WO2002075433A2 - Method and device for the three-dimensional representation of image elements - Google Patents

Method and device for the three-dimensional representation of image elements Download PDF

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WO2002075433A2
WO2002075433A2 PCT/EP2002/002915 EP0202915W WO02075433A2 WO 2002075433 A2 WO2002075433 A2 WO 2002075433A2 EP 0202915 W EP0202915 W EP 0202915W WO 02075433 A2 WO02075433 A2 WO 02075433A2
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holographic
elements
holographic elements
light
picture
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PCT/EP2002/002915
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David P. Dickerson
Heinrich A. Eberl
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Candy Optronic Gmbh
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/02Diffusing elements; Afocal elements
    • G02B5/0205Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties
    • G02B5/0252Diffusing elements; Afocal elements characterised by the diffusing properties using holographic or diffractive means
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels

Definitions

  • the invention relates to a device for displaying picture elements in three-dimensional space and a corresponding method.
  • Devices of this type for example based on a rotating surface or a step-by-step fluorescence excitation, are known.
  • DE 2622802 describes a method for three-dimensional imaging with an image beam deflected via a two-dimensional deflection surface on an areal screen, preferably made of translucent material, rotating around an axis of rotation coinciding with the optical axis of the deflection surface and designed as a geometric generator of an imaging space, and a device to practice this procedure.
  • WO 02/06864 discloses a holographic display for storing and reproducing a spatial structure, the holographic display being constructed from a plurality of holographic screens, each of which is associated with its own projection device.
  • no device is disclosed there which is capable of producing a spatial visual perception similar to the observation of a real object by displaying image elements in three-dimensional space.
  • the display disclosed there aims in principle to spatially shift the perceived display level of a ⁇ weimensional display.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device for displaying picture elements in three-dimensional space, which as far as possible meet the expectations of a user due to the variety of commercially available two-dimensional display devices.
  • it is a question of solving the problem of three-dimensional picture element display in a manner which allows the device to be designed in a cost-effective, compact, uncomplicated and / or portable manner.
  • each holographic element is preferably assigned to a picture element, it being particularly expedient for a color display if a plurality of holographic elements are assigned to a respective picture element.
  • a holographic element in the sense of the invention preferably comprises one or more holographic recordings (which corresponds to a "hologram") of an actual or virtually directly or indirectly computer-controlled exposure of the photo material on which the holographic recording is based, and is thus capable of refraction -, diffraction and / or reflection properties of this object to a certain extent under the specific circumstances of holographic reproduction. In particular, this allows information about the three-dimensional topology of the object to be recorded and reproduced.
  • the holographic element itself does not have to have the topology recorded therein in its external form.
  • a flat holographic element could emulate the refractive, diffractive, and / or reflective properties of a curved object.
  • a curved holographic element could also emulate the refraction, diffraction and / or reflection properties of a differently curved or flat object.
  • a holographic element can also emulate the refraction, diffraction and / or reflection properties of different objects at different wavelengths.
  • the holographic reproduction which corresponds to a refraction of light in the sense of the invention, generally depends strongly on the wavelength, the angle of incidence and the phase of the incident light.
  • the propagation of light can be influenced via refraction, diffraction and / or reflection, the appropriate term being strongly context-dependent.
  • the term “refraction” or “breaking” is therefore used as a synonym with the actual generic term “change in propagation”.
  • holographic elements can be designed as separate units or as an integral unit.
  • an optical projection device is any device that is capable of emitting optical signals or emitting light in a controllable manner.
  • the former includes, for example, lasers, laser diodes, LEDs, OLEDs, etc.
  • the latter could be, for example Combination of a light source, one often referred to as "light valve” in technical terminology. designated modulator and a light guide arrangement that guides the light generated by the light source to the modulator.
  • the optical projection device itself or in cooperation with a further device is able to project light which can be determined with regard to its intensity, direction of propagation, polarization, phase, spectral composition, in particular its wavelength, and / or another of its parameters. If the parameters of the light are changed over time, this is referred to in technical jargon as "modulation".
  • Detected or projected light is therefore often referred to in the application as a detected or projected "light beam” or “scanning beam” or “projection beam”. This is particularly the case in discussions about the beam path, the beam diameter, the spectral composition and similar properties of the detected or projected light, which are often associated with the concept of a light beam.
  • an optical scanning device or projection device can have a light guiding device and / or a light design device.
  • Examples of such devices are controllable and non-controllable mirrors, splitter mirrors, acousto-optical modulators, holographic elements, diaphragms, filters, lenses, light guides, etc.
  • optical signal converters optical projection devices, light guide devices and / or light design devices can be combined with one another as separate units or integral units.
  • the projection device can in particular be used to effect the display of a picture element in three-dimensional space by illuminating at least one holographic element assigned to the respective picture element.
  • illumination of a holographic element is preferably carried out selectively in order to bring about a controlled display of the respective image element.
  • selective lighting can include both illuminating and non-illuminating and, in the case of illuminating a holographic element, illuminating such that the holographic conditions inherent in the holographic element are met, that is to say that due to the illumination the holographic element falling light is refracted according to the interference pattern recorded in the holographic element, or is not met.
  • picture elements is understood to mean any physical, virtual and conceptual elements that can give an optical, “visual” impression.
  • the invention preferably only uses those picture elements which can give rise to a multitude of optical, "pictorial" impressions.
  • the picture elements according to the invention can include both conventional picture elements, such as pixels (two-dimensional image points) or voxels (three-dimensional spatial image points), as well as novel image elements, such as lines, surfaces, bars or cubes.
  • novel image elements such as lines, surfaces, bars or cubes.
  • a device that is suitable for carrying out the proposed method is always expressly disclosed, for example a suitably programmed computer, sensors that are able to deliver the necessary signals, signal processing devices that are able to process these signals appropriately , Etc.
  • all or more of the holographic elements each comprise a holographic image of a dif ⁇ us reflecting or a dif ⁇ us transmitting object.
  • a spatial light pattern arises as if the object itself had been illuminated under the lighting conditions prevailing during the holographic image.
  • the spatial arrangement of the object i.e. the distance and the orientation of the object to the photo plate, recorded in the holographic image.
  • Dif ⁇ us reflecting or dif ⁇ us transmitting objects such as umbrellas
  • Dif ⁇ us reflecting or dif ⁇ us transmitting objects are characterized by the fact that they evenly (back) scatter light falling on them over a wide angle. Ideally, this scatter is essentially independent of the wavelength.
  • Diffusely reflecting or diffusely transmitting objects thus represent an excellent basis for the representation of mono- or multispectral picture elements. While the use of screens for the representation of pictures is known, for example, from cinema technology, pixel-by-pixel picture representation using appropriate "men screens" " unusual. The same applies to other diffusely reflecting or diffusely transmitting objects.
  • All or more of the holographic elements of the device according to the invention preferably each comprise a holographic image of a dif ⁇ usly reflecting or a dif ⁇ usly transmitting object, in particular a two-dimensional screen.
  • the holographic elements each comprise a holographic image of a dif ⁇ us reflecting or a dif ⁇ us transmitting surface or a dif ⁇ us reflecting or a dif ⁇ us transmitting rod, each surface and each rod corresponding to the cube surfaces or the cube edges of a coherent three-dimensional grid-shaped arrangement.
  • the use of dif ⁇ us reflecting or dif ⁇ us transmitting screens as a template for holographic recordings for the display of picture elements according to the invention in three-dimensional space has the disadvantage that only a flat picture element corresponding to the screen surface is perceptible in a holographic display of the screen. Because of this "zero dimensionality" of a screen surface in the direction perpendicular to it, it is expensive to effect a continuously acting pictorial representation in a direction perpendicular to the holographic representation of the screen surface.
  • This disadvantage can be avoided, for example, by using objects with a three-dimensional dimension as a template for the holographic images encompassed by the holographic elements. Because of their radiation properties as described above, dif ⁇ us reflecting and dif ⁇ us transmitting objects with three-dimensional dimensions are particularly advantageous.
  • the optical projection device is preferably able to illuminate at least one of the holographic elements with light of the wavelength with which a holographic image encompassed by the respective holographic element was taken.
  • selected holographic elements can be selectively illuminated by an optical projection device.
  • Such a selection can be achieved, for example, in part by coordinating the wavelength of the light projected by the optical projection device for illuminating certain holographic elements.
  • This could be used in particular in the case of a multispectral (for example red, green, blue) display in which, for example, holographic elements designed for the display of red picture elements are illuminated by a red light source, while holographic designed for the display of blue or green picture elements Elements are illuminated by a respective blue or green light source.
  • a coordination between the wavelength of the light projected by the optical projection device and the respective holographic recordings can also contribute to the fact that projected light is refracted as completely as possible from the respective holographic elements. In this way, a high luminosity of the picture elements represented in this way can be made possible, which contributes to the daylight suitability of the device according to the invention.
  • the plurality of holographic elements preferably comprises a plurality of identical holographic elements.
  • a particularly inexpensive manufacture of the device can be achieved in that many of the holographic elements are identical. Existing holographic elements can be used as templates for the production of further elements, as is known to the person skilled in the art of holography. In this way, the number of holographic recordings required to produce the device can be reduced considerably.
  • the standardization of the holographic elements brings with them both advantages and disadvantages.
  • the uniformity of the holographic elements can be advantageous, since this can give a uniform visual impression in the case of holographic reproduction by means of the identical holographic elements.
  • the identity of the holographic elements can be disadvantageous in that they lack the details necessary for a perspective correct reproduction. This disadvantage would appear, for example, in a device according to the invention, in which a three-dimensional, array-like arrangement of objects is represented by a large number of holographic elements, in which all objects of a respective “depth” are represented by a two-dimensional array of identical holographic elements.
  • the holographic elements therefore did not contain any suitable information as to whether the object to be displayed is on the left, right, above or below.
  • the selective illumination of holographic elements preferably comprises a spatial selection and / or a selection based on the phase, the wavelength, the angle of incidence and / or the polarization of the light projected onto the respective holographic element.
  • the selection is preferably carried out on a spatial basis.
  • This means that the respective holographic elements are spatially separated from one another, so that selective illumination of the respective areas, be it by light beam deflection, covering, or the like, is selective Illumination of a respective holographic element corresponds.
  • a spatial separation of the individual holographic elements is useful, among other things, if several holographic elements are to be combined in a single holographic element, for example if a volume hologram is to contain a large number of holographic recordings, since the spatial separation prevents optical crosstalk between the individual holographic elements ,
  • the selective illumination can take place selectively in the sense of a selective fulfillment of the holographic conditions.
  • This can be done by selectively adjusting one or more parameters that are decisive for the fulfillment of the holographic condition, for example the phase, the wavelength, the angle of incidence or the polarization, of the light incident on the respective holographic element.
  • This can be achieved by means known to those skilled in the art, for example filters, deflection devices, LCD elements, acoustic-optical modulators, etc.
  • With active lighting it is possible to modulate the light accordingly when it is generated.
  • the device according to the invention preferably has only one projection device which illuminates the multiplicity of holographic elements.
  • the projection device possibly in cooperation with a corresponding light processing device, is capable of carrying out the selective illumination of holographic elements according to the invention.
  • the device according to the invention preferably has a multiplicity of projection devices, each of which illuminates a mutually exclusive multiplicity of holographic elements.
  • the use of a large number of projection devices is particularly expedient if a multispectral display is to take place or if a very large number of holographic elements are to be illuminated selectively.
  • a large number of projection devices can also be useful in order to be able to precisely illuminate spatially separated holographic elements, for example in order to enable the image elements to be displayed for different, relatively far apart viewing angles.
  • the device according to the invention preferably comprises an optical sensor device, the output signals of which are used to calibrate the selection process.
  • a modern high-resolution screen represents approximately one million pixels. If a similarly high-resolution, but three-dimensional, voxel-based display is to be achieved by the invention, then precise illumination of selected holographic elements from approximately one billion such elements would have to be carried out. Accordingly, it makes sense to provide the device according to the invention with an optical sensor device, the output signals of which can be used to calibrate the selection process.
  • the device according to the invention preferably comprises a multiplicity of marking holographic elements which distinguishably distinguish light incident thereon by refraction.
  • the device according to the invention with marking holographic elements which refract the incident light in such a way that they can be distinguished from the other holographic elements by appropriate detection and evaluation of this refracted light, so that these marking holographic elements Elements can also be used to calibrate the selection process.
  • the device according to the invention preferably comprises a
  • Viewing angle detection device that detects a user's viewing angle on the plurality of holographic elements and determines the selection of selectively illuminated holographic elements according to the viewing angle.
  • the device according to the invention is able to display picture elements in such a way that a spatial picture impression is created, this picture impression differs from the natural perception of an object in that the picture elements shown are merely a virtual appearance and are consequently translucent. If a realistic representation of an object is to be carried out by displaying individual picture elements, the device must ensure that picture elements remain hidden, ie are not shown, that are supposed to be "hidden” from the viewer's point of view, even if the viewer changes his point of view. This task is preferably performed by the above-mentioned viewing angle detection device.
  • the device according to the invention preferably comprises a controllable suspension which is able to specifically change the position and orientation of one or more components of the device.
  • An additional possibility of granting a perspective, three-dimensional representation is to change the position and / or orientation of one or more of the components of the device representing the picture elements vis-a-vis a predetermined viewing angle and the representation of picture elements at the same time as the change adjust accordingly.
  • the above-mentioned controllable suspension preferably contributes to the accomplishment of this task.
  • each picture element of the device according to the invention can preferably be represented in such a way that the respective picture element appears with a correct perspective in relation to a given viewing perspective and the perceptible position of the picture element in three-dimensional space.
  • the purpose of the device according to the invention is to display picture elements in three-dimensional space. Preferably, only a sum of the picture elements shown results in a predetermined visual content. That is, a desired visual content is composed of individual picture elements. Normally, the visual impression that results from the representation of several picture elements will differ significantly from the visual impression of a single picture element. This is comparable to the display of a full-color image on the LCD monitor compared to the display of a single pixel.
  • the picture elements according to the invention are not limited to pixels (picture elements) and voxels (spatial picture elements), but can give rise to any visual impression.
  • the display of picture elements according to the invention is preferably effected in that an optical projection device selectively illuminates a holographic element assigned to the picture element to be displayed.
  • the holographic element in turn preferably comprises a holographic image of a diffusely reflecting or a diffusely transmitting object.
  • a respective holographic recording also includes other objects, for example an optical lens, a mirror or another light beam changing device.
  • the holographic recording of the diffusely reflecting or diffusely transmitting object could take place through an optical lens, for example to reduce or enlarge the virtual distance of the object from the holographic photo plate or the virtual size of the object as desired.
  • the geometric shape of a holographically recorded object preferably corresponds to the desired geometric shape of the respective object
  • Image element at least above that used in the holographic recording
  • Photo plate captured viewing angle.
  • Image element on the other hand, essentially corresponds to the wavelength of that for holographic
  • Playback used light which in turn in accordance with the wavelength of the light used in the respective holographic recording or with that for a holographic
  • Playback mandatory holographic conditions must be selected.
  • several holographic elements recorded at corresponding wavelengths become one
  • Object illuminated with light of a respective primary color in order to bring about a virtual representation of an image element in any color by adding the respective primary colors.
  • a hologram can be compared to a window with the same dimensions and the same topology.
  • a hologram can at best capture the insights that would be made possible by a window used instead of the hologram. From this analogy it can be seen that a single holographic element can only present a representation of an object that is very limited in comparison to reality. There is also a hologram in no way able to optimally reproduce its pictorial content across all viewing angles. The range of the best reproduction is limited to approx. ⁇ 30 ° around a line of sight running perpendicularly through the hologram.
  • the invention preferably provides for the use of a plurality of holographic elements to represent a respective picture element, each of these holographic elements preferably comprising a holographic recording of the same object on which the picture element is based from a different perspective.
  • the appropriate holographic element is selectively illuminated in order to ensure the perceptibility of the holographic representation from the current point of view. The determination of the viewing angle of an observer is described in more detail below.
  • the device preferably determines the eye position and / or the viewing direction of an observer in order to ensure the observer an optionally adapted, perspective-correct representation of the image elements in three-dimensional space.
  • the invention provides two preferred options for determining the eye position and / or the viewing direction of a viewer.
  • a very flexible way of determining the eye position and / or the direction of gaze of a viewer is the so-called "eye tracking".
  • Retinal, corneal is used to record preferably optical signals from the viewer's eye or other characteristics of the eye.
  • the position and / or the orientation of the eye can then be calculated on the basis of the position changes of these characteristics.
  • the data obtained in this way can be meaningfully supplemented by using active or passive detector devices to determine the position and / or the orientation of the viewer more closely or additionally.
  • active or passive detector devices to determine the position and / or the orientation of the viewer more closely or additionally.
  • the eye position and / or the viewing direction of a viewer relative to a picture element to be represented by the device according to the invention can also be determined by the device specifying the absolute eye position of the viewer.
  • a change in the viewing perspective can then be realized in that the light-projecting or "refractive components of the device are partially or entirely mounted on a movable frame which is moved in accordance with the desired change in the viewing perspective.
  • the frame is suspended with a drive such that a precisely controllable rotational movement around three orthogonal axes is possible.
  • any finely selectable rotation of the representation of such an element either requires a large number of holographic elements which can represent the image element in the respective numerous positions, or a possibility of rotating the holographic element in relation to the viewer.
  • the device according to the invention preferably comprises a controller. This can provide both a perspective correct as well as a representation as close as possible to the desired visual impression.
  • the area of responsibility of the control system can include that the control system selects the image elements to be displayed on the basis of predetermined image data that correspond to the desired visual impression. These can be, for example, the CAD data of an architect's design. If a three-dimensional object is to be displayed, the controller could use user input to determine whether the object appears opaque, transparent or partially transparent. This is determined both by the fact that certain picture elements appear or not appear, and by the relative brightness of the respective picture elements shown. In the case of an opaque object, “hidden” picture elements, for example, are not shown from the current point of view. With a transparent object, "hidden” picture elements can be displayed darker than "non-hidden” picture elements. Other display features such as color, line width, etc.
  • the device can also be determined by the control to achieve the desired visual impression.
  • the choice of the image element to be displayed can also play a role here.
  • the device include sheet-like, rod-shaped and spherical picture elements.
  • the use of rod-shaped picture elements would be appropriate for a representation of outlines.
  • For a representation of homogeneous areas the use of area-like picture elements would make sense.
  • the spherical image elements would be helpful for displaying individual points in space.
  • the control can also be used to change the viewing perspective shown or perceived. If, for example, a viewer would otherwise change his actual viewing perspective of the display caused by the device according to the invention without the display changing, perspective contradictions could arise which confuse the viewer. For example, "visible” picture elements could remain hidden, while “hidden” picture elements are still visible.
  • a change in the viewpoint perspective shown or perceived can take place both by changing the selection of picture elements to be displayed in order to give the impression of a changed desired perspective and by changing the selection of picture elements to be displayed in order to match the display adjust the actual perspective.
  • a controller can also be used to control and / or calibrate the projection process.
  • the controller could be contained in a signal circuit having the projection device, a light guide device and / or a light design device and an optical sensor, with which light is projected onto holographic elements.
  • the light is optionally refracted characteristically by markings provided in the holographic element and at least partially detected by the optical sensor, which transmits corresponding signals to the control.
  • the control can control and / or calibrate the projection device, a light guiding device and / or a light design device in a targeted manner from the signals which are characteristic on the basis of the characteristic refraction, possibly with knowledge of the properties of the emitted light.
  • Figure 1 is a schematic representation of both conceptual and real objects, which can be based on a pictorial representation in three-dimensional space according to a first embodiment of the invention.
  • 2 shows a schematic representation of a pictorial representation of a staircase-like structure in three-dimensional space according to a first exemplary embodiment of the invention;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a pictorial representation in three-dimensional space according to a first exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 4 is a schematic representation of the structure and function of a device according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a schematic illustration of a conventional holographic recording technique
  • 6A is a schematic representation of a conventional holographic recording technique
  • 6B is a schematic illustration of a conventional holographic rendering technique
  • Fig. 7 is a schematic representation of the structure and function of a device according to a third embodiment of the invention, in which several holographic elements are assigned to a picture element.
  • FIG. 1 schematically shows both conceptual and real objects that are based on a pictorial representation in three-dimensional space according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • Image elements are represented in three-dimensional space according to a three-dimensional grid arrangement, which corresponds to an arrangement of conceptual cubes 100.
  • three surfaces 101X, 101Y and 101Z of the cube 100 are visible.
  • the surface 101X is perpendicular to the X axis shown in the figure, while the surface 101Y or 101Z is perpendicular to the Y or Z axis shown in the figure.
  • the surfaces 101X, 101 Y and 101Z are designed as separate, dif ⁇ us reflecting plates.
  • Three holographic recordings of each of these plates are made from the same perspective with red, green and blue light.
  • a laser light beam of the corresponding wavelength is divided into an object beam and a reference beam by means of a splitter mirror.
  • the reference beam is directed almost directly onto a photo plate (possibly via an expansion lens to illuminate the entire photo plate), while the object beam hits the plate and is reflected by it on the photo plate.
  • the resultant between the reference beam and the object beam Interference pattern is captured by the photo plate.
  • This recording technique is shown schematically in Figure 5. During the recording, the plate is supported in its respective position in a manner invisible from the recording perspective, so that only the respective plate becomes the object of the recording.
  • the recordings can be made on common or on different photographic material, taking into account possible crosstalk of the respective recordings. It is important that the recordings differ in such a way that selective playback is possible.
  • Such distinctive character can be achieved, for example, by taking the pictures on different areas of the photographic material and / or by individually setting the angle of incidence, the phase, the polarization and / or the wavelength of the reference beam for each picture.
  • a cube 100 is shown in which the edges of the cube 100 “visible” from the perspective emulated in FIG. 1 are designed as separate, dif ⁇ usly reflecting rods 102X, 102Y and 102Z.
  • the longitudinal axis of rod 102X is parallel to the X axis shown in the figure, while rods 101 Y and 101Z are oriented parallel to the Y and Z axes shown in the figure.
  • holographic recordings are made of the respective rods analogously to the procedure described above with regard to the plates, so that recordings of the rods are also available in all primary colors for each cube of the grid arrangement.
  • the photographs of the rods are suitable for representing outlines; the recordings of the plates are suitable for displaying surfaces. This is illustrated in the following two figures.
  • FIG. 2 schematically shows a pictorial representation of a stair-like structure in three-dimensional space according to a first embodiment of the invention.
  • image elements are represented in three-dimensional space according to a three-dimensional grid arrangement, which corresponds to an arrangement of cubes 200.
  • brackets with X, Y and Z coordinates In line with the matrix-like arrangement of the cubes, they are provided in brackets with X, Y and Z coordinates.
  • the stair-like structure is visualized for a viewer by selectively illuminating holographic recordings of corresponding objects.
  • picture elements appear, i.e. virtual holographic images of the respective objects, in three-dimensional space, which together give the viewer the impression of the desired, in some cases staircase-like structure.
  • the step-like structure of Figure 2 consists of 7 picture elements.
  • the illustration shown corresponds to a holographic representation of the following objects: plate 201Y of the cube 200 (3.1.1), plate 201Z of the cube 200 (3.1.1), plate 201Z of the cube 200 (3.2.1), plate 201Z of Cube 200 (2,2,1), plate 201Z of Cube 200 (1,2,1), plate 201Y of Cube 200 (1,3,2) and plate 201Z of Cube 200 (1,3,2) ,
  • the hatching used in FIG. 2 serves to identify the picture elements visible by holographic reproduction and is accordingly not to be understood as a patterning of the picture elements. Due to the holographic recording and reproduction of the object on which the picture element is based, the picture element has a pattern which corresponds to the refraction or reflection properties of the object at the wavelength used in the holographic recording. According to the first embodiment, dif ⁇ us reflecting plates and / or rods serve as the basis for the picture elements. Accordingly, the holographically reproduced picture elements appear to have a rough surface similar to a sheet of frosted glass.
  • the perceived color of a picture element essentially depends on the wavelength and the intensity of the light used for the holographic representation of the picture element. Because of the wavelength specificity of holographic recordings, the first exemplary embodiment of the invention, as described above, assigns three holographic recordings to a respective picture element in order to enable the picture element to be represented in each of the three basic colors. (Both here and elsewhere in the application, a "picture element" can comprise several sub-elements - here the individual color representations - or simply correspond to such a "sub-element” - ie each color representation is to be understood as an independent picture element.
  • picture element here refers to a possibly multispectral element.
  • the light falling on a respective holographic element is controlled in its effective, that is to say perceptible to an observer, such that the picture element appears to illuminate in the desired color the perceived picture element in reality from three color-different, precisely overlapping holographic representations of an object.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a line-like structure in three-dimensional space according to a first embodiment of the invention.
  • image elements are represented in three-dimensional space according to a three-dimensional grid arrangement, which corresponds to an arrangement of cubes 200.
  • brackets with X, Y and Z coordinates In line with the matrix-like arrangement of the cubes, they are provided in brackets with X, Y and Z coordinates.
  • the line-like structure is visualized for a viewer by selectively illuminating holographic recordings of corresponding objects.
  • picture elements appear, i.e. virtual holographic images of the respective objects, in three-dimensional space, which together give the viewer the impression of the desired, line-like structure in the example.
  • the line-like structure of FIG. 3 consists of 7 picture elements.
  • the representation shown corresponds to a holographic representation of the following items: rod 202Z of the cube 300 (3.1.1), rod 302Y of the cube 300 (3.1.1), rod 302X of the cube 300 (3.2.1), rod 302X of Cube 300 (2,2,1), Bar 302Y of Cube 300 (1,2,1), Bar 302Z of Cube 300 (1,3,2) and Bar 302Y of Cube 300 (1,3,2) ,
  • FIG. 3 illustrates above all the different impression that can be created by the selective illumination of different image elements.
  • the invention also provides for the simultaneous illumination of picture elements of different types, provided that this makes sense for the desired display.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the structure and function of a device according to a second exemplary embodiment of the invention, in which a virtual three-dimensional matrix-like arrangement of screen-like picture elements is used to represent voxels in three-dimensional space. Not all picture elements are in the figure, but only four image elements of a respective level 400 (1) to 400 (4) of the arrangement lying in a row are shown.
  • a laser 410 projects a light beam 413 onto a first controllably movable mirror 411, which directs the light beam 413 in the direction of a second controllably movable mirror 412. Via the second mirror 412, the light beam 413 is projected onto a pane 420 which comprises a large number of holographic elements arranged in the two-dimensional array. Due to the changeable path of the light beam 413 via the two controllably movable mirrors 411, 412, holographic elements of the pane 420 can be selectively illuminated.
  • Each of the holographic elements comprises a holographic image of a diffusely reflecting screen, the screen assigned to the respective holographic element being placed opposite the receiving photoplate during the holographic image in such a way that the entirety of the holographic elements encompassed by the disk 420 are images of a three-dimensional matrix-like arrangement of Screens covered.
  • This arrangement provided for the holographic recording corresponds to the desired virtual three-dimensional matrix-like arrangement of screen-like picture elements in the case of a holographic reproduction.
  • picture elements here voxels, can be represented virtually by selectively illuminating the holographic elements of the disk 420 assigned to the respective picture elements.
  • the light beam 413 will be refracted by a holographic element of the disk 420 such that a refracted light beam 423 strikes the eye 499 of an observer.
  • the eye 499 lies in the limited radiation area 421 of the respective holographic element.
  • the size of the picture elements of a respective level 400 (1) to 400 (4) of the three-dimensional matrix-like arrangement decreases with increasing proximity to the viewer.
  • the picture elements of level 400 (1) are larger than the picture elements of level 400 (2).
  • the levels 400 (3) and 400 (4) are larger than the real screens on which the virtual picture elements of level 400 (3) are based.
  • the arrangement of the holographic elements comprised by the disk 420 need not be similar to the virtual arrangement of the picture elements.
  • the position of a real object to be reproduced holographically as a virtual image element, which is optically recorded during the holographic recording is selected in accordance with the position of the holographic element which will later emerge relative to the desired position of the virtual image element.
  • the relationship between the arrangement of the holographic elements and the respective image elements of the device according to the invention would have to be known or ascertainable by the device according to the invention so that a desired display of image elements is possible at all by correctly selectively illuminating assigned holographic elements.
  • markings can be provided, for example, which sensibly identify the holographic elements.
  • the arrangement of the holographic elements encompassed by the disk 420 could differ from the virtual arrangement of the picture elements in particular if, instead of a spatial separation, other means (for example the phase or wavelength of the light projected onto the holographic elements) are used to holographic Selectively illuminate elements.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a conventional holographic recording technique.
  • a laser 540 projects a light beam 530, which is split into a reference beam 531 and an object beam 532 by a splitter mirror 541.
  • the reference beam 531 and the object beam 532 are steered by means of flat mirrors 542 in each case a suitable beam direction and then expanded via a respective lens 543.
  • the expanded reference beam 531 'strikes a light-sensitive photo plate 550 immediately after the expansion, while the expanded object beam 532' strikes the object 500 to be recorded holographically.
  • the expanded object beam 532 'falling on the object 500 is partially deflected as a broken object beam 532 "in the direction of the photoplate 550.
  • the result is on the photoplate 550 between the expanded reference beam 531' and the refracted object beam 532" Interference pattern photographically captured by the photoplate 550.
  • An interference pattern recorded in this way is referred to as a hologram.
  • FIG. 6A shows a schematic representation of a conventional holographic recording technique analogous to the recording technique shown in FIG. 5, while FIG. 6B contains a schematic representation of a conventional holographic reproduction technique.
  • FIG. 6A shows an object 600 to be recorded, a reference beam 631, an object beam 632 ′′ refracted on the object 600 and a photo plate 650.
  • Figure 6b shows a holographic representation of the object 600 holographically recorded according to Figure 6A as holographic, i.e. virtual, depicted object 600 '.
  • a reproduction beam 633 is irradiated onto the photo plate 650 containing the interference pattern for holographic reproduction.
  • the interference pattern is at best able to refract the reproduction beam 633 so that it acts as an extension of the refracted object beam 632 "falling on the photoplate 650 during holographic recording, the range in which the object 600 as a virtual object is limited 600 'can be reproduced holographically.
  • the hologram acts like a window. For an observer 699' who is outside this restricted area, the virtual object 600 'is imperceptible.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of the structure and function of a device according to a third exemplary embodiment of the invention, in which a plurality of holographic elements 750A to 750E are assigned to one picture element.
  • a plurality of holographic elements 750A to 750E are assigned to a picture element in order to expand the area in which holographic reproduction of a virtual object 700 ′ corresponding to the picture element is possible.
  • the holographic element has a restricted area in which holographic reproduction of an object captured by the holographic element is possible. This is shown schematically in the figure using the holographic element 750B with a restricted area 751B.
  • each of the holographic elements 750A to 750E comprises a holographic image of the same object to be reproduced holographically, each holographic image of the object being made from a position corresponding to the later arrangement of the holographic elements. That is, the holographic recordings are made in such a way that the virtual objects 700 'that can be represented by the respective holographic elements spatially match despite the spatial arrangement of the holographic elements.
  • the arrangement of the holographic elements 750A to 750E preferably results in an overlap region between adjacent holographic elements in which holographic reproduction can be perceived both by the one holographic element and by the adjacent holographic element.
  • Such an overlap area 752 between the holographic elements 750B and 750C is explicitly shown in the figure.
  • the display can either take place in such a way that all associated holographic elements are selectively illuminated synchronously, or in such a way that only a holographic element assigned to the current viewing angle of a viewer is selectively illuminated.
  • the latter requires a corresponding device for detecting the viewing angle and a corresponding design and control of the projection device.
  • At least one optical projection device which causes the display of a picture element to be displayed in three-dimensional space in that it selectively illuminates at least one holographic element associated with the image element to be displayed.
  • a plurality of the holographic elements each comprise a holographic image of a diffusely reflecting or a diffusely transmitting surface or a diffusely reflecting or a diffusely transmitting rod, wherein each surface and each rod corresponds to the cube surfaces or the cube edges of one Corresponding three-dimensional lattice-like arrangement.
  • the optical projection device is capable of illuminating at least one of the holographic elements with light of the wavelength with which a holographic recording encompassed by the respective holographic element was made.
  • the selective illumination of holographic elements comprises a spatial selection and / or a selection based on the phase, the wavelength, the angle of incidence and / or the polarization of the light projected onto the respective holographic element.
  • Device with a viewing angle detection device which detects the viewing angle of a user on the plurality of holographic elements and determines the selection of selectively illuminated holographic elements according to the viewing angle.
  • each picture element can be represented in such a way that the respective picture element appears with a correct size in perspective in relation to a predetermined viewing perspective and the perceived position of the picture element in three-dimensional space.

Abstract

The invention relates to a device for the three-dimensional representation of image elements. Said device comprises a plurality of holographic elements, each associated with one image element, and at least one optical projection device that allows for the three-dimensional representation of an image element to be represented by selectively illuminating at least one holographic element associated with the image element to be represented. A plurality of the holographic elements comprise one holographic recording each of a diffusely reflecting or a diffusely transmitting object.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum Method and device for displaying picture elements in three-dimensional space
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum sowie ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a device for displaying picture elements in three-dimensional space and a corresponding method.
Stand der TechnikState of the art
Derartige Vorrichtungen, beispielsweise auf der Basis einer rotierenden Fläche oder einer stufenweise Fluoreszenzanregung, sind bekannt,Devices of this type, for example based on a rotating surface or a step-by-step fluorescence excitation, are known.
In diesem Sinne beschreibt DE 2622802 ein Verfahren zur dreidimensionalen Abbildung mit einem über eine zweidimensionale Ablenkfläche ausgelenkten Bildstrahl auf einem um eine mit der optischen Achse der Ablenkfläche zusammenfallenden Rotationsachse rotierenden, als geometrische Erzeugende eines Abbildungsraumes ausgestalteten flächenhaften Bildschirm, vorzugsweise aus durchscheinendem Material, und eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens.In this sense, DE 2622802 describes a method for three-dimensional imaging with an image beam deflected via a two-dimensional deflection surface on an areal screen, preferably made of translucent material, rotating around an axis of rotation coinciding with the optical axis of the deflection surface and designed as a geometric generator of an imaging space, and a device to practice this procedure.
Bezüglich der stufenweisen Fluoreszenzanregung wurde schon 1920 an Quecksilberdampf beobachtet, daß sich seine Atome durch aufeinanderfolgende Bestrahlung mit zwei verschiedenen Lichtpulsen zum Nachleuchten (Fluoreszenz) anregen lassen. Prinzipiell müssen dazu die Atome drei geeignete Energie-Niveaus besitzen: Im Schnittpunkt zweier gekreuzter unsichtbarer Infrarot-Lichtstrahlen werden die Atome vom ersten zum zweiten Niveau und von dort auf ein drittes angeregt. Bei der Rückkehr zum Grundzustand senden sie sichtbares Licht aus, so daß der Schnittpunkt der Infrarotstrahlen leuchtet. Experimente dieser Art verliefen mit einem mit Erbium dotierten Kalziumfluoridkristall erfolgreich. Auf diese Weise hat man adressierbare leuchtende Raumpunkte. Nachteilig ist jedoch, daß das Leuchten nur in völliger Finsternis wahrnehmbar ist. Bisher haben die Forscher kein effizienteres Medium gefunden.With regard to the gradual excitation of fluorescence, it was observed in mercury vapor as early as 1920 that its atoms can be caused to afterglow (fluorescence) by successive irradiation with two different light pulses. In principle, the atoms must have three suitable energy levels: At the intersection of two crossed invisible infrared light beams, the atoms are excited from the first to the second level and from there to a third. When they return to the basic state, they emit visible light so that the intersection of the infrared rays shines. Experiments of this kind have been successful with an erbium-doped calcium fluoride crystal. In this way you have addressable luminous room points. The disadvantage, however, is that the glow is only perceptible in complete darkness. So far, the researchers have not found a more efficient medium.
WO 02/06864 offenbart ein holographisches Display zur Speicherung und Wiedergabe einer räumlichen Struktur, wobei das holographische Display aus mehreren holographischen Schirmen aufgebaut ist, die jeweils mit einer eigenen Projektionsvorrichtung zugeordnet sind. Allerdings wird dort keine Vorrichtung offenbart, die in der Lage ist, eine räumliche bildliche Wahrnehmung ähnlich der Betrachtung eines reellen Gegenstands durch eine Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum hervorzurufen. Statt dessen zielt das dort offenbarte Display im Prinzip darauf hin, die wahrgenommene Darstellungsebene eines κweidimensionalen Displays räumlich zu verschieben.WO 02/06864 discloses a holographic display for storing and reproducing a spatial structure, the holographic display being constructed from a plurality of holographic screens, each of which is associated with its own projection device. However, no device is disclosed there which is capable of producing a spatial visual perception similar to the observation of a real object by displaying image elements in three-dimensional space. Instead, the display disclosed there aims in principle to spatially shift the perceived display level of a κweimensional display.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum zur Verfügung zu stellen, die den durch die Vielfalt an kommerziell einsetzbaren zweidimensionalen Displayvorrichtungen erwachsenen Erwartungen eines Benutzers so weit wie möglich nachkommen. Insbesondere geht es darum, das Problem der dreidimensionalen Bildelementdarstellung in einer Art und Weise zu lösen, die eine kostengünstige, kompakte, unkomplizierte und/oder tragbare Ausführung der Vorrichtung zuläßt.The object of the present invention is to provide a method and a device for displaying picture elements in three-dimensional space, which as far as possible meet the expectations of a user due to the variety of commercially available two-dimensional display devices. In particular, it is a question of solving the problem of three-dimensional picture element display in a manner which allows the device to be designed in a cost-effective, compact, uncomplicated and / or portable manner.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit einer Vielzahl von holographischen Elementen bzw. ein Verfahren unter Verwendung einer Vielzahl von holographischen Elementen gelöst. Vorzugsweise ist jedes holographische Element einem Bildelement zugeordnet, wobei es insbesondere für eine Farbdarstellung zweckmäßig sein kann, wenn mehrere holographische Elemente einem jeweiligen Bildelement zugeordnet sind.According to the invention, this object is achieved by a device with a large number of holographic elements or a method using a large number of holographic elements. Each holographic element is preferably assigned to a picture element, it being particularly expedient for a color display if a plurality of holographic elements are assigned to a respective picture element.
Ein holographisches Element im Sinne der Erfindung umfaßt vorzugsweise eine oder mehrere holographischen Aufnahmen (was einem "Hologramm" entspricht) eines tatsächlichen oder durch direkt oder indirekt computergesteuerte Belichtung des der holographischen Aufnahme zugrundeliegenden Photomaterials virtuell emulierten Gegenstandes und ist somit in der Lage ist, die Brechungs-, Beugungs- und/oder Reflektionseigenschaften dieses Gegenstands in gewissen Maßen unter den bestimmten Umständen der holographischen Wiedergabe nachzuahmen. Insbesondere läßt sich hierdurch Information über die dreidimensionale Topologie des Gegenstands festhalten und wiedergeben.A holographic element in the sense of the invention preferably comprises one or more holographic recordings (which corresponds to a "hologram") of an actual or virtually directly or indirectly computer-controlled exposure of the photo material on which the holographic recording is based, and is thus capable of refraction -, diffraction and / or reflection properties of this object to a certain extent under the specific circumstances of holographic reproduction. In particular, this allows information about the three-dimensional topology of the object to be recorded and reproduced.
Dabei von Vorteil ist, daß das holographische Element die darin festgehaltene Topologie selbst nicht in seiner äußerlichen Form aufweisen muß. Beispielsweise könnte ein flaches holographisches Element die Brechungs-, Beugungs- und/oder Reflektionseigenschaften eines gekrümmten Gegenstands emulieren. Ebenfalls könnte ein gekrümmtes holographisches Element die Brechungs-, Beugungs- und/oder Reflektionseigenschaften eines andersartig gekrümmten oder flachen Gegenstands emulieren. Ein holographisches Element kann auch bei unterschiedlichen Wellenlängen die Brechungs-, Beugungs- und/oder Reflektionseigenschaften jeweilig verschiedener Gegenstände emulieren.The advantage here is that the holographic element itself does not have to have the topology recorded therein in its external form. For example, a flat holographic element could emulate the refractive, diffractive, and / or reflective properties of a curved object. A curved holographic element could also emulate the refraction, diffraction and / or reflection properties of a differently curved or flat object. A holographic element can also emulate the refraction, diffraction and / or reflection properties of different objects at different wavelengths.
Während bei einer üblichen photographischen Aufnahme die Intensität (bei Farbphotographie in Abhängigkeit von der Farbe bzw. Wellenlänge) des auf das Photomaterial fallenden Lichts erfaßt wird, erfaßt das feinkörnige Photomaterial bei einer holographischen Aufnahme das sehr feine Interferenzmuster der auf das Photomaterial fallenden Lichtwellen. Aus diesem Grund hängt die holographische Wiedergabe, die einer Lichtbrechung im Sinne der Erfindung entspricht, im allgemeinen stark von der Wellenlänge, der Einfallswinkel und der Phase des einfallenden Lichtes ab.While in a conventional photographic recording the intensity (in color photography depending on the color or wavelength) of the light falling on the photographic material is detected is, the fine-grained photo material detects the very fine interference pattern of the light waves falling on the photo material during a holographic recording. For this reason, the holographic reproduction, which corresponds to a refraction of light in the sense of the invention, generally depends strongly on the wavelength, the angle of incidence and the phase of the incident light.
Über die Technik der holographischen Aufnahme und Wiedergabe sowie über die damit erzielbaren Möglichkeiten und die jeweiligen Einschränkungen dieser Techniken kann beispielsweise in den Offenlegungsschriften DE 197 03 592 AI und DE 197 00 162 AI sowie in den Büchern und Veröffentlichungen "Optical Holography: Principles, Techniques, and Applications (Cambridge Studies in Modern Optics)" von P. Hariharan (ISBN: 0521439655), "Introduction To Fourier Optics" von Joseph Goodman (ISBN: 0070242542), "Optical Information Processing and Holography" von W. Thomas Cathey, John Wiley & Sons, N.Y., 1974, "Computer Generated Holograms: Techniques and applicationsϊ von Wai-Hon Lee in E. Wolf, Progress in Optics XVI, 1978 und "Topics in Applied Physics, Vol. 20: Holographie Recording Materials", H.M. Smith, Herausg., Springer- Verlag, Berlin, 1977 und den darin erwähnten Veröffentlichungen nachgelesen werden. Der gesamte Inhalt dieser Bücher und Veröffentlichungen wird deshalb ausdrücklich durch Bezugnahme in diese Anmeldung einbezogen.About the technology of holographic recording and reproduction as well as about the possibilities that can be achieved and the respective restrictions of these techniques can be found, for example, in the published documents DE 197 03 592 AI and DE 197 00 162 AI as well as in the books and publications "Optical Holography: Principles, Techniques, and Applications (Cambridge Studies in Modern Optics) "by P. Hariharan (ISBN: 0521439655)," Introduction To Fourier Optics "by Joseph Goodman (ISBN: 0070242542)," Optical Information Processing and Holography "by W. Thomas Cathey, John Wiley & Sons, NY, 1974, "Computer Generated Holograms: Techniques and applicationsϊ by Wai-Hon Lee in E. Wolf, Progress in Optics XVI, 1978 and" Topics in Applied Physics, Vol. 20: Holography Recording Materials ", HM Smith, Edited by Springer-Verlag, Berlin, 1977 and the publications mentioned therein. The entire content of these books and publications is therefore expressly stated ch incorporated by reference into this application.
Die Ausbreitung von Licht kann über Brechung, Beugung und/oder Reflektion beeinflußt werden, wobei der passende Begriff stark kontextabhängig ist. Im vorhergehenden Abschnitt wurde ersichtlich, daß weder eine namentliche Auflistung der möglichen Ausbreitungsänderungsarten noch der Begriff "Lichtausbreitungsänderung" eine knappe verständliche Formulierung zuläßt. In der Beschreibung wird deshalb der Begriff "Brechung" bzw. "brechen" als Synonym mit dem tatsächlichen Oberbegriff "Ausbreitungsänderung" verwendet.The propagation of light can be influenced via refraction, diffraction and / or reflection, the appropriate term being strongly context-dependent. In the previous section it became apparent that neither a list of the possible types of propagation change by name nor the term "change in light propagation" permits a concise, understandable wording. In the description, the term “refraction” or “breaking” is therefore used as a synonym with the actual generic term “change in propagation”.
Je nach den Rahmenbedingungen der Ausgestaltung können mehrere holographischen Elemente als separate Einheiten oder als integrale Einheit ausgeführt werden.Depending on the general conditions of the design, several holographic elements can be designed as separate units or as an integral unit.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt vorzugsweise eine oder mehrere optische Projektionsvorrichtungen. Im Sinne der Erfindung ist eine optische Projektionsvorrichtung jede Vorrichtung, die in der Lage ist, optische Signale zu emittieren oder Licht in einer kontrollierbaren Art und Weise abzugeben. (Sowohl das Emittieren von optischen Signalen als auch die kontrollierte Abgabe von Licht wird der Einfachheit halber im übrigen Teil der Anmeldung häufig als "Projektion" bezeichnet.) Zum Ersteren gehören beispielsweise Laser, Laserdioden, LED's, OLED's, etc. Letztere könnte zum Beispiel eine Kombination aus einer Lichtquelle, einem in der Fachsprache häufig als "light valve" (zu deutsch: Lichtventil) bezeichneten Modulator und einer Lichtleitanordnung, die das von der Lichtquelle erzeugte Licht zum Modulator leitet. Vorzugsweise ist die optische Projektionsvorrichtung selbst oder in Zusammenarbeit mit einer weiteren Vorrichtung in der Lage, Licht zu projizieren, das bezüglich seiner Intensität, Ausbreitungsrichtung, Polarisation, Phase, spektralen Zusammensetzung, insbesondere seiner Wellenlänge, und/oder eines anderen seiner Kenngrößen bestimmbar ist. Werden die Kenngrößen des Lichtes zeitlich verändert, wird dies in der Fachsprache als "Modulation" bezeichnet.The method and the device according to the invention preferably comprise one or more optical projection devices. In the sense of the invention, an optical projection device is any device that is capable of emitting optical signals or emitting light in a controllable manner. (Both the emitting of optical signals and the controlled emission of light are often referred to as "projection" in the rest of the application for the sake of simplicity.) The former includes, for example, lasers, laser diodes, LEDs, OLEDs, etc. The latter could be, for example Combination of a light source, one often referred to as "light valve" in technical terminology. designated modulator and a light guide arrangement that guides the light generated by the light source to the modulator. Preferably, the optical projection device itself or in cooperation with a further device is able to project light which can be determined with regard to its intensity, direction of propagation, polarization, phase, spectral composition, in particular its wavelength, and / or another of its parameters. If the parameters of the light are changed over time, this is referred to in technical jargon as "modulation".
Die Ausbreitung von Licht wird typischerweise als strahlenartig bezeichnet. Erfaßtes bzw. projiziertes Licht wird deshalb in der Anmeldung häufig als ein erfaßter bzw. projizierter "Lichtstrahl" oder auch "Abtaststrahl" bzw. "Projektionsstrahl" bezeichnet. Dies ist insbesondere bei Diskussionen um den Strahlengang, den Strahlendurchmesser, der spektralen Zusammensetzung und ähnlichen Eigenschaften des erfaßten bzw. projizierten Lichtes der Fall, die häufig mit dem Konzept eines Lichtstrahles assoziiert sind.The propagation of light is typically referred to as radiation-like. Detected or projected light is therefore often referred to in the application as a detected or projected "light beam" or "scanning beam" or "projection beam". This is particularly the case in discussions about the beam path, the beam diameter, the spectral composition and similar properties of the detected or projected light, which are often associated with the concept of a light beam.
Zwecks eines Leitens oder eines Gestaltens eines erfaßten bzw. projizierten Lichtstrahls kann eine erfindungsgemäße optische Abtastvorrichtung bzw. Projektionsvorrichtung über eine Lichtleitvorrichtung und/oder eine Lichtgestaltungsvorrichtung verfügen. Beispiele für solche Vorrichtungen, deren Abgrenzung von einander nicht immer eindeutig ist, sind steuerbare und nicht-steuerbare Spiegel, Teilerspiegel, akusto-optische Modulatoren, holographische Elemente, Blenden, Filter, Linsen, Lichtleiter, etc.For the purpose of guiding or shaping a detected or projected light beam, an optical scanning device or projection device according to the invention can have a light guiding device and / or a light design device. Examples of such devices, the demarcation of which is not always clear, are controllable and non-controllable mirrors, splitter mirrors, acousto-optical modulators, holographic elements, diaphragms, filters, lenses, light guides, etc.
Je nach den Rahmenbedingungen der Ausgestaltung können mehrere optischen Signalwandler, optische Projektionsvorrichtungen, Lichtleitvorrichtungen und/oder Lichtgestaltungsvorrichtungen als separate Einheiten oder integrale Einheit miteinander kombiniert werden.Depending on the general conditions of the configuration, several optical signal converters, optical projection devices, light guide devices and / or light design devices can be combined with one another as separate units or integral units.
Erfindungsgemäß kann die Projektionsvorrichtung insbesondere dazu verwendet werden, die Darstellung eines Bildelements im dreidimensionalen Raum durch Beleuchtung mindestens eines dem jeweiligen Bildelement zugeordneten holographischen Elements zu bewirken. Vorzugsweise erfolgt eine derartige Beleuchtung eines holographischen Elements selektiv, um eine kontrollierte Darstellung des jeweiligen Bildelements herbeizurufen. Erfindungsgemäß kann eine "selektive Beleuchtung" sowohl ein Beleuchten bzw. Nicht-Beleuchten als auch - im Fall einer Beleuchtung eines holographischen Elements - eine Beleuchtung derart umfassen, daß die dem holographischen Element innewohnenden holographischen Bedingungen erfüllt, das heißt, daß das durch die Beleuchtung auf das holographische Element fallende Licht gemäß dem im holographischen Element festgehaltenen Interferenzmuster gebrochen wird, bzw. nicht erfüllt. Im Sinne der Erfindung sind unter dem Begriff "Bildelemente" jegliche physikalischen, virtuellen und konzeptionellen Elemente zu verstehen, die einen optischen, "bildlichen" Eindruck entstehen lassen können. Vorzugsweise wendet die Erfindung lediglich solche Bildelemente an, die in einer Vielzahl einen optischen, "bildlichen" Eindruck entstehen lassen können. Die erfindungsgemäßen Bildelemente können sowohl herkömmliche Bildelemente, wie beispielsweise Pixel (zweidimensionale Bildpunkte) oder Voxel (dreidimensionale Raumbildpunkte), als auch neuartige Bildelemente, wie beispielsweise Linien, Flächen, Stäbe oder Würfel, umfassen. Obwohl die Erfindung Bildelemente bestimmter Formen bevorzugt, setzt die Erfindung keine Grenzen auf die Form der Bildelemente ab initio.According to the invention, the projection device can in particular be used to effect the display of a picture element in three-dimensional space by illuminating at least one holographic element assigned to the respective picture element. Such illumination of a holographic element is preferably carried out selectively in order to bring about a controlled display of the respective image element. According to the invention, "selective lighting" can include both illuminating and non-illuminating and, in the case of illuminating a holographic element, illuminating such that the holographic conditions inherent in the holographic element are met, that is to say that due to the illumination the holographic element falling light is refracted according to the interference pattern recorded in the holographic element, or is not met. For the purposes of the invention, the term “picture elements” is understood to mean any physical, virtual and conceptual elements that can give an optical, “visual” impression. The invention preferably only uses those picture elements which can give rise to a multitude of optical, "pictorial" impressions. The picture elements according to the invention can include both conventional picture elements, such as pixels (two-dimensional image points) or voxels (three-dimensional spatial image points), as well as novel image elements, such as lines, surfaces, bars or cubes. Although the invention prefers picture elements of certain shapes, the invention places no limits on the shape of the picture elements ab initio.
Es werden viele Merkmale der Erfindung im Laufe dieser Beschreibung sowohl im Allgemeinen als auch im engen Zusammenhang eines jeweiligen, konkret dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Selbstverständlich läßt sich jedes einzelne Merkmal der Erfindung mit jedem anderen Merkmal kombinieren, soweit die resultierende Kombination nicht zu einem für den Fachmann als sofort unsinnig erkennbaren Ergebnis führt. Hierzu gehört die Austauschbarkeit eines im Singular erwähnten Merkmals mit einer jeweiligen Pluralität dieses Merkmals, sofern die Möglichkeit einer solchen Singularität bzw. Pluralität nicht explizit ausgeschlossen wurde. Auch diejenigen Modifikationen und Alternativen der beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, die der Fachmann zum Erfindungsgedanken und zum Erfindungsumfang hinzurechnet, gehören ebenfalls zur Erfindung. Diese Aussagen betreffen nicht die Bestimmung des gewerblichen Schutzbereichs dieser Patentanmeldung/Patent sofern einen Schutzbereich nach anwendbarem Recht durch die Ansprüche verliehen wird.Many features of the invention are explained in the course of this description, both in general and in the close context of a respective, specifically illustrated exemplary embodiment. Of course, each individual feature of the invention can be combined with any other feature, provided that the resulting combination does not lead to a result which the person skilled in the art can immediately recognize as nonsensical. This includes the interchangeability of a feature mentioned in the singular with a respective plurality of this feature, unless the possibility of such a singularity or plurality has not been explicitly excluded. Those modifications and alternatives of the described features and combinations of features that the person skilled in the art adds to the inventive concept and scope of the invention also belong to the invention. These statements do not relate to the determination of the commercial scope of this patent application / patent if a scope of protection is conferred by the claims under applicable law.
In der vorliegenden Anmeldung werden, wo es zweckmäßig ist, Merkmale eines Verfahrens beschrieben. Dabei ist stets ausdrücklich eine Vorrichtung offenbart, die geeignet ist, das vorgeschlagene Verfahren auszuführen, beispielsweise ein geeignet programmierter Computer, Sensoren, die in der Lage sind, die notwendigen Signale zu liefern, Signalverarbeitungsvorrichtungen, die in der Lage sind, diese Signals geeignet zu verarbeiten, etc.Features of a method are described in the present application where appropriate. A device that is suitable for carrying out the proposed method is always expressly disclosed, for example a suitably programmed computer, sensors that are able to deliver the necessary signals, signal processing devices that are able to process these signals appropriately , Etc.
Es sei auch explizit daraufhingewiesen, daß alle beschriebenen Vorrichtungsmerkmale sich analog in einem entsprechenden Verfahren zur Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum anwenden lassen.It should also be explicitly pointed out that all of the described device features can be used analogously in a corresponding method for representing picture elements in three-dimensional space.
Nachstehend sind einige weitere bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen der Erfindung kurz erläutert. Vorzugsweise umfassen alle oder mehrere der holographischen, Elemente jeweils eine holographische Aufnahme eines difϊus reflektierenden oder eines difϊus transmittierenden Gegenstands.Some further preferred features and combinations of features of the invention are briefly explained below. Preferably, all or more of the holographic elements each comprise a holographic image of a difϊus reflecting or a difϊus transmitting object.
Wenn Licht unter Einhaltung der holographischen Bedingungen auf eine holographische Aufnahme eines Gegenstands fällt, so entsteht ein räumliches Lichtmuster, als wäre der Gegenstand selbst unter den bei der holographischen Aufnahme herrschenden Beleuchtungsumstände illuminiert worden. Insbesondere wird dabei die räumliche Anordnung des Gegenstands, d.h. der Abstand und die Ausrichtung des Gegenstands zur Photoplatte, in der holographischen Aufnahme festgehalten.If light falls on a holographic image of an object while observing the holographic conditions, a spatial light pattern arises as if the object itself had been illuminated under the lighting conditions prevailing during the holographic image. In particular, the spatial arrangement of the object, i.e. the distance and the orientation of the object to the photo plate, recorded in the holographic image.
Difϊus reflektierende bzw. difϊus transmittierende Gegenstände, beispielsweise Schirme, zeichnen sich dadurch aus, daß sie darauffallendes Licht über einen weiten Winkel gleichmäßig (zurück)streuen. Im Idealfall ist diese Streuung im wesentlichen wellenlängenunabhängig. Somit stellen diffus reflektierende bzw. difϊus transmittierende Gegenstände eine hervorragende Grundlage für die Darstellung von mono- oder multispektralen Bildelementen dar. Während die Verwendung von Schirmen für die Darstellung von Bildern beispielsweise aus der Kinotechnik bekannt ist, ist eine pixelweise Bilddarstellung unter Verwendung von entsprechenden "Mnischirmen" unüblich. Gleiches gilt für andere diffus reflektierenden bzw. diffus transmittierenden Gegenstände.Difϊus reflecting or difϊus transmitting objects, such as umbrellas, are characterized by the fact that they evenly (back) scatter light falling on them over a wide angle. Ideally, this scatter is essentially independent of the wavelength. Diffusely reflecting or diffusely transmitting objects thus represent an excellent basis for the representation of mono- or multispectral picture elements. While the use of screens for the representation of pictures is known, for example, from cinema technology, pixel-by-pixel picture representation using appropriate "men screens" " unusual. The same applies to other diffusely reflecting or diffusely transmitting objects.
Vorzugsweise umfassen alle oder mehrere der holographischen Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung jeweils eine holographische Aufnahme eines difϊus reflektierenden oder eines difϊus transmittierenden Gegenstands, insbesondere eines zweidimensionalen Schirms.All or more of the holographic elements of the device according to the invention preferably each comprise a holographic image of a difϊusly reflecting or a difϊusly transmitting object, in particular a two-dimensional screen.
Die Vorteile derartiger holographischen Aufnahmen sind im vorhergehenden Abschnitt beschrieben. Näheres über die Herstellung und Anwendung solcher holographischen Aufnahmen ist beispielsweise in den zuvor genannten Offenlegungsschriften DE 197 03 592 AI und DE 197 00 162 AI offenbart.The advantages of such holographic recordings are described in the previous section. More information on the production and use of such holographic recordings is disclosed, for example, in the aforementioned publications DE 197 03 592 AI and DE 197 00 162 AI.
• Vorzugsweise umfassen mehrere der holographischen Elemente jeweils eine holographische Aufnahme einer difϊus reflektierenden oder einer difϊus transmittierenden Fläche oder eines difϊus reflektierenden oder eines difϊus transmittierenden Stabs, wobei jede Fläche und jeder Stab den Würfelflächen bzw. den Würfelkanten einer zusammenhängenden dreidimensionalen gitterförmigen Anordnung entsprechen. Die Verwendung von difϊus reflektierenden oder difϊus transmittierenden Schirmen als Vorlage für holographische Aufnahmen zur erfindungsgemäßen Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum birgt den Nachteil, daß bei einer holographischen Wiedergabe des Schirms lediglich ein flächiges Bildelement entsprechend der Schirmoberfläche wahrnehmbar wird. Aufgrund dieser "Null-Dimensionalität" einer Schirmoberfläche in der senkrecht dazu stehenden Richtung ist es aufwendig, eine kontinuierlich wirkende bildliche Darstellung in eine senkrecht zur holographischen Wiedergabe der Schirmoberfläche stehende Richtung zu bewirken.• Preferably, several of the holographic elements each comprise a holographic image of a difϊus reflecting or a difϊus transmitting surface or a difϊus reflecting or a difϊus transmitting rod, each surface and each rod corresponding to the cube surfaces or the cube edges of a coherent three-dimensional grid-shaped arrangement. The use of difϊus reflecting or difϊus transmitting screens as a template for holographic recordings for the display of picture elements according to the invention in three-dimensional space has the disadvantage that only a flat picture element corresponding to the screen surface is perceptible in a holographic display of the screen. Because of this "zero dimensionality" of a screen surface in the direction perpendicular to it, it is expensive to effect a continuously acting pictorial representation in a direction perpendicular to the holographic representation of the screen surface.
Dieser Nachteil läßt sich zum Beispiel durch die Verwendung von Gegenständen mit dreidimensionaler Ausdehnung als Vorlage für die von den holographischen Elementen umfaßten, holographischen Aufnahmen vermeiden. Aufgrund ihrer wie zuvor geschilderten Abstrahlungseigenschaften sind difϊus reflektierende sowie difϊus transmittierende Gegenstände mit dreidimensionaler Ausdehnung besonders vorteilhaft.This disadvantage can be avoided, for example, by using objects with a three-dimensional dimension as a template for the holographic images encompassed by the holographic elements. Because of their radiation properties as described above, difϊus reflecting and difϊus transmitting objects with three-dimensional dimensions are particularly advantageous.
Insbesondere wenn dreidimensionale Gebilde durch selektive, holographische Wiedergabe von einzelnen Elementen im Raum dargestellt werden sollen, bietet sich die Verwendung von Flächen und Stäben entsprechend den Würfelflächen und Würfelkanten einer dreidimensionalen Gitteranordnung als Vorlage für die wiederzugebenden holographischen Aufnahmen an. Wie unter näher erläutert wird, müssen lediglich drei orthogonale Fläche und Kanten eines jeweiligen Würfels aufgenommen werden, um eine vollständige Wiedergabe der Gitter- und Flächenstruktur der gitterartigen Anordnung zu ermöglichen.In particular, if three-dimensional structures are to be represented by selective, holographic reproduction of individual elements in space, the use of surfaces and bars corresponding to the cube surfaces and cube edges of a three-dimensional grid arrangement lends itself as a template for the holographic recordings to be reproduced. As will be explained in more detail below, only three orthogonal surfaces and edges of a respective cube have to be recorded in order to enable a complete reproduction of the lattice and surface structure of the lattice-like arrangement.
• Vorzugsweise ist die optische Projektionsvorrichtung in der Lage, mindestens eines der holographischen Elemente mit Licht jener Wellenlänge zu beleuchten, mit der eine vom jeweiligen holographischen Element umfaßte holographische Aufnahme erfolgt ist.• The optical projection device is preferably able to illuminate at least one of the holographic elements with light of the wavelength with which a holographic image encompassed by the respective holographic element was taken.
Erfindungsgemäß können ausgewählte holographische Elemente von einer optischen Projektionsvorrichtung selektiv beleuchtet werden. Eine derartige Selektion läßt sich beispielsweise zum Teil dadurch verwirklichen, daß die Wellenlänge des von der optischen Projektionsvorrichtung projizierten Lichtes zur Beleuchtung von bestimmten holographischen Elementen abgestimmt ist. Dies könnte insbesondere bei einer multispektralen (beispielsweise rot, grün, blau) Darstellung zum Einsatz kommen, bei der beispielsweise für die Darstellung von roten Bildelementen ausgelegte holographische Elemente von einer roten Lichtquelle beleuchtet werden, während für die Darstellung von blauen bzw. grünen Bildelementen ausgelegte holographische Elemente von einer jeweiligen blauen bzw. grünen Lichtquelle beleuchtet werden.According to the invention, selected holographic elements can be selectively illuminated by an optical projection device. Such a selection can be achieved, for example, in part by coordinating the wavelength of the light projected by the optical projection device for illuminating certain holographic elements. This could be used in particular in the case of a multispectral (for example red, green, blue) display in which, for example, holographic elements designed for the display of red picture elements are illuminated by a red light source, while holographic designed for the display of blue or green picture elements Elements are illuminated by a respective blue or green light source.
Eine Abstimmung zwischen der Wellenlänge des von der optischen Projektionsvorrichtung projizierten Lichtes und jeweilige holographische Aufnahmen kann auch dazu beitragen, daß das projizierte Licht möglichst vollständig von den jeweiligen holographischen Elementen gebrochen wird. So kann eine hohe Leuchtkraft der so dargestellten Bildelemente ermöglicht werden, was zur Tageslichttauglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beiträgt.A coordination between the wavelength of the light projected by the optical projection device and the respective holographic recordings can also contribute to the fact that projected light is refracted as completely as possible from the respective holographic elements. In this way, a high luminosity of the picture elements represented in this way can be made possible, which contributes to the daylight suitability of the device according to the invention.
• Vorzugsweise umfaßt die Vielzahl von holographischen Elementen eine Vielzahl von identischen holographischen Elementen.• The plurality of holographic elements preferably comprises a plurality of identical holographic elements.
Eine besonders kostengünstige Herstellung der Vorrichtung läßt sich dadurch verwirklichen, daß viele der holographischen Element identisch sind. Dabei können existierende holographische Element als Vorlage für die Herstellung von weiteren Elementen benutzt werden, wie es dem Fachmann für Holographie bekannt ist. Auf diese Art und Weise läßt sich die Anzahl der holographischen Aufnahmen, die zur Herstellung der Vorrichtung notwendig sind, erheblich reduzieren.A particularly inexpensive manufacture of the device can be achieved in that many of the holographic elements are identical. Existing holographic elements can be used as templates for the production of further elements, as is known to the person skilled in the art of holography. In this way, the number of holographic recordings required to produce the device can be reduced considerably.
Die durch die Identität der holographischen Elemente bewirkte Vereinheitlichung dieser birgt sowohl Vorteile als auch Nachteile. Vorteilig kann die Gleichmäßigkeit der holographischen Elemente sein, da dies bei einer holographischen Wiedergabe mittels der identischen holographischen Elemente einen gleichmäßigen optischen Eindruck erwecken kann. Nachteilig kann die Identität der holographischen Elemente dadurch sein, daß sie an für eine perspektivisch richtige Wiedergabe notwendigen Details mangeln. Dieser Nachteil träte zum Beispiel in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vorschein, bei der eine dreidimensionale, arrayartige Anordnung von Gegenständen durch eine Vielzahl von holographischen Elementen wiedergeben wird, bei der alle Gegenstände einer jeweiligen "Tiefe" durch einen zweidimensionalen Array von identischen holographischen Elementen repräsentiert werden. Somit enthielten die holographischen Elemente keine passenden Informationen darüber, ob der darzustellende Gegenstand links, rechts, oben oder unten steht.The standardization of the holographic elements brings with them both advantages and disadvantages. The uniformity of the holographic elements can be advantageous, since this can give a uniform visual impression in the case of holographic reproduction by means of the identical holographic elements. The identity of the holographic elements can be disadvantageous in that they lack the details necessary for a perspective correct reproduction. This disadvantage would appear, for example, in a device according to the invention, in which a three-dimensional, array-like arrangement of objects is represented by a large number of holographic elements, in which all objects of a respective “depth” are represented by a two-dimensional array of identical holographic elements. The holographic elements therefore did not contain any suitable information as to whether the object to be displayed is on the left, right, above or below.
Vorzugsweise umfaßt die selektive Beleuchtung von holographischen Elementen eine räumliche Selektion und/oder eine auf der Phase, der Wellenlänge, den Einfallswinkel und/oder der Polarisation des auf das jeweilige holographische Element projizierten Lichts basierte Selektion.The selective illumination of holographic elements preferably comprises a spatial selection and / or a selection based on the phase, the wavelength, the angle of incidence and / or the polarization of the light projected onto the respective holographic element.
Bei der selektiven Beleuchtung von holographischen Elementen ist vor allem wichtig, daß die Selektion gezielt, zuverlässig und mit möglichst wenig Aufwand durchgeführt werden kann.In the selective illumination of holographic elements, it is particularly important that the selection can be carried out specifically, reliably and with as little effort as possible.
Vorzugsweise erfolgt die Selektion auf räumlicher Basis. Das heißt, die jeweiligen holographischen Elemente sind räumlich von einander getrennt, so daß eine selektive Beleuchtung jeweiliger Gebiete, sei es durch Lichtstrahlablenkung, Abdeckung, o.a., einer selektiven Beleuchtung eines jeweiligen holographischen Elements entspricht. Eine räumliche Trennung der einzelnen holographischen Elemente ist unter anderem dann sinnvoll, wenn mehrere holographische Elemente in einem einzelnen holographischen Element zu vereinen sind, beispielsweise wenn ein Volumenhologramm sehr viele holographische Aufnahmen enthalten soll, da die räumliche Trennung ein optisches Übersprechen zwischen den einzelnen holographischen Elementen unterbindet.The selection is preferably carried out on a spatial basis. This means that the respective holographic elements are spatially separated from one another, so that selective illumination of the respective areas, be it by light beam deflection, covering, or the like, is selective Illumination of a respective holographic element corresponds. A spatial separation of the individual holographic elements is useful, among other things, if several holographic elements are to be combined in a single holographic element, for example if a volume hologram is to contain a large number of holographic recordings, since the spatial separation prevents optical crosstalk between the individual holographic elements ,
Gleichwohl kann die selektive Beleuchtung selektiv im Sinne einer selektiven Erfüllung der holographischen Bedingungen erfolgen. Dies kann durch selektive Einstellung eines oder mehrerer für die Erfüllung der holographischen Bedingung maßgebenden Parametern, beispielsweise der Phase, der Wellenlänge, des Einfallswinkel oder der Polarisation, des auf das jeweilige holographische Element einfallenden Lichtes erfolgen. Dies läßt sich durch dem Fachmann bekannte Mittel, beispielsweise Filter, Ablenkvorrichtungen, LCD-Elemente, akustisch-optische Modulatoren, etc., erzielen. Bei aktiver Beleuchtung ist es möglich, das Licht gleich bei seiner Erzeugung entsprechend zu modulieren.Nevertheless, the selective illumination can take place selectively in the sense of a selective fulfillment of the holographic conditions. This can be done by selectively adjusting one or more parameters that are decisive for the fulfillment of the holographic condition, for example the phase, the wavelength, the angle of incidence or the polarization, of the light incident on the respective holographic element. This can be achieved by means known to those skilled in the art, for example filters, deflection devices, LCD elements, acoustic-optical modulators, etc. With active lighting, it is possible to modulate the light accordingly when it is generated.
• Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung lediglich eine Projektionsvorrichtung auf, die die Vielzahl von holographischen Elementen beleuchtet.• The device according to the invention preferably has only one projection device which illuminates the multiplicity of holographic elements.
Auf diese Weise läßt sich die Größe sowie die Gesamtkomplexität der Vorrichtung reduzieren. Insbesondere bei tragbaren oder sogenannten Low-Budget-Anwendungen ist dies von Vorteil. Voraussetzung für eine solche Ausführung ist, daß die Projektionsvorrichtung, ggf. in Zusammenarbeit mit einer entsprechenden lichtbearbeitenden Vorrichtung, in der Lage ist, die erfindungsgemäße selektive Beleuchtung von holographischen Elemente durchzuführen.In this way, the size and the overall complexity of the device can be reduced. This is particularly advantageous for portable or so-called low-budget applications. A prerequisite for such an embodiment is that the projection device, possibly in cooperation with a corresponding light processing device, is capable of carrying out the selective illumination of holographic elements according to the invention.
• Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vielzahl an Projektionsvorrichtungen auf, von denen jede eine gegenseitig exklusive Vielzahl von holographischen Elementen beleuchtet.• The device according to the invention preferably has a multiplicity of projection devices, each of which illuminates a mutually exclusive multiplicity of holographic elements.
Die Verwendung einer Vielzahl von Projektionsvorrichtungen ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine multispektrale Darstellung erfolgen oder eine sehr hohe Anzahl von holographischen Elemente selektiv beleuchtet werden soll. Eine Vielzahl von Projektionsvorrichtungen kann auch nützlich sein, um räumlich auseinander liegende holographische Elemente präzise beleuchten zu können, beispielsweise um eine Darstellung der Bildelemente auch für verschiedene, verhältnismäßig weit auseinander liegende Betrachtungswinkel zu ermöglichen. Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine optische Sensorvorrichtung, deren Ausgangssignale zur Eichung des Selektionsvorgangs verwendet werden.The use of a large number of projection devices is particularly expedient if a multispectral display is to take place or if a very large number of holographic elements are to be illuminated selectively. A large number of projection devices can also be useful in order to be able to precisely illuminate spatially separated holographic elements, for example in order to enable the image elements to be displayed for different, relatively far apart viewing angles. The device according to the invention preferably comprises an optical sensor device, the output signals of which are used to calibrate the selection process.
Ein moderner hochauslösender Bildschirm stellt ungefähr eine Million Pixel dar. Soll durch die Erfindung eine ähnlich hochauslösende, jedoch dreidimensionale Darstellung auf Voxelbasis erreicht werden, so müßte eine genaue Beleuchtung ausgewählter holographischer Elemente aus ca. eine Milliarde solcher Elemente durchgeführt werden. Dementsprechend bietet es sich an, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer optischen Sensorvorrichtung zu versehen, deren Ausgangssignale zur Eichung des Selektionsvorgangs verwendet werden können.A modern high-resolution screen represents approximately one million pixels. If a similarly high-resolution, but three-dimensional, voxel-based display is to be achieved by the invention, then precise illumination of selected holographic elements from approximately one billion such elements would have to be carried out. Accordingly, it makes sense to provide the device according to the invention with an optical sensor device, the output signals of which can be used to calibrate the selection process.
Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vielzahl an markierenden holographischen Elementen, die darauffallendes Licht durch Brechung unterscheidbar kennzeichnen.The device according to the invention preferably comprises a multiplicity of marking holographic elements which distinguishably distinguish light incident thereon by refraction.
Analog den vorhergehenden Ausführungen bietet es sich ebenfalls an, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit markierenden holographischen Elementen zu versehen, die darauffallendes Licht derart brechen, daß sie sich durch entsprechende Erfassung und Auswertung dieses gebrochenen Lichtes von den anderen holographischen Elementen unterscheiden lassen, so daß diese markierenden holographischen Elemente ebenfalls zur Eichung des Selektionsvorgangs verwendet werden können.Analogous to the previous explanations, it is also advisable to provide the device according to the invention with marking holographic elements which refract the incident light in such a way that they can be distinguished from the other holographic elements by appropriate detection and evaluation of this refracted light, so that these marking holographic elements Elements can also be used to calibrate the selection process.
• Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine• The device according to the invention preferably comprises a
Blickwinkelerfassungsvorrichtung, die den Blickwinkel eines Benutzers auf die Vielzahl von holographischen Elementen erfaßt und die Auswahl an selektiv zu beleuchtenden holographischen Elementen gemäß dem Blickwinkel bestimmt.Viewing angle detection device that detects a user's viewing angle on the plurality of holographic elements and determines the selection of selectively illuminated holographic elements according to the viewing angle.
Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage ist, Bildelemente derart darzustellen, daß ein räumlicher Bildeindruck entsteht, unterscheidet sich dieser Bildeindruck von der natürlichen Wahrnehmung eines Gegenstands dahingehend, daß die dargestellten Bildelemente lediglich eine virtuelle Erscheinung sind und folglich lichtdurchlässig sind. Soll eine realitätsnahe Darstellung eines Gegenstands durch Darstellung einzelner Bildelemente erfolgen, soll muß die Vorrichtung dafür sorgen, daß Bildelemente verborgen bleiben, d.h. nicht dargestellt werden, die aus dem Blickwinkel des Betrachters "versteckt" sein sollen, auch wenn der Betrachter seinen Blickwinkel verändert. Vorzugsweise wird diese Aufgabe von der oben genannten Blickwinkelerfassungsvorrichtung übernommen. • Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine steuerbare Aufhängung, die in der Lage ist, die Lage und Orientierung eines oder mehrerer Komponenten der Vorrichtung gezielt zu verändern.Although the device according to the invention is able to display picture elements in such a way that a spatial picture impression is created, this picture impression differs from the natural perception of an object in that the picture elements shown are merely a virtual appearance and are consequently translucent. If a realistic representation of an object is to be carried out by displaying individual picture elements, the device must ensure that picture elements remain hidden, ie are not shown, that are supposed to be "hidden" from the viewer's point of view, even if the viewer changes his point of view. This task is preferably performed by the above-mentioned viewing angle detection device. • The device according to the invention preferably comprises a controllable suspension which is able to specifically change the position and orientation of one or more components of the device.
Eine zusätzliche Möglichkeit, eine perspektivisch richtige, dreidimensionale Darstellung zu gewähren, liegt darin, die Lage und/oder Orientierung eines oder mehrerer der die Bildelemente darstellenden Komponenten der Vorrichtung vis-a-vis einem vorgegebenen Betrachtungswinkel zu verändern und die Darstellung von Bildelementen gleichzeitig der Veränderung entsprechend anzupassen. Vorzugsweise trägt die oben genannte steuerbare Aufhängung zur Erledigung dieser Aufgabe bei.An additional possibility of granting a perspective, three-dimensional representation is to change the position and / or orientation of one or more of the components of the device representing the picture elements vis-a-vis a predetermined viewing angle and the representation of picture elements at the same time as the change adjust accordingly. The above-mentioned controllable suspension preferably contributes to the accomplishment of this task.
Vorzugsweise ist die Größe jedes Bildelements der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart darstellbar, daß das jeweilige Bildelement bezogen auf eine vorgegebene Betrachtungsperspektive und die wahrzunehmende Position des Bildelements im dreidimensionalen Raum mit einer perspektivisch richtigen Größe erscheint.The size of each picture element of the device according to the invention can preferably be represented in such a way that the respective picture element appears with a correct perspective in relation to a given viewing perspective and the perceptible position of the picture element in three-dimensional space.
Bei der Darstellung eines Bildelements im dreidimensionalen Raum spielen viele Faktoren eine Rolle bei der perspektivischen Wahrnehmung. Unter anderem spielt die wahrgenommene Größe eines Gegenstands eine große Rolle bei der teils unbewußten Abschätzung seiner Entfernung vom Betrachter. Es ist deshalb wichtig, die Größe eines Bildelements perspektivisch richtig darzustellen, um keinen perspektivischen Widerspruch beim Betrachter zu verursachen.When representing a picture element in three-dimensional space, many factors play a role in perspective perception. Among other things, the perceived size of an object plays a major role in the partly unconscious estimation of its distance from the viewer. It is therefore important to correctly represent the size of a picture element in perspective, so as not to cause a perspective contradiction in the viewer.
Im folgenden werden einzelne Merkmale der Erfindung besprochen. Zwecks der Übersichtlichkeit ist die Besprechung der Merkmale nach Themengebieten gegliedert.Individual features of the invention are discussed below. For the sake of clarity, the discussion of the features is structured according to subject areas.
1 Allgemeines1. General
Zweck der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, Bildelemente im dreidimensionalen Raum darzustellen. Vorzugsweise ergibt erst eine Summe von dargestellten Bildelementen einen vorgegebenen bildlicher Inhalt. Das heißt, ein gewünschter bildlichen Inhalt wird aus einzelnen Bildelementen zusammengesetzt. Im Normalfall wird der bildliche Eindruck, der durch die Darstellung mehrerer Bildelemente entsteht, sich deutlich vom bildlichen Eindruck eines einzelnen Bildelements unterscheiden. Dies ist vergleichbar mit der Darstellung eines Vollfarbbilds am LCD- Monitor gegenüber der Darstellung eines einzelnen Pixels.The purpose of the device according to the invention is to display picture elements in three-dimensional space. Preferably, only a sum of the picture elements shown results in a predetermined visual content. That is, a desired visual content is composed of individual picture elements. Normally, the visual impression that results from the representation of several picture elements will differ significantly from the visual impression of a single picture element. This is comparable to the display of a full-color image on the LCD monitor compared to the display of a single pixel.
Es wurde schon oben erwähnt, daß die erfindungsgemäßen Bildelemente nicht auf Pixel (Bildpunkte) und Voxel (Raumbildpunkte) beschränkt sind, sondern einen beliebigen bildlichen Eindruck entstehen lassen können. Die erfindungsgemäße Darstellung von Bildelementen wird vorzugsweise dadurch bewirkt, daß eine optische Projektionsvorrichtung ein dem darzustellenden Bildelement zugeordnetes holographisches Element selektiv beleuchtet. Das holographische Element wiederum umfaßt vorzugsweise eine holographische Aufnahme eines diffus reflektierenden oder eines diffus transmittierenden Gegenstands. Dies schließt selbstverständlich nicht aus, daß eine jeweilige holographische Aufnahme auch andere Gegenstände, beispielsweise eine optische Linse, einen Spiegel oder eine andere lichtstrahlverändernde Vorrichtung, umfaßt. Zum Beispiel könnte die holographische Aufnahme des diffus reflektierenden bzw. diffus transmittierenden Gegenstands durch eine optische Linse hindurch erfolgen, um beispielsweise die virtuelle Entfernung des Gegenstands von der holographischen Photoplatte oder die virtuelle Größe des Gegenstands nach Wunsch zu verringern oder zu vergrößern.It has already been mentioned above that the picture elements according to the invention are not limited to pixels (picture elements) and voxels (spatial picture elements), but can give rise to any visual impression. The display of picture elements according to the invention is preferably effected in that an optical projection device selectively illuminates a holographic element assigned to the picture element to be displayed. The holographic element in turn preferably comprises a holographic image of a diffusely reflecting or a diffusely transmitting object. Of course, this does not exclude that a respective holographic recording also includes other objects, for example an optical lens, a mirror or another light beam changing device. For example, the holographic recording of the diffusely reflecting or diffusely transmitting object could take place through an optical lens, for example to reduce or enlarge the virtual distance of the object from the holographic photo plate or the virtual size of the object as desired.
Wie diese Beispiele verdeutlichen, entspricht die geometrische Form eines holographisch aufgenommenen Gegenstands vorzugsweise der erwünschten geometrischen Form des jeweiligenAs these examples make clear, the geometric shape of a holographically recorded object preferably corresponds to the desired geometric shape of the respective object
Bildelements, zumindest über den von der bei der holographischen Aufnahme verwendetenImage element, at least above that used in the holographic recording
Photoplatte erfaßten Blickwinkel. Die Farbe eines durch holographische Wiedergabe dargestelltenPhoto plate captured viewing angle. The color of one represented by holographic rendering
Bildelements hingegen entspricht im wesentlichen der Wellenlänge des für die holographischeImage element, on the other hand, essentially corresponds to the wavelength of that for holographic
Wiedergabe verwendeten Lichtes, das wiederum im Einklang mit der Wellenlänge des bei der jeweiligen holographischen Aufnahme verwendeten Lichts bzw. mit den für eine holographischePlayback used light, which in turn in accordance with the wavelength of the light used in the respective holographic recording or with that for a holographic
Wiedergabe zwingenden holographischen Bedingungen gewählt sein muß. Vorzugsweise werden mehrere bei entsprechenden Wellenlängen aufgenommene holographische Elemente einesPlayback mandatory holographic conditions must be selected. Preferably, several holographic elements recorded at corresponding wavelengths become one
Gegenstands mit Licht einer jeweiligen Grundfarbe beleuchtet, um durch Farbaddition der jeweiligen Grundfarben eine virtuelle Darstellung eines Bildelements in einer beliebigen Farbe zu bewirken.Object illuminated with light of a respective primary color in order to bring about a virtual representation of an image element in any color by adding the respective primary colors.
2 perspektivische Darstellung2 perspective view
Bei der Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum treten perspektivische Darstellungsschwierigkeiten auf, die die Erfindung mit verschiedenen Mitteln überwindet.When displaying picture elements in three-dimensional space, perspective display difficulties arise which the invention overcomes by various means.
2.1 redundante holographische Elemente2.1 redundant holographic elements
Ein Hologramm läßt sich mit einem Fenster gleicher Abmessungen und gleicher Topologie vergleichen. Das heißt, ein Hologramm kann bestenfalls die Einblicke festhalten, die durch ein an Stelle des Hologramm eingesetzten Fensters ermöglicht werden würde. Aus dieser Analogie ist ersichtlich, daß ein einziges holographisches Element lediglich ein im Vergleich zu Realität stark eingeschränkte Darstellung eines Gegenstands darbieten kann. Zudem ist ein Hologramm keineswegs in der Lage, seinen bildlichen Inhalt über sämtliche Betrachtungswinkel optimal wiederzugeben. Der Bereich bester Wiedergabe beschränkt sich auf ca. ±30° um eine senkrecht durch das Hologramm verlaufende Blickachse.A hologram can be compared to a window with the same dimensions and the same topology. In other words, a hologram can at best capture the insights that would be made possible by a window used instead of the hologram. From this analogy it can be seen that a single holographic element can only present a representation of an object that is very limited in comparison to reality. There is also a hologram in no way able to optimally reproduce its pictorial content across all viewing angles. The range of the best reproduction is limited to approx. ± 30 ° around a line of sight running perpendicularly through the hologram.
Um die oben angesprochenen Schwierigkeiten zu überwinden, sieht die Erfindung vorzugsweise die Verwendung von mehreren holographischen Elementen zur Darstellung eines jeweiligen Bildelements vor, wobei vorzugsweise jedes dieser holographischen Elemente eine holographische Aufnahme des gleichen, dem Bildelement zugrundeliegenden Gegenstands aus einer jeweils anderer Perspektive umfaßt. Unter Berücksichtigung des Betrachtungswinkels eines Betrachters wird das passende holographische Element selektiv beleuchtet, um die Wahrnehmbarkeit der holographischen Darstellung aus dem momentanen Blickwinkel zu gewährleisten. Die Feststellung des Betrachtungswinkels eines Betrachter wird im folgenden näher beschrieben.In order to overcome the difficulties mentioned above, the invention preferably provides for the use of a plurality of holographic elements to represent a respective picture element, each of these holographic elements preferably comprising a holographic recording of the same object on which the picture element is based from a different perspective. Taking into account the viewing angle of a viewer, the appropriate holographic element is selectively illuminated in order to ensure the perceptibility of the holographic representation from the current point of view. The determination of the viewing angle of an observer is described in more detail below.
2.2 Feststellung des Betrachtungswinkels2.2 Determining the viewing angle
Aus seiner natürlichen Umgebung ist ein Betrachter es gewohnt, seinen Blickwinkel auf einen Gegenstand ändern zu können. Da die vorliegende Erfindung der natürlichen Wahrnehmung so weit wie möglich nachkommen möchte, stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise die Augenposition und/oder die Blickrichtung eines Betrachters fest, um dem Betrachter eine gegebenenfalls angepaßte, perspektivisch richtige Darstellung der Bildelemente im dreidimensionalen Raum zu gewährleisten.From his natural environment, a viewer is used to being able to change his perspective on an object. Since the present invention wishes to comply with natural perception as much as possible, the device according to the invention preferably determines the eye position and / or the viewing direction of an observer in order to ensure the observer an optionally adapted, perspective-correct representation of the image elements in three-dimensional space.
Die Erfindung sieht zwei bevorzugte Möglichkeiten vor, um die Augenposition und/oder die Blickrichtung eines Betrachters zu ermitteln.The invention provides two preferred options for determining the eye position and / or the viewing direction of a viewer.
2.2.1 "Eye-Tracking" (Augenverfolgung)2.2.1 "Eye Tracking"
Eine sehr flexible Möglichkeit, die Augenposition und/oder die Blickrichtung eines Betrachters zu ermitteln, stellt das sogenannte "Eye-Tracking" (zu deutsch: Augenverfolgung) dar. Dabei werden über die Erfassung von vorzugsweise optischen Signalen aus dem Auge des Betrachters retinale, korneale oder andere Charakteristika des Auges ermittelt. Anhand der Positionsänderungen dieser Charakteristika kann anschließend die Position und/oder die Ausrichtung des Auges berechnet werden. Die so gewonnenen Daten lassen sich sinnvoll ergänzen, indem aktive oder passive Detektorvorrichtungen dazu verwendet werden, die Position und/oder die Orientierung des Betrachters näher oder zusätzlich bestimmen. Dem Fachmann auf dem Gebiet mit der internationalen Patentklassifizierung A61B 3/113 sind solche Eye-Tracking- Vorrichtung geläufig.A very flexible way of determining the eye position and / or the direction of gaze of a viewer is the so-called "eye tracking". Retinal, corneal is used to record preferably optical signals from the viewer's eye or other characteristics of the eye. The position and / or the orientation of the eye can then be calculated on the basis of the position changes of these characteristics. The data obtained in this way can be meaningfully supplemented by using active or passive detector devices to determine the position and / or the orientation of the viewer more closely or additionally. Those skilled in the art with the international patent classification A61B 3/113 are familiar with such eye tracking devices.
2.2.2 bewegliches Gestell Die Augenposition und/oder die Blickrichtung eines Betrachters gegenüber einem durch die erfindungsgemäße Vorrichtung darzustellenden Bildelement läßt sich auch dadurch bestimmen, daß die absolute Augenposition des Betrachters von der Vorrichtung fest vorgegeben wird. Eine Änderung der Betrachtungsperspektive kann dann dadurch verwirklicht werden, daß die lichtprojizierenden bzw. "brechenden Komponenten der Vorrichtung teilweise oder insgesamt auf einem beweglichen Gestell montiert sind, das entsprechend der erwünschten Änderung der Betrachtungsperspektive bewegt wird. Vorzugsweise wird das Gestell derart mit Antrieb aufgehängt, daß eine präzis steuerbare Rotationsbewegung um drei orthogonalen Achse möglich ist.2.2.2 movable frame The eye position and / or the viewing direction of a viewer relative to a picture element to be represented by the device according to the invention can also be determined by the device specifying the absolute eye position of the viewer. A change in the viewing perspective can then be realized in that the light-projecting or "refractive components of the device are partially or entirely mounted on a movable frame which is moved in accordance with the desired change in the viewing perspective. Preferably, the frame is suspended with a drive such that a precisely controllable rotational movement around three orthogonal axes is possible.
Die Verwendung eines beweglichen Gestells ist vor allem dann von Vorteil, wenn nicht- kugelförmige Bildelemente verwendet werden, da andersförmige Bildelemente Unsymmetrien aufweisen, die im festen Winkelverhältnis zum darstellenden holographischen Element stehen. Eine beliebige fein wählbare Rotation der Darstellung eines solchen Elements erfordert dementsprechend entweder eine große Vielzahl an holographischen Elementen, die das Bildelement in der jeweiligen zahlreichen Positionen darstellen können, oder eine Möglichkeit, das holographische Element gegenüber dem Betrachter zu drehen.The use of a movable frame is particularly advantageous when non-spherical picture elements are used, since differently shaped picture elements have asymmetries that are in a fixed angular relationship to the holographic element. Accordingly, any finely selectable rotation of the representation of such an element either requires a large number of holographic elements which can represent the image element in the respective numerous positions, or a possibility of rotating the holographic element in relation to the viewer.
3 Steuerung3 control
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt vorzugsweise eine Steuerung. Diese kann sowohl für eine perspektivisch richtige als auch für eine dem erwünschten bildlichen Eindruck möglichst nahekommende Darstellung sorgen.The device according to the invention preferably comprises a controller. This can provide both a perspective correct as well as a representation as close as possible to the desired visual impression.
Zum Aufgabenbereich der Steuerung kann gehören, daß die Steuerung die darzustellenden Bildelemente anhand vorgegebenen Bilddaten auswählt, die dem erwünschten bildlichen Eindruck entsprechen. Diese können zum Beispiel die CAD-Daten eines Architektenentwurfs sein. Soll ein dreidimensionaler Gegenstand dargestellt werden, so könnte die Steuerung anhand von Benutzereingaben bestimmen, ob der Gegenstand undurchsichtig, transparent oder teils transparent erscheint. Dies wird sowohl dadurch bestimmt, daß bestimmte Bildelemente erscheinen bzw. nicht erscheinen, als auch durch die relative Helligkeit der jeweiligen dargestellten Bildelemente. Bei einem undurchsichtigen Gegenstand werden aus dem momentanen Blickwinkel "versteckten" Bildelemente zum Beispiel nicht dargestellt. Bei einem durchsichtigen Gegenstand können "versteckte" Bildelemente dunkler dargestellt werden als "nicht-versteckte" Bildelemente. Auch andere Darstellungsmerkmale wie Farbe, Linienstärke, etc. können durch die Steuerung zur Erzielung des erwünschten bildlichen Eindrucks bestimmt werden. Hier kann auch die Wahl des darzustellenden Bildelements eine Rolle spielen. Zum Beispiel könnte die Vorrichtung flächenartige, stabförmige und kugelförmige Bildelemente umfassen. Für eine Darstellung von Umrissen wäre die Verwendung von stabförmigen Bildelemente angebracht. Für eine Darstellung von homogenen Flächen wäre die Verwendung von flächenartigen Bildelemente sinnvoll. Für eine Darstellung von einzelnen Punkten im Raum wären die kugelförmigen Bildelemente hilfreich.The area of responsibility of the control system can include that the control system selects the image elements to be displayed on the basis of predetermined image data that correspond to the desired visual impression. These can be, for example, the CAD data of an architect's design. If a three-dimensional object is to be displayed, the controller could use user input to determine whether the object appears opaque, transparent or partially transparent. This is determined both by the fact that certain picture elements appear or not appear, and by the relative brightness of the respective picture elements shown. In the case of an opaque object, “hidden” picture elements, for example, are not shown from the current point of view. With a transparent object, "hidden" picture elements can be displayed darker than "non-hidden" picture elements. Other display features such as color, line width, etc. can also be determined by the control to achieve the desired visual impression. The choice of the image element to be displayed can also play a role here. For example, the device include sheet-like, rod-shaped and spherical picture elements. The use of rod-shaped picture elements would be appropriate for a representation of outlines. For a representation of homogeneous areas, the use of area-like picture elements would make sense. The spherical image elements would be helpful for displaying individual points in space.
Die Steuerung kann auch dazu verwendet werden, die dargestellte bzw. wahrgenommene Betrachtungsperspektive zu ändern. Würde ein Betrachter anderenfalls zum Beispiel seine tatsächliche Betrachtungsperspektive der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung hervorgerufene Darstellung ändern, ohne daß die Darstellung sich ändert, so könnten perspektivische Widersprüche entstehen, die dem Betrachter verwirren. Zum Beispiel könnten "sichtbare" Bildelemente verborgen bleiben, während "versteckte" Bildelemente weiterhin sichtbar sind.The control can also be used to change the viewing perspective shown or perceived. If, for example, a viewer would otherwise change his actual viewing perspective of the display caused by the device according to the invention without the display changing, perspective contradictions could arise which confuse the viewer. For example, "visible" picture elements could remain hidden, while "hidden" picture elements are still visible.
Eine Änderung der dargestellten bzw. wahrgenommenen Betrachtungsperspektive kann sowohl dadurch erfolgen, daß die Auswahl an darzustellenden Bildelementen geändert wird, um den Eindruck einer geänderten erwünschten Perspektive zu erwecken, als auch dadurch, daß die Auswahl an darzustellenden Bildelementen geändert wird, um die Darstellung an die tatsächliche Betrachtungsperspektive anzupassen.A change in the viewpoint perspective shown or perceived can take place both by changing the selection of picture elements to be displayed in order to give the impression of a changed desired perspective and by changing the selection of picture elements to be displayed in order to match the display adjust the actual perspective.
Eine Steuerung kann auch dazu verwendet werden, den Projektionsvorgang zu steuern und/oder zu eichen. Zum Beispiel könnte die Steuerung in einem die Projektionsvorrichtung, eine Lichtleitvorrichtung und/oder eine Lichtgestaltungsvorrichtung sowie einen optischen Sensor aufweisenden Signalkreis enthalten sein, mit dem Licht auf holographische Elemente projiziert wird. Das Licht wird gegebenenfalls von in dem holographischen Element vorgesehenen Markierungen charakteristisch gebrochen und vom optischen Sensor mindestens teilweise erfaßt, der entsprechende Signale an die Steuerung übermittelt. Aus den aufgrund der charakteristischen Brechung charakteristischen Signale, gegebenenfalls mit Kenntnis der Eigenschaften des ausgestrahlten Lichts, kann die Steuerung die Projektionsvorrichtung, eine Lichtleitvorrichtung und/oder eine Lichtgestaltungsvorrichtung gezielt steuern und/oder eichen.A controller can also be used to control and / or calibrate the projection process. For example, the controller could be contained in a signal circuit having the projection device, a light guide device and / or a light design device and an optical sensor, with which light is projected onto holographic elements. The light is optionally refracted characteristically by markings provided in the holographic element and at least partially detected by the optical sensor, which transmits corresponding signals to the control. The control can control and / or calibrate the projection device, a light guiding device and / or a light design device in a targeted manner from the signals which are characteristic on the basis of the characteristic refraction, possibly with knowledge of the properties of the emitted light.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:The present invention is described below with reference to the description of exemplary embodiments with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von sowohl konzeptionellen als auch reellen Gegenständen, die einer bildlichen Darstellung im dreidimensionalen Raum gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zugrunde liegen können; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bildlichen Darstellung einer treppenartigen Gebilde im dreidimensionalen Raum gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;Figure 1 is a schematic representation of both conceptual and real objects, which can be based on a pictorial representation in three-dimensional space according to a first embodiment of the invention. 2 shows a schematic representation of a pictorial representation of a staircase-like structure in three-dimensional space according to a first exemplary embodiment of the invention;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bildlichen Darstellung im dreidimensionalen Raum gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;3 shows a schematic representation of a pictorial representation in three-dimensional space according to a first exemplary embodiment of the invention;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktion einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;Fig. 4 is a schematic representation of the structure and function of a device according to a second embodiment of the invention;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen holographischen Aufhahmetechnik;5 is a schematic illustration of a conventional holographic recording technique;
Fig. 6A eine schematische Darstellung einer herkömmlichen holographischen Aufhahmetechnik;6A is a schematic representation of a conventional holographic recording technique;
Fig. 6B eine schematische Darstellung einer herkömmlichen holographischen Wiedergabetechnik;6B is a schematic illustration of a conventional holographic rendering technique;
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktion einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der mehrere holographische Elemente einem Bildelement zugeordnet sind.Fig. 7 is a schematic representation of the structure and function of a device according to a third embodiment of the invention, in which several holographic elements are assigned to a picture element.
Fig. 1Fig. 1
Figur 1 stellt sowohl konzeptionelle als auch reelle Gegenstände schematisch dar, die einer bildlichen Darstellung im dreidimensionalen Raum gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zugrunde liegen. Hierbei erfolgt die Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum gemäß einer dreidimensionalen Gitteranordnung, was einer Anordnung von konzeptionellen Würfeln 100 entspricht. Aus der in Figur 1 nachempfundenen Perspektive sind drei Flächen 101X, 101Y und 101Z des Würfels 100 sichtbar. Die Fläche 101X steht senkrecht zu der in der Figur gezeigten X-Achse, während die Fläche 101Y bzw. 101Z senkrecht zu der in der Figur dargestellten Y- bzw. Z- Achse steht.FIG. 1 schematically shows both conceptual and real objects that are based on a pictorial representation in three-dimensional space according to a first exemplary embodiment of the invention. Image elements are represented in three-dimensional space according to a three-dimensional grid arrangement, which corresponds to an arrangement of conceptual cubes 100. From the perspective modeled in FIG. 1, three surfaces 101X, 101Y and 101Z of the cube 100 are visible. The surface 101X is perpendicular to the X axis shown in the figure, while the surface 101Y or 101Z is perpendicular to the Y or Z axis shown in the figure.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Flächen 101X, 101 Y und 101Z als separate, difϊus reflektierende Platten ausgeführt. Von jeder dieser Platten für sich allein werden drei holographische Aufnahmen aus der gleichen Perspektive jeweils mit rotem, grünem bzw. blauem Licht gemacht. Dabei wird ein Laserlichtstrahl der entsprechenden Wellenlänge mittels eines Teilerspiegels in einen Objektstrahl und einen Referenzstrahl geteilt. Der Referenzstrahl wird quasi direkt auf eine Photoplatte (ggf. über eine Aufweitungsoptik, um die gesamte Photoplatte auszuleuchten) gelenkt, während der Objektstrahl auf die Platte trifft und von dieser auf die Photoplatte reflektiert wird. Das zwischen dem Referenzstrahl und dem Objektstrahl entstehende Interferenzmuster wird von der Photoplatte festgehalten. Diese Aufhahmetechnik wird in Figur 5 schematisch dargestellt. Während der Aufnahme wird die Platte in einer aus der Aufhahmeperspektive unsichtbaren Weise in ihre jeweilige Position gestützt, damit lediglich die jeweilige Platte Gegenstand der Aufnahme wird.According to the first exemplary embodiment of the invention, the surfaces 101X, 101 Y and 101Z are designed as separate, difϊus reflecting plates. Three holographic recordings of each of these plates are made from the same perspective with red, green and blue light. A laser light beam of the corresponding wavelength is divided into an object beam and a reference beam by means of a splitter mirror. The reference beam is directed almost directly onto a photo plate (possibly via an expansion lens to illuminate the entire photo plate), while the object beam hits the plate and is reflected by it on the photo plate. The resultant between the reference beam and the object beam Interference pattern is captured by the photo plate. This recording technique is shown schematically in Figure 5. During the recording, the plate is supported in its respective position in a manner invisible from the recording perspective, so that only the respective plate becomes the object of the recording.
Die Aufnahmen können auf gemeinsames oder auf unterschiedliches Photomaterial erfolgen, wobei auf ein eventuelles Übersprechen der jeweiligen Aufnahmen zu achten sei. Wichtig ist, daß die Aufnahmen sich derart unterscheiden, daß eine selektive Wiedergabe möglich ist. Solche Unterscheidungskraft kann zum Beispiel dadurch erlangt werden, daß die Aufnahmen auf jeweils unterschiedliche Bereiche des Photomaterials gemacht werden und/oder daß der Einfallswinkel, die Phase, die Polarisation und/oder die Wellenlänge des Referenzstrahls für jede Aufnahme individuell eingestellt wird.The recordings can be made on common or on different photographic material, taking into account possible crosstalk of the respective recordings. It is important that the recordings differ in such a way that selective playback is possible. Such distinctive character can be achieved, for example, by taking the pictures on different areas of the photographic material and / or by individually setting the angle of incidence, the phase, the polarization and / or the wavelength of the reference beam for each picture.
Nachdem alle Platten in ihrer jeweiligen aktuellen Position in jeder Grundfarbe holographisch aufgenommen worden sind, erfolgt eine weitere analoge Aufhahmeserie aus der gleichen Perspektive, bei der die Platten um jeweils eine Würfelbreite, -höhe und/oder "tiefe verschoben sind. Wie oben können die Aufnahmen auf das bisherige, auf gemeinsames oder auf unterschiedliches Photomaterial erfolgen.After all of the plates have been holographically recorded in their respective current positions in each basic color, another series of analogue recordings takes place from the same perspective, in which the plates are shifted by one cube width, height and / or "depth. As above, the recordings can be made take place on the previous, on common or on different photo material.
Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis Aufnahmen der Platten in allen Grundfarben für jeden Würfel der Gitteranordnung vorliegen.This process is repeated until images of the plates are available in all primary colors for each cube of the grid arrangement.
Im unteren Teil der Figur 1 ist ein Würfel 100 gezeigt, bei dem die aus der in Figur 1 nachempfundenen Perspektive "sichtbaren" Kanten des Würfels 100 als separate, difϊus reflektierende Stäbe 102X, 102Y und 102Z ausgeführt sind. Die Längsachse des Stabes 102X verläuft parallel zu der in der Figur gezeigten X-Achse, während die Stäbe 101 Y und 101Z parallel zu der in der Figur dargestellten Y- bzw. Z-Achse orientiert sind.In the lower part of FIG. 1, a cube 100 is shown in which the edges of the cube 100 “visible” from the perspective emulated in FIG. 1 are designed as separate, difϊusly reflecting rods 102X, 102Y and 102Z. The longitudinal axis of rod 102X is parallel to the X axis shown in the figure, while rods 101 Y and 101Z are oriented parallel to the Y and Z axes shown in the figure.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden analog dem oben bezüglich der Platten beschriebenen Vorgehensweise von den jeweiligen Stäben holographische Aufiiahmen gemacht, so daß auch Aufnahmen der Stäbe in allen Grundfarben für jeden Würfel der Gitteranordnung vorliegen.According to the first exemplary embodiment of the invention, holographic recordings are made of the respective rods analogously to the procedure described above with regard to the plates, so that recordings of the rods are also available in all primary colors for each cube of the grid arrangement.
Die Aufnahmen der Stäbe eignen sich zur Darstellung von Umrissen; die Aufnahmen der Platten eignen sich zur Darstellung von Flächen. Dies wird in den folgenden beiden Figuren verdeutlicht.The photographs of the rods are suitable for representing outlines; the recordings of the plates are suitable for displaying surfaces. This is illustrated in the following two figures.
Fig. 2 Figur 2 zeigt schemenhaft eine bildliche Darstellung eines treppenartigen Gebildes im dreidimensionalen Raum gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier erfolgt die Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum gemäß einer dreidimensionalen Gitteranordnung, was einer Anordnung von Würfeln 200 entspricht. Im Einklang mit der matrixartigen Anordnung der Würfel sind diese in Klammern mit X-, Y- und Z- Koordinaten versehen.Fig. 2 Figure 2 schematically shows a pictorial representation of a stair-like structure in three-dimensional space according to a first embodiment of the invention. Here, too, image elements are represented in three-dimensional space according to a three-dimensional grid arrangement, which corresponds to an arrangement of cubes 200. In line with the matrix-like arrangement of the cubes, they are provided in brackets with X, Y and Z coordinates.
Das treppenartige Gebilde wird gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Betrachter dadurch zur bildlichen Darstellung gebracht, daß holographische Aufnahmen von entsprechenden Gegenstände selektiv beleuchtet werden. Infolge der selektiven Beleuchtung erscheinen Bildelemente, d.h. virtuelle holographische Abbildungen der jeweiligen Gegenstände, im dreidimensionalen Raum, die zusammen beim Betrachter den Eindruck des erwünschten, in Beispielsfall treppenartigen Gebildes erwecken. Das treppenartige Gebilde der Figur 2 besteht aus 7 Bildelementen. Die gezeigte Darstellung entspricht einer holographischen Wiedergabe folgender Gegenstände: Platte 201Y des Würfels 200(3,1,1), Platte 201Z des Würfels 200(3,1,1), Platte 201Z des Würfels 200(3,2,1), Platte 201Z des Würfels 200(2,2,1), Platte 201Z des Würfels 200(1,2,1), Platte 201Y des Würfels 200(1,3,2) und Platte 201Z des Würfels 200(1,3,2).According to the first exemplary embodiment of the invention, the stair-like structure is visualized for a viewer by selectively illuminating holographic recordings of corresponding objects. As a result of the selective lighting, picture elements appear, i.e. virtual holographic images of the respective objects, in three-dimensional space, which together give the viewer the impression of the desired, in some cases staircase-like structure. The step-like structure of Figure 2 consists of 7 picture elements. The illustration shown corresponds to a holographic representation of the following objects: plate 201Y of the cube 200 (3.1.1), plate 201Z of the cube 200 (3.1.1), plate 201Z of the cube 200 (3.2.1), plate 201Z of Cube 200 (2,2,1), plate 201Z of Cube 200 (1,2,1), plate 201Y of Cube 200 (1,3,2) and plate 201Z of Cube 200 (1,3,2) ,
Die in Figur 2 verwendete Schraffierung dient zur Kennzeichnung der durch holographische Wiedergabe sichtbaren Bildelemente und ist dementsprechend nicht als Musterung der Bildelemente zu verstehen. Aufgrund der holographischen Aufnahme und Wiedergabe des dem Bildelement zugrundeliegenden Gegenstands weist das Bildelement eine Musterung auf, die den Brechungs- bzw. Reflektionseigenschaften des Gegenstands bei der bei der holographischen Aufnahme verwendeten Wellenlänge. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dienen difϊus reflektierende Platten und/oder Stäbe als Grundlage für die Bildelemente. Demgemäß scheinen die holographisch wiedergegebenen Bildelemente eine rauhe Oberfläche ähnlich einer Scheibe Milchglas zu besitzen.The hatching used in FIG. 2 serves to identify the picture elements visible by holographic reproduction and is accordingly not to be understood as a patterning of the picture elements. Due to the holographic recording and reproduction of the object on which the picture element is based, the picture element has a pattern which corresponds to the refraction or reflection properties of the object at the wavelength used in the holographic recording. According to the first embodiment, difϊus reflecting plates and / or rods serve as the basis for the picture elements. Accordingly, the holographically reproduced picture elements appear to have a rough surface similar to a sheet of frosted glass.
Die wahrgenommene Farbe eines Bildelements hängt im wesentlichen von der Wellenlänge und der Intensität des für die holographische Darstellung des Bildelements verwendeten Lichts ab. Wegen der Wellenlängenspezifität von holographischen Aufnahmen ordnet das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie oben beschrieben, drei holographische Aufnahmen einem jeweiligen Bildelement zu, um eine Darstellung des Bildelements in jeder der drei Grundfarbe zu ermöglichen. (Sowohl hier als auch an anderer Stelle der Anmeldung kann ein "Bildelement" mehrere Subelemente umfassen - hier die einzelnen Farbdarstellungen - oder lediglich einem solchen "Subelement" entsprechen - d.h. jede Farbdarstellung ist als eigenständiges Bildelement zu verstehen. In Anlehnung an der in der Displaytechnik üblichen Nomenklatur, wonach der Begriff "Pixel" stellvertretend für drei Subpixel in jeder der Grundfarben benutzt wird, wird der Begriff "Bildelement" hier zur Bezeichnung eines gegebenenfalls multispektralen Elements.") Das auf ein jeweiliges holographisches Element fallende Licht wird in seiner effektiven, d.h. für einen Betrachter wahrnehmbaren, Intensität derart gesteuert, daß das Bildelement in der gewünschten Farbe zu erleuchten scheint. Dabei besteht das wahrgenommene Bildelement in Wirklichkeit aus drei farblich unterschiedlichen, sich präzis überlappenden holographischen Darstellungen eines Gegenstands.The perceived color of a picture element essentially depends on the wavelength and the intensity of the light used for the holographic representation of the picture element. Because of the wavelength specificity of holographic recordings, the first exemplary embodiment of the invention, as described above, assigns three holographic recordings to a respective picture element in order to enable the picture element to be represented in each of the three basic colors. (Both here and elsewhere in the application, a "picture element" can comprise several sub-elements - here the individual color representations - or simply correspond to such a "sub-element" - ie each color representation is to be understood as an independent picture element. In line with that in display technology The usual nomenclature, according to which the term "pixel" is used to represent three subpixels in each of the primary colors, is the The term "picture element" here refers to a possibly multispectral element. ") The light falling on a respective holographic element is controlled in its effective, that is to say perceptible to an observer, such that the picture element appears to illuminate in the desired color the perceived picture element in reality from three color-different, precisely overlapping holographic representations of an object.
Kg. 3Kg. 3
Figur 3 zeigt schemenhaft eine bildliche Darstellung eines linienartigen Gebildes im dreidimensionalen Raum gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier erfolgt die Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum gemäß einer dreidimensionalen Gitteranordnung, was einer Anordnung von Würfeln 200 entspricht. Im Einklang mit der matrixartigen Anordnung der Würfel sind diese in Klammern mit X-, Y- und Z- Koordinaten versehen.Figure 3 shows a schematic representation of a line-like structure in three-dimensional space according to a first embodiment of the invention. Here, too, image elements are represented in three-dimensional space according to a three-dimensional grid arrangement, which corresponds to an arrangement of cubes 200. In line with the matrix-like arrangement of the cubes, they are provided in brackets with X, Y and Z coordinates.
Das linienartige Gebilde wird gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Betrachter dadurch zur bildlichen Darstellung gebracht, daß holographische Aufnahmen von entsprechenden Gegenstände selektiv beleuchtet werden. Infolge der selektiven Beleuchtung erscheinen Bildelemente, d.h. virtuelle holographische Abbildungen der jeweiligen Gegenstände, im dreidimensionalen Raum, die zusammen beim Betrachter den Eindruck des erwünschten, in Beispielsfall linienartigen Gebildes erwecken. Das linienartige Gebilde der Figur 3 besteht aus 7 Bildelementen. Die gezeigte Darstellung entspricht einer holographischen Wiedergabe folgender Gegenstände: Stab 202Z des Würfels 300(3,1,1), Stab 302Y des Würfels 300(3,1,1), Stab 302X des Würfels 300(3,2,1), Stab 302X des Würfels 300(2,2,1), Stab 302Y des Würfels 300(1,2,1), Stab 302Z des Würfels 300(1,3,2) und Stab 302Y des Würfels 300(1,3,2).According to the first exemplary embodiment of the invention, the line-like structure is visualized for a viewer by selectively illuminating holographic recordings of corresponding objects. As a result of the selective lighting, picture elements appear, i.e. virtual holographic images of the respective objects, in three-dimensional space, which together give the viewer the impression of the desired, line-like structure in the example. The line-like structure of FIG. 3 consists of 7 picture elements. The representation shown corresponds to a holographic representation of the following items: rod 202Z of the cube 300 (3.1.1), rod 302Y of the cube 300 (3.1.1), rod 302X of the cube 300 (3.2.1), rod 302X of Cube 300 (2,2,1), Bar 302Y of Cube 300 (1,2,1), Bar 302Z of Cube 300 (1,3,2) and Bar 302Y of Cube 300 (1,3,2) ,
Die Figur 3 verdeutlicht gegenüber der Figur 2 vor allem den unterschiedlichen Eindruck, der durch die selektive Beleuchtung andersartiger Bildelemente erweckt werden kann. Selbstverständlich sieht die Erfindung auch die gleichzeitige Beleuchtung von Bildelementen unterschiedlicher Art vor, sofern dies für die erwünschte Darstellung sinnvoll ist.In comparison with FIG. 2, FIG. 3 illustrates above all the different impression that can be created by the selective illumination of different image elements. Of course, the invention also provides for the simultaneous illumination of picture elements of different types, provided that this makes sense for the desired display.
Fig. 4Fig. 4
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktion einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine virtuelle dreidimensionale matrixartige Anordnung von schirmartigen Bildelementen zur Darstellung von Voxeln im dreidimensionalen Raum verwendet wird. In der Figur sind nicht alle Bildelemente, sondern lediglich vier in einer Reihe liegenden Bildelemente einer jeweiligen Ebene 400(1) bis 400(4) der Anordnung dargestellt.FIG. 4 shows a schematic representation of the structure and function of a device according to a second exemplary embodiment of the invention, in which a virtual three-dimensional matrix-like arrangement of screen-like picture elements is used to represent voxels in three-dimensional space. Not all picture elements are in the figure, but only four image elements of a respective level 400 (1) to 400 (4) of the arrangement lying in a row are shown.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung projiziert ein Laser 410 einen Lichtstrahl 413 auf einen ersten steuerbar beweglichen Spiegel 411, der den Lichtstrahl 413 in Richtung eines zweiten steuerbar beweglichen Spiegels 412 lenkt. Über den zweiten Spiegel 412 wird der Lichtstrahl 413 auf eine Scheibe 420 projiziert, die eine Vielzahl an im zweidimensionalen Array angeordneten holographischen Elementen umfaßt. Aufgrund des veränderbaren Pfads des Lichtstrahls 413 über die zwei steuerbar beweglichen Spiegel 411, 412 können holographische Elemente der Scheibe 420 selektiv beleuchtet werden.According to the second exemplary embodiment of the invention, a laser 410 projects a light beam 413 onto a first controllably movable mirror 411, which directs the light beam 413 in the direction of a second controllably movable mirror 412. Via the second mirror 412, the light beam 413 is projected onto a pane 420 which comprises a large number of holographic elements arranged in the two-dimensional array. Due to the changeable path of the light beam 413 via the two controllably movable mirrors 411, 412, holographic elements of the pane 420 can be selectively illuminated.
Jedes der holographischen Elemente umfaßt eine holographische Aufnahme eines diffus reflektierenden Schirms, wobei der dem jeweiligen holographischen Element zugeordnete Schirm während der holographischen Aufnahme derart gegenüber der aufnehmenden Photoplatte plaziert ist, daß die Gesamtheit der von der Scheibe 420 umfaßten holographischen Elemente Aufnahmen einer dreidimensionalen matrixartigen Anordnung von Schirmen umfaßt. Diese bei der holographischen Aufnahme vorgesehene Anordnung entspricht bei einer holographischen Wiedergabe der gewünschten virtuellen dreidimensionalen matrixartigen Anordnung von schirmartigen Bildelementen. Somit lassen sich Bildelemente, hier Voxel, gemäß einer dreidimensionalen matrixartigen Anordnung dadurch virtuell darstellen, daß die den jeweiligen Bildelementen zugeordneten holographischen Elemente der Scheibe 420 selektiv beleuchtet werden.Each of the holographic elements comprises a holographic image of a diffusely reflecting screen, the screen assigned to the respective holographic element being placed opposite the receiving photoplate during the holographic image in such a way that the entirety of the holographic elements encompassed by the disk 420 are images of a three-dimensional matrix-like arrangement of Screens covered. This arrangement provided for the holographic recording corresponds to the desired virtual three-dimensional matrix-like arrangement of screen-like picture elements in the case of a holographic reproduction. Thus, according to a three-dimensional matrix-like arrangement, picture elements, here voxels, can be represented virtually by selectively illuminating the holographic elements of the disk 420 assigned to the respective picture elements.
Gemäß der Figur wird der Lichtstrahl 413 von einem holographischen Element der Scheibe 420 derart gebrochen werden, daß ein gebrochener Lichtstrahl 423 auf das Auge 499 eines Betrachters trifft. Dabei liegt das Auge 499 im begrenzten Abstrahlbereich 421 des jeweiligen holographischen Elements.According to the figure, the light beam 413 will be refracted by a holographic element of the disk 420 such that a refracted light beam 423 strikes the eye 499 of an observer. The eye 499 lies in the limited radiation area 421 of the respective holographic element.
Damit die durch die Darstellung der Bildelemente wahrgenommenen Voxel aus der gezeigten Betrachtungsperspektive gleich groß erscheinen, nimmt die Größe der Bildelemente einer jeweiligen Ebenen 400(1) bis 400(4) der dreidimensionalen matrixartigen Anordnung mit zunehmender Nähe zum Betrachter ab. Somit sind die Bildelemente der Ebene 400(1) größer als die Bildelemente der Ebene 400(2). Entsprechendes gilt für die Ebenen 400(3) und 400(4). Demgemäß sind die den virtuellen Bildelementen der Ebene 400(3) zugrundeliegenden reellen Schirmen größer als die den virtuellen Bildelementen der Ebene 400(4) zugrundeliegenden reellen Schirmen. Die Anordnung der von der Scheibe 420 umfaßten holographischen Elemente muß nicht der virtuelle Anordnung der Bildelemente ähneln. Wichtig ist, daß die bei der holographischen Aufnahme optisch festgehaltene Position eines als virtuelles Bildelement holographisch wiederzugebenden reellen Gegenstands entsprechend der sich später ergebenden Position des holographischen Elements gegenüber der gewünschten Position des virtuellen Bildelements gewählt wird. Zudem müßte der Zusammenhang zwischen der Anordnung der holographischen Elemente und der jeweiligen Bildelemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung bekannt oder von der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelbar sein, damit eine gewünschte Darstellung von Bildelementen durch korrektes selektives Beleuchten von zugeordneten holographischen Elementen überhaupt möglich ist. Zu diesem Zwecke können zum Beispiel Markierungen vorgesehen sein, die die holographischen Elemente sinnvoll kennzeichnen.So that the voxels perceived by the representation of the picture elements appear to be of the same size from the viewing perspective shown, the size of the picture elements of a respective level 400 (1) to 400 (4) of the three-dimensional matrix-like arrangement decreases with increasing proximity to the viewer. Thus, the picture elements of level 400 (1) are larger than the picture elements of level 400 (2). The same applies to the levels 400 (3) and 400 (4). Accordingly, the real screens on which the virtual picture elements of level 400 (3) are based are larger than the real screens on which the virtual picture elements of level 400 (4) are based. The arrangement of the holographic elements comprised by the disk 420 need not be similar to the virtual arrangement of the picture elements. It is important that the position of a real object to be reproduced holographically as a virtual image element, which is optically recorded during the holographic recording, is selected in accordance with the position of the holographic element which will later emerge relative to the desired position of the virtual image element. In addition, the relationship between the arrangement of the holographic elements and the respective image elements of the device according to the invention would have to be known or ascertainable by the device according to the invention so that a desired display of image elements is possible at all by correctly selectively illuminating assigned holographic elements. For this purpose, markings can be provided, for example, which sensibly identify the holographic elements.
Die Anordnung der von der Scheibe 420 umfaßten holographischen Elemente könnte sich insbesondere dann von der virtuellen Anordnung der Bildelemente unterscheiden, wenn nicht eine räumliche Trennung, sondern andere Mittel (beispielsweise die Phase oder Wellenlänge des auf die holographischen Elemente projizierten Lichtes) verwendet werden, um holographische Elemente selektiv zu beleuchten.The arrangement of the holographic elements encompassed by the disk 420 could differ from the virtual arrangement of the picture elements in particular if, instead of a spatial separation, other means (for example the phase or wavelength of the light projected onto the holographic elements) are used to holographic Selectively illuminate elements.
Fig. 5Fig. 5
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer herkömmlichen holographischen Aufhahmetechnik.5 shows a schematic representation of a conventional holographic recording technique.
Gemäß der Figur projiziert ein Laser 540 einen Lichtstrahl 530, der durch einen Teilerspiegel 541 in einen Referenzstrahl 531 und einen Objektstrahl 532 aufgeteilt wird. Der Referenzstrahl 531 und der Objektstrahl 532 werden mittels Flachspiegel 542 eine jeweils geeignete Strahlrichtung gelenkt und anschließend über eine jeweilige Linse 543 aufgeweitet. Der aufgeweitete Referenzstrahl 531' trifft direkt nach der Aufweitung auf eine lichtempfindliche Photoplatte 550, während der aufgeweitete Objektstrahl 532' auf den holographisch aufzunehmenden Gegenstand 500 fällt. Gemäß den ortsabhängigen Lichtbrechungseigenschaften des Gegenstands 500 wird der auf den Gegenstand 500 fallende, aufgeweitete Objektstrahl 532' als gebrochener Objektstrahl 532" teilweise in Richtung Photoplatte 550 gelenkt. An der Photoplatte 550 ergibt sich zwischen dem aufgeweiteten Referenzstrahl 531' und dem gebrochenem Objektstrahl 532" ein Interferenzmuster, das von der Photoplatte 550 photographisch festhalten wird. Ein so aufgenommenes Interferenzmuster wird als Hologramm bezeichnet.According to the figure, a laser 540 projects a light beam 530, which is split into a reference beam 531 and an object beam 532 by a splitter mirror 541. The reference beam 531 and the object beam 532 are steered by means of flat mirrors 542 in each case a suitable beam direction and then expanded via a respective lens 543. The expanded reference beam 531 'strikes a light-sensitive photo plate 550 immediately after the expansion, while the expanded object beam 532' strikes the object 500 to be recorded holographically. According to the location-dependent light refraction properties of the object 500, the expanded object beam 532 'falling on the object 500 is partially deflected as a broken object beam 532 "in the direction of the photoplate 550. The result is on the photoplate 550 between the expanded reference beam 531' and the refracted object beam 532" Interference pattern photographically captured by the photoplate 550. An interference pattern recorded in this way is referred to as a hologram.
Fig. 6 Fig. 6A zeigt eine schematische Darstellung einer herkömmlichen holographischen Aufhahmetechnik analog der in Figur 5 gezeigten Aufhahmetechnik, während Figur 6B eine schematische Darstellung einer herkömmlichen holographischen Wiedergabetechnik enthält.Fig. 6 FIG. 6A shows a schematic representation of a conventional holographic recording technique analogous to the recording technique shown in FIG. 5, while FIG. 6B contains a schematic representation of a conventional holographic reproduction technique.
In der Figur 6A sind ein aufzunehmender Gegenstand 600, eine Referenzstrahl 631, ein an dem Gegenstand 600 gebrochener Objektstrahl 632" und eine Photoplatte 650 dargestellt.FIG. 6A shows an object 600 to be recorded, a reference beam 631, an object beam 632 ″ refracted on the object 600 and a photo plate 650.
Figur 6b zeigt eine holographische Wiedergabe des gemäß Figur 6A holographisch aufgenommenen Gegenstands 600 als holographisch, d.h. virtuell, dargestellten Gegenstand 600'. Gemäß der Figur wird zur holographischen Wiedergabe ein Wiedergabestrahl 633 auf die dem Interferenzmuster enthaltende Photoplatte 650 gestrahlt. Aufgrund des von der Photoplatte 650 enthaltenen Interferenzmuster wird Licht des Wiedergabestrahls 633, das dem bei der holographischen Aufnahme verwendeten Referenzstrahl 631 entspricht, so gebrochen, das ein rekonstruierter Objektstrahl 634 entsteht, der eine Verlängerung des bei der holographischen Aufnahme auftretenden, gebrochenen Objektstrahls 632" entspricht. Die Verlängerung 634' des rekonstruierten Objektstrahls 634 auf der in der Figur linken Seiten der Photoplatte 650 ergibt somit für einen Betrachter 699 des rekonstruierten Objektstrahls 634 einen virtuellen Gegenstand 600' an einer der Aufhahmeposition entsprechender Stelle gegenüber der Photoplatte 650.Figure 6b shows a holographic representation of the object 600 holographically recorded according to Figure 6A as holographic, i.e. virtual, depicted object 600 '. According to the figure, a reproduction beam 633 is irradiated onto the photo plate 650 containing the interference pattern for holographic reproduction. Due to the interference pattern contained by the photo plate 650, light of the reproduction beam 633, which corresponds to the reference beam 631 used in the holographic recording, is refracted in such a way that a reconstructed object beam 634 is produced, which corresponds to an extension of the broken object beam 632 ″ occurring during the holographic recording The extension 634 'of the reconstructed object beam 634 on the left-hand side of the photo plate 650 in the figure thus results in a virtual object 600' for a viewer 699 of the reconstructed object beam 634 at a position corresponding to the recording position opposite the photo plate 650.
Da das Interferenzmuster bestenfalls in der Lage ist, der Wiedergabestrahl 633 so zu brechen, daß er als Verlängerung des bei der holographischen Aufnahme auf die Photoplatte 650 fallenden, gebrochenen Objektstrahls 632" wirkt, ist der Bereich beschränkt, in dem der Gegenstand 600 als virtueller Gegenstand 600' holographisch wiedergegeben werden kann. Das Hologramm wirkt wie ein Fenster. Für einen Betrachter 699', der sich außerhalb dieses beschränkten Bereichs befindet, ist der virtuelle Gegenstand 600' nicht wahrnehmbar.Since the interference pattern is at best able to refract the reproduction beam 633 so that it acts as an extension of the refracted object beam 632 "falling on the photoplate 650 during holographic recording, the range in which the object 600 as a virtual object is limited 600 'can be reproduced holographically. The hologram acts like a window. For an observer 699' who is outside this restricted area, the virtual object 600 'is imperceptible.
Fig. 7Fig. 7
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktion einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der mehrere holographischen Elemente 750A bis 750E einem Bildelement zugeordnet sind.FIG. 7 shows a schematic illustration of the structure and function of a device according to a third exemplary embodiment of the invention, in which a plurality of holographic elements 750A to 750E are assigned to one picture element.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel werden mehrere holographische Elemente 750A bis 750E einem Bildelement zugeordnet, um den Bereich auszudehnen, in dem eine holographische Wiedergabe eines dem Bildelement entsprechenden virtuellen Gegenstands 700' möglich ist. Wie zuvor erwähnt, weist das holographische Element einen beschränkten Bereich auf, in dem eine holographische Wiedergabe eines vom holographischen Element festgehaltenen Gegenstands möglich ist. Dies wird in der Figur anhand des holographischen Elements 750B mit beschränktem Bereich 751B schematisch dargestellt.According to the third exemplary embodiment, a plurality of holographic elements 750A to 750E are assigned to a picture element in order to expand the area in which holographic reproduction of a virtual object 700 ′ corresponding to the picture element is possible. As previously mentioned, the holographic element has a restricted area in which holographic reproduction of an object captured by the holographic element is possible. This is shown schematically in the figure using the holographic element 750B with a restricted area 751B.
Bei der Figur 7 wird davon ausgegangen, daß jedes der holographischen Elemente 750A bis 750E eine holographische Aufnahme des gleichen, holographisch wiederzugebenden Gegenstands umfaßt, wobei jede holographische Aufnahme des Gegenstands aus einer der späteren Anordnung der holographischen Elemente entsprechenden Position gemacht wird. Das heißt, die holographischen Aufnahmen werden derart angefertigt, daß die mittels der jeweiligen holographischen Elemente darstellbaren virtuellen Gegenstände 700' trotz der räumlichen Anordnung der holographischen Elemente räumlich übereinstimmen.In Fig. 7, it is assumed that each of the holographic elements 750A to 750E comprises a holographic image of the same object to be reproduced holographically, each holographic image of the object being made from a position corresponding to the later arrangement of the holographic elements. That is, the holographic recordings are made in such a way that the virtual objects 700 'that can be represented by the respective holographic elements spatially match despite the spatial arrangement of the holographic elements.
Vorzugsweise ergibt sich durch die Anordnung der holographischen Elemente 750A bis 750E einen Überlappungsbereich zwischen benachbarten holographischen Elemente, in dem eine holographische Wiedergabe sowohl von dem einen holographischen Element als auch von dem benachbarten holographischen Element wahrnehmbar ist. In der Figur ist ein solcher Überlappungsbereich 752 zwischen den holographischen Element 750B und 750C explizit dargestellt.The arrangement of the holographic elements 750A to 750E preferably results in an overlap region between adjacent holographic elements in which holographic reproduction can be perceived both by the one holographic element and by the adjacent holographic element. Such an overlap area 752 between the holographic elements 750B and 750C is explicitly shown in the figure.
Die Wiedergabe kann entweder so erfolgen, daß alle zugehörigen holographischen Elemente synchron selektiv beleuchtet werden, oder so, daß lediglich ein dem momentanen Betrachtungswinkel eines Betrachters zugeordnetes holographisches Element selektiv beleuchtet wird. Letzteres erfordert eine entsprechende Vorrichtung zur Erfassung des Betrachtungswinkels sowie eine entsprechende Auslegung und Steuerung der Projektionsvorrichtung.The display can either take place in such a way that all associated holographic elements are selectively illuminated synchronously, or in such a way that only a holographic element assigned to the current viewing angle of a viewer is selectively illuminated. The latter requires a corresponding device for detecting the viewing angle and a corresponding design and control of the projection device.
ZusammenfassungSummary
Im folgenden werden anhand von Merkmalsgruppen die wesentlichen Punkte nochmals zusammengefaßt, die jeweils für sich und in Kombination miteinander die Erfindung in besonderer Weise kennzeichnen:In the following, the essential points are summarized again on the basis of groups of features, each of which characterizes the invention in a special way individually and in combination with one another:
1. Vorrichtung zur Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum, mit1. Device for displaying picture elements in three-dimensional space, with
- einer Vielzahl von jeweils einem Bildelement zugeordneten holographischen Elementen, unda plurality of holographic elements each assigned to a picture element, and
- mindestens einer optischen Projektionsvorrichtung, die die Darstellung eines darzustellenden Bildelements im dreidimensionalen Raum dadurch bewirkt, daß sie mindestens ein dem darzustellenden Bildelement zugeordnetes holographisches Element selektiv beleuchtet.- At least one optical projection device which causes the display of a picture element to be displayed in three-dimensional space in that it selectively illuminates at least one holographic element associated with the image element to be displayed.
2. Vorrichtung nach Punkt 1, wobei mehrere der holographischen Elemente jeweils eine holographische Aufnahme eines difϊus reflektierenden oder eines difϊus transmittierenden2. Device according to item 1, wherein several of the holographic elements each have a holographic image of a difϊus reflecting or a difϊus transmitting
Gegenstands umfassen.Include item.
3. Vorrichtung nach Punkt 1 oder 2, wobei mehrere der holographischen Elemente jeweils eine holographische Aufnahme eines diffus reflektierenden oder eines difϊus transmittierenden Schirms umfassen.3. Device according to item 1 or 2, wherein several of the holographic elements each comprise a holographic image of a diffusely reflecting or a diffusely transmitting screen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei mehrere der holographischen Elemente jeweils eine holographische Aufnahme einer diffus reflektierenden oder einer diffus transmittierenden Fläche oder eines diffus reflektierenden oder eines diffus transmittierenden Stabs umfassen, wobei jede Fläche und jeder Stab den Würfelflächen bzw. den Würfelkanten einer zusammenhängenden dreidimensionalen gitterförmigen Anordnung entsprechen.4. Device according to one of the preceding points, wherein a plurality of the holographic elements each comprise a holographic image of a diffusely reflecting or a diffusely transmitting surface or a diffusely reflecting or a diffusely transmitting rod, wherein each surface and each rod corresponds to the cube surfaces or the cube edges of one Corresponding three-dimensional lattice-like arrangement.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die optische Projektionsvorrichtung in der Lage ist, mindestens eines der holographischen Elemente mit Licht jener Wellenlänge zu beleuchten, mit der eine vom jeweiligen holographischen Element umfaßte holographische Aufnahme erfolgt ist.5. Device according to one of the preceding points, wherein the optical projection device is capable of illuminating at least one of the holographic elements with light of the wavelength with which a holographic recording encompassed by the respective holographic element was made.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Vielzahl von holographischen Elementen eine Vielzahl von identischen holographischen Elementen umfaßt.6. Device according to one of the preceding points, wherein the plurality of holographic elements comprises a plurality of identical holographic elements.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die selektive Beleuchtung von holographischen Elementen eine räumliche Selektion und / oder eine auf der Phase, der Wellenlänge, den Einfallswinkel und/oder der Polarisation des auf das jeweilige holographische Element projizierten Lichts basierte Selektion umfaßt.7. Device according to one of the preceding points, wherein the selective illumination of holographic elements comprises a spatial selection and / or a selection based on the phase, the wavelength, the angle of incidence and / or the polarization of the light projected onto the respective holographic element.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Vorrichtung lediglich eine Projektionsvorrichtung aufweist, die die Vielzahl von holographischen Elementen beleuchtet.8. Device according to one of the preceding points, wherein the device has only one projection device which illuminates the plurality of holographic elements.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl an Projektionsvorrichtungen aufweist, von denen jede eine gegenseitig exklusive Vielzahl von holographischen Elementen beleuchtet. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, mit einer optischen Sensorvorrichtung, deren Ausgangssignale zur Eichung des Selektionsvorgangs verwendet werden.9. Device according to one of the preceding points, wherein the device has a plurality of projection devices, each of which illuminates a mutually exclusive plurality of holographic elements. 10. Device according to one of the preceding points, with an optical sensor device, the output signals of which are used to calibrate the selection process.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, mit einer Vielzahl an markierenden holographischen Elementen, die darauffallendes Licht durch Brechung unterscheidbar kennzeichnen.11. Device according to one of the preceding points, with a large number of marking holographic elements which distinguishably distinguish light incident thereon by refraction.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, mit einer Blickwinkelerfassungsvorrichtung, die den Blickwinkel eines Benutzers auf die Vielzahl von holographischen Elementen erfaßt und die Auswahl an selektiv zu beleuchtenden holographischen Elementen gemäß dem Blickwinkel bestimmt.12. Device according to one of the preceding points, with a viewing angle detection device which detects the viewing angle of a user on the plurality of holographic elements and determines the selection of selectively illuminated holographic elements according to the viewing angle.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, mit einer steuerbaren Aufhängung, die in der Lage ist, die Lage und Orientierung eines oder mehrerer Komponenten der Vorrichtung gezielt zu verändern.13. Device according to one of the preceding points, with a controllable suspension which is able to specifically change the position and orientation of one or more components of the device.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Punkte, wobei die Größe jedes Bildelements derart darstellbar ist, daß das jeweilige Bildelement bezogen auf eine vorgegebene Betrachtungsperspektive und die wahrgenommene Position des Bildelements im dreidimensionalen Raum mit einer perspektivisch richtigen Größe erscheinen. 14. Device according to one of the preceding points, wherein the size of each picture element can be represented in such a way that the respective picture element appears with a correct size in perspective in relation to a predetermined viewing perspective and the perceived position of the picture element in three-dimensional space.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Vorrichtung zur Darstellung von Bildelementen im dreidimensionalen Raum, mit - einer Vielzahl von jeweils einem Bildelement zugeordneten holographischen Elementen, und1. Device for displaying picture elements in three-dimensional space, with - a multiplicity of holographic elements each assigned to a picture element, and
- mindestens einer optischen Projektionsvorrichtung, die die Darstellung eines darzustellenden Bildelements im dreidimensionalen Raum dadurch bewirkt, daß sie mindestens ein dem darzustellenden Bildelement zugeordnetes holographisches Element selektiv beleuchtet, wobei- At least one optical projection device which effects the display of a picture element to be displayed in three-dimensional space by selectively illuminating at least one holographic element assigned to the picture element to be displayed, wherein
- mehrere der holographischen Elemente jeweils eine holographische Aufnahme eines difϊus reflektierenden oder eines difϊus transmittierenden Gegenstands umfassen.- Several of the holographic elements each include a holographic image of a difϊus reflecting or a difϊus transmitting object.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mehrere der holographischen Elemente jeweils eine holographische Aufnahme eines diffus reflektierenden oder eines diffus transmittierenden2. Device according to claim 1, wherein several of the holographic elements each have a holographic image of a diffusely reflecting or a diffusely transmitting
Schirms umfassen.Cover.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehrere der holographischen Elemente jeweils eine holographische Aufnahme einer diffus reflektierenden oder einer difϊus transmittierenden Fläche oder eines diffus reflektierenden oder eines diffus transmittierenden Stabs umfassen, wobei jede Fläche und jeder Stab den Würfelflächen bzw. den Würfelkanten einer zusammenhängenden dreidimensionalen gitterförmigen Anordnung entsprechen.3. Device according to claim 1 or 2, wherein a plurality of the holographic elements each comprise a holographic image of a diffusely reflecting or a difϊus transmitting surface or a diffusely reflecting or a diffusely transmitting rod, each surface and each rod representing the cube surfaces or the cube edges Corresponding three-dimensional lattice-shaped arrangement.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Projektionsvorrichtung in der Lage ist, mindestens eines der holographischen Elemente mit4. Device according to one of the preceding claims, wherein the optical projection device is capable of having at least one of the holographic elements
Licht jener Wellenlänge zu beleuchten, mit der eine vom jeweiligen holographischen Element umfaßte holographische Aufnahme erfolgt ist.To illuminate light of the wavelength with which a holographic image encompassed by the respective holographic element was taken.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von holographischen Elementen eine Vielzahl von identischen holographischen Elementen umfaßt.5. Device according to one of the preceding claims, wherein the plurality of holographic elements comprises a plurality of identical holographic elements.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die selektive Beleuchtung von holographischen Elementen eine räumliche Selektion und / oder eine auf der Phase, der Wellenlänge, den Einfallswinkel und/oder der Polarisation des auf das jeweilige holographische Element projizierten Lichts basierte Selektion umfaßt.6. Device according to one of the preceding claims, wherein the selective illumination of holographic elements comprises a spatial selection and / or a selection based on the phase, the wavelength, the angle of incidence and / or the polarization of the light projected onto the respective holographic element.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung lediglich eine Projektionsvorrichtung aufweist, die die Vielzahl von holographischen Elementen beleuchtet. 7. Device according to one of the preceding claims, wherein the device has only a projection device that illuminates the plurality of holographic elements.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl an Projektionsvorrichtungen aufweist, von denen jede eine gegenseitig exklusive Vielzahl von holographischen Elementen beleuchtet.8. Device according to one of the preceding claims, wherein the device comprises a plurality of projection devices, each of which illuminates a mutually exclusive plurality of holographic elements.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer optischen Sensorvorrichtung, deren Ausgangssignale zur Eichung des Selektionsvorgangs verwendet werden.9. Device according to one of the preceding claims, with an optical sensor device, the output signals of which are used to calibrate the selection process.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Vielzahl an markierenden holographischen Elementen, die darauffallendes Licht durch Brechung unterscheidbar kennzeichnen.10. Device according to one of the preceding claims, with a plurality of marking holographic elements, which distinguishable incident light by refraction.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Blickwinkelerfassungsvorrichtung, die den Blickwinkel eines Benutzers auf die Vielzahl von holographischen Elementen erfaßt und die Auswahl an selektiv zu beleuchtenden holographischen Elementen gemäß dem Blickwinkel bestimmt.11. Device according to one of the preceding claims, with a viewing angle detection device that detects the viewing angle of a user on the plurality of holographic elements and determines the selection of selectively illuminated holographic elements according to the viewing angle.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer steuerbaren Aufhängung, die in der Lage ist, die Lage und Orientierung eines oder mehrerer Komponenten der Vorrichtung gezielt zu verändern.12. Device according to one of the preceding claims, with a controllable suspension, which is able to specifically change the position and orientation of one or more components of the device.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Größe jedes Bildelements derart darstellbar ist, daß das jeweilige Bildelement bezogen auf eine vorgegebene Betrachtungsperspektive und die wahrgenommene Position des Bildelements im dreidimensionalen Raum mit einer perspektivisch richtigen Größe erscheinen. 13. Device according to one of the preceding claims, wherein the size of each picture element can be represented in such a way that the respective picture element appears with a correct size in perspective in relation to a predetermined viewing perspective and the perceived position of the picture element in three-dimensional space.
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