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Die
Erfindung betrifft ein holografisches Rekonstruktionssystem mit
erweitertem Sichtbarkeitsbereich sowie ein entsprechendes Verfahren.
Das holografische Rekonstruktionssystem umfasst Lichtquellenmittel
zum Bereitstellen von im Wesentlichen kohärentem Licht, Rekonstruktionsmittel
zum holografischen Rekonstruieren einer Szene und zum Erzeugen eines
Sichtbarkeitsbereiches, von welchem ein Betrachter die holografisch
rekonstruierte Szene betrachten kann, sowie Ablenkmittel zum Positionieren
des Sichtbarkeitsbereiches.
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Bei
einem holografischen Rekonstruktionssystem wird hinreichend kohärentes Licht
mit räumlichen
Lichtmodulationsmitteln (SLM), beispielsweise einem LCD, moduliert.
Im SLM ist eine diffraktive Struktur, das Hologramm, bzw. eine Folge
von Hologrammen, kodiert. Durch Interferenz des mit Hologrammen
im SLM modulierten Lichts entstehen Objektlichtpunkte. Diese bilden
in ihrer Gesamtheit die dreidimensionale Rekonstruktion eines Objekts
bzw. einer Szene. Das Licht aller Objektlichtpunkte breitet sich
als Lichtwellenfront aus, so dass ein oder mehrere Betrachter diese
Objektlichtpunkte in Form einer dreidimensionalen Szene von einer
Augenposition aus wahrnehmen. Für
den Betrachter scheint das Licht nicht vom SLM, sondern von der
dreidimensionalen Objektrekonstruktion auszugehen, d. h. von verschiedenen
Tiefenebenen. Der Betrachter fokussiert seinen Blick auf die Objektrekonstruktion
mit ihren verschiedenen Tiefenebenen. Die Augen nehmen nur das am
SLM gebeugte und nicht das direkt transmittierte Licht wahr. Idealerweise
erhält
daher ein Betrachter bei einem holografischen Display den gleichen
Eindruck, wie er von einem wirklich vorhandenen Objekt erhalten
würde.
Das heißt,
im Gegensatz zu einer stereoskopischen Darstellung realisiert eine
holografische Rekonstruktion eine Objektsubstitution und die von
der Stereoskopie bekannten Probleme wie Ermüdung oder Augen- und Kopfschmerzen
entfallen, da prinzipiell kein Unterschied in der Betrachtung von
holografisch rekonstruierten Szenen und natürlichen Szenen besteht.
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Bekannte
holografische Rekonstruktionssysteme, wie z. B. in der internationalen
Patentanmeldung
WO2004/044659
A2 des Anmelders, basieren im Wesentlichen auf folgendem
Grundprinzip: Eine räumlich
mit holografischer Information modulierte Wellenfront rekonstruiert
die dreidimensionale Szene in einem Rekonstruktionsraum, der vor
einem oder beiden Augen eines oder mehrerer Betrachter positioniert
ist. Dabei sind die Hologramme auch so kodierbar, dass die Objektlichtpunke
nicht nur vor, sondern auch auf und hinter dem Wiedergabeschirm
erscheinen. Der Rekonstruktionsraum spannt sich von der Austrittsfläche eines
Wiedergabeschirms, über
den die modulierte Wellenfront aus dem Rekonstruktionssystem austritt,
zu einem Sichtbarkeitsbereich auf. Der Sichtbarkeitsbereich hat
eine endliche Ausdehnung in einer Ebene, wie z. B. die Größe eines
Auges oder einer Augenpupille. Wenn sich mindestens ein Auge eines
Betrachters in dem Sichtbarkeitsbereich befindet, kann dieser die
holografisch rekonstruierte Szene wahrnehmen.
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Die
Größe des Sichtbarkeitsbereiches
ist abhängig
von der Brennweite des holografischen Rekonstruktionssystems, der
Wellenlänge
des verwendeten Lichts und dem so genannten Pixel-Pitch des räumlichen
Lichtmodulators zum Kodieren der holografisch zu rekonstruierenden
Szene. Je größer der Sichtbarkeitsbereich
sein soll, desto höher
muss auch die Auflösung
des verwendeten SLM sein. Um einen großen Sichtbarkeitsbereich zu
erhalten, muss der SLM kleine Pixel-Aperturen aufweisen, die einen großen Beugungswinkel
erzeugen, d. h. der Pixel-Pitch muss klein und dementsprechend die
Anzahl der Pixel groß sein.
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Um
die nötige
Auflösung
des SLM zu verringern, kann die Größe des Sichtbarkeitsbereiches
z. B. auf die Größe einer
Augenpupille reduziert werden. Dies führt jedoch 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.
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Deshalb
ist es nötig,
die Lage des Sichtbarkeitsbereichs bei jedem Bewegen des Betrachters
an die neue Augenposition anzupassen.
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Da
der Betrachter in einem engen Sichtbarkeitsbereich nur mit einem
Auge die holografische 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 Rekonstruktionsräume 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. 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 als auch im räumlichen Multiplex-Betrieb
realisiert werden.
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Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
bezieht sich die weitere Beschreibung vorrangig auf das Ausrichten
einer einzigen Wellenfront des holografischen Systems. Das Rekonstruktionssystem
kann bei Bedarf weitere Wellenfronten analog zur 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 vorteilhaft für mehrere
Wellenfronten gemeinsam genutzt werden.
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Bekannte
Systeme umfassen einen Augenfinder und eine Ablenkeinheit, beispielsweise
einen Scannerspiegel. Mittels des Augenfinders wird die Position
der Augen bestimmt. Daraus wird die erforderliche Winkelposition
der Ablenkeinheit ermittelt und die Ablenkeinheit entsprechend ausgerichtet,
um die Position des Sichtbarkeitsbereiches an die Position der Augen
anzupassen. An der angesteuerten Position muss die Ablenkeinheit
einen Moment ruhen, damit das Hologramm rekonstruiert wird. Anschließend wird
die nächste
Augenposition festgestellt etc. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Bewegung
der Ablenkeinheit, welche insbesondere bei hohen Frequenzen, beispielsweise
größer 20 Hz,
mit herkömmlichen
Mitteln schwer zu realisieren ist.
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Bei
einem kleinen Sichtbarkeitsbereich ist es außerdem erforderlich, dass der
Augenfinder die Augenposition sehr exakt bestimmt. Beispielsweise dürfte bei
einer Größe des Sichtbarkeitsbereiches von
5 bis 10 mm, der Augenfinder einen maximalen Fehler von etwa einem
Millimeter aufweisen. Auch dies ist mit herkömmlichen Mitteln schwer zu
realisieren.
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Aus
der
US 5 986 780 A ist
ein holografisches Rekonstruktionssystem bekannt, mit welchem eine
holografische Szene aus mehreren Teilen (z. B. Quadranten) zusammengesetzt
rekonstruiert wird. Dabei werden durch Umschalten des Strahlenganges
mittels eines Spiegels, der unterschiedliche, fixe Positionen auf
einer Drehachse annehmen kann, die einzelnen Teile der holografischen
Szene im zeitlichen Multiplexing dargestellt, so dass der Betrachter den
Eindruck erhält,
alle rekonstruierten Punkte gleichzeitig zu sehen. Jedoch bleibt
die Position des Betrachters gleich. Eine Nachführung wird nicht realisiert
und ist mit dieser Anordnung auch nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein holografisches Rekonstruktionssystem
bereitzustellen, welches einem oder mehreren Betrachtern ermöglicht,
die rekonstruierte Szene aus unterschiedlichen Positionen zu betrachten,
und dabei jedoch eine vereinfachte Realisierung unter Verwendung
herkömmlicher
Mittel erlaubt.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein erfindungsgemäßes holografisches
Rekonstruktionssystem mit Ablenkantriebsmitteln zum kontinuierlichen Rotieren
oder Schwenken der Ablenkmittel bei einer Drehfrequenz bzw. einer
Schwenkfrequenz um eine Drehachse und dadurch Verschieben des Sichtbarkeitsbereiches
sowie durch ein entsprechendes Verfahren. (Im Folgenden werden die
Begriffe Rotieren, Rotation und Drehfrequenz jeweils gleichbedeutend mit
Schwenken und Schwenkfrequenz verwendet.)
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Der
Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, die Ablenkmittel bzw.
den Scannerspiegel kontinuierlich um eine Drehachse zu rotieren
oder kontinuierlich über
ein Winkelspektrum zu schwenken und so permanent das gesamte Winkelspektrum abzuscannen.
Dies führt
zu einer kontinuierlichen Bewegung des Sichtbarkeitsbereiches. Ist
die Drehfrequenz des Scannerspiegels ausreichend hoch, beispielsweise
größer 50 Hz, überstreicht
der Sichtbarkeitsbereich ausreichend oft eine Beobachtungsposition,
so dass eine Rekonstruktion der Hologramme gesehen werden kann.
Für die
Beobachtung des Hologramms ist kein Augenfinder notwendig. Der oder
die Beobachter müssen
sich lediglich in dem abgescannten Bereich befinden und werden automatisch
mit bedient. Auf diese Weise wird ein „erweiterter Sichtbarkeitsbereich" erzeugt.
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Wie
ein Beobachter die Rekonstruktion des Hologramms sieht, ist abhängig von
seiner Position im Sichtbarkeitsbereich. Verändert sich die Position des
Beobachters im Sichtbarkeitsbereich, verändert sich für den Beobachter
die Perspektive unter der er die Rekonstruktion beobachtet. Bei
einem beweglichen Sichtbarkeitsbereich würde der Beobachter zwar seine
Beobachtungsposition beibehalten, jedoch beobachtet er trotzdem
alle Perspektiven, während
der Sichtbarkeitsbereich über
sein Auge streicht. Dies könnte
bei einem größeren Sichtbarkeitsbereich,
bspw. größer als
die Augenpupille, dazu führen,
dass er einen rekonstruierten Hologrammpunkt verschwommen wahrnimmt,
da er ihn schnell hintereinander unter verschiedenen Perspektiven
beobachtet. Damit eine Verschmierung der rekonstruierten Punkte
nicht erfolgt, darf das Auge diese Bewegung nicht sehen. Es ist
daher einerseits sinnvoll, den Sichtbarkeitsbereich zu verkleinern,
so dass ein Beobachter weniger oder sogar keine Bewegungsfreiheit
in dem Sichtbarkeitsbereich hat. Andererseits ist eine Modulierung
der Lichtquelle möglich,
beispielsweise ein gepulster Laser, wobei die Frequenz des Lasers
so an die Bewegung des Sichtbarkeitsbereiches angepasst ist, dass
ein Beobachter im Sichtbarkeitsbereich die Bewegung nicht bemerkt.
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Bei
der Berechnung eines Hologramms für eine Beobachtungsposition
wird außerdem
die Perspektive, unter der das Hologramm gesehen wird, berücksichtigt.
Diese ist für
jede Position des Sichtbarkeitsbereiches unterschiedlich, d. h.
für jede
Position des Sichtbarkeitsbereiches müsste ein anderes Hologramm
kodiert werden, und unterscheidet sich somit auch für das linke
und das rechte Auge, wenn der Sichtbarkeitsbereich nicht groß genug
ist, um beide Augen gleichzeitig zu bedienen. Dann ist es notwendig,
dass die beiden Augen unterschiedlich berechnete Hologramme beobachten.
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Es
reicht jedoch aus, nicht für
jede Position des Sichtbarkeitsbereiches ein Hologramm zu berechnen,
sondern nur für
jene Positionen, an denen sich ein Betrachterauge befindet. Um zu
erkennen, wo sich ein Betrachterauge befindet, ist ein Augenfinder
notwendig. Um auch bei einer geringen Genauigkeit des Augenfinders
sicherzustellen, dass der Betrachter die holografische Szene gleichmäßig betrachten
kann, kann in Abhängigkeit
von der erkannten Augenposition das Hologramm für eine Position des Sichtbarkeitsbereiches
berechnet und über
mehrere, mindestens die Fläche
des Auges überstreichende
Positionen des Sichtbarkeitsbereiches beibehalten werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sind
die Lichtquellenmittel als Laserlichtquelle ausgebildet. Dabei wird
ferner bevorzugt, dass die Lichtquellenmittel zum periodischen Bereitstellen
von Lichtimpulsen mit einer Schaltfrequenz vorgesehen sind. Die
Lichtquellenmittel können
z. B. als gepulster Laser ausgestaltet sein. Zum Steuern der Schaltfrequenz
kann das Rekonstruktionssystem ferner Lichtquellensteuermittel umfassen.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das holografische Rekonstruktionssystem
außerdem Ablenkantriebssteuermittel
zum Steuern der Drehfrequenz der Ablenkantriebsmittel. Vorzugsweise
weisen Schaltfrequenz und Drehfrequenz ein bestimmtes Verhältnis zueinander
auf. In einer besonderen Ausgestaltung können Schaltfrequenz und Drehfrequenz
ein solches Verhältnis
zueinander aufweisen, dass die Lichtquellenmittel innerhalb einer
Verschiebungsdistanz, die der Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereichs
in Verschiebungsrichtung entspricht, höchstens einen Lichtimpuls abgeben.
Dabei können Schaltfrequenz
und/oder Drehfrequenz gesteuert werden. Durch diese Ausgestaltung
kann vermieden werden, dass der Beobachter mehrere Perspektiven wahrnimmt,
während
sich der Sichtbarkeitsbereich an seinem Auge vorbeibewegt. So kann
einer verschwommenen, unscharfen Wahrnehmung der Szene entgegengewirkt
werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Berechnung
der holografisch zu rekonstruierenden Szene durch die Rekonstruktionsmittel
in Abhängigkeit
von der Position des Sichtbarkeitsbereiches. Vorzugsweise erfolgt
die Berechnung nur, wenn die Lichtquellenmittel Licht bereitstellen.
Mit anderen Worten, es ist zwar denkbar, für jede mögliche Position des Sichtbarkeitsbereiches
die holografisch zu rekonstruierende Szene zu berechnen, um auf
diese Weise die Perspektive, unter welcher die rekonstruierte Szene
von dieser Position des Sichtbarkeitsbereiches gesehen werden würde, zu
berücksichtigen.
Es ist jedoch sinnvoll, dass nur dann ein Hologramm berechnet und
kodiert wird, wenn die Lichtquellenmittel Licht bereitstellen.
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Ferner
ist bevorzugt, dass die Rekonstruktionsmittel zum Berechnen einer
holografisch zu rekonstruierenden Szene für mindestens eine ausgewählte Position
des Sichtbarkeitsbereiches und zum Bereitstellen der berechneten
holografisch zu rekonstruierenden Szene für mindestens eine auf die ausgewählte Position
folgende Position des Sichtbarkeitsbereiches vorgesehen sind. Mit
anderen Worten, es wird nicht für
jede Position des Sichtbarkeitsbereiches ein Hologramm berechnet,
sondern nur für
ausgewählte
Positionen, z. B. anhand der Augenposition ausgewählte Positionen.
Für nachfolgende
Positionen des Sichtbarkeitsbereiches – mindestens eine nachfolgende
Position – wird
das Hologramm nicht neu berechnet, sondern das für die ausgewählte Position
berechnete Hologramm weiterverwendet. Dies wird auch in der Figurenbeschreibung
zu 3 deutlich.
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In
einer Ausgestaltung umfassen die Rekonstruktionsmittel erste optische
Mittel, insbesondere räumliche
Lichtmodulationsmittel, im Strahlengang vor den Ablenkmitteln und
zweite optische Mittel im Strahlengang nach den Ablenkmitteln. Die
ersten optischen Mittel können
ferner mindestens ein telezentrisches Objektiv und die zweiten optischen
Mittel mindestens ein Projektionsobjektiv umfassen. Alternativ zum
Projektionsobjektiv kann es sich auch um einen Projektionsspiegel
handeln.
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Die
Ablenkmittel sind bevorzugt als Spiegel, insbesondere als Oberflächenspiegel,
ausgestaltet. Ferner können
die Ablenkmittel als Planspiegel ausgestaltet sein oder eine sphärische oder
asphärische Wirkung
aufweisen. Durch die sphärische
oder asphärische
Wirkung können
zusätzliche
optische Effekte erzielt werden. So wird z. B. ermöglicht,
weitere Komponenten des holografischen Rekonstruktionssystems in
das Ablenkmittel zu integrieren.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Ablenkmittel und die Ablenkantriebsmittel
so miteinander verbunden, dass die Drehachse der Ablenkantriebsmittel
in der Ebene der Reflexionsfläche
der Ablenkmittel liegt. Dadurch wird erreicht, dass sich aufgrund
der Rotation des Ablenkmittels die holografisch rekonstruierte Szene
in Bezug auf den Wiedergabeschirm nicht bewegt. Ist die Spiegeloberfläche nicht
auf der Drehachse, verändert
der Spiegel durch seine Drehung die optische Position des in Richtung der
Ablenkmittel projizierten optischen Bildes zum Projektionsobjektiv.
Diese Ausgestaltung wird auch in 6 der Figurenbeschreibung
deutlich.
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In
einer Ausgestaltung sind die Ablenkantriebsmittel als Gleichstrommotor
ausgestaltet. Grundsätzlich
kann auch jede andere Art von Antrieb verwendet werden, die ein
Rotieren bzw. Schwenken der Ablenkmittel ermöglicht sowie eine ausreichend hohe
und gleichmäßige Drehfrequenz
realisieren kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung umfasst das holografische Rekonstruktionssystem
Augenpositionserkennungsmittel zum Erkennen der Position mindestens
eines Betrachterauges. Die Lichtquellenmittel können dann in Abhängigkeit
von der erkannten Position des Betrachterauges Licht bereitstellen. Beispielsweise
könnten,
in der Verschiebungsrichtung des Sichtbarkeitsbereiches betrachtet,
lediglich in einem Bereich vor, während und nach einer Augenposition
Lichtimpulse bereitgestellt werden. Außerdem können die Rekonstruktionsmittel
dann vorzugsweise die holografisch zu rekonstruierende Szene in
Abhängigkeit
von der erkannten Position des Betrachterauges berechnen. Beispielsweise
ist es möglich,
ein Hologramm nur für
die festgestellte Augenposition zu berechnen. Oder es wird, in einem weiteren
Beispiel, ein Hologramm für
eine Position des Sichtbarkeitsbereiches, welche in der Verschiebungsrichtung
des Sichtbarkeitsbereiches vor der Augenposition liegt, berechnet
und für
die nachfolgende(n) Position(en) des Sichtbarkeitsbereiches bereitgestellt.
Auf diese Weise kann die erforderliche Rechenleistung zur Bereitstellung
des Hologramms verringert und Lichtenergie gespart werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein holografisches Rekonstruktionsverfahren
zum holografischen Rekonstruieren einer Szene in einem holografischen Rekonstruktionssystem
mit einem erweiterten Sichtbarkeitsbereich. Das Verfahren umfasst
Bereitstellen von im Wesentlichen kohärentem Licht, holografisches
Rekonstruieren einer Szene und Erzeugen eines Sichtbarkeitsbereiches
mit einer Ausdehnung, von welchem ein Betrachter die holografisch
rekonstruierte Szene betrachten kann, Positionieren des Sichtbarkeitsbereiches
mit Ablenkmitteln, sowie kontinuierliches Rotieren oder Schwenken
der Ablenkmittel bei einer Drehfrequenz um eine Drehachse und zum
Verschieben des Sichtbarkeitsbereichs.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert.
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1 zeigt
eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung
in Draufsicht mit dem Sichtbarkeitsbereich zu einem ersten Zeitpunkt.
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2 zeigt
eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung
in Draufsicht mit dem Sichtbarkeitsbereich zum ersten und zu einem
zweiten Zeitpunkt.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung der Erzeugung des Sichtbarkeitsbereiches
durch Lichtimpulse.
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4 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen
Rekonstruktionssystems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
zu einem ersten Zeitpunkt.
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5 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen
Rekonstruktionssystems gemäß dem Ausführungsbeispiel
zu einem zweiten Zeitpunkt.
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6 zeigt
eine vereinfachte Darstellung der Anordnung von Ablenkmitteln und
Ablenkantriebsmitteln zueinander in Draufsicht.
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1 zeigt
eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung
in Draufsicht. Dargestellt ist die Position des Sichtbarkeitsbereiches
zu einem ersten Zeitpunkt.
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Das
dargestellte holografische Rekonstruktionssystem 100 umfasst
erste optische Mittel 110, Ablenkmittel 120, Projektionsmittel 130 sowie
einen Wiedergabeschirm 140. In der Zeichnung sind ferner dargestellt
ein sich zwischen Wiedergabeschirm 140 und einem Sichtbarkeitsbereich 160 aufspannender Rekonstruktionsraum 150,
eine erste Augenposition 170 und eine zweite Augenposition 172 sowie
ein erweiterter Sichtbarkeitsbereich 180.
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Die
ersten optischen Mittel 110 umfassen hier einen Hologrammprojektor,
welcher ein Zwischenbild eines Hologramms, welches auf einem in der
Zeichnung nicht dargestellten räumlichen
Lichtmodulator (SLM) kodiert ist, auf die Ablenkmittel projiziert.
Die ersten optischen Mittel 110 sind im Strahlengang vor
den Ablenkmitteln 120 angeordnet.
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Die
Ablenkmittel 120, beispielsweise ein Planspiegel, ändern die
Ausrichtung des vom Hologrammprojektor 110 auf sie projizierten
Abbildes des SLM in Richtung des Projektionsmittels 130.
Möglich ist
auch, dass die Ablenkmittel 120 als sphärischer oder asphärischer
Spiegel ausgestaltet sind und eine zusätzliche optische Wirkung übernehmen.
Auf diese Weise können
mehrere optische Elemente in einem kombiniert werden. Die Ablenkmittel 120 sind
drehbar gelagert, wobei die Drehachse in der Ebene der Spiegeloberfläche liegt.
Dies wird in 6 deutlich.
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Die
Projektionsmittel 130 sind in dieser Darstellung als sphärischer,
insbesondere elliptischer Spiegel, ausgestaltet. Die Verwendung
eines Projektionsspiegels ist gegenüber einem Projektionsobjektiv
vorteilhaft, da bei Verwendung eines Projektionsspiegels eine größere Ausdehnung
des erweiterten Sichtbarkeitsbereichs 180 realisiert werden
kann. Die Projektionsmittel 130 reflektieren das auf sie
fallende Licht in Richtung des Wiedergabeschirmes 140.
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Der
Wiedergabeschirm 140 ist ebenfalls als sphärischer
Spiegel ausgestaltet und reflektiert das einfallende Licht in Abhängigkeit
von seiner Form und dem Einfallswinkel in eine bestimmte Richtung. Dadurch
entsteht der Sichtbarkeitsbereich 160, von welchem der
Betrachter, wenn sich mindestens ein Auge darin befindet, die holografische
Szene in dem Rekonstruktionsraum 150 beobachten kann. D.
h. ein Auge, welches sich an der Augenposition 170 befindet,
kann die holografische Szene im Rekonstruktionsraum 150 betrachten.
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Bei
der ersten Augenposition 170 und der zweiten Augenposition 172 kann
es sich um das gleiche Auge handeln, welches sich von der ersten
zur zweiten Position bewegt hat, oder aber um unterschiedliche Augen,
z. B. das rechte und das linke Auge eines Betrachters oder das linke
Auge eines ersten Betrachters und das rechte Auge eines zweiten
Betrachters. Ein Auge, welches sich zum ersten, in dieser Zeichnung
dargstellten Zeitpunkt an der zweiten Augenposition 172 befindet,
würde zu
diesem Zeitpunkt keine Rekonstruktion der dreidimensionalen Szene
sehen. Jedoch ist die Drehfrequenz des Ablenkmittels 120 vorzugsweise
so hoch, dass ein Beobachter die Zeitdifferenz zwischen zwei Umdrehungen
und dem damit verbundenen Erscheinen des Sichtbarkeitsbereiches 160 vor
seinem Auge nicht wahrnimmt.
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2 zeigt
eine vereinfachte Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung
in Draufsicht. Dargestellt ist die Position des Sichtbarkeitsbereiches
zum ersten Zeitpunkt, wie in 1, und außerdem zu
einem zweiten Zeitpunkt. Die Anordnung entspricht der in 1 dargestellten.
Außerdem
sind in 2 eine zweite Position des Sichtbarkeitsbereiches 162 sowie
eine zweite Position des Rekonstruktionsraumes 152 dargestellt.
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Durch
kontinuierliche Rotation des Ablenkmittels 120 verschiebt
sich der Sichtbarkeitsbereich 160 kontinuierlich innerhalb
des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 180. Zu dem zweiten
Zeitpunkt befindet sich der Sichtbarkeitsbereich an der zweiten
Position des Sichtbarkeitsbereiches 162. Ein Auge, welches
sich zum zweiten Zeitpunkt an der zweiten Augenposition 172 befindet,
kann zu diesem Zeitpunkt die holografisch rekonstruierte Szene im
Rekonstruktionsraum 152 betrachten.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung der Erzeugung des Sichtbarkeitsbereiches
durch Lichtimpulse. In der Zeichnung sind dargestellt eine Augenposition 310,
Lichtimpulse 320, 322, 324 sowie Positionen
des Sichtbarkeitsbereiches 330, 332, 334 zu
Zeitpunkten t1 bis t8.
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Zwischen
den Zeitpunkten t3 und t5 überstreicht
der Sichtbarkeitsbereich 332 die Position eines Beobachterauges 310.
D. h. in diesem Zeitraum kann der Beobachter eine Rekonstruktion
beobachten. Schaltet man nun den Beleuchtungslaser nur eine begrenzte
Zeit ein, welche kleiner oder gleich t5–t3 ist, so kann der Beobachter
nur noch einen kleineren Perspektivenausschnitt der Rekonstruktion
beobachten, egal wo er sich in dem Sichtbarkeitsbereich befindet.
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Die
Lichtquellenmittel stellen periodisch im Zeitablauf Lichtimpulse 320, 322, 324 bereit.
Die Lichtimpulse 320, 322, 324 weisen
eine Schaltfrequenz auf. Die Schaltfrequenz der Lichtimpulse 320, 322, 324 und
die Drehfrequenz des Ablenkantriebsmittels sind so aufeinander abgestimmt,
dass die Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 330, 332, 334 nicht überlagern.
Dies ist auch aus der Figur ersichtlich. Nur zu Zeitpunkten t2,
t4, und t6 werden Lichtimpulse bereitgestellt. Aufgrund der Drehfrequenz
des Ablenkantriebsmittels und der daraus resultierenden Bewegung
des Sichtbarkeitsbereiches, überlagern sich
die Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 330, 332, 334 zu
diesen Zeitpunkten nicht. Die zweite Position des Sichtbarkeitsbereiches 332 ist
zur ersten Position des Sichtbarkeitsbereiches 330 um die
Ausdehnung des Sichtbarkeitsbereiches verschoben. Ebenso ist die
dritte Position des Sichtbarkeitsbereiches 334 zur zweiten
Position des Sichtbarkeitsbereiches 332 um die Ausdehnung
des Sichtbarkeitsbereiches verschoben.
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Würde zu jedem
Zeitpunkt t1 bis t6 ein Lichtimpuls bereitgestellt, würden sich
die Positionen des Sichtbarkeitsbereiches überlagern und der Beobachter
könnte
eventuell ein unscharfes Bild wahrnehmen.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
dass ein Augenpositionserkennungsmittel die Position eines Auges 310 feststellt.
Die Lichtquellenmittel können
dann in Abhängigkeit
von der Augenposition 310 Lichtimpulse 320, 322, 324 bereitstellen.
Dabei kann eine etwaige Ungenauigkeit bei der Feststellung der Augenposition 310 berücksichtigt
werden. Wie in der Zeichnung dargestellt, wird die erste Position
des Sichtbarkeitsbereiches 330 vor der festgestellten Augenposition
durch den ersten Lichtimpuls 320 erzeugt. Anschließend folgen
in dieser Darstellung zwei weitere Lichtimpulse 322, 324,
welche auf die erste Position des Sichtbarkeitsbereiches 330 folgende
Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 332, 334 erzeugen.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch bei einer Ungenauigkeit
des Augenpositionserkennungsmittels, das Auge an der Augenposition 310 mit
einem Sichtbarkeitsbereich versorgt wird.
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Um
zu verhindern, dass der Betrachter unterschiedliche Perspektiven
wahrnimmt und das Objekt verschwommen sieht, kann für diese
aufeinander folgenden Lichtimpulse die gleiche Objektrekonstruktion
an den aufeinander folgenden Positionen des Sichtbarkeitsbereiches
bereitgestellt werden.
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Selbstverständlich ist
die Anzahl der Lichtimpulse bzw. Positionen des Sichtbarkeitsbereiches nicht
wie in dieser Zeichnung beschränkt.
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4 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen
Rekonstruktionssystems 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel zu
einem ersten Zeitpunkt. In der Zeichnung sind jeweils dargestellt
Lichtquellenmittel 410, 412, räumliche Lichtmodulationsmittel
(SLM) 420, 422, ein Beamsplitter 430, 432,
ein telezentrisches Objektiv 440, 442, Ablenkmittel 450, 452,
ein Projektionsobjektiv 460, 462, Reflexionsmittel 470, 472.
Der Wiedergabeschirm 480 ist in der Gesamtanordnung nur
einmal vorhanden. Ferner ist jeweils ein Sichtbarkeitsbereich 490, 492,
eine Augenposition 500, 502, ein Rekonstruktionsraum 510, 512 sowie
ein erweiterter Sichtbarkeitsbereich 520, 522 dargestellt.
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Wie
aus der Zeichnung ersichtlich, umfasst die Gesamtanordnung zwei
analog aufgebaute Baugruppen. Je eine Baugruppe erzeugt das Bild
für ein Auge.
Beschrieben wird im Folgenden eine der beiden Baugruppen. Der Fachmann
kann das Prinzip leicht auf die andere Baugruppe übertragen.
Grundsätzlich
sind auch Lösungen
mit einer Baugruppe für beide
Augen denkbar, z. B. mit zeitlichem Multiplexing.
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Die
Lichtquellenmittel 410 sind in diesem Ausführungsbeispiel
als gepulster Laser ausgestaltet. Der gepulste Laser kann wahlweise über eine elektrische
Ansteuerung oder mechanisch zeitlich moduliert werden. Die Lichtquellenmittel 410 können einen
Beamexpander umfassen, welcher den Strahldurchmesser des Lasers
aufweitet. In einer weiteren Ausgestaltung ist es auch möglich, mehrere
Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen bereitzustellen. In noch
einer weiteren Ausgestaltung ist es ferner möglich, statt eines Lasers eine
andere Lichtquelle zu verwenden und den kohärenten Anteil des Lichts zu
filtern.
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Die
Lichtquellenmittel 410 beleuchten das telezentrische Objektiv 440 über den
Beamsplitter 430, welcher die Eigenschaft besitzt, in einer
bestimmten Richtung linear polarisiertes Licht zu reflektieren.
Auf diese Weise wird der SLM 420 mit möglichst hoher Lichtenergie
beleuchtet. Auf dem SLM 420, welcher ein Pixel-Raster aufweist,
wird durch Amplitudenmodulation ein Beugungsmuster dargestellt.
Durch Reflexion am SLM 420 breitet sich das Laserlicht
gebeugt in Richtung des telezentrischen Objektivs 440 aus.
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In
einer Brenn- bzw. Fourier-Ebene einer Eingangslinse des telezentrischen
Objektivs 440 befindet sich eine Blende, welche eine räumliche
Filterung des Laserlichts bewirkt. Hier werden unerwünschte Ordnungen
der Beugung ausgeblendet. Die Lichtenergie der unerwünschten
Ordnung kann dabei wesentlich höher
als der Anteil der erwünschten
Ordnung sein. Das telezentrische Objektiv 440 bildet eine
verkleinerte Abbildung, z. B. im Maßstab 1:2, des SLM 420 auf
die Ablenkmittel 450 ab. Es existiert ein verkleinertes,
reelles Zwischenbild des SLM 420.
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Beamsplitter 430,
SLM 420 und telezentrisches Objektiv 440 gehören in diesem
Ausführungsbeispiel
ersten optischen Mittel an, welche im Strahlengang vor den Ablenkmitteln 450 angeordnet
sind.
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Die
Ablenkmittel 450 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Planspiegel
ausgestaltet, welcher drehbar auf in dieser Zeichnung nicht dargestellten Ablenkantriebsmitteln,
z. B. einem Gleichstrommotor, gelagert ist. Dabei liegt die Drehachse
der Ablenkantriebsmittel in der Ebene der Spiegeloberfläche. Dies wird in 6 deutlich.
Das vom telezentrischen Objektiv 440 ausgesandte Licht
wird durch die Ablenkmittel in Richtung des Projektionsobjektivs 460 abgelenkt.
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Projektionsobjektiv 460,
Reflexionsmittel 470 und Wiedergabeschirm 480 gehören in diesem
Ausführungsbeispiel
zweiten optischen Mitteln an, welche im Strahlengang nach den Ablenkmitteln 450 angeordnet
sind.
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Das
Projektionsobjektiv 460 projiziert die von den Ablenkmitteln 450 abgelenkte
verkleinerte Abbildung des SLM 420 auf das Reflexionsmittel 470.
Das Reflexionsmittel 470 ist in diesem Ausführungsbeispiel
als Planspiegel ausgestaltet und lenkt das auf ihn fallende Licht
in Richtung des Wiedergabeschirms 480 ab. Der Wiedergabeschirm 480 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
als sphärischer
Spiegel ausgestaltet. Der Wiedergabeschirm 480 ist dabei
so angeordnet, dass er eine 1:1 Abbildung der Fourier-Ebene des
SLM 420 in den Sichtbarkeitsbereich 490 bewirkt.
Dabei wird der Rekonstruktionsraum 510 zwischen dem Wiedergabeschirm 480 und
dem Sichtbarkeitsbereich 490 aufgespannt. Ein Auge eines
Betrachters, welches sich an der Augenposition 500 befindet,
sieht die rekonstruierte Szene im Rekonstruktionsraum 510 vom
Sichtbarkeitsbereich 490 aus.
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Durch
Rotation der Ablenkmittel 450 wird der Strahlengang so
verändert,
dass sich die Position des Sichtbarkeitsbereiches 490 kontinuierlich
innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 verschiebt.
Die Ausdehnung des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 ist
bedingt durch den Aufbau des holografischen Rekonstruktionssystems 400 räumlich begrenzt.
Wenn das Ablenkmittel 450 eine Umdrehung vollendet hat,
erscheint der Sichtbarkeitsbereich 490 wieder am Anfang
des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520. Die Verschiebungsrichtung des
Sichtbarkeitsbereiches 490 ist abhängig von der Umdrehungsrichtung
des Ablenkmittels 450. Die Umdrehungsrichtung hat für das grundsätzliche
Prinzip der Erfindung jedoch keine Bedeutung.
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Grundsätzlich kann
für jede
Position des Sichtbarkeitsbereiches 490 innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 der
SLM 420 mit unterschiedlichen Hologrammen kodiert sein.
Bei einem kleinen erweiterten Sichtbarkeitsbereich 520 ist
es jedoch auch möglich,
lediglich eine Kodierung des SLM für alle Positionen des Sichtbarkeitsbereiches 490 innerhalb
des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 bereitzustellen.
Demgegenüber
ist auch eine Zwischenlösung
möglich,
bei welcher der SLM 420 für Teilabschnitte des erweiterten
Sichtbarkeitsbereiches 520, die mindestens zwei Positionen
des Sichtbarkeitsbereiches 490 umfassen, jeweils mit einem Hologramm
kodiert ist.
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5 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen holografischen
Rekonstruktionssystems gemäß dem Ausführungsbeispiel
zu einem zweiten Zeitpunkt. Der Aufbau entspricht dem in 4.
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In
dieser Darstellung weisen die Ablenkmittel 450 eine veränderte Winkelposition
gegenüber
der Darstellung in 4 auf. Durch den somit veränderten
Strahlengang weist auch der Sichtbarkeitsbereich 490 eine
andere Position innerhalb des erweiterten Sichtbarkeitsbereiches 520 auf.
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Zu
diesem zweiten Zeitpunkt sieht der Beobachter an der Augenposition 490 keine
Rekonstruktion der holografischen Szene. Die Drehfrequenz des Ablenkmittels 450 ist
jedoch so hoch, dass der Beobachter dies nicht wahrnimmt. Der Sichtbarkeitsbereich 490 erscheint
so oft vor seinem Auge, dass er die holografische Szene als bleibend
wahrnimmt.
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6 zeigt
eine vereinfachte Darstellung der Anordnung von Ablenkmitteln und
Ablenkantriebsmitteln zueinander in Draufsicht. Dargestellt sind
Ablenkmittel 610 mit einer Reflexionsfläche 620 sowie Ablenkantriebsmittel 630 mit
einer Welle 640.
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Die
Welle 640 ist an den Ablenkantriebsmitteln 630,
z. B. einem Gleichstrommotor, angebracht. Die Ablenkantriebsmittel 630 rotieren
die Welle 640 um eine Drehachse. Die Drehachse liegt im
Rotationszentrum der Welle 640. Die Rotationsbewegung ist
beispielhaft durch einen Pfeil in der Zeichnung angedeutet – sie kann
auch entgegengesetzt gerichtet sein. Wie aus der Figur ersichtlich
ist, ist das Ablenkmittel 610 so an der Welle 640 angebracht,
dass die Reflexionsfläche 620 auf
der im Zentrum der Welle 640 liegenden Drehachse angeordnet
ist. Bei einer Rotation der Welle 640 wird sich auf diese
Weise die Reflexionsfläche 620 nicht
aus dem Zentrum der Welle 640 bewegen und es entstehen
keine unerwünschten
optischen Effekte, wie z. B. unerwünschte Änderungen des Strahlenganges.
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Die
Ablenkantriebsmittel 630 weisen eine Drehzahl auf, die
so hoch ist, dass ein Beobachter, die Bewegung des Sichtbarkeitsbereiches
nicht als Flackern wahrnimmt. Außerdem weisen die Ablenkantriebsmittel
eine stabile Drehzahl auf, d. h. die Drehzahl unterliegt keinen
unerwünschten
Schwankungen.
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Anhand
der Zeichnungen wurde ein holografisches Rekonstruktionssystem und
-verfahren mit einem erweiterten Sichtbarkeitsbereich beschrieben. Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen
beschränkt.
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Bei
anderer Anordnung der Elemente des holografischen Rekonstruktionssystems
können
Elemente weggelassen werden, ineinander integriert oder miteinander
kombiniert werden. Auch Merkmale der einzelnen Ausführungen
und Darstellungen können
miteinander kombiniert werden.
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Es
ist auch denkbar, dass ein Sichtbarkeitsbereich erzeugt wird, in
welchem ein Betrachter mit beiden Augen eine holografisch rekonstruierte
Szene betrachten kann. Das Prinzip dieser Erfindung ist auch dann
anwendbar.