WO2008031707A1 - Verfahren und wiedergabevorrichtung mit mitteln zum nachführen eines betrachterfensters - Google Patents

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WO2008031707A1
WO2008031707A1 PCT/EP2007/058835 EP2007058835W WO2008031707A1 WO 2008031707 A1 WO2008031707 A1 WO 2008031707A1 EP 2007058835 W EP2007058835 W EP 2007058835W WO 2008031707 A1 WO2008031707 A1 WO 2008031707A1
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observer
viewer
tracking
light
window
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PCT/EP2007/058835
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Stanislas Flon
Philippe Renaud-Goud
Original Assignee
Seereal Technologies S.A.
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    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
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    • G—PHYSICS
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    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2226/00—Electro-optic or electronic components relating to digital holography
    • G03H2226/05—Means for tracking the observer

Definitions

  • the invention relates to a method for a playback device for tracking at least one virtual viewer window of a viewer plane in which at least one viewer is located.
  • the invention also relates to a playback device by means of which the method can be carried out
  • Fields of application of the invention are display devices for displaying two- and / or three-dimensional objects for one or more observers, in particular holographic reproduction devices.
  • the invention can also be used in autostereoscopic playback devices
  • Holographic display devices with light modulation devices are known from the prior art, for example, wherein the Fou ⁇ er- transform a hologram of the light modulation device is imaged on the eye pupil of a viewer
  • the Aust ⁇ ttspupille of these playback devices then lies on the eye pupil of the eye of a viewer and is referred to as a viewer window.
  • a last optical element in the display device in the light direction in front of the observer is an optical element serving as a screen. It is assumed that the screen is a focusing optical element.
  • the observer window collapses with the eye pupil, then the observer can observe a reconstructed scene of an object in a reconstruction space spanned by the observer window and the screen in a holographic display device. If, however, the observer moves laterally to or along an optical axis of the display device, the observer window no longer coincides with the observer's eye pupil. As a result, the reconstructed scene is vignetted and is therefore only limited or no longer visible In order to prevent such vignetting of the reconstructed scene in a lateral movement of the viewer, it is already known to provide position detection systems, by means of which the position of the eyes of a viewer is detected.
  • the observer window is then tracked to the eye of the observer when the observer moves to another position.
  • a tracking of the viewer window then takes place laterally in the observer plane.
  • the viewer window is tracked by means of a deflection element, which is arranged in the light direction after the light modulation device.
  • a disadvantage is that the image displayed on the screen is tilted by an arrangement of the tracking element between the light modulation device and the screen, so that the image rotates with the position of the viewer. This results in a distortion of the image on the screen, whereby a reconstructed scene can not be observed realistically.
  • a tracking of the viewer window along the optical axis of the display device ie on the screen to or from it, but requires a different approach than a lateral tracking. It must be ensured that the observer window along the optical axis is movable, otherwise a vignetting of the reconstructed scene comes about.
  • the image of the Lichtmoduiations issued, no matter what distance the observer is to the screen, must always be displayed unchanged or in the same way on the screen. This means that the picture of the
  • Viewers is located on the screen, even for a position b of the observer must be unchanged on the screen, but moves the exit pupil.
  • the view of the three-dimensional scene is modified according to the new position of the observer on the holograms.
  • an axial tracking along an optical axis of the display in the figures is disclosed.
  • the tracking of the light takes place according to a new position of the viewer's eyes on the three-dimensional scene to or from her.
  • Such tracking is ensured by changing a lateral distance of the two light modulators to each other. This ensures that the light provided for the respective eye also falls on the eye.
  • the light modulators are shifted laterally to each other, whereby a tracking of the light along the optical axis can take place and thus always visible to the eyes of the viewer, the reconstructed scene is.
  • a method for a display device for tracking at least one virtual viewer window when changing the position of a viewer, proceeds as follows, wherein at least one observer is located in a viewer plane.
  • a position detection system determines eye positions of the observer in the observer plane, wherein the thus determined values are supplied to a control device.
  • the control device then activates a tracking unit, which tracks the viewer window according to a new position of the viewer.
  • tracking of the observer window in the lateral and / or axial direction takes place by changing an illumination beam path within the tracking unit by means of at least two optical elements between a light source and at least one light modulation device such that the diameter of the light impinging on the light modulation device remains unchanged.
  • the tracking is carried out in the tracking unit before at least one light modulation device in the display device.
  • the observer window can be tracked in this way laterally and axially to the viewer in a position change. Depending on the position change, the observer window is tracked laterally, axially or also in both directions, lateral and axial, by means of the tracking unit.
  • the process according to the invention has a very great advantage. A vignetting of the three-dimensional representation, in particular a reconstructed scene, through the observer window can be avoided by this type of tracking of the observer window.
  • the observer even when moving to the three-dimensional representation to or away from it, can observe it completely without restriction, since the exit pupil of the entire system always coincides with the eye pupil.
  • the diameter or the lateral extent of the light incident on the light modulation device remains unchanged.
  • the three-dimensional representation can be observed effortlessly with normal stress on the eyes and the brain.
  • a lateral and axial tracking of the observer window is simultaneously possible in this way.
  • the light falls at an angle on the light modulator device. As a result, only a lateral tracking is possible.
  • a further advantageous embodiment of the invention can be provided that are changed for an axial tracking of the viewer window properties, in particular focal length, at least one optical element in the tracking unit, the light then falls as a convergent or divergent beam on the light modulation device.
  • the image of the Fourier transform of the hologram shown in the light modulation device shifts on the optical axis, whereby the viewer window accordingly moves axially along the optical axis of the display device according to the position of the observer or his place of origin changes.
  • the light modulation device is imaged onto an optical element serving as a screen, with a Fourier transform of a hologram of the light modulation device at least one eye of the viewer is displayed and there forms the viewer window.
  • the object is further achieved according to the invention for a playback device, in particular for the reconstruction of scenes, with the following Mittein claim 11.
  • the reproduction device according to the invention is advantageously a holographic reproduction device for a two-dimensional and / or three-dimensional representation.
  • the display device has at least one light source and at least one light modulation device which modulates incident, advantageously coherent light corresponding to a scene to be reconstructed.
  • the reproduction apparatus has a position detection system for determining eye positions of at least one observer in the observer plane.
  • An optical system, a screen and a tracking unit for tracking a viewer's virtual viewer window in which at least one viewer is located are also provided in the playback apparatus.
  • the tracking unit is arranged in the light direction between the light source and the light modulation device in order to provide lateral and / or axial tracking of the virtual observer window when the observer changes position without the image of the light moderation device changing on the screen.
  • a tracking of the observer window for at least one observer laterally in the observer plane and axially along the optical axis can be achieved by means of the reproducing device without vignetting the two- and / or three-dimensional representation.
  • the image of the light modulation device on the screen is not rotated or tilted or shifted, which does not distort the image. In this way, a realistic observation of a reconstructed scene is achievable.
  • it is advantageously achievable by such a reproduction device that the diameter of the light incident on the light modulation device remains unchanged.
  • Playback device is also a simple tracking of the viewer window achievable with little effort without increased effort.
  • the optical system which is arranged in the light direction after the Lichtmodufations announced, is immutable or constant.
  • a static optical system is achieved in particular that the image of the light modulation device on the screen is not rotated or tilted.
  • the viewer window is larger than the eye pupil of an eye of the observer, wherein the Augenpuprate is provided for filtering the Fourierspektrums.
  • the use of a spatial frequency filter, in particular a diaphragm, for filtering the Fourier spectrum can be avoided and the playback device can be made more compact in their execution.
  • a spatial frequency filter in particular a diaphragm
  • apodization can be used. Such a method is known for example from the not yet published DE 10 2006 030 535.3 and can also be applied to the present invention for avoiding the periodic repetitions.
  • a further advantage is that an adaptive imaging system is provided for correcting aberrations of an illumination beam path in the tracking unit.
  • Figure 1 is a schematic representation of a playback device according to the invention for tracking a viewer window
  • FIG. 2 shows a basic representation of the reproduction apparatus according to the invention according to FIG. 1 with tracking of the observer window when at least one observer moves in the lateral direction;
  • FIG. 3 shows a basic representation of the reproduction apparatus according to the invention according to FIG. 1 with tracking of the observer window upon movement of at least one observer in the axial direction;
  • FIG. 4 shows a detailed illustration in principle of a tracking unit for tracking the observer window.
  • Some reproduction devices image the resulting Fourier transform FT of a hologram encoded in a light modulation device during reconstruction onto the eye pupil of a viewer.
  • the exit pupil of these display devices then lies on the eye pupil of the eye of the observer and is referred to as a viewer window.
  • the eye pupil coincides with the thus virtual observer window. If this is not the case, then there is a vignetting of the reconstructed scene in the observation, which is undesirable.
  • the figure 1 shows a Basic structure of the playback device.
  • the reproducing apparatus has at least one light source 2, a tracking unit 3 for tracking a viewer window 4, an optical system 5 and an optical element 6 serving as a screen, hereinafter referred to as a screen.
  • the tracking unit 3 which is arranged directly in the light direction after the light source 2, has at least two optical elements, which are not shown in this embodiment as well as in the following.
  • the tracking unit 3 may have a Abienkelement, for example, a galvanometer for deflecting incident on the deflecting light and at least one optical imaging element, such as a lens.
  • the tracking unit 3 can have an optical element which can change its properties, in particular the focal length.
  • Such an optical element may for example be a liquid lens.
  • the tracking unit 3 has at least one optical imaging element in addition to the liquid lens. If it is necessary for the viewer window 4 to be displaced laterally and axially, then the tracking unit 3 has both a deflection element and, for example, a liquid lens in conjunction with the optical imaging means.
  • At least one light modulation device 8 is provided in the reproduction device, which has a hologram.
  • the light modulation device 8 modulates the light impinging on the tracking unit 3, wherein the tracking unit 3 changes the light or the illumination beam path in its direction before the modulation in such a way that the viewer window 4 is thereby tracked.
  • An image of the light source 2 is located in the observer plane 7.
  • the optical system 5 has at least one optical element, for example a lens, which acts as a lens.
  • the light modulation device 8 is imaged on the screen 6 via the optical system 5.
  • a Fourier-transformed FT of the hologram encoded therein is formed simultaneously with the image of the light modulation device 8.
  • the Fourier transform FT arises within the optical system 5 and is not shown in this embodiment.
  • the image of the Fourier transform FT then takes place by means of the screen 6 in the viewer plane 7, where it forms the viewer window 4 there. Through this viewer window 4, a viewer can observe the reconstructed scene generated in a reconstruction space 9.
  • the reconstruction space 9 is thereby spanned by the observer window 4 and the screen 6 and can go as far as desired beyond the screen 6.
  • the playback device also has a position detection system 10 for determining eye positions of the observer in the observer plane 7.
  • the position detection system 10 is connected to the tracking unit 3, so that the values for the positions of the eyes of the observer determined by the position detection system 10 are fed to a control device 11 which activates the tracking unit 3, so that a tracking of the observer window 4 is laterally (FIG. xy-direction) and / or axial (z-direction) can take place when changing the position of the observer.
  • a tracking of the observer window 4 is laterally (FIG. xy-direction) and / or axial (z-direction) can take place when changing the position of the observer.
  • the location of the observer plane 7 along the optical axis 1 does not change.
  • the observer plane accordingly shifts along the optical axis 1.
  • FIG. 2 shows a lateral tracking of the observer window 4 in the x-direction of the coordinate system.
  • the idea according to the invention lies in that the tracking of the viewer window 4 is not carried out after a modulation of the light, but before the modulation of the light in the light modulation device 8 by means of the tracking unit 3, wherein the optical system 5 or optical elements in the light direction after the light modulation device 8 remain constant or not to be changed.
  • the tracking unit 3 the light can be guided in such a way by means of the deflection element that a Fourier transform FT resulting from the imaging of the modulated light forms a viewer window exactly at the place where an eye of the observer is located, in particular at a position change of the viewer.
  • FIG. 1 shows a lateral tracking of the observer window 4 in the x-direction of the coordinate system.
  • the diameter of the beam which falls on the light modulation device 8 does not change, so that the light modulation device 8 is always invariably illuminated with the same light intensity and without high Lichtveriust.
  • the light modulation device 8 is illuminated with collimated light, but this is not a requirement. In this way, the image of the light source 2 is shifted.
  • the light modulation device 8 is thereby imaged by means of the optical system 5 on the screen 6, wherein within the optical system 5 simultaneously the Fourier transform FT is formed by the viewer in the viewing plane 7, the viewer window 4 or at Change of position of the viewer forms the new viewer window 4 '.
  • a spatial frequency filter 12 for filtering a Fourier spectrum of a hologram encoded in the light modulation device 8 is likewise shown in FIG. 2, but will only be described in detail below with reference to FIG.
  • the viewer window 4 is tracked in this embodiment according to the illustrated coordinate system in the z direction along the optical axis 1.
  • the tracking device 3 also has an optical element with variable or controllable focal length and at least one optical imaging element, for example a lens or a mirror, for an axial tracking ,
  • the variable focal length optical element may be formed, for example, as a liquid lens, deformable mirror, or the like.
  • the position detection system 10 detects the eye positions of the observer for tracking, and transmits the detected data to the controller 11, which activates the tracking unit 3.
  • the focal length of the optical element is then changed in such a way that the required tracking of the observer window 4 along the optical axis 1 is ensured.
  • the light of the light source 2 impinging on the tracking unit 3 is directed onto the light modulation device 8 at a different angle of convergence after being influenced by the variable focal length optical element and the imaging element of the tracking unit 3, the light modulation device 8 modulating the light according to a scene to be reconstructed.
  • the light can also divergent fall on the light modulation device 8, wherein it must be ensured that the light modulation device 8 is illuminated uniformly.
  • the light modulation device 8 is then displayed on the screen 6, wherein the image remains unchanged on the screen 6 even with an axial movement of the viewer.
  • the picture is neither tilted, enlarged nor reduced.
  • the mapping produces a Fourier-transformed FT at the same time.
  • the image of the light source 2 along the optical axis 1 shifts the location of the Fourier transform FT to FT.
  • the new observer window 4' is then generated.
  • the observer plane 7 also shifts along the optical axis 1 to T. de according to the axial position of the viewer thus the viewer window 4 can be tracked the eyes of the beholder.
  • a spatial frequency filter 12 is provided in a Fourier plane, which passes a selected periodicity interval of the Fourier spectrum of a hologram of the light modulation device 8.
  • a spatial frequency filter in particular a diaphragm, is of great importance, since one or two-dimensional holograms coded in pixels, the pixels being arranged regularly, in the Fourier plane generate periodic repetition of the Fourier spectrum.
  • a spatial frequency filter can advantageously be arranged in this plane (Fourier plane), which only allows the diffraction order used to pass.
  • the spatial frequency filter 12 is shown in FIGS. 2 and 3, wherein the following description is intended to refer to a lateral and axial tracking of the observer window 4.
  • Space frequency filter 12 is provided within the optical system 5 and arranged in the plane of the Fourier transform FT. In an axial tracking of the viewer window 4, it is then necessary that the Jardinfrequenzfiiter 12 is accordingly moved along the optical axis 1. In a lateral tracking, the spatial frequency filter 12 must be shifted laterally in accordance with the lateral displacement of the observer window 4. In the case of a simultaneous axial and lateral tracking of the observer window 4, the spatial frequency filter 12 must therefore be moved simultaneously axially and laterally. Likewise, in the case of an axial tracking of the observer window 4, it should be noted that an opening of the spatial frequency filter 12 increases or decreases in accordance with the size of the observer window 4. The adaptation of the opening and the lateral and / or axial displacement of the space frequency feeder 12 are to be carried out at a suitable speed in accordance with the tracking of the observer window 4.
  • the advantage of the spatial frequency filter 12 is further that the reduction of the Fourier spectrum to a diffraction order and the imaging of this diffraction order and the spatial frequency filter 12 as viewed window prevent the crosstalk that usually occurs in holographic reconstructions using matrix light modulators.
  • a left and right eye of a viewer can be successively operated without crosstalk.
  • a multiplex method for several people is possible.
  • Another possibility for filtering the Fourier spectrum is the use of the eye pupil as a filtering means.
  • the viewer window 4 is larger than the eye pupil of an eye of the observer.
  • the tracking unit 3 is shown in detail, wherein in this embodiment, the mechanism of the axial tracking of the observer window 4 realized in the tracking unit 3 is shown.
  • the beam bundle of the light source 2 is shaped by the variable focal length optical system HH ', for example, one liquid lens or a plurality of single lenses, so that the Light modulation device 8 illuminated either with a collimated or a convergent or divergent beam and the light source 2 is thereby imaged at various locations along the optical axis 1.
  • the main plane H ' is in each case imaged by an optical imaging element L onto the light modulation device 8. It is essential that the illuminated surface of the light modulation device 8 does not change, and that the main planes H and H 'are not moved.
  • the deflection element required for realizing the lateral tracking of the observer window 4 can likewise be arranged in the part of the tracking unit 3 lying in front of the optical imaging element L, so that the light source 2 does not have to be moved either for the lateral or for the axial tracking.
  • Another problem is aberrations of the optical systems, which affect the quality of the reconstructed scene by vignetting. If the optical system 5, as described above, immutable and very well optimized for the imaging of the light modulation device 8 on the screen 6 or nothing changes in the area between the light modulation device 8 and the screen 6, then the Lichtmoduiations worn 8 for all positions of Observers aberrationsello shown on the screen 6. However, it is to be expected that the observer window 4 or 4 'is influenced by the aberrations in the tracking. Such aberrations are mainly spherical aberration, coma and astigmatism. However, these aberrations are completely independent of the image of the light modulation device 8 on the screen 6.
  • This adaptive optical system is provided in the tracking unit 3 in an original image of the light modulation device 8 and is thus to be imaged onto the light modulation device 8. It is also possible to arrange this adaptive optical system in an image of the light modulation device 8, for example in the optical system 5. It should be noted, however, that the light modulation device 8 is illuminated homogeneously with constant intensity. In this way, aberrations in the observer window 4 can be appropriately corrected and vignetting of the reconstructed scene can be avoided. This also improves the quality of the reconstructed scene.
  • the reproduction device according to the invention with a tracking unit for tracking a viewer window in connection with the method can be used, for example, for a two-dimensional and / or three-dimensional display for the home and work area, such as computers, head-up displays, mobile phones, television, electronic games , Automotive industry to display information or entertainment, medical technology or even for military technology, for example, used to display terrain profiles.
  • the present playback device can also be used in other areas, not mentioned here, in which a tracking of the exit pupil of the device in the lateral and / or axial direction is necessary.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachführen eines virtuellen Betrachterfensters und eine Wiedergabevorrichtung, insbesondere zur Rekonstruktion von Szenen. Die Wiedergabevorrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle (2) und wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung (8) auf. Außerdem ist ein Positionserfassungssystem (10) zur Bestimmung von Augenpositionen wenigstens eines Betrachters in einer Betrachterebene (7), ein optisches System (5), ein Bildschirm (6) und eine Nachführeinheit (3) zum Nachführen des virtuellen Betrachterfensters (4) der Betrachterebene (7), in welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet, vorgesehen. Die Nachführeinheit (3) ist dabei in Lichtrichtung zwischen der Lichtquelle (2) und der Lichtmodulationseinrichtung (8) angeordnet, um eine laterale und/oder axiale Nachführung des Betrachterfensters (4) bei einem Positionswechsel des Betrachters vorzunehmen. Eine Nachführung des Betrachterfensters (4) erfolgt dabei durch eine Veränderung eines Beleuchtungsstrahlengangs innerhalb der Nachführeinheit (3).

Description

Verfahren und Wiedergabevorπchtung mit Mitteln zum Nachfuhren eines Betrachterfensters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Wiedergabeein πchtung zum Nachführen wenigstens eines virtuellen Betrachterfensters einer Betrachterebene, in welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Wiedergabevorrichtung, mittels welcher das Verfahren durchgeführt werden kann
Anwendungsgebiete der Erfindung sind Wiedergabeeinrichtungen zur Darstellung von zwei- und/oder dreidimensionalen Objekten für einen oder mehrere Betrachter, insbesondere holographische Wiedergabeeinrichtungen. Die Erfindung kann aber auch in autostereoskopischen Wiedergabeeinπchtungen verwendet werden
Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise holographische Wiedergabeeinrichtungen mit Lichtmodulationseinrichtungen bekannt, wobei die Fouπer- Transformierte eines Hologramms der Lichtmodulationseinrichtung auf die Augenpupille eines Betrachters abgebildet wird Die Austπttspupille von diesen Wiedergabeeinrichtungen liegt dann auf der Augenpupille des Auges eines Betrachters und wird als Betrachterfenster bezeichnet. Ein letztes, in Lichtrichtung angeordnetes, optisches Element in der Wiedergabeeinrichtung vor dem Betrachter ist ein als Bildschirm dienendes optisches Element Dabei wird vorausgesetzt, dass der Bildschirm ein fokussierendes optisches Element ist.
Fallt das Betrachterfenster mit der Augenpupille zusammen, dann kann der Betrachter bei einer holographischen Wiedergabeeinrichtung eine rekonstruierte Szene eines Objektes in einem Rekonstruktionsraum, weicher von dem Betrachterfenster und dem Bildschirm aufgespannt wird, beobachten. Bewegt sich jedoch der Betrachter seitlich zur bzw entlang einer optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung, so fallt das Betrachterfenster nicht mehr mit der Augenpupille des Betrachters zusammen Dadurch wird die rekonstruierte Szene vignettiert und ist somit nur noch begrenzt oder gar nicht mehr sichtbar Um eine derartige Vignettierung der rekonstruierten Szene bei einer lateralen Bewegung des Betrachters zu verhindern, ist bereits bekannt, Positionserfassungssysteme vorzusehen, mittels welcher die Position der Augen eines Betrachters erfasst wird. Über eine Nachführeinheit wird dann das Betrachterfenster dem Auge des Betrachters bei Bewegung des Betrachters an eine andere Position nachgeführt. Eine Nachführung des Betrachterfensters erfolgt dann lateral in der Betrachterebene. Hierzu sind bereits mehrere Möglichkeiten aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise beschreibt die noch nicht veröffentlichte DE 10 2005 023 743.6 eine Art der Nachführung des Betrachterfensters. Dabei wird das Betrachterfenster mittels eines Ablenkelements, welches in Lichtrichtung nach der Lichtmodulationseinrichtung angeordnet ist, nachgeführt.
Nachteilig ist dabei jedoch, dass das auf den Bildschirm abgebildete Bild durch eine Anordnung des Nachführelements zwischen der Lichtmodulationseinrichtung und dem Bildschirm gekippt wird, so dass das Bild sich mit der Position des Betrachters dreht. Dadurch entsteht eine Verzerrung des Bildes auf dem Bildschirm, wodurch eine rekonstruierte Szene nicht realitätsgetreu beobachtet werden kann.
Eine Nachführung des Betrachterfensters entlang der optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung, also auf den Bildschirm zu oder von ihm weg, erfordert jedoch eine andere Vorgehensweise als eine laterale Nachführung. Dabei muss gewährleistet sein, dass das Betrachterfenster entlang der optischen Achse bewegbar ist, da ansonsten eine Vignettierung der rekonstruierten Szene zustande kommt. Außerdem muss das Bild der Lichtmoduiationseinrichtung, egal in welcher Entfernung sich der Betrachter zu dem Bildschirm befindet, immer unverändert bzw. in gleicher Weise auf dem Bildschirm abgebildet werden. Das bedeutet, dass das Bild der
Lichtmoduiationseinrichtung, welches beispielsweise für eine Position a des
Betrachters auf dem Bildschirm lokalisiert ist, auch für eine Position b des Betrachters unverändert auf dem Bildschirm sein muss, wobei sich aber die Austrittspupille bewegt.
Der Patent Abstracts of Japan 09068674 mit den zugehörigen Figuren beschreibt eine Möglichkeit der Nachführung in lateraler und axialer Richtung. Es wird ein electro- holographisches Display zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene mittels zweier räumlicher Lichtmodulatoren offenbart, welches ein kippbares Spiegeielement zur Projektion des Lichts von den Lichtmodulatoren auf die Augen des Betrachters aufweist. Jeder Lichtmodulator mit dem entsprechenden Hologramm ist für ein Auge eines Betrachters bestimmt. Die dreidimensionale Szene entsteht im Bereich um das bzw. auf dem rotierenden Spiegelelement. Bei Bewegung des Betrachters wird diese Bewegung mit einem Positionserfassungssystem erfasst, und das kippbare Spiegelelement wird entsprechend der neuen Augenposition des Betrachters um seine horizontale oder vertikale Achse gedreht. Gleichzeitig wird die Ansicht der dreidimensionalen Szene entsprechend der neuen Position des Betrachters auf den Hologrammen modifiziert. Des Weiteren ist neben einer lateralen Nachführung des Lichts auch eine axiale Nachführung entlang einer optischen Achse des Displays in den Figuren offenbart. Hier erfolgt die Nachführung des Lichts entsprechend einer neuen Position der Augen des Betrachters auf die dreidimensionale Szene zu oder von ihr weg. Eine derartige Nachführung wird durch Veränderung eines lateralen Abstandes der beiden Lichtmodulatoren zueinander gewährleistet. Dadurch wird erreicht, dass das für das jeweilige Auge vorgesehene Licht auch auf das Auge fällt. Entsprechend dem Ort eines Auges des Betrachters, wobei die neue Position des Auges mittels des Positionserfassungssystems ermittelt wird, werden die Lichtmodulatoren lateral zueinander verschoben, wodurch eine Nachführung des Licht entlang der optischen Achse erfolgen kann und somit immer für die Augen des Betrachters die rekonstruierte Szene sichtbar ist.
Es besteht jedoch bei dieser Art der Nachführung nicht das Problem der Vignettierung, da die rekonstruierte Szene sehr klein ist. Außerdem erfolgt die Ablenkung in der Verfahrensweise nach einer Modulation des Lichtes durch die Lichtmodufationseinrichtungen. Dadurch wird das Bild verdreht bzw. gekippt. Ferner wird in der JP 09068674 kein begrenztes Betrachterfenster gebildet, welches nachgeführt wird, sondern der gesamte Sichtbarkeitsbereich wird nachgeführt. Die Pupille des Systems liegt überdies hier auch nicht auf der Augenpupille, sondern zwischen dem Auge und der rekonstruierten Szene. Bei größerer rekonstruierter Szene, wie in der vorliegenden Erfindung vorgesehen, kann ein derartiges Verfahren nicht angewandt werden. Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Wiedergabevorrichtung zur zwei- und/oder dreidimensionalen Darstellung mit Mitteln zum Nachführen eines virtuellen Betrachterfensters bei Bewegung eines Betrachters an eine andere Position zu schaffen, mittels welcher ein einfaches Nachführen des Betrachterfensters in lateraler und in axialer Richtung ohne erhöhten Aufwand mit einfachen Mitteln ermöglicht wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11 gelöst.
Erfindungsgemäß wird nach Anspruch 1 bei einem Verfahren für eine Wiedergabeeinrichtung, insbesondere für eine holographische Wiedergabe- einrichtung, zum Nachführen wenigstens eines virtuellen Betrachterfensters bei Positionsänderung eines Betrachters wie folgt vorgegangen, wobei sich in einer Betrachterebene wenigstens ein Betrachter befindet. Ein Positionserfassungssystem bestimmt Augenpositionen des Betrachters in der Betrachterebene, wobei die somit ermittelten Werte einer Steuereinrichtung zugeführt werden. Die Steuereinrichtung aktiviert danach eine Nachführeinheit, welche das Betrachterfenster entsprechend einer neuen Position des Betrachters nachführt. Erfindungsgemäß erfolgt eine Nachführung des Betrachterfensters in lateraler und/oder axialer Richtung durch eine Veränderung eines Beleuchtungsstrahlengangs innerhalb der Nachführeinheit mittels wenigstens zwei optischen Elementen zwischen einer Lichtquelle und wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung derart, dass der Durchmesser des auf die Lichtmodulationseinrichtung auftreffenden Lichts unverändert bleibt. Die Nachführung wird dabei in der Nachführeinheit vor wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung in der Wiedergabeeinrichtung vorgenommen.
Das Betrachterfenster kann auf diese Weise lateral und auch axial dem Betrachter bei einer Positionsänderung nachgeführt werden. Je nach Positionswechsel wird das Betrachterfenster mittels der Nachführeinheit lateral, axial oder auch in beiden Richtungen, lateral und axial, nachgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren weist einen sehr großen Vorteil auf. Eine Vignettierung der dreidimensionalen Darstellung, insbesondere einer rekonstruierten Szene, durch das Betrachterfenster kann durch diese Art der Nachführung des Betrachterfensters vermieden werden. Dadurch kann der Betrachter auch bei Bewegung auf die dreidimensionale Darstellung zu oder weg von dieser diese ohne Einschränkungen vollkommen beobachten, da die Austrittspupille des Gesamtsystems immer mit der Augenpupille zusammenfällt. Außerdem wird dadurch der Bildschirminhalt in jeder Position, in welcher sich der Betrachter in Lichtrichtung nach dem Bildschirm befändet, unverändert gesehen. Besonders von Vorteil ist, dass der Durchmesser bzw. die laterale Ausdehnung des Lichts, welches auf die Lichtmodulationseinrichtung fällt, unverändert bleibt. Auf diese Weise kann ohne Anstrengung mit normaler Beanspruchung der Augen und des Gehirns die dreidimensionale Darstellung beobachtet werden. Außerdem ist auf diese Weise gleichzeitig eine laterale und axiale Nachführung des Betrachterfensters möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Nachführung des Betrachterfensters in der Betrachterebene in lateraler Richtung das Licht unter einem Winkel auf die Lichtmodulationseinrichtung fällt. Dadurch ist erst eine laterale Nachführung möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für eine axiale Nachführung des Betrachterfensters Eigenschaften, insbesondere Brennweite, wenigstens eines optischen Elements in der Nachführeinheit geändert werden, wobei das Licht dann als konvergentes oder divergentes Strahlenbündel auf die Lichtmodulationseinrichtung fällt. Durch eine Änderung der Eigenschaften der optischen Elemente in der Nachführeinheit verschiebt sich die Abbildung der Fourier- Transformierten des in der Lichtmodulationseinrichtung dargestellten Hologramms auf der optischen Achse, wodurch sich das Betrachterfenster dementsprechend axial entlang der optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung gemäß der Position des Betrachters verschiebt bzw. sich sein Entstehungsort ändert.
Bei dem Verfahren kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Lichtmodulationseinrichtung auf ein als Bildschirm dienendes optisches Element abgebildet wird, wobei eine Fourier-Transformierte eines Hologramms der Lichtmodulationseinrichtung auf wenigstens ein Auge des Betrachters abgebildet wird und dort das Betrachterfenster bildet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin für eine Wiedergabevorrichtung, insbesondere zur Rekonstruktion von Szenen, mit folgenden Mittein nach Anspruch 11 gelöst. Die erfindungsgemäße Wiedergabevorrichtung ist vorteilhafterweise eine holographische Wiedergabeeinrichtung für eine zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung. Die Wiedergabevorrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung auf, welche einfallendes, vorteilhafterweise kohärentes Licht entsprechend einer zu rekonstruierenden Szene moduliert. Des Weiteren weist dabei die Wiedergabevorrichtung ein Positionserfassungssystem zur Bestimmung von Augenpositäonen wenigstens eines Betrachters in der Betrachterebene auf. Ein optisches System, ein Bildschirm und eine Nachführeinheit zum Nachführen eines virtuellen Betrachterfensters einer Betrachterebene, in welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet, sind ebenso in der Wiedergabevorrichtung vorgesehen. Die Nachführeinheit ist dabei in Lichtrichtung zwischen der Lichtquelle und der Lichtmodulationseinrichtung angeordnet, um eine laterale und/oder axiale Nachführung des virtuellen Betrachterfensters bei einem Positionswechsel des Betrachters vorzusehen, ohne dass sich dabei die Abbildung der Lichtmodufationseinrichtung auf dem Bildschirm ändert.
Mittels der erfindungsgemäßen Wiedergabevorrichtung ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 bestmöglich durchzuführen. Eine Nachführung des Betrachterfensters für wenigstens einen Betrachter lateral in der Betrachterebene und axial entlang der optischen Achse ist mittels der Wiedergabevorrichtung ohne Vignettierung der zwei- und/oder dreidimensionalen Darstellung erreichbar. Ebenso wird die Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung auf dem Bildschirm nicht gedreht bzw. gekippt oder verschoben, wodurch das Bild nicht verzerrt wird. Auf diese Weise ist eine realitätsgetreue Beobachtung einer rekonstruierten Szene erzielbar. Weiterhin ist durch eine derartige Wiedergabevorrichtung vorteilhaft erreichbar, dass der Durchmesser des auf die Lichtmodulationseinrichtung auftreffenden Lichts unverändert bleibt. Mittels der Wiedergabevorrichtung ist außerdem ein einfaches Nachführen des Betrachterfensters ohne erhöhtem Aufwand mit geringen Mitteln erreichbar.
Von besonderem Vorteil ist, dass das optische System, weiches in Lichtrichtung nach der Lichtmodufationseinrichtung angeordnet ist, unveränderlich bzw. konstant ist. Durch ein derartiges statisches optisches System wird besonders erreicht, dass die Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung auf dem Bildschirm nicht verdreht bzw. gekippt ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Betrachterfenster größer als die Augenpupille eines Auges des Betrachters ist, wobei die Augenpupiile zur Filterung des Fourierspektrums vorgesehen ist. Auf diese Weise kann der Einsatz eines Raumfrequenzfilters, insbesondere einer Blende, zur Filterung des Fourierspektrums vermieden und die Wiedergabevorrichtung in ihrer Ausführung kompakter ausgestaltet werden. Zur Vermeidung der periodischen Wiederholung des Fourierspektrums kann neben einem Raumfrequenzfilter auch Apodisation angewandt werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der noch nicht veröffentlichten DE 10 2006 030 535.3 bekannt und kann auch auf die vorliegende Erfindung zur Vermeidung der periodischen Wiederholungen angewandt werden.
Von weiterem Vorteil ist, dass für eine Korrektur von Aberrationen eines Beleuchtungsstrahlengangs in der Nachführeinheit ein adaptives Abbildungssystem vorgesehen ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiele prinzipmäßig erläutert. Dabei wird das Prinzip der Erfindung anhand einer holographischen Wiedergabevorrichtung mit monochromatischem kohärentem Licht beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung kann auch für farbige holographische Rekonstruktionen vorgesehen werden oder in anderen Bereichen der Optik Anwendung finden. Die Figuren zeigen:
Figur 1 eine prinzipmäßige Darstellung einer erfindungsgemäßen Wiedergabevorrichtung zur Nachführung eines Betrachterfensters;
Figur 2 eine prinzipmäßige Darstellung der erfindungsgemäßen Wiedergabevorrichtung gemäß Figur 1 mit Nachführung des Betrachterfensters bei Bewegung wenigstens eines Betrachters in lateraler Richtung;
Figur 3 eine prinzipmäßige Darstellung der erfindungsgemäßen Wiedergabevorrichtung gemäß Figur 1 mit Nachführung des Betrachterfensters bei Bewegung wenigstens eines Betrachters in axialer Richtung; und
Figur 4 eine detaillierte prinzipmäßige Darstellung einer Nachführeinheit zum Nachführen des Betrachterfensters.
Einige Wiedergabeeinrichtungen, insbesondere holographische Wiedergabeeinrichtungen, bilden die entstehende Fourier-Transformierte FT eines in einer Lichtmodulationseinrichtung kodierten Hologramms bei der Rekonstruktion auf die Augenpupille eines Betrachters ab. Die Austrittspupille von diesen Wiedergabeeinrichtungen liegt dann auf der Augenpupille des Auges des Betrachters und wird als Betrachterfenster bezeichnet. Zur Beobachtung einer rekonstruierten Szene ist es daher notwendig, dass die Augenpupille mit dem somit virtuellen Betrachterfenster zusammenfällt. Ist dies jedoch nicht der Fall, dann kommt es zu einer Vignettierung der rekonstruierten Szene bei der Beobachtung, was jedoch unerwünscht ist.
Deshalb ist es erforderlich, das virtuelle Betrachterfenster dem Auge des Betrachters bei einem Positionswechsel folgen zu lassen. Daher wird eine Wiedergabevorrichtung, insbesondere zur Rekonstruktion von Szenen, in welcher eine Nachführung eines Betrachterfensters vorgesehen ist, vorgeschlagen. Die Nachführung des Betrachterfensters erfolgt dabei lateral senkrecht zu und/oder axial entlang einer optischen Achse 1 der Wiedergabevorrichtung. Die Figur 1 zeigt dabei einen Grundaufbau der Wiedergabevorrichtung. Die Wiedergabevorrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle 2, eine Nachführeinheit 3 zur Nachführung eines Betrachterfensters 4, ein optisches System 5 und ein als Bildschirm dienendes optisches Element 6, im nachfolgenden als Bildschirm bezeichnet, auf. Die Nachführeinheit 3, weiche direkt in Lichtrichtung nach der Lichtquelle 2 angeordnet ist, weist wenigstens zwei optische Elemente auf, die jedoch in diesem Ausführungsbeispiel wie auch in den nachfolgenden nicht dargestellt sind. Für eine Nachführung des Betrachterfensters 4 in lateraler Richtung in einer Betrachterebene 7 kann die Nachführeinheit 3 ein Abienkelement, beispielsweise einen Galvanometerscannen zur Ablenkung von auf das Ablenkelement auftreffende Licht und wenigstens ein optisches Abbildungselement, beispielsweise eine Linse, aufweisen. Für eine Nachführung des Betrachterfensters 4 in axialer Richtung entlang der optischen Achse 1 kann die Nachführeinheit 3 ein optisches Element aufweisen, welches seine Eigenschaften, insbesondere die Brennweite, verändern kann. Ein derartiges optisches Element kann beispielsweise eine Flüssigkeitslinse sein. Außerdem weist die Nachführeinheit 3 neben der Flüssigkeitslinse noch wenigstens ein optisches Abbildungselement auf. Ist es notwendig, dass das Betrachterfenster 4 lateral und axial verschoben werden muss, dann weist die Nachführeinheit 3 sowohl ein Ablenkelement als auch beispielsweise eine Flüssigkeitslinse in Verbindung mit den optischen Abbildungsmittein auf.
In Lichtrichtung nach der Nachführeinheit 3 ist in der Wiedergabevorrichtung wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung 8 vorgesehen, welche ein Hologramm aufweist. Die Lichtmodulationseinrichtung 8 moduliert dabei das von der Nachführeinheit 3 auftreffende Licht, wobei die Nachführeinheit 3 noch vor der Modulation das Licht bzw. den Beleuchtungsstrahlengang in seiner Richtung so ändert, dass dadurch das Betrachterfenster 4 nachgeführt wird. In der Betrachterebene 7 befindet sich dabei eine Abbildung der Lichtquelle 2. Durch die Nachführung des Betrachterfensters 4 bereits vor der Modulation des Lichts mittels der Lichtmodulationseinrichtung 8 wird eine realitätsgetreue Beobachtung einer rekonstruierten Szene ermöglicht. Mitteis des in Lichtrichtung nach der Lichtmodulationseinrichtung 8 angeordneten optischen Systems 5 und des Bildschirms 6 wird eine Szene, insbesondere eine dreidimensionale Szene, rekonstruiert. Das optische System 5 weist dafür wenigstens ein optisches Element auf, beispielsweise eine Linse, welche als Objektiv wirkt. Bei der Rekonstruktion der vorzugsweise dreidimensionalen Szene wird die Lichtmodulationseinrichtung 8 über das optische System 5 auf den Bildschirm 6 abgebildet. Es entsteht bei der Rekonstruktion gleichzeitig mit der Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung 8 eine Fourier-Transformierte FT des darin kodierten Hologramms. Die Fourier-Transformierte FT entsteht dabei innerhalb des optischen Systems 5 und ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt. Die Abbildung der Fourier-Transformierten FT erfolgt danach mittels des Bildschirms 6 in die Betrachterebene 7, wobei diese dort das Betrachterfenster 4 bildet. Durch dieses Betrachterfenster 4 kann ein Betrachter die rekonstruierte Szene, weiche in einem Rekonstruktionsraum 9 erzeugt wird, beobachten. Der Rekonstruktionsraum 9 wird dabei von dem Betrachterfenster 4 und dem Bildschirm 6 aufgespannt und kann beliebig weit über den Bildschirm 6 hinausgehen.
Die Wiedergabevorrichtung weist außerdem ein Positionserfassungssystem 10 zur Bestimmung von Augenpositionen des Betrachters in der Betrachterebene 7 auf. Das Positionserfassungssystem 10 steht mit der Nachführeinheit 3 in Verbindung, so dass die von dem Positionserfassungssystem 10 ermittelten Werte für die Positionen der Augen des Betrachters einer Steuereinrichtung 11 zugeführt werden, welche die Nachführeinheit 3 aktiviert bzw. ansteuert, damit eine Nachführung des Betrachterfensters 4 lateral (x-y-Richtung) und/oder axial (z-Richtung) bei Positionswechsel des Betrachters erfolgen kann. Bei einem nur lateralen Positionswechsel und somit nur einer lateralen Verschiebung des Betrachterfensters 4 ändert sich der Ort der Betrachterebene 7 entlang der optischen Achse 1 nicht. Bei einem axialen bzw. kombinierten lateralen und axialen Positionswechsel des Betrachters verschiebt sich dementsprechend auch die Betrachterebene entlang der optischen Achse 1.
In Figur 2 ist eine laterale Nachführung des Betrachterfensters 4 in x-Richtung des Koordinatensystems dargestellt. Der erfindungsgemäße Gedanke liegt dabei darin, dass die Nachführung des Betrachterfensters 4 nicht nach einer Modulation des Lichts, sondern bereits vor der Modulation des Lichts in der Lichtmodulationseinrichtung 8 mittels der Nachführeinheit 3 erfolgt, wobei das optische System 5 bzw. optische Elemente in Lichtrichtung nach der Lichtmodulationseinrichtung 8 konstant bleiben bzw. nicht verändert werden. Dies bedeutet, dass bereits in der Nachführeinheit 3 das Licht derart mittels des Ablenkelements geführt werden kann, dass eine durch die Abbildung des modulierten Lichts entstehende Fourier-Transformierte FT ein Betrachterfenster genau an dem Ort bildet, an welchem sich ein Auge des Betrachters befindet, insbesondere bei einem Positionswechsel des Betrachters. Die Figur 2 zeigt daher eine laterale Nachführung des Betrachterfensters 4 zu 4' bei einer Positionsänderung des Betrachters entlang der Betrachterebene 7 in x-Richtung entsprechend dem dargestellten Koordinatensystem. In der ursprünglichen Position des Betrachters in der Betrachterebene 7 wird das Betrachterfenster 4 im Bereich der optischen Achse 1 gebildet, wie durch die dünn gestrichelten Linien dargestellt. Bei einer Positionsänderung des Betrachters in x- oder y-Richtung wird jedoch das von der Lichtquelle 2 ausgesandte Licht in der Nachführeinheit 3 derart abgelenkt, dass dieses im Vergleich zu der ursprünglichen Position des Betrachters nicht mehr senkrecht, sondern unter einem Winkel auf die Lichtmodulationseinrichtung 8 fällt. Dabei ist zu beachten, dass der Durchmesser des Strahlenbündels, welches auf die Lichtmodulationseinrichtung 8 fällt, sich nicht ändert, damit die Lichtmodulationseinrichtung 8 immer unveränderlich mit gleicher Lichtintensität und ohne hohen Lichtveriust beleuchtet wird. Die Lichtmodulationseinrichtung 8 wird dabei mit kollimiertem Licht beleuchtet, wobei dies aber nicht Voraussetzung ist. Auf diese Weise wird die Abbildung der Lichtquelle 2 verschoben. Wie bereits unter Figur 1 erwähnt, wird die Lichtmodulationseinrichtung 8 dabei mittels des optischen Systems 5 auf den Bildschirm 6 abgebildet, wobei innerhalb des optischen Systems 5 gleichzeitig die Fourier-Transformierte FT entsteht, die durch Abbildung in die Betrachterebene 7 das Betrachterfenster 4 bzw. bei Positionswechsel des Betrachters das neue Betrachterfenster 4' bildet. Das Bild der Lichtmodulationseinrichtung 8 auf dem Bildschirm 6 bewegt sich bei einer Nachführung des Betrachterfensters 4 nicht bzw. wird nicht gekippt, im Gegensatz zum Stand der Technik. Ein Raumfrequenzfilter 12 zur Filterung eines Fourierspektrums eines in der Lichtmodulationseinrichtung 8 kodierten Hologramms äst ebenfalls in Figur 2 dargestellt, soll aber erst unter Figur 3 näher beschrieben werden.
Auf diese Weise kann das Betrachterfenster 4 einfach und ohne großen Aufwand dem Betrachter bei einem Positionswechsel lateral, in diesem Ausführungsbeispiel in x- Richtung bzw. in y-Richtung, nachgeführt werden.
Eine axiale Nachführung des Betrachterfensters 4 bei einer Änderung der Position des Betrachters wird in Figur 3 dargestellt. Das Betrachterfenster 4 wird in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend dem dargestellten Koordinatensystem in z- Richtung entlang der optischen Achse 1 nachgeführt. Auch in axialer Richtung erfolgt die Nachführung des Betrachterfensters 4 bereits in Lichtrichtung vor der Lichtmodulationseinrichtung 8. Die Nachführeinheit 3 weist dabei für eine axiale Nachführung ein optisches Element mit variabler bzw. steuerbarer Brennweite und wenigstens ein optisches Abbildungselement, beispielsweise eine Linse oder einen Spiegel, auf. Das optische Element mit variabler Brennweite kann beispielsweise als Flüssigkeitslinse, deformierbarer Spiegel oder ähnliches Element ausgebildet sein, Das Positionserfassungssystem 10 erfasst für eine Nachführung die Augenpositionen des Betrachters und übermittelt die erfassten Daten der Steuereinrichtung 11 , welche die Nachführeinheit 3 aktiviert. Daraufhin wird die Brennweite des optischen Elements derart verändert, dass die geforderte Nachführung des Betrachterfensters 4 entlang der optischen Achse 1 gewährleistet wird. Das auf die Nachführeinheit 3 auftreffende Licht der Lichtquelle 2 wird nach der Beeinflussung durch das optische Element variabler Brennweite und durch das Abbiidungselement der Nachführeinheit 3 unter einem anderen Konvergenzwinkel auf die Lichtmodulationseinrichtung 8 gerichtet, wobei die Lichtmodulationseinrichtung 8 das Licht entsprechend einer zu rekonstruierenden Szene moduliert. Das Licht kann auch divergent auf die Lichtmodulationseinrichtung 8 fallen, wobei gewährleistet sein muss, dass die Lichtmodulationseinrichtung 8 gleichmäßig beleuchtet wird. Mittels des optischen Systems 5 wird dann die Lichtmodulationseinrichtung 8 auf dem Bildschirm 6 abgebildet, wobei das Bild auf dem Bildschirm 6 auch bei einer axialen Bewegung des Betrachters unverändert bleibt. Das Bild wird weder gekippt, vergrößert noch verkleinert. Durch die Abbildung entsteht gleichzeitig eine Fourier-Transformierte FT. Für den ursprünglichen Strahlengang, welcher durch dünne Linien dargestellt ist, entsteht sie innerhalb des optischen Systems 5, wobei der Ort der Fourier- Transformierten FT in Figur 3 nur angedeutet ist. Zur Nachführung des Betrachterfensters 4 zu 4' verschiebt sich die Abbildung der Lichtquelle 2 entlang der optischen Achse 1 der Ort der Fourier-Transformierten FT zu FT. Durch die Abbildung der Fourier-Transformierten FT' wird dann das neue Betrachterfenster 4' erzeugt. Somit verschiebt sich ebenfalls die Betrachterebene 7 entlang der optischen Achse 1 zu T . de nach axialer Position des Betrachters kann somit das Betrachterfenster 4 den Augen des Betrachters nachgeführt werden.
Die beiden oben erwähnten Möglichkeiten der lateralen und axialen Nachführung des Betrachterfensters 4 beschreiben eine Nachführung ohne Verschiebung, Verkippung oder Vergrößerung der Abbildung der Lichtmodulationseiπrichtung 8 auf dem Bildschirm 6. Wie aus der Figur 3 ersichtlich, ist die Größe des Betrachterfensters 4 bei axialer Nachführung proportional zum Abstand zwischen dem Betrachterfenster 4 und dem Bildschirm 6 bzw. hängt die Größe des Betrachterfensters 4 vom Abstand ab.
Außerdem ist in der Wiedergabevorrichtung, insbesondere zur Rekonstruktion von Szenen, ein Raumfrequenzfilter 12 in einer Fourierebene vorgesehen, das ein ausgewähltes Periodizitätsintervall des Fourierspektrums eines Hologramms der Lichtmodulationseinrichtung 8 durchlässt. Bei vorteilhafter Verwendung der Wiedergabevorrichtung als holographische Wiedergabeeinrichtung mit einer ein Hologramm aufweisenden Lichtmodulationseinrichtung ist ein Raumfrequenzfilter, insbesondere eine Blende, von großer Bedeutung, da ein- oder zweidimensionale Hologramme, die in Pixeln kodiert sind, wobei die Pixel regulär angeordnet sind, in der Fourierebene eine periodische Wiederholung des Fourierspektrums erzeugen. Zur Unterdrückung oder Ausschaltung der Periodizität kann daher vorteilhafterweise ein Raumfrequenzfilter in dieser Ebene (Fourierebene) angeordnet sein, welches nur die verwendete Beugungsordnung passieren lässt. Das Raumfrequenzfilter 12 ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt, wobei sich die folgende Beschreibung auf eine laterale und axiale Nachführung des Betrachterfensters 4 beziehen soll. Das 4
Raumfrequenzfilter 12 ist innerhalb des optischen Systems 5 vorgesehen und in der Ebene der Fourier-Transformierten FT angeordnet. Bei einer axialen Nachführung des Betrachterfensters 4 ist es dann notwendig, dass das Raumfrequenzfiiter 12 dementsprechend entlang der optischen Achse 1 verschoben wird. Bei einer lateralen Nachführung muss das Raumfrequenzfilter 12 entsprechend der lateralen Verschiebung des Betrachterfensters 4 lateral verschoben werden. Bei einer gleichzeitigen axialen und lateralen Nachführung des Betrachterfensters 4 muss das Raumfrequenzfilter 12 demzufolge gleichzeitig axial und lateral verschoben werden. Ebenso ist bei einer axialen Nachführung des Betrachterfensters 4 zu beachten, dass eine Öffnung des Raumfrequenzfilters 12 sich entsprechend der Größe des Betrachterfensters 4 vergrößert bzw. verkleinert. Die Anpassung der Öffnung und die laterale und/oder axiale Verschiebung des Raumfrequenzfüters 12 sind in geeigneter Geschwindigkeit entsprechend der Nachführung des Betrachterfensters 4 vorzunehmen.
Der Vorteil des Raumfrequenzfilters 12 liegt weiterhin darin, dass die Reduzierung des Fourierspektrums auf eine Beugungsordnung und die Abbildung dieser Beugungsordnung sowie des Raumfrequenzfilters 12 ais Betrachte rfenster das Übersprechen verhindern, das üblicherweise bei holographischen Rekonstruktionen unter Verwendung von matrixförmigen Lichtmodulationseinrichtungen auftritt. Damit lassen sich im Multiplex-Verfahren nacheinander ein linkes und rechtes Auge eines Betrachters ohne Übersprechen bedienen. Ebenso ist ein Multiplex-Verfahren für mehrere Personen dadurch möglich.
Eine weitere Möglichkeit zur Filterung des Fourierspektrums liegt in der Benutzung der Augenpupille als Filterungsmittel. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn das Betrachterfenster 4 größer als die Augenpupille eines Auges des Betrachters ist.
In Figur 4 ist die Nachführeinheit 3 in detaillierter Form dargestellt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Mechanismus des in der Nachführeinheit 3 realisierten axialen Nachführens des Betrachterfensters 4 gezeigt wird. Das Strahienbündel der Lichtquelle 2 wird durch das optische System H-H' mit variabler Brennweite, beispielsweise eine Flüssigkeitslinse oder mehrere Einzellinsen, so geformt, dass die Lichtmodulationseinrichtung 8 entweder mit einem kollimierten oder einem konvergenten bzw. divergenten Strahlenbündel beleuchtet und die Lichtquelle 2 dabei an verschiedene Orte entlang der optischen Achse 1 abgebildet wird. Dabei wird die Hauptebene H' in jedem Fall durch ein optisches Abbildungselement L auf die Lichtmodulationseinrichtung 8 abgebildet. Wesentlich ist dabei, dass sich die ausgeleuchtete Fläche der Lichtmodulationseinrichtung 8 nicht ändert, und dass die Hauptebenen H und H' nicht verschoben werden.
Das zur Realisierung des lateralen Nachführens des Betrachterfensters 4 erforderliche Ablenkelement kann ebenfalls in dem vor dem optischen Abbildungselement L liegenden Teil der Nachführeinheit 3 angeordnet sein, so dass die Lichtquelle 2 weder für das laterale noch für das axiale Nachführen bewegt werden muss.
Ein weiteres Problem stellen Aberrationen der optischen Systeme dar, welche die Qualität der rekonstruierten Szene durch Vignettierung beeinträchtigen. Ist das optische System 5, wie oben beschrieben, unveränderlich und sehr gut optimiert für die Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung 8 auf den Bildschirm 6 bzw. ändert sich im Bereich zwischen der Lichtmodulationseinrichtung 8 und dem Bildschirm 6 nichts, dann wird die Lichtmoduiationseinrichtung 8 für alle Positionen des Betrachters aberrationsfrei auf dem Bildschirm 6 abgebildet. Es ist jedoch zu erwarten, dass das Betrachterfenster 4 bzw. 4' bei der Nachführung durch die Aberrationen beeinflusst wird. Derartige Aberrationen sind hauptsächlich sphärische Aberration, Koma und Astigmatismus. Diese Aberrationen sind jedoch vollkommen unabhängig von der Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung 8 auf den Bildschirm 6. Es ist daher nicht möglich, für den Bildschirm 6 und das Betrachterfenster 4 bzw. 41 gleichzeitig Aberrationsfreiheit zu gewährleisten. Durch die Aberrationen kann sich das Betrachterfenster 4 bzw. 4' verändern, beispielsweise vergrößern, wodurch es zur Vignettierung des Bildes auf dem Bildschirm 6 kommt, da Strahlenbündel von Teilen des Bildschirms 6 durch die Augenpupille abgeblendet werden. Daher ist es notwendig, dass die Aberrationen korrigiert werden. Eine hinreichend gute Korrektur der Aberrationen reicht aber aus, um einer Vignettierung entgegenzusteuern. Eine Korrektur der Aberrationen in auf die Lichtmodulationseinrichtung 8 folgenden Systemen, wie in diesem Ausführungsbeispiel das optische System 5, kann dadurch erfolgen, dass eine Wellenfront der Beleuchtung, hier der Lichtquelle 2, geeignet modifiziert wird, z.B. durch ein adaptives optisches System. Dieses adaptive optische System ist dabei in der Nachführeinheit 3 in einem Urbild der Lichtmodulationseinrichtung 8 vorgesehen und soll somit auf die Lichtmodulationseinrichtung 8 abgebildet werden. Es ist auch möglich, dieses adaptive optische System in einem Bild der Lichtmodulationseinrichtung 8, beispielsweise in dem optischen System 5 anzuordnen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Lichtmodulationseinrichtung 8 dabei homogen mit gleichbleibender Intensität beleuchtet wird. Auf diese Weise können Aberrationen im Betrachterfenster 4 geeignet korrigiert und eine Vignettierung der rekonstruierten Szene vermieden werden. Dadurch wird auch die Qualität der rekonstruierten Szene verbessert.
Somit ist es mittels der erfindungsgemäßen Wiedergabevorrichtung und dem Verfahren möglich, neben einer lateralen Nachführung der Austrittspupille bzw. des Betrachterfensters 4 auch gleichzeitig, wenn notwendig, eine axiale Nachführung bei Bewegung des Betrachters auf den Bildschirm 6 zu oder von ihm weg vorzusehen, ohne dass eine Vignettierung der insbesondere rekonstruierten Szene erfolgt. Das Bild auf dem Bildschirm 6 wird dabei nicht gekippt bzw. verdreht.
Die erfindungsgemäße Wiedergabevorrichtung mit einer Nachführeinheit zum Nachführen eines Betrachterfensters in Verbindung mit dem Verfahren kann beispielsweise für eine zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung für den Privat- und Arbeitsbereich, wie beispielsweise für Computer, Head-up-Displays, Mobiltelefone, Fernsehen, elektronische Spiele, Automobilindustrie zur Anzeige von Informationen oder der Unterhaltung, Medizintechnik oder auch für die Militärtechnik beispielsweise zur Darstellung von Geländeprofilen eingesetzt werden. Selbstverständlich kann die vorliegende Wiedergabevorrichtung auch in anderen, hier nicht genannten Bereichen eingesetzt werden, in welchen eine Nachführung der Austrittspupille der Einrichtung in lateraler und/oder axialer Richtung notwendig ist.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Nachführen wenigstens eines virtuellen Betrachterfensters einer Betrachterebene, in welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet, bei einer Positionsänderung des Betrachters, wobei ein Positionserfassungssystem (10) Augenpositionen des Betrachters in der Betrachterebene (7) bestimmt und ermittelte Werte einer Steuereinrichtung (11) zuführt, welche eine Nachfuhreinheit (3) aktiviert, wobei eine Nachführung des Betrachterfensters (4) entsprechend der Augenposition des Betrachters in lateraler und/oder axialer Richtung durch eine
Veränderung eines Beleuchtungsstrahlengangs mittels wenigstens zwei optischen Elementen innerhalb der Nachführeinheit (3) zwischen einer Lichtquelle (2) und wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung (8) derart erfolgt, dass der Durchmesser des auf die Lichtmodulationseinrichtung (8) auftreffenden Lichts unverändert bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung des Beleuchtungsstrahlengangs die Konvergenz, die Divergenz oder der Winkel, unter welchem ein Strahlenbündel auf die Lichtmodulations- einrichtung (8) fällt, geändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachführung des Betrachterfensters (4) in der Betrachterebene (7) in lateraler Richtung das Licht unter einem veränderbaren Winkel auf die Lichtmodulations- einrichtung (8) fällt
4 Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht koliimiert auf die Lichtmodulationseinrichtung (8) fallt
5 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für eine axiale
Nachfuhrung des Betrachterfensters (4) Eigenschaften, insbesondere Brennweite, wenigstens eines optischen Elements in der Nachfuhreinheit (3) geändert werden
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für eine axiale Nachführung des Betrachterfensters (4) gegenseitige Abstände von optischen Elementen geändert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht als konvergentes oder divergentes Strahlenbündel auf die Lichtmodulationseinrichtung (8) fällt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Licht- modulationseinrichtung (8) auf ein als Bildschirm dienendes optisches
Element (6) abgebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Fourier- Transformierte (FT) der Lichtmodulationseinrichtung (8) auf wenigstens ein Auge des Betrachters abgebildet wird und dort das Betrachterfenster (4) bildet.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für eine Korrektur von Aberrationen in auf die Lichtmodulationseinrichtung (8) folgenden optischen Systemen (5) eine Wellenfront einer Beleuchtung modifiziert wird.
11. Wiedergabevorrichtung, insbesondere zur Rekonstruktion von Szenen, mit wenigstens einer Lichtquelle, wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung, einem Positionserfassungssystem zur Bestimmung von Augenpositionen wenigstens eines Betrachters in einer Betrachterebene, einem optischen System (5), einem Bildschirm (6) und einer Nachführeinheit (3) zum Nachführen eines virtuellen Setrachterfensters (4) der Betrachterebene (7), wobei die Nachführeinheit (3) zwischen der Lichtquelle (2) und der Lichtmodulationseinrichtung (8) angeordnet ist, um eine laterale und/oder axiale Nachführung des virtuellen Betrachterfensters (4) bei einem Positionswechsel des Betrachters vorzusehen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (5), welches in Lichtrichtung nach der Lichtmodulationseinrichtung (8) angeordnet ist, unveränderlich ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Betrachterfenster (4) größer als die Augenpupille eines Auges des Betrachters ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Augenpupille zur Filterung des Fourierspektrums vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführeinheit (3) für eine laterale Nachführung des Betrachterfensters (4) wenigstens ein optisches Element, insbesondere ein Ablenkelement, und wenigstens ein optisches Abbildungselement aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Nachführung des Betrachterfensters (4) in der Nachführeinheit (3) ein optisches Element mit variabler Brennweite und wenigstens ein optisches Abbildungselement vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass für eine Korrektur von Aberrationen eines Beleuchtungsstrahlengangs in der Nachführeinheit (3) ein adaptives optisches System vorgesehen ist.
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