DE102015205873A1

DE102015205873A1 - Verfahren zur Berechnung von Hologrammen zur holographischen Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen

Info

Publication number: DE102015205873A1
Application number: DE102015205873.5A
Authority: DE
Inventors: Bo Kroll; Norbert Leister
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2016-10-06
Also published as: US11460809B2; JP2018517160A; CN107710080A; JP6893880B2; KR102647998B1; WO2016156287A1; CN107710080B; US20180364643A1; TWI710868B; TW201702768A; KR20170132311A

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Berechnung von Hologrammen zur holographischen Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen in einer Anzeigevorrichtung, wobei eine zu rekonstruierende Szene (4) in Objektpunkte (P, P1–Pn) zerlegt wird und die Objektpunkte (P, P1–Pn) als Subhologramme (S1–Sn) in wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) der Anzeigevorrichtung kodiert werden. Eine rekonstruierte Szene wird von einem Sichtbarkeitsbereich (3) aus betrachtet. Wenigstens eine virtuelle Ebene (100‘, 100‘‘) der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) wird ausgehend von einer realen Ebene (100) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) festgelegt. In der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) werden die Objektpunkte (P, P1–Pn) der zu rekonstruierenden Szene (4) als Subhologramme (S1–Sn) berechnet. Die berechneten Subhologramme (S1–Sn) werden dann von der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) mittels einer Integraltransformation in den Sichtbarkeitsbereich (3) transformiert und dort aufsummiert. Die aufsummierten Subhologramme (S1–Sn) werden anschließend mittels einer weiteren Integraltransformation vom Sichtbarkeitsbereich (3) in die reale Ebene (100) der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) transformiert und als Hologramm eingeschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Hologrammen zur holographischen Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen in einer Anzeigevorrichtung, wobei die zu rekonstruierende Szene in Objektpunkte zerlegt wird und die Objektpunkte als Subhologramme in wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung der Anzeigevorrichtung kodiert werden, wobei eine rekonstruierte Szene von einem Sichtbarkeitsbereich aus betrachtet wird.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Lichtmodulationseinrichtung, die derart ausgeführt und geeignet ist, das Verfahren durchzuführen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Anzeigevorrichtung, insbesondere eine holographische Anzeigevorrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen, aufweisend eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung, wobei die Lichtmodulationseinrichtung geeignet ist, das Verfahren durchzuführen.
Ein Verfahren, in der die Berechnung von Hologrammen für ein holographisches Display bzw. eine holographische Anzeigevorrichtung beschrieben ist, ist beispielsweise aus der WO 2006/066919 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich hier einbezogen sein soll. In diesem Verfahren wird für die Berechnung von Hologrammen ein virtuelles Betrachterfenster in einer Betrachterebene einbezogen, durch das ein Betrachter eine rekonstruierte Szene beobachten kann, wenn das virtuelle Betrachterfenster mit dem Ort der Augenpupille des Betrachters zusammenfällt. Im Unterschied zur herkömmlichen Holographie, bei der die Rekonstruktion von vorzugsweise dreidimensionalen (3D) Szenen in einem Sichtbarkeitsbereich erfolgt, der mindestens die beiden Augen eines Betrachters umfasst, wird bei dieser Technik das Wellenfeld, das die Information über die rekonstruierte Szene enthält, auf die Augenpupillen eines Betrachters in einer Betrachterebene begrenzt. Der Betrachter sieht dann die rekonstruierte Szene in einem Rekonstruktionsraum, der durch das bzw. die Betrachterfenster und die Anzeigevorrichtung aufgespannt wird und der sich auch hinter die Anzeigevorrichtung (wird häufig auch als Display bezeichnet) erstrecken kann. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der US 2008/252950 A1 offenbart und beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hier ebenfalls vollumfänglich einbezogen sein soll.
Das Verfahren ermöglicht die holographische Rekonstruktion wesentlich größerer dreidimensionaler Szenen, die in Form von Hologrammen in einem Lichtmodulator (SLM) einer Anzeigevorrichtung (Display) kodiert sind, wobei an die Auflösung des Lichtmodulators wesentlich geringere Anforderungen gestellt werden als bei der herkömmlichen Holographie. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Aufwand zur Berechnung des entsprechenden Hologramms ebenfalls geringer ist. Das ergibt sich unter anderem daraus, dass die Information über einen Objektpunkt der dreidimensionalen Szene nur in einem Bereich der Anzeigevorrichtung kodiert werden muss, der sich aus der Projektion des Betrachterfensters über einen darzustellenden Objektpunkt auf die Anzeigevorrichtung bzw. den Lichtmodulator ergibt und der als Subhologramm bezeichnet wird.
Ein Verfahren zur Berechnung derartiger betrachterfensterbezogener Hologramme ist in der US 7,969,633 dargestellt, deren Offenbarungsgehalt hier ebenfalls vollumfänglich einbezogen sein soll. Das Verfahren erfolgt im Wesentlichen derart, dass eine dreidimensionale Szene in Schnittebenen mit hinreichend geringen Abständen zerlegt wird, in denen die Objektpunkte ebenfalls mit hinreichender Auflösung angeordnet sind. Die Schnittebenen werden dann mit einer ersten Integraltransformation in ein virtuelles Betrachterfenster in einer Referenzebene transformiert und im Bereich des virtuellen Betrachterfensters aufsummiert. Dieses im Allgemeinen komplexwertige Wellenfeld wird anschließend mit einer zweiten Integraltransformation in die Ebene des Lichtmodulators transformiert und in Form eines im Allgemeinen ebenfalls komplexwertigen Hologramms darin kodiert. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass nur die Information im Hologramm kodiert wird, die aus dem Bereich des Betrachterfensters stammt und bei der Rekonstruktion des Hologramms auch nur in dieses gelangen muss.
Die Berechnung und Kodierung der betrachterfensterbezogenen Hologramme kann aber noch auf eine weitere Weise verfolgen. Bei dem folgenden Verfahren wird die dreidimensionale Szene ebenfalls rechnerisch in Objektpunkte zerlegt. Für die einzelnen Objektpunkte werden dann Subhologramme in Form von Linsenfunktionen berechnet und direkt auf dem Lichtmodulator dargestellt und aufaddiert. Die Größe und Lage der Subhologramme auf dem Lichtmodulator ergibt sich dabei aus einer Projektion des Bertachterfensters über den betreffenden Objektpunkt hin auf den Lichtmodulator. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der WO 2008/025839 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt ebenfalls vollumfänglich hier einbezogen sein soll.
Je nach Zahl der Schnittebenen und Zahl der Objektpunkte variiert der Rechenaufwand für das eine oder das andere oben aufgeführte Verfahren.
Für das Verfahren nach der US 7,969,633 steigt der Rechenaufwand näherungsweise linear mit der Anzahl der verwendeten Schnittebenen an. Die Wahl der Schnittebenen ist bis zu einem gewissen Grade willkürlich. Jedoch ist es in der Regel erwünscht, dass ein Betrachter im Betrachterfenster einen kontinuierlichen Tiefeneindruck der vorzugsweise dreidimensionalen Szene erhält. Die Abstände der Schnittebenen sind deshalb so klein zu wählen, dass das Auge den Unterschied zwischen benachbarten Ebenen nicht auflösen kann. Dies erfordert für eine gegebene dreidimensionale Szene eine Mindestanzahl von Schnittebenen.
Für das Verfahren nach der WO 2008/025839 A1 steigt der Rechenaufwand mit der Zahl der Objektpunkte, deren Dichte aber ebenfalls so zu wählen ist, dass ein kontinuierlicher Eindruck der rekonstruierten Szene entsteht.
Insbesondere für eine dreidimensionale Szene, die sich über einen größeren Tiefenbereich erstreckt und nach dem Verfahren gemäß der US 7,969,633 viele Schnittebenen erfordern würde, ist das Verfahren gemäß der WO 2008/025839 A1 in Bezug auf den Rechenaufwand günstiger. Für eine große Zahl von Objektpunkten, die nur über sehr wenige Schnittebenen verteilt sind, kann hingegen das Verfahren gemäß der US 7,969,633 vorteilhaft sein.
Für das Verfahren gemäß der WO 2008/025839 A1 hängt der Rechenaufwand aber außerdem stark von der Lage der dreidimensionalen Szene relativ zur Position des Lichtmodulators und des Betrachterfensters ab, da dies Einfluss insbesondere auf die Größe der Subhologramme für die einzelnen Objektpunkte hat.
Es wurden auch, zum Beispiel in der WO 2006/119760 A2 , bereits holographische Displays (Anzeigevorrichtungen) mit einem virtuellen Betrachterfenster beschrieben, bei denen ein Lichtmodulator nicht direkt vom Betrachter gesehen wird sondern stattdessen die vergrößerte Abbildung des Lichtmodulators auf einem Schirm. In diesem Fall hängt der Rechenaufwand zur Berechnung des Hologramms von der Lage der dreidimensionalen Szene relativ zum Bild des Lichtmodulators ab. Auch in einem holographischen Head Mounted Display (Holo-HMD) würde der Betrachter eine vergrößerte Abbildung eines Lichtmodulators sehen, und der Rechenaufwand bezieht sich auch in diesem Fall auf die Lage der dreidimensionalen Szene relativ zum Bild des Lichtmodulators.
Im Allgemeinen, wenn beispielsweise eine aus nur einem einzelnen Objektpunkt bestehende dreidimensionale Szene vollständig rekonstruiert werden soll, müssten in den Lichtmodulator am Ort des Subhologramms für diesen Objektpunkt komplexe Werte eingeschrieben werden. Der Betrag des komplexen Wertes, also die Amplitude, ist in einer bevorzugten Ausführungsform über die Ausdehnung des Subhologramms ungefähr konstant und hängt in seiner Höhe von der axialen Entfernung des Objektpunktes zum Lichtmodulator bzw. zum Bildschirm und von der Intensität des Objektpunktes ab. Das im Folgenden Beschriebene ist aber nicht auf den Fall einer über die Ausdehnung des Subhologramms konstanten Amplitude beschränkt, sondern bezieht auch andere Möglichkeiten mit ein. Die Phasenverteilung der komplexen Werte im Bereich des Subhologramms entspricht ungefähr der Funktion einer Linse, deren Brennweite auch von der Kombination mit anderen in der Anzeigevorrichtung enthaltenen Fokussierelementen, wie beispielsweise einer Feldlinse abhängen kann. Die Brennweite der Linsenfunktion des Subhologramms wird bevorzugt derart gewählt, dass ein Fokus (Brennpunkt) in dem jeweiligen Objektpunkt liegt. Das im Folgenden Beschriebene soll aber nicht auf bestimmte Linsenfunktionen beschränkt sein, sondern kann auch andere Phasenwerte im Subhologramm umfassen. Außerhalb des Subhologramms wäre für diesen Objektpunkt im Lichtmodulator die Amplitude 0 (Null) einzuschreiben. Nur die Pixel des Lichtmodulators innerhalb des Subhologramms würden dadurch mit ihrer vollen Transmission zur Rekonstruktion des einzelnen Objektpunkts beitragen.
Ein rechenaufwendiger Schritt bei der Hologrammberechnung ist die Umrechung der Phase einer Linsenfunktion eines Subhologramms in Real- und Imaginärteil zum Zweck des Aufsummierens mehrerer Subhologramme. Bei im Mittel größeren Subhologrammen muss dieser Rechenschritt häufiger durchgeführt werden.
Eine Wiedergabe derselben dreidimensionalen Szene könnte prinzipiell in holographischen Anzeigevorrichtungen mit unterschiedlichen Parametern wie Größe der Anzeigevorrichtung oder Abstand der Anzeigevorrichtung zum Betrachter erfolgen.
Mit einem Lichtmodulator kleiner Größe mit kleinen Modulationselementen (Pixeln) und mit einem geringen Abstand zu einem Betrachter lässt sich in der Größe ungefähr das gleiche Betrachterfenster bzw. der gleiche Sichtbarkeitsbereich und in der Größe das gleiche Frustrum (Kegel, der sich von den Rändern des Betrachterfensters/Sichtbarkeitsbereichs hin zu den Rändern des Lichtmodulators und dahinter erstreckt) erzeugen wie durch einen Lichtmodulator größerer Größe mit der gleichen Anzahl größerer Modulationselemente in größerer Entfernung zu einem Betrachter.
Beispielsweise wäre ein 20 Zoll Display (Anzeigevorrichtung) mit einem Abstand von 2 Metern zu einem Betrachter und einem Pixelpitch (Pitch des Modulationselements) von 90 µm bezüglich der Größe des Betrachterfensters/Sichtbarkeitsbereichs und dem somit erzeugten Frustrum ungefähr gleichwertig zu einem 4 Zoll Display (Anzeigevorrichtung) mit 40 cm Abstand zu einem Betrachter und einem Pixelpitch von 18 µm. Die maximal mögliche Größe xvw eines Sichtbarkeitsbereichs/virtuellen Betrachterfensters ergibt sich zum Beispiel für blaues Licht der Wellenlänge λ = 475 nm in beiden Fällen (20 Zoll Display und 4 Zoll Display) gemäß der Formel xvw_max = λzlm/plm mit zlm dem Abstand des Lichtmodulators zum Sichtbarkeitsbereich/virtuellen Betrachterfenster und plm, dem Pixelpitch zu ungefähr 10,5 mm. Dies gilt wahlweise horizontal oder vertikal, da die Größe des Sichtbarkeitsbereichs im Allgemeinen zweidimensional ist.
Die Größe des Sichtbarkeitsbereichs bzw. des virtuellen Betrachterfensters kann auch kleiner gewählt werden. Im allgemeinen Fall wäre xvw = aλzlm/plm mit einem Faktor a <= 1. In der Regel wird aber für eine holographische Anzeigeeinrichtung mit einer Detektion der Augenposition wenigstens eines Betrachters und Nachführung des Sichtbarkeitsbereichs/virtuellen Betrachterfensters zur Augenposition zum Ausgleich von Ungenauigkeiten der Augenpositionserfassung und zeitlichen Verzögerungen in der Nachführung des Sichtbarkeitsbereichs/ virtuellen Betrachterfensters eine Größe des Sichtbarkeitsbereichs/virtuellen Betrachterfensters von 10 mm oder mehr benötigt.
Der Abstand der Anzeigevorrichtung zu einem Betrachter beeinflusst jedoch die Berechnung des in den Lichtmodulator einzukodierenden Hologramms.
Gemäß der WO 2008/025839 A1 würde die Größe eines Subhologramms in einer bevorzugten Ausführungsform mittels des Strahlensatzes bestimmt.
Ist zpoint der Abstand eines Objektpunktes zum Betrachterfenster/ Sichtbarkeitsbereich, und zlm wie bereits beschrieben der Abstand des Lichtmodulators zum Betrachterfenster/Sichtbarkeitsbereich, so würde sich die Größe des Subhologramms in Form einer räumlichen Ausdehnung xsh ergeben zu xsh = |xvw(zlm – zpoint)/zpoint|
In den 1 und 2 ist schematisch eine dreidimensionale Szene, die hier durch nur zwei Objektpunkte angedeutet ist, in einem Frustrum in fester Lage und Abstand zu einem Betrachter dargestellt. In den 1 und 2 ist schematisch nur der Lichtmodulator bzw. die Lichtmodulationseinrichtung dargestellt. Die holographische Anzeigevorrichtung weist jedoch im Allgemeinen weitere Komponenten wie beispielsweise eine Beleuchtungseinrichtung (Backlight) und eine Feldlinse auf.
In der 1 weist die Lichtmodulationseinrichtung (SLM) einen großen Abstand von einem Betrachter auf. Wie ersichtlich, entstehen in diesem Beispiel absolut gesehen in der Größe kleine Subhologramme. Aufgrund des vergleichsweise großen Pixelpitch der Lichtmodulationseinrichtung erstrecken sich diese Subhologramme daher nur über wenige Modulationseinrichtung (Pixel) der Lichtmodulationseinrichtung. Dies ist besonders vorteilhaft hinsichtlich des Rechenaufwands zur Berechnung und zur kohärenten Addition der Subhologramme.
In 2 ist bezüglich 1 eine in der Größe kleinere Anzeigevorrichtung mit kleineren Modulationselementen dargestellt, die sich näher am Auge eines Betrachters befindet. Für die gleichen Objektpunkte werden in diesem Beispiel die Subhologramme absolut gesehen in ihrer Größe größer. Da die Lichtmodulationseinrichtung hier zudem kleinere Modulationselemente aufweist als in 1, erstrecken sich die Subhologramme hier deutlich über eine größere Anzahl von Modulationselementen als in 1. Der Aufwand für die Berechnung des Hologramms aus der vorzugsweise dreidimensionalen Szene ist daher in 2 größer.
In praktischen Fällen ist aber der Abstand einer Anzeigevorrichtung zum Betrachter von der Anwendung abhängig und nicht frei wählbar. Ein Tablet oder ein Notebook-Display würden beispielsweise in der Regel einen geringeren Abstand zu einem Betrachter aufweisen als ein Fernseher.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem der Rechenaufwand zur Berechnung von Hologrammen einer zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szene reduziert werden kann. Insbesondere soll der Rechenaufwand für verschiedene Positionen der Lichtmodulationseinrichtung zu einem Betrachter und zur zu rekonstruierenden Szene reduziert werden. Dies soll insbesondere ohne oder nur mit sehr geringen Einschränkungen in der sichtbaren lateralen Auflösung und in der sichtbaren Tiefenauflösung der rekonstruierten Szene erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Berechnung von Hologrammen zur holographischen Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen in einer Anzeigevorrichtung (Display). Die zu rekonstruierende Szene wird in Objektpunkte zerlegt, wobei die Objektpunkte als Subhologramme in wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung der Anzeigevorrichtung kodiert werden. Die rekonstruierte Szene kann dann von einem Sichtbarkeitsbereich aus betrachtet werden. Wenigstens eine virtuelle Ebene der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung wird ausgehend von einer realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung festgelegt. In der wenigstens einen virtuellen Ebene der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung werden die Objektpunkte der zu rekonstruierenden Szene als Subhologramme berechnet. Die berechneten Subhologramme werden von der wenigstens einen virtuellen Ebene der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung mittels einer Integraltransformation in den Sichtbarkeitsbereich transformiert und dort aufsummiert. Die aufsummierten Subhologramme werden anschließend mittels einer weiteren Integraltransformation vom Sichtbarkeitsbereich aus in die reale Ebene der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung transformiert und dort als komplexwertiges Hologramm oder in Form einer Hologrammkodierung eingeschrieben.
Bezogen auf die vorliegende Erfindung soll die Bezeichnung „Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung“ oder „Position der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung“ so allgemein verstanden werden, dass die Ebene oder Position der physisch vorhandenen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in einem Direktsichtdisplay oder auch die Ebene oder Position eines für einen Betrachter sichtbaren reellen oder virtuellen Bildes der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in einem Projektionsdisplay oder Head Mounted Display (HMD) umfassen kann bzw. soll. Im Gegensatz dazu wird die Bezeichnung „virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung“ so verwendet, dass sie nicht mit der Ebene oder Position einer physisch vorhandenen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung oder eines für einen Betrachter sichtbaren Bildes einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung übereinstimmen muss. Mit anderen Worten, unter der Bezeichnung „virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung“ soll eine physisch nicht vorhandene bzw. eine gedachte oder scheinbare Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung oder virtuell an einen vorbestimmten Ort verschobene Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung verstanden werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Berechnung von Subhologrammen in einer virtuellen, physisch nicht vorhandenen bzw. gedachten Ebene einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in Analogie zu einer Einzelparallaxe-Kodierung (single-parallax Kodierung) oder auch zu einer Vollparallaxe-Kodierung (full-parallax Kodierung) durchgeführt wird. Anschließend erfolgt jeweils eine Integraltransformation in einen Sichtbarkeitsbereich und von diesem aus in die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung.
Dabei werden folgende Ausführungsformen unterschieden:

• eine eindimensionale Integraltransformation im Fall einer Einzelparallaxe-Kodierung
• eine zweidimensionale Integraltransformation im Fall einer Einzelparallaxe-Kodierung
• eine zweidimensionale Integraltransformation im Fall einer Vollparallaxe-Kodierung

Die Integraltransformation ist vorzugsweise eine Fresneltransformation. Es kann aber auch, je nach Anwendung, eine Fouriertransformation verwendet werden.
Ein derartiges Berechnungsverfahren ist von besonderem Vorteil, da somit auf einfache Weise Hologramme berechnet werden können unabhängig von der Größe der einzelnen Subhologramme, die von der Lage der Objektpunkte und der Position der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung variieren.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Hologramm erhalten, das näherungsweise mit demjenigen Hologramm übereinstimmt, das nach dem Stand der Technik bei einer direkten Berechnung erzeugt werden würde, also ohne den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Weg vorzugsweise über eine Kodierung in wenigstens einer virtuellen Ebene der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und daran anschließende Transformationen in den Sichtbarkeitsbereich und von dort aus in die reale Ebene der wenigstens einen Lichtmodulationseinrichtung. Das resultierende Hologramm wird danach in die reale räumliche Lichtmodulationseinrichtung eingeschrieben bzw. kodiert.
Im Vergleich zur herkömmlichen Berechnung von computergenerierten Hologrammen nach dem Stand der Technik erfordert das erfindungsgemäße Verfahren zwar für jede virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zwei zusätzliche Integraltransformationen. Andererseits kann für eine große Zahl von Objektpunkten die Ersparnis beim Berechnen und Aufaddieren der einzelnen Subhologramme mehr ins Gewicht fallen als die beiden zusätzlichen Integraltransformationen, die nur für das gesamte Hologramm einmalig durchgeführt werden.
Dementsprechend kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Position der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung derart gewählt wird, dass die resultierenden Subhologramme eine geringe bzw. minimale Größe aufweisen, wie weiter hinten eingehender erläutert wird.
Für eine vorbestimmte zu rekonstruierende vorzugsweise dreidimensionale Szene kann die Lage der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung derart gewählt werden, dass die zu berechnenden Subhologramme im Mittel in ihrer Größe kleiner werden – d.h. eine kleinere Fläche aufweisen – als für die tatsächliche Position der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung. Dieser Vorteil überwiegt den Aufwand der zusätzlichen Transformationen insbesondere bei Vorliegen von mehreren virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung.
Neben einer Vollparallaxe-Berechnung der Subhologramme bzw. der Hologramme gibt es auch die Möglichkeit einer Einzelparallaxe-Berechnung. Hierbei wird beispielsweise das Subhologramm eines Objektpunktes nicht in Form einer zweidimensionalen sphärischen Linse (full-parallax) sondern in Form einer Zylinderlinse berechnet und kodiert.
Für das in der US 7,969,633 beschriebene Verfahren bedeutet dies, dass die Zerlegung der Szene in Objektpunkte und die Aufteilung in Schnittebenen in der gleichen Weise erfolgen wie bei einer Vollparallaxe-Kodierung, aber im Unterschied zu dieser die Transformation in eine Betrachterebene bzw. in einen Sichtbarkeitsbereich und in eine Objektebene in Form einer eindimensionalen Integraltransformation, z.B. einer eindimensionalen Fouriertransformation, erfolgen.
Für das Verfahren gemäß der WO 2008/025839 A1 , das Subhologramme für die Objektpunkte direkt berechnet, bedeutet dies, dass Subhologramme nur aus einer Zeile bei horizontaler Kodierung oder einer Spalte bei vertikaler Kodierung bestehen. Die Linsenfunktion der Subhologramme wird dann so berechnet, dass nur in einer Dimension (horizontal oder vertikal) Licht zur Position des Objektpunktes fokussiert wird.
Die Einzelparallaxe-Kodierung weist den Vorteil auf, dass bei der Rekonstruktion in einer Dimension (horizontal oder vertikal) ein scharfer Fokus (Brennpunkt) des Objektpunktes in Übereinstimmung mit der Parallaxe-Information, die das Gehirn von beiden Augen eines Betrachters erhält, entsteht. Im Gegensatz zu einer stereoskopischen Anzeigevorrichtung bzw. Display entfällt demnach der Konflikt zwischen Parallaxeinformation und Fokusinformation (accommodation-vergence conflict). Die Einzelparallaxe-Kodierung weist weiterhin Vorteile gegenüber Hologrammen mit Vollparallaxe-Kodierung im Hinblick auf die Anforderungen an Rechenaufwand und Hardware, wie beispielsweise Größe und Anzahl der Modulationselemente auf einer Anzeigevorrichtung, auf.
Andererseits haben Hologramme mit einer Einzelparallaxe-Kodierung gegenüber Hologrammen mit einer Vollparallaxe-Kodierung den Nachteil, dass die sichtbare Auflösung in der Richtung senkrecht zur holographischen Kodierung reduziert sein kann, insbesondere für weit von der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung entfernte Objektpunkte, da in dieser Richtung in der Objektebene kein scharfer Fokus vorliegt, sondern eine unter Umständen wahrnehmbare Verschmierung des Objektpunktes bei der Rekonstruktion entstehen kann. Der Tiefenbereich, in der eine zweidimensionale und/oder dreidimensionale Szene mit maximaler Auflösung sichtbar ist, kann daher eingeschränkt sein. Dieser Effekt tritt insbesondere deutlicher zutage, wenn der Abstand zwischen der Anzeigevorrichtung und einem Betrachter klein wird.
Unter dem Begriff „Sichtbarkeitsbereich“ soll hier vorzugsweise ein Bereich in der Betrachterebene verstanden werden, der virtuell vorhanden ist und eine Art Betrachterfenster definiert. Befinden sich Augen, also wenigstens ein Auge, eines Betrachters im Sichtbarkeitsbereich, so kann der Betrachter die rekonstruierte Szene beobachten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird vorteilhaft eine Einzelparallaxe-Kodierung für die Berechnung der Subhologramme verwendet. Die Integraltransformation in einen Sichtbarkeitsbereich und von diesem aus in die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung wird aber als zweidimensionale Transformation ausgeführt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Lage der wenigstens einen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung innerhalb des Tiefenbereichs der zu rekonstruierenden Szene gewählt wird, wobei der Tiefenbereich der zu rekonstruierenden Szene durch den Objektpunkt mit dem kleinsten Abstand zum Sichtbarkeitsbereich und den Objektpunkt mit dem größten Abstand zum Sichtbarkeitsbereich begrenzt wird.
Dabei wird die Lage der wenigstens einen virtuellen Ebene derart gewählt, dass die sichtbare Auflösung bei der Rekonstruktion der Szene einen vorgegebenen Wert nicht unterschreitet. Mit anderen Worten, die Lage der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung im Bezug zum Tiefenbereich der zu rekonstruierenden Szene wird derart eingestellt bzw. festgelegt, dass sich nur geringe, wenn überhaupt, Verschlechterungen in der sichtbaren Auflösung der Szene ergeben.
Insbesondere ist dieses Verfahren vorteilhaft einsetzbar für eine reale räumliche Lichtmodulationseinrichtung (SLM), die sich in einem kleineren Abstand zu einem Betrachter befindet und eine virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die einen größeren Abstand zum Betrachter aufweist als die reale räumliche Lichtmodulationseinrichtung, da der nutzbare Tiefenbereich mit voller Auflösung für eine Einzelparallaxe-Kodierung mit dem Abstand der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zum Betrachter zunimmt.
Beispielsweise ist die reale räumliche Lichtmodulationseinrichtung 65 cm von einem Betrachter entfernt, und die zu rekonstruierende Szene erstreckt sich zwischen 1,5 m und 17 m vom Betrachter. Für die virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung wird dann beispielsweise ein Abstand von 2,5 m vom Betrachter aus gewählt.
Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die zu rekonstruierende Szene in wenigstens zwei Tiefenbereichsabschnitte zerlegt wird, wobei den wenigstens zwei Tiefenbereichsabschnitten jeweils eine virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zugeordnet wird. Das bedeutet, dass die zu rekonstruierende Szene neben der oben erwähnten Vorgehensweise auch durch Zerlegen in mehrere Tiefenbereichsabschnitte berechnet werden kann, die jeweils einer virtuellen Ebene zugeordnet werden.
Auch die Anzahl der virtuellen Ebenen wird derart festgelegt, dass für den gesamten darzustellenden Tiefenbereich sich nur geringe, wenn überhaupt, Verschlechterungen in der sichtbaren Auflösung der rekonstruierten Szene ergeben.
Bei dieser Vorgehensweise, wenn der Tiefenbereich der zu rekonstruierenden Szene derart groß in seiner Größe ist, dass sich nicht eine einzelne geeignete virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung finden lässt, für die eine dreidimensionale (3D) Szene ohne Verschlechterung der sichtbaren Auflösung dargestellt werden kann, ist es vorteilhaft und zweckmäßig, mehrere virtuelle Ebenen vorzusehen und zu verwenden. Dabei wird die zu rekonstruierende Szene in mehrere, also wenigstens zwei, Tiefenbereichsabschnitte zerlegt, die jeweils einer dieser virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zugeordnet werden. Jeweils in Analogie zu einer Einzelparallaxe-Kodierung werden in den einzelnen Tiefenbereichsabschnitten Subhologramme für die jeweiligen virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung berechnet.
Dabei kann eine virtuelle Ebene der den wenigstens zwei Tiefenbereichsabschnitten zugeordneten virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung auch mit der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zusammenfallen.
Anschließend werden die in den einzelnen Tiefenbereichsabschnitten berechneten Subhologramme in die Betrachterebene bzw. in den Sichtbarkeitsbereich transformiert, dort aufaddiert und von der Betrachterebene bzw. dem Sichtbarkeitsbereich aus in die reale Ebene der Lichtmodulationseinrichtung transformiert.
Das Aufsummieren der für die reale Ebene der Lichtmodulationseinrichtung berechneten Subhologramme kann dabei vorteilhafterweise entweder in dieser realen Ebene oder in der Betrachterebene bzw. in der Ebene des Sichtbarkeitsbereichs erfolgen. Mit anderen Worten, das Subhologramm aus dem Tiefenbereichsabschnitt, das direkt in der realen Ebene der Lichtmodulationseinrichtung berechnet wurde, kann wahlweise in der realen Ebene oder ebenfalls in der Betrachterebene bzw. in der Ebene des Sichtbarkeitsbereichs zu den weiteren berechneten Subhologrammen aufaddiert werden.
Als Beispiel für diese Vorgehensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die reale Ebene der Lichtmodulationseinrichtung in einem Abstand von 65 cm von einem Betrachter entfernt sein, wobei eine zu rekonstruierende zweidimensionale und/oder dreidimensionale Szene sich dabei in einem Abstand zwischen 0,5 m und 17 m vom Betrachter erstrecken soll. Die zu rekonstruierende Szene wird dabei in Objektpunkte zerlegt, wobei hier beispielsweise drei Tiefenbereichsabschnitte festgelegt werden. Ein erster Tiefenbereichsabschnitt erstreckt sich dabei in einem Abstand von 1,5 m bis 17 m vom Betrachter. Alle in diesem Tiefenbereichsabschnitt liegenden Objektpunkte werden einer ersten erzeugten virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in einem Abstand von 2,5 m zum Betrachter zugeordnet. Ein zweiter Tiefenbereichsabschnitt soll sich in einem Abstand von 0,8 m bis 1,5 m zum Betrachter erstrecken. Alle in diesem Tiefenbereichsabschnitt befindlichen Objektpunkte werden dabei einer zweiten erzeugten virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die in einem Abstand von 1,0 m zum Betrachter festgelegt wird, zugeordnet. Ein dritter Tiefenbereichsabschnitt soll sich in einem Abstand von 0,5 bis 0,8 m zum Betrachter erstrecken. Alle sich in diesem Tiefenbereichsabschnitt befindlichen Objektpunkte werden hier nun der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bei einem Abstand von 0,65 m vom Betrachter zugeordnet. Es ist aber auch möglich, dass die in diesem Tiefenbereichsabschnitt befindlichen Objektpunkte einer weiteren erzeugten virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zugeordnet werden.
Ein Pixelpitch (Pitch des Modulationselements) für die virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung wird vorteilhaft derart gewählt, dass sich bei der Transformation der Subhologramme in die Betrachterebene bzw. in die Ebene des Sichtbarkeitsbereichs jeweils die gleiche Größe des Sichtbarkeitsbereichs ergibt wie bei einem Pixelpitch für die reale Ebene der Lichtmodulationseinrichtung. Nach dem Strahlensatz verhält sich dann der Quotient aus Pixelpitch in der virtuellen Ebene durch Pixelpitch in der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung wie der Quotient Entfernung der virtuellen Ebene durch Entfernung der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zum Sichtbarkeitsbereich/virtuellen Betrachterfenster.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Objektpunkte der zu rekonstruierenden Szene in Form von Subhologrammen auf der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung als ein Linsenelement mit unterschiedlichen Brennweiten in horizontaler und vertikaler Richtung kodiert werden. Das heißt, die Kodierung der Subhologramme für die Objektpunkte der zu rekonstruierenden Szene auf der realen Ebene der Lichtmodulationseinrichtung entspricht dabei einer Linse mit unterschiedlichen Brennweiten in horizontaler und vertikaler Richtung.
Durch die Wahl der virtuellen Ebene(n) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und die Berechnung der Subhologramme in Analogie zu einer eindimensionalen Einzelparallaxe-Kodierung (single-parallax Kodierung) ist ein Objektpunkt auf der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung nicht als eine sphärische Linse sondern als eine Linse mit unterschiedlichen Brennweiten in horizontaler und vertikaler Richtung kodiert. In der einen Richtung liegt der Fokus (Brennpunkt) in der tatsächlichen Objektebene, in der dazu senkrechten Richtung in der Ebene der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung. Befindet sich ein Betrachter mit seiner Augenpupille im Sichtbarkeitsbereich, kann dieser die rekonstruierte zweidimensionale und/oder dreidimensionale Szene derart beobachten als ob diese mit einer Einzelparallaxe-Kodierung in der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung berechnet worden wäre.
Vorteilhafterweise ist somit der geringere Rechenaufwand durch Verwendung einer Einzelparallaxe-Kodierung (single-parallax Kodierung) auch nutzbar ohne die Einschränkungen der sichtbaren Auflösung der rekonstruierten Szene oder des Tiefenbereiches. Die optische Rekonstruktion des aus den Subhologrammen aufgebauten Hologramms erfolgt aber dabei wie bei einer Vollparallaxe-Kodierung (full-parallax Kodierung) üblich. Der Aufbau der holographischen Anzeigevorrichtung selbst unterscheidet sich also zu einer Anzeigevorrichtung mit Vollparallaxe-Kodierung nicht oder nur unwesentlich.
Die Berechnung der Subhologramme in der wenigstens einen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung kann vorteilhaft entweder mittels einer zweidimensionalen Vollparallaxe-Kodierung oder mittels einer eindimensionalen Einzelparallaxe-Kodierung erfolgen.
Als alternative Vorgehensweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, eine herkömmliche Subhologrammberechnung mittels Vollparallaxe-Kodierung in wenigstens einer virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorzunehmen. Die Ergebnisse dieser Subhologrammberechnungen werden dann in die Betrachterebene bzw. in den Sichtbarkeitsbereich transformiert und dort zu einem Gesamthologramm aufsummiert. Anschließend wird das Ergebnis des Gesamthologramms in die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung transformiert.
Das Aufsummieren der für die reale Ebene der Lichtmodulationseinrichtung berechneten Subhologramme kann dabei wie auch in der zuvor beschriebenen Ausführungsform vorteilhafterweise entweder in dieser realen Ebene oder in der Betrachterebene bzw. in der Ebene des Sichtbarkeitsbereichs erfolgen.
Auch hier bei dieser Verfahrensalternative wird die zu rekonstruierende Szene in Objektpunkte zerlegt und Tiefenbereichsabschnitte festgelegt. Die Objektpunkte in einem Tiefenbereichsabschnitt werden jeweils einer virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zugeordnet. Für diese virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung erfolgt dann eine Berechnung von Subhologrammen.
Die Berechnung ist allerdings aufwendiger als in den beiden bisher dargestellten Verfahrensausführungen. Das Ergebnis des Gesamthologramms entspricht dann aber ohne Einschränkungen dem einer durchgängigen Vollparallaxe-Kodierung.
In dieser Ausführungsform erfolgt die Wahl der Anzahl und Position der virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung nicht mehr nach dem Kriterium Einschränkungen der sichtbaren Auflösung zu vermeiden, da solche Einschränkungen nicht auftreten, sondern danach, durch Verringerung der Größe der Subhologramme den Rechenaufwand zu begrenzen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, eine herkömmliche Subhologrammberechnung mittels Einzelparallaxe-Kodierung in wenigstens einer virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vorzunehmen und die Integraltransformation ebenfalls als eindimensionale Transformation auszugestalten. In dieser Ausführungsform erfolgt die Wahl der Anzahl und Position der virtuellen Ebenen ebenfalls nicht nach dem Kriterium Einschränkungen der sichtbaren Auflösung zu vermeiden. Es liegen die gleichen Einschränkungen vor wie bei einer herkömmlichen Berechnung von Hologrammen mit Einzelparallaxe-Kodierung. Die Wahl der Anzahl und Position der virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung erfolgt wiederum danach, durch Verringerung der Größe der Subhologramme den Rechenaufwand zu begrenzen. Mit anderen Worten kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Anzahl der virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung sowie der Abstand dieser virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zum Sichtbarkeitsbereich in Abhängigkeit vom Tiefenbereich der zu rekonstruierenden Szene derart gewählt wird, dass die Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen der für die zu rekonstruierende Szene zu berechnenden Subhologramme einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass der Abstand der wenigstens einen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zur zu rekonstruierenden Szene derart gewählt wird, dass die Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen der für die zu rekonstruierende Szene zu berechnenden Subhologramme einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Der Abstand der wenigstens einen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zur zu rekonstruierenden Szene wird somit zweckmäßig derart gewählt, dass die Größe der für diese virtuelle Ebene zu berechnenden Subhologramme einen vorgegebenen Zahlenwert nicht überschreitet. Mit anderen Worten, durch die Auswahl einer virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung im Abstand nahe der zu rekonstruierenden Szene wird die Größe der zu berechnenden Subhologramme vorteilhaft klein gehalten.
Wird aus einer vorgegebenen Größe des Sichtbarkeitsbereiches/virtuellen Betrachterfensters die Größe in Form einer räumlichen Ausdehnung der Subhologramme mittels Strahlensatz ermittelt, so ergibt sich xsh = |xvw(zlm – zpoint)/zpoint|.
Die Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen der Subhologramme N_sh ergibt sich dann mittels Dividieren der Ausdehung durch den Pixelpitch und anschließendes Runden auf eine ganze Zahl N_sh = (xsh/plm).
Um die angegebenen Gleichungen zu vereinfachen, wird dieses Runden im Folgenden nicht expilizit hingeschrieben. N_sh soll aber jeweils einen gerundeten ganzzahligen Wert darstellen. Dieser Ausdruck lässt sich (mit der oben angegeben Formel für die Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereichs bzw. des virtuellen Betrachterfensters) mathematisch umformen zu N_sh = (1/z_point – 1/z_lm)x_vw ²/λ.
Für eine vorgegebene Größe des Sichtbarkeitsbereichs/virtuellen Betrachterfensters hängt also die Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen der Subhologramme von |1/z_point – 1/z_lm| ab.
Der Tiefenbereich einer dreidimensionalen Szene kann charakterisiert werden durch den Abstand z_{point_min}des oder derjenigen Objektpunkte der zu rekonstruierenden Szene mit dem kleinsten Abstand zum Sichtbarkeitsbereich und z_{point_max}des oder derjenigen Objektpunkte der zu rekonstruierenden Szene mit dem größten Abstand zum Sichtbarkeitsbereich. Entweder die Objektpunkte mit dem kleinsten Abstand z_{point_min} oder die Objektpunkte mit dem größten Abstand z_{point_max} zum Sichtbarkeitsbereich haben auch die in der Ausdehnung größten Subhologramme.
Für einen vorgegebenen Tiefenbereich bei wählbarer Position von z_{lm_virt} einer einzelnen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung wird in einer bevorzugten Ausführungsform, wenn die maximale Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen der Subhologramme begrenzten werden soll so vorgegangen, dass 1/z_{point_min} – 1/z_{lm_virt} = 1/z_{lm_virt} – 1/z_{point_max}.
Die virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung wird somit innerhalb des Tiefenbereiches der dreidimensionalen Szene positioniert und zwar so, dass für die Objektpunkte mit dem kleinsten Abstand zum Sichtbarkeitsbereich die Größe des Subhologramms in Form einer Anzahl von Modulationselementen übereinstimmt mit der Größe des Subhologramms für die Objektpunkte mit dem größten Abstand zum Sichtbarkeitsbereich.
Es ist dann z_{lm_virt} = 2(1/z_{point_min} + 1/z_{point_max}).
Für einen Tiefenbereich einer dreidimensionalen Szene, die sich von 50 cm Abstand vom Sichtbarkeitsbereich bis ins Unendliche (1/z_{point_max} = 0) erstreckt, wäre beispielsweise die maximale Größe der Subhologramme in Form einer Anzahl von Modulationselementen dann am günstigsten, wenn die virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in 1 m (also 2 × 50 cm) Abstand vom Sichtbarkeitsbereich positioniert wäre.
Erstreckt sich beispielsweise die dreidimensionale Szene aber stattdessen von 1,5 m bis 17 m Abstand vom Sichtbarkeitsbereich, so würde die virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bei ungefähr 2,76 m positioniert, also in 2 × 1/(1/1,5 + 1/17) m.
In dem Beispiel mit dem Tiefenbereich 0,5 m bis unendlich und mit dem Beispiel für die blaue Wellenlänge von 475 nm und der Größe des Sichtbarkeitsbereiches von 10,5 mm wäre der Pixelpitch der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung dann bei ca. 45 µm.
Ein Subhologramm eines Objektpunktes im Abstand von 50 cm von dem Sichtbarkeitsbereich wie auch ein Subhologramm eines Objektpunktes im Unendlichen hätten dann in dem Beispiel jeweils eine Größe in Form einer Anzahl von 234 Modulationselementen in einer Dimension (beispielsweise horizontal).
Bei einer Vollparallaxe-Kodierung und im Fall von rechteckig/quadratisch ausgebildeten Modulationselementen wären das dann insgesamt 234 × 234 Modulationselemente.
Die Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen der für die zu rekonstruierende Szene zu berechnenden Subhologramme würde somit in dem gesamten Tiefenbereich in diesem Fall den Wert von 234 nicht überschreiten.
Bei der Verwendung von zwei virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung wird in einer bevorzugten Ausführungsform wie folgt vorgegangen:
Der Tiefenbereich der dreidimensionalen Szene wird in zwei Unterbereiche bzw. Tiefenbereichsabschnitte unterteilt. Die Größe z_{point_med} soll die Grenze zwischen beiden Bereichen bzw. Abschnitten darstellen.
Für alle Objektpunkte zwischen z_{point_min} und z_{point_med} werden die Subhologramme in einer ersten virtuellen Ebene z_{lm_virt1} berechnet, für alle Punkte zwischen z_{point_med} und z_{point_max} werden die Subhologramme in einer zweiten virtuellen Ebene z_{lm_virt2} berechnet.
Die Grenze zwischen den Tiefenbereichsabschnitten z_{point_med} wird derart bestimmt, dass ein Subhologramm von einem Objektpunkt in diesem Abstand vom Sichtbarkeitsbereich die gleiche Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen in beiden virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung aufweist, und dass außerdem ein Subhologramm von z_{point_min} in der ersten virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und ein Subhologramm von z_{point_max} in der zweiten virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ebenfalls die gleiche Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen haben wie ein Subhologramm von z_{point_med} in beiden virtuellen Ebenen: 1/z_{point_min} – 1/z_{lm_virt1} = 1/z_{lm_virt1} – 1/z_{point_med} = 1/z_{point_med} – 1/z_{lm_virt2} = 1/z_{lm_virt2} – 1/z_{point_max}.
In dem Beispiel mit einem Tiefenbereich zwischen 0,5 m und unendlich und einem Sichtbarkeitsbereich bzw. Betrachterfenster von 10,5 mm Größe ergibt sich, dass eine erste virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung mit einem Pixelpitch von 30 µm bei z_{lm_virt1} = 0,67 m und eine zweite virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung mit einem Pixelpitch von 90 µm bei z_{lm_virt2} = 2,0 m liegt. Für z_{point_med} ergibt sich dann 1,0 m.
Für alle Objektpunkte zwischen 0,5 m und 1,0 m Abstand vom Sichtbarkeitsbereich werden demnach Subhologramme in der ersten virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung berechnet. Für alle Objektpunkte zwischen 1,0 m und Unendlich werden Subhologramme in der zweiten virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung berechnet. Ein Subhologramm eines Objektpunktes bei 0,5 m Abstand vom Sichtbarkeitsbereich hat in der ersten virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung eine Größe in Form einer Anzahl von 117 Modulationselementen in einer Dimension. Ebenso hat ein Subhologramm eines Objektpunktes bei 1 m Abstand vom Sichtbarkeitsbereich in beiden virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung diese Größe in Form einer Anzahl von 117 Modulationselementen in einer Dimension und ein Subhologramm eines Objektpunktes im Unendlichen in der zweiten virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung diese Größe in Form einer Anzahl von 117 Modulationselementen.
Im Vergleich zur Verwendung einer einzelnen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung kann somit die maximale Anzahl von Modulationselementen in einem Subhologramm in einer Dimension halbiert werden, in diesem Beispiel von 234 auf 117.
Eine der virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung kann auch mit einer realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zusammenfallen.
Beispielweise könnte für einen Computermonitor, dessen Betrachterabstände typischerweise im Bereich von 60–70 cm liegen, eine erste virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bei 67 cm mit der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zusammenfallen. Dann ist nur für eine zweite virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bei 2 m eine Integraltransformation nötig. Umgekehrt könnte für einen Fernseher eine zweite virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bei 2 m mit der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zusammenfallen.
Alternativ könnte auch so vorgegangen werden, dass eine maximale Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen festgelegt wird und daraus die Anzahl der virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bestimmt wird, die nötig sind, um diese Größe zu erreichen.
In dem obigen Beispiel ergibt sich, dass ein vorgegebener Wert von maximal 100 Modulationselementen mit 1 oder 2 virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung noch überschritten wird, so dass eine dritte virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung benötigt wird.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Erfindung kann vorteilhaft die Anzahl der virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung auf einen vorgebbaren Wert beschränkt sein, um den Aufwand für die zusätzlichen Transformationen möglichst gering zu halten.
In der oben beschriebenen Vorgehensweise würde sich dann beispielsweise bei der gleichen dreidimensionalen Szene mit einem bestimmten Tiefenbereich die maximale Anzahl von Modulationselementen eines Subhologramms bei zwei virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung im Vergleich zu einer einzelnen virtuellen Ebene halbieren, bei drei virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung im Vergleich zu einer virtuellen Ebene verdritteln und bei vier virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung im Vergleich zu einer virtuellen Ebene vervierteln. Die Verbesserung, die mit zusätzlichen virtuellen Ebenen erzielt wird, nimmt somit immer weiter ab. Die weitere Verbesserung von einem Viertel auf ein Fünftel bei Verwendung einer fünften virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ist dann zum Beispiel vergleichsweise gering.
Für jede weitere virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung erhöht sich aber die Zahl der Integraltransformationen um die Zahl 2. Die Anzahl der virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung würde im Normalfall auf wenige, zum Beispiel 2 oder 4, begrenzt. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf eine bestimmte maximale Zahl von virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung beschränkt.
Da der Aufwand für die Berechnung von Subhologrammen außerdem mit der Anzahl der Objektpunkte, in die eine vorzugsweise dreidimensionale Szene zerlegt wird, ansteigt, der Aufwand für eine Integraltransformation aber unabhängig von der Anzahl der Objektpunkte ist, kann die Festlegung der Zahl der virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung auch in Abhängigkeit von der Objektpunktzahl so erfolgen, dass für eine dreidimensionale Szene mit sehr vielen Objektpunkten mehr virtuelle Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung verwendet werden und für eine dreidimensionale Szene mit wenigen Objektpunkten auch weniger virtuelle Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung.
In einer anderen bzw. alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird nicht die maximale Größe der Subhologramme in Form einer Anzahl von Modulationselementen eingeschränkt, sondern stattdessen die mittlere Größe der Subhologramme in Form einer Anzahl von Modulationselementen minimiert. Das heißt, der Abstand der wenigstens einen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zum Sichtbarkeitsbereich kann in Abhängigkeit von der Position aller Objektpunkte der zu rekonstruierenden Szene derart gewählt werden, dass die mittlere, vorzugsweise über alle Objektpunkte gemittelte, Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen der für die zu rekonstruierende Szene zu berechnenden Subhologramme ein Minimum einnimmt.
Wie bereits erwähnt, ist für einen einzelnen Objektpunkt die Größe der Subhologramme in Form einer Anzahl von Modulationselementen proportional zu |1/z_point – 1/z_{lm virt}|.
Für eine dreidimensionale Szene, die in N Objektpunkte zerlegt wird, wird in diesem Ausführungsbeispiel die Position einer virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bestimmt, indem die Summe über alle Punkte z_{point i} minimiert wird, also in diesem Fall auf Null gesetzt wird ∑i = 1..N |1/z_{point i} – 1/z_{lm virt}| = 0. Daraus ergibt sich ∑i = 1..N |1/z_{point i} = N/z_{lm virt}.
In einem Beispiel für eine zu rekonstruierende Szene, die nur aus drei Objektpunkten besteht und in Abständen zum Sichtbarkeitsbereich von z_{point 1} = 0,5 m, z_{point 2} = 0,66 m und z_{point 3} = 2,0 m liegt, würde sich (2 + 1,5 + 0,5)/Meter = 3/z_{lm virt} ergeben und daraus der Abstand der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zum Sichtbarkeitsbereich von z_{lm virt} = 0,75 m.
Das Beispiel soll in diesem Fall nur veranschaulichen, wie dieser Abstand gewählt wird. Im praktischen Fall würde dieses Verfahren wohl eher auf dreidimensionale Szenen mit sehr vielen Objektpunkten – einige 1000 bis zu vielen Millionen – angewandt.
Diese Art der Minimierung der mittleren Größe der Subhologramme in Form einer Anzahl von Modulationselementen erfordert einen zusätzlichen Rechenschritt, bei dem die Position aller Objektpunkte der dreidimensionalen Szene berücksichtigt werden muss.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird daher nur der Tiefenbereich in Form des minimalen Abstands z_{point_min} und des maximalen Abstands z_{point_max} verwendet und das Integral von z_{point_min} bis z_{point_max} über 1/z_point – 1/z_{lm virt} dz minimiert.
Für eine gleiche Verteilung der Objektpunkte über alle Abstände zwischen z_{point_min} bis z_{point_max} würde sich dann ergeben, dass (lnz_{point_max} – lnz_{point_min})/(z_{point_max} – z_{point_min}) = 1/z_{lm virt}.
Der Rechenaufwand für die Transformation entspricht dem in dem gemäß der US 7,969,633 beschriebenen Verfahren, wenn dieses auf eine zu rekonstruierende vorzugsweise dreidimensionale Szene mit wenigen Tiefenebenen angewendet wird. Es kann aber vorteilhaft trotzdem ein großer Tiefenbereich mit beliebig feiner Tiefenauflösung verwendet werden.
Zwar werden bei der Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bevorzugt virtuelle Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung verwendet, die in einem größeren Abstand von einem Betrachter entfernt angeordnet sind als die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung. Allgemein gesehen können aber bei dieser Variante bzw. Alternative und insbesondere auch bei der Variante/Alternative mit einer Vollparallaxe-Kodierung in den virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung diese virtuellen Ebenen im Abstand auch näher am Betrachter liegen als die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Lage der wenigstens einen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung bei einer zeitlichen Änderung des Tiefenbereichs der zu rekonstruierenden Szene dem neuen Tiefenbereich angepasst wird.
Beispielsweise können zeitlich nacheinander auf der holographischen Anzeigevorrichtung angezeigte Inhalte (etwa nach Art einer Filmsequenz) zwischen einer vorzugsweise dreidimensionalen Szene mit Objektpunkten nah beim Sichtbarkeitsbereich und zeitlich darauf folgend einer vorzugsweise dreidimensionalen Szene mit Objektpunkten weit weg vom Sichtbarkeitsbereich bzw. einem virtuellen Betrachterfenster wechseln.
Für jedes Einzelbild würde dann der Tiefenbereich der zu rekonstruierenden Szene bestimmt, beispielsweise die Objektpunkte z_{point_min} mit der minimalen und z_{point_max} mit der maximalen Entfernung zum Sichtbarkeitsbereich und daraus die Position(en) der wenigstens einen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung berechnet.
Ferner kann vorteilhaft in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass bei Nachführung des Sichtbarkeitsbereiches in axialer und/oder dazu lateraler Richtung entsprechend einer detektierten Position eines Betrachters der rekonstruierten Szene die Anzahl und Lage der wenigstens einen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung der neuen Position des Sichtbarkeitsbereiches angepasst wird.
Es kann vorgesehen sein, dass der mittels einer Vorrichtung zur Erfassung der Betrachterposition detektierte Abstand eines Betrachters zur realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, auf den der Sichtbarkeitsbereich nachgeführt wird, zur Bestimmung der Anzahl/und/oder Position der wenigstens einen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung verwendet wird.
Alternativ kann auch ein mittlerer oder typischer (hängt von der Anwendung ab, beispielsweise Notebook oder Fernseher) Abstand eines Betrachters zur realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung verwendet werden.
Vorteilhafterweise kann für die virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung eine Position im Frustrum gewählt werden, die derart innerhalb der zu rekonstruierenden Szene liegt, dass von einem Betrachter in einer Betrachterebene aus gesehen eine Anzahl der Objektpunkte vor und eine Anzahl der Objektpunkte hinter der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung liegt, wobei die dem Betrachter am nächsten liegenden Objektpunkte nicht mehr als den halben virtuellen Betrachterabstand vor der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung liegen sollten. Das Verfahren ist aber nicht auf eine bestimmte Festlegung der Position der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung beschränkt.
Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, insbesondere für die Ausführung der Erfindung mit einer Einzelparallaxe-Kodierung und einer zweidimensionalen Integraltransformation, dass die Abweichung des berechneten Hologramms der zu rekonstruierenden Szene mittels der wenigstens einen virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung von einem direkt in der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung berechneten Hologramm für die gleiche Szene ein definiertes Kriterium nicht überschreitet. Beispielsweise kann dieses Kriterium darin bestehen, dass die sichtbare Auflösung der so berechneten dreidimensionalen Szene maximal um 20 % schlechter ist als die Auflösung eines direkt in der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung berechneten Hologramms der gleichen Szene.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar mittels einer Lichtmodulationseinrichtung, insbesondere in einer Anzeigevorrichtung, bevorzugt in einer holographischen Anzeigevorrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen, aufweisend eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung, wobei die Lichtmodulationseinrichtung geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand von mittels der Figuren näher beschriebener Ausführungsbeispiele prinzipmäßig erläutert. Dabei wird das Prinzip der Erfindung anhand einer holographischen Rekonstruktion mit kohärentem Licht beschrieben.
Die Figuren zeigen:
1a, 1b, 1c: verschiedene mögliche Ausgestaltungen einer Anzeigevorrichtung zur holographischen Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen nach dem Stand der Technik,
2: eine schematisch dargestellte zu rekonstruierende Szene in einem Frustrum in einem definierten Abstand zu einem Betrachter und zu einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung,
3: eine schematisch dargestellte zu rekonstruierende Szene gemäß 1 bei Verwendung von einer in der Größe kleineren räumlichen Lichtmodulationseinrichtung,
4: schematisch die Ausdehnung von Subhologrammen einer vorzugsweise dreidimensionalen Szene in Analogie zu einer Einzelparallaxe-Kodierung in einer realen Ebene und einer virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung,
5: schematisch die Ausdehnung von Subhologrammen einer vorzugsweise dreidimensionalen Szene mit einem ausgedehnten Tiefenbereich in einer realen Ebene und in zwei virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, und
6: eine graphische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für die Ausdehnung von Subhologrammen für verschiedene Abstände der Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung von einem Sichtbarkeitsbereich.
Es soll kurz erwähnt werden, dass gleiche Elemente/Bauteile/Komponenten auch die gleichen Bezugszeichen in den Figuren aufweisen.
In 1a ist schematisch und beispielhaft eine Anzeigevorrichtung zur holographischen Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen nach dem Stand der Technik dargestellt.
Die Anzeigevorrichtung weist in diesem Beispiel eine Lichtquelle LQ, eine Feldlinse FL und eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 auf. Die Lichtquelle LQ und die Feldlinse FL sind dabei derart angeordnet, dass, sofern in der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 kein Hologramm eingeschrieben ist, das von der Lichtquelle LQ ausgehende Licht mittels der Feldlinse FL in eine Betrachterebene 2 in einem Abstand z_lm von der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 fokussiert wird. Wird in geeigneter Weise eine zu rekonstruierende Szene (hier nicht dargestellt) in Objektpunkte zerlegt und werden die Objektpunkte als Subhologramme in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 der Anzeigevorrichtung kodiert, so wird damit in diesem Abstand z_lm von der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 ein Sichtbarkeitsbereich 3 bzw. ein virtuelles Betrachterfenster erzeugt.
In der dargestellten Anzeigevorrichtung ist der Abstand der Feldlinse FL von der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 klein, das heißt wesentlich kleiner als der Abstand z_lm von der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 zum Sichtbarkeitsbereich 3.
In 1a ist eine Feldlinse mit fester Brennweite gezeigt. Insbesondere kann im allgemeinen Fall die Feldlinse auch mit variabler Brennweite ausgestaltet sein oder die Anzeigevorrichtung zusätzlich zur Feldlinse variable Fokussierelemente aufweisen, mit denen der Abstand z_lm an eine veränderte Position eines Betrachters dynamisch angepasst werden kann. Die Anzeigevorrichtung kann weiterhin Ablenkelemente aufweisen, die den Sichtbarkeitsbereich 3 einer lateral veränderten Position eines Betrachters nachführen. Die in 1a dargestellte Anzeigevorrichtung wird auch als holographisches Direktsichtdisplay bezeichnet.
1b zeigt im Vergleich zur 1a eine Anzeigevorrichtung ebenfalls nach dem Stand der Technik, die jedoch als holographisches Projektionsdisplay bezeichnet wird.
In 1b sind mehrere optische Elemente L, hier als Linsen dargestellt, derart in der Anzeigevorrichtung angeordnet, dass zunächst ein, in der Regel vergrößertes reelles Bild rB einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 erzeugt wird.
Mit einer Feldlinse FL, die sehr nah bei dem reellen Bild rB der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 angeordnet ist, wird außerdem Licht einer Lichtquelle LQ in eine Betrachterebene 2 fokussiert.
Die Zerlegung einer zu rekonstruierenden Szene in Objektpunkte und das Kodieren der Objektpunkte als Subhologramme in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 der Anzeigevorrichtung kann dann derart erfolgen, als ob sich am Ort des reellen Bildes rB der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 tatsächlich eine dinglich vorhandene räumliche Lichtmodulationseinrichtung befinden würde.
In der 1c ist eine Anzeigevorrichtung dargestellt, bei der ebenfalls eine Feldlinse FL Licht einer Lichtquelle LQ in eine Betrachterebene 2 fokussiert.
Eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel einer Anzeigevorrichtung an einer Position derart, dass der Abstand zwischen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 und der Feldlinse FL ähnlich groß ist, wie der Abstand zwischen der Feldlinse FL und der Betrachterebene 2.
Der Abstand zwischen der Feldlinse FL und der Betrachterebene 2 entspricht beispielsweise der Brennweite der Feldlinse FL. Der Abstand zwischen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 und der Feldlinse FL ist ungefähr genauso groß aber kleiner als die Brennweite der Feldlinse.
In diesem Fall entsteht ein in der Regel vergrößertes virtuelles Bild vB der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1.
Die Zerlegung einer zu rekonstruierenden Szene in Objektpunkte und das Kodieren der Objektpunkte als Subhologramme in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 der Anzeigevorrichtung kann dann wiederum so erfolgen, als ob sich am Ort des virtuellen Bildes vB der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 tatsächlich eine dinglich vorhandene räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 befinden würde.
Eine derartige Anzeigevorrichtung kann beispielsweise als Head-Mounted Display ausgebildet sein, bei dem sich eine Feldlinse kleiner Brennweite und eine in der Größe kleine räumliche Lichtmodulationseinrichtung nah am Auge eines Betrachters befinden – beispielsweise in Form einer Brille getragen werden.
Der in der Beschreibung der Erfindung verwendete Ausdruck: reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung soll so allgemein gefasst sein, dass er auch Bildebenen einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in einer Anzeigevorrichtung umfasst, wie zum Beispiel anhand der 1b und 1c erläutert.
In 2 ist schematisch eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 ist in einer holographischen Anzeigevorrichtung vorgesehen, wobei der Aufbau der holographischen Anzeigevorrichtung für die Darlegung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht wesentlich ist. Üblicherweise weist die holographische Anzeigevorrichtung, wie anhand der vorangegangenen 1a bis 1c erläutert, wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung in Verbindung mit einer Beleuchtungseinrichtung (backlight) und weiteren Komponenten, wie beispielsweise eine Feldlinse, Ablenkelementen usw., auf. Zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ausreichend, nur die wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 in Verbindung mit einer Betrachterebene eingehender zu beschreiben und in den 2 bis 5 darzustellen.
Auf die Beschreibung von weiteren, in der Anzeigevorrichtung vorgesehenen Einrichtungen bzw. Elementen wird daher verzichtet, außer es wird entsprechend darauf hingewiesen.
Die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1, auch als SLM (spatial light modulator) bezeichnet, gemäß den 2 bis 6 kann als Amplituden + Phasen – Lichtmodulationseinrichtung ausgeführt sein, wobei selbstverständlich auch andere Ausführungen der Lichtmodulationseinrichtung möglich sind. Die Ausführung der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 ist jedoch hier von untergeordneter Bedeutung und spielt für die Beschreibung des Verfahrens keine wesentliche Rolle Wird allerdings ein komplexer Wert eines Hologramms nicht in einem einzelnen Modulationselement (Pixel) einer Amplituden + Phasen – Lichtmodulationseinrichtung eingeschrieben, sondern stattdessen mit Hilfe mehrerer Modulationselemente (Pixel) einer nur Phase oder nur Amplitude modulierenden Lichtmodulationseinrichtung, so sind die zuvor aufgeführten Begriffe Pixelpitch und Anzahl von Modulationselementen (Pixel) so zu verstehen, dass ein Modulationselement und ein Pixelpitch jeweils für mehrere Modulationselemente (Pixel) einer derartigen Lichtmodulationseinrichtung steht, in die insgesamt ein komplexer Wert eingeschrieben wird.
Die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1, kann als Amplituden + Phasen – Lichtmodulationseinrichtung in Form einer Sandwichanordnung ausgeführt sein. Die Amplituden-Lichtmodulationseinrichtung weist dann zum Beispiel einen kleinen Abstand (typischerweise < 2 mm) von der Phasen-Lichtmodulationseinrichtung auf.
In diesem Fall wird der Begriff „reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung“ bevorzugt derart verwendet, dass eine mittlere Ebene in der Sandwichanordnung gewählt wird.
Wie aus 2 ersichtlich und aus den beschriebenen Dokumenten US 7,969,633 , WO 2008/025839 A1 und WO 2006/119760 A2 der Anmelderin erkenntlich, wird in einer Betrachterebene 2 ein Sichtbarkeitsbereich 3 erzeugt, durch welchen ein Betrachter eine rekonstruierte zweidimensionale und/oder dreidimensionale Szene beobachten kann, sofern der Betrachter sich in der Betrachterebene 2 befindet und wenigstens ein Auge 5 näherungsweise mit dem Ort des Sichtbarkeitsbereichs 3 zusammenfällt. Der Sichtbarkeitsbereich 3 kann dabei als virtuelles Betrachterfenster ausgebildet sein. Aus Darstellungsgründen wurde in den 2 und 3 das Auge 5 des Betrachters hinter dem Sichtbarkeitsbereich 3 gezeigt. Eine zu rekonstruierende Szene 4, hier nur schematisch gestrichelt und durch zwei Objektpunkte P1 und P2 dargestellt, soll in einem Frustrum 6 (pyramidenstumpfförmiger Kegel, der sich vom Sichtbarkeitsbereich 3 zur räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 und darüber hinaus erstreckt) dargestellt werden. Die zu rekonstruierende Szene 4 weist dabei eine definierte Lage und einen definierten Abstand zu einem Betrachter auf.
Die in 2 dargestellte räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 ist in ihrer Größe bzw. Ausdehnung leicht größer und weist einen größeren Abstand vom Sichtbarkeitsbereich 3 auf als in 3. Durch Bilden von Strahlen, ausgehend von den Rändern des Sichtbarkeitsbereichs 3 durch einen zu rekonstruierenden Objektpunkt, beispielsweise P2, hin zur Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 kann ein Bereich, bezugnehmend auf P2 ein Bereich S2, auf der Lichtmodulationseinrichtung 1 erzeugt werden, der als Subhologramm bezeichnet wird. In diesem Subhologramm ist der entsprechende Objektpunkt definiert, so dass für diesen Objektpunkt nur ein definierter Bereich S2 berechnet werden muss, der dann in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1 kodiert wird. Gleiches gilt für den Objektpunkt P1, der durch einen als Subhologramm bezeichneten Bereich S1 auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 definiert ist. Hierbei entstehen gemäß 2 absolut gesehen kleine Subhologramme S1 und S2 auf der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung. Aufgrund des vergleichsweise großen Pixelpitch der in diesem Ausführungsbeispiel vorlegenden räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 erstrecken sich diese Subhologramme nur über wenige Modulationselemente 7, auch als Pixel bezeichnet (wie bereits oben erläutert), der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1. Dies ist besonders vorteilhaft hinsichtlich des Rechenaufwandes zur Berechnung von Subhologrammen und zur komplexwertigen Addition der Subhologramme im Sichtbarkeitsbereich, wie nachfolgend noch erläutert wird.
In 3 ist eine in der Ausdehnung kleinere räumliche Lichtmodulationseinrichtung 10 dargestellt, die in ihrer Größe kleinere Modulationselemente 70 aufweist, wobei die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 10 hinsichtlich des Abstandes näher am Sichtbarkeitsbereich 3 angeordnet ist. Für die gleichen Objektpunkte P1 und P2 der zu rekonstruierenden Szene 4 werden in diesem Ausführungsbeispiel bezüglich der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 10 entstehende Subhologramme S10 und S20 absolut gesehen größer. Da die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 10 hier zudem kleinere Modulationselemente 70 (Pixel) und somit einen kleineren Pixelpitch aufweist als die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 10 gemäß 1, erstrecken sich die Subhologramme S10 und S20 hier über eine deutlich größere Anzahl an Modulationselementen 70. Der Aufwand für die Berechnung des Gesamthologramms aus der zu rekonstruierenden Szene 4 wäre daher in diesem Fall größer.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt bei der Berechnung von Subhologrammen eine virtuelle Ebene der sich an einem realen Ort befindlichen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ein, um den Rechenaufwand zu minimieren. Damit ist es möglich, schnelle und exakte Rechenergebnisse zu erreichen, unabhängig von der Größe und dem Abstand der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung von der Betrachterebene.
Unabhängig von der tatsächlichen Konfiguration der holographischen Anzeigevorrichtung, insbesondere der Lage der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und des optischen Systems, wird zunächst ein Subhologramm derart berechnet als befände sich die virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung gemäß den 2 und 3 in einer realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 bzw. 10 und wird ausgehend von der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung berechnet. Anschließend wird mittels zweier Integraltransformationen, beispielsweise mittels zweier Fresneltransformationen, dieses Subhologramm in die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, also in die tatsächlich vorhandene Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, transformiert, oder je nach Ausführung der holographischen Anzeigevorrichtung auch in die Abbildung der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, beispielsweise auf einen Schirm.
Bezüglich der 2 und 3 würde bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nun wie folgt vorgegangen. Beispielsweise liegt eine Konfiguration der Anzeigevorrichtung vor wie in 3 dargestellt, in welcher die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 10 eine definierte Zahl N von Modulationselementen 70 in einem Betrachterabstand D aufweist. Für eine darzustellende bzw. zu rekonstruierende Szene 4 mit bekannten Koordinaten der Objektpunkte P1 bis P_n bzw. P10 bis Pn‘ wird für die Berechnung der einzelnen Subhologramme S1 bis S_n bzw. S10 bis S_n‘ für die einzelnen Objektpunkte bzw. für die Berechnung des Gesamthologramms virtuell die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 10 derart an eine andere Position bzw. Ort bezüglich der zu rekonstruierenden Szene 4 verlegt, dass die neue scheinbare bzw. nur gedachte Position der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 10 beispielsweise der Position der realen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1 gemäß der 2 entspricht. Es soll darauf hingewiesen werden, dass die Position der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1, 10 fest bzw. fix ist und nicht physisch sondern nur scheinbar bzw. virtuell verschoben wird. Die virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung ist somit eine gedachte Größe, die zwar nicht physisch, aber doch in ihrer Funktionalität oder Wirkung vorhanden ist.
Vorteilhafterweise wird für die virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1, 10 eine Position bezüglich der zu rekonstruierenden Szene 4 gewählt, die innerhalb der zu rekonstruierenden Szene 4 liegt, so dass von einem Betrachter in der Betrachterebene 2 aus gesehen ein Teil der Objektpunkte P1 bis P_n in Ausbreitungsrichtung des von einer Beleuchtungseinrichtung der Anzeigevorrichtung ausgesandten Lichts gesehen vor und ein Teil der Objektpunkte P1 bis P_n hinter der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1, 10 liegen, wobei die der Betrachterebene 2 am nächsten liegenden Objektpunkte nicht mehr als den halben virtuellen Betrachterabstand vor der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1, 10 liegen sollen. Das Verfahren ist jedoch nicht auf eine bestimmte Festlegung der Position der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung beschränkt.
Es kann sich auch dynamisch mit dem Inhalt der darzustellenden Szene die Position der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung virtuell verschieben, um beispielsweise Szenen mit wechselndem Tiefenbereich optimal berechnen zu können.
Die virtuelle Größe der Modulationselemente 7, 70 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1, 10 ergibt sich nach dem Strahlensatz aus dem Verhältnis der Betrachterabstände der virtuellen Ebene und der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung multipliziert mit dem Pixelpitch der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung.
Für die virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1, 10 wird ein Subhologramm bzw. ein Hologramm derart berechnet wie es nach dem Stand der Technik erfolgt, beispielsweise gemäß der WO 2008/025839 A1 , wenn sich tatsächlich eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung in dieser Ebene befände. Dies kann so erfolgen, dass für jeden Objektpunkt P1 bis P_n ein Subhologramm in Form einer Linsenfunktion ermittelt wird, und die einzelnen Subhologramme danach kohärent aufaddiert werden.
Anschließend erfolgt eine einmalige rechnerische (zweidimensionale) Integraltransformation, beispielsweise eine Fresneltransformation, des Gesamthologramms, die der optischen Lichtausbreitung von der virtuellen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung hin zum Sichtbarkeitsbereich 3 entspricht. Danach erfolgt eine weitere rechnerische (zweidimensionale) Integraltransformation, beispielsweise auch hier eine Fresneltransformation, die der Lichtausbreitung vom Sichtbarkeitsbereich 3 zurück zur realen Ebene der räumlichen Lichtausbreitungseinrichtung 1, 10 entspricht. Somit wird ein Gesamthologramm erhalten, das zumindest näherungsweise mit demjenigen Hologramm übereinstimmt, das nach dem Stand der Technik bei einer direkten Berechnung des Hologramms in der realen Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 1, 10 erhalten wird. Das resultierende Hologramm kann dann in die räumliche Lichtmodulationseinrichtung 1, 10 eingeschrieben bzw. kodiert werden.
Im Vergleich zur herkömmlichen Berechnung erfordert das Verfahren gemäß den 2 und 3 zwei zusätzliche Integraltransformationen. Andererseits kann für eine große Anzahl von Objektpunkten die Ersparnis im Berechnen und Aufaddieren der einzelnen Subhologramme mehr ins Gewicht fallen als die beiden Integraltransformationen, die nur für das gesamte Hologramm einmalig durchgeführt werden.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele gemäß den 4 bis 6 zeigen weitere Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 4 zeigt schematisch die Ausdehnung von Subhologrammen einer vorzugsweise dreidimensionalen darzustellenden Szene 4 in Analogie zu einer Einzelparallaxe-Kodierung in einer realen Ebene 100 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 und einer virtuellen Ebene 100‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100. Hierbei ist der Tiefenbereich der zu rekonstruierenden Szene 4 schematisch durch die ovale Begrenzung dargestellt. Die zu rekonstruierende Szene 4 wird hier ebenfalls in Objektpunkte P1 bis P_n zerlegt, wobei in 4 nur ein Objektpunkt P dargestellt ist. Für die Objektpunkte P1 bis P_n werden beispielsweise in Analogie zu einer Einzelparallaxe-Kodierung (single-parallax Kodierung) Subhologramme berechnet. Die durchgezogenen Linien in der 4 zeigen schematisch den Lichtweg von dem Objektpunkt P zum Sichtbarkeitsbereich 3 in Kodierungsrichtung von eindimensionalen Subhologrammen S1 und S2. Die gestrichelten Linien zeigen schematisch den Verlauf von dem Subhologramm S1 zum Sichtbarkeitsbereich 3 in der dazu senkrechten Richtung, in der das Subhologramm S1 die Ausdehnung von nur einem Modulationselement (Pixel) aufweist. Zur besseren Veranschaulichung ist beides in der Papierebene gezeichnet.
Das in der virtuellen Ebene 100‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 berechnete eindimensionale Subhologramm S1 wird anschließend mittels einer Integraltransformation, beispielsweise mittels einer Fresneltransformation oder einer Fouriertransformation, in den Sichtbarkeitsbereich 3 und von dort aus anschließend in die reale Ebene 100 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 transformiert und verhält sich dort wie ein in zwei Dimensionen ausgedehntes Subhologramm. Jedoch sind die Brennweiten der Linsenfunktion des Subhologramms auf der realen Ebene 100 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 in beiden Richtungen (orthogonal zueinander) nicht gleich. In der einen Richtung, beispielsweise der Kodierungsrichtung des Subhologramms auf der virtuellen Ebene 100‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100, liegt der Brennpunkt (Fokus) der Linsenfunktion in der Ebene des Objektpunktes, in der dazu senkrechten Richtung liegt der Brennpunkt der Linsenfunktion auf der virtuellen Ebene 100‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100.
Diese Variante des Verfahrens ist besonders vorteilhaft einsetzbar für eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung, die sich in einem kleineren Abstand zur Betrachterebene 2 befindet und bei der die virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung einen größeren Abstand zur Betrachterebene 2 aufweist als die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung gemäß der 4.
In 5 ist schematisch die Ausdehnung von Subhologrammen einer vorzugsweise darzustellenden dreidimensionalen Szene 4 mit einem ausgedehnten Tiefenbereich in einer realen Ebene 100 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 und in zwei virtuellen Ebenen 100‘ und 100‘‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 dargestellt. 5 zeigt somit schematisch die Ausdehnung von Subhologrammen S1, S2 und S3 einer zu rekonstruierenden darzustellenden Szene 4 mit einem ausgedehnten Tiefenbereich, der auch hier wie in 4 durch die ovale Begrenzung der zu rekonstruierenden Szene 4 dargestellt ist, in einer realen Ebene 100 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 und in zwei virtuellen Ebenen 100‘ und 100‘‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100.
Gemäß 5 wird die zu rekonstruierende Szene 4 in drei Tiefenbereichsabschnitte TA1, TA2 und TA3 unterteilt. Jeder Tiefenbereichsabschnitt TA1, TA2 und TA3 wird einem der beiden virtuellen Ebenen 100‘, 100‘‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 oder der realen Ebene 100 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 zugeordnet. Das bedeutet hier gemäß der 5, dass der Tiefenbereichsabschnitt TA1 der virtuellen Ebene 100‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100, der Tiefenbereichsabschnitt TA2 der virtuellen Ebene 100‘‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 und der Tiefenbereichsabschnitt TA3 der realen Ebene 100 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 zugeordnet ist. Ferner sind alle Objektpunkte, die in dem Tiefenbereichsabschnitt TA1 liegen, wie beispielsweise der Objektpunkt P1, der virtuellen Ebene 100‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 zugeordnet und mittels dieser werden dann die Subhologramme für die jeweiligen Objektpunkte in diesem Tiefenbereichsabschnitt TA1 berechnet. Alle Objektpunkte, die in dem Tiefenbereichsabschnitt TA2 liegen, wie beispielsweise der Objektpunkt P2, sind der virtuellen Ebene 100‘‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 zugeordnet, die sich von der virtuellen Ebene 100‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 in ihrer Position bzw. in ihrem Ort unterscheidet und hier näher im Abstand an der Betrachterebene 3 angeordnet ist. Dem Tiefenbereichsabschnitt TA3 sind dann alle restlichen verbleibenden Objektpunkte, wie beispielsweise der Objektpunkt P3, zugeordnet, wobei diese Objektpunkte der realen Ebene 100 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 zugeordnet sind. In den jeweiligen Tiefenbereichsabschnitten TA1, TA2 und TA3 werden dann für die virtuellen Ebenen 100‘ und 100‘‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 und der realen Ebene 100 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 die einzelnen Subhologramme, wie S1, S2 und S3 bis S_n, zu den jeweiligen Objektpunkten, wie P1, P2 und P3 bis P_n, berechnet. Die Subhologramme S1 bis S_n können dabei als Einzelparallaxe-Subhologramme oder aber auch als Vollparallaxe-Subhologramme berechnet werden.
Bei einer Einzelparallaxe-Berechnung wird die Aufteilung in virtuelle Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und die Unterteilung der zu rekonstruierenden Szene 4 in mehrere Tiefenbereichsabschnitte TA1, TA2 und TA3 derart vorgenommen, dass ein Betrachter die rekonstruierte zweidimensionale und/oder dreidimensionale Szene mit keinem oder nur geringem Auflösungsverlust sehen kann.
Bei einer Vollparallaxe-Berechnung wird die Aufteilung in virtuelle Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und die Unterteilung des Tiefenbereiches der zu rekonstruierenden Szene 4 in Abschnitte derart vorgenommen, dass eine maximale Größe der Subhologramme nicht überschritten wird, wie bereits detailliert vor der Figurenbeschreibung erläutert.
Die berechneten Subhologramme S1, S2 und S3 bzw. S1 bis S_n der Tiefenbereichsabschnitte TA1, TA2 und TA3 werden anschließend in die Betrachterebene 2 bzw. in den Sichtbarkeitsbereich 3 transformiert und dort aufsummiert. Danach werden die aufsummierten Subhologramme bzw. das Gesamthologramm in die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 transformiert.
Wie aus 5 erkenntlich ist, sind die Subhologramme S1 und S2 für die entsprechenden Objektpunkte P1 und P2 der zu rekonstruierenden Szene 4 in den beiden virtuellen Ebenen 100‘ und 100‘‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 in ihrer Ausdehnung bzw. Größe kleiner als wenn sie direkt in der realen Ebene 100 der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 berechnet worden wären.
Die 6 zeigt in einer graphischen Darstellung ein Zahlenbeispiel für die Ausdehnung von Subhologrammen für verschiedene Abstände der (virtuellen und realen) Ebene 100, 100‘, 100‘‘ der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung 100 vom Sichtbarkeitsbereich 3 in der Betrachterebene 2. Auf der Abszisse des dargestellten Diagramms ist der Objektpunktabstand vom Sichtbarkeitsbereich und auf der Ordinate ist die Größe des Subhologramms bzw. die Anzahl der durch das Subhologramm beschriebenen Modulationselemente (Pixel) aufgetragen. Für einen ca. 11 mm großen Sichtbarkeitsbereich sind somit die Größen der Subhologramme (in Modulationselementen (Pixeln) pro Subhologramm) als Funktion des Objektpunktabstandes vom Sichtbarkeitsbereich für verschiedene Abstände der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung vom Sichtbarkeitsbereich angegeben. Das im Diagramm dargestellte Beispiel soll nur beispielhaft gesehen werden.
Ein Objektpunkt einer zu rekonstruierenden Szene, der 2 m von einem Betrachter entfernt liegt, erzeugt beispielsweise ein Subhologramm mit einer Größe von ca. 200 × 1 Modulationselement (Pixel) bei einer Einzelparallaxe-Kodierung (single-parallax Kodierung) oder ein Subhologramm mit einer Größe von ca. 200 × 200 Modulationselemente bei einer Vollparallaxe-Kodierung (full-parallax Kodierung) auf einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (SLM), die 0,7 m vom Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene entfernt ist. Auf einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (SLM), die jedoch 2,2 m vom Sichtbarkeitsbereich in der Betrachterebene entfernt ist, ist aber das Subhologramm desselben Objektpunktes in der Ausdehnung nur wenige Modulationselemente (Pixel) groß, beispielsweise < 10 × 1 Modulationselemente bei einer Einzelparallaxe-Kodierung oder < 10 × 10 Modulationselemente bei einer Vollparallaxe-Kodierung. Umgekehrt verhält es sich für Objektpunkte, die im Abstand näher an einem Betrachter liegen. Diese Objektpunkte sind auf einer im Abstand nahen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in ihrer Ausdehnung bzw. Größe klein, aber auf einer im Abstand entfernteren räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in ihrer Ausdehnung größer.
Die gestrichelten Linien im Diagramm gemäß der 6 zeigen schematisch eine Unterteilung einer zu rekonstruierenden Szene in vier Tiefenbereichsabschnitte. Beispielsweise kann die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in einem Abstand von 0,7 m zum Sichtbarkeitsbereich und die virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in einem Abstand zum Sichtbarkeitsbereich von 1 m, von 2,2 m und im Unendlichen positioniert sein. Umgekehrt können aber auch die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung beispielsweise in einem Abstand von 2,2 m und eine virtuelle Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in einem Abstand von 0,7 m zum Sichtbarkeitsbereich liegen. Durch diese Unterteilung des Tiefenbereichs in Tiefenbereichsabschnitte wird erreicht, dass alle Subhologramme für Objektpunkte im Abstand > ca. 62 cm bis Unendlich vom Sichtbarkeitsbereich aus kleiner als 70 × 1 Modulationselemente für eine Einzelparallaxe-Kodierung oder 70 × 70 Modulationselemente für eine Vollparallaxe-Kodierung bleiben. Ohne die Verwendung von virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung würden die Subhologramme zum Beispiel bei einer Vollparallaxe-Kodierung eine Ausdehnung von bis zu 300 × 300 Modulationselemente erreichen, was einen erhöhten Rechenaufwand bedeuten würde.
Durch die Unterteilung der zu rekonstruierenden und darzustellenden Szene in Tiefenbereichsabschnitte und die Verwendung von virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung wird somit der Aufwand für die Berechnung von Subhologrammen wesentlich reduziert, wodurch sich die Darstellung von rekonstruierten Szenen zeitlich erheblich verbessert.
Demgegenüber steht zwar der zusätzliche Aufwand, die Subhologrammdaten aus mehreren virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung in den Sichtbarkeitsbereich zu transformieren, dort aufzusummieren und danach in die reale Ebene der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung zu transformieren. Durch die Verwendung von virtuellen Ebenen der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung und geeignete Positionierung dieser virtuellen Ebenen wird der Gesamtrechenaufwand reduziert.
Auf diese Weise können Vorteile der Berechnungsverfahren zu Integraltransformationen und zur direkten Subhologrammberechnung kombiniert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und kann zur Minimierung des Rechenaufwands für computergenerierte Hologramme verwendet werden.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
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 2006/066919 A1 [0004]
US 2008/252950 A1 [0004]
US 7969633 [0006, 0009, 0011, 0011, 0040, 0105, 0145]
WO 2008/025839 A1 [0007, 0010, 0011, 0012, 0021, 0041, 0145, 0154]
WO 2006/119760 A2 [0013, 0145]

Claims

Verfahren zur Berechnung von Hologrammen zur holographischen Rekonstruktion von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen in einer Anzeigevorrichtung, wobei eine zu rekonstruierende Szene (4) in Objektpunkte (P, P1–P_n) zerlegt wird und die Objektpunkte (P, P1–P_n) als Subhologramme (S1–S_n) in wenigstens eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) der Anzeigevorrichtung kodiert werden, wobei eine rekonstruierte Szene von einem Sichtbarkeitsbereich (3) aus betrachtet wird, wobei – wenigstens eine virtuelle Ebene (100‘, 100‘‘) der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) ausgehend von einer realen Ebene (100) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) festgelegt wird, – in der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) die Objektpunkte (P, P1–P_n) der zu rekonstruierenden Szene (4) als Subhologramme (S1–S_n) berechnet werden, – die berechneten Subhologramme (S1–S_n) von der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) mittels einer Integraltransformation in den Sichtbarkeitsbereich (3) transformiert und dort aufsummiert werden, und – die aufsummierten Subhologramme (S1–S_n) mittels einer weiteren Integraltransformation vom Sichtbarkeitsbereich (3) in die reale Ebene (100) der wenigstens einen räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) transformiert und als Hologramm eingeschrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation der Subhologramme (S1–S_n) in den Sichtbarkeitsbereich (3) oder die Transformation der Subhologramme (S1–S_n) vom Sichtbarkeitsbereich (3) in die reale Ebene (100) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) mittels einer eindimensionalen Integraltransformation bei einer Einzelparallaxe-Kodierung oder einer zweidimensionalen Integraltransformation bei einer Einzelparallaxe-Kodierung oder Vollparallaxe-Kodierung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) innerhalb des Tiefenbereichs der zu rekonstruierenden Szene (4) gewählt wird, wobei der Tiefenbereich der zu rekonstruierenden Szene (4) durch den Objektpunkt (P, P1–P_n) mit dem kleinsten Abstand zum Sichtbarkeitsbereich (3) und den Objektpunkt (P, P1–P_n) mit dem größten Abstand zum Sichtbarkeitsbereich (3) begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) in Bezug auf den Tiefenbereich der zu rekonstruierenden Szene (4) derart gewählt wird, dass die sichtbare Auflösung bei der Rekonstruktion der Szene einen vorgegebenen Wert nicht unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu rekonstruierende Szene (4) in wenigstens zwei Tiefenbereichsabschnitte (TA1, TA2, TA3) zerlegt wird, wobei den wenigstens zwei Tiefenbereichsabschnitten (TA1, TA2, TA3) jeweils eine virtuelle Ebene (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine virtuelle Ebene (100‘, 100‘‘) der den wenigstens zwei Tiefenbereichsabschnitten (TA1, TA2, TA3) zugeordneten virtuellen Ebenen (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) mit der realen Ebene (100) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) zusammenfällt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufsummieren der für die reale Ebene (100) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) berechneten Subhologramme (S1–S_n) entweder in der realen Ebene (100) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) oder im Sichtbarkeitsbereich (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Objektpunkte (P, P1–P_n) der zu rekonstruierenden Szene (4) in Form von Subhologrammen (S1–S_n) auf der realen Ebene (100) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) als ein Linsenelement mit unterschiedlichen Brennweiten in horizontaler und vertikaler Richtung kodiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Subhologramme (S1–S_n) in der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) mittels einer zweidimensionalen Vollparallaxe-Kodierung oder mittels einer eindimensionalen Einzelparallaxe-Kodierung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der virtuellen Ebenen (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) sowie der Abstand dieser virtuellen Ebenen (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) zum Sichtbarkeitsbereich (3) in Abhängigkeit vom Tiefenbereich der zu rekonstruierenden Szene (4) derart gewählt wird, dass die Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen (7, 70) der für die zu rekonstruierende Szene (4) zu berechnenden Subhologramme (S1–S_n) einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) zum Sichtbarkeitsbereich (3) in Abhängigkeit von der Position aller Objektpunkte (P, P1–P_n) der zu rekonstruierenden Szene (4) derart gewählt wird, dass die mittlere, vorzugsweise über alle Objektpunkte (P, P1–P_n) gemittelte, Größe in Form einer Anzahl von Modulationselementen (7, 70) der für die zu rekonstruierende Szene (4) zu berechnenden Subhologramme (S1–S_n) ein Minimum einnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der virtuellen Ebenen (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) auf einen vorgebbaren Wert beschränkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) bei einer zeitlichen Änderung des Tiefenbereichs der zu rekonstruierenden Szene (4) dem neuen Tiefenbereich angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nachführung des Sichtbarkeitsbereiches (3) in axialer und/oder dazu lateraler Richtung entsprechend einer detektierten Position eines Betrachters der rekonstruierten Szene die Anzahl und Lage der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) der neuen Position des Sichtbarkeitsbereiches (3) angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung des berechneten Hologramms der zu rekonstruierenden Szene (4) mittels der wenigstens einen virtuellen Ebene (100‘, 100‘‘) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) von einem direkt in der realen Ebene (100) der räumlichen Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) berechneten Hologramm für die gleiche Szene ein definiertes Kriterium nicht überschreitet.
Anzeigevorrichtung, insbesondere eine holographische Anzeigevorrichtung zur Darstellung von zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Szenen, aufweisend eine räumliche Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100), wobei die Lichtmodulationseinrichtung (1, 10, 100) geeignet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 durchzuführen.