DE102018115785A1

DE102018115785A1 - Anzeigeeinheit sowie Verfahren zur dreidimensionalen Wiedergabe eines Objekts

Info

Publication number: DE102018115785A1
Application number: DE102018115785.1A
Authority: DE
Inventors: Claas Falldorf; Mostafa Agour; Ralf Bernhard Bergmann
Original assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Current assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2038-06-30
Also published as: DE102018115785B4

Abstract

Beschrieben wird eine Anzeigeeinheit und ein Verfahren zur holografischen Wiedergabe wenigstens eines, insbesondere bewegten, dreidimensionalen Objekts, bei dem von lichtemittierenden Punkten (11) eines Bildschirms (10) emittiertes Licht auf ein Lichtformungsmittel (12) gelenkt wird und mittels einer Mehrzahl von Lichtbrechungselementen (13) des Lichtformungsmittels (12) das von den lichtemittierenden Punkten (11) emittierte Licht in ein Wellenfeld verwandelt wird, das eine Mehrzahl von polychromatischen Kugelwellen aufweist.Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass Steuermittel (14, 15) die Wellenfronten der Kugelwellen zum Erzeugen einer Projektion entsprechend eines auf einer von der Lichtemissionsseite abgewandten Rückseite des Bildschirms (10) angeordneten Objekts steuern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anzeigeeinheit sowie ein Verfahren zur dreidimensionalen Wiedergabe eines, insbesondere bewegten Objekts. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen technischen Lösung soll ein, insbesondere bewegtes Objekt derart wiedergegeben werden, dass das Bild im Idealfall von einem Betrachter nicht vom realen Objekt zu unterscheiden ist.
Aus dem Stand der Technik sind holografische Wiedergabesysteme bekannt, mit denen dreidimensionale Abbilder eines statischen Ursprungsgegenstandes erzeugt werden. Diese sogenannten Hologramme entstehen nach Ausarbeitung und Beleuchtung des Ursprungsgegenstandes mit kohärentem Licht. Allgemein werden unter Holografieverfahren diejenigen Bildwiedergabeverfahren zusammengefasst, die den Wellencharakter des Lichts ausnutzen, um systematisch anschauliche Darstellungen, die über die Möglichkeiten der klassischen Fotografie hinausgehen, zu erzielen.
Im Vergleich zur Stereoskopie, bei der Bilder aufgrund einer Betrachtung eines Objekts aus unterschiedlichen Blickrichtungen erzeugt werden, werden mithilfe der Holografie vollständige Rekonstruktionen eines von einem Objekt gestreuten Lichtwellenfeldes erzeugt. Da hierbei Intensitäts- und Phasenverteilung vollständig wiedergegeben werden, ist das dreidimensional wiedergegebene Objekt mit Tiefenschärfe, korrekter Akkommodation, vertikaler-, horizontaler- und Bewegungsparallaxe zu sehen und im Idealfall für den Betrachter nicht von einer realen Szene zu unterscheiden.
Für die Wiedergabe dreidimensionaler statischer Szenen wird die Holografie heute als Goldstandard angesehen. In Ergänzung zur statischen Holografie wurden in den vergangenen Jahren erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Holografie auch für die Darstellung dynamischer, dreidimensionaler Szenen nutzen zu können. Im Gegensatz zur Wiedergabe statischer Objekte oder Szenen, für die Hologramme auf speziellen, hochauflösenden Filmmaterial aufgezeichnet werden, was mit den heute verfügbaren technischen Mitteln problemlos möglich ist, fehlen für die Wiedergabe dynamischer Objekte oder Szenen mit Hilfe der Holografie derzeit noch wirtschaftlich und technisch umsetzbare Lösungen. Das größte Problem bei der Wiedergabe dynamischer Szenen mittels der Holografie stellt der enorm hohe Informationsgehalt eines Hologramms dar, für dessen Wiedergabe und Übertragung auf absehbare Zeit keine geeigneten Systeme zur Verfügung stehen.
Ein Grund hierfür ist, dass die feinen beugenden Strukturen mit Ausdehnungen im Bereich der Wellenlänge, die notwendig sind, um das Licht über einen großen Raumwinkel abzulenken, über die gesamte makroskopische Fläche des Hologramms gezielt verändert werden können müssen. Dies erfordert entsprechend große Speichermedien, hohe Rechenleistung und ein Wiedergabesystem, das etwa um drei Größenordnungen mehr Bildpunkte benötigt, als heute verfügbare Lichtmodulatoren.
Eine Anzeigeeinheit zur Wiedergabe dreidimensionaler Strukturen ist in der WO 2017/160484 A1 beschrieben. Die dort gezeigte Anzeigeeinheit verfügt über einen Bildschirm und eine beabstandet dazu angeordnete Mikrolinsenanordnung. Mithilfe der Mikrolinsenanordnung wird ein virtuelles oder reales Abbild des Bildschirmbildes erzeugt. Ferner sind Stellmittel vorgesehen, um eine Relativbewegung zwischen dem Bildschirm und der Mikrolinsenanordnung zu erzeugen. Aufgrund einer gesteuerten Relativbewegung wird das virtuelle oder reale Abbild entlang einer optischen Achse gezielt verändert.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten technischen Lösungen sowie den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine möglichst naturgetreue Darstellung dreidimensionaler, insbesondere bewegter Objekte bzw. Szenen zu ermöglichen. Hierbei sollen eine Anzeigeeinheit sowie ein Verfahren zur Wiedergabe dreidimensionaler, insbesondere bewegter Objekte angegeben werden, die unter Einsatz bekannter, vergleichsweise einfacher optischer Komponenten umgesetzt werden können und eine holografische Wiedergabe dynamischer Objekte oder Szenen mit Hilfe der heutzutage verfügbaren Speicher-, Wiedergabe- und Übertragungssysteme ermöglichen. Die anzugebende technische Lösung sollte im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten holografischen Verfahren zur Darstellung dynamischer Objekte sowohl eine technische als auch wirtschaftliche Realisierung ermöglichen.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit einer Anzeigeeinheit gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Ein erfindungsgemäß ausgeführtes Hologramm ist Gegenstand des Patentanspruches 17. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Die Erfindung beruht auf einer Anzeigeeinheit zur dreidimensionalen Wiedergabe eines, insbesondere bewegten Objekts, die über einen Bildschirm, bevorzugt in Form eines LCD (engl.: liquid crystal display) oder eines LED-Displays (engl.: light-emitting diode), mit einer Mehrzahl von lichtemittierenden Punkten (Pixel) und über ein Lichtformungsmittel mit Lichtbrechungselementen zur Wandlung des von den lichtemittierenden Punkten emittierten Lichts in ein Wellenfeld verfügt, das eine Mehrzahl von polychromatische Kugelwellen aufweist. Erfindungsgemäß ist die Anzeigeeinheit durch Steuermittel zum Steuern der Wellenfronten der Kugelwellen zum Erzeugen einer Projektion entsprechend eines auf einer von der Lichtemissionsseite abgewandten Rückseite des Bildschirms angeordneten Objekts weitergebildet.
Auf diese Weise können die Wellenfronten entsprechend modelliert werden, um eine möglichst naturgetreue Darstellung eines dreidimensionalen Objektes zu erzeugen.
Der Erfindung liegt zunächst der wesentliche Gedanke zugrunde, dass für die Erzeugung eines Hologramms Elemente, die das einfallende Licht brechen und nicht beugen, verwendet werden.
Das erfindungsgemäß ausgeführte dreidimensionale Wiedergabesystem ist in der Lage, entsprechende Kugelwellenausschnitte darzustellen und kann so den Effekt des gegenseitigen Verdeckens imitieren. Beugungseffekte, die dadurch entstehen, dass die Kugelwellen eines Objekts an den Begrenzungen eines anderen Objektes gebeugt werden, werden auf vorteilhafte Weise vernachlässigt, da sich diese auch in der Realität bestenfalls unter monochromatischer Beleuchtung zeigen und somit ebenso in der Realität von einem Beobachter üblicherweise nicht wahrgenommen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Steuereinheit vorgesehen, die ein Steuersignal erzeugt und an ein Stellmittel überträgt, das auf der Grundlage des Steuersignals zumindest zeitweise eine Relativbewegung zwischen dem Bildschirm und wenigstens einem Lichtbrechungselement bewirkt. Der Bildschirm und das Lichtformungsmittel sind derart ausgeführt, dass von wenigstens zwei lichtemittierenden Punkten emittiertes Licht auf ein Lichtbrechungselement der Mehrzahl von Lichtbrechungselementen trifft. Indem jedem Lichtbrechungselement wenigstens zwei, bevorzugt mehr als zwei lichtemittierende Punkte des Bildschirms, also sogenannte Pixel, zugeordnet werden, wird erreicht, dass die von der realen Szene zu erwartenden Kugelwellen bzw. Kugelwellenausschnitte vergleichsweise realitätsgetreu imitiert werden. In der Steuereinheit wird hierzu die räumliche Quellposition einer Kugelwelle über die Koordinate des Lichtbrechungselements in einer Ebene, die zumindest nahezu parallel zur Oberfläche des Bildschirms angeordnet ist, der x-y-Richtung, und dem jeweiligen Abstand zum Bildschirm, der z-Richtung, bestimmt. Im Weiteren werden die Kugelwellenausschnitte auf der Grundlage der einzelnen lichtemittierenden Punkte, insbesondere unter Berücksichtigung der Position relativ zum zugeordneten Lichtbrechungselement, in der Steuereinheit modelliert.
Aufgrund der Anordnung, bei der wenigstens zwei Pixel des Bildschirms einem Lichtbrechungselement zugeordnet werden, lässt sich auf vorteilhafte Weise ein reales, bewegtes Objekt imitieren. Berücksichtigt wird hierbei, dass sich Objekte in realen Szenen gegenseitig abschatten oder aber ein Objekt den Blick auf ein dahinterliegendes Objekt versperrt. In einem derartigen Fall erreichen lediglich Kugelwellenausschnitte, also Teile von Kugelwellen, den Beobachter, der dann, je nach Position und Blickwinkel auf die Szene, ein Objekt sehen, oder auch nicht sehen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Lichtformungsmittel als eine Anordnung von Mikrolinsen, also als sogenanntes Mikrolinsenarray, ausgeführt, die das Licht des aktiven Bildschirms, hier eines LCDs oder eines LED-Displays, auf der Grundlage einer gezielten Ansteuerung in eine Schar von polychromatischen Kugelwellen umwandelt. Auf vorteilhafte Weise werden die Richtung und Krümmung der Kugelwellen durch gezielte Veränderung der Position eines Pixels in Bezug auf die optische Achse des zugeordneten Lichtbrechungselements, insbesondere einer Mikrolinse, und/oder des Abstands zwischen dem Bildschirm und dem Lichtformungsmittel, insbesondere einem Mikrolinsenarray, eingestellt.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit das Steuersignal zur Initiierung einer Relativbewegung zwischen dem Bildschirm und dem Lichtformungsmittel auf der Grundlage einer zu erzielenden Krümmung einer von einem Lichtbrechungselement ausgehenden Kugelwelle erzeugt. Das Lichtformungsmittel wirkt gemäß der Erfindung als Kugelwellengenerator, wobei die Krümmung der Kugelwellen vorzugsweise durch gezielte Variation des Abstands zwischen dem Bildschirm und dem Lichtformungsmittel eingestellt wird. Im Gegensatz zur Autostereoskopie, bei der in Abhängigkeit der Blickrichtung unterschiedliche Bilder erzeugt werden, wird mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Wiedergabesystem die Krümmung der Kugelwellen berücksichtigt. Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass das Stellmittel wenigstens zeitweise die Relativbewegung durch Bewegen wenigstens eines Lichtbrechungselements bewirkt. Alternativ oder in Ergänzung wird eine vergleichsweise einfache und vorteilhafte Relativbewegung mithilfe des Stellmittels initiiert, indem der Abstand des Lichtformungsmittels relativ zur Oberfläche des Bildschirms variiert wird.
Generell ist es denkbar, dass die Steuereinheit und das Stellenmittel derart eingerichtet sind, dass wenigstens zwei Lichtbrechungselemente unabhängig voneinander bewegbar sind. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, auf besonders vorteilhafte Weise Kugelwellen oder Kugelwellenausschnitte zu erzeugen, wobei wiederum von wenigstens zwei lichtemittierenden Punkten ausgesandtes Licht auf ein Lichtbrechungselement trifft.
Auf vorteilhafte Weise verfügt das Lichtformungsmittel über eine Mehrzahl von Mikrolinsen, die die Lichtbrechungselemente darstellen. Vorzugsweise sind die Mikrolinsen in Form eines Mikrolinsenarrays ausgeführt, dessen Abstand zur Oberfläche des Bildschirms mithilfe der Steuereinheit und des Stellmittels gezielt variiert wird. Um verschiedene Krümmungen der Kugelwellenausschnitte zu erzeugen, wird der Abstand zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Bildschirm mithilfe eines von der Steuereinheit erzeugten Steuersignals dynamisch angepasst. Um eine Darstellung einer Szene bzw. eines bewegten dreidimensionalen Objektes bereitstellen zu können, die vom Betrachter als flüssige Bewegung wahrgenommen wird, wird vorzugsweise der gesamte Anpassungsbereich wenigstens 30-mal pro Sekunde durchlaufen.
Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Stellmittel für die Initiierung der Relativbewegung über wenigstens einen Piezoaktuator verfügt.
Alternativ oder in Ergänzung ist es denkbar, dass die Brennweite wenigstens eines als Mikrolinse ausgeführten Lichtbrechungselements gezielt verändert wird, etwa indem die Mikrolinse als Flüssiglinse bzw. das Mikrolinsenarray als Flüssiglinsen-Array ausgeführt ist. Eine derartige Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Krümmung der von den Mikrolinsen ausgehenden Kugelwellen ohne Einsatz mechanischer Stellmittel verändert wird. Ebenfalls ist in diesem Zusammenhang eine Änderung des Brechungsindexes zwischen dem Bildschirm und der Mikrolinse bzw. dem Mikrolinsenarray denkbar.
In einer speziellen Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Bildschirm und dem Lichtformungsmittel wenigstens eine Parallaxbarriere angeordnet. Eine derartige Paralachsbarriere, die bevorzugt über wenigstens ein optisches Gitter verfügt, stellt sicher, dass ein Übersprechen eines lichtemittierenden Punktes (Pixel) von der Linse, in die das emittierte Licht einfallen soll, auf die benachbarte Linse verhindert wird.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Erzeugung des dreidimensionalen Bildes eines, insbesondere bewegten Objekts unter Berücksichtigung der Auflösungsgrenze des menschlichen Auges. Um eine bevorzugte Anpassung an die Auflösungsgrenze des menschlichen Auges zu erreichen, sind in diesem Fall die Steuereinheit und das Stellmittel einer erfindungsgemäß ausgeführten Anzeigeeinheit derart ausgeführt, dass die Anzahl der erzeugten Kugelwellen auf die Auflösungsgrenze eines menschlichen Auges, die in einem Seewinkelbereich von 2 - 4 Winkelminuten (2' - 4') entspricht, begrenzt ist. Mit der Erfindung wird insoweit eine neuartige Form der holografischen Wellenfeldrekonstruktion zur Verfügung gestellt, die neue und bisher nicht verfügbare Möglichkeit zur Wellenfeldsynthese bietet. Durch eine vorzugsweise vorgesehene Anpassung des Informationsinhalts der erzeugten Bilder an die menschliche Wahrnehmungsgrenze ist es möglich, erstmalig das lange verfolgte Ziel eines vollständig holografischen Wiedergabesystems für bewegte Szenen in Konsumentenqualität zu realisieren.
Neben einer Anzeigeeinheit betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur holografischen Wiedergabe wenigstens eines, insbesondere bewegten dreidimensionalen Objekts. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass von lichtemittierenden Punkten eines Bildschirms emittiertes Licht auf ein Lichtformungsmittel gelenkt wird und mittels einer Mehrzahl von Lichtbrechungselementen des Lichtformungsmittels das von den lichtemittierenden Punkten emittierte Licht in ein Wellenfeld verwandelt wird, das eine Mehrzahl von polychromatischen Kugelwellen aufweist. Gemäß der Erfindung ist das Verfahren derart weitergebildet, dass Steuermittel die Wellenfronten der Kugelwellen zum Erzeugen einer Projektion entsprechend eines auf einer von der Lichtemissionsseite abgewandten Rückseite des Bildschirms angeordneten Objekts steuern.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine Position zumindest eines der Mehrzahl von Lichtbrechungselementen relativ zum Bildschirm verändert. Hierbei wird von wenigstens zwei lichtemittierenden Punkten emittiertes Licht auf eines der Mehrzahl von Lichtbrechungselementen gelenkt. Jedem Lichtbrechungselement, bevorzugt in Form von Mikrolinsen, sind mehrere lichtemittierende Punkte, sogenannte Pixel zugeordnet, sodass auch Ausschnitte von Kugelwellen erzeugt werden können.
Vorzugsweise werden bei der Erzeugung des holografischen Bilds eines, insbesondere bewegten Objekts zunächst wenigstens zwei Teilbilder erzeugt, die schließlich zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden. Im Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die von dem gezielt angesteuerten Stellmittel initiierte Relativbewegung zwischen wenigstens einem der Mehrzahl von Lichtbrechungselementen und dem Bildschirm innerhalb eines Zeitintervalls kontinuierlich erfolgt. Alternativ oder ergänzend ist es denkbar, dass eine Verstellung in diskreten Schritten erfolgt und/oder zumindest eine Erzeugung von Bildern in der Steuereinheit in diskreten Schritten umgesetzt wird.
Ferner wird die Krümmung der Kugelwellen oder Kugelwellenausschnitte gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform unter Berücksichtigung einer Form, Geometrie oder Bewegungsgeschwindigkeit des holografisch wiederzugebenden Objekts eingestellt. Im Übrigen ist gemäß einer speziellen Ausführungsform vorgesehen, dass bei der dynamischen Veränderung der Position zumindest eines Lichtbrechungselements relativ zum Bildschirm das Auflösungsvermögen eines menschlichen Auges berücksichtigt wird. In diesem Fall werden vorzugsweise nur so viele Kugelwellen erzeugt, wie es der Auflösungsgrenze des menschlichen Auges entspricht, sodass sichergestellt ist, dass die erzeugten Bilder vom Beobachter noch unterschieden werden können.
Neben einer Anzeigeeinheit sowie einem Verfahren zur holografischen Wiedergabe wenigstens eines, insbesondere bewegten dreidimensionalen Objekts betrifft die Erfindung auch ein komprimiertes Hologramm. Wesentlich für das erfindungsgemäß ausgeführte komprimierte Hologramm, das mit der erfindungsgemäßen Anzeigeeinheit wiedergegeben und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt wird, ist, dass aufgrund der brechenden Eigenschaft der Lichtbrechungselemente, vorzugsweise der hierfür verwendeten Mikrolinsen, das komprimierte Hologramm in einen großen Raumwinkel abstrahlen kann, ohne dass hierfür beugende Strukturen vorgesehen sein müssen. Auf vorteilhafte Weise ist das komprimierte Hologramm derart konfiguriert, dass nur so viele Kugelwellen erzeugt werden, wie das Auge zu unterscheiden in der Lage ist. Der in dem Hologramm enthaltene Informationsgehalt ist somit an die Auflösungsgrenze des menschlichen Auges angepasst. Bezogen auf die menschliche Wahrnehmung hat ein erfindungsgemäß ausgeführtes refraktives Hologramm somit die gleichen Eigenschaften wie ein beugendes Hologramm, da es den für die Wahrnehmung relevanten Teil des physikalischen Wellenfeldes wiedergibt. Der Teil des Wellenfeldes, der vom Betrachter nicht erfasst werden kann, wird vorzugsweise nicht dargestellt. Ein großer Vorteil des erfindungsgemäß realisierten Hologramms besteht des Weiteren darin, dass aufgrund des geringeren in dem Wellenfeld enthaltenen Informationsgehalts dieses im Vergleich zu einem beugenden Hologramm mithilfe der derzeit zur Verfügung stehenden technischen Hilfsmittel wiedergegeben werden kann. In Bezug auf das bereitgestellte Wiedergabesystem ist ein derartiges, erfindungsgemäß komprimiertes Hologramm mit einem durch das MP3-Verfahren komprimierten Musikstück zu vergleichen, welches nur noch die für die akustische Wahrnehmung wichtigen Elemente enthält.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand einzelner Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgeführten Anzeigeeinheit,
2: eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse zur Berechnung der von dem Kugelwellenausschnitt eingenommenen Fläche in der Ebene des Betrachters,
3: ein geometrisches Modell zum Design von Hologrammen,
4: einen schematischen Überblick über die Simulation von Beugungseffekten durch Mikrolinsen,
5: eine bildliche Darstellung der Ergebnisse der durchgeführten Simulation,
6: eine Versuchsanordnung zur Erstellung eines refraktiven Hologramms eines periodischen Punktmusters, und
7: eine bildliche Darstellung der Ergebnisse eines Fokustests.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgeführten Anzeigeeinheit, mit der komprimierte Hologramme erzeugt und wiedergegeben werden. Die Anzeigeeinheit verfügt über einen als LCD (Liquid Crystal Display) ausgeführten Bildschirm 10 mit kleinen lichtemittierenden Punkten 11 (Pixeln) und einem als Mikrolinsenarray ausgeführten Lichtformungsmittel 12. Der Abstand d zwischen dem Mikrolinsenarray 12 und dem LCD 10 kann mithilfe eines von einer Steuereinheit 14 angesteuerten Stellmittels 15 dynamisch verändert werden. Das Mikrolinsenarray 12 wirkt hierbei wie ein Kugelwellengenerator, wobei die Krümmung der Kugelwellen durch eine Veränderung des Abstands d vom Mikrolinsenarray 12 zum LCD 10 eingestellt wird.
Der Vorteil der hier beschriebenen Anzeigeeinheit besteht darin, dass die von einer realen Szene zu erwartenden Kugelwellen sowie Kugelwellenausschnitte besonders realitätsgetreu imitiert werden. Um dieses Ziel erreichen zu können, werden jeder Mikrolinse 13 mehrere LCD-Pixel 11 zugeordnet. Die räumliche Quellposition einer Kugelwelle wird dann mithilfe der Steuereinheit 14 unter Berücksichtigung der Koordinate der jeweiligen Mikrolinse 13 in einer Ebene, die zumindest nahezu parallel zur Oberfläche des LCD 10 (x-, y-Koordinate) angeordnet ist sowie des Abstands d der Mikrolinse 13 zum LCD 10 (z-Koordinate) bestimmt. Die Kugelwellenausschnitte werden mithilfe der einzelnen Pixel 11 bzw. deren Position relativ zum Mikrolinsenarray 12 modelliert.
Mithilfe der in 1 dargestellten, erfindungsgemäß ausgeführten Anzeigeeinheit ist es möglich, ein physikalisches Wellenfeld wiederzugeben, das im Idealfall durch den Betrachter nicht von der realen Szene unterschieden wird. Hierbei wird ein komprimiertes Hologramm erzeugt, dessen Informationsgehalt im Vergleich zu herkömmlichen Hologrammen deutlich kleiner ist, sodass dieses komprimierte Hologramme mithilfe der heutzutage erhältlichen Speicher-, Übertragungs-, sowie Wiedergabesysteme wiedergegeben werden kann.
Für die in 1 schematisch dargestellte Anzeigeeinheit ist die Positioniergenauigkeit bei der Verstellung des Mikrolinsenarrays 12 relativ zum Bildschirm 10 von entscheidender Bedeutung. Im Folgenden wird daher der Zusammenhang zwischen der Krümmung der von den Mikrolinsen 13 ausgehenden Kugelwellen oder Kugelwellenausschnitten und dem Abstand d zwischen dem Mikrolinsenarray 12 und dem LCD 10 dargestellt. Zur Vereinfachung werden hierbei jeweils lediglich zwei Dimensionen berücksichtigt, wobei einerseits die laterale Koordinate x und andererseits die Ausbreitungsrichtung z entlang der optischen Achse berücksichtigt werden. Da die verwendeten Mikrolinsen rotationssymmetrisch ausgeführt sind, ist dies ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit möglich.
Unter der Annahme, dass ein Pixel 11 eine Kugelwelle U_s abstrahlt, gilt in parabolischer Näherung, die für eine vereinfachte analytische Betrachtung genutzt wird, Folgendes: $U_{S} (x, z) = exp [i k d + i \frac{k}{2 d} {(x - x_{n})}^{2}]$
Der Ursprung des Koordinatensystems (x=0 und z=0) wird ins Zentrum der zugehörigen Mikrolinse 13 gelegt. Der Parameter x_n gibt die laterale Position des Pixels 11 in Bezug zur optischen Achse der Mikrolinse 13 an. Die Wellenzahl beträgt k=2π/λ, mit der Wellenlänge A. Die Mikrolinse 13 moduliert die Phasenlage des einfallenden Lichts, wobei die folgende Näherung verwendet werden kann, da es sich bei der Mikrolinse 13 um ein dünnes Element handelt: $M_{L} (x, z) = e x p [- i \frac{k}{2 f} x^{2}]$
Für das modellierte Wellenfeld hinter der Linse gilt: $U (x, z) = U_{S} \cdot M_{L} = e x p [- i \frac{k}{2} (- \frac{1}{f} + \frac{1}{d}) x^{2} + i k d] \cdot e x p [- i \frac{k x_{n}}{d} x]$
Die erste Exponentialfunktion in Gl. 3 beschreibt die Krümmung (quadratisch in x) und die zweite Exponentialfunktion die mittlere Ausbreitungsrichtung (linear in x) des Kugelwellenausschnittes, der sich hinter der Linse formiert. Ein Vergleich der Formel Gl. 3 mit der Formel Gl. 1 zeigt, dass die Krümmung einer Kugelwelle mit einem Quellpunkt im Abstand d_v entspricht, wobei gilt: $d_{v} = \frac{f d}{f - d'}$
Anhand der obigen Formeln wird deutlich, dass der Ursprung des virtuellen Quellpunktes in z-Richtung durch Anpassen des realen Abstandes d eingestellt werden kann. Die Hauptausbreitungsrichtung des Kugelausschnittes wird durch die Pixelkoordinate x_n festgelegt.
Im Folgenden erfolgt die Ermittlung der realen Abstände d, die für die Wiedergabe typischer Szenen notwendig sind. Hierzu wird Gl. 4 umgeformt und es gilt: $d = \frac{f d_{v}}{f + d_{v}'}$
Typische Brennweiten von Mikrolinsenarrays 3 liegen im Bereich weniger Millimeter. Für den Fall einer Brennweite von f=2 mm werden nun beispielhaft die realen Abstände für virtuelle Objektpunkte, die 1 mm, 10 mm, 100 mm und 1000 mm hinter dem Mikrolinsenarray 12 legen, ermittelt. Das Ergebnis dieser Berechnung ist in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

virtueller Abstand d_v 1 mm 10 mm 100 mm 1000 mm

Realer Abstand d nach Gl. 5 0,67 mm 1,67 mm 1,96 mm 1,99 mm
Die berechneten Werte machen deutlich, dass für virtuelle Objekte, die bis zu einem Mindestabstand von 10 mm hinter dem Mikrolinsenarray 12 erscheinen sollen, der Abstand zwischen dem LCD 10 und dem Mikrolinsenarray 12 nur im Bereich weniger 100 µm angepasst werden muss. Soll das Objekt noch näher an dem Mikrolinsenarray 12 erscheinen, so sind makroskopische Abstandsänderungen, die größer als 1 mm sind erforderlich.
Die technischen Grenzen des Stellmittels definieren somit den minimal möglichen Abstand des virtuellen Objektes zum Mikrolinsenarray 12.
Die Hauptausbreitungsrichtung ergibt sich aus der zweiten Exponentialfunktion in Gl. 3, deren Exponent linear in x ist. Maßgeblich ist demnach die physikalische Position x_n des LCD-Pixels 11 und der reale Abstand d zwischen LCD 10 und Mikrolinsenarray 12. Es wird deutlich, dass dieser Term einer ebenen Welle in der Hauptebene der Linse (z=0) entspricht: $U_{P} (x, z = 0) = e x p [- i k x \cdot cos (α)] = e x p [- i \frac{k x_{n}}{d} x],$
die sich unter dem Winkel α zu einer x-Achse ausbreitet. Durch Vergleich der Exponenten in Gl. 6 ergibt sich für den Richtungskosinus der Ausbreitungsrichtung: $cos (α) = \frac{x_{n}}{d} .$
Dieser Wert gibt die Richtung an, in der sich der zugehörige Kugelwellenausschnitt bewegt. Dies bedeutet aber auch, dass sich der virtuelle Objektpunkt, den der Beobachter wahrnimmt in Richtung α und in der Entfernung d_v (vgl. Gl. 4) vom Zentrum der Mikrolinse 13 befindet. Die Berücksichtigung der Gl. 4 und Gl. 7 beim Design einer erfindungsgemäß ausgeführten Anzeigeeinheit sind deshalb wichtige Voraussetzungen für das optimale Wellenfelddesign bei gegebenem Objekt. Für die Gültigkeit von Gl. 7 ist die Voraussetzung x_n < d zu beachten, was aus der Parabelnäherung der Kugelwelle gemäß Gl. 1 folgt.
Der Durchmesser der zum Einsatz kommenden Mikrolinsen 13 wird bevorzugt deutlich kleiner als 1 mm gewählt, um dem lateralen Auflösungsvermögen moderner Wiedergabesystem gerecht zu werden. Entsprechende Mikrolinsen 13 stellen daher nicht nur Kugelwellengeneratoren, sondern auch sehr kleine Aperturen dar. Aus diesem Grund wird im Folgenden darauf eingegangen, wie groß der Kugelwellenausschnitt auf der Beobachterseite des Wiedergabesystems für typische Szenen ist und wie stark dieser in Abhängigkeit der Position des virtuellen Bildpunktes variiert.
In diesem Zusammenhang sind insbesondere die folgenden zwei Aspekte zu berücksichtigen:

1) Energie: Je nach Öffnungswinkel wird die Energie, die ein LCD-Pixel 11 pro Zeiteinheit jeweils emittiert, auf unterschiedlich große Fläche im Beobachtungsraum verteilt. Die wahrgenommene Helligkeit eines virtuellen Objektpunktes variiert daher mit der Krümmung und damit mit seinem virtuellen Abstand vom Mikrolinsenarray 12. Es erscheinen Objektpunkte, die nahe am Mikrolinsenarray 12 angeordnet sind, dunkler als solche, die sich in einer größeren Entfernung befinden.
2) Abgedeckte Apertur im Beobachtungsraum: Das von einer Mikrolinse 13 emittierte Licht deckt einen vom Öffnungswinkel abhängigen Bereich im Beobachtungsraum ab.

Für weiter entfernte (virtuelle) Objekte ergeben sich daher eher Lichtstrahlen, also kleine Kugelwellenausschnitte, während für näher angeordnete Objektpunkte größere Kugelwellenausschnitte erzeugt werden.
In 2 werden die geometrischen Verhältnisse zur Berechnung der von den Kugelwellenausschnitten abgedeckten Flächen A in der Ebene 16 des Betrachters dargestellt. Der Durchmesser D_A dieser Fläche A hängt vom Abstand des Betrachters z_B vom Mikrolinsenarray 12, vom Durchmesser D der Mikrolinsen 13 und von dem objektseitigen Öffnungswinkel ϕ ab. Auf der Grundlage der in 2 gezeigten geometrischen Anordnung lässt sich die durch einen Kugelwellenausschnitt abgedeckte Fläche A in der Ebene, in der sich der Beobachter befindet, abschätzen.
Die verwendeten Mikrolinsen 13 sind zwar klein, aber ihr Durchmesser umfasst dennoch viele 100 Wellenlängen, sodass die folgenden Abschätzungen die Gesetzmäßigkeiten der Strahlenoptik verwendet werden können, sodass auf die Beschreibung von Beugungsphänomenen verzichtet wird. Zunächst wird angenommen, dass der Abstand zwischen dem Mikrolinsenarray 12 und dem Beobachter bzw. der Beobachtungsebene 16 durch z_B vorgegeben sei.
Die Fläche A hängt maßgeblich von zwei Parametern ab, nämlich dem Durchmesser D der emittierenden Mikrolinse 13 und der objektseitigen numerischen Apertur N_Obj = sin (ϕ), die der zugehörige virtuelle Objektpunkt 17 mit der Mikrolinse 13 einschließt. Der Durchmesser der Mikrolinse 13 gibt hierbei die Mindestfläche vor, da alle Kugelwellenausschnitte hinter dem Mikrolinsenarray divergieren. Die kleinste potentiell mögliche Fläche Amin, die ein Kugelwellenausschnitt in der Beobachtungsebene 16 abdeckt ist, deshalb ein Kreis mit dem Durchmesser D. Die numerische Apertur hingegen beschreibt die Aufweitung im Beobachtungsraum und vergrößert diese Fläche. Die Verhältnisse sind in 2 grafisch dargestellt.
Anhand von 2 und unter Berücksichtigung der Formel tan(ϕ)=D/2d wird deutlich, dass der Durchmesser der Fläche A sich wie folgt berechnet: $D_{A} = D + z_{B} \frac{D}{d_{v}} = D (1 + \frac{z_{B}}{d_{v}}) .$
Für virtuelle Punkte, die nicht, wie in 2 gezeigt, auf der optischen Achse 9 liegen, kann Gl. 8 ebenfalls verwendet werden. In diesem Falle bedeutet z_B allerdings, dass der Abstand von der Mikrolinse 13 in Ausbreitungsrichtung und die Fläche A senkrecht auf dem Ausbreitungsvektor stehen.
Für verschiedene Abstände d sind die Werte für den Durchmesser D_A der abgedeckten Fläche A in der folgenden Tabelle angegeben, wobei für die beispielhafte Berechnung ein Mikrolinsendurchmesser von D=0,5 mm und ein Beobachtungsabstand von z_B = 400 mm angenommen wurde:

virtueller Abstand d_v 1 mm 10 mm 100 mm 1000 mm

Durchmesser D_A 200,5 mm 20,5 mm 2,5 mm 0,7 mm
Es wird deutlich, dass die Durchmesser D_A der abgedeckten Fläche je nach Abstand d_v stark variieren und für Objektpunkte die weiter als 100 mm von den Mikrolinsen entfernt sind, ist eher von divergenten Strahlen als von Kugelwellenausschnitten auszugehen. Weiterhin wird deutlich, dass für virtuelle Objekte, die sich in einer Entfernung von 10 mm bis 100 mm vom Mikrolinsenarray befinden, der Durchmesser D_A der abgedeckten Fläche um etwa den Faktor acht variiert. Die Intensität, mit der ein entsprechendes virtuelles Objekt dem Betrachter erscheint, schwankt damit etwa um den Faktor 64.
In 3 ist ein geometrisches Modell zum Design von Hologrammen gezeigt. Jede Mikrolinse 13 kann entsprechend der zugeordneten, als LCD-Pixel ausgeführten lichtemittierenden Punkte 11 mehrere Kugelwellenausschnitte generieren. Liegt ein Objektpunkt 17 in der passenden Richtung und im passenden Abstandsintervall d_v±Δd_v/2, so wird das entsprechende LCD-Pixel 11 auf die Farbe der Objektoberfläche gesetzt. In 3 sind drei virtuelle Objekte 17 durch graue Kreise dargestellt aber nur das oberste, größte der Objekte 17 liegt im passenden Bereich. Die zugehörigen LCD-Pixel 11 werden daher auf die Objektfarbe, in diesem Fall Grau gesetzt.
Gemäß Gl. 4 und Gl. 7 lässt sich jedem Pixel 11 ein Kugelwellenausschnitt zuordnen, dessen Ursprung im Abstand d_v in der Richtung α vom Ursprung der zugehörigen Mikrolinse 13 entfernt liegt. Der Abstand d_v hängt hierbei vom physikalischen Abstand d des LCD vom Mikrolinsenarray 12 und die Richtung α von d und von der lateralen Pixelposition relativ zur optischen Achse 18 der zugehörigen Mikrolinse 13 ab. Ein vorteilhaftes Design ist dann erreicht, wenn die Oberfläche eines Objekts an genau der durch die Mikrolinsenposition d und α definierten Stelle im virtuellen Objektraum 19 liegt. In diesem Fall wird das entsprechende Pixel 11 auf die Farbe der Objektoberfläche gesetzt.
In der Praxis gäbe es allerdings nur dann gültige Oberflächen, wenn der Abstand d_v exakt passt. Um damit alle Objektpunkte zu erreichen, müsste der Abstand d über einen großen Bereich kontinuierlich durchgestimmt werden. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, einen Toleranzbereich Δd zu definieren, in dem die zu erwartenden Krümmungen der Kugelwellen in guter Näherung als konstant angesehen werden können. Dies entspricht prinzipiell einem Auflösungsvermögen des Wiedergabesystems in Richtung der optischen Achse.
Auf der Grundlage dieser Überlegungen lässt sich für einen Satz verschiedener Krümmung jeweils eine Verteilung für die LCD-Pixel 11 berechnen und später bei passend eingestellter Entfernung im Wiedergabesystem anzeigen.
Üblicherweise haben die Mikrolinsen 13 eines Mikrolinsenarrays 12 einen Durchmesser von unter 1 mm. Diese begrenzte Ausdehnung ist teilweise problematisch, denn jede Mikrolinse wirkt unabhängig von ihrer brechenden Funktion wie eine begrenzte Apertur. Beugungseffekte am Rande dieser Apertur könnten sich als störend auf die Wiedergabe auswirken und sind daher anhand der im Folgenden näher erläuterten Simulationen untersucht worden.
Die 4 zeigt schematisch einen Überblick über die Simulation von Beugungseffekten durch Mikrolinsen und deren wichtigste Parameter. Das Wellenfeld einer Punktlichtquelle mit einer Wellenlänge von 532 nm aufweist, die sich in einem Abstand d=2,67 mm von der Mikrolinse 13 entfernt auf der optischen Achse 18 befindet, wird in der Linsenebene 11 berechnet und dort mit der Modulationsfunktion (vgl. Gl. 2) einer Mikrolinse 13 mit Brennweite f=2,74 mm moduliert. Anschließend wird das Licht weiter entlang der optischen Achse 18 um den Abstand z_B = 200 mm in den Beobachtungsraum propagiert.
Im Rahmen der Simulation wird zunächst das Licht einer punktförmigen Lichtquelle 21 in der Ebene einer Mikrolinse 13 berechnet. Der Abstand der Lichtquelle 21 von der Mikrolinse ist dabei gegeben durch d = 2,67 mm, was einem virtuellen Objektpunkt im Abstand von d_v = 100 mm entspräche.
Die Mikrolinse 13 hat eine quadratische Grundfläche mit einer Kantenlänge von D = 0,537 m und ist einseitig begrenzt durch eine Aperturblende. Der Bereich, in dem das Wellenfeld des Punktstrahlers berechnet wird, ist ebenfalls quadratisch mit einer Kantenlänge von L = 3D = 1,611 mm. Im Bereich der Mikrolinse 13 wird nun das Wellenfeld mit der Modulationsfunktion einer Linse (vgl. Gl. 2) f= 2,74 mm moduliert.
Anschließend wird das Licht um die Strecke z_B = 200 mm entlang der optischen Achse 18 in die Ebene 16 eines Betrachters propagiert. Für die Propagation wurde die Zerlegung nach ebenen Wellen (PWD: Plane Wave Decomposition) genutzt. Die Größe des Ausschnitts ändert sich daher nicht und hat somit ebenfalls eine Kantenlänge von 1,611 mm.
5 enthält eine bildliche Darstellung der Ergebnisse der durchgeführten Simulation, wobei das resultierende Wellenfeld über den zuvor genannten Ausschnitt dargestellt ist. Die in 5A gezeigte Amplitude zeigt starke Beugungseffekte, verursacht durch die quadratische Apertur der Mikrolinse 13. Diese sind jedoch zu vernachlässigen, da die zugehörige Intensität vom Betrachter nicht wahrgenommen wird. Vielmehr wird das Wellenfeld vom Auge des Betrachters auf dessen Netzhaut fokussiert.
Die in 5B gezeigte Phasenlage ist dagegen der relevante Parameter, denn hierdurch wird die Fokussierung garantiert. Wesentlich hierfür ist, dass die Phasenlage, so wie dies in den zuvor erläuterten Herleitungen angenommen wurde, einer Kugelwellenfront entspricht, also einen sphärischen bzw., zumindest in guter Näherung einen parabolischen Verlauf annimmt. 5B verdeutlicht hierbei, dass dies bei den dargestellten Simulationsergebnissen, bis auf kleine Verzerrungen, zutrifft.
Eine quadratische Analyse bestätigt diese Beobachtung. Hierzu ist in 5C Phasendifferenz zu einer Best-Fit-Kugelwelle dargestellt. Die mittlere Abweichung (1-Sigma) beträgt lediglich σ = 0,23 rad. Dies ist bezüglich des Gesamtwerteumfangs der Phase von 2π eine Abweichung von nur ± 3,7 %. Die durchgeführte Simulation belegt somit, dass die weiter oben getroffenen Annahmen stimmen und das Mikrolinsenarray 12 wie ein Kugelwellengenerator wirkt.
Im Folgenden wird eine Verifizierung der Erfindung, die anhand eines speziellen Versuchsaufbaus durchgeführt worden ist erläutert. Im Rahmen des Versuchs wurde mithilfe des Displays 10 eines Mobiltelefons (Samsung S8+PenTile OLED) und eines darauf abgelegten Mikrolinsenarrays 12 das Wellenfeld eines periodischen Punktmusters, das sich in einer konstanten Tiefe von 250 mm hinter dem Display 10 befindet, erzeugt.
Um nachzuweisen, dass der entstehende Tiefeneindruck nicht nur durch die korrekte Parallaxe entsteht, wie dies bei der Autostereoskopie der Fall ist, sondern tatsächlich das Lichtwellenfeld eines in dieser Tiefe befindlichen Punktmusters erzeugt wird, wird der Fokus einer Kamera 22, die das gezeigte Bild aufnimmt, entsprechend eingestellt, sodass unterschiedliche Teile der beobachteten Szene, wie aus der Holografie bekannt, scharf oder unscharf erscheinen.
6 zeigt die gewählte Versuchsanordnung zur Erstellung eines refraktiven Hologramms eines periodischen Punktmusters. In 6A ist die Versuchsanordnung hierzu in einer Schnittansicht dargestellt.
Auf dem Display 10 des Mobiltelefons sind zwei jeweils 1 mm dicke Deckgläser 23 aus Quarzglas und darauf das bereits oben charakterisierte Mikrolinsenarray 12 des Typs APO-Q-P537-R1.25 abgelegt. Aus der Krümmung der Mikrolinsen 13 von R = 1,25 und der Brechzahl von n = 1,457 ergibt sich eine mittlere Brennweite der Mikrolinsen 13 von f = 2,735 mm. Der Abstand zwischen der aktiven Pixelebene des Displays 10 und dem Schutzglas des Mobiltelefons ist nicht bekannt. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass sich mithilfe der zwei Deckgläser 23 ein für das Experiment gut geeigneter Arbeitsabstand zwischen dem OLED-Display 10 und dem Mikrolinsenarray 12 einstellen lässt. Im Abstand D über dem Mobiltelefon befindet sich eine Kamera 22 zur Beobachtung. Das Objektiv der Kamera 22 besitzt eine Festbrennweite. Um die Schärfeebene zu verändern und damit den Tiefeneindruck zu quantifizieren, wird der Abstand D während des Versuchs variiert, die Kamera 22 also nach oben oder nach unten verschoben.
6B zeigt, wie sich das refraktive Hologramm eines Punktmusters auf Basis dieser Versuchsanordnung erzeugen lässt. Hierzu ist beispielhaft ein einzelner Objektpunkt 17 dargestellt, der sich aus Sicht des Betrachters im Abstand b hinter dem Mikrolinsenarray 12 befindet. Zusätzlich zu dem Mikrolinsenarray 12 ist auch die Ebene eingezeichnet, in der sich die aktive Schicht des OLED-Displays befindet. Der Objektpunkt 17 kann als eine punktförmige Lichtquelle aufgefasst werden. Damit jede Mikrolinse 13 den bezüglich dieser Punktlichtquelle korrekten Kugelwellenausschnitt imitiert, muss, wie dies in 6B grafisch gezeigt ist, die Verbindungslinie zwischen dem Zentrum einer Mikrolinse 13 und einem zugehörigen Displaypixel 11 in der Verlängerung durch die virtuelle Position der Punktlichtquelle verlaufen.
Gleichzeitig wird der Abstand d so gewählt, dass die Krümmung der von den Mikrolinsen 13 emittierten Wellen einen Radius aufweist, der dem Abstand b entspricht, also dem Abstand zwischen Punktlichtquelle 17 und Mikrolinsenarray 12. Dies ist streng genommen nur korrekt für eine Mikrolinse, auf deren optischer Achse 18 sich der Objektpunkt 17 befindet. Da in unserem Fall jedoch b >> L gilt, ist dies auch eine gute Näherung für die Krümmung der Wellenfelder, die durch die benachbarten Linsen erzeugt werden.
Aus den zuvor dargelegten Überlegungen folgt ein Zusammenhang für die Periode P, entlang derer sich auf dem Display 10 tatsächlich physikalische Pixel gleicher Farbe befinden müssen. Für die aus der Linsengleichung abzuleitende Bildweite b und Objektweite d der Mikrolinsen 13 des Mikrolinsenarrays 12 gilt: $\frac{1}{f} = \frac{1}{d} + \frac{1}{b} < = > b = \frac{d f}{d - f} .$
Aus dem Strahlensatz unter Berücksichtigung der in 6B gezeigten Geometrie folgt: $\frac{L}{b} = \frac{P}{b - d} < = > P = L (1 - \frac{d}{b}) .$
Setzt man Gl. 9 in Gl. 10 ein und nimmt weiterhin an, dass d < f ist, so folgt daraus: $P = L \frac{d}{f} .$
In dem durchgeführten Experiment galt d = 2,705 mm und B = 250 mm, sodass sich für P ein Wert von P = 531,1 µm ergab. Der Pixelpitch des Samsung Displays ist P_D = 48,015 µm. Die gewünschte Periode lässt sich damit zwar nicht exakt reproduzieren, aber aufgrund der Tatsache, dass der Pixelpitch gut eine Größenordnung kleiner ist als der Linsenpitch, lässt sich durch Drehen des Mikrolinsenarrays 12 stets eine Gitterorientierung finden, in der Gl. 11 in sehr guter Näherung erfüllt ist. Da sowohl die Pixel auf dem Display 10 als auch die Mikrolinsen 13 des Mikrolinsenarrays 12 auf einem quadratischen Raster angeordnet sind, ist eine passende Gitterorientierung immer für beide Richtungen geeignet.
7 enthält eine bildliche Darstellung der Ergebnisse des Fokustests In diesem Zusammenhang zeigt 7A das von der Kamera 22 aufgenommene Bild, als diese auf die Displayoberfläche des Mobiltelefons scharf gestellt war. Der Schriftzug ist deutlich zu lesen. An den Stellen, an denen sich das Mikrolinsenarray befindet, sind die Umrisse der Mikrolinsen ebenfalls scharf zu sehen. Dies liegt daran, dass sich das Mikrolinsenarray noch im Schärfetiefenbereich des Objekts befindet. Im Hintergrund sind jedoch unscharf die Punktlichtquellen, die in einigem Abstand hinter dem Display erscheinen sollten, zu sehen.
In 7B ist ein weiteres während der Versuchsdurchführung mit der gleichen Kamera aufgenommenes Bild zu sehen. Diesmal wurde die Kamera jedoch um ΔD = 25 cm in Richtung des Displays verschoben. Nun sind die Lichtquellen scharf abgebildet, wohingegen der Schriftzug auf dem Display so unscharf ist, dass er nicht mehr zu lesen ist. Der durchgeführte Versuch zeigt, dass das durch das Mikrolinsenarray emittierte Wellenfeld tatsächlich dem einer periodischen Anordnung von Punktlichtquellen in einer Tiefe von 25 cm entspricht.
In Bezug auf die Reproduktion von Wellenfeldern besitzt die hier vorgestellte Kombination von OLED-Display und Mikrolinsenarray alle Eigenschaften einer holografischen Wiedergabe von Punktlichtquellen, mit dem wesentlichen Unterschied, dass die Lichtformung, im Gegensatz zur beugenden Holografie, refraktiv erfolgt. Bei der Beurteilung der Versuchsergebnisse sind allerdings noch folgende Punkte zu beachten:

1) Anders als es auf den ersten Blick zu vermuten ist, handelt es sich bei dem in 7A gezeigten Punktmuster nicht um eine vergrößerte virtuelle Abbildung des OLED-Pixelrasters, sondern um die holografische Projektion eines periodischen Punktmusters. Da stets mehrere physikalische Displaypixel notwendig sind, um einen virtuellen Punkt zu generieren, entspricht dies auch dem holografischen Prinzip, d.h. würde das OLED-Display geteilt, so würden beide Hälften weiterhin jeweils dieselben Punkte, allerdings aus unterschiedlichen Blickwinkeln, zeigen.
2) Der gezeigte Fall ist ein Spezialfall, der auf die Wiedergabe eines periodischen Punktmusters in einer konstanten Tiefe beschränkt ist. Die Wiedergabe beliebiger, in alle Raumrichtungen ausgedehnter, Objekte erfordert zusätzlich eine dynamische Änderung des optischen Weges zwischen dem aktiven Display und dem Mikrolinsenarray, um die Wellenfrontkrümmungen zu variieren und eine vollkommen andere Logik zur Ansteuerung des aktiven Displays zu realisieren.
3) Bei der Wiedergabe ausgedehnter Objekte ist es nicht erforderlich, dass die durch Gl. 11 geforderte Periodizität gegeben ist, da sich bei einem ausgedehnten Objekt nicht alle Strahlen in einem Punkt treffen müssen.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der zuvor beschriebene Versuch eindrucksvoll das Potenzial der refraktiv-holografischen Wiedergabe demonstriert. Es wird deutlich, dass dieser Ansatz das Problem des Akkomodations-Vergenz-Konflikts autostereoskopischer Systeme löst und dennoch die Möglichkeit der vollfarbigen, hochauflösenden und großflächigen dreidimensionalen Wiedergabe auf Basis von Technologien, die derzeit bereits verfügbar sind, bietet.
Bezugszeichenliste

10: Bildschirm
11: lichtemittierender Punkt (Pixel)
12: Mikrolinsenarray
13: Mikrolinse
14: Steuereinheit
15: Stellmittel
16: Beobachtungsebene
17: Objektpunkt
18: optische Achse
19: Objektraum
20: Linsenebene
21: Lichtquelle
22: Kamera
23: Deckglas

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 2017/160484 A1 [0006]

Claims

Anzeigeeinheit zur dreidimensionalen Wiedergabe eines, insbesondere bewegten, Objekts, die über einen Bildschirm (10) mit einer Mehrzahl von lichtemittierenden Punkten (11) und über ein Lichtformungsmittel (12) mit Lichtbrechungselementen (13) zur Wandlung des von den lichtemittierenden Punkten (11) emittierten Lichts in ein Wellenfeld verfügt, das eine Mehrzahl von polychromatischen Kugelwellen aufweist, gekennzeichnet durch Steuermittel (14, 15) zum Steuern der Wellenfronten der Kugelwellen zum Erzeugen einer Projektion entsprechend eines auf einer von der Lichtemissionsseite abgewandten Rückseite des Bildschirms (10) angeordneten Objekts.
Anzeigeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (14) vorgesehen ist, die ein Steuersignal erzeugt und an ein Stellmittel (15) überträgt, das auf der Grundlage des Steuersignals zumindest zeitweise eine Relativbewegung zwischen dem Bildschirm (10) und wenigstens einem Lichtbrechungselement (13) bewirkt, wobei der Bildschirm (10) und das Lichtformungsmittel (12) derart ausgeführt sind, dass von wenigstens zwei lichtemittierenden Punkten (11) emittiertes Licht auf ein Lichtbrechungselement (13) der Mehrzahl von Lichtbrechungselementen (13) trifft.
Anzeigeeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal auf der Grundlage einer zu erzielenden Krümmung einer von einem Lichtbrechungselement (13) ausgehenden Kugelwelle mittels der Steuereinheit (14) erzeugbar ist.
Anzeigeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel (15) wenigstens zeitweise die Relativbewegung durch Bewegen wenigstens eines Lichtbrechungselements (13) bewirkt.
Anzeigeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) und das Stellmittel (15) derart eingerichtet sind, dass wenigstens zwei der Lichtbrechungselemente (13) unabhängig voneinander bewegbar sind.
Anzeigeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex eines Bereichs zwischen dem Bildschirm (10) und dem Lichtformungsmittel (12) veränderbar ist.
Anzeigeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtformungsmittel (12) eine Mehrzahl von Mikrolinsen (13) aufweist.
Anzeigeeinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennweite wenigstens einer der Mikrolinsen (13) veränderbar ist.
Anzeigeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel (15) wenigstens einen Piezoaktuator aufweist.
Anzeigeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bildschirm (10) und dem Lichtformungsmittel (12) wenigstens eine Parallaxbarriere angeordnet ist.
Anzeigeeinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallaxbarriere wenigstens ein optisches Gitter aufweist.
Anzeigeeinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) und das Stellmittel (15) derart ausgeführt sind, dass die Anzahl der erzeugten Kugelwellen auf die Auflösungsgrenze eines menschlichen Auges, die einem Sehwinkelbereich von 2' bis 4' entspricht, begrenzt ist.
Verfahren zur holografischen Wiedergabe wenigstens eines, insbesondere bewegten, dreidimensionalen Objekts, bei dem von lichtemittierenden Punkten (11) eines Bildschirms (10) emittiertes Licht auf ein Lichtformungsmittel (12) gelenkt wird und mittels einer Mehrzahl von Lichtbrechungselementen (13) des Lichtformungsmittels (12) das von den lichtemittierenden Punkten (11) emittierte Licht in ein Wellenfeld verwandelt wird, das eine Mehrzahl von polychromatischen Kugelwellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel (14, 15) die Wellenfronten der Kugelwellen zum Erzeugen einer Projektion entsprechend eines auf einer von der Lichtemissionsseite abgewandten Rückseite des Bildschirms (10) angeordneten Objekts steuern.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position zumindest eines der Mehrzahl von Lichtbrechungselementen (13) relativ zum Bildschirm (10) verändert wird, wobei von wenigstens zwei lichtemittierenden Punkten (11) ausgehendes Licht auf eines der Mehrzahl von Lichtbrechungselementen (13) gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das holografische Bild des bewegten Objekts aus wenigstens zwei Teilbildern erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relativbewegung innerhalb eines Zeitintervalls kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der dynamischen Veränderung der Position zumindest eines Lichtbrechungselements (13) relativ zum Bildschirm das Auflösungsvermögen eines menschlichen Auges berücksichtigt wird.
Hologramm eines bewegten Objekts, das mit einer Anzeigeeinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder einem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17 wiedergegeben wird.