WO2007131817A1 - Vorrichtung zur holografischen rekonstruktion von szenen mit einem nachführsystem - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zum holografischen Rekonstruieren von Szenen, bei welcher ein optisches Projektionssystem durch eine Austrittspupille Lichtstrahlen mit holografischer Information eines beleuchteten räumlichen Licht-Modulators in Richtung von ßetrachteraugen projiziert, wobei das Projektionssystem optische Ablenkmittel zum Nachführen der Lichtstrahlen entsprechend von Positionswechseln der Betrachteraugen aufweist. Gemäß der Erfindung sind die optischen Ablenkmittel ein steuerbares Ablenkelement, welches im optischen System so nahe wie möglich an der Austrittspupille angeordnet ist, so dass das Ablenkelement die Lichtstrahlen mit holografischer Information vor dem Rekonstruieren der Szene in Richtung von Betrachteraugen projiziert. Das steuerbare Ablenkelement realisiert eine steuerbare optische Prismenfunktion, welche die Richtung aller Lichtstrahlen erst kurz vor oder hinter dem Passieren der Austrittspupille, an die sich ändernde Augenpositionen anpasst. Von der Erzeugung bis in die Nähe des Austritts aus dem Projektionssystem weist der Strahlengang des hinreichend kohärenten Lichts einen statischen Verlauf auf. Durch optische Bauelemente hervorgerufene Aberrationen können somit entweder mit elektronischen Mitteln durch Korrekturwerte beim Kodieren oder durch bekannte optische Korrekturmittel optimal korrigiert werden.

Description

Vorrichtung zur holografischen Rekonstruktion von Szenen mit einem Nachführsystem

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur holografischen Rekonstruktion von Szenen mit räumlichen Lichtmodulationsmitteln, welche eine holografische Kodierung tragen, Abbildungsmitteln und Beleuchtungsmitteln zum Beleuchten des Lichtmodulators. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur holografischen Rekonstruktion dieser Szenen.

Holografische Projektionsvorrichtungen modulieren mit räumlichen Lichtmodulationsmitteln hinreichend kohärentes Licht. In einem Raum vor, auf und hinter der Oberfläche des Lichtmodulators entstehen durch Interferenz des Lichts Objektlichtpunkte, welche die optische Erscheinung der Szene rekonstruieren. Die Gesamtheit des Lichts aller Objektlichtpunkte breitet sich als Lichtwellenfront aus, so dass ein oder mehrere Betrachter diese Objektlichtpunkte in Form einer dreidimensionalen Szene wahrnehmen. Dass heißt, im Gegensatz zu einer stereoskopischen Darstellung realisiert eine holografische Rekonstruktion eine Objektsubstitution und die von der Stereoskopie bekannten Probleme wie Ermüdung oder Augen- und Kopfschmerzen entfallen, da prinzipiell kein Unterschied beim Betrachten von holografisch rekonstruierten Szenen und natürlichen Szenen besteht.

Die vorliegende Erfindung betrifft vorrangig eine Echtzeit- oder echtzeitnahe Darstellung von bewegten Szenen mittels holografischer Videomittel. Diese sind vorteilhaft als Projektionsvorrichtung ausgeführt und vergrößern die Rekonstruktion optisch. Dafür eignen sich beispielsweise in konventionelle Video- und TV-Projektoren eingesetzte Lichtmodulatoren gut. Wegen seiner geringen Ausdehnung wird ein solcher Lichtmodulator nachfolgend als Mikro-SLM bezeichnet. Seine begrenzte Größe und Auflösung begrenzt auch die Anzahl der Pixel. Dadurch wird die Berechnungszeit für Hologramme erheblich gesenkt, was wiederum erlaubt, gegenwärtig verfügbare weniger aufwändige Rechentechnik zu nutzen.

Beispiele für Mikro-SLM sind so genannte Liquid Crystal on Silicon, transmissive LCD oder Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). Da ihr Abstand der Pixel-Mittelpunkte, der so genannte Pixel-Pitch, im Vergleich zu herkömmlichen SLM klein ist, wird ein größerer Beugungswinkel erreicht. Ein Nachteil der bekannten Holografie-Lösungen mit Mikro-SLM ist jedoch, dass die Größe der Rekonstruktion durch die Größe der Mikro- SLM erheblich eingeschränkt ist.

Holografische Vorrichtungen mit einem Mikro-SLM weisen trotz des relativ kleinen Pitch immer noch einen so kleinen ßeugungswinkel auf, dass ein Betrachten einer Rekonstruktion mit beiden Augen nicht möglich ist. Beispielsweise erzeugt ein Pitch von nur 5 μm bei einer Wellenlänge λ = 500 nm (blau-grün) einen Beugungswinkel von etwa 0,1 rad. Das ergibt bei 500 mm Betrachterabstand eine laterale Ausdehnung von 50 mm, welche bei einem üblichen Augenabstand von 65 mm eine Betrachtung mit beiden Augen verhindert.

Bekannte holografische Vorrichtungen nutzen transmissive oder reflektive Lichtmodulatoren, beispielsweise TFT, LCoS, MEMS, DMD (digital micromirror device), OASLM (Optically Addressed Spatial Light Modulator), EASLM (Electronically Addressed Spatial Light Modulator), FLCD (Ferroelectric Liquid Crystal Display). Mikro- SLM können ein- oder zweidimensional ausgeführt sein.

Aus der Druckschrift WO 02/095503 ist eine holografische 3D-Projektionsvorrichtung bekannt, welche einen DMD-Chip verwendet. Trotz einer relativ hohen Auflösung, der hohen Reflektion und der geringen Schaltzeit des Lichtmodulators lassen sich nur Szenen mit geringen Abmessungen rekonstruieren und in einem relativ kleinen Bereich beobachten. Der Grund liegt in dem durch die Abmessungen des Lichtmodulators und des kleinen Beobachterbereichs festgelegten Rekonstruktionsraum. Zudem eignen sich DMD-Chips wegen ihrer bedingten Kohärenz kaum für holografische Zwecke.

Die WO 00/75699 beschreibt ein holografisches Display, welches Videohologramme mit Hilfe von Teilhologrammen rekonstruiert. Dabei bildet ein sehr schneller elektronisch adressierbarer SLM kodierte Teilhologramme sequentiell in eine Zwischenebene so schnell ab, dass ein Beobachter die Rekonstruktionen aller Teilhologramme als eine einzige Rekonstruktion wahrnimmt. Zum Ordnen der Teilhologramme in der Zwischenebene dient ein spezielles Beleuchtungs- und Abbildungssystem, das synchron mit dem EASLM gesteuert wird und immer nur das jeweilige Teilhologramm durchlässt und die nicht genutzten Beugungsordnungen ausblendet. Die sequentielle Betriebsart des SLM erfordert erhebliche dynamische SLM-Eigenschaften und eine flache Bauweise erscheint kaum möglich. Wegen der verwendeten größeren Pixelanzahl steigen der Aufwand zur Berechnung des Hologramms sowie die benötigte Datenrate, was eine Echtzeitdarstellung erschwert. Bei den bekannten Lösungen wird die räumliche Ausdehnung der Rekonstruktion durch die geringe Größe der zur Rekonstruktion verwendeten Lichtmodulatoren beschränkt.

Die ältere Patentanmeldung DE 10 2005 023 743 des Anmelders beschreibt eine Projektionsvorrichtung, bei der hinreichend kohärentes Licht einen Mikro-SLM beleuchtet. Die Vorrichtung weist ein Projektionssystem mit zwei Abbildungsmitteln auf, die das kohärente Licht in eine Betrachterebene mit wenigstens einem virtuellen Betrachterfenster abbilden. Dabei bildet ein erstes Abbildungsmittel ein auf dem Mikro- SLM kodiertes Hologramm vergrößert auf ein zweites gegenüber dem ersten Abbildungsmittel größeres Abbildungsmittel ab. Das größere Abbildungsmittel bildet in einem virtuellen Betrachterfenster ein Raumfrequenzspektrum (Fourier-Spektrum) des Mikro-SLM ab. Durch die optische Vergrößerung des in dem Mikro-SLM kodierten Hologramms als Träger der holografischen Information auf das zweite Abbildungsmittel wird die Rekonstruktion der Szene in einem vergrößerten Rekonstruktionsraum auf Betrachteraugen eines oder mehrerer Betrachtern projiziert. Das virtuelle Betrachterfenster ist somit die Abbildung der verwendeten Beugungsordnung der Fourier-Ebene des Hologramms. Das erste Abbildungsmittel bildet den gesamten Mikro-SLM auf das zweite Abbildungsmittel ab.

Das Projektionssystem kann auch ein drittes Abbildungsmittel enthalten, das nahe dem Mikro-SLM angeordnet ist und das Raumfrequenzspektrum als Fourier-Transformierte des in dem Mikro-SLM kodierten Hologramms in seiner bildseitigen Brennebene erzeugt. Das dritte Abbildungsmittels ist bei kollimierter Beleuchtung vorteilhaft, da sonst nur Licht mit entsprechend großem Beugungswinkel das erste Abbildungsmittel erreicht. Das dritte Abbildungsmittel fokussiert das vom Mikro-SLM abgehende Licht in seine bildseitige Brennebene.

Das zweite Abbildungsmittel stellt hier eine Austrittspupille des Projektionssystems zu jedem Betrachterfenster dar und definiert einen kegelstumpfförmigen Rekonstruktionsraum. In diesem wird eine rekonstruierte Szene rekonstruiert. Der Mikro-SLM kann derart kodiert werden, dass sich der Rekonstruktionsraum rückwärtig hinter dem zweiten Abbildungsmittel fortsetzt. Durch das Betrachterfenster kann der Betrachter somit die rekonstruierte Szene in dem großen Rekonstruktionsraum beobachten.

Einerseits benötigt eine derartige Projektionsvorrichtung nur wenige optische Elemente zur holografischen Rekonstruktion und an die Qualität der optischen Elemente werden nur geringe Anforderungen gestellt. Auf diese Weise wird ein kostengünstiger, einfacher und kompakter Aufbau der Projektionsvorrichtung gewährleistet, wobei Lichtmodulatoren geringer Abmessung eingesetzt werden können.

Andererseits erfordert eine derartige Projektionsvorrichtung infolge der geringen realisierbaren Ausdehnung der Betrachterfenster ein Projektionssystem, das von einem Positionserkennungs- und Nachführsystem gesteuert wird. Dieses muss die Lichtstrahlen des Projektionssystems abhängig von der/den Betrachterposition(en) nachführen.

Das kann durch Verschieben der Lichtquelle des Projektionssystems senkrecht zur optischen Achse des Systems 11 oder mechanisches Bewegen des Mikro-SLM gegenüber den Abbildungsmittein erfolgen. Das erste Abbildungsmittel muss dabei entsprechend der neuen Lage des Brennpunktes in der Brennebene verschoben werden, was einen hohen Aufwand erfordert. Da bei einem Nachführen durch Verschieben der Lichtquelle sich die Neigung der Lichtwellen verändert, steigen dadurch die Anforderungen an das optische System.

Einerseits werden größere Eintrittsöffnung und Austrittsöffnungen der Abbildungsmittel benötigt und die Abbildungsmittel werden größer, schwerer und aufwendiger in der Herstellung. Andererseits wird die Symmetrie des Strahlengangs im Projektionssystem erheblich gestört, was zu einer Vielzahl von Aberrationen führt.

Diese bewirken Störungen im Frequenzspektrum, der Kohärenz und in den Abbildungen. Dadurch wird die Qualität der Rekonstruktionen deutlich gemindert. Da das erste Abbildungsmittel den Mikro-SLM unabhängig von der Betrachterposition stets vollständig und in seiner Ausleuchtung homogen auf das zweite Abbildungsmittel vergrößert abbilden soll, können Änderungen an der Symmetrie des Strahlengangs schwere negative Folgen haben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur holografischen Rekonstruktion von Szenen mit einem Nachführsystem zu schaffen, bei der die Lichtstrahlen unabhängig vom Nachführen der Betrachterposition(en) einen weitestgehend konstanten Strahlengang durch das Projektionssystem aufweisen, so dass die Anforderungen an die optischen Komponenten des Projektionssystems minimiert werden und ein großer Teil des Projektionssystems unter statischen Bedingungen in eine Korrektur der optischen Abbiidungseigenschaften einbezogen werden kann.

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zum holografischen Rekonstruieren von Szenen durch Projektion aus, bei welcher ein hofografisches System durch eine Austrittsöffnung eine Wellenfront mit holografischer Information eines beleuchteten räumlichen Licht-Modulators in Richtung von Betrachteraugen projiziert, wobei das holografische System optische Ablenkmittel zum Nachführen der Lichtstrahlen entsprechend von Positionswechseln der Betrachteraugen aufweist.

Gemäß der Erfindung weisen die optischen Ablenkmittel ein steuerbares Ablenkelement auf, welches im optischen System möglichst nahe an der Austrittsöffnung angeordnet ist, wobei das steuerbare Ablenkelement eine steuerbare optische Prismenfunktion aufweist, die vor dem Rekonstruieren der Szene die Richtung der Lichtstrahlen positionsabhängig anpasst.

Die Austrittsöffnung kann beispielsweise bei einer holografischen Vorrichtung mit einem Display der räumliche Licht-Modulator sein. Bei einer holografischen Projektionsvorrichtung kann es eine konvexe Linse oder ein konkaver Spiegel sein. Das Ablenkelement lenkt die Wellenfront mit der holografischen Information vor dem Rekonstruieren der Szene in Richtung der Betrachteraugen.

Das steuerbare Ablenkelement hat beispielsweise eine steuerbare optische Prismenfunktion, welche die Richtung an die sich ändernde Augenpositionen anpasst. Von der Erzeugung bis in die Nähe des Austritts aus dem Projektionssystem weist der Strahlengang des hinreichend kohärenten Lichts einen von der Betrachterposition unabhängigen, statischen Verlauf auf. Durch optische Bauelemente hervorgerufene Aberrationen können somit entweder mit elektronischen Mitteln durch Korrekturwerte beim Kodieren oder durch bekannte optische Korrekturmittel optimal korrigiert werden. Das steuerbare Ablenkelement kann sowohl mechanische, opto-elektronische oder optische Elemente enthalten.

Vorteilhaft liegt dieses Ablenkelement sehr nahe oder direkt an der Austrittsöffnung des holografischen Systems. Das Ablenkelement kann bei einem Display mit der Oberfläche des räumlichen Licht-Modulators verbunden sein. Bei einer Projektionsvorrichtung kann es auch mit einem Abbildungsmittel verbunden sein und besitzt dann die Wirkung eines Prismas in Kombination mit der Wirkung einer Linse. Dadurch kann sowohl der ausgangsseitige Fokus als auch die Richtung der Strahlen an die Positionen der Betrachteraugen angepasst werden. Das ermöglicht mit einem gesteuerten optischen Element sowohl ein axiales als auch ein laterales Nachführen der Lichtstrahlen auf die Betrachteraugen.

Die Anordnung des Ablenkelements nahe der Austrittsöffnung des holografischen Systems ist besonders vorteilhaft, weil das gesamte Abbildungssystem von der Lichtquelle bis zum zweiten Abbildungsmittel statisch ist. Das heißt, der Strahlengang bis zu diesem Abbildungsmittel bleibt immer konstant. Dies minimiert die Anforderungen an diesen Teil des optischen Systems, da die Eintrittsöffnung des Abbifdungsmittels minimal gehalten werden kann. Bei einer Verschiebung des Mikro-SLM oder dessen Bildes zwecks Nachführung müsste ansonsten die Eintrittsöffnung des Abbildungsmittels immer größer sein. Das gilt auch für die Eintrittsöffnungen weiterer Abbildungsmittel, wenn das System weitere Abbildungsmittel aufweist. Diese Maßnahme verringert erheblich die Anforderungen an die verwendeten Abbildungsmittel.

Außerdem kann der statische Teil des optischen Systems optimal in seinen Abbildungseigenschaften korrigiert werden. Darüber hinaus verschiebt sich die Abbildung des Mikro-SLM innerhalb des Projektionssystems nicht. Dadurch ist beispielsweise die Position von Abbildungen innerhalb des Projektionssystems unabhängig von der Betrachterposition. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das steuerbare Ablenkelement an oder nahe einem Fokussierungsmittel auf eine Betrachterebene angeordnet. Insbesondere ist das Ablenkelement mit dem Fokussierungsmittel kombiniert. Weiter bevorzugt ist die Austrittsöffnung des holografischen Systems als eine Linse oder ein gewölbter Spiegel ausgestaltet.

In einer Ausgestaltung werden die rekonstruierten Szenen jeweils in einem Rekonstruktionsraum rekonstruiert, der von einem vor einem Betrachterauge liegenden virtuellen Betrachterfenster und der Austrittsöffnung aufgespannt wird. Dabei ist bevorzugt, dass der Lichtmodulator derart kodiert wird, dass die rekonstruierte Szenen in Abhängigkeit von der Änderung der Augenposition des Betrachters horizontal und/oder vertikal verschoben und/oder im Winkel gedreht sichtbar wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Lichtmodulator als räumlicher Mikro- Lichtmodulator ausgestaltet. Weiterhin wird bevorzugt, dass die holografische Information des Lichtmodulators bei der Änderung der Augenposition des Betrachters durch eine geänderte holografische Kodierung aktualisiert wird. Außerdem werden bevorzugt optische Fehler im Projektionssystem durch ein Überlagern von Korrekturwerden beim Kodieren des Lichtmodulators korrigiert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das steuerbare Ablenkelement mindestens ein Flüssigprisma mit Elektrobenetzungsfunktion (Electrowetting-Flüssigprisma) auf. Denkbar ist dabei auch, dass es sich um ein Flüssigprismen-Array, also ein Array mit einer Vielzahl von Flüssigprismen, handelt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das steuerbare Ablenkelement ein Array mit einer Mehrzahl optischer Prismen auf.

In einer weiteren Ausgestaltung weisen die optischen Ablenkmittel verbundene, steuerbare optische Elemente auf, welche eine Linsenkomponente und eine Prismenkomponente vereinen. Dabei wird bevorzugt, dass das Positionserfassungssystem durch Steuern der Brennweite der Linsenkomponente ein axiales Nachführen und durch Steuern der Prismenkomponente ein laterales Nachführen der Lichtstrahlen entsprechend von Positionswechseln der Betrachteraugen ermöglicht.

In noch einer weiteren Ausgestaltung weisen die optischen Ablenkmittel verbundene, steuerbare optische Elemente auf, welche sowohl eine Spiegelkomponente als auch eine Prismenkomponente aufweisen. Dabei wird bevorzugt, dass das Positionserfassungssystem durch Steuern der Brennweite der Spiegelkomponente ein axiales Nachführen und durch Steuern der Prismenkomponente ein laterales Nachführen der Lichtstrahlen entsprechend von Positionswechseln der Betrachteraugen ermöglicht.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei wird die Erfindung anhand eines Projektionssystems zur holografischen Rekonstruktion mit monochromatischem Licht beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung ist jedoch auch für holografische Vorrichtungen, bei denen ein Videohologramm direkt auf einem großflächigen Display kodiert wird, anwendbar. Es zeigen

Figur 1 ein Prinzip einer erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung zur holografischen Rekonstruktion von Szenen mit einem Abbildungssystem,

Figur 2 ein in einer Projektionsvorrichtung enthaltenes Ablenkelement zum

Nachführen eines Betrachterfensters und

Figur 3 ein Nachführen einer Projektionsvorrichtung gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist als ein Ausführungsbeispiel eine Projektionsvorrichtung und die Wirkungsweise dargestellt, wie sie in der Patentanmeldung DE 10 2005 023 743 offenbart wurde. Ein Projektionssystem 3 bildet eine Beleuchtungseinrichtung, hier eine Lichtquelle 1 mit hinreichend kohärentem Licht, in eine Betrachterebene 6 ab. Das Projektionssystem 3 weist ein erstes Abbildungsmittel 4 und ein zweites Abbildungsmittel 5 auf. Ein Kollimator L formt das Licht der Lichtquelle 1 zu einer ebenen Welle 7, welche senkrecht auf einen transmissiven räumlichen Lichtmodulator 8, einen Mikro-SLM, trifft. Der Mikro-SLM 8 ist mit einem dynamischen Hologramm kodiert und moduliert die Wellenfront der Welle 7 zu einer Wellenfront mit holografischer Information zum Rekonstruieren einer Szene durch Interferenz. Nach dem Mikro-SLM 8 ist ein drittes Abbildungsmittel 9 angeordnet. Der Mikro-SLM 8 erzeugt bei Beleuchtung mit der ebenen Welle 7 in seiner bildseitigen Brennebene 10 ein Raumfrequenzspektrum als Fourier-Transformierte der in dem Mikro-SLM 8 kodierten Information.

Das erste Abbildungsmittel 4 ist in unmittelbarer Nähe der Brennebene 10 des dritten Abbildungsmittels 9 angeordnet. Dieses erste Abbildungsmittel 4 bildet den Mikro-SLM in eine Ebene 12 auf das zweite Abbildungsmittel 5 oder in unmittelbarer Nähe dazu vergrößert ab. Das zweite Abbildungsmittel 5 ist hier eine Linse, welche im Vergleich zu den anderen Abbildungsmitteln 4 und 9 wesentlich größer ausgebildet ist, um eine möglichst große Szene 13 in einem pyramidenstumpfförmigen Rekonstruktionsraum 14 zu rekonstruieren. Bei der Abbildung des Mikro-SLM 8 in die Ebene 12 wird gleichzeitig dessen Raumfrequenzspektrum mittels des zweiten Abbildungsmittels in die Betrachterebene 6 abgebildet. Auf diese Weise entsteht ein virtuelles Betrachterfenster 15, dessen Ausdehnung der Abbildung einer Periode des Raumfrequenzspektrums entspricht. Der oder die Betrachter können durch das Betrachterfenster 15 die rekonstruierte Szene 13 beobachten.

Aufgrund der äquidistanten Abtastung der Information durch den als matrixförmig angenommenen Mikro-SLM 8 erzeugt dieser in der Brennebene 10 des dritten Abbildungsmittels 9 in periodischer Fortsetzung mehrere Beugungsordnungen. Diese periodische Wiederholung weist ein Periodizitätsintervall in der Brennebene 10 auf. Das zweite Abbildungsmittel 5 bildet dabei die periodische Verteilung in der Brennebene 10 in die Betrachterebene 6 ab. Ein Betrachter innerhalb einer Beugungsordnung in der Betrachterebene 6 würde die rekonstruierte Szene 13 zwar ungestört mit einem Auge sehen, das andere Auge des Betrachters könnte aber gleichzeitig die höheren Beugungsordnungen als Störungen wahrnehmen. Zur Unterdrückung der Periodizität ist eine Blende 16 in der Brennebene 10 hinter dem ersten Abbildungsmittel 4 angeordnet, die nur ein Periodizitätsintervall bzw. nur die gewünschte Beugungsordnung durchlässt. Die Blende 16 wird über das zweite Abbiidungsmittel 5 in die Betrachterebene 6 abgebildet und formt dort das Betrachterfenster 15.

In einem ersten Schritt der Rekonstruktion wird in einer Ebene eines ersten Abbildungsmittels ein Raumfrequenzspektrum als Fourier-Transformierte des kodierten Hologramms gebildet, wonach in einem zweiten Schritt das erste Abbildungsmittel den Mikro-SLM in eine Ebene eines zweiten Abbildungsmittels abbildet, wobei das zweite Abbildungsmittel das Raumfrequenzspektrum aus der Ebene des ersten Abbildungsmittels in wenigstens ein Betrachterfenster der Betrachterebene abbildet, wodurch eine rekonstruierte Szene in einem von dem zweiten Abbildungsmittel und dem Betrachterfenster aufgespannten Rekonstruktionsraum wenigstens einem Betrachter vergrößert dargeboten wird und durch die vergrößerte Abbildung des Lichtmodulators der Rekonstruktionsraum in seiner Größe ausgedehnt wird.

Zu beachten ist, dass der Rekonstruktionsraum nicht durch das zweite Abbildungsmitte! und das Betrachterfenster begrenzt ist, sondern sich rückwärtig über das zweite Abbildungsmittel hinaus erstrecken kann.

Die Projektionsvorrichtung benötigt zum Nachführen des Betrachterfensters 15 bei Bewegung der Augen des Betrachters bzw. der Betrachter wie jede andere Projektionsvorrichtung, bei der ein Projektionssystem einen beleuchteten räumlichen Lichtmodulators in Richtung von Betrachteraugen projiziert, ein Positionserfassungssystem 17, welches die aktuelle Augenposition des Betrachters erfasst, um das Betrachterfenster 15 nachzuführen. Gemäß der Erfindung weist die Projektionsvorrichtung ein Ablenkelement 21 zum Nachführen des Betrachterfensters 15 entsprechend der Augenposition auf, welches in Figur 2 gezeigt ist. Bei geringer Auflösung des Mikro-SLM 8 lässt das Betrachterfenster 15 nicht die gleichzeitige Beobachtung der rekonstruierten Szene 13 mit beiden Augen zu. Das andere Auge des Betrachters kann dann in einem weiteren Betrachterfenster bei sequentiellem oder parallelem Betrieb eine zweite holografische Darstellung sehen. Bei hinreichend hoher Auflösung des Mikro-SLM 8 können durch räumliches Multiplexing die Hologramme für das rechte und das linke Auge auf einem Mikro-SLM kodiert werden. Figur 2 zeigt eine relativ einfache Möglichkeit zum Nachführen des Betrachterfensters 15 entsprechend der Augenposition. Dabei folgt das Betrachterfenster dem/den Auge/n des/der Betrachter, wobei gleichzeitig die Abbildung des Mikro-SLM 8 fest auf dem Abbildungsmittel 5 bleibt. Für ein laterales Nachführen des Betrachterfensters 15 in der Betrachterebene 6, werden die Lichtstrahlen nach der Brennebene 10 mittels eines Ablenkelements 21 , hier ein in Richtung A drehbarer und in Richtung B verschiebbarer Spiegel, abgelenkt. Als Ablenkelemente 21 können mechanische Ablenkelemente, wie Polygonspiegel, Galvanospiegel, Prismen, oder auch optische Ablenkelemente, wie steuerbare Gitter oder andere Beugungselemente, eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft und anwendbar für verschiedene Projektionssysteme ist eine Nachführung nach Figur 3. Hier hat das Ablenkelement 21 eine Funktion eines steuerbaren Prismas. Das Ablenkelement 21 ist nahe Austrittspupille, im vorliegenden Beispiel dem zweiten Abbildungsmittel 5, also in Strahlrichtung vor oder hinter der Austrittspupille angeordnet oder in der Austrittspupille selbst integriert. Dieses Ablenkelement 21 kann neben der Wirkung eines Prismas oder besser einer Prismenanordnung optional zusätzlich die Wirkung einer Linse aufweisen. Dadurch wird ein laterales und optional ein axiales Nachführen entsprechend den Bewegungen der Betrachteraugen erreicht.

Ein derartiges Ablenkelement 21 mit Prismenfunktion kann beispielsweise hergestellt werden, indem mit doppelbrechenden Flüssigkristallen gefüllte prismenförmige Elemente in ein Substrat aus transparentem Material eingebettet werden bzw. von einem Substrat mit im Vergleich zu den Elementen unterschiedlichem Brechungsindex umgeben sind. Der Winkel, um den ein Lichtstrahl durch eines dieser Elemente abgelenkt wird, hängt vom effektiven Brechungsindex des Flüssigkristalls ab. Mit einem an diese Elemente angelegten elektrischen Feld wird die Ausrichtung der Flüssigkristalle und somit der effektive Brechungsindex gesteuert. Auf diese Weise kann mit einem elektrischen Feld der Ablenkwinkel gesteuert und somit das Betrachterfenster 15 dem Betrachter nachgeführt werden. Vorteilhaft ist dieses Ablenkelement 21 als Prismenarray aufgebaut. Dadurch wird Volumen und Masse gespart. In einer weiteren Ausführung kann das Ablenkelement 21 mittels eines oder mehrerer Flüssigprismen mit Elektrobenetzungsfunktion (Electrowetting-Flüssigprismen) realisiert werden. Das Ablenkelement 21 kann beispielsweise, wenn es mehrere Flüssigprismen umfasst, als Flüssigprismen-Array ausgestaltet sein.

In einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Electrowetting-Flüssigprisma einen Hohlkörper, welcher mit einer optisch transparenten Flüssigkeit gefüllt ist. Die Oberfläche der Flüssigkeit weist zu den Wänden des Hohlkörpers so genannte Kontaktwinkel auf. Die Kontaktwinkel der Flüssigkeit im Hohlkörper sind für gegebene, nicht zeitlich veränderliche Geometrien, Materialien und Bedingungen konstant und können mittels der Young-Gleichung angegeben werden. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes z.B. im Dielektrikum zwischen Flüssigkeit und einer der Wände des Hohlkörpers oder zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Hohlkörpers erfolgt eine Veränderung der Gleichgewichtsbedingungen und die Kontaktwinkel der Flüssigkeit zu den Seitenwänden des Hohlkörpers verändern sich. Dieser so genannte Elektrobenetzungseffekt kann mittels der so genannten Lippmann-Gleichung beschrieben werden. Durch Variation eines oder mehrerer elektrischer Felder werden die Kontaktwinkel und damit die Grenzflächenform der Flüssigkeit verändert, wodurch die Ablenkung des transmittierten Lichtstrahls gemäß den Gesetzen der refraktiven Optik variiert wird.

Es kann sich beispielsweise um einen zylindrischen Hohlkörper mit rechteckiger Grundfläche handeln, dessen gegenüberliegende Seitenwände jeweils paarweise die Elektroden eines Kondensators darstellen. Zwischen Elektroden und elektrisch geerdeter Flüssigkeit sind elektrisch isolierende Schichten aufgebracht, die vorteilhaft hydrophile Eigenschaften aufweisen. Bei ausgeschalteten Kondensatoren stellt sich eine nahezu sphärische Grenzfläche der Flüssigkeit ein, wodurch nur lokal begrenzte Lichtstrahlen gemäß der lokalen Krümmung der Grenzfläche abgelenkt werden können.

Die Realisierung einer Prismenfunktion für ein ausgedehntes Lichtbündel erfordert einen konstanten Prismenwinkel des Flüssigprismas über dem gesamten Durchmesser des Lichtbündels. Um dies zu erreichen, werden die Kontaktwinkel an den gegenüberliegenden Elektroden unabhängig voneinander eingestellt, indem die gegenüberliegenden Elektroden mit entsprechenden Spannungen angesteuert werden. Beispielsweise können Spannungen angelegt werden, so dass gegenüberliegende Kontaktwinkel jeweils gleich 90° sind. In diesem Fall liegt keine Prismenwirkung vor, das Flüssigprisma wirkt wie eine planparallele Platte. Ebenso gibt es Spannungspaare, um gegenüberliegende Kontaktwinkel zu erzeugen, die im Betrag ungleich sind, deren Summe jedoch gleich 180° ist. In diesem Fall wirkt das Element als Prisma. Die Elektroden sind vorzugsweise paarweise schaltbar, so dass sowohl Ablenkungen in x- als auch in y-Richtung möglich sind und dadurch das Betrachterfenster 15 dem Betrachter in diesen Richtungen nachführbar ist.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann ein Electrowetting-Flüssigprisma auch mehrere nicht mischbare, optisch transparente Flüssigkeiten in einem Hohlkörper aufweisen. An der Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten liegt ein Brechungsindexunterschied vor, wodurch eine Ablenkung des transmittierten Lichts erfolgt. Ein Vorteil in der Verwendung mehrerer, insbesondere zweier, Flüssigkeiten liegt darin, dass auf diese Weise eine Kapselung der Liquide möglich ist. D.h., der Hohlkörper ist vollständig geschlossen und völlig durch die Liquide ausgefüllt. Außerdem können bei einer Dichteanpassung der Flüssigkeiten Gravitätsprobleme vermieden werden. D.h., wenn beide Flüssigkeiten etwa die gleiche Dichte haben, verändert sich bei einer Lageänderung des Prismas, Schock oder Vibrationen etc. ihre Anordnung in dem Hohlkörper aufgrund von Gravitationskräften nicht oder nur unwesentlich. Auch kann die Grundfläche des Hohlkörpers eine andere sein, z.B. auch ein Sechs- oder Achteck. Ferner ist denkbar, dass solche Flüssigprismen sozusagen in Reihe geschaltet werden, also in Ausbreitungsrichtung des Lichts hintereinander angeordnet sind.

Die stark vergrößerte Abbildung des Mikro-SLM 8 durch das Projektionssystem ist regelmäßig mit Aberrationen behaftet. Vergrößernde Optiken sind beispielsweise Projektions-Optiken, wie sie in Rückprojektions-Displays eingesetzt werden. Die Projektionsqualität ist ein wichtiges Kriterium, so dass vor allem sphärische Aberrationen, aber auch Koma, Astigmatismus und Bildfeldwölbung für diese Optiken bereits weitgehend unterdrückt sind. Obwohl verbleibende Aberrationen, wie Verzeichnung und Bildfeldkrümmung, für den Betrachter derartiger Geräte in der Projektion tolerierbar sind, erzeugen diese Aberrationen in der vorliegenden holografischen Projektionsvorrichtung erhebliche Verzerrungen bei der Rekonstruktion. Nicht nur die Lage des virtuellen Betrachterfensters 15 sondern auch die Kodierung des Hologramms 2 auf dem Mikro-SLM 8 kann somit entsprechend der aktuellen Augenposition angepasst werden. Die Kodierung des Mikro-SLM 8 wird dabei derart geändert, dass diese in Abhängigkeit von der Position des Betrachters horizontal und/oder vertikal verschoben und/oder im Winkel gedreht sichtbar wird. Insbesondere sind raumfeste Darstellungen mit wirklichkeitsgetreuer Änderung der Perspektive und Darstellungen mit übertriebener Änderung der Perspektive möglich. Unter letzterem wird verstanden, dass die Winkel- und Positionsänderung des Objekts größer ist als die Winkel- und Positionsänderung des Betrachters.

Vorteilhaft lassen sich die Phasenfehler durch die Bildfeldkrümmung in einer Projektionsvorrichtung durch den Mikro-SLM 8 kompensieren. Diese Phasenfehler lassen sich durch einen zusätzlichen Phasenhub korrigieren. Ebenso können Koma und Astigmatismus durch Kodierung reduziert werden. Die Verzeichnung kann beispielsweise durch Wahl der Pixel des Mikro-SLM 8 kompensiert werden, indem die Hologramm-Werte auf den unter Berücksichtigung der Verzeichnung ermittelten Pixelpositionen kodiert werden. Auf ähnliche Weise werden auch die Aberrationen des gesamten Projektionssystems mittels Korrekturkalkulation im Mikro-SLM 8 kompensiert. Durch Korrektur der Kodierung im Mikro-SLM 8 können grundsätzlich alle Aberrationen von Abbildungsmitteln reduziert oder kompensiert werden.

Die vorliegende Lösung zum Nachführen einer Projektionsvorrichtung entsprechend wechselnden Positionen von Betrachteraugen erlaubt, räumliche Lichtmodulatoren mit geringer Ausdehnung für die Rekonstruktion und Betrachtung großer dreidimensionaler Szenen zu verwenden. Der oder die Betrachter können sich bei der Beobachtung einer rekonstruierten Szene dabei in der Betrachterebene 6 bewegen. Da in großen Teilen des Projektionssystems ein statischer, von Bewegungen der Betrachteraugen unabhängiger Strahlenverlauf existiert, können bekannte Korrekturmaßnahmen von optischen Fehlern günstig und optimal durch optisches Design und durch Kodieren der Hologramme auf dem räumlichen Lichtmodulator vorgenommen werden. Es können zwei- und dreidimensionale Szenen gleichzeitig oder nacheinander dargestellt werden. Außerdem besteht die Projektionsvorrichtung aus optischen Elementen mit relativ geringen Anforderungen an Hersteilungsgenauigkeit und Aberrationen. Die Abbildungsmittel 4 und 5 lassen sich erstens durch den Mikro-SLM 8 korrigieren und benötigen zweitens nur eine kleine Wellenfrontverzerrung über einen kleinen Bereich des großen Abbildungsmittels 5.

Mögliche Einsatzgebiete der Vorrichtung sind eine dreidimensionale Darstellung, wie beispielsweise für Computer, Fernsehen, elektronische Spiele, Automobilindustrie zur Anzeige von Informationen oder der Unterhaltung, oder im kommerziellen Bereich, die räumliche Darstellung tomografisch gewonnener Daten oder auch zur Darstellung von Geländeprofilen.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum holografischen Rekonstruieren von Szenen, bei welcher ein holografisches System durch eine Austrittsöffnung des Systems eine Wellenfront mit holografischer Information eines beleuchteten räumlichen Lichtmodulators in Richtung von Betrachteraugen projiziert, wobei das holografische System von einem Positionserfassungssystem gesteuerte optische Ablenkmittel zum Nachführen der Lichtstrahlen entsprechend von Positionswechseln der Betrachteraugen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Ablenkmittel ein steuerbares Ablenkelement (21) aufweisen, welches im optischen System möglichst nahe an der Austrittsöffnung (12) angeordnet ist, wobei das steuerbare Ablenkelement eine steuerbare optische Prismenfunktion aufweist, die vor dem Rekonstruieren der Szene die Richtung der Lichtstrahlen positionsabhängig anpasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der das steuerbare Ablenkelement (21) an oder nahe einem Fokussierungsmittel auf eine Betrachterebene angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Ablenkelement (21) mit dem Fokussierungsmittel auf die Betrachterebene der Austrittsöffnung (12) kombiniert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Austrittsöffnung (12) des holografischen Systems eine Linse oder ein gewölbter Spiegel ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die rekonstruierten Szenen (13) jeweils in einem Rekonstruktionsraum (14) rekonstruiert werden, der von einem vor einem Betrachterauge liegenden virtuellen Betrachterfenster (15) und der Austrittsöffnung (12) aufgespannt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der Lichtmodulator (8) derart kodiert wird, dass die rekonstruierte Szene in Abhängigkeit von der Änderung der Augenposition des Betrachters horizontal und/oder vertikal verschoben und/oder im Winkel gedreht sichtbar wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der der Lichtmodulator (8) ein räumlicher Mikro- Lichtmodulator ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die holografische Information des Lichtmodulators (8) bei der Änderung der Augenposition des Betrachters durch eine geänderte holografische Kodierung aktualisiert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der optische Fehler im Projektionssystem durch ein Überlagern von Korrekturwerten beim Kodieren des Lichtmodulators (8) korrigiert werden.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das steuerbare Ablenkelement (21) mindestens ein Electrowetting-Flüssigprisma aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der das steuerbare Ablenkelement (21) ein Array mit einer Mehrzahl optischer Prismen aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die optischen Ablenkmittel verbundene, steuerbare optische Elemente aufweisen, welche eine Linsenkomponente und eine Prismenkomponente vereinen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Positionserfassungssystem durch Steuern der Brennweite der Linsenkomponente zum axialen Nachführen und durch Steuern der Prismenkomponente zum lateralen Nachführen der Lichtstrahlen entsprechend von Positionswechseln der Betrachteraugen ausgestaltet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die optischen Ablenkmittel verbundene, steuerbare optische Elemente aufweisen, welche sowohl eine Spiegelkomponente als auch eine Prismenkomponente aufweisen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Positionserfassungssystem durch Steuern der Brennweite der Spiegelkomponente zum axialen Nachführen und durch Steuern der Prismenkomponente zum lateralen Nachführen der Lichtstrahlen entsprechend von Positionswechseln der Betrachteraugen ausgestaltet ist.