DE3419098A1 - Bildschirm zur raeumlich-dreidimensionalen darstellung von bildern, graphiken und sonstigen daten - Google Patents

Description

• BildschirM zur räuMlich dreidinensionalen Darstellung
• von Bildern, Graphiken und sonstigen Daten BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren, sowie Vorrichtungen zur Durchfuhrung dieses Verfahrens zur Darstellung raunlich-dreidimensionaler Bilder, Graphiken und sonstiger Daten nach den Oberbegriff des Anspruchs i.
• Auf- verschiedenen Gebieten, wie beispielsweise in der zedizinischen Bildauswertung, der elektronischen Datenverarbeitung, sowie zur Simulation und Kontrolle von Aktivitäten iM dreidimensionalen Raum müssen dreidimensionale Bilder, Graphiken oder sonstige Daten einem oder Mehreren Betrachtern in einer adaquaten Form zugänglich genacht werden. Bekanntlich besitzt das nenschliche visuelle System die folgenden physiologischen Moglichkeiten zur Wahrnehmung der Dreidinensionalität ("Tiefe") eines Gegenstandes oder eines Bildes 1. Akkonodation, d.h. das Auge fokussiert auf verschiedene Tiefenebenen.
• 2. Binokulare Konvergenz, d.h. der Abstand von Objektdetails zum Beobachter wird durch Triangulation genessen.
• 3. Binokulare Parallaxe, d.h. bein beidäugigen Sehen tritt der Stereo-Effekt auf.
• 4. Monokulare Bewegungsparallaxe, d.h. bein Wechsel des Beobachter-Standortes ändert sich die Perspektive.
• Eine befriedigende dreidimensionale Bild-Darstellung Muss einen Betrachter all diese Möglichkeiten zur Tiefenwah'rnehmung bieten. Auserdem muss ein System zur dreidimensionalen Bildarstellung so schnell ansprechbar sein, dass bewegte Objekte dargestellt werden können.
• In der Literatur wurden sehr viele Methoden zur Darstellung dreidimensionaler Bilder vorgeschlagen CT. Okoshi: Threedimensional Imaging Techniques, Academic Press, New York, 1976, T. Okoshi: Three-dimensional Displays, Proc. IEEE, vol.68, Seite 548, 198Q1. Man kann diese Methoden wie folgt grob klassifizieren [A.W. Lohnann, N. Streibl: On the fundamentals of 3-D display, Proc. SPIE, vol.402, Seite 6, 1983): i. Überlagerung Mehrerer Bilder aus verschiedenen Perspektiven (z.B. Stereo-Betrachtungssysteme, Integral-Photographie, BildschirMe voM Projektions-Typ, etc.) 2. Holographische Methoden (z.B. dunne Hologramme, Volumen-Hologramme, computer-erzeugte Hologramme, etc.) 3. Uberlagerung von Schnittbildern und/oder Abtastung (z.B.
• Varifocal-Spiegel-Verfahren, schrittweise Erregung von Fluoreszenz, bewegte Streuscheiben, nultidirektionale Strahlteiler, etc.) Die bisher vorgeschlagenen Methoden zur Darstellung dreidinensionaler Bilder haben jedoch jeweils Mindestens einen der folgenden Nachteile: i. Dem Betrachter werden nicht alle der obengenannten Tiefennerknale angeboten (z.B. bein Stereo-Betrachtungs-System).
• 2. Das System ist in der Praxis nicht hinreichend schnell ansprechbar, um bewegte Objekte darzustellen (z.B. bei Holographie, Integralphotographie).
• 3. Die Daten werden häufig in einen nur einnal beschreibbaren Material aufgezeichnet (z.B. Photoxaterial).
• 4. Das SysteM erfordert Mechanisch bewegte Teile (z.B. bei Varifokal-Spiegel-SysteMen oder bei bewegten Streuscheiben).
• S. Das System erfordert grosse Energien aufgrund geringer Lichteffizienz (z.B. bei schrittweiser Erregung von Fluoreszenz oder bei Multidirektionalen Strahlteilern).
• 6. Die dreidinensionalen Daten Müssen zur Ausgabe vorverarbeitet werden (z.B. Berechnung Mehrerer Perspektiven).
• Der Erfindung liegt folgende Aufgabe zugrunde Es soll ein beliebig oft wiederbeschreibbarer, in Echtzeit ansprechbarer BildschirM hoher Lichteffizienz angegeben werden> der, ohne Mechanisch bewegte Teile zu besitzen, einen oder mehreren Beobachtern die Betrachtung dreidiMensionaler Bild-Infornationen und Graphiken ermöglicht, wobei alle vier obengenannten Möglichkeiten zur TiefenwahonehMung bestehen sollen.
• Die beispielsweise in Forn von Schnittbildern vorliegenden dreidimensionalen Daten sollen ohne aufwendige Vorverarbeitung direkt durch den dreidimensionalen Bildschirm ausgegeben werden. Insbesondere soll die Berechnung von perspektivischen Projektionen der dreidimensionalen Bild-Informationen vermieden werden.
• Zun bessern Verständnis der erfindungsgeMassen Lösung dieser Aufgabe sollen zunächst einige der verwendeten Begriffe erlautert werden: + Dreidinensionale Daten dienen zuM Ansteuern des Bild schirms.
• + Der BildschirM besteht aus Komponenten, die jeweils ein Bildteil erzeugen.
• + KoMponenten sind vorzugsweise Platten, auf denen holographische Strukturen aufgezeichnet sind, die in Facetten un- terteilt sein können.
• + Bildteile sind Teile des sichtbaren dreidimensionalen Bildes} vorzugsweise Schnittbilder, die von den Komponenten in verschiedenen Tiefen uberlagert werden.
• + Facetten dienen zur Erzeugung von einzelnen Bildelementen.
• + Bildelemente sind elementare Teile (vorzugsweise Punkte, Linien oder graphische Symbole) der Bildteile, aus denen das dreidiMensionale Bild zusammengesetzt ist.
• Die Aufgabe wird erfindungsgenass folgendermassen gelöst Gemäss Anspruch i wird die Richtungs- bzw. Wellenlängen-Selektivitat gewisser Gitter-Strukturen ausgenutzt, um graphische oder Bild-InforMationen zu einen dreidimensionalen Bild zu uberlagern. Hierbei werden, parallel oder sequentiell, aus verschiedenen Richtungen bzw. Mit verschiedenen Wellenlängen verschiedene Bildteile (vorzugsweise Schnittbilder) auf eine Anordnung von richtungs- bzw. wellenlängeselektiven KoMponenten projiziert. Aufgrund ihrer Selektivität soll dann jede Komponente das Licht aus einer speziellen Beleuchtungsrichtung bzw. das Licht einer bestimmten Wellenlange in Richtung des Betrachters abbeugen und alles übrige Licht unbeeinflusst passieren lassen. Das gebeugte Licht scheint dann je nach Anordnung der KoMponente aus einer bestimmten Tiefenebene zu kommen. Fig. i zeigt dies scheMatisch für ein richtungsselektives Transmissions- System: Die Strahlen i und 3 (aus einer nicht gezeichneten Lichtquelle) fallen aus verschiedenen Richtungen auf die richtungsselektiven KoMponenten 5 und 6. In Fig. i beugt dann die KoMponente 5 (bzw. 6) den einfallenden Strahl i (bzw. 3) als Strahlenbündel 2 (bzw. 4) in die Richtung des Betrachters.
• Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäseen Verfahrens erfolgt durch Verwendung von Volumengitter-Strukturen und/oder Volumenhologrammen in Materialien, die dick im Vergleich zu den verwendeten Lichtwellenlängen sind. In diesen Komponenten wird die erforderliche Selektivität durch Bragg'sche Beugung erzielt. Des weiteren kann holographisch in dicken Phasenmaterialien (vorzugsweise Dichromatgelatine, siehe B.J. Chang, C.D. Leonard, Applied Optics, vol.
• 18, Seite 2407, 1979) eine Beugungseffektivitat von nahezu 100% erzielt werden, d.h. Licht, das aus der geeigneten Richtung bzw. Mit der geeigneten Wellenlänge eingestrahlt wird, wird praktisch vollständig gebeugt) alles ubrige Licht wird nahezu vollstandig transMittiert (ohne Wechselwirkung nit der Gitterstruktur). Hinzu klonen praktische Vorteile bei der Erzeugung derartiger Volunengitter-Strukturen und/oder VoluMenholograMMen: sie sind einfach Mit handelsublichen Materialien auf holographischeM Wege herstellbar und kopierbar.
• In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besteht der Bildschirm aus einer oder Mehreren holographischen KoMponenten) welche jeweils eine zweidiMensionale Anordnung von Fa cetten enthalten. Multi-Facetten HolograMMe wurden fruher zur Erzeugung und Verarbeitung von zweidiMensionalen Bildern und zum Abtasten verwendet (V. Gerbig, Optics CoMMunications> vol. 36> Seite 90> 198i; S.K. Case, V.
• Gerbig, Optics Communications, vol. 36, Seite 94, 198i; P.R. Haugen, H.Bartelt, S.K. Case, Applied Optics, vol.
• 22> Seite 2822, 1983). Jede Facette ist ein Teilhologramm, welches im Fall des Bildschirms zur räumlich-dreidimensionalen Darstellung je ein Bildelement des dreidinensionalen Bildes erzeugt. Äls Bildelement werden vorzugsweise Punkte, Linien oder graphische Symbole iM dreidinensionalen RauM verwendet. Zur Erzeugung von Punkten werden die Facetten als Hologramme spharischer Wellen ausgebildet.
• Die Komponenten des dreidinensionalen BildschirMes konnen entweder stapelförmig angeordnet werden und/oder in ein oder Mehrere Multiplex-Hologramme integriert werden, was zu einer Einsparung von Bauelementen fuhrt.
• Der Bildschirm kann auf verschiedene Arten angesprochen werden: i. Die Teile des dreidimensionalen Bildes (vorzugsweise Schnittbilder aus verschiedenen Tiefenebenen) werden aus verschiedenen Richtungen bzw. Mit verschiedenen Wellenlängen in den Bildschirm hineiprojiziert und durch diesen zu einem räumlich-dreidimensionalen Bild überlagert.
• 2. Ein oder Mehrere Abtaststrahlen erzeugen sequentiell durch Beleuchtung des dreidinensionalen Bildschirxs die Bildelemente, die bei hinreichend schneller Abtastung fur den Betrachter zu einen dreidiMensionalen Bild verschMelzen.
• Weitere Merknale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Bei diesen Ausführungsbeispiel handelt es sich UM ein Transnissions-SysteM, das aus einen Stapel von richtungsselektiven, volu-Menholographischen Facetten-KoMponenten besteht, bei denen jede Einzelfacette eine sphärische Welle rekonstuiert. Bein TransMissions-SysteM wird das Licht bezogen auf die Beleuchtungsrichtung in Vorwärtsrichtung gebeugt. Zur Aufnahne der vo luMenholographischen Facetten-KoMponenten wird vorzugsweise Dichronatgelatine verwendet (einfache Handhabbarkeit, hohe Beugungseffektivität). Fig. 2 zeigt schenatisch die Wirkung einer einzelnen Komponente 5. Die parallelen Strahlenbundel 7 bzw. 10 konnen von einer nicht gezeichneten Lichtquelle und beleuchten die Facetten 9 bzw. 12. Diese Facetten rekonstruieren jeweils eine sphärische Welle, die von den virtuellen Punkten 8 und ii auszugehen scheint. Ein Betrachter iM Bereich 13 sieht dann gleichzeitig zwei Punke im Raun. UM einen ausgedehnten Beobachtungsbereich zu erhalten (nonokulare Bewegungsparallaxe)> MUSS der 6ffnungswinkel der spharischen Wellen ausreichend gross gewahlt werden. Die Anzahl der Facetten einer Komponente stiMMt Mit der Zahl der ansprechbaren Punkte pro Bildteil (Schnittbild) uberein. Fig. 3 zeigt schematisch die Kombination von zwei derartigen Facetten-Konponenten 5 bzw. 6 in verschiedenen Tiefenebenen. Die KoMponenten haben die Eigenschaft selektiv nur Licht aus der Richtung i bzw. 3 zum Beobachtungs-Bereich 13 zu beugen. Aufgrund der Anordnung der KoMponenten hintereinander erscheinen die virtuellen Punkte, die von den angesprochenen Facetten in den KoMponenten 5 bzw. 6 erzeugt werden, in verschiedenen Tiefen. Es zeigt sich, dass die Komponente 5 die Betrachtung des virtuellen Punktes 15 nicht wesentlich stört; ebensowenig behindert die Komponente 6 die Rekonstruktion des virtuellen Punktes 14. Daher kann nan viele derartige Komponenten hintereinander anordnen, ohne dass die Wirkung jeder EinzeikoMponente beeintrachtigt wird, sofern die spezifischen Beleuchtungsrichtungen der selektiven Einzelkomponenten sich ausreichend voneinander unterscheiden. ZUM Aufbau eines vollstandigen dreidinensionalen Bildschirmes werden in ForM eines Stapels so viele Facetten-KoMponenten hintereinander angeordnet, wie das dreidinensionale Bild später Tiefenebenen enthalten soll. Die nicht gezeichnete Beleuchtungseinrichtung MUSS die Schnittbilder, die in verschiedenen Tiefen dargestellt werden sollen, in den fur die Facetten-KoMponenten spezifischen Richtungen in den dreidinensionalen Bildschirm hineinprojizieren.
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Claims (7)

1. Bildschirm zur räumlich dreidinensionalen Darstellung uon Bildern, Craphiken und sonstigen Daten PATENTANSPRÜCHE i. Verfahren zur räuMlich-dreidiensionalen Darstellung uon Bildern, Graphiken und/oder sonstigen Daten, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungs- bzw. Wellenlängen-Selekti4itat der Beugung an richtungs- bzw. wellenlängenselektiven Gitterstrukturen dazu ausgenutzt wird, um bei Beleuchtung aus verschiedenene Richtungen bzw. Mit verschiedenen Wellenlängen spezielle Bildteile (vorzugsweise Schnittbilder) in verschiedenen Tiefen zu überlagern, so dass ein dreidimensionaler Bildeindruck entsteht.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass zur Richtungs- bzw.

   Wellenlangen-Selektierung Volunengitter-Strukturen verwendet werden, d.h. dreidinensionale Gitter-Strukturen in einen Material dick iM Vergleich zu den verwendeten Wellen langen des Beleuchtungslichtes.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i und anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Richtungs- bzw. Wellenlangen-Selektierung holographische Konponenten verwendet werden.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einen oder Mehreren Ansprechen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeden speziellen Bildelement ein richtungs- bzw. wellenlängenselektives Teilhologramm ("Facette") zugeordnet ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruche i,A,S,4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Teilhologrann ("Facette") bei geeigneter Beleuchtung ein spharische Welle rekonstruiert und andernfalls weitgehend transparent wirkt, danit reelle und/oder virtuelle Bilder von Punkten in verschiedenen Tiefen erreugt werden.
6. 6. Verfahren nach einen oder Mehreren Ansprüchen i bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die richtungs- bzw. wellenlangenselektiven holographischen KoMponenten entweder fur jede Tiefenebene im Bildraun getrennt angeordnet werden und/oder in ein einziges Multiplex-Hologramm integriert werden.
7. 7. Verfahren nach einen oder Mehreren Anspruche i bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten- und/oder Bild-Eingabe, parallel oder sequentiell, in Forn von Schnittbildern erfolgt (wobei jede einzelne, diskrete Tiefenebene einen zweidinensionalen Bild entspricht)> und/oder Mit Hilfe von einen oder Mehreren Abtaststrahlen geschieht.