WO2012076702A1 - Lichtmodulationsvorrichtung für ein display - Google Patents

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WO2012076702A1
WO2012076702A1 PCT/EP2011/072359 EP2011072359W WO2012076702A1 WO 2012076702 A1 WO2012076702 A1 WO 2012076702A1 EP 2011072359 W EP2011072359 W EP 2011072359W WO 2012076702 A1 WO2012076702 A1 WO 2012076702A1
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controllable
phase
light modulation
display
diffraction
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PCT/EP2011/072359
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Ralf Häussler
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Seereal Technologies S.A.
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    • G02F1/292—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering
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    • H04N13/376—Image reproducers using viewer tracking for tracking left-right translational head movements, i.e. lateral movements

Definitions

  • Light modulation device for a display
  • the invention relates to a light modulation device for a display, which has at least one spatial light modulator and at least one controllable diffraction device, which can be controlled by a control device, wherein the display is designed for the three-dimensional representation of images of a 3D scene.
  • Fields of application of the invention are displays with a viewer window, which may be a holographic or autostereoscopic display, in which a 3D scene as e.g. a hologram is coded, or the stereoscopic images of the 3D scene are two- and / or three-dimensional representable.
  • Viewers may see the 3D scene as a holographic reconstruction or as a stereo image if at least one viewer window matches the positions of viewer eyes.
  • a holographic display the viewer can see a reconstructed scene of an object in a reconstruction room, which is spanned by the viewer window and the screen when a viewer window collapses with the eye pupil.
  • the eye pupil is at the eye position for which the reconstruction is to be made.
  • the viewer window no longer coincides with the viewer's eye pupil, and the viewer could no longer fully see the reconstruction.
  • the position of the observer window and the new position of the eye pupil must match again.
  • the emission angle of the light sources determines in an autostereoscopic display the size of the observer window, which is the image of the light sources by means of a lens array in the observer plane.
  • a reference plane eg, display or modulator surface
  • the size of the viewer window is known to change, so that the problem of overlapping viewer windows may occur for two eyes, thereby disturbing the perception of the three-dimensional representation for the associated viewer can.
  • the problem arises that the 3D scene can not be seen completely three-dimensionally.
  • the holographic display is operated with a 1D coding in a single parallax mode, and a viewer window with an expansion corresponding to a pupil size in the incoherent direction is to be generated.
  • an autostereoscopic or holographic display can be switched over from the 3D display mode to the 2D display mode.
  • a switchable diffuser scattering element
  • the diffuser can be used for the 3D mode, e.g. have a transparent, non-scattering state.
  • the size of the observer window to be generated which should at least correspond to the diameter of the pupil of the eye, is always adjusted in the 3D mode to the distance between a detected eye position and the display.
  • the diffuser can be switched to the scattering state. Then the viewer window should at least be so large that it can extend over both eyes of an observer, or even over all eyes of all viewers.
  • additional optical elements such as a switchable diffuser or above Deflection elements, a display for displaying three-dimensional image content is more complex, expensive and prone to failure.
  • a switchable scattering element is known per se, for example, from the international patent application PCT / EP2010 / 058625 (corresponding to WO 2010/149587 A2).
  • PCT / EP2010 / 058625 corresponding to WO 2010/149587 A2
  • the disclosure content of PCT / EP2010 / 058625 is fully incorporated herein.
  • the representation of the autostereoscopic or holographic images of the 3D scene as well as the change to the 2D display mode should be feasible with little effort by optical means.
  • Such a display should be usable by several viewers at the same time.
  • a display that is controllable for displaying a 3D scene in a 3D mode and a 2D mode, and a light modulation device with a controllable spatial light modulator and at least one controllable diffraction device, which are controllable by a control device, wherein a viewer window with coherent light bundles can be generated at changing eye positions contains.
  • the object can be achieved with a light modulation device in which the diffraction device comprises electrodes and a controllable material, in which a prism and / or lens function and a scattering function as a diffraction grating with a phase characteristic can be written at least one-dimensionally controllable, wherein the diffraction grating of the scattering function phase shifts which are driven with changeable frequencies as a function of a distance of the detected eye position, for which the predetermined size of the observer window can be controlled for a given display mode.
  • the scattering function inscribed in the diffraction device replaces an otherwise commonly used in such a light modulation device, designed as an additional optical element scattering element for executing a 2D mode, which must be at least one-dimensionally controlled for this purpose.
  • the scattering angle for passing through light beams are controlled so that the predetermined size of a viewer window in 3D mode remains the same.
  • a viewer window When the z-tracking (axial direction) of the observer, a lens function inscribed in a controllable diffraction device is changed in its focal length, a viewer window can be generated in a new observer plane.
  • the size or at least horizontal width of the observer window in the incoherent direction varies in proportion to the distance of the observer window to the reference plane. Too small a viewer window can no longer illuminate the entire eye pupil, and too large a viewer window can lead to a crosstalk on the neighboring eye. This problem can be overcome with the invention.
  • a given width of the viewer window with e.g. 2 to 3 cm can be maintained in a change in the eye position in the axial direction and this width can be specifically controlled for detected other eye positions with the diffraction device.
  • the phase hubs inscribed as diffraction gratings the light bundles which are guided through the light modulator have scattering angles, which can preferably be changed with a variation of the number of electrodes to be controlled simultaneously.
  • phase values can be calculated, for example, as sequences of random phase values or, for example, with a Fourier transformation in an iterative method in which an intensity profile in the observer plane can be predetermined for a viewer window to be generated.
  • phase shifts may be controlled with a sequence of random phase values that may be selected by the controller from a spatial frequency and / or value spectrum. This method has the advantage that it can be carried out with little computational effort.
  • the observer window has a continuous intensity profile of light at a detected eye position, wherein the observer window is not sharply delimited.
  • the size of the observer window can also be changed (in this case reduced in width).
  • the maximum phase of the value spectrum can only be ⁇ instead of 2 ⁇ .
  • Phase values from tables in which phase values corresponding to coordinates of possible positions of observer eyes are stored as control values can be read out in order to reduce the calculation times.
  • the scattering function can be controllably inscribed with a phase profile as a diffraction grating with which the light bundles form a viewer window for the observer's eyes of a viewer with a size with which a 2D representation mode predetermined by the control device can be realized.
  • this makes it possible to switch over from the 3D mode to the 2D mode without having to control an additional scattering element which can be switched on and off in the light path.
  • the predefined size of the observer window can remain unchanged or can be changed controllably so that the 3D mode can be controlled in a controllable manner for a viewer in the 2D mode.
  • the opposite way can be performed with the light modulation device according to the invention by appropriate control of the diffraction device.
  • the scatter function can be controllably inscribed with phase values as diffraction gratings, which can be calculated using the method of the iterative Fourier transformation.
  • the iterative Fourier transformation is calculated using complex matrix values which have at least one one-dimensional value distribution and with which at least one diffraction grating can be inscribed in at least one direction, an intensity distribution and the size or at least horizontal width being predetermined for the viewer window.
  • the size of the observer window can be controlled at least one-dimensionally by writing the scattering function into the diffraction device, or by a defocused imaging of light sources from which at least partially coherent light bundles are emitted.
  • a spherical phase curve can be inscribed as a diffraction grating.
  • a lens function with a spherical phase profile can be inscribed as a diffraction grating, wherein the size of the observer window in the plane close to the observer plane can be controlled one-dimensionally in an incoherent direction.
  • a diffraction grating controllable for prism or lens functions with phase curves can only deflect or focus incident light.
  • the image content visible from the observer window which can visualize a 3D scene holographically or autostereoscopically in the 3D display, is generated in a separate SLM.
  • the size predefined for a defined viewer distance (detected eye position) of a viewer window generated with a controlled diffraction grating is matched to the pupil size of a correspondingly assignable viewer.
  • light scattering for the 2D mode can be performed for locally detected eye positions of one observer, while the 3D mode for other eye positions is maintained by other observers.
  • the corresponding scatter function for the representation of a 3D scene in a 2D mode is written into the controllable material of the diffraction device for the relevant viewer.
  • the diffraction device may for example contain at least one controllable liquid crystal layer (liquid crystal, LC) as a controllable material, or a layer of a solid crystal in which the refractive index is controllable.
  • a viewer window can be generated with a two-dimensionally controlled diffraction grating at laterally and / or axially different eye positions.
  • a predetermined size or width of the observer window with, for example, 2 to 3 cm for a 3D mode can be maintained unchangeable in at least the axial direction with a change in the distance of the eye position.
  • a viewer window can be generated in a controllable manner with a scattering function inscribed in the form of a diffraction grating for respectively detected eye positions.
  • the invention further comprises a display with a light modulation device according to at least one of the preceding claims, wherein stereoscopic and / or holographic image contents can be controllably displayed in the light modulation device.
  • a controllable change in size of a viewer window and a change of the display mode in a display according to the invention with a controllable device which influences the light refractive and diffractive makes it possible to advantageously reduce the number of optical means in the display.
  • Fig. 1 a in plan view a light modulation device of a display with
  • Fig. 1 b in plan view a light modulation device with generated
  • the 3D display can each be a holographic or autostereoscopic display.
  • the invention is based on the fact that light bundles guided by a diffraction device can be modulated by means of refractive index modulation in a controlled layer of the diffraction device with a prismatic and / or a lensing and a scattering function. With these functions, light can be spread or deflected at least one-dimensionally in a predetermined direction.
  • the propagation of light bundles can be determined by applying these functions in the driven layer, e.g. a liquid crystal (LC) material, with voltage curves as a diffraction grating at least one dimensional controllable inscribed are.
  • LC liquid crystal
  • the diffraction device has an electrode field with a multiplicity of electrodes which are arranged parallel next to one another and are designed in the form of strips or lines.
  • the display further comprises a light modulation device with which incident, at least partially coherent light bundles with coded stereoscopic or holographic images of a 3D scene can be modulated when actuated by a control device.
  • the 3D scene can be reconstructed holographically with a holographic display, or can be perceived three-dimensionally in an autostereoscopic display.
  • Fig. 1 a and 1 b show a top view in a schematic representation of a display with viewer windows of different sizes, which may be a holographic or autostereoscopic 3D display.
  • a display D is shown with viewing windows SP1, SP2 having a predetermined size or predetermined horizontal width at an eye position corresponding to a distance d1 and a proportionally changed size or horizontal width SP1 ', SP2' corresponding to another distance d2 ,
  • the observer windows are so large that they can overlap.
  • Viewers eyes at the eye position d2 would then perceive a disturbing crosstalk from the left image content in the right viewer window, and vice versa. This crosstalk would reduce the 3D quality. This is known from the prior art.
  • the centers of the observer windows SP1, SP2, and preferably the eyes, have a typical distance of about 65 mm.
  • the observer windows should have an optimal width of 2-3 cm each, with which a 3D scene in the SD display mode in a holographic or autostereoscopic display is optimally perceptible.
  • the inventive display D shown in FIG. 1 b has at least one controllable light modulation device and a control device with which a controllable spatial light modulator and at least one controllable diffraction device can be controlled.
  • the specified components are not shown in detail in the figure.
  • the diffraction device may comprise a controllable material, e.g. aligned controllable liquid crystal (LC) molecules, which is controllable with electrodes.
  • the control of the diffraction grating should preferably be effected by means of linear electrodes arranged parallel next to one another which can form a matrix. A voltage can be applied to each electrode and thus a voltage profile can be generated.
  • the LC molecules orient themselves as a function of the stress and thus produce a refractive index profile. Due to the set orientation, the light beams passing through the diffraction device can have corresponding phase changes.
  • the refractive index profile and, therefrom, the voltage for each electrode are calculated, which are necessary in order to deflect the light bundles either so that the observer window can be generated at the detected eye position.
  • a phase characteristic for a scattering function can additionally be controlled such that the size of the observer window for the detected eye position can be controllably adjusted with the light bundles.
  • controllable material can be controlled with a variable number of electrodes so that the scattering function with a phase characteristic with locally variable frequency at least one-dimensional as a diffraction grating is inscribed.
  • the size of the observer window can also be generated with a two-dimensionally controlled diffraction grating at laterally and / or axially different eye positions.
  • two observer windows SP1 "and SP2" can be generated at the distance d2 from the display D according to the invention with an optimal predetermined size, which can not overlap, with the passing light bundles.
  • the perception of a 3D scene in 3D mode is possible without annoying crosstalk, wherein the 3D mode is the three-dimensional display mode of the display to understand.
  • a 2D mode can be realized in the observer window by changing the control of the diffraction device.
  • a diffraction grating is to be inscribed, with which a scattering angle can be predetermined for passing light bundles, with which a viewer window covering both eyes of an observer can be generated.
  • a 3D / 2D switchover can be performed for at least one observer with the observer window.
  • a display may in one embodiment have a light modulation device in which a controlled scattering angle for the 2D mode for a second detected pair of eyes is controllably inscribable while the 3D mode is to be retained for a first detected pair of eyes.
  • Stereoscopic or holographic images are displayed sequentially in the light modulator and can be used in common for the observer windows, which can be generated to different sizes for the first and second observers by driving the diffraction grating.
  • a lens function is written with a spherical phase profile as a diffraction grating, while a prism function with a linear phase profile is written as a diffraction grating.
  • a scattering function can according to the invention with Phase values that are calculable by two different methods.
  • random phase values for controlling the horizontal width or size of the observer window are determined or calculated.
  • the scatter function can additionally z. B. be written in a diffraction device, in which already a lens and / or a prism function can be written.
  • a sequence of random phases is selected, which can take values from 0 to 2 ⁇ and follow each other at random. It may also be a sequence of pseudo-random phases in which the values are calculated by means of a pseudo-random number function.
  • the size, or at least the horizontal width, of the observer window can be adjusted by the frequency of the random phase sequence or with the phase sequence controllable phase strokes.
  • a maximum horizontal width can be controlled by changing the phase by a random value from one electrode to the next adjacent electrode.
  • the calculation of the horizontal width can be done easily as follows:
  • d is the distance between the diffraction device or the 3D display in FIG. 1 b and the observer plane.
  • d the distance between the diffraction device or the 3D display in FIG. 1 b and the observer plane.
  • a smaller horizontal width w can be achieved, for example, by setting a smaller frequency of the random phase sequence or, with the random phase sequence, controllable smaller phase strokes.
  • the phase is not changed to the next, but only to the next but one electrode by a random value.
  • the phase change can also be controlled so that a predeterminable number of electrodes, for. B. two or more adjacent to each other arranged electrodes, with the same random phase sequence is controllable.
  • phase values of the lens, prism and scatter functions are added to a total value if these functions are to be simultaneously controlled as a diffraction grating. If the total value is not within the range of 0 to 2 ⁇ , 2 ⁇ is added or subtracted as many times as necessary until the total value in the value range is between 0 and 2 ⁇ . Such a voltage is applied to the electrode that the diffraction grating at the corresponding position modulates the phase by this total value.
  • a diffraction grating controlled for the scattering function has phase skips that are drivably inscribed with changeable frequencies as a function of a distance of the detected eye position.
  • the phase hoppers scattering angles are adjustable for passing light bundles, with which the size of the observer window at least horizontally when activated depending on a distance of the detected eye position to the light modulator is changeable.
  • the mode of the 3D scene to be displayed with the viewer window must also be specified.
  • FIGS. 2 and 3 The control of the horizontal width of the observer window is shown in FIGS. 2 and 3.
  • Fig. 2a shows by way of example the phase values ⁇ as a function of the x-coordinate xLCG, which are inscribed as diffraction gratings.
  • 2b shows the intensity distribution I of the observer window as a function of the x-coordinate xOb in the observer plane for an eye position.
  • the phase values are high-frequency calculated between zero and 2 ⁇ , whereby a broad viewer window is controllable.
  • phase values can be calculated with a frequency spectrum having smaller frequencies between zero and 2 ⁇ .
  • the number of phase strokes (FIG. 3a) for the observer window in FIG. 3b is smaller than in FIG. 2a. With these phase strokes a viewer window is controlled, the size of which is only slightly changed for a new eye position. By the choice of the frequency spectrum, the size of the observer window in the observer plane, at a given wavelength of the light, changeable.
  • the phase strokes, and thus the scattering angles for the light bundles can be controlled.
  • phase hops that result from a phase curve with a small value spectrum and / or a low maximum frequency a viewer window to be newly controlled can only be slightly changed in value, broadened or reduced in size.
  • the random phases for changing the size of the observer window to changing distances between the display and the observer level are to be applied advantageously.
  • High-frequency phase-shifts are to be understood as a sequence of inscribed phase values which has a large number of alternating phase values on a localized basis (FIG. 2 a). At low frequency phase hops the number of alternating phase values for this localized area is comparatively lower ( Figure 3a).
  • FIGS. 4a and 4b show an alternative representation for a controlled diffraction grating with which the width of the observer window can be reduced. Instead of reducing the maximum frequency of the phase values, the value spectrum of the phase values can be reduced. The maximum phase value is shown in Fig. 4a e.g. ⁇ instead of 2 ⁇ as in Fig. 2a.
  • the calculation time can be further reduced by reading out the phase values from e.g. Tables in which phase values corresponding to coordinates of possible positions of observer eyes are stored as control values.
  • the phase curves of a scattering function to be written into the diffraction device for controlling the size or horizontal width of the observer window can be determined by a second method using iterative Fourier transformations are determined.
  • This method requires more computational effort than the first method, but a viewer window can be generated which has a predefinable intensity distribution with precisely defined boundaries for at least one observer eye.
  • the scattering function can be calculated by Fourier transformation for a predefinable intensity distribution at at least one eye position in the observer plane. Since with the inscribed diffraction grating only the phase of the incident light can be changed, only pure phase values with constant amplitude should be calculated and written.
  • the calculation of these phase values with the iterative Fourier transformation (IFT) requires, as is known, to perform Fourier transforms and inverse Fourier transforms between the plane of the diffraction device and the observer plane until a termination criterion is reached.
  • Transformations and backtransformations of matrix values present in two matrices M1 and M2 are performed with four calculation steps of an iterative calculation process. The iterative calculations are repeated several times, with the matrices M1 and M2 containing the same number of complex matrix values.
  • the amounts of the matrix values of M1 are the square root of the intensity distribution in the observer plane.
  • the phases of the matrix values of the matrix M2 are the phase distributions in the diffraction grating of the diffraction device.
  • the calculation of the matrices M1 and M2 can be carried out with a one- or two-dimensional value distribution.
  • the intensity distribution in the observer plane is controllable with a one-dimensional value distribution in one direction. If two diffraction gratings are crossed one-dimensionally (or else a two-dimensional diffraction grating) in the plane of the diffraction device, that is to say at a 90 ° angle to one another, are controllably inscribed, the intensity distribution of the scattered light bundles in the observer plane can be controlled in two lateral directions. Amplitude values at the beginning of the iteration are contained in the magnitudes of the complex matrix values of M1, the square root of the amplitude values corresponding to the intensity distribution to be given in the observer plane and representing the nominal values of M1. The specified intensity distribution is sent to the Sample points of the matrix M1 calculated. The phases of the matrix values of M1 are set to arbitrary values. The four iteratively repeated calculation steps contain in detail:
  • the four calculation steps are repeated iteratively, whereby the amounts of the matrix values of M1 are more and more approximated to the target values.
  • the iteration is aborted if the current amplitude values deviate only slightly from the nominal values, for example less than 10% deviate from the abort criterion.
  • the matrix values of M2 present after the termination of the iteration are then used to drive the electrodes in order to be able to generate a scattering angle and thus a viewer window of predetermined size or horizontal width at a predefined distance.
  • a Fresnel transformation is used instead of the Fourier transform FT or the inverse Fourier transform FT for the calculation.
  • the transformations differ in a spherical phase curve or in an inverse spherical phase curve, which depends on the distance of the observer plane to the Fourier plane of the diffraction grating.
  • the control values of the diffraction grating are calculated, with which a viewer window can be generated with a predetermined intensity distribution.
  • a viewer window with a preferred width of about 2 cm - 3 cm and an advantageously rectangular intensity profile can thus be generated by triggering grid functions.
  • the eyes can be homogeneously illuminated with different intensity distributions and Crosstalk of light or image content are reduced to unrecognized observer eyes.
  • the IFT method can be used on the display in real time.
  • the matrix values of the matrix M2 can advantageously be calculated in advance and stored in a table for different intensity distributions in the viewer plane of the 3D display, from which they can then be read out as required.
  • light sources can be "defocused."
  • a lens function with such a focal length is controllably inscribed in the diffraction device, such that the light sources are imaged in an incoherent direction in a plane near the observer plane, so that they are blurred in the observer plane , and the size of the viewer window can be increased in the incoherent direction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Display mit einem Betrachterfenster, das im 3D- und/oder 2D Darstellungsmodus einer 3D Szene an wechselnde Augenpositionen anpassbar ist. Ein derartiges Display soll von mehreren Betrachtern gleichzeitig nutzbar sein. Das erfindungsgemäße Display umfasst eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einer ansteuerbaren Beugungseinrichtung und einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator, in den eine 3D Szene ansteuerbar kodiert ist, die mit einem Betrachterfenster dreidimensional wahrnehmbar ist, sowie eine Steuereinrichtung. Das Betrachterfenster ist mit kohärenten Lichtbündeln an wechselnden Augenpositionen erzeugbar. Zum Ansteuern weist die Beugungseinrichtung mindestens Elektroden und ein steuerbares Material auf, in das eine Prismen-und/oder Linsenfunktion und/oder Streufunktion als Beugungsgitter mit einem Phasenverlauf mindestens eindimensional steuerbar einschreibbar sind, wobei das Beugungsgitter der Streufunktion Phasenhübe aufweist, die mit wechselbaren Frequenzen abhängig zu einem Abstand der erfassten Augenposition angesteuert sind. Die Größe des Betrachterfensters ist für die erfasste Augenposition und für einen vorgegebenen Darstellungsmodus ansteuerbar. Anwendungsgebiet der Erfindung sind holographische und autostereoskopische Displays.

Description

Lichtmodulationsvorrichtung für ein Display
Die Erfindung betrifft eine Lichtmodulationsvorrichtung für ein Display, das mindestens einen räumlichen Lichtmodulator und mindestens eine steuerbare Beugungseinrichtung aufweist, die mit einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind, wobei das Display zur dreidimensionalen Darstellung von Bildern einer 3D Szene ausgestaltet ist.
Anwendungsgebiet der Erfindung sind Displays mit einem Betrachterfenster, die ein holographisches oder autostereoskopisches Display sein können, bei denen eine 3D Szene als z.B. ein Hologramm kodierbar ist, oder die stereoskopischen Bilder der 3D Szene zwei- und/oder dreidimensional darstellbar sind. Betrachter können die 3D Szene als holographische Rekonstruktion oder als Stereobild sehen, wenn mindestens ein Betrachterfenster mit den Positionen von Betrachteraugen übereinstimmt. Mit einem holographischen Display kann der Betrachter eine rekonstruierte Szene eines Objektes in einem Rekonstruktionsraum sehen, welcher von dem Betrachterfenster und dem Bildschirm aufgespannt wird, wenn ein Betrachterfenster mit der Augenpupille zusammenfällt. Die Augenpupille befindet sich an der Augenposition, für welche die Rekonstruktion zu erzeugen ist. Bewegt sich jedoch der Betrachter seitlich zur bzw. entlang der optischen Achse des Displays, fällt das Betrachterfenster nicht mehr mit der Augenpupille des Betrachters zusammen, und der Betrachter könnte die Rekonstruktion nicht mehr vollständig sehen. Damit der Betrachter die Rekonstruktion wieder vollständig sehen kann, müssen die Position des Betrachterfensters und die neue Position der Augenpupille (Augenposition) wieder übereinstimmen.
Hierzu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise durch die DE 10 2005 023 743 A1 oder die WO 2007/131817 A1 , das Betrachterfenster lateral und/oder axial mittels eines Ablenkelements an die neue Augenposition zu führen. Dabei muß die Größe des Betrachterfensters für die neue Augenposition entsprechend dem Abstand zu einer Bezugsebene, die z.B. die Ebene des steuerbaren Lichtmodulators sein kann, vorgebbar angepasst werden. In einer Anzahl von Druckschriften sind autostereoskopische Displays beschrieben, z. B. in der DE 10 2008 043 620 A1 oder der WO 03/019952 A1 , in denen 3D Szenen dreidimensional darstellbar und von mindestens einem Betrachter mit Betrachterfenstern zu sehen sind, die auch als Sweet-Spots bezeichnet werden. Auch hier können Betrachterfenster an wechselnden Positionen von Betrachteraugen erzeugt werden.
Der Abstrahlwinkel der Lichtquellen bestimmt in einem autostereoskopischen Display die Größe des Betrachterfensters, das die Abbildung der Lichtquellen mittels eines Linsen-Arrays in die Betrachterebene ist. Bei Verändern des axialen Abstands zu einer Bezugsebene (z.B. Display- oder Modulatorfläche) ändert sich bekanntermaßen die Größe des Betrachterfensters, so dass das Problem des Überlappens der Betrachterfenster für zwei Augen auftreten kann, und dadurch die Wahrnehmung der dreidimensionalen Darstellung für die zugeordneten Betrachter gestört sein kann. Im Fall der Verkleinerung des Betrachterfensters tritt das Problem auf, dass die 3D Szene nicht komplett dreidimensional gesehen werden kann.
Gleiches trifft zu, wenn das holographische Display mit einer 1 D-Kodierung in einem Single-Parallax-Modus betrieben wird, und ein Betrachterfenster mit einer Ausdehnung entsprechend einer Pupillengröße in der inkohärenten Richtung erzeugt werden soll. Ebenso besteht die Forderung, ein autostereoskopisches oder holographisches Display vom 3D-Darstellungsmodus in den 2D-Darstellungsmodus umschaltbar auszuführen. Dazu kann beispielsweise ein schaltbarer Diffusor (Streuelement) zusätzlich im Lichtweg verwendet werden, siehe beispielsweise US 5,897, 184. Der Diffusor kann für den 3D Modus z.B. einen transparenten, nicht streuenden Zustand aufweisen. Die Größe des zu erzeugenden Betrachterfensters, die wenigstens dem Augenpupillendurchmesser entsprechen sollte, wird im 3D Modus stets dem Abstand einer erfassten Augenposition zum Display angepasst.
Für den 2D Modus ist der Diffusor in den streuenden Zustand schaltbar. Dann sollte das Betrachterfenster wenigstens so groß sein, dass es sich über beide Augen eines Betrachters, oder sogar über alle Augen aller Betrachter erstrecken kann. Durch zusätzliche optische Elemente, wie einem schaltbaren Diffusor oder oben genannten Ablenkelementen, wird ein Display zur Darstellung von dreidimensionalen Bildinhalten aufwändiger, teurer und störanfälliger.
Ein schaltbares Streuelement ist - für sich gesehen - beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2010/058625 (entspricht der WO 2010/149587 A2) bekannt. Hiermit wird der Offenbarungsgehalt der PCT/EP2010/058625 hier vollumfänglich einbezogen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Display zu schaffen, mit dem eine 3D Szene im 3D- und/oder 2D-Darstellungsmodus an wechselnden Augenpositionen dargestellt werden kann. Die Darstellung der autostereoskopischen oder holographischen Bilder der 3D Szene wie auch der Wechsel in den 2D-Darstellungsmodus soll mit geringem Aufwand von optischen Mitteln durchführbar sein. Ein derartiges Display soll von mehreren Betrachtern gleichzeitig nutzbar sein.
Es wird von einem Display ausgegangen, das zum Darstellen einer 3D Szene in einem 3D Modus und einem 2D Modus ansteuerbar ist, und das eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator und mindestens einer ansteuerbaren Beugungseinrichtung, die mit einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind, wobei ein Betrachterfenster mit kohärenten Lichtbündeln an wechselnden Augenpositionen erzeugbar ist, enthält.
Erfindungsgemäß kann die Aufgabe mit einer Lichtmodulationsvorrichtung gelöst werden, bei der die Beugungseinrichtung Elektroden und ein steuerbares Material aufweist, in das eine Prismen- und/oder Linsenfunktion und eine Streufunktion als Beugungsgitter mit einem Phasenverlauf mindestens eindimensional ansteuerbar einschreibbar sind, wobei das Beugungsgitter der Streufunktion Phasenhübe aufweist, die mit wechselbaren Frequenzen abhängig zu einem Abstand der erfassten Augenposition angesteuert sind, für welche die vorgegebene Größe des Betrachterfensters für einen vorgegebenen Darstellungsmodus ansteuerbar ist. Dabei ersetzt die in die Beugungseinrichtung eingeschriebene Streufunktion ein ansonsten üblicherweise in einer solchen Lichtmodulationsvorrichtung eingesetztes, als zusätzliches optisches Element ausgebildetes Streuelement zum Ausführen eines 2D-Modus, das hierfür mindestens eindimensional ansteuerbar sein muss. Für erfasste Augenpositionen, die einen unterschiedlichen Abstand zur Beugungseinrichtung aufweisen, kann zudem vorteilhaft der Streuwinkel für durchtretende Lichtbündel so gesteuert werden, dass die vorgegebene Größe eines Betrachterfensters im 3D Modus gleich bleibt.
Wenn zum z-Tracking (axiale Richtung) des Betrachters eine in einer steuerbaren Beugungseinrichtung eingeschriebene Linsenfunktion in ihrer Brennweite verändert wird, kann ein Betrachterfenster in einer neuen Betrachterebene erzeugt werden. Jedoch verändert sich die Größe bzw. mindestens horizontale Breite des Betrachterfensters in der inkohärenten Richtung proportional zum Abstand des Betrachterfensters zur Bezugsebene. Ein zu kleines Betrachterfenster kann nicht mehr die komplette Augenpupille ausleuchten, und ein zu großes Betrachterfenster kann zu einem Übersprechen auf das Nachbarauge führen. Dieses Problem kann mit der Erfindung überwunden werden. Eine vorgegebene Breite des Betrachterfensters mit z.B. 2 bis 3 cm kann bei einer Änderung der Augenposition in axialer Richtung eingehalten werden und diese Breite für erfasste andere Augenpositionen mit der Beugungseinrichtung gezielt angesteuert werden. Mit den als Beugungsgitter eingeschriebenen Phasenhüben weisen dabei die Lichtbündel, die durch den Lichtmodulator geführt werden, Streuwinkel auf, die vorzugsweise mit einer Variation der Anzahl von gleichzeitig anzusteuernden Elektroden geändert werden können.
Zum Berechnen von Steuerwerten, die als Phasenwerte für die Streufunktion einschreibbar sind, sind zum Realisieren der Erfindung zwei unterschiedliche Verfahren vorteilhaft anwendbar. Die Phasenwerte können beispielsweise als Folgen von Zufallsphasenwerten oder z.B. mit einer Fouriertransformation in einem iterativen Verfahren berechnet werden, bei denen ein Intensitätsverlauf in der Betrachterebene für ein zu erzeugendes Betrachterfenster vorgebbar ist. Gemäß der Erfindung können Phasenhübe mit einer Folge von Zufallsphasenwerten gesteuert werden, die mit der Steuereinrichtung aus einem Raumfrequenz- und/oder Wertespektrum ausgewählt werden können. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, daß es mit einem geringen Rechenaufwand durchführbar ist. Das Betrachterfenster weist an einer erfassten Augenposition einen kontinuierlichen Intensitätsverlauf von Licht auf, wobei das Betrachterfenster nicht scharf begrenzt ist. Mit einem Verfahren, bei dem, bei gleichbleibender Frequenz, das Wertespektrum der Phasenwerte verringert ist, kann ebenfalls die Größe des Betrachterfensters verändert (in diesem Fall in seiner Breite verringert) werden. Die maximale Phase des Wertespektrums kann beispielsweise nur noch π statt 2π betragen. Dabei können Phasenwerte aus Tabellen, in denen für Koordinaten von möglichen Positionen von Betrachteraugen entsprechende Phasenwerte als Steuerwerte gespeichert sind, ausgelesen werden, um die Berechnungszeiten zu verringern.
Die Streufunktion ist mit einem Phasenverlauf als Beugungsgitter steuerbar einschreibbar, mit dem die Lichtbündel ein Betrachterfenster für die Betrachteraugen eines Betrachters mit einer Größe bilden, mit der ein von der Steuereinrichtung vorgegebener 2D-Darstellungsmodus realisierbar ist. Erfindungsgemäß kann dadurch eine Umschaltung vom 3D Modus in den 2D Modus ausgeführt werden, ohne dass ein zusätzliches ein- und ausschaltbares Streuelement im Lichtweg angesteuert werden muss. Mit der Steuerung der Streufunktion als einzuschreibendes Beugungsgitter kann die vorgegebene Größe des Betrachterfensters unverändert bleiben, oder steuerbar so geändert werden, dass für einen Betrachter der 3D Modus in den 2D Modus ansteuerbar änderbar ist. Auch der umgekehrte Weg kann mit der erfindungsgemäßen Lichtmodulationseinrichtung durch entsprechende Ansteuerung der Beugungseinrichtung ausgeführt werden. Weiterhin ist die Streufunktion mit Phasenwerten als Beugungsgitter steuerbar einschreibbar, die mit dem Verfahren der iterativen Fouriertransformation berechenbar sind.
Die Berechnung der iterativen Fouriertransformation erfolgt mit komplexen Matrixwerten, die mindestens eine eindimensionale Werteverteilung aufweisen, und mit denen mindestens ein Beugungsgitter in mindestens eine Richtung einschreibbar ist, wobei eine Intensitätsverteilung und die Größe bzw. mindestens horizontale Breite für das Betrachterfenster vorgegeben sind.
Die Größe des Betrachterfensters ist mindestens eindimensional steuerbar durch das Einschreiben der Streufunktion in die Beugungseinrichtung, oder durch ein defokussiertes Abbilden von Lichtquellen, von welchen mindestens teilweise kohärente Lichtbündel ausgesandt werden. In die Beugungseinrichtung ist deshalb zum defokussierten Abbilden in eine Ebene nahe der Betrachterebene ein sphärischer Phasenverlauf als Beugungsgitter einschreibbar.
In weiterer Ausbildung der Beugungseinrichtung ist eine Linsenfunktion mit einem sphärischen Phasenverlauf als Beugungsgitter einschreibbar, wobei die Größe des Betrachterfensters in der Ebene nahe der Betrachterebene eindimensional in inkohärenter Richtung steuerbar ist.
Ein für Prismen- oder Linsenfunktionen mit Phasenverläufen ansteuerbares Beugungsgitter kann einfallendes Licht nur ablenken bzw. fokussieren. Der vom Betrachterfenster heraus sichtbare Bildinhalt, der eine 3D-Szene holographisch oder autostereoskopisch im 3D Display sichtbar machen kann, wird in einem separaten SLM generiert. Die für einen definierten Betrachterabstand (erfasste Augenposition) vorgegebene Größe eines mit einem angesteuerten Beugungsgitter erzeugten Betrachterfensters ist auf die Pupillengröße eines entsprechend zuordenbaren Betrachters abgestimmt. Indem für die erfassten Augenpositionen in das das steuerbare Material der Beugungseinrichtung Ansteuerwerte so einschreibbar sind, dass eine berechnete Brechungsindex-Änderung erzeugbar wird, können ausgesandte Lichtbündel mit einer Prismenfunktion (laterale Ablenkung) und/oder einer Linsenfunktion (axiale Verschiebung des Betrachterfensters) und/oder einer Streufunktion moduliert werden.
In der Lichtmodulationsvorrichtung kann eine Lichtstreuung für den 2D Modus für lokal erfasste Augenpositionen eines Betrachters erfolgen, während der 3D Modus für andere Augenpositionen von anderen Betrachtern erhalten bleibt. Hierzu wird für den betreffenden Betrachter die entsprechende Streufunktion für die Darstellung einer 3D-Szene in einem 2D-Modus in das steuerbare Material der Beugungseinrichtung eingeschrieben.
Die Beugungseinrichtung kann beispielsweise mindestens eine steuerbare Flüssigkristall-Schicht (Liquid Crystal, LC) als steuerbares Material enthalten, oder eine Schicht eines festen Kristalls, in dem der Brechungsindex steuerbar ist. Ein Betrachterfenster kann mit einem zweidimensional angesteuerten Beugungsgitter an lateral und/oder axial unterschiedlichen Augenpositionen erzeugt werden. Eine vorgegebene Größe bzw. Breite des Betrachterfensters mit z.B. 2 bis 3 cm für einen 3D Modus kann in mindestens axialer Richtung bei einer Abstandsänderung der Augenposition unveränderbar eingehalten werden. Ein Betrachterfenster ist erfindungsgemäß mit einer als Beugungsgitter eingeschriebenen Streufunktion für jeweils erfasste Augenpositionen ansteuerbar erzeugbar.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Display mit einer Lichtmodulationsvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei stereoskopische und/oder holographische Bildinhalte in der Lichtmodulationsvorrichtung steuerbar darstellbar sind. Die Kombination einer steuerbaren Größenänderung eines Betrachterfensters und einer Änderung des Darstellungsmodus in einem erfindungsgemäßen Display mit einer das Licht refraktiv und diffraktiv beeinflussenden steuerbaren Einrichtung ermöglicht es, die Anzahl optischer Mittel im Display vorteilhaft verringern zu können.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher dargestellt und erläutert. In den Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 a in Draufsicht eine Lichtmodulationseinrichtung eines Displays mit
Betrachterfenstern, deren Breite proportional zum Abstand verändert ist, nach dem Stand der Technik,
Fig. 1 b in Draufsicht eine Lichtmodulationseinrichtung mit erzeugten
Betrachterfenstern, deren Breite dem Abstand angepasst ist, gemäß der Erfindung,
Fig. 2a, 3a, 4a Beispiele von Phasenverläufen, mit denen unterschiedliche Größen von Betrachterfenstern steuerbar sind, gemäß der Erfindung,
Fig. 2b, 3b, 4b Beispiele von vorgebbaren horizontalen Intensitätsverteilungen für vorgegebene Größen von Betrachterfenstern, gemäß der Erfindung, und
Fig. 5 ein Schema eines iterativen Transformationsverfahrens zum Ermitteln von Steuerwerten für einen Phasenverlauf, mit dem eine Streufunktion steuerbar einschreibbar ist. In den Figuren sind gleiche Komponenten eines 3D Displays mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Das 3D Display kann jeweils ein holographisches oder autostereoskopisches Display sein.
Die Erfindung geht davon aus, dass durch eine Beugungseinrichtung geführte Lichtbündel mittels Brechungsindexmodulation in einer angesteuerten Schicht der Beugungseinrichtung mit einer Prismen- und/oder einer Linsen- und einer Streufunktion moduliert werden können. Mit diesen Funktionen kann Licht mindestens eindimensional in eine vorgegebene Richtung ausgebreitet bzw. abgelenkt werden. Die Ausbreitung bzw. Ablenkung von Lichtbündeln kann festgelegt werden, indem diese Funktionen in der angesteuerten Schicht, z.B. einem Flüssigkristall (LC) Material, mit Spannungsverläufen als Beugungsgitter mindestens eindimensional steuerbar einschreibbar sind.
Die Beugungseinrichtung weist zum Steuern des steuerbaren Materials ein Elektrodenfeld mit einer Vielzahl von Elektroden auf, die parallel nebeneinander angeordnet und streifen- oder linienförmig ausgestaltet sind.
Das Display umfasst weiterhin eine Lichtmodulationsvorrichtung, mit der auftreffende, mindestens teilkohärente Lichtbündel mit kodierten stereoskopischen oder holographischen Bildern einer 3D Szene bei Ansteuerung mit einer Steuereinrichtung modulierbar sind. Die 3D Szene ist mit einem holographischen Display holographisch rekonstruierbar, oder in einem autostereoskopischen Display dreidimensional wahrnehmbar.
Fig. 1 a und 1 b zeigen in Draufsicht in schematischer Darstellung ein Display mit Betrachterfenstern unterschiedlicher Größe, das ein holographisches oder autostereoskopisches 3D Display sein kann. In Fig. 1 a ist ein Display D mit Betrachterfenstern SP1 , SP2 dargestellt, die eine vorgegebene Größe oder vorgegebene horizontale Breite an einer Augenposition entsprechend einem Abstand d1 und eine proportional veränderte Größe oder horizontale Breite SP1 ', SP2' entsprechend einem anderen Abstand d2 aufweisen. Im Abstand d2 sind die Betrachterfenster so groß, dass sie überlappen können. Betrachteraugen an der Augenposition d2 würden dann ein störendes Übersprechen vom linken Bildinhalt in das rechte Betrachterfenster, und umgekehrt, wahrnehmen. Dieses Übersprechen würde die 3D-Qualität verringern. Dies ist aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Zentren der Betrachterfenster SP1 , SP2, und bevorzugt die Augen, weisen einen typischen Abstand von ca. 65 mm auf. Die Betrachterfenster sollten eine optimale Breite von jeweils 2 - 3 cm aufweisen, mit denen eine 3D Szene im SD- Darstellungsmodus in einem holographischen oder autostereoskopischen Display optimal wahrnehmbar ist.
Das in Fig. 1 b dargestellte erfindungsgemäße Display D weist mindestens eine ansteuerbare Lichtmodulationsvorrichtung und eine Steuereinrichtung auf, mit der ein steuerbarer räumlicher Lichtmodulator und mindestens eine steuerbare Beugungseinrichtung ansteuerbar sind. Die angegebenen Komponenten sind in der Figur nicht im Einzelnen dargestellt.
Die Beugungseinrichtung kann ein steuerbares Material, z.B. ausgerichtete steuerbare Flüssigkristall (LC) Moleküle, aufweisen, das mit Elektroden steuerbar ist. Das Ansteuern des Beugungsgitters soll bevorzugt mittels linearer, parallel nebeneinander angeordneter Elektroden, die eine Matrix bilden können, erfolgen. An jede Elektrode kann eine Spannung angelegt und somit ein Spannungsprofil erzeugt werden. Die LC Moleküle orientieren sich in Abhängigkeit von der Spannung und erzeugen somit ein Brechungsindexprofil. Durch die eingestellte Orientierung können die durch die Beugungseinrichtung durchtretenden Lichtbündel entsprechende Phasenänderungen aufweisen.
Aus der ermittelten Augenposition werden das Brechungsindexprofil und daraus die Spannung für jede Elektrode berechnet, die nötig sind, um die Lichtbündel entweder so abzulenken, dass das Betrachterfenster an der erfassten Augenposition erzeugbar ist. Weiterhin kann zusätzlich ein Phasenverlauf für eine Streufunktion so gesteuert werden, dass mit den Lichtbündeln die Größe des Betrachterfensters für diese erfasste Augenposition steuerbar anpassbar ist.
Dabei kann das steuerbare Material mit einer variierbaren Anzahl von Elektroden so angesteuert werden, dass die Streufunktion mit einem Phasenverlauf mit örtlich wechselbarer Frequenz mindestens eindimensional als Beugungsgitter einschreibbar ist. Die Größe des Betrachterfensters kann auch mit einem zweidimensional angesteuerten Beugungsgitter an lateral und/oder axial unterschiedlichen Augenpositionen erzeugt werden.
Mit den durchtretenden Lichtbündeln können entsprechend Fig. 1 b zwei Betrachterfenster SP1 " und SP2" im Abstand d2 vom Display D gemäß der Erfindung mit einer optimalen vorgegebenen Größe erzeugt werden, die nicht überlappen können. Das Wahrnehmen einer 3D-Szene im 3D Modus ist ohne störendes Übersprechen möglich, wobei unter dem 3D Modus der dreidimensionale Darstellungsmodus des Displays zu verstehen ist. Liegen von der darzustellenden Szene keine rechten und linken Stereobilder vor, oder kann nicht schnell genug für alle Betrachter ein vorgegebener 3D Modus von der Steuereinrichtung angesteuert werden, kann ein 2D Modus im Betrachterfenster durch veränderte Ansteuerung der Beugungseinrichtung realisiert werden. Dafür ist ein Beugungsgitter einzuschreiben, mit dem für durchtretende Lichtbündel ein Streuwinkel vorgebbar ist, mit dem ein beide Augen eines Betrachters überdeckendes Betrachterfenster erzeugbar ist.
So ist erfindungsgemäß durch Ändern einer in ein steuerbares Material eindimensional einzuschreibenden Streufunktion eine 3D/2D Umschaltung für mindestens einen Betrachter mit dem Betrachterfenster ausführbar. Ein Display kann in einer Ausbildung eine Lichtmodulationsvorrichtung aufweisen, bei der ein angesteuerter Streuwinkel für den 2D Modus für ein zweites ermitteltes Augenpaar ansteuerbar einschreibbar ist, während der 3D Modus für ein erstes ermitteltes Augenpaar erhalten bleiben soll. Stereoskopische oder holographische Bilder werden im Lichtmodulator sequentiell angezeigt und können gemeinsam für die Betrachterfenster, die für den ersten und den zweiten Betrachter durch Ansteuerung des Beugungsgitters unterschiedlich groß erzeugbar sind, genutzt werden.
Eine Linsenfunktion wird mit einem sphärischen Phasenverlauf als Beugungsgitter geschrieben, während eine Prismenfunktion mit einem linearen Phasenprofil als Beugungsgitter geschrieben wird. Eine Streufunktion kann gemäß der Erfindung mit Phasenwerten geschrieben werden, die durch zwei verschiedene Verfahren berechenbar sind.
In einem ersten Verfahren werden Zufallsphasenwerte zum Ansteuern der horizontalen Breite bzw. Größe des Betrachterfensters ermittelt bzw. berechnet. Die Streufunktion kann zusätzlich z. B. in eine Beugungseinrichtung geschrieben werden, in die schon eine Linsen- und/oder eine Prismenfunktion eingeschrieben sein kann. Für die Streufunktion wird eine Folge von Zufallsphasen ausgewählt, die Werte von 0 bis 2 π annehmen können und die zufällig aufeinander folgen. Es kann sich auch um eine Folge von Pseudo-Zufallsphasen handeln, bei der die Werte mittels einer Pseudo-Zufallszahlen-Funktion berechnet werden.
Die Größe, oder wenigstens die horizontale Breite, des Betrachterfensters kann durch die Frequenz der Zufallsphasenfolge bzw. mit der Zufallsphasenfolge steuerbare Phasenhübe eingestellt werden. Eine maximale horizontale Breite kann durch Ändern der Phase um einen zufälligen Wert von einer Elektrode zur nächsten benachbarten Elektrode gesteuert werden. Die Berechnung der horizontalen Breite kann auf einfache Weise folgendermaßen erfolgen:
Nach der Formel für die Lichtbeugung sin(0) = K/p für eine Wellenlänge λ = 532 nm und eine Periode p = 1 μι der Elektroden erhält man beispielsweise einen Streuwinkel von Θ = 32°. Aus dem Streuwinkel Θ ergibt sich die maximale Breite w des Betrachterfensters mittels w = tan(0) * d, wobei d der Abstand zwischen der Beugungseinrichtung, bzw. dem 3D Display in Fig. 1 b, und der Betrachterebene ist. In diesem Beispiel erhält man eine horizontale Breite w = 0.44 m für einen Abstand d = 0.7 m. Die Breite w wird vom Zentrum des Betrachterfensters bis zum Rand gemessen, an dem die Intensität auf Null abfällt. Dies gilt für einen Füllfaktor 1 der Beugungseinrichtung, d.h. die Beugungseinrichtung hat keine nicht-transparenten Bereiche.
Eine geringere horizontale Breite w kann beispielsweise erreicht werden, indem eine kleinere Frequenz der Zufallsphasenfolge bzw. mit der Zufallsphasenfolge steuerbare kleinere Phasenhübe einstellbar sind. Hierbei wird beispielsweise die Phase nicht zur nächsten, sondern erst zur übernächsten Elektrode um einen zufälligen Wert geändert. In diesem Beispiel würde sich mit den oben genannten Zahlen und p = 2 pm die Breite w des Betrachterfensters auf w = 0.19 m ungefähr halbieren. Die Phasenänderung kann auch so steuerbar sein, dass eine vorgebbare Anzahl von Elektroden, z. B. zwei oder mehr benachbart zueinander angeordnete Elektroden, mit der gleichen Zufallsphasenfolge steuerbar ist.
Für jede anzusteuernde Elektrode der Beugungseinrichtung werden die Phasenwerte der Linsen-, Prismen- und Streufunktion zu einem Gesamtwert addiert, wenn diese Funktionen gleichzeitig als ein Beugungsgitter angesteuert werden sollen. Wenn der Gesamtwert nicht im Wertebereich zwischen 0 und 2 π liegt, wird so oft 2 π addiert oder subtrahiert, bis der Gesamtwert im Wertebereich zwischen 0 und 2 π liegt. An die Elektrode wird solch eine Spannung angelegt, dass das Beugungsgitter an der entsprechenden Position die Phase um diesen Gesamtwert moduliert.
Ein für die Streufunktion angesteuerte Beugungsgitter weist Phasenhübe auf, die mit wechselbaren Frequenzen abhängig von einem Abstand der erfassten Augenposition ansteuerbar eingeschrieben sind. Mit den Phasenhüben sind für durchtretende Lichtbündel Streuwinkel einstellbar, mit denen die Größe des Betrachterfensters mindestens horizontal bei Ansteuerung abhängig von einem Abstand der erfassten Augenposition zum Lichtmodulator änderbar ist. Weiterhin muss außerdem der mit dem Betrachterfenster darzustellende Modus der 3D Szene vorgegeben sein.
Die Steuerung der horizontalen Breite des Betrachterfensters ist in Fig. 2 und 3 dargestellt. Fig. 2a zeigt beispielhaft die Phasenwerte φ als Funktion der x- Koordinate xLCG, die als Beugungsgitter eingeschrieben sind. Fig. 2b zeigt die Intensitätsverteilung I des Betrachterfensters als Funktion der x-Koordinate xOb in der Betrachterebene für eine Augenposition. Die Phasenwerte sind hochfrequent zwischen Null und 2 π berechnet, wobei ein breites Betrachterfenster steuerbar ist.
Fig. 3a und 3b zeigen im gleichen Maßstab wie in Fig. 2a den im Beugungsgitter eingeschriebenen Phasenwerteverlauf und die Intensitätsverteilung I des Betrachterfensters, wobei die Phasenwerte mit einem Frequenzspektrum mit kleineren Frequenzen zwischen Null und 2π berechenbar sind. Die Anzahl der Phasenhübe (Fig. 3a) für das Betrachterfenster in Fig. 3b ist kleiner als in Fig. 2a. Mit diesen Phasenhüben ist ein Betrachterfenster ansteuerbar, dessen Größe für eine neue Augenposition nur geringfügig änderbar ist. Durch die Wahl des Frequenzspektrums ist die Größe des Betrachterfensters in der Betrachterebene, bei vorgegebener Wellenlänge des Lichts, änderbar. Durch Wahl einer maximalen Frequenz und/oder eines Wertespektrums für die Zufallsphasen lassen sich die Phasenhübe, und damit die Streuwinkel für die Lichtbündel steuern. Mit Phasenhüben, die aus einem Phasenverlauf mit einem kleinen Wertespektrum und/oder einer niedrigen maximalen Frequenz resultieren, kann ein neu anzusteuerndes Betrachterfenster wertmäßig nur gering verändert, verbreitert oder verkleinert, werden. Damit sind die Zufallsphasen zum Ändern der Größe des Betrachterfensters an wechselnde Abstände zwischen dem Display und der Betrachterebene vorteilhaft anzuwenden.
Unter hochfrequenten Phasenhüben ist eine Folge von eingeschriebenen Phasenwerten zu verstehen, die örtlich begrenzt eine große Anzahl von wechselnden Phasenwerten aufweist (Fig. 2a). Bei niedrigfrequenten Phasenhüben ist die Anzahl wechselnder Phasenwerte für diesen örtlich begrenzten Bereich vergleichsweise geringer (Fig. 3a).
Fig. 4a und 4b zeigen eine alternative Darstellung für ein angesteuertes Beugungsgitter, mit dem die Breite des Betrachterfensters verringert werden kann. Anstatt die maximale Frequenz der Phasenwerte zu verringern, kann das Wertespektrum der Phasenwerte verringert werden. Der maximale Phasenwert ist in Fig. 4a z.B. π anstatt 2 π wie in Fig. 2a.
Diese Beispiele sollen das Verfahren der mathematischen Berechnung von Zufallszahlen, die von der optischen Wirkung her mit Zufallsphasenwerten als Beugungsgitter zur Steuerung der Größe oder horizontalen Breite des Betrachterfensters einschreibbar sind, verdeutlichen. Dieses Verfahren hat den Vorteil eines geringen Rechenaufwands, führt jedoch zu einer nicht scharf begrenzten Intensitätsverteilung des Betrachterfensters, die einer Gauss-Funktion ähnelt.
Die Berechnungszeit kann weiter verringert werden durch Auslesen der Phasenwerte aus z.B. Tabellen, in denen für Koordinaten von möglichen Positionen von Betrachteraugen entsprechende Phasenwerte als Steuerwerte gespeichert sind.
Die Phasenverläufe einer in die Beugungseinrichtung einzuschreibenden Streufunktion zum Steuern der Größe bzw. horizontalen Breite des Betrachterfensters können mit einem zweiten Verfahren unter Verwendung iterativer Fouriertransformationen ermittelt werden. Dieses Verfahren benötigt einen größeren Rechenaufwand als das erste Verfahren, jedoch ist ein Betrachterfenster erzeugbar, das eine vorgebbare Intensitätsverteilung mit genau definierten Grenzen für mindestens ein Betrachterauge aufweist. Die Streufunktion kann mittels Fouriertransformation für eine vorgebbare Intensitätsverteilung an mindestens einer Augenposition in der Betrachterebene berechnet werden. Da mit dem eingeschriebenen Beugungsgitter nur die Phase des einfallenden Lichts verändert werden kann, sollten nur reine Phasenwerte mit konstanter Amplitude berechnet und geschrieben werden. Die Berechnung dieser Phasenwerte mit der iterativen Fouriertransformation (IFT) erfordert bekanntermaßen, Fouriertransformationen und inverse Fouriertransformation zwischen der Ebene der Beugungseinrichtung und der Betrachterebene bis zum Erreichen eines Abbruchkriteriums durchzuführen.
Der Ablauf des iterativen Fouriertransformationsverfahrens ist in Fig. 5 schematisch dargestellt und wird nachfolgend kurz erläutert. Transformationen und Rücktransformationen von Matrixwerten, die in zwei Matrizen M1 und M2 vorliegen, werden mit vier Berechnungsschritten eines iterativen Berechnungsvorgangs ausgeführt. Die iterativen Berechnungsvorgänge werden mehrmals wiederholt, wobei die Matrizen M1 und M2 die gleiche Anzahl von komplexen Matrixwerten enthalten. Die Beträge der Matrixwerte von M1 sind die Quadratwurzel der Intensitätsverteilung in der Betrachterebene. Die Phasen der Matrixwerte der Matrix M2 sind die Phasenverteilungen im Beugungsgitter der Beugungseinrichtung. Die Berechnung der Matrizen M1 und M2 kann mit einer ein- oder zweidimensionalen Werteverteilung durchgeführt werden. Die Intensitätsverteilung in der Betrachterebene ist mit einer eindimensionalen Werteverteilung in einer Richtung steuerbar. Wenn zwei Beugungsgitter eindimensional (oder auch ein zweidimensionales Beugungsgitter) in die Ebene der Beugungseinrichtung gekreuzt, das heisst, mit einem 90° Winkel zueinander, ansteuerbar eingeschrieben sind, ist die Intensitätsverteilung der gestreuten Lichtbündel in der Betrachterebene in zwei laterale Richtungen steuerbar. In den Beträgen der komplexen Matrixwerte von M1 sind Amplitudenwerte am Beginn der Iteration enthalten, wobei die Quadratwurzel der Amplitudenwerte der in der Betrachterebene vorzugebenden Intensitätsverteilung entspricht und die Sollwerte von M1 darstellen. Die vorzugebende Intensitätsverteilung wird an den Abtastpunkten der Matrix M1 berechnet. Die Phasen der Matrixwerte von M1 werden auf beliebige Werte gesetzt. Die vier iterativ zu wiederholenden Berechnungsschritte enthalten im Einzelnen:
S1 : eine Fouriertransformation FT von Matrix M1 zu Matrix M2
S2: Setzen der Beträge der Matrixwerte von M2 auf den Wert 1 , die Phasen der
Matrixwerte von M2 werden unverändert gelassen
S3: eine Inverse Fouriertransformation FT von Matrix M2 zu Matrix M1
S4: Setzen der Beträge der Matrixwerte von M1 auf die Sollwerte, die Phasen der
Matrixelemente von M1 werden unverändert gelassen
Die vier Berechnungsschritte werden iterativ wiederholt, wobei die Beträge der Matrixwerte von M1 immer mehr den Sollwerten angenähert werden. Die Iteration wird abgebrochen, wenn die aktuellen Amplitudenwerte nur geringfügig von den Sollwerten abweichen, beispielsweise weniger als 10% vom Abbruchkriterium abweichen. Die nach Abbruch der Iteration vorliegenden Matrixwerte von M2 werden dann zur Ansteuerung der Elektroden verwendet, um einen Streuwinkel und somit ein Betrachterfenster von vorgegebener Größe bzw. horizontaler Breite in einem vorgegebenem Abstand erzeugen zu können.
Wenn die Betrachterebene nicht die Fourierebene des Beugungsgitters ist, wird anstelle der Fouriertransformation FT bzw. der inversen Fouriertransformation FT eine Fresneltransformation zur Berechnung verwendet. Die Transformationen unterscheiden sich in einem sphärischen Phasenverlauf bzw. in einem inversen sphärischen Phasenverlauf, der vom Abstand der Betrachterebene zur Fourierebene des Beugungsgitters abhängt. Mit dem IFT-Verfahren werden die Ansteuerwerte des Beugungsgitters berechnet, mit denen ein Betrachterfenster mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung erzeugbar ist. Insbesondere kann damit ein Betrachterfenster mit einer bevorzugten Breite von ca. 2 cm - 3 cm und einem vorteilhafterweise rechteckigen Intensitätsverlauf durch Ansteuerung von Gitterfunktionen erzeugt werden. Wird ein mit dem IFT-Verfahren berechnetes und den daraus resultierenden Phasenwerten erzeugtes Betrachterfenster an jedem Auge eines Betrachters positioniert, können die Augen mit verschiedenen Intensitätsverteilungen homogen beleuchtet und das Übersprechen von Licht bzw. Bildinhalten auf nicht erfasste Betrachteraugen verringert werden.
Das IFT-Verfahren kann im Display in Echtzeit verwendet werden. Die Matrixwerte der Matrix M2 sind für verschiedene Intensitätsverteilungen in der Betrachterebene des 3D Displays vorteilhafterweise im Voraus berechenbar und in einer Tabelle speicherbar, aus der sie dann bei Bedarf auslesbar sind.
Alternativ können zur Verbreiterung des Betrachterfensters Lichtquellen defokussiert „abgebildet" werden. Hierzu wird eine Linsenfunktion mit solch einer Brennweite in die Beugungseinrichtung ansteuerbar eingeschrieben, dass die Lichtquellen in inkohärenter Richtung in eine Ebene nahe der Betrachterebene abgebildet werden. Somit sind sie in der Betrachterebene unscharf wahrnehmbar, und die Größe des Betrachterfensters ist in der inkohärenten Richtung vergrößerbar.
Zusätzliche optische Streuelemente oder Umschaltelemente für eine 3D/2D Umschaltung können mit der Erfindung vorteilhaft vermieden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Lichtmodulationsvorrichtung für ein Display, das zum Darstellen einer 3D Szene in einem 3D Modus und einem 2D Modus ansteuerbar ist, mit einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator und mindestens einer ansteuerbaren Beugungseinrichtung, die mit einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind, wobei ein Betrachterfenster mit kohärenten Lichtbündeln an wechselnden Augenpositionen erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungseinrichtung Elektroden und ein steuerbares Material aufweist, in das eine Prismen- und/oder Linsenfunktion und eine Streufunktion als Beugungsgitter mit einem Phasenverlauf mindestens eindimensional steuerbar einschreibbar sind, wobei das Beugungsgitter der Streufunktion Phasenhübe aufweist, die mit wechselbaren Frequenzen abhängig zu einem Abstand der erfassten Augenposition angesteuert sind, für welche die vorgegebene Größe des Betrachterfensters für einen vorgegebenen Darstellungsmodus ansteuerbar ist.
2. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Lichtbündel Streuwinkel aufweisen, die mit einer variierbaren Anzahl von gleichzeitig anzusteuernden Elektroden änderbar sind.
3. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Phasenhübe mit einer Folge von Zufallsphasenwerten steuerbar sind, die mit der Steuereinrichtung aus einem Raumfrequenz- und/oder Wertespektrum auswählbar sind.
4. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der das maximale Wertespektrum der Phasenwerte zum Ändern der Größe des Betrachterfensters verringert ist.
5. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der Phasenwerte aus Tabellen, in denen für Koordinaten von möglichen Positionen von Betrachteraugen entsprechende Phasenwerte als Steuerwerte gespeichert sind, auslesbar sind.
6. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Streufunktion als Beugungsgitter in die ansteuerbare Beugungseinrichtung mit Phasenwerten steuerbar einschreibbar ist, die mit dem Verfahren der iterativen Fouriertransformation berechenbar sind.
7. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Berechnung der iterativen Fouriertransformation mit komplexen Matrixwerten erfolgt, die mindestens eine eindimensionale Werteverteilung aufweisen, mit denen mindestens ein Beugungsgitter in die ansteuerbare Beugungseinrichtung in mindestens eine Richtung steuerbar einschreibbar ist, das eine vorgegebene Intensitätsverteilung aufweist.
8. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Größe des Betrachterfensters mindestens eindimensional durch das Einschreiben der Streufunktion in die Beugungseinrichtung, oder durch ein defokussiertes Abbilden von Lichtquellen steuerbar ist, wobei für eine Ebene nahe der Betrachterebene ein sphärischer Phasenverlauf als Beugungsgitter in die ansteuerbare Beugungseinrichtung steuerbar einschreibbar ist.
9. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher die Streufunktion als Beugungsgitter mit einem Phasenverlauf einschreibbar ist, mit dem Streuwinkel zum Erzeugen eines Betrachterfensters für die Betrachteraugen eines Betrachters ansteuerbar sind, für den ein 2D Darstellungsmodus von der Steuereinrichtung vorgegeben ist.
10. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher eine Streufunktion für den 2D Modus für lokal erfasste Augenpositionen eines Betrachters ausgebildet ist, während der 3D Modus für andere Augenpositionen von anderen Betrachtern erhalten bleibt.
1 1 . Display mit einer Lichtmodulationsvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei stereoskopische und/oder holographische Bildinhalte in der Lichtmodulationsvorrichtung steuerbar darstellbar sind.
12. Display nach Anspruch 1 1 , bei dem die Lichtmodulationsvorrichtung eine Beugungseinrichtung aufweist, mit der Betrachterfenster für mindestens zwei Betrachter ansteuerbar sind, wobei beim Betreiben des Displays im 3D-Modus die Größe der zwei Betrachterfenster für Augenpositionen zum Darstellen einer 3D Szene gleichzeitig steuerbar änderbar sind.
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