WO2008028829A1 - Vorrichtung und verfahren zum nachführen eines betrachterfensters - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum nachführen eines betrachterfensters Download PDF

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WO2008028829A1
WO2008028829A1 PCT/EP2007/058838 EP2007058838W WO2008028829A1 WO 2008028829 A1 WO2008028829 A1 WO 2008028829A1 EP 2007058838 W EP2007058838 W EP 2007058838W WO 2008028829 A1 WO2008028829 A1 WO 2008028829A1
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tracking
observer
viewer
window
tracking unit
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PCT/EP2007/058838
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Stanislas Flon
Philippe Renaud-Goud
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Seereal Technologies S.A.
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    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
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    • G—PHYSICS
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    • H04N13/366—Image reproducers using viewer tracking
    • H04N13/368—Image reproducers using viewer tracking for two or more viewers

Definitions

  • the invention relates to a reproduction device for a two-dimensional and / or three-dimensional representation with at least one light source and at least one light modulation device. Furthermore, the invention also relates to a method for tracking at least one virtual viewer window of a viewer plane in which at least one viewer is located.
  • Areas of application of the invention are display devices for displaying three-dimensional objects for one or more observers, in particular holographic reproduction devices.
  • the invention can also be used in autostereoscopic display devices.
  • Holographic display devices with light modulation devices are known from the prior art, wherein the Fourier transform of a
  • Hologram is imaged on the eye pupil of an observer.
  • Exit pupil of these display devices then lies on the eye pupil of the eye and is referred to as a viewer window.
  • a last, in the light direction, optical element in the display device in front of the viewer is an optical element called a screen. It is assumed that the screen is a focusing optical element.
  • the observer window coincides with the eye pupil
  • the observer can observe a reconstructed scene of an object in a reconstruction space spanned by the observer window and the screen in a holographic display device.
  • the observer window no longer coincides with the observer's eye pupil.
  • the reconstructed scene is vignetted and is therefore only limited or no longer visible.
  • Position detection system ⁇ provided by means of which the position of the eyes of a viewer is detected.
  • the observer window is then tracked to the eye of the observer when the observer moves to another position.
  • a tracking of the viewer window then takes place laterally in the observer plane.
  • a tracking of the viewer window along the optical axis of the display device ie on the screen to or from it, but requires a different approach than a lateral tracking. It must be ensured that the observer window along the optical axis is movable, otherwise a vignetting of the reconstructed scene comes about.
  • the image of the light modulation device regardless of the distance to which the viewer is to a screen, must always be displayed unchanged or in the same way on the screen. This means that the image of the light modulation device, which is located for example for a position a of the viewer on the screen, must also be unchanged on the screen for a position b of the viewer.
  • An electro-holographic display for displaying a three-dimensional scene by means of two spatial light modulators which has a tiltable mirror element for projecting the light from the light modulators onto the eyes of the observer.
  • Each light modulator with the corresponding hologram is intended for an eye of an observer.
  • the three-dimensional scene arises in the area or on the rotating mirror element.
  • the tilting mirror element is rotated about its horizontal or vertical axis according to the new eye position of the observer.
  • the view of the three-dimensional scene is displayed according to the new position of the observer on the holograms.
  • tracking along an optical axis of the display is also disclosed in the figures.
  • the tracking of the light takes place according to a new position of the viewer's eyes on the three-dimensional scene to or from her.
  • Such Tracking is ensured by changing a lateral distance of the two light modulators to each other. This ensures that the light provided for the respective eye also falls on the eye.
  • the light modulators are shifted laterally to each other, whereby a tracking of the light along the optical axis can take place and thus always visible to the eyes of the viewer, the reconstructed scene is.
  • the object is achieved according to claim 1 for a display device for a two- and / or three-dimensional representation for tracking a virtual viewer window by the following means.
  • the reproduction device has at least one light source, at least one light modulation device, a screen and a device for tracking a virtual viewer window of a viewer plane in which at least one viewer is located.
  • This device comprises a position detection system for determining eye positions of the at least one observer in the observer plane, a tracking unit and a control device for activating and controlling the tracking unit, wherein the device is arranged between the light modulation device and the screen.
  • an image-side main plane and an image-side focal length of an optical system of the tracking unit in the tracking of the viewer window along an optical axis of the display device are constant.
  • a tracking of the observer window for at least one observer along the optical axis i. a tracking of the viewer window on the screen or away from him, can be reached by means of the device without vignetting the three-dimensional representation.
  • the device is a simple tracking of the viewer window without increased effort achieved with little resources.
  • the three-dimensional representation in each position in which the viewer is in the light direction after the screen, seen unchanged. When the viewer moves, he can observe the three-dimensional representation as in reality. In this way, the three-dimensional representation can be observed realistically relaxed with normal use of the eyes and the brain.
  • the object is further achieved according to claim 7 for a method for tracking at least one virtual viewer window.
  • the procedure is as follows, wherein at least one observer is located in a viewer plane.
  • a position detection system determines or detects eye positions of the observer in the observer plane, wherein determined values of the new position of the observer's eyes are fed to a control device.
  • the control device then activates a tracking unit in the playback device.
  • the tracking unit is in the light direction in front of an optical element serving as a screen arranged.
  • the tracking unit After determining the new position of the eyes of the observer, the tracking unit performs the at least one virtual observer window along an optical axis of the display device to the eyes of the observer by being controlled by the control device.
  • the tracking of the observer window takes place in such a way that an image-side main plane of an optical system of the tracking unit and an image-side focal length of the optical system of the tracking unit remain unchanged or constant.
  • the tracking is carried out according to the invention along the optical axis of the display device, of course, thereby also the
  • the method is therefore of very great advantage, as it allows a Vägnettians the three-dimensional representation, in particular a reconstructed scene by the
  • This viewer can observe the three-dimensional representation as in reality. In this way, the three-dimensional representation can be observed realistically relaxed with normal use of the eyes and the brain.
  • the image is not particularly disturbed on the screen, since the beam is collimated in the light direction in front of the tracking unit.
  • the exit pupil of the display device is shifted along the optical axis in accordance with the observer's eye position.
  • a spatial frequency filter in a Fourier level of the reproduction device transmits a selected periodicity interval of the Fourier spectrum of a hologram.
  • a spatial frequency filter in particular a diaphragm, is of great importance, since one or two-dimensional holograms coded in pixels, the pixels being arranged regularly, in the Fourier plane produce a periodic repetition of the Fourier spectrum.
  • a spatial frequency filter may advantageously be arranged in this plane ⁇ Fourier plane), which only allows the diffraction order used to pass.
  • Figure 1 is a schematic representation of an inventive device for tracking a viewer window in a holographic display device
  • Figure 2 is a schematic representation of the display device according to FIG.
  • FIG. 3 shows a representation of a further possibility for tracking the
  • FIG. 4 shows a detailed illustration of a tracking unit of the display device according to FIG. 1;
  • FIG. 5 is a detailed representation of the tracking unit of the display device in the tracking of the viewer window of Figure 2;
  • FIG. 6 shows a detailed representation of the tracking unit of the display device during the tracking of the observer window according to FIG. 3.
  • Some reproduction devices image the resulting Fourier transform FT during reconstruction onto the eye pupil of a viewer.
  • the exit pupil of these display devices then lies on the eye pupil of the eye of the observer and is referred to as a viewer window.
  • the eye pupil coincides with the virtual observer window, but this is not the case, then it comes to vignetting of the reconstructed scene in the observation. This is not desirable.
  • FIG. 1 shows only a section of the display device, namely a device 2 for tracking the observer window, which has a tracking unit 22, in conjunction with an optical element 3 serving as a screen, hereinafter referred to as a screen.
  • the tracking unit 22 has at least two optical elements, for example lenses and / or mirrors, advantageously three optical elements, which, however, are not shown in this exemplary embodiment. Shown are only the two main planes H and H 'of the overall system tracking unit 22.
  • the tracking unit 22 has an object-side focal length f and a image-side focal length f, wherein in the image-side focal plane of the screen 3 is arranged.
  • at least one light modulation device is provided in the holographic display device, which has a hologram.
  • the light modulation device thereby modulates incident light, after which a scene is also reconstructed via likewise optical elements which are also not shown here in part.
  • an image of the light modulation device is generated, from which then a beam falls on the tracking unit 22, which is collimated.
  • the beam path 4 of the collimated Strahlenbündeis is shown here by dashed lines.
  • the image of the light modulation device is then imaged on the screen 3.
  • a Fourier-transformed FT is produced simultaneously with the image of the light modulation device.
  • the Fourier transform is also imaged by means of the optical elements within the display device.
  • the Last of the repeated images of the Fourier transform FT takes place by means of the screen 3 in a viewer plane 6, where this forms a viewer window 7 there.
  • An optical path relating to the Fourier transform FT is shown by the reference numeral 5 and by solid lines.
  • the device for tracking the observer window 7 also has a position detection system 8 for determining eye positions of the observer in the observer plane 6.
  • the position detection system 8 is combined with the tracking unit 22.
  • the values determined by the position detection system for the positions of the eyes of the observer are fed to a control device 9, which activates the tracking unit 22, so that a tracking of the observer window 7 along the optical axis 1 of the display device can take place when the observer changes position. In this way, the observer plane 6 also shifts along the optical axis 1.
  • FIG. 1 One possibility of tracking the observer window 7 along the optical axis 1 is shown in FIG.
  • the idea according to the invention lies in axially displacing the object-side main plane H of an optical system or of the overall system tracking unit 22 to a new position H N to track the viewer window 7 along the optical axis 1, depending on the position of the observer's eyes.
  • the prerequisite for this, however, is that the beam is collimated corresponding to the beam path 4 in the light direction in front of the tracking unit 22 or the image of the light modulation device before the tracking unit 22 comes from the infinite. If this is the case, then a movement of the main plane H along the optical axis 1 does not affect the image of the light modulation device on the screen 3.
  • the main plane H 'and the bi-lateral focal length f of the tracking unit 22 remain constant or unchanged when the observer window 7 is tracked.
  • the advantage of a movement of the main plane H along the optical axis 1 is that the beam path 5 changes, as can be seen by the beam path 5 'after the tracking.
  • the object-side focal point F accordingly shifts to F N after tinks.
  • the viewer window 7 is imaged in a viewer plane 6 'and thus tracked by the viewer.
  • a new observer window 7 'in the observer plane 6' now arises after the tracking in the light direction behind the observer window 7. Accordingly, the main plane H along the optical axis 1 in the light direction to the right to move the observer window 7 to the screen 3.
  • An axial displacement of the principal plane H is effected by changing the characteristics of the optical system of the tracking unit 22.
  • the pitches of the optical elements in the tracking unit 22 may be changed from each other.
  • lenses with controllable focal length can serve as optical elements, e.g. Liquid lenses, by means of which a displacement of the main plane H is achieved.
  • a determination of the eye position of the observer takes place, as mentioned above, by means of the position detection system 8, wherein the tracking unit 22 tracks the observer window 7 via the control device 9.
  • FIG. 3 shows a further possibility of tracking the observer window 7 along the optical axis 1.
  • the main plane H is moved along the optical axis 1 of the display device, but arranged in front of the device 2 system components, such as a light modulation device 11.
  • the light modulation device 11 is illuminated by a light source 10, both system components in the light direction in front of the tracking unit 22 are arranged.
  • an intermediate region of the display device which is characterized by three points on the optical axis 1, further optical elements are arranged, which serve for imaging and reconstruction. But you are for the Thought concept insignificant, which is why a representation was omitted.
  • a tracking of the viewer window 7 can also be achieved.
  • the main planes H and H 'and the focal length f remain constant during tracking.
  • the beam path 5 before the tracking and the beam path 5 'after the tracking of the observer window 7 to 1' thus meet at the same location of the optical axis 1, the main plane H of the tracking unit 22.
  • the map of the Fourier transform FT shifts along the optical axis 1 (FT to FT ').
  • the light modulation device 11 is always in the same place, namely on the screen 3, shown as the dashed beam path 4 shows.
  • the two above-mentioned possibilities of the axial tracking of the observer window 7 describe a tracking advantageously without moving or enlarging the image of the light modulation device 11 on the screen 3.
  • the size of the observer window 7 is proportional to the distance between the observer window 7 and Screen 3 or the size of the viewer window 7 depends on the distance.
  • the tracking unit 22 is shown in detailed form in comparison to FIG. 1 in the display device. In this section of the reproducing device, in turn, only the device 2 in connection with the tracking unit 22, the screen 3 and an image 11 'of the light modulation device 11 not shown here are shown.
  • the tracking unit 22 has in this embodiment, three optical elements 12, 13 and 14, which are designed for example as lenses, mirrors or similar elements.
  • the optical elements 12 and 13 form an afocal system.
  • the optical element 14 is disposed in a focal length f ⁇ 'of the optical element 13, the optical element 14 is disposed.
  • the screen 3 is arranged in the focal length f 14 of the optical element 14.
  • a further optical element 15 is arranged with a focal length fi 5 ', which may also be a lens, a mirror or a similar element.
  • the operation of this display device is as follows.
  • the not shown here light modulation device 11 is illuminated with light from the light source 10 and modulates this according to the hologram encoded therein a scene to be reconstructed.
  • the light modulation device is imaged, whereby, for example, such an image 11 'of the light modulation device in front of the optical element 15 is formed.
  • a Fourier-transformed FT ⁇ not shown here).
  • the image 11 'of the light modulation device 11 is imaged by means of the optical element 15 to infinity and by means of the optical element 12 in the image-side focal plane.
  • the Fourier transform FT is imaged by means of the optical element 15 in its focal plane, wherein the optical elements 12 and 13 of the tracking unit 22 thereafter image this in the image-side focal plane of the optical element 13.
  • the optical element 14 is arranged in this embodiment.
  • the screen 3, which also serves as imaging means, subsequently forms the Fourier transform FT into the observer plane 6.
  • the Fourier transform FT forms in the observer plane 6 the observer window 7, through which the observer can observe the reconstructed scene.
  • the image 11 'of the light modulation device 11 is imaged onto the screen 3 by means of the optical elements 13 and 14 from the focal plane of the optical element 12.
  • the tracking of the observer window 7 is shown in detail in the following figures 5 and 6.
  • FIG. 5 shows a more detailed representation of the tracking unit 22.
  • the construction of the display device in FIG. 5 corresponds to the construction according to FIG. 4. However, in this embodiment the tracking of the viewer window 7 along the optical axis 1 is shown. The tracking takes place by the optical elements 12 and 13 of the tracking unit 22 along the optical axis 1, here opposite to the light direction, are moved. The new position of the optical elements 12 and 13 is denoted by the reference numerals 12 'and 13', wherein the previous position of the optical elements 12 and 13 shown in phantom is. In this way, as described in Figure 2, the main plane H of the tracking unit 22 is shifted, the focal length f 4 and thus the main plane H 'remain constant.
  • the optical element 14 may not be displaced so that the image 11 'of the light modulation device 11 is always imaged on the screen 3.
  • the displacement of the optical elements 12 and 13 causes a shift of the image of the light modulator 11 within the tracking unit 22 (SLM to SLM ') and in particular the Fourier transform FT along the optical axis 1.
  • the Fourier transform FT By shifting the Fourier transform FT, which Accordingly, when the screen 3 is displayed in the viewer plane 6, the observer window 7, which is formed by the Fourier transform FT, shifts to FT.
  • the corresponding new viewer window T is now in the new viewer level 6 'corresponding to the new position of the viewer's eyes.
  • a spatial frequency filter 16 is provided in the here particularly holographic reproduction device, which only a selected
  • Periodicity interval of the Fourier spectrum passes.
  • Spatial frequency filter 16 can be designed as a diaphragm and between the optical
  • the spatial frequency filter 16 is of great importance in the case of light modulation devices having a pixel structure, since the holograms coded therein are periodic in the Fourier plane
  • the Kunststofffrequenzfiiter 16 can only pass the diffraction order used.
  • Another advantage is that the reduction of the Fourier spectrum to a diffraction order and the mapping of this diffraction order and the Spatial frequency filter 16 as a viewer window to prevent any crosstalk that commonly occurs in reconstructions using matrix light modulators. In this way, a left and right eye of a viewer can be successively operated in the multipiex method without crosstalk. Similarly, a Muitiplex method for several people is possible.
  • FIG. 6 A further possibility of tracking the observer window 7 along the optical axis 1 is shown in FIG. 6.
  • the reproduction device of this exemplary embodiment corresponds to that shown in FIG. In this case, not the two optical elements 12 and 13 are displaced along the optical axis 1 of the display, but the optical element 15 and the Jardinfrequenzfiiter 16. The two elements 15 and 16 are thereby moved in the light direction along the optical axis 1, wherein the observer window 7 thus also shifts in the direction of light.
  • the new viewer window T is now located at a greater distance from the screen 3 than the viewer window 7.
  • the observer is at a smaller distance from the screen 3, then it is necessary to move the optical element 15 and the spatial frequency filter 16 in the opposite direction to the light direction to move so that the viewer window 7 moves closer to the screen 3 and thus the eyes of the viewer through the viewer window 7 can observe the reconstructed scene.
  • the optical element 15 Since the optical element 15 is displaced, the corresponding object-side focal point is thus also shifted accordingly, as a result of which the image 11 'of the light modulation device 11 also shifts. Since the image 11 'is at infinity, it is now imaged onto the screen 3 from another plane which corresponds to the image 11 "on the optical axis 1.
  • the beam path associated with the image 11 1 in FIG Thus, only in the light direction in front of the optical element 15, as shown by the two beam paths 4 and 4 '., however, the two beam paths 5 and 5' to represent the image of the Fourier transform FT are different, with the Abifdungsort the Fourier transform on As a result, the observer window 7 also shifts, as already described above mentioned. In this way, therefore, a tracking of the observer window 7 can also be carried out when the observer changes position along the optical axis 1 of the display device.
  • a lateral tracking of the observer window 7 can also be provided for such a display device.
  • further elements may be necessary or it may be necessary to change the tracking unit 22.
  • Possible fields of application of the device according to the invention for tracking a viewer window in connection with the method are, for example, in reproduction devices, in particular holographic reproduction devices, for a two-dimensional and / or three-dimensional representation for the private and work area, such as for example computers, head-mounted displays, Mobile telephones, television, electronic games, automotive industry for the display of information or entertainment, medical technology or even for military technology, for example, for displaying terrain profiles.
  • reproduction devices in particular holographic reproduction devices, for a two-dimensional and / or three-dimensional representation for the private and work area
  • the present device can also be used in other areas, not mentioned here, in which a tracking of the exit pupil of the device is necessary.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Wiedergabevorrichtung für eine zwei und/oder dreidimensionale Darstellung mit wenigstens einer Lichtquelle (10), wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung (11), einem Bildschirm (3) und einer Vorrichtung (2) zum Nachführen eines virtuellen Betrachterfensters (7) einer Betrachterebene (6), in welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet. Diese Vorrichtung (2) weist ein Positionserfassungssystem (8) zur Bestimmung von Augenpositionen des wenigstens einen Betrachters in der Betrachterebene (6), eine Nachführeinheit (22) und eine Steuereinrichtung (9) zur Aktivierung und Steuerung der Nachführeinheit (22) auf und ist zwischen der Lichtmodulationseinrichtung (11) und dem Bildschirm (3) angeordnet. Zum Nachführen des Betrachterfensters (7) entlang einer optischen Achse (1) der Wiedergabevorrichtung ist eine bildseitige Brennweite (f') eines optischen Systems der Nachführeinheit (22) konstant.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Nachführen eines Betrachterfensters
Die Erfindung betrifft eine Wiedergabevorrichtung für eine zwei und/oder dreidimensionale Darstellung mit wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Nachführen wenigstens eines virtuellen Betrachterfensters einer Betrachterebene, in welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet.
Anwendungsgebiete der Erfindung sind Wiedergabeeinrichtungen zur Darstellung von dreidimensionalen Objekten für einen oder mehrere Betrachter, insbesondere holographische Wiedergabeeinrichtungen. Die Erfindung kann aber auch in autostereoskopischen Wiedergabeeinrichtungen verwendet werden.
Aus dem Stand der Technik sind holographische Wiedergabeeinrichtungen mit Lichtmodulationseinrichtungen bekannt, wobei die Fourier-Transformierte eines
Hologramms auf der Augenpupille eines Betrachters abgebildet wird. Die
Austrittspupille von diesen Wiedergabeeinrichtungen liegt dann auf der Augenpupille des Auges und wird als Betrachterfenster bezeichnet. Ein letztes, in Lichtrichtung angeordnetes, optisches Element in der Wiedergabeeinrichtung vor dem Betrachter ist ein als Bildschirm bezeichnetes optisches Element. Dabei wird vorausgesetzt, dass der Bildschirm ein fokussierendes optisches Element ist.
Fällt das Betrachterfenster mit der Augenpupille zusammen, dann kann der Betrachter bei einer holographischen Wiedergabeeinrichtung eine rekonstruierte Szene eines Objektes in einem Rekonstruktionsraum, welcher von dem Betrachterfenster und dem Bildschirm aufgespannt wird, beobachten. Bewegt sich jedoch der Betrachter seitlich zur bzw. entlang einer optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung, so fällt das Betrachterfenster nicht mehr mit der Augenpupille des Betrachters zusammen. Dadurch wird die rekonstruierte Szene vignettiert und ist somit nur noch begrenzt oder gar nicht mehr sichtbar.
Um eine derartige Vignettierung der rekonstruierten Szene bei einer lateralen Bewegung des Betrachters zu verhindern, ist bereits bekannt, Positionserfassungssystemθ vorzusehen, mittels weicher die Position der Augen eines Betrachters erfasst wird. Über eine Nachführeinheit wird dann das Betrachterfenster dem Auge des Betrachters bei Bewegung des Betrachters an eine andere Position nachgeführt. Eine Nachführung des Betrachterfensters erfolgt dann lateral in der Betrachterebene. Hierzu sind bereits mehrere Möglichkeiten aus dem Stand der Technik bekannt. Eine Nachführung des Betrachterfensters entlang der optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung, also auf den Bildschirm zu oder von ihm weg, erfordert jedoch eine andere Vorgehensweise als eine laterale Nachführung. Dabei muss gewährleistet sein, dass das Betrachterfenster entlang der optischen Achse bewegbar ist, da ansonsten eine Vignettierung der rekonstruierten Szene zustande kommt. Außerdem muss das Bild der Lichtmodulationseinrichtung, egal in welcher Entfernung sich der Betrachter zu einem Bildschirm befindet, immer unverändert bzw. in gleicher Weise auf dem Bildschirm abgebildet werden. Das bedeutet, dass das Bild der Lichtmodulationseinrichtung, welches beispielsweise für eine Position a des Betrachters auf dem Bildschirm lokalisiert ist, auch für eine Position b des Betrachters unverändert auf dem Bildschirm sein muss.
Eine Möglichkeit der Nachführung beschreibt der Patent Abstracts of Japan 09068674 mit den zugehörigen Figuren. Es wird ein electro-holographisches Display zur Darstellung einer dreidimensionalen Szene mittels zweier räumlicher Lichtmodulatoren offenbart, welches ein kippbares Spiegelelement zur Projektion des Lichts von den Lichtmodulatoren auf die Augen des Betrachters aufweist. Jeder Lichtmodulator mit dem entsprechenden Hologramm ist für ein Auge eines Betrachters bestimmt. Die dreidimensionale Szene entsteht im Bereich bzw. auf dem rotierenden Spiegelelement. Bei Bewegung des Betrachters wird diese Bewegung mit einem Positionserfassungssystem erfasst, und das kippbare Spiegelelement wird entsprechend der neuen Augenposition des Betrachters um seine horizontale oder vertikale Achse gedreht. Gleichzeitig wird die Ansicht der dreidimensionalen Szene entsprechend der neuen Position des Betrachters auf den Hologrammen dargestellt. Des Weiteren ist neben einer lateralen Nachführung des Lichts auch eine Nachführung entlang einer optischen Achse des Displays in den Figuren offenbart. Hier erfolgt die Nachführung des Lichts entsprechend einer neuen Position der Augen des Betrachters auf die dreidimensionale Szene zu oder von ihr weg. Eine derartige Nachführung wird durch Veränderung eines lateralen Abstandes der beiden Lichtmodulatoren zueinander gewährleistet. Dadurch wird erreicht, dass das für das jeweilige Auge vorgesehene Licht auch auf das Auge fällt. Entsprechend dem Ort eines Auges des Betrachters, wobei die neue Position des Auges mittels des Positionserfassungssystems ermittelt wird, werden die Lichtmodulatoren lateral zueinander verschoben, wodurch eine Nachführung des Licht entlang der optischen Achse erfolgen kann und somit immer für die Augen des Betrachters die rekonstruierte Szene sichtbar ist.
Es besteht jedoch bei dieser Art der Nachführung nicht das Problem der Vignettierung, da die rekonstruierte Szene sehr klein ist. Bei größerer rekonstruierter Szene, wie in der vorliegenden Erfindung vorgesehen, kann ein derartiges Verfahren nicht angewandt werden. Außerdem wird in der JP 09068674 kein Betrachterfenster gebildet, welches nachgeführt wird, sondern der gesamte Sichtbarkeitsbereich wird nachgeführt. Die Pupille des Systems liegt ferner nicht auf der Augenpupille, sondern zwischen dem Auge und der rekonstruierten Szene.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachführen eines virtuellen Betrachterfensters in einer Wiedergabeeinrichtung zur dreidimensionalen Darstellung bei Bewegung eines Betrachters an eine andere Position, insbesondere entlang einer optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung, zu schaffen, mittels welcher ein einfaches Nachführen des Betrachterfensters ohne erhöhten Aufwand ermöglicht wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7 gelöst.
Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 für eine Wiedergabevorrichtung für eine zwei und/oder dreidimensionale Darstellung zum Nachführen eines virtuellen Betrachterfensters mit folgenden Mitteln gelöst. Die erfindungsgemäße Wiedergabevorrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle, wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung, einen Bildschirm und eine Vorrichtung zum Nachführen eines virtuellen Betrachterfensters einer Betrachterebene auf, in welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet. Diese Vorrichtung weist ein Positionserfassungssystem zur Bestimmung von Augenpositionen des wenigstens einen Betrachters in der Betrachterebene, eine Nachführeinheit und eine Steuereinrichtung zur Aktivierung und Steuerung der Nachführeinheit auf, wobei die Vorrichtung zwischen der Lichtmodulationseinrichtung und dem Bildschirm angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind eine bildseitige Hauptebene und eine bildseitige Brennweite eines optischen Systems der Nachführeinheit bei der Nachführung des Betrachterfensters entlang einer optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung konstant.
Eine Nachführung des Betrachterfensters für wenigstens einen Betrachter entlang der optischen Achse, d.h. eine Nachführung des Betrachterfensters auf den Bildschirm zu oder von ihm weg, ist mittels der Vorrichtung ohne Vignettierung der dreidimensionalen Darstellung erreichbar. Mittels der Vorrichtung ist ein einfaches Nachführen des Betrachterfensters ohne erhöhtem Aufwand mit geringen Mitteln erzielbar. Außerdem wird dadurch die dreidimensionale Darstellung in jeder Position, in welcher sich der Betrachter in Lichtrichtung nach dem Bildschirm befindet, unverändert gesehen. Bei Bewegung des Betrachters kann dieser die dreidimensionale Darstellung wie in der Realität beobachten. Auf diese Weise kann entspannt mit normaler Beanspruchung der Augen und des Gehirns die dreidimensionale Darstellung realitätsgetreu beobachtet werden. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 7 optimal durchzuführen.
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß nach Anspruch 7 für ein Verfahren zum Nachführen wenigstens eines virtuellen Betrachterfensters gelöst. Dabei wird wie folgt vorgegangen, wobei sich in einer Betrachterebene wenigstens ein Betrachter befindet. Bei einer Positionsänderung des Betrachters bestimmt bzw. erfasst ein Positionserfassungssystem Augenpositionen des Betrachters in der Betrachterebene, wobei ermittelte Werte der neuen Position der Augen des Betrachters einer Steuereinrichtung zugeführt bzw. übermittelt werden. Die Steuereinrichtung aktiviert daraufhin eine Nachführeinheit in der Wiedergabeeinrichtung. Die Nachführeinheit ist dabei in Lichtrichtung vor einem als Bildschirm dienenden optischen Element angeordnet. Nach Bestimmung der neuen Position der Augen des Betrachters führt die Nachführeinheit durch Ansteuerung durch die Steuereinrichtung das wenigstens eine virtuelle Betrachterfenster entlang einer optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung den Augen des Betrachters nach. Die Nachführung des Betrachterfensters erfolgt in der Art, dass eine bildseitige Hauptebene eines optischen Systems der Nachführeinheit und eine bildseitige Brennweite des optischen Systems der Nachführeinheit unverändert bzw. konstant bleiben.
Die Nachführung erfolgt hier erfindungsgemäß entlang der optischen Achse der Wiedergabeeinrichtung, wobei sich selbstverständlich dadurch auch die
Betrachterebene entlang der optischen Achse verschiebt. Eine laterale Nachführung des Betrachterfensters sol! mit dieser Erfindung nicht bezweckt werden.
Selbstverständlich ist es aber möglich, neben der axialen Nachführung auch eine laterale Nachführung in der Wiedergabeeinrichtung vorzunehmen. Laterale Nachführungen des Betrachterfensters sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Deshalb soll hier nicht auf eine laterale Nachführung des Betrachterfensters eingegangen werden.
Das Verfahren ist deshalb von sehr großem Vorteil, da dadurch eine Vägnettierung der dreidimensionalen Darstellung, insbesondere einer rekonstruierten Szene, durch das
Betrachterfenster vermieden wird und somit der Betrachter auch bei Bewegung auf die dreidimensionale Darstellung zu oder weg von dieser diese ohne
Einschränkungen vollkommen beobachten kann, da die Austrittspupille des
Gesamtsystems immer auf der Augenpupille liegt. Außerdem wird dadurch die dreidimensionale Darstellung in jeder Position, in welcher sich der Betrachter in
Lichtrichtung nach dem Bildschirm befindet, unverändert gesehen. Bei Bewegung des
Betrachters kann dieser die dreidimensionale Darstellung wie in der Realität beobachten. Auf diese Weise kann entspannt mit normaler Beanspruchung der Augen und des Gehirns die dreidimensionale Darstellung realitätsgetreu beobachtet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Nachführung des Betrachterfensters Eigenschaften der Nachführeinheit derart geändert werden, dass eine objektseitige Hauptebene des optischen Systems der Nachführeinheit sich entlang der optischen Achse verschiebt. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass die Brennweite von optischen Elementen in der Nachführeinheit oder auch der Abstand der optischen Elemente zueinander geändert wird. Es ist aber ebenso möglich, dass zur Nachführung des Betrachterfensters wenigstens eine Lichtmodufationseinrichtung in Verbindung mit einem optischen Element in der Wiedergabeeinrichtung entlang der optischen Achse verschoben wird.
Werden Elemente vor der Nachführeinheit bzw. die objektseitige Hauptebene des Gesamtsystems Nachführeinheit entlang der optischen Achse verschoben, dann wird besonders vorteilhaft die Abbildung auf dem Bildschirm nicht gestört, da das Strahlenbündel in Lichtrichtung vor der Nachführeinheit kollimiert ist. Jedoch wird durch eine derartige Verschiebung die Austrittspupille der Wiedergabeeinrichtung entsprechend der Augenposition des Betrachters entlang der optischen Achse verschoben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Raumfrequenzfilter in einer Fourierebene der Wiedergabeeinrichtung ein ausgewähltes Periodizitätsintervall des Fourierspektrums eines Hologramms durchlässt.
Bei vorteilhafter Verwendung der Nachführeinheit in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung mit einer ein Hologramm aufweisenden Lichtmodulationseinrichtung ist ein Raumfrequenzfilter, insbesondere eine Blende, von großer Bedeutung, da ein- oder zweidimensionale Hologramme, die in Pixeln kodiert sind, wobei die Pixel regulär angeordnet sind, in der Fourierebene eine periodische Wiederholung des Fourierspektrums erzeugen. Zur Unterdrückung oder Ausschaltung der Periodizität kann daher vorteilhafter Weise ein Raumfrequenzfilter in dieser Ebene {Fourierebene) angeordnet sein, welcher nur die verwendete Beugungsordnung passieren lässt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren näher beschriebenen Ausführungsbeispiele prinzipmäßig erläutert. Dabei wird das Prinzip der Erfindung anhand einer holographischen Wiedergabeeinrichtung mit monochromatischem kohärentem Licht beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung kann auch für farbige holographische Rekonstruktionen vorgesehen werden oder in anderen Bereichen der Optik Anwendung finden.
Die Figuren zeigen:
Figur 1 eine prinzipmäßige Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Nachführen eines Betrachterfensters in einer holographischen Wiedergabeeinrichtung;
Figur 2 eine prinzipmäßige Darstellung der Wiedergabeeinrichtung gemäß Figur
1 bei einer Nachführung des Betrachterfensters;
Figur 3 eine Darstellung einer weiteren Möglichkeit zur Nachführung des
Betrachterfensters;
Figur 4 eine detaillierte Darstellung einer Nachführeinheit der Wiedergabeeinrichtung gemäß Figur 1 ;
Figur 5 eine detaillierte Darstellung der Nachführeinheit der Wiedergabeeinrichtung bei der Nachführung des Betrachterfensters gemäß Figur 2; und
Figur 6 eine detaillierte Darstellung der Nachführeinheit der Wiedergabeeinrichtung bei der Nachführung des Betrachterfensters gemäß Figur 3.
Einige Wiedergabeeinrichtungen, insbesondere holographische Wiedergabe- einrichtungen, bilden die entstehende Fourier-Transformierte FT bei der Rekonstruktion auf die Augenpupille eines Betrachters ab. Die Austrittspupille von diesen Wiedergabeeinrichtungen liegt dann auf der Augenpupille des Auges des Betrachters und wird als Betrachterfenster bezeichnet. Zur Beobachtung einer rekonstruierten Szene ist es daher notwendig, dass die Augenpupille mit dem virtuellen Betrachterfenster zusammenfällt, ist dies jedoch nicht der Fall, dann kommt es zur Vignettierung der rekonstruierten Szene bei der Beobachtung. Dies ist jedoch nicht erwünscht.
Aus diesem Grunde ist es notwendig, das Betrachterfenster dem Auge des Betrachters folgen zu lassen. Deshalb wird eine Vorrichtung zur Nachführung eines Betrachterfensters vorgeschlagen. Die Nachführung des Betrachterfensters erfolgt dabei entlang einer optischen Achse 1 (axiale Nachführung) einer Wiedergabeeinrichtung. Die Figur 1 wie auch die nachfolgenden Figuren zeigen dabei nur einen Ausschnitt der Wiedergabeeinrichtung, nämlich eine Vorrichtung 2 zur Nachführung des Betrachterfensters, welche eine Nachführeinheit 22 aufweist, in Verbindung mit einem als Bildschirm dienenden optischen Element 3, im nachfolgenden als Bildschirm bezeichnet. Die Nachführeinheit 22 weist dabei wenigstens zwei optische Elemente, beispielsweise Linsen und/oder Spiegel, vorteilhaft drei optische Elemente, auf, die jedoch in diesem Ausführungsbeispiel nicht dargestellt sind. Dargestellt sind lediglich die beiden Hauptebenen H und H' des Gesamtsystems Nachführeinheit 22. Die Nachführeinheit 22 weist eine objektseitige Brennweite f und eine bildseitige Brennweite f auf, wobei in der bildseitigen Brennebene der Bildschirm 3 angeordnet ist. In Lichtrichtung vor der Nachführeinheit 22 ist in der holographischen Wiedergabeeinrichtung wenigstens eine hier nicht dargestellte Lichtmodulationseinrichtung vorgesehen, welche ein Hologramm aufweist. Die Lichtmodulationseinrichtung moduliert dabei auftreffendes Licht, wobei danach über ebenfalls hier teilweise nicht dargestellte optische Elemente eine Szene rekonstruiert wird. In Lichtrichtung vor der Nachführeinheit 22 wird bei der Rekonstruktion der vorzugsweise dreidimensionalen Szene ein Bild der Lichtmodulationseinrichtung erzeugt, wobei von diesem dann ein Strahlenbündel auf die Nachführeinheit 22 fällt, welches kollimiert ist. Der Strahlengang 4 des kollimierten Strahlenbündeis ist hier gestrichelt dargestellt. Das Bild der Lichtmodulationseinrichtung wird dann auf den Bildschirm 3 abgebildet. Bei der Rekonstruktion entsteht gleichzeitig mit der Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung eine Fourier-Transformierte FT. Die Fourier-Transformierte wird dabei ebenfalls mittels der optischen Elemente innerhalb der Wiedergabeeinrichtung abgebildet. Die letzte der wiederholten Abbildungen der Fourier-Transformierten FT erfolgt mittels des Bildschirms 3 in eine Betrachterebene 6, wobei diese dort ein Betrachterfenster 7 bildet. Ein Strahlengang betreffend die Fourier-Transformierte FT ist mit dem Bezugszeichen 5 und mit durchgezogenen Linien dargestellt.
Die Vorrichtung zum Nachführen des Betrachterfensters 7 weist außerdem ein Positionserfassungssystem 8 zur Bestimmung von Augenpositionen des Betrachters in der Betrachterebene 6 auf. Das Positionserfassungssystem 8 ist mit der Nachführeinheit 22 kombiniert. Die von dem Positionserfassungssystem ermittelten Werte für die Positionen der Augen des Betrachters werden einer Steuereinrichtung 9 zugeführt, welche die Nachführeinheit 22 aktiviert bzw. ansteuert, damit eine Nachführung des Betrachterfensters 7 entlang der optischen Achse 1 der Wiedergabeeinrichtung bei Positionswechsel des Betrachters erfolgen kann. Auf diese Weise verschiebt sich ebenfalls die Betrachterebene 6 entlang der optischen Achse 1.
Eine Möglichkeit der Nachführung des Betrachterfensters 7 entlang der optischen Achse 1 wird in Figur 2 dargestellt. Der erfindungsgemäße Gedanke liegt dabei darin, die objektseitige Hauptebene H eines optischen Systems bzw. des Gesamtsystems Nachführeinheit 22 axial auf eine neue Position HN ZU verschieben, um das Betrachterfenster 7 je nach Position der Augen des Betrachters entlang der optischen Achse 1 nachzuführen. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass das Strahlenbündel entsprechend dem Strahlengang 4 in Lichtrichtung vor der Nachführeinheit 22 kollimiert ist bzw. das Bild der Lichtmodulationseinrichtung vor der Nachführeinheit 22 aus dem Unendlichen kommt. Ist dies der Fall, dann beeinflusst eine Bewegung der Hauptebene H entlang der optischen Achse 1 die Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung auf dem Bildschirm 3 nicht. Es ist jedoch zu beachten, dass die Hauptebene H' und die biidseitige Brennweite f der Nachführeinheit 22 bei einer Nachführung des Betrachterfensters 7 konstant bzw. unverändert bleiben. Der Vorteil einer Bewegung der Hauptebene H entlang der optischen Achse 1 liegt darin, dass der Strahlengang 5 sich ändert, wie durch den Strahlengang 5' nach der Nachführung erkennbar ist. Das bedeutet, dass die Abbildung der Fourier- Transformierten FT bei einer Verschiebung der Hauptebene H beispielsweise entgegengesetzt der Lichtrichtung nach links zu HN ebenfalls nicht mehr am gleichen Ort abgebildet wird, sondern an einem anderen Ort entlang der optischen Achse 1 , wie deutlich in diesem Ausführungsbeispiei erkennbar ist. Der objektseitige Brennpunkt F verschiebt sich dementsprechend nach tinks zu FN. Dadurch wird das Betrachterfenster 7 in einer Betrachterebene 6' abgebildet und somit dem Betrachter nachgeführt. Ein neues Betrachterfenster 7' in der Betrachterebene 6' entsteht nun nach der Nachführung in Lichtrichtung hinter dem Betrachterfenster 7. Dementsprechend kann auch die Hauptebene H entlang der optischen Achse 1 in Lichtrichtung nach rechts verschoben werden, um das Betrachterfenster 7 zum Bildschirm 3 hinzuführen.
Eine axiale Verschiebung der Hauptebene H erfolgt durch Änderung der Eigenschaften des optischen Systems der Nachführeinheit 22. Beispielsweise können die Abstände der optischen Elemente in der Nachführeinheit 22 zueinander geändert werden. Es ist auch möglich, die Brennweite bzw. die Brechkraft wenigstens eines optischen Elements zu ändern, beispielsweise durch Änderung der Krümmung eines als Spiegel ausgebildeten optischen Elements. Weiterhin können auch Linsen mit steuerbarer Brennweite als optische Elemente dienen, z.B. Flüssigkeitslinsen, mittels derer eine Verschiebung der Hauptebene H erzielt wird.
Eine Bestimmung der Augenposition des Betrachters erfolgt, wie oben erwähnt, mittels des Positionserfassungssystems 8, wobei die Nachführeinheit 22 über die Steuereinrichtung 9 das Betrachterfenster 7 nachführt.
in Figur 3 ist eine weitere Möglichkeit der Nachführung des Betrachterfensters 7 entlang der optischen Achse 1 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird nicht die Hauptebene H entlang der optischen Achse 1 der Wiedergabeeinrichtung verschoben, sondern vor der Vorrichtung 2 angeordnete Systemkomponenten, wie beispielsweise eine Lichtmodulationseinrichtung 11. Die Lichtmodulationseinrichtung 11 wird dabei von einer Lichtquelle 10 beleuchtet, wobei beide Systemkomponenten in Lichtrichtung vor der Nachführeinheit 22 angeordnet sind. In einem Zwischenbereich der Wiedergabeeinrichtung, welcher durch drei Punkte auf der optischen Achse 1 gekennzeichnet ist, sind weitere optische Elemente angeordnet, welche zur Abbildung und Rekonstruktion dienen. Sie sind aber für den Erfindungsgedanken unwesentlich, weshalb auf eine Darstellung verzichtet wurde. Mittels der oben erwähnten Vorgehensweise kann ebenfalls eine Nachführung des Betrachterfensters 7 erzielt werden. Wird die Lichtmodulationseinrichtung 11 verschoben, bleiben die Hauptebenen H und H' sowie die Brennweite f bei der Nachführung konstant. Der Strahlengang 5 vor der Nachführung und der Strahlengang 5' nach der Nachführung des Betrachterfensters 7 zu 1' treffen somit am gleichen Ort der optischen Achse 1 die Hauptebene H der Nachführeinheit 22. Durch eine Verschiebung von Komponenten vor der Nachführeinheit 22 wird somit ebenfalls erreicht, dass sich die Abbildung der Fourier-Transformierten FT entlang der optischen Achse 1 verschiebt (FT zu FT'). Die Lichtmodulationseinrichtung 11 wird jedoch immer am gleichen Ort, nämlich auf den Bildschirm 3, abgebildet, wie der gestrichelte Strahlengang 4 zeigt.
Die beiden oben erwähnten Möglichkeiten der axialen Nachführung des Betrachterfensters 7 beschreiben eine Nachführung vorteilhaft ohne Bewegung oder Vergrößerung der Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung 11 auf dem Bildschirm 3. Wie aus den Figuren ersichtlich, ist die Größe des Betrachterfensters 7 proportional zum Abstand zwischen dem Betrachterfenster 7 und dem Bildschirm 3 bzw. hängt die Größe des Betrachterfensters 7 vom Abstand ab.
In Figur 4 ist die Nachführeinheit 22 in detaillierter Form im Vergleich zu der Figur 1 in der Wiedergabeeinrichtung dargestellt. In diesem Ausschnitt der Wiedergabeeinrichtung ist wiederum nur die Vorrichtung 2 in Verbindung mit der Nachführeinheit 22, der Bildschirm 3 und ein Bild 11' der hier nicht dargestellten Lichtmodulationseinrichtung 11 dargestellt. Die Nachführeinheit 22 weist in diesem Ausführungsbeispiel drei optische Elemente 12, 13 und 14 auf, welche beispielsweise als Linsen, Spiegel oder ähnliche Elemente ausgeführt sind. Die optischen Elemente 12 und 13 bilden dabei ein afokales System. In einer Brennweite f-^' des optischen Elements 13 ist das optische Element 14 angeordnet. Der Bildschirm 3 ist dabei in der Brennweite f14 des optischen Elements 14 angeordnet. In Lichtrichtung vor der Nachführeinheit 22 ist ein weiteres optisches Element 15 mit einer Brennweite fi5' angeordnet, welches ebenfalls eine Linse, ein Spiegel oder ein ähnliches Element sein kann. Die Wirkungsweise dieser Wiedergabeeinrichtung ist dabei wie folgt. Die hier nicht dargestellte Lichtmodulationseinrichtung 11 wird mit Licht der Lichtquelle 10 beleuchtet und moduliert dieses entsprechend dem darin kodierten Hologramm einer zu rekonstruierenden Szene. Durch weitere optische Elemente, welche hier nicht dargestellt sind, wird die Lichtmodulationseinrichtung abgebildet, wodurch beispielsweise ein derartiges Bild 11 ' der Lichtmodulationseinrichtung vor dem optischen Element 15 entsteht. Gleichzeitig entsteht in der Wϊedergabeeinrichtung in Lichtrichtung vor dem optischen Element 15 eine Fourier-Transformierte FT {hier nicht dargestellt). Dann wird das Bild 11' der Lichtmodulationseinrichtung 11 mittels dem optischen Element 15 ins Unendliche und mittels dem optischen Element 12 in dessen bildseitige Brennebene abgebildet. Die Fourier-Transformierte FT wird dabei mittels des optischen Elements 15 in seine Brennebene abgebildet, wobei die optischen Elemente 12 und 13 der Nachführeinheit 22 diese danach in die bildseitige Brennebene des optischen Elements 13 abbilden. In dieser Ebene ist in diesem Ausführungsbeispiel das optische Element 14 angeordnet. Der Bildschirm 3, der gleichzeitig als Abbildungsmittel dient, bildet nachfolgend die Fourier-Transformierte FT in die Betrachterebene 6 ab. Die Fourier-Transformierte FT bildet in der Betrachterebene 6 das Betrachterfenster 7, durch welches der Betrachter die rekonstruierte Szene beobachten kann. Gleichzeitig zur Abbildung der Fourier- Transformierten FT wird das Bild 11 ' der Lichtmodulationseinrichtung 11 mitteis der optischen Elemente 13 und 14 aus der Brennebene des optischen Elements 12 auf den Bildschirm 3 abgebildet.
Die Nachführung des Betrachterfensters 7 ist im Detail in den folgenden Figuren 5 und 6 dargestellt.
Figur 5 zeigt dabei eine detailliertere Darstellung der Nachführeinheit 22. Der Aufbau der Wiedergabeeinrichtung in Figur 5 entspricht dabei dem Aufbau gemäß Figur 4. Jedoch wird in diesem Ausführungsbeispiel die Nachführung des Betrachterfensters 7 entlang der optischen Achse 1 gezeigt. Die Nachführung erfolgt, indem die optischen Elemente 12 und 13 der Nachführeinheit 22 entlang der optischen Achse 1 , hier entgegengesetzt der Lichtrichtung, verschoben werden. Die neue Position der optischen Elemente 12 und 13 ist mit den Bezugszeichen 12' und 13' gekennzeichnet, wobei die vorherige Position der optischen Elemente 12 und 13 gestrichelt dargestellt ist. Auf diese Weise wird, wie unter der Figur 2 beschrieben, die Hauptebene H der Nachführeinheit 22 verschoben, wobei die Brennweite f|4 und somit die Hauptebene H' konstant bleiben. In diesem Fall bedeutet das, dass das optische Element 14 nicht verschoben werden darf, damit das Bild 11 ' der Lichtmodulationseinrichtung 11 immer auf den Bildschirm 3 abgebildet wird. Das Verschieben der optischen Elemente 12 und 13 bewirkt eine Verschiebung der Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung 11 innerhalb der Nachführeinheit 22 (SLM zu SLM') und insbesondere der Fourier- Transformierten FT entlang der optischen Achse 1. Durch die Verschiebung der Fourier-Transformierten FT, welche über den Bildschirm 3 in die Betrachterebene 6 abgebildet wird, zu FT verschiebt sich dementsprechend auch das Betrachterfenster 7, das durch die Fourier-Transformierte FT gebildet wird. Das entsprechend neue Betrachterfenster T befindet sich nun in der neuen Betrachterebene 6' entsprechend der neuen Position der Augen des Betrachters.
Es ist jedoch wichtig, dass die beiden optischen Elemente 12 und 13 zusammen entlang der optischen Achse 1 verschoben werden. Auf diese Weise verändert sich die Abbildung der Lichtmodulationseinrichtung 11 auf dem Bildschirm 3 nicht.
Weiterhin ist ein Raumfrequenzfilter 16 in der hier insbesondere holographischen Wiedergabeeinrichtung vorgesehen, welcher nur ein ausgewähltes
Periodizitätsintervall des Fourierspektrums (Raumfrequenzspektrum) durchlässt. Das
Raumfrequenzfilter 16 kann als Blende ausgeführt und zwischen den optischen
Elementen 12 und 15, insbesondere in einer Fourierebene, hier in der Brennweite des optischen Elements 15, angeordnet sein. Das Raumfrequenzfilter 16 ist bei Lichtmodulationseinrichtungen mit aufweisender Pixelstruktur von großer Bedeutung, da die darin kodierten Hologramme in der Fourierebene eine periodische
Wiederholung des Fourierspektrums aufweisen. Zur Unterdrückung oder
Ausschaltung der Periodizität wird daher das Raumfrequenzfiiter 16 in einer
Fourierebene angeordnet. Das Raumfrequenzfiiter 16 lässt dabei nur die verwendete Beugungsordnung passieren.
Von Vorteil ist außerdem, dass die Reduzierung des Fourierspektrums auf eine Beugungsordnung und die Abbildung dieser Beugungsordnung sowie des Raumfrequenzfilters 16 als Betrachterfenster jegliches Übersprechen verhindern, das üblicherweise bei Rekonstruktionen unter Verwendung von matrixförmigen Lichtmodulationseinrichtungen auftritt. Damit lassen sich im Multipiex-Verfahren nacheinander ein linkes und rechtes Auge eines Betrachters ohne Übersprechen bedienen. Ebenso ist ein Muitiplex-Verfahren für mehrere Personen dadurch möglich.
Eine weitere Möglichkeit der Nachführung des Betrachterfensters 7 entlang der optischen Achse 1 zeigt Figur 6. Die Wiedergabeeinrichtung dieses Ausführungsbeispieles entspricht dabei der in Figur 4 dargestellten. In diesem Fall werden nicht die beiden optischen Elemente 12 und 13 entlang der optischen Achse 1 der Wiedergabeeinrichtung verschoben, sondern das optische Element 15 und das Raumfrequenzfiiter 16. Die beiden Elemente 15 und 16 werden dabei in Lichtrichtung entlang der optischen Achse 1 verschoben, wobei sich das Betrachterfenster 7 somit ebenfalls in Lichtrichtung verschiebt. Das neue Betrachterfenster T befindet sich nun in einem größeren Abstand zum Bildschirm 3 als das Betrachterfenster 7. Befindet sich der Betrachter in einem kleineren Abstand zum Bildschirm 3, dann ist es notwendig, das optische Element 15 und das Raumfrequenzfilter 16 in entgegengesetzter Richtung zu der Lichtrichtung zu verschieben, damit das Betrachterfenster 7 näher an den Bildschirm 3 rückt und somit die Augen des Betrachters durch das Betrachterfenster 7 die rekonstruierte Szene beobachten können.
Da das optische Element 15 verschoben wird, wird somit auch der dazugehörige objektseitige Brennpunkt dementsprechend verschoben, wodurch das Bild 11 ' der Lichtmodulationseinrichtung 11 sich ebenfalls verschiebt. Da das Bild 11 ' im Unendlichen ist, wird dieses nun von einer anderen Ebene aus, welche dem Bild 11 " auf der optischen Achse 1 entspricht, auf den Bildschirm 3 abgebildet. Der zur Abbildung des Bildes 111 gehörige Strahlengang in Figur 6 verändert sich somit nur in Lichtrichtung vor dem optischen Element 15, wie durch die beiden Strahlengänge 4 und 4' dargestellt. Die beiden Strahlengänge 5 und 5' zur Darstellung der Abbildung der Fourier-Transformierten FT sind jedoch unterschiedlich, wobei sich der Abbifdungsort der Fourier-Transformierten auf der optischen Achse 1 verändert bzw. verschiebt. Dadurch verschiebt sich auch das Betrachterfenster 7, wie bereits oben erwähnt. Auf diese Weise kann somit ebenfalls eine Nachführung des Betrachterfensters 7 bei Positionswechsel des Beobachters entlang der optischen Achse 1 der Wiedergabeeinrichtung erfolgen.
Es ist ebenso auch möglich, die Lichtmodulationseinrichtung 11 in die Betrachterebene 6 auf ein Auge des Betrachters abzubilden, wobei dann die Fourier- Transformierte FT auf den Bildschirm 3 abgebildet wird.
Selbstverständlich kann für eine derartige Wiedergabeeinrichtung auch eine laterale Nachführung des Betrachterfensters 7 vorgesehen werden. Dafür sind jedoch eventuell weitere Elemente notwendig bzw. kann es erforderlich sein, die Nachführeinheit 22 zu verändern.
Somit ist es mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren möglich, neben einer lateralen Nachführung der Austrittspupille bzw. des Betrachterfensters 7 auch eine axiale Nachführung bei Bewegung des Betrachters auf den Bildschirm 3 zu oder von ihm weg vorzusehen, ohne dass eine Vignettierung der insbesondere rekonstruierten Szene erfolgt.
Mögliche Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Nachführen eines Betrachterfensters in Verbindung mit dem Verfahren sind beispielsweise in Wiedergabeeinrichtungen, insbesondere holographische Wiedergabeeinrichtungen, für eine zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung für den Privat- und Arbeitsbereich, wie beispielsweise für Computer, Head-mounted-Displays, Mobiltelefone, Fernsehen, elektronische Spiele, Automobilindustrie zur Anzeige von Informationen oder der Unterhaltung, Medizintechnik oder auch für die Militärtechnik beispielsweise zur Darstellung von Geländeprofilen. Selbstverständlich kann die vorliegende Vorrichtung auch in anderen, hier nicht genannten Bereichen eingesetzt werden, in welchen eine Nachführung der Austrittspupille der Einrichtung notwendig ist.

Claims

Patentansprüche
1. Wiedergabevorrichtung für eine zwei- und/oder dreidimensionale Darstellung mit wenigstens einer Lichtquelle (1O)1 wenigstens einer Lichtmodulationseinrichtung (11), einem Biidschirm (3) und einer Vorrichtung
(2) zum Nachführen eines virtuellen Betrachterfensters (7) einer Betrachterebene (6), in welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet, wobei diese Vorrichtung (2) ein Positionserfassungssystem (8) zur Bestimmung von Augenpositionen des wenigstens einen Betrachters in der Betrachterebene (6), eine Nachführeinheit (22) und eine Steuereinrichtung
(9) zur Aktivierung und Steuerung der Nachführeinheit (22) aufweist und zwischen der Lichtmodulationseinrichtung (11) und dem Bildschirm (3) angeordnet ist, und wobei zum Nachführen des Betrachterfensters (7) entlang einer optischen Achse (1 ) der Wiedergabevorrichtung eine bildseitige Brennweite (f) eines optischen Systems der Nachführeinheit (22) konstant ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der bildseitige Brennpunkt (F') des optischen Systems der Nachführeinheit (22) auf dem Bildschirm (3) liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das optische System der Nachführeinheit (22) wenigstens zwei optische Elemente (12,13,14) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Raumfrequenzfilter (16) in einer Ebene, in der das Fourierspektrum der Lichtmodulationseinrichtung (11) der Wiedergabeeinrichtung vorliegt, angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfrequenzfilter (16) in Lichtrichtung vor der Nachführeinheit (22) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Betrachterfensters (7) vom Abstand zwischen der Betrachterebene (6) und dem Bildschirm (3) abhängig ist.
7. Verfahren zum Nachführen wenigstens eines virtuellen Betrachterfensters einer Betrachterebene, in welcher sich wenigstens ein Betrachter befindet, bei einer Positionsänderung des Betrachters, das mit einer Wiedergabevorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 mit folgenden Schritten erfolgt:
Erfassen von Augenpositionen des wenigstens einen Betrachters in der Betrachterebene (6) mit einem Positionserfassungssystem (8), Übermitteln der ermittelten Werte an eine Steuereinrichtung (9), Aktivieren einer Nachführeinheit (22) mittels der Steuereinrichtung (9), - Nachführen des wenigstens einen virtuellen Betrachterfensters (7) entlang einer optischen Achse (1) einer Wiedergabeeinrichtung mittels der Nachführeinheit (22), so dass eine bildseitige Brennweite (F) eines optischen Systems der Nachführeinheit (22) unverändert bleibt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Strahlenbündei (4) kollimiert auf die in Lichtrichtung vor einem als Bildschirm dienenden optischen Element (3) angeordnete Nachführeinheit (22) fällt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachführung des Betrachterfensters (7) Eigenschaften, insbesondere Brennweite,
Abstand von optischen Elementen zueinander, der Nachführeinheit (22) derart geändert werden, dass eine objektseitige Hauptebene (H) des optischen Systems der Nachführeinheit (22) sich entlang der optischen Achse (1 ) verschiebt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachführung des Betrachterfensters (7) wenigstens eine Lichtmodulationseinrichtung (1 1) in Verbindung mit einem optischen Element (15) in der Wiedergabeeinrichtung entlang der optischen Achse (1) verschoben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 7 oder 1 O1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtmodulationseinrichtung (11) auf einem als Bildschirm dienenden optischen Element (3) abgebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fourier- Transformierte (FT) eines Hologramms einer Lichtmodulationseinrichtung (11 ) auf wenigstens ein Auge des Betrachters abgebildet wird und dort das
Betrachterfenster (7) bildet.
13. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raumfrequenzfilter (16) in einer Fouherebene der Wiedergabeeinrichtung ein ausgewähltes Periodizitätsintervall des Fourierspektrums eines
Hologramms durchlässt.
14. Verfahren nach Anspruch 7 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachführung des Betrachterfensters (7) ein Bild (11 ') der Lichtmodulationseinrichtung (11), ein optisches Element (15), welches zwischen dem Bild (11 ') der Lichtmodulationseinrichtung (11) und einem Raumfrequenzfilter (16) angeordnet ist, und das Raumfrequenzfilter (16) zusammen verschoben werden.
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