EP1101131A1 - System und verfahren zur stereoskopischen bilddarstellung, sowie holografischer bildschirm - Google Patents

System und verfahren zur stereoskopischen bilddarstellung, sowie holografischer bildschirm

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Publication number
EP1101131A1
EP1101131A1 EP00943584A EP00943584A EP1101131A1 EP 1101131 A1 EP1101131 A1 EP 1101131A1 EP 00943584 A EP00943584 A EP 00943584A EP 00943584 A EP00943584 A EP 00943584A EP 1101131 A1 EP1101131 A1 EP 1101131A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
screen
hologram
holographic
images
holographic screen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00943584A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsteinn Halldorsson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Publication of EP1101131A1 publication Critical patent/EP1101131A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/22—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type
    • G02B30/25—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type using polarisation techniques

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for stereoscopic image display according to the preambles of patent claims 1 and 19, and a hoiographic screen according to the preamble of patent claim 11.
  • the spatial structure is recorded by conventional photography of the object from different directions, for example, the distance between the eyes of the viewer.
  • care must be taken that only the left eye sees the left image and the right eye only the right image.
  • this is either made possible by the fact that both images are polarized perpendicularly to one another, or the images are projected onto the screen at a later time in rapid repetition.
  • the viewer In order to be able to see the image spatially, the viewer must wear glasses, in the first case with glasses that transmit waves polarized perpendicularly to the left and right, and in the second case with glasses that are equipped with a time lock and synchronized with the pictures for light transmission alternatively opened on the left and right eye.
  • stereo glasses can be dispensed with in that the different images for the left and right eyes are already carried out by narrowing the angle of the light radiation from the screen.
  • this presupposes that the eyes look at the image at a certain distance from the screen, or that the eye position is constantly tracked from the screen with sensors and that the radiation characteristics of the image are always adjusted to the eye positions of the viewer, which requires a great deal of effort.
  • Stereoscopy and autostereoscopy only allow a spatial representation in the horizontal plane and the viewing of the object only from a fixed viewing angle.
  • Autostereoscopy is a very complex procedure and is only used for individual viewers in the near field of a screen with a defined head spacing and head position.
  • Stereoscopy with the aid of stereo glasses could be implemented in a wide variety of designs, for example in film technology for full-color slide projection, due to the simple technical implementation and the low additional requirements for information density, which is a factor of 2 higher than normal two-dimensional image display and in 3D cinema, as well as in electronic image technology for the visualization of 3D graphics and 3D videos.
  • stereoscopic image generation is very common in a large number of applications in entertainment and simulation technology.
  • stereoscopic projection still suffers from a multitude of problems and disadvantages. These problems are mainly the low sensitivity, the poor image sharpness, the low image contrast and the poor color fidelity to ambient light. As is well known, a good picture quality of slide shows and cinema is only achieved in darkened rooms. Any extraneous light is also scattered from the screen to the viewer and adds to the useful light portion of the picture, which leads to a decrease in the contrast and a reduction in the color saturation.
  • the invention is based on the object of enabling stereoscopic image display, which ensures high image quality, in particular in the case of moving images, and is simple and inexpensive to implement.
  • the holographic screen according to the invention for stereoscopic image display comprises a hologram, the lattice structure of which corresponds to a hologram image of a real screen, the lattice structure of a hologram image having a defined polarization direction or a plurality of hologram images with two perpendicular corresponding polarization directions.
  • the inventive method for stereoscopic image display includes
  • Figure 1 schematically shows a first preferred embodiment of the invention
  • each of the partial beams A and B takes place by orthogonal rotation of the polarization direction of the beam reflected on the modulator 21, 22.
  • Ferroelectric liquid modulators for example, can be used as reflection modulators become.
  • the light beams with rotated polarization direction reflected by the modulators 21, 22 pass through the polarization splitter prism 3 and a lens 8 to a holographic screen 1.
  • Each modulator is controlled by image information, so that two images are projected with different perspectives and polarization directions.
  • the holographic screen 1 contains a hologram of a real screen, which, however, was generated in such a way that incident light beams with a defined polarization direction give rise to images whose polarization direction corresponds to that of the incident light beams. This special property can be achieved by certain measures during the production of the holographic screen, which will be discussed in detail below.
  • the holographic screen 1 consists of one or more holographic images of real screens.
  • the generation of holographic screens by hologram recordings of real screens is described, for example, in patent applications DE 197 00 162, DE 197 03 592 and DE 197 04 740.
  • a screen or canvas is used as an object for a hologram recording.
  • the holographic screen 1 according to the present invention contains a superimposition of two independent images of the same screen or of the same real screen in the same hologram, the images being recorded with laser light waves orthogonally polarized (reference and object light).
  • the holographic screen 1 which contains the double screen hologram
  • the viewing images 5 contain, for example, two polarization filters for different polarization directions, the superimposed images separated with their different polarization directions, so that a viewer sees one of the two separate images with the left and right eyes.
  • the holographic screen 1 has two orthogonally polarized screen image groups 1 1, 12, or holograms, each of which contains a red, green and blue color image 1 1 1, 1 12, 1 13 or 121, 122, 123 of a single screen.
  • the image modulation of each of the partial beams in the modulators 21, 22 can take place simultaneously or in succession for the different colors.
  • the three rgb laser beams are brought together on a common fiber 6 using fiber-optic elements 501-503.
  • a collimation lens 7 bundles the beams together on the divider prism 3.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention, the same components as in FIG. 1 having the same reference numerals.
  • modulators 21 ', 22' are arranged which do not change the direction of polarization of the incident beam, but rather modulate the intensity of the reflected beam or switch it on and off.
  • Such modulators are known as so-called digital micro-mirro devices (DMD).
  • DMD digital micro-mirro devices
  • each modulator 21 ', 22' is preceded by a ⁇ / 4 plate 9, 10 which circularly polarizes the original, linear direction of polarization in the first pass and in the second pass after reflection on the modulator 21 'or 22 'rotates orthogonal to the original polarization direction.
  • the orthogonal orientations of the polarization in the beam path after the modulation in the polarization directions of the screen images and the glasses in the glasses of the viewer or the viewing device 5 are matched to one another.
  • the two orthogonally polarized projection beams A and B overlap and have the same optical axis for projection onto the holographic screen 1.
  • the image offset is not shown in the figures due to the perspective difference for the stereo projection.
  • the grating structure is calculated so that it corresponds to a hologram recording of a screen, in particular with regard to the direction of polarization, wavelength and color. This calculated lattice structure is then stored in the hologram layer by means of an illumination device.
  • the image of the screen in the holographic screen (1) remains unchanged with every image change, a high information density is not necessary to reproduce a holographic image representation of the areal image information that is imprinted on the projection beam.
  • the reproduction of the backscatter or Forward scattering properties of the canvas can be exploited in the hologram.
  • the combination with the wavelength and directional selectivity, which is characteristic of the holographic recording, is used to produce full-color images that are independent of stray light.
  • the holographic screen 1 for the reproduction of orthogonally polarized stereo images can be designed in various ways. Alternatively as a hologram of a front projection screen, a rear projection screen, as well as recorded in two-stage recording processes i.e. only by recording a master hologram and then in the second stage by recording a further image of the real image of the first master hologram.
  • the recording is preferably made in such a way that the screen image in the hologram plane is at the end or close to or in the hologram plane in order to achieve the largest possible radiation angle and good resolution.
  • the hologram After recording, the hologram can be placed against a black light-absorbing background. The projected images thus achieve the highest contrast, since the continuous light is then absorbed in the background. However, if the screen hologram is transparent, the virtual 3D Images can be mixed with real objects behind or in front of the hologram.
  • the process of multiple exposure of the same screen in a single hologram can be expanded here to include all three r, g, b colors in a single hologram film at the same time.
  • This hologram which is then exposed six times, then simultaneously contains images of six independent screens of different combinations of color and polarization orientation, so that all the color and polarization information of the stereo projector can be reproduced at the same time.
  • each polarization direction in separate layers that are laminated on top of each other.
  • Other variants such as joining up to 6 separate layers are also possible.
  • the two orthogonal directions of polarization of the projector must be parallel to the two orthogonal directions of polarization on the screen and to the directions of polarization of the glasses of the viewer in order to obtain a good quality of the reproduction.
  • FIGS. 1 and 2 It is indicated in FIGS. 1 and 2 that the orthogonal orientations of the polarization in the beam path after the modulation are coordinated with the polarization directions of the screen images and the polarization directions of the glasses in the glasses of the viewer. It is also indicated that the two orthogonally polarized projection beams run overlapping with the same optical axis on the screen 1. The image offset is not shown due to the perspective difference for the stereo projection.

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Abstract

Ein System zur stereoskopischen Bilddarstellung hat eine Projektionseinrichtung (2) mit Modulatoren (21, 22) und einem Polarisationsteilerprisma (3) zur Projektion von Bildern unterschiedlicher Perspektive mit jeweils unterschiedlicher Polarisationsrichtung. Ein holografischer Bildschirm (1) hat eine Gitterstruktur, die einer Hologrammaufnahme von realen Bildschirmen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen entspricht. Die auftreffenden Lichtstrahlen (A, B) bewirken, dass zwei unterschiedlich polarisierte Bilder auf dem holografischen Bildschirm (1) entstehen, die durch eine Brille (5) mit Polarisationsfiltern getrennt mit dem linken und dem rechten Auge wahrnehmbar sind.

Description

System und Verfahren zur stereoskopischen Bilddarstellung, sowie holografischer
Bildschirm
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur stereoskopischen Bilddarstellung nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 19, sowie einen hoiografischen Bildschirm nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 1.
Es ist allgemein bekannt, daß räumliche Bilder von Objekten mit Hilfe von holographischen und stereoskopischen Verfahren an Bildflächen erzeugt werden können.
In der Holographie gelingt es, die gesamte Information über Amplituden und Phasen der von einem Objekt ausgehenden Lichtwellen und damit auch Informationen über dessen räumliche Gestalt als zweidimensionale Gitterstruktur in einem Hologrammfilm zu speichern. Die ursprünglichen, von dem Objekt ausgehenden Wellen, die auch die räumliche Struktur des Objektes als Bildinformation beinhalten, können dann anschließend durch Beugung eines Projektionsstrahles an der Gitterstruktur des Filmes als Bildfläche wiederhergestellt werden.
in der Stereoskopie wird die räumlich Struktur durch konventionelle Photographie des Objekts aus unterschiedlicher Blickrichtung, die z.B. dem Augenabstand des Betrachters entspricht, aufgezeichnet. Damit der räumliche Eindruck in den gemeinsam auf eine Leinwand projezierten Bildern des Objektes entsteht, muß dafür gesorgt werden, daß nur das linke Auge das linke Bild und das rechte Auge nur das rechte Bild sieht. Dies wird bekannterweise entweder dadurch ermöglicht, daß beide Bilder senkrecht zueinander polarisiert sind, oder die Bilder in schneller Wiederholung zeitversetzt an die Leinwand projeziert werden. Um das Bild räumlich sehen zu können, muß der Betrachter eine Brille tragen, im ersten Fall mit Gläsern, die links und rechts zueinander senkrecht polarisierte Wellen durchlassen, und im zweiten Fall mit Gläsern, die mit Zeitverschluß ausgestattet sind und synchron mit den Bildern für Lichtdurchlaß am linken und rechten Auge alternativ geöffnet werden. In der Autostereoskopie kann auf die Stereobrille dadurch verzichtet werden, daß die unterschiedlichen Bilder für das linke und das rechte Auge bereits durch Winkeleinengung der Lichtabstrahlung aus dem Bildschirm durchgeführt wird. Dies setzt jedoch voraus, daß die Augen im bestimmten Abstand vom Schirm das Bild betrachten, bzw. daß die Augenposition vom Schirm aus mit Sensoren ständig verfolgt wird und das Bild in seiner Abstrahlcharakteristik der Augenpositionen des Betrachters jedesmal nachgestellt wird, was einen hohen Aufwand erfordert.
Die holographische Methode, die eine räumliche Betrachtung von Objekten in verschiedenen Perspektiven über einen weiten Winkelbereich sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Richtung ermöglicht, hat den Nachteil, daß eine sehr hohe Informationsdichte im Hologramm besteht. Dies ist um einen Faktor 1000 höher als bei üblicher zweidimensionaler Darstellung an heutigen Bildschirmen. Die Technologie einer dreidimensionalen elektronischen Darstellung von holographischen bewegten Bildern wird heute deshalb noch nicht beherrscht.
Die Stereoskopie und Autostereoskopie ermöglichen nur eine räumliche Darstellung in der horizontalen Ebene und die Betrachtung des Objektes ausschließlich von einem festen Betrachtungswinkel aus. Die Autostereoskopie ist ein sehr aufwendiges Verfahren und wird erst für einzelne Betrachter im Nahfeld eines Schirmes mit definiertem Kopfabstand und Kopflage eingesetzt. Die Stereoskopie mit Hilfe der Stereobrille konnte dagegen, wegen der einfachen technischen Realisierung und den geringen zusätzlichen Anforderungen an die Informationsdichte, die gegenüber der normalen zweidimensionalen Bilddarstellung um einen Faktor 2 höher liegt, in den verschiedensten Ausführungen realisiert werden, beispielsweise in der Filmtechnik zur vollfarbigen Diaprojektion und im 3D-Kino, sowie in der elektronischen Bildtechnik zur Visualisierung von 3D-Graphiken und 3D-Videos. Trotz der Begrenzung auf einen stationären Betrachtungsort und Blickrichtung ist die stereoskopische Bilderzeugung in einer Vielzahl von Anwendungen in der Unterhaltung und Simulationstechnik sehr verbreitet.
Mit Hilfe moderner schneller Rechner und Bewegungssensoren, die die Körper- und Kopfbewegungen des Betrachters laufend registrieren, und mit einer entsprechenden Bildanpassung im Rechner, kann mit der stereoskopischen Projektion ein räumlicher Eindruck der Umwelt und der Gegenstände in alle Richtungen hergestellt werden (Virtual reality). Mit Sensorhandschuhen, die mit dem Rechner verbunden sind, kann der Betrachter dann interaktiv mit Gegenständen und Funktionen dieser virtuellen Welt operieren.
Mit diesen letzten neuen Errungenschaften der elektronischen, stereoskopischen Bilddarstellung ist trotz der Behinderung durch das Tragen einer Polarisationsbrille bzw. einer Verschlußbrille (Shutter-Brille) in kurzer Zeit eine breites Anwendungsgebiet für diese Technik enstanden, z.B. zum Training von Chirurgen, bei virtuellen Operationen, bei
Astronauten zur Montage von virtuellen Raumstrukturen, bei der Ausbildung von Führern von Fahrzeugen und Piloten von Flugzeugen, und zur dynamischen Visualisierung außen und innen von virtuellen Gebäuden und Fahrzeugen, was für Architekten bzw. Fahrzeugdesigner und deren Kunden wichtig ist.
Im Gegensatz zu der holografischen und der autostereoskopischen Bilddarstellung, die erst in ferner Zukunft die notwendige technische Reife und Kostenvorteile erreichen werden, ist gleichzeitig mit der Entwicklung leistungsfähigerer Bildrechner eine sehr rasche Verbreiterung der elektronischen, stereoskopischen Bilddarstellung für ein breites Spektrum von Anwendungen in der nächsten Zukunft zu erwarten.
Die stereoskopische Projektion leidet aber heute noch unter einer Vielzahl von Problemen und Nachteilen. Diese Probleme sind vorwiegend die geringe Empfindlichkeit, die mangelnde Bildschärfe, der geringe Bildkontrast und die mangelhafte Farbtreue gegenüber Fremdlicht. Bekanntlich wird eine gute Bildqualität von Diavorführungen und Kino nur in abgedunkelten Räume erreicht. Jedes Fremdlicht wird auch von der Leinwand zum Zuschauer gestreut, und addiert sich zu dem Nutzlichtanteil des Bildes, was zum dem Herabsinken des Kontrastes und Verminderung der Farbsättigung führt.
Ein zweites Problem ist die gegenseitige Beeinflussung der Bilder bei der Projektion. Dies geschieht vor allem bei konkaven Leinwänden, die benutzt werden um das Gesichtsfeld des Betrachters möglichst vollständig zu füllen, bzw. in geschlossenen Projektionsräumen mit Leinwänden an allen Seiten um den Betrachter herum, den sogenannten "caves" für die Bilddarstellung der virtuellen Realität. In diesen Situationen wird das Licht von der einen Seite der Leinwand auf die andere Seite gestreut und addiert sich zu dem Nutzlicht des Bildes mit der gleichen Qualitätsverminderung wie bei zusätzlichem Tageslicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine stereoskopische Bilddarstellung zu ermöglichen, die eine hohe Bildqualität insbesondere bei bewegten Bildern gewährleistet und einfach und kostengünstig zu realisieren ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch das System zur stereoskopischen Bilddarstellung gemäß Patentanspruch 1 , den holografischen Bildschirm gemäß Patentanspruch 1 1 und durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 19. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße System zur stereoskopischen Bilddarstellung hat eine Projektionseinrichtung zur Projektion von zwei Bildern mit unterschiedlicher Perspektive, einem Projektionsschirm zur Wiedergabe der Bilder, und eine Einrichtung zum getrennten Betrachten beider Bilder mit dem linken und dem rechten Auge, wobei die Projektionseinrichtung Mittel zur Erzeugung von Projektionsstrahlen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung umfaßt, und der Projektionsschirm ein holografischer Bildschirm ist, mit einer Gitterstruktur, die bei auftreffenden Lichtstrahlen mit zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen zwei unterschiedlich polarisierte Bilder entstehen läßt. Dadurch ergibt sich ein hoher Bildkontrast bei hoher Farbechtheit bei der stereoskopischen Darstellung. Insbesondere wird ein Übersprechen von verschiedenen Bildanteilen verhindert, da nur das von der Projektionseinrichtung kommende Licht vom jeweiligen Bildpunkt reflektiert wird.
Der erfindungsgemäße holografische Bildschirm zur stereoskopischen Bilddarstellung umfaßt ein Hologramm, dessen Gitterstruktur einer Hologrammaufnahme eines realen Bildschirms entspricht, wobei die Gitterstruktur einer Hologrammaufnahme mit einer definierten Polarisationsrichtung oder mehreren Hologrammaufnahmen mit zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen entspricht. Dadurch ist er besonders zur stereoskopischen Bildprojektion bzw. -wiedergäbe geeignet, wobei eine hohe Bildqualität erzielt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur stereoskopischen Bilddarstellung umfaßt die
Schritte: Erzeugen von Lichtstrahlen mit zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen zur Projektion von Bildern mit unterschiedlicher Perspektive, und Führen der unterschiedlich polarisierten Lichtstrahlen auf einen holografischen Bildschirm, der eine Gitterstruktur hat, die einer Hologrammaufnahme eines realen Bildschirms entspricht und die derart gestaltet ist, daß sie bei auftreffenden Lichtstrahlen mit zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen zwei unterschiedlich polarisierte Bilder entstehen läßt. Dadurch kann auf kostengünstige Weise eine stereoskopische Wiedergabe von Bildern, besonders von bewegten Bildern bzw. Videos, mit hoher Helligkeit und Farbtreue erfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beschrieben, wobei
Figur 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisch zeigt; und
Figur 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung von λ/4- Platten schematisch zeigt.
Figur 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht. Ein Projektor 2 umfaßt Reflexions-Modulatoren 21 und 22, sowie ein Polarisationsteilerprisma 3. Drei rgb Laser 401-403 erzeugen Lichtstrahlen, die die drei Grundfarben umfassen. Die Lichtstrahlen werden dem Polarisationsteilerprisma 3 kollimiert und unpolarisiert zugeleitet und von diesem in zwei orthogonale Teilstrahlen A bzw. B aufgespaltet. Die beiden Teilstrahlen A, B werden entsprechend ihrer jeweiligen Polarisationsrichtung zu jeweils einem Reflexionsmodulator 21 bzw. 22 zugeführt. In der Abbildung sind die mit A bezeichneten Strahlen senkrecht zur Bildebene polarisiert. Die Bildmodulation jeder der Teilstrahlen A bzw. B erfolgt durch orthogonale Drehung der Polarisationsrichtung des am Modulator 21, 22 reflektierten Strahls. Als Reflektionsmodulatoren können z.B. ferroelektrische Flüssigkeitsmodulatoren verwendet werden. Die von den Modulatoren 21 , 22 reflektierten Lichtstrahlen mit gedrehter Polarisationsrichtung gelangen durch das Polarisationsteilerprisma 3 und eine Linse 8 zu einem holografischen Bildschirm 1. Jeder Modulator wird durch Bildinformationen gesteuert, so daß zwei Bilder mit unterschiedlicher Perspektive und Polarisationsrichtung projiziert werden.
Der holografische Bildschirm 1 enthält ein Hologramm eines realen Bildschirms, das jedoch so erzeugt wurde, daß auftreffende Lichtstrahlen mit einer definierten Polarisationsrichtung Bilder entstehen lassen, deren Polarisationsrichtung derjenigen der auftreffenden Lichtstrahlen entspricht. Diese besondere Eigenschaft kann durch bestimmte Maßnahmen bei der Herstellung des holografischen Bildschirms erreicht werden, auf die nachfolgend im einzelnen eingegangen wird.
Der holografische Bildschirm 1 besteht aus einer oder mehreren holografischen Abbildungen von realen Bildschirmen. Die Erzeugung von holografischen Bildschirmen durch Hologrammaufnahmen realer Bildschirme ist z.B. in den Patenanmeldungen DE 197 00 162, DE 197 03 592 und DE 197 04 740 beschrieben. Dabei wird ein Bildschirm bzw. eine Leinwand als Objekt für eine Hologrammaufnahme verwendet. Der holografische Bildschirm 1 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Überlagerung zweier unabhängiger Bilder der gleichen Leinwand bzw. des gleichen realen Bildschirms im gleichen Hologramm, wobei die Bilder mit zueinander orthogonal polarisierten Laserlichtwellen (Referenz- und Objektlicht) aufgenommen wurden. Bei Beleuchtung des holografischen Bildschirms 1, der das doppelte Bildschirmhologramm enthält, mit den beiden Projektionsstrahlen mit orthogonalen Polarisationsrichtungen erscheinen zueinander orthogonal polarisierte Bilder für den Betrachter des Bildschirms 1. Durch eine Betrachtungseinrichtung 5, die z.B. zwei Polarisationsfilter für unterschiedliche Polarisationsrichtungen enthält, werden die überlagerten Bilder mit ihren unterschiedlichen Polarisationsrichtungen wieder getrennt, so daß ein Betrachter mit dem linken und dem rechten Auge jeweils eines der beiden getrennten Bilder sieht. Im vorliegenden Fall hat der holografische Bildschirm 1 zwei orthogonal polarisierte Schirmbildergruppen 1 1, 12, bzw. Hologramme, die jeweils ein rotes, grünes und blaues Farbbild 1 1 1, 1 12, 1 13 bzw. 121, 122, 123 eines Einzelschirms enthalten.
Die Bildmodulation jeder der Teilstrahlen in den Modulatoren 21, 22 kann gleichzeitig oder zeitlich hintereinander für die verschiedenen Farben erfolgen.
Die drei rgb-Laserstrahlen werden mit faseroptischen Elementen 501-503 auf eine gemeinsame Faser 6 zusammengebracht. Eine Kollimationslinse 7 bündelt die Strahlen gemeinsam auf das Teilerprisma 3.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche Bauelemente wie bei Figur 1 mit den selben Bezugszeichen benannt sind. Jedoch sind anstelle der Reflexionsmodulatoren 21, 22 von Figur 1 hier Modulatoren 21', 22' angeordnet, die nicht die Polarisationsrichtung des einfallenden Strahles ändern, sondern den reflektierten Strahl in seiner Intensität modulieren bzw. ein- und ausschalten. Derartige Modulatoren sind als sogenannte Digital Micro-Mirro Devices (DMD) bekannt. In diesem Fall ist jedoch vorgesehen, daß jedem Modulator 21', 22' eine λ/4 Platte 9, 10 vorgeschaltet ist, die die ursprüngliche, lineare Polarisationsrichtung beim ersten Durchgang zirkulär polarisiert und beim zweiten Durchgang nach der Reflexion am Modulator 21' bzw. 22' orthogonal zur ursprünglichen Polarisationsrichtung dreht.
Die orthogonalen Ausrichtungen der Polarisation im Strahlengang nach der Modulation in den Polarisationsrichtungen der Schirmbilder sowie die Gläser in der Brille des Betrachters bzw. der Betrachtungseinrichtung 5 sind aufeinander abgestimmt. Die beiden orthogonal polarisierten Projektionsstrahlen A und B verlaufen überlappend und mit der gleichen optischen Achse zur Projektion auf den holografischen Bildschirm 1. In den Abbildung nicht gezeigt ist der Bildversatz aufgrund des perspektivischen Unterschieds für die Stereoprojektion.
Anstatt den holografischen Bildschirm durch Hologrammaufnahmen von realen Bildschirmen bzw. Leinwänden zu erzeugen, kann er auch durch einen Computer generiert werden. Dabei wird die Gitterstruktur so berechnet, daß sie einer Hologrammaufnahme eines Bildschirms, insbesondere hinsichtlich Polarisationsrichtung, Wellenlänge und Farbe, entspricht. Mittels einer Beleuchtungseinrichtung wird diese berechnete Gitterstruktur dann in der Hologrammschicht gespeichert.
Der holografische Bildschirm 1 enthält also holographische Abbildung von reellen Bildschirmen, mit der besonderen Eigenschaft, daß sie nur eine schmalbandige Strahlung der Grundfarben rot, grün und blau, vorzugsweise von Lasern bei Aufprojektion rückstreuen bzw. bei Rückprojektion vorwärtsstreuen. Dabei muß die Bedingung erfüllt sein, daß der Projektionsstrahl aus der gleichen Richtung auf das Hologramm fällt, wie der Referenzstrahl bei der Hologrammaufnahme. Der holographische Schirm (1) besitzt somit die Eigenschaft, daß sowohl breitbandiges Umgebungslicht als auch Projektorlicht aus allen anderen Einfallsrichtungen ungehindert das Hologramm durchquert und damit auf die Bildererzeugung durch den schmalbandigen rgb-Projektor (2) am Schirm (1) keinen Einfluß mehr hat.
Das räumliche Abbild der Leinwand entsteht erst, wenn das Hologramm aus der bestimmten Projektionsrichtung angeleuchtet wird. Im Sinne der oben genannten Erfindung sollte das Abbild der Leinwand vorzugsweise in der Hologrammebene liegen. Wird nun der Projektionsstrahl mit Informationen moduliert, entsteht eine Überlagerung dieses modulierten Bildes mit dem Bild der Leinwand in der Hologrammebene. Das Bild der Leinwand hat eine wesentlich höhere Informationsdicht als das einfallende modulierte Bild. Da die Oberflächenstruktur der Leinwand sehr fein ist gegenüber der Bildelementgröße, wird nur das rgb-Bild für den Betrachter sichtbar. Um ein Bewegtbild dem Betrachter zu übertragen ist nur eine geringe Übertragungsbandbreite wie sonst bei den üblichen 2D-Bildern notwendig, da das holographische Bild der Leinwand bei jedem Bildwechsel stationär bleibt.
Da das Bild der Leinwand im holografischen Bildschirm (1) bei jedem Bildwechsel unverändert bleibt, ist keine hohe Informationsdichte notwendig um eine holographische Bilddarstellung der flächenhaften Bildinformation, die dem Projektionsstrahl aufgeprägt ist, wiederzugeben. Bei der Bildprojektion kann die Wiedergabe der Rückstreu- bzw der Vorwärtstreueigenschaften der Leinwand im Hologramm ausgenutzt werden. Die Kombination mit der Wellenlängen- und Richtungsselektivität, die charakteristisch ist für die holographischen Aufnahme, wird ausgenutzt um vollfarbige und von Störlicht unabhängige Bilder zu erzeugen.
Beim holografischen Bildschirm 1 wird die Überlagerung zweier unabhängiger Bilder der gleichen Leinwand im gleichen Hologramm, die mit zueinander orthogonal polarisierten Laserlichtwellen (Referenz- und Objektlicht) aufgenommen werden, verwendet.
Dadurch ist es möglich in diesem doppelten Bildschirmhologramm bei Beleuchtung mit zwei Projektionsstrahlen mit orthogonalen Polarisationsrichtungen wie bei der Aufnahme, zueinander orthogonal polarisierte Bilder dem Betrachter am Schirm erscheinen zu lassen. Trägt nun dieser eine Brille mit Polarisationsgläsern, die jeweils die eine und die andere Polarisationsrichtung durchlassen, sieht sein linkes Auge das eine und das rechte das zweite Bild unabhängig voneinander. Durch die stereoskopische Projektion ergeben beide Bilder zusammen dem Betrachter den räumlichen Eindruck des aufgenommenen Objektes.
Der holografische Bildschirm 1 für die Wiedergabe von orthogonal polarisierten Stereobildern kann auf verschiedenartige Weise ausgelegt werden. Alternativ als Hologramms eines Aufprojektionsschirmes, eines Rückprojektionsschirmes, sowie aufgenommen in zweistufigen Aufnahmeverfahren d.h. erst durch Aufnahme eines Masterhologramm und in der zweiten Stufe anschließend durch Aufnahme eines weiteren Abbildes des reellen Bildes des ersten Masterhologramms. Vorzugsweise wird die Aufnahme dabei so gemacht, daß das Schirmbild in der Hologrammebene am Ende bzw. nahe oder in der Hologrammebene liegt um einen möglichst großen Abstrahlwinkel und eine gute Auflösung zu erzielen.
Nach der Aufnahme kann das Hologramm gegen einen schwarzen lichtabsorbierenden Hintergrund aufgestellt werden. Die aufprojezierten Bilder erreichen damit den höchsten Kontrast, da das durchgehende Störlicht dann in dem Hintergrund absorbiert wird. Ist das Schirmhologramm dagegen transparent, können die darin erscheinenden virtuellen 3D- Bilder z.B. mit reellen dahinter, oder vor dem Hologramm stehenden Gegenständen gemischt werden.
Das Verfahren der Mehrbelichtung des gleichen Schirmes in einem einzigen Hologramm kann hier außer der Belichtung zweier orthogonal polarisierter Abbilder weiter ausgedehnt werden auf die Aufnahme aller drei r,g,b Farben in einem einzigen Hologrammfilm gleichzeitig. Dieses dann sechsfach belichtete Hologramm birgt dann gleichzeitig Abbilder sechs unabhängiger Schirme unterschiedlicher Kombination von Farbe und Polarisationsausrichtung in sich, so daß gleichzeitig alle Färb- und Polarisationsinformationen des Stereoprojektors wiedergeben werden können.
Auch ist es möglich, jede Polaristationsrichtung in getrennten Schichten aufzunehmen die aufeinander laminiert werden. Andere Varianten wie das Zusammenfügen von bis zu 6 getrennten Schichten ist auch möglich.
Es versteht sich, daß die beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen des Projektors parallel zu den beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen im Bildschirm sowie zu den Polarisationsrichtungen der Brille des Betrachter sein müssen, um eine gute Qualität der Wiedergabe zu erhalten.
Es ist aber alternativ zur Aufnahme von zwei Bildschimen mit orthogonaler Polarisationsausrichtung auch möglich, einen einzigen holographischen Schirm 1 mit einer festen Polarisationsrichtung zu verwenden, die um 45°, sowohl die gegen orthogonalen Polarisationsrichtungen der einfallenden Wellen, als auch um 45° gegen die der Brille gedreht wird. In diesem Fall werden auch die beiden einfallenden Wellen zum gleichen Teil mit ihrer ursprünglichen Polarisationsrichtung vom Bildschirm zurückgestreut.
Es ist in den Fig. 1 und 2 angedeutet, daß die orthogonalen Ausrichtungen der Polarisation im Strahlengang nach der Modulation mit den Polarisationsrichtungen der Schirmbilder und den Polarisationsrichtungen der Gläser in der Brille des Betrachter abgestimmt sind. Es ist weiterhin angedeutet, daß die beiden orthogonal polarisierten Projektionsstrahlen überlappend mit gleicher optischer Achse auf den Schirm 1 verlaufen. Nicht dargestellt ist der Bildversatz aufgrund des perspektivistischen Unterschiedes für die Stereo-Projektion.

Claims

Patentansprüche
1. System zur stereoskopischen Bilddarstellung, mit einer Projektionseinrichtung (2) zur Projektion von zwei Bildern mit unterschiedlicher Perspektive, einem Projektionsschirm (1) zur Wiedergabe der Bilder, und einer Einrichtung (5) zum getrennten Betrachten beider Bilder mit dem linken und dem rechten Auge, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (2) Mittel (3, 21, 22; 9, 10, 21 ', 22') zur Erzeugung von
Projektionsstrahlen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung umfaßt, und der Projektionsschirm (1) ein holografischer Bildschirm ist, mit einer Gitterstruktur, die bei auftreffenden Lichtstrahlen mit zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen zwei unterschiedlich polarisierte Bilder entstehen läßt.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der holografische Bildschirm (1) zwei Hologramme realer Bildschirme mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen umfaßt, wobei die Polarisationsrichtungen der Hologramme im wesentlichen den Polarisationsrichtungen der auftreffenden Lichtstrahlen entsprechen.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der holografische Bildschirm (1) ein Hologramm eines realen Bildschirms mit einer Polarisationsrichtung umfaßt, die um 45 Grad gegen die orthogonalen Polarisationsrichtungen der auftreffenden Lichtstrahlen versetzt ist.
4. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der holografische Bildschirm (1) durch eine oder mehrere holografische Aufnahmen eines realen Bildschirms mit mindestens einer definierten Polarisationsrichtung gefertigt ist.
5. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der holografische Bildschirm (1) eine computergenerierte Gitterstruktur aufweist, die der Gitterstruktur einer Hologrammaufnahme eines realen Bildschirms entspricht.
System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (2) ein Polarisationsteilerprisma (3) und orthogonal zueinander angeordnete Reflexionsmodulatoren (21 , 22) umfaßt.
System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (2) Intensitäts-Modulatoren (21 ', 22') mit jeweils einer λ/4-Platte (9, 10) umfaßt.
8. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der holografische Bildschirm (1) vor einem lichtabsorbierenden Hintergrund befindet.
9. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der holografische Bildschirm (1) transparent ist um bei der
Bildprojektion Gegenstände oder Personen, die sich hinter oder vor dem Bildschjr-im (1) befinden, sichtbar zu machen.
10. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstruktur des holografischen Bildschirms (1) so gestaltet ist, daß bei definierter Zuschauerposition und definierter Position der Projektionseinrichtung (2) der Hologrammgegenstand sichtbar ist, während Lichtstrahlen, die unter einem anderen Winkel auf den Bildschirm treffen, ohne Bilderzeugung durch den Bildschirm (1) hindurchgehen.
1 1. Holografischer Bildschirm zur stereoskopischen Bilddarstellung, mit einem Hologramm, dessen Gitterstruktur einer Hologrammaufnahme eines realen Bildschirms entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstruktur einer Hologrammaufnahme mit einer definierten Polarisationsrichtung oder mehreren Hologrammaufnahmen mit zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen entspricht.
12. Holografischer Bildschirm nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Hologramm eines realen Bildschirms oder einer Leinwand aufweist, wobei das Abbild des Bildschirms oder der Leinwand in oder nahe der Hologrammebene liegt.
13. Holografischer Bildschirm nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß er durch ein Hologramm gebildet ist, das zwei unabhängige Bilder der gleichen Leinwand oder des gleichen Bildschirms enthält, die mit orthogonal zueinander polarisierten Lichtwellen aufgenommen oder entsprechend computergeneriert wurden.
14. Holografischer Bildschirm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er durch ein Hologramm gebildet ist, das mehrere Schichten mit Bildschirmhologrammen unterschiedlicher Polarisationsrichtung enthält.
15. Holografischer Bildschirm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß er Bildschirmhologramme in den Farben RGB umfaßt.
16. Holografischer Bildschirm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Hologrammschichten mit jeweils unterschiedlichen Polarisationsrichtungen und/oder Farben aufweist.
17. Holografischer Bildschirm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß er eine mehrfach belichtete Hologrammschicht aufweist, so daß unterschiedliche Polarisationsrichtungen und/oder Farben in der einen Hologrammschicht gespeichert sind.
18. System zur stereoskopischen Bilddarstellung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Holografischen Bildschirm (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 17.
19. Verfahren zur stereoskopischen Bilddarstellung, gekennzeichnet durch die Schritte: Erzeugen von Lichtstrahlen mit zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen zur Projektion von Bildern mit unterschiedlicher Perspektive, und
Führen der unterschiedlich polarisierten Lichtstrahlen auf einen holografischen Bildschirm (1), der eine Gitterstruktur hat, die einer Hologrammaufnahme eines realen Bildschirms entspricht und die derart gestaltet ist, daß sie bei auftreffenden Lichtstrahlen mit zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen zwei unterschiedlich polarisierte Bilder entstehen läßt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem holografischen Bildschirm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 18 durchgeführt wird..
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird.
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