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WO2008092852A1 - Holographisches rekonstruktionssystem mit optischen wellennachführmitteln - Google Patents

Holographisches rekonstruktionssystem mit optischen wellennachführmitteln Download PDF

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WO2008092852A1
WO2008092852A1 PCT/EP2008/051027 EP2008051027W WO2008092852A1 WO 2008092852 A1 WO2008092852 A1 WO 2008092852A1 EP 2008051027 W EP2008051027 W EP 2008051027W WO 2008092852 A1 WO2008092852 A1 WO 2008092852A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
holographic
wave
display screen
tracking
reconstruction system
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2008/051027
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English (en)
French (fr)
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WO2008092852B1 (de
Inventor
Bo Kroll
Armin Schwerdtner
Jean-Christophe Olaya
Steffen Buschbeck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SeeReal Technologies SA
Original Assignee
SeeReal Technologies SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to KR1020097017378A priority Critical patent/KR20090106618A/ko
Priority to US12/525,426 priority patent/US8294966B2/en
Priority to CN2008800036241A priority patent/CN101611355B/zh
Priority to JP2009547665A priority patent/JP5406045B2/ja
Publication of WO2008092852A1 publication Critical patent/WO2008092852A1/de
Publication of WO2008092852B1 publication Critical patent/WO2008092852B1/de
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    • G03H2226/00—Electro-optic or electronic components relating to digital holography
    • G03H2226/05—Means for tracking the observer

Definitions

  • the invention relates to a holographic reconstruction system with optical wave tracking means, which aligns the optical axis on which the holographic reconstruction is located with the aid of a position control and an eye finder on at least one eye of a viewer in the position change of a viewer when viewing a holographic reconstruction.
  • the invention is applicable regardless of the manner in which the holographic information is provided and can also be used for systems which at the same time allow a plurality of viewers to view holographically reconstructed video scenes.
  • a holographic reconstruction system in the sense of this invention represents with video means primarily moving three-dimensional scenes in real time by holographic reconstruction.
  • the system has continuously controllable spatial light modulation means which encodes a hologram processor with sequences of video holograms to spatially modulate interfering light waves with holographic information ,
  • the modulated light waves form object light points in front of the observers' eyes through local interferences, which visually reconstruct the desired scene three-dimensionally.
  • the light waves are directed towards the eyes of viewers, so that one or more observers perceive these object light points in the form of the scene.
  • a holographic reconstruction realizes an object substitution.
  • the viewer should be able to view a reconstruction in a sufficiently wide field of view.
  • the reconstruction space must be as large as possible and the extent of the reconstructed scene should be able to assume a diagonal of at least 50 cm, similar to television and video displays.
  • holographic reconstruction with large-area light modulation means according to the known scanning theorem for large diffraction angles requires a much higher resolution of the light modulation means than two-dimensional image representations. This places extraordinarily high demands on the resources of the hardware and software of the holographic reconstruction system - both for the components for promptly providing the holographic information for coding and for optically reconstructing the scene.
  • Another known reconstruction problem is undisturbed wave propagation of the required light waves to interference.
  • At least a portion of the interfering light waves must be present at each location Object light point is to be reconstructed by interference, arrive at the same time. That is, at each desired object light point a spatial coherence among as many of the interfering light waves is needed.
  • the wavelengths of the light waves participating in an object light point may not receive an uncontrolled path length difference between one another by optical means.
  • optical axis refers to a straight line that coincides with the symmetry axis of a reflective or refractive optical element.
  • Spatial light modulation means which a hologram processor has encoded with holographic information of a three-dimensional scene, constitute a "video hologram.”
  • the interaction of a coherently illuminated video hologram with imaging means generates a "modulated wave”.
  • the imaging means give the modulated wave a "propagation direction”. This propagation direction can change "optical wave tracking means".
  • a "visibility area” describes a space which, as the exit pupil of the system, lies on the observer's side at an eye position in which of a holographically reconstructed scene must have at least one observer eye.
  • optical wave tracking means tracks the modulated wave to the current eye positions
  • the space in which all possible eye positions may be due to tracking is referred to as the "tracking region”.
  • such a projection system is also referred to as a projection system with an eye tracking.
  • a wave modulated spatially with holo-graphic information reconstructs the three-dimensional scene outside the system in a reconstruction space which is positioned in front of one or both eyes of one or more observers.
  • the geometry of the reconstruction space is defined on the one hand by the exit surface of a display screen over which the modulated wave emerges from the reconstruction system, and on the other by the image surface of an image of the light source, which forms a visibility region, a so-called viewer window for at least one eye of an observer. Both surfaces define the geometry for a conical reconstruction space, whereby video holograms can also be coded in such a way that object light points not only appear before but also appear on and behind the display screen.
  • the exit surface of the display screen should be as large as possible in the interests of a wide field of view
  • the cross section of the visibility region can be reduced to the size of an eye pupil for effective utilization of the resolution of the modulation means.
  • the latter helps drastically reduce the resolution of the modulation means and thus also the provision of the amount of information for the holographic coding.
  • the reconstruction space should advantageously have a conical shape with as large an opening angle as possible in order to be able to display in its entirety extended objects of a three-dimensional scene as the distance from the observer to the reconstruction increases.
  • a narrow range of visibility leads to problems in the visibility of the three-dimensional reconstruction when the observer's eye lies only partially in the visibility range.
  • the holographic reconstruction system is adapted to the eye position by shifting the illumination for the light modulation means.
  • the further description primarily refers to the alignment of a single wave of the holographic system.
  • the reconstruction system can modulate and align further waves analogously to the first one.
  • the idea according to the invention can be used as often as desired, depending on the number of waves.
  • functional elements of the invention can also be advantageously used together for a plurality of modulated waves.
  • a plane wave LW with interference-capable light illuminates the entire surface of a spatial light modulator SLM, for example, has a diameter not greater than a few centimeters.
  • the light waves pass through a transmissive light modulator SLM.
  • the modulator contains modulator cells that a hologram processor HP dynamically encodes with holographic information of a desired three-dimensional scene. The coded modulator cells thus form a dynamic video hologram.
  • a projection optic L magnifies the video hologram in an imaging plane IL 0 onto a focusing display screen S. In the process, a spatial frequency spectrum of the video hologram is produced in the image-side focal plane of the projection optics L, the so-called Fourier plane FTL.
  • the modulator cells modulate the wave spatially and equidistantly. This has the effect that in the Fourier plane FTL, in a periodic sequence, a plurality of diffraction orders arise simultaneously, which lie in a periodicity interval at different locations.
  • the focusing display screen S would map all periodic sequences into the viewer plane OL and an observer could perceive this as an optical crosstalk with an eye out of the visibility range.
  • a spatial frequency filter AP in the form of a pinhole is located in the Fourier plane FTL.
  • the focus sierende display screen S represents only the spatial spectrum of the modulated wave that passes the spatial frequency filter AP, in an observer plane OL at an eye position P E o. This results in the eye position P E o a visibility area for viewing the reconstructed 3D scene 3DS.
  • the image of the spatial frequency filter AP defines the geometry of the visibility region.
  • the diameter of the holographically encoded modulator cells imaged on the display screen S defines the other end of the reconstruction space.
  • the display screen S is a lens.
  • the display screen S can also be advantageously a concave mirror.
  • this holographic projection system requires a special coding of the modulator cells with the holographic information.
  • the modulator cells are coded with a video hologram such that the reconstruction of the 3D scene 3DS is effected by interferences only in the section of the optical wave path in which the enlarged and focused wave has already left the reconstruction system via the display screen S. This allows later differences in the propagation of light waves, for example, due to different path lengths, already to be considered when coding the modulator cells.
  • the described projection system also reconstructs the three-dimensional scene 3DS in a fixed reconstruction space and this is only visible if the viewer is with one eye in the externally unrecognizable area of visibility. Free movement in front of the reconstruction system is also not possible without loss or limitation of the view on the holographic reconstruction with this projection system alone.
  • position control means When moving an observer, position control means must track the reconstruction space with the modulated wave of the eye position of the corresponding observer eye so that the visibility region at the end of the reconstruction space always begins behind the eye position and the reconstructed scene remains visible without restriction.
  • an eye finder known per se, which finds the exact eye position and aligns the visibility range with the aid of the position control to the new eye position.
  • the content of the holographic coding of the modulation means can be adapted to the current eye position when tracking the modulated wave, since a change of the eye position in nature and the viewing angles to the spatial arrangement of objects of the three-dimensional scene to each other and whose visibility changes.
  • object details of the scene which lie in different spatial depths, are visible differently due to changing detail coverage and / or observer distances.
  • FIG. 2 also shows that the deflection unit DFU prevents the image of the video hologram from being produced directly on the display screen S. Instead, it lies close to the display screen S in a slanted image plane ll_i.
  • the projection device contains a picture display, a rotatably mounted plane mirror and a fixed concave mirror.
  • the document teaches that floating images are reproduced at a greater distance from a projection apparatus when the concave mirror has an elliptical shape.
  • the plane mirror can be rotated perpendicular to the optical projection axis in order to vary the angle of the main optical axis when the images leave the system.
  • the distance, size, and viewing angle of the pending images depend on the size of the elliptical mirror as well as the position of its foci and the location of the image display that the reflective surfaces project in their interaction. Due to the optical routing for the wave modulated with two-dimensional image information, the stated requirements for a holographic reconstruction can not be met.
  • US application US 2005/0234348 entitled “Apparatus for displaying images by means of a projection on a viewer with an adverse effect on intervening optics” discloses a "retinal scanning display” in which a scanner optics with a two-dimensional Rotatable scanner mirror and an elliptical projection mirror each projected an intensity and phase-modulated laser light beam of RGB primary colors serially on a retina of a viewer's eye. The retina creates a reproduction of the image through serial pixel synthesis.
  • the scanner optics are arranged directly in front of a viewer's eye, with the scanner mirror with its axes of rotation at one focal point of the elliptical projection mirror and the retina of the viewer's eye at the other focal point of the elliptical projection mirror.
  • the known solution can not realize holographic reconstruction by interference because no light waves are available at the same time for interference.
  • This solution does not use a spatial light modulator in the sense of the present description.
  • the object of the invention is to provide a controllable optical wave guide for a holographic reconstruction system, which generates a three-dimensional scene in at least one reconstruction space by light diffraction and interferences. holographically reconstructed from the modulated light of a wave.
  • the optical wave guides are to align the modulated wave with a desired eye position of one or more observers and follow the movements of the observer. For all eye positions, the reconstructed scene must be flawless and of the same quality.
  • the optically effective surfaces of the optical elements should be used to the greatest possible extent, independently of the eye position. That is, the modulated wave should leave the reconstruction system on the display screen via a light exit with a fixed exit position regardless of the eye position as possible.
  • the optical waveguide must guide all portions of a wave through its path of light from modulating in spatial light modulating means to reconstructing so that all interfering modulated light in the reconstruction space coherently arrives at a location corresponding to the position in the original scene around the to reconstruct desired object points without geometric distortions.
  • the reconstruction space advantageously has a visibility region which is significantly smaller than the light emission of the display screen. Since such a system modulates a separate wave for each eye of a viewer, at least the reconstruction spaces provided for the same observer must always begin congruently at the same exit position of the display screen for both observer eyes. For a correct perception of the reconstruction both modulated waves must appear on the display screen with the same surface geometry and the reconstructions for both eyes of a viewer must be the same size. Otherwise, if the observer moved, the reconstruction would move relative to the display screen.
  • each visibility range within a tracking range should be should be able to be operated, which is several hundred times larger than the visibility range itself.
  • the direction angle of the optical axis of the modulated wave at the light exit may differ significantly from the optical axis of the display screen. This causes aberrations and path length difference in the propagation of individual modulated light wave parts and deformations of the wave, which must be compensated before the reconstruction.
  • the reconstruction system of the invention modulates a wave with holographic information with spatial light modulation means and also includes position control means which direct the modulated wave in a propagation direction to an eye position. Behind each eye position is a visibility area, which is set up for at least one observer's eye.
  • the modulated wave leaves the reconstruction system, prior to holographic reconstruction, via a display screen at a light exit having a defined light exit position defined by center planes of the exiting modulated wave.
  • Each reconstruction takes place in an assigned reconstruction space.
  • the holographic reconstruction system includes rotatably mounted tracking mirror means and deflection mirror means.
  • the tracking mirror means comprise at least one axis of rotation and lie in the light path of the modulated wave.
  • Position control adjusts the tracking mirror means to an inclination that indirectly corresponds to the eye position by means of positional data provided by an eye finder from an eye position.
  • the tracking mirror means reflect the modulated wave in a reflection direction dependent on the eye position, in which deflection mirror means lie at least with a region of their reflecting mirror surface. That is, the deflecting mirror means deflect the reflected wave from the tracking mirror means before exiting the system via the display screen in the direction of propagation to the eye position which the eye finder has found.
  • the tracking mirror means are located at a location where optical means realize an intermediate image of the filtered video hologram encoded on the spatial light modulation means.
  • the deflection mirror means lie between the display screen and the tracking mirror means in such a way that a further image of the video hologram is formed on or at least close to the display screen, so that all modulated lightwave components cover the same path lengths on the way from the tracking mirror means to the display screen. How close the image of the video hologram is to the display screen depends on the field angle that the propagation direction of the modulated wave has in the reconstruction space with respect to the rectangular optical axis of the display screen.
  • the arrangement of the mirrors preserves the coherence conditions of all possible interfering light waves of the redirected wave at the location of the reconstruction. At the same time it is achieved that the image of the video hologram is always at the same defined light exit position of the display screen.
  • a spatial frequency spectrum of the modulated wave has already been generated at the location of the tracking mirror means by Fourier transformation on projection means, and interfering diffraction orders, which result from the spatial modulation, are removed with optical spatial frequency filter means.
  • the tracking mirror means reflect the complete modulated wave or at least segments thereof which always simultaneously contain a multiplicity of inter-interfering light wave parts with holographic information.
  • both the tracking mirror means and the deflecting mirror means are rotatable and, in addition, at least the deflecting mirror means are also displaceably arranged.
  • the position controller then moves both mirror means with respect to the modulated wave and the light exit position into such mirror positions that the optical path lengths on the path from the tracking mirror to the display screen are the same for all the light waves of the wave.
  • the deflecting mirror means can thus be provided with a concave mirror surface. be allowed to enlarge the intermediate image of the video hologram magnified to the display screen.
  • the position control also advantageously moves the deflecting mirror means on a concave track to emulate a segment of a two-focal-point ellipsoid.
  • the tracking mirror means which are adjustable in their inclination must lie centrally with the fulcrum or the axis of rotation in a focal point of the ellipsoid. The center of the light output of the display screen is then in the other focal point of the ellipsoid.
  • the Umlenkaptkarsch are fixedly mounted in the system and have such a surface area that at any desired setting positions is always a part of its reflector surface in the light path of the shaft, which reflected the Nach216Litestoff.
  • the deflecting mirror means are formed as a segment of an ellipsoid and in a focal point of the ellipsoid a rotatable tracking mirror is mounted centrally. In the other focal point of the ellipsoid is the display screen with the light exit position.
  • Fig. 1 A plan view of a holographic projection system with the face of a viewer at an eye position. The applicant has already described the system in the introduction to the specification and disclosed in international application PCT / DE 2006/000896.
  • Fig. 2 A plan view of a holographic projection system with an electronically controllable deflection unit, which aligns the propagation direction of the modulated wave to an eye position. The solution was also described in the introduction to the description and disclosed in the German patent application DE 10 2006 024 092.8.
  • FIG. 3 A perspective view of the principle of a holographic projection illustrates the technical problem that solves the present invention.
  • FIG. 4 A side view of the holographic projection system discloses the controllable optical wave tracking according to a basic embodiment of the invention.
  • FIG. 5 A holographic projection system according to the invention in a preferred embodiment in which the position control means for compensating position changes of a viewer move only the tracking mirror means.
  • 6 shows another embodiment of the controllable optical wave tracking means for a holographic projection system according to the invention in a plan view.
  • Fig. 7 A side view of the embodiment of the invention shown in Fig. 6.
  • Each holographic unit HU R , HU L contains the spatial light modulation means with codable modulator cells shown in FIG. 1, an illumination which generates an interference-capable wave for illuminating the modulator cells and optical projection means which enlarge the video hologram on a display screen S.
  • the image area of the video hologram corresponds to the light emission of the display screen S.
  • the holographic units HU R and HU L are mounted in a viewer plane OL above the head of a viewer and send out respectively modulated waves with holographic information along a propagation direction D R or D L.
  • An unshown hologram processor encodes the spatial light modulation means of both holographic units HU R and HU L with holographic information. mation. Both video holograms differ in the information for the horizontal parallax.
  • the holographic units HU HU R and L are aligned with respect to the display screen S so that its propagation direction D R and D L tick on the display screen S at a point that defines the light exit position C.
  • the display screen S is implemented as a focusing reflector.
  • the reflector images the illumination of each holographic unit HU R and HU L in a viewer plane OL at an eye position P ER or P EL . Therefore, at the eye positions P ER or P EL, two imaginary rectangular areas each indicate a visibility area.
  • the reconstruction can be considered in this basic principle only by the visibility range associated with each eye.
  • Each holographic unit HU R and HU L realizes its own conical reconstruction space for a viewer eye, which points with its visibility range to the eye position P ER or P EL and each reconstruction space begins on the display screen and ends directly in front of the eye position P ER or P EL - Moves the viewer in front of the display screen S, then a control unit CU would have to track both holographic units HU R , HU L to a corresponding position. Two arrows 1 and 2 in opposite directions therefore show a horizontal movement.
  • both holographic units HU R , HU L must always be positioned with its optical axis so that each viewer eye its reconstruction with respect to the display screen S at the same position sees. Since the geometry of the light emission depends on the deviation of the eye positions P ER or P EL from the optical axis of the display screen S, this condition is fulfilled if both propagation directions D R and D L are always in a preferably central light exit position C on the display screen S cross.
  • FIG. 3 shows only a simplified representation of the three-dimensional, modulated wave.
  • the holographic units HU R , HU L enlarge their video holograms, almost to the entire reflection surface of the display screen S, the used reflection surface defines the maximum field of view when viewing the reconstruction.
  • the embodiment of Figure 3 would require further holographic units at other positions.
  • the control unit CU would have to move all holographic units to working positions provided by an eye finder EF as position data. Moving the holographic units in front of the display screen S would be very expensive.
  • the problem to be solved by the invention is now to avoid the tracking by moving the holographic units by optical means.
  • a solution is sought, which generates and tracks reconstruction spaces for different observers with a small number of holographic units.
  • the holographic projection system has a focusing transmissive display screen in the form of a lens or a focusing reflective display screen in the form of a focusing concave mirror.
  • both embodiments can alternatively be used for the display screen.
  • Fig. 4 shows a first embodiment in which the basic operating principle of the invention is to be explained.
  • the illustration shows only a single holographic unit HU. It also contains the components already described above in order to image a holographically-information-modulated wave LW mO d into an original propagation direction D 0 as a video hologram.
  • the holographic unit HU is fixedly arranged in the holographic projection system.
  • Fig. 4 is a side view of the embodiment according to the invention.
  • the tracking is explained using the example of a balancing of eye positions with different eye heights. Such tracking is necessary, for example, for adapting the visibility to the size of a viewer.
  • a rotatably mounted tracking mirror M1 is in the example shown in the modulated wave LW m0C ⁇ .
  • the tracking mirror M1 should advantageously be rotatable about at least two axes mounted perpendicular to one another and center in the modulated wave with the propagation direction D 0 .
  • the tracking mirror M1 at the same time reflects all the light of the modulated wave LW m0C ⁇ involved in the interferences in an adjustable reflection direction D A , of which FIG. 4 shows as an example only the reflection directions D A o and D A i.
  • the tracking mirror M1 is advantageously located at a location where an afocal lens system AF provides an intermediate image of the video hologram.
  • the afocal lens system referred to is a lens system whose system focal lengths lie at infinity, so that this collimated receives incident light waves and also emits them in collimated form.
  • the tracking mirror M1 is connected to position control means in the form of the control unit CU, which controls the inclination of the tracking mirror M1 depending on position data of a not shown eye finder.
  • the control unit CU sets both the inclination of the tracking mirror M1 and the position and the inclination of a mirror opposite the tracking mirror M1.
  • steering mirror M2 in such a way that the tracking mirror M1 reflects the modulated wave LW mO d in a reflection direction D A onto the deflection mirror M2 and the deflection mirror M2 reflects the reflected wave LW mO d over the fixed common light exit position C on the display screen S to the desired one Eye position P E ⁇ _ deflected.
  • the tracking mirror M1 and the deflection mirror M2 thus form, together with the control unit CU, the deflection system according to the invention.
  • the deflection mirror M2 must be both rotatable and slidable and thus have a high mobility.
  • the control unit CU moves both mirrors M1 and M2 with respect to the fixed common light exit position C on the display screen S so as to satisfy the following two requirements:
  • the optical axis on which the modulated waves LW m0C 1 propagate after reflection at the deflection mirror M2 in the direction of the eye position P E should always run through the light exit position C.
  • At least the optical path lengths of the modulated light wave planes which pass through the common light exit position C should remain constant independently of the eye position P E.
  • the wave LW m0C ⁇ leaves the display screen S regardless of the desired eye position P E on the light exit position C, a lateral migration of the holographic reconstruction or individual reconstructed objects is prevented against the background of the display screen S when moving a viewer. Only in this way can the holographic system use the entire optically effective surface of the display screen in all desired eye positions without loss of area.
  • the first requirement is an important prerequisite for a system that requires a separate reconstruction for each viewer eye, since both reconstructions for a viewer are always congruent and must be the same size.
  • the second requirement also reduces the effort required to compensate for optical aberrations and path length difference between the light waves of the modulated wave, for example by time-varying coding.
  • the tracking mirror M1 and the deflection mirror M2 with respect to the common light exit position C for each eye position P E assume such positions among each other that they are defined geometrically by an ellipsoid and its foci.
  • Each ellipse is known to have two focal points and the property that a light wave directed from one focal point to the inside of the curve is reflected from any location of the elliptical tangent so that its reflection hits the other focal point.
  • the two conditions mentioned can be optimally fulfilled if: the control unit CU controls the deflection mirror M2 as a function of the inclination of the
  • the deflection mirror M2 has a spherical surface in the present example. This has the advantage that it images the intermediate image of the filtered video hologram on or in the vicinity of the display screen. At the same time, the deflection mirror M2 forms the spatial frequency spectrum filtered in the afocal system as an intermediate pupil, which is designated as "pupil" in FIG. 4, in the space in front of the display screen S from. The position of the intermediate pupil depends on the eye position, which is set with the shaft tracking. The focusing display screen S images the intermediate pupil as an exit pupil in a visibility region located at the eye position P E i. The holographic reconstruction takes place in the cone between the display screen and the eye position P E i.
  • Fig. 5 shows an improved and preferred embodiment of the invention.
  • a large deflection mirror M21 is fixed, so that the control unit CU must move only the relatively small and light tracking mirror M1.
  • the deflection mirror M21 has a reflector surface RA that is overall so large that, without changing the mirror position, regardless of the adjusted inclination of the tracking mirror M1, it always lies with a partial region of the reflector surface RA in the light path of the entire wave reflected by the tracking mirror M1.
  • the control unit CU achieves the same effect as moving the holographic unit HU.
  • the reflector surface MA of the deflection mirror M21 is designed as a segment of an ellipsoid. That is to say, this reflector surface MA also constitutes a concave mirror, which magnifies the intermediate image of the video hologram, which is already located on the tracking mirror M1, in the vicinity of the display screen S.
  • the improved embodiment of FIG. 5, in which the large deflection mirror M21 is fixedly arranged, makes it possible to generate separate reconstruction spaces for different eye positions with a single holographic unit HU in time division multiplex mode.
  • a hologram processor coded the modulator cells of the spatial light modulation means of the holographic unit HU with a hologram sequence which alternately contains the hologram information, which in each case corresponds to the hologram is associated with eye positions.
  • the control unit CU In order to guide only the modulated wave with the associated hologram information to the corresponding eye position, the control unit CU only has to move the tracking mirror M1 in such a way that the tracking mirror M1 oscillates between two angular positions in synchronism with the hologram sequence. Due to the relatively small and lightweight design of the tracking mirror M1, this hunting can be performed with sufficient speed so that a single holographic unit HU without flicker can provide time-division holographic reconstructions for different eye positions.
  • FIG. 6 Another embodiment of the invention is shown in FIG. 6 in a plan view.
  • the following figures show instead of the complete modulated wave only the optical axes of the light path to the eye positions P E ⁇ _ and P ER of a viewer.
  • a deflection mirror M 22 has a circular-arc-shaped reflector surface in the illustrated X-direction, which corresponds to a circular segment.
  • the M 22 deflection mirror is also rigidly mounted in the system.
  • the light exit position C of the display screen lies in the circle center of the circular reflector surface and the multi-directional tracking mirror M1 can for example be above or below the light exit on the display screen S, so as not to disturb the light path of the redirected, modulated wave by shadowing .
  • two holographic units HU R and HU L would advantageously also be above or below the deflection mirror M 22 and directed towards the tracking mirror M1.
  • Fig. 7 shows a side view of the same embodiment of the invention with an example of the position of the holographic unit HU L with respect to the tracking mirror M1, the deflection mirror M 22 and the display screen S. All optical components are arranged in the optical path in different height levels, so that the modulated wave propagates generally obliquely to the optical axes. Also, this embodiment of the invention has to image the video hologram in an imaging plane with the light exit position C of the display screen S as the center. Since constant light paths are required during the deflection, the deflection Mirror M 22 in the view shown in Fig. 7 also have an elliptical mirror geometry.
  • the light exit position C in the lower focal point F1 and the axes of rotation of the tracking mirror M1 in the upper focal point F2 of the deflecting mirror M 22, which has the shape of a vertical sector of an ellipsoid, are also in this case.
  • FIGS. 6 and 7 also show that the light path of the modulated and redirected wave runs along an optical axis of a component between the tracking mirror M1, the deflection mirror M22 and the display screen S only for a few eye positions.
  • the oblique course of the light path via an optical component can significantly disturb the structure of the modulated wave and must be included and compensated in the optical design of the system and in the coding.
  • FIG. 6 shows an embodiment that implements several spatial-multiplexed holographic reconstructions.
  • the system contains a separate holographic unit HU R and HU L for each viewer eye. Both units can be placed in the system so that each one generates a separate reconstruction space by reflections on the shared tracking mirror M1 and the deflection mirror M21 for the propagation direction D L or D R, depending on the eye position.
  • the optical wavelength tracking means can also contain further deflection mirrors or several tracking mirrors in the interest of a compact construction.
  • a curved shape of one or more additional mirrors may advantageously assist in compensating for path length difference of the holographic reconstruction system.

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Abstract

Ein holographisches Projektionssystem weist eine optische Wellennachführung auf, welche die Ausbreitungsrichtung einer modulierten Wellenfront einstellt. Die Erfindung hat die Aufgabe, eine einstellbare Wellennachführung zu schaffen, welche die modulierte Welle auf eine gewünschte Augenposition eines oder mehrerer Betrachter ausrichtet und den Bewegungen des Betrachters folgt. Das Rekonstruktionssystem enthält räumliche Lichtmodulationsmittel, die zum holographischen Rekonstruieren eine Welle mit holographischer Information modulieren. Die optische Wellennachführung gibt im Rekonstruktionssystem dem Lichtweg der modulierten Welle eine gewünschte Ausbreitungsrichtung, welche die modulierte Welle über eine Lichtaustrittsposition eines Wiedergabeschirms aus dem Rekonstruktionssystem führt. Gemäß der Erfindung stellen Positionssteuermittel (CU) verstellbare Nachführspiegelmittel (M1 ) in ihrer Neigung, auf eine Reflexionsrichtung (DA) zum Reflektieren der modulierten Welle (LWmod) ein und Umlenkspiegelmittel (M2), die in der eingestellten Reflexionsrichtung (DA) liegen, reflektieren die Welle über den Wiedergabeschirm (S) in die gewünschte Ausbreitungsrichtung (DB).

Description

Holographisches Rekonstruktionssystem mit optischen Wellennachführmitteln
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein holographisches Rekonstruktionssystem mit optischen Wellennachführmitteln, welche beim Positionswechsel eines Betrachters beim Betrachten einer holographischen Rekonstruktion die optische Achse, auf der die holographische Rekonstruktion liegt, mit Hilfe einer Positionssteuerung und eines Augenfinders auf mindestens ein Auge eines Betrachters ausrichtet. Die Erfindung ist unabhängig von der Art der Bereitstellung der holographischen Information anwendbar und kann auch für Systeme eingesetzt werden, welche gleichzeitig mehren Betrachtern ein Betrachten von holographisch rekonstruierten Videoszenen ermöglicht.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Ein holographisches Rekonstruktionssystem im Sinne dieser Erfindung stellt mit Videomitteln vorrangig bewegte dreidimensionale Szenen in Echtzeit durch holographisches Rekonstruieren dar. Das System weist kontinuierlich steuerbare räumliche Lichtmodulationsmittel auf, die ein Hologrammprozessor mit Folgen von Videoholo- grammen kodiert, um interferenzfähige Lichtwellen mit holographischer Information räumlich zu modulieren. Die modulierten Lichtwellen bilden in Folge von Lichtbeugung in einem externen Rekonstruktionsraum vor den Augen von Betrachtern durch lokale Interferenzen Objektlichtpunkte, welche optisch die gewünschte Szene dreidimensional rekonstruieren. Von der Gesamtheit aller rekonstruierten Objektlichtpunkte breiten sich die Lichtwellen gerichtet zu den Augen von Betrachtern aus, so dass ein oder mehrere Betrachter diese Objektlichtpunkte in Form der Szene wahrnehmen. Im Gegensatz zu einer stereoskopischen Darstellung realisiert eine holographische Rekonstruktion eine Objektsubstitution.
Im Interesse einer zufrieden stellenden Qualität der Rekonstruktion sollten die Betrachter eine Rekonstruktion auch in einem hinreichend weitem Sichtfeld betrachten können. Dafür muss der Rekonstruktionsraum möglichst groß sein und die Ausdehnung der rekonstruierten Szene sollte, ähnlich wie bei Fernseh- und Videodarstellungen, eine Diagonale von mindestens 50 cm einnehmen können. Von Nachteil ist jedoch, dass holographisches Rekonstruieren mit großflächigen Lichtmodulationsmitteln gemäß dem bekannten Abtasttheorem für große Beugungswinkel eine vielfach höhere Auflösung der Lichtmodulationsmittel als zweidimensiona- Ie Bilddarstellungen erfordert. Dieses stellt an die Ressourcen der Hard- und Software des holographischen Rekonstruktionssystems außergewöhnlich hohe Anforderungen - sowohl an die Komponenten zum zeitnahen Bereitstellen der holographischen Information zum Kodieren als auch zum optischen Rekonstruieren der Szene.
Ein weiteres, an sich bekanntes Problem beim Rekonstruieren stellt eine ungestörte Wellenausbreitung der benötigten Lichtwellen bis zur Interferenz dar. Um die Objektlichtpunkte an der ursprünglichen Raumposition und mit den richtigen Lichtpunktwerten zu rekonstruieren, muss zumindest ein Teil der interferierenden Lichtwellen an jedem Ort, an dem ein Objektlichtpunkt durch Interferenz rekonstruiert werden soll, gleichzeitig eintreffen. Das heißt, an jedem gewünschten Objektlichtpunkt wird eine räumliche Kohärenz unter möglichst vielen der interferierenden Lichtwellen benötigt.
Außerdem dürfen die Wellenlängen der an einem Objektlichtpunkt beteiligten Lichtwellen untereinander keine unkontrollierte Weglängendifferenz durch optische Mittel erhalten.
In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff "optische Achse" eine Gerade, die mit der Symmetrieachse eines reflektierenden oder brechenden optischen Elements übereinstimmt. Räumliche Lichtmodulationsmittel, die ein Hologrammpro- zessor mit holographischer Information einer dreidimensionalen Szene kodiert hat, stellen ein "Videohologramm" dar. Das Zusammenwirken eines mit kohärentem Licht beleuchteten Videohologramms mit Abbildungsmitteln generiert eine "modulierte Wellen". Die Abbildungsmittel geben der modulierten Welle eine "Ausbreitungsrichtung". Diese Ausbreitungsrichtung können "optische Wellennachführmittel" ändern. Wenn Richtungen und Positionen von optischen Elementen von einem Bezugselement in Richtung zum Videohologramm liegen, werden diese "hologrammseitig" genannt aber wenn sie zu einer Augenposition eines Betrachterauges gerichtet sind und "betrach- terseitig". Ein "Sichtbarkeitsbereich" beschreibt einen Raum, der als Ausgangspupille des Systems betrachterseitig an einer Augenposition liegt, in welchem sich zum Be- trachten einer holographisch rekonstruierten Szene mindestens ein Betrachterauge befinden muss. Wenn, wie bei der vorliegenden Anmeldung, optische Wellennach- führmittel die modulierte Welle auf die aktuelle Augenpositionen nachführt, wird der Raum, in dem alle möglichen Augenpositionen auf Grund der Nachführung liegen dürfen, als "Nachführbereich" bezeichnet. In der Fachliteratur wird ein solches Projektionssystem auch als Projektionssystem mit einem Augen-Tracking bezeichnet.
Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat bereits verschiedene Lösungen zum Reduzieren der erforderlichen Auflösung in den räumlichen Lichtmodulationsmitteln angemeldet, beispielsweise die internationale Veröffentlichung WO2004/044659 mit dem Titel "Videohologramm und Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen".
Diese Lösungen basieren im Wesentlichen auf ein Grundprinzip: Eine räumlich mit holo-graphische Information modulierte Welle rekonstruiert die dreidimensionale Szene außerhalb des Systems in einem Rekonstruktionsraum, der vor einem oder beiden Augen eines oder mehrerer Betrachter positioniert ist. Die Geometrie des Rekonstruktionsraums wird einerseits durch die Austrittsfläche eines Wiedergabeschirms definiert, über den die modulierte Welle aus dem Rekonstruktionssystems austritt, und andererseits durch die Bildfläche eines Abbildes der Lichtquelle, welche für mindestens ein Auge eines Betrachters einen Sichtbarkeitsbereich, ein so genanntes Betrachterfenster, bildet. Beide Flächen definieren die Geometrie für einen konischen Rekonstruktionsraum, wobei Videohologramme auch so kodierbar sind, dass Objekt- lichtpunke nicht nur vor, sondern auch scheinbar auf und hinter dem Wiedergabe- schirm erscheinen.
Während einerseits im Interesse eines weiten Sichtfeldes die Austrittsfläche des Wiedergabeschirms möglichst groß sein soll, kann andererseits für eine effektive Ausnutzung der Auflösung der Modulationsmittel der Querschnitt des Sichtbarkeitsbereiches bis zur Größe einer Augenpupille reduziert werden. Letzteres hilft die Auflösung der Modulationsmittel und somit auch die Bereitstellung der Informationsmenge für die holographische Kodierung drastisch zu reduzieren. Aus der geometrischen Darstellung wird offensichtlich, dass der Rekonstruktionsraum vorteilhaft eine konische Form mit einem möglichst großen Öffnungswinkel haben soll, um mit wachsender Entfernung vom Betrachter zur Rekonstruktion ausgedehnte Objekte einer dreidimensionalen Szene in ihrer Ganzheit darstellen zu können. Anderer- seits führt ein enger Sichtbarkeitsbereich zu Problemen bei der Sichtbarkeit der dreidimensionalen Rekonstruktion, wenn das Betrachterauge nur teilweise im Sichtbarkeitsbereich liegt. Bereits geringes Bewegen des Betrachters kann schon ein Verschwinden der Sichtbarkeit, ein Vignettieren oder ein Verzerren des Raumfrequenzspektrums hervorrufen. Außerdem sind die Grenzen des Rekonstruktionsraums für einen Betrachter, der sich außerhalb des Sichtbarkeitsbereichs befindet, schwer zu finden. Deshalb ist es wünschenswert, die Lage des Rekonstruktionsraums mit dem Sichtbarkeitsbereich und der Lage der Rekonstruktion bei jedem Bewegen des Betrachters an die neue Augenposition anzupassen. Bei der bekannten Lösung erfolgt das Anpassen des holographischen Rekonstruktionssystems an die Augenposition durch Verschieben der Beleuchtung für die Lichtmodulationsmittel.
Da der Betrachter in einem engen Sichtbarkeitsbereich nur mit einem Auge die holographische Rekonstruktion sehen kann, muss eine zweite auf das andere Auge gerichtete Welle eine zweite, in der Parallaxe verschiedene Rekonstruktion liefern. Da für ein optisch fehlerfreies Wahrnehmen beide Betrachterräume von derselben Positi- on auf dem Wiedergabeschirm ausgehen müssen, werden ihre Wellen mit bekannten autostereoskopischen Mitteln räumlich oder zeitlich verschachtelt. Dabei verhindern Raumfrequenzfilter und Fokussiermittel ein optisches Übersprechen zwischen den modulierten Wellen. Entsprechende Lösungen hat der Anmelder bereits in der genannten internationalen Patentanmeldung und der Anmeldung WO2006/027228 mit dem Titel: "Verfahren und eine Einrichtung zum Kodieren und Rekonstruieren von großformatigen computergenerierten Videohologrammen" offenbart. Sofern das Rekonstruktionssystem außerdem auch mehreren Betrachtern parallel ein Betrachten der Rekonstruktionen ermöglichen soll, werden dafür weitere modulierte Wellen benötigt; in der Regel für jeden Betrachter zwei. Diese können sowohl im zeitlichen oder auch räumlichen Multiplex-Betrieb realisiert werden. Das Bereitstellen weiterer Wellen ist jedoch nicht Gegenstand dieser Anmeldung.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit bezieht sich deshalb die weitere Beschreibung vorrangig auf das Ausrichten einer einzigen Welle des holographischen Systems. Das Rekonstruktionssystem kann bei Bedarf weitere Wellen analog zur ersten modulieren und ausrichten. Für den Fachmann versteht sich von selbst, dass dafür die Idee gemäß der Erfindung abhängig von der Anzahl der Wellen beliebig oft nutzbar ist. Dabei können funktionelle Elemente der Erfindung auch vorteilhaft für mehrere modulierten Wellen gemeinsam genutzt werden.
Für eine hoch auflösende schnelle Lichtmodulation eignen sich insbesondere Lichtmodulatoren, die in konventionellen Video- und TV-Projektoren benutzt werden und Schirmdiagonalen von wenigen Zentimetern und kleiner nutzen. Ihre geringe Größe reduziert in Verbindung mit der genannten Geometrie der Rekonstruktionsräume und den engen Sichtbarkeitsbereichen auch die Anzahl der holographischen Zellen, die für jedes Videohologramm bereitgestellt, adressiert und kodiert werden müssen. Dadurch wird die Rechnerleistung für jedes Einzelhologramm erheblich gesenkt und konventionelle weniger aufwendige Rechentechnik kann benutzt werden. Außerdem ist eine interferenzfähige Beleuchtung der Lichtmodulationsmittel besser zu realisieren, wenn diese einen geringen Querschnitt aufweisen. Um die beschriebene Geometrie der Rekonstruktionsräume zu realisieren, ist das Rekonstruktionssystem vorteilhaft als Projektionssystem ausgeführt und vergrößert optisch die modulierte Welle vor der Rekonstruktion. Die internationalen Veröffentlichung WO2006/119760 mit dem Titel "Projektionsvorrichtung und Verfahren zur holographischen Rekonstruktion von Szenen", offenbart ein holographisches Projektionssystem. Dieses soll anhand von Fig. 1 näher erläutert werden.
Eine ebene Welle LW mit interferenzfähigem Licht beleuchtet die gesamte Fläche eines räumlichen Lichtmodulators SLM, der beispielsweise einen Durchmesser nicht größer als wenige Zentimeter hat. In dieser Ausführung durchleuchten die Lichtwellen einen transmissiven Lichtmodulator SLM. Bei einer Änderung des optischen Aufbaus kann aber ebenso ein reflexiv modulierender Lichtmodulator genutzt werden. In jedem Fall enthält der Modulator Modulatorzellen, die ein Hologrammprozessor HP dynamisch mit holographischer Information einer gewünschten dreidimensionalen Szene kodiert. Die kodierten Modulatorzellen bilden somit ein dynamisches Videohologramm. Eine Projektions-Optik L bildet das Videohologramm in einer Abbildebene IL0 auf einen fokussierenden Wiedergabeschirm S vergrößert ab. Dabei entsteht in der bildsei- tigen Brennebene der Projektions-Optik L, der so genannten Fourier-Ebene FTL, ein Raumfrequenzspektrum des Videohologramms.
Die Modulatorzellen modulieren auf Grund ihrer matrixförmigen Anordnung die Welle räumlich und äquidistant. Dieses bewirkt, dass in der Fourier-Ebene FTL in periodischer Folge gleichzeitig mehrere Beugungsordnungen entstehen, welche in einem Periodizitätsintervall an verschiedenen Orten liegen. Der fokussierende Wiedergabe- schirm S würde alle periodischen Folgen in die Betrachterebene OL abbilden und ein Betrachter könnte diese mit einem Auge, das außerhalb des Sichtbarkeitsbereichs liegt, als optisches Übersprechen wahrnehmen. Um dieses zu verhindern, liegt in der Fourier-Ebene FTL ein Raumfrequenzfilter AP in Form einer Lochblende. Diese verhindert das Übersprechen durch Auswählen einer Beugungsordnung und der fokus- sierende Wiedergabeschirm S bildet nur den räumlichen Spektralbereich der modulierten Welle, der das Raumfrequenzfilter AP passiert, in einer Betrachterebene OL an einer Augenposition PEo ab. Dabei entsteht an der Augenposition PEo ein Sichtbarkeitsbereich zum Betrachten der rekonstruierten 3D-Szene 3DS. Das Abbild des Raumfrequenzfilters AP definiert dabei die Geometrie des Sichtbarkeitsbereichs.
Der Durchmesser der auf dem Wiedergabeschirm S abgebildeten holographisch kodierten Modulatorzellen definiert das andere Ende des Rekonstruktionsraums.
Im Beispiel gemäß FIG. 1 ist der Wiedergabeschirm S eine Linse. Da aber, wie oben dargelegt, der Durchmesser des Wiedergabeschirms im Vergleich zur Projektions- Optik L sehr groß sein muss, kann der Wiedergabeschirm S auch vorteilhaft ein Hohlspiegel sein.
Im Gegensatz zu anderen bekannten Systemen erfordert dieses holographische Pro- jektionssystem eine besondere Kodierung der Modulatorzellen mit der holographischen Information. Die Modulatorzellen sind so mit einem Videohologramm kodiert, dass die Rekonstruktion der 3D-Szene 3DS durch Interferenzen erst in dem Abschnitt des Lichtwellenweges erfolgt, bei dem bereits die vergrößerte und fokussierte Welle das Rekonstruktionssystem über den Wiedergabeschirm S verlassen hat. Dieses er- möglicht spätere Laufwegdifferenzen bei der Lichtwellenausbreitung, z.B., infolge von verschiedenen Weglängen, bereits beim Kodieren der Modulatorzellen zu berücksichtigen.
Auch das beschriebene Projektionssystem rekonstruiert die dreidimensionale Szene 3DS in einem feststehenden Rekonstruktionsraum und diese ist nur sichtbar, wenn sich der Betrachter mit einem Auge in dem äußerlich nicht erkennbaren Sichtbarkeitsbereich befindet. Ein freies Bewegen vor dem Rekonstruktionssystem ist ohne Verlust oder Einschränken der Sicht auf die holographische Rekonstruktion mit diesem Pro- jektionssystem allein ebenfalls nicht möglich.
Beim Bewegen eines Betrachters müssen Positionssteuermittel den Rekonstruktionsraum mit der modulierten Welle der Augenposition des entsprechenden Betrachterauges so nachführen, dass der Sichtbarkeitsbereich am Ende des Rekonstruktionsraum immer hinter der Augenposition beginnt und die rekonstruierte Szene ohne Einschränkung sichtbar bleibt. Dazu muss das in FIG. 1 dargestellte Projektionssystem einen an sich bekannten Augenfinder erhalten, der die exakte Augenposition findet und mit Hilfe der Positionssteuerung den Sichtbarkeitsbereich auf die neue Augenposition ausrichtet. Eine derartige Lösung ist aus der Patentschrift EP 0 946 066 bekannt.
Für eine reale holographische Rekonstruktion kann beim Nachführen der modulierten Welle auch der Inhalt der holographischen Kodierung der Modulationsmittel an die aktuelle Augenposition angepasst werden, da eine Änderung der Augenposition in der Natur auch die Blickwinkel auf die räumliche Anordnung von Objekten der dreidimen- sionalen Szene zueinander und deren Sichtbarkeit ändert. Abhängig von der Augenposition sind Objektdetails der Szene, die in verschiedenen Raumtiefen liegen, in Folge von wechselnden Detailüberdeckungen und/oder Betrachterentfernungen verschieden sichtbar. Für eine vereinfachte holographische Darstellung kann jedoch auch auf ein Anpassen der Sichtbarkeit von Objektdetails abhängig von der aktuellen Augenposition verzichtet werden.
Ein Nachführen durch Bewegen des gesamten Rekonstruktionssystems ist in Folge der Größe und Masse des Wiedergabeschirms nur schwer realisierbar. Deshalb ha- ben die Erfinder in der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 024 092.8 bereits vorgeschlagen, die modulierte Welle mit einer elektronisch steuerbaren Ablenkeinheit, die in der Nähe des fokussierenden Wiedergabeschirms liegt, auf die Position des zugeordneten Betrachterauges auszurichten. Dieses erfordert jedoch einen hohen Aufwand an Material und Kosten, da die Ablenkeinheit in Folge der Nähe zum Wiedergabeschirm einen annähernd ebenso großen Querschnitt aufweisen muss. Wenn die Ablenkeinheit DFU, wie in Fig. 2 gezeigt, jedoch näher zur Projektionslinse L liegt, wird ihr Querschnitt etwa so groß, wie die Projektionslinse L und die Ablenkeinheit DFU kann kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden. Das erfordert jedoch ande- rerseits, wie Fig. 2 zeigt, einen größeren Wiedergabeschirm S, da infolge der Neigung der modulierten Welle zu einer Augenposition PEi die vergrößerte Welle immer nur über einen eingeschränkten Bereich des Wiedergabeschirms S aus dem Rekonstruktionssystem austritt. Ein nicht unerheblicher Bereich AO des Wiedergabeschirms S bleibt immer ungenutzt, weil die Austrittsposition der modulierten Welle mit der Au- genposition wechselt.
Wenn das System jedoch einen engen Sichtbarkeitsbereich aufweist und jedes Auge eine eigene modulierte Welle benötigt, ist es schwierig, mit dieser Lösung zu sichern, dass beide Betrachterräume von derselben Position auf dem Wiedergabeschirm aus- gehen.
Fig. 2 zeigt außerdem auch, dass die Ablenkeinheit DFU verhindert, dass das Abbild des Videohologramms nicht mehr direkt auf dem Wiedergabeschirm S entsteht. Stattdessen liegt es nahe des Wiedergabeschirms S in einer geneigten Abbildebene ll_i.
Eine zufrieden stellende Funktion der Ablenkeinrichtung stellt deshalb meist erhebliche Anforderungen an die Optik des Rekonstruktionssystems. Insbesondere sind besonders große Durchmesser von optischen Komponenten erforderlich, so dass neben steigendem Materialaufwand auch verstärkt schwer zu beherrschende Aberrationen auftreten.
Aus der internationalen Anmeldung WO 2005/062106 mit dem Titel: "Projection appa- ratus for display of images floating in space" ist eine Projektion zweidimensionaler Bilder bekannt, welche im freien Raum schweben. Die Projektionsvorrichtung enthält ein Bilddisplay, einen drehbar gelagerten Planspiegel und einen fixen Konkavspiegel. Das Dokument lehrt, dass schwebende Bilder in einer größeren Distanz von einer Projektionsvorrichtung wiedergegeben werden, wenn der Konkavspiegel eine elliptische Form hat. Der Planspiegel kann senkrecht zur optischen Projektionsachse ge- dreht werden, um beim Austritt der Bilder aus dem System den Winkel der optischen Hauptachse zu variieren. Die Entfernung, die Größe und der Betrachtungswinkel der schwebenden Bilder hängen sowohl von der Größe des elliptischen Spiegels, als auch von der Position seiner Fokusse und dem Ort des Bilddisplays ab, den die reflektierenden Oberflächen in ihrem Zusammenspiel projizieren. Auf Grund der optischen Wegführung für die mit zweidimensionaler Bildinformation modulierte Welle können die genannten Erfordernisse für eine holographische Rekonstruktion nicht erfüllt werden.
Die US-Anmeldung US 2005/0234348 mit dem Titel: "Apparatus for displaying images by projection on retina of viewer with eliminated adverse effect of intervening optics" offenbart ein "Retinal scanning display", bei dem eine Scanner-Optik mit einem zwei- dimensional-drehbaren Scannerspiegel und einem elliptischen Projektionsspiegel je einen intensitäts- und phasenmodulierte Laserlichtstrahl der RGB-Grundfarben seriell auf eine Retina eines Betrachterauges projiziert. Auf der Retina entsteht dabei durch serielle Pixel-Synthese eine Wiedergabe des Bildes. Die Scanner-Optik ist direkt vor einem Betrachterauge angeordnet, wobei der Scannerspiegel mit seinen Drehachsen in einem Brennpunkt des elliptischen Projektionsspiegels und die Retina des Betrachterauges im anderen Brennpunkt des elliptischen Projektionsspiegels liegt. Da das Bild aus einer Zeitfolge von Laserlichtstrahlen entsteht, dass heißt Bildpixel für Bildpi- xel und Zeile für Zeile aus einem abgetasteten Videobild, kann die bekannte Lösung keine holographische Rekonstruktion durch Interferenz realisieren, da keine Lichtwellen zur gleichen Zeit für Interferenzen verfügbar sind. Diese Lösung nutzt keinen räumlichen Lichtmodulator im Sinne der vorliegenden Beschreibung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine steuerbare optische Wellennachführung für ein holographisches Rekonstruktionssystem zu schaffen, welches eine dreidimensionale Szene in mindestens einem Rekonstruktionsraum durch Lichtbeugung und Interferen- zen von moduliertem Licht einer Welle holographisch rekonstruiert. Bevor die modulierte Welle das Rekonstruktionssystem über einen Wiedergabeschirm verlässt, sollen die optische Wellennachführung die modulierte Welle auf eine gewünschte Augenposition eines oder mehrerer Betrachter ausrichten und den Bewegungen des Betrach- ters folgen. Bei allen Augenpositionen muss die rekonstruierte Szene fehlerfrei und in gleicher Qualität sichtbar sein.
Um die Größe des Rekonstruktionssystems minimal zu halten, sollen unabhängig von der Augenposition die optisch wirksamen Flächen der optischen Elemente weitestge- hend vollständig genutzt werden. Das heißt, die modulierte Welle soll unabhängig von der Augenposition das Rekonstruktionssystem am Wiedergabeschirm möglichst über einen Lichtaustritt mit einer festen Austrittsposition verlassen.
Die optische Wellennachführung muss alle Teilbereiche einer Welle über ihren Licht- weg vom Modulieren in räumlichen Lichtmodulationsmittel bis zum Rekonstruieren so führen, dass alles interferierende modulierte Licht im Rekonstruktionsraum am jeweils an einem Ort kohärent eintrifft, welcher der Position in der ursprünglichen Szene entspricht, um die gewünschten Objektpunkte ohne geometrische Verzerrungen zu Rekonstruieren.
Für eine gute Ausnutzung der Auflösung der Lichtmodulationsmittel weist vorteilhaft der Rekonstruktionsraum einen Sichtbarkeitsbereich auf, welcher deutlich kleiner ist als der Lichtaustritt des Wiedergabeschirms. Da ein solches System für jedes Auge eines Betrachters eine gesonderte Welle moduliert, müssen zumindest die Rekon- struktionsräume, welche für denselben Betrachter bereitgestellt werden, für beide Betrachteraugen stets deckungsgleich an derselben Austrittsposition des Wiedergabeschirms beginnen. Für ein korrektes Wahrnehmen der Rekonstruktion müssen auch beide modulierte Wellen auf dem Wiedergabeschirm mit der gleichen Flächengeometrie erscheinen und die Rekonstruktionen für beide Augen eines Betrachters gleich groß sein. Anderen Falls würde sich bei einer Bewegung des Betrachters die Rekonstruktion gegenüber dem Wiedergabeschirm bewegen.
Daraus ergibt sich die Forderung, dass bei engen Sichtbarkeitsbereich und großem Wiedergabeschirm jeder Sichtbarkeitsbereich innerhalb eines Nachführbereichs posi- tionierbar sein soll, der mehrere Hundert Mal größer ist als der Sichtbarkeitsbereich selbst. Dabei kann der Richtungswinkel der optischen Achse der modulierten Welle am Lichtaustritt erheblich von der optischen Achse des Wiedergabeschirms abweichen. Dieses bewirken Aberrationen und Weglängendifferenz beim Ausbreiten einzel- ner modulierter Lichtwellenteile und Deformationen der Welle, welche vor dem Rekonstruieren kompensiert werden müssen.
Das Rekonstruktionssystem für die Erfindung moduliert mit räumlichen Lichtmodulationsmitteln eine Welle mit holographischer Information und enthält außerdem Positi- onssteuermittel, welche die modulierte Welle in eine Ausbreitungsrichtung zu einer Augenposition lenken. Hinter jeder Augenposition liegt ein Sichtbarkeitsbereich, der mindestens für ein Betrachterauge eingerichtet ist. Die modulierte Welle verlässt das Rekonstruktionssystem vor dem holographischen Rekonstruieren über einen Wiedergabeschirm an einem Lichtaustritt mit einer definierten Lichtaustrittsposition, welche durch Mittelebenen der austretenden modulierten Welle definiert ist. Jede Rekonstruktion erfolgt in einem zugeordneten Rekonstruktionsraum.
Gemäß der Erfindung enthält das holographische Rekonstruktionssystem drehbar gelagerte Nachführspiegelmittel und Umlenkspiegelmittel. Die Nachführspiegelmittel enthalten zumindest eine Drehachse und liegen im Lichtweg der modulierten Welle. Eine Positionssteuerung stellt die Nachführspiegelmittel mit Hilfe von Positionsdaten, die ein Augenfinder von einer Augenposition liefert, auf eine Neigung ein, die indirekt der Augenposition entspricht. In Folge der eingestellten Neigung reflektieren die Nachführspiegelmittel die modulierte Welle in eine von der Augenposition abhängige Reflexionsrichtung, in der Umlenkspiegelmittel zumindest mit einem Bereich ihrer reflektie- renden Spiegelfläche liegen. Das heißt, die Umlenkspiegelmittel lenken die von den Nachführspiegelmitteln reflektierte Welle vor dem Verlassen des Systems über den Wiedergabeschirm in die Ausbreitungsrichtung zu der Augenposition um, die der Augenfinder gefunden hat.
Vorteilhaft liegen die Nachführspiegelmittel an einem Ort, an dem optische Mittel ein Zwischenabbild des gefilterten Videohologramms, das auf den räumlichen Lichtmodulationsmitteln kodiert ist, realisieren. Die Umlenkspiegelmittel liegen so zwischen dem Wiedergabeschirm und den Nach- führspiegelmitteln, dass ein weiteres Abbild des Videohologramms möglichst auf oder mindestens nahe dem Wiedergabeschirm entsteht, so dass alle modulierten Lichtwellenteile auf dem Weg von den Nachführspiegelmitteln zum Wiedergabeschirm mög- liehst gleiche Weglängen zurücklegen. Wie nahe das Abbild des Videohologramms zum Wiedergabeschirm liegt, hängt vom Feldwinkel ab, den die Ausbreitungsrichtung der modulierten Welle im Rekonstruktionsraum in Bezug zur rechtwinkligen optischen Achse des Wiedergabeschirms aufweist.
Durch die Anordnung der Spiegel bleiben die Kohärenzbedingungen möglichst aller interferierenden Lichtwellen der umgeleiteten Welle am Ort der Rekonstruktion erhalten. Gleichzeitig wird erreicht, dass das Abbild des Videohologramms stets an derselben definierten Lichtaustrittsposition des Wiedergabeschirms liegt.
Vorteilhaft wurde am Ort der Nachführspiegelmittel auch schon durch Fourier- Transformation an Projektionsmitteln ein Raumfrequenzspektrum der modulierten Welle erzeugt und störende Beugungsordnungen, die in Folge der räumlichen Modulation entstehen, mit optischen Raumfrequenzfiltermitteln entfernt. Im Gegensatz zu einem Scannerspiegel in einem Projektionsbildsystem, der durch eine Drehbewegung ein Videobild als Zeilensequenz mit einzelnen Lichtstrahlen abtastet, reflektieren die Nachführspiegelmittel die komplette modulierte Welle oder zumindest Segmente davon, welche stets gleichzeitig eine Vielzahl untereinander interferenzfähiger Lichtwellenteile mit holographischer Information enthalten.
In einer einfachen Ausführung der Erfindung sind sowohl die Nachführspiegelmittel als auch die Umlenkspiegelmittel drehbar und zusätzlich mindestens die Umlenkspiegelmittel auch verschiebbar angeordnet. Die Positionssteuerung bewegt dann beide Spiegelmittel in Bezug zur modulierten Welle und der Lichtaustrittsposition in solche Spiegelpositionen, dass die Lichtweglängen auf dem Weg von den Nachführspiegel- mittein zum Wiedergabeschirm für alle Lichtwellen der Welle gleich sind.
Um das Rekonstruktionssystem, insbesondere die Umlenkspiegelmittel kompakt auszuführen, können die Umlenkspiegelmittel so mit einer konkaven Spiegelfläche aus- gestattet werden, dass diese das Zwischenabbild des Videohologramms vergrößert zum Wiedergabeschirm abbilden.
Die Positionssteuerung bewegt außerdem vorteilhaft die Umlenkspiegelmittel auf einer konkaven Bahn, um ein Segment eines Ellipsoiden mit zwei Brennpunkten nachzubilden.
Die in ihrer Neigung einstellbaren Nachführspiegelmittel müssen mit dem Drehpunkt bzw. der Drehachse mittig in einem Brennpunkt des Ellipsoiden liegen. Der Mittelpunkt des Lichtaustritts des Wiedergabeschirms liegt dann im anderen Brennpunkt des Ellipsoiden.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Umlenkspiegelmittel fest im System angebracht und weisen eine solchen Flächenausdehnung auf, dass bei jeder gewünschten Einstellpositionen immer ein Teil ihrer Reflektorfläche im Lichtweg der Welle liegt, welche die Nachführspiegelmittel reflektierten. Dafür sind die Umlenkspiegelmittel als Segment eines Ellipsoiden geformt und in einem Brennpunkt des Ellipsoiden ist ein drehbarer Nachführspiegel mittig gelagert. Im anderen Brennpunkt des Ellipsoiden liegt der Wiedergabeschirm mit der Lichtaustrittsposition.
Damit zeigt allein ein Ändern der Neigung der Nachführspiegelmittel mit dem Zwischenabbild die gleiche Wirkung, wie ein Bewegen einer holographischen Einheit, welche die räumlichen Lichtmodulationsmittel mit ihrer Beleuchtung und optische Projektionsmittel enthält.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachstehend an verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen dafür zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 : Eine Draufsicht auf ein holographisches Projektionssystem mit dem Gesicht eines Betrachters an einer Augenposition. Das System hat der Anmelder bereits in der Einleitung der Beschreibung beschrieben und in der internationalen Anmeldung PCT/DE 2006/000896 offenbart. Fig. 2: Eine Draufsicht auf ein holographisches Projektionssystem mit einer elektronisch steuerbaren Ablenkeinheit, welche die Ausbreitungsrichtung der modulierten Welle auf eine Augenposition ausrichtet. Die Lösung wurde ebenso in der Einleitung der Beschreibung beschrieben und in der Deutschen Patent- anmeldung DE 10 2006 024 092.8 offenbart.
Fig. 3: Eine perspektivische Darstellung des Prinzips einer holographischen Projektion illustriert das technische Problem, das die vorliegende Erfindung löst.
Fig. 4: Eine Seitenansicht des holographischen Projektionssystems offenbart die steuerbare optische Wellennachführung gemäß einer prinzipiellen Ausfüh- rungsform der Erfindung.
Fig. 5: Ein holographisches Projektionssystem gemäß der Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform, bei dem die Positionssteuermittel zum Ausgleichen von Positionswechseln eines Betrachters nur die Nachführspiegelmittel bewegen. Fig. 6: Eine andere Ausführungsform der steuerbaren optischen Wellennachführmit- tel für ein holographisches Projektionssystem gemäß der Erfindung in einer Draufsicht.
Fig. 7: Eine Seitenansicht der in Fig. 6 gezeigten Ausführung der Erfindung.
Das technische Problem, welches die vorliegende Erfindung löst, soll an Hand von Fig. 3 erläutert werden. Das in Fig. 3 gezeigte System nutzt zwei der bereits oben erwähnten separaten holographischen Einheiten zur holographischen Rekonstruktion. Jede holographische Einheit HUR, HUL enthält die in Fig. 1 gezeigten räumlichen Lichtmodulationsmittel mit kodierbaren Modulatorzellen, eine Beleuchtung, welche zum Beleuchten der Modulatorzellen eine interferenzfähige Welle generiert und optische Projektionsmittel, welche das Videohologramm vergrößert auf einem Wiedergabeschirm S abbilden. Die Abbildfläche des Videohologramms entspricht dem Lichtaustritt des Wiedergabeschirms S.
Vorteilhaft sind die holographischen Einheiten HUR und HUL in einer Betrachterebene OL über dem Kopf eines Betrachters montiert und senden jeweils modulierte Wellen mit holographischer Information entlang einer Ausbreitungsrichtung DR bzw. DL aus. Ein nicht gezeichneter Hologrammprozessor kodiert die räumlichen Lichtmodulationsmittel beider holographischen Einheiten HUR und HUL mit holographischer Infor- mation. Beide Videohologramme unterscheiden sich in der Information für die horizontale Parallaxe. Die holographischen Einheiten HUR und HUL sind in Bezug zum Wiedergabeschirm S so ausgerichtet, dass sich ihre Ausbreitungsrichtung DR und DL auf dem Wiedergabeschirm S an einem Punkt kreuzen, der die Lichtaustrittsposition C definiert.
Da das System das in der internationalen Veröffentlichung WO/2006/119760 offenbarte Grundprinzip realisiert, ist der Wiedergabeschirm S als fokussierender Reflektor ausgeführt. Der Reflektor bildet die Beleuchtung jeder holographischen Einheit HUR und HUL in einer Betrachterebene OL an einer Augenpositionen PER oder PEL ab. Deshalb kennzeichnen an den Augenpositionen PER oder PEL zwei gedachte rechteckige Flächen je einen Sichtbarkeitsbereich. Die Rekonstruktion kann bei diesem Grundprinzip nur durch die jedem Auge zugeordneten Sichtbarkeitsbereich betrachtet werden.
Genau gesagt, entstehen dort Abbilder einzelner Bereiche des Raumfrequenzspektrums jeder modulierten Welle, welche das in Fig. 1 gezeigte Raum-Frequenzfilter AP passieren. Jede holographische Einheit HUR und HUL realisiert für ein Betrachterauge einen eigenen konischen Rekonstruktionsraum, der mit seinem Sichtbarkeitsbereich auf die Augenposition PER oder PEL zeigt und jeder Rekonstruktionsraum beginnt am Wiedergabeschirm und endet direkt vor der Augenposition PER oder PEL- Bewegt sich der Betrachter vor dem Wiedergabeschirm S, dann müsste eine Steuereinheit CU beide holographische Einheiten HUR, HUL auf eine entsprechende Position nachführen. Zwei Pfeile 1 und 2 in entgegen gesetzten Richtungen zeigen deshalb eine hori- zontale Bewegung. Da jedes Betrachterauge die holographische Rekonstruktion mit Hilfe einer eigenen, in der Parallaxe abweichende Rekonstruktion sieht, müssen beide holographischen Einheiten HUR, HUL mit ihrer optischen Achse immer so positioniert sein, dass jedes Betrachterauge seine Rekonstruktion in Bezug zum Wiedergabeschirm S an der selben Position sieht. Da die Geometrie des Lichtaustritts von der Abweichung der Augenpositionen PER oder PEL von der optischen Achse des Wiedergabeschirm S abhängt, ist diese Bedingung dann erfüllt, wenn sich beide Ausbreitungsrichtungen DR und DL stets in einer vorzugsweise mittigen Lichtaustrittsposition C auf dem Wiedergabeschirm S kreuzen. Im Interesse der Übersichtlichkeit zeigt Fig. 3 nur eine vereinfachte Darstellung der an sich dreidimensionalen, modulierten Welle. Von beiden Wellen ist jeweils nur eine einzige horizontale Wellenebene gezeichnet, welche die Mittelebene der dreidimensionalen Welle auf der entsprechenden optischen Achse jeder holographischen Einheit HUR oder HUL darstellt. Außerdem zeigen gestrichelte Linien jeweils die vertikale Mittelebene jeder Welle. Der gemeinsame Kreuzungspunkt aller Mittelebenen, bestimmt die Lage der Lichtaustrittsposition C auf dem Wiedergabeschirm S.
Da die holographischen Einheiten HUR, HUL ihre Videohologramme vergrößert, nahe- zu auf der gesamten Reflexionsfläche des Wiedergabeschirms S abbilden, definiert die genutzte Reflexionsfläche das maximale Sichtfeld beim Betrachten der Rekonstruktion.
Für ein System, welches gleichzeitig für mehrere Betrachter holographische Rekon- struktionen bereitstellen soll, würde die Ausführung nach Fig. 3 weitere holographische Einheiten an weiteren Positionen erfordern. Die Steuereinheit CU müsste alle holographischen Einheiten auf Arbeitspositionen bewegen, die ein Augenfinder EF als Positionsdaten liefert. Das Bewegen der holographischen Einheiten vor dem Wiedergabeschirm S wäre sehr aufwendig.
Das Problem, welches die Erfindung lösen soll, besteht nun darin, mit optischen Mitteln das Nachführen durch ein Bewegen der holographischen Einheiten zu vermeiden. Außerdem wird eine Lösung angestrebt, welche mit einer geringen Anzahl von holographischen Einheiten Rekonstruktionsräume für verschiedene Betrachter generiert und nachführt.
Für die nachfolgende Darstellung ist unbedeutend, ob das holographische Projektionssystem einen fokussierenden transmissiven Wiedergabeschirm in Form einer Linse oder einen fokussierenden reflexiven Wiedergabeschirm in Form eines fokussie- renden Hohlspiegels aufweist. In Bezug auf die Grundidee der Erfindung können beide Ausführungsformen für den Wiedergabeschirm alternativ verwendet werden.
Ausgehend von dem dargestellten Problem, zeigt Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel an dem das grundsätzliche Funktionsprinzip der Erfindung erläutert werden soll. Wie auch die folgende Ausführung, zeigt die Darstellung nur eine einzelne holographische Einheit HU. Diese enthält ebenso die bereits oben beschriebenen Komponenten, um eine mit holographischer Information modulierte Welle LWmOd in eine ursprüngliche Ausbreitungsrichtung D0 als Videohologramm abzubilden. Im Gegensatz zu der Aus- führung gemäß Fig. 3 ist bei der Ausführung gemäß der Erfindung die holographische Einheit HU jedoch im holographischen Projektionssystem fest angeordnet. Außerdem stellt Fig. 4 eine Seitenansicht der Ausführung gemäß der Erfindung dar. Damit wird das Nachführen am Beispiel eines Ausgleichens von Augenpositionen mit verschiedenen Augenhöhen erläutert. Ein solches Nachführen ist beispielsweise zum Anpas- sen der Sichtbarkeit an die Größe eines Betrachters erforderlich.
Gemäß der Erfindung liegt ein drehbar gelagerter Nachführspiegel M1 im gezeigten Beispiel in der modulierten Welle LWm0Cι. Um die modulierten Lichtwellen in jeder beliebigen lateralen Richtung nachzuführen, soll vorteilhaft der Nachführspiegel M1 um mindestens zwei senkrecht zu einander gelagerte Achsen drehbar sein und mittig in der modulierten Welle mit der Ausbreitungsrichtung D0 liegen. Im Gegensatz zu so genannten Scanner-Einrichtungen reflektiert der Nachführspiegel M1 gleichzeitig alles an den Interferenzen beteiligte Licht der modulierten Welle LWm0Cι in eine einstellbare Reflexionsrichtung DA, wovon Fig. 4 als Beispiel nur die Reflexionsrichtungen DAo und DAi zeigt.
Um Weglängendifferenz beim Ausbreiten der Welle LWm0Cι zu vermeiden, liegt der Nachführspiegel M1 vorteilhaft an einem Ort, an dem ein afokales Linsensystem AF ein Zwischenabbild des Videohologramms liefert.
Als afokales Linsensystem wird in der vorliegenden Anmeldung ein Linsensystem bezeichnet, dessen Systembrennweiten im Unendlichen liegen, so dass dieses kolli- miert eintreffende Lichtwellen empfängt und diese ebenfalls kollimiert aussendet.
In der vorliegenden Ausführung ist der Nachführspiegel M1 mit Positionssteuermitteln in Form der Steuereinheit CU verbunden, welche abhängig von Positionsdaten eines nicht gezeichneten Augenfinders die Neigung des Nachführspiegel M1 steuert. Die Steuereinheit CU stellt sowohl die Neigung des Nachführspiegels M1 als auch die Position und die Neigung eines dem Nachführspiegel M1 gegenüberliegenden Um- lenkspiegel M2 so ein, dass der Nachführspiegel M1 die modulierte Welle LWmOd in eine Reflexionsrichtung DA auf den Umlenkspiegel M2 reflektiert und der Umlenkspie- gel M2 die reflektierte Welle LWmOd über die feste gemeinsame Lichtaustrittsposition C auf dem Widergabeschirm S zu der gewünschten Augenposition PEι_ umlenkt. Der Nachführspiegel M1 und der Umlenkspiegel M2 bilden somit gemeinsam mit der Steuereinheit CU das erfindungsgemäße Ablenksystem.
Bei diesem Ausführungsbeispiel muss der Umlenkspiegel M2 sowohl drehbar als auch verschiebbar angeordnet sein und damit eine hohe Beweglichkeit aufweisen.
Die Steuereinheit CU bewegt beide Spiegel M1 und M2 in Bezug zur festen gemeinsamen Lichtaustrittsposition C auf dem Wiedergabeschirm S in der Weise, dass die folgenden zwei Forderungen erfüllt werden:
Erstens: Die optische Achse, auf der sich die modulierten Wellen LWm0Cι, nach der Reflexion am Umlenkspiegel M2 in Richtung zur Augenposition PE ausbreiten, sollte immer durch die Lichtaustrittsposition C laufen.
Zweitens: Zumindest die optischen Weglängen der modulierten Lichtwellenebenen, welche durch die gemeinsame Lichtaustrittsposition C laufen, sollen unabhängig von der Augenposition PE konstant bleiben.
Da beim Nachführen die Welle LWm0Cι den Wiedergabeschirm S unabhängig von der gewünschten Augenposition PE über die Lichtaustrittsposition C verläßt, wird ein late- rales Wandern der holographischen Rekonstruktion oder einzelner rekonstruierter Objekte vor dem Hintergrund des Wiedergabeschirms S beim Bewegen eines Betrachters verhindert. Nur so kann das holographische System die gesamte, optisch wirksame Fläche des Wiedergabeschirms bei allen gewünschten Augenpositionen ohne Flächenverlust nutzen.
Außerdem ist die erste Forderung eine wichtige Voraussetzung für ein System, welches für jedes Betrachterauge eine gesonderte Rekonstruktion benötigt, da beide Rekonstruktionen für einen Betrachter stets deckungsgleich liegen und gleich groß sein müssen. Die zweite Forderung vermindert darüber hinaus den Aufwand, der erforderlich ist, um optische Aberrationen und Weglängendifferenz zwischen den Lichtwellen der modulierten Welle beispielsweise durch ein zeitlich verändertes Kodieren zu kompensieren.
Die genannten Forderungen bedingen, dass gemäß der Erfindung der Nachführspiegel M1 und der Umlenkspiegel M2 in Bezug zur gemeinsamen Lichtaustrittsposition C für jede Augenposition PE untereinander solche Positionen einnehmen, dass diese geometrisch durch einen Ellipsoiden und dessen Brennpunkte definiert sind.
Jede Ellipse hat bekanntlich zwei Brennpunkte und die Eigenschaft, dass eine Lichtwelle, die von einem Brennpunkt zum Innern der Kurve gerichtete ist, von jedem beliebigen Ort der Ellipsentangente so reflektiert wird, dass ihre Reflektion auf den anderen Brennpunkt trifft.
Mit dem Beispiel nach Fig. 4 lassen sich deshalb die genannten zwei Bedingungen optimal erfüllen, wenn: die Steuereinheit CU den Umlenkspiegel M2 abhängig von der Neigung des
Nachführspiegels M1 wie eine Tangente auf einer elliptischen Bahn bewegt - der drehbare Nachführspiegel M1 mittig in einem Brennpunkt dieser Ellipse liegt und der Wiedergabeschirm S mit der gemeinsamen Lichtaustrittsposition C im anderen Brennpunkt der elliptischen Bahn liegt.
Um beispielsweise die modulierte Welle LWm0Cι auf die Augenposition PEι_i zu richten, schiebt und dreht die Steuereinheit CU den Umlenkspiegel M2 entlang der Oberfläche des Ellipsoiden in die Spiegelposition PM2- Gleichzeitig dreht sich der Nachführspiegel M1 um einige Winkelgrade nach links. Alle Bewegungen zeigen die Pfeile 3, 4 und 5.
Der Umlenkspiegel M2 hat im vorliegenden Beispiel eine sphärische Oberfläche. Das hat den Vorteil, dass er das Zwischenabbild des gefilterten Videohologramms auf oder in die Nähe des Wiedergabeschirms abbildet. Gleichzeitig bildet der Umlenkspiegel M2 das im afokalem System gefilterte Raumfrequenzspektrum als eine Zwischenpupille, die in Fig. 4 als „Pupil" bezeichnet ist, im Raum vor dem Wiedergabeschirms S ab. Die Position der Zwischenpupille ist abhängig von der Augenposition, welche mit der Wellennachführung eingestellt ist. Der fokussierende Wiedergabeschirm S bildet die Zwischenpupille als Ausgangspupille in einem Sichtbarkeitsbereich ab, der an der Augenposition PEi liegt. Im Kegel zwischen dem Wiedergabeschirm und der Augen- position PEi erfolgt die holographische Rekonstruktion.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist jedoch nachteilig, dass das Bewegen des Umlenkspiegels M2 einen hohen mechanischen Aufwand erfordert und auf Grund der mechanischen Trägheit nur ein langsames Nachführen des Rekonstruktionssystems ermöglicht.
Ausgehend von diesem Nachteil zeigt Fig. 5 eine verbesserte und bevorzugte Ausführung zur Erfindung. Bei dieser ist ein großer Umlenkspiegel M21 fest angeordnet, so dass die Steuereinheit CU nur den relativ kleinen und leichten Nachführspiegel M1 bewegen muss. Der Umlenkspiegel M21 hat eine Reflektorfläche RA, die insgesamt so groß ist, dass diese ohne Ändern der Spiegelposition unabhängig von der eingestellten Neigung des Nachführspiegels M1 immer mit einem Teilbereich der Reflektorfläche RA im Lichtweg der gesamten vom Nachführspiegel M1 reflektierten Welle liegt.
In dieser Ausführung erzielt die Steuereinheit CU allein durch Ändern der Neigung des Nachführspiegels M1 die gleiche Wirkung, wie ein Bewegen der holographischen Einheit HU. Um die zweite der genannten Forderungen zu erfüllen, ist bei dieser Ausführung der Erfindung die Reflektorfläche MA des Umlenkspiegels M21 als ein Segment eines Ellipsoiden ausgeführt. Das heißt, auch diese Reflektorfläche MA stellt einen Hohlspiegel dar, welcher das Zwischenabbild des Videohologramms, das bereits auf dem Nachführspiegel M1 liegt, vergrößert in die Nähe des Wiedergabeschirms S abbildet. Die verbesserte Ausführung nach Fig. 5, bei welcher der große Umlenkspiegel M21 fest angeordnet ist, ermöglicht, separate Rekonstruktionsräume für verschiedene Augenpositionen mit einer einzigen holographischen Einheit HU im Zeitmultiplexbetrieb zu generieren. Dafür kodierte ein Hologrammprozessor die Modulatorzellen der räumlichen Lichtmodulationsmittel der holographischen Einheit HU mit einer Hologrammsequenz, welche alternierend die Hologramminformation enthält, die jeweils der aktu- eilen Augenpositionen zugeordnet ist. Um nur die modulierte Welle mit der zugeordneten Hologramminformation auf die entsprechende Augenposition zu führen, muss die Steuereinheit CU nur den Nachführspiegel M1 so bewegen, dass der Nachführspiegel M1 synchron zur Hologrammsequenz zwischen zwei Winkelpositionen pendelt. Infolge der relativ kleinen und leichten Ausführung des Nachführspiegels M1 kann dieses Pendeln mit hinreichender Schnelligkeit ausgeführt werden, so dass eine einzige holographische Einheit HU ohne Flimmern für verschiedene Augenpositionen holographische Rekonstruktionen im Zeitmultiplex bereitstellen kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 6 in einer Draufsicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigen die folgenden Figuren an Stelle der kompletten modulierten Welle nur noch die optischen Achsen des Lichtweges zu den Augenpositionen PEι_ und PER eines Betrachters.
In dieser Ausführung weist ein Umlenkspiegel M 22 ein in der dargestellten X- Richtung kreisbogenförmige Reflektorfläche auf, die einem Kreissegment entspricht. Der Umlenkspiegel M 22 ist ebenfalls starr im System angebracht. In dieser Ansicht liegt die Lichtaustrittsposition C des Wiedergabeschirms im Kreismittelpunkt der kreisbogenförmigen Reflektorfläche und der in mehrere Richtungen drehbare Nachführ- spiegel M1 kann beispielsweise oberhalb oder unterhalb des Lichtaustritts auf dem Wiedergabeschirm S liegen, um den Lichtweg der umgeleiteten, modulierten Welle nicht durch Schattenbildung zu stören. Entsprechend der Lage des Nachführspiegels M1 würden eine oder, wie in Fig. 6 gezeigt, zwei holographische Einheiten HUR und HUL vorteilhaft auch oberhalb bzw. unterhalb des Umlenkspiegels M 22 liegen und auf den Nachführspiegel M1 gerichtet sein.
Fig. 7 zeigt in einer Seitenansicht dieselbe Ausführung der Erfindung mit einem Beispiel für die Lage der holographische Einheit HUL in Bezug zum Nachführspiegel M1 , dem Umlenkspiegel M 22 und dem Wiedergabeschirm S. Alle optischen Bauelemente sind im Lichtweg in verschiedenen Höhenebenen angeordnet, so dass sich die modulierte Welle im Allgemeinen schräg zu den optischen Achsen ausbreitet. Auch diese Erfindungsausführung muss das Videohologramm in einer Abbildebene mit der Lichtaustrittsposition C des Wiedergabeschirms S als Mittelpunkt abbilden. Da beim Umlenken dafür konstante Lichtweglängen benötigt werden, muss der Umlenk- Spiegel M 22 in der in Fig. 7 gezeigten Ansicht ebenfalls eine elliptische Spiegelgeo- metrie aufweisen. Dabei liegen im Beispiel ebenfalls die Lichtaustrittsposition C im unteren Brennpunkt F1 und die Drehachsen des Nachführspiegels M1 im oberen Brennpunkt F2 des Umlenkspiegels M 22, der die Form eines senkrecht stehenden Sektors eines Ellipsoiden hat.
Auch die Figuren 6 und 7 zeigen, dass zwischen dem Nachführspiegel M1 , dem Umlenkspiegel M22 und dem Wiedergabeschirm S nur für wenige Augenpositionen der Lichtweg der modulierten und umgeleiteten Welle entlang einer optischen Achse eines Bauelementes verläuft. Der schräge Verlauf des Lichtwegs über ein optisches Bauelement kann die Struktur der modulierten Welle erheblich stören und muss im optischen Design des Systems und bei der Kodierung einbezogen und kompensiert werden.
Obwohl dieses Rekonstruktionssystem ebenso im Zeitmultiplexbetrieb mehrere holographische Rekonstruktionen bereitstellen kann, zeigt Fig. 6 eine Ausführung, die mehrere holographische Rekonstruktionen im Raummultiplexbetrieb realisiert. Dafür enthält das System für jedes Betrachterauge eine separate holographische Einheit HUR und HUL. Beide Einheiten können so im System platziert werden, dass jede für sich durch Reflektionen an den gemeinsam genutzten Nachführspiegel M1 und dem Umlenkspiegel M21 für die Ausbreitungsrichtung DL oder DR abhängig von der Augenposition einen separaten Rekonstruktionsraum generiert.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können auch die optischen WeI- lennachführmittel im Interesse eines kompakten Aufbaus weitere Umlenkspiegel oder mehrere Nachführspiegel enthalten. Eine gekrümmte Form eines oder mehrerer zusätzlicher Spiegel kann vorteilhaft das Kompensieren von Weglängendifferenz des holographischen Rekonstruktionssystems unterstützen.

Claims

Patentansprüche
1. Holographisches Rekonstruktionssystem zum Rekonstruieren einer Szene, welches räumliche Lichtmodulationsmittel, die eine Welle mit holographischer Information modulieren und optische Wellennachführmittel enthält, die dem
Lichtweg der modulierten Welle im Rekonstruktionssystem eine gewünschte Ausbreitungsrichtung geben, gekennzeichnet durch,
- Positionssteuermittel (CU), welche in ihrer Neigung verstellbare Nachführspiegelmittel (M1 ), die im Inneren des Rekonstruktionssystems vor einem Wiedergabeschirm (S) liegen, zum Reflektieren der modulierten Welle
(LWmod) auf eine Reflexionsrichtung (DA) einstellen und
- Umlenkspiegelmittel (M2), welche in der eingestellten Reflexionsrichtung (DA) der modulierten Welle liegen und die reflektierte Welle über den Wiedergabeschirm (S) in die gewünschte Ausbreitungsrichtung (DB) lenken und die modulierte Welle über eine Lichtaustrittsposition des
Wiedergabeschirms (S) aus dem Rekonstruktionssystem führen.
2. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 ,
- bei dem die Umlenkspiegelmittel (M2) eine konkave Oberfläche enthalten, welche die Form eines Ellipsoiden mit zwei Brennpunkten hat,
- bei dem die Nachführspiegelmittel (M1 ) mittig in einem Brennpunkt des Ellipsoiden liegen, und
- bei dem der Wiedergabeschirm (S) eine feste Lichtaustrittsposition (C) hat, mit welcher er im anderen Brennpunkt des Ellipsoiden liegt.
3. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Positionssteuermittel (CU) die Nachführspiegelmittel (M1 ) und die Umlenkspiegelmittel (M2) so einstellen, dass die Lichtweglängen des Lichtweges von den Nachführspiegelmitteln (M1 ) zur Lichtaustrittsposition (C) unabhängig von der eingestellten Neigung der Nachführspiegelmittel (M1 ) für alle Teilbereiche der modulierten Welle konstant bleiben.
4. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , mit einem fokussierenden Wiedergabeschirm (S), um die Lichtquelle auf das Auge des Betrachters abzubilden.
5. Holographisches Rekonstruktionssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche,
- bei dem die steuerbaren Nachführspiegelmittel (M1 ) an einem Ort liegen, an dem ein Zwischenabbild eines Videohologramms erscheint, welches auf den mit holographischer Information kodierten räumlichen Lichtmodulationsmitteln entsteht, und
- bei dem die Umlenkspiegelmittel (M2) so zwischen den Nachführspiegelmitteln (M1 ) und der Lichtaustrittsposition (C) angeordnet sind, dass das Videohologramm auf den Wiedergabeschirm (S) abgebildet wird.
6. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 4, bei dem die Umlenkspiegelmittel (M2) eine konkave Spiegelfläche haben, um das Zwischenabbild des Videohologramms vergrößert in der Abbildebene (ILi) abzubilden.
7. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 4 und 6, mit einem afokalen Linsensystem (AF), das ein Raumfrequenzspektrum des Videohologramms erzeugt, wobei die optische Wellennachführung so ausgeführt ist, dass diese hologrammseitig das Raumfrequenzspektrum vor dem Wiedergabeschirm (S) als Zwischenpupille abbildet, und der fokussierende Wiedergabeschirm (S) die Zwischenpupille als Ausgangspupille des Systems an einer Augenposition für ein Betrachterauge abgebildet.
8. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Umlenkspiegelmittel (M21 ) eine Reflektorfläche (RA) mit einer solchen Größe und Geometrie aufweisen, dass unabhängig von der eingestellten Neigung der Nachführspiegelmittel (M1 ) die Reflektorfläche (RA) immer mit einem Teilbereich im Lichtweg der gesamten von den Nachführspiegelmitteln (M1 ) reflektierten Welle liegt.
9. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 8, bei dem die Umlenkspiegelmittel (M21 ) im System fest angeordnet sind und eine elliptische
Spiegelfläche (MA) mit der Form eines Abschnittes von einem Ellipsoiden aufweisen, so dass die Umlenkspiegelmittel (M21 ) das Abbild des
Videohologramms vergrößert in die Abbildebene (ll_i) projizieren.
10. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 ,
- bei dem Lichtmodulationsmittel in holographischen Einheiten (HUR und HUL), für jedes Auge eines Betrachters eine separate modulierte Welle generieren und
- bei dem die holographischen Einheiten (HUR und HUL) lokal so zu den Nachführspiegelmitteln (M1 ) und den Umlenkspiegelmitteln (M22) angeordnet sind, dass unabhängig von der Neigung der Nachführspiegelmittel (M1 ) zu mindest jede Welle, die dem selben Betrachter zugeordnet ist, mit ihren optischen Achsen (DL, DR) auf dem Wiedergabeschirm (S) die selbe Lichtaustrittsposition (C) trifft.
11. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem Lichtmodulationsmittel in holographischen Einheiten (HUR und HUL), für jedes Auge eines Betrachters eine separate modulierte Welle generieren und bei dem jeder holographischen Einheiten (HUR und HUL) ein separater Spiegel zugeordnet ist, wobei die Positionssteuermittel (CU) jeden Spiegel in ihrer
Neigung entsprechend einer aktuellen Position des zugeordneten Betrachterauges stellen.
12. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 mit einer einzigen holographischen Einheit HU zum Generieren von separaten
Rekonstruktionsräumen für verschiedene Augenpositionen im Zeitmultiplexbetrieb mit einem Nachführspiegel M1 , der synchron zur Hologrammsequenz zwischen zwei Winkelpositionen pendelt.
13. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , bei dem auf den räumlichen Lichtmodulatormitteln eine Linsenfunktion kodiert ist.
14. Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1 , mit zusätzlichen Umlenkspiegeln zum Falten der Welle, um die Bautiefe des Systems zu verringern.
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