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WO2008074721A1 - Verfahren und einrichtung zum reduzieren von speckle - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum reduzieren von speckle Download PDF

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WO2008074721A1
WO2008074721A1 PCT/EP2007/063862 EP2007063862W WO2008074721A1 WO 2008074721 A1 WO2008074721 A1 WO 2008074721A1 EP 2007063862 W EP2007063862 W EP 2007063862W WO 2008074721 A1 WO2008074721 A1 WO 2008074721A1
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WO
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reconstruction
light
light modulator
scene
incoherent
Prior art date
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PCT/EP2007/063862
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Norbert Leister
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Original Assignee
SeeReal Technologies SA
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Publication date
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Priority to US12/520,165 priority patent/US8351103B2/en
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    • G03H2223/00—Optical components
    • G03H2223/19—Microoptic array, e.g. lens array

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing speckle patterns of a three-dimensional holographic reconstruction of a three-dimensional scene and a holographic display device for carrying out the method.
  • Field of application of the invention are methods with which the storage and reconstruction of complex wavefronts of a three-dimensional scene (3D scene) by holography using preferably laser light in real time or near real-time in holographic playback devices and in which the reconstruction can be seen from a virtual viewer window ,
  • Holography enables the recording and the optical reproduction of a three-dimensional object or a moving 3D scene with wave-optical methods.
  • the 3D scene is encoded in a light modulator that serves as the carrier medium.
  • each point of the encoded 3D scene forms a starting point of light waves that interfere with each other and spatially reconstruct the 3D scene as resulting light wave front, as if it were caused by a light propagation from the actual object in space.
  • the holographic reconstruction of the object or of the 3D scene preferably takes place with a projection device and / or a reconstruction optical unit by illuminating the carrier medium with normally sufficiently coherent light.
  • the 3D scene is reconstructed in a holographic display with a viewer window that is a visibility area in a viewer's space.
  • the viewer window is preset in size in front of a display means and generally corresponds to the size of an eye pupil. Therefore, it is also referred to here as the location of the eye position, which can take a viewer's eye and from which the viewer can see the reconstruction of the 3D scene.
  • a viewer window is formed either as the direct or inverse Fourier transform or Fresnel transform of a hologram encoded in a carrier medium or as an image of a wavefront encoded in a carrier medium in a plane of a viewer space, the viewer window being only a single diffraction order of a periodic reconstruction includes.
  • the plane may be a focal plane of a focus agent or the image plane of a light source.
  • the hologram or the wavefront are calculated from the 3D scene in such a way that within the one diffraction order used as the visibility region, any crosstalk between the viewer's eyes is avoided, which usually occurs in reconstructions using light modulators.
  • Spatial light modulators such as LCD, LCoS, etc., which modulate the phase and / or the amplitude of the incident light, serve as carrier or recording media for holograms or complex-valued wavefronts of a 3D scene.
  • the refresh rate of the carrier medium must be sufficiently large.
  • the values coded in the carrier medium in regularly arranged pixels can originate from a real object or be a computer-generated hologram (CGH).
  • CGH computer-generated hologram
  • Viewing the reconstruction of the 3D scene can be done by the viewer looking directly at the carrier medium. This is referred to in this document as a direct view setup. Alternatively, the viewer can look at a screen onto which either an image or a transform of the values coded in the carrier medium is projected. This is called projection construction in this document. In the following, the designation screen is used both for the screen in the projection setup and for the carrier medium in the direct-view setup.
  • the reconstruction of the hologram is only possible within a periodicity interval of the reconstruction of a wavefront given by the resolution of the carrier medium, as a result of diffraction. In the adjacent periodicity intervals, the reconstruction is repeated, usually with disturbances.
  • speckle pattern a granulation-like interference pattern that results from the interference of many light waves with statistically irregularly distributed phase differences.
  • the speckle patterns are detrimental.
  • the hologram calculation is preceded by a discrete sampling of the 3D scene, since only a discrete recording is possible on the carrier medium.
  • Certain coding methods in which the information about the 3D scene is suitably stored in the carrier medium allow in principle a reconstruction in which the reconstruction of the scanned object coincides completely at the location of the sampling points.
  • the physical reconstruction again results in a continuous course between the sampling points.
  • the reconstruction contains speckle patterns that reduce the quality of the reconstruction. This is the case, in particular, if the calculation of the hologram is carried out with a random phase of the object points, which however is advantageous for certain other reasons.
  • Reduction of the speckle patterns in the reconstruction of the 3D scene can in principle be achieved by temporal and / or spatial averaging, wherein the reconstruction is generated from values of a 3D scene coded into an external medium or from appropriately calculated hologram values. There The observer's eye always averages over several reconstructions with different Speckie patterns, which show a reduction in this disturbance.
  • the object of the invention is to significantly reduce in a holographic display device with a virtual viewer window the speckle patterns occurring in the reconstruction of a 3D scene and to provide a process operating close to real time in which a carrier medium with a conventional refresh rate can be used.
  • the object is achieved in principle by a method in which, instead of a single reconstruction of an SD scene produced with sufficiently coherent light, different mutually incoherent reconstructions are generated and superimposed in a reconstruction space at the same location. Since the incoherence is associated with a phase shift, the different incoherent reconstructions have mutually different speckle patterns.
  • the respective eye of the observer averages over the eye from an eye position Speckle pattern and sees only a single speckle-reduced reconstruction of the original 3D scene in a reconstruction space.
  • the method is carried out in the holographic display device with inventive method steps according to claim 1 so that
  • the method may be performed separately for each of a right and a left eye of a viewer, for example, successively in time. Furthermore, the method of producing a color reconstruction for the different primary colors, e.g. red, green and blue, to be carried out separately, for example in chronological succession.
  • the method of producing a color reconstruction for the different primary colors e.g. red, green and blue
  • the virtual observer window for reconstructing the 3D scene on which the invention is based here corresponds to the plane in the observer's room, in which the different independent mutually incoherent light distributions of the complex-valued wavefronts of the encoded 3D scene form different independent, incoherent partial observer windows.
  • a viewer's eyes In order to see the reconstructed 3D scene, a viewer's eyes must occupy an eye position in that plane. In the further description both the terms eye position and viewer window are used.
  • a complex wavefront is understood in the document to mean a wavefront mathematically described by complex numbers that define the phase and amplitude of the wavefront.
  • the observer window which normally contains the complex-valued wavefront of the 3D scene to be reconstructed, to generate different mutually incoherent reconstructions at the same location, different incoherent areas must also be generated in the observer window. This can be achieved in a further embodiment of the method according to the invention by two different methods and associated reconstruction means.
  • the complex-valued wavefront corresponding to the 3D scene is coded directly into a respective light modulator area for each sub-observer window,
  • the incoherently illuminated light modulator areas are imaged via the reconstruction means in different, mutually incoherent partial observer window in the viewer window.
  • the following further method steps are carried out to generate the mutually incoherent partial viewer window according to a second method:
  • the complex-valued wavefronts corresponding to the 3D scene are calculated for each sub-observer window as the equivalent of incoherent illumination, which transforms incoherently calculated common wavefronts into the light modulator and encodes them there as a common hologram,
  • the light modulator is sufficiently coherently illuminated by a lighting means and
  • the incoherent calculation of the light distributions of the complex-valued wavefronts of the 3D scene in the different partial observer windows takes place in each case with different object phases, but with a fixed amplitude.
  • At least two coherent light-emitting illumination means incoherently illuminate at least two light modulator regions to each other to obtain an average speckle-reduced reconstruction.
  • the 3D scene is decomposed into object points, and incoherent partial observer windows are generated for these object points.
  • the method steps are characterized in that - Calculates the 3D scene corresponding complex-valued wavefront for the common viewer window, transformed into the modulator and coded as a common hologram, and
  • Subhologram areas in each case a light modulator area of the light modulator incoherently illuminated to each other, each containing a Lichtmodulator- a sub-hologram of an object point, so that by projections of the illuminated Subhologramm areas through the object point through several partial viewer window smaller than the eye pupil in the viewer window are generated for each one reconstructed object point.
  • This method is further characterized in that the size of the incoherently illuminated sub-hologram regions is determined by adapting the dimensions of the reconstruction means to the number of illumination means, each of which is sufficiently coherent in its own right but incoherent to each other.
  • a viewer window results here for speckle reduction, in which the position of the incoherent sub-observer window can be individually different for each object point ,
  • This embodiment is most suitable for implementation in a direct view display because of the typical dimensions of the light sources or illumination means and the reconstruction means. However, it can also be used in principle in a projection display.
  • the invention is further based on a holographic display device which contains at least one reconstruction means, sufficiently coherent illumination means, a controllable light modulator in which the 3D scene is coded, and a control means for controlling the illumination.
  • the reconstruction means includes a multi-part lens system and an imaging optical element, wherein the imaging optical element also simultaneously assumes the function of a screen.
  • the holographic display device comprises a transmissive screen, the light distributions of the complex wavefront are projected in the light direction behind the screen in the viewer window, so that all reconstructions are generated in front of the viewer window and visible in a reconstruction space both in front of and behind the screen ,
  • the invention further provides a holographic display device for reducing speckle according to claim 10, comprising: - a plurality of sufficiently coherent but mutually incoherent light emitting illuminating means for illuminating different mutually independent light modulator regions and for generating various independent sub-viewer windows together with a reconstruction means,
  • a coding means in the form of a light modulator in which region-wise complex wavefronts of a 3D scene are coded
  • a reconstruction means for generating various independent partial observer windows with mutually incoherent light distributions of the respective complex-valued wavefront of different light modulator regions, in a viewer window of a viewer's space, and for generating different mutually incoherent reconstructions of different, mutually independent and mutually incoherently illuminated light modulator regions in a reconstruction room and a control means for controlling the illumination means, the coding means and the reconstruction means.
  • lasers are advantageously used in the various embodiments of the invention.
  • Another essential feature of the invention is that the mutually incoherent independent partial observer windows are arranged one-dimensionally adjacent to one another. A resulting overall lateral extent of the partial observer window reaches at least the predetermined horizontal width b of the observer window intended for an eye.
  • the observer window for carrying out the method according to the invention for a left or right eye of a viewer contains at least two partial observer windows.
  • the mutually incoherent, independent partial observer windows are arranged one-dimensionally next to one another in the vertical direction and have a vertical overall extent that at least reaches the predetermined height of the observer window intended for an eye.
  • the basis for the lateral and vertical overall extent of the partial observer windows is preferably the diameter of an eye pupil of the eye. Since the spatial resolution of the reconstruction is limited by the resolution of the eye, the observer window in its extension can also exceed the Augenpupilie and the viewer still sees the reconstruction. However, since the spatial resolution of the reconstruction is limited by the size of the viewer window, a partial viewer window must always be smaller than an eye pupil so that all partial viewer windows can be seen simultaneously.
  • Another expedient design of the mutually incoherent, independent viewer part window provides that they are arranged two-dimensionally in the viewer window. They then lie horizontally and vertically next to each other and form a square or rectangular area.
  • a lens of a multi-part lens system is provided in each case, wherein the lens system is preferably designed as a lenticular with parallel lenticles.
  • the multi-part lens system is advantageously designed as a matrix-shaped lens array.
  • a holographic display device for reducing the speckle pattern is, for example, a holographic display.
  • the display can be realized either as a projection display or as a direct-view display.
  • a projection display which is preferably designed in accordance with method claim 3, then requires a reconstruction means for transforming and reconstructing which only contains a reconstruction optics and an imaging optical element which simultaneously serves as a screen.
  • the hologram in contrast to the prior art only once encoded and does not have to be recalculated several times, resulting in a saving of computing time.
  • Fig. 1 is a schematic plan view of a holographic reflective
  • Fig. 2 is a schematic plan view of a holographic reflective
  • FIG. 4 is a schematic plan view of an exemplary embodiment of a holographic transmissive direct view display.
  • a first embodiment of a holographic projection display is shown schematically and simplified in plan view. In the direction of light, one after the other are arranged:
  • a reconstruction means preferably a two-part lens system 21; 22 and an imaging optical element 3, which also serves as a screen contains.
  • an eye position PE is an eye pupil 51 of an eye 5 near a virtual viewer window 4, the two incoherent independent partial observer window 41; 42 has.
  • a reconstruction 6 of a 3D scene can be seen in a reconstruction space between the screen and the eye position PE.
  • a control means 7 controls the lighting and the components touched by the light.
  • a second embodiment of a holographic projection display is shown schematically and simplified in plan view, arranged in the light direction in succession:
  • a reconstruction means comprising a reconstruction optics 20 and an imaging optical element 3 for transforming the light coming from the light modulator and for reconstructing a 3D scene, wherein the imaging optical element 3 simultaneously serves as a screen.
  • the light of the laser L generates in an eye position PE near the eye 5 a viewer window 4 in which two mutually incoherent independent partial observer windows 41; 42 and which has a predetermined horizontal width b. From here you can see the reconstruction 6 of a 3D scene.
  • the lighting is controlled by a control means 7.
  • Figures 3a and 3b the results of holographic simulations are shown as diagrams showing the speckle pattern of a reconstruction of a rectangular object in coherent (3a) and in incoherent (b) illumination for a given position.
  • the intensity of a speckle pattern with respect to a viewer position is shown in arbitrary units. It can be seen from FIG. 3b that by generating two mutually incoherent reconstructions of the same 3D scene and their superimposition at the same location in a reconstruction space, the intensity of the speckle pattern is considerably smaller than that of FIG. 3a for an eye 5.
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of an exemplary embodiment of a holographic transmissive direct-view display.
  • L10 to L13 of a matrix-like illumination arrangement and a reconstruction means with lenses 21 to 2n in front of a light modulator 1 shown.
  • a sub-hologram SOP of a reconstructed object point OP is coded.
  • the geometric beam path of the incoherently illuminated sub-hologram regions SOP10 to SOP13 is indicated by the object point OP to the common viewer window 4 and in the viewer window 4 respectively the partial viewer windows 412 and 410.
  • Immediately behind the viewer window 4 is an eye 5 of a viewer with the Eye pupil 51.
  • a control means 7 controls the illumination and the components touched by the light to reconstruct the 3D scene.
  • Reproduction device for carrying out a corresponding method is shown schematically in FIG. 1 as a reflective projection display.
  • a laser L1; L2 coherently illuminates a light modulator area 11 each with coherent light; 12 of the light modulator 1, so that these areas are coherent, but illuminated incoherently to each other.
  • the complex-valued wavefront of the 3D scene is here directly into the light modulator 1 in each of the independent light modulator regions 11; 12 coded.
  • Each light modulator area 11; 12 is separated by a lens 21; 22 of a multi-part lens system enlarged on the imaging optical element 3 and from there reduced in two equally large adjacent areas of the observer window 4 shown. These areas are called partial viewer windows 41; 42 defined.
  • the viewer window 4 thus contains two partial viewer windows 41; 42 two adjacent, mutually incoherent distributions of the light of the complex wave front of the same 3D scene.
  • the two imaging beam paths are shown from the screen by different line types.
  • the control means 7 controls the lasers and the light modulator 1 in such a way that two mutually incoherent reconstructions of the 3D scene with respectively different speckle patterns in the reconstruction space between the imaging optical element 3 and the observer window 4 at the same location from the two complex-valued wavefronts in the observer window 4 be generated and superimposed.
  • the right or left eye 5 of the viewer then takes in the viewer window 4 in its eye pupil 51 true a single reconstruction 6 as superimposition of the incoherent reconstructions with reduced speckle pattern.
  • the superimposition can be seen in the representation of the 3D scene from the combination of the different line types of the imaging beam paths.
  • the coding can be variably specified in the light modulator 1 so that the reconstruction 6 of the 3D scene can be seen in front of and / or behind the screen.
  • the screen is designed, for example, as an imaging lens with a reflective rear lens surface. Both also apply to Fig. 2.
  • the lateral overall extent of the one-dimensional side-by-side viewer windows 41; 42 corresponds to the predetermined horizontal width b (shown only in FIG. 2) of the observer window 4.
  • the diameter of the eye pupil 51 of the respective viewer's eye serves as the standard for the horizontal or vertical width or height of the observer window 4 to be specified.
  • the individual partial viewer windows 41 are advantageous here; 42 smaller than the eye pupil 51.
  • a second embodiment of a reflective holographic projection display is shown schematically and simplified in plan view. In the direction of light, one after the other are arranged:
  • a laser L which illuminates a light modulator 1 coherent
  • a reconstruction means comprising a reconstruction optics 20 and an imaging optical element 3 which simultaneously serves as a screen.
  • a virtual viewer window 4 with a predetermined horizontal width b the two independent part-viewer window 41; 42 contains.
  • a reconstruction 6 of a 3D scene can be seen in a reconstruction room.
  • the calculated, mutually incoherent wavefronts are shown in FIG. 2 from the sub-viewer windows 41; 42 is transformed into the light modulator 1 as a common hologram and coded there as a common hologram.
  • the coded complex-valued wavefront of the common hologram via the reconstruction optics 20 and the imaging optical element 3 in the two independent, incoherent partial observer window 41; 42 of the viewer window 4 transformed back.
  • the distance of the reconstruction optics 20 to the imaging optical element 3 is chosen so that an enlargement of the inverse transform takes place on the screen and the reconstruction 6 is also shown enlarged.
  • the inverse transform is reduced in accordance with the principle of viewer window presentation in the viewer window 4 near the eye pupil 51.
  • two superimposed reconstructions are then again generated, as described in FIG. 1, which are visible to the viewer as a single reconstruction 6 with a reduced speckle pattern.
  • the Fourier transformation is preferably used, since it can be easily implemented in terms of programming technology and can be realized very precisely by optical systems. It can be used in the process, a light modulator with conventional refresh rate and advantageously, the hologram should be calculated only with this frequency.
  • the method according to the invention for reducing speckle patterns which is based on the averaging of speckle-prone, mutually incoherent partial observer windows in a common observer window, can also be used.
  • the 3D scene is to be broken down into individual object points and each object point to be coded as a sub-hologram in a light modulator area of the light modulator.
  • the light of a matrix-like arrangement of illumination means passes via a reconstruction means 20 to a light modulator 1 which contains the coded sub-hologram SOP of a selected object point OP in a light modulator area.
  • Each illuminant L10 to L13 is sufficiently coherent in nature, but incoherent to each other.
  • the reconstruction means 20 is formed as a matrix-shaped arrangement of lenses 21 to 2n, which have a focusing function here.
  • the lenses may be, for example, a two-dimensional arrangement of spherical lenses or a one-dimensional array of cylindrical lenses of a lenticular.
  • a lenticular with a selected lens pitch is used. Due to the lens pitch and the size and position of the sub-hologram SOP in the light modulator 1, the sub-hologram SOP here extends over a range of four adjacent lenses of the reconstruction means 20. Respectively one light source means L10 to L13 illuminates a sub-hologram area SOP10 to SOP13 of the sub-hologram via a lens SOP. The projections of the illuminated sub-hologram regions SOP10 to SOP13 through the object point OP generate in Viewer window 4 each have a partial viewer window, of which the partial viewer windows 412 and 410 are shown.
  • the entire observer window 4 is larger than the eye pupil 51.
  • Each generated partial observer window is always smaller than the eye pupil 51, but which must cover at least two partial observer windows for averaging the speckle patterns.
  • the eye averages the superimposition of at least two incoherent reconstructions of the 3D scene with speckle patterns.
  • a control means 7 controls the modulation and reconstruction of the 3D scene.
  • this embodiment can also be realized as a projection structure.
  • the relative position of the sub-holograms to the individual lenses of the reconstruction means is important. If a sub-hologram is e.g. extends over two lenses, arise for the reconstruction of the individual object point two mutually offset incoherent partial viewer window in the common viewer window. Due to diffraction, these two sub-observer windows are not completely separated, but overlap. The overlap is not a disadvantage, but has a positive effect on the speckle reduction.
  • the ratio of lens size to the size of the sub-viewer windows is determined by various parameters, such as e.g. the pixel pitch of the light modulator, the distance of the viewer to the screen, the wavelength of the light and the depth coordinate of the object point itself depends. From these parameters, the lens size can be selected so that the condition - incoherent partial viewer window smaller than the eye pupil - is satisfied for a given depth range of the 3D scene.
  • the coding of the individual object points of the 3D scene in the light modulator takes place in each case in the light modulator regions, regardless of whether an analytical calculation or a calculation with Fourier and Fresnel transformations is carried out.
  • the eye position data of the observer eye 5 are usually determined at least two-dimensionally in FIG. 1 and FIG. 2 by a position detection system (not shown) and taken over by the control means 7, which need not be discussed in greater detail here.
  • the control center! 7 coordinates the illumination and the operation of the light modulator 1 and the reconstruction means for realizing the method according to the invention on the basis of these data.
  • correction means can be provided in the illumination beam path, which can be controlled by the control means according to their function.
  • Reconstructions of the 3D scene arbitrarily increased without additional components can be used to further reduce the speckle patterns that occur.
  • the described method according to the invention for reducing speckle in the reconstruction of a 3D scene can be used both in a holographic projection display and in a holographic direct-view display with a corresponding modification of the components.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Speckle-Mustern einer dreidimensionalen holographischen Rekonstruktion, bei dem ein steuerbarer Lichtmodulator (1), in den eine 3D-Szene kodiert ist und der von kohärentem Licht beleuchtet wird, ein Rekonstruktionsmittel (21, 22) moduliertes Licht nahe einer Augenposition (PE) in einen Betrachterraum projiziert und ein Steuermittel (7) die Beleuchtung steuert. Zur Lösung der Aufgabe, in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung die bei der Rekonstruktion einer 3D-Szene auftretenden Speckle-Muster zu reduzieren und ein echtzeitnah arbeitendes Verfahren mit einem Trägermedium mit herkömmlicher Bildwiederholfrequenz zu realisieren, werden mit dem vom Steuermittel gesteuerten Licht von der im Lichtmodulator kodierten 3D-Szene verschiedene unabhängige, zueinander inkohärente Lichtverteilungen komplexwertiger Wellenfronten der gleichen 3D-Szene in der Augenposition erzeugt und in einem Rekonstruktionsraum am gleichen Ort den verschiedenen komplexwertigen Wellenfronten entsprechende Rekonstruktionen der 3D-Szene erzeugt und inkohärent überlagert, so dass von der Augenposition aus eine einzige Speckle-reduzierte Rekonstruktion der 3D-Szene (6) gesehen wird.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Reduzieren von Speckle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von Speckle-Mustern einer dreidimensionalen holographischen Rekonstruktion einer dreidimensionalen Szene und eine holographische Wiedergabeeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Anwendungsgebiet der Erfindung sind Verfahren, mit denen die Speicherung und Rekonstruktion komplexer Wellenfronten einer dreidimensionalen Szene (3D-Szene) durch Holographie unter Verwendung von vorzugsweise Laserlicht in Echtzeit oder echtzeitnah in holographischen Wiedergabeeinrichtungen erfolgt und bei denen die Rekonstruktion von einem virtuellen Betrachterfenster aus zu sehen ist.
Die Holographie ermöglicht die Aufzeichnung und die optische Wiedergabe eines dreidimensionalen Objektes oder einer bewegten 3D-Szene mit wellenoptischen Verfahren. Die 3D-Szene ist in einem Lichtmodulator, der als Trägermedium dient, kodiert. Infolge der Beleuchtung mit interferenzfähigen Lichtwellen bildet jeder Punkt der kodierten 3D-Szene einen Ausgangspunkt von Lichtwellen, die miteinander interferieren und als resultierende Lichtwellenfront die 3D-Szene räumlich so rekonstruieren, als ob sie durch eine Lichtausbreitung vom tatsächlichen Objekt im Raum zustande kommen würde. Die holographische Rekonstruktion des Objektes oder der 3D-Szene erfolgt vorzugsweise mit einer Projektionseinrichtung und/oder einer Rekonstruktionsoptik durch Beleuchten des Trägermediums mit normalerweise hinreichend kohärentem Licht.
Im Dokument wird die 3D-Szene in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung mit einem Betrachterfenster, das ein Sichtbarkeitsbereich in einem Betrachterraum ist, rekonstruiert. Dabei ist das Betrachterfenster vor einem Wiedergabemittel größenmäßig vorgegeben und entspricht im Allgemeinen der Größe einer Augenpupille. Deshalb wird es hier auch als der Ort der Augenposition bezeichnet, den ein Betrachterauge einnehmen kann und von dem aus der Betrachter die Rekonstruktion der 3D-Szene sehen kann. Wellenoptisch gesehen wird ein Betrachterfenster entweder als die direkte oder inverse Fourier-Transformierte oder Fresnel-Transformierte eines in ein Trägermedium kodierten Hologramms oder als Abbildung einer in ein Trägermedium kodierten Wellenfront in einer Ebene eines Betrachterraums gebildet, wobei das Betrachterfenster nur eine einzige Beugungsordnung einer periodischen Rekonstruktion umfasst. Die Ebene kann eine Brennebene eines Fokusmittels oder die Bildebene einer Lichtquelle sein. Das Hologramm oder die Wellenfront sind dabei so aus der 3D Szene berechnet, dass innerhalb der einen Beugungsordnung, die als Sichtbarkeitsbereich genutzt wird, jegliches Übersprechen zwischen den Betrachteraugen verhindert wird, das üblicherweise bei Rekonstruktionen unter Verwendung von Lichtmodulatoren auftritt. Kombiniert mit einer Anordnung oder einem Verfahren zum Unterdrücken höherer Beugungs-ordnungen lassen sich damit im Multiplex-Verfahren nacheinander einem linken und rechten Auge eines Betrachters ohne Übersprechen 3D-Szenen darstellen. Ebenso ist ein Multiplex- Verfahren für mehrere Personen nur dadurch möglich.
Als Träger- oder Aufzeichnungsmedien für Hologramme bzw. komplexwertige Wellenfronten einer 3D-Szene dienen räumliche Lichtmodulatoren, wie beispielsweise LCD, LCoS, usw., welche die Phase und/oder die Amplitude des einfallenden Lichts modulieren. Um bewegte 3D-Szenen darstellen zu können, muss die Bildwiederholfrequenz des Trägermediums aber ausreichend groß sein.
Die im Trägermedium in regulär angeordnete Pixel kodierten Werte können dabei von einem realen Objekt stammen oder ein computergeneriertes Hologramm (CGH) sein.
Das Betrachten der Rekonstruktion der 3D-Szene kann erfolgen, indem der Betrachter direkt auf das Trägermedium schaut. Dies wird in diesem Dokument als Direktsichtaufbau bezeichnet. Alternativ kann der Betrachter auf einen Schirm schauen, auf den entweder eine Abbildung oder eine Transformierte der im Trägermedium kodierten Werte projiziert wird. Dies wird in diesem Dokument als Projektionsaufbau bezeichnet. Im Folgenden wird sowohl für den Schirm im Projektionsaufbau als auch für das Trägermedium im Direktsichtaufbau die Bezeichnung Bildschirm verwendet.
Die Rekonstruktion des Hologramms ist wegen der diskreten Aufzeichnung beugungsbedingt nur innerhalb eines durch die Auflösung des Trägermediums gegebenen Periodizitätsintervalls der Rekonstruktion einer Wellenfront möglich. In den aneinandergrenzenden Periodizitätsintervallen wird die Rekonstruktion, meist mit Störungen, wiederholt.
Beim Einsatz von kohärentem Laserlicht zum Beleuchten eines Lichtmodulators entstehen störende Muster, die als Speckle-Muster oder auch Granulation bekannt sind. Man versteht darunter ein granulationsartiges Interferenzmuster, das durch Interferenz vieler Lichtwellen mit statistisch unregelmäßig verteilten Phasendifferenzen entsteht.
Bei der Rekonstruktion eines Hologramms wirken sich die Speckle-Muster nachteilig aus. Normalerweise erfolgt zur Hologrammberechnung eine diskrete Abtastung der 3D-Szene, da auf dem Trägermedium nur eine diskrete Aufzeichnung möglich ist. Bestimmte Kodierungsverfahren, bei denen die Informationen über die 3D-Szene in geeigneter weise in das Trägermedium eingespeichert sind, ermöglichen prinzipiell eine Rekonstruktion, bei der am Ort der Abtastpunkte selbst die Rekonstruktion mit dem abgetasteten Objekt vollständig übereinstimmt. Die physikalische Rekonstruktion ergibt aber wieder einen kontinuierlichen Verlauf auch zwischen den Abtastpunkten. Dort treten Abweichungen vom Intensitätsverlauf im Objekt auf, wodurch die Rekonstruktion Speckle-Muster enthält, die die Qualität der Rekonstruktion mindern. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Berechnung des Hologramms mit einer Zufallsphase der Objektpunkte durchgeführt wird, was aus bestimmten anderen Gründen aber vorteilhaft ist.
Ein Reduzieren der Speckle-Muster bei der Rekonstruktion der 3D-Szene kann prinzipiell durch zeitliche oder/und räumliche Mittelung erreicht werden, wobei die Rekonstruktion aus in ein externes Trägermedium kodierten Werten einer 3D-Szene oder aus in geeigneter Weise berechneten Hologrammwerten erzeugt wird. Dabei mittelt immer das Auge des Betrachters über mehrere ihm dargestellte Rekonstruktionen mit unterschiedlichem Speckie-Muster, wodurch eine Verringerung dieser Störung wahrgenommen wird.
So wird beispielsweise in der DE 195 41 071 A1 zum zeitlichen Ausmitteln der Granulation bei einer Hologrammprüfung eine rotierende rechteckförmige Glasplatte in den Strahlengang gebracht. Sie rotiert dabei mit einer auf die Frequenz eines Detektors abgestimmten Frequenz, wodurch die Speckle nicht mehr störend erscheinen. Ein solches Verfahren kann jedoch nur zur Verringerung eines zweidimensionalen, ebenen Speckle-Musters angewendet werden, wobei sich die Streuscheibe in der Ebene des Speckle-Musters befinden muss.
Für die zeitliche Mittelung zum Reduzieren von Speckie-Mustern einer 3D-Szene ist es bekannt, die 3D-Szene mit einer vorgegebenen Anzahl von unterschiedlichen Zufallsphasen zu berechnen und die entsprechenden Hologramme zeitlich schnell nacheinander auf einem Trägermedium darzustellen. Durch die mehrfachen Hologrammberechnungen erhöht sich jedoch die Rechenleistung erheblich und auch die Bildwiederholfrequenz des Trägermediums bei der Darstellung der Hologramme müsste in unerwünschter Weise stark ansteigen.
Weiterhin ist aus der Literatur allgemein bekannt, zur räumlichen Mittelung ein Trägermedium in mehrere unabhängige Bereiche zu unterteilen, in die neben- und/oder untereinander eine Wiederholung von aus demselben Objekt mit unterschiedlichen Objektphasen berechneten Teil-Hologrammen eingeschrieben wird. Das Auge des Betrachters mittelt dann über die unterschiedlichen Speckie- Muster der einzelnen mit einer Fourier-Transformation oder Fresnel-Transformation erzeugten Rekonstruktionen der berechneten Teil-Hologramme, wodurch das resultierende Speckie-Muster dann abgeschwächt erscheint.
Auf ein holographisches Display mit einem Betrachterfenster, dessen Prinzip in der DE 103 53 439 A1 der Anmelderin beschrieben wird und das diesem Dokument zugrunde liegt, ist dieses Verfahren aber nicht anwendbar. Hier wird eine komplexwertige Lichtverteilung des Beugungsbildes eines Objektes, z.B. einer 3D- Szene, im Betrachterfenster einer Betrachterebene berechnet. Dazu werden von einzelnen Objektebenen, in die die 3D-Szene virtuell geschnitten wird, Transformationen vorgenommen und im Betrachterfenster aufsummiert. Die Transformationen entsprechen der optischen Lichtausbreitung zwischen den geschnittenen Objektebenen und der Betrachterebene mit dem Betrachterfenster. Dieses Verfahren führt dazu, dass jedem Objektpunkt ein begrenzter lokalisierter Bereich auf einem Bildschirm zugeordnet ist, in den die Information für die Rekonstruktion dieses Punktes eingeschrieben ist. Dies ist für eine korrekte Rekonstruktion aus dem Betrachterfenster notwendig.
Ein Kodieren von verschiedenen, aus der 3D-Szene berechneten Teil-Hologrammen neben- und/oder untereinander auf dem Bildschirm nach dem Stand der Technik würde dagegen nach sich ziehen, dass auch die einem Objektpunkt zugeordneten Hologrammwerte in unterschiedlichen Bereichen auf dem Bildschirm wiederholt werden. Dies ist nicht mit dem Sichtbarmachen der rekonstruierten 3D-Szene aus dem Betrachterfenster vereinbar. Ein genereller Nachteil einer räumlichen Wiederholung von Teil-Hologrammen ist außerdem, dass bei gegebenem Trägermedium dessen Auflösung für jedes einzelne Teil-Hologramm reduziert wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung mit virtuellem Betrachterfenster die bei der Rekonstruktion einer 3D-Szene auftretenden Speckle-Muster wesentlich zu reduzieren und ein echtzeitnah arbeitendes Verfahren zu schaffen, bei dem ein Trägermedium mit herkömmlicher Bildwiederholfrequenz verwendbar ist.
Die Aufgabe wird prinzipiell durch ein Verfahren gelöst, bei dem anstelle einer einzelnen, mit hinreichend kohärentem Licht erzeugten Rekonstruktion einer SD- Szene verschiedene, zueinander inkohärente Rekonstruktionen in einem Rekonstruktionsraum am gleichen Ort erzeugt und überlagert werden. Da die Inkohärenz mit einer Phasenverschiebung verbunden ist, weisen die verschiedenen inkohärenten Rekonstruktionen zueinander unterschiedliche Speckle-Muster auf. Das jeweilige Auge des Betrachters mittelt von einer Augenposition aus über die Speckle-Muster und sieht nur eine einzige Speckle-reduzierte Rekonstruktion der ursprünglichen 3D-Szene in einem Rekonstruktionsraum.
Das Verfahren wird in der holographischen Wiedergabeeinrichtung mit erfindungsgemäßen Verfahrensschritten nach Anspruch 1 so ausgeführt, dass
- mit dem vom Steuermittel gesteuerte Licht von der im Lichtmodulator kodierten 3D- Szene verschiedene unabhängige, zueinander inkohärente Lichtverteilungen komplexwertiger Wellenfronten der gleichen 3D-Szene in einer Augenposition in einem Betrachterraum erzeugt werden und - in einem Rekonstruktionsraum am gleichen Ort den verschiedenen Lichtverteilungen der komplexwertigen Wellenfronten entsprechende Rekonstruktionen der 3D-Szene erzeugt und zueinander inkohärent überlagert werden, so dass von der Augenposition aus eine einzige Speckle-reduzierte Rekonstruktion der 3D-Szene gesehen wird.
Das Verfahren kann für jeweils ein rechtes und ein linkes Auge eines Betrachters separat, zum Beispiel zeitlich nacheinander, durchgeführt werden. Weiterhin kann das Verfahren zum Erzeugen einer farbigen Rekonstruktion für die verschiedenen Grundfarben, z.B. rot, grün und blau, separat durchgeführt werden, beispielsweise zeitlich nacheinander.
Das der Erfindung zugrunde liegende virtuelle Betrachterfenster zum Rekonstruieren der 3D-Szene entspricht hier der Ebene im Betrachterraum, in der die verschiedenen unabhängigen, zueinander inkohärenten Lichtverteilungen der komplexwertigen Wellenfronten der kodierten 3D-Szene verschiedene unabhängige, zueinander inkohärente Teil-Betrachterfenster bilden. Um die rekonstruierte 3D- Szene sehen zu können, müssen die Augen eines Betrachters in dieser Ebene eine Augenposition einnehmen. In der weiteren Beschreibung werden sowohl die Begriffe Augenposition als auch Betrachterfenster verwendet.
Unter einer komplexwertigen Wellenfront wird im Dokument eine Wellenfront verstanden, die mathematisch durch komplexe Zahlen beschrieben wird, die die Phase und Amplitude der Wellenfront definieren. Um das Betrachterfenster, das normalerweise die komplexwertige Wellenfront der zu rekonstruierenden 3D-Szene enthält, vorteilhaft zum Erzeugen verschiedener, zueinander inkohärenter Rekonstruktionen am gleichen Ort benutzen zu können, müssen auch im Betrachterfenster verschiedene, zueinander inkohärente Bereiche erzeugt werden. Das kann in weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch zwei unterschiedliche Methoden und zugehörige Rekonstruktionsmittel erreicht werden.
Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 3 werden zum Erzeugen der zueinander inkohärenten Teil-Betrachterfenster nach einer ersten Methode folgende weitere Verfahrensschritte ausgeführt:
- die der 3D-Szene entsprechende komplexwertige Wellenfront wird für jedes Teil- Betrachterfenster direkt in jeweils einen Lichtmodulator-Bereich kodiert,
- die voneinander unabhängigen Lichtmodulator-Bereiche werden durch Beleuchtungsmittel zueinander inkohärent beleuchtet und
- die inkohärent beleuchteten Lichtmodulator-Bereiche werden über das Rekonstruktionsmittel in verschiedene, zueinander inkohärente Teil- Betrachterfenster im Betrachterfenster abgebildet.
Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 werden zum Erzeugen der zueinander inkohärenten Teil-Betrachterfenster nach einer zweiten Methode folgende weitere Verfahrensschritte ausgeführt:
- die der 3D-Szene entsprechenden komplexwertigen Wellenfronten werden für jedes Teil-Betrachterfenster als Äquivalent zu einer inkohärenten Beleuchtung berechnet, die inkohärent berechneten, gemeinsamen Wellenfronten in den Lichtmodulator transformiert und dort als ein gemeinsames Hologramm kodiert,
- der Lichtmodulator wird durch ein Beleuchtungsmittel hinreichend kohärent beleuchtet und
- das gemeinsame Hologramm wird durch das Rekonstruktionsmittel in die verschiedenen, zueinander inkohärenten Teil-Betrachterfenster rücktransformiert.
Verschiedene, zueinander inkohärente Rekonstruktionen können also nach Anspruch 4 auch dadurch erzeugt werden, dass keine Abbildung der Lichtverteilungen erfolgt, sondern eine Transformation der inkohärent berechneten Lichtverteilungen der Teil-Betrachterfenster in den Lichtmodulator, in den die transformierten Werte als gemeinsames Hologramm kodiert werden. In einer Einrichtung zum Durchführen der zweiten Methode werden für die Beleuchtung und Rekonstruktion weniger Komponenten benötigt. Ein einziges Beleuchtungsmittel sowie ein zweiteiliges Rekonstruktionsmittel mit Rekonstruktionsoptik und Bildschirm genügen bereits zum Durchführen des Verfahrens.
Vorteilhafterweise erfolgt die inkohärente Berechnung der Lichtverteilungen der komplexwertigen Wellenfronten der 3D-Szene in den verschiedenen Teil- Betrachterfenster mit jeweils zueinander unterschiedlichen Objektphasen, aber fester Amplitude.
Durch die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 wird erreicht, dass jedes erzeugte Teil- Betrachterfenster eine Lichtverteilung der gleichen komplexwertigen Wellenfront der
3D-Szene enthält, die alle zueinander inkohärent sind. Aus den zueinander inkohärenten komplexwertigen Wellenfronten werden zueinander inkohärente
Rekonstruktionen mit zueinander unterschiedlichen Speckle-Mustern erzeugt, so dass das jeweilige Auge eines Betrachters eine Mittelung der Speckle-Muster der erzeugten Rekonstruktionen der 3D-Szene durchführen kann.
Zum Realisieren des Verfahrens nach Anspruch 3 ist es erforderlich, dass wenigstens zwei kohärentes Licht aussendende Beleuchtungsmittel wenigstens zwei Lichtmodulator-Bereiche zueinander inkohärent beleuchten, um eine gemittelte Speckle-reduzierte Rekonstruktion zu erhalten. Je mehr zueinander inkohärente Teil-Betrachterfenster im Betrachterfenster erzeugt werden können, umso mehr wird vorteilhafterweise das Speckle-Muster der Rekonstruktion der 3D-Szene verringert sein.
In Ausbildung des Verfahrens zum Reduzieren von Speckle für ein transmissives Direktsichtdisplay wird die 3D-Szene in Objektpunkte zerlegt und für diese Objektpunkte werden zueinander inkohärente Teil-Betrachterfenster erzeugt. Die Verfahrensschritte sind dadurch gekennzeichnet, dass - die der 3D-Szene entsprechende komplexwertige Wellenfront für das gemeinsame Betrachterfenster berechnet, in den üchtmodulator transformiert und als ein gemeinsames Hologramm kodiert wird, und
- eine matrixförmige Anordnung von Beleuchtungsmitteln in Kombination mit einer matrixförmigen Anordnung von Rekonstruktionsmitteln verschiedene
Subhologramm-Bereiche in jeweils einem Lichtmodulator-Bereich des Lichtmodulators inkohärent zueinander beleuchtet, wobei jeweils ein Lichtmodulator- Bereich ein Subhologramm eines Objektpunktes enthält, so dass durch Projektionen der beleuchteten Subhologramm-Bereiche durch den Objektpunkt hindurch mehrere Teil-Betrachterfenster kleiner als die Augenpupille im Betrachterfenster für jeweils einen rekonstruierten Objektpunkt erzeugt werden.
Dieses Verfahren zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass die Größe der inkohärent zueinander beleuchteten Subhologramm-Bereiche durch eine Anpassung der Abmessungen der Rekonstruktionsmittel an die Anzahl der Beleuchtungsmittel bestimmt wird, die jeweils für sich hinreichend kohärent, aber zueinander inkohärent sind.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Anspruch 3, bei dem für die gesamte rekonstruierte 3D-Szene eine gemeinsame Unterteilung des Betrachterfensters entsteht, ergibt sich hier zur Speckle-Reduzierung ein Betrachterfenster, in dem die Lage der inkohärenten Teil-Betrachterfenster für jeden Objektpunkt individuell unterschiedlich sein kann.
Diese Ausgestaltung ist wegen der typischen Abmessungen der Lichtquellen bzw. Beleuchtungsmittel und der Rekonstruktionsmittel am Besten zur Umsetzung in einem Direktsichtdisplay geeignet. Sie kann aber prinzipiell auch in einem Projektionsdisplay verwendet werden.
Der Erfindung liegt weiterhin eine holographische Wiedergabeeinrichtung zugrunde, die wenigstens ein Rekonstruktionsmittel, hinreichend kohärente Beleuchtungsmittel, einen steuerbaren Lichtmodulator, in den die 3D-Szene kodiert ist, und ein Steuermittel zum Steuern der Beleuchtung enthält. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Rekonstruktionsmittel ein mehrteiliges Linsensystem und ein abbildendes optisches Element enthält, wobei das abbildende optische Element auch gleichzeitig die Funktion eines Bildschirms übernimmt.
Ist der Bildschirm reflektiv ausgebildet, werden die Lichtverteilungen der komplexwertigen Wellenfront in das Betrachterfenster vor dem Bildschirm abgebildet, so dass alle Rekonstruktionen in einem Rekonstruktionsraum vor dem Betrachterfenster erzeugt und sowohl vor als auch hinter dem Bildschirm sichtbar werden. Umfasst die holographische Wiedergabeeinrichtung in einer weiteren Ausführung einen transmissiv ausgebildeten Bildschirm, werden die Lichtverteilungen der komplexwertigen Wellenfront in Lichtrichtung hinter dem Bildschirm in das Betrachterfenster abgebildet, so dass alle Rekonstruktionen vor dem Betrachterfenster erzeugt und in einem Rekonstruktionsraum sowohl vor als auch hinter dem Bildschirm sichtbar werden.
Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 wird in Ausbildung der Erfindung weiterhin eine holographische Wiedergabeeinrichtung zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 10 vorgesehen, die folgende Mittel umfasst: - verschiedene hinreichend kohärentes, jedoch zueinander inkohärentes Licht aussendende Beleuchtungsmittel zum Beleuchten verschiedener, voneinander unabhängiger Lichtmodulator-Bereiche und zum Erzeugen verschiedener unabhängiger Teil-Betrachterfenster zusammen mit einem Rekonstruktionsmittel,
- ein Kodiermittel in Form eines Lichtmodulators, in den bereichsweise komplexwertige Wellenfronten einer 3D-Szene kodiert sind,
- ein Rekonstruktionsmittel zum Erzeugen verschiedener unabhängiger Teil- Betrachterfenster mit zueinander inkohärenten Lichtverteilungen der jeweiligen komplexwertigen Wellenfront verschiedener Lichtmodulator-Bereiche, in einem Betrachterfenster eines Betrachterraums, und zum Erzeugen von verschiedenen, zueinander inkohärenten Rekonstruktionen aus unterschiedlichen, voneinander unabhängigen und zueinander inkohärent beleuchteten Lichtmodulator-Bereichen in einem Rekonstruktionsraum und - ein Steuermittel zum Steuern der Beleuchtungsmittel, des Kodiermittels und des Rekonstruktionsmittels.
Als Beleuchtungsmittel werden in den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung vorteilhaft Laser verwendet.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die zueinander inkohärenten unabhängigen Teil-Betrachterfenster eindimensional nebeneinander liegend angeordnet sind. Eine so entstandene laterale Gesamtausdehnung der Teil- Betrachterfenster erreicht mindestens die vorgegebene horizontale Breite b des für ein Auge bestimmten Betrachterfensters.
Zweckmäßigerweise enthält das Betrachterfenster zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein linkes bzw. rechtes Auge eines Betrachters wenigstens zwei Teil-Betrachterfenster.
In einer weiteren Ausführungsform sind die zueinander inkohärenten, unabhängigen Teil-Betrachterfenster eindimensional in vertikaler Richtung nebeneinander liegend angeordnet und weisen eine vertikale Gesamtausdehnung auf, die die vorgegebene Höhe des für ein Auge bestimmten Betrachterfensters mindestens erreicht.
Die Basis für die laterale und vertikale Gesamtausdehnung der Teil- Betrachterfenster ist vorzugsweise der Durchmesser einer Augenpupille des Auges. Da die räumliche Auflösung der Rekonstruktion durch das Auflösungsvermögen des Auges begrenzt ist, kann das Betrachterfenster in seiner Ausdehnung die Augenpupilie auch überschreiten und der Betrachter sieht trotzdem die Rekonstruktion. Jedoch muss ein Teil-Betrachterfenster stets kleiner als eine Augenpupille sein, damit gleichzeitig alle Teil-Betrachterfenster gesehen werden können, da die räumliche Auflösung der Rekonstruktion durch die Größe des Betrachterfensters begrenzt ist.
Eine andere zweckmäßige Gestaltung der zueinander inkohärenten, unabhängigen Teil-Betrachterfenster sieht vor, dass sie zweidimensional im Betrachterfenster angeordnet sind. Sie liegen dann horizontal und vertikal nebeneinander und bilden eine quadratische oder rechteckige Fläche. So kann bei der holographischen Wiedergabeeinrichtung vorteilhaft mit einer größer werdenden Anzahl von zueinander inkohärenten Teil-Betrachterfenstern und Rekonstruktionen das störende Speckle-Muster stetig verringert werden.
Für ein möglichst problemloses eindimensionales Abbilden eines Lichtmodulator- Bereichs auf den Bildschirm ist jeweils eine Linse eines mehrteiligen Linsensystems vorgesehen, wobei das Linsensystem vorzugsweise als Lentikular mit parallel zueinander angeordneten Lentikeln ausgeführt ist. Zum zweidimensionalen Abbilden der verschiedenen Lichtmodulator-Bereiche ist das mehrteilige Linsensystem vorteilhaft als matrixförmiges Linsenarray ausgebildet.
Eine holographische Wiedergabeeinrichtung zum Reduzieren der Speckle-Muster ist beispielsweise ein holographisches Display. Durch eine entsprechende Ausbildung der einzelnen Displaykomponenten, insbesondere der optischen, ist das Display wahlweise sowohl als Projektionsdisplay als auch als Direktsichtdisplay zu realisieren. Ein vorzugsweise entsprechend dem Verfahrensanspruch 3 ausgebildetes Projektionsdisplay benötigt dann zum Transformieren und Rekonstruieren ein Rekonstruktionsmittel, das nur eine Rekonstruktionsoptik und ein abbildendes optisches Element, das gleichzeitig als Bildschirm dient, enthält.
der Erfindung nach Anspruch 3 wird als weiterer Vorteil das Hologramm im Gegensatz zum Stand der Technik nur einmal kodiert und muss nicht mehrmals neu berechnet werden, wodurch sich eine Einsparung von Rechenzeit ergibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und dazugehörige holographische Wiedergabeeinrichtungen zum Durchführen des Verfahrens werden nachfolgend näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein holographisches reflektives
Projektionsdisplay in einem ersten Ausführungsbeispiel
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf ein holographisches reflektives
Projektionsdisplay in einem zweiten Ausführungsbeispiel Fig. 3a, 3b Simulationsergebnisse für ein Speckle-Muster nach der Rekonstruktion eines zweidimensionalen Objektes mit einer kohärenten (3a) und einer inkohärenten (3b) Beleuchtung als Diagramm und
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines holographischen transmissiven Direktsichtdisplays.
Bei der Beschreibung der einzelnen Figuren werden für gleiche Komponenten die gleichen Bezeichnungen verwendet.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines holographischen Projektionsdisplays schematisch und vereinfacht in Draufsicht dargestellt. In Lichtrichtung sind nacheinander angeordnet:
- als Beleuchtungsmittel zwei Laser L1 ; L2, die in einem Lichtmodulator 1 zwei Lichtmodulator-Bereiche 11 ; 12 beleuchten, und - ein Rekonstruktionsmittel, das vorzugsweise ein zweiteiliges Linsensystem 21 ; 22 und ein abbildendes optisches Element 3, das gleichzeitig als Bildschirm dient, enthält.
In einer Augenposition PE befindet sich eine Augenpupille 51 eines Auges 5 nahe einem virtuellen Betrachterfenster 4, das zwei zueinander inkohärente unabhängige Teil-Betrachterfenster 41 ; 42 aufweist. In einem Rekonstruktionsraum zwischen dem Bildschirm und der Augenposition PE ist eine Rekonstruktion 6 einer 3D-Szene zu sehen. Ein Steuermittel 7 steuert die Beleuchtung und die vom Licht berührten Komponenten.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform eines holographischen Projektionsdisplays schematisch und vereinfacht in Draufsicht dargestellt, in Lichtrichtung sind nacheinander angeordnet:
- als Beleuchtungsmittel ein Laser L1 der einen Lichtmodulator 1 mit einem darin kodierten Hologramm beleuchtet, und
- ein Rekonstruktionsmittel, das eine Rekonstruktionsoptik 20 sowie ein abbildendes optisches Element 3 zur Transformation des vom Lichtmodulator kommenden Lichts und zur Rekonstruktion einer 3D-Szene enthält, wobei das abbildende optische Element 3 gleichzeitig als Bildschirm dient.
Das Licht des Lasers L erzeugt in einer Augenposition PE nahe dem Auge 5 ein Betrachterfenster 4, in dem zwei zueinander inkohärente unabhängige Teil- Betrachterfenster 41 ; 42 liegen und das eine vorgegebene horizontale Breite b hat. Von hier aus ist die Rekonstruktion 6 einer 3D-Szene zu sehen. Die Beleuchtung wird über ein Steuermittel 7 gesteuert.
In den Figuren 3a und 3b sind die Ergebnisse von holographischen Simulationen als Diagramme dargestellt, die das Speckle-Muster einer Rekonstruktion eines rechteckigen Objektes bei kohärenter (3a) und bei inkohärenter (b) Beleuchtung für eine vorgegebene Position zeigen.
In den Diagrammen ist die Intensität eines Speckle-Musters in Bezug auf eine Betrachterposition in beliebigen Einheiten dargestellt. Der Fig. 3b ist zu entnehmen, dass durch Erzeugen zweier zueinander inkohärenter Rekonstruktionen der gleichen 3D-Szene und deren Überlagerung am gleichen Ort in einem Rekonstruktionsraum die Intensität des Speckle-Musters gegenüber Fig. 3a für ein Auge 5 wesentlich geringer ist.
In Fig. 4 ist eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines holographischen transmissiven Direktsichtdisplays gezeigt. In Lichtrichtung sind Beleuchtungsmitte! L10 bis L13 einer matrixförmigen Beleuchtungsanordnung und ein Rekonstruktionsmittel mit Linsen 21 bis 2n vor einem Lichtmodulator 1 dargestellt. In einem Lichtmodulator-Bereich ist ein Subhologramm SOP eines rekonstruierten Objektpunktes OP kodiert. Weiterhin ist der geometrische Strahlenverlauf der inkohärent zueinander beleuchteten Subhologramm-Bereiche SOP10 bis SOP13 durch den Objektpunkt OP zum gemeinsamen Betrachterfenster 4 eingezeichnet sowie im Betrachterfenster 4 jeweils die Teil-Betrachterfenster 412 und 410. Unmittelbar hinter dem Betrachterfenster 4 liegt ein Auge 5 eines Betrachters mit der Augenpupille 51. Ein Steuermittel 7 steuert die Beleuchtung und die vom Licht berührten Komponenten zur Rekonstruktion der 3D-Szene. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren an den Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Da für das Reduzieren der Speckle im Betrachterfenster 4 entsprechend der Erfindung verschiedene, zueinander inkohärente Teil-Betrachterfenster 41 bis 4n, wenigstens aber zwei Teil-Betrachterfenster 41 ; 42 notwendig sind, muss auch auf dem Lichtmodulator 1 eine entsprechende Anzahl von inkohärent beleuchteten
Bereichen geschaffen werden. Eine geeignete holographische
Wiedergabeeinrichtung zum Durchführen eines entsprechenden Verfahrens ist in Fig. 1 schematisch als ein reflektives Projektionsdisplay dargestellt.
Jeweils ein Laser L1 ; L2 beleuchtet mit kohärentem Licht separat jeweils einen Lichtmodulator-Bereich 11 ; 12 des Lichtmodulators 1 , so dass diese Bereiche zwar kohärent, aber zueinander inkohärent beleuchtet sind. Die komplexwertige Wellenfront der 3D-Szene ist hier direkt in den Lichtmodulator 1 in jeden der voneinander unabhängigen Lichtmodulator-Bereiche 11 ; 12 kodiert.
Jeder Lichtmodulator-Bereich 11 ; 12 wird separat durch eine Linse 21 ; 22 eines mehrteiligen Linsensystems vergrößert auf das abbildende optische Element 3 und von dort verkleinert in zwei gleich große nebeneinander liegende Bereiche des Betrachterfensters 4 abgebildet. Diese Bereiche werden als Teil-Betrachterfenster 41 ; 42 definiert. Das Betrachterfenster 4 enthält damit in zwei Teil-Betrachterfenstern 41 ; 42 zwei nebeneinander liegende, zueinander inkohärente Verteilungen des Lichts der komplexwertigen Wellenfront der gleichen 3D-Szene. Die zwei Abbildungsstrahlengänge sind vom Bildschirm aus durch unterschiedliche Linienarten dargestellt.
Das Steuermittel 7 steuert die Laser und den Lichtmodulator 1 so, dass aus den zwei komplexwertigen Wellenfronten im Betrachterfenster 4 zwei zueinander inkohärente Rekonstruktionen der 3D-Szene mit jeweils unterschiedlichen Speckle- Mustern im Rekonstruktionsraum zwischen dem abbildenden optischen Element 3 und dem Betrachterfenster 4 am gleichen Ort erzeugt und überlagert werden. Das rechte oder linke Auge 5 des Betrachters nimmt vom Betrachterfenster 4 dann in seiner Augenpupille 51 eine einzige Rekonstruktion 6 als Überlagerung der inkohärenten Rekonstruktionen mit reduziertem Speckle-Muster wahr. Die Überlagerung ist in der Darstellung der 3D-Szene aus der Kombination der unterschiedlichen Linienarten der Abbildungsstrahlengänge ersichtlich.
Die Kodierung kann im Lichtmodulator 1 variabel so vorgegeben werden, dass die Rekonstruktion 6 der 3D-Szene vor und/oder hinter dem Bildschirm zu sehen ist. Der Bildschirm ist beispielsweise als Abbildungslinse mit reflektierender rückseitiger Linsenfläche ausgebildet. Beides trifft auch für Fig. 2 zu.
Die laterale Gesamtausdehnung der eindimensional nebeneinander liegenden Teil- Betrachterfenster 41 ; 42 entspricht der vorgegebenen horizontalen Breite b (nur in Fig. 2 dargestellt) des Betrachterfensters 4. Als Maßstab für die vorzugebende horizontale oder vertikale Breite oder Höhe des Betrachterfensters 4 dient der Durchmesser der Augenpupille 51 des jeweiligen Betrachterauges. Vorteilhaft sind hier die einzelnen Teil-Betrachterfenster 41 ; 42 kleiner als die Augenpupille 51.
Sind die Teil-Betrachterfenster 41 ; 42 stattdessen größer als die Augenpupille 51 , so gibt es innerhalb des Betrachterfensters 4 einige Positionen, an denen sich die Augenpupille 51 vollständig innerhalb eines Teil-Betrachterfensters 41 ; 42 befindet, so dass keine Reduzierung der Speckle-Muster auftritt, und es gibt andere Positionen, an denen die Augenpupille 51 sich über Bereiche mehrerer Teil- Betrachterfenster erstreckt und weiterhin eine Reduzierung der Speckle-Muster auftritt.
Entsprechend Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform eines reflektiven holographischen Projektionsdisplays schematisch und vereinfacht in Draufsicht dargestellt. In Lichtrichtung sind nacheinander angeordnet:
- als Beleuchtungsmittel ein Laser L, der einen Lichtmodulator 1 kohärent beleuchtet, und
- ein Rekonstruktionsmittel, das eine Rekonstruktionsoptik 20 und ein abbildendes optisches Element 3, das gleichzeitig als Bildschirm dient, enthält. In einer Augenposition PE befindet sich nahe einem Auge 5 ein virtuelles Betrachterfenster 4 mit einer vorgegebenen horizontalen Breite b, das zwei unabhängige Teil-Betrachterfenster 41 ; 42 enthält. In einem Rekonstruktionsraum ist eine Rekonstruktion 6 einer 3D-Szene zu sehen.
Im Unterschied zu Fig. 1 findet hier keine Abbildung von komplexwertigen Wellenfronten der gleichen 3D-Szene statt, sondern es wird ein Hologramm der 3D- Szene für verschiedene, hier vorzugsweise zwei, nebeneinander liegende unabhängige Bereiche bzw. Teil-Betrachterfenster 41 ; 42 des Betrachterfensters 4 einmalig so berechnet, als ob die komplexwertigen Wellenfronten in diesen Bereichen zueinander inkohärent beleuchtet sind. Das wird erreicht, indem diese Bereiche bei der Berechnung der Wellenfronten einen Phasenunterschied zueinander erhalten, beispielsweise durch Verwendung unterschiedlicher Objektphasen bzw. Zufallsphasen. Mit einer Zufallsphase erreicht man, dass die Lichtintensität bzw. die Informationen über die 3D-Szene im gesamten Betrachterfenster 4 gleichmäßig verteilt sind.
Die berechneten, zueinander inkohärenten Wellenfronten werden in Fig. 2 aus den Teil-Betrachterfenstern 41 ; 42 in den Lichtmodulator 1 als gemeinsames Hologramm transformiert und dort als ein gemeinsames Hologramm kodiert. Durch Beleuchten des Lichtmodulators 1 mit dem Laser L wird die kodierte komplexwertige Wellenfront des gemeinsamen Hologramms über die Rekonstruktionsoptik 20 und das abbildende optische Element 3 in die zwei unabhängigen, zueinander inkohärenten Teil-Betrachterfenster 41 ; 42 des Betrachterfensters 4 rücktransformiert. Der Abstand der Rekonstruktionsoptik 20 zum abbildenden optischen Element 3 ist so gewählt, dass eine Vergrößerung der Rücktransformierten auf dem Bildschirm stattfindet und die Rekonstruktion 6 ebenfalls vergrößert dargestellt wird. Vom Bildschirm aus wird die Rücktransformierte entsprechend dem Prinzip der Betrachterfensterdarstellung in das Betrachterfenster 4 nahe der Augenpupille 51 verkleinert. Aus den zwei rücktransformierten komplexwertigen Wellenfronten der Teil-Betrachterfenster 41 ; 42 werden dann wieder, wie unter Fig. 1 beschrieben, zwei überlagerte Rekonstruktionen erzeugt, die als eine einzige Rekonstruktion 6 mit reduziertem Speckle-Muster für den Betrachter sichtbar sind. In dem Verfahren wird bevorzugt die Fourier-Transformation verwendet, da sie sich programmtechnisch einfach implementieren lässt und sehr genau durch optische Systeme realisiert werden kann. Es kann im Verfahren ein Lichtmodulator mit herkömmlicher Bildwiederholfrequenz verwendet werden und vorteilhafterweise sollte auch die Hologrammberechnung nur mit dieser Frequenz erfolgen.
Im transmissiven Direktsichtdisplay gemäß Fig. 4 kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Reduzieren von Speckle-Mustern, das auf der Mittelung specklebehafteter, zueinander inkohärenter Teil-Betrachterfenster in einem gemeinsamen Betrachterfenster basiert, ebenfalls eingesetzt werden. Dafür ist die 3D-Szene in einzelne Objektpunkte zu zerlegen und jeder Objektpunkt als Subhologramm in einen Lichtmodulator-Bereich des Lichtmodulators zu kodieren.
Das Licht einer matrixförmigen Anordnung von Beleuchtungsmitteln, von denen vier Lichtquellen L10 bis L13 dargestellt sind, gelangt über ein Rekonstruktionsmittel 20 auf einen Lichtmodulator 1 , der in einem Lichtmodulator-Bereich das kodierte Subhologramm SOP eines ausgewählten Objektpunktes OP enthält. Jedes Beleuchtungsmittel L10 bis L13 leuchtet für sich hinreichend kohärent, aber zueinander beleuchten sie inkohärent.
Das Rekonstruktionsmittel 20 ist als matrixförmige Anordnung von Linsen 21 bis 2n ausgebildet, die hier eine fokussierende Funktion haben. Die Linsen können beispielsweise eine zweidimensionale Anordnung von sphärischen Linsen oder eine eindimensionale Anordnung von Zylinderlinsen eines Lentikulars sein.
In Fig. 4 wird ein Lentikular mit einem gewählten Linsenpitch verwendet. Durch den Linsenpitch und die Größe und Lage des Subhologramms SOP im Lichtmodulator 1 erstreckt sich das Subhologramm SOP hier über einen Bereich von vier benachbarten Linsen des Rekonstruktionsmittels 20. Jeweils ein Lichtquellenmittel L10 bis L13 beleuchtet über eine Linse einen Subhologramm-Bereich SOP10 bis SOP13 des Subhologramms SOP. Die Projektionen der beleuchteten Subhologramm-Bereiche SOP10 bis SOP13 durch den Objektpunkt OP erzeugen im Betrachterfenster 4 jeweils ein Teil-Betrachterfenster, von denen die Teil- Betrachterfenster 412 und 410 dargestellt sind.
Das gesamte Betrachterfenster 4 ist größer als die Augenpupille 51. Jedes erzeugte Teil-Betrachterfenster ist immer kleiner als die Augenpupille 51 , die aber mindestens zwei Teil-Betrachterfenster zum Mitteln der Speckle-Muster überdecken muss. Demzufolge mittelt das Auge hier die Überlagerung aus mindestens zwei zueinander inkohärenten Rekonstruktionen der 3D-Szene mit Speckle-Mustern.
Für andere Objektpunkte OPn mit anderen lateralen Positionen, aber mit der gleichen Tiefe wie der Objektpunkt OP, werden ebenfalls mehrere inkohärente Teil- Betrachterfenster im Betrachterfenster 4 erzeugt, deren Lagen seitlich zueinander verschoben sind. Auch von diesen Objektpunkten sieht das Auge Überlagerungen mehrerer inkohärenter Rekonstruktionen. Durch die Überlagerungen der inkohärenten Rekonstruktionen aller Objektpunkte, über die das Auge mittelt, ergibt sich eine Verringerung der Speckle-Muster der gesamten 3D-Szene. Ein Steuermittel 7 steuert die Modulation und Rekonstruktion der 3D-Szene.
Mit entsprechend kleinen Linsen lässt sich dieses Ausführungsbeispiel auch als Projektionsaufbau realisieren.
Für die Rekonstruktion der 3D-Szene im gemeinsamen Betrachterfenster ist die relative Lage der Subhologramme zu den einzelnen Linsen des Rekonstruktionsmittels von Bedeutung. Wenn ein Subhologramm sich z.B. über zwei Linsen erstreckt, entstehen für die Rekonstruktion des einzelnen Objektpunktes zwei zueinander versetzt liegende inkohärente Teil-Betrachterfenster im gemeinsamen Betrachterfenster. Aufgrund von Beugung sind diese zwei Teil-Betrachterfenster nicht vollständig voneinander getrennt, sondern überlappen sich. Die Überlappung ist aber kein Nachteil, sondern wirkt sich positiv auf die Speckle-Reduzierung aus.
Je kleiner die einzelnen Linsen sind, desto kleiner werden auch die zueinander inkohärenten Teil-Betrachterfenster. Sind die Linsen im Vergleich zur Größe des Subhologramms und des Betrachterfensters so klein, dass mehrere inkohärente Teil-Betrachterfenster in die Augenpupille fallen, dann ergibt sich vorteilhaft eine Mittelung über mehrere inkohärente Rekonstruktionen im Auge und folglich eine Reduzierung der Speckle-Muster.
Das Verhältnis von Linsengröße zur Größe der Teil-Betrachterfenster ist von verschiedenen Parametern wie z.B. dem Pixelpitch des Lichtmodulators, vom Abstand des Betrachters zum Bildschirm, von der Wellenlänge des Lichtes und von der Tiefenkoordinate des Objektpunktes selbst abhängig. Aus diesen Parametern kann die Linsengröße so gewählt werden dass die Bedingung - inkohärente Teilbetrachterfenster kleiner als die Augenpupille - für einen vorgegebenen Tiefenbereich der 3D-Szene erfüllt ist.
Die Kodierung der einzelnen Objektpunkte der 3D-Szene im Lichtmodulator erfolgt jeweils in den Lichtmodulator-Bereichen unabhängig davon, ob eine analytische Berechnung oder eine Berechnung mit Fourier- und Fresneltransformationen durchgeführt wird.
Die Augenpositionsdaten des Betrachterauges 5 werden in Fig. 1 und Fig. 2 üblicherweise von einem nicht dargestellten Positionserfassungssystem mindestens zweidimensional ermittelt und vom Steuermittel 7 übernommen, worauf hier aber nicht näher eingegangen werden muss. Das Steuermitte! 7 koordiniert anhand dieser Daten die Beleuchtung sowie den Betrieb des Lichtmodulators 1 und des Rekonstruktionsmittels zum Realisieren des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Für ein möglichst problemloses Abbilden oder Transformieren können selbstverständlich im Beleuchtungsstrahlengang entsprechende Korrekturmittel vorgesehen sein, die vom Steuermittel gemäß ihrer Funktion steuerbar sind.
Als wesentlicher Vorteil ergibt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass die Anzahl der Teil-Betrachterfenster mit zueinander inkohärenten Bereichen von komplexwertigen Wellenfronten und die damit verbundene größeren Anzahl von
Rekonstruktionen der 3D-Szene ohne zusätzliche Komponenten beliebig erhöht werden kann, um ein weiteres Reduzieren der auftretenden Speckle-Muster zu erreichen.
Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Reduzieren von Speckle bei der Rekonstruktion einer 3D-Szene ist sowohl in einem holographischen Projektionsdisplay als auch in einem holographischen Direktsichtdisplay in entsprechender Abwandlung der Komponenten anwendbar.
Bezugszeichen
1 Lichtmodulator
11 ; 12 ... ; 1 n Lichtmodulator-Bereiche 20 Rekonstruktionsoptik
21 ; 22 ... ; 2n Linsen eines Linsensystems
3 abbildendes optisches Element
4 Betrachterfenster
41 ; 42 ... ; 4n Teil-Betrachterfenster 5 Auge des Betrachters
51 Augenpupille
6 Rekonstruktion
7 Steuermittel
L, L1 ... ; Ln Beleuchtungsmittel b horizontale Breite des Betrachterfensters
OP Objektpunkt
PE Augenposition
SOP Subhologramm des Objektpunktes SOP1 ; ... ; SOPn Subhologramm-Bereich

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Reduzieren von Speckle einer in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung erzeugten dreidimensionalen holographischen Rekonstruktion mit einem steuerbaren Lichtmodulator, in den eine 3D-Szene kodiert ist und der von hinreichend kohärentem Licht beleuchtet wird, mit einem Rekonstruktionsmittel, welches moduliertes Licht nahe einer Augenposition in einen Betrachterraum projiziert, sowie mit einem Steuermittel zum Steuern der Beleuchtung, dadurch gekennzeichnet, dass - mit dem vom Steuermittel gesteuerten Licht von der im Lichtmodulator (1) kodierten 3D-Szene verschiedene unabhängige, zueinander inkohärente Lichtverteilungen komplexwertiger Wellenfronten der gleichen 3D-Szene in der Augenposition (PE) erzeugt werden und
- in einem Rekonstruktionsraum am gleichen Ort den verschiedenen komplexwertigen Wellenfronten entsprechende Rekonstruktionen der 3D-Szene erzeugt und zueinander inkohärent überlagert werden, so dass von der Augenposition (PE) aus eine einzige Speckle-reduzierte Rekonstruktion (6) der 3D- Szene gesehen wird.
2. Verfahren zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 1 , wobei die Augenposition (PE) einem definierten virtuellen Betrachterfenster (4) entspricht, in dem die verschiedenen unabhängigen, zueinander inkohärenten Lichtverteilungen der komplexwertigen Wellenfronten der kodierten 3D-Szene verschiedene unabhängige, zueinander inkohärente Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) bilden.
3. Verfahren zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 2, wobei zum Erzeugen der unabhängigen, zueinander inkohärenten Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n)
- die der 3D-Szene entsprechende komplexwertige Wellenfront direkt in verschiedene unabhängige Lichtmodulator-Bereiche (11 ; ... ; 1 n) kodiert wird, - die voneinander unabhängigen Lichtmodulator-Bereiche (11 ; ... ; 1 n) durch Beleuchtungsmittel (L1 ; ... ; Ln) zueinander inkohärent beleuchtet werden und
- das Rekonstruktionsmittel (21 ; ... ; 2n; 3) die inkohärent beleuchteten Lichtmodulator-Bereiche (11 ; ...; 1n) in die verschiedenen unabhängigen, zueinander inkohärenten Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) im Betrachterfenster (4) abbildet.
4. Verfahren zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 2, wobei zum Erzeugen der unabhängigen, zueinander inkohärenten Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n)
- die der 3D-Szene entsprechende komplexwertige Wellenfront als Äquivalent zu einer inkohärenten Beleuchtung im Betrachterfenster (4) für die verschiedenen TeSI- Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) berechnet wird, die inkohärent berechneten Wellenfronten in den Lichtmodulator (1) transformiert und als ein gemeinsames Hologramm kodiert werden,
- ein Beleuchtungsmittei (L) den Lichtmodulator (1) hinreichend kohärent beleuchtet und
- das Rekonstruktionsmittel (20; 3) das Hologramm in die verschiedenen, zueinander inkohärenten Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) rücktransformiert.
5. Verfahren zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 4, wobei die inkohärente Berechnung der Wellenfronten in den verschiedenen Teil-Betrachterfenstern (41 ; ... ; 4n) mit jeweils zueinander unterschiedlichen Objektphasen durchgeführt wird.
6. Verfahren zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 3, wobei wenigstens zwei kohärentes Licht aussendende Beleuchtungsmittel (L1 ; L2) wenigstens zwei unabhängige Lichtmodulator-Bereiche (11 ; 12) zueinander inkohärent beleuchten.
7. Verfahren zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 3, wobei das Rekonstruktionsmittel ein abbildendes optisches Element (3) enthält, das gleichzeitig die Funktion eines Bildschirms erfüllt.
8. Verfahren zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 7, wobei der Bildschirm reflektiv ausgebildet ist und die Lichtverteilungen der komplexwertigen Wellenfront in das Betrachterfenster (4) vor dem Bildschirm transformiert wird, so dass alle Rekonstruktionen in einem Rekonstruktionsraum vor dem Betrachterfenster (4) erzeugt und sowohl vor als auch hinter dem Bildschirm sichtbar werden.
9. Verfahren zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 7, wobei der Bildschirm transmissiv ausgebildet ist und die Lichtverteilungen der komplexwertigen Wellenfront in Lichtrichtung hinter dem Bildschirm in das Betrachterfenster (4) transformiert werden, so dass alle Rekonstruktionen in einem Rekonstruktionsraum vor dem Betrachterfenster (4) erzeugt und sowohl vor als auch hinter dem Bildschirm Sichtbar werden.
10. Verfahren zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 2, wobei die 3D-Szene in Objektpunkte (OPn) zerlegt wird und für einen einzelnen Objektpunkt (OP) unabhängige, zueinander inkohärente Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) erzeugt werden, indem
- die der 3D-Szene entsprechende komplexwertige Wellenfront für das gemeinsame Betrachterfenster (4) berechnet, in den Lichtmodulator (1) transformiert und als ein gemeinsames Hologramm kodiert wird, und - eine matrixförmige Anordnung von Beleuchtungsmitteln (L1 ; ... ; Ln) in Kombination mit einer matrixförmigen Anordnung von Rekonstruktionsmitteln (21 ; ... ; 2n) verschiedene Subhologramm-Bereiche (SOP1 ; ... ; SOPn) in jeweils einem Lichtmodulator-Bereich des Lichtmodulators (1) inkohärent zueinander beleuchtet, wobei jeweils ein Lichtmodulator-Bereich ein Subhologramm (SOP) eines Objektpunktes (OP) enthält, so dass durch Projektionen der beleuchteten Subhologramm-Bereiche (SOP1 ; ... ; SOPn) durch den Objektpunkt (OP) hindurch mehrere Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) kleiner als die Augenpupille (51 ) im Betrachterfenster (4) für jeweils einen rekonstruierten Objektpunkt (OP) erzeugt werden.
11. Verfahren zum Reduzieren von Speckle nach Anspruch 10, wobei die Größe der inkohärent zueinander beleuchteten Subhologramm-Bereiche (SOP1 ; ... ; SOPn) durch eine Anpassung der Abmessungen der Rekonstruktionsmittel (21 ; ... ; 2n) an die Anzahl der Beleuchtungsmittel (L1 ; ... ; Ln) bestimmt wird, die jeweils für sich hinreichend kohärent, aber zueinander inkohärent sind.
12. Holographische Wiedergabeeinrichtung zum Reduzieren von Speckle nach dem Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Lichtrichtung folgende Mittel vorgesehen sind:
- verschiedene hinreichend kohärentes, zueinander inkohärentes Licht aussendende Beleuchtungsmittel (L1 ; ... ; Ln) zum Beleuchten verschiedener, voneinander unabhängiger Lichtmodulator-Bereiche (11 ; ... ; 1 n) und zum Erzeugen verschiedener unabhängiger Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) zusammen mit einem Rekonstruktionsmittel (21 ; ... ; 2n; 3),
- ein Kodiermittel in Form eines Lichtmodulators (1), in den bereichsweise komplexwertige Wellenfronten der 3D-Szene kodiert sind,
- ein Rekonstruktionsmittel (21 ; ... ; 2n; 3) zum Erzeugen verschiedener unabhängiger Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) mit zueinander inkohärenten Lichtverteiiungen der jeweiligen komplexwertigen Wellenfront der verschiedenen unabhängigen Lichtmodulator-Bereiche (11 ; ... ; 1 n), in einem Betrachterfenster (4) eines Betrachterraums, und zum Erzeugen von verschiedenen, zueinander inkohärenten Rekonstruktionen aus verschiedenen, voneinander unabhängigen und zueinander inkohärent beleuchteten Lichtmodulator-Bereichen (11 ; ... ; 1 n) in einem Rekonstruktionsraum und
- ein Steuermittel (7) zum Steuern der Beleuchtungsmittel (L1 ;... ; Ln), des Kodiermittels und des Rekonstruktionsmittels (21 ; ... ; 2n; 3).
13. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 12, wobei die Beleuchtungsmittel (L; L1 ; ...; Ln) Laser sind.
14. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 12, bei der das Rekonstruktionsmittel ein mehrteiliges Linsensystem (21 ; ... ; 2n) enthält und jeweils eine Linse des Linsensystems (21 ; ... ; 2n) als Lentikel eines Lentikulars zum eindimensionalen Abbilden eines Lichtmodulator-Bereichs (11 ; ... ; 1 n) ausgebildet ist.
15. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 12, bei der das Rekonstruktionsmittel ein mehrteiliges Linsensystem (21 ; ... ; 2n) enthält, das als matrixförmiges Linsenarray zum zweidimensionalen Abbilden der verschiedenen Lichtmodulator-Bereiche (11 ; ... ; 1 n) ausgebildet ist.
16. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 12, bei der die zueinander inkohärenten, unabhängigen Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) in horizontaler Richtung eindimensional nebeneinander liegend angeordnet sind und eine laterale Gesamtausdehnung aufweisen, die die vorgegebene horizontale Breite (b) des für ein Auge (5) bestimmten Betrachterfensters (4) mindestens erreicht.
17. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 12, bei der die zueinander inkohärenten, unabhängigen Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) in vertikaler Richtung eindimensional nebeneinander liegend angeordnet sind und eine vertikale Gesamtausdehnung aufweisen, die die vorgegebene vertikale Höhe des für ein Auge (5) bestimmten Betrachterfensters (4) mindestens erreicht.
18. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 12, bei der die zueinander inkohärenten, unabhängigen Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) zweidimensional im Betrachterfenster (4) angeordnet sind.
19. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 16 und 17, wobei der Durchmesser einer Augenpupille (51) des Auges (5) die Basis für die laterale und vertikale Gesamtausdehnung der Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) bildet.
20. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 19, bei der ein einzelnes Teil-Betrachterfenster (41 ; ... ; 4n) stets kleiner als die Augenpupille (51) ist.
21. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 12, bei der die optischen Komponenten entweder für ein Direktsichtdisplay oder für ein Projektionsdisplay ausgebildet sind.
22. Holographische Wiedergabeeinrichtung nach Anspruch 12, bei der das Erzeugen einer farbigen Rekonstruktion für drei verschiedene Grundfarben separat erfolgt.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010513965A (ja) * 2006-12-19 2010-04-30 シーリアル テクノロジーズ ソシエテ アノニム スペックルを減少する方法及び装置
CN101802727B (zh) * 2007-09-17 2013-02-27 视瑞尔技术公司 具有改进的重建品质的全息显示装置

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008061259A2 (en) * 2006-11-17 2008-05-22 Celloptic, Inc. System, apparatus and method for extracting three-dimensional information of an object from received electromagnetic radiation
DE102007036127A1 (de) * 2007-07-27 2009-01-29 Seereal Technologies S.A. Holographische Rekonstruktionseinrichtung
KR101908033B1 (ko) 2008-07-10 2018-12-10 리얼 뷰 이미징 리미티드 광시야각 디스플레이들 및 사용자 인터페이스들
US8437059B2 (en) * 2010-01-21 2013-05-07 Technion Research & Development Foundation Limited Method for reconstructing a holographic projection
JP5631235B2 (ja) * 2011-02-18 2014-11-26 三菱電機株式会社 透過光選択装置、立体画像表示装置及び立体画像表示方法
TWI453466B (zh) * 2012-02-16 2014-09-21 Univ Nat Taipei Technology 光斑雜訊降低方法及使用其之設備
WO2014020603A2 (en) 2012-08-01 2014-02-06 Real View Imaging Ltd. Increasing an area from which a computer generated hologram may be viewed
US9310769B2 (en) * 2013-03-28 2016-04-12 Disney Enterprises, Inc. Coarse integral holographic display
EP2806313B1 (de) * 2013-05-23 2022-01-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von kohärentem Weitwinkellicht und Anzeigevorrichtung mit kohärentem Weitwinkellicht
TWI678558B (zh) * 2019-01-03 2019-12-01 宏星技術股份有限公司 擴增實境裝置、筆記型電腦及智慧型眼鏡

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA959682A (en) * 1970-07-27 1974-12-24 United States (Government Of The) Of America, As Represented By The Secr Etary Of The Navy Method of removing speckle patterns from objects illuminated with a laser
GB2350963A (en) * 1999-06-09 2000-12-13 Secr Defence Holographic Displays
WO2006119920A1 (en) * 2005-05-06 2006-11-16 Seereal Technologies Gmbh Device for holographic reconstruction of three-dimensional scenes

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3238755B2 (ja) * 1992-08-21 2001-12-17 富士通株式会社 ホログラムの作成および立体表示方法並びに立体表示装置
DE19541071A1 (de) 1995-11-03 1997-05-07 Bundesdruckerei Gmbh Verfahren zur Herstellung von nachahmungssicheren, Echtheitsmerkmale aufweisenden Hologrammen und Lesegerät zum Prüfen der Echtheit
DE19704741A1 (de) 1997-02-13 1998-08-20 Daimler Benz Ag Holografischer Bildschirm mit integrierter Speckleunterdrückung
JP2001350395A (ja) * 2000-06-08 2001-12-21 Sony Corp ホログラフィックステレオグラム露光装置及び方法、並びにホログラフィックステレオグラム作成システム
EP2138911B1 (de) 2002-11-13 2022-06-22 SeeReal Technologies GmbH Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen
US20070081207A1 (en) * 2003-10-27 2007-04-12 Bauhaus-Universitaet Weimar Method and arrangement for combining holograms with computer graphics
DE102006062377B4 (de) * 2006-12-19 2018-03-22 Seereal Technologies S.A. Verfahren und holographische Wiedergabeeinrichtung zum Reduzieren von Speckle

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA959682A (en) * 1970-07-27 1974-12-24 United States (Government Of The) Of America, As Represented By The Secr Etary Of The Navy Method of removing speckle patterns from objects illuminated with a laser
GB2350963A (en) * 1999-06-09 2000-12-13 Secr Defence Holographic Displays
WO2006119920A1 (en) * 2005-05-06 2006-11-16 Seereal Technologies Gmbh Device for holographic reconstruction of three-dimensional scenes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHIN S-H ET AL: "Speckle-reduced three-dimensional volume holographic display by use of integral imaging", APPLIED OPTICS, OSA, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC, US, vol. 41, no. 14, 10 May 2002 (2002-05-10), pages 2644 - 2649, XP002302775, ISSN: 0003-6935 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010513965A (ja) * 2006-12-19 2010-04-30 シーリアル テクノロジーズ ソシエテ アノニム スペックルを減少する方法及び装置
CN101802727B (zh) * 2007-09-17 2013-02-27 视瑞尔技术公司 具有改进的重建品质的全息显示装置

Also Published As

Publication number Publication date
TWI390369B (zh) 2013-03-21
US8351103B2 (en) 2013-01-08
DE102006062377A1 (de) 2008-06-26
DE102006062377B4 (de) 2018-03-22
JP5541924B2 (ja) 2014-07-09
TW200844694A (en) 2008-11-16
WO2008074721B1 (de) 2008-10-09
JP2010513965A (ja) 2010-04-30
US20100097672A1 (en) 2010-04-22

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