WO2008138885A2 - Verfahren und einrichtung zum rekonstruieren einer dreidimensionalen szene in einem holograpischen display - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum rekonstruieren einer dreidimensionalen szene in einem holograpischen display Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for reconstructing a three-dimensional scene in a holographic display, in which the three-dimensional scene (SD scene) is decomposed into individual object points, which are coded as sub-holograms in a spatial light modulator means.
  • Light sources of an illumination system illuminate the light modulation means sufficiently coherent.
  • Holographic partial reconstructions of the 3D scene are generated by the sequentially modulated wavefronts in a reconstruction space according to the method of the invention and are seen at an eye position within a range of visibility.
  • the invention also relates to a device for carrying out the method and a holographic display for using methods and device.
  • the invention is applicable in areas where a detailed and realistic spatial representation of 3D scenes can be improved by holographic displays.
  • the present invention can be implemented both in a direct view display and in a projection display, which always have a visibility region which lies in the back transformation plane of the encoded hologram within a periodicity interval of the transformation used and is also referred to as a viewer window.
  • the holographic reconstruction of the 3D scene is preferably carried out by illuminating a light modulation means with sufficiently coherent light in cooperation with a reconstruction optics in a reconstruction space, which is spanned by the visibility region and the light modulation means.
  • Each object point of the encoded 3D scene contributes with a wavefront to a resulting superimposed lightwave front, which is seen from the visibility area as the reconstruction of the 3D scene.
  • the visibility range may be approximately equal in size to the size of an eye pupil. For Each viewer eye can be created a separate visibility area. In the case of a movement of the observer, tracking of the visibility region or zones is effected by appropriate means.
  • the viewer can look at a light modulation means in which the hologram of the 3D scene is directly encoded and serves as a screen. This is referred to in this document as a direct view setup.
  • the viewer may look at a screen onto which either an image or a transform of the hologram values encoded in the carrier medium is projected. This is called projection construction in this document.
  • the eye positions are determined in a known manner by a position finder.
  • the principle of such displays is known from earlier documents by the Applicant, e.g. from (1) EP 1 563 346 A2, (2) DE 10 2004 063 838 A1 or (3) DE 10 2005 023 743 A1.
  • the 3D scene to be reconstructed for the calculation of the hologram values is split by program means parallel to a reference plane in sectional planes and in these planes by a grid into individual points, the points in this document are object points.
  • Each object point is coded in a light modulation means in a separate area of the coding surface, which reconstructs this object point.
  • This area contains the sub-hologram of this object point.
  • the sub-hologram corresponds approximately to a holographically coded lens function that reconstructs this one object point at its focal point.
  • FIG. 1a An exemplary illustration of this is contained in FIG. 1a, in which of three object points OP1; OP2 and OP3 from three different cutting planes (not represented) of the 3D scene in each case two-dimensional sub-holograms S1; S2 and S3 are coded into the controllable elements of a light modulation means L.
  • the sub-holograms S1 to S3 here have a certain extent in the horizontal and vertical directions and are all in the same modulator plane. For a better understanding of the overlap S2 is shown but with a distance to the modulator plane.
  • Each sub-hologram reconstructs only one object point from the 3D scene, which can be seen from a visibility area SB in an eye position AP.
  • the corresponding sub-hologram S3 is coded in another area of the light modulation means L and does not overlap.
  • the totality of all sub-holograms generally results in the reconstruction of the entire 3D scene.
  • the complex values of the overlapping sub-holograms must be added together in the hologram calculation and thus take up additional computation time and storage space.
  • the complex values are generally represented by the transparency values of a hologram.
  • the term transparency value is used here in the general sense. It may also include reflectivity in reflective light modulators or phase values.
  • each object point of a reconstruction is reconstructed from the entire hologram.
  • the information of all object points of the reconstruction is superimposed.
  • the complex values in the modulator pixels must therefore be added for all object points.
  • each pixel of the hologram contributes to the reconstruction of all object points.
  • a light modulation means which modulates light in amplitude and / or phase
  • a limited number of amplitude and / or phase steps can be realized.
  • 256 gray levels can be displayed in a typical amplitude modulator, which corresponds to a resolution of 8 bits, ie 2 to 8 gray levels, and identifies the gray scale range or the bit depth of a light modulation means.
  • quantization errors The larger the dynamic range of a hologram and the smaller the bit depth of a light modulation means, the more errors occur when coding the Hologram values, hereafter called quantization errors.
  • Light modulator means If holograms are used e.g. encoded in an amplitude modulator so that the maximum occurring amplitude is also represented by the gray value with maximum transmission of the modulator, so leads to a large
  • a hologram calculated according to (1) and (2) has a lower dynamic range than a Fourier hologram for comparable objects, since only sub-holograms of a small part of all object points have to overlap and have to be added up.
  • hologram representation also known as binary light modulating means are known.
  • binary light modulating means are known.
  • An example of a binary light modulation means is a ferroelectric liquid crystal modulator (FLC).
  • FLC ferroelectric liquid crystal modulator
  • PWM Pulse Width Modulation
  • this method is not readily holographic Rendering device transferable, since it requires sufficient coherent light for a reconstruction. If, for example, amplitudes of a hologram with a high dynamic range were simulated by a PWM on a binary light modulator, a chronological sequence of incoherent partial reconstructions would result instead of a coherent reconstruction, which would make visible averaged reconstruction deviating from the 3D scene to be reconstructed. On a binary light modulator, therefore, binary holograms can usually only be reproduced while tolerating considerable quantization errors. To reduce the quantization errors in binary holograms, iterative calculation methods are known. But they require a lot of computational effort to reduce reconstruction errors, but they can not fully compensate.
  • binary holograms are real-valued, which implies that only symmetrical reconstructions are possible. This represents a considerable restriction on the reconstruction. Even binary holograms, which represent values other than (O 1 ⁇ ) or (0, 1), have in principle these properties.
  • Documents (1) and (2) describe the reconstruction of individual object points by a respective sub-hologram, which represents a lens function.
  • a respective sub-hologram which represents a lens function.
  • Fresnel ' s zone plate can be with a binary
  • structure can not be between a lens of focal length + f and a lens of
  • Focal length -f can be distinguished.
  • Zone plate would each see an object point in front of the display and always an associated equally bright object point behind the display. With a binary modulator 3D scenes can be reconstructed, but one would always see a reflection of the 3D scene in front of the display behind the display. This only changes when you implement at least three different phase levels in a phase modulator.
  • a coding method adapted to the individual modulators is required. For example, encoding a complex number by several amplitude values is known, but has the disadvantage of low diffraction efficiency. If, on the other hand, a complex number is encoded by several phase values, two-phase encoding is used in particular. However, since it causes reconstruction errors and the addition of different sub-holograms results in a distribution of more than two phase values, ie a higher dynamic range, it must additionally be combined with iterative calculation methods.
  • the object of the invention is to obviate or at least reduce the cited disadvantages of the prior art in coding a hologram of a 3D scene and in holographic reconstruction of the 3D scene in a real-time holographic display device, wherein the encoding of holograms on the Based on complex transparency values using a low dynamic range.
  • the method should be designed so that the use of at least one spatial light modulator with low bit depth and fast switching time and the reduction of the computational effort for the hologram calculation is possible and a good reconstruction quality is achieved.
  • the basis of the method according to the invention is a 3D scene to be reconstructed which, according to the description in document (2), is decomposed into a number of sectional planes, each with one grid, whereby a number of object points can be determined, from each of which a sub-hologram is calculated and put into one Light modulator is encoded.
  • the light modulation means may be a pixelated light modulator having a discrete array of controllable elements (pixels) or a light modulator having a continuous, non-pixelated coding surface which is formally divided into discrete regions by the information to be displayed. A discrete area is then to be equated to one pixel each. As coherent light passes through the light modulator, the controllable elements change the amplitude and / or phase of the light to reconstruct the object points of the SD scene.
  • the method is further based on an illumination system having at least one sufficiently coherently emitting light source and at least one optical imaging means that illuminates a spatial light modulation means. From the with the information of the object points modulated wavefronts, the 3D scene is reconstructed within a reconstruction space spanned by a light modulation means and / or screen and a visibility area. The reconstruction is seen by an observer within the visibility range in an eye position determined by a position finder.
  • the method further uses a processor with processor elements for calculating and encoding the 3D scene and is characterized in its method steps according to the invention in that
  • PE 1 in the light modulation means (L) a displaceable two-dimensional grid
  • a second processor element controls the illumination system in synchronism with the shift of the grid in the light modulation means (L), so that from the plurality of sequentially encoded holograms in rapid time sequence in coherent, but mutually incoherent partial reconstructions of the object point groups (OPGm) generated and sequentially superimposed in the visibility area (SB).
  • the partial reconstructions of the 3D scene are thus seen from the eye position as a single time-averaged reconstruction.
  • all object points of the 3D scene can be precisely assigned to the regularly arranged two-dimensional grid cells in the light modulation means, and specific object points can be selected for forming object point groups on the basis of a criterion.
  • the formation of object point groups advantageously simplifies the coding and reconstructing of the 3D scene and significantly reduces the computing time compared to an object-by-point coding and reconstruction of the 3D scene.
  • the first processor element for selecting object points defines a depth range bounded by two planes in the reconstruction space, which contains all object points contributing to the reconstruction of the 3D scene and determines the area of its sub-holograms in the light modulation means by projections from the visibility region.
  • the sub-holograms do not overlap.
  • the maximum area of a single sub-hologram is given by the axial distance between one of the levels of the defined depth range and the level of the visibility area.
  • one of the planes is the foremost viewer-facing plane of the defined depth region in the reconstruction space.
  • the rearmost level of the defined depth range determines the maximum area of the sub-hologram when the reconstruction is done behind the screen. For a 3D scene that is partially reconstructed both in front of and behind the light modulation means, the larger of both faces of the sub-hologram is to be used.
  • the first processor element defines the area size of a grid cell of the grid to correspond to the largest sub-hologram. This definition guarantees that a single sub-hologram does not exceed the size of a grid cell.
  • the depth range is limited to a maximum axial distance before and optionally behind the light modulation means, so that the reconstruction of the entire 3D scene is always generated within the reconstruction space.
  • the object points are selected as a function of their spatial position relative to a grid cell of the generated grid and combined to form an object point group.
  • the criterion for selecting the object points is the centric position of an object point in the depth range defined on a grid cell of the generated grid at a given time. Centric position here means that an imaginary line from the center of the observer window through the object point also passes through the center of a grid cell. Object points that satisfy this criterion form an object point group.
  • the formation of a further object point group from object points of the 3D scene is carried out by shifting the grid by at least one pixel of the light modulation means programmatically by the first processor element.
  • the shift is only carried out horizontally for a one-dimensionally acting hologram or horizontally and vertically for a two-dimensionally acting hologram.
  • the formation of prikou ⁇ is completed when the grid has been moved horizontally and / or vertically in increments of at least one pixel, so that a total shift to a full grid cell is achieved.
  • all different positions of all object points of the 3D scene are recorded in the defined depth range.
  • a further method step is characterized in that the determined sub-holograms of the 3D scene, since they do not overlap, are coded horizontally and vertically simultaneously in the light modulation means.
  • the coding of a sub-hologram can take place one-dimensionally or two-dimensionally in adjacent pixels of a raster cell.
  • * D is calculated ⁇ / p x, y 2 (1), where z is the axial distance between an object point and said light modulation means or a screen, D is the distance the region of visibility by the light modulation means and the screen, ⁇ is the wavelength of light of a used Light source of the illumination system and p ⁇ , y are the width (p x ) and the height (p y ) of a macropixel.
  • a macropixel is either a single pixel or a group of neighboring pixels in which a complex value is written.
  • a processor-controlled position controller adjusts the propagation direction of the modulated wavefronts of the common holograms to the current eye position of a viewer's eye determined by a position finder in order to continue to represent the viewer in the event of a change in position in front of the screen.
  • the light modulation means may be formed according to the embodiment examples optionally transmissive, transflexive or reflective.
  • light modulating agents can be used individually for carrying out the method or as a combination of at least one phase modulator and one amplitude modulator.
  • the amplitude modulator preferably generates a frame around a single sub-hologram.
  • the frame width depends on the intensity and axial distance of an object point to the screen and limits the area of the sub-hologram in the screen cell, the frame representing the area of non-transparency of the screen cell.
  • the light modulation means in which the holograms are coded serve directly as a screen.
  • the screen is an optical element onto which a hologram coded in the light modulation means or a wavefront of the 3D scene coded in the light modulation means is imaged.
  • the amplitude modulator generates a frame in each case preferably around a single sub-hologram.
  • Another embodiment of the method provides that an intensity of object points which is visible in the temporal mean is set by reconstructing the object points sufficiently coherently for time intervals of different lengths, exemplarily defined as T2.
  • the task is further complemented by a device for reconstructing the 3D
  • Solved scene comprising a lighting system with at least one sufficiently coherently radiating light source to illuminate at least one spatial light modulating means, which is associated with at least one optical imaging means,
  • Reconstruction means for reconstructing the decomposed into individual object points
  • Visibility area spanned reconstruction space, wherein the reconstruction can be seen from an eye position within the visibility area, and a processor with processor elements for calculating and encoding of
  • a first processor element for generating a displaceable two-dimensional grid with regularly arranged grid cells in the light modulation means, for defining a depth range in the reconstruction space, for generating object point groups from object points of the 3D scene, for calculating a plurality of sub-holograms of the object points of a respectively generated object point group and for simultaneous Coding the sub-holograms is provided in each case a separate grid cell as a common hologram of the respective object point group, wherein the common holograms of all object point groups are sequentially encoded, and
  • a second processor element is provided to control the illumination system in synchronism with the shift of the raster in the light modulating means, so that out of the plurality of sequentially encoded common holograms in one temporal sequence in which coherent, but mutually incoherent partial reconstructions of the object point groups are generated and superimposed sequentially in the visibility area.
  • the partial reconstructions of the 3D scene are visible from the eye position as a single time-averaged reconstruction for a viewer's eye.
  • the device is preferably a holographic display, which is designed as a direct-view display or a projection display.
  • the device includes a light modulation means designed as a screen.
  • the screen is an optical element onto which a hologram coded in the light modulation means or a wavefront of the 3D scene coded in the light modulation means is imaged.
  • the grid consists of regularly arranged grid cells, the area of the largest possible sub-hologram determining the size of the area of the grid cells.
  • a raster cell has several pixels horizontally and vertically adjacent.
  • An expedient embodiment of the light modulation means may be a phase modulator.
  • a sub-hologram can be represented, for example, in the phase modulator in a raster cell as a lens function, and the intensity of a reconstructed object point can be adjusted by displaying this lens function as a sub-hologram for a different time interval T2 in the raster cell. Outside the sub-hologram, for the time interval T2 in which no lens function is present, a linear phase function is then displayed in the screen cell, by which the light is deflected to a position outside the visibility range. With this feature of the invention it is achieved that an object point is displayed with its real intensity.
  • the phase modulator can be a binary modulator.
  • the phase modulator is a modulator which is adjustable in a few, but at least three phase stages.
  • the light modulating means may also consist of a combination of a phase modulator and an amplitude modulator.
  • the amplitude modulator is advantageously used to inscribe in a raster cell a frame delimiting the extent of a sub-hologram between the sub-hologram and the edge of the raster cell, which has a minimum transmission.
  • Both the phase and the amplitude modulator can be designed as binary modulators in this example.
  • the phase modulator is adjustable in a few but at least three phase stages.
  • the intensity of a reconstructed object point, which is visible in the time average, is set by the fact that the amplitude modulator is connected transmissively for a different time interval T2 in the region of a sub-hologram.
  • the device is designed such that the illumination system has at least one light source to illuminate at least one grid cell of the light modulation means, wherein the intensity of the light source is controllable in order to vary the visible in the temporal average intensity of the reconstruction of individual object points can.
  • the grid is shifted in the program by at least one pixel of the light modulation means and by a maximum of one grid cell for forming new object point groups and for generating other common holograms.
  • a partial reconstruction of the 3D scene is generated from a coded object point group.
  • the displacement of the grid takes place both horizontally and vertically by a maximum of one grid cell.
  • the invention further relates to a holographic display for reconstructing a three-dimensional scene with an illumination system for sufficiently coherently illuminating a spatial light modulation means whose light is modulated with holographic information of the encoded three-dimensional scene (3D scene) and passed through an imaging system to an eye position within a visibility region , from which the reconstruction of the 3D scene can be seen in a frustum of a reconstruction space spanned by the light modulator means and the visibility area for at least one observer eye whose position is determined by a position finder connected to a processor for calculating and coding holograms of the 3D scene.
  • an illumination system for sufficiently coherently illuminating a spatial light modulation means whose light is modulated with holographic information of the encoded three-dimensional scene (3D scene) and passed through an imaging system to an eye position within a visibility region , from which the reconstruction of the 3D scene can be seen in a frustum of a reconstruction space spanned by the light modulator means and the visibility
  • the display uses a selection method for coding the decomposed into object points 3D scene according to the method claims, which is characterized in that one together with the Light modulator controlled first processor element is provided to generate in the light modulation means a displaceable two-dimensional grid with regularly arranged raster cells, in each of which common holograms of the 3D scene are encoded, which consist of the selection method calculated, horizontally and / or vertically simultaneously to be coded sub-holograms and partial reconstructions of the 3D scene, wherein a sub-hologram is in each case encoded in a raster cell, and - a second processor element controlling the illumination system in synchronism with the displacement of the raster in the light modulator means is provided to perform other partial reconstructions of the 3D raster resulting from the displacement of the raster.
  • Fig. 1 a in plan view object points of a 3D scene and their coded
  • FIG. 1 c shows a one-dimensional HPO image coded in a light modulation means.
  • 3a is a plan view of a defined depth range with object points that form an object point group
  • FIG. 3b is a plan view of a defined depth range with object points that form another object point group
  • FIG. 4 is a raster with coded sub-holograms in a hologram for a partial reconstruction, superimposed therein a displacement of the grid
  • FIG. 5 schematically illustrated examples of coded holograms in one
  • Fig. 6 schematically illustrated examples of coded holograms in a single light modulator
  • T1 intensity control of a light source over a time interval
  • Fig. 7b shows two sub-holograms for two object points that are different
  • the device for carrying out the method according to the invention-the holographic reproduction of 3D scenes- has illumination, modulation, and reconstruction means as well as processor and control means for program execution of the corresponding method steps up to the reconstruction of the 3D scene.
  • the assigned, coded sub-holograms S1; S2 and S3 are represented as one-dimensionally acting HPO coding (Horizontal Parallax OnIy), as seen from an observer's eye position.
  • HPO coding Horizontal Parallax OnIy
  • a sub-hologram always lies centric to the respective object point, whereby only the object point OP3 has been designated here by way of example in more detail.
  • a viewer whose eye pupil is located centrally in the center of the observer window sees the object point in the center in relation to the surface of the corresponding sub-hologram.
  • the sub-holograms S1 to S3 vertically only have the extension of a single line in the light modulation means L. Since they are coded on different lines because of their position in the 3D scene, they do not overlap. Only sub-holograms within the same line can overlap on HPO coding. In overlapping sub-holograms, the intensities or information usually overlap in adjacent pixels of a modulator region.
  • FIGS. 3 a and 3 b show how certain object points OPn for displaying an object point group OPGm in a hologram are selected according to the method of the invention.
  • FIG. 3a shows a plan view of a spatial depth region TB, in which the 3D scene is to be reconstructed and which is defined between two planes Z1 and Z2.
  • a sub-hologram S may become large if the associated object point OP is very close to the visibility area SB.
  • the depth range TB is defined accordingly.
  • the plane Z1 delimits the part of the 3D scene furthest to the screen and the plane Z2 the part of the 3D scene lying farthest behind the screen.
  • the depth area TB contains a multiplicity of object points OPn 1, one of which is marked OP1.
  • the object point OP1 has a distance z OP1 to the light modulation means L, which lies at a distance D to the visibility region SB.
  • the depth range TB is within a reconstruction space, which is normally from the visibility area SB to the light modulation means L as Frustrum is spanned. However, the 3D scene to be reconstructed, which is decomposed into the object points OPn, extends beyond the light modulation means L.
  • the light modulation means L is associated with a displaceable grid MR with regularly arranged two-dimensional grid cells. Auxiliary beams emanating from the center of the visibility area SB serve to associate the object points OPn with grid cells of the grid MR. Only the object points forming an object point group are marked as black dots.
  • Fig. 3b was a shift of the grid MR by at least one pixel.
  • the object points OPn which are now to be reconstructed in the depth region TB are shown in a grid position shifted relative to FIG. 3a.
  • By moving another object point group OPG is formed with other object points OPn, which are also marked black again.
  • An unillustrated first processor element PE1 generates a screen MR for the screen and summarizes all object points OPn in the depth range TB, which lie axially on an auxiliary beam and centric to a grid cell at a certain time, to form an object point group OPGm.
  • the depth range TB is set axially such that a maximum possible area of a sub-hologram S does not exceed the area of a grid cell.
  • a grid cell therefore has a grid width and grid height that corresponds to the maximum width and height of the largest sub-hologram S of the object point group.
  • the raster cell contains horizontally and vertically adjacent or in a later following third embodiment of an HPO coding only horizontally adjacent several pixels of the light modulation means L.
  • the centric position of each object point OP in the depth region TB is defined as a raster cell of the generated raster MR.
  • the centric position is determined by auxiliary beams which extend from the center of the visibility region SB to the light modulation means L and there through the center of the raster cells or their projections. All object points OPn lying on such a beam form an object point group OPG.
  • object points OPn for generating object point groups OPGm as described in document (2), for example, according to their index in the dot grid, which is defined when cutting the 3D scene in section planes, assigned. In this case, the grouping can take place such that the index of any object point OP in the dot matrix of the respective cutting plane coincides with the pixel index in the center of a screen cell on the light modulation means L.
  • a sub-hologram S is calculated and separated into one
  • Raster cell coded Since the coding takes place simultaneously, represent the
  • OPG object point groups
  • a light modulation means L is used, which has a sufficiently fast switching time for the sequential display of the holograms.
  • FIG. 4 schematically shows the area of a light modulation means L with the grid MR for simultaneous two-dimensionally acting FP coding (English: fill parallax) of a plurality of non-overlapping sub-holograms Sn in a direct-view display.
  • the grid MR is programmatically generated by a first processor element PE1.
  • the term programmatically means that a given program is executed by a computer.
  • a screen is located at the location of the light modulation means L, for example as a mirror element onto which the information of the holograms of the individual object point groups OPGm is sequentially displayed.
  • some sub-holograms are Sn in different Sizes entered.
  • the sub-holograms Sn are each centered within a raster cell MR analogous to the centric position of the object points OPn in the sub-holograms.
  • the sub-hologram S is either smaller or at most the same size as the grid cell.
  • Individual grid cells or areas with grid cells of the grid MR also remain empty if the 3D scene to be reconstructed has no object points OPn at the corresponding location in the depth area TB.
  • the generated raster MR is program-technically by at least one pixel of the light modulation means L or, adapted to the resolution of the 3D scene, also in steps moved by several pixels. Then, in a very short time, different subholograms Sn, which do not overlap one another, can be calculated and displayed in the light modulation means L.
  • the displacement of the grid MR is illustrated by dotted lines.
  • a second processor element PE2 controls at least one light source of the illumination system in synchronism with the displacement of the grid MR in the light modulation means L.
  • the light modulated with the respectively coded hologram generates a corresponding partial reconstruction of the 3D scene From the plurality of sequentially coded common holograms coherent, but mutually incoherent partial reconstructions are generated in rapid time sequence and overlaid sequentially in the visibility area SB The viewer sees then at the eye position AP temporally averaged a single reconstruction the 3D scene
  • D is the distance of the visibility region SB by the light modulator means L or from the screen
  • ⁇ is the wavelength of the light of the light source used
  • np x is the number of macro-pixels in width and for np y the number of macro-pixels in height for a sub-hologram S
  • a macro-pixel is either a single pixel or a group of neighboring pixels into which a complex value is written
  • a maximum sub-hologram size is obtained from the maximum of the two values np xy (Z1) and np xy (Z2).
  • different object points OPn in this raster width can be displayed simultaneously on the light modulation means L without their sub-holograms Sn overlapping
  • the dynamic range of the amplitudes already mentioned above must be taken into account. It results from the fact that the intensities of the object points OPn to be reconstructed differ and from the different axial distances of the individual object points OPn to the visibility area. Both lead to different amplitudes in the sub-holograms Sn.
  • the different intensities of individual object points OPn to be reconstructed and also the different amplitudes of the sub-holograms Sn can be represented more accurately by an intensity control of the light sources of the illumination system.
  • the individual object point OP is program-technically reconstructed by the processor element PE2 for a different length of time. The observer eye averages over the time in which the reconstruction of this object point OP can be seen.
  • This approach is possible because the sub-holograms Sn of the object points OPn do not overlap and therefore each sub-hologram S can be separately displayed for a different length of time compared to the other sub-holograms Sn. This results in the advantage that light modulators with a low bit depth can be used in the method without the quality of the reconstruction of the 3D scene deteriorating. In the description of FIG. 7 will be discussed as an example.
  • each individual modulator row contains independent values, such that a
  • Raster MR can be used with a grid width whose maximum is np x (Z1) or np *
  • Line of the light modulation means L As a result, many object points OPn can be displayed simultaneously. Less time-sequential holograms have to be coded for the representation of the 3D scene. The requirements on the display speed or switching speed of the light modulation means L to be used are reduced.
  • the method according to the invention is realized in a combination of an amplitude modulator and a phase modulator into which the complex hologram values are written.
  • the amplitude and phase modulator can advantageously each be a binary modulator. As a phase modulator but also a modulator can be used, which is adjustable in at least 3 phase levels.
  • At least the amplitude modulator is a binary modulator, then it generally limits the size of a sub-hologram S. This means that the areas between the edge of the grid cell and the edge of the sub-hologram S do not transmit light and are displayed in black.
  • FIG. 5 a This is illustrated in FIG. 5 a for a sub-hologram S, as a result of which the sub-hologram S has a black frame RA.
  • the representation of the entire grid cell takes place for a specific time interval T1, in the time interval T2, the sub-hologram S is displayed.
  • the frame RA of the sub-hologram S is more or less wide and blocks the light more or less, while the central region of the screen cell is switched to transmission.
  • the entire area of the screen cell may be black, as shown in Fig. 5b. This means that there is no object point OP of the 3D scene in the grid at this time,
  • the phase modulator can also be a binary modulator in one embodiment of the invention.
  • the phase function of a lens can be represented as a binary phase curve in the form of a Fresnel zone plate.
  • Fig. 5c shows an example of a phase response as displayed on the phase modulator for representing an object point OP as a lens function.
  • the Lens function must be displayed at least for the time interval T2, but can also be displayed for the entire time interval T1 without any disadvantages. In any case, the lens function must be displayed in the central area of the screen cell, which is on transmission on the amplitude modulator in Fig. 5a.
  • phase modulators which are adjustable in a few, but at least three phase stages are used to encode a plurality of phase values.
  • the lens function can also be encoded directly on the amplitude modulator.
  • a 3D video displayed in a holographic display device consists of a large number of 3D scenes (individual images).
  • a 3D scene is reconstructed within a time interval TO, wherein the time should optimally be at least 1/25 seconds.
  • TO time interval
  • Sn sub-holograms
  • T1 is approximately equal to T0 / n.
  • the phase modulator displays the phase characteristic of the corresponding sub-hologram S simultaneously over the time interval T1.
  • the time interval T2 is different for each individual sub-hologram S within the grid MR, since it depends on the intensity and the distance of each object point OP to be reconstructed from the grid MR.
  • Adjusting the amplitude to the phase modulator need not be performed as accurately as in the known methods with a combination of two light modulators to represent complex values. There, the modulators must be adjusted exactly to each other to fractions of a pixel size. Any offset between the pixels results in the display of incorrect complex values and the reduction of the quality of the reconstruction. In contrast, in the embodiment according to the invention, a slight lateral misalignment about parts of a pixel only leads to a wrong sub-hologram aperture. The position of the sub-hologram S is then shifted in the range of less percent, but this does not adversely affect, as it affects all sub-holograms Sn alike.
  • a single phase modulator is used to write the hologram values.
  • at least two pixels are used on the phase modulator to display a hologram value.
  • FIG. 6a shows the object point OP as a lens function for the time interval T2, limited to the size of the sub-hologram S in a raster cell.
  • a linear phase characteristic is written into adjacent pixels for a time interval T1, for example alternately the phase values 0 and pi, which causes light from these pixels to be directed out of the visibility region SB.
  • the sub-hologram S is displayed correctly in its size and intensity.
  • FIG. 6b shows, for the time period T1-T2, a linear phase curve applied over the entire grid cell MR.
  • the entire light does not reach the visibility area SB 1 for this grid cell but is directed to the outside.
  • the object point OP is reconstructed by the illumination system, wherein the illumination system is controlled by the second processor element PE2.
  • the phase hologram S is again coded into the sub-hologram S as described above, which deflects the light of these pixels out of the visibility region SB, so that no reconstruction takes place in this time period T1-T2.
  • object points OPn are properly reconstructed as long as the phase of the sub-holograms Sn is correctly displayed.
  • the object point OP is then respectively correctly reconstructed each time its sub-hologram S is displayed. At the times when the sub-hologram S is not displayed, there is no reconstruction.
  • a single sub-hologram S contains a lens function with an over the extension of the Subhologram S approximately constant amount.
  • the sub-hologram S can therefore be encoded directly as a phase function without error.
  • Another advantage is the ability to use only a single light modulator in the holographic display, which must contain only a larger number of pixels because of the phase encoding than in the first embodiment.
  • the switching speed requirements of the phase modulator are higher, but realizable.
  • the intensity of the illumination system can additionally be variably controlled in addition to a normal PWM.
  • the lighting system may include multiple light sources.
  • T1 indicates the course of a time interval in which the intensity of at least one light source illuminating the light modifying means L is additionally changed, while at the same time individual object points OPn are reconstructed in the period T2 (see FIG. 7b).
  • IL (T) is the intensity of the light source as a function of the time T in FIG. 7a and Sh (T) OPI and Sh (T) OP2 in FIG. 7a
  • this means that for a given switching speed of the light modulator means L, normally the period T1 can be decomposed into M fixed sections. With a constant intensity of the light source IL (T) const, only M different intensity levels can be realized in the reconstruction. However, if the light source IL (T) is varied during the time period T1, the same can be achieved with the same switching speed of the light modulation means L. represent greater number of different intensity levels.
  • FIG. 7b shows the reconstruction of the object point OP1 from the sub-hologram S1 during the time periods 1 to 3 and the reconstruction of the other object point OP2 during the time segments 1 and 4.
  • the relative intensity then results for the object point OP1 proportional to 1 * 1 + 1 * 2 + 1 * 4 + 0 * 8 and for the object point OP2 to 1 * 1 + 0 * 2 + 0 * 4 + 1 * 8.
  • the time interval T1 can be e.g. also divide in k equal sections and the intensity of the light source in the first section by a factor of 2 high (k-1), in the second section by a factor of 2 high (k-2) and in the k-th section by a factor of 2 high 0 , ie 1, relative to a reference value. Then 2 high k different intensity levels can be displayed in k time segments.
  • Both embodiments are combinable with the HPO and FP coding.
  • the raster cells of the MR array are detected only in a single hologram line.
  • the 3D scene can be divided into a smaller number of larger object point groups OPGm and a viewer sees a time-averaged reconstruction over a few partial reconstructions.
  • the grid MR only has to be moved line by line.
  • this embodiment has the advantage that it has the least amount of computation at a comparable with the previous embodiments reconstruction result and at the same time makes the least demands on the switching speed of the light modulators to be used.
  • the raster cells are generally shifted to encode the sub-holograms Sn of the object points OPn in steps of one macropixel each.
  • the 3D scene is thus divided into 32 groups of object points OPn and from these 32 holograms are calculated, coded and time-sequential! is displayed so that a viewer sees their reconstructions averaged over time from the visibility area.
  • all 32 holograms must be displayed within 40 ms, so a single hologram in a time of approximately 1.25 ms.
  • phase modulator In a combination of an amplitude and a phase modulator, the phase modulator would have to have this or a smaller refresh rate.
  • the amplitude modulator for PWM of intensities could have an 8X faster frame rate, say, about 150 microseconds. Suitable for this are e.g. Ferrolectric liquid crystal displays with switching times of 40 microseconds.
  • pixels of overlapping sub-holograms contribute with their intensity to the reconstruction of several object points during a reconstruction. It is also possible to use light modulation means which have few intensity or phase stages, for example 3, 4 or 8, for the method.
  • the maximum size of a sub-hologram of an object point is limited.
  • the sub-holograms of all object points do not have to be calculated and displayed one after the other, but a certain number of sub-holograms can be displayed at the same distance as the maximum size of a sub-hologram.
  • holograms can be coded with a low dynamic range. Quantization errors and other disadvantages that arise from the overlapping of many sub-holograms of object points of a 3D scene are avoided here.
  • a holographic display one may optionally use a combination of several light modulators without the mentioned drawback of strict adjustment effort or a single light modulator, preferably a phase modulator, without the disadvantage of an iterative calculation to encode the log values.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rekonstruieren einer dreidimensionalen Szene in einem holographischen Display, bei dem die zu rekonstruierende 3D-Szene in Objektpunkte zerlegt und jeweils ein Objektpunkt als Subhologramm im Lichtmodulator kodiert wird, wobei Prozessor- und Rekonstruktionsmittel zum Berechnen und Kodieren sowie zum Rekonstruieren der 3D-Szene enthalten sind, um bekannte Nachteile beim Kodieren eines Hologramms und beim holographischen Rekonstruieren der 3D-Szene in holographischen Displayeinrichtungen zu vermeiden. Lösungsgemäß sind Prozessorelemente vorgesehen, um im Lichtmodulationsmittel (L) ein verschiebbares zweidimensionales Raster zu generieren, aus rasterbezogenen Objektpunkten (OPn) Objektpunktgruppen (OPGm) zu bilden, deren Hologramme sequentiell kodiert werden und mit denen in schneller zeitlicher Folge in sich kohärente, aber zueinander inkohärente Teilrekonstruktionen der Objektpunktgruppen (OPGm) erzeugt werden, wobei die Wellenfronten rekonstruierter Objektpunkte sequentiell innerhalb eines Sichtbarkeitsbereichs überlagert werden, so dass die Rekonstruktion der 3D-Szene als eine zeitlich gemittelte Rekonstruktion zu sehen ist.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Rekonstruieren einer dreidimensionalen Szene in einem holographischen Display
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rekonstruieren einer dreidimensionalen Szene in einem holographischen Display, bei dem die dreidimensionale Szene (SD- Szene) in einzelne Objektpunkte zerlegt wird, die als Subhologramme in ein räumliches Lichtmodulationsmittel kodiert werden. Lichtquellen eines Beleuchtungssystems beleuchten das Lichtmodulationsmittel hinreichend kohärent. Holographische Teilrekonstruktionen der 3D-Szene werden von den mit Information sequentiell modulierten Wellenfronten in einem Rekonstruktionsraum nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt und sind an einer Augenposition innerhalb eines Sichtbarkeitsbereichs zu sehen. Die Erfindung betrifft ebenso eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens und ein holografisches Display zur Verwendung von Verfahren und Einrichtung.
Die Erfindung ist in solchen Bereichen anwendbar, in denen eine detailgetreue und realistische räumliche Darstellung von 3D-Szenen durch holographische Displays verbessert werden kann.
Die vorliegende Erfindung kann sowohl in einem Direktsichtdisplay als auch in einem Projektionsdisplay realisiert werden, die stets einen Sichtbarkeitsbereich aufweisen, der in der Rück-Transformationsebene des kodierten Hologramms innerhalb eines Periodizitätsintervalls der verwendeten Transformation liegt und auch als Betrachterfenster bezeichnet wird.
Die holographische Rekonstruktion der 3D-Szene erfolgt vorzugsweise durch Beleuchten eines Lichtmodulationsmittels mit hinreichend kohärentem Licht im Zusammenwirken mit einer Rekonstruktionsoptik in einem Rekonstruktionsraum, der vom Sichtbarkeitsbereich und dem Lichtmodulationsmittel aufgespannt wird. Jeder Objektpunkt der kodierten 3D-Szene trägt mit einer Wellenfront zu einer resultierenden überlagerten Lichtwellenfront bei, die vom Sichtbarkeitsbereich aus als die Rekonstruktion der 3D-Szene zu sehen ist. Der Sichtbarkeitsbereich kann in seiner Ausdehnung ungefähr der Größe einer Augenpupille angepasst sein. Für jedes Betrachterauge kann ein eigener Sichtbarkeitsbereich erzeugt werden. Bei einer Bewegung des Betrachters erfolgt ein Nachführen des oder der Sichtbarkeitsbereiche(s) durch entsprechende Mittel.
Zum Betrachten der Rekonstruktion der 3D-Szene kann der Betrachter auf ein Lichtmodulationsmittel schauen, in welches das Hologramm der 3D-Szene direkt kodiert ist und als Bildschirm dient. Dies wird in diesem Dokument als Direktsichtaufbau bezeichnet. Alternativ kann der Betrachter auf einen Bildschirm schauen, auf den entweder eine Abbildung oder eine Transformierte der im Trägermedium kodierten Hologrammwerte projiziert wird. Dies wird in diesem Dokument als Projektionsaufbau bezeichnet.
Die Augenpositionen werden in bekannter Weise von einem Positionsfinder ermittelt. Das Prinzip derartiger Displays ist aus früheren Dokumenten der Anmelderin bekannt, z.B. aus (1) EP 1 563 346 A2, (2) DE 10 2004 063 838 A1 oder (3) DE 10 2005 023 743 A1.
Zum Kodieren eines Hologramms sind verschiedene Methoden bekannt, die die Eigenschaften der zur Verfügung stehenden Lichtmodulationsmittel berücksichtigen.
Wie im Verfahren zur Hologrammberechnung im Dokument (2) erstmals beschrieben, wird die zu rekonstruierende 3D-Szene für die Berechnung der Hologrammwerte durch programmtechnische Mittel parallel zu einer Referenzebene in Schnittebenen und in diesen Ebenen durch ein Raster in einzelne Punkte zerlegt, wobei die Punkte in diesem Dokument Objektpunkte sind. Jeder Objektpunkt wird in einem Lichtmodulationsmittel in einen separaten Bereich der Kodierfläche kodiert, der diesen Objektpunkt rekonstruiert. Dieser Bereich enthält das Subhologramm dieses Objektpunktes. Das Subhologramm entspricht ungefähr einer holographisch kodierten Linsenfunktion, die diesen einen Objektpunkt in ihrem Brennpunkt rekonstruiert.
Eine beispielhafte Darstellung dazu enthält die Figur 1a, in der von drei Objektpunkten OP1 ; OP2 und OP3 aus drei verschiedenen Schnittebenen (nicht dargestellt) der 3D-Szene jeweils zweidimensionale Subhologramme S1 ; S2 und S3 in die steuerbaren Elemente eines Lichtmodulationsmittels L kodiert sind. Die Subhologramme S1 bis S3 haben hier eine bestimmte Ausdehnung in horizontaler und vertikaler Richtung und liegen alle in der gleichen Modulatorebene. Zum besseren Verständnis des Überlappens ist S2 aber mit einem Abstand zur Modulatorebene dargestellt. Jedes Subhologramm rekonstruiert nur einen Objektpunkt aus der 3D-Szene, die von einem Sichtbarkeitsbereich SB aus in einer Augenposition AP zu sehen ist. In einigen Pixeln des Lichtmodulationsmittels L überlagert sich die Information der Subhologramme S1 und S2 der benachbarten Objektpunkte OP1 und OP2, erkennbar in Fig. 1 b, wobei nur der Objektpunkt OP1 näher bezeichnet wurde. Vom weiter entfernt liegenden Objektpunkt OP3 ist das entsprechende Subhologramm S3 in einem anderen Bereich des Lichtmodulationsmittels L kodiert und überlappt nicht. Je mehr Objektpunkte eine 3D-Szene bilden, umso mehr Überlappungen der zugehörigen Subhologramme treten auf. Aus der Gesamtheit aller Subhologramme ergibt sich im Allgemeinen die Rekonstruktion der gesamten 3D-Szene. Die komplexen Werte der sich überlappenden Subhologramme müssen bei der Hologrammberechnung aufaddiert werden und beanspruchen dadurch zusätzlich Rechenzeit und Speicherplatz. Die komplexen Werte werden allgemein durch die Transparenzwerte eines Hologramms repräsentiert. Der Begriff Transparenzwert wird hier im allgemeinen Sinn verwendet. Er kann auch eine Reflektivität bei reflektiven Lichtmodulatoren oder Phasenwerte umfassen.
Wenn man beispielsweise eine aus nur einem einzelnen Objektpunkt bestehende 3D-Szene vollständig rekonstruieren will, müssten in das Lichtmodulationsmittel am Ort des Subhologramms für diesen Objektpunkt komplexe Werte eingeschrieben werden. Der Betrag des komplexen Wertes, also die Amplitude, ist über die Ausdehnung des Subhologramms ungefähr konstant und hängt in seiner Höhe von der axialen Entfernung des Objektpunktes zum Bildschirm und von der Intensität des Objektpunktes ab. Die Phasenverteilung der komplexen Werte im Bereich des Subhologramms entspricht ungefähr der Funktion einer Linse, deren Brennweite von der axialen Entfernung des Objektpunktes zum Lichtmodulationsmittel bzw. Bildschirm abhängt. Außerhalb des Subhologramms wäre für diesen Objektpunkt im Lichtmodulationsmittel der Wert 0 einzuschreiben. Nur die Pixel des Lichtmodulators innerhalb des Subhologramms würden dadurch mit ihrer vollen Transmission zur Rekonstruktion des einzelnen Objektpunkts beitragen.
Im Gegensatz dazu wird bei einem herkömmlichen Fourierhologramm, bei dem eine Rekonstruktion der 3D-Szene in der Fourierebene eines Hologramms entsteht, jeder Objektpunkt einer Rekonstruktion vom gesamten Hologramm rekonstruiert. In jedem Pixel eines Lichtmodulators überlagert sich die Information aller Objektpunkte der Rekonstruktion. Die komplexen Werte in den Modulatorpixeln müssen daher für alle Objektpunkte addiert werden. Andererseits trägt auch jeder Pixel des Hologramms zur Rekonstruktion aller Objektpunkte bei. Würde man z.B. ein Fourierhologramm in mehrere kleine Teilhologramme zerteilen, würde jedes Teilhologramm weiterhin die gesamte 3D-Szene rekonstruieren.
Im Unterschied zum Fourierhologramm erfolgt für die nach (1) und (2) berechneten Hologramme ein Aufaddieren von komplexen Werten nur im Überlappungsbereich der Subhologramme. Durch das Aufaddieren der komplexen Werte entsteht hier eine Verteilung von Amplitudenwerten zwischen Null und einer maximal auftretenden Amplitude in einem Wertebereich, der im Folgenden als Dynamikbereich bezeichnet wird und in Fig. 2 dargestellt ist. Die Zeichnung gibt beispielhaft die Häufigkeit einzelner in einem Hologramm vorkommender Amplituden nach Aufaddieren aller überlappenden Subhologramme wieder. Um das Hologramm in ein Lichtmodulationsmittel einschreiben zu können, muss man hier die Werte auf die maximale Amplitude normieren.
Werden die komplexen Werte in ein Lichtmodulationsmittel eingeschrieben, das Licht in Amplitude und/oder Phase moduliert, kann aber nur eine begrenzte Anzahl von Amplituden- und/oder Phasenstufen realisiert werden. Beispielsweise können in einem typischen Amplitudenmodulator 256 Graustufen dargestellt werden, was einer Auflösung von 8 Bit - also 2 hoch 8 Graustufen - entspricht und den Grauwertbereich bzw. die Bittiefe eines Lichtmodulationsmittels kennzeichnet. Je größer der Dynamikbereich eines Hologramms und je kleiner die Bittiefe eines Lichtmodulationsmittels ist, desto mehr Fehler entstehen beim Kodieren der Hologrammwerte, die nachfolgend Quantisierungsfehler genannt werden.
Der Dynamikbereich hat aber auch Auswirkungen auf die Beugungseffizienz des
Lichtmodulationsmittels. Werden Hologramme z.B. in einem Amplitudenmodulator so kodiert, dass die maximale auftretende Amplitude auch durch den Grauwert mit maximaler Transmission des Modulators repräsentiert wird, so führt ein großer
Dynamikbereich dazu, dass vielen Modulatorpixeln Grauwerte mit geringer
Transparenz zugewiesen werden. Diese vielen Modulatorpixel haben aber nur eine geringe Transmission. Dadurch wird ein größerer Teil des Lichts im Modulator absorbiert und ist für die Rekonstruktion nicht verfügbar.
Dagegen hat ein nach (1) und (2) berechnetes Hologramm gegenüber einem Fourierhologramm für vergleichbare Objekte einen geringeren Dynamikbereich, da jeweils nur Subhologramme eines kleinen Teils aller Objektpunkte überlappen und aufaddiert werden müssen.
Die beschriebenen Nachteile bezüglich Quantisierungsfehler und Beugungseffizienz sind zwar in dem in (1) und (2) beschriebenen Verfahren einerseits weniger stark ausgeprägt als bei einem Fourierhologramm, andererseits sind sie aber trotzdem noch in störendem Maße vorhanden.
Zur Hologrammdarstellung sind auch als binär bezeichnete Lichtmodulationsmittel bekannt. Bei diesen lassen sich immer nur zwei verschiedene Werte direkt durch eine Ansteuerung einstellen - bei einem Amplitudenmodulator z.B. nur die Amplituden 0 und 1 und bei einem Phasenmodulator z.B. nur die Phasen 0 und pi. Ein Beispiel für ein binäres Lichtmodulationsmittel ist ein ferroelektrischer Flüssigkristallmodulator (FLC). Eine Möglichkeit der Nachbildung von Grauwerten auf diesem Modulator zum Darstellen von herkömmlichen zweidimensionalen Bildinhalten, beispielsweise Fernsehbildern, ist die Pulsweitenmodulation (PWM). Einzelne Pixel werden unterschiedlich lange ein- oder ausgeschaltet, um im zeitlichen Mittel für ein Auge eine unterschiedlich hohe Intensität zu erreichen.
Dieses Verfahren ist aber nicht ohne weiteres auf eine holographische Wiedergabeeinrichtung übertragbar, da sie für eine Rekonstruktion genügend kohärentes Licht benötigt. Würden z.B. Amplituden eines Hologramms mit hohem Dynamikbereich auf einem binären Lichtmodulator durch PWM nachgebildet, so würde sich anstelle einer kohärenten Rekonstruktion eine zeitliche Folge zueinander inkohärenter Teilrekonstruktionen ergeben, die eine von der zu rekonstruierenden 3D-Szene abweichende gemittelte Rekonstruktion sichtbar machen würde. Auf einem binären Lichtmodulator können also üblicherweise binäre Hologramme nur unter Tolerierung erheblicher Quantisierungsfehler wiedergegeben werden. Zur Reduzierung der Quantisierungsfehler bei binären Hologrammen sind iterative Rechenverfahren bekannt. Sie erfordern aber einen hohen Rechenaufwand zum Verringern von Rekonstruktionsfehlem, können sie aber nicht vollständig ausgleichen.
In der Regel sind binäre Hologramme reellwertig, woraus folgt, dass nur symmetrische Rekonstruktionen möglich sind. Dies stellt eine erhebliche Einschränkung an die Rekonstruktion dar. Auch binäre Hologramme, die andere Werte als (O1 π) oder (0, 1 ) darstellen, weisen prinzipiell diese Eigenschaften auf.
In den Dokumenten (1 ) und (2) wird die Rekonstruktion einzelner Objektpunkte durch jeweils ein Subhologramm beschrieben, das eine Linsenfunktion darstellt. Wie von der Fresnel'schen Zonenplatte bekannt ist, lässt sich mit einer binären
Amplituden- oder Phasenstruktur eine Linsenfunktion realisieren. Mit der binären
Struktur kann aber nicht zwischen einer Linse der Brennweite +f und einer Linse der
Brennweite -f unterschieden werden. Ein Betrachter, der vom Betrachterfenster aus eine Rekonstruktion eines binären Subhologramms in Form einer solchen
Zonenplatte sieht, würde jeweils einen Objektpunkt vor dem Display und immer auch einen zugehörigen gleich hellen Objektpunkt hinter dem Display sehen. Mit einem binären Modulator können so zwar 3D-Szenen rekonstruiert werden, aber man würde immer ein Spiegelbild der vor dem Display gelegenen 3D-Szene auch hinter dem Display sehen. Das ändert sich erst, wenn man in einem Phasenmodulator mindestens drei verschiedene Phasenstufen realisiert.
Weiterhin ist zu beachten, dass zum vollständigen Kodieren beliebiger komplexer Zahlen eine Kombination von wenigstens zwei Lichtmodulatoren benötigt wird. Man verwendet z.B. einen Amplituden- und einen Phasenmodulator oder zwei Phasenmodulatoren, was aber eine aufwendige mechanische Justierung der Modulatoren zueinander erfordert, da das Pixelraster beider Modulatoren deckungsgleich sein muss.
Neben dem Verwenden mehrerer Modulatoren ist auch ein auf die einzelnen Modulatoren abgestimmtes Kodierverfahren erforderlich. Beispielsweise ist das Kodieren einer komplexen Zahl durch mehrere Amplitudenwerte bekannt, was aber den Nachteil einer geringen Beugungseffizienz hat. Kodiert man dagegen eine komplexe Zahl durch mehrere Phasenwerte, benutzt man insbesondere die Zwei- Phasenkodierung. Da sie aber Rekonstruktionsfehler verursacht und durch das Aufaddieren verschiedener Subhologramme eine Verteilung von mehr als zwei Phasenwerten, also ein höherer Dynamikbereich, entsteht, muss sie zusätzlich mit iterativen Rechenverfahren kombiniert werden.
Die Rekonstruktionsfehler durch die Phasenkodierung müssen mit einer wesentlich längeren Berechnungszeit für das Hologramm ausgeglichen werden. Dies ist für die Echtzeitdarstellung in holographischen Displays nicht akzeptabel.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass in einem nach (1) und (2) berechneten Hologramm, bei dem die 3D-Szene in Objektpunkte zerlegt wird, für die Subhologramme berechnet und kodiert werden, ein Überlappen vieler Subhologramme mit gegebener geringer Bittiefe nicht zu vermeiden ist. Die Bittiefe erweist sich bei den großen Dynamikbereichen als zu gering, was auf die Rekonstruktionsqualität der 3D-Szene nachteilige Auswirkungen hat.
Will man mit Lichtmodulationsmitteln mit geringer Bittiefe eine 3D-Szene optimal rekonstruieren, müssen alle Objektpunkte so kodiert werden, dass ihre Subhologramme nicht überlappen. Das könnte man z.B. durch sequentielles Kodieren und Rekonstruieren jedes einzelnen Objektpunktes erreichen, wobei aber die zu verwendenden Lichtmodulationsmittel sehr schnelle Schaltzeiten haben müssten. Bekannte schnelle und zum heutigen Zeitpunkt verfügbare räumliche Lichtmodulationsmittel sind aber binär. Eine herkömmliche Hologrammdarstellung auf einem binären Lichtmodulator ist aus den genannten Gründen für eine hohe Rekonstruktionsqualität nicht ausreichend.
Aufgabe der Erfindung ist es, die angeführten Nachteile des Standes der Technik beim Kodieren eines Hologramms einer 3D-Szene und beim holographischen Rekonstruieren der 3D-Szene in einer in Echtzeit arbeitenden holographischen Displayeinrichtung zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, wobei das Kodieren von Hologrammen auf der Basis komplexer Transparenzwerte unter Ausnutzung eines geringen Dynamikbereichs erfolgen soll. Weiterhin soll das Verfahren so gestaltet sein, dass die Verwendung mindestens eines räumlichen Lichtmodulators mit geringer Bittiefe und schneller Schaltzeit sowie die Verringerung des Rechenaufwands für die Hologrammberechnung möglich ist und eine gute Rekonstruktionsqualität erreicht wird.
Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine zu rekonstruierende 3D- Szene, die entsprechend der Beschreibung im Dokument (2) in eine Anzahl von Schnittebenen mit jeweils einem Raster zerlegt wird, wodurch eine Anzahl von Objektpunkten ermittelbar ist, aus denen jeweils ein Subhologramm berechnet und in ein Lichtmodulationsmittel kodiert wird.
Das Lichtmodulationsmittel kann ein pixelierter Lichtmodulator mit einer diskreten Anordnung von steuerbaren Elementen (Pixeln) sein oder ein Lichtmodulator mit kontinuierlich verlaufender, nicht pixelierter Kodierfläche, die durch die darzustellende Information formal in diskrete Bereiche unterteilt wird. Ein diskreter Bereich ist dann jeweils einem Pixel gleichzusetzen. Beim Durchgang von kohärentem Licht durch den Lichtmodulator verändern die steuerbaren Elemente die Amplitude und/oder Phase des Lichts zum Rekonstruieren der Objektpunkte der SD- Szene.
Das Verfahren basiert weiter auf einem Beleuchtungssystem mit mindestens einer hinreichend kohärent strahlenden Lichtquelle und mindestens einem optischen Abbildungsmittel, das ein räumliches Lichtmodulationsmittel beleuchtet. Aus den mit der Information der Objektpunkte modulierten Wellenfronten wird innerhalb eines von einem Lichtmodulationsmittel bzw. Bildschirm und einem Sichtbarkeitsbereich aufgespannten Rekonstruktionsraums die 3D-Szene rekonstruiert. Die Rekonstruktion ist für einen Betrachter innerhalb des Sichtbarkeitsbereichs in einer Augenposition zu sehen, die von einem Positionsfinder ermittelt wird. Das Verfahren benutzt weiterhin einen Prozessor mit Prozessorelementen zum Berechnen und Kodieren der 3D-Szene und ist in seinen Verfahrensschritten erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass
- ein erstes Prozessorelement (PE 1) - im Lichtmodulationsmittel (L) ein verschiebbares zweidimensionales Raster
(MR) mit regulär angeordneten Rasterzellen zum Kodieren der Subhologramme (Sn) generiert,
- in Abhängigkeit von eingestellten Positionen der Rasterzellen Objektpunkte (OPn) auswählt und jeweils zu Objektpunktgruppen (OPGm) zusammenfasst, und
- die Subhologramme (Sn) der Objektpunkte (OPn) einer generierten Objektpunktgruppe (OPGm) gleichzeitig berechnet und gleichzeitig in jeweils eine separate Rasterzelle als ein gemeinsames Hologramm der Objektpunktgruppe (OPGm) im Lichtmodulationsmittel (L) kodiert, wobei die gemeinsamen Hologramme aller Objektpunktgruppen (OPGm) sequentiell kodiert werden, und
- ein zweites Prozessorelement (PE2) das Beleuchtungssystem synchron mit der Verschiebung des Rasters im Lichtmodulationsmittel (L) steuert, so dass aus der Vielzahl sequentiell kodierter Hologramme in schneller zeitlicher Folge in sich kohärente, aber zueinander inkohärente Teilrekonstruktionen der Objektpunktgruppen (OPGm) erzeugt und sequentiell im Sichtbarkeitsbereich (SB) überlagert werden. Die Teilrekonstruktionen der 3D-Szene sind so von der Augenposition aus als eine einzige zeitlich gemittelte Rekonstruktion zu sehen.
Durch das verschiebbare Raster können alle Objektpunkte der 3D-Szene den regulär angeordneten zweidimensionalen Rasterzellen im Lichtmodulationsmittel genau zugeordnet und anhand eines Kriteriums bestimmte Objektpunkte zum Bilden von Objektpunktgruppen ausgewählt werden. Das Bilden von Objektpunktgruppen vereinfacht vorteilhaft das Kodieren und Rekonstruieren der 3D-Szene und verringert die Rechenzeit gegenüber einer objektpunktweise durchgeführten Kodierung und Rekonstruktion der 3D-Szene erheblich.
In Ausbildung des Verfahrens definiert das erste Prozessorelement zum Auswählen von Objektpunkten einen von zwei Ebenen begrenzten Tiefenbereich im Rekonstruktionsraum, der alle zur Rekonstruktion der 3D-Szene beitragenden Objektpunkte enthält und die Fläche ihrer Subhologramme im Lichtmodulationsmittel durch Projektionen vom Sichtbarkeitsbereich aus festlegt. Die Subhologramme überlappen sich dadurch nicht. Die maximale Fläche eines einzelnen Subhologramms wird durch den axialen Abstand zwischen einer der Ebenen des definierten Tiefenbereichs und der Ebene des Sichtbarkeitsbereichs vorgegeben. Wenn man die Rekonstruktion vor dem Bildschirm betrachtet, ist eine der Ebenen die vorderste, dem Betrachter zugewandte Ebene des definierten Tiefenbereichs im Rekonstruktionsraum. Umgekehrt bestimmt die hinterste Ebene des definierten Tiefenbereiches die maximale Fläche des Subhologramms, wenn die Rekonstruktion hinter dem Bildschirm erfolgt. Für eine 3D-Szene, die in Teilen sowohl vor als auch hinter dem Lichtmodulationsmittel rekonstruiert wird, ist die größere von beiden Flächen des Subhologramms zu verwenden.
Entsprechend definiert das erste Prozessorelement die Flächengröße einer Rasterzelle des Rasters so, dass sie dem größten Subhologramm entspricht. Mit dieser Definition wird garantiert, dass ein einzelnes Subhologramm die Größe einer Rasterzelle nicht überschreitet.
Weiterhin wird der Tiefenbereich auf einen maximalen axialen Abstand vor und wahlweise hinter dem Lichtmodulationsmittel beschränkt, so dass die Rekonstruktion der gesamten 3D-Szene stets innerhalb des Rekonstruktionsraums erzeugt wird.
Die Objektpunkte werden in Abhängigkeit von ihrer räumlichen Position zu einer Rasterzelle des generierten Rasters ausgewählt und zu einer Objektpunktgruppe zusammengefasst. Vorteilhafterweise wird als Kriterium zur Auswahl der Objektpunkte die zentrische Lage eines Objektpunktes im Tiefenbereich in Bezug auf eine Rasterzelle des generierten Rasters zu einem bestimmten Zeitpunkt definiert. Zentrische Lage bedeutet hier, dass eine gedachte Linie von der Mitte des Betrachterfensters durch den Objektpunkt hindurch auch durch die Mitte einer Rasterzelle verläuft. Objektpunkte, die dieses Kriterium erfüllen, bilden eine Objektpunktgruppe. Das Bilden einer weiteren Objektpunktgruppe aus Objektpunkten der 3D-Szene erfolgt durch Verschieben des Rasters um mindestens einen Pixel des Lichtmodulationsmittels programmtechnisch durch das erste Prozessorelement. Die Verschiebung wird je nach Kodierverfahren nur horizontal für ein eindimensional wirkendes Hologramm oder horizontal und vertikal für ein zweidimensional wirkendes Hologramm durchgeführt. Das Bilden von Objektpunktgruppeπ ist abgeschlossen, wenn das Raster in Schritten von mindestens einem Pixel horizontal und/oder vertikal verschoben wurde, so dass insgesamt eine Verschiebung um eine volle Rasterzelle erreicht ist. Damit werden alle unterschiedlichen Positionen von allen Objektpunkten der 3D-Szene im definierten Tiefenbereich erfasst.
Ein weiterer Verfahrensschritt ist dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Subhologramme der 3D-Szene, da sie sich nicht überlappen, horizontal und vertikal gleichzeitig im Lichtmodulationsmittel kodiert werden. Die Kodierung eines Subhologramms kann je nach Kodierverfahren eindimensional oder zweidimensional in benachbarte Pixel einer Rasterzelle erfolgen.
Ein Subhologramm weist eine maximale Größe auf, die zweckmäßigerweise nach der Formel npx,y= | z / (D-z) | * D λ / px,y 2 (1 ) berechnet wird, wobei z der axiale Abstand zwischen einem Objektpunkt und dem Lichtmodulationsmittel bzw. einem Bildschirm, D der Abstand des Sichtbarkeitsbereichs vom Lichtmodulationsmittel bzw. dem Bildschirm, λ die Wellenlänge des Lichts einer verwendeten Lichtquelle des Beleuchtungssystems und pχ,y die Breite (px) bzw. die Höhe (py) eines Makropixels sind. Ein Makropixel ist dabei entweder ein einzelner Pixel oder eine Gruppe benachbarter Pixel, in die ein komplexer Wert eingeschrieben wird. In weiterer Ausbildung des Verfahrens stellt eine vom Prozessor gesteuerte Positionssteuerung die Ausbreitungsrichtung der modulierten Wellenfronten der gemeinsamen Hologramme auf die von einem Positionsfinder ermittelte aktuelle Augenposition eines Betrachterauges ein, um dem Betrachter bei einer Positionsänderung vor dem Schirm weiterhin die Rekonstruktion darzustellen.
Die Lichtmodulationsmittel können entsprechend den Ausgestaltungsbeispielen wahlweise transmissiv, transflexiv oder reflektiv ausgebildet sein. Weiterhin können Lichtmoduiationsmittel zum Durchführen des Verfahrens einzeln eingesetzt werden oder als Kombination mindestens eines Phasen- mit einem Amplitudenmodulator. Bei der Kombination zweier Lichtmodulatoren erzeugt der Amplitudenmodulator vorzugsweise um ein einzelnes Subhologramm einen Rahmen. Die Rahmenbreite hängt von der Intensität und vom axialen Abstand eines Objektpunktes zum Bildschirm ab und begrenzt die Fläche des Subhologramms in der Rasterzelle, wobei der Rahmen den Bereich der Nichttransparenz der Rasterzelle darstellt.
Weiter wird verfahrensgemäß vorgeschlagen, dass das Lichtmodulationsmittel, in das die Hologramme kodiert werden, direkt als Bildschirm dient. Auf diese Weise wird ein Direktsichtdisplay realisiert. Bei einem Projektionsdisplay dagegen ist der Bildschirm ein optisches Element, auf das ein im Lichtmodulationsmittel kodiertes Hologramm oder eine im Lichtmodulationsmittel kodierte Wellenfront der 3D-Szene abgebildet wird. Im Projektionsdisplay mit kombinierten Lichtmodulatoren gemäß der Erfindung ist beispielsweise vorgesehen, dass der Amplitudenmodulator jeweils um vorzugsweise ein einzelnes Subhologramm einen Rahmen erzeugt.
Eine andere Gestaltung des Verfahrens sieht vor, dass eine im zeitlichen Mittel sichtbare Intensität von Objektpunkten dadurch eingestellt wird, dass die Objektpunkte für unterschiedlich lange Zeitintervalle, beispielgebend als T2 definiert, hinreichend kohärent rekonstruiert werden.
In weiterer Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, zusätzlich eine Variation der Intensität einer bzw. mehrerer Lichtquellen durchzuführen, um verschiedene Intensitäten bei der Rekonstruktion von Objektpunkten realisieren zu können. Dabei werden entweder nur einzelne Rasterzellen oder das gesamte Lichtmodulationsmittel variabel beleuchtet Das bedeutet, dass zusätzlich zur Variation der Zeitspanne T2, in der jeweils einzelne Objektpunkte rekonstruiert werden, auch jeweils im Verlauf eines anderen Zeitintervalls T1 die Intensität der Beleuchtung verändert wird.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Einrichtung zum Rekonstruieren der 3D-
Szene gelöst, aufweisend ein Beleuchtungssystem mit mindestens einer hinreichend kohärent strahlenden Lichtquelle, um mindestens ein räumliches Lichtmodulationsmittel zu beleuchten, dem mindestens ein optisches Abbildungsmittel zugeordnet ist,
Rekonstruktionsmittel zum Rekonstruieren der in einzelne Objektpunkte zerlegten
3D-Szene innerhalb eines vom Lichtmodulationsmittel und einem
Sichtbarkeitsbereich aufgespannten Rekonstruktionsraums, wobei die Rekonstruktion von einer Augenposition aus innerhalb des Sichtbarkeitsbereichs zu sehen ist, und einen Prozessor mit Prozessorelementen zum Berechnen und Kodieren von
Subhologrammen der 3D-Szene, zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein erstes Prozessorelement zum Generieren eines verschiebbaren zweidimensionalen Rasters mit regulär angeordneten Rasterzellen im Lichtmodulationsmittel, zum Definieren eines Tiefenbereichs im Rekonstruktionsraum, zum Generieren von Objektpunktgruppen aus Objektpunkten der 3D-Szene, zum Berechnen einer Vielzahl von Subhologrammen der Objektpunkte einer jeweils generierten Objektpunktgruppe und zum gleichzeitigen Kodieren der Subhologramme in jeweils eine separate Rasterzelle als gemeinsames Hologramm der jeweiligen Objektpunktgruppe vorgesehen ist, wobei die gemeinsamen Hologramme aller Objektpunktgruppen sequentiell kodiert werden, und
- ein zweites Prozessorelement vorgesehen ist, um das Beleuchtungssystem synchron mit der Verschiebung des Rasters im Lichtmodulationsmittel zu steuern, so dass aus der Vielzahl sequentiell kodierter gemeinsamer Hologramme in schneller zeitlicher Folge in sich kohärente, aber zueinander inkohärente Teilrekonstruktionen der Objektpunktgruppen erzeugt und sequentiell im Sichtbarkeitsbereich überlagert werden. Die Teilrekonstruktionen der 3D-Szene sind von der Augenposition aus als eine einzige zeitlich gemittelte Rekonstruktion für ein Betrachterauge sichtbar.
Die Einrichtung ist vorzugsweise ein holographisches Display, das als ein Direktsichtdisplay oder ein Projektionsdisplay ausgebildet ist. Im Fall des Direktsichtdisplays enthält die Einrichtung ein als Bildschirm ausgebildetes Lichtmodulationsmittel. Im Fall des Projektionsdiplays ist der Bildschirm ein optisches Element, auf das ein im Lichtmodulationsmittel kodiertes Hologramm oder eine im Lichtmodulationsmittel kodierte Wellenfront der 3D-Szene abgebildet wird.
Entsprechend einem weiteren Erfindungsgedanken besteht das Raster aus regulär angeordneten Rasterzellen, wobei die Fläche des größten möglichen Subhologramms die Größe der Fläche der Rasterzellen bestimmt. Eine Rasterzelle weist horizontal und vertikal benachbart mehrere Pixel auf.
Eine zweckmäßige Ausführungsform des Lichtmodulationsmittels kann ein Phasenmodulator sein.
Ein Subhologramm kann beispielsweise im Phasenmodulator in jeweils einer Rasterzelle als Linsenfunktion dargestellt werden und die Intensität eines rekonstruierten Objektpunktes ist dadurch einstellbar, dass diese Linsenfunktion für ein unterschiedlich langes Zeitintervall T2 in der Rasterzelle als Subhologramm dargestellt wird. Außerhalb des Subhologramms wird für das Zeitintervall T2, in dem keine Linsenfunktion vorhanden ist, in der Rasterzelle dann eine lineare Phasenfunktion dargestellt, durch die das Licht in eine Position außerhalb des Sichtbarkeitsbereichs abgelenkt wird. Mit diesem Erfindungsmerkmal wird erreicht, dass ein Objektpunkt mit seiner realen Intensität dargestellt wird. Nimmt man Einschränkungen für die Hologrammrekonstruktion hin, kann der Phasenmodulator ein binärer Modulator sein. In einer bevorzugten anderen Ausgestaltung ist der Phasenmodulator ein Modulator, der in wenigen, aber mindestens drei Phasenstufen einstellbar ist. In einem anderen Ausführungsbeispiei kann das Lichtmodulationsmittel auch aus einer Kombination eines Phasen- mit einem Amplitudenmodulator bestehen. Hierbei dient vorteilhaft der Amplitudenmodulator dazu, dass in eine Rasterzelle ein die Ausdehnung eines Subhologramms begrenzender Rahmen zwischen dem Subhologramm und dem Rand der Rasterzelle eingeschrieben wird, der eine minimale Transmission aufweist.
Sowohl der Phasen- als auch der Amplitudenmodulator können in diesem Beispiel als binäre Modulatoren ausgebildet sein.
In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung ist der Phasenmodulator in wenigen, aber mindestens drei Phasenstufen einstellbar.
Ist nur der Amplitudenmodulator ein binärer Modulator, wird die im zeitlichen Mittel sichtbare Intensität eines rekonstruierten Objektpunktes dadurch eingestellt, dass der Amplitudenmodulator für ein unterschiedlich langes Zeitintervall T2 im Bereich eines Subhologramms transmissiv geschaltet ist.
Weiterhin ist die Einrichtung so ausgebildet, dass das Beleuchtungssystem mindestens eine Lichtquelle aufweist, um mindestens eine Rasterzelle des Lichtmodulationsmittels zu beleuchten, wobei die Intensität der Lichtquelle steuerbar ist, um die im zeitlichen Mittel sichtbare Intensität der Rekonstruktion einzelner Objektpunkte variieren zu können.
In der Einrichtung erfolgt programmtechnisch gesteuert durch das erste Prozessorelement eine Verschiebung des Rasters um mindestens einen Pixel des Lichtmodulationsmittels und um maximal eine Rasterzelle zum Bilden neuer Objektpunktgruppen und zum Erzeugen jeweils anderer gemeinsamer Hologramme. Dabei wird jeweils eine Teilrekonstruktion der 3D-Szene aus einer kodierten Objektpunktgruppe erzeugt. Für eine zweidimensional wirkende Kodierung erfolgt die Verschiebung des Rasters sowohl horizontal als auch vertikal um maximal eine Rasterzelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein holographisches Display zum Rekonstruieren einer dreidimensionalen Szene mit einem Beleuchtungssystem zum hinreichend kohärenten Beleuchten eines räumlichen Lichtmodulationsmittels, dessen Licht mit holographischer Information der kodierten dreidimensionalen Szene (3D-Szene) moduliert und durch ein Abbildungssystem an eine Augenposition innerhalb eines Sichtbarkeitsbereichs geleitet wird, von der aus die Rekonstruktion der 3D-Szene in einem vom Lichtmodulationsmittel und dem Sichtbarkeitsbereich aufgespannten Frustrum eines Rekonstruktionsraums für mindestens ein Betrachterauge zu sehen ist, dessen Position von einem Positionsfinder ermittelt wird, der mit einem Prozessor zum Berechnen und Kodieren von Hologrammen der 3D-Szene programmtechnisch gekoppelt ist, wobei das Display ein Auswahlverfahren zum Kodieren der in Objektpunkte zerlegten 3D-Szene nach den Verfahrensansprüchen verwendet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein zusammen mit dem Lichtmodulationsmittel gesteuertes erstes Prozessorelement vorgesehen ist, um im Lichtmodulationsmittel ein verschiebbares zweidimensionales Raster mit regulär angeordneten Rasterzellen zu generieren, in die jeweils gemeinsame Hologramme der 3D-Szene kodiert sind, welche aus nach dem Auswahlverfahren berechneten, horizontal und/oder vertikal gleichzeitig zu kodierenden Subhologrammen bestehen und Teilrekonstruktionen der 3D-Szene wiedergeben, wobei ein Subhologramm jeweils in eine Rasterzelle kodiert ist, und - ein das Beleuchtungssystem synchron mit der Verschiebung des Rasters im Lichtmodulationsmittel steuerndes zweites Prozessorelement vorgesehen ist, um andere, aus der Verschiebung des Rasters resultierende Teilrekonstruktionen der 3D-Szene sequentiell zu erzeugen, die in sich kohärent, aber zueinander inkohärent sind und deren mit holographischer Information modulierte Wellenfronten sich sequentiell im Sichtbarkeitsbereich überlagern und von der Augenposition aus als eine einzige zeitlich gemittelte Rekonstruktion der 3D-Szene sichtbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazugehörige Einrichtung werden nachfolgend näher beschrieben. In den Darstellungen zeigen schematisch
Fig. 1 a in Draufsicht Objektpunkte einer 3D-Szene und deren kodierte
Subhologramme als Stand der Technik, Fig. 1 b in ein Lichtmodulationsmittel kodierte zweidimensionale
Subhologramme gemäß Fig. 1 a vom Betrachter aus gesehen, Fig. 1 c in ein Lichtmodulationsmittel kodierte eindimensionale HPO-
Subhologramme für die Objektpunkte gemäß Fig. 1a, vom Betrachter aus gesehen,
Fig. 2 die Häufigkeit einzelner in einem Hologramm auftretender Amplituden überlappender Subhologramme mit Dynamikbereich, als Stand der
Technik,
Fig. 3a eine Draufsicht auf einen definierten Tiefenbereich mit Objektpunkten, die eine Objektpunktgruppe bilden,
Fig. 3b eine Draufsicht auf einen definierten Tiefenbereich mit Objektpunkten, die eine andere Objektpunktgruppe bilden, Fig. 4 ein Raster mit kodierten Subhologrammen in einem Hologramm für eine Teilrekonstruktion, darin überlagert eine Verschiebung des Rasters,
Fig. 5 schematisch dargestellte Beispiele für kodierte Hologramme in einer
Lichtmodulatorkombination, Fig. 6 schematisch dargestellte Beispiele für kodierte Hologramme in einem einzelnen Lichtmodulator, Fig. 7a Intensitätssteuerung einer Lichtquelle über ein Zeitintervall T1 , und
Fig. 7b zwei Subhologramme für zwei Objektpunkte, die zu verschiedenen
Zeiten rekonstruiert werden.
Die Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens - der holographischen Wiedergabe von 3D-Szenen - verfügt neben Beleuchtungs-, Modulations-, und Rekonstruktionsmitteln über Prozessor- und Steuermittel zum programmtechnischen Ausführen der entsprechenden Verfahrensschritte bis zur Rekonstruktion der 3D-Szene.
Entsprechend Fig. 1c werden von drei Objektpunkten OP1 bis OP3 einer 3D-Szene die zugeordneten, kodierten Subhologramme S1 ; S2 und S3 als eine eindimensional wirkende HPO-Kodierung (engl.: Horizontal Parallax OnIy) wiedergegeben, wie sie von der Augenposition eines Betrachters aus zu sehen ist. Die Darstellung basiert auf den bereits im Stand der Technik beschriebenen Fig. 1a, 1 b.
Ein Subhologramm liegt immer zentrisch zum jeweiligen Objektpunkt, wobei hier beispielhaft nur der Objektpunkt OP3 näher bezeichnet wurde. Ein Betrachter, dessen Augenpupille sich mittig im Zentrum des Betrachterfensters befindet, sieht den Objektpunkt mittig in Bezug zur Fläche des entsprechenden Subhologramms. Im Fall der HPO-Kodierung haben die Subhologramme S1 bis S3 vertikal nur die Ausdehnung einer einzelnen Zeile im Lichtmodulationsmittel L. Da sie aufgrund ihrer Position in der 3D-Szene in unterschiedlichen Zeilen kodiert werden, überlappen sie nicht. Nur Subhologramme innerhalb der gleichen Zeile können bei einer HPO- Kodierung überlappen. Bei überlappenden Subhologrammen überlagern sich die Intensitäten bzw. die Information normalerweise in benachbarten Pixeln eines Modulatorbereichs.
Anhand der Figuren 3 und 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren mit den zum Durchführen notwendigen Mitteln näher erklärt.
In den Figuren 3a und 3b wird gezeigt, wie entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Objektpunkte OPn zur Darstellung einer Objektpunktgruppe OPGm in einem Hologramm ausgewählt werden.
Die Fig. 3a zeigt eine Draufsicht auf einen räumlichen Tiefenbereich TB, in dem die 3D-Szene rekonstruiert werden soll und der zwischen zwei Ebenen Z1 und Z2 festgelegt ist. Ein Subhologramm S kann groß werden, wenn sich der zugeordnete Objektpunkt OP sehr nahe vor dem Sichtbarkeitsbereich SB befindet. Um das zu verhindern, wird der Tiefenbereich TB entsprechend definiert. Die Ebene Z1 begrenzt den am weitesten vor dem Bildschirm liegenden Teil der 3D-Szene und die Ebene Z2 den am weitesten hinter dem Bildschirm liegenden Teil der 3D-Szene. Der Tiefenbereich TB enthält eine Vielzahl von Objektpunkten OPn1 von denen einer mit OP1 gekennzeichnet ist. Der Objektpunkt OP1 hat einen Abstand zOP1 zum Lichtmodulationsmittel L, das in einer Entfernung D zum Sichtbarkeitsbereich SB liegt. Der Tiefenbereich TB liegt innerhalb eines Rekonstruktionsraums, der normalerweise vom Sichtbarkeitsbereich SB zum Lichtmodulationsmittel L als Frustrum aufgespannt wird. Die zu rekonstruierende, in die Objektpunkte OPn zerlegte 3D-Szene erstreckt sich hier aber über das Lichtmodulationsmittel L hinaus. Dem Lichtmodulationsmittel L ist ein verschiebbares Raster MR mit regulär angeordneten zweidimensionalen Rasterzellen zugeordnet. Von der Mitte des Sichtbarkeitsbereichs SB ausgehende Hilfsstrahlen dienen zum Zuordnen der Objektpunkte OPn zu Rasterzellen des Rasters MR. Nur die Objektpunkte, die eine Objektpunktgruppe bilden, sind als schwarze Punkte gekennzeichnet.
In Fig. 3b erfolgte eine Verschiebung des Rasters MR um wenigstens einen Pixel. Die im Tiefenbereich TB jetzt zu rekonstruierenden Objektpunkte OPn sind in einer gegenüber Fig. 3a verschobenen Rasterstellung dargestellt. Durch das Verschieben wird eine andere Objektpunktgruppe OPG mit anderen Objektpunkten OPn gebildet, die ebenfalls wieder schwarz markiert sind.
Ein nicht dargestelltes erstes Prozessorelement PE1 generiert für den Bildschirm ein Raster MR und fasst alle Objektpunkte OPn im Tiefenbereich TB, die zu einem bestimmten Zeitpunkt axial auf einem Hilfsstrahl und zentrisch zu einer Rasterzelle liegen, zu einer Objektpunktgruppe OPGm zusammen. Der Tiefenbereich TB ist axial so festgelegt, dass eine maximal mögliche Fläche eines Subhologramms S nicht über die Fläche einer Rasterzelle hinausgeht. Eine Rasterzelle hat daher eine Rasterweite und Rasterhöhe, die der maximalen Weite und Höhe des größten Subhologramms S der Objektpunktgruppe entspricht. Die Rasterzelle enthält horizontal und vertikal benachbart bzw. in einem später folgenden dritten Ausführungsbeispiel einer HPO-Kodierung nur horizontal benachbart mehrere Pixel des Lichtmodulationsmittels L.
Als Kriterium zum Bilden von Objektpunktgruppen OPGm wird die zentrische Lage jedes Objektpunktes OP im Tiefenbereich TB zu einer Rasterzelle des generierten Rasters MR definiert. Die zentrische Lage wird durch Hilfsstrahlen ermittelt, die vom Zentrum des Sichtbarkeitsbereichs SB ausgehend zum Lichtmodulationsmittel L und dort durch das Zentrum der Rasterzellen bzw. ihrer Projektionen verlaufen. Alle Objektpunkte OPn, die auf einem derartigen Strahl liegen, bilden eine Objektpunktgruppe OPG. So können Objektpunkte OPn zum Generieren von Objektpunktgruppen OPGm, wie im Dokument (2) beschrieben, beispielsweise gemäß ihrem Index in dem Punktraster, das beim Zerlegen der 3D-Szene in Schnittebenen definiert wird, zugeordnet werden. Dabei kann die Gruppierung so erfolgen, dass der index eines beliebigen Objektpunktes OP im Punktraster der jeweiligen Schnittebene mit dem Pixelindex im Zentrum einer Rasterzelle auf dem Lichtmodulationsmittel L übereinstimmt.
Für jeden Objektpunkt OP einer mit diesem Verfahrensschritt generierten Objektpunktgruppe OPG wird ein Subhologramm S berechnet und separat in eine
Rasterzelle kodiert. Da die Kodierung gleichzeitig erfolgt, repräsentieren die
Subhologramme das gemeinsame Hologramm der jeweiligen Objektpunktgruppe
OPG. Durch das Generieren von Objektpunktgruppen OPGm wird vorteilhaft erreicht, dass es keine Überlappungen von Subhologrammen Sn gibt und die Objektpunkte die 3D-Szene unverfälscht rekonstruieren.
Für das Kodieren der Hologramme wird ein Lichtmodulationsmittel L benutzt, das eine hinreichend schnelle Schaltzeit zur sequentiellen Darstellung der Hologramme hat.
Die Fig. 4 zeigt schematisch die Fläche eines Lichtmodulationsmittels L mit dem Raster MR zur gleichzeitigen zweidimensional wirkenden FP-Kodierung (engl.: Füll Parallax) mehrerer sich nicht überlappender Subhologramme Sn in einem Direktsichtdisplay. Näher bezeichnet sind beispielsweise die Subhologramme S2 und S11. Das Raster MR wird programmtechnisch durch ein erstes Prozessorelement PE1 generiert. Unter dem Begriff programmtechnisch ist zu verstehen, dass ein vorgegebenes Programm durch einen Rechner ausgeführt wird. Im Fall eines Projektionsdisplays befindet sich am Ort des Lichtmodulationsmittels L ein Bildschirm, beispielsweise als ein Spiegelelement ausgebildet, auf den die Information der Hologramme der einzelnen Objektpunktgruppen OPGm sequentiell abgebildet wird.
In der oberen Zeile sind als Beispiel einige Subhologramme Sn in verschiedenen Größen eingetragen. Die Subhologramme Sn liegen jeweils zentriert innerhalb einer Rasterzelle MR analog der zentrischen Lage der Objektpunkte OPn in den Subhologrammen. Je nachdem, in weicher axialen Entfernung zum Bildschirm sich ein entsprechender Objektpunkt OP befindet, ist das Subhologramm S entweder kleiner oder maximal genauso groß wie die Rasterzelle. Einzelne Rasterzellen bzw. Bereiche mit Rasterzellen des Rasters MR bleiben auch leer, wenn die zu rekonstruierende 3D-Szene am entsprechenden Ort im Tiefenbereich TB keine Objektpunkte OPn aufweist.
Zum Kodieren von weiteren Subhologrammen Sn von anderen Objektpunkten OPn bzw. von weiteren gemeinsamen Hologrammen von Objektpunktgruppen OPGm der 3D-Szene wird das generierte Raster MR programmtechnisch um mindestens einen Pixel des Lichtmodulationsmittels L oder, angepasst an die Auflösung der 3D-Szene, auch in Schritten von mehreren Pixeln verschoben. Dann können in sehr kurzer Zeit jeweils andere, sich untereinander nicht überlappende Subhologramme Sn berechnet und im Lichtmodulationsmittel L dargestellt werden. In Fig. 4 ist die Verschiebung des Rasters MR durch strichpunktierte Linien verdeutlicht. Durch die Verschiebung werden andere Objektpunkte OPn der 3D-Szene entsprechend ihrer Lage zum Zentrum einer Rasterzelle bestimmt und ihre Subhologramme Sn der 3D- Szene gleichzeitig neu im Lichtmodulationsmittel L kodiert. Eine Verschiebung des Rasters MR in horizontaler und vertikaler Richtung wird solange durchgeführt, bis eine Verschiebung um eine volle Rasterzelle erfolgt ist.
Ist die Verschiebung in vorgesehener Pixelanzahl um eine Rasterzelle im Raster MR abgeschlossen, sind im Tiefenbereich TB alle Objektpunkte OPn der 3D-Szene vollständig erfasst, berechnet und kodiert. Mit dieser Art der Berechnung und Kodierung von nicht überlappenden Subhologrammen Sn wird ein vollständiges Rekonstruieren der 3D-Szene im Rekonstruktionsraum aus den sequentiell erzeugten Teilrekonstruktionen ermöglicht.
Ein zweites Prozessorelement PE2 steuert mindestens eine Lichtquelle des Beleuchtungssystems synchron mit der Verschiebung des Rasters MR im Lichtmodulationsmittel L. Das mit dem jeweils kodierten Hologramm modulierte Licht erzeugt eine entsprechende Teilrekonstruktion der 3D-Szene Aus der Vielzahl der sequentiell kodierten gemeinsamen Hologramme werden in schneller zeitlicher Folge in sich kohärente, aber zueinander inkohärente Teilrekonstruktionen erzeugt und sequentiell im Sichtbarkeitsbereich SB überlagert werden Der Betrachter sieht dann an der Augenposition AP zeitlich gemittelt eine einzige Rekonstruktion der 3D- Szene
Die Große eines Subhologramms S, ausgedrückt in der Anzahl von Pixeln des verwendeten Lichtmodulationsmittels L, berechnet sich nach der Formel npχ y= | z / (D-z) | * D λ / px y 2 (1)
Dann ist z der axiale Abstand zwischen einem Objektpunkt OP der 3D-Szene und dem Lichtmodulationsmittel L bzw einem Bildschirm, D der Abstand des Sichtbarkeitsbereichs SB vom Lichtmodulationsmittels L bzw vom Bildschirm, λ ist die Wellenlange des Lichts der verwendeten Lichtquelle Weiterhin sind mit px y die Breite (px) bzw. die Hohe (py) eines Makropixels des Lichtmodulationsmittels L bzw bei einem Projektionsaufbau des auf den Bildschirm abgebildeten Makropixels einzusetzen
Damit ergibt sich für npx die Anzahl von Makropixeln in der Breite und für npy die Anzahl von Makropixeln in der Höhe für ein Subhologramm S Ein Makropixel ist entweder ein einzelnes Pixel oder eine Gruppe benachbarter Pixel, in die ein komplexer Wert eingeschrieben wird
Aus der Formel (1) ergibt sich eine maximale Subhologrammgroße aus dem Maximum der beiden Werte npx y(Z1) und npxy(Z2) In diesem Fall ist es möglich, gemäß der Erfindung ein festes Raster MR einzuführen, dessen Rasterweite dieser maximalen Subhologrammgroße entspricht So können auf dem Lichtmodulationsmittel L verschiedene Objektpunkte OPn in dieser Rasterweite gleichzeitig dargestellt werden, ohne dass ihre Subhologramme Sn überlappen
Beim Kodieren der Subhologramme Sn ist der bereits oben erwähnte Dynamikbereich der Amplituden zu beachten. Er ergibt sich daraus, dass sich die Intensitäten der zu rekonstruierenden Objektpunkte OPn unterscheiden und aus den unterschiedlichen axialen Abständen der einzelnen Objektpunkte OPn zum Sichtbarkeitsbereich. Beides führt zu unterschiedlichen Amplituden in den Subhologrammen Sn.
Die unterschiedlichen Intensitäten einzelner zu rekonstruierender Objektpunkte OPn und auch die unterschiedlichen Amplituden der Subhologramme Sn können genauer durch eine Intensitätssteuerung der Lichtquellen des Beleuchtungssystems dargestellt werden. Dazu wird programmtechnisch durch das Prozessorelement PE2 gesteuert der einzelne Objektpunkt OP für eine unterschiedlich lange Zeit rekonstruiert. Das Betrachterauge mittelt über die Zeit, in der die Rekonstruktion dieses Objektpunktes OP zu sehen ist. Diese Vorgehensweise ist möglich, weil die Subhologramme Sn der Objektpunkte OPn nicht überlappen und daher jedes Subhologramm S separat für eine unterschiedlich lange Zeit im Vergleich zu den anderen Subhologrammen Sn angezeigt werden kann. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass Lichtmodulatoren mit einer geringen Bittiefe im Verfahren eingesetzt werden können, ohne dass sich die Rekonstruktionsqualität der 3D-Szene verschlechtert. In der Beschreibung zu Fig. 7 wird darauf beispielhaft eingegangen.
Besonders vorteilhaft ist diese Methode anwendbar auf eine HPO-Kodierung. Dort enthält jede einzelne Modulatorzeile voneinander unabhängige Werte, so dass ein
Raster MR von einer Rasterweite einsetzbar ist, deren Maximum npx (Z1) oder np*
(Z2) sich aus der Formel (1) ergibt. Die Rasterhöhe ist hier die Höhe einer einzelnen
Zeile des Lichtmodulationsmittels L. Dadurch können sehr viele Objektpunkte OPn gleichzeitig dargestellt werden. Es müssen weniger zeitlich aufeinander folgende Hologramme für die Darstellung der 3D-Szene kodiert werden. Die Anforderungen an die Darstellungsgeschwindigkeit bzw. Schaltgeschwindigkeit des zu verwendenden Lichtmodulationsmittels L verringern sich.
In einer ersten Ausgestaltung der Einrichtung wird das Verfahren erfindungsgemäß in einer Kombination aus einem Amplitudenmodulator und einem Phasenmodulator realisiert, in die die komplexen Hologrammwerte eingeschrieben werden. Dabei wird in den Phasenmodulator die Linsenfunktion zur Rekonstruktion eines Objektpunktes OP und in den Amplitudenmodulator ein das Subhologramm S begrenzender Rahmen RA und die Intensität des zu rekonstruierenden Objektpunktes OP kodiert. Der Amplituden- und Phasenmodulator kann vorteilhaft jeweils ein binärer Modulator sein. Als Phasenmodulator kann aber auch ein Modulator benutzt werden, der in mindestens 3 Phasenstufen einstellbar ist.
Ist mindestens der Amplitudenmodulator ein binärer Modulator, dann begrenzt er generell die Größe eines Subhologramms S. Das bedeutet, dass die Bereiche zwischen dem Rand der Rasterzelle und dem Rand des Subhologramms S kein Licht durchlassen und schwarz angezeigt werden.
In Fig. 5a ist das für ein Subhologramm S dargestellt, wobei als Ergebnis der Kodierung das Subhologramm S einen schwarzen Rahmen RA aufweist. Die Darstellung der gesamten Rasterzelle erfolgt für ein bestimmtes Zeitintervall T1 , im Zeitintervall T2 wird das Subhologramm S dargestellt.
In Abhängigkeit vom axialen Abstand des Objektpunktes OP zur Augenposition AP ist der Rahmen RA des Subhologramms S mehr oder weniger breit und blockiert das Licht entsprechend mehr oder weniger, während der zentrische Bereich der Rasterzelle auf Transmission geschaltet ist.
Für einen binären Amplitudenmodulator erfolgt die Regelung der Transmission im zentrischen Bereich dann analog zu der bereits beschriebenen PWM.
Für eine Zeitspanne T1-T2 kann die gesamte Fläche der Rasterzelle schwarz sein, wie in Fig. 5b gezeigt. Das bedeutet, dass zu diesem Zeitpunkt kein Objektpunkt OP der 3D-Szene im Raster vorhanden ist,
Auch der Phasenmodulator kann in einer Ausgestaltung der Erfindung ein binärer Modulator sein. Die Phasenfunktion einer Linse kann bekanntlich als binärer Phasenverlauf in Form einer Fresnelschen Zonenplatte dargestellt werden.
Fig. 5c zeigt ein Beispiel für einen Phasenverlauf, wie er auf dem Phasenmodulator zur Darstellung eines Objektpunktes OP als eine Linsenfunktion angezeigt wird. Die Linsenfunktion muss mindestens für das Zeitintervall T2 angezeigt werden, kann aber ohne Nachteile auch für das gesamte Zeitintervail T1 angezeigt werden. Auf jeden Fall muss die Linsenfunktion im zentrischen Bereich der Rasterzelle, der auf dem Amplitudenmoduiator in Fig. 5a auf Transmission ist, dargestellt werden.
Bevorzugt genutzt werden zum Kodieren mehrerer Phasenwerte aber Phasenmodulatoren, die in wenigen, aber mindestens drei Phasenstufen einstellbar sind.
Alternativ kann die Linsenfunktion auch direkt auf dem Amplitudenmodulator kodiert werden.
Den Verfahrensschritten der Kodierung und Rekonstruktion liegen in allen Ausgestaltungsbeispielen folgende wesentliche Merkmale zugrunde: Ein in einer holographischen Displayeinrichtung angezeigtes 3D-Video besteht aus einer Vielzahl von 3D-Szenen (Einzelbildern). Eine 3D-Szene wird innerhalb eines Zeitintervalls TO rekonstruiert, wobei die Zeit optimal mindestens 1/25 Sekunden betragen sollte. Für eine durch ein erstes Prozessorelement PE1 generierte Objektpunktgruppe OPG werden deren Subhologramme Sn alle zur gleichen Zeit angezeigt und rekonstruieren diese Objektpunktgruppe OPG in einem Zeitintervall T1. Besteht die gesamte 3D-Szene aus n verschiedenen Objektpunktgruppen, dann ist T1 ungefähr gleich T0/n.
Die Intensität eines zu rekonstruierenden Objektpunktes OP wird dargestellt, indem der dem Subhologramm S entsprechende zentrische Bereich einer Rasterzelle für ein bestimmtes Zeitintervall T2 (T2<=T1) komplexe Werte zur Rekonstruktion des Objektpunktes OP enthält, für die restliche Zeitspanne T1-T2 aber keine Werte enthält und so keine Rekonstruktion des Objektpunktes erfolgt.
Im ersten Ausgestaltungsbeispiel gibt es daher für das Zeitintervall T2 eine maximale Transmission und für das Zeitintervall T1-T2 eine Transmission 0 für den Amplitudenmodulator. Im Bereich der maximalen Transmission sind dann durch das Beleuchtungssystem beleuchtete Pixel des Amplitudenmodulators aktiviert. Der Phasenmodulator zeigt programmtechnisch gesteuert gleichzeitig über das Zeitintervall T1 den Phasenverlauf des entsprechenden Subhologramms S an. In allen Ausgestaltungsbeispielen ist das Zeitintervall T2 für jedes einzelne Subhologramm S innerhalb des Rasters MR unterschiedlich, da es abhängig ist von der Intensität und der Entfernung jedes zu rekonstruierenden Objektpunktes OP zum Raster MR.
Das Justieren des Amplituden- zum Phasenmodulator braucht nicht so exakt durchgeführt zu werden wie bei den bekannten Verfahren mit einer Kombination zweier Lichtmodulatoren zur Darstellung komplexer Werte. Dort müssen die Modulatoren bis auf Bruchteile einer Pixelgröße genau zueinander justiert werden. Jeder Versatz zwischen den Pixeln führt zur Darstellung falscher komplexer Werte und zur Minderung der Rekonstruktionsqualität. Dagegen führt in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine leichte laterale Fehljustierung um Teile eines Pixels lediglich zu einer falschen Subhologrammapertur. Die Lage des Subhologramms S ist dann im Bereich weniger Prozente verschoben, was sich aber nicht nachteilig auswirkt, da es alle Subhologramme Sn gleichermaßen betrifft.
In einer zweiten Ausgestaltung dient zum Einschreiben der Hologrammwerte ein einzelner Phasenmodulator. Auf dem Phasenmodulator werden bekanntermaßen jeweils mindestens zwei Pixel zur Darstellung eines Hologrammwertes verwendet. Die Fig. 6a zeigt den Objektpunkt OP als Linsenfunktion für das Zeitintervall T2, begrenzt auf die Größe des Subhologramms S in einer Rasterzelle. Außerhalb des Subhologramms S wird für ein Zeitintervall T1 in benachbarte Pixel ein linearer Phasenverlauf eingeschrieben, beispielsweise abwechselnd die Phasenwerte 0 und pi, was dazu führt, dass Licht dieser Pixel aus dem Sichtbarkeitsbereich SB heraus gelenkt wird. Dadurch wird das Subhologramm S in seiner Größe und Intensität korrekt dargestellt.
Fig. 6b zeigt dagegen für die Zeitspanne T1-T2 einen über die gesamte Rasterzelle MR angelegten linearen Phasenverlauf. Das gesamte Licht gelangt für diese Rasterzelle nicht in den Sichtbarkeitsbereich SB1 sondern wird nach außerhalb gelenkt. Innerhalb eines Subhofogramms S wird beispielsweise für ein Zeitintervall T2<=T1 jeweils in zwei benachbarte Pixel der gleiche komplexe Phasenwert eingeschrieben, über das Subhologramm S insgesamt wird aber der Phasenverlauf eingeschrieben, der der Linsenfunktion des zugehörigen Objektpunktes OP entspricht. In diesem Zeitintervall T2 wird der Objektpunkt OP durch das Beleuchtungssystem rekonstruiert, wobei das Beleuchtungssystem durch das zweite Prozessorelement PE2 gesteuert wird. Während der Zeitspanne T1-T2 wird in das Subhologramm S, wie zuvor beschrieben, wieder der Phasenverlauf kodiert, der das Licht dieser Pixel aus dem Sichtbarkeitsbereich SB herauslenkt, so dass in dieser Zeitspanne T1 -T2 keine Rekonstruktion erfolgt.
Bei einem Hologramm aus einzelnen nicht überlappenden Subhologrammen Sn werden Objektpunkte OPn richtig rekonstruiert, solange die Phase der Subhologramme Sn korrekt dargestellt wird. Man kann dann die für einen Betrachter zeitlich gemittelte sichtbare Intensität von rekonstruierten Objektpunkten OPn dadurch regeln, dass man analog zur PWM die jeweiligen Subhologramme Sn unterschiedlich lange auf dem Lichtmodulator anzeigt.
Der Objektpunkt OP wird dann zu jedem Zeitpunkt, in dem sein Subhologramm S angezeigt wird, jeweils korrekt rekonstruiert. Zu den Zeitpunkten, an denen das Subhologramm S nicht angezeigt wird, erfolgt auch keine Rekonstruktion.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass hier im Gegensatz zur im Stand der Technik beschriebenen Phasenkodierung für überlappende Subhologramme auf die iterative Berechnung verzichtet werden kann.
Die iterative Berechnung ist in den Verfahren im Stand der Technik notwendig, weil durch das Aufaddieren verschiedener Subhologramme ein höherer Dynamikbereich entsteht. Die Darstellung unterschiedlicher Amplituden in einer Phasenkodierung führt hier zu Fehlern.
Demgegenüber enthält nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein einzelnes Subhologramm S eine Linsenfunktion mit einem über die Ausdehnung des Subhologramms S ungefähr konstanten Betrag. Das Subhologramm S kann daher direkt als Phasenfunktion ohne Fehler kodiert werden.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, im holographischen Display nur einen einzigen Lichtmodulator einsetzen zu können, der wegen der Phasenkodierung nur eine größere Anzahl von Pixeln als im ersten Ausgestaltungsbeispiel enthalten muss. Die Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit des Phasenmodulators sind höher, aber realisierbar.
In beiden Ausgestaltungsbeispielen kann zu einer normalen PWM zusätzlich noch die Intensität des Beleuchtungssystems variabel gesteuert werden. Das Beleuchtungssystem kann mehrere Lichtquellen enthalten.
Entsprechend Fig. 7a zeigt T1 den Verlauf eines Zeitintervalls an, in dem zusätzlich die Intensität mindestens einer das Lichtmodυlationsmittel L beleuchtenden Lichtquelle verändert wird, während gleichzeitig in der Zeitspanne T2 (siehe Fig. 7b) einzelne Objektpunkte OPn rekonstruiert werden.
IL(T) ist die Intensität der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Zeit T in Fig. 7a und Sh(T)OPI und Sh(T)OP2 in Fig. 7b jeweils eine Funktion, die den Wert 1 zu den
Zeitpunkten annimmt, an denen ein Objektpunkt OP1 bzw. OP2 mittels einer
Linsenfunktion auf dem Lichtmodulationsmittel L rekonstruiert werden, und die den
Wert 0 zu den Zeitpunkten hat, an denen der Objektpunkt OP1 bzw. OP2 nicht rekonstruiert wird. Dann ist die Intensität, mit der ein Betrachter im zeitlichen Mittel den jeweiligen Objektpunkt OP wahrnimmt, proportional dem Integral des Produktes von IL(T) und Sh(T)OP über die Zeitspanne T1.
Konkret bedeutet das folgendes: Für eine gegebene Schaltgeschwindigkeit des Lichtmodulationsmittels L kann normalerweise die Zeitspanne T1 in M feste Abschnitte zerlegt werden. Bei einer konstanten Intensität der Lichtquelle IL(T)=const sind damit nur M verschiedene Intensitätsstufen in der Rekonstruktion realisierbar. Wird die Lichtquelle IL(T) aber während der Zeitspanne T1 variiert, so lässt sich mit gleicher Schaltgeschwindigkeit des Lichtmodulationsmittels L eine größere Anzahl verschiedener Intensitätsstufen darstellen. Fig. 7a zeigt dies schematisch für den Fall M=4. Die Intensität der Lichtquelle wird im Verlauf von 4 Zeitabschnitten der Länge T1 /4 jeweils auf den doppelten Wert gesteigert.
Von zwei unterschiedlichen Subhologrammen S1 und S2 werden entsprechend Fig. 7b jeweils nur für einzelne Zeitabschnitte die Objektpunkte OP1 und OP2 rekonstruiert. In Fig. 7b erfolgt die Rekonstruktion des Objektpunktes OP1 vom Subhologramm S1 während der Zeitabschnitte 1 bis 3 und die Rekonstruktion des anderen Objektpunktes OP2 während der Zeitabschnitte 1 und 4.
Die relative Intensität ergibt sich dann für den Objektpunkt OP1 proportional zu 1*1 + 1 *2 + 1 *4 + 0*8 und für den Objektpunkt OP2 zu 1 *1 + 0*2 + 0*4 + 1 *8.
Durch eine Unterteilung der Zeitspanne T1 in 4 Abschnitte gemäß Fig. 7a und eine entsprechende Variation der Lichtquellenintensität als 2° , 21 , 22, 23 lassen sich auf diese Weise dann insgesamt 16, also 24, verschiedene mögliche Intensitätsstufen für die Rekonstruktion eines einzelnen Objektpunktes OP realisieren. Allgemein ausgedrückt sind das für k Zeitabschnitte und der Variation der Lichtquellenintensität als 2°, ... 2k~1 insgesamt 2k Intensitätsstufen.
Das Zeitintervall T1 kann man z.B. auch in k gleiche Abschnitte aufteilen und die Intensität der Lichtquelle im ersten Abschnitt um den Faktor 2 hoch (k-1 ), im zweiten Abschnitt um den Faktor 2 hoch (k-2) und im k-ten Abschnitt um den Faktor 2 hoch 0, also 1 , relativ zu einem Referenzwert regeln. Dann lassen sich 2 hoch k unterschiedliche Intensitätsstufen in k Zeitabschnitten darstellen.
Beide Ausgestaltungsbeispiele sind mit der HPO- und FP-Kodierung kombinterbar. Jedoch werden zur Hologrammdarstellung mit der HPO-Kodierung die Rasterzellen des Rasters MR nur in einer einzelnen Hologrammzeile erfasst. Dadurch kann die 3D-Szene in eine geringere Zahl von größeren Objektpunktgruppen OPGm aufgeteilt werden und ein Betrachter sieht eine über wenige Teilrekonstruktionen zeitlich gemittelte Rekonstruktion. Das Raster MR muss nur zeilenweise verschoben werden. Insgesamt hat diese Ausgestaltung den Vorteil, dass sie den geringsten Rechenaufwand bei einem mit den vorhergehenden Ausgestaltungen vergleichbaren Rekonstruktionsergebnis hat und gleichzeitig die geringsten Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit der zu verwendenden Lichtmodulatoren stellt.
Anhand eines Zahlenbeispiels mit einer maximalen Subhologrammgröße von 32 Makropixeln wird das Verfahren einer HPO-Kodierung näher demonstriert: Die Rasterzellen werden allgemein zum Kodieren der Subhologramme Sn der Objektpunkte OPn in Schritten von je einem Makropixel verschoben.
Insgesamt wird im Beispiel die 3D-Szene also in 32 Gruppen von Objektpunkten OPn aufgeteilt und aus diesen werden 32 Hologramme berechnet, kodiert und zeitsequentiel! angezeigt, so dass ein Betrachter ihre Rekonstruktionen zeitlich gemittelt vom Sichtbarkeitsbereich aus sieht.
Für eine Darstellung beispielsweise eines Videos mit 25 Bilder/Sekunde müssen alle 32 Hologramme innerhalb von 40 ms angezeigt werden, ein einzelnes Hologramm also in einer Zeit von ungefähr 1 ,25 ms.
Bei einer Kombination von einem Amplituden- und einem Phasenmodulator müsste der Phasenmodulator diese oder eine kleinere Bildwiederholfrequenz haben.
Der Amplitudenmodulator zur PWM von Intensitäten könnte beispielsweise eine 8fach schnellere Bildwiederholfrequenz haben, also etwa 150 Mikrosekunden. Geeignet dafür sind z.B. ferrolektrische Flüssigkristalldisplays mit Schaltzeiten von 40 Mikrosekunden.
Für eine FP-Kodierung hätte man eine Ausdehnung der Subhologramme Sn in zwei Dimensionen. Dies erfordert entweder die zeitsequentielle Anzeige von mehr Hologrammen und damit schnellere Lichtmodulatoren. Oder man verringert die Auflösung der 3D-Szene, wenn keine schnellen Modulatoren verfügbar sind.
Führt man z.B. bei einer maximalen Subhologrammgröße von 32*32 Makropixeln eine Reduzierung der Auflösung der Objektpunkte in beiden Dimensionen um einen Faktor 4 durch, kann man das Raster in Schritten von 4 Makropixeln verschieben. Insgesamt ergeben sich dann 8*8, also 64 Hologramme, die zeitlich nacheinander angezeigt werden. Die Größe der Bildwiederholfrequenzen der Lichtmodulatoren erhöht sich im Vergleich zu den oben angegebenen Zahlen nur um einen Faktor 2.
Für die Kodierungsbeispiele ergeben sich weiter folgende Vorteile:
Durch die zeitsequentielle Teilrekonstruktion der Objektpunktgruppen OPGm treten keine Nachteile bezüglich der Intensität der Rekonstruktion der 3D-Szene auf. In einer Rekonstruktion aus nicht überlappenden Subhologrammen Sn wird die 3D- Szene in n Gruppen von Objektpunkten OP aufgeteilt. Eine Teilrekonstruktion, die aus jeder Objektpunktgruppe OPG resultiert, wird jeweils nur für den Zeitintervall T1 =T0/n angezeigt und ein Objektpunkt OP wird auch nur für maximal diese Zeitspanne rekonstruiert. In dieser Zeit können aber alle Pixel des Subhologramms S mit ihrer vollen Intensität zur Rekonstruktion des einen Objektpunktes OP beitragen.
Demgegenüber tragen Pixel überlappender Subhologramme bei einer Rekonstruktion mit ihrer Intensität zur Rekonstruktion mehrerer Objektpunkte bei. Einsetzbar sind für das Verfahren auch Lichtmodulationsmittel, die wenige Intensitäts- oder Phasenstufen haben, beispielsweise 3, 4 oder 8.
In diesem Dokument wird ein Verfahren des zeitlichen Mitteins von in schneller zeitlicher Folge erzeugter, in sich kohärenter aber zueinander inkohärenter Teilrekonstruktionen realisiert, um die Rekonstruktion der gesamten 3D-Szene sichtbar zu machen. Da nach diesem Prinzip auch störende Speckle-Muster reduziert werden können, erreicht man mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig auch einen positiven Effekt bezüglich der Rekonstruktionsqualität, da die Speckle-Muster verringert werden.
Die Erfindung weist zusammengefasst gegenüber dem Stand der Technik folgende
Vorteile auf:
Durch die Vorgabe eines Tiefenbereichs im Rekonstruktionsraum für die zu rekonstruierende Szene wird die maximale Größe eines Subhologramms eines Objektpunktes begrenzt. Dadurch müssen die Subhologramme aller Objektpunkte nicht zeitlich nacheinander berechnet und angezeigt werden, sondern es kann eine bestimmte Anzahl von Subhologrammen im Abstand der maximalen Größe eines Subhologramms gleichzeitig angezeigt werden.
Im Lichtmodulationsmittel können Hologramme mit einem geringen Dynamikbereich kodiert werden. Quantisierungsfehler und andere Nachteile, die aus der Überlappung vieler Subhologramme von Objektpunkten einer 3D-Szene entstehen, werden hier vermieden.
In einem holographischen Display kann man zum Kodieren der Ho log ramm werte wahlweise eine Kombination von mehreren Lichtmodulatoren ohne den genannten Nachteil des strengen Justieraufwands oder einen einzelnen Lichtmodulator, bevorzugt einen Phasenmodulator, ohne den Nachteil einer iterativen Berechnung verwenden.
Es können weiterhin durch dieses Verfahren schnellere Lichtmodulatoren mit geringer Bittiefe, d.h. binäre Lichtmodulatoren, genutzt werden. Der Rechenaufwand für Hologrammberechnungen kann verringert und die Rechenzeit insgesamt verkürzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Rekonstruieren einer dreidimensionalen Szene in einem holographischen Display, bei dem die dreidimensionale Szene (3D-Szene) in einzelne Objektpunkte zerlegt ist und jeweils ein Objektpunkt als ein Subhologramm in einem räumlichen Lichtmodulationsmittel kodiert wird, das Lichtquellen eines Beleuchtungssystems mit hinreichend kohärentem Licht beleuchten, bei dem aus rekonstruierten Wellenfronten der Objektpunkte innerhalb eines von einem Sichtbarkeitsbereich und einem Bildschirm aufgespannten Rekonstruktionsraums die 3D-Szene rekonstruiert wird, wobei die Rekonstruktion für mindestens ein Betrachterauge an einer Position innerhalb des Sichtbarkeitsbereiches sichtbar ist, und bei dem ein Prozessor Prozessorelemente zum Berechnen und Kodieren der 3D-Szene aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - ein erstes Prozessorelement (PE 1)
- im Lichtmodulationsmittel (L) ein verschiebbares zweidimensionales Raster (MR) mit regulär angeordneten Rasterzellen zum Kodieren der Subhologramme (Sn) generiert,
- in Abhängigkeit von eingestellten Positionen der Rasterzellen Objektpunkte (OPn) auswählt und jeweils zu Objektpunktgruppen (OPGm) zusammenfasst, und
- die Subhologramme (Sn) der Objektpunkte (OPn) einer generierten Objektpunktgruppe (OPGm) gleichzeitig berechnet und gleichzeitig in jeweils eine separate Rasterzelle als ein gemeinsames Hologramm der Objektpunktgruppe (OPGm) im Lichtmodulationsmittel (L) kodiert, wobei die gemeinsamen Hologramme aller Objektpunktgruppen (OPGm) sequentiell kodiert werden, und
- ein zweites Prozessorelement (PE2) das Beleuchtungssystem synchron mit der Verschiebung des Rasters (MR) im Lichtmodulationsmittel (L) steuert, so dass aus der Vielzahl sequentiell kodierter Hologramme in schneller zeitlicher Folge in sich kohärente, aber zueinander inkohärente Teilrekonstruktionen der Objektpunktgruppen (OPGm) erzeugt und sequentiell im Sichtbarkeitsbereich (SB) überlagert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem das erste Prozessorelement (PE1) einen von zwei Ebenen (Z1 ; Z2) begrenzten Tiefenbereich (TB) im Rekonstruktionsraum definiert, der alle zur Rekonstruktion der 3D-Szene beitragenden Objektpunkte (OPn) enthält und die Flächengröße der Subhologramme (Sn) im Lichtmodulationsmittel (L) festlegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die maximale Fläche eines einzelnen Subhologramms (S) durch den axialen Abstand einer der Ebenen (Z1 ; Z2) des definierten Tiefenbereichs (TB) von der Ebene des Sichtbarkeitsbereichs (SB) vorgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das erste Prozessorelement (PE1) die Flächengröße einer Rasterzelle des Rasters (MR) so definiert, dass sie dem größten Subhologramm (S) entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Tiefenbereich (TB) auf einen maximalen axialen Abstand vor und wahlweise hinter dem Lichtmodulationsmittel (L) beschränkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das erste Prozessorelement (PE1) eine Objektpunktgruppe (OPG) bildet, indem es aus dem definierten Tiefenbereich (TB) Objektpunkte (OPn) in Abhängigkeit von ihrer räumlichen Position zu einer Rasterzelle des generierten Rasters (MR) auswählt und zu einer Objektpunktgruppe (OPG) zusammenfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem nur die Objektpunkte (OPn), die in einer bestimmten Position des generierten Rasters (MR) zentrisch zu einer Rasterzelle liegen, eine Objektpunktgruppe (OPG) bilden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das erste Prozessorelement (PE1) zum Berechnen und Kodieren des gemeinsamen Hologramms einer weiteren Objektpunktgruppe (OPG) das Raster (MR) programmtechnisch um mindestens einen Pixel in einem pixelierten Lichtmodulationsmittel (L) verschiebt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem das erste Prozessorelement (PE1) das Raster (MR) zum Kodieren eines eindimensional wirkenden Hologramms horizontal und zum Kodieren eines zweidimensional wirkenden Hologramms horizontal und vertikal verschiebt.
10 Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Subhologramme (Sn) einer Objektpunktgruppe (OPGm) im Lichtmodulationsmittel (L) bei einer zweidimensionalen Kodierung horizontal und vertikal gleichzeitig kodiert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Verschieben des Rasters (MR) horizontal und/oder vertikal jeweils um maximal eine Rasterzelle erfolgt, wobei alle unterschiedlichen Positionen von Objektpunkten (OPn) im Tiefenbereich (TB) erfasst werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Große eines Subhologramms (S) nach der Formel npx y= | z / (D-z) | * D λ / px,y 2 (1) berechnet wird, wobei z der axiale Abstand zwischen einem Objektpunkt (OP) und dem Lichtmodulationsmittel (L) bzw einem Bildschirm, D der Abstand des Sichtbarkeitsbereichs (SB) vom Lichtmodulationsmittels (L) bzw. dem Bildschirm, λ die Wellenlänge des Lichts einer verwendeten Lichtquelle des Beleuchtungssystems und Px y die Breite (px) bzw die Höhe (py) eines Makropixels sind.
13. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Positionsfinder die aktuelle Augenposition (AP) eines Betrachterauges ermittelt und eine Positionssteuerung die Ausbreitungsrichtung der modulierten Wellenfronten der Subhologramme (Sn) auf die aktuelle Augenposition (AP) einstellt.
14 Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Subhologramm (S) eindimensional oder zweidimensional in benachbarte Pixel einer Rasterzelle des Lichtmodulationsmittels (L) kodiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Bildschirm das Lichtmodulationsmittel (L) selbst ist, in das die Hologramme kodiert werden, wobei das Lichtmodulationsmittel (L) vorzugsweise transmissiv ausgebildet ist.
16. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Bildschirm ein optisches Element ist, auf das ein im Lichtmodulationsmittel (L) kodiertes Hologramm oder eine im Lichtmodulationsmittel (L) kodierte Wellenfront der 3D-Szene abgebildet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Lichtmodulationsmittel (L) wahlweise transmissiv oder reflektiv ausgebildet ist.
18. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem für Objektpunkte (OPn) eine zeitlich gemittelte sichtbare Intensität dadurch eingestellt wird, dass die Objektpunkte (OPn) für unterschiedlich lange Zeitintervalle rekonstruiert werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem zusätzlich die Intensität mindestens einer, das gesamte Lichtmodulationsmittel (L) oder nur einzelne Rasterzellen beleuchtende, Lichtquelle des Beleuchtungssystems zeitabhängig verändert wird.
20. Einrichtung zum Rekonstruieren einer dreidimensionalen Szene mit einem Beleuchtungssystem, umfassend mindestens eine hinreichend kohärent strahlende Lichtquelle zum Beleuchten mindestens eines räumlichen
Lichtmodulationsmittels, mit Rekonstruktionsmitteln zum Rekonstruieren der in einzelne Objektpunkte zerlegten dreidimensionale Szene (3D-Szene) innerhalb eines vom
Lichtmodulationsmittel und einem Sichtbarkeitsbereich aufgespannten
Rekonstruktionsraums, wobei die Rekonstruktion von einer Augenposition aus innerhalb des Sichtbarkeitsbereichs zu sehen ist, und mit einem Prozessor mit Prozessorelementen zum Berechnen und Kodieren von
Subhologrammen der Objektpunkte der 3D-Szene, zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - ein erstes Prozessorelement (PE1) zum Generieren eines verschiebbaren zweidimensionalen Rasters (MR) mit regulär angeordneten Rasterzellen im Lichtmodulationsmittel (L), zum Definieren eines Tiefenbereichs (TB) im Rekonstruktionsraum, zum Generieren von Objektpunktgruppen (OPGm) aus den Objektpunkten (OPn) der 3D-Szene, zum Berechnen einer Vielzahl von Subhologrammen (Sn) der Objektpunkte (OPn) einer jeweils generierten Objektpunktgruppe (OPGm) und zum gleichzeitigen Kodieren der Subhologramme (Sn) in jeweils eine separate Rasterzelle als gemeinsames Hologramm der jeweiligen Objektpunktgruppe (OPGm) vorgesehen ist, wobei die gemeinsamen Hologramme aller Objektpunktgruppen (OPGm) sequentiell kodiert werden, und
- ein zweites Prozessorelement (PE2) vorgesehen ist, um das Beleuchtungssystem synchron mit der Verschiebung des Rasters im Lichtmodulationsmittel (L) zu steuern, so dass aus der Vielzahl sequentiell kodierter gemeinsamer Hologramme in schneller zeitlicher Folge in sich kohärente, aber zueinander inkohärente Teilrekonstruktionen der Objektpunktgruppen (OPGm) erzeugt und sequentiell im Sichtbarkeitsbereich (SB) überlagert werden.
21. Einrichtung nach Anspruch 20, die ein holographisches Display ist, das als ein Direktsichtdisplay oder ein Projektionsdisplay ausgebildet ist.
22. Einrichtung nach Anspruch 21 , bei der das Lichtmodulationsmittel (L) direkt als Bildschirm ausgebildet ist oder die Einrichtung einen Bildschirm enthält, auf den Abbildungen der im Lichtmodulationsmittel (L) holographisch kodierten Information der 3D-Szene projiziert sind.
23. Einrichtung nach Anspruch 20, bei der die Fläche einer Rasterzelle der Fläche des größten möglichen Subhologramms entspricht.
24. Einrichtung nach Anspruch 20, bei der eine Rasterzelle aus einem Bereich mehrerer horizontal und vertikal benachbarter Pixel besteht, wenn das Lichtmodulationsmittel (L) eine Pixelmatrix aufweist.
25. Einrichtung nach Anspruch 21 , bei der das Lichtmodulationsmittel (L) ein Phasenmodulator ist, der in mindestens drei Phasenstufen einstellbar ist.
26. Einrichtung nach Anspruch 25, bei der im Phasenmodulator ein Subhologramm (S) in jeweils einer Rasterzelle als Linsenfunktion dargestellt ist und die Intensität eines rekonstruierten Objektpunktes (OP) dadurch einstellbar ist, dass diese Linsenfunktion für ein unterschiedlich langes Zeitintervall im Subhologramm (S) dargestellt wird,
27. Einrichtung nach Anspruch 25, bei der auf dem Phasenmodulator jeweils im Randbereich einer Rasterzelle eine lineare Phasenfunktion dargestellt ist, durch die das Licht in eine Position außerhalb des Sichtbarkeitsbereichs (SB) abgelenkt wird.
28. Einrichtung nach Anspruch 26, bei der für das Zeitintervall, in dem keine Linsenfunktion dargestellt wird, innerhalb der Rasterzelle eine lineare
Phasenfunktion dargestellt wird, die das Licht in eine Position außerhalb des Sichtbarkeitsbereichs (SB) ablenkt.
29. Einrichtung nach Anspruch 21 , bei welcher das Lichtmodulationsmittel (L) als binärer Phasenmodulator ausgebildet ist.
30. Einrichtung nach Anspruch 21 , bei welcher das Lichtmodulationsmittel (L) aus einer Kombination eines Phasen- mit einem Amplitudenmodulator besteht.
31. Einrichtung nach Anspruch 30, bei welcher der Amplitudenmodulator ein binärer Modulator ist und die im zeitlichen Mittel sichtbare Intensität eines rekonstruierten Objektpunktes (OP) dadurch eingestellt wird, dass der Amplitudenmodulator für ein unterschiedlich langes Zeitintervall im Bereich eines Subhologramms (S) transmissiv geschaltet ist.
32. Einrichtung nach Anspruch 31 , bei der in eine Rasterzelle des Amplitudenmodulators ein die Ausdehnung eines Subhologramms (S) begrenzender Rahmen (RA) zwischen diesem Subhologramm (S) und dem Rand der Rasterzelle eingeschrieben ist, der eine minimale Transmission aufweist,
33. Einrichtung nach Anspruch 30, bei welcher der Phasenmodulator binär ausgebildet oder in mindestens drei Phasenstufen einstellbar ist.
34. Einrichtung nach Anspruch 20, bei der eine oder mehrere, mindestens eine Rasterzelle des Lichtmodulationsmittels (L) beleuchtende Lichtquelle(n) des Beleuchtungssystems vorgesehen ist/sind, deren Intensität steuerbar ist, um die im zeitlichen Mittel sichtbare Intensität der Rekonstruktion einzelner Objektpunkte (OPn) einzustellen.
35. Einrichtung nach Anspruch 20, bei der eine Teilrekonstruktion der 3D-Szene aus einer kodierten Objektpunktgruppe (OPG) erzeugt wird.
36. Einrichtung nach Anspruch 2O1 bei der zum Erzeugen eines anderen, aus anderen Subhologrammen (Sn) bestehenden Hologramms programmtechnisch gesteuert eine Verschiebung des Rasters (MR) um mindestens ein Pixel des Lichtmodulationsmittels (L) und um maximal eine Rasterzelle erfolgt, wobei für eine zweidimensional wirkende Kodierung die Verschiebung des Rasters (MR) sowohl horizontal als auch vertikal erfolgt.
37. Holographisches Display zum Rekonstruieren einer dreidimensionalen Szene mit einem Beleuchtungssystem zum hinreichend kohärenten Beleuchten eines räumlichen Lichtmodulationsmittels, der das Licht mit holographischer Information der kodierten dreidimensionalen Szene (3D-Szene) moduliert, mit einem Abbildungssystem, welches das Licht an eine Augenposition innerhalb eines Sichtbarkeitsbereichs leitet, von der aus die Rekonstruktion der 3D-Szene in einem vom Lichtmodulationsmittel und dem Sichtbarkeitsbereich aufgespannten Frustrum eines Rekonstruktionsraums für mindestens ein Betrachterauge zu sehen ist, dessen Position von einem Positionsfinder ermittelt wird, der mit einem Prozessor zum Berechnen und Kodieren von Hologrammen der 3D-Szene programmtechnisch gekoppelt ist, wobei das Display ein Auswahlverfahren zum Kodieren der in Objektpunkte zerlegten 3D-Szene nach den Ansprüchen 1 bis 19 verwendet, gekennzeichnet dadurch, dass
- ein zusammen mit dem Lichtmodulationsmittel (L) gesteuertes erstes Prozessorelement (PE1 ) vorgesehen ist, um im Lichtmodulationsmittel (L) ein verschiebbares zweidimensionales Raster (MR) mit regulär angeordneten zweidimensionalen Rasterzellen zu generieren, in die jeweils gemeinsame Hologramme der 3D-Szene kodiert sind, weiche aus nach dem Auswahlverfahren berechneten, horizontal und/oder vertikal gleichzeitig zu kodierenden Subhologrammen (Sn) bestehen und Teilrekonstruktionen der 3D-Szene wiedergeben, wobei ein Subhologramm (S) jeweils in eine Rasterzelle kodiert ist, und
- ein das Beleuchtungssystem synchron mit der Verschiebung des Rasters im Lichtmodulationsmittel (L) steuerndes zweites Prozessorelement (PE2) vorgesehen ist, um andere, aus der Verschiebung des Rasters resultierende Teilrekonstruktionen der 3D-Szene sequentiell zu erzeugen, die in sich kohärent, aber zueinander inkohärent sind und deren mit holographischer Information modulierte Wellenfronten sich sequentiell im Sichtbarkeitsbereich (SB) überlagern und von der Augenposition (AP) aus als eine einzige zeitlich gemitteϊte Rekonstruktion sichtbar sind.
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