DE19502643A1 - Einrichtung zur Synthese räumlich wirkender Bilder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Synthese räumlich wirkender Bilder mit einer Beleuchtungsvor­ richtung, mit der eine Bildspeichervorrichtung in einem Beleuchtungsstrahl mit Licht beaufschlagbar ist, wobei in der Bildspeichervorrichtung mit unter verschiedenen Aufnahmewinkeln in einer Blickebene aufgenommene Per­ spektivbilder eines dreidimensionalen Objektes ab­ speicherbar sind und wobei in der Bildspeichervorrich­ tung jedes Perspektivbild in eine gleiche Anzahl von bezüglich der Blickebene rechtwinklig verlaufenden Perspektivbildstreifen aufgeteilt in einer Streifen­ abfolge abspeicherbar ist.

Eine derartige Einrichtung ist aus der US 4,834,476 bekannt. Bei dieser Einrichtung sind unter verschiedenen Aufnahmewinkeln aufgenommene Perspektivbilder in einem Holographieverfahren mit einem Referenzstrahl und einem die Perspektivbilder beleuchtenden Objektstrahl als holographisches Stereogramm abspeicherbar. Das holo­ graphische Stereogramm ist dabei aus sich überlagernden Streifenhologrammen aufgebaut, welche jeweils aus Perspektivbildstreifen von unter verschiedenen Aufnahme­ winkeln aufgenommenen Perspektivbildern zusammengefügt sind, wobei bei der Wiedergabe der Streifenhologramme die Perspektivbilder überlappend projiziert sind.

Mit dieser Einrichtung liefern die holographischen Stereogramme zwar ein räumlich wirkendes reales Bild, allerdings ist es, wie in der Holographietechnik üblich, zum Abspeichern der Perspektivbildstreifen notwendig, einen holographietauglichen Film mit einer extrem feinen Körnung zu verwenden, mit dem ein als Beugungsgitter wirkendes Phasenbild mit einer Gitterkonstanten von etwa 1·10^-6 Meter abspeicherbar ist. Diese Technik mit foto­ grafischer Aufnahme von Perspektivbildern, Entwicklung des Hologrammfilmes und Wiedergabe ist sehr zeit­ aufwendig und erfordert einen apparativ sehr aufwendigen Holographieaufbau zur Aufnahme der Hologramme. Eine unmittelbare Synthese räumlich wirkender, beispielsweise rechnerisch erzeugter sowie sich zeitlich ändernder Bilder ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere auch in einer filmartigen Abfolge die Synthese räumlich wirkender realer Bilder unmittelbar aus Perspektivbildern ohne einen fotografischen Zwischenschritt ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bildspeichervorrichtung mit einem den Beleuchtungs­ strahl ablenkenden Beugungsgitter versehen ist, wobei das Beugungsgitter jeweils Abschnitten eines Perspektiv­ bildstreifens zugeordnete Gitterabschnitte mit derart eingerichteten Gitterkonstanten aufweist, daß die einem Perspektivbild zugeordneten Perspektivbildstreifen in einer den Aufnahmewinkeln der abgespeicherten Perspek­ tivbilder entsprechenden Abfolge angeordneten Aus­ trittspupillen in jeweils der gleichen Beugungsordnung gebeugt sind.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung sind die in der Bildspeichervorrichtung als Perspektivbildstreifen in einer Streifenabfolge abgespeicherten Perspektivbilder mittels der Gitterabschnitte des Beugungsgitters in einer den Aufnahmewinkeln der Perspektivbilder ent­ sprechenden Abfolge in zugeordnete Austrittspupillen projizierbar, so daß ein Beobachter an einem Beobach­ tungsort in der Betrachtungsebene in zwei Austritts­ pupillen als Linksbild und als Rechtsbild zwei Perspek­ tivbilder sieht, die sich zu einem räumlich wirkenden Bild überlagern. Da bei der erfindungsgemäßen Einrich­ tung die Perspektivbilder mittels des beispielsweise optoelektronisch aktivierbaren Beugungsgitters unmittel­ bar zu räumlich wirkenden Bildern überlagerbar sind, er­ übrigt sich eine fotografische Zwischenaufnahme der Perspektivbilder.

Vorzugsweise sind die Bildspeichervorrichtung und das Beugungsgitter in einer baulichen Einheit zu einem Lichtmodulator vereinigt. Der Lichtmodulator weist aus einer Steuerelektrode und einem zugeordneten Gitter­ abschnitt des Beugungsgitters gebildete Ablenkelemente auf, die mittels einer Ansteuerelektronik bezüglich ihrer Beugungseigenschaften einzeln ansteuerbar sind. Dadurch sind räumlich wirkende Bilder mit einer Wieder­ holungsrate oberhalb des zeitlichen Auflösungsvermögens des menschlichen Auges synthetisierbar, wobei die unter verschiedenen Aufnahmewinkeln aufgenommenen Perspektiv­ bilder beispielsweise durch Videoaufnahmen oder rechne­ risch erzeugt worden sind. Da zum Projizieren der Per­ spektivbildstreifen in die zugeordneten Austritts­ pupillen lediglich die im Vergleich zu der Dimension der Gitterkonstanten großflächigen Gitterabschnitte und Steuerelektroden anzusteuern sind, ist nunmehr eine integrierte Bauweise der Lichtmodulatoren mit einer technisch realisierbaren und finanziell vertretbaren Anzahl von bilderzeugenden Ablenkelementen möglich.

Das Beugungsgitter ist beispielsweise als Streifen­ gitter, Stufengitter, als ein wellenförmiges Gitter oder Echellettegitter ausführbar.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 zwei Perspektivbilder sowie ein aus Per­ spektivbildstreifen erzeugtes Schachtel­ bild,

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht einer Einrichtung zur Synthese räumlich wir­ kender Bilder mit einem aus einzeln an­ steuerbaren Ablenkelementen aufgebauten Lichtmodulator,

Fig. 5 in perspektivischer Teilansicht einen Lichtmodulator gemäß Fig. 4 mit einem schräg zu Spalten von Ablenkelementen ausgerichteten Beugungsgitter,

Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht des Lichtmodulators gemäß Fig. 5 mit einem parallel zu Spalten von Ablenkelementen ausgerichteten Beugungsgitter,

Fig. 7 in Seitenansicht einen Ausschnitt eines Lichtmodulators mit einem reflektierenden Streifengitter,

Fig. 8 in Seitenansicht einen Ausschnitt eines Lichtmodulators mit einem reflektierenden Stufengitter,

Fig. 9 eine Seitenansicht eines Ausschnittes eines Lichtmodulators mit einem trans­ mittierenden Stufengitter,

Fig. 10 der Verlauf von Beugungsstrahlen einer Ordnung von verschiedenen Perspektivbild­ streifen eines Perspektivbildes,

Fig. 11, 12 in Draufsicht und Seitenansicht die Beleuchtungs- und Beugungsstrahlengänge bei Beleuchtung parallel zu den Per­ spektivbildstreifen in Reflexion,

Fig. 13, 14 in Draufsicht und Seitenansicht die Beleuchtungs- und Beugungsstrahlengänge bei Beleuchtung quer zu den Perspektiv­ bildstreifen in Reflexion,

Fig. 15, 16 in Draufsicht und Seitenansicht die Beleuchtungs- und Beugungsstrahlengänge bei Einstrahlung parallel zu den Per­ spektivbildstreifen in Transmission und

Fig. 17 eine Projektionsvorrichtung zur Ver­ größerung eines synthetisierten Bildes.

Fig. 1 zeigt ein unter einem Aufnahmewinkel aufge­ nommenes linkes Perspektivbild 1 eines Gesichtes in einer zur Erläuterung schematisierten Darstellung. Das linke Perspektivbild 1 ist in der Darstellung gemäß Fig. 1 in acht Zeilen 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 sowie recht­ winklig dazu in sechs spaltenweise angeordnete Perspek­ tivbildstreifen 10, 11, 12, 13, 14, 15 aufgeteilt. Die geschwärzten Felder in Zeile 4 der Perspektivbild­ streifen 11, 14 entsprechen zwei Augen, die geschwärzten Felder in den Zeilen 5, 6 des Perspektivbildstreifens 13 der Nase und die geschwärzten Felder in der Zeile 8 der Perspektivbildstreifen 12, 13 dem Mund.

Fig. 2 zeigt ein rechtes Perspektivbild 16, das ent­ sprechend dem linken Perspektivbild 1 in Zeilen 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und spaltenweise in sechs Perspektivbild­ streifen 17, 18, 19, 20, 21, 22 aufgeteilt ist. Durch die Aufnahme aus einem anderen Aufnahmewinkel ist bei dem rechten Perspektivbild 16 die durch die geschwärzten Felder in den Zeilen 5, 6 des Perspektivbildstreifens 19 dargestellte Nase gegenüber der Nase in dem linken Perspektivbild 1 versetzt.

Fig. 3 zeigt ein aus acht Zeilen 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und spaltenweise aus den Perspektivbildstreifen 10, 11, 12, 13, 14, 15 des linken Perspektivbildes 1 sowie den Perspektivbildstreifen 17, 18, 19, 20, 21, 22 des rech­ ten Perspektivbildes 16 erzeugtes Schachtelbild 23. Bei der Erzeugung des Schachtelbildes 23 sind die durch Ordnungszahlen 1, 2, 3, 4, 5, 6 kennzeichenbaren Perspektivbildstreifen 10, 17; 11, 18; 12, 19; 13, 20; 14, 21; 15, 22 in einer den beiden Aufnahmewinkeln entsprechenden Reihenfolge in der Darstellung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 von rechts nach links angeordnet. Das dadurch erzeugte Schachtelbild 23 beinhaltet somit die Bildpunkte der unter verschiedenen Aufnahmewinkeln in einer Blickebene aufgenommenen Perspektivbildern 1, 16 in einer zeilen- und spaltenweisen Anordnung.

Die Anzahl der Felder eines Schachtelbildes aus k darzu­ stellenden Perspektivbildern mit je n Zeilen und m Perspektivbildstreifen ergibt sich aus dem Produkt der Faktoren k, n, m. Für eine sehr gute räumliche Auflösung mit 30 Aufnahmewinkeln, die 30 Perspektivbildern ent­ sprechen, sowie 400 Zeilen und 600 Perspektivbild­ streifen ergeben sich für ein Schachtelbild beispiels­ weise 7,2 Millionen zu Bildpunkten gehörige beugende Gitterabschnitte.

Fig. 4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Lichtmodulator 24 mit in der Darstellung gemäß Fig. 4 horizontal zeilenweise und rechtwinklig dazu spalten­ weise angeordneten Ablenkelementen 25, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 4 nur einige exemplarisch mit Bezugszeichen versehen sind. Der Licht­ modulator 24 ist über Spaltenleitungen 26 an ein Spaltenschieberegister 27 sowie über Zeilenleitungen 28 an eine Zeilenadressierschaltung 29 als Steuerelektronik angeschlossen. Das Spaltenschieberegister 27 und die Zeilenadressierschaltung 29 sind mit einem Videosignal­ wandler 30 verbunden, dem über eine Videosignalleitung 30′ eine Sequenz von unter verschiedenen Aufnahmewinkeln in einer Blickebene aufgenommene Perspektivbilder eines dreidimensionalen Objektes einspeisbar sind. Mit dem Videosignalwandler 30 ist die Erzeugung eines Schachtel­ bildes entsprechend beispielsweise dem zur Erzeugung des in Fig. 3 dargestellten Schachtelbildes 23 erläuterten Prinzips durchführbar, indem über Steuersignale in die Zeilenadressierschaltung 29 und Einlesen der Daten in das Spaltenschieberegister 27 die Ablenkelemente 25 ent­ sprechend den Daten eines Feldes des Schachtelbildes einzeln ansteuerbar sind.

Der Lichtmodulator 24 ist mit einem durch Randstrahlen 31 dargestellten Beleuchtungsstrahl beaufschlagt, dessen Ausbreitungsrichtung parallel zu Spalten des Lichtmodu­ lators 24 ausgerichtet ist.

Die Ablenkelemente 25 des Lichtmodulators 24 weisen ein in Fig. 4 nicht dargestelltes Beugungsgitter auf, mit dem die einem Perspektivbild zugeordneten Perspektiv­ bildstreifen durch zugeordnete Gitterabschnitte des Beugungsgitters mit über die einzelnen Flächen von Abschnitten der zugehörigen Perspektivbildstreifen gleichbleibenden Gitterkonstanten mit einem durch Beu­ gungsstrahlen 32 dargestellten Teil der Intensität des Beleuchtungsstrahles in einer Beugungsordnung, vorzugs­ weise der ersten negativen Beugungsordnung, mit einem gegenüber der nullten Beugungsordnung durch die Gitter­ konstanten der Gitterabschnitte festgelegten Ablenkungs­ winkel sich in Austrittspupillen 33 überlagernd gebeugt sind. Somit sind die unter verschiedenen Aufnahmewinkeln aufgenommenen Perspektivbilder in den in einer Beobach­ tungsebene liegenden sowie in einer den Aufnahmewinkeln der abgespeicherten Perspektivbilder entsprechenden Abfolge angeordneten Austrittspupillen 33 durch einen Betrachter zu einem räumlich wirkenden Bild syn­ thetisiert, bei dem die räumliche Wirkung durch die Rezeption und Überlagerung eines zwei Perspektivbildern entsprechenden Linksbildes und Rechtsbildes hervorge­ rufen ist.

Bewegt sich ein Betrachter in der Beobachtungsebene, so sieht er jeweils durch verschiedene Perspektivbilder erzeugte Linksbilder und Rechtsbilder, welche sich zu räumlich wirkenden Bildern überlagern und eine räumliche Ansicht des aufgenommenen dreidimensionalen Objektes jeweils unter verschiedenen Blickwinkeln liefern. Die Winkelauflösung und Tiefenwirkung in der Abfolge der räumlich wirkenden Bilder ist im wesentlichen durch die Anzahl der Aufnahmewinkel in dem dem Beobachter zugäng­ lichen Beobachtungswinkel festgelegt. Bei einem Beobach­ tungswinkel von etwa 30 Grad ergeben 30 Perspektivbilder mit einem Abstand der Aufnahmewinkel von 1 Grad eine quasikontinuierliche, räumlich wirkende Ansicht eines dreidimensionalen Objektes.

Fig. 5 zeigt in einer perspektivischen Teilansicht den Lichtmodulator 24 gemäß Fig. 4. Der Lichtmodulator 24 ist auf einem Trägersubstrat 34 aufgebaut und weist regelmäßig beabstandete Spaltenelektroden 35 und Zeilenelektroden 36 auf. In Kreuzungsbereichen der Spaltenelektroden 35 und Zeilenelektroden 36 sind re­ fektierende metallische Pixelelektroden 37 vorgesehen, die auf einer auf den Spaltenelektroden 35 und Zeilen­ elektroden 36 aufliegenden Isolierschicht 38 angebracht sind. Die Pixelelektroden 37 sind von einer Flüssig­ kristallschicht 39 vorzugsweise aus nematischen Flüssig­ kristallen umgeben. Die Flüssigkristallschicht 39 ist von einer den Pixelelektroden 37 gegenüberliegenden Deckschicht 40 begrenzt, die ein segmentiertes reflek­ tierendes Beugungsgitter 41 mit über die Fläche von spaltenweise angeordneten Pixelelektroden 37 mit gleich­ bleibenden Gitterkonstanten von etwa einem Mikrometer versehenen Streifengitterabschnitten 42 aufweist. Die Flächen der Streifengitterabschnitte 42 des segmentier­ ten Beugungsgitter 41 entsprechen den Flächen der zu­ geordneten Pixelelektroden 37 von etwa 25 Mikrometer auf 25 Mikrometer, wobei Pixelelektroden 37 und zugehörige Streifengitterabschnitte 42 die Ablenkelemente 25 bilden.

In einer abgewandelten Ausführungsform weisen die Strei­ fengitterabschnitte über die Fläche der Pixelelektroden 37 sich stetig ändernde Gitterkonstanten auf, wobei die randseitigen Werte an die Werte von benachbarten Streifengitterabschnitten angeglichen sind.

Die Deckschicht 40 ist von einer Transparenzleitschicht 43 aus einem für das Spektrum des Beleuchtungsstrahles transparentes sowie elektrisch leitendes Material wie Indium-Zinn-Oxid begrenzt. Die Transparenzleitschicht 43 ist auf ein Potential, beispielsweise die Schaltmasse, gelegt. Die Transparenzleitschicht 43 ist durch ein transparentes, elektrisch isolierendes Frontsubstrat 44, welches den Abschluß des Lichtmodulators 24 bildet, abgedeckt, wobei das Frontsubstrat 44 mit einer reflex­ mindernden Beschichtung 45 frontseitig versehen ist.

Der in Fig. 5 dargestellte Lichtmodulator 24 ist zur Beleuchtung mit einem Beleuchtungsstrahl vorgesehen, dessen auf die Oberfläche des Lichtmodulators 24 pro­ jizierte Ausbreitungsrichtung parallel zu den spalten­ weise angeordneten Ablenkelementen 25 orientiert ist. Zum Überlagern der spaltenweise in Pixelelektroden 37 abgespeicherten Daten von Perspektivbildstreifen der einzelnen Perspektivbilder in die in einer Betrachtungs­ ebene liegenden Austrittspupillen 33 sind die Linien der Gitterabschnitte 42 des Beugungsgitters 41 winklig zu der spaltenweisen Anordnung der Pixelelektroden 37 ausgerichtet und weisen zeilenweise und spaltenweise jeweils unterschiedliche Gitterkonstanten auf, die auf den zur Überlagerung in den zugeordneten Austrittspu­ pillen 33 notwendigen Wert abgestimmt sind. In Hinblick auf die Intensität der Beugungsstrahlen 32 und die Lage der Austrittspupillen 33 in Bezug auf die Richtung des in die nullte Beugungsordnung abgelenkten Lichtstrahles ist die Verwendung der ersten negativen Beugungsordnung zweckmäßig.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Lichtmodulator 24 vari­ ieren die Gitterkonstanten nicht nur spaltenweise, sondern auch zeilenweise, um aufgrund der winkligen Ausrichtung der Linien der Streifengitterabschnitte 42 des Beugungsgitters 41 eine Bündelung der gebeugten Lichtanteile in den Austrittspupillen 33 auch in Spaltenrichtung der Ablenkelemente 25 zu erzielen.

Fig. 6 zeigt einen Lichtmodulator 46, dessen Beugungs­ gitter 47 parallel zu den spaltenweise angeordneten Pixelelektroden 37 ausgerichtet ist. Der Lichtmodulator 46 ist zur Beleuchtung mit einem Beleuchtungsstrahl vorgesehen, dessen Ausbreitungsrichtung rechtwinklig auf die spaltenweise Anordnung der durch die Pixelelektroden 37 sowie den Streifengitterabschnitten 48 des Beugungs­ gitter 47 gebildeten Ablenkelementen 25 ausgerichtet ist.

Für den Lichtmodulator 46 ist für die Gitterkonstanten bei Beugung in die erste negative Beugungsordnung eine verhältnismäßig einfache Bestimmungsgleichung angebbar:

mit d der Gitterkonstanten, λ der eingestrahlten Wellen­ länge, Φ_E dem Einfallswinkel des Beleuchtungsstrahles gegen die Flächennormale des Lichtmodulators 46 sowie Φ_N dem Beugungswinkel gegen die Flächennormale in die Beugungsordnung N = -1.

Bei dem Lichtmodulator 46 gemäß Fig. 6 weisen spalten­ weise angeordnete Streifengitterabschnitte 48 jeweils eine zeilenweise gleichbleibende Gitterkonstante auf, während die Gitterkonstanten spaltenweise variieren. Zur Bündelung des Beugungslichtes in Spaltenrichtung ist eine in Fig. 6 nicht dargestellte Zylinderlinse vor­ gesehen. Ansonsten ist der in Fig. 6 dargestellte Licht­ modulator 46 entsprechend dem in Fig. 5 dargestellten Lichtmodulator 24 aufgebaut.

Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt des Lichtmodulators 46 gemäß Fig. 6 im Schnitt quer zu der Ausrichtung des Beugungsgitters 41, wobei der Lichtmodulator 24 gemäß Fig. 5 entsprechend aufgebaut ist. Zur elektrischen Ansteuerung der Pixelelektroden 37 sind über die Iso­ lierschicht 38 querende Pixelleitungen 49 kontaktierte Pixeltransistoren 50 vorgesehen, mit denen die ange­ schlossenen Pixelelektroden 37 über die Spalten­ elektroden 35 und die Zeilenelektroden 36 ansteuerbar an eine einstellbare elektrische Spannung zuschaltbar und abschaltbar sind. Die elektrische Spannung ist gegenüber dem an der Transparenzleitschicht 43 anliegenden Poten­ tial verschieden, so daß der Brechungsindex der in ihrer Dicke durch randseitig angeordnete Abstandshalter 51 festgelegte Flüssigkristallschicht 39 im Bereich zwi­ schen Pixelelektroden 37 und zugeordneten Streifen­ gitterabschnitten 48 veränderbar ist.

In einem Schaltzustand ist der Brechungsindex der Flüssigkristallschicht 39 in dem zwischen der ange­ steuerten Pixelelektrode 37 und dem zugeordneten Strei­ fengitterabschnitt 48 liegenden Bereich bei einem Wert, der in Abhängigkeit des Abstandes von beispielsweise etwa zwei Mikrometer bis drei Mikrometer zwischen dem Streifengitterabschnitt 48 und der Pixelelektrode 37 zu einer gleichphasigen Überlagerung des von der Pixel­ elektrode 37 und des von dem Streifengitterabschnitt 48 reflektierten Lichtes führt.

In einem weiteren Schaltzustand ist der Brechungsindex im Zwischenbereich zwischen der angesteuerten Pixelelek­ trode 37 und dem zugeordneten Streifengitterabschnitt 48 bei einem Wert, der zu einer destruktiven Interferenz der beiden reflektierten Lichtanteile führt.

Zwischen diesen beiden extremen Schaltzuständen der Pixelelektroden 37 ist die Phasenverschiebung zwischen den an der angesteuerten Pixelelektrode 37 und dem Streifengitterabschnitt 48 reflektierten Lichtanteilen durch Veränderung der an der Pixelelektrode 37 an­ gelegten Spannung vorzugsweise kontinuierlich einstell­ bar, so daß die von schmalbandigem einfallendem Licht in Richtung der zugeordneten Austrittspupille 33 gebeugte Lichtintensität kontinuierlich von einem Maximalwert, der der vollen Helligkeit entspricht, und einem Minimal­ wert, welcher der geringsten Intensität entspricht, als Helligkeitswerte eines einfarbigen Bildes steuerbar ist.

Fig. 8 zeigt im Schnitt ausschnittsweise einen Licht­ modulator 52, dessen Ablenkelemente 25 unter Verwendung eines durch Stufengitterabschnitte 53 gebildeten Beugungsgitter 54 bei einem ansonsten dem Aufbau des in Fig. 7 dargestellten Lichtmodulators 46 entsprechender Ausgestaltung gebildet sind. Die Stufengitterabschnitte 53 sind durch eine metallische Balkenstruktur mit gegen­ über der Oberfläche der Pixelelektroden 37 erhabenen Balken gebildet. Der Zwischenraum zwischen den Balken ist mit wie in Fig. 7 durch Kreuze dargestellten Flüs­ sigkristallen der Flüssigkristallschicht 39 gefüllt.

Die Flüssigkristallschicht 39 ist durch die Deckschicht 40 abgedeckt, die im Bereich der Stufengitterabschnitte 53 in Transmissionsfenstern 55 optisch transparent ist. Entsprechend den Streifengitterabschnitten 48 gemäß Fig. 7 ist bei Ansteuerung der Pixelelektroden 37 der Brechungsindex der Flüssigkristallschicht 39 im Bereich der Stufengitterabschnitte 53 veränderbar, so daß bei einer Überlagerung der von der Oberfläche der Pixel­ elektroden 37 reflektierten Lichtanteile und den von der Oberfläche der Stufengitterabschnitte 53 reflektierten Lichtanteile in Abhängigkeit der Phasenverschiebung unterschiedliche Helligkeitswerte des in Richtung der zugeordneten Austrittspupillen 33 abgelenkten Beugungs­ lichtes einstellbar sind.

Fig. 9 zeigt einen Lichtmodulator 56 für eine trans­ mittive Beleuchtung durch einen Beleuchtungsstrahl, der auf das Trägersubstrat 34 einfällt und aus dem Frontsub­ strat 44 austritt. Bei dem Lichtmodulator 56 sind op­ tisch transparente, elektrisch leitende Pixelelektroden 57 beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid vorgesehen, auf die jeweils transparente Stufengitterabschnitte 58 aus beispielsweise geätztem Siliziumdioxid als Beugungs­ gitter 59 aufgebracht sind.

Zwischen den Balken der Stufengitterabschnitte 58 be­ finden sich entsprechend dem in Fig. 8 dargestellten Lichtmodulator 52 Flüssigkristalle aus der Flüssig­ kristallschicht 39, deren Brechungsindex mittels des elektrischen Feldes zwischen den Pixelelektroden 57 und der Transparenzleitschicht 43 einstellbar ist. Bei dem Lichtmodulator 56 gemäß Fig. 9 sind die Spalten­ elektroden 35, die Pixelleitungen 49 sowie die Pixel­ transistoren 50 randseitig zwischen zwei Pixelelektroden 57 angeordnet, um das transmittierte Licht des Beleuch­ tungsstrahles nur unwesentlich zu beeinflussen.

Fig. 10 zeigt beispielhaft die Überlagerung von Beugungsstrahlen 60, 61, 62, 63, 64, 65 bei Bestrahlung eines reflektiven Lichtmodulators 46 durch einen durch Randstrahlen 31 dargestellten Beleuchtungsstrahl mit einer Ausbreitungsrichtung rechtwinklig zu den Spalten der Ablenkelemente 25. Die dargestellten Beugungs­ strahlen 60, 61, 62, 63, 64, 65 sind an Spalten von Ablenkelementen 25 gebeugt, deren abgespeicherte Per­ spektivbildstreifen einem Perspektivbild zugeordnet sind. Die Beugungsstrahlen 60, 61, 62, 63, 64, 65 sind entsprechend der kleiner werdenden Gitterkonstanten der zugeordneten Gitterabschnitte 42 unter zunehmenden Beugungswinkeln 66 zu der Ausbreitungsrichtung des reflektierten Beleuchtungsstrahles in der zugeordneten Austrittspupille 33 zusammenfallend abgelenkt, so daß die Perspektivbildstreifen des zugehörigen Perspektiv­ bildes wieder zusammengefügt sind.

Durch das oben beschriebene Verschachteln der Perspektivbildstreifen der verschiedenen Perspektiv­ bilder ist jedes in einer Austrittspupille 33 über­ lagerte Perspektivbild unter einem verhältnismäßig großen Sichtwinkel 67 auch bei zahlreichen Perspektiv­ bildern sowie einem großen Beobachtungswinkel mit geringen Verzerrungen beobachtbar. Bei wenigen, unter einem kleinen Beobachtungswinkel synthetisierten Per­ spektivbildern sind die Perspektivbildstreifen eines Perspektivbildes unmittelbar nebeneinander angeordnet, so daß eine aufwendige Verschachtelung nicht notwendig ist.

Fig. 11 und Fig. 12 zeigen jeweils in Draufsicht und Seitenansicht einen Lichtmodulator 24 gemäß Fig. 5 bei Beleuchtung in einer Richtung parallel zu den spalten­ weise angeordneten Ablenkelementen 25. Die durch unter­ schiedliche Strichelungen gekennzeichneten randseitigen Beugungsstrahlen 68, 69, 70, 71 überlagern in zuge­ ordneten Austrittspupillen 33, so daß in einer recht­ winklig auf den Lichtmodulator 24 sowie quer zu den Perspektivbildstreifen stehenden Beobachtungsebene 72 innerhalb eines Winkelbereiches die Perspektivbilder beobachtbar sind, wobei die räumliche Wirkung für einen Beobachter durch die Synthese von zwei in verschiedenen Austrittspupillen 33 gebeugte Perspektivbilder als Linksbild und als Rechtsbild entsteht.

Fig. 13 und Fig. 14 zeigen jeweils in Draufsicht und Seitenansicht einen Lichtmodulator 46 gemäß Fig. 6 mit einem durch Randstrahlen 31 gekennzeichneten Beleuch­ tungsstrahl, dessen Ausbreitungsrichtung rechtwinklig auf spaltenweise angeordnete Ablenkelemente 25 ausge­ richtet ist. Durch die variierenden Gitterkonstanten der Ablenkelement 25 sind die Perspektivbilder in der Reihenfolge der Aufnahmewinkel in einer Abfolge von Austrittspupillen 33 in der Beobachtungsebene 72 be­ obachtbar, wobei der Lichtmodulator 46 frontseitig mit einer Zylinderlinse 73 zur Bündelung der Beugungs­ strahlen 68, 69, 70, 71 in der durch die Streifengitter­ abschnitte 48 nicht beeinflußten Richtung versehen.

Fig. 15 und Fig. 16 zeigen jeweils in Draufsicht und in Seitenansicht einen Lichtmodulator 56 gemäß Fig. 9 im Transmissionsbetrieb bei Beleuchtung durch das Träger­ substrat 34 mit einer Ausbreitungsrichtung des Be­ leuchtungsstrahles parallel zu der Spaltenanordnung der Ablenkelemente 25. Bei dieser Ausrichtung des Be­ leuchtungsstrahles sind die Stufengitterabschnitte 58 des Lichtmodulators 56 gemäß Fig. 9 entsprechend dem Beugungsgitter 41 des Lichtmodulators 24 gemäß Fig. 5 ausgerichtet, so daß die Beugungsstrahlen 68, 69, 70, 71 in den Austrittspupillen 33 unmittelbar gebündelt sind.

Fig. 17 zeigt eine Anordnung gemäß Fig. 13 mit einer Projektionsvorrichtung 74. Mit der Projektionsvorrich­ tung 74 sind die in den Austrittspupillen 33 erschei­ nenden Perspektivbilder mittels einer Abbildungslinsen­ anordnung 75 auf einen Hohlspiegel 76 projizierbar, mit dem die Perspektivbilder vergrößerbar sind. Anstelle des Hohlspiegels 76 sind auch beispielsweise Reflexions­ fresnellinsen oder Linsenraster verwendbar.

Zum Synthetisieren von farbigen räumlich wirkenden Bildern sind die Lichtmodulatoren 24, 46, 52, 56 mit segmentierten Ablenkelementen ausgestattet, die mittels aufgebrachter Interferenzfilter jeweils für einen roten, grünen oder blauen Spektralanteil aktiv sind. Die Seg­ mente der Ablenkelemente sind dabei mit Beugungsgittern ausgestattet, deren Gitterkonstante auf die zugehörige Wellenlänge abgestimmt ist und die die Beugungsstrahlen jedes Segmentes eines Ablenkelementes in der zugehörigen Austrittspupille in einem Punkt überlagern, so daß durch die Farbmischung ein farbiges, räumlich wirkendes Bild synthetisiert ist.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Synthese räumlich wirkender Bilder mit einer Beleuchtungsvorrichtung, mit der eine Bildspeichervorrichtung in einem Beleuchtungsstrahl mit Licht beaufschlagbar ist, wobei in der Bild­ speichervorrichtung mit unter verschiedenen Auf­ nahmewinkeln in einer Blickebene aufgenommene Per­ spektivbilder eines dreidimensionalen Objektes abspeicherbar sind und wobei in der Bild­ speichervorrichtung jedes Perspektivbild in eine gleiche Anzahl von bezüglich der Blickebene recht­ winklig verlaufenden Perspektivbildstreifen aufge­ teilt in einer Streifenabfolge abspeicherbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildspeichervor­ richtung (24, 46, 52, 56) mit einem den Beleuch­ tungsstrahl ablenkenden Beugungsgitter (41, 47, 54, 59) versehen ist, wobei das Beugungsgitter (41, 47, 54, 59) jeweils Abschnitten eines Perspektivbild­ streifens (10 bis 15, 17 bis 22) zugeordnete Gitter­ abschnitte (42, 48, 53, 58) mit derart eingerich­ teten Gitterkonstanten aufweist, daß die einem Perspektivbild (1, 16) zugeordneten Perspektivbild­ streifen in einer den Aufnahmewinkeln der abgespei­ cherten Perspektivbilder (1, 16) entsprechenden Abfolge angeordneten Austrittspupillen (33) in jeweils der gleichen Beugungsordnung gebeugt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Perspektivbild (1, 16) in eine durch Ordnungszahlen kennzeichenbare Abfolge aufgeteilt ist und daß die Perspektivbildstreifen (10, 17; 11, 18; 12, 19; 13, 20; 14, 21; 15, 22) mit gleicher Ordnungszahl gruppenweise in einer den Aufnahme­ winkeln der zugeordneten Perspektivbilder (1, 16) entsprechenden Reihenfolge abgespeichert sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Gitterkonstanten vorgesehen sind, bei denen die Austrittspupillen (33) in der ersten von der nullten Beugungsordnung in Richtung des ein­ fallenden Beleuchtungsstrahls abgelenkten Ordnung liegen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bildspeichervor­ richtung und das Beugungsgitter (41, 47, 54, 59) in einer baulichen Einheit zu einem Lichtmodulator (24, 46, 52, 56) vereinigt sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator (24, 46, 52, 56) elektrisch einzeln ansteuerbare, zeilenweise und spaltenweise angeordnete Ablenkelemente (25) aufweist, wobei die Perspektivbildstreifen in spaltenweise angeordneten Ablenkelementen (25) abspeicherbar sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ablenkelemente (25) mit einem oberhalb des zeitlichen Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegenden Wiederholungsrate ansteuerbar sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gitterabschnitte (42, 48, 53, 58) den spaltenweise angeordneten Ablenk­ elementen (25) zugeordnet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator (24, 46, 52, 56) in einer Schicht angeordnete, mit einer Spannung beaufschlag­ bare Speicherelemente (37, 57) und eine den Speicherelementen (37, 57) gegenüberliegende elek­ trisch leitende sowie transparente Leitschicht (43) aufweist, wobei zwischen den Speicherelementen (37, 57) und der Leitschicht (43) das Beugungsgitter (41, 47, 54, 59) sowie eine Flüssigkristallschicht (39) angeordnet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (54, 59) Stufengitterab­ schnitte (53, 58) aufweist, deren Zwischenräume mit Flüssigkristallen einer Flüssigkristallschicht (39) gefüllt sind, wobei die Flüssigkristallschicht (39) im Bereich der Stufengitter (54, 59) von den Speicherelementen (37, 57) und einer Deckschicht (40) begrenzt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (41, 47) Streifengitterab­ schnitte (42, 48) aufweist, die durch die Leit­ schicht (43) und die Flüssigkristallschicht (39) begrenzt und Speicherelementen (37) gegenüberliegend angeordnet sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsstrahl in Ausbreitungsrichtung parallel zu der Ausrichtung der Parallelbildstreifen auf die Bildspeichervor­ richtung (24, 56) ausgerichtet ist und die Linien des Beugungsgitters (41, 59) schräg zu den Perspek­ tivbildstreifen verlaufen.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungsstrahles rechtwinklig zu den Per­ spektivbildstreifen und rechtwinklig zu den parallel zu den Perspektivbildstreifen verlaufenden Linien des Beugungsgitters (47, 54) ausgerichtet ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Zylinderlinse (73) mit einer rechtwinklig zu den Perspektivbildstreifen und den Linien des Beugungsgitters (41) orientiert zur Erzeugung einer Fokussierlinse an dem Lichtmodulator (46) angebracht ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Projektionsvor­ richtung (74) vorgesehen ist, mit der die in den Austrittspupillen (33) synthetisierten, räumlich wirkenden Bilder vergrößert abbildbar sind.