DE102007005822A1

DE102007005822A1 - Holographisches Rekonstruktionssystem mit optischer Wellennachführung

Info

Publication number: DE102007005822A1
Application number: DE102007005822A
Authority: DE
Inventors: Bo Kroll; Armin Schwerdtner; Jean-Christophe Olaya; Steffen Buschbeck
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-08-07
Also published as: WO2008092852B1; US8294966B2; JP2010517106A; TWI400480B; TW200848784A; WO2008092852A1; US20100067077A1; JP5406045B2; CN101611355B; KR20090106618A; CN101611355A

Abstract

Ein holographisches Projektionssystem weist eine optische Wellennachführung auf, welche die Ausbreitungsrichtung einer modulierten Wellenfront einstellt. Die Aufgage der Erfindung bestht darin, eine einstellbare Wellennachführung zu schaffen, welche die modulierte Wellenfront 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 Wellenfront mit holographischer Information modulieren. Die optische Wellennachführung gibt im Rekonstruktionssystem dem Lichtweg der modulierten Wellenfront eine gewünschte Ausbreitungsrichtung, welche die modulierte Wellenfront 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 Wellenfront (LWmod) ein und Umlenkspiegelmittel (M2), die in der eingestellten Reflexionsrichtung (DA) liegen, reflektieren die Wellenfront über den Wiedergabeschirm (S) in die gewünschte Ausbreitungsrichtung (DB).

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein holographisches Rekonstruktionssystem mit optischer Wellennachführung, 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 Videohologrammen 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. Dass heißt, im Gegensatz zu einer stereoskopischen Darstellung realisiert eine holographische Rekonstruktion eine Objektsubstitution.
Im Interesse einer zufrieden stellenden holographischen Wiedergabequalität sollten die Betrachter eine Rekonstruktion auch in einem hinreichend weitem Sichtfeld betrachten können. Dafür muss der Rekonstruktionsraum möglichst groß sein und die Ausdehnung einer holographisch rekonstruierten Szene sollte, ähnlich wie bei Fernseh- und Videodarstellungen, eine Diagonale von mindestens 50 cm einnehmen können.
Von Nachteil ist jedoch, dass holographische Darstellungen mit großflächigen Lichtmodulationsmitteln gemäß dem bekannten Abtasttheorem für große Beugungswinkel eine vielfach höhere Auflösung der Lichtmodulationsmittel als eine zweidimensionale Videodarstellung erfordern. 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 in einem Rekonstruktionssystem stellt eine ungestörte Wellenausbreitung der benötigten Lichtwellen bis zur Interferenz dar. Um die Objektlichtpunkte an der richtigen 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 Interferenzpunkt beteiligten Lichtwellen untereinander keine unkontrollierte Weglängendifferenz durch einstellbare 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 Hologrammprozessor 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 Wellenfront". Die Abbildungsmittel geben der modulierten Wellenfront 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 "betrachterseitig". Ein „Sichtbarkeitsbereich" beschreibt einen Raum, der als Ausgangspupille des Systems betrachterseitig an einer Augenposition liegt, in welchem sich zum Betrachten einer holographisch rekonstruierten Szene mindestens ein Betrachterauge befinden muss. Wenn, wie bei der vorliegenden Anmeldung, eine optische Wellennachführung die modulierte Wellenfront auf die aktuelle Augenpositionen nachführt, wird der Raum, in dem alle möglichen Augenpositionen auf Grund der Wellennachführung liegen dürfen, als „Nachführbereich” bezeichnet. In der Fachliteratur wird ein solches Projektionssystem auch als Projektionssystem mit einem Augen-Tracking bezeichnet.
Stand der Technik
Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat bereits verschiedene Lösungen zum Reduzieren der erforderlichen Auflösung in den räumlichen Lichtmodulationsmitteln angemeldet, beispielsweise die internationale Patentanmeldung WO2004/044659 mit dem Titel „Videohologramm und Einrichtung zur Rekonstruktion von Videohologrammen".
Diese Lösungen basieren im Wesentlichen auf ein Grundprinzip: Eine räumlich mit holographischer Information modulierte Wellenfront rekonstruiert die dreidimensionale Szene außerhalb des Systems in einem virtuellen 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 Wellenfront 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 Objektlichtpunke nicht nur vor, sondern auch scheinbar auf und hinter dem Wiedergabeschirm 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 virtuelle Rekonstruktionsraum vorteilhaft eine konische Form mit einen möglichst großen Öffnungswinkel haben soll, um mit wachsender Entfernung vom Betrachter zur Rekonstruktion ausgedehnte Objekte einer dreidimensionalen Szene in ihrer Ganzheit darstellen zu können. Andererseits 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 Wellenfront eine zweite, in der Parallaxe verschiedene Rekonstruktion liefern. Da für ein optisch fehlerfreies Wahrnehmen beide Betrachterräume von derselben Position auf dem Wiedergabeschirm ausgehen müssen, werden ihre Wellenfronten mit bekannten autostereoskopischen Mitteln räumlich oder zeitlich verschachtelt. Dabei verhindern Raumfrequenzfilter und Fokussiermittel ein optisches Übersprechen zwischen den Wellenfronten. 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 Wellenfronten benötigt; in der Regel für jeden Betrachter zwei. Diese können sowohl im zeitlichen oder auch räumlichen Multiplex-Betrieb realisiert werden. Das Bereitstellen weiterer Wellenfronten ist jedoch nicht Gegenstand dieser Anmeldung.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit bezieht sich deshalb die weitere Beschreibung vorrangig auf das Ausrichten einer einzigen Wellenfront des holographischen Systems. Das Rekonstruktionssystem kann bei Bedarf weitere Wellenfronten analog zum ersten realisieren. Für den Fachmann versteht sich von selbst, dass dafür die Idee gemäß der Erfindung abhängig von der Anzahl der Wellenfronten beliebig oft verwendet werden kann. Dabei können funktionelle Elemente der Erfindung auch vorteilhaft für mehrere Wellenfronten gemeinsam genutzt werden.
Für eine hoch auflösende schnelle Lichtmodulation eignet sich insbesondere ein Projektionssystem, welches in konventionelle Video- und TV-Projektoren eingesetzte Lichtmodulatoren mit Schirmdiagonalen von wenigen Zentimetern und kleiner nutzt. 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 Wellenfront vor der Rekonstruktion.
In der internationalen Anmeldung PCT/DE 2006/000896 , veröffentlicht unter dem Aktenzeichen WO2006/119760 , ist ein holographisches Projektionssystem offenbart. Anhand von 1 soll ein solches System näher erläutert werden.
Eine ebene Wellenfront LW mit interferenzfähigen Lichtwellen 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 bildseitigen Brennebene der Projektions-Optik L, der so genannten Fourier-Ebene FTL, ein Raumfrequenzspektrum des Videohologramms.
Die Modulatorzellen modulieren auf Grund ihrer matrixförmigen Anordnung die Wellenfront 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 Wiedergabeschirm 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 fokussierende Wiedergabeschirm S bildet nur den räumlichen Spektralbereich der modulierten Wellenfront, der das Raumfrequenzfilter AP passiert, in einer Betrachterebene OL an einer Augenposition P_E0 ab. Dabei entsteht an der Augenposition P_E0 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 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 auch vorteilhaft ein Hohlspiegel sein.
Im Gegensatz zu anderen bekannten Systemen erfordert dieses holographische Projektionssystem 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 Wellenfront das Rekonstruktionssystem über den Wiedergabeschirm S verlassen hat. Dieses ermöglicht 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 Projektionssystem allein ebenfalls nicht möglich.
Beim Bewegen eines Betrachters müssen Positionssteuermittel den Rekonstruktionsraum mit der modulierten Wellenfront 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 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 Wellenfront 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 dreidimensionalen 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 haben die Erfinder in der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 024 092.8 bereits vorgeschlagen, die modulierte Wellenfront 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 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 andererseits, wie 2 zeigt, einen größeren Wiedergabeschirm S, da infolge der Neigung der modulierten Wellenfront zu einer Augenposition P_E1 die vergrößerte Wellenfront immer nur über einen eingeschränkten Bereich des Wiedergabeschirms S aus dem Rekonstruktionssystem austritt. Ein nicht unerheblicher Bereich A0 des Wiedergabeschirms S bleibt immer ungenutzt, weil die Austrittsposition der modulierten Wellenfront mit der Augenposition wechselt.
Wenn das System jedoch einen engen Sichtbarkeitsbereich aufweist und jedes Auge eine eigene modulierte Wellenfront benötigt, ist es schwierig, mit dieser Lösung zu sichern, dass beide Betrachterräume von derselben Position auf dem Wiedergabeschirm ausgehen.
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 IL₁.
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 apparatus 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 gedreht 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 Wellenfront 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 an retina of viewer with eliminated adverse effect of intervening optics" offenbart ein "Retinal scanning display", bei dem eine Scanner-Optik mit einem zweidimensional-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 Bildpixel 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 virtuellen Rekonstruktionsraum durch Lichtbeugung und Interferenzen von modulierten Lichtwellen einer Wellenfront holographisch rekonstruiert. Bevor die modulierte Wellenfront das Rekonstruktionssystem über einen Wiedergabeschirm verlässt, sollen die optische Wellennachführung die modulierte Wellenfront auf eine gewünschte Augenposition eines oder mehrerer Betrachter ausrichten und den Bewegungen des Betrachters 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 weitestgehend vollständig genutzt werden. Das heißt, die modulierte Wellenfront soll unabhängig von der Augenposition das Rekonstruktionssystem am Wiedergabeschirm möglichst über einen Lichtaustritt mit einer festen Austrittsposition verlassen.
Die optische Wellennachführung muss alle Lichtwellen einer Wellenfront über ihren Lichtweg vom Modulieren in räumlichen Lichtmodulationsmittel bis zum Rekonstruieren so führen, dass alle interferierenden Lichtwellen im Rekonstruktionsraum am richtigen Ort kohärent eintreffen, um die gewünschten Objektpunkte 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 Wellenfront benötigt, müssen zumindest die Rekonstruktionsräume, 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 Wellenfronten 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 positionierbar sein soll, der mehrere Hundert Mal größer ist als der Sichtbarkeitsbereich selbst. Dabei kann der Richtungswinkel der optischen Achse der modulierten Wellenfront am Lichtaustritt erheblich von der optischen Achse des Wiedergabeschirms abweichen. Dieses bewirken Aberrationen und Weglängendifferenz beim Ausbreiten einzelner modulierter Lichtwellen Deformationen der Wellenfront, welche vor dem Rekonstruieren kompensiert werden müssen.
Das Rekonstruktionssystem für die Erfindung moduliert mit räumlichen Lichtmodulationsmitteln eine Wellenfront mit holographischer Information und enthält außerdem Positionssteuermittel, welche die modulierte Wellenfront in eine Ausbreitungsrichtung zu einer Augenposition lenken. Hinter jeder Augenposition liegt ein Sichtbarkeitsbereich, der mindestens für ein Betrachterauge eingerichtet ist. Die modulierte Wellenfront verlässt das Rekonstruktionssystem vor dem holographischen Rekonstruieren über einen Wiedergabeschirm an einem Lichtaustritt mit einer definierten Lichtaustrittsposition, welche durch Mittelebenen der austretenden modulierten Wellenfront definiert ist. Jede Rekonstruktion erfolgt in einem virtuellen 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 Wellenfront. 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 Wellenfront in eine von der Augenposition abhängige Reflexionsrichtung, in der Umlenkspiegelmittel zumindest mit einem Bereich ihrer reflektierenden Spiegelfläche liegen. Das heißt, die Umlenkspiegelmittel lenken die von den Nachführspiegelmitteln reflektierte Wellenfront 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 Nachführspiegelmitteln, dass ein weiteres Abbild des Videohologramms möglichst auf oder mindestens nahe dem Wiedergabeschirm entsteht, so dass die modulierten Lichtwellen auf dem Weg von den Nachführspiegelmitteln zum Wiedergabeschirm möglichst gleiche Weglängen zurücklegen. Wie nahe das Abbild des Videohologramms zum Wiedergabeschirm liegt, hängt vom Feldwinkel ab, den die Ausbreitungsrichtung der modulierten Wellenfront im virtuellen Rekonstruktionsraum in Bezug zur rechtwinkligen optischen Achse des Wiedergabeschirms aufweist.
Durch die Anordnung der Spiegel bleiben die Kohärenzbedingungen möglichst aller interferierenden Lichtwellen der umgeleiteten Wellenfront 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 Wellenfront 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 Wellenfront oder zumindest Segmente davon, welche stets gleichzeitig eine Vielzahl untereinander interferenzfähiger Lichtwellen 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 Wellenfront und der Lichtaustrittsposition in solche Spiegelpositionen, dass die Lichtweglängen auf dem Weg von den Nachführspiegelmitteln zum Wiedergabeschirm für alle Lichtwellen der Wellenfront gleich sind.
Um das Rekonstruktionssystem, insbesondere die Umlenkspiegelmittel kompakt auszuführen, können die Umlenkspiegelmittel so mit einer konkaven Spiegelfläche ausgestattet 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 Wellenfront 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:
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.
2: Eine Draufsicht auf ein holographisches Projektionssystem mit einer elektronisch steuerbaren Ablenkeinheit, welche die Ausbreitungsrichtung der modulierten Wellenfront auf eine Augenposition ausrichtet. Die Lösung wurde ebenso in der Einleitung der Beschreibung beschrieben und in der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 024 092.8 offenbart.
3: Eine perspektivische Darstellung des Prinzips einer holographischen Projektion illustriert das technische Problem, das die vorliegende Erfindung löst.
4: Eine Seitenansicht des holographischen Projektionssystems offenbart die steuerbare optische Wellennachführung gemäß einer prinzipiellen Ausführungsform der Erfindung.
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.
6: Eine andere Ausführungsform der steuerbaren optischen Wellennachführmittel für ein holographisches Projektionssystem gemäß der Erfindung in einer Draufsicht.
7: Eine Seitenansicht der in 6 gezeigten Ausführung der Erfindung.
8: Eine gegenüber 6 verbesserte Ausführungsform der steuerbaren optischen Wellennachführung gemäß der Erfindung.
Das technische Problem, welches die vorliegende Erfindung löst, soll an Hand von 3 erläutert werden. Das in 3 gezeigte System nutzt zwei der bereits oben erwähnten separaten holographischen Einheiten zur holographischen Rekonstruktion. Jede holographische Einheit HU_R, HU_L enthält die in 1 gezeigten räumlichen Lichtmodulationsmittel mit kodierbaren Modulatorzellen, eine Beleuchtung, welche für die Modulatorzellen eine interferenzfähige Wellenfront 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 HU_R und HU_L in einer Betrachterebene OL über dem Kopf eines Betrachters montiert und senden jeweils modulierte Wellenfronten mit holographischer Information entlang einer Ausbreitungsrichtung D_R bzw. D_L aus. Ein nicht gezeichneter Hologrammprozessor kodiert die räumlichen Lichtmodulationsmittel beider holographischen Einheiten HU_R und HU_L mit holographischer Information. Beide Videohologramme unterscheiden sich in der Information für die horizontale Parallaxe. Die holographischen Einheiten HU_R und HU_L sind in Bezug zum Wiedergabeschirm S so ausgerichtet, dass sich ihre Ausbreitungsrichtung D_R und D_L auf dem Wiedergabeschirm S an einem Punkt kreuzen, der die Lichtaustrittsposition C definiert.
Da das System das in der internationalen Anmeldung PCT/DE 2006/000896 offenbarte Grundprinzip realisiert, ist der Wiedergabeschirm S als fokussierender Reflektor ausgeführt. Der Reflektor bildet die Beleuchtung jeder holographischen Einheit HU_R und HU_L in einer Betrachterebene OL an einer Augenpositionen P_ER oder P_EL ab. Deshalb kennzeichnen an den Augenpositionen P_ER oder P_EL 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 Wellenfront, welche das in 1 gezeigte Raum-Frequenzfilter AP passieren. Jede holographische Einheit HU_R und HU_L realisiert für ein Betrachterauge einen eigenen konischen virtuellen Rekonstruktionsraum, der mit seinem Sichtbarkeitsbereich auf die Augenposition P_ER oder P_EL zeigt und jeder Rekonstruktionsraum beginnt am Wiedergabeschirm und endet direkt vor der Augenposition P_ER oder P_EL. Bewegt sich der Betrachter vor dem Wiedergabeschirm S, dann müsste eine Steuereinheit CU beide holographische Einheiten HU_R, HU_L auf eine entsprechende Position nachführen. Zwei Pfeile 1 und 2 in entgegen gesetzten Richtungen zeigen deshalb eine horizontale Bewegung. Da jedes Betrachterauge die holographische Rekonstruktion mit Hilfe einer eigenen, in der Parallaxe abweichende Rekonstruktion sieht, müssen beide holographischen Einheiten HU_R, HU_L 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 P_ER oder P_EL von der optischen Achse des Wiedergabeschirm S abhängt, ist diese Bedingung dann erfüllt, wenn sich beide Ausbreitungsrichtungen D_R und D_L stets in einer vorzugsweise mittigen Lichtaustrittsposition C auf dem Wiedergabeschirm S kreuzen.
Im Interesse der Übersichtlichkeit zeigt 3 nur eine vereinfachte Darstellung der an sich dreidimensionalen, modulierten Wellenfronten. Von beiden Wellenfronten ist jeweils nur eine einzige horizontale Wellenebene gezeichnet, welche die Mittelebene der dreidimensionalen Wellenfront auf der entsprechenden optischen Achse jeder holographischen Einheit HU_R oder HU_L darstellt. Außerdem zeigen gestrichelte Linien jeweils die vertikale Mittelebene jeder Wellenfront. Der gemeinsame Kreuzungspunkt aller Mittelebenen, bestimmt die Lage der Lichtaustrittsposition C auf dem Wiedergabeschirm.
Da die holographischen Einheiten HU_R, HU_L ihre Videohologramme vergrößert, nahezu 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 Rekonstruktionen bereitstellen soll, würde die Ausführung nach 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 virtuelle 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 fokussierenden Hohlspiegels aufweist. In Bezug auf die Grundidee der Erfindung können beide Ausführungsformen für den Wiedergabeschirm alternativ verwendet werden.
Ausführungsbeispiele
Ausgehend von dem dargestellten Problem, zeigt 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 Wellenfront LW_mod in eine ursprüngliche Ausbreitungsrichtung D₀ als Videohologramm abzubilden. Im Gegensatz zu der Ausführung gemäß 3 ist bei der Ausführung gemäß der Erfindung die holographische Einheit HU jedoch im holographischen Projektionssystem fest angeordnet. Außerdem stellt 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 Anpassen der Sichtbarkeit an die Größe eines Betrachters erforderlich.
Gemäß der Erfindung liegt ein drehbar gelagerter Nachführspiegel M1 im gezeigten Beispiel in der modulierten Wellenfront LW_mod. 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 Wellenfront mit der Ausbreitungsrichtung D₀ liegen. Im Gegensatz zu so genannten Scanner-Einrichtungen reflektiert der Nachführspiegel M1 gleichzeitig alle an den Interferenzen beteiligten Lichtwellen der modulierten Wellenfront LW_mod in eine einstellbare Reflexionsrichtung D_A, wovon 4 als Beispiel nur die Reflexionsrichtungen D_A0 und D_A1 zeigt.
Um Weglängendifferenz beim Ausbreiten der Wellenfront LW_mod 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 kollimiert 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 Umlenkspiegel M2 so ein, dass der Nachführspiegel M1 die modulierte Wellenfront LW_mod in eine Reflexionsrichtung D_A auf den Umlenkspiegel M2 reflektiert und der Umlenkspiegel M2 die reflektierte Wellenfront LW_mod über die feste gemeinsame Lichtaustrittsposition C auf dem Widergabeschirm S zu der gewünschten Augenposition P_EL 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 Wellenfronten LW_mod, nach der Reflexion am Umlenkspiegel M2 in Richtung zur Augenposition P_E 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 P_E konstant bleiben.

Da beim Nachführen die Wellenfront LW_mod den Wiedergabeschirm S unabhängig von der gewünschten Augenposition P_E über die Lichtaustrittsposition C verläßt, wird ein laterales 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 Wellenfront 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 P_E 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 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 Wellenfront LW_mod auf die Augenposition P_EL1 zu richten, schiebt und dreht die Steuereinheit CU den Umlenkspiegel M2 entlang der Oberfläche des Ellipsoiden in die Spiegelposition P_M2. 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 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 P_E1 liegt. Im Kegel zwischen dem Wiedergabeschirm und der Augenposition P_E1 erfolgt die holographische Rekonstruktion.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 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 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 reflektierte Wellenfront 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 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 aktuellen Augenpositionen zugeordnet ist. Um nur die modulierte Wellenfront 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 6 in einer Draufsicht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigen die folgenden Figuren an Stelle der kompletten modulierten Wellenfront nur noch die optischen Achsen des Lichtweges zu den Augenpositionen P_EL und P_ER 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 M22 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 Nachführspiegel M1 kann beispielsweise oberhalb oder unterhalb des Lichtaustritts auf dem Wiedergabeschirm S liegen, um den Lichtweg der umgeleiteten, modulierten Wellenfront nicht durch Schattenbildung zu stören. Entsprechend der Lage des Nachführspiegels M1 würden eine oder, wie in 6 gezeigt, zwei holographische Einheiten HU_R und HU_L vorteilhaft auch oberhalb bzw. unterhalb des Umlenkspiegels M 22 liegen und auf den Nachführspiegel M1 gerichtet sein.
7 zeigt in einer Seitenansicht dieselbe Ausführung der Erfindung mit einem Beispiel für die Lage der holographische Einheit HU_B in Bezug zum Nachführspiegel M1, dem Umlenkspiegel M22 und dem Wiedergabeschirm S. Alle optischen Bauelemente sind im Lichtweg in verschiedenen Höhenebenen angeordnet, so dass sich die modulierte Wellenfront 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 Umlenkspiegel M22 in der in 7 gezeigten Ansicht ebenfalls eine elliptische Spiegelgeometrie 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 M22, der die Form eines senkrecht stehenden Sektors eines Ellipsoiden hat.
Auch die 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 Wellenfront entlang einer optischen Achse eines Bauelementes verläuft. Der schräge Verlauf des Lichtwegs über ein optisches Bauelement kann die Struktur der modulierten Wellenfront 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 6 eine Ausführung, die mehrere holographische Rekonstruktionen im Raummultiplexbetrieb realisiert. Dafür enthält das System für jedes Betrachterauge eine separate holographische Einheit HU_R und HU_L. 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 D_L oder D_R abhängig von der Augenposition einen separaten Rekonstruktionsraum generiert.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können auch die optischen Wellennachführmittel 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.
In einer Ausführung nach 8 enthält das System einem zusätzlichen, feststehenden Umlenkspiegel M3 mit einer gekrümmten Reflektorfläche. Dieser Spiegel weist zum Umlenkspiegel M3 eine entgegengesetzte Krümmung auf und kann damit Abbild- und/oder Weglängendifferenz kompensieren. Eine entsprechende Dimensionierung der Weglängen ermöglicht, dass kein beweglicher Nachführspiegel in oder vor der Lichtaustrittsposition C des Wiedergabeschirms liegen muss und Lichtschatten verursacht. Analog zur Anordnung von 7 können alle optischen Bauelemente im Lichtweg in verschiedenen Höhenebenen angeordnet werden, so dass im gefalteten Lichtweg der modulierten Wellenfront keine Schatten auftreten. Der Einfluss des feststehenden Umlenkspiegel M3 auf den Gesamtlichtweg der modulierten Wellenfront kann damit einfacher kompensiert werden.
Außerdem zeigt diese Ausführung eine weitere Möglichkeit zum Bereitstellen von mehreren Wellenfronten im Raummultiplexbetrieb. Dafür ist jeder Augenposition neben der holographischen Einheit HU_R oder HU_L auch ein separat beweglicher Nachführspiegel M11 oder M12 zugeordnet. Die nicht gezeichnete Steuereinheit CU bewegt jeden Nachführspiegel M11 bzw. M12 entsprechend der Änderungen der zugeordneten Augenposition. Dieses ermöglicht insbesondere bei Projektionssystemen mit sehr engen Sichtbarkeitsbereichen ein separates Nachführen jeder modulierten Wellenfront, die einem Betrachter zugeordnet ist. Damit kann die Steuereinheit Positionsunterschiede ausgleichen, welche ein Betrachter durch eine schräge Kopfpositionen verursacht oder die vom individuellen Augenabstand des Betrachters abhängen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2004/044659 [0008]
- WO 2006/027228 [0012]
- DE 2006/000896 [0015, 0051, 0061]
- WO 2006/119760 [0015]
- EP 0946066 [0023]
- DE 102006024092 [0026, 0052]
- WO 2005/062106 [0030]

Claims

Holographisches Rekonstruktionssystem mit räumlichen Lichtmodulationsmitteln, die zum holographischen Rekonstruieren eine Wellenfront mit holographischer Information modulieren, und mit einer optischen Wellennachführung, die im Rekonstruktionssystem dem Lichtweg der modulierten Wellenfront eine gewünschte Ausbreitungsrichtung gibt, welche die modulierte Wellenfront über eine Lichtaustrittsposition eines Wiedergabeschirms aus dem Rekonstruktionssystem führt, gekennzeichnet durch, Positionssteuermittel (CU), welche in ihrer Neigung verstellbare Nachführspiegelmittel (M1), auf eine Reflexionsrichtung (D_A) zum Reflektieren der modulierten Wellenfront (LW_mod) einstellen, und Umlenkspiegelmittel (M2), die in der eingestellten Reflexionsrichtung (D_A) liegen, welche die reflektierte Wellenfront über den Wiedergabeschirm (S) in die gewünschte Ausbreitungsrichtung (D_B) reflektieren.
Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1, bei dem die Umlenkspiegelmittel (M2) auf einer konkaven Fläche liegen, 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.
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 Lichtwellen in der modulierten Wellenfront konstant bleiben.
Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1, mit einem fokussierenden Wiedergabeschirm (S), um die Lichtquelle auf das Auge des Betrachters abzubilden.
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.
Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 4, bei dem die Umlenkspiegelmittel (M2) eine konkave Spiegelfläche haben, um das Zwischenabbild des Videohologramms vergrößert in der Abbildebene (IL₁) abzubilden.
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.
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 Wellenfront hegt.
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 (IL₁) projizieren.
Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1, bei dem Lichtmodulationsmittel in holographischen Einheiten (HU_R und HU_L), für jedes Auge eines Betrachters eine separate modulierte Wellenfront generieren und bei dem die holographischen Einheiten (HU_R und HU_L) lokal so zu den Nachführspiegelmitteln (M1) und den Umlenkspiegeimitteln (M22) angeordnet sind, dass unabhängig von der Neigung der Nachführspiegelmittel (M1) zu mindest jede Wellenfront, die dem selben Betrachter zugeordnet ist, mit ihren optischen Achsen (D_L, D_R) auf dem Wiedergabeschirm (S) die selbe Lichtaustrittsposition (C) trifft.
Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1, bei dem Lichtmodulationsmittel in holographischen Einheiten (HU_R und HU_L), für jedes Auge eines Betrachters eine separate modulierte Wellenfront generieren und bei dem jeder holographischen Einheiten (HU_R und HU_L) ein separater Spiegel zugeordnet ist, wobei die Positionssteuermittel (CU) jeden Spiegel in ihrer Neigung entsprechend einer aktuellen Position des zugeordneten Betrachterauges stellen.
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.
Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1, bei dem auf den räumlichen Lichtmodulatormitteln eine Linsenfunktion kodiert ist.
Holographisches Rekonstruktionssystem nach Anspruch 1, mit zusätzlichen Umlenkspiegeln zum Falten der Wellenfront, um die Bautiefe des Systems zu verringern.