WO2008141987A1 - Holografisches rekonstruktionssystem sowie -verfahren mit erweitertem sichtbarkeitsbereich - Google Patents

Holografisches rekonstruktionssystem sowie -verfahren mit erweitertem sichtbarkeitsbereich Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a holographic reconstruction system with extended visibility and a corresponding method.
  • Reconstruction system includes light source means for providing in the
  • sufficiently coherent light is modulated with spatial light modulating means (SLM), for example, an LCD (Liquid Crystal Display).
  • SLM spatial light modulating means
  • the SLM encodes a diffractive structure, the hologram, or a sequence of holograms.
  • object light points are created. These form in their entirety the three-dimensional reconstruction of an object or a scene.
  • the light of all object light points propagates as a light wave front, so that one or more observers perceive these object light points in the form of a three-dimensional scene from an eye position. For the observer, the light does not seem to emanate from the SLM, but from the three-dimensional object reconstruction, ie from different depth levels.
  • holographic reconstruction realizes object substitution and the problems known from stereoscopy, such as fatigue or eye and head pain, are eliminated since there is no difference in the consideration of holographically reconstructed scenes and natural scenes.
  • Known holographic reconstruction systems are based essentially on the following basic principle;
  • a wavefront spatially modulated with holographic information reconstructs the three-dimensional scene in a reconstruction space positioned in front of one or both eyes of one or more observers.
  • the holograms are also coded so that the object light points not only in front, but also appear on and behind the display screen.
  • the reconstruction space spans from the exit surface of a display screen over which the modulated wavefront exits the reconstruction system to a visibility region.
  • the visibility area has a finite extent in a plane, such as the size of an eye or an eye pupil. If at least one eye of an observer is in the visibility area, it can perceive the holographically reconstructed scene.
  • the size of the visibility range is dependent on the focal length of the holographic reconstruction system, the wavelength of the light used and the so-called Pixef pitch of the spatial light modulator for encoding the scene to be holographically reconstructed.
  • the SLM In order to obtain a large visibility range, the SLM must have small pixel apertures that produce a large diffraction angle, i. the pixel pitch must be small and accordingly the number of pixels large.
  • the size of the visibility range z. B. can be reduced to the size of an eye pupil.
  • the boundaries of the reconstruction space are difficult to find for a viewer who is out of the visibility area. Therefore, it is necessary to adjust the position of the visibility area each time the viewer moves to the new eye position.
  • the further description primarily refers to the alignment of a single wavefront of the holographic system. If necessary, the reconstruction system can realize further wavefronts analogous to the first one.
  • the idea according to the invention can be used as often as desired, depending on the number of wavefronts. In this case, functional elements of the invention can advantageously be shared for several wavefronts.
  • Known systems include an eye finder and a deflector, such as a scanner mirror.
  • the eye finder determines the position of the eyes. From this, the required angular position of the deflector is determined and the deflector aligned accordingly to adjust the position of the visibility region to the position of the eyes.
  • the deflection unit At the commanded position, the deflection unit must rest for a moment to reconstruct the hologram. Subsequently, the next eye position is determined, etc. This leads to an uneven movement of the deflection unit, which, in particular at high frequencies, for example greater than 20 Hz, is difficult to realize by conventional means.
  • the eye finder With a small range of visibility, it is also necessary for the eye finder to determine the eye position very accurately. For example, if the visibility range is 5 to 10 mm, the eye finder may have a maximum error of about one millimeter. Again, this is difficult to achieve by conventional means.
  • a holographic reconstruction system with deflection drive means for continuously rotating or pivoting the deflection means at a rotational frequency or a pivoting frequency about an axis of rotation and thereby shifting the visibility range and by a corresponding method.
  • deflection drive means for continuously rotating or pivoting the deflection means at a rotational frequency or a pivoting frequency about an axis of rotation and thereby shifting the visibility range and by a corresponding method.
  • rotating, rotation, and rotational frequency are used to mean the same as pan and swing frequency.
  • the invention is based on the idea of continuously rotating the deflection means or the scanner mirror about an axis of rotation or to pivot continuously over an angular spectrum and thus permanently the entire
  • the rotation frequency of the scanner mirror is sufficiently high, for example, greater than 50 Hz, the visibility range sufficiently covers an observation position, so that a reconstruction of the holograms can be seen.
  • the visibility range sufficiently covers an observation position, so that a reconstruction of the holograms can be seen.
  • no eye finder is necessary. The observer only has to be scanned in the Are located and are automatically served with. In this way, an "extended visibility area" is created.
  • an observer sees the reconstruction of the hologram depends on its position in the visibility area. If the position of the observer changes in the visibility range, the observer changes the perspective under which he observes the reconstruction. While the observer would maintain his viewing position in a movable range of visibility, he still observes old perspectives while the visibility area sweeps over his eye. With a larger visibility range, for example greater than the pupil of the eye, this could lead to it blurring a reconstructed hologram point, since it observes it rapidly from different perspectives. To prevent smearing of the reconstructed points, the eye must not see this movement. On the one hand, it makes sense to reduce the visibility range so that an observer has less or even no freedom of movement in the visibility range. On the other hand, a modulation of the light source is possible, for example, a pulsed laser, wherein the frequency of the laser is adapted to the movement of the visibility area that an observer in the visibility area does not notice the movement.
  • a modulation of the light source is possible, for example,
  • the perspective under which the hologram is seen is also taken into account. This is different for each position of the visibility area, i. For each position of the visibility area, another hologram would have to be encoded, and thus also differs for the left and the right eye, if the visibility area is not large enough to serve both eyes simultaneously. Then it is necessary that the two eyes observe differently calculated holograms.
  • the hologram for a position of the visibility region can be calculated and maintained over several, at least the surface of the eye sweeping positions of the visibility area ,
  • the light source means are formed as a laser light source. It is further preferred that the light source means are provided for the periodic provision of light pulses with a switching frequency.
  • the light source means may e.g. be designed as a pulsed laser.
  • the reconstruction system may further comprise light source control means.
  • the holographic reconstruction system also includes deflection drive control means for controlling the rotational frequency of the deflection drive means.
  • switching frequency and rotational frequency have a specific relationship to one another.
  • the switching frequency and rotational frequency may have such a relationship to one another that the light source means emit at most one light pulse within a displacement distance which corresponds to the extent of the visibility region in the direction of displacement. In this case, switching frequency and / or rotational frequency can be controlled.
  • the calculation of the scene to be holographically reconstructed is carried out by the reconstruction means as a function of the position of the visibility region. Preferably, the calculation is made only when the light source means provide light. In other words, although it is conceivable to calculate the scene to be holographically reconstructed for each possible position of the visibility region, in this way the perspective under which the reconstructed scene is from this position of the visibility region would be considered to take into account. However, it is meaningful that only a hologram is calculated and coded when the light source means provide light.
  • the reconstruction means are provided for calculating a scene to be holographically reconstructed for at least one selected position of the visibility region and for providing the calculated holographically reconstructed scene for at least one position of the visibility region following the selected position.
  • a hologram is not calculated for each position of the visibility region, but only for selected positions, e.g. positions selected based on the eye position. For subsequent positions of the visibility range - at least one subsequent position - the hologram is not recalculated, but the hologram calculated for the selected position continues to be used. This is also clear in the description of the figures for FIG. 3.
  • the reconstruction means comprise first optical means, in particular spatial light modulation means, in the beam path in front of the deflection means and second optical means in the beam path after the deflection means.
  • the first optical means may further comprise at least one telecentric objective and the second optical means comprise at least one projection objective.
  • the projection lens it can also be a projection mirror.
  • the deflection means are preferably configured as mirrors, in particular as surface mirrors. Further, the deflection means may be configured as a plane mirror or have a spherical or aspherical effect. Due to the spherical or aspheric effect additional optical effects can be achieved. For example, allows to integrate further components of the holographic reconstruction system into the deflection means.
  • the deflection means and the deflection drive means are interconnected so that the axis of rotation of the deflection drive means in the Level of the reflection surface of the deflection means is located. This ensures that due to the rotation of the deflection means, the holographically reconstructed scene does not move with respect to the display screen. If the mirror surface is not on the axis of rotation, the mirror, by its rotation, alters the optical position of the optical image projected in the direction of the deflection means to the projection objective. This embodiment is also clear in Fig. 6 of the figure description.
  • the deflection drive means are designed as a DC motor.
  • any other type of drive can be used which allows rotating or pivoting of the deflection means and can realize a sufficiently high and uniform rotational frequency.
  • the holographic reconstruction system comprises eye position detection means for detecting the position of at least one observer eye.
  • the light source means may then provide light depending on the detected position of the viewer's eye. For example, viewed in the direction of displacement of the visibility region, light pulses could be provided only in an area before, during and after an eye position.
  • the reconstruction means can then preferably calculate the scene to be holographically reconstructed as a function of the detected position of the viewer's eye. For example, it is possible to calculate a hologram only for the detected eye position. Or, in another example, a hologram for a position of the visibility area located in the shift direction of the visibility area in front of the eye position is calculated and provided for the succeeding position (s) of the visibility area. In this way, the required computing power for the provision of the hologram can be reduced and light energy can be saved.
  • the invention further relates to a holographic reconstruction method for holographic reconstructing a scene in a holographic reconstruction system with an extended visibility area.
  • the method comprises providing substantially coherent light, holographic reconstruction a scene and generating a visibility area with an extent from which a viewer can view the holographically reconstructed scene, positioning the visibility area with deflection means and continuously rotating or pivoting the deflection means at a Drehfreq ⁇ enz about a rotation axis and for shifting the visibility area.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of the principle of the present invention in plan view with the visibility area at a first time.
  • Fig. 2 shows a simplified representation of the principle of the present invention in plan view with the visibility range at the first and at a second time.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the generation of the
  • FIG. 4 shows a simplified representation of a holographic reconstruction system according to the invention according to an exemplary embodiment at a first time.
  • 5 shows a simplified representation of a holographic reconstruction system according to the invention according to the exemplary embodiment at a second time.
  • Fig. 6 shows a simplified representation of the arrangement of deflection means and
  • Fig. 1 shows a simplified representation of the principle of the present invention in plan view. Shown is the position of the visibility area at a first time.
  • the illustrated holographic reconstruction system 100 includes first optical means 110, deflection means 120, projection means 130, and a display screen 140. Also shown in the drawing is a reconstruction space 150 spanning between the display screen 140 and a visibility area 160, a first eye position 170 and a second eye position 172 and an extended visibility region 180.
  • the first optical center! 110 here comprise a hologram projector which projects an intermediate image of a hologram, which is coded on a spatial light modulator (SLM), not shown in the drawing, onto the deflection means.
  • the first optical means 110 are arranged in the beam path in front of the deflection means 120.
  • the deflection means 120 change the orientation of the image of the SLM projected onto it from the hologram projector 110 in the direction of the projection means 130. It is also possible for the deflection means 120 to be designed as a spherical or aspherical mirror and to assume an additional visual effect. In this way, several optical elements can be combined in one.
  • the deflection means 120 are rotatably mounted, wherein the axis of rotation lies in the plane of the mirror surface. This becomes clear in Fig. 6.
  • the projection means 130 are designed as spherical, in particular elliptical, mirrors.
  • the use of a projection mirror is advantageous over a projection lens since, when using a projection mirror, a larger extension of the extended visibility region 180 can be realized.
  • the projection means 130 reflect the light incident on them in the direction of the display screen 140.
  • the display screen 140 is also configured as a spherical mirror and reflects the incident light depending on its shape and the angle of incidence in a particular direction. This results in the visibility area 160, from which the observer can observe the holographic scene in the reconstruction space 150 when there is at least one eye in it. That is, an eye located at the eye position 170 can view the holographic scene in the reconstruction space 150.
  • the first eye position 170 and the second eye position 172 may be the same eye that has moved from the first position to the second position, or different eyes, such as the right and left eyes of a viewer or the left eye of a viewer first observer and the right eye of a second observer.
  • the rotational frequency of the deflection means 120 is preferably so high that an observer does not perceive the time difference between two revolutions and the associated appearance of the visibility region 160 in front of his eye.
  • Fig. 2 shows a simplified representation of the principle of the present invention in plan view. Shown is the position of the visibility area at the first time, as in Fig. 1, and also at a second time. The arrangement corresponds to that shown in Fig. 1. In addition, a second position of the visibility region 162 and a second position of the reconstruction space 152 are shown in FIG.
  • the visibility area 160 shifts continuously within the extended visibility area 180.
  • the visibility area is at the second position of the visibility area 162.
  • An eye that is at the second eye position 172 at the second time may at this time consider the holographically reconstructed scene in the reconstruction room 152.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of the generation of the visibility range by light pulses.
  • an eye position 310 light pulses 32O 1 322, 324 and positions of the visibility range 330, 332, 334 at times t1 to t8.
  • the visibility area 332 sweeps over the position of an observer's eye 310. That is, in this period, the observer can observe a reconstruction. If the illumination laser is only switched on for a limited time, which is less than or equal to t5-t3, then the observer can only observe a smaller perspective detail of the reconstruction, no matter where he is in the visibility range.
  • the light source means periodically provide light pulses 320, 322, 324 over time.
  • the Lichtimpufse 320, 322, 324 have a switching frequency.
  • the switching frequency of the light pulses 320, 322, 324 and the rotational frequency of the deflection drive means are matched to one another such that the positions of the visibility region 330, 332, 334 do not overlap. This is also apparent from the figure. Only at times t2, t4, and t6 are light pulses provided. Due to the rotational frequency of the deflection drive means and the resulting movement of the visibility region, the positions of the visibility region 330, 332, 334 do not overlap at these times.
  • the second position of the visibility area 332 is shifted to the first position of the visibility area 330 by the extent of the visibility area.
  • the third position of the visibility region 334 is shifted to the second position of the visibility region 332 by the extent of the visibility region.
  • an eye position detection means may detect the position of an eye 310.
  • the light source means may then provide light pulses 320, 322, 324, depending on the eye position 310.
  • any inaccuracy in the determination of the eye position 310 can be taken into account.
  • the first position of the visibility region 330 before the detected eye position is generated by the first light pulse 320.
  • two more Light pulses 322, 324 which generate the following positions of the visibility region 332, 334 in the first position of the visibility region 330. In this way, it is ensured that, even in the case of an inaccuracy of the eye position recognition means, the eye at the eye position 310 is supplied with a visibility area.
  • the same object reconstruction can be provided at the successive positions of the visibility region for these successive light impulses.
  • FIG. 4 shows a simplified illustration of a holographic reconstruction system 400 according to an embodiment at a first time.
  • light source means 410, 412, spatial light modulation means (SLM) 420, 422, a beam splitter 430, 432, a telecentric objective 440, 442, deflection means 450, 452, a projection objective 460, 462, reflection means 470, 472 are respectively shown
  • Display screen 480 is present only once in the overall layout.
  • a respective visibility area 490, 492, an eye position 500, 502, a reconstruction space 510, 512 and an extended visibility area 520, 522 are shown.
  • the overall arrangement comprises two analog modules.
  • One assembly each creates the image for one eye. Described below is one of the two modules.
  • the person skilled in the art can easily transfer the principle to the other module.
  • solutions with an assembly for both eyes are conceivable, e.g. with temporal multiplexing.
  • the light source means 410 are configured in this embodiment as a pulsed laser.
  • the pulsed laser can optionally via an electrical control or mechanically modulated in time.
  • the light source means 410 may comprise a beam expander which expands the beam diameter of the laser.
  • the light source means 410 illuminate the telecentric lens 440 via the beam splitter 43o 1 which has the property of reflecting linearly polarized light in a specific direction.
  • the SLM 420 is illuminated with the highest possible light energy.
  • On the SLM 420 which has a pixel grid, a diffraction pattern is represented by amplitude modulation. By reflection at the SLM 420, the laser light diffracts toward the telecentric lens 440.
  • a diaphragm In a focal or Fourier plane of an input lens of the telecentric lens 440 is a diaphragm, which causes a spatial filtering of the laser light.
  • unwanted orders of diffraction are hidden.
  • the light energy of the undesired order can be substantially higher than the proportion of the desired order.
  • the telecentric lens 440 forms a reduced image, e.g. on a scale of 1: 2, the SLM 420 on the deflection 450 off. There is a smaller, real intermediate image of the SLM 420.
  • Beam splitter 430, SLM 420 and telecentric lens 440 in this embodiment belong to first optical means, which are arranged in the beam path in front of the deflection means 450.
  • the deflection means 450 are configured in this embodiment as a plane mirror, which rotatably on not shown in this drawing
  • Deflection drive means e.g. a DC motor, is stored. This is the
  • Rotary axis of the deflection drive means in the plane of the mirror surface. This will in Fig. 6 clearly.
  • the light emitted by the telecentric lens 440 is deflected by the deflection means in the direction of the projection lens 460.
  • Projection lens 460, reflection means 470 and display screen 480 belong in this embodiment to second optical means, which are arranged in the beam path after the deflection means 450.
  • the projection objective 460 projects the reduced image of the SLM 420 deflected by the deflection means 450 onto the reflection means 470.
  • the reflection center I 470 is designed as a plane mirror in this embodiment and deflects the light incident on it in the direction of the display screen 480.
  • the display screen 480 is configured as a spherical mirror in this embodiment.
  • the display screen 480 is arranged so that it causes a 1: 1 mapping of the Fourier plane of the SLM 420 in the visibility area 490.
  • the reconstruction space 510 is spanned between the display screen 480 and the visibility area 490.
  • An eye of an observer located at the eye position 500 views the reconstructed scene in the reconstruction space 510 from the visibility area 490.
  • the beam path is changed such that the position of the visibility region 490 shifts continuously within the extended visibility region 520.
  • the extent of the extended visibility region 520 is limited spatially due to the structure of the holographic reconstruction system 400.
  • the visibility region 490 reappears at the beginning of the extended visibility region 520.
  • the displacement direction of the visibility region 490 is dependent on the direction of rotation of the deflection means 450. However, the direction of rotation has no meaning to the basic principle of the invention.
  • the SLM 420 may be encoded with different holograms. With a small extended visibility area 520 however, it is also possible to provide only one coding of the SLM for all positions of the visibility area 490 within the extended visibility area 520. In contrast, an interim solution is also possible, in which the SLM 420 is coded in each case with a hologram for sections of the extended visibility area 520, which comprise at least two positions of the visibility area 490.
  • FIG. 5 shows a simplified representation of a holographic reconstruction system according to the invention according to the exemplary embodiment at a second time.
  • the construction corresponds to that in FIG. 4.
  • the deflection means 450 a changed angular position with respect to the representation in Fig. 4.
  • the visibility region 490 also has a different position within the extended visibility region 520.
  • the observer at eye position 490 sees no reconstruction of the holographic scene.
  • the rotational frequency of the deflection means 450 is so high that the observer does not perceive it.
  • Visibility area 490 appears so often in front of his eye that he perceives the holographic scene as permanent.
  • Fig. 6 shows a simplified representation of the arrangement of deflection means and deflection drive means to each other in plan view. Shown are deflection means 610 with a reflection surface 620 and deflection drive means 630 with a shaft 640.
  • the shaft 640 is attached to the deflection drive means 630, eg a DC motor.
  • the deflection drive means 630 rotate the shaft 640 about an axis of rotation.
  • the axis of rotation is located in the center of rotation of the shaft 640.
  • the rotational movement is exemplified by an arrow in the drawing - it may also be directed opposite.
  • the deflection means 610 is attached to the shaft 640 so that the reflection surface 620 is disposed on the axis of rotation of the shaft 640. During a rotation of the Shaft 640 will not move in this way, the reflection surface 620 from the center of the shaft 640 and there are no unwanted optical effects, such as unwanted changes in the beam path.
  • the deflection drive means 630 have a speed that is so high that an observer does not perceive the movement of the visibility area as flickering.
  • the deflection drive means have a stable speed, i. the speed is not subject to undesirable fluctuations.

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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein holografisches Rekonstruktionssystem (100) sowie ein entsprechendes holografisches Rekonstruktionsverfahren. Das holografische Rekonstruktionssystem umfasst Lichtquellenmittel zum Bereitstellen von im Wesentlichen kohärentem Licht, Rekonstruktionsmittel zum holografischen Rekonstruieren einer Szene und zum Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches (160), von welchem ein Betrachter die holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann, sowie Ablenkmittel (120) zum Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches. Um ein holografisches Rekonstruktionssystem mit erweitertem Sichtbarkeitsbereich (180) bereitzustellen, umfasst das erfindungsgemäße holografische Rekonstruktionssystem Ablenkantriebsmittel zum kontinuierlichen Rotieren oder Schwenken der Ablenkmittel (120) bei einer Drehfrequenz um eine Drehachse und dadurch Verschieben des Sichtbarkeitsbereiches. Auf diese Weise wird also erreicht, dass ein oder mehrere Betrachter die mit dem holografischen Rekonstruktionssystem rekonstruierte Szene aus unterschiedlichen Positionen (170, 172) betrachten können, wobei das erfindungsgemäße holografische Rekonstruktionssystem jedoch unter Verwendung herkömmlicher Mittel einfacher zu realisieren ist.

Description

Holografisches Rekonstruktionssystem sowie -verfahren mit erweitertem Sichtbarkeitsbereich
Die Erfindung betrifft ein holografisches Rekonstruktionssystem mit erweitertem Sichtbarkeitsbereich sowie ein entsprechendes Verfahren. Das holografische
Rekonstruktionssystem umfasst Lichtquellenmittel zum Bereitstellen von im
Wesentlichen kohärentem Licht, Rekonstruktionsmittei zum holografischen
Rekonstruieren einer Szene und zum Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches, von welchem ein Betrachter die holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann, sowie Ablenkmittel zum Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches.
Bei einem holografischen Rekonstruktionssystem wird hinreichend kohärentes Licht mit räumlichen Lichtmodulationsmitteln (SLM), beispielsweise einem LCD (Liquid Crystal Display), moduliert. Im SLM ist eine diffraktive Struktur, das Hologramm, bzw. eine Folge von Hologrammen, kodiert. Durch Interferenz des mit Hologrammen im SLM modulierten Lichts entstehen Objektlichtpunkte. Diese bilden in ihrer Gesamtheit die dreidimensionale Rekonstruktion eines Objekts bzw. einer Szene. Das Licht aller Objektlichtpunkte breitet sich als Lichtwellenfront aus, so dass ein oder mehrere Betrachter diese Objektlichtpunkte in Form einer dreidimensionalen Szene von einer Augenposition aus wahrnehmen. Für den Betrachter scheint das Licht nicht vom SLM, sondern von der dreidimensionalen Objektrekonstruktion auszugehen, d.h. von verschiedenen Tiefenebenen. Der Betrachter fokussiert seinen Blick auf die Objektrekonstruktion mit ihren verschiedenen Tiefenebenen. Die Augen nehmen nur das am SLM gebeugte und nicht das direkt transmittierte Licht wahr. Idealerweise erhält daher ein Betrachter bei einem holografischen Display den gleichen Eindruck, wie er von einem wirklich vorhandenen Objekt erhalten würde. Das heißt, im Gegensatz zu einer stereoskopischen Darstellung realisiert eine holografische Rekonstruktion eine Objektsubstitution und die von der Stereoskopie bekannten Probleme wie Ermüdung oder Augen- und Kopfschmerzen entfallen, da prinzipiell kein Unterschied in der Betrachtung von holografisch rekonstruierten Szenen und natürlichen Szenen besteht. Bekannte holografische Rekonstruktionssysteme, wie z.B. in der internationalen Patentanmeldung WO2004/044659 des Anmelders, basieren im Wesentlichen auf folgendem Grundprinzip; Eine räumlich mit holografischer Information modulierte Wellenfront rekonstruiert die dreidimensionale Szene in einem Rekonstruktionsraum, der vor einem oder beiden Augen eines oder mehrerer Betrachter positioniert ist. Dabei sind die Hologramme auch so kodierbar, dass die Objektlichtpunke nicht nur vor, sondern auch auf und hinter dem Wiedergabeschirm erscheinen. Der Rekonstruktionsraum spannt sich von der Austrittsfläche eines Wiedergabeschirms, über den die modulierte Wellenfront aus dem Rekonstruktionssystem austritt, zu einem Sichtbarkeitsbereich auf. Der Sichtbarkeitsbereich hat eine endliche Ausdehnung in einer Ebene, wie z.B. die Größe eines Auges oder einer Augenpupille. Wenn sich mindestens ein Auge eines Betrachters in dem Sichtbarkeitsbereich befindet, kann dieser die holografisch rekonstruierte Szene wahrnehmen.
Die Größe des Sichtbarkeitsbereiches ist abhängig von der Brennweite des holografischen Rekonstruktionssystems, der Wellenlänge des verwendeten Lichts und dem so genannten Pixef-Pitch des räumlichen Lichtmodulators zum Kodieren der holografisch zu rekonstruierenden Szene. Je größer der Sichtbarkeitsbereich sein soll, desto höher muss auch die Auflösung des verwendeten SLM sein. Um einen großen Sichtbarkeitsbereich zu erhalten, muss der SLM kleine Pixel-Aperturen aufweisen, die einen großen Beugungswinkel erzeugen, d.h. der Pixel-Pitch muss klein und dementsprechend die Anzahl der Pixel groß sein.
Um die nötige Auflösung des SLM zu verringern, kann die Größe des Sichtbarkeitsbereiches z. B. auf die Größe einer Augenpupille reduziert werden. Dies führt jedoch zu Problemen bei der Sichtbarkeit der dreidimensionalen Rekonstruktion, wenn das Betrachterauge nur teilweise im Sichtbarkeitsbereich liegt. Bereits geringes Bewegen des Betrachters kann schon ein Verschwinden der Sichtbarkeit, ein Vignettieren oder ein Verzerren des Raumfrequenzspektrums hervorrufen. Außerdem sind die Grenzen des Rekonstruktionsraums für einen Betrachter, der sich außerhalb des Sichtbarkeitsbereichs befindet, schwer zu finden. Deshalb ist es nötig, die Lage des Sichtbarkeitsbereichs bei jedem Bewegen des Betrachters an die neue Augenposition anzupassen.
Da der Betrachter in einem engen Sichtbarkeitsbereich nur mit einem Auge die holografische Rekonstruktion sehen kann, muss eine zweite auf das andere Auge gerichtete Wellenfront eine zweite, in der Parallaxe verschiedene Rekonstruktion liefern. Da für ein optisch fehlerfreies Wahrnehmen beide Rekonstruktionsräume von derselben Position auf dem Wiedergabeschirm ausgehen müssen, werden ihre Wellenfronten mit bekannten autostereoskopischen Mitteln räumlich oder zeitlich verschachtelt. Dabei verhindern Raumfrequenzfilter und Fokussiermtttel ein optisches Übersprechen zwischen den Wellenfronten. Sofern das Rekonstruktionssystem außerdem auch mehreren Betrachtern parallel ein Betrachten der Rekonstruktionen ermöglichen soll, werden dafür weitere Wellenfronten benötigt; in der Regel für jeden Betrachter zwei. Diese können sowohl im zeitlichen als auch im räumlichen Multiplex-Betrieb realisiert werden.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit bezieht sich die weitere Beschreibung vorrangig auf das Ausrichten einer einzigen Wellenfront des holografischen Systems. Das Rekonstruktionssystem kann bei Bedarf weitere Wellenfronten analog zur ersten realisieren. Für den Fachmann versteht sich von selbst, dass dafür die Idee gemäß der Erfindung abhängig von der Anzahl der Wellenfronten beliebig oft verwendet werden kann. Dabei können funktionelle Elemente der Erfindung vorteilhaft für mehrere Wellenfronten gemeinsam genutzt werden.
Bekannte Systeme umfassen einen Augenfinder und eine Ablenkeinheit, beispielsweise einen Scannerspiegel. Mittels des Augenfinders wird die Position der Augen bestimmt. Daraus wird die erforderliche Winkelposition der Ablenkeinheit ermittelt und die Ablenkeinheit entsprechend ausgerichtet, um die Position des Sichtbarkeitsbereiches an die Position der Augen anzupassen. An der angesteuerten Position muss die Ablenkeinheit einen Moment ruhen, damit das Hologramm rekonstruiert wird. Anschließend wird die nächste Augenposition festgestellt etc. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Bewegung der Ablenkeinheit, welche insbesondere bei hohen Frequenzen, beispielsweise größer 20Hz, mit herkömmlichen Mitteln schwer zu realisieren ist.
Bei einem kleinen Sichtbarkeitsbereich ist es außerdem erforderlich, dass der Augenfinder die Augenposition sehr exakt bestimmt. Beispielsweise dürfte bei einer Größe des Sichtbarkeitsbereiches von 5 bis 10 mm der Augenfinder einen maximalen Fehler von etwa einem Millimeter aufweisen. Auch dies ist mit herkömmlichen Mitteln schwer zu realisieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein holografisches Rekonstruktionssystem bereitzustellen, welches einem oder mehreren Betrachtern ermöglicht, die rekonstruierte Szene aus unterschiedlichen Positionen zu betrachten, und dabei jedoch eine vereinfachte Realisierung unter Verwendung herkömmlicher Mittel erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes holografisches Rekonstruktionssystem mit Ablenkantriebsmitteln zum kontinuierlichen Rotieren oder Schwenken der Ablenkmittel bei einer Drehfrequenz bzw. einer Schwenkfrequenz um eine Drehachse und dadurch Verschieben des Sichtbarkeitsbereiches sowie durch ein entsprechendes Verfahren. (Im Folgenden werden die Begriffe Rotieren, Rotation und Drehfrequenz jeweils gleichbedeutend mit Schwenken und Schwenkfrequenz verwendet.)
Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, die Ablenkmittel bzw. den Scannerspiegel kontinuierlich um eine Drehachse zu rotieren oder kontinuierlich über ein Winkelspektrum zu schwenken und so permanent das gesamte
Winkelspektrum abzuscannen. Dies führt zu einer kontinuierlichen Bewegung des
Sichtbarkeitsbereiches. Ist die Drehfrequenz des Scannerspiegels ausreichend hoch, beispielsweise größer 50Hz, überstreicht der Sichtbarkeitsbereich ausreichend oft eine Beobachtungsposition, so dass eine Rekonstruktion der Hologramme gesehen werden kann. Für die Beobachtung des Hologramms ist kein Augenfinder notwendig. Der oder die Beobachter müssen sich lediglich in dem abgescannten Bereich befinden und werden automatisch mit bedient. Auf diese Weise wird ein „erweiterter Sichtbarkeitsbereich" erzeugt.
Wie ein Beobachter die Rekonstruktion des Hologramms sieht, ist abhängig von seiner Position im Sichtbarkeitsbereich. Verändert sich die Position des Beobachters im Sichtbarkeitsbereich, verändert sich für den Beobachter die Perspektive unter der er die Rekonstruktion beobachtet. Bei einem beweglichen Sichtbarkeitsbereich würde der Beobachter zwar seine Beobachtungsposition beibehalten, jedoch beobachtet er trotzdem alte Perspektiven, während der Sichtbarkeitsbereich über sein Auge streicht. Dies könnte bei einem größeren Sichtbarkeitsbereich, bspw. größer als die Augenpupille, dazu führen, dass er einen rekonstruierten Hologrammpunkt verschwommen wahrnimmt, da er ihn schnell hintereinander unter verschiedenen Perspektiven beobachtet. Damit eine Verschmierung der rekonstruierten Punkte nicht erfolgt, darf das Auge diese Bewegung nicht sehen. Es ist daher einerseits sinnvoll, den Sichtbarkeitsbereich zu verkleinern, so dass ein Beobachter weniger oder sogar keine Bewegungsfreiheit in dem Sichtbarkeitsbereich hat. Andererseits ist eine Modulierung der Lichtquelle möglich, beispielsweise ein gepulster Laser, wobei die Frequenz des Lasers so an die Bewegung des Sichtbarkeitsbereiches angepasst ist, dass ein Beobachter im Sichtbarkeitsbereich die Bewegung nicht bemerkt.
Bei der Berechnung eines Hologramms für eine Beobachtungsposition wird außerdem die Perspektive, unter der das Hologramm gesehen wird, berücksichtigt. Diese ist für jede Position des Sichtbarkeitsbereiches unterschiedlich, d.h. für jede Position des Sichtbarkeitsbereiches müsste ein anderes Hologramm kodiert werden, und unterscheidet sich somit auch für das linke und das rechte Auge, wenn der Sichtbarkeitsbereich nicht groß genug ist, um beide Augen gleichzeitig zu bedienen. Dann ist es notwendig, dass die beiden Augen unterschiedlich berechnete Hologramme beobachten.
Es reicht jedoch aus, nicht für jede Position des Sichtbarkeitsbereiches ein Hologramm zu berechnen, sondern nur für jene Positionen, an denen sich ein Betrachterauge befindet. Um zu erkennen, wo sich ein Betrachterauge befindet, ist ein Augenfinder notwendig. Um auch bei einer geringen Genauigkeit des Augenfinders sicherzustellen, dass der Betrachter die holografische Szene gleichmäßig betrachten kann, kann in Abhängigkeit von der erkannten Augenposition das Hologramm für eine Position des Sichtbarkeitsbereiches berechnet und über mehrere, mindestens die Fläche des Auges überstreichende Positionen des Sichtbarkeitsbereiches beibehalten werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sind die Lichtquellenmittel als Laserlichtquelle ausgebildet. Dabei wird ferner bevorzugt, dass die Lichtquellenmittel zum periodischen Bereitstellen von Lichtimpulsen mit einer Schaltfrequenz vorgesehen sind. Die Lichtquellenmittel können z.B. als gepulster Laser ausgestaltet sein. Zum Steuern der Schaltfrequenz kann das Rekonstruktionssystem ferner Lichtquellensteuermittel umfassen. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das holografische Rekonstruktionssystem außerdem Ablenkantriebssteuer- mittel zum Steuern der Drehfrequenz der Ablenkantriebsmittel. Vorzugsweise weisen Schaltfrequenz und Drehfrequenz ein bestimmtes Verhältnis zueinander auf. In einer besonderen Ausgestaltung können Schaltfrequenz und Drehfrequenz ein solches Verhältnis zueinander aufweisen, dass die Lichtquellenmittel innerhalb einer Verschiebungsdistanz, die der Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereichs in Verschiebungsrichtung entspricht, höchstens einen Lichtimpuls abgeben. Dabei können Schaltfrequenz und/oder Drehfrequenz gesteuert werden. Durch diese Ausgestaltung kann vermieden werden, dass der Beobachter mehrere Perspektiven wahrnimmt, während sich der Sichtbarkeitsbereich an seinem Auge vorbeibewegt. So kann einer verschwommenen, unscharfen Wahrnehmung der Szene entgegen- gewirkt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Berechnung der holografisch zu rekonstruierenden Szene durch die Rekonstruktionsmittel in Abhängigkeit von der Position des Sichtbarkeitsbereiches. Vorzugsweise erfolgt die Berechnung nur, wenn die Lichtquellenmittel Licht bereitstellen. Mit anderen Worten, es ist zwar denkbar, für jede mögliche Position des Sichtbarkeitsbereiches die holografisch zu rekonstruierende Szene zu berechnen, um auf diese Weise die Perspektive, unter welcher die rekonstruierte Szene von dieser Position des Sichtbarkeitsbereiches gesehen werden würde, zu berücksichtigen. Es ist jedoch sinnvoll, dass nur dann ein Hologramm berechnet und kodiert wird, wenn die Lichtquellenmittel Licht bereitstellen.
Ferner ist bevorzugt, dass die Rekonstruktionsmittel zum Berechnen einer holografisch zu rekonstruierenden Szene für mindestens eine ausgewählte Position des Sichtbarkeitsbereiches und zum Bereitstellen der berechneten holografisch zu rekonstruierenden Szene für mindestens eine auf die ausgewählte Position folgende Position des Sichtbarkeitsbereiches vorgesehen sind. Mit anderen Worten, es wird nicht für jede Position des Sichtbarkeitsbereiches ein Hologramm berechnet, sondern nur für ausgewählte Positionen, z.B. anhand der Augenposition ausgewählte Positionen. Für nachfolgende Positionen des Sichtbarkeitsbereiches - mindestens eine nachfolgende Position - wird das Hologramm nicht neu berechnet, sondern das für die ausgewählte Position berechnete Hologramm weiterverwendet. Dies wird auch in der Figurenbeschreibung zu Fig. 3 deutlich.
In einer Ausgestaltung umfassen die Rekonstruktionsmittel erste optische Mittel, insbesondere räumliche Lichtmodulationsmittel, im Strahlengang vor den Ablenkmittein und zweite optische Mittel im Strahlengang nach den Ablenkmitteln. Die ersten optischen Mittel können ferner mindestens ein telezentrisches Objektiv und die zweiten optischen Mittel mindestens ein Projektionsobjektiv umfassen. Alternativ zum Projektionsobjektiv kann es sich auch um einen Projektionsspiegel handeln.
Die Ablenkmittel sind bevorzugt als Spiegel, insbesondere als Oberflächenspiegel, ausgestaltet. Ferner können die Ablenkmittel als Planspiegel ausgestaltet sein oder eine sphärische oder asphärische Wirkung aufweisen. Durch die sphärische oder asphärische Wirkung können zusätzliche optische Effekte erzielt werden. So wird z.B. ermöglicht, weitere Komponenten des holografischen Rekonstruktionssystems in das Ablenkmittel zu integrieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Ablenkmittel und die Ablenkantriebs- mittel so miteinander verbunden, dass die Drehachse der Ablenkantriebsmittel in der Ebene der Reflexionsfläche der Ablenkmittel liegt. Dadurch wird erreicht, dass sich aufgrund der Rotation des Ablenkmittels die holografisch rekonstruierte Szene in Bezug auf den Wiedergabeschirm nicht bewegt. Ist die SpiegeloberfJäche nicht auf der Drehachse, verändert der Spiegel durch seine Drehung die optische Position des in Richtung der Ablenkmittel projizierten optischen Bildes zum Projektionsobjektiv. Diese Ausgestaltung wird auch in Fig. 6 der Figurenbeschreibung deutlich.
In einer Ausgestaltung sind die Ablenkantriebsmittel als Gleichstrommotor ausgestaltet. Grundsätzlich kann auch jede andere Art von Antrieb verwendet werden, die ein Rotieren bzw. Schwenken der Ablenkmittel ermöglicht sowie eine ausreichend hohe und gleichmäßige Drehfrequenz realisieren kann.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das holografische Rekonstruktionssystem Augenpositionserkennungsmittel zum Erkennen der Position mindestens eines Betrachterauges. Die Lichtquellenmittel können dann in Abhängigkeit von der erkannten Position des Betrachterauges Licht bereitstellen. Beispielsweise könnten, in der Verschiebungsrichtung des Sichtbarkeitsbereiches betrachtet, lediglich in einem Bereich vor, während und nach einer Augenposition Lichtimpulse bereitgestellt werden. Außerdem können die Rekonstruktionsmittel dann vorzugsweise die holografisch zu rekonstruierende Szene in Abhängigkeit von der erkannten Position des Betrachterauges berechnen. Beispielsweise ist es möglich, ein Hologramm nur für die festgestellte Augenposition zu berechnen. Oder es wird, in einem weiteren Beispiel, ein Hologramm für eine Position des Sichtbarkeitsbereiches, welche in der Verschiebungsrichtung des Sichtbarkeitsbe- reiches vor der Augenposition liegt, berechnet und für die nachfolgende(n) Position(en) des Sichtbarkeitsbereiches bereitgestellt. Auf diese Weise kann die erforderliche Rechenleistung zur Bereitsteilung des Hologramms verringert und Lichtenergie gespart werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein holografisches Rekonstruktionsverfahren zum holografischen Rekonstruieren einer Szene in einem holografischen Rekonstruktionssystem mit einem erweiterten Sichtbarkeitsbereich. Das Verfahren umfasst Bereitstellen von im Wesentlichen kohärentem Licht, holografisches Rekonstruieren einer Szene und Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches mit einer Ausdehnung, von welchem ein Betrachter die holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann, Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches mit Ablenkmitteln sowie kontinuierliches Rotieren oder Schwenken der Ablenkmittel bei einer Drehfreqυenz um eine Drehachse und zum Verschieben des Sichtbarkeitsbereichs.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung in Draufsicht mit dem Sichtbarkeitsbereich zu einem ersten Zeitpunkt. Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung in Draufsicht mit dem Sichtbarkeitsbereich zum ersten und zu einem zweiten Zeitpunkt. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Erzeugung des
Sichtbarkeitsbereiches durch Lichtimpulse.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen Rekonstruktionssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel zu einem ersten Zeitpunkt. Fig. 5 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen Rekonstruktionssystems gemäß dem Ausführungsbeispiel zu einem zweiten Zeitpunkt. Fig. 6 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Anordnung von Ablenkmitteln und
Ablenkantriebsmitteln zueinander in Draufsicht.
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung in Draufsicht. Dargestellt ist die Position des Sichtbarkeitsbereiches zu einem ersten Zeitpunkt.
Das dargestellte holografische Rekonstruktionssystem 100 umfasst erste optische Mittel 110, Ablenkmittel 120, Projektionsmittel 130 sowie einen Wiedergabeschirm 140. In der Zeichnung sind ferner dargestellt ein sich zwischen Wiedergabeschirm 140 und einem Sichtbarkeitsbereich 160 aufspannender Rekonstruktionsraum 150, eine erste Augenposition 170 und eine zweite Augenposition 172 sowie ein erweiterter Sichtbarkeitsbereich 180.
Die ersten optischen Mitte! 110 umfassen hier einen Hologrammprojektor, welcher ein Zwischenbild eines Hologramms, welches auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten räumlichen Lichtmodulator (SLM) kodiert ist, auf die Ablenkmittel projiziert. Die ersten optischen Mittel 110 sind im Strahlengang vor den Ablenkmitteln 120 angeordnet.
Die Ablenkmittel 120, beispielsweise ein Planspiegel, ändern die Ausrichtung des vom Hologrammprojektor 110 auf sie projizierten Abbildes des SLM in Richtung des Projektionsmittels 130. Möglich ist auch, dass die Ablenkmittel 120 als sphärischer oder asphärischer Spiegel ausgestaltet sind und eine zusätzliche optische Wirkung übernehmen. Auf diese Weise können mehrere optische Elemente in einem kombiniert werden. Die Ablenkmittel 120 sind drehbar gelagert, wobei die Drehachse in der Ebene der Spiegeloberfläche liegt. Dies wird in Fig. 6 deutlich.
Die Projektionsmittel 130 sind in dieser Darstellung als sphärischer, insbesondere elliptischer Spiegel, ausgestaltet. Die Verwendung eines Projektionsspiegels ist gegenüber einem Projektionsobjektiv vorteilhaft, da bei Verwendung eines Projektionsspiegels eine größere Ausdehnung des erweiterten Sichtbarkeitsbereichs 180 realisiert werden kann. Die Projektionsmittel 130 reflektieren das auf sie fallende Licht in Richtung des Wiedergabeschirmes 140.
Der Wiedergabeschirm 140 ist ebenfalls als sphärischer Spiegel ausgestaltet und reflektiert das einfallende Licht in Abhängigkeit von seiner Form und dem Einfallswinkel in eine bestimmte Richtung. Dadurch entsteht der Sichtbarkeitsbereich 160, von welchem der Betrachter, wenn sich mindestens ein Auge darin befindet, die holografische Szene in dem Rekonstruktionsraum 150 beobachten kann. D.h. ein Auge, welches sich an der Augenposition 170 befindet, kann die holografische Szene im Rekonstruktionsraum 150 betrachten. Bei der ersten Augenposition 170 und der zweiten Augenposition 172 kann es sich um das gleiche Auge handeln, welches sich von der ersten zur zweiten Position bewegt hat, oder aber um unterschiedliche Augen, z.B. das rechte und das linke Auge eines Betrachters oder das linke Auge eines ersten Betrachters und das rechte Auge eines zweiten Betrachters. Ein Auge, welches sich zum ersten, in dieser Zeichnung dargstellten Zeitpunkt an der zweiten Augenposition 172 befindet, würde zu diesem Zeitpunkt keine Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene sehen. Jedoch ist die Drehfrequenz des Ablenkmittels 120 vorzugsweise so hoch, dass ein Beobachter die Zeitdifferenz zwischen zwei Umdrehungen und dem damit verbundenen Erscheinen des Sichtbarkeitsbereiches 160 vor seinem Auge nicht wahrnimmt.
Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung in Draufsicht. Dargestellt ist die Position des Sichtbarkeitsbereiches zum ersten Zeitpunkt, wie in Fig. 1 , und außerdem zu einem zweiten Zeitpunkt. Die Anordnung entspricht der in Fig. 1 dargestellten. Außerdem sind in Fig. 2 eine zweite Position des Sichtbarkeitsbereiches 162 sowie eine zweite Position des Rekonstruktionsraumes 152 dargestellt.
Durch kontinuierliche Rotation des Ablenkmittels 120 verschiebt sich der Sichtbarkeitsbereich 160 kontinuierlich innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 180. Zu dem zweiten Zeitpunkt befindet sich der Sichtbarkeitsbereich an der zweiten Position des Sichtbarkeitsbereiches 162. Ein Auge, welches sich zum zweiten Zeitpunkt an der zweiten Augenposition 172 befindet, kann zu diesem Zeitpunkt die holografisch rekonstruierte Szene im Rekonstruktionsraum 152 betrachten.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Erzeugung des Sichtbarkeitsbereiches durch Lichtimpulse. In der Zeichnung sind dargestellt eine Augenposition 310, Lichtimpulse 32O1 322, 324 sowie Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 330, 332, 334 zu Zeitpunkten t1 bis t8. Zwischen den Zeitpunkten t3 und t5 überstreicht der Sichtbarkeitsbereich 332 die Position eines Beobachterauges 310. D.h. in diesem Zeitraum kann der Beobachter eine Rekonstruktion beobachten. Schaltet man nun den Beleuchtungslaser nur eine begrenzte Zeit ein, welche kleiner oder gleich t5-t3 ist, so kann der Beobachter nur noch einen kleineren Perspektivenausschnitt der Rekonstruktion beobachten, egal wo er sich in dem Sichtbarkeitsbereich befindet.
Die Lichtquellenmittel stellen periodisch im Zeitablauf Lichtimpulse 320, 322, 324 bereit. Die Lichtimpufse 320, 322, 324 weisen eine Schaltfrequenz auf. Die Schaltfrequenz der Lichtimpulse 320, 322, 324 und die Drehfrequenz des Ablenkantriebsmittels sind so aufeinander abgestimmt, dass die Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 330, 332, 334 nicht überlagern. Dies ist auch aus der Figur ersichtlich. Nur zu Zeitpunkten t2, t4, und t6 werden Lichtimpulse bereitgestellt. Aufgrund der Drehfrequenz des Ablenkantriebsmittels und der daraus resultierenden Bewegung des Sichtbarkeitsbereiches, überlagern sich die Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 330, 332, 334 zu diesen Zeitpunkten nicht. Die zweite Position des Sichtbarkeitsbereiches 332 ist zur ersten Position des Sichtbarkeitsbereiches 330 um die Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereiches verschoben. Ebenso ist die dritte Position des Sichtbarkeitsbereiches 334 zur zweiten Position des Sichtbarkeitsbereiches 332 um die Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereiches verschoben .
Würde zu jedem Zeitpunkt t1 bis t6 ein Lichtimpuls bereitgestellt, würden sich die Positionen des Sichtbarkeitsbereiches überlagern und der Beobachter könnte eventuell ein unscharfes Bild wahrnehmen.
Darüber hinaus ist es möglich, dass ein Augenpositionserkennungsmittel die Position eines Auges 310 feststellt. Die Lichtquellenmittel können dann in Abhängigkeit von der Augenposition 310 Lichtimpulse 320, 322, 324 bereitstellen. Dabei kann eine etwaige Ungenauigkeit bei der Feststellung der Augenposition 310 berücksichtigt werden. Wie in der Zeichnung dargestellt, wird die erste Position des Sichtbarkeitsbereiches 330 vor der festgestellten Augenposition durch den ersten Lichtimpuls 320 erzeugt. Anschließend folgen in dieser Darstellung zwei weitere Lichtimpulse 322, 324, welche auf die erste Position des Sichtbarkeitsbereiches 330 folgende Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 332, 334 erzeugen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch bei einer Ungenauigkeit des Augenpositionserken- nungsmittels, das Auge an der Augenposition 310 mit einem Sichtbarkeitsbereich versorgt wird.
Um zu verhindern, dass der Betrachter unterschiedliche Perspektiven wahrnimmt und das Objekt verschwommen sieht, kann für diese aufeinander folgenden Lichtimpulse die gleiche Objektrekonstruktion an den aufeinander folgenden Positionen des Sichtbarkeitsbereiches bereitgestellt werden.
Selbstverständlich ist die Anzahl der Lichtimpulse bzw. Positionen des Sichtbarkeitsbereiches nicht wie in dieser Zeichnung beschränkt.
Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen Rekonstruktionssystems 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel zu einem ersten Zeitpunkt. In der Zeichnung sind jeweils dargestellt Lichtquellenmittel 410, 412, räumliche Lichtmodulationsmittel (SLM) 420, 422, ein Beamsplitter 430, 432, ein telezentrisches Objektiv 440, 442, Ablenkmittel 450, 452, ein Projektionsobjektiv 460, 462, Reflexionsmittel 470, 472. Der Wiedergabeschirm 480 ist in der Gesamtanordnung nur einmal vorhanden. Ferner ist jeweils ein Sichtbarkeitsbereich 490, 492, eine Augenposition 500, 502, ein Rekonstruktionsraum 510, 512 sowie ein erweiterter Sichtbarkeitsbereich 520, 522 dargestellt.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, umfasst die Gesamtanordnung zwei analog aufgebaute Baugruppen. Je eine Baugruppe erzeugt das Bild für ein Auge. Beschrieben wird im Folgenden eine der beiden Baugruppen. Der Fachmann kann das Prinzip leicht auf die andere Baugruppe übertragen. Grundsätzlich sind auch Lösungen mit einer Baugruppe für beide Augen denkbar, z.B. mit zeitlichem Multiplexing.
Die Lichtquellenmittel 410 sind in diesem Ausführungsbeispiel als gepulster Laser ausgestaltet. Der gepulste Laser kann wahlweise über eine elektrische Ansteuerung oder mechanisch zeitlich moduliert werden. Die Lichtquellenmittel 410 können einen Beamexpander umfassen, welcher den Strahldurchmesser des Lasers aufweitet. In einer weiteren Ausgestaltung ist es auch möglich, mehrere Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen bereitzustellen. In noch einer weiteren Ausgestal- tung ist es ferner möglich, statt eines Lasers eine andere Lichtquelle zu verwenden und den kohärenten Anteil des Lichts zu filtern.
Die Lichtquellenmittel 410 beleuchten das telezentrische Objektiv 440 über den Beamsplitter 43O1 welcher die Eigenschaft besitzt, in einer bestimmten Richtung linear polarisiertes Licht zu reflektieren. Auf diese Weise wird der SLM 420 mit möglichst hoher Lichtenergie beleuchtet. Auf dem SLM 420, welcher ein Pixel- Raster aufweist, wird durch Amplitudenmodulation ein Beugungsmuster dargestellt. Durch Reflexion am SLM 420 breitet sich das Laserlicht gebeugt in Richtung des telezentrischen Objektivs 440 aus.
In einer Brenn- bzw. Fourier-Ebene einer Eingangslinse des telezentrischen Objektivs 440 befindet sich eine Blende, welche eine räumliche Filterung des Laserlichts bewirkt. Hier werden unerwünschte Ordnungen der Beugung ausgeblendet. Die Lichtenergie der unerwünschten Ordnung kann dabei wesentlich höher als der Anteil der erwünschten Ordnung sein. Das telezentrische Objektiv 440 bildet eine verkleinerte Abbildung, z.B. im Maßstab 1 :2, des SLM 420 auf die Ablenkmittel 450 ab. Es existiert ein verkleinertes, reelles Zwischenbild des SLM 420.
Beamsplitter 430, SLM 420 und telezentrisches Objektiv 440 gehören in diesem Ausführungsbeispiel ersten optischen Mittel an, welche im Strahlengang vor den Ablenkmitteln 450 angeordnet sind.
Die Ablenkmittel 450 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Planspiegel ausgestaltet, welcher drehbar auf in dieser Zeichnung nicht dargestellten
Ablenkantriebsmitteln, z.B. einem Gleichstrommotor, gelagert ist. Dabei liegt die
Drehachse der Ablenkantriebsmittel in der Ebene der Spiegeloberfläche. Dies wird in Fig. 6 deutlich. Das vom telezentrischen Objektiv 440 ausgesandte Licht wird durch die Ablenkmittel in Richtung des Projektionsobjektivs 460 abgelenkt.
Projektionsobjektiv 460, Reflexionsmittel 470 und Wiedergabeschirm 480 gehören in diesem Ausführungsbeispiel zweiten optischen Mitteln an, welche im Strahlengang nach den Ablenkmitteln 450 angeordnet sind.
Das Projektionsobjektiv 460 projiziert die von den Ablenkmitteln 450 abgelenkte verkleinerte Abbildung des SLM 420 auf das Reflexionsmittel 470. Das Reflexions mitte I 470 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Planspiegel ausgestaltet und lenkt das auf ihn fallende Licht in Richtung des Wiedergabeschirms 480 ab. Der Wiedergabeschirm 480 ist in diesem Ausführungsbeispiel als sphärischer Spiegel ausgestaltet. Der Wiedergabeschirm 480 ist dabei so angeordnet, dass er eine 1 :1 Abbildung der Fourier-Ebene des SLM 420 in den Sichtbarkeitsbereich 490 bewirkt. Dabei wird der Rekonstruktionsraum 510 zwischen dem Wiedergabeschirm 480 und dem Sichtbarkeitsbereich 490 aufgespannt. Ein Auge eines Betrachters, welches sich an der Augenposition 500 befindet, sieht die rekonstruierte Szene im Rekonstruktionsraum 510 vom Sichtbarkeitsbereich 490 aus.
Durch Rotation der Ablenkmittel 450 wird der Strahlengang so verändert, dass sich die Position des Sichtbarkeitsbereiches 490 kontinuierlich innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 verschiebt. Die Ausdehnung des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 ist bedingt durch den Aufbau des holografischen Rekonstruktionssystems 400 räumlich begrenzt. Wenn das Ablenkmittel 450 eine Umdrehung vollendet hat, erscheint der Sichtbarkeitsbereich 490 wieder am Anfang des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520. Die Verschiebungsrichtung des Sichtbarkeitsbereiches 490 ist abhängig von der Umdrehungsrichtung des Ablenkmittels 450. Die Umdrehungsrichtung hat für das grundsätzliche Prinzip der Erfindung jedoch keine Bedeutung.
Grundsätzlich kann für jede Position des Sichtbarkeitsbereiches 490 innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 der SLM 420 mit unterschiedlichen Hologrammen kodiert sein. Bei einem kleinen erweiterten Sichtbarkeitsbereich 520 ist es jedoch auch möglich, lediglich eine Kodierung des SLM für alle Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 490 innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 bereitzustellen. Demgegenüber ist auch eine Zwischenlösung möglich, bei welcher der SLM 420 für Teilabschnitte des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520, die mindestens zwei Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 490 umfassen, jeweils mit einem Hologramm kodiert ist.
Fig. 5 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen Rekonstruktionssystems gemäß dem Ausführungsbeispiel zu einem zweiten Zeitpunkt. Der Aufbau entspricht dem in Fig. 4.
In dieser Darstellung weisen die Ablenkmittel 450 eine veränderte Winkelposition gegenüber der Darstellung in Fig. 4 auf. Durch den somit veränderten Strahlengang weist auch der Sichtbarkeitsbereich 490 eine andere Position innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 auf.
Zu diesem zweiten Zeitpunkt sieht der Beobachter an der Augenposition 490 keine Rekonstruktion der holografischen Szene. Die Drehfrequenz des Ablenkmittels 450 ist jedoch so hoch, dass der Beobachter dies nicht wahrnimmt. Der Sichtbarkeits- bereich 490 erscheint so oft vor seinem Auge, dass er die holografische Szene als bleibend wahrnimmt.
Fig. 6 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Anordnung von Ablenkmitteln und Ablenkantriebsmitteln zueinander in Draufsicht. Dargestellt sind Ablenkmittel 610 mit einer Reflexionsfläche 620 sowie Ablenkantriebsmittel 630 mit einer Welle 640.
Die Welle 640 ist an den Ablenkantriebsmitteln 630, z.B. einem Gleichstrommotor, angebracht. Die Ablenkantriebsmittel 630 rotieren die Welle 640 um eine Drehachse. Die Drehachse liegt im Rotationszentrum der Welle 640. Die Rotationsbewegung ist beispielhaft durch einen Pfeil in der Zeichnung angedeutet - sie kann auch entgegengesetzt gerichtet sein. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist das Ablenkmittel 610 so an der Welle 640 angebracht, dass die Reflexionsfläche 620 auf der im Zentrum der Welle 640 liegenden Drehachse angeordnet ist. Bei einer Rotation der Welle 640 wird sich auf diese Weise die Reflexionsfläche 620 nicht aus dem Zentrum der Welle 640 bewegen und es entstehen keine unerwünschten optischen Effekte, wie z.B. unerwünschte Änderungen des Strahlenganges.
Die Ablenkantriebsmittel 630 weisen eine Drehzahl auf, die so hoch ist, dass ein Beobachter, die Bewegung des Sichtbarkeitsbereiches nicht als Flackern wahrnimmt. Außerdem weisen die Ablenkantriebsmittel eine stabile Drehzahl auf, d.h. die Drehzahl unterliegt keinen unerwünschten Schwankungen.
Anhand der Zeichnungen wurde ein holografisches Rekonstruktionssystem und -verfahren mit einem erweiterten Sichtbarkeitsbereich beschrieben. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt.
Bei anderer Anordnung der Elemente des holografischen Rekonstruktionssystems können Elemente weggelassen werden, ineinander integriert oder miteinander kombiniert werden. Auch Merkmale der einzelnen Ausführungen und Darstellungen können miteinander kombiniert werden.
Es ist auch denkbar, dass ein Sichtbarkeitsbereich erzeugt wird, in welchem ein Betrachter mit beiden Augen eine holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann. Das Prinzip dieser Erfindung ist auch dann anwendbar.

Claims

Patentansprüche
1. Holografisches Rekoπstruktionssystem (100, 400) mit erweitertem Sichtbarkeitsbereich (180, 520) umfassend
Lichtquellenmittel (410) zum Bereitstellen von im Wesentlichen kohärentem Licht,
Rekonstruktionsmittel (110, 130, 140, 420, 430, 440, 460, 470, 480) zum holografischen Rekonstruieren einer Szene und zum Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches (160, 490) mit einer Ausdehnung, von welchem ein Betrachter die holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann,
Ablenkmittel (120, 450, 610) zum Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches (160, 490), sowie
Ablenkantriebsmittel (630) mit einer Drehachse zum kontinuierlichen Rotieren oder Schwenken der Ablenkmittel (120, 450, 610) mit einer Drehfrequenz um die Drehachse und zum Verschieben des Sichtbarkeitsbereiches (160, 490).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Lichtquellenmittel als Laserlichtquelle ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquellenmittel zum periodischen Bereitstellen von Lichtimpulsen (320, 322, 324) mit einer Schaltfrequenz vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend Lichtquellensteuermittel zum Steuern der Schaltfrequenz.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei Schaltfrequenz und Drehfrequenz ein bestimmtes Verhältnis zueinander aufweisen.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei Schaltfrequenz und Drehfrequenz ein solches Verhältnis zueinander aufweisen, dass die Lichtquellenmittel innerhalb einer Verschiebungsdistanz, die der Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereichs (330) in Verschiebungsrichtung entspricht, höchstens einen Lichtimpuls (320) abgeben.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Berechnung der holografisch zu rekonstruierenden Szene in Abhängigkeit von der
Position des Sichtbarkeitsbereiches durch die Rekonstruktionsmittel erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Berechnung erfolgt, wenn die Lichtquellenmittel Licht bereitstellen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rekonstruktionsmittel zum Berechnen einer holografisch zu rekonstruierenden Szene für mindestens eine ausgewählte Position des Sichtbarkeitsbereiches (320) und zum Bereitstellen der berechneten holografisch zu rekonstruierenden Szene für mindestens eine auf die ausgewählte Position folgende Position des Sichtbarkeitsbereiches (322) vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rekonstruktionsmittel erste optische Mittel (110, 420, 430, 440) im Strahlengang vor den Ablenkmitteln und zweite optische Mittel (460, 470, 480) im Strahlengang nach den Ablenkmitteln umfassen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die ersten optischen Mittel räumliche Lichtmodulationsmittel (420) umfassen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die ersten optischen Mittel mindestens ein telezentrisches Objektiv (440) und die zweiten optischen Mittel mindestens ein Projektionsobjektiv (460) oder einen Projektionsspiegel umfassen.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkmittel (120, 450, 610) als Spiegel ausgestaltet sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkmittel (120, 450, 610) als Oberflächenspiegel ausgestaltet sind.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkmittel als Planspiegel ausgestaltet sind oder eine sphärische oder asphärische Wirkung aufweisen.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkmittel (610) eine Reflektionsfläche (620) aufweisen und wobei die Ablenkmittel (610) und die Ablenkantriebsmittel (630) so verbunden sind, dass die Drehachse der Ablenkantriebsmittel (630) in der Ebene der Reflektionsfläche (620) liegt.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ablenkantriebsmittel (630) als Gleichstrommotor ausgestaltet sind.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Ablenkantriebssteuermittel zum Steuern der Drehfrequenz der Ablenkantriebsmittel.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend Augenpositionserkennungsmittel zum Erkennen der Position mindestens eines Betrachterauges (170, 310, 500).
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Lichtquellenmittel in Abhängigkeit von der erkannten Position des Betrachterauges Licht bereitstellen.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Rekonstruktionsmittel die holografisch zu rekonstruierende Szene in Abhängigkeit von der erkannten Position des Betrachterauges berechnen.
22. Holografisches Rekonstruktionsverfahren zum holografischen Rekonstruieren einer Szene in einem holografischen Rekonstruktionssystem mit einem erweiterten Sichtbarkeitsbereich umfassend Bereitstellen von im Wesentlichen kohärentem Licht, holografisches Rekonstruieren einer Szene und Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches mit einer Ausdehnung, von welchem ein Betrachter die holografisch rekonstruierte Szene betrachten kann, Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches mit Ablenkmitteln, sowie kontinuierliches Rotieren oder Schwenken der Ablenkmittel bei einer Drehfrequenz um eine Drehachse und zum Verschieben des Sichtbarkeitsbereichs.
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