DE102006059400A1

DE102006059400A1 - Display-Einrichtung zur Erzeugung von Rekonstruktionen dreidimensionaler Darstellungen

Info

Publication number: DE102006059400A1
Application number: DE102006059400A
Authority: DE
Inventors: Norbert Leister
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: KR101398150B1; JP2010512551A; DE102006059400B4; US8547615B2; KR20090089412A; TW200839290A; TWI376527B; US20100097671A1; WO2008071588A1; CN101600982A; CN101600982B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Display-Einrichtung zum Rekonstruieren von dreidimensionalen Darstellungen, aufweisend ein Gestell mit einem Vorderseitenbereich und zwei Seitenbereichen, wobei der Vorderseitenbereich den Augenpositionen zugeordnet ist. Gemäß der Erfindung weist der Vorderseitenbereich (3) einen Aufbau auf, in dem sich Lichtmittel (13, 14), mindestens ein optisches System (12, 15; 46, 47) sowie mindestens ein mit komplexwertigen Informationen kodierbarer Lichtmodulator (16, 17; 31, 32; 33, 34) befindet. Der Lichtmodulator (16, 17; 3finierten Betrachterfensters (18, 19) oder jeweils im Bereich nahe vor dem Betrachterfenster (18, 19) zur Abbildung oder Transformation in das Betrachterfenster (18, 19), das derart festgelegt ist, dass dessen Größe zumindest einem Teil des Bewegungsbereiches einer Augenpupille (20, 21) des jeweiligen Auges (7, 8) entspricht, und wobei eine Kodiervorrichtung (26) den Lichtmodulator (16, 17; 31, 32; 33, 34) so kodiert, dass sich im Betrachterfenster (18, 19) komplexe Wellenfronten zur Visualisierung befinden und die Rekonstruktion der dreidimensionalen Darstellung in einem Betrachterraum sichtbar wird, der durch das Betrachterfenster und den Lichtmodulator aufgespannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Display-Einrichtung zur Erzeugung von Rekonstruktionen dreidimensionaler Darstellungen – Objekte und Szenen –, aufweisend ein helmartiges oder brillenartiges Gestell mit zumindest einem Vorderseitenbereich und zwei voneinander beabstandeten Seitenbereichen, wobei der Vorderseitenbereich den Positionen der Augen zugeordnet ist.
Es ist eine an einem Helm gehalterte Display-Vorrichtung (engl. helmet mounted display) in der Druckschrift US 5 257 094 beschrieben, wobei in der Display-Vorrichtung optische Elemente, z. B. Spiegel und Strahlteiler, und auch holografische Elemente im Vorderseitenbereich enthalten sind, die eine Durchlässigkeit in Bezug auf sowohl von außerhalb vorgegebenen Größen als auch überlagerten Display-Informationen aus zwei an den Seitenbereichen vorhandenen Mini-Katodenstrahlröhren verbessern sollen. Zur Display-Vorrichtung gehört des Weiteren eine kombinierte Sammellinse. Die optische Verbindung zwischen dem Informationen ausgebenden Bildschirm der Mini-Katodenstrahlröhren und den zugeordneten Betrachterpupillen ist derart gestaltet, dass das Gewicht des Helmes einschließlich der Display-Vorrichtung verringert wird.
Ein Problem besteht darin, dass trotz der Bemühungen um eine Gewichtsverringerung der Display-Vorrichtungsaufbauten auf dem Helm eine weitgehend starke Belastung des Betrachters durch das noch bestehende Gesamtgewicht des Helmes vorhanden ist. Dabei beschränkt sich die Display-Vorrichtung auf die vorgegebene Anordnung von optischen und holografischen Fertigteilen.
Ein kopfgetragenes stereoskopisches Sichtgerät (engl. head mounted display – HMD) ist in der Druckschrift US 4 933 755 beschrieben, wobei auf Flüssigkristalldisplays für das rechte und linke Auge jeweils ein linkes bzw. rechtes Stereobild dargestellt werden. Damit wird die Betrachtung stereoskopischer Videobilder ermöglicht, ohne dass wie bei stereoskopischen Direktsichtdisplays das Problem der optischen Trennung dieser Bilder für das jeweilige Auge auftritt.
Des Weiteren ist eine kopfgetragene Display-Einrichtung in der Druckschrift US 6 674 493 beschrieben, bei der für beide Augen ein gemeinsames Flüssigkristalldisplay vorhanden ist und das Stereobild zeitsequentiell über einen aktiven Strahlteiler beiden Augen zur Verfügung gestellt wird.
Ein Problem der stereoskopischen kopfgetragenen Display-Einrichtungen besteht darin, dass sie zwar ein Stereobild erzeugen, das aber alle Nachteile der stereoskopischen Bilderzeugung besitzt, insbesondere die fehlende Akkomodationsmöglichkeit des Auges auf ein Objekt mit echter Tiefe, wie sie in holografischen Displays gegeben ist, in dem dreidimensionale Objekte von computergenerierten Videohologrammen rekonstruiert werden.
Es ist auch ein Verfahren und eine Einrichtung zum Berechnen computergenerierter Videohologramme in der Druckschrift DE 10 2004 063 838 A1 beschrieben, wobei die Rekonstruktionen der in einem Lichtmodulator kodierten Hologramme von einem Betrachter von Betrachterfenstern aus gesehen werden können und wobei in den Betrachterfenstern jeweils eine bestimmte komplexe Amplituden- und Phasenverteilung vorhanden ist, die demjenigen Licht entspricht, das von einer realen dreidimensionalen Szene ebenfalls an diese Stellen gelangen würde. Der Betrachter sieht dann die Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene durch das Betrachterfenster, wobei im Allgemeinen je Betrachter zwei separate Betrachterfenster vorhanden sind, eines für das linke und eines für das rechte Auge.
Die Berechnung der Wellenfronten in den Betrachterfenstern erfolgt dadurch, dass eine dreidimensionale Szene innerhalb eines Sichtkegels (engl. frustrum), also eines kegelförmigen Raumbereiches, virtuell in Ebenenschnitte zerlegt, durch Transformationen die Lichtausbreitung aus diesen Ebenen in eine Betrachterebene berechnet und dort in einem Betrachterfenster (engl. viewing window) aufsummiert wird. Die Größe des Betrachterfensters kann auf ungefähr die Größe eines Auges bzw. einer Augenpupille beschränkt sein.
Bei der Rekonstruktion können die für die Sichtbarmachung einer bestimmten dreidimensionalen Darstellung – Objekte und/oder Szenen – in den Betrachterfenstern erforderlichen Wellenfronten auf zwei verschiedene Arten erzeugt werden:
Erstens entweder direkt durch Kodierung der komplexen Wellenfront der dreidimensionalen Darstellung in einem Lichtmodulator, der sich außerhalb der Betrachterebene befindet und in das jeweilige Betrachterfenster abgebildet wird, oder zweitens indirekt durch Kodierung der Transformation der komplexen Wellenfront der dreidimensionalen Darstellung als Hologramm in einen ebenfalls außerhalb der Betrachterebene befindlichen Lichtmodulator und Rücktransformation der komplexen Wellenfront in das jeweilige Betrachterfenster.
In beiden Fällen erfolgt die Abbildung bzw. die Rücktransformation der im Lichtmodulator kodierten Information in das Betrachterfenster über ein optisches System, das als Bildschirm bezeichnet wird. In der Regel ist es das Ziel, eine möglichst große Bildschirmfläche, z. B. 20 Zoll oder mehr, und Betrachterabstände in der Art eines Desktop Displays oder Fernsehempfängers zu erzielen. Auf dieser Fläche entsteht entweder eine Transformierte der im Lichtmodulator kodierten komplexen Wellenfront, wie im ersten Fall, oder es wird eine vergrößerte Abbildung des im Lichtmodulator kodierten Hologramms erzeugt, wie im zweiten Fall.
In beiden Fällen ist der Sichtkegel durch den Blickwinkel des Betrachters auf die Bildschirmfläche gegeben. Die Position des Betrachters zur Bildschirmfläche ist dabei für Abstände vorgesehen, die denen eines Desktop Displays oder eines Fernsehempfängers entsprechen. In beiden Arten von holografischen Direktsicht-Displays kann sich ein Betrachter relativ zu der Bildschirmfläche bewegen, wobei er aus verschiedenen Positionen eine Rekonstruktion der dreidimensionalen Darstellung sehen kann.
Probleme der bekannten holografischen Direktsicht-Displayvorrichtungen bestehen darin, dass sie unter anderem erfordern, dass sich mit dem Betrachter auch die Lage des Betrachterfensters im Raum bewegt, also eine Nachführung erfolgt mit den dafür erforderlichen Vorrichtungen, z. B. Komponenten zur Detektion der Augenposition und optischen Komponenten zur Nachführung des Betrachterfensters. Außerdem wird eine große Bildschirmfläche benötigt. Das macht die holografischen Display-Vorrichtungen vergleichsweise aufwendig und teuer in der Herstellung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Display-Einrichtung zur Erzeugung von Rekonstruktionen dreidimensionaler Darstellungen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass der Aufwand zur Herstellung der Display-Einrichtung verringert werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7 gelöst.
In der Display-Einrichtung zur Erzeugung von Rekonstruktionen dreidimensionaler Darstellungen, aufweisend ein helmartiges oder brillenartiges Gestell mit zumindest einem Vorderseitenbereich und zwei voneinander beabstandeten Seitenbereichen, wobei der Vorderseitenbereich den Positionen der Augen zugeordnet ist,
weist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
zumindest der Vorderseitenbereich einen Aufbau auf, in dem sich mindestens eine Lichtquelle, mindestens ein optisches System sowie mindestens ein mit komplexwertigen Informationen kodierbarer Lichtmodulator befinden, wobei der Lichtmodulator jeweils an der Stelle eines definierten Betrachterfensters oder jeweils im Bereich nahe vor dem Betrachterfenster zur Abbildung in das Betrachterfenster positioniert ist, das derart festgelegt ist, dass dessen Größe zumindest einem Teil des Bewegungsbereiches einer Augenpupille des jeweiligen Auges entspricht, und wobei der Lichtmodulator an eine Kodiervorrichtung angeschlossen ist, in der von den dreidimensionalen Darstellungen Wellenfronten berechnet werden, mit denen der Lichtmodulator direkt kodierbar ist, so dass sich im Betrachterfenster komplexe Wellenfronten zur Visualisierung befinden.
Dabei können Darstellungen als allgemeiner zutreffender Begriff räumliche Objekte und räumliche Szenen in ihrer jeweils stationären Position als auch in bewegtem Zustand in Form von realen Gegebenheiten als auch von filmischen oder Video-Aufzeichnungen umfassen.
Die Kodierflächen der in den Betrachterfenstern der Betrachterebene angeordneten Lichtmodulatoren sind mit komplexen Werten von Wellenfronten aus Amplitude und Phase oder daraus abgeleiteten Werten aus der Kodiervorrichtung kodierbar, wobei ein Lichtmodulator direkt im oder vor dem Betrachterfenster des linken Auges und ein zweiter Lichtmodulator direkt im oder vor dem Betrachterfenster des rechten Auges positioniert sind.
Zum Kodieren der komplexen Werte der Wellenfronten in den Betrachterfenstern kann eine Kombination aus Amplituden- und/oder Phasen-Lichtmodulatoren vorgesehen sein, die mittels eines Strahlteilers oder durch Abbildung eines der Lichtmodulatoren auf den jeweils anderen Lichtmodulator ausgebildet sind.
Die Amplituden-Lichtmodulatoren können z. B. außerhalb der Betrachterebene im Bereich nahe der Betrachterfenster angeordnet sein, und die Phasen-Lichtmodulatoren, überlagert vom Modulatorbild des Amplituden-Lichtmodulators, können sich direkt in der Betrachterebene befinden, wobei die Kodierflächen der Amplituden-Lichtmodulatoren auf den jeweils zugeordneten Phasen-Lichtmodulator mittels einer Abbildungsoptik als Modulatorbild abgebildet werden.
Die Kodierfläche eines Lichtmodulators kann derart festgelegt sein, dass deren Größe dem gesamten Bewegungsbereich der Augenpupille innerhalb des Auges entspricht, damit bei Bewegungen der Augenpupille ohne Unterbrechung eine Rekonstruktion der dreidimensionalen Darstellungen sichtbar ist.
Die Kodierflächen der Lichtmodulatoren können dabei vorzugsweise die gleiche Größe haben wie die Flächen der Augenpupillen.
In einer zweiten Display-Einrichtung zur Erzeugung von Rekonstruktionen dreidimensionaler Darstellungen, aufweisend ein helmartiges oder brillenartiges Gestell mit zumindest einem Vorderseitenbereich und zwei voneinander beabstandeten Seitenbereichen, wobei der Vorderseitenbereich den Positionen der Augen zugeordnet ist,
weist gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 7
zumindest der Vorderseitenbereich einen Aufbau auf, in dem sich mindestens eine Lichtquelle, mindestens ein optisches System sowie mindestens ein mit komplexwertigen Informationen kodierbarer Lichtmodulator befinden, wobei der Lichtmodulator außerhalb der Betrachterebene nahe vor dem Betrachterfenster positioniert ist, das derart festgelegt ist, dass dessen Größe zumindest einem Teil des Bewegungsbereiches einer Augenpupille des jeweiligen Auges entspricht, und wobei der Lichtmodulator an eine Kodiervorrichtung angeschlossen ist, in der von den dreidimensionalen Darstellungen Wellenfronten berechnet werden, die als Hologramme im Lichtmodulator kodierbar sind, wobei durch das optische System die Hologramme ins Betrachterfenster transformiert werden, so dass sich im Betrachterfenster komplexe Wellenfronten zur Visualisierung befinden.
Auch in der zweiten erfindungsgemäßen Display-Einrichtung können Darstellungen als allgemeiner zutreffender Begriff räumliche Objekte und räumliche Szenen in ihrer jeweils stationären Position als auch in bewegtem Zustand in Form von realen Gegebenheiten als auch von filmischen oder Video-Aufzeichnungen umfassen.
Bei einem Einsatz von nur einem Lichtmodulator in dem optischen Teil ist der Lichtmodulator quer zur Mittenachse angeordnet, dem eine Lichtquelle und ein optisches System vorgeordnet sind, wobei ein nachfolgend platzierter Strahlteiler sowie dazu zwei seitlich angeordnete und voreinander beabstandete sowie zu den Augenpupillenachsen geneigte Reflektoren vor der Betrachterebene angeordnet sind und wobei die Kodierfläche des Lichtmodulators mittels des optischen Systems und des Strahlteilers in die beiden Betrachterfenster transformiert wird, wobei im Strahlengang eine Umschalteinrichtung vorgesehen ist, die die in der Kodierfläche des Lichtmodulators wechselnden komplexen Informationen mit einer vorgegebenen Frequenz abwechselnd in das linke und rechte Betrachterfenster umschaltet.
Die Umschalteinrichtung kann als eine von der Kodiervorrichtung frequenzgesteuerte Strahlbündel-Ablenkeinrichtung ausgebildet sein.
Die Umschalteinrichtung kann sowohl im ungeteilten Strahlengang als auch im geteilten Strahlengang platziert sein.
Im optischen Teil mit mindestens einer Lichtquelle, mindestens einem Lichtmodulator, einem als Beleuchtungsoptik ausgebildeten optischen System sowie mit den jeweiligen erzeugten Wellenfronten in den Betrachterfenstern kann sich mindestens ein Element oder eine Baugruppe als Blende befinden, die auftretendes störendes Beugungslicht zwischen beiden Augen blockiert und damit ein Übersprechen verhindert.
Die folgenden Angaben beziehen sich auf beide erfindungsgemäße Display-Einrichtungen gemäß der Patentansprüche 1 und 7:
Die Lichtmodulatoren können wahlweise eine kontinuierliche oder pixelierte Kodierfläche haben, wobei die Pixel amplituden- und/oder phasenkodierbare Flächenelemente sind.
Zwischen einem Lichtmodulator und einem Auge kann mindestens ein winkelselektives Element in Form eines passiven oder eines aktiven optischen Elementes eingefügt sein, das nur Licht, das unter kleinen Winkeln vom Lichtmodulator ausgeht, durchlässt.
Bei einem Einsatz von zwei Lichtmodulatoren im optischen Teil der zweiten erfindungsgemäßen Display-Einrichtung kann zwischen dem einen Lichtmodulator und dem einen Betrachterfenster einerseits und dem anderen Lichtmodulator und dem anderen Betrachterfenster andererseits eine Filtereinheit oder eine Blende eingefügt sein, wobei ein kompakter Aufbau mit kurzbrennweitigen Linsen vorgesehen ist.
Die Kodiervorrichtung kann zumindest einen Computer und Speicher sowie programmtechnische Mittel zur Durchführung der Berechnungen der Kodierinformationen für die einzelnen Pixel der Kodierfläche/Kodierflächen der zutreffenden Lichtmodulatoren besitzen.
Der oder die Lichtmodulatoren für jeweils ein Auge stehen mit mindestens einer Lichtquelle in Verbindung, die hinreichend kohärentes Licht zu den Lichtmodulatoren führt.
Bei Farbrekonstruktionen können die Lichtquellen jeweils aus drei Teillichtquellen mit grünem, rotem und blauem Spektrum bei wahlweisem zeitlichem Multiplexing zusammengesetzt sein.
Das Gestell kann mindestens ein Halterungselement besitzen.
Sowohl transparente als auch reflektive optische Teile können im Vorderseitenbereich eingesetzt sein, wobei die optischen Teile mit wenigen Komponenten, insbesondere mechanischen Mitteln sowie den Halterungselementen fest am Gestell montiert sind.
Als Gestell können wahlweise ein Helm, eine Brille oder eine minimal ausgestattete Halterungsanordnung zumindest für den optischen Teil vorgegeben sein, wobei die Display-Einrichtung wahlweise sowohl eine brillenartige Ausbildung (engl. face mounted display) oder eine helmunterstützte (engl. helmet mounted display) Feststand-Ausbildung darstellt oder in mobiler Tragweise mit dem Helm und/oder dem Kopf (engt. head mounted display) des Betrachters fest verbunden ist.
Zwischen einem Lichtmodulator und mindestens einem Halterungselement des Gestells kann eine Justiereinrichtung und zwischen einem Lichtmodulator und der zugehörigen Lichtquelle kann eine Arretiereinrichtung vorhanden sein, wobei mit der Justiereinrichtung und der Arretiereinrichtung der Lichtmodulator sowie der zugehörige optische Teil mit Lichtquelle und optischem System in Relation zur Betrachterebene und/oder der Display-Einrichtungs-Mittenachse sowie den dazu parallelen Augenpupillenachsen einstellbar und arretierbar ist.
Zwischen den Justiereinrichtungen und den Arretiereinrichtungen und dem optischen Teil und den Halterungselementen sind weitgehend mechanische Verbindungen zur Einstellung ihrer Positionen vorhanden, und die Lichtquellen und die Lichtmodulatoren sind über elektrische Verbindungsleitungen mit der Kodiervorrichtung und mit der Energieversorgung verbunden.
Wenn der Betrachter die erfindungsgemäße Display-Einrichtung als kopfgehalterte Display-Einrichtung fest auf dem Kopf montiert trägt, entfallen beispielsweise aufwendige Vorrichtungen zur Detektion der momentanen Kopf- und Augenposition und zum Nachführen des Betrachterfensters in der Betrachterebene, da die kopfgehalterte Display-Einrichtung sich bei Betrachterbewegung automatisch mitbewegt und ihre Position relativ zum Auge fest bleibt.
Es ist aber auch möglich, auf Bewegungen des Betrachters zu reagieren, indem zum Beispiel zumindest ein ins Gestell eingebrachter Sensor Kopfbewegungen registriert, dessen Signale an die Kodiervorrichtung übermittelt und daraufhin wechselnde Inhalte auf den Lichtmodulatoren dargestellt werden. Im Bereich des Gestells kann somit mindestens ein Sensor vorhanden sein, der bei Kopfbewegungen entsprechend der Änderung des Blickwinkels des Betrachters Signale an die Kodiervorrichtung weiterleitet, so dass die Informationen für die Kodierung der Lichtmodulatoren verändert werden.
Dem Gestell kann wahlweise mindestens eine Audiosignaleinrichtung zugeordnet sein, deren Audiosignalabgabe konform mit der Kodierung der Wellenfronten in den jeweiligen Lichtmodulatoren geschaltet ist.
Die Berechnung der in den Lichtmodulatoren kodierten Hologramme für die zweite erfindungsgemäße Display-Einrichtung erfolgt analog zu der Weise, wie sie im Stand der Technik sowie in den älteren Patentanmeldungen – mit Sichtkegel, Ebenenschnitte, Transformation in das Betrachterfenster und in die Modulatorebene – beschrieben ist, die aber im Gegensatz zu diesen für die augennahe oder heimunterstützte Display-Einrichtung (engl. helmet mounted device – HMD), also für einen sehr kleinen Abstand des Lichtmodulators vom Auge des Betrachters ausgelegt ist.
In der Display-Einrichtung werden die Vorteile der oben erwähnten Hologrammberechnung, nämlich eine Beschränkung des Betrachterfensters auf ein Auge, woraus sich im Vergleich zu den bekannten holografischen Display-Vorrichtungen geringe Anforderungen an die Auflösung des Lichtmodulators ergeben, mit den Vorteilen eines vergleichsweise einfachen optischen Aufbaus mit wenigen kleinen Komponenten kombiniert.
Unter Verwendung der Berechnungs- und Kodierungsverfahren für die Wellenfronten bzw. Hologramme ergeben sich zwei hauptsächliche erfindungsgemäße Display-Einrichtungen:
Bei der ersten Display-Einrichtung befindet sich ein Lichtmodulator direkt in der Betrachterebene oder es erfolgt eine Abbildung des Lichtmodulators über eine kurze Entfernung von typischerweise wenigen Zentimetern in die Betrachterebene. Es werden direkt die komplexen Werte der Wellenfront im Betrachterfenster in den Lichtmodulator mittels der Kodiervorrichtung eingeschrieben. Dabei muss dann keine zusätzliche Transformation in die Betrachterebene erfolgen.
Bei der zweiten Display-Einrichtung erfolgt dagegen eine Transformation der als Hologramm kodierten komplexen Werte der Wellenfront von der Ebene des Lichtmodulators in die Betrachterebene, wobei der Lichtmodulator sich in kleinem Abstand – vorzugsweise einige Zentimeter – vor der Betrachterebene befindet.
Für die Berechnung der Hologramme sind außerdem auch Kombinationen mit anderen bekannten Verfahren einsetzbar, z. B. solchen, bei denen direkt Subhologramme für jeden Darstellungspunkt in einer gemeinsamen Ebene berechnet werden, z. B. auch über Look-up-Tabellen, und dann alle Subhologramme zu einem Gesamthologramm aufaddiert werden.
Die Berechnung der Subhologramme kann für die Kodierfläche des Lichtmodulators erfolgen. Sie kann aber auch in einer anderen Ebene erfolgen und dann die Summe aller Subhologramme in die Kodierfläche des betreffenden Lichtmodulators transformiert werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die einzelnen Subhologramme typischerweise in der Kodierfläche des Lichtmodulators eine große Ausdehung haben, was eine Berechnung aufwendig machen würde, in einer anderen Ebene aber kleiner sind, was die Berechnung erleichtert.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
1 eine erste erfindungsgemäße Display-Einrichtung mit zwei in den Betrachterfenstern der Betrachterebene und unmittelbar vor den Augenpupillen angeordneten Lichtmodulatoren in einer Draufsicht in schematischer Form,
2 einen optischen Teil der Display-Einrichtung in schematischer Form nach 1 mit jeweils einem in den Betrachterfenstern der Betrachterebene angeordneten Phasen-Lichtmodulator vor den Augenpupillen, wobei auf die jeweiligen Phasen-Lichtmodulatoren ein im Bereich vor den Betrachterfenstern angeordneter Amplituden-Lichtmodulator abgebildet wird,
3 eine Lichtmodulatoranordnung nach 1 mit zwei in den Betrachterfenstern der Betrachterebene und unmittelbar vor den Augenpupillen angeordneten Lichtmodulatoren, die die Größe der Augenpupillen aufweisen, in schematischer Form,
4 eine Lichtmodulatoranordnung im optischen Teil nach 1 mit zwei in den Betrachterfenstern der Betrachterebene und unmittelbar vor den Augenpupillen angeordneten Lichtmodulatoren, wobei zwischen den Lichtmodulatoren und den Augenpupillen jeweils ein winkelselektives Element platziert ist, in schematischer Form,
5 eine auf den optischen Teil abgerüstete zweite erfindungsgemäße Display-Einrichtung mit zwei im Bereich nahe vor den Betrachterfenstern und außerhalb der Betrachterebene angeordneten Lichtmodulatoren, wobei zwischen den beiden parallelen Strahlengängen im Bereich zwischen Lichtmodulator und Augenpupille eine Blende zur Vermeidung von Übersprechen parallel gerichtet angebracht ist, in schematischer Form,
6 den Vorderseitenbereich mit einem Lichtmodulator außerhalb der Betrachterebene im Bereich nahe den Betrachterfenstern mit einer Lichtquelle nach dem Prinzip in 5 und einem Strahlteiler zur wechselseitigen Beleuchtung des Lichtmodulators in die Betrachtungsfenster in schematischer Form,
7 einen Sichtkegel vom Betrachterfenster aus bei Visualisierung eines dreidimensionalen Objektbildes bei unterschiedlich großen Lichtmodulatoren mit verschiedenen Abständen zum Betrachterfenster,
8 von zwei Betrachterfenstern für zwei Augen und von den Augenpupillenachsen abweichende, leicht unterschiedliche Sichtkegel für einen gemeinsamen Lichtmodulator in verschiedenen Abständen zum Betrachter und
9 Sichtkegel mit je einem separaten kleinen Lichtmodulator im Bereich nahe vor jedem Auge, wobei der gleiche Sichtkegel für jedes Auge bei gleichem dreidimensionalem Objektbild erhalten wird wie bei einem einzelnen weit entfernten großen Lichtmodulator nach den 7 oder 8.
In 1 ist eine erste erfindungsgemäße Display-Einrichtung 1 zur Erzeugung von Rekonstruktionen dreidimensionaler Darstellungen in schematischer Form gezeigt, die ein helmartiges oder brillenartiges Gestell 2 mit zumindest einem Vorderseitenbereich 3 und zwei voneinander beabstandeten Seitenbereichen 5, 6 aufweist, wobei der Vorderseitenbereich 3 den Positionen der Augen 7, 8 zugeordnet ist und das Gestell 2 mehrere Halterungselemente 9, 10, 11 besitzt.
Erfindungsgemäß weist zumindest der Vorderseitenbereich 3 einen Aufbau auf, in dem sich zwei Lichtquellen 13, 14, jeweils ein optisches System 12, 15 sowie zwei mit komplexwertigen Informationen kodierbare Lichtmodulatoren 16, 17 befinden, wobei die Lichtmodulatoren 16, 17 jeweils an der Stelle eines definierten Betrachterfensters 18, 19, wie in 1 gezeigt ist, oder im Bereich nahe vor dem Betrachterfenster 18, 19 zur Abbildung in das Betrachterfenster 18, 19, wie in 2 gezeigt ist, positioniert sind, wobei ein Betrachterfenster 18, 19 derart festgelegt ist, dass dessen Größe zumindest einem Teil des Bewegungsbereiches einer Augenpupille 20, 21 des jeweiligen Auges 7, 8 entspricht, und wobei die Lichtmodulatoren 16, 17 an eine Kodiervorrichtung 26 angeschlossen sind, in der von den dreidimensionalen Darstellungen Wellenfronten berechnet werden, mit denen die Lichtmodulatoren 16, 17 kodierbar sind, so dass sich in den Betrachterfenstern 18, 19 komplexe Wellenfronten zur Visualisierung befinden.
Zwischen den Lichtmodulatoren 16, 17 und den Halterungselementen 9, 10, 11 des Gestells 2 kann jeweils eine Justiereinrichtung 22, 23 und zwischen den Lichtmodulatoren 16, 17 und den Lichtquellen 13, 14 kann jeweils eine Arretiereinrichtung 24, 25 vorhanden sein.
Mit den Justiereinrichtungen 22, 23 und den Arretiereinrichtungen 24, 25 können die Lichtmodulatoren 16, 17 sowie die Lichtquellen 13, 14 und die optischen Systeme 12, 15 in Relation zur Betrachterebene 4 und/oder der Display-Einrichtungs-Mittenachse 28 sowie den dazu parallelen Augenpupillenachsen 29, 30 eingestellt und arretiert werden.
Während zwischen den Justiereinrichtungen 22, 23 und den Arretiereinrichtungen 24, 25 weitgehend mechanische Verbindungen (durchgehend gezeichnet) mit den optischen Systemen 12, 15 und den Halterungselementen 9, 10, 11 in Verbindung stehen, sind die Lichtquellen 13, 14 und die Lichtmodulatoren 16, 17 über elektrische Verbindungsleitungen (gestrichelt gezeichnet) mit der Kodiervorrichtung 26 und einer Energieversorgung 27 verbunden.
Die Kodiervorrichtung 26 besitzt zumindest einen Computer und Speicher sowie programmtechnische Mittel zur Durchführung der Berechnungen der Kodierinformationen für die einzelnen Pixel der Kodierfläche/Kodierflächen der zutreffenden Lichtmodulatoren 16, 17.
In der ersten erfindungsgemäßen Display-Einrichtung 1 in 1 sind die Lichtmodulatoren 16, 17 in den Betrachterfenstern 18, 19 der Betrachterebene 4 angeordnet. Damit können komplexe Werte der Wellenfront aus der Kodiervorrichtung 26 in die Kodierflächen der beiden Lichtmodulatoren 16, 17 eingeschrieben werden, wobei ein erster Lichtmodulator 16 direkt im ersten Betrachterfenster 18 des linken Auges 7 und ein zweiter Lichtmodulator 17 direkt im zweiten Betrachterfenster 19 des rechten Auges 8 positioniert ist.
Zum Einschreiben der komplexen Werte der Wellenfront kann auch eine Kombination aus Amplituden- und/oder Phasen-Lichtmodulatoren vorgesehen sein, die beispielsweise mittels eines Strahlteilers verbunden oder durch Abbildung eines Lichtmodulators auf einen anderen Lichtmodulator ausgebildet sind. Das ist aber je nach vorgesehenem Einsatz der vorhandenen programmtechnischen Mittel in der Kodiervorrichtung 26 sowie von der Ausbildung des optischen Teils der Display-Einrichtung 1 abhängig.
Beispielsweise können, wie in 2 gezeigt ist, die Amplituden-Lichtmodulatoren 31, 32 auf Phasen-Lichtmodulatoren 33, 34 mittels optischer Systeme 46, 47 abgebildet werden, wobei sich die Phasen-Lichtmodulatoren 33, 34 direkt in der Betrachterebene 4 und auch die Modulatorbilder 35', 36' der Amplituden-Lichtmodulatoren 31, 32 in der Betrachterebene 4 befinden. Die Amplituden-Lichtmodulatoren 31, 32 selbst sind mit ihren Kodierflächen 35, 36 aber außerhalb der Betrachterebene 4 im Bereich nahe der Betrachterfenster 18, 19 angeordnet. Die Kodierflächen 35, 36 der Amplituden-Lichtmodulatoren 31, 32 werden von den Lichtquellen 13, 14 über eine jeweilige optische Beleuchtungsoptik 58, 59 beleuchtet.
Besteht nicht die Möglichkeit, einen Lichtmodulator oder eine Kombination von Lichtmodulatoren zu verwenden, die das vollständige Einschreiben komplexer Werte ermöglichen, so können die komplexen Werte der Wellenfront auch angenähert dargestellt werden, z. B. durch eine reine Phasenverteilung, die in einen Phasen- Lichtmodulator eingeschrieben werden kann. Es ergeben sich dann Abweichungen, insbesondere bei holografischer Kodierung, zwischen den Ist- und den Sollwerten der Wellenfronten in den Betrachterfenstern 18, 19, was dazu führt, dass die Rekonstruktion fehlerbehaftet sein kann. Zur Korrektur ist dann eine Kombination mit Verfahren zur Optimierung solcher Kodierungen möglich, wie sie im Zusammenhang mit Phasenhologrammen üblich ist, z. B. iterative Verfahren.
Der oder die Lichtmodulatoren 16, 17; 31, 32; 33, 34 für jeweils ein Auge 7, 8 werden mit hinreichend kohärentem Licht beleuchtet. Ein Beispiel dafür kann ein auf die Größe des Lichtmodulators 16, 17; 31,32; 33, 34 mittels der Beleuchtungsoptik 58, 59 aufgeweiteter Laserstrahl sein. Auch eine Farbrekonstruktion kann mit den dafür üblichen Verfahren, beispielsweise mit zeitlichem Multiplexing roter, grüner und blauer Lichtquellen, erfolgen. Der Aufbau des optischen Teils kann im Wesentlichen dann für jedes Auge 7, 8 nur aus der oder den Lichtquellen 13, 14, einer Abbildungsoptik 12, 15 und einem Lichtmodulator 16,17 bestehen, wobei bei Farbrekonstruktionen die Lichtquellen 13, 14 jeweils aus den drei Teillichtquellen, z. B. aus LED, bestehen können.
Des Weiteren können sowohl transparente als auch reflektive erfindungsgemäße Display-Einrichtungen ausgebildet sein. Ein solcher Aufbau mit wenigen Komponenten kann mit mechanischen Mitteln – den Halterungselementen 9, 10, 11 – fest auf einem Gestell (Helm oder Brille) am Kopf des Betrachters oder einem fest gehalterten Gestell montiert werden. Es ist dabei vorteilhaft, die Größe des Lichtmodulators 16, 17 und damit des Betrachterfensters 18, 19 so zu wählen, dass dessen Größe dem gesamten Bewegungsbereich der Augenpupille 20, 21 innerhalb des Auges 7, 8 entspricht, damit bei Bewegungen der Augenpupille 20, 21 ohne Unterbrechung eine Rekonstruktion gesehen werden kann.
In einem weiteren schematischen Ausführungsbeispiel der ersten erfindungsgemäßen Display-Einrichtung, wie in 3 gezeigt ist, können die Lichtmodulatoren 16, 17 die gleich große Kodierfläche haben wie die Flächen der Augenpupillen 20, 21 groß sind, wobei aber bei bestimmten Bewegungen der Augenpupille 20, 21 auch an dem jeweiligen Lichtmodulator 16, 17 vorbei gesehen werden kann und keine Rekonstruktion dreidimensionaler Darstellungen sichtbar wird.
Eine zweite erfindungsgemäße, aber auf den optischen Teil abgerüstete Display-Einrichtung 40 zur Erzeugung von Rekonstruktionen dreidimensionaler Darstellungen ist in 5 gezeigt und weist wie die erste erfindungsgemäße Display-Einrichtung 1 ein helmartiges oder brillenartiges Gestell mit zumindest einem Vorderseitenbereich und zwei voneinander beabstandeten Seitenbereichen, wobei der Vorderseitenbereich den Positionen der Augen zugeordnet ist, auf.
Der zugehörige Vorderseitenbereich 3 weist einen Aufbau auf, in dem sich zwei Lichtquellen 13, 14, zwei optische Systeme 43, 44 sowie zwei mit komplexwertigen Informationen kodierbarer Lichtmodulatoren 41, 42 befinden, wobei die Lichtmodulatoren 41, 42 außerhalb der Betrachterebene 4 nahe vor den Betrachterfenstern 18, 19 positioniert sind, die derart festgelegt sind, dass deren Größe zumindest einem Teil des Bewegungsbereiches einer Augenpupille 20, 21 des jeweiligen Auges 7, 8 entspricht, und wobei die Lichtmodulatoren 41, 42 an eine Kodiervorrichtung 26 angeschlossen sind, in der von den dreidimensionalen Darstellungen Wellenfronten berechnet werden, die als Hologramme in den Lichtmodulatoren 41, 42 kodierbar sind, wobei durch die optischen Systeme 43, 44 die Hologramme in die zugeordneten Betrachterfenster 18, 19 transformiert werden, so dass sich in den Betrachterfenstern 18, 19 komplexe Wellenfronten zur Visualisierung befinden.
Dabei können das mechanische Gestell 2 mit den wahlweisen Halterungselementen 9, 10, 11 sowie die Justiereinrichtungen, die Arretiereinrichtungen und die Energieversorgung 57 analog zur ersten erfindungsgemäßen Display-Einrichtung 1 ausgebildet sein.
Die Hologrammberechnung erfolgt in der Kodiervorrichtung 26, wie z. B. in der in der Druckschrift DE 10 2004 063 838 A1 beschrieben ist, von der dreidimensionalen Darstellung über die Schnittebenen bis zur Transformation und Aufaddierung der Teilwellenfronten in der Betrachterebene 4. Eine Transformation der gemeinsamen Wellenfront aus der Betrachterebene 4 in die Ebene des Lichtmodulators 16, 17 ist nur dann erforderlich, wenn der Lichtmodulator sich außerhalb der Betrachterebene befindet und die Wellenfront als Hologramm kodiert wird.
Ein Betrachter, der durch ein Betrachterfenster 18, 19 hindurchschaut, sieht dann eine Rekonstruktion der dreidimensionalen Darstellung – einer Szene –, wie in 7 gezeigt ist, in einem Bereich eines Sichtkegels 60, dessen Öffnungswinkel sich aus dem Pixelpitch auf dem Lichtmodulator ergibt.
Im Folgenden wird vergleichsweise zu den Vorrichtungen in den älteren Patentanmeldungen ein Zahlenbeispiel angegeben:
Ein Direktsichtaufbau einer Display-Vorrichtung wird beispielsweise mit einem Display der Größe 430 × 320 mm² und einem Pixelpitch von 207 μm – hier volles Pixel für die Codierung jeweils einer komplexwertigen Zahl- und 2048 Pixel pro Zeile durchgeführt. Dies erzeugt in zwei Metern Abstand ein Betrachterfenster von ca. 6 mm.
Wenn umgekehrt im Betrachterfenster der erfindungsgemäßen Display-Einrichtung ein kleiner Lichtmodulator von 6 mm Breite mit der gleichen Pixelzahl 2048 also mit ca. 3 μm Pixelpitch vorhanden ist, dann wird bei kohärenter Beleuchtung in zwei Metern Abstand eine Beugungsordnung der Breite 430 mm erzeugt. Dabei wird zwischen Beugungsbild und Betrachterfenster der gleiche Sichtkegel 60 aufgespannt. Damit entsteht also der gleiche sichtbare Darstellungsbereich wie bei dem Direktsichtaufbau mit der großen Bildschirmfläche. Der Winkel zum Rand der Beugungsordnung beträgt dabei einige Grad.
Wird ein pixelierter Lichtmodulator zur Kodierung eingesetzt, so entstehen höhere Beugungsordnungen. Werden keine zusätzlichen Maßnahmen zur Unterdrückung dieser höheren Beugungsordnungen unternommen, so schließen sich an den Sichtkegel unter größeren Winkeln als höhere Beugungsordnungen Wiederholungen des gesamten Sichtkegels an. Das heißt, eine periodische Wiederholung der Rekonstruktion wird auftreten, die aber räumlich getrennt von der eigentlichen Rekonstruktion ist. Eine große ausgedehnte Rekonstruktions-Szene wird dann mehrmals nebeneinander gesehen; die einzelnen Wiederholungen der Rekonstruktion überlappen sich aber nicht räumlich, wenn das darzustellende Objekt in seinem Frequenzumfang entsprechend beschränkt ist.
Zur Unterdrückung höherer Beugungsordnungen dienen erfindungsgemäß mehrere Maßnahmen:

– Für den in 4 dargestellten Teil der Display-Einrichtung 1 ist zwischen einem direkt im Betrachterfenster 18, 19 angeordneten Lichtmodulator 16, 17 und einem Auge 7, 8 je ein winkelselektives Element 37, 38, z. B. in Form einer Folie, eingefügt, die nur Licht durchlässt, das unter kleinen Winkeln vom Lichtmodulator 16, 17 ausgeht, während Licht unter größeren Winkeln das Auge 7, 8 nicht erreichen kann. Der Aufbau in 4 hat den Vorteil, dass er sehr kompakt ist.
– Für den in 5 dargestellten optischen Teil ist der Lichtmodulator 41, 42 selbst außerhalb des Betrachterfensters 18, 19 positioniert, wobei der Lichtmodulator 41, 42 durch das optische System 43, 44 in das Betrachterfenster 18, 19 transformiert wird. Zwischen den Lichtmodulatoren 41, 42 und den Betrachterfenstern 18, 19 ist eine Filtereinheit – beispielsweise ein 4-f-System (nicht eingezeichnet) – oder eine Blende 45, wie in 5 gezeigt ist, zur Vermeidung von Übersprechen zwischen den beiden Augen 7, 8 des Betrachters eingefügt. Dabei ist ein kompakter Aufbau mit kurzbrennweitigen Linsen vorgesehen, so dass die Display-Einrichtung 40 an einem Gestell, d. h. auf dem Helm montierbar oder direkt als Brilleneinrichtung am Kopf des Betrachters befestigbar ist.

In der zweiten erfindungsgemäßen Display-Einrichtung 40 kann in einer ersten Ausführungsform, wie in 5 gezeigt ist, in der der Lichtmodulator 41, 42 nahe dem Auge 7, 8 des Betrachters, aber außerhalb der Betrachterebene 4 angeordnet ist, der Lichtmodulator 41, 42 aber auch bei entsprechend geänderter Kodierung in das Betrachterfenster 18, 19 abgebildet werden.
Eine zweite Ausführungsform der zweiten erfindungsgemäßen Display-Einrichtung 50 ist in 6 dargestellt, wobei nur ein kodierbarer Lichtmodulator 52 eingesetzt ist, der quer zur Display-Einrichtungs-Mittenachse 28 angeordnet ist. Dem Lichtmodulator 52 sind eine Lichtquelle 13 und ein optisches System 53 vorgeordnet. Ein nachfolgend platzierter Strahlteiler 54 sowie dazu zwei seitlich angeordnete und voneinander beabstandete sowie zu den Augenpupillenachsen 29, 30 geneigte Reflektoren sind vor der Betrachterebene 4 angeordnet. Dabei wird die Kodierfläche des Lichtmodulators 52 mittels des Strahlteilers 54 in die Betrachterfenster 18, 19 transformiert. Eine Abbildung des Lichtmodulators 52 in die Betrachterfenster 18, 19 kann mit einem nachgeordneten optischen System (nicht eingezeichnet) ebenfalls möglich sein. Diese Display-Einrichtung funktioniert allerdings nur dann, wenn durch eine Umschaltvorrichtung 57 die der Kodierung des Lichtmodulators 52 entsprechenden Wellenfronten dem rechten und linken Auge 7, 8 abwechselnd zur Verfügung gestellt werden.
Die Umschalteinrichtung 57 kann als eine von der Kodiervorrichtung 26 frequenzgesteuerte Strahlbündel-Ablenkeinrichtung ausgebildet und im ungeteilten oder im geteilten Strahlengang platziert sein.
Im Folgenden wird zur Skalierbarkeit bezüglich der Platzierung von Lichtmodulatoren ausgeführt:
Wird die Konstruktion des Sichtkegels als Kegel vom Betrachterfenster aus zu einer Bildschirmfläche und hinter dem Display fortgesetzt betrachtet, wie z. B. im in der Druckschrift DE 10 2004 063 838 A1 beschrieben ist, so ergibt sich für ein Betrachterfenster in der zentralen Position mittig vor dem Display der gleiche Sichtkegel 60, wie z. B. in den 7, 8 und 9 gezeigt ist, wenn beispielsweise

– eine 20 Zoll Bildschirmfläche mit zwei Meter Betrachterabstand
– oder eine 10 Zoll Bildschirmfläche mit einem Meter Betrachterabstand
– oder eine 5 Zoll Bildschirmfläche mit einem halben Meter Betrachterabstand verwendet etc. werden,

In den beschriebenen Fällen kann jeweils auf einem Lichtmodulator die gleiche dreidimensionale Darstellung kodiert werden. Dabei ist die Berechnung der komplexen Werte der Wellenfront von der dreidimensionalen Darstellung über die Schnittebenen zum Betrachterfenster gleich. Im Betrachterfenster sind dann die gleichen komplexen Werte der Wellenfront vorhanden. Lediglich die Transformation vom Betrachterfenster zum Lichtmodulator unterscheidet sich in der Berechnung – dabei wird entsprechend dem Abstand ein anderer Phasenfaktor verwendet und entsprechend andere komplexe Werte werden auf dem Lichtmodulator kodiert.
Alternativ ist auch direkt eine Berechnung für einen der Fälle und eine anschließende Transformation des Hologramms von der einen in die andere Bildschirmfläche möglich, z. B. von dem für einen 20 Zoll Bildschirm in zwei Metern Abstand vom Betrachter berechneten Hologramm hin zu einem 10 Zoll Bildschirm in einem Meter Abstand vom Betrachter aus.
Diese Beschreibung gilt allerdings nicht mehr exakt, wenn bei einem einzelnen Lichtmodulator zwei unterschiedliche Betrachterfenster für das linke Auge und das rechte Auge verwendet werden, die beide um den halben Augenabstand nach links und rechts relativ zur Mittenposition vor der Bildschirmfläche versetzt sind (8). Mit einem separaten Lichtmodulator vor jedem Auge, wie in 9 gezeigt ist, wird allerdings für jedes Auge der gleiche Sichtkegel wie bei einem einzelnen Lichtmodulator erhalten.
Die Sichtkegel-Ausbildungen sind in den folgenden 7, 8, 9 dargestellt:
In 7 ist ein Sichtkegel 60 vom Betrachterfenster 18 aus bei Visualisierung der Rekonstruktion 61 der dreidimensionalen Darstellung bei unterschiedlich großen Lichtmodulatoren 52', 52'', 52''' mit verschiedenen Abständen zum Betrachterfenster 18 angegeben.
In 8 sind die Sichtkegel 62, 63 von zwei Betrachterfenstern 18, 19 für zwei Augen 7, 8 mit den Augenpupillenachsen 29, 30 für auf der Mittelachse angeordnete gemeinsame Lichtmodulatoren 52', 52'', 52''' zur Visualisierung der Rekonstruktion 61 der dreidimensionalen Darstellung in verschiedenen Abständen zum Betrachter gezeigt.
In 9 sind zwei separate kleine Lichtmodulatoren 41, 42 im Bereich nahe vor jedem Auge 7, 8 angegeben, wobei der gleiche Sichtkegel 60, 63 für jedes Auge 7, 8 bei gleicher dreidimensionaler Rekonstruktion 61 der dreidimensionalen Darstellung erhalten wird wie bei einem einzelnen, weit entfernten großen Lichtmodulator 52''' nach den 7 oder 8.
Der Aufbau kann mit kleinen Lichtmodulatoren – z. B. LCoS – realisiert sein, indem kleine Lichtmodulatoren 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52 in kleinem Abstand zur Betrachterebene 4 angeordnet sind.
Das unterscheidet sich von der oben beschriebenen Variante in den 1 bis 4, bei der sich der Lichtmodulator 16, 17 in der Betrachterebene 4 befindet bzw. in die Betrachterebene 4 abgebildet wird. In 9 ist die Kodierfläche des Lichtmodulators nahe beim Betrachter, aber außerhalb der Betrachterebene 4. In dem Aufbau entstehen in der Betrachterebene 4 nebeneinander mehrere Beugungsordnungen. Ist das Betrachterfenster 18, 19 größer als die Augenpupille 20, 21, so sieht der Betrachter keine periodischen Wiederholungen.
Zweckmäßig ist es, die Größe des Betrachterfensters 18, 19 der Größe des Bewegungsbereiches der Augenpupille 20, 21 innerhalb des Auges 7, 8 anzupassen, damit der Betrachter bei Pupillenbewegungen im Betrachterfenster 18, 19 bleibt.
Bei kleinem Abstand der Bildschirmfläche zum Betrachterfenster 18, 19 lassen sich wieder separate Lichtmodulatoren für das linke und das rechte Auge einsetzen, wobei jeweils ein Sichtkegel 60, 63 mit dem jeweiligen Auge 7, 8 im Zentrum vorgegeben ist.
Eine Unterdrückung höherer Ordnungen ist nur insofern nötig, wenn eine höhere Beugungsordnung des Betrachterfensters 18 des linken Auges 7 ins rechte Auge 8 trifft und umgekehrt.
Dazu zeigt 5 den einfachen optischen Aufbau der zweiten erfindungsgemäßen Display-Einrichtung 40 mit einer Lichtquelle 13, 14 für jeden Lichtmodulator 41, 42, einem als Beleuchtungsoptik ausgebildeten optischen System 43, 44, einem Lichtmodulator 41, 42 für jedes Auge 7, 8 sowie einem Element oder Baugruppe 45 als Sperre, die das von den höheren Beugungsordnungen herrührende Licht zwischen beiden Augen 7, 8 blockiert. Mit der Sperre 45 wird verhindert, dass das Auge 7, 8 höhere Beugungsordnungen des jeweils anderen Lichtmodulators 42, 41 sieht. Eine Möglichkeit, die Sperre 45 zu realisieren, kann eine Blende sein.
Bei hinreichend kompaktem Aufbau lässt sich auch eine solche Display-Einrichtung 40 fest am Helmgestell 2 oder als Brillengestell am Kopf des Betrachters montieren.
Die Erfindung ermöglicht somit einen relativ einfachen optischen Aufbau einer kopfgetragenen Display-Einrichtung. Des Weiteren wird im Vergleich zu einem großen Direktsichtaufbau kein Lichtquellenarray und keine große Linse oder Linsenarray zur Beleuchtung benötigt, sondern nur eine einzelne Lichtquelle bzw. eine pro Farbe für jedes Auge und Linsen von der Größe des Lichtmodulators, also typischerweise mit Abmessungen im Bereich von 0,5 bis 2 Zoll Durchmesser. Diese sind einfach herstellbar.
Es kann problemlos eine zweidimensionale Kodierung genutzt werden, wobei für jedes Auge ein Lichtmodulator mit voller Auflösung vorgesehen sein kann, ohne dass wie bei Direktsichtgeräten eine Stereotrennung nötig ist und ohne dass ein zeitliches Multiplexing von linkem und rechtem Hologramm nötig ist.
Weiterhin werden keine aufwändigen Komponenten zur Nachführung des Betrachterfensters entsprechend der Betrachterposition benötigt.
Es ist keine Änderung der Position der Lichtquelle relativ zum Lichtmodulator nötig, da beides mit dem Kopf über den Helm oder die brillenartige Einrichtung mitbewegt wird. Folglich entfällt ein Shutterdisplay oder eine vergleichbare Anordnung wie sie beim Direktsichtaufbau zur Nachführung vorgesehen ist. Es ist dann auch mehr Helligkeit vorhanden, wobei im Vergleich zu einem Projektionsaufbau beispielsweise keine Projektionsoptik und keine große Bildschirmfläche benötigt werden.
Wenn die Display-Einrichtungen 1, 40, 50 mit dem Gestell 2 oder 51, das für den Kopf eines Menschen vorgesehen ist, versehen sind, kann es zweckmäßig sein, die Display-Einrichtungen 1, 40, 50 zu Beginn der Visualisierung zumindest einmal relativ zum Auge 7, 8 zu justieren. Anschließend ist damit auch sichergestellt, dass das Auge 7, 8 auch bei einer Bewegung des Kopfes immer im Betrachterfenster 18, 19 bleibt, da es mitbewegt wird. Es entfällt somit eine zusätzliche Einrichtung zur Detektion der Betrachterposition. Es entstehen auch keine Störungen durch ungenaues Tracken des Betrachters.

1: Erste erfindungsgemäße Display-Einrichtung
2: Gestell
3: Vorderseitenbereich
4: Betrachterebene
5: Linker Seitenbereich
6: Rechter Seitenbereich
7: Rechtes Auge
8: Linkes Auge
9: Erstes Halterungselement
10: Zweites Halterungselement
11: Drittes Halterungselement
12: Erstes optisches System
13: Erste Lichtquelle
14: Zweite Lichtquelle
15: Zweites optisches System
16: Erster Lichtmodulator
17: Zweiter Lichtmodulator
18: Erstes Betrachterfenster
19: Zweites Betrachterfenster
20: Rechte Augenpupille
21: Linke Augenpupille
22: Erste Justiereinrichtung
23: Zweite Justiereinrichtung
24: Erste Arretiereinrichtung
25: Zweite Arretiereinrichtung
26: Kodiervorrichtung
27: Energieversorgung
28: Display-Einrichtungs-Mittenachse
29: Erste Augenpupillenachse
30: Zweite Augenpupillenachse
31: Amplituden-Lichtmodulator
32: Amplituden-Lichtmodulator
33: Phasen-Lichtmodulator
34: Phasen-Lichtmodulator
35: Kodierfläche
35': Modulatorbild
36: Kodierfläche
36': Modulatorbild
37: Winkelselektives Element
38: Winkelselektives Element
40: Zweite erfindungsgemäße Display-Einrichtung (erste Ausführungsform)
41: Lichtmodulator
42: Lichtmodulator
43: Drittes optisches System
44: Viertes optisches System
45: Blende
46: fünftes optisches System
47: sechstes optisches System
50: Zweite erfindungsgemäße Display-Einrichtung (zweite Ausführungsform)
51: Zweites Gestell
52': Lichtmodulator
52'': Lichtmodulator
52''': Lichtmodulator
53: siebentes optisches System
54: Strahlteiler
55: Erster Reflektor
56: Zweiter Reflektor
57: Umschalteinrichtung
58: Erste Beleuchtungsoptik
59: Zweite Beleuchtungsoptik
60: Erster Sichtkegel
61: Rekonstruktion einer dreidimensionalen Darstellung
62: Zweiter Sichtkegel
63: Dritter Sichtkegel

Claims

Display-Einrichtung zur Erzeugung von Rekonstruktionen dreidimensionaler Darstellungen, aufweisend ein helmartiges oder brillenartiges Gestell mit zumindest einem Vorderseitenbereich und zwei einen Abstand zueinander aufweisenden Seitenbereichen, wobei der Vorderseitenbereich den Positionen der Augen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Vorderseitenbereich (3) einen Aufbau aufweist, in dem sich mindestens eine Lichtquelle (13, 14), mindestens ein optisches System (12, 15; 46, 47) sowie mindestens ein mit komplexen Werten aus Amplitude und Phase oder daraus abgeleiteten Werten kodierbarer Lichtmodulator (16, 17; 31, 32; 33, 34) befinden, wobei der Lichtmodulator (16, 17; 31, 32; 33, 34) jeweils an der Stelle eines definierten Betrachterfensters (18, 19) oder jeweils im Bereich nahe vor dem Betrachterfenster (18, 19) zur Abbildung in das Betrachterfenster (18, 19) positioniert ist, das derart festgelegt ist, dass dessen Größe zumindest einem Teil des Bewegungsbereiches einer Augenpupille (20, 21) des jeweiligen Auges (7, 8) entspricht, und wobei der Lichtmodulator (16, 17; 31, 32; 33, 34) an eine Kodiervorrichtung (26) angeschlossen ist, in der von den dreidimensionalen Darstellungen Wellenfronten berechnet werden, mit denen der Lichtmodulator (16, 17; 31, 32; 33, 34) direkt kodierbar ist, so dass sich im Betrachterfenster (18, 19) komplexe Wellenfronten zur Visualisierung befinden.
Display-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierflächen der in den Betrachterfenstern (18, 19) der Betrachterebene (4) angeordneten Lichtmodulatoren (16, 17) mit komplexen Werten aus Amplitude und Phase oder daraus abgeleiteten Werten aus der Kodiervorrichtung (26) kodierbar sind, wobei ein Lichtmodulator (16) direkt im Betrachterfenster (18) des linken Auges (7) und ein zweiter Lichtmodulator (17) direkt im Betrachterfenster (19) des rechten Auges (8) positioniert sind.
Display-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kodieren der komplexen Werte der Wellenfronten in den Betrachterfenstern (18, 19) eine Kombination aus Amplituden- und/oder Phasen-Lichtmodulatoren vorgesehen ist, die mittels eines Strahlteilers oder durch Abbildung eines der Lichtmodulatoren (31, 32) auf den jeweils anderen Lichtmodulator (33, 34) ausgebildet sind.
Display-Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden-Lichtmodulatoren (31, 32) außerhalb der Betrachterebene (4) im Bereich nahe der Betrachterfenster (18, 19) angeordnet sind und sich die Phasen-Lichtmodulatoren (33, 34), überlagert vom Modulatorbild (35', 36') des Amplituden-Lichtmodulators (31, 32), direkt in der Betrachterebene (4) befinden, wobei die Kodierflächen (35, 36) der Amplituden-Lichtmodulatoren (31, 32) auf den jeweils zugeordneten Phasen-Lichtmodulator (33, 34) mittels einer Abbildungsoptik (46, 47) als Modulatorbild (35', 36') abgebildet werden und wobei die Reihenfolge der Anordnung der Amplituden- und Phasen-Lichtmodulatoren auch vertauscht sein kann.
Display-Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierfläche des Lichtmodulators (16, 17) derart festgelegt ist, dass deren Größe dem gesamten Bewegungsbereich der Augenpupille (20, 21) innerhalb des Auges (7, 8) entspricht, damit bei Bewegungen der Augenpupille (20, 21) ohne Unterbrechung eine Rekonstruktion der dreidimensionalen Darstellungen sichtbar ist.
Display-Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodierflächen der Lichtmodulatoren (16, 17) vorzugsweise die gleiche Größe haben wie die Flächen der Augenpupillen (20, 21).
Display-Einrichtung zur Erzeugung von Rekonstruktionen dreidimensionaler Darstellungen, aufweisend ein helmartiges oder brillenartiges Gestell mit zumindest einem Vorderseitenbereich und zwei einen Abstand zueinander aufweisenden Seitenbereichen, wobei der Vorderseitenbereich den Positionen der Augen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Vorderseitenbereich (3) einen Aufbau aufweist, in dem sich mindestens eine Lichtquelle (13, 14), mindestens ein optisches System (43, 44; 53) sowie mindestens ein mit komplexen Werten aus Amplitude und Phase oder daraus abgeleiteten Werten kodierbarer Lichtmodulator (41, 42; 52) befinden, wobei der Lichtmodulator (41, 42; 52) außerhalb der Betrachterebene (4) nahe vor dem Betrachterfenster (18, 19) positioniert ist, das derart festgelegt ist, dass dessen Größe zumindest einem Teil des Bewegungsbereiches einer Augenpupille (20, 21) des jeweiligen Auges (7, 8) entspricht, und wobei der Lichtmodulator (41, 42; 52) an eine Kodiervorrichtung (26) angeschlossen ist, in der von den dreidimensionalen Darstellungen Wellenfronten berechnet werden, die als Hologramme im Lichtmodulator (41, 42; 52) kodierbar sind, wobei durch das optische System (43, 44; 53) die Hologramme ins Betrachterfenster (18, 19) transformiert werden, so dass sich im Betrachterfenster (18, 19) komplexe Wellenfronten zur Visualisierung befinden.
Display-Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kodiereinrichtung (26) programmtechnische Mittel zur Berechnung von Hologrammen aus Subhologrammen für jeden Darstellungspunkt in einer gemeinsamen Ebene vorhanden sind, die die Kodierfläche des Lichtmodulators (41, 42; 52) oder eine andere Ebene, die in die Kodierfläche des zugehörigen Lichtmodulators (41, 42; 52) transformiert wird, ist.
Display-Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein kodierbarer Lichtmodulator (52) in dem optischen Teil eingesetzt ist, der quer zur Mittenachse (28) angeordnet ist und dem eine Lichtquelle (13) und ein optisches System (53) vorgeordnet sind, wobei ein nachfolgend platzierter Strahlteiler (54) sowie dazu zwei seitlich in einem Abstand voneinander angeordnete sowie zu den Augenpupillenachsen (29, 30) geneigte Reflektoren (55, 56) vor der Betrachterebene (4) angeordnet sind und wobei die Kodierfläche des Lichtmodulators (52) mittels des optischen Systems (53) und des Strahlteilers (54) beleuchtet und in die Betrachterfenster (18, 19) transformiert wird, wobei im ungeteilten Strahlengang ei ne Umschalteinrichtung (57) vorgesehen ist, die die in der Kodierfläche des Lichtmodulators (52) wechselnden ganzflächigen Informationen mit einer vorgegebenen Frequenz abwechselnd in das linke und rechte Betrachterfenster (18, 19) umschaltet.
Display-Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (57) als eine von der Kodiervorrichtung (26) frequenzgesteuerte Strahlbündel-Ablenkeinrichtung ausgebildet ist.
Display-Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (57) im ungeteilten oder im geteilten Strahlengang vorgesehen ist.
Display-Einrichtung nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich im optischen Teil mit mindestens einer Lichtquelle (13, 14), mindestens einem Lichtmodulator (41, 42; 52), einer Beleuchtungsoptik (43, 44; 53) sowie mit jeweiligen erzeugten Wellenfronten in den Betrachterfenstern (18, 19) mindestens ein Element oder eine Baugruppe (45) als Blende befindet, die störendes Beugungslicht zwischen beiden Augen (7, 8) blockiert.
Display-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmodulatoren (16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52) wahlweise eine pixelierte Kodierfläche haben, wobei die Pixel amplituden- und/oder phasenkodierbare Flächenelemente sind.
Display-Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Lichtmodulator (16, 17) und einem Auge (7, 8) mindestens ein winkelselektives Element (37, 38) in Form eines passiven oder eines aktiven optischen Elementes eingefügt ist, das nur Licht, das unter kleinen Winkeln vom Lichtmodulator (16, 17) ausgeht, durchlässt, wobei der Lichtmodulator (16, 17) direkt im Betrachterfenster (18, 19) angeordnet ist.
Display-Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einsatz von zwei Lichtmodulatoren (41, 42) im optischen Teil zwischen dem einen Lichtmodulator (41) und dem einen Betrachterfenster (18) einerseits und dem anderen Lichtmodulator (42) und dem anderen Betrachterfenster (19) andererseits eine Filtereinheit oder eine Blende (45) eingefügt und ein kompakter Aufbau mit kurzbrennweitigen Linsen vorhanden ist.
Display-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kodiervorrichtung (26) zumindest einen Computer und Speicher sowie programmtechnische Mittel zur Durchführung der Berechnungen der Kodierinformationen für die einzelnen Pixel der Kodierfläche/Kodierflächen der zutreffenden Lichtmodulatoren (16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52) besitzt.
Display-Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Lichtmodulatoren (16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 53) für jeweils ein Auge (7, 8) mit mindestens einer Lichtquelle (13, 14) in Verbindung stehen, die hinreichend kohärentes Licht zu den Lichtmodulatoren (16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 53) führt.
Display-Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei Farbrekonstruktionen die Lichtquellen (13, 14) jeweils aus drei Teillichtquellen mit grünem, rotem und blauem Spektrum bei wahlweisem zeitlichen Multiplexing zusammengesetzt sind.
Display-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell (2) mindestens ein Halterungselement (9, 10, 11) besitzt.
Display-Einrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl transparente als auch reflektive optische Teile im Vorderseitenbereich (3) eingesetzt sind, wobei die optischen Teile mit wenigen Komponenten, insbesondere mit mechanischen Mitteln sowie den Halterungselementen (9, 10, 11) fest am Gestell (2, 51) montiert sind.
Display-Einrichtung nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Gestell (2, 51) wahlweise ein Helm, eine Brille oder eine minimal ausgestattete Halterungsanordnung zumindest für den optischen Teil vorgegeben ist, wobei die Display-Einrichtung (1, 40, 50) wahlweise sowohl eine brillenartige Ausbildung oder eine heimunterstützte Feststand-Ausbildung darstellt oder in mobiler Tragweise mit dem Helm und/oder dem Kopf des Betrachters fest verbunden ist.
Display-Einrichtung nach Anspruch 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Lichtmodulator (16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52) und mindestens einem Halterungselement (9, 10, 11) des Gestells (2; 51) eine Justiereinrichtung (22, 23) und zwischen einem Lichtmodulator (16, 17) und der zugehörigen Lichtquelle (13, 14) eine Arretiereinrichtung (24, 25) vorhanden sind, wobei mit der Justiereinrichtung (22, 23) und der Arretiereinrichtung (24, 25) der Lichtmodulator (16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52) sowie der zugehörige optische Teil mit Lichtquelle (13, 14) und optischem System (12, 15) in Relation zur Betrachterebene (4) und/oder der Display-Einrichtungs-Mittenachse (28) sowie den dazu parallelen Augenpupillenachsen (29, 30) einstellbar und arretierbar ist.
Display-Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Justiereinrichtungen (22, 23) und den Arretiereinrichtungen (24, 25) und dem optischen Teil und den Halterungselementen (9, 10, 11) weitgehend mechanische Verbindungen vorhanden sind, und die Lichtquellen (13, 14) und die Lichtmodulatoren (16, 17) über elektrische Verbindungsleitungen mit der Kodiervorrichtung (26) und mit einer Energieversorgung (27) verbunden sind.
Display-Einrichtung nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Gestells (2) mindestens ein Sensor vorhanden ist, der bei Kopfbewegungen entsprechend der Änderung des Blickwinkels des Betrachters Signale an die Kodiervorrichtung (26) weiterleitet, so dass die Informationen für die Kodierung der Lichtmodulatoren (16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52) verändert werden.
Display-Einrichtung nach Anspruch 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gestell (2) mindestens eine Audiosignaleinrichtung zugeordnet ist, deren Audiosignalabgabe konform mit der Kodierung der Wellenfronten in den jeweiligen Lichtmodulatoren (16, 17; 31, 32; 33, 34; 41, 42; 52) geschaltet ist.