2) of the detected eye position, for which the specified size of the observer window (SP1, SP2; SP1', SP2';SP1",SP2") can be controlled for a specified display mode.

light modulation device claim 1 , in which the light beams have scattering angles that can be changed with a variable number of electrodes to be controlled simultaneously.

light modulation device claim 1 or 2 , in which the phase deviations can be controlled with a sequence of random phase values, which can be selected from a spatial frequency and/or value spectrum with the control device.

light modulation device claim 3 , in which the maximum value spectrum of the phase values for changing the size of the observer window (SP1, SP2; SP1', SP2';SP1'',SP2'') is reduced.

Light modulation device according to one of Claims 1 until 4 , in which phase values can be read from tables in which phase values corresponding to coordinates of possible positions of observer eyes are stored as control values.

light modulation device claim 1 or 2 , in which the scattering function as a diffraction grating can be written into the controllable diffraction device with phase values in a controllable manner, which can be calculated using the method of iterative Fourier transformation (FT, FT').

light modulation device claim 6 , in which the iterative Fourier transformation (FT, FT') is calculated with complex matrix values which have at least one one-dimensional value distribution, with which at least one diffraction grating can be written in the controllable diffraction device in a controllable manner in at least one direction and has a predetermined intensity distribution.

Light modulation device according to one of Claims 1 until 7 , in which the size of the observer window (SP1, SP2; SP1', SP2';SP1'',SP2'') can be controlled at least one-dimensionally by writing the scattering function into the diffraction device, or by defocused imaging of light sources, wherein for a Level near the viewing plane, a spherical phase curve as a diffraction grating in the controllable diffraction device is controllably inscribed.

Light modulation device according to one of Claims 1 until 8th , in which the scattering function can be written as a diffraction grating with a phase profile with which the scattering angle can be controlled to generate a viewer window (SP1, SP2; SP1', SP2';SP1",SP2") for the viewer's eyes, for which a 2D display mode is specified by the control device.

Light modulation device according to one of Claims 1 until 9 , in which a scattering function is formed for the 2D mode for locally detected eye positions of an observer, while the 3D mode is retained for other eye positions of other observers.

Display (D) with a light modulation device according to at least one of Claims 1 until 10 , wherein stereoscopic and/or holographic image content can be displayed in a controllable manner in the light modulation device.

Display (D) after claim 11 , in which the light modulation device has a diffraction device with which the viewer window (SP1, SP2; SP1 ', SP2'; SP1 '', SP2 '') can be controlled for at least two viewers, wherein when operating the display (D) in 3D mode the size of the two viewer windows (SP1, SP2; SP1', SP2';SP1'',SP2'') for eye positions for displaying a 3D scene are simultaneously controllably changeable.